JPS62147384A - レ−ザ測距装置 - 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】 「産業上の利用分野」 本発明は、レーザ光線を利用したレーザ４１１１距装置
に関する。

「従来の技術」 従来、レーザ光線を利用したレーザＸｌｌ距装置は既に
種々の方法が提案されており、レーザ光線を被計測物へ
照射することによって得た反射光と、上記レーザ光線を
所定距離だけ離隔し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計Δ］１ビ
ート波を発生させ、その計測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。

しかしながら、上記計測ビート波を計測して被計測物ま
での距離を演算する場合には、温度変化等に対しての不
安定要素を有する周波数偏移量を既知数として使用する
必要があることから、大きな計測誤差が生じることがあ
った。

そこで本出願人は、上述した計測ビート波を得る計測光
学系に、参照用としての参照ビート波を得る参照光学系
を設けることにより、上記周波数偏移量の値に影響され
ずに上記被計測物までの距離を演算計測することができ
るようにしたレーザ測距装置を提案している（特願昭８
０−６４３１１号）。

本出願人の提案した測距装置によれば、上記周波数偏移
量の値に影響されずに被計測物までの距離を演算計′Ａ
ＩＩＩすることができるので、大きな計測誤差を生じさ
せることなく確実なＭ１距を行なうことができる。しか
も、波計７１１１１物ヘレーザ光線を照射する際に、被
計測物が集光レンズの焦点位置からずれていても、信号
のＳ／Ｎ比は低下するものの基本的にはビート波が得ら
れる限りは演算計測値に悪影響を与えることはなく、集
光レンズの焦点にさほどの注意を払う必要がないという
利点がある。

「発明が解決しようとする問題点」 しかしながら、波計ａｔ＋＋物が集光レンズの焦点位置
から大きくずれてレーザ光線の照射面積が大きくなり、
かつ被計測物が傾斜しているような場合には、その照射
面積のいずれの点が計測されたのか不明となるという問
題がある。

「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、上記レーザ測距装置に
おいて、すなわち１発振周波数が変調可能なレーザ発振
器と、このレーザ発振器から放射されたレーザ光線を集
光して被計測物に照射する集光レンズと、上記被計測物
から反射された反射光と予め所定距離だけ離隔して設け
た基準反射器から反射された反射光とを重畳させて計測
ビート波を生成させる計測光学系と、上記レーザ発振器
からのレーザ光線をそれぞれ予め所定距離だけ離隔して
設けた第１参照反射器と第２参照反射器とで反射させる
とともにそれらを重畳させて参照ビート波を生成させる
参照光学系と、上記計測光学系と参照光学系とで生成さ
れた計測ビート波と参照ビート波とからそれらの波数比
を計測し、両波数の比と上記反射器までの既知の距離と
から上記被計測物までの距離を演算計測する演算制ＯＩ
ｌ装置とを備えたレーザ測距装置において、上記集光レ
ンズをレーザ光線の光軸に沿って進退動させる駆動手段
と、上記被計測物から反射されて分岐された反射光をそ
れぞれ集光する第１レンズと第２レンズと、上記第１レ
ンズの焦点の内側に配置した第１フォトセンサと、さら
に上記第２レンズの焦点の外側に配置した第２フォトセ
ンサとを設け、上記第１フォトセンサの出力と第２フォ
トセンサの出力とを上記餞算制御装置に入力して各出力
から得られる演算値が予め定めた所定値となるように上
記集光レンズを進退制御するようにしたものである。

「作用」 そのような構成によれば、上記集光レンズを進退制御し
て上記被計測物をその集光レンズの焦点位置に位置させ
ることが可能となるので、レーザ光線の被計測物への照
射面積を小さく維持して光軸と直角方向の分解能を高め
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、半導体レーザｌは変調回路２を介して直流の駆
動ＴＬ、流を受けて単一モードのレーザ光線を発振し、
かつその変調回路２によって制御される駆動電流の大き
さに対応して発振周波数を変調することができるように
なっている。

上記半導体レーザ１から発振されたレーザ光線は、コリ
メートレンズ３によって平行光線となり、さらに偏光ビ
ームスプリッタ４、％波長板５、ビームスプリッタ６、
偏光ビームスプリッタ７、ビームスプリッタ８．電波長
板９および凹レンズや凸レンズからなる集光レンズ１０
を透過して粗面を有する被計測物１１に照射される。

そして上記被計測物１１で反射された反射光は、上記偏
光ビームスプリフタ７で反射された後、検光子１２およ
び凸レンズ１３を透過してフォトダイオード等のフォト
センサ１４で受光され、このフォトセンサ１４の信号が
マイクロコンピュータを含む演算制御装置１５に入力さ
れる。

これと同時に、上記半導体レーザｌから発振されたレー
ザ光線の一部は上記偏光ビームスプリッタ７で反射され
て電波長板ＩＢを透過した後、上記偏光ビームスプリッ
タ７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１７に照射され、この基準
反射器１７で反射された反射光は上記偏光ビームスプリ
ッタ７を透過して被計測物１１からの反射光に重畳され
、上記検光子１２および凸レンズ１３を透過してフォト
センサ１４で受光されて演算制御装置１５に入力される
。

したがって、上記演算制御装置１５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ｄれのため、具
体的には偏光ビームスプリッタ７と基準反射器１７どの
間の距＃Ｌ１と、偏光ビームスプリッタ７と被計測物１
１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、上記変調回路２により半導体レーザ
ｌへ供給する駆動電流の大きさを制御し、第２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
ｌ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、レーザ光線の周波数の変化に対応して上
記位相差が変化して計測ビート波が発生するようになり
、その計測ビート波の波数が上記演算制御装置１５によ
って計測される。

次に、上記計測ビート波を得る計測光学系２０の他に、
さらに参照用としての参照ビート波を得る参照光学系２
１を設けてあり、この参照光学系２１においては、上記
半導体レーザ１からのレーザ光線を上記ビームスプリッ
タ６によって分岐させている。

そしてその分岐したレーザ光線の一部を偏光ビームスプ
リッタ２２および電波長板２３を透過させた後、その偏
光ビームスプリッタ２２から予め所定の距離立１だけ離
隔したミラー又はプリズム等の第１参照反射器２４に照
射させ、またレーザ光線の残部は上記偏光ビームスプリ
ッタ２２で反射させて電波長板２５を透過させた後、上
記偏光ビームスプリッタ２２から予め所定の距離見２だ
け離隔したミラー又はプリズム等の第２参照反射器２６
に照射させている。なお、上記偏光ビームスプリッタ２
２に対する第１参照反射器２４と第２参照反射器２６と
の各距ｇＩ見１、見２は異ならせである。

上記第１参照反射器２４で反射された反射光は上記偏光
ビームスプリッタ２２で反射され、検光子２７および凸
レンズ２８を透過してフォトセンサ２９で受光され、ま
た第２参照反射器２６で反射された反射光は上記偏光ビ
ームスプリッタ２２を透過して第１参照反射器２４から
の反射光に重畳され、上記凸レンズ２８を透過してフォ
トセンサ２８で受光される。

そしてこのフォトセンサ２８の信号が上記演算制御装置
１５に導入されて参照ビート波の波数が計Ｊｌｌｌされ
る。

したがって、上記変調回路２により直線的な波形を有す
る変調電流を半導体レーザ１に加えた際には、演算制御
装置１５には、計測光学系２０から計測ビート波が、ま
た参照光学系２１から参照ビート波がそれぞれ入力され
るようになる。

然して本実施例では、上記演算制御装置１５は」二記変
調回路２を介してレーザ光線の周波数を所定時間だけ、
具体的には計測ビート信号の整数波を所定数カウントす
るのに要する時間だけ変調させるようになっており、し
たがって被計測物１１までの距離Ｌ２が異なれば計測ビ
ート信号の周波数が異なるので上記所定時間はその距ｆ
ｌｉＩ　Ｌ　２に対応して異なるが、いずれにしても未
知の所定時間に対する計Ｊｌｌｌビート波の波数は予め
一定に定めている。

他方、上記演算制御装置ξ１５は計測ビート信号の波数
のカウントを開始するのと同時に参照ビート信号の波数
のカウントを開始し、上記計測ビート信号の整数波を所
定数カウントしたら、すなわち未知の所定時間が経過し
たら、参照ビート波の波数のカウントを停止する。この
参照ビート信号の波数は整数とならないのが普通である
ので、上記演算制御装置１５は参照ビート信号の波数を
小数点以下まで計測できるようにしている。

このようにして未知の所定時間に対する計測ビート信号
の波数と参照ビート信号の波数とが、したがって両波数
の比が得られれば、上記所定時間が未知であっても被計
測物１１までの距離Ｌ２を演算することができる。

すなわち、上記計測光学系２０において重畳された反射
光の時間差をτ、上記圧ｆａ　Ｌ　２とＬｌどの差をＲ
１光の速度をＣとすると、時間差では次式％式％ また、上記半導体レーザｌに変調を与えた際の周波数偏
移量をδとすると、上記計測ビート波の波数Ｎｂは次式
で表わされる。

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

Ｒ＝ｃｌＩＮｂ／（２δ）　　　・・・・・・・・・（
３）また同様にして、上記参照ビート波の波数Ｎｒは次
式で表わされる。

Ｒｒ＝ｃ＊Ｎｒ／（２δ）　　・・・・・・・・・（４
）但し、Ｒｒは参照光学系２１の第１参照反射器２４と
第２参照反射器２６とにおける距離交１と文２との差で
、この差は勿論既知である。

そして上記（３）式と（４）式とから、Ｒ＝Ｒｒ・Ｎｂ
／Ｎｒ　　　　　−（５）が得られ、この式より、計測
ビート信号の波数Ｎｂと参照ビート信号の波数Ｎｒとの
比が得られれば、上述したように温度変化等に対して不
安定要素を有する周波数偏移量δの値を用いることなく
、被計測物１１までの距離Ｌ２を演算することがでごる
ことは明らかである。

次に第３図は１．上記演算制御装置１５における計測ビ
ート信号の波数Ｎｂと参照ビート信号の波数Ｎｒとの比
を計測する回路の具体的な構成を示したブロック図で、
この回路では、各フォ゛トセンサ１４．２９からの計測
ビート信号と参照ビート信号とをそれぞれ波形整形回路
３０．３１に入力して波形整形し、さらに波形整形した
信号を、各ビート波における整数波の数をカウントする
整数波カウンタ３２．３３にそれぞれ入力している。

計測ビート信号が入力される整数波カウンタ３２には整
数波設定器３４を接続してあり、上記整数波カウンタ３
２がカウントした計測ビート信号の整数波の数すなわち
計測ビート波の波数が上記整数波設定器３４で予め設定
した設定値となると、この整数波カウンタ３２は参照系
の整数波カウンタ３３にカウント停止指令信号３５を出
力し、これにより整数波カウンタ３３による参照ビート
信号の整数波の数のカウントが停止される。

このとき、上記整数波カウンタ３３では参照ビート波の
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３６を設けてい
る。このクロック発生器３６は参照ビート波の周波数に
対して通かに高い周波数でクロックを発生し、クロック
カウンタ３７はそのクロックをカウントできるようにな
っている。

そして上記整数波カウンタ３３は参照ビート波の整数波
をカウントする度にクロックカウンタ３７にリセット信
号３８を出力してそのクロックカウンタ３７をリセット
する。そして上記計測系の整数波カウンタ３２がカウン
ト停止指令信号３５を出力すると、上記クロックカウン
タ３７はそれを入力してカウントを停止するようになっ
ており、この状ＩＥではクロックカウンタ３７は１周期
以内の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。

上記各参照反射器２４．２８までの距離は常に一定であ
り、したがってビート信号の周波数は変化することがな
いので予め参照ビート信号の１周期に対する上記クロッ
クカウンタ３７のカウント数は一定となり、これにより
その１周期のカウント数と上記カウント停止指令信号３
５が出力された際にりロックカウンタ３７がカウントし
たカウント数とから、参照ビート信号の波数を小数点以
下で得ることができる。

演算回路３９はそのようにして小数点以下の波数を演算
するとともに、整数波カウンタ３３および整数波設定器
３４からの信号を入力して被計測物１１までの距離Ｌ２
を演算し、それを表示器４０に表示させる。このとき、
表示器４０によって演算した参照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。

然して、第１図において、上記被計測物１１で反射され
た反射光は、上記ビームスプリッタ８で反射された後、
ビームスプリッタ４５により２つに分岐され、それぞれ
レンズ４８．４７およびピンホール４８．４９を透過し
てフォトセンサ５０．５１で受光される。この一対のフ
ォトセンサ５０．５１は、上記被計測物１１を所定の位
置に位置させた状態で、一方の第１フォトセンサ５０を
一方の第１レンズ４６の焦点の内側に、他方の第２フォ
トセンサ５１を他方の第２レンズ４７の焦点の外側にそ
れぞれ配置してあり、各フォトセンサ５０．５１からの
信号を上記演算制御装置１５に入力するようにしている
。

上記ビームスプリッタ８、％波長板９、集光レンズ１０
、ビームスプリッタ４５、レンズ４８．４７、ピンホー
ル４８．４９およびフォトセンサ５０．５１は移動フレ
ーム５２に設けてあり、この移動フレーム５２に螺合し
たねじ軸５３とこれを回転させるサーボモータ５４とか
ら構成した駆動手段５５によってその移動フレーム５２
を進退動させることにより、上記集光レンズ１０をレー
ザ光線の光軸に沿って進退動させることができるように
している。

そして上述したように、第１フォトセンサ５０を第１レ
ンズ４６の焦点の内側に、第２フォトセンサ５１を第２
レンズ４７の焦点の外側にそれぞれ配置しているので、
集光レンズｌＯを移動フレーム５２を介して一方向に、
例えば被計測物１１に近接する方向に移動させれば、第
１フォトセンサ５０に対しては焦点が外れる方向に、第
２フォトセンサ５１に対しては焦点が一致する方向に移
動することになるので、第１フォトセンサ５０では受光
量が減少し、第２フォトセンサ５１では受光量が増大す
るようになる。

その結果、各フォトセンサ５０．５１の出力は、第４図
に示すように、上記集光レンズ１０と被計測物１１どの
距８１を変化させることに伴なって、相互に位相がずれ
た出力が得られるようになる。そして両フォトセンサ５
０．５１の出力が一致した際に（第４図の点ｆ）、被計
測物１１が集光レンズ１０の焦点位置に位置するように
設定している。

次に、第５図において、上記各フォトセンサ５０．５１
からの信号はそれぞれバイパスフィルタ８０．８１を介
して減算器６２と加算器８３とに入力し、それぞれによ
って各フォトセンサ５０．５１の出力Ａ、Ｈの減算（Ａ
−Ｂ）と加算（Ａ＋Ｂ）とを行なうようにしている。そ
して上記減算器６２と加算器６３とによって得られた出
力から除算器６４によって（Ａ−Ｂ）／　（Ａ＋Ｂ）の
値を演算算出させるようにしている。

上記除算器６４によって得られる（Ａ−Ｂ）／（Ａ　＋
　Ｂ）の値は、第６図の曲線として得られ、その値が零
となれば集光レンズ１０の焦点位置上に被計測物１１が
位置することとなる。そして上記演算制御装置１５はそ
の値が正であるか負であるかによって集光レンズ１０の
移動方向を決定するとともに、その値が零となるように
上記駆動手段５５を介して集光レンズ１０の位置制御を
行なうようになっている。

なお、上記実施例では直接的に計測ビート信号の波数と
参照ビート信号の波数とを計測して両者の比を求めるよ
うにしているが、計測ビート信号の周波数と参照ビート
信号の周波数とを適宜の周波数測定器で計測することに
より、画周波数の比から間接的に計ΔＩＩＩビート信号
の波数と参照ビート信号の波数との比を求めるようにし
てもよい。

「発明の効果」 以上のように、本発明によれば、波計ａｌｌ物を集光レ
ンズの焦点位置に位置させることができるので、レーザ
光線の被計測物への照射面積を小さく維持して光軸と直
角方向の分解能を高め、一層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図は本発明の一実施例を示す系統図、第２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３図は第１図の演算制御装置１５の一部を示すブロッ
ク図、第４図は第１フォトセンサ５０と第２フォトセン
サ５１との各出力を示す特性図、第５図は第１図の演算
制御装置１５の他の一部を示す回路図、第６図は第４図
の出力から得られる計算結果を示す図である。 １・・・半導体レーザ　　　ｌＯ・・・集光レンズ１１
・・・被計測物　　　　　１４．２８・・・フォトセン
サ１５・・・演算制御装置　　　１７・・・基準反射器
２０・・・計測光学系　　　　２１・・・参照光学系２
４・・・第１参照反射器　　２６・・・第２参照反射器
４６・・・第ルンス４７・・・第２レンズ５０・・・第
１フォトセンサ　５１・・・ｖｊ２フォトセンサ５５・
・・駆動手段　　　　　６２・・・減算器６３・・・加
算器　　　　　　８４・・・乗算器’１２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 発振周波数が変調可能なレーザ発振器と、このレーザ発
   振器から放射されたレーザ光線を集光して被計測物に照
   射する集光レンズと、上記被計測物から反射された反射
   光と予め所定距離だけ離隔して設けた基準反射器から反
   射された反射光とを重畳させて計測ビート波を生成させ
   る計測光学系と、上記レーザ発振器からのレーザ光線を
   それぞれ予め所定距離だけ離隔して設けた第１参照反射
   器と第２参照反射器とで反射させるとともにそれらを重
   畳させて参照ビート波を生成させる参照光学系と、上記
   計測光学系と参照光学系とで生成された計測ビート波と
   参照ビート波とからそれらの波数比を計測し、両波数の
   比と上記反射器までの既知の距離とから上記被計測物ま
   での距離を演算計測する演算制御装置とを備えたレーザ
   測距装置において、上記集光レンズをレーザ光線の光軸
   に沿って進退動させる駆動手段と、上記被計測物から反
   射されて分岐された反射光をそれぞれ集光する第１レン
   ズと第２レンズと、上記第１レンズの焦点の内側に配置
   した第１フォトセンサと、さらに上記第２レンズの焦点
   の外側に配置した第２フォトセンサとを設け、上記第１
   フォトセンサの出力と第２フォトセンサの出力とを上記
   演算制御装置に入力して各出力から得られる演算値が予
   め定めた所定値となるように上記集光レンズを進退制御
   することを特徴とするレーザ測距装置。