JPH01141388A - 光電距離測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明は、光電距離測定方法に関する。

従来技術で、空間又は空気中で光の伝播速度を使用した
光電距離測定装置は、種々のタイプで公知である。光ビ
ームの明るさを正弦波変調した装置は最も広く使用され
ている。測定距離を二度光学反射体までと反射による進
行した後、前記変調は距離に依存する光電方法によって
測定される位相のずれを受ける。電気時間測定技術の開
発における最近の進歩によると、−個の光パルス又はフ
ラッシュの伝播時間は距離を測定するため一度又は繰り
返し測定されている。

現在まで、所謂歯車による方法（フィゾー、＾。

ＨｏＬ、　Ｆｉｚｅａｕ、　１９４６年）による距離測
定用装置は余り使用されない。もともと、この方法は歯
車で光を周期的に遮断し、遮断したビームを反射体に送
り、逆反射した後周期的にこのビームを同じ歯車で二度
遮断することから構成されるでいる。光ビームの遅延の
ため、このビームは、歯車の一分間当たりの適当な回転
数で、帰りにギャップがあっても歯に当たり、従って観
測にかからない。この場合の回転数から、ビームの進行
時間が計算される。この方法によれば、電光結晶が歯車
の代わりに使用される（Ｐ、　Ｌ、　Ｂｅｎｄｅｒ等の
米国特許第３゜４２４．５３１号公報を参照）。遮断す
る代わりにこの様な結晶は、光ビームの楕円偏光の周期
的な変調を形成する。光電結晶の軸に対して偏光面を適
当な方向に向けて、直線偏光させたビームは数１００Ｍ
１（ｚの正弦波電気信号で変調される。結晶を逆方向に
二回目の通過する逆反射ビームが一回目の通過と同じ位
相変調を受けるなら、最初の定常状態の線型偏光が維持
され、適当な光学アナライザーの背後ではこれ等のビー
ム成分の完全な暗さが観測される。この様な場合が生じ
るのは、各時点で結晶から反射体及びその逆である二倍
の測定距離にわって存在する変調波長の全数は整数の時
である。そうでなければ、ビームの明るさは最小でなく
、最小値は測定距離又は変調の波長を変えて得ることが
できる。両方の方法は、公知技術である（Ｋ、Ｄ、　Ｆ
ｒｏｏｍｅ等の英国特許筒９１９，３６８号公報も参照
）。

光電結晶変調器を有する光電距離測定用の種々の公知装
置は、目標手段として一つ又はそれ以上のコーナー立方
結晶と一緒に動作するように形成されている。これ等の
コーナー結晶は最初の通路の入射測定ビームを距離測定
装置に逆反射させる。

最初の通路は、殆ど完全な変調が可能で、上記明るさの
最小値が観測されるような変調結晶も有する。逆反射の
完全性はコーナー結晶反射体の製造精度に依存する。こ
の精度は、かなり高く、測定過程中維持されている必要
がある。この様な反射体はしばしばかなり高価で、しか
も取扱が微妙で困難である。

測定用のコーナー結晶反射体の代わりに、任意の未調整
物体又は反射フォイルに対して公知のタイプの電光結晶
変調器を用いた距離測定装置を目指すと、充分強い輻射
成分は目標物体から受は取るが、上記の明るさの最小値
が現れず、測定が不可能である。

それ故、この発明の課題は歯車法による変調手段を距離
測定装置を使用し、任意の未調整物体又は反射フォイル
に関して測定ができる光電路Ｍ測定用の方法を提供する
ことにある。

この発明は、変調手段が目標に向かう通路に電磁輻射の
ビームを変調し、目標から戻りに二回変調するために用
意してあり、変調ビームが目標に集束する装置を使用す
る方法を有する課題を満足させることに指向している。

上記の解決策は、幅広い非方向性散乱特性を有する目標
上に集束していないビームの幅広いスポットは強過ぎる
散乱成分を発生させ、変調結晶を通過して新し歪んだ通
路を通過するに従って、種々の新しい変調効果を受ける
。従って、明るさの極小値に必要な−様な線型偏光を得
ることができない。他方、最初の通路から散乱した輻射
成分が、受光に対して簡単に…失し、測定装置によって
検出されるどんな明るさの極小値も覆うことができない
ように、集束したビームを用いて、目標上の小さい明る
い点を得ている。

この発明の上記課題と他の多くの利点は、図面に関連し
て考慮すると、以下の好適実施例及び特許請求の範囲の
詳細な説明から当業者に容易に理解できる。

好適実施例の詳細な説明 添付図では、ヘリューム・ネオン・レーザ１が、供給電
源２によって励起されていて、この電源は操作パネル３
によって制御されている。レーザ１のビームは偏向プリ
ズム４によって偏向され、直線偏向を行う偏向ビーム分
離器５に導入される。

線型偏光したビーム６は変調器８の線共振器内に設置し
てある電光変調結晶７を通過する。こうして、変調楕円
偏光したレーザビームは、レンズＩＯ，１０’によって
数メートルから数キロメートルの間の代表的な距離の測
定通路にわたって進行する。

レンズ系は、二つの成分１０．１０’から成る。

この白成分１０は集束用の駆動ユニットｌＯ＃′によっ
て光軸に沿って移動する。レンズ１０．１０′によって
拡大されるレーザビーム９は、距離測定装置で測定する
時、目標物体２５の上に集束する。集束の基準は、目標
２５で散乱した輻射成分の変調から導け、以下に更に詳
しく説明するように光電素子工２によって検出される。

目標２５で散乱した変調レーザビーム９の一部は、レン
ズ１０．１０−’を経由して変調結晶７に戻る。変調結
晶７とレンズ１０の間には、往きと戻りのレーザビーム
９が四分の一波長板１１を二面通過する。

変調器８がそこで何も影響を与えないなら、戻りレーザ
ビーム６は、出て行くビームに対して９０′回転した偏
光面を有する。従って、戻りレーザビームは偏光ビーム
分離器５を直線状にして通過し、光電素子１２に当たる
。

変調結晶７は、リチュウム・ナイオバイト（ＬｉＮｂＯ
ｚ）で作製されている。この結晶は、成る与えられた周
波数の組みから可変選択できる変調周波数によって駆動
される。変調信号は、高周波源１３によって駆動増幅器
１４を介して供給される。

周期的な変調信号が、例えば５００　ＭＨｚの周波数を
持てば、変調波長６０　ｃｍ各２ｎｓｅｃ経過時間後に
測定した通路に継続的に伝送される。測定通路が６０　
ｃｍの整数倍の二重長さになれば、測定通路に出力され
る結晶７での出て行くビームと戻りビームの変調位相は
何時でも同じなる。戻りビームは、その時結晶７によっ
て完全に復調され、再び一定の線型偏光をもって出射す
る。四分の一波長板によって、偏光面は９０′回転して
いて、光電素子１２は一定の最大照度を得る。

Ｌ＋ＮｂＯ，、結晶の変調効果は、温度変化に特に敏感
である。それ故、変調と復調は所謂ラウンド・トリフプ
・モードを有する同じ結晶７で行われる。

結晶７の静的な複屈折効果は、各時点で補償される。何
故なら、四分の一仮ＩＩのため、戻りビームの偏光面が
出て行くビームに対して９０′回転している。高周波源
１３の変調周波数あ変わると、変調波長に対する測定通
路の二倍の長さの比は最早整数ではなくて、光電素子１
２によって検出された明るさは極大値とかなり顕著なっ
極小値を有する特異な周期変化を示す。

以下に更に詳しく説明する測定の経過の間、操作パネル
３のスタートボタン１５を押した後、上昇又は下降変調
周波数の順番が、制御回路１６によって高周波源１３で
選択される。選択した周波数の変調信号の各々は、同期
回路１７の制御信号によって±５　ｋＨｚ又は±２５ｋ
Ｈｚの周波数変化と１　ｋＨｚの変調によって周波数変
調又はウォプラーをかけるである。距離が短い場合、上
記最小値は目立たなくなり、より大きい±２５ｋＨｚの
ウォブラーが受光素子１２の出力の周期変化をサンプリ
ングするため使用される。この出力信号は同期回路１７
の制御の下に、１０ｋＨｚ又は５０ｋＨｚの周波数の差
を有する二つの通路Ｉと■によってサンプリングされる
。この過程で継続する信号の極小値に相当する変調周波
数はプログラム制御回路１６によって見出される。この
プログラムは、大気の効果のため測定通路の変化を考慮
して、平均周波数の結果のために準備されている。

上記の周波数の結果から、測定した通路の長さは以下に
説明するように、制御回路１６のマイクロプロセッサに
よって計算される。測定した通路の二倍の長さが変調波
長の整数倍であるなら、変調器７から反射器に往って帰
るレーザーｌのビーム９の伝播時間２Ｔは、変調周期ｔ
　＝　２　ｎ５ｅｃの整数ｇａＩａｍａである。即ち、
２Ｔ＝　ｇａｍｍａ　ｔである。

しかし、整数ｇａｍｍａの値は未だ未知である。この不
確定は変調周波数又は変調周期ｔを受光素子１２の二つ
又はそれ以上の継続する最小値に対して測定する方法で
解消される。ある係数ｇａｍｍａが変調周期Ｌ　（ｑ□
□、を有する最小値を与え、ｎ次の継続係数（ｇａｍｔ
ａａ　＋　ｎ）が変調周期ｔＬｑｍｍｍｍ＋ｎ、を有す
る最小値を与えるなら、伝播時間は各場合で、２Ｔ　＝
　ｇａｍｌｌａ　Ｔ、　＜ｇａｍｍａ）＝　（ｇａｍｍ
ａ＋ｎ）　ｔ　（ｇｍ＋＋ｕ＋＋ａ＊＋＋１従って、整
数の係数 ｇａｌｌｆｆｉａ＝ｎＦｇａｓｓａ＋ｎ）／（Ｌ（ｇａ
ｍｍａ）　　Ｆ＊ｍ＋ａｍａ＋ｎ））伝播時間はＴ　＝
　（１／２）　ｇａｍｔａａ　ｔで、測定距離Ｌ＝ｃＴ
である。ここで、光の速度Ｃは公知の方法で測定通路の
空気の圧力、温度及び湿度に依存している。

光電素子１２の出力信号の解析は、既に述べたように同
期回路１７と制御回路１６によって行われる。高周波源
１３の周波数変調用の制御信号に同期した同期回路１７
の同期検出器は、変調器８のウオブラーをかけた同調周
波数が相対的に最大値（チャンネルＩ）と最小値（チャ
ンネル■）に達するときは、何時でも受光素子１２の出
力をサンプリングする。同期検出器はチャンネル■と■
のサンプルした値をそれぞれ次の値がサンプルされるま
で保持（ホールド）する。チャンネルＩと■の間の差と
この差の時間に関する平均値を計算することによって、
アナログ信号が得られ、その信号の符号が受光素子１２
の出力の最小値からのずれを示す。

このアナログ信号は導線１８を経由してアナログ・デジ
タル変換器１９に供給される。この変換器は、アナログ
信号を８ビツトのデジタル信号に変換し、このデジタル
信号を制御回路１６に供給する。この制御回路１６を使
用して、プログラムによって高周波源１３の周波数を制
御し、測定距離に対してＡ−Ｄ変換器１９の８ビツトの
デジタル信号から上に述べた特性変調周期Ｌ　（Ｉａ＠
＠ａ＋ｎ）を計算し、同期回路１７と高周波源１３を経
由して周波数の掃引±５　ｋＨｚ又は±２５ｋＨｚを制
御する。

操作パネル３の上には、更に制御回路１６を経由して操
作モードを手動選択するために使用される開閉器２０と
２１が設置してある。開閉器２゜は、長距離用又は短距
離用の±５　ｋＨｚあるいは±２５ｋＨｚの掃引を、上
に述べたように、選択するために使用するこができる。

開閉器２１は、　ＯＦＦ。

ＲＥＭＯＴＥ、　ＭＥＡＳＵＲＥ、ＢＡＴＴＥＲＹ−Ｔ
ＥＳＴの接点位置を有する。接点位置ＲＥＭＯＴＥにし
た開閉器２１で、測定過程と結果の出力が、ＡＳＢ　（
情報交換単線バス用のアメリカ標準コード）を経由して
外部から制御できる。接点位置ＢＡＴＴＥＲＹ　ＴＥＳ
Ｔにした開閉器２１で、電源供給源の電圧が装置２３に
表示される。接点位置ＭＩｌｉＡＳＵＲＥの開閉器２１
で、受光素子１２の出力信号が上に述べた最小値からず
れていることが装置２４に表示される。デジタル表示器
２４は測定距離を示すのに使用される。

上記の原理を用いて、この発明の権利範囲を離れること
なく、多数の具体例をを実現できる。輻射源１の充分な
光学的な出力を用いて、反射を強める特別な準備又は手
段が、制限された測定距離に対する目標２５に要求され
ことはない。良好な結果は、公知の方法で目標上に多数
の反射部材を設置して得られている。前期部材は、スコ
ッチライト反射膜上の小さいガラス玉である。

距離測定装置を経緯儀と組み合わせてタキメーターをう
る場合、経緯儀望遠鏡を独立した集束レンズ１０．１０
’の代わりに集束用に使用できる。

この場合、距離測定の光路が、集束レンズを通過する前
に、前記望遠鏡に都合よく挿入される。目標で散乱した
輻射の成分と受光素子１２に現れる光源１からの二次反
射の間の干渉効果は集束の判定基準に使用できる。何故
なら、そのような干渉は集束した光路にのみ往じるから
である。

受光素子１２は、周波数帯域幅の狭い感度素子、例えば
ＰＩＮダイオード、電子倍増管又はアバランシェ光ダイ
オードであってよい。測定光線の偏光を異なる表面位置
で種々に変える表面を有する目標２５を測定する必要が
あるなら、この発明による小さい集束スポットが有利で
ある。その理由は、測定用の再び受光された光の成分の
偏光が、明るさの最小値を検出できない多くの異なった
変化の代わりに共通の変化を行うからである。

に使用される電光距離測定装置の好適実施例の模式表示
図である。

図中引用記号： １・　・　・レーザー、 ２・・・電源、 ３・・・操作面、 ４・・・プリズム、 ５・・・光分離器、 ６・・・直線偏光ビーム、 ７・・・電光変調結晶、 ８・・・変調器、 ９・・・レーザー光線、 １０．１０’　　・・・レンズ、 ｌＯ″′集束用の駆動ユニット、 １１・・・四分の一波長板、 １２・・・光電素子、 １３・・・高周波源、 １４・・・、駆動増幅器、 １５・・・スタート・ボタン、 １６・・・制御回路、 １７・・・同期回路、 １８・・・ライン、 １９・・・アナログ・デジタル変換器、２０．２１・・
・開閉器、 ２３・・・装置、 ２４・・・デジタル表示部、 ２５・・・目標。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電磁輻射の束を発生させ、そして最初電光変調器に
   よって変調し、目標手段に向け、前記表示手段で反射し
   た前記束の成分を受光し、二回目の変調をかけ、前記成
   分の信号強度を測定し、最初に変調した電磁輻射の前記
   束を前記目標手段上に集束させる距離測定装置を用いた
   光電距離測定方法。 ２、目標手段には、前記電磁輻射の束を受光する領域内
   に多数の反射部材がある請求項１記載の方法。 ３、前記反射部材は、スコッチライトの反射フォイル上
   に設置してある請求項２記載の方法。 ４、光電変調器は、前記電磁輻射の束の偏光を変調させ
   る電光結晶から成る請求項１記載の方法。 ５、電磁輻射の束は干渉性を有し、最初及び二回目とも
   同じただ一個の光電結晶で変調される請求項４記載の方
   法。 ６、前記電磁輻射の干渉性束は、直線偏光していて、順
   次偏光ビーム分離器、電光結晶、前記束の電磁輻射の波
   長に合わせた四分の一波長板を経由した目標手段に当た
   り、もう一度、前記四分の一波長板、前記電光結晶及び
   前記偏光ビーム分離器を通過して電磁輻射の検出器に入
   る請求項５記載の方法。 ７、前記目標手段で散乱した輻射の成分と電磁輻射の前
   記検出器に現れた前記距離測定装置で散乱した成分の間
   の干渉効果は、前記目標手段上に電磁輻射の前記束を集
   束させる判定基準として使用される請求項６記載の方法
   。 ８、電磁輻射の前記束は、可変周波数で変調されていて
   、目標手段で散乱した輻射成分の前記検出器での対応す
   る変化が集束の判定基準として使用される請求項６記載
   の方法。