JP7715375B2 - Measuring equipment - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 (1)2020年5月11日に、ウェブサイトのアドレス https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=CLEO_AT-2020-JTu2G.34、にて発表 (2)2020年5月12日に、CLEO2020会議(https://event.crowdcompass.com/cleo20)のオンライン会議で、発表番号JTu2G.34として発表Article 30, paragraph 2 of the Patent Act applies. (1) Announced on May 11, 2020, at the website address https://www. osapublishing. org/abstract. cfm? uri=CLEO_AT-2020-JTu2G. 34. (2) Announced on May 12, 2020, at the online conference of the CLEO2020 conference (https://event.crowdcompass.com/cleo20), under presentation number JTu2G. 34.
本発明は、AMCW(amplitude-modulated continuous-wave)に似ている方式で測距を行う計測装置に関し、特に連続高速スキャンが可能な計測装置に関する。 The present invention relates to a measurement device that measures distance using a method similar to AMCW (amplitude-modulated continuous-wave), and in particular to a measurement device capable of continuous high-speed scanning.
従来の計測装置として、機械駆動でレーザビームを偏向させて掃引するものがある(例えば、特許文献1及び2参照)。機械駆動の計測装置は、掃引速度や振動耐力等の点において向上性が乏しいという問題点がある。 Conventional measuring devices include those that use mechanical drive to deflect and sweep a laser beam (see, for example, Patent Documents 1 and 2). Mechanically driven measuring devices have the problem of little improvement in terms of sweep speed, vibration resistance, etc.
また、波長掃引光源や、回折格子等の空間分散デバイスを組み合わせてビームスキャンを非機械式で行う技術がある(例えば、非特許文献1及び2参照)。しかしながら、非特許文献1及び2の技術では、波長掃引光源が機械駆動に基づいており、掃引速度や振動耐力等の上記問題点を解消できていない。 There are also technologies that perform beam scanning non-mechanically by combining a wavelength swept light source and a spatial dispersion device such as a diffraction grating (see, for example, Non-Patent Documents 1 and 2). However, the technologies in Non-Patent Documents 1 and 2 rely on mechanically driven wavelength swept light sources, and are unable to resolve the above-mentioned issues, such as sweep speed and vibration resistance.
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、連続高速スキャンが可能である計測装置を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above background technology, and aims to provide a measuring device capable of continuous high-speed scanning.
上記目的を達成するため、本発明に係る計測装置は、非機械的に波長掃引したパルス状の一連のレーザ光を出力する波長可変レーザと、非機械的な光学特性により一連のレーザ光を空間的に分散させて対象に照射し、対象からの反射光を逆行させる空間分散デバイスと、空間分散デバイスを介して、反射光を受光する受信装置と、受信装置による反射光の検出タイミングと波長可変レーザからのレーザ光の出力タイミングとから対象までの距離を決定する信号処理装置とを備え、信号処理装置は、一連のレーザ光のタイミング情報から各レーザ光の射出方向に関する情報を決定する。 To achieve the above objective, the measurement device of the present invention comprises a tunable laser that outputs a series of pulsed laser beams that have been non-mechanically wavelength-swept; a spatial dispersion device that spatially disperses the series of laser beams using non-mechanical optical properties and irradiates the target with the laser beam and causes the reflected light from the target to travel in the opposite direction; a receiving device that receives the reflected light via the spatial dispersion device; and a signal processing device that determines the distance to the target from the timing of detection of the reflected light by the receiving device and the timing of output of the laser beam from the tunable laser; the signal processing device determines information regarding the emission direction of each laser beam from the timing information of the series of laser beams.
上記計測装置では、信号処理装置がレーザ光の出力タイミング、検出タイミング、及び一連のレーザ光のタイミング情報により対象までの距離や方向に関する情報を取得する。この際、波長掃引光源である波長可変レーザと空間分散デバイスとを組み合わせて、波長掃引及びレーザビームの偏向を、全て非機械式構成を用いて行うことにより、掃引速度を従来の機械式構成よりも数オーダ高くすることができ、かつ装置の振動耐力を向上させることができる。 In the above-mentioned measurement device, a signal processing device acquires information about the distance and direction to the target based on the output timing of the laser light, the detection timing, and timing information for the series of laser light beams. By combining a wavelength-tunable laser, which serves as a wavelength-swept light source, with a spatial dispersion device, and performing wavelength sweeping and laser beam deflection entirely using a non-mechanical configuration, the sweep speed can be increased by several orders of magnitude compared to conventional mechanical configurations, and the vibration resistance of the device can be improved.
本発明の具体的な側面では、上記計測装置において、波長可変レーザは、パルス変調による分散チューニングを行い、一連のレーザ光を、繰り返し周波数が変わり続けるパルス列として出力する。ここで、分散チューニングとは、能動モード同期発生状態で変調周波数を変化させることにより、発振波長を制御することを意味する。パルス変調は、正弦波変調と異なり、高周波成分を含むため、波長可変帯域を確保しつつ、狭いパルス幅で実効的に変調を行うことができる。 In a specific aspect of the present invention, in the above-mentioned measurement device, the tunable laser performs dispersion tuning using pulse modulation, outputting a series of laser light as a pulse train with a continuously changing repetition frequency. Here, dispersion tuning means controlling the oscillation wavelength by changing the modulation frequency in an active mode-locked state. Unlike sinusoidal modulation, pulse modulation contains high-frequency components, allowing for effective modulation with a narrow pulse width while maintaining a wavelength tunable band.
本発明の別の側面では、波長可変レーザは、光を増幅する光増幅器と、強度変調を行う強度変調器と、波長を分散調整する高分散媒質とを有する。高分散媒質により、波長の純度が高いパルスを得ることができる。 In another aspect of the present invention, a wavelength-tunable laser includes an optical amplifier that amplifies light, an intensity modulator that performs intensity modulation, and a high-dispersion medium that adjusts the wavelength dispersion. The high-dispersion medium enables pulses with high wavelength purity to be obtained.
本発明のさらに別の側面では、高分散媒質は、チャープファイバブラッググレーティングである。この場合、共振器の長さを短縮することができ、計測装置の小型化の達成が可能となる。 In yet another aspect of the present invention, the high-dispersion medium is a chirped fiber Bragg grating. In this case, the length of the resonator can be shortened, making it possible to achieve a more compact measurement device.
本発明のさらに別の側面では、光増幅器は、半導体光増幅器である。 In yet another aspect of the present invention, the optical amplifier is a semiconductor optical amplifier.
本発明のさらに別の側面では、空間分散デバイスは、レーザ光を平行光にするコリメータと、コリメータを経たレーザ光を空間的に分散させる分散部とを有する。この場合、波長可変レーザの出力が発散光であっても、レーザ光の精密な空間的な分散が可能になる。 In yet another aspect of the present invention, the spatial dispersion device includes a collimator that converts laser light into parallel light, and a dispersion section that spatially disperses the laser light that has passed through the collimator. In this case, precise spatial dispersion of the laser light is possible even if the output of the wavelength-tunable laser is diverging light.
本発明のさらに別の側面では、分散部は、1つ以上のグレーティングを有する。この場合、波長分散を容易に制御することができる。 In yet another aspect of the present invention, the dispersion section has one or more gratings. In this case, chromatic dispersion can be easily controlled.
本発明のさらに別の側面では、信号処理装置は、パルス列のタイミング情報から各レーザ光の射出方向に関する情報を決定し、対象までの距離を決定するために、パルス列を構成するパルス単位でレーザ光から得た参照信号と反射光の計測信号との位相差を計算する。距離算出に関してパルス列を構成するパルス単位で参照信号と計測信号との位相差を算出することにより信号トレースの動的位相変化を取得することができる。これにより、連続高速スキャンが可能となる。 In yet another aspect of the present invention, the signal processing device determines information regarding the emission direction of each laser beam from timing information of the pulse train, and calculates the phase difference between a reference signal obtained from the laser beam and a measurement signal of the reflected beam for each pulse constituting the pulse train to determine the distance to the target. By calculating the phase difference between the reference signal and the measurement signal for each pulse constituting the pulse train in relation to distance calculation, dynamic phase changes in the signal trace can be obtained. This enables continuous high-speed scanning.
上記目的を達成するため、本発明に係る計測装置は、波長掃引した一連のレーザ光をパルス列として出力する波長可変レーザと、非機械的な光学特性によりパルス列を空間的に分散させて対象に照射し、対象からの反射光を逆行させる空間分散デバイスと、空間分散デバイスを介して、反射光を受光する受信装置と、パルス列のタイミング情報から各レーザ光の射出方向に関する情報を決定する信号処理装置とを備え、信号処理装置は、対象までの距離を決定するために、パルス列を構成するパルス単位でレーザ光から得た参照信号と反射光の計測信号との位相差を計算する。 To achieve the above objective, the measurement device of the present invention comprises a tunable laser that outputs a series of wavelength-swept laser beams as a pulse train; a spatial dispersion device that spatially disperses the pulse train using non-mechanical optical properties and irradiates the target with the pulse train, and causes the reflected light from the target to travel in the opposite direction; a receiving device that receives the reflected light via the spatial dispersion device; and a signal processing device that determines information regarding the emission direction of each laser beam from timing information about the pulse train. The signal processing device calculates the phase difference between a reference signal obtained from the laser beam and a measurement signal of the reflected light for each pulse constituting the pulse train in order to determine the distance to the target.
上記計測装置では、信号処理装置が参照信号と計測信号との位相差やパルス列のタイミング情報により対象までの距離や方向に関する情報を取得する。この際、波長掃引光源である波長可変レーザと空間分散デバイスとを組み合わせつつ、距離算出に関してパルス列を構成するパルス単位で参照信号と計測信号との位相差を算出することにより信号トレースの動的位相変化を取得することができる。これにより、連続高速スキャンが可能となる。 In the above-mentioned measurement device, the signal processing device obtains information about the distance and direction to the target from the phase difference between the reference signal and the measurement signal and timing information of the pulse train. In this case, by combining a wavelength-tunable laser, which serves as a wavelength-swept light source, with a spatial dispersion device, the dynamic phase changes of the signal trace can be obtained by calculating the phase difference between the reference signal and the measurement signal for each pulse that makes up the pulse train in order to calculate the distance. This makes continuous high-speed scanning possible.
本発明の別の側面では、信号処理装置は、参照信号にヒルベルト変換を行った信号と計測信号との乗算処理を行う。この場合、ヒルベルト変換によって参照信号の全ての周波数成分に位相情報が与えられ、不均一な振幅によって引き起こされる位相エラーを回避することができる。 In another aspect of the present invention, the signal processing device multiplies the measurement signal by a signal obtained by performing a Hilbert transform on the reference signal. In this case, the Hilbert transform provides phase information to all frequency components of the reference signal, making it possible to avoid phase errors caused by uneven amplitudes.
本発明のさらに別の側面では、乗算処理後のロックインデータに対してフィルタリングを行う。この場合、乗算処理後のロックインデータから無関係な周波数成分を除去することができる。 In yet another aspect of the present invention, filtering is performed on the lock-in data after multiplication. In this case, irrelevant frequency components can be removed from the lock-in data after multiplication.
〔第1実施形態〕
以下、図1等を参照して、本発明の第1実施形態に係る計測装置について説明する。
First Embodiment
A measurement apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.
図1に示すように、計測装置100は、波長可変レーザ10と、空間分散デバイス20と、受信装置30と、信号処理装置40とを備える。また、計測装置100は、出力光と受信光とを光路的に分岐する出力側サーキュレータ50を含む。計測装置100は、X軸方向にレーザ光ILを走査可能であり、X軸方向のスキャンによって1次元計測を行うことができる。 As shown in FIG. 1, the measurement device 100 includes a wavelength-tunable laser 10, a spatial dispersion device 20, a receiving device 30, and a signal processing device 40. The measurement device 100 also includes an output-side circulator 50 that optically splits the output light and the received light. The measurement device 100 is capable of scanning the laser light IL in the X-axis direction, and can perform one-dimensional measurement by scanning in the X-axis direction.
波長可変レーザ10は、非機械的に波長掃引したパルス状の一連のレーザ光ILを出力する。換言すれば、波長可変レーザ10は、波長掃引した一連のレーザ光ILをパルス列として出力する。ここで、パルス状の一連のレーザ光ILとは、パルスを時系列的に変化させたレーザ光を意味する。波長可変レーザ10は、パルス変調による分散チューニングを行う。ここで、分散チューニングとは、能動モード同期発生状態で変調周波数を変化させることにより、発振波長を制御することを意味する。波長掃引光源に分散チューニング方式を採用した分散チューニング掃引レーザ(DTSL:dispersion-tuned swept laser)を用いることにより、高速な非機械式掃引が可能となる。本実施形態では、波長可変レーザ10はリング型のレーザである。 The tunable laser 10 outputs a series of pulsed laser light IL that has been non-mechanically wavelength swept. In other words, the tunable laser 10 outputs the series of wavelength-swept laser light IL as a pulse train. Here, the series of pulsed laser light IL refers to laser light whose pulses are changed over time. The tunable laser 10 performs dispersion tuning using pulse modulation. Here, dispersion tuning refers to controlling the oscillation wavelength by changing the modulation frequency in an active mode-locking state. Using a dispersion-tuned swept laser (DTSL), which employs a dispersion tuning method, as the wavelength-swept light source enables high-speed non-mechanical sweeping. In this embodiment, the tunable laser 10 is a ring-type laser.
波長可変レーザ10は、分散チューニングの原理を利用し、共振器内に高分散デバイスを挿入することで波長分散値を大きくし、その状態で強度変調をかけることによりレーザ光を能動モード同期発振させている。この際、変調周波数を変化させることにより、発振周波数を制御することができる。モード同期では、共振器内の光の往復時間に合わせて変調を与えて縦モードを同期させており、変調周波数を変動させることにより、発振波長を掃引することができる。波長可変レーザ10は、発振波長を電気的に制御するため、機械的な制限がなく、高速で広帯域な波長掃引が可能となる。波長可変レーザ10から出力されるパルスレーザ光は、例えば、10kHzの掃引速度で50nm以上の掃引帯域となっている。 The wavelength-tunable laser 10 utilizes the principle of dispersion tuning. By inserting a high-dispersion device into the resonator to increase the wavelength dispersion value, and then applying intensity modulation in this state, the laser light undergoes active mode-locked oscillation. The oscillation frequency can be controlled by varying the modulation frequency. In mode-locking, the longitudinal mode is synchronized by applying modulation in accordance with the round-trip time of the light within the resonator, and the oscillation wavelength can be swept by varying the modulation frequency. Because the wavelength-tunable laser 10 electrically controls the oscillation wavelength, there are no mechanical limitations, enabling high-speed, wide-band wavelength sweeping. The pulsed laser light output from the wavelength-tunable laser 10 has a sweep bandwidth of 50 nm or more at a sweep speed of 10 kHz, for example.
波長可変レーザ10は、信号発生器11と、シンセサイザ12と、パルス発生器13と、内部光増幅器14と、強度変調器15と、高分散媒質16と、内部サーキュレータ17と、出力側光増幅器18とを有する。波長可変レーザ10において、内部光増幅器14、強度変調器15、高分散媒質16、及び内部サーキュレータ17は、共振器として機能する。波長可変レーザ10の各構成は、光ファイバ19で接続されている。 The tunable laser 10 comprises a signal generator 11, a synthesizer 12, a pulse generator 13, an internal optical amplifier 14, an intensity modulator 15, a high-dispersion medium 16, an internal circulator 17, and an output-side optical amplifier 18. In the tunable laser 10, the internal optical amplifier 14, the intensity modulator 15, the high-dispersion medium 16, and the internal circulator 17 function as a resonator. Each component of the tunable laser 10 is connected by an optical fiber 19.
信号発生器11は、シンセサイザ12に連続的な周波数変化を示す同期信号を出力する同期回路である。図2(A)に示すように、信号発生器11におけるランプ信号(掃引信号)の掃引波形は、例えば鋸歯状波や三角波等の線形波形である。信号発生器11の掃引周波数は、例えば10kHzである。 Signal generator 11 is a synchronization circuit that outputs a synchronization signal that indicates continuous frequency changes to synthesizer 12. As shown in Figure 2 (A), the sweep waveform of the ramp signal (sweep signal) in signal generator 11 is a linear waveform such as a sawtooth wave or a triangular wave. The sweep frequency of signal generator 11 is, for example, 10 kHz.
シンセサイザ12は、信号発生器11からのランプ信号に対応する波形の駆動信号を変調信号として形成する電気回路である。つまり、シンセサイザ12は、ファンクションジェネレータであり、信号発生器11からのランプ信号を変調信号として連続的に周波数掃引する。図2(B)に示すように、シンセサイザ12における変調信号の波形は、連続的に周波数を変化させた(チャープした)正弦波である。掃引波形の1スイープにおいて、信号発生器11のランプ電圧が低い場合、シンセサイザ12の変調信号の周波数が低くなり、信号発生器11のランプ電圧が高い場合、シンセサイザ12の変調信号の周波数が高くなる。変調信号の変調周波数は、例えば788MHz~795MHz又は716MHz~726MHzである。 Synthesizer 12 is an electrical circuit that generates a drive signal with a waveform corresponding to the ramp signal from signal generator 11 as a modulating signal. In other words, synthesizer 12 is a function generator that continuously sweeps the frequency of the ramp signal from signal generator 11 as a modulating signal. As shown in Figure 2(B), the waveform of the modulating signal from synthesizer 12 is a sine wave with a continuously changing frequency (chirped). During one sweep of the sweep waveform, if the ramp voltage of signal generator 11 is low, the frequency of the modulating signal from synthesizer 12 decreases, and if the ramp voltage of signal generator 11 is high, the frequency of the modulating signal from synthesizer 12 increases. The modulation frequency of the modulating signal is, for example, 788 MHz to 795 MHz or 716 MHz to 726 MHz.
パルス発生器13は、シンセサイザ12からの変調信号に対応するパルス信号を生成する。パルス発生器13は、例えば50ps~250psの間でパルス幅を変化させることができる。図2(C)に示すように、パルス発生器13におけるパルス信号の波形は、連続的に周波数を変化させた(チャープした)パルスである。掃引波形の1スイープにおいて、シンセサイザ12の変調信号が低周波数から高周波数に変化する場合、パルス発生器13で発生するパルス列の波長が長波長から短波長に変化する。パルス信号の変調周波数は、例えば788MHz~795MHz又は716MHz~726MHzである。 Pulse generator 13 generates a pulse signal corresponding to the modulation signal from synthesizer 12. Pulse generator 13 can vary the pulse width, for example, between 50 ps and 250 ps. As shown in Figure 2(C), the waveform of the pulse signal from pulse generator 13 is a pulse with a continuously changing frequency (chirped). During one sweep of the sweep waveform, when the modulation signal from synthesizer 12 changes from a low frequency to a high frequency, the wavelength of the pulse train generated by pulse generator 13 changes from a long wavelength to a short wavelength. The modulation frequency of the pulse signal is, for example, 788 MHz to 795 MHz or 716 MHz to 726 MHz.
内部光増幅器14は、例えば半導体光増幅器(SOA)であり、半導体素子に外部から光を入射することで、誘導放出による光の増幅を行う。 The internal optical amplifier 14 is, for example, a semiconductor optical amplifier (SOA), which amplifies light by stimulated emission when light is incident on the semiconductor element from the outside.
強度変調器15は、例えばニオブ酸リチウム結晶を利用した光変調器であり、パルス発生器13から出力されたパルス信号を受けてレーザ光の透過率を調整することによって強度変調を行う。レーザ光の強度変調は、パルス型であり、例えば788MHz~795MHz又は716MHz~726MHzの周波数が用いられる。パルス変調は、正弦波変調と異なり、高周波成分を含むため、波長可変帯域を確保しつつ、狭いパルス幅で実効的に変調を行うことができる。 The intensity modulator 15 is an optical modulator that uses, for example, lithium niobate crystal, and performs intensity modulation by adjusting the transmittance of the laser light upon receiving the pulse signal output from the pulse generator 13. The intensity modulation of the laser light is pulsed, and frequencies of, for example, 788 MHz to 795 MHz or 716 MHz to 726 MHz are used. Unlike sinusoidal modulation, pulse modulation contains high-frequency components, allowing for effective modulation with a narrow pulse width while maintaining a wavelength tunable band.
高分散媒質16は、波長を分散調整する。つまり、高分散媒質16は、波長に関して分散調整する。高分散媒質16により、波長の純度が高いパルスを得ることができる。高分散媒質16としては、チャープファイバブラッググレーティング(CFBG:Chirped Fiber Bragg Grating)や回折格子対等が挙げられる。これより、共振器の長さを短縮することができ、計測装置100の小型化の達成が可能となる。本実施形態では、高分散媒質16がCFBGである例を示している。CFBGの分散は、例えば+10ps/nmで、65%の光を反射する。残りの35%の光は出力側光増幅器18によって増幅された後、出力され、レーザ光ILとして利用される。高分散媒質16により、共振器中の分散が高くなっているため、共振周波数間隔(FSR:Free Spectral Range)が波長により大きく変化し、発振波長の選択性が生じる。高分散媒質16からは、共振条件を満たした例えば波長1530nm~1580nm又は1530nm~1600nmのパルスが掃引して出力される。 The high-dispersion medium 16 adjusts the wavelength dispersion. In other words, the high-dispersion medium 16 adjusts the wavelength dispersion. The high-dispersion medium 16 enables pulses with high wavelength purity to be obtained. Examples of the high-dispersion medium 16 include chirped fiber Bragg gratings (CFBGs) and diffraction grating pairs. This allows the length of the resonator to be shortened, thereby enabling the measurement device 100 to be miniaturized. In this embodiment, the high-dispersion medium 16 is a CFBG. The dispersion of a CFBG is, for example, +10 ps/nm, and it reflects 65% of the light. The remaining 35% of the light is amplified by the output-side optical amplifier 18, output, and used as laser light IL. Because the high-dispersion medium 16 increases the dispersion in the resonator, the resonant frequency interval (FSR: Free Spectral Range) varies significantly depending on the wavelength, resulting in selectivity of the oscillation wavelength. The high-dispersion medium 16 outputs a sweeping pulse with a wavelength of, for example, 1530 nm to 1580 nm or 1530 nm to 1600 nm that satisfies the resonance conditions.
内部サーキュレータ17は、強度変調器15を経た光を高分散媒質16に入射させ、高分散媒質16で反射された光を内部光増幅器14に導く。 The internal circulator 17 directs the light that has passed through the intensity modulator 15 into the high-dispersion medium 16, and guides the light reflected by the high-dispersion medium 16 to the internal optical amplifier 14.
分散チューニングにおいては、高分散媒質16を共振器中に意図的に挿入し、強度変調をかけることにより、能動モード同期を発生させる。能動モード同期を発生させた状態で変調周波数を変化させることにより、発振波長を制御することができる。つまり、分散チューニングでは、機械的な波長選択フィルタを用いずに発振波長を制御することができる。これにより、高速かつ広帯域な波長掃引が可能となる。分散チューニングにおいて、掃引方法はモード同期の変調周波数を変更(周波数変調)するだけであり、掃引波形(つまり、変調の範囲やレート)を適切に設定することによりスペクトル形状を制御することもできる。縦モードの周波数間隔であるFSRは光ファイバ中の光の屈折率に依存しており、波長分散の大きい共振器においては、FSRは変調周波数依存性を有する。共振器の外部からFSRの整数倍の周波数信号を用いて変調をかけると、変調周波数に対応するFSRを持つ波長のみにモード同期がかかり発振する。この変調周波数を変化させると、発振波長は変調周波数とともに比例的に変化していき、波長可変なレーザ光ILとなる。変調周波数を線形に変化させる掃引を行うと、発振波長も線形に変化して対応する掃引が行われる。分散チューニングの波長可変幅は、利得媒質の利得帯域によって決まり、その最大値は変調周波数の可変範囲によって決まる。共振器の全分散量及び変調周波数が小さいほど波長可変帯域の最大値が大きくなる。分散値が大きい共振器において、モード同期のパルスはチャープしたパルスとなる。パルスのスペクトル幅は、変調周波数が大きいほど、また分散量が大きいほど線幅が小さくなる。 In dispersion tuning, a highly dispersive medium 16 is intentionally inserted into the resonator and intensity-modulated to generate active mode locking. The oscillation wavelength can be controlled by varying the modulation frequency while active mode locking is occurring. In other words, dispersion tuning allows for control of the oscillation wavelength without using a mechanical wavelength-selective filter. This enables high-speed, wideband wavelength sweeping. In dispersion tuning, the sweeping method simply involves changing the mode-locking modulation frequency (frequency modulation). The spectral shape can also be controlled by appropriately setting the sweep waveform (i.e., modulation range and rate). The FSR, which is the frequency spacing of the longitudinal modes, depends on the refractive index of light in the optical fiber. In resonators with large chromatic dispersion, the FSR depends on the modulation frequency. When the resonator is modulated externally using a frequency signal that is an integer multiple of the FSR, mode locking occurs and oscillation occurs only at wavelengths with an FSR corresponding to the modulation frequency. Varying this modulation frequency causes the oscillation wavelength to change proportionally with the modulation frequency, resulting in wavelength-tunable laser light IL. When a linear sweep of the modulation frequency is performed, the oscillation wavelength also changes linearly, resulting in a corresponding sweep. The wavelength tunable range of dispersion tuning is determined by the gain bandwidth of the gain medium, and its maximum value is determined by the variable range of the modulation frequency. The smaller the total dispersion of the resonator and the modulation frequency, the larger the maximum wavelength tunable range. In a resonator with a large dispersion value, the mode-locked pulse becomes a chirped pulse. The linewidth of the pulse spectrum narrows as the modulation frequency and the dispersion increase.
図2(D)は、波長可変レーザ10から出力される光掃引パルスの時間変化を示す。波長可変レーザ10から出力されるレーザ光ILは、信号発生器11から出力される掃引信号(図2(A)参照)に基づき、長波長から短波長に変化して波長掃引される。掃引波形の1スイープにおいて、波長が時系列的に異なる複数のパルスで構成されるパルス列が生成される。パルス発生器13で生成されるパルス信号と波長可変レーザ10から出力されるパルス信号とは、時間間隔tで1対1の関係となっている。隣接するパルスとパルスとの波長差nΔは、FSRに相当し、FSRの変調周波数依存性は共振器分散によって決まる。 Figure 2(D) shows the time variation of the optical sweep pulse output from the wavelength-tunable laser 10. The laser light IL output from the wavelength-tunable laser 10 is wavelength-swept, changing from a long wavelength to a short wavelength, based on the sweep signal (see Figure 2(A)) output from the signal generator 11. In one sweep of the sweep waveform, a pulse train consisting of multiple pulses with wavelengths that vary in a time series is generated. The pulse signal generated by the pulse generator 13 and the pulse signal output from the wavelength-tunable laser 10 have a one-to-one relationship at time interval t. The wavelength difference nΔ between adjacent pulses corresponds to the FSR, and the modulation frequency dependence of the FSR is determined by the cavity dispersion.
図3は、波長可変レーザ10から出力される分散調整されたレーザ光ILのスペクトルを示す。共振器、具体的には高分散媒質16から出力されたレーザ光ILの出力パワーは例えば6dBm又は-2dBmである。共振器のキャビティ長さは、例えば11.9mであり、基本のFSRは波長1550nmの場合17MHzであり、変調する周波数範囲は788MHz~795MHzである。波長可変レーザ10の掃引速度は例えば10kHzであり、掃引波長は例えば1530nm~1580nmである。また、共振器のキャビティ長さを例えば11.1mとすると、波長1550nmの光の基本的なFSRが約18.6MHzとなる。この場合、716MHz~726MHzの変調周波数で、掃引波長は例えば1530nm~1600nmとなる。 Figure 3 shows the spectrum of the dispersion-adjusted laser light IL output from the wavelength-tunable laser 10. The output power of the laser light IL output from the resonator, specifically the high-dispersion medium 16, is, for example, 6 dBm or -2 dBm. The cavity length of the resonator is, for example, 11.9 m, the fundamental FSR is 17 MHz for a wavelength of 1550 nm, and the modulation frequency range is 788 MHz to 795 MHz. The sweep speed of the wavelength-tunable laser 10 is, for example, 10 kHz, and the sweep wavelength is, for example, 1530 nm to 1580 nm. Furthermore, if the cavity length of the resonator is, for example, 11.1 m, the fundamental FSR of light with a wavelength of 1550 nm is approximately 18.6 MHz. In this case, the modulation frequency is 716 MHz to 726 MHz, and the sweep wavelength is, for example, 1530 nm to 1600 nm.
図1に戻って、出力側光増幅器18は、例えばファイバ増幅器であり、詳細な説明を省略するが、エルビウムがドープされたファイバ増幅部と、励起光源と、励起光源からの光をファイバ増幅部に導くカプラとを有する。なお、出力側光増幅器18は、内部光増幅器14と同様に、SOA等であってもよい。出力側光増幅器18で増幅されたレーザ光ILのパワーは、例えば16dBm又は14.6dBmである。 Returning to Figure 1, the output-side optical amplifier 18 is, for example, a fiber amplifier, and although detailed description will be omitted, it includes an erbium-doped fiber amplifier, a pumping light source, and a coupler that guides light from the pumping light source to the fiber amplifier. Note that, like the internal optical amplifier 14, the output-side optical amplifier 18 may also be an SOA or the like. The power of the laser light IL amplified by the output-side optical amplifier 18 is, for example, 16 dBm or 14.6 dBm.
出力側サーキュレータ50は、波長可変レーザ10を経たレーザ光ILを空間分散デバイス20に入射させ、空間分散デバイス20を経た反射光RLを受信装置30に入射させる。 The output-side circulator 50 directs the laser light IL that has passed through the wavelength-tunable laser 10 into the spatial dispersion device 20, and directs the reflected light RL that has passed through the spatial dispersion device 20 into the receiving device 30.
空間分散デバイス20は、非機械的な光学特性により一連のレーザ光IL又はパルス列を空間的に分散させて対象OBに照射し、対象OBからの反射光RLを逆行させる。波長掃引した光を空間分散デバイス20に照射することにより、機械に頼らないビーム偏向が可能となる。空間分散デバイス20を介したレーザスキャニング範囲は、例えばX軸方向(横方向)に4°又は1cmであり、分解能は10μmである。空間分散デバイス20に入射したレーザ光ILのパワーが例えば16dBmの場合、空間分散デバイス20を経て対象OBで反射された反射光RLの受光パワーは-50dBmとなる。計測装置100の測定可能距離は、波長可変レーザ10から出力されるレーザ光ILの掃引パワーに依存する。 The spatial dispersing device 20 spatially disperses a series of laser light IL or pulse trains using non-mechanical optical properties, irradiates the target OB, and reverses the reflected light RL from the target OB. Irradiating wavelength-swept light onto the spatial dispersing device 20 enables beam deflection without relying on machinery. The laser scanning range via the spatial dispersing device 20 is, for example, 4° or 1 cm in the X-axis direction (horizontal direction), with a resolution of 10 μm. If the power of the laser light IL incident on the spatial dispersing device 20 is, for example, 16 dBm, the received power of the reflected light RL reflected by the target OB after passing through the spatial dispersing device 20 is -50 dBm. The measurable distance of the measurement device 100 depends on the sweep power of the laser light IL output from the wavelength-tunable laser 10.
図4に示すように、空間分散デバイス20は、コリメータ21と、分散部22と、レンズ23とを有する。これにより、波長可変レーザ10の出力が発散光であっても、レーザ光ILの精密な空間的な分散が可能になる。なお、レンズ23は、対象OBまでの距離によっては設けなくてもよい。 As shown in Figure 4, the spatial dispersion device 20 has a collimator 21, a dispersion section 22, and a lens 23. This enables precise spatial dispersion of the laser light IL even if the output of the wavelength-tunable laser 10 is diverging light. Note that the lens 23 may not be provided depending on the distance to the target OB.
コリメータ21は、レーザ光ILを平行光にする。コリメータ21でコリメートされたレーザビームの直径は、例えば2mmである。 The collimator 21 converts the laser light IL into parallel light. The diameter of the laser beam collimated by the collimator 21 is, for example, 2 mm.
分散部22は、コリメータ21を経たレーザ光ILを空間的に分散させる。分散部22としては、例えばグレーディング(回折格子)、プリズム、角度増幅レンズ、フォトニック結晶、フェーズアレイ等が挙げられる。空間分散デバイス20が分散部22を有することにより、波長分散を容易に制御することができる。本実施形態では、分散部22は、2つのグレーティング22a,22bを有する。分散部22の分散量(具体的には、1つのグレーティングにおける分散量)は、例えば0.04°/nmであり、60%~80%の回折効率を有する。なお、図4では、分散部22に関して反射型のグレーティングの例を挙げたが、透過型のグレーティングを用いてもよい。また、分散部22は、1つ又は3つ以上のグレーティングを有していてもよい。 The dispersion section 22 spatially disperses the laser light IL that has passed through the collimator 21. Examples of the dispersion section 22 include a grating (diffraction grating), a prism, an angle amplification lens, a photonic crystal, and a phase array. The spatial dispersion device 20 includes the dispersion section 22, which makes it easy to control wavelength dispersion. In this embodiment, the dispersion section 22 has two gratings 22a and 22b. The dispersion amount of the dispersion section 22 (specifically, the dispersion amount per grating) is, for example, 0.04°/nm, and the dispersion efficiency is 60% to 80%. While Figure 4 shows an example of a reflective grating for the dispersion section 22, a transmissive grating may also be used. The dispersion section 22 may also have one or three or more gratings.
レンズ23は、分散された各波長の光の色収差等を補正しつつ、集光する。レンズ23は、例えばアクロマティックレンズである。レンズ23の焦点距離は、例えば15cmである。 Lens 23 focuses the dispersed light of each wavelength while correcting chromatic aberration and other issues. Lens 23 is, for example, an achromatic lens. The focal length of lens 23 is, for example, 15 cm.
図5(A)に示すように、波長可変レーザ10から出力された各出力パルス(例えば、波長が異なるパルス番号1~5,…の光掃引パルス)又は各出力パルス列は、空間分散デバイス20から射出されると、図5(B)に示すように、各出力パルスに応じて射出角度が変化する。この出力パルスと射出角度との関係に関する情報は、後述する信号処理装置40において決定され、記憶されており、対象OBの距離算出に利用される。 As shown in Figure 5(A), when each output pulse (e.g., optical sweep pulses with pulse numbers 1 to 5, ...) or each output pulse train output from the wavelength-tunable laser 10 is emitted from the spatial dispersion device 20, the emission angle changes depending on the output pulse, as shown in Figure 5(B). Information regarding the relationship between this output pulse and the emission angle is determined and stored in the signal processing device 40, which will be described later, and is used to calculate the distance to the target OB.
受信装置30は、空間分散デバイス20を介して、反射光RLを受光する。受信装置30は、フォトダイオード31を有する。フォトダイオード31は、反射光RLを検出し、反射光RLに対応する計測信号を出力する。 The receiving device 30 receives the reflected light RL via the spatial dispersion device 20. The receiving device 30 has a photodiode 31. The photodiode 31 detects the reflected light RL and outputs a measurement signal corresponding to the reflected light RL.
信号処理装置40は、受信装置30による反射光RLの検出タイミングと波長可変レーザからのレーザ光IL又はパルス列の出力タイミングとから対象OBまでの距離を決定する。また、信号処理装置40は、一連のレーザ光IL又はパルス列のタイミング情報から各レーザ光ILの射出方向に関する情報を決定する。レーザ光ILのタイミング情報には、例えば、実験的な裏付けによる、出力パルスの順番や波長差等の演算処理に必要な情報が含まれる。また、信号処理装置40は、対象OBまでの距離を決定するために、パルス列を構成するパルス単位でレーザ光ILから得た参照信号RSと反射光RLの計測信号MSとの位相差を計算する。 The signal processing device 40 determines the distance to the target OB from the detection timing of the reflected light RL by the receiving device 30 and the output timing of the laser light IL or pulse train from the wavelength-tunable laser. The signal processing device 40 also determines information regarding the emission direction of each laser light IL from timing information of the series of laser light IL or pulse train. The timing information of the laser light IL includes, for example, experimentally supported information necessary for calculation processing such as the order of output pulses and wavelength differences. Furthermore, to determine the distance to the target OB, the signal processing device 40 calculates the phase difference between the reference signal RS obtained from the laser light IL and the measurement signal MS of the reflected light RL for each pulse constituting the pulse train.
信号処理装置40は、信号収集装置41と、信号演算処理装置42とを有する。詳細は実施例で後述するが、図6に示すように、本実施形態の計測装置100では、レーザ光ILの変調周波数がチャープして参照信号RSと計測信号MSとの位相シフト量Δφ1~Δφ5が時系列的に変化する。そのため、信号処理装置40での信号処理では、繰り返し周波数が変わり続ける(チャープする)信号トレースの動的位相変化を取得するために、チャープ強度変調位相シフト測定(CAMPS:Chirped Amplitude-modulated Phase-shift Measurement)技術を利用する。 The signal processing device 40 has a signal collecting device 41 and a signal calculation processing device 42. Although details will be described later in an example, as shown in Fig. 6, in the measurement device 100 of this embodiment, the modulation frequency of the laser light IL chirps, and the phase shift amounts Δφ 1 to Δφ 5 between the reference signal RS and the measurement signal MS change over time. Therefore, in the signal processing in the signal processing device 40, chirped amplitude-modulated phase-shift measurement (CAMPS) technology is used to acquire dynamic phase changes of a signal trace whose repetition frequency keeps changing (chirping).
図7は、CAMPS技術を利用する信号処理装置40の構成を説明する概念図である。信号処理装置40の信号収集装置41は、信号演算処理装置42でデジタルデータ処理をするためのA/D変換器を含む高速信号処理回路であるが、例えばオシロスコープであってもよく、その場合、信号発生器11の信号を基に周波数掃引と同期をとることを可能にしつつ、計測信号と参照信号とを比較可能に同期させて取り込む。 Figure 7 is a conceptual diagram illustrating the configuration of a signal processing device 40 that uses CAMPS technology. The signal acquisition device 41 of the signal processing device 40 is a high-speed signal processing circuit that includes an A/D converter for digital data processing in the signal calculation processing device 42, but it may also be an oscilloscope, for example. In this case, it allows synchronization with the frequency sweep based on the signal from the signal generator 11, and captures the measurement signal and reference signal in a comparable synchronized manner.
信号演算処理装置42は、コンピュータその他の演算処理部を含み、計測装置100から対象OBまでの距離OBDを決定する。また、信号演算処理装置42は、波長可変レーザ10から出力された一連のレーザ光ILのタイミング情報から各レーザ光ILの射出方向に関する情報を決定する。また、信号演算処理装置42には、図5(B)に示す各出力パルスに対応する射出角度に関する情報が、X軸方向の空間的な位置情報として予め記録されている。 The signal processing device 42 includes a computer or other processing unit, and determines the distance OBD from the measurement device 100 to the object OB. The signal processing device 42 also determines information regarding the emission direction of each laser beam IL from timing information of the series of laser beams IL output from the wavelength-tunable laser 10. The signal processing device 42 also pre-records information regarding the emission angle corresponding to each output pulse shown in Figure 5(B) as spatial position information in the X-axis direction.
信号演算処理装置42は、ヒルベルト変換部42aと、乗算部42bと、ローパスフィルタ42cと、位相検出部42dと、位相・距離変換部42eとを有する。ヒルベルト変換部42aは、乗算部42bでの乗算処理前に、参照信号RSをヒルベルト変換し、ヒルベルト変換された参照信号RSaとする。すなわち、ヒルベルト変換部42aは、参照信号RSに関して、近接した位相情報を処理するため、ヒルベルト変換により実信号を複素時間信号に変換する。ヒルベルト変換とは与えられた実数値関数に対し調和共役を与え、複素信号に変換する操作である。ヒルベルト変換により、複素数値関数が複素上半平面まで延長可能となり、信号の位相情報が得られる。乗算部42bは、計測信号MSとヒルベルト変換された参照信号RSaとを乗算し、ロックインデータDT1を取得する。ローパスフィルタ42cは、乗算部42bで乗算されて取得されたロックインデータDT1をフィルタ処理することにより、無関係な周波数成分を除去したロックインデータDT2を取得する。その後、位相検出部42dは、フィルタリングされたロックインデータDT2を用いて位相シフト量PSを検出する。位相・距離変換部42eは、位相検出部42dで検出された位相シフト量PSに基づいて計測装置100から対象OBまでの距離OBDを算出する。 The signal calculation processing device 42 includes a Hilbert transformer 42a, a multiplier 42b, a low-pass filter 42c, a phase detector 42d, and a phase-distance converter 42e. The Hilbert transformer 42a performs a Hilbert transform on the reference signal RS before the multiplication process in the multiplier 42b, generating a Hilbert-transformed reference signal RSa. In other words, the Hilbert transformer 42a converts a real signal into a complex time signal using a Hilbert transform to process adjacent phase information regarding the reference signal RS. The Hilbert transform is an operation that converts a given real-valued function into a complex signal by applying a harmonic conjugate to it. The Hilbert transform allows the complex-valued function to be extended to the complex upper half-plane, thereby obtaining phase information of the signal. The multiplier 42b multiplies the measurement signal MS by the Hilbert-transformed reference signal RSa to obtain lock-in data DT1. The low-pass filter 42c filters the lock-in data DT1 obtained by multiplication in the multiplier 42b to remove irrelevant frequency components, thereby obtaining lock-in data DT2. The phase detector 42d then detects the phase shift amount PS using the filtered lock-in data DT2. The phase-distance converter 42e calculates the distance OBD from the measurement device 100 to the object OB based on the phase shift amount PS detected by the phase detector 42d.
参照信号RSと計測信号MSとの位相シフト量PSに基づく位相差は、レーザ光ILの出力タイミングと、反射光RLの検出タイミングとの差に相当し、計測装置100から対象OBまでの距離OBDに関する情報を与える。なお、シンセサイザ12から出力される参照信号RSと、波長可変レーザ10から出力されるパルス信号との間に回路的な遅延時間がある場合には、この遅延時間を考慮した校正手段を利用して参照信号RSと計測信号MSとの位相差を算出する。 The phase difference based on the phase shift amount PS between the reference signal RS and the measurement signal MS corresponds to the difference between the output timing of the laser light IL and the detection timing of the reflected light RL, and provides information regarding the distance OBD from the measurement device 100 to the object OB. If there is a circuit-related delay time between the reference signal RS output from the synthesizer 12 and the pulse signal output from the wavelength-tunable laser 10, a calibration method that takes this delay time into account is used to calculate the phase difference between the reference signal RS and the measurement signal MS.
信号演算処理装置42では、上述した参照信号RS及び計測信号MSの位相差から算出される距離情報と、上述のレーザ光ILの射出角度に基づく空間的な位置情報とによって、対象OBの形状を求めることができる。 The signal calculation processing device 42 can determine the shape of the target OB using distance information calculated from the phase difference between the reference signal RS and measurement signal MS described above, and spatial position information based on the emission angle of the laser light IL described above.
(実施例)
<波長可変レーザ>
以下、計測装置100のうち主に波長可変レーザ10の実施例について説明する。
(Example)
<Tunable wavelength laser>
Hereinafter, an embodiment of the measurement device 100 will be mainly described, focusing on the wavelength tunable laser 10.
図1を参照して、波長可変レーザ10は、既述の要素11,12,13,14,15,16,17,18を含む能動モードロックファイバーレーザであり、特定の変調周波数でキャビティ内の光強度を変調することによってモードロックされる。上記要素のうち要素14,15,16,17は、分散チューニング部として機能する。波長可変レーザ10のキャビティに大量の波長分散を導入して、各波長のFSRを異なるようにする。これにより、FSRが変調周波数に対応する波長のみをモードロックすることができる。特定の長さのレーザキャビティが与えられると、このキャビティのFSRは次式のようになる。
ここで、cは真空中の光速であり、lはレーザキャビティの長さであり、nはキャビティ内の屈折率である。FSRの整数倍の強度変調を適用することにより、高調波モードロック条件を満たすことができる。中心変調周波数をfm0とし、中心波長をλ0とすると、掃引レーザ波長は、次式で表すことができる。
ここで、fmは掃引変調周波数であり、Dはキャビティ内の全分散である。変調周波数を掃引することにより、波長掃引を伴うパルス光出力が実現される。
Referring to FIG. 1, tunable laser 10 is an actively mode-locked fiber laser including the previously described elements 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, and 18, which is mode-locked by modulating the optical intensity in the cavity at a specific modulation frequency. Of these elements, elements 14, 15, 16, and 17 function as dispersion tuning sections. A large amount of chromatic dispersion is introduced into the cavity of tunable laser 10, causing the FSR at each wavelength to be different. This allows only wavelengths whose FSR corresponds to the modulation frequency to be mode-locked. Given a laser cavity of a specific length, the FSR of this cavity is given by:
where c is the speed of light in a vacuum, l is the length of the laser cavity, and n is the refractive index within the cavity. By applying intensity modulation at an integer multiple of the FSR, the harmonic mode-locking condition can be satisfied. Given the central modulation frequency fm0 and the central wavelength λ0 , the swept laser wavelength can be expressed as follows:
where f m is the swept modulation frequency and D is the total dispersion within the cavity. By sweeping the modulation frequency, a pulsed optical output with swept wavelength is achieved.
波長の最大チューニング範囲Δλmaxは、主にゲイン帯域幅によって決まる。ただし、変調周波数の変化が1FSRを超えると、隣接する高調波モードの2つの波長が同時に現れる可能性があるため、単一波長出力の最大チューニング範囲は、以下で表される。
ここで、fFSR0は中心波長λ0のFSRである。この式によれば、広いチューニング範囲を実現するには、キャビティ内の全分散Dと中心変調周波数fm0とを小さくすることが望ましい。ただし、キャビティ内の全分散Dと中心変調周波数fm0とを小さくすると、レーザ波長が不安定になり、線幅の拡張が生じる。したがって、波長調整範囲と瞬間的な線幅との間にはトレードオフの関係がある。非機械式ビームスキャナの場合、上記の波長調整範囲によって最大横方向走査角度が決まり、瞬間的な線幅の広がりによって横方向の分解能が制限されるともいえる。多用途の非機械式スキャナは、レーザ光源のパラメータを変更することで実現できる。
The maximum wavelength tuning range Δλ max is mainly determined by the gain bandwidth. However, when the modulation frequency changes more than 1 FSR, two wavelengths of adjacent harmonic modes may appear simultaneously, so the maximum tuning range of a single wavelength output is given by
where fFSR0 is the FSR at the center wavelength λ0 . According to this equation, it is desirable to reduce the intracavity total dispersion D and the center modulation frequency fm0 to achieve a wide tuning range. However, reducing the intracavity total dispersion D and the center modulation frequency fm0 leads to laser wavelength instability and linewidth broadening. Therefore, there is a trade-off between the wavelength tuning range and the instantaneous linewidth. For non-mechanical beam scanners, the wavelength tuning range determines the maximum lateral scan angle, and the instantaneous linewidth broadening can be said to limit the lateral resolution. Versatile non-mechanical scanners can be realized by modifying the parameters of the laser source.
実施例の波長可変レーザ10は、図1の構成と同様である。実施例の波長可変レーザ10のキャビティの全長は11.1mである。これは、波長1550nmの光の基本的なFSRが約18.6MHzであることを意味する。これにより、716MHz~726MHzの変調周波数で、波長1530nm~1600nmのモードロックパルス出力を取得できる。高速波長掃引の場合、信号発生器11は、10kHzのランプ信号を提供して、0.1ミリ秒ごとに変調周波数を掃引する。パルス発生器13は、レーザのスペクトル線幅を減少させるために、シンセサイザ12によって生成された正弦波を短いパルス列に変換するために使用される。実施例において、パルス発生器13で生成されるパルスのパルス幅は100psであるため、変調周波数が716MHz~726MHzの場合、デューティサイクルは0.0716~0.0726になる。パルス発生器13を使用すると、レーザ出力の線幅を約40%向上させることができる。 The tunable laser 10 of the embodiment has the same configuration as that shown in Figure 1. The total cavity length of the tunable laser 10 of the embodiment is 11.1 m. This means that the fundamental FSR of light with a wavelength of 1550 nm is approximately 18.6 MHz. This allows a mode-locked pulse output with wavelengths from 1530 nm to 1600 nm to be obtained at a modulation frequency of 716 MHz to 726 MHz. For high-speed wavelength sweeping, the signal generator 11 provides a 10 kHz ramp signal to sweep the modulation frequency every 0.1 milliseconds. The pulse generator 13 is used to convert the sine wave generated by the synthesizer 12 into a short pulse train to reduce the spectral linewidth of the laser. In the embodiment, the pulse width of the pulses generated by the pulse generator 13 is 100 ps, so when the modulation frequency is 716 MHz to 726 MHz, the duty cycle is 0.0716 to 0.0726. Using the pulse generator 13 can improve the linewidth of the laser output by approximately 40%.
波長可変レーザ10は、キャビティに内部光増幅器14であるSOAを挿入して100nmの範囲で広帯域光利得を提供し、出力素子としてだけでなく分散素子として高分散媒質16であるCFBGを採用している。CFBGの波長分散は10ps/nmであり、反射率は65%であり、キャビティ電力の35%が出力としてCFBGを通過する。CFBGはキャビティの長さを大幅に短縮できるため、波長掃引速度の向上に効果的である。上記のオプトエレクトロニクスの取り組みにより、平均パワーが-2dBm、パルス幅が約100psのパルス光出力が得られる。波長可変レーザ10の出力波長は10kHzの周波数で掃引され、瞬間スペクトルの半値全幅(FWHM:full width at half maximum)は約0.3nmである。 The tunable laser 10 inserts an internal optical amplifier (SOA) 14 into the cavity to provide broadband optical gain over a 100 nm range, and employs a highly dispersive medium 16, a CFBG, as both the output element and the dispersive element. The CFBG has a chromatic dispersion of 10 ps/nm and a reflectivity of 65%, with 35% of the cavity power passing through the CFBG as output. The CFBG significantly shortens the cavity length, effectively improving wavelength sweep speed. The above optoelectronic approach produces pulsed optical output with an average power of -2 dBm and a pulse width of approximately 100 ps. The output wavelength of the tunable laser 10 is swept at a frequency of 10 kHz, and the instantaneous spectral full width at half maximum (FWHM) is approximately 0.3 nm.
ただし、レーザ検出の用途では、より高い光パワーレベルが要求されるため、出力は出力側光増幅器18のようなエルビウムドープファイバ増幅器(EDFA:Erbium-doped fiber amplifier)で増幅される。 However, for laser detection applications, higher optical power levels are required, so the output is amplified by an erbium-doped fiber amplifier (EDFA) such as output optical amplifier 18.
<計測装置>
以下、図8を参照しつつ、計測装置100の具体的な実施例について説明する。図8は、計測装置100の一例として、全体的な非機械的スペクトル走査レーザ検出システムを示す。符号10Aは、図1に示す内部光増幅器14、強度変調器15、高分散媒質16、及び内部サーキュレータ17に対応する分散チューニング部を示す。空間分散デバイス20は、コリメータ21とビームスプリッタ24(具体的には、ペリクルビームスプリッタ(Thorlabs社製BP145B3))と分散部22(具体的には、テレコム透過型回折格子(LightSmyth社製T-966C-27x10-94))とで構成される。実施例では、出力側サーキュレータ50を設けずに、ビームスプリッタ24によってレーザ光ILと反射光RLとが分離される。受信装置30は、レンズ32とフォトダイオード31(具体的には、InGaAs可変ゲインタイプのアバランシェフォトダイオード(APD、APD450C))とで構成される。実施例の計測装置100は、実験系の構成であり、信号収集装置41は、複数スイープを統合するオシロスコープであり、信号発生器11と同期している。
<Measuring equipment>
A specific embodiment of the measurement apparatus 100 will now be described with reference to FIG. 8 . FIG. 8 shows an overall non-mechanical spectrum scanning laser detection system as an example of the measurement apparatus 100. Reference numeral 10A denotes a dispersion tuning section corresponding to the internal optical amplifier 14, intensity modulator 15, high-dispersion medium 16, and internal circulator 17 shown in FIG. 1 . The spatial dispersion device 20 comprises a collimator 21, a beam splitter 24 (specifically, a pellicle beam splitter (BP145B3 manufactured by Thorlabs)), and a dispersion section 22 (specifically, a telecom transmission grating (T-966C-27x10-94 manufactured by LightSmyth)). In this embodiment, the laser light IL and the reflected light RL are separated by the beam splitter 24 without providing an output-side circulator 50. The receiving device 30 is composed of a lens 32 and a photodiode 31 (specifically, an InGaAs variable gain avalanche photodiode (APD, APD450C)). The measuring device 100 of the embodiment is an experimental system configuration, and the signal collecting device 41 is an oscilloscope that integrates multiple sweeps and is synchronized with the signal generator 11.
計測装置100において、波長可変レーザ10からの平均パワーが-2dBmの光出力は、出力側光増幅器18であるEDFAによって14.6dBmに増幅され、空間分散デバイス20において、ビーム径2mmのコリメータ21を使用して自由空間に向けてコリメートされる。分散部22である高効率のテレコム透過型回折格子を使用して、波長掃引光を約0.09°/nmの空間分散と94%の回折効率とで回折する。分散部22の空間分散と走査角度との関係は次のように計算できる。
ここで、Δλは波長調整範囲であり、dは単一の回折格子の分散である。この式を使用すると、スキャン角度は3.5°と見積もることができる。
In the measurement device 100, the optical output from the wavelength-tunable laser 10, with an average power of −2 dBm, is amplified to 14.6 dBm by an EDFA, which is the output-side optical amplifier 18, and then collimated into free space using a collimator 21 with a beam diameter of 2 mm in a spatial dispersing device 20. A high-efficiency telecom transmission grating, which is the dispersing section 22, diffracts the wavelength-swept light with a spatial dispersion of approximately 0.09°/nm and a diffraction efficiency of 94%. The relationship between the spatial dispersion of the dispersing section 22 and the scanning angle can be calculated as follows:
where Δλ is the wavelength tuning range and d is the dispersion of a single grating. Using this formula, the scan angle can be estimated to be 3.5°.
計測装置100から出力された光ビーム(レーザ光IL)が対象OBの表面に当たると、2種類の反射、つまり鏡面反射と拡散反射とが発生する可能性がある。ほとんどの屋内物体からの戻り光(反射光RL)では光拡散反射が支配的であるため、後者の光拡散反射は、レーザ検出の用途でより重要である。ランベルトの余弦則によれば、理想的な拡散反射面から観測されたステラジアンあたりの反射パワーは、次式のように表すことができる。
ここで、PTは光源からの二乗平均平方根(RMS)の放射パワーであり、ρは表面の拡散反射率であり、θは入射光の方向と表面の法線との偏向角である。実験では、反射光パワーを最大化するために、θ=0の同軸構成を用いた。対象OBからの反射光RLは、同じ光路を通ってビームスプリッタ24に戻り、フォトダイオード31によって電気信号に変換される。実施例の計測装置100では、検出器アレイではなく、単一ピクセル検出器を使用できるため、高感度のアバランシェフォトダイオード(APD)又は光電子増倍管(PMT)と互換性がある。信号収集装置41であるオシロスコープは、計測信号と基準信号とを同期させることにより、光検出器である受信装置30からデータを収集し、後データ処理を実行する。
When the light beam (laser light IL) output from the measurement device 100 strikes the surface of the object OB, two types of reflection can occur: specular reflection and diffuse reflection. The latter type is more important in laser detection applications because it dominates the return light (reflected light RL) from most indoor objects. According to Lambert's cosine law, the reflected power per steradian observed from an ideal diffuse-reflecting surface can be expressed as follows:
where P T is the root-mean-square (RMS) radiant power from the light source, ρ is the diffuse reflectance of the surface, and θ is the deflection angle between the incident light direction and the surface normal. In the experiment, a coaxial configuration with θ = 0 was used to maximize the reflected light power. The reflected light RL from the object OB returns to the beam splitter 24 along the same optical path and is converted into an electrical signal by the photodiode 31. The measurement device 100 of the embodiment can use a single pixel detector instead of a detector array, making it compatible with high-sensitivity avalanche photodiodes (APDs) or photomultiplier tubes (PMTs). The signal acquisition device 41, an oscilloscope, synchronizes the measurement signal with a reference signal to acquire data from the photodetector receiving device 30 and perform post-data processing.
ランベルトの余弦則は、拡散光が全ての方向に反射されることも示唆している。対象OBを計測装置100に近づけるほど、より多くの反射光RLを検出できる。計測装置100は、対象OBから最大30cm離れた場所で測定可能な反射光RLを検出できる。スキャン角度を考慮すると、30cmでの最大スキャン範囲は約1.8cmである。より高い光パワーとすることにより、より長い検出距離を達成することができる。波長可変レーザ10の波長は連続的に調整できるため、横方向の分解能は主にビームスポットのサイズと瞬間的な線幅とによって決まる。計測装置100で横方向の解像度を制限する主な要因は、2mmのビームサイズである。ビームサイズの小さいコリメータやレンズシステムを使用することで、改善が期待される。 Lambert's cosine law also suggests that diffuse light is reflected in all directions. The closer the object OB is to the measurement device 100, the more reflected light RL can be detected. The measurement device 100 can detect measurable reflected light RL up to 30 cm away from the object OB. Considering the scan angle, the maximum scan range at 30 cm is approximately 1.8 cm. Longer detection distances can be achieved by using higher optical power. Because the wavelength of the tunable laser 10 is continuously adjustable, the lateral resolution is primarily determined by the beam spot size and instantaneous linewidth. The main factor limiting the lateral resolution of the measurement device 100 is the 2 mm beam size. Improvements are expected by using collimators and lens systems with smaller beam sizes.
<チャープ強度変調位相シフト測定(CAMPS)>
ここでは、CAMPSの手順を説明するために、平面サンプルに対して実行された非機械的なライン走査のデータを例として取り上げる。サンプルには、アノーディックコーティングを施した金属板が使用される。図9(A)~9(D)、及び図10(A)~10(D)は、生信号である計測信号と参照信号との時間領域及び周波数領域の情報を示している。図9(A)は、計測信号の波形であり、図9(C)は、図9(A)の一部を拡大した波形である。図9(B)は、参照信号の波形であり、図9(D)は、図9(B)の一部を拡大した波形である。図10(A)及び10(B)は、計測信号及び参照信号の周波数領域情報(RFスペクトル)をそれぞれ示し、図10(C)及び10(D)は、図10(A)及び10(B)の変調周波数720MHz~726MHzの範囲のメインピークを示す。
Chirp Intensity Modulation Phase Shift Measurement (CAMPS)
To explain the CAMPS procedure, we use data from a non-mechanical line scan performed on a planar sample as an example. The sample used is a metal plate with an anodic coating. Figures 9(A) to 9(D) and 10(A) to 10(D) show time-domain and frequency-domain information for the raw measurement signal and reference signal. Figure 9(A) shows the waveform of the measurement signal, and Figure 9(C) shows an enlarged waveform of a portion of Figure 9(A). Figure 9(B) shows the waveform of the reference signal, and Figure 9(D) shows an enlarged waveform of a portion of Figure 9(B). Figures 10(A) and 10(B) show frequency-domain information (RF spectra) for the measurement signal and reference signal, respectively, and Figures 10(C) and 10(D) show the main peak in the modulation frequency range of 720 MHz to 726 MHz in Figures 10(A) and 10(B).
図9(A)~9(D)に示すように、計測信号と参照信号の2つの波形は、瞬間周波数が同じになるように同期される。参照信号又は参照データとは異なって、サンプルの表面が異なる場所で一定の反射光RLを提供するとは限らないため、計測信号又は信号データの振幅は一定ではない。 As shown in Figures 9(A) to 9(D), the two waveforms of the measurement signal and the reference signal are synchronized so that they have the same instantaneous frequency. Unlike the reference signal or reference data, the amplitude of the measurement signal or signal data is not constant because the sample surface does not necessarily provide a constant reflected light RL at different locations.
図10(B)及び10(D)に示すように、参照信号又は参照データとしては、720MHz~726MHzの変調周波数のピークが最も高く、他の周波数成分はほぼ一定である。2番目に高いピークは、メインピークよりも10dB以上低くなっている。しかしながら、図10(A)及び10(C)に示すように、計測信号又は信号データの場合、波形はDC成分や2fm成分等の正弦波ではなくパルス波であるため、同等の強度を持つ複数のピークが存在する。 As shown in Figures 10(B) and 10(D), the reference signal or reference data has the highest peak at a modulation frequency of 720 MHz to 726 MHz, with the other frequency components remaining nearly constant. The second-highest peak is more than 10 dB lower than the main peak. However, as shown in Figures 10(A) and 10(C), in the case of the measurement signal or signal data, the waveform is a pulse wave rather than a sine wave such as a DC component or 2fm component, and therefore multiple peaks of equal intensity are present.
本実施形態の計測装置100では、変調周波数が一定の標準的な強度変調連続波(AMCW:amplitude-modulated continuous-wave)とは異なり、変調周波数も変調されるため、ミキサーを使用するのではなく、信号処理装置40のコンピュータで後データ処理を実行して信号トレースの動的位相変化を取得する。計測信号の正規化された連続強度Isgn(t)、参照信号の正規化された連続強度Iref(t)、及び連続相対位相Δφ(t)は次式のように計算することができる。
ここで、φsgn(t)とφref(t)とは、それぞれ計測信号と参照信号の連続位相角である。φsgn(t)とφref(t)とは、主周波数領域上の時系列(temporal train)にバンドパスフィルタを適用し、他の無関係な周波数成分を除去することによって簡単に取得できる。ただし、変調周波数は一定ではなく、計測信号は正弦波ではなくパルス波であるため(図9(C)参照)、図10(C)及び10(D)に示すように、フィルタは720MHz~726MHzの主周波数領域全体をカバーする必要があるが、広くなりすぎてノイズを完全に除去できない。周波数領域での掃引繰返し率のサイドローブは、変調周波数が掃引している間は互いに重なり合うため、フィルタで除去することはほとんどできない。ここでは、この問題を解決するために、高速チャープAM位相検出のデータ処理にCAMPS技術を使用する。
In the measurement device 100 of this embodiment, unlike a standard amplitude-modulated continuous wave (AMCW) whose modulation frequency is constant, the modulation frequency is also modulated, so instead of using a mixer, post-data processing is performed by the computer of the signal processing device 40 to obtain the dynamic phase changes of the signal trace. The normalized continuous intensity I sgn (t) of the measurement signal, the normalized continuous intensity I ref (t) of the reference signal, and the continuous relative phase Δφ(t) can be calculated as follows:
Here, φ sgn (t) and φ ref (t) are the continuous phase angles of the measurement signal and the reference signal, respectively. φ sgn (t) and φ ref (t) can be easily obtained by applying a band-pass filter to the temporal train in the main frequency domain to remove other irrelevant frequency components. However, because the modulation frequency is not constant and the measurement signal is a pulse wave rather than a sine wave (see Figure 9(C)), the filter must cover the entire main frequency range from 720 MHz to 726 MHz, as shown in Figures 10(C) and 10(D), but this is too wide to completely remove noise. The side lobes of the sweep repetition rate in the frequency domain overlap with each other while the modulation frequency is sweeping, so they can hardly be removed by the filter. To solve this problem, we use the CAMPS technique for data processing of high-speed chirp AM phase detection.
図11は、図7に示す信号処理装置40での処理手順の具体例を説明する図である。強度トレースの振幅は均一ではないため、計測信号Isgn(t)の正規化された連続強度は、次式のように表す必要がある。
ここで、A(t)は計測信号の連続振幅の包絡線を表す。信号処理装置40では、ロックイン技術を利用して、計測信号と参照信号との間の位相シフトを、それらの乗算にローパスフィルタを適用することによって抽出する。バンドパスフィルタを計測信号と計測基準とに個別に適用する場合と比較して、この方法は、掃引繰返し率によって引き起こされ周波数領域でオーバーラップするサイドローブの影響を受けないため、より高い精度を提供することができる。クラマース・クローニッヒの関係により不均一な振幅によって引き起こされる位相エラーを回避するため、参照信号RSは信号演算処理装置42のヒルベルト変換部42aで最初にヒルベルト変換されて全ての周波数成分に位相情報を与えられる。次に、ヒルベルト変換された参照信号RSaは、乗算部42bで計測信号MSと乗算されてロックインデータDT1を取得する。ロックインデータは次式のように表すことができる。
ここで、第1項は計測信号MSとヒルベルト変換された参照信号RSa(基準信号)との間の位相シフトであり、第2項は望ましくない高周波ノイズである。
Fig. 11 is a diagram illustrating a specific example of the processing procedure in the signal processing device 40 shown in Fig. 7. Since the amplitude of the intensity trace is not uniform, the normalized continuous intensity of the measurement signal I sgn (t) needs to be expressed as follows:
where A(t) represents the envelope of the continuous amplitude of the measurement signal. The signal processing device 40 utilizes a lock-in technique to extract the phase shift between the measurement signal and the reference signal by applying a low-pass filter to their multiplication. Compared with applying band-pass filters to the measurement signal and the measurement reference separately, this method can provide higher accuracy because it is not affected by side lobes that overlap in the frequency domain caused by the sweep repetition rate. To avoid phase errors caused by uneven amplitudes due to the Kramers-Kronig relation, the reference signal RS is first Hilbert transformed in the Hilbert transformer 42a of the signal processing device 42 to provide phase information for all frequency components. The Hilbert transformed reference signal RSa is then multiplied by the measurement signal MS in the multiplier 42b to obtain lock-in data DT1. The lock-in data can be expressed as follows:
where the first term is the phase shift between the measurement signal MS and the Hilbert transformed reference signal RSa (reference signal), and the second term is the unwanted high frequency noise.
図12(A)は、ロックインデータDT1の振幅であり、図12(C)は、図12(A)の一部を拡大した図である。図12(B)は、ロックインデータDT1の位相であり、図12(D)は、図12(B)の一部を拡大した図である。図12(E)は、ロックインデータDT1のRFスペクトルであり、図12(F)は、図12(E)の一部を拡大した図である。 Figure 12(A) shows the amplitude of the lock-in data DT1, and Figure 12(C) is an enlarged view of a portion of Figure 12(A). Figure 12(B) shows the phase of the lock-in data DT1, and Figure 12(D) is an enlarged view of a portion of Figure 12(B). Figure 12(E) shows the RF spectrum of the lock-in data DT1, and Figure 12(F) is an enlarged view of a portion of Figure 12(E).
RFスペクトルのDCピークは、参照信号RSと計測信号MSとの間のホモダイン情報を表すため、ロックインデータDT1は信号演算処理装置42のローパスフィルタ42cによってフィルタ処理され、高周波ノイズが除去される。具体的には、高速フーリエ変換(FFT)を実行した後、デジタルローパスフィルタを適用して、高周波ノイズを除去する。ここでは、長方形のウィンドウ関数ではなく、ブラックマンのウィンドウ関数がデータ用ローパスフィルタとして使用される。後者は、不連続点のために望ましくないリップルを引き起こす可能性がある。フィルタリングされた時間波形は、逆FFT(iFFT)を実行した後に取得される。 Since the DC peak in the RF spectrum represents the homodyne information between the reference signal RS and the measurement signal MS, the lock-in data DT1 is filtered by the low-pass filter 42c of the signal processing unit 42 to remove high-frequency noise. Specifically, after performing a fast Fourier transform (FFT), a digital low-pass filter is applied to remove high-frequency noise. Here, a Blackman window function is used as the data low-pass filter rather than a rectangular window function, which may cause undesired ripples due to discontinuities. The filtered time waveform is obtained after performing an inverse FFT (iFFT).
図13(A)及び13(B)は、フィルタリングされた後のロックインデータの振幅と位相とを示す図である。連続相対位相Δφ(t)は次式のように計算できる。
ここで、Sreal(t)とSimg(t)とは、それぞれローパスフィルタ42cを使用したロックインデータDT1の実数部と虚数部である。掃引繰返し率が異なるFSRに対応するため、得られた位相シフトは傾斜している。変調周波数が726MHzから720MHzに掃引されると、非多義距離(非不確実な距離)は20.66cm~20.83cmに変化する。
13(A) and 13(B) show the amplitude and phase of the lock-in data after filtering. The continuous relative phase Δφ(t) can be calculated as follows:
where S real (t) and S img (t) are the real and imaginary parts, respectively, of the lock-in data DT1 obtained using low-pass filter 42c. The resulting phase shift is ramped because the sweep repetition rate corresponds to a different FSR. As the modulation frequency is swept from 726 MHz to 720 MHz, the unambiguous distance (uncertain distance) changes from 20.66 cm to 20.83 cm.
計測信号MSとヒルベルト変換された参照信号RSa(基準信号)との間の位相シフトは、ロックインデータDT1の位相検出後に取得でき、次式に示す距離に変換できる。
ここで、d(t)は相対距離であり、Δφ(t)は連続相対位相であり、fm(t)は変調周波数であり、tは0から0.1ミリ秒まで変化する単一掃引の時間であり、Nは非多義距離のサイクル数である。
The phase shift between the measurement signal MS and the Hilbert transformed reference signal RSa (reference signal) can be obtained after phase detection of the lock-in data DT1 and converted into a distance as shown in the following equation:
where d(t) is the relative distance, Δφ(t) is the continuous relative phase, f m (t) is the modulation frequency, t is the time of a single sweep varying from 0 to 0.1 ms, and N is the number of cycles of the unambiguous distance.
<検証実験>
図14(A)は、アノーディックコーティングを施した平面サンプルを非多義距離(最大連続探知範囲)のスパンでライン走査した結果を示す図であり、図14(B)は、平面サンプルを異なる平均化回数の4mmスパンでライン走査した結果を示す図である。
<Verification experiment>
FIG. 14(A) shows the results of line scanning an anodic coated planar sample at a span of non-ambiguous distance (maximum continuous detection range), and FIG. 14(B) shows the results of line scanning a planar sample at a 4 mm span with different averaging times.
距離変換とバックグラウンド補正との後、平面サンプルの相対距離情報を位相シフトから取得できる。サンプルはスキャナから約20cm離れて配置されるため、対応する横方向の走査範囲は約12mmである。20cmの軸方向スパンを考慮すると、結果は図14(A)に示すように予想通り直線を示している。ミリメートルスパンで1mm未満の誤差が観察される。複数の走査で結果を平均化することにより、ランダムノイズを最小限に抑えることができる。図14(B)に示すように、平均化回数が8を超えることで、ほとんどのノイズを除去するのに十分となる。 After distance transformation and background correction, relative distance information for the planar sample can be obtained from the phase shift. The sample is placed approximately 20 cm away from the scanner, so the corresponding lateral scan range is approximately 12 mm. Considering an axial span of 20 cm, the results are linear as expected, as shown in Figure 14(A). Errors of less than 1 mm are observed over millimeter spans. Random noise can be minimized by averaging the results over multiple scans. Averaging more than 8 times is sufficient to remove most of the noise, as shown in Figure 14(B).
図14(B)に示すように、平均化によって抑制できるランダムノイズの他に、再現性のある変動がある。平均化された結果は、サンプルには存在しない振幅が約1mmのシステムエラーを示唆しているため、これをシステムエラーと見なすことができる。同じ場所の走査結果から高度に平均化(96回)された結果を差し引くことにより、システムエラーを補正し、検出システムの精度を評価することができる。 As shown in Figure 14(B), in addition to random noise that can be suppressed by averaging, there is reproducible variation. The averaged results suggest a systematic error of approximately 1 mm amplitude that is not present in the sample, and therefore can be considered a systematic error. By subtracting the highly averaged (96 times) results from the scan results of the same location, the systematic error can be corrected and the accuracy of the detection system can be evaluated.
図15(A)は、距離測定のために使われる2枚の金属板の模式的な平面図であり、図15(B)は、ライン走査の結果を示す図である。 Figure 15(A) is a schematic plan view of two metal plates used for distance measurement, and Figure 15(B) shows the results of line scanning.
実施例では、2枚の金属板を並べて階段状の表面を形成したサンプルOB1に対して距離(具体的には、相対距離d1)を測定した。図15(A)に示すように、サンプルOB1の段差71の深さは13mmであり、走査光であるレーザ光ILはサンプルOB1の段差71をカバーするように適切に照射される。図15(B)は、32回の平均化回数でのライン走査の結果を示している。この結果から、深さの違いがはっきりと観察され、サンプルOB1の13mmの段差深さとよく一致している。段差71のエッジの領域は、ビームサイズに対応する2mm幅の緩やかな傾斜を生じさせる。ビームサイズは、現在のシステムの横方向の解像度を制限する主な要因である。将来的には、ビームサイズを小さくするか、検出距離を長くすることで改善できる。 In this example, distance (specifically, relative distance d1) was measured for sample OB1, which consisted of two metal plates arranged side by side to form a stepped surface. As shown in Figure 15(A), the depth of step 71 in sample OB1 was 13 mm, and the scanning light, laser light IL, was appropriately irradiated to cover step 71 of sample OB1. Figure 15(B) shows the results of line scanning with 32 averaging cycles. The difference in depth is clearly observed, which is consistent with the 13 mm step depth of sample OB1. The edge region of step 71 produces a gentle slope with a width of 2 mm, corresponding to the beam size. The beam size is the main factor limiting the lateral resolution of the current system. In the future, this can be improved by reducing the beam size or increasing the detection distance.
以上のように、分散チューニングレーザと新しいCAMPS技術とを用いて、全体的な非機械的スペクトル走査型レーザ距離計の実証と提案とに成功した。高速波長掃引パルス出力を備えた分散チューニングレーザのおかげで、機械的スキャンデバイスも振幅変調用の追加の外部強度変調器も含まれていない。CAMPS技術を使用して、分散チューニングレーザを利用し、チャープされた振幅変調信号から位相シフト情報を継続的に復元することができる。距離測定の結果は、提案されたシステムが概念実証として、10kHz及び約1mmの軸方向分解能での高速連続ラインスキャンを達成できることを示している。現在のシステムでの検出範囲の制限は、送信電力やビームサイズである。自由空間システムの電力効率を改善し、コリメータをより小さなビームサイズに置き換えることにより、検出範囲の拡大と横方向の解像度の改善とが期待できる。 As described above, we have successfully demonstrated and proposed an entirely non-mechanical spectral scanning laser rangefinder using a dispersion-tuned laser and novel CAMPS technology. Thanks to the dispersion-tuned laser with a fast wavelength-swept pulse output, neither a mechanical scanning device nor an additional external intensity modulator for amplitude modulation is included. CAMPS technology can utilize the dispersion-tuned laser to continuously recover phase shift information from the chirped amplitude-modulated signal. The range measurement results demonstrate that the proposed system, as a proof-of-concept, can achieve high-speed continuous line scanning at 10 kHz and approximately 1 mm axial resolution. The detection range limitations of current systems are the transmit power and beam size. By improving the power efficiency of the free-space system and replacing the collimator with a smaller beam size, it is expected that the detection range and lateral resolution will be extended.
上記計測装置100では、信号処理装置40がレーザ光ILの出力タイミング、検出タイミング、及び一連のレーザ光ILのタイミング情報により対象OBまでの距離や方向に関する情報を取得する。この際、波長掃引光源である波長可変レーザ10と空間分散デバイス20とを組み合わせて、波長掃引及びレーザビームの偏向を、全て非機械式構成を用いて行うことにより、掃引速度を従来の機械式構成よりも数オーダ高くすることができ、かつ装置の振動耐力を向上させることができる。 In the measurement device 100, the signal processing device 40 acquires information regarding the distance and direction to the target OB from the output timing of the laser light IL, the detection timing, and timing information for a series of laser light IL signals. By combining the wavelength-tunable laser 10, which serves as a wavelength-swept light source, with the spatial dispersion device 20, the wavelength sweep and laser beam deflection are all performed using a non-mechanical configuration, enabling the sweep speed to be several orders of magnitude faster than conventional mechanical configurations and improving the device's vibration resistance.
波長可変レーザ10は、一連のレーザ光をパルス列として出力し、信号処理装置40は、パルス列のタイミング情報から各レーザ光ILの射出方向に関する情報を決定し、対象OBまでの距離を決定するために、パルス列を構成するパルス単位でレーザ光IL(実際には、シンセサイザ12)から得た参照信号RSと反射光RLの計測信号MSとの位相差を計算する。距離算出に関してパルス列を構成するパルス単位で参照信号RSと計測信号MSとの位相差を算出することにより繰り返し周波数が変わり続ける(チャープする)信号トレースの動的位相変化を取得することができる。これにより、連続高速スキャンが可能となる。 The tunable laser 10 outputs a series of laser beams as a pulse train, and the signal processing device 40 determines information regarding the emission direction of each laser beam IL from timing information of the pulse train. To determine the distance to the target OB, the signal processing device 40 calculates the phase difference between the reference signal RS obtained from the laser beam IL (actually, the synthesizer 12) and the measurement signal MS of the reflected light RL for each pulse constituting the pulse train. By calculating the phase difference between the reference signal RS and the measurement signal MS for each pulse constituting the pulse train, it is possible to obtain dynamic phase changes in a signal trace whose repetition frequency is constantly changing (chirping). This enables continuous high-speed scanning.
〔第2実施形態〕
以下、第2実施形態に係る計測装置について説明する。なお、第2実施形態に係る計測装置は、第1実施形態を変形したものであり、特に説明しない部分については、第1実施形態と同様である。
Second Embodiment
The measurement device according to the second embodiment will be described below. Note that the measurement device according to the second embodiment is a modification of the first embodiment, and parts that are not particularly described are the same as those in the first embodiment.
図16に示すように、本実施形態の計測装置110は、図1に示す計測装置100をY軸方向に複数個積み重ねたものである。なお、計測装置110において、空間分散デバイス20のうち分散部122のグレーティング122a,122bは、それぞれアレイ状になっている。 As shown in Figure 16, the measurement device 110 of this embodiment is formed by stacking multiple measurement devices 100 shown in Figure 1 in the Y-axis direction. In the measurement device 110, the gratings 122a and 122b of the dispersion section 122 of the spatial dispersion device 20 are each arranged in an array.
計測装置110が複数の計測装置100を複数個積み重ねることにより、Y軸方向のスキャンが可能となり、計測装置100の個々のX軸方向のスキャンと組み合わせて2次元計測を行うことができる。 By stacking multiple measuring devices 100 in a measuring device 110, scanning in the Y-axis direction becomes possible, and two-dimensional measurements can be performed in combination with individual X-axis scans of the measuring devices 100.
〔第3実施形態〕
以下、第3実施形態に係る計測装置について説明する。なお、第3実施形態に係る計測装置は、第1実施形態等を変形したものであり、特に説明しない部分については、第1実施形態等と同様である。
Third Embodiment
The measurement device according to the third embodiment will be described below. Note that the measurement device according to the third embodiment is a modification of the first embodiment, and parts that are not particularly described are the same as those of the first embodiment.
図17に示すように、本実施形態の計測装置120において、空間分散デバイス20は、コリメータ21と、バーチャリイメージドフェーズドアレイ25(VIPA:Virtually Imaged Phased Arrays)と、アレイ状の分散部222とを有する。VIPA25は、入力光の波長に従って空間的に区別可能な出力光を生成するものであり、シリンドリカルレンズ25aとガラス板25bとで構成される。計測装置120は、空間分散デバイス20にVIPA25を組み込むことにより、自動的な非機械的2次元スキャナとして機能する。 As shown in FIG. 17 , in the measurement apparatus 120 of this embodiment, the spatial dispersion device 20 has a collimator 21, a virtually imaged phased array (VIPA) 25, and an array-shaped dispersion section 222. The VIPA 25 generates spatially distinguishable output light according to the wavelength of the input light, and is composed of a cylindrical lens 25a and a glass plate 25b. By incorporating the VIPA 25 into the spatial dispersion device 20, the measurement apparatus 120 functions as an automatic, non-mechanical two-dimensional scanner.
図16及び図17に示す計測装置110,120は、3次元計測に応用することができる。例えば、計測装置110,120は、工業製品の外観検査に用いられる3次元レーザスキャナへの適用が考えられる。物体形状測定は多種の分野に需要があり、鋳型の形状測定、加工製品の外観検査、プリント基板上の半田形状検査等に応用されている。これまで、部品表面の細かい傷、ひび割れ等の検査は、技術者の触感や視覚により行われてきたが、上記実施形態の計測装置110,120の実用化により、スマートファクトリの実現に拍車をかけることが期待できる。また、自動運転車においても計測装置が用いられているが、最も知られている自動運転用計測装置は機械駆動に基づいており、また、自動車一台以上のコストがかかる。上記実施形態の計測装置による非機械式計測装置を用いることにより、自動運転業界の3次元計測を一新する可能性がある。 The measuring devices 110, 120 shown in Figures 16 and 17 can be applied to three-dimensional measurement. For example, the measuring devices 110, 120 could be applied to three-dimensional laser scanners used for visual inspection of industrial products. Object shape measurement is in demand in a wide variety of fields, and is applied to mold shape measurement, visual inspection of processed products, solder shape inspection on printed circuit boards, and more. Until now, inspection of component surfaces for fine scratches, cracks, etc. has been performed by engineers using their sense of touch or vision. However, the practical application of the measuring devices 110, 120 of the above-described embodiments is expected to accelerate the realization of smart factories. Furthermore, measuring devices are also used in autonomous vehicles. However, most known autonomous driving measuring devices are mechanically driven and cost more than a single automobile. Using a non-mechanical measuring device such as the measuring device of the above-described embodiment could revolutionize three-dimensional measurement in the autonomous driving industry.
〔その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。
〔others〕
Although the present invention has been described above based on the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments.
上記実施形態において、内部光増幅器14の駆動電流を直接変調して波長変調してもよい。 In the above embodiment, wavelength modulation may be achieved by directly modulating the drive current of the internal optical amplifier 14.
上記実施形態において、パルス変調の方法や波長掃引の方法等は適宜変更することができる。また、変調周波数、掃引速度等も適宜変更することができる。また、掃引波形は、線形、非線形、上り掃引、下り掃引等適宜変更することができる。 In the above embodiment, the pulse modulation method, wavelength sweep method, etc. can be changed as appropriate. The modulation frequency, sweep speed, etc. can also be changed as appropriate. The sweep waveform can also be changed as appropriate, such as linear, nonlinear, upsweep, or downsweep.
上記実施形態において、波長可変レーザ10、空間分散デバイス20、受信装置30、信号処理装置40等の構成は、適宜変更することができる。 In the above embodiment, the configurations of the wavelength tunable laser 10, spatial dispersion device 20, receiving device 30, signal processing device 40, etc. can be modified as appropriate.
上記実施形態において、波長可変レーザ10の波長掃引光源が機械駆動を含む構成としても、レーザ光ILの変調周波数がチャープして参照信号RSと計測信号MSとの位相シフト量が時系列的に変化した場合の信号処理にCAMPS技術を利用することができる。 In the above embodiment, even if the wavelength sweep light source of the wavelength tunable laser 10 is configured to include mechanical drive, CAMPS technology can be used for signal processing when the modulation frequency of the laser light IL chirps and the amount of phase shift between the reference signal RS and the measurement signal MS changes over time.
10…波長可変レーザ、 11…信号発生器、 12…シンセサイザ、 13…パルス発生器、 14…内部光増幅器、 15…強度変調器、 16…高分散媒質、 17…内部サーキュレータ、 18…出力側光増幅器、 19…光ファイバ、 20…空間分散デバイス、 21…コリメータ、 22,122,222…分散部、 22a,22b,122a,122b…グレーティング、 23…レンズ、 30…受信装置、 31…フォトダイオード、 40…信号処理装置、 41…信号収集装置、 42…信号演算処理装置、 42a…ヒルベルト変換部、 42b…乗算部、 42c…ローパスフィルタ、 42d…位相検出部、 42e…位相・距離変換部、 50…出力側サーキュレータ、 100,110,120…計測装置、 IL…レーザ光、 OB,OB1…対象、 RL…反射光 10...Tunable wavelength laser, 11...Signal generator, 12...Synthesizer, 13...Pulse generator, 14...Internal optical amplifier, 15...Intensity modulator, 16...High dispersion medium, 17...Internal circulator, 18...Output side optical amplifier, 19...Optical fiber, 20...Spatial dispersion device, 21...Collimator, 22, 122, 222...Dispersion section, 22a, 22b, 122a, 122b...Grating, 23...Lens, 30...Receiver, 31...Photodiode, 40...Signal processing device, 41...Signal collection device, 42...Signal calculation processing device, 42a...Hilbert transform section, 42b...Multiplication section, 42c...Low-pass filter, 42d...Phase detection section, 42e...Phase/distance conversion section, 50...Output side circulator, 100, 110, 120...Measuring device, IL...Laser light, OB, OB1...Object, RL...Reflected light
Claims (8)
非機械的な光学特性により前記パルス列を空間的に分散させて対象に照射し、前記対象からの反射光を逆行させる空間分散デバイスと、
前記空間分散デバイスを介して、前記反射光を受光する受信装置と、
前記受信装置による反射光の検出タイミングと前記パルス列の出力タイミングとから前記対象までの距離を決定する信号処理装置と、
を備え、
前記信号処理装置は、前記パルス列のタイミング情報から各レーザ光の射出方向に関する情報を決定し、前記対象までの距離を決定するために、前記パルス列を構成するパルス単位で前記レーザ光から得た参照信号にヒルベルト変換を行った信号と前記反射光の計測信号との乗算処理を行い、前記乗算処理後の前記参照信号と前記計測信号との位相差を計算する計測装置。 a wavelength-tunable laser that outputs a series of laser beams that have been non-mechanically swept in wavelength as a pulse train;
a spatial dispersion device that spatially disperses the pulse train using non-mechanical optical properties, irradiates the pulse train onto a target, and causes reflected light from the target to travel in the opposite direction;
a receiving device that receives the reflected light via the spatial dispersion device;
a signal processing device that determines the distance to the target based on the timing of detection of the reflected light by the receiving device and the timing of output of the pulse train ;
Equipped with
The signal processing device determines information regarding the emission direction of each laser beam from timing information of the pulse train , and in order to determine the distance to the target, multiplies a signal obtained by performing a Hilbert transform on a reference signal obtained from the laser beam for each pulse constituting the pulse train by the measurement signal of the reflected beam, and calculates a phase difference between the reference signal and the measurement signal after the multiplication .
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