JP2006300753A - 距離測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
測定基準の精度を向上させることにより、レーザ光線を使用した距離測定装置の測定精度の向上を図る
【解決手段】
測距光６を発生する光源５と、前記測距光を測定対象物８に照射し、該測定対象物からの反射光９を受光する受光部と、外部の基準時間を取得する外部基準時間取得装置とを有し、該外部基準時間取得装置５４で取得した基準時間に基づいて、前記光源を制御し測距光を変調させると共に、該変調した測距光を、内部光路を介して受光した位相と、前記対象反射体で反射されて戻る反射光を受光した位相を測定し、その位相差に基づいて距離を演算する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ光線を測定対象物に照射し、該測定対象物からの反射光を用いて、測定対象物迄の距離を測定する距離測定装置に関するものである。

従来、光波距離測定装置では、一定周波数で測距光を強度変調して射出し、測定対象物で反射された反射測距光を受光し、受光された該反射測距光と、測距光又は距離測定装置内部に形成された参照用光路を通過して受光された光(以下、参照光と言う)とを比較し、反射測距光と参照光との位相差から距離を測定している。

反射測距光から距離を測定する場合には距離測定装置内部の検出回路のドリフト等が測定誤差となって現れるので、参照光により内部誤差を測定し正確な距離の算出が行われる。

上記距離測定装置に於ける距離測定では、測距距離に応じて前記位相差が変化することを利用したもので、位相差を△φ、距離をＤ、変調周波数をｆ、光速をＣとすれば、位相差△φは△φ＝４πｆＤ／Ｃ（式１）と表され、距離Ｄは位相差△φを測定することにより求めることができる。

測定距離は、最短合焦距離である1.5ｍ程度の近距離から測距限界迄の遠距離に及ぶ。位相差を測定することから、強度変調の波長以内の距離と波長以上の距離で、同じ値が生じる。その為に強度変調された測定光は、異なる波長の測定光が複数用意されている。尚、高精度に距離を測定するには強度変調の短い波長が用いられる。

実際には大きさの異なる３つ以上の周波数で、距離値の測定有効桁が決定される様になっている構成が多い。

次に、図５により上記距離測定装置について説明する。

基準発振器１の信号は分周回路２に入力され、必要な周波数に分周される。周波数選別回路３は発光素子５を駆動する周波数を選別し、発光素子駆動回路４に出力する。該発光素子駆動回路４は選別された周波数で前記発光素子５を駆動し、測距光６を発光させる。

該測距光６は、第１ハーフミラー１６を透過し対物レンズ７を通り、測定地点に置かれた測定対象物８である反射鏡等で反射される。反射光は反射測距光９として再び前記対物レンズ７から入射する。入射した前記反射測距光９は、第２ハーフミラー１７を透過し受光素子１１に受光される。該受光素子１１から送出された受光信号ｆｄは広帯域アンプ１２で増幅された後、ミキサ１３により前記分周回路２からの周波数信号ｆｃ＋ｆｄとミキシングされビートダウンされる。ビートダウンされた測距光ビートダウン信号ｆｅはフィルタ１４で選択増幅され位相差測定回路１５に入力される。

又、前記発光素子５から発光され前記第１ハーフミラー１６で内部光路に分割反射された内部参照光１０は、前記第２ハーフミラー１７で反射され前記受光素子１１で受光される。該受光素子１１から送出される受光信号ｆｄは前記広帯域アンプ１２で増幅された後、前記ミキサ１３によりビートダウンされ、参照光ビートダウン信号ｆｅ’として、前記フィルタ１４にて選択増幅され前記位相差測定回路１５に入力される。

前記測距光６と前記内部参照光１０は光路切換え器１９によって択一的に選択され、前記位相差測定回路１５では、前記反射測距光９のビートダウン信号ｆｅと前記内部参照光１０のビートダウン信号ｆｅ’から位相差を求める。更に、前記位相差測定回路１５からの信号を基に、演算部１８は内部光路長を考慮して距離を演算する。そして、距離に応じた複数の周波数を組合わせて位相差を求め前記式（１）により距離に換算する。

従来の距離測定装置は、発光光源にＬＥＤを使用し、強度変調、或は位相差を求める為の基準となる測定基準、即ちクロック信号を発振するものとして水晶発振モジュールを使用している。

最近では高い測定精度の要求から、正確な基準発振を行うフェムト秒レーザを用いる距離測定装置が具体化されている。発振精度の高いフェムト秒レーザを用いることで一層精度の高い距離測定が可能になる。然し乍ら、フェムト秒レーザを用いた測距精度に対して水晶発振器の精度が劣っている為、フェムト秒レーザの持つ精度が生かせていないという問題があった。

特開２００１−１３２４５号公報

光周波数コム−新しい光のものさし−（http://www.aist.go.jp/aist_j/museum/keisoku/komu/komu.html）

本発明は斯かる実情に鑑み、測定基準の精度を向上させることにより、レーザ光線を使用した距離測定装置の測定精度の向上を図るものである。

本発明は、測距光を発生する光源と、前記測距光を測定対象物に照射し、該測定対象物からの反射光を受光する受光部と、外部の基準時間を取得する外部基準時間取得装置とを有し、該外部基準時間取得装置で取得した基準時間に基づいて、前記光源を制御し測距光を変調させると共に、該変調した測距光を、内部光路を介して受光した位相と、前記対象反射体で反射されて戻る反射光を受光した位相を測定し、その位相差に基づいて距離を演算する距離測定装置に係り、又測距光を発生する光源と、前記測距光を測定対象物に照射し、該測定対象物からの反射光を受光する受光部と、外部の基準時間を取得する外部基準時間取得装置と、前記測距光の周波数を測定する周波数測定部を有し、該周波数測定部は前記外部基準時間取得装置で取得する時間基準を基に前記測距光の周波数を測定し、変調した測距光を、内部光路を介して受光した位相と、前記対象反射体で反射されて戻る反射光を受光した位相を測定し、その位相差に基づいて距離を演算する距離測定装置に係り、又測距光を発生する光源と、前記測距光を測定対象物に照射し、該測定対象物からの反射光を受光する受光部と、外部の基準時間を取得する外部基準時間取得装置と、前記測距光の周波数を測定する周波数測定部と、該周波数の測定値と前記基準時間を比較する比較回路と、前記光源が発光する測距光の周波数を変更する周波数変更手段とを有し、前記比較回路の出力に基づいて前記周波数変更手段を制御する距離測定装置に係り、又前記外部基準時間取得装置は、ＧＰＳ衛星からの信号を基に外部基準時間を取得する距離測定装置に係り、更に又変調光を発する光源は、フェムト秒レーザ光源である距離測定装置に係るものである。

本発明によれば、測距光を発生する光源と、前記測距光を測定対象物に照射し、該測定対象物からの反射光を受光する受光部と、外部の基準時間を取得する外部基準時間取得装置とを有し、該外部基準時間取得装置で取得した基準時間に基づいて、前記光源を制御し測距光を変調させると共に、該変調した測距光を、内部光路を介して受光した位相と、前記対象反射体で反射されて戻る反射光を受光した位相を測定し、その位相差に基づいて距離を演算するので、光波を用いた測距で距離を演算する基準時間を装置外部から取得して行い、高精度の基準時間を用いることができ、測距精度を向上させることができる。

又、本発明によれば、前記外部基準時間取得装置は、ＧＰＳ衛星からの信号を基に外部基準時間を取得するので、外部の高精度の外部基準時間を容易に得られる等の優れた効果を発揮する。

以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。

図１は第１の実施の形態を示しており、該第１の実施の形態は、測定基準として使用するクロック信号を水晶発振器からのクロック信号に代えて外部基準時間を使用した場合を示している。外部基準時間としては、例えばＧＰＳ衛星の信号に重畳されている基準時間（クロック信号）が使用可能である。近年では、受信アンテナの性能が向上していると共に受信アンテナの小型化が進んでおり、ＧＰＳ衛星の信号を受信する為のＧＰＳ受信機が距離測定装置にも搭載可能となっている。

以下に説明する外部基準時間は、ＧＰＳ衛星からの信号から抽出したクロック信号を基準時間としている。

図１中、図５で示したものと同等のものには同符号を付してある。

図中、５は測距光６を射出するレーザダイオード（ＬＤ）、ＬＥＤ等の発光素子を示し、該発光素子５は発光素子駆動回路４により駆動制御され、射出される前記測距光６の変調が制御される。該測距光６の光路上に、該測距光６の一部を分割する第１ハーフミラー１６が設けられ、該第１ハーフミラー１６を透過した前記測距光６は対物レンズ７を透過して測定対象物８を照射する。該測定対象物８は、測定に必要な光量を反射するだけの面性状を有しておればよく、例えば反射プリズム、再帰反射プレート、或は明るい自然物の面等が測定対象物として選択される。

前記測定対象物８で反射された前記測距光６は、反射測距光９として前記対物レンズ７を透過してフォトディテクタ等（例えばＭＳＭ：Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍｅｔａｌ）の受光素子１１を具備する受光部により受光される。

前記対物レンズ７と前記受光素子１１との間の前記反射測距光９の光路上には該反射測距光９を透過する第２ハーフミラー１７が配設され、前記反射測距光９は前記第２ハーフミラー１７を通過して前記受光素子１１に受光される。

前記測距光６の一部は、前記第１ハーフミラー１６で内部参照光１０として反射され、該内部参照光１０は前記第２ハーフミラー１７で更に反射され、前記受光素子１１に入射する様になっている。該受光素子１１の受光信号は、広帯域アンプ１２で増幅され、ミキサ１３に送出される。

前記第１ハーフミラー１６を透過した前記測距光６の光路と前記第１ハーフミラー１６で反射された前記内部参照光１０の光路に掛渡って光路を切換える光路切換え器（チョッパ）１９が設けられている。該光路切換え器１９によって前記測距光６と前記内部参照光１０が択一的に選択され、前記受光素子１１には前記反射測距光９と前記内部参照光１０が交互に入射する。

外部基準時間取得装置５４からのクロック信号は分周回路２に入力され、必要な周波数に分周される。周波数選別回路３は前記発光素子５を駆動する周波数を選別し、前記発光素子駆動回路４に出力する。該発光素子駆動回路４は、選別された周波数で前記発光素子５を駆動し、前記測距光６を発光させる。該測距光６は、前記第１ハーフミラー１６を透過し前記対物レンズ７を通り、測定地点に置かれた測定対象物８である反射鏡等で反射される。反射光は前記反射測距光９として前記対物レンズ７を通って再び対物レンズ７から入射する。入射した前記反射測距光９は、前記第２ハーフミラー１７を通過し前記受光素子１１に受光される。該受光素子１１から送出された受光信号は前記広帯域アンプ１２で増幅された後、前記ミキサ１３により前記分周回路２からの周波数信号とミキシングされビートダウンされる。ビートダウンされた測距光ビートダウン信号はフィルタ１４で選択増幅され位相差測定回路１５に入力される。

又、前記発光素子５から発光され前記第１ハーフミラー１６で内部光路に分割反射された前記内部参照光１０は、前記第２ハーフミラー１７で反射され前記受光素子１１で受光される。該受光素子１１から送出される受光信号は前記広帯域アンプ１２で増幅された後、前記ミキサ１３によりビートダウンされ、参照光ビートダウン信号として、前記フィルタ１４にて選択増幅され前記位相差測定回路１５に入力される。

尚、前記測距光６と前記内部参照光１０は前記光路切換え器１９によって択一的に選択され、前記位相差測定回路１５に入力される。

該位相差測定回路１５では、前記分周回路２からの基準信号に基づいて、前記反射測距光９のビートダウン信号と前記内部参照光１０のビートダウン信号から正確な位相差を求める。更に、前記位相差測定回路１５からの信号を基に演算部１８は内部光路長を考慮して距離を演算する。そして、距離に応じた複数の周波数を組合わせて位相差を求め前記式（１）により距離に換算される。

次にフェムト秒レーザを用いた距離測定装置に、外部基準時間を用いた第２の実施の形態を説明する。

先ず、フェムト秒モード同期パルスレーザについて説明する。

近年、コンパクトで安定なフェムト秒モード同期パルスレーザ（超短パルス光）が得られる様になり、高機能、高精度計測への応用が急速に広がっている。フェムト秒周波数コム距離計は従来のパルス距離計と異なり、フェムト秒という短い時間幅を利用しているのではない。フェムト秒周波数コム距離計は、フェムト秒モード同期パルスレーザの安定した多数の光周波数モード間ビート成分を利用した光変調距離計である。

フェムト秒モード同期パルスレーザは、フェムト秒という非常に狭い時間幅(パルス幅)を持っており、この１つ１つのパルスは共振器長に依存した一定間隔(繰返し周波数)で発生している。図２（Ａ）に示される様に、１つのパルスは広いスペクトル幅を持ち、光周波数領域では多数の縦モードを持った数ＴＨｚのスペクトルとなる。この縦モードの間隔は一定の間隔で繰返し発生する。又、この間隔の精度は非常に高いことが知られている。

櫛の歯の様に正確な間隔の多数のモードが立つので、光周波数コム（ｃｏｍｂ）と呼ばれている。この光スペクトルをフォトディテクタで光電検出すると、図２（Ｂ）に示される様に、各モード間のビート周波数のみが検出される。これらはモード間ビートと呼ばれている。

この領域に於けるモード間ビートを時間領域に直して考えると、繰返し周波数の整数倍の周波数を持った電気的な波である。即ちフェムト秒モード同期パルスレーザは多数の強度変調波の集まりと見做せる。フェムト秒周波数コム距離計ではこの電気的な波の位相測定により、光変調距離計に於ける変調波の位相測定と同様に距離測定を行う。

このフェムト距離測定装置の精度を１５μｍとすると、到達距離５００ｍで１５×１０^−６／５００＝３×１０^−８の精度がある。前述した様に、温度補償水晶発振器の精度は１×１０^−６程度なので高精度な距離測定には周波数の精度が不足することになる。

現在、時間の標準として用いられている原子時計であるセシウムオシレータは１０^−１１、又比較的安価なルビジウムオシレータは１０^−１０程度の精度を持っており、高精度な距離測定に十分な精度がある。従って、第２の実施の形態に於いては、セシウムオシレータやルビジウムオシレータから正確な周波数を外部から得た構成としている。

次に、フェムト秒モード同期パルスレーザの発生原理について説明する。

一般のレーザでは共振器中での位相は個々のモードによって様々であり、時間的に同期しているわけではない。然しフェムト秒モード同期パルスレーザの共振器では、各モード間の位相を時間的に同期させ、モード間の位相差を一定にすることでパルスを発生させている。この方法はモード同期と呼ばれている。

各々のモード間で位相同期条件（モード同期）が成立すると、共振器内では各モードが互いに干渉し合い、強め合うパルスピークが出現する。このパルス光の最大強度はモード同期の取れていない場合より大きなものとなる。

発生した各パルスピークの時間間隔はパルス光が共振器中を往復する時間に等しい。つまり共振器内では、多数の光が重なり合い、パルス光として共振器中を往復しているのである。又モード同期によって発生するパルスは、パルス時間幅が短い程、スペクトル幅が広くなる。

実際に超短光パルスによる光周波数コムを発生させるには、広い利得スペクトルを持ったレーザ活性媒質を内蔵する共振器を用い、より多くの縦モードを一定位相間隔で発生する様に励起することが必要である。このモード同期の方法には、能動(強制)モード同期、受動(自己)モード同期の２種類がある。

能動モード同期とは、共振器内に変調器を挿入し、共振器損失を変調周波数で周期的に変化させ、モード間隔を変調周波数と同期させる方法である。

又、受動モード同期は、共振器内に可飽和吸収体の機能を持たせている。例えば、代表的なものに可飽和色素がある。これはレーザ周波数に対して非常に大きな吸収断面積を持つ吸収遷移がある物質から成っている。その為光が可飽和吸収体を通過すると、飽和強度以下の光は吸収され、飽和強度以上の光のみが増幅していく。その為共振器内で往復するパルス光は、次第にパルス幅を狭めていく。現在では固体レーザ結晶が可飽和吸収体の機能を備えている共振器が主流である。１００ｆｓ以下のパルス光の発生には、一般に受動モード同期が用いられている。

尚、光周波数コムを発生するレーザ装置としては、光共振器に電気光学結晶を組込み、ＣＷレーザを光共振器に入射し電気光学結晶で光変調をかけることでも成立する。

図３は、フェムト秒レーザ及び外部基準時間を用いた第２の実施の形態を示している。

図３中、２１は超短パルス光発光源、即ちフェムト秒モード同期レーザ装置である。

前記フェムト秒モード同期レーザ装置２１から測距光３１として射出される超短パルス光の光路上に、該測距光３１の一部を分割するスプリッタ２３が設けられ、該スプリッタ２３を透過した前記測距光３１は対物レンズ２４を透過して測定対象物２５を照射する。該測定対象物２５は、測定に必要な光量を反射するだけの面性状を有しておればよく、例えば反射プリズム、再帰反射プレート、或は明るい自然物の面等が前記測定対象物２５として選択される。

該測定対象物２５で反射された前記測距光３１は、反射測距光３２として受光レンズ２６を透過してフォトディテクタ等（例えばＭＳＭ：Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍｅｔａｌ）の第１受光素子２７を具備する受光部により受光される。尚、前記対物レンズ２４が前記受光レンズ２６を兼ねる様にしてもよい。

前記スプリッタ２３と前記対物レンズ２４との間の前記測距光３１の光路上には第１ハーフミラー２８が設けられ、前記受光レンズ２６と前記第１受光素子２７との間の前記反射測距光３２の光路上には該反射測距光３２を透過する第２ハーフミラー２９が配設され、前記反射測距光３２は前記第２ハーフミラー２９を透過して前記第１受光素子２７に受光される。前記第１ハーフミラー２８で前記測距光３１の一部は内部参照光３３として反射され、該内部参照光３３は前記第２ハーフミラー２９で反射され、前記第１受光素子２７に入射する様になっている。該第１受光素子２７の受光信号は、高周波アンプである第１アンプ５２で増幅され、第１フィルタ３４を介してミキサ３５に送出される。

前記第１ハーフミラー２８を透過した前記測距光３１の光路と前記第１ハーフミラー２８で反射された前記内部参照光３３の光路にあって光路を切換える光路切換え器（チョッパ）３０が設けられている。該光路切え換器３０によって前記測距光３１と前記内部参照光３３が択一的に選択される。

前記スプリッタ２３で分割された前記測距光３１の一部は、基準光３６としてフォトディテクタ等（例えばＭＳＭ：Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍｅｔａｌ）の第２受光素子３７で受光される。該第２受光素子３７からの受光信号は、高周波アンプである第２アンプ５１で増幅された後、第２フィルタ３８及び第３フィルタ３９にそれぞれ送出され、該第３フィルタ３９に入力された信号は前記ミキサ３５に送出され、該ミキサ３５で前記第１フィルタ３４からの信号と前記第３フィルタ３９からの信号とがミキシングされ、第４フィルタ４１を介して位相差測定回路４２に入力される。

更に、前記第２フィルタ３８に入力された信号は前記位相差測定回路４２及び周波数カウンタ５３に入力される。前記位相差測定回路４２に於いて、前記第４フィルタ４１からの信号と前記第２フィルタ３８からの信号の位相差が測定される。

前記周波数カウンタ５３は外部基準時間取得装置５４からの高精度の外部基準時間に基づいて、位相差測定時の前記第２フィルタ３８から入力された信号の周期（基準光３６の周期）を計測する。

前記位相差測定回路４２及び前記周波数カウンタ５３からの信号は演算部４３に入力され、該演算部４３は前記位相差測定回路４２の測定した位相差、及び前記周波数カウンタ５３の計測に基づき、前記測定対象物２５迄の距離を演算する。

以下、作用について説明する。

前記フェムト秒モード同期レーザ装置２１により作出された正確なパルス光は、例えば５０ＭＨｚで周期的に発振され、前記スプリッタ２３により前記測距光３１と前記基準光３６に分割される。発振される個々のパルス光は、フェムト秒モード同期レーザの特性により、周波数差が正確な５０ＭＨｚ間隔の広い周波数帯から成る。

前記スプリッタ２３を通った前記測距光３１は、更に前記第１ハーフミラー２８により前記測距光３１と前記内部参照光３３とに分割される。該内部参照光３３と前記測距光３１は前記光路切換え器（チョッパ）３０により択一的に選択され、順次前記第１受光素子２７に受光される。前記内部参照光３３は測定回路特有の誤差の補正に使われる。前記測距光３１は前記測定対象物２５で反射され、反射光は前記反射測距光３２として前記受光レンズ２６から入射し前記第１受光素子２７に受光される。

前記第２受光素子３７に入射した前記基準光３６は、光電変換され、前記第２受光素子３７から多数のモード間ビート信号が出力される。出力された信号は前記第２アンプ５１で増幅され、前記第３フィルタ３９により１つのビート信号が選択される。同様に前記第１受光素子２７で光電変換された多数のモード間ビート信号が出力される。出力された信号は前記第１アンプ５２で増幅された後、前記第１フィルタ３４により１つのビート信号が選択される。

前記第１フィルタ３４からのビート信号と前記第３フィルタ３９からのビート信号が前記ミキサ３５に入力され、入力された２つのビート信号の周波数の和と差の周波数を有する２つのビート信号が該ミキサ３５で生成される。前記第１フィルタ３４の選択するビート信号と前記第３フィルタ３９の選択するビート信号とは周波数の差が僅かにある。本実施の形態では５０ＭＨｚの差があり、前記ミキサ３５に於いて５０ＭＨｚのセルフビート信号が生成される。

前記第４フィルタ４１にて前記第３フィルタ３９で選択されたビート信号と前記第１フィルタ３４で選択されたビート信号との差の周波数を選択する（以下、前記第４フィルタ４１で選択されたビート信号をセルフビート信号と記す）。

前記第２フィルタ３８は、前記第２受光素子３７で光電変換されたモード間ビート信号から前記セルフビート信号と同じ周波数のビート信号を選択する。選択された信号は前記位相差測定回路４２と前記周波数カウンタ５３に出力される。

前記位相差測定回路４２では、前記第２フィルタ３８で選択されたビート信号を基準にして、前記第４フィルタ４１で選択された、前記反射測距光３２のセルフビート信号と前記内部参照光３３のセルフビート信号との位相が測定される。

前記周波数カウンタ５３は前記外部基準時間取得装置５４からの高精度のクロック信号に基づき、入力された前記第２フィルタ３８からのビート信号の周期を計測し、計測値を前記演算部４３に出力する。

該演算部４３は、前記周波数カウンタ５３の計測を基準にして、前記位相差測定回路４２で測定した位相差から内部光路長を考慮して、前記測定対象物２５迄の距離を演算する。

パルス光発光源である前記フェムト秒モード同期レーザ装置２１は正確なパルスを発振するが、装置温度、外気温の影響を受けることから、高精度な外部基準時間を基準にし、距離測定時に於ける波長を正確に計測することで位相差から高精度の距離を測定する。ここで使用される外部基準時間は、例えば、位相差距離測定器に使用される水晶発振器に比べ遥かに精度の高いＧＰＳの基準時間である原子時計等である。

セルフビート信号は前記第１フィルタ３４で選択された前記測距光３１の位相が保存されているので、前記セルフビート信号と前記第２フィルタ３８で選択された前記基準光３６との位相差が求められ、求めた位相差から前記測距光３１の光路距離（外部光路距離）が測定可能となる。同様にして前記基準光３６と前記第１受光素子２７が前記内部参照光３３を受光した場合のセルフビート信号とで該内部参照光３３の光路距離（内部光路距離）が測定可能となる。

該内部光路距離を測定し、該内部光路距離と前記外部光路距離とを比較することにより、回路による位相変化を補正して、より正確な距離を測定することが出来る。

前記第１フィルタ３４で選択されたビート信号の周波数で距離を測定しているが、モード間ビート信号は広い周波数帯域にあるので、該第１フィルタ３４、前記第３フィルタ３９で選択するビート信号を変えることで、距離測定に使用する周波数を変更できる。

例えば、前記第１フィルタ３４で１０ＧＨｚを選択した場合、位相差で測定できる距離は１５ｍｍとなり、該第１フィルタ３４で５０ＭＨｚを選択した場合、位相差で測定できる距離は３ｍとなる。周波数を数種類用いて測定範囲を広げながら、精度よく距離を測定する手法は測量装置で一般的に用いられている手法である。尚、前記第１フィルタ３４、第２フィルタ３８、第３フィルタ３９、第４フィルタ４１は電気的素子であっても、電気回路であってもよい。

更に長い距離の測定を必要とする場合、発振周波数が共振器長に依存するフェムト秒モード同期レーザ装置では、共振器長を変更しない限り周波数は変更できない。例えば５０ＭＨｚより低い周波数のモード間ビート信号しか得られない本実施の形態では、３ｍより長い距離を測定することが出来ない。その場合は例えば、光共振器を構成する反射ミラーを移動する様にピエゾ素子で共振器長を変化させると、周波数コムの間隔を変化させることができる。又、共振器長変更手段としてはピエゾ素子に替えて移動ステージ等の移動手段を用いても可能である。

図４は第３の実施の形態を示しており、図４中、図３中で示したものと同等のものには同符号を付してある。尚、光学系は同様な構成であるので、以下は説明を省略してある。

第２の実施の形態では、距離の測定時に於ける周波数を正確に計測することで高精度に距離を求めたが、第３の実施の形態では、パルス光発光源であるフェムト秒モード同期レーザ装置２１の発振周波数を制御して、正確な距離を測定する。制御の基準には同様に外部基準時間を使用する。

図４中、２２は発振周波数変更手段を示し、該発振周波数変更手段２２は、前記フェムト秒モード同期レーザ装置２１の共振器が内蔵する共振鏡間の距離を変え共振器長を変更して発振周波数を変更するものであり、共振器長は共振鏡を移動させることで変更でき、共振器長変更手段として、例えばピエゾ素子が用いられる。

前記フェムト秒モード同期レーザ装置２１から射出される超短パルス光はスプリッタ２３により、測距光３１と基準光３６とに分割され、更に前記測距光３１は第１ハーフミラー２８により内部参照光３３に分割される。前記測距光３１と前記内部参照光３３とは択一的に前記第１受光素子２７に受光され、前記基準光３６は第２受光素子３７に受光される。

該第２受光素子３７からの受光信号は、高周波アンプである第２アンプ５１で増幅された後、第２フィルタ３８及び第３フィルタ３９にそれぞれ出力され、該第３フィルタ３９に入力された信号はミキサ３５に送出される。該ミキサ３５で第１フィルタ３４からの信号とミキシングされ、第４フィルタ４１を介して位相差測定回路４２に入力される。前記第２フィルタ３８に入力された信号は、前記位相差測定回路４２とフェーズロック回路５５に出力される。

前記位相差測定回路４２では、前記第２フィルタ３８で選択されたビート信号を基準にして、前記第４フィルタ４１で選択された、反射測距光３２のセルフビート信号と前記内部参照光３３のセルフビート信号との位相が測定される。

演算部４３は、前記位相差測定回路４２で測定した位相差から内部光路長を考慮して、測定対象物２５迄の距離を演算する。

前記フェーズロック回路５５は、外部時間取得装置５４の外部基準時間に基づく信号と、前記第２フィルタ３８で選択された信号との位相を比較し差に応じた信号を出力する。前記フェーズロック回路５５からの出力信号にて前記発振周波数変更手段２２が前記フェムト秒モード同期レーザ装置２１の出力パルスを制御する。

本発明の第１の実施の形態を示す概略構成図である。 （Ａ）は本発明で利用する光周波数コムのスペクトルの説明図であり、（Ｂ）は光周波数コムを受光素子で受光した場合の受光信号の説明図である。 本発明の第２の実施の形態を示す概略構成図である。 本発明の第３の実施の形態を示す概略構成図である。 従来例を示す概略構成図である。

符号の説明

２ 分周回路
４ 発光素子駆動回路
５ 発光素子
８ 測定対象物
９ 反射測距光
１１ 受光素子
１３ ミキサ
１５ 位相差測定回路
１８ 演算部
２１ フェムト秒モード同期レーザ装置
２２ 発振周波数変更手段
２７ 第１受光素子
３４ 第１フィルタ
３７ 第２受光素子
３８ 第２フィルタ
３９ 第３フィルタ
４２ 位相差測定回路
４３ 演算部
５３ 周波数カウンタ
５４ 外部基準時間取得装置

Claims (5)

1. 測距光を発生する光源と、前記測距光を測定対象物に照射し、該測定対象物からの反射光を受光する受光部と、外部の基準時間を取得する外部基準時間取得装置とを有し、該外部基準時間取得装置で取得した基準時間に基づいて、前記光源を制御し測距光を変調させると共に、該変調した測距光を、内部光路を介して受光した位相と、前記対象反射体で反射されて戻る反射光を受光した位相を測定し、その位相差に基づいて距離を演算することを特徴とする距離測定装置。
2. 測距光を発生する光源と、前記測距光を測定対象物に照射し、該測定対象物からの反射光を受光する受光部と、外部の基準時間を取得する外部基準時間取得装置と、前記測距光の周波数を測定する周波数測定部を有し、該周波数測定部は前記外部基準時間取得装置で取得する時間基準を基に前記測距光の周波数を測定し、変調した測距光を、内部光路を介して受光した位相と、前記対象反射体で反射されて戻る反射光を受光した位相を測定し、その位相差に基づいて距離を演算することを特徴とする距離測定装置。
3. 測距光を発生する光源と、前記測距光を測定対象物に照射し、該測定対象物からの反射光を受光する受光部と、外部の基準時間を取得する外部基準時間取得装置と、前記測距光の周波数を測定する周波数測定部と、該周波数の測定値と前記基準時間を比較する比較回路と、前記光源が発光する測距光の周波数を変更する周波数変更手段とを有し、前記比較回路の出力に基づいて前記周波数変更手段を制御することを特徴とする距離測定装置。
4. 前記外部基準時間取得装置は、ＧＰＳ衛星からの信号を基に外部基準時間を取得する請求項１又は請求項２又は請求項３の距離測定装置。
5. 変調光を発する光源は、フェムト秒レーザ光源である請求項２又は請求項３の距離測定装置。

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