(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ共振器の内部に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回折光を利得媒質に帰還させることによって周波数が時間と共に変化する複数のモードの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発振器が発生したＦＭレーザ光を計測対象物に照射し、この計測対象物からの反射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と、
この発生されたビート信号の周波数から前記反射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、前記ビート信号の周波数の変調用周波数に対する依存性に基づき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。
【請求項２】
請求項１において、
前記ビート信号の周波数の前記変調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信号の周波数が所定の帯域に何回出現するかに基づいて行われることを特徴とする光学式距離計。
【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、
0003583906.tif 000002
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：  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  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τＲＴ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／τＲＴ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／τＲＴ）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／τＲＴ                            ・・・（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、４０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、ＰＩＮ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４４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、τＲＴ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τＲＴ／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＋３τＲＴ／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＋５τＲＴ／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τＲＴ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／τＲＴ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τＲＴ＝  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τＲＴ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／τＲＴ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１０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。ローカルＦＭレーザ光と反射ＦＭ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ΔＴ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ΔＴ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・・・に対応した計測対象物Ａからの反射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。ｆｂ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／τＲＴ  とから、
0003583906.tif 000003
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、
0003583906.tif 000004
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２２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】
ビート周波数がイメージビート周波数か否か、およびビート信号の次数の変化の判定は、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、（イ）から（ヘ）までの６個の領域で得られるビート周波数がイメージビート周波数か否か、およびビート信号の次数の変化は、次頁の表１に示すように場合分けされる。
【００３９】
例えば、領域（イ）では、(15)式から、
0003583906.tif 000005
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（イ）では、(17)式からｍを解くと、
0003583906.tif 000006
が得られる。
【００４１】
0003583906.tif 000007
【００４２】
同様に、領域（ロ）では(15)式と(16)式とから、
0003583906.tif 000008
という連立方程式を得る。
【００４３】
すなわち領域（ロ）では、(19)式からｍを解くと、
0003583906.tif 000009
【００４４】
以下、同様にして、ｆｓａ，ｆｓｂ，ｆｓｃ，ｆＡ  ，ｆＢ  ，ｆＣ  から、
0003583906.tif 000010
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、（イ）から（ヘ）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（イ）〜（ハ）の場合は、
ｚ＝（ｃ／４ｆsa )( ｍ＋ｆA ／ΔＦ）                ・・・・(22)
となり、領域  （ニ）〜（ヘ）の場合には、
ｚ＝（ｃ／４ｆsa )( ｍ−ｆA ／ΔＦ）                ・・・・(23)
となる。
【００４７】
0003583906.tif 000011
【００４８】
データ処理部４０内のデータプロセッサ４１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ｆＡ  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ｆＢ  ，ｆＣ  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ｆA ，ｆB ，ｆC 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（イ）〜（ヘ）とビート次数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ビート次数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、実際に観測されるビート周波数 ABS [ｆｂ] をリアルビート周波数ｆｂとイメージビート周波数−ｆｂとおいて
0003583906.tif 000012
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),(25) 式は、
0003583906.tif 000013
となる。ただし、ΔＦa 、ΔＦb は、変調用周波数ｆsa、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に変化させたときのビート次数の変化量である。
【００５７】
(27) 、(28)式を解くと、
0003583906.tif 000014
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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