JP3419855B2

JP3419855B2 - レーザ測距方法および信号処理回路

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Publication number: JP3419855B2
Application number: JP28374093A
Authority: JP
Inventors: 達也森岡; 元隆種谷; 秀典河西; 淳下中
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1993-11-12
Filing date: 1993-11-12
Publication date: 2003-06-23
Anticipated expiration: 2018-06-23
Also published as: JPH07139907A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、カメラのＡＦ（オート
・フォーカス）、ＦＡ（ファクトリー・オートメーショ
ン）等の分野で使用されるレーザ測距装置を用いたレー
ザ測距方法およびその実施に使用する信号処理回路に関
し、特に測距対象物が振動している（搖れている）場合
にも高精度の測定が可能になるレーザ測距方法およびそ
の実施に使用する信号処理回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ測距方法として、半導体レーザか
ら出射されるレーザ光を時間的に周波数変調して干渉光
学系に入射し、続いて入射光を２つの光に分割し、一方
の光（測定系の光）を測距対象物に投射すると共に、他
方の光（参照系の光）を反射ミラーからなる反射体に投
射し、それぞれからの反射光を合成して、コヒーレント
ヘテロダイン検波することにより、２つの光の距離差、
即ち光路差に応じた周波数差からビート信号を検出し、
このビート信号に基づき測距対象物までの距離を測定
（算出）する方法が知られている。

【０００３】また、このようなレーザ測距方法の一従来
例として、特開昭６１−２２３５７７号公報に記載され
たものや、文献「半導体レーザによるＦＭヘテロダイン
測長法小林喬朗他，電子情報通信学会技術研究報告
会 OQE87-153」に記載されたものがある。この測距方
法は、測定距離のダイナミックレンジが大きくとれ、ま
た、高精度の測長が可能であるという利点を有する。

【０００４】図８はこのようなレーザ測距方法の実施に
使用されるレーザ測距装置の構成を示す。この測距方法
では、光源となる半導体レーザ２０１の注入電流を図９
に示すような、三角波に変調させ、この注入電流による
熱効果により、光周波数が三角波変調されたレーザ光
を、コリメータレンズ２０２によって平行光化した後、
ビーム・スプリッター２０３によって分光する。なお、
図９は、レーザ光の周波数変調量とビート信号の波形を
示している。

【０００５】分光された一方の光は、安定であって測定
の基準となる光路差を有する光学系（基準光学系）に入
射する。この基準光学系は、ビーム・スプリッター２０
４、２つの反射体２０５、２０５および検波器２０７で
構成されており、以下に示す動作をする。

【０００６】まず、ビーム・スプリッター２０４は入射
光を参照光学系と測定光学系に分割し、各々の反射体２
０５、２０５で反射された光をビーム・スプリッター２
０４で再び合成し、続いて検波器２０７でコヒーレント
ヘテロダイン検波する。この検波によりビート信号が得
られる。

【０００７】一方、ビーム・スプリッター２０３で分割
された他方の光は、測距光学系に入射される。測距光学
系の構成は、基準光学系の構成と略同様になっている。
すなわち、測定光を反射体に導く代わりに、測距対象物
２１６に導く以外は、基準光学系の構成と同様になって
おり、ビーム・スプリッター２１４、反射体２１５、検
波器２１７を同様に備えている。この測距光学系の検波
器２１７も同様にしてコヒーレントヘテロダイン検波を
行ってビート信号を得る。

【０００８】なお、図９中のＲ_rは基準光学系の参照光
の光路長を示し、Ｌ_rは基準光学系の測定光の光路長を
示している。

【０００９】ここで、ビート信号の周波数ｆ_bは下記
（１）式で表わされる。

【００１０】ｆ_b＝（ｄν／ｄｔ）・τ＝４ｆ_m・Δν・（Ｒ−Ｌ）／ｃ …（１）但し、 ν：レーザ光の周波数 τ：測定光と参照光の時間遅れｆ_m：変調周波数 Δν（GHz/mA）：レーザ光の周波数変調量Ｒ：測距光学系の参照光の距離（参照光の光路長）Ｌ：測定光の距離（測距対象物までの距離）ｃ：光速である。

【００１１】この光学系において、測距対象物２１６ま
での距離Ｌは下記（２）式で表される。

【００１２】Ｌ＝（ｆ_s／ｆ_r）・（Ｒ_r−Ｌ_r）＋Ｒ …（２）但し、ｆ_s：測距光学系のビート信号の周波数ｆ_r：基準光学系のビート信号の周波数である。

【００１３】なお、この距離計算は、パーソナルコンピ
ータ等からなるコンピュータ２１１によって計算され
る。今少し具体的に説明すると、上記のようにして各々
の検波器２０７、２１７によって得られたビート信号は
それぞれに接続されたアンプ２０８、２１８によって所
定レベルまで増幅され、続いて、波形整形器２０９、２
１９によって波形整形された後、カウンター２１０によ
って周波数がカウントされる。そして、このカウント値
に基づきコンピュータ２１１が距離Ｌを算出（測定）す
る。

【００１４】しかしながら、上記の方法では、基準光学
系のビート信号の位相部分をクロック発生器から発せら
れたクロック・パルスに基づいて測定していたため、測
定精度はクロック精度によって決定されることになる。
今少し説明すると、その信号処理回路では、基準光学系
のビート信号の１周期以内の波数、すなわち小数点以下
の波数に対応した位相角の算出を、１周期分のクロック
・パルス数と位相角をカウントする位相カウンターによ
る波数の小数点部分の比により行っている。

【００１５】ここで、通常使用されるクロック発生器の
周波数安定度は±５０ｐｐｍ程度である。それ故、この
誤差に起因して測定周波数誤差のレベルが１０_-4程度の
比較的大きなものになるため、高精度の測定を行う上で
限界があった。

【００１６】そこで、このような問題点を解決するもの
として、本願出願人が特願平５−１８１７３９号で先に
提案した信号処理回路がある。図１０はこの信号処理回
路のカウンター２１０を示す。以下にその回路構成を動
作と共に説明する。

【００１７】基準光学系のビート信号は、アンプ２０８
によって所定レベルまで増幅された後、波形整形器１０
９に入力され、ここで波形整形が行われて、図１１
（ａ）に示す矩形波に変換される。同様に、測距光学系
のビート信号は、波形整形器１１９によって波形整形さ
れて、図１１（ｅ）に示す矩形波に変換される。

【００１８】波形整形器１０９によって矩形波に変換さ
れた信号は、基準系の波数カウンター１２４に入力され
る。波数カウンター１２４には、これに接続された波数
設定器１２６より整数の設定値が予め設定されるように
なっている。波数カウンター１２４は、波形整形器１０
９からの入力信号の波数をカウントし、カウント値が設
定値になるまでの間、ゲートを開く構成になっている。
より具体的には、この間に、波数カウンター１２４から
基準系の時間測定カウンター１３０に、図１１（ｂ）に
示すようなタイミングの”Ｈ”レベルのゲート開信号
（基準系ゲート信号）が出力されるようになっている。

【００１９】時間測定カウンター１３０には、クロック
発生器１２２から、図１１（ｃ）に示す波形のクロック
・パルスが入力されるようになっている。時間測定カウ
ンター１３０は、波数カウンター１２４からの基準系ゲ
ート信号がゲート開の状態になっている間、クロック発
生器１２２からのクロック・パルスの数をカウントして
時間計測を行う（図１１（ｄ）参照）。

【００２０】また、この基準系ゲート信号は同期回路１
３１に入力される。同期回路１３１は基準系ゲート信号
に基づき、基準ビート信号に同期した測距系ゲート信号
（図１１（ｆ）参照）を生成して、測距系の波数カウン
ター１２３および時間測定カウンター１３２に与える。
なお、同期回路１３１には、波形整形器１１９の出力が
入力される。この出力は時間測定カウンター１３２にも
入力される。

【００２１】波数カウンター１２３は、測距系ゲート信
号が”Ｈ”レベルのゲート開の状態である間、測距ビー
ト信号の波数（図１１（ｇ）参照）をカウントする。ま
た、時間測定カウンター１３２には、同一のクロック発
生器１２２からクロック・パルス（図１１（ｈ）参照）
が入力されるようになっており、測距系ゲート信号が”
Ｈ”レベルのゲート開の状態である間、このクロック・
パルスをカウントして時間計測を行う。

【００２２】以上のカウント値により、測距光学系およ
び基準光学系のビート信号のビート周波数が計測され、
上記従来方法同様にして、コンピュータ１１１が下記
（２）’式の演算を行って測定対象物までの距離Ｌを算
出する。

【００２３】Ｌ＝〔（Ｎ_clr／Ｎ_r）／（Ｎ_cls／Ｎ_s）〕…（２）’ 但し、Ｎ_s：測距光学系のビート信号の周波数Ｎ_r：基準光学系のビート信号の周波数Ｎ_clr：時間測定用の基準光学系のクロック発生器のパ
ルス数Ｎ_cls：時間測定用の測距光学系のクロック発生器のパ
ルス数である。

【００２４】このような信号処理方式によれば、同一の
クロック発生器１２２から発生するクロック・パルスに
従い、基準光学系および測距光学系によってそれぞれ生
成されるビート信号の時間測定をほぼ同時に行うので、
クロック発生器１２２から発せられるクロック・パルス
が温度等の環境変化に起因して変化、すなわち時間的に
搖らいだとしても、その影響が両光学系に同等に現れ
る。従って、各光学系の測定値に対する誤差が相殺され
てキャンセルされるので、高精度の測定が可能になり、
レーザ測距装置の信頼性を格段に向上できる，といった
効果を奏する。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、例えばＡＦ
用に用いられるレンズの焦点合わせ方法は、レンズのウ
ォーブリング動作を行い、結像の空間周波数の高調波成
分の大きさが最大になるようにレンズを移動させて焦点
位置を合せている。即ち、空間周波数の高調波成分の大
きい場合にフォーカスが最も合っている状態だからであ
る。

【００２６】このようなレンズの焦点合わせを行う装置
に、上記のような信号処理方式をとるレーザ測距装置を
適用する場合は、レンズのウォーブリング動作に起因す
る位相ノイズのために、測定に大きな誤差が発生すると
いう問題点がある。即ち、上記のレーザ測距装置は、静
止状態にある測距対象物までの距離を高精度に測定する
ことを前提としているからである。

【００２７】それ故、上記のレーザ測距装置をＦＡに適
用する場合も、測距対象物が振動する場合は、同様に測
定に大きな誤差を発生するという問題点がある。

【００２８】以下にこの問題点の発生原因を詳細に説明
する。ウォーブリング動作により測距対象物が微小距離
変化すると、２つの光の距離差に応じたビート信号の初
期位相が変化するため、実際に観測されるビート信号の
出力は、下記（３）式に示されるように、ｆ_b＋△ｆ_bで
表される実際の距離の変化量に対応したビート信号に、
（３）式中の第２項に相当する、測距対象物の振動に起
因する位相変化分の周波数がＦＭ変調された出力Ｉとな
る。

【００２９】Ｉ＝２ａｂcos［２π（ｆ_b＋△ｆ_b）ｔ＋２πν₀（α／ｃ）cos２πｆ・ｔ＋２πν₀τ₀］…（３）但し、ｆ_b：ビート周波数（ビート信号の周波数） △ｆ_b：振動の距離に応じたビート周波数の変化量 α：測距対象物の振動幅ｆ：測距対象物の振動の周波数 ν₀：半導体レーザの光周波数 τ₀：距離差ｃ：光速である。

【００３０】図１２は上式（３）の影響を示している。
測距対象物が振動していない場合、即ち測距対象物に搖
れがない場合は、ビート周波数は図１２（ａ）に示すよ
うに時間的に安定した波形になっている。一方、測距対
象物が振動している場合は、測距対象物の振動の影響に
よりＦＭ変調されるため、その波形は、同図（ｂ）に示
すように大きく変化している。

【００３１】それ故、測距対象物が振動している場合
は、実際の測距対象物の振動量の距離に応じたビート周
波数の変化量以上にビート周波数が変化することになる
ため、上記の信号処理方式のレーザ測距方法において
は、大きな測定誤差を生じる。このため、実用化を図る
上で限界があった。

【００３２】本願出願人が先に提案した上記のレーザ測
距装置において、このような問題点は、測距対象物の振
動を抑制すれば解消される。しかし、かかるレーザ測距
装置をＦＡに応用する場合は、装置等の振動があるた
め、振動を１０μｍ以下に低減することは不可能であ
る。それ故、上記のレーザ測距装置をＦＡに応用するこ
とは困難である。このため、応用の用途が限定されてい
た。

【００３３】また、測距対象物の振動周波数（ｆ）より
十分に速い測定レートでビート信号を多数点測定し、時
間平均すれば、即ち長いウィンドウにて計測すれば、測
距対象物の振動の影響を低減することも可能である。し
かし、このような計測方式によれば、測定時間が長くな
るため実用的でない。

【００３４】更には、上記のレーザ測距装置において
は、以下に示す理由により、測定された距離値の出力方
式に問題点があるため、カメラのＡＦ等のような制御系
への応用が困難である。周波数カウンターによる周波数
測定方法では、一定のゲート時間のクロック・パルスお
よびビート信号の波数をカウントし、これらのカウント
値によりビート周波数を算出する。この方法では、クロ
ック・パルスのカウント数を多く測定する程、つまりゲ
ート時間を長く開ける程、測定精度を向上できる。しか
し、任意のゲート時間のクロック・パルスをカウントす
るために、距離出力値を連続的に出力することは不可能
である。従って、カメラのＡＦ等のように距離値の連続
出力が要求される制御系への応用は困難になる。

【００３５】加えて、上記のように光源として半導体レ
ーザを用いた光学系では、戻り光による可干渉性の低下
に起因する測定精度の劣化という問題点がある。この問
題点を図１３に従って、今少し説明する。今、同図
（ａ）に示すように、三角波の周波数変調量が小さい場
合、例えば、周波数変調量が100ＧＨｚ、変調周波数が
５０ＫＨｚ、測距対象物までの距離が５０ｃｍの場合を
仮定する。この場合において、半導体レーザからの出射
光と戻り光の発振周波数の差は、同図（ａ）に示すよう
に、戻り光の光周波数をｆ_aとすると、この時のレーザ
出射光の光周波数は距離差に対応する時間τを経た後の
周波数、つまりｆ_bとなるので、上記の測距条件下で
は、高々３０ＫＨｚしか変化しないことになる。従っ
て、この場合の、出射光と戻り光の発振周波数の差は、
通常のレーザ光のスペクトル線幅において１０ＭＨｚ以
下の大きさしか離れていないことになる。このため、出
射光と戻り光が結合し、可干渉性の低下が生じる結果、
ビート信号の強度が弱くなりＳ／Ｎ比が低下する（図１
４（ｂ）参照）。従って、ノイズが取り込まれるため、
ビート信号の周波数の測定誤差が大きくなる。即ち、弱
い信号成分に対して強いノイズ成分が大きくなるため、
測定誤差が大きくなるという問題点を引き起こしてい
た。本発明は、このような従来技術の問題点を解決する
ものであり、測距対象物が振動している場合にも、その
距離を高精度に測定でき、ＦＡやカメラのＡＦに応用す
ることが可能になるレーザ測距方法を提供することにあ
る。

【００３６】本発明の他の目的は、測定値を連続的に出
力することができ、カメラのＡＦやＦＡへの応用に好適
な信号処理回路を提供することを目的とする。

【００３７】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザ測距方法
は、レーザ光源を時間的に光周波数変調し、変調された
光を干渉光学系に入射し、続いて光分割手段で分割した
２つの光の内の一方を測距対象物に投射すると共に、他
方の光を反射体に投射し、該測距対象物および該反射体
からの反射光をヘテロダイン検波することにより２つの
光の光路差に応じた光周波数差によるビート信号を検出
し、該ビート信号に基づき該測距対象物までの距離又は
該測距対象物までの変位を測定するレーザ測距方法であ
って、該測距対象物が振動している場合に、ビート信号
の周波数が、下記の条件を満たすように、（４π／レーザ光源の発振波長）×測距対象物の振動幅
×測距対象物の振動周波数≦ビート信号周波数×相対精
度該レーザ光源の光変調周波数又は注入電流量を調整して
測定を行うようにしており、そのことにより上記目的が
達成される。

【００３８】好ましくは、三角波駆動周波数又はＦＭ変
調量を増加させて、前記ビート信号の周波数を前記の条
件を満たすように設定する。

【００３９】また、好ましくは、前記レーザ光源とし
て、３電極のＤＢＲレーザを用いる。また、本発明の信
号処理回路は、ビート信号を自己遅延検波する自己遅延
検波回路を備え、該自己遅延検波回路の出力により該ビ
ート信号の周波数に応じたアナログの距離値出力を得る
ようにしており、そのことにより上記目的が達成され
る。

【００４０】好ましくは、前記自己遅延検波回路が、光
学系から入力されるビート信号に任意の遅延量を設定す
る遅延検波回路と、該光学系からのビート信号および該
遅延回路からの遅延ビート信号が入力され、出力端子よ
り前記アナログの距離値出力に対応するパルス列の出力
を出力するフリップフロップ回路とを備えている。

【００４１】また、本発明の信号処理回路は、位相比較
器およびアナログ周波数弁別回路を備え、該アナログ周
波数弁別回路によってビート信号の周波数の周波数同期
を行い、周波数が一致した状態で位相同期を行って、距
離値に対応する出力信号を出力するようにしており、そ
のことにより上記目的が達成される。

【００４２】好ましくは、前記アナログ周波数弁別回路
としてＰＬＬ回路を用いる。

【００４３】また、本発明の信号処理回路は、基準光学
系および測距光学系からのビート信号をそれぞれ分周す
る分周器を備えており、そのことにより上記目的が達成
される。

【００４４】

【作用】このように、本発明方法では、ビート信号の周
波数を、所望の相対精度が得られるように高周波化し、
これにより位相ノイズの影響を相対的に小さくして、上
記従来技術が有する問題点の解決を図っている。即ち、
具体的には、下記（４）式の条件で測定している。

【００４５】（４π／レーザ光の発振波長）×測距対象
物の振動幅×測距対象物の振動周波数≦ビート信号周波
数×相対精度 …（４）今少し具体的に説明すると、例えば、半導体レーザの発
振波長が０．８μｍ、測距対象物の振動幅が０．１μ
ｍ、測距対象物の振動周波数が１０Ｈｚの時に、相対精
度１０^-6を得るためには、上記（４）式より、ビート信
号の周波数が２×１０⁷Ｈｚ以上であればよいことがわ
かる。

【００４６】本発明では、ビート信号の周波数が上記の
値以上になるように、三角波駆動周波数（図６参照）又
はＦＭ変調量を増加させて、ビート信号の周波数を所望
の周波数に設定する。また、本発明方法を実施するため
の信号処理回路として、遅延検波回路およびＰＬＬ（Ｐ
ｈａｓｅＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ）回路等のアナログ
周波数弁別回路を備えたものを用いると、ビート信号の
周波数を検知することにより、測定値を連続して、パソ
コン等のコンピュータからなる距離演算手段に出力する
ことができる。

【００４７】ところで、ビート信号の周波数を高周波化
する方法としては、図６（ａ）に示すように、三角波駆動周波数を図１２
（ａ）に示す状態から上げる方法、即ち三角波駆動周波
数自体を高周波化する方法図６（ｂ）に示すように、三角波駆動周波数を一定の
状態にしておき、半導体レーザのＦＭ変調量を上げるこ
とにより、光周波数の三角波を急峻化する方法等がある。

【００４８】しかし、三角波駆動周波数自体を高周波化
する方法では、半導体レーザへの注入電流の熱による応
答は、高々数ＭＨｚであり、十分な変調量を得ることが
困難である。

【００４９】また、ＦＭ変調量を上げる方法では、半導
体レーザとして、通常のファブリペローレーザを用いた
場合に、注入電流を大きく変化させる必要があるが、最
大光光出力による制限があるため不可能である。

【００５０】そこで、本発明では、３電極のＤＢＲレー
ザを用いて注入電流によるキャリアのプラズマ効果によ
る屈折率の変化により解決を図っている。今少し説明す
ると、このキャリアのプラズマ効果による応答速度は数
ＧＨｚ程度あるので、三角波駆動周波数を任意の周波数
に設定することが可能である。なお、キャリアのプラズ
マ効果による応答速度に関しては、例えば、９３年春
応用物理学会３０ｐ−Ｃ−９「AlGaAs/GaAs MQW-D
FBレーザのＦＭ応答特性」尾内敏彦他に詳細に記
載されているので、ここでは省略する。

【００５１】次に、本発明方法をＡＦ用のレンズのウォ
ーブリング動作に適用する場合について説明する。ＡＦ
用のレンズのウォーブリング動作においては、半導体レ
ーザの波長が０．８μｍ、測距対象物の振動幅が１０μ
ｍ程度、測距対象物の振動の周波数が５０Ｈｚ程度であ
り、要求される相対精度が１０^-4であるので、上記
（４）式より、ビート信号の周波数は８×１０⁷Ｈｚ以
上に設定する必要がある。そして、ビート信号の周波数
が８×１０⁷Ｈｚ以上になるように、半導体レーザに対
する三角波駆動周波数又は注入電流を設定すれば、所望
の相対精度が得られる。

【００５２】図７（ａ）〜（ｄ）を参照しつつ今少し説
明すると、例えば、図７（ａ）に示すように、測距対象
物の振動幅が１０μｍである場合に、相対精度１０^-4以
上を得るためには、測距対象物の振動周波数が１０
¹（＝１０）Ｈｚの時に、ビート信号の周波数として２
×１０⁷Ｈｚ以上必要である。また、振動周波数が１０²
Ｈｚの時には、ビート信号の周波数として２×１０⁸Ｈ
ｚ以上必要である。また、図７（ｂ）に示すように、振
動幅１μｍ、相対精度１０^-4以上を得るためには、振動
周波数が１０²Ｈｚの時に、ビート信号の周波数として
２×１０⁷Ｈｚ以上必要であり、振動周波数１０³の時に
は、ビート信号の周波数としては２×１０⁸以上が必要
である。

【００５３】この結果より、測距対象物の振動周波数が
低く、振動幅が大きい場合および振動周波数が高く、振
動幅が小さい場合は、相対精度を等しく劣化させること
がわかる。つまり、この２つの影響が均等であることを
示している。換言すれば、測距対象物の振動幅によるビ
ート信号の周波数の初期位相（干渉縞の明暗）の変化
と、振動周波数の高周波化によるビート信号の初期位相
の変化が均等であることを表している。

【００５４】上記の条件式（４）は、測距対象物の振動
の影響により相対精度は劣化するものの、この精度が所
望の値になるようにビート信号の周波数を高周波化すれ
ば、精度の劣化を低減できることを示している。また、
このビート信号の周波数の高周波化により、空気の温度
による屈折率の揺らぎに起因する測定精度の劣化も低減
できる。なんとなれば、この屈折率の揺らぎによる効果
も測距対象物の搖れと同様の効果であり、ビート信号の
周波数をＦＭ変調したものとして検出されるからであ
る。

【００５５】また、本発明方法において、例えば変調量
が１０ＴＨｚ、変調周波数が５ＫＨｚ、測距対象物まで
の距離差が５０ｃｍの場合において、図６（ｂ）に示す
ように、三角波駆動周波数のＦＭ変調量が大きいと、光
周波数差として300ＭＨｚ程度あるので、出射光と戻り
光の周波数差が通常のレーザ光の線幅以上になる。従っ
て、出射光と戻り光とが結合することがないので、可干
渉性によるＳ／Ｎ比の劣化を低減できる。

【００５６】また、本発明の信号処理回路によれば、遅
延検波回路による自己遅延検波およびＰＬＬによる周波
数弁別による周波数検出を行うことにより、測定値をア
ナログで連続出力することが可能になる。

【００５７】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面に基づき説明す
る。

【００５８】本発明のレーザ測距方法に使用する光学系
の構成は、上記した従来例のものと同様であるので、光
学系については説明および図面を省略する。但し、本発
明では、レーザ光源として、上記作用の項で説明した特
性を有する３電極のＤＢＲレーザを使用している。

【００５９】（実施例１）本実施例１では、上記作用の
項で説明したように、図７に示すように、測距対象物２
１６（図８参照）の振動に対して所望の測定精度が得ら
れるビート信号の周波数となるように、半導体レーザの
三角波駆動周波数を変化させている。一例として、半導
体レーザの発振波長が０．８μｍであり、測距対象物２
１６が振動幅１μｍ、振動周波数１０Ｈｚで振動してい
る場合に、測距対象物２１６までの距離を相対精度１０
^-4で測定するためには、上記（４）式より、ビート信号
の周波数を２ＭＨｚ以上に設定する必要がある。

【００６０】図１は本発明の実施例１に使用する信号処
理回路を示している。この信号処理回路は、遅延検波回
路１、フリップフロップ２、ローパスフィルタ３、レー
ザ三角波駆動回路４を備えており、所望の相対精度で測
定が行えるビート信号の周波数を設定すべく、半導体レ
ーザ５を駆動制御するシステム構成をとっている。

【００６１】今少し具体的に説明すると、所望のビート
信号の周波数になるように、上記（１）式のビート信号
の周波数と、三角波変調周波数との関係から三角波周波
数を設定すべく、レーザ三角波駆動回路４により半導体
レーザ５を駆動制御している。或は、三角波発振周波数
を一定にしておき、上記（１）式の△νを変化させてい
る。すなわち、半導体レーザ５への注入電流をレーザ三
角波駆動回路４にて増加させることによりＦＭ変調量を
変化させ、これにより所望のビート信号の周波数となる
ように制御している。このような、駆動制御方式によれ
ば、上記の条件下において、振動している測距対象物２
１６の距離を測定する場合の相対精度を１０^-4にできる
ことを確認できた。

【００６２】次に、この信号処理回路を用いたビート信
号の周波数に基づく距離値の出力方法について説明す
る。光学系により検出されたビート信号（図２（ａ）参
照）は遅延検波回路１およびフリップフロップ２のリセ
ット端子に入力される。遅延検波回路１は入力されたビ
ート信号の周波数に任意の遅延量（遅延時間）τを与
え、遅延化処理した遅延信号（図２（ｂ）参照）をフリ
ップフロップ２のセット端子に出力する。

【００６３】フリップフロップ２は、このような入力信
号が与えられると、出力端子Ｑより入力信号の周波数に
応じたデューティ比を持ったパルス列の出力信号（図２
（ｃ）参照）をローパスフィルタ３に与える。即ち、遅
延検波回路１およびフリップフロップ２の組み合せによ
り、ビート信号の自己遅延検波が行われる。ローパスフ
ィルタ３は所定レベル以上の高周波成分をカットする。
これにより、ビート信号の周波数に応じたアナログの距
離値出力（図２（ｄ）参照）が得られる。この距離値出
力は、距離演算手段であるコンピュータに入力され、最
終的に測距対象物２１６までの距離又は測距対象物まで
の変位が計測される。

【００６４】ここで、半導体レーザ５の光周波数が三角
波駆動周波数の頂点部分において、周波数が０Ｈｚへと
低周波化してしまう問題があるが、この時間に対応する
出力時間は高々１０ｎｓｅｃ程度であるので、この時間
の間を三角波駆動周波数に同期して出力値をピークホー
ルドすれば、出力値を連続して出力することができる。
従って、このような構成によれば、距離値の連続出力が
可能になる。

【００６５】また、ＦＭ変調効率の違いは、図８に示す
距離差既知の基準光学系から得られたアナログの距離値
信号に基づき校正を行うことによりキャンセルできる。

【００６６】（実施例２）図３は本発明の実施例２を示
す。本実施例２においては、三角波駆動周波数或はＦＭ
変調量を変化させてビート信号が測距対象物２１６の振
動に対して所望の相対精度となるように、レーザ三角波
駆動回路４にて三角波駆動周波数、或はＦＭ変調量を設
定して、半導体レーザ５を駆動制御する構成をとってい
る。また、距離値の出力は、ビート信号のアナログの出
力値をＰＬＬ検波することにより行っている。以下にＰ
ＬＬ検波を行うための回路構成を動作と共に簡単に説明
する。

【００６７】光学系により検出されたビート信号は位相
比較器６に入力され、ここでビート信号の周波数の位相
が比較され、比較出力（差分出力）がループフィルタ７
を通して増幅器８に与えられる。ループフィルタ７は所
定のノイズ成分をカットする。増幅器８により所定レベ
ル迄増幅された出力信号である位相弁別出力信号Ｖ(t)
は電圧制御発振器（ＶＣＯ）９に与えられ、ここで位相
弁別が行われる。このようにして、増幅された位相弁別
出力信号Ｖ(t)が最小になるような信号Ｖ_c(t)が電圧制
御発振器９に入力され、この信号Ｖ_c(t)が位相比較器６
に出力され、続いてループフィルタ７および増幅器８を
経て、距離値として出力される。

【００６８】すなわち、このような回路構成により、ビ
ート信号の周波数同期を行い、次に周波数が一致した状
態で位相同期課程が行われ、この時の電圧制御発振器９
の出力電圧が距離値に対応する。

【００６９】（実施例３）図４および図５は本発明の実
施例３を示す。図３は本実施例３で使用する信号処理回
路の回路構成を示しているが、そのデバイスの多くは、
本願出願人が特願平５−１８１７３９号で先に提案した
信号処理回路と共通しているので、共通する部分につい
ては同一の番号を付して説明を省略し、以下に異なる部
分についてのみ説明する。また、図５に示す波形につい
ても共通する部分については説明を省略する。

【００７０】この信号処理回路は、基準系ビート信号が
入力される波形整形器１０９と、波数カウンター１２４
との間および測距系ビート信号が入力される波形整形器
１１９と波数カウンターとの間に1/N分周器１４０、1/N
分周器１４１がそれぞれ接続されている他は、上記の信
号処理回路と同一になっている。

【００７１】本実施例３では、図７に示すように、測距
対象物２１６の振動に対して所望の測定精度が得られる
ビート信号の周波数となるように、例えばレーザ三角波
駆動回路にて半導体レーザの三角波駆動周波数を変化さ
せ、このビート信号の周波数を1/N分周器１４０、１４
１に通すことにより1/Nに分周し（図４（ｄ）、（ｅ）
参照）、これにより波数カウンター（周波数カウンタ
ー）１２４、１２３にて測定可能な周波数に低周波化し
ている。従って、汎用タイプの周波数カウンターにて周
波数測定を行えるといった利点がある。

【００７２】加えて、この時、測距対象物２１６の振動
に起因したビート信号の揺らぎの成分も1/Nにされの
で、その分、相対精度の向上が図れる、といった効果を
奏する。

【００７３】

【発明の効果】以上の本発明レーザ測距方法によれば、
ビート信号の周波数が、以下の条件を満たすように、（４π／レーザ光の発振波長）×測距対象物の振動幅×
測距対象物の振動周波数≦ビート信号周波数×相対精度該レーザ光の光変調周波数又は注入電流量を調整するの
で、測距対象物の振動に比べて十分高いビート信号の周
波数を得ることができる。従って、測距対象物の振動に
起因する位相ノイズの影響を低減でき、高精度の測定が
可能になる。

【００７４】また、上記の調整において、周波数変調量
を大きくする場合は、戻り光による可干渉性の低下も防
止できるので、より一層精度のよい測定が可能になる。

【００７５】また、特に請求項４〜請求項８記載の信号
処理回路によれば、距離値に対応したアナログの連続し
た出力信号が得られるので、カメラのＡＦやＦＡへの応
用が可能になり、用途の拡大が図れる、といった効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１で使用する信号処理回路を示
すブロック図。

【図２】そのときの信号波形を示す波形図。

【図３】本発明の実施例２で使用する信号処理回路を示
すブロック図。

【図４】本発明の実施例３で使用する信号処理回路を示
すブロック図。

【図５】そのときの信号波形を示す波形図。

【図６】本発明方法の原理を示す信号波形図。

【図７】本発明方法の原理を示す、ビート周波数（ビー
ト信号の周波数）と、測距対象物の振動周波数又は相対
精度との関係を示すグラフ。

【図８】従来例および本発明で使用される光学系を示す
模式図。

【図９】三角波駆動周波数およびビート信号を示すグラ
フ。

【図１０】本願出願人が先に提案したレーザ測距装置で
使用される信号処理回路を示すブロック図。

【図１１】その信号波形図。

【図１２】測距対象物の振動が測定精度に与える影響を
説明するためのグラフ。

【図１３】戻り光による可干渉性の低下に起因する測定
精度の劣化を説明するためのグラフ。

【図１４】Ｓ／Ｎ比の良否を示すグラフ。

【符号の説明】

１遅延検波回路２フリップフロップ３ローパスフィルタ４レーザ三角波駆動回路５半導体レーザ６位相比較器７ループフィルタ８増幅器９電圧制御発振器１０９、１１９波形整形器１１１、２１０コンピュータ１２２クロック発生器１２３、１２４波数カウンター１３０、１３２時間測定カウンター１３１同期回路１４０、１４１ 1/N分周器２０５、反射体２０７検出器２１６測距対象物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者下中淳大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (56)参考文献特開平７−35507（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 9/02 G01B 11/00 G01S 17/32 G02B 7/32 G03B 13/36

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光源を時間的に光周波数変調し、
変調された光を干渉光学系に入射し、続いて光分割手段
で分割した２つの光の内の一方を測距対象物に投射する
と共に、他方の光を反射体に投射し、該測距対象物およ
び該反射体からの反射光をヘテロダイン検波することに
より２つの光の光路差に応じた光周波数差によるビート
信号を検出し、該ビート信号に基づき該測距対象物まで
の距離又は該測距対象物までの変位を測定するレーザ測
距方法であって、該測距対象物が振動している場合に、ビート信号の周波
数が、下記の条件を満たすように、（４π／レーザ光源の発振波長）×測距対象物の振動幅
×測距対象物の振動周波数≦ビート信号周波数×相対精
度該レーザ光源の光変調周波数又は注入電流量を調整して
測定を行うレーザ測距方法。
【請求項２】三角波駆動周波数又はＦＭ変調量を増加
させて、前記ビート信号の周波数を前記の条件を満たす
ように設定する請求項１記載のレーザ測距方法。
【請求項３】前記レーザ光源として、３電極のＤＢＲ
レーザを用いる請求項１又は請求項２記載のレーザ測距
方法。
【請求項４】請求項１〜請求項３のいずれかに記載の
レーザ測距方法を実施するための信号処理回路であっ
て、ビート信号を自己遅延検波する自己遅延検波回路を備
え、該自己遅延検波回路の出力により該ビート信号の周
波数に応じたアナログの距離値出力を得る信号処理回
路。
【請求項５】前記自己遅延検波回路が、光学系から入力されるビート信号に任意の遅延量を設定
する遅延検波回路と、該光学系からのビート信号および
該遅延回路からの遅延ビート信号が入力され、出力端子
より前記アナログの距離値出力に対応するパルス列の出
力を出力するフリップフロップ回路とを備えている請求項４記載の信号処理回路。
【請求項６】請求項１〜請求項３のいずれかに記載の
レーザ測距方法を実施するための信号処理回路であっ
て、位相比較器およびアナログ周波数弁別回路を備え、該ア
ナログ周波数弁別回路によってビート信号の周波数の周
波数同期を行い、周波数が一致した状態で位相同期を行
って、距離値に対応する出力信号を出力する信号処理回
路。
【請求項７】前記アナログ周波数弁別回路がＰＬＬ回
路である請求項６記載の信号処理回路。
【請求項８】請求項１〜請求項３のいずれかに記載の
レーザ測距方法を実施するための信号処理回路であっ
て、基準光学系および測距光学系からのビート信号をそれぞ
れ分周する分周器を備えた信号処理回路。