干渉法・モアレトポグラフィー法、LIDARなどtime-of-flight（TOF）など計測・測距・表面形状測定のための多くの非接触技術が長年にわたって開発されてきました。 この種の技術は土木・建設・測量、・プラントのメンテナンス、品質管理、部品の識別などの分野で最も価値のあるものです。 レーザは長年にわたり、計測アプリケーションにおける精度を向上させる手段を提供してきました。 現在市販されている方法の一つはターゲットから反射された変調されたレーザビームの高精度なRF位相検出を利用しています。 しかし日本にある産業技術総合研究所（AIST）の計測研究では、フェムト秒モードロックファイバレーザ（IMRA Femtolite C-15）を使用して、長距離にわたって前例のないレベルの精度を得る改良された方法を研究者が実証しました。C-15を含むIMRAのFemtolite 780製品ラインは、現在の高性能小型フェムト秒ファイバーレーザの前身です。 産業総合研究所の光学トンネルテストの測定では、数十ミクロンの位置感度で、200メートル以上の範囲のターゲットに対してミリメートルの絶対精度を得ることができます。2
動作原理
正弦波変調されたレーザー光をターゲットから反射させた場合 、 距離Dで戻ってきたビームはターゲットまでの距離に比例したRF位相シフトを持っています。
ここではＮは位相の整数部、ｃは光速、ｆは測定に用いる変調周波数、ｎｇは光波長における群屈折率です。 この場合、変調源としてモードロックされたパルス列を使用しているので、さまざまな変調周波数
が存在し、これらはすべて基本繰り返し周波数の高調波です。言い換えれば、モードロックされたパルス列は、広帯域で変調された一連のCW光波に相当します。これらの変調された波の各々は、方程式１で使用することができます。
範囲Dを次のように書きます。
ここで D0 は図1に示しますように、ターゲットから離れたRF波長の整数です。
図１：変調レーザ光を用いた精密測距システムの概略図。
これにより方程式１がキャンセルされ、分数位相になります
RF位相計を用いて高精度（0.1度まで）で測定することができます。
図2に示す測距システムでは、IMRA Femtolite C-15は2つの波長1560 nmと第二高調波の780nmでモードロックされたパルスを提供します。 基本繰り返し周波数frepは〜約50 MHzです。 f = 1 GHz付近での19次高調波でのビート測定波長は300 mmで、0.1度のフラクショナルRF位相測定精度は、240メートルのターゲット範囲でも約50ミクロンの範囲の感度を示します。
図2：フェムト秒光ファイバレーザを用いた精密測距システムの概略図。フォトダイオードPD-1とPD-2はそれぞれ1560nmと780nmのターゲットからの信号を検出します。PD-3は基準としてレーザからのパルスを直接検出する。
高変調周波数での位相測定により、最高の精度が得られます。 整数位相の曖昧さに起因する周期誤差は、frep = 50 MHzでの第1高調波である利用可能な最も低いRF周波数を使用して測定を繰り返すことで解消できます。
高精度第２波長計測技術 RF位相の正確な測定に加えて真に正確な距離測定は、光学技術ですので空気の屈折率群の変動を考慮しなければなりません。つまりグループインデックス ng が非常に正確に分からない限り、測定された光学的距離はターゲットまでの絶対的な機械的距離と同じではありません。 空気中の ng は温度・圧力・湿度・波長によって変化することはよく知られています。２波長測定を行うことで空気の屈折率の曖昧さを解消し、目標までの機械的距離を決定するのに十分な情報を得ることができます。
この方法では、RF変調された距離測定を波長1560nmと780nmの両方で繰り返します。 それぞれの波長で遠方のターゲット（240m）と、近くのリファレンスターゲット（ゼロ距離）を対象に反射光の位相を測定します。このようにして温度・圧力・湿度の条件に基づいて、光学的測定値とエデレンの計算式を比較したところ一致が見られました。
これは2波長測定を用いて空気のグループインデックスを正確に測定できることを明確に示しています。
ターゲットまでの光学的距離と空気の群屈折率を正確に測定することで、ターゲットまでの絶対的な機械的距離を計算することができます。この実験ではD = 239.943 ± 0.002 m となり、8 ppm の精度が得られました。表 1 に、1GHz 近傍の 20 次高調波を用いて、240m 離れた目標までの距離を測定した結果をまとめています。
表1：測定精度
このタイプのアプリケーションでは変調周波数のRF波長がセンチメートルオーダーになるように高い変調周波数（～10 GHz以上）にすることで、より高い精度を得ることができます。 モードロックされたパルス列には数百ギガヘルツの変調周波数が含まれているため、これは簡単に達成されます。 実際には、使用可能な上限周波数は測定に使用される光検出器の帯域幅によって制限され一般的には1～10 GHzの範囲になります。
概要 モードロックレーザの基本出力に加えて第２高調波を用いて2つの光波長を発生させることで、数百メートルの距離を数百万分の1の精度で測ることが可能になりました。この精度は高精度なRF位相測定、利用可能な変調周波数の豊富な配列による周波数の敏捷性、空気の群屈折率の２波長測定の組み合わせによって得られます。 これはモードロックレーザのユニークな特性によって可能になりました。この方法の非常に高い感度は、高精度な測距だけでなく、遠方の物体の遠隔地での表面プロファイリングを可能にします。さらにこの方法は高速モードロックレーザの分野で革命を起こしつつある光学的な「光コム」周波数発生を利用した周波数標準のアプリケーションと密接に関連しています。
参考文献
- K.ミノシマム, 松本秀樹 (2000). "小型フェムト秒レーザを用いた光トンネル内240m距離の高精度測定", Appl.第39巻第30号, pp.5512-5517
- フェムト秒光コムを用いて200m離れた場所から2マイクロメートルの距離を測定: http://www.aist.go.jp/aist_e/aist_today/2003_09/hot_line/hot_line_24.html
