JP2000505901A - 距離測定器械の校正のための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、距離測定器械の校正のための装置に関する。発信機（１）が高周波数変調された光学的な放射を放出し、当該放射が測定対象物によって反射されて測定受信機（２）によって受信される。前記発信機放射の一部が常に基準放射として取り出され、校正経路を経て基準用受信機（３）へ案内される。当該基準用受信機の電気的な信号が周波数ミキサー（４）に伝達される。周波数ミキサー（４）と、測定放射の測定受信機（２）として用いられるアバランシェフォトダイオードとは、ミキサー周波数で作用される電気的な接続線（５）を介して互いに直接接続されている。それによって、アバランシェフォトダイオードの温度依存性の位相シフトを完全に補整する光電子工学的な校正が可能にされる。それに加えて基準信号及び受信信号における発信機（１）の温度ドリフトによって発生させられる位相シフトも相互に相殺されるので、全体で、特に短い測定時間での及び器械のスイッチオン直後での高められた距離測定精度が生じる。さらに、連続しての機械的な校正に比べて半分にされた測定時間が生じ、それに加えて機械的な切替装置の省略による重量に関する利点、コストに関する利点及び信頼性に関する利点が生じる。

Description

【発明の詳細な説明】 距離測定器械の校正のための装置 本発明は、請求項１の上位概念部分に記載の構成を有する距離測定器械の校正 のための装置に関する。 上述の種類の距離測定器械は、ハンド式測定器械として取引されている。それ らの距離測定範囲は数十ｍであり、それらは主として構造測定において、例えば 空間の三次元の測定のために使用される。発信機が強度変調された放射を放出す る。たいてい、可視領域の波長が利用される。そのことは、測定点を目ざすこと を容易にする。前記放射は、測定対象物によって反射され、ないしは散乱され、 受信機によって受け取られる。送信機に比べての変調された放射の位相ポジショ ンに基づいて、測定対象物までの距離が判明する。 これらの距離測定器械の測定精度が環境の及ぼす影響及び器械により生み出さ れる影響によって大きく左右されることが知られている。例えば、変化する周囲 温度、照明された測定対象物の反射の大きなダイナミックレンジ(Dynamikbereic h)、しかし特に電子機器の部品により生み出される温度ドリフトが、距離測定に 影響を及ぼす。これらの影響を減少させるために、器械内部の既知の長さの基準 区間が校正（キャリブレーション）のために利用される。 DE 22 29 339 B2により、電気光学的な距離測定器が知られている。この距離 測定器では、放出されるビームが粗測定及び精密測定のために切り替え可能に二 つの異なる測定周波数で変調される。受信機では、 粗測定周波数がミキシングなしに直接に中間周波数増幅器（ＺＦ）に供給される 。それに加えて、当該受信機では補助振動子が使用される。当該補助振動子の周 波数は、前記の両方の測定周波数の差に相当するように選択されている。それに よって、粗測定周波数と、精密測定の際に周波数ミキシングにより生じる低周波 数とが等しい。それによって、そうでなければ通例の第二の補助振動子が削減さ れる。そのことは、費用のかさむ部品の削減に通じる。距離測定の実行の際には 、機械的な切替シャッター(Umschaltblende)を使って測定光線が交代で測定区間 及び校正区間を経て導かれる。 DE 37 10 041 C2では、光回路のためのファイバー束を使っての非接触の光電 子工学的な距離測定のための装置が開示されている。その際、一つのファイバー 束の端部における光が、基準光としてリファレンスミラーにあたる。一方、第二 のファイバー束の光が測定光としてレンズを介して反射器へ向けられている。反 射した測定光及び基準光の評価は、一つの共同の補助振動子と結びつけられてい るミキシング段階を経て行われる。当該ミキシング段階は、位相測定装置の入力 部へ中間周波数信号を供給する。 DE 4 316 348 A1には、距離測定のための装置が記載されている。この装置で は、切り替え可能な光線偏向装置を使って、内部の基準区間が発生させられる。 その際、光線偏向装置は、軸のまわりで原動機により測定光線路の方へ向きを変 えられ、そこで当該光線偏向装置が測定光を今校正のための基準光として受信装 置へ導く。それによって、光線偏向装置の機械的な切り替えにより、基準光及び 測定光が交代して受信装置に到達する。この切り替えは、距離測定過程中何度も 行わ れ得る。 測定放射及び基準放射が時間的に相前後して検出される測定時間の間じゅう、 電子部品のドリフト状態は変化する。すべての電子部品及び配線が光学的な距離 測定器械の信号路において信号遅延をもたらす。これらは静的な性質であるだけ でなく、それらは時間的に、特に電子部品の温度に基づいて変化もする。周囲の 温度変化と並んで、主として電子機器の自己加熱、ここではとりわけ発信機電子 機器の自己加熱が信号のドリフトに責任がある。位相測定器は、この信号遅延を 、本来決定されるべき距離に依存した位相シフトに付加的につけ加わる位相シフ トとして記録する。 この効果は距離測定器械のスイッチを入れた直後にとりわけはっきり現される 。なぜならば、この状態では、電子部品の自己加熱による温度変化が最大だから である。それによって、とりわけ大きな信号遅延の状態になる。当該信号遅延は 、信号の位相シフトをもたらし、それによって距離測定における誤差をもたらす 。しかしまさにバッテリー作動のハンド式測定器械については、器械のスイッチ を入れた直後に個々に定められている精度で測定される必要があるという要請が ある。測定中の測定放射と基準放射との間の何度もの機械的な切り替えによって 、電子機器の熱的なドリフトが部分的に補償される。その際、当該器械のスイッ チオン直後の短い測定時間での高い測定精度は、もちろん達成されない。 それに加えて、多数の器械が、距離測定の終わりに短い待機時間の後に少なく とも発信機の高周波数電子機器が自動的にスイッチを切られるように工夫されて いる。なぜならば、これがとりわけ多くの電気 的なエネルギーを消費するからである。自動的なスイッチオフによって、ハンド 式測定器械の蓄電池がおしんで使われる。次いで、新たな測定要求の際に、器械 が自動的に再びスイッチオンする。その際、それと結びついた熱的なドリフト問 題が上述のように繰り返し起こる。 測定が不精確であることに対する別の理由は、測定受信機として通常使用され るアバランシェフォトダイオードにもある。これは、確かに大きな増幅の利点を もっているが、しかし、そのために当該ダイオードの温度に依存する高い作動電 圧が甘受されねばならない。しかしながら、当該作動電圧は、ダイオード温度に 依存して調整し直しされねばならないので、強制的に受信信号の位相ポジション も、それによって距離の測定値も変化する。 最後に、測定過程中の機械的な何回もの切り替えの際には高い機械的な負荷が 生じ、それによって、動かされる部品の高い損耗が生じる。相応に複雑な構造は 、他方ではまた高い製造コストを意味し、たいていの場合に大きな重量及び体積 を意味する。 本発明の課題は、光電子工学的な距離測定での校正のための装置であって、そ の装置によって短い測定時間で及び特に当該器械のスイッチを入れた直後に高い 距離測定精度が達成され、当該器械の信頼性が高められ、且つその装置によって 低い製造コストでの簡単でコンパクトな構造が可能にされる、校正のための装置 を提供することである。 この課題は、本発明により、請求項１の特徴部分に記載された構成により解決 される。本発明の有利な形態及び別の構成が、従属する請求項に記載されている 。 本発明により、距離測定器械の発信機光路から、持続的に、高周波 数変調された発信機放射の一部が取り出され、校正区間として用いられる内部の 基準区間を経て基準用受信機、例えばＰＩＮダイオードに供給される。これは、 周波数ミキサーと接続されている。他方またこの周波数ミキサーは、測定放射の 測定受信機として使用されるアバランシェフォトダイオードと直接接続されてい る。この接続において、ミキサー周波数と呼ばれるべき高周波数の電気的な信号 が取り入れられる。それによって、このミキサー周波数は、一方では周波数ミキ サーによって、基準用受信機により受信された基準放射の高周波数の変調信号と 混合され、それによって、低周波数の校正信号が発生する。他方では、ミキサー 周波数が、アバランシェフォトダイオードによって受信される測定放射の高周波 数の変調信号と混合され、それによって低周波数の測定信号が発生する。その際 、アバランシェフォトダイオードは、いわゆるダイレクトミキサー(Direktmisch er)である。低周波数の校正信号及び低周波数の測定信号は、位相測定に供給さ れる。その際、二つの独立した位相測定器が同時の位相測定のために使用される とよい。しかし、位相測定は、一つだけの位相測定器によっても順次の測定によ り可能である。 基準用受信機に付設された周波数ミキサーとアバランシェフォトダイオードと の間の電気的な接続によって、アバランシェフォトダイオードの変化する作動電 圧に基づいて生じる信号遅延が、低周波数の校正信号及び測定信号に同様に影響 をもたらすことが重要である。それによって、低周波数の校正信号及び測定信号 で厳密に同一の位相シフトが引き起こされ、その理由で測定位相と校正位相との 引き算による位相測定の際にはもはや現れない。 詳細には、アバランシェフォトダイオードは、他のフォトダイオードに比べて ほぼ１００倍高い増幅を有し、従って相応に高い敏感さを有する。それらは、そ のために作動中にはるかに高い且つ温度に依存した作動電圧を必要とする。その 理由で、アバランシェフォトダイオードは、温度に依存した可変のバイアスで作 動させられねばならない。このことは、結果として、変化するバイアスとともに アバランシェフォトダイオードの容量が変わることを伴う。それによって、望ま しくない位相シフトが引き起こされる。しかしながら、この位相シフトは、アバ ランシェフォトダイオードによって供給される低周波数の測定信号についても、 低周波数の校正信号についても、周波数ミキサーとアバランシェフォトダイオー ドとの間の電気的な接続のゆえに等しい大きさである。それによって、位相測定 から算定される距離値に関して誤差の原因としてのアバランシェフォトダイオー ドの温度に依存して変わるバイアスが除去される。 全く同様に、発信機の温度ドリフト、特に発信機ダイオード及び付属するドラ イバー電子機器の温度ドリフトも、当該器械のスイッチオンの後短時間で本発明 に係る校正過程によって補償される。恒常的に発信機放射の一部が基準用受信機 に供給されることによって、測定放射及び基準放射の検出が同時に行なわれる。 この供給は、例えば、発信機光路からの部分透過性のミラーを用いての基準放射 の取り出しによって行われ得る。取り出された放射は、基準区間を経て基準用検 出器へ達する。その際、測定対象物へ導く測定放射の十分な強度も常に保証され 得る。なぜならば、発信機としての今日のパワーの強い半導体レーザーを使って その放射放出の強さが相応に調節され得るからで ある。 基準放射及び測定放射が時間的に相前後せずに同時に受信されて、その相互の 位相ポジションが測定されることによって、発信機のドリフトが位相の差を取る 際に校正されてなくなる。 全部で、この光電子工学的な校正によって、距離測定の精度が高められる。つ まり、短い測定時間だけが許されている、また、当該器械のスイッチオンの後す ぐに高められた測定精度が達成されるという要求のもとで距離測定の精度が高め られる。それに加えて、従来の連続しての測定法に比べて、測定時間がほぼ半分 に短縮される。なぜならば、切り替え過程がなくなるからである。器械信頼性も 本発明によって改善される。なぜならば、機械的に可動な部品が必須でないから である。さらに、機械的な切替装置の省略がより小さい重量及び体積によってハ ンド式測定器械に有利な影響をもたらす。全く同様に、それと結びついた低い製 造コストも有利である。最後に、短い測定時間で、前もって与えられた蓄電池充 電での明らかにより多数の測定が可能である。 以下に、本発明の実施例を図面をもとにして詳細に説明する。 図１は、本発明の対象の図式的な図示を示し、 図２ａは、従来の「位相ロックループ(“Phase Locked Loop")」（ＰＬＬ）回路 を示し、 図２ｂは、ＰＬＬ回路と本発明の対象との統合を示し、 図３は、本発明の対象と従来の機械的な切り替えとの組み合わせを示す。 図１には、図式的に、本発明に係る距離測定器械が示されている。 発信機１から放出されて平行化光学系（平行化レンズ部分）１０によって平行に された光学的な放射は、ビームスプリッター１１によって測定光線束と基準光線 束とに分割される。測定放射は、距離を算定される必要がある測定対象物に達す る。測定対象物により反射された、あるいは散乱された放射は、通常のように受 信光学系（受信レンズ部分）１５を経て測定受信機２へ導かれる。 基準放射は、ビームスプリッター１１偏向ミラー１２、及び光学系（レンズ部 分）１３を経て通じる基準経路１４の通過の後に、基準用受信機３によって受信 される。基準経路１４は、当該距離測定器械の光学的な校正区間である。もちろ ん、基準経路１４は、当該器械における場所関係に応じて別の状態にも構成され 得る、例えば基準用受信機３がビームスプリッター１１に直接後続配置され得る 。基準用受信機３としては、好ましくはＰＩＮダイオードが使用される。基準用 受信機３の電気的な信号は、周波数ミキサー４に転送される。ＰＩＮダイオード の代わりに基準用受信機３としてアバランシェフォトダイオードが使用され、こ れがダイレクトミキサーとして作動させられるならば、それは同時に周波数ミキ サー４の代理をする。 発信機１には、高周波数の変調周波数が印加される。当該変調周波数によって 、放出された放射が強度変調される。ミキサー周波数としての類似の大きさの周 波数を、同時に、電気的な接続線５を介して測定受信機２と周波数ミキサー４と が供給される。その際、測定受信機２としては、ダイレクトミキサーとして作動 させられ且つ直列抵抗（Vorwiderstand）６を介して可変のバイアスＵ_vにあるア バランシェフォトダイオードが使用される。 測定受信機２によって受信される測定信号とミキサー周波数の信号との混合は 、低周波数の信号NF-MESSになる。信号の混合（あるいは数学的に見て乗法）の 際に同様に生じる高周波数の信号成分は、普通のフィルターによってフィルター にかけられる。同時に、ミキサー周波数の信号が、基準用受信機３によって受信 される基準信号とも周波数ミキサー４において混合され、低周波数の信号NF-CAL になる。NF-MESSとNF-CALとの相互の位相ポジションは、一つずつの位相測定器 を使って同時に測定される。これらの低周波数の信号の位相差がとられ、それか ら測定対象物への距離が判明する。 本発明により、測定受信機２とミキサー４とが、高周波数のミキサー周波数で 作用される接続線５を介して、電気的に互いにつながれている。このことは、バ イアスＵ_vの温度に依存した電圧トラッキングに基づいて発生することが避けら れない測定受信機２によって発生させられる望ましくない位相シフトが、同時に 且つ等しい大きさで信号NF-MESS及びNF-CALに影響を及ぼすという重大な利点を もつ。それによって、これらの両方の信号の差を取る際に、望ましくない位相シ フトが測定受信機２によって完全に相殺される。それによって、結局、図１にお ける回路配置による接続線５を使って距離測定のための非常に精確な校正が可能 にされる。 さらに、同時に、発信機１及びそのドライブ電子機器のドリフトも、基準放射 及び測定放射の同時の受信に基づいて、距離測定の進行のあいだに補償される。 それによって、基準放射と測定放射との位相差が発信機１のドリフトに依存しな い。当該位相差は、本質的にもはや距離情報だけを含んでいる。 この光電子光学的な校正によって、短い測定時間での且つ器械のスイッチオン の後短時間での当該器械の距離測定精度が機械的な切り替えを伴う校正に比べて 明らかに高まる。それに加えて、重量とコストが低下させられており、器械の信 頼性が高められており、一度だけの蓄電池充電によってより多数の測定が可能で ある。 発信機１については、図１では、前方へ向けられた放射放出を有するレーザー ダイオードが使用されている。それの代わりに、放射を同時に二つの正反対の方 向に放出する商業的に入手可能なレーザーダイオードが利用されてもよい。その 際、前方へ向けられた放射が測定放射として、後方へ向けられた放射が基準放射 として利用され得る。当該基準放射は、直接に基準用受信機３に向けられ得る。 それによって、この場合には、基準放射が測定光路から取り出される必要がなく 、ビームスプリッター１１が不必要であり、場合によっては偏向ミラー１２も不 必要である。 さらに、後方へ放出されるレーザー光線を受信できる受信ダイオードが付加的 に集積されているレーザーダイオードも入手可能である。この受信ダイオードは 、通常はレーザー光パワーの調節のために用いられる。しかし、それは、本発明 に係る目的に関して基準用受信機３であることも可能である。それによって、唯 一つの電子工学的なモジュールにおいて放射の産出と基準放射の検出とが実現さ れる。ただし、この場所をとらない且つコスト安な変形例では、集積された受信 ダイオードのパワー限界が考慮に入れられねばならない。 別の回路変形例は、周波数ミキサー４に関する。図２に図式的に示されている ように、通常、発信機１に必要とされる変調周波数と、測 定受信機２及び周波数ミキサー４に必要とされるミキサー周波数とは、「位相ロ ックループ」（ＰＬＬ）回路を使って発生させられる。これのために、不変に調 整されたクォーツ振動子とコントロール可能でその周波数について可変のクォー ツ振動子との高周波数の信号が、周波数ミキサー４ａに供給される。周波数ミキ サー４ａにおいて発生させられた低周波数の信号は、位相コンパレーターにおい て、低周波数のＮＦ基準位相と比較される。それに応じて、前記のコントロール 可能なクォーツ振動子の周波数がＮＦ基準位相に位相固定に調節される。 しかし、ＰＬＬ回路の周波数ミキサー４ａの機能は、同時に周波数ミキサー４ によって利用されてもよい。図２ｂには、周波数ミキサー４がＰＬＬ回路につい てどのように共同で利用され得るかが図示されている。そのような場合には、Ｐ ＬＬ回路が自動的に常に変調周波数の位相とミキサー周波数の位相との間の差が ＰＬＬ回路のＮＦ基準位相に関して一定値に調節される。この一定値が一度器械 製造の際の校正によって算定され、当該器械にて記憶されると、距離測定ごとに ただ一度の位相測定で十分である。その際、全部で、ただ一つの周波数ミキサー と位相測定器だけが当該器械において必要とされ、その結果、コスト上の利点が 生じる。 さらに、別の構成変形例について、追加のＬＥＤが使用され得る。当該ＬＥＤ を使って、それぞれの距離測定のはじめに測定受信機２が既知の光強度で照明さ れる。それによって、測定受信機２の動作点が調整され得る。すなわち、測定受 信機２として用いられるアバランシェフォトダイオードのバイアスＵ_vが適合さ せられる。そのために、バックグラウンド光レベルに依存しないために、当該距 離測定器械に すでに存在する本発明に係る手段によって追加のＬＥＤが低周波数変調され、変 調された光放出が測定受信機２によって測定され、それによってバイアスＵ_vが 調節される。この過程は、数ミリセカンド内で進行する。それによって、全体の 測定時間は、たいした影響を及ぼされない。有利には、それぞれの距離測定の際 のその動作点へのバイアスＵ_vのこの最初の調節が測定精度の改善への付加的な 寄与を与える。さらに、しかも、それぞれのアバランシェフォトダイオードの固 有の温度係数のふだんは原則的である決定が行われなくてよい。 最後に、本発明の対象は、従来技術により知られている距離測定器械と組み合 わされて結合されてもよい。図３は、図式的に、本発明に係る光電子工学的な校 正と光線切り替えを伴う従来の校正とのそのような組み合わせを示す。その際、 測定放射は、ビーム切替装置（光線切替装置）２０ａ、ｂを使ってビームスプリ ッター１２’及びミラー２１を経て直接に測定受信機２に達する。ビーム切替装 置２０ａ、ｂは、図３に示されるように、機械的に構成されていてよい。もちろ ん、例えばカー・セル(Kerrzelle)を使っての、電気光学的な構成でもよい。従 って、ビーム切替装置２０ａ、ｂを使って、交代で校正信号及び測定信号が測定 受信機２によって発生させられる。その際、両方の信号は接続５のすでに述べた 利点で利益を得る、そして同時に、基準用受信機３の光電子工学的な校正信号も 存在する。全部で、この二倍の校正によって測定精度がなおさらに高められ、そ れぞれ単独の校正方式を有する測定器械の測定精度を上まわる。ただしそのとき 、両方の校正方式の組み合わせ及び結合のために、再び長い測定時間と複雑な測 定器具が甘受されねばならない。

【手続補正書】 【提出日】１９９９年５月７日（１９９９．５．７） 【補正内容】 （１）明細書第１０頁第１行に記載の「光電子光学的」を「光電子工学的」と補 正します。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 による重量に関する利点、コストに関する利点及び信頼 性に関する利点が生じる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．高周波数変調された光学的な放射を放出して測定対象物を照明する発信機（ １）と、当該測定対象物によって反射された前記放射を検出する測定受信機（２ ）と、基準用受信機（３）とを有する距離測定器械の校正のための装置にして、 距離測定が位相測定原理に従って行われる、距離測定器械の校正のための装置に おいて、 ａ）内部の基準区間（１４）が校正区間として用いられ、前記発信機（１） から放出される前記放射の一部が常に当該基準区間を経て前記基準用受 信機（３）へ導かれ、その結果、前記基準用受信機（３）にて及び前記 測定受信機（２）にて検出された放射が同時に評価され得ること、 ｂ）電気的な接続線（５）が前記基準用受信機（３）の電気的な信号を受信 する周波数ミキサー（４）と測定受信機（２）として用いられるアバラ ンシェフォトダイオードとの間にあり、当該電気的な接続線（５）に高 周波数のミキサー周波数が供給され、その結果、当該高周波数のミキサ ー周波数が前記アバランシェフォトダイオードのバイアス（Ｕｖ）を重 ねられ、且つ同時に前記周波数ミキサー（４）に供給され、それによっ て前記周波数ミキサー（４）にて低周波数の校正信号（NF-CAL）が発生 し、且つ前記アバランシェフォトダイオードにて低周波数の測定信号（ NF-MESS）が発生し、それらの相互の位相ポジションが距離決定のため に算定されること を特徴とする装置。 ２．基準用受信機（３）としてＰＩＮフォトダイオードが使用されていることを 特徴とする、請求項１に記載の装置。 ３．前記基準用受信機（３）が発信機（１）に統合されていることを特徴とする 、請求項１に記載の装置。 ４．基準用受信機（３）として、ダイレクトミキサーとして作動させられるアバ ランシェフォトダイオードが使用されており、それによって前記周波数ミキサー （４）が代理されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。 ５．前記周波数ミキサー（４）が、同時に、前記発信機（１）の変調周波数の及 びミキサー周波数の産出のためのミキサーとしても設けられていることを特徴と する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。 ６．前記測定受信機（２）の動作点算定のために、独立した低周波数変調された ＬＥＤが設けられており、当該ＬＥＤがそれぞれの距離測定のはじめに前記測定 受信機（２）を既知の光強度で非常に短い時間の間照明することを特徴とする、 上記請求項のいずれか一項に記載の装置。 ７．前記発信機１の前記放射が前記測定対象物への代わりに前記測定受信機（２ ）へ直接達するように調節され得るビーム切替装置（２０ａ、ｂ）が設けられて いることを特徴とする、上記請求項のいずれか一項に記載の装置。