(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、
前記レーザ光源を始点として空間にシリアル状、ツリー状または放射状に設定された経路上に複数配置された距離検出器と、
前記経路を返ってくる光を検出する光検出器と、
前記光検出器により検出された光を解析して前記レーザ光源と前記各距離検出器までの距離を測定する距離測定器と、
を備えた距離測定システムであって、
前記各距離検出器は、
始点側に位置する距離検出器から入射した光の一部を反射により、または反射および屈折により当該始点側に位置する距離検出器に返し、残りの一部を透過、屈折または反射、またはこれらの組み合わせにより先端側に位置する距離検出器に送り、
前記先端側に位置する距離検出器から返された光を透過、屈折または反射、またはこれらの組み合わせにより前記始点側に位置する距離検出器を介して前記光検出器に返す、
ことを特徴とする距離測定システム。
【請求項２】
前記経路を始点側に位置する距離検出器から先端側に位置する距離検出器に向かう光と、前記経路を先端側に位置する距離検出器から始端側に位置する距離検出器に向けて戻る光とが空間的に分離していることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の距離測定システム。
【請求項３】
前記経路を始点側に位置する距離検出器から先端側に向かう光と、前記経路を先端側に位置する距離検出器から始端側に向けて戻る光とが空間的に重なっていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の距離測定システム。
【請求項４】
前記距離検出器は、
始点側に位置する距離検出器から入射された光を当該距離検出器に返すコーナリフレクタ、および／または、
先端側に位置する距離検出器から入射された光を半透鏡、またはさらに反射鏡を介して始点側の距離検出器に返すコーナリフレクタ、
からなる光学部材を備えていることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の距離測定システム。
【請求項５】
前記経路の終端の距離検出器は、始点側に位置する距離検出器から入射した光の全部を反射により当該始点側に位置する距離検出器を介して前記光検出器に返すことを特徴とする請求の範囲第１項から第４項の何れかに記載の距離測定システム。
【請求項６】
前記距離測定器による検出結果を送信する送信機を備え、前記距離検出器の少なくとも１つに光軸修正装置が設けられてなる距離測定システムにおいて、
前記光軸修正装置は、
前記送信機からの前記検出結果を受信する受信機と、
前記受信機により受信した前記検出結果に基づき、
先端側に位置する距離検出器に向けて出射される光が、当該距離検出器の入射可能ゾーンに照射されるように光学部材を制御し、かつ／または、
始端側に位置する距離検出器が出射する光が、光軸修正装置の入射可能ゾーンに照射されるように光学部材を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする請求の範囲第１項から第５項の何れかに記載の距離測定システム。
【請求項７】
前記距離検出器が前記経路の終端の距離検出器であるときは、
始端側に位置する距離検出器が出射する光が、光軸修正装置の入射可能ゾーンに照射されるように光学部材を制御する、
ことを特徴とする請求の範囲第６項に記載の距離測定システム。
【請求項８】
前記制御部は、
出射光軸または／および入射光軸が所定の方位を向くように制御する光軸方位調整機構、または／および、
出射光軸が当該光軸の方位を変えずに当該光軸に垂直な面を移動するように制御する光軸位置調整機構を備えたことを特徴とする請求の範囲第６項または第７項に記載の距離測定システム。
【請求項９】
前記制御部は、距離検出器の入射部と出射部とを別々に制御することを特徴とする請求の範囲第６項から第８項の何れかに記載の距離測定システム。
【請求項１０】
前記経路の一部が大気に開放して設定されてなる距離測定システムであって、
複数の距離検出器間が光ファイバー光路により形成され、当該光ファイバー光路の途中には距離検出器を有さないように構成された部分経路が、全経路中に少なくとも１つ設定され、
前記光ファイバー光路の端部は、それぞれ距離検出器としても機能するファイバーコリメータを介して大気に開放していることを特徴とする請求の範囲第１項から第９項の何れかに記載の距離測定システム。
【請求項１１】
前記光検出器は、
変調周波数を生成する変調器と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光が光路を反射して戻ってきたときの当該レーザ光を増幅する第１光増幅器と、
前記第１光増幅器からのレーザ光と、前記参照用レーザ光源からのレーザ光とを結合する光カプラと、
前記光カプラからのレーザ光を増幅する第２光増幅器と、
前記第２光増幅器からのレーザ光を受光し２光子吸収により電気出力を発生する光センサと、
を備え、
前記距離測定器は、
前記光検出器の出力信号に含まれる正弦波成分を抽出して、前記レーザ光源の光路を反射して戻ってくる光の反射位置に対応する周波数成分を検出する周波数検出器と、
前記変調器を制御する制御装置と、
を備えたことを特徴とする請求の範囲第１項から第１０項の何れかに記載の距離測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地震による地盤の変動測定、土木・建築分野における測量に使用される、レーザ光源から距離検出器までの距離あるいは位置検出器間の距離、あるいは光通信に使用する光ファイバーの破断点の位置を高精度で測定できる距離測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ光を用いて空間的距離を測定する距離測定装置が知られている。
たとえば、距離測定装置７は、図１５に示すようにレーザ光源７１からのレーザ光を光変調器７２により変調し、これを変調光Ｂ０１として出射し、ハーフミラー７３を介して距離測定対象Ｏに照射し、その反射光Ｂ１１を光検出器７４により検出し、電気信号として出力する。
そして、ミキサ７５により、光変調器７２を駆動する発振器７６からの信号と局部発振器７７からの信号とを合成するともに、ミキサ７８により局部発振器７７からの信号と光検出器７４からの信号とを合成する。ミキサ７５とミキサ７８との出力信号の位相を位相比較器７９により比較して、両信号の位相差から距離測対象Ｏまでの距離を測定する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、図１５の距離測定装置７では、位相を検出しているため、２πの整数倍の不確定さが生じる。このため、距離測対象Ｏまでの、おおよその距離がわかっていないと測定ができない。また、距離測定装置７では、位相を検出するため電気回路が複雑化し高価となる。
さらに、図１５の測定装置では、レーザ光源７１と距離測対象Ｏとの距離だけしか測定することはできず、レーザ光源７１と他の距離測定対象との距離を測定するには、レーザ光の経路を切り換えなければならず、実質上、レーザ光源７１を用いて複数の距離測定対象との距離を同時に測定することはできない。
そこで、本発明者らは、同一周波数で変調される２つの異なる周波数のレーザ光源を備え、２光子吸収（ＴＰＡ：Ｔｗｏ−Ｐｈｏｔｏｎ  Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）により２つの光路の経路長差を高精度で検出する距離測定技術を提案した（ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ｖｏｌ．１７  Ｎｏ．１２  ｐｐ２６８２−２６８４，ＤＥＣＥＭＢＥＲ  ２００５参照）。
この距離測定技術では、２つの光路の経路長差を、変調周波数の正弦波の周期として検出することができる。しかし、これらの距離測定技術で使用する光強度変調器（ＬＮ基板により作製される）や光波長フィルタは構造が複雑であるうえ価格が高い。
本発明は、レーザ光源を使用して、レーザ光源から複数地点までの距離、あるいは２点間の距離を高精度に同時に測定することができる構成が簡単で
距離測定システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の距離測定システムは以下を要旨とする。
（１） レーザ光源と、
前記レーザ光源を始点として空間にシリアル状、ツリー状または放射状に設定された経路上に複数配置された距離検出器と、
前記経路を返ってくる光を検出する光検出器と、
前記光検出器により検出された光を解析して前記レーザ光源と前記各距離検出器までの距離を測定する距離測定器と、
を備えた距離測定システムであって、
前記各距離検出器は、
始点側に位置する距離検出器から入射した光の一部を反射により、または反射および屈折により当該始点側に位置する距離検出器に返し、残りの一部を透過、屈折または反射、またはこれらの組み合わせにより先端側に位置する距離検出器に送り、
前記先端側に位置する距離検出器から返された光を透過、屈折または反射、またはこれらの組み合わせにより前記始点側に位置する距離検出器を介して前記光検出器に返す、
ことを特徴とする距離測定システム。
距離検出器による距離検出は、具体的には従来の飛行時間法や光変調法（前述した図１５参照）による距離測定技術を用いることができる。
本発明では、監視局に（レーザ光源の出力側に）、基準検出器を設けることができ、この基準検出器と他の距離検出器との間の距離を、距離測定器により検出することができる。
すなわち、距離測定器は、基準検出器に対応する周波数成分と他の距離検出器に対応する周波数成分から、両検出器間の距離を検出することができる。
本発明では、各距離検出器の距離変位（両検出器間の距離変位）を知ることができるので、各距離検出器の初期位置（座標）が予めわかっていれば、地震等があったときに、簡単に変位後の位置（座標）を知ることができる。
また、同一の変調周波数で変調される２つの異なる周波数のレーザ光源と、２光子吸収フォトセンサとを含んで構成される本発明者らにの提案にかかる距離測定技術（ＩＥＥＥ ＰｈｏｔｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．１７ Ｎｏ．１２ ｐｐ２６８２−２６８４，ＤＥＣＥＭＢＥＲ ２００５）を用いることもできる。
（２） 前記経路を始点側に位置する距離検出器から先端側に位置する距離検出器に向かう光と、前記経路を先端側に位置する距離検出器から始端側に位置する距離検出器に向けて戻る光とが空間的に分離していることを特徴とする（１）に記載の距離測定システム。
（３） 前記経路を始点側に位置する距離検出器から先端側に向かう光と、前記経路を先端側に位置する距離検出器から始端側に向けて戻る光とが空間的に重なっていることを特徴とする（１）に記載の距離測定システム。
（４） 前記距離検出器は、
始点側に位置する距離検出器から入射された光を当該距離検出器に返すコーナリフレクタ、および／または、
先端側に位置する距離検出器から入射された光を半透鏡、またはさらに反射鏡を介して始点側の距離検出器に返すコーナリフレクタ、
からなる光学部材を備えていることを特徴とする（１）または（２）に記載の距離測定システム。
（５） 前記経路の終端の距離検出器は、始点側に位置する距離検出器から入射した光の全部を反射により当該始点側に位置する距離検出器を介して前記光検出器に返すことを特徴とする（１）から（４）の何れかに記載の距離測定システム。
（６） 前記距離測定装器による検出結果を送信する送信機を備え、前記距離検出器の少なくとも１つに光軸修正装置が設けられてなる距離測定システムにおいて、
前記光軸修正装置は、
前記送信機からの前記検出結果を受信する受信機と、
前記受信機により受信した前記検出結果に基づき、
先端側に位置する距離検出器に向けて出射される光が、当該距離検出器の入射可能ゾーンに照射されるように光学部材を制御し、かつ／または、
始端側に位置する距離検出器から出射される光が、自装置の入射可能ゾーンに照射されるように光学部材を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする（１）から（５）の何れかに記載の距離測定システム。
（７） 前記距離検出器が前記経路の終端の距離検出器であるときは、
始端側に位置する距離検出器が出射する光が、光軸修正装置の入射可能ゾーンに照射されるように光学部材を制御する、
ことを特徴とする（６）に記載の距離測定システム。
（８） 前記制御部は、
出射光軸または／および入射光軸が所定の方位を向くように制御する光軸方位調整機構、または／および、
出射光軸が当該光軸の方位を変えずに当該光軸に垂直な面を移動するように制御する光軸位置調整機構を備えたことを特徴とする（６）または（７）に記載の距離測定システム。
（９） 前記制御部は、距離検出器の入射部と出射部とを別々に制御することを特徴とする（６）から（８）の何れかに記載の距離測定システム。
（１０） 前記経路の一部が大気に開放して設定されてなる距離測定システムであって、
複数の距離検出器間が光ファイバー光路により形成され、当該光ファイバー光路の途中には距離検出器を有さないように構成された部分経路が、全経路中に少なくとも１つ設定され、
前記光ファイバー光路の端部は、それぞれ距離検出器としても機能するファイバーコリメータを介して大気に開放していることを特徴とする（１）から（９）の何れかに記載の距離測定システム。
（１１） 前記距離測定器は、
前記光検出器は、
変調周波数を生成する変調器と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光が光路を反射して戻ってきたときの当該レーザ光を増幅する第１光増幅器と、
前記第１光増幅器からのレーザ光と、前記参照用レーザ光源からのレーザ光とを結合する光カプラと、
前記光カプラからのレーザ光を増幅する第２光増幅器と、
前記第２光増幅器からのレーザ光を受光し２光子吸収により電気出力を発生する光センサと、
を備え、
前記距離測定器は、
前記光検出器の出力信号に含まれる正弦波成分を抽出して、前記レーザ光源の光路を反射して戻ってくる光の反射位置に対応する周波数成分を検出する周波数検出器と、
前記変調器を制御する制御装置と、
を備えたことを特徴とする（１）から（１０）の何れかに記載の距離測定システム。
前述した本発明者らによる距離測定技術（ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．１７Ｎｏ．１２ ｐｐ２６８２−２６８４，ＤＥＣＥＭＢＥＲ ２００５）では、２つのレーザ光源からの光を合波してこれを変調する光強度変調器と、それらを分離する光波長フィルタが必要になる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】本発明の距離測定システムの基本構成を示す説明図である。
【図２】（Ａ）はレーザ光源を始点として空間にツリー状に設定された経路に距離検出器が複数配置された様子を示す図、（Ｂ）は同じく放射状に形成された経路に距離検出器が複数配置された様子を示す図である。
【図３】（Ａ），（Ｂ）は距離検出器の具体的な構成を示す図である。
【図４】（Ａ），（Ｂ）は距離検出器の他の具体的な構成を示す図である。
【図５】図１の距離測定システム１に可視波長レーザ光源を備えた例を示す図である。
【図６】本発明の第１実施例を示すブロック図である。
【図７】本発明の第２実施例を示すブロック図である。
【図８】（Ａ）は距離検出器の正面説明図、（Ｂ）は距離検出器の側面説明図、（Ｃ）は光軸修正装置の概要を示すブロック図である。
【図９】（Ａ）は経路Ｐを直線状に設定するときの距離検出器の説明図、（Ｂ）は経路Ｐを放射上に設定するときの置検出器の説明図である。
【図１０】本発明の第３実施例を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第４実施例を示すブロック図である。
【図１２】（Ａ）は本発明の第５実施例を示すブロック図、（Ｂ）は反射光の検出成分のスペクトラム図である。
【図１３】本発明の第６実施例を示すブロック図である。
【図１４】本発明の第７実施例を示すブロック図である。
【図１５】従来技術の説明図である。
【０００６】
〔発明の効果〕
本発明によれば、レーザ光源から複数地点までの距離（レーザ光源から距離検出器までの距離）、あるいは経路上で隣接する距離検出器間の距離を高精度に同時に測定することができる。
特に本発明は、地震等による地盤の変位測定、トンネル工事における掘削したトンネル長の測定、建築中の建造物における測量といった土木・建築分野での高精度距離・変位測定に有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１により、本発明の距離測定システムを説明する。
図１において、距離測定システム１は、レーザ光源１１と、距離検出器１２と、光検出器１３と、距離測定器１４とを備えている。図１では、レーザ光源１１、光検出器１３および距離測定器１４は監視局１００に設置されている。
距離検出器（図１では、符号１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅで示す５つの距離検出器）がレーザ光源１１を始点として空間に分岐（ツリー状に）して配置されている様子を示している。
距離検出器１２は、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、レーザ光源１１を始点として空間にツリー状または放射状に設定された経路Ｐ上に複数配置することもできる。図２（Ａ），（Ｂ）では、距離検出器をＴｎ（ｎ＝１，２，３，・・・）で示してある。経路Ｐは、往路と復路とが空間的に分離した二重ビームにより構成してもよいし、単ビームにより構成してもよい。
距離検出器１２は、分岐点には、後述するようにプリズム、コーナリフレクタ、半透鏡、経路Ｐの一部が光ファイバーにより構成された場合には光ファイバーの端面等により構成することができる。また、プリズム、コーナリフレクタ、半透鏡、全反射鏡のうちの全部または一部を組み合わせて一体に作製した光学部材を、距離検出器１２（図１では、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ）として使用することもできる。
たとえば、距離検出器１２ｂは、始点側に位置する距離検出器１２ａから入射した光の一部を反射（または反射および屈折）により距離検出器１２ａに返し、残りの一部を透過、屈折または反射（またはこれらの組み合わせ）により距離検出器１２ｃ，１２ｄ，１２ｅに送る。また、距離検出器１２ｂは、距離検出器１２ｃ，１２ｄ，１２ｅから返された光を透過、屈折または反射（またはこれらの組み合わせ）により距離検出器１２ａを介して光検出器１３に返す。
始点（レーザ光源１１）から距離検出器１２ａ，１２ｂを介して距離検出器１２ｄ，１２ｅに向かう経路Ｐｆと、距離検出器距離検出器１２ｄ，１２ｅから距離検出器１２ｂ，１２ａを介して始点に返る経路Ｐｂとを空間的に分離することができる。この場合、たとえば距離検出器１２ｂは、距離検出器１２ａから入射される光を距離検出器１２ａに返すコーナリフレクタを備えるように構成できる。
具体的には、距離検出器１２ａ、距離検出器１２ｂは、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、コーナリフレクタＣと半透鏡ＨとプリズムＰＲとが一体となった光学部材により構成することができる。また、距離検出器１２ｃも、図４（Ａ）に示すように、コーナリフレクタＣと半透鏡ＨとプリズムＰＲとが一体となった光学部材により構成することができる。距離検出器１２ｄ，１２ｅは、図４（Ｂ）に示すように、コーナリフレクタＣにより構成することができる。光検出器１３は、経路Ｐを返ってくる光を検出する。
距離測定器１４は、光検出器１３により検出された光を解析して、始点（レーザ光源１１）から距離検出器１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅまでの距離を測定する。
本発明においては、距離検出器や、経路中の光学部品は、分岐・結合素子、光導波路、ファイバーカプラ、レンズ、半透鏡等の組合せにより構成することができる。
図５は、図１の距離測定システム１に可視波長レーザ光源１１ａ，プリズム１１ｂ，１１ｃを備えた例を示す図である。レーザ光源１１が発生するレーザ光が不可視である場合、たとえば、距離測定システム１の設置の際や、経路Ｐを変更するような場合には、光源をレーザ光源１１から可視波長レーザ光源１１ａに切り換えておく。これにより、作業員は、レーザ光源１１ａからの可視レーザ光により距離検出器１２の位置や姿勢の調整を行うことができる。
【実施例】
【０００８】
《第１実施例》
図６は、本発明の第１実施例を示すブロック図である。図６に示す距離測定システム２は、レーザ光源２１と、距離検出器２２と、光検出器２３と、距離測定器２４とからなる。本実施形態では、光センサ２３５は、第２光増幅器２３４からのレーザ光Ｂ３を受光し２光子吸収（ＴＰＡ）する。
レーザ光源２１は、半導体レーザ２１１とファイバーコリメータＦＣ１とを備えており、本実施例では、ファイバーコリメータＦＣ１は経路Ｐの始点となる。本実施例では、半導体レーザ２１１（第１レーザ光源）はＶＣＯ（電圧制御発振器：制御装置２４２により制御される）により直接変調される。
図６では、経路Ｐ上に符号２２１Ａ，２２１Ｂ，２２１Ｃで示す３つの距離検出器（それぞれ光学部材を備えている）が示されている。
実際には、始点から最も遠い距離検出器に至るまでの経路Ｐの長さは、数十ｍから数ｋｍとすることができる。また、距離検出器２２は、経路Ｐ上に２つ以上（たとえば、数十個とすることもできる）が形成される。
光検出器２３は、ファイバーコリメータＦＣ２と、参照用半導体レーザ（第２レーザ光源）２３１と、光カプラ２３３と、第１光増幅器２３２と、第２光増幅器２３４と、光センサ２３５とからなる。
ファイバーコリメータＦＣ２は、経路Ｐを返ってくる光を取り込むことができる。
参照用半導体レーザ２３１は、前述したＶＣＯにより、半導体レーザ２１１と同時に直接変調される。半導体レーザ２１１と、参照用半導体レーザ２３１とは、異なる波長λ１，λ２のレーザ光Ｂ０１，Ｂ０２を発生する。
本実施例では、半導体レーザ２１１の波長λ１は１５５０ｎｍであり、参照用半導体レーザ２３１の波長λ２は１５５２ｎｍであり、半導体レーザ２１１，参照用半導体レーザ２３１は、ＶＣＯにより所定の変調周波数（たとえば１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚまで、５０ｋステップ）で掃引される。
第１光増幅器２３２は、ファイバーコリメータＦＣ２により取り込まれた、光路Ｐを戻ってくる反射光Ｂ１１を増幅することができる。この反射光Ｂ１１には、距離検出器２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃで反射されて戻ってくる光が含まれている。第１光増幅器２３２の後段には、図示はしないがバンドパスフィルタを設けることができる。
光カプラ２３３は、参照用半導体レーザ２３１からのレーザ光Ｂ０２および第２光増幅器２３２からのレーザ光Ｂ１１を入射し、これらを結合してレーザ光Ｂ３として出射する。
第２光増幅器２３４は、光カプラ２３３からのレーザ光Ｂ３を増幅する。第２光増幅器２３４の後段には、図示はしないが増幅された自然放出光（ＡＳＥ）を除去するためのバンドパスフィルタを設けることができる。
光センサ２３５は、第２光増幅器２３４からのレーザ光Ｂ３を受光し２光子吸収（ＴＰＡ）する。光センサ２３５は、たとえばアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）により構成することができ、第２光増幅器２３４からのレーザ光を受光し２光子吸収する。
光センサ２３５は、温度制御素子（ここではペルチェ素子２００）により一定温度に制御することが好ましい。これにより、ＳＮ比を大きくすることができる。
距離測定器２４は、周波数検出器２４１と、制御装置２４２とから構成できる。周波数検出器２４１は、たとえば専用プロセッサにより構成でき、光センサ２３５の出力信号（電気信号）に含まれる正弦波を抽出して、経路Ｐを戻ってくる光の反射位置に対応する周波数成分を検出する。
具体的には、制御装置２４２は、周波数検出器２４１からの検出結果をディスプレイに表示させることができる。なお、周波数検出器２４１の機能を制御装置２４２が奏するようにもできる。なお、制御装置２４２は、半導体レーザ２１１および参照用半導体レーザ２３１に接続されたＶＣＯを制御している。
本実施例の距離測定システム２により、たとえば始点から距離検出器２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃまでの距離を正確に（たとえば、１０００ｍの距離の変位を数ｍｍの誤差で）求めることができる。
《第２実施例》
図７は、光軸修正装置が備えられた距離測定システム２を示している。
図８（Ｃ）に示すように光軸修正装置４は、距離検出器２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃに設けられた制御部２２３と送受信機２２４とから構成されている。制御部２２３は、制御回路２２５と位置姿勢修正機構２２２とからなる。なお、図７においては、光軸修正装置４および制御部２２３は符号で示していない。
図８（Ｃ）にも示すように、監視局１００の距離測定器２４に設けられた制御装置２４２は、周波数検出器２４１による検出結果（光強度）を、送受信機２４３に渡し、送受信機２４３はこれを、距離検出器２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃの送受信機２２４に送信する。
制御回路２２５は、位置姿勢修正機構２２２により光軸を空間上で走査させつつ、送受信機２２４が受信した検出結果（光強度）をリアルタイムで比較し、最も光強度が強い向きに、図８（Ｂ）に示す光軸Ｌを向けることができる。
本実施例では、制御回路２２５は、位置姿勢修正機構２２２を駆動することにより、図８（Ａ），（Ｂ）に示した光学部材２２１の位置姿勢変数値Ｘ，Ｚ，θ，φを制御することができる（図８（Ｃ））。なお、θ、φの制御は周知のピエゾ素子等によるアクチュエータにより実現でき、Ｘ，Ｚの制御ははモータ等の機構により実現できる。なお、図８（Ａ），（Ｂ）では、説明をわかり易くするために、光学部材２２１がコーナリフレクタである距離検出器２２Ｂ，２２Ｃを示してある。
図８（Ｃ）に示したような光軸修正装置４を使用することにより、たとえば距離検出器２２Ａの制御部２２３は、距離検出器２２Ｂ，２２Ｃに向けて出射される光が、それら距離検出器の入射可能ゾーンに照射されるように光学部材２２１を制御し、かつ／または、距離検出器２２Ｂ，２２Ｃから出射された光が、自検出器（２２Ａ）の入射可能ゾーンに入射されるように光学部材２２１を制御することができる。
なお、図７に示した距離検出器２２Ｂ，２２Ｃのように距離検出器が経路Ｐの終端に位置しているときは、図８（Ｃ）の光軸修正装置４の制御部２２３は、始点側に位置する距離検出器（図８（Ｃ）の例では２２Ａ）に向けて出射される光が、その距離検出器（２２Ａ）の入射可能ゾーンに照射されるように光学部材２２１を制御することができる。
本実施例の距離測定システム２によっても、たとえば始点から距離検出器２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃまでの距離を正確に求めることができる。
図６および図７の距離測定システム２において、経路Ｐを直線上に構成するときは、図９（Ａ）に示すように、距離検出器として、３枚のガラス板を３角錐の３面となるように貼り合わせた形状のコーナリフレクタを使用することができる。この光学部材の光が出射する側の面には反射防止膜Ｆが形成される。図９（Ａ）では上記コーナリフレクタを符号２２Ａ，２２Ｂで示し、通常のバルクガラスからなるコーナリフレクタを符号２２Ｃで示す。
経路Ｐを放射上に構成するときは、図９（Ｂ）に示すように、レーザ光源２１からの出射光を光分岐器ＳＰＬにより分岐し、経路Ｐを戻ってきた光を光結合器ＣＰＬにより結合して光検出器２３にる処理を行うようにしてもよい。
《第３実施例》
図１０は、単一ビームの系からなる本発明の第３実施例を示すブロック図である。図１０に示す距離測定システム５は、レーザ光源５１と、距離検出器５２と、光検出器５３と、距離測定器５４とからなる。
レーザ光源５１は、半導体レーザ２１１を有している。本実施例では、サーキュレータＣの後段にファイバーコリメータＦＣが設けられている。ファイバーコリメータＦＣは、経路Ｐの始点であるとともに、経路Ｐを戻ってくる光の取り込み口としても機能する。
ファイバーコリメータＦＣ（または、サーキュレータＣ）を始点とする経路Ｐの途中には、距離検出器５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄが設けられている。距離検出器５２Ａは、プリズムにより構成され始点側の面に半透鏡Ｈが形成されている。距離検出器５２Ａは、一部を始点側に返し、残りを透過させ、さらに距離検出器５２Ｂ側と距離検出器５２Ｄとに向けて分岐させる。
距離検出器５２Ｂは半透鏡により構成され、一部を始点側に返し、残りを距離検出器５２Ｃに向けて透過させる。距離検出器５２Ｃ，５２Ｄは全反射鏡により構成されている。
光検出器５３の構成は、ファイバーコリメータＦＣおよびサーキュレータＣを介して経路Ｐを戻ってくる光を取り込む点が図６に示した光検出器２３の構成と異なるが、その他の構成は光検出器２３と同じである。距離測定器５４の構成は図６に示した距離測定器２４の構成と同じである。
距離測定システム５によっても、図６の距離測定システム２と同様、たとえば始点から距離検出器５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄまでの距離を正確に求めることができる。
図示はしないが、距離測定システム５に図７に示したと同様の光軸修正装置４を組み込むことができる。
《第４実施例》
図１１は、本発明の第４実施例を示すブロック図である。図１１に示す距離測定システム６は、レーザ光源６１と、距離検出器６２と、光検出器６３と、距離測定器６４とからなる。
レーザ光源６１、光検出器６３および距離測定器６４の構成は、図１０に示したレーザ光源５１、光検出器５３および距離測定器５４の構成と同じである。
本実施例では、経路Ｐの一部が大気に開放して形成され、残りの経路が光ファイバーにより形成されている。すなわち、本実施例では、ファイバーコリメータに接続された光ファイバーの端面（図１１では、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ５，Ｔ６，Ｔ７）が半透鏡として機能し、経路Ｐの終端（図１１では、Ｔ４，Ｔ８）は反射鏡Ｍにより構成されている。本実施例では、Ｔ１からＴ８が距離検出器として機能する。なお、本実施例では、Ｔ２から先端側に向かう経路は、光分路器（光カプラ）に２分されてＴ３，Ｔ５のファイバーコリメータに接続されている。
図１１では、ＦＣ−Ｔ１間、Ｔ２−Ｔ３間、Ｔ２−Ｔ５間、Ｔ６−Ｔ７間が部分経路を構成している。この部分経路は、途中に距離検出器を有さないように構成されている。
本実施例の距離測定システム６は、大気に開放しているＴ１−Ｔ２間、Ｔ３−Ｔ４間、Ｔ５−Ｔ６間，Ｔ７−Ｔ８間の距離、およびその変位を正確に測定することができる。
《第５実施例》
図１２（Ａ）は本発明の距離測定システムの、第５実施例を示す説明図である。本実施例でも２光子吸収（ＴＰＡ）を利用している。
図１２（Ａ）において、距離測定システム１Ａは、第１レーザ光源３０１および第２レーザ光源３０２と、光変調器光カプラ３４と、第１光増幅器３５１と、第２光増幅器３５２と、光センサ３６と、周波数検出器３７とを備えている。
第１レーザ光源３０１と第２レーザ光源３０２は、何れも半導体レーザを用いることができる。これらは異なる光周波数のレーザ光を発生し、２つのレーザ光は、変調器（ＶＣＯ（電圧制御発振器））により同一の変調周波数で変調される。第１レーザ光源３０１と第２レーザ光源３０２は、異なる周波数のレーザ光Ｂ１０，Ｂ２０を出射する。
本実施例では、第１レーザ光源３０１の周波数はｆ１（波長λ１：１５５０ｎｍ）であり、第１レーザ光源３０２の周波数はｆ２（波長λ２：１５５２ｎｍ）である。変調周波数は、たとえば１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚまで、５０ｋＨｚステップで掃引される。
第１光増幅器３５１は、第１レーザ光源３０１の光路を反射して戻ってくる反射光Ｂ１１を増幅することができる。第１光増幅器３５１の後段には、図示はしないが反射光Ｂ１１を通過させるバンドパスフィルタを設けることができる。
光カプラ３４は、第２レーザ光源３０２からのレーザ光Ｂ２０および第２光増幅器３５１からのレーザ光Ｂ１１を結合する。
第２光増幅器３５２は、光カプラ３４からのレーザ光Ｂ３を増幅する。第２光増幅器３５２の後段には、図示はしないが増幅された自然放出光（ＡＳＥ）を除去するためのバンドパスフィルタを設けることができる。
光センサ３６は、第２光増幅器３５２からのレーザ光を受光し２光子吸収（ＴＰＡ）する。光センサ３６は、たとえばアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）により構成することができる。光センサ３６は、温度制御素子（ここではペルチェ素子２００）により一定温度に制御されている。これにより、ＳＮ比を大きくすることができる。
周波数検出器３７は、たとえば専用プロセッサにより構成でき、光センサ３６の出力信号（電気信号）に含まれる正弦波を抽出して、第１レーザ光源３０１の光路を反射して戻ってくる光の反射位置に対応する周波数成分を検出する。
図１２（Ａ）では、周波数検出器３７は、制御装置２に接続され、制御装置２は、第１レーザ光源３０１および第２レーザ光源３０２に接続されたＶＣＯを制御している。
周波数検出器３７は、たとえば専用プロセッサにより構成でき、光センサ３６の出力信号（電気信号）に含まれる正弦波を抽出して、第１レーザ光源３０１の光路を反射して戻ってくる光の反射位置に対応する周波数成分を検出する。
具体的には、反射光の検出成分（電流値ｉ）は、
ｉ∝ｉｂｉａｓ＋Ｅ１Ｅ２αβｃｏｓωｍ（２ｎＬ／ｃ）
で表される。
ここで、ｉｂｉａｓは直流バイアス値、Ｅ１は第１レーザ光源３０１の強度、Ｅ２は第２レーザ光源３０２から出射されたレーザ光の光強度、ωｍは変調周波数、ｃは光速、ｎは正の整数、Ｌは第１レーザ光源３０１から反射位置までの距離、α，βは１以下の正の数である。
反射光の検出成分のスペクトラム図（図１２（Ｂ）参照：横軸を反射点までの距離Ｌとした図と等価）により、光の反射位置を検出することができる。
この距離検出は、複数の距離検出器までの距離を同時に計測できる。
図３では、周波数検出器３７は、制御装置２に接続され、制御装置２は、第１レーザ光源３０１および第２レーザ光源３０２に接続されたＶＣＯを制御している。
《第６実施例》
図１３は本発明の距離測定システムの第６実施例を示す説明図である。図１３において、距離測定システム１Ｂは、距離または距離の変動を測定するものであり、第１レーザ光源４０１および第２レーザ光源４０２と、ファイバーコリメータ４１１，４１２と、コーナリフレクタ４２と、光第１光増幅器４５１と、光カプラ４４と、第２光増幅器４５２と、光センサ４６と、周波数検出器４７とからなる。
第１レーザ光源４０１と第２レーザ光源４０２は、何れも半導体レーザを用いることができる。これらは異なる光周波数のレーザ光を発生し、２つのレーザ光は、変調器（ＶＣＯ（電圧制御発振器））により同一の変調周波数で変調される。第１レーザ光源４０１と第２レーザ光源４０２は、異なる周波数のレーザ光Ｂ１０，Ｂ２０を出射する。本実施例では、第１レーザ光源４０１の周波数はｆ１（波長λ１：１５５０ｎｍ）であり、第１レーザ光源４０２の周波数はｆ２（波長λ２：１５５２ｎｍ）である。変調周波数は、たとえば１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚまで、５０ｋＨｚステップで掃引される。
コーナリフレクタ４２は、第１レーザ光源４０１からのレーザ光Ｂ１０を反射する。
ファイバーコリメータ４１１は光ファイバーを伝播する第１レーザ光源４０１からの光をコーナリフレクタ４２に向けて光ビームとして空間に放出し、ファイバーコリメータ４１２はコーナリフレクタ４２から反射してくるレーザ光Ｂ１１を光ファイバーに取り込む。レーザ光Ｂ１１は第１光増幅器４５１により増幅される。なお図示はしないが、第１光増幅器４５１の後段にはバンドパスフィルタを設けることができる。
光カプラ４４は、第２レーザ光源４０２からのレーザ光Ｂ２０およびファイバーコリメータ４１２からのレーザ光Ｂ１１を結合する。
光増幅器４５２は、光カプラ４４からのレーザ光Ｂ３を増幅する。光増幅器４５２の後段には、図示はしないが、増幅された自然放出光（ＡＳＥ）を除去するためのバンドパスフィルタが設けられている。
光センサ４６は、たとえばアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）により構成することができ、光増幅器４５２からのレーザ光を受光し２光子吸収する。
光センサ４６は、温度制御素子（ここではペルチェ素子１００）により一定温度に制御されている。これにより、ＳＮ比を大きくすることができる。
周波数検出器４７は、光センサ４６の出力信号に含まれる正弦波成分を抽出して、レーザ光Ｂ１１に含まれる第１レーザ光源４１１からコーナリフレクタ４２までの距離に対応する周波数成分を検出する。
図１３では、周波数検出器４７は、制御装置２に接続され、制御装置２は、第１レーザ光源４０１および第２レーザ光源４０２に接続された電圧制御発振器ＶＣＯを制御している。
《第７実施例》
図１４は本発明の距離測定システムの第７実施例を示す説明図である。図１４において、距離測定システム１Ｃは、光ファイバーの破断点までの距離を検出するもので、第１レーザ光源５０１および第２レーザ光源５０２と、光ファイバー５１と、光分離器（光サーキュレータ）５３と、光カプラ５４と、第１光増幅器５５１、第２光増幅器５５２と、光センサ５６と、周波数検出器５７とからなる。
第１レーザ光源５０１と第２レーザ光源５０２は、何れも半導体レーザを用いることができる。これらは異なる光周波数のレーザ光を発生し、２つのレーザ光は、変調器（ＶＣＯ（電圧制御発振器））により同一の変調周波数で変調される。第１レーザ光源５０１と第２レーザ光源５０２は、異なる周波数のレーザ光Ｂ１０，Ｂ２０を出射する。本実施例では、第１レーザ光源５０１の周波数はｆ１（波長λ１：１５５０ｎｍ）であり、第１レーザ光源５０２の周波数はｆ２（波長λ２：１５５２ｎｍ）である。変調周波数は、たとえば１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚまで、５０ｋＨｚステップで掃引される。
光ファイバー５１は、第１レーザ光源５０１からのレーザ光Ｂ１０を始端より入射する。
光分離器５３は、光ファイバー５１の始端に設けられ、光ファイバー５１の終端において反射した当該終端側から始端側に向けて伝播する反射レーザ光Ｂ１２１および光ファイバー５１が破断しているときに当該破断点からの反射レーザ光Ｂ１２１からなる反射レーザ光Ｂ１１を分離する。光分離器５３により分離された光は第１光増幅器５５１により増幅される。なお図示はしないが、第１光増幅器５５１の後段にはバンドパスフィルタを設けることができる。
光カプラ５４は、第２レーザ光源５０２からのレーザ光Ｂ２０および光分離器５３からのレーザ光Ｂ１１を結合する。
第２光増幅器５５２は、光カプラ５４からのレーザ光Ｂ３を増幅する。
光センサ５６は、第２光増幅器５５２からのレーザ光を受光し２光子吸収する。光センサ５６は、温度制御素子（ここではペルチェ素子２００）により一定温度に制御されている。これにより、ＳＮ比を大きくすることができる。
周波数検出器５７は、光センサ５６の出力信号に含まれる正弦波成分を抽出して、レーザ光Ｂ１１に含まれる第１レーザ光源５０１から光ファイバー５１の終端までの距離に対応する周波数成分と、第１レーザ光源５０１から破断点までの距離に対応する周波数成分を検出する。
図１４では、周波数検出器３７は、制御装置２に接続され、制御装置２は、第１レーザ光源３０１および第２レーザ光源３０２に接続された電圧制御発振器を制御している。
【図１】
0005135587.tif 000002
【図２】
0005135587.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0005135587.tif 000007
【図７】
0005135587.tif 000008
【図８】
0005135587.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0005135587.tif 000014
【図１４】
0005135587.tif 000015
【図１５】
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