JP2010117144A - Physical quantity sensor and method for measuring physical quantity - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a physical quantity sensor and a physical quantity measuring method for measuring displacement and velocity 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.
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。 Displacement (velocity) measurement methods using the interference principle, such as FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) radar, standing wave radar, and self-mixing laser sensor, In calculating the velocity, signal processing such as FFT (Fast Fourier Transform) or interference fringe counting processing is generally used. However, in order to realize high resolution by FFT, there is a problem that long sampling time and data with a high sampling period are required, and enormous processing time is required. In addition, in the interference fringe counting process, it is necessary to physically vibrate the sensor or analyze the amplitude of the interference fringe in order to measure a displacement of less than a half wavelength, which is the periodic motion of the measurement target. There is a problem that only vibrations can be measured, and there is another problem that it takes time to count interference fringes.
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13に示す。図13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。
On the other hand, the inventor has proposed a wavelength modulation type laser measuring instrument using the self-coupling effect of a semiconductor laser (see Patent Document 1). The configuration of this laser measuring instrument is shown in FIG. 13 includes a
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。
The
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。
Laser light emitted from the
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。 According to the self-coupled laser measuring instrument, it is possible to measure the displacement and speed of the measurement object with a higher resolution than conventional FMCW radars, standing wave radars, self-mixing laser sensors, and the like. However, a self-coupled laser measuring instrument requires a certain amount of measurement time (in the example of Patent Document 1, a half cycle of a carrier wave of oscillation wavelength modulation of a semiconductor laser) in the same manner as FFT, in calculating displacement and speed. Therefore, there is a problem that a measurement error occurs in the measurement of the measurement object whose speed change is fast. Further, since it is necessary to count the number of MHPs in signal processing, there is a problem that it is difficult to realize a resolution of less than a half wavelength of the semiconductor laser.
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。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a physical quantity sensor and a physical quantity measuring method capable of measuring the displacement and speed of an object with high resolution and reducing the time required for the measurement. For the purpose.
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、この信号抽出手段が計測した個々の周期の基準周期に対する変化量に基づいて、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物理量算出手段と、前記信号抽出手段が計測した周期の変化特性に応じて前記基準周期を補正する周期補正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、前記物理量算出手段は、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、前記信号抽出手段が計測した干渉波形の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。
The physical quantity sensor of the present invention includes a semiconductor laser that emits laser light to a measurement target, a first oscillation period in which the oscillation wavelength continuously increases monotonously, and a second oscillation period in which the oscillation wavelength continuously decreases monotonously. An oscillation wavelength modulation means for operating the semiconductor laser so that at least one of them repeatedly exists, and an electrical signal including an interference waveform generated by 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 the signal, signal extraction means for measuring the period of the interference waveform included in the output signal of the detection means every time the interference waveform is input, and a reference period of each period measured by the signal extraction means A physical quantity calculating means for calculating at least one of a displacement and a velocity of the measurement object based on a change amount for the measurement object, and a change in the period measured by the signal extracting means. It is characterized in further comprising a period correcting means for correcting the reference period according to the characteristics.
Further, in one configuration example of the physical quantity sensor of the present invention, the physical quantity calculation means includes a sampling clock frequency for measuring a period of the interference waveform, the reference period, an average wavelength of the semiconductor laser, and the signal extraction means. And calculating at least one of the displacement and speed of the measurement object from the amount of change of the period of the interference waveform measured with respect to the reference period.
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、前記干渉波形の周期が前記基準周期以上である時間と前記干渉波形の周期が前記基準周期以下である時間とが等しくなるように、前記基準周期を補正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、前記物理量算出手段は、少なくとも前記測定対象の変位を算出し、前記周期補正手段は、前記干渉波形の周期が前記基準周期以上であるときの前記変位の積分値と前記干渉波形の周期が前記基準周期以下であるときの前記変位の積分値とが等しくなるように、前記基準周期を補正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、前記干渉波形の周期変化の1周期において、前記干渉波形の周期の平均値を求め、この平均値を新たな基準周期とすることを特徴とするものである。
Moreover, in one configuration example of the physical quantity sensor of the present invention, the period correction unit is configured such that the time when the period of the interference waveform is equal to or greater than the reference period is equal to the time when the period of the interference waveform is equal to or less than the reference period. Thus, the reference period is corrected.
Further, in one configuration example of the physical quantity sensor of the present invention, the physical quantity calculation unit calculates at least a displacement of the measurement target, and the period correction unit includes the period when the period of the interference waveform is equal to or greater than the reference period. The reference period is corrected so that an integral value of displacement and an integral value of the displacement when the period of the interference waveform is equal to or less than the reference period are equal.
Further, in one configuration example of the physical quantity sensor of the present invention, the period correction unit obtains an average value of the period of the interference waveform in one period of the period change of the interference waveform, and uses the average value as a new reference period. It is characterized by doing.
また、本発明の物理量センサの1構成例において、前記物理量算出手段は、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を前記基準周期の初期値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、前記物理量算出手段は、前記周期算出手段が求めた周期を前記基準周期の初期値とすることを特徴とするものである。
Further, in one configuration example of the physical quantity sensor of the present invention, the physical quantity calculation means sets the period of the interference waveform when the measurement object is stationary as an initial value of the reference period. is there.
Moreover, in one configuration example of the physical quantity sensor of the present invention, the counting unit further counts 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. A distance calculating means for calculating a distance from the object to be measured from a minimum oscillation wavelength, a maximum oscillation wavelength and a counting result of the counting means in a period in which the number of interference waveforms is counted by the counting means, and the distance calculating means calculates Period calculation means for obtaining the period of the interference waveform from the measured distance, wherein the physical quantity calculation means uses the period obtained by the period calculation means as an initial value of the reference period.
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、この信号抽出手順で計測した個々の周期の基準周期に対する変化量に基づいて、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物理量算出手順と、前記信号抽出手順で計測した周期の変化特性に応じて前記基準周期を補正する周期補正手順とを備えることを特徴とするものである。 Further, the physical quantity measuring method of the present invention is a semiconductor in which at least one of the first oscillation period in which the oscillation wavelength continuously increases monotonically and the second oscillation period in which the oscillation wavelength continuously decreases monotonously exists. An oscillation procedure for operating the laser, 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, and the detection procedure Based on the signal extraction procedure for measuring the period of the interference waveform included in the output signal every time the interference waveform is input, and the amount of change of each period measured in the signal extraction procedure with respect to the reference period, the measurement target A physical quantity calculation procedure for calculating at least one of displacement and velocity of the signal, and a period correction for correcting the reference period according to a change characteristic of the period measured by the signal extraction procedure It is characterized in further comprising an order.
本発明によれば、計測した個々の干渉波形の周期の基準周期に対する変化量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。また、本発明では、干渉波形の周期の変化特性に応じて基準周期を補正することにより、変位や速度の計測精度の低下を回避することができる。 According to the present invention, the displacement and speed of the measurement target can be measured with higher resolution than before by calculating based on the amount of change of the period of each measured interference waveform with respect to the reference period. Further, in the conventional self-coupled laser measuring instrument, it takes a measurement time of a half cycle of the carrier wave, but in the present invention, the displacement and speed of the measurement object can be obtained from the period of each interference waveform. Therefore, the time required for measurement can be greatly shortened, and it is possible to deal with a measurement object whose speed changes rapidly. Further, in the present invention, it is possible to avoid a decrease in measurement accuracy of displacement and speed by correcting the reference period according to the change characteristic of the period of the interference waveform.
[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。
[First Embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 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
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。
The
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、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。
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、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。
Laser light emitted from the semiconductor laser 1 is collected by the lens 3 and enters the
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。
The
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。
Next, the
L = qλ / 2 (1)
In Formula (1), q is an integer. This phenomenon can be sufficiently observed even if the scattered light from the
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。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the oscillation wavelength and the output waveform of the
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。
FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration example of the
6 (A) to 6 (D) are diagrams for explaining the operation of the
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。
First, the
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。
The
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、物理量算出部80と、記憶部81と、周期補正部82とから構成される。
Next, the
FIG. 7 is a block diagram illustrating a configuration example of the
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、演算対象のMHPの周期が基準周期T0からn[samplings]長くなったとすると、この演算対象の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)
When the sampling clock frequency is fad [Hz], the reference period is T0 [samplings], the oscillation average wavelength of the semiconductor laser 1 is λ [m], and the MHP period to be calculated is n [samplings] longer than the reference period T0. Then, the displacement D [m] of the
D = n × λ / (2 × T0) (2)
基準周期T0の初期値は、物体10が静止していたときのMHPの周期、もしくは算出された距離におけるMHPの周期である。演算対象の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。
The initial value of the reference period T0 is the MHP period when the
また、演算対象のMHPの周期は(T0+n)/fadなので、演算対象の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)
Further, since the cycle of the MHP to be calculated is (T0 + n) / fad, the velocity V [m / s] of the
V = n × λ / (2 × T0) × fad / (T0 + n) (3)
演算部8の物理量算出部80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、演算対象のMHPの周期が基準周期T0から1[samplings]長くなったとすると、演算対象の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80は、以上のような算出処理をMHPが発生する度に行う。
表示部9は、演算部8の算出結果を表示する。
The physical
The
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の平均速度の絶対値を搬送波半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もしくはNl−Naとなる。搬送波半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もしくは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。なお、上記の平均速度とは、ある1つのMHP間の平均速度のことである。
Here, the number of MHPs related to the distance from the
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。 In the self-coupled laser measuring instrument disclosed in Patent Document 1, the resolution of the displacement and velocity of the object is about half the wavelength λ / 2 of the semiconductor laser. On the other hand, in the present embodiment, the resolution of the displacement D and the velocity V is λ / 2 × n / T0, so that a resolution of less than half wavelength λ / 2 can be realized, and measurement with higher resolution than in the past is possible. Can be realized.
次に、基準周期T0の補正について説明する。上記のとおり、本実施の形態によれば、高分解能の計測を実現することができるが、半面、基準周期T0の分解能が低く精度が低下する傾向にあり、変位Dや速度Vの絶対精度が低下する可能性がある。そこで、本実施の形態では、基準周期T0を補正し、変位Dや速度Vの計測精度の低下を回避する。 Next, correction of the reference period T0 will be described. As described above, according to the present embodiment, high-resolution measurement can be realized, but on the other hand, the resolution of the reference period T0 tends to be low and the accuracy tends to decrease, and the absolute accuracy of the displacement D and the velocity V is low. May be reduced. Therefore, in the present embodiment, the reference period T0 is corrected to avoid a decrease in measurement accuracy of the displacement D and the speed V.
まず、記憶部81は、信号抽出部7の計測結果を記憶する。周期補正部82は、信号抽出部7によって計測され記憶部81に記憶されたMHPの周期の変化特性に応じて基準周期T0を補正する。図8(A)、図8(B)は周期補正部82の動作を説明するための図であり、MHPの周期の変化の1例を示す図である。物体10が振動している場合、MHPの周期は、図8(A)、図8(B)に示すように正弦波状に変化する。
First, the
物体10の変位方向は、基準周期T0との大小関係で判定できる。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であれば、MHPの周期が基準周期T0より長い場合、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、MHPの周期が基準周期T0より短い場合、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。一方、発振波長が減少する第2の発振期間P2であれば、MHPの周期が基準周期T0より長い場合、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、MHPの周期が基準周期T0より短い場合、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。
The displacement direction of the
ここで、基準周期T0が本来の値からずれていると、図8(A)に示すようにMHPの周期が基準周期T0以上である時間t1とMHPの周期が基準周期T0以下である時間t2に差が生じる。
そこで、周期補正部82は、MHPの周期が基準周期T0以上である時間t1とMHPの周期が基準周期T0以下である時間t2とが等しくなるように、基準周期T0を補正し、この補正後の基準周期T0を物理量算出部80に設定する。このように基準周期T0を補正すると、図8(B)に示すように時間t1とt2とが等しくなる。その結果、MHPの周期変化の1周期(物体10の振動の1周期)における物体10の変位Dの平均値を求めると、この平均値は0になる。周期補正部82は、以上のような基準周期T0の補正を、MHPの周期変化の1周期毎に行う。
Here, if the reference period T0 deviates from the original value, as shown in FIG. 8A, a time t1 when the MHP period is equal to or greater than the reference period T0 and a time t2 when the MHP period is equal to or less than the reference period T0. There will be a difference.
Therefore, the
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。
As described above, in the present embodiment, the displacement D and the velocity V of the
また、本実施の形態では、MHPの周期変化の1周期における物体10の変位Dの平均値が0になるように基準周期T0を補正することにより、変位Dや速度Vの計測精度の低下を回避することができる。この基準周期T0の補正方法は、物体10の振動の中心が変位しないものとして補正を行うため、物体10の低い周波数成分(等速運動も含む)の動きの影響を受けず精度良く振動計測を行うことができる。また、物体10の低周波成分の運動は、補正した基準周期T0を用いて物体10との距離を算出することで求めることもできる。
In the present embodiment, the measurement accuracy of the displacement D and the speed V is reduced by correcting the reference cycle T0 so that the average value of the displacement D of the
本実施の形態では、MHPの周期変化の時間に基づいて基準周期T0を補正しているが、物体10の変位Dの積分値に基づいて基準周期T0を補正してもよい。この場合、周期補正部82は、MHPの周期が基準周期T0以上であるときの変位Dの積分値とMHPの周期が基準周期T0以下であるときの変位Dの積分値とが等しくなるように、基準周期T0を補正すればよい。
In the present embodiment, the reference period T0 is corrected based on the time of the MHP period change. However, the reference period T0 may be corrected based on the integral value of the displacement D of the
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。
Note that the period of each MHP varies in a normal distribution even when the
Moreover, in this Embodiment, although both the displacement and speed of the
[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。本実施の形態は、基準周期T0の別の補正方法を説明するものである。本実施の形態においても、物理量センサの構成は第1の実施の形態と同様であるので、図1、図5、図7の符号を用いて説明する。図9は本実施の形態の周期補正部82の動作を説明するための図であり、MHPの周期の変化の1例を示す図である。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, another correction method for the reference period T0 will be described. Also in the present embodiment, the configuration of the physical quantity sensor is the same as that of the first embodiment, and therefore, description will be made using the reference numerals in FIGS. FIG. 9 is a diagram for explaining the operation of the
本実施の形態の周期補正部82は、MHPの周期変化の1周期において、MHPの周期の平均値を求め、この平均値を新たな基準周期T0として物理量算出部80に設定する。このとき、図9に示すようにMHPの周期の極大値と次の極大値との間(またはMHPの周期の極小値と次の極小値との間)を周期変化の1周期TCとしてもよいし、補正前の基準周期T0をしきい値として、MHPの周期変化の立ち上がりまたは立ち下がりを検出し、周期変化の立ち上がりと次の立ち上がりとの間(または周期変化の立ち下がりと次の立ち下がりとの間)を周期変化の1周期TCとしてもよい。
The
また、予め定められた適当な値をしきい値として、MHPの周期変化の立ち上がりまたは立ち下がりを検出し、周期変化の立ち上がりと次の立ち上がりとの間(または周期変化の立ち下がりと次の立ち下がりとの間)を周期変化の1周期TCとしてもよい。この場合、しきい値はMHPの周期の極小値より大きく、かつ極大値より小さい値であればよい。周期補正部82は、以上のような基準周期T0の補正を、MHPの周期変化の1周期毎に行う。
周期補正部82以外の構成の動作は、第1の実施の形態と同じである。
In addition, the rising or falling edge of the MHP period change is detected using a predetermined appropriate value as a threshold value, and between the rising edge and the next rising edge of the periodic change (or the falling edge of the periodic change and the next rising edge). It is good also as 1 period TC of a period change between fall. In this case, the threshold value may be a value larger than the minimum value of the MHP cycle and smaller than the maximum value. The
The operation of the configuration other than the
こうして、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。また、第1の実施の形態の補正方法では、基準周期T0の初期値の精度が高いことが要求されるため、基準周期T0の初期値を、物体10が静止していたときのMHPの周期としており、静止させることができない物体10に対して適用することはできない。
これに対して、本実施の形態では、基準周期T0の初期値は予め定められた適当な値でも構わない。したがって、本実施の形態によれば、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を補正することができる。
Thus, according to the present embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. In the correction method of the first embodiment, since the accuracy of the initial value of the reference period T0 is required to be high, the initial value of the reference period T0 is used as the MHP period when the
On the other hand, in the present embodiment, the initial value of the reference period T0 may be an appropriate value determined in advance. Therefore, according to the present embodiment, the reference period T0 can be corrected even in the case of the
[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の実施の形態では、基準周期T0の初期値を物体10が静止している状態でのMHPの周期としたが、本実施の形態は基準周期T0の初期値の他の求め方を説明するものである。図10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、物理量算出部80と、記憶部81と、周期補正部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、第2の実施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。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, the initial value of the reference period T0 is the MHP period when the
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。
The
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。
Next, the
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)} ・・・(4)
Lβ(t)=λa×λb×(|MHP(t−1)−MHP(t)|)
/{4×(λb−λa)} ・・・(5)
Vα(t)=(MHP(t−1)−MHP(t))×λb/4 ・・・(6)
Vβ(t)=(MHP(t−1)+MHP(t))×λb/4 ・・・(7)
First, the
Lα (t) = λa × λb × (MHP (t−1) + MHP (t))
/ {4 × (λb−λa)} (4)
Lβ (t) = λa × λb × (| MHP (t−1) −MHP (t) |)
/ {4 × (λb−λa)} (5)
Vα (t) = (MHP (t−1) −MHP (t)) × λb / 4 (6)
Vβ (t) = (MHP (t−1) + MHP (t)) × λb / 4 (7)
式(4)〜式(7)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。 In Expressions (4) to (7), MHP (t) is the number of MHPs calculated at the current time t, and MHP (t−1) is the number of MHPs calculated one time before MHP (t). is there. For example, if 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, and conversely, MHP (t) is the second counting period. If it is the counting result of the oscillation period P2, the MHP (t−1) is the counting result of the first oscillation period P1.
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(4)〜式(7)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。
The candidate values Lα (t) and Vα (t) are values calculated on the assumption that the
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(8)、式(9)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) ・・・(8)
Vcalβ(t)=Lβ(t)−Lβ(t−1) ・・・(9)
Subsequently, the
Vcalα (t) = Lα (t) −Lα (t−1) (8)
Vcalβ (t) = Lβ (t) −Lβ (t−1) (9)
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(8)〜式(9)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(6)〜式(9)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(4)〜式(9)の算出結果を用いて、物体10の状態を判定する。
The history displacement Vcalα (t) is a value calculated on the assumption that the
Next, the
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。
As described in Patent Document 1, the
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。
Further, as described in Patent Document 1, the
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。
Further, as described in Patent Document 1, the
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。
Focusing on the velocity candidate value Vβ (t), the absolute value of Vβ (t) is a constant, and this value is equal to the wavelength change rate (λb−λa) / λb of the semiconductor laser 1. Therefore, the
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。
Further, as described in Patent Document 1, the
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。
When attention is paid to the velocity candidate value Vα (t), the absolute value of Vα (t) is a constant, and this value is equal to the wavelength change rate (λb−λa) / λb of the semiconductor laser 1. Therefore, the
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。
The
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。
The
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、この周期を基準周期T0の初期値として物理量算出部80に設定する。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。
Next, the
物理量算出部80、記憶部81、周期補正部82の動作は、第1、第2の実施の形態で説明したとおりである。
本実施の形態によれば、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の初期値を求めることができる。
The operations of the physical
According to the present embodiment, even if the
[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2の実施の形態において図11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3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。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the first to third embodiments, the semiconductor laser 1 is oscillated in a triangular wave shape. However, the present invention is not limited to this, and the semiconductor laser 1 in the first and second embodiments as shown in FIG. May be oscillated in a sawtooth shape. That is, in the present embodiment, the semiconductor laser 1 may be operated so that either the first oscillation period P1 or the second oscillation period P2 exists repeatedly. However, in the third embodiment, it is necessary to oscillate the semiconductor laser 1 in a triangular wave shape.
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11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。 Even when the semiconductor laser 1 oscillates in a sawtooth shape as in the present embodiment, the rate of change of the oscillation wavelength of the semiconductor laser 1 needs to be constant. The operation in the first oscillation period P1 or the second oscillation period P2 is the same as in the case of triangular wave oscillation. As shown in FIG. 11, in the case of sawtooth oscillation in which only the first oscillation period P1 exists repeatedly, the processing of the first oscillation period P1 may be repeated, and the saw in which only the second oscillation period P2 exists repeatedly. Needless to say, in the case of wavy oscillation, the processing of the second oscillation period P2 may be repeated.
[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12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〜第4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。
[Fifth Embodiment]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. In the first to fourth embodiments, the
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。
The
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4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4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。
The
Thus, in this embodiment, an MHP waveform can be extracted without using a photodiode, and the physical quantity sensor components can be reduced as compared with the first to fourth embodiments. The cost can be reduced. In this embodiment, since no photodiode is used, the influence of disturbance light can be eliminated.
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。
In the first to fifth embodiments, at least the
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。 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.
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…搬送波調整部、12…電圧検出部、70…2値化部、71…周期測定部、80…物理量算出部、81…記憶部、82…周期補正部、83…計数部、84…距離算出部、85…周期算出部。 DESCRIPTION OF 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 ... carrier wave adjustment unit, 12 ... voltage detection unit, 70 ... binarization unit, 71 ... period measurement unit, 80 ... physical quantity calculation unit, 81 ... storage unit, 82 ... cycle correction unit, 83 ... counting unit, 84: Distance calculation unit, 85: Period calculation unit.
Claims (14)
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、
この信号抽出手段が計測した個々の周期の基準周期に対する変化量に基づいて、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物理量算出手段と、
前記信号抽出手段が計測した周期の変化特性に応じて前記基準周期を補正する周期補正手段とを備えることを特徴とする物理量センサ。 A semiconductor laser that emits laser light to the object to be measured;
Oscillation wavelength modulation means for operating the semiconductor laser so that at least one of a first oscillation period in which the oscillation wavelength continuously increases monotonously and a second oscillation period in which the oscillation wavelength continuously decreases monotonously exists ,
Detection means for detecting an electrical signal including an interference waveform generated by a self-coupling effect between the laser light emitted from the semiconductor laser and the return light from the measurement object;
Signal extraction means for measuring the period of the interference waveform included in the output signal of the detection means every time the interference waveform is input;
A physical quantity calculating means for calculating at least one of the displacement and the velocity of the measurement object based on the amount of change of each period measured by the signal extracting means with respect to the reference period;
A physical quantity sensor comprising: a period correction unit that corrects the reference period according to a change characteristic of a period measured by the signal extraction unit.
前記物理量算出手段は、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、前記信号抽出手段が計測した干渉波形の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。 The physical quantity sensor according to claim 1,
The physical quantity calculation means includes a sampling clock frequency for measuring the period of the interference waveform, the reference period, an average wavelength of the semiconductor laser, and a change in the period of the interference waveform measured by the signal extraction means with respect to the reference period. A physical quantity sensor that calculates at least one of a displacement and a velocity of the measurement object from a quantity.
前記周期補正手段は、前記干渉波形の周期が前記基準周期以上である時間と前記干渉波形の周期が前記基準周期以下である時間とが等しくなるように、前記基準周期を補正することを特徴とする物理量センサ。 The physical quantity sensor according to claim 1 or 2,
The period correction means corrects the reference period so that a time when the period of the interference waveform is equal to or greater than the reference period is equal to a time when the period of the interference waveform is equal to or less than the reference period. Physical quantity sensor.
前記物理量算出手段は、少なくとも前記測定対象の変位を算出し、
前記周期補正手段は、前記干渉波形の周期が前記基準周期以上であるときの前記変位の積分値と前記干渉波形の周期が前記基準周期以下であるときの前記変位の積分値とが等しくなるように、前記基準周期を補正することを特徴とする物理量センサ。 The physical quantity sensor according to claim 1 or 2,
The physical quantity calculating means calculates at least a displacement of the measurement object;
The period correction unit is configured such that an integral value of the displacement when the period of the interference waveform is equal to or greater than the reference period is equal to an integral value of the displacement when the period of the interference waveform is equal to or less than the reference period. In addition, the physical quantity sensor is characterized by correcting the reference period.
前記周期補正手段は、前記干渉波形の周期変化の1周期において、前記干渉波形の周期の平均値を求め、この平均値を新たな基準周期とすることを特徴とする物理量センサ。 The physical quantity sensor according to claim 1 or 2,
The physical quantity sensor according to claim 1, wherein the period correction means obtains an average value of the period of the interference waveform in one period of the period change of the interference waveform and sets the average value as a new reference period.
前記物理量算出手段は、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を前記基準周期の初期値とすることを特徴とする物理量センサ。 The physical quantity sensor according to claim 1 or 2,
The physical quantity sensor is characterized in that the period of the interference waveform when the measurement object is stationary is an initial value of the reference period.
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、
前記物理量算出手段は、前記周期算出手段が求めた周期を前記基準周期の初期値とすることを特徴とする物理量センサ。 The physical quantity sensor according to claim 1 or 2,
And counting means for counting the number of the interference waveforms included in the output signal of the detection means for each of the first oscillation period and the second oscillation period;
A distance calculating means for calculating a distance from the object to be measured from a minimum oscillation wavelength and a maximum oscillation wavelength and a counting result of the counting means in a period of counting the number of interference waveforms by the counting means;
A period calculating means for determining the period of the interference waveform from the distance calculated by the distance calculating means,
The physical quantity sensor, wherein the physical quantity calculation means uses the period obtained by the period calculation means as an initial value of the reference period.
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、
この信号抽出手順で計測した個々の周期の基準周期に対する変化量に基づいて、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物理量算出手順と、
前記信号抽出手順で計測した周期の変化特性に応じて前記基準周期を補正する周期補正手順とを備えることを特徴とする物理量計測方法。 An oscillation procedure for operating the semiconductor laser so that at least one of the first oscillation period in which the oscillation wavelength continuously increases monotonously and the second oscillation period in which the oscillation wavelength continuously decreases monotonously exists;
A detection procedure for detecting an electrical signal including an interference waveform caused by a self-coupling effect between laser light emitted from the semiconductor laser and return light from a measurement object;
A signal extraction procedure for measuring the period of the interference waveform included in the output signal obtained by the detection procedure every time the interference waveform is input;
A physical quantity calculation procedure for calculating at least one of the displacement and the velocity of the measurement object based on the change amount of each period measured in the signal extraction procedure with respect to the reference period;
A physical quantity measurement method comprising: a period correction procedure for correcting the reference period in accordance with a change characteristic of a period measured in the signal extraction procedure.
前記物理量算出手順は、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、前記信号抽出手順で計測された干渉波形の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。 The physical quantity measuring method according to claim 8,
The physical quantity calculation procedure includes a sampling clock frequency for measuring a cycle of the interference waveform, the reference cycle, an average wavelength of the semiconductor laser, and a cycle of the interference waveform measured in the signal extraction procedure with respect to the reference cycle. A physical quantity measuring method, wherein at least one of a displacement and a speed of the measurement target is calculated from a change amount.
前記周期補正手順は、前記干渉波形の周期が前記基準周期以上である時間と前記干渉波形の周期が前記基準周期以下である時間とが等しくなるように、前記基準周期を補正することを特徴とする物理量計測方法。 The physical quantity measuring method according to claim 8 or 9,
The period correction procedure corrects the reference period so that a time in which the period of the interference waveform is equal to or greater than the reference period and a time in which the period of the interference waveform is equal to or less than the reference period are equal. Physical quantity measurement method.
前記物理量算出手順は、、少なくとも前記測定対象の変位を算出し、
前記周期補正手順は、前記干渉波形の周期が前記基準周期以上であるときの前記変位の積分値と前記干渉波形の周期が前記基準周期以下であるときの前記変位の積分値とが等しくなるように、前記基準周期を補正することを特徴とする物理量計測方法。 The physical quantity measuring method according to claim 8 or 9,
The physical quantity calculation procedure calculates at least a displacement of the measurement object,
In the period correction procedure, the integral value of the displacement when the period of the interference waveform is equal to or greater than the reference period is equal to the integral value of the displacement when the period of the interference waveform is equal to or less than the reference period. And correcting the reference period.
前記周期補正手順は、前記干渉波形の周期変化の1周期において、前記干渉波形の周期の平均値を求め、この平均値を新たな基準周期とすることを特徴とする物理量計測方法。 The physical quantity measuring method according to claim 8 or 9,
In the period correction procedure, an average value of the period of the interference waveform is obtained in one period of the period change of the interference waveform, and this average value is used as a new reference period.
前記物理量算出手順は、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を前記基準周期の初期値とすることを特徴とする物理量計測方法。 The physical quantity measuring method according to claim 8 or 9,
In the physical quantity calculation procedure, the period of the interference waveform when the measurement object is stationary is set as an initial value of the reference period.
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、
前記物理量算出手順は、前記周期算出手順が求めた周期を前記基準周期の初期値とすることを特徴とする物理量計測方法。 The physical quantity measuring method according to claim 8 or 9,
A counting procedure for counting the number of the interference waveforms included in the output signal obtained by the detection procedure for each of the first oscillation period and the second oscillation period;
A distance calculation procedure for calculating the distance to the measurement object from the minimum oscillation wavelength and the maximum oscillation wavelength in the period of counting the number of interference waveforms by this counting procedure and the counting result of the counting procedure;
A cycle calculation procedure for determining the cycle of the interference waveform from the distance calculated by the distance calculation procedure,
In the physical quantity calculating procedure, the period obtained by the period calculating procedure is set as an initial value of the reference period.
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