JPH1082858A - Optical range finder - Google Patents

Optical range finder

Info

Publication number
JPH1082858A
JPH1082858A JP9203818A JP20381897A JPH1082858A JP H1082858 A JPH1082858 A JP H1082858A JP 9203818 A JP9203818 A JP 9203818A JP 20381897 A JP20381897 A JP 20381897A JP H1082858 A JPH1082858 A JP H1082858A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
frequency
beat
laser
laser light
reflected
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP9203818A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP3583906B2 (en
Inventor
Hiromasa Ito
弘昌 伊藤
Koichiro Nakamura
孝一郎 中村
Takefumi Hara
武文 原
Toshiji Miyahara
利治 宮原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Koden Electronics Co Ltd
Original Assignee
Koden Electronics Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Koden Electronics Co Ltd filed Critical Koden Electronics Co Ltd
Priority to JP20381897A priority Critical patent/JP3583906B2/en
Publication of JPH1082858A publication Critical patent/JPH1082858A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3583906B2 publication Critical patent/JP3583906B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To keep the frequency change speed at a constant value with high accuracy by using a frequency shift feedback laser oscillator as an FM laser light source. SOLUTION: A part of the FM laser beam generated by a frequency shift feedback laser oscillator 10 is fed to a measured object A, and the remaining is reflected 21 and fed to a local mirror 22. The FM laser beam reflected on the object A and the local FM laser beam reflected on the local mirror 22 are fed to a light mixer 30 and mixed, and the beat signal having the freuqency difference is generated. The beat signal is detected at 42, 43 and fed to a data processor 41, and the distance to the measured object A is calculated based on the beat frequency. An acousto-optical modulator(AOC) 14 in the oscillator 10 is shifted in one direction by the value equal to the ultrasonic frequency f propagated in the AOC 14 as the Doppler shift quantity each time the laser beam passes, and the frequency is increased by 2f s for each reciprocation. The frequency change speed is kept at a constant value with high accuracy.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、精密計測の分野などで
利用される光学式距離計に関するものであり特に、FM
レーザレーダ方式の光学式距離計に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical distance meter used in the field of precision measurement and the like, and more particularly to an FM distance meter.
The present invention relates to a laser radar type optical distance meter.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、レーザ光を利用して物体の距離を
計測する方式として、FMレーザレーダ方式が知られて
いる。このFMレーザレーダ方式は、周波数が時間と共
に変化するFM信号を発生して計測対象の物体に照射す
ることにより、この物体までの距離に応じた伝播遅延時
間が生じた反射FMレーザ光を受信し、これと既知の伝
播遅延時間を有するローカルFMレーザ光(参照FMレ
ーザ光)とを混合してビート信号を得、このビート信号
の周波数(ビート周波数)から反射信号を生じさせた計
測対象物の距離を算定するように構成されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, an FM laser radar system has been known as a system for measuring the distance of an object using a laser beam. This FM laser radar method generates an FM signal whose frequency changes with time and irradiates an object to be measured, thereby receiving a reflected FM laser beam having a propagation delay time corresponding to the distance to the object. This is mixed with a local FM laser beam having a known propagation delay time (reference FM laser beam) to obtain a beat signal, and the frequency of the beat signal (beat frequency) is used to generate a reflected signal of the measurement target. It is configured to calculate a distance.

【0003】既知の伝播遅延時間を有するローカルFM
レーザ光としては、物体に照射するFMレーザ光から分
岐して既知の距離の反射体に照射することにより得た反
射光を利用したり、分岐したのち既知の長さの伝播経路
を通過させたFMレーザ光などを利用している。
[0003] Local FM with known propagation delay time
As the laser light, a reflected light obtained by irradiating a reflector at a known distance by branching from an FM laser light irradiating an object was used, or the laser light was branched and then passed through a propagation path of a known length. FM laser light or the like is used.

【0004】すなわち、上記計測対象の物体の距離(ロ
ーカルFMレーザ光として既知の距離の反射体からの反
射光を利用する場合には、既知の反射体との距離の差)
をzとすれば、ビート周波数fbは、 fb=τ(Δf/T) =(2z/c)(Δf/T) ・・・(1) τ : 距離に応じた時間遅れ Δf : 発振周波数の変化幅 T : 発振周波数の変化周期 c : 光速
That is, the distance to the object to be measured (if the reflected light from a reflector at a known distance is used as local FM laser light, the difference between the distance to the known reflector)
Let z be z, the beat frequency fb is: fb = τ (Δf / T) = (2z / c) (Δf / T) (1) τ: time delay according to distance Δf: change in oscillation frequency Width T: Change period of oscillation frequency c: Speed of light

【0005】(1)式から、測定対象の距離zは次式で
与えられる。 z=(c/2)(T/Δf)fb ・・・(2)
From equation (1), the distance z of the object to be measured is given by the following equation. z = (c / 2) (T / Δf) fb (2)

【0006】レーザ光の発振周波数を変化させる方法と
しては、鋸歯状や三角状に掃引する方式が一般的であ
る。発振周波数を鋸歯状に変化させた場合の発振周波数
の変化の様子とビート信号の周波数の変化の様子を、図
8の(A)と(B)のそれぞれに例示する。レーザ光の
周波数を変化させる方法として、半導体レーザでは温度
や注入電流を変化させるものが知られており、固体レー
ザでは共振器の長さを変化させる方法が知られている
が、周波数の変化速度を一定に保つことは困難である。
As a method of changing the oscillation frequency of laser light, a method of sweeping in a saw-tooth or triangular shape is generally used. FIGS. 8A and 8B show examples of how the oscillation frequency changes and how the frequency of the beat signal changes when the oscillation frequency is changed in a sawtooth shape. As a method of changing the frequency of the laser light, a method of changing the temperature or the injection current of a semiconductor laser is known, and a method of changing the length of a resonator of a solid-state laser is known. Is difficult to keep constant.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】上記従来のFMレーザ
レーダ方式の距離計測装置では、周波数の変化速度を一
定に保つことが困難であり、この結果、ビート周波数が
時間と共に変化してしまうという問題がある。すなわ
ち、図9の(A)と(B)とに例示するように、FMレ
ーザ光源の発振周波数の変化速度が時間と共に変化する
と、ローカルFM光と反射FM光との混合によって得ら
れるビート信号の周波数fbは時間と共に変化してしま
う。この場合の精度の劣化を防止するため、ビート信号
の周波数fbについて時間的な平均化を作成するなどの
追加的な処理が必要となり、測定所要時間が長引くとい
う問題がある。
In the conventional distance measuring apparatus of the FM laser radar system, it is difficult to keep the rate of change of the frequency constant, and as a result, the beat frequency changes with time. There is. That is, as illustrated in FIGS. 9A and 9B, when the change rate of the oscillation frequency of the FM laser light source changes with time, the beat signal obtained by mixing the local FM light and the reflected FM light is changed. The frequency fb changes with time. In order to prevent the accuracy from deteriorating in this case, additional processing such as time averaging of the frequency fb of the beat signal is required, and there is a problem that the time required for measurement is prolonged.

【0008】さらに、従来のFMレーザレーダ方式の距
離計測装置では、周波数の変化速度を大きくすることが
困難なため、距離分解能を高めることが困難であるとい
う問題があった。すなわち、距離分解能Δzは(2)か
ら、 Δz=(c/2)(T/Δf)Δfb ・・・(3) となり、Δzは周波数変化速度(Δf/T)が大きくか
つΔfbが小さいほど小さな値、すなわち距離分解能は
高くなる。しかしながら、従来の周波数変調方式では、
大きな周波数変化幅と短い変化周期とを同時に実現する
ことが困難なため、大きな周波数変化速度が実現できな
いという問題がある。
Further, the conventional FM laser radar type distance measuring apparatus has a problem that it is difficult to increase the rate of change in frequency, and thus it is difficult to increase the distance resolution. That is, from (2), the distance resolution Δz becomes Δz = (c / 2) (T / Δf) Δfb (3), and Δz decreases as the frequency change speed (Δf / T) increases and Δfb decreases. The value, that is, the distance resolution increases. However, in the conventional frequency modulation method,
Since it is difficult to realize a large frequency change width and a short change cycle at the same time, there is a problem that a large frequency change speed cannot be realized.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明に係わる光学式距
離計は、FMレーザ光源として周波数シフト帰還型レー
ザ発振器を使用するように構成されている。
An optical distance meter according to the present invention is configured to use a frequency shift feedback laser oscillator as an FM laser light source.

【0010】[0010]

【作用】周波数シフト帰還型レーザ発振器は、レーザ発
振器の共振器内に音響光学的変調器(AOM: Acousti
c Optical Modulator ) を配置した構成となっている。
レーザ光線は、AOMを通って共振器内を往復するたび
に、AOM内を伝播する超音波によってブラッグ回折に
よる偏向を受けると同時にドップラーシフトによる周波
数シフトも受ける。
The frequency shift feedback type laser oscillator has an acousto-optic modulator (AOM: Acousti) in a resonator of the laser oscillator.
c Optical Modulator).
Each time the laser beam reciprocates in the resonator through the AOM, the laser beam is deflected by Bragg diffraction by the ultrasonic waves propagating in the AOM, and also undergoes a frequency shift by Doppler shift.

【0011】上記ドップラーシフトによって、レーザ光
線の周波数は、このレーザ光線がAOM内を通過するた
びごとにこのAOM内を伝播する超音波の周波数fs
(以下、「変調用周波数」とも称する)に等しい値ずつ
ドップラーシフト量として一方向にシフトされてゆく。
レーザ光線が共振器内を往復する(Round Trip) ための
所要時間をτRTとすれば、1往復の間にAOM内を2回
通過するから、1往復するたびに2fsだけ周波数が増
加する。従って、このレーザ光線の周波数の変化速度df
/dt は、2fs/τRTという具合に高精度で一定値にな
る。
The Doppler shift causes the frequency of the laser beam to change every time the laser beam passes through the AOM, the frequency fs of the ultrasonic wave propagating in the AOM.
(Hereinafter, also referred to as “modulation frequency”), and is shifted in one direction as a Doppler shift amount by a value equal to the value.
Assuming that the time required for the laser beam to reciprocate in the resonator (Round Trip) is τ RT , the laser beam passes through the AOM twice during one reciprocation, so that the frequency increases by 2 fs for each reciprocation. Therefore, the rate of change of the frequency of the laser beam df
/ dt becomes a constant value with high accuracy, such as 2 fs / τ RT .

【0012】従って、周波数シフト帰還型レーザ発振器
を用いる本発明のFMレーザレーダにおける基本式は、
(1),(2),(3)式中の周波数掃引率Δf/T
を、レーザ光の周波数変化速度df/dt(=2fs/
τRT)に書換えることによって、それぞれ以下のように
表現できる。 fb=(2z/c)(df/dt) ・・・(4) z=(c/2)〔1/(df/dt)〕fb ・・・(5) Δz=(c/2)〔1/(df/dt)〕Δfb ・・・(6) df/dt=2fs/τRT ・・・(7) 以下、本発明を実施例と共に更に詳細に説明する。
Therefore, the basic formula in the FM laser radar of the present invention using the frequency shift feedback laser oscillator is as follows:
Frequency sweep rate Δf / T in equations (1), (2) and (3)
With the frequency change speed df / dt (= 2fs /
By rewriting to τ RT ), they can be expressed as follows. fb = (2z / c) (df / dt) (4) z = (c / 2) [1 / (df / dt)] fb (5) Δz = (c / 2) [1 / (Df / dt)] Δfb (6) df / dt = 2fs / τ RT (7) Hereinafter, the present invention will be described in further detail with examples.

【0013】[0013]

【実施例】図1は、本発明の一実施例に係わるFMレー
ザレーダ方式による光学式距離計の構成を計測対象物A
と共に示すブロック図であり、10は周波数シフト帰還
型レーザ発振器、20は光分配部、30は光混合部、4
0はデータ処理部である。
FIG. 1 shows an optical distance meter using an FM laser radar system according to an embodiment of the present invention.
10 is a block diagram shown together with FIG. 10, 10 is a frequency shift feedback laser oscillator, 20 is an optical distribution unit, 30 is an optical mixing unit,
0 is a data processing unit.

【0014】周波数シフト帰還型レーザ発振器10は、
半導体レーザを主体として構成される励起部11、コー
ティングによって一体化された励起側ミラーを有するレ
ーザー媒質Nd:YVO4 12、共振器の他方のミラーとなる
出力ミラー13、音響光学変換素子(AOM)14、ド
ライブ信号発生回路15及びコリメートレンズ16を備
えている。
The frequency shift feedback type laser oscillator 10 comprises:
Excitation section 11 mainly composed of a semiconductor laser, laser medium Nd: YVO 4 12 having an excitation-side mirror integrated by coating, output mirror 13 serving as the other mirror of the resonator, acousto-optic conversion element (AOM) 14, a drive signal generating circuit 15 and a collimating lens 16.

【0015】光分配部20は、ハーフミラー21とロー
カルミラー22とから構成されている。光混合部30
は、アバランシェ・フォトダイオード(APD)や、P
INダイオードなどの受光素子を主体に構成されてい
る。データ処理部40は、データプロセッサ41,周波
数カウンタ42、スペクトルアナライザ43、表示部4
4及びキーボード45を備えている。
The light distribution unit 20 includes a half mirror 21 and a local mirror 22. Light mixing unit 30
Is an avalanche photodiode (APD) or P
It mainly includes a light receiving element such as an IN diode. The data processing unit 40 includes a data processor 41, a frequency counter 42, a spectrum analyzer 43, and a display unit 4.
4 and a keyboard 45.

【0016】まず、この光学式距離計の動作の概要を説
明する。周波数シフト帰還型レーザ発振器10で発生さ
れたFMレーザ光線は、光分配部20内のハーフミラー
21に入射し、一部はこのハーフミラー21を通過して
計測対象物Aに入射し、残りの一部はこのハーフミラー
21で反射されてローカルミラー22に入射する。計測
対象物Aで反射されたレーザ光の一部は、ハーフミラー
21による反射を受けて光混合部30に入射する。
First, the outline of the operation of the optical distance meter will be described. The FM laser beam generated by the frequency shift feedback laser oscillator 10 is incident on a half mirror 21 in the light distribution unit 20, a part of which passes through the half mirror 21 and is incident on the measurement object A, and the remaining Part of the light is reflected by the half mirror 21 and enters the local mirror 22. Part of the laser light reflected by the measurement target A is reflected by the half mirror 21 and enters the light mixing unit 30.

【0017】同様に、ローカルミラー22で反射された
FMレーザ光線の一部もハーフミラー21を通過して光
混合部30に入射する。光混合部30内のAPDなどの
受光素子の内部において、ローカルミラー22で反射さ
れたローカルFMレーザ光線と、計測対象物Aで反射さ
れた反射FMレーザ光線が混合を受け、差周波のビート
信号を発生する。
Similarly, a part of the FM laser beam reflected by the local mirror 22 passes through the half mirror 21 and enters the light mixing section 30. In a light receiving element such as an APD in the light mixing unit 30, the local FM laser beam reflected by the local mirror 22 and the reflected FM laser beam reflected by the measurement target A are mixed, and a beat signal of a difference frequency is received. Occurs.

【0018】光混合部30が発生したビート信号は、デ
ータ処理部40内の周波数カウンタ42とスペクトルア
ナライザー43に供給され、検出されたその周波数(ビ
ート周波数)はデータプロセッサ41に入力される。デ
ータプロセッサ41は、周波数カウンタ42やスペクト
ルアナライザー43から受けたビート周波数に基づき計
測対象物Aまでの距離を算定する。正確には、データプ
ロセッサ41は、上記ビート周波数から混合された両反
射波の行路差、すなわち、ハーフミラー21から計測対
象物Aまでの距離と、ハーフミラー21からローカルミ
ラー22までの距離の差を算定する。
The beat signal generated by the light mixing unit 30 is supplied to a frequency counter 42 and a spectrum analyzer 43 in the data processing unit 40, and the detected frequency (beat frequency) is input to a data processor 41. The data processor 41 calculates the distance to the measurement target A based on the beat frequency received from the frequency counter 42 or the spectrum analyzer 43. To be more precise, the data processor 41 calculates the path difference between the two reflected waves mixed from the beat frequency, that is, the difference between the distance from the half mirror 21 to the measurement target A and the distance from the half mirror 21 to the local mirror 22. Is calculated.

【0019】次に、図1の周波数シフト帰還型レーザ発
振器10の動作をさらに具体的に説明する。半導体レー
ザを主体に構成された励起部11から出力された励起光
(810nm) は、共振器の励起側ミラーを通過し、利得媒質
として機能するNd:YVO4 結晶12に入射する。Nd:YVO4
結晶の端面のミラーコーティング(高反射 1,064 nm,高
透過 810nm )と、透光率 23 %の出力ミラー13とによ
って長さ 10 cm程度の共振器(共振波長 1,064 nm)が
形成されており、この共振器の内部にはAOM14が配
置されている。AOM14による0次回折光は点線で示
す斜め方向に放射されて共振器内から消散してゆき、実
線で示す一次回折光のみが共振器内を往復し、レーザ発
振が行われる。
Next, the operation of the frequency shift feedback type laser oscillator 10 shown in FIG. 1 will be described more specifically. Excitation light output from the excitation unit 11 mainly composed of a semiconductor laser
(810 nm) passes through the excitation side mirror of the resonator and enters the Nd: YVO 4 crystal 12 functioning as a gain medium. Nd: YVO 4
A resonator having a length of about 10 cm (resonance wavelength 1,064 nm) is formed by a mirror coating (high reflection 1,064 nm, high transmission 810 nm) on the end face of the crystal and an output mirror 13 having a light transmittance of 23%. AOM 14 is arranged inside the resonator. The 0th-order diffracted light by the AOM 14 is emitted in an oblique direction indicated by a dotted line and is dissipated from inside the resonator. Only the first-order diffracted light indicated by a solid line reciprocates in the resonator, and laser oscillation is performed.

【0020】AOM14内を通過する一次回折光は、こ
のAOM内を伝播する超音波によるドップラーシフトを
受け、その周波数はこのAOM14内を通過するたびに
超音波の周波数に等しい量だけ同一方向にシフトしてゆ
く。従って、出力ミラー13から出力されるレーザ光線
の周波数は、時間の経過と共に図2に示すように変化す
る。ただし、foはt=0における初期発振周波数、τ
RTはレーザ発振光が共振内を1往復するための伝播所要
時間、fsはドップラーシフト量である。
The first-order diffracted light passing through the AOM 14 undergoes a Doppler shift due to the ultrasonic wave propagating in the AOM, and its frequency shifts in the same direction by an amount equal to the frequency of the ultrasonic wave each time the light passes through the AOM 14. I will do it. Accordingly, the frequency of the laser beam output from the output mirror 13 changes over time as shown in FIG. Where fo is the initial oscillation frequency at t = 0, τ
RT is a propagation time required for the laser oscillation light to make one round trip within the resonance, and fs is a Doppler shift amount.

【0021】時刻toで励起系11から出力された発振
周波数foのレーザ光線は、対向したミラーによって形
成される共振器内を半往復して時刻τRT/2に、超音波
によるドップラーシフトを1回だけ受けて周波数がfo
+fsに変化したレーザ光線となって出力ミラー13に
到達し、その一部が外部に出力される。出力ミラー13
で反射された残りの部分は、共振器内を更に1往復して
時刻to+3τRT/2に、超音波によるドップラーシフ
トを計3回受けて周波数がfo+3fsに変化したレー
ザ光線となって出力ミラー13に到達し、その一部が外
部に出力される。出力ミラー13で反射された残りの部
分は、共振器内を更に1往復して時刻to+5τRT/2
に、超音波によるドップラーシフトを計5回受けて周波
数がfo+5fsに変化したレーザ光線となって出力ミ
ラー13に到達しその一部が外部に出力される。
The laser beam having the oscillation frequency fo output from the pumping system 11 at time to travels halfway in the resonator formed by the mirrors facing each other, and at time τ RT / 2, the Doppler shift caused by the ultrasonic wave becomes 1 The frequency is fo
The laser beam changes to + fs and reaches the output mirror 13, and a part of the laser beam is output to the outside. Output mirror 13
The remaining part reflected by the optical mirror 13 becomes a laser beam whose frequency has changed to fo + 3fs after receiving a Doppler shift by ultrasonic waves three times at time to + 3τ RT / 2 after further reciprocating in the resonator one more time. And a part thereof is output to the outside. The remaining part reflected by the output mirror 13 makes one round trip in the resonator, and the time to + 5τ RT / 2
Then, the laser beam is subjected to the Doppler shift by the ultrasonic wave five times in total, becomes a laser beam whose frequency has changed to fo + 5fs, reaches the output mirror 13, and a part thereof is output to the outside.

【0022】以下同様にして、出力ミラー13に到達し
ここから部分的に出力されるレーザ光線の周波数は、共
振器内を往復するための伝播所要時間τRTが経過するた
びに2fsずつ増加してゆく。すなわち、周波数シフト
帰還型レーザー発振器10から出力されるレーザー光線
の周波数は、共振器の長さとAOM内の超音波の周波数
によって決まる一定値df/dt=2fs/τRTの速度
で直線的に増加してゆく。
Similarly, the frequency of the laser beam which reaches the output mirror 13 and is partially output therefrom increases by 2 fs every time the required propagation time τ RT for reciprocating in the resonator elapses. Go on. That is, the frequency of the laser beam output from the frequency shifted feedback laser oscillator 10 is linearly increased at a rate constant value df / dt = 2fs / τ RT determined by the frequency of the ultrasonic wave in length and AOM resonator Go on.

【0023】本実施例では、AOM内を伝播する超音波
の周波数fsを78.5MHz に設定した。従って、レーザ
光線の周波数は、これが100mm の共振器内を1往復する
ための所要時間τRT= 0.67 nsecが経過するたびに157
MHz ずつ増加してゆく。この場合、周波数変化速度 df/
dt=2.4 ×1017 Hz/sec 程度と従来の値よりも3桁程
度大きな値となる。なお、fsもτRTも室内温度などの
環境の変化に応じて長期的には変動するが、短期的には
両者の比fs/τRTは極めて高い精度で一定値に保たれ
る。
In this embodiment, the frequency fs of the ultrasonic wave propagating in the AOM is set to 78.5 MHz. Therefore, the frequency of the laser beam is increased by 157 each time the time required for the laser beam to make one reciprocation in the 100 mm resonator τ RT = 0.67 nsec elapses.
It increases by MHz. In this case, the frequency change rate df /
dt = 2.4 × 10 17 Hz / sec, which is about three orders of magnitude larger than the conventional value. Note that both fs and τ RT fluctuate in the long term in accordance with changes in the environment such as the room temperature, but in the short term, the ratio fs / τ RT between them is kept at a constant value with extremely high accuracy.

【0024】上記実施例の条件を(3)式に代入するこ
とにより、距離分解能Δzを見積もる。ビート周波数の
分解能が1MHz であれば距離分解能は60μm、ビート周
波数の分解能が10 KHzであれば距離分解能は 0.6μmと
なる。本発明者による予備実験の結果、100 μm以下の
距離分解能が得られた。
The distance resolution Δz is estimated by substituting the conditions of the above embodiment into the equation (3). If the beat frequency resolution is 1 MHz, the distance resolution is 60 μm, and if the beat frequency resolution is 10 KHz, the distance resolution is 0.6 μm. As a result of preliminary experiments by the present inventors, a distance resolution of 100 μm or less was obtained.

【0025】以上、周波数シフト帰還型レーザ発振器1
0から出力されるレーザ光線のシフト対象の周波数が単
一であると仮定した場合を説明した。実際には、周波数
シフト帰還型レーザの発振周波数スペクトルはある拡が
りを持つマルチモード発振光の周波数スペクトルとなる
ことが観測されており、その拡がりの中には縦モード構
造が存在すると考えられている。縦モード間隔周波数
は、これをΔFとすれば、ΔF=c/2Lである。
As described above, the frequency shift feedback laser oscillator 1
The case has been described where it is assumed that the frequency to be shifted of the laser beam output from 0 is single. In fact, it has been observed that the oscillation frequency spectrum of a frequency-shifted feedback laser becomes a frequency spectrum of multimode oscillation light having a certain spread, and it is thought that a longitudinal mode structure exists in the spread. . The vertical mode interval frequency is ΔF = c / 2L, where ΔF is ΔF.

【0026】図3は、図1の周波数シフト帰還型レーザ
発振器10から出力されるマルチモードレーザ発振光の
周波数が時間と共にどのように変化するかを示してい
る。実線a,b,c,d・・・は、それぞれの発振周波
数が縦モード間隔周波数ΔFずつ異なる隣接発振モード
のレーザ光の周波数である。この各モードのレーザ光の
周波数は、既に図2を参照しながら説明したように、音
響光学素子による周波数シフト作用により時間と共に直
線的に増加してゆく。説明の便宜上、各モードの発振光
の周波数が、縦モード間隔周波数ΔFに等しい値だけ増
加するのに必要な時間を縦モード間時間差ΔTと称す
る。
FIG. 3 shows how the frequency of the multimode laser oscillation light output from the frequency shift feedback laser oscillator 10 shown in FIG. 1 changes with time. The solid lines a, b, c, d,... Indicate the frequencies of the laser beams in the adjacent oscillation modes whose oscillation frequencies differ by the longitudinal mode interval frequency ΔF. As described above with reference to FIG. 2, the frequency of the laser light in each mode linearly increases with time due to the frequency shift effect of the acousto-optic device. For convenience of explanation, the time required for the frequency of the oscillation light in each mode to increase by a value equal to the vertical mode interval frequency ΔF is referred to as a vertical mode time difference ΔT.

【0027】より具体的には、各モードの発振光は、そ
の周波数がある下限値を越えると時間の経過と共にレベ
ルが増加し始め、その周波数がある程度増加するとレベ
ルが減少し始め、ある上限値に達すると消滅してゆく。
この周波数とレベルの関係を発振の開始後のある時点に
ついて模式的に例示したのが、図4である。最大レベル
の発振光のモード番号をqとし、その高周波側に隣接す
る発振光のモード番号を順q+1,q+2,q+3・・
・・とし、その低周波側に隣接する発振光のモード番号
を順q−1,q−2,q−3・・・・とする。
More specifically, the level of the oscillated light in each mode begins to increase with the passage of time when the frequency exceeds a certain lower limit, and the level starts to decrease when the frequency increases to some extent, and the upper limit It disappears when it reaches.
FIG. 4 schematically illustrates the relationship between the frequency and the level at a certain point after the start of the oscillation. The mode number of the oscillation light of the maximum level is q, and the mode numbers of the oscillation light adjacent to the high frequency side are q + 1, q + 2, q + 3,.
, And the mode numbers of the oscillating lights adjacent to the low frequency side are q-1, q-2, q-3,.

【0028】以下では、説明の便宜上、上記図3中の実
線a,b,c・・・を、ローカルミラー22による反射
を受けたのち、ハーフミラー21を通過して図1中の光
混合部30に入射するローカルFMレーザ光(参照光)
とする。図3中の点線α,β,γ,δ,ε・・・・は、
計測対象物Aで反射されたのち、ハーフミラー21で反
射されて図1の光混合部30に戻ってくる反射FMレー
ザ光の周波数を示している。両反射レーザ光の伝播光路
の差に基づく伝播所要時間の差τが縦モード間時間差Δ
T未満の場合には、図3中の点線α,β,γ,δ・・・
がそれぞれ実線a,b,c,d・・・に対応した計測対
象物Aからの反射FMレーザ光となる。
In the following, for the sake of convenience, the solid lines a, b, c,... In FIG. 30 local FM laser light (reference light)
And The dotted lines α, β, γ, δ, ε... In FIG.
The frequency of the reflected FM laser light that is reflected by the measurement target A and then reflected by the half mirror 21 and returns to the light mixing unit 30 in FIG. 1 is shown. The difference τ in the required propagation time based on the difference in the propagation optical paths of the two reflected laser beams is the time difference Δ between the longitudinal modes.
If it is less than T, dotted lines α, β, γ, δ in FIG.
Are the reflected FM laser beams from the measurement target A corresponding to the solid lines a, b, c, d, respectively.

【0029】両反射レーザ光の伝播光路の差に基づく伝
播所要時間の差τが増加してこれが縦モード間時間差Δ
Tを越えた場合には、図3中の点線β,γ,δ・・・が
それぞれ実線a,b,c・・・に対応した計測対象物A
からの反射光となる。この場合のビート周波数はΔF+
fbとなる。ただし、fbは最隣接の実線a,b,c・
・・との周波数差である。両反射レーザ光の伝播光路の
差に基づく伝播所要時間の差τが更に増加してこれが縦
モード間時間差ΔTの2倍を越えた場合には、図3中の
点線γ,δ,ε・・・がそれぞれ実線a,b,c・・・
に計測対象物Aからの対応した反射FMレーザ光とな
る。この場合のビート周波数は2ΔF+fbとなる。f
bは、同様に、最隣接の実線a,b,c・・・との周波
数差である。
The difference τ in the required propagation time based on the difference in the propagation optical paths of the two reflected laser beams increases, and this is the time difference Δ between the longitudinal modes.
., The dotted lines β, γ, δ... In FIG. 3 correspond to the measurement objects A corresponding to the solid lines a, b, c.
It becomes reflected light from. The beat frequency in this case is ΔF +
fb. Where fb is the nearest solid line a, b, c
The frequency difference from If the difference τ in the required propagation time based on the difference in the propagation optical paths of the two reflected laser beams further increases and exceeds twice the time difference ΔT between the longitudinal modes, the dotted lines γ, δ, ε. Are solid lines a, b, c, respectively.
A corresponding reflected FM laser beam from the measurement target A is obtained. The beat frequency in this case is 2ΔF + fb. f
Similarly, b is the frequency difference between the nearest solid lines a, b, c,.

【0030】縦モード間の時間間隔ΔTは、(7)式
と、ΔF=c/2L=1/τRT とから、 ΔT=ΔF/(df/dt) =ΔF/(2fs/τRT) =1/2fs ・・・・(12) を得る。
The time interval ΔT between the longitudinal modes is given by the following equation (7) and ΔF = c / 2L = 1 / τ RT . ΔT = ΔF / (df / dt) = ΔF / (2fs / τ RT ) = 1/2 fs (12) is obtained.

【0031】ビート信号の次数については、まず、計測
対象物Aからの反射FMレーザ光とローカルFMレーザ
光のモード番号が等しい場合、両者の混合によって発生
したビート信号の次数を0とし、この0次のビート信号
の周波数(ビート周波数)をfb (0) と表記する。次
に、反射FMレーザ光のモード番号がローカルFMレー
ザ光のモード番号よりも1だけ大きい場合、両者の混合
によって発生したビート信号の次数を1とし、ビート周
波数をfb (1) と表記する。
Regarding the order of the beat signal, first, when the mode numbers of the reflected FM laser light from the measuring object A and the local FM laser light are the same, the order of the beat signal generated by mixing the two is set to 0. The frequency of the next beat signal (beat frequency) is denoted by fb (0). Next, when the mode number of the reflected FM laser light is larger by one than the mode number of the local FM laser light, the order of the beat signal generated by mixing the two is set to 1, and the beat frequency is expressed as fb (1).

【0032】同様に、反射FMレーザ光のモード番号が
ローカルFMレーザ光のモード番号よりも2,3・・・
mだけ大きい場合、両者の混合によって発生したビート
信号の次数を2,3・・・mとし、ビート周波数をfb
(2), fb (3) ・・・fb (m) と表記する。
Similarly, the mode number of the reflected FM laser light is 2, 3...
m, the order of the beat signal generated by mixing the two is set to 2, 3,... m, and the beat frequency is set to fb
(2), fb (3)... Fb (m).

【0033】m次のビート周波数fb (m) は、任意のモ
ード番号のローカルFMレーザ光とこれよりもmだけ大
きなモード番号のローカルFMレーザ光との周波数差−
mΔFと、0次のビート周波数fb (0)との和に等しい
から、 fb (m) =−mΔF+fb (0) =−mΔF+τ(ΔF/ΔT) =−mΔF+(2z/c)2fs ΔF ・・・・(13) となる。ただし、2zは両反射レーザ光の往復の伝播光
路差、すなわち、ハーフミラー21から計測対象物Aま
での距離からハーフミラー21からローカルミラー22
までの距離を差し引いた値を2倍した値である。通常、
zは正の値、すなわち、計測対象物Aがローカルミラー
よりも遠い距離にある。
The m-th beat frequency fb (m) is equal to the frequency difference between the local FM laser light having an arbitrary mode number and the local FM laser light having a mode number larger by m than this.
Since it is equal to the sum of mΔF and the zero-order beat frequency fb (0), fb (m) = − mΔF + fb (0) = − mΔF + τ (ΔF / ΔT) = − mΔF + (2z / c) 2fs ΔF・ (13) However, 2z is the difference between the reciprocating propagation optical path of the two reflected laser beams, that is, the distance from the half mirror 21 to the measurement object A, and the distance from the half mirror 21 to the local mirror 22.
This is a value obtained by doubling the value obtained by subtracting the distance to. Normal,
z is a positive value, that is, the measurement target A is farther than the local mirror.

【0034】実際に観測されるビート周波数はABS[fb
(m)]( ただし、ABS[X]は Xの絶対値を意味する) は、負
側の周波数がイメージとして正側に現れるので、 ABS[fb(m)] =ABS[−mΔF+(2z/c)2fs ΔF] ・・・・(14) となる。これらビート周波数fb (GHz )及びビート次
数mの関係を図5に示す。
The beat frequency actually observed is ABS [fb
(m)] (where ABS [X] means the absolute value of X), since the negative frequency appears on the positive side as an image, ABS [fb (m)] = ABS [−mΔF + (2z / c) 2fs ΔF] (14) FIG. 5 shows the relationship between the beat frequency fb (GHz) and the beat order m.

【0035】距離zは、(14)式から、 z=(c/4fs)〔m+ABS[fb(m)]/ΔF) ・・・・ (15) となる。また、距離zは、イメージビート周波数の場合
には、 z=(c/4fs)〔m−ABS[fb(m)]/ΔF) ・・・・ (16) となる。
From equation (14), the distance z is as follows: z = (c / 4fs) [m + ABS [fb (m)] / ΔF) (15) In the case of the image beat frequency, the distance z is as follows: z = (c / 4fs) [m-ABS [fb (m)] / ΔF) (16)

【0036】図5から明らかなように、どのような距離
でも、縦モード間隔周波数の半分ΔF/2の帯域内にビ
ート周波数ABS[fb(m)]が出現する。このことは、ビー
ト次数mが判別できれば、縦モード間隔周波数の半分の
周波数帯域についてビート周波数を観測すればよいこと
を意味する。また、観測する周波数帯域としては、この
実施例の光学式距離計に好都合な任意なものに設定でき
る。
As is clear from FIG. 5, at any distance, the beat frequency ABS [fb (m)] appears in the band of half the vertical mode interval frequency ΔF / 2. This means that if the beat order m can be determined, the beat frequency should be observed for a frequency band that is half the longitudinal mode interval frequency. Further, the frequency band to be observed can be set to any convenient frequency range for the optical rangefinder of this embodiment.

【0037】ビート周波数の判定は、変調用周波数fs
を変化させたときのビート周波数ABS[fb(m)]の変化を
検出することにより実現される。一例として、ゼロから
ΔF/2までの周波数帯域内でビート周波数を検出する
場合について説明する。
The beat frequency is determined by the modulation frequency fs
This is realized by detecting a change in the beat frequency ABS [fb (m)] when. As an example, a case where a beat frequency is detected in a frequency band from zero to ΔF / 2 will be described.

【0038】図6は、変調用周波数fs を3個の異なる
値fsa, fsb, fsc(fsa<fsb<fsc)に設定し、そ
れぞれの場合について、距離zとビート周波数fbとの
関係を線分A ,B ,C によって表わしたものである。上
記各線分A ,B ,C の点線部分は、イメージビート周波
数を表わしている。線分A のビート次数をmとすれば、
からまでの6個の領域で得られるビート周波数は、
次頁の表1に示すように場合分けされる。
FIG. 6 shows that the modulation frequency fs is set to three different values fsa, fsb, fsc (fsa <fsb <fsc), and in each case, the relationship between the distance z and the beat frequency fb is represented by a line segment. It is represented by A, B, and C. The dotted lines of the line segments A, B, and C represent the image beat frequencies. If the beat order of line segment A is m,
The beat frequencies obtained in the six regions from to are
The cases are classified as shown in Table 1 on the next page.

【0039】例えば、領域では、(15)式から、 z=(c/4fsa )( m+fA /ΔF) =(c/4fsb )( m+fB /ΔF) =(c/4fsc )( m+fC /ΔF) ・・・・ (17) という連立方程式を得る。ここで、fA,fB,fC は検出
されたビート周波数である。
[0039] For example, in the region (15) from the equation, z = (c / 4fsa) (m + f A / ΔF) = (c / 4fsb) (m + f B / ΔF) = (c / 4fsc) (m + f C / ΔF・ ・ ・ ・ ・ Simultaneous equations (17) are obtained. Here, fA, fB and fC are the detected beat frequencies.

【0040】すなわち、領域では、(17)式からmを解
くと、 m=(fsafB −fsbfA )/〔ΔF(fsb−fsa)〕 =(fsbfC −fscfB )/〔ΔF(fsc−fsb)〕 =(fsafC −fscfA )/〔ΔF(fsc−fsa)〕 ・・・・ (18) が得られる。
[0040] That is, in the region, by solving m from (17), m = (fsaf B -fsbf A ) / [[Delta] F (fsb-fsa)] = (fsbf C -fscf B) / [[Delta] F (FSC fsb)] = is (fsaf C -fscf A) / [[Delta] F (fsc-fsa)] ... (18) obtained.

【0041】 [0041]

【0042】同様に、領域では(15)式と(16)式とか
ら、 z=(c/4fsa )( m+fA /ΔF) =(c/4fsb )( m+fB /ΔF) =(c/4fsc )( (m+1)−fC /ΔF) ・・・・ (19) という連立方程式を得る。
[0042] Similarly, in the area from the (15) and (16), z = (c / 4fsa) (m + f A / ΔF) = (c / 4fsb) (m + f B / ΔF) = (c / 4fsc ) ((M + 1) −f C / ΔF)... (19)

【0043】すなわち領域では、(19)式からmを解く
と、 m=(fsafB −fsbfA )/〔ΔF(fsb−fsa)〕 =(−fsbfC −fscfB +fsbΔF)/〔ΔF(fsc−fsb)〕 =(−fsafC −fscfA +fsaΔF)/〔ΔF(fsc−fsa)〕 ・・・・(20)
[0043] That is, in region (19) by solving m from the equation, m = (fsaf B -fsbf A ) / [[Delta] F (fsb-fsa)] = (- fsbf C -fscf B + fsbΔF) / [[Delta] F (fsc −fsb)] = (− fsaf C− fscf A + fsaΔF) / [ΔF (fsc−fsa)] (20)

【0044】以下、同様にして、fsa,fsb,fsc,f
A ,fB ,fC から、 m1=(fsafB −fsbfA )/〔ΔF(fsb−fsa)〕 m2=(fsbfC −fscfB )/〔ΔF(fsc−fsb)〕 m3=(fsafC −fscfA )/〔ΔF(fsc−fsa)〕 m4=(−fsafB −fsbfA +fsaΔF)/〔ΔF(fsb−fsa)〕 m5=(−fsbfC −fscfB +fsbΔF)/〔ΔF(fsc−fsb)〕 m6=(−fsafC −fscfA +fsaΔF)/〔ΔF(fsc−fsa)〕 m7=(fsafB +fsbfA )/〔ΔF(fsb−fsa)〕 m8=(fsbfC +fscfB )/〔ΔF(fsc−fsb)〕 m9=(fsafC +fscfA )/〔ΔF(fsb−fsa)〕 ・・・・(21) を得る。
Hereinafter, similarly, fsa, fsb, fsc, f
A, f B, from f C, m1 = (fsaf B -fsbf A) / [ΔF (fsb-fsa)] m2 = (fsbf C -fscf B) / [ΔF (fsc-fsb)] m3 = (fsaf C -fscf A) / [ΔF (fsc-fsa)] m4 = (- fsaf B -fsbf A + fsaΔF) / [ΔF (fsb-fsa)] m5 = (- fsbf C -fscf B + fsbΔF) / [[Delta] F (fSC fsb)] m6 = (- fsaf C -fscf A + fsaΔF) / [ΔF (fsc-fsa)] m7 = (fsaf B + fsbf A ) / [ΔF (fsb-fsa)] m8 = (fsbf C + fscf B ) / [ [Delta] F (fsc-fsb)] m9 = get (fsaf C + fscf a) / [[Delta] F (fsb-fsa)] ... (21).

【0045】(21)式から、次頁の表2に示す判定条件を
満足する場合に、からまでの領域と、mとが定ま
る。mは整数であるから、多少の測定誤差があっても判
定は容易である。
From the equation (21), when the determination conditions shown in Table 2 on the next page are satisfied, the region from to and m are determined. Since m is an integer, determination is easy even if there is some measurement error.

【0046】得られたmから、距離zは、領域〜の
場合は、 z=(c/4fsa )( m+fA /ΔF) ・・・・(22) となり、領域 〜の場合には、 z=(c/4fsa )( m−fA /ΔF) ・・・・(23) となる。
From the obtained m, the distance z becomes z = (c / 4fsa) (m + f A / ΔF) (22) in the case of the region 領域, and z = (c / 4fsa) become (m-f a / ΔF) ···· (23).

【0047】 [0047]

【0048】データ処理部40内のデータプロセッサ4
1は、周波数シフト帰還型レーザ発振器10内のドライ
ブ信号発生回路15に制御信号を出力し、音響光学変換
素子(AOM)14に供給する変調用周波数fsをfsa
に設定する。次に、データプロセッサ41は、周波数カ
ウンタ42やスペクトルアナライザ43から検出された
ビート周波数fA を受取り、記憶する。同様に、データ
プロセッサ41は、変調用周波数fs をfsb、fscに設
定し、このときのビート周波数fB ,fC を周波数カウ
ンタ42やスペクトルアナライザ43から受取り記憶す
る。
Data processor 4 in data processing unit 40
1 outputs a control signal to a drive signal generation circuit 15 in the frequency shift feedback laser oscillator 10, and sets a modulation frequency fs to be supplied to an acousto-optic conversion element (AOM) 14 to fsa.
Set to. Next, the data processor 41 receives and stores the beat frequency f A detected from the frequency counter 42 and the spectrum analyzer 43. Similarly, the data processor 41 sets the modulation frequency fs fsb, to fsc, stores receive beat frequency f B of this time, the f C from the frequency counter 42 and the spectrum analyzer 43.

【0049】データプロセッサ41は、設定した変調用
周波数fsa,fsb,fscと、記憶したビート周波数
A ,fB ,fC を(21)式に代入することにより、m1
〜m9を算定し、判定条件を満たす組合せを探索し、領
域〜とモード次数mを決定する。データプロセッサ
41は、このようにして決定された領域とモード次数m
とビート周波数とから(22)式 又は(23)式に従って距離
差zを算定し、これに既知のローカルミラー22までの
距離を加算することにより、ハーフミラー21から計測
対象物Aまでの距離を算定する。
The data processor 41 substitutes the set modulation frequencies fsa, fsb, and fsc and the stored beat frequencies f A , f B , and f C into equation (21) to obtain m1
Mm9 is calculated, a combination that satisfies the determination condition is searched, and the area と and the mode order m are determined. The data processor 41 determines the area thus determined and the mode order m
By calculating the distance difference z according to the formula (22) or (23) from the beat frequency and the beat frequency, and adding the known distance to the local mirror 22, the distance from the half mirror 21 to the measurement target A is calculated. Calculate.

【0050】周囲温度の変化や機械的振動などに起因し
て縦モード周波数が変動するような状況下では、ビート
周波数と同時に縦モード周波数も測定することにより、
測定精度の向上を図ることでできる。
In a situation where the longitudinal mode frequency fluctuates due to a change in ambient temperature, mechanical vibration, or the like, the longitudinal mode frequency is measured at the same time as the beat frequency.
This can be achieved by improving the measurement accuracy.

【0051】以上、変調用周波数の変化に伴うビート次
数の変化が1以下の場合について説明した。しかしなが
ら、連立方程式や判別式の追加により、ビート次数の変
化が1よりも大きな場合にも対応できる。
The case where the change of the beat order accompanying the change of the modulation frequency is 1 or less has been described above. However, the addition of simultaneous equations and discriminants can cope with the case where the change in the beat order is larger than one.

【0052】変調用周波数を変化させることにより、ビ
ート周波数を縦モード周波数の整数倍にわたって変化さ
せることができる。この場合、簡単な電気回路と連立方
程式とから距離を算定することができる。この電気回路
は、所定の中心周波数とこの中心周波数の上下の狭い通
過帯域を有する帯域通過濾波回路であり、変調用周波数
を所定の範囲にわたって変化させる間にビート周波数が
何回この帯域通過濾波回路を通して出現したかをもって
ビート次数の変化量が検出される。
By changing the modulation frequency, the beat frequency can be changed over an integral multiple of the longitudinal mode frequency. In this case, the distance can be calculated from a simple electric circuit and the simultaneous equations. This electric circuit is a band-pass filtering circuit having a predetermined center frequency and a narrow pass band above and below the center frequency, and the number of beat frequencies is changed several times while the modulation frequency is changed over a predetermined range. The change amount of the beat order is detected based on whether or not the beat order appears.

【0053】すなわち、図7を参照すると、変調周波数
を変化させてゆき、ビート周波数が帯域通過回路の中心
周波数fb に出現した際の変調周波数がfsaであり、こ
の変調周波数を更に変化させてゆき、ビート周波数が全
部で2n回(n=1,2,3・・・)帯域通過回路の中
心周波数fb に出現した際の変調用周波数がfsbであっ
たとする。出現したビート周波数は、リアルビート信号
とイメージビート信号の両者を含むため、この間のビー
ト次数の変化量は出現回数2nの半分のnである。
That is, referring to FIG. 7, the modulation frequency is changed, the modulation frequency when the beat frequency appears at the center frequency fb of the band-pass circuit is fsa, and this modulation frequency is further changed. Assume that the modulation frequency when the beat frequency appears at the center frequency fb of the bandpass circuit 2n times (n = 1, 2, 3,...) Is fsb. Since the appearing beat frequency includes both the real beat signal and the image beat signal, the change amount of the beat order during this time is n which is half of the appearance number 2n.

【0054】このとき、(14)式から、リアルビート周波
数とイメージビート周波数とに対して、 Fb =−mΔF+(2z/c)2fsaΔF =−(m+n)ΔF+(2z/c)2fsbΔF (24) −Fb =−mΔF+(2z/c)2fsaΔF =−(m+n)ΔF+(2z/c)2fsbΔF (25) を得る。(24),(25) 式を解くと、 z=nc/〔4(fsb−fsa)〕 (26) が得られ、距離zが算定される。
At this time, from equation (14), from the real beat frequency and the image beat frequency, Fb = −mΔF + (2z / c) 2fsaΔF = − (m + n) ΔF + (2z / c) 2fsbΔF (24) − Fb = −mΔF + (2z / c) 2fsaΔF = − (m + n) ΔF + (2z / c) 2fsbΔF (25) By solving the equations (24) and (25), z = nc / [4 (fsb-fsa)] (26) is obtained, and the distance z is calculated.

【0055】上記一連の処理は、データ処理部40内の
データプロセッサ41と、周波数シフト帰還型レーザ発
振器10内のドライブ信号発生回路15と、データ処理
部40内の周波数カウンタ42やスペクトルアナライザ
43、あるいは、ここに追加される帯域通過濾波回路な
どとの組合せによって容易に実現できる。
The above series of processing includes a data processor 41 in the data processing unit 40, a drive signal generation circuit 15 in the frequency shift feedback laser oscillator 10, a frequency counter 42 and a spectrum analyzer 43 in the data processing unit 40, Alternatively, it can be easily realized by a combination with a band-pass filtering circuit or the like added here.

【0056】前述したように、周囲温度の変化や機械的
振動などに起因して縦モード周波数が変動するような状
況下では、ビート周波数と同時に縦モード周波数も測定
することにより、測定精度の向上を図ることができる。
例えば、(24)式は、 Fb =−mΔFa +(2z/c)2fsaΔFa =−(m+n )ΔFb +(2z/c)2fsbΔFb (27) −Fb =−mΔFa +(2z/c)2fsaΔFa =−(m+n )ΔFb +(2z/c)2fsbΔFb (28) となる。ただし、ΔFa 、ΔFb は、変調用周波数fs
a、fsbと同時に測定された縦モード周波数、nは変調
用周波数fsaからfsbに変化させたたときのビート次数
の変化量である。
As described above, in a situation where the longitudinal mode frequency fluctuates due to a change in ambient temperature, mechanical vibration, or the like, the measurement accuracy is improved by measuring the longitudinal mode frequency simultaneously with the beat frequency. Can be achieved.
For example, equation (24) gives: Fb = −mΔFa + (2z / c) 2fsaΔFa = − (m + n) ΔFb + (2z / c) 2fsbΔFb (27) −Fb = −mΔFa + (2z / c) 2fsaΔFa = − ( m + n) ΔFb + (2z / c) 2fsbΔFb (28) Where ΔFa and ΔFb are modulation frequencies fs
The vertical mode frequency measured simultaneously with a and fsb, and n is the amount of change in the beat order when the modulation frequency fsa is changed from fsa to fsb.

【0057】(27) 、(28)式を解くと、 z =c ( ΔFa ・Fb −ΔFb ・Fb +ΔFa ・ΔFb ・n )/ 4ΔFa ・ΔFb (fsb−fsa ) (29) z =c ( −ΔFa ・Fb +ΔFb ・Fb +ΔFa ・ΔFb ・n )/ 4ΔFa ・ΔFb (fsb−fsa ) (30) が得られ、距離zが算定される。リアルビートであるか
イメージビートであるかの識別は、変調用周波数に対し
てビート周波数が増加するか減少するかに基づいて行わ
れる。
By solving the equations (27) and (28), z = c (ΔFa · Fb−ΔFb · Fb + ΔFa · ΔFb · n) / 4ΔFa · ΔFb (fsb−fsa) (29) z = c (−ΔFa) Fb + .DELTA.Fb.Fb + .DELTA.Fa..DELTA.Fb.n) /4.DELTA.Fa.DELTA.Fb (fsb-fsa) (30) is obtained, and the distance z is calculated. The distinction between a real beat and an image beat is made based on whether the beat frequency increases or decreases with respect to the modulation frequency.

【0058】また、変調周波数を変化させてゆき、特定
のビート周波数fbを(2n+1)回にわたって観測し
た場合には、最初と最後のビート信号の一方がリアルビ
ート信号で他方がイメージビート信号になるが,同様の
連立方程式から距離を算定できる。
When the specific beat frequency fb is observed (2n + 1) times while changing the modulation frequency, one of the first and last beat signals is a real beat signal and the other is an image beat signal. However, the distance can be calculated from a similar simultaneous equation.

【0059】以上、本発明を実施例によって説明した
が、これに類似する各種の変形を行うことが可能であ
る。例えば、AOMの1次回折光の代わりに、0次回折
光を出力として利用する構成を採用することもできる。
また、固定ミラーとして反射光線を正確にもとの光路に
戻すコーナーキューブを使用する構成としてもよい。
Although the present invention has been described with reference to the embodiment, various modifications similar to the above can be made. For example, a configuration in which the 0th-order diffracted light is used as an output instead of the 1st-order diffracted light of the AOM can be adopted.
Alternatively, a configuration may be used in which a corner cube that returns the reflected light beam to the original optical path accurately is used as the fixed mirror.

【0060】また、既知の伝播遅延時間を有するローカ
ルFMレーザ光を得るために、物体に照射するFMレー
ザ光から分岐し既知の位置の反射体に照射することによ
り反射光を発生させる構成を例示した。しかしながら、
物体に照射するFMレーザ光から分岐したのち既知の長
さの伝播経路を通過させることによりローカルFMレー
ザ光を得る構成とすることもできる。
Further, in order to obtain a local FM laser beam having a known propagation delay time, an example of a configuration in which the reflected laser beam is generated by branching from the FM laser beam applied to an object and irradiating a reflector at a known position. did. However,
It is also possible to adopt a configuration in which a local FM laser beam is obtained by branching from an FM laser beam to be irradiated on an object and then passing through a propagation path of a known length.

【0061】[0061]

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に係
わる光学式距離計は、FMレーザ光の光源として周波数
シフト帰還型レーザ発振器を使用する構成であるから、
周波数の変化速度を極めて高精度に一定値に保つことが
可能になる。この結果、ビート周波数の平均化などの追
加的な処理が不要となり、測定所要時間を短縮できる。
As described above in detail, the optical distance meter according to the present invention has a configuration in which the frequency shift feedback laser oscillator is used as the light source of the FM laser light.
It becomes possible to keep the frequency change speed at a constant value with extremely high accuracy. As a result, additional processing such as averaging of beat frequencies becomes unnecessary, and the time required for measurement can be reduced.

【0062】また、本発明の光学式距離計によれば、従
来のFMレーザに比べて3桁程度も大きな周波数変化速
度が実現できるため、距離分解能を飛躍的に向上でき
る。
Further, according to the optical distance meter of the present invention, a frequency change speed which is about three orders of magnitude higher than that of a conventional FM laser can be realized, and the distance resolution can be dramatically improved.

【0063】さらに、本発明の光学式距離計は、ビート
周波数の変調用周波数に対する依存性を検出し、この検
出結果からこのビート周波数を検出する構成であるか
ら、周波数シフト帰還型レーザ発振器で実際に生じるマ
ルチモードの動作に十分対応できるという利点がある。
Further, the optical distance meter of the present invention detects the dependence of the beat frequency on the modulation frequency and detects the beat frequency from the detection result. There is an advantage that it can sufficiently cope with the multi-mode operation occurring in the above.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例に係わるFMレーザレーダ方
式の距離計の構成を示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an FM laser radar type distance meter according to an embodiment of the present invention.

【図2】図2の周波数シフト帰還型レーザ発振器の動作
を説明するためのタイミングチャートである。
FIG. 2 is a timing chart for explaining the operation of the frequency shift feedback laser oscillator shown in FIG. 2;

【図3】図1の周波数シフト帰還型レーザ発振器のマル
チモードの動作を説明するための概念図である。
FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining a multi-mode operation of the frequency shift feedback laser oscillator of FIG.

【図4】図1の周波数シフト帰還型レーザ発振器のマル
チモードの動作を説明するための概念図である。
FIG. 4 is a conceptual diagram for explaining a multi-mode operation of the frequency shift feedback laser oscillator of FIG.

【図5】図1の周波数シフト帰還型レーザ発振器のマル
チモードの動作によって検出される距離とビート周波数
とビート次数とのを説明するための概念図である。
5 is a conceptual diagram for explaining a distance, a beat frequency, and a beat order detected by a multi-mode operation of the frequency shift feedback laser oscillator of FIG. 1;

【図6】図1の周波数シフト帰還型レーザ発振器のマル
チモード動作において、ビート周波数の変調用周波数依
存性を検出することによりビート次数を判定する方法を
説明するための概念図である。
FIG. 6 is a conceptual diagram for explaining a method of determining a beat order by detecting a modulation frequency dependence of a beat frequency in a multi-mode operation of the frequency shift feedback laser oscillator of FIG. 1;

【図7】変調周波数を変化させてビート周波数が特定の
周波数に一致する回数から次数と距離を測定する方法を
説明する概念図である。
FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating a method of measuring an order and a distance from the number of times that a beat frequency matches a specific frequency by changing a modulation frequency.

【図8】理想的なFMレーザレーダ方式の距離計測装置
の動作原理を説明するための波形図である。
FIG. 8 is a waveform diagram for explaining the operation principle of an ideal FM laser radar type distance measuring device.

【図9】実際のFMレーザレーダ方式の距離計測装置の
動作上の問題点を説明するための波形図である。
FIG. 9 is a waveform chart for explaining a problem in operation of an actual FM laser radar type distance measuring device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 周波数シフト帰還型レーザ発振器 11 励起部 12 Nd:YVO4 結晶 13 出力ミラー 14 AOM(音響光学変換素子) 15 ドライブ信号発生回路 20 光分配部 21 ハーフミラー 22 ローカルミラー 30 光混合部 40 データ処理部 41 データプロセッサ A 計測対象物10 Frequency shift feedback laser oscillator 11 Excitation section 12 Nd: YVO 4 crystal 13 Output mirror 14 AOM (acousto-optic conversion element) 15 Drive signal generation circuit 20 Optical distribution section 21 Half mirror 22 Local mirror 30 Optical mixing section 40 Data processing section 41 Data processor A Measurement target

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原 武文 神奈川県川崎市宮前区野川 504−1 サ マックス青木A202 (72)発明者 宮原 利治 宮城県仙台市太白区八木山弥生町7−7 ビラスズキ202 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Takefumi Hara 504-1 Nomax Aoki A 202, Miyagawa-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】周波数が時間と共に変化するFMレーザ光
を発生する周波数シフト帰還型レーザ発振器と、 この周波数シフト帰還型レーザー発振器が発生したFM
レーザ光を計測対象物に照射しかつその反射光とローカ
ルFMレーザ光とを混合してビート信号を発生させるビ
ート信号発生手段と、 この発生されたビート信号の周波数(以下「ビート周波
数」という)から前記計測対象物に照射され反射された
FMレーザ光と前記ローカルFMレーザ光の伝播距離の
差を検出する伝播距離差検出手段とを備えたことを特徴
とする光学式距離計。
1. A frequency shift feedback laser oscillator for generating an FM laser light whose frequency changes with time, and an FM generator for generating the frequency shift feedback laser oscillator.
Beat signal generating means for irradiating the object to be measured with laser light and mixing the reflected light with the local FM laser light to generate a beat signal; and the frequency of the generated beat signal (hereinafter referred to as "beat frequency") An optical distance meter, comprising: a propagation distance difference detecting means for detecting a difference between a propagation distance between the FM laser light irradiated and reflected on the object to be measured and the local FM laser light.
【請求項2】 請求項1において、 前記周波数シフト帰還型レーザ発振器は、レーザ共振器
の内部に周波数シフト素子として変調用周波数の超音波
が伝播せしめられる音響光学素子を設置し、ドップラー
シフトを受けた一次回折光を利得媒質に帰還させるよう
に構成されたことを特徴とする光学式距離計。
2. The frequency-shift-feedback laser oscillator according to claim 1, wherein the frequency-shift feedback laser oscillator includes an acousto-optical element as a frequency shift element through which an ultrasonic wave of a modulation frequency is propagated, and receives a Doppler shift. An optical distance meter configured to return the first-order diffracted light to a gain medium.
【請求項3】 請求項2において、 前記FMレーザ光は、周波数が異なる複数のモードのF
Mレーザ光を含み、 前記伝播距離差検出手段は、前記ビート周波数の前記変
調用周波数に対する依存性を検出し、この検出結果に基
づき前記ビート周波数を検出することを特徴とする光学
式距離計。
3. The FM laser beam according to claim 2, wherein the FM laser beam is a plurality of modes of F mode having different frequencies.
An optical distance meter including M laser light, wherein the propagation distance difference detecting means detects dependency of the beat frequency on the modulation frequency, and detects the beat frequency based on a result of the detection.
【請求項4】 請求項3において、 前記ビート周波数の前記変調用周波数に対する依存性の
検出は、この変調用周波数を所定範囲にわたって変化さ
せる間に前記ビート周波数が所定の帯域に何回出現する
かによって行われることを特徴とする光学式距離計。
4. The method according to claim 3, wherein the detection of the dependency of the beat frequency on the modulation frequency includes determining how many times the beat frequency appears in a predetermined band while changing the modulation frequency over a predetermined range. An optical distance meter, which is performed by:
【請求項5】 請求項1乃至4において、 前記ローカルFMレーザ光は、前記計測対象物に照射さ
れるFMレーザ光から分離され、位置が既知の反射体で
反射された反射FMレーザ光であることを特徴とする光
学式距離計。
5. The local FM laser light according to claim 1, wherein the local FM laser light is a reflected FM laser light that is separated from an FM laser light applied to the measurement object and is reflected by a reflector whose position is known. An optical distance meter, characterized in that:
JP20381897A 1996-07-15 1997-07-14 Optical rangefinder Expired - Lifetime JP3583906B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP20381897A JP3583906B2 (en) 1996-07-15 1997-07-14 Optical rangefinder

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP8-204344 1996-07-15
JP20434496 1996-07-15
JP20381897A JP3583906B2 (en) 1996-07-15 1997-07-14 Optical rangefinder

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH1082858A true JPH1082858A (en) 1998-03-31
JP3583906B2 JP3583906B2 (en) 2004-11-04

Family

ID=26514133

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP20381897A Expired - Lifetime JP3583906B2 (en) 1996-07-15 1997-07-14 Optical rangefinder

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3583906B2 (en)

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002023120A2 (en) * 2000-09-13 2002-03-21 Gerhard Bonnet Optical device
EP1470434A2 (en) * 2002-01-19 2004-10-27 Spheron Vr Ag Imaging device for recording depth
JP2014502359A (en) * 2011-11-11 2014-01-30 マイルゼイ テクノロジー インコーポレイテッド Distance measuring method and system
JP2017516093A (en) * 2014-04-28 2017-06-15 オプトプラン・アー・エス Interferometric fiber optic sensor system and interrogation method
CN107896104A (en) * 2017-10-31 2018-04-10 天津大学 The tunable high-frequency signal generator of high-precision and high-stability
JP2019045200A (en) * 2017-08-30 2019-03-22 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Optical distance measuring device and method
JP2020034546A (en) * 2018-08-23 2020-03-05 株式会社ミツトヨ Measurement device and measurement method
JP2020508467A (en) * 2017-01-20 2020-03-19 フォーカス センサーズ リミテッド. Distributed acoustic sensing
JP2020193910A (en) * 2019-05-29 2020-12-03 株式会社ミツトヨ Measuring device and measuring method
JP2021511521A (en) * 2018-01-16 2021-05-06 ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツングRobert Bosch Gmbh Sensor device
JP2021096383A (en) * 2019-12-18 2021-06-24 株式会社ミツトヨ Laser device, measurement device, and method for measurement

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019211832A1 (en) 2018-08-23 2020-02-27 Mitutoyo Corporation MEASURING DEVICE AND MEASURING METHOD
JP7289222B2 (en) 2019-06-03 2023-06-09 株式会社ミツトヨ Measuring device and measuring method
JP7329376B2 (en) 2019-07-04 2023-08-18 株式会社ミツトヨ Measuring device and measuring method
JP7247058B2 (en) 2019-08-26 2023-03-28 株式会社ミツトヨ Measuring device and method
JP7443156B2 (en) 2020-05-18 2024-03-05 株式会社ミツトヨ Measuring device and method
JP2022034379A (en) 2020-08-18 2022-03-03 株式会社ミツトヨ Measuring device and measuring method
JP7478067B2 (en) 2020-08-31 2024-05-02 株式会社ミツトヨ Data correction device, measurement system, program, and correction method

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62172777A (en) * 1986-01-27 1987-07-29 Yokogawa Electric Corp Variable wavelength laser light source
JPS6371674A (en) * 1986-09-16 1988-04-01 Matsushita Electric Ind Co Ltd Laser distance measuring instrument
JPH04254786A (en) * 1991-02-06 1992-09-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd Laser range finder
JPH06110103A (en) * 1992-09-30 1994-04-22 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Wide-band light frequency sweeping device
JPH06112572A (en) * 1992-09-30 1994-04-22 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Optical resonator and optical frequency weeping light source
JPH06235764A (en) * 1993-02-09 1994-08-23 Nippon Steel Corp Lidar device
JPH06268309A (en) * 1993-03-10 1994-09-22 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Multi-frequency light source
JP3194686B2 (en) * 1995-03-17 2001-07-30 弘昌 伊藤 FM laser radar distance measuring device

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62172777A (en) * 1986-01-27 1987-07-29 Yokogawa Electric Corp Variable wavelength laser light source
JPS6371674A (en) * 1986-09-16 1988-04-01 Matsushita Electric Ind Co Ltd Laser distance measuring instrument
JPH04254786A (en) * 1991-02-06 1992-09-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd Laser range finder
JPH06110103A (en) * 1992-09-30 1994-04-22 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Wide-band light frequency sweeping device
JPH06112572A (en) * 1992-09-30 1994-04-22 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Optical resonator and optical frequency weeping light source
JPH06235764A (en) * 1993-02-09 1994-08-23 Nippon Steel Corp Lidar device
JPH06268309A (en) * 1993-03-10 1994-09-22 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Multi-frequency light source
JP3194686B2 (en) * 1995-03-17 2001-07-30 弘昌 伊藤 FM laser radar distance measuring device

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002023120A2 (en) * 2000-09-13 2002-03-21 Gerhard Bonnet Optical device
WO2002023120A3 (en) * 2000-09-13 2002-06-20 Gerhard Bonnet Optical device
US7061620B2 (en) 2000-09-13 2006-06-13 Gerhard Bonnet Method and apparatus for three-dimensional object detection
EP1470434A2 (en) * 2002-01-19 2004-10-27 Spheron Vr Ag Imaging device for recording depth
JP2005515416A (en) * 2002-01-19 2005-05-26 スフェロン ヴィアール アクチエンゲゼルシャフト Image generation device for detecting depth
US7684019B2 (en) 2002-01-19 2010-03-23 Spheron Vr Ag Method and device for measuring distance
US7800738B2 (en) 2002-01-19 2010-09-21 Spheron Vr Ag Imaging device for recording depth
JP2014502359A (en) * 2011-11-11 2014-01-30 マイルゼイ テクノロジー インコーポレイテッド Distance measuring method and system
JP2017516093A (en) * 2014-04-28 2017-06-15 オプトプラン・アー・エス Interferometric fiber optic sensor system and interrogation method
US10247581B2 (en) 2014-04-28 2019-04-02 Optoplan As Interferometric optical fibre sensor system and method of interrogation
JP2020508467A (en) * 2017-01-20 2020-03-19 フォーカス センサーズ リミテッド. Distributed acoustic sensing
JP2019045200A (en) * 2017-08-30 2019-03-22 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Optical distance measuring device and method
CN107896104A (en) * 2017-10-31 2018-04-10 天津大学 The tunable high-frequency signal generator of high-precision and high-stability
JP2021511521A (en) * 2018-01-16 2021-05-06 ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツングRobert Bosch Gmbh Sensor device
JP2020034546A (en) * 2018-08-23 2020-03-05 株式会社ミツトヨ Measurement device and measurement method
JP2020193910A (en) * 2019-05-29 2020-12-03 株式会社ミツトヨ Measuring device and measuring method
JP2021096383A (en) * 2019-12-18 2021-06-24 株式会社ミツトヨ Laser device, measurement device, and method for measurement

Also Published As

Publication number Publication date
JP3583906B2 (en) 2004-11-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3583906B2 (en) Optical rangefinder
JP2896782B2 (en) Pulse type lightwave distance meter
JP6410258B2 (en) Light wave distance meter
JP2909742B2 (en) Delay time measuring device
JPH11352227A (en) Circuit device for forming frequency signal
JP2885807B2 (en) Distance detection device
JPH03170895A (en) Optical range finder
JP4328917B2 (en) Light wave distance meter
JP2007205901A (en) Light-wave distance meter
JP2001041706A (en) Optical frequency domain reflectometry device and method therefor
JP2006184181A (en) Distance measuring device
JPS6371674A (en) Laser distance measuring instrument
JPH05346305A (en) Method and device for measuring position of moving object and the time of the position measurement
US11105926B2 (en) Phase difference frequency generating method, phase difference frequency generating device and electronic distance meter
JP3285270B2 (en) Position measuring device
JP2007155660A (en) Light wave range finder
JP3194686B2 (en) FM laser radar distance measuring device
RU2570096C1 (en) Method to reject ring resonators of laser gyroscopes
JP3236941B2 (en) Distance measurement method for lightwave distance meter
JPH05323029A (en) Distance measuring method by light wave range finder
JP2007017293A (en) Stationary wave range finder
JP2952698B2 (en) Distance measuring device
JP6609360B2 (en) Light wave distance meter
JP7252783B2 (en) distance measuring device
JPH0835811A (en) Frequency-modulated optical-fiber-displacement measuring device

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20040319

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20040330

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20040528

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20040727

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20040730

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20070806

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080806

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090806

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100806

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100806

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110806

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120806

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130806

Year of fee payment: 9

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313115

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

EXPY Cancellation because of completion of term