JPH0823588B2 - 基準位置から動いている再帰反射ターゲットの変位を測定する装置 - Google Patents
基準位置から動いている再帰反射ターゲットの変位を測定する装置Info
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- JPH0823588B2 JPH0823588B2 JP62238605A JP23860587A JPH0823588B2 JP H0823588 B2 JPH0823588 B2 JP H0823588B2 JP 62238605 A JP62238605 A JP 62238605A JP 23860587 A JP23860587 A JP 23860587A JP H0823588 B2 JPH0823588 B2 JP H0823588B2
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
- G01S17/50—Systems of measurement based on relative movement of target
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は基準位置から動いている再帰反射ターゲット
の変位を測定する装置に関するものである。
の変位を測定する装置に関するものである。
物体の変位を正確に測定するための装置は多数ある。
それらの装置にはたとえば光学的測定装置、磁気測定装
置、光ファイバ測定装置、干渉計測定装置、およびその
他の種類の測定装置がある。たとえば、オプチカル・ア
ンド・クォンタム・エレクトロニクス（Optical and Qu
antum Electronics）10（1981年）、533〜535ページ所
載のエフ・パルミジアーニ（F.Parmigiani）の論文に
は、小さい変位を測定するために用いられる光ファイバ
・プローブ装置が記載されている。アプライド・オプテ
ィックス（Applied Optecs）20（1981年）、400〜403ペ
ージ所載のエフ・ビエン（F.Bien）、エム・カマック
（M.Camac）、エイチ・ジェー・コールフィールド（H.
J.Caulfield）およびエス・エゼキール（S.Ezekiel）の
論文には、絶対距離を測定するために可変波長干渉計技
術を用いる装置が記載されている。また、アプライド・
オプティックス、20（1981年）、3503〜3507ページ所載
のエー・オルッソン（A.Olsson）およびシー・エル・タ
ン（C.L.Tang）の論文には、光路長の小さい変化を測定
するために、ダイナミック干渉計技術を用いる装置が記
載されている。レビュー・オブ・サイエンティフィック
・インスツルメンツ（Review of Scientific Instrumen
ts）53（1982年）、963〜966ページ所載のシー・ピー・
ワング（C.P.Wang）、アール・エル・バーウィッグ（R.
L.Varwig）およびピー・ジェー・アックマン（P.J.Ackm
an）の論文には、極めて短い距離の鏡の変位を測定する
ために音響−光技術を用いる装置が記載されている。サ
イエンス（Science）107（1970年）、296〜303ページ所
載のジェー・バーガー（J.Berger）およびアール・エイ
チ・ロブバーグ（Lovberg）の論文には地面の歪みを測
定するためにレーザ干渉計を用いる装置が記載されてい
る。
それらの装置にはたとえば光学的測定装置、磁気測定装
置、光ファイバ測定装置、干渉計測定装置、およびその
他の種類の測定装置がある。たとえば、オプチカル・ア
ンド・クォンタム・エレクトロニクス（Optical and Qu
antum Electronics）10（1981年）、533〜535ページ所
載のエフ・パルミジアーニ（F.Parmigiani）の論文に
は、小さい変位を測定するために用いられる光ファイバ
・プローブ装置が記載されている。アプライド・オプテ
ィックス（Applied Optecs）20（1981年）、400〜403ペ
ージ所載のエフ・ビエン（F.Bien）、エム・カマック
（M.Camac）、エイチ・ジェー・コールフィールド（H.
J.Caulfield）およびエス・エゼキール（S.Ezekiel）の
論文には、絶対距離を測定するために可変波長干渉計技
術を用いる装置が記載されている。また、アプライド・
オプティックス、20（1981年）、3503〜3507ページ所載
のエー・オルッソン（A.Olsson）およびシー・エル・タ
ン（C.L.Tang）の論文には、光路長の小さい変化を測定
するために、ダイナミック干渉計技術を用いる装置が記
載されている。レビュー・オブ・サイエンティフィック
・インスツルメンツ（Review of Scientific Instrumen
ts）53（1982年）、963〜966ページ所載のシー・ピー・
ワング（C.P.Wang）、アール・エル・バーウィッグ（R.
L.Varwig）およびピー・ジェー・アックマン（P.J.Ackm
an）の論文には、極めて短い距離の鏡の変位を測定する
ために音響−光技術を用いる装置が記載されている。サ
イエンス（Science）107（1970年）、296〜303ページ所
載のジェー・バーガー（J.Berger）およびアール・エイ
チ・ロブバーグ（Lovberg）の論文には地面の歪みを測
定するためにレーザ干渉計を用いる装置が記載されてい
る。
また、商用の変位測定装置も市販されている。それら
の変位測定装置には、たとえば、アメリカ合衆国カリホ
ルニア州パロ・アルト（Palo Alto）所在のヒューレッ
ト・パッカード（Hewlett−Packard）により製造された
レーザ位置トランスデューサHP5527A、アメリカ合衆国
カリホルニア州ゴレタ（Goleta）所在のテレクトラック
（Telectr−ac）により製造されたTIPS−IV型干渉計位
置センサ、アメリカ合衆国カリホルニア州サン・ジョゼ
（San Jose）所在のマーク・テック（Mark Tech）によ
り製造された7910型干渉計装置III、アメリカ合衆国ニ
ューヨーク州ロチェスター（Roche−ster）所在のバウ
シュ・アンド・ロム（Bausch＆Lomb）により製造された
光学的符号器ゲージ、ソニーにより製造された磁気符号
器ゲージが含まれる。一般に、干渉計技術を用いる装置
は光学的符号化技術を用いる装置より正確であるが、前
者においては位置合わせが一層重要であるから、干渉計
技術を用いる装置は高価である。
の変位測定装置には、たとえば、アメリカ合衆国カリホ
ルニア州パロ・アルト（Palo Alto）所在のヒューレッ
ト・パッカード（Hewlett−Packard）により製造された
レーザ位置トランスデューサHP5527A、アメリカ合衆国
カリホルニア州ゴレタ（Goleta）所在のテレクトラック
（Telectr−ac）により製造されたTIPS−IV型干渉計位
置センサ、アメリカ合衆国カリホルニア州サン・ジョゼ
（San Jose）所在のマーク・テック（Mark Tech）によ
り製造された7910型干渉計装置III、アメリカ合衆国ニ
ューヨーク州ロチェスター（Roche−ster）所在のバウ
シュ・アンド・ロム（Bausch＆Lomb）により製造された
光学的符号器ゲージ、ソニーにより製造された磁気符号
器ゲージが含まれる。一般に、干渉計技術を用いる装置
は光学的符号化技術を用いる装置より正確であるが、前
者においては位置合わせが一層重要であるから、干渉計
技術を用いる装置は高価である。
動いているターゲットの速度を測定するためにドップ
ラーレーダの原理を利用することが先行技術における通
常のやり方でもある。典型的な装置が、たとえば、エム
・アイ・スコルニック（M.I.Skolnik）著「イントロダ
クション・ツー・レーダ・システム（Introduction to
Radar Systems）」（マグロー・ヒル（Mcgraw−Hill）
（ニューヨーク）1980年発行、第３章、およびアメリカ
ン・サイエンティスト（American Scientist）65（1977
年）、289〜293ページ所載のシー・ピー・ワン（C.P.Wa
ng）の「レーザ・トップラー・ベロシメータ（Laser Do
ppler Velocimeter）」と題する論文に記載されてい
る。
ラーレーダの原理を利用することが先行技術における通
常のやり方でもある。典型的な装置が、たとえば、エム
・アイ・スコルニック（M.I.Skolnik）著「イントロダ
クション・ツー・レーダ・システム（Introduction to
Radar Systems）」（マグロー・ヒル（Mcgraw−Hill）
（ニューヨーク）1980年発行、第３章、およびアメリカ
ン・サイエンティスト（American Scientist）65（1977
年）、289〜293ページ所載のシー・ピー・ワン（C.P.Wa
ng）の「レーザ・トップラー・ベロシメータ（Laser Do
ppler Velocimeter）」と題する論文に記載されてい
る。
従来の正確な変位測定装置のほとんどは干渉計技術を
用いており、それら従来の装置は、測定を行なうために
周波数を安定にした高価で、複雑なレーザを通常含んで
いる。したがって、従来の正確な変位測定装置は位置合
わせに関する限りは極めて厳しく、したがって非常に高
価である。一方、本発明の装置は電気−光学型であり、
動いているターゲットの数メートルにおよぶ変位を正確
に測定するために、その動いているターゲットによりひ
き起されるレーザ周波数のドップラー推移を用いる。
用いており、それら従来の装置は、測定を行なうために
周波数を安定にした高価で、複雑なレーザを通常含んで
いる。したがって、従来の正確な変位測定装置は位置合
わせに関する限りは極めて厳しく、したがって非常に高
価である。一方、本発明の装置は電気−光学型であり、
動いているターゲットの数メートルにおよぶ変位を正確
に測定するために、その動いているターゲットによりひ
き起されるレーザ周波数のドップラー推移を用いる。
〔問題点を解決するための手段〕 とくに、本発明の装置はレーダの原理、ドップラー効
果および光ヘテロダイン技術を基にしている。本発明の
装置におけるターゲットは動いている再帰反射器である
から、本発明の装置はある面でドップラーレーダ装置に
類似する。しかし、本発明の装置においてはターゲット
にレーザビームを照射する。再帰反射ターゲットにより
反射されたレーザビームの周波数はターゲットの動きに
より推移させられる。反射されたレーザビームのドップ
ラー周波数推移はターゲットの速度に比例し、反射され
たレーザビームの位相推移は基準位置からのターゲット
の変位に比例する。
果および光ヘテロダイン技術を基にしている。本発明の
装置におけるターゲットは動いている再帰反射器である
から、本発明の装置はある面でドップラーレーダ装置に
類似する。しかし、本発明の装置においてはターゲット
にレーザビームを照射する。再帰反射ターゲットにより
反射されたレーザビームの周波数はターゲットの動きに
より推移させられる。反射されたレーザビームのドップ
ラー周波数推移はターゲットの速度に比例し、反射され
たレーザビームの位相推移は基準位置からのターゲット
の変位に比例する。
本発明の装置は、前記のように基準位置からの再帰反
射ターゲットの変位を表す反射されたレーザビームの位
相推移を検出するために用いられる位相検出器を含む。
ターゲットの変位が半波長より長いと、位相の全変化を
決定するために装置にカウンタを用いることができる。
本発明の装置は、カウンタのカウントと、反射されたレ
ーザビームの位相角とを読取り、それらの読取り値を長
さの単位に変えるように機能するマイクロプロセッサも
含む。
射ターゲットの変位を表す反射されたレーザビームの位
相推移を検出するために用いられる位相検出器を含む。
ターゲットの変位が半波長より長いと、位相の全変化を
決定するために装置にカウンタを用いることができる。
本発明の装置は、カウンタのカウントと、反射されたレ
ーザビームの位相角とを読取り、それらの読取り値を長
さの単位に変えるように機能するマイクロプロセッサも
含む。
簡単にいえば、本発明の装置は小型で、使用が簡単で
あり、正確な取付けまたは厳密な位置合わせを必要とせ
ず、ドリフトのない正確さを示す点で従来の装置と比較
して有利である。
あり、正確な取付けまたは厳密な位置合わせを必要とせ
ず、ドリフトのない正確さを示す点で従来の装置と比較
して有利である。
本発明の装置は、変位の測定を実際的、経済的、正
確、便利かつ融通性をもって行なう独特の光学的ヘテロ
ダイン原理および光学的モデムの原理を用いる。更に、
本発明の装置は容易に利用できる安価なレーザを使用で
きる点で有利である。また、本発明の装置の製造された
例においては50m/分より高い旋回速度を示すように、本
発明の装置は高速で動作する。本発明の装置は干渉計を
必要としないから構造が簡単であり、角度で30秒台、位
置で１ミリメートル台の大きい位置の狂い許容誤差を有
するから、位置合わせが容易である。
確、便利かつ融通性をもって行なう独特の光学的ヘテロ
ダイン原理および光学的モデムの原理を用いる。更に、
本発明の装置は容易に利用できる安価なレーザを使用で
きる点で有利である。また、本発明の装置の製造された
例においては50m/分より高い旋回速度を示すように、本
発明の装置は高速で動作する。本発明の装置は干渉計を
必要としないから構造が簡単であり、角度で30秒台、位
置で１ミリメートル台の大きい位置の狂い許容誤差を有
するから、位置合わせが容易である。
とくに、本発明の装置の利点には下記のものが含まれ
る。
る。
A.光速度とレーザ周波数を用いて測定が行なわれるから
較正は不要であること。
較正は不要であること。
B.厳密な位置合わせ、または正確な取付けを必要としな
いこと。
いこと。
C.再帰反射ターゲットが干渉計モジュールを必要としな
いこと。
いこと。
D.装置が摩耗、バックラッシュまたは周期的誤差を示さ
ないこと。
ないこと。
E.装置は光源として低価格のレーザを使用すること。
本発明の装置は次のように動作する。
即ち、レーザ10はレーザビームω０を発生する。この
レーザビームω０は変調器12を通過して再帰反射器（タ
ーゲット）14で反射して、反射レーザビーム（ω０＋ω
Ｄ）となり、ビーム組合わせ手段16に入射する。ビーム
組合わせ手段16には、変調器12からの屈折ビーム（ω０
±Ω）も入射する。即ち、変調器には、レーザ10からの
ビームω０と発振器（ドライバ）23からのヘテロダイン
用基準信号Ωとが加えられている。変調器は、ビームω
０をそのまま通して再帰反射ターゲット14に至らせると
共に、ビームω０を所定量Ωだけ周波数推移した屈折レ
ーザビーム（ω０±Ω）としてビーム組合わせ手段16に
入射する。ビーム組合わせ手段16はうなり出力信号（Ω
＋ωＤ）を位相復調器22に加える。この位相復調22に
は、発振器23からのヘテロダイン用基準信号Ωが加えら
れている。位相復調器22には、うなり出力信号（Ω＋ω
Ｄ）と基準信号Ωの位相を比較して、位相差出力信号Δ
φを発生する。この位相差出力信号Δφは、ターゲット
13がその基準位置から変位した変位ΔＺに比例してい
る。この位相差出力信号Δφに基づいて、ターゲットの
変位ΔＺが検出される。
レーザビームω０は変調器12を通過して再帰反射器（タ
ーゲット）14で反射して、反射レーザビーム（ω０＋ω
Ｄ）となり、ビーム組合わせ手段16に入射する。ビーム
組合わせ手段16には、変調器12からの屈折ビーム（ω０
±Ω）も入射する。即ち、変調器には、レーザ10からの
ビームω０と発振器（ドライバ）23からのヘテロダイン
用基準信号Ωとが加えられている。変調器は、ビームω
０をそのまま通して再帰反射ターゲット14に至らせると
共に、ビームω０を所定量Ωだけ周波数推移した屈折レ
ーザビーム（ω０±Ω）としてビーム組合わせ手段16に
入射する。ビーム組合わせ手段16はうなり出力信号（Ω
＋ωＤ）を位相復調器22に加える。この位相復調22に
は、発振器23からのヘテロダイン用基準信号Ωが加えら
れている。位相復調器22には、うなり出力信号（Ω＋ω
Ｄ）と基準信号Ωの位相を比較して、位相差出力信号Δ
φを発生する。この位相差出力信号Δφは、ターゲット
13がその基準位置から変位した変位ΔＺに比例してい
る。この位相差出力信号Δφに基づいて、ターゲットの
変位ΔＺが検出される。
本発明によれば、干渉計を用いず、光学的ヘテロダイ
ンの原理及び光学的モデムの原理を用いるようにしたの
で、レーザとして安価なレーザを用いることができ、且
つ干渉計を必要としないことから構造が簡単で取り付け
や位置合わせが容易で、装置全体を安価なものとして得
ることができる。
ンの原理及び光学的モデムの原理を用いるようにしたの
で、レーザとして安価なレーザを用いることができ、且
つ干渉計を必要としないことから構造が簡単で取り付け
や位置合わせが容易で、装置全体を安価なものとして得
ることができる。
以下、図面を参照して本発明を詳しく説明する。
第１図に示す装置はレーザ10を含む。このレーザ10と
してはヒューズ（Hughes）3221Hc型ヘリウム−ネオンレ
ーザのような安価で、容易に入手できるレーザを使用で
きる。レーザ10はレーザビームを発生し、そのレーザビ
ームは変調器12を通る。変調器12は音響−光変調器であ
って、たとえばアイソメート（Isomate）1201型のよう
な市販されている光変調器を用いることができる。変調
器12はビーム３を発生する。そのビーム３は動いている
再帰反射ターゲット14へ照射される。このターゲット14
は矢印で示されている向きに速度Ｖで動いている。変調
器12は偏向されたビーム２も発生する。そのビーム２
は、再帰反射ターゲット14から反射されたビーム４と同
様に、ビーム組合わせ器16へ送られる。ビーム２と４は
ビーム組合わせ器16により検出器18へ向って反射され
る。検出器18はヘテロダイン光検出器であって、たとえ
ばメレット（Meret）R1800型光検出器を用いることがで
きる。検出器18の電気出力が増幅器20で増幅されてから
位相復調器22へ与えられる。発振器／ドライバ23が周波
数Ωの電気信号を光変調器12と位相復調器22へ与えられ
る。位相復調器22の出力はアップダウンカウンタ24へ与
えられる。そのアップダウンカウンタ24としては74LS19
0型アップダウンカウンタを用いることができる。アッ
プダウンカウンタ24の出力はマイクロプロセッサ26へ与
えられる。そのマイクロプロセッサとしてはHO68PO5WD
を用いることができる。そのマイクロプロセッサの出力
は数値表示器28へ与えられる。その数値表示器としては
LIT308型を用いることができる。
してはヒューズ（Hughes）3221Hc型ヘリウム−ネオンレ
ーザのような安価で、容易に入手できるレーザを使用で
きる。レーザ10はレーザビームを発生し、そのレーザビ
ームは変調器12を通る。変調器12は音響−光変調器であ
って、たとえばアイソメート（Isomate）1201型のよう
な市販されている光変調器を用いることができる。変調
器12はビーム３を発生する。そのビーム３は動いている
再帰反射ターゲット14へ照射される。このターゲット14
は矢印で示されている向きに速度Ｖで動いている。変調
器12は偏向されたビーム２も発生する。そのビーム２
は、再帰反射ターゲット14から反射されたビーム４と同
様に、ビーム組合わせ器16へ送られる。ビーム２と４は
ビーム組合わせ器16により検出器18へ向って反射され
る。検出器18はヘテロダイン光検出器であって、たとえ
ばメレット（Meret）R1800型光検出器を用いることがで
きる。検出器18の電気出力が増幅器20で増幅されてから
位相復調器22へ与えられる。発振器／ドライバ23が周波
数Ωの電気信号を光変調器12と位相復調器22へ与えられ
る。位相復調器22の出力はアップダウンカウンタ24へ与
えられる。そのアップダウンカウンタ24としては74LS19
0型アップダウンカウンタを用いることができる。アッ
プダウンカウンタ24の出力はマイクロプロセッサ26へ与
えられる。そのマイクロプロセッサとしてはHO68PO5WD
を用いることができる。そのマイクロプロセッサの出力
は数値表示器28へ与えられる。その数値表示器としては
LIT308型を用いることができる。
位相復調器22が第２図のブロック図に詳しく示されて
いる。この位相復調器は入力前置増幅器及びリミッタ30
を含む。この入力前置増幅器及びリミッタとしてはワト
キンス・ジョンソン（Watkins−Johnson）のA54型を用
いることができる。入力前置増幅器及びリミッタ30は位
相比較器32の１つの入力端子へ接続される。その位相比
較器としてはMC12040型を用いることができる。位相比
較器32の他の入力端子は適切な任意の基準電圧源へ接続
される。位相比較器の出力はCA3100型低域フィルタ34を
介して電圧比較器36へ与えられる。その電圧比較器とし
てはCA3290E型を使用できる。電圧比較器36の出力はア
ップダウンカウンタ24へ与えられる。
いる。この位相復調器は入力前置増幅器及びリミッタ30
を含む。この入力前置増幅器及びリミッタとしてはワト
キンス・ジョンソン（Watkins−Johnson）のA54型を用
いることができる。入力前置増幅器及びリミッタ30は位
相比較器32の１つの入力端子へ接続される。その位相比
較器としてはMC12040型を用いることができる。位相比
較器32の他の入力端子は適切な任意の基準電圧源へ接続
される。位相比較器の出力はCA3100型低域フィルタ34を
介して電圧比較器36へ与えられる。その電圧比較器とし
てはCA3290E型を使用できる。電圧比較器36の出力はア
ップダウンカウンタ24へ与えられる。
第１図に示されている変調器12が第３図に詳しく示さ
れている。この変調器12は音響吸収器40を含む。この音
響吸収器は相互作用媒体を含み、その相互作用媒体にレ
ーザ10からのビーム１が入射する。そうするとその相互
作用媒体はレーザビーム３と２を発生する。それらのレ
ーザビームは互いに角度２θだけずらされる。音響吸収
器40は圧電トランスデューサ42も含む。ドライバ23から
の電気信号が電気的インピーダンス整合ネットワーク25
を介して圧電トランスデューサ42へ与えられる。
れている。この変調器12は音響吸収器40を含む。この音
響吸収器は相互作用媒体を含み、その相互作用媒体にレ
ーザ10からのビーム１が入射する。そうするとその相互
作用媒体はレーザビーム３と２を発生する。それらのレ
ーザビームは互いに角度２θだけずらされる。音響吸収
器40は圧電トランスデューサ42も含む。ドライバ23から
の電気信号が電気的インピーダンス整合ネットワーク25
を介して圧電トランスデューサ42へ与えられる。
レーザ10からのレーザビーム１の周波数と位相をそれ
ぞれω０（rad/sec），φ０で示す。第３図に示すよう
に、変調器12はビームに作用して周波数ω０±Ωを有す
る屈折されたビーム２を生ずる。ビーム３の周波数は同
じに保たれる。再帰反射ターゲット14により反射された
ビーム４の周波数はω０＋ωＤへドップラー推移させら
れる。ここに、ωＤは再帰反射ターゲットの速度Ｖに比
例するドップラー推移である。
ぞれω０（rad/sec），φ０で示す。第３図に示すよう
に、変調器12はビームに作用して周波数ω０±Ωを有す
る屈折されたビーム２を生ずる。ビーム３の周波数は同
じに保たれる。再帰反射ターゲット14により反射された
ビーム４の周波数はω０＋ωＤへドップラー推移させら
れる。ここに、ωＤは再帰反射ターゲットの速度Ｖに比
例するドップラー推移である。
ビーム組合わせ器16はビーム２と４を組合わせ、組合
わされたビームを光学的ヘテロダイン検出器18へ与え
る。そうするとその光学的ヘテロダイン検出器はうなり
周波数Ω＋ωＤを有する電気信号５（第４図）を発生す
る。この電気信号は増幅器20により増幅されてから位相
復調器22へ与えられる。位相復調器22の出力は位相変化
Δφに比例する。その位相変化は次式により再帰反射タ
ーゲットの変位ΔＺに関係づけられる。
わされたビームを光学的ヘテロダイン検出器18へ与え
る。そうするとその光学的ヘテロダイン検出器はうなり
周波数Ω＋ωＤを有する電気信号５（第４図）を発生す
る。この電気信号は増幅器20により増幅されてから位相
復調器22へ与えられる。位相復調器22の出力は位相変化
Δφに比例する。その位相変化は次式により再帰反射タ
ーゲットの変位ΔＺに関係づけられる。
最後に、測定された変位ΔＺはマイクロプロセッサ26
により長さの単位に変えられ、数値表示器28により数値
で表示される。
により長さの単位に変えられ、数値表示器28により数値
で表示される。
レーザビームは、音波の伝わる向きに対してほぼ直角
に、第３図の変調器12の音響吸収器40の相互作用媒体を
通って送られる。プロシーディング・オブ・ザμアイイ
ーイーイー（Proceeding of the IEEE）50（1965年）、
1604〜1623ページ所載のシー・ジェー・オウエート（C.
J.Ouate）他の論文と、ジャーナル・オブ・アプライド
・フィジックス（Journal of Applied Physics）、50
（1979年）7917〜7920ページ所載のシー・ピー・ワング
（C.P.Wang）他の論文において述べられているように、
送られるビーム３は同じままであり、屈折されたビーム
２の向きと周波数はそれぞれθおよびω０±Ωである。
その角度θはθ＝λ／Λである。ここに、λとΛはそれ
ぞれレーザの波長、音波の波長である。強さの比は次式
により計算できる。
に、第３図の変調器12の音響吸収器40の相互作用媒体を
通って送られる。プロシーディング・オブ・ザμアイイ
ーイーイー（Proceeding of the IEEE）50（1965年）、
1604〜1623ページ所載のシー・ジェー・オウエート（C.
J.Ouate）他の論文と、ジャーナル・オブ・アプライド
・フィジックス（Journal of Applied Physics）、50
（1979年）7917〜7920ページ所載のシー・ピー・ワング
（C.P.Wang）他の論文において述べられているように、
送られるビーム３は同じままであり、屈折されたビーム
２の向きと周波数はそれぞれθおよびω０±Ωである。
その角度θはθ＝λ／Λである。ここに、λとΛはそれ
ぞれレーザの波長、音波の波長である。強さの比は次式
により計算できる。
ここに、I0＝送られたレーザビームの強さ、 I1＝屈折されたビームの強さ、 M2＝媒体の光弾性の良さ指数、 Ｌ＝光弾性相互作用の長さ、 Ｈ＝音の柱の幅、 Pac＝相互作用媒体の音響パワー、 である。
ドップラーレーダと同様に、本発明の装置におけるタ
ーゲット14は再帰反射器である。この再帰反射器にはレ
ーザビーム３が照射される。再帰反射器により反射され
たレーザビーム４は再帰反射ターゲットに動きにより周
波数が推移させられる。ドップラー周波数推移は次式に
より表すことができる。
ーゲット14は再帰反射器である。この再帰反射器にはレ
ーザビーム３が照射される。再帰反射器により反射され
たレーザビーム４は再帰反射ターゲットに動きにより周
波数が推移させられる。ドップラー周波数推移は次式に
より表すことができる。
または ここに、ωＤとΔφはそれぞれ周波数推移、位相推
移、ΔＶとΔＺはそれぞれ再帰反射器の速度、変位、ω
０はレーザの周波数、Ｃは光速である。
移、ΔＶとΔＺはそれぞれ再帰反射器の速度、変位、ω
０はレーザの周波数、Ｃは光速である。
ドライバ23は周波数Ωの搬送波を発生する。再帰反射
ターゲット14はコーナーキューブで構成できる。このコ
ーナーキューブはレーザビームを入射ビームに平行に常
に反射するから、位置合わせは重要ではない。ビーム組
合わせ器16は２枚の反射鏡で構成できる。そのビーム組
合わせ器は反射されてきたレーザビーム14と屈折された
レーザビーム２を組合わせる。
ターゲット14はコーナーキューブで構成できる。このコ
ーナーキューブはレーザビームを入射ビームに平行に常
に反射するから、位置合わせは重要ではない。ビーム組
合わせ器16は２枚の反射鏡で構成できる。そのビーム組
合わせ器は反射されてきたレーザビーム14と屈折された
レーザビーム２を組合わせる。
第４図に示すように、搬送波周波数Ωとドップラー推
移ωＤの和であるうなり信号Ω＋ωＤが光学的ヘテロダ
イン検出器18により得られる。位相復調器22はうなり信
号Ω＋ωＤの位相と搬送波周波数Ωの基準信号の位相を
比較する。位相復調器の出力Δφは再帰反射ターゲット
14の変位ΔＺに比例する。その変位ΔＺが半波長（λ/
2）より大きい時は、アップダウンカウンタ24を用いて
全位相変化に追従する。すなわち、 Δφtotal＝２πＮ＋φ （５） ここに、Ｎは、うなり信号（うなり出力信号）と基準
信号との間の位相差の半波長の数であり、全部の位相差
パラメータであり、φは、うなり出力信号と基準信号と
の間の位相角の差であり、２πより小さい値である。
移ωＤの和であるうなり信号Ω＋ωＤが光学的ヘテロダ
イン検出器18により得られる。位相復調器22はうなり信
号Ω＋ωＤの位相と搬送波周波数Ωの基準信号の位相を
比較する。位相復調器の出力Δφは再帰反射ターゲット
14の変位ΔＺに比例する。その変位ΔＺが半波長（λ/
2）より大きい時は、アップダウンカウンタ24を用いて
全位相変化に追従する。すなわち、 Δφtotal＝２πＮ＋φ （５） ここに、Ｎは、うなり信号（うなり出力信号）と基準
信号との間の位相差の半波長の数であり、全部の位相差
パラメータであり、φは、うなり出力信号と基準信号と
の間の位相角の差であり、２πより小さい値である。
全変位ΔＺは次式で表すことができる。
ΔＺ＝（２πC/2ω０）（Ｎ＋φ/2π） アップダウンカウンタ24のカウントを読取り、そのカ
ウントを長さの単位に変えるためにマイクロプロセッサ
26が用いられる。表示器28は10桁の表示器とすることが
でき、かつマイクロプロセッサ26により制御される。そ
のマイクロプロセッサは温度、圧力および湿度の変化に
よる光速の変化を補償し、外部のコンピュータまたは制
御器と交信する。
ウントを長さの単位に変えるためにマイクロプロセッサ
26が用いられる。表示器28は10桁の表示器とすることが
でき、かつマイクロプロセッサ26により制御される。そ
のマイクロプロセッサは温度、圧力および湿度の変化に
よる光速の変化を補償し、外部のコンピュータまたは制
御器と交信する。
簡単にするために、全てのレーザビームが平面波であ
ると仮定する。そうするとビーム１は次式のように表す
ことができる。
ると仮定する。そうするとビーム１は次式のように表す
ことができる。
V1＝（r,t）＝a1（r,t）exp i（ω0t＋φ０） （７） ここに、ｒは位置、ｔは時間、a1は振幅、ω０は周波
数、φ０は位相である。周波数変調器を通った後で、レ
ーザビーム３と反射されたビーム２は次式で表すことが
できる。
数、φ０は位相である。周波数変調器を通った後で、レ
ーザビーム３と反射されたビーム２は次式で表すことが
できる。
V3＝（r,t）＝a3（r,t）exp i（ω0t＋φ３） （８） V2＝（r,t） ＝a2（r,t）exp i｛（ω０＋Ω）ｔ＋φ２｝ （９） そうすると、ドップラー推移された反射ビーム４は次
式で表される。
式で表される。
V4＝（r,t） ＝a4（r,t）exp i｛（ω０＋ωＤ）ｔ＋φ４｝ （10） ビーム２と４を光検出器において組合わせると次式で
表される光電流Ipが得られる。
表される光電流Ipが得られる。
ここに、rpは光検出器の位置、ｄは光検出器の直径、
Ａは量子効率とヘテロダイン効率および感度に依存する
検出器定数、Ｔはレーザ光の周期より十分に長くなくて
はならない平均時間間隔である。
Ａは量子効率とヘテロダイン効率および感度に依存する
検出器定数、Ｔはレーザ光の周期より十分に長くなくて
はならない平均時間間隔である。
V2とV4を上の式に代入することにより次式が得られ
る。
る。
ここに、振幅Ｂと位相Δφは一定である。
光電流Ｉの位相推移と基準信号IR（ｔ）＝Ccos（Ωｔ
＋φＲ）の位相推移を比較するために位相復調器が用い
られる。ここに、振幅Ｃと位相φＲは一定である。位相
復調器の出力は、周波数の時間積分である位相差に比例
する。すなわち、 である。その理由は、ドップラー推移は次式で表すこと
ができるのである。
＋φＲ）の位相推移を比較するために位相復調器が用い
られる。ここに、振幅Ｃと位相φＲは一定である。位相
復調器の出力は、周波数の時間積分である位相差に比例
する。すなわち、 である。その理由は、ドップラー推移は次式で表すこと
ができるのである。
ここに、ｕとｚは、それぞれ、レーザビームの伝わる
向きに沿う速度、変位である。
向きに沿う速度、変位である。
ｔ＝０においてφ（０）＝０およびｚ（０）＝０であ
ると仮定すると、 Δｚ＝ｚ（ｔ）−z0とすると、式（15）は、 となる。したがって、位相復調器の出力φ（ｔ）は変位
Δｚに正比例する。
ると仮定すると、 Δｚ＝ｚ（ｔ）−z0とすると、式（15）は、 となる。したがって、位相復調器の出力φ（ｔ）は変位
Δｚに正比例する。
したがって、本発明は、動いているターゲットの変位
を測定するためにドップラーレーダ技術を用いる比較的
安価な装置を提供するものである。先に説明したよう
に、戻ってくるビームを大幅に変位させることなしに装
置の範囲を数メートルまで拡げることができるように、
ターゲットは、入射ビームな平行な戻りビームを発生す
る再帰反射器で構成される。また、再帰反射器を使用す
ることにより、位置合わせの狂いを比較的大きくでき
る。先に述べたように、アップダウンカウンタ24は波長
の数を追従するから、あいまいさなしに数メートルの範
囲にわたって全位相変化を決定できる。
を測定するためにドップラーレーダ技術を用いる比較的
安価な装置を提供するものである。先に説明したよう
に、戻ってくるビームを大幅に変位させることなしに装
置の範囲を数メートルまで拡げることができるように、
ターゲットは、入射ビームな平行な戻りビームを発生す
る再帰反射器で構成される。また、再帰反射器を使用す
ることにより、位置合わせの狂いを比較的大きくでき
る。先に述べたように、アップダウンカウンタ24は波長
の数を追従するから、あいまいさなしに数メートルの範
囲にわたって全位相変化を決定できる。
第１図は本発明の装置の一実施例のブロック図、第２図
は第１図に示されている実施例の部品の１つを構成する
種々の素子のブロック図、第３図は第１図に示されてい
る装置に含まれている音響−光変調器を示す略図、第４
図は本発明において用いられる光ヘテロダイン技術を説
明するために有用な図である。 10……レーザ、12……変調器、14……再帰反射器、16…
…ビーム組合わせ器、18……検出器、20……増幅器、22
……位相復調器、23……ドライバ、24……アップダウン
カウンタ、26……マイクロプロセッサ、28……数値表示
器、30……前置増幅器、32……位相比較器、34……低域
フィルタ、36……電圧比較器。
は第１図に示されている実施例の部品の１つを構成する
種々の素子のブロック図、第３図は第１図に示されてい
る装置に含まれている音響−光変調器を示す略図、第４
図は本発明において用いられる光ヘテロダイン技術を説
明するために有用な図である。 10……レーザ、12……変調器、14……再帰反射器、16…
…ビーム組合わせ器、18……検出器、20……増幅器、22
……位相復調器、23……ドライバ、24……アップダウン
カウンタ、26……マイクロプロセッサ、28……数値表示
器、30……前置増幅器、32……位相比較器、34……低域
フィルタ、36……電圧比較器。
Claims (4)
- 【請求項１】特定周波数ω０のレーザビームを発生する
レーザと、 特定周波数Ωの電気的ヘテロダイン用基準信号を発生す
る発振器手段と、 前記レーザとターゲットとの間に配置された光変調器
と、を備え、 その光変調器は前記レーザから前記ターゲットへ入射す
る前記レーザビームを通すためのものであり、前記レー
ザビームは前記ターゲットによって反射されて前記ター
ゲットの速度に比例する量ωＤだけの周波数推移によっ
て周波数（ω０＋ωＤ）を有する反射レーザビームとな
り、前記反射レーザビームは前記ターゲットに入射する
レーザビームに平行で且つ離れるように屈折され、前記
光変調器は前記発振器手段にも接続されて前記発振器手
段から前記基準信号を受けて周波数（ω０±Ω）の屈折
レーザビームを生成し、 さらに、前記変調器からの前記屈折ビームの経路内と前
記ターゲットからの前記反射ビームの経路内とに位置さ
せられており、２本のビームを組合わせ、うなり周波数
（ωＤ±Ω）を有する組合せ出力ビームを発生する、ビ
ーム組合わせ手段と、 このビーム組合わせ手段からの組合せ出力ビームの経路
内に位置させられており、周波数（Ω＋ωＤ）を有する
うなり出力信号を検出、生成する、光検出器と、 この光検出器の出力と前記発振器手段とに結合された位
相復調器であって、前記発振器手段からの前記基準信号
Ωと前記光検出器からの前記うなり出力信号（Ω＋
ωＤ）とを受け、前記うなり出力信号と前記基準信号と
を比較して、φ（ｔ）/2π＝（２ω0/c）Δｚ（c:光
速）なる式に基づいてターゲットの変位Δｚを求めるべ
く、 なる式から出力信号φ（ｔ）を求めて出力する、位相復
調器と、 前記位相復調器へ結合され、それからの出力信号に応じ
て、前記基準位置からの前記ターゲットの変位Δｚの測
定値を与える、前記位相復調器からの出力を利用する利
用手段と、 を備えることを特徴とする、基準位置から動いている再
帰反射ターゲットの変位Δｚを測定する装置。 - 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の装置であっ
て、前記利用手段は、前記位相復調器の出力信号を、基
準位置からのターゲットの変位の数値を表す信号に変換
するマイクロプロセッサを含むことを特徴とする装置。 - 【請求項３】特許請求の範囲第２項記載の装置であっ
て、マイクロプロセッサへ結合された数値表示装置を含
むことを特徴とする装置。 - 【請求項４】特許請求の範囲第１〜３項のいずれかに記
載の装置であって、前記利用手段は、基準位置からのタ
ーゲットの変位が半波長より大きい時に、前記位相復調
器の出力信号中の全位相変化を決定するアップ−ダウン
カウンタを含むことを特徴とする装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/920,660 US4715706A (en) | 1986-10-20 | 1986-10-20 | Laser doppler displacement measuring system and apparatus |
| US920660 | 1986-10-20 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63111489A JPS63111489A (ja) | 1988-05-16 |
| JPH0823588B2 true JPH0823588B2 (ja) | 1996-03-06 |
Family
ID=25444158
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62238605A Expired - Fee Related JPH0823588B2 (ja) | 1986-10-20 | 1987-09-22 | 基準位置から動いている再帰反射ターゲットの変位を測定する装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4715706A (ja) |
| EP (1) | EP0271188B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0823588B2 (ja) |
| DE (1) | DE3775904D1 (ja) |
Families Citing this family (29)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| DE68925998T2 (de) * | 1988-06-29 | 1996-09-12 | Topcon Corp | Hochauflösendes Zeitdifferenzmessgerät |
| US4922307A (en) * | 1988-06-30 | 1990-05-01 | Hughes Aircraft Company | Method and apparatus for improving the measuring accuracy of a micrometer |
| US5123730A (en) * | 1988-08-09 | 1992-06-23 | The Oregon Graduate Institute Of Science & Technology | Apparatus for optical remote wind sensing |
| JPH02124581U (ja) * | 1989-03-27 | 1990-10-15 | ||
| JP2940559B2 (ja) * | 1990-07-31 | 1999-08-25 | オークマ株式会社 | 変位検出装置 |
| US5082364A (en) * | 1990-08-31 | 1992-01-21 | Russell James T | Rf modulated optical beam distance measuring system and method |
| DE9013559U1 (de) * | 1990-09-27 | 1990-12-06 | Mesacon Gesellschaft für Meßtechnik mbH, 4600 Dortmund | Optisches Gerät zur Messung der Geschwindigkeit oder Länge einer bewegten Oberfläche |
| US5317375A (en) * | 1991-02-28 | 1994-05-31 | Stanley Electric Co., Ltd. | Optical distance measuring apparatus |
| DE9102669U1 (de) * | 1991-03-06 | 1991-05-29 | Mesacon Gesellschaft für Meßtechnik mbH, 44227 Dortmund | Elektrische Schaltung zum Messen der Frequenz von Laserdopplersignalen |
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| JP3307730B2 (ja) * | 1993-08-30 | 2002-07-24 | 浜松ホトニクス株式会社 | 光学測定装置 |
| DE4333423C2 (de) * | 1993-09-30 | 1997-04-10 | Fraunhofer Ges Forschung | Interferometrisches Verfahren und Interferometer mit einem Diodenlaser |
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| FR2839443A1 (fr) | 2002-05-13 | 2003-11-14 | Francois Geli | Chaussures, patins et pieds artificiels auto-propulsifs a energie embarquee pou personnes valides, personnes a handicap et robots marcheurs |
| US7012237B1 (en) * | 2003-10-29 | 2006-03-14 | Apache Technologies, Inc. | Modulated laser light detector |
| EP1794620B1 (en) * | 2004-09-30 | 2014-01-01 | Faro Technologies Inc. | Absolute distance meter that measures a moving retroreflector |
| EP2089183A1 (en) | 2006-11-08 | 2009-08-19 | Sintesi SCpA | Industrial machine provided with interferometric measuring means |
| RU2393427C1 (ru) * | 2009-03-30 | 2010-06-27 | Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук | Лазерный измеритель дальности и перемещений |
| US11255663B2 (en) | 2016-03-04 | 2022-02-22 | May Patents Ltd. | Method and apparatus for cooperative usage of multiple distance meters |
| EP3683537A1 (en) | 2019-01-18 | 2020-07-22 | Fundació Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia | Displacement sensor |
| US20230111392A1 (en) * | 2020-03-05 | 2023-04-13 | Nec Corporation | Optical measurement device and optical measurement method |
| US11329722B2 (en) | 2020-03-27 | 2022-05-10 | Relative Dynamics Incorporated | Optical terminals |
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| DE2834954A1 (de) * | 1978-08-10 | 1980-02-21 | Honeywell Gmbh | Entfernungs- und geschwindigkeitsmesseinrichtung mit rauschfrequenzmoduliertem sender |
| DE2908757C2 (de) * | 1979-03-06 | 1986-10-16 | Baumgartner, Viktor, 8028 Taufkirchen | Abstandsänderungs-Meßanordnung |
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| US4537502A (en) * | 1982-09-30 | 1985-08-27 | The Boeing Company | Multiple discrete frequency ranging with error detection and correction |
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1986
- 1986-10-20 US US06/920,660 patent/US4715706A/en not_active Expired - Fee Related
-
1987
- 1987-09-22 JP JP62238605A patent/JPH0823588B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1987-10-06 EP EP87308847A patent/EP0271188B1/en not_active Expired
- 1987-10-06 DE DE8787308847T patent/DE3775904D1/de not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US4715706A (en) | 1987-12-29 |
| EP0271188A1 (en) | 1988-06-15 |
| JPS63111489A (ja) | 1988-05-16 |
| EP0271188B1 (en) | 1992-01-08 |
| DE3775904D1 (de) | 1992-02-20 |
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