JPH0277672A - 遅延時間測定装置 - 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」 本発明は、遅延時間の測定装置に係わり、特に光の反射
往復時間を測定し、装置本体と目標物との間の距離を計
算するための光測距装置に好適な遅延時間測定装置に関
するものである。

「従来の技術」 従来の遅延時間測定装置（時間間隔の測定装置）は、ス
タート信号とストップ信号との時間間隔を、これらの信
号と比較してはるかに高い周波数の基準信号をクロック
信号とし、このクロック信号をカウントすることにより
測定していた。この従来型の時間間隔の測定装置は、基
準信号の周波数を高くすれば高分解の時間測定が可能に
なるが、電気部品や回路構成上の制約から、基準信号の
周波数には限界が存在していた。そこで、スタート信号
、ストップ信号に同期していない基準信号を用いて、こ
れらの信号間の時間間隔を複数回測定していた。即ち、
第５図に示す様に複数回のスタート信号、ストップ信号
を固定した状態で検討すると、毎回のクロック信号は、
同期ずれの分だけずれている。そこで、Ｎ回の測定を行
い、スタート信号とストップ信号との間のクロック信号
（ＣＬｌ−Ｃｌ３）をカウンタで計算すると、その合計
ΣＣＬは、Ｎ倍の周波数のクロック信号で１回計数した
値と等価となる。従って、Ｎ倍分解能を向上させたこと
を意味する。

「発明が解決しようとする課題」 しかしながら、従来型の時間間＋ｉ測定装置は、分解能
をＮ倍に向上させるにはＮ回測定を繰り返す必要があっ
た９即ち、測定時間が、測定信号の繰り返し時間のＮ倍
必要であることを意味し、例えば、スタート信号又びス
トップ信号の周波数が１．５ＫＨ２の場合において、ク
ロック信号の６０００＠の分解能で測定しようとすると
、１　、５　ＫＨｚ の時間を要するという問題点があった。更に従来型の測
定装置では、ストップ信号のタイミングが、゛測定装置
内部で発生するノイズや、計測対象等の外的要因によっ
て変動する場合があるが、これらの変動に対する平均化
効果が十分発揮することができないという問題点があっ
た。特に、従来の時間間隔測定装置を光測距に採用した
場合には、ストップ信号が、目陣物から反射してきた光
線によって発生する様に構成されているが、このストッ
プ信号は、装置内部のノイズや空気の屈折率等の変化に
より変動する場合があった、ところで、第９図に示す様
に、このスト・ツブ信号がΔを変動したと仮定すると、
Ｃｌ３とＣｌ３は上記平均化効果に寄与するクロック信
号であるが、他のＣＬｌからＣｌ３のクロック信号は、
平均化効果に寄与しないクロック信号である。促って、
スト・・Ｉブ信号が変動している場合には、平均化効果
に寄与するクロ・ツク信号と寄与しないクロック信号と
があり、寄与しないクロ・ツク信号は、ΣＣＬに釘等変
化を与えないので、全体的に平均化効果が低くなるとい
う問題点があった。特に、光測距装置の光源にパルスレ
ーザダイオードを採用した場合には。

デユーティ比が０．Ｏ１％程度であり、平均化効果を期
待することができないという問題点があった。

「課組を解決するための手段」 本発明は上記問題点に鑑み案出されたもので、連続した
パルスの遅延時間を測定する遅延時間測定装置において
、前記装置は概算用カウンタ手段と、精密測定手段とを
有し、前記概算用カウンタ平膜は、スタートパルスから
ストップパルスの間で基準信号発生手段のクロックをカ
ウントする構成を備えており、前記精密測定手段は、電
圧制御発振器と、前記電圧制ｆＩｉ発振器の出力信号と
スト・ツブパルスとの同期を収る本設を具備し、このス
トップパルスと同期がとられた電圧制御発振器の出力信
号と、前記基準信号発生手段の発生信号との位相測定に
より、遅延時間の精密測定を行う様に構成されており、
前記概算用カウンタの計測結果と精密測定手段の計測結
果とから遅延時間を測定することを特徴としている。

「作用」 以上の櫟に構成された本発明は、概算用カウンタ手段と
精密測定手段とを有し、概算用カウンタ平膜が、スター
トパルスからストップパルスの間で基準信号発生手段の
クロ・ツクをカウントすることにより、遅延時間の粗測
定を行うことができる２更に、精密測定手段が、制揶信
号発生手段からの出力信号とストップパルスとの同期を
収り、同期の収られた制御信号発生手段の出力信号と、
前記信号発生手段の発生信号との位相差を測定すること
により、遅延時間の精密測定を行うことができる９そし
て、前記概算用カウンタによる粗測定値と該精密測定値
とを合成することにより、パルスの遅延時間を測定する
ことができる。

「実施例」 本発明の実施例を図面に基いて説明すると、第１図は１
本発明を光測距装置に適用した実施例の構成を示すもの
である。本実施例の光測距装置は。

第１の水晶発振器１と、分周器２と、第２の水晶発振器
３と、光学系（５−１２）と、概算カウンタ１４と１位
相検出回路１５と、ローパスフィルタ１６と、電圧制御
発振器１７と、ミキサ１８と、バンドパスフィルタ２５
と、コツパレータ−２６と、位相比較回路１９と、演算
器２０等とからなっている、位相検出回路１５とローパ
スフィルタ１６と電圧制御発振器１７とは、フィードバ
ックループを形成している。ミキサ１８は、電圧制御発
振器１７の出力信号と、第１の水晶発振器１の出力信号
とを混合検波し、差の周波数を収り出すものである２位
相比較回路１９は、ミキサ１８の出力信号と１分周器２
の出力信号との位相を比較するものである。バンドパス
フィルタ２５とコンパレータ２６は、位相比較を行い易
くするためのものである。また、第２の水晶発振器３と
概算カウンタとが粗測定をするための概算カウンタ手段
を構成している。

次に光測距装置の光路を説明する。この光学系は、レー
ザダイオード５と、第１の光ファイバ６と、光路切り替
えチョッパ７と、　１ｌｌｌ距光路８と、内部光路９と
、対物レンズ１０と、第２の光ファイバ１１と、受光素
子１２と、コーナキューブ１０１とから構成されている
。コーナキューブ１０１は、光測距装置本体から離れた
位置に設置される目標物であり、光線を反射する機能を
有している。

レーザダイオード５は、パルスレーザダイオードであっ
て、比較的大きなピークパワーを持ち。

デユーティ比が０．０１％程度のパルス波を発生するこ
とができる。受光素子１２は、レーザダイオード５から
発射されたパルス光線を受光できる素子であれば足りる
。光路切り替えチョッパ７は、測距光路８と内部光路９
を切り替えるための切り替え器である。

以上−の様に構成された本光学系において、レーザダイ
オード５から出射された光パルスは、第１の光ファイバ
６を通っそ光路切り替えチヨ・シバ７に入射する。この
時、光路切り替えチヨ・・ｌバフがａ距光路８を選択し
ていれば、光パルスは、対物レンズｌＯを経由して本体
から発射される。発射された光パルスは、目標物として
置かれたコーナキューブ１０１で反射される。このコー
ナキューブ１０１で反射された光パルスは、対物レンズ
１０及び、第２の光ファイバー１１を経由して受光素子
１２に入射される。これらの光路が、測定の対象となる
本体と目標物との距離を含む測距光路８を形成する。

これに対して、レーザダイオード５から出射した光パル
スが、内部光路９を通り第２の光ファイバ１１を経由し
て受光素子１２に入る光路がある。

この光路は本俸内部で生じる不安定要素を除去する目的
で形成されたものである。

一般に光測距装置は多数の電子部品を使用しており、こ
の電子部品の遅延時間が温度変化等の影響を受けやすい
ので、本体内で不安定状態が発生する可能性がある。そ
こで、測距光路８と内部光路９とで測定を行い、その測
定値の差を取ることにより、前記両光路に共通して含ま
れる測距装置本体内部の不安定要素を除去することがで
きる。

次に本実施例の作用を説明する９第１の水晶発振器１は
、周波数ｆ１で発振しており、この出力信号は分周器２
に送出される。この分周器２は、入力された周波数ｆ１
を分周し、■、／ｎの周波数を出力する様になっている
。この分周器２の出力信号は、概算カウンタ１４に送出
され、この概算カウンタ１４のスタート信号となる。更
に、この分周器２の出力信号はレーザダイオードドライ
バ４に送られ、レーザダイオードドライバ４がレーザダ
イオード５を発光させる様になっている。

レーザダイオード５から発射された光パルスは、光学系
を通過して、測距装置本体から発射される。

そして、発射された光パルスは、目標物であるコーナー
キューブ１０１で反射され、測距装置内の受光素子１２
に入射される。入射した光パルスは、受光素子１２で電
気変換され、更に、アンプ１３で増幅される。このアン
プ１３の出力信号（受信パルス）は、概算カウンタ１４
のストップ信号となる。＊Ｘカウンタ１４には、第２の
水晶発振器３からのクロック信号が入力されており、概
算カウンタ１４がスタート信号（分周器２の出力信号）
からストップ信号（アンプ１３の出力信号）までのクロ
ックをカウントし、演算器２０にデータを送信する様に
なっている。またアンプ１３出力信号（受信パルス）は
、位相検出器１５にも送出される。この位相検出器１５
の出力は、ローパスフィルタ１６を通って電圧制御発振
器１７の周波数詞ｎ子に入力される様になっている。こ
の位相検出器１５とローパスフィルタ１６と電圧制御発
振器１７とは、フィードバックループを形成しており、
アンプ１３の出力信号と電圧制御発振器１７の出力信号
とが、同期する様に構成されている。

ここで、電圧制御発振器１７の発振周波数ｆｌ＋ｆ２は
、 （２＝　−ｆ　１ となる探に選択される。そして、電圧制御発振器１７の
出力信号は、ミキサー８に送られ、第１の水晶発振器１
の発振信号ｆ１と混合検波されて。

バンドパスフィルタ２５′８ｔびコンパレータ２６によ
り波形整形され、差の周波数であるｆ２を出力する様に
なっている。そして、コンパレータ２６の出力信号は位
相比較器１９に送出され、位相比較器１９によって１分
周器２の出力信号と位相比較がなされる。

ここで送受信パルスの関（ｅと、コンパレータ２６の出
力と分周器２の位相関係について第２図で説明する。ま
ず、光路切り替えチゴッパ７で測距光路８を選択しなと
する２分周器２の出力の立上りからレーザーダイオード
５が発光するまでの時間艮び光パルスがコーナーキュー
ブ１０１１：’反射して戻ってくる往復時間をΔｔとす
ると、受光孝子１２の出力には、分周器２の出力の立上
りからΔＬ経過した後受信パルスが現れる。電圧制御発
振器１７は、受信パルスと同期が収られ、電圧制ｒＩｉ
発振器１７の出力と受光素子１２の出力との位相関係は
第２図で示す様になる。Δｌｊ−電圧制御発振器１７の
出力周波数（ｆｌ＋ｆ２）で表すととなる。但し、ｋは
整数である２また」φは０≦」φ〈２π であり、１．／　（ｆｌ　＋　　ｆ２）の１周期より短
い端数時間を、１．’（ｆｌ　＋　　ｒ２）を１周期と
した時の位相鰻で表したものである。

そして、電圧制御発振器１７の出力は、ミキサ１８で第
１の水晶発振器１の周波数ｆ１と混合検波され、バンド
パスフィルタ２５を通りｆ２となる。更に分周器２の出
力と位相比較を行いやすい探にコンパレータ２６によっ
て矩形波となる。ここで、位相比較器１９によって位相
比較されるコンパレータ２６の出力と、分周器２の出力
の位相差は前式のΔφと等しい。

従ってΔｔ　を計測する為には、前弐のｋとΔφを検出
すればよい。

例えば　ｆｌ　＝　１５ＭＨｚ、ｎ＝５０００　　とす
れば、ｆ２は ｆ２　＝　　１５ＭＨｚ　＊□ ＝　３ＫＨｚ であり、電圧制御発振器１７の発振周波数ｆｌ＋ｆ２は ｆｌ　＋　　ｆ２−　１５．００３ＭＨｚとなる。この
時Δφは ＫＨｚ に拡大されたことになる。この拡大された」φは、位相
比較器１９において第１の水晶発振器のクロック数によ
って数値化されて、演算器２０に送出される。

まなｋは、概算カウンタ１４による￥１１測定値として
求められ演算器２０へ送出される。

演算器２０は、概算カウンタ１４による粗測定値と１位
相比較器１９で得られた精測定酒とを合成し、求める遅
延時間を演算する。ここで、概算カウンタ１４は、第２
の水晶発振器３のクロック信号をカウントしている。従
って、第１の水晶発振器ｌのクロ・ツクとは同期が取ら
れていない、このため、レーザダイオード５の発光や受
信パルス、更に、スタート、ストップ信号も第２の水晶
発振器と同期が取られていない。従って、第２の水晶発
振器３のクロックによって生じる量子化誤差は軽減され
、複数回の測定を平均化することにより、第２の水晶発
振器３の周期より長い周期を１クロ・ツク以下の値まで
測定することができる。

これに対して、精密測定は、第１の水晶発振器１の周期
より長い周期を計測することができない。

そこで演算器２０は、粗測定の１クロツク以下の値と、
精密測定値の最上桁とを比較し、粗測定値を調整して、
この値と精測定値を加え合わせることにより、求める測
定値を演算する９以上で測距光路８での測定が終了する
９次に光路切り替えチヨ・ソバ７により内部光路９が選
択されると、測距光路８が選択された場合と同様に、分
周器２の出力の立上りから受光素子１２の出力である受
信パルスまでの時間ΔｔＩに対応する粗測定値に１及び
位相差Δφ１が求められる。更に、測距光路８での粗測
定値ｋ及び位相差Δφから、内部光路での粗測定値に、
及び位相差Δφ、を減じてコーナーキューブまでの距離
を求めることができる。この様に構成された本実施例は
、分周器２の出力の立上りからレーザダイオード５が発
光されるまでの時間や、電気回路のドリフト等による測
距装置内部の不安定さを除去することができ、正確な距
離を測定することができるという効果がある９次に１位
相検出の具体的実施例を第３図に基いて説明する。この
実施例は、−船釣なＰＬＬ　（）工−ズロ・ツクループ
）である、電圧制御発振器２１と１分周器２２と、位相
比較器２３と、ローパスフィルタ２４とからなっている
。

電圧制御発振器２１の出力信号は、分周器２２によって
（ｎ＋１）分に１に分周され、位相比較器２３で受信信
号との位相比較が行われる。位相比較器２３の出力信号
は、ローパスフィルタ２４を通過し、電圧制御発振器２
１の制ｍ端子に出力されて、フィードバックループが形
成される。この回路が動作すると、受信信号と分周器２
２の出力信号との同期がとられる様になる。なお、電圧
制御発振器２１の可変周波数範囲が広域すぎると、例え
ば、ミキサ１８の出力周波数が３ＫＨｚすると、 １５ＭＨｚ−３ＫＨｚ　＝１４．９９７ＭＨｚ１５ＭＨ
ｚ　＋　　３ＫＨｚ−１５，００３ＭＨｚの２つの周波
数になってしまうため、ある程度制限を設けて、 ｆ＜ｆ２ とすることが必要となる。

なお、他の変形例を第４図に基いて説明する。

この実施例は、レーザダイオード５の発光パルスがほぼ
三角波であることに着目し、受信信号の中心位置の検出
を同時に行おうとするものである。

この実施例は、第３図（ａ）に示す様に、サンプルホー
ルド３１．３２、ローパスフィルタ３３゜３４．３６、
電圧制御発振器３７１分周器３８、ワンショットマルチ
バイブレータ３９、遅延回路４０等からなっている。受
光素子２９で受光された光パルスは、アンプ３０で増幅
され、サンプルホールド３１．３２に出力される。なお
、サンプルホールド３１．３２は、電圧ＩＪ御発振器３
７からのクロックを分周器３８で分周されたタイミング
でサンプルホールド動作を行う様になっている。

この時、サンプルホールド３２には、遅延回路４０が挿
入されており、サンプルホールド３２は。

サンプルホールド１より遅れたタイミングでサンプルホ
ールド動作を行う探にｔっでいる９そして、ホールドさ
れた信号は、ローパスフィルタ３３．３４を通過した後
、差動アンプ３５で増福される。

このホールド信号は、ローパスフィルタ３６を通過した
後、電圧制御発振器３７の制御端子に出力される。この
フィードバックループは、受信信号と、サンプルホール
ドタイミングパルスとが、第３図（ｂ）の位相量体にな
る様に動作する９このため、本実施例は、受信信号と同
期した（ｆ１十ｆ２）信号を出力するだけでなく、受信
パルスの中心位置の検出も同時に行える効果がある。

以上の様に構成された本実施例は、連続したパルスの遅
延時間を精密に測定することができるので、光測距装置
に！＆適である。特に混合検波により、低い周波数に変
換した浸に位相測定を行うので、平均化効果も期待でき
、高精度の距離の測定ができるという効果がある。本発
明は、光測距装置に限定されることなく、時間測定装置
、距離測定装置、速度測定装置等にも応用することがで
きる９ 「効果」 以上の様に構成された本発明は、概算用カウンタ手段と
精密測定手段とを有し、概算用カウンタ手段が、基準信
号のクロックをカウントすることにより、粗測定を行う
探に構成されており、精密測定手段が、電圧制御発振器
の出力とストップパルスとの同期を収り、この同期の収
られた該電圧制御発振器の出力信号と前記基準信号との
位相差を検出する様に構成されているので、基準信号の
周波数を上げることなく、高精度の遅延時間の測定を行
えるという効果がある。また、粗測定の測定値と、精測
定の測定値とを合成するので、基準信号の周期より大き
い周期でも、正確に測定することができるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の実施例を示すもので、第１図′は本実施例
の構成示す図であり、第２図は受信パルスと電圧制御発
振器との位相関係を説明する図、第３図は位相検出器を
説明する図、第４図は本実施例の変形例を説明する図で
あり、第５図は従来の技術を説明する図である。 ■・・第１の水晶発振器　２・・分周器３・・第２の水
晶発振器１４・・概算カウンタ１５・・位相検出回路　
１７・・電圧制御発振器１８・・ミキサ　　　　１９・
・位相比較回路２０・・演算器 （ａ） 第４図 （ｂ） 第４１ｉ１１ ４↑ 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）連続したパルスの遅延時間を測定する遅延時間測
   定装置において、前記装置は概算用カウンタ手段と、精
   密測定手段とを有し、前記概算用カウンタ手段は、スタ
   ートパルスからストップパルスの間で基準信号発生手段
   のクロックをカウントする構成を備えており、前記精密
   測定手段は、電圧制御発振器と、前記電圧制御発振器の
   出力信号とストップパルスとの同期を取る手段を具備し
   、このストップパルスと同期がとられた電圧制御発振器
   の出力信号と、前記基準信号発生手段の発生信号との位
   相測定により、遅延時間の精密測定を行う様に構成され
   ており、前記概算用カウンタの計測結果と精密測定手段
   の計測結果とから遅延時間を測定することを特徴とする
   遅延時間測定装置。