JPH05232232A

JPH05232232A - 位相測定装置及び距離測定装置

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Publication number: JPH05232232A
Application number: JP4072309A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Oishi; 政裕大石; Fumio Otomo; 文夫大友; Kazuaki Kimura; 和昭木村; Masaaki Yabe; 雅明矢部; Yasutaka Katayama; 康隆片山; Kazue Koshikawa; 和重越川
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 1992-02-21
Filing date: 1992-02-21
Publication date: 1993-09-07
Anticipated expiration: 2016-03-05
Also published as: JP3141120B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】入力データをＡＤ変換した後、メモリ上に記
憶することでデータの並べ変えを行い、不良データを除
去することのできる距離測定装置を提供する。【構成】タイミング信号発生手段が、被測定周波数信
号に対して、この被測定周波数と同期が異なり、ｎ回に
一度同期するタイミング信号を発生し、このタイミング
信号により被測定周波数信号をＡＤ変換し、ディジタル
信号を記憶する様になっている。加算手段が、メモリ手
段に記憶されたデータとＡＤ変換されたディジタル信号
データとを加算し、演算処理手段が、メモリ手段の各ア
ドレスのデータから、フーリエ変換により被測定周波数
信号の位相を検出すると共に、被測定周波数信号に対す
るタイミング信号の各位相のずれが、周期の１／ｎでな
い場合には、メモリ手段の各アドレスのデータを並びか
えることで、被測定周波数信号の相似のデータを再現
し、このデータを利用して位相を演算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被位相測定波形の波形
全体から位相情報を取り出すことのできる位相測定装置
に係わり、特に、入力データをＡＤ変換した後、メモリ
上に記憶することでデータの並べ変えを行い、不良デー
タを除去することのできる距離測定装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来のパルス方式の光波距離計は、図５
に示す様に、水晶発信器１１００と第１の分周器１１１
０とシンセサイザー１１２０と第２の分周器１１３０と
第３の分周器１１４０とレーザダイオード１とレーザダ
イオードドライバー１１５０とＡＰＤ７１とアンプ１１
６０と波形整形回路１１７０とカウンタ１１８０とバン
ドパスフィルタ１２１０とサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）
１２２０とローパスフィルタ１２３０とコンパレータ１
２４０と演算回路１５００とから構成されている。

【０００３】水晶発信器１１００から出力された周波数
ｆ_S の基準信号は、第１の分周器１１１０で（Ｎ−１）
分の一に分周される。第１の分周器１１１０で分周され
た信号は、シンセサイザー１１２０に送られＮ倍に逓倍
される。そしてシンセサイザー１１２０の出力信号は、
第２の分周器１１３０に送られてｍ分の一に分周されて
周波数ｆ_M の測定信号となる。

【０００４】レーザダイオードドライバー１１５０は、
第２の分周器１１３０の出力信号に基づいてレーザダイ
オード１を発光させる様になっている。レーザーダイオ
ード１から発光された光パルスは、被測定点であるコー
ナーキューブに向かって発射され、コーナーキューブで
反射された光パルスは、受光素子であるＡＰＤ７１に入
射される。

【０００５】この外部測距光路からＡＰＤ７１に入射さ
れた光パルスは、電気信号に変換されアンプ１１６０で
増幅された後、波形整形回路１１７０で二値化のディジ
タル信号に変換されて、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）１
２２０に送られる。

【０００６】水晶発信器１１００から出力された周波数
ｆ_S の基準信号は、バンドパスフィルタ１２１０にも送
られ、正弦波信号に変換されてサンプルホールド（Ｓ／
Ｈ）１２２０に送られる。サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）
１２２０は、バンドパスフィルタ１２１０からの正弦波
信号を、波形整形回路１１７０で二値化されたディジタ
ル信号でサンプルポールドする様になっている。

【０００７】ここで、周波数ｆ_S の基準信号と、周波数
ｆ_M の測定信号の関係を

【０００８】

【数１】

【０００９】

【数２】

【００１０】とすると、ｆ_Sとｆ_M の関係は、

【００１１】

【数３】

【００１２】となる。

【００１３】ここで、ｍダッシュを整数とすると、サン
プルホールド（Ｓ／Ｈ）１２２０はバンドパスフィルタ
１２１０からの正弦波信号を、各受信パルス毎に、基準
信号ｆ_S の周期のｎ分の１づつ位相がずれながら順序よ
くホールドし、周波数ｆ_L のの低周波の段階状の信号を
出力する。そしてｆ_L の周波数は、ｆ_M の測定信号がｎ
回で１周期となるので、

【００１４】

【数４】

【００１５】となる。

【００１６】なお、ｆ_Sとｆ_Mとｆ_Lとの関係は、本願出
願人が出願した特願平１−１６５６５６号に詳細に記載
されている。

【００１７】サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）１２２０の出
力信号は、ローパスフィルタ１２３０に送られて基本波
成分が取り出され、コンパレータ１２４０により矩形波
に変換され、変換された信号はカウンタ１１８０に送ら
れる。カウンタ１１８０には、第２の分周器１１３０の
出力信号を、第３の分周器１１４０で更に１／ｎに分周
した比較用信号ｆ_R（ｆ_R は、ｆ_Lと同一の周波数であ
る）と、水晶発信器１１００からの基準信号ｆ_S とが入
力されている。従ってカウンタ１１８０は、比較用信号
ｆ_R でゲートが開き、コンパレータ１２４０からの信号
によりゲートが閉じる様になっており、ゲートが開いて
いる間、水晶発信器１１００からの基準信号ｆ_S をカウ
ントする様になっている。

【００１８】そして演算回路１５００が、カウンタ１１
８０のカウンタ値により、比較用信号ｆ_R と、コンパレ
ータ１２４０からの信号との位相差を演算する様に構成
されていた。そして演算回路１５００は、光波距離計内
部の内部参照光路についても同様な動作を行い、外部測
距光路と内部参照光路との位相差から、コーナーキュー
ブまでの距離を演算していた。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のパ
ルス方式の光波距離計は、コンパレータ１２４０が、ロ
ーパスフィルタ１２３０の出力のゼロクロスポイントを
検出する様に構成されているため、ゼロクロス点のみが
位相情報となり、ゼロクロスポイント以外の部分の位相
情報が全く利用されないという問題点があった。

【００２０】更にコンパレータ１２４０の出力信号ｆ_L
は、ＡＰＤ７１やアンプ１１６０の雑音や、波形整形回
路１１７０、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）１２２０、ロ
ーパスフィルタ１２３０やコンパレータ１２４０等の揺
らぎにより、揺らいでいる。このため、比較用信号ｆ_R
とコンパレータ１２４０の出力信号ｆ_L の位相差が非常
に小さい場合には、図６に示す様に、（ａ）、（ｂ）及
び（ｃ）の部分で、カウンタ１１８０の出力値が大きく
異なるという現象が起きる。このため、ある一定の時間
内では、カウンタ１１８０の出力値を単純に平均するこ
とはできないという問題点があった。

【００２１】また光波距離計とコーナーキューブとの間
では、空気の揺らぎ等により、受光パルスの光量は変動
している。受光パルスの光量が、ＡＰＤ７１やアンプ１
１６が適正に動作する光量範囲を外れた場合には、正確
な受信タイミングを捕らえることはできない。この時の
サンプルホールド値は不良データであり、使用しないこ
とが望ましいが、ローパスフィルタ１２３０等のアナロ
グデータでは、不良データのみを排除することは不可能
であった。

【００２２】更にサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）１２２０
からの段階状の波形をローパスフィルタ１２３０により
平滑化し、段階状波形の基本波成分を取り出すために
は、被測定波形との位相ずれを順序よく検出し、ビート
ダウンされた波形がきれいに並ぶ様なｆ_M を選択しなけ
ればならないという制限があった。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題に鑑み
案出されたもので、特定の周波数で繰り返す被測定周波
数信号に対して、この被測定周波数と同期が異なり、ｎ
回に一度同期するタイミング信号を発生させるためのタ
イミング信号発生手段と、このタイミング信号により前
記被測定周波数信号をＡＤ変換するためのＡＤ変換手段
と、このＡＤ変換手段により変換されたディジタル信号
を記憶するためのｎ個のアドレスを有するメモリ手段
と、このメモリ手段に記憶されたデータと前記ＡＤ変換
手段により変換されたディジタル信号データとを加算す
るための加算手段と、前記メモリ手段の各アドレスのデ
ータから、フーリエ変換により前記被測定周波数信号の
位相を検出するための演算処理手段とから構成されてい
る。

【００２４】また本発明のＡＤ変換手段は、サンプルホ
ールド手段を含んでおり、このサンプルホールドされた
値をＡＤ変換する様に構成することもできる。

【００２５】更に本発明は、特定の周波数で繰り返す被
測定周波数信号に対して、この被測定周波数と同期が異
なり、ｎ回に一度同期するタイミング信号を発生させる
ためのタイミング信号発生手段と、このタイミング信号
により前記被測定周波数信号をＡＤ変換するためのＡＤ
変換手段と、このＡＤ変換手段により変換されたディジ
タル信号を記憶するためのｎ個のアドレスを有するメモ
リ手段と、このメモリ手段に記憶されたデータと前記Ａ
Ｄ変換手段により変換されたディジタル信号データとを
加算するための加算手段と、前記メモリ手段の各アドレ
スのデータから、フーリエ変換により前記被測定周波数
信号の位相を検出するための演算処理手段とからなって
おり、この演算処理手段は、前記被測定周波数信号に対
する前記タイミング信号の各位相のずれが、前記被測定
周波数信号の周期の１／ｎでない場合には、前記メモリ
手段の各アドレスのデータを並びかえることにより、前
記被測定周波数信号の相似のデータを再現し、このデー
タを利用して位相を演算する様に構成されている。

【００２５】そして本発明の距離測定装置は、パルス的
に発光する光源部と、この光源部からの光を測定対象物
に対して送出するための光学手段と、この測定対象物か
らの反射光を受光し、電気信号の受信パルスに変換する
ための受光手段と、この受光手段で変換された受信信号
に対して、この受信信号と同期が異なり、ｎ回に一度同
期するタイミング信号を発生させるためのタイミング信
号発生手段と、このタイミング信号により前記受信信号
をＡＤ変換するためのＡＤ変換手段と、このＡＤ変換手
段により変換されたディジタル信号を記憶するためのｎ
個のアドレスを有するメモリ手段と、このメモリ手段に
記憶されたデータと前記ＡＤ変換手段により変換された
ディジタル信号データとを加算するための加算手段と、
前記メモリ手段の各アドレスのデータから、フーリエ変
換により前記受信信号の位相を検出し、前記光源部から
の発光から前記受信信号までの位相差に基づき、測定対
象物までの距離を演算するための演算処理手段とから構
成されている。

【００２６】また本発明の距離測定装置は、パルス的に
発光する光源部と、この光源部からの光を測定対象物に
対して送出するための光学手段と、この測定対象物から
の反射光を受光し、電気信号の受信パルスに変換するた
めの受光手段と、この受光手段で変換された受信信号に
対して、この受信信号と同期が異なり、ｎ回に一度同期
するタイミング信号を発生させるためのタイミング信号
発生手段と、このタイミング信号により前記受信信号を
ＡＤ変換するためのＡＤ変換手段と、このＡＤ変換手段
により変換されたディジタル信号を記憶するためのｎ個
のアドレスを有するメモリ手段と、このメモリ手段に記
憶されたデータと前記ＡＤ変換手段により変換されたデ
ィジタル信号データとを加算するための加算手段と、前
記メモリ手段の各アドレスのデータから、フーリエ変換
により前記受信信号の位相を検出し、前記光源部からの
発光から前記受信信号までの位相差に基づき、測定対象
物までの距離を演算するための演算処理手段とからなっ
ており、この演算処理手段は、前記受信信号に対する前
記タイミング信号の各位相のずれが、前記受信信号の周
期の１／ｎでない場合には、前記メモリ手段の各アドレ
スのデータを並びかえることにより、前記受信信号の相
似のデータを再現し、このデータを利用して位相を演算
する様に構成されている。

【００２７】

【作用】以上の様に構成された本発明は、タイミング信
号発生手段が、特定の周波数で繰り返す被測定周波数信
号に対して、この被測定周波数と同期が異なり、ｎ回に
一度同期するタイミング信号を発生し、ＡＤ変換手段
が、このタイミング信号により被測定周波数信号をＡＤ
変換し、ｎ個のアドレスを有するメモリ手段が、ＡＤ変
換手段により変換されたディジタル信号を記憶する様に
なっている。そして加算手段が、メモリ手段に記憶され
たデータとＡＤ変換手段により変換されたディジタル信
号データとを加算し、演算処理手段が、メモリ手段の各
アドレスのデータから、フーリエ変換により被測定周波
数信号の位相を検出すると共に、被測定周波数信号に対
するタイミング信号の各位相のずれが、被測定周波数信
号の周期の１／ｎでない場合には、メモリ手段の各アド
レスのデータを並びかえることにより、被測定周波数信
号の相似のデータを再現し、このデータを利用して位相
を演算する様になっている。

【００２８】また本発明のＡＤ変換手段は、サンプルホ
ールド手段がサンプルホールドを行い、このサンプルホ
ールドされた値をＡＤ変換することもできる。

【００２９】更に本発明の距離測定装置は、光源部がパ
ルスを発光し、光学手段が、光源部からの光を測定対象
物に対して送出し、受光手段が、この測定対象物からの
反射光を受光し、電気信号の受信信号に変換する様にな
っている。そしてタイミング信号発生手段が、受信信号
と同期が異なり、ｎ回に一度同期するタイミング信号を
発生し、ＡＤ変換手段が、このタイミング信号により受
信信号をＡＤ変換し、ｎ個のアドレスを有するメモリ手
段が、ＡＤ変換手段により変換されたディジタル信号を
記憶する様になっている。そして加算手段が、メモリ手
段に記憶されたデータとＡＤ変換手段により変換された
ディジタル信号データとを加算し、演算処理手段が、メ
モリ手段の各アドレスのデータから、フーリエ変換によ
り受信信号の位相を検出すると共に、受信信号に対する
タイミング信号の各位相のずれが、受信の周期の１／ｎ
でない場合には、メモリ手段の各アドレスのデータを並
びかえることにより、受信信号の相似のデータを再現
し、このデータを利用して位相を演算する様になってい
る。そして演算処理手段が、光源部からの発光から受信
信号までの位相差に基づき、測定対象物までの距離を演
算する様になっている。

【００３０】

【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

【００３１】第２図に示す様に本実施例の光波距離計
は、レーザダイオード１と、コンデンサレンズ２と、コ
ンデンサレンズ３と、一対の分割プリズム４１、４２
と、光路切り替えチョッパ５と、内部光路６と、ＡＰＤ
７１と、遅延用光ファイバー８と、プリズム９と、対物
レンズ１０から構成されている。そして、コーナキュー
ブ１１は、光波距離計本体から離れた位置に配置される
測定対象物に該当するものであり、光パルスを反射する
機能を有している。

【００３２】レーザダイオード１とコンデンサレンズ２
１、２２と発光側光ファイバー８１と分割プリズム４１
とプリズム９と対物レンズ１０とが光学手段に該当す
る。

【００３３】レーザダイオード１は光源部に該当するも
ので、本実施例のレーザダイオード１はパルスレーザダ
イオードが採用されており、比較的大きなピークパワー
を持ち、デューティ比が０.０１％程度のパルス波を発
生させることができる。光路切り替えチョッパ５は光束
を切り替えるものである。受光素子７は受光手段に該当
するものであり、レーザダイオード１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。

【００３４】遅延用光ファイバー８は光学的遅延手段の
１つであり、遅延用光ファイバー８には、モード分散を
防止するためにＧＩファイバを採用することが望まし
い。

【００３５】分割プリズム４１は、第１のハーフミラー
４１１と第２のハーフミラー４１２とから構成されてお
り、分割プリズム４２は、第１のハーフミラー４２１と
第２のハーフミラー４２２とからなっている。レーザダ
イオード１側と分割プリズム４１の間は、発光側光ファ
イバー８１と遅延用光ファイバー８で結ばれている。更
に分割プリズム４２と受光素子７側との間は、受光側光
ファイバー８２で結ばれている。なお本実施例では、発
光側光ファイバー８１の一部が、遅延用光ファイバー８
を兼ねる様な構成となっている。

【００３６】発光パルスがレーザダイオード１から発射
されると、コンデンサレンズ２１、２２により発光側光
ファイバー８１の入力端８１ａに結合される。発光側光
ファイバー８１は、遅延用光ファイバー８と連設されて
いるので、光パルスは、遅延用光ファイバー８内を進行
し、分割プリズム４１に送られる。分割プリズム４１の
第１のハーフミラー４１１を透過したパルス列は、光路
切り替えチョッパ５を介して、外部測距光路に射出可能
となっている。分割プリズム４１の第１のハーフミラー
４１１で反射され、更に第２のハーフミラー４１２で反
射されたパルスは、光路切り替えチョッパ５を介して、
内部測距光路６に射出可能となっている。光路切り替え
チョッパ５は、内部測距光路６と外部測距光路を切り替
えるためのものである。従って、光路切り替えチョッパ
５が外部測距光路を選択した場合には、光パルスはプリ
ズム９で反射された後、対物レンズ１０により外部に射
出される。

【００３７】対物レンズ１０から射出されたパルスは、
コーナキューブ１１で反射され、再び対物レンズ１０で
受光されプリズム９に送られる。受光されたパルス列
は、プリズム９で反射されて分割プリズム４２に送ら
れ、分割プリズム４２の第１のハーフミラー４２１を透
過した受信パルス光は、受光側光ファイバー８２の受光
端８２ａに結合される。

【００３８】なお光路切り替えチョッパ５が内部測距光
路６を選択した場合には、発光パルスは、内部測距光路
６を通って分割プリズム４２に送られる。そして光パル
スは、分割プリズム４２に内蔵された第１のハーフミラ
ー４２１と第２のハーフミラー４２２で反射され、受光
側光ファイバー８２の受光端８２ａに結合される様にな
っている。

【００３９】そして受光側光ファイバー８２の射出端８
２ｂから射出された光パルスは、コンデンサレンズ３
１、３２によりＡＰＤ７１に結合する様になっており、
受光素子７で電流パルスに変換される様になっている。

【００４０】次に本実施例の電気回路の構成を詳細に説
明する。

【００４１】図１に示す第１実施例は、水晶発信器１０
０と第１の分周器１１０とシンセサイザー１２０と第２
の分周器１３０とレーザダイオード１とレーザダイオー
ドドライバー１５０とＡＰＤ７１とアンプ１６０と波形
整形回路１７０とカウンタ１８０とピークホールド回路
１９０とレベル判定回路２００と、バンドパスフィルタ
２１０とサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）２２０と位相測定
装置１００００とから構成されている。また位相測定装
置１００００は、ＡＤコンバータ３００とメモリ４００
とＣＰＵ５００とから構成されている。

【００４２】水晶発振器１００は基準信号発生手段の１
つであり、基準信号ｆ_Sを発生させている。この基準信
号は、第１の分周器１１０とシンセサイザー１２０とバ
ンドパスフィルタ２１０とカウンタ１８０とに供給され
ている。第１の分周器１１０に供給された基準信号は、
第１の分周器１１０で１／（ｎ−１）に分周されてシン
セサイザー１２０に送られる。シンセサイザー１２０
は、第１の分周器１１０から供給された信号をｎ倍し、
第２の分周器１３０に送出する様になっている。第２の
分周器１３０は、シンセサイザー１２０から供給された
信号を１／ｍに分周して測定信号ｆ_M を作っている。な
お、第１の分周器１１０、第２の分周器１３０、シンセ
サイザ１２０の出力信号は、２値化の信号である。

【００４３】そしてレーザダイオードドライバー１５０
は、第２の分周器１３０の出力信号である測定信号ｆ_M
に従って、レーザダイオード１をパルス的に駆動するも
のである。

【００４４】なお第２の分周器１３０の出力信号である
測定信号ｆ_M は、ＣＰＵ５００とカウンタ１８０とピー
クホールド１９０にも供給されている。測定信号ｆ_M
は、ＣＰＵ５００に対して発光確認信号となり、カウン
タ１８０及びピークホールド１９０に対してはリセット
信号となる。

【００４５】レーザーダイオード１から発射された光パ
ルスは、光学系を通過しＡＰＤ７１で受光される。この
ＡＰＤ７１は受光素子７の１つであり、ｐｎ接合に深い
バイアスを加えてナダレ増倍を誘起させ、利得を得るこ
とのできるダイオードである。ＡＰＤ７１は、内部参照
光路を通った光パルスと、外部測距光路を通った光パル
スを受光する。ＡＰＤ７１により光パルスは、電流パル
ス列の電気信号に変換され、アンプ１６０に送られる。

【００４６】アンプ１６０は、ＡＰＤ７１から入力され
た信号を増幅するものであり、アンプ１６０の出力信号
は、波形整形回路１７０により二値化のディジタルデー
タに変換され、カウンタ１８０とサンプルホールド（Ｓ
／Ｈ）２２０とＡＤコンバータ３００とに送られる。

【００４７】水晶発振器１００からバンドパスフィルタ
２１０に送られたｆ_S は正弦波となり、サンプルホール
ド回路２２０に送られる。サンプルホールド回路２２０
は、この正弦波を波形整形回路１７０の信号によりサン
プルホールドする。そしてホールドされた値は、ＡＤコ
ンバータ３００に送出されＡＤ変換され、変換されたデ
ジタルデータは予め定められたメモリ４００に記憶され
る様になっている。

【００４８】またアンプ１６０からピークホールド回路
１９０に送られた信号は、ピークホールド回路１９０に
ピークホールドされ、パルス光の波高値に応じたＤＣレ
ベル信号となり、レベル判定回路２００に送られる。レ
ベル判定回路２００はピークホールド回路１９０からの
信号を受け、受光パルス列の光量がＡＰＤ７１、アンプ
１６０が適正に動作する範囲であるか否かを判定し、そ
の結果をＣＰＵ５００に送る様になっている。ＣＰＵ５
００は、レベル判定回路２００からの信号を受け、受光
パルス列の光量が適正値である場合のみ、ＡＤコンバー
タ３００からのデータを採用する様になっている。

【００４９】次に、ｆ_S ＝１５ＭＨｚ、ｎ＝１０１、
ｍ＝５０００とした場合の位相関係を説明することに
する。

【００５０】ｍダッシュ、ｆ_M 、ｆ_L の値及びその位相
関係は、（ｎ−１）について求めれば、「数２」により

【００５１】

【数５】

【００５２】となる。

【００５３】さらにパルス列の周波数ｆ_M は、「数１」
より、

【００５４】

【数６】

【００５５】となり、この時、受信されるパルス列の周
波数ｆ_M と、バンドパスフィルタ２１０からの正弦波の
周波数ｆ_S の位相関係は、「数３」より

【００５６】

【数７】

【００５７】となり、「数７」の値づつずれて、発光パ
ルスが１０１回で再び同一の位相関係となる。この周波
数は、「数４」より、

【００５８】

【数８】

【００５９】となる。

【００６０】即ち、水晶発振器１００から送出された１
５ＭＨｚを、バンドパスフィルタ２１０に通して得られ
た正弦波と、レーザダイオード１の発光周波数３０３０
Ｈｚとは、少しずつずれている。このため、受信タイミ
ング信号とバンドパスフィルタ２１０に通して得られた
正弦波との位相関係も同様に少しずつずれている。

【００６１】各発光パルス列と、バンドパスフィルタ２
１０に通して得られた正弦波正弦波信号との位相関係
は、１０１回で１周期となる位相関係になっており、１
０２回目の発光パルス列は、１回目と同じ位相関係とな
る様になっている。このため、サンプルホールド（Ｓ／
Ｈ）２２０の出力信号は、

【００６２】ｆ＝３０３０Ｈｚ／１０１＝３０Ｈｚ

【００６３】で１周期となる。

【００６４】この様子を図３に基づいて詳細に説明する
こととする。図３（ａ）は、バンドパスフィルタ２１０
からの正弦波信号の周波数ｆ_S に対して、周波数ｆ_M の
パルス列の位相ずれの順序を示したものである。図３
（ｂ）は、バンドパスフィルタ２１０からの正弦波信号
の周波数ｆ_S と、受信されるパルス列の周波数ｆ_M との
関係を示し、更に、サンプルホールド回路２２０から出
力される周波数ｆ_L の段階状波形を示すものである。

【００６５】以上の様に、サンプルホールド回路２２０
から出力される波形は、周波数ｆ_Lで繰り返し、ｎ個の
ホールド値から構成される。従ってメモリ４００は、ｎ
個以上の記憶容量が必要となる。このメモリ４００は各
発光パルス毎に、ＣＰＵ５００によりアドレスがインク
リメントされる様に構成されており、ＡＤ変換されたデ
ータが、ＣＰＵ５００を介して順次メモリ４００上に記
憶される。

【００６６】メモリ４００とＣＰＵ５００は、加算手段
の機能も伴っており、記憶されたメモリ４００上の任意
のアドレスのデータとＡＤ変換されたデータを加算し、
再びメモリ４００上に記憶させることができる。そして
ｎ＋１回目以降のデータは１周期目と同じ位相関係にな
るので、レベル判定回路２００の判断が適正であれば、
前回の周期のデータと加算し、後に平均化処理を施すこ
とにより、ＡＤ変換データの精度を向上させることがで
きる。

【００６７】即ち、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）２２０
の出力信号は、３０Ｈｚで１周期となり正弦波とならな
いが、ＡＤ変換後にメモリ４００に記憶する段階で並べ
替えを実行することにより、正弦波状となるＡＤ変換デ
ータを作ることができる。換言すれば、受信信号の周期
の１／ｎでない場合には、前記メモリ手段の各アドレス
のデータを並びかえることにより、受信信号の相似のデ
ータを再現することができる。

【００６８】更に１０２回目以降の以降の発光パルス列
によるサンプルホールド及びＡＤ変換されたデータは、
３０Ｈｚの２周期目以降のデータとなるため、レベル判
定回路２００の判定結果が適正であれば前回までの周期
のデータと加算し、後にデータの平均化処理を行ってＡ
Ｄ変換データの精度を高めることができる。

【００６９】次にメモリ４００に記憶されたデータか
ら、位相を計算する方法を説明する。メモリ４００に記
憶されているデータは、図３（ｂ）のｆ_L の波形の横軸
がメモリ４００のアドレスに相当しており、ｆ_L の波形
の縦軸が、そのアドレス上のデータ値が相当する様にな
っている。

【００７０】図３（ｂ）のｆ_L の波形は、バンドパスフ
ィルタ２１０からの正弦波から得られたものであり、こ
の正弦波ｆ_S に対する周波数ｆ_M のパルス列の位相ず
れ順序も既知であるから、メモリ４００のアドレスを並
べ変えることにより、正弦波を復元することができる。
この復元された正弦波は、図４に示す様になっており、
正弦波波形の位相θ₀ は、正弦波波形の各データをＤ₀
（ｉ）とした時、

【００７１】

【数９】

【００７２】

【数１０】

【００７３】

【数１１】

【００７４】として、求めることができる。（但し、ｉ
＝１〜ｎ）

【００７５】この演算は、サンプルホールド回路２２０
から出力される周波数ｆ_L の波形から、フーリエ変換の
手法により、ｆ_L の波形の基本波成分の位相を求めたこ
とに相当する。

【００７６】以上の演算をメモリ４００とＣＰＵ５００
により実行することができる。従って位相測定装置１０
０００は、ＡＤコンバータ３００とメモリ４００とＣＰ
Ｕ５００とから構成されていることになる。

【００７７】以上の様に実行されるレーザダイオード１
の発光から、ＡＤ変換されたデータのメモリ４００への
格納までの処理を、外部測距光路と内部参照光路につい
て行う。そして内部参照光路によるＡＤ変換データと、
外部測距光路のＡＤ変換データとの、２つの波形の位相
差φが光路差に相当することになる。

【００７８】即ち、外部測距光路の位相をθ₀ とし、内
部参照光路の位相をθ₁ とすれば、光波距離計から被測
定物であるコーナーキューブまでの距離は、

【００７９】

【式１２】

【００８０】となる。但し、Ｃは光速である。

【００８１】この様にして求めた精密測定距離Ｌは、水
晶発振器１００の基準周波数ｆ_S の時間軸を拡大して、
その位相をフーリエ変換により求めたものである。従っ
て、

【００８２】（Ｃ／ｆ_S）＊（１／２）

【００８３】を１周期とする距離を内挿したものであ
る。従って、ｆ_S が１５ＭＨｚとすると、１周期が１０
ｍとなる。

【００８４】また粗測定距離についても、外部測距光路
におけるカウンタ１８０のカウンター値から１０ｍの精
度で求めることができる。即ち、水晶発振器１００の基
準周波数ｆ_S をカウンタ１８０が、第２の分周器１３０
の信号から波形整形回路１７０の信号までの間、カウン
トするものである。そしてカウント値はＣＰＵ５００に
送られ、外部測距光路のカウント値と内部参照光路のカ
ウント値の差から粗測定距離を求めることができる。

【００８５】そして粗測定距離と精密測定距離を組み合
わせることにより、光波距離計から測定対象物までの実
際の距離を求めることができる。これらの動作を行う構
成が距離測定手段に該当するものである。

【００８６】なお精密測定距離は、ＡＤ変換されたデー
タ値に対してフーリエ変換を施して基本波成分の位相を
求めているので、サンプルホールドされる波形は必ずし
も正弦波である必要はなく、積分波や三角波等であって
もよい。同様にバンドパスフィルタ２１０に代えて、ロ
ーパスフィルタを採用することもできる。

【００８７】そして本発明は、パルス方式の光波距離計
のみならず、従来のＬＥＤを用いた連続変調方式の光波
距離計の位相測定にも応用することができる。

【００８８】

【効果】以上の様に構成された本発明は、特定の周波数
で繰り返す被測定周波数信号に対して、この被測定周波
数と同期が異なり、ｎ回に一度同期するタイミング信号
を発生させるためのタイミング信号発生手段と、このタ
イミング信号により前記被測定周波数信号をＡＤ変換す
るためのＡＤ変換手段と、このＡＤ変換手段により変換
されたディジタル信号を記憶するためのｎ個のアドレス
を有するメモリ手段と、このメモリ手段に記憶されたデ
ータと前記ＡＤ変換手段により変換されたディジタル信
号データとを加算するための加算手段と、前記メモリ手
段の各アドレスのデータから、フーリエ変換により前記
被測定周波数信号の位相を検出するための演算処理手段
とから構成されているので、位相測定の平均化効果が高
く、コンパレータでの位相比較の様に、被位相測定波形
と比較信号との位相差が小さい場合にも誤動作が起きな
いという効果がある。

【００８９】更にＡＤ変換されたデータをメモリ上に記
憶する構成となっているので、各波形データを個別に処
理することができ、データの取り込みの自由度が高く、
メモリ上のデータを自由に並びかえることができるの
で、「数２」のｍダッシュを整数値にする必要がなく、
分周期の分周比を回路上最適なものにすることができる
という効果がある。

【００９０】そして、この位相測定装置を使用した距離
測定装置は、空気の揺らぎ等による不良データを除去す
ることができ、極めて精度の高い距離測定を行うことが
できるという卓越した効果がある。

【００９１】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の電気構成を示す図である。

【図２】本発明の実施例の光学構成を示す図である。

【図３】本実施例のｆ_S、ｆ_M、ｆ_Lの波形を説明する図
である。

【図４】本実施例の並べ変えにより復元された波形を説
明する図である。

【図５】従来の技術を説明する図である。

【図６】従来の技術の問題点を説明する図である。

【符号の説明】

１レーザダイオード２コンデンサレンズ３コンデンサレンズ４１分割プリズム４２分割プリズム５光路切り替えチョッパ７１ＡＰＤ８遅延用光ファイバー９プリズム１０対物レンズ１１コーナーキューブ１６０アンプ１７０波形整形回路１８０カウンタ１９０ピークホールド回路２００レベル判定回路２２０サンプルホールド回路３００ＡＤコンバータ４００メモリ５００ＣＰＵ１００００位相測定装置

【数１２】

フロントページの続き (72)発明者矢部雅明東京都板橋区蓮沼町75番１号株式会社トプコン内 (72)発明者片山康隆東京都板橋区蓮沼町75番１号株式会社トプコン内 (72)発明者越川和重東京都板橋区蓮沼町75番１号株式会社トプコン内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】特定の周波数で繰り返す被測定周波数信
号に対して、この被測定周波数と同期が異なり、ｎ回に
一度同期するタイミング信号を発生させるためのタイミ
ング信号発生手段と、このタイミング信号により前記被
測定周波数信号をＡＤ変換するためのＡＤ変換手段と、
このＡＤ変換手段により変換されたディジタル信号を記
憶するためのｎ個のアドレスを有するメモリ手段と、こ
のメモリ手段に記憶されたデータと前記ＡＤ変換手段に
より変換されたディジタル信号データとを加算するため
の加算手段と、前記メモリ手段の各アドレスのデータか
ら、フーリエ変換により前記被測定周波数信号の位相を
検出するための演算処理手段とから構成されていること
を特徴とする位相測定装置。
【請求項２】ＡＤ変換手段は、サンプルホールド手段
を含んでおり、このサンプルホールドされた値をＡＤ変
換する様に構成されている請求項１記載の位相測定装
置。
【請求項３】特定の周波数で繰り返す被測定周波数信
号に対して、この被測定周波数と同期が異なり、ｎ回に
一度同期するタイミング信号を発生させるためのタイミ
ング信号発生手段と、このタイミング信号により前記被
測定周波数信号をＡＤ変換するためのＡＤ変換手段と、
このＡＤ変換手段により変換されたディジタル信号を記
憶するためのｎ個のアドレスを有するメモリ手段と、こ
のメモリ手段に記憶されたデータと前記ＡＤ変換手段に
より変換されたディジタル信号データとを加算するため
の加算手段と、前記メモリ手段の各アドレスのデータか
ら、フーリエ変換により前記被測定周波数信号の位相を
検出するための演算処理手段とからなっており、この演
算処理手段は、前記被測定周波数信号に対する前記タイ
ミング信号の各位相のずれが、前記被測定周波数信号の
周期の１／ｎでない場合には、前記メモリ手段の各アド
レスのデータを並びかえることにより、前記被測定周波
数信号の相似のデータを再現し、このデータを利用して
位相を演算する様に構成されていることを特徴とする位
相測定装置。
【請求項４】パルス的に発光する光源部と、この光源
部からの光を測定対象物に対して送出するための光学手
段と、この測定対象物からの反射光を受光し、電気信号
の受信パルスに変換するための受光手段と、この受光手
段で変換された受信信号に対して、この受信信号と同期
が異なり、ｎ回に一度同期するタイミング信号を発生さ
せるためのタイミング信号発生手段と、このタイミング
信号により前記受信信号をＡＤ変換するためのＡＤ変換
手段と、このＡＤ変換手段により変換されたディジタル
信号を記憶するためのｎ個のアドレスを有するメモリ手
段と、このメモリ手段に記憶されたデータと前記ＡＤ変
換手段により変換されたディジタル信号データとを加算
するための加算手段と、前記メモリ手段の各アドレスの
データから、フーリエ変換により前記受信信号の位相を
検出し、前記光源部からの発光から前記受信信号までの
位相差に基づき、測定対象物までの距離を演算するため
の演算処理手段とから構成されていることを特徴とする
距離測定装置。
【請求項５】パルス的に発光する光源部と、この光源
部からの光を測定対象物に対して送出するための光学手
段と、この測定対象物からの反射光を受光し、電気信号
の受信パルスに変換するための受光手段と、この受光手
段で変換された受信信号に対して、この受信信号と同期
が異なり、ｎ回に一度同期するタイミング信号を発生さ
せるためのタイミング信号発生手段と、このタイミング
信号により前記受信信号をＡＤ変換するためのＡＤ変換
手段と、このＡＤ変換手段により変換されたディジタル
信号を記憶するためのｎ個のアドレスを有するメモリ手
段と、このメモリ手段に記憶されたデータと前記ＡＤ変
換手段により変換されたディジタル信号データとを加算
するための加算手段と、前記メモリ手段の各アドレスの
データから、フーリエ変換により前記受信信号の位相を
検出し、前記光源部からの発光から前記受信信号までの
位相差に基づき、測定対象物までの距離を演算するため
の演算処理手段とからなっており、この演算処理手段
は、前記受信信号に対する前記タイミング信号の各位相
のずれが、前記受信信号の周期の１／ｎでない場合に
は、前記メモリ手段の各アドレスのデータを並びかえる
ことにより、前記受信信号の相似のデータを再現し、こ
のデータを利用して位相を演算する様に構成されている
ことを特徴とする距離測定装置。