JP2004077479A

JP2004077479A - レーザ測距装置及びレーザ測距方法

Info

Publication number: JP2004077479A
Application number: JP2003291643A
Authority: JP
Inventors: Torsten Gogolla; トルステン　ゴゴッラ; Andreas Winter; アンドレアス　ヴィンター; Helmut Seifert; ヘルムート　ザイフェルト
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH; Hilti AG
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH; Hilti AG
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2004-03-11
Also published as: US20040105087A1; US7023531B2; EP1388739A1

Abstract

【課題】測定ビームにおける混変調成分により生じる測定誤差を低減することのできるレーザ測距装置及びレーザ測距方法を提案する。
【解決手段】本発明に係るレーザ測距装置（１）では，高周波で強度変調した測定ビーム（３）を放射するためのレーザダイオード（４）を，高周波信号を発生するための信号発生ユニット（SEE）に接続する。測定対象（５）において反射した測定ビーム（３）を受けるための受光センサ（８ａ）を，反射により強度変調された測定ビーム（３）の位相情報を含む低周波の位相経時信号（S1）を発生するための高周波復調器（１３）に接続する。測定対象（５）までの距離（D）を位相経時信号（S1）から算定するために，マイクロコントローラ（μC）を高周波復調器（１３）と接続する。混変調成分を求めるために，マイクロコントローラ（μC）を，測定ビーム（３）内に配置した制御用光センサと接続する。
【選択図】図１

Description

　本発明は，位相変化の経時測定原理に基づいて強度変調された測定ビームを使用するレーザ測距装置及びレーザ測距方法に関するものである。

　位相の経時変化測定原理に基づいて強度変調された測定ビームを使用するレーザ測距装置は，明確な目標マークがなくとも使用可能なため，物理的な表面を対象とする測定に好適である。発光ダイオードから測定対象を経て受光ダイオードに至るまでの距離を求めるため，通常，発光ダイオードから放射される測定ビームは強度が変調される。この場合には，高周波領域の測定周波数を有する測定信号が測定ビームに重畳される。多くの高精度レーザ測距装置では，周期的に強度変調されるレーザビームを放射する位相経時方式が採用されている。測定区間又は参照区間に沿って検出された周期的な２つの，位相が経時的に変化する信号（以下，「位相経時信号」と称する。）に係る位相差を測定することにより，距離を求める。参照区間は，低い中間周波数に引き下げられても維持される。数ｍｍの精度下で数１００ｍまでの範囲内で距離を測定できるため，建設，手工業，プラント製造等の分野で多くの用途があり，重用されている。このような応用分野では，広い距離範囲内での高精度測定が要求されており，レーザ測距における測定誤差の原因を除去又は抑制することが不可欠である。特に，測定ビーム内で低周波及び高周波の混変調成分からなるノイズを抑制する必要がある。測定周波数ｆ_Ｍが１ＧＨｚオーダ等の極めて高い周波数領域に含まれる場合，上述した混変調成分は不可避であるか，回避可能とするためにコストが増加する。更に，混変調成分は温度及び時効依存性を有するため，初期校正や修正表の使用では誤差を十分に排除することができない。

ドイツ特許出願公開第１０００６４９３号公報ヨーロッパ特許第６０１８４７号明細書ヨーロッパ特許第４３９０１１号明細書

　ドイツ特許出願公開第１０００６４９３号公報（特許文献１）に開示されているように，１００ｍを超える距離範囲での精密測定には，１ＧＨｚオーダの高周波数領域における複数の測定周波数，通常は３種以上の測定周波数が使用される。

　ヨーロッパ特許第６０１８４７号明細書（特許文献２）は，レーザビームの線形周波数変調に基づくレーザ測距装置を記載している。この測距装置では，周波数変調における非線形性を除去するため，レーザ測定信号をレーザローカル発振信号と光学的にミキシングし，両レーザ信号間の周波数差をもって振動する電気的調整信号を発生させる。マイクロコントローラからの制御信号により，電気的調整信号のスペクトルにおける直交変調を行って側波帯を抑制する。さらに、レーザ周波数における測定された非線形性を予め補正しておくため，マイクロコントローラにより修正信号を発生すると共に一時的に記憶したトラッキング／停止信号を発生して，測定された誤差信号を実質的に無視しえるレベルに保持する。

　ヨーロッパ特許第４３９０１１号明細書（特許文献３）に開示されたレーザダイオードは，９０°ずつ位相をシフトさせた４つの高周波信号により連続的に変調される。受光器内でそれぞれの受光信号に対応する発振信号を乗じて，４つの直流信号を発生させる。４つの方程式を基づき，ノイズとなる直流成分及び信号振幅を消去し，位相シフト量又は信号の経時変化及び距離を確定する。受光器の後方に配置した近似フィルタを，その帯域幅についてマイクロコントローラで制御する。トランスミッタのドライバ回路により，レーザダイオード電流と放射された光出力とを調整する。レーザダイオードの直流動作点により光出力を制御するため，レーザダイオードは，ハウジング内にモニタ用光ダイオードを具える。このモニタ用光ダイオードにより，レーザダイオードの平均初期光出力を常に測定して，アナログ比例積分（ＰＩ）制御系により調整する。レーザダイオード又は近似フィルタの直流動作点調整は，ノイズの抑制には不適当である。

　本発明の課題は，測定ビームにおける混変調成分により生じる測定誤差を低減可能とするレーザ測距装置及びレーザ測距方法を提案することにある。

　この課題を解決するため，本発明は，独立請求項１及び８に記載した事項を特徴とするものである。また，好適な実施形態は，従属請求項に記載したとおりである。

　すなわち，本発明によるレーザ測距装置は，高周波で強度変調した測定ビームを放射するためのレーザダイオードと，測定対象で反射した測定ビームを受けるための少なくとも１個の受光センサと，位相経時信号から測定対象までの距離を算定するためのマイクロコントローラとを具え，前記レーザダイオードを，高周波信号を発生するための信号発生ユニットと接続し，前記受光センサを，測定対象で反射して強度変調された測定ビームの位相情報を含む低周波の位相経時信号を発生するための高周波復調器と接続し，高周波復調器に前記マイクロコントローラを接続したレーザ測距装置において，測定ビームの光路内に配置した制御用光センサにより検出して変調したレーザダイオードからの測定ビーム中の少なくとも低周波変調成分をマイクロコントローラに供給して，スプリアス変調成分の値を求めることを特徴とするものである。

　本発明において，測定ビームの光路中に配置した制御用光センサは，付加的な光センサ又は複合機能を有する受光センサとして構成することも可能である。このような制御用光センサは，もっぱら低周波信号伝達を行うためにマイクロコントローラに直結するか，あるいは増幅器を介してマイクロコントローラに間接的に接続することができる。この制御用光センサにより，測定ビームにおける混変調を示す低周波変調成分の信号処理を行って数値を求める。この場合，もっぱら低周波信号伝達をおこなうように接続することは，その周波数が例えば測定ビームの変調周波数の１０００分の１未満である信号のみを伝達することを意味する。

　制御用光センサは，レーザダイオードに内蔵したモニタ用光ダイオードとして構成するのが有利である。モニタ用光ダイオードは，レーザダイオードにおける標準部品として出力調整及び出力モニタのために使用可能であり，その伝達特性に鑑みて低速型のものとすることができる。

　マイクロコントローラによる制御パラメータを用いた制御方法により測定ビームの混変調成分を最小化するため，制御用光センサ，マイクロコントローラ，信号発生ユニット，レーザダイオード及び測定ビームにより制御回路を形成するのが有利である。

　信号発生ユニットを直交変調器として構成する場合，マイクロコントローラと信号発生ユニットとの間にマイクロコントローラにより制御可能な少なくとも１個の振幅制御手段，例えば制御可能な増幅器，制御可能な抵抗又は制御可能なデジタル・アナログ変換器等を配置するのが有利である。それにより，直交変調に必要とされる２つの低周波信号において，ゲインをマイクロコントローラにより制御することが可能となる。更に，マイクロコントローラ制御可能とする位相制御手段，例えば制御可能な位相調整器等を付加的に配置するのが有利である。両低周波信号間で，直交変調に必要な位相状態に係る非対称性をマイクロコントローラにより制御することが可能となるからである。このような構成により，混変調成分を示す最小のノイズ側波帯を調整することが可能となる。

　少なくとも１個の振幅制御手段を，直流成分に関して制御可能とするのが有利である。この場合，直交変調に必要な少なくとも１個の低周波信号につき，マイクロコントローラによる直流成分の制御が可能であり，混変調成分を示す最小の残留キャリヤが調整可能である。

　本発明によるレーザ測距方法は，低周波信号を発生させる第１ステップと，該低周波信号に基づいて，高周波ミキサ信号及び高周波測定信号を発生させ，その際に該高周波ミキサ信号及び高周波測定信号をミキシングして得られた低周波変調信号を、第１ステップで発生させた低周波信号に対して位相ロックする第２ステップと，高周波測定信号を、レーザダイオードから変調された測定ビームを介して放出すると共に，離間した測定対象において反射させる第３ステップと，反射させた測定ビームを時間的にシフトさせて受光センサに入射させ，時間的にシフトさせた高周波測定信号を高周波ミキサ信号により復調する第４ステップと，該高周波測定信号の復調により得られた低周波の位相経時信号をマイクロコントローラに供給して測定対象までの距離を算出する第５ステップとを具える測定方法において，前記第3ステップで，制御用光センサにより検出して変調したレーザダイオードからの測定ビーム中の少なくとも低周波変調成分をマイクロコントローラに供給して，スプリアス変調成分の値を求めることを特徴とするものである。

　本発明による測距方法は，マイクロコントローラにおいて，放射された測定ビームにおける混変調成分を示す低周波変調成分を信号処理することにより実行可能である。

　第３ステップを，マイクロコントローラにより制御されたフィードバックループを経て第１ステップにフィードバックするのが有利である。この場合，低周波信号はマイクロコントローラにより，例えば，信号形態，位相及び／又は振幅に係る混変調成分の最小化のために変調するものである。

　第１ステップで９０°だけ位相をシフトさせた２つの低周波信号を発生させ，これらの低周波信号を第２ステップで高周波測定信号及び高周波ミキサ信号に直交変調するのが有利である。この直交変調に際しては，キャリヤ抑制を伴う片側波変調が達成される。

　第２ステップではマイクロコントローラにより少なくとも一方の低周波信号を振幅及び／又は位相に関して制御するのが有利である。この場合，両低周波信号間の対称差は，混変調成分として有効な残留キャリヤ及び不所望な側波帯を引き起こすが，これを調整することが可能となる。

　第１ステップで，書込命令に基づいてフィードバックにおける実際の制御パラメータを不揮発性メモリに書き込み，かつ，不揮発性メモリに書き込まれた制御パラメータを，読出命令に基づいて初期値として使用するのが有利である。

　以下，本発明を図示の実施形態について更に具体的に説明する。

　図１に示すように，本発明に係るレーザ測距装置１においては，コリメータ光学系２により収束されたレーザダイオード４からの測定ビーム３を，測定対象５に向けて照射する。測定ビーム３は，測定対象の表面上に光斑６を生じる。この光斑６から生じる散乱光は，受光光学系７により第１受光センサ８ａとしての光ダイオードの感光面上に合焦される。測距装置１から測定対象５までの距離Dを求めるために，高周波の測定信号９をレーザダイオード４の測定ビーム３に重畳する。測定方法としては，周期的に強度変調したレーザビームを放射する位相経時方式を使用する。測定周波数ｆ_Mとする信号発生ユニットSEEの測定信号９がトランスミッタ１０に衝突する。放射された光出力はトランスミッタ１０のレーザダイオード・ドライバ１１により，レーザダイオード電流により変調される。放射された測定ビーム３は，測定すべき距離Dを往復して第１受光器１２ａにおける第１受光センサ８ａの受光面に到着し，そこで等価光電流に変換される。位相の参照用として，放射された測定ビーム３を，スプリッタ２３を介して部分的には装置内で既知の長さの参照区間を通過させ，第２受光器１２ｂにおける光ダイオードよりなる第２受光センサ８ｂの受光面に導かれ，そこで同様に等価光電流に変換される。光電流は，其々の受光器１２ａ，１２ｂで増幅され，ミキサとして形成した高周波変調器１３でミキサ周波数ｆ_ＬＯのミキサ信号と混合される。中間周波数ｆＺＦは周波数差　ｆ_Ｍ−ｆ_ＬＯに一致する。信号発生ユニットSEEのミキサ周波数ｆ_ＬＯは，測定信号９の測定周波数ｆ_Mから僅かに相違する。したがって，低域フィルタを経た第１，第２受光機１２ａ，１２ｂの混合ステップにより，中間周波数ｆ_ＺＦとする低周波の第１，第２位相経時信号S1，S2は，マイクロコントローラに内蔵したアナログ・デジタル変換器AD1，AD2によりデジタル化され，マイクロコントローラμCに導かれる。マイクロコントローラμCは位相経時信号S1，S2間の位相差を確定し，そこから測定すべき距離Dを算定する。測定ビーム３の低周波の変調成分を検出するために，第２受光器１２ｂの第２受光センサ８ｂにおける高周波変調器１３の前で変換された低周波の受光用光ダイオード電流を低周波のコントロール信号１５として増幅し，マイクロコントローラに内蔵したアナログ・デジタル変換器AD3を介してマイクロコントローラμCに導いて評価する。デジタル変調信号I，Ｑを介して，測定周波数ｆ_Ｍの測定信号９とミキサ周波数ｆ_ＬＯのミキサ信号１４とを生じる信号発生ユニットSEEを操作することにより，測定ビーム３内の混変調成分を最小化する。

　図示しない変形例では，光ダイオード自体を光電ミキサとして使用し，その出力電圧にミキサ信号１４が重畳されているため，光ダイオードの感度はミキサ信号に従って調整される。

　図２に示す信号発生ユニット（SEE）において，ミキサ周波数ｆ_ＬＯのミキサ信号１４を発生する高周波のミキサ周波数発振器１６だけが使用される。直交変調器IQでは，中間周波数ｆ_ＺＦにより位相角９０°とする低周波の２個の変調信号I，Qでミキサ信号の直交変調が行われる。これにより，周波数が中間周波数ｆ_ＺＦだけシフトした位相固定的な測定信号９が測定周波数ｆ_Ｍ＝ｆ_LO−ｆ_ＺＦとして発生する。ここで，数式（１）で表される低周波の変調信号Ｉに数式（２）で表されるミキサ周波数ｆ_ＬＯのミキサ信号１４を乗じて数式（５）を得ると共に，数式（３）で表される低周波の変調信号Ｑに数式（４）で表されるミキサ周波数ｆ_ＬＯ，位相角９０°のミキサ信号１４を乗じて数式（６）を得る。さらに，このようにして得られた数式（５）及び数式（６）を加算して数式（７）を得る。

数式（７）において、同一振幅Ｃ，周波数ｆ_ＬＯ−ｆ_ＺＦである所望の側波帯の同相成分，周波数ｆ_ＬＯ＋ｆ_ＺＦである不所望の逆相成分，直流成分のない変調信号Ｉ，Ｑ等が理想的な状況であれば，周波数ｆ_ＬＯ＋ｆ_ＺＦの側波帯及び高周波ｆ_ＬＯのキャリヤが正確に抑制される。

　実際には，振幅，位相，直流成分に係る条件はパラサイト効果のために与えられず，不所望の側波帯及びキャリヤの残留部分が維持される。測定ビーム３は，所望の下方側波帯の測定周波数ｆ_Ｍ＝ｆ_ＬＯ−ｆ_ＺＦである数式（８）で示す測定信号９と，不所望の上方側波帯の周波数ｆ_ＬＯ＋ｆ_ＺＦである数式（９）で示すノイズ成分と，キャリヤ周波数ｆ_ＬＯである数式（１０）で示すノイズ成分とで変調される。

　レーザダイオード４の非線形特性により，測定ビーム３には，周波数ｆ_Ｍ＝ｆ_ＬＯ−ｆ_ＺＦ，ｆ_ＬＯ＋ｆ_ＺＦ及びｆ_Ｍ＝ｆ_ＬＯとする高周波の変調成分のみならず，周波数ｆ_ＺＦ及び２・ｆ_ＺＦとする低周波の変調成分も発生する。

　測定ビーム３には表１に示す変調成分が含まれるが，その一部は有効信号又はノイズ成分である：

　第１変調成分Ｍ１は，光出力振幅Ｐ１の有効信号である。第２，第３変調成分Ｍ２，Ｍ３は，実際の直交変調から生じるものである。第４変調成分Ｍ４は，第１変調成分Ｍ１に第３変調成分Ｍ３を混合したものからレーザダイオード４の非線形性により生じ，第５変調成分Ｍ５は第１変調成分Ｍ１と第２変調成分Ｍ２との混合により生じる。光出力振幅Ｐ1は，通常，光出力振幅Ｐ2〜Ｐ5よりも相当に大きい（＞３０ｄＢ）。

　受光器で検出した後，測定ビーム３の変調成分は，ミキサ周波数ｆ_ＬＯのミキサ信号１４と混成する。ローパスフィルタを経て，第1変調成分１は，中間周波数ｆ_ＺＦ及びＺＦ‐振幅Ａ_ＺＦ１とするの有効信号ＮＳを供給し，第２変調成分Ｍ２は同じ中間周波数ｆＺＦ及び振幅Ａ_ＺＦ２の混成信号を供給する。第３変調成分Ｍ３は，ノイズとはならない直流信号を送る。低周波の第４，第５変調成分Ｍ４，Ｍ５は，混成せずに受光器から出力する。中間周波数ｆ_ＺＦ及び振幅Ａ_ＺＦ４の第４変調成分Ｍ４もノイズ成分となる。第４変調成分Ｍ４は第３変調成分Ｍ３から派生するため，第３変調成分Ｍ３も間接的に測定誤差に関与する。低周波領域で有効信号の中間周波数ｆ_ＺＦとする混成信号を発生する全ての変調成分は，測距誤差△Ｄを生じ，第２，第４変調成分Ｍ２，Ｍ４の最大測距誤差は数式（11）で表すことができる。

　ここで，ｃは光速，ｆ_Ｍはレーザダイオード４の測定周波数である。更に，ノイズ成分の振幅Ａ_ＺＦ2，Ａ_ＺＦ4は有効信号の振幅Ａ_ＺＦ1より著しく小さい。例えば，２５ｄＢの有効信号に対してノイズ成分成分として有効な変調成分Ｍ２又はＭ４を抑制する際に，ｆ_Ｍ＝１ＧＨｚの測定周波数では最大誤差△Ｄ＝±１．３ｍｍが見込まれる。

　測定周波数ｆ_Ｍ及びミキサ周波数ｆ_ＬＯは，中間周波数ｆ_２Ｆに対応する量だけ周波数がシフトする。上記の説明においては，測定周波数ｆ_Ｍ＝ｆ_ＬＯ−ｆ_ＺＦの下方側波帯を測定信号９として使用している。混変調成分として有効な高周波の第2，第3変調成分Ｍ２，Ｍ３は，変形例Ａにおいて周波数ｆ_Ｍ＋ｆ_ＺＦ＝ｆ_ＬＯ及びｆ_Ｍ＋２・ｆ_ＺＦ＝ｆ_ＬＯ＋ｆ_ＺＦとなる。別の変形例Ｂとして，変調周波数ｆ_Ｍ＝ｆ_ＬＯ＋ｆ_ＺＦの上方側波帯を測定信号９として使用することもできる。混変調成分としては，周波数ｆ_Ｍ−ｆ_ＺＦ＝ｆ_ＬＯ及びｆ_Ｍ−２・ｆ_ＺＦ＝ｆ_ＬＯ−ｆ_ＺＦとなる。表２に上記変形例Ａ，Ｂに関連する周波数を示す。

　図３に示す別の変形例において，信号発生ユニットＳＥＥでは制御電圧に依存する２個の発振器ＶＣＯ１，ＶＣＯ２を，ミキサ周波数ｆ_ＬＯの混合周波数発振器１６及び周波数ｆ_Ｍの測定発振器１７として使用する。これらの発振器１６，１７は，それぞれ位相制御ループＰＲ１，ＰＲ２により周波数又は位相を固定し，低周波の基準発振器１８と接続する。中間周波数ｆ_Ｍは，両高周波信号間の周波数差に一致する。測定ビーム３は，測定周波数ｆ_Ｍの測定信号９に加えて，比較的小出力の，周波数ｆ_Ｍ±ｎ・ｆ_ＺＦ（ｎ＝１，２，３・・・）とする位相調整のために測定発振器１７で発生させる混変調成分により変調する。

　混変調成分として有効な変調成分Ｍ２〜Ｍ５は，図３に示す２個のＶＣＯ及び位相制御回路による信号発生のみならず，図２に示す直交変調による信号発生においても存在する。上述のように，ノイズとなる高周波の第２，第３変調成分Ｍ２，Ｍ３は，測定ビーム３内にレーザダイオードの非線形特性により，中間周波数ｆ_ＺＦ及び２倍の中間周波数２・ｆ_ＺＦとする第４，第５変調成分Ｍ４，Ｍ５を生じる。

　図４は，マイクロコントローラμＣ，トランスミッタ１０及び信号発生ユニットＳＥＥの制御回路のみを示す。測定ビーム３における低周波変調成分は，レーザダイオード４のモニタ用光ダイオードとして形成した制御用光センサ８ｃにより検出し，変調された測定ビーム３の一部を，伝達特性の遅いモニタ用光ダイオードの受光面において検出する。モニタ用光ダイオードは，初期光出力を調整するためにレーザダイオードのハウジング内に収められている。コントロール信号における低周波の交流成分を，ハイパスフィルタ１９により直流成分から分離して増幅し，マイクロコントローラに内蔵したアナログ‐デジタル変換器ＡＤ3でデジタル化してからマイクロコントローラμＣに供給する。マイクロコントローラμＣにより，デジタル化した低周波の交流成分から中間周波数ｆ_ＺＦ及び２倍の中間周波数２・ｆ_ＺＦとするノイズになる第４，第５変調成分Ｍ４，Ｍ５を求める。マイクロコントローラμＣは，図２に示す直交変調のために，低周波のデジタル変調信号Ｉ，Ｑを発生する。変調信号Ｉ，Ｑの位相ψ1，ψ2は，マイクロコントローラμＣのタイミングにより調整する。変調信号Ｉ，Ｑの振幅Ａ₁，Ａ₂は，マイクロコントローラμＣにより制御される減衰器２２により変化させる。変調信号Ｉ，Ｑの位相及び振幅調整により不所望の側波帯を抑制することにより，コントロール信号１５で２倍の中間周波数２・ｆ_ＺＦの第５変調成分Ｍ５及び不所望の側波帯を消滅させる。変調信号Ｉ，Ｑをそれぞれ数式（１２）及び数式（１３）で表せば，数式（９）で表される不所望の側波帯は実際には数式（１４）で表される。

ここで，α１，α２は非対称性から生じる不同の定数，υ1，υ2は対応する位相誤差である。不所望の側波帯とは，ノイズ成分となる第２変調成分Ｍ２又は２倍の中間周波数２・ｆ_ＺＦとする低周波の第５変調成分Ｍ５であり，これは数式（１５）及び数式（１６）で示す条件として除去される。

これらの条件は，マイクロコントローラμＣによる変調信号Ｉ，Ｑの振幅変化及び／又は位相変化に基づく混変調成分により機能的に充足することができる。マイクロコントローラμＣで変調信号Ｉ及び／又は変調信号Ｑの直流成分を変化させることにより，コントロール信号１５における中間周波数ｆＺＦのノイズとなる第４変調成分Ｍ４及びキャリヤも同様に最小化される。そのために必要となる変調信号Ｉ，Ｑの位相，振幅及び直流電圧値は，直前の測定に係る制御パラメータとしてマイクロコントローラμＣの不揮発性メモリに記憶される。測距に先立ち，低周波の第４，第５変調成分Ｍ４，Ｍ５のコントロール測定及び所要に応じて調整を行う。コントロール信号におけるハイパスフィルタにより分離した低周波の交流成分の他に，コントロール信号の直流成分をマイクロコントローラに内蔵されているアナログ・デジタル変換器ＡＤ4を介してマイクロコントローラμＣに供給する。直流成分の評価は，混変調の低減又は誤差の低減のためには重要でない。この直流成分は，レーザダイオード４の平均初期光出力に対して決定的となる。作業者の目に対する安全性を確保するため，平均初期光出力は１ｍWを超えてはならない。マイクロコントローラμCにより，レーザダイオード・ドライバ１１による初期出力を直接的に調整・制御することができる。

　図５に示す変形例において，デジタル変調信号I，Qの振幅調整のために，それぞれ外部のデジタル・アナログ変換器DA1，DA2を使用する。位相ψ1，ψ2は，マイクロコントローラμCとのタイミングを通じて調整される。トランスミッタ１０は，レーザダイオード４及び測定ビーム３の光路中にモニタ用光ダイオードとして機能する制御用光ダイオード８ｃの他に，レーザダイオード・ドライバ１１と，レーザダイオード出力制御用の比例積分（ＰＩ）制御系２０とを具える。コントロール信号におけるハイパスフィルタ９により直流成分から分離した低周波の交流成分だけを増幅し，マイクロコントローラμCに内蔵されたアナログ・デジタル変換器ＡＤ3によりデジタル化した後，マイクロコントローラμＣに供給する。

　図６は，制御回路の別の変形例を示している。マイクロコントローラに内蔵したアナログ・デジタル変換器ＡＤ3は十分なダイナミズムを有するため，モニタ用光ダイオードのコントロール信号における低周波の変調成分は，直流成分から分離したり，別個に増幅する必要が無く，直流成分と共にマイクロコントローラμＣに供給する。トランスミッタ１０は，レーザダイオード４及びモニタ用光ダイオードの他に，レーザダイオード出力制御のためにマイクロコントローラμＣにより直接制御されるレーザダイオード・ドライバ１１を具える。信号発生ユニットＳＥＥは，位相ψ1，ψ2のみならず，変調信号Ｉ，Ｑの振幅Ａ1，Ａ2も，位相制御器としてのマイクロコントローラμＣで制御可能な外部の位相調整手段２１と，減衰器としての外部の振幅制御手段２２とにより調整可能とする。変調信号Ｉ，Ｑに共通する中間周波数ｆ_ＺＦのＺＦ信号は，付加的な発振器Ｏにより発生する。

本発明によるレーザ測距装置を示すブロック線図である。信号発生ユニットの一例を示すブロック線図である。信号発生ユニットの変形例を示すブロック線図である。制御回路の一例を示すブロック線図である。制御回路の変形例を示すブロック線図である。制御回路の変形例を示すブロック線図である。

符号の説明

１　レーザ測距装置
２　コリメータ光学系
３　測定ビーム
４　レーザダイオード
５　測定対象
６　光斑
７　受光系
８ａ　第1受光センサ
８ｂ　第２受光センサ
８ｃ　制御用光センサ
９　測定信号
１０　トランスミッタ
１１　レーザダイオード・ドライバ
１２ａ　第１受光器
１２ｂ　第２受光器
１３　高周波復調器
１４　ミキサ信号
１５　コントロール信号
１６　ミキサ周波数発振器
１７　測定発振器
１８　標準発振器
１９　ハイパス
２０　比例積分（ＰＩ）制御系
２１　位相調整手段
２２　減衰器
２３　スプリッタ

Claims

　高周波で強度変調した測定ビーム（３）を放射するためのレーザダイオード（４）と，測定対象（５）で反射した測定ビーム（３）を受けるための少なくとも１個の受光センサ（８ａ）と，位相経時信号（S1）から測定対象（５）までの距離（D）を算定するためのマイクロコントローラ（μC）とを具え，前記レーザダイオード（４）を，高周波信号を発生するための信号発生ユニット（SEE）と接続し，前記受光センサ（８ａ）を，測定対象（５）で反射して強度変調された測定ビーム（３）の位相情報を含む低周波の位相経時信号（S1）を発生するための高周波復調器（１３）と接続し，高周波復調器（１３）に前記マイクロコントローラ（μC）を接続したレーザ測距装置において，測定ビーム（３）の光路内に配置した制御用光センサ（８ｃ）により検出して変調したレーザダイオード（４）からの測定ビーム（３）中の少なくとも低周波変調成分をマイクロコントローラ（μC）に供給して，スプリアス変調成分の値を求めることを特徴とするレーザ測距装置。
　請求項１記載のレーザ測距装置において，前記制御用光センサ（８ｃ）を，レーザダイオード（４）のハウジングに内蔵したモニタ用光ダイオードで構成したことを特徴とするレーザ測距装置。
　請求項１又は２に記載のレーザ測距装置において，前記制御用光センサ（８ｃ），マイクロコントローラ（μC），信号発生ユニット（SEE），レーザダイオード（４）及び測定ビーム（３）により制御回路を形成したことを特徴とするレーザ測距装置。
　請求項１〜３の何れか一項に記載のレーザ測距装置において，前記信号発生ユニット（SEE）を直交変調器として構成し，前記マイクロコントローラ（μC）及び信号発生ユニット（SEE）の間に，少なくとも1つの振幅制御手段（２２）及び所要に応じて位相制御手段（２１）を，マイクロコントローラ（μC）により制御可能に配置したことを特徴とするレーザ測距装置。
　請求項４記載のレーザ測距装置において，前記振幅制御手段（２２）を，直流成分に関して制御可能としたことを特徴とするレーザ測距装置。
　レーザ測距装置による測距方法であって，低周波信号を発生させる第１ステップと，該低周波信号に基づいて，高周波ミキサ信号（１４）及び高周波測定信号（９）を発生させ，その際に該高周波ミキサ信号（１４）及び高周波測定信号（９）をミキシングして得られた低周波変調信号を、第１ステップで発生させた低周波信号に対して位相ロックする第２ステップと，高周波測定信号（９）を、レーザダイオード（４）から変調された測定ビーム（３）を介して放出すると共に，離間した測定対象（５）において反射させる第３ステップと，反射させた測定ビーム（３）を時間的にシフトさせて受光センサ（８ａ）に入射させ，時間的にシフトさせた高周波測定信号（９）を高周波ミキサ信号（１４）により復調する第４ステップと，該高周波測定信号（９）の復調により得られた低周波の位相経時信号（S1）をマイクロコントローラ（μC）に供給して測定対象までの距離（D）を算出する第５ステップとを具える測定方法において，前記第3ステップで，制御用光センサ（８ｃ）により検出して変調したレーザダイオード（４）からの測定ビーム（３）中の少なくとも低周波変調成分をマイクロコントローラ（μC）に供給して，スプリアス変調成分の値を求めることを特徴とする測距方法。
　請求項６記載の測距方法において，前記第3ステップを、マイクロコントローラ（μC）により制御されたフィードバックループを経て前記第1ステップにフィードバックすることを特徴とする測距方法。
　請求項６又は７に記載の測距方法において，前記第1ステップで９０°だけ位相をシフトさせた２つの低周波信号を発生させ，前記第２ステップでこれら低周波信号を高周波測定信号（９）及び高周波ミキサ信号（１４）に直交変調することを特徴とする測距方法。
　請求項８記載の測距方法において，前記第２ステップで低周波信号の振幅及び／又位相をマイクロコントローラ（μC）により制御することを特徴とする測距方法。
　請求項７〜９の何れか一項に記載の測距方法において，前記第１ステップで，書込命令に基づいてフィードバックにおける実際の制御パラメータ（ψ1，ψ2，Ａ1，Ａ2）を不揮発性メモリに書き込み、かつ、不揮発性メモリに書き込まれた制御パラメータを，読出命令に基づいて初期値として使用することを特徴とする測距方法。