JP2008170251A - Range finder and process for measuring distance - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光の干渉を利用して測定対象との距離を計測する干渉型の距離計および距離計測方法に関するものである。 The present invention relates to an interference type distance meter and a distance measurement method for measuring a distance from a measurement object using light interference.
レーザによる光の干渉を利用した距離計測は、非接触測定のため測定対象を乱すことなく、高精度の測定方法として古くから用いられている。最近では、半導体レーザは装置の小型化のため、光計測用光源として利用されようとしている。その代表的な例として、FMヘテロダイン干渉計を利用したものがある。これは、比較的長距離測定が可能で精度もよいが、半導体レーザの外部に干渉計を用いているため、光学系が複雑になるという欠点を有する。 Distance measurement using light interference by a laser has long been used as a highly accurate measurement method without disturbing the measurement object for non-contact measurement. Recently, a semiconductor laser is being used as a light source for optical measurement in order to reduce the size of the apparatus. A typical example is one using an FM heterodyne interferometer. This is capable of relatively long distance measurement and good accuracy, but has the disadvantage that the optical system becomes complicated because an interferometer is used outside the semiconductor laser.
これに対して、レーザの出力光と測定対象からの戻り光との半導体レーザ内部での干渉(自己結合効果)を利用した計測器が提案されている(例えば、非特許文献1、非特許文献2、非特許文献3参照)。このような自己結合型のレーザ計測器によれば、フォトダイオード内蔵の半導体レーザが発光、干渉、受光の各機能を兼ねているため、外部干渉光学系を大幅に簡略化することができる。したがって、センサ部が半導体レーザとレンズのみとなり、従来のものに比べて小型となる。また、三角測量法より距離測定範囲が広いという特徴を有する。
On the other hand, a measuring instrument using interference (self-coupling effect) in the semiconductor laser between the laser output light and the return light from the measurement object has been proposed (for example,
FP型(ファブリペロー型)半導体レーザの複合共振器モデルを図7に示す。図7において、101は半導体レーザ、102は半導体結晶の壁開面、103はフォトダイオード、104は測定対象である。測定対象104からの反射光の一部が発振領域内に戻り易い。戻って来たわずかな光は、共振器101内のレーザ光と結合し、動作が不安定となり雑音(複合共振器ノイズまたは戻り光ノイズ)を生じる。戻り光による半導体レーザの特性の変化は、出力光に対する相対的な戻り光量が、極めてわずかであっても顕著に現れる。このような現象は、ファブリペロー型(以下、FP型)半導体レーザに限らず、Vertical Cavity Surface Emitting Laser型(以下、VCSEL型)、Distributed FeedBack laser型(以下、DFBレーザ型)など、他の種類の半導体レーザにおいても同様に現れる。 FIG. 7 shows a composite resonator model of an FP type (Fabry-Perot type) semiconductor laser. In FIG. 7, 101 is a semiconductor laser, 102 is a wall opening of a semiconductor crystal, 103 is a photodiode, and 104 is an object to be measured. Part of the reflected light from the measurement object 104 easily returns to the oscillation region. The small amount of light that has returned returns to the laser beam in the resonator 101, and the operation becomes unstable, causing noise (composite resonator noise or return light noise). The change in the characteristics of the semiconductor laser due to the return light appears remarkably even if the amount of return light relative to the output light is very small. Such a phenomenon is not limited to a Fabry-Perot type (hereinafter referred to as FP type) semiconductor laser, but also other types such as a vertical cavity surface emitting laser type (hereinafter referred to as a VCSEL type) and a distributed fed back laser type (hereinafter referred to as a DFB laser type). This also appears in the same semiconductor laser.
レーザの発振波長をλ、測定対象104に近い方の壁開面102から測定対象104までの距離をLとすると、以下の共振条件を満足するとき、戻り光と共振器101内のレーザ光は強め合い、レーザ出力がわずかに増加する。
L=nλ/2 ・・・(1)
式(1)において、nは整数である。この現象は、測定対象104からの散乱光が極めて微弱であっても、半導体レーザの共振器101内の見かけの反射率が増加することにより、増幅作用が生じ、十分観測できる。
If the oscillation wavelength of the laser is λ and the distance from the wall
L = nλ / 2 (1)
In formula (1), n is an integer. This phenomenon can be sufficiently observed even if the scattered light from the measurement object 104 is very weak, because the apparent reflectance in the resonator 101 of the semiconductor laser increases, causing an amplification effect.
半導体レーザは、注入電流の大きさに応じて周波数の異なるレーザ光を放射するので、発振周波数を変調する際に、外部変調器を必要とせず、注入電流によって直接変調が可能である。図8は、半導体レーザの発振波長をある一定の割合で変化させたときの発振波長とフォトダイオード103の出力波形との関係を示す図である。式(1)に示したL=nλ/2を満足したときに、戻り光と共振器101内のレーザ光の位相差が0°(同位相)になって、戻り光と共振器101内のレーザ光とが最も強め合い、L=nλ/2+λ/4のときに、位相差が180°(逆位相)になって、戻り光と共振器101内のレーザ光とが最も弱め合う。そのため、半導体レーザの発振波長を変化させていくと、レーザ出力が強くなるところと弱くなるところとが交互に繰り返し現れ、このときのレーザ出力を共振器101に設けられたフォトダイオード103で検出すると、図8に示すように一定周期の階段状の波形が得られる。このような波形は一般的には干渉縞と呼ばれる。
Since the semiconductor laser emits laser beams having different frequencies according to the magnitude of the injection current, an external modulator is not required when modulating the oscillation frequency, and direct modulation is possible by the injection current. FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the oscillation wavelength and the output waveform of the
この階段状の波形、すなわち干渉縞の1つ1つをモードポップパルス(以下、MHP)と呼ぶ。MHPは後述のモードホッピング現象とは異なる現象である。例えば、測定対象104までの距離がL1のとき、MHPの数が10個であったとすれば、半分の距離L2では、MHPの数は5個になる。すなわち、ある一定時間において半導体レーザの発振波長を変化させた場合、測定距離に比例してMHPの数は変わる。したがって、MHPをフォトダイオード103で検出し、MHPの周波数を測定すれば、容易に距離計測が可能となる。なお、FP型半導体レーザに特有のモードホッピング現象は、図9に示すように、注入電流の連続的な増減に応じて発振波長に不連続な箇所が生じる現象である。注入電流の増加時と減少時とにおいて僅かにヒステリシスを有する。
Each stepped waveform, that is, each interference fringe is called a mode pop pulse (hereinafter referred to as MHP). MHP is a phenomenon different from the mode hopping phenomenon described later. 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
以上のように、光の干渉を利用すれば、測定対象との距離を計測することができる。しかしながら、自己結合型を含む従来の干渉型の距離計では、測定期間中に測定対象が測定領域の境界を超える運動をすると、正しい距離を計算することができないという問題点があった。FFT(Fast Fourier Transform)を用いた場合には、測定期間中に測定対象が測定領域(レーザ光の照射領域)の境界を超える運動をしたとしても、MHPの周期からMHPの数を計算することができる。しかし、MHPを数える方法では、測定期間中に測定対象が測定領域に侵入すると、測定期間の途中でMHPが発生し、測定期間中に測定対象が測定領域から離れると、測定期間の途中でMHPが消失するので、計測したMHPの数が測定対象との距離に対応する本来の値になっておらず、測定対象との距離を正しく計算することはできない。 As described above, the distance to the measurement target can be measured by using the interference of light. However, the conventional interference type distance meter including the self-coupled type has a problem that the correct distance cannot be calculated if the measurement object moves beyond the boundary of the measurement region during the measurement period. When FFT (Fast Fourier Transform) is used, the number of MHPs is calculated from the MHP cycle even if the measurement object moves beyond the boundary of the measurement region (laser light irradiation region) during the measurement period. Can do. However, in the method of counting MHPs, if the measurement object enters the measurement region during the measurement period, MHP occurs during the measurement period, and if the measurement object leaves the measurement area during the measurement period, the MHP occurs during the measurement period. Disappears, the measured number of MHPs is not the original value corresponding to the distance to the measurement object, and the distance to the measurement object cannot be calculated correctly.
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、不適切な測定結果を除外して、測定対象との距離を正しく計測することができる距離計および距離計測方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a distance meter and a distance measurement method capable of correctly measuring a distance from a measurement object by excluding inappropriate measurement results. And
本発明の距離計は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させるレーザドライバと、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する受光器と、この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を数える計数手段と、前記干渉波形の数を数える計数期間における前記干渉波形の数の変化に基づいて前記計数手段の計数結果の有効性を判定する判定手段と、前記判定手段によって有効と判定された前記計数手段の計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手段とを有するものである。
また、本発明の距離計は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させるレーザドライバと、前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器と、この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を数える計数手段と、前記干渉波形の数を数える計数期間における前記干渉波形の数の変化に基づいて前記計数手段の計数結果の有効性を判定する判定手段と、前記判定手段によって有効と判定された前記計数手段の計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手段とを有するものである。
The distance meter 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. A laser driver that operates the semiconductor laser so that second oscillation periods including the second oscillation period alternately exist, and a light receiver that converts laser light emitted from the semiconductor laser and return light from the measurement target into an electrical signal And counting means for counting the number of interference waveforms generated by the laser light emitted from the semiconductor laser and the return light from the measurement object included in the output signal of the light receiver, and a count for counting the number of the interference waveforms A determination unit that determines the validity of the counting result of the counting unit based on a change in the number of the interference waveforms in the period, and the determination unit that determines the validity In which the counting result of the number of means and a calculating means for calculating a distance between the measurement object.
The distance meter of the present invention includes 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. Included in the output signal of the laser receiver, the laser driver that operates the semiconductor laser so that the second oscillation period including at least the second oscillation period alternately exists, the optical receiver that converts the optical output of the semiconductor laser into an electrical signal, and Counting means for counting the number of interference waveforms caused by the self-coupling effect between the laser light emitted from the semiconductor laser and the return light from the measurement object, and the interference waveform in the counting period for counting the number of interference waveforms. A determination means for determining the validity of the counting result of the counting means based on a change in the number, and a counting result of the counting means determined to be valid by the determination means And has a calculating means for determining the distance between the serial measurement object.
また、本発明の距離計の1構成例において、前記判定手段は、前記計数期間における前半期間と後半期間で前記干渉波形の数が変化した場合に、前記計数期間における前記計数手段の計数結果を無効と判定するものである。
また、本発明の距離計の1構成例において、前記判定手段は、前記計数期間の途中で前記干渉波形が発生又は消失した場合に、前記計数期間における前記計数手段の計数結果を無効と判定するものである。
また、本発明の距離計の1構成例において、前記演算手段は、前記計数期間における前半期間の計数結果が無効で後半期間の計数結果が有効と判定された場合は、前記後半期間の計数結果から前記測定対象との距離を求め、前記計数期間における後半期間の計数結果が無効で前半期間の計数結果が有効と判定された場合は、前記前半期間の計数結果から前記測定対象との距離を求めるものである。
Further, in one configuration example of the distance meter of the present invention, the determination unit displays the count result of the counting unit in the counting period when the number of the interference waveforms changes in the first half period and the second half period in the counting period. It is determined to be invalid.
In one configuration example of the distance meter of the present invention, the determination unit determines that the counting result of the counting unit in the counting period is invalid when the interference waveform is generated or disappears in the middle of the counting period. Is.
Further, in one configuration example of the distance meter of the present invention, when the counting result of the first half period in the counting period is invalid and the counting result of the second half period is determined to be valid, the calculating means counts the second half period. To determine the distance to the measurement object from the counting result of the first half period when the counting result of the second half period of the counting period is invalid and the counting result of the first half period is determined to be valid. It is what you want.
また、本発明は、波長変調した波を測定対象に放射し、測定対象に反射して戻る波と前記放射した波との間で発生する干渉を検出し、この干渉に関する情報に基づいて前記測定対象との距離を求める距離計測方法において、前記干渉に関する情報の検出期間における前記情報の変化に基づいて前記検出結果の有効性を判定する判定手順と、前記判定手順によって有効と判定された前記干渉に関する情報から前記測定対象との距離を求める演算手順とを備えるものである。
また、本発明の距離計測方法は、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振手順と、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を数える計数手順と、前記干渉波形の数を数える計数期間における前記干渉波形の数の変化に基づいて前記計数手順の計数結果の有効性を判定する判定手順と、前記判定手順によって有効と判定された前記計数手順の計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手順とを備えるものである。
また、本発明の距離計測方法は、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前記半導体レーザを動作させる発振手順と、前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を数える計数手順と、前記干渉波形の数を数える計数期間における前記干渉波形の数の変化に基づいて前記計数手順の計数結果の有効性を判定する判定手順と、前記判定手順によって有効と判定された前記計数手順の計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手順とを備えるものである。
Further, the present invention radiates a wavelength-modulated wave to a measurement object, detects interference generated between the wave reflected back to the measurement object and the radiated wave, and performs the measurement based on information on the interference. In a distance measurement method for obtaining a distance to a target, a determination procedure for determining the validity of the detection result based on a change in the information during a detection period of information regarding the interference, and the interference determined to be effective by the determination procedure And a calculation procedure for obtaining the distance to the measurement object from the information regarding.
In the distance measuring method of the present invention, the first oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously increases monotonically 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 be present in an output signal of an optical receiver that converts laser light emitted from the semiconductor laser and return light from the measurement object into an electrical signal, A counting procedure for counting the number of interference waveforms caused by laser light emitted from a laser and return light from the measurement object, and the counting based on a change in the number of interference waveforms in a counting period for counting the number of interference waveforms. A determination procedure for determining the validity of the counting result of the procedure, and an operation for obtaining a distance to the measurement object from the counting result of the counting procedure determined to be valid by the determination procedure. It is intended and a procedure.
In the distance measuring method of the present invention, the first oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously increases monotonically 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 be present in the laser beam, and a laser beam emitted from the semiconductor laser and an object to be measured included in an output signal of a light receiver that converts the optical output of the semiconductor laser into an electrical signal. The counting procedure for counting the number of interference waveforms caused by the self-coupling effect with the return light of the signal, and the effectiveness of the counting result of the counting procedure based on the change in the number of interference waveforms in the counting period for counting the number of interference waveforms. A determination procedure for determining, and a calculation procedure for obtaining a distance to the measurement object from a counting result of the counting procedure determined to be valid by the determination procedure.
本発明によれば、計数期間における干渉波形の数の変化に基づいて計数手段の計数結果の有効性を判定し、有効と判定した計数結果から測定対象との距離を求めるようにしたので、計数期間中の測定領域への測定対象の出入り等に起因する不適切な計数結果を除外して、測定対象との距離を正しく計測することができる。 According to the present invention, the validity of the counting result of the counting means is determined based on the change in the number of interference waveforms in the counting period, and the distance from the measurement object is obtained from the counting result determined to be valid. It is possible to correctly measure the distance from the measurement object by excluding inappropriate count results caused by the entry / exit of the measurement object to / from the measurement area during the period.
[第1の実施の形態]
本発明は、波長変調を用いたセンシングにおいて出射した波と対象物で反射した波の干渉信号をもとに距離を計測する手法である。したがって、自己結合型以外の光学式の干渉計、光以外の干渉計にも適用できる。半導体レーザの自己結合を用いる場合について、より具体的に説明すると、半導体レーザから測定対象にレーザ光を照射しつつ、レーザの発振波長を変化させると、発振波長が最小発振波長から最大発振波長まで変化する間(あるいは最大発振波長から最小発振波長まで変化する間)における測定対象の変位は、MHPの数に反映される。したがって、発振波長を変化させたときのMHPの数を調べることで測定対象の状態を検出することができる。以上が、本発明の基本的な原理である。
[First Embodiment]
The present invention is a method for measuring a distance based on an interference signal between a wave emitted in sensing using wavelength modulation and a wave reflected by an object. Therefore, the present invention can also be applied to an optical interferometer other than the self-coupling type and an interferometer other than light. More specifically, the case where the self-coupling of the semiconductor laser is used will be described. When the laser oscillation wavelength is changed while irradiating the measurement target from the semiconductor laser, the oscillation wavelength changes from the minimum oscillation wavelength to the maximum oscillation wavelength. The displacement of the measurement object during the change (or during the change from the maximum oscillation wavelength to the minimum oscillation wavelength) is reflected in the number of MHPs. Therefore, the state of the measurement object can be detected by examining the number of MHPs when the oscillation wavelength is changed. The above is the basic principle of the present invention.
以下、本発明の第1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の実施の形態となる距離計の構成を示すブロック図である。図1の距離計は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザ1と、半導体レーザ1の光出力を電気信号に変換するフォトダイオード2と、半導体レーザ1からの光を集光して測定対象12に照射すると共に、測定対象12からの戻り光を集光して半導体レーザ1に入射させるレンズ3と、半導体レーザ1に発振波長が連続的に増加する第1の発振期間と発振波長が連続的に減少する第2の発振期間とを交互に繰り返させるレーザドライバ4と、フォトダイオード2の出力電流を電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅器5と、電流−電圧変換増幅器5の出力電圧を2回微分する信号抽出回路11と、信号抽出回路11の出力電圧に含まれるMHPの数を数える計数装置8と、MHPの数から測定対象12との距離を算出する演算装置9と、演算装置9の算出結果を表示する表示装置10とを有する。電流−電圧変換増幅器5と信号抽出回路11と計数装置8とは計数手段を構成し、また計数装置8は計数結果の有効性を判定する判定手段を構成している。
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a distance meter according to the first embodiment of the present invention. 1 includes a
以下、説明容易にするために、半導体レーザ1には、前述のモードホッピング現象を持たない型(VCSEL型、DFBレーザ型)のものが用いられているものと想定する。そして、モードホッピング現象を持つ型(FP型)の半導体レーザ1を用いた場合については、その旨を特記する。
Hereinafter, for ease of explanation, it is assumed that a
例えば、レーザドライバ4は、時間に関して一定の変化率で増減を繰り返す三角波駆動電流を注入電流として半導体レーザ1に供給する。これにより、半導体レーザ1は、注入電流の大きさに比例して発振波長が一定の変化率で連続的に増加する第1の発振期間と発振波長が一定の変化率で連続的に減少する第2の発振期間とを交互に繰り返すように駆動される。
For example, the
図2は、半導体レーザ1の発振波長の時間変化を示す図である。図2において、t−1はt−1番目の発振期間、tはt番目の発振期間、t+1はt+1番目の発振期間、t+2はt+2番目の発振期間、t+3はt+3番目の発振期間、t+4はt+4番目の発振期間、λaは各期間における発振波長の最小値、λbは各期間における発振波長の最大値、Tは三角波の周期である。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。
FIG. 2 is a diagram showing the change over time of the oscillation wavelength of the
半導体レーザ1から出射したレーザ光は、レンズ3によって集光され、測定対象12に入射する。測定対象12で反射された光は、レンズ3によって集光され、半導体レーザ1に入射する。ただし、レンズ3による集光は必須ではない。フォトダイオード2は、半導体レーザ1の光出力を電流に変換する。電流−電圧変換増幅器5は、フォトダイオード2の出力電流を電圧に変換して増幅する。
Laser light emitted from the
信号抽出回路11は、変調波から重畳信号を抽出する機能を有するものであり、例えば二つの微分回路6,7が用いられる。微分回路6は、電流−電圧変換増幅器5の出力電圧を微分し、微分回路7は、微分回路6の出力電圧を微分する。図3(A)は電流−電圧変換増幅器5の出力電圧波形を模式的に示す図、図3(B)は微分回路6の出力電圧波形を模式的に示す図、図3(C)は微分回路7の出力電圧波形を模式的に示す図である。これらは、フォトダイオード2の出力である図3(A)の波形(変調波)から、図2の半導体レーザ1の発振波形(搬送波)を除去して、図3(C)のMHP波形(重畳波)を抽出する過程を表している。
The
計数装置8は、信号抽出回路11の出力電圧に含まれるMHPの数を第1の発振期間t−1,t+1,t+3と第2の発振期間t,t+2,t+4の各々について数える。図4は計数装置8の構成の1例を示すブロック図、図5(A)、図5(B)は計数装置8の動作を説明するための図であり、信号抽出回路11の出力電圧波形を模式的に示す図である。計数装置8は、カウンタ81,82と、判定部83とから構成される。図5(A)は計数期間中に測定対象12の運動状態が変化していない場合を示し、図5(B)は第1の発振期間t−1の途中で測定対象12が測定領域(レーザ光の照射領域)に侵入し、第2の発振期間t+2の途中で測定対象12が測定領域から離れた場合を示している。
The counting device 8 counts the number of MHPs included in the output voltage of the
まず、計数装置8のカウンタ81は、信号抽出回路11の出力電圧に含まれるMHPの数を第1の発振期間t−1,t+1,t+3と第2の発振期間t,t+2,t+4の各々の半分の期間毎に数える。
一方、カウンタ82は、信号抽出回路11の出力電圧に含まれるMHPの数を第1の発振期間t−1,t+1,t+3毎及び第2の発振期間t,t+2,t+4毎に数える。
First, the
On the other hand, the
判定部83は、カウンタ81の計数結果に基づいて、カウンタ82の計数結果の有効性を第1の発振期間t−1,t+1,t+3毎及び第2の発振期間t,t+2,t+4毎に判定する。すなわち、判定部83は、ある発振期間における前半期間のMHPの数と後半期間のMHPの数との比(前半期間のMHPの数/後半期間のMHPの数)が所定の数値範囲内の場合は、同発振期間におけるカウンタ82の計数結果を有効と判定し、MHPの数の比が数値範囲外の場合は、同発振期間におけるカウンタ82の計数結果を無効と判定する。数値範囲としては、例えば9/10以上10/9以下とする。したがって、前半期間のMHPの数と後半期間のMHPの数との比が9/10以上10/9以下の場合は有効と判定し、MHPの数の比が9/10より小さいか、10/9より大きい場合には無効と判定することになる。
The
例えば図5(A)の例では、第1の発振期間t−1の前半期間と後半期間でMHPの数が同数である。したがって、判定部83は、第1の発振期間t−1におけるカウンタ82の計数結果を有効と判定する。
一方、図5(B)の例では、第1の発振期間t−1の前半期間でMHPの数が少ないのに対して、後半期間でMHPの数が多くなっており、これにより前半期間のMHPの数と後半期間のMHPの数との比が所定の数値範囲より小さくなる。このため、判定部83は、第1の発振期間t−1におけるカウンタ82の計数結果を無効と判定する。
For example, in the example of FIG. 5A, the number of MHPs is the same in the first half period and the second half period of the first oscillation period t-1. Therefore, the
On the other hand, in the example of FIG. 5B, the number of MHPs is small in the first half period of the first oscillation period t-1, whereas the number of MHPs is large in the second half period. The ratio between the number of MHPs and the number of MHPs in the second half period is smaller than the predetermined numerical range. For this reason, the
同様に、図5(B)の第2の発振期間t+2の前半期間と後半期間でMHPの数が大きく異なるので、判定部83は、第2の発振期間t+2におけるカウンタ82の計数結果を無効と判定する。
判定部83は、カウンタ82の計数結果を有効と判定した場合は、この計数結果を演算装置9に通知し、カウンタ82の計数結果を無効と判定した場合は、計数結果が無効である旨を演算装置9に通知する。
Similarly, since the number of MHPs in the first half period and the second half period of the second oscillation period t + 2 in FIG. 5B is greatly different, the
When the
また、判定部83は、図5(B)の第1の発振期間t−1のように前半期間でMHPの数が少なく、後半期間でMHPの数が多くて、カウンタ82の計数結果を無効と判定した場合、測定対象検知信号(オン信号)を演算装置9に出力する。また、判定部83は、図5(B)の第2の発振期間t+2のように前半期間でMHPの数が多く、後半期間でMHPの数が少なくて、カウンタ82の計数結果を無効と判定した場合、測定対象非検知信号(オフ信号)を演算装置9に出力する。計数装置8は、以上のような処理を第1の発振期間t−1,t+1,t+3毎及び第2の発振期間t,t+2,t+4毎に行う。
Further, the
次に、演算装置9は、計数装置8によって計測されたMHPの数に基づいて測定対象12との距離を求める。一定期間におけるMHPの数は測定距離に比例する。そこで、一定の計数期間(本実施の形態では第1の発振期間又は第2の発振期間)におけるMHPの数と距離との関係を予め求めて演算装置9のデータベース(不図示)に登録しておけば、演算装置9は、計数装置8によって計測されたMHPの数に対応する距離の値をデータベースから取得することにより、測定対象12との距離を求めることができる。
Next, the
あるいは、計数期間におけるMHPの数と距離との関係を示す数式を予め求めて設定しておけば、演算装置9は、計数装置8によって計測されたMHPの数を数式に代入することにより、測定対象12との距離を算出することができる。ただし、演算装置9は、計数装置8から計数結果が無効である旨を通知された場合は、計数装置8の計数結果を不採用とし、測距不能とする。演算装置9は、以上のような処理を第1の発振期間t−1,t+1,t+3毎及び第2の発振期間t,t+2,t+4毎に行う。
表示装置10は、演算装置9によって算出された測定対象12との距離(変位)をリアルタイムで表示する。また、表示装置10は、測定対象検知信号/非検知信号に基づく、測定対象12の検知/非検知結果を表示する。
Alternatively, if a mathematical expression indicating the relationship between the number of MHPs and the distance in the counting period is obtained and set in advance, the
The
以上のように、本実施の形態では、計数期間における前半期間と後半期間でMHPの数が変化しない場合に、計数期間における計数結果を有効と判定し、前半期間と後半期間でMHPの数が変化した場合に、計数期間における計数結果を無効と判定するようにしたので、測定領域への測定対象の出入り等に起因する不適切な計数結果を除外して、測定対象との距離を正しく計測することができる。 As described above, in the present embodiment, when the number of MHPs does not change in the first half period and the second half period in the counting period, it is determined that the counting result in the counting period is valid, and the number of MHPs in the first half period and the second half period is When it has changed, the counting result in the counting period is determined to be invalid, so that the inappropriate counting result due to the entry / exit of the measuring object to / from the measurement area is excluded, and the distance to the measuring object is correctly measured can do.
[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。本実施の形態においても、距離計全体の構成は第1の実施の形態と同様であるので、図1の符号を用いて説明する。図6は本実施の形態の計数装置8の構成の1例を示すブロック図である。本実施の形態の計数装置8は、カウンタ84と、判定部85とから構成される。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. Also in the present embodiment, the configuration of the entire distance meter is the same as that of the first embodiment, so that description will be made using the reference numerals in FIG. FIG. 6 is a block diagram showing an example of the configuration of the counting device 8 of the present embodiment. The counting device 8 according to the present embodiment includes a
まず、計数装置8のカウンタ84は、カウンタ82と同様に、信号抽出回路11の出力電圧に含まれるMHPの数を第1の発振期間t−1,t+1,t+3毎及び第2の発振期間t,t+2,t+4毎に数える。
判定部85は、ある発振期間中の全ての区間でMHPを検出できた場合、同発振期間におけるカウンタ84の計数結果を有効と判定し、発振期間の少なくとも一部でMHPを検出できなかった場合、同発振期間におけるカウンタ82の計数結果を無効と判定する。
First, similarly to the
The
例えば図5(A)の例では、第1の発振期間t−1中の全ての区間でMHPを検出することができる。したがって、判定部85は、第1の発振期間t−1におけるカウンタ84の計数結果を有効と判定する。
一方、図5(B)の例では、第1の発振期間t−1の途中までMHPを検出することができない。このため、判定部85は、第1の発振期間t−1におけるカウンタ84の計数結果を無効と判定する。同様に、図5(B)の第2の発振期間t+2では途中でMHPが消失するので、判定部85は、第2の発振期間t+2におけるカウンタ84の計数結果を無効と判定する。
For example, in the example of FIG. 5A, MHP can be detected in all the intervals in the first oscillation period t-1. Therefore, the
On the other hand, in the example of FIG. 5B, MHP cannot be detected until halfway through the first oscillation period t-1. For this reason, the
なお、判定部85は、(計数期間においてMHPを検出できない時間の総計)/(計数期間の時間)という計算式で求められる割合が所定のしきい値を超える場合に、この計数期間におけるカウンタ84の計数結果を無効と判定するようにしてもよい。
判定部85は、カウンタ84の計数結果を有効と判定した場合は、この計数結果を演算装置9に通知し、カウンタ84の計数結果を無効と判定した場合は、計数結果が無効である旨を演算装置9に通知する。
Note that the
When the
また、判定部85は、図5(B)の第1の発振期間t−1のように途中までMHPを検出することができず、カウンタ84の計数結果を無効と判定した場合、測定対象検知信号(オン信号)を演算装置9に出力する。また、判定部85は、図5(B)の第2の発振期間t+2のように途中でMHPが消失し、カウンタ84の計数結果を無効と判定した場合、測定対象非検知信号(オフ信号)を演算装置9に出力する。計数装置8は、以上のような処理を第1の発振期間t−1,t+1,t+3毎及び第2の発振期間t,t+2,t+4毎に行う。
Further, when the
距離計のその他の構成及び処理は第1の実施の形態と同じである。こうして、本実施の形態では、計数期間の途中でMHPが発生又は消失した場合に、計数期間における計数結果を無効と判定するようにしたので、測定領域への測定対象の出入り等に起因する不適切な計数結果を除外して、測定対象との距離を正しく計測することができる。 Other configurations and processes of the distance meter are the same as those in the first embodiment. Thus, in this embodiment, when MHP is generated or disappears in the middle of the counting period, the counting result in the counting period is determined to be invalid. It is possible to correctly measure the distance to the measurement object by excluding appropriate counting results.
[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。本実施の形態においても、距離計全体の構成は第1の実施の形態と同様であるので、図1の符号を用いて説明する。また、計数装置8の構成も第1の実施の形態と同様であるので、図4の符号を用いて説明する。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. Also in the present embodiment, the configuration of the entire distance meter is the same as that of the first embodiment, so that description will be made using the reference numerals in FIG. The configuration of the counting device 8 is the same as that of the first embodiment, and will be described using the reference numerals in FIG.
計数装置8のカウンタ81,82の動作は第1の実施の形態で説明したとおりである。本実施の形態の判定部83は、第1の実施の形態と同様に、ある発振期間における前半期間のMHPの数と後半期間のMHPの数との比が所定の数値範囲内の場合は、同発振期間におけるカウンタ82の計数結果を有効と判定し、MHPの数の比が数値範囲外の場合は、同発振期間におけるカウンタ82の計数結果を無効と判定する。
The operations of the
ただし、判定部83は、図5(B)の第1の発振期間t−1のように前半期間でMHPの数が少なく、後半期間でMHPの数が多い場合でも、前半期間のMHPの数が略0(0も含む)ではない場合は、同一の発振期間における後半期間のMHPの数を有効と判定し、前半期間のMHPの数が略0の場合は、後半期間のMHPの数も無効と判定する。同様に、判定部83は、図5(B)の第2の発振期間t+2のように前半期間でMHPの数が多く、後半期間でMHPの数が少ない場合でも、後半期間のMHPの数が略0ではない場合は、同一の発振期間における前半期間のMHPの数を有効と判定し、後半期間のMHPの数が略0の場合は、前半期間のMHPの数も無効と判定する。ここで、略0とは、0〜数個程度の範囲を指す。
However, even when the number of MHPs in the first half period is small and the number of MHPs in the second half period is large as in the first oscillation period t-1 in FIG. 5B, the
判定部83は、カウンタ82の計数結果を有効と判定した場合は、この計数結果を演算装置9に通知し、カウンタ82の計数結果を無効と判定した場合は、計数結果が無効である旨を演算装置9に通知する。また、判定部83は、カウンタ81の計数結果のうち、前半期間と後半期間のどちらかを有効と判定した場合は、有効と判定した計数結果を演算装置9に通知する。計数装置8は、以上のような処理を第1の発振期間t−1,t+1,t+3毎及び第2の発振期間t,t+2,t+4毎に行う。
演算装置9は、カウンタ82の計数結果が有効と判定された場合は、第1の実施の形態と同様にして、この計数結果から測定対象12との距離を求める。
When the
When it is determined that the count result of the
また、演算装置9は、カウンタ82の計数結果は無効であるが、カウンタ81の計数結果のうち前半期間と後半期間のどちらかが有効と判定された場合は、有効と判定された計数結果から発振期間におけるMHPの数を計算する。ある発振期間における前半期間の時間をTα、同発振期間における後半期間の時間をTβ、前半期間のMHPの数をNα、後半期間のMHPの数をNβとしたとき、後半期間の計数結果が有効と判定された場合、この発振期間におけるMHPの数Nは次式によって計算することができる。
N=Nβ×(Tα+Tβ)/Tβ ・・・(2)
Also, the
N = Nβ × (Tα + Tβ) / Tβ (2)
また、演算装置9は、前半期間の計数結果が有効と判定された場合、発振期間におけるMHPの数Nを次式によって計算することができる。
N=Nα×(Tα+Tβ)/Tα ・・・(3)
式(2)又は式(3)によりMHPの数を計算した後は、このMHPの数から第1の実施の形態と同様にして測定対象12との距離を求めることができる。
In addition, when it is determined that the counting result of the first half period is valid, the
N = Nα × (Tα + Tβ) / Tα (3)
After calculating the number of MHPs according to Equation (2) or Equation (3), the distance to the
第1、第2の実施の形態では、カウンタの計数結果を無効と判定した場合は測定対象12との距離を求めることができない。これに対して、本実施の形態では、測定対象12が前半期間の途中で測定領域に侵入した場合には、後半期間の計数結果を有効と判定し、測定対象12が後半期間の途中で測定領域から離れた場合には、前半期間の計数結果を有効と判定するようにしたので、発振期間におけるカウンタの計数期間が無効であっても、発振期間のうち前半期間と後半期間のどちらかの計数結果が有効であれば、測定対象12との距離を求めることができる。
In the first and second embodiments, when it is determined that the count result of the counter is invalid, the distance to the
なお、第1〜第3の実施の形態における計数装置8と演算装置9は、例えばCPU、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このようなコンピュータを動作させるためのプログラムは、フレキシブルディスク、CD−ROM、DVD−ROM、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供される。CPUは、読み込んだプログラムを記憶装置に書き込み、このプログラムに従って第1、第2の実施の形態で説明した処理を実行する。
Note that the counting device 8 and the
本発明は、測定対象との距離を計測する技術に適用することができる。 The present invention can be applied to a technique for measuring a distance from a measurement object.
1…半導体レーザ、2…フォトダイオード、3…レンズ、4…レーザドライバ、5…電流−電圧変換増幅器、6、7…微分回路、8…計数装置、9…演算装置、10…表示装置、11…信号抽出回路、12…測定対象、81,82,84…カウンタ、83,85…判定部。
DESCRIPTION OF
Claims (11)
発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させるレーザドライバと、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する受光器と、
この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を数える計数手段と、
前記干渉波形の数を数える計数期間における前記干渉波形の数の変化に基づいて前記計数手段の計数結果の有効性を判定する判定手段と、
前記判定手段によって有効と判定された前記計数手段の計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手段とを有することを特徴とする距離計。 A semiconductor laser that emits laser light to the object to be measured;
The semiconductor laser is operated so that a first oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously increases monotonically and a second oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously decreases monotonously exist. A laser driver,
A light receiver that converts laser light emitted from the semiconductor laser and return light from the measurement object into an electrical signal;
Counting means for counting the number of interference waveforms generated by the laser light emitted from the semiconductor laser and the return light from the measurement object included in the output signal of the light receiver;
Determination means for determining the validity of the counting result of the counting means based on a change in the number of the interference waveforms in a counting period for counting the number of the interference waveforms;
A distance meter comprising: a calculation unit that obtains a distance from the measurement object from a counting result of the counting unit determined to be valid by the determination unit.
発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させるレーザドライバと、
前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器と、
この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を数える計数手段と、
前記干渉波形の数を数える計数期間における前記干渉波形の数の変化に基づいて前記計数手段の計数結果の有効性を判定する判定手段と、
前記判定手段によって有効と判定された前記計数手段の計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手段とを有することを特徴とする距離計。 A semiconductor laser that emits laser light to the object to be measured;
The semiconductor laser is operated so that a first oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously increases monotonically and a second oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously decreases monotonously exist. A laser driver,
A light receiver for converting the optical output of the semiconductor laser into an electrical signal;
Counting means for counting the number of interference waveforms generated by the self-coupling effect between the laser light emitted from the semiconductor laser and the return light from the measurement object, included in the output signal of the light receiver,
Determination means for determining the validity of the counting result of the counting means based on a change in the number of the interference waveforms in a counting period for counting the number of the interference waveforms;
A distance meter comprising: a calculation unit that obtains a distance from the measurement object from a counting result of the counting unit determined to be valid by the determination unit.
前記判定手段は、前記計数期間における前半期間と後半期間で前記干渉波形の数が変化した場合に、前記計数期間における前記計数手段の計数結果を無効と判定することを特徴とする距離計。 The distance meter according to claim 1 or 2,
The distance measuring device according to claim 1, wherein the determination unit determines that the counting result of the counting unit in the counting period is invalid when the number of the interference waveforms changes in the first half period and the second half period of the counting period.
前記判定手段は、前記計数期間の途中で前記干渉波形が発生又は消失した場合に、前記計数期間における前記計数手段の計数結果を無効と判定することを特徴とする距離計。 The distance meter according to claim 1 or 2,
The distance measuring device according to claim 1, wherein the determining unit determines that the counting result of the counting unit in the counting period is invalid when the interference waveform is generated or disappears in the middle of the counting period.
前記演算手段は、前記計数期間における前半期間の計数結果が無効で後半期間の計数結果が有効と判定された場合は、前記後半期間の計数結果から前記測定対象との距離を求め、前記計数期間における後半期間の計数結果が無効で前半期間の計数結果が有効と判定された場合は、前記前半期間の計数結果から前記測定対象との距離を求めることを特徴とする距離計。 The distance meter according to claim 1 or 2,
When the counting result of the first half period in the counting period is invalid and the counting result of the second half period is determined to be valid, the calculation means obtains the distance from the measurement object from the counting result of the second half period, and the counting period When the counting result of the latter half period is invalid and it is determined that the counting result of the first half period is valid, the distance meter obtains the distance to the measurement object from the counting result of the first half period.
前記干渉に関する情報の検出期間における前記情報の変化に基づいて前記検出結果の有効性を判定する判定手順と、
前記判定手順によって有効と判定された前記干渉に関する情報から前記測定対象との距離を求める演算手順とを備えることを特徴とする距離計測方法。 A wavelength-modulated wave is radiated to the measurement object, interference generated between the wave reflected and returned to the measurement object and the radiated wave is detected, and a distance from the measurement object is obtained based on information on the interference In the distance measurement method,
A determination procedure for determining the validity of the detection result based on a change in the information in a detection period of information regarding the interference;
A distance measurement method comprising: a calculation procedure for obtaining a distance from the measurement object from information relating to the interference determined to be valid by the determination procedure.
発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振手順と、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を数える計数手順と、
前記干渉波形の数を数える計数期間における前記干渉波形の数の変化に基づいて前記計数手順の計数結果の有効性を判定する判定手順と、
前記判定手順によって有効と判定された前記計数手順の計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手順とを備えることを特徴とする距離計測方法。 In a distance measurement method for emitting laser light to a measurement object using a semiconductor laser,
The semiconductor laser is operated so that a first oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously increases monotonically and a second oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously decreases monotonously exist. Oscillation procedure
Laser light emitted from the semiconductor laser and return light from the measurement object included in an output signal of a light receiver that converts laser light emitted from the semiconductor laser and return light from the measurement object into an electrical signal A counting procedure for counting the number of interference waveforms caused by
A determination procedure for determining the validity of the counting result of the counting procedure based on a change in the number of the interference waveforms in a counting period for counting the number of the interference waveforms;
A distance measurement method comprising: a calculation procedure for obtaining a distance to the measurement object from a counting result of the counting procedure determined to be valid by the determination procedure.
発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振手順と、
前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を数える計数手順と、
前記干渉波形の数を数える計数期間における前記干渉波形の数の変化に基づいて前記計数手順の計数結果の有効性を判定する判定手順と、
前記判定手順によって有効と判定された前記計数手順の計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手順とを備えることを特徴とする距離計測方法。 In a distance measurement method for emitting laser light to a measurement object using a semiconductor laser,
The semiconductor laser is operated so that a first oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously increases monotonically and a second oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously decreases monotonously exist. Oscillation procedure
The number of interference waveforms generated by the self-coupling effect between the laser light emitted from the semiconductor laser and the return light from the measurement object, included in the output signal of the light receiver that converts the optical output of the semiconductor laser into an electrical signal. Counting procedure;
A determination procedure for determining the validity of the counting result of the counting procedure based on a change in the number of the interference waveforms in a counting period for counting the number of the interference waveforms;
A distance measurement method comprising: a calculation procedure for obtaining a distance to the measurement object from a counting result of the counting procedure determined to be valid by the determination procedure.
前記判定手順は、前記計数期間における前半期間と後半期間で前記干渉波形の数が変化した場合に、前記計数期間における前記計数手順の計数結果を無効と判定することを特徴とする距離計測方法。 The distance measuring method according to claim 7 or 8,
The distance measurement method according to claim 1, wherein the determination procedure determines that the count result of the counting procedure in the counting period is invalid when the number of the interference waveforms changes in the first half period and the second half period of the counting period.
前記判定手順は、前記計数期間の途中で前記干渉波形が発生又は消失した場合に、前記計数期間における前記計数手順の計数結果を無効と判定することを特徴とする距離計測方法。 The distance measuring method according to claim 7 or 8,
The distance measuring method according to claim 1, wherein the determination procedure determines that the counting result of the counting procedure in the counting period is invalid when the interference waveform is generated or disappears in the middle of the counting period.
前記演算手順は、前記計数期間における前半期間の計数結果が無効で後半期間の計数結果が有効と判定された場合は、前記後半期間の計数結果から前記測定対象との距離を求め、前記計数期間における後半期間の計数結果が無効で前半期間の計数結果が有効と判定された場合は、前記前半期間の計数結果から前記測定対象との距離を求めることを特徴とする距離計測方法。 The distance measuring method according to claim 7 or 8,
If the counting result of the first half period in the counting period is invalid and the counting result of the second half period is determined to be valid, the calculation procedure obtains the distance from the measurement object from the counting result of the second half period, and the counting period A distance measurement method characterized in that, when the counting result of the latter half period is invalid and it is determined that the counting result of the first half period is valid, the distance to the measurement object is obtained from the counting result of the first half period.
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