JP3241857B2 - 光学式距離計 - Google Patents
光学式距離計Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、目標物体までの距離を
光学的な手法を用いて正確に測定する光学式距離計に関
する。
光学的な手法を用いて正確に測定する光学式距離計に関
する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来の
距離計として、超音波式距離計が存在するが、高精度の
ものが存在せず、だいたいの目安程度のものでしかな
い。すなわち、ビームを絞り込むこととビームの当たっ
ている位置を特定することとが困難で、測定位置を微細
に限定することができない。また、温度依存性が大きく
十分な測定精度が得られない。
距離計として、超音波式距離計が存在するが、高精度の
ものが存在せず、だいたいの目安程度のものでしかな
い。すなわち、ビームを絞り込むこととビームの当たっ
ている位置を特定することとが困難で、測定位置を微細
に限定することができない。また、温度依存性が大きく
十分な測定精度が得られない。
【０００３】光学式距離計としては、信号光の強度を正
弦波等で変調して目標物体に照射し、反射光のもつ正弦
的な強度変化から送受信間の変調信号の位相を測定し、
これに基づいて距離を求める位相差方式の光波測距儀が
存在する。しかしながら、かかる装置は回路系が複雑に
なり高価なものとなるといった問題があった。
弦波等で変調して目標物体に照射し、反射光のもつ正弦
的な強度変化から送受信間の変調信号の位相を測定し、
これに基づいて距離を求める位相差方式の光波測距儀が
存在する。しかしながら、かかる装置は回路系が複雑に
なり高価なものとなるといった問題があった。
【０００４】そこで、本発明は、簡易かつ高精度の光学
式距離計を提供することを目的とする。
式距離計を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係る光学式距離計は、（ａ）光搬送波を強
度変調した変調光を出力する送光部と、（ｂ）送光部か
ら出力された変調光を導光し測定対象物に照射する照射
用ファイバーと、（ｃ）照射用ファイバーにより測定対
象物に照射され測定対象物で反射された変調光を導光す
る測定用ファイバーと、（ｄ）測定用ファイバーにより
導光された変調光を検出する受光部と、（ｅ）送光部で
の変調光の位相と受光部での変調光の位相との差がπ／
２になる位置固定の条件を保つように、変調光の周波数
を調節する周波数調節手段と、（ｆ）送光部から出力さ
れた変調光の一部を反射する反射物体と、（ｇ）反射物
体により反射された変調光の一部を受光部に導光する較
正用ファイバーと、（ｈ）較正用ファイバーにより導光
された変調光の周波数に基づいて反射物体の位置を基準
点として求め、測定用ファイバーにより導光された変調
光の周波数に基づいて基準点から測定対象物までの距離
を求める処理手段と、を備え、（ｉ）測定用ファイバー
及び較正用ファイバーそれぞれは略同一の長さである、
ことを特徴とする光学式距離計である。
め、本発明に係る光学式距離計は、（ａ）光搬送波を強
度変調した変調光を出力する送光部と、（ｂ）送光部か
ら出力された変調光を導光し測定対象物に照射する照射
用ファイバーと、（ｃ）照射用ファイバーにより測定対
象物に照射され測定対象物で反射された変調光を導光す
る測定用ファイバーと、（ｄ）測定用ファイバーにより
導光された変調光を検出する受光部と、（ｅ）送光部で
の変調光の位相と受光部での変調光の位相との差がπ／
２になる位置固定の条件を保つように、変調光の周波数
を調節する周波数調節手段と、（ｆ）送光部から出力さ
れた変調光の一部を反射する反射物体と、（ｇ）反射物
体により反射された変調光の一部を受光部に導光する較
正用ファイバーと、（ｈ）較正用ファイバーにより導光
された変調光の周波数に基づいて反射物体の位置を基準
点として求め、測定用ファイバーにより導光された変調
光の周波数に基づいて基準点から測定対象物までの距離
を求める処理手段と、を備え、（ｉ）測定用ファイバー
及び較正用ファイバーそれぞれは略同一の長さである、
ことを特徴とする光学式距離計である。
【０００６】
【作用】光搬送波が強度変調された変調光は、送光部か
ら出力され、照射用ファイバーにより導光され測定対象
物に照射される。照射用ファイバーにより導光され測定
対象物に照射された変調光は、測定対象物にて反射さ
れ、測定用ファイバーにより導光された後、受光部で受
光される。ここで、周波数調節手段により、送光部での
変調光の位相と受光部での変調光の位相との差がπ／２
となるように、変調光の周波数が調節される。その一
方、照射用ファイバーにより導光された変調光の一部
は、反射物体にて反射され、較正用ファイバーにより導
光された後、受光部で受光される。ここで、処理手段に
より、較正用ファイバーにより導光された変調光の周波
数に基づいて反射物体の位置が基準点として求められ、
測定用ファイバーにより導光された変調光の周波数に基
づいて基準点から測定対象物までの距離が求められる。
ら出力され、照射用ファイバーにより導光され測定対象
物に照射される。照射用ファイバーにより導光され測定
対象物に照射された変調光は、測定対象物にて反射さ
れ、測定用ファイバーにより導光された後、受光部で受
光される。ここで、周波数調節手段により、送光部での
変調光の位相と受光部での変調光の位相との差がπ／２
となるように、変調光の周波数が調節される。その一
方、照射用ファイバーにより導光された変調光の一部
は、反射物体にて反射され、較正用ファイバーにより導
光された後、受光部で受光される。ここで、処理手段に
より、較正用ファイバーにより導光された変調光の周波
数に基づいて反射物体の位置が基準点として求められ、
測定用ファイバーにより導光された変調光の周波数に基
づいて基準点から測定対象物までの距離が求められる。
【０００７】
【実施例】本発明の具体的実施例について説明する前
に、本発明の原理について具体的に説明する。
に、本発明の原理について具体的に説明する。
【０００８】図１に、本発明の光学式距離計の概略の構
成を示す。位相比較器２は、その入力端子Ｒ，Ｖに入力
される信号の位相差に応じた電圧を出力する。位相比較
器２の出力はローパスフィルター４に入力される。この
ローパスフィルター４は、位相比較器２の出力（ＰＤ出
力）の直流成分のみを選択し、ループの過渡応答特性を
決定する。ローパスフィルター４の出力は直流増幅器６
に入力される。この直流増幅器６は、ローパスフィルタ
ー４をへて平滑化された位相比較器２の出力を充分増幅
し、後段の電圧制御発振器８にその制御電圧を供給す
る。電圧制御発振器８は、この直流増幅器６から供給さ
れる制御電圧に応じた周波数で発振する。電圧制御発振
器８からの電気信号は送光部１０に供給される。この送
光部１０は、レーザーダイオード（ＬＤ）等の光源を備
え、電圧制御発振器８の出力する電気信号に応じてこの
光源の出力光を強度変調し、平行ビームにコリメートし
て、被測定対象である目標物体（反射板）に照射する。
目標物体からの反射光は、受光部１２で電気信号に変換
される。周波数検出器１４は、この変換された電気信号
の周波数を検出する。
成を示す。位相比較器２は、その入力端子Ｒ，Ｖに入力
される信号の位相差に応じた電圧を出力する。位相比較
器２の出力はローパスフィルター４に入力される。この
ローパスフィルター４は、位相比較器２の出力（ＰＤ出
力）の直流成分のみを選択し、ループの過渡応答特性を
決定する。ローパスフィルター４の出力は直流増幅器６
に入力される。この直流増幅器６は、ローパスフィルタ
ー４をへて平滑化された位相比較器２の出力を充分増幅
し、後段の電圧制御発振器８にその制御電圧を供給す
る。電圧制御発振器８は、この直流増幅器６から供給さ
れる制御電圧に応じた周波数で発振する。電圧制御発振
器８からの電気信号は送光部１０に供給される。この送
光部１０は、レーザーダイオード（ＬＤ）等の光源を備
え、電圧制御発振器８の出力する電気信号に応じてこの
光源の出力光を強度変調し、平行ビームにコリメートし
て、被測定対象である目標物体（反射板）に照射する。
目標物体からの反射光は、受光部１２で電気信号に変換
される。周波数検出器１４は、この変換された電気信号
の周波数を検出する。
【０００９】ここで、位相比較器２の入力端子Ｒと入力
端子Ｖとには、それぞれ受光部１２の出力端子と送光部
１０の出力端子とが接続される。位相比較器２の出力
は、この両入力端子Ｒ，Ｖ間の位相差がπ／２のときに
ＤＣ成分の出力がゼロになるような特性を持つものとす
る。すなわち、位相比較器２の出力Ｐo は、 Ｐo ＝Ｋ・ｃｏｓφ （１） Ｐo ：Ｐ．Ｄ出力電圧（ＤＣ成分） Ｋ ：変換定数 φ ：Ｒ，Ｖ間の位相差 となっている。また、直流増幅器６の出力Ｐ1 は、 Ｐ1 ＝Ｋ1 ・Ｐo ＝Ｋ1 ・Ｋ・ｃｏｓφ （２） Ｋ1 ：直流増幅器の利得 従って、 ｃｏｓφ＝Ｐ1 ／（Ｋ1 ・Ｋ） （３） となり、直流増幅器６が充分な利得を持つ（すなわち、
Ｋ1 が充分に大きい）ならば、送光と受光の位相差が常
にπ／２に保たれるようなフェーズロックループ（ＰＬ
Ｌ）が構成され、対象物体までの往復距離（Ｌ１＋Ｌ
２）に応じた周波数で電圧制御発振器８が発振すること
になる。例えば、あらかじめ電圧制御発振器８の発振周
波数範囲が往復距離の遅延時間（Ｔｄ）の４／３倍の周
期を含むように設定されており、電圧制御発振器８がＴ
ｄの４／３倍のある周期で発振した場合について考え
る。この場合、両入力端子Ｒ，Ｖ間の位相差はちょうど
π／２となる。
端子Ｖとには、それぞれ受光部１２の出力端子と送光部
１０の出力端子とが接続される。位相比較器２の出力
は、この両入力端子Ｒ，Ｖ間の位相差がπ／２のときに
ＤＣ成分の出力がゼロになるような特性を持つものとす
る。すなわち、位相比較器２の出力Ｐo は、 Ｐo ＝Ｋ・ｃｏｓφ （１） Ｐo ：Ｐ．Ｄ出力電圧（ＤＣ成分） Ｋ ：変換定数 φ ：Ｒ，Ｖ間の位相差 となっている。また、直流増幅器６の出力Ｐ1 は、 Ｐ1 ＝Ｋ1 ・Ｐo ＝Ｋ1 ・Ｋ・ｃｏｓφ （２） Ｋ1 ：直流増幅器の利得 従って、 ｃｏｓφ＝Ｐ1 ／（Ｋ1 ・Ｋ） （３） となり、直流増幅器６が充分な利得を持つ（すなわち、
Ｋ1 が充分に大きい）ならば、送光と受光の位相差が常
にπ／２に保たれるようなフェーズロックループ（ＰＬ
Ｌ）が構成され、対象物体までの往復距離（Ｌ１＋Ｌ
２）に応じた周波数で電圧制御発振器８が発振すること
になる。例えば、あらかじめ電圧制御発振器８の発振周
波数範囲が往復距離の遅延時間（Ｔｄ）の４／３倍の周
期を含むように設定されており、電圧制御発振器８がＴ
ｄの４／３倍のある周期で発振した場合について考え
る。この場合、両入力端子Ｒ，Ｖ間の位相差はちょうど
π／２となる。
【００１０】よって、往復距離に相当する群遅延時間Ｔ
ｄは、電圧制御発振器８の発振周波数すなわち周波数検
出器１４の測定値ｆから、 Ｔｄ＝３／４・ｆ-1 （４） ｆ：ＶＣＯ発振周波数 のように求められる。Ｔd から、対象物までの距離Ｌ
は、Ｌ１とＬ２が等しいとすれば、 Ｌ＝ｖ0 ・Ｔｄ／（２・ｎ） （５） ｎ ：光路を満たす物質の群屈折率 ｖ0 ：真空中の光速 のように求められる。周波数の測定精度は通常でも６桁
以上とかなり高確度であるから、距離も高精度で求める
ことができる。なお、電圧発信器８は、発信周波数範囲
が測定の対象となる距離値の範囲に応じて選択される。
ｄは、電圧制御発振器８の発振周波数すなわち周波数検
出器１４の測定値ｆから、 Ｔｄ＝３／４・ｆ-1 （４） ｆ：ＶＣＯ発振周波数 のように求められる。Ｔd から、対象物までの距離Ｌ
は、Ｌ１とＬ２が等しいとすれば、 Ｌ＝ｖ0 ・Ｔｄ／（２・ｎ） （５） ｎ ：光路を満たす物質の群屈折率 ｖ0 ：真空中の光速 のように求められる。周波数の測定精度は通常でも６桁
以上とかなり高確度であるから、距離も高精度で求める
ことができる。なお、電圧発信器８は、発信周波数範囲
が測定の対象となる距離値の範囲に応じて選択される。
【００１１】空気中で上記の光学式距離計を用いた場
合、大気のゆらぎによる受光光量の変動が、回路系のタ
イミング変動（ジッタ）を引き起こし、測定値のばらつ
きに対して、支配的となるが、π／２の位相差で、固定
されていれば、変動に対する影響は最小限にとどめられ
る。ここで用いる位相比較器２は、乗算器として作動
し、位相がπ／２ずれた同じ周波数入力の場合、出力の
直流成分（位相差情報）が、振幅の変動に関わりなくゼ
ロになる。すなわち、位相比較器２の入力信号Ｖi，Ｒ
i が Ｖi ＝Ｋ0 ・ｓｉｎωｔ Ｒi ＝Ｋ（ｔ）・ｓｉｎ（ωｔ−π／２） Ｋo ：ＶＣＯ出力振幅 Ｋ（ｔ）：受光信号振幅 であるとすると、 Ｐo ＝Ｖi ・Ｒi ＝−１／２・Ｋo ・Ｋ（ｔ）・ｃｏｓ（２ωｔ−π／２） （６） となり、右辺の２倍周波成分はローパスフィルター４に
よりカットされて、電圧制御発振器８の入力がゼロにな
り、フェーズロック時の電圧制御発振器８の発振周波数
は入力信号Ｖi ，Ｒi の強度変動の影響を受けない。
合、大気のゆらぎによる受光光量の変動が、回路系のタ
イミング変動（ジッタ）を引き起こし、測定値のばらつ
きに対して、支配的となるが、π／２の位相差で、固定
されていれば、変動に対する影響は最小限にとどめられ
る。ここで用いる位相比較器２は、乗算器として作動
し、位相がπ／２ずれた同じ周波数入力の場合、出力の
直流成分（位相差情報）が、振幅の変動に関わりなくゼ
ロになる。すなわち、位相比較器２の入力信号Ｖi，Ｒ
i が Ｖi ＝Ｋ0 ・ｓｉｎωｔ Ｒi ＝Ｋ（ｔ）・ｓｉｎ（ωｔ−π／２） Ｋo ：ＶＣＯ出力振幅 Ｋ（ｔ）：受光信号振幅 であるとすると、 Ｐo ＝Ｖi ・Ｒi ＝−１／２・Ｋo ・Ｋ（ｔ）・ｃｏｓ（２ωｔ−π／２） （６） となり、右辺の２倍周波成分はローパスフィルター４に
よりカットされて、電圧制御発振器８の入力がゼロにな
り、フェーズロック時の電圧制御発振器８の発振周波数
は入力信号Ｖi ，Ｒi の強度変動の影響を受けない。
【００１２】図２に、参照用の光路を設けたタイプの光
学式距離計の概略の構成を示す。この参照用の光路は、
測定値のドリフトに対して支配的となる回路系の群遅延
変動をキャンセルするためのものである。
学式距離計の概略の構成を示す。この参照用の光路は、
測定値のドリフトに対して支配的となる回路系の群遅延
変動をキャンセルするためのものである。
【００１３】参照用の光路Ｌ３，Ｌ４を選択していると
き、回路系の群遅延を考慮すると、（４）式は次のよう
に変形される。 Ｔｄ1 ＝３／４・ｆ1 -1−Ｔｃ1 （７） Ｔｄ1 ：Ｌ３，Ｌ４での群遅延時間 ｆ1 ：ＶＣＯ発振周波数 Ｔｃ1 ：送光部と受光部での群遅延時間 被測定対象の物体までの光路Ｌ１，Ｌ２を選択している
ときも、同様に、 Ｔｄ2 ＝３／４・ｆ2 -1−Ｔｃ2 （８） Ｔｄ2 ：Ｌ１，Ｌ２での群遅延時間 ｆ2 ：ＶＣＯ発振周波数 Ｔｃ2 ：送光部と受光部での群遅延時間 となる。ドリフトの生じない極短時間のうちに、Ｔ
ｄ1 ，Ｔｄ2 を測定するとして、 Ｔｃ1 ＝Ｔｃ2 ＝Ｔｃ （９） とすれば、次のように、参照用光路の反射板を基準点
（距離ゼロ）とした被測定対象までの距離Ｌを、送光
部、受光部等での群遅延ドリフトの影響を受けずに求め
ることができる。
き、回路系の群遅延を考慮すると、（４）式は次のよう
に変形される。 Ｔｄ1 ＝３／４・ｆ1 -1−Ｔｃ1 （７） Ｔｄ1 ：Ｌ３，Ｌ４での群遅延時間 ｆ1 ：ＶＣＯ発振周波数 Ｔｃ1 ：送光部と受光部での群遅延時間 被測定対象の物体までの光路Ｌ１，Ｌ２を選択している
ときも、同様に、 Ｔｄ2 ＝３／４・ｆ2 -1−Ｔｃ2 （８） Ｔｄ2 ：Ｌ１，Ｌ２での群遅延時間 ｆ2 ：ＶＣＯ発振周波数 Ｔｃ2 ：送光部と受光部での群遅延時間 となる。ドリフトの生じない極短時間のうちに、Ｔ
ｄ1 ，Ｔｄ2 を測定するとして、 Ｔｃ1 ＝Ｔｃ2 ＝Ｔｃ （９） とすれば、次のように、参照用光路の反射板を基準点
（距離ゼロ）とした被測定対象までの距離Ｌを、送光
部、受光部等での群遅延ドリフトの影響を受けずに求め
ることができる。
【００１４】具体的には、まず以下の式が成り立つ。 Ｔｄ＝Ｔｄ2 −Ｔｄ1 ＝３／４・（ｆ2 -1−ｆ1 -1） （１０） この（８）式を（３）式に代入するならば、被測定対象
までの距離Ｌは、 Ｌ＝３／４・ｖo ・（ｆ2 -1−ｆ1 -1）／（２・ｎ） （１１） となる。
までの距離Ｌは、 Ｌ＝３／４・ｖo ・（ｆ2 -1−ｆ1 -1）／（２・ｎ） （１１） となる。
【００１５】以下、本発明の具体的実施例について説明
する。
する。
【００１６】図３に、図２の光学式距離計をファイバー
スコープに応用した第１実施例の装置を示す。通常のフ
ァイバスコープの場合、測定距離は最大で２０ｃｍ程度
である。以上レーザーダイオード（ＬＤ）２０からのレ
ーザー光は、ファイバー２１を通り被測定対象の物体に
照射される。このレーザー光は、ビーム状にコリメート
されており物体の一点に照射される。目標の物体が遠方
にあり、レーザー光のビームが広がってしまう場合、コ
ーナーキューブプリズム等の再帰性のある反射板をター
ゲットとして用いる。ファイバー２１の出射光の一部
は、ミラー２２，２３によってファイバー２４（較正用
の光路）に導かれる。
スコープに応用した第１実施例の装置を示す。通常のフ
ァイバスコープの場合、測定距離は最大で２０ｃｍ程度
である。以上レーザーダイオード（ＬＤ）２０からのレ
ーザー光は、ファイバー２１を通り被測定対象の物体に
照射される。このレーザー光は、ビーム状にコリメート
されており物体の一点に照射される。目標の物体が遠方
にあり、レーザー光のビームが広がってしまう場合、コ
ーナーキューブプリズム等の再帰性のある反射板をター
ゲットとして用いる。ファイバー２１の出射光の一部
は、ミラー２２，２３によってファイバー２４（較正用
の光路）に導かれる。
【００１７】一方、物体からの散乱光は、光学スイッチ
２５を切替えてファイバー２６を選択することにより、
波長選択フィルター２７に導かれる。波長選択フィルタ
ー２７は、分光器あるいは干渉フィルターなどから構成
される。この波長選択フィルター２７は、被測定対象の
物体の外観観察に用いられる照明光などの外乱成分を除
去するためのものである。次のブロックの光可変減衰器
２８は、物体の反射率、距離の異なりから生じる大きな
光量変化を吸収するためのもので、ＬＤ２０の変調電流
及びＡＰＤ（アバランシェフフォトダイオード）２９の
電源電圧可変だけでは補えない光量変動分を吸収するた
めのものである。具体的には、印加電圧の変化により透
過率の変化する液晶、ＰＬＺＴ等、あるいはＮＤフィル
ターの機械的な切り換え機構その他により構成される。
２５を切替えてファイバー２６を選択することにより、
波長選択フィルター２７に導かれる。波長選択フィルタ
ー２７は、分光器あるいは干渉フィルターなどから構成
される。この波長選択フィルター２７は、被測定対象の
物体の外観観察に用いられる照明光などの外乱成分を除
去するためのものである。次のブロックの光可変減衰器
２８は、物体の反射率、距離の異なりから生じる大きな
光量変化を吸収するためのもので、ＬＤ２０の変調電流
及びＡＰＤ（アバランシェフフォトダイオード）２９の
電源電圧可変だけでは補えない光量変動分を吸収するた
めのものである。具体的には、印加電圧の変化により透
過率の変化する液晶、ＰＬＺＴ等、あるいはＮＤフィル
ターの機械的な切り換え機構その他により構成される。
【００１８】強度変調された散乱光ないし較正用の光路
からの戻り光は、ＡＰＤ２９によって電気信号に変換さ
れた後、プリアンプ３０で増幅されて、バンドパスフィ
ルター３１により基本波成分のみが選択されて、位相比
較器３２の一方の入力Ｒｆに入力される。位相比較器３
２のもう一方の入力Ｌｏには、ＬＤ２０の発振周波数を
制御するＶＣＯ３５の出力が接続される。位相比較器３
２の出力は、ローパスフィルター４５で高周波成分がカ
ットされ、直流増幅器４６で増幅されてＶＣＯ３５にフ
ィードバックされる。ＬＤドライバー３６は、ＶＣＯ３
５の出力を電流変換してＬＤ２０に与える。ＬＤ２０の
出力は、ファイバー２１を介して被測定対象の物体、あ
るいは、較正用光路のミラー２２、ミラー２３、ファイ
バー２４へ導かれる。
からの戻り光は、ＡＰＤ２９によって電気信号に変換さ
れた後、プリアンプ３０で増幅されて、バンドパスフィ
ルター３１により基本波成分のみが選択されて、位相比
較器３２の一方の入力Ｒｆに入力される。位相比較器３
２のもう一方の入力Ｌｏには、ＬＤ２０の発振周波数を
制御するＶＣＯ３５の出力が接続される。位相比較器３
２の出力は、ローパスフィルター４５で高周波成分がカ
ットされ、直流増幅器４６で増幅されてＶＣＯ３５にフ
ィードバックされる。ＬＤドライバー３６は、ＶＣＯ３
５の出力を電流変換してＬＤ２０に与える。ＬＤ２０の
出力は、ファイバー２１を介して被測定対象の物体、あ
るいは、較正用光路のミラー２２、ミラー２３、ファイ
バー２４へ導かれる。
【００１９】受光光量を安全化するため、バンドパスフ
ィルター３１の出力の一部は、整流、検波されて計測制
御部４０に導かれる。計測制御部４０では、受光光量の
変調成分が一定になるように、ＬＤ２０の変調電流、Ａ
ＰＤ２９の印加電圧、あるいは光可変減衰器２８の制御
を行う。また計測制御部４０は、光学スイッチ２５の制
御を行い、その都度周波数ｆ1 とｆ2 を計測させる。こ
の系でπ／２に位相固定された発振が生じ、その周波数
は、カウンターで構成される周波数検出部４１でディジ
タル値に変換されて、データ処理部４２でミラー２２か
ら測定対象物までの距離が求められ、表示部４３でリア
ルタイムに表示される。ここでのカウンターは、一定の
時間内に波が何個来たかを計測するもので、例えば、１
秒間ゲートを開けて波の数を計数すれば、その値がその
まま周波数として用いられる。
ィルター３１の出力の一部は、整流、検波されて計測制
御部４０に導かれる。計測制御部４０では、受光光量の
変調成分が一定になるように、ＬＤ２０の変調電流、Ａ
ＰＤ２９の印加電圧、あるいは光可変減衰器２８の制御
を行う。また計測制御部４０は、光学スイッチ２５の制
御を行い、その都度周波数ｆ1 とｆ2 を計測させる。こ
の系でπ／２に位相固定された発振が生じ、その周波数
は、カウンターで構成される周波数検出部４１でディジ
タル値に変換されて、データ処理部４２でミラー２２か
ら測定対象物までの距離が求められ、表示部４３でリア
ルタイムに表示される。ここでのカウンターは、一定の
時間内に波が何個来たかを計測するもので、例えば、１
秒間ゲートを開けて波の数を計数すれば、その値がその
まま周波数として用いられる。
【００２０】以下、図３の装置の動作について説明す
る。ＬＤ２０からのレーザー光は、ファイバー２１を通
って目標の物体に照射される。ＡＰＤ２９は、物体で反
射されて戻ってきたレーザー光を検出する。位相比較器
３２は、ＬＤ２０から出射されるレーザー光とＡＰＤ２
９で検出されるレーザー光との位相差がπ／２になる条
件でそのＤＣ出力成分がゼロとなる。したがって、フェ
ーズロックされてＶＣＯ３５の出力周波数が固定された
場合、この出力周波数は、常にＬＤ２０から目標の物体
までの距離に対応したものとなっている。よって、周波
数検出部４１でＶＣＯ３５の出力周波数をモニタしてお
けば、ある時点での出力周波数に基づいてこの時の物体
までの距離を簡易かつ高精度で求めることができる。な
お、光学スイッチ２５を切替えてファイバー２６を選択
することにより、ミラー２２を基準点とした物体までの
距離を求めることができる。
る。ＬＤ２０からのレーザー光は、ファイバー２１を通
って目標の物体に照射される。ＡＰＤ２９は、物体で反
射されて戻ってきたレーザー光を検出する。位相比較器
３２は、ＬＤ２０から出射されるレーザー光とＡＰＤ２
９で検出されるレーザー光との位相差がπ／２になる条
件でそのＤＣ出力成分がゼロとなる。したがって、フェ
ーズロックされてＶＣＯ３５の出力周波数が固定された
場合、この出力周波数は、常にＬＤ２０から目標の物体
までの距離に対応したものとなっている。よって、周波
数検出部４１でＶＣＯ３５の出力周波数をモニタしてお
けば、ある時点での出力周波数に基づいてこの時の物体
までの距離を簡易かつ高精度で求めることができる。な
お、光学スイッチ２５を切替えてファイバー２６を選択
することにより、ミラー２２を基準点とした物体までの
距離を求めることができる。
【００２１】以下、第１実施例の具体的測定条件につい
て説明する。各ファイバー２１、２４、２６の長さは
１．５ｍであり、各ファイバー２１、２４、２６の群屈
折率は１．５であり、ファイバー２１の出射端からミラ
ー２２までの距離は５ｍｍであり、ミラー２２からミラ
ー２３までの距離は２．５ｍｍであり、ミラー２３から
ファイバー２４までの距離は２．５ｍｍであり、目標の
物体までの光路の平均屈折率が１．０であり、ＬＤ２０
等の送光部、ＡＰＤ２９等の受光部、増幅部までの群遅
延時間の総和が５ｎｓであり、真空中の光速度が３×１
０8 ｍ／ｓであるとき、（７）式からｆ1 （較正用の光
路に測定光をバイパスさせた場合の値）として、 ｆ1 ＝３／４・（Ｔｄ1 ＋Ｔｃ1 ）-1 ＝３／４・｛〔２×１．５×１．５ ＋（５＋２．５＋２．５）×１０-3〕／３×１０8 ＋５×１０-9｝-1 ＝３７．４３７６０５×１０6 が得られる。
て説明する。各ファイバー２１、２４、２６の長さは
１．５ｍであり、各ファイバー２１、２４、２６の群屈
折率は１．５であり、ファイバー２１の出射端からミラ
ー２２までの距離は５ｍｍであり、ミラー２２からミラ
ー２３までの距離は２．５ｍｍであり、ミラー２３から
ファイバー２４までの距離は２．５ｍｍであり、目標の
物体までの光路の平均屈折率が１．０であり、ＬＤ２０
等の送光部、ＡＰＤ２９等の受光部、増幅部までの群遅
延時間の総和が５ｎｓであり、真空中の光速度が３×１
０8 ｍ／ｓであるとき、（７）式からｆ1 （較正用の光
路に測定光をバイパスさせた場合の値）として、 ｆ1 ＝３／４・（Ｔｄ1 ＋Ｔｃ1 ）-1 ＝３／４・｛〔２×１．５×１．５ ＋（５＋２．５＋２．５）×１０-3〕／３×１０8 ＋５×１０-9｝-1 ＝３７．４３７６０５×１０6 が得られる。
【００２２】次に、ミラー１から被測定対象である物体
までの距離を２０ｃｍ、平均屈折率を１．０とすれば、
同様にｆ2 （被測定対象に測定光を照射した場合の値）
として、 ｆ2 ＝３／４・｛〔２×１．５×１．５ ＋（５＋５）×１０-3＋２×０．２〕／３×１０8 ＋５×１０-9｝−１ ＝３５．１０１４０４×１０６ が得られる。
までの距離を２０ｃｍ、平均屈折率を１．０とすれば、
同様にｆ2 （被測定対象に測定光を照射した場合の値）
として、 ｆ2 ＝３／４・｛〔２×１．５×１．５ ＋（５＋５）×１０-3＋２×０．２〕／３×１０8 ＋５×１０-9｝−１ ＝３５．１０１４０４×１０６ が得られる。
【００２３】ここで周波数測定の確度を６桁（±1/1000
000)とすると、最大の測定誤差ΔＬは（１１）式から、
次のように求められる。 ΔＬ＝０．０００００２×３×（ｆ2 -1＋ｆ1 -1）×ｖo ／（２×４） ＝１２．４２μｍ ただし、ｎ＝１とした。
000)とすると、最大の測定誤差ΔＬは（１１）式から、
次のように求められる。 ΔＬ＝０．０００００２×３×（ｆ2 -1＋ｆ1 -1）×ｖo ／（２×４） ＝１２．４２μｍ ただし、ｎ＝１とした。
【００２４】ここで、従来からある、１５ＭＨｚの変調
波を用いた、位相差方式の光波距離計を考えてみると、
位相の分解能として１／２０００を想定すると、往復で
の時間分解能が （１５×１０6 ）-1／２０００＝３３．３×１０-12 であり。距離にして ３×１０8 ×３３．３×１０-12 ／２＝５ｍｍ となるに過ぎない。したがって本実施例の装置では、簡
単な構成で位相自体の測定よりもはるかに高い分解能を
得ることができることが分かる。
波を用いた、位相差方式の光波距離計を考えてみると、
位相の分解能として１／２０００を想定すると、往復で
の時間分解能が （１５×１０6 ）-1／２０００＝３３．３×１０-12 であり。距離にして ３×１０8 ×３３．３×１０-12 ／２＝５ｍｍ となるに過ぎない。したがって本実施例の装置では、簡
単な構成で位相自体の測定よりもはるかに高い分解能を
得ることができることが分かる。
【００２５】このように、測定対象物までの距離が正確
に計れることにより、光学系の視野角から対象物の寸法
なども求めることが可能となる。また、このような実施
例の装置が、内視鏡に組込まれた場合、レーザー光線を
用いた腫瘍の治療などでレーザーの照射強度を決定する
際の有効な指標になると考えられる。また、携帯型の簡
易な測距儀を構成することも可能である。
に計れることにより、光学系の視野角から対象物の寸法
なども求めることが可能となる。また、このような実施
例の装置が、内視鏡に組込まれた場合、レーザー光線を
用いた腫瘍の治療などでレーザーの照射強度を決定する
際の有効な指標になると考えられる。また、携帯型の簡
易な測距儀を構成することも可能である。
【００２６】図４に、図２の光学式距離計をファイバー
スコープに応用した第２実施例の装置を示す。本実施例
では、ファイバー２１とファイバー２４の先端を密着さ
せて、散乱体６０などを用いてファイバー２１からの出
射光の一部をファイバー２４に戻す。各ファイバーの先
端部が小型化されると同時に、ミラー２２からミラー２
３までの距離とミラー２３からファイバー２６までの距
離を考慮する必要が無くなる。
スコープに応用した第２実施例の装置を示す。本実施例
では、ファイバー２１とファイバー２４の先端を密着さ
せて、散乱体６０などを用いてファイバー２１からの出
射光の一部をファイバー２４に戻す。各ファイバーの先
端部が小型化されると同時に、ミラー２２からミラー２
３までの距離とミラー２３からファイバー２６までの距
離を考慮する必要が無くなる。
【００２７】なお、図３、図４の実施例は、ＡＰＤの替
りにＭＳＭ（metal semiconductormetal)ディテクター
あるいはＭＣＰフォトマルチプライヤー、ＬＤの代りに
高速変調用のＬＥＤ等を用いても構成することができ
る。
りにＭＳＭ（metal semiconductormetal)ディテクター
あるいはＭＣＰフォトマルチプライヤー、ＬＤの代りに
高速変調用のＬＥＤ等を用いても構成することができ
る。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の光学式距
離計は、送光部での変調光の位相と受光部での変調光の
位相との差がπ／２になる位相固定の条件を保つように
変調光の周波数を調節する周波数調節手段を備えるの
で、送光部から出射される変調光の周波数は、常に送光
部及び受光部側から目標物体までの距離に対応したもの
となっている。したがって、処理手段により、ある時点
での変調光の周波数に基づいてこの時点の目標物体まで
の距離を簡易かつ高精度に求めることができる。さらに
は、上記光学式距離計は、較正用ファイバーにより導光
された変調光の周波数に基づいて反射物体の位置を基準
点として求め、測定用ファイバーにて導光された変調光
の周波数に基づいて基準点から測定対象物までの距離を
求める処理手段を設けているので、基準点から測定対象
物までの距離を送光部、受光部等での群遅延ドリフトの
影響を受けずに求めることができる。さらには、上記光
学式距離計は、較正用ファイバー及び測定用ファイバー
それぞれの長さを略同一の長さにしているので、照射用
ファイバーから照射され反射物体により反射され較正用
ファイバーに入射される変調光の光路と、照射用ファイ
バーから照射され測定対象物により反射され測定用ファ
イバーに入射される変調光の光路との光路差を小さくで
き、較正用ファイバーと測定用ファイバーとを切り換え
る際に、周波数調整手段の動作周波数の変化を小さくで
き、エラーの発生頻度が軽減され、高精度測定を可能と
している。
離計は、送光部での変調光の位相と受光部での変調光の
位相との差がπ／２になる位相固定の条件を保つように
変調光の周波数を調節する周波数調節手段を備えるの
で、送光部から出射される変調光の周波数は、常に送光
部及び受光部側から目標物体までの距離に対応したもの
となっている。したがって、処理手段により、ある時点
での変調光の周波数に基づいてこの時点の目標物体まで
の距離を簡易かつ高精度に求めることができる。さらに
は、上記光学式距離計は、較正用ファイバーにより導光
された変調光の周波数に基づいて反射物体の位置を基準
点として求め、測定用ファイバーにて導光された変調光
の周波数に基づいて基準点から測定対象物までの距離を
求める処理手段を設けているので、基準点から測定対象
物までの距離を送光部、受光部等での群遅延ドリフトの
影響を受けずに求めることができる。さらには、上記光
学式距離計は、較正用ファイバー及び測定用ファイバー
それぞれの長さを略同一の長さにしているので、照射用
ファイバーから照射され反射物体により反射され較正用
ファイバーに入射される変調光の光路と、照射用ファイ
バーから照射され測定対象物により反射され測定用ファ
イバーに入射される変調光の光路との光路差を小さくで
き、較正用ファイバーと測定用ファイバーとを切り換え
る際に、周波数調整手段の動作周波数の変化を小さくで
き、エラーの発生頻度が軽減され、高精度測定を可能と
している。
【図１】本発明の光学式距離計の概略の構成図。
【図２】参照用の光路を設けたタイプの光学式距離計の
概略の構成図。
概略の構成図。
【図３】第１実施例の光学式距離計の構成図。
【図４】第２実施例の光学式距離計の構成図。
２，４，６，８…周波数調節手段、１０…送光部、１２
…受光部。
…受光部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−66881（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−77672（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−25471（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−77778（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−77780（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−134089（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01S 7/48 G01S 17/00 - 17/88 G01B 11/00 - 11/30
Claims (2)
- 【請求項１】 光搬送波を強度変調した変調光を出力す
る送光部と、 前記送光部から出力された前記変調光を導光し測定対象
物に照射する照射用ファイバーと、 前記照射用ファイバーにより前記測定対象物に照射され
前記測定対象物で反射された前記変調光を導光する測定
用ファイバーと、 前記測定用ファイバーにより導光された前記変調光を検
出する受光部と、 前記送光部での前記変調光の位相と前記受光部での前記
変調光の位相との差がπ／２になる位置固定の条件を保
つように、前記変調光の周波数を調節する周波数調節手
段と、 前記照射用ファイバーから照射された前記変調光の一部
を反射する反射物体と、 前記反射物体により反射された前記変調光の一部を前記
受光部に導光する較正用ファイバーと、 前記較正用ファイバーにより導光された前記変調光の周
波数に基づいて前記反射物体の位置を基準点として求
め、前記測定用ファイバーにより導光された前記変調光
の周波数に基づいて前記基準点から前記測定対象物まで
の距離を求める処理手段と、を備え、 前記測定用ファイバー及び前記較正用ファイバーそれぞ
れは略同一の長さである、ことを特徴とする光学式距離
計。 - 【請求項２】 前記送光部からの変調光の出力と前記受
光部の検出ゲインとを制御することにより、前記受光部
の検出出力を一定に保つことを特徴とする請求項１記載
の光学式距離計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07811493A JP3241857B2 (ja) | 1993-04-05 | 1993-04-05 | 光学式距離計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07811493A JP3241857B2 (ja) | 1993-04-05 | 1993-04-05 | 光学式距離計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06289137A JPH06289137A (ja) | 1994-10-18 |
| JP3241857B2 true JP3241857B2 (ja) | 2001-12-25 |
Family
ID=13652866
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP07811493A Expired - Fee Related JP3241857B2 (ja) | 1993-04-05 | 1993-04-05 | 光学式距離計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3241857B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4844134B2 (ja) * | 2006-01-26 | 2011-12-28 | パナソニック電工株式会社 | 距離計測装置 |
| ATE539361T1 (de) * | 2008-11-20 | 2012-01-15 | Cedes Ag | Sensorvorrichtung mit einem distanzsensor |
| JP2020106396A (ja) * | 2018-12-27 | 2020-07-09 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 測距装置 |
| JP7348099B2 (ja) * | 2020-02-13 | 2023-09-20 | 株式会社アドバンテスト | 光学試験用装置 |
| KR20220004432A (ko) * | 2020-07-03 | 2022-01-11 | 삼성전자주식회사 | 향상된 신호대 잡음비를 갖는 라이다 장치 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5866881A (ja) * | 1981-10-16 | 1983-04-21 | Tohoku Richo Kk | 光波測量機 |
| JPS6025471A (ja) * | 1983-07-22 | 1985-02-08 | Hidehiko Yamada | 光学的変位測定方法 |
| JPS6177778A (ja) * | 1984-09-25 | 1986-04-21 | Matsushita Electric Works Ltd | 物体検知装置 |
| JPS6177780A (ja) * | 1984-09-25 | 1986-04-21 | Matsushita Electric Works Ltd | 物体検知装置 |
| JP2909742B2 (ja) * | 1988-06-29 | 1999-06-23 | 株式会社トプコン | 遅延時間測定装置 |
| JP2552325Y2 (ja) * | 1991-06-05 | 1997-10-29 | 株式会社ニコン | 光波測距装置 |
-
1993
- 1993-04-05 JP JP07811493A patent/JP3241857B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06289137A (ja) | 1994-10-18 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |