JP5663130B2

JP5663130B2 - 反射型光電スイッチおよび物体検出方法

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Publication number: JP5663130B2
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Inventors: 達也上野
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Publication date: 2015-02-04
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Description

本発明は、反射型光電スイッチに係り、特に物体までの距離が所定の基準距離より遠いか近いかを検出する反射型光電スイッチおよび物体検出方法に関するものである。

従来より、反射型光電スイッチの１つとして、光電スイッチから物体までの距離が所定の基準距離より遠いか近いかを検知する距離設定反射型（Background Suppression、以下、ＢＧＳと略する）光電スイッチが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。このようなＢＧＳ光電スイッチによれば、背景を検出せずに物体のみを検出することができる。

一方、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１４に示す。図１４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１５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１５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つをモードホップパルス（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。

以上のような自己結合型のレーザ計測器を利用すれば、ＢＧＳ光電スイッチを実現することができる。ＢＧＳ光電スイッチは、所定の基準距離と比較して物体が近距離にあるか遠距離にあるかでオン／オフ判定すればよい。そこで、自己結合型のレーザ計測器をＢＧＳ光電スイッチとして用いる場合には、物体が基準距離の位置にあるときのＭＨＰの既知の基準周期に対して、測定したＭＨＰの平均周期が長いか短いかを判断すればよい。物体が基準距離の位置にあるときのＭＨＰの既知の周期に対して、測定したＭＨＰの平均周期が長い場合には、物体が基準距離よりも近距離に存在するとしてオン判定とし、また測定したＭＨＰの周期が短い場合には、物体が基準距離よりも遠距離に存在するとしてオフ判定とする。

特開昭６３−１０２１３５号公報特開昭６３−１８７２３７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

以上のように、自己結合型のレーザ計測器を利用すれば、ＢＧＳ光電スイッチを実現することができる。ただし、ＭＨＰの平均周期を単純に求めて基準周期と比較するだけでは判定精度が悪くなる。そこで、発明者が特願２００７−０１５０２０号で提案した手法を用い、ＭＨＰの周期の度数分布を求めて、中央値または最頻値等の分布の代表値を求め、この周期の分布の代表値と周期の度数分布に基づいて物体までの距離を算出し、この算出した距離を基準距離と比較すれば、判定精度を向上させることができる。しかしながら、このような方法では、メモリおよびコンピュータが必要になり、ＢＧＳ光電スイッチのコストが上昇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、自己結合型のレーザ計測器を利用して、簡単かつ安価な構成で精度の良い反射型光電スイッチを実現することを目的とする。

本発明の反射型光電スイッチは、レーザ光を放射する半導体レーザと、この半導体レーザから放射されたレーザ光と前記半導体レーザの前方に存在する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、前記物体までの距離が所定の基準距離より遠いか近いかを判定する距離判定処理手段とを備え、前記距離判定処理手段は、前記物体が前記基準距離の位置にあるときの前記干渉波形の周期を基準周期としたときに、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、前記基準周期よりも周期が長い干渉波形の数と前記基準周期よりも周期が短い干渉波形の数に分けて数える計数手段と、前記周期が長い干渉波形の数が前記周期が短い干渉波形の数よりも多い場合に、前記物体が前記基準距離よりも近距離に存在すると判定し、前記周期が短い干渉波形の数が前記周期が長い干渉波形の数よりも多い場合に、前記物体が前記基準距離よりも遠距離に存在すると判定する判定手段とからなり、前記計数手段は、前記干渉波形の立ち上がりを検出する立ち上がり検出手段と、前記干渉波形の立ち下がりを検出する立ち下がり検出手段と、前記干渉波形の立ち上がりから次の立ち上がりまでの第１の時間を測定する第１の時間測定手段と、前記干渉波形の立ち下がりから次の立ち下がりまでの第２の時間を測定する第２の時間測定手段と、前記第１の時間が前記基準周期よりも長い場合または前記第２の時間が前記基準周期よりも長い場合は、前記基準周期よりも周期が長い干渉波形の数を増やし、前記第１の時間が前記基準周期よりも短い場合または前記第２の時間が前記基準周期よりも短い場合は、前記基準周期よりも周期が短い干渉波形の数を増やす比較手段とからなることを特徴とするものである。
また、本発明の反射型光電スイッチは、レーザ光を放射する半導体レーザと、この半導体レーザから放射されたレーザ光と前記半導体レーザの前方に存在する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、前記物体までの距離が所定の基準距離より遠いか近いかを判定する距離判定処理手段とを備え、前記距離判定処理手段は、前記物体が前記基準距離の位置にあるときの前記干渉波形の半周期を基準半周期としたときに、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、前記基準半周期よりも半周期が長い干渉波形の数と前記基準半周期よりも半周期が短い干渉波形の数に分けて数える計数手段と、前記半周期が長い干渉波形の数が前記半周期が短い干渉波形の数よりも多い場合に、前記物体が前記基準距離よりも近距離に存在すると判定し、前記半周期が短い干渉波形の数が前記半周期が長い干渉波形の数よりも多い場合に、前記物体が前記基準距離よりも遠距離に存在すると判定する判定手段とからなり、前記計数手段は、前記干渉波形の立ち上がりを検出する立ち上がり検出手段と、前記干渉波形の立ち下がりを検出する立ち下がり検出手段と、前記干渉波形の立ち上がりから次の立ち下がりまでの第１の時間を測定する第１の時間測定手段と、前記干渉波形の立ち下がりから次の立ち上がりまでの第２の時間を測定する第２の時間測定手段と、前記第１の時間が前記基準半周期よりも長い場合または前記第２の時間が前記基準半周期よりも長い場合は、前記基準半周期よりも半周期が長い干渉波形の数を増やし、前記第１の時間が前記基準半周期よりも短い場合または前記第２の時間が前記基準半周期よりも短い場合は、前記基準半周期よりも半周期が短い干渉波形の数を増やす比較手段とからなることを特徴とするものである。

また、本発明の物体検出方法は、駆動電流を半導体レーザに供給して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半導体レーザの前方に存在する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、前記物体までの距離が所定の基準距離より遠いか近いかを判定する距離判定処理手順とを含み、前記距離判定処理手順は、前記物体が前記基準距離の位置にあるときの前記干渉波形の周期を基準周期としたときに、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、前記基準周期よりも周期が長い干渉波形の数と前記基準周期よりも周期が短い干渉波形の数に分けて数える計数手順と、前記周期が長い干渉波形の数が前記周期が短い干渉波形の数よりも多い場合に、前記物体が前記基準距離よりも近距離に存在すると判定し、前記周期が短い干渉波形の数が前記周期が長い干渉波形の数よりも多い場合に、前記物体が前記基準距離よりも遠距離に存在すると判定する判定手順とからなり、前記計数手順は、前記干渉波形の立ち上がりを検出する立ち上がり検出手順と、前記干渉波形の立ち下がりを検出する立ち下がり検出手順と、前記干渉波形の立ち上がりから次の立ち上がりまでの第１の時間を測定する第１の時間測定手順と、前記干渉波形の立ち下がりから次の立ち下がりまでの第２の時間を測定する第２の時間測定手順と、前記第１の時間が前記基準周期よりも長い場合または前記第２の時間が前記基準周期よりも長い場合は、前記基準周期よりも周期が長い干渉波形の数を増やし、前記第１の時間が前記基準周期よりも短い場合または前記第２の時間が前記基準周期よりも短い場合は、前記基準周期よりも周期が短い干渉波形の数を増やす比較手順とからなることを特徴とするものである。
また、本発明の物体検出方法は、駆動電流を半導体レーザに供給して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半導体レーザの前方に存在する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、前記物体までの距離が所定の基準距離より遠いか近いかを判定する距離判定処理手順とを含み、前記距離判定処理手順は、前記物体が前記基準距離の位置にあるときの前記干渉波形の半周期を基準半周期としたときに、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、前記基準半周期よりも半周期が長い干渉波形の数と前記基準半周期よりも半周期が短い干渉波形の数に分けて数える計数手順と、前記半周期が長い干渉波形の数が前記半周期が短い干渉波形の数よりも多い場合に、前記物体が前記基準距離よりも近距離に存在すると判定し、前記半周期が短い干渉波形の数が前記半周期が長い干渉波形の数よりも多い場合に、前記物体が前記基準距離よりも遠距離に存在すると判定する判定手順とからなり、前記計数手順は、前記干渉波形の立ち上がりを検出する立ち上がり検出手順と、前記干渉波形の立ち下がりを検出する立ち下がり検出手順と、前記干渉波形の立ち上がりから次の立ち下がりまでの第１の時間を測定する第１の時間測定手順と、前記干渉波形の立ち下がりから次の立ち上がりまでの第２の時間を測定する第２の時間測定手順と、前記第１の時間が前記基準半周期よりも長い場合または前記第２の時間が前記基準半周期よりも長い場合は、前記基準半周期よりも半周期が長い干渉波形の数を増やし、前記第１の時間が前記基準半周期よりも短い場合または前記第２の時間が前記基準半周期よりも短い場合は、前記基準半周期よりも半周期が短い干渉波形の数を増やす比較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、自己結合型のレーザ計測器を利用して、簡単かつ安価な構成で精度の良い反射型光電スイッチを実現することができる。

また、本発明では、計数手段を、干渉波形の立ち上がりを検出する立ち上がり検出手段と、干渉波形の立ち上がりから次の立ち上がりまでの時間を測定する時間測定手段と、干渉波形の立ち上がりから次の立ち上がりまでの時間が基準周期よりも長い場合は、基準周期よりも周期が長い干渉波形の数を増やし、干渉波形の立ち上がりから次の立ち上がりまでの時間が基準周期よりも短い場合は、基準周期よりも周期が短い干渉波形の数を増やす比較手段とから構成することにより、干渉波形の立ち上がりの検出と周期の長さの比較だけで済むので、計数手段を簡単な構成で実現することができる。

また、本発明では、計数手段を、干渉波形の立ち下がりを検出する立ち下がり検出手段と、干渉波形の立ち下がりから次の立ち下がりまでの時間を測定する時間測定手段と、干渉波形の立ち下がりから次の立ち下がりまでの時間が基準周期よりも長い場合は、基準周期よりも周期が長い干渉波形の数を増やし、干渉波形の立ち下がりから次の立ち下がりまでの時間が基準周期よりも短い場合は、基準周期よりも周期が短い干渉波形の数を増やす比較手段とから構成することにより、干渉波形の立ち下がりの検出と周期の長さの比較だけで済むので、計数手段を簡単な構成で実現することができる。

また、本発明では、計数手段を、干渉波形の立ち上がりを検出する立ち上がり検出手段と、干渉波形の立ち下がりを検出する立ち下がり検出手段と、干渉波形の立ち上がりから次の立ち上がりまでの第１の時間を測定する第１の時間測定手段と、干渉波形の立ち下がりから次の立ち下がりまでの第２の時間を測定する第２の時間測定手段と、第１の時間が基準周期よりも長い場合または第２の時間が基準周期よりも長い場合は、基準周期よりも周期が長い干渉波形の数を増やし、第１の時間が基準周期よりも短い場合または第２の時間が基準周期よりも短い場合は、基準周期よりも周期が短い干渉波形の数を増やす比較手段とから構成することにより、計数手段を簡単な構成で実現することができる。また、本発明では、計数精度を向上させることができ、物体の距離の判定精度を向上させることができる。また、本発明では、計数結果に与える半導体レーザの発振波形の過渡応答の影響を小さくすることができ、さらに干渉波形のＤＣバイアスの影響をなくすことができる。

また、本発明では、計数手段を、干渉波形の立ち上がりを検出する立ち上がり検出手段と、干渉波形の立ち下がりを検出する立ち下がり検出手段と、干渉波形の立ち上がりから次の立ち下がりまでの第１の時間を測定する第１の時間測定手段と、干渉波形の立ち下がりから次の立ち上がりまでの第２の時間を測定する第２の時間測定手段と、第１の時間が基準半周期よりも長い場合または第２の時間が基準半周期よりも長い場合は、基準半周期よりも半周期が長い干渉波形の数を増やし、第１の時間が基準半周期よりも短い場合または第２の時間が基準半周期よりも短い場合は、基準半周期よりも半周期が短い干渉波形の数を増やす比較手段とから構成することにより、計数手段を簡単な構成で実現することができる。また、本発明では、計数精度を向上させることができ、物体の距離の判定精度を向上させることができる。

［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ＢＧＳ光電スイッチの構成を示すブロック図である。
図１のＢＧＳ光電スイッチは、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ＭＨＰの数を数える計数部７と、計数部７の計数結果から物体１０が所定の基準距離よりも近距離にあるか遠距離にあるかを判定する判定部８と、判定部８の判定結果を表示する表示部９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、フィルタ部６と計数部７と判定部８とは、距離判定処理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、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。本実施の形態では、発振波長の最大値λｂおよ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３（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３（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（Ｂ）のＭＨＰ波形（干渉波形）を抽出する過程を表している。

計数部７は、フィルタ部６の出力電圧に含まれるＭＨＰの数、特に物体１０が所定の基準距離の位置にあるときのＭＨＰの既知の周期（以下、基準周期Ｔｈと呼ぶ）よりも周期が長いＭＨＰの数Ｎｌｏｎｇおよび基準周期Ｔｈよりも周期が短いＭＨＰの数Ｎｓｈｏｒｔ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。

ＭＨＰ１つあたりの距離が０．５ｍｍ、基準距離が２００ｍｍ、三角波の周波数が１ｋＨｚの場合、測定されるＭＨＰの数は、物体１０との距離［ｍｍ］／０．５［ｍｍ］となる。したがって、物体１０がＢＧＳ光電スイッチから基準距離だけ離れた位置にある場合、ＭＨＰの数は、２００［ｍｍ］／０．５［ｍｍ］＝４００［個］となる。このとき、ＭＨＰの基準周期Ｔｈは、１／（１０００×２）／４００＝１．２５［μ秒］となる。物体１０までの距離が基準距離よりも長いと、ＭＨＰの周期は基準周期Ｔｈ＝１．２５［μ秒］よりも短くなり、物体１０までの距離が基準距離よりも短いと、ＭＨＰの周期は基準周期Ｔｈ＝１．２５［μ秒］よりも長くなる。

基準距離よりも近いところに物体１０が存在する場合、ＭＨＰの周期の分布は図４の分布４０のように、基準周期Ｔｈよりも長い方にシフトする。反対に、基準距離よりも遠いところに物体１０が存在する場合、ＭＨＰの周期の分布は図４の分布４１のように、基準周期Ｔｈよりも短い方にシフトする。

判定部８は、計数部７の計数結果から物体１０が基準距離よりも近距離にあるか遠距離にあるかを判定する。すなわち、判定部８は、基準周期Ｔｈよりも周期が長いＭＨＰの数Ｎｌｏｎｇと基準周期Ｔｈよりも周期が短いＭＨＰの数Ｎｓｈｏｒｔとを比較し、Ｎｌｏｎｇ＞Ｎｓｈｏｒｔが成立する場合、物体１０が基準距離よりも近距離に存在すると判定し、Ｎｌｏｎｇ＜Ｎｓｈｏｒｔが成立する場合、物体１０が基準距離よりも遠距離に存在すると判定する。

判定部８は、以上のような判定を、計数部７がＭＨＰの数を数える計数期間（本実施の形態では第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々）ごとに行う。
表示部９は、判定部８の判定結果を表示する。

以上のように、本実施の形態では、基準周期Ｔｈよりも周期が長いＭＨＰの数Ｎｌｏｎｇと基準周期Ｔｈよりも周期が短いＭＨＰの数Ｎｓｈｏｒｔとを比較することにより、ＢＧＳ光電スイッチから物体１０までの距離（より正確には半導体レーザ１から物体１０までの距離）が基準距離より遠いか近いかを判定することができるので、簡単かつ安価な構成で精度の良いＢＧＳ光電スイッチを実現することができる。

なお、計数部７と判定部８とを、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、記憶装置に格納されたプログラムとによって実現してもよいし、ハードウェアで実現してもよい。
また、本実施の形態では、基準周期Ｔｈよりも周期が長いＭＨＰの数Ｎｌｏｎｇと基準周期Ｔｈよりも周期が短いＭＨＰの数Ｎｓｈｏｒｔとを比較しているが、基準周期の半周期Ｔｈ／２（以下、基準半周期Ｔｈ／２とする）よりも半周期が長いＭＨＰの数と基準半周期Ｔｈ／２よりも半周期が短いＭＨＰの数とを比較してもよい。基準半周期Ｔｈ／２を用いる場合については後述する。

［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。本実施の形態は、第１の実施の形態の計数部７をより具体的に説明するものである。図５は本発明の第２の実施の形態に係るＢＧＳ光電スイッチの計数部の構成を示すブロック図である。
本実施の形態の計数部７は、立ち上がり検出部７０と、立ち下がり検出部７１と、時間測定部７２，７３と、比較部７４とから構成される。

図６は本実施の形態の計数部７の動作を説明するための図であり、フィルタ部６の出力電圧波形、すなわちＭＨＰの波形を模式的に示す図である。図６において、Ｈ１はＭＨＰの立ち上がりを検出するためのしきい値、Ｈ２はＭＨＰの立ち下がりを検出するためのしきい値である。
立ち上がり検出部７０は、フィルタ部６の出力電圧をしきい値Ｈ１と比較することにより、ＭＨＰの立ち上がりを検出する。時間測定部７２は、立ち上がり検出部７０の検出結果に基づいて、ＭＨＰの立ち上がりから次の立ち上がりまでの時間ｔｕｕを測定する。時間測定部７２は、このような測定をＭＨＰの立ち上がりが検出される度に行う。

一方、立ち下がり検出部７１は、フィルタ部６の出力電圧をしきい値Ｈ２と比較することにより、ＭＨＰの立ち下がりを検出する。時間測定部７３は、立ち下がり検出部７１の検出結果に基づいて、ＭＨＰの立ち下がりから次の立ち下がりまでの時間ｔｄｄを測定する。時間測定部７３は、このような測定をＭＨＰの立ち下がりが検出される度に行う。

比較部７４は、ＭＨＰの立ち上がりから次の立ち上がりまでの時間ｔｕｕを上記の基準周期Ｔｈと比較し、時間ｔｕｕが基準周期Ｔｈよりも長い場合は、基準周期Ｔｈよりも周期が長いＭＨＰの数Ｎｌｏｎｇを１増やし、時間ｔｕｕが基準周期Ｔｈよりも短い場合は、基準周期Ｔｈよりも周期が短いＭＨＰの数Ｎｓｈｏｒｔを１増やす。比較部７４は、このような計数を時間ｔｕｕが測定される度に行う。

あるいは、比較部７４は、ＭＨＰの立ち下がりから次の立ち下がりまでの時間ｔｄｄを用いて、以下のように測定を行ってもよい。すなわち、比較部７４は、ＭＨＰの立ち下がりから次の立ち下がりまでの時間ｔｄｄを基準周期Ｔｈと比較し、時間ｔｄｄが基準周期Ｔｈよりも長い場合は、基準周期Ｔｈよりも周期が長いＭＨＰの数Ｎｌｏｎｇを１増やし、時間ｔｄｄが基準周期Ｔｈよりも短い場合は、基準周期Ｔｈよりも周期が短いＭＨＰの数Ｎｓｈｏｒｔを１増やす。比較部７４は、このような計数を時間ｔｄｄが測定される度に行う。

以上のようにして、本実施の形態の計数部７は、基準周期Ｔｈよりも周期が長いＭＨＰの数Ｎｌｏｎｇと基準周期Ｔｈよりも周期が短いＭＨＰの数Ｎｓｈｏｒｔを数えることができる。第１の実施の形態で説明したとおり、計数部７は、計数期間（第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々）ごとにＭＨＰを数える。

なお、比較部７４が時間ｔｕｕを用いる場合、立ち下がり検出部７１と時間測定部７３は必須の構成ではない。また、比較部７４が時間ｔｄｄを用いる場合、立ち上がり検出部７０と時間測定部７２は必須の構成ではない。
ＢＧＳ光電スイッチのその他の構成は、第１の実施の形態で説明したとおりである。

本実施の形態では、ＭＨＰの立ち上がり（または立ち下がり）の検出と周期の長さの比較だけで済むので、計数部７を簡単な構成で実現することができる。
ただし、本実施の形態では、以下のような問題がある。その問題とは、ＢＧＳ光電スイッチとして用いる自己結合型のレーザ計測器の場合、半導体レーザ１の発振波長を三角波状に変化させているため、三角波の頂点の過渡応答の影響を完全に除くことはできず、ＭＨＰの周期が実際よりも長めもしくは短めに計測される可能性があるので、計数結果に誤差が生じ、結果として物体１０の遠近の判定に誤りが生じる可能性があることである。

つまり、フィルタ部６は、電流−電圧変換増幅部５の出力電圧波形（変調波）から半導体レーザ１の発振波形（搬送波）を除去して、図３（Ｂ）のようなＭＨＰ波形を抽出するが、このとき、フィルタ部６の出力には、三角波の頂点のタイミングでスパイク状の過渡応答波形が現れる。この過渡応答波形のためにＭＨＰの周期の計測に誤差が生じる。

図７を用いてこの問題を説明する。図７の例では、点ＰＥが三角波の極大値のタイミングを示している。図３（Ｂ）に示したとおり、三角波の極大値のタイミングでは、フィルタ部６の出力に下向きのスパイクノイズが発生するので、図７に示すようにＭＨＰは電圧の低い方へ引きずられた波形となる。このため、ＭＨＰの立ち上がりから次の立ち上がりまでの時間ｔｕｕは本来の値よりも短くなり、ＭＨＰの立ち下がりから次の立ち下がりまでの時間ｔｄｄは本来の値よりも長くなる。このような問題は、計数部７と判定部８の動作を三角波の１周期分で行うようにすれば改善できるが、ＭＨＰにＤＣバイアスが存在する場合、三角波の極大値のタイミングの過渡応答と三角波の極小値のタイミングの過渡応答とで異なる応答になるために影響は残る。

［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。本実施の形態は、第１の実施の形態のＢＧＳ光電スイッチにおいて基準半周期Ｔｈ／２を用いる場合を説明するものである。図８は本発明の第３の実施の形態に係るＢＧＳ光電スイッチの計数部の構成を示すブロック図である。
本実施の形態の計数部７は、立ち上がり検出部７０と、立ち下がり検出部７１と、時間測定部７５，７６と、比較部７７とから構成される。

図９は本実施の形態の計数部７の動作を説明するための図であり、フィルタ部６の出力電圧波形、すなわちＭＨＰの波形を模式的に示す図である。
立ち上がり検出部７０と立ち下がり検出部７１の動作は、第２の実施の形態と同じである。

時間測定部７５は、立ち上がり検出部７０と立ち下がり検出部７１の検出結果に基づいて、ＭＨＰの立ち上がりから次の立ち下がりまでの時間ｔｕｄを測定する。時間測定部７５は、このような測定をＭＨＰの立ち上がりと立ち下がりが検出される度に行う。
一方、時間測定部７６は、立ち上がり検出部７０と立ち下がり検出部７１の検出結果に基づいて、ＭＨＰの立ち下がりから次の立ち上がりまでの時間ｔｄｕを測定する。時間測定部７６は、このような測定をＭＨＰの立ち下がりと立ち上がりが検出される度に行う。

比較部７７は、ＭＨＰの立ち上がりから次の立ち下がりまでの時間ｔｕｄおよびＭＨＰの立ち下がりから次の立ち上がりまでの時間ｔｄｕを基準半周期Ｔｈ／２と比較し、時間ｔｕｄが基準半周期Ｔｈ／２よりも長い場合あるいは時間ｔｄｕが基準半周期Ｔｈ／２よりも長い場合は、基準半周期Ｔｈ／２よりも半周期が長いＭＨＰの数Ｎｌｏｎｇを１増やし、時間ｔｕｄが基準半周期Ｔｈ／２よりも短い場合あるいは時間ｔｄｕが基準半周期Ｔｈ／２よりも短い場合は、基準半周期Ｔｈ／２よりも半周期が短いＭＨＰの数Ｎｓｈｏｒｔを１増やす。比較部７７は、このような計数を時間ｔｕｄまたはｔｄｕのどちらかが測定される度に行う。

以上のようにして、本実施の形態の計数部７は、基準半周期Ｔｈ／２よりも半周期が長いＭＨＰの数Ｎｌｏｎｇと基準半周期Ｔｈ／２よりも半周期が短いＭＨＰの数Ｎｓｈｏｒｔを数えることができる。第１の実施の形態で説明したとおり、計数部７は、計数期間（第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々）ごとにＭＨＰを数える。

本実施の形態の場合、判定部８は、基準半周期Ｔｈ／２よりも半周期が長いＭＨＰの数Ｎｌｏｎｇと基準半周期Ｔｈ／２よりも半周期が短いＭＨＰの数Ｎｓｈｏｒｔとを比較し、Ｎｌｏｎｇ＞Ｎｓｈｏｒｔが成立する場合、物体１０が基準距離よりも近距離に存在すると判定し、Ｎｌｏｎｇ＜Ｎｓｈｏｒｔが成立する場合、物体１０が基準距離よりも遠距離に存在すると判定すればよい。
ＢＧＳ光電スイッチのその他の構成は、第１の実施の形態で説明したとおりである。

本実施の形態では、第２の実施の形態の効果に加えて、計数値が２倍になるので、計数精度を向上させることができ、結果として物体１０の距離の判定精度を向上させることができる。
ただし、本実施の形態では、以下のような問題がある。その問題とは、ＭＨＰにＤＣバイアスが存在する場合、物体１０の遠近の判定が困難になることである。

図１０、図１１を用いてこの問題を説明する。図１０の例は、ＤＣバイアスのために、ＭＨＰの平均電圧が本来想定される値よりも高くなっている例を示している。図１０のように、ＭＨＰにＤＣバイアスが存在すると、立ち上がりと立ち下がりでＭＨＰが正しく１／２に分割されないため、ＭＨＰの立ち上がりから次の立ち下がりまでの時間ｔｕｄは本来の値よりも長くなり、ＭＨＰの立ち下がりから次の立ち上がりまでの時間ｔｄｕは本来の値よりも短くなる。

このため、ＭＨＰの半周期の分布は、図１１に示すように基準半周期Ｔｈ／２に対して線対称な２つの正規分布の重ね合わせになる。すなわち、基準半周期Ｔｈ／２よりも半周期が長いＭＨＰの数Ｎｌｏｎｇと基準半周期Ｔｈ／２よりも半周期が短いＭＨＰの数Ｎｓｈｏｒｔがほぼ同じになる。したがって、ＭＨＰの計数結果に誤差が生じるので、Ｎｌｏｎｇ＞Ｎｓｈｏｒｔと誤判定したり、場合によってはＮｌｏｎｇ＜Ｎｓｈｏｒｔと誤判定したりして、物体１０の遠近を正しく判定することが困難になる。

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態の計数部７をより具体的に説明するものである。本実施の形態の計数部７の構成は、第２の実施の形態と同様であるので、図５の符号を用いて説明する。
立ち上がり検出部７０と立ち下がり検出部７１と時間測定部７２，７３の動作は、第２の実施の形態と同じである。

本実施の形態の比較部７４は、ＭＨＰの立ち上がりから次の立ち上がりまでの時間ｔｕｕおよびＭＨＰの立ち下がりから次の立ち下がりまでの時間ｔｄｄを上記の基準周期Ｔｈと比較し、時間ｔｕｕが基準周期Ｔｈよりも長い場合あるいは時間ｔｄｄが基準周期Ｔｈよりも長い場合は、基準周期Ｔｈよりも周期が長いＭＨＰの数Ｎｌｏｎｇを１増やし、時間ｔｕｕが基準周期Ｔｈよりも短い場合あるいは時間ｔｄｄが基準周期Ｔｈよりも短い場合は、基準周期Ｔｈよりも周期が短いＭＨＰの数Ｎｓｈｏｒｔを１増やす。比較部７４は、このような計数を時間ｔｕｕ，ｔｄｄのどちらかが測定される度に行う。

以上のようにして、本実施の形態の計数部７は、基準周期Ｔｈよりも周期が長いＭＨＰの数Ｎｌｏｎｇと基準周期Ｔｈよりも周期が短いＭＨＰの数Ｎｓｈｏｒｔを数えることができる。第１の実施の形態で説明したとおり、計数部７は、計数期間（第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々）ごとにＭＨＰを数える。
ＢＧＳ光電スイッチのその他の構成は、第１の実施の形態で説明したとおりである。

本実施の形態では、第３の実施の形態の効果に加えて、計数結果に与える三角波の頂点の過渡応答の影響を小さくすることができ、第２の実施の形態で説明した問題を解消することができる。

図７で説明したとおり、三角波の頂点のタイミングでは、ＭＨＰは電圧の低い方へ引きずられた波形となるので、ＭＨＰの立ち上がりから次の立ち上がりまでの時間ｔｕｕは本来の値よりも短くなり、ＭＨＰの立ち下がりから次の立ち下がりまでの時間ｔｄｄは本来の値よりも長くなる。

一方、図１２の例では、点ＰＥが三角波の極小値のタイミングを示している。図３（Ｂ）に示したとおり、三角波の極小値のタイミングでは、フィルタ部６の出力に上向きのスパイクノイズが発生するので、図１２に示すようにＭＨＰは電圧の高い方へ引きずられた波形となる。このため、ＭＨＰの立ち上がりから次の立ち上がりまでの時間ｔｕｕは本来の値よりも長くなり、ＭＨＰの立ち下がりから次の立ち下がりまでの時間ｔｄｄは本来の値よりも短くなる。

図７、図１２のいずれの場合においても、過渡応答の影響で周期が本来の値よりも長い値となるＭＨＰの数と周期が本来の値よりも短い値となるＭＨＰの数とは等しい。したがって、基準周期Ｔｈよりも周期が長いＭＨＰの数Ｎｌｏｎｇと基準周期Ｔｈよりも周期が短いＭＨＰの数Ｎｓｈｏｒｔは、どちらも同じ数だけ増えたり、同じ数だけ減ったりするので、過渡応答による計数結果の変化を相殺することができ、計数結果に与える三角波の頂点の過渡応答の影響を小さくすることができる。

また、本実施の形態の場合、ＭＨＰにＤＣバイアスが存在する場合でも、ＭＨＰの立ち上がりから次の立ち上がりまでの時間ｔｕｕおよびＭＨＰの立ち下がりから次の立ち下がりまでの時間ｔｄｄは変化しないので、ＭＨＰのＤＣバイアスの影響をなくすことができ、第３の実施の形態で説明した問題を解消することができる。

［第５の実施の形態］
第１〜第４の実施の形態では、受光器であるフォトダイオードの出力信号からＭＨＰ波形を抽出していたが、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１３は本発明の第５の実施の形態に係るＢＧＳ光電スイッチ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ＢＧＳ光電スイッチは、第１〜第４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、電圧検出部１１を用いるものである。

電圧検出部１１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、第１〜第４の実施の形態と同様に、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、電圧検出部１１の出力電圧からＭＨＰ波形を抽出する。
半導体レーザ１、レーザドライバ４、計数部７、判定部８および表示部９の動作は、第１〜第４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４の実施の形態と比較してＢＧＳ光電スイッチの部品を削減することができ、ＢＧＳ光電スイッチのコストを低減することができる。

本発明は、反射型光電スイッチ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ＢＧＳ光電スイッチ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の実施の形態において物体の距離とモードホップパルスの周期の度数分布との関係を示す図である。本発明の第２の実施の形態に係るＢＧＳ光電スイッチの計数部の構成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。三角波の極大値のタイミングにおける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３の実施の形態に係るＢＧＳ光電スイッチの計数部の構成を示すブロック図である。本発明の第３の実施の形態における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３の実施の形態に係るＢＧＳ光電スイッチの計数部の問題を説明するための波形図である。本発明の第３の実施の形態においてモードホップパルスにＤＣバイアスが存在する場合のモードホップパルスの半周期の度数分布の例を示す図である。三角波の極小値のタイミングにおける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５の実施の形態に係るＢＧＳ光電スイッチ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。

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…計数部、８…判定部、９…表示部、１０…物体、１１…電圧検出部、７０…立ち上がり検出部、７１…立ち下がり検出部、７２，７３，７５，７６…時間測定部、７４，７７…比較部。

Claims

レーザ光を放射する半導体レーザと、
この半導体レーザから放射されたレーザ光と前記半導体レーザの前方に存在する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、前記物体までの距離が所定の基準距離より遠いか近いかを判定する距離判定処理手段とを備え、
前記距離判定処理手段は、
前記物体が前記基準距離の位置にあるときの前記干渉波形の周期を基準周期としたときに、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、前記基準周期よりも周期が長い干渉波形の数と前記基準周期よりも周期が短い干渉波形の数に分けて数える計数手段と、
前記周期が長い干渉波形の数が前記周期が短い干渉波形の数よりも多い場合に、前記物体が前記基準距離よりも近距離に存在すると判定し、前記周期が短い干渉波形の数が前記周期が長い干渉波形の数よりも多い場合に、前記物体が前記基準距離よりも遠距離に存在すると判定する判定手段とからなり、
前記計数手段は、
前記干渉波形の立ち上がりを検出する立ち上がり検出手段と、
前記干渉波形の立ち下がりを検出する立ち下がり検出手段と、
前記干渉波形の立ち上がりから次の立ち上がりまでの第１の時間を測定する第１の時間測定手段と、
前記干渉波形の立ち下がりから次の立ち下がりまでの第２の時間を測定する第２の時間測定手段と、
前記第１の時間が前記基準周期よりも長い場合または前記第２の時間が前記基準周期よりも長い場合は、前記基準周期よりも周期が長い干渉波形の数を増やし、前記第１の時間が前記基準周期よりも短い場合または前記第２の時間が前記基準周期よりも短い場合は、前記基準周期よりも周期が短い干渉波形の数を増やす比較手段とからなることを特徴とする反射型光電スイッチ。
レーザ光を放射する半導体レーザと、
この半導体レーザから放射されたレーザ光と前記半導体レーザの前方に存在する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、前記物体までの距離が所定の基準距離より遠いか近いかを判定する距離判定処理手段とを備え、
前記距離判定処理手段は、
前記物体が前記基準距離の位置にあるときの前記干渉波形の半周期を基準半周期としたときに、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、前記基準半周期よりも半周期が長い干渉波形の数と前記基準半周期よりも半周期が短い干渉波形の数に分けて数える計数手段と、
前記半周期が長い干渉波形の数が前記半周期が短い干渉波形の数よりも多い場合に、前記物体が前記基準距離よりも近距離に存在すると判定し、前記半周期が短い干渉波形の数が前記半周期が長い干渉波形の数よりも多い場合に、前記物体が前記基準距離よりも遠距離に存在すると判定する判定手段とからなり、
前記計数手段は、
前記干渉波形の立ち上がりを検出する立ち上がり検出手段と、
前記干渉波形の立ち下がりを検出する立ち下がり検出手段と、
前記干渉波形の立ち上がりから次の立ち下がりまでの第１の時間を測定する第１の時間測定手段と、
前記干渉波形の立ち下がりから次の立ち上がりまでの第２の時間を測定する第２の時間測定手段と、
前記第１の時間が前記基準半周期よりも長い場合または前記第２の時間が前記基準半周期よりも長い場合は、前記基準半周期よりも半周期が長い干渉波形の数を増やし、前記第１の時間が前記基準半周期よりも短い場合または前記第２の時間が前記基準半周期よりも短い場合は、前記基準半周期よりも半周期が短い干渉波形の数を増やす比較手段とからなることを特徴とする反射型光電スイッチ。
物体までの距離が所定の基準距離より遠いか近いかを検出する物体検出方法において、
駆動電流を半導体レーザに供給して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半導体レーザの前方に存在する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、前記物体までの距離が所定の基準距離より遠いか近いかを判定する距離判定処理手順とを含み、
前記距離判定処理手順は、
前記物体が前記基準距離の位置にあるときの前記干渉波形の周期を基準周期としたときに、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、前記基準周期よりも周期が長い干渉波形の数と前記基準周期よりも周期が短い干渉波形の数に分けて数える計数手順と、
前記周期が長い干渉波形の数が前記周期が短い干渉波形の数よりも多い場合に、前記物体が前記基準距離よりも近距離に存在すると判定し、前記周期が短い干渉波形の数が前記周期が長い干渉波形の数よりも多い場合に、前記物体が前記基準距離よりも遠距離に存在すると判定する判定手順とからなり、
前記計数手順は、
前記干渉波形の立ち上がりを検出する立ち上がり検出手順と、
前記干渉波形の立ち下がりを検出する立ち下がり検出手順と、
前記干渉波形の立ち上がりから次の立ち上がりまでの第１の時間を測定する第１の時間測定手順と、
前記干渉波形の立ち下がりから次の立ち下がりまでの第２の時間を測定する第２の時間測定手順と、
前記第１の時間が前記基準周期よりも長い場合または前記第２の時間が前記基準周期よりも長い場合は、前記基準周期よりも周期が長い干渉波形の数を増やし、前記第１の時間が前記基準周期よりも短い場合または前記第２の時間が前記基準周期よりも短い場合は、前記基準周期よりも周期が短い干渉波形の数を増やす比較手順とからなることを特徴とする物体検出方法。
物体までの距離が所定の基準距離より遠いか近いかを検出する物体検出方法において、
駆動電流を半導体レーザに供給して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半導体レーザの前方に存在する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、前記物体までの距離が所定の基準距離より遠いか近いかを判定する距離判定処理手順とを含み、
前記距離判定処理手順は、
前記物体が前記基準距離の位置にあるときの前記干渉波形の半周期を基準半周期としたときに、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、前記基準半周期よりも半周期が長い干渉波形の数と前記基準半周期よりも半周期が短い干渉波形の数に分けて数える計数手順と、
前記半周期が長い干渉波形の数が前記半周期が短い干渉波形の数よりも多い場合に、前記物体が前記基準距離よりも近距離に存在すると判定し、前記半周期が短い干渉波形の数が前記半周期が長い干渉波形の数よりも多い場合に、前記物体が前記基準距離よりも遠距離に存在すると判定する判定手順とからなり、
前記計数手順は、
前記干渉波形の立ち上がりを検出する立ち上がり検出手順と、
前記干渉波形の立ち下がりを検出する立ち下がり検出手順と、
前記干渉波形の立ち上がりから次の立ち下がりまでの第１の時間を測定する第１の時間測定手順と、
前記干渉波形の立ち下がりから次の立ち上がりまでの第２の時間を測定する第２の時間測定手順と、
前記第１の時間が前記基準半周期よりも長い場合または前記第２の時間が前記基準半周期よりも長い場合は、前記基準半周期よりも半周期が長い干渉波形の数を増やし、前記第１の時間が前記基準半周期よりも短い場合または前記第２の時間が前記基準半周期よりも短い場合は、前記基準半周期よりも半周期が短い干渉波形の数を増やす比較手順とからなることを特徴とする物体検出方法。