距離測定装置

【課題】簡便で高精度な距離測定を実現する。
【解決手段】電圧制御発信器８の出力信号は変調信号９として発光素子を駆動するとともに位相比較器１１に入力され、かつ出力信号１４として外部に出力される。受光素子で検出された信号は受信信号１０として位相比較器１１の他方の入力に接続される。位相比較器１１は二つの入力位相を比較し位相差に対応した位相信号１４を出力する。位相信号１４はループフィルタ１５に入力され周波数制御信号１３に変換されて電圧制御発信器８の周波数制御入力に接続される。変調信号９と受信信号１０の位相差が一定になるように電圧制御発信器８の発信周波数が制御される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光を変調して測定対象に照射しその反射光を検出して照射光の変調信号と受信信号の関係により距離を測定する装置に関する。
【発明の詳細な説明】

【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
従来のこの種の装置は１乃至数種類の固定周波数の変調信号を用い、変調信号と受信信号の位相差を距離に対応させるものである。
【０００３】
しかしこの方法では例えば１．５ｍ程度の距離を測定するためには最低でも１０ＭＨｚ程度の変調信号が必要となり、直接十分な精度で位相差を測定することが困難である。
【０００４】
このため高精度のものは位相差を保存したまま周波数変換によって低い周波数に変換して位相差を測定しているが、電子回路が複雑になり安定に十分な精度を得るためには高価なものとなる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明は周波数を固定して位相差を距離に対応させるのではなく位相差を固定して周波数を可変とし、ＰＬＬの技術を用いることにより目標位相差を実現する周波数を距離に対応させるものである。
【０００６】
請求項２の発明はＰＬＬが電圧制御発信器より対象物を経由して位相比較器に至る経路の総遅延時間の整数分の１となる周期の周波数でも位相ロックする性質を積極的に応用して前記経路中に既知遅延時間の遅延手段を挿入し、電圧制御発信器に要求される発信周波数が短距離の測定ほど周波数が高くなる不都合を解決しかつ要求される周波数可変範囲を狭くするものである。
【実施例】
【０００７】
図１に光学系の例を示す。同図において発光素子２より射出された照射光４は照射レンズ３により調整されて対象物１に照射される。対象物１により反射された反射光５は受光レンズ６により集光されて受光素子７に至る。この間の光の行路長は対象物との距離の２倍となる。
【０００８】
図２に本発明の基本的な実施例を示す。同図において電圧制御発信器８の出力信号は変調信号９として図１の発光素子２を駆動し同時に位相比較器１１に入力され、かつ出力信号１４として外部に出力される。さらに図１の受光素子７により検出された信号は受信信号１０として位相比較器１１の他方の入力に接続される。位相比較器はその二つの入力の位相を比較し位相差に対応した位相信号１４を出力する。位相信号１４はループフィルター１５に入力され周波数制御信号１３に変換されて電圧制御発信器８の周波数制御入力に接続される。
【０００９】
図３（Ａ）に位相比較器の例を示す。この例では位相比較素子として二つの入力の排他的論理和を出力する論理素子を用い、その出力は平滑抵抗および平滑コンデンサーより構成される平滑回路により高周波成分が除去され位相信号１２となる。図３（Ｂ）にこの回路の位相差に対する位相信号の関係を示す。
【００１０】
図４にループフィルターの例を示す。これは一種の積分回路で、ループ全体の負帰還が成立しているときは入力の位相信号が基準電圧であるＶＣＣ／２となるように出力の周波数制御信号を制御する。
【００１１】
図５（Ａ）に電圧制御発信器の例を示す。この回路はコルピッツ発信回路であり周波数の制御は可変容量ダイオードによる。図５（Ｂ）にこの回路の周波数制御信号１３と発信周波数の関係を示す。
【００１２】
以下説明のため光の速さＣ＝３００，０００，０００ｍ／ｓとし、電子回路の遅延は無視する。
例として対象物との距離を１．５ｍとすると光の行路長は３ｍとなり変調信号の変化は１０ｎｓ後に位相比較器に至る。
【００１３】
いま電圧制御発信器８の発信周波数を２０ＭＨｚ（周期５０ｎｓ）とする。このとき変調信号９と受信信号１０の位相差は（１０ｎｓ／５０ｎｓ）＊３６０度＝７２度となり９０度よりも小さい。このため図３（Ｂ）より位相信号１２はＶＣＣ／２よりも小さくなる。この位相信号がループフィルター１５に印可されると基準電圧であるＶＣＣ／２よりも小さいため周波数制御信号１３は徐々に上昇する。すると図５（Ｂ）に示すように電圧制御発信器８の発信周波数は上昇して相対的な位相差は大きくなり、やがて９０度に達して系はロックする。
【００１４】
同様に電圧制御発信器８の発信周波数を３０ＭＨｚ（周期約３３ｎｓ）とする。このとき変調信号９と受信信号１０の位相差は（１０ｎｓ／３３ｎｓ）＊３６０度＝１０８度となり９０度よりも大きい。このため図３（Ｂ）より位相信号１２はＶＣＣ／２よりも大きくなる。この位相信号１２がループフィルター１５に印可されると基準電圧であるＶＣＣ／２よりも大きいため周波数制御信号１３は徐々に降下する。すると図５（Ｂ）に示すように電圧制御発信器８の発信周波数は降下して相対的な位相差は小さくなり、やはり９０度に達して系はロックする。このときの周波数は２５ＭＨｚである。
【００１５】
一般的に位相比較器における二つの入力の時間差をＴ０とし、Ｔ０を周期とする周波数をＦ０（＝１／Ｔ０）、ロックが成立する変調信号の周波数をＦｍとすると
Ｆｍ＝（Ｎ＋１／４）＊Ｆ０（Ｎ＝０，１，２，・・・）
という関係がある。Ｎをロックの次数と言う。
上記の場合Ｆ０＝１００ＭＨｚ、Ｎ＝０としてＦｍ＝２５ＭＨｚとなるが、これ以外に１２５ＭＨｚ、２２５ＭＨｚ・・・においてもロックが成立する。
【００１６】
以上の構成および動作はＰＬＬとして知られたものであり、各回路の設計手法はＰＬＬの設計手法に準ずる。
【００１７】
以上基本的な構成で説明したが、以下のような問題がある。
１）例えば距離を０．３ｍとしたときＦｍは最低でも１２５ＭＨｚとなる。この程度の周波数は現在の高速素子で実現可能であるが、消費電流等の問題があり簡便とは言えない。
２）広い範囲の距離を測定するためには電圧制御発信器の発信周波数範囲は少なくとも２倍は必要である。これも実現可能であるが簡便とは言えない。
３）説明では電子回路の遅延は無視したが現実には遅延があり、これがＦｍに直接影響する。さらに遅延の温度による変動も無視できない。
３）距離が大きくなった場合のロックの次数が不明である。
【００１８】
上記１）２）の問題を解決した実施例を図６に示す。同図において８〜１５の構成は図２と同じであるが、変調信号９と駆動信号１７の間に遅延素子１６が挿入され、図１の発光素子２は駆動信号１７により駆動される。
【００１９】
いま遅延素子を含む電子回路の遅延時間を２００ｎｓ、光路による遅延を０ｎｓ（距離０ｍ）とし、Ｎ＝５とすればＦｍ＝２６．２５ＭＨｚとなる。これは至近距離においてもＦｍの極端な増加が回避されることを意味し、前記１）の問題が解決される。
【００２０】
さらにＦｍを２６．２５ＭＨｚに固定してＮ＝６となるＴ０を求めると約２３８ｎｓとなる。このときのＴ０の増加は約３８ｎｓであり、行路長にして約１１．４ｍ（距離約５．７ｍ）に相当する。逆にＮ＝５を維持して対象物をこの距離まで離したときのＦｍは２２．０５ＭＨｚとなる。すなわち距離０ｍから約５．７ｍまではＮ＝５を維持する事によりＦｍは２６．２５ＭＨｚから２２．０５ＭＨｚまで変化する。それ以上の距離ではＮ＝６とする事によりＦｍは再び２６．２５ＭＨｚとなる。よって電圧制御発信器８の周波数範囲は少なくとも２２．０５ＭＨｚから２６．２５ＭＨｚであれば良く、前記２）の問題が解決される。
【００２１】
一般に距離０ｍにおけるロックの次数をＮａ、ロック周波数をＦａ、距離ｘにおけるロックの次数をＮｘ、ロック周波数をＦｘ、光速をＣとおけば
ｘ＝Ｃ＊（（（Ｎｘ＋１／４）／Ｆｘ）−（（Ｎａ＋１／４）／Ｆａ））／２
と言う関係がある。
そこであらかじめ既知の距離ｓにおけるＮｓとＦｓを測定すれば
Ｆａ＝（Ｎａ＋１／４）／（（（Ｎｓ＋１／４）／Ｆｓ）−（２＊ｓ／Ｃ））
よりＦａを決定できる。ただしＮａは設計上の固定値とする。
【００２２】
なおこの例では電子的な遅延素子１６を発光素子２の前に挿入したが、受光素子７から位相比較器１２の間に挿入しても同じであり、さらに光学的な遅延手段を光路内に挿入しても同じ効果が得られることは自明である。
【００２３】
図７にすべての問題を解決したより具体的な実施例を示す。同図において電圧制御発信器８の出力は変調信号９としてゲート素子１９により制御されて遅延素子１６に至り遅延されて駆動回路１８に入力され、レベルを調節されて駆動信号１７として発光素子２を駆動する。ここにゲート素子１９は変調制御信号３４を’Ｌ’とする事により変調を停止する機能を持つ。また駆動回路１８は光量調節ＤＡコンバーター２０の出力により発光素子２の光量を調節する機能を持つ。受光素子７より出力される受光信号２２は増幅器２３により増幅されて受信信号１０となり、さらに波形整形回路２１により一定振幅の受信位相信号４３となって位相比較器１１に入力される。位相比較器１１の他方の入力は変調信号９に接続される。位相比較器１１の出力は位相信号１２としてループフィルター１５に入力され、周波数制御信号１３に変換されて電圧制御発信器８に入力される。増幅器２３は外乱光やノイズの影響を除去するため変調信号９の周波数帯域のみを通過させるバンドパス特性を持つ。
【００２４】
さらに受信信号１０は受信レベル検出回路２５に入力されその出力は受信レベルＡＤコンバーター２６に入力されて受信レベルデーター３７に変換される。さらに受信信号１０は受信信号検出回路２８にも入力され受信信号検出信号４４に変換される。ここに受信信号検出信号４４は受信信号が有る場合は’Ｈ’無い場合は’Ｌ’とする。
【００２５】
波数計数回路２７は変調信号９の波数を計数する機能を持ち、変調制御信号３４が’Ｈ’のときはリセットされ変調制御信号３４が’Ｌ’でかつ受信信号検出信号４４が’Ｈ’のとき計数を行い、受信信号検出信号４４が’Ｌ’となったとき計数を停止してその計数値を波数データー３３として出力する。
【００２６】
周波数カウンター２９は基準クロック発信器３０の出力信号により正確なゲート信号を生成し、一定時間内の変調信号９の波数を計数して周波数データー３６として出力する。
【００２７】
位相信号１２はロック検出ＡＤコンバーター２４に入力されロック検出データー３９に変換される。さらに温度測定ＡＤコンバーター３２にはサーミスター３１が接続されその値は温度データー３８に変換される。
【００２８】
マイクロコンピューター４０には波数データー３３・周波数データー３６・受信レベルデーター３７・温度データー３８およびロック検出データー３９の各データーが入力され、変調制御信号３４および光量調節データー３５が出力される。さらに測定値を表示する表示器４１および本装置を操作するための測定指令スイッチ４２が接続される。
【００２９】
さらにマイクロコンピューター４０の記憶装置には温度補正テーブル４５が保持される。
【００３０】
マイクロコンピューター４０のプログラムにおいて波数データー３３はロックの次数として周波数データー３６とともに測定値の算出に使用される。また測定に先立って受信レベルデーター３７を参照し、受信レベルが一定値となるよう光量調節データー３５を設定する。さらに温度データー３８は測定値の温度補正に使用される。ロック検出データー３９は系のロックの判定に使用し、あらかじめ決められた時間一定の範囲内に入っていればロックしたと判定される。
【００３１】
図８に温度補正テーブルの例を示す。同図において各行はあらかじめ決められた温度に対応する。
第１列のデーターは各温度における温度データーである。この値は実際に装置を各温度に設定して決定する。
第２列のデーターは補正データーであり各温度における距離０ｍの場合の周波数（単位Ｈｚ）である。この値は実際に装置を各温度に設定し、既知の距離を測定して決定する。
【００３２】
例えば温度データーとして１００の値が得られた場合、その値は第１列第２行と第３行の間になる。これを直線補間して第２列の値を求めると２６２２４０９２Ｈｚとなる。この値をＦａとする。距離０ｍにおける波数データーを５と仮定する。現在の周波数データーをＦｘ（単位Ｈｚ）および波数データーをＮｘとし、光速をＣとすると求める距離ｘは
ｘ＝Ｃ＊（（（Ｎｘ＋０．２５）／Ｆｘ）−（５．２５／Ｆａ））／２
より算出できる。
ここにＦａは各温度における回路の遅延が反映されているので回路による遅延誤差および温度による変動が補正される。
なお説明のためＦａおよびＦｘの単位をＨｚとしたが、周波数カウンター２９のゲート時間等により適宜変換する必要がある。
【００３３】
図９にプログラムのフローチャートを示す。
【００３４】
以上温度補正テーブル４５を用いることにより前記３）の問題が解決され、波数データー３３よりロックの次数が判明し、前記４）の問題が解決される。
【発明の効果】
【００３５】
以上により距離を周波数に対応させて測定することが可能であることが明らかになった。言うまでもなくディジタル技術において周波数はもっとも安定で扱いやすい情報である。距離情報をこの周波数情報に変換することにより簡便にかつ高精度に測定することが可能となる。
【００３６】
周波数カウンターはゲート時間内の平均周波数を求めるため本質的に積分動作であり、周波数の短時間の変動は測定結果に大きな影響を与えない。これはＰＬＬの動作に対して通信分野などで要求される厳密なロックは不要であることを意味し、ノイズなどに対する配慮も緩やかになる。
【００３７】
また図６の実施例に示すように本装置内の主要なアナログ信号は受光信号・受信信号・位相信号および周波数制御信号であり、従来技術のような複雑なアナログ処理は必要ない。これは装置の安定性に大きく寄与する。
【００３８】
本装置においてロックが成立している状態では周波数は連続して距離に対応する。従って移動物体の距離測定も可能でさらに時間微分することにより速さの測定も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】光学系の概略図
【図２】基本的な実施例のブロック図
【図３】位相比較器の例
【図４】ループフィルターの例
【図５】電圧制御発信器の例
【図６】改良した実施例のブロック図
【図７】具体的な実施例のブロック図
【図８】温度補正テーブルの例
【図９】具体的な実施例のプログラムフローチャート
【符号の説明】
１対象物２発光素子３照射レンズ４照射光５反射光
６受光レンズ７受光素子８電圧制御発信器９変調信号
１０受信信号１１位相比較器１２位相信号１３周波数制御信号
１４出力信号１５ループフィルター１６遅延素子１７駆動信号
１８駆動回路１９ゲート素子２０光量調節ＤＡコンバーター
２１波形整形回路２２受光信号２３受信増幅器
２４ロック検出ＡＤコンバーター２５受信レベル検出回路
２６受信レベルＡＤコンバーター２７波数計数回路２８受信信号検出回路
２９周波数カウンター３０基準クロック発信器３１サーミスター
３２温度測定ＡＤコンバーター３３波数データー３４変調制御信号
３５光量調節データー３６周波数データー３７受信レベルデーター
３８温度データー３９ロック検出データー４０マイクロコンピューター
４１表示器４２測定指令スイッチ４３受信位相信号
４４受信信号検出信号４５温度補正テーブル

【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に変調光を照射しその反射光を検出して対象物との距離を測定する装置であって、照射光を変調する信号源に電圧制御発信器を用い、かつ位相比較器を用いて変調信号と受信信号の位相差が一定になるよう前記電圧制御発信器の発信周波数を制御することを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】
前記重圧制御発信器より対象物を経由して位相比較器に至る経路に既知遅延時間の遅延手段を有することを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置

【図１】