JPH0115832B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、レーザー光を変調して測定対象物に
照射し、反射光の位相変化かれ測定対象物の変位
を測定する光学的変位測定方法に関する。

近年、レーザーとエレクトロニクスの発展によ
つてレーザー光波変調式測距方法が広く普及し、
特に測量の分野では欠く事の出来ない確立した技
術となつており、被測定物までの距離が数Kmに対
して数mmの誤差で測定可能のレベルに達してい
る。

しかしながら、この様な技術を一般工業分野に
応用しようとした場合には次の様な問題があつ
た。

(1) 測定対象物にコーナーキユーブミラー等の反
射物体を取付ける必要がある。

(2) 測定時間が長くかかるため、移動中の物体の
測定が困難である。

(3) 工業的要求に応える精度の確保が困難であ
る。

本発明はこのような問題点を解決し、測定対象
物に何らの反射物体も取付けず、高精度、高速に
対象物の変位を測定することを可能としたもので
あり、測定距離数cm〜数10ｍを±１mmの精度で、
しかも100Hz以上の応答速度が得られ、工業分野
に於て極めて有効な変位測定手段を提供するもの
である。

次に本発明の詳細について、一実施例をもつて
説明する。

第１図は本発明の光学的変位測定方法に用いる
装置の全体構成図である。１は発振器で測定用変
調周波数fsと僅かに異なるf_L＝fs±△ｆの周波数
の信号を発生する。fsは高周波変調レーザードラ
イバー２に供給され、半導体レーザー等の変調可
能なレーザー３から高周波変調されたレーザー光
を発生させる。なお、レーザー３の代りに発光ダ
イオード（LED）等も使用出来る場合のあるこ
とは言うまでもない。変調レーザー光はレンズ４
で平行ビームにコリメートされた後、測定対象物
５の表面に照射され、乱反射した光の一部は反射
鏡６、干渉フイルタ７、受光レンズ８で集光され
た後アパーチヤー９を通つて光電変換素子１０に
入射する。従来の光波変調式距離計の場合は、測
定対象物にコーナーキユーブミラー等の反射体を
取付けるため、反射光は高い効率で受光可能であ
るが、本発明のように測定対象物に何らの反射体
も設置せずに乱反射光のみを受光する場合は、受
光エネルギーが極めて小さく、従つて光電変換素
子の出力信号も微弱であり、信号の充分なＳ／Ｎ
比が取れないために、測定精度や応答速度を犠性
にせざるを得なかつたものである。

そこで本発明に於ては、光電変換素子の出力信
号を高めＳ／Ｎ比を向上させるために、まず光電
変換素子１０の後に位相可変の共振回路１１を設
ける。

この光電変換素子１０と共振回路１１のより具
体的な構成例を第２図に示し、作動を説明する。
光電変換素子PDに入射光Ｓが入射すると電流ｉ
が流れる。高周波変調光の場合は、周波数特性確
保のため光電変換素子に小さな抵抗Ro（例えば50
Ω）を接続するのが常識であつたが、本発明に於
ては、コイルＬ、コンデンサＣ３、可変容量ダイ
オードＤ１で構成される並列共振回路を接続し、
共振回路の電圧を高入カインピーダンスの電界効
果（FET）トランジスタ等で入力する。共振回
路の周波数を入射変調光の周波数に一致させた時
の共振回路のインピーダンスＺは、特性インピー
ダンスZoと共振回路のＱ値を使つてＺ＝QZoと
なるが、Zo＝200Ω、Ｑ＝100程度は簡単に得ら
れるため、Ｚ＝２×10⁴＝400Roの高いインピー
ダンスが得られる。光電流ｉによる信号電圧は純
抵抗負荷の場合iRo、共振回路負荷の場合iz＝
400iRoとなり、400倍もの信号電圧が得られるこ
とになる。また、抵抗の熱雑音は抵抗値の平方根
に比例するため、信号のＳ／Ｎ比は結局√400＝
20倍改善されることになる。

このように光電変換素子の後に共振回路を挿入
することによつて、入射光の検出感度及びＳ／Ｎ
比を著しく改善可能であるが、特性の良い共振回
路ほど共振周波数と信号周波数の僅かな相異によ
つて回路の位相が大きく変化し、入射変調光と検
出信号の間に位相誤差が発生してしまう。これ
は、共振回路をいかに安定に作つたとしても、光
電変換素子やFETトランジスタの静電容量の変
化によつて大きな誤差を生じてしまう。このよう
な問題のために従来は共振回路の使用例は無く、
また使用不能でもあつた。

本発明では、このような問題を解決するため、
共振回路を可変容量ダイオードＤ１等によつて位
相可変とし、第１図の共振回路１１の出力信号を
増幅器１２で増幅した後、位相検出部１３に入力
する。

一方、発振器１で発生した周波数f_Lの高周波信
号を可変減衰器１７を経た後光電変換素子に印加
する。この場合、f_Lの信号をレーザーダイオード
やLED等で一度変調光に変換して光電変換素子
に入力してもよいし、直接電気信号のまま入力し
てもよい。より具体的な例としては、第２図の端
子Ａにf_Lの信号を印加し発光素子Ｉで変調光に変
換してフオトダイオードPDに入力してもよく、
また端子A′にf_Lの電気信号を入力する方法を用い
てもよい。位相検出部１３に、例えばダブルバラ
ンスミキサーを使つた場合は、信号の位相差と出
力電圧の関係は第４図のように90゜の所で０とな
るため、例えば可変減衰器１７等によつてf_Lの信
号を90゜シフトさせておけば光電変換素子１０、
共振回路１１、増幅器１２における全体の位相シ
フトが丁度0゜の時に位相検出部１３の出力電圧が
０になり都合がよい。

このような状態で、今何らかの原因で共振回路
１１の周波数が僅かに変化したとすると、第３図
のように位相は大きく変化する。位相検出部１３
の出力がこれに対応して変化するので、ローパス
フイルター１５を経た後、位相制御回路１６で位
相制御信号を演算し、共振回路１１の位相特性を
変化させ、常に位相差が０になるように制御す
る。より具体的な例として、第２図の端子Ｂの電
圧を変えれば可変容量ダイオードの容量が変化
し、共振周波数及び位相を制御することができ
る。f_L及びf_Sの周波数を近接させておけば、変位
測定用周波数f_Sに対しても安定した位相特性を確
保したことになる。位相検出部１３の入力にはf_L
及びf_Sの双方の信号が同時に入つて来る訳である
が、f_Sに対しては位相検出部１３の出力は△ｆ＝
f_S−f_Lの周波数の正弦波信号となるため、ローパ
スフイルター１５によつて△ｆの成分をカツトす
ることができる。このようにして、測定対象物か
らの微弱な反射光を高感度でしかも高い位相精度
で検出できることになる。あとは、基準信号f_Sと
増幅器１２の出力信号のうち、f_Sの成分との間の
位相差を正確に測定してやれば、測定対象物まで
の距離が測定できることになる。増幅器１２の出
力は、ダブルバランスミキサー等の位相検出部１
３及びバンドパスフイルター１４によつて△ｆ＝
f_S−f_Lの周波数に変換される。f_Sとf_Lを近接した周
波数におけば△ｆはf_Sに較べて非常に低い周波数
となり、位相差測定が容易となる。基準信号f_Sは
発振器１のf_S信号を直接使つてもよく、また、レ
ーザー３の出力変調光の一部を取り出し、光電検
出素子で電気信号に変換してもよいが、ダブルバ
ランスミキサー等の位相検出部１８及びバンドパ
スフイルター１９によつて△ｆの基準信号に変換
される。周波数△ｆに変換された基準信号及び反
射光検出信号は、それぞれレベルコンパレーター
２３，２２により２値信号に変換された後、時間
差測定回路２４で２値信号の立上がりの時間差が
測定される。この時間差は測定対象物の基準点か
らの変位に比例するため、適当な変換係数を掛け
ることにより変化量が測定できることになる。時
間差は更に平均化回路２５によつて複数回の時間
差測定値を平均化することで測定精度を高めるこ
とも可能である。また、バンドパスフイルター１
４の出力信号の大きさをレベル検出回路２０によ
つて検出し、これが一定になるように自動ゲイン
制御回路（AGC）２１の出力信号で、高周波変
調レーザードライバー２、光電変換素子１０、増
幅器１２の一部あるいは全部のゲインを制御すれ
ば、測定対象物表面の反射率が変化したときでも
安定した測定が可能となる。また、この自動ゲイ
ン制御を実施した場合、位相制御用の光電変換素
子に対する周波数f_Lの注入信号に対する増幅率も
変化するが、自動ゲイン制御回路２１の出力信号
で可変減衰器１７の減衰率を制御して位相検出部
１３の入力に於ける信号f_Lの大きさをほぼ一定に
保つことも可能である。

このように本発明によれば、測定対象物に何ら
の反射体を取付ける必要も無く、測定対象物から
の反射光を高感度かつ高い位相精度で検出できる
ため、任意物体の変位を高精度、高速に測定する
ことが可能となる。即ち、本発明の光学的変位測
定方法によれば、ガスタンクや高熱炉などの内面
処理状態、腐食の発生、あるいは構築物の壁面や
ベルトコンベヤ上を移動してくる製品の表面変位
（凹凸）の状態を測定検知できる等、工業分野に
おいて極めて応用範囲の広い変位測定技術となる
ものである。

以上説明した本発明の光学的変位測定方法で
は、測定用高周波信号がf_S一つだけの周波数のも
のであるが、異なる複数の周波数でレーザー光を
多重変調すると共に、各々の周波数に対応する位
相制御部、周波数変換部、位相差測定部を設けて
測定可能な変位の範囲を増大させることも可能で
ある。

また、測定対象物が比較的近距離において大き
く変位する場合は、受光レンズの焦点位置が変
り、アパーチヤーの位置における反射光の像の大
きさが大きくなり、光電変換素子への入射エネル
ギーが減少する場合があるが、このような場合に
は、第１図に示したアパーチヤー９及び光電変換
素子１０を駆動装置によつて移動させ、変位測定
値に基づいて、常にアパーチヤー位置を焦点位置
に保持させることができるように実施すればよ
く、また、アパーチヤー及び光電変換素子の代わ
りに受光レンズを移動させても同等の効果が得ら
れることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施するための装置の一
例を示す構成図、第２図は光電変換素子と位相可
変共振回路との組み合わせの具体例を示す部分構
成図、第３図は位相可変共振回路に高周波電流を
流した時の電圧振幅値及び位相の特性図、第４図
は位相検出部にダブルバランスミキサーを使用し
た時の位相差に対する出力電圧の特性図である。 図中、３はレーザー、５は測定対象物、１０は
受光部（光電変換素子）、１１は共振回路、１３，
１８は位相検出部、１６は位相制御回路、１４，
１５，１９は周波数変換部の構成部材であつて、
１４，１９はバンドパスフイルター、１５はロー
パスフイルター、２２，２３，２４は位相差測定
部の構成部材であつて、２２，２３はレベルコン
パレーター、２４は時間差測定回路である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 高周波変調された測定用レーザー光を測定対
   象物に照射し、測定対象物の乱反射光を受光部で
   電気信号に変換すると共に、該受光部に位相可変
   の共振回路を設け、前記測定用変調レーザー光と
   周波数の異なる別の高周波変調光或いは高周波電
   気信号を受光部に入力し、この入力信号に対する
   受光部の出力信号の位相差を位相検出部で検出す
   ると共に、この位相差が一定になるように共振回
   路の位相を位相制御回路で制御し、測定用変調レ
   ーザー光信号及び対応する受光部出力信号を周波
   数変換部によつて低い周波数に変換した後、位相
   差測定部で位相差を測定し、測定対象物の変位を
   測定することを特徴とする光学的変位測定方法。