JP5612240B2 - 距離計および距離計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、光の干渉を利用して測定対象との距離を計測する干渉型の距離計および距離計測方法に関するものである。

レーザによる光の干渉を利用した距離計測は、非接触測定のため測定対象を乱すことなく、高精度の測定方法として古くから用いられている。最近では、半導体レーザは装置の小型化のため、光計測用光源として利用されようとしている。その代表的な例として、ＦＭヘテロダイン干渉計を利用したものがある。これは、比較的長距離測定が可能で精度もよいが、半導体レーザの外部に干渉計を用いているため、光学系が複雑になるという欠点を有する。

これに対して、レーザの出力光と測定対象からの戻り光との半導体レーザ内部での干渉（自己結合効果）を利用した計測器が提案されている（例えば、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３参照）。このような自己結合型のレーザ計測器によれば、フォトダイオード内蔵の半導体レーザが発光、干渉、受光の各機能を兼ねているため、外部干渉光学系を大幅に簡略化することができる。したがって、センサ部が半導体レーザとレンズのみとなり、従来のものに比べて小型となる。また、三角測量法より距離測定範囲が広いという特徴を有する。

ＦＰ型（ファブリペロー型）半導体レーザの複合共振器モデルを図７に示す。図７において、１０１は半導体レーザ、１０２は半導体結晶の壁開面、１０３はフォトダイオード、１０４は測定対象である。測定対象１０４からの反射光の一部が発振領域内に戻り易い。戻って来たわずかな光は、共振器１０１内のレーザ光と結合し、動作が不安定となり雑音（複合共振器ノイズまたは戻り光ノイズ）を生じる。戻り光による半導体レーザの特性の変化は、出力光に対する相対的な戻り光量が、極めてわずかであっても顕著に現れる。このような現象は、ファブリペロー型（以下、ＦＰ型）半導体レーザに限らず、Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ型（以下、ＶＣＳＥＬ型）、Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＦｅｅｄＢａｃｋ ｌａｓｅｒ型（以下、ＤＦＢレーザ型）など、他の種類の半導体レーザにおいても同様に現れる。

レーザの発振波長をλ、測定対象１０４に近い方の壁開面１０２から測定対象１０４までの距離をＬとすると、以下の共振条件を満足するとき、戻り光と共振器１０１内のレーザ光は強め合い、レーザ出力がわずかに増加する。
Ｌ＝ｎλ／２ ・・・（１）
式（１）において、ｎは整数である。この現象は、測定対象１０４からの散乱光が極めて微弱であっても、半導体レーザの共振器１０１内の見かけの反射率が増加することにより、増幅作用が生じ、十分観測できる。

半導体レーザは、注入電流の大きさに応じて周波数の異なるレーザ光を放射するので、発振周波数を変調する際に、外部変調器を必要とせず、注入電流によって直接変調が可能である。図８は、半導体レーザの発振波長をある一定の割合で変化させたときの発振波長とフォトダイオード１０３の出力波形との関係を示す図である。式（１）に示したＬ＝ｎλ／２を満足したときに、戻り光と共振器１０１内のレーザ光の位相差が０°（同位相）になって、戻り光と共振器１０１内のレーザ光とが最も強め合い、Ｌ＝ｎλ／２＋λ／４のときに、位相差が１８０°（逆位相）になって、戻り光と共振器１０１内のレーザ光とが最も弱め合う。そのため、半導体レーザの発振波長を変化させていくと、レーザ出力が強くなるところと弱くなるところとが交互に繰り返し現れ、このときのレーザ出力を共振器１０１に設けられたフォトダイオード１０３で検出すると、図８に示すように一定周期の階段状の波形が得られる。このような波形は一般的には干渉縞と呼ばれる。

この階段状の波形、すなわち干渉縞の１つ１つをモードポップパルス（以下、ＭＨＰ）と呼ぶ。ＭＨＰは後述のモードホッピング現象とは異なる現象である。例えば、測定対象１０４までの距離がＬ１のとき、ＭＨＰの数が１０個であったとすれば、半分の距離Ｌ２では、ＭＨＰの数は５個になる。すなわち、ある一定時間において半導体レーザの発振波長を変化させた場合、測定距離に比例してＭＨＰの数は変わる。したがって、ＭＨＰをフォトダイオード１０３で検出し、ＭＨＰの周波数を測定すれば、容易に距離計測が可能となる。なお、ＦＰ型半導体レーザに特有のモードホッピング現象は、図９に示すように、注入電流の連続的な増減に応じて発振波長に不連続な箇所が生じる現象である。注入電流の増加時と減少時とにおいて僅かにヒステリシスを有する。

上田正，山田諄，紫藤進，「半導体レーザの自己結合効果を利用した距離計」，１９９４年度電気関係学会東海支部連合大会講演論文集，１９９４年 山田諄，紫藤進，津田紀生，上田正，「半導体レーザの自己結合効果を利用した小型距離計に関する研究」，愛知工業大学研究報告，第３１号Ｂ，ｐ．３５−４２，１９９６年 Guido Giuliani，Michele Norgia，Silvano Donati and Thierry Bosch，「Laser diode self-mixing technique for sensing applications」，JOURNAL OF OPTICS A:PURE AND APPLIED OPTICS，ｐ．２８３−２９４，２００２年

以上のように、光の干渉を利用すれば、測定対象との距離を計測することができる。しかしながら、自己結合型を含む従来の干渉型の距離計では、測定期間中に測定対象が測定領域の境界を超える運動をすると、正しい距離を計算することができないという問題点があった。ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）を用いた場合には、測定期間中に測定対象が測定領域（レーザ光の照射領域）の境界を超える運動をしたとしても、ＭＨＰの周期からＭＨＰの数を計算することができる。しかし、ＭＨＰを数える方法では、測定期間中に測定対象が測定領域に侵入すると、測定期間の途中でＭＨＰが発生し、測定期間中に測定対象が測定領域から離れると、測定期間の途中でＭＨＰが消失するので、計測したＭＨＰの数が測定対象との距離に対応する本来の値になっておらず、測定対象との距離を正しく計算することはできない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、不適切な測定結果を除外して、測定対象との距離を正しく計測することができる距離計および距離計測方法を提供することを目的とする。

本発明の距離計は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させるレーザドライバと、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する受光器と、この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を数える計数手段と、前記干渉波形の数を数える計数期間における前記干渉波形の数の時間変化に基づいて前記計数手段の計数結果の有効性を判定する判定手段と、前記判定手段によって有効と判定された前記計数手段の計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手段とを有するものである。
また、本発明の距離計は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させるレーザドライバと、前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器と、この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を数える計数手段と、前記干渉波形の数を数える計数期間における前記干渉波形の数の時間変化に基づいて前記計数手段の計数結果の有効性を判定する判定手段と、前記判定手段によって有効と判定された前記計数手段の計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手段とを有するものである。

また、本発明の距離計の１構成例において、前記判定手段は、前記計数期間における前半期間と後半期間で前記干渉波形の数が変化した場合に、前記計数期間における前記計数手段の計数結果を無効と判定するものである。
また、本発明の距離計の１構成例において、前記判定手段は、前記計数期間の途中で前記干渉波形が発生又は消失した場合に、前記計数期間における前記計数手段の計数結果を無効と判定するものである。
また、本発明の距離計の１構成例において、前記判定手段は、前記計数期間における前半期間と後半期間で前記干渉波形の数が変化した場合に、前記計数期間における前記計数手段の計数結果を無効と判定し、前記後半期間の干渉波形の数が前記前半期間の干渉波形の数よりも多く、前記前半期間の干渉波形の数が略０でない場合は、前記後半期間の計数結果を有効と判定し、前記後半期間の干渉波形の数が前記前半期間の干渉波形の数よりも多く、前記前半期間の干渉波形の数が略０の場合は、前記前半期間の計数結果および前記後半期間の計数結果共に無効と判定し、前記前半期間の干渉波形の数が前記後半期間の干渉波形の数よりも多く、前記後半期間の干渉波形の数が略０でない場合は、前記前半期間の計数結果を有効と判定し、前記前半期間の干渉波形の数が前記後半期間の干渉波形の数よりも多く、前記後半期間の干渉波形の数が略０の場合は、前記前半期間の計数結果および前記後半期間の計数結果共に無効と判定し、前記演算手段は、前記前半期間の計数結果が無効で前記後半期間の計数結果が有効と判定された場合は、前記後半期間の計数結果から前記測定対象との距離を求め、前記後半期間の計数結果が無効で前記前半期間の計数結果が有効と判定された場合は、前記前半期間の計数結果から前記測定対象との距離を求めるものである。

また、本発明は、波長変調した波を測定対象に放射し、測定対象に反射して戻る波と前記放射した波との間で発生する干渉を検出し、この干渉に関する情報に基づいて前記測定対象との距離を求める距離計測方法において、前記干渉に関する情報の検出期間における前記情報の時間変化に基づいて前記検出結果の有効性を判定する判定手順と、前記判定手順によって有効と判定された前記干渉に関する情報から前記測定対象との距離を求める演算手順とを備えるものである。
また、本発明の距離計測方法は、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振手順と、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を数える計数手順と、前記干渉波形の数を数える計数期間における前記干渉波形の数の時間変化に基づいて前記計数手順の計数結果の有効性を判定する判定手順と、前記判定手順によって有効と判定された前記計数手順の計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手順とを備えるものである。
また、本発明の距離計測方法は、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振手順と、前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を数える計数手順と、前記干渉波形の数を数える計数期間における前記干渉波形の数の時間変化に基づいて前記計数手順の計数結果の有効性を判定する判定手順と、前記判定手順によって有効と判定された前記計数手順の計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手順とを備えるものである。

本発明によれば、計数期間における干渉波形の数の変化に基づいて計数手段の計数結果の有効性を判定し、有効と判定した計数結果から測定対象との距離を求めるようにしたので、計数期間中の測定領域への測定対象の出入り等に起因する不適切な計数結果を除外して、測定対象との距離を正しく計測することができる。

［第１の実施の形態］
本発明は、波長変調を用いたセンシングにおいて出射した波と対象物で反射した波の干渉信号をもとに距離を計測する手法である。したがって、自己結合型以外の光学式の干渉計、光以外の干渉計にも適用できる。半導体レーザの自己結合を用いる場合について、より具体的に説明すると、半導体レーザから測定対象にレーザ光を照射しつつ、レーザの発振波長を変化させると、発振波長が最小発振波長から最大発振波長まで変化する間（あるいは最大発振波長から最小発振波長まで変化する間）における測定対象の変位は、ＭＨＰの数に反映される。したがって、発振波長を変化させたときのＭＨＰの数を調べることで測定対象の状態を検出することができる。以上が、本発明の基本的な原理である。

以下、本発明の第１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の実施の形態となる距離計の構成を示すブロック図である。図１の距離計は、測定対象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測定対象１２に照射すると共に、測定対象１２からの戻り光を集光して半導体レーザ１に入射させるレンズ３と、半導体レーザ１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４と、フォトダイオード２の出力電流を電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅器５と、電流−電圧変換増幅器５の出力電圧を２回微分する信号抽出回路１１と、信号抽出回路１１の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を数える計数装置８と、ＭＨＰの数から測定対象１２との距離を算出する演算装置９と、演算装置９の算出結果を表示する表示装置１０とを有する。電流−電圧変換増幅器５と信号抽出回路１１と計数装置８とは計数手段を構成し、また計数装置８は計数結果の有効性を判定する判定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、前述の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。そして、モードホッピング現象を持つ型（ＦＰ型）の半導体レーザ１を用いた場合については、その旨を特記する。

例えば、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２は、半導体レーザ１の発振波長の時間変化を示す図である。図２において、ｔ−１はｔ−１番目の発振期間、ｔはｔ番目の発振期間、ｔ＋１はｔ＋１番目の発振期間、ｔ＋２はｔ＋２番目の発振期間、ｔ＋３はｔ＋３番目の発振期間、ｔ＋４はｔ＋４番目の発振期間、λａは各期間における発振波長の最小値、λｂは各期間における発振波長の最大値、Ｔは三角波の周期である。本実施の形態では、発振波長の最大値λｂ及び発振波長の最小値λａはそれぞれ常に一定になされており、それらの差λｂ−λａも常に一定になされている。

半導体レーザ１から出射したレーザ光は、レンズ３によって集光され、測定対象１２に入射する。測定対象１２で反射された光は、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の光出力を電流に変換する。電流−電圧変換増幅器５は、フォトダイオード２の出力電流を電圧に変換して増幅する。

信号抽出回路１１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り、例えば二つの微分回路６，７が用いられる。微分回路６は、電流−電圧変換増幅器５の出力電圧を微分し、微分回路７は、微分回路６の出力電圧を微分する。図３（Ａ）は電流−電圧変換増幅器５の出力電圧波形を模式的に示す図、図３（Ｂ）は微分回路６の出力電圧波形を模式的に示す図、図３（Ｃ）は微分回路７の出力電圧波形を模式的に示す図である。これらは、フォトダイオード２の出力である図３（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３（Ｃ）のＭＨＰ波形（重畳波）を抽出する過程を表している。

計数装置８は、信号抽出回路１１の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を第１の発振期間ｔ−１，ｔ＋１，ｔ＋３と第２の発振期間ｔ，ｔ＋２，ｔ＋４の各々について数える。図４は計数装置８の構成の１例を示すブロック図、図５（Ａ）、図５（Ｂ）は計数装置８の動作を説明するための図であり、信号抽出回路１１の出力電圧波形を模式的に示す図である。計数装置８は、カウンタ８１，８２と、判定部８３とから構成される。図５（Ａ）は計数期間中に測定対象１２の運動状態が変化していない場合を示し、図５（Ｂ）は第１の発振期間ｔ−１の途中で測定対象１２が測定領域（レーザ光の照射領域）に侵入し、第２の発振期間ｔ＋２の途中で測定対象１２が測定領域から離れた場合を示している。

まず、計数装置８のカウンタ８１は、信号抽出回路１１の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を第１の発振期間ｔ−１，ｔ＋１，ｔ＋３と第２の発振期間ｔ，ｔ＋２，ｔ＋４の各々の半分の期間毎に数える。
一方、カウンタ８２は、信号抽出回路１１の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を第１の発振期間ｔ−１，ｔ＋１，ｔ＋３毎及び第２の発振期間ｔ，ｔ＋２，ｔ＋４毎に数える。

判定部８３は、カウンタ８１の計数結果に基づいて、カウンタ８２の計数結果の有効性を第１の発振期間ｔ−１，ｔ＋１，ｔ＋３毎及び第２の発振期間ｔ，ｔ＋２，ｔ＋４毎に判定する。すなわち、判定部８３は、ある発振期間における前半期間のＭＨＰの数と後半期間のＭＨＰの数との比（前半期間のＭＨＰの数／後半期間のＭＨＰの数）が所定の数値範囲内の場合は、同発振期間におけるカウンタ８２の計数結果を有効と判定し、ＭＨＰの数の比が数値範囲外の場合は、同発振期間におけるカウンタ８２の計数結果を無効と判定する。数値範囲としては、例えば９／１０以上１０／９以下とする。したがって、前半期間のＭＨＰの数と後半期間のＭＨＰの数との比が９／１０以上１０／９以下の場合は有効と判定し、ＭＨＰの数の比が９／１０より小さいか、１０／９より大きい場合には無効と判定することになる。

例えば図５（Ａ）の例では、第１の発振期間ｔ−１の前半期間と後半期間でＭＨＰの数が同数である。したがって、判定部８３は、第１の発振期間ｔ−１におけるカウンタ８２の計数結果を有効と判定する。
一方、図５（Ｂ）の例では、第１の発振期間ｔ−１の前半期間でＭＨＰの数が少ないのに対して、後半期間でＭＨＰの数が多くなっており、これにより前半期間のＭＨＰの数と後半期間のＭＨＰの数との比が所定の数値範囲より小さくなる。このため、判定部８３は、第１の発振期間ｔ−１におけるカウンタ８２の計数結果を無効と判定する。

同様に、図５（Ｂ）の第２の発振期間ｔ＋２の前半期間と後半期間でＭＨＰの数が大きく異なるので、判定部８３は、第２の発振期間ｔ＋２におけるカウンタ８２の計数結果を無効と判定する。
判定部８３は、カウンタ８２の計数結果を有効と判定した場合は、この計数結果を演算装置９に通知し、カウンタ８２の計数結果を無効と判定した場合は、計数結果が無効である旨を演算装置９に通知する。

また、判定部８３は、図５（Ｂ）の第１の発振期間ｔ−１のように前半期間でＭＨＰの数が少なく、後半期間でＭＨＰの数が多くて、カウンタ８２の計数結果を無効と判定した場合、測定対象検知信号（オン信号）を演算装置９に出力する。また、判定部８３は、図５（Ｂ）の第２の発振期間ｔ＋２のように前半期間でＭＨＰの数が多く、後半期間でＭＨＰの数が少なくて、カウンタ８２の計数結果を無効と判定した場合、測定対象非検知信号（オフ信号）を演算装置９に出力する。計数装置８は、以上のような処理を第１の発振期間ｔ−１，ｔ＋１，ｔ＋３毎及び第２の発振期間ｔ，ｔ＋２，ｔ＋４毎に行う。

次に、演算装置９は、計数装置８によって計測されたＭＨＰの数に基づいて測定対象１２との距離を求める。一定期間におけるＭＨＰの数は測定距離に比例する。そこで、一定の計数期間（本実施の形態では第１の発振期間又は第２の発振期間）におけるＭＨＰの数と距離との関係を予め求めて演算装置９のデータベース（不図示）に登録しておけば、演算装置９は、計数装置８によって計測されたＭＨＰの数に対応する距離の値をデータベースから取得することにより、測定対象１２との距離を求めることができる。

あるいは、計数期間におけるＭＨＰの数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、演算装置９は、計数装置８によって計測されたＭＨＰの数を数式に代入することにより、測定対象１２との距離を算出することができる。ただし、演算装置９は、計数装置８から計数結果が無効である旨を通知された場合は、計数装置８の計数結果を不採用とし、測距不能とする。演算装置９は、以上のような処理を第１の発振期間ｔ−１，ｔ＋１，ｔ＋３毎及び第２の発振期間ｔ，ｔ＋２，ｔ＋４毎に行う。
表示装置１０は、演算装置９によって算出された測定対象１２との距離（変位）をリアルタイムで表示する。また、表示装置１０は、測定対象検知信号／非検知信号に基づく、測定対象１２の検知／非検知結果を表示する。

以上のように、本実施の形態では、計数期間における前半期間と後半期間でＭＨＰの数が変化しない場合に、計数期間における計数結果を有効と判定し、前半期間と後半期間でＭＨＰの数が変化した場合に、計数期間における計数結果を無効と判定するようにしたので、測定領域への測定対象の出入り等に起因する不適切な計数結果を除外して、測定対象との距離を正しく計測することができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態においても、距離計全体の構成は第１の実施の形態と同様であるので、図１の符号を用いて説明する。図６は本実施の形態の計数装置８の構成の１例を示すブロック図である。本実施の形態の計数装置８は、カウンタ８４と、判定部８５とから構成される。

まず、計数装置８のカウンタ８４は、カウンタ８２と同様に、信号抽出回路１１の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を第１の発振期間ｔ−１，ｔ＋１，ｔ＋３毎及び第２の発振期間ｔ，ｔ＋２，ｔ＋４毎に数える。
判定部８５は、ある発振期間中の全ての区間でＭＨＰを検出できた場合、同発振期間におけるカウンタ８４の計数結果を有効と判定し、発振期間の少なくとも一部でＭＨＰを検出できなかった場合、同発振期間におけるカウンタ８２の計数結果を無効と判定する。

例えば図５（Ａ）の例では、第１の発振期間ｔ−１中の全ての区間でＭＨＰを検出することができる。したがって、判定部８５は、第１の発振期間ｔ−１におけるカウンタ８４の計数結果を有効と判定する。
一方、図５（Ｂ）の例では、第１の発振期間ｔ−１の途中までＭＨＰを検出することができない。このため、判定部８５は、第１の発振期間ｔ−１におけるカウンタ８４の計数結果を無効と判定する。同様に、図５（Ｂ）の第２の発振期間ｔ＋２では途中でＭＨＰが消失するので、判定部８５は、第２の発振期間ｔ＋２におけるカウンタ８４の計数結果を無効と判定する。

なお、判定部８５は、（計数期間においてＭＨＰを検出できない時間の総計）／（計数期間の時間）という計算式で求められる割合が所定のしきい値を超える場合に、この計数期間におけるカウンタ８４の計数結果を無効と判定するようにしてもよい。
判定部８５は、カウンタ８４の計数結果を有効と判定した場合は、この計数結果を演算装置９に通知し、カウンタ８４の計数結果を無効と判定した場合は、計数結果が無効である旨を演算装置９に通知する。

また、判定部８５は、図５（Ｂ）の第１の発振期間ｔ−１のように途中までＭＨＰを検出することができず、カウンタ８４の計数結果を無効と判定した場合、測定対象検知信号（オン信号）を演算装置９に出力する。また、判定部８５は、図５（Ｂ）の第２の発振期間ｔ＋２のように途中でＭＨＰが消失し、カウンタ８４の計数結果を無効と判定した場合、測定対象非検知信号（オフ信号）を演算装置９に出力する。計数装置８は、以上のような処理を第１の発振期間ｔ−１，ｔ＋１，ｔ＋３毎及び第２の発振期間ｔ，ｔ＋２，ｔ＋４毎に行う。

距離計のその他の構成及び処理は第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、計数期間の途中でＭＨＰが発生又は消失した場合に、計数期間における計数結果を無効と判定するようにしたので、測定領域への測定対象の出入り等に起因する不適切な計数結果を除外して、測定対象との距離を正しく計測することができる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態においても、距離計全体の構成は第１の実施の形態と同様であるので、図１の符号を用いて説明する。また、計数装置８の構成も第１の実施の形態と同様であるので、図４の符号を用いて説明する。

計数装置８のカウンタ８１，８２の動作は第１の実施の形態で説明したとおりである。本実施の形態の判定部８３は、第１の実施の形態と同様に、ある発振期間における前半期間のＭＨＰの数と後半期間のＭＨＰの数との比が所定の数値範囲内の場合は、同発振期間におけるカウンタ８２の計数結果を有効と判定し、ＭＨＰの数の比が数値範囲外の場合は、同発振期間におけるカウンタ８２の計数結果を無効と判定する。

ただし、判定部８３は、図５（Ｂ）の第１の発振期間ｔ−１のように前半期間でＭＨＰの数が少なく、後半期間でＭＨＰの数が多い場合でも、前半期間のＭＨＰの数が略０（０も含む）ではない場合は、同一の発振期間における後半期間のＭＨＰの数を有効と判定し、前半期間のＭＨＰの数が略０の場合は、後半期間のＭＨＰの数も無効と判定する。同様に、判定部８３は、図５（Ｂ）の第２の発振期間ｔ＋２のように前半期間でＭＨＰの数が多く、後半期間でＭＨＰの数が少ない場合でも、後半期間のＭＨＰの数が略０ではない場合は、同一の発振期間における前半期間のＭＨＰの数を有効と判定し、後半期間のＭＨＰの数が略０の場合は、前半期間のＭＨＰの数も無効と判定する。ここで、略０とは、０〜数個程度の範囲を指す。

判定部８３は、カウンタ８２の計数結果を有効と判定した場合は、この計数結果を演算装置９に通知し、カウンタ８２の計数結果を無効と判定した場合は、計数結果が無効である旨を演算装置９に通知する。また、判定部８３は、カウンタ８１の計数結果のうち、前半期間と後半期間のどちらかを有効と判定した場合は、有効と判定した計数結果を演算装置９に通知する。計数装置８は、以上のような処理を第１の発振期間ｔ−１，ｔ＋１，ｔ＋３毎及び第２の発振期間ｔ，ｔ＋２，ｔ＋４毎に行う。
演算装置９は、カウンタ８２の計数結果が有効と判定された場合は、第１の実施の形態と同様にして、この計数結果から測定対象１２との距離を求める。

また、演算装置９は、カウンタ８２の計数結果は無効であるが、カウンタ８１の計数結果のうち前半期間と後半期間のどちらかが有効と判定された場合は、有効と判定された計数結果から発振期間におけるＭＨＰの数を計算する。ある発振期間における前半期間の時間をＴα、同発振期間における後半期間の時間をＴβ、前半期間のＭＨＰの数をＮα、後半期間のＭＨＰの数をＮβとしたとき、後半期間の計数結果が有効と判定された場合、この発振期間におけるＭＨＰの数Ｎは次式によって計算することができる。
Ｎ＝Ｎβ×（Ｔα＋Ｔβ）／Ｔβ ・・・（２）

また、演算装置９は、前半期間の計数結果が有効と判定された場合、発振期間におけるＭＨＰの数Ｎを次式によって計算することができる。
Ｎ＝Ｎα×（Ｔα＋Ｔβ）／Ｔα ・・・（３）
式（２）又は式（３）によりＭＨＰの数を計算した後は、このＭＨＰの数から第１の実施の形態と同様にして測定対象１２との距離を求めることができる。

第１、第２の実施の形態では、カウンタの計数結果を無効と判定した場合は測定対象１２との距離を求めることができない。これに対して、本実施の形態では、測定対象１２が前半期間の途中で測定領域に侵入した場合には、後半期間の計数結果を有効と判定し、測定対象１２が後半期間の途中で測定領域から離れた場合には、前半期間の計数結果を有効と判定するようにしたので、発振期間におけるカウンタの計数期間が無効であっても、発振期間のうち前半期間と後半期間のどちらかの計数結果が有効であれば、測定対象１２との距離を求めることができる。

なお、第１〜第３の実施の形態における計数装置８と演算装置９は、例えばＣＰＵ、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このようなコンピュータを動作させるためのプログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供される。ＣＰＵは、読み込んだプログラムを記憶装置に書き込み、このプログラムに従って第１、第２の実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、測定対象との距離を計測する技術に適用することができる。

本発明の第１の実施の形態となる距離計の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態における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。 本発明の第１の実施の形態における電流−電圧変換増幅器の出力電圧波形及び微分回路の出力電圧波形を模式的に示す図である。 本発明の第１の実施の形態における計数装置の構成の１例を示すブロック図である。 図４の計数装置の動作を説明するための図である。 本発明の第２の実施の形態における計数装置の構成の１例を示すブロック図である。 従来のレーザ計測器における半導体レーザの複合共振器モデルを示す図である。 半導体レーザの発振波長と内蔵フォトダイオードの出力波形との関係を示す図である。 モードホッピング現象によって不連続となった周波数の幅の大きさを示す図である。

符号の説明

１…半導体レーザ、２…フォトダイオード、３…レンズ、４…レーザドライバ、５…電流−電圧変換増幅器、６、７…微分回路、８…計数装置、９…演算装置、１０…表示装置、１１…信号抽出回路、１２…測定対象、８１，８２，８４…カウンタ、８３，８５…判定部。

Claims (11)

1. 測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、
   発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させるレーザドライバと、
   前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する受光器と、
   この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を数える計数手段と、
   前記干渉波形の数を数える計数期間における前記干渉波形の数の時間変化に基づいて前記計数手段の計数結果の有効性を判定する判定手段と、
   前記判定手段によって有効と判定された前記計数手段の計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手段とを有することを特徴とする距離計。
2. 測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、
   発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させるレーザドライバと、
   前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器と、
   この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を数える計数手段と、
   前記干渉波形の数を数える計数期間における前記干渉波形の数の時間変化に基づいて前記計数手段の計数結果の有効性を判定する判定手段と、
   前記判定手段によって有効と判定された前記計数手段の計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手段とを有することを特徴とする距離計。
3. 請求項１又は２記載の距離計において、
   前記判定手段は、前記計数期間における前半期間と後半期間で前記干渉波形の数が変化した場合に、前記計数期間における前記計数手段の計数結果を無効と判定することを特徴とする距離計。
4. 請求項１又は２記載の距離計において、
   前記判定手段は、前記計数期間の途中で前記干渉波形が発生又は消失した場合に、前記計数期間における前記計数手段の計数結果を無効と判定することを特徴とする距離計。
5. 請求項１又は２記載の距離計において、
   前記判定手段は、前記計数期間における前半期間と後半期間で前記干渉波形の数が変化した場合に、前記計数期間における前記計数手段の計数結果を無効と判定し、前記後半期間の干渉波形の数が前記前半期間の干渉波形の数よりも多く、前記前半期間の干渉波形の数が略０でない場合は、前記後半期間の計数結果を有効と判定し、前記後半期間の干渉波形の数が前記前半期間の干渉波形の数よりも多く、前記前半期間の干渉波形の数が略０の場合は、前記前半期間の計数結果および前記後半期間の計数結果共に無効と判定し、前記前半期間の干渉波形の数が前記後半期間の干渉波形の数よりも多く、前記後半期間の干渉波形の数が略０でない場合は、前記前半期間の計数結果を有効と判定し、前記前半期間の干渉波形の数が前記後半期間の干渉波形の数よりも多く、前記後半期間の干渉波形の数が略０の場合は、前記前半期間の計数結果および前記後半期間の計数結果共に無効と判定し、
   前記演算手段は、前記前半期間の計数結果が無効で前記後半期間の計数結果が有効と判定された場合は、前記後半期間の計数結果から前記測定対象との距離を求め、前記後半期間の計数結果が無効で前記前半期間の計数結果が有効と判定された場合は、前記前半期間の計数結果から前記測定対象との距離を求めることを特徴とする距離計。
6. 波長変調した波を測定対象に放射し、測定対象に反射して戻る波と前記放射した波との間で発生する干渉を検出し、この干渉に関する情報に基づいて前記測定対象との距離を求める距離計測方法において、
   前記干渉に関する情報の検出期間における前記情報の時間変化に基づいて前記検出結果の有効性を判定する判定手順と、
   前記判定手順によって有効と判定された前記干渉に関する情報から前記測定対象との距離を求める演算手順とを備えることを特徴とする距離計測方法。
7. 半導体レーザを用いて測定対象にレーザ光を放射する距離計測方法において、
   発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振手順と、
   前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とを電気信号に変換する受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を数える計数手順と、
   前記干渉波形の数を数える計数期間における前記干渉波形の数の時間変化に基づいて前記計数手順の計数結果の有効性を判定する判定手順と、
   前記判定手順によって有効と判定された前記計数手順の計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手順とを備えることを特徴とする距離計測方法。
8. 半導体レーザを用いて測定対象にレーザ光を放射する距離計測方法において、
   発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振手順と、
   前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を数える計数手順と、
   前記干渉波形の数を数える計数期間における前記干渉波形の数の時間変化に基づいて前記計数手順の計数結果の有効性を判定する判定手順と、
   前記判定手順によって有効と判定された前記計数手順の計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手順とを備えることを特徴とする距離計測方法。
9. 請求項７又は８記載の距離計測方法において、
   前記判定手順は、前記計数期間における前半期間と後半期間で前記干渉波形の数が変化した場合に、前記計数期間における前記計数手順の計数結果を無効と判定することを特徴とする距離計測方法。
10. 請求項７又は８記載の距離計測方法において、
    前記判定手順は、前記計数期間の途中で前記干渉波形が発生又は消失した場合に、前記計数期間における前記計数手順の計数結果を無効と判定することを特徴とする距離計測方法。
11. 請求項７又は８記載の距離計測方法において、
    前記判定手順は、前記計数期間における前半期間と後半期間で前記干渉波形の数が変化した場合に、前記計数期間における前記計数手順の計数結果を無効と判定し、前記後半期間の干渉波形の数が前記前半期間の干渉波形の数よりも多く、前記前半期間の干渉波形の数が略０でない場合は、前記後半期間の計数結果を有効と判定し、前記後半期間の干渉波形の数が前記前半期間の干渉波形の数よりも多く、前記前半期間の干渉波形の数が略０の場合は、前記前半期間の計数結果および前記後半期間の計数結果共に無効と判定し、前記前半期間の干渉波形の数が前記後半期間の干渉波形の数よりも多く、前記後半期間の干渉波形の数が略０でない場合は、前記前半期間の計数結果を有効と判定し、前記前半期間の干渉波形の数が前記後半期間の干渉波形の数よりも多く、前記後半期間の干渉波形の数が略０の場合は、前記前半期間の計数結果および前記後半期間の計数結果共に無効と判定し、
    前記演算手順は、前記前半期間の計数結果が無効で前記後半期間の計数結果が有効と判定された場合は、前記後半期間の計数結果から前記測定対象との距離を求め、前記後半期間の計数結果が無効で前記前半期間の計数結果が有効と判定された場合は、前記前半期間の計数結果から前記測定対象との距離を求めることを特徴とする距離計測方法。

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