JP5184785B2 - 距離計および距離計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、光の干渉を利用して測定対象との距離を計測する干渉型の距離計および距離計測方法に関するものである。

レーザによる光の干渉を利用した距離計測は、非接触測定のため測定対象を乱すことなく、高精度の測定方法として古くから用いられている。最近では、半導体レーザは装置の小型化のため、光計測用光源として利用されようとしている。その代表的な例として、ＦＭヘテロダイン干渉計を利用したものがある。これは、比較的長距離測定が可能で精度もよいが、半導体レーザの外部に干渉計を用いているため、光学系が複雑になるという欠点を有する。

これに対して、レーザの出力光と測定対象からの戻り光との半導体レーザ内部での干渉（自己結合効果）を利用した計測器が提案されている（例えば、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３参照）。このような自己結合型のレーザ計測器によれば、フォトダイオード内蔵の半導体レーザが発光、干渉、受光の各機能を兼ねているため、外部干渉光学系を大幅に簡略化することができる。したがって、センサ部が半導体レーザとレンズのみとなり、従来のものに比べて小型となる。また、三角測量法より距離測定範囲が広いという特徴を有する。

ＦＰ型（ファブリペロー型）半導体レーザの複合共振器モデルを図７に示す。図７において、１０１は半導体レーザ、１０２は半導体結晶の壁開面、１０３はフォトダイオード、１０４は測定対象である。測定対象１０４からの反射光の一部が発振領域内に戻り易い。戻って来たわずかな光は、共振器１０１内のレーザ光と結合し、動作が不安定となり雑音（複合共振器ノイズまたは戻り光ノイズ）を生じる。戻り光による半導体レーザの特性の変化は、出力光に対する相対的な戻り光量が、極めてわずかであっても顕著に現れる。このような現象は、ファブリペロー型（以下、ＦＰ型）半導体レーザに限らず、Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ型（以下、ＶＣＳＥＬ型）、Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＦｅｅｄＢａｃｋ ｌａｓｅｒ型（以下、ＤＦＢレーザ型）など、他の種類の半導体レーザにおいても同様に現れる。

レーザの発振波長をλ、測定対象１０４に近い方の壁開面１０２から測定対象１０４までの距離をＬとすると、以下の共振条件を満足するとき、戻り光と共振器１０１内のレーザ光は強め合い、レーザ出力がわずかに増加する。
Ｌ＝ｎλ／２ ・・・（１）
式（１）において、ｎは整数である。この現象は、測定対象１０４からの散乱光が極めて微弱であっても、半導体レーザの共振器１０１内の見かけの反射率が増加することにより、増幅作用が生じ、十分観測できる。

半導体レーザは、注入電流の大きさに応じて周波数の異なるレーザ光を放射するので、発振周波数を変調する際に、外部変調器を必要とせず、注入電流によって直接変調が可能である。図８は、半導体レーザの発振波長をある一定の割合で変化させたときの発振波長とフォトダイオード１０３の出力波形との関係を示す図である。式（１）に示したＬ＝ｎλ／２を満足したときに、戻り光と共振器１０１内のレーザ光の位相差が０°（同位相）になって、戻り光と共振器１０１内のレーザ光とが最も強め合い、Ｌ＝ｎλ／２＋λ／４のときに、位相差が１８０°（逆位相）になって、戻り光と共振器１０１内のレーザ光とが最も弱め合う。そのため、半導体レーザの発振波長を変化させていくと、レーザ出力が強くなるところと弱くなるところとが交互に繰り返し現れ、このときのレーザ出力を共振器１０１に設けられたフォトダイオード１０３で検出すると、図８に示すように一定周期の階段状の波形が得られる。このような波形は一般的には干渉縞と呼ばれる。

この階段状の波形、すなわち干渉縞の１つ１つをモードポップパルス（以下、ＭＨＰ）と呼ぶ。ＭＨＰは後述のモードホッピング現象とは異なる現象である。例えば、測定対象１０４までの距離がＬ１のとき、ＭＨＰの数が１０個であったとすれば、半分の距離Ｌ２では、ＭＨＰの数は５個になる。すなわち、ある一定時間において半導体レーザの発振波長を変化させた場合、測定距離に比例してＭＨＰの数は変わる。したがって、ＭＨＰをフォトダイオード１０３で検出し、ＭＨＰの周波数を測定すれば、容易に距離計測が可能となる。なお、ＦＰ型半導体レーザに特有のモードホッピング現象は、図９に示すように、注入電流の連続的な増減に応じて発振波長に不連続な箇所が生じる現象である。注入電流の増加時と減少時とにおいて僅かにヒステリシスを有する。

上田正，山田諄，紫藤進，「半導体レーザの自己結合効果を利用した距離計」，１９９４年度電気関係学会東海支部連合大会講演論文集，１９９４年 山田諄，紫藤進，津田紀生，上田正，「半導体レーザの自己結合効果を利用した小型距離計に関する研究」，愛知工業大学研究報告，第３１号Ｂ，ｐ．３５−４２，１９９６年 Guido Giuliani，Michele Norgia，Silvano Donati and Thierry Bosch，「Laser diode self-mixing technique for sensing applications」，JOURNAL OF OPTICS A:PURE AND APPLIED OPTICS，ｐ．２８３−２９４，２００２年

自己結合型を含む従来の干渉型の距離計では、半導体レーザの発振波長の変化が大きいほど距離の分解能が高くなる。半導体レーザの発振波長の変化を大きくするには、半導体レーザの駆動電流の振幅を大きくすればよい。駆動電流には半導体レーザによって規定される上限値があるので、駆動電流の振幅を大きくするには、駆動電流の最大値を上限値に固定したまま、駆動電流の最小値を小さくすることになる。

しかしながら、駆動電流が小さいところではＭＨＰの信号波形も小さくなるため、駆動電流の振幅を大きくすると、駆動電流が小さいところでＭＨＰの信号波形が検出限界よりも小さくなり、ＭＨＰの数を測定できない可能性があった。測定期間中にＭＨＰの数を測定できない部分があると、測定したＭＨＰの数が測定対象との距離に対応する本来の値になっていないため、距離の測定に誤りが生じるという問題点があった。特に、測定対象との距離が遠くなると、測定対象からの戻り光が減少して、ＭＨＰの信号波形が小さくなるため、上記の問題点がより顕著になる可能性があった。つまり、距離の分解能を高めるために半導体レーザの駆動電流の振幅を大きくすると、測定範囲が短くなり、測定範囲を延ばすために駆動電流の振幅を小さくすると、距離の分解能が低下するという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、カウンタを用いてＭＨＰの数を測定し測定対象との距離を求める距離計および距離計測方法において、距離の分解能の向上と測定範囲の長距離化とを両立させることを目的とする。

本発明の距離計は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させるレーザドライバと、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との干渉光を電気信号に変換する受光器と、この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える第１の計数手段と、この第１の計数手段の計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手段と、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間のうちの各計数期間をそれぞれ分割した分割期間毎に前記干渉波形の数を数える第２の計数手段と、前記レーザドライバから前記半導体レーザに供給される駆動電流が最小のときの前記分割期間である最小駆動電流分割期間を少なくとも含む分割期間の第１の組における前記第２の計数手段の計数結果の総和と、前記最小駆動電流分割期間を少なくとも含む前記第１の組と異なる分割期間の第２の組における前記第２の計数手段の計数結果の総和との比率を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について求めたとき、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の両方で前記比率が所定の数値範囲外の場合に、前記比率が数値範囲内になるように前記レーザドライバを介して前記駆動電流の振幅を制御する制御手段とを有するものである。
また、本発明の距離計は、前記半導体レーザと、前記レーザドライバと、前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器と、この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える第１の計数手段と、前記演算手段と、前記第２の計数手段と、前記制御手段とを有するものである。
また、本発明の距離計の１構成例において、前記制御手段は、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間で前記比率が略等しい場合のみ、前記駆動電流の振幅制御を行うものである。

また、本発明は、半導体レーザを用いて測定対象にレーザ光を放射する距離計測方法において、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振手順と、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との干渉光を電気信号に変換する受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える第１の計数手順と、この第１の計数手順の計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手順と、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間のうちの各計数期間をそれぞれ分割した分割期間毎に前記干渉波形の数を数える第２の計数手順と、レーザドライバから前記半導体レーザに供給される駆動電流が最小のときの前記分割期間である最小駆動電流分割期間を少なくとも含む分割期間の第１の組における前記第２の計数手順の計数結果の総和と、前記最小駆動電流分割期間を少なくとも含む前記第１の組と異なる分割期間の第２の組における前記第２の計数手順の計数結果の総和との比率を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について求めたとき、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の両方で前記比率が所定の数値範囲外の場合に、前記比率が数値範囲内になるように前記レーザドライバを介して前記駆動電流の振幅を制御する制御手順とを備えるものである。
また、本発明の距離計測方法は、前記発振手順と、前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える第１の計数手順と、前記演算手順と、前記第２の計数手順と、前記制御手順とを備えるものである。

本発明によれば、第１の発振期間と第２の発振期間のうちの各計数期間をそれぞれ分割した分割期間毎に干渉波形の数を数え、レーザドライバから半導体レーザに供給される駆動電流が最小のときの分割期間である最小駆動電流分割期間を少なくとも含む分割期間の第１の組における第２の計数手段の計数結果の総和と、最小駆動電流分割期間を少なくとも含む第１の組と異なる分割期間の第２の組における第２の計数手段の計数結果の総和との比率を、第１の発振期間と第２の発振期間の各々について求めたとき、第１の発振期間と第２の発振期間の両方で比率が所定の数値範囲外の場合に、比率が数値範囲内になるようにレーザドライバを介して駆動電流の振幅を制御することにより、測定可能な距離が短くなり過ぎない範囲で駆動電流の振幅を大きく保つことができるので、距離の分解能の向上と測定範囲の長距離化とを両立させることができる。

また、本発明では、第１の発振期間と第２の発振期間で前記比率が略等しい場合のみ、駆動電流の振幅制御を行うようにしたことにより、測定対象が加速度運動をしている場合を除外し、振幅制御の誤りを防ぐことができる。

本発明は、波長変調を用いたセンシングにおいて出射した波と対象物で反射した波の干渉信号をもとに距離を計測する手法である。したがって、自己結合型以外の光学式の干渉計、光以外の干渉計にも適用できる。半導体レーザの自己結合を用いる場合について、より具体的に説明すると、半導体レーザから測定対象にレーザ光を照射しつつ、レーザの発振波長を変化させると、発振波長が最小発振波長から最大発振波長まで変化する間（あるいは最大発振波長から最小発振波長まで変化する間）における測定対象の変位は、ＭＨＰの数に反映される。したがって、発振波長を変化させたときのＭＨＰの数を調べることで測定対象の状態を検出することができる。以上が、本発明の基本的な原理である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態となる距離計の構成を示すブロック図である。図１の距離計は、測定対象１２にレーザ光を放射する半導体レーザ１と、半導体レーザ１の光出力を電気信号に変換するフォトダイオード２と、半導体レーザ１からの光を集光して測定対象１２に照射すると共に、測定対象１２からの戻り光を集光して半導体レーザ１に入射させるレンズ３と、半導体レーザ１に発振波長が連続的に増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に減少する第２の発振期間とを交互に繰り返させるレーザドライバ４と、フォトダイオード２の出力電流を電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅器５と、電流−電圧変換増幅器５の出力電圧を２回微分する信号抽出回路１１と、信号抽出回路１１の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を数えると共に、この計数結果から半導体レーザ１の駆動電流の振幅が不適切と判定した場合に振幅が適切になるようにレーザドライバ４を制御する計数装置８と、ＭＨＰの数から測定対象１２との距離を算出する演算装置９と、演算装置９の算出結果を表示する表示装置１０とを有する。

以下、説明容易にするために、半導体レーザ１には、前述のモードホッピング現象を持たない型（ＶＣＳＥＬ型、ＤＦＢレーザ型）のものが用いられているものと想定する。そして、モードホッピング現象を持つ型（ＦＰ型）の半導体レーザ１を用いた場合については、その旨を特記する。

例えば、レーザドライバ４は、時間に関して一定の変化率で増減を繰り返す三角波駆動電流を注入電流として半導体レーザ１に供給する。これにより、半導体レーザ１は、注入電流の大きさに比例して発振波長が一定の変化率で連続的に増加する第１の発振期間と発振波長が一定の変化率で連続的に減少する第２の発振期間とを交互に繰り返すように駆動される。

図２は、半導体レーザ１の発振波長の時間変化を示す図である。図２において、ｔ−１はｔ−１番目の発振期間、ｔはｔ番目の発振期間、ｔ＋１はｔ＋１番目の発振期間、ｔ＋２はｔ＋２番目の発振期間、ｔ＋３はｔ＋３番目の発振期間、ｔ＋４はｔ＋４番目の発振期間、λａは各期間における発振波長の最小値、λｂは各期間における発振波長の最大値、Ｔは三角波の周期である。

半導体レーザ１から出射したレーザ光は、レンズ３によって集光され、測定対象１２に入射する。測定対象１２で反射された光は、レンズ３によって集光され、半導体レーザ１に入射する。ただし、レンズ３による集光は必須ではない。フォトダイオード２は、半導体レーザ１の光出力を電流に変換する。電流−電圧変換増幅器５は、フォトダイオード２の出力電流を電圧に変換して増幅する。

信号抽出回路１１は、変調波から重畳信号を抽出する機能を有するものであり、例えば二つの微分回路６，７が用いられる。微分回路６は、電流−電圧変換増幅器５の出力電圧を微分し、微分回路７は、微分回路６の出力電圧を微分する。図３（Ａ）は電流−電圧変換増幅器５の出力電圧波形を模式的に示す図、図３（Ｂ）は微分回路６の出力電圧波形を模式的に示す図、図３（Ｃ）は微分回路７の出力電圧波形を模式的に示す図である。これらは、フォトダイオード２の出力である図３（Ａ）の波形（変調波）から、図２の半導体レーザ１の発振波形（搬送波）を除去して、図３（Ｃ）のＭＨＰ波形（重畳波）を抽出する過程を表している。

図４は計数装置８の構成の１例を示すブロック図である。計数装置８は、カウンタ８１，８２と、記憶部８３と、制御部８４とから構成される。電流−電圧変換増幅器５と信号抽出回路１１とカウンタ８１とは、第１の計数手段を構成し、電流−電圧変換増幅器５と信号抽出回路１１とカウンタ８２とは、第２の計数手段を構成している。

図５（Ａ）、図５（Ｂ）は計数装置８の動作を説明するための図であり、信号抽出回路１１の出力電圧波形を模式的に示す図である。図５（Ａ）は半導体レーザ１の三角波駆動電流の振幅が適切な場合を示し、図５（Ｂ）は三角波駆動電流の振幅が過大な場合を示している。なお、図５（Ａ）、図５（Ｂ）では、第１の発振期間ｔ−１，ｔ＋１，ｔ＋３の例としてｔ−１を示し、第２の発振期間ｔ，ｔ＋２，ｔ＋４の例としてｔを示している。

まず、計数装置８のカウンタ８１は、信号抽出回路１１の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を第１の発振期間ｔ−１，ｔ＋１，ｔ＋３の計数期間毎及び第２の発振期間ｔ，ｔ＋２，ｔ＋４の計数期間毎に数える。このカウンタ８１の計数結果は、演算装置９に出力される。なお、図５（Ａ）、図５（Ｂ）では記載を容易にするために、第１、第２の発振期間と計数期間を同じものとしているが、実際の計数期間は、第１、第２の発振期間のうち、三角波駆動電流が最大となる部分を除いた期間である。第１の発振期間の計数期間と第２の発振期間の計数期間は同一の長さであることが好ましい。
一方、カウンタ８２は、第１の発振期間ｔ−１と第２の発振期間ｔのうちの各計数期間をそれぞれ分割した分割期間Ａ_t-1，Ｂ_t-1，Ｃ_t-1，Ｃ_t，Ｂ_t，Ａ_t毎に、信号抽出回路１１の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を数える。

分割期間Ａ_t-1，Ｂ_t-1，Ｃ_t-1は、第１の発振期間ｔ−１の計数期間を不等間隔に分割したものでよく、分割期間Ｃ_t，Ｂ_t，Ａ_tも、第２の発振期間ｔの計数期間を不等間隔に分割したものでよい。ただし、第１の発振期間ｔ−１と第２の発振期間ｔの分割数は同一で、分割期間Ａ_t-1，Ｂ_t-1，Ｃ_t-1，Ｃ_t，Ｂ_t，Ａ_tは、第１の発振期間ｔ−１と第２の発振期間ｔとを合わせた三角波の周期Ｔの中点Ｐに関して対称な時間間隔であることが必要である。
記憶部８３は、カウンタ８２の計数結果を記憶する。

制御部８４は、記憶部８３に記憶されたカウンタ８２の計数結果から半導体レーザ１の三角波駆動電流の振幅が不適切と判定した場合に、振幅が適切になるようにレーザドライバ４を制御する。制御部８４は、三角波駆動電流が最小となる最小駆動電流分割期間を少なくとも含む分割期間の第１の組におけるカウンタ８２の計数結果の総和と、前記最小駆動電流分割期間を少なくとも含む前記第１の組と異なる分割期間の第２の組におけるカウンタ８２の計数結果の総和との比率を、第１の発振期間ｔ−１と第２の発振期間ｔの各々について求めた結果が略等しく、かつ第１の発振期間ｔ−１と第２の発振期間ｔの両方で前記比率が所定の数値範囲外の場合、半導体レーザ１の三角波駆動電流の振幅が過大であると判定して、比率が数値範囲内になるようにレーザドライバ４を通じて三角波駆動電流の振幅を制御する。

三角波駆動電流が最小となる最小駆動電流分割期間は、第１の発振期間ｔ−１ではＡ_t-1、第２の発振期間ｔではＡ_tである。最小駆動電流分割期間を少なくとも含む分割期間の第１の組は、第１の発振期間ｔ−１では例えばＡ_t-1＋Ｂ_t-1となり、第２の発振期間ｔではＡ_t＋Ｂ_tとなる。一方、最小駆動電流分割期間を少なくとも含む分割期間の第２の組は、第１の発振期間ｔ−１では例えばＡ_t-1＋Ｂ_t-1＋Ｃ_t-1となり、第２の発振期間ｔではＡ_t＋Ｂ_t＋Ｃ_tとなる。分割期間Ａ_t-1，Ｂ_t-1，Ｃ_t-1，Ｃ_t，Ｂ_t，Ａ_tにおけるカウンタ８２の計数結果をそれぞれｎＡ_t-1，ｎＢ_t-1，ｎＣ_t-1，ｎＣ_t，ｎＢ_t，ｎＡ_tとすれば、第１の発振期間ｔ−１における計数結果の総和の比率は、（ｎＡ_t-1＋ｎＢ_t-1）／（ｎＡ_t-1＋ｎＢ_t-1＋ｎＣ_t-1）となり、第２の発振期間ｔにおける比率は、（ｎＡ_t＋ｎＢ_t）／（ｎＡ_t＋ｎＢ_t＋ｎＣ_t）となる。

半導体レーザ１の三角波駆動電流の振幅が適切な場合には、図５（Ａ）に示すようにＭＨＰの信号波形が十分に大きいために、カウンタ８１，８２はＭＨＰの数を正しく数えることができる。このため、カウンタ８２の計数結果の総和の比率は所定の数値範囲内となる。第１の発振期間ｔ−１と第２の発振期間ｔのうちの各計数期間をそれぞれ等間隔に分割し、測定期間中にノイズ等の影響を受けなかったとすれば、比率（ｎＡ_t-1＋ｎＢ_t-1）／（ｎＡ_t-1＋ｎＢ_t-1＋ｎＣ_t-1）及び（ｎＡ_t＋ｎＢ_t）／（ｎＡ_t＋ｎＢ_t＋ｎＣ_t）は共に２／３となる。したがって、所定値２／３に対してノイズ等の誤差±αを考慮した２／３±αが所定の数値範囲となる。

一方、三角波駆動電流の振幅が過大な場合には、図５（Ｂ）に示すように駆動電流が小さいところでＭＨＰの信号波形が検出限界よりも小さくなって消失してしまうので、カウンタ８１，８２はＭＨＰの数を正しく数えることができない。このため、カウンタ８２の計数結果の総和の比率は数値範囲外となる。図５（Ｂ）の例では、比率（ｎＡ_t-1＋ｎＢ_t-1）／（ｎＡ_t-1＋ｎＢ_t-1＋ｎＣ_t-1）及び（ｎＡ_t＋ｎＢ_t）／（ｎＡ_t＋ｎＢ_t＋ｎＣ_t）は２／３よりも小さくなる。

図６はレーザドライバ４から半導体レーザ１に供給される三角波駆動電流の波形を示す図であり、図６（Ａ）は三角波駆動電流の振幅が過大な場合を示し、図６（Ｂ）は三角波駆動電流の振幅が適切な場合を示している。図６（Ａ）のように三角波駆動電流の振幅が過大な場合、カウンタ８２の計数結果の総和の比率が数値範囲外になるため、制御部８４は、比率が数値範囲内になるようにレーザドライバ４を通じて三角波駆動電流の振幅を制御する。このとき、レーザドライバ４は、駆動電流の最大値を一定値（図６（Ａ）、図６（Ｂ）の例では半導体レーザ１によって規定される駆動電流の上限値ＣＬ）に固定したまま、駆動電流の最小値を大きくすることで、駆動電流の振幅ＡＭＰを小さくする。こうして、駆動電流の振幅を適切な値に設定することができる。

計数装置８は、以上のような処理を第１の発振期間ｔ−１，ｔ＋１，ｔ＋３毎及び第２の発振期間ｔ，ｔ＋２，ｔ＋４毎に行う。
なお、本実施の形態では、図５（Ｂ）に示したＭＨＰの信号波形を三角波駆動電流の振幅が過大な場合（駆動電流の最小値が小さ過ぎる場合）として説明したが、図５（Ｂ）と同様の現象は測定対象１２との距離が遠い場合にも生じる。この場合にも、カウンタ８２の計数結果の総和の比率が数値範囲外となるので、比率が数値範囲内になるように三角波駆動電流の振幅を制御することで、測定可能な距離を延ばすことができる。

また、制御部８４は、第１の発振期間ｔ−１と第２の発振期間ｔで比率が略等しいことを、三角波駆動電流の振幅制御を行う条件としている。このような条件を設ける理由は、測定対象１２の加速度運動を考慮しているためである。測定対象１２が加速度運動をしている場合、第１の発振期間ｔ−１と第２の発振期間ｔで比率が異なる。したがって、このような場合を除外した上で三角波駆動電流の振幅制御を行う必要がある。

また、本実施の形態では、比率の例として（ｎＡ_t-1＋ｎＢ_t-1）／（ｎＡ_t-1＋ｎＢ_t-1＋ｎＣ_t-1）、（ｎＡ_t＋ｎＢ_t）／（ｎＡ_t＋ｎＢ_t＋ｎＣ_t）を挙げたが、これに限るものではなく、最小駆動電流分割期間を少なくとも含む分割期間の第１の組と第２の組とが異なるように分割期間の組み合わせを選択すれば、他の組み合わせで比率を求めてもよい。
また、本実施の形態では、第１の発振期間ｔ−１，ｔ＋１，ｔ＋３と第２の発振期間ｔ，ｔ＋２，ｔ＋４の分割数を３としているが、分割数は２以上であればよい。

次に、演算装置９は、計数装置８のカウンタ８１によって計測されたＭＨＰの数に基づいて測定対象１２との距離を求める。一定期間におけるＭＨＰの数は測定距離に比例する。そこで、一定の計数期間におけるＭＨＰの数と距離との関係を予め求めて演算装置９のデータベース（不図示）に登録しておけば、演算装置９は、計数装置８によって計測されたＭＨＰの数に対応する距離の値をデータベースから取得することにより、測定対象１２との距離を求めることができる。

あるいは、計数期間におけるＭＨＰの数と距離との関係を示す数式を予め求めて設定しておけば、演算装置９は、計数装置８によって計測されたＭＨＰの数を数式に代入することにより、測定対象１２との距離を算出することができる。演算装置９は、以上のような処理を第１の発振期間ｔ−１，ｔ＋１，ｔ＋３毎及び第２の発振期間ｔ，ｔ＋２，ｔ＋４毎に行う。
表示装置１０は、演算装置９によって算出された測定対象１２との距離（変位）をリアルタイムで表示する。

以上のように、本実施の形態では、カウンタ８２の計数結果の比率に基づいて駆動電流の振幅制御を行うことにより、測定可能な距離が短くなり過ぎない範囲で駆動電流の振幅を大きく保つことができるので、距離の分解能の向上と測定範囲の長距離化とを両立させることができる。

なお、本実施の形態における計数装置８と演算装置９は、例えばＣＰＵ、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このようなコンピュータを動作させるためのプログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供される。ＣＰＵは、読み込んだプログラムを記憶装置に書き込み、このプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、測定対象との距離を計測する技術に適用することができる。

本発明の実施の形態となる距離計の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態における半導体レーザの発振波長の時間変化の１例を示す図である。 本発明の実施の形態における電流−電圧変換増幅器の出力電圧波形及び微分回路の出力電圧波形を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態における計数装置の構成の１例を示すブロック図である。 図４の計数装置の動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態においてレーザドライバから半導体レーザに供給される三角波駆動電流の波形を示す図である。 従来のレーザ計測器における半導体レーザの複合共振器モデルを示す図である。 半導体レーザの発振波長と内蔵フォトダイオードの出力波形との関係を示す図である。 モードホッピング現象によって不連続となった周波数の幅の大きさを示す図である。

符号の説明

１…半導体レーザ、２…フォトダイオード、３…レンズ、４…レーザドライバ、５…電流−電圧変換増幅器、６、７…微分回路、８…計数装置、９…演算装置、１０…表示装置、１１…信号抽出回路、１２…測定対象、８１，８２…カウンタ、８３…記憶部、８４…制御部。

Claims (6)

1. 測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、
   発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させるレーザドライバと、
   前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との干渉光を電気信号に変換する受光器と、
   この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える第１の計数手段と、
   この第１の計数手段の計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手段と、
   前記第１の発振期間と前記第２の発振期間のうちの各計数期間をそれぞれ分割した分割期間毎に前記干渉波形の数を数える第２の計数手段と、
   前記レーザドライバから前記半導体レーザに供給される駆動電流が最小のときの前記分割期間である最小駆動電流分割期間を少なくとも含む分割期間の第１の組における前記第２の計数手段の計数結果の総和と、前記最小駆動電流分割期間を少なくとも含む前記第１の組と異なる分割期間の第２の組における前記第２の計数手段の計数結果の総和との比率を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について求めたとき、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の両方で前記比率が所定の数値範囲外の場合に、前記比率が数値範囲内になるように前記レーザドライバを介して前記駆動電流の振幅を制御する制御手段とを有することを特徴とする距離計。
2. 測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、
   発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させるレーザドライバと、
   前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器と、
   この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える第１の計数手段と、
   この第１の計数手段の計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手段と、
   前記第１の発振期間と前記第２の発振期間のうちの各計数期間をそれぞれ分割した分割期間毎に前記干渉波形の数を数える第２の計数手段と、
   前記レーザドライバから前記半導体レーザに供給される駆動電流が最小のときの前記分割期間である最小駆動電流分割期間を少なくとも含む分割期間の第１の組における前記第２の計数手段の計数結果の総和と、前記最小駆動電流分割期間を少なくとも含む前記第１の組と異なる分割期間の第２の組における前記第２の計数手段の計数結果の総和との比率を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について求めたとき、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の両方で前記比率が所定の数値範囲外の場合に、前記比率が数値範囲内になるように前記レーザドライバを介して前記駆動電流の振幅を制御する制御手段とを有することを特徴とする距離計。
3. 請求項１又は２記載の距離計において、
   前記制御手段は、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間で前記比率が略等しい場合のみ、前記駆動電流の振幅制御を行うことを特徴とする距離計。
4. 半導体レーザを用いて測定対象にレーザ光を放射する距離計測方法において、
   発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振手順と、
   前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との干渉光を電気信号に変換する受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える第１の計数手順と、
   この第１の計数手順の計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手順と、
   前記第１の発振期間と前記第２の発振期間のうちの各計数期間をそれぞれ分割した分割期間毎に前記干渉波形の数を数える第２の計数手順と、
   レーザドライバから前記半導体レーザに供給される駆動電流が最小のときの前記分割期間である最小駆動電流分割期間を少なくとも含む分割期間の第１の組における前記第２の計数手順の計数結果の総和と、前記最小駆動電流分割期間を少なくとも含む前記第１の組と異なる分割期間の第２の組における前記第２の計数手順の計数結果の総和との比率を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について求めたとき、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の両方で前記比率が所定の数値範囲外の場合に、前記比率が数値範囲内になるように前記レーザドライバを介して前記駆動電流の振幅を制御する制御手順とを備えることを特徴とする距離計測方法。
5. 半導体レーザを用いて測定対象にレーザ光を放射する距離計測方法において、
   発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振手順と、
   前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える第１の計数手順と、
   この第１の計数手順の計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手順と、
   前記第１の発振期間と前記第２の発振期間のうちの各計数期間をそれぞれ分割した分割期間毎に前記干渉波形の数を数える第２の計数手順と、
   レーザドライバから前記半導体レーザに供給される駆動電流が最小のときの前記分割期間である最小駆動電流分割期間を少なくとも含む分割期間の第１の組における前記第２の計数手順の計数結果の総和と、前記最小駆動電流分割期間を少なくとも含む前記第１の組と異なる分割期間の第２の組における前記第２の計数手順の計数結果の総和との比率を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について求めたとき、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の両方で前記比率が所定の数値範囲外の場合に、前記比率が数値範囲内になるように前記レーザドライバを介して前記駆動電流の振幅を制御する制御手順とを備えることを特徴とする距離計測方法。
6. 請求項４又は５記載の距離計測方法において、
   前記制御手順は、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間で前記比率が略等しい場合のみ、前記駆動電流の振幅制御を行うことを特徴とする距離計測方法。

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