JPS61145476A - 光学的距離測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ この発明は、例えばレーザ、ＬＥＤの光等を用いて測距
を行う光学的距離測定装置に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 近年、レーザー光等の光を利用した測距において、光の
変調信号を基準にした所謂変調波テレメトり法による距
離測定装置が提案されている。

この変調波テレメトリ法による距離測定装置の基本原理
は、送受信光の変調信号の位相差を測定し、変調波の波
長を基準として距離を求めるものである。

この方法による距離測定装置の基本的構成は、第３図に
示すように、変調信号源２１、光源１２５、受光部１２
９、位相差検出部３３、及び表示部３７を有する光波距
離計１０１とコーナキューブ５よりなる。この構成によ
る装置の基本的作用は、一方で、変調信号ＷＡ２１より
発せられる変調信号１２１によって光源１２５から変調
光をコーナキューブ５に投光し、反射された光を受光部
１２９で光電変換して電気信号１３１として位相差検出
部３３に入力し、同時に他方で、変調信号１２１を位相
差検出部３３に入力し、これを基準としてこの２つの入
力信号の位相差を検出することにより、距離を測定する
というものである。

ここで第３図の構成では、光源１２５から発せられる光
をチョッパービームスプリッタ１２３により、測定光路
１５９と内部参照光、路１６５とに分岐して、受光部１
２９で受光する構成となっている。これは、光源１２５
として一般に使用されている半導体レーザや受光部１２
９の受光素子、増幅器等は、遅れ要素を有しており、測
定光路１５９にこの遅れ分が含まれるので、前記位相差
にこの遅れ時間が含まれて測距精度が悪くなることが考
えられる。そこで、チョッパービームスプリッタ１２３
により、時間分割的に測定光路１５９と内部参照光路１
６５とに分岐して、受光部１２９の出力である両者の位
相差に前記遅れ要素の遅れ時間を含ませないようにして
補償を行っているのである。

ところで、測定環境等の理由から装置を測定場所に設置
できない場合には、遠隔測定を行うこととなるが、この
ような場合、距離測定装置は、例えば第４図に示すよう
に、光波距離計１０１より投光受光光学系１０３を分離
して、投光用光ファイバ１０７及び受光用光ファイバ１
１１によって接続するような構成が考えられる。しかし
ながら、この光ファイバの光路長は一定ではなく、光フ
ァイバを包むシリコン樹脂やナイロン被覆等の温度変化
が原因で、例えば光路長が百メートル程度の光ファイバ
の場合、数十度の温度変化により、数十ミリメートルの
光路長変化が生じる。このため、前記チョッパビームス
プリッタによってこの光路長変化を補償する場合には、
投光受光光学系１０３にチョッパビームスプリッタを置
いて、測定光路と内部参照光路とが投光用光ファイバ１
０７と受光用光ファイバ１１１を介する光路となるよう
にして、両者の位相差を検出することにより距離を求め
、光ファイバの光路長変化を補償することとなる。

ところが、このチョッパービームスプリッタは機械的機
構で且つ電源等の電気的エネルギーを有しているため、
装置としては比較的規模の大きい乙のとなり、被測定場
所の物理的制約等によりチョッパービームスプリッタを
設置できない場合が生じる。また、特に被測定場所の環
境が電気的エネルギーを好まない場合、例えば爆発性の
ガス雰囲気中等の場合には、投光受光光学系１０３にチ
ョッパービームスプリッタを設置できない。このため、
光ファイバの光路長変化を補償することができず、結果
として、高精度な測定ができないという問題があった。

［発明の目的コ この発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的と
しては、Ｖｌ置の遅れ要素の遅れ時間や光路長の変化を
適確に補償することができ、更に該補償を被測距場所の
環境に関係なくすることのできる光学的距離測定装置を
提供することにある。

［発明の概要］ この発明は、上記目的を達成するため、光出力から反射
体による反射光の受光までの伝播遅延時間に基づき、当
該反射体までの距離を測定する装置において、時間分割
して光を出力する発光部と、発光部より時間分割して出
力された光の夫々に対して被測定系を介し不伝播する測
定光路と被測定系を介さずに伝播する内部参照光路とに
分岐する分岐手段と、前記測定光路及び内部参照光路を
介した光を交互に受けて所定の信号を出力する第１及び
第２の受光部と、測定光路を介して第１の受光手段にて
受光した光と内部参照光路を介して第２の受光手段にて
受光した光との伝播遅延時間差、及び測定光路を介して
第２の受光手段にて受光した光と内部参照光路を介して
第１の受光手段にて受光した光との伝播遅延時間差を交
互に算−出する時間差算出手段と、該時間差算出手段で
交互に算出された伝播遅延時間差の夫々の差を演算して
伝播遅延時間を求める演算手段とを有すること、更に、
前記分岐手段が、非電気的且つ非機械的要素から成るこ
とを要旨とする。

［発明の実施例ｊ 以下、図面を用いてこの発明の詳細な説明する。

第１図はこの発明の一実論例に係る光学的距離測定装置
の構成図である。同図における構成は遠隔測定を想定し
ており、その概要は、光波距離計１とこの光波距離計１
に対し遠隔に設置される投光受光光学系３とを、光ファ
イバ（１）７、光ファイバ（２）９、光ファイバ（３）
１１、光ファイバ（４）１３によって接続し、被測定系
には、投光受光光学系３から投光された光を反射して返
すコーナキューブ５を有する構成となっている。

光波距離計１は、発光系として、変調信号をスイッチ２
３を介して発光部（１）２５及び発光部（２＞２７に、
又位相差検出部３３に、夫々出力する変調信号源２１と
、前記変調信号を入力して変調光を光ファイバく１）７
に出力する発光部（１）２５と、前記変調信号を入力し
て変調光を光ファイバ（２）９に出力する発光部（２）
２７とを有する。また、受光系として、光ファイバ（３
）１１にて伝送された変調光を入力して、電気信号に変
換して出力する受光部（１）２９と、光ファイバ（４）
１３にて伝送された変調光を入力して、電気信号に変換
して出ノｊする受光部（２）３１とを有する。更に、処
理系として、前記２つの受光部２９．３１からの電気信
号の位相差を前記変調信号を基準として検出して記憶演
算処理部３５に出力する位相差検出部３３と、この検出
結果を一時記憶し、演算処理を行い結束を表示部３７に
出力する記憶演算処理部３５と、この処理結果を測定結
果として表示する表示部３７とを有する。

投光受光光学系３は、光伝送系統における方向性結合器
としての４個のカブラ（４１乃至４７）と、光を反射さ
ぜる１個のミラー４９と、光を伝送する１０本の光フア
イバ５１乃至６９により構成され、何ら電気的なものは
有していないので、その被測定場所の環境に関係なく設
置できる。

ここで、前記４個のカブラの機能を説明する。

カブラ（１）４１（２Ｘ２の方向性結合器）は、光ファ
イバ（１）７及び光ファイバ（５）５１を介して入力し
た発光部（１）２５からの光を光ファイバ（１１）６３
及び光ファイバ（１２＞　６５に出力し、他方、光ファ
イバ（１１）６３を介して入力した光を光ファイバ（９
）５９に出力する。

カブラ（２）４３　（２Ｘ２の方向性結合器）は、光フ
ァイバ（２）９及び光ファイバ（６）５３を介して入力
した発光部（２＞２７からの光を光ファイバ（１３）６
７及び光ファイバ（１４）６９に出力し、他方、光ファ
イバ（１３）６７を介して入力した光を光ファイバ（１
０）６１に出力する。カブラ（３）４５　（２Ｘ１の方
向性結合器）は、光ファイバ（１０）６１を介して入力
した光並びに光ファイバ（１４）６９を介して入力した
光を光ファイバ（７）５５に出力し、光ファイバ（３）
１１を介して受光部（１）２９に伝送する。

カップ（４）４７（２Ｘ１の方向性結合器）は、光ファ
イバ（９）５９を介して伝送した光並びに光ファイバ（
１２）６５を介して伝送した光を光ファイバ（８）５７
に出力し、光ファイバ（４）１３を介して受光部（２）
３１に伝送する。

次に、本実施例の作用を説明する。

この距離測定装置では、スイッチ２３の切換えにより変
調信号が発光部（１）２５又は発光部（２）２７に与え
られ、各発光部から時間分割して変調光が出力されてい
る。

まず、発光部（１）２５から出力される変調光は、光フ
ァイバ（１）７及び光ファイバ（５）５１を介して伝送
され、カブラ（１）４１に至る。

この変調光はカブラ（１）４１により分岐されて受光部
（１）２９及び受光部（２）３１に至る。

即ち、光ファイバ（１１）６３→ミラー４９による反射
→コーナキューブ５による反射→ミラー４９による反射
→光ファイバ（１３）６７→カプラ（２）４３→光フア
イバ（１０）６１→カブラ（３）４５→光フアイバ（７
）５５→光ファイバ（３）１１→受光部（１）２９とい
う測定光路と、光ファイバ（１２）６５→カブラ（４ン
４７→光フアイバ（８）５７→光フ？イバ（４）１３→
受光部（２）３１という内部参照光路とに分岐されるの
である。

他方、発光部（２＞２７から出力される変調光は、光）
？イバ（２）９及び光ファイバ（６）５３を介して伝送
され、カブラ（２＞４３に至る。

この変調光はカプラ（２）４３により分岐されて受光部
（１）２９及び受光部（２）３１に至る。

即ち、光ファイバ（１３）６７→ミラー４９による反射
→コーナキューブ５による反射→ミラー４９による反射
→光ファイバ（１１）６３→カブラ（１）４１→光フア
イバ（９）５９→カプラ（４）４７→光フアイバ（８）
５７→光フアイバ（４）１３→受光部（２）３１という
測定光路と、光ファイバ（１４）６９→カブラ（３）４
５→光フアイバ（７）５５→光フアイバ（３）１１→受
光部（１）２９という内部参照光路とに分岐されるので
ある。

次に、光波距離計１の処理系の作用を説明する。

まず、スイッチ２３がａ側接点にある時には、受光部（
１）２９からは測定光路を経た発光部＜１）２５より発
せられた変調光が光電変換されて出力され、受光部（２
）３１からは内部参照光路を経た発光部（１）２５より
発せられた変調光が光電変換されて出力される。位相差
検出部３３は、これら２つの電気信号の位相差を変調信
号源２１より出力される変調信号を基準として検出し記
憶演算処理部３５へ出力する。記憶演算処理部３５はこ
れを一時記憶する。次に、時間分割してスイッチ２３が
ｂ側接点に切換えられた時には、受光部（１）２９から
は内部参照光路を経た発光部（２＞２７より発せられた
変調光が光電変換されで出力され、受光部（２）３１か
らは測定光路を経た発光部（２＞２７より発せられた変
調光が光電変換されて出力される。同様に、位相差検出
部３３は、これら２つの電気信号の位相差を検出し、記
憶演算処理部３５へ出力する。記憶演算処理部３５はこ
れを一時記憶し、この位相差と前に一時記憶した位相差
との減算を行い、この結果を後述する所定の補正を行っ
て表示部３７に出力する。表示部３７はこの値を測定結
果として表示する。

次に、第２図を用いて、前述の一連の処理を定量的に説
明する。

第２図は第１図の作用原理を説明するための図である。

ここで、発光部の遅れ要素による遅延時間を△φｓ＋（
＋＝＋、ｚ）受光部の遅れ要素による遅延時間をΔφＰ
ｉ（ｉ＝＋、２）光ファイバ（１）７乃至（４）１３の
遅延時間を△Ｔｊ　　（ｊ＝Ｉ〜４）、被測定系の片道
の遅延時間を△ＴＸとしている。即ち、以下の如くであ
る。

発光部（１）２５の遅延時間・・・Δφ６Ｉφ光部（２
）２７の遅延時間・・・△φｓ２φ光部（１）２９の遅
延時間・・・Δφ唱受光部（２＞３１の遅延時間・・・
Δφ龍先光ファイバ１）７の遅延時間・・・△Ｔ１光フ
ァイバ（２）９の遅延時間・・・ΔＴ２Ｔ２光フアイバ
）１１の遅延時間・・・へＴ３光ファイバ（４）１３の
遅延時間・・・Δ丁４被測定系の遅延時間（片道）・・
・△ＴＸ尚、投光受光光学系３内の光ファイバ（５）５
１乃至（１４）６９については、光路長が光ファイバ（
１）７乃至（４）１３のものと比べて非常に短く、光路
長の変化は無視できるため、この光路長を予め測定して
おき定数として取扱い、最終的な測定結果を補正すれば
よく、ここでは考慮しないものとする。

さて発光部（１）２５が変調光を出力した時の受光部（
１）２９の出力信号Ｖ　ｌ５−１の全遅延時間△Ｔ　１
．−１は、第２図（１）で示ず如く、次式のようになる
。

Δ１’＋、＋　＝△φｓ１　＋△Ｔ１十△Ｔ３　士△φ
ＩＦ１ヤ２△Ｔ×　　　　　　　　　・・・■その時の
受光部（２＞３１の出力信号ｖ２呵の全遅延時間△Ｔ２
４−１　は、次式のようになる。

△Ｔ２．＋＝△φｇ＋＋△Ｔ１＋八Ｔ４＋Δφれ・・・
■ ■、■式より、両者の遅延時間差φＶｌ−Ｖｌは次式で
求められる。

φ易ｖ、＝ΔＴ３十△φ９＋−ΔＴ４−△φ彎１＋２△
ＴＸ ＝△Ｌ十２△Ｔｘ　　　　　　　　　・・・■ここで、
ΔＬ−△Ｔ３＋Δφ１０−△Ｔ４−Δφ究１同様に、発
光部（２）２７が変調光を出力した時の受光部（１）２
９の出力信号Ｖ１４−２の全避延時間へＴ＋、−２、受
光部（２＞３１の出力信号Ｖ２←２の全遅延時門へｒ　
２４−２は、第２図（２）で示す如く、次式のようにな
る。

ΔＴ１．２−Δφｓ２＋ΔＴ２＋Δｒ３＋Δφｇ−・・
・■ △Ｔ２．２−Δφ話＋ΔＴ２＋△Ｔ４＋Δφ９Ｌ＋２Δ
７ｘ　　　　　　　　　　・・・■■、０式より、両者
の遅延時間差φＶ＋　−Ｖｌは次式で求められる。

φＶ、−Ｖｂ−ΔＴ３＋Δφｌ１１−ΔＴ４−ΔφＷ１
−２ΔＴｘ −へＬ−２ΔＴｘ　　　　　　　　　・・・■　ここで
求めたφＶ＋　−Ｖｈ及びφ％　−Ｖｌは前記位相差検
出部３３の出力であり、各々の値は前記記憶演算処理部
３５に一時記憶され、次の演算が行われる。即ち次式に
示される減算である。

（す φＶ＋−Ｖｍ−φＶ＋−Ｖｈ−４Δ７　ｘ　　　　　　
　　　　−＝■更に、これに刻して前記補正及び所定の
演算処理を行って、測定結果として表示部３７にて表示
する。

したがって、この装置の測距によれば、発光部、受光部
、及び光ファイバの遅延時間が測定結果に表われず、発
光部、受光部の遅れ要素、及び光ファイバの光路長の温
度変化を補償することができる。

［発明の効果コ 以上説明したように、この発明によれば、光学的距離測
定装置において、発光手段から時間分割して光を出力し
、該光を分岐手段により夫々測定光路と内部参照光路に
分岐し、測定光路を介して第１の受光手段にて受光した
光と内部参照光路を介して第２の受光手段にて受光した
光との伝播遅延時間差、及び測定光路を介して第２の受
光手段にて受光した光と内部参照光路を介して第１の受
光手段にて受光した光との伝播遅延時間差を夫々算出し
、更に夫々の差を演算してこの差により測定距離を求め
ることとしたので、装置の遅れ要素や光路長の変化を補
償することができ、また更に前記分光手段に時間分割制
御の機能を持たせることなく、即ち機械的機構及び電気
的エネルギーを有することなく、また、これにより装置
として比較的小規模で実現可能としたので、被測距場所
の環境に関係なく補償することができ、結果として、高
精度な測距が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る光学的距離測定装置
の構成図、第２図は第１図の作用原理を説明するための
図、第３図は従来の光学釣用１１１１を測定装置の構成
図、第４図は遠隔測定を行う場合の光学的距離測定装置
のブロック図の一例を示す。 ２１・・・変調信号源　　２３・・・スイッチ２５・・
・発光部（１）　　２７・・・発光部（２）２９・・・
受光部（１）　　３１・・・受光部（２）３３・・・位
相差検出部　３５・・・記憶演算処理部３７・・・表示
部　　　　４１・・・カブラ（１）４３・・・カプラ（
２）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光出力から反射体による反射光の受光までの伝搬
   遅延時間に基づき、当該反射体までの距離を測定する装
   置において、時間分割して光を出力する発光部と、発光
   部より時間分割して出力された光の夫々に対して被測定
   系を介して伝播する測定光路と被測定系を介さずに伝播
   する内部参照光路とに分岐する分岐手段と、前記測定光
   路及び内部参照光路を介した光を交互に受けて所定の信
   号を出力する第１及び第２の受光部と、測定光路を介し
   て第１の受光手段にて受光した光と内部参照光路を介し
   て第２の受光手段にて受光した光との伝播遅延時間差、
   及び測定光路を介して第２の受光手段にて受光した光と
   内部参照光路を介して第１の受光手段にて受光した光と
   の伝播遅延時間差を交互に算出する時間差算出手段と、
   該時間差算出手段で交互に算出された伝播遅延時間差の
   夫々の差を演算して伝播遅延時間を求める演算手段とを
   有することを特徴とする光学的距離測定装置。
2. （２）前記分岐手段が、非電気的且つ機械的要素から成
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の光学
   的距離測定装置。