JP2022084185A

JP2022084185A - 距離計測装置

Info

Publication number: JP2022084185A
Application number: JP2020195877A
Authority: JP
Inventors: 良太大島; Ryota Oshima; 計山田; Kazu Yamada
Original assignee: Ono Sokki Co Ltd
Current assignee: Ono Sokki Co Ltd
Priority date: 2020-11-26
Filing date: 2020-11-26
Publication date: 2022-06-07

Abstract

【課題】光を用いた距離計測装置を低コストに構成する。【解決手段】ＶＣＯ１０３は振幅が一定で周波数が線形に大きくなる駆動信号OSをレーザ光源１０５とミキサ部１１０に出力する。レーザ光源１０５は、駆動信号OSの電圧の大きさに比例した強度のレーザ光を生成することにより、強度の振幅が一定で強度の変動の周波数が線形に大きくなるレーザ光を測定光Loとして被測定物２００に照射する。光電変換素子１０８は、被測定物２００で反射した測定光Liを電気信号である検出信号DSに変換する。駆動信号OSの周波数をf(OS)、検出信号DSの周波数をf(DS)として、ミキサ部１１０は、駆動信号OSと検出信号DSからfb=f(OS)-f(DS)の周波数の計測信号MSを生成し、周波数検出部１０１２は、計測信号MSの周波数fbを検出し、距離算定部１０１３は、検出された周波数fbから被測定物２００までの距離Rを算定する。【選択図】図１

Description

本発明は、光を用いて距離を計測する技術に関するものである。

光を用いて距離を計測する技術としては、OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometry)法による距離計測技術が知られている（たとえば、特許文献１）。
OFDR法による距離計測技術では、波長掃引光源を用いて生成した線形に波長が変化するレーザ光を測定光と参照光に分岐し、分岐した測定光を被測定物に照射し、分岐した参照光と被測定物で反射した測定光とを干渉光学系で光学的に干渉させ、干渉によって生じたビート信号の周波数から被測定物までの距離を算定する。

ここで、測定光と参照光は、波長掃引光源で生成した線形に波長が変化するレーザ光を分岐したものであるので、被測定物で反射した測定光と参照光との間には、被測定物までの距離に応じた周波数差が生じる。したがって、干渉によって生じたビート信号の周波数から被測定物までの距離を算定することができる。

特開２０００-１１１３１２号公報

上述したOFDR法による距離計測技術によれば、波長掃引光源や干渉光学系などの比較的高価な構成要素が必要となる。
また、被測定物が移動している場合に被測定物で反射した測定光にドップラシフトによって生じる周波数変化のビート信号の周波数への影響による距離計測誤差を排除することが困難であるという課題もある。

本発明は、光を用いて距離を比較的精度よく計測できる距離計測装置を、より低コストに構成することを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、光を用いて距離を検出する距離計測装置に、周波数が所定の変化形態で変化する期間である変化期間を有する電気信号である駆動信号を出力する駆動信号生成部と、前記駆動信号の大きさに比例した強度のレーザ光を生成することにより、前記変化期間中、強度の変動の周波数が変化するレーザ光を測定光として生成するレーザ光源と、レーザ光が生成した測定光を被測定物に出射し、被測定物で反射した測定光を集光する光学系と、前記光学系が集光した測定光を電気信号に変換し検出信号として出力する光電変換部と、前記駆動信号の周波数と前記検出信号の周波数の差によって表される周波数の信号を計測信号として生成するミキサ部と、前記計測信号の周波数を検出する周波数検出部と、前記周波数検出部が検出した周波数から被測定物までの距離を算定する距離算定部とを設けたものである。

この距離計測装置において、前記駆動信号生成部は、前記変化期間中、周波数が線形に変化する電気信号を前記駆動信号として生成してよい。
また、この距離計測装置に制御部を設けると共に、前記駆動信号生成部を、前記駆動信号の前記変化期間中の周波数の変化幅を変更可能に構成し、前記制御部において、計測する距離の範囲に応じて、前記駆動信号生成部を制御し、前記駆動信号の前記変化期間中の周波数の変化幅を切り替えてもよい。

また、この距離計測装置に制御部を設けると共に、前記駆動信号生成部を、前記変化期間の時間長を変更可能に構成し、前記制御部において、計測する距離の範囲に応じて、前記駆動信号生成部を制御し、前記変化期間の時間長を切り替えてもよい。

また、この距離計測装置において、前記レーザ光の波長を、1400nmから2600nmの間の波長とし、安全性を向上することも好ましい。
以上のような距離計測装置の構成によれば、波長掃引光源や干渉光学系などの比較的高価な構成要素を用いることなく、光を用いて距離を比較的精度よく計測できる距離計測装置を構成できる。

また、レーザ光源に可干渉性は不要であるので、距離計測装置のレーザ光源として、FPレーザのような比較的安価なレーザ光源を用いることができる。また、レーザ光を用いて計測を行うので、マイクロ波やミリ波などの電波や、音波を距離計測に用いる場合に比べ、簡易な構成で指向性を高めて空間分解能を向上できる。また、レーザ光の波長のドップラシフトによる影響を受けない距離計測を行うことができる。

本発明によれば、光を用いて距離を比較的精度よく計測できる距離計測装置を、より低コストに構成することができる。

本発明の実施形態に係る距離計測装置の構成を示す図である。本発明の実施形態に係る距離計測装置の測定光の生成動作を示す図である。本発明の実施形態に係る距離計測装置の周波数計測動作を示す図である。本発明の実施形態に係る測定光の周波数の変化幅の制御例を示す図である。本発明の実施形態に係る距離計測装置の他の構成例を示す図である。本発明の実施形態に係る距離計測装置の他の構成例を示す図である。

本発明の実施形態について説明する。
図１に、本実施形態に係る距離計測装置の構成を示す。
図示するように、距離計測装置１は、計測部１０１、変調信号発生器１０２、ＶＣＯ１０３（電圧制御発振器１０３）、レーザ駆動部１０４、レーザ光源１０５、光サーキュレータ１０６、対物レンズ１０７、フォトダイオードなどの光電変換素子１０８、アンプ１０９、ミキサ部１１０、第１光ファイバ１１１、第２光ファイバ１１２、第３光ファイバ１１３を備えている。

また、計測部１０１は、計測制御部１０１１、周波数検出部１０１２、距離算定部１０１３を備えている。
変調信号発生器１０２は変調信号FCをＶＣＯ１０３の制御電圧信号として出力し、ＶＣＯ１０３は変調信号FCの電圧に応じた周波数の発振信号である駆動信号OSをレーザ駆動部１０４とミキサ部１１０に出力する。

レーザ駆動部１０４は、駆動信号OSの電圧の大きさに比例した大きさの駆動電流でレーザ光源１０５を駆動し、レーザ光源１０５は、駆動電流の大きさに比例した強度のレーザ光を測定光として第１光ファイバ１１１を介して光サーキュレータ１０６に出力する。ここで、レーザ光源１０５が測定光として出力するレーザ光の波長λは一定であり、当該レーザ光の強度のみが駆動信号OS、駆動電流に比例して変化する。

レーザ光源１０５から光サーキュレータ１０６に送られた測定光は、第２光ファイバ１１２を介して対物レンズ１０７に出射され、対物レンズ１０７は第２光ファイバ１１２から入射した測定光を測定光Loとして被測定物２００に照射する。

測定光Loは被測定物２００で反射し測定光Liとして対物レンズ１０７に入射し、対物レンズ１０７に入射した測定光Liは、第２光ファイバ１１２、光サーキュレータ１０６、第３光ファイバ１１３を介して、光電変換素子１０８に送られて電流信号に変換される。光電変換素子１０８で変換された電流信号はアンプ１０９で電圧信号への変換と増幅が行われ、ミキサ部１１０に検出信号DSとして入力する。

ＶＣＯ１０３が出力する駆動信号OSの周波数をf(OS)と表し、アンプ１０９が出力する検出信号DSの周波数をf(DS)と表すこととして、ミキサ部１１０は、駆動信号OSと検出信号DSを乗算すると共に、当該乗算によって生成されるf(OS)-f(DS)の周波数の信号を計測信号MSとし計測部１０１に出力する。

計測部１０１において、周波数検出部１０１２は、計測制御部１０１１の制御に従ったタイミングで、ミキサ部１１０が出力する計測信号MSの周波数f(OS)-f(DS)を検出する。このような周波数検出を行う周波数検出部１０１２としては、FFTやディジタル復調器などを用いることができる。

そして、距離算定部１０１３は、周波数検出部１０１２が検出した周波数f(OS)-f(DS)より、対物レンズ１０７から被測定物２００までの距離Rを算出し出力する。
次に、レーザ光源１０５が出力する測定光の詳細について説明する。
変調信号発生器１０２は、図２ａに示すように、線形に電圧Vが大きくなる波形が間欠的に現れる変調信号FCを生成し出力する。線形に電圧Vが大きくなる波形間の間隔は、電圧Vがゼロとなる期間は、線形に電圧Vが大きくなる期間以内とする。

この変調信号FCの電圧Vによって発振周波数が制御される駆動信号OSの周波数f(OS)は、図２ｂに示すように、線形に周波数が大きくなる期間が間欠的に現れる。
したがって、駆動信号OSとしては、図２ｃに示すように、振幅が一定で周波数が線形に大きくなる期間が間欠的に現れる信号が出力される。
また、レーザ光源１０５から出力される測定光の強度は、レーザ駆動部１０４によって、図２ｃに示す駆動信号OSに比例する駆動電流で制御されるので、測定光としては、図２ｄに示すように、強度Iの振幅が一定で強度Iの周波数が線形に大きくなる光が間欠的に出力される。

なお、上述したように、レーザ光源１０５が出力するレーザ光の波長λ自体は一定であり、レーザ光の強度の周波数のみが駆動信号OSによって制御される。
次に、駆動信号OSに対して、被測定物２００で反射した測定光Liを検出し電気信号に変換した検出信号DSは、被測定物２００までの距離に応じた遅延τが生じる。
したがって、図３ａに示すように、駆動信号OSの周波数f(OS)と検出信号DSの周波数f(DS)の間にはfb＝f(OS)-f(DS)の周波数差が生じる。また、この周波数差fbと、図３ａに示す周波数f(OS)や周波数f(DS)の変化幅ΔＦ、図３ａに示す周波数f(OS)や周波数f(DS)がΔＦ変化するのに要する時間T、被測定物２００までの距離R、光速Cとの間には、
式１；fb=(ΔF×2R)/(T×C）
の関係がある。

したがって、ミキサ部１１０でf(OS)-f(DS)の周波数の信号を計測信号MSとして生成し、計測制御部１０１１が適切なタイミングで周波数検出部１０１２に計測信号MSの周波数を周波数差fbとして検出させれば、距離算定部１０１３で周波数差fbから式１に従って被測定物２００までの距離Rを算定することができる。

被測定物２００までの距離Rが異なると、図３ａ、ｂに示すように、駆動信号OSに対する検出信号DSの遅延τが変化し、周波数検出部１０１２で検出する周波数fb＝f(OS)-f(DS)も変化する。

ここで、計測制御部１０１１において、周波数検出部１０１２の周波数の測定レンジで周波数差fbを適正に検出できるように、測定対象とする距離Rの範囲に応じて測定光の周波数の変化幅ΔＦを制御することにより、距離Rと周波数差fbとの対応関係を変化させてもよい。

すなわち、測定対象とする距離Rの範囲が比較的近い場合には図４ａ１に示すように変調信号FCの最大電圧を比較的大きくし、測定対象とする距離Rの範囲が比較的遠い場合には図４ｂ１に示すように変調信号FCの最大電圧を比較的小さくするように変調信号発生器１０２を計測制御部１０１１から制御する。

このような制御を行うことにより、測定対象とする距離Rの範囲が比較的近い場合の周波数f(OS)や周波数f(DS)の変化幅ΔＦを図４ａ２に示すように比較的大きくし、測定対象とする距離Rの範囲が比較的遠い場合の周波数f(OS)や周波数f(DS)の変化幅ΔＦを図４ｂ２に示すように比較的小さくすることができる。

この結果、図４ａ３、ｂ３に示すように、距離Rと周波数差fbとの対応関係を変化させて、距離Rによらず、周波数差fbを周波数検出部１０１２の周波数の測定レンジで適正に検出できる値とすることができる。

また、以上のように測定対象とする距離Rの範囲に応じて、周波数f(OS)や周波数f(DS)の変化幅ΔＦを変化させる代わりに、周波数f(DS)がΔＦ変化するのに要する時間Tを、測定対象とする距離Rの範囲がより近い場合ほどより小さくなるように制御してもよい。この場合には、変調信号発生器１０２を、生成する変調信号FCの周期の時間長を変更可能に構成すると共に、計測制御部１０１１において、測定対象とする距離Rの範囲に応じて、変調信号発生器１０２を制御して、変調信号FCの周期の時間長を切り替える。

または、測定対象とする距離Rの範囲に応じて、周波数f(OS)や周波数f(DS)の変化幅ΔＦと、周波数f(DS)がΔＦ変化するのに要する時間Tの双方を、測定対象とする距離Rの範囲がより近い場合ほど、変化幅ΔＦがより大きくなり時間Tがより小さくなるように変化させてもよい。

本発明の実施形態について説明した。
以上の実施形態では、変調信号FCとして、線形に電圧Vが大きくなる波形が間欠的に現れる信号を用いたが、変調信号FCとしては、線形に電圧Vが小さくなる波形が間欠的に現れる信号を用いてもよい。

また、変調信号FCとして、図５ａに示すような、線形に電圧Vが大きくなった後に線形に電圧Vが小さくなる波形が間欠的に現れる信号を用い、駆動信号OSの周波数f(OS)や検出信号DSの周波数f(DS)を、線形に大きくなった後に線形に小さくなるものとしてもよい。

また、変調信号FCとしては、図５ｂに示すのこぎり波形状の信号や図５ｃ、ｄに示す三角波形状の信号を用いてもよい。
また、変調信号FCとしては、図５ｅに示すステップ状に大きさが増減する階段波形状の信号や、図５fに示す正弦波形状の信号などの非線形に大きさが変化する信号を用いてもよい。

ただし、いずれの場合も、周波数差fbからの被測定物２００までの距離Rの算出法は、変調信号FCの波形によって定まる測定光の強度の変動の周波数変化の形態に適合するものを用いる。

以上の実施形態は、光サーキュレータ１０６に代えて、図５ｇに示したＰＢＳ５１と1/4波長板５２を用いた光学部品５０などの、反対方向に進む2つの光を分離する任意の光学部品を用いてもよい。

また、以上の実施形態は、図６に示すように、測定光Loを被測定物２００に向けて出射する対物レンズ１０７とは別に、被測定物２００で反射した測定光Liを光電変換素子１０８に集光する受光レンズ６００を設け、光サーキュレータ１０６を用いずに、測定光Loと測定光Liを分離してもよい。

また、以上の計測装置に、測定光Loの出射方向を変更する機構を設け、測定光Loで１次元もしくは２次元に空間を走査するようにしてもよい。このようにすることにより被測定物２００の２次元位置測定もしくは３次元位置測定を行うことができる。

以上のように本実施形態によれば、波長掃引光源や干渉光学系などの比較的高価な構成要素を用いることなく、光を用いて距離を比較的精度よく計測できる距離計測装置１を構成できる。

本実施形態の距離計測装置１において、レーザ光源１０５に可干渉性は不要であるので、距離計測装置１のレーザ光源１０５として、FPレーザのような比較的安価なレーザ光源１０５を用いることができる。また、アイセーフレーザと呼ばれる、波長が1400nmから2600nmまでのレーザ光源１０５を用いて、安全性を向上することもできる。

また、レーザ光を用いて計測を行うので、マイクロ波やミリ波などの電波や、音波を距離計測に用いる場合に比べ、簡易な構成で指向性を高めて空間分解能を向上できる。
また、レーザ光の波長のドップラシフトによる影響を受けない距離計測を行うことができる。

１…距離計測装置、５０…光学部品、５１…ＰＢＳ、５２…1/4波長板、１０１…計測部、１０２…変調信号発生器、１０３…ＶＣＯ、１０４…レーザ駆動部、１０５…レーザ光源、１０６…光サーキュレータ、１０７…対物レンズ、１０８…光電変換素子、１０９…アンプ、１１０…ミキサ部、１１１…第１光ファイバ、１１２…第２光ファイバ、１１３…第３光ファイバ、２００…被測定物、６００…受光レンズ、１０１１…計測制御部、１０１２…周波数検出部、１０１３…距離算定部。

Claims

光を用いて距離を検出する距離計測装置であって、
周波数が所定の変化形態で変化する期間である変化期間を有する電気信号である駆動信号を出力する駆動信号生成部と、
前記駆動信号の大きさに比例した強度のレーザ光を生成することにより、前記変化期間中、強度の変動の周波数が変化するレーザ光を測定光として生成するレーザ光源と、
レーザ光が生成した測定光を被測定物に出射し、被測定物で反射した測定光を集光する光学系と、
前記光学系が集光した測定光を電気信号に変換し検出信号として出力する光電変換部と、
前記駆動信号の周波数と前記検出信号の周波数の差によって表される周波数の信号を計測信号として生成するミキサ部と、
前記計測信号の周波数を検出する周波数検出部と、
前記周波数検出部が検出した周波数から被測定物までの距離を算定する距離算定部とを有することを特徴とする距離計測装置。
請求項１記載の距離計測装置であって、
前記駆動信号生成部は、前記変化期間中、周波数が線形に変化する電気信号を前記駆動信号として生成することを特徴とする距離計測装置。
請求項１または２記載の距離計測装置であって、
制御部を有し、
前記駆動信号生成部は、前記駆動信号の前記変化期間中の周波数の変化幅を変更可能であり、
前記制御部は、計測する距離の範囲に応じて、前記駆動信号生成部を制御し、前記駆動信号の前記変化期間中の周波数の変化幅を切り替えることを特徴とする距離計測装置。
請求項１または２記載の距離計測装置であって、
制御部を有し、
前記駆動信号生成部は、前記変化期間の時間長を変更可能であり、
前記制御部は、計測する距離の範囲に応じて、前記駆動信号生成部を制御し、前記変化期間の時間長を切り替えることを特徴とする距離計測装置。
請求項１、２、３または４記載の距離計測装置であって、
前記レーザ光の波長は、1400nmから2600nmの間の波長であることを特徴とする距離計測装置。