物理量センサおよび物理量計測方法
【課題】ある期間に観測される干渉波形の数を基に物理量を算出するバッチ処理方式と個々の干渉波形の周期を基に物理量を算出する逐次処理方式とを適宜切り替え可能にする。
【解決手段】物理量センサは、物理量の算出をバッチ処理方式で行う第１の演算部９と、物理量の算出を逐次処理方式で行う第２の演算部１０と、信号抽出部８が計測した個々の干渉波形の周期から干渉波形の単位時間当たりの数を算出し、この数の変化の周波数をｆｓｉｇ、半導体レーザ１の発振波長変調の搬送波の周波数をｆｃａｒとしたとき、ｆｓｉｇ＞ｆｃａｒ／Ａ（Ａは１より大きい所定の定数）が成立する場合、第２の演算部１０の算出結果を採用すべきと判定し、ｆｓｉｇ＞ｆｃａｒ／Ａが成立しない場合、第１の演算部９の算出結果を採用すべきと判定する切替部１２とを有する。
【解決手段】物理量センサは、物理量の算出をバッチ処理方式で行う第１の演算部９と、物理量の算出を逐次処理方式で行う第２の演算部１０と、信号抽出部８が計測した個々の干渉波形の周期から干渉波形の単位時間当たりの数を算出し、この数の変化の周波数をｆｓｉｇ、半導体レーザ１の発振波長変調の搬送波の周波数をｆｃａｒとしたとき、ｆｓｉｇ＞ｆｃａｒ／Ａ（Ａは１より大きい所定の定数）が成立する場合、第２の演算部１０の算出結果を採用すべきと判定し、ｆｓｉｇ＞ｆｃａｒ／Ａが成立しない場合、第１の演算部９の算出結果を採用すべきと判定する切替部１２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、半導体レーザの自己結合効果を用いた波長変調型の物理量センサが提案されている（特許文献１参照）。この物理量センサの構成を図１９に示す。図１９の物理量センサは、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−電圧変換増幅部２０５と、電流−電圧変換増幅部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モードホップパルス（以下、ＭＨＰとする）の数を数える計数装置２０７と、物体２１０との距離および物体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。
【０００３】
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２０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２０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、Ｔｃａｒは三角波の周期である。
【０００４】
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−電圧変換増幅部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−電圧変換増幅部２０５の出力電圧を２回微分する。計数装置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、物体２１０との距離や物体２１０の速度等の物理量を算出する。
【０００５】
自己結合型の物理量センサによれば、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、自己結合型の物理量センサでは、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。
【０００６】
そこで、発明者は、ある期間に観測されるＭＨＰの数を基に物理量を算出するバッチ処理方式の物理量センサに対して、個々のＭＨＰの周期に基づいて物理量を算出する逐次処理方式の物理量センサを提案した（特願２００８−２７０７９４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−３１３０８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
逐次処理方式の物理量センサによれば、測定対象の物理量をバッチ処理方式の物理量センサよりも高い分解能で計測することができ、また搬送波周波数よりも速度の変化が速い測定対象にも対応することができる。
しかしながら、従来、バッチ処理方式と逐次処理方式の両方を搭載した物理量センサは存在せず、また状況に応じてバッチ処理方式と逐次処理方式とを適宜切り替え可能な物理量センサも提案されていなかった。例えば測定対象の違いによりバッチ処理方式で有用な計測値が得られる場合と逐次処理方式で有用な計測値が得られる場合があるので、バッチ処理方式と逐次処理方式とを適宜切り替え可能にすることは重要である。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、バッチ処理方式と逐次処理方式の両方を搭載した物理量センサにおいて、バッチ処理方式と逐次処理方式とを適宜切り替え可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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、前記計数手段の計数結果に基づいて前記測定対象の物理量を算出する第１の演算手段と、前記信号抽出手段が計測した個々の周期に基づいて前記測定対象の物理量を算出する第２の演算手段と、前記第１の演算手段の算出結果と前記第２の演算手段の算出結果のどちらを物理量の計測結果として採用するかを切り替え可能な切替手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の物理量センサの１構成例において、前記切替手段は、前記信号抽出手段が計測した個々の周期から前記干渉波形の単位時間当たりの数を算出し、この数の変化の周波数をｆｓｉｇ、前記半導体レーザの発振波長変調の搬送波の周波数をｆｃａｒとしたとき、ｆｓｉｇ＞ｆｃａｒ／Ａ（Ａは１より大きい所定の定数）が成立する場合、前記第２の演算手段の算出結果を採用すべきと判定し、ｆｓｉｇ＞ｆｃａｒ／Ａが成立しない場合、前記第１の演算手段の算出結果を採用すべきと判定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、前記切替手段は、前記計数手段の計数結果、前記信号抽出手段の計測結果、前記第１の演算手段の算出結果、前記第２の演算手段の算出結果のうち少なくとも１つを前記第１、第２の演算手段の算出結果の切替判断用の情報として、この情報を測定者に提示する情報提示手段と、測定者の指示に応じて、前記第１の演算手段の算出結果と前記第２の演算手段の算出結果のどちらか一方を物理量の計測結果として採用する切替指示入力手段とから構成されることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の物理量センサの１構成例において、前記切替手段は、前記計数手段の計数結果の変化の周波数をｆｎ、前記半導体レーザの発振波長変調の搬送波の周波数をｆｃａｒとしたとき、ｆｎ＞ｆｃａｒ／Ｂ（Ｂは１より大きい所定の定数）が成立する場合、前記第２の演算手段の算出結果を採用すべきと判定し、ｆｎ＞ｆｃａｒ／Ｂが成立しない場合、前記第１の演算手段の算出結果を採用すべきと判定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、前記第１の演算手段は、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のうち少なくとも一方を算出し、前記第２の演算手段は、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、基準周期と、前記半導体レーザの平均波長と、前記信号抽出手段が計測し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および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。
【００１３】
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、前記計数手順の計数結果に基づいて前記測定対象の物理量を算出する第１の演算手順と、前記信号抽出手順で計測した個々の周期に基づいて前記測定対象の物理量を算出する第２の演算手順と、前記第１の演算手順の算出結果と前記第２の演算手順の算出結果のどちらを物理量の計測結果として採用するかを切り替え可能な切替手順とを備えることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の物理量計測方法の１構成例において、前記切替手順は、前記信号抽出手順で計測した個々の周期から前記干渉波形の単位時間当たりの数を算出し、この数の変化の周波数をｆｓｉｇ、前記半導体レーザの発振波長変調の搬送波の周波数をｆｃａｒとしたとき、ｆｓｉｇ＞ｆｃａｒ／Ａ（Ａは１より大きい所定の定数）が成立する場合、前記第２の演算手順の算出結果を採用すべきと判定し、ｆｓｉｇ＞ｆｃａｒ／Ａが成立しない場合、前記第１の演算手順の算出結果を採用すべきと判定することを特徴とするものである。
また、本発明の物理量計測方法の１構成例において、前記切替手順は、前記計数手順の計数結果、前記信号抽出手順の計測結果、前記第１の演算手順の算出結果、前記第２の演算手順の算出結果のうち少なくとも１つを前記第１、第２の演算手順の算出結果の切替判断用の情報として、この情報を測定者に提示する情報提示手順と、測定者の指示に応じて、前記第１の演算手順の算出結果と前記第２の演算手順の算出結果のどちらか一方を物理量の計測結果として採用する切替指示入力手順とから構成されることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の物理量計測方法の１構成例において、前記切替手順は、前記計数手順の計数結果の変化の周波数をｆｎ、前記半導体レーザの発振波長変調の搬送波の周波数をｆｃａｒとしたとき、ｆｎ＞ｆｃａｒ／Ｂ（Ｂは１より大きい所定の定数）が成立する場合、前記第２の演算手順の算出結果を採用すべきと判定し、ｆｎ＞ｆｃａｒ／Ｂが成立しない場合、前記第１の演算手順の算出結果を採用すべきと判定することを特徴とするものである。
また、本発明の物理量計測方法の１構成例において、前記第１の演算手順は、前記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および前記測定対象の速度のうち少なくとも一方を算出し、前記第２の演算手順は、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、基準周期と、前記半導体レーザの平均波長と、前記信号抽出手順で計測し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および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。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、第１の演算手段の算出結果と第２の演算手段の算出結果のどちらを物理量の計測結果として採用するかを切り替え可能な切替手段を設けることにより、第１の演算手段が行うバッチ処理方式と第２の演算手段が行う逐次処理方式とを適宜切り替えることができる。その結果、バッチ処理方式で有用な計測値が得られる場合にはバッチ処理方式に切り替え、逐次処理方式で有用な計測値が得られる場合には逐次処理方式に切り替えることが可能になる。
【００１７】
また、本発明では、信号抽出手段が計測した個々の周期から干渉波形の単位時間当たりの数を算出し、この数の変化の周波数をｆｓｉｇ、半導体レーザの発振波長変調の搬送波の周波数をｆｃａｒとしたとき、ｆｓｉｇ＞ｆｃａｒ／Ａが成立する場合、第２の演算手段の算出結果を採用すべきと判定し、ｆｓｉｇ＞ｆｃａｒ／Ａが成立しない場合、第１の演算手段の算出結果を採用すべきと判定することにより、バッチ処理方式と逐次処理方式とを自動的に適宜切り替えることができる。
【００１８】
また、本発明では、情報提示手段と切替指示入力手段とを設けることにより、バッチ処理方式と逐次処理方式とを手動で切り替えることができる。
【００１９】
また、本発明では、計数手段の計数結果の変化の周波数をｆｎ、半導体レーザの発振波長変調の搬送波の周波数をｆｃａｒとしたとき、ｆｎ＞ｆｃａｒ／Ｂ（Ｂは１より大きい所定の定数）が成立する場合、第２の演算手段の算出結果を採用すべきと判定し、ｆｎ＞ｆｃａｒ／Ｂが成立しない場合、第１の演算手段の算出結果を採用すべきと判定することにより、バッチ処理方式と逐次処理方式とを自動的に適宜切り替えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】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２】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。
【図３】モードホップパルスについて説明するための図である。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】本発明の第１の実施の形態における第１の演算部の構成の１例を示すブロック図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態における第１の演算部の動作を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第１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。
【図９】本発明の第１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。
【図１０】本発明の第１の実施の形態における切替部の動作を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の第２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１２】本発明の第３の実施の形態における第２の演算部の構成の１例を示すブロック図である。
【図１３】本発明の第４の実施の形態における第２の演算部の構成の１例を示すブロック図である。
【図１４】本発明の第５の実施の形態における第１の演算部の構成の１例を示すブロック図である。
【図１５】本発明の第５の実施の形態における第１の演算部の動作を示すフローチャートである。
【図１６】本発明の第７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１７】本発明の第７の実施の形態における切替部の動作を示すフローチャートである。
【図１８】本発明の第８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１９】従来の物理量センサの構成を示すブロック図である。
【図２０】図１９の物理量センサ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。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
［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１４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１４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ＭＨＰの数を数える計数部７と、フィルタ部６の出力電圧に含まれるＭＨＰの周期を計測する信号抽出部８と、計数部７が計測したＭＨＰの数に基づいて物体１４との距離や物体１４の速度を算出する第１の演算部９と、信号抽出部８が計測したＭＨＰの周期に基づいて物体１４の変位や速度を算出する第２の演算部１０と、第１、第２の演算部９，１０の算出結果を表示する表示部１１と、第１の演算部９の算出結果と第２の演算部１０の算出結果のどちらを物理量センサの計測結果として採用するかを判定する切替部１２と、切替部１２の判定結果に応じて第１の演算部９の算出結果と第２の演算部１０の算出結果のどちらか一方を選択して表示部１１に出力するスイッチ１３とを有する。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、切替部１２とスイッチ１３とは切替手段を構成している。
【００２２】
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。
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２０に示したとおりである。本実施の形態では、発振波長の最大値λｂ及び発振波長の最小値λａはそれぞれ常に一定になされており、それらの差λｂ−λａも常に一定になされている。
【００２３】
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１４に入射する。物体１４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。
【００２４】
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。
【００２５】
計数部７は、フィルタ部６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。計数部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、他の手段を用いるものでもよい。
【００２６】
信号抽出部８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１４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１４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１４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。
【００２７】
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。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。
【００２８】
図５（Ａ）〜図５（Ｄ）は信号抽出部８の動作を説明するための図であり、図５（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５（Ｂ）はＭＨＰを２値化した波形を示す図、図５（Ｃ）は信号抽出部８に入力されるサンプリングクロックを示す図、図５（Ｄ）は図５（Ｂ）に対応する信号抽出部８の測定結果を示す図である。
【００２９】
まず、信号抽出部８は、図５（Ａ）に示すフィルタ部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。そして、信号抽出部８は、２値化したＭＨＰ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、信号抽出部８は、図５（Ｃ）に示すサンプリングクロックの周期を１単位としてＭＨＰの周期を測定する。図５（Ｄ）の例では、信号抽出部８は、ＭＨＰの周期としてＴα，Ｔβ，Ｔγを順次測定している。図５（Ｃ）、図５（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。
【００３０】
次に、第１の演算部９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７が数えたＭＨＰの数に基づいて、物体１４との距離および物体１４の速度を算出する。図６は第１の演算部９の構成の１例を示すブロック図、図７は第１の演算部９の動作を示すフローチャートである。第１の演算部９は、計数部７の計数結果等を記憶する記憶部９０と、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７の計数結果に基づいて物体１４との距離の候補値と物体１４の速度の候補値を算出する物理量候補値算出部９１と、計数部７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の２倍数との大小関係に基づいて物体１４の状態を判定する状態判定部９２と、計数部７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の２倍数との大小関係に応じて計数部７の最新の計数結果に正負の符号を付与する符号付与部９３と、計数部７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１４との平均距離に比例したＭＨＰの数である距離比例個数を求める距離比例個数算出部９４と、状態判定部９２の判定結果に基づいて候補値の選定を行い、物体１４との距離および物体１４の速度を確定する物理量確定部９５とから構成される。
【００３１】
本実施の形態では、物体１４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１４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。
【００３２】
記憶部９０は、計数部７の計測結果を記憶する。物理量候補値算出部９１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９０に格納する（図７ステップＳ１０）。
Ｌα（ｔ）＝λａ×λｂ×（ＭＨＰ（ｔ−１）＋ＭＨＰ（ｔ））
／｛４×（λｂ−λａ）｝ ・・・（２）
Ｌβ（ｔ）＝λａ×λｂ×（｜ＭＨＰ（ｔ−１）−ＭＨＰ（ｔ）｜）
／｛４×（λｂ−λａ）｝ ・・・（３）
Ｖα（ｔ）＝（ＭＨＰ（ｔ−１）−ＭＨＰ（ｔ））×λｂ／４ ・・・（４）
Ｖβ（ｔ）＝（ＭＨＰ（ｔ−１）＋ＭＨＰ（ｔ））×λｂ／４ ・・・（５）
【００３３】
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。
【００３４】
候補値Ｌα（ｔ），Ｖα（ｔ）は物体１４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１４が変位状態にあると仮定して計算した値である。物理量候補値算出部９１は、式（２）〜式（５）の計算を計数部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。
【００３５】
次に、状態判定部９２は、計数部７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２ＮＬとの大小関係に基づいて物体１４の状態を判定する（図７ステップＳ１１）。図８、図９は状態判定部９２の動作を説明するための図であり、計数部７の計数結果の時間変化を示す図である。図８、図９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。
【００３６】
物体１４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１４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８に示すように互いの位相差が１８０度の正弦波形となる。上記の説明では、このときの物体１４の状態を微小変位状態としている。図２０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。距離比例個数ＮＬは、図８に示した正弦波形の平均値に相当する。
【００３７】
一方、物体１４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９の３００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９の３０１で示す負側の波形が正側に折り返された形になる。上記の説明では、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１４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１４の状態は、微小変位状態である。
【００３８】
現時刻ｔの１回前に計測された計数部７の計数結果をＮ（ｔ−１）とすると、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。また、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。状態判定部９２は、Ｎ（ｔ−１）≧２ＮＬが成立する場合、物体１４が変位状態であると判定し、Ｎ（ｔ−１）＜２ＮＬが成立する場合、物体１４が微小変位状態であると判定する。
状態判定部９２は、以上のような判定処理を、計数部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。
【００３９】
次に、符号付与部９３は、計数部７の１回前の計数結果Ｎ（ｔ−１）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２ＮＬとの大小関係に応じて計数部７の最新の計数結果Ｎ（ｔ）に正負の符号を付与する（図７ステップＳ１２〜Ｓ１４）。符号付与部９３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） ・・・（６）
Ｉｆ Ｎ（ｔ−１）＜２ＮＬ Ｔｈｅｎ Ｎ’（ｔ）→＋Ｎ（ｔ） ・・・（７）
【００４０】
符号付与部９３は、式（６）に示すように、Ｎ（ｔ−１）≧２ＮＬが成立する場合には、計数部７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（図７ステップＳ１４）。また、符号付与部９３は、式（７）に示すように、Ｎ（ｔ−１）＜２ＮＬが成立する場合には、計数部７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（図７ステップＳ１３）。
符号付き計数結果Ｎ’（ｔ）は、記憶部９０に格納される。符号付与部９３は、以上のような符号付与処理を、計数部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。
【００４１】
次に、距離比例個数算出部９４は、符号付与部９３によって符号が与えられた符号付き計数結果から距離比例個数ＮＬを求める（図７ステップＳ１５）。距離比例個数算出部９４は、次式に示すように符号付き計数結果を用いて、距離比例個数ＮＬを算出する。
ＮＬ＝（Ｎｕ’＋Ｎｄ’）／２ ・・・（８）
【００４２】
式（８）において、Ｎｕ’は計数結果Ｎｕに符号付与処理を施した後の符号付き計数結果、Ｎｄ’は計数結果Ｎｄに符号付与処理を施した後の符号付き計数結果である。なお、物理量の計測開始初期時においては、符号付与部９３が大小関係を判定するのに必要な距離比例個数ＮＬが得られていない。このため、符号付与部９３は、符号付き計数結果を出力することはできない。したがって、計測開始初期時においては、距離比例個数算出部９４は、式（８）の代わりに計数部７の計数結果Ｎｕ，Ｎｄを用いる次式により距離比例個数ＮＬを算出する。
ＮＬ＝（Ｎｕ＋Ｎｄ）／２ ・・・（９）
【００４３】
つまり、距離比例個数算出部９４は、計測開始初期時に式（９）を用いて距離比例個数ＮＬを算出し、符号付与部９３によって距離比例個数ＮＬの算出に必要な符号付き計数結果が算出されるようになった後は式（８）を用いて距離比例個数ＮＬを算出することになる。
【００４４】
距離比例個数算出部９４が算出した距離比例個数ＮＬは、記憶部９０に格納される。距離比例個数算出部９４は、以上のような距離比例個数ＮＬの算出処理を、計数部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。なお、本実施の形態では、２回分の計数結果を用いて距離比例個数ＮＬを算出しているが、２ｍ（ｍは正の整数）回の計数結果を用いて距離比例個数ＮＬを算出するようにしてもよい。
【００４５】
次に、物理量確定部９５は、状態判定部９２の判定結果に基づいて物体１４との距離および物体１４の速度を確定する（図７ステップＳ１６〜Ｓ１８）。物理量確定部９５は、物体１４が微小変位状態と判定された場合、記憶部９０に記憶されている速度の候補値Ｖα（ｔ）を物体１４の速度として確定し、距離の候補値Ｌα（ｔ）を物体１４との距離として確定する（図７ステップＳ１７）。また、物理量確定部９５は、物体１４が変位状態と判定された場合、記憶部９０に記憶されている速度の候補値Ｖβ（ｔ）を物体１４の速度として確定し、距離の候補値Ｌβ（ｔ）を物体１４との距離として確定する（図７ステップＳ１８）。
【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、これらの符号は物体１４の速度の向きを表現したものではない。発振波長が増加している方の半導体レーザのＭＨＰの数が、発振波長が減少している方の半導体レーザのＭＨＰの数よりも大きいとき、物体１４の速度は正方向（レーザに接近する方向）となる。
第１の演算部９は、以上のステップＳ１０〜Ｓ１８の処理を、計数部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。
【００４７】
一方、第２の演算部１０は、信号抽出部８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１４の変位と速度を算出する。信号抽出部８で用い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、演算対象のＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０からｎ［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］長くなったとすると、この演算対象のＭＨＰの周期における物体１４の変位Ｄ［ｍ］は次式のようになる。
Ｄ＝ｎ×λ／（２×Ｔ０） ・・・（１０）
【００４８】
基準周期Ｔ０とは、物体１４が静止していたときのＭＨＰの周期、もしくは算出された距離におけるＭＨＰの周期である。演算対象のＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０からｎ［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］短くなった場合には、式（１０）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１４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１４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１４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１４の移動方向は半導体レーザ１から遠ざかる方向である。なお、基準周期Ｔ０から物体１４との距離を算出することができる。算出方法としては、特許文献１において、変位が０として算出する方法がある。
【００４９】
また、演算対象のＭＨＰの周期は（Ｔ０＋ｎ）／ｆａｄなので、演算対象のＭＨＰの周期における物体１４の速度Ｖ［ｍ／ｓ］は次式のようになる。
Ｖ＝ｎ×λ／（２×Ｔ０）×ｆａｄ／（Ｔ０＋ｎ） ・・・（１１）
【００５０】
第２の演算部１０は、式（１０）により物体１４の変位Ｄを算出することができ、式（１１）により物体１４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、演算対象のＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０から１［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］長くなったとすると、演算対象のＭＨＰの周期における物体１４の変位Ｄは５．３１［ｎｍ］、速度Ｖは１．０５［ｍｍ／ｓ］と計算できる。第２の演算部１０は、以上のような算出処理をＭＨＰが発生する度に行う。
【００５１】
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１４との距離に関係するＭＨＰの数をＮｌとする。物体１４の平均速度の絶対値を搬送波半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もしくはＮｌ−Ｎａとなる。搬送波半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もしくは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１４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１４の変位Ｄや速度Ｖを算出すればよい。上記の式（１０）、式（１１）は、このような導出原理に基づくものである。なお、上記の平均速度とは、ある１つのＭＨＰ間の平均速度のことである。
【００５２】
第１の演算部９が行うバッチ処理方式の算出処理では、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、第２の演算部１０が行う逐次処理方式の算出処理では、変位と速度の分解能はλ／２×ｎ／Ｔ０なので、半波長λ／２未満の高分解能を実現することができる。また、バッチ処理方式の算出処理では、搬送波の半周期の計測時間がかかるのに対して、逐次処理方式の算出処理では、１つ１つのＭＨＰの周期から物体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、搬送波周波数よりも速度の変化が速い物体にも対応することができる。
【００５３】
次に、切替部１２は、第１の演算部９の算出結果と第２の演算部１０の算出結果のうちどちらを採用するかを切り替える。図１０は切替部１２の動作を示すフローチャートである。切替部１２は、信号抽出部８が計測したＭＨＰの周期Ｔから次式のように単位時間当たりのＭＨＰの数Ｎを算出する（図１０ステップＳ２０）。
Ｎ＝１／Ｔ ・・・（１２）
【００５４】
そして、切替部１２は、ＭＨＰの数Ｎの変化の周波数を搬送波半周期よりも短い一定時間ｔｍ（ｔｍ＜Ｔｃａｒ／２）にわたって調べ、この変化の周波数のうち最大のものをｆｓｉｇとし、搬送波の周波数をｆｃａｒ（＝１／Ｔｃａｒ）としたとき、式（１３）が成立するかどうかを判定する（図１０ステップＳ２１）。
ｆｓｉｇ＞ｆｃａｒ／Ａ ・・・（１３）
Ａは１より大きい所定の定数で、例えば１０である。
【００５５】
切替部１２は、式（１３）が成立する場合、第２の演算部１０が行った逐次処理方式の算出結果を採用すべきと判定し（ステップＳ２２）、式（１３）が成立しない場合、第１の演算部９が行ったバッチ処理方式の算出結果を採用すべきと判定する（ステップＳ２３）。
【００５６】
すなわち、切替部１２は、式（１３）が成立する場合、測定対象の速度の変化が速く、物理量センサの計測結果が搬送波周波数に対して十分低い（１／Ａ程度）周波数の線形結合で表現できないと判定する。この場合、第１の演算部９の算出結果は測定者にとって有用な結果ではなく、第２の演算部１０の算出結果が有用である。したがって、切替部１２は、第２の演算部１０の算出結果を採用すべきと判定する。反対に、式（１３）が成立しない場合、切替部１２は、物理量センサの計測結果が搬送波周波数に対して十分低い周波数の線形結合で表現できると判定する。この場合、第１の演算部９の算出結果は測定者にとって有用な結果である。したがって、切替部１２は、第１の演算部９の算出結果を採用すべきと判定する。切替部１２は、ステップＳ２０〜Ｓ２３の処理を一定時間ｔｍ毎に行う。
【００５７】
スイッチ１３は、切替部１２が第１の演算部９の算出結果を採用すべきと判定した場合、第１の演算部９の算出結果を選択して出力し、切替部１２が第２の演算部１０の算出結果を採用すべきと判定した場合、第２の演算部１０の算出結果を選択して出力する。
こうして、表示部１１は、第１の演算部９の算出結果または第２の演算部１０の算出結果のいずれかをリアルタイムで表示する。
以上のように、本実施の形態では、バッチ処理方式と逐次処理方式とを自動的に適宜切り替えることができる。
【００５８】
［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。第１の実施の形態では、バッチ処理方式と逐次処理方式とを自動的に切り替えたが、物理量センサを用いる測定者が手動で切り替えることも可能である。図１１は本発明の第２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。本実施の形態の物理量センサは、半導体レーザ１と、フォトダイオード２と、レンズ３と、レーザドライバ４と、電流−電圧変換増幅部５と、フィルタ部６と、計数部７と、信号抽出部８と、第１の演算部９と、第２の演算部１０と、表示部１１と、スイッチ１３と、計数部７の計測結果、信号抽出部８の計測結果、第１の演算部９の算出結果、第２の演算部１０の算出結果のうち少なくとも１つを第１、第２の演算部９，１０の算出結果の切替判断用の情報として、この情報を測定者に提示する情報提示部１５と、測定者の指示に応じて、第１の演算部９の算出結果と第２の演算部１０の算出結果のどちらか一方を物理量センサの計測結果として採用する切替指示入力部１６とを有する。
【００５９】
情報提示部１５は、計数部７の計測結果、信号抽出部８の計測結果、第１の演算部９の算出結果、第２の演算部１０の算出結果のうち少なくとも１つをバッチ処理方式と逐次処理方式の切替判断用の情報として、この情報を数値で表示するか、あるいは情報の履歴をグラフで表示する。
【００６０】
物理量センサを用いる測定者は、情報提示部１５が表示した情報を見て、バッチ処理方式と逐次処理方式のどちらで有用な情報が得られているかを判断し、バッチ処理方式と逐次処理方式のどちらか一方を選択すべく切替指示入力部１６を操作する。
切替指示入力部１６は、測定者の操作に応じて、第１の演算部９の算出結果または第２の演算部１０の算出結果のどちらか一方をスイッチ１３に選択させる。
【００６１】
その他の構成の動作は、第１の実施の形態で説明したとおりである。こうして、表示部１１は、第１の演算部９が行ったバッチ処理方式の算出結果または第２の演算部１０が行った逐次処理方式の算出結果のどちらか一方を、測定者の選択に応じて表示することになる。
以上のように、本実施の形態では、バッチ処理方式と逐次処理方式とを手動で切り替えることができる。
【００６２】
［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。第１の実施の形態では、基準周期Ｔ０を物体１４が静止している状態でのＭＨＰの周期としたが、本実施の形態は基準周期Ｔ０の他の求め方を説明するものである。図１２は本発明の第３の実施の形態に係る第２の演算部１０の構成例を示すブロック図である。第２の演算部１０は、物理量算出部１００と、周期算出部１０１とから構成される。物理量センサの全体の構成は第１、第２の実施の形態と同様でよい。
【００６３】
周期算出部１０１は、第１の演算部９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１０１のデータベース（不図示）に登録しておけば、周期算出部１０１は、第１の演算部９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１０１は、第１の演算部９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。
【００６４】
物理量算出部１００は、周期算出部１０１が求めた周期を基準周期Ｔ０とし、信号抽出部８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１４の変位と速度を算出する。つまり、物理量算出部１００は、第１の実施の形態で説明した式（１０）により物体１４の変位Ｄを算出し、式（１１）により物体１４の速度Ｖを算出する。
本実施の形態によれば、静止させることができない物体１４の場合であっても、基準周期Ｔ０を求めることができる。
【００６５】
［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。図１３は本発明の第４の実施の形態に係る第２の演算部１０の構成例を示すブロック図である。第２の演算部１０は、物理量算出部１００と、計数部７の計数結果等を記憶する記憶部１０２と、計数部７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を求める距離比例個数算出部１０３と、計数部７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７の最新の計数結果に正負の符号を付与する符号付与部１０４と、距離比例個数ＮＬからＭＨＰの周期を算出する周期算出部１０５とから構成される。物理量センサの全体の構成は第１、第２の実施の形態と同様でよい。
【００６６】
計数部７の計数結果は、記憶部１０２に格納される。距離比例個数算出部１０３は、計数部７の計数結果から、第１の実施の形態の距離比例個数算出部９４と同様にして距離比例個数ＮＬを求める。距離比例個数ＮＬは、記憶部１０２に格納される。距離比例個数算出部１０３は、距離比例個数ＮＬの算出処理を、計数部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。
【００６７】
次に、符号付与部１０４は、第１の実施の形態の符号付与部９３と同様にして計数部７の最新の計数結果Ｎ（ｔ）に正負の符号を付与する。正負の符号が与えられた符号付き計数結果Ｎ’（ｔ）は、記憶部１０２に格納される。符号付与部１０４は、符号付与処理を、計数部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。
【００６８】
次に、周期算出部１０５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×ｆｃａｒ×ＮＬ） ・・・（１４）
ここで、ｆｃａｒは搬送波（三角波）の周波数、Ｃは光速である。
【００６９】
物理量算出部１００は、周期算出部１０５が求めた周期を基準周期Ｔ０とし、信号抽出部８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１４の変位と速度を算出する。つまり、物理量算出部１００は、第１の実施の形態で説明した式（１０）により物体１４の変位Ｄを算出し、式（１１）により物体１４の速度Ｖを算出する。
本実施の形態によれば、静止させることができない物体１４の場合であっても、基準周期Ｔ０を求めることができる。
【００７０】
［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。図１４は本発明の第５の実施の形態に係る第１の演算部９の構成例を示すブロック図、図１５はこの第１の演算部９の動作を示すフローチャートである。本実施の形態の第１の演算部９は、記憶部９０と、物理量候補値算出部９１と、計数部７の第１の発振期間Ｐ１の計数結果と第２の発振期間Ｐ２の計数結果の増減方向の一致不一致に基づいて物体１４の状態を判定する状態判定部９２ａと、物理量確定部９５とから構成される。
【００７１】
物理量候補値算出部９１の動作は、第１の実施の形態と同じである（図１５ステップＳ１０）。
次に、状態判定部９２ａは、計数部７の第１の発振期間Ｐ１の計数結果Ｎｕと第２の発振期間Ｐ２の計数結果Ｎｄの増減方向の一致不一致に基づいて物体１４の状態を判定する（図１５ステップＳ１９）。状態判定部９２ａは、計数結果Ｎｕの時間変化に対して計数結果Ｎｄの時間変化が逆方向の場合、物体１４が微小変位状態であると判定し、計数結果Ｎｕの時間変化に対して計数結果Ｎｄの時間変化が同方向の場合、物体１４が変位状態であると判定する。
【００７２】
現時刻ｔの計数結果がＮｕであれば、計数結果Ｎｕの増減は、現時刻ｔの計数結果Ｎｕ（ｔ）と２回前の計数結果Ｎｕ（ｔ−２）との差Ｎｕ（ｔ）−Ｎｕ（ｔ−２）の符号で判別することができ、計数結果Ｎｄの増減は、１回前の計数結果Ｎｄ（ｔ−１）と３回前の計数結果Ｎｄ（ｔ−３）との差Ｎｄ（ｔ−１）−Ｎｄ（ｔ−３）の符号で判別することができる。一方、現時刻ｔの計数結果がＮｄであれば、計数結果Ｎｕの増減は、１回前の計数結果Ｎｕ（ｔ−１）と３回前の計数結果Ｎｕ（ｔ−３）との差Ｎｕ（ｔ−１）−Ｎｕ（ｔ−３）の符号で判別することができ、計数結果Ｎｄの増減は、現時刻ｔの計数結果Ｎｄ（ｔ）と２回前の計数結果Ｎｄ（ｔ−２）との差Ｎｄ（ｔ）−Ｎｄ（ｔ−２）の符号で判別することができる。
【００７３】
このような増減の判別の結果、計数結果Ｎｕ，Ｎｄが共に増加している場合あるいは共に減少している場合は、計数結果Ｎｕの時間変化に対して計数結果Ｎｄの時間変化が同方向であり、物体１４が変位状態であると判断することができる。また、計数結果Ｎｕ，Ｎｄのどちらか一方が増加していて他方が減少している場合は、計数結果Ｎｕの時間変化に対して計数結果Ｎｄの時間変化が逆方向であり、物体１４が微小変位状態であると判断することができる。
状態判定部９２ａは、以上のような判定処理を、計数部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。
【００７４】
第１の実施の形態と同様に、物理量確定部９５は、状態判定部９２ａの判定結果に基づいて物体１４との距離および物体１４の速度を確定する（図１５ステップＳ１６〜Ｓ１８）。
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、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７５】
［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。図９で説明したような計数結果の折り返しが生じると、計数結果Ｎｕ，Ｎｄの平均値に変化が生じる。そこで、状態判定部９２ａは、計数結果Ｎｕ，Ｎｄの平均値の変化に基づいて物体１４の状態を判定するようにしてもよい。本実施の形態においても、第１の演算部９の構成は第５の実施の形態と同様であるので、図１４、図１５の符号を用いて説明する。
【００７６】
物理量候補値算出部９１の動作は、第１の実施の形態と同じである（図１５ステップＳ１０）。
本実施の形態の状態判定部９２ａは、現時刻ｔ以前に求めた計数結果Ｎｕの最新の平均値がこの値よりも前に求めた計数結果Ｎｕの平均値に対して所定のしきい値以内であり、かつ現時刻ｔ以前に求めた計数結果Ｎｄの最新の平均値がこの値よりも前に求めた計数結果Ｎｕの平均値に対して所定のしきい値以内である場合、計数結果Ｎｕ，Ｎｄのそれぞれの平均値に変化無しと判断して、物体１４が微小変位状態であると判定する（図１５ステップＳ１９）。
【００７７】
また、状態判定部９２ａは、現時刻ｔ以前に求めた計数結果Ｎｕの最新の平均値がこの値よりも前に求めた計数結果Ｎｕの平均値に対して所定のしきい値を超えて変化したり、現時刻ｔ以前に求めた計数結果Ｎｄの最新の平均値がこの値よりも前に求めた計数結果Ｎｕの平均値に対して所定のしきい値を超えて変化したりした場合、物体１４が変位状態であると判定する（図１５ステップＳ１９）。
状態判定部９２ａは、以上のような判定処理を、計数部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。
【００７８】
第１の実施の形態と同様に、物理量確定部９５は、状態判定部９２ａの判定結果に基づいて物体１４との距離および物体１４の速度を確定する（図１５ステップＳ１６〜Ｓ１８）。
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、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７９】
［第７の実施の形態］
次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。第１の実施の形態では、切替部１２は信号抽出部８の計測結果に基づいて第１の演算部９の算出結果と第２の演算部１０の算出結果のうちどちらを採用するかを切り替えているが、計数部７の計数結果に基づいて切り替えるようにしてもよい。図１６は本発明の第７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と同一の構成には同一の符号を付してある。
【００８０】
図１７は本実施の形態の切替部１２ａの動作を示すフローチャートである。切替部１２ａは、計数部７の計数結果の変化の周波数をｆｎ、半導体レーザ１の発振波長変調の搬送波の周波数をｆｃａｒとしたとき、次式が成立するかどうかを判定する（図１７ステップＳ２４）。
ｆｎ＞ｆｃａｒ／Ｂ ・・・（１５）
Ｂは１より大きい所定の定数で、例えば１０である。
【００８１】
切替部１２ａは、式（１５）が成立する場合、第２の演算部１０が行った逐次処理方式の算出結果を採用すべきと判定し（ステップＳ２５）、式（１５）が成立しない場合、第１の演算部９が行ったバッチ処理方式の算出結果を採用すべきと判定する（ステップＳ２６）。切替部１２ａは、ステップＳ２４〜Ｓ２６の処理を一定時間毎に行う。
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、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００８２】
［第８の実施の形態］
次に、本発明の第８の実施の形態について説明する。第１〜第７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１８は本発明の第８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と同一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〜第７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１７を用いるものである。
【００８３】
電圧検出部１７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１４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。
【００８４】
フィルタ部６は、電圧検出部１７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〜第７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〜第７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。
【００８５】
本実施の形態では、レーザドライバ４から半導体レーザ１に供給する駆動電流をレーザ発振のしきい値電流付近に制御することが好ましい。これにより、半導体レーザ１の端子間電圧からＭＨＰを抽出することが容易になる。
【００８６】
なお、第１〜第７の実施の形態において、特開２００９−４７６７６号公報に開示された技術を用いて、計数部７の計数結果を補正するようにしてもよい。
また、第１の実施の形態の第１の演算部９の代わりに、特許文献１に開示された距離・速度算出方法を用いて物体１４との距離及び物体１４の速度を算出するようにしてもよい。
【００８７】
なお、第１〜第８の実施の形態において少なくとも計数部７と信号抽出部８と第１の演算部９と第２の演算部１０と切替部１２，１２ａと情報提示部１５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８の実施の形態で説明した処理を実行する。
また、第１〜第８の実施の形態で計測する物理量の例としては、距離、変位、速度、振動周波数、振動振幅などの他に質量、長さ、時間、エネルギーがある。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
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。
【符号の説明】
【００８９】
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…計数部、８…信号抽出部、９…第１の演算部、１０…第２の演算部、１１…表示部、１２，１２ａ…切替部、１３…スイッチ、１４…物体、１５…情報提示部、１６…切替指示入力部、１７…電圧検出部、９０…記憶部、９１…物理量候補値算出部、９２，９２ａ…状態判定部、９３…符号付与部、９４…距離比例個数算出部、９５…物理量確定部、１００…物理量算出部、１０１…周期算出部、１０２…記憶部、１０３…距離比例個数算出部、１０４…符号付与部、１０５…周期算出部。
【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、半導体レーザの自己結合効果を用いた波長変調型の物理量センサが提案されている（特許文献１参照）。この物理量センサの構成を図１９に示す。図１９の物理量センサは、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−電圧変換増幅部２０５と、電流−電圧変換増幅部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モードホップパルス（以下、ＭＨＰとする）の数を数える計数装置２０７と、物体２１０との距離および物体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。
【０００３】
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２０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２０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、Ｔｃａｒは三角波の周期である。
【０００４】
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−電圧変換増幅部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−電圧変換増幅部２０５の出力電圧を２回微分する。計数装置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、物体２１０との距離や物体２１０の速度等の物理量を算出する。
【０００５】
自己結合型の物理量センサによれば、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、自己結合型の物理量センサでは、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。
【０００６】
そこで、発明者は、ある期間に観測されるＭＨＰの数を基に物理量を算出するバッチ処理方式の物理量センサに対して、個々のＭＨＰの周期に基づいて物理量を算出する逐次処理方式の物理量センサを提案した（特願２００８−２７０７９４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−３１３０８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
逐次処理方式の物理量センサによれば、測定対象の物理量をバッチ処理方式の物理量センサよりも高い分解能で計測することができ、また搬送波周波数よりも速度の変化が速い測定対象にも対応することができる。
しかしながら、従来、バッチ処理方式と逐次処理方式の両方を搭載した物理量センサは存在せず、また状況に応じてバッチ処理方式と逐次処理方式とを適宜切り替え可能な物理量センサも提案されていなかった。例えば測定対象の違いによりバッチ処理方式で有用な計測値が得られる場合と逐次処理方式で有用な計測値が得られる場合があるので、バッチ処理方式と逐次処理方式とを適宜切り替え可能にすることは重要である。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、バッチ処理方式と逐次処理方式の両方を搭載した物理量センサにおいて、バッチ処理方式と逐次処理方式とを適宜切り替え可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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、前記計数手段の計数結果に基づいて前記測定対象の物理量を算出する第１の演算手段と、前記信号抽出手段が計測した個々の周期に基づいて前記測定対象の物理量を算出する第２の演算手段と、前記第１の演算手段の算出結果と前記第２の演算手段の算出結果のどちらを物理量の計測結果として採用するかを切り替え可能な切替手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の物理量センサの１構成例において、前記切替手段は、前記信号抽出手段が計測した個々の周期から前記干渉波形の単位時間当たりの数を算出し、この数の変化の周波数をｆｓｉｇ、前記半導体レーザの発振波長変調の搬送波の周波数をｆｃａｒとしたとき、ｆｓｉｇ＞ｆｃａｒ／Ａ（Ａは１より大きい所定の定数）が成立する場合、前記第２の演算手段の算出結果を採用すべきと判定し、ｆｓｉｇ＞ｆｃａｒ／Ａが成立しない場合、前記第１の演算手段の算出結果を採用すべきと判定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、前記切替手段は、前記計数手段の計数結果、前記信号抽出手段の計測結果、前記第１の演算手段の算出結果、前記第２の演算手段の算出結果のうち少なくとも１つを前記第１、第２の演算手段の算出結果の切替判断用の情報として、この情報を測定者に提示する情報提示手段と、測定者の指示に応じて、前記第１の演算手段の算出結果と前記第２の演算手段の算出結果のどちらか一方を物理量の計測結果として採用する切替指示入力手段とから構成されることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の物理量センサの１構成例において、前記切替手段は、前記計数手段の計数結果の変化の周波数をｆｎ、前記半導体レーザの発振波長変調の搬送波の周波数をｆｃａｒとしたとき、ｆｎ＞ｆｃａｒ／Ｂ（Ｂは１より大きい所定の定数）が成立する場合、前記第２の演算手段の算出結果を採用すべきと判定し、ｆｎ＞ｆｃａｒ／Ｂが成立しない場合、前記第１の演算手段の算出結果を採用すべきと判定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、前記第１の演算手段は、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のうち少なくとも一方を算出し、前記第２の演算手段は、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、基準周期と、前記半導体レーザの平均波長と、前記信号抽出手段が計測し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および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。
【００１３】
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、前記計数手順の計数結果に基づいて前記測定対象の物理量を算出する第１の演算手順と、前記信号抽出手順で計測した個々の周期に基づいて前記測定対象の物理量を算出する第２の演算手順と、前記第１の演算手順の算出結果と前記第２の演算手順の算出結果のどちらを物理量の計測結果として採用するかを切り替え可能な切替手順とを備えることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の物理量計測方法の１構成例において、前記切替手順は、前記信号抽出手順で計測した個々の周期から前記干渉波形の単位時間当たりの数を算出し、この数の変化の周波数をｆｓｉｇ、前記半導体レーザの発振波長変調の搬送波の周波数をｆｃａｒとしたとき、ｆｓｉｇ＞ｆｃａｒ／Ａ（Ａは１より大きい所定の定数）が成立する場合、前記第２の演算手順の算出結果を採用すべきと判定し、ｆｓｉｇ＞ｆｃａｒ／Ａが成立しない場合、前記第１の演算手順の算出結果を採用すべきと判定することを特徴とするものである。
また、本発明の物理量計測方法の１構成例において、前記切替手順は、前記計数手順の計数結果、前記信号抽出手順の計測結果、前記第１の演算手順の算出結果、前記第２の演算手順の算出結果のうち少なくとも１つを前記第１、第２の演算手順の算出結果の切替判断用の情報として、この情報を測定者に提示する情報提示手順と、測定者の指示に応じて、前記第１の演算手順の算出結果と前記第２の演算手順の算出結果のどちらか一方を物理量の計測結果として採用する切替指示入力手順とから構成されることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の物理量計測方法の１構成例において、前記切替手順は、前記計数手順の計数結果の変化の周波数をｆｎ、前記半導体レーザの発振波長変調の搬送波の周波数をｆｃａｒとしたとき、ｆｎ＞ｆｃａｒ／Ｂ（Ｂは１より大きい所定の定数）が成立する場合、前記第２の演算手順の算出結果を採用すべきと判定し、ｆｎ＞ｆｃａｒ／Ｂが成立しない場合、前記第１の演算手順の算出結果を採用すべきと判定することを特徴とするものである。
また、本発明の物理量計測方法の１構成例において、前記第１の演算手順は、前記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および前記測定対象の速度のうち少なくとも一方を算出し、前記第２の演算手順は、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、基準周期と、前記半導体レーザの平均波長と、前記信号抽出手順で計測し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および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。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、第１の演算手段の算出結果と第２の演算手段の算出結果のどちらを物理量の計測結果として採用するかを切り替え可能な切替手段を設けることにより、第１の演算手段が行うバッチ処理方式と第２の演算手段が行う逐次処理方式とを適宜切り替えることができる。その結果、バッチ処理方式で有用な計測値が得られる場合にはバッチ処理方式に切り替え、逐次処理方式で有用な計測値が得られる場合には逐次処理方式に切り替えることが可能になる。
【００１７】
また、本発明では、信号抽出手段が計測した個々の周期から干渉波形の単位時間当たりの数を算出し、この数の変化の周波数をｆｓｉｇ、半導体レーザの発振波長変調の搬送波の周波数をｆｃａｒとしたとき、ｆｓｉｇ＞ｆｃａｒ／Ａが成立する場合、第２の演算手段の算出結果を採用すべきと判定し、ｆｓｉｇ＞ｆｃａｒ／Ａが成立しない場合、第１の演算手段の算出結果を採用すべきと判定することにより、バッチ処理方式と逐次処理方式とを自動的に適宜切り替えることができる。
【００１８】
また、本発明では、情報提示手段と切替指示入力手段とを設けることにより、バッチ処理方式と逐次処理方式とを手動で切り替えることができる。
【００１９】
また、本発明では、計数手段の計数結果の変化の周波数をｆｎ、半導体レーザの発振波長変調の搬送波の周波数をｆｃａｒとしたとき、ｆｎ＞ｆｃａｒ／Ｂ（Ｂは１より大きい所定の定数）が成立する場合、第２の演算手段の算出結果を採用すべきと判定し、ｆｎ＞ｆｃａｒ／Ｂが成立しない場合、第１の演算手段の算出結果を採用すべきと判定することにより、バッチ処理方式と逐次処理方式とを自動的に適宜切り替えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】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２】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。
【図３】モードホップパルスについて説明するための図である。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】本発明の第１の実施の形態における第１の演算部の構成の１例を示すブロック図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態における第１の演算部の動作を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第１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。
【図９】本発明の第１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。
【図１０】本発明の第１の実施の形態における切替部の動作を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の第２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１２】本発明の第３の実施の形態における第２の演算部の構成の１例を示すブロック図である。
【図１３】本発明の第４の実施の形態における第２の演算部の構成の１例を示すブロック図である。
【図１４】本発明の第５の実施の形態における第１の演算部の構成の１例を示すブロック図である。
【図１５】本発明の第５の実施の形態における第１の演算部の動作を示すフローチャートである。
【図１６】本発明の第７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１７】本発明の第７の実施の形態における切替部の動作を示すフローチャートである。
【図１８】本発明の第８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１９】従来の物理量センサの構成を示すブロック図である。
【図２０】図１９の物理量センサ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。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
［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１４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１４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ＭＨＰの数を数える計数部７と、フィルタ部６の出力電圧に含まれるＭＨＰの周期を計測する信号抽出部８と、計数部７が計測したＭＨＰの数に基づいて物体１４との距離や物体１４の速度を算出する第１の演算部９と、信号抽出部８が計測したＭＨＰの周期に基づいて物体１４の変位や速度を算出する第２の演算部１０と、第１、第２の演算部９，１０の算出結果を表示する表示部１１と、第１の演算部９の算出結果と第２の演算部１０の算出結果のどちらを物理量センサの計測結果として採用するかを判定する切替部１２と、切替部１２の判定結果に応じて第１の演算部９の算出結果と第２の演算部１０の算出結果のどちらか一方を選択して表示部１１に出力するスイッチ１３とを有する。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、切替部１２とスイッチ１３とは切替手段を構成している。
【００２２】
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。
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２０に示したとおりである。本実施の形態では、発振波長の最大値λｂ及び発振波長の最小値λａはそれぞれ常に一定になされており、それらの差λｂ−λａも常に一定になされている。
【００２３】
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１４に入射する。物体１４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。
【００２４】
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。
【００２５】
計数部７は、フィルタ部６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。計数部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、他の手段を用いるものでもよい。
【００２６】
信号抽出部８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１４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１４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１４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。
【００２７】
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。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。
【００２８】
図５（Ａ）〜図５（Ｄ）は信号抽出部８の動作を説明するための図であり、図５（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５（Ｂ）はＭＨＰを２値化した波形を示す図、図５（Ｃ）は信号抽出部８に入力されるサンプリングクロックを示す図、図５（Ｄ）は図５（Ｂ）に対応する信号抽出部８の測定結果を示す図である。
【００２９】
まず、信号抽出部８は、図５（Ａ）に示すフィルタ部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。そして、信号抽出部８は、２値化したＭＨＰ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、信号抽出部８は、図５（Ｃ）に示すサンプリングクロックの周期を１単位としてＭＨＰの周期を測定する。図５（Ｄ）の例では、信号抽出部８は、ＭＨＰの周期としてＴα，Ｔβ，Ｔγを順次測定している。図５（Ｃ）、図５（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。
【００３０】
次に、第１の演算部９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７が数えたＭＨＰの数に基づいて、物体１４との距離および物体１４の速度を算出する。図６は第１の演算部９の構成の１例を示すブロック図、図７は第１の演算部９の動作を示すフローチャートである。第１の演算部９は、計数部７の計数結果等を記憶する記憶部９０と、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７の計数結果に基づいて物体１４との距離の候補値と物体１４の速度の候補値を算出する物理量候補値算出部９１と、計数部７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の２倍数との大小関係に基づいて物体１４の状態を判定する状態判定部９２と、計数部７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の２倍数との大小関係に応じて計数部７の最新の計数結果に正負の符号を付与する符号付与部９３と、計数部７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１４との平均距離に比例したＭＨＰの数である距離比例個数を求める距離比例個数算出部９４と、状態判定部９２の判定結果に基づいて候補値の選定を行い、物体１４との距離および物体１４の速度を確定する物理量確定部９５とから構成される。
【００３１】
本実施の形態では、物体１４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１４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。
【００３２】
記憶部９０は、計数部７の計測結果を記憶する。物理量候補値算出部９１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９０に格納する（図７ステップＳ１０）。
Ｌα（ｔ）＝λａ×λｂ×（ＭＨＰ（ｔ−１）＋ＭＨＰ（ｔ））
／｛４×（λｂ−λａ）｝ ・・・（２）
Ｌβ（ｔ）＝λａ×λｂ×（｜ＭＨＰ（ｔ−１）−ＭＨＰ（ｔ）｜）
／｛４×（λｂ−λａ）｝ ・・・（３）
Ｖα（ｔ）＝（ＭＨＰ（ｔ−１）−ＭＨＰ（ｔ））×λｂ／４ ・・・（４）
Ｖβ（ｔ）＝（ＭＨＰ（ｔ−１）＋ＭＨＰ（ｔ））×λｂ／４ ・・・（５）
【００３３】
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。
【００３４】
候補値Ｌα（ｔ），Ｖα（ｔ）は物体１４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１４が変位状態にあると仮定して計算した値である。物理量候補値算出部９１は、式（２）〜式（５）の計算を計数部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。
【００３５】
次に、状態判定部９２は、計数部７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２ＮＬとの大小関係に基づいて物体１４の状態を判定する（図７ステップＳ１１）。図８、図９は状態判定部９２の動作を説明するための図であり、計数部７の計数結果の時間変化を示す図である。図８、図９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。
【００３６】
物体１４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１４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８に示すように互いの位相差が１８０度の正弦波形となる。上記の説明では、このときの物体１４の状態を微小変位状態としている。図２０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。距離比例個数ＮＬは、図８に示した正弦波形の平均値に相当する。
【００３７】
一方、物体１４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９の３００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９の３０１で示す負側の波形が正側に折り返された形になる。上記の説明では、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１４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１４の状態は、微小変位状態である。
【００３８】
現時刻ｔの１回前に計測された計数部７の計数結果をＮ（ｔ−１）とすると、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。また、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。状態判定部９２は、Ｎ（ｔ−１）≧２ＮＬが成立する場合、物体１４が変位状態であると判定し、Ｎ（ｔ−１）＜２ＮＬが成立する場合、物体１４が微小変位状態であると判定する。
状態判定部９２は、以上のような判定処理を、計数部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。
【００３９】
次に、符号付与部９３は、計数部７の１回前の計数結果Ｎ（ｔ−１）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２ＮＬとの大小関係に応じて計数部７の最新の計数結果Ｎ（ｔ）に正負の符号を付与する（図７ステップＳ１２〜Ｓ１４）。符号付与部９３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） ・・・（６）
Ｉｆ Ｎ（ｔ−１）＜２ＮＬ Ｔｈｅｎ Ｎ’（ｔ）→＋Ｎ（ｔ） ・・・（７）
【００４０】
符号付与部９３は、式（６）に示すように、Ｎ（ｔ−１）≧２ＮＬが成立する場合には、計数部７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（図７ステップＳ１４）。また、符号付与部９３は、式（７）に示すように、Ｎ（ｔ−１）＜２ＮＬが成立する場合には、計数部７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（図７ステップＳ１３）。
符号付き計数結果Ｎ’（ｔ）は、記憶部９０に格納される。符号付与部９３は、以上のような符号付与処理を、計数部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。
【００４１】
次に、距離比例個数算出部９４は、符号付与部９３によって符号が与えられた符号付き計数結果から距離比例個数ＮＬを求める（図７ステップＳ１５）。距離比例個数算出部９４は、次式に示すように符号付き計数結果を用いて、距離比例個数ＮＬを算出する。
ＮＬ＝（Ｎｕ’＋Ｎｄ’）／２ ・・・（８）
【００４２】
式（８）において、Ｎｕ’は計数結果Ｎｕに符号付与処理を施した後の符号付き計数結果、Ｎｄ’は計数結果Ｎｄに符号付与処理を施した後の符号付き計数結果である。なお、物理量の計測開始初期時においては、符号付与部９３が大小関係を判定するのに必要な距離比例個数ＮＬが得られていない。このため、符号付与部９３は、符号付き計数結果を出力することはできない。したがって、計測開始初期時においては、距離比例個数算出部９４は、式（８）の代わりに計数部７の計数結果Ｎｕ，Ｎｄを用いる次式により距離比例個数ＮＬを算出する。
ＮＬ＝（Ｎｕ＋Ｎｄ）／２ ・・・（９）
【００４３】
つまり、距離比例個数算出部９４は、計測開始初期時に式（９）を用いて距離比例個数ＮＬを算出し、符号付与部９３によって距離比例個数ＮＬの算出に必要な符号付き計数結果が算出されるようになった後は式（８）を用いて距離比例個数ＮＬを算出することになる。
【００４４】
距離比例個数算出部９４が算出した距離比例個数ＮＬは、記憶部９０に格納される。距離比例個数算出部９４は、以上のような距離比例個数ＮＬの算出処理を、計数部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。なお、本実施の形態では、２回分の計数結果を用いて距離比例個数ＮＬを算出しているが、２ｍ（ｍは正の整数）回の計数結果を用いて距離比例個数ＮＬを算出するようにしてもよい。
【００４５】
次に、物理量確定部９５は、状態判定部９２の判定結果に基づいて物体１４との距離および物体１４の速度を確定する（図７ステップＳ１６〜Ｓ１８）。物理量確定部９５は、物体１４が微小変位状態と判定された場合、記憶部９０に記憶されている速度の候補値Ｖα（ｔ）を物体１４の速度として確定し、距離の候補値Ｌα（ｔ）を物体１４との距離として確定する（図７ステップＳ１７）。また、物理量確定部９５は、物体１４が変位状態と判定された場合、記憶部９０に記憶されている速度の候補値Ｖβ（ｔ）を物体１４の速度として確定し、距離の候補値Ｌβ（ｔ）を物体１４との距離として確定する（図７ステップＳ１８）。
【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、これらの符号は物体１４の速度の向きを表現したものではない。発振波長が増加している方の半導体レーザのＭＨＰの数が、発振波長が減少している方の半導体レーザのＭＨＰの数よりも大きいとき、物体１４の速度は正方向（レーザに接近する方向）となる。
第１の演算部９は、以上のステップＳ１０〜Ｓ１８の処理を、計数部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。
【００４７】
一方、第２の演算部１０は、信号抽出部８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１４の変位と速度を算出する。信号抽出部８で用い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、演算対象のＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０からｎ［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］長くなったとすると、この演算対象のＭＨＰの周期における物体１４の変位Ｄ［ｍ］は次式のようになる。
Ｄ＝ｎ×λ／（２×Ｔ０） ・・・（１０）
【００４８】
基準周期Ｔ０とは、物体１４が静止していたときのＭＨＰの周期、もしくは算出された距離におけるＭＨＰの周期である。演算対象のＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０からｎ［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］短くなった場合には、式（１０）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１４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１４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１４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１４の移動方向は半導体レーザ１から遠ざかる方向である。なお、基準周期Ｔ０から物体１４との距離を算出することができる。算出方法としては、特許文献１において、変位が０として算出する方法がある。
【００４９】
また、演算対象のＭＨＰの周期は（Ｔ０＋ｎ）／ｆａｄなので、演算対象のＭＨＰの周期における物体１４の速度Ｖ［ｍ／ｓ］は次式のようになる。
Ｖ＝ｎ×λ／（２×Ｔ０）×ｆａｄ／（Ｔ０＋ｎ） ・・・（１１）
【００５０】
第２の演算部１０は、式（１０）により物体１４の変位Ｄを算出することができ、式（１１）により物体１４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、演算対象のＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０から１［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］長くなったとすると、演算対象のＭＨＰの周期における物体１４の変位Ｄは５．３１［ｎｍ］、速度Ｖは１．０５［ｍｍ／ｓ］と計算できる。第２の演算部１０は、以上のような算出処理をＭＨＰが発生する度に行う。
【００５１】
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１４との距離に関係するＭＨＰの数をＮｌとする。物体１４の平均速度の絶対値を搬送波半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もしくはＮｌ−Ｎａとなる。搬送波半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もしくは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１４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１４の変位Ｄや速度Ｖを算出すればよい。上記の式（１０）、式（１１）は、このような導出原理に基づくものである。なお、上記の平均速度とは、ある１つのＭＨＰ間の平均速度のことである。
【００５２】
第１の演算部９が行うバッチ処理方式の算出処理では、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、第２の演算部１０が行う逐次処理方式の算出処理では、変位と速度の分解能はλ／２×ｎ／Ｔ０なので、半波長λ／２未満の高分解能を実現することができる。また、バッチ処理方式の算出処理では、搬送波の半周期の計測時間がかかるのに対して、逐次処理方式の算出処理では、１つ１つのＭＨＰの周期から物体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、搬送波周波数よりも速度の変化が速い物体にも対応することができる。
【００５３】
次に、切替部１２は、第１の演算部９の算出結果と第２の演算部１０の算出結果のうちどちらを採用するかを切り替える。図１０は切替部１２の動作を示すフローチャートである。切替部１２は、信号抽出部８が計測したＭＨＰの周期Ｔから次式のように単位時間当たりのＭＨＰの数Ｎを算出する（図１０ステップＳ２０）。
Ｎ＝１／Ｔ ・・・（１２）
【００５４】
そして、切替部１２は、ＭＨＰの数Ｎの変化の周波数を搬送波半周期よりも短い一定時間ｔｍ（ｔｍ＜Ｔｃａｒ／２）にわたって調べ、この変化の周波数のうち最大のものをｆｓｉｇとし、搬送波の周波数をｆｃａｒ（＝１／Ｔｃａｒ）としたとき、式（１３）が成立するかどうかを判定する（図１０ステップＳ２１）。
ｆｓｉｇ＞ｆｃａｒ／Ａ ・・・（１３）
Ａは１より大きい所定の定数で、例えば１０である。
【００５５】
切替部１２は、式（１３）が成立する場合、第２の演算部１０が行った逐次処理方式の算出結果を採用すべきと判定し（ステップＳ２２）、式（１３）が成立しない場合、第１の演算部９が行ったバッチ処理方式の算出結果を採用すべきと判定する（ステップＳ２３）。
【００５６】
すなわち、切替部１２は、式（１３）が成立する場合、測定対象の速度の変化が速く、物理量センサの計測結果が搬送波周波数に対して十分低い（１／Ａ程度）周波数の線形結合で表現できないと判定する。この場合、第１の演算部９の算出結果は測定者にとって有用な結果ではなく、第２の演算部１０の算出結果が有用である。したがって、切替部１２は、第２の演算部１０の算出結果を採用すべきと判定する。反対に、式（１３）が成立しない場合、切替部１２は、物理量センサの計測結果が搬送波周波数に対して十分低い周波数の線形結合で表現できると判定する。この場合、第１の演算部９の算出結果は測定者にとって有用な結果である。したがって、切替部１２は、第１の演算部９の算出結果を採用すべきと判定する。切替部１２は、ステップＳ２０〜Ｓ２３の処理を一定時間ｔｍ毎に行う。
【００５７】
スイッチ１３は、切替部１２が第１の演算部９の算出結果を採用すべきと判定した場合、第１の演算部９の算出結果を選択して出力し、切替部１２が第２の演算部１０の算出結果を採用すべきと判定した場合、第２の演算部１０の算出結果を選択して出力する。
こうして、表示部１１は、第１の演算部９の算出結果または第２の演算部１０の算出結果のいずれかをリアルタイムで表示する。
以上のように、本実施の形態では、バッチ処理方式と逐次処理方式とを自動的に適宜切り替えることができる。
【００５８】
［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。第１の実施の形態では、バッチ処理方式と逐次処理方式とを自動的に切り替えたが、物理量センサを用いる測定者が手動で切り替えることも可能である。図１１は本発明の第２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。本実施の形態の物理量センサは、半導体レーザ１と、フォトダイオード２と、レンズ３と、レーザドライバ４と、電流−電圧変換増幅部５と、フィルタ部６と、計数部７と、信号抽出部８と、第１の演算部９と、第２の演算部１０と、表示部１１と、スイッチ１３と、計数部７の計測結果、信号抽出部８の計測結果、第１の演算部９の算出結果、第２の演算部１０の算出結果のうち少なくとも１つを第１、第２の演算部９，１０の算出結果の切替判断用の情報として、この情報を測定者に提示する情報提示部１５と、測定者の指示に応じて、第１の演算部９の算出結果と第２の演算部１０の算出結果のどちらか一方を物理量センサの計測結果として採用する切替指示入力部１６とを有する。
【００５９】
情報提示部１５は、計数部７の計測結果、信号抽出部８の計測結果、第１の演算部９の算出結果、第２の演算部１０の算出結果のうち少なくとも１つをバッチ処理方式と逐次処理方式の切替判断用の情報として、この情報を数値で表示するか、あるいは情報の履歴をグラフで表示する。
【００６０】
物理量センサを用いる測定者は、情報提示部１５が表示した情報を見て、バッチ処理方式と逐次処理方式のどちらで有用な情報が得られているかを判断し、バッチ処理方式と逐次処理方式のどちらか一方を選択すべく切替指示入力部１６を操作する。
切替指示入力部１６は、測定者の操作に応じて、第１の演算部９の算出結果または第２の演算部１０の算出結果のどちらか一方をスイッチ１３に選択させる。
【００６１】
その他の構成の動作は、第１の実施の形態で説明したとおりである。こうして、表示部１１は、第１の演算部９が行ったバッチ処理方式の算出結果または第２の演算部１０が行った逐次処理方式の算出結果のどちらか一方を、測定者の選択に応じて表示することになる。
以上のように、本実施の形態では、バッチ処理方式と逐次処理方式とを手動で切り替えることができる。
【００６２】
［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。第１の実施の形態では、基準周期Ｔ０を物体１４が静止している状態でのＭＨＰの周期としたが、本実施の形態は基準周期Ｔ０の他の求め方を説明するものである。図１２は本発明の第３の実施の形態に係る第２の演算部１０の構成例を示すブロック図である。第２の演算部１０は、物理量算出部１００と、周期算出部１０１とから構成される。物理量センサの全体の構成は第１、第２の実施の形態と同様でよい。
【００６３】
周期算出部１０１は、第１の演算部９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１０１のデータベース（不図示）に登録しておけば、周期算出部１０１は、第１の演算部９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１０１は、第１の演算部９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。
【００６４】
物理量算出部１００は、周期算出部１０１が求めた周期を基準周期Ｔ０とし、信号抽出部８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１４の変位と速度を算出する。つまり、物理量算出部１００は、第１の実施の形態で説明した式（１０）により物体１４の変位Ｄを算出し、式（１１）により物体１４の速度Ｖを算出する。
本実施の形態によれば、静止させることができない物体１４の場合であっても、基準周期Ｔ０を求めることができる。
【００６５】
［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。図１３は本発明の第４の実施の形態に係る第２の演算部１０の構成例を示すブロック図である。第２の演算部１０は、物理量算出部１００と、計数部７の計数結果等を記憶する記憶部１０２と、計数部７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を求める距離比例個数算出部１０３と、計数部７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７の最新の計数結果に正負の符号を付与する符号付与部１０４と、距離比例個数ＮＬからＭＨＰの周期を算出する周期算出部１０５とから構成される。物理量センサの全体の構成は第１、第２の実施の形態と同様でよい。
【００６６】
計数部７の計数結果は、記憶部１０２に格納される。距離比例個数算出部１０３は、計数部７の計数結果から、第１の実施の形態の距離比例個数算出部９４と同様にして距離比例個数ＮＬを求める。距離比例個数ＮＬは、記憶部１０２に格納される。距離比例個数算出部１０３は、距離比例個数ＮＬの算出処理を、計数部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。
【００６７】
次に、符号付与部１０４は、第１の実施の形態の符号付与部９３と同様にして計数部７の最新の計数結果Ｎ（ｔ）に正負の符号を付与する。正負の符号が与えられた符号付き計数結果Ｎ’（ｔ）は、記憶部１０２に格納される。符号付与部１０４は、符号付与処理を、計数部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。
【００６８】
次に、周期算出部１０５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×ｆｃａｒ×ＮＬ） ・・・（１４）
ここで、ｆｃａｒは搬送波（三角波）の周波数、Ｃは光速である。
【００６９】
物理量算出部１００は、周期算出部１０５が求めた周期を基準周期Ｔ０とし、信号抽出部８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１４の変位と速度を算出する。つまり、物理量算出部１００は、第１の実施の形態で説明した式（１０）により物体１４の変位Ｄを算出し、式（１１）により物体１４の速度Ｖを算出する。
本実施の形態によれば、静止させることができない物体１４の場合であっても、基準周期Ｔ０を求めることができる。
【００７０】
［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。図１４は本発明の第５の実施の形態に係る第１の演算部９の構成例を示すブロック図、図１５はこの第１の演算部９の動作を示すフローチャートである。本実施の形態の第１の演算部９は、記憶部９０と、物理量候補値算出部９１と、計数部７の第１の発振期間Ｐ１の計数結果と第２の発振期間Ｐ２の計数結果の増減方向の一致不一致に基づいて物体１４の状態を判定する状態判定部９２ａと、物理量確定部９５とから構成される。
【００７１】
物理量候補値算出部９１の動作は、第１の実施の形態と同じである（図１５ステップＳ１０）。
次に、状態判定部９２ａは、計数部７の第１の発振期間Ｐ１の計数結果Ｎｕと第２の発振期間Ｐ２の計数結果Ｎｄの増減方向の一致不一致に基づいて物体１４の状態を判定する（図１５ステップＳ１９）。状態判定部９２ａは、計数結果Ｎｕの時間変化に対して計数結果Ｎｄの時間変化が逆方向の場合、物体１４が微小変位状態であると判定し、計数結果Ｎｕの時間変化に対して計数結果Ｎｄの時間変化が同方向の場合、物体１４が変位状態であると判定する。
【００７２】
現時刻ｔの計数結果がＮｕであれば、計数結果Ｎｕの増減は、現時刻ｔの計数結果Ｎｕ（ｔ）と２回前の計数結果Ｎｕ（ｔ−２）との差Ｎｕ（ｔ）−Ｎｕ（ｔ−２）の符号で判別することができ、計数結果Ｎｄの増減は、１回前の計数結果Ｎｄ（ｔ−１）と３回前の計数結果Ｎｄ（ｔ−３）との差Ｎｄ（ｔ−１）−Ｎｄ（ｔ−３）の符号で判別することができる。一方、現時刻ｔの計数結果がＮｄであれば、計数結果Ｎｕの増減は、１回前の計数結果Ｎｕ（ｔ−１）と３回前の計数結果Ｎｕ（ｔ−３）との差Ｎｕ（ｔ−１）−Ｎｕ（ｔ−３）の符号で判別することができ、計数結果Ｎｄの増減は、現時刻ｔの計数結果Ｎｄ（ｔ）と２回前の計数結果Ｎｄ（ｔ−２）との差Ｎｄ（ｔ）−Ｎｄ（ｔ−２）の符号で判別することができる。
【００７３】
このような増減の判別の結果、計数結果Ｎｕ，Ｎｄが共に増加している場合あるいは共に減少している場合は、計数結果Ｎｕの時間変化に対して計数結果Ｎｄの時間変化が同方向であり、物体１４が変位状態であると判断することができる。また、計数結果Ｎｕ，Ｎｄのどちらか一方が増加していて他方が減少している場合は、計数結果Ｎｕの時間変化に対して計数結果Ｎｄの時間変化が逆方向であり、物体１４が微小変位状態であると判断することができる。
状態判定部９２ａは、以上のような判定処理を、計数部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。
【００７４】
第１の実施の形態と同様に、物理量確定部９５は、状態判定部９２ａの判定結果に基づいて物体１４との距離および物体１４の速度を確定する（図１５ステップＳ１６〜Ｓ１８）。
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、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７５】
［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。図９で説明したような計数結果の折り返しが生じると、計数結果Ｎｕ，Ｎｄの平均値に変化が生じる。そこで、状態判定部９２ａは、計数結果Ｎｕ，Ｎｄの平均値の変化に基づいて物体１４の状態を判定するようにしてもよい。本実施の形態においても、第１の演算部９の構成は第５の実施の形態と同様であるので、図１４、図１５の符号を用いて説明する。
【００７６】
物理量候補値算出部９１の動作は、第１の実施の形態と同じである（図１５ステップＳ１０）。
本実施の形態の状態判定部９２ａは、現時刻ｔ以前に求めた計数結果Ｎｕの最新の平均値がこの値よりも前に求めた計数結果Ｎｕの平均値に対して所定のしきい値以内であり、かつ現時刻ｔ以前に求めた計数結果Ｎｄの最新の平均値がこの値よりも前に求めた計数結果Ｎｕの平均値に対して所定のしきい値以内である場合、計数結果Ｎｕ，Ｎｄのそれぞれの平均値に変化無しと判断して、物体１４が微小変位状態であると判定する（図１５ステップＳ１９）。
【００７７】
また、状態判定部９２ａは、現時刻ｔ以前に求めた計数結果Ｎｕの最新の平均値がこの値よりも前に求めた計数結果Ｎｕの平均値に対して所定のしきい値を超えて変化したり、現時刻ｔ以前に求めた計数結果Ｎｄの最新の平均値がこの値よりも前に求めた計数結果Ｎｕの平均値に対して所定のしきい値を超えて変化したりした場合、物体１４が変位状態であると判定する（図１５ステップＳ１９）。
状態判定部９２ａは、以上のような判定処理を、計数部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。
【００７８】
第１の実施の形態と同様に、物理量確定部９５は、状態判定部９２ａの判定結果に基づいて物体１４との距離および物体１４の速度を確定する（図１５ステップＳ１６〜Ｓ１８）。
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、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７９】
［第７の実施の形態］
次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。第１の実施の形態では、切替部１２は信号抽出部８の計測結果に基づいて第１の演算部９の算出結果と第２の演算部１０の算出結果のうちどちらを採用するかを切り替えているが、計数部７の計数結果に基づいて切り替えるようにしてもよい。図１６は本発明の第７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と同一の構成には同一の符号を付してある。
【００８０】
図１７は本実施の形態の切替部１２ａの動作を示すフローチャートである。切替部１２ａは、計数部７の計数結果の変化の周波数をｆｎ、半導体レーザ１の発振波長変調の搬送波の周波数をｆｃａｒとしたとき、次式が成立するかどうかを判定する（図１７ステップＳ２４）。
ｆｎ＞ｆｃａｒ／Ｂ ・・・（１５）
Ｂは１より大きい所定の定数で、例えば１０である。
【００８１】
切替部１２ａは、式（１５）が成立する場合、第２の演算部１０が行った逐次処理方式の算出結果を採用すべきと判定し（ステップＳ２５）、式（１５）が成立しない場合、第１の演算部９が行ったバッチ処理方式の算出結果を採用すべきと判定する（ステップＳ２６）。切替部１２ａは、ステップＳ２４〜Ｓ２６の処理を一定時間毎に行う。
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、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００８２】
［第８の実施の形態］
次に、本発明の第８の実施の形態について説明する。第１〜第７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１８は本発明の第８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と同一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〜第７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１７を用いるものである。
【００８３】
電圧検出部１７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１４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。
【００８４】
フィルタ部６は、電圧検出部１７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〜第７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〜第７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。
【００８５】
本実施の形態では、レーザドライバ４から半導体レーザ１に供給する駆動電流をレーザ発振のしきい値電流付近に制御することが好ましい。これにより、半導体レーザ１の端子間電圧からＭＨＰを抽出することが容易になる。
【００８６】
なお、第１〜第７の実施の形態において、特開２００９−４７６７６号公報に開示された技術を用いて、計数部７の計数結果を補正するようにしてもよい。
また、第１の実施の形態の第１の演算部９の代わりに、特許文献１に開示された距離・速度算出方法を用いて物体１４との距離及び物体１４の速度を算出するようにしてもよい。
【００８７】
なお、第１〜第８の実施の形態において少なくとも計数部７と信号抽出部８と第１の演算部９と第２の演算部１０と切替部１２，１２ａと情報提示部１５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８の実施の形態で説明した処理を実行する。
また、第１〜第８の実施の形態で計測する物理量の例としては、距離、変位、速度、振動周波数、振動振幅などの他に質量、長さ、時間、エネルギーがある。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
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。
【符号の説明】
【００８９】
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…計数部、８…信号抽出部、９…第１の演算部、１０…第２の演算部、１１…表示部、１２，１２ａ…切替部、１３…スイッチ、１４…物体、１５…情報提示部、１６…切替指示入力部、１７…電圧検出部、９０…記憶部、９１…物理量候補値算出部、９２，９２ａ…状態判定部、９３…符号付与部、９４…距離比例個数算出部、９５…物理量確定部、１００…物理量算出部、１０１…周期算出部、１０２…記憶部、１０３…距離比例個数算出部、１０４…符号付与部、１０５…周期算出部。
【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、
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、
前記計数手段の計数結果に基づいて前記測定対象の物理量を算出する第１の演算手段と、
前記信号抽出手段が計測した個々の周期に基づいて前記測定対象の物理量を算出する第２の演算手段と、
前記第１の演算手段の算出結果と前記第２の演算手段の算出結果のどちらを物理量の計測結果として採用するかを切り替え可能な切替手段とを備え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、
前記切替手段は、前記信号抽出手段が計測した個々の周期から前記干渉波形の単位時間当たりの数を算出し、この数の変化の周波数をｆｓｉｇ、前記半導体レーザの発振波長変調の搬送波の周波数をｆｃａｒとしたとき、ｆｓｉｇ＞ｆｃａｒ／Ａ（Ａは１より大きい所定の定数）が成立する場合、前記第２の演算手段の算出結果を採用すべきと判定し、ｆｓｉｇ＞ｆｃａｒ／Ａが成立しない場合、前記第１の演算手段の算出結果を採用すべきと判定することを特徴とする物理量センサ。
【請求項３】
請求項１記載の物理量センサにおいて、
前記切替手段は、
前記計数手段の計数結果、前記信号抽出手段の計測結果、前記第１の演算手段の算出結果、前記第２の演算手段の算出結果のうち少なくとも１つを前記第１、第２の演算手段の算出結果の切替判断用の情報として、この情報を測定者に提示する情報提示手段と、
測定者の指示に応じて、前記第１の演算手段の算出結果と前記第２の演算手段の算出結果のどちらか一方を物理量の計測結果として採用する切替指示入力手段とから構成されることを特徴とする物理量センサ。
【請求項４】
請求項１記載の物理量センサにおいて、
前記切替手段は、前記計数手段の計数結果の変化の周波数をｆｎ、前記半導体レーザの発振波長変調の搬送波の周波数をｆｃａｒとしたとき、ｆｎ＞ｆｃａｒ／Ｂ（Ｂは１より大きい所定の定数）が成立する場合、前記第２の演算手段の算出結果を採用すべきと判定し、ｆｎ＞ｆｃａｒ／Ｂが成立しない場合、前記第１の演算手段の算出結果を採用すべきと判定することを特徴とする物理量センサ。
【請求項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、
前記第１の演算手段は、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のうち少なくとも一方を算出し、
前記第２の演算手段は、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、基準周期と、前記半導体レーザの平均波長と、前記信号抽出手段が計測し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および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。
【請求項６】
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、
前記計数手順の計数結果に基づいて前記測定対象の物理量を算出する第１の演算手順と、
前記信号抽出手順で計測した個々の周期に基づいて前記測定対象の物理量を算出する第２の演算手順と、
前記第１の演算手順の算出結果と前記第２の演算手順の算出結果のどちらを物理量の計測結果として採用するかを切り替え可能な切替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７】
請求項６記載の物理量計測方法において、
前記切替手順は、前記信号抽出手順で計測した個々の周期から前記干渉波形の単位時間当たりの数を算出し、この数の変化の周波数をｆｓｉｇ、前記半導体レーザの発振波長変調の搬送波の周波数をｆｃａｒとしたとき、ｆｓｉｇ＞ｆｃａｒ／Ａ（Ａは１より大きい所定の定数）が成立する場合、前記第２の演算手順の算出結果を採用すべきと判定し、ｆｓｉｇ＞ｆｃａｒ／Ａが成立しない場合、前記第１の演算手順の算出結果を採用すべきと判定することを特徴とする物理量計測方法。
【請求項８】
請求項６記載の物理量計測方法において、
前記切替手順は、
前記計数手順の計数結果、前記信号抽出手順の計測結果、前記第１の演算手順の算出結果、前記第２の演算手順の算出結果のうち少なくとも１つを前記第１、第２の演算手順の算出結果の切替判断用の情報として、この情報を測定者に提示する情報提示手順と、
測定者の指示に応じて、前記第１の演算手順の算出結果と前記第２の演算手順の算出結果のどちらか一方を物理量の計測結果として採用する切替指示入力手順とから構成されることを特徴とする物理量計測方法。
【請求項９】
請求項６記載の物理量計測方法において、
前記切替手順は、前記計数手順の計数結果の変化の周波数をｆｎ、前記半導体レーザの発振波長変調の搬送波の周波数をｆｃａｒとしたとき、ｆｎ＞ｆｃａｒ／Ｂ（Ｂは１より大きい所定の定数）が成立する場合、前記第２の演算手順の算出結果を採用すべきと判定し、ｆｎ＞ｆｃａｒ／Ｂが成立しない場合、前記第１の演算手順の算出結果を採用すべきと判定することを特徴とする物理量センサ。
【請求項１０】
請求項６乃至９のいずれか１項に記載の物理量計測方法において、
前記第１の演算手順は、前記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および前記測定対象の速度のうち少なくとも一方を算出し、
前記第２の演算手順は、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、基準周期と、前記半導体レーザの平均波長と、前記信号抽出手順で計測し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および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。
【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、
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、
前記計数手段の計数結果に基づいて前記測定対象の物理量を算出する第１の演算手段と、
前記信号抽出手段が計測した個々の周期に基づいて前記測定対象の物理量を算出する第２の演算手段と、
前記第１の演算手段の算出結果と前記第２の演算手段の算出結果のどちらを物理量の計測結果として採用するかを切り替え可能な切替手段とを備え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、
前記切替手段は、前記信号抽出手段が計測した個々の周期から前記干渉波形の単位時間当たりの数を算出し、この数の変化の周波数をｆｓｉｇ、前記半導体レーザの発振波長変調の搬送波の周波数をｆｃａｒとしたとき、ｆｓｉｇ＞ｆｃａｒ／Ａ（Ａは１より大きい所定の定数）が成立する場合、前記第２の演算手段の算出結果を採用すべきと判定し、ｆｓｉｇ＞ｆｃａｒ／Ａが成立しない場合、前記第１の演算手段の算出結果を採用すべきと判定することを特徴とする物理量センサ。
【請求項３】
請求項１記載の物理量センサにおいて、
前記切替手段は、
前記計数手段の計数結果、前記信号抽出手段の計測結果、前記第１の演算手段の算出結果、前記第２の演算手段の算出結果のうち少なくとも１つを前記第１、第２の演算手段の算出結果の切替判断用の情報として、この情報を測定者に提示する情報提示手段と、
測定者の指示に応じて、前記第１の演算手段の算出結果と前記第２の演算手段の算出結果のどちらか一方を物理量の計測結果として採用する切替指示入力手段とから構成されることを特徴とする物理量センサ。
【請求項４】
請求項１記載の物理量センサにおいて、
前記切替手段は、前記計数手段の計数結果の変化の周波数をｆｎ、前記半導体レーザの発振波長変調の搬送波の周波数をｆｃａｒとしたとき、ｆｎ＞ｆｃａｒ／Ｂ（Ｂは１より大きい所定の定数）が成立する場合、前記第２の演算手段の算出結果を採用すべきと判定し、ｆｎ＞ｆｃａｒ／Ｂが成立しない場合、前記第１の演算手段の算出結果を採用すべきと判定することを特徴とする物理量センサ。
【請求項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、
前記第１の演算手段は、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のうち少なくとも一方を算出し、
前記第２の演算手段は、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、基準周期と、前記半導体レーザの平均波長と、前記信号抽出手段が計測し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および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。
【請求項６】
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、
前記計数手順の計数結果に基づいて前記測定対象の物理量を算出する第１の演算手順と、
前記信号抽出手順で計測した個々の周期に基づいて前記測定対象の物理量を算出する第２の演算手順と、
前記第１の演算手順の算出結果と前記第２の演算手順の算出結果のどちらを物理量の計測結果として採用するかを切り替え可能な切替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７】
請求項６記載の物理量計測方法において、
前記切替手順は、前記信号抽出手順で計測した個々の周期から前記干渉波形の単位時間当たりの数を算出し、この数の変化の周波数をｆｓｉｇ、前記半導体レーザの発振波長変調の搬送波の周波数をｆｃａｒとしたとき、ｆｓｉｇ＞ｆｃａｒ／Ａ（Ａは１より大きい所定の定数）が成立する場合、前記第２の演算手順の算出結果を採用すべきと判定し、ｆｓｉｇ＞ｆｃａｒ／Ａが成立しない場合、前記第１の演算手順の算出結果を採用すべきと判定することを特徴とする物理量計測方法。
【請求項８】
請求項６記載の物理量計測方法において、
前記切替手順は、
前記計数手順の計数結果、前記信号抽出手順の計測結果、前記第１の演算手順の算出結果、前記第２の演算手順の算出結果のうち少なくとも１つを前記第１、第２の演算手順の算出結果の切替判断用の情報として、この情報を測定者に提示する情報提示手順と、
測定者の指示に応じて、前記第１の演算手順の算出結果と前記第２の演算手順の算出結果のどちらか一方を物理量の計測結果として採用する切替指示入力手順とから構成されることを特徴とする物理量計測方法。
【請求項９】
請求項６記載の物理量計測方法において、
前記切替手順は、前記計数手順の計数結果の変化の周波数をｆｎ、前記半導体レーザの発振波長変調の搬送波の周波数をｆｃａｒとしたとき、ｆｎ＞ｆｃａｒ／Ｂ（Ｂは１より大きい所定の定数）が成立する場合、前記第２の演算手順の算出結果を採用すべきと判定し、ｆｎ＞ｆｃａｒ／Ｂが成立しない場合、前記第１の演算手順の算出結果を採用すべきと判定することを特徴とする物理量センサ。
【請求項１０】
請求項６乃至９のいずれか１項に記載の物理量計測方法において、
前記第１の演算手順は、前記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および前記測定対象の速度のうち少なくとも一方を算出し、
前記第２の演算手順は、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、基準周期と、前記半導体レーザの平均波長と、前記信号抽出手順で計測し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および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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１１−１０６８５１（Ｐ２０１１−１０６８５１Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５９６７０（Ｐ２００９−２５９６７０）
【出願日】平成２１年１１月１３日（２００９．１１．１３）
【出願人】（０００００６６６６）株式会社山武 (1,808)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１３日（２００９．１１．１３）
【出願人】（０００００６６６６）株式会社山武 (1,808)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]