JP5421568B2 - 物理量センサおよび物理量計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザから放射したレーザ光と物体からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉の情報から、物体との距離や物体の速度等の物理量を計測する物理量センサおよび物理量計測方法に関するものである。

従来より、レーザによる光の干渉を利用した距離計として、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）を利用したレーザ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）。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１１に示す。図１１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。

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、測定対象１０４からの戻り光と共振器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＝ｑλ／２ ・・・（１）
式（１）において、ｑ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１２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＝ｑλ／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＝ｑλ／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１２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。
ただし、自己結合型を含め従来の干渉型計測器では、静止した測定対象との距離を計測することはできても、速度を持つ測定対象の距離を計測することはできないという問題点があった。

そこで、発明者は、静止した測定対象との距離だけでなく、測定対象の速度も計測することができる距離・速度計を提案した（特許文献１参照）。この距離・速度計の構成を図１３に示す。図１３の距離・速度計は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザ２０１と、半導体レーザ２０１の光出力を電気信号に変換するフォトダイオード２０２と、半導体レーザ２０１からの光を集光して測定対象２１０に照射すると共に、測定対象２１０からの戻り光を集光して半導体レーザ２０１に入射させるレンズ２０３と、半導体レーザ２０１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２０４と、フォトダイオード２０２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２０５と、電流−電圧変換増幅器２０５の出力電圧を２回微分する信号抽出回路２０６と、信号抽出回路２０６の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を数える計数回路２０７と、測定対象２１０との距離及び測定対象２１０の速度を算出する演算装置２０８と、演算装置２０８の算出結果を表示する表示装置２０９とを有する。

レーザドライバ２０４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２０１に供給する。これにより、半導体レーザ２０１は、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１４は、半導体レーザ２０１の発振波長の時間変化を示す図である。図１４において、Ｐ１は第１の発振期間、Ｐ２は第２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、Ｔｔは三角波の周期である。

半導体レーザ２０１から出射したレーザ光は、レンズ２０３によって集光され、測定対象２１０に入射する。測定対象２１０で反射された光は、レンズ２０３によって集光され、半導体レーザ２０１に入射する。フォトダイオード２０２は、半導体レーザ２０１の光出力を電流に変換する。電流−電圧変換増幅器２０５は、フォトダイオード２０２の出力電流を電圧に変換して増幅し、信号抽出回路２０６は、電流−電圧変換増幅器２０５の出力電圧を２回微分する。計数回路２０７は、信号抽出回路２０６の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々について数える。演算装置２０８は、半導体レーザ１の最小発振波長λａと最大発振波長λｂと第１の発振期間Ｐ１におけるＭＨＰの数と第２の発振期間Ｐ２におけるＭＨＰの数に基づいて、測定対象２１０との距離及び測定対象２１０の速度を算出する。

特開２００６−３１３０８０号公報 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

図１１に示した自己結合型の距離計によれば測定対象との距離を計測することができ、図１３に示した距離・速度計によれば、測定対象との距離と測定対象の速度を同時に計測することができる。
しかしながら、図１１、図１３に示した従来の自己結合型のレーザ計測器では、以下のような問題点があった。図１５は従来の自己結合型のレーザ計測器の問題点を説明するための図であり、計数回路２０７の計数結果の時間変化を示す図である。図１５において、Ｎｕは第１の発振期間Ｐ１の計数結果、Ｎｄは第２の発振期間Ｐ２の計数結果である。

測定対象の距離変化率が半導体レーザの発振波長変化率よりも大きい場合、計数結果Ｎｕの時間変化は、図１５の１５０で示す負側の波形が正側に折り返された形になり、同様に計数結果Ｎｄの時間変化は、図１５の１５１で示す負側の波形が正側に折り返された形になる。このような計数結果の折り返しが生じると、計数結果に誤りが生じる可能性があり、距離や速度等の物理量を誤算出する可能性があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、物理量の誤算出の可能性を低減することができる物理量センサおよび物理量計測方法を提供することを目的とする。

本発明の物理量センサは、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発振波長変調手段と、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自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手段と、この検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の情報から、前記測定対象の物理量を計測する計測手段と、前記測定対象が静止しているときの前記干渉波形の周期または調整の直前に計測された所定数の干渉波形の周期の平均が、予め規定された周期になるように、前記半導体レーザの発振波長変調の搬送波の振幅または周波数を調整する調整手段とを備え、前記計測手段は、前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、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信号抽出手段と、この信号抽出手段によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記信号抽出手段の計数結果とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とからなることを特徴とするものである。

また、本発明の物理量センサの１構成例において、前記調整手段は、前記第１の発振期間における前記干渉波形の数と前記第２の発振期間における前記干渉波形の数とが略同一のとき、このときの干渉波形の周期が予め規定された周期になるように、前記搬送波の振幅または周波数を調整することを特徴とするものである。
また、本発明の物理量センサの１構成例において、前記調整手段は、前記干渉波形の数の平均値を算出することにより前記半導体レーザと前記測定対象との平均距離に比例した干渉波形の数である距離比例個数を求める距離比例個数算出手段と、前記距離比例個数から前記干渉波形の周期を算出する周期算出手段と、この周期算出手段が算出した周期が予め規定された周期になるように、前記搬送波の振幅または周波数を調整する搬送波調整手段とからなることを特徴とするものである。
また、本発明の物理量センサの１構成例において、前記予め規定された周期は、物理量センサが処理することの可能な干渉波形の最高周波数の１／２の値に対応する周期であることを特徴とするものである。

また、本発明の物理量計測方法は、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を含む電気信号を検出する検出手順と、この検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の情報から、前記測定対象の物理量を計測する計測手順と、前記測定対象が静止しているときの前記干渉波形の周期または調整の直前に計測された所定数の干渉波形の周期の平均が、予め規定された周期になるように、前記半導体レーザの発振波長変調の搬送波の振幅または周波数を調整する調整手順とを備え、前記計測手順は、前記検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、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信号抽出手順と、この信号抽出手順によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記信号抽出手順の計数結果とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手順とからなることを特徴とするものである。

本発明によれば、半導体レーザの発振波長変調の搬送波の振幅または周波数を調整することが可能な調整手段を設けることにより、干渉波形の計数結果に折り返しが生じる可能性を低減することができ、距離や速度等の物理量を誤算出する可能性を低減することができる。

［第１の実施の形態］
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は本発明の第１の実施の形態に係る物理量センサの構成を示すブロック図である。
図１の物理量センサは、測定対象の物体１０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放射すると共に、物体１０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を駆動する発振波長変調手段となるレーザドライバ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−電圧変換増幅部５と、電流−電圧変換増幅部５の出力電圧から搬送波を除去するフィルタ部６と、フィルタ部６の出力電圧に含まれる自己結合信号であるモードホップパルス（以下、ＭＨＰとする）の数を数える信号抽出部７と、ＭＨＰの数から物体１０との距離及び物体１０の速度を算出する演算部８と、演算部８の算出結果を表示する表示部９と、半導体レーザ１の発振波長変調の搬送波の振幅または周波数を調整することが可能な調整部１１とを有する。

フォトダイオード２と電流−電圧変換増幅部５とは検出手段を構成し、信号抽出部７と演算部８とは計測手段を構成している。以下、説明容易にするために、半導体レーザ１には、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。

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Ｐ１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Ｐ２とを交互に繰り返すように駆動される。このときの半導体レーザ１の発振波長の時間変化は、図１４に示したとおりである。本実施の形態では、発振波長の最大値λｂ及び発振波長の最小値λａはそれぞれ常に一定になされており、それらの差λｂ−λａも常に一定になされている。

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、物体１０に入射する。物体１０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の内部又はその近傍に配置され、半導体レーザ１の光出力を電流に変換する。電流−電圧変換増幅部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。

フィルタ部６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る。図２（Ａ）は電流−電圧変換増幅部５の出力電圧波形を模式的に示す図、図２（Ｂ）はフィルタ部６の出力電圧波形を模式的に示す図である。これらの図は、フォトダイオード２の出力に相当する図２（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２（Ｂ）のＭＨＰ波形（干渉波形）を抽出する過程を表している。

信号抽出部７は、フィルタ部６の出力に含まれるＭＨＰの数を第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々について数える。信号抽出部７は、論理ゲートからなるカウンタを利用するものでもよいし、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）を利用してＭＨＰの周波数（すなわち単位時間あたりのＭＨＰの数）を計測するものでもよい。

次に、演算部８は、半導体レーザ１の最小発振波長λａと最大発振波長λｂと信号抽出部７が数えたＭＨＰの数に基づいて、物体１０との距離および物体１０の速度を算出する。図３は演算部８の構成の１例を示すブロック図、図４は演算部８の動作を示すフローチャートである。演算部８は、半導体レーザ１の最小発振波長λａと最大発振波長λｂとＭＨＰの数に基づいて物体１０との距離の候補値と物体１０の速度の候補値とを算出する距離・速度算出部８０と、距離・速度算出部８０で算出された距離の候補値と直前に算出された距離の候補値との差である履歴変位を算出する履歴変位算出部８１と、距離・速度算出部８０と履歴変位算出部８１の算出結果を記憶する記憶部８２と、距離・速度算出部８０と履歴変位算出部８１の算出結果に基づいて物体１０の状態を判定する状態判定部８３と、状態判定部８３の判定結果に基づいて物体１０との距離及び物体１０の速度を確定する距離・速度確定部８４とから構成される。

本実施の形態では、物体１０の状態を所定の条件を満たす微小変位状態、あるいは微小変位状態よりも動きが大きい変位状態のいずれかであるとする。発振期間Ｐ１と発振期間Ｐ２の１期間あたりの物体１０の平均変位をＶとしたとき、微小変位状態とは（λｂ−λａ）／λｂ＞Ｖ／Ｌｂを満たす状態であり（ただし、Ｌｂは時刻ｔのときの距離）、変位状態とは（λｂ−λａ）／λｂ≦Ｖ／Ｌｂを満たす状態である。

まず、演算部８の距離・速度算出部８０は、現時刻ｔにおける距離の候補値Ｌα（ｔ），Ｌβ（ｔ）と速度の候補値Ｖα（ｔ），Ｖβ（ｔ）を次式のように算出して、記憶部８２に格納する（図４ステップＳ１０）。
Ｌα（ｔ）＝λａ×λｂ×（ＭＨＰ（ｔ−１）＋ＭＨＰ（ｔ））
／｛４×（λｂ−λａ）｝ ・・・（２）
Ｌβ（ｔ）＝λａ×λｂ×（｜ＭＨＰ（ｔ−１）−ＭＨＰ（ｔ）｜）
／｛４×（λｂ−λａ）｝ ・・・（３）
Ｖα（ｔ）＝（ＭＨＰ（ｔ−１）−ＭＨＰ（ｔ））×λｂ／４ ・・・（４）
Ｖβ（ｔ）＝（ＭＨＰ（ｔ−１）＋ＭＨＰ（ｔ））×λｂ／４ ・・・（５）

式（２）〜式（５）において、ＭＨＰ（ｔ）は現時刻ｔにおいて算出されたＭＨＰの数、ＭＨＰ（ｔ−１）はＭＨＰ（ｔ）の１回前に算出されたＭＨＰの数である。例えば、ＭＨＰ（ｔ）が第１の発振期間Ｐ１の計数結果であるとすれば、ＭＨＰ（ｔ−１）は第２の発振期間Ｐ２の計数結果であり、逆にＭＨＰ（ｔ）が第２の発振期間Ｐ２の計数結果であるとすれば、ＭＨＰ（ｔ−１）は第１の発振期間Ｐ１の計数結果である。

候補値Ｌα（ｔ），Ｖα（ｔ）は物体１０が微小変位状態にあると仮定して計算した値であり、候補値Ｌβ（ｔ），Ｖβ（ｔ）は物体１０が変位状態にあると仮定して計算した値である。演算部８は、式（２）〜式（５）の計算を信号抽出部７によってＭＨＰの数が測定される時刻毎（発振期間毎）に行う。

続いて、演算部８の履歴変位算出部８１は、微小変位状態と変位状態の各々について、現時刻ｔにおける距離の候補値と、記憶部８２に格納された、直前の時刻における距離の候補値との差である履歴変位を次式のように算出して、記憶部８２に格納する（図４ステップＳ１１）。なお、式（６）、式（７）では、現時刻ｔの１回前に算出された距離の候補値をＬα（ｔ−１），Ｌβ（ｔ−１）としている。
Ｖｃａｌα（ｔ）＝Ｌα（ｔ）−Ｌα（ｔ−１） ・・・（６）
Ｖｃａｌβ（ｔ）＝Ｌβ（ｔ）−Ｌβ（ｔ−１） ・・・（７）

履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）は物体１０が微小変位状態にあると仮定して計算した値であり、履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）は物体１０が変位状態にあると仮定して計算した値である。演算部８は、式（６）〜式（７）の計算を信号抽出部７によってＭＨＰの数が測定される時刻毎に行う。なお、式（４）〜式（７）においては、物体１０が本実施の形態の距離・速度計に近づく方向を正の速度、遠ざかる方向を負の速度と定めている。
次に、演算部８の状態判定部８３は、記憶部８２に格納された式（２）〜式（７）の算出結果を用いて、物体１０の状態を判定する（図４ステップＳ１２）。

特許文献１に記載されているように、状態判定部８３は、物体１０が微小変位状態にあると仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の符号が一定で、かつ物体１０が微小変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖα（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の絶対値の平均値とが等しい場合、物体１０が微小変位状態で等速度運動していると判定する。

また、特許文献１に記載されているように、状態判定部８３は、物体１０が変位状態にあると仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の符号が一定で、かつ物体１０が変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖβ（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の絶対値の平均値とが等しい場合、物体１０が変位状態で等速度運動していると判定する。

また、特許文献１に記載されているように、状態判定部８３は、物体１０が微小変位状態にあると仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の符号がＭＨＰの数が測定される時刻毎に反転し、かつ物体１０が微小変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖα（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の絶対値の平均値とが一致しない場合、物体１０が微小変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定する。

なお、速度の候補値Ｖβ（ｔ）に着目すると、Ｖβ（ｔ）の絶対値は定数となり、この値は半導体レーザ１の波長変化率（λｂ−λａ）／λｂと等しい。そこで、状態判定部８３は、物体１０が変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖβ（ｔ）の絶対値が波長変化率と等しく、かつ物体１０が微小変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖα（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の絶対値の平均値とが一致しない場合、物体１０が微小変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定してもよい。

また、特許文献１に記載されているように、状態判定部８３は、物体１０が変位状態にあると仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の符号がＭＨＰの数が測定される時刻毎に反転し、かつ物体１０が変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖβ（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の絶対値の平均値とが一致しない場合、物体１０が変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定する。

なお、速度の候補値Ｖα（ｔ）に着目すると、Ｖα（ｔ）の絶対値は定数となり、この値は半導体レーザ１の波長変化率（λｂ−λａ）／λｂと等しい。したがって、状態判定部８３は、物体１０が微小変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖα（ｔ）の絶対値が波長変化率と等しく、かつ物体１０が変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖβ（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の絶対値の平均値とが一致しない場合、物体１０が変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定してもよい。

演算部８の距離・速度確定部８４は、状態判定部８３の判定結果に基づいて物体１０の速度及び物体１０との距離を確定する（図４ステップＳ１３）。
すなわち、距離・速度確定部８４は、物体１０が微小変位状態で等速度運動していると判定された場合、速度の候補値Ｖα（ｔ）を物体１０の速度とし、距離の候補値Ｌα（ｔ）を物体１０との距離とし、物体１０が変位状態で等速度運動していると判定された場合、速度の候補値Ｖβ（ｔ）を物体１０の速度とし、距離の候補値Ｌβ（ｔ）を物体１０との距離とする。

また、距離・速度確定部８４は、物体１０が微小変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定された場合、速度の候補値Ｖα（ｔ）を物体１０の速度とし、距離の候補値Ｌα（ｔ）を物体１０との距離とする。ただし、実際の距離は、距離の候補値Ｌα（ｔ）の平均値となる。また、距離・速度確定部８４は、物体１０が変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定された場合、速度の候補値Ｖβ（ｔ）を物体１０の速度とし、距離の候補値Ｌβ（ｔ）を物体１０との距離とする。ただし、実際の距離は、距離の候補値Ｌβ（ｔ）の平均値となる。

なお、ＭＨＰ（ｔ−１）とＭＨＰ（ｔ）の大小関係によって、Ｖβ（ｔ）は必ず正の値となり、Ｖα（ｔ）は正又は負の値のいずれかとなるが、これらの符号は物体１０の速度の向きを表現したものではない。発振波長が増加している方の半導体レーザのＭＨＰの数が、発振波長が減少している方の半導体レーザのＭＨＰの数よりも大きいとき、物体１０の速度は正方向（レーザに接近する方向）となる。

演算部８は、ステップＳ１０〜Ｓ１３の処理を、信号抽出部７によってＭＨＰの数が測定される時刻毎（発振期間毎）に行う。
表示部９は、演算部８によって算出された物体１０との距離及び物体１０の速度をリアルタイムで表示する。

次に、調整部１１は、物体１０が静止している初期設定時において、例えばオペレータによって搬送波調整指示信号が入力されたとき、レーザドライバ４を通じて三角波駆動電流の振幅（搬送波の振幅）を調整する。
図５は調整部１１の構成例を示すブロック図である。調整部１１は、２値化部１１０と、周期測定部１１１と、搬送波調整部１１２とから構成される。

図６（Ａ）〜図６（Ｄ）は調整部１１の動作を説明するための図であり、図６（Ａ）はフィルタ部６の出力電圧の波形、すなわちＭＨＰの波形を模式的に示す図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）に対応する２値化部１１０の出力を示す図、図６（Ｃ）は調整部１１に入力されるサンプリングクロックＣＬＫを示す図、図６（Ｄ）は図６（Ｂ）に対応する周期測定部１１１の測定結果を示す図である。

まず、調整部１１の２値化部１１０は、図６（Ａ）に示すフィルタ部６の出力電圧がハイレベル（Ｈ）かローレベル（Ｌ）かを判定して、図６（Ｂ）のような判定結果を出力する。このとき、２値化部１１０は、フィルタ部６の出力電圧が上昇してしきい値ＴＨ１以上になったときにハイレベルと判定し、フィルタ部６の出力電圧が下降してしきい値ＴＨ２（ＴＨ２＜ＴＨ１）以下になったときにローレベルと判定することにより、フィルタ部６の出力を２値化する。

周期測定部１１１は、２値化部１１０の出力の立ち上がりエッジの周期（すなわち、ＭＨＰの周期）を立ち上がりエッジが発生する度に測定する。このとき、周期測定部１１１は、図６（Ｃ）に示すサンプリングクロックＣＬＫの周期を１単位としてＭＨＰの周期を測定する。図６（Ｄ）の例では、周期測定部１１１は、ＭＨＰの周期としてＴα，Ｔβ，Ｔγを順次測定している。図６（Ｃ）、図６（Ｄ）から明らかなように、周期Ｔα，Ｔβ，Ｔγの大きさは、それぞれ５［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］、４［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］、２［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］である。サンプリングクロックＣＬＫの周波数は、ＭＨＰの取り得る最高周波数に対して十分に高いものとする。

搬送波調整部１１２は、物体１０が静止している初期設定時において、例えばオペレータから入力される搬送波調整指示信号に応じて、周期測定部１１１が計測したＭＨＰの周期Ｔが予め規定された周期Ｔ０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（搬送波の振幅）を調整する。ここで、予め規定された周期Ｔ０は、物理量センサが処理することのできるＭＨＰの最高周波数ｆｍａｘの１／２の値に対応する周期である（Ｔ０＝２／ｆｍａｘ）。物理量センサが処理することのできるＭＨＰの最高周波数ｆｍａｘは、物理量センサの回路（例えば電流−電圧変換増幅部５に含まれるオペアンプ）によって決まる。

図７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振幅の調整方法を説明するための図である。搬送波調整部１１２からの指示に応じて、レーザドライバ４は、駆動電流の最大値を一定値（図７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か或いは小さくすることで、駆動電流の振幅ＡＭＰを調整する。こうして、駆動電流の振幅を調整することができる。

以上のように、本実施の形態では、計測したＭＨＰの周期を予め規定された周期Ｔ０に設定することにより、物体１０の速度に関する計測のダイナミックレンジを最大にすることができ、信号抽出部７の計数結果に折り返しが生じる可能性を低減することができ、距離や速度等の物理量を誤算出する可能性を低減することができる。

なお、搬送波調整部１１２は、周期測定部１１１が計測したＭＨＰの周期Ｔが予め規定された周期Ｔ０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周波数（搬送波の周波数）を調整してもよい。
また、本実施の形態では、調整に用いるＭＨＰの周期Ｔを物体１０が静止している状態での周期としたが、これに限るものではなく、調整の直前に計測された所定数のＭＨＰの周期の移動平均を周期Ｔとして、搬送波の振幅または周波数を調整してもよい。この方法によれば、静止させることができない物体１０の場合であっても、搬送波の振幅または周波数を調整することができる。

また、調整部１１は、信号抽出部７の計数結果に基づいて物体１０が静止しているかどうかを判定するようにしてもよい。すなわち、搬送波調整部１１２は、半導体レーザ１の発振波長が増加する第１の発振期間Ｐ１におけるＭＨＰの数と発振波長が減少する第２の発振期間Ｐ２におけるＭＨＰの数とが略同一のとき、物体１０が静止していると判定し、このとき周期測定部１１１が計測したＭＨＰの周期Ｔが予め規定された周期Ｔ０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または周波数を調整してもよい。
また、本実施の形態では、物体１０との距離及び物体１０の速度の両方を計測しているが、どちらか一方だけを計測してもよいことは言うまでもない。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図８は本実施の形態の調整部１１の構成例を示すブロック図である。調整部１１は、搬送波調整部１１２ａと、信号抽出部７の計数結果等を記憶する記憶部１１３と、信号抽出部７の計数結果の平均値を算出することにより、半導体レーザ１と物体１０との平均距離に比例したＭＨＰの数（以下、距離比例個数とする）ＮＬを求める距離比例個数算出部１１４と、信号抽出部７の１回前の計数結果とこの計数結果よりも過去の計数結果を用いて算出された距離比例個数ＮＬの２倍数との大小関係に応じて信号抽出部７の最新の計数結果に正負の符号を付与する符号付与部１１５と、距離比例個数ＮＬからＭＨＰの周期を算出する周期算出部１１６とから構成される。

信号抽出部７の計数結果は、調整部１１の記憶部１１３に格納される。調整部１１の距離比例個数算出部１１４は、信号抽出部７の計数結果から距離比例個数ＮＬを求める。図９は距離比例個数算出部１１４の動作を説明するための図であり、信号抽出部７の計数結果の時間変化を示す図である。図９において、Ｎｕは第１の発振期間Ｐ１の計数結果、Ｎｄは第２の発振期間Ｐ２の計数結果である。

物体１０の距離変化率が半導体レーザ１の発振波長変化率よりも小さく、物体１０が単振動している場合、計数結果Ｎｕの時間変化と計数結果Ｎｄの時間変化は、図９に示すように互いの位相差が１８０度の正弦波形となる。特許文献１では、このときの物体１０の状態を微小変位状態としている。

図１４から明らかなように、第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２は交互に訪れるので、計数結果Ｎｕと計数結果Ｎｄも交互に現れる。計数結果Ｎｕ，Ｎｄは、距離比例個数ＮＬと物体１０の変位に比例したＭＨＰの数（以下、変位比例個数とする）ＮＶとの和もしくは差である。距離比例個数ＮＬは、図９に示した正弦波形の平均値に相当する。また、計数結果ＮｕまたはＮｄと距離比例個数ＮＬとの差が、変位比例個数ＮＶに相当する。

距離比例個数算出部１１４は、次式に示すように現時刻ｔの２回前までに計測された偶数回分の計数結果の平均値を算出することにより、距離比例個数ＮＬを算出する。
ＮＬ＝｛Ｎ（ｔ−２）＋Ｎ（ｔ−３）｝／２ ・・・（８）

式（８）において、Ｎ（ｔ−２）は現時刻ｔの２回前に計測されたＭＨＰの数Ｎであることを表し、Ｎ（ｔ−３）は現時刻ｔの３回前に計測されたＭＨＰの数Ｎであることを表している。現時刻ｔの計数結果Ｎ（ｔ）が第１の発振期間Ｐ１の計数結果Ｎｕであれば、２回前の計数結果Ｎ（ｔ−２）も第１の発振期間Ｐ１の計数結果Ｎｕであり、３回前の計数結果Ｎ（ｔ−３）は第２の発振期間Ｐ２の計数結果Ｎｄである。反対に、現時刻ｔの計数結果Ｎ（ｔ）が第２の発振期間Ｐ２の計数結果Ｎｄであれば、２回前の計数結果Ｎ（ｔ−２）も第２の発振期間Ｐ２の計数結果Ｎｄであり、３回前の計数結果Ｎ（ｔ−３）は第１の発振期間Ｐ１の計数結果Ｎｕである。

式（８）は２回分の計数結果で距離比例個数ＮＬを求める場合の式であるが、２ｍ（ｍは正の整数）回の計数結果を用いる場合、距離比例個数算出部１１４は、次式のように距離比例個数ＮＬを算出する。
ＮＬ＝｛Ｎ（ｔ−２ｍ−１）＋Ｎ（ｔ−２ｍ）＋・・・＋Ｎ（ｔ−２）｝／２ｍ
・・・（９）

ただし、式（８）、式（９）は物体１０との距離及び物体１０の速度の計測開始初期に用いる式で、途中からは式（８）の代わりに後述する符号付き計数結果を用いる次式により距離比例個数ＮＬを算出する。
ＮＬ＝｛Ｎ’（ｔ−２）＋Ｎ’（ｔ−３）｝／２ ・・・（１０）
Ｎ’（ｔ−２）は２回前の計数結果Ｎ（ｔ−２）に後述する符号付与処理を施した後の符号付き計数結果、Ｎ’（ｔ−３）は３回前の計数結果Ｎ（ｔ−３）に符号付与処理を施した後の符号付き計数結果である。式（１０）が使用されるのは、現時刻ｔの計数結果Ｎ（ｔ）がＭＨＰの数の計測開始から７回目の計数結果になったとき以降である。

また、計測開始初期に式（９）を用いる場合には、途中からは式（９）の代わりに符号付き計数結果を用いる次式により距離比例個数ＮＬを算出する。
ＮＬ＝｛Ｎ’（ｔ−２ｍ−１）＋Ｎ’（ｔ−２ｍ）＋・・・＋Ｎ’（ｔ−２）｝／２ｍ
・・・（１１）
式（１１）が使用されるのは、現時刻ｔの計数結果Ｎ（ｔ）がＭＨＰの数の計測開始から（２ｍ×２＋３）回目の計数結果になったとき以降である。

距離比例個数ＮＬは、記憶部１１３に格納される。距離比例個数算出部１１４は、以上のような距離比例個数ＮＬの算出処理を、信号抽出部７によってＭＨＰの数が測定される時刻毎（発振期間毎）に行う。
なお、距離比例個数ＮＬの算出に用いる計数結果が十分に多いときは、奇数回分の計数結果で距離比例個数ＮＬを算出してもよい。

次に、符号付与部１１５は、現時刻ｔの１回前に計測された計数結果Ｎ（ｔ−１）と距離比例個数ＮＬの２倍数２ＮＬとの大小関係に応じて信号抽出部７の計数結果Ｎ（ｔ）に正負の符号を付与する。符号付与部１１５は、具体的には以下の式を実行する。
Ｉｆ Ｎ（ｔ−１）≧２ＮＬ Ｔｈｅｎ Ｎ’（ｔ）→−Ｎ（ｔ） ・・・（１２）
Ｉｆ Ｎ（ｔ−１）＜２ＮＬ Ｔｈｅｎ Ｎ’（ｔ）→＋Ｎ（ｔ） ・・・（１３）

図１５に示したように、物体１０の距離変化率が半導体レーザ１の発振波長変化率よりも大きい場合、計数結果Ｎｕの時間変化は、図１５の１５０で示す負側の波形が正側に折り返された形になり、同様に計数結果Ｎｄの時間変化は、図１５の１５１で示す負側の波形が正側に折り返された形になる。特許文献１では、この計数結果の折り返しが生じている部分における物体１０の状態を変位状態としている。一方、計数結果の折り返しが生じていない部分における物体１０の状態は、上記の微小変位状態である。

変位状態を含む振動における物体１０の物理量を求めるためには、物体１０が変位状態であるか微小変位状態であるかを判定し、物体１０が変位状態である場合には、正側に折り返されている計数結果が図１５の１５０，１５１で示した軌跡を描くように補正する必要がある。式（１２）、式（１３）は、物体１０が変位状態であるか微小変位状態であるかを判定するための式である。図１５において計数結果の折り返しが生じている変位状態では、Ｎ（ｔ−１）≧２ＮＬが成立する。したがって、式（１２）に示すように、Ｎ（ｔ−１）≧２ＮＬが成立する場合には、信号抽出部７の現時刻ｔの計数結果Ｎ（ｔ）に負の符号を与えたものを符号付き計数結果Ｎ’（ｔ）とする。

一方、図９および図１５において計数結果の折り返しが生じていない微小変位状態では、Ｎ（ｔ−１）＜２ＮＬが成立する。したがって、式（１３）に示すように、Ｎ（ｔ−１）＜２ＮＬが成立する場合には、信号抽出部７の現時刻ｔの計数結果Ｎ（ｔ）に正の符号を与えたものを符号付き計数結果Ｎ’（ｔ）とする。

符号付き計数結果Ｎ’（ｔ）は、記憶部１１３に格納される。符号付与部１１５は、以上のような符号付与処理を、信号抽出部７によってＭＨＰの数が測定される時刻毎（発振期間毎）に行う。
なお、式（１２）の成立条件をＮ（ｔ−１）＞２ＮＬにして、式（１３）の成立条件をＮ（ｔ−１）≦２ＮＬにしてもよい。

次に、周期算出部１１６は、距離比例個数ＮＬからＭＨＰの周期Ｔを次式のように算出する。
Ｔ＝Ｃ／（２×ｆ×ＮＬ） ・・・（１４）
ここで、ｆは三角波の周波数、Ｃは光速である。

搬送波調整部１１２ａは、周期算出部１１６が算出したＭＨＰの周期Ｔが予め規定された周期Ｔ０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または周波数を調整すればよい。
本実施の形態では、静止させることができない物体１０の場合であっても、搬送波の振幅または周波数を調整することができる。ただし、本実施の形態の場合、振動している物体１０の振動周期が搬送波の周波数と比較して十分に遅い場合（例えば１／１０）に有効である。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。第１、第２の実施の形態では、ＭＨＰ波形を含む電気信号を検出する検出手段としてフォトダイオード２と電流−電圧変換増幅部５とを用いたが、フォトダイオードを使用することなくＭＨＰ波形を抽出することも可能である。図１０は本発明の第３の実施の形態に係る物理量センサの構成を示すブロック図であり、図１と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の物理量センサは、第１、第２の実施の形態のフォトダイオード２と電流−電圧変換増幅部５の代わりに、検出手段として電圧検出部１２を用いるものである。

電圧検出部１２は、半導体レーザ１の端子間電圧、すなわちアノード−カソード間電圧を検出して増幅する。半導体レーザ１から放射されたレーザ光と物体１０からの戻り光とによって干渉が生じるとき、半導体レーザ１の端子間電圧には、ＭＨＰ波形が現れる。したがって、半導体レーザ１の端子間電圧からＭＨＰ波形を抽出することが可能である。

フィルタ部６は、電圧検出部１２の出力電圧から搬送波を除去する。物理量センサのその他の構成は、第１、第２の実施の形態と同じである。
こうして、本実施の形態では、フォトダイオードを使用することなくＭＨＰ波形を抽出することができ、第１、第２の実施の形態と比較して物理量センサの部品を削減することができ、物理量センサのコストを低減することができる。また、本実施の形態では、フォトダイオードを使用しないので、外乱光による影響を除去することができる。

なお、第１〜第３の実施の形態において少なくとも信号抽出部７と演算部８と調整部１１とは、例えばＣＰＵ、メモリ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。ＣＰＵは、メモリに格納されたプログラムに従って第１〜第３の実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、半導体レーザから放射したレーザ光と物体からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉の情報から、物体の物理量を計測する技術に適用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る物理量センサの構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態における電流−電圧変換増幅部の出力電圧波形およびフィルタ部の出力電圧波形を模式的に示す波形図である。 本発明の第１の実施の形態における演算部の構成の１例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態における演算部の動作を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態における調整部の構成例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態における調整部の動作を説明するための図である。 本発明の第１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振幅の調整方法を説明するための図である。 本発明の第２の実施の形態における調整部の構成例を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態における信号抽出部の計数結果の時間変化の１例を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る物理量センサの構成を示すブロック図である。 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。 従来の距離・速度計の構成を示すブロック図である。 図１３の距離・速度計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。 従来の自己結合型のレーザ計測器の問題点を説明するための図である。

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−電圧変換増幅部、６…フィルタ部、７…信号抽出部、８…演算部、９…表示部、１０…物体、１１…調整部、１２…電圧検出部、８０…距離・速度算出部、８１…履歴変位算出部、８２…記憶部、８３…状態判定部、８４…距離・速度確定部、１１０…２値化部、１１１…周期測定部、１１２，１１２ａ…搬送波調整部、１１３…記憶部、１１４…距離比例個数算出部、１１５…符号付与部、１１６…周期算出部。

Claims (8)

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発振波長変調手段と、
   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自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手段と、
   この検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の情報から、前記測定対象の物理量を計測する計測手段と、
   前記測定対象が静止しているときの前記干渉波形の周期または調整の直前に計測された所定数の干渉波形の周期の平均が、予め規定された周期になるように、前記半導体レーザの発振波長変調の搬送波の振幅または周波数を調整する調整手段とを備え、
   前記計測手段は、
   前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、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信号抽出手段と、
   この信号抽出手段によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記信号抽出手段の計数結果とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とからなることを特徴とする物理量センサ。
2. 請求項１記載の物理量センサにおいて、
   前記調整手段は、前記第１の発振期間における前記干渉波形の数と前記第２の発振期間における前記干渉波形の数とが略同一のとき、このときの干渉波形の周期が予め規定された周期になるように、前記搬送波の振幅または周波数を調整することを特徴とする物理量センサ。
3. 請求項１記載の物理量センサにおいて、
   前記調整手段は、
   前記干渉波形の数の平均値を算出することにより前記半導体レーザと前記測定対象との平均距離に比例した干渉波形の数である距離比例個数を求める距離比例個数算出手段と、
   前記距離比例個数から前記干渉波形の周期を算出する周期算出手段と、
   この周期算出手段が算出した周期が予め規定された周期になるように、前記搬送波の振幅または周波数を調整する搬送波調整手段とからなることを特徴とする物理量センサ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の物理量センサにおいて、
   前記予め規定された周期は、物理量センサが処理することの可能な干渉波形の最高周波数の１／２の値に対応する周期であることを特徴とする物理量センサ。
5. 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を含む電気信号を検出する検出手順と、
   この検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の情報から、前記測定対象の物理量を計測する計測手順と、
   前記測定対象が静止しているときの前記干渉波形の周期または調整の直前に計測された所定数の干渉波形の周期の平均が、予め規定された周期になるように、前記半導体レーザの発振波長変調の搬送波の振幅または周波数を調整する調整手順とを備え、
   前記計測手順は、
   前記検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、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信号抽出手順と、
   この信号抽出手順によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記信号抽出手順の計数結果とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手順とからなることを特徴とする物理量計測方法。
6. 請求項５記載の物理量計測方法において、
   前記調整手順は、前記第１の発振期間における前記干渉波形の数と前記第２の発振期間における前記干渉波形の数とが略同一のとき、このときの干渉波形の周期が予め規定された周期になるように、前記搬送波の振幅または周波数を調整することを特徴とする物理量計測方法。
7. 請求項５記載の物理量計測方法において、
   前記調整手順は、
   前記干渉波形の数の平均値を算出することにより前記半導体レーザと前記測定対象との平均距離に比例した干渉波形の数である距離比例個数を求める距離比例個数算出手順と、
   前記距離比例個数から前記干渉波形の周期を算出する周期算出手順と、
   この周期算出手順で算出した周期が予め規定された周期になるように、前記搬送波の振幅または周波数を調整する搬送波調整手順とからなることを特徴とする物理量計測方法。
8. 請求項５乃至７のいずれか１項に記載の物理量計測方法において、
   前記予め規定された周期は、物理量計測方法が処理することの可能な干渉波形の最高周波数の１／２の値に対応する周期であることを特徴とする物理量計測方法。

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