物理量センサおよび物理量計測方法
【課題】半導体レーザの波長変化の制御を容易にし、三角波頂点の過渡応答の影響を軽減する。
【解決手段】物理量センサは、半導体レーザ1と、少なくとも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の発振期間と第1の発振期間から第2の発振期間への間で発振波長が最大値で一定の第3の発振期間と第2の発振期間から第1の発振期間への間で発振波長が最小値で一定の第4の発振期間とが繰り返し存在するように半導体レーザ1を動作させるレーザドライバ4と、フォトダイオード2の出力に含まれる、レーザ光と戻り光との自己結合効果によって生じる干渉の情報から、測定対象の物理量を計測する計測手段(電流−電圧変換増幅器5、フィルタ回路6、計数装置7、演算装置8)とを有する。
【解決手段】物理量センサは、半導体レーザ1と、少なくとも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の発振期間と第1の発振期間から第2の発振期間への間で発振波長が最大値で一定の第3の発振期間と第2の発振期間から第1の発振期間への間で発振波長が最小値で一定の第4の発振期間とが繰り返し存在するように半導体レーザ1を動作させるレーザドライバ4と、フォトダイオード2の出力に含まれる、レーザ光と戻り光との自己結合効果によって生じる干渉の情報から、測定対象の物理量を計測する計測手段(電流−電圧変換増幅器5、フィルタ回路6、計数装置7、演算装置8)とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体レーザから放射したレーザ光と物体からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉の情報から、物体との距離や物体の速度等の物理量を計測する物理量センサおよび物理量計測方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来より、レーザによる光の干渉を利用した距離計として、レーザの出力光と測定対象からの戻り光との半導体レーザ内部での干渉(自己結合効果)を利用したレーザ計測器が提案されている(例えば、非特許文献1、非特許文献2、非特許文献3参照)。FP型(ファブリペロー型)半導体レーザの複合共振器モデルを図7に示す。図7において、101は半導体レーザ、102は半導体結晶の壁開面、103はフォトダイオード、104は測定対象である。
【0003】
レーザの発振波長をλ、測定対象104に近い方の壁開面102から測定対象104までの距離をLとすると、以下の共振条件を満足するとき、測定対象104からの戻り光と共振器101内のレーザ光は強め合い、レーザ出力がわずかに増加する。
L=qλ/2 ・・・(1)
式(1)において、qは整数である。この現象は、測定対象104からの散乱光が極めて微弱であっても、半導体レーザの共振器101内の見かけの反射率が増加することにより、増幅作用が生じ、十分観測できる。
【0004】
半導体レーザは、注入電流の大きさに応じて周波数の異なるレーザ光を放射するので、発振周波数を変調する際に、外部変調器を必要とせず、注入電流によって直接変調が可能である。図8は、半導体レーザの発振波長をある一定の割合で変化させたときの発振波長とフォトダイオード103の出力波形との関係を示す図である。式(1)に示したL=qλ/2を満足したときに、戻り光と共振器101内のレーザ光の位相差が0°(同位相)になって、戻り光と共振器101内のレーザ光とが最も強め合い、L=qλ/2+λ/4のときに、位相差が180°(逆位相)になって、戻り光と共振器101内のレーザ光とが最も弱め合う。そのため、半導体レーザの発振波長を変化させていくと、レーザ出力が強くなるところと弱くなるところとが交互に繰り返し現れ、このときのレーザ出力を共振器101に設けられたフォトダイオード103で検出すると、図8に示すように一定周期の階段状の波形が得られる。このような波形は一般的には干渉縞と呼ばれる。
【0005】
この階段状の波形、すなわち干渉縞の1つ1つをモードポップパルス(以下、MHP)と呼ぶ。MHPはモードホッピング現象とは異なる現象である。例えば、測定対象104までの距離がL1のとき、MHPの数が10個であったとすれば、半分の距離L2では、MHPの数は5個になる。すなわち、ある一定時間において半導体レーザの発振波長を変化させた場合、測定距離に比例してMHPの数は変わる。したがって、MHPをフォトダイオード103で検出し、MHPの周波数を測定すれば、容易に距離計測が可能となる。
ただし、自己結合型を含め従来の干渉型計測器では、静止した測定対象との距離を計測することはできても、速度を持つ測定対象の距離を計測することはできないという問題点があった。
【0006】
そこで、発明者は、静止した測定対象との距離だけでなく、測定対象の速度も計測することができる距離・速度計を提案した(特許文献1参照)。この距離・速度計の構成を図9に示す。図9の距離・速度計は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザ201と、半導体レーザ201の光出力を電気信号に変換するフォトダイオード202と、半導体レーザ201からの光を集光して測定対象210に照射すると共に、測定対象210からの戻り光を集光して半導体レーザ201に入射させるレンズ203と、半導体レーザ201に発振波長が連続的に増加する第1の発振期間と発振波長が連続的に減少する第2の発振期間とを交互に繰り返させるレーザドライバ204と、フォトダイオード202の出力電流を電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅器205と、電流−電圧変換増幅器205の出力電圧を2回微分する信号抽出回路206と、信号抽出回路206の出力電圧に含まれるMHPの数を数える計数回路207と、測定対象210との距離及び測定対象210の速度を算出する演算装置208と、演算装置208の算出結果を表示する表示装置209とを有する。
【0007】
レーザドライバ204は、時間に関して一定の変化率で増減を繰り返す三角波駆動電流を注入電流として半導体レーザ201に供給する。これにより、半導体レーザ201は、発振波長が一定の変化率で連続的に増加する第1の発振期間と発振波長が一定の変化率で連続的に減少する第2の発振期間とを交互に繰り返すように駆動される。図10は、半導体レーザ201の発振波長の時間変化を示す図である。図10において、P1は第1の発振期間、P2は第2の発振期間、λaは各期間における発振波長の最小値、λbは各期間における発振波長の最大値、T0は三角波の周期である。
【0008】
半導体レーザ201から出射したレーザ光は、レンズ203によって集光され、測定対象210に入射する。測定対象210で反射された光は、レンズ203によって集光され、半導体レーザ201に入射する。フォトダイオード202は、半導体レーザ201の光出力を電流に変換する。電流−電圧変換増幅器205は、フォトダイオード202の出力電流を電圧に変換して増幅し、信号抽出回路206は、電流−電圧変換増幅器205の出力電圧を2回微分する。計数回路207は、信号抽出回路206の出力電圧に含まれるMHPの数を第1の発振期間P1と第2の発振期間P2の各々について数える。演算装置208は、半導体レーザ1の最小発振波長λaと最大発振波長λbと第1の発振期間P1におけるMHPの数と第2の発振期間P2におけるMHPの数に基づいて、測定対象210との距離及び測定対象210の速度を算出する。
【0009】
【特許文献1】特開2006−313080号公報
【非特許文献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
【非特許文献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
【非特許文献3】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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
図7に示した自己結合型の距離計によれば測定対象との距離を計測することができ、図9に示した距離・速度計によれば、測定対象との距離と測定対象の速度を同時に計測することができる。
しかしながら、図7、図9に示した従来の自己結合型のレーザ計測器では、半導体レーザの波長変化量を安定させ、また最小発振波長と最大発振波長を安定させる必要があるが、これらを安定させるための制御が難しいという問題点があった。制御が難しい理由は、レーザドライバやレーザ素子の持つ周波数特性やそのばらつきによって、図10における三角波の頂点部分の形状が鈍ることにより、最小発振波長と最大発振波長を安定させることが難しくなるからである。
【0011】
また、図7、図9に示した従来の自己結合型のレーザ計測器では、半導体レーザの発振波長を三角波状に変化させているため、三角波の頂点の過渡応答の影響を完全に除くことができないという問題点があった。図11(A)、図11(B)は従来の自己結合型のレーザ計測器の問題点を説明するための図であり、図11(A)は図9の電流−電圧変換増幅器205の出力電圧波形を模式的に示す図、図11(B)は信号抽出回路206の出力電圧波形を模式的に示す図である。
【0012】
微分回路もしくはハイパスフィルタからなる信号抽出回路206は、フォトダイオード202の出力に相当する図11(A)の波形(変調波)から、図10の半導体レーザ1の発振波形(搬送波)を除去して、図11(B)のMHP波形を抽出する。このとき、信号抽出回路206の出力には、三角波の頂点のタイミングで図11(B)のようなスパイク状の過渡応答波形が現れる。計数回路207はこのような過渡応答波形の部分のMHPを数えることができないので、計数誤差が発生する。その結果、演算装置208で算出する距離や速度に誤差が生じることになる。
【0013】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、半導体レーザの波長変化の制御を容易に行うことができ、かつ受光器の出力信号に含まれる三角波頂点の過渡応答の影響を軽減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。
【課題を解決するための手段】
【0014】
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、少なくとも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の発振期間と前記第1の発振期間から第2の発振期間への間で発振波長が最大値で一定の第3の発振期間と前記第2の発振期間から第1の発振期間への間で発振波長が最小値で一定の第4の発振期間と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レーザドライバと、前記半導体レーザの内部又はその近傍に配置され、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とを受光して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、前記レーザ光と前記戻り光との自己結合効果によって生じる干渉の情報から、前記測定対象の物理量を計測する計測手段とを有するものである。
【0015】
また、本発明の物理量センサの1構成例において、前記測定対象の物理量は、前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方である。
また、本発明の物理量センサの1構成例において、前記計測手段は、前記受光器の出力信号に含まれる、前記レーザ光と前記戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について数える計数手段と、この計数手段によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記計数手段の計数結果とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とからなるものである。
【0016】
また、本発明の物理量計測方法は、少なくとも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の発振期間と前記第1の発振期間から第2の発振期間への間で発振波長が最大値で一定の第3の発振期間と前記第2の発振期間から第1の発振期間への間で発振波長が最小値で一定の第4の発振期間と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手順と、前記半導体レーザの内部又はその近傍に配置された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の情報から、前記測定対象の物理量を計測する計測手順とを備えるものである。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、少なくとも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の発振期間と第1の発振期間から第2の発振期間への間で発振波長が最大値で一定の第3の発振期間と第2の発振期間から第1の発振期間への間で発振波長が最小値で一定の第4の発振期間とが繰り返し存在するように半導体レーザを動作させることにより、半導体レーザの波長変化の制御を容易に行うことができるので、半導体レーザの波長変化量と最小発振波長と最大発振波長とを安定的に保持することができ、物理量の測定精度を安定させることができる。また、本発明では、受光器の出力信号に含まれる干渉の情報を取得する際に、各発振期間の切り替わりのタイミングで発生する過渡応答波形を従来に比べて小さくすることができるので、干渉の情報の検出誤差を低減することができる。その結果、本発明では、物理量の測定精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0018】
[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の実施の形態となる距離・速度計の構成を示すブロック図である。図1の距離・速度計は、測定対象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受光器であるフォトダイオード2と、半導体レーザ1からの光を集光して測定対象10に照射すると共に、測定対象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を駆動するレーザドライバ4と、フォトダイオード2の出力電流を電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅器5と、電流−電圧変換増幅器5の出力電圧から搬送波を除去するフィルタ回路6と、フィルタ回路6の出力電圧に含まれるMHPの数を数える計数装置7と、MHPの数から測定対象10との距離及び測定対象10の速度を算出する演算装置8と、演算装置8の算出結果を表示する表示装置9とを有する。
【0019】
電流−電圧変換増幅器5とフィルタ回路6と計数装置7と演算装置8とは、計測手段を構成している。また、電流−電圧変換増幅器5とフィルタ回路6と計数装置7とは、計数手段を構成している。
以下、説明容易にするために、半導体レーザ1には、モードホッピング現象を持たない型(VCSEL型、DFBレーザ型)のものが用いられているものと想定する。
【0020】
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。レーザドライバ4は、三角波の頂点を切り取った波形の駆動電流を半導体レーザ1に供給する。これにより、半導体レーザ1は、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、第1の発振期間P1から第2の発振期間P2への間で発振波長が最大値λbで一定の第3の発振期間P3と、第2の発振期間P2から第1の発振期間P1への間で発振波長が最小値λaで一定の第4の発振期間P4とが繰り返し存在するように駆動される。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。
【0021】
三角波の頂点を切り取った波形の駆動電流を生成するには、例えばレーザドライバ4内のメモリ(不図示)に予め設定された駆動電流のデジタル値をD/Aコンバーター(不図示)でアナログ信号に変換してもよいし、三角波の上下をリミッタ(不図示)によって切り取る波形操作をしてもよい。
【0022】
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10に入射する。測定対象10で反射された半導体レーザ1の光は、レンズ3によって集光され、半導体レーザ1に入射する。フォトダイオード2は、半導体レーザ1の内部又はその近傍に配置され、半導体レーザ1の光出力を電流に変換する。電流−電圧変換増幅器5は、フォトダイオード2の出力電流を電圧に変換して増幅する。
【0023】
フィルタ回路6は、変調波から重畳信号を抽出する機能を有するものである。図3(A)は電流−電圧変換増幅器5の出力電圧波形を模式的に示す図、図3(B)はフィルタ回路6の出力電圧波形を模式的に示す図である。これらの図は、フォトダイオード2の出力に相当する図3(A)の波形(変調波)から、図2の半導体レーザ1の発振波形(搬送波)を除去して、図3(B)のMHP波形(干渉波形)を抽出する過程を表している。
【0024】
計数装置7は、フィルタ回路6の出力に含まれるMHPの数を第1の発振期間P1と第2の発振期間P2の各々について数える。計数装置7は、論理ゲートからなるカウンタを利用するものでもよいし、FFT(Fast Fourier Transform)を利用してMHPの周波数(すなわち単位時間あたりのMHPの数)を計測するものでもよい。
【0025】
次に、演算装置8は、半導体レーザ1の最小発振波長λaと最大発振波長λbと計数装置7が数えたMHPの数に基づいて、測定対象10との距離および測定対象10の速度を算出する。図4は演算装置8の構成の1例を示すブロック図、図5は演算装置8の動作を示すフローチャートである。演算装置8は、半導体レーザ1の最小発振波長λaと最大発振波長λbとMHPの数に基づいて測定対象10との距離の候補値と測定対象10の速度の候補値とを算出する距離・速度算出部80と、距離・速度算出部80で算出された距離の候補値と直前に算出された距離の候補値との差である履歴変位を算出する履歴変位算出部81と、距離・速度算出部80と履歴変位算出部81の算出結果を記憶する記憶部82と、距離・速度算出部80と履歴変位算出部81の算出結果に基づいて測定対象10の状態を判定する状態判定部83と、状態判定部83の判定結果に基づいて測定対象10との距離及び測定対象10の速度を確定する距離・速度確定部84とから構成される。
【0026】
本実施の形態では、測定対象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期間あたりの測定対象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。
【0027】
まず、演算装置8の距離・速度算出部80は、現時刻tにおける距離の候補値Lα(t),Lβ(t)と速度の候補値Vα(t),Vβ(t)を次式のように算出して、記憶部82に格納する(図5ステップS10)。
Lα(t)=λa×λb×(MHP(t−1)+MHP(t))
/{4×(λb−λa)} ・・・(2)
Lβ(t)=λa×λb×(|MHP(t−1)−MHP(t)|)
/{4×(λb−λa)} ・・・(3)
Vα(t)=(MHP(t−1)−MHP(t))×λb/4 ・・・(4)
Vβ(t)=(MHP(t−1)+MHP(t))×λb/4 ・・・(5)
【0028】
式(2)〜式(5)において、MHP(t)は現時刻tにおいて算出されたMHPの数、MHP(t−1)はMHP(t)の1回前に算出されたMHPの数である。例えば、MHP(t)が第1の発振期間P1の計数結果であるとすれば、MHP(t−1)は第2の発振期間P2の計数結果であり、逆にMHP(t)が第2の発振期間P2の計数結果であるとすれば、MHP(t−1)は第1の発振期間P1の計数結果である。
【0029】
候補値Lα(t),Vα(t)は測定対象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)は測定対象10が変位状態にあると仮定して計算した値である。演算装置8は、式(2)〜式(5)の計算を計数装置7によってMHPの数が測定される時刻毎(発振期間毎)に行う。
【0030】
続いて、演算装置8の履歴変位算出部81は、微小変位状態と変位状態の各々について、現時刻tにおける距離の候補値と、記憶部82に格納された、直前の時刻における距離の候補値との差である履歴変位を次式のように算出して、記憶部82に格納する(図5ステップS11)。なお、式(6)、式(7)では、現時刻tの1回前に算出された距離の候補値をLα(t−1),Lβ(t−1)としている。
Vcalα(t)=Lα(t)−Lα(t−1) ・・・(6)
Vcalβ(t)=Lβ(t)−Lβ(t−1) ・・・(7)
【0031】
履歴変位Vcalα(t)は測定対象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)は測定対象10が変位状態にあると仮定して計算した値である。演算装置8は、式(6)〜式(7)の計算を計数装置7によってMHPの数が測定される時刻毎に行う。なお、式(4)〜式(7)においては、測定対象10が本実施の形態の距離・速度計に近づく方向を正の速度、遠ざかる方向を負の速度と定めている。
次に、演算装置8の状態判定部83は、記憶部82に格納された式(2)〜式(7)の算出結果を用いて、測定対象10の状態を判定する(図5ステップS12)。
【0032】
特許文献1に記載されているように、測定対象10が微小変位状態で移動(等速度運動)している場合、測定対象10を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Vcalα(t)の符号は一定で、かつ測定対象10を微小変位状態と仮定して計算した速度の候補値Vα(t)と履歴変位Vcalα(t)の絶対値の平均値とが等しくなる。また、測定対象10が微小変位状態で等速度運動している場合、測定対象10を変位状態と仮定して計算した履歴変位Vcalβ(t)の符号は、MHPの数が測定される時刻毎に反転する。
【0033】
したがって、状態判定部83は、測定対象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、かつ測定対象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、測定対象10が微小変位状態で等速度運動していると判定する。
【0034】
特許文献1に記載されているように、測定対象10が変位状態で移動(等速度運動)している場合、測定対象10を変位状態と仮定して計算した履歴変位Vcalβ(t)の符号は一定で、かつ測定対象10を変位状態と仮定して計算した速度の候補値Vβ(t)と履歴変位Vcalβ(t)の絶対値の平均値とが等しくなる。また、測定対象10が変位状態で等速度運動している場合、測定対象10を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Vcalα(t)の符号はMHPの数が測定される時刻毎に反転する。
【0035】
したがって、状態判定部83は、測定対象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、かつ測定対象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、測定対象10が変位状態で等速度運動していると判定する。
【0036】
特許文献1に記載されているように、測定対象10が微小変位状態で、等速度運動以外の運動をしている場合、測定対象10を微小変位状態と仮定して計算した速度の候補値Vα(t)と測定対象10を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Vcalα(t)の絶対値の平均値とは一致しない。同様に、測定対象10を変位状態と仮定して計算した速度の候補値Vβ(t)と測定対象10を変位状態と仮定して計算した履歴変位Vcalβ(t)の絶対値の平均値も一致しない。
【0037】
また、測定対象10が微小変位状態で、等速度運動以外の運動をしている場合、測定対象10を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Vcalα(t)の符号はMHPの数が測定される時刻毎に反転し、測定対象10を変位状態と仮定して計算した履歴変位Vcalβ(t)では符号の変動はあっても、この変動はMHPの数が測定される時刻毎ではない。
【0038】
したがって、状態判定部83は、測定対象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、かつ測定対象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、測定対象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。
【0039】
なお、速度の候補値Vβ(t)に着目すると、Vβ(t)の絶対値は定数となり、この値は半導体レーザ1の波長変化率(λb−λa)/λbと等しい。そこで、状態判定部83は、測定対象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、かつ測定対象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、測定対象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。
【0040】
特許文献1に記載されているように、測定対象10が変位状態で、等速度運動以外の運動をしている場合、測定対象10を微小変位状態と仮定して計算した速度の候補値Vα(t)と測定対象10を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Vcalα(t)の絶対値の平均値とは一致せず、測定対象10を変位状態と仮定して計算した速度の候補値Vβ(t)と測定対象10を変位状態と仮定して計算した履歴変位Vcalβ(t)の絶対値の平均値も一致しない。
【0041】
また、測定対象10が変位状態で、等速度運動以外の運動をしている場合、測定対象10を変位状態と仮定して計算した履歴変位Vcalβ(t)の符号はMHPの数が測定される時刻毎に反転し、測定対象10を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Vcalα(t)では符号の変動はあっても、この変動はMHPの数が測定される時刻毎ではない。
【0042】
したがって、状態判定部83は、測定対象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、かつ測定対象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、測定対象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。
【0043】
なお、速度の候補値Vα(t)に着目すると、Vα(t)の絶対値は定数となり、この値は半導体レーザ1の波長変化率(λb−λa)/λbと等しい。したがって、状態判定部83は、測定対象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、かつ測定対象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、測定対象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。
【0044】
演算装置8の距離・速度確定部84は、状態判定部83の判定結果に基づいて測定対象10の速度及び測定対象10との距離を確定する(図5ステップS13)。
すなわち、距離・速度確定部84は、測定対象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、速度の候補値Vα(t)を測定対象10の速度とし、距離の候補値Lα(t)を測定対象10との距離とし、測定対象10が変位状態で等速度運動していると判定された場合、速度の候補値Vβ(t)を測定対象10の速度とし、距離の候補値Lβ(t)を測定対象10との距離とする。
【0045】
また、距離・速度確定部84は、測定対象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、速度の候補値Vα(t)を測定対象10の速度とし、距離の候補値Lα(t)を測定対象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・速度確定部84は、測定対象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、速度の候補値Vβ(t)を測定対象10の速度とし、距離の候補値Lβ(t)を測定対象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。
【0046】
なお、MHP(t−1)とMHP(t)の大小関係によって、Vβ(t)は必ず正の値となり、Vα(t)は正又は負の値のいずれかとなるが、これらの符号は測定対象10の速度の向きを表現したものではない。発振波長が増加している方の半導体レーザのMHPの数が、発振波長が減少している方の半導体レーザのMHPの数よりも大きいとき、測定対象10の速度は正方向(レーザに接近する方向)となる。
【0047】
演算装置8は、ステップS10〜S13の処理を、計数装置7によってMHPの数が測定される時刻毎(発振期間毎)に行う。
表示装置9は、演算装置8によって算出された測定対象10との距離及び測定対象10の速度をリアルタイムで表示する。
【0048】
以上のように、本実施の形態では、少なくとも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、第1の発振期間P1から第2の発振期間P2への間で発振波長が最大値λbで一定の第3の発振期間P3と、第2の発振期間P2から第1の発振期間P1への間で発振波長が最小値λaで一定の第4の発振期間P4とが繰り返し存在するように半導体レーザ1を駆動するので、半導体レーザ1の最小発振波長λa及び最大発振波長λbと、波長λbとλaとの差である波長変化量とを明確に規定することが容易になるので、半導体レーザ1の波長変化の制御を容易に行うことができる。その結果、本実施の形態では、半導体レーザ1の波長変化量と最小発振波長λaと最大発振波長λbとを安定的に保持することができ、距離及び速度の測定精度を安定させることができる。
波長変化量を規定する方法としては、例えば半導体レーザ1の光出力が安定する期間P3,P4におけるフォトダイオード2の光起電流や、既知の対象物に対する算出された物理量をレーザドライバ4にフィードバックし、半導体レーザ1の駆動電流を制御したり、三角波の上下のリミッタを制御したりすればよい。もしくは算出された物理量に補正をかければよい。
【0049】
また、本実施の形態では、各発振期間の切り替わりのタイミングでフィルタ回路6の出力に発生する過渡応答波形を、図11(B)の場合に比べて小さくすることができるので、計数装置7の計数誤差を低減することができる。その結果、本実施の形態では、図7、図9に示した従来の自己結合型のレーザ計測器に比べて距離及び速度の測定精度を向上させることができる。
【0050】
[第2の実施の形態]
第1の実施の形態では、三角波の頂点を切り取った波形の駆動電流を半導体レーザ1に供給したが、この三角波の頂点を切り取った波形をローパスフィルタで低域ろ波した上で半導体レーザ1に供給するようにしてもよい。この場合の半導体レーザ1の発振波長の時間変化を図6に示す。
【0051】
第1の実施の形態では、各発振期間の切り替わりのタイミングでフィルタ回路6の出力に過渡応答波形が発生する可能性がある。この過渡応答波形の大きさは図12(B)の場合に比べて小さいものの、計数装置7で計数誤差が発生する可能性もある。本実施の形態のように駆動電流をローパスフィルタで処理して半導体レーザ1の発振波形を鈍らせることで、過渡応答波形を大幅に小さくすることができるので、第1の実施の形態に比べて計数誤差を更に低減することができる。
【0052】
図6のように発振波形を鈍らせる場合でも、波長変化を安定させるために、第3の発振期間P3と第4の発振期間P4は必要である。第3の発振期間P3と第4の発振期間P4を残すためには、ローパスフィルタで処理する前の第3の発振期間P3及び第4の発振期間P4の時間をT、ローパスフィルタの時定数をτとしたとき、T≧tとなるようにローパスフィルタの時定数を設定すればよい。
【0053】
なお、第1、第2の実施の形態における計数装置7と演算装置8とは、例えばCPU、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このようなコンピュータを動作させるためのプログラムは、フレキシブルディスク、CD−ROM、DVD−ROM、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供される。CPUは、読み込んだプログラムを記憶装置に書き込み、このプログラムに従って実施の形態で説明した処理を実行する。
【0054】
また、第1、第2の実施の形態では、物理量センサの1例として距離・速度計を例に挙げて説明しているが、これに限るものではなく、距離計でもよいし、速度計でもよいし、その他の物理量を計測するセンサであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【0055】
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。
【図面の簡単な説明】
【0056】
【図1】本発明の第1の実施の形態となる距離・速度計の構成を示すブロック図である。
【図2】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。
【図3】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フィルタ回路の出力電圧波形を模式的に示す図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態における演算装置の構成の1例を示すブロック図である。
【図5】本発明の第1の実施の形態における演算装置の動作を示すフローチャートである。
【図6】本発明の第2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。
【図7】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8】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9】従来の距離・速度計の構成を示すブロック図である。
【図10】図9の距離・速度計における半導体レーザの発振波長の時間変化の1例を示す図である。
【図11】従来の自己結合型のレーザ計測器の問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
【0057】
1…半導体レーザ、2…フォトダイオード、3…レンズ、4…レーザドライバ、5…電流−電圧変換増幅器、6…フィルタ回路、7…計数装置、8…演算装置、9…表示装置、10…測定対象、80…距離・速度算出部、81…履歴変位算出部、82…記憶部、83…状態判定部、84…距離・速度確定部。
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体レーザから放射したレーザ光と物体からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉の情報から、物体との距離や物体の速度等の物理量を計測する物理量センサおよび物理量計測方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来より、レーザによる光の干渉を利用した距離計として、レーザの出力光と測定対象からの戻り光との半導体レーザ内部での干渉(自己結合効果)を利用したレーザ計測器が提案されている(例えば、非特許文献1、非特許文献2、非特許文献3参照)。FP型(ファブリペロー型)半導体レーザの複合共振器モデルを図7に示す。図7において、101は半導体レーザ、102は半導体結晶の壁開面、103はフォトダイオード、104は測定対象である。
【0003】
レーザの発振波長をλ、測定対象104に近い方の壁開面102から測定対象104までの距離をLとすると、以下の共振条件を満足するとき、測定対象104からの戻り光と共振器101内のレーザ光は強め合い、レーザ出力がわずかに増加する。
L=qλ/2 ・・・(1)
式(1)において、qは整数である。この現象は、測定対象104からの散乱光が極めて微弱であっても、半導体レーザの共振器101内の見かけの反射率が増加することにより、増幅作用が生じ、十分観測できる。
【0004】
半導体レーザは、注入電流の大きさに応じて周波数の異なるレーザ光を放射するので、発振周波数を変調する際に、外部変調器を必要とせず、注入電流によって直接変調が可能である。図8は、半導体レーザの発振波長をある一定の割合で変化させたときの発振波長とフォトダイオード103の出力波形との関係を示す図である。式(1)に示したL=qλ/2を満足したときに、戻り光と共振器101内のレーザ光の位相差が0°(同位相)になって、戻り光と共振器101内のレーザ光とが最も強め合い、L=qλ/2+λ/4のときに、位相差が180°(逆位相)になって、戻り光と共振器101内のレーザ光とが最も弱め合う。そのため、半導体レーザの発振波長を変化させていくと、レーザ出力が強くなるところと弱くなるところとが交互に繰り返し現れ、このときのレーザ出力を共振器101に設けられたフォトダイオード103で検出すると、図8に示すように一定周期の階段状の波形が得られる。このような波形は一般的には干渉縞と呼ばれる。
【0005】
この階段状の波形、すなわち干渉縞の1つ1つをモードポップパルス(以下、MHP)と呼ぶ。MHPはモードホッピング現象とは異なる現象である。例えば、測定対象104までの距離がL1のとき、MHPの数が10個であったとすれば、半分の距離L2では、MHPの数は5個になる。すなわち、ある一定時間において半導体レーザの発振波長を変化させた場合、測定距離に比例してMHPの数は変わる。したがって、MHPをフォトダイオード103で検出し、MHPの周波数を測定すれば、容易に距離計測が可能となる。
ただし、自己結合型を含め従来の干渉型計測器では、静止した測定対象との距離を計測することはできても、速度を持つ測定対象の距離を計測することはできないという問題点があった。
【0006】
そこで、発明者は、静止した測定対象との距離だけでなく、測定対象の速度も計測することができる距離・速度計を提案した(特許文献1参照)。この距離・速度計の構成を図9に示す。図9の距離・速度計は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザ201と、半導体レーザ201の光出力を電気信号に変換するフォトダイオード202と、半導体レーザ201からの光を集光して測定対象210に照射すると共に、測定対象210からの戻り光を集光して半導体レーザ201に入射させるレンズ203と、半導体レーザ201に発振波長が連続的に増加する第1の発振期間と発振波長が連続的に減少する第2の発振期間とを交互に繰り返させるレーザドライバ204と、フォトダイオード202の出力電流を電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅器205と、電流−電圧変換増幅器205の出力電圧を2回微分する信号抽出回路206と、信号抽出回路206の出力電圧に含まれるMHPの数を数える計数回路207と、測定対象210との距離及び測定対象210の速度を算出する演算装置208と、演算装置208の算出結果を表示する表示装置209とを有する。
【0007】
レーザドライバ204は、時間に関して一定の変化率で増減を繰り返す三角波駆動電流を注入電流として半導体レーザ201に供給する。これにより、半導体レーザ201は、発振波長が一定の変化率で連続的に増加する第1の発振期間と発振波長が一定の変化率で連続的に減少する第2の発振期間とを交互に繰り返すように駆動される。図10は、半導体レーザ201の発振波長の時間変化を示す図である。図10において、P1は第1の発振期間、P2は第2の発振期間、λaは各期間における発振波長の最小値、λbは各期間における発振波長の最大値、T0は三角波の周期である。
【0008】
半導体レーザ201から出射したレーザ光は、レンズ203によって集光され、測定対象210に入射する。測定対象210で反射された光は、レンズ203によって集光され、半導体レーザ201に入射する。フォトダイオード202は、半導体レーザ201の光出力を電流に変換する。電流−電圧変換増幅器205は、フォトダイオード202の出力電流を電圧に変換して増幅し、信号抽出回路206は、電流−電圧変換増幅器205の出力電圧を2回微分する。計数回路207は、信号抽出回路206の出力電圧に含まれるMHPの数を第1の発振期間P1と第2の発振期間P2の各々について数える。演算装置208は、半導体レーザ1の最小発振波長λaと最大発振波長λbと第1の発振期間P1におけるMHPの数と第2の発振期間P2におけるMHPの数に基づいて、測定対象210との距離及び測定対象210の速度を算出する。
【0009】
【特許文献1】特開2006−313080号公報
【非特許文献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
【非特許文献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
【非特許文献3】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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
図7に示した自己結合型の距離計によれば測定対象との距離を計測することができ、図9に示した距離・速度計によれば、測定対象との距離と測定対象の速度を同時に計測することができる。
しかしながら、図7、図9に示した従来の自己結合型のレーザ計測器では、半導体レーザの波長変化量を安定させ、また最小発振波長と最大発振波長を安定させる必要があるが、これらを安定させるための制御が難しいという問題点があった。制御が難しい理由は、レーザドライバやレーザ素子の持つ周波数特性やそのばらつきによって、図10における三角波の頂点部分の形状が鈍ることにより、最小発振波長と最大発振波長を安定させることが難しくなるからである。
【0011】
また、図7、図9に示した従来の自己結合型のレーザ計測器では、半導体レーザの発振波長を三角波状に変化させているため、三角波の頂点の過渡応答の影響を完全に除くことができないという問題点があった。図11(A)、図11(B)は従来の自己結合型のレーザ計測器の問題点を説明するための図であり、図11(A)は図9の電流−電圧変換増幅器205の出力電圧波形を模式的に示す図、図11(B)は信号抽出回路206の出力電圧波形を模式的に示す図である。
【0012】
微分回路もしくはハイパスフィルタからなる信号抽出回路206は、フォトダイオード202の出力に相当する図11(A)の波形(変調波)から、図10の半導体レーザ1の発振波形(搬送波)を除去して、図11(B)のMHP波形を抽出する。このとき、信号抽出回路206の出力には、三角波の頂点のタイミングで図11(B)のようなスパイク状の過渡応答波形が現れる。計数回路207はこのような過渡応答波形の部分のMHPを数えることができないので、計数誤差が発生する。その結果、演算装置208で算出する距離や速度に誤差が生じることになる。
【0013】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、半導体レーザの波長変化の制御を容易に行うことができ、かつ受光器の出力信号に含まれる三角波頂点の過渡応答の影響を軽減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。
【課題を解決するための手段】
【0014】
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、少なくとも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の発振期間と前記第1の発振期間から第2の発振期間への間で発振波長が最大値で一定の第3の発振期間と前記第2の発振期間から第1の発振期間への間で発振波長が最小値で一定の第4の発振期間と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レーザドライバと、前記半導体レーザの内部又はその近傍に配置され、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とを受光して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、前記レーザ光と前記戻り光との自己結合効果によって生じる干渉の情報から、前記測定対象の物理量を計測する計測手段とを有するものである。
【0015】
また、本発明の物理量センサの1構成例において、前記測定対象の物理量は、前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方である。
また、本発明の物理量センサの1構成例において、前記計測手段は、前記受光器の出力信号に含まれる、前記レーザ光と前記戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について数える計数手段と、この計数手段によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記計数手段の計数結果とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とからなるものである。
【0016】
また、本発明の物理量計測方法は、少なくとも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の発振期間と前記第1の発振期間から第2の発振期間への間で発振波長が最大値で一定の第3の発振期間と前記第2の発振期間から第1の発振期間への間で発振波長が最小値で一定の第4の発振期間と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手順と、前記半導体レーザの内部又はその近傍に配置された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の情報から、前記測定対象の物理量を計測する計測手順とを備えるものである。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、少なくとも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の発振期間と第1の発振期間から第2の発振期間への間で発振波長が最大値で一定の第3の発振期間と第2の発振期間から第1の発振期間への間で発振波長が最小値で一定の第4の発振期間とが繰り返し存在するように半導体レーザを動作させることにより、半導体レーザの波長変化の制御を容易に行うことができるので、半導体レーザの波長変化量と最小発振波長と最大発振波長とを安定的に保持することができ、物理量の測定精度を安定させることができる。また、本発明では、受光器の出力信号に含まれる干渉の情報を取得する際に、各発振期間の切り替わりのタイミングで発生する過渡応答波形を従来に比べて小さくすることができるので、干渉の情報の検出誤差を低減することができる。その結果、本発明では、物理量の測定精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0018】
[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の実施の形態となる距離・速度計の構成を示すブロック図である。図1の距離・速度計は、測定対象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受光器であるフォトダイオード2と、半導体レーザ1からの光を集光して測定対象10に照射すると共に、測定対象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を駆動するレーザドライバ4と、フォトダイオード2の出力電流を電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅器5と、電流−電圧変換増幅器5の出力電圧から搬送波を除去するフィルタ回路6と、フィルタ回路6の出力電圧に含まれるMHPの数を数える計数装置7と、MHPの数から測定対象10との距離及び測定対象10の速度を算出する演算装置8と、演算装置8の算出結果を表示する表示装置9とを有する。
【0019】
電流−電圧変換増幅器5とフィルタ回路6と計数装置7と演算装置8とは、計測手段を構成している。また、電流−電圧変換増幅器5とフィルタ回路6と計数装置7とは、計数手段を構成している。
以下、説明容易にするために、半導体レーザ1には、モードホッピング現象を持たない型(VCSEL型、DFBレーザ型)のものが用いられているものと想定する。
【0020】
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。レーザドライバ4は、三角波の頂点を切り取った波形の駆動電流を半導体レーザ1に供給する。これにより、半導体レーザ1は、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、第1の発振期間P1から第2の発振期間P2への間で発振波長が最大値λbで一定の第3の発振期間P3と、第2の発振期間P2から第1の発振期間P1への間で発振波長が最小値λaで一定の第4の発振期間P4とが繰り返し存在するように駆動される。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。
【0021】
三角波の頂点を切り取った波形の駆動電流を生成するには、例えばレーザドライバ4内のメモリ(不図示)に予め設定された駆動電流のデジタル値をD/Aコンバーター(不図示)でアナログ信号に変換してもよいし、三角波の上下をリミッタ(不図示)によって切り取る波形操作をしてもよい。
【0022】
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10に入射する。測定対象10で反射された半導体レーザ1の光は、レンズ3によって集光され、半導体レーザ1に入射する。フォトダイオード2は、半導体レーザ1の内部又はその近傍に配置され、半導体レーザ1の光出力を電流に変換する。電流−電圧変換増幅器5は、フォトダイオード2の出力電流を電圧に変換して増幅する。
【0023】
フィルタ回路6は、変調波から重畳信号を抽出する機能を有するものである。図3(A)は電流−電圧変換増幅器5の出力電圧波形を模式的に示す図、図3(B)はフィルタ回路6の出力電圧波形を模式的に示す図である。これらの図は、フォトダイオード2の出力に相当する図3(A)の波形(変調波)から、図2の半導体レーザ1の発振波形(搬送波)を除去して、図3(B)のMHP波形(干渉波形)を抽出する過程を表している。
【0024】
計数装置7は、フィルタ回路6の出力に含まれるMHPの数を第1の発振期間P1と第2の発振期間P2の各々について数える。計数装置7は、論理ゲートからなるカウンタを利用するものでもよいし、FFT(Fast Fourier Transform)を利用してMHPの周波数(すなわち単位時間あたりのMHPの数)を計測するものでもよい。
【0025】
次に、演算装置8は、半導体レーザ1の最小発振波長λaと最大発振波長λbと計数装置7が数えたMHPの数に基づいて、測定対象10との距離および測定対象10の速度を算出する。図4は演算装置8の構成の1例を示すブロック図、図5は演算装置8の動作を示すフローチャートである。演算装置8は、半導体レーザ1の最小発振波長λaと最大発振波長λbとMHPの数に基づいて測定対象10との距離の候補値と測定対象10の速度の候補値とを算出する距離・速度算出部80と、距離・速度算出部80で算出された距離の候補値と直前に算出された距離の候補値との差である履歴変位を算出する履歴変位算出部81と、距離・速度算出部80と履歴変位算出部81の算出結果を記憶する記憶部82と、距離・速度算出部80と履歴変位算出部81の算出結果に基づいて測定対象10の状態を判定する状態判定部83と、状態判定部83の判定結果に基づいて測定対象10との距離及び測定対象10の速度を確定する距離・速度確定部84とから構成される。
【0026】
本実施の形態では、測定対象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期間あたりの測定対象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。
【0027】
まず、演算装置8の距離・速度算出部80は、現時刻tにおける距離の候補値Lα(t),Lβ(t)と速度の候補値Vα(t),Vβ(t)を次式のように算出して、記憶部82に格納する(図5ステップS10)。
Lα(t)=λa×λb×(MHP(t−1)+MHP(t))
/{4×(λb−λa)} ・・・(2)
Lβ(t)=λa×λb×(|MHP(t−1)−MHP(t)|)
/{4×(λb−λa)} ・・・(3)
Vα(t)=(MHP(t−1)−MHP(t))×λb/4 ・・・(4)
Vβ(t)=(MHP(t−1)+MHP(t))×λb/4 ・・・(5)
【0028】
式(2)〜式(5)において、MHP(t)は現時刻tにおいて算出されたMHPの数、MHP(t−1)はMHP(t)の1回前に算出されたMHPの数である。例えば、MHP(t)が第1の発振期間P1の計数結果であるとすれば、MHP(t−1)は第2の発振期間P2の計数結果であり、逆にMHP(t)が第2の発振期間P2の計数結果であるとすれば、MHP(t−1)は第1の発振期間P1の計数結果である。
【0029】
候補値Lα(t),Vα(t)は測定対象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)は測定対象10が変位状態にあると仮定して計算した値である。演算装置8は、式(2)〜式(5)の計算を計数装置7によってMHPの数が測定される時刻毎(発振期間毎)に行う。
【0030】
続いて、演算装置8の履歴変位算出部81は、微小変位状態と変位状態の各々について、現時刻tにおける距離の候補値と、記憶部82に格納された、直前の時刻における距離の候補値との差である履歴変位を次式のように算出して、記憶部82に格納する(図5ステップS11)。なお、式(6)、式(7)では、現時刻tの1回前に算出された距離の候補値をLα(t−1),Lβ(t−1)としている。
Vcalα(t)=Lα(t)−Lα(t−1) ・・・(6)
Vcalβ(t)=Lβ(t)−Lβ(t−1) ・・・(7)
【0031】
履歴変位Vcalα(t)は測定対象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)は測定対象10が変位状態にあると仮定して計算した値である。演算装置8は、式(6)〜式(7)の計算を計数装置7によってMHPの数が測定される時刻毎に行う。なお、式(4)〜式(7)においては、測定対象10が本実施の形態の距離・速度計に近づく方向を正の速度、遠ざかる方向を負の速度と定めている。
次に、演算装置8の状態判定部83は、記憶部82に格納された式(2)〜式(7)の算出結果を用いて、測定対象10の状態を判定する(図5ステップS12)。
【0032】
特許文献1に記載されているように、測定対象10が微小変位状態で移動(等速度運動)している場合、測定対象10を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Vcalα(t)の符号は一定で、かつ測定対象10を微小変位状態と仮定して計算した速度の候補値Vα(t)と履歴変位Vcalα(t)の絶対値の平均値とが等しくなる。また、測定対象10が微小変位状態で等速度運動している場合、測定対象10を変位状態と仮定して計算した履歴変位Vcalβ(t)の符号は、MHPの数が測定される時刻毎に反転する。
【0033】
したがって、状態判定部83は、測定対象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、かつ測定対象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、測定対象10が微小変位状態で等速度運動していると判定する。
【0034】
特許文献1に記載されているように、測定対象10が変位状態で移動(等速度運動)している場合、測定対象10を変位状態と仮定して計算した履歴変位Vcalβ(t)の符号は一定で、かつ測定対象10を変位状態と仮定して計算した速度の候補値Vβ(t)と履歴変位Vcalβ(t)の絶対値の平均値とが等しくなる。また、測定対象10が変位状態で等速度運動している場合、測定対象10を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Vcalα(t)の符号はMHPの数が測定される時刻毎に反転する。
【0035】
したがって、状態判定部83は、測定対象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、かつ測定対象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、測定対象10が変位状態で等速度運動していると判定する。
【0036】
特許文献1に記載されているように、測定対象10が微小変位状態で、等速度運動以外の運動をしている場合、測定対象10を微小変位状態と仮定して計算した速度の候補値Vα(t)と測定対象10を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Vcalα(t)の絶対値の平均値とは一致しない。同様に、測定対象10を変位状態と仮定して計算した速度の候補値Vβ(t)と測定対象10を変位状態と仮定して計算した履歴変位Vcalβ(t)の絶対値の平均値も一致しない。
【0037】
また、測定対象10が微小変位状態で、等速度運動以外の運動をしている場合、測定対象10を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Vcalα(t)の符号はMHPの数が測定される時刻毎に反転し、測定対象10を変位状態と仮定して計算した履歴変位Vcalβ(t)では符号の変動はあっても、この変動はMHPの数が測定される時刻毎ではない。
【0038】
したがって、状態判定部83は、測定対象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、かつ測定対象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、測定対象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。
【0039】
なお、速度の候補値Vβ(t)に着目すると、Vβ(t)の絶対値は定数となり、この値は半導体レーザ1の波長変化率(λb−λa)/λbと等しい。そこで、状態判定部83は、測定対象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、かつ測定対象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、測定対象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。
【0040】
特許文献1に記載されているように、測定対象10が変位状態で、等速度運動以外の運動をしている場合、測定対象10を微小変位状態と仮定して計算した速度の候補値Vα(t)と測定対象10を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Vcalα(t)の絶対値の平均値とは一致せず、測定対象10を変位状態と仮定して計算した速度の候補値Vβ(t)と測定対象10を変位状態と仮定して計算した履歴変位Vcalβ(t)の絶対値の平均値も一致しない。
【0041】
また、測定対象10が変位状態で、等速度運動以外の運動をしている場合、測定対象10を変位状態と仮定して計算した履歴変位Vcalβ(t)の符号はMHPの数が測定される時刻毎に反転し、測定対象10を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Vcalα(t)では符号の変動はあっても、この変動はMHPの数が測定される時刻毎ではない。
【0042】
したがって、状態判定部83は、測定対象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、かつ測定対象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、測定対象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。
【0043】
なお、速度の候補値Vα(t)に着目すると、Vα(t)の絶対値は定数となり、この値は半導体レーザ1の波長変化率(λb−λa)/λbと等しい。したがって、状態判定部83は、測定対象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、かつ測定対象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、測定対象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。
【0044】
演算装置8の距離・速度確定部84は、状態判定部83の判定結果に基づいて測定対象10の速度及び測定対象10との距離を確定する(図5ステップS13)。
すなわち、距離・速度確定部84は、測定対象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、速度の候補値Vα(t)を測定対象10の速度とし、距離の候補値Lα(t)を測定対象10との距離とし、測定対象10が変位状態で等速度運動していると判定された場合、速度の候補値Vβ(t)を測定対象10の速度とし、距離の候補値Lβ(t)を測定対象10との距離とする。
【0045】
また、距離・速度確定部84は、測定対象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、速度の候補値Vα(t)を測定対象10の速度とし、距離の候補値Lα(t)を測定対象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・速度確定部84は、測定対象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、速度の候補値Vβ(t)を測定対象10の速度とし、距離の候補値Lβ(t)を測定対象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。
【0046】
なお、MHP(t−1)とMHP(t)の大小関係によって、Vβ(t)は必ず正の値となり、Vα(t)は正又は負の値のいずれかとなるが、これらの符号は測定対象10の速度の向きを表現したものではない。発振波長が増加している方の半導体レーザのMHPの数が、発振波長が減少している方の半導体レーザのMHPの数よりも大きいとき、測定対象10の速度は正方向(レーザに接近する方向)となる。
【0047】
演算装置8は、ステップS10〜S13の処理を、計数装置7によってMHPの数が測定される時刻毎(発振期間毎)に行う。
表示装置9は、演算装置8によって算出された測定対象10との距離及び測定対象10の速度をリアルタイムで表示する。
【0048】
以上のように、本実施の形態では、少なくとも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、第1の発振期間P1から第2の発振期間P2への間で発振波長が最大値λbで一定の第3の発振期間P3と、第2の発振期間P2から第1の発振期間P1への間で発振波長が最小値λaで一定の第4の発振期間P4とが繰り返し存在するように半導体レーザ1を駆動するので、半導体レーザ1の最小発振波長λa及び最大発振波長λbと、波長λbとλaとの差である波長変化量とを明確に規定することが容易になるので、半導体レーザ1の波長変化の制御を容易に行うことができる。その結果、本実施の形態では、半導体レーザ1の波長変化量と最小発振波長λaと最大発振波長λbとを安定的に保持することができ、距離及び速度の測定精度を安定させることができる。
波長変化量を規定する方法としては、例えば半導体レーザ1の光出力が安定する期間P3,P4におけるフォトダイオード2の光起電流や、既知の対象物に対する算出された物理量をレーザドライバ4にフィードバックし、半導体レーザ1の駆動電流を制御したり、三角波の上下のリミッタを制御したりすればよい。もしくは算出された物理量に補正をかければよい。
【0049】
また、本実施の形態では、各発振期間の切り替わりのタイミングでフィルタ回路6の出力に発生する過渡応答波形を、図11(B)の場合に比べて小さくすることができるので、計数装置7の計数誤差を低減することができる。その結果、本実施の形態では、図7、図9に示した従来の自己結合型のレーザ計測器に比べて距離及び速度の測定精度を向上させることができる。
【0050】
[第2の実施の形態]
第1の実施の形態では、三角波の頂点を切り取った波形の駆動電流を半導体レーザ1に供給したが、この三角波の頂点を切り取った波形をローパスフィルタで低域ろ波した上で半導体レーザ1に供給するようにしてもよい。この場合の半導体レーザ1の発振波長の時間変化を図6に示す。
【0051】
第1の実施の形態では、各発振期間の切り替わりのタイミングでフィルタ回路6の出力に過渡応答波形が発生する可能性がある。この過渡応答波形の大きさは図12(B)の場合に比べて小さいものの、計数装置7で計数誤差が発生する可能性もある。本実施の形態のように駆動電流をローパスフィルタで処理して半導体レーザ1の発振波形を鈍らせることで、過渡応答波形を大幅に小さくすることができるので、第1の実施の形態に比べて計数誤差を更に低減することができる。
【0052】
図6のように発振波形を鈍らせる場合でも、波長変化を安定させるために、第3の発振期間P3と第4の発振期間P4は必要である。第3の発振期間P3と第4の発振期間P4を残すためには、ローパスフィルタで処理する前の第3の発振期間P3及び第4の発振期間P4の時間をT、ローパスフィルタの時定数をτとしたとき、T≧tとなるようにローパスフィルタの時定数を設定すればよい。
【0053】
なお、第1、第2の実施の形態における計数装置7と演算装置8とは、例えばCPU、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このようなコンピュータを動作させるためのプログラムは、フレキシブルディスク、CD−ROM、DVD−ROM、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供される。CPUは、読み込んだプログラムを記憶装置に書き込み、このプログラムに従って実施の形態で説明した処理を実行する。
【0054】
また、第1、第2の実施の形態では、物理量センサの1例として距離・速度計を例に挙げて説明しているが、これに限るものではなく、距離計でもよいし、速度計でもよいし、その他の物理量を計測するセンサであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【0055】
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。
【図面の簡単な説明】
【0056】
【図1】本発明の第1の実施の形態となる距離・速度計の構成を示すブロック図である。
【図2】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。
【図3】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フィルタ回路の出力電圧波形を模式的に示す図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態における演算装置の構成の1例を示すブロック図である。
【図5】本発明の第1の実施の形態における演算装置の動作を示すフローチャートである。
【図6】本発明の第2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。
【図7】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8】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9】従来の距離・速度計の構成を示すブロック図である。
【図10】図9の距離・速度計における半導体レーザの発振波長の時間変化の1例を示す図である。
【図11】従来の自己結合型のレーザ計測器の問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
【0057】
1…半導体レーザ、2…フォトダイオード、3…レンズ、4…レーザドライバ、5…電流−電圧変換増幅器、6…フィルタ回路、7…計数装置、8…演算装置、9…表示装置、10…測定対象、80…距離・速度算出部、81…履歴変位算出部、82…記憶部、83…状態判定部、84…距離・速度確定部。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、
少なくとも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の発振期間と前記第1の発振期間から第2の発振期間への間で発振波長が最大値で一定の第3の発振期間と前記第2の発振期間から第1の発振期間への間で発振波長が最小値で一定の第4の発振期間と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レーザドライバと、
前記半導体レーザの内部又はその近傍に配置され、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とを受光して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、前記レーザ光と前記戻り光との自己結合効果によって生じる干渉の情報から、前記測定対象の物理量を計測する計測手段とを有することを特徴とする物理量センサ。
【請求項2】
請求項1記載の物理量センサにおいて、
前記測定対象の物理量は、前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方であることを特徴とする物理量センサ。
【請求項3】
請求項2記載の物理量センサにおいて、
前記計測手段は、
前記受光器の出力信号に含まれる、前記レーザ光と前記戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について数える計数手段と、
この計数手段によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記計数手段の計数結果とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とからなることを特徴とする物理量センサ。
【請求項4】
半導体レーザを用いて測定対象にレーザ光を放射する物理量計測方法において、
少なくとも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の発振期間と前記第1の発振期間から第2の発振期間への間で発振波長が最大値で一定の第3の発振期間と前記第2の発振期間から第1の発振期間への間で発振波長が最小値で一定の第4の発振期間と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手順と、
前記半導体レーザの内部又はその近傍に配置された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の情報から、前記測定対象の物理量を計測する計測手順とを備えることを特徴とする物理量計測方法。
【請求項5】
請求項4記載の物理量計測方法において、
前記測定対象の物理量は、前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方であることを特徴とする物理量計測方法。
【請求項6】
請求項5記載の物理量計測方法において、
前記計測手順は、
前記受光器の出力信号に含まれる、前記レーザ光と前記戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について数える計数手順と、
この計数手順によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記計数手順の計数結果とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手順とを含むことを特徴とする物理量計測方法。
【請求項1】
測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、
少なくとも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の発振期間と前記第1の発振期間から第2の発振期間への間で発振波長が最大値で一定の第3の発振期間と前記第2の発振期間から第1の発振期間への間で発振波長が最小値で一定の第4の発振期間と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レーザドライバと、
前記半導体レーザの内部又はその近傍に配置され、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とを受光して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、前記レーザ光と前記戻り光との自己結合効果によって生じる干渉の情報から、前記測定対象の物理量を計測する計測手段とを有することを特徴とする物理量センサ。
【請求項2】
請求項1記載の物理量センサにおいて、
前記測定対象の物理量は、前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方であることを特徴とする物理量センサ。
【請求項3】
請求項2記載の物理量センサにおいて、
前記計測手段は、
前記受光器の出力信号に含まれる、前記レーザ光と前記戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について数える計数手段と、
この計数手段によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記計数手段の計数結果とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とからなることを特徴とする物理量センサ。
【請求項4】
半導体レーザを用いて測定対象にレーザ光を放射する物理量計測方法において、
少なくとも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の発振期間と前記第1の発振期間から第2の発振期間への間で発振波長が最大値で一定の第3の発振期間と前記第2の発振期間から第1の発振期間への間で発振波長が最小値で一定の第4の発振期間と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手順と、
前記半導体レーザの内部又はその近傍に配置された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の情報から、前記測定対象の物理量を計測する計測手順とを備えることを特徴とする物理量計測方法。
【請求項5】
請求項4記載の物理量計測方法において、
前記測定対象の物理量は、前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方であることを特徴とする物理量計測方法。
【請求項6】
請求項5記載の物理量計測方法において、
前記計測手順は、
前記受光器の出力信号に含まれる、前記レーザ光と前記戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、前記第1の発振期間と前記第2の発振期間の各々について数える計数手順と、
この計数手順によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記計数手順の計数結果とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手順とを含むことを特徴とする物理量計測方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【公開番号】特開2009−63346(P2009−63346A)
【公開日】平成21年3月26日(2009.3.26)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−229970(P2007−229970)
【出願日】平成19年9月5日(2007.9.5)
【出願人】(000006666)株式会社山武 (1,808)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年3月26日(2009.3.26)
【国際特許分類】
【出願日】平成19年9月5日(2007.9.5)
【出願人】(000006666)株式会社山武 (1,808)
【Fターム(参考)】
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