(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
定められた変調周波数で変調された光を発光するための光源部と、この光源部からの光を測定対象物を経由して受光部に導くための外部測距光路と、前記光源部からの光を測定対象物を経由させずに受光部に導くための内部測距光路とを備え、前記外部測距光路により得られた距離値と、前記内部測距光路により得られた距離値との差から、前記測定対象物までの距離を算出するための演算処理手段とを有する光波距離計において、前記光源からの光をミキシングするためのミキシング装置を備え、このミキシング装置は、格子形状が市松模様の位相変調素子である回折格子を備えた位相板と、位相板で回折された０次回折光及びｍ次回折光を集光し、後段の光ファイバー端面上に結像させる集光レンズと、この位相板を駆動するための駆動手段とからなり、前記位相板は、前記回折格子のパターンが点対称でなく回転する偏心した位置に回転中心が来る様に構成されている光波距離計。
【請求項２】
光をパルス的に発光させるための光源部と、この光源部からの光を測定対象物を経由して受光部に導くための外部測距光路と、前記光源部からの光を測定対象物を経由させずに受光部に導くための内部測距光路とを備え、前記外部測距光路により得られた距離値と、前記内部測距光路により得られた距離値との差から、前記測定対象物までの距離を算出するための演算処理手段とを有する光波距離計において、前記光源からの光をミキシングするためのミキシング装置を備え、このミキシング装置は、格子形状が市松模様の位相変調素子である回折格子を備えた位相板と、位相板で回折された０次回折光及びｍ次回折光を集光し、後段の光ファイバー端面上に結像させる集光レンズと、この位相板を駆動するための駆動手段とからなり、前記位相板は、前記回折格子のパターンが点対称でなく回転する偏心した位置に回転中心が来る様に構成されている光波距離計。
【請求項３】
ミキシング装置が、チャンバーと内部参照光用ファイバーとから構成されており、チャンバーは、拡散反射ミラーとミラー駆動部とから構成されており、ミラー駆動部が、拡散反射ミラーを移動させることにより、外部測距光路と内部参照光路光路とを交互に選択する請求項１〜２の何れか１項記載の光波距離計。
【請求項４】
回折格子が、位相変調格子である請求項１〜２の何れか１項記載の光波距離計。
【請求項５】
位相変調格子の位相差が、前記光源の波長の２分の１である請求項４記載の光波距離計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、レーザー光源に使用するミキシング装置と、これを使用した光波距離計に係わり、特に、偏心した位相板を使用したミキシング装置と、これを使用した光波距離計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から光源にレーザーダイオードを使用する光波距離計等が存在しており、高精度の測定が可能となっている。この光源に使用するレーザーダイオードは、レーザー光を発光する際に、波形ムラが生じることが避けられず、波形が射出する角度により異なるという問題点があった。
【０００３】
これらの問題点に鑑み、レーザー光源の波形ムラを解消するためのミキシング装置が開発されていた。これらのミキシング装置は、例えば、「特開昭６３−２１６００３号公報」に記載されている。ここで図１６に基づいて、「特開昭６３−２１６００３号公報」に記載されているミキシング装置を説明する。
【０００４】
この従来のミキシング装置は、半導体レーザー（１）から射出された光は、コンデンサレンズ（２）によって、ステップインデックス型光ファイバー（３）に結合される。光ファイバー（３）は、モータ（４）とアーム（５）及びローラ（６）で構成された光ファイバー振動装置に巻き付けられている。光ファーバーを通過した光は、射出端（３ｂ）から射出される。そしてモータ（４）が回転すると、ローラ（６）と光ファイバー（３）との当接位置が変化して光ファイバー（３）に振動が生じる。
【０００５】
光ファイバー（３）の歪位置が振動により変化し、光ファーバー（３）の内部の全反射状態が変化するため、射出端（３ｂ）では光波形ムラがミキシングされることになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記「特開昭６３−２１６００３号公報」に記載されているミキシング装置は、モータ（４）の回転によるローラ（６）の当接位置の変化により、光ファーバー（３）が常に繰り返し曲げ伸ばされるため、光ファーバー（３）の耐久性に心配があるという問題点があった。
【０００７】
更にローラ（６）を駆動するモータ（４）に光ファイバー（３）の曲げ伸ばしのため、常にトルクが掛かり、モータ（４）の消費電力が大きくなるという問題点があった。
【０００８】
そしてミキシング装置から生じる振動を無視することができないので、光波距離計に応用する場合には、徹底した振動対策が必要となりコスト高となるという問題点があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑み案出されたもので、定められた変調周波数で変調された光を発光するための光源部と、この光源部からの光を測定対象物を経由して受光部に導くための外部測距光路と、前記光源部からの光を測定対象物を経由させずに受光部に導くための内部測距光路とを備え、前記外部測距光路により得られた距離値と、前記内部測距光路により得られた距離値との差から、前記測定対象物までの距離を算出するための演算処理手段とを有する光波距離計において、前記光源からの光をミキシングするためのミキシング装置を備え、このミキシング装置は、格子形状が市松模様の位相変調素子である回折格子を備えた位相板と、位相板で回折された０次回折光及びｍ次回折光を集光し、後段の光ファイバー端面上に結像させる集光レンズと、この位相板を駆動するための駆動手段とからなり、前記位相板は、前記回折格子のパターンが点対称でなく回転する偏心した位置に回転中心が来る様に構成されている。
【００１０】
また本発明の光波距離計は、光をパルス的に発光させるための光源部と、この光源部からの光を測定対象物を経由して受光部に導くための外部測距光路と、前記光源部からの光を測定対象物を経由させずに受光部に導くための内部測距光路とを備え、前記外部測距光路により得られた距離値と、前記内部測距光路により得られた距離値との差から、前記測定対象物までの距離を算出するための演算処理手段とを有する光波距離計において、前記光源からの光をミキシングするためのミキシング装置を備え、このミキシング装置は、格子形状が市松模様の位相変調素子である回折格子を備えた位相板と、位相板で回折された０次回折光及びｍ次回折光を集光し、後段の光ファイバー端面上に結像させる集光レンズと、この位相板を駆動するための駆動手段とからなり、前記位相板は、前記回折格子のパターンが点対称でなく回転する偏心した位置に回転中心が来る様に構成されている。
【００１３】
そして本発明の光波距離計は、ミキシング装置が、チャンバーと内部参照光用ファイバーとから構成されており、チャンバーは、拡散反射ミラーとミラー駆動部とから構成されており、ミラー駆動部が、拡散反射ミラーを移動させることにより、外部測距光路と内部参照光路光路とを交互に選択する構成にすることもできる。
【００１４】
また本発明の光波距離計の回折格子を、位相変調格子とすることもできる。
【００１５】
そして本発明の光波距離計の位相変調格子の位相差が、光源の波長の２分の１の構成にすることもできる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明は上記課題に鑑み案出されたもので、光源部が、定められた変調周波数で変調された光を発光し、外部測距光路が、光源部からの光を測定対象物を経由して受光部に導き、内部測距光路が、光源部からの光を測定対象物を経由させずに受光部に導き、演算処理手段が、外部測距光路により得られた距離値と、内部測距光路により得られた距離値との差から、測定対象物までの距離を算出する様になっており、ミキシング装置は、位相板が、格子形状が市松模様の位相変調素子である回折格子を備えており、集光レンズが、位相板で回折された０次回折光及びｍ次回折光を集光し、後段の光ファイバー端面上に結像させ、駆動手段が位相板を駆動し、位相板は、回折格子のパターンが点対称でなく回転する偏心した位置に回転中心が来る様になっている。
【００１８】
また本発明の光波距離計は、光源部がパルス的に発光し、外部測距光路が、光源部からの光を測定対象物を経由して受光部に導き、内部測距光路が、光源部からの光を測定対象物を経由させずに受光部に導き、演算処理手段が、外部測距光路により得られた距離値と、内部測距光路により得られた距離値との差から、測定対象物までの距離を算出する様になっており、ミキシング装置は、位相板が、格子形状が市松模様の位相変調素子である回折格子を備えており、集光レンズが、位相板で回折された０次回折光及びｍ次回折光を集光し、後段の光ファイバー端面上に結像させ、駆動手段が位相板を駆動し、位相板は、回折格子のパターンが点対称でなく回転する偏心した位置に回転中心が来る様になっている。
【００２１】
そして本発明の光波距離計は、ミキシング装置が、チャンバーと内部参照光用ファイバーとから構成されており、チャンバーは、拡散反射ミラーとミラー駆動部とから構成されており、ミラー駆動部が、拡散反射ミラーを移動させることにより、外部測距光路と内部参照光路光路とを交互に選択することができる。
【００２２】
また本発明の光波距離計の回折格子を、位相変調格子とすることもできる。
【００２３】
そして本発明の光波距離計の位相変調格子の位相差が、光源の波長の２分の１の構成にすることもできる。
【００２５】
【実施例】
【００２６】
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００２７】
「第１実施例」
【００２８】
図１に基づいて、本発明の第１実施例である変調光を利用した光波距離計１００００を説明する。
【００２９】
光波距離計１００００の分周器１０は、発振器１１からの１５ＭＨｚの信号を分周して、７５ＫＨｚと３ＫＨｚの２つの信号を発生する。合成器１３は、発振器１１からの信号である１５ＭＨｚと、分周器１０からの信号である３ＫＨｚとの差である１４.９９７ＭＨｚと、分周器１０からの信号の３ＫＨｚの２４倍の７２ＫＨｚの信号とを発生する。
【００３０】
第１の切り替え器１４は、処理制御回路１５からの信号１６によって、１５ＭＨｚ又は７５ＫＨｚの何れか一方の信号を出力する様になっている。なお処理制御回路１５は、演算処理手段に該当するものである。
【００３１】
ミキシング装置１７内に配置された半導体レーザー１８は、第１の切り替え器１４の出力信号で駆動され、変調された光を放出する。この放出された光は、レンズ１９とレンズ２０とで構成された光学エキスパンダー２１により光ファイバー２４に入射される。なお半導体レーザー１８は、光源部に該当する。
【００３２】
上記２つのレンズ１９、２０の間には、円板型の後述する位相板２２が挿入されており、位相板２２は、モータ２３により回転する様になっている。光ファイバー２４から射出された光は、セルホックレンズ２５、２６で構成された光の位置角度変換器２７によって位置角度変換された後、第２の光ファイバー２８に入射する。
【００３３】
第２の光ファイバー２８から射出した光は、分割プリズム２９で２つの光路に分割される。即ち、その一方の光路は、分割プリズム２９の分割部２９を透過し、チョッパー３０を透過してプリズム３２の反射面３２ａで反射され、対物レンズ３３により平行光束にされて装置外部へ射出される。そして被測定点にあるコーナーキューブ３４により反射されて対物レンズ３３を再び通過し、プリズム３２の反射面３２ｂで反射されて濃度フィルタ３１を通過し、次いで分割プリズム３５の分割部３５ａを通過して受光側ファイバー３６へ入射する外部測距光路３７を形成する。
【００３４】
前記光路の他方は、分割プリズム２９の分割部２９ａと２９ｂで反射され、チョッパー３０を通過してレンズ３８で平行光束にされ、レンズ３９で集光されて濃度フィルター３１を通過し、次いで分割プリズム３５の分割部３５ａ、３５ｂで反射されて受光側光ファイバー３６へ入射する内部参照光路４０を形成する。
【００３５】
上記チョッパー３０は、内部参照光路４０と外部測距光路３７を交互に選択し、濃度フィルタ３１は、内部参照光路４０及び外部測距光路３７の光量レベルの調整を行うものである。受光側光ファイバー３６へ入射した光は、レンズ４１、４２により受光素子４３で受光される。ここで受光素子４３は、受光部に該当するものである。
【００３６】
内部参照光路４０は、光波距離計を構成する電気回路の温度ドリフト等に起因する位相変化により測定データに誤差が生じない様にするためのものであり、内部参照光路４０による測定値を外部測距光路３７による測定値から減ずることにより正確なデータを得る。
【００３７】
第２の切替器４４は、処理制御回路１５からの信号１６によって、１４.９９７ＭＨｚ又は７２ＫＨｚの何れか一方の信号を出力する。受光素子４３からの出力は、コンデンサー４５を介して増幅器４６で増幅され、混合器４７に入力される。混合器４７は、増幅器４６からの信号と、第２の切替器４４からの信号を混合することにより、ビート信号を形成し、それを検出して３ＫＨｚの正弦波を出力する。波形整形器４８は、３ＫＨｚの正弦波を矩形波に整形してその信号（以下、「ビートダウン信号」という）を出力する。
【００３８】
ゲート回路４９は、分周器１０からの３ＫＨｚの信号をスタート信号とし、波形整形器４８からの信号をストップ信号として、その間に発振器１１からの１５ＭＨｚの信号を計数器５０へ出力する。この信号を計数器５０で計数することにより、位相差を測定する。計数器５０で得られる計数値はＮ回測定の合計数である。このＮ回の回数を知るために、分周器１０からの３ＫＨｚの信号が処理制御回路１５へ供給される。Ｎ回の計数が終了すると、処理制御回路１５から計数器５０へリセット信号５２が供給されて計数器５０はリセット状態となる。Ｎ回の計数値は、処理制御回路１５で１／Ｎの平均値とされ、距離に換算された後、距離測定値として表示器５１に出力される。
【００３９】
混合器４７の出力を３ＫＨｚにするために、第１の切替器１４の出力信号と第２の切替器４４の出力信号は、前者が１５ＭＨｚの時に後者が１４.９９７ＭＨｚとなり、７５ＫＨｚの時に７２ＫＨｚになる様に、処理制御回路１５からの信号１６によって制御される
【００４０】
半導体レーザー１８を、１５ＭＨｚと７５ＫＨｚの２種類の周波数で変調するのは、波長２０ｍに相当する１５ＭＨｚを精測定に使用し、波長４，０００ｍに相当する７５ＫＨｚを粗測定に使用するためである。また、１５ＭＨｚ及び７５ＫＨｚの周波数を混合器４７により、それぞれ３ＫＨｚの周波数にするのは、１５ＭＨｚ或いは７５ＫＨｚでの位相を３ＫＨｚの位相として測定することにより、位相測定の分解能を高くするためである。
【００４１】
ここで、本発明のミキシング装置１７を説明する。
【００４２】
まず、光源である半導体レーザー１８の発光波形ムラの原因及びミキシング装置１７の原理を説明する。
【００４３】
一般に半導体レーザー１８の発光波形ムラの原因については、２つの要因が指摘されている。その１つは、光の照射角による応答の違いによるもの、そしてもう１つは、スペックルパターンの時間的な変化によるものである。
【００４４】
まず、スペックルパターンの時間的な変化について説明する。半導体レーザー１８は、一般的に発光波長が温度により変化することが知られており、その様子を図２（１）に示すことにする。即ち、半導体レーザー１８の発光波長λは、そのチップ温度Ｔｅが上昇するに従って長くなると共に、チップ温度Ｔｅに対して連続的に変化する。これは半導体レーザー１８の発光波長λが、
【００４５】
エル・ｎ＝（λ／２）＊ｑ                ・・・・・第１式
【００４６】
ここでエルは、レーザーチップの共振器長
ｎは、活性層の屈折率
λは、波長
ｑは、整数
【００４７】
によって決定されることから、活性層の屈折率ｎが温度により変化すると、それにつれて波長が変化するためである。また、この時の温度変化による活性層の屈折率の変化をΔｎとすると、活性層の光学的長さの変化であるΔｎエルが、半導体レーザー１８の共振波長の１／２より小さい場合には、共振波長が連続的に変化するが、Δｎエルが、半導体レーザー１８の共振波長の１／２より大きい場合には、モードジャンプと呼ばれる波長変化の不連続現象が起こる。
【００４８】
このモードジャンプは、半導体レーザー１８の共振器長を共振器の長さ方向の光の定在波（縦モード）の半波長以上に変えた際に、それまでの発振モードと異なる縦モードに跳び移る現象である。
【００４９】
いま図２（２）に基づいて、半導体レーザー１８に矩形の変調電流を流した時の様子を説明する。
【００５０】
半導体レーザー１８に時刻ｔ0 からｔ1 まで図２（２）▲１▼に示す様な矩形波の電流を流したと仮定する。半導体レーザー１８は、その可干渉性から図３に示す様なスペックルパターンを生じる。一方、半導体レーザー１８のチップは、駆動電流が流れることにより発熱し、この発熱量と、半導体レーザー１８が取り付けられている銅のベース又は空気中への放熱量とが釣り合う温度まで、温度が上昇することになる。図２（２）▲２▼は、この様なチップの温度上昇を表したものである。
【００５１】
半導体レーザー１８の温度が上昇すると、発光波長λは前述した原因で変化し、発光波長λが変化すると、干渉パターンとして生じていた図３のスペックルパターンがこれに伴って変化することになる。図２のＡ点、Ｂ点の各点の光強度波形をそれぞれ図２の▲３▼、▲４▼に示す。即ち、図２のＡ点では、時刻ｔ0 でスペックルパターンの光の強い位置にあり、発光波長λの変化によって次第に光が弱くなる一方（図２▲３▼）、図２のＢ点では、時刻ｔ1 でスペックルパターンの光の弱い位置にあったものが、発光波長λの変化によって次第に光が強くなって行く（図２▲４▼）という現象が起きる。
【００５２】
この結果、Ａ点の波形とＢ点の波形とを比べて見ると、波形の基本波成分の位相がずれており、前者が後者より位相が進んでいることが判る。この様に、半導体レーザー１８を変調すると、その可干渉性と波長の温度依存性により発光波形のムラが生じることになる。
【００５３】
もう１つの発光波形ムラである光の射出角による応答の違いによるものは、発光の可干渉性とは関係のない単なる応答ムラと考えられる。
【００５４】
次にミキシング装置１７について説明する。
【００５５】
ミキシング装置１７は、２つのミキシング装置から構成されており、その１つは位相板２２であり、もう１つは位相角度変換器２７である。位相角度変換器２７は、半導体レーザー１８の射出角による応答の違いに起因する波形ムラをミキシングするためのものであり、その原理、作動等については、「特開昭６３−２１６００３号公報」に記載されている。
【００５６】
そして次に、位相板２２の原理を説明する。
【００５７】
まず図４に基づいて、一般的な位相変調格子の一例を説明する。
【００５８】
この位相変調格子は、平行平板ガラスにピッチｄの間隔で深さｔの「オウトツ」を設けたものであり、波長λの光が、この位相変調格子に入射すると回折が生じる。
【００５９】
この時のｍ次の回折角θm 、ｍ次の回折角の強度ηm は、それぞれ以下の式で表される。
【００６０】
θm＝ｍ＊（λ／ｄ）                         ・・・・・第２式
【００６１】
ηm＝４＊（Ｓ／ｄ）2＊（Ｓｉｎ（π＊Ｍ）＊Ｓｉｎ（π＊ｍ＊Ｓ／ｄ）／（π＊ｍ＊Ｓ／ｄ））2
【００６２】
但し、
【００６３】
Ｍ＝ｔ＊（ｎ1−ｎ0）＊（２＊λ）        ・・・・・第３式
【００６４】
ここで、
Ｓは、トツ部の幅
ｎ1は、格子の屈折率
ｎ0は、空気の屈折率
【００６５】
図５は、 Ｓ／ｄ＝０.５の時のＭとηm の関係を示したものであり、Ｍ＝１（オウ部とトツ部を通った光の光路長差がλ／２）の時に回折光の光が最も強く、＋１次、−１次の光で全体の８１％の光量となる。
【００６６】
そして図６に示すパターンを考える。この位相板２２は、一辺の長さがｄ／２となっており、斜線部分と白抜き部分とが、千鳥配置（市松模様）となっている。ここで、斜線部分はトツ部であり、白抜き部分はオウ部であり、トツ部とオウ部との位相差は、π／２となっている。
【００６７】
なお、このパターンは、図８に示す様に平面ガラス板の第１面と第２面に互いに４５度傾けた形で設けることもできる。
【００６８】
次に位相板２２をレンズ１９、２０の間に挿入した時の動作を図７に基づいて説明する。
【００６９】
半導体レーザー１８から射出された光は、レンズ１９によって平行光束となり、位相板２２で回折される。０次光の光及び回折された光は、レンズ２０により集光され光ファイバー２４の端面上に像を結ぶ。光ファイバー２４の端面上の像は、０次回折光による像及び回折光による像及び回折光による像が重なりあった像である。
【００７０】
位相板２２をモータ２３により回転させる。すると、レンズ１９と２０の間の平行光束上の位相板パターンが変化する。これに伴い、光の回折パターンも変化し、光ファイバー２４の端面に結像する結像パターンも時間的に変化する。結像パターンが変化することにより、光ファイバー２４内部での光の干渉状態が変化し、光ファイバー２４の射出端におけるスペックルパターンも時間的に変化する。
【００７１】
これにより、図２及び図３に述べた波形ムラが時間的に変化し、波形を時間的に平均することにより波形ムラを除去することができる。この位相板２２のピッチはｄであり、ｍ次の回折角はθm＝ｍ＊（λ／ｄ）と表される。
【００７２】
この結果、光ファイバー２４の端面上のｍ次回折像も、ある一定の範囲で結像し位相板２２が回転することにより、ある一定の範囲内で様々な結像パターンができることになり、効率のよいミキシングを行うことができる。
【００７３】
なお図９に示す様に、本実施例のミキシング装置１７は、位相板２２の格子部分が偏心されている。従って、回転中心から回折格子の中心を偏らせて回転させることにより、よりミキシング効率を高めることができる。
【００７４】
なお本実施例では、従動歯車１７１を介して間接的に駆動している。従ってモータ２３には、駆動歯車１７２が取り付けられ、回転駆動力が位相板２２に伝達される様になっている。なお、モータ２３と駆動歯車１７２とは、駆動手段に該当するものである。
【００７５】
単に位相板２２を回転させている場合には、光源からの光束に対して、回折格子のパターンが点対称に回転するため、ミキシング効果が低いが、偏らせて回転させることにより、理想的なミキシングが可能となる。
【００７６】
「第２実施例」
【００７７】
図１０に基づいて、本発明の第２実施例であるパルス光を利用した光波距離計２００００を説明する。
【００７８】
図１１は、本発明を光測距装置２００００に適用した実施例の構成を示すものである。本実施例の光測距装置２００００は、第１の水晶発振器１００と、分周器２００と、第２の水晶発振器３００と、光学系（５０ー１２０）と、概算カウンタ１４０と、位相検出回路１５０と、ローパスフィルタ１６０と、電圧制御発振器１７０と、ミキサ１８０と、バンドパスフィルタ２５０と、コンパレーター２６０と、位相比較回路１９０と、演算器２０００等とからなっている。
【００７９】
位相検出回路１５０とローパスフィルタ１６０と電圧制御発振器１７０とは、フィードバックループを形成している。ミキサ１８０は、電圧制御発振器１７０の出力信号と、第１の水晶発振器１００の出力信号とを混合検波し、差の周波数を取り出すものである。位相比較回路１９０は、ミキサ１８０の出力信号と、分周器２００の出力信号との位相を比較するものである。バンドパスフィルタ２５０とコンパレータ２６０は、位相比較を行い易くするためのものである。また、第２の水晶発振器３００と概算カウンタ１４０とが粗測定をするための概算カウンタ手段を構成している。
【００８０】
次に光測距装置２００００の光路を説明する。この光学系は、レーザダイオード１８と、光ファイバ２４と、チョッパ３０と、測距光路３７と、内部光路４０と、対物レンズ３３と、受光側ファイバ３６と、受光素子４３と、コーナキューブ３４とから構成されている。
【００８１】
コーナキューブ３４は、光測距装置本体から離れた位置に設置される目標物であり、光線を反射する機能を有している。
【００８２】
レーザダイオード１８は、パルスレーザダイオードであって、比較的大きなピークパワーを持ち、デューティ比が０.０１％ 程度のパルス波を発生することができる。受光素子４３は、レーザダイオード１８から発射されたパルス光線を受光できる素子であれば足りる。チョッパ３０は、測距光路３７と内部光路４０とを切り替えるための切り替え器である。
【００８３】
以上の様に構成された本光学系において、レーザダイオード１８から出射された光パルスは、光ファイバ２４を通ってチョッパ３０に入射する。この時、チョッパ３０が測距光路３７を選択していれば、光パルスは、対物レンズ３３を経由して本体から発射される。発射された光パルスは、目標物として置かれたコーナキューブ３４で反射される。このコーナキューブ３４で反射された光パルスは、対物レンズ３４及び、受光側ファイバ３６を経由して受光素子４３に入射される。これらの光路が、測定の対象となる本体と目標物との距離を含む測距光路３７を形成する。
【００８４】
これに対して、レーザダイオード１８から出射した光パルスが、内部光路４０を通り受光側ファイバ３６を経由して受光素子４３に入る光路がある。この光路は本体内部で生じる不安定要素を除去する目的で形成されたものである。
【００８５】
一般に光測距装置は多数の電子部品を使用しており、この電子部品の遅延時間が温度変化等の影響を受けやすいので、本体内で不安定状態が発生する可能性がある。そこで、測距光路３７と内部光路４０とで測定を行い、その測定値の差を取ることにより、前記両光路に共通して含まれる測距装置本体内部の不安定要素を除去することができる。
【００８６】
次に本実施例の作用を説明する。第１の水晶発振器１００は、周波数ｆ1 で発振しており、この出力信号は分周器２００に送出される。この分周器２００は、入力された周波数ｆ1 を分周し、１／ｎの周波数を出力する様になっている。
【００８７】
この分周器２００の出力信号は、概算カウンタ１４０に送出され、この概算カウンタ１４０のスタート信号となる。更に、この分周器２００の出力信号はレーザダイオードドライバ４００に送られ、レーザダイオードドライバ４００がレーザダイオード１８を発光させる様になっている。
【００８８】
レーザダイオード１８から発射された光パルスは、光学系を通過して、測距装置本体から発射される。そして、発射された光パルスは、目標物であるコーナーキューブ３４で反射され、測距装置内の受光素子４３に入射される。入射した光パルスは、受光素子４３で電気変換され、更に、アンプ１３０で増幅される。このアンプ１３０の出力信号（受信パルス）は、概算カウンタ１４０のストップ信号となる。概算カウンタ１４０には、第２の水晶発振器３００からのクロック信号が入力されており、概算カウンタ１４０がスタート信号（分周器２００の出力信号）からストップ信号（アンプ１３０の出力信号）までのクロックをカウントし、演算器２０００にデータを送信する様になっている。またアンプ１３０の出力信号（受信パルス）は、位相検出器１５０にも送出される。この位相検出器１５０の出力は、ローパスフィルタ１６０を通って電圧制御発振器１７０の周波数制御端子に入力される様になっている。
【００８９】
この位相検出器１５０とローパスフィルタ１６０と電圧制御発振器１７０とは、フィードバックループを形成しており、アンプ１３０の出力信号と電圧制御発振器１７０の出力信号とが、同期する様に構成されている。ここで、電圧制御発振器１７０の発振周波数ｆ1 ＋ｆ2 は、
【００９０】
ｆ2 ＝（１／ｎ）＊ｆ1
【００９１】
となる様に選択される。そして、電圧制御発振器１７０の出力信号は、ミキサ１８０に送られ、第１の水晶発振器１００の発振信号ｆ1 と混合検波されて、バンドパスフィルタ２５０及びコンパレータ２６０により波形整形され、差の周波数であるｆ2 を出力する様になっている。
【００９２】
そして、コンパレータ２６０の出力信号は位相比較器１９０に送出され、位相比較器１９０によって、分周器２００の出力信号と位相比較がなされる。
【００９３】
ここで送受信パルスの関係と、コンパレータ２６０の出力と分周器２００の位相関係について図１２で説明する。まず、チョッパ３０で測距光路３７を選択したとする。分周器２００の出力の立上りからレーザーダイオード１８が発光するまでの時間及び光パルスがコーナーキューブ３４で反射して戻ってくる往復時間をΔｔとすると、受光素子４３の出力には、分周器２００の出力の立上りからΔｔ経過した後受信パルスが現れる。
【００９４】
電圧制御発振器１７０は、受信パルスと同期が取られ、電圧制御発振器１７０の出力と受光素子４３の出力との位相関係は図１３で示す様になる。Δｔを電圧制御発振器１７０の出力周波数（ｆ1＋ｆ2）で表すと
【００９５】
Δｔ＝ｋ／（ｆ1＋ｆ2）＋（Δφ／２π）＊（１／（ｆ1 ＋ ｆ2））
【００９６】
となる。但し、ｋは整数である。またΔφ は
【００９７】
０≦Δφ＜２π
【００９８】
であり、１／（ｆ1＋ｆ2）の１周期より短い端数時間を、１／（ｆ1 ＋ ｆ2）を１周期とした時の位相量で表したものである。
【００９９】
そして、電圧制御発振器１７０の出力は、ミキサ１８０で第１の水晶発振器１０の周波数ｆ1 と混合検波され、バンドパスフィルタ２５０を通りｆ2 となる。更に分周器２００の出力と位相比較を行いやすい様にコンパレータ２６０によって矩形波となる。ここで、位相比較器１９０によって位相比較されるコンパレータ２６０の出力と、分周器２００の出力の位相差は前式のΔφ と等しい。
【０１００】
従ってΔｔ を計測する為には、前式のｋとΔφを検出すればよい。
【０１０１】
例えば  ｆ1＝１５ＭＨz 、ｎ＝５０００とすれば、ｆ2 は
【０１０２】
ｆ2 ＝ １５ＭＨz ＊ （１／５０００）
【０１０３】
＝ ３ＫＨz
【０１０４】
であり、電圧制御発振器１７０の発振周波数ｆ1＋ｆ2 は
【０１０５】
ｆ1＋ｆ2 ＝１５.００３ＭＨz
【０１０６】
となる。この時Δφは
【０１０７】
（１５.００３ＭＨz／３ＫＨz）＝５００１倍
【０１０８】
に拡大されたことになる。この拡大されたΔφ は、位相比較器１９０において第１の水晶発振器１００のクロック数によって数値化されて、演算器２０００に送出される。
【０１０９】
またｋは、概算カウンタ１４０による粗測定値として求められ演算器２０００へ送出される。
【０１１０】
演算器２０００は、概算カウンタ１４０による粗測定値と、位相比較器１９０で得られた精測定値とを合成し、求める遅延時間を演算する。ここで、概算カウンタ１４０は、第２の水晶発振器３００のクロック信号をカウントしている。
【０１１１】
従って、第１の水晶発振器１００のクロックとは同期が取られていない。このため、レーザダイオード１８の発光や受信パルス、更に、スタート、ストップ信号も第２の水晶発振器３００と同期が取られていない。従って、第２の水晶発振器３００のクロックによって生じる量子化誤差は軽減され、複数回の測定を平均化することにより、第２の水晶発振器３００の周期より長い周期を１クロック以下の値まで測定することができる。
【０１１２】
これに対して、精密測定は、第１の水晶発振器１００の周期より長い周期を計測することができない。そこで演算器２０００は、粗測定の１クロック以下の値と、精密測定値の最上桁とを比較し、粗測定値を調整して、この値と精測定値を加え合わせることにより、求める測定値を演算する。
【０１１３】
以上で測距光路３７での測定が終了する。次にチョッパ３０により内部光路４０が選択されると、測距光路３７が選択された場合と同様に、分周器２００の出力の立上りから受光素子４３の出力である受信パルスまでの時間Δｔiに対応する粗測定値ｋi 及び位相差Δφiが求められる。
【０１１４】
更に、測距光路３７での粗測定値ｋ及び位相差Δφから、内部光路４０での粗測定値ｋi及び位相差Δφiを減じてコーナーキューブまでの距離を求めることができる。
【０１１５】
この様に構成された本実施例は、分周器２００の出力の立上りからレーザダイオード１８が発光されるまでの時間や、電気回路のドリフト等による測距装置内部の不安定さを除去することができ、正確な距離を測定することができるという効果がある。
【０１１６】
次に、位相検出の具体的実施例を図１３に基いて説明する。この実施例は、一般的なＰＬＬ（フェーズロックループ）である。電圧制御発振器２１０と、分周器２２０と、位相比較器２３０と、ローパスフィルタ２４０とからなっている。
【０１１７】
電圧制御発振器２１０の出力信号は、分周器２２０によって（ｎ＋１）分に１に分周され、位相比較器２３０で受信信号との位相比較が行われる。位相比較器２３０の出力信号は、ローパスフィルタ２４０を通過し、電圧制御発振器２１０の制御端子に出力されて、フィードバックループが形成される。この回路が動作すると、受信信号と分周器２２０の出力信号との同期がとられる様になる。
【０１１８】
なお、電圧制御発振器２１０の可変周波数範囲が広域すぎると、例えば、ミキサ１８０の出力周波数が３ＫＨz すると、
【０１１９】
１５ＭＨz ー ３ＫＨz ＝１４.９９７ＭＨz
【０１２０】
１５ＭＨz ＋ ３ＫＨz ＝１５.００３ＭＨz
【０１２１】
の２つの周波数になってしまうため、ある程度制限を設けて、
【０１２２】
ｆ＜ｆ2
【０１２３】
とすることが必要となる。
【０１２４】
なお、他の変形例を図１４に基いて説明する。この実施例は、レーザダイオード１８の発光パルスがほぼ三角波であることに着目し、受信信号の中心位置の検出を同時に行おうとするものである。この実施例は、図１４（ａ）に示す様に、サンプルホールド３１０、３２０、ローパスフィルタ３３０、３４０、３６０、電圧制御発振器３７０、分周器３８０、ワンショットマルチバイブレータ３９０、遅延回路４００等からなっている。受光素子４３で受光された光パルスは、アンプ３００で増幅され、サンプルホールド３１０、３２０に出力される。なお、サンプルホールド３１０、３２０は、電圧制御発振器３７０からのクロックを分周器３８０で分周されたタイミングでサンプルホールド動作を行う様になっている。
【０１２５】
この時、サンプルホールド３２０には、遅延回路４００が挿入されており、サンプルホールド３２０は、サンプルホールド３１０より遅れたタイミングでサンプルホールド動作を行う様になっている。そして、ホールドされた信号は、ローパスフィルタ３３０、３４０を通過した後、差動アンプ３５０で増幅される。このホールド信号は、ローパスフィルタ３６０を通過した後、電圧制御発振器３７０の制御端子に出力される。このフィードバックループは、受信信号と、サンプルホールドタイミングパルスとが、図１４（ｂ）の位相関係になる様に動作する。
【０１２６】
このため、本実施例は、受信信号と同期した（ｆ1＋ｆ2 ）信号を出力するだけでなく、受信パルスの中心位置の検出も同時に行える効果がある。
【０１２７】
そして位相板２２を備えたミキシング装置１７をレンズ１９、２０の間に挿入して、ミキシングを行っている。
【０１２８】
なお、このミキシング装置１７の構成及び作用は、第１実施例と同様であるから説明を省略する。
【０１２９】
また、本実施例のミキシング装置１７は、光波距離計の応用に限定されるものではなく、適宜のレーザー光源に適用することが可能となる。
【０１３０】
「第１の変形例」
【０１３１】
次に本実施例のミキシング装置１７の変形例を図１５に基づいて説明する。ここでは、第１実施例への応用で説明する。
【０１３２】
レーザー光を使用することに対する影響を少なくするため、外部測距光路３７に加えて内部参照光路４０の光路をも変更する。
【０１３３】
第１実施例の測距光は、チョッパー３０により、外部測距光路３７と内部参照光路４０との交互に選択される。チョッパー３０により選択された内部参照光は、分割プリズム２９とチョッパー３０とレンズ３８、３９と濃度フィルター３１と分割プリズム２９とを通り、受光素子４３で受光されていた。この構成に代えて、チャンバー１７５と内部参照光用ファイバー１７６を使用する。
【０１３４】
チャンバー１７５は、拡散反射ミラー１７５１とミラー駆動部１７５２とからなり、ミラー駆動部１７５２は、拡散反射ミラー１７５１をレーザー光路内に出入りさせ、交互に、外部測距光路３７と内部参照光路４０の光路を選択する様になっている。
【０１３５】
拡散反射ミラー１７５１は、位相板２２の後に設けられ、内部参照光用ファイバー１７６に向けて測距光を反射する。内部参照光となった測距光は、光ファイバーを通り受光素子４３から直接受光する様になっている。
【０１３６】
拡散反射ミラー１７５１の反射面には、拡散反射シート等から構成され、直接の反射光が受光されない様に、拡散反射ミラー１７５１は、内部参照光用ファイバー１７６に対して４５度の角度にならない様に配置されている。
【０１３７】
使用部品に対して高精度を要求しないので、コスト削減が可能である。
【０１３８】
【効果】
以上の様に構成された本発明は、定められた変調周波数で変調された光を発光するための光源部と、この光源部からの光を測定対象物を経由して受光部に導くための外部測距光路と、前記光源部からの光を測定対象物を経由させずに受光部に導くための内部測距光路とを備え、前記外部測距光路により得られた距離値と、前記内部測距光路により得られた距離値との差から、前記測定対象物までの距離を算出するための演算処理手段とを有する光波距離計において、前記光源からの光をミキシングするためのミキシング装置を備え、このミキシング装置は、格子形状が市松模様の位相変調素子である回折格子を備えた位相板と、位相板で回折された０次回折光及びｍ次回折光を集光し、後段の光ファイバー端面上に結像させる集光レンズと、この位相板を駆動するための駆動手段とからなり、前記位相板は、前記回折格子のパターンが点対称でなく回転する偏心した位置に回転中心が来る様に構成されているので、高いミキシング効果が得られるという卓越した効果がある。
【０１３９】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例である光波距離計１００００の構成を説明する図である。
【図２】半導体レーザー１８の動作を説明する図である。
【図３】半導体レーザー１８のスペックルパターンを説明する図である本実施例の
【図４】位相変調格子を説明する図である。
【図５】位相変調格子を説明する図である。
【図６】位相板２２を示す図である。
【図７】位相変調格子を説明する図である。
【図８】位相変調格子を両面に形成した場合を説明する図である。
【図９】本実施例のミキシング装置１７を説明する図である。
【図１０】第２実施例の光波距離計２００００の構成を説明する図である。
【図１１】第２実施例の光波距離計２００００の電気的構成を説明する図である。
【図１２】受信パルスと電圧制御発振器の位相関係を説明する図である。
【図１３】位相検出器を説明する図である。
【図１４】変形例を説明する図である。
【図１５】第１の変形例を説明する図である。
【図１６】従来技術を説明する図である。
【符号の説明】
１００００  第１実施例の光波距離計
２００００  第２実施例の光波距離計
１０  分周器
１１  発振器
１３  合成器
１４  第１の切り替え器
１５  処理制御回路
１７  ミキシング装置
１７１  従動歯車
１７２  駆動歯車
１７５  チャンバー
１７５１  拡散反射ミラー
１７５２  ミラー駆動部
１７６  内部参照光用ファイバー
１８  半導体レーザー
１９  レンズ
２０  レンズ
２１  光学エキスパンダー
２２  位相板
２３  モータ
２４  光ファイバー
２５  セルホックレンズ
２６  セルホックレンズ
２７  位置角度変換器
２８  第２の光ファイバー
２９  分割プリズム
３０  チョッパー
３１  濃度フィルタ
３２  プリズム
３３  対物レンズ
３４  コーナーキューブ
３６  受光側ファイバー
３７  外部測距光路
３８  レンズ
４０  内部参照光路
４３  受光素子
４４  第２の切替器
４５  コンデンサー
４６  増幅器
４７  混合器
４８  波形整形器
４９  ゲート回路
５０  計数器
５１  表示器
１００  第１の水晶発振器
１１０  第２の光ファイバ
１４０  概算カウンタ
１５０  位相検出回路
１６０  ローパスフィルタ
１７０  電圧制御発振器
１８０  ミキサ
１９０  位相比較回路
２００  分周器
２５０  バンドパスフィルタ
２６０  コンパレーター
３００  第２の水晶発振器
２０００  演算器
【図１】
0004328917.tif 000002
【図２】
0004328917.tif 000003
【図３】
0004328917.tif 000004
【図４】
0004328917.tif 000005
【図５】
0004328917.tif 000006
【図６】
0004328917.tif 000007
【図７】
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【図８】
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【図９】
0004328917.tif 000010
【図１０】
0004328917.tif 000011
【図１１】
0004328917.tif 000012
【図１２】
0004328917.tif 000013
【図１３】
0004328917.tif 000014
【図１４】
0004328917.tif 000015
【図１５】
0004328917.tif 000016
【図１６】
0004328917.tif 000017