JPH10300421A

JPH10300421A - 距離測定装置

Info

Publication number: JPH10300421A
Application number: JP9123049A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Miyazaki; 秀徳宮崎; Nobuhiko Tamura; 允彦田村
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co; OPTIMATION Inc
Current assignee: Omron Corp; OPTIMATION Inc
Priority date: 1997-04-24
Filing date: 1997-04-24
Publication date: 1998-11-13

Abstract

(57)【要約】【課題】リフレクタのように反射光の偏光方向を９０
度回転させる対象物の距離も、キャッツアイのように反
射光の偏光方向を回転させない対象物の距離も測距する
ことができる光ヘテロダイン方式の距離を提供する。【解決手段】レーザー光ＬＢを偏光ビームスプリッタ
５で信号光ＬＳと参照光ＬＲに分離し、参照光ＬＲの光
路に１／４波長板６とミラー７を配置し、信号光の投受
光光路に偏光方向変換装置１０とスキャンミラー８を設
ける。対象物がリフレクタの場合には、偏光方向変換装
置１０の１／４波長板１１を光路中に挿入すると、信号
光と参照光のいずれもが偏光ビームスプリッタ５で同じ
方向へ導かれる。対象物がキャッツアイの場合には、偏
光方向変換装置１０の１／４波長板１１を光路外へ外す
と、信号光と参照光のいずれもが偏光ビームスプリッタ
５で同じ方向へ導かれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は距離測定装置に関す
る。具体的には、光ヘテロダイン方式の測距原理に基づ
いて対象物までの距離を計測するための距離測定装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】車載用などに用いられている従来の光ヘ
テロダイン方式距離測定装置にあっては、図９に示すよ
うに、投光部２から出射されたレーザー光ＬＢを偏光ビ
ームスプリッタ５に入射させ、レーザー光ＬＢの一部
（Ｓ偏光成分）を信号光ＬＳとして偏光ビームスプリッ
タ５に透過させて前方へ出射し、残り（Ｐ偏光成分）の
レーザー光ＬＢを参照光ＬＲとして偏光ビームスプリッ
タ５で反射させている。そして、偏光ビームスプリッタ
５を透過した信号光ＬＳをスキャンミラー８に入射さ
せ、スキャンミラー８によって信号光ＬＳを対象物の検
知領域に向けて走査している。対象物９がリフレクタ
（多数のピラミッド状をした反射部［コーナーキュー
ブ］を有する反射板で、入射光を２回反射させることに
よって元の方向へ光を反射するもの）である場合には、
リフレクタで反射した直線偏光は反射前と反射後とでは
偏光面が９０度回転するので、対象物９で反射して戻っ
てきた信号光ＬＳ（Ｐ偏光成分）はスキャンミラー８で
反射して偏光ビームスプリッタ５に入射すると、偏光ビ
ームスプリッタ５で反射される。

【０００３】一方、偏光ビームスプリッタ５で反射した
参照光ＬＲ（Ｐ偏光）は１／４波長板６を透過すると円
偏光となって固定ミラー７で反射され、再び１／４波長
板６を透過すると円偏光からＳ偏光に変化し、偏光ビー
ムスプリッタ５を透過する。

【０００４】従って、偏光ビームスプリッタ５で反射し
た信号光ＬＳと偏光ビームスプリッタ５を透過した参照
光ＬＲを１／２波長板１５に透過させることによって信
号光ＬＳと参照光ＬＲを干渉させてビート信号を発生さ
せ、このビート信号に基づいて対象物９までの距離を計
測できるようになる。

【０００５】しかしながら、このような構造の光ヘテロ
ダイン方式距離測定装置にあっては、対象物９がキャッ
ツアイ（例えば、車両や道路などに設けられている平面
的な反射標識など）の場合には、信号光ＬＳは対象物９
で反射する際に偏光方向は回転しないので、図９に２点
鎖線で示すように、偏光ビームスプリッタ５に入射した
信号光ＬＳ（Ｓ偏光）は偏光ビームスプリッタ５を透過
してしまい、信号光ＬＳと参照光ＬＲとが干渉せず、キ
ャッツアイのような対象物９が測距不能になるという問
題があった。

【０００６】そこで、キャッツアイのような対象物９を
検出可能にするためには、図１０に示すように、信号光
ＬＳの投光光路と受光光路に１／４波長板５１を挿入す
ることが考えられる。この距離測定装置にあっては、偏
光ビームスプリッタ５を透過してＳ偏光となった信号光
ＬＳは１／４波長板５１を透過することによって円偏光
となり、キャッツアイのような対象物９で反射した信号
光ＬＳは１／４波長板５１で円偏光からＰ偏光に変化す
るので、偏光ビームスプリッタ５で反射し、参照光ＬＲ
と干渉させて測距することが可能になる。

【０００７】しかし、このようにして光ヘテロダイン方
式距離測定装置を改良しても、対象物９がリフレクタの
場合には、信号光ＬＳは対象物９で反射する際に偏光方
向が９０度回転するので、偏光ビームスプリッタ５を透
過した信号光ＬＳは円偏光からＳ偏光に戻るので、図１
０に２点鎖線で示すように、偏光ビームスプリッタ５に
入射した信号光ＬＳ（Ｓ偏光）は偏光ビームスプリッタ
５を透過してしまい、信号光ＬＳと参照光ＬＲとが干渉
せず、リフレクタのような対象物９が測距不能になると
いう問題があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は叙上の従来例
の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とすると
ころは、リフレクタとキャッツアイのような異なる対象
物の距離をいずれも測距することができる距離測定装置
を提供することにある。

【０００９】

【発明の開示】本発明の距離測定装置は、光ビームを偏
光方向の異なる信号光と参照光とに分け、対象物で反射
された信号光と参照光を合成することによって生じるビ
ート信号に基づいて対象物までの距離を計測する距離測
定装置において、前記信号光が投光光路と受光光路を通
過する間に直線偏光の偏光方向を９０度回転させる偏光
方向回転手段を、信号光の投光光路と受光光路のうち少
なくとも一方に設け、当該偏光方向回転手段を作動状態
と非作動状態とに切り替え可能にしたことを特徴として
いる。

【００１０】ここで、信号光が投光光路と受光光路を通
過する間に直線偏光の偏光方向を９０度回転させる偏光
方向回転手段としては、１／４波長板、印加電圧をコン
トロールすることにより一方の偏光方向の光の位相を４
分の１波長遅延させるカー効果やボッケルス効果を利用
した素子、偏光方向を９０度又は４５度回転させる旋光
性物質やファラデー効果を利用した素子などを用いるこ
とができる。

【００１１】上記距離測定装置にあっては、信号光が投
光光路と受光光路を通過する間に直線偏光の偏光方向を
９０度回転させる偏光方向回転手段を設けているので、
当該偏光方向回転手段を作動状態と非作動状態とに切り
替えることにより、受光光路に戻ってきた信号光の偏光
方向を９０度異ならせることができる。従って、リフレ
クタのような対象物とキャッツアイのような対象物とで
反射した信号光の偏光方向が９０度異なる場合でも、偏
光方向回転手段を作動状態又は非作動状態にすることに
より、偏光ビームスプリッタのような光合成手段で信号
光と参照光とを同じ方向へ導いて干渉させることができ
る。

【００１２】具体的にいうと、投光ビームを偏光分離手
段で信号光と参照光に分離し、参照光の光路に偏光方向
を９０度回転させる素子と光反射器とを配置し、信号光
の光路に信号光の偏光方向を９０度回転させる偏光方向
回転手段と信号光を検知領域に向けて走査する光走査手
段とを設けた距離測定装置の場合には、例えば対象物が
リフレクタであれば、信号光の光路側の偏光方向回転手
段を非作動状態にする。このときには、偏光ビームスプ
リッタによって信号光と参照光がそれぞれ例えばＳ偏光
成分とＰ偏光成分に分離される。参照光はミラーで反射
して偏光ビームスプリッタに入射する際には、Ｓ偏光に
変換されている。信号光は対象物で反射する際に偏光方
向が９０度回転するので、偏光ビームスプリッタに入射
する際にはＰ偏光に変換されている。従って、信号光と
参照光とは偏光ビームスプリッタで合成され、測距可能
となる。

【００１３】また、例えば対象物がキャッツアイであれ
ば、信号光の光路側の偏光方向回転手段を作動状態にす
る。この場合には、信号光は対象物で反射する際には偏
光方向は回転せず、偏光方向回転手段で偏光方向が９０
度回転するので、信号光は偏光ビームスプリッタに入射
する際にはＳ偏光に変換されている。従って、信号光と
参照光とは偏光ビームスプリッタで合成され、測距可能
となる。

【００１４】従って、本発明の距離測定装置によれば、
リフレクタのように反射時に偏光方向を９０度回転させ
る対象物も、キャッツアイのように反射時に偏光方向を
回転させない対象物も測距可能になる。

【００１５】また、偏光方向回転手段を所定周期毎に作
動状態と非作動状態とに切り替わるようにすれば、リフ
レクタのような対象物とキャッツアイのような対象物を
交互に検出できるので、いずれの対象物も測定すること
ができる。

【００１６】また、偏光方向回転手段をスイッチ操作に
より作動状態と非作動状態とに切り替えられるようにす
れば、スイッチ操作によってリフレクタのような対象物
を検出可能なモードと、キャッツアイのような対象物を
検出可能なモードとに切り替えることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】

（光学系）図１は、本発明の一実施形態による光ヘテロ
ダイン方式距離測定装置の光学系１を示す図である。ま
ず、この光学系１について説明する。投光部２は、レー
ザー光ＬＢを発生するレーザーダイオード（ＬＤ）３
と、レーザーダイオード３から出射されたレーザー光Ｌ
Ｂをコリメートするコリメートレンズ４とからなる。投
光部２の前方には第一偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
５が配置されており、投光部２から出射されたコリメー
トレーザー光ＬＢは、第一偏光ビームスプリッタ５によ
って信号光ＬＳと参照光ＬＲに分離される。第一偏光ビ
ームスプリッタ５はＳ偏光成分を透過させ、Ｐ偏光成分
を反射させるから、信号光ＬＳは第一偏光ビームスプリ
ッタ５を透過してＳ偏光成分の光となり、参照光ＬＲは
第一偏光ビームスプリッタ５で反射してＰ偏光成分の光
となる。

【００１８】第一偏光ビームスプリッタ５の反射側に
は、１／４波長板６と固定ミラー７とが配置されてお
り、第一偏光ビームスプリッタ５で反射したＰ偏光成分
の参照光ＬＲは１／４波長板６を通過することによって
円偏光に変換される。円偏光になった参照光ＬＲは固定
ミラー７で反射し、再び１／４波長板６を通過し、参照
光ＬＲは１／４波長板６によって再び円偏光から直線偏
光に戻る。このとき直線偏光の偏光方向は元の方向から
９０度回転するので、元のＰ偏光成分からＳ偏光成分に
変換されて再び第一偏光ビームスプリッタ５に入射す
る。第一偏光ビームスプリッタ５はＳ偏光成分の光を透
過させるので、この参照光ＬＲは第一偏光ビームスプリ
ッタ５を透過する。

【００１９】一方、第一偏光ビームスプリッタ５を透過
したＳ偏光成分の信号光ＬＳは、第一偏光ビームスプリ
ッタ５の透過側に配置されている光スキャナのスキャン
ミラー８によって反射され、対象物９ないし検知領域に
向けて走査される。ここで、第一偏光ビームスプリッタ
５とスキャンミラー８の中間には、図２（ａ）（ｂ）に
示すような偏光方向変換装置１０が配置されている。

【００２０】偏光方向変換装置１０は、図２（ａ）
（ｂ）に示すように、複数に分割された（図では４分割
しているが、２分割や６分割等でもよい）各領域に１／
４波長（λ／４）板１１とガラス板１２とを交互に設け
た回転板１３をパルスステップモータ１４で一定速度
で、又は間欠的に回転させるようにしたものであり、回
転板１３の回転角度によって信号光ＬＳがガラス板１２
を通過したり、１／４波長板１１を通過したりする。パ
ルスステップモータ１４は制御演算部２５からの信号に
よって制御されており、回転板１３の回転速度は、スキ
ャンミラー８による２スキャンの間に回転板１３の１領
域が信号光ＬＳの光路を通過するように定めてある。従
って、回転板１３がｎ個の１／４波長板領域とｎ個のガ
ラス板領域とからなっている場合には、回転板１３が１
回転する間に信号光ＬＳは４ｎ回スキャンされる。

【００２１】いま、回転板１３の１／４波長板１１の領
域が信号光ＬＳの光路上にあるとすると、第一偏光ビー
ムスプリッタ５を透過したＳ偏光成分の信号光ＬＳは１
／４波長板１１を通過することによって円偏光に変換さ
れる。円偏光になった信号光ＬＳはスキャンミラー８で
反射され、対象物９に走査される。対象物９で反射され
た信号光ＬＳは、再びスキャンミラー８と１／４波長板
１１を通過し、１／４波長板１１によって再び円偏光か
ら直線偏光に戻されて第一偏光ビームスプリッタ５に入
射する。このとき、対象物９がキャッツアイのように反
射時に偏光方向を回転させないものである場合には、信
号光ＬＳが１／４波長板１１を通過する際に、偏光方向
が９０度回転するので、信号光ＬＳは元のＳ偏光成分か
らＰ偏光成分に変換されて第一偏光ビームスプリッタ５
に入射し、第一偏光ビームスプリッタ５で反射される。
この結果、Ｐ偏光成分の信号光ＬＳとＳ偏光成分の参照
光ＬＲとは、同じ方向すなわち受光部側へ導かれること
になる。

【００２２】一方、対象物９がリフレクタのように反射
時に偏光方向を９０度回転させる場合には、信号光ＬＳ
が対象物９で反射する際に偏光方向が９０度回転し、さ
らに１／４波長板１１を通過する際に９０度回転するの
で、結局１８０度偏光方向が回転することになる。この
結果、信号光ＬＳは元のＳ偏光成分から再びＳ偏光成分
に変換されて第一偏光ビームスプリッタ５に入射し、第
一偏光ビームスプリッタ５を透過する。従って、この場
合には、Ｓ偏光成分の信号光ＬＳは受光部側へは導かれ
ないことになる。

【００２３】これに対し、回転板１３のガラス板１２の
領域が信号光ＬＳの光路上にあるとすると、第一偏光ビ
ームスプリッタ５を透過したＳ偏光成分の信号光ＬＳは
ガラス板１２を透過してスキャンミラー８で反射され、
対象物９に走査される。対象物９で反射された信号光Ｌ
Ｓは、再びスキャンミラー８とガラス板１２を通過し、
第一偏光ビームスプリッタ５に入射する。このとき、対
象物９がリフレクタのように反射時に偏光方向を９０度
回転させるものである場合には、対象物９で反射した信
号光ＬＳは偏光方向が９０度回転してＰ偏光成分となっ
ているから、第一偏光ビームスプリッタ５で反射する。
この結果、Ｐ偏光成分の信号光ＬＳとＳ偏光成分の参照
光ＬＲとは、同じ方向すなわち受光部側へ導かれること
になる。

【００２４】一方、対象物９がキャッツアイのように反
射時に偏光方向を９０度回転させない場合には、信号光
ＬＳが対象物９で反射する際に偏光方向は回転しないか
ら、信号光ＬＳがガラス板１２を通過すると、結局信号
光ＬＳは元のＳ偏光成分のままで第一偏光ビームスプリ
ッタ５に入射する。この結果、信号光ＬＳは第一偏光ビ
ームスプリッタ５を透過する。従って、この場合には、
Ｓ偏光成分の信号光ＬＳは受光部側へは導かれないこと
になる。

【００２５】偏光方向変換装置１０の回転板１３が回転
することにより、対象物９がリフレクタであってもキャ
ッツアイであっても、受光側には、Ｐ偏光成分の信号光
ＬＳとＳ偏光成分の参照光ＬＲとが、同時に受光側へ導
かれることになる。この第一偏光ビームスプリッタ５の
受光側には、１／２波長（λ／２）板１５と第二偏光ビ
ームスプリッタ１６とが配設され、第二偏光ビームスプ
リッタ１６の透過側及び反射側にはそれぞれフォトダイ
オード等の受光素子１７，１８が配置されている。この
１／２波長板１５の電気的主軸方向は、信号光ＬＳと参
照光ＬＲのＰ偏光方向及びＳ偏光方向に対して傾いてい
るので、Ｐ偏光成分の信号光ＬＳとＳ偏光成分の参照光
ＬＲが１／２波長板１５を通過すると、信号光ＬＳと参
照光ＬＲの偏光方向が回転していずれもＰ偏光成分とＳ
偏光成分とを持つようになる。その結果、信号光ＬＳと
参照光ＬＲはいずれも、その一部つまりＳ偏光成分の光
が第二偏光ビームスプリッタ１６を透過して受光素子１
７に入射する。また、信号光ＬＳと参照光ＬＲのうちＰ
偏光成分の光は第二偏光ビームスプリッタ１６で反射し
て受光素子１８に入射する。こうして受光素子１７に入
射した信号光ＬＳと参照光ＬＲとは互いに偏光方向（Ｓ
偏光成分）が一致しているため、受光素子１７ではビー
ト信号が発生する。同じく、受光素子１８に入射した信
号光ＬＳと参照光ＬＲとは互いに偏光方向（Ｐ偏光成
分）が一致しているため、受光素子１８ではビート信号
が発生する。

【００２６】さらに、受光素子１７から出力される光電
流（ビート信号）と受光素子１８から出力される光電流
（ビート信号）とは差動増幅器１９に入力され、差動増
幅器１９からは電気信号が出力される。

【００２７】図３は上記のような光学系１により受光素
子１７，１８の部分でビート信号が発生する理由を説明
するための概略説明図である（差動増幅器１９の部分は
省略する）。投光部２から出射されるレーザー光ＬＢ
は、ａ₀・expｊ（２πνｔ）で表わされるとする。ここで、ａ₀＝√（２Ｐ₀）Ｐ₀ ：投光部２から出射されるレーザー光ＬＢの光強
度ｊ＝√（−１） ν ：レーザー光ＬＢの周波数ｔ：時間である。参照光ＬＲが受光素子１７，１８に達するまで
の光路長による位相のずれを無視し、参照光強度をＰ_R
＝ａ_R ²／２とすると、受光素子１７，１８に入射する
参照光ＬＲは、ａ_R・expｊ（２πνｔ）で表わされる。また、レーザーダイオード３の発光周波
数の時間的変化及び対象物９の移動による光ヘテロダイ
ン方式距離測定装置との相対速度の変化によって信号光
ＬＳにΔνの周波数変化が生じるとし、信号光強度を
Ｐ_S＝ａ_S ²／２とすると、受光素子１７，１８に入射す
る信号光ＬＳは、ａ_S・expｊ［２π（ν＋Δν）ｔ］で表わされる。従って、受光素子１７，１８の変換効率
をηとすると、信号光ＬＳと参照光ＬＲを受光したと
き、受光素子１７，１８と抵抗Ｒ₀からなる受光回路に
流れる光電流ｉは、次式で表わされようなビート信号と
なる。ｉ＝η｜ａ_R・expｊ（２πνｔ）＋ａ_S・expｊ［２π（ν＋Δν）ｔ］｜² ＝η［ａ_R ²＋ａ_S ²＋２ａ_R・ａ_S・cos（２πΔνｔ）］この後、光電流ｉがバンドパスフィルタ２１によって直
流成分を除去されると、光電流ｉは、次式のようなビー
ト信号ｉ_Fとなる。ｉ_F＝２η・ａ_R・ａ_S・cos（２πΔνｔ）］

【００２８】（処理回路）図４は上記光ヘテロダイン方
式距離測定装置における信号処理回路２０を示すブロッ
ク図である。この信号処理回路２０は、受光素子１７，
１８からの信号を処理して対象物９までの距離を演算す
るとともに、投光部２及びスキャンミラー８を駆動制御
する機能を有している。

【００２９】信号処理回路２０の受信信号処理部分は、
バンドパスフィルタ２１、整流器２２、積分器２３及び
アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器２４から構成され
ている。しかして、受光素子１７，１８から出力された
光電流（ビート信号）ｉは差動増幅器１９へ出力され、
その差動出力はバンドパスフィルタ２１を透過する。バ
ンドパスフィルタ２１は、図５に示すような透過率スペ
クトルを有している。最大周波数ν_maxはレーザーダイ
オード３のスペクトル幅（コヒーレント長）によって決
まるものであって、例えばレーザーダイオード３のコヒ
ーレント長をΔＬ＝１０ｍ、光速ｃ（＝３×１０^-8m/se
c）とすると、ν_max＝ｃ／ΔＬより、ν_max＝３０ＭＨ
ｚとなる。よって、光電流ｉの差動出力信号は、直流成
分とレーザーダイオード３のスペクトル幅によって決ま
る帯域以外の周波数成分を除去される。バンドパスフィ
ルタ２１を通過した出力信号（ビート信号ｉ_F）の交流
成分は整流器２２で整流され、積分器２３で積算処理さ
れる。積分器２３は、制御演算部（ＣＰＵ）２５からリ
セット信号を受信すると、積分値を０にリセットし、整
流器２２から出力される信号を積算し、所定の積分時間
Ｔが経過すると、そのときの積分値をＡ／Ｄ変換器２４
へ出力する。制御演算部２５は、Ａ／Ｄ変換器２４でデ
ジタル信号に変換された積分器出力を受け取ると、積分
器２３を再びリセットする。制御演算部２５は、積分器
出力の値に基づいて、後記のようにして対象物９までの
距離を演算する。

【００３０】レーザーダイオード駆動回路２６は、制御
演算部２５からの発光制御信号に基づいてレーザーダイ
オード３を発光させる。レーザーダイオード駆動回路２
６は、変調回路を内蔵しており、制御演算部２５からの
発光制御信号に基づいて、積分器２３における積分時間
Ｔ毎に、レーザーダイオード３を連続（Continuous Wav
e）発光させ（図６（ａ））、あるいは、デューティー
比５０％の強度変調発光させる（図７（ａ））。

【００３１】光スキャナを駆動する光スキャナ駆動回路
２７は、制御演算部２５からの信号に基づいて、スキャ
ンミラー８を回転させ、一定周期で信号光ＬＳを走査さ
せる。信号光ＬＳは、偏光方向変換装置１０の１／４波
長板１１を通過する間に２スキャンされ、ガラス板１２
を通過する内に２スキャンされるが、それぞれ２スキャ
ンのうちの１スキャンではレーザーダイオード３は連続
発光し、残りの１スキャンではレーザーダイオード３は
強度変調発光する。

【００３２】次に、上記のような信号処理回路２０によ
り対象物９までの距離を求める方法を図６及び図７によ
り説明する。光ヘテロダイン方式距離測定装置は、信号
光ＬＳを走査している走査範囲を複数の検知領域（例え
ば、８０領域）に分割し、各検知領域毎に対象物９まで
の距離を計測している。このため、各検知領域毎にレー
ザーダイオード３を連続発光と強度変調発光とに切り替
え、その都度積分器２３から積分出力を出力して対象物
９までの距離を演算している。

【００３３】まず、積分器２３をリセットすると同時に
レーザーダイオード３を連続発光開始させ、積分器２３
の積分時間Ｔが経過したときに発光を停止する。参照光
ＬＲの光路長は短く、受光素子１７，１８で受光される
までの遅延時間は無視できるので、受光素子１７，１８
で受光される参照光ＬＲによる信号（投光信号）は図６
（ａ）で示される。対象物９までの距離をＲとすれば、
信号光ＬＳは、投光タイミングから２Ｒ／ｃだけ遅延し
て受光素子１７，１８に到達するので、受光素子１７，
１８で受光される信号光ＬＳによる信号（受光信号）
は、図６（ｂ）で表わされる。従って、投光信号（参照
光）と受光信号（信号光）が干渉して生じるビート信号
は、図６（ｃ）に示すように、両信号の重複期間（２Ｒ
／ｃ〜Ｔ）で発生する。積分器２３におけるビート信号
の積算速度をαとすると、積分時間Ｔ後における積分器
２３の積分出力Ｉ₀は、図６（ｄ）に示すように、Ｉ₀＝α（Ｔ−２Ｒ／ｃ）で表わされる。ここで、積分時間Ｔは、遅延時間２Ｒ／
ｃに比べて十分に長くしているので、Ｔ>>２Ｒ／ｃと考
えることができる。よって、Ｉ₀＝αＴ … となる。積分時間Ｔ経過後、積分器２３の積分出力Ｉ₀
は、Ａ／Ｄ変換器２４を経て制御演算部２５へ出力され
る。

【００３４】ついで、積分器２３をリセットすると同時
にレーザーダイオード３をデューティー比５０％、周期
１／ν_CLK（ν_CLKは強度変調周波数）で強度変調発光さ
せ、積分器２３の積分時間Ｔが経過したときに発光を停
止する。この受光素子１７，１８で受光される参照光Ｌ
Ｒによる信号（投光信号）は図７（ａ）で示される。受
光素子１７，１８で受光される信号光ＬＳによる信号
（受光信号）は、２Ｒ／ｃだけ遅延するので、図７
（ｂ）で表わされる。従って、投光信号（参照光）と受
光信号（信号光）が干渉して生じるビート信号は、図７
（ｃ）に示すように、周期１／ν_CLKで、１／（２ν_CLK）−（２Ｒ／ｃ）の長さとなる。よって、積分器２３におけるビート信号
の積算速度をαとすると、積分器２３では断続的に積算
処理され、積分時間Ｔ後における積分器２３の積分出力
Ｉ₁は、図７（ｄ）に示すように、Ｉ₁＝α・［１／（２ν_CLK）−（２Ｒ／ｃ）］×（Ｔ・ν_CLK） … で表わされる。積分時間Ｔ経過後、積分器２３の積分出
力Ｉ₁は、Ａ／Ｄ変換器２４を経て制御演算部２５へ出
力され、積分器２３はリセットされる。

【００３５】制御演算部２５は、連続発光による積分器
２３の積分出力Ｉ₀と強度変調発光による積分出力Ｉ₁が
得られると、両積分出力Ｉ₀とＩ₁に基づいて対象物９ま
での距離Ｒを演算する。すなわち、積分出力Ｉ₀に対す
る積分出力Ｉ₁の比を求めると、上記式及び式よ
り、Ｉ₁／Ｉ₀＝ν_CLK［１／（２ν_CLK）−（２Ｒ／ｃ）］＝（１／２）−（２Ｒν_CLK／ｃ） … が得られる。これより、対象物９までの距離Ｒは、Ｒ＝（ｃ／２ν_CLK）×［１／２−（Ｉ₁／Ｉ₀）］ … で表わされる。従って、連続発光による積分出力Ｉ₀に
対する強度変調発光による積分出力Ｉ₁の比と、強度変
調周波数ν_CLKとから対象物９までの距離を求めること
ができる。

【００３６】このような方式によれば、光ヘテロダイン
方式において、コヒーレント長の短い安価なレーザー光
ＬＢを用いることができるようになる。また、ＦＭ変調
を行なわずに、ヘテロダイン検出が可能になる。さら
に、パルスエコー方式に比べ、Ｓ／Ｎ比が良好となり、
測定可能距離も長くなる。

【００３７】なお、上記実施形態においては、回転板１
３の１／４波長板１１とガラス板１２のいずれが信号光
ＬＳの光路上にあるときに受光素子１７，１８でビート
信号が発生したかによって、対象物９の種類（つまり、
リフレクタか、キャッツアイか）を判別することもでき
る。

【００３８】（その他の実施形態）図８は本発明の別な
実施形態による偏光方向変換装置２８の構成を示す図で
ある。この偏光方向変換装置２８は、１／４波長板１１
をアクチュエータ２９によって上下方向もしくは左右方
向へスライド又は回動させることにより、信号光ＬＳの
光路上へ移動させたり、光路外へ移動させたりするもの
であり、制御演算部２５からの指令によってアクチュエ
ータ２９を制御することにより、一定周期毎に１／４波
長板１１を信号光ＬＳの光路上へ移動させたり、光路外
へ移動させたりする。

【００３９】また、上記実施形態では、偏光方向変換手
段１０，２８は、１／４波長板１１を一定周期毎に信号
光ＬＳの光路外から光路上へ、あるいは光路上から光路
外へ移動させているが、操作スイッチの手動操作によっ
て１／４波長板１１を信号光ＬＳの光路上へセットさせ
たり、信号光ＬＳの光路外へ外したりするようにしても
よい。この場合には、操作スイッチの操作によって光ヘ
テロダイン方式距離測定装置をキャッツアイのような対
象物を測距可能なモードに切り替えたり、リフレクタの
ような対象物を測距可能なモードに切り替えたりするこ
とができる。

【００４０】また、上記偏光方向変換装置としては、１
／４波長板１１に代えて、印加電圧をコントロールする
ことによって入射光の位相を１／４波長だけ遅延させ
る、ポッケルス効果やカー効果を利用した光学素子を用
いてもよい（図示せず）。

【００４１】あるいは、信号光の投光光路もしくは受光
光路の一方に偏光方向を９０度回転させる旋光性物質や
ファラデー素子などを配置してもよい。あるいは、信号
光の投光光路及び受光光路のそれぞれに偏光方向を４５
度回転させる旋光性物質やファラデー素子などを配置し
てもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による光ヘテロダイン方式
距離測定装置の光学系を示す図である。

【図２】（ａ）（ｂ）は偏光方向変換手段の構造を示す
正面図及び平面図である。

【図３】受光部でビート信号が発生する原理を説明する
概略説明図である。

【図４】同上の光ヘテロダイン方式距離測定装置の信号
処理回路の構成を示すブロック図である。

【図５】バンドパスフィルタの透過率スペクトルを示す
図である。

【図６】連続発光時における信号処理回路の各部の波形
図である。

【図７】強度変調発光時における信号処理回路の各部の
波形図である。

【図８】偏光方向変換装置の別な実施形態を示す概略図
である。

【図９】従来の光ヘテロダイン方式距離測定装置の構成
を示す図である。

【図１０】従来の光ヘテロダイン方式距離測定装置の改
良例を示す図である。

【符号の説明】

３レーザーダイオード５第一偏光ビームスプリッタ８スキャンミラー１０偏光方向変換装置１１１／４波長板１２ガラス板１３回転板１４パルスステップモータ１７，１８受光素子２０信号処理回路ＬＢレーザー光ＬＳ信号光ＬＲ参照光

フロントページの続き (71)出願人 597066429 1000 ＷｉｌｌｉａｍＰｉｔｔＷａｙＰｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，ＰＡ 15238, Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者田村允彦アメリカ合衆国ペンシルベニア州ピッツバーグ、ウィリアムピットウェイ 1000、オプトメーションインコーポレーテッド内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光ビームを偏光方向の異なる信号光と参
照光とに分け、対象物で反射された信号光と参照光を合
成させることによって生じるビート信号に基づいて対象
物までの距離を計測する距離測定装置において、前記信号光が投光光路と受光光路を通過する間に直線偏
光の偏光方向を９０度回転させる偏光方向回転手段を、
信号光の投光光路と受光光路のうち少なくとも一方に設
け、当該偏光方向回転手段を作動状態と非作動状態とに
切り替え可能にしたことを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】投光ビームを信号光と参照光に分離する
偏光分離手段と、参照光の光路に配置された、参照光の偏光方向を９０度
回転させる素子及び光反射器と、信号光の光路に配置された、信号光の偏光方向を９０度
回転させる偏光方向回転手段及び信号光を検知領域に向
けて走査する光走査手段とを備え、参照光は前記光反射器で反射することによって再び前記
偏光分離手段に入射し、信号光は測定対象物で反射する
ことによって再び前記偏光分離手段に入射するようにな
った距離測定装置において、前記偏光方向回転手段を作動状態と非作動状態とに切り
替え可能にしたことを特徴とする、請求項１に記載の距
離測定装置。
【請求項３】前記偏光方向回転手段は、所定周期毎に
作動状態と非作動状態とに切り替わることを特徴とす
る、請求項１に記載の距離測定装置。
【請求項４】前記偏光方向回転手段は、スイッチ操作
により作動状態と非作動状態とに切り替えられることを
特徴とする、請求項１に記載の距離測定装置。
【請求項５】前記偏光方向回転手段は、４分の１波長
板であることを特徴とする、請求項１に記載の距離測定
装置。
【請求項６】前記偏光方向回転手段は、印加電圧をコ
ントロールすることにより一方の偏光方向の光の位相を
４分の１波長遅延させる素子であることを特徴とする、
請求項１に記載の距離測定装置。