JP2010101642A - 物理量センサおよび物理量計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】物体の変位や速度を高い分解能で計測し、計測に要する時間を短縮する。
【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の発振期間のうち少なくとも一方が繰り返し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周期を計測する信号抽出部７と、信号抽出部７の計測結果を基準周期と比較することにより補正し、補正した個々の周期に基づいて物体１０の変位と速度のうち少なくとも一方を算出する演算部８とを備える。
【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、物体の変位や速度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。

ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave ）レーダや定在波レーダ、自己混合型レーザセンサなどの、干渉原理を利用した変位（速度）測定手法においては、ビートや干渉縞の周波数を基に測定対象の変位や速度を算出する際、一般的にＦＦＴ（Fast Fourier Transform）などの信号処理や干渉縞の計数処理などが用いられる。しかし、ＦＦＴによって高分解能を実現するためには、長いサンプリング時間と高いサンプリング周期のデータが必要で、莫大な処理時間を要するという問題点がある。また、干渉縞の計数処理においては、半波長未満の変位を測定するためにセンサを物理的に振動させたり、干渉縞の振幅の解析を行ったりする必要があり、測定対象の周期運動である振動しか計測することができないという問題点があり、さらに干渉縞の計数処理に時間がかかるという問題点があった。

一方、発明者は、半導体レーザの自己結合効果を用いた波長変調型のレーザ計測器を提案した（特許文献１参照）。このレーザ計測器の構成を図２０に示す。図２０のレーザ計測器は、物体２１０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物体２１０に照射すると共に、物体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、物体２１０との距離及び物体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２１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２１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、物体２１０に入射する。物体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モードポップパルス（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２０１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、物体２１０との距離及び物体２１０の速度を算出する。このような自己結合型のレーザ計測器によれば、半導体レーザ２０１の半波長程度の分解能の変位計測と、半導体レーザ２０１の波長変調量に反比例した分解能の距離計測とを行うことができる。

特開２００６−３１３０８０号公報

自己結合型のレーザ計測器によれば、従来のＦＭＣＷレーダや定在波レーダ、自己混合型レーザセンサなどに比べて、測定対象の変位や速度を高い分解能で計測することができる。しかしながら、自己結合型のレーザ計測器では、ＦＦＴと同じように変位や速度の算出にある程度の計測時間（特許文献１の例では、半導体レーザの発振波長変調の搬送波の半周期）が必要となるため、速度の変化が速い測定対象の計測においては計測誤差を生じるという問題点があった。また、信号処理においてＭＨＰの数を数える必要があるため、半導体レーザの半波長未満の分解能を実現することが難しいという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、物体の変位や速度を高い分解能で計測することができ、計測に要する時間を短縮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第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間のうち少なくとも一方が繰り返し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周期を干渉波形が入力される度に計測する信号抽出手段と、この信号抽出手段の計測結果を基準周期と比較することにより前記計測結果を補正する周期補正手段と、この周期補正手段で補正された個々の周期に基づいて前記測定対象の変位と速度のうち少なくとも一方を算出する算出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１構成例において、前記算出手段は、前記干渉波形の周期を計測するサンプリングクロックの周波数と、前記基準周期と、前記半導体レーザの平均波長と、前記周期補正手段で補正された周期の前記基準周期に対する変化量とから、前記測定対象の変位と速度のうち少なくとも一方を算出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１構成例において、前記周期補正手段は、前記信号抽出手段によって計測された干渉波形の周期が前記基準周期の所定数ｋ倍未満の場合は（ｋは１未満の正の値）、この干渉波形の周期と次に計測された干渉波形の周期とを合わせた周期を補正後の干渉波形の周期とし、周期を合わせた波形を１つの波形とし、前記信号抽出手段によって計測された干渉波形の周期が前記基準周期の（ｍ−ｋ）倍以上で且つ前記基準周期の（ｍ＋ｋ）倍未満の場合は（ｍは２以上の自然数）、この干渉波形の周期をｍ等分した周期をそれぞれ補正後の周期とし、補正後の周期の波形がｍ個あるものと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１構成例において、前記所定数ｋは、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、前記周期補正手段は、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前記補正の直前に計測された所定数の干渉波形の周期の平均を前記基準周期と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１構成例は、さらに、前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第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測定対象との距離を算出する距離算出手段と、この距離算出手段が算出した距離から前記干渉波形の周期を求める周期算出手段とを備え、前記周期補正手段は、前記周期算出手段が求めた周期を前記基準周期と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１構成例は、さらに、前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第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、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を備え、前記周期補正手段は、前記周期算出手段が求めた周期を前記基準周期とす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第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間のうち少なくとも一方が繰り返し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周期を干渉波形が入力される度に計測する信号抽出手順と、この信号抽出手順の計測結果を基準周期と比較することにより前記計測結果を補正する周期補正手順と、この周期補正手順で補正された個々の周期に基づいて前記測定対象の変位と速度のうち少なくとも一方を算出する算出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、個々の干渉波形の周期に基づいて算出を行うことにより、測定対象の変位や速度を従来よりも高い分解能で計測することができる。また、従来の自己結合型のレーザ計測器では、搬送波の半周期の計測時間がかかるのに対して、本発明では、１つ１つの干渉波形の周期から測定対象の変位や速度を求めることができるので、計測に要する時間を大幅に短縮することができ、速度の変化が速い測定対象にも対応することができる。さらに、本発明では、信号抽出手段の計測結果を基準周期と比較することにより、干渉波形の周期の誤差を補正することができるので、変位や速度の計測精度を向上させることができる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る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）の周期を計測する信号抽出部７と、信号抽出部７が計測した個々の周期に基づいて物体１０の変位や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２１に示したとおりである。本実施の形態では、半導体レーザ１の発振波長の変化速度が一定であることが必要である。

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。

次に、信号抽出部７は、フィルタ部６の出力電圧に含まれるＭＨＰの周期をＭＨＰが発生する度に計測する。ここで、自己結合信号であるＭＨＰについて説明する。図３に示すように、ミラー層１０１３から物体１０までの距離をＬ、レーザの発振波長をλとすると、以下の共振条件を満足するとき、物体１０からの戻り光と半導体レーザ１の光共振器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、物体１０からの散乱光が極めて微弱であっても、半導体レーザ１の共振器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。

図４は、半導体レーザ１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２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、戻り光と光共振器内のレーザ光の位相差が０°（同位相）になって、戻り光と光共振器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、戻り光と光共振器内のレーザ光とが最も弱め合う。そのため、半導体レーザ１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フォトダイオード２で検出すると、図４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つがＭＨＰである。前記のとおり、ある一定時間において半導体レーザ１の発振波長を変化させた場合、測定距離に比例してＭＨＰの数は変化する。

図５は信号抽出部７の構成例を示すブロック図である。信号抽出部７は、２値化部７０と、周期測定部７１とから構成される。
図６（Ａ）〜図６（Ｄ）は信号抽出部７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７０の出力を示す図、図６（Ｃ）は信号抽出部７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７１の測定結果を示す図である。

まず、信号抽出部７の２値化部７０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７０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７１は、２値化部７０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７１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７１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。

次に、演算部８は、信号抽出部７の計測結果に基づいて、１つ１つのＭＨＰの周期の変化から物体１０の変位と速度を算出する。図７は演算部８の構成例を示すブロック図である。演算部８は、記憶部８０と、周期補正部８１と、物理量算出部８２とから構成される。

記憶部８０は、信号抽出部７の計測結果を記憶する。周期補正部８１は、物体１０が静止していたときのＭＨＰの周期、算出された距離におけるＭＨＰの周期、もしくは今回の補正の直前に計測された所定数のＭＨＰの周期の移動平均値のいずれかを基準周期Ｔ０とし、信号抽出部７の今回の計測結果と基準周期Ｔ０とを比較することにより、信号抽出部７の計測結果を補正する。図８（Ａ）〜図８（Ｆ）は周期補正部８１の動作を説明するための図である。

周期補正部８１は、図８（Ａ）に示すように信号抽出部７によって計測されたＭＨＰの周期Ｔが０．５Ｔ０未満の場合、図８（Ｂ）に示すようにＭＨＰの周期Ｔと次に計測されたＭＨＰの周期Ｔnextとを合わせた周期を補正後のＭＨＰの周期Ｔ’とする。
また、周期補正部８１は、図８（Ｃ）に示すように信号抽出部７によって計測されたＭＨＰの周期Ｔが１．５Ｔ０以上２．５Ｔ０未満の場合、図８（Ｄ）に示すようにＭＨＰの周期Ｔを２等分した周期をそれぞれ補正後の周期Ｔ１’，Ｔ２’とする。

また、周期補正部８１は、図８（Ｅ）に示すように信号抽出部７によって計測されたＭＨＰの周期Ｔが２．５Ｔ０以上３．５Ｔ０未満の場合、図８（Ｆ）に示すようにＭＨＰの周期Ｔを３等分した周期をそれぞれ補正後の周期Ｔ１’，Ｔ２’，Ｔ３’とする。３．５Ｔ０以上についても同様である。すなわち、周期補正部８１は、信号抽出部７によって計測されたＭＨＰの周期Ｔが（ｍ−０．５）Ｔ０以上で（ｍ＋０．５）Ｔ０未満の場合（ｍは２以上の自然数）、ＭＨＰの周期Ｔをｍ等分した周期をそれぞれ補正後の周期とする。周期補正部８１は、以上のような補正処理を信号抽出部７から計測結果が出力される度に行う。

図９は信号抽出部７の計測結果の補正原理を説明するための図であり、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である。
本来、ＭＨＰの周期は物体１０との距離によって異なるが、物体１０との距離が不変であれば、ＭＨＰは同じ周期で出現する。しかし、ノイズのために、ＭＨＰの波形には欠落が生じたり、信号として数えるべきでない波形が生じたりして、ＭＨＰの周期に誤差が生じる。

信号の欠落が生じると、欠落が生じた箇所でのＭＨＰの周期Ｔｗは、本来の周期のおよそ２倍になる。つまり、ＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０のおよそ２倍以上の場合には、信号に欠落が生じていると判断できる。そこで、周期Ｔｗを２等分することで、信号の欠落を補正することができる。

また、ノイズをカウントした箇所でのＭＨＰの周期Ｔｓは、本来の周期のおよそ０．５倍になる。つまり、ＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０のおよそ０．５倍未満の場合には、信号を過剰に数えていると判断できる。そこで、周期Ｔｓと次に計測される周期Ｔnextとを加算することで、誤って数えたノイズを補正することができる。

以上が、信号抽出部７の計測結果の補正原理である。なお、本実施の形態では、ノイズをカウントしたと見なす周期Ｔｓを決めるためのしきい値を基準周期Ｔ０の０．５倍の値とし、信号に欠落が生じたと見なす周期Ｔｗを決めるためのしきい値を基準周期Ｔ０の２倍の値とせずに、１．５倍の値としているが、１．５倍とした理由については後述する。

次に、物理量算出部８２は、周期補正部８１によって補正されたＭＨＰの個々の周期の基準周期Ｔ０に対する変化から物体１０の変位と速度を算出する。サンプリングクロックの周波数をｆａｄ［Ｈｚ］、基準周期をＴ０［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］、半導体レーザ１の発振平均波長をλ［ｍ］とし、補正後のＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０からｎ［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］長くなったとすると、この補正後のＭＨＰの周期における物体１０の変位Ｄ［ｍ］は次式のようになる。
Ｄ＝ｎ×λ／（２×Ｔ０） ・・・（２）

補正後のＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０からｎ［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］短くなった場合には、式（２）の周期変化量ｎの符号を負にすればよい。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において、変位Ｄが正の場合、物体１０の移動方向は半導体レーザ１から遠ざかる方向であり、変位Ｄが負の場合、物体１０の移動方向は半導体レーザ１に接近する方向である。また、発振波長が減少する第２の発振期間Ｐ２において、変位Ｄが正の場合、物体１０の移動方向は半導体レーザ１に接近する方向であり、変位Ｄが負の場合、物体１０の移動方向は半導体レーザ１から遠ざかる方向である。

また、補正後のＭＨＰの周期は（Ｔ０＋ｎ）／ｆａｄなので、この補正後のＭＨＰの周期における物体１０の速度Ｖ［ｍ／ｓ］は次式のようになる。
Ｖ＝ｎ×λ／（２×Ｔ０）×ｆａｄ／（Ｔ０＋ｎ） ・・・（３）

物理量算出部８２は、式（２）により物体１０の変位Ｄを算出することができ、式（３）により物体１０の速度Ｖを算出することができる。例えばサンプリングクロックの周波数ｆａｄを１６［ＭＨｚ］、基準周期Ｔ０を１６０［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］、半導体レーザ１の平均波長を８５０［ｎｍ］とし、補正後のＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０から１［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］長くなったとすると、このＭＨＰの周期における物体１０の変位Ｄは５．３１［ｎｍ］、速度Ｖは１．０５［ｍｍ／ｓ］と計算できる。物理量算出部８２は、以上のような算出処理を補正されたＭＨＰの各周期に対して行う。
表示部９は、演算部８の算出結果を表示する。

ここで、半導体レーザ１の発振波長変調の搬送波（三角波）の半周期あたりの、物体１０との距離に関係するＭＨＰの数をＮｌとする。物体１０の最大速度の絶対値を搬送波１周期あたりの変位に直したときにλ／２×Ｎａとすると、搬送波半周期あたりのＭＨＰの数は、Ｎｌ±Ｎａとなる。搬送波１周期あたりの変位がλ／２×Ｎｂの速度で動いているとき、搬送波半周期あたりのＭＨＰの数はＮｌ＋Ｎｂになるので、この数に対応するＭＨＰの周期が観測される。物体１０の変位Ｄや速度Ｖを求めるには、個々のＭＨＰの周期から搬送波半周期あたりのＭＨＰの数を逆算し、このＭＨＰの数から物体１０の変位Ｄや速度Ｖを算出すればよい。上記の式（２）、式（３）は、このような導出原理に基づくものである。

特許文献１に開示された自己結合型のレーザ計測器では、物体の変位と速度の分解能は半導体レーザの半波長λ／２程度である。これに対して、本実施の形態では、変位Ｄと速度Ｖの分解能はλ／２×ｎ／Ｔ０なので、半波長λ／２未満の分解能を実現することができ、従来よりも高分解能の計測を実現することができる。

以上のように、本実施の形態では、物体１０の変位Ｄや速度Ｖを従来よりも高い分解能で計測することができる。また、特許文献１に開示された自己結合型のレーザ計測器では、搬送波の半周期の計測時間がかかるのに対して、本実施の形態では、１つ１つのＭＨＰの周期から物体１０の変位Ｄや速度Ｖを求めることができるので、計測に要する時間を大幅に短縮することができ、速度の変化が速い物体１０にも対応することができる。さらに、本実施の形態では、ＭＨＰの周期の誤差を補正することができるので、変位Ｄや速度Ｖの計測精度を向上させることができる。

なお、個々のＭＨＰの周期は、物体１０が静止していても正規分布でばらつきがあるため、算出した変位に対して移動平均などの処理を施すとよい。
また、本実施の形態では、物体１０の変位と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。

次に、信号に欠落が生じたと見なす周期Ｔｗを決めるためのしきい値を基準周期Ｔ０の１．５倍とする理由について説明する。半導体レーザ１の発振波長変化が線形である場合、ＭＨＰの周期は基準周期Ｔ０を中心にして正規分布する（図１０）。

ここで、ＭＨＰの波形に欠落が生じた場合を考える。ＭＨＰの強度が小さいために計測時に欠落が生じた場合のＭＨＰの周期は、本来のＭＨＰの周期がＴ０を中心とした正規分布であるために、平均値が２Ｔ０、標準偏差２σの正規分布（図１１のｆ）になる。ｊ［％］のＭＨＰが欠落したときに、第１の発振期間Ｐ１または第２の発振期間Ｐ２のいずれかにおいて信号抽出部７がＭＨＰの数を数えた結果、ＭＨＰの数がＮであったとすると、この欠落によって周期が２倍になったＭＨＰの周期の度数はＮｗ（＝ｊ［％］・Ｎ）である。また、計測時の欠落によって減少した後のおおよそＴ０の周期の度数は、図１１に示すｇであり、図１１のｈに示す度数の減少分は２Ｎｗ（＝２ｊ［％］）である。したがって、第１の発振期間Ｐ１または第２の発振期間Ｐ２のいずれかにおいて、ＭＨＰの欠落が生じなかった場合の本来のＭＨＰの数Ｎ’は以下の式で表すことができる。
Ｎ’＝Ｎ＋ｊ［％］＝Ｎ＋Ｎｗ ・・・（４）

次に、ＭＨＰの周期の計測結果を補正するためのしきい値について考える。ここで、計測時の欠落によって周期が２倍になったＭＨＰの周期の度数Ｎｗのうちノイズによってｐ［％］が２分割された場合を仮定する。欠落したＭＨＰのうち２分割されたＭＨＰの周期の度数は、Ｎｗ’（＝ｊ・ｐ［％］・Ｎ）である。再度２分割されたＭＨＰの周期の度数分布は、図１２のようになる。Ｎｗとみなす周期のしきい値を１．５Ｔ０にすると、周期が０．５Ｔ０以下のＭＨＰの周期の度数は０．５Ｎｗ’（＝０．５ｐ［％］・Ｎｗ）、周期が０．５Ｔ０から１．５Ｔ０までのＭＨＰの周期の度数はＮｗ’（＝ｐ［％］・Ｎｗ）、周期が１．５Ｔ０以上のＭＨＰの周期の度数は０．５Ｎｗ’（＝０．５ｐ［％］・Ｎｗ）となる。

よって、全てのＭＨＰの周期の度数分布は図１３のようになり、上記のＴｓに対応する周期の度数Ｎｓのしきい値を０．５Ｔ０、上記のＴｗに対応する周期の度数Ｎｗのしきい値を１．５Ｔ０にすると、計数結果Ｎは以下の式で表すことができる。
Ｎ＝（Ｎ’−２Ｎｗ）＋（Ｎｗ−Ｎｗ’）＋２Ｎｗ’＝Ｎ’−Ｎｗ＋Ｎｗ’
・・・（５）

式（５）より、補正された結果は以下のようになり、計数時にＭＨＰの欠落が生じなかった場合の本来のＭＨＰの数Ｎ’が算出されることが分かる。
Ｎ−０．５Ｎｗ’＋（０．５Ｎｗ’＋（Ｎｗ−Ｎｗ’））
＝（Ｎ−Ｎｗ＋Ｎｗ’）＋（０．５Ｎｗ’＋（Ｎｗ−Ｎｗ’））
＝Ｎ’ ・・・（６）

以上のことから、度数Ｎｗを求める際の周期のしきい値を基準周期Ｔ０の１．５倍とすれば、計数結果Ｎを補正できることが分かる。ＭＨＰの周期Ｔと計数結果Ｎとは、三角波の半周期あたりのサンプリングクロック数をＭとすると、Ｔ＝Ｍ／Ｎの関係にあり、Ｍは一定値であるから、信号に欠落が生じたと見なす周期Ｔｗを決めるためのしきい値は、計数結果Ｎの場合と同様に、基準周期Ｔ０の１．５倍とすればよいことが分かる。

なお、本実施の形態では、基準周期Ｔ０を物体１０が静止している状態でのＭＨＰの周期としたが、これに限るものではなく、演算部８は、補正の直前に計測された所定数のＭＨＰの周期の移動平均値を基準周期Ｔ０としてもよい。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、基準周期Ｔ０を求めることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図１４は本発明の第２の実施の形態に係る演算部８の構成例を示すブロック図である。演算部８は、記憶部８０と、周期補正部８１と、物理量算出部８２と、計数部８３と、距離算出部８４と、周期算出部８５とから構成される。物理量センサの全体の構成は第１の形態と同じでよいが、半導体レーザ１の発振波長の変化速度が一定で、かつ発振波長の最大値λｂおよび発振波長の最小値λａがそれぞれ一定で、それらの差λｂ−λａも一定である必要がある。

計数部８３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。計数部８３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、距離算出部８４は、半導体レーザ１の最小発振波長λａと最大発振波長λｂと計数部８３が数えたＭＨＰの数に基づいて、物体１０との距離を算出する。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、距離算出部８４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する。
Ｌα（ｔ）＝λａ×λｂ×（ＭＨＰ（ｔ−１）＋ＭＨＰ（ｔ））
／｛４×（λｂ−λａ）｝ ・・・（７）
Ｌβ（ｔ）＝λａ×λｂ×（｜ＭＨＰ（ｔ−１）−ＭＨＰ（ｔ）｜）
／｛４×（λｂ−λａ）｝ ・・・（８）
Ｖα（ｔ）＝（ＭＨＰ（ｔ−１）−ＭＨＰ（ｔ））×λｂ／４ ・・・（９）
Ｖβ（ｔ）＝（ＭＨＰ（ｔ−１）＋ＭＨＰ（ｔ））×λｂ／４ ・・・（１０）

式（７）〜式（１０）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。距離算出部８４は、式（７）〜式（１０）の計算を計数部８３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、距離算出部８４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、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する。なお、式（１１）、式（１２）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） ・・・（１１）
Ｖｃａｌβ（ｔ）＝Ｌβ（ｔ）−Ｌβ（ｔ−１） ・・・（１２）

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。距離算出部８４は、式（１１）〜式（１２）の計算を計数部８３によってＭＨＰの数が測定される時刻毎に行う。なお、式（９）〜式（１２）においては、物体１０が本実施の形態の物理量センサ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、距離算出部８４は、式（７）〜式（１２）の算出結果を用いて、物体１０の状態を判定する。

特許文献１に記載されているように、距離算出部８４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、距離算出部８４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、距離算出部８４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、距離算出部８４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、距離算出部８４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、距離算出部８４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。

距離算出部８４は、上記の判定結果に基づいて物体１０との距離を確定する。すなわち、距離算出部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、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、距離の候補値Ｌβ（ｔ）を物体１０との距離とする。

また、距離算出部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、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、距離算出部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、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。

次に、周期算出部８５は、距離算出部８４が算出した距離からＭＨＰの周期を求める。ＭＨＰの周波数は測定距離に比例し、ＭＨＰの周期は測定距離に反比例する。そこで、ＭＨＰの周期と距離との関係を予め求めて周期算出部８５のデータベース（不図示）に登録しておけば、周期算出部８５は、距離算出部８４によって算出された距離に対応するＭＨＰの周期をデータベースから取得することにより、ＭＨＰの周期を求めることができる。あるいは、ＭＨＰの周期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、周期算出部８５は、距離算出部８４によって算出された距離を数式に代入することにより、ＭＨＰの周期を算出することができる。

周期補正部８１は、周期算出部８５が求めた周期を基準周期Ｔ０として、第１の実施の形態で説明したように信号抽出部７の計測結果を補正すればよい。物理量算出部８２の動作は第１の実施の形態と同じである。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、基準周期Ｔ０を求めることができる。

［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。図１５は本発明の第３の実施の形態に係る演算部８の構成例を示すブロック図である。演算部８は、記憶部８０と、周期補正部８１と、物理量算出部８２と、フィルタ部６の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を数える計数部８６と、計数部８６の計数結果等を記憶する記憶部８７と、計数部８６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８８と、計数部８６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計数部８６の最新の計数結果に正負の符号を付与する符号付与部８９と、距離比例個数ＮＬからＭＨＰの周期を算出する周期算出部９０とから構成される。物理量センサの全体の構成は第１の実施の形態と同じでよい。

計数部８６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。計数部８６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。計数部８６の計数結果は、記憶部８７に格納される。

距離比例個数算出部８８は、計数部８６の計数結果から距離比例個数ＮＬを求める。図１６は距離比例個数算出部８８の動作を説明するための図であり、計数部８６の計数結果の時間変化を示す図である。図１６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１６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２１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１６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８８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。
ＮＬ＝｛Ｎ（ｔ−２）＋Ｎ（ｔ−３）｝／２ ・・・（１３）

式（１３）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（１３）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８８は、次式のように距離比例個数ＮＬを算出する。
ＮＬ＝｛Ｎ（ｔ−２ｍ−１）＋Ｎ（ｔ−２ｍ）＋・・・＋Ｎ（ｔ−２）｝／２ｍ
・・・（１４）

ただし、式（１３）、式（１４）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（１３）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。
ＮＬ＝｛Ｎ’（ｔ−２）＋Ｎ’（ｔ−３）｝／２ ・・・（１５）
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（１５）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（１４）を用いる場合には、途中からは式（１４）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。
ＮＬ＝｛Ｎ’（ｔ−２ｍ−１）＋Ｎ’（ｔ−２ｍ）＋・・・＋Ｎ’（ｔ−２）｝／２ｍ
・・・（１６）
式（１６）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８７に格納される。距離比例個数算出部８８は、以上のような距離比例個数ＮＬの算出処理を、計数部８６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８９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計数部８６の計数結果Ｎ（ｔ）に正負の符号を付与する。符号付与部８９は、具体的には以下の式を実行する。
Ｉｆ Ｎ（ｔ−１）≧２ＮＬ Ｔｈｅｎ Ｎ’（ｔ）→−Ｎ（ｔ） ・・・（１７）
Ｉｆ Ｎ（ｔ−１）＜２ＮＬ Ｔｈｅｎ Ｎ’（ｔ）→＋Ｎ（ｔ） ・・・（１８）

図１７は符号付与部８９の動作を説明するための図であり、計数部８６の計数結果の時間変化を示す図である。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大きい場合、計数結果Ｎｕの時間変化は、図１７の１７０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１７の１７１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１７の１７０，１７１で示した軌跡を描くように補正する必要がある。式（１７）、式（１８）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１７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（１７）に示すように、Ｎ（ｔ−１）≧２ＮＬが成立する場合には、計数部８６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１６および図１７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（１８）に示すように、Ｎ（ｔ−１）＜２ＮＬが成立する場合には、計数部８６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８７に格納される。符号付与部８９は、以上のような符号付与処理を、計数部８６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（１７）の成立条件をＮ（ｔ−１）＞２ＮＬにして、式（１８）の成立条件をＮ（ｔ−１）≦２ＮＬにしてもよい。

次に、周期算出部９０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） ・・・（１９）
ここで、ｆは三角波の周波数、Ｃは光速である。

周期補正部８１は、周期算出部９０が算出した周期を基準周期Ｔ０として、第１の実施の形態で説明したように信号抽出部７の計測結果を補正すればよい。物理量算出部８２の動作は第１の実施の形態と同じである。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、基準周期Ｔ０を求めることができる。

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。第１〜第３の実施の形態では、半導体レーザ１を三角波状に発振させていたが、これに限るものではなく、第１、第３の実施の形態において図１８に示すように半導体レーザ１を鋸波状に発振させてもよい。すなわち、本実施の形態では、第１の発振期間Ｐ１または第２の発振期間Ｐ２のいずれか一方が繰り返し存在するように半導体レーザ１を動作させればよい。ただし、第２の実施の形態については、半導体レーザ１を三角波状に発振させる必要がある。

本実施の形態のように半導体レーザ１を鋸波状に発振させる場合においても、半導体レーザ１の発振波長の変化速度が一定であることが必要である。第１の発振期間Ｐ１または第２の発振期間Ｐ２における動作は、三角波発振の場合と同様である。図１８に示すように第１の発振期間Ｐ１のみが繰り返し存在する鋸波状の発振の場合は第１の発振期間Ｐ１の処理を繰り返し行えばよく、第２の発振期間Ｐ２のみが繰り返し存在する鋸波状の発振の場合は第２の発振期間Ｐ２の処理を繰り返し行えばよいことは言うまでもない。

［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。第１〜第４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１９は本発明の第５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５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５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。

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。 モードホップパルスについて説明するための図である。 半導体レーザの発振波長とフォトダイオードの出力波形との関係を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における信号抽出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信号抽出部の動作を説明するための図である。 本発明の第１の実施の形態における演算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周期補正部の動作を説明するための図である。 本発明の第１の実施の形態における信号抽出部の計測結果の補正原理を説明するための図である。 モードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。 ２倍の周期になったモードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。 計数時に欠落したモードホップパルスのうち２分割されたモードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。 計数時に欠落したモードホップパルスのうち２分割されたモードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。 本発明の第２の実施の形態における演算部の構成例を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態における演算部の構成例を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態における計数部の計数結果の時間変化の１例を示す図である。 本発明の第３の実施の形態における計数部の計数結果の時間変化の他の例を示す図である。 本発明の第４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他の例を示す図である。 本発明の第５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の構成を示すブロック図である。 図２０のレーザ計測器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。

符号の説明

１…半導体レーザ、２…フォトダイオード、３…レンズ、４…レーザドライバ、５…電流−電圧変換増幅部、６…フィルタ部、７…信号抽出部、８…演算部、９…表示部、１０…物体、１２…電圧検出部、７０…２値化部、７１…周期測定部、８０，８７…記憶部、８１…周期補正部、８２…物理量算出部、８３，８６…計数部、８４…距離算出部、８５，９０…周期算出部、８８…距離比例個数算出部、８９…符号付与部。

Claims (14)

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第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間のうち少なくとも一方が繰り返し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周期を干渉波形が入力される度に計測する信号抽出手段と、
   この信号抽出手段の計測結果を基準周期と比較することにより前記計測結果を補正する周期補正手段と、
   この周期補正手段で補正された個々の周期に基づいて前記測定対象の変位と速度のうち少なくとも一方を算出する算出手段とを備え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、
   前記算出手段は、前記干渉波形の周期を計測するサンプリングクロックの周波数と、前記基準周期と、前記半導体レーザの平均波長と、前記周期補正手段で補正された周期の前記基準周期に対する変化量とから、前記測定対象の変位と速度のうち少なくとも一方を算出することを特徴とする物理量センサ。
3. 請求項１または２記載の物理量センサにおいて、
   前記周期補正手段は、前記信号抽出手段によって計測された干渉波形の周期が前記基準周期の所定数ｋ倍未満の場合は（ｋは１未満の正の値）、この干渉波形の周期と次に計測された干渉波形の周期とを合わせた周期を補正後の干渉波形の周期とし、周期を合わせた波形を１つの波形とし、前記信号抽出手段によって計測された干渉波形の周期が前記基準周期の（ｍ−ｋ）倍以上で且つ前記基準周期の（ｍ＋ｋ）倍未満の場合は（ｍは２以上の自然数）、この干渉波形の周期をｍ等分した周期をそれぞれ補正後の周期とし、補正後の周期の波形がｍ個あるものとすることを特徴とする物理量センサ。
4. 請求項３記載の物理量センサにおいて、
   前記所定数ｋは、０．５であることを特徴とする物理量センサ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の物理量センサにおいて、
   前記周期補正手段は、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前記補正の直前に計測された所定数の干渉波形の周期の平均を前記基準周期とすることを特徴とする物理量センサ。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の物理量センサにおいて、
   さらに、前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第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測定対象との距離を算出する距離算出手段と、
   この距離算出手段が算出した距離から前記干渉波形の周期を求める周期算出手段とを備え、
   前記周期補正手段は、前記周期算出手段が求めた周期を前記基準周期とすることを特徴とする物理量センサ。
7. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の物理量センサにおいて、
   さらに、前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第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、
   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を備え、
   前記周期補正手段は、前記周期算出手段が求めた周期を前記基準周期とすることを特徴とする物理量センサ。
8. 発振波長が連続的に単調増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間のうち少なくとも一方が繰り返し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周期を干渉波形が入力される度に計測する信号抽出手順と、
   この信号抽出手順の計測結果を基準周期と比較することにより前記計測結果を補正する周期補正手順と、
   この周期補正手順で補正された個々の周期に基づいて前記測定対象の変位と速度のうち少なくとも一方を算出する算出手順とを備えることを特徴とする物理量計測方法。
9. 請求項８記載の物理量計測方法において、
   前記算出手順は、前記干渉波形の周期を計測するサンプリングクロックの周波数と、前記基準周期と、前記半導体レーザの平均波長と、前記周期補正手順で補正された周期の前記基準周期に対する変化量とから、前記測定対象の変位と速度のうち少なくとも一方を算出することを特徴とする物理量計測方法。
10. 請求項８または９記載の物理量計測方法において、
    前記周期補正手順は、前記信号抽出手順で計測された干渉波形の周期が前記基準周期の所定数ｋ倍未満の場合は（ｋは１未満の正の値）、この干渉波形の周期と次に計測された干渉波形の周期とを合わせた周期を補正後の干渉波形の周期とし、周期を合わせた波形を１つの波形とし、前記信号抽出手順で計測された干渉波形の周期が前記基準周期の（ｍ−ｋ）倍以上で且つ前記基準周期の（ｍ＋ｋ）倍未満の場合は（ｍは２以上の自然数）、この干渉波形の周期をｍ等分した周期をそれぞれ補正後の周期とし、、補正後の周期の波形がｍ個あるものとすることを特徴とする物理量計測方法。
11. 請求項１０記載の物理量計測方法において、
    前記所定数ｋは、０．５であることを特徴とする物理量計測方法。
12. 請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の物理量計測方法において、
    前記周期補正手順は、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前記補正の直前に計測された所定数の干渉波形の周期の平均を前記基準周期とすることを特徴とする物理量計測方法。
13. 請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の物理量計測方法において、
    さらに、前記検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第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測定対象との距離を算出する距離算出手順と、
    この距離算出手順で算出した距離から前記干渉波形の周期を求める周期算出手順とを備え、
    前記周期補正手順は、前記周期算出手順で求めた周期を前記基準周期とすることを特徴とする物理量計測方法。
14. 請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の物理量計測方法において、
    さらに、前記検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第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、
    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を備え、
    前記周期補正手順は、前記周期算出手順で求めた周期を前記基準周期とすることを特徴とする物理量計測方法。

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