特開 2023-142441 光波距離計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023142441

(43)【公開日】2023-10-05

(54)【発明の名称】光波距離計

(51)【国際特許分類】

   G01S 17/36 20060101AFI20230928BHJP

   G01C 3/06 20060101ALI20230928BHJP

【ＦＩ】

G01S17/36

G01C3/06 120Q

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022049359

(22)【出願日】2022-03-25

(71)【出願人】

【識別番号】000220343

【氏名又は名称】株式会社トプコン

(74)【代理人】

【識別番号】100187182

【弁理士】

【氏名又は名称】川野 由希

(72)【発明者】

【氏名】青木 康俊

【テーマコード（参考）】

2F112

5J084

【Ｆターム（参考）】

2F112AD01

2F112BA01

2F112CA12

2F112DA02

2F112DA04

2F112DA19

2F112DA21

2F112DA25

2F112DA28

2F112EA03

2F112FA07

2F112FA25

2F112FA33

5J084AA05

5J084AD02

5J084AD08

5J084BA04

5J084BA05

5J084BA20

5J084BA36

5J084BA51

5J084BB20

5J084CA08

5J084CA27

5J084CA42

5J084CA49

5J084EA12

(57)【要約】

【課題】 参照光路と測距光路を切り替えるシャッタを用いない位相差式の光波距離計において、温度位相ドリフトを低減しつつ従来よりも簡単な構成とする。
【解決手段】 光波距離計１００は、主変調周波数Ｆ２，Ｆ３で変調された測距光を測距光路２１に送出する第１の発光素子２０と、主変調周波数Ｆ２，Ｆ３に近接する傍変調周波数Ｆ２＋ｂ・Ｆ２，Ｆ３+ｂ・Ｆ３で変調された参照光を参照光路３１に送出する第２の発光素子３０と、測距光および参照光を受光する受光素子４０と、測距光および参照光に基づく受光信号とローカル周波数２＋ａ・Ｆ２，Ｆ３+ａ・Ｆ３の信号とを入力して、測距光に基づく測距中間周波信号および参照光に基づく参照中間周波信号を発生させる周波数変換器４４，４９とを備え、測距中間周波信号から参照中間周波信号を減算して目標反射物２２までの距離を算出し、主変調周波数Ｆ２，Ｆ３は、１０ＭＨｚ以下である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の主変調周波数で変調された光を測距光として、目標反射物までを往復する測距光路に送出する第１の発光素子と、
前記主変調周波数の各々に近接する傍変調周波数で変調された光を参照光として、参照光路に送出する第２の発光素子と、
前記第１のおよび前記第２の発光素子から送出された光を受光する受光素子と、
前記受光素子に接続され、前記測距光および前記参照光の夫々に基づく受光信号を中間周波信号に変換する周波数変換器群と、
前記中間周波信号に基いて前記目標反射物までの距離を算出する演算処理部と、を備え、
前記周波数変換器群は、前記主変調周波数と同数の周波数変換器から構成され、各周波数変換器には各主変調周波数に対応するローカル周波数の信号がそれぞれ入力され、
各ローカル周波数は、対応する前記主変調周波数および前記主変調周波数に近接した傍変調周波数の両方に近接した周波数とされ、
各周波数変換器は、前記測距光に基づく測距中間周波信号と、前記参照光に基づく参照中間周波信号とを発生させ、
前記演算処理部は、前記測距中間周波信号から前記参照中間周波信号を減算して前記目標反射物までの距離を算出し、
前記複数の主変調周波数は、１０ＭＨｚ以下であることを特徴とする光波距離計。

【請求項2】

各主変調周波数と、各主変調周波数に対応するローカル周波数とのずれは、
各傍変調周波数と、各傍変調周波数に近接する前記主変調周波数とのずれの１０倍以上大きいことを特徴とする請求項１に記載の光波距離計。

【請求項3】

前記受光信号を増幅して前記周波数変換器群に入力する増幅器と、
前記受光素子で検出される受光光量レベルを調節する受光光量調節手段を備え、
前記増幅器の増幅度は、前記測距中間周波信号のレベルが前記測距光の到達限界飛距離を満たす最小の大きさとなる適正値よりも低く設定されており、
前記受光光量調節手段は、前記増幅度が前記適正値よりも低く設定された状態で、前記測距中間周波信号のレベルが、前記到達限界飛距離を満たす最小の大きさとなるように設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光波距離計。

【請求項4】

前記第１のおよび前記第２の発光素子は、レーザダイオードであり、
前記第１の発光素子は、前記複数の主変調周波数に加えて、前記複数の主変調周波数よりも高周波の高周波主変調周波数で変調された光を前記測距光路に送出し、
前記第２の発光素子は、前記複数の主変調周波数に近接する前記傍変調周波数に加えて、前記高周波主変調周波数に近接する高周波傍変調周波数で変調された光を前記参照光路に送出し、
前記高周波主変調周波数で変調された前記測距光に基づく測距信号および前記高周波傍変調周波数で変調された前記参照光に基づく測距信号は、前記周波数変換器群に入力されないように構成されていることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の光波距離計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光波距離計に係り、より詳細には位相差式の光波距離計に関する。

【背景技術】

【0002】

このような位相差式の光波距離計では、測距光のみで距離を測定した場合には、送光駆動回路や受光回路の温度位相ドリフトや、電気回路による遅延が測定誤差となって現れるので、測距光と参照光との位相差から正確な距離測定を行うのが一般的である。これは距離に応じて位相差が変化することを利用したもので、位相差をΔφ、測定距離をＤ、変調周波数をｆ、光速をＣとすれば、位相差Δφは、
Δφ＝４πｆＤ/Ｃ （式１）
で表され、距離Ｄは位相差Δφを測定することにより求めることができる。実際には、２以上の大きさの異なる周波数の搬送波信号で変調された変調光が測定に使用され、それぞれの分解能に応じて距離値の各桁が決定される。

【0003】

このため、位相差式の光波距離計には、測距光路と参照光路とを切り替えるためのシャッタを設けられている。しかし、この方法では、シャッタの切替のために観測時間が長くなるとともに、測距光と参照光の測定を同時に行えないため、送光部と受光部の受発光素子および電気部品による温度位相ドリフトに差が生じ誤差の原因になるという問題があった。このため、シャッタを用いない光波距離計の提案がなされてきた。

【0004】

シャッタを用いない光波距離計として、例えば特許文献１の光波距離計が提案されている。特許文献１の光波距離計は、発光素子、受光素子をそれぞれ２つずつ備える。第１の発光素子から出射された光は、ビームスプリッタにより分割され、一方は、測距光路を経て第１の受光素子に入射し、他方は第１の参照光路を経て第２の受光素子に入射する。第２の発光素子から出射された光は、ビームスプリッタにより分割され、一方は第２の参照光路を経て第２の受光素子に入射し、他方は第３の参照光路を経て第１の受光素子に入射するように構成されている。

【0005】

そして、主変調周波数および主変調周波数に近接する傍変調周波数の２種類の信号で変調された光を、第１のおよび第２の発光素子から測距光路および第１～第３の参照光路へと同時に送出し、第１のおよび第２の受光素子で同時に受光して、測距光路と第１～第３の参照光路を同時に測距して、各光路における温度位相ドリフトを演算処理部にて計算で打ち消し、測定誤差を低減する工夫がなされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１１－０１３０６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかし、特許文献１の光波距離計では、発光素子と受光素子をそれぞれ２つずつ使用し、３つの参照光路（光ファイバ）を備えるため構成が複雑であった。このため、シャッタを用いない光波距離計において、温度位相ドリフトを低減しながら、より単純な構成とすることが求められていた。

【0008】

本発明は、係る事情を鑑みてなされたものであり、参照光路と測距光路を切り替えるシャッタを用いない位相差式の光波距離計において、温度位相ドリフトを低減しつつ従来よりも簡単な構成とすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するために、本発明の１つの態様に係る光波距離計は、複数の主変調周波数で変調された光を測距光として、目標反射物までを往復する測距光路に送出する第１の発光素子と、前記主変調周波数の各々に近接する傍変調周波数で変調された光を参照光として、参照光路に送出する第２の発光素子と、前記第１のおよび前記第２の発光素子から送出された光を受光する受光素子と、前記受光素子に接続され、前記測距光および前記参照光の夫々に基づく受光信号を中間周波信号に変換する周波数変換器群と、前記中間周波信号に基いて前記目標反射物までの距離を算出する演算処理部と、を備え、前記周波数変換器群は、前記主変調周波数と同数の周波数変換器から構成され、各周波数変換器には各主変調周波数に対応するローカル周波数の信号がそれぞれ入力され、各ローカル周波数は、対応する前記主変調周波数および前記主変調周波数に近接した傍変調周波数の両方に近接した周波数とされ、各周波数変換器は、前記測距光に基づく測距中間周波信号と、前記参照光に基づく参照中間周波信号とを発生させ、前記演算処理部は、前記測距中間周波信号から前記参照中間周波信号を減算して前記目標反射物までの距離を算出し、前記複数の主変調周波数は、１０ＭＨｚ以下である。

【0010】

上記態様において、各主変調周波数と、各主変調周波数に対応するローカル周波数とのずれは、各傍変調周波数と、各傍変調周波数に近接する前記主変調周波数とのずれの１０倍以上大きいことも好ましい。

【0011】

また、上記態様において、前記受光信号を増幅して前記周波数変換器群に入力する増幅器と、前記受光素子で検出される受光光量レベルを調節する受光光量調節手段を備え、前記増幅器の増幅度は、前記測距中間周波信号のレベルが前記測距光の到達限界飛距離を満たす最小の大きさとなる適正値よりも低く設定されており、前記受光光量調節手段は、前記増幅度が前記適正値よりも低く設定された状態で、前記測距中間周波信号のレベルが、前記到達限界飛距離を満たす最小の大きさとなるように設定されていることも好ましい。

【0012】

また、上記態様においいて、前記第１のおよび前記第２の発光素子は、レーザダイオードであり、前記第１の発光素子は、前記複数の主変調周波数に加えて、前記複数の主変調周波数よりも高周波の高周波主変調周波数で変調された光を前記測距光路に送出し、前記第２の発光素子は、前記複数の主変調周波数に近接する前記傍変調周波数に加えて、前記高周波主変調周波数に近接する高周波傍変調周波数で変調された光を前記参照光路に送出し、前記高周波主変調周波数で変調された前記測距光に基づく測距信号および前記高周波傍変調周波数で変調された前記参照光に基づく測距信号は、前記周波数変換器群に入力されないように構成されていることも好ましい。

【発明の効果】

【0013】

上記の態様に係る光波距離計によれば、シャッタを用いない位相差式の光波距離計において、温度位相ドリフトを低減しつつ従来より簡単な構成とすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の第１の実施の形態に係る光波距離計のブロック図である。

【図2】同光波距離計の測距光の受光光量調節手段である可変濃度フィルタを示す図である。

【図3】（Ａ）～（Ｃ）は、同光波距離計の受光信号スペクトラムを示す図であり、増幅器および受光光量調節手段の設定によるＳ／Ｎ（信号対ノイズ）比の向上を説明する図である。

【図4】同光波距離計の主変調周波数、傍変調周波数、ローカル周波数および中間周波数の例を示す表である。

【図5】本形態の1つの変形例にかかる光波距離計のブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。また、各実施の形態において、同一の機械構成を有する要素には、同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

【0016】

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施の形態に係る光波距離計１００のブロック図である。光波距離計１００は、測距光と参照光との位相差から目標反射物２２までの距離を算出する位相差式の光波距離計である。光波距離計１００は、主として、２つの発光素子（すなわち第１の発光素子２０および第２の発光素子３０）と、受光素子４０と、演算処理部６０と、記憶部７０とを備える。

【0017】

第１の発光素子２０および第２の発光素子３０は、例えば、レーザダイオードであり、可視または赤外のレーザ光を送出する。第１の発光素子２０は、複数の主変調周波数Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３で変調された光を送出する。第２の発光素子３０は、各主変調周波数Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３それぞれに近接した傍変調周波数Ｆ１+ｂ・Ｆ１，Ｆ２+ｂ・Ｆ２，Ｆ３+ｂ・Ｆ３で変調された光を送出する。ここで、係数ｂは、０＜ｂであり、｜ｂ｜は１に対して十分に小さい値（｜ｂ｜＜＜１）である。

【0018】

主変調周波数Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３は周波数が高い順（Ｆ１＞Ｆ２＞Ｆ３）であり、例えば、周波数Ｆ１は１０ＭＨｚよりも大きく、周波数Ｆ２は１０ＭＨｚ～１ＭＨｚ、周波数Ｆ３は１ＭＨｚ以下である。また、各主変調周波数Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３と各主変調周波数Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３にそれぞれ近接する傍変調周波数Ｆ１+ｂ・Ｆ１，Ｆ２+ｂ・Ｆ２，Ｆ３+ｂ・Ｆ３とのずれ｜ｂ｜・Ｆ１，｜ｂ｜・Ｆ２，｜ｂ｜・Ｆ３は、数十ｋＨｚ～数ｋＨｚであると好ましい。

【0019】

受光素子４０は、例えば、アバランシェフォトダイオードであり、受光した測距光および参照光を、それぞれ電気信号（測距信号および参照信号）として出力する。

【0020】

演算処理部６０は、例えば、少なくとも１つプロセッサ（例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ・Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ・Ｕｎｉｔ））とメモリ（ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ・Ｒａｎｄｏｍ・Ａｃｃｅｓｓ・Ｍｅｍｏｒｙ）ＤＲＡＭ（Ｄｉｎａｍｉｃ・ＲＡＭ）等）を備える、制御演算ユニットである。演算処理部６０は、プロセッサが、その機能を実行するためのプログラムを、メモリに読み出して実行することによりその機能を実現する。

【0021】

あるいは、演算処理部６０の少なくとも一部を、ＣＰＬＤ（Ｃｏｍｐｌｅｘ・Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ・Ｌｏｇｉｃ・Ｄｅｖｉｃｅ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ・Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ・Ｇａｔｅ・Ａｒｒａｙ）等でハードウェア的に構成してもよい。また、これらのＣＰＬＤやＦＰＧＡを用いた場合、それらの素子上に構成された回路などがその機能を実現する。

【0022】

演算処理部６０は、第１の発光素子２０および第２の発光素子３０の発光を制御し、受光素子４０の受光信号に基づいて、目標反射物までの距離を算出する。詳細は後述する。

【0023】

記憶部７０は、フラッシュメモリやハードディスクドライブ等のコンピュータ読取可能な記憶媒体である。記憶部７０は、下記に説明する、演算処理部６０による、測定、受光光量の調節、距離値の算出等を実行するためのプログラムや、初期設定データ、測定データ等を格納する。

【0024】

以下、光波距離計１００の構成および距離の測定の詳細を説明する。
まず、演算処理部６０からの指示により、発振器１で主変調周波数Ｆ１の信号を発生させる。この主変調周波数Ｆ１の信号は、分周部２に入力されるとともに、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ・Ｌｏｃｋｅｄ・Ｌｏｏｐ）９，１０を介して、発振器５およびローカル信号発振器１１に入力される。ＰＬＬ９、１０は、発振器５およびローカル信号発振器１１を主変調周波数Ｆ１と正確に同期して発振させるために使用する。

【0025】

分周部２は、主変調周波数Ｆ１の信号を分周して、主変調周波数Ｆ２およびＦ３の信号を発生する。この主変調周波数Ｆ２およびＦ３の信号と主変調周波数Ｆ１の信号は、周波数重畳回路３を経て駆動回路４へ入力される。第１の発光素子２０は、駆動回路４によって駆動され、主変調周波数Ｆ１、Ｆ２及びＦ３で変調された光を出射する。

【0026】

発振器５は、傍変調周波数Ｆ１+ｂ・Ｆ１の信号を発生する。この傍変調周波数Ｆ１+ｂ・Ｆ１の信号は、さらに分周部６で周波数を分周されて、傍変調周波数Ｆ２+ｂ・Ｆ２およびＦ３+ｂ・Ｆ３の信号となる。これらの傍変調周波数Ｆ１+ｂ・Ｆ１、Ｆ２+ｂ・Ｆ２およびＦ３+ｂ・Ｆ３の信号は、周波数重畳回路７を経て駆動回路８へ入力される。第２の発光素子３０は、駆動回路８によって駆動され、傍変調周波数Ｆ１+ｂ・Ｆ１、Ｆ２+ｂ・Ｆ２およびＦ３+ｂ・Ｆ３で変調された光を送出する。

【0027】

ローカル信号発振器１１は、ローカル周波数Ｆ１+ａ・Ｆ１の信号を発生する。ここで、係数ａは、０＜ａであり、｜ａ｜は１に対して十分に小さい値（｜ａ｜＜＜１）である。このローカル周波数Ｆ１+ａ・Ｆ１の信号は、周波数生成回路１２で分周されて、ローカル周波数Ｆ２+ａ・Ｆ２の信号およびローカル周波数Ｆ３+ａ・Ｆ３の信号が生成される。これらのローカル周波数Ｆ２+ａ・Ｆ２信号およびローカル周波数Ｆ３+ａ・Ｆ３の信号は、後述するように、それぞれ第１の周波数変換器４４および第２の周波数変換器４９へ入力される。各主変調周波数Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３と、各主変調周波数に対応するローカル周波数Ｆ１+ａ・Ｆ１，Ｆ２+ａ・Ｆ２，Ｆ３+ａ・Ｆ３とのずれ｜ａ｜・Ｆ１，｜ａ｜・Ｆ２，｜ａ｜・Ｆ３は、数百ｋＨｚ～数十ｋＨｚである。したがって、ローカル周波数Ｆ１+ａ・Ｆ１，Ｆ２+ａ・Ｆ２，Ｆ３+ａ・Ｆ３は、対応する主変調周波数Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３および傍変調周波数Ｆ１+ｂ・Ｆ１，Ｆ２+ｂ・Ｆ２，Ｆ３+ｂ・Ｆ３の両方に近接した周波数となっている。

【0028】

特に、各主変調周波数Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３と、各主変調周波数Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３に対応するローカル周波数Ｆ１+ａ・Ｆ１，Ｆ２+ａ・Ｆ２，Ｆ３+ａ・Ｆ３の主変調周波数とのずれ｜ａ｜・Ｆ１，｜ａ｜・Ｆ２，｜ａ｜・Ｆ３が、各主変調周波数Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３と、各主変調周波数Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３と対応する傍変調周波数Ｆ１+ｂ・Ｆ１，Ｆ２+ｂ・Ｆ２，Ｆ３+ｂ・Ｆ３とのずれ｜ｂ｜・Ｆ１，｜ｂ｜・Ｆ２，｜ｂ｜・Ｆ３の１０倍以上大きい、すなわち｜ａ｜≧１０｜ｂ｜であると好ましい。理由については後述する。

【0029】

第１の発光素子２０から送出された光は、測距光路２１を経て目標反射物２２で反射され、測距光路２３を経て受光素子４０に到達する。

【0030】

測距光路２３には、受光素子４０の前に、受光光量調節手段である可変濃度フィルタ２４および受光光学系２５が配置されている。可変濃度フィルタ２４は、例えば、図２に示すような、薄い円盤状の中性濃度フィルタである。

【0031】

可変濃度フィルタ２４は、開口部２４_１を有し、開口部２４_１から周方向の他端部２４_２に向かって図２に矢印Ｘで示す円周方向に、光量減衰率が０～１００％となるように連続的にフィルタ濃度が濃くなるように構成されている。可変濃度フィルタ２４は、中心部２４_３でフィルタ駆動モータ２４ａの回転軸に接続されている。可変濃度フィルタ２４は、フィルタ駆動モータ２４ａが演算処理部６０の指示に従って回転駆動されて、透過する光の減衰率を調節することによって、測距光の受光光量レベルを調節する。

【0032】

一方、第２の発光素子３０から送出された光は、参照光路３１を経て、受光素子４０に到達する。

【0033】

参照光路３１には、受光素子４０の前に、受光光量調節手段である濃度フィルタ３２が配置されている。濃度フィルタ３２は、例えば、可変濃度フィルタ２４と同じ構成の中性濃度フィルタを固定して用いる。あるいは、濃度固定の中性濃度フィルタを用いてもよい。濃度フィルタ３２は、予め設定された減衰率で、参照光を減衰することにより、参照光の受光光量レベルを調節する。

【0034】

受光素子４０は、増幅器４１に接続され、増幅器４１は、帯域フィルタ４２を介して周波数変換器群４３に接続されている。周波数変換器群４３は、第１の周波数変換器４４および第２の周波数変換器４９の２つの周波数変換器で構成されている。

【0035】

受光素子４０で受光された光は、６つの周波数Ｆ１，Ｆ１＋ｂ・Ｆ１，Ｆ２，Ｆ２＋ｂ・Ｆ２，Ｆ３，Ｆ３＋ｂ・Ｆ３をもつ信号に変換される。これらの信号は、増幅器４１で、信号振幅を増幅される。これらの信号のうち、高周波の主変調周波数（以下、高周波主変調周波数ともいう。）Ｆ１および傍変調周波数（以下、高周波傍変調周波数ともいう。）Ｆ１＋ｂ・Ｆ１の信号は距離値の計算に使用しない。そこで、増幅された信号のうち、周波数Ｆ１，Ｆ１＋ｂ・Ｆ１の信号が帯域フィルタ４２で除去され、第１の周波数変換器４４と、第２の周波数変換器４９にそれぞれ入力される。

【0036】

第１の周波数変換器４４では、ローカル周波数Ｆ２＋ａ・Ｆ２のローカル信号が入力されて、周波数乗算が行われる。乗算後の信号は、帯域フィルタ４５および帯域フィルタ４７に出力される。帯域フィルタ４５により高周波領域が除去され、周波数ａ・Ｆ２の中間周波信号（測距中間周波信号）がＡ／Ｄ変換器４６に入力される。帯域フィルタ４７により高周波領域が除去され、周波数（ａ－ｂ）・Ｆ２の中間周波信号（参照中間周波信号）がＡ／Ｄ変換器４８に入力される。

【0037】

第２の周波数変換器４９では、ローカル周波数Ｆ３＋ａ・Ｆ３のローカル信号が入力されて、周波数乗算が行われる。乗算後の信号は、帯域フィルタ５０および帯域フィルタ５２に出力される。帯域フィルタ５０により高周波領域が除去され、周波数ａ・Ｆ３の中間周波信号（測距中間周波信号）がＡ／Ｄ変換器５１に入力される。帯域フィルタ５２により高周波領域が除去され、周波数（ａ－ｂ）・Ｆ３の中間周波信号（参照中間周波信号）がＡ／Ｄ変換器５３に入力される。

【0038】

このように、周波数変換器群４３は、距離値の計算に使用される主変調周波数の数に対応する数の周波数変換器を備える。

【0039】

Ａ／Ｄ変換器４６，４８，５１，５３では、アナログ信号を多値デジタル信号に変換し、信号の波形を正弦波とすることで、演算処理部６０にて信号振幅情報、位相情報を取得できるようにする。信号振幅情報はおよび位相情報は距離値の算出に用いられる。また、信号振幅情報は、受光光量調節のために用いられる。

【0040】

Ａ／Ｄ変換器４６，４８，５１，５３はそれぞれ演算処理部６０に接続されており、演算処理部６０は、周波数ａ・Ｆ２，ａ・Ｆ３の中間周波信号の信号振幅および位相情報を解析して、変調周波数Ｆ２，Ｆ３の測距光による測距光路測定値を算出する。また、演算処理部６０は、周波数（ａ－ｂ）・Ｆ２，（ａ－ｂ）・Ｆ３の中間周波信号の信号振幅及び位相情報を解析して、変調周波数Ｆ２＋ｂ・Ｆ２，Ｆ３＋ｂ・Ｆ３の参照光による参照光路測定値を算出する。そして、演算処理部６０は、測距光路測定値から参照光路測定値を減算することにより、周波数Ｆ２、Ｆ３の測距光それぞれによる、目標反射物までの距離値を算出する。

【0041】

ここで、演算処理部６０における目標反射物２２までの距離値の算出において温度位相ドリフトの影響を低減できる理由ついて説明する。温度位相ドリフトは周波数Ｆ２，Ｆ３のいずれの場合も同様に起きるが、影響を低減できる理由は同じであるので、代表して、主変調周波数Ｆ２の信号について説明する。

【0042】

第１の発光素子２０に印加される電気信号の周波数をＦ２=（１＋０）ｆ２，第２の発光素子３０に印加される電気信号の周波数をＦ２＋ｂ・Ｆ２＝（１＋ｂ）ｆ２、第１の周波数変換器４４に印加されるローカル信号の周波数をＦ２＋ａ・Ｆ２＝（１＋ａ）ｆ２とおき、ここで、ａ＞０かつｂ＞０であり、絶対値｜ａ｜は｜ｂ｜に対して、１０倍以上大きい（｜ａ｜≧１０｜ｂ｜）であることが好ましい。

【0043】

受光素子４０の波形の式は、以下の式２のようになる。

【数1】

ただし、ｙ_{ＡＰＤ，ＬＤ１}は、第１の発光素子２０、受光素子４０間の信号の振幅、
ｙ_{ＡＰＤ，ＬＤ２}は、第２の発光素子３０，受光素子４０間の信号の振幅、
φ_ＬＤ１は、第１の発光素子２０の温度位相ドリフト、
φ_ＬＤ２は、第２の発光素子３０の温度位相ドリフト、
φ_ＡＰＤは、受光素子４０の温度位相ドリフト、
２Ｄ_０は、光波距離計から目標反射物２２までの往復距離、
Ｄ_１は、参照光路３１の光路長、
ｃは光速、である。

【0044】

次に、周波数変換後の波形の式について考える。第１の周波数変換器４４にてｙ_１と乗算されるローカル周波数（１＋ａ）・Ｆ２のローカル信号の波形をｙ_２とすると、ｙ_２は式３のように表せる。

【0045】

ｙ_２＝ｙ_ＬＯＣＯＳ｛２π（１＋ａ）ｆ_２ｔ＋φ｝ （式３）
ただし、ｙ_ＬＯはローカル信号の振幅であり、φは、局部発振信号の位相である。

【0046】

次に、第１の周波数変換器４４において、ｙ_１をｙ_２とで周波数変換（乗算）した後に、帯域フィルタ４５を通過した測距光に基づく周波数ａ・Ｆ２の中間周波信号の波形ｙ_３は、式４のように表せる。

【数2】

ただし、φ_ＡＭＰ１は、帯域フィルタ４５の温度位相ドリフトである。

【0047】

また、第１の周波数変換器４４においてｙ_１をｙ_２とで周波数変換（乗算）した後に、帯域フィルタ４７を通過した、参照光に基づく周波数（ａ－ｂ）・Ｆ２の中間周波信号の波形ｙ_４は、式５のように表せる。

【数3】

ただし、φ_ＡＭＰ２は、帯域フィルタ４７の温度位相ドリフトである。

【0048】

次に距離値を求める。測距値ｄは次の一般式（式６）で変換できる。

【数4】

（ここで、θは測定により得られる初期位相、ｆは変調周波数、ｃは光速である。）

【0049】

測距光に基づく周波数Δｆ２の中間周波信号の波形ｙ_３の位相成分の測距光路測定値をｄ_０、参照光に基づく周波数２Δｆ２の中間周波信号の波形ｙ_４の位相成分の参照光路測定値をｄ_１とすると、ｄ_０，ｄ_１は、それぞれ、以下の式７，式８で表すことができる。

【数5】

【0050】

ここで、｜ｂ｜は１に対して十分小さいので１＋ｂ≒１と近似できる。また、φ_ＬＤ１（ｆ_２）は、周波数Ｆ２の信号による第１の発光素子２０の温度位相ドリフトであり、φ_ＬＤ２（（１＋ｂ）ｆ_２）は、周波数Ｆ２-Δｆ２の信号による第２の発光素子３０の温度位相ドリフトであり、φ_ＡＰＤ（ｆ_２）は、周波数Ｆ２の信号による受光素子４０の温度位相ドリフトであり、φ_ＡＰＤ（（１＋ｂ）ｆ_２）は、周波数Ｆ２-Δｆ_２の信号による受光素子４０の温度位相ドリフトであるが、変調周波数が、１０ＭＨｚ未満である場合、発光素子および受光素子の温度位相ドリフトは無視できる程度に小さいことが知られている。したがって、φ_ＬＤ１（ｆ_２），φ_ＬＤ２（（１＋ｂ）ｆ_２），φ_ＡＰＤ（ｆ_２），φ_ＡＰＤ（（１＋ｂ）ｆ_２）は、無視できることから、式７，式８は、それぞれ、式９，式１０のように表せる。

【0051】

【数6】

この２式を減算すると、式１１の通りとなる。

【数7】

【0052】

式１１から、光波距離計１００から目標反射物２２までの距離値を求めることができるが、式１１からは第１の発光素子２０、第２の発光素子３０、および受光素子４０に由来する温度位相ドリフトφ_ＬＤ１（ｆ_２），φ_ＬＤ２（（１＋ｂ）ｆ_２），φ_ＡＰＤ（ｆ_２），φ_ＡＰＤ（（１＋ｂ）ｆ_２）が除かれており、温度位相ドリフトが低減されていることがわかる。

【0053】

式１１により求められる光波距離計１００から目標反射物２２までの距離値には、受光側の電子部品（帯域フィルタ４５，４７）に由来する温度位相ドリフトφ_ＡＭＰ１，φ_ＡＭＰ２が含まれている。一般に、電子部品や発光素子や受光素子等の素子に生じる温度位相ドリフトは、印加される信号が高周波数であればあるほど大きいことが知られている。帯域フィルタ４５，４７に生じる温度位相ドリフトは、周波数変換後の低周波数（中間周波数）の信号による温度位相ドリフトであり、高周波の変調周波数Ｆ１を用いる従来の光波距離計における、変調周波数Ｆ１の信号に基づいて、発光素子や受光素子に生じる温度位相ドリフトに比べれば影響は小さい。したがって、光波距離計１００では、温度位相ドリフトの小さい１０ＭＨｚ以下の変調周波数を用いることにより温度位相ドリフトの影響を低減することが可能である。

【0054】

ここで、｜ａ｜≧１０｜ｂ｜の場合には、式１１から、以下のように、受光側の電子部品（帯域フィルタ４５，４７）に由来する温度位相ドリフトφ_ＡＭＰ１，φ_ＡＭＰ２を消すことができるので特に有利である。

【0055】

｜ａ｜≧１０｜ｂ｜の場合，｜ｂ｜は｜ａ｜に対して十分に小さいため、式１２のように近似することが可能となる。

【数8】

【0056】

このように近似すると、式１１は式１３のように変形できる。

【数9】

この結果、受光側の電子部品（帯域フィルタ４５，４７）に由来する温度位相ドリフトφ_ＡＭＰ１，φ_ＡＭＰ２の影響を取り除いて、目標反射物までの距離を算出することが可能となる。

【0057】

この受光側の電子部品（帯域フィルタ４５，４７）に由来する温度位相ドリフトφ_ＡＭＰ１，φ_ＡＭＰ２の影響の低減効果を奏するためには、ａ＞０かつｂ＞０の他に、ａ＜０かつｂ＞０，ａ＞０かつｂ＜０，ａ＜０かつｂ＜０の条件でもよい。このような条件である場合の、主変調周波数、傍変調周波数、ローカル周波数および中間周波数を、α＝｜ａ｜，β＝｜ｂ｜を用いて図４に示す。上記条件では、｜ａ｜≧１０｜ｂ｜であれば、｜ｂ｜は｜ａ｜に対して十分に小さいため、
α・Ｆ２≒（α-β）・Ｆ２ （式１４）
または、
α・Ｆ２≒（α+β）・Ｆ２ （式１５）
と近似することが可能である。

【0058】

このように、本実施の形態では、２つの発光素子を同時に発光させ、変調周波数が１０ＭＨｚ未満（Ｆ２、Ｆ３）の信号により変調させた光を使用することにより、発光素子、受光素子に生じる温度位相ドリフト、特に２つの発光素子間の温度位相ドリフト差により生じる誤差の影響を無視して測距値を算出することが可能となる。

【0059】

この結果、２つの発光素子と２つの受光素子とを備える従来のシャッタを用いない光波距離計から、受光素子と、第１の発光素子から第２の受光素子、第２の発光素子から第１の受光素子の間の参照光路を構成する光ファイバを省略することが可能となり、全体構成を簡単なものとすることができる。また、構成を簡単なものとできるので、コストダウンが可能となる。

【0060】

また、本実施の形態に係る光波距離計１００よれば、測距光と参照光とを切換えるのにシャッタを使うことなく、測距光路と参照光路に係る各中間周波信号の初期位相を同時に求めるため、従来のシャッタ式光波距離計よりも高速に距離測定を行うことができる。また、シャッタを用いないことによるコストダウンが可能になる。さらに、従来は、測定の時間差による温度位相ドリフト差を少なくするため、連続測距中の発光素子の電源をＯＮに保っていた。しかし、光波距離計１００によれば、測距光路と参照光路の同時測距が可能になるため、時間差による温度位相ドリフトの影響を受けず、測距毎に発光素子の電源をＯＮ／ＯＦＦでき、節電を図ることができるという、特許文献１に記載の光波距離計と同等の効果を奏することが可能となる。

【0061】

光波距離計１００では、発振器１で周波数Ｆ１の信号を生成し、周波数Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３で駆動回路４を駆動するが、周波数Ｆ１に基づく受光信号は帯域フィルタ４２で取り除かれ、測距値の計算には用いられない。下記の変形例において説明するように、１０ＭＨｚよりも大きい高周波周波数Ｆ１で発振器１を発振することは必ずしも必須ではない。しかし、本実施の形態のように第１の発光素子２０および第２の発光素子３０がレーザダイオードである場合には、変調周波数Ｆ２，Ｆ３よりも高い変調周波数Ｆ１で発振器１を発振させ、主変調周波数Ｆ１で第１の発光素子２０を、傍変調周波数Ｆ１+ｂ・Ｆ１で第２の発光素子３０を駆動するように構成すると、信号の位相が安定するため有利である。

【0062】

ところで、一般的には、高い変調周波数の信号を用いる方が測距値の精度が高いことが知られている。このため、高周波変調周波数Ｆ１を使用しない本実施の形態に係る光波距離計１００では、測距値の精度が低くなる場合がある、そこで、光波距離計１００では、必要に応じて増幅器４１の増幅度と受光光量を以下のように設定することで、主変調周波数Ｆ１の信号を用いた場合と同等の精度を確保することが可能となる。

【0063】

従来の光波距離計（例えば、特許文献１，図４参照）でも、光波距離計１００と同様に、受光信号を増幅器で増幅して距離値の算出に用いている。従来の光波距離計では、増幅器の増幅度は、光波距離計の仕様に応じて、測距光の到達限界飛距離を満たす最小の受光光量（具体的には、Ａ／Ｄ変換器のカウントが１となる信号レベル）になる値が、適正値として設定される。また、光波距離計１００では、増幅器４１の増幅度が、限界到達距離を満たす最小の受光光量となる適正値よりも低く設定されている。また、光波距離計１００では、受光光量調節手段の減衰率が、同条件で設定される受光光量調節手段の減衰率よりも低く設定されている。

【0064】

このようにすることで、精度が改善する理由について説明する。図３（Ａ）を、増幅器４１の増幅度を適正値に設定した場合の、光波距離計１００における測距光に基づく中間周波信号（例えば、図１における周波数Δｆ２の中間周波信号）の信号スペクトラムを模式的に示す図である。増幅された中間周波信号には、信号とノイズが含まれるが、増幅度を適正値よりも低く設定すると、図３（Ｂ）に示すように、信号とノイズが同じ比率で低減する。

【0065】

この状態で、Ａ/Ｎ変換器へ入力する受光信号レベルが同等の適正光量となるように、可変濃度フィルタ２４の減衰率を、透過する光量が増大するように設定する。つまり、増幅器４１の増幅度を、適正値の１／Ｎ（Ｎは自然数）に低下させた場合、可変濃度フィルタ２４の透過率がＮ倍となるように、減衰率を設定する。例えば、従来の光波距離計では、増幅度の適正値が１０倍であるときに可変濃度フィルタの透過率を９％（すなわち減衰率９１％）で適正光量となる場合、増幅度を１倍（１／１０）として同程度の受光信号レベルとするために、可変濃度フィルタ２４の透過率を１０倍の９０パーセント（減衰率を１０／９１倍の１０％）と設定する。このようにすれば、受光信号レベルは増大するが、発光素子側で生じるノイズのレベルは変化しない。また、受光信号レベルの増大に伴って、受光素子側で生じるノイズのレベルは多少増大するが、信号に比して微々たるものである。この結果、図３（Ｃ）に示すようにノイズレベルを増大することなく信号レベルを増大することができ、信号対ノイズ比（Ｓ/Ｎ比）が向上する。この結果、精度を改善することが可能となる。

【0066】

ところで、演算処理部６０は、測定に際して、検出される受光光量（Ａ／Ｄ変換器４６，５１から出力される中間周波信号の信号レベル（信号振幅の大きさ））に応じて、フィルタ駆動モータ２４ａを駆動して、受光光量がＡ／Ｄ変換器４６，５１の入力範囲内の最大値となるように構成されている。Ａ／Ｄ変換器４６，５１では、測定可能な信号レベルの入力範囲を超える飽和領域では信号振幅が測定されない。したがって、演算処理部６０は、受光光量がＡ／Ｄ変換器４６，５１の入力範囲より大きい場合は、入力範囲内の最大値となるように、Ａ／Ｄ変換器４６，５１の入力範囲にある場合は、受光光量が入力範囲内の最大値となるようにフィルタ駆動モータ２４ａを駆動する。また、Ａ／Ｄ変換器４６，５１の入力範囲よりも小さい場合は、受光光量が入力範囲内の最大値となるようにフィルタ駆動モータ２４ａを駆動する。この場合における、光の減衰率は、増幅度が適正値である場合に、同じ可変濃度フィルタを用いた場合に比べて、低くなるように設定されている。

【0067】

また、増幅器４１の増幅度を低下させることにより、参照光に基づく中間周波信号の信号振幅も小さくなるため、受光光量調節手段である濃度フィルタ３２の減衰率も同様に、増幅度が適正値である場合に同じ濃度フィルタを用いた場合に比べて、低くなるように設定されている。

【0068】

なお、増幅器４１の増幅度を適正値よりも低く設定すると、Ａ／Ｄ変換器で振幅が適切に分解されず、信号変換の際に１カウント以下の信号振幅を検出できず、誤って０にデジタル化して信号の検出が出来なくなり、測距光の限界到達飛距離が短くなる。しかし、この問題は、使用するＡ／Ｄ変換器の分解能を高くする、すなわち、高い分解能のＡ／Ｄ変換器を使用して、増幅度が低く設定された状態での検出限界を増幅度が適正値で設定された状態での検出限界と同程度とすることでこのような問題を解消することができる。

【0069】

（変形例）
図５は、本実施の形態の変形例に係る光波距離計１００Ａのブロック図である。光波距離計１００Ａは、概略として光波距離計１００と同じ構成を有するが、第１の発光素子２０Ａおよび第２の発光素子３０Ａが、レーザダイオードではなく、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ－Ｅｍｉｔｔｉｎｇ・Ｄｉｏｄｅ）である点で異なる。そして、発振器１は、１０ＭＨｚよりも大きい周波数Ｆ１ではなく、１０ＭＨｚ～１ＭＨｚの周波数Ｆ２で発振する。分周期２は、周波数Ｆ２の信号を分周して１ＭＨｚ以下の周波数Ｆ３の信号を出力する。発振器５は、傍変調周波数Ｆ２+ｂ・Ｆ２の信号を発生する。この傍変調周波数Ｆ２+ｂ・Ｆ２の信号は、分周部６で分周されて、傍変調周波数Ｆ３+ｂ・Ｆ３の信号となる。ローカル信号発振器１１は、ローカル周波数Ｆ２＋ａ・Ｆ２の信号を発生する。このローカル周波数Ｆ２＋ａ・Ｆ２の信号は、周波数生成回路１２で分周されて、ローカル周波数Ｆ３＋ａ・Ｆ３の信号が生成される。

【0070】

したがって、駆動回路４は周波数Ｆ２，Ｆ３の信号、駆動回路８は周波数Ｆ２+ｂ・Ｆ２，Ｆ３+ｂ・Ｆ３の信号のみで駆動される。受光素子４０による受光信号には周波数Ｆ１の信号に由来する信号はないため、帯域フィルタ４２も必要はない。このように、第１の発光素子２０Ａ、および第２の発光素子３０ＡがＬＥＤである場合には、高周波変調周波数Ｆ１で変調された光を送出しなくとも、信号位相の安定には影響しないため、光波距離計１００と同等の効果を奏することが可能である。

【0071】

以上、本発明の好ましい実施の形態について述べたが、上記の実施の形態は本発明の一例であり、これらを当業者の知識に基づいて組み合わせることが可能であり、そのような形態も本発明の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0072】

２０，２０Ａ：第１の発光素子
２１ ：測距光路
２２ ：目標反射物
２３ ：測距光路
２４ ：可変濃度フィルタ（受光光量調節手段）
３０，３０Ａ：第２の発光素子
３１ ：参照光路
３２ ：濃度フィルタ（受光光量調節手段）
４０ ：受光素子
４１ ：増幅器
４３ ：周波数変換器群
４４ ：第１の周波数変換器（周波数変換器）
４９ ：第２の周波数変換器（周波数変換器）
６０ ：演算処理部
１００，１００Ａ：光波距離計

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】