JPH0594783U

JPH0594783U - 光波測距装置

Info

Publication number: JPH0594783U
Application number: JP041438U
Authority: JP
Inventors: 公毅辻元; 滋青木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-05-26
Filing date: 1992-05-26
Publication date: 1993-12-24
Anticipated expiration: 2007-05-26
Also published as: JP2584875Y2; US5400130A

Abstract

(57)【要約】【目的】光波測距における位相測定時のスプリアス成
分による測距誤差発生を防止する。【構成】光波測距装置の分周回路２で位相測定回路１
６に出力する基準中間周波数ＩＦと、基準中間周波数Ｉ
Ｆの整数倍ａ（ａ≧２) となるＰＬＬ基準周波数とを生
成して、このＰＬＬ基準周波数をＰＬＬ発振回路７に出
力する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は光波測距装置に係り、特に測距光による検出信号と内部参照信号との位相差を計測することにより距離を測定する光波測距装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

一般に光波測距装置には測距演算のために内部光路と外部光路の２個の光路が形成されている。内部光路は発光素子から出射された送信光が直接あるいは内部光学系を経て間接的に受光素子に達する一定光路長の参照光路である。一方、外部光路は発光素子からの送信光が測定点に置かれたコーナキューブ等の反射鏡で反射することで測定距離間を往復する測定光路である。また光波測距装置では内部の電気系による信号の位相変動を除去するために、外部光路から得られた光信号と内部光路から得られた光信号とを選択的に受光素子に入射し、それぞれをあらかじめ設定しておいた基準中間周波数と位相比較させるようになっている。

【０００３】図３は従来の光波測距装置の一例を示したブロック構成図である。同図に示したうち発振回路部は定常周波数を発振可能な水晶発振器からなる原発振器１と、発光素子６から出射する強度変調周波数ＦＴと基準中間周波数ＩＦとを作成する分周回路２と、受光素子１２で光電変換された受信信号を中間周波数ＳＩＦに変換するために強度変調周波数ＦＴから基準中間周波数ＩＦだけずれた参照周波数ＦＲを生成するＰＬＬ発振回路７とから構成されている。

【０００４】さらにこの発振回路からの信号を受けて所定の位相差を計測するための回路として、参照周波数ＦＲと受光素子１２で光電変換された受信信号ＦＴとを混合し、中間周波数ＳＩＦを生成する平衡復調回路１３と、位相測定のための中間周波数ＳＩＦのＳＮ比を向上させるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１４と、このバンドパスフィルタ１４を通過したアナログ波を一定のパルス波に変換する波形成形回路１５と、このパルス波と周波数が等しく位相の異なる分周回路２から出力された位相測定用基準中間周波数ＩＦとが入力される位相測定回路１６とがある。

【０００５】この位相測定回路１６で位相比較され、求められた位相差はマイクロプロセッサ１７において使用周波数に応じて距離換算され、測定距離が算出される。そしてその測定距離は所定のフォーマットで表示器１８にディジタル表示される。

【０００６】ここで、本考案に関わる回路として従来のＰＬＬ発振回路の構成について説明する。上述のＰＬＬ発振回路７は一般に基準となる入力周波数と帰還信号の周波数とを位相比較する位相比較器８と、この比較結果を平滑化し、ＤＣ変換するローパスフィルタ（ＬＰＦ）９と、入力直流電圧に比例して任意の周波数にて発振可能な電圧制御発振回路（ＶＣＯ）１０と、前記任意の周波数を前記帰還信号の周波数に分周するＰＬＬ用分周器１１とから構成されている。この回路において、各周波数は次の条件を満たすように設定されている。ＦＴ＝ｂ×ＩＦＦＲ＝（ｂ＋１）×ＩＦ又はＦＲ＝（ｂ−１）×ＩＦ（ｂ：整数）

【０００７】

【考案が解決しようとする課題】

ところで、上述の発振回路を有する光波測距装置では、位相測定用中間周波数ＩＦとＰＬＬ基準周波数が等しく設定されていた。これはＰＬＬ基準周波数ＩＦの整数倍でかつ強度変調周波数ＦＴとＩＦ周波数だけずれた参照周波数ＦＲを生成しやすいからである。

【０００８】しかし、ＰＬＬ発振回路７は原理上、位相比較器８の入力信号の周波数に依存する周波数変調（ＦＭ）を受けやすく、回路出力信号には設定された発振周波数ＦＲの他にＩＦ周波数だけずれたサイドバンドスプリアス成分が同時に生じる。したがって、出力信号周波数は図４（ｂ）の周波数スペクトルに示したように、次の３波成分が卓越して得られる。 (1) ＦＲ、(2) ＦＲ−ＩＦ、(3) ＦＲ＋ＩＦこのうち(2) ＦＲ−ＩＦ、(3) ＦＲ＋ＩＦのサイドバンドスプリアス成分は平衡復調回路１３などの被線形素子を経由した際にＦＲ成分と相互変調された結果、ＩＦ成分（以下、スプリアス成分と記す。）発生し、回路特性上この成分の発生は避けられない。

【０００９】このようにスプリアス成分は回路特性上、内部発生する成分であるため、測定距離に比例した位相情報を持たない。このため平衡復調回路１３でＦＴとＦＲとが周波数混合されると、同図（ｃ）に示したように距離情報を持ったＩＦ成分にスプリアス成分が重畳される。このように従来は距離情報を持たない一定の位相のスプリアス成分を含んだ状態のままで位相測定回路で位相測定が行われていた。このため上述のスプリアス成分により求められた位相に誤差が生じ、その誤差が測距値にも及ぶという問題がある。前述の(2) ＦＲ−ＩＦ、(3) ＦＲ＋ＩＦのサイドバンドスプリアス成分の発生は、入力電圧の変化に基づいて出力周波数を変動させるＶＣＯ１０の入力信号が位相比較器８による基準周波数ＩＦと帰還周波数との位相比較した位相差信号によって基準周波数ＩＦの周期ごとに微笑に変動していることに起因している。

【００１０】そこで、従来はＰＬＬ発振回路７の出力のサイドバンドスプリアス成分を小さくするためにＬＰＦ９の時定数を極端に長くして、ＶＣＯ１０の制御入力電圧に含まれるＩＦ成分を除去したり、ＶＣＯ１０の出力周波数可変範囲を狭くし、ＶＣＯ１０の制御入力電圧に含まれるＩＦ成分によりＶＣＯ１０の出力周波数が大きく変化しないようにする等の対策を行ってきた。

【００１１】しかし、ＬＰＦ９の時定数を長くすると、周波数が安定するまでの時間がかかり、電源投入やＰＬＬ発振回路７の動作を切り換えた際に装置が測距可能となるまで長時間を要するという問題がある。また、ＶＣＯ１０の出力周波数可変範囲を狭くする場合、電圧制御水晶発振器等を使用して温度電源電圧変動が起きても発振周波数が変化しないようにする必要がある。この場合、高価な部品を使わなければならずコスト上、難しい。さらに、平衡復調回路１３での相互変調を低減するには平衡復調回路１３へ送信されるＦＲ、ＦＴの入力レベルを実験等によるカットアンドトライにより最適化しなければならず、調整が煩雑になるという問題もある。

【００１２】そこで、本考案の目的は、従来の技術の有する問題点を解消し、従来と同一の周波数により構成でき、ＰＬＬ発振回路で発生するサイドバンドスプリアス成分による測距誤差を除去できる光波測距装置をすることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】

前記目的を達成するために、第１の考案は、所定の変調周波数を持つ変調信号で強度変調した測距光を被測定物に向けて出射する発光手段と、前記被測定物により反射された前記測距光を受光し、前記変調信号と等しい周波数を持つ電気信号を出力する受光手段と、原発振器と、該原発振器からの周波数を順次分周して、前記変調信号と、基準中間周波数を持つ基準中間信号とを出力する分周回路と、入力信号に基づいて、前記変調信号から前記基準中間信号の周波数だけずれた参照周波数を持つ参照信号を生成するＰＬＬ回路と、前記受光手段からの電気信号と、前記ＰＬＬ回路からの参照信号とを入力し、前記基準中間周波数と等しい周波数を持つ比較信号を出力する比較周波数発生手段と、該比較周波数発生手段からの比較信号の位相と前記基準中間信号の位相とを比較し、これら２つの信号の位相差を示す位相差信号を出力する位相測定回路とを備え、前記位相差信号から前記前記被測定物までの距離を測定する光波測距装置において、前記分周回路は、さらに前記基準中間周波数のａ倍（ａ≧２の整数) の周波数を持つＰＬＬ基準信号を前記入力信号として前記ＰＬＬ回路に出力するようにしたことを特徴とするものである。また、第２の考案は、前記第１の考案の光波測距装置の分周回路から前記ＰＬＬ回路に出力された信号に基づいて生成された取り出された出力信号を、前記被測定物に向けて出射される変調信号とする一方、該変調信号と前記基準中間信号の周波数だけずれた参照周波数を持つ出力信号を参照信号として前記分周回路で分周して生成し、前記比較周波数発生手段に入力するようにしたことを特徴とするものである。これらの場合、前記参照信号の参照周波数から前記ＰＬＬ基準周波数だけずれたスプリアス成分を前記参照信号から除去するスプリアス除去手段を、前記比較周波数発生手段と前記位相測定回路との間に接続することが好ましい。

【００１５】

【作用】

本考案によれば、光波測距装置の分周回路で前記位相測定回路に出力する前記基準中間周波数と、該基準中間周波数の整数倍ａ（ａ≧２) となるＰＬＬ基準周波数とを生成して該ＰＬＬ基準周波数を前記ＰＬＬ発振回路に出力するようにしたので、前記ＰＬＬ発振回路から出力される周波数成分は、ＦＲ、ＦＲ−ａ×ＩＦ及びＦＲ＋ａ×ＩＦの３波成分となり、平衡復調回路での相互変調により生じるスプリアス成分は図２に示したようにａ×ＩＦとなり、スプリアス成分周波数と中間周波数ＩＦとは完全に分離され、これによりＰＬＬ発振回路のサイドバンドスプリアス成分に起因する光波測距装置の測距誤差を完全に取り除くことができる。

【００１６】また、このとき前記ＰＬＬ基準周波数の周波数成分すなわちスプリアス成分は、該周波数成分の除去回路により前記位相測定回路に入力する前に除去することができるので、前記位相測定回路における外乱を確実に除去でき、高精度の距離測定を行える。

【００１７】

【実施例】

以下、本考案による光波測距装置の発振回路の一実施例を図１を参照して説明する。図１は本考案による光波測距装置の一実施例の構成を示したブロック構成図であり、同図において、原発振器１には水晶発振器が使用されている。この原発振器１は基準周波数４５．０ＭＨz のクロック（ＣＬＫ）信号を発振するように設定されている。また原発振器１の発振出力は分周回路２に内蔵された分周器Ａ３と分周器Ｃ５とに並列入力される。

【００１８】本実施例では分周器Ａ３に入力されたＣＬＫ信号は１／３に分周され、周波数Ｆ＝１５．０ＭＨz の強度変調周波数信号（ＦＴ）が作成される。さらにこの強度変調周波数信号ＦＴは同時に分周回路２で分周器Ａ３に直列に接続された分周器Ｂ４と、発光素子６とに入力される。発光素子６に入力し光電変換された強度変調周波数信号ＦＴは、図示しない指令回路により内部光路あるいは外部光路かが選択される。内部光路の場合は装置内部の光学系を経て受光素子１２に伝送され、外部光路の場合は装置から図示しない目標点のターゲットに向けて出射され、ターゲットのコーナキューブ等の反射鏡に反射して再び光波測距装置の受光素子１２に受信する。

【００１９】一方、分周器Ｂ４に入力された強度変調周波数信号ＦＴはさらに１／２¹²分周され、周波数３．６６ＫＨz の基準中間周波数信号ＩＦとして、位相測定回路に送られる。また分周器Ｃ５の分周比は分周器Ｂ４と同じ分周比１／２¹²なので、入力されたＣＬＫ信号は分周器Ｃ５により周波数１１．０ＫＨz の３×ＩＦ信号に分周される。

【００２０】ところで、ＰＬＬ発振回路７は位相比較器８、ＬＰＦ９、ＶＣＯ１０及びＰＬＬ用分周器１１とから構成されている。このうち位相比較器８は入力周波数として３×ＩＦ信号を取り入れ、ＰＬＬ用分周器１１からの帰還信号との位相差を比較し、その位相差に応じた差信号電圧を出力する。この差信号電圧は、ＬＰＦ９で高周波成分が取り除かれ平滑化され、ＶＣＯ１０に所定の入力電圧として入力される。ＶＣＯ１０によりこの電圧に応じた周波数信号が発振される。またＰＬＬ用分周器１１によりＶＣＯ１０から出力された参照周波数ＦＲは１／１３６５分周され、その分周信号はＰＬＬ回路の帰還信号として位相比較器８にフィードバックされる。このフィードバック回路が安定している場合には、ＰＬＬ用分周器１１からの帰還信号は入力信号３×ＩＦに対して位相と周波数が同期した信号となる。

【００２１】したがって、各周波数の関係は次式で表すことができる。ＦＲ＝ＣＬＫ／３ＩＦ＝ＦＴ／２¹² ３×ＩＦ＝ＦＲ／１３６５ＩＦ＝ＦＲ／（１３６５×３）＝ＦＲ／２¹²−１このとき受光素子１２で光電変換された受信信号は、目標点までの測定距離に比例した位相情報を含んだ周波数信号である。

【００２２】すなわち強度変調周波数信号ＦＴは平衡復調回路１３において、参照周波数ＦＲと周波数混合された場合にも位相情報を保持した状態でＦＴとＦＲとの差に相当する３．６６ＫＨz の中間周波数ＳＩＦに変換される。この中間周波数ＳＩＦは次式より明らかなように基準中間周波数ＩＦと同じ周波数になる。ＦＴ−ＦＲ＝２¹²×ＩＦ−（２¹²−１）×ＩＦ＝ＩＦ

【００２３】このとき本実施例では、図２の周波数スペクトルに示したようにＰＬＬ発振回路７からの出力信号には設定参照周波数ＦＲの他に３×ＩＦだけずれたサイドバンドスプリアス成分が生じる。したがってＰＬＬ発振回路からの出力信号周波数は図２（ｃ）にしたように、次の３波成分を含むこととなる。 (1) ＦＲ、(2) ＦＲ−３×ＩＦ、(3) ＦＲ＋３×ＩＦこのうち(2)ＦＲ−３×ＩＦ成分と(3)ＦＲ＋３×ＩＦ成分とは、平衡復調回路１３等に設けられた非線形素子を経由してＦＲ成分と相互変調されても３×ＩＦ成分しか発生しない。

【００２４】このときスプリアス成分である３×ＩＦ成分は測定距離に比例した位相情報を保持しているＩＦ成分とは全く別の周波数である。したがって必要に応じて以後の回路中にＢＰＦ１４を設け、周波数選別することにより容易にこの成分を除去することができる。

【００２５】以上、述べたように本考案では、ＰＬＬ発振回路に起因して不要な成分信号が生じてもその成分は測距のための位相測定において誤差を生じさせる原因とならないことは明かである。

【００２６】以下、本考案における発振回路の各周波数構成について説明する。発光素子６を強度変調する周波数ＦＴと原発振器１の周波数ＣＬＫとの関係は分周器Ａ３の分周比を１／ａとするとＦＴ＝ＣＬＫ／ａ …（式１）（ａ：ａ＝２以上の整数）となる。また、ａ×ＩＦ（前記実施例ではａ＝３）とＩＦとＣＬＫとの関係は、分周器Ｂ４、分周器Ｃ５の分周比をともに１／ｂとすると、ＩＦ＝ＣＬＫ／（ａ×ｂ），ａ×ＩＦ＝ＣＬＫ／ｂ …（式２）（ｂ：ｂ＝２以上の整数）となる。

【００２７】一方、ＰＬＬ用分周器１１の分周比を１／ｐとすると、ａ×ＩＦ＝ＦＲ／ｐとなる。したがってＩＦ＝ＦＲ／（ａ×ｐ） …（式３）一方、平衡復調回路１３で強度変調周波数ＦＴを中間周波数ＩＦに変換するためには、ＦＲとＦＴとの関係は次式のようになる。ＩＦ＝｜ＦＲ−ＦＴ｜ …（式４）このとき式４に式１〜式３を代入すると、ＣＬＫ＝｜ａ×ｐ−ｂ｜×ＣＬＫすなわち、ｂ＋１＝ａ×ｐ又はｂ−１＝ａ×ｐ …（式５）となればよい。

【００２８】ところで、本実施例では、分周比としてａ＝３，ｂ＝２¹²，ｐ＝１３６５を選択したが、本考案において、式５が成り立つような整数ａ，ｂ，ｐは任意に選択できることは明かである。

【００２９】また、本実施例では、分周回路で強度変調周波数ＦＴを生成し、ＰＬＬ発振回路で参照周波数ＦＲを生成したが、反対に分周回路で参照周波数ＦＲを生成し、ＰＬＬ発振回路で強度変調周波数ＦＴを作成しても同様の効果があることはいうまでもない。

【００３０】なお、上述のＢＰＦはアナログＢＰＦを使用したが、ディジタルＢＰＦを波形成形回路の前方に接続して上述のスプリアス成分を除去することも可能であり、さらに不要信号を除去する回路として同等の効果を奏する除去回路であれば、ＢＰＦに限らず使用することができるのはいうまでもない。

【００３１】

【考案の効果】

以上の説明から明らかなように、本考案によれば、簡易な構造により位相測定における誤差を除去することにより低価格で高い精度の測距を実現することができる等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案による光波測距装置の一実施例を示した
ブロック構成図。

【図２】本考案による光波測距装置で発生する周波数成
分の一例を示した周波数スペクトル図。

【図３】従来の光波測距装置の一例を示したブロック構
成図。

【図４】従来の光波測距装置で発生する周波数成分の一
例を示した周波数スペクトル図。

【符号の説明】

１原発振器２分周回路３，４，５分周器６発光素子７ＰＬＬ発振回路１２受光素子１３平衡復調回路１４バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１５位相測定回路

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】所定の変調周波数を持つ変調信号で強度変
調した測距光を被測定物に向けて出射する発光手段と、前記被測定物により反射された前記測距光を受光し、前
記変調信号と等しい周波数を持つ電気信号を出力する受
光手段と、原発振器と、該原発振器からの周波数を順次分周して、前記変調信号
と、基準中間周波数を持つ基準中間信号とを出力する分
周回路と、入力信号に基づいて、前記変調信号から前記基準中間信
号の周波数だけずれた参照周波数を持つ参照信号を生成
するＰＬＬ回路と、前記受光手段からの電気信号と、前記ＰＬＬ回路からの
参照信号とを入力し、前記基準中間周波数と等しい周波
数を持つ比較信号を出力する比較周波数発生手段と、該比較周波数発生手段からの比較信号の位相と前記基準
中間信号の位相とを比較し、これら２つの信号の位相差
を示す位相差信号を出力する位相測定回路とを備え、前
記位相差信号から前記前記被測定物までの距離を測定す
る光波測距装置において、前記分周回路は、さらに前記基準中間周波数のａ倍（ａ
≧２の整数) の周波数を持つＰＬＬ基準信号を前記入力
信号として前記ＰＬＬ回路に出力することを特徴とする
光波測距装置。
【請求項２】請求項１記載の光波測距装置の分周回路か
ら前記ＰＬＬ回路に出力された信号に基づいて生成され
た取り出された出力信号を、前記被測定物に向けて出射
される変調信号とする一方、該変調信号と前記基準中間
信号の周波数だけずれた参照周波数を持つ出力信号を参
照信号として前記分周回路で分周して生成し、前記比較
周波数発生手段に入力するようにしたことを特徴とする
光波測距装置。
【請求項３】前記参照信号の参照周波数から前記ＰＬＬ
基準周波数だけずれたスプリアス成分を前記参照信号か
ら除去するスプリアス除去手段が、前記比較周波数発生
手段と前記位相測定回路との間に接続されたことを特徴
とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の光波
測距装置。