JPH077060B2

JPH077060B2 - レーザ光線による測距方法

Info

Publication number: JPH077060B2
Application number: JP60064310A
Authority: JP
Inventors: 喬郎小林
Original assignee: Shibuya Corp
Current assignee: Shibuya Corp
Priority date: 1985-03-28
Filing date: 1985-03-28
Publication date: 1995-01-30
Anticipated expiration: 2010-01-30
Also published as: JPS61223576A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」本発明は、レーザ光線による測距方法に関する。

「従来の技術」従来、レーザ光線による測距方法は既に種々の方法が提
案されており、そのなかで、レーザ光線の一部をビーム
スプリッタを介して被計測物へ照射することによって得
た反射光と、上記レーザ光線の他の一部を上記ビームス
プリッタを介して該ビームスプリッタから所定距離だけ
離隔させた基準反射器に照射することによって得た反射
光とを重畳させるとともに、上記レーザ光線の周波数を
変調させて上記重畳した反射光にビート波を発生させ、
そのビート波を計測して上記被計測物までの距離を測定
するようにしたものが知られている。

ここでその測距方法の原理について説明すると、第２図
において、１は直流電源２から直流の駆動電流を受けて
単一モードのレーザ光線を発振し、かつその駆動電流の
大きさに対応して発振周波数を変調する半導体レーザ
で、この半導体レーザ１から発振されたレーザ光線は凸
レンズ３、ビームスプリッタ４および凹レンズや凸レン
ズからなるレンズ群５を透過して粗面を有する被計測物
６に照射される。この被計測物６で反射された反射光は
上記ビームスプリッタ４で反射された後、凸レンズ７を
透過してフォトダイオード等の受光素子８で受光され、
さらにその信号が測定装置９に導入される。

他方、上記半導体レーザ１から発振されたレーザ光線の
一部はビームスプリッタ４で反射されてここから予め所
定の距離L₁だけ離隔して設けたミラー又はプリズム等の
基準反射器10に照射され、この基準反射器10で反射され
た反射光は上記ビームスプリッタ４を透過して被計測物
６からの反射光に重畳され、上記凸レンズ７を透過して
受光素子８で受光される。

したがって、上記測定装置９に導入される２つの反射光
の信号は両者の光路差による時間遅れのため、具体的に
はビームスプリッタ４と基準反射器10との間の距離L
₁と、ビームスプリッタ４と被計測物６との間の距離L₂
との差の２倍の距離に対応した時間遅れのため、位相差
が生じている。

そしてこの状態で、上記直流電源２から半導体レーザ１
へ供給する駆動電流の大きさをモジュレータ11により制
御し、第３図に示すように、直線的な波形を有する変調
電流を半導体レーザ１に加えてその発振周波数を変調電
流と同様に直線的に変調させると、第４図に示すよう
に、レーザ光線の周波数も直線的に変化する。そしてレ
ーザ光線の周波数の変化に対応して上記位相差が変化
し、これによってビート波が発生するようになる。

上記測定装置９はそのビート波のビート周波数fbを測定
するもので、ビート周波数fbが測定できれば上記被計測
物６までの距離を演算計測することができる。

すなわち、上記重畳された反射光の時間差をτ、上記距
離L₂とL₁との差をＲ、光の速度をｃとすると、時間差τ
は次式で表わされる。

τ＝2R/c …（１）また、第４図に示すように、上記測定装置９に導入され
る２つの反射光の時間差τと、上記半導体レーザ１に与
える変調周波数fmの半波長の所定時間T₀と、上記変調周
波数fmの周波数偏移量δと、ビート周波数fbとの間に
は、次の比例関係がある。

τ:fb＝T₀：δ …（２″）この（２″）式より次式が得られる。

fb＝δ・τ／T₀ …（２′）また上記所定時間T₀は、T₀＝1/2fmによって得られるか
ら、この式と（２′）式とから次式が得られる。

fb＝2fm・δ・τ …（２）したがって、（１）式、（２）式より次式が得られる。

Ｒ＝ｃ・fb/（4fm・δ） …（３）ところで、上記周波数偏移量δとは、周期的に変化され
るレーザ光線の振幅であり、最大周波数から最小周波数
を減じたものである。そして周波数は波長の逆数であ
り、かつ最大周波数の波長と最小周波数の波長とはそれ
ぞれスペクトルアナライザにより計測することができる
ので、その計測によって上記周波数偏移量δを予め算出
しておくことができる。

このように上記周波数偏移量δは予め計測しておくこと
ができるので、上記測定装置９によってビート周波数fb
を計測すれば上記差Ｒを、したがって被計測物６までの
距離L₂を演算計測することができる。

以上の説明から明らかなように、被計測物６までの距離
を測定するにはビート周波数を計測する必要があり、こ
の周波数を精密に計測できるか否かが直接測距精度に影
響を与えていた。

ところで従来、ビート周波数は、例えば次のようにして
計測されていた。すなわち光の波は光の強度の強弱とし
て表われるので、光センサにより光の強度を連続的に観
察し、ある一定強度以上を検知したときに信号を送るよ
うにする。そして強度がこの一定強度を下回った時にリ
セットし、再び強度が大きくなると信号を送るように
し、これを繰返して信号の回数をカウンタによってカウ
ントすることにより、ビート周波数を計測することがで
きる。

「発明が解決しようとする問題点」しかしながら、上述したような従来のビート周波数の計
測方法では、特に１周期未満の位相の精密計測が不充分
となっており、１周期未満の位相つまり小数点以下の波
数をより高精度に計測することが望まれていた。

「問題点を解決するための手段」本発明はそのような事情に鑑み、ビート波の周波数を計
測する代わりにビート波の波数を計測することにより、
高精度の測距を行なえるようにしたものである。

すなわち、ビート波の位相偏移量Φおよびビート波の波
数Ｎはそれぞれ次式で与えられる。

Φ＝２π・δ・τ …（４）Ｎ＝Φ/2π＝δ・τ …（５）したがって、上記距離の差Ｒは、Ｒ＝ｃ・N/（２δ） …（６）となり、この（６）式より、周波数偏移量δを予め決定
しておき、レーザ光線の周波数をその予め定めた周波数
偏移量δを与え、かつ後述するように発生されるビート
波の１周期よりも長い所定時間T₀の間変調させてその間
のビート波の波数Ｎを計測するようにすれば、上記差Ｒ
を、したがって被計測物までの距離L₂を算出することが
できる。

より具体的には、本発明は、上記レーザ光線の周波数
を、予め定めた周波数偏移量を与え、かつ発生されるビ
ート波の１周期（１波数）よりも長い所定時間の間変調
させてビート波を発生させるとともに、上記ビート波の
１周期を１波数として上記所定時間内のビート波の波数
を整数値で計測し、また上記ビート波の周波数より高い
周波数のクロックを発生させてこのクロックをクロック
カウンタでカウントさせ、このクロックカウンタで上記
ビート波の１周期におけるカウント数と、少なくとも上
記所定時間内におけるビート波の１周期の整数倍に満た
ないカウント数とを計測してそれらのカウント数の比か
ら上記ビート波の小数点以下の波数を演算し、さらに上
記所定時間内におけるビート波の上記小数点以下の波数
を含む全波数から上記被計測物までの距離を演算計測で
きるようにしたものである。

「作用」このような方法によれば、上記クロックの周波数をビー
ト周波数より充分高くしておけば極めて精密に１周期に
満たない小数点以下の波数を計測でき、したがって高精
度の測距を行なうことができるようなる。

また、ビート波の周波数を計測する場合には、その周波
数の変動は直接に距離の計測誤差となるので周波数を厳
密に一定に維持する必要があるが、本発明方法によれ
ば、上記予め定めた周波数偏移量δが得られるようにす
るだけでビート波の周波数を厳密に一定に維持する必要
がないので、ビート波の周波数を計測する場合に比較し
て容易に測距精度の向上を図ることができるようにな
る。

「実施例」以下図示実施例について本発明を説明すると、第１図に
おいて、本発明に係る測定装置20は、受光素子８からの
ビート信号を波形整形する波形整形回路21を備えてお
り、この波形整形回路21で波形整形した信号を、上記ビ
ート波における整数波の数つまり１周期毎の波数をカウ
ントする整数波カウンタ22に入力する。このカウンタ22
は、例えば上述した従来公知のビート周波数の測定方法
に用いられているカウンタに相当するものである。

したがって上記整数波カウンタ22ではビート波の整数回
の波数しかカウントできないので、小数点以下の波数を
計測するためにクロック発生器23を設けてあり、このク
ロック発生器23はビート波の周波数に対して遥かに高い
周波数でクロックを発生し、クロックカウンタ24はその
クロックをカウントするようになっている。

上記整数波カウンタ22はビート波の整数波の数をカウン
トする度にクロックカウンタ24にリセット信号25を出力
してそのクロックカウンタ24をリセットし、その際、演
算回路26はビート波の１周期に対応するカウント数を入
力記憶する。そして、時間設定器27には上記レーザ光線
に変調を与えて上記予め定めた周波数偏移量δを得るた
めの所定時間T₀が設定してあり、時間設定器27がその時
間が経過したことを検出すると上記クロックカウンタ24
にカウント停止指令信号28を出力し、これによりクロッ
クカウンタ24はカウントを停止する。この状態ではクロ
ックカウンタ24は１周期に満たない波数つまり小数点以
下の波数に対応したカウント数をカウントしている。

さらに、上記演算回路26はクロックカウンタ24からその
１周期に満たないカウント数を入力し、これと以前に入
力記憶したビート波の１周期に対するカウント数とから
ビート信号の波数を小数点以下で演算する。このことか
ら理解されるように、上記演算回路26は予めビート波の
１周期に対応するカウント数を入力記憶しておく必要が
あり、このためには、上記所定時間T₀は、上述した周波
数偏移量δを与えるだけではなく、発生されるビート波
の１周期（１波数）よりも長い時間である必要がある。

さらに演算回路26はその演算した小数点以下の波数と上
記整数波カウンタ22から入力した波数との和を演算し、
さらに被計測物６までの距離L₂を演算してそれを表示器
29に表示させる。このとき、表示器29にビート波の波数
を小数点以下まで表示させるようにしてもよい。

なお、上記実施例ではビート波の１周期毎にクロックカ
ウンタ24をリセットするようにしているが、上記所定時
間T₀に対する全クロック数をクロックカウンタ24にカウ
ントさせ、その値と１周期に対応するクロック数とから
上記所定時間T₀におけるビート波の波数を小数点以下ま
で求めるようにしてもよい。また、被計測物の計測点を
Ｘ−Ｙ方向に二次元掃引して距離を求めるようにすれ
ば、被計測物の三次元形状を測定することができるよう
になる。

「発明の効果」以上のように、本発明によれば、ビート波の波数を精密
に計測することができるので、より高精度の測距を行な
うことができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の一実施例を説明するためのブロッ
ク図、第２図は従来の測距方法を説明するための系統
図、第３図は半導体レーザ１に加える電流波形を説明す
るための説明図、第４図は半導体レーザ１に加えられた
電流波形に基づいてレーザ光線の周波数が直線的に変化
する状態を示す説明図である。１……半導体レーザ、６……被計測物８……受光素子、10……基準反射器 20……測定装置、23……クロック発生器 24……クロックカウンタ、26……演算回路 27……時間設定器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光線の一部をビームスプリッタを介
して被計測物へ照射することによって得た反射光と、上
記レーザ光線の他の一部を上記ビームスプリッタを介し
て該ビームスプリッタから所定距離だけ離隔させた基準
反射器に照射することによって得た反射光とを重畳させ
るとともに、上記レーザ光線の周波数を変調して上記重
畳した反射光にビート波を発生させ、そのビート波を計
測して上記被計測物までの距離を測定するレーザ光線に
よる測距方法において、上記レーザ光線の周波数を、予め定めた周波数偏移量を
与え、かつ発生されるビート波の１周期（１波数）より
も長い所定時間の間変調させてビート波を発生させると
ともに、上記ビート波の１周期を１波数として上記所定
時間内のビート波の波数を整数値で計測し、また上記ビ
ート波の周波数より高い周波数のクロックを発生させて
このクロックをクロックカウンタでカウントさせ、この
クロックカウンタで上記ビート波の１周期におけるカウ
ント数と、少なくとも上記所定時間内におけるビート波
の１周期の整数倍に満たないカウント数とを計測してそ
れらのカウント数の比から上記ビート波の小数点以下の
波数を演算し、さらに上記所定時間内におけるビート波
の上記小数点以下の波数を含む全波数から上記被計測物
までの距離を演算計測することを特徴とするレーザ光線
による測距方法。