JPS6348025B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、測地や地殻変動の観測などの遠距離
の測距に好適なレーザ測距装置に関するものであ
る。

〔従来技術〕

従来から遠距離の測距には、パルスレーザ方式
によるレーザ測距装置が広く使用されている。

これは、人工衛星システム、月測距システム等
の例で知られているように、大出力のパルスレー
ザ光が目標まで往復する時間をタイムインターバ
ルカウンター等で測定し、その目標までの距離を
求めるものであるが、その精度は数cmが限度であ
る。

ところで、近年、地震予知などを目的とする測
地では、年間１cm程度の距離変位を数十Kmの区間
において検出しうることが必要とされている。

これに対して、従来のパルスレーザ方式のレー
ザ測距装置は、上述のごとく、地震変動観測など
の目的に対しては、その所要の測定精度の点から
充分に応じうるものではない。

その原因は、現在のレーザ技術によれば、パル
ス幅が数ps〜数十ps（長さに換算して数百μm〜数
mm）の強力なパルスレーザ光が得られているにも
かかわらず、レーザ測距装置の主要構成部分であ
る光電子増倍管、パルスアンプ、スレシホールド
回路、タイムインタバルカウンター系における応
答が上記パルスレーザ光を忠実に処理しうる程度
に高速化されておらず、また、これらの回路系で
の遅延、タイムジツター等による不確定要素が存
在するからである。すなわち、現状ではパルスレ
ーザ光のパルス幅として数百ps（長さに換算して
数cm）のものが最良のものとなつている。

なお、レーザ測距装置にはレーザ変調方式のも
のもあり、ジオジメータ、光波測距儀などの名称
で知られている。これは、その精度は相当に高い
のに反して比較的近距離（数十Km以下）の測距に
しか適用できず、上述のごとき地殻変動観測用に
は使用することができない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をな
くし、地殻変動観測など遠距離区間の直接的な測
距を所望の高精度で行いうるレーザ測距装置を提
供することにある。

〔発明の概要〕

本発明に係るレーザ測距装置の構成は、所定幅
のパルスレーザ光を発射するパルスレーザ発振器
と、レーザ光干渉を利用して往復反射、間隔を所
定精度で所定値に制御・保持するようにした空洞
共振系と、入射されるパルスレーザ光についての
時間差を検出するストリークチブカメラ系と、上
記パルスレーザ発振器から発射されたパルスレー
ザ光を受け、これを測距対象の標的および上記空
洞共振系に対して分岐・投射せしめるとともに、
それらからの上記パルスレーザ光の各反射光を上
記ストリークチユーブカメラ系に入射せしめるよ
うにする送受光学系とを少なくとも具備し、上記
標的から反射されてくるパルスレーザ光と上記空
洞共振系内で往復反射をして取り出されたパルス
レーザ光とを検出・識別し、それら両パルスレー
ザ光間の時間差に相当する距離と上記空洞共振器
内でのパルスレーザ光の往復距離とにより、上記
標的までの距離を算出・測定しうるようにしたも
のである。

これを要するに、測距に係る絶対距離の基準と
して上記空洞共振系を用い、これにストリークカ
メラ系を組み合せることにより、測定装置の歪、
ジツタを極小にするとともに、同遅延量を物理的
に確定せしめ、極めて短かいパルスレーザ光の特
徴を充分に活用し、遠距離測距の高精度化を可能
としたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図に基づいて説明す
る。

第１図は、本発明に係るレーザ測距装置の一実
施例の構成系統図、第２図は、空洞共振出力光パ
ルス列の波形図である。

ここで、１０１はパルスレーザ発振器、１０２
はパルスレーザ発振器１０１から出力（発射）し
たパルスレーザ光、１０２−１，１０２−２は分
岐したパルスレーザ光、１０２−３，１０２−４
は反射パルスレーザ光、１０３は送受光学系に係
る光学的ビームスプリツターである。

１０４は空洞共振系に係る空洞共振器形鏡装置
で以下の各部１０４−１〜１０４−５からなり、
１０４−１，１０４−２は平面反射鏡、１０４−
３は変位の修正ドライブ機構を有する鏡支持台、
１０４−４は固定の鏡支持台、１０４−５は光路
長を一定にするための真空チヤンバーである。１
０５は、同じく空洞共振系に係るレーザ干渉計で
あつて、１０５−１〜１０５−５はその光学系
で、１０５−１はコーナキユーブ鏡、１０５−２
は直角プリズム、１０５−３はビームスプリツタ
ー、１０５−４は平面鏡、１０５−５はレンズで
ある。また、１０６も、同じく空洞共振系に係
る、レーザ干渉計１０５の波長安定化用のレーザ
発振器、１０７は同光検知器、１０８は同位相検
知器、１０９は同増巾器である。なお、１１０は
空洞共振形鏡装置１０４に対するサーボドライバ
ーである。

１１１は送受光学系に係る集光レンズ、１１２
は同ビームスプリツター、１１３は同レンズ、１
１４は同光検知器、１１５は同利得制御増幅器、
１１６は同ゲート回路、１１７は同パルスカウン
ター、１１８，１１９は同反射鏡、１２０は同レ
ンズ、１２１は同検知器、１２２は同電動シヤツ
ター、１２３は同スリツト、１２４は同レンズで
ある。

１２５は、ストリークチユーブカメラ系に係る
ストリークチユーブ、１２５−１は、その光電
面、１２５−２は同偏向板、１２５−３は同チヤ
ンネル形光電子増倍プレート、１２５−４は同螢
光板、１２６は同掃引電圧発生回路、１２７は同
レンズ、１２８は同系に係る撮像カメラ、１２９
は同じくアナライザ、１３０は同じく表示器で、
１３１，１３２は、その信号映像を示す。

なお、１３３は測距対象の標的反射器である。

まず、パルスレーザ発振器１０１から出力した
パルスレーザ光１０２は、ビームスプリツター１
０３によつて１０２−１，１０２−２に分岐され
る。そのパルスレーザ光１０２−１は標的１３３
に向けて、同光１０２−２は空洞共振器形鏡装置
１０４の平面反射鏡１０４−１の面に垂直に入射
するように分岐される。

標的反射器１３３で反射されたパルスレーザ光
１０２−３は集光レンズ１１１に入射する。一
方、上記平面反射鏡１０４−１に入つた光は距離
Ｌを隔てて対峙する平面反射鏡１０４−２との間
を繰り返し往復反射する。平面反射鏡１０４−１
は一部の光が透過するようにしてあり、平面反射
鏡１０４−１，１０４−２間をパルスレーザ光が
往復するごとに、その一部を反射パルスレーザ光
１０２−４として外部へ射出する。結果として第
２図に示すような光パルス列が平面反射鏡１０４
−１から出力される。

平面反射鏡１０４−１，１０４−２間の間隔Ｌ
は、レーザ干渉計１０５および同付属回路１０６
〜１０９とサーボドライバー１１０とにより、一
定長に精密に制御保持される。同干渉計精度は、
主にレーザ発振器１０６の波長安定度によつて決
まるが、現在製品レベルで10^-8〜10^-9程度であ
る。このように、入射パルスレーザ光１０４−２
は、上記のように空洞共振形鏡装置１０４におい
てレーザ光干渉を受けた後、反射パルスレーザ光
１０２−４として出力される。

平面反射鏡１０４−１からの出力光１０２−４
は、ビームスプリツター１０３で反射して標的反
射器１３３からの反射光と同様にレンズ１１１に
入射する。

集光レンズ１１１に入射した光は、ビームスプ
リツター１１２で一部が分岐され、レンズ１１３
によつて検知器１１４に集光入射される。

平面反射鏡１０４−１からの出力光パルス列の
波高値は、第２図に示すように回折・反射および
往復ごとの射出損失によつて漸次に減小する。こ
の損失、減小の様子は、装置としてのパラメー
タ、すなわち平面反射鏡１０４−１，１０４−２
の反射率、鏡間隔（往復間隔）Ｌおよび入射パル
スレーザ光１０２−２の径と拡がり角などが与え
られれば理論的に計算することができる。最終的
には実験的に確認することも可能である。

入射パルスレーザ光１０２−２のパワーをP₀、
平面反射鏡１０４−１の入射パルスレーザ光に対
する反射率をR₁（透過率を１−R₁とする。）、平面
反射鏡１０４−２の反射率をR₂とすると、ｎ回
の反射後の出力P_oは、次式で与えられる。

P_o＝P₀（１−R₁）²R^n-1 ₁Rⁿ ₂ ………(1) 反射率R₂を100％とすれば P_o＝P₀（１−R₁）²R^n-1 ₁ ………(2) また、ｎ回目の出力を最大とする平面反射鏡１
０４−１の反射率の条件は、∂P_o／∂R₁＝０から、 R₁＝（ｎ−１）／（ｎ＋１） ………(3) であることが分る。

更に、回折損失については、例えば平面反射鏡
１０４−１を円形とし、その直径をD₁、入射レ
ーザビームの直径をｄ、その拡がり角をθ_tとする
と、ｎ回反射後に平面反射鏡１０４−１の大きさ
の範囲内にある光量の率αは次のように与えられ
る。

α＝D²／（ｄ＋2nLθ_t）² ………(4) ただし、ｄ＋2nLθ_t＞D²の場合とする。

拡がり角θ_tは、レーザビームの場合、回折のみ
の拡がり角に近い設定が可能であるので、 θ_t＝2.44λ／ｄ ………(5) で与えられる。ここでλはレーザビームの波長を
表わす。

以上、式(1)〜(5)などにより、平面反射鏡１０４
−１からの出力波高値の変化を予測しうる。

利得制御増巾器１１５は、上記のような波高値
変化に対応して利得が変化する増巾器で、出力電
気的パルスの波高値を一定にするためのものであ
る。

すなわち、検出器１１４で電気信号に変換され
たパルスレーザ光は、利得制御増巾器１１５、ゲ
ート回路１１６を経てパルスカウンター１１７に
入る。最初のパルスは平面反射鏡１０４−１から
の直接反射光であるが、これがカウンタースター
トをさせ、次のパルスからカウントをするように
論理が組まれている。カウンターストツプは反射
鏡１１８，１１９とレンズ１２０、検知器１２１
とによつて検知される標的反射器１３３からの反
射パルスレーザ光信号によつて行われる。すなわ
ち、このカウント数が往復反射回数ｎとなる。

検知器１２１からの出力信号は、またストリー
クチユーブ１２５の掃引電圧発生回路１２６のト
リガー信号としても使われる。掃引電圧の発生
は、標的１３３からの反射パルスレーザ光がスト
リークチユーブ１２５の光電面１２５−１に到達
するのに同期して行われる。この同期の最適化調
整は、反射鏡１１８，１１９の間隔またはケーブ
ル長などで遅延時間を変えることによつて可能で
ある。掃引の長さは、少なくとも標的反射器１３
３からの反射パルスレーザ光との平面反射鏡１０
４−１からの１つの出力光とが１回の掃引の中に
入るようになつている必要がある。更に高分解能
を得るためには、２つのパルスが接近しているこ
とが必要である。これは標的反射器１３３の位置
を変えることによつて可能である。

標的反射器１３３と平面反射鏡１０４−１とか
らの反射光は、スリツト１２３、レンズ１２４を
経てストリークチユーブ１２５の光電面１２５−
１に入射する。ストリークチユーブ１２５内で電
子ビーム流に変換された光パルスは、電圧掃引さ
れてチヤンネル形光電子増倍プレート１２５−３
に入射され、ここで増倍されて螢光面１２５−４
にイメージ化される。このイメージの位置は、掃
引時間と対応しており、高い時間分解能が得られ
ることは公知である。

このイメージは、レンズ１２７を通して撮像カ
メラ１２８で検知され、アナライザ１２９で処理
されて表示器１３０にデイスプレイされる。この
実施例では、標的反射器１３３からの反射光およ
び平面反射鏡１０４−１からの出力光のストリー
ク像をそのままデイスプレイする例を示してい
る。

ここで必要な情報は２つのパルスの到来時間差
である。いま、信号映像１３１で示されるイメー
ジのパルスを平面反射鏡１０４−１からのｎ番目
の出力パルス、信号映像１３２で示されるイメー
ジのパルスを標的反射器１３３からの反射パルス
とし、その時間差すなわち当該距離差がδ（表示
器１３０における表示）の場合、標的までの距離
ρは、システム内の固有の遅延を除けば次式で表
わすことができる。

ρ＝nL＋δ／２ ………(6) 空洞共振往復間隔Ｌは、レーザ干渉計１０５で
制御することにより、実用的にも10^-8程度の誤差
すなわち50Kmに対して0.5mmの誤差内となるよう
に一定化しうるものである。ストリークチユーブ
１２５の分解能は、一般製品で10ps（長さ換算で
３mm）程度のものがある。一方、パルスレーザ発
振器１０１においては、パルス幅が10ps程度の充
分な高出力パルスレーザ光を出力しうる状況にあ
る。

したがつて、これらにより、上記実施例の装置
構成で所望の遠距離について所望の精度での測距
が可能となる。

なお、上記実施例において、シヤツター１２２
をストリークチユーブ１２５の前に入れてあるの
は、平面反射鏡１０４−１からの直接の反射光お
よび初期の出力光が強力の場合、ストリークチユ
ーブ１２５の光電面１２１−１を保護するため、
それらを一時的に遮断するためのものである。

最後に、この装置の実現性について、更に具体
的に説明する。

上記実施例において、パルスレーザ発振器１０
１にNd−YAGレーザの第２高調波光（波長
0.53μm）を使用するものとし、この出力を
10mJ／パルスとする。これはパルス幅を10psと
するとパワーが1GWのレーザ光であり、このよ
うなレーザ光は現在のレーザ技術では充分に実現
が可能である。このレーザ光の１パルス当りの出
力光子（フオトン）の数は約2.7×10¹⁶個である。

上記実施例において、平面反射鏡１０４−１，
１０４−２の直径Ｄを20cm、間隔Ｌを10m、入射
レーザビームの径ｄを５cmとして、2nL＝100Km
（標的までの距離ρ＝50Kmを想定）、平面反射鏡１
０４−１の反射率R₁＝99.9％、平面反射鏡１０４
−２の反射率R₂＝100％とした場合について、式
(1)〜(5)により、ｎ＝5000回の反射後の損失による
各減衰率を計算すると、反射による減衰率P_o／
P₀は6.7×10^-9、回折による減衰率αは5.7×10^-3
になる。この両減衰率を掛け合わせると3.8×
10^-11になる。これは、レーザの出力の１割を平
面反射鏡１０４−１に分岐・入射するとしても、
その光子数は2.7×10¹⁵個であるので、平面反射
鏡１０４−１，１０４−２間をｎ回（たとえば
5000回）往復した後でも約10⁵個の光子を含むパ
ルスが得られることを示している。すなわち、実
施例の系で距離50Km程度の測距を成し得るシステ
ム構成が充分に可能であることを示すものであ
る。

〔発明の効果〕

以下、詳細に説明したように、本発明によれ
ば、測距装置としては相当大がかりなものとなる
が、特に長期的に同一箇所での継続観測を行なう
ような地殻変動観測などの遠距離区間の直接的な
測距を所望の高精度で行うことができ、その効果
は顕著である。パルスレーザ方式であるため、そ
の他の遠距離測距にも適しており、従来のジオジ
メータ、光波測距儀等で困難な数10Km以上の高精
度直接測距も、それらに代つて可能とせしめると
いう効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係るレーザ測距装置の一実
施例の構成系統図、第２図は、その空洞共振出力
光パルス列の波形図である。 １０１…パルスレーザ発振器、１０２…パルス
レーザ光、１０３…光学的ビームスプリツター、
１０４…空洞共振器形鏡装置、１０５…レーザ干
渉計、１０６…波長安定化用のレーザ発振器、１
０７…光検知器、１０８…位相検知器、１０９…
増幅器、１１０…サーボドライバ、１１１…集光
レンズ、１１２…ビームスプリツター、１１３…
レンズ、１１４…光検知器、１１５…利得制御増
巾器、１１６…ゲート回路、１１７…パルスカウ
ンター、１１８，１１９…反射鏡、１２０…レン
ズ、１２１…検知器、１２２…電動シヤツター、
１２３…スリツト、１２４…レンズ、１０５…ス
トリークチユーブ、１２６…掃引電圧発生回路、
１２７…レンズ、１２８…撮像カメラ、１２９…
アナライザ、１３０…表示器、１３１，１３２…
信号映像、１３３…標的反射器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 所定幅のパルスレーザ光を発射するパルスレ
   ーザ発振器と、レーザ光干渉を利用して往復反射
   間隔を所定精度で所定値に制御・保持するように
   した空洞共振系と、入射されるパルスレーザ光に
   ついての時間差を検出するストリークチユーブカ
   メラ系と、上記パルスレーザ発振器から発射され
   たパルスレーザ光を受け、これを測距対象の標的
   および上記空洞共振系に対して分岐・投射せしめ
   るとともに、それらからの上記パルスレーザ光の
   各反射光を上記ストリークチユーブカメラ系に入
   射せしめるようにする送受光学系とを少なくとも
   具備し、上記標的から反射されてくるパルスレー
   ザ光と上記空洞共振系で往復反射をして取り出さ
   れたパルスレーザとを検出・識別し、それらの両
   パルスレーザ光間の時間差に相当する距離と上記
   空洞共振器内でのパルスレーザ光の往復距離とに
   より、上記標的までの距離を算出・測定しうるよ
   うにしたレーザ測距装置。