JPH01219583A - 距離測定装置 - 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】 〈産業上の利用分野〉 この発明は距離測定装置に関し、さらに詳細にいえば、
周波数変調が施されたレーザ光を２本のレーザビームに
分離し、一方を被測定対象物により反射させるとともに
、他方を基準ミラーにより反射させ、その後、両レーザ
ビームを干渉させることにより、被測定対象物までの距
離を測定する距Ｍ測定装置に関する。

〈従来の技術〉 従来から被測定対象物までの距離を測定する装置として
種々の構成のものが提供されている。具体的には、三角
測量の原理を適用したもの、光、超音波等の干渉が距離
の差に基いて変化する原理を適用したもの等があるが、
測定精度を高めることが要求される用途においては、外
部条件の影響等を受けにくいレーザ光を測定光として使
用することが好ましい。

上記レーザ光を測定光として使用する距離測定装置とし
て、従来から、第２図に示す原理に基くものが提供され
ていた。

即ち、変調源（３１）により電流源（３２）を制御して
、半導体レーザ（以下、ＬＤと略称する）（Ｈ）への注
入電流の制御を行ない、周波数変調が施されたレーザ光
（３４）を出力する（注入電流を変化させることにより
レーザ光を周波数変調させることについては、例えば、
Ｇ、　ＢＥＨＥ　Ｉ　Ｍ　、　Ｋ、　ＰＲＩＴＳＣＩＩ
　、　ＥＬＥＣＴＲＯＮ　ＩにＳ　ＬＥＴＴＥＲ８３１
ＳＴ　ＪＡＮＵＡＲＹ　１９８５　Ｖｏｌ、２１　Ｎｎ
３１．：記載されている）。このレーザ光（３４）はレ
ンズ（３５）を通してハーフミラ−からなるビームスプ
リッタ（３６）に導かれて、互に直角方向を向く２本の
レーザビーム（３４ａ）　（３４ｂ）に分離され、一方
のレーザビーム（３４ａ）がミラー（３７）に照射させ
られるとともに、他方のレーザビーム（３４ｂ）がレン
ズ（３８〉を通して被ｎ１定対象物（３９）に照射させ
られる。そして、上記各レーザビーム（３４ａ）　（３
４ｂ）は、それぞれミラー（３７）、被ｎ１定対象物（
３９）により反射させられて、再びビームスプリッタ（
３６）に導かれ、干渉させられた状態で検出器（４０）
に導かれる。

上記の構成の距Ｍ測定装置であれば、上記ビームスプリ
ッタ（３６）からミラー（３７）までの距離、および被
測定対象物（３９）までの距離に対応して、再びビーム
スプリッタ（３６）に導かれ干渉させられた状態のレー
ザビームが検出器（４０）に導かれるので、両レーザビ
ーム（３４ａ）　（３４ｂ）の位相差の時間的変化に起
因するビートを検出することにより、上記距離の差を検
出することができる。

また、上記ミラー（３７）までの距離は基準となる所定
距離に設定されているのであるから、基準となる所定距
離に上記距離の差を加減算することにより、距離をも検
出することができる。

〈発明が解決しようとする課題〉 上記距離ｎ１定装置においては、Ｌ　Ｄ　（３３）から
出力されるレーザ光の周波数が、注入電流の影響を受け
るのみならず、Ｌ　Ｄ　（３３）の温度の影響をも受け
るのであるから、ビームスプリッタ（３Ｂ）からミラー
（３７）までの距離、およびビームスプリッタ（３６）
から被測定対象物（３９）までの距離の差に基いて得ら
れるビート信号が、変調信号としての注入電流の変化の
みに依存するのではなく、Ｌ　Ｄ　（３３）の温度の変
化にも依存することになってしまい、高精度の距離測定
を行なうことができなくなってしまうという問題がある
。特に、Ｌ　Ｄ　（３３）においては、注入電流の変化
に依存する周波数変動が通常数ＧＨ２／ｍＡ程度である
のに対して、温度の変化に依存する周波数変動が通常１
００ＧＨ２／”Ｃ程度であるから、注入電流を精度よく
制御しても、動作状態において雰囲気温度のみならず自
己発熱によってもＬＤの温度がある程度変動することに
なる。したがって、温度変動に起因してレーザ光の周波
数が大巾に変動し、注入電流を変動させることに起因す
る周波数変動と同程度が、或はそれ以上の周波数変動を
生じさせることになるので、余り高精度の距離測定を行
なうことができないことになってしまうのである。

また、上記注入電流の変動のみならず、ＬＤ（３３）の
温度変動をも考慮して、干渉のみに起因するビート信号
の周波数、位相を算出することも考えられるが、必要と
される演算が余りにも複雑化しすぎてしまうという問題
がある。

逆に、Ｌ　Ｄ　（３３）にペルチェ素子等の電気−熱変
換素子を取付けるとともに、Ｌ　Ｄ　（３３）の温度を
検出する感熱素子を取付けることにより、Ｌ　Ｄ　（３
３）の温度を一定に保持することも考えられるが、熱応
答性を余り向上させることができないのであるから、温
度制御に必然的に幅が生じ、この幅に起因してかなり大
きい周波数変動が生じることになってしまうという問題
がある。

さらに、広い範囲にわたって周波数変調を行なう場合、
或は、被測定対象物からの反射光量が少ない場合等にお
いては、ＬＤ（３３）の出力変調成分に対するビート信
号の割合が著しく小さくなり、距離測定精度を低下させ
てしまうことになるという問題もある。

〈発明の目的〉 この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、
ＬＤに対する周波数変調を、外部条件等に拘わらず高精
度に達成し、ひいては被測定対象物までの距離の測定を
高精度に行なうことができる距離測定装置を提供するこ
とを目的としている。

く課局を解決するための手段〉 上記の目的を達成するための、この発明の距離測定装置
は、レーザ光の周波数を制御するための半導体レーザ温
度制御手段と、レーザ光の強度を安定化するための半導
体レーザ供給電流制御手段とを具備するものである。

但し、上記半導体レーザ温度制御手段としては、変調信
号生成手段と、変調信号を入力とする電気−熱変換手段
とを有するものであることが好ましい。

また、上記半導体レーザ供給電流制御手段としては、レ
ーザ光源から出力されるレーザ光を受光する受光素子と
、受光素子から出力されるレーザ光強度信号を入力とし
て所定の基準値との差に対応する半導体レーザ駆動電流
を生成する駆動電流生成手段とを有するものであること
が好ましい。

さらに、上記半導体レーザから出力されるレーザ光の一
部を２分して、それぞれ基準ミラーにより反射させ、干
渉させることにより補正用のビート信号を生成する補正
信号生成手段を有していることが好ましい。

く作用〉 以上の構成の距離測定装置であれば、周波数変動率が大
きいＬＤの温度を半導体レーザ温度制御手段により制御
することによりレーザ光周波数を正確に制御し、さらに
半導体レーザ供給電流制御手段によりＬＤに対する注入
電流を制御してレーザ光強度を安定化し、高品質のレー
ザ光を得ることができる。

そして、上記高品質のレーザ光を２分して、−方を測定
対象物に照射するとともに、他方を基準ミラーに照射し
、測定対象物からの反射光、および基準ミラーからの反
射光を干渉させてビート信号を得れば、ビート信号は、
半導体レーザ温度制御手段により制御されたレーザ光周
波数の影響のみを含む周波数、位相の信号となるので、
上記レーザ光周波数の影響のみを排除して得たビート信
号に基いて正確な距離データを得ることができる。

また、上記半導体レーザ温度制御手段が、変調信号生成
手段と、変調信号を入力とする電気−熱変換手段とを有
するものである場合には、変調信号生成手段により所定
の変調信号を生成し、電気−熱変換手段により変調信号
に対応する熱を発生させることができる。したがって、
この熱に対応させてＬＤの温度を制御し、レーザ光周波
数を上記変調信号に対応して変化させることができる。

そして、上記半導体レーザ供給電流制御手段が、レーザ
光源から出力されるレーザ光を受光する受光素子と、受
光素子から出力されるし一ザ光強度信号を入力として所
定の基準値との差に対応する半導体レーザ駆動電流を生
成する駆動電流生成手段とを有するものである場合には
、受光素子によリレーザ光を受光してレーザ光強度信号
を生成し、このレーザ光強度信号と所定の基準値とに基
いて半導体レーザ駆動電流を生成することができ、レー
ザ光強度を安定化することができる。

さらに、上記半導体レーザから出力されるレーザ光の一
部を２分して、それぞれ基準ミラーにより反射させ、干
渉させることにより補正用のビート信号を生成する補正
信号生成手段を有している場合には、補正用のビート信
号を尋で本来のビート信号に対する補正を行なうことが
できるので、ＬＤの温度を制御することによるレーザ光
周波数の変化特性の鈍り等に起因する誤差を解消させ、
正確な距Ｍ　ｎＪ定データを得ることができる。

〈実施例〉 以下、実施例を示す添付図面によって詳細に説明する。

第１図はこの発明の距離測定装置の一実施例を示す概略
図である。

？ＩＰｊ定用のレーザ光を出力するＬ　Ｄ　（１）を、
電気−熱変換素子の一種であるペルチェ素子（２）の所
定位置に搭載しているとともに、駆動電流制御部（３）
により注入電流が供給されるようにしている。そして、
上記ペルチェ素子（２）に対しては、変調器（４）によ
り生成された変調信号がドライバ（５）を通して供給さ
れ、変調信号に対応する温度変化をＬ　Ｄ　（１）に与
え、温度変化に対応して周波数が変化するレーザ光を出
力するようにしている。また、上記ＬＤ（１）は、双方
向にレーザ光を出射することができるものであり、一方
向から出射されるレーザ光を受光するフォトダイオード
（以下、ＰＤと略称する）（６）からの出力信号を上記
駆動電流制御部（３）に供給することにより、予め設定
されている所定の基準値との差を得、差がなくなるよう
に制御された注入電流をＬ　Ｄ　（１）に供給するよう
にしている。

したがって、強度が安定化され、かつ周波数が所定の変
調信号に基いて変化させられたレーザ光（７）を出射さ
せることができる。

上記Ｌ　Ｄ　（１）の他方から出力されるレーザ光（７
）は、図示しないレンズを通してビームスプリッタ（８
）　（９）に順次導かれる。そして、ビームスプリッタ
（８）においては、一部が直角に反射されて出力モニタ
部００）に照射され、残部がそのまま直進して他のビー
ムスプリッタ（９）に照射される。上記ビームスプリッ
タ（９）においては、一部が直角に反射されて基準ミラ
ー（１１）に照射され、残部がそのまま直進して、レン
ズ（１２）を通して被測定対象物（１３）に照射される
。

そして、上記基準ミラー（１１）により反射された光、
および被測定対象物（１３）により反射された光は、上
記と逆の経路を通って再びビームスプリッタ（９）に導
かれ、重畳される。この重畳された光（１４）は、レン
ズ（１５）を通してＰ　Ｄ　（１Ｂ）に照射され、上記
光（１４）に対応するレベル変化を伴なう電気信号に変
換される。

また、上記出力モニタ部００）は、入射光が導かれるビ
ームスプリッタ（１７）を有しており、上記入射光の一
部が直角に反射されて第１のミラー（１８）に照射され
るとともに、残部がそのまま直進して第２のミラー（１
９）に照射される。そして、上記両ミラー（１ｇ）（１
９）により反射された光は、上記と逆の経路を通って再
びビームスプリッタ（１７）に導かれ、重畳される。こ
の重畳された光（２０）はＰ　Ｄ　（２１）に照射され
、上記光（２０）に対応するレベル変化を伴なう電気信
号に変換される。

上記各Ｐ　Ｄ　（１Ｂ）（２１）から出力される電気信
号は、それぞれバンドパスフィルタ（２２）　（２３）
を通してカウンタ（２４）（２５）に供給され、両カウ
ンタ（２４）（２５）から出力されるカウント信号を演
算部（２６）に供給することにより、距離検出信号を生
成するようにしている。

上記の構成の距離測定装置の作用は次のとおりである。

変調器（４）からの変調信号がドライバ（５）を通して
ペルチェ素子（２に供給されることにより、ペルチェ素
子■による発熱量を規則的に変化させ、ひいては、Ｌ　
Ｄ　（１）の発振周波数をも規則的に変化させる。尚、
この場合において、Ｌ　Ｄ　（１）に与える温度変化と
しては、かなり小さい温度変化であってもよく、Ｌ　Ｄ
　（１）が１００ＧＨ２／”Ｃ程度の発振周波数変化特
性を有しているのであるから、十分に周波数変調が施さ
れたレーザ光（７）を出力することができる。そして、
上記Ｌ　Ｄ　（１）は、双方向にレーザ光を出射するこ
とができる構成であるから、一方向から出射されるレー
ザ光をＰ　Ｄ　（６）により受光させるで、レーザ光強
度信号を生成する。このレーザ光強度信号は駆動電流制
御部（３）に供給され、予め設定されている所定の基準
値との差が得られるので、差がなくなるように制御され
た注入電流をＬＤ（１）に供給し、レーザ光強度を安定
化することができる。但し、注入電流を変化させること
によってもＬ　Ｄ　（１）の発振周波数が変化するので
あるが、温度に起因する発振周波数変化と比較して著し
く小さいのであるから、周波数変化に及ぼす影響は殆ど
無視することができる。即ち、Ｌ　Ｄ　（１）の他方か
ら出射されるレーザ光（７）は、強度が一定に保持され
、かつ周波数のみが規則的に変化することになる。

このレーザ光（７）は、ビームスプリッタ［Ｆ］）によ
り２分された後、直進成分がビームスプリッタθ）によ
りさらに２分され、直角反射成分が基準ミラー（１１）
に照射されるとともに、直進成分がレンズ（１２）を通
して被測定対象物（１３）に照射される。そして、上記
各照射光は、それぞれ反射されることにより、同一経路
を通って再びビームスプリッタ（９）に導かれ、重畳さ
れることにより、ビームスプリッタ（９）と基準ミラー
（１１）との距離、およびビームスプリッタ（９）と被
測定対象物（１３）との距離の差に対応するビート周波
数、位相を有する光（１４）が生成される。尚、上記光
（１４）には、レーザ光強度変化に起因する成分が全く
含まれていないことになる。

したがって、この先（１４）を、レンズ（１５）を通し
てＰ　Ｄ　（１Ｂ）により受光して、ビート成分に対応
するレベル変化を伴なう電気信号を生成することができ
、バンドパスフィルタ（２２）によりビート成分を中心
とする周波数成分のみを有する信号に変換し、カウンタ
（２４）により単位時間当りのビート数に対応するカウ
ントデータを得ることができる。

他方、上記ビームスプリッタ［Ｆ］）により直角に反射
された光は、ビームスプリッタ（１７）に導かれ、光の
一部が直角に反射されて第１のミラー（１８）に照射さ
れるとともに、残部がそのまま直進して第２のミラー（
１９）に照射される。そして、上記各照射光は、それぞ
れ反射されることにより、同一経路を通って再びビーム
スプリッタ（１７）に導かれ、重畳されることにより、
ビームスプリッタ（８）と第１のミラー（１８）との距
離、およびビームスプリッタ（８）と第２のミラー（１
９）との距離の差に対応するビート周波数、位相を有す
る光（２０）が生成される。

尚、上記光（２０）には、レーザ光強度変化に起因する
成分が全く含まれていないことになる。

したがって、この光（２０）をＰ　Ｄ　（２１）により
受光して、ビート成分に対応するレベル変化を伴なう電
気信号を生成することができ、バンドパスフィルタ（２
３）によりビート成分を中心とする周波数成分のみを有
する信号に変換し、カウンタ（２５）により単位時間当
りのビート数に対応するカウントデータを得ることがで
きる。

そして、上記カウンタ（２４）により得られたカウント
データ、および上記カウンタ（２５）により得られたカ
ウントデータが共に演算部（２Ｂ）に供給されることに
より、両者の共通成分を排除し、注入電流に基く周波数
制御を行なった場合と比較して不正確になっている温度
に基く周波数制御の起因する誤差を補正して、被ｎ１定
対象物（１３）までの距離を正確に算出することができ
る。さらに詳細に説明すると、上記カウンタ（２４）に
おいては、ビームスプリッタ（９）による干渉系の光路
差の比に対応するカウントデータが得られ、他方、カウ
ンタ（２５）においては、ビームスプリッタ（８）によ
る干渉系の光路差の比に対応するカウントデータが得ら
れるのであるから、上記出力モニタ部００）における干
渉系の光路差を予め測定しておくことにより、ビームス
プリッタ（９）、即ち、信号側における干渉系の光路差
を算出することができ、算出された光路差、およびビー
ムスプリッタ（９）から基準ミラー（１１）までの距離
に基いて被測定対象物（１３）までの距離を正確に算出
することができる。

以上の説明から明らかなように、上記の距ｊｌｌ測定装
置は、簡単な光学系、および簡単な信号処理系で構成さ
れており、構成を簡素化することができ、しかも、距離
測定精度を高めることができる。

尚、この発明は上記の実施例に限定されるものではなく
、例えば、多少の距離？＃１定精度の低下を許容するこ
とができる場合に対応させて出力モニタ部（１０）を省
略することが可能である他、ペルチェ素子以外の電気−
熱変換素子を使用することが可能であり、さらに、電気
−熱変換素子に供給する変調信号を矩形波、三角波等適
宜波形に設定することが可能である他、この発明の要旨
を変更しない範囲内において種々の設計変更を施すこと
が可能である。

〈発明の効果〉 以上のように第１の発明は、半導体レーザの温度を制御
することにより発振周波数を制御し、しかも注入電流を
制御することによりレーザ光強度を安定化させ、得られ
たレーザ光に基いて光ヘテロダイン干渉法に基く距離測
定を行なうようにしているので、距離ａ！１定精度を著
しく高めることができるとともに、光学系の簡素化、お
よび信号処理系の簡素化を達成することができるという
特有の効果を奏する。

第２の発明は、変調信号生成手段により所定の変調信号
を生成し、電気−熱変換手段により変調信号に対応する
熱を発生させるようにしているので、この熱に対応させ
て半導体レーザの温度を制御し、レーザ光周波数を上記
変調信号に対応して変化させることができ、距離測定精
度を著しく高めることができる。

第３の発明は、受光素子によりレーザ光を受光してレー
ザ光強度信号を生成し、このレーザ光強度信号と所定の
基準値とに基いて半導体レーザ駆動電流を生成するよう
にしているので、レーザ光強度を安定化することができ
、距離１１Ｐｌ定精度を著しく高めることができる。

第４の発明は、補正用のビート信号を得て本来のビート
信号に対する補正を行なうようにしているので、半導体
レーザの温度を制御することによるレーザ光周波数の変
化特性の鈍り等に起因する誤差を解消させ、距離ｎ１定
精度を著しく高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の距離測定装置の一実施例を示す概略
図、 第２図は従来例を示す概略図。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体レーザから出力されるレーザ光 を２分して、一方を測定対象物に照射す るとともに、他方を基準ミラーに照射し 測定対象物からの反射光、および基準ミ ラーからの反射光を干渉させてビート信 号を得、ビート信号に基いて距離データ を得る距離測定装置において、レーザ光 の周波数を制御するための半導体レーザ 温度制御手段と、レーザ光の強度を安定 化するための半導体レーザ供給電流制御 手段とを具備することを特徴とする距離 測定装置。 ２、半導体レーザ温度制御手段が、変調信 号生成手段と、変調信号を入力とする電 気−熱変換手段とを有するものである上 記特許請求の範囲第１項記載の距離測定 装置。 ３、半導体レーザ供給電流制御手段が、レ ーザ光源から出力されるレーザ光を受光 する受光素子と、受光素子から出力され るレーザ光強度信号を入力として所定の 基準値との差に対応する半導体レーザ駆 動電流を生成する駆動電流生成手段とを 有するものである上記特許請求の範囲第 １項記載の距離測定装置。 ４、半導体レーザから出力されるレーザ光 の一部を２分して、それぞれ基準ミラー により反射させ、干渉させることにより 補正用のビート信号を生成する補正信号 生成手段を有している上記特許請求の範 囲第１項から第３項の何れかに記載の距 離測定装置。