JPH06174844A - レーザ測距装置 - Google Patents

レーザ測距装置

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JPH06174844A
JPH06174844A JP4325807A JP32580792A JPH06174844A JP H06174844 A JPH06174844 A JP H06174844A JP 4325807 A JP4325807 A JP 4325807A JP 32580792 A JP32580792 A JP 32580792A JP H06174844 A JPH06174844 A JP H06174844A
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達也 森岡
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淳 下中
Mototaka Tanetani
元隆 種谷
Haruhisa Takiguchi
治久 瀧口
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 環境温度変化による測定誤差を防ぐことがで
き、光学部品の削減ができ、一体化・小型化でき、光学
調整が容易で、測定精度の高いレーザ測距装置を提供す
る。 【構成】 周波数が周期的に変調されているレーザ10
1からの出射光を光分割合成手段103によって参照光
1及び2、測定光3及び4とに分割する。そして、測定
光4を測定対象物108に照射して反射させ、参照光1
を反射体104によって反射させて、両者からビート信
号を得る。また、測定光3を反射体105(光学的距離
既知)によって反射させ、参照光2を反射体104によ
って反射させて、各光の光路差によりビート信号を得
る。各組の光は再度ビームスプリッター103を通って
合成され、光検出器106に入射される。基準光学系に
より周波数変調量の変化によって生じる誤差を防ぐ。光
学部品の共通使用により小型化および部品点数の削減が
可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はFA(ファクトリーオー
トメーション)などに用いられるレーザ測距装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来、レーザ測距方法として、周波数を
周期的に変調したレーザ光を測定光と参照光とに分割
し、各々の光を測定対象物と光学的距離が既知であるよ
うに置かれた反射体とに照射して、得られる反射光をコ
ヒーレントヘテロダイン検波して測定対象物までの距離
を測定する方法が知られている。上記のようなレーザ測
距方法においては、測定対象物に照射される測定光と上
記反射体に照射される参照光との光路差によって生じる
周波数差からビート信号が得られ、このビート信号から
測定対象物までの離隔距離を算出することができる。
【0003】上記のようなレーザ測距方法に用いられる
レーザ測距装置の基本的構成と原理とを図9に示す。こ
のレーザ測距装置においては、レーザ光の周波数を周期
的に三角波状または鋸波状にFM変調させて出射させる
レーザ901が設けられている。このように周波数を変
調させる方法としては、例えば、半導体レーザへの電流
注入量を変化させることにより、生じる発振波長を変化
させる方法などが用いられる。このレーザ901から出
射される、周波数が周期的に変調されたレーザ光は、コ
リメータレンズ902を通して平行光とされ、ビームス
プリッタ903を介して分割される。一方は参照光とし
て光学的距離が既知であるように置かれた反射体904
によって反射され、他方は測定光として測定対象物90
7に照射されて反射または散乱される。各々の光は、再
びビームスプリッター903により合成されて光検出器
905上に入射されて、コヒーレントヘテロダイン検波
される。この時、光検出器905には干渉縞が生じ、測
定光と参照光との光路差による周波数差に応じて干渉縞
は時間変動する。そして、光検出器905の出力として
ビート信号が出力される。このビート信号はカウンター
906により計測される。
【0004】上記ビート信号の周波数は下記式(1)で
与えられる。
【0005】
【数1】
【0006】ここで、fbはビート信号周波数、τは測
定光と参照光との時間遅れ、fmは変調周波数、Δν
(GHz/mA)はレーザの周波数変調量、Rは参照光
の光路長、Lは測定対象物までの離隔距離、cは光速で
ある。
【0007】また、レーザの周波数掃引の時間間隔T
(=1/fm)中に生じるビート信号の位相変位(積分
値)は下記式(2)で与えられる。
【0008】
【数2】
【0009】ここで、ビート信号の波数N=(φ/2
π)とおくことができるので、下記式(3)が得られ
る。
【0010】
【数3】
【0011】よって、ビート信号の波数および波数の位
相変化量を測定することにより、測距情報が得られる。
【0012】上記のレーザ測距方法においては、測定の
ダイナミックレンジが広く、測定精度が高いという利点
がある。
【0013】上記のレーザ測距方法において、図9に示
すようなレーザ測距装置を用いた場合には、測距精度を
高めるためにレーザの周波数変調量Δνが一定となるよ
うに高精度に制御する必要がある。しかし、実際には、
レーザの周波数変調量Δνは周囲の温度変化などにより
変化するため、測定誤差の原因となっていた。
【0014】この周波数変調量による測定誤差を防ぐた
めに、特開昭61−223577号公報(レーザ光線を
利用した測距方法 小林喬郎)および電子情報通信学会
技術研究報告会(OQE87−153, 半導体レーザ
によるFMヘテロダイン測長器 小林喬郎他)におい
て、図10に示すようなレーザ測距装置が提案されてい
る。
【0015】このレーザ測距装置において、レーザ10
01から出射されるレーザ光は、コリメータレンズ10
02を通して平行光にされ、ビームスプリッタ1003
を介して分割される。一方は基準光として安定な基準と
なる光路差を有する基準光学系に入射される。この基準
光学系には、入射光を参照光と測定光とに分割するビー
ムスプリッター1007が設けられており、各々の光は
光学距離が既知であるように置かれた反射体1008、
1009で反射される。そして、各々の光は、再びビー
ムスプリッター1007で合成され光検出器1010上
に入射されて、ビート信号が得られる。ビームスプリッ
ター1003で分割された他方の光は、測距光学系に入
射される。測距光学系も基準光学系と同様の構成となっ
ている。入射光はビームスプリッター1004によって
分割され、参照光は光学距離が既知であるように置かれ
た反射体1005に反射され、測定光は測定対象物10
06によって反射または散乱される。そして、各々の光
は再びビームスプリッター1004によって合成され、
光検出器1011上に入射されて、ビート信号が得られ
る。各々の光検出器1010、1011から得られるビ
ート信号はアンプ1012で増幅され、カウンター10
13で計測されて、コンピューター1014により測定
対象物までの距離が計算される。
【0016】上記のようなレーザ測距装置を用いたレー
ザ測距方法においては、測定対象物までの距離Lは、下
記式(4)で与えられる。
【0017】
【数4】
【0018】ここで、Nsは測距光学系で得られたビー
ト信号の波数、Nrは基準光学系で得られたビート信号
の波数、Rrは基準光学系の参照光の光路長、Lrは基
準光学系の測定光の光路長である。
【0019】上記式(4)から理解されるように、上記
のような基準光学系を設けたレーザ測距装置において
は、測定対象物までの距離Lの計算値はレーザの周波数
変調量Δνにより影響されることはない。よって、周波
数変調量による誤差が生じない測定精度の高いレーザ測
距装置が得られる。
【0020】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
レーザ測距装置においては、測距光学系に加えて基準光
学系を設けているために、従来のレーザ測距装置に比べ
て装置の大きさが2倍になってしまい、小型化が困難で
ある。また、ビームスプリッター、反射体などの部品点
数が増えるためにコストアップし、また光学部品におけ
る光学調整の必要も増大して調整が困難になるという問
題点が生じていた。
【0021】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであり、その目的は、光学部品の削減ができ、
一体化・小型化でき、光学調整が容易で、測定精度の高
いレーザ測距装置を提供することである。
【0022】
【課題を解決するための手段】本発明のレーザ測距装置
は、周波数を周期的に変調したレーザ光を出射する光源
と、該光源から出射されたレーザ光を基準光学系用測定
光および参照光と測距光学系用測定光および参照光とに
分割し、測距光学系用測定光を測定対象物に向けて出射
し、再び戻ってきた測距光学系用測定光と参照光とを合
成する光分割合成手段と、該光分割合成手段から出射さ
れた基準光学系用測定光の光路上に、該光分割合成手段
からの光学的距離を既知に設けた1または2以上の基準
光学系用反射体と、該光分割合成手段から出射された測
距光学系用参照光および基準光学系用参照光の光路上
に、外光分割合成手段からの光学的距離を既知に設けた
1または2以上の参照光用反射体と、該光分割手段によ
り合成された光を受光し、受光した光に基づいて該測定
対象物までの離隔距離を検出する検出器と、を有し、そ
のことにより上記目的が達成される。
【0023】前記基準光学系用反射体が、前記光分割合
成手段に対して光学的距離を各々異ならせ、かつ、間に
光学媒体を介して複数設けられ、各光学媒体がその熱膨
張率を異ならせたものからなっていてもよい。
【0024】前記基準光学系用反射体および参照光用反
射体の内の一部または全部が、前記光分割合成手段の外
表面に直接または間に光学媒体を介して貼着されていて
もよい。
【0025】
【作用】本発明のレーザ測距装置には、基準光学系用反
射体が基準光学系用測定光の光路上に設けられている。
基準光学系が設けられているので、周波数変調量の変化
によって生じる誤差を防ぐことができる。そして、基準
光学系と測距光学系とにおいて光学部品を共有し、また
は、同一光学部品の各部分を使用している。このため、
装置の小型化および部品点数の削減が可能となる。ま
た、光分割合成手段に各反射体を一体化させることもで
き、光学部品の調整が容易となる。さらに、複数の基準
光学系用反射体を設けて、各々の基準光学系用反射体か
ら光分割合成手段までの光学的距離および光学媒体の熱
膨張量を異なるものとすることができる。よって、各光
学部品の熱膨張量を補正して、さらに測定精度の高いレ
ーザ測距装置とすることができる。
【0026】
【実施例】以下に、本発明の実施例について図面を参照
しながら説明する。
【0027】(実施例1)図1(a)に、本発明のレー
ザ測距装置の一実施例を示す。
【0028】このレーザ測距装置は、レーザ101の注
入電流を三角波状または鋸波状に駆動することにより、
レーザ光の周波数を三角波状または鋸波状に変調させて
いる。このレーザ光をコリメータレンズ102を通して
平行光とし、マイケルソン干渉系の光学系に導く。そし
て、このレーザ光はビームスプリッタ103により測距
光学系用測定光および参照光と、基準光学系用測定光お
よび参照光とに分割される。
【0029】測距光学系用測定光(光線4)は、測定対
象物108に照射されて反射または散乱され、測距光学
系用参照光(光線1)は、光学的距離が既知であるよう
に置かれた反射体104に反射されて、各光は再度ビー
ムスプリッター103を通って合成され、光検出器10
6上に入射される。
【0030】基準光学系用測定光(光線3)は、光学的
距離が既知であるように置かれた反射体105に反射さ
れ、基準光学系用参照光(光線2)は、光学的距離が既
知であるように置かれた反射体104に反射されて、各
光は再度ビームスプリッター103を通って合成され、
光検出器106によって受光される。
【0031】光検出器106では、光線4と光線1との
光路差から周波数差が生じて図1(b)に示すようなビ
ート信号(f2)が検出され、光線2と光線3との光路
差から周波数差が生じてビート信号(f1)が検出され
る。この2つのビート信号から、上記式(4)を用いて
測定対象物までの離隔距離を算出する。
【0032】この実施例においては、基準光学系と測距
光学系とが設けられているので、周波数変調量の変化に
よって生じる誤差を防ぐことができる。また、基準光学
系用反射体と測距光学系用反射体として反射体104を
共有し、光分割合成手段としてビームスプリッター10
3の各部分を使用しているので、小型化および部品点数
の削減が可能である。
【0033】(実施例2)図2に、本発明のレーザ測距
装置の他の実施例を示す。
【0034】このレーザ測距装置には、ビームスプリッ
ター203の端面に測距光学系用参照光(光線1)およ
び基準光学系用参照光(光線2)を反射させる反射体と
なる反射鏡204が設けられている。また、ビームスプ
リッター203の他の端面には、基準光学系用測定光
(光線3)を反射させる反射鏡205を備えた光学媒体
206が張り合わせられ、または一体化されている。そ
の他の構成は実施例1と同様なものとすることができ
る。
【0035】本実施例においては、光分割合成手段であ
るビームスプリッターに各反射体を一体化させているの
で、光学部品の調整が容易である。
【0036】上記反射体としては、反射鏡204、20
5に限られず、コーナキューブ鏡や三角プリズムなどを
用いてもよい。その場合には、反射鏡に要求される微妙
な角度調整が不要であるため、さらに光学部品の調整が
容易となる。
【0037】(実施例3)図3に、本発明のレーザ測距
装置の他の実施例を示す。
【0038】このレーザ測距装置においては、ビームス
プリッター303の端面に測距光学系用参照光(光線
1)および基準光学系用参照光(光線2)を反射させる
反射体304、304を備えた光学媒体306が張り合
わせられ、または一体化されている。反射体304、3
04は、基準光学系および測距光学系に光路差が生じる
ように、位置を異ならせて設けられている。また、ビー
ムスプリッター303の他の端面には、基準光学系用測
定光(光線3)を反射させる反射体305が設けられて
いる。その他の構成は実施例1と同様なものとすること
ができる。
【0039】本実施例においては、実施例2と同様に、
光分割合成手段であるビームスプリッターに各反射体を
一体化させているので、光学部品の調整が容易となる。
【0040】(実施例4)図4に、本発明のレーザ測距
装置の他の実施例を示す。
【0041】このレーザ測距装置においては、光分割合
成手段として三角プリズム403が設けられている。こ
の三角プリズム403には、斜面に入射光を任意の分割
比で分割するような単層膜または多層膜407が形成さ
れている。そして、三角プリズム403の端面に測距光
学系用参照光(光線1)および基準光学系用参照光(光
線2)を反射させる反射体404が設けられている。ま
た、三角プリズム403の斜面には、基準光学系用測定
光を反射させる反射体405を備えた光学媒体406が
張り合わせられ、または一体化されている。その他の構
成は実施例1と同様なものとすることができる。
【0042】本実施例においては、光分割合成手段とし
て三角プリズムを用いているので、立方体のビームスプ
リッターを用いた時に生じるような、ビームスプリッタ
ーの平行な2組の端面による内部多重反射が生じない。
よって、多重ビート信号による測定誤差が生じず、さら
に測定精度を高めることができる。
【0043】(実施例5)図5に、本発明のレーザ測距
装置の他の実施例を示す。
【0044】このレーザ測距装置においては、光分割合
成手段として偏光ビームスプリッター503が設けられ
ている。この偏光ビームスプリッター503には、端面
にλ/4偏光板504、505が設けられている。そし
て、偏光ビームスプリッター503によって適切な分割
比で分割されるようにレーザ光の偏光面が調節されて、
偏光ビームスプリッター503に入射される。
【0045】偏光ビームスプリッター503によって反
射された測距光学系用参照光(光線1)および基準光学
系用参照光(光線2)はP波に偏光されている。P波に
偏光された各光はλ/4偏光板504を透過して円偏光
となり、反射体506によって反射される。反射された
各光はλ/4偏光板504を再び透過してS波に偏光さ
れ、ビームスプリッター503を透過する。
【0046】偏光ビームスプリッター503を透過した
測距光学系用測定光(光線4)および基準光学系用測定
光(光線3)はS波に偏光されており、λ/4偏光板5
05を透過して円偏光となる。光線4は測定対象物51
2によって反射され、光線3は反射体507によって反
射される。反射された各光はλ/4偏光板505を再び
透過してP波に偏光され、ビームスプリッター503に
よって反射される。
【0047】各々の光をλ/4偏光板509によって円
偏光とし、光検出器510によって受光される。光検出
器510では、光線4と光線1との光路差から周波数差
が生じてビート信号が検出され、光線2と光線3との光
路差から周波数差が生じてビート信号が検出される。こ
の2つのビート信号から、上記式(4)を用いて測定対
象物までの離隔距離を算出する。
【0048】この実施例においては、光分割合成手段と
して偏光ビームスプリッターを用いているので、無偏光
ビームスプリッターを用いた時のように、測定光の反射
光がビームスプリッターにより90度反射される時に透
過光として損失されることがない。また、参照光の反射
光がビームスプリッターを透過する時に90度反射光と
して損失されることがない。このため、レーザ光の強度
の有効利用を図ることができる。
【0049】(実施例6)図6(a)に、本発明のレー
ザ測距装置の他の実施例を示す。
【0050】このレーザ測距装置においては、ビームス
プリッター603の端面に測距光学系用参照光(光線
1)および基準光学系用参照光(光線2)を反射させる
反射体となる反射鏡604が設けられている。また、ビ
ームスプリッター603の他の端面には、基準光学系用
測定光(光線3)を反射させる反射鏡605を備えた光
学媒体606が張り合わせられ、または一体化されてい
る。その他の構成は実施例1と同様なものとすることが
できる。
【0051】半導体レーザの遠視野像は、通常、楕円の
光強度分布を有しており、N.A(Numerical Aperture
開口数)の大きいコリメーターレンズを用いて平行光
にすると、図6(b)に示すような光強度分布となる。
通常は、この楕円上の光強度の強い部分をプリズムレン
ズなどによりビーム整形して、一様な光強度の平行光を
得ている。この実施例においては、図6(b)に示す光
強度の弱い部分を基準光学系用に使用できるように、図
6(c)に示すような反射体605を設けている。この
ことにより、光の有効利用が図れ、プリズムレンズなど
の部品点数の削減が可能となる。この方法においては基
準光学系用として光強度の弱い部分を用いているので、
光強度が弱いという問題点が考えられる。しかし、この
実施例においては、光学媒体606までの光学的距離を
短くし、さらに、反射体605として全反射体を用いて
散乱による損失を防いでいる。このため、ビート信号を
得るのに充分な光量を得ることができる。
【0052】(実施例7)図7(a)に、本発明のレー
ザ測距装置の他の実施例を示す。
【0053】このレーザ測距装置においては、ビームス
プリッター703の端面に測距光学系用参照光(光線
2)および2つの基準光学系用参照光(光線1および光
線3)を反射させる反射体となる反射鏡704が設けら
れている。また、ビームスプリッター703の他の端面
には、1つの基準光学系用測定光(光線4)を反射させ
る反射鏡705aを備えた光学媒体706と、他の基準
光学系用測定光(光線6)を反射させる反射鏡705b
を備えた光学媒体707とが張り合わせられ、または一
体化されている。光学媒体706と707とは、それぞ
れ、熱膨張率が異なるものを用いている。また、反射鏡
705a、705bまでの光学的距離は異なるようにさ
れている。その他の構成は、実施例1と同様なものとす
ることができる。
【0054】光検出器708では、光線5と光線2との
光路差から周波数差が生じて図7(b)に示すようなビ
ート信号(f3)が検出され、光線3と光線4との光路
差から周波数差が生じてビート信号(f1)が検出さ
れ、光線1と光線6との周波数差からビート信号(f
2)が検出される。この2つのビート信号の周波数の比
f1/f2は、2つの基準光学系の光学的距離によって
決まり、レーザの周波数変調量Δνには影響されない。
【0055】この実施例においては、光学媒体706、
707として熱膨張率の異なるものを用いている。よっ
て、レーザ測距装置の環境温度が変化して光学部品が熱
膨張した場合に、ビート信号周波数比f1/f2は、図
6(c)に示すように変化する。このビート信号周波数
比f1/f2から各光学媒体706、707の熱膨張量
を算出して、熱膨張量を補正することができる。このた
め、レーザ測距装置の環境温度に影響されることがな
く、さらに測定精度の高いレーザ測距装置とすることが
できる。
【0056】(実施例8)図8に、本発明のレーザ測距
装置の他の実施例を示す。
【0057】このレーザ測距装置においては、測距光学
系用測定光(光線4)および参照光(光線1)をコヒー
レントヘテロダイン検波する光検出器808およびカウ
ンター811と、基準光学系用測定光(光線3)および
参照光(光線2)をコヒーレントヘテロダイン検波する
光検出器809およびカウンター812とが別に設けら
れている。その他の構成は実施例4と同様なものとする
ことができる。
【0058】この実施例においては、2つの光検出器で
各々のビート信号を検出し、2つのカウンターで各々の
ビート信号の周波数を検出することができるので、高価
な周波数測定器を用いる必要がなく、装置の低価格化を
図ることができる。
【0059】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のレーザ測距装置においては、基準光学系が設けられて
いるので、レーザ測距装置の環境温度の変化などによる
周波数変調量Δνの変化量による誤差を防ぐことができ
る。基準光学系と測距光学系とにおいて反射体や光分割
合成手段などの光学部品を共有し、同一光学部品の各部
分を使用することにより、小型化および部品点数の削減
が可能となり、光学部品の調整も容易となる。また、従
来のレーザ測距装置では、基準光学系および測距光学系
に光を分割しているために光分割合成手段による光の損
失が大きかったが、その損失を防ぐこともできる。本発
明のレーザ測距装置においては、測距光学系用測定光と
基準光学系用測定光との比を任意のビーム面積で調整す
ることができるので、基準光学系に比べて測距光学系の
測定光出力を大きくして、測定可能な距離および測定精
度を向上させることができる。さらに、複数の基準光学
系を設け、各々の基準光学系における光学的距離および
光学媒体の熱膨張量を異なるものとすることにより、各
光学部品の熱膨張量を補正することができ、さらに測定
精度の高いレーザ測距装置が得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のレーザ測距装置の一実施例を示す図で
ある。
【図2】本発明のレーザ測距装置の他の実施例を示す図
である。
【図3】本発明のレーザ測距装置の他の実施例を示す図
である。
【図4】本発明のレーザ測距装置の他の実施例を示す図
である。
【図5】本発明のレーザ測距装置の他の実施例を示す図
である。
【図6】本発明のレーザ測距装置の他の実施例を示す図
である。
【図7】本発明のレーザ測距装置の他の実施例を示す図
である。
【図8】本発明のレーザ測距装置の他の実施例を示す図
である。
【図9】レーザ測距装置の基本構成を示す図である。
【図10】従来のレーザ測距装置を示す図である。
【符号の説明】
101、201、301、401、501、601、7
01、801 レーザ 102、202、302、402、502、602、7
02、802 コリメーターレンズ 103、203、303、403、503、603、7
03、803 光学分割合成手段 104、105、204、205、304、305、4
04、405、506、507、604、605、70
4、705、804、805 反射体 106、207、307、408、510、607、7
08、808、809光検出器 107、208、308、409、511、608、7
09、811、812カウンター 108、209、309、410、512、609、7
10、810 測定対象物 206、306、406、508、606、706、7
07、806 光学媒体 407、807 多層膜(単層膜) 504、505、509 λ/4偏光板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 瀧口 治久 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 周波数を周期的に変調したレーザ光を出
    射する光源と、 該光源から出射されたレーザ光を基準光学系用測定光お
    よび参照光と測距光学系用測定光および参照光とに分割
    し、測距光学系用測定光を測定対象物に向けて出射し、
    再び戻ってきた測距光学系用測定光と参照光とを合成す
    る光分割合成手段と、 該光分割合成手段から出射された基準光学系用測定光の
    光路上に、該光分割合成手段からの光学的距離を既知に
    設けた、1または2以上の基準光学系用反射体と、 該光分割合成手段から出射された測距光学系用参照光お
    よび基準光学系用参照光の光路上に、外光分割合成手段
    からの光学的距離を既知に設けた1または2以上の参照
    光用反射体と、 該光分割手段により合成された光を受光し、受光した光
    に基づいて該測定対象物までの離隔距離を検出する検出
    器と、 を有するレーザ測距装置。
  2. 【請求項2】 前記基準光学系用反射体が前記光分割合
    成手段に対して光学的距離を各々異ならせ、かつ、間に
    光学媒体を介して複数設けられ、各光学媒体がその熱膨
    張率を異ならせたものからなる請求項1に記載のレーザ
    測距装置。
  3. 【請求項3】 前記基準光学系用反射体および参照光用
    反射体の内の一部または全部が、前記光分割合成手段の
    外表面に直接または間に光学媒体を介して貼着されてい
    る請求項1に記載のレーザ測距装置。
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