JP2011013068A - 光波距離計 - Google Patents

Abstract

【課題】温度位相ドリフトを低減するとともに誤差を小さくしながら遠距離測定できる光波距離計を提供する。
【解決手段】複数の主変調周波数F₁、F₂、F₃で変調された第１の発光素子13と、前記各主変調周波数それぞれに近接した複数の傍変調周波数F₁−Δf₁、F₂−ΔF₂、F₃−Δf₃で変調された第２の発光素子14と、両発光素子から出射された光を受光する第１、第２の受光素子40、50と、第1の受光素子に接続された第１の周波数変換器群42、44、46と、第2の受光素子に接続された第2の周波数変換器群52、54、56とを備え、主変調周波数及び傍変調周波数は、それぞれの中で最も周波数の低いものF₃、F₃−Δf₃と近接した周波数の主変調周波数F₃−F₄及び傍変調周波数F₃−F₄−Δf₄に変更でき、近接法によって近接した2つの主変調周波数の差となる変調周波数F₄を用いた場合の目標反射物22までの距離も算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光波距離計に関し、さらに詳細には、発光素子から出射した光を測距光路（外部光路）と参照光路（内部光路）とに切換えるシャッターを用いない光波距離計に関する。

従来の光波距離計では、シャッターを移動させることによって、発光素子から出射した光を、目標反射物（ターゲット、反射シート又はノンプリズムの物体）まで往復する測距光路と、光源から直ちに受光素子へ向かう参照光路とを交互に切換えて距離測定することによって、光波距離計の固有な誤差を補正していた。しかしながら、シャッターの移動を伴うため、距離測定に時間にかかるうえ、低温で動きが遅くなるという短所があった。そこで、測距光路と参照光路とに切換えるシャッターを用いない光波距離計が望まれていた。

このようなシャッターを用いない光波距離計を出願人は、先に出願している（下記特許文献１参照）。そこで、この光波距離計について、図１０に示したブロック図に基づいて説明する。

この光波距離計は、レーザダイオード等の発光素子１３、１４を２つ備え、第１の発光素子１３からは周波数Ｆ_１、Ｆ_２及びＦ_３（以下、主変調周波数と呼ぶ。）で変調された光を出射し、第２の発光素子１４からは、主変調周波数Ｆ_１、Ｆ_２及びＦ_３それぞれに近接した周波数Ｆ_１−Δｆ_１、Ｆ_２−Δｆ_２及びＦ_３−Δｆ_３（以下、傍変調周波数と呼ぶ。）で変調された光を出射する。第１の発光素子１３から出射された光は、２つに分けられ、一方は測距光として、目標反射物２２までを往復する測距光路２３を経て第１の受光素子４０に入射し、他方は参照光として、第１の参照光路２６を経て第２の受光素５０に入射する。第２の発光素子１４から出射された光は、２つに分けられ、一方は参照光として、第２の参照光路３１を経て第２の受光素子５０に入射し、他方は参照光として、第３の参照光路２９を経て第１の受光素子４０に入射する。

第1の受光素子４０の出力は、主変調周波数Ｆ_１、Ｆ_２及びＦ_３の個数と同数の３つに分けられ、一つ目は第１の周波数変換器４２に入力され、２つ目は第２の周波数変換器４４に入力され、３つ目は第３の周波数変換器４６に入力される。第２の受光素子５０の出力も同じく３つに分けられ、一つ目は第４の周波数変換器５２に入力され、２つ目は第５の周波数変換器５４に入力され、３つ目は第６の周波数変換器５６に入力される。

第１の周波数変換器４２は、主変調周波数Ｆ_１で変調されて測距光路２３を経た測距光から得られた信号に、前述した主変調周波数Ｆ_１及び傍変調周波数Ｆ_１−Δｆ_１の両方に近接した局部発振周波数Ｆ_１＋Δｆ_１の信号を乗算して、周波数Δｆ_１の中間周波信号を発生させる。また、第１の周波数変換器４２は、傍変調周波数Ｆ_１−Δｆ_１で変調されて第３の参照光路２９を経た参照光から得られた信号に局部発振周波数Ｆ_１＋Δｆ_１の信号を乗算して、周波数２Δｆ_１の中間周波信号を発生させる。

第２の周波数変換器４４は、主変調周波数Ｆ_２で変調されて測距光路２３を経た測距光から得られた信号に、前述した主変調周波数Ｆ_２及び傍変調周波数Ｆ_２−Δｆ_２の両方に近接した局部発振周波数Ｆ_２＋Δｆ_２の信号を乗算して、周波数Δｆ_２の中間周波信号を発生させる。また、第２の周波数変換器４４は、傍変調周波数Ｆ_２−Δｆ_２で変調されて第３の参照光路２９Ｐを経た参照光から得られた信号に局部発振周波数Ｆ_２＋Δｆ_２の信号を乗算して、周波数２Δｆ_２の中間周波信号を発生させる。

第３の周波数変換器４６は、主変調周波数Ｆ_３で変調されて測距光路２３を経た測距光から得られた信号に、前述した主変調周波数Ｆ_３及び傍変調周波数Ｆ_３−Δｆ_３の両方に近接した局部発振周波数Ｆ_３＋Δｆ_３の信号を乗算して、周波数Δｆ_３の中間周波信号を発生させる。また、第３の周波数変換器４６は、傍変調周波数Ｆ_３−Δｆ_３で変調されて第３の参照光路２９を経た参照光から得られた信号に局部発振周波数Ｆ_３＋Δｆ_３の信号を乗算して、周波数２Δｆ_３の中間周波信号を発生させる。

第４の周波数変換器５２は、主変調周波数Ｆ_１で変調されて第１の参照光路２６を経た参照光から得られた信号に局部発振周波数Ｆ_１＋Δｆ_１の信号を乗算して、周波数Δｆ_１の中間周波信号を発生させる。また、第４の周波数変換器５２は、傍変調周波数Ｆ_１−Δｆ_１で変調されて第２の参照光路３１を経た参照光から得られた信号に局部発振周波数Ｆ_１＋Δｆ_１の信号を乗算して、周波数２Δｆ_１の中間周波信号を発生させる。

第５の周波数変換器５４は、主変調周波数Ｆ_２で変調されて第１の参照光路２６を経た参照光から得られた信号に局部発振周波数Ｆ_２＋Δｆ_２の信号を乗算して、周波数Δｆ_２の中間周波信号を発生させる。また、第５の周波数変換器５４は、傍変調周波数Ｆ_２−Δｆ_２で変調されて第２の参照光路３１を経た参照光から得られた信号に局部発振周波数Ｆ_２＋Δｆ_２の信号を乗算して、周波数２Δｆ_２の中間周波信号を発生させる。

第６の周波数変換器５６は、主変調周波数Ｆ_３で変調されて第１の参照光路２６を経た参照光から得られた信号に局部発振周波数Ｆ_３＋Δｆ_３の信号を乗算して、周波数Δｆ_３の中間周波信号を発生させる。また、第６の周波数変換器５６は、傍変調周波数Ｆ_３−Δｆ_３で変調されて第２の参照光路３１を経た参照光から得られた信号に局部発振周波数Ｆ_３＋Δｆ_３の信号を乗算して、周波数２Δｆ_３の中間周波信号を発生させる。

こうして同時に、測距光路２３に係る周波数Δｆ_１、Δｆ_２及びΔｆ_３の中間周波信号、第１の参照光路２６に係る周波数Δｆ_１、Δｆ_２及びΔｆ_３の中間周波信号、第２の参照光路３１に係る周波数２Δｆ_１、２Δｆ_２及び２Δｆ_３の中間周波信号、第３の参照光路２９に係る周波数２Δｆ_１、２Δｆ_２及び２Δｆ_３の中間周波信号の合わせて１２の中間周波信号が得られる。１２の中間周波信号をフィルタやフーリエ変換器等の適当な手段で分離し、各中間周波信号の初期位相を求めれば、目標反射物２２までの距離が光波距離計内部で発生する誤差を補正して算出される。

特願２００９−１４４４８８号

前記光波距離計によれば、測距光と参照光とを切換えるのにシャッターを用いることなく、全ての変調周波数における測距光路と参照光路に係る各中間周波信号の初期位相が同時に求まるため、従来よりも高速に距離測定を行うことができる。また、シャッターを用いないことによるコストダウンが可能になる。さらに、全ての変調周波数における測距距離と参照距離の同時測定が可能になるため、温度位相ドリフトが打ち消し合って、電気部品の温度位相ドリフトを低減できる。

しかし、前記光波距離計において、発光素子１３、１４から出射する光の主変調周波数Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３が、例えば、それぞれ７５ＭＨｚ、３．７５ＭＨｚ、２５０ｋＨｚであるとすると、それぞれの波長は４ｍ、８０ｍ、１２００ｍとなり、それぞれの測定可能な範囲は２ｍ、４０ｍ、６００ｍとなる。このため、遠距離測定の際には低い変調周波数を使用する必要があるが、数百ｋＨｚ以下の変調周波数を使用すると、空気中の微粒子からの反射量が増して、測定誤差が大きくなるため、遠距離測定には限界があった。しかし、最近では、従来よりもいっそうの遠距離測定できる光波距離計が要望されるようになってきた。

本発明は、前記要望に鑑みてなされたものであって、従来よりも、電気部品の温度位相ドリフトを低減するとともに誤差を小さくしながら遠距離測定できる光波距離計を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、請求項１に係る発明の光波距離計は、複数の主変調周波数（Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３）で変調された光を出射する第１の発光素子と、前記各主変調周波数それぞれに近接する傍変調周波数（Ｆ_１−Δｆ_１、Ｆ_２−Δｆ_２、Ｆ_３−Δｆ_３）で変調された光を出射する第２の発光素子と、両発光素子から出射された光を受光する第１の受光素子及び第２の受光素子と、第１の受光素子に接続された第１の周波数変換器群と、第２の受光素子に接続された第２の周波数変換器群とを備え、第１の発光素子から出射された光は２つに分けられ、一方は目標反射物までを往復する測距光路を経て第１の受光素子に入射し、他方は第１の参照光路を経て第２の受光素子に入射し、第２の発光素子から出射された光は２つに分けられ、一方は第２の参照光路を経て第２の受光素子に入射し、他方は第３の参照光路を経て第１の受光素子に入射し、第１の周波数変換器群及び第２の周波数変換器群は、それぞれ、前記主変調周波数と同数の周波数変換器から構成され、各周波数変換器にはそれぞれ異なる周波数の局部発振周波数（Ｆ_１＋Δｆ_１、Ｆ_２＋Δｆ_２、Ｆ_３＋Δｆ_３）の信号が入力され、該局部発振周波数は、各主変調周波数及び各主変調周波数に近接した各傍変調周波数の両方に近接した周波数とされ、前記各周波数変換器で発生させた中間周波信号を用いて目標反射物までの距離を算出するとともに、前記主変調周波数、前記傍変調周波数及び前記局部発振周波数は、それぞれの中で最も低い周波数（Ｆ_３、Ｆ_３−Δｆ_３、Ｆ_３＋Δｆ_３）は、それぞれに近接した別の周波数の主変調周波数（Ｆ_３−Ｆ_４）、傍変調周波数（Ｆ_３−Ｆ_４−Δｆ_４）及び局部発振周波数（Ｆ_３−Ｆ_４＋Δｆ_４）に変更でき、近接法によって、最も低い周波数の主変調周波数の周波数変更前後の周波数差となる変調周波数（Ｆ_４）を用いた場合の目標反射物までの距離も算出できるようにした。

請求項２に係る発明は、請求項２に係る発明の光波距離計においては、前記各中間周波信号の周波数は最も低いものに対して整数倍になっており、前記各中間周波信号はデジタル帯域フィルタによって分離されるようにした。

請求項１に係る発明の光波距離計によれば、測距光と参照光とを切換えるのに、シャッターを用いることなく、測距光路と参照光路に係る各中間周波信号の初期位相が同時に求まるため、従来よりも高速に距離測定を行うことができる。また、シャッターを省くことによるコストダウンが可能になる。さらに、本発明によれば、測距距離と参照距離の同時測定が可能になるため、温度位相ドリフトが打ち消し合って、電気部品の温度位相ドリフトを低減できる。このため、従来は、電気部品の温度位相ドリフトを少なくするため、連続測距中の発光素子を電源ＯＮに保っていたが、本発明では、測距毎に発光素子の電源をＯＮ／ＯＦＦすることが可能となって、節電を図ることができる。

さらに、本発明では、２つの主変調周波数Ｆ_３とＦ_３−Ｆ_４とを近接させているので、近接法によって、両主変調周波数の差となる変調周波数Ｆ_４を用いることなく、極めて低い変調周波数Ｆ_４を用いた場合の測距値を得ることができる。このため、誤差を小さくしながら遠距離測定できる。

請求項２に係る発明の光波距離計によれば、各中間周波信号の周波数は最も低いものに対して整数倍になっており、各中間周波信号はデジタル帯域フィルタによって分離されるようにしたから、確実に各中間周波信号を分離できて、いっそう誤差の少ない測距値が得られる。

本発明の一実施例に係る光波距離計の主要部のブロック図である。 近接した２つの周波数から両周波数の差の周波数を得る方法を説明する図である。 光波距離計において、近接した２つの変調周波数を用いて測距値を得る近接法について説明する図である。 前記光波距離計の詳細なブロック図である。 前記光波距離計の主変調周波数、傍変調周波数、中間周波数及び局部発振周波数の例を示す表である。 本発明の第２の実施例に係る光波距離計のブロック図である。 本発明の第３の実施例に係る光波距離計のブロック図である。 本発明の第４の実施例に係る光波距離計のブロック図である。 本発明の第５の実施例に係る光波距離計のブロック図である。 従来の光波距離計のブロック図である。

まず、図面に基づいて、本発明の光波距離計の第１実施例について説明する。

この光波距離計は、図１に示したように、第1の発光素子１３を主変調周波数Ｆ_１、Ｆ_２及びＦ_３で変調して発光させ、第２の発光素子１４を前記主変調周波数Ｆ_１、Ｆ_２及びＦ_３それぞれに近接した傍変調周波数Ｆ_１−Δｆ_１、Ｆ_２−Δｆ_２、Ｆ_３−Δｆ_３で変調して発光させ、周波数変換器４２、４４、４６、５２、５４、５６で周波数Δｆ_１、Δｆ_２、Δｆ_３、２Δｆ_１、２Δｆ_２、２Δｆ_３の１２個の中間周波信号を得ることができることは、前記特許文献１で開示したものと同じである。

しかし、その後、主変調周波数Ｆ_１及びＦ_２は前と同じであるが、最も低い主変調周波数を前の主変調周波数Ｆ_３に近接したＦ_３−Ｆ_４に変更して、第1の発光素子１３を発光させるとともに、傍変調周波数Ｆ_１−Δｆ_１及びＦ_２−Δｆ_２は前と同じであるが、最も低い傍変調周波数を前の傍変調周波数Ｆ_３に近接したＦ_３−Ｆ_４−Δｆ_４に変更して、第２の発光素子１４を発光させることができる。このとき、周波数変換器４２、４４、５２、５４へ入力する局部発振周波数は前と同じであるが、周波数変換器４６、５６へ入力する局部発振周波数は、前のＦ_３＋Δｆ_３に近接させたＦ_３−Ｆ_４＋Δｆ_４に変更する。

この変調周波数の変更後の中間周波数は、測距光路２３に係る周波数Δｆ_１及びΔｆ_２、第１の参照光路２６に係る周波数Δｆ_１及びΔｆ_２、第２の参照光路３１に係る周波数２Δｆ_１及び２Δｆ_２、第３の参照光路２９に係る周波数２Δｆ_１、及び２Δｆ_２の８つの中間周波数が得られることは前記特許文献１で開示したものと同じであるが、残り４つの中間周波数は、測距光路２３に係るΔｆ_４、第１の参照光路２６に係るΔｆ_４、第２の参照光路３１に係る２Δｆ_４、第３の参照光路２９に係る２Δｆ_４となる。

本実施例は、前述したように最も低い主変調周波数、傍変調周波数及び局部発振周波数を近接した周波数に交互に変更することができること以外は、前記特許文献１で開示したものと同じである。

本実施例によれば、最初の測定で、主変調周波数Ｆ_１、Ｆ_２及びＦ_３での測距値が得られる。次に最も低い主変調周波数、傍変調周波数及び局部発振周波数を近接した周波数に変更した後の測定では、主変調周波数Ｆ_１、Ｆ_２及びＦ_３−Ｆ_４での測距値が得られる。これらの測距値からは、近接法により、近接した２つの主変調周波数Ｆ_３及びＦ_３−Ｆ_４の差となる変調周波数Ｆ_４での測距値も得られる。以下、変調周波数Ｆ_４での測距値が得られる理由を説明する。

周波数Ｆ_３、Ｆ_３−Ｆ_４は、一般に周波数Ｆ_２を分周して作る。例えば、周波数Ｆ_２を１５等分して主変調周波数Ｆ_３を作り、主変調周波数Ｆ_２を１６等分して主変調周波数Ｆ_３−Ｆ_４を作ったとする。例えば、Ｆ_２を３７．５ＭＨｚとすると、Ｆ_３は２．５ＭＨｚ（波長１２０ｍ）、Ｆ_３−Ｆ_４は２．３４３７５ＭＨｚ（波長１２８ｍ）となる。ここで、周波数Ｆ_３とＦ_３−Ｆ_４の両周波数の信号を加えると、図２に示したように、ビート（うなり）により両周波数Ｆ_３、Ｆ_３−Ｆ_４の差の周波数Ｆ_４（１５６．２５ｋＨｚ、波長１９２０ｍ）の信号を生じる。この例から分かるように、一般的に次式が成立する 。
Ｆ_４＝Ｆ_３−（Ｆ_３−Ｆ_４） （１）

周波数Ｆ_４での波長をλ_４、周波数Ｆ_３での波長をλ_３、周波数Ｆ_３−Ｆ_４での波長をλ_３４、光速をｃとすると、（１）式は次式のようにも書ける。
ｃ／λ_４＝ｃ／λ_３−ｃ／λ_３４ 又は １／λ_４＝１／λ_３−１／λ_３４ （２）

図３に、周波数Ｆ_３とＦ_３−Ｆ_４とが近接した２．５ＭＨｚ（波長１２０ｍ）と２．３４７５ＭＨｚ（波長約１２８ｍ）の場合の、距離と位相との関係を示す。距離９６０ｍ（往復１９２０ｍ）で両者の位相差は２πになる。一方、両周波数Ｆ_３とＦ_３−Ｆ_４との差となる周波数Ｆ_４（波長１９２０ｍ）の位相も２πになる。これから、周波数Ｆ_４の位相は、周波数Ｆ_３の位相と周波数Ｆ_３−Ｆ_４の位相との位相差に等しいことが分かる。一般に、周波数Ｆ_４での測距値をｄ_４、周波数Ｆ_３での測距値をｄ_３、周波数Ｆ_３−Ｆ_４での測距値をｄ_３４とすると、次式が成立する。
２ｄ_４／λ_４＝２ｄ_３／λ_３−２ｄ_３４／λ_３４＝θ／（２π） （３）

ただし、θは周波数Ｆ_４での位相である。したがって、この位相θは、周波数Ｆ_３での位相２π（２ｄ_３／λ_３）と周波数Ｆ_３−Ｆ_４での位相２π（２ｄ_３４／λ_３４）の差から算出できる。なお、（３）式において、２ｄ_４、２ｄ_３、２ｄ_３４としたのは、測距光が目標反射物２２までを往復するからである。もし、２ｄ_３／λ_３−２ｄ_３４／λ_３４の値が負の場合は、２πを加えてこの位相θを算出する。こうして位相θを算出すると、次式から周波数Ｆ_４での測距値ｄ_４を算出できる。
ｄ_４＝λ_４・θ／（４π） （４）

例えば、主変調周波数Ｆ_３とＦ_３−Ｆ_４とが近接した２．５ＭＨｚと２．３４３７５ＭＨｚであれば、両主変調周波数Ｆ_３とＦ_３−Ｆ_４との差となる周波数Ｆ_４は、１５６．２５ｋＨｚで、波長は１９２０ｍとなる。こうして、極めて低い変調周波数Ｆ_４を用いることなく、極めて低い変調周波数Ｆ_４を用いた場合の測距値ｄ_４を得ることができる。

この光波距離計については、図４に示したブロック図に基づいて、さらに詳細に説明する。

まず、発振器１で主変調周波数Ｆ_１の信号を発生させる。この主変調周波数Ｆ_１の信号は、分周部２に入力されるとともに、ＰＬＬ９，１０を介して、発振器５、１１に入力される。ＰＬＬ９、１０は、発振器５、１１を主変調周波数Ｆ_１と正確に同期して発振させるために使用する。

分周部２は、主変調周波数Ｆ_１の信号を分周して、主変調周波数Ｆ₂及びＦ_３又はＦ_３−Ｆ_４の信号を発生する。この主変調周波数Ｆ₂及びＦ_３又はＦ_３−Ｆ_４の信号と主変調周波数Ｆ_１の信号とは、周波数重畳回路３を経て駆動回路４へ入力される。第１の発光素子１３は、駆動回路４によって駆動され、主変調周波数Ｆ_１、Ｆ_２及びＦ_３又はＦ_３−Ｆ_４で変調された光を出射する。

発振器５は、傍変調周波数Ｆ_１−Δｆ_１の信号を発生する。この傍変調周波数Ｆ_１−Δｆ_１の信号は、さらに分周部６で周波数を分周されて、傍変調周波数Ｆ_２−Δｆ_２及びＦ_３−Δｆ_３又はＦ_３−Ｆ_４−Δｆ_４の信号となる。これらの傍変調周波数Ｆ_１−Δｆ_１、Ｆ_２−Δｆ_２及びＦ_３−Δｆ_３又はＦ_３−Ｆ_４−Δｆ_４の信号は、周波数重畳回路７を経て駆動回路８へ入力される。第２の発光素子１４は、駆動回路８によって駆動され、傍変調周波数Ｆ_１−Δｆ_１、Ｆ_２−Δｆ_２及びＦ_３−Δｆ_３又はＦ_３−Ｆ_４−Δｆ_４で変調された光を出射する。

発振器１１は、局部発振周波数Ｆ_１＋Δｆ_１の信号を発生する。この局部発振周波数Ｆ_１＋Δｆ_１の信号からは、周波数生成回路１２で分周されて局部発振周波数Ｆ_２＋Δｆ_２及びＦ_３＋Δｆ_３又はＦ_３−Ｆ_４＋Δｆ_４の信号も生成される。これらの局部発振周波数Ｆ_１＋Δｆ_１、Ｆ_２＋Δｆ_２及びＦ_３＋Δｆ_３又はＦ_３−Ｆ_４＋Δｆ_４の信号は、後述するように、周波数変換器４２、４４、４６、５２、５４、５６へ入力される。

第１の発光素子１３から出射された光は、ビームスプリッタ２０で２つに分けられ、一方は図示しない送光光学系から測距光として出射され、目標反射物２２までを往復する測距光路２３を経て第１の受光素子４０に入射し、他方は参照光として、第１の参照光路２６を経て第２の受光素子５０に入射する。測距光路２３には、受光素子４０の前に、光量調整用の濃度フィルタ２４と受光光学系２５が配置されている。第１の参照光路２６にも、受光素子５０の前に光量調整用の濃度フィルタ２７が配置されている。

第２の発光素子１４から出射された光は、ビームスプリッタ２８で２つに分けられ、一方は参照光として、第２の参照光路３１を経て第２の受光素子５０に入射し、他方は参照光として、第３の参照光路２９を経て第１の受光素子４０に入射する。第２の参照光路３１にも、第２の受光素子５０の前に光量調整用の濃度フィルタ３２が配置されており、第３の参照光路２９にも、第１の受光素子４０の前に光量調整用の濃度フィルタ３０が配置されている。

第1の受光素子４０の出力は、増幅器４１を経て３つに分けられ、一つ目は第１の周波数変換器４２に入力され、２つ目は第２の周波数変換器４４に入力され、３つ目は第３の周波数変換器４６に入力される。第２の受光素子５０の出力も、増幅器５１を経て３つに分けられ、一つ目は第４の周波数変換器５２に入力され、２つ目は第５の周波数変換器５４に入力され、３つ目は第６の周波数変換器５６に入力される。

第１〜第６の各周波数変換器４２、４４、４６、５２、５４、５６から、合計１２の中間周波信号が得られることは、前述したとおりである。各周波数変換器４２、４４、４６、５２、５４、５６から出力された中間周波信号は、それぞれ、低域フィルタ４３、４５、４７、５３、５５、５７によって高周波成分が除去される。

低域フィルタ４３、４５及び４７の出力は、加算器４８で加算された後にＡ/Ｄ変換器４９に入力される。すなわち、Ａ/Ｄ変換器４９には、測距光路２３に係る周波数Δｆ_１、Δｆ_２及びΔｆ_３又はΔｆ_４の３つの中間周波信号と、第３の参照光路２９に係る周波数２Δｆ_１、２Δｆ_２、２Δｆ_３又は２Δｆ_４の３つの中間周波信号が入力される。これらの中間周波信号は、Ａ/Ｄ変換された後に、図示しないデジタル帯域フィルタによって分離され、さらに各中間周波信号の初期位相及び振幅が求められる。

低域フィルタ５３、５５、５７の出力は、加算器５８で加算された後にＡ/Ｄ変換器５９に入力される。すなわち、Ａ/Ｄ変換器５９には、第１の参照光路２６に係る周波数Δｆ_１、Δｆ_２及びΔｆ_３又はΔｆ_４の３つの中間周波信号と、第２の参照光路３１に係る周波数２Δｆ_１、２Δｆ_２及び２Δｆ_３又は２Δｆ_４の３つの中間周波信号が入力される。これらの中間周波信号は、Ａ/Ｄ変換された後に、図示しないデジタル帯域フィルタによって分離され、さらに各中間周波信号の初期位相及び振幅が求められる。

各中間周波信号の初期位相が求まると、目標反射物２２までの距離が光波距離計内部で発生する誤差を補正して算出される。また、各中間周波信号の振幅も求まると、これらの振幅は各濃度フィルタ２４、２７、３０、３２による光量調節に利用される。

ところで、中間周波信号の周波数に関しては、Δｆ_３又はΔｆ_４が最も低く、このΔｆ_３又はΔｆ_４の整数倍が２Δｆ_３又は２Δｆ_４、Δｆ_２、２Δｆ_２、Δｆ_１、２Δｆ_１となっている。これにより、デジタル帯域フィルタによって確実に６つの周波数を分離することができる。また、各中間周波信号は、Ａ／Ｄ変換器４９、５９に入力するとき、１信号だけのときの１／６の信号レベルにする。これは、６信号が合成されたとき、入力レベルが飽和しないようにするためである。また、Ａ／Ｄ変換器４９、５９への入力レベルが飽和しなければ、各中間周波信号レベルは、１信号だけのときの１／６以上の信号レベルにしてもよい。

ここで、本実施例のデジタル帯域フィルタの原理についても、簡単に説明する。周期関数ｙは、定数項を省略すると、次式のようなフーリエ級数で表すことができる。
ｙ＝ａ_１ｓｉｎωｔ＋ａ_２ｓｉｎ２ωｔ＋ａ_３ｓｉｎ３ωｔ＋・・・・＋ａ_ｎｓｉｎ（ｎωｔ）＋・・・・・・・・
＋ｂ_１ｃｏｓωｔ＋ｂ_２ｃｏｓ２ωｔ＋ｂ_３ｃｏｓ３ωｔ＋・・・・・＋ｂ_ｎｃｏｓ（ｎωｔ）＋・・・・・・ （５）

ただし、ａ_ｎ＝（１／π）∫_０ ^２πｙｓｉｎ（ｎωｔ）ｄｔ （６）
ｂ_ｎ＝（１／π）∫_０ ^２πｙｃｏｓ（ｎωｔ）ｄｔ （７）

前記（６）式及び（７）式から、周期関数ｙに対して基本波（最も周波数が低いもの）ａ_１ｓｉｎωｔ＋ｂ_１ｃｏｓωｔと同じ周期のｓｉｎ波を乗じたものを基本波の１周期にわたって積分するとａ_１が求まり、周期関数ｙに対して基本波のｎ倍波のｓｉｎ波を乗じたものを基本波の１周期にわたって積分するとａ_ｎが求まる。また、周期関数ｙに対して基本波ａ_１ｓｉｎωｔ＋ｂ_１ｃｏｓωｔと同じ周期のｃｏｓ波を乗じたものを基本波の１周期にわたって積分するとｂ_１が求まり、周期関数ｙに対して基本波のｎ倍波のｃｏｓ波を乗じたものを基本波の１周期にわたって積分するとｂ_ｎが求まる。これから、ｎ倍波（ｎ＝１の場合は基本波）の振幅Ａｎと初期位相φｎは次式から求まる。
Ａｎ＝√（ａ_ｎ ^２＋ｂ_ｎ ^２） （８）
φｎ＝ｔａｎ^−１（ｂ_ｎ／ａ_ｎ） （９）

前記実施例において、各中間周波信号の周波数は、最も低いものがΔｆ_３又はΔｆ_４で、その他のものはΔｆ_３又はΔｆ_４の整数倍で２Δｆ_３又は２Δｆ_４、Δｆ_２、２Δｆ_２、Δｆ_１、２Δｆ_１となっている。したがって、これらの中間周波信号を加算した全中間周波信号は、周波数Δｆ_３又はΔｆ_４を基本波ａ_１ｓｉｎωｔ＋ｂ_１ｃｏｓωｔとし、フーリエ級数で表される周期関数ｙとなり、前記（５）〜（７）式で表すことができる。

そこで、全中間周波信号ｙを基本波の１周期について適宜回数（例えば４８００回）サンプリングして、基本波（周波数Δｆ_３又はΔｆ_４の中間周波信号）と同じ周期のｓｉｎ波を乗じたものを合計するとａ_１が求まる。全中間周波信号ｙを基本波の１周期について適宜回数サンプリングして、基本波と同じ周期のｃｏｓ波を乗じたものを合計するとｂ_１が求まる。これから、（８）式及び（９）式を用いると、周波数Δｆ_３又はΔｆ_４の中間周波信号の振幅Ａ_１と初期位相φ_１が求まる。

次に、全中間周波信号ｙを基本波の１周期について適宜回数サンプリングして、基本波の２倍波のｓｉｎ波を乗じたものを合計するとａ_２が求まる。全中間周波信号ｙを基本波の１周期について適宜回数サンプリングして、基本波の２倍波のｃｏｓ波を乗じたものを合計するとｂ_２が求まる。これから、（８）式及び（９）式を用いると、周波数２Δｆ_３又は２Δｆ_４で２倍波である中間周波信号の振幅Ａ_２と初期位相φ_２が求まる。

以下同様に、全中間周波信号ｙを基本波の１周期について適宜回数サンプリングして、基本波のｎ倍波のｓｉｎ波を乗じたものを合計するとａ_ｎが求まる。全中間周波信号ｙを基本波の１周期について適宜回数サンプリングして、基本波のｎ倍波のｃｏｓ波を乗じたものを合計するとｂ_ｎが求まる。これから、（１４）及び（１５）式を用いると、ｎ倍波である中間周波信号の振幅Ａ_ｎと初期位相φ_ｎが求まるので、全ての中間周波信号の振幅Ａ_ｎと初期位相φ_ｎが求まる。この際、各中間周波信号の周波数が基本波の周波数の何倍であるかは分かっているから、明らかにＡｎ＝０となるｎ倍波については、Ａｎ及びφｎの計算はしない。

本実施例によれば、測距光と参照光とを切換えるのにシャッターを使うことなく、測距光路と参照光路に係る各中間周波信号の初期位相が同時に求まるため、従来よりも高速に距離測定を行うことができる。また、シャッターを用いないことによるコストダウンが可能になる。さらに、従来は、温度位相ドリフトを少なくするため、連続測距中の発光素子を電源ＯＮに保っていた。しかし、本実施例によれば、測距光路と参照光路の同時測距が可能になるため、温度位相ドリフトが打ち消し合うので、測距毎に発光素子の電源をＯＮ／ＯＦＦでき、節電を図ることができる。

さらに、変調周波数Ｆ_３とＦ_３−Ｆ_４とを近接させているので、近接法によって、両変調周波数の差となる変調周波数Ｆ_４を用いることなく、極めて低い変調周波数Ｆ_４を用いた場合の測距値ｄ_４を得ることができる。このため、変調周波数をあまり下げることなく、遠距離測定が可能となり、しかも従来よりも誤差を小さくできる。

ここで、温度位相ドリフトが打ち消し合う理由について説明する。温度位相ドリフトは、周波数Ｆ_１、Ｆ_２及びＦ_３又はＦ_３−Ｆ_４の全てで起きるが、同じ理由で起きるのであるから、ここでは周波数Ｆ_１についてのみ説明する。第１の発光素子１３に印加される変調された電気信号の周波数をＦ_１＝（１＋０）Ｆ_１、第２の発光素子１４に印加される変調された電気信号の周波数をＦ_１−Δｆ_１＝（１＋ｂ）Ｆ_１、受光素子４０、５０に接続された周波数変換器４２、５２に印加される局部発振周波数Ｆ_ｌｏ＝（１＋ａ）Ｆ_１とし、かつ、ａ＞0＞ｂの条件で考える。

受光素子４０の出力の波形ｙ_１は、次式のようになる。
ｙ_１＝ｙ_{ｐｄ１，ｌｄ１}ｃｏｓ｛２πＦ_１ｔ＋ψ_ｌｄ１（Ｆ_１）＋ψ_ｐｄ１（Ｆ_１）−２πＦ_１（２Ｄ_０／ｃ）｝
＋ｙ_{ｐｄ１，ｌｄ２}ｃｏｓ｛２π（１＋ｂ）Ｆ_１ｔ＋ψ_ｌｄ２（（１＋ｂ）Ｆ_１）＋ψ_ｐｄ１（(１＋ｂ)Ｆ_１）−２π(１＋ｂ)Ｆ_１（２Ｄ_３／ｃ）｝ （１０）

受光素子５０の出力の波形ｙ_２は、次式のようになる。
ｙ_２＝ｙ_{ｐｄ２，ｌｄ１}ｃｏｓ｛２πＦ_１ｔ＋ψ_ｌｄ１（Ｆ_１）＋ψ_ｐｄ２（Ｆ_１）−２πＦ_１（２Ｄ_１／ｃ）｝
＋ｙ_{ｐｄ２，ｌｄ２}ｃｏｓ｛２π（１＋ｂ）Ｆ_１ｔ＋ψ_ｌｄ２（（１＋ｂ）Ｆ_１）＋ψ_ｐｄ２（(１＋ｂ)Ｆ_１）−２π(１＋ｂ)Ｆ_１（２Ｄ_２／ｃ）｝ （１１）

ただし、各記号は、次のように定義される。
ｙ_{ｐｄ１，ｌｄ１}：第１の発光素子１３と第１の受光素子４０間の信号の振幅
ｙ_{ｐｄ１，ｌｄ２}：第２の発光素子１４と第１の受光素子４０間の信号の振幅
ｙ_{ｐｄ２，ｌｄ１}：第１の発光素子１３と第２の受光素子５０間の信号の振幅
ｙ_{ｐｄ２，ｌｄ２}：第２の発光素子１４と第２の受光素子５０間の信号の振幅
ψ_ｌｄ１：第1の発光素子１３の温度位相ドリフト
ψ_ｌｄ２：第２の発光素子１４の温度位相ドリフト
ψ_ｐｄ１：第1の受光素子４０の温度位相ドリフト
ψ_ｐｄ２：第２の受光素子５０の温度位相ドリフト
２Ｄ_０：光波距離計から目標反射物までの往復距離
２Ｄ_１：第１の参照光路２６の光路長
２Ｄ_２：第２の参照光路３１の光路長
２Ｄ_３：第３の参照光路２９の光路長
ｃ：光速
次に、周波数変換器４２、５２に入力される局部発振信号の波形ｙ_３は、局部発振信号の振幅をｙ_ｌｏ、局部発振信号の初期位相をφとすると、次式のようになる。
ｙ_３＝ｙ_ｌｏｃｏｓ｛２π（１＋ａ）Ｆ_１ｔ＋φ｝ （１２）

周波数変換器４２、５２に接続された低域フィルタ４３、５３からの出力波形ｙ_４、ｙ_５は、それぞれｙ_１×ｙ_３、ｙ_２×ｙ_３に低域フィルタ４３、５３の温度位相ドリフトψ_ｆ１、ψ_ｆ２を加えて、次式のようになる。
ｙ_４＝（ｙ_{ｐｄ１，ｌｄ１}ｙ_ｌｏ／２）ｃｏｓ｛２πａＦ_１ｔ−ψ_ｌｄ１（Ｆ_１）−ψ_ｐｄ１（Ｆ_１）＋ψ_ｆ1（ａＦ_１）＋２πＦ_１（２Ｄ_０／ｃ）＋φ｝
＋（ｙ_{ｐｄ１，ｌｄ２}ｙ_ｌｏ／２）ｃｏｓ｛２π（ａ−ｂ）Ｆ_１ｔ−ψ_ｌｄ２（（１＋ｂ）Ｆ_１）−ψ_ｐｄ１（(１＋ｂ)Ｆ_１）＋ψ_ｆ1（（ａ−ｂ）Ｆ_１）＋２π(１＋ｂ)Ｆ_１（２Ｄ_３／ｃ）＋φ｝ （１３）
ｙ_５＝（ｙ_{ｐｄ２，ｌｄ１}ｙ_ｌｏ／２）ｃｏｓ｛２πａＦ_１ｔ−ψ_ｌｄ１（Ｆ_１）＋ψ_ｐｄ２（Ｆ_１）−ψ_ｆ２（ａＦ_１）＋２πＦ_１（２Ｄ_１／ｃ）＋φ｝
＋（ｙ_{ｐｄ２，ｌｄ２}ｙ_ｌｏ／２）ｃｏｓ｛２π（ａ−ｂ）Ｆ_１ｔ−ψ_ｌｄ２（（１＋ｂ）Ｆ_１）−ψ_ｐｄ２（(１＋ｂ)Ｆ_１）＋ψ_ｆ２（（ａ−ｂ）Ｆ_１）＋２π(１＋ｂ)Ｆ_１（２Ｄ_２／ｃ）＋φ｝ （１４）

測距値ｄは、中間周波信号の初期位相をθとすると、ｄ＝θｃ／（２π）／Ｆｍ（Ｆｍは変調周波数）と求まるから、測距光路２３に係るｙ_４の第１項の位相成分から求まる測距値をｄ_０、第３の参照光絽２９に係るｙ_４の第２項の位相成分から求まる測距値をｄ_３、第１の参照光絽２６に係るｙ_５の第１項の位相成分から求まる測距値をｄ_１、第２の参照光絽３１に係るｙ_５の第２項の位相成分から求まる測距値をｄ_２とすると、ｄ_０、ｄ_３、ｄ_１、ｄ_２は、それぞれ次のように求まる。ただし、Ｆ_１＝７５ＭＨｚとする。
ｄ_０＝２Ｄ_０＋｛４／（２π）｝｛−ψ_ｌｄ１（Ｆ_１）−ψ_ｐｄ１（Ｆ_１）＋ψ_ｆ１（ａＦ_１）＋φ｝ （１５）
ｄ_３＝２Ｄ_３＋｛４／（２π（１＋ｂ））｛−ψ_ｌｄ２（（１＋ｂ）Ｆ_１）−ψ_ｐｄ１（（１＋ｂ）Ｆ_１）＋ψ_ｆ１（（ａ−ｂ）Ｆ_１）＋φ｝ （１６）
ｄ_１＝２Ｄ_１＋｛４／（２π）｝｛−ψ_ｌｄ1（Ｆ_１）−ψ_ｐｄ２（Ｆ_１）＋ψ_ｆ２（ａＦ_１）＋φ｝ （１７）
ｄ_２＝２Ｄ_２＋｛４／（２π（１＋ｂ））｝｛−ψ_ｌｄ２（（１＋ｂ）Ｆ_１）−ψ_ｐｄ２（（１＋ｂ）Ｆ_１）＋ψ_ｆ２（（ａ−ｂ）Ｆ_１）＋φ｝ （１８）

測距値ｄ_０、ｄ_３、ｄ_１、ｄ_２を次のように加減算を行う。
（ｄ_０−ｄ_３）−（ｄ_１−ｄ_２）＝ｄ_０−ｄ_１＋ｄ_２−ｄ_３
＝２Ｄ_０−２Ｄ_１＋２Ｄ_２−２Ｄ_３
＋｛４／（２π）｝｛ψ_Ｐｄ２（Ｆ_１）−ψ_ｐｄ１（Ｆ_１）−ψ_ｆ２（ａＦ_１）＋ψ_ｆ1（ａＦ_１）｝
−｛４／（２π（１＋ｂ））｝｛ψ_Ｐｄ２（（１＋ｂ）Ｆ_１）−ψ_ｐｄ１（（１＋ｂ）Ｆ_１）−ψ_ｆ２（（ａ−ｂ）Ｆ_１）＋ψ_ｆ1（（ａ−ｂ）Ｆ_１）｝ （１９）

ここで、各周波数Ｆ_１、（１＋ｂ）Ｆ_１、Ｆ_ｌｏは近接しているので、次のように近似する。
｛４／（２π）｝｛ψ_Ｐｄ２（Ｆ_１）≒｛４／（２π（１＋ｂ））｝｛ψ_Ｐｄ２（（１＋ｂ）Ｆ_１）｝ （２０）
｛４／（２π）｝｛−ψ_Ｐｄ１（Ｆ_１）≒｛４／（２π（１＋ｂ））｝｛−ψ_Ｐｄ１（（１＋ｂ）Ｆ_１）｝ （２１）

すると、（１９）式は、次式のように書ける。
（ｄ_０−ｄ_３）−（ｄ_１−ｄ_２）≒２Ｄ_０−２Ｄ_１＋２Ｄ_２−２Ｄ_３
＋｛４／（２π）｝｛ψ_ｆ1（ａＦ_１）−｛４／（２π（１＋ｂ））｝｛ψ_ｆ１（（ａ−ｂ）Ｆ_１）｝
−｛４／（２π）｝｛ψ_ｆ２（ａＦ_１）−｛４／（２π（１＋ｂ））｝｛ψ_ｆ２（（ａ−ｂ）Ｆ_１）｝ （２２）

（２２）式からは、発光素子１３、１４の温度位相ドリフトψ_ｌｄ1、ψ_ｌｄ２、受光素子４０、５０の温度位相ドリフトψ_Ｐｄ1、ψ_Ｐｄ２が無くなっているうえ、（２２）式の第２行及び第３行では、それぞれ前後の項が打ち消し合い、さらに（２２）式の第２行と第３行も打ち消し合うことから、低域フィルタ４３、５３の温度位相ドリフトψ_ｆ１、ψ_ｆ２も低減されていることが分かる。
また、低域フィルタ４３、５３の温度位相ドリフト低減効果を奏するためには、ａ＞０＞ｂの他に、ａ＞ｂ＞０、ｂ＞０＞ａ、０＞ｂ＞ａの条件でもよいことも分かる。このような条件を持たす周波数の例を図５に示す。なお、ｂ＞ａ＞０、０＞ａ＞ｂの場合は、温度位相ドリフト低減効果は少ない。

ところで、本発明は、前記実施例に限るものではなく、種々の変形が可能である。たとえば、図６に示したように、低域フィルタ４３、４５、４７、５３、５５、５７の後に、それぞれ増幅器６０、６１、６２、６３、６４、６５を配置して、加算器４８、５８に入力される信号レベルを調節してもよい。また、図７に示したように、増幅器４１、５１の後に分波回路７０、７１を配置し、各周波数変換器４２、４４、４６、５２、５４、５６それぞれに適切な信号のみが入力されるようにしてもよい。

さらに、図８に示したように、低域フィルタ４３に続く増幅器６０の出力と低域フィルタ５５に続く増幅器６４の出力とが加算器８０に入力され、加算器８０の出力がＡ／Ｄ変換機８３に入力され、低域フィルタ４５に続く増幅器６１の出力と低域フィルタ５７に続く増幅器６５の出力とが加算器８１に入力され、加算器８１の出力がＡ／Ｄ変換機８４に入力され、低域フィルタ４７に続く増幅器６２の出力と低域フィルタ５３に続く増幅器６３の出力とが加算器８２に入力され、加算器８２の出力がＡ／Ｄ変換機８５に入力されるように変更してもよい。

この場合は、参照光路に係わる信号レベルの大きな中間周波信号のみが入力される増幅器６３、６４、６５の増幅度を下げ、測距光路に係わる信号レベルの小さな中間周波信号が入力される増幅器６０、６１、６２の増幅度を上げることができる。すると、遠距離測定のため微小な中間周波信号でも大きく増幅できるので、いっそう遠距離測定が可能になる。

さらに、図９に示したように、低域フィルタ４３に続く増幅器６０の出力と低域フィルタ５７に続く増幅器６５の出力とが加算器８０に入力され、加算器８０の出力がＡ／Ｄ変換機８３に入力され、低域フィルタ４５に続く増幅器６１の出力と低域フィルタ５３に続く増幅器６３の出力とが加算器８１に入力され、加算器８１出力がＡ／Ｄ変換機８４に入力され、低域フィルタ４７に続く増幅器６２の出力と低域フィルタ５５に続く増幅器６４の出力とが加算器８２に入力され、加算器８２の出力がＡ／Ｄ変換機８５に入力されるように変更してもよい。この場合も、図７に示した実施例と同じ効果を奏する。

さらに、本発明は、前記各実施例に限るものではなく、例えば、本発明は、光波距離計だけでなく、光波距離計を内蔵した測量機、例えばトータルステーションや、その他の距離測定装置等にも広く利用できる。

１３、１４ 発光素子
２２ 目標反射物
２３ 測距光路
２６、２９、３１ 参照光路
４０、５０ 受光素子
４２、４４、４６、５２、５４、５６ 周波数変換器
Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３ 主変調周波数
Ｆ_１−Δｆ_１、Ｆ_２−Δｆ_２、Ｆ_３−Δｆ_３ 傍変調周波数
Ｆ_１＋Δｆ_１、Ｆ_２＋Δｆ_２、Ｆ_３＋Δｆ_３ 局部発振周波数

Claims (2)

1. 複数の主変調周波数で変調された光を出射する第１の発光素子と、前記各主変調周波数それぞれに近接する傍変調周波数で変調された光を出射する第２の発光素子と、両発光素子から出射された光を受光する第１の受光素子及び第２の受光素子と、第１の受光素子に接続された第１の周波数変換器群と、第２の受光素子に接続された第２の周波数変換器群とを備え、
   第１の発光素子から出射された光は２つに分けられ、一方は目標反射物までを往復する測距光路を経て第１の受光素子に入射し、他方は第１の参照光路を経て第２の受光素子に入射し、第２の発光素子から出射された光は２つに分けられ、一方は第２の参照光路を経て第２の受光素子に入射し、他方は第３の参照光路を経て第１の受光素子に入射し、
   第１の周波数変換器群及び第２の周波数変換器群は、それぞれ、前記主変調周波数と同数の周波数変換器から構成され、各周波数変換器にはそれぞれ異なる周波数の局部発振周波数の信号が入力され、該局部発振周波数は、各主変調周波数及び各主変調周波数に近接した各傍変調周波数の両方に近接した周波数とされ、
   前記各周波数変換器で発生させた中間周波信号を用いて目標反射物までの距離を算出するとともに、
   前記主変調周波数、前記傍変調周波数及び前記局部発振周波数は、それぞれの中で最も低い周波数は、それぞれに近接した別の周波数の主変調周波数、傍変調周波数及び局部発振周波数に変更でき、近接法によって、最も低い周波数の主変調周波数の周波数変更前後の周波数差となる変調周波数を用いた場合の目標反射物までの距離も算出できる光波距離計。
2. 前記各中間周波信号の周波数は、最も低いものに対して整数倍になっており、前記各中間周波信号はデジタル帯域フィルタによって分離される請求項１に記載の光波距離計。

Images