JP2001516042A

JP2001516042A - 高精度三次元面ディジタル化システム及び方法

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Publication number: JP2001516042A
Application number: JP2000511034A
Authority: JP
Inventors: マレクセコウスキー; トーマスサマーズ; ジェームズエムハーディー
Original assignee: ミアラインコーポレイテッド
Priority date: 1997-09-09
Filing date: 1998-09-09
Publication date: 2001-09-25
Also published as: KR20010015576A; CN1283264A; ID26560A; EP1019670A4; EP1019670A1; IL134974A0; AU9475898A; WO1999013293A1; US6052190A; BR9812189A

Abstract

(57)【要約】距離測定システム（１０）は変調光ビームを目標物に対して放射する光源（１４）と変調器（１８）を有しており、これによって、受信ビームを発生させるようになっている。キャリブレーションユニット（４０）は、光源と目標物との間にキャリブレーション目標を配置することにより、定期的にシステムをキャリブレートする。これによって、放射光を遮り、受信キャリブレーションビームを発生する。ターゲットセンサ（３０）は反射目標を受信し、該反射目標ビームの目標信号（３２）指標を与える。基準センサ（３６）は光源（１４）からの光を受信し、基準信号（３８）を処理回路（３４）に与える。該処理回路は、目標信号（３２）と基準信号（３８）とを受信し、発信ビームの周波数を目標信号（３２）と基準信号（３８）との間に位相差がゼロとなるまで発信信号の周波数を調整し、ゼロ位相差を発生する周波数に基づいて目標物への距離を計算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は、光学的に距離を測定する方法及び装置に関する。また、本発明は、
三次元面をディジタル化する方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

三次元対象物のディジタル化は、多くのアプリケーションを有する。自動車や
航空機の設計者は、プロトタイプをコンピュータモデルデータに変換するために
そのような技術を用いる。次いで、データは、製品中の品質管理、等を確保すべ
く、設計に関してプロトタイプの精度を決定するために用いられ得る。三次元ディジタイザは、二つに分類される：接触形及び非接触形システム。殆
どの接触形システムは、手動で操作するプローブ又は自動座標測定装置（ＣＭＭ
ｓ）のいずれかを採用している。これらの接触形システムは、一度に一点のデー
タを収集する。明らかに、接触形システムは、自動車や航空機のような大規模モ
デル化プロジェクトに対して実用的でなく経済的でもない。非接触形システムは、データを取得するために、例えば、レーザ、モアレ干渉
法、及びパターン光のような光学技術を採用している。レーザ・ディジタイザは
、対象物の表面の小さいスポット又は光の細いライン（小さいスポット照射より
も１００倍以上速い）のいずれかを照射する。次いで、三次元空間における点の
位置を決定するために三角測量として知られている技術が用いられる。モアレ干
渉法又はパターン光によるシステムは、５０，０００から１００，０００点で構
成される一組のデータを迅速に収集することができる。全てのシステムが三次元ディジタル化に対するあらゆる候補に適するわけでは
ない。対象物の色彩及び表面処理、対象物の内側及び外側コーナー及びエッジの
形状、対象物における穴及び窪みの存在、及び対象物が生命が無いか生きている
（例えば、人間）かを含む、ディジタル化の品質に影響を及ぼす多数の要因があ
る。これらの要因の全ては、特定の市場要求にかなうシステムを開発することを
困難にする。ディジタイザの利用は、データの生成及び収集そしてその後のデータの処理を
必要とする。収集された（座標点の形式の）データは、潜在的に多数のビットの
データなので、データ・クラウド又はデータ・エクスポロージョンとして知られ
ているものを生成する。データ生成装置の固有の限度により、データ・クラウド
は、走査されかつディジタル化される対象物の表面トポロジーに対する感度なし
で任意に生成される。データ・クラウドは、コンピュータ・ファイル、一般的に
非常に大きくかつ扱いにくいコンピュータファイルに収集される。この点で、データ・クラウドは、実用的な値を表さない。従って、ユーザは、
走査した対象物の面及び特徴を表す有意味なファイル・フォーマットにデータ・
クラウドを翻訳するために厳密でかつ時間が掛かる作業を実行する必要がある。
データ・クラウドを処理することにおいて、ユーザは、データ・クラウドから面
特徴（エッジ、窪み、サークル、等のような）を抽出することを試み、その抽出
は、走査、ミラー像形成、ツール経路生成、有限要素法解析、変成遷移、光学的
特別作用、等を含む、データ操作を容易にする。データ・クラウドからの面特徴
のこのような操作及び抽出は、産業における技術的障害の一つであり、改良のた
めに多大な時間及び努力が集中されているものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】

大部分の従来のディジタイザは、三角測量として知られている一つの形式或い
は別の形式の技法を介してデータを生成しかつ収集する。図１４を参照すると、
三角測量は、ピタゴラスの定理に依存する技法である。直角三角形は、レーザと
センサの間の較正距離Ａ、送信レーザ光線Ｂ、及び受信光線Ｃによって定義され
る。三角測量技法は、多くの欠陥を抱えている。例えば、受信光線Ｃが遮られた
ならばデータに「影」が生成される。更に、精度のよい測定を成すために、送信
光線Ｂと受信光線Ｃの間の角度θは、少なくとも３０度でなければならない；従
って、移動走査ヘッド及びディジタイザの物理的次元は、ディジタル化される対
象物の大きさの関数である。例えば、ディジタル化された対象物がそのトポグラ
フィにおいて深さ２フィートのくぼみを有するならば、三角測量プローブの大き
さは、約１６インチでなければならない。そのように大きなプローブは、走査機
器の質量を増大し、従って、スキャナを較正すべき絶え間ない必要性が存在する
機械的不安定性のリスクを増大する。一般的な距離計に注目すると、今日最も一般的に用いられているものの一つは
、警察レーダ距離計である。最新警察レーダ距離計は、それから測定を得る光線
を投射するために（先のレーザとは反対に）半導体レーザを用いている。装置は
、レーザ光線の変調に周波数偏移（即ち、ドップラー効果）を用い得る。代替的
に、装置は、光のショートパルスを送信しかつそれからターゲットの速度を計算
するパルスのリターンの変化する時間を測定し得る。いずれのアプローチも高精
度な距離を提供することができない。他の従来の距離計は、光の速度に基づき距離を測定する光電子装置であるジオ
ジメーターを含む。ジオジメーターで用いられるアプローチは、距離を計算する
ために戻り信号の可変位相が測定される装置に戻るように逆反射される固定周波
数変調光線と送出することである。これは、距離を測定するための標準の従来の
アプローチであった：固定周波数信号を送出しかつ戻り信号の位相を測定するこ
と。上記従来の装置の欠点に鑑み、本発明の課題は、距離を測定しかつ／またはこ
れらの欠点を軽減及び／又は除去する対象物をディジタル化する方法及び装置を
提供することにある。本発明の別の課題は、既存の走査及び距離計測装置の制限を取り除く方法及び
装置を提供することにある。本発明の更なる課題は、比較的小さくかつ携帯用である距離を測定する装置を
提供することにある。本発明の別の課題は、従来の装置のように数時間或いは数日ではなく数秒で対
象物をディジタル化することができる対象物をディジタル化する方法及び装置を
提供することにある。本発明の更に別の課題は、かなり費用が安く、従って従来のシステムよりも広
く適用可能な距離測定装置を提供することにある。本発明の更なる課題は、データを生成しかつ収集するための光信号が共軸でタ
ーゲットに送信及びそれから受信されるように距離を測定する方法及び装置を提
供することにある。本発明の別の課題は、精度よく対象物の特徴を記述するために必要なデータポ
イントの数をかなり低減する対象物をディジタル化する方法及び装置を提供する
ことにある。本発明の更に別の課題は、オンザフライでデータ操作（例えば、曲線の当てはめ）を実行する距離を測定する及び／又は対象物をディジタル化する方法及び
装置を提供することにある。従って、データ・クラウドを生成するよりも、その
表現が利用者定義可能である、データの数学的表現が出力される。本発明の別の課題は、コヒーレント（即ち、単一周波数）な光源を必要としな
い対象物をディジタル化する方法及び装置を提供することにあり、それにより、
干渉技術で用いられる逆反射器の必要性を取除く。従って、本発明は、いろいろ
な表面の品質を有する対象物を測定することができ、めんどうなターゲット−装
置メカニカル・アライメントの必要性を取除き、シャドーイング問題を解決し、
かつ測定装置の大きさを増大せずに距離測定に対する制限を除去する。本発明の更なる課題は、リアルタイム品質制御アプリケーションに対してより
高精度でかつ絶対的な測定を提供するディジタル化しかつ至近距離で距離を測定
する方法及び装置を提供することにある。従って、本発明は、コンピュータ化数
値制御（ＣＮＣ）フライス盤のツール・ライブラリの一つのツールとして製造処
理に統合し得る。統合は、マシンのベッドからパーツを移動することなしで精密
製造者（例えば、航空機会社）にパーツを保証させ、それにより、製造処理のス
ピードをかなり増大させる。本発明の更に別の課題は、多重走査ヘッドが固定されている多重走査ヘッドシ
ステムで実施し得る距離を測定しかつ／または対象物をディジタル化する方法及
び装置を提供することにある。従って、本発明の原理を実施するディジタル化イ
ンストレーションは、数秒で、大きな対象物、例えば、自動車や航空機の翼を、
かつあらゆる形状又は構造の対象物をディジタル化することができる。従来の走
査システムに対するかなりの節約がハードウェア、人的資源、及び時間において
認められる。本発明の概要本発明は、０．００１インチのオーダーの正確さで中距離（例えば、５０フィ
ート以下）を測定可能な方法及び装置を供給する。本発明の方法及び装置は手ご
ろ且つ迅速に距離を測定することができる。物体の表面への距離を測定し、その
後、本発明はこの距離データを取り、従来の実施では達成不可能な精度及び正確
性及び速度のレベルで物体をデジタル化することができる。

【０００４】本発明の１つの特徴によれば、物体への距離を測定する方法は公知の周波数の
ターゲットに変調レーサービームを伝送することを含んでいる。反射したビーム
はターゲットにより受け取られ、周波数が調整され、特定の状態を満足する。伝
送されたビームが変調される周波数はその後、変えられ、伝送されたビームと反
射されたビームとの間に第２の特定の位相差があるようになる。その後、ターゲ
ットまでの距離が２つの変調周波数から計算される。

【０００５】本発明の１つの特徴によると、距離測定は変調周波数を発生するための調整可
能な周波数発生器を含んでいる。光源は周波数発生器に接続され、変調周波数の
ターゲットへ光のビームを伝送する。ターゲットセンサは反射周波数を有するタ
ーゲットから反射されたビームを受け取る。周波数発生器とターゲットセンサに
接続された位相センサは変調周波数と反射周波数を受け取り、その後、変調周波
数と反射周波数の間の位相角を示す出力を供給する。位相検出器と周波数発生器
に接続されたコンピュータは変調周波数を調整し、零相差が変調周波数と反射周
波数の間に存在するようになる。したがって、従来の装置のように、一定の基準
周波数を供給すると共に位相を測定するよりむしろ、本発明は変調周波数を変え
、零相差が存在するようになる。距離を測定するこの方法は従来の方法論より非
常に容易且つ正確である。

【０００６】本発明のさらなる特徴によると、距離測定システムはまた光源とターゲットの
間に配列又は配置されたビームスプリッタを備えている。ビームスプリッタはタ
ーゲットセンサに入射する受け取られたビームを偏向しつつ、伝送されたビーム
をターゲットに入射させる。したがって、ターゲットに伝送され、ターゲットセ
ンサに戻り反射される光は実質的に同軸である。そのような同軸システムは従来
の三角測量技術の必要性とそれに伴うすべての固有の欠点を除去する。本発明の
この同軸特性はまた従来のシステムより著しく小さいスケールで完全な距離測定
システムを実施可能とする。

【０００７】本発明の別の特徴によると、ターゲットへの距離を測定する装置は変調周波数
のターゲットへ光のビームを伝送するための光源を備えている。光源に接続され
る調整可能な周波数発生器は変調周波数を発生する。ターゲットセンサは特定の
反射周波数でターゲットから反射されたビームを受け取る。装置はまた周波数発
生器及びターゲットセンサに接続された位相検出器をも備え、変調周波数及び反
射周波数を受け取る。位相検出器は変調周波数と反射周波数の間の位相角を示す
出力を供給する。この位相角の決定により、ターゲットへの距離は計算されても
よい。好ましくは、位相検出器は複数の出力を有し、それぞれ９０度の各倍数を
示す位相角を示している。

【０００８】周波数発生器は周波数調整信号を受け取るための入力を含んでいてもよく、変
調周波数を調整し、伝送ビームの調整された変調周波数と反射ビームの反射周波
数の間に９０度の倍数の位相角をもたらす。ターゲットへの距離は変調周波数に
関して反射周波数の零交差をもたらす周波数を決定することにより計算されても
よい。零交差での周波数勾配が最大であるので、零交差は容易に決定される。し
たがって、距離の計算は迅速且つ正確に行われる。

【０００９】本発明のさらなる目的、利点、及び特徴は、添付した図面を適切に関連させて
当業者が以下の詳細な説明を読むことにより明らかになるであろう。（好適な実施例の詳細な説明）本発明の距離測定及び／又はオブジェクトデジタル化原理は、色々の実施例で
実施することが出来る。しかし、これらの原理を例示するため、２つの好適な実
施例を示す。一般に、本発明の距離測定システムは、データを同軸で生成して収
集するので、従来の三角測量技術は必要ない。（第１実施例）図１を参照すると、本発明の距離測定システム１０は、ターゲット１２の表面
までの距離ｄを測定する。距離測定システム１０は、光１６を放出するレーザダ
イオード等の光源１４を備える。光源１４は、光１６が固定した周波数でシヌソ
イドで変調されるように、モジュレータ１８により制御されるのが好ましい。次
に、光１６は、コリメータ２０により受取られ、それが光１６を平行にして送信
ビーム２２とし、ターゲット１２へ送信する。送信ビーム２２は、ターゲット１
２の表面で反射して、散乱する。散乱した光の一部が、反射してシステム１０へ
受信ビーム２４として戻る。受信ビーム２４は、ビームスプリッター即ちミラー
２６で反射して、レンズ２８によりターゲットセンサ３０上に集束する。ターゲ
ットセンサ３０は、処理回路３４の入力へターゲット信号３２を送信する。ター
ゲット信号３２は、ターゲット１２からの受信ビーム２４を表し、ターゲット位
相を有する。ランダムな散乱光及び／又は環境放射光がミラー２６に入射してタ
ーゲット信号３２に影響を及ぼさないように、アパーチャ３５を設けてもよい。

【００１０】光源１４からの光１６に一部は、基準センサー３６に入射し、それが基準信号
３８を出す。基準信号３８は、光源１４により放出された光を表し、基準位相を
有する。ターゲット１２への距離ｄは、ターゲット信号３２のターゲット位相か
ら、基準信号３８の基準位相を引き、距離校正変数を加えた関数として、処理回
路３４により計算される。これについては、詳細に後述する。

【００１１】距離測定システム１０は、校正システム１０を周期的に校正する校正ユニット
４０を備えるのが好ましい。好適な実施例では、校正ユニット４０は、校正ター
ゲット４２と、ターゲット４２を駆動するモーター４４と、校正光源４６と、校
正センサー４８とを備える。校正ユニット４０の動作の詳細は、後述する。特に
オブジェクトデジタル化の用途では、制御と表示機能のため、パーソナルコンピ
ュータ等のコンピュータ５０を処理回路３４とインターフェースしても良い。こ
れについても後述する。

【００１２】図２も参照すると、本発明の実施例がより詳細に示される。処理回路３４は、
送信ビーム２２の変調を制御し、ターゲット信号３２と基準信号３８を処理する
。次に処理回路３４は、さらに例えばデジタル化等の処理をするためデータをコ
ンピュータ５０へ送る。処理回路３４は、所定の周波数を有するクロック信号５
４を提供するため、クロック５２を備える。

【００１３】距離測定システム１０がデータを高度の正確さを維持しながら出来るだけ速く
生成して収集するように、送信ビーム２２が変調される周波数は選択される。も
し、送信ビーム２２の周波数が約1,500ＭＨｚより大きいと求められると、システムの色々の部品の作動は不確実になり、システムの線形成を維持するのが難し
くなる。それゆえ、本発明の好適な実施例では、送信ビーム２２の周波数は約1,
500ＭＨｚより低く、例えば600ＭＨｚに選択される。送信ビーム２２の周波数を
このように変調することにより、距離測定システム１０は、毎秒1,000以上の測定を行うことが出来る。

【００１４】送信されたビーム２２を約６００ＭＨｚで変調するために、クロック信号５４
の周波数は、安定した無変動のクロック信号５４、例えば、１０ＭＨｚを与える
ように選択される。クロック信号５４は、好ましくは、周波数乗算器５６により
乗算され、所望の周波数が得られる。図示した好ましい実施例では、４及び１６
の因数を有する２つの周波数乗算器５６ａ、５６ｂがそれぞれクロック信号を乗
算して６４０ＭＨｚの周波数を有する周波数乗算クロック信号５４″を与える。
そのクロック信号は、変調器１８に与えられ、その後、光源１４に与えられる。

【００１５】所望の変調周波数を選択する際には、他の因数が作用してもよい。距離測定シ
ステム１０の測定のエラーは、送信されたビ−ム２２の変調された周波数の１サ
イクルの一部で測定される。従って、変調された送信ビーム２２の波長は、でき
るだけ短く、光源１４（例えば、レーザダイオード）及び／又はセンサ３０、３
６（例えば、フォトダイオード）として現在市販されている部品だけにより制限
されなければならない。さらに、変調された送信ビーム２２の振幅は、できるだ
け長く、１パーセントのオーダのシヌソイダル偏差を一貫して維持しなければな
らない。言い換えれば、ゼロ交差点における変調送信信号２２の傾斜は、同じピ
ーク振幅の正弦波の傾斜の１パーセント以内に維持されなければならない。

【００１６】クロック信号５４は、処理信号６０を出力するシンセサイザ５８にも与えられ
る。処理信号６０の周波数は、周波数乗算器６２ａ、６２ｂにより乗算される。
乗算された処理信号６０″は、一対の乗算器６４、６６に与えられる。乗算器６
４は、ターゲットセンサ３０からのターゲット信号３２を処理信号６０″で乗算
し、乗算器６６は、基準センサ３６からの基準信号３８を処理信号６０″で乗算
する。乗算器６４、６６は、その後、乗算されたターゲット信号及び基準信号３
２′、３８′をそれぞれの増幅器／フィルタ６８、７０に与える。乗算器６４、
６６及びフィルタ６８、７０は、それぞれ、変調されたターゲット信号及び基準
信号３２、３８の周波数変換を実行するミキサから成る。混合されたターゲット
信号及び基準信号３２′、３８′は、その後、それぞれ、乗算器７２、７４及び
増幅器／フィルタ７６、７８によって処理周波数において信号６０′と混合され
る。ターゲット信号及び基準信号３２″、３８″は、その後、可変利得増幅器８
０、８２に入力され、続いて、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ８４、８
６に入力される。Ａ／Ｄコンバータ８４、８６は、それぞれ、デジタル化された
ターゲット信号及び基準信号８８、９０をフィールドプログラマブルゲートアレ
イ９２に与える。ゲートアレイ９２は、プロセッサ９４とインターフェイスし、
プロセッサ９４は、パーソナルコンピュータ５０とインターフェイスする。

【００１７】さらに、図１を参照して、校正ユニット４０の詳細を説明する。上述したよう
に、校正ユニット４０は、システム１０を周期的に校正する。校正ターゲット４
２は、コリメータ２０（又は光源１４）からの送信ビーム２２を間欠的に又は選
択的に遮断する。この遮断は、校正ターゲット４２を図３及び図４に示されるよ
うに形成することにより実行される。図３及び図４は、校正ターゲット４２に形
成された突起１００及びノッチ１０２を示している。図３に示されるように、シ
ステムがデータを生成し収集する通常の動作では、校正ターゲット４２は、送信
及び受信ビーム２２、２４が校正ターゲット４２を通過できるように配置される
。（図３および図４では、送信及び反射ビーム２２、２４は、わかり易くするた
めに、共通の光学軸φ上に×及び・の記号として同軸でなくずらして示されてい
る。）図４に示されるように、システム４０が校正される場合には、校正ターゲ
ット４２は、突起１００が送信ビーム２２を遮断するように回転する。従って、
ターゲット１２からの受信ビーム２４は存在しないけれども、突起自身からの受
信ビーム（２４′で示される）が存在し、それが、ミラーへ反射されてレンズ２
８及びターゲットセンサ３０へ向けられる。ターゲットセンサ３０は、ターゲッ
ト信号３２を出力する。

【００１８】ターゲット信号３２がターゲット１２からの受信ビーム２４又は校正ターゲッ
ト４２からの受信ビーム２４′を表しているかどうかを決定するために、校正セ
ンサ４８が処理回路３４に校正信号１０６を与える。校正信号１０６は、突起が
送信ビームを遮断している場合に、校正光源４６により与えられた校正ビーム１
０４がノッチ１０２を通過して校正センサ４８に入射することにより生じる。校
正センサ４８から校正信号を１０６を受信すると、処理回路３４が距離校正変数
を更新する。データの収集及び計算を含む校正を実行するインターバルは、任意
のインターバルであってもよいけれども、好ましくは、約１ミリ秒より短いのが
よい。これは、突起１００の幅を約３６°とし且つノッチ１０２の幅を約５８°
として、校正ターゲット４２を１分間当たり約１２００回の割合で転させること
により達成される。

【００１９】第２の実施形態本発明の別の実施形態を図５、６及び７に示す。上述の実施形態のように、参
照番号２００で示した距離測定システムのこの実施形態は、約１０，０００サン
プル／秒までの速度でデータの生成及び収集に関する光を同軸で伝送及び受け取
り、次いで、０．００１インチの精度で目標までの距離を計算する。システム２
００はどんなレンジに対しても設計されうるけれども、殆どの産業用途に関して
、作動レンジは約５０フィート（約１５．２４ｍ）以下であり、好ましくは約５
フィート（約１．５２４ｍ）と２５フィート（約７．６２ｍ）との間である。

【００２０】特に図５を参照すると、距離測定システム２００は、送信機２０２と受信機２
０４を含む。送信機２０２は、小さな直径の振幅変調（ＡＭ）されたパルストレ
イン又はビーム２０８が放射され、目標１２に伝送される光源２０６を含む。受
信機２０４は、目標１２から受信されたビーム２１２を受信する目標センサ２１
０を含む。図には明瞭に描かれていないけれども、送信機２０２及び受信機２０
４の光学素子、即ち光源２０６の送信機光学素子２１４及び目標センサ２１０の
受信機光学素子２１６は実質的に同軸に構成されるのが好ましい。受信機２０４
は、処理回路２１８に接続される。

【００２１】伝送ビーム２０８は、リファレンス周波数生成器２２０及び位相ロックループ
（ＰＬＬ）２２２によって生成され、制御され、且つ変化される変調周波数（ｆ _m ）で伝送される。周波数生成器２２０は、コンピュータ４００から精密調整信号２２４を受け、リファレンス周波数（ｆ_ref）を送信機２０２のＰＬＬ２２２に提供する。ＰＬＬ２２２のＮカウンタ２２３による分割が、リファレンス周波
数ｆ_refを調整するためにコンピュータ４００から粗い調整信号２２６を受信する。次いで、ＰＬＬ２２２は、伝送ビーム２０８を変調周波数ｆ_mで変調するために、変調周波数（ｆ_m）を備える変調信号２２５を光源２０６に提供する。ＰＬＬ２２２からの変調信号２２５の変調周波数ｆｍは、リファレンス周波数ｆ_re _f のＮ倍に等しい。

【００２２】変調周波数ｆ_mは好ましくは、１００ＭＨｚから２００ＭＨｚの範囲に及ぶ。この周波数レンジは、受信機２０４で良好な解像度を提供するのに十分高く、高
価でエキゾチックなエレクトロニクスを要求しないように十分低い。更に、この
周波数レンジは、ある目標が非常に優れた反射器であり、光源２０６の（以下で
議論する）レーザダイオードを再変調することができる方法で伝送ビーム２０８
を反射するのが実用的であり、この再変調は、１００ＭＨｚ乃至２００ＭＨｚの
範囲で生じそうもない。

【００２３】変調信号２５５はまた、波長（λ_m）を有する。知られているように、波の周波数と波長との間の関係は、波の速度（ｖ）が周波数（ｆ）と波長（λ）との積
に等しい、即ち速度ｖ＝λｆである。従って、速度が本質的に一定であり、周波
数が増加するならば、波長は減少する。従って、変調信号２２５（及び、変調さ
れたビーム２０６）の周波数ｆ_mを調整することはまた、伝送ビーム２０６の波長λ_mを相補的に調整する。本発明によれば、伝送ビーム２０８の波長λ_mは、光
源２０６と目標１２との間の距離ｄと精密に適合するように（変調周波数ｆ_mを調整することによって）調整され、より詳細を以下で議論する。

【００２４】必要な周波数調整、精密及び粗い調整、及びシステムに関する他の変数に関し
てコンピュータ４００から入力されうるのが好ましい。更に、コンピュータ４０
０はまたシステム２００から、特に処理回路２２８からデータを読む。コンピュ
ータ４００は、パーソナルコンピュータ、ラップトップコンピュータなどであっ
てよい。コンピュータ４００はまた、温度、湿度、気圧、伝送及び反射ビーム２
０８及び２１２の速度に影響しうる他の環境条件を読み込むための環境センサ４
０２に接続され、距離ｄの計算に影響する。変形実施形態では、これらの環境変
数はまた、ユーザによって手動でコンピュータ４００内に入力されうる。

【００２５】精密及び粗い信号２２４及び２２６を通して、コンピュータ４００は、変調周
波数ｆ_mを作り出すためにリファレンス周波数生成器２２０及びＰＬＬ２２２を命令する。次いで、コンピュータ４００は、好ましくはサブピコ秒の分解能で反
射ビーム２１２の位相を監視する。コンピュータ４００は、ゼロ位相バランスが
反射ビーム２１２に達成するまで、伝送ビーム２０８の変調周波数ｆ_mを変化させる。次いでコンピュータは、好ましくはコンピュータによってアクセス可能な
ソフトウェアから、距離ｄを計算することができる。送信されたビーム２０８の
変調周波数ｆ_mの名目値は所望されるように選択且つ調整される。例えば、名目変調周波数(f_m0)は約１００MHzであるように選択され、約５０MHzから約２００M
Hzまで調整可能であり、これを以下に更に詳細に説明する。レシーバ２０４はま
た、コアース調整信号２２６に接続された(N+1)により分割されたカウンタ２２９を備えた位相同期ループ２２８を含む。

【００２６】プロセシング回路２１８は位相検出回路２３０と、アナログデジタル(A/D)変換器２３２と、を含む。位相検出回路２３０は反射信号２１２を示すターゲット
センサ２１０から差信号２３３を受信し、周波数ジェネレータ２２０から参照周
波数ｆ_refを受信する。位相検出回路２３０は、コンピュータ４００に提供されたデジタル出力信号２３６への変換のために、A/D変換器２３２にアナログ位相検出出力２３４を備える。

【００２７】距離測定システム２００の詳細な好ましい実施形態を図6に示す。デジタルアナログ変換器(DAC)がコンピュータ４００からの8ビットのデジタルファイン調整
信号２２４を、内部バッファ増幅器によって電圧に変換されたプロポーショナル
電流へ変換する。DAC２５０の電圧出力は電圧制御発振器(VCXO)２５２に与えられる。VCXO２５２は、好ましくは、２進ディビジョンの後に４３２kHz信号を出力するMHz水晶発振器を含む。VCXO２５２の４３２kHz出力は次いで、２ビットの
グレイコードカウンタとして接続されたフリップフロップ２５４によって分割さ
れる。このようにして、４アクションによる分割はグレイコードシーケンスで起
きる。各フリップフロップ２５６，２５８は２つのサイクルにあり、次いで状態
を変え、フリップフロップの循環は１カウントで他から相殺される。このような
構成は、９０°で相殺された２つの信号Ｑ０及びＱ１を生じる。フリップフロッ
プのＱ及び非Ｑを反転させることにより、９０°の信号は２７０°の信号になり
、０°の信号は１８０°信号になる。従って、４つの固定位相信号は完全な１０
０kHzサイクルに関して発生する。フリップフロップ２５６，２５８のこの形態はまた、直交カウンタトして周知である。信号Ｑ０は、トランスミッタのPLL２２２及びPLL２２８に与えられる。

【００２８】ＰＬＬ２２２は、信号Ｑ₀を受信するための入力およびフィルタ２６２に接続される出力を有した位相比較器２６０を含む。フィルタ２６２は、電圧制御発振
器（ＶＣＯ）２６４に接続される。ＰＬＬ２２２のフィードバックループは、Ｖ
ＣＯ２６４の出力および１対の６ビットカウンタ２６６、２６８によって定めら
れる。カウンタ２６６、２６８は、コンピュータ４００からの８ビット粗信号２
２６を受信する。ＶＣＯ２６４は、変調信号２２５を光源２０６へ出力する。光
源２０６は、好ましくは、レーザダイオード２７２を駆動するレーザドライバ２
７０からなる。好ましくは２０ｍＷより低いオーダーであるレーザダイオード２
７２の熱安定化のためにヒートポンプ２７３が設けられる。変調信号２２５の変
調周波数ｆ_mは、前述したように、カウンタ２６６、２６８のファクタＮによって調整されうる。より詳細に述べると、変調周波数ｆ_mは、基準周波数ｆ_refと整
数Ｎとの積である（すなわち、ｆ_m=Ｎ×ｆ_ref）。

【００２９】位相比較器２６０は、２つの別々の信号、すなわち、１００ｋＨｚ基準信号と
Ｎ分割カウンタ２６６、２６８からのフィードバック信号とによって駆動される
。Ｎは、コンピュータ４００からの粗信号２２６によって決定される。この信号
２２６は、好ましくは、ＰＬＬ２２２においてカウントＮをラッチするためにセ
ットアップされる１２ビット（例えば、Ｄ₀−Ｄ₇およびＤ₈−Ｄ₁₅）である。したがって、変調信号２２５は、前述したように、基準信号Ｑ₀のＮ倍である。Ｎは、典型的には、１０００から２０００のオーダーである。これにより、典型的
な例として、基準周波数が１００ｋＨｚ、Ｎが１０００とすると、変調周波数ｆ _m は、１００ＭＨｚのオーダーである。位相比較器２６０は、電圧を変化させて、カウンタ２６６、２６８の出力の周波数および位相を基準信号Ｑ₀と実質的に厳密に整列させるようにする。これら信号の整列は、約１ナノ秒よりも良い。

【００３０】変調周波数ｆ_mを調整するのに、コンピュータ４００は、粗信号２２６でもってＮを段階的に調整する。この場合において、Ｎを１段階増分する毎に、変調周
波数ｆ_mは、約２００ｋＨｚだけ変えられる。変調周波数ｆｍが所望の動作周波数の２００ｋＨｚ以内となるとき、コンピュータ４００は、基準周波数ｆ_refを微信号２２４でもって同調させる。基準周波数ｆ_refが非常にわずかに変動しても、変調周波数ｆ_mが小さく変動してしまう。

【００３１】受信器２０４について述べるに、送信器２０２の構成と同様の構成とされてお
り、位相比較器２８０と、フィルタ２８２と、電圧制御発振器（ＶＣＯ）２８４
と、１対のカウンタ２８６、２８８とを備える構成とされている。位相比較器２
８０は、また、入力として基準信号Ｑ₀を受信する。しかしながら、基準信号Ｑ₀ は、ファクタＮによって調整されるのではなく、ＶＣＯ２８４が（Ｎ+１）×ｆ_r _ef の出力信号を与えるように、ファクタ（Ｎ＋１）によって調整されうる。こう
するために、粗信号２２６のＤ₀は、送信器２０２のＰＬＬ２２２においてはローにストラップされ、一方、受信器２０４のＰＬＬ２２８においてはＤ₀はハイにストラップされ、両方のＤ₀はコンピュータ制御から切り離される。このようにして、ＶＣＯ２８４の出力信号２８９は、送信器２０２のの変調信号２２５よ
りも１００ｋＨｚ高い周波数を有するようになる。

【００３２】出力信号２８９は、ターゲットセンサ２１０のアバランシェフォトダイオード
（ＡＰＤ）２９２が結合されたアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）バイア
スネットワーク２９０に与えられる。また、送信器および受信器光学系２１４お
よび２１６は、レンズの形でよく、動作環境からの光学的干渉を除去するための
フィルタおよび／またはシールドデバイスを含みうる。ＶＣＯ２８４の出力信号
２８９は、ＡＰＤ２９２に加えられるＤＣバイアスに小さなＡＣ電圧を重畳した
ものである。ＡＰＤ２９２は、反射信号２１２を電流に変換し、その電流を増幅
する。これは、アバランシェ増倍として知られている。ＡＰＤ２９２端の電圧を
出力信号２８９で変調することにより、反射信号２１２は、出力信号２８９と共
に変化するゲインによって増倍される。したがって、変調信号２２５は、出力信
号２８９によって増倍され、これは、ミキシングとして知られている。このミキ
シングの結果、ＰＬＬ２２２および２２８の動作信号２２５および２８９の周波
数に対する差信号２３３が生ずる。この場合において、差信号２３３は、[（Ｎ＋１）×ｆ_ref]−[Ｎ×ｆ_ref]に等しく、これは、ｆ_ref自体に等しく（他のミク
サ生成物と共に）、典型的な例では１００ｋＨｚのオーダーである。ＡＰＤバイ
アスネットワーク２９０からの差信号２３３は、増幅され、不所望なミクサ生成
物を除去するため狭帯域フィルタでろ波され（ｆ_refのオーダーで）、それから、位相検出器２３０へ与えられる。

【００３３】図７をさらに参照するに、好ましい実施例としての処理回路２１８は、位相検
出回路２３０およびＡ／Ｄ変換器２３２を含む。位相検出回路２３０は、４つの
平衡変調器３００ａ−ｄとして構成される。変調器３００の各々は、好ましくは
、ＭＣ１４９６ギルバートセルである。変調器３００ａ−ｄの入力は、差信号２
３３および周波数発生器２２０からの基準信号Ｑ₀およびＱ₁である。４つの変調
器３００ａ−ｄは、基準信号Ｑ₀およびＱ₁の４つの位相（すなわち、０°、９０
°、１８０°および２７０°）を乗数として使用する。変調器３００の４つの出
力は、複数の増幅器３０２ａ−ｄへ与えられる。それから、増幅器３０２の出力
２３４は、Ａ／Ｄ変換器２３２へ与えられる。０°、９０°、１８０°および２
７０°位相出力２３４に加えて、０°−１８０°を表す１つの出力および９０°
−２７０°を表す１つの出力が与えられる。これらの２つの差信号により、平衡
変調器システム２３０の平衡における対称性の度合を増大させることができる。
これら位相出力のうちのどれでも、反射信号２１２の零位相状態を検出するのに
使用することができる。

【００３４】図８および図９をさらに参照するに、動作において、コンピュータ４００は、
公称基準周波数ｆ_m0をセットし記録する（ステップＳ１０）。差信号２３３の基
準周波数ｆ_refは、基準周波数ｆ_refの最も近い固定９０°位相状態を感知するた
め、４つの変調器３００ａ−ｄによって監視される（ステップＳ１２）。０°位
相状態は、送信ビーム２０８と反射ビーム２１２との間の厳密な全波長差（また
は倍数）の検出を表しており、９０°位相状態は、４分の１波長差＋全波長を表
しており、１８０°位相状態は、半波長差＋１以上の全波長を表しており、２７
０°位相状態は、４分の３波長差＋全波長を表している。出力２３４の各々は、
Ａ／Ｄ変換器２３２によってデジタル化され、コンピュータ４００において０ボ
ルトの所望状態、または零と比較される電圧レベルである。もし、零が見出され
ない場合には、コンピュータ４００は、４分の１波長差または零状態が存在する
まで、粗および／または微調整信号２２４、２２６で変調周波数ｆ_mを調整する（ステップＳ１４）。零状態を発生する変調周波数ｆ_mは、リードアウト２７５またはコンピュータ４００によって読み取られおよび／または記録される（ステ
ップＳ１６）。零変調周波数は、ｆ_mlによって表される。公称変調周波数ｆ_m0お
よび零変調周波数ｆ_mlから、ターゲット１２までの距離ｄが計算されうる（ステ
ップＳ１８）。これについては、後述する。

【００３５】図９をさらに参照するに、ＡＰＤバイアスネットワーク回路２９０の好ましい
実施例を例示している。ＡＰＤ回路２９０は、バッファ増幅器２９７およびバイ
カッドバンドパスフィルタ２９９を含む。動作において、ＡＰＤ２９２へ加えら
れる電圧は、２つの２０ｋΩ抵抗に流れる電流のため２００ボルト基準に向かっ
て上昇する。このような自己バイアス特性により、ダイオード電圧を監視する必
要性がなくなり、且つ複雑なフィードバックバイアス回路を設けないですむよう
にすることができる。ＡＰＤ２９２の電圧は、ＡＰＤ２９２に入射する光の量（
反射ビーム２１２から）にしたがったＤＣレベルとなろうとする。入射する光が
少ないと、ＡＰＤ２９２における光電流は、減少し、２つの２０ｋΩ抵抗端の電
圧降下は、減少し始める。２つの２０ｋΩ抵抗端の電圧降下が小さくなればなる
ほど、ＡＰＤ２９２端の電圧が上昇し、これにより、光電流のＡＰＤ増幅度が上
昇する。このような増幅度の増大により、増幅信号により電圧増幅信号が十分な
電流を与えて電圧の上昇を停止するまで、２つの２０ｋΩ抵抗に流れる電流の変
化が最小とされる。２０ボルト基準からのＤＣ電圧に加えて、ＰＬＬ２２８から
の接続により、高周波（１００ＭＨｚ）信号２８９がＡＰＤ２９２のカソードへ
送られる。この高周波電圧をＡＰＤ２９２の高側に加えることにより、５１Ω抵
抗から取り出される低側信号は、ＡＰＤ２９２の比較的に低い容量によって高周
波信号２８９から分離される。これにより、バッファ増幅器２９７が取り扱うべ
き高周波信号２８９の振幅が減少させられる。

【００３６】図１０は、周波数発生器２２０のプルドクリスタルクロックまたは電圧制御ク
リスタル発振器２５２の好ましい実施例を例示している。距離測定計算ターゲット１２までの距離ｄを、光（ｃ）の速度を、伝送されたビーム２０８
がターゲットまで伝播するのにかかる時間（すなわち、光学の同軸構成のゆえに
、受信されたビーム２１２がターゲットから伝播するのにかかる時間）で乗算す
以下の公式１によって要約される。光の速度は既知である（そして、環境センサ４０２によって測定される周囲の状
況によってわずかに変化する）ので、ターゲットまでの時間（もしくはターゲッ
度に影響する時間遅延がある。従って、システム２００のこのような時間遅延の
各々が分離される。それから、各々の個々の時間遅延が全体遅延および計算の精
度に影響しているかどうかが決定される。以下の表1は、代表的な個々の時間遅延を表にしたものである。

【表１】

【００３７】全ての電気遅延Ed1−Ed5は一定値であると仮定して、一定の時間遅延（T_d）を表
すことができる（これらの電気遅延は、以下で説明するように、例えば、温度で
変わるかもしれないけれども）。２つの光学遅延Od1、Od2は変数であり（ターゲ
ットまでの距離dによって変わる）、実質的に等しいと仮定することができる（システムの同軸配置のために）。光学遅延Od1、Od2は共に加算されて、可変の時
この公式を以下のように書くことができ、以下でより詳細に説明する。更に図Ａに関して、以下によって表すことができる0°位相差異を生成するナル変調周波数を測定する時に、時間遅延が測定される。 Nは既知でないかもしれないけれども、上記の公式は、時間遅延（そして、従っ同様に、180°位相差異（すなわち、二分の一波長差異）の場合、時間遅延は以下の通りである。そして、270°位相差異（すなわち、四分の三波長差異）の場合、時間遅延は以下の通りである。これらの公式では、K、M、およびLは整数である。公式３および５は以下と同等とみなすことができる。これは以下の公式を生じる。残りの公式を同様に同等とみなして、以下を生じる。全体遅延を計算するために、Nを先の６つの公式において解くことができる。N
ターゲットまでの時間＝（全体遅延−一定の遅延）/2 サンプルの計算例えば、位相角０°及び９０°に対する周波数f₀、f₉₀が以下の値になるように決定されたと考える。 f₀=137.620850 MHz f₉₀=144.105000 MHz 従って、 f₀/f₉₀=1.047116116 である。上記の方程式５から、以下の関係が決定される。 f₀/f₉₀=(K+1/4)/N=1.047116116 次に、1.047116116に最も近い値を生じる、K及びNに対する整数値を決定する必要がある。表２は、K及びNの組に対する値を表にまとめたものである。0.5と2.0
の間の値のみが有効な比率であることに注意する。

【００３８】

【表２】

【００３９】表２から分かるように、K=5及びN=5のときの比率(K+1/4)/N=1.05がf₀/f₉₀の正
確な比率に最も近い。真空と考えると、光速cは、毎秒299,792,458メータに等し
い。次に上記の方程式４から、およその距離d_cは以下のように計算することがで
きる。 d_c=N×(c/f₀)÷2 d_c=5×(299,792,458/137,620,850)÷2 d_c=5.445987メータ図１２を更に参照すると、本発明の光学システム３０８の他の形態が示されて
いる。光源３１０は、伝播ビーム３１２の部分がターゲット１２及び基準センサ
に入射するようにビームスプリッタ３１４によって分割される伝播ビーム３１２
を提供する。反射ビーム３１８は、レンズ３２０により収束され、ターゲットセ
ンサ３２２上で焦点に集める。基準センサ３１６及びターゲットセンサ３２２は
、上記のものに類似するターゲットへの距離を計算する際に使用するために、そ
れぞれ基準信号３２４及びターゲット信号３２６を処理回路３２８に提供する。
光学システム３０８は、好適には、ユーザによって所望のように位置させること
ができる、自給型のポータブルなユニットである。複数の光学システム３０８を
、大きいターゲットに対する迅速なデータ生成及び収集のための単一のデジタル
化装置として提供することができる。例えば、部屋には、従来の装置の場合のよ
うな数時間あるいは数日ではなく数秒の事として航空機の主翼をデジタル化する
ための、４又は６個の光学システム３０８を置くことができる。他には、ポータ
ブルな光学システム３０８は、コンピュータ数値制御(computerized numericall
y controlled, CNC)フライス盤(milling machine)のツールライブラリの中の１つのツールとして、製造工程中に統合することができる。そのような統合によっ
て、製造者は、部品を機械の台から取り外すことなく部品を保証する(certify) ことができ、それにより製造工程の速さはかなり増大する。

【００４０】図１３を更に参照すると、本発明の速さを更に増大させるように、伝播ビーム
３１２を関節によりつなぐ(articulate)ための二軸光学装置３３０が提供される
。光学装置３３０は、それぞれが回転可能なミラー３３６及び３３８をそれぞれ
有する、ｘ−軸関節ユニット３３２及びｙ−軸関節ユニット３３４を含む。光学
装置３３０は、ターゲット１２上の所望の位置に伝播ビーム３１２を「向ける(s
teer)」。ターゲットへの距離を計算する際のデータを生成及び収集するために、コンピュータ３４０の制御下で、伝播ビーム３１２をターゲット１２の表面を
横切って、走査すなわち「ラスタ走査(raster)」させることができる。反射した
ビームは、好適には、ミラー３３６及び３３８の使用を通じて、同軸状に収集さ
れる。そのような光学装置３３０を実施することにより、非常に短い時間の期間
中に大量のデータを生成及び収集することができる。次に、収集されたデータを
、コンピュータ４００又は他の分析システムによってターゲット１２をデジタル
化する際に使用することができる。

【００４１】当業者は、上記の本発明の実施形態は本発明の原理を例示するものであり、特
に示して説明したそれらの好適な実施形態に本発明の範囲を限定するものではな
いことを、理解するであろう。例示の実施形態は、添付の請求項中に定義された
ような本発明の範囲内に同じく入る、多くの代替及び改変をつくることができる
基礎を提供する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による距離測定システムの実施例の概略図である。

【図２】図１の距離測定システムの詳細図である。

【図３】本発明による距離測定システムの校正ユニットの実施例の通常モード
の概略図である。

【図４】校正モードを示す図３に近似した概略図である。

【図５】本発明による距離測定システムの他の実施例の概略図である。

【図６】図５の距離測定システムの概略図である。

【図７】図５の距離測定システムの処理回路の好適な実施例の概略図である。

【図８】本発明により距離を測定する方法を示すフローチャートである。

【図９】本発明のフォトダイオードドライバーミキサー回路の好適な実施例の
概略図である。

【図１０】本発明の水晶時計の好適な実施例の概略図である。

【図１１】本発明の位相検出原理を示す図である。

【図１２】本発明の距離測定装置の実施例の概略図である。

【図１３】本発明の２ミラー走査装置の実施例の概略図である。

【図１４】従来の三角測量技術の概略図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者ハーディージェームズエムアメリカ合衆国ニューメキシコ州 87107 アルバカーキノースイーストミッションアベニュー 547 Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA06 AA53 BB05 CC11 DD02 DD06 FF13 GG06 HH13 JJ01 JJ09 JJ18 LL00 LL12 LL62 MM16 NN08 QQ03 QQ47 QQ51 UU01 UU02 UU05 5J084 AA04 AA05 AB01 AB03 AC07 AC08 AD01 AD02 BA04 BA36 BA43 BA44 BA50 BA52 BB02 BB04 BB14 BB27

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】目標物への距離を測定する装置であって、変調周波数を発生する調整周波数発生器と、前記周波数発生器に接続され、前記変調周波数で前記目標物に対して放射光ビー
ムを放射する光源と、前記目標物から反射されたビームが、反射周波数を有しており、この反射ビーム
を受信する目標物センサと、前記周波数発生器と目標物センサとに接続され、前記変調周波数と反射周波数を
受信し、前記変調周波数と前記反射周波数との間の位相角の出力指標を与える位
相検出器と、前記位相検出器と、前記周波数発生器に接続されたコンピュータとを有し、該
コンピュータが、前記変調周波数を、前記変調周波数と前記反射周波数との間の
ゼロ位相差を生じる第１周波数に調整し、前記変調周波数を、前記変調周波数と
前記反射周波数との間で所定の非ゼロ位相差を生じる第２の周波数に調整し、前
記第１及び第２周波数から前記目標物への前記距離を算出するコンピュータとを
備えたことを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】前記非ゼロ位相差がそれぞれ９０度である請求項１に記載の装置。
【請求項３】前記放射ビームと前記反射ビームとが実質的に同軸であることを特
徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】前記目標物センサが前記周波数発生器及び位相検出器に接続された
バイアスネットワークと、前記バイアスネットワークに接続され、前記反射ビームを受信するアバランチ
光ダイオードと、前記バイアスネットワークは、変調周波数と前記反射周波数とを混合し、異な
る周波数を発生し、前記異なる周波数を前記位相検出器に供給するようになって
いることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】目標物への距離を測定する方法であって、調整可能な変調周波数を発生し、前記変調周波数において放射ビームを前記目標物に放射し、前記目標物からの反射周波数を有する反射ビームを受信し、前記反射周波数をモニターして前記変調周波数と反射周波数との間の位相差決定し、前記変調周波数を、前記変調周波数と前記反射周波数との間のゼロ位相差を生
じる第１周波数に調整し、前記変調周波数を、前記変調周波数と前記反射周波数との間で所定の非ゼロ位
相差を生じる第２の周波数に調整し、前記第１及び第２周波数から前記目標物への前記距離を算出するステップから
なることを特徴とする距離測定方法。
【請求項６】前記受信するステップが、放射ビームと実質的に同軸の関係にある
前記反射ビームを受信することを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】前記非ゼロ位相差がそれぞれ９０度であることを特徴とする請求項
５に記載の方法。
【請求項８】目標物への距離を測定する装置であって、変調周波数を発生する調整周波数発生器と、前記周波数発生器に接続され、前記変調周波数で前記目標物に対して放射光ビー
ムを放射する光源と、前記目標物から反射されたビームが、反射周波数を有しており、この反射ビーム
を受信する目標物センサと、前記周波数発生器と目標物センサとに接続され、前記変調周波数と反射周波数を
受信し、前記変調周波数と前記反射周波数との間の位相角の出力指標を与える位
相検出器と、前記位相検出器と、前記周波数発生器に接続されるコンピュータを有し、該コ
ンピュータが、前記変調周波数を、前記変調周波数と前記反射周波数との間の第
１の所定の非ゼロ位相差を生じる第１周波数に調整し、前記変調周波数を、前記
変調周波数と前記反射周波数との間で第２所定の非ゼロ位相差を生じる第２の周
波数に調整し、前記第１及び第２周波数から前記目標物への前記距離を算出する
コンピュータとを備えたことを特徴とする距離測定装置。
【請求項９】前記第１及び第２の非ゼロ位相差がそれぞれ９０度であることを特
徴とする請求項８の装置。
【請求項１０】目標物への距離を測定する方法であって、調整可能な変調周波数を発生し、前記変調周波数において放射ビームを前記目標物に放射し、前記目標物からの反射周波数を有する反射ビームを受信し、前記反射周波数をモニターして前記変調周波数と反射周波数との間の位相差決定し、前記変調周波数を、前記変調周波数と前記反射周波数との間の第１の所定の非
ゼロ位相差を生じる第１周波数に調整し、前記変調周波数を、前記変調周波数と前記反射周波数との間で所定の第２の所
定の非ゼロ位相差を生じる第２の周波数に調整し、前記第１及び第２周波数から前記目標物への前記距離を算出するステップから
なることを特徴とする距離測定方法。
【請求項１１】前記第１及び第２の非ゼロ位相差がそれぞれ９０度であることを
特徴とする請求項１０に記載の装置。