JP5484660B2 - 距離・振動計および距離・速度計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、光の干渉を利用して、測定対象との距離及び測定対象の速度を計測する距離・振動計および距離・速度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７に示す。図７において、１０１は半導体レーザ、１０２は半導体結晶の壁開面、１０３はフォトダイオード、１０４は測定対象である。

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８は、半導体レーザの発振波長をある一定の割合で変化させたときの発振波長とフォトダイオード１０３の出力波形との関係を示す図である。式（１）に示したＬ＝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８に示すように一定周期の階段状の波形が得られる。このような波形は一般的には干渉縞と呼ばれる。

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・振動計を提案した（特許文献１参照）。この距離・振動計の構成を図９に示す。図９の距離・振動計は、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１０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１０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、Ｔ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９に示した距離・振動計によれば、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。この距離・振動計においては、距離計測を主目的にする場合、距離分解能を確保するために、半導体レーザの波長変化を大きく設定する。この場合、速度の分解能は不変である。
しかしながら、速度計測を主目的にする場合、半導体レーザの波長変化が大きいほど、レーザ駆動電流の振幅（波長変化量）のばらつきが大きな計測誤差成分になる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、距離計測を主目的にする場合と速度計測を主目的にする場合でそれぞれ半導体レーザの波長変化率が適切になるように切り替えることができる距離・振動計および距離・速度計測方法を提供することを目的とする。

本発明の距離・振動計は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させるレーザドライバと、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する受光器と、この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を、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及び前記測定対象の速度を算出する演算手段と、前記最大発振波長と前記最小発振波長との差を前記最大発振波長で割った比率である、前記半導体レーザの波長変化率を、距離の分解能を確保するための距離計測優先モードと速度の計測誤差を低減するための速度計測優先モードで切り替えるモード設定手段とを有するものである。

また、本発明の距離・振動計の１構成例において、前記モード設定手段は、前記レーザドライバと前記演算手段を制御して、前記速度計測優先モードにおける半導体レーザの波長変化率を前記距離計測優先モードにおける半導体レーザの波長変化率よりも小さくするようにしたものである。
また、本発明の距離・振動計の１構成例において、前記モード設定手段は、前記距離計測優先モードにおける半導体レーザの最小発振波長をλａ１、最大発振波長をλｂ１、前記速度計測優先モードにおける半導体レーザの最小発振波長をλａ２、最大発振波長をλｂ２、前記距離計測優先モードにおける半導体レーザの波長変化率をΔλ１＝（λｂ１−λａ１）／λｂ１、前記速度計測優先モードにおける半導体レーザの波長変化率をΔλ２＝（λｂ２−λａ２）／λｂ２、前記速度計測優先モードにおける物理量算出周期あたりの測定対象の最大速度をＶｍａｘ、前記測定対象との距離をＬとしたとき、関係式（｜Ｖｍａｘ｜／Ｌ）＜Δλ２＜Δλ１が成立するように、前記半導体レーザの波長変化率を設定するものである。
また、本発明の距離・振動計の１構成例において、前記モード設定手段は、前記演算手段の算出結果から前記関係式が成立するように、前記速度計測優先モードにおいて前記半導体レーザの波長変化率を随時調整するものである。

また、本発明の距離・速度計測方法は、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振手順と、前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、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及び前記測定対象の速度を算出する演算手順と、前記最大発振波長と前記最小発振波長との差を前記最大発振波長で割った比率である、前記半導体レーザの波長変化率を、距離の分解能を確保するための距離計測優先モードと速度の計測誤差を低減するための速度計測優先モードで切り替えるモード設定手順とを備えるものである。

本発明によれば、モード設定手段を設けることにより、距離計測を優先する距離計測優先モードと速度計測を優先する速度計測優先モードでそれぞれ半導体レーザの波長変化率が適切になるように切り替えることができる。その結果、本発明によれば、距離計測優先モードでは距離の分解能を確保することができ、速度計測優先モードでは距離やレーザ駆動電流の振幅（波長変化量）のばらつきによる計測誤差を低減することができる。

また、本発明では、モード設定手段が速度計測優先モードにおいて半導体レーザの波長変化率を随時調整することにより、波長変化率を適切に設定することができる。

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は本発明の実施の形態となる距離・振動計の構成を示すブロック図である。図１の距離・振動計は、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、測定対象１２からの戻り光を集光して半導体レーザ１に入射させるレンズ３と、半導体レーザ１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、測定対象１２との距離及び測定対象１２の速度を算出する演算装置８と、演算装置８の算出結果を表示する表示装置９と、距離計測を優先する距離計測優先モードと速度計測を優先する速度計測優先モードで半導体レーザ１の波長変化率を切り替えるモード設定装置１０と、モードを切り替えるためのモード設定ボタン１１とを有する。電流−電圧変換増幅器５とフィルタ回路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。
本実施の形態では、モード設定装置１０がレーザドライバ４と演算装置８を制御することにより、距離・振動計の動作モードを、距離計測を優先する距離計測優先モードと速度計測を優先する速度計測優先モードのいずれかに切り替えられるようになっている。ここでは、まず初めに距離計測優先モードが選択されているものとする。

距離計測優先モードの場合、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。

図２は距離計測優先モードにおける半導体レーザ１の発振波長の時間変化を示す図である。半導体レーザ１の発振波長の時間変化は図１０と同様であるが、ここでは距離計測優先モードにおける発振波長の最大値をλｂ１、発振波長の最小値をλａ１とする。発振波長の最大値λｂ１及び発振波長の最小値λａ１はそれぞれ常に一定になされており、それらの差λｂ１−λａ１も常に一定になされている。

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、測定対象１２に入射する。測定対象１２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３（Ａ）は電流−電圧変換増幅器５の出力電圧波形を模式的に示す図、図３（Ｂ）はフィルタ回路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３（Ａ）の波形（変調波）から、図１０の半導体レーザ１の発振波形（搬送波）を除去して、図３（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。

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１２との距離および測定対象１２の速度を算出する。図４は演算装置８の構成の１例を示すブロック図、図５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１２との距離の候補値と測定対象１２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１２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１２との距離及び測定対象１２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１２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期間あたりの測定対象１２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５ステップＳ１）。
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。なお、前述のとおり、距離計測優先モードの場合は、λｂ＝λｂ１、λａ＝λａ１となる。

候補値Ｌα（ｔ），Ｖα（ｔ）は測定対象１２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１２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（発振期間毎）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５ステップＳ２）。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１２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１２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１２が本実施の形態の距離・振動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１２の状態を判定する（図５ステップＳ３）。

特許文献１に記載されているように、測定対象１２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１２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１２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１２が微小変位状態で等速度運動している場合、測定対象１２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１２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１２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１２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１２が変位状態で移動（等速度運動）している場合、測定対象１２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１２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１２が変位状態で等速度運動している場合、測定対象１２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１２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１２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１２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１２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１２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１２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１２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１２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１２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１２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１２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１２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１２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１２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１２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、波長変化率と微小変位状態の距離の候補値Ｌα（ｔ）とを掛けたものに等しく、かつ測定対象１２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１２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１２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１２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１２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１２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１２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１２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１２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１２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１２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１２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１２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１２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、波長変化率と変位状態の距離の候補値Ｌβ（ｔ）とを掛けたものに等しく、かつ測定対象１２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１２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１２の速度及び測定対象１２との距離を確定する（図５ステップＳ４）。
すなわち、距離・速度確定部８４は、測定対象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）を測定対象１２の速度とし、距離の候補値Ｌα（ｔ）を測定対象１２との距離とし、測定対象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）を測定対象１２の速度とし、距離の候補値Ｌβ（ｔ）を測定対象１２との距離とする。

また、距離・速度確定部８４は、測定対象１２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１２の速度とし、距離の候補値Ｌα（ｔ）を測定対象１２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１２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１２の速度とし、距離の候補値Ｌβ（ｔ）を測定対象１２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１２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１２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、以上のようなステップＳ１〜Ｓ４の処理を例えばユーザから計測終了の指示があるまで（図５ステップＳ５においてＹＥＳ）、計数装置７によってＭＨＰの数が測定される時刻毎（発振期間毎）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１２との距離及び測定対象１２の速度をリアルタイムで表示する。

次に、距離計測優先モードから速度計測優先モードへの切り替えについて説明する。モード設定装置１０は、ユーザによるモード設定ボタン１１の操作、あるいは外部からのモード切替信号の入力に応じて、距離・振動計の動作モードを切り替える。ここでは、距離計測優先モードから速度計測優先モードへ切り替えるため、モード設定装置１０は、速度計測優先モードで動作するようレーザドライバ４と演算装置８に対して指示する。

速度計測優先モードの場合、レーザドライバ４は、距離計測優先モードと同様に三角波駆動電流を半導体レーザ１に供給するが、駆動電流の振幅（半導体レーザ１の波長変化量）を距離計測優先モードの場合よりも小さくする。
図６は速度計測優先モードにおける半導体レーザ１の発振波長の時間変化を示す図である。半導体レーザ１の発振波長の時間変化は図１０と同様であるが、ここでは速度計測優先モードにおける発振波長の最大値をλｂ２、発振波長の最小値をλａ２とする。発振波長の最大値λｂ２及び発振波長の最小値λａ２はそれぞれ常に一定になされており、それらの差λｂ２−λａ２も常に一定になされている。

フォトダイオード２、電流−電圧変換増幅器５、フィルタ回路６および計数装置７の動作は、距離計測優先モードの場合と同じである。
演算装置８は、距離計測優先モードの場合と同様に動作するが、λｂ＝λｂ２、λａ＝λａ２として動作する。

距離計測優先モードの場合の半導体レーザ１の波長変化率をΔλ１、速度計測優先モードの場合の半導体レーザ１の波長変化率をΔλ２とすると、波長変化率Δλ１，Δλ２は以下のようになる。
Δλ１＝（λｂ１−λａ１）／λｂ１ ・・・（８）
Δλ２＝（λｂ２−λａ２）／λｂ２ ・・・（９）

そして、モード設定装置１０は、次式が成立するように半導体レーザ１の波長変化率Δλ１，Δλ２を設定する（すなわち、波長λｂ１，λａ１，λｂ２，λａ２を設定する）。
（｜Ｖｍａｘ｜／Ｌ）＜Δλ２＜Δλ１ ・・・（１０）
式（１０）において、Ｖｍａｘは速度計測優先モードにおいて演算装置８が算出した、物理量算出周期あたりの測定対象１２の最大速度、Ｌは演算装置８が算出した、最大速度Ｖｍａｘのときの測定対象１２との距離である。

モード設定装置１０は、予め定められた固定値である波長λｂ１，λａ１と演算装置８が算出した最大速度Ｖｍａｘ及び距離Ｌに対して式（１０）が成立するように、波長λｂ２，λａ２を設定する。モード設定装置１０は、速度計測優先モードの間は、このような波長変化率Δλ２の自動調整を常時行う。
なお、波長変化率Δλ２の自動調整を行わずに、予め想定する最大速度Ｖｍａｘ及び距離Ｌに対して式（１０）が成立するように、波長λｂ２，λａ２を予め設定しておくようにしてもよい。

以上のように、本実施の形態では、モード設定装置１０を設けることにより、距離計測優先モードと速度計測優先モードでそれぞれ半導体レーザ１の波長変化率が適切になるように切り替えることができる。その結果、本実施の形態によれば、距離計測優先モードでは距離の分解能を確保することができ、速度計測優先モードでは距離やレーザ駆動電流の振幅（波長変化量）のばらつきによる計測誤差を低減することができる。

なお、本実施の形態における計数装置７と演算装置８とモード設定装置１０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。

なお、物体の運動を速度の観点から考えると、等速度運動、振動運動、その他の運動の３つに分けることができる。本発明の速度計測優先モードは、物体の主たる運動が振動運動の場合を優先的に考えた計測モードであり、速度計測は、振動運動もしくは振動計についての計測である。

なお、測定対象１２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）の絶対値に測定対象１２が微小変位状態にあると仮定して計算した距離の候補値Ｌα（ｔ）を掛けたものが、波長変化率Δλ２と等しくならないように、または測定対象１２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、測定対象１２が変位状態にあると仮定して計算した距離の候補値Ｌβ（ｔ）を掛けたものより小さくなるように、波長変化率Δλ２を調整してもよい。

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、測定対象との距離及び測定対象の速度を計測する技術に適用することができる。

本発明の実施の形態となる距離・振動計の構成を示すブロック図である。 図１の距離・振動計の距離計測優先モード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の距離・振動計における電流−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。 図１の距離・振動計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。 図１の距離・振動計における演算装置の動作を示すフローチャートである。 図１の距離・振動計の速度計測優先モード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・振動計の構成を示すブロック図である。 図９の距離・振動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。

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…モード設定装置、１１…モード設定ボタン、１２…測定対象、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 (8)

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期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させるレーザドライバと、
   前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する受光器と、
   この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を、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及び前記測定対象の速度を算出する演算手段と、
   前記最大発振波長と前記最小発振波長との差を前記最大発振波長で割った比率である、前記半導体レーザの波長変化率を、距離の分解能を確保するための距離計測優先モードと速度の計測誤差を低減するための速度計測優先モードで切り替えるモード設定手段とを有することを特徴とする距離・振動計。
2. 請求項１記載の距離・振動計において、
   前記モード設定手段は、前記レーザドライバと前記演算手段を制御して、前記速度計測優先モードにおける半導体レーザの波長変化率を前記距離計測優先モードにおける半導体レーザの波長変化率よりも小さくすることを特徴とする距離・振動計。
3. 請求項２記載の距離・振動計において、
   前記モード設定手段は、前記距離計測優先モードにおける半導体レーザの最小発振波長をλａ１、最大発振波長をλｂ１、前記速度計測優先モードにおける半導体レーザの最小発振波長をλａ２、最大発振波長をλｂ２、前記距離計測優先モードにおける半導体レーザの波長変化率をΔλ１＝（λｂ１−λａ１）／λｂ１、前記速度計測優先モードにおける半導体レーザの波長変化率をΔλ２＝（λｂ２−λａ２）／λｂ２、前記速度計測優先モードにおける物理量算出周期あたりの測定対象の最大速度をＶｍａｘ、前記測定対象との距離をＬとしたとき、関係式（｜Ｖｍａｘ｜／Ｌ）＜Δλ２＜Δλ１が成立するように、前記半導体レーザの波長変化率を設定することを特徴とする距離・振動計。
4. 請求項３記載の距離・振動計において、
   前記モード設定手段は、前記演算手段の算出結果から前記関係式が成立するように、前記速度計測優先モードにおいて前記半導体レーザの波長変化率を随時調整することを特徴とする距離・振動計。
5. 半導体レーザを用いて測定対象にレーザ光を放射する距離・速度計測方法において、
   発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振手順と、
   前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、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及び前記測定対象の速度を算出する演算手順と、
   前記最大発振波長と前記最小発振波長との差を前記最大発振波長で割った比率である、前記半導体レーザの波長変化率を、距離の分解能を確保するための距離計測優先モードと速度の計測誤差を低減するための速度計測優先モードで切り替えるモード設定手順とを備えることを特徴とする距離・速度計測方法。
6. 請求項５記載の距離・速度計測方法において、
   前記モード設定手順は、前記速度計測優先モードにおける半導体レーザの波長変化率を前記距離計測優先モードにおける半導体レーザの波長変化率よりも小さくすることを特徴とする距離・速度計測方法。
7. 請求項６記載の距離・速度計測方法において、
   前記モード設定手順は、前記距離計測優先モードにおける半導体レーザの最小発振波長をλａ１、最大発振波長をλｂ１、前記速度計測優先モードにおける半導体レーザの最小発振波長をλａ２、最大発振波長をλｂ２、前記距離計測優先モードにおける半導体レーザの波長変化率をΔλ１＝（λｂ１−λａ１）／λｂ１、前記速度計測優先モードにおける半導体レーザの波長変化率をΔλ２＝（λｂ２−λａ２）／λｂ２、前記速度計測優先モードにおける物理量算出周期あたりの測定対象の最大速度をＶｍａｘ、前記測定対象との距離をＬとしたとき、関係式（｜Ｖｍａｘ｜／Ｌ）＜Δλ２＜Δλ１が成立するように、前記半導体レーザの波長変化率を設定することを特徴とする距離・速度計測方法。
8. 請求項７記載の距離・速度計測方法において、
   前記モード設定手順は、前記演算手順の算出結果から前記関係式が成立するように、前記速度計測優先モードにおいて前記半導体レーザの波長変化率を随時調整する手順を含むことを特徴とする距離・速度計測方法。

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