WO2006120857A1

WO2006120857A1 - 距離／速度計および距離／速度計測方法

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Publication number: WO2006120857A1
Application number: PCT/JP2006/308304
Authority: WO
Inventors: Tatsuya Ueno
Original assignee: Yamatake Corporation
Priority date: 2005-05-06
Filing date: 2006-04-20
Publication date: 2006-11-16
Also published as: CN101203729B; EP1878996A1; KR20070116993A; CN101203729A; US7911593B2; KR100952675B1; US20090279070A1; EP1878996A4; JP5172077B2; JP2006313080A

Abstract

　レーザドライバ（４）は、発振波長が単調増加する第１の発振期間と単調減少する第２の発振期間とが交互に存在するように半導体レーザ（１）を動作させる。フォトダイオード（２）は、半導体レーザ（１）から放射されたレーザ光と、測定対象（１２）からの戻り光とを電気信号に変換する。計数部（１３）は、フォトダイオード（２）の出力信号から得られる干渉波形の数を、第１の発振期間と第２の発振期間の各々について数える。演算手段（９）は、計数部（１３）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計数部（１３）の計数結果とから、測定対象（１２）との距離および測定対象（１２）の速度を算出する。これにより、移動する測定対象（１２）との距離および測定対象（１２）の速度を計測することが可能となる。

Description

明細書

距離 Z速度計および距離 Z速度計測方法

技術分野

[0001] 本発明は、波長変調した波を用いて測定対象との距離および測定対象の速度を計測する距離 Z速度計および距離 Z速度計測方法に関する。

背景技術

[0002] 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ぐ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。

[0003] 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ヽる。このような自己結合型のレーザ計測器は、例えば文献 1 (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）、文献 2 (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）、文献 3 (Guido Giuliani, Michele Norgia, Silvano Donati a nd Thierry Bosch, 「Laser diode self-mixing technique for sensing applicationsj , JO URNAL OF OPTICS A:PURE AND APPLIED OPTICS, p. 283— 294, 2002年）などに開示されている。

[0004] 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。

[0005] FP型（フアブリペロー型）半導体レーザの複合共振器モデルを図 20に示す。図 20 において、 101は半導体レーザ共振器、 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、フアブリペロー型（以下、 FP型）半導体レ一ザに限らず、 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。

[0006] レーザの発振波長をえ、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内のレ一ザ光は強め合い、レーザ出力がわずかに増加する。

L=n X /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。

[0007] 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 21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=n Z2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=n Z2+ Z4のときに、位相差が 180° (逆位相）になって、戻り光と共振器 1 01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 21 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。 [0008] 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 2 2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、て僅か〖こヒステリシスを有する。発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0009] 以上のように、自己結合型のレーザ計測器では、共振器外部の干渉光学系を大幅に簡略ィ匕できるため、装置を小型化することができ、また高速の回路が不要で、外乱光に強いという利点がある。さらに、測定対象からの戻り光が極めて微弱でもよいので、測定対象の反射率に影響されない、すなわち測定対象を選ばないという利点がある。

しかしながら、自己結合型を含め従来の干渉型計測器では、静止した測定対象との距離を計測することはできても、移動する測定対象との距離や速度を計測することはできな!、と!/、う問題点があった。

[0010] 本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、静止した測定対象との距離だけでなく、移動する測定対象との距離および速度を計測できるようにすることにある。

課題を解決するための手段

[ooii] 本発明の距離 Z速度計は、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少なくとも 2期間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、前記半導体レーザ力放射されたレーザ光と前記測定対象力もの戻り光とを電気信号に変換する受光器と、前記受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザカゝ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、第 1の発振期間の少なくとも一部と第 2の発振期間の少なくとも一部の各々について数える計数手段と、前記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および前記測定対象の速度を算出する演算手段とを備えることを特徴とする。

[0012] また、本発明の距離 Z速度計測方法は、波長変調した波を測定対象に放射するステツプと、放射した波と前記測定対象に反射して戻る波との間で発生する干渉を検出するステップと、検出された干渉に関する情報に基づいて、前記測定対象との距離および前記測定対象の速度を算出するステップとを備えることを特徴とする。発明の効果

[0013] 本発明によれば、静止した測定対象との距離だけでなぐ移動する測定対象との距離および速度 (大きさ、方向)も計測することができる。また、本発明によれば、半導体レーザの最小発振波長と最大発振波長と計数手段の計数結果とから、測定対象が等速度運動して、るか加速度運動して、るかを判定することができる。

図面の簡単な説明

[0014] [図 1]図 1は、本発明の実施例となる距離 Z速度計の構成を示すブロック図である。

[図 2]図 2は、本発明の実施例における半導体レーザの発振波長の時間変化の一例を示す図である。

[図 3]図 3は、本発明の実施例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。

[図 4A-C]図 4A—図 4Cは、本発明の実施例における電流電圧変換増幅器の出力電圧波形および微分回路の出力電圧波形を模式的に示す図である。

[図 5]図 5は、本発明の実施例における演算装置の構成の一例を示すブロック図である。

[図 6]図 6は、本発明の実施例における演算装置の動作を示すフローチャートである [図 7]図 7は、本発明の実施例において測定対象が微小変位状態で移動している場合の速度の候補値と履歴変位の一例を示す図である。

[図 8]図 8は、本発明の実施例において測定対象が変位状態で移動している場合の速度の候補値と履歴変位の一例を示す図である。

[図 9]図 9は、本発明の実施例において測定対象が微小変位状態で振動している場合の速度の候補値と履歴変位の一例を示す図である。

[図 10]図 10は、図 9の一部を拡大した図である。

[図 11]図 11は、本発明の実施例におヽて測定対象が変位状態で振動してヽる場合の履歴変位の一例を示す図である。

[図 12]図 12は、図 11の一部を拡大した図である。

[図 13]図 13は、本発明の実施例において測定対象が微小変位状態で移動している場合に計測した距離と距離の真値とを示す図である。

[図 14]図 14は、本発明の実施例において測定対象が変位状態で移動している場合に計測した距離と距離の真値とを示す図である。

[図 15]図 15は、本発明の実施例において測定対象が微小変位状態で振動している場合に計測した速度と速度の真値とを示す図である。

[図 16]図 16は、本発明の実施例において測定対象が微小変位状態で振動している場合に計測した距離と距離の平均値と距離の真値とを示す図である。

[図 17]図 17は、本発明の実施例において測定対象が変位状態で振動している場合に計測した速度と速度の真値とを示す図である。

[図 18]図 18は、本発明の実施例において測定対象が変位状態で振動している場合に計測した距離と距離の平均値と距離の真値とを示す図である。

[図 19]図 19は、本発明の実施例における演算装置の構成の他の例を示すブロック図である。

[図 20]図 20は、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。

[図 21]図 21は、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。

[図 22]図 22は、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。

発明を実施するための最良の形態

[0015] 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と速度を同時に算出する手法である。したがって、自己結合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。

[0016] 以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図 1は本発明の実施例となる距離 Z速度計の構成を示すブロック図である。図 1の距離 Z速度計は、測定対象 12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 (受光器) 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からの戻り光魏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ノと、フォトダイオード 2の出力信号に含まれる、半導体レーザ 1に生じた自己結合効果による干渉波形の数を、第 1の発振期間と第 2の発振期間の各々について数える計数部 13と、測定対象 12との距離および測定対象 12の速度を算出する演算装置 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。計数部 13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の数を数える計数回路 8とから構成される。

[0017] 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、型 (VCSEL型、 DFBレーザ型）のものが用いられて!/、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。

[0018] 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。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、ー1は1; 1番目の発振期間、 tは t番目の発振期間、 aは各期間における発振波長の最小値、 bは各期間における発振波長の最大値である。この実施例では、発振波長の最大値 λ bおよび発振波長の最小値 λ aはそれぞれ常に一定になされており、それらの差え b—え aも常に一定になされている。

[0019] レーザドライバ 4は、第 1の発振期間と第 2の発振期間とが交互に少なくとも 2期間存在するように半導体レーザ 1を動作させる。 2期間以上であれば等速運動する測定対象 12との距離および速度が、また 3期間以上であれば加速度運動する測定対象 1 2との距離および速度が検出可能となる。なお、等速運動と加速度運動とを区別するには、 3期間以上が必要となる。また、第 1の発振期間において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み、第 2の発振期間においては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波形であれば、例示した三角波以外の波形 (例えば正弦波）を有するものを用いることができる。例えば図 3に示すように、消費電流を抑制するために、 2山毎 (すなわち 4期間毎）に休止期間 STを置いた間歇的な波形を用いることができる。

[0020] 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 4A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 4Bは微分回路 6の出力電圧波形を模式的に示す図、図 4C 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、フォトダイオードお 03の出力である図 4A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 4Cの MHP波形 (重畳波）を抽出する過程を表して、る。

[0021] 計数回路 8は、微分回路 7の出力電圧に含まれる MHPの数を第 1の発振期間 t— 1と第 2の発振期間 tの各々について数える。以下、第 1の発振期間 t—lにおける M HPの数を MHPt— l (t— 1の部分は変数 MHPの添え字である。以下同様）、第 2の発振期間 tにおける MHPの数を MHPtとする。計数回路 8としては、論理ゲートからなるカウンタを利用したものでもよい。また、半導体レーザを動作させるために、一定の変化率で増減を繰り返す波形の駆動電流を用いた場合には、 Fast Fourier Transf orm (以下、 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 )を計測してもよい。

[0022] 演算装置 9は、半導体レーザ 1の最小発振波長 λ aと最大発振波長 λ bと発振期間 t— 1における MHPの数 MHPt— 1と発振期間 tにおける MHPの数 MHPtに基づいて、測定対象 12との距離および測定対象 12の速度を算出する。なお、上述の通り、最大発振波長 λ bと最小発振波長 λ aとの差である λ b—え aの値が常に一定となるように半導体レーザ 1を動作させることが一般的である力もしえ b—え aの値が必ずしも一定とならないように半導体レーザ 1を動作させる場合は、速度の算出に先立ち、対象となる期間におけるえ b—え aの値によって MPHの数を正規化しておく必要がある。

[0023] 図 5は演算装置 9の構成の一例を示すブロック図、図 6は演算装置 9の動作を示すフローチャートである。演算装置 ₉は、半導体レーザ iの最小発振波長え _aと最大発振波長え bと第 1の発振期間 t— 1における MHPの数 MHPt— 1と第 2の発振期間 t における MHPの数 MHPtに基づいて測定対象 12との距離の候補値と測定対象 12 の速度の候補値とを算出する距離 Z速度算出部 91と、距離 Z速度算出部 91で算出された距離の候補値と 1周期前に算出された距離の候補値との差である履歴変位を算出する履歴変位算出部 92と、距離 Z速度算出部 91と履歴変位算出部 92の算出結果を記憶する記憶部 93と、距離 Z速度算出部 91と履歴変位算出部 92の算出結果に基づいて測定対象 12の状態を判定する状態判定部 94と、状態判定部 94の判定結果に基づいて測定対象 12との距離および測定対象 12の速度を確定する距離 Z速度確定部 95とから構成される。

[0024] ここで、期間 tの始点を時刻 tとする。測定対象 12の状態を予め設定された基準よりも動きが小さい微小変位状態、あるいは、この基準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 t—1と発振期間 tの 1期間あたりの測定対象 12の平均変位を Vとしたとき、微小変位状態とは（lb— a)Z b>VZLb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（ λ b— λ a) Z λ b≤ VZLb を満たす状態である。なお、期間 t—1と期間 tとを合わせた時間によって変位 Vを正規化すれば測定対象 12の速度を得ることができる。

[0025] まず、演算装置 9の距離 Z速度算出部 91は、現時刻 tにおける距離の候補値 L a ( t), L|8 (t)と変位の候補値 Va (t), νβ (t)を次式のように算出して、記憶部 93に格納する（図 6ステップ Sl)。

La (t) = aX bX (， MHPt— 1， +， MHPt， )

/{4X ( b- a)} ·'· (2)

Lj8 (t) = aX bX ( | 'MHPt- 1' -'MHPt' | )

/{4X ( b- a)} ·'· (3)

Va (t) = (，MHPt— 1，一， MHPt') X λ/4 …（4)

Vj8 (t) = ('MHPt - 1 ' + ' MHPt' ) X λ/4 · · · (5)

なお、式の中のクオ一テーシヨン記号，は ΜΗΡの添え字と演算子とを区別するために付したものである（以下同様)。式 (4)、式（5)におけるえは、現時刻 tに対して 1周期前の時刻 t 1における波長である。例えば図 2の例では、波長えはえ aとなる。また、現時刻が図 2の時刻 t+ 1である場合は、波長えはえ bとなる。

なお、上述の式（2)および（3)は、半導体レーザ 1にモードホッピング現象を持たない型のものを用いる場合を想定したものである。もし、半導体レーザ 1にモードホッピング現象を持つ型のものを用いる場合は、上記の式（2)および（3)に代えて下記の式（2A)および（3A)を用いる必要がある。

La (t) = aX bX (， MHPt— 1， +， MHPt' ) Z{4X ( b—え a—∑ mp)} …（2A)

Lj8 (t) = aX bX ( | ，MHPt— 1，一，MHPt， | )

/{4X (lb-la-∑ Imp)} …（3A) ここで λ mpは、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表す（図 22)。ひとつの期間 tの中で複数のモードホッピング現象が生じる場合、いずれのえ mpもほぼ同じ大きさを示す。∑ mpは、ひとつの期間 tの中で生じたモードホッピング現象による周波数の不連続幅の大きさ λ mpを全て加算した値である。

[0026] 候補値 L a (t), Va (t)は測定対象 12が微小変位状態にあると仮定して計算した値であり、候補値 Lj8 ω,νβ (t)は測定対象 12が変位状態にあると仮定して計算した値である。演算装置 9は、式 (2)〜式 (5)の計算を図 4に示す各期間の始点の時刻毎に行う。

[0027] 続いて、演算装置 9の履歴変位算出部 92は、微小変位状態と変位状態の各々について、現時刻 tにおける距離の候補値と、記憶部 93に格納された 1周期前の時刻（ t-1)における距離の候補値との差である履歴変位を次式のように算出して、記憶部 93に格納する（図 6ステップ S 2)。

Veal a (t) =L a (t) -L a (t- 1) …（6)

Veal β (t) =L β (t) -L β (t- 1) ·'·(7)

[0028] 履歴変位 Veal a (t)は測定対象 12が微小変位状態にあると仮定して計算した値であり、履歴変位 Veal (t)は測定対象 12が変位状態にあると仮定して計算した値である。演算装置 9は、式 (6)〜式 (7)の計算を始点時刻 t毎に行う。なお、式 (4)〜式 (7)においては、測定対象 12が本実施例の距離 Z速度計に近づく方向を正の方向、遠ざ力る方向を負の方向と定めている。

次に、演算装置 9の状態判定部 94は、記憶部 93に格納された式（2)〜式（7)の算出結果を用いて、測定対象 12の状態を判定する（図 6ステップ S3)。

[0029] 図 7に測定対象 12が微小変位状態で移動 (等速度運動)している場合の速度の候補値 V a (t) , V j8 (t)と履歴変位 Veal a (t) , Veal β (t)の一例を示す。 V a (t)を參、 Vj8 (t)を▲、 Vcala (t)を〇、 VcaljS (t)を△で示している（図 8〜図 12においても同様)。図 7の例では、測定対象 12の速度を 0.0005mZ期間、半導体レーザ 1 の最小発振波長え aを 680nm、最大発振波長え bを 68 lnmとした。図 7から分かるように、測定対象 12が微小変位状態で移動している場合、測定対象 12を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位 Veal a (t)の符号は一定で（図 7の例では正）、かつ測定対象 12を微小変位状態と仮定して計算した速度の候補値 V a (t)と履歴変位 Veal a (t)の絶対値の平均値とが等しくなる。一方、測定対象 12を変位状態と仮定して計算した履歴変位 Veal |8 (t)の符号は始点時刻 t毎に反転する。つまり、第 1 の発振期間と第 2の発振期間ではその符号が異なる。

[0030] したがって、状態判定部 94は、測定対象 12が微小変位状態にあると仮定して計算した履歴変位 Veal a (t)の符号が一定で、かつ測定対象 12が微小変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値 V a (t)と履歴変位 Veal a (t)の絶対値の平均値とが等しい場合、測定対象 ₁₂が微小変位状態で移動していると判定する。

[0031] 図 8に測定対象 12が変位状態で移動 (等速度運動)している場合の速度の候補値

V a (t) , V j8 (t)と履歴変位 Veal a (t) , Vcal jS (t)の一例を示す。図 8の例では、測定対象 12の速度を 0. 002mZ期間、半導体レーザ 1の最小発振波長え aを 680η m、最大発振波長え bを 68 lnmとした。図 8から分かるように、測定対象 12が変位状態で移動している場合、測定対象 12を変位状態と仮定して計算した履歴変位 Veal β (t)の符号は一定で（図 8の例では正）、かつ測定対象 12を変位状態と仮定して計算した速度の候補値 V |8 (t)と履歴変位 Veal |8 (t)の絶対値の平均値とが等しくなる。一方、測定対象 12を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位 Vealひ（t)の符号は始点時刻 t毎に反転する。

[0032] したがって、状態判定部 94は、測定対象 12が変位状態にあると仮定して計算した履歴変位 Veal (t)の符号が一定で、かつ測定対象 12が変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値 V j8 (t)と履歴変位 Veal j8 (t)の絶対値の平均値とが等し

V、場合、測定対象 12が変位状態で移動して、ると判定する。

[0033] 図 9に測定対象 12が微小変位状態で、一定位置を中心として振動 (加速度運動）している場合の速度の候補値 V Q; (t) , Ύ β (t)と履歴変位 Vealひ (t) , Vcal jS ( の一例を示す。図 9の例では、測定対象 12の最大速度を 0. 000002mZ期間、半導体レーザ 1の最小発振波長え _aを 680nm、最大発振波長え bを 68 lnmとした。図 9 から分かるように、測定対象 12が振動している場合、測定対象 12を微小変位状態と仮定して計算した速度の候補値 V a (t)と測定対象 12を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位 Veal a (t)の絶対値の平均値とは一致しない。同様に、測定対象 12 を変位状態と仮定して計算した速度の候補値 V β (t)と測定対象 12を変位状態と仮定して計算した履歴変位 Veal β (t)の絶対値の平均値も一致しな!、。

[0034] 図 10に、図 9の速度 0付近を拡大した図を示す。図 10から分かるように、測定対象 12を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位 Veal a (t)の符号は始点時刻 t毎に反転し、測定対象 12を変位状態と仮定して計算した履歴変位 Veal (t)では符号の変動はあっても、この変動は始点時刻 t毎ではない。

[0035] したがって、状態判定部 94は、測定対象 12が微小変位状態にあると仮定して計算した履歴変位 Veal a (t)の符号が始点時刻 t毎に反転し、かつ測定対象 12が微小変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値 V a (t)と履歴変位 Vealひ（t)の絶対値の平均値とがー致しない場合、測定対象 12が微小変位状態で振動していると判定する。

[0036] なお、図 9に示した速度の候補値 V β (t)に着目すると、 V β (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（l b— a) Z bと等しい。そこで、状態判定部 94は、測定対象 12が変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値 V β (t)の絶対値が波長変化率と等しぐかつ測定対象 12が微小変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値 V a (t)と履歴変位 Veal a (t)の絶対値の平均値とが一致しな、場合、測定対象 12が微小変位状態で振動して、ると判定してもよ、。

[0037] 図 11に測定対象 12が変位状態で、一定位置を中心として振動 (加速度運動)している場合の履歴変位 Vealひ (t) , Vcal jS (t)の一例を示す。図 11の例では、測定対象 12の最大速度を 0. OlmZ期間、半導体レーザ 1の最小発振波長え aを 680nm、最大発振波長え bを 68 lnmとした。なお、図 11では、値が小さいため、速度の候補値 V a (t) , V j8 (t)につ!/ヽては記載して!/ヽな!、。

[0038] 図 11では、明記していないが、図 9の場合と同様に、測定対象 12を微小変位状態と仮定して計算した速度の候補値 V a (t)と測定対象 12を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位 Veal a (t)の絶対値の平均値とは一致せず、測定対象 12を変位状態と仮定して計算した速度の候補値 V β (t)と測定対象 12を変位状態と仮定して計算した履歴変位 Veal β (t)の絶対値の平均値も一致しな!、。

[0039] 一方、図 11から分かるように、測定対象 12を変位状態と仮定して計算した履歴変位 Vcal iS (t)の符号は始点時刻 t毎に反転し、測定対象 12を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位 Veal a (t)では符号の変動はあっても、この変動は始点時刻 t 毎ではない。

[0040] したがって、状態判定部 94は、測定対象 12が変位状態にあると仮定して計算した履歴変位 Veal (t)の符号が始点時刻 t毎に反転し、かつ測定対象 12が変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値 V |8 (t)と履歴変位 Veal |8 (t)の絶対値の平均値とがー致しない場合、測定対象 12が変位状態で振動していると判定する。

[0041] 図 12に、図 11の速度 0付近を拡大した図を示す。速度の候補値 V a (t)に着目すると、 V a (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（ b— λ a) Z bと等しい。したがって、状態判定部 94は、測定対象 12が微小変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値 V a (t)の絶対値が波長変化率と等しぐかつ測定対象 12が変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値 V β (t)と履歴変位 Vcal jS (t)の絶対値の平均値とがー致しない場合、測定対象 12が変位状態で振動して、ると判定してもよ!/、。以上の状態判定部 94の判定動作を表 1に示す。

[0042] [表 1]

履歴変位速度の候補値

V c a 1 α ( t ) V c a 1 |3 ( t ) V a ( t ) ν β ( t ) 符号一定符号周期毎に反転

微小変位

状態速度の候補値と履 ―

歴変位の絶対値の

平均値とがー致

移動

符号周期毎に反転符号一定

変位状態速度の候補値と履 ― ―

歴変位の絶対値の

平均値とがー致

符号周期毎に反転

速度の候補値の絶微小変位

状態速度の候補値と履一 ― 対値が波長変化率歴変位の絶対値のと一致平均値とが不一致

振動

符号周期毎に反転

速度の候補値の絶

変位状態速度の候補値と履対値が波長変化率 - 歴変位の絶対値のと一致

平均値とが不一致

[0043] 演算装置 9の距離 Z速度確定部 95は、状態判定部 94の判定結果に基づいて測定対象 12の速度および測定対象 12との距離を確定する（図 6ステップ S4)。

[0044] すなわち、距離速度確定部 95は、測定対象 12が微小変位状態で移動していると判定された場合、速度の候補値 V a (t)を測定対象 12の速度とし、距離の候補値 L a (t)を測定対象 12との距離とし、測定対象 12が変位状態で移動していると判定された場合、速度の候補値 V jS (t)を測定対象 12の速度とし、距離の候補値 (t) を測定対象 12との距離とする。

[0045] また、距離 Z速度確定部 95は、測定対象 12が微小変位状態で振動してレ、ると判定された場合、速度の候補値 Vひ（t)を測定対象 12の速度とし、距離の候補値 L a ( t)を測定対象 12との距離とし、測定対象 12が変位状態で振動していると判定された場合、速度の候補値 V 3 (t)を測定対象 12の速度とし、距離の候補値 L j8 (t)を測定対象 12との距離とする。なお、測定対象 12が振動している場合、実際の距離は距離 L |8 (t)の平均値となる。

[0046] 演算装置 9は、以上のようなステップ S1〜S4の処理を例えばユーザから計測終了の指示があるまで (ステップ S5において YES)、始点時刻 t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との距離および測定対象 12の速度を表示する。

[0047] 以上のように、本実施例では、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 t 1と発振波長が連続的に減少する第 2の発振期間 tとを交互に繰り返させ、このフォトダイオードの出力信号に含まれる MHPの数を、第 1の発振期間 t—l と第 2の発振期間 tの各々について数え、この計数結果と半導体レーザ 1の最小発振波長 λ aと最大発振波長 λ bとから、測定対象 12との距離および測定対象 12の速度を算出することができる。その結果、本実施例では、（a)装置を小型化することができ、（b)高速の回路が不要で、（c)外乱光に強ぐ（d)測定対象を選ばないといった従来の自己結合型のレーザ計測器の利点を活力しつつ、測定対象 12との距離だけでなぐ測定対象 12の速度も計測することができる。また、本実施例によれば、測定対象 12が等速度運動している力加速度運動しているかを判定することができる。

[0048] 図 7によれば、測定対象 12が微小変位状態で移動している場合、測定対象 12の速度 0. 0005mZ期間に対し、計測した速度 V _a (t)も 0. 0005mZ期間であり、速度の計測結果が真値と一致していることが分かる。図 13に、図 7の例で計測した距離 L a (t)と距離の真値とを示す。距離 L a (t)を參、距離の真値を〇で示している。図 13によれば、距離の計測結果が真値と一致して!/、ることが分かる。

[0049] 図 8によれば、測定対象 12が変位状態で移動している場合、測定対象 12の速度 0 . 002mZ期間に対し、計測した速度 V |8 (t)も 0. 002mZ期間であり、速度の計測結果が真値と一致していることが分かる。図 14に、図 8の例で計測した距離 L |8 (t) t 距離の真値とを示す。距離 L j8 (t)を參、距離の真値を〇で示している。図 14によれば、距離の計測結果が真値と一致して!/ヽることが分かる。

[0050] 図 15に、測定対象 12が微小変位状態で振動している場合の図 9の例で計測した速度 V a (t)と速度の真値とを示し、図 16に図 9の例で計測した距離 L a (t)と距離 L a (t)の平均値と距離の真値とを示す。図 15では速度 V a (t)を參、速度の真値を〇で示し、図 16では距離 L a (t)を參、距離 L a (t)の平均値を一、距離の真値を〇で示している。図 15、図 16によれば、速度の計測結果が真値と一致し、距離および距離の平均値の計測結果が真値と一致していることが分かる。

[0051] 図 17に、測定対象 12が変位状態で振動している場合の図 11の例で計測した速度 ν β (t)と速度の真値とを示し、図 18に図 11の例で計測した距離 L j8 (t)と距離 L j8 ( t)の平均値と距離の真値とを示す。図 17では速度 V |8 (t)を參、速度の真値を〇で示し、図 18では距離 L j8 (t)を參、距離 L j8 (t)の平均値を—、距離の真値を〇で示している。図 17、図 18によれば、速度の計測結果が真値と一致し、距離の平均値の計測結果が真値と一致して、ることが分かる。

[0052] なお、本実施例では、計数部 13が半導体レーザ 1の第 1の発振期間と第 2の発振期間の全期間にわたつて MHPの数を数える例を説明したが、各発振期間のそれぞれ一部ずつで MHPを数えるようにしてもよい。この場合、演算装置 9は計数部 13によって MHP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を用いて、測定対象 12との距離および測定対象 12の速度を算出することになる。

[0053] また、本実施例における演算装置 9は、例えば CPU、記憶装置およびインタフエ一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演算装置 9として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本実施例で説明した処理を実行する。また、本発明の表示装置 10には、測定対象の距離 (変位)と、測定対象の速度とが、リアルタィムで同時に表示される。

[0054] なお、測定対象 12が非常に小さな変位を持つ振動時 (例えば最大速度 2nm)、実際の距離の変化 (振幅)は数 nmであるが、距離算出の分解能 (距離分解能)が変位分解能よりも低いため、誤差が大きくなる。具体的には、変位が距離分解能よりも小さいとき、本来は算出された距離は変化してはならないのにもかかわらず、微小な変位につられて距離の値が数分解能分変化してしまう。このため、変位が距離分解能よりも小さい場合、距離の値を変化させないようにすることが必要となる。そこで、図 19に示すような演算装置 9Aを用いてもょ、。

この演算装置 9Aでは、積分部 96が、距離 Z速度確定部 95で確定された速度が予め設定された基準値よりも小さい場合に、その速度の積分値 (変位)を算出する。状態判定部 94Aが、算出された変位と距離分解能とを比較し、変位が距離分解能よりも小さい場合に距離の変化が分解能よりも小さいと判定して、最終的な距離には変ィ匕がない、すなわち距離の変化量をゼロとする。

産業上の利用可能性

本発明は、測定対象との距離および測定対象の速度を計測する技術に適用することがでさる。

Claims

請求の範囲

[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少なくとも 2期間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、

前記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、第 1の発振期間の少なくとも一部と第 2の発振期間の少なくとも一部の各々について数える計数手段と、前記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および前記測定対象の速度を算出する演算手段と

を備えることを特徴とする距離 Z速度計。

[2] 請求項 1記載の距離 Z速度計にぉ、て、

前記計数手段は、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ことを特徴とする距離 Z速度計。

[3] 請求項 1記載の距離 Z速度計にぉ、て、

前記演算手段は、前記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および最大発振波長として、前記半導体レーザの各発振期間における最小発振波長および最大発振波長を用いることを特徴とする距離 Z速度計。

[4] 請求項 3記載の距離 Z速度計にぉ、て、

前記演算手段は、

前記半導体レーザの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に基づいて前記測定対象との距離の候補値と前記測定対象の速度の候補値とを算出する距離 Z速度算出部と、

前記距離 Z速度算出部で算出された距離の候補値と前回に算出された距離の候補値との差である履歴変位を算出する履歴変位算出部と、

前記距離 Z速度算出部および前記履歴変位算出部の算出結果に基づいて前記測定対象の状態を判定する状態判定部と、

前記状態判定部の判定結果に基づいて前記測定対象との距離および前記測定対象の速度を確定する距離 Z速度確定部と

を備えることを特徴とする距離 Z速度計。

[5] 請求項 4記載の距離 Z速度計にぉ、て、

前記距離 Z速度算出部および前記履歴変位算出部は、前記測定対象の状態を基準よりも動きが小さ、微小変位状態と基準よりも動きが大きヽ変位状態の、ずれかであるとし、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定した場合と変位状態にあると仮定した場合の各々について距離の候補値と速度の候補値と履歴変位とを、第 1の発振期間と第 2の発振期間とを合わせた周期毎に算出し、

前記状態判定部は、前記距離 Z速度算出部および前記履歴変位算出部の算出

、て、前記測定対象が微小変位状態と変位状態の、ずれの状態にあるかと、前記測定対象が等速度運動と加速度運動の!/、ずれの運動をして!/、る力とを、前記距離 Z速度算出部および前記履歴変位算出部による算出毎に判定することを特徴とする距離 Z速度計。

[6] 請求項 5記載の距離 Z速度計にぉ、て、

前記状態判定部は、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された履歴変位の符号が一定で、かつ前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された速度の候補値と前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された履歴変位の絶対値の平均値とが等、場合、前記測定対象が微小変位状態で等速度運動して!/ヽると判定することを特徴とする距離 Z速度計。

[7] 請求項 5記載の距離 Z速度計にぉ、て、

前記状態判定部は、前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された履歴変位の符号が一定で、かつ前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された速度の候補値と前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された履歴変位の絶対値の平均値とが等 Uヽ場合、前記測定対象が変位状態で等速度運動して!/ヽると判定することを特徴とする距離 z速度計。

[8] 請求項 5記載の距離 Z速度計にぉ、て、

前記状態判定部は、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された履歴変位の符号が算出毎に反転し、かつ前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された速度の候補値と前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された履歴変位の絶対値の平均値とがー致しな!/、場合、前記測定対象が微小変位状態で加速度運動していると判定することを特徴とする距離 Z速度計。

[9] 請求項 5記載の距離 Z速度計にぉ、て、

前記状態判定部は、前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された速度の候補値の絶対値が前記半導体レーザの波長変化率と等しく、かつ前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された速度の候補値と前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された履歴変位の絶対値の平均値とがー致しない場合、前記測定対象が微小変位状態で加速度運動してヽると判定することを特徴とする距離,速度計。

[10] 請求項 5記載の距離 Z速度計にぉ、て、

前記状態判定部は、前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された履歴変位の符号が算出毎に反転し、かつ前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された速度の候補値と前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された履歴変位の絶対値の平均値とがー致しな!/、場合、前記測定対象が変位状態で加速度運動して!/ヽると判定することを特徴とする距離 Z速度計。

[11] 請求項 5記載の距離 Z速度計において、

前記状態判定部は、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定して算出された速度の候補値の絶対値が前記半導体レーザの波長変化率と等しぐかつ前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された速度の候補値と前記測定対象が変位状態にあると仮定して算出された履歴変位の絶対値の平均値とがー致しない場合、前記測定対象が変位状態で加速度運動していると判定することを特徴とする距離 Z速度計。

[12] 請求項 4記載の距離 Z速度計にぉ、て、前記演算手段は、前記距離 Z速度確定部によって確定された速度が予め設定された基準値よりも小さい場合、この速度の積分値を算出する積分部をさらに備え、前記状態判定部は、前記積分部によって算出された積分値が距離算出の分解能よりも小さい場合、距離の変化量をゼロとすることを特徴とする距離 Z速度計。

[13] 波長変調した波を測定対象に放射するステップと、

放射した波と前記測定対象に反射して戻る波との間で発生する干渉を検出するステツプと、

検出された干渉に関する情報に基づいて、前記測定対象との距離および前記測定対象の速度を算出するステップと

を備えることを特徴とする距離 Z速度計測方法。

[14] 請求項 13記載の距離 Z速度計測方法において、

算出するステップは、

検出された干渉に関する情報に基づいて、前記測定対象との距離および前記測定対象の速度の候補値をそれぞれ算出するステップと、

算出された候補値の中から該当する距離および速度の値をそれぞれ 1つずつ選択するステップと

を備えることを特徴とする距離 Z速度計測方法。

[15] 請求項 13記載の距離 Z速度計測方法において、

放射するステップは、

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少なくとも 2期間存在するように半導体レーザを動作させるステップを備え、

検出するステップは、

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受光器で電気信号に変換するステップと、

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、第 1の発振期間の少なくとも一部と第 2の発振期間の少なくとも一部の各々について計数するステップとを備え、

算出するステップは、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計数された干渉波形の数とから前記測定対象との距離および前記測定対象の速度を演算するステップを備えることを特徴とする距離 Z速度計測方法。

[16] 請求項 15記載の距離 Z速度計測方法において、

算出するステップは、

算出された速度が予め設定された基準値よりも小さい場合、この速度の積分値を算出するステップと、

算出された積分値が距離算出の分解能よりも小さい場合、距離の変化量をゼロとするステップと

をさらに備えることを特徴とする距離 Z速度計測方法。