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测量装置和测量方法

2021-02-28 07:48:13

测量装置和测量方法

　　技术领域

　　本发明涉及一种测量装置和一种测量方法。

　　背景技术

　　已知一种在谐振器中设有频移器、并且输出多个其振荡频率随时间线性变化的纵模(longitudinal-mode)激光的频移反馈激光器(frequency-shifted feedback laser，FSFL)。此外，已知一种使用这种FSFL的光学测距仪(例如，参见专利文献1:日本专利第3583906号的说明书，以及非专利文献1:“Distance Sensing by FSF Laser and ItsApplication”，Takefumi HARA，Optonews，第7卷，第3期，2012年，第25-31页)。

　　发明内容

　　本发明要解决的问题

　　使用频移反馈激光器(FSFL)的光学测距仪可以以非接触方式获取大量的三维信息，并且已经被用于例如设计和生产场所。FSFL有时会导致光学测距仪的测量准确度降低，因为谐振器的长度可能会因温度等环境波动而变化。为了防止测量准确度的降低，通常，已经考虑通过将FSFL安装在恒温室中来减少环境波动，通过监测FSFL的输出来观察谐振器长度(resonator length)的变化等。但这种措施导致装置规模增加，并导致成本增加等问题。

　　鉴于该问题而提出了本发明，并且本发明的目的是即使在光学测距仪中发生环境波动的情况下，也能够以简单的配置抑制准确度的降低。

　　解决问题的手段

　　本发明的第一方面提供了一种测量装置，该测量装置包括：激光装置，具有激光谐振器并输出具有多种模式的调频激光束；分支部件，将所述调频激光束分支为(i)由所述激光装置输出的调频激光束的一部分，作为参考光，以及(ii)所述调频激光束的其余部分的至少一些，作为测量光；差拍信号生成部件，通过混合所述参考光和通过将所述测量光照射到待测对象上而反射的反射光来生成差拍信号；提取部件，提取与所述激光谐振器的谐振频率相对应的并且叠加在从所述激光装置输出的调频激光束上的信号分量；时钟信号生成部件，基于所述信号分量生成第一时钟信号；转换部件，使用所述第一时钟信号将所述差拍信号转换为第一数字信号；以及计算部件，基于所述第一数字信号计算所述参考光和所述测量光之间的传播距离的差。

　　所述分支部件可以将所述调频激光束分支为参考光、测量光和监测光，并且所述提取部件可以包括将监测光转换为电信号的光电转换部件，并从由光电转换部件转换的电信号内提取与所述激光谐振器的谐振频率相对应的信号分量。

　　所述提取部件还可以包括滤波器部件，该滤波器部件使得来自由光电转换部件转换的电信号内的、具有所述激光谐振器的谐振频率的信号分量通过。

　　所述时钟信号生成部件可以包括PLL电路，该PLL电路使用信号分量的频率作为参考频率并输出频率为所述参考频率的倍数的频率信号，并且所述时钟信号生成部件输出所述频率信号作为所述第一时钟信号。

　　所述转换部件可以包括A/D转换器，该A/D转换器与所述第一时钟信号同步地将所述差拍信号转换为所述第一数字信号。

　　所述转换部件还可以包括：AD转换器，与不同于所述第一时钟信号的第二时钟信号同步地将差拍信号转换为第二数字信号，以及重采样部件，使用所述第一时钟信号对所述第二数字信号进行重采样并输出所述第一数字信号。

　　本发明的第二方面提供了一种测量方法，该方法包括以下步骤：从具有激光谐振器的激光装置输出具有多种模式的调频激光束；将所述调频激光束分支为(i)所述调频激光束的一部分，作为参考光，以及(ii)所述调频激光束的其余部分的至少一些，作为测量光；通过混合所述参考光和通过将所述测量光照射到待测对象上而反射的反射光来生成差拍信号；提取与所述激光谐振器的谐振频率相对应的并且叠加在所述调频激光束上的信号分量；基于所述信号分量生成第一时钟信号；使用所述第一时钟信号将所述差拍信号转换为第一数字信号；以及基于所述第一数字信号计算所述参考光和所述测量光之间的传播距离的差。

　　将所述差拍信号转换为第一数字信号可以包括与所述第一时钟信号同步地将所述差拍信号转换为所述第一数字信号。

　　将所述差拍信号转换为第一数字信号可以包括：与不同于所述第一时钟信号的第二时钟信号同步地将差拍信号转换为第二数字信号，以及使用所述第一时钟信号对所述第二数字信号进行重采样并输出所述第一数字信号。

　　发明效果

　　根据本发明，有以下效果：在即使在光学测距仪中发生环境波动的情况下，也能够以简单的配置抑制准确度的降低。

　　附图说明

　　图1示出了根据本实施例的测量装置100的配置示例以及待测对象10。

　　图2示出了根据本实施例的激光装置110的配置示例。

　　图3示出了从根据本实施例的激光装置110输出的激光束的示例。

　　图4示出了以下两者之间的关系的示例：(i)由根据本实施例的测量装置100检测的差拍信号的频率和(ii)光学头部件140与待测对象10之间的距离d。

　　图5示出了根据本实施例的差拍信号生成部件150和检测部件160的配置示例。

　　图6示出了根据本实施例的差拍信号生成部件150和检测部件160进行的正交检测的概要的示例。

　　图7示出了根据本实施例的提取部件170的配置示例。

　　图8示出了根据本实施例的测量装置300的配置示例以及待测对象10。

　　图9示出了根据本实施例的差拍信号生成部件150、提取部件170、时钟信号生成部件310和转换部件320的配置示例。

　　图10示出了在根据本实施例的测量装置300的变型示例中设置的差拍信号生成部件150、提取部件170、时钟信号生成部件310和转换部件320的配置示例。

　　具体实施方式

　　[测量装置100的配置示例]

　　图1示出了根据本实施例的测量装置100的配置示例以及待测对象10。测量装置100光学地测量测量装置100与待测对象10之间的距离。另外，测量装置100可以通过扫描照射到待测对象10上的激光束的位置来测量待测对象10的三维形状。测量装置100包括激光装置110、分支部件120、光环行器130、光学头部件140、差拍信号生成部件150、检测部件160、提取部件170、计算部件180和显示部件190。

　　激光装置110具有激光谐振器，并输出具有多种模式的调频激光束。激光装置110在谐振器中设有频移器，并输出其振荡频率随着时间的推移而线性变化的多个纵模激光。激光装置110例如是频移反馈激光器(FSFL)。稍后将对FSFL进行描述。

　　分支部件120将从激光装置110输出的调频激光束分支为参考光、测量光、监测光。分支部件120例如是一进三出的光纤耦合器。在图1的示例中，分支部件120将测量光提供给光环行器130，将参考光提供给差拍信号生成部件150，并将监测光提供给提取部件170。图1示出了其中分支部件120是一进三出的光耦合器的示例，但可替换地，分支部件120可以是两个一进二出的光耦合器的组合。

　　光环行器130具有多个输入/输出端口。例如，光环形器130将从一个端口输入的光输出至下一端口，将从下一端口输入的光输出到再下一端口。图1示出了光环行器130具有三个输入/输出端口的示例。在这种情况下，光环形器130将从分支部件120提供的测量光输出到光学头部件140。另外，光环行器130将从光学头部件140输入的光输出到差拍信号生成部件150。

　　光学头部件140将从光环形器130输入的光朝向待测对象10照射。光学头部件140包括例如准直透镜。在这种情况下，光学头部件140首先使用准直透镜将经由光纤从光环形器130输入的光调节为光束形状，然后输出光。

　　此外，光学头部件140接收照射到待测对象10上的测量光的反射光。光学头部件140利用准直透镜将接收到的反射光聚焦到光纤上，并将其提供给光环行器130。在这种情况下，光学头部件140可以包括一个通用的准直透镜，并且准直透镜可以用测量光照射待测对象10，并且可以接收来自待测对象10的反射光。光学头部件140与待测对象10之间的距离定义为d。

　　可替换地，光学头部件140可以包括聚光透镜。在这种情况下，光学头部件140将经由光纤从光环行器130输入的光聚焦在待测对象10的表面上。光学头部件140接收在待测对象10的表面上反射的反射光的至少一部分。光学头部件140使用聚光透镜将接收到的反射光聚焦到光纤上，并将该光提供给光环形器130。同样在这种情况下，光学头部件140可以包括一个通用的聚光透镜，并且该聚光透镜可以用测量光照射待测对象10并接收来自待测对象10的反射光。

　　差拍信号生成部件150从光环形器130接收反射光，该反射光是照射到待测对象10上并从其反射的测量光。此外，差拍信号生成部件150从分支部件120接收参考光。差拍信号生成部件150将反射光和参考光混合以生成差拍信号。差拍信号生成部件150包括例如光电转换元件，其将差拍信号转换成电信号，并输出该电信号。

　　在此，由于反射光在从光学头部件140到待测对象10之间的距离上来回行进，因此与参考光相比，出现与至少距离2d相对应的传播距离的差。由于从激光装置110输出的光的振荡频率随着时间的推移而线性地变化，因此在参考光的振荡频率和反射光的振荡频率之间，出现取决于与传播距离的差相对应的传播延迟的频率差。差拍信号生成部件150生成与这种频率差对应的差拍信号。

　　检测部件160对差拍信号生成部件150生成的差拍信号进行频率分析以检测差拍信号的频率。在此，差拍信号的频率被定义为νB。

　　提取部件170提取与所述激光谐振器的谐振频率相对应的并且叠加在从激光装置110输出的调频激光束上的信号分量。例如，提取部件170基于监测光提取与激光装置110的谐振器长度相对应的谐振频率。在此，将谐振频率定义为vc。

　　计算部件180基于检测部件160的检测结果和提取部件170的提取结果来检测参考光和测量光之间的传播距离的差。例如，计算部件180基于差拍信号的频率νB和谐振频率vc计算从光学头部件140到待测对象10的距离d。

　　显示部件190显示计算部件180的计算结果。显示部件190可以包括显示器等,并显示计算结果。另外，显示部件190可以将计算结果存储在存储单元等中。显示部件190可以经由网络等将计算结果提供给外部设备。

　　上述的测量装置100可以通过分析照射到待测对象10上的测量光的反射光与参考光之间的频率差来测量测量装置100与待测对象10之间的距离d。即，测量装置100可以形成非接触且非破坏性的光学测距仪。接下来，将描述测量装置100的更详细的配置。

　　[激光装置110的配置示例]

　　图2示出了根据本实施例的激光装置110的配置示例。图2的激光装置110示出了FSFL的示例。激光装置110包括激光谐振器，并且在激光谐振器中振荡激光束。激光装置110的激光谐振器包括含有频移器112、增益介质114、WDM耦合器116、泵浦光源117和输出耦合器118的激光谐振器。

　　频移器112通过近似恒定频率来移位输入的光的频率。频移器112例如是具有声光元件的声光频移器(acousto-optic frequency shifter，AOFS)。在此，将频移器112的频移量定义为+νs。即，频移器112移位在谐振器周围循环的光的频率，以使得对于每一轮，频率增加νs。

　　增益介质114被提供有泵浦光，且增益介质114放大输入光。增益介质114例如是掺杂有杂质的光纤。杂质是例如稀土元素，诸如铒(erbium)、钕(neodymium)、镱(ytterbium)、铽(terbium)、铥(thulium)等。经由WDM耦合器116从泵浦光源117将泵浦光提供给增益介质114。输出耦合器118将已经在谐振器中激光振荡的光的一部分输出到外部设备。

　　也就是说，图2所示的激光装置110包含在谐振器中具有频移器112的光纤环形激光器。激光装置110优选地在谐振器中进一步包括隔离器。而且，激光装置110可以具有使得谐振器中的预定波段(wavelength band)的光通过的光学带通滤波器。下面将描述从激光装置110输出的激光束的频率特性。

　　图3示出了从根据本实施例的激光装置110输出的激光束的示例。图3在左侧示出了在时间t0由激光装置110输出的激光束的光谱。在该光谱中，横轴表示光强，纵轴表示光的频率。此外，光谱的多个纵模由数字q表示。多个纵模的频率以近似恒定的频率间隔进行布置。假设τRT(＝1/νc)表示光围绕谐振器传播的时间，多个纵模以1/τRT(＝νc)的间隔进行布置，如以下等式所示。应注意，ν0是在时间t0处光谱的初始频率。

　　[等式1]

　　图3在右侧示出了激光装置110输出的多个纵模的随着时间推移的频率变化。在图3的右侧，横轴表示时间，纵轴表示频率。即，图3在右侧示出了从激光装置110输出的激光束的频率随时间的变化，并且在左侧示出了激光束在时间t0处的瞬时频率。

　　在激光装置110中，每当谐振器中的光围绕谐振器传播时，频移器112将围绕谐振器行进的光的频率增加νs。即，由于每一模式的频率每经过τRT都增加νs，所以频率的变化率dν/dt(即调频率(chirp rate))变得近似等于νs/τRT。因此，由等式1表示的多个纵模随着时间t的推移而改变为如以下等式所示。

　　[等式2]

　　[距离测量过程的细节]

　　根据本实施例的测量装置100通过使用输出由等式2表示的频率元素的激光装置110来测量光学头部件140与待测对象10之间的距离d。假设参考光和反射光之间的光程差仅是距离2d，即，往复的距离d，并且与距离2d对应的传播延迟为Δt。即，当测量光在时间t处被反射并从待测对象10返回时，返回的反射光的频率近似匹配于比时间t早了时间Δt的过去频率，因此可以是由以下等式表示。

　　[等式3]

　　另一方面，可以以与等式2类似的方式，通过以下等式来表示时间t处的参考光，其中，参考光是νq'(t)。

　　[等式4]

　　因为差拍信号生成部件150将反射光和参考光叠加，所以在等式3表示的多个纵模与等式4表示的多个纵模之间生成多个差拍信号。假设这样的差拍信号的频率为νB(m,d)，νB(m,d)可以由根据等式3和等式4的以下等式表示，其中m是纵模数的间隔(＝q-q′)，且Δt＝2d/c。

　　[等式5]

　　根据等式5，距离d由以下等式表示，其中1/τRT＝vc。

　　[等式6]

　　从等式6可以理解，可以通过确定纵模数的间隔m来根据差拍信号的频率观测结果计算距离d。应当注意，当改变激光装置110的频移量νs时，可以通过检测差拍信号的变化来确定间隔m。因为此类确定间隔m的方法是已知的，如专利文献1等中记载的那样，所以省略其详细说明。

　　由于观测到的差拍信号始终是正频率，因此在计算中，在负频率侧生成的差拍信号被折回到正侧上并被作为图像信号来观测。接下来，将描述这种图像信号的生成。

　　图4示出了由根据本实施例的测量装置100检测到的差拍信号的频率与光学头部件140和待测对象10之间的距离d之间的关系的示例。在图4中，横轴表示距离d，纵轴表示差拍信号的频率νB(m,d)。图4中的实线所示的多条直线是示出对于多个m值中的每个，差拍信号的频率νB(m,d)相对于距离d的关系(如等式5所示)的曲线图。

　　如图4所示，生成对应于m值的多个差拍信号。然而，由于包括在反射光和参考光的每一个中的多个纵模以近似恒定的频率间隔νc进行布置，因此具有相等的m值的多个差拍信号被叠加在频率轴上近似相同的频率上。例如，当观测频率0和νc之间的频带时，多个差拍信号被叠加在近似相同的频率上，并且被观测为单线谱。

　　另外，在小于0的负范围内的差拍信号的频率νB(m,d)的绝对值作为图像信号被进一步观测。即，图4的纵轴小于0的区域的曲线图以频率0为边界被折回。图4通过多条虚线示出了折叠后的图像信号。由于只有折叠后的图像信号的正负被反转，所以图像信号以与折叠前的频率的绝对值相同的频率叠加在观测到的频率轴上。例如，当观测频率在0和νc之间的频带时，差拍信号和图像信号分别位于不同的频率，除非差拍信号和图像信号的频率变为νc/2。

　　如上所述，在频率0和νc之间的观测频带中，生成两个线谱，它们是(i)差拍信号νB(m,d)和(ii)图像信号νB(m′,d)，图像信号νB(m′,d)的m值与差拍信号νB(m,d)的m值不同。在此，作为示例，m'＝m+1。在这种情况下，差拍信号生成部件150可以通过使用正交检测来消除这种图像信号。接下来，将描述使用正交检测的差拍信号生成部件150和检测部件160。

　　图5示出了根据本实施例的差拍信号生成部件150和检测部件160的配置示例。差拍信号生成部件150对反射光和参考光进行正交检测。差拍信号生成部件150包括光学90度混合器152、第一光电转换部件154和第二光电转换部件156。

　　光学90度混合器152分别将输入的反射光和输入的参考光分支成两部分。光学90度混合器152利用光耦合器等将分支后的反射光之一与分支后的参考光之一复用以生成第一差拍信号。光学90度混合器152利用光耦合器等将另一分支后的反射光与另一分支后的参考光复用以生成第二差拍信号。在此，光学90度混合器152在两个分支后的参考光之间生成90度的相位差之后生成差拍信号。例如，光学90度混合器152将分支后的反射光与分支后的参考光之一进行复用，并且将分支后的反射光与由另一分支后的参考光穿过π/2波长板而生成的光进行复用。

　　第一光电转换部件154和第二光电转换部件156接收复用的反射光和参考光，并将它们转换为电信号。第一光电转换部件154和第二光电转换部件156中的每一个可以是光电二极管等。第一光电转换部件154和第二光电转换部件156中的每一个例如是平衡光电二极管。在图5中，假设第一光电转换部件154生成第一差拍信号，第二光电转换部件156生成第二差拍信号。如上所述，差拍信号生成部件150通过将相位相差90度的两个参考光和两个反射光分别进行复用来执行正交检测，并将两个差拍信号输出到检测部件160。

　　检测部件160对两个差拍信号执行频率分析。这里，将描述检测部件160使用第一差拍信号作为I信号并且使用第二差拍信号作为Q信号执行频率分析的示例。检测部件160包括第一滤波器部件162、第二滤波器部件164、第一AD转换器202、第二AD转换器204、时钟信号提供部件210和频率分析部件220。

　　第一滤波器部件162和第二滤波器部件164减少与用户等想要分析的频带不同的频带中的信号分量。在此，将用户等想要分析的频带设置为0至νc。第一滤波器部件162和第二滤波器部件164是例如使得频率等于或小于νc的信号分量通过的低通滤波器。在这种情况下，第一滤波器部件162将通过减少具有比频率νc高的频率的信号分量而获得的第一差拍信号提供给第一AD转换器202。此外，第二滤波器部件164将通过减少具有高于频率νc的频率的信号分量而获得的第二差拍信号提供给第二AD转换器204。

　　第一AD转换器202和第二AD转换器204将模拟信号转换为数字信号。例如，第一AD转换器202将第一差拍信号转换为数字信号，第二AD转换器204将第二差拍信号转换为数字信号。时钟信号提供部件210将时钟信号提供给第一AD转换器202和第二AD转换器204。通过这样做，第一AD转换器202和第二AD转换器204以与接收的时钟信号的时钟频率近似相同的采样率将模拟信号转换为数字信号。

　　这里，当观测频带为从0到vc时，差拍信号的频率至多为激光谐振器的谐振频率vc。因此，时钟信号提供部件210将频率大于或等于激光谐振器的谐振频率vc的两倍的时钟信号提供给第一AD转换器202和第二AD转换器204，从而可以观测到差拍信号。

　　频率分析部件220将第一差拍信号和第二差拍信号转换为频率数据。作为示例，频率分析部件220对第一差拍信号和第二差拍信号执行数字傅里叶转换(digital Fouriertransform，DFT)。频率分析部件220将转换为频率数据的第一差拍信号作为实部相加，且将转换为频率数据的第二差拍信号作为虚部相加，并消除图像信号。应当注意，在将差拍信号转换为数字信号之后，检测部件160可以使用集成电路等来配置频率分析部件220。以下将描述差拍信号生成部件150中的正交检测和检测部件160中的频率分析。

　　图6示出了根据本实施例的差拍信号生成部件150和检测部件160的正交检测的概要的示例。在图6中，横轴表示差拍信号的频率，纵轴表示信号强度。图6示出了I信号和Q信号之一的频谱。I信号和Q信号两者的频谱具有近似相同的频谱形状，如图6的上部分所示。在I信号和Q信号中，例如，在频率0和vc之间的频带中观测到差拍信号νB(m,d)和图像信号νB(m+1,d)。在这种情况下，在I信号和Q信号中，图像信号的原始差拍信号-νB(m+1,d)和差拍信号-νB(m,d)存在于负侧的频率0和-vc之间的频带中。

　　在此，由于I信号和Q信号是由差拍信号生成部件150进行正交检测的信号分量，因此它们即使频谱形状相同，也包含不同的相位信息。例如，在正侧的频率0和vc之间的频带中，I信号的图像信号νB(m+1,d)和Q信号的图像信号νB(m+1,d)的相位相互反转。类似地，在负侧的频率0和-vc之间的频带中，I信号的差拍信号-νB(m,d)和Q信号的差拍信号-νB(m,d)的相位相互反转。

　　因此，如图6的下部分所示，当频率分析部件220使用I信号和Q信号计算I+jQ时，在频率0和vc之间的频带中，频率为νB(m,d)的差拍信号彼此增强，而频率为νB(m+1,d)的图像信号彼此消除。类似地，在频率0和-vc之间的频带中，频率为-νB(m+1,d)的差拍信号彼此增强，而频率为-νB(m,d)的差拍信号彼此消除。

　　根据频率分析部件220的频率分析结果，对于在频率0和vc之间的频带中的频率νB(m,d)，观测到一个差拍信号。由于测量装置100可以以这种方式抵消图像信号，因此可以检测差拍信号的频率νB(m,d)。例如，频率分析部件220将转换后的频率信号的信号强度最高的频率作为差拍信号的频率νB(m,d)输出。

　　这里，由测量装置100测量的距离d由等式6表示。从等式6可以看出，可以通过使用三个频率vc、νs和νB(m,d)计算距离d。在所述三个频率中，可以如上所述检测νB(m,d)。另外，由于vc和νs是基于在激光装置110中使用的分量而确定的频率，因此理想情况下vc和νs应为固定值。在此，由于νs是频移器112的频移量，因此通过将具有稳定频移量的设备用作频移器112，可以将νs基本上视为固定值。

　　另一方面，由于vc对应于激光装置110的谐振器的光学长度，因此其可能由于诸如温度的环境波动而改变。例如，如果激光装置110如图2所示是光纤环形激光器并且谐振器由光纤形成，则当周围温度变化一摄氏度时，谐振器长度可以大约变化10ppm。应当注意，即使激光装置110是诸如半导体激光器等的固态激光器，谐振器长度也可能由于这种环境波动而改变。因此，提取部件170提取与谐振器长度相对应的谐振频率，以便监测谐振器长度的这种变化。下面将描述提取部件170。

　　图7示出了根据本实施例的提取部件170的配置示例。提取部件170包括第三光电转换部件172、第三滤波器部件174、第三AD转换器176和谐振频率输出部件178。

　　第三光电转换部件172将监测光转换为电信号。第三光电转换部件172可以是光电二极管等。如图4所示，激光装置110输出具有多个纵模的频率的调频激光束，该多个纵模以与谐振频率vc近似匹配的频率间隔进行布置。因此，当第三光电转换部件172对调频激光束进行光电转换时，输出包括谐振频率vc的电信号。

　　第三滤波器部件174在由第三光电转换部件172转换的电信号内使得具有激光谐振器的谐振频率vc的信号分量通过。第三滤波器部件174具有例如高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器中的至少一个。图7示出了其中第三滤波器部件174是带通滤波器的示例。

　　第三AD转换器176将输入的模拟信号转换为数字信号。第三AD转换器176与具有大于或等于谐振频率vc的两倍的频率的时钟信号同步地，将模拟信号转换为数字信号。例如，当从时钟信号提供部件210接收到时钟信号时，第三AD转换器176进行操作。

　　谐振频率输出部件178将从第三AD转换器176输出的数字信号转换为频率数据。作为示例，谐振频率输出部件178对数字信号执行数字傅里叶变换(DFT)。谐振频率输出部件178分析频率数据并输出谐振频率vc。例如，谐振频率输出部件178输出频率数据的信号强度最高的频率作为谐振频率vc。

　　如上所述，图7中所示的提取部件170从监测光中提取谐振频率vc的信号分量，并输出谐振频率vc的信号分量。因此，即使激光装置110的谐振器长度由于周围温度的波动而变化，提取部件170也能够提取并输出与该变化相对应的谐振频率vc的信号分量。由于计算部件180使用以上述方式检测到的固定值νs,νB(m,d)和谐振频率vc，因此可以计算与周围温度的波动相对应的距离d。

　　如上所述，即使发生环境波动，测量装置100也可以抑制测量准确度的降低，因为测量装置100监测与环境波动相对应的谐振频率vc并且在距离d的计算中反映谐振频率vc。可替换地或附加地，可以将激光装置110放置在诸如恒温室之类的温度稳定的受控室中，以减小环境波动的影响并抑制测量装置100的测量准确度的降低。

　　然而，由于上述测量装置100趋于成为大型装置，因此可能出现诸如成本增加的问题，与电路调整、安装面积等相关的问题。因此，即使发生这种环境波动，根据本实施方式的测量装置也使得能够以简单的配置抑制准确度的降低。接下来，将描述这种测量装置。

　　[测量装置300的配置示例]

　　图8示出了根据本实施例的测量装置300的配置示例以及待测对象10。在图8示出的测量装置300中，与根据图1所示的本实施例的测量装置100的操作近似相同的操作由相同的附图标记表示，并且省略其描述。测量装置300包括时钟信号生成部件310和转换部件320。

　　时钟信号生成部件310基于由提取部件170提取的信号分量来生成第一时钟信号。时钟信号生成部件310将生成的第一时钟信号提供给转换部件320。转换部件320使用所述第一时钟信号将由差拍信号生成部件150生成的差拍信号转换为数字信号。接下来，将描述设置在测量装置300中的差拍信号生成部件150、提取部件170、时钟信号生成部件310和转换部件320。

　　图9示出了根据本实施例的差拍信号生成部件150、提取部件170、时钟信号生成部件310和转换部件320的配置示例。在图9所示的差拍信号生成部件150、提取部件170以及转换部件320中，与根据图5和图7所示的实施例的差拍信号生成部件150、检测部件160以及提取部件170的操作近似相同的操作由相同的附图标记表示，并且省略其描述。

　　提取部件170包括第三光电转换部件172和第三滤波器部件174，第三光电转换部件172从转换后的电信号中提取与激光谐振器的谐振频率vc相对应的信号分量。提取部件170将具有通过第三滤波器部件174的谐振频率vc的信号分量提供给时钟信号生成部件310。

　　时钟信号生成部件310基于由提取部件170提取的信号分量的谐振频率vc生成第一时钟信号。时钟信号生成部件310例如包括PLL电路。PLL电路使用提取的信号分量的频率作为参考频率，并且输出具有作为参考频率的倍数的频率的频率信号。PLL电路包括例如频率可变振荡器312、分频器314、相位比较器316和环路滤波器318。

　　频率可变振荡器312生成与控制信号相对应的频率信号。频率可变振荡器312例如是压控振荡器，其生成具有与控制信号的电压值相对应的频率为νout的频率信号。

　　分频器314接收由频率可变振荡器312输出的频率信号，并输出分频信号，该分频信号是频率信号的频率νout的因数。分频器314将频率信号的频率转换成大约为参考频率信号的频率vc的低频，并将其作为分频信号输出。这里，将分频器314的分频比定义为N。

　　相位比较器316将参考频率信号的相位与由分频器314输出的分频信号的相位进行比较，并输出比较结果。相位比较器316例如输出与参考频率信号和分频信号之间的相位差相对应的电压作为比较结果。

　　环路滤波器318减少不必要的噪声分量，并使从相位比较器316输出的比较结果平滑并通过。确定环路滤波器318的电路配置和电路常数，使得PLL电路形成的环路中的相位裕度(phase margin)的值位于预定范围内。环路滤波器318例如是滞后超前滤波器(laglead filter)。环路滤波器318将通过环路滤波器318的信号作为控制信号提供给频率可变振荡器312。

　　上述的PLL电路调整频率可变振荡器312输出的频率信号的频率νout，使得分频器314输出的分频信号的频率与参考频率信号的频率vc匹配。当从频率可变振荡器312输出的频率信号的相位和参考频率信号的相位通过PLL电路同步时，νout＝N·vc。如上所述，时钟信号生成部件310输出具有谐振频率vc的N倍的频率的频率信号作为第一时钟信号。N的值例如是等于或大于1的整数。应当注意，时钟信号生成部件310可以是输出频率为输入信号的谐振频率vc的N倍的信号的倍频器，而非是PLL电路。

　　转换部件320接收第一时钟信号，并使用第一时钟信号将差拍信号转换为第一数字信号。如图5所示，转换部件320包括第一滤波器部件162、第二滤波器部件164、第一AD转换器202、第二AD转换器204和频率分析部件220。在此，第一AD转换器202和第二AD转换器204使用第一时钟信号将模拟信号转换为数字信号。即，转换部件320包括第一AD转换器202和第二AD转换器204，第一AD转换器202和第二AD转换器204与第一时钟信号同步地将差拍信号转换成第一数字信号。这里，第一数字信号是由第一AD转换器202转换的I信号和由第二AD转换器204转换的Q信号。

　　频率分析部件220对I信号和Q信号进行频率分析，并输出差拍信号的频率νB(m,d)。由于已经参考图6描述了频率分析部件220的操作，因此省略其描述。

　　如上所述，根据本实施例的测量装置300使用与从监测光提取的谐振频率vc相对应的第一时钟信号将差拍信号转换为第一数字信号。在这种情况下，当激光装置110的谐振器长度由于环境波动等而改变时，第一时钟信号的时钟周期也根据谐振器长度的改变而改变。第一时钟信号的这种改变对应于与激光装置110的谐振器长度的改变有关的差拍信号的改变。

　　在这种情况下，由于转换部件320使用从恒定周期改变的第一时钟信号、通过采样从恒定周期类似地改变的差拍信号，来将差拍信号转换成数字信号，所以转换部件320进行操作以抵消谐振器长度的改变。因此，即使激光装置110的谐振器长度发生了变化，由转换部件320转换的第一数字信号也变为近似等同于以近似恒定的周期采样的数字信号的信号。

　　计算部件180基于第一数字信号来计算参考光与测量光之间的传播距离的差。即，计算部件180使用固定的谐振频率vc和νs以及检测到的νB(m,d)来执行如等式6所示的计算。通过这样做，即使在周围温度等发生波动的情况下，测量装置300也可以在抑制测量准确度降低的同时，测量到待测对象10的距离d。

　　如上所述，测量装置300可以利用简单的配置来准确地测量到待测对象10的距离d，而无需使用谐振频率vc的频率分析等。另外，测量装置300可以在不使用恒温室等的情况下抑制测量准确度的降低。因此，在根据本实施例的测量装置300中，可以在防止设备规模增加和成本增加的同时，准确地测量到待测对象10的距离d。

　　如上所述描述了根据本实施例的测量装置300与对应于从激光装置110提取的谐振频率vc的第一时钟信号同步地，将作为模拟信号的差拍信号转换为第一数字信号的示例，但是本发明不限于此。测量装置300可以使用第一时钟信号来对转换为数字信号的差拍信号进行重采样。接下来，将描述在测量装置300的变型示例中设置的差拍信号生成部件150、提取部件170、时钟信号生成部件310和转换部件320。

　　[测量装置300的变型示例]

　　图10示出了在根据本实施例的测量装置300的变型示例中设置的差拍信号生成部件150、提取部件170、时钟信号生成部件310和转换部件320的配置示例。在如图10所示的差拍信号生成部件150、提取部件170、时钟信号生成部件310、转换部件320中，与图9所示的根据本实施例的差拍信号生成部件150、提取部件170、时钟信号生成部件310和转换部件320的操作近似相同的操作由相同的附图标记表示，并且省略其描述。

　　转换部件320还包括时钟信号提供部件210，时钟信号提供部件210将第二时钟信号提供给第一AD转换器202和第二AD转换器204。在这种情况下，第一AD转换器202和第二AD转换器204与不同于第一时钟信号的第二时钟信号同步地，将差拍信号转换为第二数字信号。频率分析部件220从时钟信号生成部件310接收第一时钟信号，并且对从第一AD转换器202和第二AD转换器204接收的差拍信号νB(m,d)进行重采样。

　　即，频率分析部件220还用作使用第一时钟信号对第二数字信号进行重采样以输出第一数字信号的重采样部件。这里，可以将已知算法用作重采样处理的处理电路、算法等，并且在此省略其描述。

　　频率分析部件220以上述方式对重采样的第一数字信号执行频率转换，并输出差拍信号的频率νB(m,d)。因此，计算部件180可以计算到待测对象10的距离d。如上所述，由于第一时钟信号用于将差拍信号转换为第一数字信号，因此，即使发生周围温度的波动等，测量装置300也可以在抑制测量准确度降低的同时，测量到待测对象10的距离d。

　　优选地，设置在根据本实施例的测量装置100以及测量装置300中的检测部件160、计算部件180和转换部件320的至少一部分由集成电路等形成。检测部件160、计算部件180和转换部件320的至少一部分包括例如现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)和/或中央处理单元(CPU)。

　　当检测部件160、计算部件180和转换部件320的至少一部分由计算机等形成时，所述部分包括存储单元和控制单元。存储单元包括例如存储实现检测部件160、计算部件180和转换部件320的计算机等的基本输入输出系统(BIOS)等的只读存储器(ROM)，以及用作工作区的随机存取存储器(RAM)。存储单元可以存储操作系统(OS)、程序、应用和/或各种信息。存储单元还可以包括诸如硬盘驱动器(HDD)和/或固态驱动器(SSD)的大容量设备。

　　控制单元是诸如CPU之类的处理器，并且通过执行存储在存储单元中的程序而用作检测部件160、计算部件180和转换部件320的至少一部分。控制单元可以包括图形处理单元(GPU)等。

　　基于示例性实施例描述了本发明。本发明的技术范围不限于上述实施例中说明的范围，在本发明的范围内可以进行各种改变和修改。例如，装置的全部或一部分可以使用在功能上或物理上分布或集成的任何单元进行配置。此外，通过它们的任意组合生成的新的示例性实施例包括在本发明的示例性实施例中。此外，通过组合带来的新实施例的效果也一起具有原始示例性实施例的效果。

　　附图标记说明

　　10 待测对象

　　100 测量装置

　　110 激光装置

　　112 频移器

　　114 增益介质

　　116 WDM耦合器

　　117 泵浦光源

　　118 输出耦合器

　　120 分支部件

　　130 光环行器

　　140 光学头部件