光ファイバ増幅器、光検出装置、及び距離測定装置
【課題】短時間且つ所望のタイミングで増幅率を変更することができる光ファイバ増幅器と、この光ファイバ増幅器を用いた光検出装置及び距離測定装置と、を提供する。
【解決手段】光ファイバ光増幅器は、希土類が添加された光ファイバで構成され、当該光ファイバの一端から入射された信号光を増幅し、増幅された信号光を当該光ファイバの他端から射出する第１の光ファイバと、希土類が添加された光ファイバで構成され且つ第１の光ファイバの他端に結合された第２の光ファイバと、第２の光ファイバに第１の励起光を注入する励起光源と、誘導放出を生起させるスイッチ光を第２の光ファイバに入射させるスイッチ光源とを含み、スイッチ光の入射により第２の光ファイバから誘導放出された第２の励起光を第１の光ファイバに注入する増幅励起部と、を備える。
【解決手段】光ファイバ光増幅器は、希土類が添加された光ファイバで構成され、当該光ファイバの一端から入射された信号光を増幅し、増幅された信号光を当該光ファイバの他端から射出する第１の光ファイバと、希土類が添加された光ファイバで構成され且つ第１の光ファイバの他端に結合された第２の光ファイバと、第２の光ファイバに第１の励起光を注入する励起光源と、誘導放出を生起させるスイッチ光を第２の光ファイバに入射させるスイッチ光源とを含み、スイッチ光の入射により第２の光ファイバから誘導放出された第２の励起光を第１の光ファイバに注入する増幅励起部と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ増幅器、光検出装置、及び距離測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定対象物に対し光パルスを照射し、光パルスが射出されてから反射光パルスを受光するまでに要した応答時間を計測して、測定対象物までの距離を測定する距離測定装置が用いられている。距離測定装置では、測定対象物までの距離が長くなると、外乱等の要因により反射光パルスによる信号強度が小さくなり、測定精度が低下するという問題がある。特に、車両用の距離測定装置など、広い範囲で測定対象物までの距離を測定する必要がある距離測定装置では、測定精度の低下は大きな問題となる。このため、受信信号を増幅する方法が種々検討されている。
【０００３】
例えば、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）等、半導体光増幅器を用いて測定精度を高めた距離測定装置が提案されている（特許文献１、特許文献２）。しかしながら、ＡＰＤ等の光電子増倍素子は、雑音の発生が多いという問題がある。他の光増幅器としては、光増幅媒体として光ファイバを用いた光ファイバ増幅器が知られている。光ファイバ増幅器は、半導体光増幅器に比べて雑音の発生が少ないという利点を有する。
【０００４】
上記の事情から、測定精度が要求される距離測定装置において、受光された反射光パルスを増幅する光増幅器として、光ファイバ増幅器の利用が期待されている。光ファイバ増幅器は、希土類が添加された光ファイバと、当該光ファイバに励起光を注入する励起光源とを備えている。励起光が注入されると、光ファイバは反転分布状態となる。この反転分布状態の光ファイバに信号光が入力されると、誘導放出により信号光が増幅される。
【０００５】
従来、光ファイバ増幅器は、光伝送システムの光増幅器等の用途に使用されてきた。このため、増幅率は一定に保持されるのが通常である。例えば、波長多重方式の光伝送システムにおいて波長変動により増幅率が変動するのを防止するために、複数の光ファイバ増幅器を多段接続し、後段の光ファイバ増幅器の増幅率を調整して、全体の増幅率を一定にする利得制御方法が提案されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０７−１６７９５４号公報
【特許文献２】特開２００６−３２９７９７号公報
【特許文献３】特開２００５−２７７０６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、距離測定装置等に使用される光検出装置では、遠距離に在る測定対象物からの反射光パルスによる微弱信号等、測定対象物までの距離に応じた強度の信号を検出しなければならない。従って、光ファイバ増幅器の増幅率を一定としたのでは、近距離に在る測定対象物からの反射光パルスや内部反射光等、高強度の反射光により、光検出装置が飽和して微弱信号を検出できないという問題がある。
【０００８】
この問題を解決するために、反射光の強度に応じて光ファイバ増幅器の増幅率を変更することが考えられる。しかしながら、半導体レーザ等の励起光源から励起光を注入する場合、光ファイバ増幅器の増幅率は、励起光の注入によって光ファイバに蓄積されたエネルギーに比例して増加する。従って、光ファイバ増幅器の増幅率を瞬時に増加させることは困難であった。
【０００９】
本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、本発明の目的は、短時間且つ所望のタイミングで増幅率を変更することができる光ファイバ増幅器を提供することにある。また、本発明の他の目的は、微弱な信号光を精度よく検出することができる光検出装置を提供することにある。また、本発明の更に他の目的は、測定対象物までの距離を精度良く測定することができる距離測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために請求項１に記載の光ファイバ増幅器は、希土類が添加された光ファイバで構成され、当該光ファイバの一端から入射された信号光を増幅し、増幅された信号光を当該光ファイバの他端から射出する第１の光ファイバと、希土類が添加された光ファイバで構成され且つ前記第１の光ファイバの前記他端に結合された第２の光ファイバと、前記第２の光ファイバに第１の励起光を注入する励起光源と、誘導放出を生起させるスイッチ光を前記第２の光ファイバに入射させるスイッチ光源とを含み、前記スイッチ光の入射により前記第２の光ファイバから誘導放出された第２の励起光を前記第１の光ファイバに注入する増幅励起部と、を備えた光ファイバ光増幅器である。
【００１１】
請求項２に記載の光ファイバ増幅器は、前記第２の光ファイバが、第１の部分と第２の部分とで構成されており、前記第１の部分と前記第２の部分との間に、前記第１の励起光の波長の光を選択的に透過する波長フィルタが配置された、請求項１に記載の光ファイバ光増幅器である。
【００１２】
請求項３に記載の光ファイバ増幅器は、前記第１の光ファイバの前記一端に結合され、誘導放出を生起させる第２のスイッチ光を前記第１の光ファイバに入射させる第２のスイッチ光源を更に備えた、請求項１又は２に記載の光ファイバ光増幅器である。
【００１３】
請求項４に記載の光検出装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ファイバ光増幅器と、前記第１の光ファイバの前記一端に信号光を入射させる受光光学系と、前記光ファイバ光増幅器で増幅された信号光を電気信号に変換する光電変換部と、を備えた光検出装置である。
【００１４】
請求項５に記載の距離測定装置は、測定対象物に対し光パルスを照射する光出力部と、請求項１又は請求項２に記載の光ファイバ光増幅器と、測定対象物で反射された反射光パルスを受光して前記第１の光ファイバの前記一端に信号光として入射させる受光光学系と、前記光ファイバ光増幅器で増幅された反射光パルスを電気信号に変換する光電変換部とを含む光検出部と、前記励起光源を常時点灯すると共に、前記反射光パルスが受光されるタイミングに応じて前記スイッチ光源を点灯するように、前記励起光源及び前記スイッチ光源の各々を駆動制御する駆動制御部と、前記光パルスが射出されたタイミング及び前記光パルスに対応する反射光パルスが受光されたタイミングを取得し、前記光パルスが射出されてから前記反射光パルスを受光するまでに要した応答時間を計算して、計算された応答時間に基づいて測定対象物までの距離を演算する演算手段と、を備えた距離測定装置である。
【００１５】
請求項６に記載の距離測定装置は、測定対象物に対し光パルスを照射する光出力部と、請求項３に記載の光ファイバ光増幅器と、測定対象物で反射された反射光パルスを受光して前記第１の光ファイバの前記一端に信号光として入射させる受光光学系と、前記光ファイバ光増幅器で増幅された反射光パルスを電気信号に変換する光電変換部とを含む光検出部と、前記励起光源を常時点灯すると共に、前記反射光パルスより前に到達する前記反射光パルス以外の反射光が受光されるタイミングに応じて前記第２のスイッチ光源を点灯した後に、前記反射光パルスが受光されるタイミングに応じて前記スイッチ光源を点灯するように、前記励起光源、前記第２のスイッチ光源及び前記スイッチ光源の各々を駆動制御する駆動制御部と、前記光パルスが射出されたタイミング及び前記光パルスに対応する反射光パルスが受光されたタイミングを取得し、前記光パルスが射出されてから前記反射光パルスを受光するまでに要した応答時間を計算して、計算された応答時間に基づいて測定対象物までの距離を演算する演算手段と、を備えた距離測定装置である。
【発明の効果】
【００１６】
各請求項に係る発明によれば、以下に記載した効果を奏する。
【００１７】
請求項１に係る光ファイバ増幅器によれば、短時間且つ所望のタイミングで増幅率を変更することができる。請求項２に係る光ファイバ増幅器によれば、第２の光ファイバにおけるエネルギー損失を低減することができる。請求項３に係る光ファイバ増幅器によれば、短時間且つ所望のタイミングで増幅率をゼロにすることができる。
【００１８】
請求項４に係る光検出装置によれば、短時間且つ所望のタイミングで光ファイバ増幅器の増幅率を変更して、微弱な信号光を精度よく検出することができる。
【００１９】
請求項５に係る距離測定装置によれば、短時間且つ所望のタイミングで光ファイバ増幅器の増幅率を変更して、測定対象物までの距離を精度良く測定することができる。請求項６に係る距離測定装置によれば、短時間且つ所望のタイミングで光ファイバ増幅器の増幅率を増減して、測定対象物までの距離を精度良く測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態に係る光ファイバ増幅器の一例を示す概略構成図である。
【図２】光ファイバ増幅器の動作原理を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】光ファイバ増幅器の変形例を示す概略構成図である。
【図４】光ファイバ増幅器の変形例を示す概略構成図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る距離測定装置の一例を示す概略構成図である。
【図６】「増幅率変更処理」の処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態に係る距離測定装置の他の一例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。
【００２２】
＜光ファイバ増幅器の基本構成＞
図１は本発明の実施の形態に係る光ファイバ増幅器の一例を示す概略構成図である。図１に示すように、光ファイバ増幅器１０は、入力された信号光「Ｓｉｎ」を増幅して、増幅された信号光「Ｓｏｕｔ」を出力する光増幅器である。以下では、信号光「Ｓｉｎ」及び「Ｓｏｕｔ」を区別する必要がない場合には、単に「信号光」と称する。光ファイバ増幅器１０は、増幅用光ファイバ１２と、増幅用光ファイバ１２に第２励起光を注入する増幅励起部２０とを備えている。増幅用光ファイバ１２の入射端には、信号光「Ｓｉｎ」が入力される。
【００２３】
増幅励起部２０は、蓄積用光ファイバ１４、蓄積用光ファイバ１４に第１励起光を注入する励起光源１６、蓄積用光ファイバ１４にスイッチ光を入射させるスイッチ光源１８、及びスイッチ光と第１励起光とを合波する光合波器２２を備えている。蓄積用光ファイバ１４は、一端がスイッチ光源１８に結合され、他端が光合波器２２に結合されている。励起光源１６は、連結用光ファイバ２６を介して光合波器２２に結合されている。
【００２４】
増幅用光ファイバ１２の出射端には、信号光「Ｓｉｎ」と第２励起光とを合波する光合波器２４が結合されている。光合波器２４は、連結用光ファイバ２８を介して光合波器２２に結合されている。また、光合波器２４には、増幅された信号光「Ｓｏｕｔ」を出力するために、連結用光ファイバ３０が結合されている。
【００２５】
なお、光ファイバ増幅器１０内には、矢印で示す方向に整流作用を付与するために、アイソレータ１１、１３、１５、１７が設けられている。この例では、アイソレータ１１は、増幅用光ファイバ１２の上流側に設けられている。また、アイソレータ１３は、蓄積用光ファイバ１４とスイッチ光源１８との間に設けられている。また、アイソレータ１５は、連結用光ファイバ３０の中間位置に設けられている。更に、アイソレータ１７は、光合波器２２と光合波器２４との間に設けられている。
【００２６】
増幅用光ファイバ１２及び蓄積用光ファイバ１４は、エルビウム（Ｅｒ）やネオジウム（Ｎｄ）等の希土類元素がコアに添加された光ファイバであり、光増幅媒体として使用される。信号光が波長１．５５μｍのレーザ光である場合には、増幅用光ファイバ１２及び蓄積用光ファイバ１４としては、エルビウムが添加されたＥｒ添加光ファイバが好適である。本実施の形態では、波長１．５５μｍのレーザ光を信号光とする場合について説明する。
【００２７】
励起光源１６は、蓄積用光ファイバ１４に第１励起光を注入して、添加された希土類元素を励起するための励起光源である。従って、励起光源１６としては、希土類イオンのエネルギー準位に応じた発振波長のレーザ光源を用いることができる。また、連続発振するＣＷ型の半導体レーザを用いることができる。
【００２８】
例えば、蓄積用光ファイバ１４としてＥｒ添加光ファイバを用いる場合には、励起光源１６として、エルビウムイオン（Ｅｒ＋３）のエネルギー準位に応じて、発振波長０．９８μｍ又は発振波長１．４８μｍの半導体レーザを用いることができる。本実施の形態では、励起光源１６として、発振波長０．９８μｍの半導体レーザを用いて、波長０．９８μｍの第１励起光を注入する場合について説明する。
【００２９】
スイッチ光源１８は、蓄積用光ファイバ１４に、誘導放出を生起させるスイッチ光を入力するスイッチ光源である。従って、スイッチ光源１８は、スイッチ光を生成できればよく、スイッチ光の波長についても特に制限はない。本実施の形態では、スイッチ光源１８として、発振波長１．４８μｍの半導体レーザを用いて、波長１．４８μｍのスイッチ光を入射する場合について説明する。
【００３０】
上記の通り、蓄積用光ファイバ１４としてＥｒ添加光ファイバを用いる場合には、エルビウムイオンが波長０．９８μｍの第１励起光により励起されて、Ｅｒ添加光ファイバ内に反転分布が形成される。この反転分布状態のＥｒ添加光ファイバに、波長１．４８μｍのスイッチ光が入射することで、誘導放出が起きる。誘導放出により蓄積用光ファイバ１４からは、波長０．９８μｍの第２励起光が放出される。
【００３１】
また、増幅用光ファイバ１２としてＥｒ添加光ファイバを用いる場合には、エルビウムイオンが波長０．９８μｍの第２励起光により励起されて、Ｅｒ添加光ファイバ内に反転分布が形成される。この反転分布状態のＥｒ添加光ファイバに、波長１．５５μｍの信号光が入射することで、誘導放出が起きて信号光が増幅される。
【００３２】
光合波器２２は、波長の異なる第１励起光（波長０．９８μｍ）とスイッチ光（波長１．４８μｍ）とを合波する。また、光合波器２４は、波長の異なる第２励起光（波長０．９８μｍ）と信号光（波長１．５５μｍ）とを合波する。従って、光合波器２２及び光合波器２４としては、波長多重化方式（ＷＤＭ：Wavelength Domain Multiplexing）において光合波回路として使用される、ＷＤＭカプラー等を用いることができる。
【００３３】
＜光ファイバ増幅器の動作原理＞
次に、図１及び図２を参照して光ファイバ増幅器の動作原理を説明する。図２は光ファイバ増幅器の動作原理を説明するためのタイミングチャートである。信号光「Ｓｉｎ」の到達時（ｔ＝ｔ４）を予想するための基準時を「ｔ＝０」とする。図２に示すように、光ファイバ増幅器１０に、真の信号光「Ｓｉｎ」以外に、強度の大きなノイズ光が入力される場合について説明する。ノイズ光は、真の信号光「Ｓｉｎ」の到達前（ｔ＝ｔ２）に、光ファイバ増幅器１０に到達する。
【００３４】
励起光源１６は常時点灯されており、矢印Ｂで図示した通り、蓄積用光ファイバ１４には第１励起光が注入されている。第１励起光が蓄積用光ファイバ１４に注入されると、注入された励起光に応じて蓄積用光ファイバ１４にエネルギーが蓄積される。従って、蓄積用光ファイバ１４の反転分布密度は、基準時から徐々に増加する。これにより、蓄積用光ファイバ１４は反転分布状態になる。一方、増幅用光ファイバ１２に蓄積されたエネルギーは徐々に放出されて、増幅用光ファイバ１２の反転分布密度は基準時から徐々に減少する。ここでは、ノイズ光の到達前（ｔ＝ｔ１）に、増幅用光ファイバ１２の反転分布密度がゼロになるようにする。なお、反転分布密度は「光増幅率（利得）」と同義である。
【００３５】
光ファイバ増幅器１０にノイズ光が到達すると、ノイズ光は増幅用光ファイバ１２に入射する。ノイズ光の到達時（ｔ＝ｔ２）に、既に増幅用光ファイバ１２の反転分布密度はゼロになっている。従って、ノイズ光は、増幅用光ファイバ１２で増幅されることなく、増幅用光ファイバ１２、光合波器２４、及び連結用光ファイバ３０を通過して、連結用光ファイバ３０の出射端から射出される。
【００３６】
ノイズ光が通過してから予め定めた時間経過後（ｔ＝ｔ３）に、スイッチ光源１８が点灯される。スイッチ光源１８が点灯されると、蓄積用光ファイバ１４にスイッチ光が入射されて、誘導放出により蓄積用光ファイバ１４から第２励起光が放出される。放出された第２励起光は、矢印Ａで図示した通り、光合波器２２、連結用光ファイバ２８、及び光合波器２４を通過して、増幅用光ファイバ１２に注入される。
【００３７】
第２励起光が増幅用光ファイバ１２に注入されると、注入された励起光に応じて増幅用光ファイバ１２にエネルギーが蓄積される。ここでは、蓄積用光ファイバ１４に蓄積されたエネルギーは、誘導放出により増幅用光ファイバ１２に転送される。増幅用光ファイバ１２の反転分布密度は、急激に増加する。これにより、増幅用光ファイバ１２は、非常に短時間で反転分布状態になる。ここで「短時間」とは、励起光源から励起光を注入する場合には達成できない「数十ナノ秒（ｎｓｅｃ）」程度の時間を意味する。
【００３８】
光ファイバ増幅器１０に真の信号光「Ｓｉｎ」が到達すると、信号光「Ｓｉｎ」は増幅用光ファイバ１２に入射する。信号光「Ｓｉｎ」の到達時（ｔ＝ｔ４）に、既に増幅用光ファイバ１２は反転分布状態となっている。従って、入射した信号光「Ｓｉｎ」は、増幅用光ファイバ１２で増幅される。増幅された信号光「Ｓｏｕｔ」は、光合波器２４及び連結用光ファイバ３０を通過して、信号光の到達時から予め定めた時間経過後（ｔ＝ｔ５）に、連結用光ファイバ３０の出射端から射出される。
【００３９】
以上説明した通り、本発明の実施の形態に係る光ファイバ増幅器では、蓄積用光ファイバ１４に蓄積されたエネルギーを誘導放出により増幅用光ファイバ１２に転送することで、増幅用光ファイバ１２の反転分布密度を急激に増加させて、光ファイバ増幅器１０の増幅率を短時間で変化させることができる。また、蓄積用光ファイバ１４にスイッチ光を入力することにより、光ファイバ増幅器１０の増幅率を所望のタイミングで変化させることができる。更に、光ファイバ増幅器１０の増幅率を短時間で変化させることで、分解能が向上し、単位時間当たりの処理能力（スループット）が向上する。
【００４０】
＜光ファイバ増幅器の変形例＞
次に、光ファイバ増幅器の変形例について説明する。図３は光ファイバ増幅器の変形例を示す概略構成図である。図１に示す光ファイバ増幅器と同じ構成部分には、同じ符号を付して説明を省略する。図３に示すように、光ファイバ増幅器１０Ａは、増幅用光ファイバ１２の入射側に、増幅用光ファイバ１２に第２のスイッチ光を入射させるスイッチ光源３２、アイソレータ３３、第２のスイッチ光と信号光とを合波する光合波器３４、連結用光ファイバ３６、及び連結用光ファイバ３８を備えている。
【００４１】
増幅用光ファイバ１２の入射端には、光合波器３４が結合されている。スイッチ光源３２は、連結用光ファイバ３８を介して光合波器３４に結合されている。また、光合波器３４には、信号光「Ｓｉｎ」を入力するために、連結用光ファイバ３６が結合されている。アイソレータ３３は、連結用光ファイバ３６の中間位置に設けられている。
【００４２】
スイッチ光源３２は、増幅用光ファイバ１２に、誘導放出を生起させるスイッチ光を入力するスイッチ光源である。従って、スイッチ光源３２は、スイッチ光を生成できればよく、スイッチ光の波長についても特に制限はない。本実施の形態では、スイッチ光源３２として、発振波長１．５３μｍの半導体レーザを用いて、波長１．５３μｍの第２のスイッチ光を入射する場合について説明する。
【００４３】
また、光合波器３４は、波長の異なる第２のスイッチ光（波長１．５３μｍ）と信号光（波長１．５５μｍ）とを合波する。従って、光合波器３４としては、ＷＤＭカプラー等を用いることができる。
【００４４】
上記の通り、増幅用光ファイバ１２としてＥｒ添加光ファイバを用いる場合には、エルビウムイオンが、波長０．９８μｍの第２励起光により励起されて、Ｅｒ添加光ファイバ内に反転分布が形成される。この反転分布状態のＥｒ添加光ファイバに、波長１．５３μｍのスイッチ光が入射することで、誘導放出が起きる。誘導放出により増幅用光ファイバ１２の反転分布密度が急激に減少する。
【００４５】
例えば、図２に実線で示すように、第２のスイッチ光を入力しない場合には、増幅用光ファイバ１２の反転分布密度は基準時から徐々に減少する。これに対し、スイッチ光源３２が点灯されると、第２のスイッチ光が連結用光ファイバ３８を介して増幅用光ファイバ１２に入力される。第２のスイッチ光が入力されると、増幅用光ファイバ１２に蓄積されたエネルギーは急激に放出される。
【００４６】
これにより、図２に一点鎖線で示すように、増幅用光ファイバ１２の反転分布密度は急激に減少する。即ち、変形例に係る光ファイバ増幅器１０Ａでは、スイッチ光源３２を点灯することにより、増幅用光ファイバ１２の増幅率を、短時間且つ所望のタイミングでゼロにすることができる。
【００４７】
図４は光ファイバ増幅器の他の変形例を示す概略構成図である。図１に示す光ファイバ増幅器と同じ構成部分には、同じ符号を付して説明を省略する。図４に示すように、光ファイバ増幅器１０Ｂは、増幅用光ファイバ１２と、増幅用光ファイバ１２に第２励起光を注入する増幅励起部２０Ａとを備えている。また、光ファイバ増幅器１０Ｂでは、蓄積用光ファイバ１４が第１部分１４Ａと第２部分１４Ｂとで構成されている。第１部分１４Ａと第２部分１４Ｂとの間には、波長フィルタ３９が挿入されている。波長フィルタ３９は、励起光源１６で生成される第１の励起光の波長の光を選択的に透過する波長フィルタである。
【００４８】
波長フィルタ３９としては、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）等を用いることができる。本実施の形態では、励起光源１６から波長０．９８μｍの第１励起光を、蓄積用光ファイバ１４に注入する。従って、波長フィルタ３９としては、波長０．９８μｍの光を選択的に透過するＢＰＦを用いる。蓄積用光ファイバ１４の中間位置に波長フィルタ３９を挿入することで、自然放出光の増幅や光の逆流に起因するエネルギー損失を低減することができる。
【００４９】
＜距離測定装置＞
次に、本発明の実施の形態に係る距離測定装置について説明する。ここでは、距離測定装置を、レーザ光の直進性を利用して、広い範囲で測定対象物までの距離を測定できるレーザレーダ装置として構成した例について説明する。図５は本発明の実施の形態に係る距離測定装置の一例を示す概略構成図である。
【００５０】
図５に示すように、距離測定装置１００は、レーザ光パルスを出力する光出力部４０と、測定対象物で反射されたレーザ光パルスを検出する光検出部５０と、を備えている。レーザ光パルスを検出する光検出部５０は、本発明の実施に形態に係る光ファイバ増幅器を備えている。図５に示す例では、図３に示す光ファイバ増幅器１０Ａと同じ構成の光ファイバ増幅器を備える例について説明する。図３に示す光ファイバ増幅器と同じ構成部分には、同じ符号を付して説明を省略する。
【００５１】
また、距離測定装置１００は、これら光出力部４０及び光検出部５０の外に、装置全体を制御し且つ距離の演算などの各種処理を実行する制御部６０と、測定結果を表示するディスプレイ等の表示部７０と、を備えている。表示部７０は、制御部６０に接続されている。
【００５２】
なお、以下では、レーザ光パルスを単に「光パルス」と称し、測定対象物で反射されたレーザ光パルスを「反射光パルス」と称する。また、後述する「励起光」と区別する意味で、「反射光パルス」を「信号光」と称する場合がある。
【００５３】
まず、レーザ光パルスを出力する光出力部４０について説明する。光出力部４０は、光パルスを射出するレーザ光源４２、レーザ光源４２を駆動する駆動部４４、及び測定対象物（図示せず）に対して光パルスを照射する照射光学系としてのレンズ４６を備えている。駆動部４４は、制御部６０に接続されている。レーザ光源４２としては、半導体レーザを用いることができる。例えば、発振波長１．５５μｍの半導体レーザがアイセーフの観点から好適である。本実施の形態では、レーザ光源４２として、発振波長１．５５μｍの半導体レーザを使用する場合について説明する。
【００５４】
ここで光出力部４０の動作を簡単に説明する。上記の光出力部４０では、制御部６０から駆動部４４に制御信号が入力される。駆動部４４は、入力された制御信号に基づいてレーザ光源４２を駆動する。レーザ光源４２からは光パルスが射出される。射出された光パルスは、レンズ４６により測定対象物に照射される。レーザ光源４２を構成する半導体レーザには、通常、出力モニタ用のフォトダイオードが内蔵されている。従って、レーザ光源４２から出力された光パルスは、内蔵されたフォトダイオードで検出（光電変換）される。検出信号は、光パルスの出力信号として、駆動部４４を介して制御部６０に入力される。
【００５５】
次に、測定対象物で反射された反射光パルスを検出する光検出部５０について説明する。光検出部５０は、反射光パルスを受光する受光光学系としてのレンズ５２、レンズ５２で集光された反射光パルスを増幅する光ファイバ増幅器１０Ａ、及び光ファイバ増幅器１０Ａで増幅された反射光パルスを検出（光電変換）する光検出器５４を備えている。光検出器５４には、波長１．５５μｍを含む赤外線に感度を有するフォトダイオード等を使用することができる。光検出器５４は、制御部６０に接続されている。光検出器５４で光電変換された電気信号は、検出信号として制御部６０に入力される。
【００５６】
光ファイバ増幅器１０Ａは、上述した通り、信号光「Ｓｉｎ」を入力する連結用光ファイバ３６と、増幅された信号光「Ｓｏｕｔ」を出力する連結用光ファイバ３０とを備えている。連結用光ファイバ３０の出射端は、増幅された反射光パルス「Ｓｏｕｔ」が光検出器５４で検出されるように、光検出器５４に近接させて配置されている。また、連結用光ファイバ３６の入射端は、レンズ５２で集光された反射光パルス「Ｓｉｎ」が入射するように、レンズ５２の集光位置に配置されている。
【００５７】
また、光ファイバ増幅器１０Ａは、上述した通り、励起光源１６、スイッチ光源１８、及びスイッチ光源３２を備えている。従って、光検出部５０は、励起光源１６を駆動する駆動部５６、スイッチ光源１８を駆動する駆動部５７、及びスイッチ光源３２を駆動する駆動部５８を更に備えている。駆動部５６、駆動部５７及び駆動部５８の各々は、制御部６０に接続されている。励起光源２６、スイッチ光源１８、及びスイッチ光源３２の各々には、出力モニタ用のフォトダイオードが内蔵されており、光電変換された電気信号（検出信号）は、出力信号として対応する駆動部を介して制御部６０に入力される。
【００５８】
ここで光検出部５０の動作を簡単に説明する。上記の光検出部５０では、測定対象物で反射された反射光パルスが、レンズ５２により集光される。集光された反射光パルス「Ｓｉｎ」は、連結用光ファイバ３６の入射端から光ファイバ増幅器１０Ａに入射する。一方、制御部６０から駆動部５６、駆動部５７及び駆動部５８の各々に制御信号が入力される。駆動部５６、駆動部５７及び駆動部５８の各々は、入力された制御信号に基づいて励起光源２６、スイッチ光源１８、及びスイッチ光源３２の各々を駆動する。
【００５９】
なお、励起光源２６、スイッチ光源１８、及びスイッチ光源３２の各々は、遠距離に在る測定対象物からの反射光パルスによる微弱信号等、測定対象物までの距離に応じた強度の信号を検出するために、光ファイバ増幅器１０Ａの増幅率を変更するように駆動制御される。光ファイバ増幅器１０Ａの増幅率を変更する「増幅率変更処理」については、後で詳しく説明する。
【００６０】
上述した通り、光ファイバ増幅器１０Ａに入射した反射光パルス「Ｓｉｎ」は、増幅用光ファイバ１２に蓄積されたエネルギーに比例した光増幅率で増幅され、増幅された反射光パルス「Ｓｏｕｔ」が連結用光ファイバ３０の出射端から射出される。射出された反射光パルス「Ｓｏｕｔ」は、光検出器５４で検出（光電変換）される。検出信号は、反射光パルスの受信信号として、制御部６０に入力される。
【００６１】
次に、制御部及び表示部について簡単に説明する。図示はしていないが、制御部６０は、Ａ／Ｄ変換器、ＲＯＭ，ＲＡＭ等の記憶部、ＣＰＵ等の中央処理装置を備えている。ＲＯＭには、後述する「増幅率変更処理」の処理ルーチンを実行するためのプログラム等が記憶されている。ＲＡＭは、ＣＰＵによって行われる各種演算等を行うメモリ等として使用される。制御部６０には、上述した通り、光パルスの出力信号、励起光の出力信号、スイッチ光の出力信号、及び反射光パルスの受信信号が入力される。制御部６０に入力されたこれらのアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）でデジタル信号に変換され、記憶部（図示せず）に保持される。
【００６２】
制御部６０は、これらのデジタル信号に基づいて、光出力部４０から光パルスが出力されたタイミングと、光検出部５０で対応する反射光パルスが検出されたタイミングと、を取得する。光パルスの出力タイミングとは、レーザ光源４２から光パルスが射出されたタイミングである。また、反射光パルスの検出タイミングとは、反射光パルスがレンズ５２で受光されたタイミングである。
【００６３】
実際には、反射光パルスは、レンズ５２で受光され、光ファイバ増幅器１０Ａで増幅された後に、光検出器５４で検出される。反射光パルスは、連結用光ファイバ３６、増幅用光ファイバ１２及び連結用光ファイバ３０を伝搬するのに要する時間だけ遅延して、光検出器５４で検出される。従って、この遅延時間により計測誤差が発生しないように、光検出器５４での反射光パルスの検出タイミングから遅延時間だけ遡ったタイミングを、反射光パルスの検出タイミングとする。
【００６４】
制御部６０は、取得された光パルスの出力タイミングと、取得された反射光パルスの検出タイミングとに基づいて、光パルスが射出されてから反射光パルスを受光するまでに要した応答時間を計算する。また、制御部６０は、計算された応答時間に基づいて、測定対象物までの距離を演算する。そして、演算により得られた測定対象物までの距離を、測定結果として表示部７０に表示する。
【００６５】
＜増幅率変更処理＞
次に、光ファイバ増幅器の増幅率を変更する「増幅率変更処理」について説明する。図６は「増幅率変更処理」の処理ルーチンを示すフローチャートである。制御部６０のＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された「増幅率変更処理」を実行するためのプログラムを読み出して、ＲＡＭをワークエリアとして使用して「増幅率変更処理」の処理ルーチンを実行する。
【００６６】
光出力部４０のレーザ光源４２からは、所定強度の光パルスが一定の間隔で出力されている。また、光検出部５０の励起光源１６は常時点灯されている。本実施の形態では、光パルスの出力信号が取得されると、光パルスの立ち上がり時間をスタート（ｔ＝０）として時間ｔ（秒）の計測を開始すると共に、「増幅率変更処理」が開始される。ここでは、ノイズ光は、光パルスが装置内部で反射されて発生する「内部反射光」として説明する。また、真の信号光は、光パルスに対応する「反射光パルス」である。
【００６７】
まず、ステップ１００で、光パルスの出力信号に基づいて、スイッチ光源３２を点灯する時間（ｔ１）と、スイッチ光源１８を点灯する時間（ｔ３）とを計算する。「内部反射光」の到達時間（ｔ２）及び反射光パルス「Ｓｉｎ」の到達時間（ｔ４）は、光パルスの立ち上がり時間から計算することができる。
【００６８】
スイッチ光源３２を点灯する時間（ｔ１）は、「内部反射光」の到達時間（ｔ２）よりも早い時間となるように設定されている。また、スイッチ光源１８を点灯する時間（ｔ３）は、「内部反射光」の到達時間（ｔ２）よりも遅い時間で、且つ反射光パルス「Ｓｉｎ」の到達時間（ｔ４）よりも早い時間となるように設定されている。
【００６９】
次に、ステップ１０２で、時間（ｔ１）になったか否かを繰り返し判断する。時間（ｔ１）になると、肯定判定してステップ１０４に進む。ステップ１０４では、スイッチ光源３２を点灯するように、駆動部５８に制御信号を入力する。スイッチ光源３２が点灯されると、第２のスイッチ光が増幅用光ファイバ１２に入力されて、増幅用光ファイバ１２の反転分布密度、即ち、光ファイバ増幅器１０の光増幅率は、時間（ｔ１）から短時間でゼロになる。
【００７０】
「内部反射光」の到達時（ｔ２）には、増幅用光ファイバ１２の反転分布密度はゼロである。従って、「内部反射光」は、光ファイバ増幅器１０で増幅されることなく、連結用光ファイバ３０の出射端から射出される。
【００７１】
次に、ステップ１０６で、時間（ｔ３）になったか否かを繰り返し判断する。時間（ｔ３）になると肯定判定してステップ１０８に進む。ステップ１０８では、スイッチ光源１８を点灯するように、駆動部５７に制御信号を入力する。スイッチ光源１８が点灯されると、スイッチ光が蓄積用光ファイバ１４に入力されて、誘導放出により蓄積用光ファイバ１４から第２励起光が放出される。第２励起光が増幅用光ファイバ１２に注入されると、増幅用光ファイバ１２の反転分布密度、即ち、光ファイバ増幅器１０の光増幅率は、時間（ｔ３）から短時間で増加する。
【００７２】
反射光パルス「Ｓｉｎ」の到達時間（ｔ４）には、増幅用光ファイバ１２は反転分布状態になっている。従って、反射光パルス「Ｓｉｎ」は、光ファイバ増幅器１０で増幅される。時間（ｔ５）には、増幅された反射光パルス「Ｓｏｕｔ」が、連結用光ファイバ３０の出射端から射出される。
【００７３】
次に、ステップ１１０で、反射光パルスの受信信号が入力されたか否かを繰り返し判断する。反射光パルスの受信信号が入力された場合には、肯定判定して「増幅率変更処理」のルーチンを終了する。
【００７４】
以上説明した通り、本発明の実施の形態に係る距離測定装置では、「内部反射光」等のノイズ光を受光するタイミングには光ファイバ増幅器の増幅率をゼロにして、ノイズ光は増幅せずに通過させると共に、光パルスに対応する「反射光パルス」を受光するタイミングには光ファイバ増幅器の増幅率を大きくして、「反射光パルス」を増幅する。
【００７５】
従って、強度の高いノイズ光により光検出器が飽和して、遠距離に在る測定対象物からの反射光パルスによる微弱信号等が検出できなくなる等の不具合が発生し難くなり、微弱な信号光も精度よく検出することができる。これにより、測定対象物までの距離を精度良く測定することができる。
【００７６】
＜投受光光学系を用いた変形例＞
次に、投受光光学系を用いた距離測定装置の変形例について説明する。「投受光光学系」は、光出力部の光パルスを照射する照射光学系と、光検出部の反射光パルスを受光する受光光学系とを兼用する光学系である。図７は本発明の実施の形態に係る距離測定装置の他の一例を示す概略構成図である。図７は、距離測定装置の要部の構成を示す図であり、電気的構成の図示は省略している。また、図７に示す例では、図４に示す光ファイバ増幅器１０Ｂと類似の構成の光ファイバ増幅器を備える例について説明する。図４に示す光ファイバ増幅器と同じ構成部分には、同じ符号を付して説明を省略する。
【００７７】
図７に示すように、距離測定装置２００は、光パルスを出力する光出力部２０２、測定対象物で反射された反射光パルスを検出する光検出部２０４、光パルスを投光すると共に反射光パルスを受光する投受光光学系としてのレンズ２０６、投受光光の光路を変更する光サーキュレータ２０８、及び投受光光を入出力する連結用光ファイバ２１０を備えている。連結用光ファイバ２１０の入射端は、レンズ２０６で集光された反射光パルスが入射するように、レンズ２０６の集光位置に配置されている。連結用光ファイバ２１０の出射端は、光サーキュレータ２０８に結合されている。
【００７８】
光出力部２０２は、光パルスを射出するレーザ光源（図示せず）、レーザ光源を駆動する駆動部（図示せず）、アイソレータ８１、光パルスを増幅するための増幅用光ファイバ８２、光ファイバ８２に第３励起光を注入する励起光源８４、アイソレータ８３、連結用光ファイバ８５、増幅された光パルスと第３励起光とを合波する光合波器８６、及び連結用光ファイバ８７を備えている。
【００７９】
増幅用光ファイバ８２は、レーザ光源から射出された光パルスが入力されるように、一端がレーザ光源に結合され、他端が光合波器８６に結合されている。励起光源８４は、連結用光ファイバ８５を介して光合波器８６に結合されている。光合波器８６は、連結用光ファイバ８７を介して光サーキュレータ２０８に結合されている。アイソレータ８１は、増幅用光ファイバ８２の上流側に設けられている。アイソレータ８３は、光合波器８６と光サーキュレータ２０８との間に設けられている。
【００８０】
光検出部２０４は、反射光パルスを増幅する光ファイバ増幅器（図示せず）と、光ファイバ増幅器で増幅された反射光パルスを検出（光電変換）する光検出器（図示せず）とを備えている。光ファイバ増幅器は、図４に示す光ファイバ増幅器１０Ｂと同様に、増幅用光ファイバ１２と、増幅用光ファイバ１２に第２励起光を注入する増幅励起部２０Ａとを備えている。
【００８１】
また、光検出部２０４は、信号光「Ｓｉｎ」を入力する連結用光ファイバ３６と、増幅された信号光「Ｓｏｕｔ」を出力する連結用光ファイバ３０とを備えている。増幅用光ファイバ１２の一端には、信号光「Ｓｉｎ」と第２励起光とを合波する光合波器２４が結合されている。増幅用光ファイバ１２の他端には、連結用光ファイバ３０が結合されている。また、連結用光ファイバ３６の一端は、光合波器２４に結合されている。また、連結用光ファイバ３６の他端は、光サーキュレータ２０８に結合されている。
【００８２】
なお、この例では、増幅用光ファイバ１２は、第１部分１２Ａと第２部分１２Ｂとで構成されている。また、アイソレータも、アイソレータ１５Ａとアイソレータ１５Ｂとに分けて設けられている。アイソレータ１５Ａは、第１部分１２Ａと第２部分１２Ｂとの間に挿入されている。アイソレータ１５Ｂは、増幅用光ファイバ１２の下流側に設けられている。
【００８３】
サーキュレータ２０８は、所定方向の光は通すが逆方向の光は遮断する、非相反性を有する光回路素子である。本実施の形態では、Ａ〜Ｃの３端子を有するサーキュレータ２０８が用いられる。サーキュレータ２０８の端子Ａには、光出力部２０２で増幅された光パルスを入力する連結用光ファイバ８７が接続されている。サーキュレータ２０８の端子Ｂには、投受光光学系としてのレンズ２０６から投受光光を入出力する連結用光ファイバ２１０が接続されている。サーキュレータ２０の端子Ｃには、光検出部２０４に対して、受光された反射光パルス（即ち、信号光「Ｓｉｎ」）を出力する連結用光ファイバ３６が接続されている。
【００８４】
これらの端子Ａ〜Ｃ間では、Ａ→Ｂ、Ｂ→Ｃの方向の光は通し、Ｂ→Ａ、Ｃ→Ｂの方向の光は遮断する。即ち、光出力部２０２で増幅された光パルスは、連結用光ファイバ８７及び連結用光ファイバ２１０を伝播してレンズ２０６に入射されて、測定対象物に向けて投光される。一方、レンズ２０６で受光された反射光パルスは、連結用光ファイバ２１０及び連結用光ファイバ３６を伝播して、光検出部２０４の光ファイバ増幅器に入力される。
【００８５】
本実施の形態に係る投受光光学系を用いた距離測定装置２００では、上記の距離測定装置１００と同様に、「内部反射光」等のノイズ光を受光するタイミングには光ファイバ増幅器の増幅率をゼロにして、ノイズ光は増幅せずに通過させると共に、光パルスに対応する「反射光パルス」を受光するタイミングには光ファイバ増幅器の増幅率を大きくして、「反射光パルス」を増幅することができる。
【００８６】
投受光光学系を用いた距離測定装置では、投光光学系と受光光学系とが独立した距離測定装置と比較すると「内部反射光」等のノイズ光が発生し易い。従って、ノイズ光により光検出器が飽和して微弱信号等が検出できなくなる等の不具合が顕著に抑制され、微弱な信号光も精度よく検出することができる。これにより、測定対象物までの距離を精度良く測定することができる。
【符号の説明】
【００８７】
１０ 光ファイバ増幅器
１０Ａ 光ファイバ増幅器
１０Ｂ 光ファイバ増幅器
１２ 増幅用光ファイバ
１４ 蓄積用光ファイバ
１６ 励起光源
１８ スイッチ光源
２０ 増幅励起部
２２ 光合波器
２４ 光合波器
２６ 励起光源
２６ 連結用光ファイバ
２８ 連結用光ファイバ
３０ 連結用光ファイバ
３２ スイッチ光源
３４ 光合波器
３６ 連結用光ファイバ
３８ 連結用光ファイバ
３９ 波長フィルタ
４０ 光出力部
４２ レーザ光源
４４ 駆動部
４６ レンズ
５０ 光検出部
５２ レンズ
５４ 光検出器
５６ 駆動部
５７ 駆動部
５８ 駆動部
６０ 制御部
７０ 表示部
１００ 距離測定装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ増幅器、光検出装置、及び距離測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定対象物に対し光パルスを照射し、光パルスが射出されてから反射光パルスを受光するまでに要した応答時間を計測して、測定対象物までの距離を測定する距離測定装置が用いられている。距離測定装置では、測定対象物までの距離が長くなると、外乱等の要因により反射光パルスによる信号強度が小さくなり、測定精度が低下するという問題がある。特に、車両用の距離測定装置など、広い範囲で測定対象物までの距離を測定する必要がある距離測定装置では、測定精度の低下は大きな問題となる。このため、受信信号を増幅する方法が種々検討されている。
【０００３】
例えば、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）等、半導体光増幅器を用いて測定精度を高めた距離測定装置が提案されている（特許文献１、特許文献２）。しかしながら、ＡＰＤ等の光電子増倍素子は、雑音の発生が多いという問題がある。他の光増幅器としては、光増幅媒体として光ファイバを用いた光ファイバ増幅器が知られている。光ファイバ増幅器は、半導体光増幅器に比べて雑音の発生が少ないという利点を有する。
【０００４】
上記の事情から、測定精度が要求される距離測定装置において、受光された反射光パルスを増幅する光増幅器として、光ファイバ増幅器の利用が期待されている。光ファイバ増幅器は、希土類が添加された光ファイバと、当該光ファイバに励起光を注入する励起光源とを備えている。励起光が注入されると、光ファイバは反転分布状態となる。この反転分布状態の光ファイバに信号光が入力されると、誘導放出により信号光が増幅される。
【０００５】
従来、光ファイバ増幅器は、光伝送システムの光増幅器等の用途に使用されてきた。このため、増幅率は一定に保持されるのが通常である。例えば、波長多重方式の光伝送システムにおいて波長変動により増幅率が変動するのを防止するために、複数の光ファイバ増幅器を多段接続し、後段の光ファイバ増幅器の増幅率を調整して、全体の増幅率を一定にする利得制御方法が提案されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０７−１６７９５４号公報
【特許文献２】特開２００６−３２９７９７号公報
【特許文献３】特開２００５−２７７０６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、距離測定装置等に使用される光検出装置では、遠距離に在る測定対象物からの反射光パルスによる微弱信号等、測定対象物までの距離に応じた強度の信号を検出しなければならない。従って、光ファイバ増幅器の増幅率を一定としたのでは、近距離に在る測定対象物からの反射光パルスや内部反射光等、高強度の反射光により、光検出装置が飽和して微弱信号を検出できないという問題がある。
【０００８】
この問題を解決するために、反射光の強度に応じて光ファイバ増幅器の増幅率を変更することが考えられる。しかしながら、半導体レーザ等の励起光源から励起光を注入する場合、光ファイバ増幅器の増幅率は、励起光の注入によって光ファイバに蓄積されたエネルギーに比例して増加する。従って、光ファイバ増幅器の増幅率を瞬時に増加させることは困難であった。
【０００９】
本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、本発明の目的は、短時間且つ所望のタイミングで増幅率を変更することができる光ファイバ増幅器を提供することにある。また、本発明の他の目的は、微弱な信号光を精度よく検出することができる光検出装置を提供することにある。また、本発明の更に他の目的は、測定対象物までの距離を精度良く測定することができる距離測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために請求項１に記載の光ファイバ増幅器は、希土類が添加された光ファイバで構成され、当該光ファイバの一端から入射された信号光を増幅し、増幅された信号光を当該光ファイバの他端から射出する第１の光ファイバと、希土類が添加された光ファイバで構成され且つ前記第１の光ファイバの前記他端に結合された第２の光ファイバと、前記第２の光ファイバに第１の励起光を注入する励起光源と、誘導放出を生起させるスイッチ光を前記第２の光ファイバに入射させるスイッチ光源とを含み、前記スイッチ光の入射により前記第２の光ファイバから誘導放出された第２の励起光を前記第１の光ファイバに注入する増幅励起部と、を備えた光ファイバ光増幅器である。
【００１１】
請求項２に記載の光ファイバ増幅器は、前記第２の光ファイバが、第１の部分と第２の部分とで構成されており、前記第１の部分と前記第２の部分との間に、前記第１の励起光の波長の光を選択的に透過する波長フィルタが配置された、請求項１に記載の光ファイバ光増幅器である。
【００１２】
請求項３に記載の光ファイバ増幅器は、前記第１の光ファイバの前記一端に結合され、誘導放出を生起させる第２のスイッチ光を前記第１の光ファイバに入射させる第２のスイッチ光源を更に備えた、請求項１又は２に記載の光ファイバ光増幅器である。
【００１３】
請求項４に記載の光検出装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ファイバ光増幅器と、前記第１の光ファイバの前記一端に信号光を入射させる受光光学系と、前記光ファイバ光増幅器で増幅された信号光を電気信号に変換する光電変換部と、を備えた光検出装置である。
【００１４】
請求項５に記載の距離測定装置は、測定対象物に対し光パルスを照射する光出力部と、請求項１又は請求項２に記載の光ファイバ光増幅器と、測定対象物で反射された反射光パルスを受光して前記第１の光ファイバの前記一端に信号光として入射させる受光光学系と、前記光ファイバ光増幅器で増幅された反射光パルスを電気信号に変換する光電変換部とを含む光検出部と、前記励起光源を常時点灯すると共に、前記反射光パルスが受光されるタイミングに応じて前記スイッチ光源を点灯するように、前記励起光源及び前記スイッチ光源の各々を駆動制御する駆動制御部と、前記光パルスが射出されたタイミング及び前記光パルスに対応する反射光パルスが受光されたタイミングを取得し、前記光パルスが射出されてから前記反射光パルスを受光するまでに要した応答時間を計算して、計算された応答時間に基づいて測定対象物までの距離を演算する演算手段と、を備えた距離測定装置である。
【００１５】
請求項６に記載の距離測定装置は、測定対象物に対し光パルスを照射する光出力部と、請求項３に記載の光ファイバ光増幅器と、測定対象物で反射された反射光パルスを受光して前記第１の光ファイバの前記一端に信号光として入射させる受光光学系と、前記光ファイバ光増幅器で増幅された反射光パルスを電気信号に変換する光電変換部とを含む光検出部と、前記励起光源を常時点灯すると共に、前記反射光パルスより前に到達する前記反射光パルス以外の反射光が受光されるタイミングに応じて前記第２のスイッチ光源を点灯した後に、前記反射光パルスが受光されるタイミングに応じて前記スイッチ光源を点灯するように、前記励起光源、前記第２のスイッチ光源及び前記スイッチ光源の各々を駆動制御する駆動制御部と、前記光パルスが射出されたタイミング及び前記光パルスに対応する反射光パルスが受光されたタイミングを取得し、前記光パルスが射出されてから前記反射光パルスを受光するまでに要した応答時間を計算して、計算された応答時間に基づいて測定対象物までの距離を演算する演算手段と、を備えた距離測定装置である。
【発明の効果】
【００１６】
各請求項に係る発明によれば、以下に記載した効果を奏する。
【００１７】
請求項１に係る光ファイバ増幅器によれば、短時間且つ所望のタイミングで増幅率を変更することができる。請求項２に係る光ファイバ増幅器によれば、第２の光ファイバにおけるエネルギー損失を低減することができる。請求項３に係る光ファイバ増幅器によれば、短時間且つ所望のタイミングで増幅率をゼロにすることができる。
【００１８】
請求項４に係る光検出装置によれば、短時間且つ所望のタイミングで光ファイバ増幅器の増幅率を変更して、微弱な信号光を精度よく検出することができる。
【００１９】
請求項５に係る距離測定装置によれば、短時間且つ所望のタイミングで光ファイバ増幅器の増幅率を変更して、測定対象物までの距離を精度良く測定することができる。請求項６に係る距離測定装置によれば、短時間且つ所望のタイミングで光ファイバ増幅器の増幅率を増減して、測定対象物までの距離を精度良く測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態に係る光ファイバ増幅器の一例を示す概略構成図である。
【図２】光ファイバ増幅器の動作原理を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】光ファイバ増幅器の変形例を示す概略構成図である。
【図４】光ファイバ増幅器の変形例を示す概略構成図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る距離測定装置の一例を示す概略構成図である。
【図６】「増幅率変更処理」の処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態に係る距離測定装置の他の一例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。
【００２２】
＜光ファイバ増幅器の基本構成＞
図１は本発明の実施の形態に係る光ファイバ増幅器の一例を示す概略構成図である。図１に示すように、光ファイバ増幅器１０は、入力された信号光「Ｓｉｎ」を増幅して、増幅された信号光「Ｓｏｕｔ」を出力する光増幅器である。以下では、信号光「Ｓｉｎ」及び「Ｓｏｕｔ」を区別する必要がない場合には、単に「信号光」と称する。光ファイバ増幅器１０は、増幅用光ファイバ１２と、増幅用光ファイバ１２に第２励起光を注入する増幅励起部２０とを備えている。増幅用光ファイバ１２の入射端には、信号光「Ｓｉｎ」が入力される。
【００２３】
増幅励起部２０は、蓄積用光ファイバ１４、蓄積用光ファイバ１４に第１励起光を注入する励起光源１６、蓄積用光ファイバ１４にスイッチ光を入射させるスイッチ光源１８、及びスイッチ光と第１励起光とを合波する光合波器２２を備えている。蓄積用光ファイバ１４は、一端がスイッチ光源１８に結合され、他端が光合波器２２に結合されている。励起光源１６は、連結用光ファイバ２６を介して光合波器２２に結合されている。
【００２４】
増幅用光ファイバ１２の出射端には、信号光「Ｓｉｎ」と第２励起光とを合波する光合波器２４が結合されている。光合波器２４は、連結用光ファイバ２８を介して光合波器２２に結合されている。また、光合波器２４には、増幅された信号光「Ｓｏｕｔ」を出力するために、連結用光ファイバ３０が結合されている。
【００２５】
なお、光ファイバ増幅器１０内には、矢印で示す方向に整流作用を付与するために、アイソレータ１１、１３、１５、１７が設けられている。この例では、アイソレータ１１は、増幅用光ファイバ１２の上流側に設けられている。また、アイソレータ１３は、蓄積用光ファイバ１４とスイッチ光源１８との間に設けられている。また、アイソレータ１５は、連結用光ファイバ３０の中間位置に設けられている。更に、アイソレータ１７は、光合波器２２と光合波器２４との間に設けられている。
【００２６】
増幅用光ファイバ１２及び蓄積用光ファイバ１４は、エルビウム（Ｅｒ）やネオジウム（Ｎｄ）等の希土類元素がコアに添加された光ファイバであり、光増幅媒体として使用される。信号光が波長１．５５μｍのレーザ光である場合には、増幅用光ファイバ１２及び蓄積用光ファイバ１４としては、エルビウムが添加されたＥｒ添加光ファイバが好適である。本実施の形態では、波長１．５５μｍのレーザ光を信号光とする場合について説明する。
【００２７】
励起光源１６は、蓄積用光ファイバ１４に第１励起光を注入して、添加された希土類元素を励起するための励起光源である。従って、励起光源１６としては、希土類イオンのエネルギー準位に応じた発振波長のレーザ光源を用いることができる。また、連続発振するＣＷ型の半導体レーザを用いることができる。
【００２８】
例えば、蓄積用光ファイバ１４としてＥｒ添加光ファイバを用いる場合には、励起光源１６として、エルビウムイオン（Ｅｒ＋３）のエネルギー準位に応じて、発振波長０．９８μｍ又は発振波長１．４８μｍの半導体レーザを用いることができる。本実施の形態では、励起光源１６として、発振波長０．９８μｍの半導体レーザを用いて、波長０．９８μｍの第１励起光を注入する場合について説明する。
【００２９】
スイッチ光源１８は、蓄積用光ファイバ１４に、誘導放出を生起させるスイッチ光を入力するスイッチ光源である。従って、スイッチ光源１８は、スイッチ光を生成できればよく、スイッチ光の波長についても特に制限はない。本実施の形態では、スイッチ光源１８として、発振波長１．４８μｍの半導体レーザを用いて、波長１．４８μｍのスイッチ光を入射する場合について説明する。
【００３０】
上記の通り、蓄積用光ファイバ１４としてＥｒ添加光ファイバを用いる場合には、エルビウムイオンが波長０．９８μｍの第１励起光により励起されて、Ｅｒ添加光ファイバ内に反転分布が形成される。この反転分布状態のＥｒ添加光ファイバに、波長１．４８μｍのスイッチ光が入射することで、誘導放出が起きる。誘導放出により蓄積用光ファイバ１４からは、波長０．９８μｍの第２励起光が放出される。
【００３１】
また、増幅用光ファイバ１２としてＥｒ添加光ファイバを用いる場合には、エルビウムイオンが波長０．９８μｍの第２励起光により励起されて、Ｅｒ添加光ファイバ内に反転分布が形成される。この反転分布状態のＥｒ添加光ファイバに、波長１．５５μｍの信号光が入射することで、誘導放出が起きて信号光が増幅される。
【００３２】
光合波器２２は、波長の異なる第１励起光（波長０．９８μｍ）とスイッチ光（波長１．４８μｍ）とを合波する。また、光合波器２４は、波長の異なる第２励起光（波長０．９８μｍ）と信号光（波長１．５５μｍ）とを合波する。従って、光合波器２２及び光合波器２４としては、波長多重化方式（ＷＤＭ：Wavelength Domain Multiplexing）において光合波回路として使用される、ＷＤＭカプラー等を用いることができる。
【００３３】
＜光ファイバ増幅器の動作原理＞
次に、図１及び図２を参照して光ファイバ増幅器の動作原理を説明する。図２は光ファイバ増幅器の動作原理を説明するためのタイミングチャートである。信号光「Ｓｉｎ」の到達時（ｔ＝ｔ４）を予想するための基準時を「ｔ＝０」とする。図２に示すように、光ファイバ増幅器１０に、真の信号光「Ｓｉｎ」以外に、強度の大きなノイズ光が入力される場合について説明する。ノイズ光は、真の信号光「Ｓｉｎ」の到達前（ｔ＝ｔ２）に、光ファイバ増幅器１０に到達する。
【００３４】
励起光源１６は常時点灯されており、矢印Ｂで図示した通り、蓄積用光ファイバ１４には第１励起光が注入されている。第１励起光が蓄積用光ファイバ１４に注入されると、注入された励起光に応じて蓄積用光ファイバ１４にエネルギーが蓄積される。従って、蓄積用光ファイバ１４の反転分布密度は、基準時から徐々に増加する。これにより、蓄積用光ファイバ１４は反転分布状態になる。一方、増幅用光ファイバ１２に蓄積されたエネルギーは徐々に放出されて、増幅用光ファイバ１２の反転分布密度は基準時から徐々に減少する。ここでは、ノイズ光の到達前（ｔ＝ｔ１）に、増幅用光ファイバ１２の反転分布密度がゼロになるようにする。なお、反転分布密度は「光増幅率（利得）」と同義である。
【００３５】
光ファイバ増幅器１０にノイズ光が到達すると、ノイズ光は増幅用光ファイバ１２に入射する。ノイズ光の到達時（ｔ＝ｔ２）に、既に増幅用光ファイバ１２の反転分布密度はゼロになっている。従って、ノイズ光は、増幅用光ファイバ１２で増幅されることなく、増幅用光ファイバ１２、光合波器２４、及び連結用光ファイバ３０を通過して、連結用光ファイバ３０の出射端から射出される。
【００３６】
ノイズ光が通過してから予め定めた時間経過後（ｔ＝ｔ３）に、スイッチ光源１８が点灯される。スイッチ光源１８が点灯されると、蓄積用光ファイバ１４にスイッチ光が入射されて、誘導放出により蓄積用光ファイバ１４から第２励起光が放出される。放出された第２励起光は、矢印Ａで図示した通り、光合波器２２、連結用光ファイバ２８、及び光合波器２４を通過して、増幅用光ファイバ１２に注入される。
【００３７】
第２励起光が増幅用光ファイバ１２に注入されると、注入された励起光に応じて増幅用光ファイバ１２にエネルギーが蓄積される。ここでは、蓄積用光ファイバ１４に蓄積されたエネルギーは、誘導放出により増幅用光ファイバ１２に転送される。増幅用光ファイバ１２の反転分布密度は、急激に増加する。これにより、増幅用光ファイバ１２は、非常に短時間で反転分布状態になる。ここで「短時間」とは、励起光源から励起光を注入する場合には達成できない「数十ナノ秒（ｎｓｅｃ）」程度の時間を意味する。
【００３８】
光ファイバ増幅器１０に真の信号光「Ｓｉｎ」が到達すると、信号光「Ｓｉｎ」は増幅用光ファイバ１２に入射する。信号光「Ｓｉｎ」の到達時（ｔ＝ｔ４）に、既に増幅用光ファイバ１２は反転分布状態となっている。従って、入射した信号光「Ｓｉｎ」は、増幅用光ファイバ１２で増幅される。増幅された信号光「Ｓｏｕｔ」は、光合波器２４及び連結用光ファイバ３０を通過して、信号光の到達時から予め定めた時間経過後（ｔ＝ｔ５）に、連結用光ファイバ３０の出射端から射出される。
【００３９】
以上説明した通り、本発明の実施の形態に係る光ファイバ増幅器では、蓄積用光ファイバ１４に蓄積されたエネルギーを誘導放出により増幅用光ファイバ１２に転送することで、増幅用光ファイバ１２の反転分布密度を急激に増加させて、光ファイバ増幅器１０の増幅率を短時間で変化させることができる。また、蓄積用光ファイバ１４にスイッチ光を入力することにより、光ファイバ増幅器１０の増幅率を所望のタイミングで変化させることができる。更に、光ファイバ増幅器１０の増幅率を短時間で変化させることで、分解能が向上し、単位時間当たりの処理能力（スループット）が向上する。
【００４０】
＜光ファイバ増幅器の変形例＞
次に、光ファイバ増幅器の変形例について説明する。図３は光ファイバ増幅器の変形例を示す概略構成図である。図１に示す光ファイバ増幅器と同じ構成部分には、同じ符号を付して説明を省略する。図３に示すように、光ファイバ増幅器１０Ａは、増幅用光ファイバ１２の入射側に、増幅用光ファイバ１２に第２のスイッチ光を入射させるスイッチ光源３２、アイソレータ３３、第２のスイッチ光と信号光とを合波する光合波器３４、連結用光ファイバ３６、及び連結用光ファイバ３８を備えている。
【００４１】
増幅用光ファイバ１２の入射端には、光合波器３４が結合されている。スイッチ光源３２は、連結用光ファイバ３８を介して光合波器３４に結合されている。また、光合波器３４には、信号光「Ｓｉｎ」を入力するために、連結用光ファイバ３６が結合されている。アイソレータ３３は、連結用光ファイバ３６の中間位置に設けられている。
【００４２】
スイッチ光源３２は、増幅用光ファイバ１２に、誘導放出を生起させるスイッチ光を入力するスイッチ光源である。従って、スイッチ光源３２は、スイッチ光を生成できればよく、スイッチ光の波長についても特に制限はない。本実施の形態では、スイッチ光源３２として、発振波長１．５３μｍの半導体レーザを用いて、波長１．５３μｍの第２のスイッチ光を入射する場合について説明する。
【００４３】
また、光合波器３４は、波長の異なる第２のスイッチ光（波長１．５３μｍ）と信号光（波長１．５５μｍ）とを合波する。従って、光合波器３４としては、ＷＤＭカプラー等を用いることができる。
【００４４】
上記の通り、増幅用光ファイバ１２としてＥｒ添加光ファイバを用いる場合には、エルビウムイオンが、波長０．９８μｍの第２励起光により励起されて、Ｅｒ添加光ファイバ内に反転分布が形成される。この反転分布状態のＥｒ添加光ファイバに、波長１．５３μｍのスイッチ光が入射することで、誘導放出が起きる。誘導放出により増幅用光ファイバ１２の反転分布密度が急激に減少する。
【００４５】
例えば、図２に実線で示すように、第２のスイッチ光を入力しない場合には、増幅用光ファイバ１２の反転分布密度は基準時から徐々に減少する。これに対し、スイッチ光源３２が点灯されると、第２のスイッチ光が連結用光ファイバ３８を介して増幅用光ファイバ１２に入力される。第２のスイッチ光が入力されると、増幅用光ファイバ１２に蓄積されたエネルギーは急激に放出される。
【００４６】
これにより、図２に一点鎖線で示すように、増幅用光ファイバ１２の反転分布密度は急激に減少する。即ち、変形例に係る光ファイバ増幅器１０Ａでは、スイッチ光源３２を点灯することにより、増幅用光ファイバ１２の増幅率を、短時間且つ所望のタイミングでゼロにすることができる。
【００４７】
図４は光ファイバ増幅器の他の変形例を示す概略構成図である。図１に示す光ファイバ増幅器と同じ構成部分には、同じ符号を付して説明を省略する。図４に示すように、光ファイバ増幅器１０Ｂは、増幅用光ファイバ１２と、増幅用光ファイバ１２に第２励起光を注入する増幅励起部２０Ａとを備えている。また、光ファイバ増幅器１０Ｂでは、蓄積用光ファイバ１４が第１部分１４Ａと第２部分１４Ｂとで構成されている。第１部分１４Ａと第２部分１４Ｂとの間には、波長フィルタ３９が挿入されている。波長フィルタ３９は、励起光源１６で生成される第１の励起光の波長の光を選択的に透過する波長フィルタである。
【００４８】
波長フィルタ３９としては、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）等を用いることができる。本実施の形態では、励起光源１６から波長０．９８μｍの第１励起光を、蓄積用光ファイバ１４に注入する。従って、波長フィルタ３９としては、波長０．９８μｍの光を選択的に透過するＢＰＦを用いる。蓄積用光ファイバ１４の中間位置に波長フィルタ３９を挿入することで、自然放出光の増幅や光の逆流に起因するエネルギー損失を低減することができる。
【００４９】
＜距離測定装置＞
次に、本発明の実施の形態に係る距離測定装置について説明する。ここでは、距離測定装置を、レーザ光の直進性を利用して、広い範囲で測定対象物までの距離を測定できるレーザレーダ装置として構成した例について説明する。図５は本発明の実施の形態に係る距離測定装置の一例を示す概略構成図である。
【００５０】
図５に示すように、距離測定装置１００は、レーザ光パルスを出力する光出力部４０と、測定対象物で反射されたレーザ光パルスを検出する光検出部５０と、を備えている。レーザ光パルスを検出する光検出部５０は、本発明の実施に形態に係る光ファイバ増幅器を備えている。図５に示す例では、図３に示す光ファイバ増幅器１０Ａと同じ構成の光ファイバ増幅器を備える例について説明する。図３に示す光ファイバ増幅器と同じ構成部分には、同じ符号を付して説明を省略する。
【００５１】
また、距離測定装置１００は、これら光出力部４０及び光検出部５０の外に、装置全体を制御し且つ距離の演算などの各種処理を実行する制御部６０と、測定結果を表示するディスプレイ等の表示部７０と、を備えている。表示部７０は、制御部６０に接続されている。
【００５２】
なお、以下では、レーザ光パルスを単に「光パルス」と称し、測定対象物で反射されたレーザ光パルスを「反射光パルス」と称する。また、後述する「励起光」と区別する意味で、「反射光パルス」を「信号光」と称する場合がある。
【００５３】
まず、レーザ光パルスを出力する光出力部４０について説明する。光出力部４０は、光パルスを射出するレーザ光源４２、レーザ光源４２を駆動する駆動部４４、及び測定対象物（図示せず）に対して光パルスを照射する照射光学系としてのレンズ４６を備えている。駆動部４４は、制御部６０に接続されている。レーザ光源４２としては、半導体レーザを用いることができる。例えば、発振波長１．５５μｍの半導体レーザがアイセーフの観点から好適である。本実施の形態では、レーザ光源４２として、発振波長１．５５μｍの半導体レーザを使用する場合について説明する。
【００５４】
ここで光出力部４０の動作を簡単に説明する。上記の光出力部４０では、制御部６０から駆動部４４に制御信号が入力される。駆動部４４は、入力された制御信号に基づいてレーザ光源４２を駆動する。レーザ光源４２からは光パルスが射出される。射出された光パルスは、レンズ４６により測定対象物に照射される。レーザ光源４２を構成する半導体レーザには、通常、出力モニタ用のフォトダイオードが内蔵されている。従って、レーザ光源４２から出力された光パルスは、内蔵されたフォトダイオードで検出（光電変換）される。検出信号は、光パルスの出力信号として、駆動部４４を介して制御部６０に入力される。
【００５５】
次に、測定対象物で反射された反射光パルスを検出する光検出部５０について説明する。光検出部５０は、反射光パルスを受光する受光光学系としてのレンズ５２、レンズ５２で集光された反射光パルスを増幅する光ファイバ増幅器１０Ａ、及び光ファイバ増幅器１０Ａで増幅された反射光パルスを検出（光電変換）する光検出器５４を備えている。光検出器５４には、波長１．５５μｍを含む赤外線に感度を有するフォトダイオード等を使用することができる。光検出器５４は、制御部６０に接続されている。光検出器５４で光電変換された電気信号は、検出信号として制御部６０に入力される。
【００５６】
光ファイバ増幅器１０Ａは、上述した通り、信号光「Ｓｉｎ」を入力する連結用光ファイバ３６と、増幅された信号光「Ｓｏｕｔ」を出力する連結用光ファイバ３０とを備えている。連結用光ファイバ３０の出射端は、増幅された反射光パルス「Ｓｏｕｔ」が光検出器５４で検出されるように、光検出器５４に近接させて配置されている。また、連結用光ファイバ３６の入射端は、レンズ５２で集光された反射光パルス「Ｓｉｎ」が入射するように、レンズ５２の集光位置に配置されている。
【００５７】
また、光ファイバ増幅器１０Ａは、上述した通り、励起光源１６、スイッチ光源１８、及びスイッチ光源３２を備えている。従って、光検出部５０は、励起光源１６を駆動する駆動部５６、スイッチ光源１８を駆動する駆動部５７、及びスイッチ光源３２を駆動する駆動部５８を更に備えている。駆動部５６、駆動部５７及び駆動部５８の各々は、制御部６０に接続されている。励起光源２６、スイッチ光源１８、及びスイッチ光源３２の各々には、出力モニタ用のフォトダイオードが内蔵されており、光電変換された電気信号（検出信号）は、出力信号として対応する駆動部を介して制御部６０に入力される。
【００５８】
ここで光検出部５０の動作を簡単に説明する。上記の光検出部５０では、測定対象物で反射された反射光パルスが、レンズ５２により集光される。集光された反射光パルス「Ｓｉｎ」は、連結用光ファイバ３６の入射端から光ファイバ増幅器１０Ａに入射する。一方、制御部６０から駆動部５６、駆動部５７及び駆動部５８の各々に制御信号が入力される。駆動部５６、駆動部５７及び駆動部５８の各々は、入力された制御信号に基づいて励起光源２６、スイッチ光源１８、及びスイッチ光源３２の各々を駆動する。
【００５９】
なお、励起光源２６、スイッチ光源１８、及びスイッチ光源３２の各々は、遠距離に在る測定対象物からの反射光パルスによる微弱信号等、測定対象物までの距離に応じた強度の信号を検出するために、光ファイバ増幅器１０Ａの増幅率を変更するように駆動制御される。光ファイバ増幅器１０Ａの増幅率を変更する「増幅率変更処理」については、後で詳しく説明する。
【００６０】
上述した通り、光ファイバ増幅器１０Ａに入射した反射光パルス「Ｓｉｎ」は、増幅用光ファイバ１２に蓄積されたエネルギーに比例した光増幅率で増幅され、増幅された反射光パルス「Ｓｏｕｔ」が連結用光ファイバ３０の出射端から射出される。射出された反射光パルス「Ｓｏｕｔ」は、光検出器５４で検出（光電変換）される。検出信号は、反射光パルスの受信信号として、制御部６０に入力される。
【００６１】
次に、制御部及び表示部について簡単に説明する。図示はしていないが、制御部６０は、Ａ／Ｄ変換器、ＲＯＭ，ＲＡＭ等の記憶部、ＣＰＵ等の中央処理装置を備えている。ＲＯＭには、後述する「増幅率変更処理」の処理ルーチンを実行するためのプログラム等が記憶されている。ＲＡＭは、ＣＰＵによって行われる各種演算等を行うメモリ等として使用される。制御部６０には、上述した通り、光パルスの出力信号、励起光の出力信号、スイッチ光の出力信号、及び反射光パルスの受信信号が入力される。制御部６０に入力されたこれらのアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）でデジタル信号に変換され、記憶部（図示せず）に保持される。
【００６２】
制御部６０は、これらのデジタル信号に基づいて、光出力部４０から光パルスが出力されたタイミングと、光検出部５０で対応する反射光パルスが検出されたタイミングと、を取得する。光パルスの出力タイミングとは、レーザ光源４２から光パルスが射出されたタイミングである。また、反射光パルスの検出タイミングとは、反射光パルスがレンズ５２で受光されたタイミングである。
【００６３】
実際には、反射光パルスは、レンズ５２で受光され、光ファイバ増幅器１０Ａで増幅された後に、光検出器５４で検出される。反射光パルスは、連結用光ファイバ３６、増幅用光ファイバ１２及び連結用光ファイバ３０を伝搬するのに要する時間だけ遅延して、光検出器５４で検出される。従って、この遅延時間により計測誤差が発生しないように、光検出器５４での反射光パルスの検出タイミングから遅延時間だけ遡ったタイミングを、反射光パルスの検出タイミングとする。
【００６４】
制御部６０は、取得された光パルスの出力タイミングと、取得された反射光パルスの検出タイミングとに基づいて、光パルスが射出されてから反射光パルスを受光するまでに要した応答時間を計算する。また、制御部６０は、計算された応答時間に基づいて、測定対象物までの距離を演算する。そして、演算により得られた測定対象物までの距離を、測定結果として表示部７０に表示する。
【００６５】
＜増幅率変更処理＞
次に、光ファイバ増幅器の増幅率を変更する「増幅率変更処理」について説明する。図６は「増幅率変更処理」の処理ルーチンを示すフローチャートである。制御部６０のＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された「増幅率変更処理」を実行するためのプログラムを読み出して、ＲＡＭをワークエリアとして使用して「増幅率変更処理」の処理ルーチンを実行する。
【００６６】
光出力部４０のレーザ光源４２からは、所定強度の光パルスが一定の間隔で出力されている。また、光検出部５０の励起光源１６は常時点灯されている。本実施の形態では、光パルスの出力信号が取得されると、光パルスの立ち上がり時間をスタート（ｔ＝０）として時間ｔ（秒）の計測を開始すると共に、「増幅率変更処理」が開始される。ここでは、ノイズ光は、光パルスが装置内部で反射されて発生する「内部反射光」として説明する。また、真の信号光は、光パルスに対応する「反射光パルス」である。
【００６７】
まず、ステップ１００で、光パルスの出力信号に基づいて、スイッチ光源３２を点灯する時間（ｔ１）と、スイッチ光源１８を点灯する時間（ｔ３）とを計算する。「内部反射光」の到達時間（ｔ２）及び反射光パルス「Ｓｉｎ」の到達時間（ｔ４）は、光パルスの立ち上がり時間から計算することができる。
【００６８】
スイッチ光源３２を点灯する時間（ｔ１）は、「内部反射光」の到達時間（ｔ２）よりも早い時間となるように設定されている。また、スイッチ光源１８を点灯する時間（ｔ３）は、「内部反射光」の到達時間（ｔ２）よりも遅い時間で、且つ反射光パルス「Ｓｉｎ」の到達時間（ｔ４）よりも早い時間となるように設定されている。
【００６９】
次に、ステップ１０２で、時間（ｔ１）になったか否かを繰り返し判断する。時間（ｔ１）になると、肯定判定してステップ１０４に進む。ステップ１０４では、スイッチ光源３２を点灯するように、駆動部５８に制御信号を入力する。スイッチ光源３２が点灯されると、第２のスイッチ光が増幅用光ファイバ１２に入力されて、増幅用光ファイバ１２の反転分布密度、即ち、光ファイバ増幅器１０の光増幅率は、時間（ｔ１）から短時間でゼロになる。
【００７０】
「内部反射光」の到達時（ｔ２）には、増幅用光ファイバ１２の反転分布密度はゼロである。従って、「内部反射光」は、光ファイバ増幅器１０で増幅されることなく、連結用光ファイバ３０の出射端から射出される。
【００７１】
次に、ステップ１０６で、時間（ｔ３）になったか否かを繰り返し判断する。時間（ｔ３）になると肯定判定してステップ１０８に進む。ステップ１０８では、スイッチ光源１８を点灯するように、駆動部５７に制御信号を入力する。スイッチ光源１８が点灯されると、スイッチ光が蓄積用光ファイバ１４に入力されて、誘導放出により蓄積用光ファイバ１４から第２励起光が放出される。第２励起光が増幅用光ファイバ１２に注入されると、増幅用光ファイバ１２の反転分布密度、即ち、光ファイバ増幅器１０の光増幅率は、時間（ｔ３）から短時間で増加する。
【００７２】
反射光パルス「Ｓｉｎ」の到達時間（ｔ４）には、増幅用光ファイバ１２は反転分布状態になっている。従って、反射光パルス「Ｓｉｎ」は、光ファイバ増幅器１０で増幅される。時間（ｔ５）には、増幅された反射光パルス「Ｓｏｕｔ」が、連結用光ファイバ３０の出射端から射出される。
【００７３】
次に、ステップ１１０で、反射光パルスの受信信号が入力されたか否かを繰り返し判断する。反射光パルスの受信信号が入力された場合には、肯定判定して「増幅率変更処理」のルーチンを終了する。
【００７４】
以上説明した通り、本発明の実施の形態に係る距離測定装置では、「内部反射光」等のノイズ光を受光するタイミングには光ファイバ増幅器の増幅率をゼロにして、ノイズ光は増幅せずに通過させると共に、光パルスに対応する「反射光パルス」を受光するタイミングには光ファイバ増幅器の増幅率を大きくして、「反射光パルス」を増幅する。
【００７５】
従って、強度の高いノイズ光により光検出器が飽和して、遠距離に在る測定対象物からの反射光パルスによる微弱信号等が検出できなくなる等の不具合が発生し難くなり、微弱な信号光も精度よく検出することができる。これにより、測定対象物までの距離を精度良く測定することができる。
【００７６】
＜投受光光学系を用いた変形例＞
次に、投受光光学系を用いた距離測定装置の変形例について説明する。「投受光光学系」は、光出力部の光パルスを照射する照射光学系と、光検出部の反射光パルスを受光する受光光学系とを兼用する光学系である。図７は本発明の実施の形態に係る距離測定装置の他の一例を示す概略構成図である。図７は、距離測定装置の要部の構成を示す図であり、電気的構成の図示は省略している。また、図７に示す例では、図４に示す光ファイバ増幅器１０Ｂと類似の構成の光ファイバ増幅器を備える例について説明する。図４に示す光ファイバ増幅器と同じ構成部分には、同じ符号を付して説明を省略する。
【００７７】
図７に示すように、距離測定装置２００は、光パルスを出力する光出力部２０２、測定対象物で反射された反射光パルスを検出する光検出部２０４、光パルスを投光すると共に反射光パルスを受光する投受光光学系としてのレンズ２０６、投受光光の光路を変更する光サーキュレータ２０８、及び投受光光を入出力する連結用光ファイバ２１０を備えている。連結用光ファイバ２１０の入射端は、レンズ２０６で集光された反射光パルスが入射するように、レンズ２０６の集光位置に配置されている。連結用光ファイバ２１０の出射端は、光サーキュレータ２０８に結合されている。
【００７８】
光出力部２０２は、光パルスを射出するレーザ光源（図示せず）、レーザ光源を駆動する駆動部（図示せず）、アイソレータ８１、光パルスを増幅するための増幅用光ファイバ８２、光ファイバ８２に第３励起光を注入する励起光源８４、アイソレータ８３、連結用光ファイバ８５、増幅された光パルスと第３励起光とを合波する光合波器８６、及び連結用光ファイバ８７を備えている。
【００７９】
増幅用光ファイバ８２は、レーザ光源から射出された光パルスが入力されるように、一端がレーザ光源に結合され、他端が光合波器８６に結合されている。励起光源８４は、連結用光ファイバ８５を介して光合波器８６に結合されている。光合波器８６は、連結用光ファイバ８７を介して光サーキュレータ２０８に結合されている。アイソレータ８１は、増幅用光ファイバ８２の上流側に設けられている。アイソレータ８３は、光合波器８６と光サーキュレータ２０８との間に設けられている。
【００８０】
光検出部２０４は、反射光パルスを増幅する光ファイバ増幅器（図示せず）と、光ファイバ増幅器で増幅された反射光パルスを検出（光電変換）する光検出器（図示せず）とを備えている。光ファイバ増幅器は、図４に示す光ファイバ増幅器１０Ｂと同様に、増幅用光ファイバ１２と、増幅用光ファイバ１２に第２励起光を注入する増幅励起部２０Ａとを備えている。
【００８１】
また、光検出部２０４は、信号光「Ｓｉｎ」を入力する連結用光ファイバ３６と、増幅された信号光「Ｓｏｕｔ」を出力する連結用光ファイバ３０とを備えている。増幅用光ファイバ１２の一端には、信号光「Ｓｉｎ」と第２励起光とを合波する光合波器２４が結合されている。増幅用光ファイバ１２の他端には、連結用光ファイバ３０が結合されている。また、連結用光ファイバ３６の一端は、光合波器２４に結合されている。また、連結用光ファイバ３６の他端は、光サーキュレータ２０８に結合されている。
【００８２】
なお、この例では、増幅用光ファイバ１２は、第１部分１２Ａと第２部分１２Ｂとで構成されている。また、アイソレータも、アイソレータ１５Ａとアイソレータ１５Ｂとに分けて設けられている。アイソレータ１５Ａは、第１部分１２Ａと第２部分１２Ｂとの間に挿入されている。アイソレータ１５Ｂは、増幅用光ファイバ１２の下流側に設けられている。
【００８３】
サーキュレータ２０８は、所定方向の光は通すが逆方向の光は遮断する、非相反性を有する光回路素子である。本実施の形態では、Ａ〜Ｃの３端子を有するサーキュレータ２０８が用いられる。サーキュレータ２０８の端子Ａには、光出力部２０２で増幅された光パルスを入力する連結用光ファイバ８７が接続されている。サーキュレータ２０８の端子Ｂには、投受光光学系としてのレンズ２０６から投受光光を入出力する連結用光ファイバ２１０が接続されている。サーキュレータ２０の端子Ｃには、光検出部２０４に対して、受光された反射光パルス（即ち、信号光「Ｓｉｎ」）を出力する連結用光ファイバ３６が接続されている。
【００８４】
これらの端子Ａ〜Ｃ間では、Ａ→Ｂ、Ｂ→Ｃの方向の光は通し、Ｂ→Ａ、Ｃ→Ｂの方向の光は遮断する。即ち、光出力部２０２で増幅された光パルスは、連結用光ファイバ８７及び連結用光ファイバ２１０を伝播してレンズ２０６に入射されて、測定対象物に向けて投光される。一方、レンズ２０６で受光された反射光パルスは、連結用光ファイバ２１０及び連結用光ファイバ３６を伝播して、光検出部２０４の光ファイバ増幅器に入力される。
【００８５】
本実施の形態に係る投受光光学系を用いた距離測定装置２００では、上記の距離測定装置１００と同様に、「内部反射光」等のノイズ光を受光するタイミングには光ファイバ増幅器の増幅率をゼロにして、ノイズ光は増幅せずに通過させると共に、光パルスに対応する「反射光パルス」を受光するタイミングには光ファイバ増幅器の増幅率を大きくして、「反射光パルス」を増幅することができる。
【００８６】
投受光光学系を用いた距離測定装置では、投光光学系と受光光学系とが独立した距離測定装置と比較すると「内部反射光」等のノイズ光が発生し易い。従って、ノイズ光により光検出器が飽和して微弱信号等が検出できなくなる等の不具合が顕著に抑制され、微弱な信号光も精度よく検出することができる。これにより、測定対象物までの距離を精度良く測定することができる。
【符号の説明】
【００８７】
１０ 光ファイバ増幅器
１０Ａ 光ファイバ増幅器
１０Ｂ 光ファイバ増幅器
１２ 増幅用光ファイバ
１４ 蓄積用光ファイバ
１６ 励起光源
１８ スイッチ光源
２０ 増幅励起部
２２ 光合波器
２４ 光合波器
２６ 励起光源
２６ 連結用光ファイバ
２８ 連結用光ファイバ
３０ 連結用光ファイバ
３２ スイッチ光源
３４ 光合波器
３６ 連結用光ファイバ
３８ 連結用光ファイバ
３９ 波長フィルタ
４０ 光出力部
４２ レーザ光源
４４ 駆動部
４６ レンズ
５０ 光検出部
５２ レンズ
５４ 光検出器
５６ 駆動部
５７ 駆動部
５８ 駆動部
６０ 制御部
７０ 表示部
１００ 距離測定装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類が添加された光ファイバで構成され、当該光ファイバの一端から入射された信号光を増幅し、増幅された信号光を当該光ファイバの他端から射出する第１の光ファイバと、
希土類が添加された光ファイバで構成され且つ前記第１の光ファイバの前記他端に結合された第２の光ファイバと、前記第２の光ファイバに第１の励起光を注入する励起光源と、誘導放出を生起させるスイッチ光を前記第２の光ファイバに入射させるスイッチ光源とを含み、前記スイッチ光の入射により前記第２の光ファイバから誘導放出された第２の励起光を前記第１の光ファイバに注入する増幅励起部と、
を備えた光ファイバ光増幅器。
【請求項２】
前記第２の光ファイバが、第１の部分と第２の部分とで構成されており、
前記第１の部分と前記第２の部分との間に、前記第１の励起光の波長の光を選択的に透過する波長フィルタが配置された、請求項１に記載の光ファイバ光増幅器。
【請求項３】
前記第１の光ファイバの前記一端に結合され、誘導放出を生起させる第２のスイッチ光を前記第１の光ファイバに入射させる第２のスイッチ光源を更に備えた、請求項１又は２に記載の光ファイバ光増幅器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ファイバ光増幅器と、
前記第１の光ファイバの前記一端に信号光を入射させる受光光学系と、
前記光ファイバ光増幅器で増幅された信号光を電気信号に変換する光電変換部と、
を備えた光検出装置。
【請求項５】
測定対象物に対し光パルスを照射する光出力部と、
請求項１又は請求項２に記載の光ファイバ光増幅器と、測定対象物で反射された反射光パルスを受光して前記第１の光ファイバの前記一端に信号光として入射させる受光光学系と、前記光ファイバ光増幅器で増幅された反射光パルスを電気信号に変換する光電変換部とを含む光検出部と、
前記励起光源を常時点灯すると共に、前記反射光パルスが受光されるタイミングに応じて前記スイッチ光源を点灯するように、前記励起光源及び前記スイッチ光源の各々を駆動制御する駆動制御部と、
前記光パルスが射出されたタイミング及び前記光パルスに対応する反射光パルスが受光されたタイミングを取得し、前記光パルスが射出されてから前記反射光パルスを受光するまでに要した応答時間を計算して、計算された応答時間に基づいて測定対象物までの距離を演算する演算手段と、
を備えた距離測定装置。
【請求項６】
測定対象物に対し光パルスを照射する光出力部と、
請求項３に記載の光ファイバ光増幅器と、測定対象物で反射された反射光パルスを受光して前記第１の光ファイバの前記一端に信号光として入射させる受光光学系と、前記光ファイバ光増幅器で増幅された反射光パルスを電気信号に変換する光電変換部とを含む光検出部と、
前記励起光源を常時点灯すると共に、前記反射光パルスより前に到達する前記反射光パルス以外の反射光が受光されるタイミングに応じて前記第２のスイッチ光源を点灯した後に、前記反射光パルスが受光されるタイミングに応じて前記スイッチ光源を点灯するように、前記励起光源、前記第２のスイッチ光源及び前記スイッチ光源の各々を駆動制御する駆動制御部と、
前記光パルスが射出されたタイミング及び前記光パルスに対応する反射光パルスが受光されたタイミングを取得し、前記光パルスが射出されてから前記反射光パルスを受光するまでに要した応答時間を計算して、計算された応答時間に基づいて測定対象物までの距離を演算する演算手段と、
を備えた距離測定装置。
【請求項１】
希土類が添加された光ファイバで構成され、当該光ファイバの一端から入射された信号光を増幅し、増幅された信号光を当該光ファイバの他端から射出する第１の光ファイバと、
希土類が添加された光ファイバで構成され且つ前記第１の光ファイバの前記他端に結合された第２の光ファイバと、前記第２の光ファイバに第１の励起光を注入する励起光源と、誘導放出を生起させるスイッチ光を前記第２の光ファイバに入射させるスイッチ光源とを含み、前記スイッチ光の入射により前記第２の光ファイバから誘導放出された第２の励起光を前記第１の光ファイバに注入する増幅励起部と、
を備えた光ファイバ光増幅器。
【請求項２】
前記第２の光ファイバが、第１の部分と第２の部分とで構成されており、
前記第１の部分と前記第２の部分との間に、前記第１の励起光の波長の光を選択的に透過する波長フィルタが配置された、請求項１に記載の光ファイバ光増幅器。
【請求項３】
前記第１の光ファイバの前記一端に結合され、誘導放出を生起させる第２のスイッチ光を前記第１の光ファイバに入射させる第２のスイッチ光源を更に備えた、請求項１又は２に記載の光ファイバ光増幅器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ファイバ光増幅器と、
前記第１の光ファイバの前記一端に信号光を入射させる受光光学系と、
前記光ファイバ光増幅器で増幅された信号光を電気信号に変換する光電変換部と、
を備えた光検出装置。
【請求項５】
測定対象物に対し光パルスを照射する光出力部と、
請求項１又は請求項２に記載の光ファイバ光増幅器と、測定対象物で反射された反射光パルスを受光して前記第１の光ファイバの前記一端に信号光として入射させる受光光学系と、前記光ファイバ光増幅器で増幅された反射光パルスを電気信号に変換する光電変換部とを含む光検出部と、
前記励起光源を常時点灯すると共に、前記反射光パルスが受光されるタイミングに応じて前記スイッチ光源を点灯するように、前記励起光源及び前記スイッチ光源の各々を駆動制御する駆動制御部と、
前記光パルスが射出されたタイミング及び前記光パルスに対応する反射光パルスが受光されたタイミングを取得し、前記光パルスが射出されてから前記反射光パルスを受光するまでに要した応答時間を計算して、計算された応答時間に基づいて測定対象物までの距離を演算する演算手段と、
を備えた距離測定装置。
【請求項６】
測定対象物に対し光パルスを照射する光出力部と、
請求項３に記載の光ファイバ光増幅器と、測定対象物で反射された反射光パルスを受光して前記第１の光ファイバの前記一端に信号光として入射させる受光光学系と、前記光ファイバ光増幅器で増幅された反射光パルスを電気信号に変換する光電変換部とを含む光検出部と、
前記励起光源を常時点灯すると共に、前記反射光パルスより前に到達する前記反射光パルス以外の反射光が受光されるタイミングに応じて前記第２のスイッチ光源を点灯した後に、前記反射光パルスが受光されるタイミングに応じて前記スイッチ光源を点灯するように、前記励起光源、前記第２のスイッチ光源及び前記スイッチ光源の各々を駆動制御する駆動制御部と、
前記光パルスが射出されたタイミング及び前記光パルスに対応する反射光パルスが受光されたタイミングを取得し、前記光パルスが射出されてから前記反射光パルスを受光するまでに要した応答時間を計算して、計算された応答時間に基づいて測定対象物までの距離を演算する演算手段と、
を備えた距離測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２０４６６５（Ｐ２０１２−２０４６６５Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６８６８３（Ｐ２０１１−６８６８３）
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
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