JP5014382B2 - 光波距離計 - Google Patents

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省いた光波距離計に関する。

従来の光波距離計では、発光素子から出射した光をシャッターを移動させることによって、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に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としては、下記特許文献１に開示されたようなものが知られている。図９に、この光波距離計のブロック図を示す。

この光波距離計は、２つの発光素子１Ｐ、２Ｐを備える。発光素子１Ｐから出射された光３０Ｐは、ビームスプリッタ３Ｐで２つに分けられ、一方は、測距光３２Ｐとして目標反射物６０Ｐまで往復する測距光路を経て受光素子５Ｐに入射し、他方は、参照光３３Ｐとして光波距離計内部の参照光路を経て受光素子４Ｐに入射する。発光素子２Ｐから出射された光３１Ｐは、参照光となり、ビームスプリッタ６Ｐで２つに分けられ、一方３４Ｐは受光素子４Ｐに入射し、他方３５Ｐは受光素子５Ｐに入射する。なお、受光素子４Ｐの手前には光を拡散させるデヒューザ５１Ｐが配置されており、受光素子５Ｐの手前には光を散乱させるスキャッター１１Ｐが配置されている。

発光素子１Ｐは、増幅器２３Ｐを介してシンセサイザー２１Ｐに接続されていて、周波数ｆ_１で変調された光を出射する。発光素子２Ｐは、増幅器２４Ｐを介してシンセサイザー２２Ｐに接続されていて、周波数ｆ_２で変調された光を出射する。両シンセサイザー２１Ｐ、２２Ｐは、共通の発振器２０Ｐに接続されている。

受光素子４Ｐは増幅器９Ｐを介して周波数変換器７Ｐに接続されており、受光素子５Ｐは増幅器１０Ｐを介して周波数変換器８Ｐに接続されている。両周波数変換器７Ｐ、８Ｐには局部発振器１２Ｐから周波数ｆ_ＬＯの局部発振信号が加えられている。両周波数変換器７Ｐ、８Ｐは、受光素子４Ｐ、５Ｐからの出力信号と局部発振信号の差に等しい周波数の中間周波信号ｆ_ＺＦ１、ｆ_ＺＦ２に変換される。

周波数変換器７Ｐに接続されたフィルタ１３Ｐは、周波数ｆ_１とｆ_ＬＯの差の周波数ｆ_ＺＦ１のみ通すようになっており、周波数ｆ_１で変調された参照光３３Ｐに係る中間周波信号、すなわち参照距離Ｄ_１に係る中間周波信号のみを選別する。周波数変換器８Ｐに接続されたフィルタ１４Ｐは、ｆ_２とｆ_ＬＯの差の周波数ｆ_ＺＦ２のみを通すようになっており、周波数ｆ₂で変調された参照光３５Ｐに係る中間周波信号、すなわち参照距離Ｄ_２＋Ｄ_３に係る中間周波信号のみを選別する。

次に、発光素子１Ｐから周波数ｆ_２で変調された光を出射し、発光素子２Ｐから周波数ｆ₁で変調された光を出射するように、それぞれの変調周波数を変更する。すると、周波数変換器７Ｐに接続されたフィルタ１３Ｐは、周波数ｆ_１とｆ_ＬＯの差の周波数ｆ_ＺＦ１のみを通すようになっているから、周波数ｆ_１で変調された参照光３４Ｐに係る中間周波信号、すなわち参照距離Ｄ_２に係る中間周波信号のみを選別する。周波数変換器８Ｐに接続されたフィルタ１４Ｐは、周波数ｆ_２とｆ_ＬＯの差の周波数ｆ_ＺＦ２のみを通すようになっており、周波数ｆ₂で変調された測距光３２Ｐに係る中間周波信号、すなわち測距距離Ｄ_０に係る中間周波信号のみを選別する。

こうして、両発光素子１Ｐ、２Ｐから出射する光の変調周波数ｆ_１、ｆ_２を交互に変えることにより、測距距離Ｄ_０に係る中間周波信号、参照距離Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_２＋Ｄ_３に係る各中間周波信号の合わせて４つの中間周波信号が得られる。

フィルタ１３Ｐは、増幅器１５Ｐを介してＡ／Ｄ変換器１７Ｐに接続されている。フィルタ１４Ｐは、増幅器１６Ｐを介してＡ／Ｄ変換器１８Ｐに接続されている。両Ａ／Ｄ変換器１７Ｐ、１８Ｐは、デジタルフーリエ変換器１９Ｐに接続されている。これで、４つの中間周波信号の初期位相を求めることにより、光波距離計に固有な誤差分を補正して、測定対象６０Ｐまでの精確な距離を求めることができる。

特開２００１−２５５３６９号公報

前記特許文献1に開示された光波距離計では、両発光素子１Ｐ、２Ｐから出射する光の変調周波数ｆ_１、ｆ_２を交互に切換えることが必要であるため、一度に４つの中間周波信号を得ることができず、なお距離測定に時間がかかるうえ、各中間周波信号を得た時刻の相違により、発光素子１Ｐ、２Ｐや受光素子４Ｐ、５Ｐ等の電気部品による温度位相ドリフトによっても誤差が出るという問題があった。

本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであって、距離測定に要する時間を短縮するとともに、電気部品の温度位相ドリフトを低減させた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（例えば、Ｆ_１、Ｆ_２）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した複数の傍変調周波数（例えば、Ｆ_１−Δｆ_１、Ｆ_２−Δｆ_２）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、一方は測距光として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、他方は参照光として第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、一方は参照光として第２の参照光路を経て第２の受光素子に入射し、他方は参照光として第３の参照光路を経て第１の受光素子に入射し、前記第１の周波数変換器群及び前記第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信号が入力され、該局部発振信号の周波数は、それぞれ、各主変調周波数と各主変調周波数に近接した各傍変調周波数との両方に近接した周波数（例えば、Ｆ_１＋Δｆ_１、Ｆ_２＋Δｆ_２）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ように構成されている。

請求項２に係る発明では、請求項１に係る発明の光波距離計において、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構成される。

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、シャッターを使うことなく、また変調周波数を切換えることもなく、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。

請求項２に係る発明によれば、さらに、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から、４つの周波数を確実に分離して、測定精度を上げることができる。

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。 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、局部発振周波数及び中間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。 前記第４の実施例に係る光波距離計によって、遠距離測定が可能なる理由を説明する図である。 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。

以下に図１〜図３に基づいて、本発明の光波距離計の一実施例について詳細に説明する。

まず、この光波距離計の主要部について、図１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及びＦ_２（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及びＦ_２それぞれに近接した周波数Ｆ_１−Δｆ_１及びＦ_２−Δｆ_２（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の受光素子４８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４８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は第１の周波数変換群４２、４４に接続され、第２の受光素子４８は第２の周波数変換群５０、５２に接続される。すなわち、第1の受光素子４０の出力は主変調周波数Ｆ_１及びＦ_２の個数と同数の２つに分けられ、一方は第１の周波数変換器４２に入力され、他方は第２の周波数変換器４４に入力される。第２の受光素子４８の出力も主変調周波数Ｆ_１及びＦ_２の個数と同数の２つに分けられ、一方は第３の周波数変換器５０に入力され、他方は第４の周波数変換器５２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それぞれと近接した周波数Ｆ_１＋Δｆ_１の局部発振信号を乗算して、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周波数Ｆ_１＋Δｆ_１の局部発振信号を乗算して、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それぞれと近接した周波数Ｆ_２＋Δｆ_２の局部発振信号を乗算して、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２９を経た参照光から得られた信号に周波数Ｆ_２＋Δｆ_２の局部発振信号を乗算して、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５０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周波数Ｆ_１＋Δｆ_１の局部発振信号を乗算して、周波数Δｆ_１の中間周波信号を発生させる。また、第３の周波数変換器５０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周波数Ｆ_１＋Δｆ_１の局部発振信号を乗算して、周波数２Δｆ_１の中間周波信号を発生させる。

第４の周波数変換器５２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周波数Ｆ_２＋Δｆ_２の局部発振信号を乗算して、周波数Δｆ_２の中間周波信号を発生させる。また、第４の周波数変換器５２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周波数Ｆ_２＋Δｆ_２の局部発振信号を乗算して、周波数２Δｆ_２の中間周波信号を発生させる。

こうして同時に、測距光路２３に係る周波数Δｆ_１及びΔｆ_２の中間周波信号、第１の参照光路２６に係る周波数Δｆ_１及びΔｆ_２の中間周波信号、第２の参照光路３１に係る周波数２Δｆ_１及び２Δｆ_２の中間周波信号、第３の参照光路２９に係る周波数２Δｆ_１及び２Δｆ_２の中間周波信号の合わせて８つの中間周波信号が一度に得られる。８つ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、ターゲット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。

この光波距離計について、図２の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を傍変調周波数Ｆ_１−Δｆ_１、局部発振周波数Ｆ_１＋Δｆ_１で正確に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の信号を発生する。この主変調周波数Ｆ₂及び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及びＦ_２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の信号となる。傍変調周波数Ｆ_１−Δｆ_１及びＦ_２−Δｆ_２の信号とは、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及びＦ_２−Δｆ_２で変調された光を出射する。

発振器１１は、周波数Ｆ_１＋Δｆ_１の局部発振信号を発生する。この周波数Ｆ_１＋Δｆ_１の局部発振信号からは、周波数生成回路１２で周波数Ｆ_２＋Δｆ_２の局部発振信号も生成される。これらの周波数Ｆ_１＋Δｆ_１、Ｆ_２＋Δｆ_２の局部発振信号は、後述するように、周波数変換器４２、４４、５０、５２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４８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４８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４８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、受光素子４８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、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２つに分けられ、一方は第１の周波数変換器４２に入力され、他方は第２の周波数変換器４４に入力される。第２の受光素子４８の出力も、増幅器４９を経て２つに分けられ、一方は第３の周波数変換器５０に入力され、他方は第４の周波数変換器５２に入力される。

第１〜第４の各周波数変換器４２、４４、５０、５２から、合計８つ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、５０、５２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、５１、５３によって高周波成分が除去される。

低域フィルタ４３及び低域フィルタ４５の出力は、加算器４６で加算された後にＡ/Ｄ変換器４７に入力される。すなわち、Ａ/Ｄ変換器４７には、測距光路２３に係る周波数Δｆ_１及びΔｆ_２の２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の２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５１及び低域フィルタ５３の出力は、加算器５４で加算された後にＡ/Ｄ変換器５５に入力される。すなわち、Ａ/Ｄ変換器５５には、第１の参照光路２６に係る周波数Δｆ_１、Δｆ_２の２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、及び２Δｆ_２の２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。

８つの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、中間周波信号に関しては、周波数Δｆ_２の整数倍が周波数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４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４７、５５に入力するとき、１信号だけのときの１／４の信号レベルにする。これは、４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。もちろん、Ａ／Ｄ変換器４７、５５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を１信号だけのときの１／４以上の信号レベルにしてもよい。

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、また周波数を切換えることもなく、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、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。

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及びＦ_２の両方で起きるが、同じ理由であるから、ここでは周波数Ｆ_１について説明する。第１の発光素子１３に印加される電気信号の周波数をＦ_１＝（１＋０）Ｆ_１、第２の発光素子１４に印加される電気信号の周波数をＦ_１−Δｆ_１＝（１＋ｂ）Ｆ_１、受光素子４０、４８に接続された周波数変換器４２、５０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）｝ （１）

受光素子４８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）｝ （２）

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４８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４８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４８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、５０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｝ （３）

周波数変換器４２、５０に接続された低域フィルタ４３、５１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、５１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｝ （４）
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｝ （５）

測距値ｄは、中間周波信号の初期位相をθとすると、ｄ＝θｃ／（２πＦ）と求まるから（ただし、Ｆは変調周波数）、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。但し、Ｆ１＝７５ＭＨｚとする。
ｄ_０＝２Ｄ_０＋｛４／（２π）｝｛−ψ_ｌｄ１（Ｆ_１）−ψ_ｐｄ１（Ｆ_１）＋ψ_ｆ１（ａＦ_１）＋φ｝
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｝
ｄ_１＝２Ｄ_１＋｛４／（２π）｝｛−ψ_ｌｄ1（Ｆ_１）−ψ_ｐｄ２（Ｆ_１）＋ψ_ｆ２（ａＦ_１）＋φ｝
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｝ （６）

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）｝ （７）

ここで、各周波数Ｆ_１、Ｆ_１−Δｆ_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）｝ （８）
｛４／（２π）｝｛−ψ_Ｐｄ１（Ｆ_１）≒｛４／（２π（１＋ｂ））｝｛−ψ_Ｐｄ１（（１＋ｂ）Ｆ_１）｝ （９）

すると、（７）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）｝］ （１０）

（１０）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、４８の温度位相ドリフトψ_Ｐｄ1、ψ_Ｐｄ２が無くなっているうえ、（１０）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（１０）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、５１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、５１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３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。

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）＋・・・・ （１１）

ただし、ａ_ｎ＝（１／π）∫_０ ^２πｙｓｉｎ（ｎωｔ）ｄｔ （１２）
ｂ_ｎ＝（１／π）∫_０ ^２πｙｃｏｓ（ｎωｔ）ｄｔ （１３）

前記（１２）式及び（１３）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） （１４）
φｎ＝ｔａｎ^−１（ｂ_ｎ／ａ_ｎ） （１５）

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_２で、その他のものはΔｆ_２の整数倍で２Δｆ_２、Δｆ_１、２Δｆ_１となっている。したがって、４つの中間周波信号を加算した全中間周波信号は、周波数Δｆ_２を基本波ａ_１ｓｉｎωｔ＋ｂ_１ｃｏｓωｔとする周期関数ｙとなり、前記（１１）〜（１３）式で表すことができる。

そこで、４つの中間周波信号を加算した全中間周波信号ｙを基本波の１周期について適宜回数（例えば３２０回）サンプリングして基本波と同じ周期の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、（１４）式及び（１５）式を用いると、周波数Δｆ_２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、（１４）式及び（１５）式を用いると、周波数２Δｆ_２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。例えば、各中間周波信号の周波数比が、１：２：２０：４０であったとすると、周波数Δｆ_１、２Δｆ_１の中間周波数についても、それぞれの振幅Ａ_２０、Ａ_４０と、それぞれの初期位相φ_２０、φ_４０を求めることができる。なお、この周波数比の場合、Ａ_１、Ａ_２、Ａ_２０、Ａ_４０及びφ_１、φ_２、φ_２０、φ_４０以外については計算する必要はない。

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４に示したように、低域フィルタ４３、４５、５１、５３の後に、それぞれ増幅器６０、６１、６２、６３を配置して、加算器４６、５４に入力される信号レベルを調節してもよい。また、図５に示したように、増幅器４１、４９の後に分波回路７０、７１を配置し、各周波数変換器４２、４４、５０、５２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６に示したように、低域フィルタ４５に続く増幅器６１の出力が加算器５４に入力され、低域フィルタ５３に続く増幅器６３の出力が加算器４６に入力されるように変更してもよい。この場合は、いずれのＡ／Ｄ変換器４７、５５にも参照光路に係わる信号レベルの大きな３つの中間周波信号と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。すると、図２〜５に示した実施例のようにＡ／Ｄ変換器５５に参照光路に係わる４つの中間周波信号が入力され、Ａ／Ｄ変換器４７に参照光路に係わる２つの中間周波信号と測距光路に係わる２つの中間周波信号とが入力される場合に比べて、増幅器６２、６３の増幅度を下げて、Ａ／Ｄ変換器４７への入力信号を飽和し難くできる。逆に増幅器６０、６１の増幅度を上げることができるので、いっそうの遠距離測定が可能となる。

増幅器６０、６１の増幅度を上げると、遠距離測定が可能となる理由を図７に基づいて説明する。図７は、測定距離と増幅器６０、６１の出力の関係を示している。遠距離ほど受光素子４０、４８の受光量が小さくなるので、増幅器６０、６１の増幅器６０、６１の出力は右下がりになる。増幅度が小さい場合、Ａ／Ｄ変換器４７、５５への入力に必要な最小レベルＶmin以上になるのは、距離Ｌよりも近距離の場合である。増幅器６０、６１の増幅度が大きくなると、さらに遠距離の距離Ｌ’でも、増幅器６０、６１の出力をＡ／Ｄ変換器４７、５５への入力に必要な最小レベルＶminにまで増幅できるので、いっそうの遠距離測定が可能となる。

さらに、図８に示したように、分周部２で発生させる主変調周波数に周波数Ｆ_３を追加し、分周部６で発生させる傍変調周波数に周波数Ｆ_３−Δｆ_３を追加し、両発光素子１３、１４をそれぞれ３つの周波数で変調するとともに、２つの周波数変換器７０、７２と、２つの低域フィルタ７１、７３を追加し、両周波数変換器７０、７２に、それぞれ周波数Ｆ_３＋Δｆ_３の局部発振信号を入力して、周波数両低域フィルタ７１、７３から、それぞれ周波数Δｆ_３及び２Δｆ_３の中間周波信号を得て、全部で１２の中間周波信号が得られるようにしてもよい。こうして、変調周波数が増えた分だけ測定レンジを増えるので、測定レンジをいっそう広くすることができる。

この場合、中間周波信号の周波数Δｆ_３及び２Δｆ_３が低すぎて、増幅器やフィルタ等で扱いづらい場合は、局部発振周波数をＦ_３＋δｆ_３＋Δｆ_３と変更して、周波数δｆ_３＋Δｆ_３、δｆ_３＋２Δｆ_３の中間周波信号を発生させるようにしてもよい。ただし、デジタル帯域フィルタで確実に各中間周波信号を分離できるように、全ての中間周波信号の周波数は、最も低い周波数δｆ_３＋Δｆ_３の整数倍にする必要がある。

さらに、本発明は、前記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、４８ 受光素子
４２、４４、５０、５２ 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した複数の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、一方は測距光として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、他方は参照光として第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、一方は参照光として第２の参照光路を経て第２の受光素子に入射し、他方は参照光として第３の参照光路を経て第１の受光素子に入射し、
   前記第１の周波数変換器群及び前記第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信号が入力され、該局部発振信号の周波数は、それぞれ、各主変調周波数と各主変調周波数に近接した各傍変調周波数と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。

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