(57)【要約】周波数合成方法および装置において、特に、放射源（１）から放出されて照準対象物によって反射した電磁放射線（Ｓ）のパラメータの、位相の時間的変化評価原理に基づいている距離計の周波数合成方法および装置において、水晶発振器によって提供される周波数をＮ個の遅延要素（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，……，ＶＮ）を備えたリング発振器（１９）で所望の第１の高周波数（Ｆ）に調整し、この第１の高周波数（Ｆ）を混合周波数または変調周波数として使用する。Ｎ個の遅延要素（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，……，ＶＮ）の信号を、低周波測定信号（ＮＦ）の周波数の２Ｎ倍に相当するクロックで切換えられるマルチプレクサ（２０）に送る。これにより、マルチプレクサ（２０）の出力部に、低周波測定信号（ＮＦ）の周波数だけ第１の高周波数（Ｆ）とは異なり且つ変調周波数または混合周波数として使用可能な第２の高周波数（Ｍ）を発生させる。本周波数合成器を備えた距離計は、構成が非常に簡潔で、サイズが小さく、高周波数を生成させるエネルギー消費が少ないことを特徴としている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数合成方法、特に、放射源（１）から放出されて照準対象物によって反射した電磁放射線（Ｓ）のパラメータの、位相の時間的変化評価原理に基づいている距離計における周波数合成方法であって、放射された電磁放射線（Ｓ）のための高周波変調周波数（Ｍ）と、照準対象物によって反射されて検出器（４）により高周波変調電気信号に変換される放射線と重畳させるための、評価対象である低周波測定信号（ＮＦ）の周波数だけ高周波変調周波数（Ｍ）とは異なっている高周波混合周波数（Ｆ）とを生成させる前記周波数合成方法において、水晶発振器（１０）によって提供される周波数を、Ｎ個の遅延要素（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，……，ＶＮ）を備えたリング発振器（１９）で所望の第１の高周波数（Ｆ）に調整し、この第１の高周波数（Ｆ）を混合周波数または変調周波数として使用し、Ｎ個の遅延要素（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，……，ＶＮ）からの信号を、低周波測定信号（ＮＦ）の周波数の２Ｎ倍に相当するクロックで切換えられるマルチプレクサ（２０）に送り、その際マルチプレクサ（２０）の出力部に、低周波測定信号（ＮＦ）の周波数だけ第１の高周波数（Ｆ）とは異なり且つ変調周波数または混合周波数として使用可能な第２の高周波数（Ｍ）を発生させることを特徴とする周波数合成方法。
【請求項２】
マルチプレクサの出力部に出力される第２の高周波数（Ｍ＊）を、他の遅延要素（２２）の装置と、他の遅延要素（２２）の周期で且つ低周波測定信号（ＮＦ）の周波数と重畳されて切換えられる他のマルチプレクサ（２３）とに供給して、第１のマルチプレクサに印加される粗い位相ステップを微細な位相ステップに分割することを特徴とする請求項１に記載の周波数合成方法。
【請求項３】
マルチプレクサの出力部に出力される第２の高周波数をデジタル補間することを特徴とする請求項１に記載の周波数合成方法。
【請求項４】
遅延要素（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，……，ＶＮ）を電圧制御型遅延で構成することを特徴とする上記請求項のいずれか一つに記載の周波数合成方法。
【請求項５】
リング発振器周波数を、位相ロックループ（ＰＬＬ）（２４，２５，２６）を用いて、水晶発振器（１０）の周波数の複数倍に、たとえば１６倍に調整することを特徴とする請求項４に記載の周波数合成方法。
【請求項６】
遅延要素（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，……，ＶＮ）として双安定マルチバイブレータを使用し、たとえばＲＳフリップフロップ、インバータ等の構成要素を使用することを特徴とする上記請求項のいずれか一つに記載の周波数合成方法。
【請求項７】
リング発振器（１９）とマルチプレクサ（２０）とを一体型半導体構成で、ＣＭＯＳ構成で作成することを特徴とする上記請求項のいずれか一つに記載の周波数合成方法。
【請求項８】
第１の高周波数（Ｆ）を生成するためのリング発振器と、低周波測定信号の周波数だけ第１の高周波数と異なっている第２の高周波数（Ｍ）を生成するためのマルチプレクサ（２９）を含む他のリング発振器とを、２つの異なる半導体素子上に配置し、第１の半導体素子の出力部に出力される第１の高周波数（Ｆ）を、マルチプレクサを有している第２の半導体素子の入力部に印加させることを特徴とする上記請求項のいずれか一つに記載の周波数合成方法。
【請求項９】
リング発振器（１９）に８個ないし６４個の、たとえば１６個の遅延要素（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，……，ＶＮ）を備えさせることを特徴とする上記請求項のいずれか一つに記載の周波数合成方法。
【請求項１０】
低周波測定信号の評価、たとえば位相測定を、ディバイダにより混合周波数から導出した内部低周波同期周波数に同期させて行なうことを特徴とする上記請求項のいずれか一つに記載の周波数合成方法。
【請求項１１】
周波数合成装置、特に、放射源（１）から放出されて照準対象物によって反射した電磁放射線のパラメータの、位相の時間的変化評価原理に基づいている距離計における周波数合成装置であって、放射された電磁放射線（Ｓ）のための高周波変調周波数（Ｍ）を生成させる手段と、照準対象物によって反射されて検出器（４）により高周波変調電気信号に変換される放射線と重畳させるための高周波混合周波数（Ｆ）を生成させる手段とを備え、その高周波混合周波数（Ｆ）が評価対象である低周波測定信号（ＮＦ）の周波数だけ高周波変調周波数（Ｍ）とは異なっている、前記周波数合成装置において、第１の高周波数（Ｆ）を生成させる前記手段が、Ｎ個の遅延要素（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，……，ＶＮ）を備えたリング発振器（１９）と協働する水晶発振器（１０）を有していること、低周波測定信号（ＮＦ）の周波数だけ第１の高周波数（Ｆ）とは異なっている第２の高周波数（Ｍ）を生成させる前記手段が、低周波測定信号（ＮＦ）の周波数の２Ｎ倍に相当するクロックで切換え可能なマルチプレクサ（２０）を有し、これによりマルチプレクサ（２０）の出力部に第２の高周波数（Ｍ）を生成可能であることを特徴とする周波数合成装置。
【請求項１２】
リング発振器（１９）の遅延要素（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，……，ＶＮ）が電圧制御型であり、双安定マルチバイブレータ、たとえばＲＳフリップフロップ、インバータ等の作用をする構成要素を有していることを特徴とする請求項１１に記載の周波数合成装置。
【請求項１３】
リング発振器（１９）の遅延要素（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，……，ＶＮ）の数が８個ないし６４個、たとえば１６個であることを特徴とする請求項１１または１２に記載の周波数合成装置。
【請求項１４】
リング発振器（１９）が位相ロックループ（ＰＬＬ）を有し、位相ロックループ（ＰＬＬ）を介してリング発振器周波数を水晶発振器（１０）の周波数の複数倍、８倍ないし６４倍に調整可能であることを特徴とする請求項１１から１３までのいずれか一つに記載の周波数合成装置。
【請求項１５】
マルチプレクサ（２０）の出力部が遅延素子と接続され、遅延素子が、遅延要素を備えた他のリング発振器（２２）と、下流側に配置したマルチプレクサ（２３）とを有していることを特徴とする請求項１１から１４までのいずれか一つに記載の周波数合成装置。
【請求項１６】
マルチプレクサ（２０）の出力部が高周波出力信号をデジタル補間するための装置と接続されていることを特徴とする請求項１１から１４までのいずれか一つに記載の周波数合成装置。
【請求項１７】
リング発振器（１９）とマルチプレクサ（２０）とが半導体組み込み構成で、たとえばＣＭＯＳ技術で作成されていることを特徴とする請求項１１から１６までのいずれか一つに記載の周波数合成装置。
【請求項１８】
第１の高周波数（Ｆ）を生成する前記手段と第２の高周波数（Ｍ）を生成する前記手段とが別個の半導体組み込み要素上に配置されていることを特徴とする請求項１７に記載の周波数合成装置。
【請求項１９】
位相測定原理に基づく距離計であって、光線（Ｓ）を放出する送光器（１）と、測定対象物によって反射または散乱した測定光線（Ｌ）を受光する受光光学系（３）と、受光光学系（３）の下流側に配置され、前記光線（Ｌ）を電気測定信号に変換する光電検出器（４）と、測定信号を参照信号と比較し、その位相状態に関し検査して測定対象物の距離を決定するとともに、その結果を使用者に提供する信号処理装置（８）と、放出された光線（Ｓ）のための高周波変調周波数（Ｍ）と、この高周波変調周波数（Ｍ）とは異なり、光電検出器（４）から提供される電気信号と重畳可能な高周波混合周波数（Ｆ）とを生成させるための手段（９）とを備えた前記距離計において請求項１１から１８までのいずれか一つに記載の周波数合成装置（９）が設けられていることを特徴とする距離計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、方法に関する独立請求項１の前文、または、装置に関する独立請求項１１の前文に記載の距離計における周波数合成方法および装置に関するものである。また本発明は請求項１９の前文に記載の距離計にも関する。
【０００２】
建築の測量或いは室内エンジニアリングにおいては、たとえば部屋を三次元測量するために電子距離計が使用されることが多い。電子距離計は数十メートルの測距範囲を有しており、手持ち機器として構成されることがある。距離計の他の使用分野は測地学的測量および工業測量である。公知の距離計による基本測距原理は、距離計から放出されて照準対象物によって反射した電磁放射線のパラメータの時間的変化を評価することに基づいている。このため距離計は、強度を変調させた放射線を放出するための送信器を備えている。手持ち機器の場合には、測定点の照準を容易にするため、放射線は特に可視波長スペクトルの光線である。光線は照準対象物によって反射または拡散し、距離計内に組み込まれた受光器によって記録される。送光器から放出された光線に対する受光変調光線の時間的遅延から、測定対象物までの距離が明らかになる。
【０００３】
公知の距離計では、検出器として、測定対象物によって反射または拡散した光線を電気信号に変換するピンフォトダイオードまたはアバランシェフォトダイオードが通常使用される。よく使用される距離計は、距離決定を位相測定の測定原理に基づいている距離計である。この種の距離計においては、電気受信信号は直接アバランシェフォトダイオードにおいて、或いは、前置増幅器で処理した後で、混合周波数と重畳されて低周波測定信号になる。この低周波信号に基づいて位相が決定され、参照信号の位相と比較される。低周波測定信号の測定位相と参照信号の位相との差が測定対象物の距離を表わす量である。
【０００４】
位相差の評価に基づいている測定原理を実施するには、有利には１００ＭＨｚ以上のレーザー変調周波数と、このレーザー変調周波数とは低周波数のぶんだけ異なっている混合周波数とが必要である。低周波測定信号に基づいた位相の決定は、本来の高周波受信信号に基づいて位相を決定する場合よりもはるかに実現が容易である。したがって、典型的にはキロヘルツ範囲の低周波数、たとえば１０ｋＨｚの低周波数が選定される。レーザー変調をたとえば４００ＭＨｚの高周波数で行う場合には、所望の低周波測定信号を生成させるために、高周波数から２５ｐｐｍだけ異なっている混合周波数を生成させねばならない。さらに、両高周波数に対し、できるだけクロストークを抑える必要がある。しかしながら、両高周波数がこのように近接している場合には、極めて高コストのフィルタリングを用いなければ、望ましくない側波帯を抑止できない。この処置はコストが嵩み、故障の更なる原因になることが多い。
【０００５】
従来の技術から知られているほとんどの距離計では、両高周波数は２つの別個の水晶発振器で生成される。両水晶発振器のうち一方の水晶発振器は電圧を制御され、位相ロックループ（ＰＬＬ）において、低周波数のぶんだけ他方の水晶発振器の高周波数とは異なっている周波数に調整される。両高周波数を生成するために使用する水晶発振器は、非常に小さな公差で互いに同調しなければならない。小さな公差を保証するためには、面倒な高コストの製造方法が必要である。さらに、水晶発振器はほぼ１００ＭＨｚの周波数範囲に対してのみ経済的に製造可能でしかない。１００ＭＨｚ以上の変調周波数に対しては補助的に周波数逓倍器が必要であり、付加的コストを要する。１００ＭＨｚ以上の高周波数を生成するための択一的な解決法は、水晶発振器と接続して補助的な表面音響波（Ｓｕｒｆａｃｅ−Ａｃｃｏｕｓｔｉｃ−Ｗａｖｅ： ＳＡＷ）共振器またはフィルタを使用する。
【０００６】
変調高周波数およびこれとはわずかに異なっている混合周波数を生成させるための他の公知の試みは、ダイレクトデジタル合成（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ： ＤＤＳ）である。この方法では、１個の水晶発振器を用いて、電子的に逓倍される周波数を生成させる。このようにして得られた周波数から、デジタル位相アキュムレータと、余弦表と、これに続くＤ／Ａコンバータとを用いて、低周波数だけ異なっている混合周波数が生成される。変調周波数と混合周波数のための本来の高周波数を生成させるには更なる周波数逓倍器が必要である。両高周波数を生成させるこの解決法は１つの水晶発振器を必要とするにすぎないが、しかし、回路技術的に非常に複雑であり、多数の電子部品を必要とするために消費電力が高くなる。これは特に低コストの手持ち機器にとっては大きな欠点である。
【０００７】
したがって本発明の課題は、従来の技術の上記欠点を解消することである。より厳密には、変調周波数と混合周波数とに必要な高周波数を簡単に且つ低コストで生成可能な方法および装置を提供すること、高周波数の生成を所望の精度で行い、手持ち機器での使用が保証されるように消費電力を少なくすること、機器のサイズを小さくできるように周波数生成器の需要スペースを少なくすること、周波数生成器の構成により低コストで再生産可能な大量生産を可能にすることである。
【０００８】
この課題を解決するため、本発明は、周波数合成方法において、特に距離計における周波数合成方法において請求項１の特徴部分に記載の構成を特徴とするものである。この方法を実施するための、本発明にしたがって構成される装置は、特に請求項１１の特徴部分に記載した構成を有している。本発明による周波数生成器を備えた距離計は請求項１９の対象である。本発明の有利な構成および／または他の構成は、方法または装置に関するそれぞれの従属項の対象である。
【０００９】
本発明による周波数合成方法、特に、放射源から放出されて照準対象物によって反射した電磁放射線の位相の時間的変化評価原理に基づいている距離計における周波数合成方法は、有利には水晶発振器によって提供される周波数を、Ｎ個の遅延要素を備えたリング発振器で所望の第１の高周波数に調整し、この第１の高周波数を混合周波数または変調周波数として使用することに基づいている。Ｎ個の遅延要素の信号は、低周波測定信号の周波数の２Ｎ倍に相当するクロックで切換えられるマルチプレクサに送られる。これによりマルチプレクサの出力部に、低周波測定信号の周波数だけ第１の高周波数とは異なり且つ変調周波数または混合周波数として使用可能な第２の高周波数を発生させることができる。
【００１０】
リング発振器を用いて第１の高周波数が生成され、たとえば混合周波数が生成される。この場合、水晶発振器の精度に対する条件はあまり厳しいものではないので、安価な振動クォーツを使用することができる。本来の高周波数は、Ｎ個の遅延要素を有するリング発振器で生成される。１つの遅延要素が遅延時間ｔｄを持っているとすると、リング発振器の出力部には周波数１／（２Ｎｔｄ）が出力される。個々の遅延要素における電圧変化は、それぞれ１つの遅延時間だけ位相がずれている。もし、評価対象である低周波測定信号の周波数のＮ倍のクロックでマルチプレクサを切換えたとすると、第２の高周波数は、低周波数期間の間、放射源のための変調出力部に正確に高周波数期間を提供する。これが意味することは、第２の高周波数、すなわち変調周波数が、低周波測定信号の周波数だけ、混合周波数である第１の高周波数よりも低いということである。混合周指数と変調周波数との重畳の際に生じる低周波変動周波数は、連続的な信号変化を持っていない。リング発振器の遅延要素の数の２倍に相当する２Ｎ段の信号が発生する。しかしながら、十分な数の遅延要素を設け、平滑フィルタを使用すれば、これはあまり支障とはならない。両高周波数が同じ発振器から導出されるので、リング発振器の位相ジッターに対する条件は比較的甘くてよい。受信器で重畳する際に生じる低周波数の位相は、両高周波数の位相の差に比例している。したがって、高周波発振器の位相ジッターの大部分は受信器において再び削除される。というのは、両位相ジッターは互いに相関関係にあるからである。
【００１１】
リング発振器の遅延要素の数は位相ステップを決定する。しかし、可能な遅延要素の数は要求される変調周波数によって制限され、場合によってはリング発振器の製造方法によっても制限されることがある。これに対して、精度上の要求から、より小さな位相ステップが必要な場合は、たとえば遅延線を用いてこの小さな位相ステップをマルチプレクサの出力部に生じさせることができる。このため、マルチプレクサの出力部に出力される第２の高周波数を、他の遅延要素の装置と、他の遅延要素の周期で且つ低周波測定信号の周波数と重畳されて切換えられる他のマルチプレクサとに供給して、第１のマルチプレクサに印加される粗い位相ステップを微細な位相ステップに分割し、平滑な低周波信号を達成させる。
【００１２】
低周波信号での諧調を減らすための択一的な変形実施形態では、高周波数の中間段をデジタル補間する。このため、１つの位相ステップから直接次の位相ステップへ切換えるために第１のマルチプレクサの出力信号を他の遅延回路によって誘導せずに、個々の位相ステップ間の時間を別のタイムウィンドウに分割し、たとえば８個のタイムウィンドウに分割させる。このタイムウィンドウでマルチプレクサは当初完全に下位段に切換えられる。次のタイムウィンドウでマルチプレクサは、たとえば１／８，７／８の比率でそれぞれより高い下位位相段へ切換えられる。比率は次のタイムウィンドウに移行するたびに高くなる。その結果２／８，６／８；３／８，５／８等の比率が生じる。この方法により、低コストで個々の位相段間で補間を行なって、平滑な信号変化を得ることが可能になる。
【００１３】
変調周波数または混合周波数をクォーツ周波数の複数倍に調整するため、遅延要素を電圧制御型遅延で構成する。位相ロックループ（ＰＬＬ）においてリング発振器周波数を有利には水晶発振器の周波数の８倍ないし６４倍に調整する。
【００１４】
非常に簡単で低コストの変形実施形態では、遅延要素として有利には双安定マルチバイブレータを使用し、たとえばＲＳフリップフロップ、インバータ等の構成要素を使用する。
【００１５】
リング発振器とマルチプレクサとを一体型半導体構成で、有利にはＣＭＯＳ構成で作成すると特に有利であることが明らかになった。これは特にバッテリー作動型の機器に対し決定的な利点である。
【００１６】
位相ステップを所望どおりに微細に段階づけした所望の高周波数を得るためには、リング発振器に８個ないし３２個の、たとえば１６個の遅延要素を備えさせるのが有利であることが明らかになった。
【００１７】
低周波測定信号の評価、たとえば位相測定は、ディバイダにより混合周波数から導出した内部低周波同期周波数に同期させて行なう。測定間隔が増すにつれて、受信信号の位相は低周波同期信号の位相へシフトする。非理想の遅延要素と他の公差とにより、マルチプレクサの切換えによって絶対的に均一な位相ステップを生じさせることは不可能であるが、これによって生じる系統的な位相ジッターは、異なった位相状態で同じ間隔を内部同期信号に関し測定し平均化することによりかなり減少する。これは、マルチプレクサの切り替え過程を入力部１で開始させずに他の入力部で開始させることによりきわめて簡単に実現できる。
【００１８】
本発明による周波数合成装置は、構成が特に簡潔であることを特徴としている。第１の高周波数を生成させる手段は、Ｎ個の遅延要素を備えたリング発振器と協働する水晶発振器を有している。低周波測定信号の周波数だけ第１の高周波数とは異なっている第２の高周波数を生成させる手段は、低周波測定信号の周波数の２Ｎ倍に相当するクロックで切換え可能なマルチプレクサを有している。水晶発振器の精度に対する条件はあまり厳しいものではないので、安価な振動クォーツを使用できる。本来の高周波数は、Ｎ個の遅延要素を有しているリング発振器で生成させる。両高周波数は同じ発振器によって得られるので、リング発振器の位相ジッターに対する条件は比較的甘い。受信器内での重畳の際に生じる低周波数の位相は両高周波数の位相の差に比例している。したがって、高周波発振器の位相ジッターの大部分は、両位相ジッターを互いに相関させている受信器内で再び除去される。
【００１９】
遅延要素の数は、要求される変調周波数と位相ステップの自由度とを与える。他方、遅延要素の数は両高周波数の重畳から得られる低周波信号の段階性をも決定する。リング発振器に対しては８個ないし６４個の遅延要素、たとえば１６個の遅延要素が合目的であることが明かになった。リング発振器がたとえば４００ＭＨｚに同調され、ほぼ６．１ｋＨｚの低周波数が要求されているとすると、１６個の遅延要素を設けるのが合目的である。これらの遅延要素はたとえばＲＳフリップフロップとして構成されている。４００ＭＨｚの高周波数から６．１ｋＨｚの所望の低周波数を得るために、リング発振器周波数をファクタ２１６によって分割する。マルチプレクサ（ＲＳフリップフロップが１６個の場合、３２個の入力部を有していなければならない）は、低周波数よりもファクタ３２だけ高い周波数でシーケンシャルに切換えねばならない。これにより、マルチプレクサの出力部には、リング発振器周波数とは低周波数の分だけ異なる第２の高周波数が生じる。
【００２０】
高周波数を正確に決定するため、リング発振器は位相ロックループ（ＰＬＬ）を有し、位相ロックループ（ＰＬＬ）を介してリング発振器周波数を水晶発振器の周波数の複数倍、有利には８倍ないし６４倍に調整可能である。ＰＬＬ制御回路はリング発振器の位相ジッターを低減させるが、とりわけ低周波位相ジッター成分を低減させる。
【００２１】
遅延要素の可能な数は、要求される変調周波数と、場合によっては製造プロセスによっても制限されている。遅延要素の数に伴う位相ステップの段階付けが要求された精度に対して粗すぎる場合には、マルチプレクサの出力部を、遅延要素を備えたリング発振器と、下流側に配置したマルチプレクサとを有している遅延素子と接続してよい。このようにして、粗い位相ステップから、必要な微細な位相段階を生成させることができる。
【００２２】
特に有利なのは、周波数合成器を半導体素子上に一体的に設けることである。この場合、特にリング発振器とマルチプレクサは半導体組み込み構成で、たとえばＣＭＯＳ技術で作成される。このように製造される構成要素は任意に再生産可能であり、製造が低コストであり、特にＣＭＯＳ技術ではエネルギー消費量が少なくて済む。
【００２３】
位相測定原理に基づき本発明にしたがって製造される距離計は、光線を放出する送光器と、測定対象物によって反射または散乱した測定光線を受光する受光光学系と、受光光学系の下流側に配置され、前記光線を電気測定信号に変換する光電検出器と、測定信号を参照信号と比較し、その位相状態に関し検査して測定対象物の距離を決定するとともに、その結果を使用者に提供する信号処理装置とを有している。高周波変調周波数は、評価対象である測定信号の周波数だけ変調周波数から異なっており、光電検出器から提供される電気信号と重畳される。放出された光線に対する高周波変調周波数を生成させる手段と、この変調周波数とは異なる高周波混合周波数（光電検出器によって提供される電気信号と重畳可能である）を生成させる手段とは、本発明にしたがって構成されており、或いはその変形例にしたがって構成されている。これは距離計の製造を安価にさせる。そのサイズは比較的小型にすることができる。特に１個または２個の半導体素子上に高周波数を生成させる手段をＣＭＯＳ技術で一体的に形成した場合には、距離計のエネルギー消費量も低減する。これはバッテリーで作動する手持ち機器にとって大きな利点である。
【００２４】
次に、図面に図示した実施形態をもとに本発明を詳細に説明する。
【００２５】
図１は、本発明による周波数合成装置を備えた距離計の一例である。距離計は、有利には可視レーザー光線を放射するレーザー光源１を有している。放射されてコリメート光学系２によりコリメートされたレーザー光線は、ビームスプリッター１１により測定光束Ｓと参照光束Ｒとに分割される。ビームスプリッター１１としてはたとえば部分透過ミラーを使用する。測定光束Ｓは距離計との距離を測定すべき測定対象物に達する。測定対象物によって反射または散乱した光線Ｌは受光光学系３によって集光されて、測定受光器４へ誘導される。測定受光器４としてはたとえばＰＩＮフォトダイオードを使用する。参照光線Ｒは偏向ミラー１２により偏向されて光学系１３によって集光され、そして参照受光器１４へ誘導される。参照受光器１４は測定光線Ｌ用の受光器４と同一に構成するのが有利である。参照光線Ｒが通過する、ビームスプリッター１１から参照受光器１４までの距離は、位相差を決定するために必要な参照距離を形成している。
【００２６】
レーザー光源１から放射される光線には高周波変調周波数Ｍが印加される。高周波変調周波数Ｍは、参照クォーツ１０によって制御される周波数合成器９によって発生する。高周波変調周波数Ｍにより受光器４と参照受光器１４にはそれぞれ高周波電気測定信号ＨＦＬ，ＨＦＲが発生する。高周波電気測定信号ＨＦＬ，ＨＦＲは、図１において符号５または１５を付した、本発明に従って構成された信号検知装置に印加される。周波数合成器９は同様に高周波数の制御周波数Ｆをも発生させる。その制御周波数Ｆは接続導線を介して両信号検知装置５，１５に送られ、両信号検知装置５，１５にクロックを与える。以下で詳細に説明する信号検知装置５，１５において、高周波入力信号ＨＦＬ，ＨＦＲは低周波測定信号ＮＦＬまたは校正信号ＮＦＲに変換される。
【００２７】
本発明による両信号検知装置５，１５の出力部に出力される低周波測定信号ＮＦＬまたは校正信号ＮＦＲは、アナログスイッチ１７を介して低周波フィルタ１６にシーケンシャルに送られ、低周波フィルタ１６において残りの高周波信号成分が濾波される。低周波フィルタはたとえばアンチエイリアシングフィルタである。濾波され増幅された測定信号ＮＦＬまたは校正信号ＮＦＲは、アナログ／デジタル変換器７でデジタル化され、デジタル信号処理装置８において位相に関し評価される。位相状態から測定対象物の距離が推定され、この推定距離は信号Ｏとして出力ユニットへ転送される。制御周波数Ｆは、Ｆ＝（ｎ・Ｍ）±ＮＦが成立するように選定するのが有利である。したがって制御周波数Ｆは変調周波数Ｍを整数倍して低周波信号ＮＦの値だけ増減されている。ｎの値は０よりも大きい。
【００２８】
図２において周波数合成器全体を符号９で示した。周波数合成器９はＮ個の遅延要素Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，……ＶＮを備えたリング発振器１９を有している。遅延要素Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，……ＶＮの遅延は電圧ＶＣを介して制御される。遅延要素Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，……ＶＮはたとえば双安定マルチバイブレータであり、有利にはＲＳフリップフロップである。フリップフロップの代わりにインバータを遅延要素として使用してもよい。遅延要素Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，……ＶＮの出力部はマルチプレクサ２０と接続され、マルチプレクサ２０は分周器２１を介して制御される。電圧制御型リング発振器１９はたとえば４００ＭＨｚに同調する。この第１の高周波数はたとえば混合周波数Ｆとして用いる。リング発振器１９はたとえば１６個のＲＳフリップフロップを遅延要素として有している。ほぼ６．１ｋＨｚの低周波数を得るため、リング発振器周波数は分周器２１でファクタ２１６によって分周される。フリップフロップが１６個の場合に３２個の入力部を有しているマルチプレクサ２０は、所望の低周波数よりもファクタ３２だけ高い周波数でシーケンシャルに切換えられる。これによりマルチプレクサ２０の出力部には第２の高周波数Ｍが出力され、この第２の高周波数Ｍは低周波数の値だけ第１の高周波数Ｆとは異なる値を有している。第２の高周波数Ｍはたとえばレーザーのための変調周波数Ｍとして用いる。
【００２９】
図２に図示した周波数合成器は、半導体素子に組み込むように構成されている。周波数合成器はたとえばＣＭＯＳ構成で製造される。遅延要素Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，……ＶＮの可能な数は、使用する半導体技術と、要求される変調周波数Ｍとによって制限されている。精度上の要求からより小さな位相ステップが必要である場合には、他の遅延導線を用いてマルチプレクサの出力部により細かな位相ステップを生じさせることができる。この周波数合成器の変形実施形態を図３に示す。この場合、マルチプレクサ２０の高周波数信号Ｍ＊は他の遅延要素装置２２に送られる。この変形実施形態でも、遅延要素装置の出力部は他のマルチプレクサ２３の入力部と接続され、マルチプレクサ２３は分周器２１により制御される。遅延要素２２はたとえば直列に接続された非反転バッファである。他のマルチプレクサ２３の出力部には所望の第２の高周波数Ｍが出力される。補助的な遅延回路なしでも機能するような他の実施形態では、マルチプレクサの出力部の信号はデジタル補間される。
【００３０】
必要な精度で距離を測定できるようにするには、高周波数が正確に調整されていなければならない。このため、図４に示唆したように、リング発振器１９の周波数は、位相検出器２４とループフィルタ２５とディバイダ２６とから成る位相ロックループを用いて水晶発振器１０の周波数の複数倍、たとえば８倍ないし６４倍に正確に調整される。この調整回路により、水晶発振器１０が非常にノイズの少ない信号を提供し、とりわけ低周波位相ジッター成分が補償されるので、リング発振器１９の位相ジッターも減少する。
【００３１】
図５は周波数合成器の他の実施形態を示している。この変形実施形態では、混合周波数Ｆの生成と変調周波数Ｍの生成とが完全に別個に行なわれる。混合周波数Ｆはたとえば図２に示したリング発振器を介して生成させることができる。リング発振器は別個の半導体素子に一体構成で配置される。混合周波数は位相検出器２７に送られる。位相検出器２７の信号は、ループフィルタ２８を通過した後、Ｎ個の遅延要素と１個のマルチプレクサとを備えた電圧制御型遅延装置２９に達する。混合周波数Ｆは遅延装置２９の制御にも用いる。これにより、遅延装置２９の出力部に所望の変調周波数Ｍが出力される。両高周波数Ｆ，Ｍの合成を空間的に分離することにより信号分離が著しく改善される。クロストークは実質的に阻止されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による距離計を示す図である。
【図２】
周波数合成装置の第１実施形態を示す図である。
【図３】
微細な位相段階を生成させるための、図２の装置の変形実施形態である。
【図４】
周波数合成装置のための調整回路の一例である。
【図５】
周波数合成装置の他の実施形態を示す図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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