JP6902901B2

JP6902901B2 - 光波距離計

Info

Publication number: JP6902901B2
Application number: JP2017069260A
Authority: JP
Inventors: 直樹東海林; 昌絵松本; 雅穂菊池; 阿部　淳; 淳阿部
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2021-07-14
Anticipated expiration: 2037-03-30
Also published as: JP2018169370A

Description

本発明は、基準光路となる内部光路を通過する参照光と、測定対象物へ照射され、測定対象物で反射され外部光路を通過する測距光との位相差、又は時間差から測定対象物迄の距離を測定する光波距離計に関するものである。

光波距離計に於いて、距離測定を高精度で行うには、測定対象物からの反射測距光について所定の受光光量が必要であり、測定対象物に照射する測距光のピーク値は、測距距離に対応した光強度が必要となる。

一方、レーザ光線（測距光）を発する発光素子は、発光負荷率（Ｄｕｔｙ）が定められており、発光負荷率の制限から測距光のピーク値も制限されている。

従って、変調光を断続的に発光（バースト発光）するバースト発光方式が採用されている。

又、バースト発光方式は２つの側面を持っている。即ち、バースト発光している変調光をバースト発光周期に於けるパルス発光と見做せる面と、バースト発光している区間内部を、位相差を求める変調光と見做せる面である。

バースト発光方式では、パルス発光と見做すバースト区間全体を利用して粗雑な距離値を測定し、バースト区間内にある変調光を利用して精密な距離値を測定し、それらを合わせることで距離値を計算することができる。

然し乍ら、バースト方式では、バースト発光周期の内、測距光が発せられている区間（バースト発光されている時間）は短い為、バースト発光周期全体を一次周期とする周波を求め、位相により距離を求める場合、バースト発光している測距光の周波数をバースト発光周期全体に対応する様に周波数を変更する等複雑な回路を必要としていた。

特開２０１１−１８５７０７号公報特開２０１６−１６１４１１号公報

本発明は、変調光を断続的に発光するバースト方式の光波距離計に於いて、断続発光状態での測距光の変調周波数を抽出し、高精度の光波距離測定を可能とした光波距離計を提供するものである。

本発明は、測距光を発する発光素子と、変調信号を生成する変調信号生成部と、変調信号を所定周期を有するバースト周期で断続させ前記発光素子に断続測距光をバースト発光させる発光素子駆動回路と、既知の光路長を有する内部参照光路と、測定対象物からの反射測距光及び前記内部参照光路を経た測距光を受光する受光素子と、該受光素子からの受光信号をビートダウンする受光回路と、ビートダウンされた受光信号を反射測距光、内部参照光それぞれについてＤＦＴ演算処理し、得られる中間周波数と、該中間周波数に対する側波帯の位相、振幅を求め、該中間周波数と、前記側波帯に含まれる２つの周波数に基づき前記バースト周期に対応する周波数の位相を求め、反射測距光の前記周波数の位相及び内部参照光の前記周波数の位相に基づき測定対象物の距離を演算する制御演算部とを具備する光波距離計に係るものである。

又本発明は、前記制御演算部は、前記中間周波数と前記側波帯に含まれる２つの周波数に基づき低次の周波数の位相を求め、低次の周波数の位相に基づき距離を演算する光波距離計に係るものである。

更に又本発明は、前記制御演算部は、断続受光信号をパルス信号とし、ＴＯＦ方式により測定対象物迄の距離を演算する光波距離計に係るものである。

本発明によれば、測距光を発する発光素子と、変調信号を生成する変調信号生成部と、変調信号を所定周期を有するバースト周期で断続させ前記発光素子に断続測距光をバースト発光させる発光素子駆動回路と、既知の光路長を有する内部参照光路と、測定対象物からの反射測距光及び前記内部参照光路を経た測距光を受光する受光素子と、該受光素子からの受光信号をビートダウンする受光回路と、ビートダウンされた受光信号を反射測距光、内部参照光それぞれについてＤＦＴ演算処理し、得られる中間周波数と、該中間周波数に対する側波帯の位相、振幅を求め、該中間周波数と、前記側波帯に含まれる２つの周波数に基づき前記バースト周期に対応する周波数の位相を求め、反射測距光の前記周波数の位相及び内部参照光の前記周波数の位相に基づき測定対象物の距離を演算する制御演算部とを具備するので、ＦＦＴ／ＤＦＴでは現れない低次の周波数の位相を発光周波数の前後の周波数だけで求める為、機構の簡略化、計算の簡易化、測定の高速化及びコストダウンが図れるという優れた効果を発揮する。

光波距離測定装置の基本構成を示す概念図である。本発明の実施例に係る測距部の概略構成図である。（Ａ）は、測距部に於いて発光素子から発光される測距光を示す説明図、（Ｂ）は、測距部に於いて受光素子から発せられる断続受光信号を示す説明図である。（Ａ）は内部参照光の断続受光信号を示す図、（Ｂ）は測距光の断続受光信号を示す図、（Ｃ）は、それぞれの断続受光信号から抽出した１次周波数を示す図である。演算処理で得られた周波数と振幅についての曲線を示すグラフであり、特に発光周波数近傍を拡大したグラフである。側波帯に含まれる周波数に関して隣接する２点の周波数の位相を示し、側波帯のＤＦＴの演算を単心円上で表している。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に於いて光波距離測定装置の基本構成を説明する。

発光素子１（例えば、レーザダイオード：ＬＤ）は発光素子駆動回路１２によって所定周波数に強度変調されたレーザ光線を射出する。該レーザ光線はハーフミラー２によって測距光３と内部参照光４とに分割され、前記ハーフミラー２を透過した前記測距光３は対物レンズ５を通して測定対象物（図示せず）に照射され、該測定対象物で反射された反射測距光３′は前記対物レンズ５、ハーフミラー８を通して受光素子７により受光される。尚、受光素子としてはフォトダイオード、例えば、アバランシフォトダイオード（ＡＰＤ）が用いられる。

前記発光素子１、前記発光素子駆動回路１２等は、測距光射出部を構成し、前記受光素子７、増幅器１９（図２参照）、受光回路１３等は、受光信号発生部を構成する。

前記ハーフミラー２で反射された前記内部参照光４は、前記反射測距光３′の光路上の前記ハーフミラー８で反射され、前記受光素子７に受光される。前記ハーフミラー２から前記受光素子７に至る光路は内部参照光路を構成し、既知の光路長を有する。

前記測距光３の光路と前記内部参照光４の光路に掛渡り光路切替え器９が設けられ、該光路切替え器９は駆動回路１４によって光路の切替えが行われ、前記反射測距光３′と前記内部参照光４とが交互に前記受光素子７に受光される。該受光素子７の受光信号は、前記受光回路１３に入力される。

尚、前記光路切替え器９は、前記受光素子７が前記内部参照光４と前記測距光３とを分離して受光できる様にする為の手段であり、前記内部参照光４の光路に光ファイバ等の光路調整部材を設け、前記受光素子７が内部参照光、測距光を受光する際に時間差が生じる様にすれば、前記光路切替え器９は省略できる。

前記受光回路１３は、前記受光素子７からの受光信号をアンプによる増幅、ミキサーによる周波数変換（ビートダウン）、Ａ／Ｄ変換する等所要の信号処理を実行して、処理後の信号を制御演算部１５に入力する。

前記制御演算部１５は、前記発光素子駆動回路１２を制御し、該発光素子駆動回路１２を介して前記発光素子１の発光状態を制御する。又、前記制御演算部１５は前記駆動回路１４を制御して前記受光素子７に入射する前記反射測距光３′と前記内部参照光４との切替えを行う。

又、前記制御演算部１５は、受光信号から前記内部参照光４と前記反射測距光３′との位相差（受光時間差）を求めて距離を演算している。又、前記内部参照光４と前記反射測距光３′との位相差を求めることで、前記受光回路１３のドリフト等回路上の、不安定要素が除去される。

図２は、本発明の実施例に係る測距部の概略構成図を示している。図２中、図１中で示したものと同等のものには、同符号を付してある。

図２中、１６は基準信号発生器を示し、所定の基準周波数を発する。以下の説明では、基準周波数として１２０ＭＨｚ、ビートダウンされた周波数（中間周波数）として７．５ＭＨｚ、アナログデジタル変換のサンプリング周波数として６０ＭＨｚを例示している。尚、各周波数としては、その他２４０ＭＨｚ等、サンプリング周波数を整数倍したものが用いられ、光波距離計が要求される精度、能力に応じて適宜基準周波数が選択される。

前記基準信号発生器１６から発せられる基準周波数に対して、分周波信号が生成され、該分周波信号と前記基準周波数によって変調周波数が生成される。尚、分周波信号は、演算の都合上、基準周波数に整数倍を除して得られるものであり、更に、除数はＳ／Ｎ比に依存する為、８〜２０程度が好ましい。以下の説明では、除数を１６とし、７．５ＭＨｚの分周波信号が生成されている。

図３（Ａ）、図３（Ｂ）を参照すると、前記基準信号発生器１６からの基準信号は、変調周波数生成器１７ａ，１７ｂによって２つの近接した変調信号１２０ＭＨｚ＋７．５ＭＨｚ及び１２０ＭＨｚ−７．５ＭＨｚが生成され、該変調信号１２０ＭＨｚ＋７．５ＭＨｚ及び１２０ＭＨｚ−７．５ＭＨｚは、前記発光素子駆動回路１２に入力され、該発光素子駆動回路１２は、入力された変調信号に基づき発光駆動信号１８を発し、前記発光素子１を駆動発光させる。該発光素子１からは、１２０ＭＨｚ−７．５ＭＨｚに変調された測距光２６、１２０ＭＨｚ＋７．５ＭＨｚに変調された測距光２７が発光される。前記基準信号発生器１６、前記変調周波数生成器１７ａ，１７ｂ等は変調信号生成部を構成する。

更に、前記制御演算部１５は、前記発光素子駆動回路１２を介して前記発光素子１が断続的に発光（バースト発光）する様、前記発光素子１を制御する。又、前記制御演算部１５は、記憶部２１に格納された各種プログラムを実行し、距離測定に必要な所要の演算を実行する。

前記記憶部２１には、測定に必要な演算の為の各種プログラムが格納されている。例えば、前記受光回路１３から出力される信号を増幅、アナログデジタル変換（Ａ／Ｄ変換）する等の信号処理を実行する為の信号処理プログラム、バースト信号に対して離散フーリエ変換（ＤＦＴ：ｄｉｓｃｒｅｔｅＦｏｕｒｉｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を実行する為の演算プログラム、ＤＦＴの結果を位相と振幅に変換するプログラム、ＤＦＴを実行することで得られた１次周波数、２次周波数等、…（後述）の位相と振幅を抽出する為の演算プログラム等が格納されている。

又、前記記憶部２１には、測距結果、演算結果等の各種データが格納される。

主制御部２２は、光波距離計（図示せず）の測距作動を制御すると共に前記制御演算部１５の演算処理を制御する。前記主制御部２２と前記制御演算部１５は、統合して制御部としてもよい。

測距光に対する信号処理と内部参照光に対する信号処理とは同一であるので、以下は測距光について説明する。

前記受光素子７からは断続受光信号２８，２９が交互に発せられ、該断続受光信号２８，２９は前記測距光２６，２７に対応しており、前記断続受光信号２８は、９３３．３３ｎｓの信号幅と、１２０ＭＨｚ−７．５ＭＨｚの第１変調周波数を有し、前記断続受光信号２９は、９３３．３３ｎｓの信号幅と、１２０ＭＨｚ＋７．５ＭＨｚの第２変調周波数を有する。尚、信号幅については、要求される測定精度、回路上の制約等によって所定の値に設定される。

更に前記発光素子１の発光周期は１０μｓ（１００ｋＨｚ）となっている。従って、両断続受光信号２８，２９を含む受光信号の発生周期（発生間隔）は１０μｓとなっている。尚、発光間隔は、測距光が測定対象物に対して往復する時間より充分長く設定され、要求される最大測距距離に対応させ、適宜設定される。

前記断続受光信号２８，２９は、前記増幅器１９で増幅され、前記受光回路１３で、Ａ／Ｄ変換される等、所要の信号処理が行われ、ビートダウンされた信号（本実施例の場合、周波数ＦL ＝７．５ＭＨｚ）が前記制御演算部１５に入力される。

又、前記受光素子７には、前記内部参照光４が入射し、前記受光素子７は前記内部参照光４に基づく受光信号３１を発する。前記内部参照光４に基づく受光信号も、前記測距光２６，２７に対応して、断続受光信号であり、更に１２０ＭＨｚ−７．５ＭＨｚ、１２０ＭＨｚ＋７．５ＭＨｚの変調周波数を有し、更に信号幅９３３．３３ｎｓ、発光周期は１０μｓとなっている。

内部参照光については、光路長は一定しており、前記受光回路１３等の回路が安定した状態では、前記発光駆動信号１８の発生タイミングと、前記受光回路１３が内部参照光を受光し、発する受光信号の発生タイミングは固定される。従って、前記受光回路１３等の回路が安定した状態では、前記受光回路１３が内部参照光を受光し、発する受光信号３１の発生タイミングと前記発光駆動信号１８の発生タイミングとの関係も固定され、前記受光回路１３が発する内部参照光の受光信号は、前記発光駆動信号１８に基づく信号となる。

而して、前記発光素子駆動回路１２が発する前記発光駆動信号１８を参照用の信号として使用してもよい。

図４（Ａ）は、前記内部参照光４の断続受光信号３１を示し、図４（Ｂ）は、前記測距光２６の断続受光信号２８を示し、図４（Ｃ）は、前記断続受光信号２８、前記断続受光信号３１からＤＦＴの演算処理、側波帯の処理により抽出した１次周波数２８′，３１′を示している。

尚、図４では、前記測距光２７、前記内部参照光４の１２０ＭＨｚ＋７．５ＭＨｚの変調周波数の断続受光信号は省略している。

断続光をパルス光と仮定し、前記断続受光信号３１について、前記測距光２６の発光タイミングから前記断続受光信号３１が発せられる迄の時間差をｔ１とし、前記測距光２６の発光タイミングから前記断続受光信号２８が発せられる迄の時間差をｔ２とすると、ｔ２−ｔ１＝Δｔが前記測距光２６が測定対象物迄を往復する時間であり、光速とΔｔにより測定対象物迄の距離が測定できる。ところが、断続光は単パルス光とは異なり、断続光には１２０ＭＨｚ±７．５ＭＨｚの変調光が含まれているので、受光された変調光（発せられる変調信号）は距離によって形状が変わる。この為、変調光に対するサンプリング位置にバラツキを生じてしまい、結果的に時間差Δｔが誤差を含むことになり、測定精度が悪くなる。従って、実際は、反射測距光の受光信号と内部参照光の受光信号の位相差に基づき距離測定が行われる。

ところが、上記した様に、反射測距光の受光信号と内部参照光の受光信号は、共に断続光であるので、反射測距光の受光信号と内部参照光の受光信号間の位相差が求められない。従って、バースト区間全体をバースト周期（周波数１００ｋＨｚ）２πとしたときの位相を求めるが、周波数変換した場合、１００ｋＨｚ（１０μｓ）に現れるスペクトルの振幅は小さくなってしまう。

例えば、バースト波形（図３（Ａ）の区間（バースト周期１０μｓ））を離散フーリエ変換（ＤＦＴ：ｄｉｓｃｒｅｔｅＦｏｕｒｉｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍ）した場合、周波数と周波数に対する振幅と位相が得られる。図５は周波数と振幅との関係を示す曲線３２を示している。

図５中の該曲線３２上のプロットは、中間周波数７．５ＭＨｚを中心として、バースト発光周期に対応させ、１００ｋＨｚ単位でプロットしたものである。

尚、図５は、特に発光周波数（７．５ＭＨｚ）近傍を拡大したグラフとなっている。図示される様に、発光周波数（７．５ＭＨｚ）を中心とした近傍では大きな振幅（以下、側波帯３３）が得られるが、中間周波数（７．５ＭＨｚ）から離れると急激に振幅が小さくなり、発光周期である１００ｋＨｚ（１次の周波数）ではほとんど振幅はでない。

これは、前記発光素子駆動回路１２から発せられる発光駆動信号は、綺麗なｓｉｎ波であり、バースト区間（信号が存在する区間）に含まれる信号も綺麗なｓｉｎ波となり、打ち消され、１次の周波数に有効な振幅が出てこないことによる。

これに対し、本発明者は、中間周波数の発光周波数（７．５ＭＨｚ）前後に振幅の大きな側波帯３３が現れることに着目し、この中間周波数に対する側波帯３３を利用し、中間周波数に対する側波帯の位相、振幅を求め、更に１次〜４次波長の位相を求めることを見出した。

尚、１次周波数とはバースト発光の周期を２πとする周波数であり、丁度ＤＦＴするデータの長さで１周期回る周波数になる。

ＤＦＴする全域に周波数がある場合、理想的には発光周波数のみピークが立ちその前後の周波数は０となるが、バースト波形（図４（Ａ）、図４（Ｂ）参照）をバースト周期についてＤＦＴすると一部のみ波形がある為、発光周波数との周波数ズレに関係した振幅が現れる。

前記側波帯３３の振幅も発光周波数（７．５ＭＨｚ）との周波数ズレの関係式になる為、ここから周波数差の位相を求めることができる。ＤＦＴの求められる周波数間隔は全域で等しい（即ち周波数間隔はバースト発光周波数）為、前記側波帯３３に含まれ、発光周波数Ｐ１と該発光周波数Ｐ１と１番近い発光周波数Ｐ２との周波数差＝１次周波数となり、前記発光周波数Ｐ１と２番目に近い発光周波数Ｐ３との差＝２次周波数となり、同様に３番目に近い発光周波数Ｐ４との差＝３次周波数、４番目に近い発光周波数Ｐ５との差＝４次周波数となる。これにより低次（例えば、１次〜４次）の周波数の位相を求めることができる（図４（Ｃ）参照）。

更に、発光周波数Ｐ２と該発光周波数Ｐ２に隣接する発光周波数Ｐ３とで１次周波数を求める等、異なる隣接する発光周波数Ｐｎ、Ｐｎ+1を用いて複数の１次周波数を求め、得られた複数の１次周波数について重み付けを行う等、求める１次周波数の精度を高めてもよい。２次周波数、３次周波数等についても、同様に発光周波数の組合せを変え複数の周波数を求め、重み付け等により精度を高めてもよい。

この１次周波数を求めることで長距離の測定ができる。又、２次周波数、３次周波数、４次周波数を求めることで中距離、近距離について高精度の距離測定が行える。

図６は、前記側波帯３３に含まれる周波数に関して隣接する２点の周波数Ｐ１、Ｐ２の位相を示し、前記側波帯３３のＤＦＴの演算を単心円上で表している。

図６中、ωｔを発光周波数（７．５ＭＨｚ、図５中、Ｐ１）の角速度、ω₀ｔを前記側波帯３３（図５中、Ｐ２）の周波数の角速度とする。

発光周波数と側波帯との角速度の違いから、発光周波数の位相に対して角速度の差分（（ω−ω₀）ｔ）位相が回転する。

ωとω₀は、ＤＦＴの離散間隔で存在するので、隣合った周波数間の差で求まる位相（（ω−ω₀）ｔ）は、ＤＦＴの１次周波数の位相と等しくなる。従って、隣合った周波数間の差を求めることで１次周波数の位相を求めることができる。

内部参照光の断続受光信号に対しても、ＤＦＴを行い、側波帯を利用して１次周波数の位相を求めることができる。内部参照光の１次周波数の位相は、測距光との位相差を求める為の参照用１次周波数の位相であり、該参照用１次周波数の位相と前記測距光の断続受光信号の側波帯で得られた１次周波数の位相とにより、内部参照光と測距光との位相差が求められ、測定距離が演算される。

上記した様に、本実施例では、中間周波数（発光周波数１２０−７．５ＭＨｚ及び１２０＋７．５ＭＨｚ）とその前後の周波数のみ、ＤＦＴすればよいので、計算量が少なくなり、計算の簡略化ができ、測定の高速化及び装置のコストダウンが図れる。

尚、本実施例に於いても、断続受光信号をパルス信号として、処理し、ＴＯＦ（ＴｉｍｅｏｆＦｌｉｇｈｔ）方式で、測定対象物の概略の距離を求める様にしてもよいことは言う迄もない。

又、上記実施例では、測距光の断続受光信号のＤＦＴ処理に基づき得られた１次周波数の位相と、内部参照光の断続受光信号のＤＦＴ処理に基づき得られた参照用１次周波数の位相との対比により求めた位相差で距離を演算したが、内部参照光の断続受光信号に代え、前記発光素子駆動回路１２から発せられる前記発光駆動信号１８を参照用信号として使用し、該発光駆動信号１８のＤＦＴ処理に基づき１次周波数を抽出し、この１次周波数を参照用１次周波数として用いてもよい。

１発光素子
２ハーフミラー
３測距光
７受光素子
１２発光素子駆動回路
１３受光回路
１４駆動回路
１５制御演算部
１６基準信号発生器
１７ａ，１７ｂ変調周波数生成器
１８発光駆動信号
１９増幅器
２６測距光
２７測距光
２８断続受光信号
２９断続受光信号
３２曲線
３３側波帯

Claims

測距光を発する発光素子と、変調信号を生成する変調信号生成部と、変調信号を所定周期を有するバースト周期で断続させ前記発光素子に断続測距光をバースト発光させる発光素子駆動回路と、既知の光路長を有する内部参照光路と、測定対象物からの反射測距光及び前記内部参照光路を経た測距光を受光する受光素子と、該受光素子からの受光信号をビートダウンする受光回路と、ビートダウンされた受光信号を反射測距光、内部参照光それぞれについてＤＦＴ演算処理し、得られる中間周波数と、該中間周波数に対する側波帯の位相、振幅を求め、前記側波帯に含まれる２つの周波数に基づき前記バースト周期に対応する周波数の位相を求め、反射測距光の前記周波数の位相及び内部参照光の前記周波数の位相に基づき測定対象物の距離を演算する制御演算部とを具備する光波距離計。
前記制御演算部は、前記側波帯に含まれる２つの周波数に基づき低次の周波数の位相を求め、低次の周波数の位相に基づき距離を演算する請求項１に記載の光波距離計。
前記制御演算部は、断続受光信号をパルス信号とし、ＴＯＦ方式により測定対象物迄の距離を演算する請求項１に記載の光波距離計。