JPH0652166B2 - アブソリュート測長器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明はＦＭヘテロダイン法を用いたアブソリュート測
長器に関するものである。

＜従来の技術＞ 第３図（イ）は、ＦＭヘテロダイン法を用いたアブソリ
ュート測長器の原理的構成を示す図であり、第３図
（ロ）はその動作を説明するための波形図である。
（イ）図において、レーザダイオード１より出射した光
は、コリメータレンズ２でコリメートされ、ハーフミラ
ー１１で２つに分割される。反射光はミラー１２で反射
し局発光とされ、再びハーフミラー１１に入る。一方、
送信光はターゲット１３に照射され、その後方散乱光は
信号光として再びハーフミラー１１に入り、局発光と合
波されて集光レンズ１４を通って光検出器１５に入る。
このとき、（ロ）図に示すように、両者の光路差による
位相差が生じ、その時間変化により光検出器１５の出力
にはビート信号が発生する。このビート信号の周波数ま
たは位相偏移を測定して距離情報を得るのがＦＭヘテロ
ダイン法によるアブソリュート測長器の原理である。

上記の光学系において、ビート信号の周波数（ｆ_ｂ）は
次式で表わされる。

ｆ_ｂ＝４ｆ_ｍ△ν（Ｒ−Ｌ）／Ｃ … なお、ｆ_ｍ：レーザダイオード１の変調周波数 △ν：レーザダイオード１の周波数偏移 Ｒ：ターゲット１３までの距離 Ｌ：局発光の光路長 ｃ：光速 である。

また、レーザダイオード１の周波数掃引の時間間隔（Ｔ
＝１／２ｆ_ｍ）中に生じるビート信号の位相偏移の積分
値（Φ）は、 Φ＝４π△ν（Ｒ−Ｌ）／ｃ … となる。

ここで、ビート信号の波数（カウント数）をＮとする
と、Ｎ＝Φ／２πの関係より、距離（Ｒ）は次式で与え
られる。

Ｒ＝（ｃ／２△ν）Ｎ＋Ｌ … 即ち、ＦＭヘテロダイン法によるアブソリュート測長器
は式のビート周波数（ｆ_ｂ）または式の位相偏移
（Φ）から距離（Ｒ）を求めるものである。しかし、ビ
ート周波数（ｆ_ｂ）から求める方法では位相偏移（Φ）
から求める方法に比べ測定精度が低くなり、また位相偏
移から求める方法においても周波数偏移（△ν）を一定
にすることが必要であるが、これを高精度で測定し、制
御することが困難なため、測定誤差の原因となってい
る。

そこで、この点を改良するため、安定な基準となる光路
差を持つ別の測定チャンネルを参照系として構成し、こ
れと信号系の２チャンネルのビート波数をカウンタで同
時に測定し比較することにより、周波数偏移（△ν）の
測定を不要としたものも既に知られている。第４図にそ
の２チャンネル位相偏移測定法の構成図を示す。なお、
第４図において第３図と同一要素には同一符号を付して
重複する説明は省略する。第４図の測長器においては、
レーザダイオード１からの出射光はコリメータレンズ２
でコリメートされ、ハーフミラー３により参照系２０と
信号系１０に導き、信号系においてはハーフミラー１１
により一方の反射光を局発光とする。送信光はターゲッ
ト１３に照射され、その後方散乱光は信号光として再び
ハーフミラー１１により集光レンズ１４を通って第３図
で説明した如く光検出器１５上で局発光と合波され、ビ
ート信号を検出する。参照系においても、ミラー２２、
２３により折り返し、光検出器２４よりビート信号を得
る。カウンタ３０では、信号系からのビート信号と参照
系からのビート信号とを同時に測定し比較することによ
り距離を算出するものである。

この方法では、ターゲット１３までの距離（Ｒ）は次式
となる。

Ｒ＝（Ｎｓ／Ｎｒ）（Ｒｒ−Ｌｒ）＋Ｌ … なお、Ｎｓ：信号系のビート波数 Ｎｒ：参照系のビート波数（ （Ｒｒ−Ｌｒ）：参照系の光路長差 である。

＜発明が解決しようとする問題点＞ しかしながら、上記の測定法においては、安定な基準と
なる光路差を持つ別の測定チャンネルである参照系２０
が必要となるため光学系が複雑となり、その調整にも多
くの時間を費やす等の問題点があった。

本発明は上記従来技術の問題点を踏まえて成されたもの
であり、周波数偏移（△ν）の測定を不要とするための
参照系の必要をなくし、光学系を簡素化することによ
り、その調整法を容易とし、小型、安価にも寄与するこ
とのできるアブソリュート測長器を提供することを目的
としたものである。

＜問題点を解決するための手段＞ 上記問題点を解決するための本発明の構成は、周波数変
調したレーザ光をハーフミラーにより分割し、ターゲッ
トおよびミラーからの反射光を干渉させることにより得
られる光路差に比例したビート信号の周波数または位相
偏移を測定することにより距離情報を得るようにしたア
ブソリュート測長器において、前記レーザ光が供給され
一定の周波数または波長間隔で信号を発生する信号発生
装置と、この信号発生装置より得られる信号からスター
ト信号とストップ信号を発生するスタート・ストップ信
号発生回路と、このスタート・ストップ信号発生回路で
発生するスタート信号とストップ信号との間において得
られる前記ビート信号の周波数を計測するカウンタとを
設けたことを特徴とするものである。

＜実施例＞ 以下、本発明を図面に基ずいて説明する。

第１図は本発明に係わるＦＭヘテロダイン法によるアブ
ソリュート測長器の一実施例を示す構成図であり、第２
図はその動作を説明するための波形図である。なお、第
１図において、第３図および第４図と同一要素には同一
符号を付して重複する説明は省略する。第１図におい
て、４はエタロンであり、周知のように、平行平面のガ
ラスまたは水晶板の両面に半透明の銀メッキをするか、
または２枚の光学平面板に高反射率の膜を付けて平行に
向き合わせ、平面板の間を低膨脹率のインバールや溶融
石英製のスペーサ等で固定したものであり、面間距離
（板厚または平面板間距離）が既知ならば波長の相対お
よび絶対測定を高精度で行うことができるものである。
５はスタート・ストップ信号発生回路、２４は光検出器
である。

このような構成において、レーザダイオード１より出射
した光は、コリメータレンズ２でコリメートされハフミ
ラー３で２つに分割される。片方の光はエタロン４に入
射し、その透過光を光検出器２４で受ける。ハーフミラ
ー３を透過したもう一方の光はハーフミラー１１で分割
され、各々の光はミラー１２およびターゲット１３で反
射され、第３図および第４図で説明した如く、ハーフミ
ラー１１で合波されて集光レンズ１４を通して光検出器
１５で受ける。一方、光検出器２４から出るエタロン透
過信号をスタート・ストップ信号発生回路５に入力す
る。カウント量を整数値に設定し、その出力をスタート
・ストップ信号（ゲート信号）としてカウンタ３０に入
力する。カウンタ３０は光検出器１５で受けたビート信
号の波数をスタート・ストップ信号に従い計測し距離を
算出するものである。即ち、第２図の波形図で示される
ように、レーザダイオード１の周波数出力（イ図）はハ
ーフミラー１１により分割され、前記のようにそれぞれ
信号光と局発光として再びハーフミラー１１にて合波さ
れ、光検出器１５に入り電気信号に変換されるが、ター
ゲット１３とミラー１２の光路差により位相差が生じ、
その時間変化により光検出器１５の出力には（ニ図）に
示すようなビート信号が発生する。一方、ハーフミラー
３により反射された反射光は、エタロン４を通って光検
出器２４に入り電気信号に変換され、その出力として
（ロ図）に示すようなエタロン透過信号が発生し、スタ
ート・ストップ信号発生回路に入力される。ここで、エ
タロン透過信号の周波数偏移（△ν）は、 △ν＝Ｍ・ＦＳＲ … なお、Ｍ：整数 ＦＳＲ＝ｃ／２Ｌｅ ｃ：光速 Ｌｅ：エタロンの面間距離 と表わされる。そのため、整数（Ｍ）を任意に設定する
ことにより、スタート・ストップ信号発生回路５の出力
として、（ハ図）に示すような整数（Ｍ）に比例した任
意のゲート時間のスタート・ストップ信号が出力され
る。カウンタ３０においては、光検出器１５で受けたビ
ート信号（ニ図）の波数（Ｎ）をスタート・ストップ信
号に従い計測することにより、距離（Ｒ）が算出され
る。

即ち、この方法では、ターゲットまでの距離（Ｒ）は次
式で表わされる。

Ｒ＝（ｃ／２△ν）Ｎ＋Ｌ … ＝（Ｎ・Ｌｅ／Ｍ）＋Ｌ …′ なお、Ｌ：基準光路の長さ Ｎ：波数 である。

なお、第２図では整数（Ｍ）＝３とし、周波数偏移（△
ν）＝３・ＦＳＲを選択し、波数（Ｎ）＝６．０とした
ときの波形例を示してある。

また、一定の周波数または波長間隔で信号を発生する装
置としては、上記に示すエタロンを用いた構成に限るも
のではなく、ガスの吸収セルを用いた構成であってもよ
い。ガスの吸収セルの場合は特定周波数での吸収線の間
隔を使用するものであり、周波数差のキャリブレーショ
ンの必要もない。要は、本発明を一定の周波数または波
長間隔で信号を発生する装置を用いることにより、周波
数偏移（△ν）を決定するための参照系の必要を無く
し、その光学系を簡素化するものである。

＜発明の効果＞ 以上、実施例とともに具体的に説明したように、本発明
によれば、エタロンまたはガスの吸収セル等を用いた一
定の周波数または波長間隔で信号を発生する信号発生装
置を使用することにより、周波数偏移（△ν）を決定す
るための参照系の必要がなくない、従って、光学系が簡
素化され、その調整法を容易とし、小型、安価にも寄与
することができる。また、エタロンの透過信号は周期的
に出るので、スタート・ストップ信号、即ちカウンタの
ゲート時間を電気的に自由に選択できるため、ゲート時
間を長くした高分解能測定とゲート時間を短くした高速
測定等、用途により自由に選択することのできるＦＭヘ
テロダイン法によるアブソリュート測定器を実現するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わるＦＭヘテロダイン法によるアブ
ソリュート測長器の一実施例を示す構成図、第２図はそ
の動作波形図、第３図および第４図は従来例を示す図で
ある。 １……レーザダイオード、２……コリメータレンズ、 ３、１１……ハーフミラー、４……エタロン、 ５……スタート・ストップ信号発生回路、 １２……ミラー、１３……ターゲット、 １４……集光レンズ、１５、２４……光検出器、 ３０……カウンタ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】周波数変調したレーザ光をハーフミラーに
   より分割し、ターゲットおよびミラーからの反射光を干
   渉させることにより得られる光路差に比例したビート信
   号の周波数または位相偏移を測定することにより距離情
   報を得るようにしたアブソリュート測長器において、 前記レーザ光が供給され一定の周波数または波長間隔で
   信号を発生する信号発生装置と、この信号発生装置より
   得られる信号からスタート信号とストップ信号を発生す
   るスタート・ストップ信号発生回路と、このスタート・
   ストップ信号発生回路で発生するスタート信号とストッ
   プ信号との間において得られる前記ビート信号の周波数
   を計測するカウンタとを設けたことを特徴とするアブソ
   リュート測長器。
2. 【請求項２】前記信号発生装置にエタロンを用いたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のアブソリュー
   ト測長器。
3. 【請求項３】前記信号発生装置にガスの吸収セルを用い
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のアブソ
   リュート測長器。