JP2009092461A - 物理量センサおよび物理量計測方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】物理量センサは、半導体レーザ1と、半導体レーザ1から放射されたレーザ光とその戻り光とを受光するフォトダイオード2と、フォトダイオード2の出力信号に含まれる、半導体レーザから放射されたレーザ光とその戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の周期を検出し、反射壁面10による干渉波形の周期と異なる周期の干渉波形が所定の条件を満たすときに、レーザ光の放射方向に物体12が存在すると判定する物体検知装置11と、フォトダイオード2の出力信号に含まれる干渉の情報から物体12の物理量を計測する計測手段(電流−電圧変換増幅器5、フィルタ回路6、計数装置7、演算装置8)とを有する。
【選択図】 図1
Description
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。
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。
しかしながら、これらの自己結合型のレーザ計測器では、物体の検知に時間がかかるという問題点があった。つまり、自己結合型のレーザ計測器では、図18に示したように半導体レーザの発振波長を変化させて、MHPの個数や周波数を計測し、物体との距離を算出するが、距離を算出するまでは半導体レーザの放射方向に物体が存在するかどうかを検知できない。物体を高速に検知するには、図18に示す三角波の周期WTを短くすればよいが、周期WTを短くするには、回路速度を速くする、もしくは距離の分解能を低下させる必要が生じてしまうという問題がある。
また、本発明の物理量センサの1構成例において、前記所定数は、例えば2である。
また、本発明の物理量センサの1構成例において、前記所定数は、例えば0.5である。
また、本発明の物理量センサの1構成例において、前記所定数は、例えば1.5である。
また、本発明の物理量計測方法の1構成例において、前記所定数は、例えば2である。
また、本発明の物理量計測方法の1構成例において、前記所定数は、例えば0.5である。
また、本発明の物理量計測方法の1構成例において、前記所定数は、例えば1.5である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施の形態に係る距離・速度計の構成を示すブロック図である。図1の距離・速度計は、レーザ光を放射する半導体レーザ1と、半導体レーザ1の光出力を電気信号に変換する受光器であ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、反射壁面10又は物体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を駆動するレーザドライバ4と、フォトダイオード2の出力電流を電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅器5と、電流−電圧変換増幅器5の出力電圧から搬送波を除去するフィルタ回路6と、フィルタ回路6の出力電圧に含まれるMHPの数を数える計数装置7と、物体12との距離及び物体12の速度を算出する演算装置8と、演算装置8の算出結果及び後述する物体検知装置11の検知結果を表示する表示装置9と、半導体レーザ1の放射方向に物体12が存在するかどうかを検知する物体検知装置11とを有する。
以下、説明容易にするために、半導体レーザ1には、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。
計数装置7は、判定部70と、論理積演算部(AND)71と、カウンタ72とから構成される。
物体検知装置11は、周期測定部110と、記憶部111と、度数分布作成部112と、代表値算出部113と、個数導出部114と、物体判定部115とから構成される。
2T0<T ・・・(2)
また、個数導出部114は、周期測定部110によって上記検知期間d中に周期が測定されたMHPの全個数Nallを求める。
なお、物体判定部115が判定に用いる閾値は、半導体レーザ1の放射方向に物体12が存在しない初期状態において求めた割合N/Nallから予め定められた値である。例えば、初期状態の検知期間dにおいて、Nallが100、Nが5とすると、N/Nall=5%となる。例えばその2倍の値10%を閾値とすると、N/Nallが10%以上の場合、半導体レーザ1の放射方向に物体12が存在すると判定する。
Lα(t)=λa×λb×(MHP(t−1)+MHP(t))
/{4×(λb−λa)} ・・・(3)
Lβ(t)=λa×λb×(|MHP(t−1)−MHP(t)|)
/{4×(λb−λa)} ・・・(4)
Vα(t)=(MHP(t−1)−MHP(t))×λb/4 ・・・(5)
Vβ(t)=(MHP(t−1)+MHP(t))×λb/4 ・・・(6)
Vcalα(t)=Lα(t)−Lα(t−1) ・・・(7)
Vcalβ(t)=Lβ(t)−Lβ(t−1) ・・・(8)
次に、演算装置8の状態判定部83は、記憶部82に格納された式(3)〜式(8)の算出結果を用いて、物体12の状態を判定する(図8ステップS12)。
すなわち、距離・速度確定部84は、物体12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12の速度とし、距離の候補値Lα(t)を物体12との距離とし、物体12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12の速度とし、距離の候補値Lβ(t)を物体12との距離とする。
表示装置9は、演算装置8によって算出された物体12との距離及び物体12の速度をリアルタイムで表示する。
第1の実施の形態では、反射壁面10を物体検知の基準面として用いたが、半導体レーザ1からのレーザ光の入出射部を形成する透明体の片面にだけ無反射防止処理を施し、透明体の無反射防止処理を施していない面を物体検知の基準面としてもよい。
透明カバー131は、密閉ケース130の窓部に嵌め込んで設けられる。そして、半導体レーザ1は、その前面であるレーザ光入出射面を透明カバー131に対峙させて密閉ケース130内に組み込まれる。
図11は本実施の形態の物体検知装置11aの構成の1例を示すブロック図である。物体検知装置11aは、周期測定部110と、記憶部111と、度数分布作成部112と、代表値算出部113と、個数導出部114aと、物体判定部115とから構成される。
物体検知装置11aの個数導出部114aは、記憶部111を参照し、現在より1三角波周期WT前の計数期間において算出されたMHPの周期の中央値T0に対して、現在の計数期間中の任意の検知期間dにおいて周期Tが次式を満たすMHPの個数Nを求める。
0.5T0>T ・・・(9)
検知期間dについては第1の実施の形態で説明したとおりである。また、個数導出部114aは、周期測定部110によって上記検知期間d中に周期が測定されたMHPの全個数Nallを求める。
物体検知装置11aは、以上のような物体検知処理を計数期間毎および検知期間毎に行う。
第1の実施の形態と異なるのは、半導体レーザ1から透明カバー131の外面までの距離が半導体レーザ1から反射壁面10までの距離よりも短いために、MHPの周波数が低く、周期の中央値T0が大きくなることである。
その他の動作は、第1の実施の形態で説明したとおりである。以上のように、本実施の形態によれば、透明カバー131の一方の面を物体検知の基準面とする場合でも本発明を適用することができ、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
なお、物体12が基準面(第1の実施の形態の場合は反射壁面、第2の実施の形態の場合は透明体の無反射防止処理を施していない面)付近に出現した場合、閾値を用いて検出できない場合があるが、その場合は、記述した距離算出方法で基準面との距離と異なる距離が算出されたときに物体検知とすることができる。
第1、第2の実施の形態では、検知期間dを一定時間tdの時間幅を有する固定長のものとして説明したが、検知期間dは可変長であってもよい。検知期間dを可変長とする場合は、一定個数Nall個のMHPが出現した期間を検知期間dとし、この検知期間dにおいて周期Tが式(2)又は式(9)を満たすMHPの個数Nを求め、物体12が存在するかどうかを判定すればよい。
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。本実施の形態においても距離・速度計の構成は第1の実施の形態と同様なので、図1の符号を用いて説明する。
フォトダイオード2、レーザドライバ4、電流−電圧変換増幅器5、フィルタ回路6、計数装置7、演算装置8および表示装置9の動作は、第1の実施の形態と同じである。
周期測定部110、記憶部111、度数分布作成部112および代表値算出部113の動作は、第1の実施の形態と同じである。
1.5T0<T ・・・(10)
また、個数導出部114bは、計数期間中の任意の検知期間dにおいて周期Tが式(10)を満たすMHPの個数Nを求める。
本実施の形態によれば、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
第1〜第4の実施の形態では、MHPの周期の代表値として中央値を用いたが、周期の代表値として最頻値を用いてもよい。具体的には、物体検知装置11,11aの代表値算出部113が、度数分布作成部112が作成した度数分布から、MHPの周期の最頻値を算出すればよい。個数導出部114,114a,114bは、中央値T0の代わりに最頻値を用いて第1〜第4の実施の形態と同じ処理を行えばよい。
また、MHPの周期の代表値として平均値を用いてもよい。この場合は、代表値算出部113がMHPの周期の平均値を算出すればよい。
Claims (16)
- 変調されたレーザ光を放射する半導体レーザと、
前記半導体レーザの内部又はその近傍に配置され、前記半導体レーザから放射されたレーザ光を受光して電気信号に変換する受光器と、
前記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その戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の周期を検出し、静止している基準面による干渉波形の周期と異なる周期の干渉波形が所定の条件を満たすときに、前記レーザ光の放射方向に物体が存在すると判定する物体検知手段と、
前記受光器の出力信号に含まれる干渉の情報から前記物体の物理量を計測する計測手段とを備えることを特徴とする物理量センサ。 - 請求項1記載の物理量センサにおいて、
前記基準面は、前記物体が侵入する予定の空間を挟んで前記半導体レーザと向かい合う反射壁面であり、
前記物体検知手段は、
前記干渉波形の数を数える計数期間中の前記干渉波形の周期を干渉波形が入力される度に測定する周期測定手段と、
この周期測定手段の測定結果から前記計数期間中の干渉波形の周期の度数分布を作成する度数分布作成手段と、
前記度数分布から前記干渉波形の周期の分布の代表値T0を算出する代表値算出手段と、
前記レーザ光の1周期前の計数期間において算出された前記代表値T0に対して、現在の計数期間中の検知期間において周期がこの代表値T0の所定数倍よりも長い干渉波形の個数Nを求める個数導出手段と、
前記検知期間中に周期が測定された干渉波形の全個数Nallに対する前記個数Nの割合N/Nallが所定の閾値以上のときに、前記レーザ光の放射方向に前記物体が存在すると判定する物体判定手段とからなることを特徴とする物理量センサ。 - 請求項2記載の物理量センサにおいて、
前記所定数は、2であることを特徴とする物理量センサ。 - 請求項1記載の物理量センサにおいて、
前記基準面は、前記半導体レーザを保護する透明カバーの内面と外面のうち無反射防止処理が施されていない何れか1つの面であり、
前記物体検知手段は、
前記干渉波形の数を数える計数期間中の前記干渉波形の周期を干渉波形が入力される度に測定する周期測定手段と、
この周期測定手段の測定結果から前記計数期間中の干渉波形の周期の度数分布を作成する度数分布作成手段と、
前記度数分布から前記干渉波形の周期の分布の代表値T0を算出する代表値算出手段と、
前記レーザ光の1周期前の計数期間において算出された前記代表値T0に対して、現在の計数期間中の検知期間において周期がこの代表値T0の所定数倍よりも短い干渉波形の個数Nを求める個数導出手段と、
前記検知期間中に周期が測定された干渉波形の全個数Nallに対する前記個数Nの割合N/Nallが所定の閾値以上のときに、前記レーザ光の放射方向に前記物体が存在すると判定する物体判定手段とからなることを特徴とする物理量センサ。 - 請求項4記載の物理量センサにおいて、
前記所定数は、0.5であることを特徴とする物理量センサ。 - 請求項1記載の物理量センサにおいて、
前記基準面は、前記物体が侵入する予定の空間を挟んで前記半導体レーザと向かい合う反射壁面であり、
前記物体検知手段は、
前記干渉波形の数を数える計数期間中の前記干渉波形の周期を干渉波形が入力される度に測定する周期測定手段と、
この周期測定手段の測定結果から前記計数期間中の干渉波形の周期の度数分布を作成する度数分布作成手段と、
前記度数分布から前記干渉波形の周期の分布の代表値T0を算出する代表値算出手段と、
前記度数分布から周期が前記代表値T0の所定数倍よりも長い度数の総和Nwを求めると共に、前記計数期間中の検知期間において周期が前記代表値T0の所定数倍よりも長い干渉波形の個数Nを求める個数導出手段と、
前記レーザ光の1周期前の計数期間における度数Nwに対する現在の計数期間中の検知期間における個数Nの割合N/Nwが所定の閾値以上のときに、前記レーザ光の放射方向に前記物体が存在すると判定する物体判定手段とからなることを特徴とする物理量センサ。 - 請求項6記載の物理量センサにおいて、
前記所定数は、1.5であることを特徴とする物理量センサ。 - 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の物理量センサにおいて、
さらに、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を備え、
前記計測手段は、
前記受光器の出力信号に含まれる、前記レーザ光と前記戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について数える計数手段と、
この計数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計数手段の計数結果とから前記物体との距離及び前記物体の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とからなることを特徴とする物理量センサ。 - 変調されたレーザ光を半導体レーザから放射させる発振手順と、
前記半導体レーザの内部又はその近傍に配置された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その戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の周期を検出し、静止している基準面による干渉波形の周期と異なる周期の干渉波形が所定の条件を満たすときに、前記レーザ光の放射方向に物体が存在すると判定する物体検知手順と、
前記受光器の出力信号に含まれる干渉の情報から前記物体の物理量を計測する計測手順とを備えることを特徴とする物理量計測方法。 - 請求項9記載の物理量計測方法において、
前記基準面は、前記物体が侵入する予定の空間を挟んで前記半導体レーザと向かい合う反射壁面であり、
前記物体検知手順は、
前記干渉波形の数を数える計数期間中の前記干渉波形の周期を干渉波形が入力される度に測定する周期測定手順と、
この周期測定手順の測定結果から前記計数期間中の干渉波形の周期の度数分布を作成する度数分布作成手順と、
前記度数分布から前記干渉波形の周期の分布の代表値T0を算出する代表値算出手順と、
前記レーザ光の1周期前の計数期間において算出された前記代表値T0に対して、現在の計数期間中の検知期間において周期がこの代表値T0の所定数倍よりも長い干渉波形の個数Nを求める個数導出手順と、
前記検知期間中に周期が測定された干渉波形の全個数Nallに対する前記個数Nの割合N/Nallが所定の閾値以上のときに、前記レーザ光の放射方向に前記物体が存在すると判定する物体判定手順とからなることを特徴とする物理量計測方法。 - 請求項10記載の物理量計測方法において、
前記所定数は、2であることを特徴とする物理量計測方法。 - 請求項9記載の物理量計測方法において、
前記基準面は、前記半導体レーザを保護する透明カバーの内面と外面のうち無反射防止処理が施されていない面であり、
前記物体検知手順は、
前記干渉波形の数を数える計数期間中の前記干渉波形の周期を干渉波形が入力される度に測定する周期測定手順と、
この周期測定手順の測定結果から前記計数期間中の干渉波形の周期の度数分布を作成する度数分布作成手順と、
前記度数分布から前記干渉波形の周期の分布の代表値T0を算出する代表値算出手順と、
前記レーザ光の1周期前の計数期間において算出された前記代表値T0に対して、現在の計数期間中の検知期間において周期がこの代表値T0の所定数倍よりも短い干渉波形の個数Nを求める個数導出手順と、
前記検知期間中に周期が測定された干渉波形の全個数Nallに対する前記個数Nの割合N/Nallが所定の閾値以上のときに、前記レーザ光の放射方向に前記物体が存在すると判定する物体判定手順とからなることを特徴とする物理量計測方法。 - 請求項12記載の物理量計測方法において、
前記所定数は、0.5であることを特徴とする物理量計測方法。 - 請求項9記載の物理量計測方法において、
前記基準面は、前記物体が侵入する予定の空間を挟んで前記半導体レーザと向かい合う反射壁面であり、
前記物体検知手順は、
前記干渉波形の数を数える計数期間中の前記干渉波形の周期を干渉波形が入力される度に測定する周期測定手順と、
この周期測定手順の測定結果から前記計数期間中の干渉波形の周期の度数分布を作成する度数分布作成手順と、
前記度数分布から前記干渉波形の周期の分布の代表値T0を算出する代表値算出手順と、
前記度数分布から周期が前記代表値T0の所定数倍よりも長い度数の総和Nwを求めると共に、前記計数期間中の検知期間において周期が前記代表値T0の所定数倍よりも長い干渉波形の個数Nを求める個数導出手順と、
前記レーザ光の1周期前の計数期間における度数Nwに対する現在の計数期間中の検知期間における個数Nの割合N/Nwが所定の閾値以上のときに、前記レーザ光の放射方向に前記物体が存在すると判定する物体判定手順とからなることを特徴とする物理量計測方法。 - 請求項14記載の物理量計測方法において、
前記所定数は、1.5であることを特徴とする物理量計測方法。 - 請求項9乃至15のいずれか1項に記載の物理量計測方法において、
前記発振手順は、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手順であり、
前記計測手順は、
前記受光器の出力信号に含まれる、前記レーザ光と前記戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について数える計数手順と、
この計数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計数手順の計数結果とから前記物体との距離及び前記物体の速度の少なくとも一方を算出する演算手順とからなることを特徴とする物理量計測方法。
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