WO2011111180A1 - 物理量センサおよび物理量計測方法 - Google Patents

物理量センサおよび物理量計測方法 Download PDF

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WO2011111180A1
WO2011111180A1 PCT/JP2010/053966 JP2010053966W WO2011111180A1 WO 2011111180 A1 WO2011111180 A1 WO 2011111180A1 JP 2010053966 W JP2010053966 W JP 2010053966W WO 2011111180 A1 WO2011111180 A1 WO 2011111180A1
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physical quantity
oscillation
semiconductor laser
interference
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PCT/JP2010/053966
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達也 上野
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株式会社山武
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Definitions

  • the present invention relates to a physical quantity sensor and a physical quantity measurement method for measuring a physical quantity such as a distance to an object and a speed of an object from information on interference caused by a self-coupling effect between laser light emitted from a semiconductor laser and return light from the object. Is.
  • FIG. 11 shows a composite resonator model of an FP type (Fabry-Perot type) semiconductor laser.
  • FP type Fabry-Perot type
  • FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the oscillation wavelength and the output waveform of the photodiode 103 when the oscillation wavelength of the semiconductor laser is changed at a certain rate.
  • MHP is a phenomenon different from the mode hopping phenomenon. For example, if the number of MHPs is 10 when the distance to the measurement object 104 is L1, the number of MHPs is 5 at half the distance L2. That is, when the oscillation wavelength of the semiconductor laser is changed for a certain time, the number of MHPs changes in proportion to the measurement distance. Therefore, if the MHP is detected by the photodiode 103 and the frequency of the MHP is measured, the distance can be easily measured.
  • conventional interferometric instruments including self-coupled instruments, have the problem that they can measure the distance to a stationary measurement object, but cannot measure the distance of a measurement object with speed. .
  • the distance / speed meter of FIG. 13 condenses the light from the semiconductor laser 201 that emits laser light to the object to be measured, the photodiode 202 that converts the optical output of the semiconductor laser 201 into an electrical signal, and the light from the semiconductor laser 201.
  • a lens 203 that irradiates the measurement target 210 and collects return light from the measurement target 210 and makes it incident on the semiconductor laser 201.
  • a laser driver 204 that alternately repeats a second oscillation period in which the current continuously decreases, a current-voltage conversion amplifier 205 that converts and amplifies the output current of the photodiode 202 into a voltage, and a current-voltage conversion amplifier 205
  • Signal extraction circuit 206 that differentiates the output voltage of the signal twice and a counting circuit that counts the number of MHPs included in the output voltage of the signal extraction circuit 206 With a 07, a calculation unit 208 for calculating the distance and speed of the measurement target 210 to the measurement target 210, and a display device 209 for displaying the calculation result of the arithmetic unit 208.
  • the laser driver 204 supplies a triangular wave drive current that repeatedly increases and decreases at a constant change rate with respect to time to the semiconductor laser 201 as an injection current. Accordingly, the semiconductor laser 201 alternately repeats the first oscillation period in which the oscillation wavelength continuously increases at a constant change rate and the second oscillation period in which the oscillation wavelength continuously decreases at a constant change rate.
  • FIG. 14 is a diagram showing the change over time of the oscillation wavelength of the semiconductor laser 201.
  • P1 is the first oscillation period
  • P2 is the second oscillation period
  • ⁇ a is the minimum value of the oscillation wavelength in each period
  • ⁇ b is the maximum value of the oscillation wavelength in each period
  • Tt is the period of the triangular wave.
  • the laser light emitted from the semiconductor laser 201 is collected by the lens 203 and enters the measurement object 210.
  • the light reflected by the measurement object 210 is collected by the lens 203 and enters the semiconductor laser 201.
  • the photodiode 202 converts the optical output of the semiconductor laser 201 into a current.
  • the current-voltage conversion amplifier 205 converts the output current of the photodiode 202 into a voltage and amplifies it, and the signal extraction circuit 206 differentiates the output voltage of the current-voltage conversion amplifier 205 twice.
  • the counting circuit 207 counts the number of MHPs included in the output voltage of the signal extraction circuit 206 for each of the first oscillation period P1 and the second oscillation period P2.
  • the arithmetic unit 208 determines the distance from the measurement object 210 based on the minimum oscillation wavelength ⁇ a and the maximum oscillation wavelength ⁇ b of the semiconductor laser 1, the number of MHPs in the first oscillation period P1, and the number of MHPs in the second oscillation period P2. And the speed of the measuring object 210 is calculated.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining a problem of the conventional self-coupled laser measuring instrument, and is a diagram showing a change over time in the counting result of the counting circuit 207.
  • Nu is the counting result of the first oscillation period P1
  • Nd is the counting result of the second oscillation period P2.
  • the time change of the counting result Nu becomes a shape in which the negative waveform shown by 150 in FIG.
  • the time change of the counting result Nd takes a form in which the negative waveform indicated by 151 in FIG. 15 is folded back to the positive side.
  • an error may occur in the counting result, and a physical quantity such as a distance or a speed may be erroneously calculated.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a physical quantity sensor and a physical quantity measuring method capable of reducing the possibility of erroneous calculation of physical quantities.
  • the physical quantity sensor of the present invention includes at least a semiconductor laser that emits laser light to a measurement target, a first oscillation period that includes at least a period in which the oscillation wavelength continuously increases monotonously, and a period in which the oscillation wavelength continuously decreases monotonously.
  • Oscillation wavelength modulation means for operating the semiconductor laser so that the second oscillation period including it alternately exists, and a self-coupling effect between the laser light emitted from the semiconductor laser and the return light from the measurement target
  • Detection means for detecting an electrical signal including an interference waveform, measurement means for measuring the physical quantity of the measurement target from information on the interference waveform included in the output signal of the detection means, and a carrier wave for modulation of oscillation wavelength of the semiconductor laser
  • an adjusting means capable of adjusting the amplitude or frequency.
  • the measurement unit may calculate the number of the interference waveforms included in the output signal of the detection unit for each of the first oscillation period and the second oscillation period.
  • At least the distance from the measurement object and the speed of the measurement object from the signal extraction means to count, the minimum oscillation wavelength and the maximum oscillation wavelength in the period of counting the number of interference waveforms by the signal extraction means, and the counting result of the signal extraction means It is characterized by comprising computing means for calculating one of them.
  • the adjustment unit may be an average of a period of the interference waveform when the measurement object is stationary or a period of a predetermined number of interference waveforms measured immediately before the adjustment. Is characterized by adjusting the amplitude or frequency of the carrier wave so as to have a predetermined period. Further, in one configuration example of the physical quantity sensor of the present invention, the adjustment unit is configured such that the number of the interference waveforms in the first oscillation period and the number of the interference waveforms in the second oscillation period are substantially the same. The amplitude or frequency of the carrier wave is adjusted so that the period of the interference waveform at this time becomes a predetermined period.
  • the adjusting means calculates the average value of the number of interference waveforms, thereby calculating the number of interference waveforms proportional to the average distance between the semiconductor laser and the measurement target.
  • a distance proportional number calculating means for obtaining a certain distance proportional number, a period calculating means for calculating the period of the interference waveform from the distance proportional number, and a period calculated by the period calculating means to be a predetermined period. It comprises carrier wave adjusting means for adjusting the amplitude or frequency of the carrier wave.
  • the predetermined period is a period corresponding to a value that is 1 ⁇ 2 of the maximum frequency of the interference waveform that can be processed by the physical quantity sensor. It is what.
  • the first oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously increases monotonously and the second oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously decreases monotonically are alternated.
  • An oscillation procedure for operating the semiconductor laser to exist in a detection procedure, and a detection procedure for detecting an electrical signal including an interference waveform caused by a self-coupling effect between the laser light emitted from the semiconductor laser and the return light from the measurement object From the interference waveform information contained in the output signal obtained by this detection procedure, it is possible to adjust the measurement procedure for measuring the physical quantity of the measurement target and the amplitude or frequency of the oscillation wavelength modulation carrier wave of the semiconductor laser And an adjustment procedure.
  • an adjustment means capable of adjusting the amplitude or frequency of the carrier wave of the oscillation wavelength modulation of the semiconductor laser, it is possible to reduce the possibility that the interference waveform count result will be folded, The possibility of miscalculating physical quantities such as distance and speed can be reduced.
  • FIG. 4 is a waveform diagram schematically showing an output voltage waveform of a current-voltage conversion amplification unit and an output voltage waveform of a filter unit in the first embodiment of the present invention. It is a block diagram which shows an example of a structure of the calculating part in the 1st Embodiment of this invention. It is a flowchart which shows operation
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a physical quantity sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • the physical quantity sensor in FIG. 1 condenses the light from the semiconductor laser 1 that emits laser light to the object 10 to be measured, the photodiode 2 that converts the light output of the semiconductor laser 1 into an electrical signal, and the light from the semiconductor laser 1.
  • the lens 3 that collects the return light from the object 10 and makes it incident on the semiconductor laser 1, the laser driver 4 that serves as an oscillation wavelength modulation means for driving the semiconductor laser 1, and the output current of the photodiode 2
  • a current-voltage conversion amplification unit 5 that converts and amplifies the voltage
  • a filter unit 6 that removes a carrier wave from the output voltage of the current-voltage conversion amplification unit 5, and a self-coupled signal included in the output voltage of the filter unit 6
  • a signal extraction unit 7 that counts the number of mode hop pulses (hereinafter referred to as MHP), a calculation unit 8 that calculates the distance to the object 10 and the speed of the object 10 from the number of MHPs, and a calculation unit 8
  • a calculation result display unit 9 for displaying, and an adjustment section 11 capable of adjusting the amplitude or frequency of the oscillation wavelength modulation of a carrier of the semiconductor laser 1.
  • the photodiode 2 and the current-voltage conversion amplification unit 5 constitute detection means, and the signal extraction unit 7 and the calculation unit 8 constitute measurement means.
  • a semiconductor laser 1 of a type that does not have a mode hopping phenomenon VCSEL type, DFB laser type
  • the laser driver 4 supplies the semiconductor laser 1 with a triangular wave drive current that repeatedly increases and decreases at a constant rate of change as an injection current.
  • the semiconductor laser 1 has a first oscillation period P1 in which the oscillation wavelength continuously increases at a constant change rate in proportion to the magnitude of the injection current, and the oscillation wavelength continuously decreases at a constant change rate. It is driven to alternately repeat the second oscillation period P2.
  • the time change of the oscillation wavelength of the semiconductor laser 1 at this time is as shown in FIG.
  • the maximum value ⁇ b of the oscillation wavelength and the minimum value ⁇ a of the oscillation wavelength are always constant, and the difference ⁇ b ⁇ a is also always constant.
  • the laser light emitted from the semiconductor laser 1 is condensed by the lens 3 and enters the object 10.
  • the light reflected by the object 10 is collected by the lens 3 and enters the semiconductor laser 1.
  • condensing by the lens 3 is not essential.
  • the photodiode 2 is disposed in the semiconductor laser 1 or in the vicinity thereof, and converts the optical output of the semiconductor laser 1 into a current.
  • the current-voltage conversion amplification unit 5 converts the output current of the photodiode 2 into a voltage and amplifies it.
  • the filter unit 6 has a function of extracting a superimposed signal from the modulated wave.
  • FIG. 2A is a diagram schematically showing an output voltage waveform of the current-voltage conversion amplification unit 5
  • FIG. 2B is a diagram schematically showing an output voltage waveform of the filter unit 6.
  • the signal extraction unit 7 counts the number of MHPs included in the output of the filter unit 6 for each of the first oscillation period P1 and the second oscillation period P2.
  • the signal extraction unit 7 may use a counter composed of logic gates, or may measure the frequency of MHP (that is, the number of MHPs per unit time) using FFT (Fast Fourier Transform).
  • the calculation unit 8 calculates the distance to the object 10 and the speed of the object 10 based on the minimum oscillation wavelength ⁇ a and the maximum oscillation wavelength ⁇ b of the semiconductor laser 1 and the number of MHPs counted by the signal extraction unit 7.
  • FIG. 3 is a block diagram showing an example of the configuration of the calculation unit 8
  • FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the calculation unit 8.
  • the calculation unit 8 calculates a distance / speed calculation unit that calculates a candidate value for the distance to the object 10 and a candidate value for the speed of the object 10 based on the minimum oscillation wavelength ⁇ a, the maximum oscillation wavelength ⁇ b, and the number of MHPs of the semiconductor laser 1.
  • a history displacement calculation unit 81 that calculates a history displacement that is a difference between the distance candidate value calculated by the distance / speed calculation unit 80 and the distance candidate value calculated immediately before, and a distance / speed calculation unit 80
  • a storage unit 82 that stores the calculation results of the history displacement calculation unit 81
  • a state determination unit 83 that determines the state of the object 10 based on the calculation results of the distance / speed calculation unit 80 and the history displacement calculation unit 81
  • the distance / speed determination unit 84 determines the distance to the object 10 and the speed of the object 10 based on the determination result of the unit 83.
  • the state of the object 10 is either a minute displacement state that satisfies a predetermined condition or a displacement state that moves more than the minute displacement state.
  • the minute displacement state is a state satisfying ( ⁇ b ⁇ a) / ⁇ b> V / Lb (where Lb is time (distance at time t), the displacement state is a state satisfying ( ⁇ b ⁇ a) / ⁇ b ⁇ V / Lb.
  • the distance / speed calculation unit 80 of the calculation unit 8 calculates the distance candidate values L ⁇ (t) and L ⁇ (t) and the speed candidate values V ⁇ (t) and V ⁇ (t) at the current time t as follows: And stored in the storage unit 82 (step S10 in FIG. 4).
  • MHP (t) is the number of MHPs calculated at the current time t
  • MHP (t ⁇ 1) is the number of MHPs calculated one time before MHP (t). is there.
  • MHP (t) is the counting result of the first oscillation period P1
  • MHP (t ⁇ 1) is the counting result of the second oscillation period P2
  • MHP (t) is the second counting period. If the result is the counting result of the oscillation period P2, the MHP (t ⁇ 1) is the counting result of the first oscillation period P1.
  • the candidate values L ⁇ (t) and V ⁇ (t) are values calculated on the assumption that the object 10 is in a minute displacement state, and the candidate values L ⁇ (t) and V ⁇ (t) are obtained when the object 10 is in a displacement state. This is a calculated value.
  • the calculation unit 8 performs calculations of Expressions (2) to (5) at each time (every oscillation period) when the number of MHPs is measured by the signal extraction unit 7.
  • the history displacement calculation unit 81 of the calculation unit 8 for each of the minute displacement state and the displacement state, the distance candidate value at the current time t and the distance candidate value at the previous time stored in the storage unit 82 is calculated as follows and stored in the storage unit 82 (step S11 in FIG. 4).
  • the candidate distance values calculated one time before the current time t are L ⁇ (t ⁇ 1) and L ⁇ (t ⁇ 1).
  • the history displacement Vcal ⁇ (t) is a value calculated on the assumption that the object 10 is in a minute displacement state
  • the history displacement Vcal ⁇ (t) is a value calculated on the assumption that the object 10 is in a displacement state.
  • the calculation unit 8 performs the calculations of Expressions (6) to (7) at each time when the number of MHPs is measured by the signal extraction unit 7. In the equations (4) to (7), the direction in which the object 10 approaches the distance / velocity meter of this embodiment is defined as a positive velocity, and the direction in which the object 10 moves away is defined as a negative velocity.
  • the state determination unit 83 of the calculation unit 8 determines the state of the object 10 using the calculation results of the expressions (2) to (7) stored in the storage unit 82 (step S12 in FIG. 4).
  • the state determination unit 83 has a constant sign of the history displacement Vcal ⁇ (t) calculated on the assumption that the object 10 is in a minute displacement state, and the object 10 is in a minute displacement state. If the velocity candidate value V ⁇ (t) calculated on the assumption that the velocity is equal to the average value of the absolute values of the history displacement Vcal ⁇ (t) is equal, it is determined that the object 10 is moving at a constant velocity in a minute displacement state. .
  • the state determination unit 83 has a constant sign of the history displacement Vcal ⁇ (t) calculated on the assumption that the object 10 is in the displacement state, and the object 10 is in the displacement state. If the velocity candidate value V ⁇ (t) calculated on the assumption that the average displacement is equal to the absolute value of the absolute value of the history displacement Vcal ⁇ (t), it is determined that the object 10 is moving at a constant velocity in the displacement state.
  • the state determination unit 83 measures the number of MHPs with the sign of the history displacement Vcal ⁇ (t) calculated on the assumption that the object 10 is in a minute displacement state.
  • the object 10 is It is determined that a movement other than a constant speed movement is performed in a minute displacement state.
  • the state determination unit 83 assumes that the absolute value of the velocity candidate value V ⁇ (t) calculated on the assumption that the object 10 is in the displacement state is equal to the wavelength change rate, and that the object 10 is in the minute displacement state. If the velocity candidate value V ⁇ (t) calculated in this way and the average value of the absolute values of the history displacement Vcal ⁇ (t) do not match, it is determined that the object 10 is moving in a minute displacement state other than the constant velocity motion. May be.
  • the state determination unit 83 calculates the number of MHPs at which the sign of the history displacement Vcal ⁇ (t) calculated on the assumption that the object 10 is in the displacement state is measured.
  • the velocity candidate value V ⁇ (t) calculated on the assumption that the object 10 is in the displacement state does not match the average value of the absolute values of the history displacement Vcal ⁇ (t)
  • the object 10 is in the displacement state. It is determined that the person is exercising other than the uniform speed movement.
  • the state determination unit 83 assumes that the absolute value of the velocity candidate value V ⁇ (t) calculated on the assumption that the object 10 is in the minute displacement state is equal to the wavelength change rate, and that the object 10 is in the displacement state. If the calculated velocity candidate value V ⁇ (t) and the average value of the history displacement Vcal ⁇ (t) do not coincide with each other, it is determined that the object 10 is moving in a displaced state other than the uniform velocity motion. May be.
  • the distance / speed determination unit 84 of the calculation unit 8 determines the speed of the object 10 and the distance to the object 10 based on the determination result of the state determination unit 83 (step S13 in FIG. 4). That is, when it is determined that the object 10 is moving at a constant speed in a minute displacement state, the distance / speed determining unit 84 sets the speed candidate value V ⁇ (t) as the speed of the object 10 and uses the distance candidate value L ⁇ ( t) is a distance from the object 10, and when it is determined that the object 10 is moving at a constant speed in a displaced state, the velocity candidate value V ⁇ (t) is the velocity of the object 10, and the distance candidate value L ⁇ (t ) Is the distance to the object 10.
  • the distance / speed determination unit 84 determines that the object 10 is moving in a minute displacement state other than the constant speed movement, the distance / speed determination unit 84 sets the speed candidate value V ⁇ (t) as the speed of the object 10 and sets the distance
  • the candidate value L ⁇ (t) is set as the distance from the object 10.
  • the actual distance is an average value of the distance candidate values L ⁇ (t).
  • the distance / speed determination unit 84 sets the speed candidate value V ⁇ (t) as the speed of the object 10 and uses the distance candidate.
  • the value L ⁇ (t) is the distance from the object 10.
  • the actual distance is an average value of the distance candidate values L ⁇ (t).
  • V ⁇ (t) is always a positive value and V ⁇ (t) is either a positive value or a negative value due to the magnitude relationship between MHP (t ⁇ 1) and MHP (t). It is not a representation of 10 speed directions.
  • the speed of the object 10 is positive (direction approaching the laser).
  • the calculation unit 8 performs the processing of steps S10 to S13 at every time (every oscillation period) when the number of MHPs is measured by the signal extraction unit 7.
  • the display unit 9 displays the distance to the object 10 and the speed of the object 10 calculated by the calculation unit 8 in real time.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration example of the adjustment unit 11.
  • the adjustment unit 11 includes a binarization unit 110, a period measurement unit 111, and a carrier wave adjustment unit 112.
  • FIGS. 6A to 6D are diagrams for explaining the operation of the adjusting unit 11, and FIG. 6A schematically shows the waveform of the output voltage of the filter unit 6, that is, the waveform of MHP.
  • 6B is a diagram illustrating an output of the binarization unit 110 corresponding to FIG. 6A
  • FIG. 6C is a diagram illustrating a sampling clock CLK input to the adjustment unit 11
  • FIG. 6D is a diagram illustrating a measurement result of the period measurement unit 111 corresponding to FIG.
  • the binarization unit 110 of the adjustment unit 11 determines whether the output voltage of the filter unit 6 illustrated in FIG. 6A is a high level (H) or a low level (L), and the binarization unit 110 illustrated in FIG. Such a determination result is output. At this time, the binarizing unit 110 determines that the output voltage of the filter unit 6 is high level when the output voltage of the filter unit 6 increases to be equal to or higher than the threshold value TH1, and the output voltage of the filter unit 6 decreases to decrease the threshold value TH2. By determining that the level is low when (TH2 ⁇ TH1) or less, the output of the filter unit 6 is binarized.
  • the cycle measuring unit 111 measures the cycle of the rising edge of the output of the binarizing unit 110 (that is, the MHP cycle) every time a rising edge occurs. At this time, the period measuring unit 111 measures the MHP period with the period of the sampling clock CLK shown in FIG. 6C as one unit. In the example of FIG. 6D, the period measurement unit 111 sequentially measures T ⁇ , T ⁇ , and T ⁇ as the MHP period. As is apparent from FIGS. 6C and 6D, the sizes of the periods T ⁇ , T ⁇ , and T ⁇ are 5 [samplings], 4 [samplings], and 2 [samplings], respectively. The frequency of the sampling clock CLK is assumed to be sufficiently higher than the highest frequency that the MHP can take.
  • the carrier wave adjustment unit 112 at the time of initial setting when the object 10 is stationary, for example, according to a carrier wave adjustment instruction signal input from an operator, the period T0 in which the MHP cycle T measured by the cycle measurement unit 111 is defined in advance.
  • the amplitude of the triangular wave drive current (the amplitude of the carrier wave) is adjusted through the laser driver 4.
  • the maximum frequency fmax of the MHP that can be processed by the physical quantity sensor is determined by a circuit of the physical quantity sensor (for example, an operational amplifier included in the current-voltage conversion amplification unit 5).
  • FIG. 7 is a diagram for explaining a method of adjusting the amplitude of the triangular wave drive current supplied from the laser driver 4 to the semiconductor laser 1.
  • the laser driver 4 drives the maximum drive current while fixing the maximum value to a constant value (in the example of FIG. 7, the upper limit CL of the drive current defined by the semiconductor laser 1).
  • the amplitude AMP of the drive current is adjusted by increasing or decreasing the minimum value of the current. In this way, the amplitude of the drive current can be adjusted.
  • the measurement dynamic range related to the speed of the object 10 can be maximized by setting the cycle of the measured MHP to a predetermined cycle T0, and the signal extraction unit 7
  • the possibility that aliasing will occur in the counting result can be reduced, and the possibility of miscalculating physical quantities such as distance and speed can be reduced.
  • the carrier wave adjustment unit 112 adjusts the frequency of the triangular wave drive current (carrier wave frequency) through the laser driver 4 so that the MHP cycle T measured by the cycle measurement unit 111 becomes a predetermined cycle T0. Good.
  • the period T of the MHP used for adjustment is the period when the object 10 is stationary.
  • the present invention is not limited to this, and a predetermined number of MHPs measured immediately before the adjustment are used.
  • the amplitude or frequency of the carrier wave may be adjusted using the moving average of the period as the period T. According to this method, even in the case of the object 10 that cannot be stationary, the amplitude or frequency of the carrier wave can be adjusted.
  • the adjustment unit 11 may determine whether the object 10 is stationary based on the count result of the signal extraction unit 7. That is, the carrier wave adjustment unit 112 is configured such that the number of MHPs in the first oscillation period P1 in which the oscillation wavelength of the semiconductor laser 1 increases is substantially the same as the number of MHPs in the second oscillation period P2 in which the oscillation wavelength decreases. It is determined that the object 10 is stationary, and the amplitude or frequency of the triangular wave drive current is adjusted through the laser driver 4 so that the MHP period T measured by the period measurement unit 111 at this time becomes a predetermined period T0. May be. Moreover, in this Embodiment, although both the distance with the object 10 and the speed of the object 10 are measured, it cannot be overemphasized that either one may be measured.
  • FIG. 8 is a block diagram illustrating a configuration example of the adjustment unit 11 according to the present embodiment.
  • the adjustment unit 11 calculates the average value of the count results of the carrier extraction unit 112a, the count result of the signal extraction unit 7, and the count result of the signal extraction unit 7, so that the semiconductor laser 1 and the object 10
  • the distance proportional number calculation unit 114 for obtaining the number of MHPs proportional to the average distance (hereinafter referred to as distance proportional number) NL, the count result of the signal extraction unit 7 one time before, and a past count result from this count result
  • the sign adding unit 115 for adding a positive or negative sign to the latest count result of the signal extraction unit 7 in accordance with the magnitude relationship with the double of the distance proportional number NL calculated by using the distance proportional number NL and the period of MHP from the distance proportional number NL
  • a cycle calculating unit 116 for calculating
  • the count result of the signal extraction unit 7 is stored in the storage unit 113 of the adjustment unit 11.
  • the distance proportional number calculation unit 114 of the adjustment unit 11 obtains the distance proportional number NL from the count result of the signal extraction unit 7.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the operation of the distance proportional number calculation unit 114, and is a diagram illustrating the time change of the counting result of the signal extraction unit 7.
  • Nu is the counting result of the first oscillation period P1
  • Nd is the counting result of the second oscillation period P2.
  • the counting results Nu and Nd are the sum or difference of the distance proportional number NL and the number of MHPs proportional to the displacement of the object 10 (hereinafter referred to as the displacement proportional number) NV.
  • the distance proportional number NL corresponds to the average value of the sine waveform shown in FIG.
  • the difference between the counting result Nu or Nd and the distance proportional number NL corresponds to the displacement proportional number NV.
  • the distance proportional number calculation unit 114 calculates the distance proportional number NL by calculating the average value of the counting results for the even number of times measured up to two times before the current time t as shown in the following equation.
  • N (t-2) represents the number N of MHPs measured two times before the current time t
  • N (t-3) is measured three times before the current time t. This indicates that the number of MHPs is N.
  • the count result N (t) at the current time t is the count result Nu of the first oscillation period P1
  • the count result N (t-2) two times before is also the count result Nu of the first oscillation period P1.
  • the count result N (t ⁇ 3) three times before is the count result Nd in the second oscillation period P2.
  • the count result N (t-2) two times before is also the count result of the second oscillation period P2.
  • Nd, and the count result N (t ⁇ 3) is the count result Nu in the first oscillation period P1.
  • Expression (8) is an expression when the distance proportional number NL is obtained from the count results for two times. However, when the count result of 2m (m is a positive integer) is used, the distance proportional number calculation unit 114 uses the following formula. The distance proportional number NL is calculated as follows.
  • Expressions (8) and (9) are expressions used at the beginning of measurement of the distance to the object 10 and the speed of the object 10, and from the middle, a signed count result described later is used instead of Expression (8).
  • the distance proportional number NL is calculated from the equation.
  • N ′ (t ⁇ 2) is a count result with a sign obtained after performing a later-described code addition process on the count result N (t ⁇ 2) two times before
  • N ′ (t ⁇ 3) is a count result three times before. This is a signed count result after applying a sign providing process to N (t ⁇ 3).
  • Expression (10) is used after the count result N (t) at the current time t becomes the seventh count result from the start of the measurement of the number of MHPs.
  • the distance proportional number NL is calculated by the following equation using a signed count result instead of the equation (9) from the middle.
  • Expression (11) is used after the count result N (t) at the current time t becomes the (2m ⁇ 2 + 3) th count result from the start of the measurement of the number of MHPs.
  • the distance proportional number NL is stored in the storage unit 113.
  • the distance proportional number calculation unit 114 performs the calculation process of the distance proportional number NL as described above at each time (every oscillation period) when the number of MHPs is measured by the signal extraction unit 7.
  • the distance proportional number NL may be calculated from the odd number of count results.
  • the code assigning unit 115 counts the signal extraction unit 7 according to the magnitude relationship between the count result N (t ⁇ 1) measured one time before the current time t and the multiple 2NL of the distance proportional number NL. A positive or negative sign is assigned to the result N (t). Specifically, the sign assigning unit 115 executes the following expression.
  • the time change of the counting result Nu is that the negative waveform indicated by 150 in FIG.
  • the time change of the counting result Nd becomes a shape in which the negative waveform indicated by 151 in FIG. 15 is folded back to the positive side.
  • the state of the object 10 in the portion where the counting result is folded is defined as the displacement state.
  • the state of the object 10 in the portion where the counting result is not folded is the above-described minute displacement state.
  • Expressions (12) and (13) are expressions for determining whether the object 10 is in a displacement state or a minute displacement state.
  • N (t ⁇ 1) ⁇ 2NL is established in the displacement state in which the counting result is folded. Therefore, as shown in Expression (12), when N (t ⁇ 1) ⁇ 2NL is established, the count result N (t) of the current time t of the signal extraction unit 7 is given a negative sign.
  • the signed count result is N ′ (t).
  • N (t ⁇ 1) ⁇ 2NL is established in the minute displacement state where the counting result is not folded in FIGS. 9 and 15. Therefore, as shown in Equation (13), when N (t ⁇ 1) ⁇ 2NL is satisfied, the count result N (t) at the current time t of the signal extraction unit 7 is given a positive sign.
  • the signed count result is N ′ (t).
  • the signed count result N ′ (t) is stored in the storage unit 113.
  • the code assigning unit 115 performs the above-described code assigning process at each time (every oscillation period) when the number of MHPs is measured by the signal extracting unit 7. It should be noted that the condition for establishing equation (12) may be N (t ⁇ 1)> 2NL, and the condition for establishing equation (13) may be N (t ⁇ 1) ⁇ 2NL.
  • the period calculation unit 116 calculates the MHP period T from the distance proportional number NL as in the following equation.
  • T C / (2 ⁇ f ⁇ NL) (14)
  • f is the frequency of the triangular wave
  • C is the speed of light.
  • the carrier wave adjustment unit 112a may adjust the amplitude or frequency of the triangular wave drive current through the laser driver 4 so that the MHP cycle T calculated by the cycle calculation unit 116 becomes a predetermined cycle T0.
  • the amplitude or frequency of the carrier wave can be adjusted even in the case of the object 10 that cannot be stationary.
  • the present embodiment is effective when the vibration period of the vibrating object 10 is sufficiently slower than the frequency of the carrier wave (for example, 1/10).
  • FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a physical quantity sensor according to the third embodiment of the present invention. The same reference numerals are given to the same configurations as those in FIG.
  • the physical quantity sensor according to the present embodiment uses a voltage detection unit 12 as detection means instead of the photodiode 2 and the current-voltage conversion amplification unit 5 according to the first and second embodiments.
  • the voltage detector 12 detects and amplifies the voltage between the terminals of the semiconductor laser 1, that is, the anode-cathode voltage.
  • the anode-cathode voltage When interference occurs between the laser light emitted from the semiconductor laser 1 and the return light from the object 10, an MHP waveform appears in the voltage between the terminals of the semiconductor laser 1. Therefore, it is possible to extract the MHP waveform from the voltage between the terminals of the semiconductor laser 1.
  • the filter unit 6 removes the carrier wave from the output voltage of the voltage detection unit 12.
  • Other configurations of the physical quantity sensor are the same as those in the first and second embodiments.
  • an MHP waveform can be extracted without using a photodiode, and the physical quantity sensor components can be reduced as compared with the first and second embodiments. The cost can be reduced.
  • no photodiode since no photodiode is used, the influence of disturbance light can be eliminated.
  • At least the signal extraction unit 7, the calculation unit 8, and the adjustment unit 11 are realized by, for example, a computer having a CPU, a memory, and an interface, and a program for controlling these hardware resources. can do.
  • the CPU executes the processes described in the first to third embodiments according to the program stored in the memory.
  • the present invention can be applied to a technique for measuring a physical quantity of an object from information on interference caused by a self-coupling effect between laser light emitted from a semiconductor laser and return light from the object.
  • SYMBOLS 1 Semiconductor laser, 2 ... Photodiode, 3 ... Lens, 4 ... Laser driver, 5 ... Current-voltage conversion amplification part, 6 ... Filter part, 7 ... Signal extraction part, 8 ... Calculation part, 9 ... Display part, 10 ... object, 11 ... adjustment part, 12 ... voltage detection part, 80 ... distance / speed calculation part, 81 ... history displacement calculation part, 82 ... storage part, 83 ... state determination part, 84 ... distance / speed determination part, 110 ... Binarization unit, 111... Period measurement unit, 112, 112a ... carrier wave adjustment unit, 113 ... storage unit, 114 ... distance proportional number calculation unit, 115 ... sign addition unit, 116 ... cycle calculation unit.

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Abstract

【課題】物理量の誤算出の可能性を低減する。 【解決手段】物理量センサは、物体１０にレーザ光を放射する半導体レーザ１と、発振波長が増加する第１の発振期間と発振波長が減少する第２の発振期間とが交互に存在するように半導体レーザ１を動作させるレーザドライバ４と、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フォトダイオード２および電流－電圧変換増幅部５と、電流－電圧変換増幅部５の出力信号に含まれる干渉波形の数を数える信号抽出部７と、干渉波形の数から物体１０との距離及び物体１０の速度を算出する演算部８と、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とを備える。

Description

物理量センサおよび物理量計測方法
　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、半導体レーザ１０１、半導体結晶の壁開面１０２、フォトダイオード１０３、測定対象１０４が示されている。
　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とを備え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一構成例において、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一構成例において、前記調整手段は、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一構成例において、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一構成例において、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一構成例において、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順とを備え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。
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一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一例を示す図である。 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一例を示す図である。 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。
［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）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　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。
　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 (16)

  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と、
    を備える物理量センサ。
  2. 　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、
    請求項１記載の物理量センサ。
  3. 前記調整手段は、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、前記搬送波の振幅または周波数を調整する、
    請求項１または２記載の物理量センサ。
  4. 　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、
    請求項１または２記載の物理量センサ。
  5. 　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、
    請求項１または２記載の物理量センサ。
  6. 　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、
    請求項３記載の物理量センサ。
  7. 　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、
    請求項４記載の物理量センサ。
  8. 　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、
    請求項５記載の物理量センサ。
  9. 　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順と、
    を備える物理量計測方法。
  10. 　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、
    請求項９記載の物理量計測方法。
  11. 　前記調整手順は、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、前記搬送波の振幅または周波数を調整する、
    請求項９または１０記載の物理量計測方法。
  12. 　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、
    請求項９または１０記載の物理量計測方法。
  13. 　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、
    請求項９または１０記載の物理量計測方法。
  14. 　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、
    請求項１１に記載の物理量計測方法。
  15. 　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、
    請求項１２に記載の物理量計測方法。
  16. 　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、
    請求項１３に記載の物理量計測方法。
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