JPH1082858A - 光学式距離計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 〔課題〕計測対象物の距離を高精度に測定できるＦＭレ
ーザレーダ型の光学式距離計を提供する。 〔解決手段〕周波数が時間と共に変化するＦＭレーザ光
を発生する周波数シフト帰還型レーザ発振器（10) と、
この周波数シフト帰還型レーザ発振器(10)が発生したＦ
Ｍレーザ光を計測対象物(A) に照射しかつその反射ＦＭ
レーザ光とローカルＦＭレーザ光とを混合してビート信
号を発生させるビート信号発生手段（20,30)と、この発
生されたビート信号の周波数から計測対象物(A) に照射
され反射されたＦＭレーザ光とローカルＦＭレーザ光の
伝播距離の差を検出する伝播距離差検出手段(40)とを備
えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、精密計測の分野などで
利用される光学式距離計に関するものであり特に、ＦＭ
レーザレーダ方式の光学式距離計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、レーザ光を利用して物体の距離を
計測する方式として、ＦＭレーザレーダ方式が知られて
いる。このＦＭレーザレーダ方式は、周波数が時間と共
に変化するＦＭ信号を発生して計測対象の物体に照射す
ることにより、この物体までの距離に応じた伝播遅延時
間が生じた反射ＦＭレーザ光を受信し、これと既知の伝
播遅延時間を有するローカルＦＭレーザ光（参照ＦＭレ
ーザ光）とを混合してビート信号を得、このビート信号
の周波数（ビート周波数）から反射信号を生じさせた計
測対象物の距離を算定するように構成されている。

【０００３】既知の伝播遅延時間を有するローカルＦＭ
レーザ光としては、物体に照射するＦＭレーザ光から分
岐して既知の距離の反射体に照射することにより得た反
射光を利用したり、分岐したのち既知の長さの伝播経路
を通過させたＦＭレーザ光などを利用している。

【０００４】すなわち、上記計測対象の物体の距離（ロ
ーカルＦＭレーザ光として既知の距離の反射体からの反
射光を利用する場合には、既知の反射体との距離の差）
をｚとすれば、ビート周波数ｆｂは、 ｆｂ＝τ（Δｆ／Ｔ） ＝（２ｚ／ｃ）（Δｆ／Ｔ） ・・・（１） τ : 距離に応じた時間遅れ Δｆ : 発振周波数の変化幅 Ｔ : 発振周波数の変化周期 ｃ : 光速

【０００５】（１）式から、測定対象の距離ｚは次式で
与えられる。 ｚ＝（ｃ／２）（Ｔ／Δｆ）ｆｂ ・・・（２）

【０００６】レーザ光の発振周波数を変化させる方法と
しては、鋸歯状や三角状に掃引する方式が一般的であ
る。発振周波数を鋸歯状に変化させた場合の発振周波数
の変化の様子とビート信号の周波数の変化の様子を、図
８の（Ａ）と（Ｂ）のそれぞれに例示する。レーザ光の
周波数を変化させる方法として、半導体レーザでは温度
や注入電流を変化させるものが知られており、固体レー
ザでは共振器の長さを変化させる方法が知られている
が、周波数の変化速度を一定に保つことは困難である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のＦＭレーザ
レーダ方式の距離計測装置では、周波数の変化速度を一
定に保つことが困難であり、この結果、ビート周波数が
時間と共に変化してしまうという問題がある。すなわ
ち、図９の（Ａ）と（Ｂ）とに例示するように、ＦＭレ
ーザ光源の発振周波数の変化速度が時間と共に変化する
と、ローカルＦＭ光と反射ＦＭ光との混合によって得ら
れるビート信号の周波数ｆｂは時間と共に変化してしま
う。この場合の精度の劣化を防止するため、ビート信号
の周波数ｆｂについて時間的な平均化を作成するなどの
追加的な処理が必要となり、測定所要時間が長引くとい
う問題がある。

【０００８】さらに、従来のＦＭレーザレーダ方式の距
離計測装置では、周波数の変化速度を大きくすることが
困難なため、距離分解能を高めることが困難であるとい
う問題があった。すなわち、距離分解能Δｚは（２）か
ら、 Δｚ＝（ｃ／２）（Ｔ／Δｆ）Δｆｂ ・・・（３） となり、Δｚは周波数変化速度（Δｆ／Ｔ）が大きくか
つΔｆｂが小さいほど小さな値、すなわち距離分解能は
高くなる。しかしながら、従来の周波数変調方式では、
大きな周波数変化幅と短い変化周期とを同時に実現する
ことが困難なため、大きな周波数変化速度が実現できな
いという問題がある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる光学式距
離計は、ＦＭレーザ光源として周波数シフト帰還型レー
ザ発振器を使用するように構成されている。

【００１０】

【作用】周波数シフト帰還型レーザ発振器は、レーザ発
振器の共振器内に音響光学的変調器（ＡＯＭ： Acousti
c Optical Modulator ) を配置した構成となっている。
レーザ光線は、ＡＯＭを通って共振器内を往復するたび
に、ＡＯＭ内を伝播する超音波によってブラッグ回折に
よる偏向を受けると同時にドップラーシフトによる周波
数シフトも受ける。

【００１１】上記ドップラーシフトによって、レーザ光
線の周波数は、このレーザ光線がＡＯＭ内を通過するた
びごとにこのＡＯＭ内を伝播する超音波の周波数ｆｓ
（以下、「変調用周波数」とも称する）に等しい値ずつ
ドップラーシフト量として一方向にシフトされてゆく。
レーザ光線が共振器内を往復する（Round Trip) ための
所要時間をτ_RTとすれば、１往復の間にＡＯＭ内を２回
通過するから、１往復するたびに２ｆｓだけ周波数が増
加する。従って、このレーザ光線の周波数の変化速度df
/dt は、２ｆｓ／τ_RTという具合に高精度で一定値にな
る。

【００１２】従って、周波数シフト帰還型レーザ発振器
を用いる本発明のＦＭレーザレーダにおける基本式は、
（１），（２），（３）式中の周波数掃引率Δｆ／Ｔ
を、レーザ光の周波数変化速度ｄｆ／ｄｔ（＝２ｆｓ／
τ_RT）に書換えることによって、それぞれ以下のように
表現できる。 ｆｂ＝（２ｚ／ｃ）（ｄｆ／ｄｔ） ・・・（４） ｚ＝（ｃ／２）〔１／（ｄｆ／ｄｔ）〕ｆｂ ・・・（５） Δｚ＝（ｃ／２）〔１／（ｄｆ／ｄｔ）〕Δｆｂ ・・・（６） ｄｆ／ｄｔ＝２ｆｓ／τ_RT ・・・（７） 以下、本発明を実施例と共に更に詳細に説明する。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明の一実施例に係わるＦＭレー
ザレーダ方式による光学式距離計の構成を計測対象物Ａ
と共に示すブロック図であり、１０は周波数シフト帰還
型レーザ発振器、２０は光分配部、３０は光混合部、４
０はデータ処理部である。

【００１４】周波数シフト帰還型レーザ発振器１０は、
半導体レーザを主体として構成される励起部１１、コー
ティングによって一体化された励起側ミラーを有するレ
ーザー媒質Nd:YVO₄ １２、共振器の他方のミラーとなる
出力ミラー１３、音響光学変換素子（ＡＯＭ）１４、ド
ライブ信号発生回路１５及びコリメートレンズ１６を備
えている。

【００１５】光分配部２０は、ハーフミラー２１とロー
カルミラー２２とから構成されている。光混合部３０
は、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）や、Ｐ
ＩＮダイオードなどの受光素子を主体に構成されてい
る。データ処理部４０は、データプロセッサ４１，周波
数カウンタ４２、スペクトルアナライザ４３、表示部４
４及びキーボード４５を備えている。

【００１６】まず、この光学式距離計の動作の概要を説
明する。周波数シフト帰還型レーザ発振器１０で発生さ
れたＦＭレーザ光線は、光分配部２０内のハーフミラー
２１に入射し、一部はこのハーフミラー２１を通過して
計測対象物Ａに入射し、残りの一部はこのハーフミラー
２１で反射されてローカルミラー２２に入射する。計測
対象物Ａで反射されたレーザ光の一部は、ハーフミラー
２１による反射を受けて光混合部３０に入射する。

【００１７】同様に、ローカルミラー２２で反射された
ＦＭレーザ光線の一部もハーフミラー２１を通過して光
混合部３０に入射する。光混合部３０内のＡＰＤなどの
受光素子の内部において、ローカルミラー２２で反射さ
れたローカルＦＭレーザ光線と、計測対象物Ａで反射さ
れた反射ＦＭレーザ光線が混合を受け、差周波のビート
信号を発生する。

【００１８】光混合部３０が発生したビート信号は、デ
ータ処理部４０内の周波数カウンタ４２とスペクトルア
ナライザー４３に供給され、検出されたその周波数（ビ
ート周波数）はデータプロセッサ４１に入力される。デ
ータプロセッサ４１は、周波数カウンタ４２やスペクト
ルアナライザー４３から受けたビート周波数に基づき計
測対象物Ａまでの距離を算定する。正確には、データプ
ロセッサ４１は、上記ビート周波数から混合された両反
射波の行路差、すなわち、ハーフミラー２１から計測対
象物Ａまでの距離と、ハーフミラー２１からローカルミ
ラー２２までの距離の差を算定する。

【００１９】次に、図１の周波数シフト帰還型レーザ発
振器１０の動作をさらに具体的に説明する。半導体レー
ザを主体に構成された励起部１１から出力された励起光
(810nm) は、共振器の励起側ミラーを通過し、利得媒質
として機能するNd:YVO₄ 結晶１２に入射する。Nd:YVO₄
結晶の端面のミラーコーティング（高反射 1,064 nm,高
透過 810nm )と、透光率 23 ％の出力ミラー１３とによ
って長さ 10 ｃｍ程度の共振器（共振波長 1,064 nm)が
形成されており、この共振器の内部にはＡＯＭ１４が配
置されている。ＡＯＭ１４による０次回折光は点線で示
す斜め方向に放射されて共振器内から消散してゆき、実
線で示す一次回折光のみが共振器内を往復し、レーザ発
振が行われる。

【００２０】ＡＯＭ１４内を通過する一次回折光は、こ
のＡＯＭ内を伝播する超音波によるドップラーシフトを
受け、その周波数はこのＡＯＭ１４内を通過するたびに
超音波の周波数に等しい量だけ同一方向にシフトしてゆ
く。従って、出力ミラー１３から出力されるレーザ光線
の周波数は、時間の経過と共に図２に示すように変化す
る。ただし、ｆｏはｔ＝０における初期発振周波数、τ
_RTはレーザ発振光が共振内を１往復するための伝播所要
時間、ｆｓはドップラーシフト量である。

【００２１】時刻ｔｏで励起系１１から出力された発振
周波数ｆｏのレーザ光線は、対向したミラーによって形
成される共振器内を半往復して時刻τ_RT／２に、超音波
によるドップラーシフトを１回だけ受けて周波数がｆｏ
＋ｆｓに変化したレーザ光線となって出力ミラー１３に
到達し、その一部が外部に出力される。出力ミラー１３
で反射された残りの部分は、共振器内を更に１往復して
時刻ｔｏ＋３τ_RT／２に、超音波によるドップラーシフ
トを計３回受けて周波数がｆｏ＋３ｆｓに変化したレー
ザ光線となって出力ミラー１３に到達し、その一部が外
部に出力される。出力ミラー１３で反射された残りの部
分は、共振器内を更に１往復して時刻ｔｏ＋５τ_RT／２
に、超音波によるドップラーシフトを計５回受けて周波
数がｆｏ＋５ｆｓに変化したレーザ光線となって出力ミ
ラー１３に到達しその一部が外部に出力される。

【００２２】以下同様にして、出力ミラー１３に到達し
ここから部分的に出力されるレーザ光線の周波数は、共
振器内を往復するための伝播所要時間τ_RTが経過するた
びに２ｆｓずつ増加してゆく。すなわち、周波数シフト
帰還型レーザー発振器１０から出力されるレーザー光線
の周波数は、共振器の長さとＡＯＭ内の超音波の周波数
によって決まる一定値ｄｆ／ｄｔ＝２ｆｓ／τ_RTの速度
で直線的に増加してゆく。

【００２３】本実施例では、ＡＯＭ内を伝播する超音波
の周波数ｆｓを78.5ＭＨz に設定した。従って、レーザ
光線の周波数は、これが100mm の共振器内を１往復する
ための所要時間τ_RT＝ 0.67 nsecが経過するたびに157
MHz ずつ増加してゆく。この場合、周波数変化速度 df/
dt＝2.4 ×10¹⁷ Ｈz/sec 程度と従来の値よりも３桁程
度大きな値となる。なお、ｆｓもτ_RTも室内温度などの
環境の変化に応じて長期的には変動するが、短期的には
両者の比ｆｓ／τ_RTは極めて高い精度で一定値に保たれ
る。

【００２４】上記実施例の条件を（３）式に代入するこ
とにより、距離分解能Δｚを見積もる。ビート周波数の
分解能が１MHz であれば距離分解能は60μｍ、ビート周
波数の分解能が10 KHzであれば距離分解能は 0.6μｍと
なる。本発明者による予備実験の結果、100 μｍ以下の
距離分解能が得られた。

【００２５】以上、周波数シフト帰還型レーザ発振器１
０から出力されるレーザ光線のシフト対象の周波数が単
一であると仮定した場合を説明した。実際には、周波数
シフト帰還型レーザの発振周波数スペクトルはある拡が
りを持つマルチモード発振光の周波数スペクトルとなる
ことが観測されており、その拡がりの中には縦モード構
造が存在すると考えられている。縦モード間隔周波数
は、これをΔＦとすれば、ΔＦ＝ｃ／２Ｌである。

【００２６】図３は、図１の周波数シフト帰還型レーザ
発振器１０から出力されるマルチモードレーザ発振光の
周波数が時間と共にどのように変化するかを示してい
る。実線ａ，ｂ，ｃ，ｄ・・・は、それぞれの発振周波
数が縦モード間隔周波数ΔＦずつ異なる隣接発振モード
のレーザ光の周波数である。この各モードのレーザ光の
周波数は、既に図２を参照しながら説明したように、音
響光学素子による周波数シフト作用により時間と共に直
線的に増加してゆく。説明の便宜上、各モードの発振光
の周波数が、縦モード間隔周波数ΔＦに等しい値だけ増
加するのに必要な時間を縦モード間時間差ΔＴと称す
る。

【００２７】より具体的には、各モードの発振光は、そ
の周波数がある下限値を越えると時間の経過と共にレベ
ルが増加し始め、その周波数がある程度増加するとレベ
ルが減少し始め、ある上限値に達すると消滅してゆく。
この周波数とレベルの関係を発振の開始後のある時点に
ついて模式的に例示したのが、図４である。最大レベル
の発振光のモード番号をｑとし、その高周波側に隣接す
る発振光のモード番号を順ｑ＋１，ｑ＋２，ｑ＋３・・
・・とし、その低周波側に隣接する発振光のモード番号
を順ｑ−１，ｑ−２，ｑ−３・・・・とする。

【００２８】以下では、説明の便宜上、上記図３中の実
線ａ，ｂ，ｃ・・・を、ローカルミラー２２による反射
を受けたのち、ハーフミラー２１を通過して図１中の光
混合部３０に入射するローカルＦＭレーザ光（参照光）
とする。図３中の点線α，β，γ，δ，ε・・・・は、
計測対象物Ａで反射されたのち、ハーフミラー２１で反
射されて図１の光混合部３０に戻ってくる反射ＦＭレー
ザ光の周波数を示している。両反射レーザ光の伝播光路
の差に基づく伝播所要時間の差τが縦モード間時間差Δ
Ｔ未満の場合には、図３中の点線α，β，γ，δ・・・
がそれぞれ実線ａ，ｂ，ｃ，ｄ・・・に対応した計測対
象物Ａからの反射ＦＭレーザ光となる。

【００２９】両反射レーザ光の伝播光路の差に基づく伝
播所要時間の差τが増加してこれが縦モード間時間差Δ
Ｔを越えた場合には、図３中の点線β，γ，δ・・・が
それぞれ実線ａ，ｂ，ｃ・・・に対応した計測対象物Ａ
からの反射光となる。この場合のビート周波数はΔＦ＋
ｆｂとなる。ただし、ｆｂは最隣接の実線ａ，ｂ，ｃ・
・・との周波数差である。両反射レーザ光の伝播光路の
差に基づく伝播所要時間の差τが更に増加してこれが縦
モード間時間差ΔＴの２倍を越えた場合には、図３中の
点線γ，δ，ε・・・がそれぞれ実線ａ，ｂ，ｃ・・・
に計測対象物Ａからの対応した反射ＦＭレーザ光とな
る。この場合のビート周波数は２ΔＦ＋ｆｂとなる。ｆ
ｂは、同様に、最隣接の実線ａ，ｂ，ｃ・・・との周波
数差である。

【００３０】縦モード間の時間間隔ΔＴは、（７）式
と、ΔＦ＝ｃ／２Ｌ＝１／τ_RT とから、 ΔＴ＝ΔＦ／（ｄｆ／ｄｔ） ＝ΔＦ／（２ｆｓ／τ_RT） ＝１／２ｆｓ ・・・・(12) を得る。

【００３１】ビート信号の次数については、まず、計測
対象物Ａからの反射ＦＭレーザ光とローカルＦＭレーザ
光のモード番号が等しい場合、両者の混合によって発生
したビート信号の次数を０とし、この０次のビート信号
の周波数（ビート周波数）をｆb (0) と表記する。次
に、反射ＦＭレーザ光のモード番号がローカルＦＭレー
ザ光のモード番号よりも１だけ大きい場合、両者の混合
によって発生したビート信号の次数を１とし、ビート周
波数をｆb (1) と表記する。

【００３２】同様に、反射ＦＭレーザ光のモード番号が
ローカルＦＭレーザ光のモード番号よりも２，３・・・
ｍだけ大きい場合、両者の混合によって発生したビート
信号の次数を２，３・・・ｍとし、ビート周波数をｆb
(2), ｆb (3) ・・・ｆb (m) と表記する。

【００３３】ｍ次のビート周波数ｆb (m) は、任意のモ
ード番号のローカルＦＭレーザ光とこれよりもｍだけ大
きなモード番号のローカルＦＭレーザ光との周波数差−
ｍΔＦと、０次のビート周波数ｆb (0）との和に等しい
から、 ｆb (m) ＝−ｍΔＦ＋ｆb (0） ＝−ｍΔＦ＋τ（ΔＦ／ΔＴ） ＝−ｍΔＦ＋（２ｚ／ｃ）２ｆs ΔＦ ・・・・(13) となる。ただし、２ｚは両反射レーザ光の往復の伝播光
路差、すなわち、ハーフミラー２１から計測対象物Ａま
での距離からハーフミラー２１からローカルミラー２２
までの距離を差し引いた値を２倍した値である。通常、
ｚは正の値、すなわち、計測対象物Ａがローカルミラー
よりも遠い距離にある。

【００３４】実際に観測されるビート周波数はABS[ｆｂ
(m)]( ただし、ABS[X]は Xの絶対値を意味する) は、負
側の周波数がイメージとして正側に現れるので、 ABS[ｆｂ(m)] ＝ABS[−ｍΔＦ＋（２ｚ／ｃ）２ｆs ΔＦ] ・・・・(14) となる。これらビート周波数ｆb （GHz ）及びビート次
数ｍの関係を図５に示す。

【００３５】距離ｚは、(14)式から、 ｚ＝（ｃ／４ｆｓ）〔ｍ＋ABS[ｆｂ(m)]／ΔＦ） ・・・・ (15) となる。また、距離ｚは、イメージビート周波数の場合
には、 ｚ＝（ｃ／４ｆｓ）〔ｍ−ABS[ｆｂ(m)]／ΔＦ） ・・・・ (16) となる。

【００３６】図５から明らかなように、どのような距離
でも、縦モード間隔周波数の半分ΔＦ／２の帯域内にビ
ート周波数ABS[ｆｂ(m)]が出現する。このことは、ビー
ト次数ｍが判別できれば、縦モード間隔周波数の半分の
周波数帯域についてビート周波数を観測すればよいこと
を意味する。また、観測する周波数帯域としては、この
実施例の光学式距離計に好都合な任意なものに設定でき
る。

【００３７】ビート周波数の判定は、変調用周波数ｆｓ
を変化させたときのビート周波数ABS[ｆｂ(m)]の変化を
検出することにより実現される。一例として、ゼロから
ΔＦ／２までの周波数帯域内でビート周波数を検出する
場合について説明する。

【００３８】図６は、変調用周波数ｆs を３個の異なる
値ｆsa, ｆsb, ｆsc（ｆsa＜ｆsb＜ｆsc）に設定し、そ
れぞれの場合について、距離ｚとビート周波数ｆｂとの
関係を線分A ，B ，C によって表わしたものである。上
記各線分A ，B ，C の点線部分は、イメージビート周波
数を表わしている。線分A のビート次数をｍとすれば、
からまでの６個の領域で得られるビート周波数は、
次頁の表１に示すように場合分けされる。

【００３９】例えば、領域では、(15)式から、 ｚ＝（ｃ／４ｆsa )( ｍ＋ｆ_A ／ΔＦ） ＝（ｃ／４ｆsb )( ｍ＋ｆ_B ／ΔＦ） ＝（ｃ／４ｆsc )( ｍ＋ｆ_C ／ΔＦ） ・・・・ (17) という連立方程式を得る。ここで、ｆA,ｆB,ｆC は検出
されたビート周波数である。

【００４０】すなわち、領域では、(17)式からｍを解
くと、 ｍ＝（ｆsaｆ_B −ｆsbｆ_A ）／〔ΔＦ（ｆsb−ｆsa）〕 ＝（ｆsbｆ_C −ｆscｆ_B ）／〔ΔＦ（ｆsc−ｆsb）〕 ＝（ｆsaｆ_C −ｆscｆ_A ）／〔ΔＦ（ｆsc−ｆsa）〕 ・・・・ (18) が得られる。

【００４１】

【００４２】同様に、領域では(15)式と(16)式とか
ら、 ｚ＝（ｃ／４ｆsa )( ｍ＋ｆ_A ／ΔＦ） ＝（ｃ／４ｆsb )( ｍ＋ｆ_B ／ΔＦ） ＝（ｃ／４ｆsc )( （ｍ＋１）−ｆ_C ／ΔＦ） ・・・・ (19) という連立方程式を得る。

【００４３】すなわち領域では、(19)式からｍを解く
と、 ｍ＝（ｆsaｆ_B −ｆsbｆ_A ）／〔ΔＦ（ｆsb−ｆsa）〕 ＝（−ｆsbｆ_C −ｆscｆ_B ＋ｆsbΔＦ）／〔ΔＦ（ｆsc−ｆsb）〕 ＝（−ｆsaｆ_C −ｆscｆ_A ＋ｆsaΔＦ）／〔ΔＦ（ｆsc−ｆsa）〕 ・・・・(20)

【００４４】以下、同様にして、ｆsa，ｆsb，ｆsc，ｆ
_A ，ｆ_B ，ｆ_C から、 ｍ１＝（ｆsaｆ_B −ｆsbｆ_A ）／〔ΔＦ（ｆsb−ｆsa）〕 ｍ２＝（ｆsbｆ_C −ｆscｆ_B ）／〔ΔＦ（ｆsc−ｆsb）〕 ｍ３＝（ｆsaｆ_C −ｆscｆ_A ）／〔ΔＦ（ｆsc−ｆsa）〕 ｍ４＝（−ｆsaｆ_B −ｆsbｆ_A ＋ｆsaΔＦ）／〔ΔＦ（ｆsb−ｆsa）〕 ｍ５＝（−ｆsbｆ_C −ｆscｆ_B ＋ｆsbΔＦ）／〔ΔＦ（ｆsc−ｆsb）〕 ｍ６＝（−ｆsaｆ_C −ｆscｆ_A ＋ｆsaΔＦ）／〔ΔＦ（ｆsc−ｆsa）〕 ｍ７＝（ｆsaｆ_B ＋ｆsbｆ_A ）／〔ΔＦ（ｆsb−ｆsa）〕 ｍ８＝（ｆsbｆ_C ＋ｆscｆ_B ）／〔ΔＦ（ｆsc−ｆsb）〕 ｍ９＝（ｆsaｆ_C ＋ｆscｆ_A ）／〔ΔＦ（ｆsb−ｆsa）〕 ・・・・(21) を得る。

【００４５】(21)式から、次頁の表２に示す判定条件を
満足する場合に、からまでの領域と、ｍとが定ま
る。ｍは整数であるから、多少の測定誤差があっても判
定は容易である。

【００４６】得られたｍから、距離ｚは、領域〜の
場合は、 ｚ＝（ｃ／４ｆsa )( ｍ＋ｆ_A ／ΔＦ） ・・・・(22) となり、領域 〜の場合には、 ｚ＝（ｃ／４ｆsa )( ｍ−ｆ_A ／ΔＦ） ・・・・(23) となる。

【００４７】

【００４８】データ処理部４０内のデータプロセッサ４
１は、周波数シフト帰還型レーザ発振器１０内のドライ
ブ信号発生回路１５に制御信号を出力し、音響光学変換
素子（ＡＯＭ）１４に供給する変調用周波数ｆｓをｆsa
に設定する。次に、データプロセッサ４１は、周波数カ
ウンタ４２やスペクトルアナライザ４３から検出された
ビート周波数ｆ_A を受取り、記憶する。同様に、データ
プロセッサ４１は、変調用周波数ｆs をｆsb、ｆscに設
定し、このときのビート周波数ｆ_B ，ｆ_C を周波数カウ
ンタ４２やスペクトルアナライザ４３から受取り記憶す
る。

【００４９】データプロセッサ４１は、設定した変調用
周波数ｆsa，ｆsb，ｆscと、記憶したビート周波数
ｆ_A ，ｆ_B ，ｆ_C を(21)式に代入することにより、ｍ１
〜ｍ９を算定し、判定条件を満たす組合せを探索し、領
域〜とモード次数ｍを決定する。データプロセッサ
４１は、このようにして決定された領域とモード次数ｍ
とビート周波数とから(22)式 又は(23)式に従って距離
差ｚを算定し、これに既知のローカルミラー２２までの
距離を加算することにより、ハーフミラー２１から計測
対象物Ａまでの距離を算定する。

【００５０】周囲温度の変化や機械的振動などに起因し
て縦モード周波数が変動するような状況下では、ビート
周波数と同時に縦モード周波数も測定することにより、
測定精度の向上を図ることでできる。

【００５１】以上、変調用周波数の変化に伴うビート次
数の変化が１以下の場合について説明した。しかしなが
ら、連立方程式や判別式の追加により、ビート次数の変
化が１よりも大きな場合にも対応できる。

【００５２】変調用周波数を変化させることにより、ビ
ート周波数を縦モード周波数の整数倍にわたって変化さ
せることができる。この場合、簡単な電気回路と連立方
程式とから距離を算定することができる。この電気回路
は、所定の中心周波数とこの中心周波数の上下の狭い通
過帯域を有する帯域通過濾波回路であり、変調用周波数
を所定の範囲にわたって変化させる間にビート周波数が
何回この帯域通過濾波回路を通して出現したかをもって
ビート次数の変化量が検出される。

【００５３】すなわち、図７を参照すると、変調周波数
を変化させてゆき、ビート周波数が帯域通過回路の中心
周波数ｆb に出現した際の変調周波数がｆsaであり、こ
の変調周波数を更に変化させてゆき、ビート周波数が全
部で２ｎ回（ｎ＝１，２，３・・・）帯域通過回路の中
心周波数ｆb に出現した際の変調用周波数がｆsbであっ
たとする。出現したビート周波数は、リアルビート信号
とイメージビート信号の両者を含むため、この間のビー
ト次数の変化量は出現回数２ｎの半分のｎである。

【００５４】このとき、(14)式から、リアルビート周波
数とイメージビート周波数とに対して、 Ｆb ＝−ｍΔＦ＋（２ｚ／ｃ）２ｆsaΔＦ ＝−（ｍ＋ｎ）ΔＦ＋（２ｚ／ｃ）２ｆsbΔＦ (24) −Ｆb ＝−ｍΔＦ＋（２ｚ／ｃ）２ｆsaΔＦ ＝−（ｍ＋ｎ）ΔＦ＋（２ｚ／ｃ）２ｆsbΔＦ (25) を得る。(24),(25) 式を解くと、 ｚ＝ｎｃ／〔４（ｆsb−ｆsa）〕 (26) が得られ、距離ｚが算定される。

【００５５】上記一連の処理は、データ処理部４０内の
データプロセッサ４１と、周波数シフト帰還型レーザ発
振器１０内のドライブ信号発生回路１５と、データ処理
部４０内の周波数カウンタ４２やスペクトルアナライザ
４３、あるいは、ここに追加される帯域通過濾波回路な
どとの組合せによって容易に実現できる。

【００５６】前述したように、周囲温度の変化や機械的
振動などに起因して縦モード周波数が変動するような状
況下では、ビート周波数と同時に縦モード周波数も測定
することにより、測定精度の向上を図ることができる。
例えば、(24)式は、 Ｆb ＝−ｍΔＦa ＋（２ｚ／ｃ）２ｆsaΔＦa ＝−（ｍ＋ｎ )ΔＦb ＋（２ｚ／ｃ）２ｆsbΔＦb (27) −Ｆb ＝−ｍΔＦa ＋（２ｚ／ｃ）２ｆsaΔＦa ＝−（ｍ＋ｎ )ΔＦb ＋（２ｚ／ｃ）２ｆsbΔＦb (28) となる。ただし、ΔＦa 、ΔＦb は、変調用周波数ｆs
a、ｆsbと同時に測定された縦モード周波数、ｎは変調
用周波数ｆsaからｆsbに変化させたたときのビート次数
の変化量である。

【００５７】(27) 、(28)式を解くと、 z ＝c ( ΔＦa ・Ｆb −ΔＦb ・Ｆb ＋ΔＦa ・ΔＦb ・ｎ )／ ４ΔＦa ・ΔＦb （ｆsb−ｆsa ) (29) z ＝c ( −ΔＦa ・Ｆb ＋ΔＦb ・Ｆb ＋ΔＦa ・ΔＦb ・ｎ )／ ４ΔＦa ・ΔＦb （ｆsb−ｆsa ) (30) が得られ、距離ｚが算定される。リアルビートであるか
イメージビートであるかの識別は、変調用周波数に対し
てビート周波数が増加するか減少するかに基づいて行わ
れる。

【００５８】また、変調周波数を変化させてゆき、特定
のビート周波数ｆｂを（２ｎ＋１）回にわたって観測し
た場合には、最初と最後のビート信号の一方がリアルビ
ート信号で他方がイメージビート信号になるが，同様の
連立方程式から距離を算定できる。

【００５９】以上、本発明を実施例によって説明した
が、これに類似する各種の変形を行うことが可能であ
る。例えば、ＡＯＭの１次回折光の代わりに、０次回折
光を出力として利用する構成を採用することもできる。
また、固定ミラーとして反射光線を正確にもとの光路に
戻すコーナーキューブを使用する構成としてもよい。

【００６０】また、既知の伝播遅延時間を有するローカ
ルＦＭレーザ光を得るために、物体に照射するＦＭレー
ザ光から分岐し既知の位置の反射体に照射することによ
り反射光を発生させる構成を例示した。しかしながら、
物体に照射するＦＭレーザ光から分岐したのち既知の長
さの伝播経路を通過させることによりローカルＦＭレー
ザ光を得る構成とすることもできる。

【００６１】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に係
わる光学式距離計は、ＦＭレーザ光の光源として周波数
シフト帰還型レーザ発振器を使用する構成であるから、
周波数の変化速度を極めて高精度に一定値に保つことが
可能になる。この結果、ビート周波数の平均化などの追
加的な処理が不要となり、測定所要時間を短縮できる。

【００６２】また、本発明の光学式距離計によれば、従
来のＦＭレーザに比べて３桁程度も大きな周波数変化速
度が実現できるため、距離分解能を飛躍的に向上でき
る。

【００６３】さらに、本発明の光学式距離計は、ビート
周波数の変調用周波数に対する依存性を検出し、この検
出結果からこのビート周波数を検出する構成であるか
ら、周波数シフト帰還型レーザ発振器で実際に生じるマ
ルチモードの動作に十分対応できるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わるＦＭレーザレーダ方
式の距離計の構成を示すブロック図である。

【図２】図２の周波数シフト帰還型レーザ発振器の動作
を説明するためのタイミングチャートである。

【図３】図１の周波数シフト帰還型レーザ発振器のマル
チモードの動作を説明するための概念図である。

【図４】図１の周波数シフト帰還型レーザ発振器のマル
チモードの動作を説明するための概念図である。

【図５】図１の周波数シフト帰還型レーザ発振器のマル
チモードの動作によって検出される距離とビート周波数
とビート次数とのを説明するための概念図である。

【図６】図１の周波数シフト帰還型レーザ発振器のマル
チモード動作において、ビート周波数の変調用周波数依
存性を検出することによりビート次数を判定する方法を
説明するための概念図である。

【図７】変調周波数を変化させてビート周波数が特定の
周波数に一致する回数から次数と距離を測定する方法を
説明する概念図である。

【図８】理想的なＦＭレーザレーダ方式の距離計測装置
の動作原理を説明するための波形図である。

【図９】実際のＦＭレーザレーダ方式の距離計測装置の
動作上の問題点を説明するための波形図である。

【符号の説明】

10 周波数シフト帰還型レーザ発振器 11 励起部 12 Nd:YVO₄ 結晶 13 出力ミラー 14 AOM(音響光学変換素子) 15 ドライブ信号発生回路 20 光分配部 21 ハーフミラー 22 ローカルミラー 30 光混合部 40 データ処理部 41 データプロセッサ A 計測対象物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原 武文 神奈川県川崎市宮前区野川 504−１ サ マックス青木Ａ202 (72)発明者 宮原 利治 宮城県仙台市太白区八木山弥生町７−７ ビラスズキ202

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】周波数が時間と共に変化するＦＭレーザ光
   を発生する周波数シフト帰還型レーザ発振器と、 この周波数シフト帰還型レーザー発振器が発生したＦＭ
   レーザ光を計測対象物に照射しかつその反射光とローカ
   ルＦＭレーザ光とを混合してビート信号を発生させるビ
   ート信号発生手段と、 この発生されたビート信号の周波数（以下「ビート周波
   数」という）から前記計測対象物に照射され反射された
   ＦＭレーザ光と前記ローカルＦＭレーザ光の伝播距離の
   差を検出する伝播距離差検出手段とを備えたことを特徴
   とする光学式距離計。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記周波数シフト帰還型レーザ発振器は、レーザ共振器
   の内部に周波数シフト素子として変調用周波数の超音波
   が伝播せしめられる音響光学素子を設置し、ドップラー
   シフトを受けた一次回折光を利得媒質に帰還させるよう
   に構成されたことを特徴とする光学式距離計。
3. 【請求項３】 請求項２において、 前記ＦＭレーザ光は、周波数が異なる複数のモードのＦ
   Ｍレーザ光を含み、 前記伝播距離差検出手段は、前記ビート周波数の前記変
   調用周波数に対する依存性を検出し、この検出結果に基
   づき前記ビート周波数を検出することを特徴とする光学
   式距離計。
4. 【請求項４】 請求項３において、 前記ビート周波数の前記変調用周波数に対する依存性の
   検出は、この変調用周波数を所定範囲にわたって変化さ
   せる間に前記ビート周波数が所定の帯域に何回出現する
   かによって行われることを特徴とする光学式距離計。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４において、 前記ローカルＦＭレーザ光は、前記計測対象物に照射さ
   れるＦＭレーザ光から分離され、位置が既知の反射体で
   反射された反射ＦＭレーザ光であることを特徴とする光
   学式距離計。