JP2009180642A - 物理量センサおよび物理量計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】三角波頂点の過渡応答の影響を軽減する。
【解決手段】物理量センサは、半導体レーザ１と、三角波の極大部と極小部とを丸めた波形の駆動電流を半導体レーザ１に供給するレーザドライバ４と、半導体レーザ１から放射されたレーザ光と測定対象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検出手段（フォトダイオード２、電流−電圧変換増幅器５）と、干渉波形の情報から、測定対象の物理量を計測する計測手段（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

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１０に示す。図１０において、１０１は半導体レーザ、１０２は半導体結晶の壁開面、１０３はフォトダイオード、１０４は測定対象である。

レーザの発振波長をλ、測定対象１０４に近い方の壁開面１０２から測定対象１０４までの距離をＬとすると、以下の共振条件を満足するとき、測定対象１０４からの戻り光と共振器１０１内のレーザ光は強め合い、レーザ出力がわずかに増加する。
Ｌ＝ｑλ／２ ・・・（１）
式（１）において、ｑは整数である。この現象は、測定対象１０４からの散乱光が極めて微弱であっても、半導体レーザの共振器１０１内の見かけの反射率が増加することにより、増幅作用が生じ、十分観測できる。

半導体レーザは、注入電流の大きさに応じて周波数の異なるレーザ光を放射するので、発振周波数を変調する際に、外部変調器を必要とせず、注入電流によって直接変調が可能である。図１１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１１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１２に示す。図１２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１３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１３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、Ｔ０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１０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１２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１０、図１２に示した従来の自己結合型のレーザ計測器では、半導体レーザの発振波長を三角波状に変化させているため、三角波の頂点の過渡応答の影響を完全に除くことができないという問題点があった。図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）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、図１４（Ａ）は図１２の電流−電圧変換増幅器２０５の出力電圧波形を模式的に示す図、図１４（Ｂ）は信号抽出回路２０６の出力電圧波形を模式的に示す図である。

微分回路もしくはハイパスフィルタからなる信号抽出回路２０６は、フォトダイオード２０２の出力に相当する図１４（Ａ）の波形（変調波）から、図１３の半導体レーザ１の発振波形（搬送波）を除去して、図１４（Ｂ）のＭＨＰ波形を抽出する。このとき、信号抽出回路２０６の出力には、三角波の頂点のタイミングで図１４（Ｂ）のようなスパイク状の過渡応答波形が現れる。計数回路２０７はこのような過渡応答波形の部分のＭＨＰを数えることができないので、計数誤差が発生する。その結果、演算装置２０８で算出する距離や速度に誤差が生じることになる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、受光器の出力信号に含まれる三角波頂点の過渡応答の影響を軽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、三角波の極大部と極小部とを丸めた波形の駆動電流を前記半導体レーザに供給す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を有するものである。
また、本発明の物理量センサの１構成例において、前記駆動電流の波形は、前記三角波の極大部と極小部を正弦波の極大部と極小部に置き換えた波形である。
また、本発明の物理量センサの１構成例において、前記駆動電流の波形は、基本周波数の正弦波とその高次周波数の正弦波とを合成した波形である。

また、本発明の物理量センサの１構成例において、前記測定対象の物理量は、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、前記半導体レーザの発振波長の上昇側の計数期間と前記発振波長の下降側の計数期間の各々について数える計数手段と、前記半導体レーザの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ものである。

また、本発明の物理量計測方法は、三角波の極大部と極小部とを丸めた波形の駆動電流を前記半導体レーザに供給して前記半導体レーザを動作させる発振手順と、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記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を備えるものである。

本発明によれば、三角波の極大部と極小部とを丸めた波形の駆動電流を半導体レーザに供給することにより、検出手段の出力信号に含まれる干渉波形の情報を取得する際に、検出手段の出力信号の上昇部と下降部の切り替わりのタイミングで発生する過渡応答波形を従来に比べて小さくすることができるので、干渉波形の検出誤差を低減することができる。その結果、本発明では、物理量の測定精度を向上させることができる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態となる距離・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、測定対象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測定対象１０に照射すると共に、測定対象１０からの戻り光を集光して半導体レーザ１に入射させるレンズ３と、半導体レーザ１を駆動するレーザドライバ４と、フォトダイオード２の出力電流を電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅器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、ＭＨＰの数から測定対象１０との距離及び測定対象１０の速度を算出する演算装置８と、演算装置８の算出結果を表示する表示装置９とを有する。

フィルタ回路６と計数装置７と演算装置８とは、計測手段を構成している。また、フィルタ回路６と計数装置７とは、計数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。

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。レーザドライバ４は、三角波の極大部と極小部をそれぞれ正弦波の極大部と極小部に置き換えた波形の駆動電流を半導体レーザ１に供給する。これにより、半導体レーザ１は、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、第１の発振期間Ｐ１から第２の発振期間Ｐ２への間で発振波長が正弦波の極大部の形で変化する第３の発振期間Ｐ３と、第２の発振期間Ｐ２から第１の発振期間Ｐ１への間で発振波長が正弦波の極小部の形で変化する第４の発振期間Ｐ４とが繰り返し存在するように駆動される。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。図２におけるＴ０は発振波形の周期である。

図３は三角波と正弦波の合成方法の１例を説明するための図である。いま、図３（Ａ）に示す三角波の周波数をｆ、振幅をＡとし、図３（Ｂ）に示す正弦波の周波数をｎｆ（ｎは例えば１０以上の整数）、振幅をＡ’とすると、正弦波の振幅Ａ’は１／（ｎｆπ）である。三角波の上昇部ＴＲｕｐの傾きは１、下降部ＴＲｄｏｗｎの傾きは−１である。図３（Ａ）に示すように三角波の上昇部ＴＲｕｐと下降部ＴＲｄｏｗｎとの距離が１／（２ｎｆ）となるポイントで、三角波の極大部ＴＲｍａｘと極小部ＴＲｍｉｎをそれぞれ正弦波の極大部ＳＩｍａｘと極小部ＳＩｍｉｎに置き換えると、三角波と正弦波を滑らかに接続することができ、図３（Ｃ）のような波形を得ることができる。

なお、図３（Ｂ）の例では、正弦波の極大部ＳＩｍａｘは極大値側の半周期部分、極小部ＳＩｍｉｎは極小値側の半周期部分である。図３（Ｃ）の一部を拡大した図３（Ｄ）において、正弦波の極大部の高さを１とすると、幅は２πとなる。
図３（Ｃ）のような合成波形の駆動電流を生成するには、例えばレーザドライバ４内のメモリ（不図示）に図３（Ｃ）のような波形の駆動電流のデジタル値を予め設定しておき、このデジタル値をＤ／Ａコンバーター（不図示）でアナログ信号に変換して、レーザドライバ４から出力すればよい。

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１０に入射する。測定対象１０で反射された半導体レーザ１の光は、レンズ３によって集光され、半導体レーザ１に入射する。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。

フィルタ回路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４（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４（Ｂ）はフィルタ回路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４（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４（Ｂ）のＭＨＰ波形（干渉波形）を抽出する過程を表している。

計数装置７は、フィルタ回路６の出力に含まれるＭＨＰの数を第１の計数期間Ｑ１と第２の計数期間Ｑ２の各々について数える。計数装置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。

図４（Ａ）、図４（Ｂ）の例では、電流−電圧変換増幅器５の出力電圧の上昇側の第１の計数期間Ｑ１と出力電圧の下降側の第２の計数期間Ｑ２のそれぞれの長さを、発振波形の半周期、すなわちＴ０／２に設定しているが、これに限るものではない。第１の計数期間Ｑ１と第２の計数期間Ｑ２は、図４（Ａ）の出力電圧の極大値と極小値のタイミングを除くように設定することが好ましい。この場合、第１の計数期間Ｑ１と第２の計数期間Ｑ２のそれぞれの長さは、Ｔ０／２より短くなる。

次に、演算装置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と計数装置７が数えたＭＨＰの数に基づいて、測定対象１０との距離および測定対象１０の速度を算出する。図５は演算装置８の構成の１例を示すブロック図、図６は演算装置８の動作を示すフローチャートである。演算装置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の数に基づいて測定対象１０との距離の候補値と測定対象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測定対象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測定対象１０との距離及び測定対象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、測定対象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。半導体レーザ１の発振波形の半周期あたりの測定対象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、演算装置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６ステップＳ１０）。
Ｌα（ｔ）＝λａ×λｂ×（ＭＨＰ（ｔ−１）＋ＭＨＰ（ｔ））
／｛４×（λｂ−λａ）｝ ・・・（２）
Ｌβ（ｔ）＝λａ×λｂ×（｜ＭＨＰ（ｔ−１）−ＭＨＰ（ｔ）｜）
／｛４×（λｂ−λａ）｝ ・・・（３）
Ｖα（ｔ）＝（ＭＨＰ（ｔ−１）−ＭＨＰ（ｔ））×λｂ／４ ・・・（４）
Ｖβ（ｔ）＝（ＭＨＰ（ｔ−１）＋ＭＨＰ（ｔ））×λｂ／４ ・・・（５）

式（２）〜式（５）において、ＭＨＰ（ｔ）は現時刻ｔにおいて算出されたＭＨＰの数、ＭＨＰ（ｔ−１）はＭＨＰ（ｔ）の１回前に算出されたＭＨＰの数である。例えば、ＭＨＰ（ｔ）が第１の計数期間Ｑ１の計数結果であるとすれば、ＭＨＰ（ｔ−１）は第２の計数期間Ｑ２の計数結果であり、逆にＭＨＰ（ｔ）が第２の計数期間Ｑ２の計数結果であるとすれば、ＭＨＰ（ｔ−１）は第１の計数期間Ｑ１の計数結果である。

候補値Ｌα（ｔ），Ｖα（ｔ）は測定対象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）は測定対象１０が変位状態にあると仮定して計算した値である。演算装置８は、式（２）〜式（５）の計算を計数装置７によってＭＨＰの数が測定される時刻毎（計数期間毎）に行う。

続いて、演算装置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６ステップＳ１１）。なお、式（６）、式（７）では、現時刻ｔの１回前に算出された距離の候補値をＬα（ｔ−１），Ｌβ（ｔ−１）としている。
Ｖｃａｌα（ｔ）＝Ｌα（ｔ）−Ｌα（ｔ−１） ・・・（６）
Ｖｃａｌβ（ｔ）＝Ｌβ（ｔ）−Ｌβ（ｔ−１） ・・・（７）

履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）は測定対象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）は測定対象１０が変位状態にあると仮定して計算した値である。演算装置８は、式（６）〜式（７）の計算を計数装置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、測定対象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、演算装置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、測定対象１０の状態を判定する（図６ステップＳ１２）。

特許文献１に記載されているように、測定対象１０が微小変位状態で移動（等速度運動）している場合、測定対象１０を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の符号は一定で、かつ測定対象１０を微小変位状態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くなる。また、測定対象１０が微小変位状態で等速度運動している場合、測定対象１０を変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の符号は、ＭＨＰの数が測定される時刻毎に反転する。

したがって、状態判定部８３は、測定対象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、かつ測定対象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、測定対象１０が微小変位状態で等速度運動していると判定する。

特許文献１に記載されているように、測定対象１０が変位状態で移動（等速度運動）している場合、測定対象１０を変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の符号は一定で、かつ測定対象１０を変位状態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くなる。また、測定対象１０が変位状態で等速度運動している場合、測定対象１０を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の符号はＭＨＰの数が測定される時刻毎に反転する。

したがって、状態判定部８３は、測定対象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、かつ測定対象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、測定対象１０が変位状態で等速度運動していると判定する。

特許文献１に記載されているように、測定対象１０が微小変位状態で、等速度運動以外の運動をしている場合、測定対象１０を微小変位状態と仮定して計算した速度の候補値Ｖα（ｔ）と測定対象１０を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の絶対値の平均値とは一致しない。同様に、測定対象１０を変位状態と仮定して計算した速度の候補値Ｖβ（ｔ）と測定対象１０を変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の絶対値の平均値も一致しない。

また、測定対象１０が微小変位状態で、等速度運動以外の運動をしている場合、測定対象１０を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の符号はＭＨＰの数が測定される時刻毎に反転し、測定対象１０を変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）では符号の変動はあっても、この変動はＭＨＰの数が測定される時刻毎ではない。

したがって、状態判定部８３は、測定対象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、かつ測定対象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、測定対象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、測定対象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、かつ測定対象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、測定対象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。

特許文献１に記載されているように、測定対象１０が変位状態で、等速度運動以外の運動をしている場合、測定対象１０を微小変位状態と仮定して計算した速度の候補値Ｖα（ｔ）と測定対象１０を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の絶対値の平均値とは一致せず、測定対象１０を変位状態と仮定して計算した速度の候補値Ｖβ（ｔ）と測定対象１０を変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の絶対値の平均値も一致しない。

また、測定対象１０が変位状態で、等速度運動以外の運動をしている場合、測定対象１０を変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の符号はＭＨＰの数が測定される時刻毎に反転し、測定対象１０を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）では符号の変動はあっても、この変動はＭＨＰの数が測定される時刻毎ではない。

したがって、状態判定部８３は、測定対象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、かつ測定対象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、測定対象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、測定対象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、かつ測定対象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、測定対象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。

演算装置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測定対象１０の速度及び測定対象１０との距離を確定する（図６ステップＳ１３）。
すなわち、距離・速度確定部８４は、測定対象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）を測定対象１０の速度とし、距離の候補値Ｌα（ｔ）を測定対象１０との距離とし、測定対象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）を測定対象１０の速度とし、距離の候補値Ｌβ（ｔ）を測定対象１０との距離とする。

また、距離・速度確定部８４は、測定対象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）を測定対象１０の速度とし、距離の候補値Ｌα（ｔ）を測定対象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、測定対象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）を測定対象１０の速度とし、距離の候補値Ｌβ（ｔ）を測定対象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、これらの符号は測定対象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、測定対象１０の速度は正方向（レーザに接近する方向）となる。

演算装置８は、ステップＳ１０〜Ｓ１３の処理を、計数装置７によってＭＨＰの数が測定される時刻毎（計数期間毎）に行う。
表示装置９は、演算装置８によって算出された測定対象１０との距離及び測定対象１０の速度をリアルタイムで表示する。

以上のように、本実施の形態では、三角波の極大部と極小部とを丸めた波形の駆動電流を半導体レーザ１に供給することにより、電流−電圧変換増幅器５の出力信号の上昇部と下降部の切り替わりのタイミングでフィルタ回路６の出力に発生する過渡応答波形を、図１４（Ｂ）の場合に比べて著しく小さくすることができるので、計数装置７の計数誤差を低減することができる。その結果、本実施の形態では、図１０、図１２に示した従来の自己結合型のレーザ計測器に比べて距離及び速度の測定精度を向上させることができる。

［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、三角波の極大部と極小部を正弦波の極大部と極小部に置き換えた波形の駆動電流を半導体レーザ１に供給したが、図１の距離・速度計の構成において、複数の正弦波の合成波形の駆動電流を半導体レーザ１に供給するようにしてもよい。この場合の半導体レーザ１の発振波長の時間変化を図７に示す。

本実施の形態では、三角波と同じ基本周波数ｆの正弦波とその整数倍の高次周波数の正弦波とを合成した発振波形を用いるが、どの程度の高次周波数まで合成が必要かについて以下に説明する。
図８は、図１のフィルタ回路６の構成の１例を示す図である。フィルタ回路６は、搬送波（半導体レーザ１の発振波形）除去用のハイパスフィルタ６０と、ノイズ除去用のローパスフィルタ６１とから構成される。

半導体レーザ１の発振波形の基本周波数をｆ、ＭＨＰの最低周波数をｆｍｉｎ、最高周波数をｆｍａｘ、ハイパスフィルタ６０のカットオフ周波数をｆｃ０、ローパスフィルタ６１のカットオフ周波数をｆｃ１とする。このとき次式が成立するように各フィルタ６０，６１のカットオフ周波数を設定する。
ｆｃ０＜ｆｍｉｎ ・・・（８）
ｆｍａｘ＜ｆｃ１ ・・・（９）

また、基本周波数ｆの三角波の頂点の周波数をｆ’とすると、次式が成立することが好ましい。
１０×ｆ＝ｆ’＜ｆｃ０ ・・・（１０）
式（８）〜式（１０）の条件を満たしつつ、フィルタ回路６の出力に発生する過渡応答波形を充分に小さくするためには、基本周波数ｆの正弦波と少なくとも３次から７次までの各奇数の高次周波数の正弦波とを合成した発振波形を用いることが望ましい。

図７のような合成波形の駆動電流を生成するには、例えばレーザドライバ４内のメモリに図７のような波形の駆動電流のデジタル値を予め設定しておき、このデジタル値をＤ／Ａコンバーターでアナログ信号に変換して、レーザドライバ４から半導体レーザ１に出力すればよい。
その他の構成は第１の実施の形態と同じである。

［第３の実施の形態］
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−電圧変換増幅器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９は本発明の第３の実施の形態となる距離・速度計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。本実施の形態の距離・速度計は、第１の実施の形態のフォトダイオード２と電流−電圧変換増幅器５の代わりに、検出手段として電圧検出回路１１を用いるものである。

電圧検出回路１１は、半導体レーザ１の端子間電圧、すなわちアノード−カソード間電圧を検出して増幅する。半導体レーザ１から放射されたレーザ光と測定対象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。

フィルタ回路６は、第１の実施の形態と同様に、変調波から重畳信号を抽出する機能を有するものであり、電圧検出回路１１の出力電圧からＭＨＰ波形を抽出する。
半導体レーザ１、レーザドライバ４、計数装置７、演算装置８および表示装置９の動作は、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距離・速度計の部品を削減することができ、距離・速度計のコストを低減することができる。

なお、第１〜第３の実施の形態における計数装置７と演算装置８とは、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実施の形態で説明した処理を実行する。

また、第１〜第３の実施の形態では、物理量センサの１例として距離・速度計を例に挙げて説明しているが、これに限るものではなく、距離計でもよいし、速度計でもよいし、その他の物理量を計測するセンサであってもよい。

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

本発明の第１の実施の形態となる距離・速度計の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態における半導体レーザの発振波長の時間変化の１例を示す図である。 三角波と正弦波の合成方法の１例を説明するための図である。 本発明の第１の実施の形態における電流−電圧変換増幅器の出力電圧波形及びフィルタ回路の出力電圧波形を模式的に示す図である。 本発明の第１の実施の形態における演算装置の構成の１例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態における演算装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態における半導体レーザの発振波長の時間変化の１例を示す図である。 図１のフィルタ回路の構成の１例を示す図である。 本発明の第３の実施の形態となる距離・速度計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１２の距離・速度計における半導体レーザの発振波長の時間変化の１例を示す図である。 従来の自己結合型のレーザ計測器の問題点を説明するための図である。

符号の説明

１…半導体レーザ、２…フォトダイオード、３…レンズ、４…レーザドライバ、５…電流−電圧変換増幅器、６…フィルタ回路、７…計数装置、８…演算装置、９…表示装置、１０…測定対象、１１…電圧検出回路、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。

Claims (10)

1. 測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、
   三角波の極大部と極小部とを丸めた波形の駆動電流を前記半導体レーザに供給す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を有することを特徴とする物理量センサ。
2. 請求項１記載の物理量センサにおいて、
   前記駆動電流の波形は、前記三角波の極大部と極小部を正弦波の極大部と極小部に置き換えた波形であることを特徴とする物理量センサ。
3. 請求項１記載の物理量センサにおいて、
   前記駆動電流の波形は、基本周波数の正弦波とその高次周波数の正弦波とを合成した波形であることを特徴とする物理量センサ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の物理量センサにおいて、
   前記測定対象の物理量は、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であることを特徴とする物理量センサ。
5. 請求項４記載の物理量センサにおいて、
   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、前記半導体レーザの発振波長の上昇側の計数期間と前記発振波長の下降側の計数期間の各々について数える計数手段と、
   前記半導体レーザの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測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とからなることを特徴とする物理量センサ。
6. 半導体レーザを用いて測定対象にレーザ光を放射する物理量計測方法において、
   三角波の極大部と極小部とを丸めた波形の駆動電流を前記半導体レーザに供給して前記半導体レーザを動作させる発振手順と、
   前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記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を備えることを特徴とする物理量計測方法。
7. 請求項６記載の物理量計測方法において、
   前記駆動電流の波形は、前記三角波の極大部と極小部を正弦波の極大部と極小部に置き換えた波形であることを特徴とする物理量計測方法。
8. 請求項６記載の物理量計測方法において、
   前記駆動電流の波形は、基本周波数の正弦波とその高次周波数の正弦波とを合成した波形であることを特徴とする物理量計測方法。
9. 請求項６乃至８のいずれか１項に記載の物理量計測方法において、
   前記測定対象の物理量は、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であることを特徴とする物理量計測方法。
10. 請求項９記載の物理量計測方法において、
    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、前記半導体レーザの発振波長の上昇側の計数期間と前記発振波長の下降側の計数期間の各々について数える計数手順と、
    前記半導体レーザの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を含むことを特徴とする物理量計測方法。

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