JP5596915B2 - Physical quantity sensor and physical quantity measuring method - Google Patents

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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。   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. 20 includes a semiconductor laser 201 that emits laser light to an object 210, a photodiode 202 that converts the optical output of the semiconductor laser 201 into an electrical signal, and a light that is collected from the semiconductor laser 201. 210 irradiates the lens 210 and collects the return light from the object 210 and makes it incident on the semiconductor laser 201. The first oscillation period and the oscillation wavelength continuously increase in the semiconductor laser 201. A laser driver 204 that alternately repeats a second oscillation period that decreases in time, a current-voltage conversion amplifier 205 that converts and amplifies the output current of the photodiode 202 into a voltage, and an output voltage of the current-voltage conversion amplifier 205 Is extracted twice, and a counting circuit 207 that counts the number of MHPs included in the output voltage of the signal extraction circuit 206 , Having an arithmetic unit 208 which calculates the speed of the distance and the object 210 with the object 210, a display device 209 for displaying the calculation result of the arithmetic unit 208.

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。   The laser driver 204 supplies a triangular wave drive current that repeatedly increases and decreases at a constant change rate with respect to time to the semiconductor laser 201 as an injection current. Accordingly, the semiconductor laser 201 alternately repeats the first oscillation period in which the oscillation wavelength continuously increases at a constant change rate and the second oscillation period in which the oscillation wavelength continuously decreases at a constant change rate. To be driven. FIG. 21 is a diagram showing the change over time of the oscillation wavelength of the semiconductor laser 201. In FIG. 21, P1 is the first oscillation period, P2 is the second oscillation period, λa is the minimum value of the oscillation wavelength in each period, λb is the maximum value of the oscillation wavelength in each period, and Tt is the period of the triangular wave.

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 semiconductor laser 201 is collected by the lens 203 and enters the object 210. The light reflected by the object 210 is collected by the lens 203 and enters the semiconductor laser 201. The photodiode 202 converts the optical output of the semiconductor laser 201 into a current. The current-voltage conversion amplifier 205 converts the output current of the photodiode 202 into a voltage and amplifies it, and the signal extraction circuit 206 differentiates the output voltage of the current-voltage conversion amplifier 205 twice. The counting circuit 207 counts the number of mode pop pulses (MHP) included in the output voltage of the signal extraction circuit 206 for each of the first oscillation period P1 and the second oscillation period P2. Based on the minimum oscillation wavelength λa and the maximum oscillation wavelength λb of the semiconductor laser 201, the number of MHPs in the first oscillation period P1, and the number of MHPs in the second oscillation period P2, the arithmetic unit 208 The speed of the object 210 is calculated. According to such a self-coupled laser measuring instrument, it is possible to perform displacement measurement with a resolution of about half a wavelength of the semiconductor laser 201 and distance measurement with a resolution inversely proportional to the wavelength modulation amount of the semiconductor laser 201.

特開2006−313080号公報JP 2006-31080 A

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。
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 comparing the measurement result of the signal extraction means with a reference period A period correction unit that corrects the measurement result, and based on the individual periods corrected by the period correction unit, the displacement and the speed of the measurement object are reduced. Also characterized in that comprises a calculation means for calculating one.
Further, in one configuration example of the physical quantity sensor of the present invention, the calculating means includes a frequency of a sampling clock for measuring a period of the interference waveform, the reference period, an average wavelength of the semiconductor laser, and the period correcting means. At least one of the displacement and speed of the measurement object is calculated from the amount of change of the corrected period with respect to the reference period.
Further, in one configuration example of the physical quantity sensor of the present invention, the period correction unit may be configured such that k is less than 1 when the period of the interference waveform measured by the signal extraction unit is less than a predetermined number k times the reference period. A positive value), a cycle obtained by combining the cycle of the interference waveform and the cycle of the next measured interference waveform is set as a cycle of the corrected interference waveform, and the combined waveform is set as one waveform, and the signal extracting means When the period of the interference waveform measured by (1) is not less than (m−k) times the reference period and less than (m + k) times the reference period (m is a natural number of 2 or more), the period of the interference waveform is represented by m. Each of the equally divided periods is a corrected period, and there are m waveforms with the corrected period.
In one configuration example of the physical quantity sensor of the present invention, the predetermined number k is 0.5.

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。
Further, in one configuration example of the physical quantity sensor of the present invention, the period correction unit is configured such that the period of the interference waveform when the measurement target is stationary or a period of a predetermined number of interference waveforms measured immediately before the correction. Is the reference period.
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, and the period correction means uses the period obtained by the period calculation means as the reference period.
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 proportional number calculating means for calculating a distance proportional number which is the number of interference waveforms proportional to an average distance between the semiconductor laser and the measurement object by calculating an average value of the number of the interference waveforms; and the distance proportional Period calculation means for calculating the period of the interference waveform from the number, and the period correction means uses the period obtained by the period calculation means as 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。   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 A signal extraction procedure for measuring the period of the interference waveform included in the output signal every time an interference waveform is input, and a period correction for correcting the measurement result by comparing the measurement result of the signal extraction procedure with a reference period And a calculation procedure for calculating at least one of the displacement and the velocity of the measurement object based on each cycle corrected by the cycle correction procedure. It is an.

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。   According to the present invention, by calculating based on the period of each interference waveform, it is possible to measure the displacement and speed of the measurement object with higher resolution than before. 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. Furthermore, in the present invention, the error in the period of the interference waveform can be corrected by comparing the measurement result of the signal extraction means with the reference period, so that the measurement accuracy of displacement and speed can be improved.

[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 object 10 to be measured, the photodiode 2 that converts the light output of the semiconductor laser 1 into an electrical signal, and the light from the semiconductor laser 1. The lens 3 that collects the return light from the object 10 and makes it incident on the semiconductor laser 1, the laser driver 4 that serves as an oscillation wavelength modulation means for driving the semiconductor laser 1, and the output current of the photodiode 2 A current-voltage conversion amplification unit 5 that converts and amplifies the voltage, a filter unit 6 that removes a carrier wave from the output voltage of the current-voltage conversion amplification unit 5, and a self-coupled signal included in the output voltage of the filter unit 6. A signal extraction unit 7 that measures the period of a mode hop pulse (hereinafter referred to as MHP), and an operation that calculates the displacement and speed of the object 10 based on the individual periods measured by the signal extraction unit 7. Has a part 8, and a display unit 9 for displaying the calculation result of the calculating unit 8.

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 photodiode 2 and the current-voltage conversion amplification unit 5 constitute detection means. Hereinafter, for ease of explanation, it is assumed that a semiconductor laser 1 of a type that does not have a mode hopping phenomenon (VCSEL type, DFB laser type) is used.

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。   The laser driver 4 supplies a triangular wave drive current that repeatedly increases and decreases at a constant change rate with respect to time to the semiconductor laser 1 as an injection current. As a result, the semiconductor laser 1 has a first oscillation period P1 in which the oscillation wavelength continuously increases at a constant change rate in proportion to the magnitude of the injection current, and the oscillation wavelength continuously decreases at a constant change rate. It is driven to alternately repeat the second oscillation period P2. The time change of the oscillation wavelength of the semiconductor laser 1 at this time is as shown in FIG. In the present embodiment, the rate of change of the oscillation wavelength of the semiconductor laser 1 needs to be constant.

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 object 10. The light reflected by the object 10 is collected by the lens 3 and enters the semiconductor laser 1. However, condensing by the lens 3 is not essential. The photodiode 2 is disposed in the semiconductor laser 1 or in the vicinity thereof, and converts the optical output of the semiconductor laser 1 into a current. The current-voltage conversion amplification unit 5 converts the output current of the photodiode 2 into a voltage and amplifies it.

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 filter unit 6 has a function of extracting a superimposed signal from the modulated wave. FIG. 2A is a diagram schematically showing the output voltage waveform of the current-voltage conversion amplification unit 5, and FIG. 2B is a diagram schematically showing the output voltage waveform of the filter unit 6. These figures are obtained by removing the oscillation waveform (carrier wave) of the semiconductor laser 1 of FIG. 2 from the waveform (modulated wave) of FIG. 2A corresponding to the output of the photodiode 2, and the MHP of FIG. A process of extracting a waveform (interference waveform) is shown.

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 signal extraction unit 7 measures the period of MHP included in the output voltage of the filter unit 6 every time MHP is generated. Here, the MHP that is a self-coupled signal will be described. As shown in FIG. 3, when the distance from the mirror layer 1013 to the object 10 is L and the oscillation wavelength of the laser is λ, the return light from the object 10 and the optical resonance of the semiconductor laser 1 are satisfied when the following resonance conditions are satisfied. The laser light in the chamber strengthens and the laser output increases slightly.
L = qλ / 2 (1)
In Formula (1), q is an integer. This phenomenon can be sufficiently observed even if the scattered light from the object 10 is extremely weak, because the apparent reflectance in the resonator of the semiconductor laser 1 increases, causing an amplification effect.

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 photodiode 2 when the oscillation wavelength of the semiconductor laser 1 is changed at a certain rate. When L = qλ / 2 shown in Expression (1) is satisfied, the phase difference between the return light and the laser light in the optical resonator becomes 0 ° (the same phase), and the return light and the optical resonator The laser beam is the most intense, and when L = qλ / 2 + λ / 4, the phase difference is 180 ° (reverse phase), and the return light and the laser beam in the optical resonator are most weakened. Therefore, when the oscillation wavelength of the semiconductor laser 1 is changed, a place where the laser output becomes stronger and a place where the laser output becomes weaker appear alternately. When the laser output at this time is detected by the photodiode 2, as shown in FIG. A stepped waveform with a constant period can be obtained. Such a waveform is generally called an interference fringe. Each stepped waveform, that is, each interference fringe is MHP. As described above, when the oscillation wavelength of the semiconductor laser 1 is changed for a certain period of time, the number of MHPs changes in proportion to the measurement distance.

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 signal extraction unit 7. The signal extraction unit 7 includes a binarization unit 70 and a period measurement unit 71.
6 (A) to 6 (D) are diagrams for explaining the operation of the signal extraction unit 7. FIG. 6 (A) schematically shows the waveform of the output voltage of the filter unit 6, that is, the waveform of MHP. 6B is a diagram illustrating an output of the binarization unit 70 corresponding to FIG. 6A, and FIG. 6C is a diagram illustrating a sampling clock CLK input to the signal extraction unit 7. 6 (D) is a diagram illustrating a measurement result of the period measurement unit 71 corresponding to FIG. 6 (B).

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 binarization unit 70 of the signal extraction unit 7 determines whether the output voltage of the filter unit 6 shown in FIG. 6A is high level (H) or low level (L), and FIG. A determination result such as At this time, the binarizing unit 70 determines that the output voltage of the filter unit 6 is high level when the output voltage is equal to or higher than the threshold value TH1, and the output voltage of the filter unit 6 decreases and the threshold value TH2 By determining that the level is low when (TH2 <TH1) or less, the output of the filter unit 6 is binarized.

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 period measuring unit 71 measures the period of the rising edge (that is, the MHP period) of the output of the binarizing unit 70 every time a rising edge occurs. At this time, the period measuring unit 71 measures the MHP period with the period of the sampling clock CLK shown in FIG. 6C as one unit. In the example of FIG. 6D, the period measurement unit 71 sequentially measures Tα, Tβ, and Tγ as the MHP period. As is apparent from FIGS. 6C and 6D, the sizes of the periods Tα, Tβ, and Tγ are 5 [samplings], 4 [samplings], and 2 [samplings], respectively. The frequency of the sampling clock CLK is assumed to be sufficiently higher than the highest frequency that the MHP can take.

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。   Next, the calculation unit 8 calculates the displacement and speed of the object 10 from the change in the cycle of each MHP based on the measurement result of the signal extraction unit 7. FIG. 7 is a block diagram illustrating a configuration example of the calculation unit 8. The calculation unit 8 includes a storage unit 80, a period correction unit 81, and a physical quantity calculation unit 82.

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。   The storage unit 80 stores the measurement result of the signal extraction unit 7. The period correction unit 81 is any of the MHP period when the object 10 is stationary, the MHP period at the calculated distance, or the moving average value of a predetermined number of MHP periods measured immediately before the current correction. The measurement result of the signal extraction unit 7 is corrected by comparing the current measurement result of the signal extraction unit 7 with the reference cycle T0. FIG. 8A to FIG. 8F are diagrams for explaining the operation of the period correction unit 81.

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。
When the MHP cycle T measured by the signal extraction unit 7 is less than 0.5T0 as shown in FIG. 8A, the cycle correction unit 81 follows the MHP cycle T and the next cycle as shown in FIG. 8B. The period combined with the measured MHP period Tnext is taken as the corrected MHP period T ′.
In addition, the period correction unit 81, as shown in FIG. 8C, when the MHP period T measured by the signal extraction unit 7 is 1.5T0 or more and less than 2.5T0, as shown in FIG. 8D. The periods obtained by dividing the MHP period T into two equal parts are defined as corrected periods T1 ′ and T2 ′, respectively.

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。   Further, when the MHP cycle T measured by the signal extraction unit 7 is 2.5T0 or more and less than 3.5T0 as shown in FIG. 8 (E), the cycle correction unit 81, as shown in FIG. 8 (F). The periods obtained by dividing the MHP period T into three equal parts are defined as corrected periods T1 ′, T2 ′, and T3 ′, respectively. The same applies to 3.5T0 or more. In other words, the period correction unit 81 determines that the MHP period T measured by the signal extraction unit 7 is (m−0.5) T0 or more and less than (m + 0.5) T0 (m is a natural number of 2 or more). A period obtained by equally dividing the period T into m is defined as a corrected period. The period correction unit 81 performs the correction process as described above every time a measurement result is output from the signal extraction unit 7.

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。
FIG. 9 is a diagram for explaining the principle of correcting the measurement result of the signal extraction unit 7, and schematically showing the waveform of the output voltage of the filter unit 6, that is, the waveform of MHP.
Originally, the cycle of MHP differs depending on the distance to the object 10, but if the distance to the object 10 is unchanged, the MHP appears in the same cycle. However, due to noise, the MHP waveform may be missing or a waveform that should not be counted as a signal may be generated, resulting in an error in the MHP cycle.

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。   When signal loss occurs, the MHP cycle Tw at the location where the loss occurs is approximately twice the original cycle. That is, when the MHP cycle is approximately twice or more the reference cycle T0, it can be determined that the signal is missing. Therefore, the signal loss can be corrected by dividing the period Tw into two equal parts.

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。   Further, the MHP cycle Ts at the location where noise is counted is approximately 0.5 times the original cycle. That is, when the MHP cycle is less than about 0.5 times the reference cycle T0, it can be determined that the signals are excessively counted. Therefore, by adding the period Ts and the next measured period Tnext, it is possible to correct erroneously counted noise.

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。   The above is the principle of correcting the measurement result of the signal extraction unit 7. In the present embodiment, the threshold value for determining the period Ts in which the noise is counted is set to a value 0.5 times the reference period T0, and the period Tw in which the signal is considered to be missing is determined. The threshold value is not a value twice the reference period T0 but a value 1.5 times, and the reason for the 1.5 times will be described later.

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)
Next, the physical quantity calculation unit 82 calculates the displacement and speed of the object 10 from changes in the individual periods of the MHP corrected by the period correction unit 81 with respect to the reference period T0. 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 corrected MHP period is n [samplings] longer than the reference period T0. Then, the displacement D [m] of the object 10 in the corrected MHP cycle is expressed by the following equation.
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。   When the corrected MHP period is shortened by n [samplings] from the reference period T0, the sign of the period change amount n in Expression (2) may be negative. In the first oscillation period P1 in which the oscillation wavelength of the semiconductor laser 1 increases, when the displacement D is positive, the moving direction of the object 10 is a direction away from the semiconductor laser 1, and when the displacement D is negative, the moving of the object 10 is performed. The direction is a direction approaching the semiconductor laser 1. In the second oscillation period P2 in which the oscillation wavelength decreases, when the displacement D is positive, the moving direction of the object 10 is a direction approaching the semiconductor laser 1, and when the displacement D is negative, the moving direction of the object 10 is. Is a direction away from the semiconductor laser 1.

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)
Since the corrected MHP cycle is (T0 + n) / fad, the velocity V [m / s] of the object 10 in the corrected MHP cycle is expressed by the following equation.
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。
The physical quantity calculation unit 82 can calculate the displacement D of the object 10 according to Equation (2), and can calculate the velocity V of the object 10 according to Equation (3). For example, the sampling clock frequency fad is 16 [MHz], the reference period T0 is 160 [samplings], the average wavelength of the semiconductor laser 1 is 850 [nm], and the corrected MHP period is 1 [samplings] longer than the reference period T0. Then, the displacement D of the object 10 in this MHP cycle can be calculated as 5.31 [nm], and the velocity V can be calculated as 1.05 [mm / s]. The physical quantity calculation unit 82 performs the above calculation process for each corrected period of the MHP.
The display unit 9 displays the calculation result of the calculation unit 8.

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。   Here, the number of MHPs related to the distance from the object 10 per half cycle of the oscillation wavelength modulated carrier wave (triangular wave) of the semiconductor laser 1 is Nl. If the absolute value of the maximum velocity of the object 10 is converted to the displacement per carrier wave period, λ / 2 × Na, the number of MHPs per carrier half cycle is Nl ± Na. When the displacement per carrier wave cycle is moving at a speed of λ / 2 × Nb, the number of MHPs per carrier half cycle is Nl + Nb, and therefore the MHP cycle corresponding to this number is observed. In order to obtain the displacement D and the speed V of the object 10, the number of MHPs per half cycle of the carrier wave is calculated backward from each MHP period, and the displacement D and the speed V of the object 10 are calculated from the number of MHPs. The above equations (2) and (3) are based on such a derivation principle.

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.

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。   As described above, in the present embodiment, the displacement D and the velocity V of the object 10 can be measured with higher resolution than before. Further, in the self-coupled laser measuring instrument disclosed in Patent Document 1, it takes a measurement time of a half cycle of the carrier wave, whereas in the present embodiment, the displacement of the object 10 from each MHP cycle. Since D and velocity V can be obtained, the time required for measurement can be greatly shortened, and the object 10 having a fast change in velocity can be dealt with. Further, in the present embodiment, since the error of the MHP cycle can be corrected, the measurement accuracy of the displacement D and the velocity V can be improved.

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 object 10 is stationary, and therefore processing such as moving average may be performed on the calculated displacement.
Moreover, in this Embodiment, although both the displacement and speed of the object 10 are measured, it cannot be overemphasized that only either one may be measured.

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)。   Next, the reason why the threshold value for determining the cycle Tw that the signal is assumed to be missing is set to 1.5 times the reference cycle T0 will be described. When the oscillation wavelength change of the semiconductor laser 1 is linear, the MHP cycle is normally distributed around the reference cycle T0 (FIG. 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)
Here, consider a case where a loss occurs in the MHP waveform. Since the original MHP cycle is a normal distribution centered on T0, the MHP cycle when a loss occurs during measurement because the strength of the MHP is small is normal distribution with an average value of 2T0 and a standard deviation of 2σ ( It becomes f) of FIG. When j [%] MHP is missing, the signal extraction unit 7 counts the number of MHPs in either the first oscillation period P1 or the second oscillation period P2, and as a result, the number of MHPs is N. Then, the frequency of the MHP cycle in which the cycle is doubled due to this omission is Nw (= j [%] · N). Further, the frequency of the period of approximately T0 after being decreased due to the missing at the time of measurement is g shown in FIG. 11, and the decrease of the frequency shown in h of FIG. 11 is 2Nw (= 2j [%]). Therefore, the original number N ′ of MHPs when no MHP loss occurs in either the first oscillation period P1 or the second oscillation period P2 can be expressed by the following equation.
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。   Next, a threshold for correcting the measurement result of the MHP cycle will be considered. Here, it is assumed that p [%] is divided into two by noise out of the frequency Nw of the MHP period whose period is doubled due to missing during measurement. Of the missing MHPs, the frequency of the MHP period divided into two is Nw ′ (= j · p [%] · N). The frequency distribution of the period of the MHP divided into two again is as shown in FIG. When the threshold value of the period regarded as Nw is 1.5T0, the frequency of the MHP period with a period of 0.5T0 or less is 0.5Nw ′ (= 0.5p [%] · Nw), and the period is from 0.5T0. The frequency of the MHP period up to 1.5T0 is Nw ′ (= p [%] · Nw), and the frequency of the MHP period of 1.5T0 or more is 0.5 Nw ′ (= 0.5 p [%] · Nw). )

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)
Accordingly, the frequency distribution of all MHP cycles is as shown in FIG. 13, and the threshold of the frequency Ns corresponding to the above Ts is 0.5T0, and the frequency Nw corresponding to the above Tw is the threshold. When the value is 1.5T0, the count result N can be expressed by the following equation.
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)
From the equation (5), the corrected result is as follows, and it can be seen that the original number N ′ of MHPs is calculated when no MHP is lost during counting.
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。   From the above, it can be seen that the counting result N can be corrected by setting the cycle threshold value for obtaining the frequency Nw to 1.5 times the reference cycle T0. The MHP cycle T and the counting result N are in a relationship of T = M / N, where M is the number of sampling clocks per half cycle of the triangular wave. Since M is a constant value, it is considered that a signal has been lost. It can be seen that the threshold for determining the cycle Tw may be 1.5 times the reference cycle T0, as in the case of the count result N.

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。   In the present embodiment, the reference period T0 is the MHP period in a state where the object 10 is stationary. However, the present invention is not limited to this, and the calculation unit 8 has a predetermined number measured immediately before correction. The moving average value of the MHP periods may be used as the reference period T0. According to this method, even in the case of the object 10 that cannot be stationary, the reference period T0 can be obtained.

[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。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 14 is a block diagram showing a configuration example of the calculation unit 8 according to the second embodiment of the present invention. The calculation unit 8 includes a storage unit 80, a cycle correction unit 81, a physical quantity calculation unit 82, a counting unit 83, a distance calculation unit 84, and a cycle calculation unit 85. The overall configuration of the physical quantity sensor may be the same as in the first embodiment, but the rate of change of the oscillation wavelength of the semiconductor laser 1 is constant, and the maximum value λb and the minimum value λa of the oscillation wavelength are constant, respectively. The difference λb−λa also needs to be constant.

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 counting unit 83 counts the number of MHPs included in the output of the filter unit 6 for each of the first oscillation period P1 and the second oscillation period P2. The counting unit 83 may use a counter composed of logic gates, or may measure the frequency of MHP (that is, the number of MHPs per unit time) using FFT (Fast Fourier Transform).

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 distance calculation unit 84 calculates the distance to the object 10 based on the minimum oscillation wavelength λa and the maximum oscillation wavelength λb of the semiconductor laser 1 and the number of MHPs counted by the counting unit 83. In the present embodiment, it is assumed that the state of the object 10 is either a minute displacement state that satisfies a predetermined condition or a displacement state in which the movement is larger than the minute displacement state. When the average displacement of the object 10 per oscillation period P1 and oscillation period P2 is V, the minute displacement state is a state satisfying (λb−λa) / λb> V / Lb (where Lb is time (distance at time t), the displacement state is a state satisfying (λb−λa) / λb ≦ V / Lb.

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)
First, the distance calculation unit 84 calculates the distance candidate values Lα (t) and Lβ (t) and the speed candidate values Vα (t) and Vβ (t) at the current time t as the following equations.
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。   In Expressions (7) to (10), 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(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。   The candidate values Lα (t) and Vα (t) are values calculated on the assumption that the object 10 is in a minute displacement state, and the candidate values Lβ (t) and Vβ (t) are obtained when the object 10 is in a displacement state. This is a calculated value. The distance calculation unit 84 performs the calculations of Expressions (7) to (10) at every time (every oscillation period) when the counting unit 83 measures the number of MHPs.

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)
Subsequently, the distance calculation unit 84 calculates, for each of the minute displacement state and the displacement state, a history displacement that is a difference between the distance candidate value at the current time t and the distance candidate value at the immediately preceding time as follows: calculate. In the equations (11) and (12), the candidate values for the distance calculated one time before the current time t are Lα (t−1) and Lβ (t−1).
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。
The history displacement Vcalα (t) is a value calculated on the assumption that the object 10 is in a minute displacement state, and the history displacement Vcalβ (t) is a value calculated on the assumption that the object 10 is in a displacement state. The distance calculation unit 84 performs calculations of Expressions (11) to (12) at each time when the number of MHPs is measured by the counting unit 83. In Expressions (9) to (12), the direction in which the object 10 approaches the physical quantity sensor of the present embodiment is defined as a positive speed, and the direction in which the object 10 moves away is defined as a negative speed.
Next, the distance calculation unit 84 determines the state of the object 10 using the calculation results of Expressions (7) to (12).

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 distance calculation unit 84 has a constant sign of the history displacement Vcalα (t) calculated on the assumption that the object 10 is in a minute displacement state, and the object 10 is in a minute displacement state. If the velocity candidate value Vα (t) calculated on the assumption that the velocity is equal to the average value of the absolute values of the history displacement Vcalα (t) is equal, it is determined that the object 10 is moving at a constant velocity in a minute displacement state. .

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 distance calculation unit 84 has a constant sign of the history displacement Vcalβ (t) calculated on the assumption that the object 10 is in the displacement state, and the object 10 is in the displacement state. If the velocity candidate value Vβ (t) calculated on the assumption that the average displacement is equal to the absolute value of the absolute value of the history displacement Vcalβ (t), it is determined that the object 10 is moving at a constant velocity in the displacement state.

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 distance calculation unit 84 measures the number of MHPs with the sign of the history displacement Vcalα (t) calculated on the assumption that the object 10 is in a minute displacement state. When the velocity 10 calculated by assuming that the object 10 is in a minute displacement state and the average value of the absolute values of the history displacement Vcalα (t) do not coincide with each other, the object 10 is It is determined that a movement other than a constant speed movement is performed in a minute displacement state.

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 distance calculation unit 84 assumes that the absolute value of the velocity candidate value Vβ (t) calculated on the assumption that the object 10 is in the displacement state is equal to the wavelength change rate, and that the object 10 is in the minute displacement state. If the velocity candidate value Vα (t) calculated in this way and the average value of the absolute values of the history displacement Vcalα (t) do not match, it is determined that the object 10 is moving in a minute displacement state other than the constant velocity motion. May be.

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 distance calculation unit 84 calculates the number of MHPs at which the sign of the history displacement Vcalβ (t) calculated on the assumption that the object 10 is in the displacement state is measured. When the velocity candidate value Vβ (t) calculated on the assumption that the object 10 is in the displacement state does not match the average value of the absolute values of the history displacement Vcalβ (t), the object 10 is in the displacement state. It is determined that the person is exercising other than the uniform speed movement.

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 distance calculation unit 84 assumes that the absolute value of the velocity candidate value Vα (t) calculated on the assumption that the object 10 is in the minute displacement state is equal to the wavelength change rate, and that the object 10 is in the displacement state. If the calculated velocity candidate value Vβ (t) and the average value of the history displacement Vcalβ (t) do not coincide with each other, it is determined that the object 10 is moving in a displaced state other than the uniform velocity motion. May be.

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 distance calculation unit 84 determines the distance from the object 10 based on the determination result. That is, when it is determined that the object 10 is moving at a constant velocity in a minute displacement state, the distance calculation unit 84 sets the distance candidate value Lα (t) as the distance from the object 10, and the object 10 is in a displacement state, etc. When it is determined that the vehicle is moving at a speed, the distance candidate value Lβ (t) is set as the distance to the object 10.

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 distance calculation unit 84 sets the distance candidate value Lα (t) as the distance from the object 10 when it is determined that the object 10 is moving in a minute displacement state other than the constant velocity movement. However, the actual distance is an average value of the distance candidate values Lα (t). Further, when it is determined that the object 10 is moving other than the constant velocity motion in the displaced state, the distance calculation unit 84 sets the distance candidate value Lβ (t) as the distance to the object 10. However, the actual distance is an average value of the distance candidate values Lβ (t).

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。   Next, the period calculation unit 85 obtains the MHP period from the distance calculated by the distance calculation unit 84. The frequency of MHP is proportional to the measurement distance, and the period of MHP is inversely proportional to the measurement distance. Therefore, if the relationship between the MHP cycle and the distance is obtained in advance and registered in the database (not shown) of the cycle calculation unit 85, the cycle calculation unit 85 may correspond to the distance calculated by the distance calculation unit 84. Is obtained from the database, the MHP cycle can be obtained. Alternatively, if a mathematical expression indicating the relationship between the MHP cycle and the distance is obtained and set in advance, the cycle calculation unit 85 substitutes the distance calculated by the distance calculation unit 84 into the mathematical formula, thereby changing the MHP cycle. Can be calculated.

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。   The period correction unit 81 may correct the measurement result of the signal extraction unit 7 as described in the first embodiment, with the period obtained by the period calculation unit 85 as the reference period T0. The operation of the physical quantity calculation unit 82 is the same as that of the first embodiment. In the present embodiment, the reference period T0 can be obtained even in the case of the object 10 that cannot be stationary.

[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。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 15 is a block diagram showing a configuration example of the calculation unit 8 according to the third embodiment of the present invention. The calculation unit 8 stores a storage unit 80, a period correction unit 81, a physical quantity calculation unit 82, a counting unit 86 that counts the number of MHPs included in the output voltage of the filter unit 6, a counting result of the counting unit 86, and the like. By calculating the average value of the counting results of the storage unit 87 and the counting unit 86, the distance for obtaining the number of MHPs (hereinafter referred to as distance proportional number) NL proportional to the average distance between the semiconductor laser 1 and the object 10 The proportional number calculation unit 88 and the counting unit 86 according to the magnitude relationship between the count result of the previous time of the counting unit 86 and the double of the distance proportional number NL calculated using the past count result from this count result. The sign adding unit 89 for adding a positive or negative sign to the latest count result of the above, and the cycle calculating unit 90 for calculating the MHP cycle from the distance proportional number NL. The overall configuration of the physical quantity sensor may be the same as that of the first embodiment.

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。   The counting unit 86 counts the number of MHPs included in the output of the filter unit 6 for each of the first oscillation period P1 and the second oscillation period P2. The counting unit 86 may use a counter including a logic gate, or may measure the frequency of MHP (that is, the number of MHPs per unit time) using FFT. The counting result of the counting unit 86 is stored in the storage unit 87.

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。   The distance proportional number calculation unit 88 obtains the distance proportional number NL from the counting result of the counting unit 86. FIG. 16 is a diagram for explaining the operation of the distance proportional number calculation unit 88, and is a diagram showing the time change of the counting result of the counting unit 86. In FIG. 16, Nu is the counting result of the first oscillation period P1, and Nd is the counting result of the second oscillation period P2.

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。   When the distance change rate of the object 10 is smaller than the oscillation wavelength change rate of the semiconductor laser 1 and the object 10 is oscillating simply, the time change of the count result Nu and the time change of the count result Nd are as shown in FIG. A sine waveform with a phase difference of 180 degrees is obtained. In Patent Document 1, the state of the object 10 at this time is a minute displacement state.

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。   As is clear from FIG. 21, since the first oscillation period P1 and the second oscillation period P2 come alternately, the count result Nu and the count result Nd also appear alternately. The counting results Nu and Nd are the sum or difference of the distance proportional number NL and the number of MHPs proportional to the displacement of the object 10 (hereinafter referred to as the displacement proportional number) NV. The distance proportional number NL corresponds to the average value of the sine waveform shown in FIG. The difference between the counting result Nu or Nd and the distance proportional number NL corresponds to the displacement proportional number NV.

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)
The distance proportional number calculation unit 88 calculates the distance proportional number NL by calculating the average value of the counting results for the even number of times measured up to two times before the current time t as shown in the following equation.
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。   In Expression (13), N (t−2) represents the number N of MHPs measured two times before the current time t, and N (t−3) is measured three times before the current time t. This indicates that the number of MHPs is N. If the count result N (t) at the current time t is the count result Nu of the first oscillation period P1, the count result N (t-2) two times before is also the count result Nu of the first oscillation period P1. The count result N (t−3) three times before is the count result Nd in the second oscillation period P2. On the other hand, if the count result N (t) at the current time t is the count result Nd of the second oscillation period P2, the count result N (t-2) two times before is also the count result of the second oscillation period P2. Nd, and the count result N (t−3) three times before is the count result Nu in the first oscillation period P1.

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)
Expression (13) is an expression for obtaining the distance proportional number NL based on the count results for two times. However, when the count result of 2m (m is a positive integer) is used, the distance proportional number calculation unit 88 uses the following formula. The distance proportional number NL is calculated as follows.
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。
However, Expressions (13) and (14) are expressions used at the beginning of measurement of the distance to the object 10 and the speed of the object 10, and from the middle, a signed count result described later is used instead of Expression (13). The distance proportional number NL is calculated from the equation.
NL = {N ′ (t−2) + N ′ (t−3)} / 2 (15)
N ′ (t−2) is a count result with a sign after performing a later-described code addition process on the count result N (t−2) two times before, and N ′ (t−3) is a count result three times before. It is a count result with a code | symbol after performing a code | symbol provision process to N (t-3). Expression (15) is used after the count result N (t) at the current time t becomes the seventh count result from the start of the measurement of the number of MHPs.

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。
Further, when using the equation (14) at the beginning of measurement, the distance proportional number NL is calculated from the middle using the following equation using the signed count result instead of the equation (14).
NL = {N ′ (t−2m−1) + N ′ (t−2m) +... + N ′ (t−2)} / 2m
... (16)
Expression (16) is used after the count result N (t) at the current time t becomes the (2m × 2 + 3) th count result from the start of measuring the number of MHPs.

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。
The distance proportional number NL is stored in the storage unit 87. The distance proportional number calculation unit 88 performs the processing for calculating the distance proportional number NL as described above at every time (every oscillation period) when the number of MHPs is measured by the counting unit 86.
When the count results used for calculating the distance proportional number NL are sufficiently large, the distance proportional number NL may be calculated from the odd number of count results.

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)
Next, the sign assigning unit 89 counts the counting result of the counting unit 86 according to the magnitude relationship between the counting result N (t−1) measured one time before the current time t and the multiple 2NL of the distance proportional number NL. A positive or negative sign is assigned to N (t). Specifically, the sign assigning unit 89 executes the following expression.
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。   FIG. 17 is a diagram for explaining the operation of the code assigning unit 89, and is a diagram showing a time change of the counting result of the counting unit 86. When the distance change rate of the object 10 is larger than the oscillation wavelength change rate of the semiconductor laser 1, the time change of the counting result Nu becomes a shape in which the negative waveform indicated by 170 in FIG. The time variation of the counting result Nd takes a form in which the negative waveform indicated by 171 in FIG. 17 is folded back to the positive side. In Patent Document 1, the state of the object 10 in the portion where the counting result is folded is defined as the displacement state. On the other hand, the state of the object 10 in the portion where the counting result is not folded is the above-described minute displacement state.

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。   In order to obtain the physical quantity of the object 10 in vibration including the displacement state, it is determined whether the object 10 is in the displacement state or the minute displacement state. If the object 10 is in the displacement state, the object 10 is folded back to the positive side. It is necessary to correct the counting result so that the locus indicated by 170 and 171 in FIG. 17 is drawn. Expressions (17) and (18) are expressions for determining whether the object 10 is in a displacement state or a minute displacement state. In FIG. 17, N (t−1) ≧ 2NL is established in the displacement state where the counting result is folded. Therefore, as shown in the equation (17), when N (t−1) ≧ 2NL is established, the count result N (t) at the current time t of the counting unit 86 is given a negative sign. The count result is N ′ (t).

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。   On the other hand, N (t−1) <2NL is established in the minute displacement state in which the counting result is not folded in FIGS. 16 and 17. Therefore, as shown in Expression (18), when N (t−1) <2NL is established, the count result N (t) at the current time t of the counting unit 86 is given a positive sign. The count result is N ′ (t).

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。
The signed count result N ′ (t) is stored in the storage unit 87. The code assigning unit 89 performs the code assigning process as described above at every time (every oscillation period) when the counting unit 86 measures the number of MHPs.
Note that the condition for establishing equation (17) may be N (t−1)> 2NL, and the condition for establishing equation (18) may be N (t−1) ≦ 2NL.

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。
Next, the period calculation unit 90 calculates the MHP period T from the distance proportional number NL as in the following equation.
T = C / (2 × f × NL) (19)
Here, f is the frequency of the triangular wave, and C is the speed of light.

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。   The period correction unit 81 may correct the measurement result of the signal extraction unit 7 as described in the first embodiment with the period calculated by the period calculation unit 90 as the reference period T0. The operation of the physical quantity calculation unit 82 is the same as that of the first embodiment. In the present embodiment, the reference period T0 can be obtained even in the case of the object 10 that cannot be stationary.

[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。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the first to third embodiments, the semiconductor laser 1 oscillates in a triangular wave shape. However, the present invention is not limited to this, and the semiconductor laser 1 in the first and third 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 second 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。   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. 18, in the case of sawtooth oscillation in which only the first oscillation period P1 exists repeatedly, the processing in 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。
[Fifth Embodiment]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. In the first to fourth embodiments, the photodiode 2 and the current-voltage conversion amplifying unit 5 are used as detection means for detecting an electrical signal including an MHP waveform. However, the MHP waveform is not used without using a photodiode. It is also possible to extract. FIG. 19 is a block diagram showing a configuration of a physical quantity sensor according to the fifth embodiment of the present invention. The same reference numerals are given to the same configurations as those in FIG. The physical quantity sensor of the present embodiment uses a voltage detection unit 12 as detection means instead of the photodiode 2 and the current-voltage conversion amplification unit 5 of the first embodiment.

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 voltage detector 12 detects and amplifies the voltage between the terminals of the semiconductor laser 1, that is, the anode-cathode voltage. When interference occurs between the laser light emitted from the semiconductor laser 1 and the return light from the object 10, an MHP waveform appears in the voltage between the terminals of the semiconductor laser 1. Therefore, it is possible to extract the MHP waveform from the voltage between the terminals of the semiconductor laser 1.

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。
The filter unit 6 removes the carrier wave from the output voltage of the voltage detection unit 12. Other configurations of the physical quantity sensor are the same as those in the first embodiment.
Thus, in the present embodiment, the MHP waveform can be extracted without using a photodiode, and the physical quantity sensor components can be reduced as compared with the first embodiment, thereby reducing the cost of the physical quantity sensor. 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 signal extraction unit 7 and the calculation unit 8 can be realized by, for example, a computer having a CPU, a memory, and an interface, and a program for controlling these hardware resources. . The CPU executes the processes described in the first and fifth embodiments according to the program stored in the memory.

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.

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。It is a block diagram which shows the structure of the physical quantity sensor which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 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。It is a wave form diagram showing typically the output voltage waveform of the current-voltage conversion amplification part in the 1st embodiment of the present invention, and the output voltage waveform of a filter part. モードホップパルスについて説明するための図である。It is a figure for demonstrating a mode hop pulse. 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。It is a figure which shows the relationship between the oscillation wavelength of a semiconductor laser, and the output waveform of a photodiode. 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。It is a block diagram which shows the structural example of the signal extraction part in the 1st Embodiment of this invention. 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。It is a figure for demonstrating operation | movement of the signal extraction part in the 1st Embodiment of this invention. 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。It is a block diagram which shows the structural example of the calculating part in the 1st Embodiment of this invention. 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。It is a figure for demonstrating operation | movement of the period correction | amendment part in the 1st Embodiment of this invention. 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。It is a figure for demonstrating the correction principle of the measurement result of the signal extraction part in the 1st Embodiment of this invention. モードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。It is a figure which shows frequency distribution of the period of a mode hop pulse. 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。It is a figure which shows the frequency distribution of the period of the mode hop pulse which became a 2 times period. 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。It is a figure which shows frequency distribution of the period of the mode hop pulse divided into two among the mode hop pulses lost at the time of counting. 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。It is a figure which shows frequency distribution of the period of the mode hop pulse divided into two among the mode hop pulses lost at the time of counting. 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。It is a block diagram which shows the structural example of the calculating part in the 2nd Embodiment of this invention. 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。It is a block diagram which shows the structural example of the calculating part in the 3rd Embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows one example of the time change of the count result of the counting part in the 3rd Embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows the other example of the time change of the count result of the counting part in the 3rd Embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows the other example of the time change of the oscillation wavelength of the semiconductor laser in the 4th Embodiment of this invention. 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。It is a block diagram which shows the structure of the physical quantity sensor which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 従来のレーザ計測器の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the conventional laser measuring device. 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。It is a figure which shows one example of the time change of the oscillation wavelength of a semiconductor laser in the laser measuring device of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

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。   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, 12 ... voltage detection unit, 70 ... binarization unit, 71 ... cycle measurement unit, 80, 87 ... storage unit, 81 ... cycle correction unit, 82 ... physical quantity calculation unit, 83, 86 ... counting unit, 84 ... Distance calculation unit, 85, 90... Cycle calculation unit, 88... Distance proportional number calculation unit, 89.

Claims (14)

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。
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;
Period correction means for correcting the measurement result by comparing the measurement result of the signal extraction means with a reference period;
A physical quantity sensor comprising: a calculation unit that calculates at least one of the displacement and the velocity of the measurement object based on each cycle corrected by the cycle correction unit.
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。
The physical quantity sensor according to claim 1,
The calculation means includes a frequency of a sampling clock for measuring the period of the interference waveform, the reference period, an average wavelength of the semiconductor laser, and an amount of change of the period corrected by the period correction 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.
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。
The physical quantity sensor according to claim 1 or 2,
When the period of the interference waveform measured by the signal extraction unit is less than a predetermined number k times the reference period (k is a positive value less than 1), the period correction unit The cycle that combines the cycle of the measured interference waveform is set as the cycle of the corrected interference waveform, the waveform that combines the cycles is one waveform, and the cycle of the interference waveform measured by the signal extraction unit is the reference cycle. If it is greater than (m−k) times and less than (m + k) times the reference period (m is a natural number greater than or equal to 2), the period obtained by dividing the period of this interference waveform into m equal parts is used as the corrected period. A physical quantity sensor characterized in that there are m waveforms having a later period.
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。
The physical quantity sensor according to claim 3,
The physical quantity sensor, wherein the predetermined number k is 0.5.
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。
The physical quantity sensor according to any one of claims 1 to 4,
The period correcting unit uses the period of the interference waveform when the measurement object is stationary or an average of a period of a predetermined number of interference waveforms measured immediately before the correction as the reference period. Physical quantity sensor.
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。
The physical quantity sensor according to any one of claims 1 to 4,
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 characterized in that the period correction means uses the period obtained by the period calculation means as the reference period.
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。
The physical quantity sensor according to any one of claims 1 to 4,
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 proportional number calculating means for calculating a distance proportional number which is the number of interference waveforms proportional to an average distance between the semiconductor laser and the measurement object by calculating an average value of the number of the interference waveforms;
A period calculating means for calculating a period of the interference waveform from the distance proportional number,
The physical quantity sensor characterized in that the period correction means uses the period obtained by the period calculation means as the reference period.
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。
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 period correction procedure for correcting the measurement result by comparing the measurement result of the signal extraction procedure with a reference period;
A physical quantity measurement method comprising: a calculation procedure for calculating at least one of a displacement and a velocity of the measurement object based on each cycle corrected by the cycle correction procedure.
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。
The physical quantity measuring method according to claim 8,
The calculation procedure includes the frequency of a sampling clock for measuring the period of the interference waveform, the reference period, the average wavelength of the semiconductor laser, and the amount of change of the period corrected by the period correction procedure with respect to the reference period. A physical quantity measuring method, wherein at least one of the displacement and speed of the measurement object is calculated.
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。
The physical quantity measuring method according to claim 8 or 9,
In the period correction procedure, when the period of the interference waveform measured in the signal extraction procedure is less than a predetermined number k times the reference period (k is a positive value less than 1), the period of the interference waveform and the next The cycle that combines the cycle of the measured interference waveform is set as the cycle of the corrected interference waveform, the waveform that combines the cycles is one waveform, and the cycle of the interference waveform measured in the signal extraction procedure is the reference cycle. If it is (m−k) times or more and less than (m + k) times the reference period (m is a natural number of 2 or more), the period obtained by equally dividing the period of the interference waveform into m is the corrected period, A physical quantity measuring method characterized in that there are m corrected period waveforms.
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。
The physical quantity measuring method according to claim 10,
The physical quantity measuring method, wherein the predetermined number k is 0.5.
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。
The physical quantity measuring method according to any one of claims 8 to 11,
The period correction procedure is characterized in that an average of a period of the interference waveform when the measurement object is stationary or a period of a predetermined number of interference waveforms measured immediately before the correction is used as the reference period. Physical quantity measurement method.
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。
The physical quantity measuring method according to any one of claims 8 to 11,
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,
The period correction procedure uses the period obtained in the period calculation procedure as the reference period.
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。
The physical quantity measuring method according to any one of claims 8 to 11,
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 proportional number calculation procedure for obtaining a distance proportional number that is the number of interference waveforms proportional to the average distance between the semiconductor laser and the measurement object by calculating an average value of the number of the interference waveforms;
A cycle calculation procedure for calculating the cycle of the interference waveform from the distance proportional number,
The period correction procedure uses the period obtained in the period calculation procedure as the reference period.
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