JP3307730B2 - 光学測定装置 - Google Patents

光学測定装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、目標物体までの距離あ
るいは光路の群屈折率を光学的な手法を用いて正確に測
定する光学測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術およ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という問題点があった。ま
た、温度依存性が大きく十分な測定精度が得られないと
いう問題点もあった。
【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。
【０００４】また、群屈折率計としても、信号光の強度
を正弦波等で変調して既知の距離に接地された反射体に
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、これに基づいて光路を満たす
物質の群屈折率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。
【０００５】本発明は、以上の問題点を解消するために
なされたものであり、簡易かつ高精度で目的物体までの
距離を測定する光学測定装置を提供することを目的とす
る。
【０００６】また、本発明は、簡易かつ高精度で光路の
群屈折率を測定する光学測定装置を提供することを目的
とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明第１の光学測定装置は、(ａ)光搬送波を強度
変調した変調光を目標物体に照射する送光部と、(ｂ)光
搬送波を強度変調する変調信号の波形を反映した電圧信
号が入力される光導電型受光器により、目標物体で反射
されて戻ってきた反射変調光を受光して、反射変調光と
電圧信号との積である積信号を得、積信号を時間平均し
て、反射変調光と電圧信号との位相差の値に応じた信号
を出力する受光部と、(ｃ)受光部の出力信号が基準値に
固定される条件を保つように、変調光の周波数を調節す
る周波数調節手段と、(ｄ)周波数調節手段によって調節
された結果、固定された変調周波数を計測する周波数計
測手段と、(ｅ)周波数計測手段によって計測された周波
数に基づいて送光部及び受光部側から目標物体までの距
離を求める処理手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】また、本発明の第２の光学測定装置は、
(ａ)光搬送波を強度変調した変調光を照射する送光部
と、(ｂ)送光部から所定距離の位置に配設された、送光
部からの変調光を反射する反射手段と、(ｃ)光搬送波を
強度変調する変調信号の波形を反映した電圧信号が入力
される光導電型受光器により、目標物体で反射されて戻
ってきた反射変調光を受光して、反射変調光と電圧信号
との積である積信号を得、積信号を時間平均して、反射
変調光と電圧信号との位相差の値に応じた信号を出力す
る受光部と、(ｄ)受光部の出力信号が基準値に固定され
る条件を保つように、変調光の周波数を調節する周波数
調節手段と、(ｅ)周波数調節手段によって調節された結
果、固定された変調周波数を計測する周波数計測手段
と、(ｆ)周波数計測手段によって計測された周波数に基
づいて送光部及び受光部側と反射手段との間の光路の群
屈折率を求める処理手段と、を備えることを特徴とす
る。
【０００９】本発明の光学測定装置は、上記の構成に加
えて、光学測定装置自体に内在する位相差を除去する較
正用のバイパス光路が設けられてよい。さらに、周波数
調節手段は、光搬送波を強度変調するための変調信号を
出力し、送光部は、所定の時間遅延を施す遅延器を介し
て変調信号を入力し、光搬送波を変調信号により強度変
調して得られる変調光を目標物体に照射すると好まし
い。
【００１０】また、受光部は、変調信号の波形を反映
した電圧が印加され、光信号を受光する光導電型受光器
と、光導電型受光器からの出力電流を入力し、出力電
流信号の値の時間平均を算出する時間平均手段と、を備
えることを特徴としてもよいし、更に、光導電型受光
器のオフセット電圧を調整する調整手段を加えて構成さ
れることを特徴としてもよい。
【００１１】また、光導電型受光器は、照射光量が一
定、印加電圧値を独立変数とした場合、印加電圧値が０
Ｖを含む所定の定義域において、光導電型受光器を流れ
る電流量が印加電圧の奇関数であり、印加電圧は、周期
的であり、時間平均値が略０であり、且つ、振幅が０と
なる隣り合う時刻の中点の時刻を原点として、振幅が時
間の偶関数である、ことを特徴としてもよく、例えば、
光導電型受光器は、金属−半導体−金属フォトディテク
タである、ことを特徴としてもよい。
【００１２】また、受光部に入力する電圧信号は、変調
信号を他の変調信号で位相変調して生成される、ことを
特徴としてもよい。
【００１３】また、周波数調節手段は、基準電圧と受
光部の出力信号とを入力し、基準電圧の値と受光部の出
力信号の値との差の値を増幅して出力する誤差増幅器
と、増幅電圧信号を入力し、交流成分を低減して略直
流の電圧信号を出力するローパスフィルタと、この略
直流の電圧信号を入力し、該電圧信号の値に応じた周波
数の電気信号を生成して送光部へ出力する電圧制御発振
器と、を備えることを特徴としてもよいし、基準電圧
と受光部の出力信号とを入力し、基準電圧の値と受光部
の出力信号の値との差の値を増幅して出力する誤差増幅
器と、誤差増幅器から出力された信号を入力し、交流
成分を低減して第１の略直流電圧信号を出力するローパ
スフィルタと、第１の略直流電圧信号と電圧範囲指示
信号とを入力し、第１の略直流電圧信号の値と電圧範囲
の値の積の値に応じた値を有する第１の略直流電気信号
を出力する第１の信号変換手段と、変位電圧指示信号
を入力し、変位電圧指示信号の値に応じた値を有する第
２の略直流電気信号を出力する第２の信号変換手段と、
第１の略直流電気信号と第２の略直流電気信号とを入
力し、第１の略直流電気信号の値と前記第２の略直流電
気信号の値との和の値に応じた第２の略直流電圧信号を
出力する信号加算手段と、信号加算手段から出力され
た第２の略直流電圧信号を入力し、該電圧信号の値に応
じた周波数の信号を生成して送光部へ出力する電圧制御
発振器と、を備えることを特徴としてもよい。
【００１４】
【作用】上記光学測定装置は、変調信号の位相と受光部
での反射変調光の位相との差が一定値になる位相固定の
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、変調信号の周波数は、常に送光部及
び受光部側から目標物体までの距離または光路の群屈折
率に対応したものとなっている。したがって、変調信号
の周波数が固定化した時点での変調信号の周波数に基づ
いてこの時の目標物体までの距離または光路の群屈折率
を簡易かつ高精度で求める。
【００１５】
【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。
【００１６】図１に、本発明の第１のタイプの光学測定
装置の概略の構成を示す。誤差増幅器３１０は、その一
方の入力端子には基準電圧（Ｖr ）が入力され、他方の
入力端子に入力される電圧信号の値（Ｖd ）と基準電圧
値の値との差（Ｖd −Ｖr ）を増幅した値の電圧（ＶI
＝Ｇ・（Ｖd −Ｖr ））を出力する。誤差増幅器３１０
の出力はローパスフィルター３２０に入力される。この
ローパスフィルター３２０は、誤差増幅器３１０の出力
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３２０の出力は電圧制御発振
器（ＶＣＯ）４００にその制御電圧を供給する。電圧制
御発振器４００は、ローパスフィルタ３２０を介して誤
差増幅器３１０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４００からの電気信号は送
光部１００に供給される。この送光部１００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
４００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、反射体（反
射板６５０）に照射する。反射体からの反射変調光は、
受光部２００で受光される。受光部２００には電圧制御
発振器４００から出力される変調信号が同時に入力され
ており、反射変調光と変調信号との位相差を算出後に位
相差信号の時間平均電圧値に変換して出力する。この時
間平均電圧値は、上記の誤差増幅器３１０の他の入力端
子に入力される。周波数カウンタ５００は、電圧制御発
振器４００から出力される変調信号の周波数を検出す
る。なお、周波数カウンタ５００は、周波数を計測する
ものであれば代替可能である。例えば、周波数／電圧変
換器（Ｆ／Ｖコンバータ）と電圧計との組み合わせ、パ
ルスの繰り返し周期に比例した電圧を出力するレートメ
ータと電圧計との組み合わせ、またはＦＭ検波器用いら
れるような周波数弁別器を使用できる。
【００１７】ここで、受光部２００は入力する光波形と
電気信号波形とを直接乗算して、乗算結果の低周波成分
を電圧値として出力する。図２は、こうした機能を実現
する受光部の構成例１の構成図である。この受光部は、
反射変調光と変調信号とを入力して、光信号である反射
変調光と電気信号である変調信号との積を演算すること
により反射変調光と変調信号との位相差を反映した電気
信号を出力する光導電型受光器２１０と、変調信号の交
流分の電圧信号を光導電型受光器２１０に印加するため
の接続コンデンサＣ１、Ｃ２と、光導電型受光器２１０
に生じた電流の直流分を通すチョークコイルＬ１、Ｌ２
と、チョークコイルＬ１、光導電型受光器２１０および
チョークコイルＬ２を流れる電流信号の交流分を電圧に
変換する演算増幅器Ａ２および抵抗Ｒ２と、この変換さ
れた電圧信号の時間平均を演算する演算増幅器Ａ１、コ
ンデンサＣ４および抵抗Ｒ１と、光導電型受光器２１０
に印加する電圧のバイアス値を調整するバイアス調整器
と、から構成される。
【００１８】ここで、光導電型受光器２１０は、金属−
半導体−金属（ＭＳＭ）受光器から構成される。また、
バイアス調整器は、バイアス電圧値を調整する可変抵抗
ＶＲ１と、可変抵抗ＶＲ１の端子と接続させる、直列接
続された直流電源Ｅ１，Ｅ２と、からなり、直流電源Ｅ
１と直流電源Ｅ２との接続点は接地電位に設定される。
【００１９】この受光部２００は、無変調光の受光時に
出力が「０Ｖ」となるように、可変抵抗ＶＲ１によって
バイアス電圧が調整される。この場合、大気の揺らぎな
どを無視すれば、受光部２００の入力信号である反射変
調光の交流分Ｖa および変調信号Ｖb は、 Ｖa ＝ＶA ｓｉｎ（ωｔ−φ） …（１） ＶA ：反射変調光の強度振幅（変調成分） ω ：変調周波数 φ ：反射変調光と変調信号との位相差 Ｖb ＝ＶB ｓｉｎ（ωｔ） …（２） ＶB ：変調信号の電圧振幅 であり、受光部２００の出力電圧Ｖd は次の式で表され
る。 Ｖd ＝＜Ｖa ・Ｖb ＞ ＝＜Ｋ1 ・ＶA ｓｉｎ（ωｔ−φ）・ＶB ｓｉｎ（ωｔ）＞ ＝＜Ｋ2 ・ＶA ・ＶB （ｃｏｓ（２ωｔ−φ）＋ｃｏｓφ）＞ ＝Ｋ2 ・ＶA ・ＶB ・ｃｏｓφ …（３） ここで、＜Ｘ＞：Ｘの時間平均 Ｋi ：定数（ｉ＝１，２） 図３は、受光部の動作の説明図であり、（１）式に示し
た位相差（φ）と出力電圧（ＶD ）との関係を示す。図
３（ａ）は位相差が０（＋２ｎπ；ｎ＝整数）の場合
を、図３（ｂ）は位相差がπ／２（＋ｎπ；ｎ＝整数）
の場合を、そして図３（ｃ）は位相差がπ（＋２ｎπ；
ｎ＝整数）の場合を示す。
【００２０】したがって、誤差増幅器３１０の基準電圧
端子の入力値を「０Ｖ」とすると、誤差増幅器３１０の
出力電圧値ＶI は、 ＶI ＝Ｇ・Ｖd ＝Ｇ・Ｋ2 ・ｃｏｓφ …（４） ここで、Ｇ：誤差増幅器の利得 となる。すなわち、 ｃｏｓφ＝ＶI ／（Ｇ・Ｋ2 ） …（５） となり、誤差増幅器３１０が充分な利得を持つ（すなわ
ち、Ｇが充分に大きい）ならば、反射変調光と変調信号
との位相差が常に略π／２（＋ｎπ；ｎ＝整数）に保た
れるようなフェーズロックループ（ＰＬＬ）が構成さ
れ、反射体までの往復距離（Ｌ１＋Ｌ２）に応じた周波
数で電圧制御発振器４００が発振することになる。
【００２１】ところで、フェーズロックループのロック
条件が成立しても変調周波数値は一義的には決定されな
い。そこで、あらかじめ電圧制御発振器４００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、また初期変調周波数が充分に
低ければ、電圧制御発振器４００がＴｄの４／３倍の周
波数で位相差はちょうどπ／２となる。
【００２２】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４００の発振周波数すなわち周波
数カウンタ５００の測定値ｆから、 Ｔｄ＝３／４・ｆ-1 …（６） ｆ：ＶＣＯ発振周波数 のように求められる。
【００２３】したがって、光路を満たす物質の群屈折率
が既知であり、Ｌ１とＬ２が等しい（Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ）
とすれば、Ｔd から、反射体までの距離Ｌは、 Ｌ＝ｃ・Ｔｄ／（２・ｎ） …（７） ｎ：光路を満たす物質の群屈折率 ｃ：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、電圧制御発振器４００は、発振周
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。
【００２４】また、Ｌ１とＬ２が等しく（Ｌ１＝Ｌ２＝
Ｌ）かつ既知であれば、Ｔd から、光路を満たす物質の
群屈折率ｎは、 ｎ＝ｃ・Ｔｄ／（２・Ｌ） …（８） ｎ：光路を満たす物質の群屈折率 ｃ：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、群屈折率も高精度で求
めることができる。なお、電圧制御発振器４００は、発
振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。
【００２５】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である受光部２００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、受光部２００の入
力信号である反射変調光Ｖa ′の時間依存性を考慮する
と、 Ｖa ′（ｔ）＝Ｉ0 ・Ｖ0 （ｔ） ＋ＶA ・Ｖ1 （ｔ）・ｓｉｎ（ωｔ−φ） …（９） ここで、Ｖ0 （ｔ）：反射変調光の背景光の時間変動 Ｖ1 （ｔ）：反射変調光の変調成分の時間変動 となる。なお、一般にＶ0 （ｔ）およびＶ1 （ｔ）の時
間変化の周波数成分は変調信号周波数に比べて充分小さ
い。
【００２６】このとき、受光部２００の出力電圧Ｖ
D は、光導電型受光器２１０が飽和しない限り、 Ｖd ＝＜Ｖa ′（ｔ）・Ｖb ＞ ＝Ｋ2 ・ＶA ・ＶB ・ｃｏｓφ・＜Ｖ1 （ｔ）＞ …（１０） となり、位相差φ＝π／２であれば、Ｖ1 （ｔ）の形態
に拘らずＶD ＝０となる。すなわち、位相差φ＝π／２
を保つ制御を行えば、反射変調光の強度の変化の影響を
受けない。
【００２７】図４は、変調信号の説明図である。上記で
は、変調信号として図４（ａ）の正弦波を使用したが、
変調信号の波形は時間−振幅座標系において、一定周
期を有する周期関数であり、振幅の時間平均が「０」
であり、かつ、振幅が０となる隣り合う時刻の中点の
時刻を原点とした場合に、振幅が時間の偶関数であれ
ば、上記の例と同様に位相差が周期の１／４となった場
合に受光部２００の出力は「０Ｖ」となる。すなわち、
図４（ｂ）の三角波、図４（ｃ）の台形波、または図４
（ｄ）の矩形波などが使用可能である。
【００２８】また、受光部２００は、図３の構成から変
調信号の印加方法を変更して、図５に示す受光部の構成
例２あるいは図６に示す受光部の構成例３のように構成
としても同様にフェーズロックループを形成することが
できる。
【００２９】図７に、参照用の光路を設けた第２のタイ
プの光学測定装置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。
【００３０】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、（６）式は次のよう
に変形される。 Ｔｄ1 ＝３／４・ｆ1 -1−Ｔｃ1 …（１１） 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 反射体までの測定光路Ｌ１，Ｌ２を選択しているとき
も、同様に、 Ｔｄ2 ＝３／４・ｆ2 -1−Ｔｃ2 …（１２） 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うちに、Ｔｄ1 ，Ｔｄ2 を
測定すれば、 Ｔｃ1 ＝Ｔｃ2 ＝Ｔｃ …（１３） となり、次のように、参照用光路の反射板６００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。
【００３１】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） …（１４） この（１４）式を（７）式に代入すると、光路を満たす
物質の群屈折率ｎが既知とすれば、反射体までの距離Ｌ
は、 Ｌ＝３／４・ｃ・（ｆ2 -1−ｆ1 -1）／（２・ｎ） …（１５） となる。
【００３２】また、反射体までの距離Ｌが既知であれ
ば、光路を満たす物質の群屈折率ｎは、 ｎ＝３／４・ｃ・（ｆ2 -1−ｆ1 -1）／（２・Ｌ） …（１６） となる。
【００３３】図７の構成中の遅延器４５０（遅延時間＝
ＴD ）は、電圧制御発振器４００の発振周波数範囲を拡
大せずに、距離測定の範囲を拡大するために設置される
ものであり、（１１）式のＴｃ1 および（１２）式のＴ
ｃ2 に含めて取り扱われる。
【００３４】例えば、遅延器４５０を設置しない（すな
わち、ＴD ＝０）で０〜１００ｍの距離範囲を測定する
場合には、最小距離と最大距離との測定に必要な変調周
波数は、 ０ｍ時（送光部と受光部との群遅延時間の総和＝約１
５ｎｓ）→約５０ＭＨｚ １００ｍ時（送光部と受光部との遅延時間の総和＝約
６８２ｎｓ）→約１．１ＭＨｚ となり、電圧制御発振器４００は、１．１ＭＨｚ〜５０
ＭＨｚ程度という発振周波数範囲が必要となる。しか
し、距離測定に使用する変調周波数の最大値が最小値の
３倍を越えると、上述のフェーズロックループのロック
条件が複数の変調周波数で成立する可能性がある。
【００３５】こうした事態に対しては、図７のように測
定距離範囲に応じて適当な遅延器を設置すればよい。例
えば、ＴD ＝５００ｎｓの遅延器４５０を設置すれば、
上記の０〜１００ｍの距離範囲を測定する場合には、最
小距離と最大距離との測定に必要な変調周波数は、 ０ｍ時（送光部と受光部との群遅延時間の総和＝約５
００ｎｓ）→約１．５ＭＨｚ １００ｍ時（送光部と受光部との遅延時間の総和＝約
１．１７μｓ）→約６４３ｋＨｚ となり、電圧制御発振器４００の発生する変調周波数の
最大値は最小値の３倍以下となる。以上のように、測定
距離範囲に応じて適当な遅延器４５０を設置すれば、フ
ェーズロックする変調周波数は一意的に決まるととも
に、電圧制御発振器４００の発振周波数範囲も狭くな
り、装置の構成が簡易となる。
【００３６】図８に、参照用の光路を設けた上に、変調
周波数変化部８００をローパスフィルタ３２０と電圧制
御発振器４００との間に設置した第３のタイプの光学測
定装置の概略の構成を示す。変調周波数変位部８００
は、光路（Ｌ１＋Ｌ２）中に存在する変調周波数を有す
る強度変調成分の波の数を決定するためのものである。
図示のように変調周波数変位部８００は、ローパスフ
ィルタ３２０から出力された略直流電圧信号Ｖ１と処理
部（図示せず）から出力された標準電圧指示信号とを入
力し、Ｖ１の値と標準電圧の値の積の値に応じた値を有
する略直流電流信号Ｉ１を出力する乗算型の電流出力Ｄ
／Ａコンバータ８１０（ＤＡ１）と、処理部から出力
された変位電圧指示信号を入力し、変位電圧指示信号の
値に応じた値を有する直流電流信号Ｉ２を出力する電流
出力Ｄ／Ａコンバータ８２０（ＤＡ２）と、Ｉ１とＩ
２とを入力し、Ｉ１の値とＩ２の値との和の値に応じた
略直流電圧信号Ｖ２出力する電流加算器８３０と、から
構成される。
【００３７】ここで、電流加算器８３０は、＋側入力端
子は接地されるとともに、−側入力端子はＤ／Ａコンバ
ータ８１０およびＤ／Ａコンバータ８２０の出力が接続
され、出力端子が電圧制御発振器４００の電圧入力端子
に接続された演算増幅器Ａ２と、一方の端子が演算増幅
器Ａ２の出力端子と接続されるとともに、他方の端子が
演算増幅器Ａ２の−側入力端子に接続され、電流−電圧
変換を行う抵抗Ｒ２と、から構成される。
【００３８】上述のように、本発明の光学測定装置は、
フェーズロックした変調周波数の値を検出することで距
離または光路（Ｌ１＋Ｌ２）を満たす物質の群屈折率を
測定するので、変調周波数の値が大きいほど高精度の測
定が可能となる。しかし、フェーズロックする変調周波
数を大きくすると、フェーズロックする変調周波数の一
意性を維持できなくなる。
【００３９】本タイプの装置は、処理部から標準電圧値
をＤ／Ａコンバータ８１０に設定することにより、充分
な測定精度を得ることができる変調周波数の値の範囲
（例えば、１０8 Ｈｚ付近）で、まず、Ｄ／Ａコンバー
タ８２０の出力電流値を略０として、フェーズロックす
る第１の変調周波数値ｆ１を計測する。このとき、第１
の変調周波数値ｆ１については、 ｍ＋３／４＝ｆ１・（２Ｌ・ｎ／ｃ＋Ｔｄ） …（１７） ここで、ｍ ：光路（Ｌ１＋Ｌ２）の変調波の波数 ２Ｌ：反射体までの往復距離 ｎ ：光路（Ｌ１＋Ｌ２）を満たす物質の群屈折率 ｃ ：真空中の光速度 Ｔｄ：送光部、受光部、および遅延器の群遅延時間の総
計 が成り立つ。この段階ではｍと、距離計ではＬ、群屈折
率計ではｎとが未知であるため目的の測定値を求めるこ
とはできない。
【００４０】次に、処理部からＤ／Ａコンバータ８２０
に電流出力の増加指示を発行する。この場合、処理部が
指示する電流増加量は、この電流増加によって変化する
変調周波数の増分Δｆが、 Δｆ１＝（２ＬMAX ／ｃ＋Ｔｄ）-1 …（１８） ここで、ＬMAX ：距離測定の場合には、装置としての測
定距離の最大値 群屈折率測定の場合には、設定距離値 で算出されるΔｆ１と略同様の値となるように設定す
る。なお、以上ではｎが略「１」であることを仮定して
いるが、測定上でｎが「１」と扱えない場合には、想定
されるｎの最大値をｎMAX として、（１８）式の「ｃ」
を「ｃ／ｎMAX 」に置き換えて取り扱う。
【００４１】こうして、Ｄ／Ａコンバータ８２０の電流
出力を略Δｆ１分だけ増加させてフェーズロック周波数
を計測する。計測したフェーズロック周波数の値がｆ１
に一致した場合、処理部は順に略Δｆ１分ずつＤ／Ａコ
ンバータ８２０の電流出力を増加させて都度フェーズロ
ック周波数を計測し、フェーズロック周波数がｆ１から
変化するまで続行する。変化したフェーズロック周波数
ｆ２では、 ｍ＋１＋３／４＝ｆ２・（２Ｌ・ｎ／ｃ＋Ｔｄ） …（１９） が成り立つ。（１７）式と（１９）式とを連立させてｍ
について解くと、 ｍ＝（７ｆ１−３ｆ２）／［４（ｆ２−ｆ１）］ …（２０） となり、計測値ｆ１およびｆ２からｍを求めることがで
きる。このｍの値を（１７）式に代入して、測定対象で
ある距離Ｌあるいは群屈折率ｎを算出する。
【００４２】なお、Ｄ／Ａコンバータ８１０、８２０は
電流出力型のものを使用し、電流加算を行ったが、電圧
出力型のＤ／Ａコンバータを用いて電圧加算を行っても
同様に動作する。
【００４３】以下、本発明の具体的実施例について説明
する。
【００４４】（第１実施例）図９に、図７の第２のタイ
プの光学測定装置をファイバースコープに応用した本発
明の第１実施例の装置を示す。レーザーダイオード（Ｌ
Ｄ）１１０からのレーザー光は、ファイバー１３１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
１３１の出射光の一部は、ミラー６１０，６２０によっ
てファイバー１３２（較正用の光路）に導かれる。
【００４５】一方、物体からの散乱光は、光学スイッチ
２５０を切替えてファイバー１３３を選択することによ
り、光学フィルタ２６１に導かれる。光学フィルタ２６
１は、分光器あるいは干渉フィルターなどから構成され
る。この光学フィルター２６１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。光学フィルタ２６１を介した光は、
光可変減衰器２６２に入力する。この光可変減衰器２６
２は、物体の反射率、距離の異なりから生じる過大光量
入射時に受光部２００の光導電型受光器２１０の飽和を
防止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Ｎ
Ｄ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。
【００４６】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、以上のプロセスを経て受光部２００に
入力する。受光部２００では、上述したように、この受
光信号と電圧制御発振器４００の出力する変調信号との
積を演算後、直流成分を取り出す時間平均演算を施す。
【００４７】なお、本実施例では、電圧制御発振器４０
０の出力する変調信号を発振器２７２が発生する周波数
ｆの発振信号によって位相変調部２７１で位相変調した
後、受光部２００に入力している。周波数ｆは、上述の
フェーズロックループのループフィルタの帯域幅よりも
充分大きい値に設定されるのでフェーズロック特性に影
響を与えることはない。フェーズロックした状態では、
受光部２００内の時間平均前の信号は、周波数ｆの交流
分を含んだものとなっており、この信号を交流増幅器７
３０を介して計測制御部７１０へ入力することにより、
受光光量の不足によりロックする位相が移動して距離測
定に誤差が生じたことを判定可能としている。
【００４８】受光部２００の出力信号は、誤差増幅器３
１０とローパスフィルタ３２０とを介して電圧制御発振
器４００にフィードバック入力する。電圧制御発振器４
００は、この入力信号の電圧値に応じた周波数で発振す
る変調信号を生成して、ＬＤ駆動部１２０へ出力する。
ＬＤ駆動部１２０は、電圧制御発振器４００の出力を電
流変換してＬＤ１１０に与える。ＬＤ１１０の出力は、
ファイバー１３１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６１０、ミラー６２０、ファイ
バー１３２へ導かれる。
【００４９】オフセット電圧の変動による位相検出誤差
を避けるため、受光部２００の出力の一部は、計測制御
部７１０に導かれる。計測制御部７１０では、無変調時
の光入射に対する受光部２００の出力が「０Ｖ」になる
ように、受光部２００のオフセット電圧を調整する。
【００５０】また、計測制御部７１０は、光路切替スイ
ッチの制御を行い、その都度フェーズロック条件の成立
する周波数を周波数カウンタ５００から読取り、測定対
象物体までの距離を計算して表示部７２０に測定距離を
表示する。
【００５１】以下、本実施例の装置の動作について説明
する。ＬＤ１１０からのレーザー光は、ファイバー１３
１を通って目標の物体に照射される。受光部２００は、
物体で反射されて戻ってきたレーザー光を検出する。受
光部は、ＬＤ１１０から出射されるレーザー光と電圧制
御発振器４００が出力する変調信号との位相差が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電圧制御発振器４００の出力
周波数が固定された場合、この出力周波数は、常にＬＤ
１１０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、周波数カウンタ５００で電圧制御発振
器４００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
２５０を切替えてファイバー１３３を選択した時のフェ
ーズロック周波数の計測を合わせて行うことにより、本
実施例の装置自体に起因する位相差を除去した上で、ミ
ラー６１０を基準点とした物体までの距離を求めること
ができる。
【００５２】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１３１、１３２、１３３の長
さは１．５ｍであり、各ファイバー１３１、１３２、１
３３の群屈折率は１．５であり、ファイバー１３１の出
射端からミラー６１０までの距離は５ｍｍであり、ミラ
ー６１０からミラー６２０までの距離は２．５ｍｍであ
り、ミラー６２０からファイバー１３２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、ＬＤ１１０等の送光部１００、受光部
２００、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３×１０8 ｍ／ｓであるとき、
（１１）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。
【００５３】次に、ミラー６１０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。
【００５４】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（１３）式から、
次のように求められる。 ΔＬ＝０．０００００２×３×（ｆ2 -1＋ｆ1 -1）×ｖ
o ／（２×４）＝１２．４２μｍ ただし、ｎ＝１とした。ここで、従来からある、１５Ｍ
Ｈｚ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。
【００５５】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。
【００５６】なお、上記のファイバスコープでは、第２
のタイプの光学測定装置を利用した場合を説明したが、
第１のタイプまたは第３のタイプの光学測定装置を利用
することも可能である。ただし、第１のタイプの光学測
定装置を利用した場合には、そのままでは上記のファイ
バスコープよりも測定精度が低下するので、精度向上の
ため、装置に内在する回路系の群遅延変動を事前測定し
て補償する必要がある。また、第３のタイプの光学測定
装置を利用した場合には、測定精度は向上するが装置構
成がやや複雑となる。
【００５７】（第２実施例）図１０に、図７の第２のタ
イプの光学測定装置をファイバースコープに応用した本
発明の第２実施例の装置を示す。本実施例では、ファイ
バー１３１とファイバー１３２の先端を密着させて、散
乱体６３０などを用いてファイバー１３１からの出射光
の一部をファイバー１３２に戻す。各ファイバーの先端
部が小型化されると同時に、図９の第１実施例のファイ
バミラー６１０からミラー６２０までの距離とミラー６
２０からファイバー１３３までの距離を考慮する必要が
無くなる。この実施例では、ファイバ１３１とファイバ
１３２とを別のファイバとしたが、単一のファイバで構
成することも可能である。この場合は、散乱体６３０を
設置せずにファイバ端面での反射を利用することができ
る。
【００５８】なお、本実施例においても第１実施例と同
様に、第１のタイプまたは第３のタイプの光学測定装置
を利用することも可能である。ただし、第１のタイプの
光学測定装置を利用した場合には、そのままでは上記の
ファイバスコープよりも測定精度が低下するので、精度
向上のため、装置に内在する回路系の群遅延変動を事前
測定して補償する必要がある。また、第３のタイプの光
学測定装置を利用した場合には、測定精度は向上するが
装置構成がやや複雑となる。
【００５９】（第３実施例）図１１に、図７の第２のタ
イプの光学測定装置を群屈折率計に応用した本発明の第
３実施例の装置を示す。本実施例の装置は、第２実施例
の装置にファイバ１３１の光出射端およびファイバ１３
３の光入射端から所定の距離Ｌに配設された反射板６５
０を加えて構成される。また、処理部７４０は、第２実
施例の処理部７１０から内蔵される算出機能を群屈折率
用に変更して構成され、表示部７５０にはこの装置での
測定値を表示する。
【００６０】以下、本実施例の装置の動作について説明
する。ＬＤ１１０からのレーザー光は、ファイバー１３
１を通って目標の物体に照射される。受光部２００は、
物体で反射されて戻ってきたレーザー光を検出する。受
光部は、ＬＤ１１０から出射されるレーザー光と電圧制
御発振器４００が出力する変調信号との位相差が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電圧制御発振器４００の出力
周波数が固定された場合、この出力周波数は、常にＬＤ
１１０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、周波数カウンタ５００で電圧制御発振
器４００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光路を満たす物質の群屈折率を
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２５０を切替えてファイバー１３３を選択した時の
フェーズロック周波数の計測を合わせて行うことによ
り、本実施例の装置自体に起因する位相差を除去した上
で、光路を満たす物質の群屈折率を求めることができ
る。
【００６１】この装置で受光部２００と反射体６５０と
の間を大気とすると、測定値である群屈折率ｎは、 (ｎ- 1)・108 =[2371.4 +683939.7・( 130-σ2 )/( 130-σ2 ) 2 +4547.3・(38.9+σ2 )/(38.9+σ2 ) 2 ] ・ＤS +[6487.31+174.174・σ2 -3.55750・σ4 +0.61957・σ6 ] ・ＤW …（２１） ＤS =(ＰS / Ｔ )・[ 1+ＰS ・(57.90・10-8 -9.3250・10-4／Ｔ +0.25844/Ｔ)] …（２２） ＤW =(ＰW / Ｔ )・[ 1+ＰW ・( 1+(3.7・10-4) ・ＰW ) ・( -2.37321・10-3 +2.23366/Ｔ -710.792/ Ｔ2 +7.75141・104 ／Ｔ3 )] …（２３） ここで、ＰS ：乾燥空気圧（ｈＰａ） ＰW ：水蒸気圧（ｈＰａ） Ｔ ：絶対温度（゜Ｋ） σ ：真空中での波長の逆数（μｍ-1） という実験式で表される（J.C.Owens,“ Optical Refra
ctive Index of Air:Dependence on Pressure, Tempera
ture and Composition”, Applied Optics 6(1),1967,
pp51-58）。したがって、温度、湿度、および気圧の内
で２つの値が既知であれば、この装置によって測定され
た群屈折率ｎとから、未知の大気情報値を算出すること
ができる。
【００６２】なお、本実施例においても第１実施例と同
様に、第１のタイプまたは第３のタイプの光学測定装置
を利用することも可能である。ただし、第１のタイプの
光学測定装置を利用した場合には、そのままでは上記の
ファイバスコープよりも測定精度が低下するので、精度
向上のため、装置に内在する回路系の群遅延変動を事前
測定して補償する必要がある。また、第３のタイプの光
学測定装置を利用した場合には、測定精度は向上するが
装置構成がやや複雑となる。
【００６３】本発明は、上記の実施例に限定されるもの
ではなく変形が可能である。例えば、上記の実施例の装
置では、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。また、送光部のドリフトによる
計測精度の劣化を避けるために、較正用の光路からの反
射光または直接光を別の受光器で受け、この出力を使っ
て光導電型受光器の印加電圧としても良い。
【００６４】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明の
第１の光学測定装置によれば、送光部の変調信号の位相
と受光部での反射変調光の位相との差を光導電型受光器
を有する受光部で直接演算し、この演算結果を用いて位
相固定の条件を保つように、変調光の周波数を調節する
制御を行うので、変調信号の周波数は、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、周波数が固定化した時点での変調
光の周波数に基づいてこの時の目標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。
【００６５】また、本発明の第２の光学測定装置によれ
ば、送光部の変調信号の位相と受光部での反射変調光の
位相との差を光導電型受光器を有する受光部で直接演算
し、この演算結果を用いて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制御を行うので、変調信
号の周波数は、常に送光部及び受光部側から所定位置に
配設された反射手段までの光路を満たす物質の群屈折率
に対応したものとなっている。したがって、周波数が固
定化した時点での変調光の周波数に基づいてこの時の反
射手段までの光路を満たす物質の群屈折率を簡易かつ高
精度で求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１のタイプの光学測定装置の概略の
構成図である。
【図２】受光部の構成例１の構成図である。
【図３】受光部の動作の説明図である。
【図４】変調信号の波形の説明図である。
【図５】受光部の構成例２の構成図である。
【図６】受光部の構成例３の構成図である。
【図７】本発明の第２のタイプの光学測定装置の概略の
構成図である。
【図８】本発明の第２のタイプの光学測定装置の概略の
構成図である。
【図９】第１実施例の光学測定装置の構成図である。
【図１０】第２実施例の光学測定装置の構成図である。
【図１１】第３実施例の光学測定装置の構成図である。
【符号の説明】
１００…送光部、２００…受光部、２１０…光導電型受
光器、３１０…誤差増幅器、３２０…ローパスフィル
タ、４００…電圧制御発振器、５００…周波数カウン
タ、６１０，６２０…ミラー、６３０…拡散体、６５０
…反射板、７１０…計測制御部、７２０…表示部、８０
０…変調周波数変位部、８１０，８２０…Ｄ／Ａコンバ
ータ、８３０…信号加算器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 水島 宜彦 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松 ホトニクス株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−114777（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−24590（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−77672（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−228512（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−288416（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−41530（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−112650（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−57862（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−66881（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−198781（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−260872（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−154085（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01S 7/48 - 7/51 G01S 17/00 - 17/95 G01B 11/00 - 11/30 G01C 21/00 - 21/24 G01C 23/00 - 25/00

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光搬送波を強度変調した変調光を目標物
    体に照射する送光部と、 前記光搬送波を強度変調する変調信号の波形を反映した
    電圧信号が入力される光導電型受光器により、前記目標
    物体で反射されて戻ってきた反射変調光を受光して、前
    記反射変調光と前記電圧信号との積である積信号を得、
    前記積信号を時間平均して、前記反射変調光と前記電圧
    信号との位相差の値に応じた信号を出力する受光部と、 前記受光部の出力信号が基準値に固定される条件を保つ
    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、 前記周波数調節手段によって調節された結果、固定され
    た変調周波数を計測する周波数計測手段と、 前記周波数計測手段によって計測された周波数に基づい
    て前記送光部及び前記受光部側から目標物体までの距離
    を求める処理手段と、 を備えることを特徴とする光学測定装置。
  2. 【請求項２】 光搬送波を強度変調した変調光を照射す
    る送光部と、 前記送光部から所定距離の位置に配設された、前記送光
    部からの前記変調光を反射する反射手段と、 前記光搬送波を強度変調する変調信号の波形を反映した
    電圧信号が入力される光導電型受光器により、前記目標
    物体で反射されて戻ってきた反射変調光を受光して、前
    記反射変調光と前記電圧信号との積である積信号を得、
    前記積信号を時間平均して、前記反射変調光と前記電圧
    信号との位相差の値に応じた信号を出力する受光部と、 前記受光部の出力信号が基準値に固定される条件を保つ
    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、 前記周波数調節手段によって調節された結果、固定され
    た変調周波数を計測する周波数計測手段と、 前記周波数計測手段によって計測された周波数に基づい
    て前記送光部及び前記受光部側と前記反射手段との間の
    光路の群屈折率を求める処理手段と、 を備えることを特徴とする光学測定装置。
  3. 【請求項３】 光学測定装置自体に内在する位相差を除
    去する較正用のバイパス光路が設けられている、ことを
    特徴とする請求項１または請求項２記載の光学測定装
    置。
  4. 【請求項４】 前記周波数調節手段は、前記光搬送波を
    強度変調するための変調信号を出力し、 前記送光部は、所定の時間遅延を施す遅延器を介して前
    記変調信号を入力し、前記光搬送波を前記変調信号によ
    り強度変調して得られる前記変調光を前記目標物体に照
    射することを特徴とする請求項１または請求項２記載の
    光学測定装置。
  5. 【請求項５】 前記受光部は、 前記光導電型受光器のオフセット電圧を調整する調整手
    段を備えることを特徴とする請求項１または請求項２記
    載の光学測定装置。
  6. 【請求項６】 前記光導電型受光器は、照射光量が一
    定、印加電圧値を独立変数とした場合、印加電圧値が０
    Ｖを含む所定の定義域において、前記光導電型受光器を
    流れる電流量が印加電圧の奇関数であり、 印加電圧は、周期的であり、時間平均値が略０であり、
    且つ、振幅が０となる隣り合う時刻の中点の時刻を原点
    として、振幅が時間の偶関数である、ことを特徴とする
    請求項５記載の光学測定装置。
  7. 【請求項７】 前記光導電型受光器は、金属−半導体−
    金属フォトディテクタである、ことを特徴とする請求項
    ６記載の光学測定装置。
  8. 【請求項８】 前記電圧信号は、前記変調信号を他の変
    調信号で位相変調して生成される、ことを特徴とする請
    求項１または請求項２記載の光学測定装置。
  9. 【請求項９】 前記周波数調節手段は、 基準電圧と前記受光部の出力信号とを入力し、前記基準
    電圧の値と前記受光部の出力信号の値との差の値を増幅
    して出力する誤差増幅器と、 前記増幅電圧信号を入力し、交流成分を低減して略直流
    の電圧信号を出力するローパスフィルタと、 前記略直流の電圧信号を入力し、該電圧信号の値に応じ
    た周波数の電気信号を生成して前記送光部へ出力する電
    圧制御発振器と、 を備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載
    の光学測定装置。
  10. 【請求項１０】 前記周波数調節手段は、 基準電圧と前記受光部の出力信号とを入力し、前記基準
    電圧の値と前記受光部の出力信号の値との差の値を増幅
    して出力する誤差増幅器と、 前記誤差増幅器から出力された信号を入力し、交流成分
    を低減して第１の略直流電圧信号を出力するローパスフ
    ィルタと、 前記第１の略直流電圧信号と電圧範囲指示信号とを入力
    し、前記第１の略直流電圧信号の値と前記電圧範囲の値
    の積の値に応じた値を有する第１の略直流電気信号を出
    力する第１の信号変換手段と、 変位電圧指示信号を入力し、前記変位電圧指示信号の値
    に応じた値を有する第２の略直流電気信号を出力する第
    ２の信号変換手段と、前記第１の略直流電気信号と前記
    第２の略直流電気信号とを入力し、前記第１の略直流電
    気信号の値と前記第２の略直流電気信号の値との和の値
    に応じた第２の略直流電圧信号を出力する信号加算手段
    と、 前記信号加算手段から出力された前記第２の略直流電圧
    信号を入力し、該電圧信号の値に応じた周波数の信号を
    生成して前記送光部へ出力する電圧制御発振器と、 を備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載
    の光学測定装置。
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Families Citing this family (50)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3364333B2 (ja) * 1994-09-19 2003-01-08 浜松ホトニクス株式会社 減衰特性測定装置
DE19521771A1 (de) * 1995-06-20 1997-01-02 Jan Michael Mrosik FMCW-Abstandsmeßverfahren
JP3465434B2 (ja) * 1995-09-06 2003-11-10 ソニー・プレシジョン・テクノロジー株式会社 レーザードップラー速度計
JPH09236662A (ja) * 1996-02-29 1997-09-09 Ushikata Shokai:Kk 光波距離計
US5808743A (en) * 1996-04-05 1998-09-15 Board Of Regents Of The University Of Colorado Laser sensor using optical feedback-induced frequency modulation
US5777746A (en) * 1996-12-31 1998-07-07 Pitney Bowes Inc. Apparatus and method for dimensional weighing utilizing a mirror and/or prism
US5923416A (en) * 1997-03-20 1999-07-13 Hartford Hospital Automated method and apparatus for evaluating the performance characteristics of endoscopes
US6052190A (en) * 1997-09-09 2000-04-18 Utoptics, Inc. Highly accurate three-dimensional surface digitizing system and methods
US6459483B1 (en) * 1998-02-10 2002-10-01 Toolz, Ltd. Level with angle and distance measurement apparatus
DE19902455A1 (de) * 1999-01-22 2000-08-10 Bosch Gmbh Robert Abstandsmeßverfahren und -vorrichtung
EP1067361A1 (en) 1999-07-06 2001-01-10 Datalogic S.P.A. Method and a device for measuring the distance of an object
JP4508352B2 (ja) * 2000-04-10 2010-07-21 キヤノン株式会社 光空間伝送システム
DE10039422C2 (de) * 2000-08-11 2002-08-01 Siemens Ag Verfahren und Vorrichtungen zum Betrieb eines PMD-System
US7330271B2 (en) 2000-11-28 2008-02-12 Rosemount, Inc. Electromagnetic resonant sensor with dielectric body and variable gap cavity
WO2002044672A2 (en) 2000-11-28 2002-06-06 Rosemount Inc. Arrangement for measuring physical parameters with an optical sensor
JP4533582B2 (ja) * 2000-12-11 2010-09-01 カネスタ インコーポレイテッド 量子効率変調を用いたｃｍｏｓコンパチブルの三次元イメージセンシングのためのシステム
US6570646B2 (en) 2001-03-06 2003-05-27 The Regents Of The University Of California Optical distance measurement device and method thereof
DE10228644A1 (de) * 2002-01-23 2003-08-07 Micro Optronic Messtechnik Gmb Verfahren und Vorrichtung zur optischen Entfernungsmessung
DE10242777A1 (de) * 2002-09-14 2004-04-08 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Bestimmen einer Entfernung und Entfernungsmessgerät
US7043115B2 (en) 2002-12-18 2006-05-09 Rosemount, Inc. Tunable optical filter
JP4166083B2 (ja) * 2002-12-26 2008-10-15 株式会社トプコン 測距装置
TWI274851B (en) * 2004-04-09 2007-03-01 Hon Hai Prec Ind Co Ltd Laser range finder
US7592615B2 (en) * 2005-10-11 2009-09-22 Hong Kong Applied Science And Technology Research Institute Co., Ltd. Optical receiver with a modulated photo-detector
DE102006048322A1 (de) * 2006-10-06 2008-04-10 Valeo Schalter Und Sensoren Gmbh Verfahren zur Erfassung einer physikalischen Größe und Vorrichtung hierfür
DE202007018027U1 (de) * 2007-01-31 2008-04-17 Richard Wolf Gmbh Endoskopsystem
DE102008018636B4 (de) * 2008-04-11 2011-01-05 Storz Endoskop Produktions Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur endoskopischen 3D-Datenerfassung
US9482755B2 (en) 2008-11-17 2016-11-01 Faro Technologies, Inc. Measurement system having air temperature compensation between a target and a laser tracker
US8659749B2 (en) * 2009-08-07 2014-02-25 Faro Technologies, Inc. Absolute distance meter with optical switch
JP2011069726A (ja) * 2009-09-25 2011-04-07 Hamamatsu Photonics Kk 距離画像取得装置
US8619265B2 (en) 2011-03-14 2013-12-31 Faro Technologies, Inc. Automatic measurement of dimensional data with a laser tracker
US9400170B2 (en) 2010-04-21 2016-07-26 Faro Technologies, Inc. Automatic measurement of dimensional data within an acceptance region by a laser tracker
US9772394B2 (en) 2010-04-21 2017-09-26 Faro Technologies, Inc. Method and apparatus for following an operator and locking onto a retroreflector with a laser tracker
US9377885B2 (en) 2010-04-21 2016-06-28 Faro Technologies, Inc. Method and apparatus for locking onto a retroreflector with a laser tracker
US8902408B2 (en) 2011-02-14 2014-12-02 Faro Technologies Inc. Laser tracker used with six degree-of-freedom probe having separable spherical retroreflector
JP5797282B2 (ja) 2011-03-03 2015-10-21 ファロ テクノロジーズ インコーポレーテッド ターゲット装置及び方法
JP5730094B2 (ja) * 2011-03-28 2015-06-03 株式会社トプコン 光波距離計
US9164173B2 (en) 2011-04-15 2015-10-20 Faro Technologies, Inc. Laser tracker that uses a fiber-optic coupler and an achromatic launch to align and collimate two wavelengths of light
USD688577S1 (en) 2012-02-21 2013-08-27 Faro Technologies, Inc. Laser tracker
US8537376B2 (en) 2011-04-15 2013-09-17 Faro Technologies, Inc. Enhanced position detector in laser tracker
US9482529B2 (en) 2011-04-15 2016-11-01 Faro Technologies, Inc. Three-dimensional coordinate scanner and method of operation
US9686532B2 (en) 2011-04-15 2017-06-20 Faro Technologies, Inc. System and method of acquiring three-dimensional coordinates using multiple coordinate measurement devices
GB2515922A (en) 2012-01-27 2015-01-07 Faro Tech Inc Inspection method with barcode identification
KR101975971B1 (ko) * 2012-03-19 2019-05-08 삼성전자주식회사 깊이 카메라, 다중 깊이 카메라 시스템, 그리고 그것의 동기 방법
US9041914B2 (en) 2013-03-15 2015-05-26 Faro Technologies, Inc. Three-dimensional coordinate scanner and method of operation
US9584790B2 (en) * 2013-06-03 2017-02-28 Microsoft Technology Licensing, Llc Edge preserving depth filtering
CN105637383B (zh) * 2013-10-11 2017-11-14 三菱电机株式会社 风测量雷达装置
US9395174B2 (en) 2014-06-27 2016-07-19 Faro Technologies, Inc. Determining retroreflector orientation by optimizing spatial fit
JP6854670B2 (ja) * 2016-03-04 2021-04-07 株式会社半導体エネルギー研究所 半導体装置、表示パネル、表示モジュール及び電子機器
CN110352362B (zh) * 2017-02-24 2023-01-13 三菱电机株式会社 雷达信号处理装置及雷达系统
EP3757582B1 (en) * 2017-11-30 2021-11-10 INL - International Iberian Nanotechnology Laboratory Frequency sensor and method of estimating a frequency

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3602594A (en) * 1969-01-09 1971-08-31 Holobeam Laser calibration of large radio reflector
US3649123A (en) * 1969-04-16 1972-03-14 Holobeam Variable frequency phase matching distance measuring and positioning device
JPS58174874A (ja) * 1982-04-08 1983-10-13 Tokyo Optical Co Ltd 光波測距方法及びその装置
JPS60195479A (ja) * 1984-03-16 1985-10-03 Toshiba Corp 距離測定装置
JPS60262081A (ja) * 1984-06-11 1985-12-25 Hitachi Ltd レ−ザ測距装置
US4715706A (en) * 1986-10-20 1987-12-29 Wang Charles P Laser doppler displacement measuring system and apparatus
DE3943470A1 (de) * 1989-05-29 1990-12-13 Rainer Thiessen Gegenstands-naeherungs und troepfchendetektor
US5115294A (en) * 1989-06-29 1992-05-19 At&T Bell Laboratories Optoelectronic integrated circuit
JPH0462491A (ja) * 1990-06-29 1992-02-27 Omron Corp 距離測定装置

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