JPH0812246B2 - 電気・光学的距離測定装置 - Google Patents

電気・光学的距離測定装置

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JPH0812246B2 JP61127405A JP12740586A JPH0812246B2 JP H0812246 B2 JPH0812246 B2 JP H0812246B2 JP 61127405 A JP61127405 A JP 61127405A JP 12740586 A JP12740586 A JP 12740586A JP H0812246 B2 JPH0812246 B2 JP H0812246B2
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は電気・光学的距離測定装置に関する。
（従来の技術） 空間又は空中における光速度を利用する電気・光学的
距離測定装置では種々のものが公知である。光学反射鏡
までの測定距離を往復して戻った後、変調光は測定距離
に依存して電気・光学的装置によって決定される位相ず
れを生じる。電気的時間測定技術の発展に伴なう最近の
進歩により信号光パルス又は閃光の進行した時間は距離
決定のために一度又は反復して測定された。現在までい
わゆる歯車法（A.H.L.フィーゾ1846年）による距離測定
用機器はあまり使用されていない。最初に歯車によって
光を周期的に遮断するこの方法が採用され、この方法で
反射鏡に光を伝え、そこで反射した光を、同一歯車によ
り再び周期的に遮断した。遅れのために、光は歯車の１
分間当たりの回転数によってその戻りに隙間ではなく歯
に突き当たり、かつ視野から消える。この場合の回転数
から光の走行時間が計算される。
技術水準によれば電気・光学的結晶は歯車の代わりに
使用される（P.L.Benderの米国特許明細書3424531
号）。そのような電気・光学的結晶は遮断の代わりに光
線の楕円偏光の周期的変調をつくる。電気・光学的結晶
の光軸に対して偏光面の好適な方向を有する直線偏光は
100メガヘルツ程度の正弦信号で変調される。結晶を反
対向きに通過する第２路程上の反射光が第１路程と同一
変調位相であると、原子的安定状態の直線偏光はそのま
ま戻り、適当な検光子の後方でこれらの光の完全な暗線
が観察される。これが整数である場合である。そうでな
ければ、光の明るさは最小にされないが最小値は測定距
離又は変調波長の偏光によって得られる。両方法は技術
レベルである（K.D.Froomeの英国特許明細書第919368
号）。
上記の型の公知の距離測定装置によって電気・光学的
結晶は燐酸二水素カリウムから成り、これは変調のため
に高い交流電圧を必要とする。同程度の光変調を得るた
めのニオブ酸リチウム結晶（LiNbO3）は低い変調電圧し
か必要としないことが公知である。しかしこの利点は温
度に関して燐酸二水素カリウムに比してニオブ酸リチウ
ム結晶（LiNbO3）の複屈折の実質的に大きな変化によっ
て打ち消され、この種の複屈折は動力学的変調には効果
的である。従ってニオブ酸リチウム結晶変調器の温度変
化の阻害的影響を減少させる多くの動力がなされた（F.
S.Chen Proc.IEEE1970年発行1443頁）。１つの方法は第
１電気・光学的結晶の間に又は第１電気・光学的結晶に
関する第２成分の90℃回転により1/2波長板を備えた２
つの成分に電子・光学的結晶を切断することである（同
上文献1446頁）。これらの方法は両電気・光学的結晶に
対る空間的又は瞬間的温度分布が等しい場合にのみ効果
がある。
（発明の課題） 従って本発明の課題は、温度変化の補償の改良された
結晶変調器を有する電気・光学的距離測定装置を提供す
ることである。他の目的は低電圧電気・光学的変調器を
提供することである。更に他の目的は高い測定精度を有
する距離測定装置を提供することである。
（課題の解決のための手段） 本発明によれば、上記の課題は特許請求の範囲第１項
に記載された構成によって解決される。本発明では変調
光は先ず電気・光学的結晶を、続いて1/4波長板を通過
した後、測定路程を往復し、再び反対方向から1/4波長
板を通過し、最後に再び電子・光学的結晶を通るように
なる。この変調器は電気・光学的結晶の前方に偏光ビー
ムスプリッタを備えている。レーザ光は偏光ビームスプ
リッタを最初に通過後直線偏光にされ、1/4波長板及び
電気・光学的結晶を第１回目及び第２回目の通過後に光
原から分離されて検出装置に向かう。
（実施例） 第１図にはヘリウムネオンレーザ装置１が動力源２に
より動力を与えられ、動力源は操作パネル３によって制
御される。レーザ装値１から出たレーザ光は偏向プリズ
ム４によって偏光ビームスプリッタ５に向けられ、偏光
ビームスプリッタ５で直線偏光にされる。直線偏光６は
変調器８の線路共振器内に取付けられた電気・光学的結
晶７を通過する。このようにして楕円偏光に偏向された
光はレンズ10によって数メートル〜数キロメートルの距
離を有する測定路程に渡って伝送される。測定路程の他
端は変調された光９を反射して電気・光学的結晶７まで
戻す反射鏡（図示せず）で終わっている。電気・光学的
結晶７とレンズ10との間を往復する光９は1/4波長板を
２度通過する。変調器８が作動しない場合は、戻りの光
６は往きの光に対して90゜偏光面を回転される。その結
果戻りの光は偏光ビームスプリッタ５を直線偏光で通過
しかつ光電受光器12に入射する。
電気・光学的結晶７はニオブ酸リチウム結晶（LiNb
O3）である。従って電気・光学的結晶は所定の周波数の
うちから選択可能な変調周波数の変調信号によって駆動
される。変調信号はマイクロ波源13によって駆動増幅器
を経て供給される。周期的変調信号が例えば500メガヘ
ルツの周波数であると、波長60cmの変調波は連続的に各
2ns（ナノセカンド）の時間遅れを以て測定路程に送ら
れる。波長60cmの整数倍の長さの２倍の測定路程長さの
場合、射出光と電気・光学的結晶７への戻り光の測定路
程に出力された変調位相は電気・光学的結晶７によって
完全に復調されかつ再び一定の直線偏光となる。1/4波
長板11のために偏光面は90゜回転され、そして光電受光
器12は一定の最大の明るさを受ける。
ニオブ酸リチウム結晶（LiNbO3）である電子・光学的結
晶７の変調効果は温度変化に特別敏感である。従って本
発明によれば変調及び復調はいわゆる往復モードの同一
の電気・光学的結晶７によって行われる。電気・光学的
結晶７の複屈折の効果は各瞬間に補償される、そのわけ
は1/4波長板のために戻り光の偏光面は射出光に対して9
0゜回転されるからである。マイクロ波源13の変調周波
数が変わる場合、変調波長に対する測定路程長さの２倍
の比は整数ではなく、光電受光器12によって感知された
明るさは最大及び最小の特別の周期的変化を示す。
以下に記載される測定中、操作盤３上の起動ボタン15
を押した後、上昇又は下降する変調周波数のシーケンス
が制御段16によってマイクロ波源13で選択される。選択
された周波数を有する変調信号の各１つは同期段17から
制御信号によって１キロヘルツのちらつきを伴い及び±
５キロヘルツ又は±25キロヘルツの周波数偏移を有する
形に周波数変調される。短い測定路程に対しては上記最
小値はより小さく判断され、大きな測定路程に対しては
±25キロヘルツのちらつきが受光器12の出力の周期的変
化のサンプリングに使用される。この出力信号は同期段
17の制御の下に10キロヘルツ又は50キロヘルツの周波数
差を有する２つの検出チャンネルＩとIIによってサンプ
リングされる。このプロセスにより連続的な信号最小値
に応じた変調周波数はプログラム制御段16によって見出
される。このプログラムは大気の影響による測定路程の
変化を考慮して平均周波数を提供する。
上記周波数から、測定路程長さが下記のように制御段
16のマイクロプロセッサによって計算される。測定路程
長の２倍が変調波長の整数倍であれば、電気・光学的結
晶７から図示しない反射鏡まで及び戻り距離の光９の進
行時間2Tは変調周期ｔ＝2ns（ナノセカンド）の整数倍
（γ）であり、従って2T＝γ・ｔである。しかし整数
（γ）の値は尚不知である。この不確実性は受光器12の
出力信号の２つ以上の連続最小値に対する変調周波数ｆ
又は変調周期ｔを決定するというような公知の方法で打
ち消される。ある倍率が変調周期ｔ（ガンマ）の最小値
を示し、ｎ番目の倍率（γ＋ｎ）の最小値を与える場
合、進行時間はどの場合にも2T＝γ・ｔ（γ）＝（γ＋
ｎ）ｔ（γ＋ｎ）である。従って整数倍（γ）＝ｎ・ｔ
（γ＋ｎ）／［ｔ（γ）−ｔ（γ＋ｎ）］、進行時間Ｔ
＝1/2・γｔ、そして測定距離Ｌ＝cTであり、この光速
ｃは測定路程上にある空気の圧力、温度及び湿度により
公知の方法で定まる。
光電的受光器12の出力信号の評価は同期段17及び制御
段16によって既に述べたように行われる。マイクロ波源
13の周波数変調の制御信号と同期して制御段17の同期検
出器は変調器８の変動変調周波数が極大値（チャンネル
Ｉ）と最小値（チャンネルII）とに達した時にはいつで
も受光器12の出力をサンプリングする。同期検出器は各
次の値がサンプリングされるまでチャンネルＩとIIのサ
ンプリングされた値を保持する。チャンネルＩとIIとの
間の差及びその差の平均値を時間について計算すること
により、アナログ信号が得られ、それについて表示は最
小値から受光器12の出力の偏差を示す。
アナログ信号は線路18を経てアナログデジタル変換器
19に送られ、変換器19はこの信号を制御段16に送るデジ
タル８ビット信号に変換する。この制御段16はプログラ
ムによってマイクロ波源13の周波数を制御するため、上
記デジタル８ビット信号からA/D変換器19からの特性周
波数周期ｔ（γ＋ｎ）を計算するために、測定路程長さ
の出力のために、及び同期段17及びマイクロ波源13を経
て周波数偏位±５キロヘルツ又は25キロヘルツの制御の
ために使われる。
操作盤３上には制御段16を経て操作モードの手動的選
択のためのスイッチ20と21が設けられている。スイッチ
20は上記のように長い距離又は短い距離のために周波数
偏移±５キロヘルツ又は±25キロヘルツを選択するため
に使用される。スイッチ21は位置「オフ」、「遠隔」、
「測定」、「バッテリテスト」を有する。「遠隔」位置
にスイッチ21があれば測定過程及び測定結果の出力はAS
B（情報交換信号線バスの米国標準コード）を経て外部
から制御され、位置「バッテリテスト」にスイッチ21を
セットすれば電力供給バッテリの電圧は計器23に示され
る。スイッチ21を「測定」にセットすれば、最小値から
の受光器12の出力信号の上記偏差は計器23に表示され
る。ディジタル表示24は測定距離の表示に使用される。
上記のように変調器８は［ｔ（γ）−ｔ（γ＋
ｎ）］、γ・Ｔ及びＬの各変調周期ｔ（γ＋ｎ）の測定
の所定の誤差に比して小さい誤差を得るために大きい周
波数帯域を有する変調信号列を受けなければならない。
この周波数帯域で処理を行うために、変調器８は第２図
及び第３図に示されたように２つの連結された空洞30、
31を備えたマイクロ波線路共振器の空洞30内に電気・光
学的結晶７を設けることによって得られる広い通過帯域
を必要とする。円筒状の両空洞30、31は第２図に一部断
面して示されたように正しい平行パイルブロック32内に
隣接して配列されている。両空洞は上部カバー33、34及
び底カバー35、36によって閉じられている。矩形の上部
カバー33、34は空洞30、31の内部を見えるようにするた
めに透明にされている。それにも拘わらず、勿論マイク
ロ波共振器の表面は金属の導電性を有する。電気・光学
的結晶７は空洞30の直径に沿って上部カバー33に取付け
られている。レーザ装置１（第１図）の細いビーム６は
光軸39（第３図）に沿ってブロック32の２つの小孔37、
38によって電気・光学的結晶７を通過する。
ニオブ酸リチウム結晶のような電気・光学的結晶７の
マイクロ波特性は温度について著しい変化し、これは特
に誘電率について言える。第２電気・光学的結晶40が電
気・光学的結晶７に相応した形の第２空洞31に取付けら
れる。電気・光学的結晶40はレーザ装置１の光の光学的
効果を受けない。
高周波数電磁力が線41、42、43を経て電気・光学的結
晶７、40に送られる。電気・光学的結晶７、40は同様な
光学的特性、時に偏光特性を有する。線42、43のインダ
クタンス及び線42、43とカバー33、34の間の電気・光学
的結晶７、40のリアクタンスによって両空洞30、31は同
じ共振周波数で同調する。共振系の通過帯域曲線の形は
線42と43にあって空洞30、31の間の孔45を通る連結分枝
44によって決定される。それによって温度の変化により
電気・光学的結晶が前記共振周波数とは異なる共振周波
数の下に置かれるべき場合には、電気・光学的結晶７、
40はの固有の光学的特性に基づいて空洞30、31は相異な
る共振周波数で共鳴する。
第１図による距離測定装置のための変調器８のより簡
単な構成が第４図に示される。そこでは第１図による要
素は第１図と同じ符号で表されている。第４図中、1/4
波長線路共振器は共通のケーシングにマイクロ波源を備
え、かつマイクロ波源は位相固定ループ内の制御段によ
って制御される。第４図による装置の作用は第１図によ
る装置の上記機能と本質的に同様である。電気・光学的
結晶７は第６図により詳細に示されるように共通の変調
器８′内のマイクロ波源と接続された1/4波長線路共振
器内に設けられている。変調周波数は変調器８′と共に
位相固定ループ（PLL）を形成する制御段13′によって
選択される。この制御段13′は第５図により詳細に示さ
れている。
第６図はケーシング52とケーシング52に対して電気・
光学的に絶縁された中央導体53との間に設けられた電気
・光学的結晶の横断面を示す。ケーシング52と中央導体
53は変調器８′の円筒状1/4波長線路共振器50を構成す
る。ケーシング52はトランジスタ60を備えたケーシング
外線51及びその中に取付けられた可変コンデンサ61を有
する。トランジスタ60及びコンデンサ61は1/4波長線路
共振器50と共に変調器８′内で有効なマイクロ波発信器
を形成する。トランジスタ60のベースはケーシング外線
51に接続され、一方エミッタは３〜10pFの間で変化する
可変コンデンサ61によってケーシング外線51に接続され
ている。コレクタは発生したマイクロ波を直接中央導体
53のケーシング外線54に接続する。この発振器は直流電
源により駆動され、電源の高周波チョーク62を経た正端
子はコレクタに、そして負端子は高周波チョーク63を経
てトランジスタ60のエミッタに接続されている。
上記発振器の周波数はケーシング52と、中央導体53の
まわりに配置されかつ中央導体からは絶縁された導体リ
ング55の間に接続された可変容量ダイオードによって制
御される。周波数制御信号は制御段13′（第４図）から
入力65及び高周波チョーク66を経てリング55に送られ
る。実際の周波数を評価するために容量プローブ67はケ
ーシング52を経て、出力68から制御段13′に接続されて
おり、こうして制御ループは閉じる。
制御段13′は第５図により詳細に示されている。変調
器８′の実際の周波数を有する信号はその出力68からプ
ログラム可能な分周器71の入力70に送られる。分周器71
の分周比Ｎは制御段16から制御段13′のコード入力72に
送られる制御信号によって制御される。分周器71の分周
された出力は安定水晶発振器74の出力と位相比較器73に
よって比較される。比較に先立つこの出力は比Ｍで分周
器75で分周される。位相比較器73は２つの入力の位相差
によって与えられるレベルの直流信号を発生する。この
直流信号はローパスフィルタ76を通りかつ制御段13′の
出力77から変調器８′の入力65に戻される。1/4波長線
路共振器50の変調器８′の周波数は制御段16によるプロ
グラム可能な分周器71の分周比Ｎの選択によって制御さ
れる。安定状態で、分周比Ｎが増加すれば位相比較器73
の出力の上昇したレベルによる変調器８′の周波数及び
可変容量ダイオード64の容量変化は比較器73の入力位相
が再び等しくなるまで増加する。こうして発振器回路6
0、61への1/4波長線路共振器50の装入によって、第２図
及び第３図の連結された空洞30、31の通過帯域を拡げる
必要はない。
制御段13′によって制御された変調信号の周波数は第
１図に関連して既に述べたようにちらつく。従って同期
段17からの1KHz信号は制御段13′の入力78及び連結コン
デンサ79を経て出力77で直流信号に加えられる。
上記の原理により、多くの実施例が本願発明の範囲内
で実現される。光電受光器12は周波数応答の狭い帯域幅
のセンサ要素PINダイオード、光電子倍率器又は可変容
量フオトダイオードでありうる。距離測定の比較的高精
度の実現のために空気の屈折率の変化の補償方法の採用
が二色測定として有利である（米国特許明細書第342453
1）。建物、ダム又は地震危険領域の安定性の連続的監
視は制御段16とASバス22を経たプログラムされた自動測
定によって行われる。シフトした場合、警報機能が発揮
される。
（発明の効果） 特許請求の範囲第１項に記載された本発明の光学的構
成によれば、電気・光学的距離測定装置に使用され、低
い運転電圧で駆動されることができる電気・光学的結晶
の温度変化による電気・光学的特性の変化が常に補償さ
れ、かつこれにより500MHzのような高い周波数の変調波
を使用することとも併せて距離測定の精度が高められ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による電気・光学的距離測定装置の好適
な実施例の図式図、第２図は第１図による装置と共に使
用するためのマイクロ波共振器の部分横断面図、第３図
は第２ビームスプリッタによるマイクロ波共振器の上面
図、第４図は本発明による装置の他の実施例の図式図、
第５図は第４図による装置と共に使用するための周波数
制御段の図式図、そして第６図は第４図による装置と共
に使用するための変調器の部分横断面図である。 図中符号 １……コリメート光束発生装置 ６……光束 ７、８、８′……変調器 ９……光束 10……変調光伝送装置 11……1/4波長板 12、16、17……検出器 13、13′……変調信号発生及び選択装置

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】コリメート光（６）を発生させる装置
    （１）と、所定の変調周波数にコリメート光（６）を変
    調する変調装置（７、８、８′）と、測定路程に渡って
    光（９）の変調光束を伝送する伝送装置（10）と、その
    始端が変調装置（７、８、８′）によって特定され測定
    路程の終端を特定する光（９）のための反射装置であっ
    て、変調装置（７、８、８′）に変調された光（９）の
    光束を返送する装置と、変調装置（７、８、８′）を駆
    動するために所定の変調周波数帯域からある周波数を有
    する変調信号を発生させ・選択する装置（13,13′;16、
    17）と、変調された場合における光の変調位相に対する
    変調装置（７、８、８′）で受けた光の変調光束の変調
    位相の所定の値を決定する検出装置（12、16、17）と、
    測定路程を計算する計算装置（16）とを備えた電気・光
    学的距離測定装置において、 コリメート光（６）の光束を変調する変調装置（７、
    ８、８′）は光波の波長に対する1/4波長板（11）と電
    気・光学的結晶（７）とを備え、コリメート光（６）は
    はじめに電気・光学的結晶（７）を通過し、続いて1/4
    波長板（11）を通過し、測定距離を往復し、続いて1/4
    波長板（11）を反対方向から通過しそして最後に再び電
    気・光学的結晶（７）を通るようになっており、その際
    測定路程中には路長変更装置が装入可能であることを特
    徴とする電気・光学的距離測定装置。
  2. 【請求項２】変調装置が作動する場合、測定距離の二倍
    が変調波長の整数倍であるように、所定の周波数帯域か
    ら変調周波数を決定するための検出装置（12、16、17）
    を含む、特許請求の範囲第１項記載の電気・光学的測定
    装置。
  3. 【請求項３】路長変更装置が変調光束が通る測定路程の
    一部分を形成するようにされ、与えられた周波数帯域の
    うちある変調周波数は、表示されるべき相対的変調位相
    の所定の位相のために必要な路長変更装置の連続的調整
    の大きさが測定距離の大きさを連続的に変更するように
    選ばれている、特許請求の範囲第１項記載の電気・光学
    的測定装置。
  4. 【請求項４】偏光ビームスプリッタ（５）がコリメート
    光（６）を発生させる装置（１）と電気・光学的結晶
    （７）との間に配設されており、偏光ビームスプリッタ
    （５）の第１路程上の光束は直線偏光にされ、そして1/
    4波長板（11）と電気・光学的結晶（７）の第１及び第
    ２路程の通過後に、コリメート光（６）はコリメート光
    （６）を発生させる装置（１）から分離可能で、かつ検
    出装置（12）上に向けられることができる、特許請求の
    範囲第２項又は第３項記載の電気・光学的測定装置。
  5. 【請求項５】第１電気・光学的結晶（７）は結合された
    ２つの空洞（30、31）を有するマイクロ波共振器の一方
    の（30）内に配設されており、第２電気・光学的結晶
    （40）は他方の空洞（31）内に配設されており、第２電
    気・光学的結晶（40）はコリメート光（６）を透過しな
    いが、第１電気・光学的結晶（７）と同一の光学的特性
    を有する、特許請求の範囲第１項記載の測定装置。
  6. 【請求項６】コリメート光（６）の変調のための第１電
    気・光学的結晶（７）と第２電気・光学的結晶（40）は
    共に同様な温度特性に基づく誘電率を有する、特許請求
    の範囲第５項記載の測定装置。
  7. 【請求項７】コリメート光（６）を変調するための電気
    ・光学的結晶（７）は相応して短縮された線路共振器
    （50）における容量負荷として配設されており、線路共
    振器（50）は交流電源に接続されたトランジスタ（60）
    によって励磁され、そして線路共振器（50）は周波数制
    御のための位相固定ループPLL（64〜68、70〜79）内に
    接続されている、特許請求の範囲第１項記載の測定装
    置。
  8. 【請求項８】線路共振器（50）がこの線路共振器（50）
    と共通のケーシング（50、51）内にかつこの線路共振器
    （50）に隣接して配設された、トランジスタ（60）及び
    可変コンデンサ（61）によって変調装置（８′）内で効
    果的にマイクロ波発信器を構成している、特許請求の範
    囲第７項記載の測定装置。
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