JPH0438313B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、レーザ光線を利用したレーザ測距装
置に関する。

「従来の技術」 従来、レーザ光線を利用したレーザ測距装置は
既に種々の方法が提案されており、レーザ光線の
一部をビームスプリツタを介して被計測物へ照射
することによつて得た反射光と、上記レーザ光線
の他の一部を上記ビームスプリツタを介して該ビ
ームスプリツタから所定距離だけ離隔させた基準
反射器に照射することによつて得た反射光とを重
畳させるとともに、上記レーザ光線の周波数を変
調させて上記重畳した反射光に計測ビート波を発
生させ、その計測ビート波を計測して上記被計測
物までの距離を測定するようにしたものが知られ
ている。

しかしながら、上記計測ビート波を計測して被
計測物までの距離を演算する場合には、温度変化
等に対しての不安定要素を有する周波数偏移量を
既知数として使用する必要があることから、大き
な計測誤差が生じることがあつた。

そこで本出願人は、上述した計測ビート波を得
る計測光学系に、参照用としての参照ビート波を
得る参照光学系を設けることにより、上記周波数
偏移量の値に影響されずに上記被計測物までの距
離を演算計測することができるようにしたレーザ
測距装置を提案している（特願昭60−64311号）。

本出願人の提案した測距装置によれば、上記周
波数偏移量の値に影響されずに被計測物までの距
離を演算計測することができるので、大きな計測
誤差を生じさせることなく確実な測距を行なうこ
とができる。しかも、被計測物へレーザ光線を照
射する際に、被計測物が集光レンズの焦点位置か
らずれていても、信号のＳ／Ｎ比は低下するもの
の基本的にはビート波が得られる限りは演算計測
値に悪影響を与えることはなく、集光レンズの焦
点にさほどの注意を払う必要がないという利点が
ある。

「発明が解決しようとする問題点」 しかしながら、被計測物が集光レンズの焦点位
置から大きくずれてレーザ光線の照射面積が大き
くなり、かつ被計測物が傾斜しているような場合
には、その照射面積のいずれの点が計測されたの
か不明となるという問題がある。

「問題点を解決するための手段」 本発明はそのような事情に鑑み、上記レーザ測
距装置において、すなわち、発振周波数が変調可
能なレーザ発振器と、このレーザ発振器から放射
されたレーザ光線の一部を第１ビームスプリツタ
および集光レンズを介して被計測物へ照射するこ
とによつて得た反射光と、上記レーザ光線の他の
一部を上記第１ビームスプリツタを介して該第１
ビームスプリツタから所定距離だけ離隔させた基
準反射器に照射することによつて得た反射光とを
重畳させて計測ビート波を生成させる計測光学系
と、 上記レーザ光線の他の一部を第２ビームスプリ
ツタを介して該第２ビームスプリツタから所定距
離だけ離隔させた第１参照反射器へ照射すること
によつて得た反射光と、上記レーザ光線の他の一
部を上記第２ビームスプリツタを介して該第２ビ
ームスプリツタから上記第１参照反射器とは異な
る所定距離だけ離隔させた第２参照反射器へ照射
することによつて得た反射光とを重畳させて参照
ビート波を生成させる参照光学系と、 上記計測光学系と参照光学系とで生成された計
測ビート波と参照ビート波とからそれらの波数比
を計測し、両波数の比と上記各ビームスプリツタ
と各反射器との間の既知の距離とから上記被計測
物までの距離を演算計測する演算制御装置とを備
えたレーザ測距装置において、 上記集光レンズをレーザ光線の光軸に沿つて進
退動させる駆動手段と、上記被計測物から反射さ
れて上記集光レンズを透過した反射光を分岐させ
る第３ビームスプリツタと、この第３ビームスプ
リツタで分岐された反射光をさらに２つに分岐さ
せる第４ビームスプリツタと、この第４ビームス
プリレツタによつて２つに分岐された反射光をそ
れぞれ集光する第１レンズと第２レンズと、上記
第１レンズの焦点の内側に配置した第１フオトセ
ンサと、上記第２レンズの焦点の外側に配置した
第２フオトセンサとを設け、さらに上記演算制御
装置に、上記第１フオトセンサの出力と第２フオ
トセンサの出力とを入力して各出力から得られる
演算値が予め定めた所定値となるように上記集光
レンズを進退制御する進退制御部を設けたもので
ある。

「作 用」 そのような構成によれば、上記集光レンズを進
退制御して上記被計測物をその集光レンズの焦点
位置に位置させることが可能となるので、レーザ
光線の被計測物への照射面積を小さく維持して光
軸と直角方向の分解能を高めることができるよう
になる。

「実施例」 以下図示実施例について本発明を説明すると、
第１図において、半導体レーザ１は変調回路２を
介して直流の駆動電流を受けて単一モードのレー
ザ光線を発振し、かつその変調回路２によつて制
御される駆動電流の大きさに対応して発振周波数
を変調することができるようになつている。

上記半導体レーザ１から発振されたレーザ光線
は、コリメートレンズ３によつて平行光線とな
り、さらに偏光ビームスプリツタ４、1/4波長板
５、ビームスプリツタ６、偏光ビームスプリツタ
７、ビームスプリツタ８、1/4波長板９および凹
レンズや凸レンズからなる集光レンズ１０を透過
して粗面を有する被計測物１１に照射される。

そして上記被計測物１１で反射された反射光
は、上記偏光ビームスプリツタ７で反射された
後、検光子１２および凸レンズ１３を透過してフ
オトダイオード等のフオトセンサ１４で受光さ
れ、このフオトセンサ１４の信号がマイクロコン
ピユータを含む演算制御装置１５に入力される。

これと同時に、上記半導体レーザ１から発振さ
れたレーザ光線の一部は上記偏光ビームスプリツ
タ７で反射されて1/4波長板１６を透過した後、
上記偏光ビームスプリツタ７から予め所定の距離
L₁だけ離隔して設けたミラー又はプリズム等の
基準反射器１７に照射され、この基準反射器１７
で反射された反射光は上記偏光ビームスプリツタ
７を透過して被計測物１１からの反射光に重畳さ
れ、上記検光子１２および凸レンズ１３を透過し
てフオトセンサ１４で受光されて演算制御装置１
５に入力される。

したがつて、上記演算制御装置１５に導入され
る２つの反射光の信号は両者の光路差による時間
遅れのため、具体的には偏光ビームスプリツタ７
と基準反射器１７との間の距離L₁と、偏光ビー
ムスプリツタ７と被計測物１１との間の距離L₂
との差の２倍の距離に対応した時間遅れのため、
位相差が生じている。

そしてこの状態で、上記変調回路２により半導
体レーザ１へ供給する駆動電流の大きさを制御
し、第２図に示すように、直線的な波形を有する
変調電流を半導体レーザ１に加えてその発振周波
数を変調電流と同様に直線的に変調させると、第
７図に示すように、レーザ光線の周波数も直線的
に変化する。そしてレーザ光線の周波数の変化に
対応して上記位相差が変化して計測ビート波が発
生するようになり、その計測ビート波の波数が上
記演算制御装置１５によつて計測される。

次に、上記計測ビート波を得る計測光学系２０
の他に、さらに参照用としての参照ビート波を得
る参照光学系２１を設けてあり、この参照光学系
２１においては、上記半導体レーザ１からのレー
ザ光線を上記ビームスプリツタ６によつて分岐さ
せている。

そしてその分岐したレーザ光線の一部を偏光ビ
ームスプリツタ２２および1/4波長板２３を透過
させた後、その偏光ビームスプリツタ２２から予
め所定の距離l₁だけ離隔したミラー又はプリズム
等の第１参照反射器２４に照射させ、またレーザ
光線の残部は上記偏光ビームスプリツタ２２で反
射させて1/4波長板２５を透過させた後、上記偏
光ビームスプリツタ２２から予め所定の距離l₂だ
け離隔したミラー又はプリズム等の第２参照反射
器２６に照射させている。なお、上記偏光ビーム
スプリツタ２２に対する第１参照反射器２４と第
２参照反射器２６との各距離l₁，l₂は異ならせて
ある。

上記第１参照反射器２４で反射された反射光は
上記偏光ビームスプリツタ２２で反射され、検光
子２７および凸レンズ２８を透過してフオトセン
サ２９で受光され、また第２参照反射器２６で反
射された反射光は上記偏光ビームスプリツタ２２
を透過して第１参照反射器２４からの反射光に重
畳され、上記凸レンズ２８を透過してフオトセン
サ２９で受光される。そしてこのフオトセンサ２
９の信号が上記演算制御装置１５に導入されて参
照ビート波の波数が計測される。

したがつて、上記変調回路２により直線的な波
形を有する変調電流を半導体レーザ１に加えた際
には、演算制御装置１５には、計測光学系２０か
ら計測ビート波が、また参照光学系２１から参照
ビート波がそれぞれ入力されるようになる。

然して本実施例では、上記演算制御装置１５は
上記変調回路２を介してレーザ光線の周波数を所
定時間だけ、具体的には計測ビート信号の整数波
を所定数カウントするのに要する時間だけ変調さ
せるようになつており、したがつて被計測物１１
までの距離L₂が異なれば計測ビート信号の周波
数が異なるので上記所定時間はその距離L₂に対
応して異なるが、いずれにしても未知の所定時間
に対する計測ビート波の波数は予め一定に定めて
いる。

他方、上記演算制御装置１５は計測ビート信号
の波数のカウントを開始するのと同時に参照ビー
ト信号の波数のカウントを開始し、上記計測ビー
ト信号の整数波を所定数カウントしたら、すなわ
ち未知の所定時間が経過したら、参照ビート波の
波数のカウントを停止する。この参照ビート信号
の波数は整数とならないのが普通であるので、上
記演算制御装置１５は参照ビート信号の波数を小
数点以下まで計測できるようにしている。

このようにして未知の所定時間に対する計測ビ
ート信号の波数と参照ビート信号の波数とが、し
たがつて両波数の比が得られれば、上記所定時間
が未知であつても被計測物１１までの距離L₂を
演算することができる。

すなわち、上記計測光学系２０において重畳さ
れた反射光の時間差をτ、上記距離L₂とL₁との
差をＲ、光の速度をｃとすると、時間差τは次式
で表わされる。

τ＝2R／ｃ ……(1) また、第７図に示すように、上記測定装置１５
に導入される２つの反射光の時間差τと、上記半
導体レーザ１に与える変調周波数fmの半波長の
時間T₀と、上記変調周波数fmの周波数偏移量δ
と、計測ビート波の周波数fbとの間には、次の比
例関係がある。

τ：fb＝T₀：δ ……（2″） この（2″）式より次式が得られる。

fb＝δ・τ／T₀ ……（2′） なお、上記周波数偏移量δとは、周期的に変化
されるレーザ光線の振幅であり、最大周波数から
最小周波数を減じたものである。そして周波数は
波長の逆数であり、かつ最大周波数の波長と最小
周波数の波長とはそれぞれスペクトルアナライザ
により計測することができるので、その計測によ
つて上記周波数偏移量δを予め算出しておくこと
ができる。

そして計測ビート波の波数Nbは、Nb＝fb・
T₀によつて得られるから、この式と（2′）式とか
ら次式が得られる。

Nb＝δ・τ ……(2) したがつて、(1)式、(2)式より次式が得られる。

Ｒ＝ｃ・Nb／（2δ） ……(3) また同様にして、上記参照ビート波の波数Nr
は次式で表わされる。

Rr＝ｃ・Nr／（2δ） ……(4) 但し、Rrは参照光学系２１の第１参照反射器
２４と第２参照反射器２６とにおける距離l₁とl₂
との差で、この差は勿論既知である。

そして上記(3)式と(4)式とから、 Ｒ＝Rr・Nb／Nr ……(5) が得られ、この式より、計測ビート信号の波数
Nbと参照ビート信号の波数Nrとの比が得られれ
ば、上述したように温度変化等に対して不安定要
素を有する周波数偏移量δの値を用いることな
く、被計測物１１までの距離L₂を演算すること
ができることは明らかである。

次に第３図は、上記演算制御装置１５における
計測ビート信号の波数Nbと参照ビート信号の波
数Nrとの比を計測する回路の具体的な構成を示
したブロツク図で、この回路では、各フオトセン
サ１４，２９からの計測ビート信号と参照ビート
信号とをそれぞれ波形整形回路３０，３１に入力
して波形整形し、さらに波形整形した信号を、各
ビート波における整数波の数をカウントする整数
波カウンタ３２，３３にそれぞれ入力している。

計測ビート信号が入力される整数波カウンタ３
２には整数波設定器３４を接続してあり、上記整
数波カウンタ３２がカウントした計測ビート信号
の整数波の数すなわち計測ビート波の波数が上記
整数波設定器３４で予め設定した設定値となる
と、この整数波カウンタ３２は参照系の整数波カ
ウンタ３３にカウント停止指令信号３５を出力
し、これにより整数波カウンタ３３による参照ビ
ート信号の整数波の数のカウントが停止される。

このとき、上記整数波カウンタ３３では参照ビ
ート波の整数回の波数しかカウントできないの
で、小数点以下の波数を計測するために、クロツ
ク発生器３６を設けている。このクロツク発生器
３６は参照ビート波の周波数に対して遥かに高い
周波数でクロツクを発生し、クロツクカウンタ３
７はそのクロツクをカウントできるようになつて
いる。

そして上記整数波カウンタ３３は参照ビート波
の整数波をカウントする度にクロツクカウンタ３
７にリセツト信号３８を出力してそのクロツクカ
ウンタ３７をリセツトする。そして上記計測系の
整数波カウンタ３２がカウント停止指令信号３５
を出力すると、上記クロツクカウンタ３７はそれ
を入力してカウントを停止するようになつてお
り、この状態ではクロツクカウンタ３７は１周期
以内の波数つまり小数点以下の波数に対応したカ
ウント数をカウントしている。

上記各参照反射器２４，２６までの距離は常に
一定であり、したがつてビート信号の周波数は変
化することがないので予め参照ビート信号の１周
期に対する上記クロツクカウンタ３７のカウント
数は一定となり、これによりその１周期のカウン
ト数と上記カウント停止指令信号３５が出力され
た際にクロツクカウンタ３７がカウントしたカウ
ント数とから、参照ビート信号の波数を小数点以
下で得ることができる。

演算回路３９はそのようにして小数点以下の波
数を演算するとともに、整数波カウンタ３３およ
び整数波設定器３４からの信号を入力して被計測
物１１までの距離L₂を演算し、それを表示器４
０に表示させる。このとき、表示器４０によつて
演算した参照ビート波の波数を小数点以下まで表
示させるようにしてもよい。

然して、第１図において、上記被計測物１１で
反射された反射光は、上記ビームスプリツタ８で
反射された後、ビームスプリツタ４５により２つ
に分岐され、それぞれレンズ４６，４７およびピ
ンホール４８，４９を透過してフオトセンサ５
０，５１で受光される。この一対のフオトセンサ
５０，５１は、上記被計測物１１を所定の位置に
位置させた状態で、一方の第１フオトセンサ５０
を一方の第１レンズ４６の焦点の内側に、他方の
第２フオトセンサ５１を他方の第２レンズ４７の
焦点の外側にそれぞれ配置してあり、各フオトセ
ンサ５０，５１からの信号を上記演算制御装置１
５に設けた図示しない進退制御部に入力するよう
にしている。

上記ビームスプリツタ８、1/4波長板９、集光
レンズ１０、ビームスプリツタ４５、レンズ４
６，４７、ピンホール４８，４９およびフオトセ
ンサ５０，５１は移動フレーム５２に設けてあ
り、上記演算制御装置１５に設けた進退制御部に
より、この移動フレーム５２に螺合したねじ軸５
３とこれを回転させるサーボモータ５４とから構
成した駆動手段５５を制御してその移動フレーム
５２を進退動させることにより、上記集光レンズ
１０をレーザ光線の光軸に沿つて進退動させるこ
とができるようにしている。

そして上述したように、第１フオトセンサ５０
を第１レンズ４６の焦点の内側に、第２フオトセ
ンサ５１を第２レンズ４７の焦点の外側にそれぞ
れ配置しているので、集光レンズ１０を移動フレ
ーム５２を介して一方向に、例えば被計測物１１
に近接する方向に移動させれば、第１フオトセン
サ５０に対しては焦点が外れる方向に、第２フオ
トセンサ５１に対しては焦点が一致する方向に移
動することになるので、第１フオトセンサ５０で
は受光量が減少し、第２フオトセンサ５１では受
光量が増大するようになる。

その結果、各フオトセンサ５０，５１の出力
は、第４図に示すように、上記集光レンズ１０と
被計測物１１との距離ｌを変化させることに伴な
つて、相互に位相がずれた出力が得られるように
なる。そして両フオトセンサ５０，５１の出力が
一致した際に（第４図の点ｆ）、被計測物１１が
集光レンズ１０の焦点位置に位置するように設定
している。

次に、第５図において、上記各フオトセンサ５
０，５１からの信号はそれぞれハイパスフイルタ
６０，６１を介して減算器６２と加算器６３とに
入力し、それぞれによつて各フオトセンサ５０，
５１の出力Ａ，Ｂの減算（Ａ−Ｂ）と加算（Ａ＋
Ｂ）とを行なうようにしている。そして上記減算
器６２と加算器６３とによつて得られた出力から
除算器６４によつて（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の値
を演算算出させるようにしている。

上記除算器６４によつて得られる（Ａ−Ｂ）／
（Ａ＋Ｂ）の値は、第６図の曲線として得られ、
その値が零となれば集光レンズ１０の焦点位置上
に被計測物１１が位置することとなる。そして上
記演算制御装置１５はその値が正であるか負であ
るかによつて集光レンズ１０の移動方向を決定す
るとともに、その値が零となるように上記駆動手
段５５を介して集光レンズ１０の位置制御を行な
うようになつている。

なお、上記実施例では直接的に計測ビート信号
の波数と参照ビート信号の波数とを計測して両者
の比を求めるようにしているが、計測ビート信号
の周波数と参照ビート信号の周波数とを適宜の周
波数測定器で計測することにより、両周波数の比
から間接的に計測ビート信号の波数と参照ビート
信号の波数との比を求めるようにしてもよい。

「発明の効果」 以上のように、本発明によれば、被計測物を集
光レンズの焦点位置に位置させることができるの
で、レーザ光線の被計測物への照射面積を小さく
維持して光軸と直角方向の分解能を高め、一層高
精度の測距を行なうことができるという効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す系統図、第２
図は半導体レーザ１に加える電流波形を説明する
ための説明図、第３図は第１図の演算制御装置１
５の一部を示すブロツク図、第４図は第１フオト
センサ５０と第２フオトセンサ５１との各出力を
示す特性図、第５図は第１図の演算制御装置１５
の他の一部を示す回路図、第６図は第４図の出力
から得られる計算結果を示す図、第７図は半導体
レーザ１に加えられた電流波形に基づいてレーザ
光線の周波数が直線的に変化する状態を示す説明
図である。 １…半導体レーザ、１０…集光レンズ、１１…
被計測物、１４，２９…フオトセンサ、１５…演
算制御装置、１７…基準反射器、２０…計測光学
系、２１…参照光学系、２４…第１参照反射器、
２６…第２参照反射器、４６…第１レンズ、４７
…第２レンズ、５０…第１フオトセンサ、５１…
第２フオトセンサ、５５…駆動手段、６２…減算
器、６３…加算器、６４…乗算器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 発振周波数が変調可能なレーザ発振器と、 このレーザ発振器から放射されたレーザ光線の
   一部を第１ビームスプリツタおよび集光レンズを
   介して被計測物へ照射することによつて得た反射
   光と、上記レーザ光線の他の一部を上記第１ビー
   ムスプリツタを介して該第１ビームスプリツタか
   ら所定距離だけ離隔させた基準反射器に照射する
   ことによつて得た反射光とを重畳させて計測ビー
   ト波を生成させる計測光学系と、 上記レーザ光線の他の一部を第２ビームスプリ
   ツタを介して該第２ビームスプリツタから所定距
   離だけ離隔させた第１参照反射器へ照射すること
   によつて得た反射光と、上記レーザ光線の他の一
   部を上記第２ビームスプリツタを介して該第２ビ
   ームスプリツタから上記第１参照反射器とは異な
   る所定距離だけ離隔させた第２参照反射器へ照射
   することによつて得た反射光とを重畳させて参照
   ビート波を生成させる参照光学系と、 上記計測光学系と参照光学系とで生成された計
   測ビート波と参照ビート波とからそれらの波数比
   を計測し、両波数の比と上記各ビームスプリツタ
   と各反射器との間の既知の距離とから上記被計測
   物までの距離を演算計測する演算制御装置とを備
   えたレーザ測距装置において、 上記集光レンズをレーザ光線の光軸に沿つて進
   退動させる駆動手段と、上記被計測物から反射さ
   れて上記集光レンズを透過した反射光を分岐させ
   る第３ビームスプリツタと、この第３ビームスプ
   リツタで分岐された反射光をさらに２つに分岐さ
   せる第４ビームスプリツタと、この第４ビームス
   プリツタによつて２つに分岐された反射光をそれ
   ぞれ集光する第１レンズと第２レンズと、上記第
   １レンズの焦点の内側に配置した第１フオトセン
   サと、上記第２レンズの焦点の外側に配置した第
   ２フオトセンサとを設け、さらに上記演算制御装
   置に、上記第１フオトセンサの出力と第２フオト
   センサの出力とを入力して各出力から得られる演
   算値が予め定めた所定値となるように上記集光レ
   ンズを進退制御する進退制御部を設けたことを特
   徴とするレーザ測距装置。