JP5484661B2 - 物理量センサおよび物理量計測方法 - Google Patents

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８に示す。図８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９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９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１０に示す。図１０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１１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１１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８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１０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、これらの自己結合型のレーザ計測器では、何らかの原因で距離や速度等の物理量の計測ができないケースが生じた場合、物体の検知もできなくなるという問題点があった。
また、これらの自己結合型のレーザ計測器では、物体の検知に時間がかかるという問題点があった。つまり、自己結合型のレーザ計測器では、図１１に示したように半導体レーザの発振波長を変化させて、ＭＨＰの個数や周波数を計測し、物体との距離を算出するが、距離を算出するまでは半導体レーザの放射方向に物体が存在するかどうかを検知できない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、何らかの原因で物理量の計測ができないケースが生じた場合でも、最低限、物体の検知を行う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。
また、本発明は、自己結合型のレーザ計測器の利点を活かしつつ、物体の高速検知を実現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、レーザ光を放射する半導体レーザと、この半導体レーザの前方に配置され、前記半導体レーザから放射されたレーザ光を受光して電気信号に変換する第１の受光器と、この第１の受光器の出力信号を基に前記半導体レーザと前記第１の受光器との間に存在する物体を検知する物体検知手段と、前記半導体レーザの内部又はその近傍に配置され、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記物体からの戻り光とを受光して電気信号に変換する第２の受光器と、前記第２の受光器の出力信号に含まれる、前記レーザ光と前記戻り光との自己結合効果によって生じる干渉の情報から、前記物体の物理量を計測する計測手段と、前記物体を検知しようとする検知モードと前記物体検知手段が物体を検知した後の計測モードで信号処理を切り替えるモード切替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、前記モード切替手段は、前記検知モードでは第１の周期の変調光を前記半導体レーザから放射させ、前記計測モードでは前記第１の周期より長い第２の周期の変調光を前記半導体レーザから放射させるものである。

また、本発明の物理量センサの１構成例において、前記物体の物理量は、前記物体との距離及び前記物体の速度の少なくとも一方である。
また、本発明の物理量センサの１構成例において、前記第１の周期の変調光は、パルス状のレーザ光、又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レーザ光のいずれか一方であり、前記第２の周期の変調光は、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レーザ光であり、前記計測手段は、前記第２の受光器の出力信号に含まれる、前記レーザ光と前記戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手段と、この計数手段によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記計数手段の計数結果とから前記物体との距離及び前記物体の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とからなるものである。

また、本発明の物理量計測方法は、物体を検知しようとする検知モードにおいて第１の周期の変調光を半導体レーザから放射させる検知モード発振手順と、前記半導体レーザの前方に配置された第１の受光器の出力信号を基に前記半導体レーザと前記第１の受光器との間に存在する物体を検知する物体検知手順と、前記物体検知手順で物体が検知されたときに、前記検知モードから計測モードに切り替えて信号処理を切り替えるモード切替手順と、前記半導体レーザの内部又はその近傍に配置された第２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、前記物体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、第１の受光器と物体検知手段とを設けることにより、何らかの原因で物理量の計測ができないケースが生じた場合でも、最低限、物体の検知を行うことができる。

また、本発明では、物体を検知するまでは検知モードで動作し、物体を検知した状態では計測モードで動作する。検知モードでは計測モードにおける周期より短い第１の周期の変調光で物体の検知を行うので、自己結合型のレーザ計測器よりも高速に物体を検知することができる。一方、計測モードでは、第１の周期より長い第２の周期の変調光を用いて自己結合型のレーザ計測器として動作するので、物体の物理量を高い分解能で計測することができる。その結果、本発明では、従来の自己結合型のレーザ計測器の利点を活かしつつ、物体の高速検知を実現することができる。また、物理量センサが距離計であれば、計測モードにおいて高分解能を実現することができ、物理量センサが速度計であれば、計測モードにおいて計測可能な最大速度を増大させることができる。

また、本発明では、第１の周期の変調光として、パルス状のレーザ光を使用すれば、物体を検知するまでの検知モードでは、レーザ光のデューティー比を低くすることができるので、消費電力を抑えることができ、半導体レーザの寿命を延ばすことができる。

また、本発明では、第１の周期の変調光として、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レーザ光を使用すれば、計測モードよりも分解能が低くなるが、検知モードにおいても物体の物理量を計測することができる。

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・速度計の構成を示すブロック図である。図１の距離・速度計は、レーザ光を放射する半導体レーザ１と、半導体レーザ１の光出力を電気信号に変換するフォトダイオード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１３からの戻り光を集光して半導体レーザ１に入射させるレンズ３と、半導体レーザ１を駆動するレーザドライバ４と、フォトダイオード２の出力電流を電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅器５と、電流−電圧変換増幅器５の出力電圧から搬送波を除去するフィルタ回路６と、フィルタ回路６の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を数える計数装置７と、物体１３との距離及び物体１３の速度を算出する演算装置８と、演算装置８の算出結果及び後述する物体検知装置１１の検知結果を表示する表示装置９と、半導体レーザ１の前方に配置され、半導体レーザ１から放射されたレーザ光を受光して電気信号に変換する光電センサ１０と、光電センサ１０の出力信号を基に半導体レーザ１の放射方向に物体１３が存在するかどうかを検知する物体検知装置１１と、物体検知装置１１の検知結果に基づいて半導体レーザ１の変調モードを切り替える変調モード切替装置１２とを有する。

レーザドライバ４と変調モード切替装置１２とは、モード切替手段を構成し、電流−電圧変換増幅器５とフィルタ回路６と計数装置７と演算装置８とは、計測手段を構成している。また、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。
図２は、図１の距離・速度計の動作の概略を示すフローチャートである。

まず、初期状態では、変調モード切替装置１２は、物体１３を検知しようとする検知モードで動作するようレーザドライバ４に対して指示する（図２ステップＳ１）。
検知モードの場合、レーザドライバ４は、パルス状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、駆動電流に応じて強度変調されたパルス状のレーザ光を放射する。このとき、半導体レーザ１から放射されるレーザ光は、図３に示すような矩形波パルスのレーザ光でもよいし、図４に示すような三角波パルスのレーザ光でもよい。なお、パルス状のレーザ光でなく、連続した三角波のレーザ光を放射するようにしてもよい。

半導体レーザ１から出射したレーザ光は、レンズ３によって集光され放射される。なお、レンズ３による集光は必須ではない。
次に、光電センサ１０は、半導体レーザ１からのレーザ光を受光して電気信号に変換する。

物体検知装置１１は、光電センサ１０の出力に基づいて、半導体レーザ１の放射方向に物体１３が存在するかどうかを判定する（図２ステップＳ２）。半導体レーザ１と光電センサ１０との間に物体１３が存在しない場合、図３、図４に示した周期Ｔ１毎に光電センサ１０にレーザ光が入射し、光電センサ１０からは周期Ｔ１毎に信号が出力される。

物体検知装置１１は、周期Ｔ１毎に光電センサ１０から信号が出力される場合、半導体レーザ１と光電センサ１０との間に物体１３が存在しないと判定し（図２ステップＳ２においてＮＯ）、変調モード切替装置１２に対して検知モードを続行するよう指示する（図２ステップＳ１）。
なお、光電センサ１０から周期Ｔ１毎に信号が出力されるかどうかを確認するのは、光電センサ１０に入射した外乱光の影響を排除するためである。

一方、半導体レーザ１と光電センサ１０との間に物体１３が存在すると、半導体レーザ１からのレーザ光が物体１３で遮られるため、光電センサ１０の信号出力が無くなる。
物体検知装置１１は、光電センサ１０からの信号出力が無い場合、半導体レーザ１と光電センサ１０との間に物体１３が存在すると判定し（図２ステップＳ２においてＹＥＳ）、物体１３との距離及び物体１３の速度を計測する計測モードに切り替えるよう変調モード切替装置１２に対して指示する。なお、物体検知装置１１は、例えば光電センサ１０の直前の信号出力からＴ１以上の時間が経過しても光電センサ１０から信号を受信できない場合、信号出力が無いと判定する。

物体検知装置１１からの指示を受けた変調モード切替装置１２は、計測モードで動作するようレーザドライバ４に対して指示する（図２ステップＳ３）。また、表示装置９は、物体１３を検知したことを表示する。以下、計測モードの動作について説明する。

計測モードの場合、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。計測モードにおける半導体レーザ１の発振波長の時間変化は、図１１に示したとおりである。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。ここで、計測モードにおける三角波の周期Ｔ０と検知モードにおけるパルスの周期Ｔ１とは、Ｔ０＞Ｔ１の関係にある。ただし、振動計の場合は、計測モードと検知モードで周期を切り替える必要はなく、Ｔ０＝Ｔ１でよい。

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、物体１３に入射する。物体１３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５（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５（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５（Ａ）の波形（変調波）から、図１１の半導体レーザ１の発振波形（搬送波）を除去して、図５（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、物体１３との距離および物体１３の速度を算出する。図６は演算装置８の構成の１例を示すブロック図、図７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の数に基づいて物体１３との距離の候補値と物体１３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物体１３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物体１３との距離及び物体１３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、物体１３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７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１３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１３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７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）は物体１３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１３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、物体１３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、物体１３の状態を判定する（図７ステップＳ１２）。

特許文献１に記載されているように、物体１３が微小変位状態で移動（等速度運動）している場合、物体１３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、かつ物体１３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、物体１３が微小変位状態で等速度運動している場合、物体１３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、物体１３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１３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１３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、物体１３が変位状態で移動（等速度運動）している場合、物体１３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、かつ物体１３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、物体１３が変位状態で等速度運動している場合、物体１３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、物体１３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１３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１３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、物体１３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、物体１３を微小変位状態と仮定して計算した速度の候補値Ｖα（ｔ）と物体１３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、物体１３を変位状態と仮定して計算した速度の候補値Ｖβ（ｔ）と物体１３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、物体１３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、物体１３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、物体１３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、物体１３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１３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１３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、物体１３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１３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１３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、物体１３が変位状態で、等速度運動以外の運動をしている場合、物体１３を微小変位状態と仮定して計算した速度の候補値Ｖα（ｔ）と物体１３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、物体１３を変位状態と仮定して計算した速度の候補値Ｖβ（ｔ）と物体１３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、物体１３が変位状態で、等速度運動以外の運動をしている場合、物体１３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、物体１３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、物体１３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１３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１３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、物体１３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１３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１３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物体１３の速度及び物体１３との距離を確定する（図７ステップＳ１３）。
すなわち、距離・速度確定部８４は、物体１３が微小変位状態で等速度運動していると判定された場合、速度の候補値Ｖα（ｔ）を物体１３の速度とし、距離の候補値Ｌα（ｔ）を物体１３との距離とし、物体１３が変位状態で等速度運動していると判定された場合、速度の候補値Ｖβ（ｔ）を物体１３の速度とし、距離の候補値Ｌβ（ｔ）を物体１３との距離とする。

また、距離・速度確定部８４は、物体１３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）を物体１３の速度とし、距離の候補値Ｌα（ｔ）を物体１３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、物体１３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）を物体１３の速度とし、距離の候補値Ｌβ（ｔ）を物体１３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、これらの符号は物体１３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、物体１３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（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物体１３との距離及び物体１３の速度をリアルタイムで表示する。

以上が計測モードの動作であり、物体検知装置１１が物体１３を検知している間は計測モードを維持する。
本実施の形態の距離・速度計は、例えばユーザから計測終了の指示があるまで（図２ステップＳ４においてＹＥＳ）、図２のステップＳ１〜Ｓ３の処理を繰り返し行う。

以上のように、本実施の形態では、初期状態を含む通常の状態では検知モードで動作し、物体１３を検知した状態では計測モードで動作する。検知モードでは計測モードにおける三角波の周期Ｔ０より短い周期Ｔ１のパルス状のレーザ光で物体１３の検知を行うので、自己結合型のレーザ計測器よりも高速に物体１３を検知することができる。パルスの周期Ｔ１は、例えば数μｓｅｃ〜数百μｓｅｃに設定することができる。一方、計測モードでは、自己結合型のレーザ計測器として動作するので、物体１３との距離及び物体１３の速度を高い分解能で計測することができる。その結果、本実施の形態では、（ａ）装置を小型化することができ、（ｂ）高速の回路が不要で、（ｃ）外乱光に強く、（ｄ）測定対象を選ばないといった従来の自己結合型のレーザ計測器の利点を活かしつつ、物体の高速検知と物体の物理量の高分解能計測を実現することができる。

また、周期Ｔ０の三角波のレーザ光を常時放射する従来の自己結合型のレーザ計測器に比べて、物体を検知するまでの検知モードでは、レーザ光のデューティー比を低くすることができるので、消費電力を抑えることができ、また半導体レーザの寿命を延ばすことができる。

なお、本実施の形態における計数装置７と演算装置８と物体検知装置１１と変調モード切替装置１２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、本実施の形態では、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。

また、本実施の形態では、検知モードにおいてパルス状のレーザ光を半導体レーザ１から放射しているが、検知モードにおいても図１１に示したような三角波のレーザ光を放射するようにしてもよい。この場合は、検知モードにおける三角波の周期をＴ１としたとき、前記と同様に、計測モードにおける三角波の周期Ｔ０と検知モードにおける三角波の周期Ｔ１とが、Ｔ０＞Ｔ１の関係を満たすようにすればよい。この場合、計測モードよりも分解能が低下し、またパルス状のレーザ光の場合に比べて消費電力が増加するが、検知モードにおいても物体１３との距離及び物体１３の速度を計測することができる。

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・速度計の動作の概略を示すフローチャートである。 検知モードにおいて半導体レーザから放射されるレーザ光の強度変化の例を示す図である。 検知モードにおいて半導体レーザから放射されるレーザ光の強度変化の他の例を示す図である。 本発明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。 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１０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。

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…光電センサ、１１…物体検知装置、１２…変調モード切替装置、１３…物体、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. レーザ光を放射する半導体レーザと、
   この半導体レーザの前方に配置され、前記半導体レーザから放射されたレーザ光を受光して電気信号に変換する第１の受光器と、
   この第１の受光器の出力信号を基に前記半導体レーザと前記第１の受光器との間に存在する物体を検知する物体検知手段と、
   前記半導体レーザの内部又はその近傍に配置され、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記物体からの戻り光とを受光して電気信号に変換する第２の受光器と、
   前記第２の受光器の出力信号に含まれる、前記レーザ光と前記戻り光との自己結合効果によって生じる干渉の情報から、前記物体の物理量を計測する計測手段と、
   前記物体を検知しようとする検知モードと前記物体検知手段が物体を検知した後の計測モードで信号処理を切り替えるモード切替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、
   前記モード切替手段は、前記検知モードでは第１の周期の変調光を前記半導体レーザから放射させ、前記計測モードでは前記第１の周期より長い第２の周期の変調光を前記半導体レーザから放射させることを特徴とする物理量センサ。
3. 請求項２記載の物理量センサにおいて、
   前記物体の物理量は、前記物体との距離及び前記物体の速度の少なくとも一方であ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、
   前記第１の周期の変調光は、パルス状のレーザ光、又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レーザ光のいずれか一方であり、
   前記第２の周期の変調光は、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レーザ光であり、
   前記計測手段は、
   前記第２の受光器の出力信号に含まれる、前記レーザ光と前記戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手段と、
   この計数手段によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記計数手段の計数結果とから前記物体との距離及び前記物体の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とからなることを特徴とする物理量センサ。
5. 物体を検知しようとする検知モードにおいて第１の周期の変調光を半導体レーザから放射させる検知モード発振手順と、
   前記半導体レーザの前方に配置された第１の受光器の出力信号を基に前記半導体レーザと前記第１の受光器との間に存在する物体を検知する物体検知手順と、
   前記物体検知手順で物体が検知されたときに、前記検知モードから計測モードに切り替えて信号処理を切り替えるモード切替手順と、
   前記半導体レーザの内部又はその近傍に配置された第２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、前記物体の物理量を計測する計測手順とを備えることを特徴とする物理量計測方法。
6. 請求項５記載の物理量計測方法において、
   前記モード切替手順は、前記物体検知手順で物体が検知されたときに、前記検知モードから計測モードに切り替えて、前記第１の周期より長い第２の周期の変調光を前記半導体レーザから放射させ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、
   前記物体の物理量は、前記物体との距離及び前記物体の速度の少なくとも一方であることを特徴とする物理量計測方法。
8. 請求項７記載の物理量計測方法において、
   前記第１の周期の変調光は、パルス状のレーザ光、又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レーザ光のいずれか一方であり、
   前記第２の周期の変調光は、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レーザ光であり、
   前記計測手順は、
   前記第２の受光器の出力信号に含まれる、前記レーザ光と前記戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手順と、
   この計数手順によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記計数手順の計数結果とから前記物体との距離及び前記物体の速度の少なくとも一方を算出する演算手順とを含むことを特徴とする物理量計測方法。

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