JPS6025471A - 光学的変位測定方法 - Google Patents

光学的変位測定方法

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JPS6025471A
JPS6025471A JP58132824A JP13282483A JPS6025471A JP S6025471 A JPS6025471 A JP S6025471A JP 58132824 A JP58132824 A JP 58132824A JP 13282483 A JP13282483 A JP 13282483A JP S6025471 A JPS6025471 A JP S6025471A
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    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06Systems determining position data of a target
    • G01S17/08Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/32Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
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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】 本発明は、レーザー光を変調して測定対象物に11nj
3、ti、反射光の位相変化から測定対象物の変位を測
定する光学的変位測定方法に関する。
近年、レーザーとエレクトロニクスの発展によってレー
ザー光波変調式測距方法が広く普及し、特に測量の分野
では欠く事の出来ない確立した技術となっておシ、被測
定物までの距離が数りに対して数期の誤差で測定可能の
レベルに達している。
しかしながら、この様な技術を一般工業分野に応用しよ
うとした場合には次の様な問題があった。
(1)測定対象物にコーナーキューブミラー等の反射物
体を取付ける必要がある。
(2)測定時間が長くかかるため、移動中の物体の測定
が困難である。
(3)工業的要求に応える精度の確保が困難である。
本発明はこのような問題点を解決し、測定対象物に伺ら
の反射物体も取付けず、高精度、高速に対象物の変位を
測定することを可能としたものであル、測定距離数α〜
数10mを±1簡の精度で、しかも旬OHz以上の応答
速度が得られ、工業分野に於て極めて有効な変位測定手
段を提供するもの11匁7、 次に本発明の詳細について、一実施例をもって説明する
第1図は本発明の光学的変位測定方法に用いる装置の全
体構成図である。 1は発振器で測定用変調周波数fs
と僅かに異なる一FL=9g±・fの周波数の信号を発
生する。 fぼは高周波変調レーザードライバー2に供
給され、半導体レーザー等の変調可能なレーザー3から
高周波変調されたレーザー光を発生させる。 なお、レ
ーザー・30代シに発光ダイオード(LF!D)等も使
用出来る場合のあることは言うまでもない。 変調レー
ザー光はレンズ4で平行ビームに3リメートされた後、
測定対象物50表面に照射され、乱反射した光の一部は
反射鏡6、干渉フィルタ7、受光レンズ8で集光された
後アパーチャー9を通って光電変換素子10に入射する
。 従来の光波変調式距離計の場合は、測定対象物にコ
ーナーキー−ブミラー等の反射体を取イ]けるため、反
射光は高い効率で受光可能であるが、本発明のように測
定対象物に何らの反射体も設置せずに乱反射光のみを受
光する場合は、受光エネルギーが極めて小さく、従って
光電変換素子の出力信号も微弱であシ、信号の充分な麹
化が取れないために、測定精度や応答速度を犠牲にせざ
るを得なかったのである。
そこで本発明に於ては、光電変換素子の出力信号を高め
麹化を向上させるために、まず光電変換素子10の後に
位相可変の共振回路11を設ける。
この光電変換素子10と共振回路■1のよシ具体的な構
成例を第2図に示し、作動を説明する。 光電変換素子
Eに入射光Sが入射すると電流iが流れる。 高周波変
調光の場合は、周波数特性確保のため光電変換素子に小
さな抵抗Ro(例えば関Ω)を接続するのが常識であっ
たが、本発明に於ては、コイルL、コンデンサc3、可
変容量ダイオードD1で構成される並列共振回路を接続
し、共振回路の電圧を高入力インピーダンスの電界効果
(mT)、1−ランジスタ等で入力する。 共振回路の
周波数を入射変調光の周波数に一致させた時の共振回路
のインピーダンス2は、特性インピーダンスzOと共振
回路のQ値を使ってZ = 叩oとなるが、zo=20
00、Q=、100程度は簡単に得られるため、Z =
 2 X 1(1″=400 Roの高いインピーダン
スが得られる。 光電流1による信号電圧は純抵抗負荷
の場合iRo、共振回路負荷の場合1z = 4QQ 
iR。
となり、400倍もの信号電圧が得られることになる。
 また、抵抗の熱雑音は抵抗値の平方根に比例するため
、信号の8A比は結局″″−20倍改善されることにな
る。
とのように光電変換素子の後に共振回路を挿入すること
によって、入射光の検出感度及びS、4比を著しく改善
可能であるが、特性の良い共振回路はど共振周波数と信
号周波数の僅かな相異によって回路の位相が大きく変化
し、入射変調光と検出信号の間に位相誤差が発生してし
まう。 これは、共振回路をいかに安定に作ったとして
も、光電変換素子やFm )ランジスタの静電容量の変
化によって大きな誤差を生じてしまう。 このような問
題のために従来は共振回路の使用例は無く、また使用不
能でもあった。
本発明では、このような問題を解決するため、共振回路
を可変容量ダイオードD1等によって位相可変とし、第
1図の共振回路11の出力信号を増幅器12で増幅した
後、位相検出部13に入力する。
一方、発振器1で発生した周波教程の高周波信号を可変
減衰器17を経た後光電変換素子に印加する。 この場
合、fLの信号をレーザーダイオードや5口等で一度変
調光に変換して光電変換素子に入力してもよいし、直接
電気信号のまま入力してもよい。 よシ具体的な例とし
ては、第2図の端子Aに(Lの信号を印加し発光素チェ
で変調光に変換してフオトタ゛イオードJに入力しても
よく、また端子にに+Lの電気信号を入力する方法を用
いてもよい。 位相検出部13に、例えばダブルバラン
スミキサーを使った場合は、信号の位相差と出力電圧の
関係は第4図のように9i所で0となるため、例えば可
変減衰器17等によってモLの信号を90’シフトさせ
ておけば光電変換素子10、共振回路11、増幅器12
における全体の位相シフトが丁度0°の時に位相検出部
13の出力電圧がOになシ都合がよい。
このような状態で、今例らかの原因で共振回路11の周
波数が僅かに変化したとすると、第3図のように位相は
大きく変化する。 位相検出部13の出力がこれに対応
して変化するので、ローパスフィルター■5を経た後、
位相制御回路16で位相制御信号を演算し、共振回路1
1の位相特性を変化させ、常に位相差が0になるように
制御する。 よシ具体的な例として、第2図の端子Bの
電圧を変えれば可変容量ダイオードの容量が変化し、共
振周波数及び位相を制御することができる。 孔及びf
rの周波数を近接させておけば、変位測定用周波数Ji
gに対しても安定した位相特性を確保したことになる。
 位相検出部13の入力にはf、及び+gの双方の信号
が同時に入って来る訳であるが、十gに対しては位相検
出部13の出力はΔf=f5fLの周波数の正弦波信号
となるため、ローパスフィルター15によって6丁の成
分をカットすることができる。 このようにして、測定
対象物からの微弱な反射光を高感度でしかも高い位相精
度で検出できることになる。 あとは、基準信号fgと
増幅器12の出力信号のうち、fgIの成分との間の位
相差を正確に測定ことになる。 増幅器12の出力は、
ダブルバランスミキサー等の位相検出部13及びノくン
ドノくスフイルグー14によって−f−+’r−4.の
周波数に変換される。 f≦と干りを近接した周波数に
しておけば6+は+′Sに較べて非常に低い周波数とな
シ、位相差測定が容易となる。 基準信号fgは発振器
10モd信号を直接使ってもよく、また、レーザー3の
出力変調光の一部を取り出し、光電検出素子で電気信号
に変換してもよいが、ダブルバランスミキサー等の位相
検出部18及びバンドパスフィルター19によって6+
の基準信号に変換される。 周波数−fに変換された基
準信号及び反射光検出信号は、それぞれレベルコンパレ
ーター23 、22によl値信号に変換された後、時間
差測定回路24で2値信号の立上がシの時間差が測定さ
れる。 この時間差は測定対象物の基準点からの変位に
比例するため、適当な変換係数を掛けることにより変化
量が測定できることになる。 時間差は更に平均化回路
25によって複数回の時間差測定イ直を平均化すること
で測定精度を高めることも可能である。 また、ノζン
ドパスフィルター14の出力信号の大きさをレベル検出
回路2()によって検出し、これが一定になるように自
動ゲイン制御回路(AGO) 21の出力信号で、高周
波変調レーザードライバー2、光電変換きでも安定した
測定が可能となる。 また、この自動ゲイン制御を実施
した場合、位相制御用の光電変換素子に対する周波数f
Lの注入信号に対する増幅率も変化するが、自動ゲイン
制御回路21の出力信号で可変減衰器17の減衰率を制
御して位相検出部13の入力に於ける信号f、の大きさ
をは・ぼ一定に保つことも可能である。
このように本発明によれば、測定対象物に何らの反射体
を取付ける必要も無く、測定対象物からの反射光を高感
度かつ高い位相精度で検出できるため、任意物体の変位
を高精度、高速に測定することが可能となる。 即ち、
本発明の光学的変位測定方法によれば、ガスタンクや高
熱炉などの内面処理状態、腐食の発生、あるいは構築物
の壁面やベルトコンベヤ上を移動してくる製品の表面変
位(凹凸)の状態を測定検知できる等、工業分野におい
て極めて応用範囲の広い変位測定技術となるものである
以上説明した本発明の光学的変位測定方法では、測定用
高周波信号が+′g一つだけの周波数のものであるが、
異なる複数の周波数でレーザー光を多重変調すると共に
、各々の周波数に対応する位相制御部、周波数変換部、
位相差測定部を設けて測定可能な変位の範囲を増大させ
ることも可能である。
また、測定対象物が比較的近距離において大きく変位す
る場合は、受光レンズの焦点位置が変り、アパーチャー
の位置における反射光の像の大きさが大きくなシ、光電
変換素子への入射エネルギーが減少する場合があるが、
このような場合には、第1図に示したアパーチャー9及
び光電変換素子10を駆動装置によって移動させ、変位
測定値に基づいて、常にアパーチャー位置を焦点位置に
保持させることができるように実施すればよく、まだ、
アパーチャー及び光電変換素子の代わシに受光レンズを
移動させても同等の効果が得られることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明方法を実施するための装置の一例を示す
構成図、第2図は光電変換素子と位相可変共振回路との
組み合わせの具体例を示す部分構成図、第3図は位相可
変共振回路に高周波電流を流した時の電圧振幅値及び位
相の特性図、第4図は位相検出6にダブルバランスミキ
サーを使用した時の位相差に対する出力電圧の特性図で
ある。 図中、3はレーザー、5は測定対象物、10は受光部(
光電変換素子)、■1は共振回路、13 、18は位相
検出部、16は位相制御回路、14,15.19は周波
数変換部の構成部材であって、14 、19はバンドパ
スフィルター、15ハローパスフイルター、22゜23
 、24は位相差測定部の構成部材であって、22゜2
3はレベルコンパレーター、24は時間差測定回路であ
る。 第2図 Bias 第3図 第4図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 高周波変調された測定用レーザー光を測定対象物に照射
    し、測定対象物の乱反射光を受光部で電気信号に変換す
    ると共に、該受光部に位相可変の共振回路を設け、前記
    測定用変調レーザー光と周波数の異なる別の高周波変調
    光或いは高周波電気信号を受光部に入力し、この入力信
    号に対する受光部の出力信号の位相差を位相検出部で検
    出すると共に、この位相差が一定になるように共振回路
    の位相を位相制御回路で制御し、測定用変調レーザー光
    信号及び対応する受光部出力信号を周波数変換部によっ
    て低い周波数に変換した後、位相差測定部で位相差を測
    定し、測定対象物の変位を測定することを特徴とする光
    学的変位測定方法。
JP58132824A 1983-07-22 1983-07-22 光学的変位測定方法 Granted JPS6025471A (ja)

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