距離・速度計および距離・速度計測方法
【課題】自己結合型のレーザ計測器の利点を活かしつつ、測定対象との距離と測定対象の速度を計測する。
【解決手段】距離・速度計は、半導体レーザ１と、半導体レーザ１に、発振波長が連続的に増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に減少する第２の発振期間とを交互に繰り返させるレーザドライバ４と、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、フォトダイオード２の出力に含まれる、半導体レーザ１の出力光と測定対象１１からの戻り光との半導体レーザ１内での干渉に基づくパルスの数を、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手段５〜８と、半導体レーザ１の最小発振波長と最大発振波長と計数手段の計数結果から測定対象１１との距離及び測定対象１１の速度を算出する演算手段９とを有する。
【解決手段】距離・速度計は、半導体レーザ１と、半導体レーザ１に、発振波長が連続的に増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に減少する第２の発振期間とを交互に繰り返させるレーザドライバ４と、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、フォトダイオード２の出力に含まれる、半導体レーザ１の出力光と測定対象１１からの戻り光との半導体レーザ１内での干渉に基づくパルスの数を、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手段５〜８と、半導体レーザ１の最小発振波長と最大発振波長と計数手段の計数結果から測定対象１１との距離及び測定対象１１の速度を算出する演算手段９とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザの自己結合効果を利用して、測定対象との距離及び測定対象の速度を計測する距離・速度計および距離・速度計測方法に関するものである。
【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く、高精度の測定方法として古くから用いられている。最近では、半導体レーザは装置の小型化のため、光計測用光源として利用されようとしている。その代表的な例として、ＦＭヘテロダイン干渉計を利用したものがある。これは、比較的長距離測定が可能で精度もよいが、半導体レーザの外部に干渉計を用いているため、光学系が複雑になるという欠点を有する。
【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いる（例えば、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３参照）。このような自己結合型のレーザ計測器によれば、フォトダイオード内蔵の半導体レーザが発光、干渉、受光の各機能を兼ねているため、外部干渉光学系を大幅に簡略化することができる。したがって、センサ部が半導体レーザとレンズのみとなり、従来のものに比べて小型となる。また、三角測量法より距離測定範囲が広いという特徴を有する。
【０００４】
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２０に示す。図２０において、１０１は半導体レーザ、１０２は半導体結晶の壁開面、１０３はフォトダイオード、１０４は測定対象である。測定対象１０４からの反射光の一部が発振領域内に戻り易い。戻って来たわずかな光は、共振器１０１内のレーザ光と結合し、動作が不安定となり雑音（複合共振器ノイズまたは戻り光ノイズ）を生じる。戻り光による半導体レーザの特性の変化は、出力光に対する相対的な戻り光量が、極めてわずかであっても顕著に現れる。このような現象は、ファブリペロー型（以下、ＦＰ型）半導体レーザに限らず、Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ型（以下、ＶＣＳＥＬ型）、Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＦｅｅｄＢａｃｋ ｌａｓｅｒ型（以下、ＤＦＢレーザ型）など、他の種類の半導体レーザにおいても同様に現れる。
【０００５】
レーザの発振波長をλ、測定対象１０４に近い方の壁開面１０２から測定対象１０４までの距離をＬとすると、以下の共振条件を満足するとき、戻り光と共振器１０１内のレーザ光は強め合い、レーザ出力がわずかに増加する。
Ｌ＝ｎλ／２ ・・・（１）
式（１）において、ｎは整数である。この現象は、測定対象１０４からの散乱光が極めて微弱であっても、半導体レーザの共振器１０１内の見かけの反射率が増加することにより、増幅作用が生じ、十分観測できる。
【０００６】
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＝ｎλ／２を満足したときに、戻り光と共振器１０１内のレーザ光の位相差が０°（同位相）になって、戻り光と共振器１０１内のレーザ光とが最も強め合い、Ｌ＝ｎλ／２＋λ／４のときに、位相差が９０°（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。
【０００７】
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２２に示すように、注入電流の連続的な増減に応じて発振波長に不連続な箇所が生じる現象である。注入電流の増加時と減少時とにおいて僅かにヒステリシスを有する。
【０００８】
【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】
【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化できるため、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、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。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、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・速度計および距離・速度計測方法を提供することを目的とする。特に、自己結合型のレーザ計測器の利点を活かしつつ、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・速度計および距離・速度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】
【００１１】
本発明の距離・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、この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を、前記第１の発振期間の少なくとも一部と前記第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、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を有するものである。
また、本発明の距離・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、前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器と、この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、前記第１の発振期間の少なくとも一部と前記第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、前記半導体レーザの各発振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を有するものである。
また、本発明の距離・速度計の１構成例において、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・速度算出部と、この距離・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・速度算出部と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、この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及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を確定する距離・速度確定部とからなるものである。
また、本発明の距離・速度計の１構成例において、前記距離・速度算出部と前記履歴変位算出部は、前記測定対象の状態を微小変位状態あるいは前記微小変位状態よりも動きが急な変位状態のいずれかであるとし、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前記距離の候補値と前記速度の候補値と前記履歴変位とを、前記第１の発振期間と前記第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・速度算出部と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が微小変位状態にあるか変位状態にあるかを前記算出毎に判定すると共に、前記測定対象が等速度運動しているか加速度運動しているかを前記算出毎に判定するものである。
【００１２】
また、本発明の距離・速度計の１構成例において、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前記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前記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前記履歴変位の絶対値の平均値とが等しい場合、前記測定対象が微小変位状態で等速度運動していると判定するものである。
また、本発明の距離・速度計の１構成例において、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前記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前記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前記履歴変位の絶対値の平均値とが等しい場合、前記測定対象が変位状態で等速度運動していると判定するものである。
【００１３】
また、本発明の距離・速度計の１構成例において、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前記履歴変位の符号が前記算出毎に反転し、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前記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前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、前記測定対象が微小変位状態で加速度運動していると判定するものである。
また、本発明の距離・速度計の１構成例において、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前記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前記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前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、前記測定対象が微小変位状態で加速度運動していると判定するものである。
また、本発明の距離・速度計の１構成例において、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前記履歴変位の符号が前記算出毎に反転し、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前記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前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、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ものである。
また、本発明の距離・速度計の１構成例において、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前記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変位状態にあると仮定して算出された前記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前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、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ものである。
また、本発明の距離・速度計の１構成例において、前記演算手段は、前記測定対象が微小な変位を有する運動状態にある場合、前記算出の結果の代わりに、前記変位の積分結果を前記測定対象との距離の変化とするものである。
また、本発明の距離・速度計測方法は、波長変調した波を測定対象に放射し、測定対象に反射して戻る波と前記放射した波との間で発生する干渉を検出し、この干渉に関する情報に基づいて、測定対象との距離および測定対象との速度の候補値をそれぞれ算出すると共にこれらの候補値の中から該当する速度および距離の値をそれぞれ１つずつ選択するようにしたものである。
また、本発明は、半導体レーザを用いて測定対象にレーザ光を放射する距離・速度計測方法において、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に少なくとも２期間存在するように前記半導体レーザを動作させる発振手順と、前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、前記第１の発振期間の少なくとも一部と前記第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備えるものである。
また、本発明の距離・速度計測方法の１構成例において、前記演算手順は、前記測定対象が微小な変位を有する運動状態にある場合、前記算出の結果の代わりに、前記変位の積分結果を前記測定対象との距離の変化とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、測定対象との距離だけでなく、測定対象の速度（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、レーザ計測器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いるか加速度運動しているかを判定することができる。
【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、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザ１と、半導体レーザ１の光出力を電気信号に変換するフォトダイオード２と、半導体レーザ１からの光を集光して測定対象１２に照射すると共に、測定対象１２からの戻り光を集光して半導体レーザ１に入射させるレンズ３と、半導体レーザ１に発振波長が連続的に増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に減少する第２の発振期間とを交互に繰り返させるレーザドライバ４と、フォトダイオード２の出力電流を電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅器５と、電流−電圧変換増幅器５の出力電圧を２回微分する信号抽出回路１１と、信号抽出回路１１の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を数える計数回路８と、測定対象１２との距離及び測定対象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。電流−電圧変換増幅器５と信号抽出回路１１と計数回路８とは、計数手段を構成している。
【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い型（ＶＣＳＥＬ型、ＤＦＢレーザ型）のものが用いられているものと想定する。そして、モードホッピング現象を持つ型（ＦＰ型）の半導体レーザ１を用いた場合については、その旨を特記する。
【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、ｔ−１はｔ−１番目の発振期間、ｔはｔ番目の発振期間、λａは各期間における発振波長の最小値、λｂは各期間における発振波長の最大値である。この実施例では、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。なお、駆動電流が、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３期間連続する波形を持つ駆動電流であって、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を持つ駆動電流であれば、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、消費電流を抑制するために、２山毎（すなわち４期間毎）に休止期間を置いた間歇的な波形の駆動電流を用いることができる（図３）。
【００１９】
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４（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４（Ｂ）は微分回路６の出力電圧波形を模式的に示す図、図４（Ｃ）は微分回路７の出力電圧波形を模式的に示す図である。これらは、フォトダイオード１０３の出力である図４（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４（Ｃ）のＭＨＰ波形（重畳波）を抽出する過程を表している。
【００２０】
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−１におけるＭＨＰの数をＭＨＰｔ−１（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 Transform（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。
【００２１】
演算装置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との距離及び測定対象１２の速度を算出する。なお、上述の通り、最大発振波長λｂと最小発振波長λａとの差であるλｂ−λａ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が、もしλｂ−λａ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λｂ−λａの値によってＭＰＨの数を正規化しておく必要がある。
【００２２】
図５は演算装置９の構成の１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１の最小発振波長λａと最大発振波長λｂと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・速度算出部９１と、距離・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・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・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との距離及び測定対象１２の速度を確定する距離・速度確定部９５とから構成される。
【００２３】
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（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。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。
【００２４】
まず、演算装置９の距離・速度算出部９１は、現時刻ｔにおける距離の候補値Ｌα（ｔ），Ｌβ（ｔ）と変位の候補値Ｖα（ｔ），Ｖβ（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Ｓ１）。
Ｌα（ｔ）＝λａ×λｂ×（’ＭＨＰｔ−１’＋’ＭＨＰｔ’）
／｛４×（λｂ−λａ）｝ ・・・（２）
Ｌβ（ｔ）＝λａ×λｂ×（｜’ＭＨＰｔ−１’−’ＭＨＰｔ’｜）
／｛４×（λｂ−λａ）｝ ・・・（３）
Ｖα（ｔ）＝（’ＭＨＰｔ−１’−’ＭＨＰｔ’）×λ／４ ・・・（４）
Ｖβ（ｔ）＝（’ＭＨＰｔ−１’＋’ＭＨＰｔ’）×λ／４ ・・・（５）
なお、式の中のクォーテーション記号 ’はＭＨＰ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λ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λはλａとなる。また、現時刻が図２の時刻ｔ＋１である場合は、波長λはλｂとなる。
なお、上述の式（２）及び（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）及び（３）に代えて下記の式（２Ａ）及び（３Ａ）を用いる必要がある。
Ｌα（ｔ）＝λａ×λｂ×（’ＭＨＰｔ−１’＋’ＭＨＰｔ’）
／｛４×（λｂ−λａ−Σλｍｐ）｝ ・・・（２Ａ）
Ｌβ（ｔ）＝λａ×λｂ×（｜’ＭＨＰｔ−１’−’ＭＨＰｔ’｜）
／｛４×（λｂ−λａ−Σλｍｐ）｝ ・・・（３Ａ）
ここでλｍｐ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λｍｐもほぼ同じ大きさを示す。Σλｍｐ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λｍｐを全て加算した値である。
【００２５】
候補値Ｌα（ｔ），Ｖα（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Ｌβ（ｔ），Ｖβ（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。
【００２６】
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Ｓ２）。
Ｖｃａｌα（ｔ）＝Ｌα（ｔ）−Ｌα（ｔ−１） ・・・（６）
Ｖｃａｌβ（ｔ）＝Ｌβ（ｔ）−Ｌβ（ｔ−１） ・・・（７）
【００２７】
履歴変位Ｖｃａｌα（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Ｖｃａｌβ（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）。
【００２８】
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Ｖα（ｔ），Ｖβ（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ），Ｖｃａｌβ（ｔ）の１例を示す。図７の例では、測定対象１２の速度を０．０００５ｍ／期間、半導体レーザ１の最小発振波長λａを６８０ｎｍ、最大発振波長λｂを６８１ｎｍ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Ｖｃａｌα（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Ｖα（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌα（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Ｖｃａｌβ（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合が異なる。
【００２９】
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Ｖｃａｌα（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１２が微小変位状態で移動していると判定する。
【００３０】
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Ｖα（ｔ），Ｖβ（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ），Ｖｃａｌβ（ｔ）の１例を示す。図８の例では、測定対象１２の速度を０．００２ｍ／期間、半導体レーザ１の最小発振波長λａを６８０ｎｍ、最大発振波長λｂを６８１ｎｍ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Ｖｃａｌβ（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Ｖβ（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌβ（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Ｖｃａｌα（ｔ）の符号は始点時刻ｔ毎に反転する。
【００３１】
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Ｖｃａｌβ（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１２が変位状態で移動していると判定する。
【００３２】
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Ｖα（ｔ），Ｖβ（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ），Ｖｃａｌβ（ｔ）の１例を示す。図９の例では、測定対象１２の最大速度を０．０００００２ｍ／期間、半導体レーザ１の最小発振波長λａを６８０ｎｍ、最大発振波長λｂを６８１ｎｍ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Ｖα（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Ｖｃａｌα（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Ｖβ（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Ｖｃａｌβ（ｔ）の絶対値の平均値も一致しない。
【００３３】
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Ｖｃａｌα（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Ｖｃａｌβ（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。
【００３４】
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Ｖｃａｌα（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１２が微小変位状態で振動していると判定する。
【００３５】
なお、図９に示した速度の候補値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Ｖβ（ｔ）の絶対値が波長変化率と等しく、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１２が微小変位状態で振動していると判定してもよい。
【００３６】
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Ｖｃａｌα（ｔ），Ｖｃａｌβ（ｔ）の１例を示す。図１１の例では、測定対象１２の最大速度を０．０１ｍ／期間、半導体レーザ１の最小発振波長λａを６８０ｎｍ、最大発振波長λｂを６８１ｎｍとした。なお、図１１では、値が小さいため、速度の候補値Ｖα（ｔ），Ｖβ（ｔ）については記載していない。
【００３７】
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Ｖα（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Ｖｃａｌα（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Ｖβ（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Ｖｃａｌβ（ｔ）の絶対値の平均値も一致しない。
【００３８】
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Ｖｃａｌβ（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Ｖｃａｌα（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。
【００３９】
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Ｖｃａｌβ（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１２が変位状態で振動していると判定する。
【００４０】
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Ｖα（ｔ）の絶対値が波長変化率と等しく、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１２が変位状態で振動していると判定してもよい。
【００４１】
以上の状態判定部９４の判定動作を図１３に示す。演算装置９の距離・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の速度及び測定対象１２との距離を確定する（図６ステップＳ４）。
【００４２】
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Ｖα（ｔ）を測定対象１２の速度とし、距離の候補値Ｌα（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Ｖβ（ｔ）を測定対象１２の速度とし、距離の候補値Ｌβ（ｔ）を測定対象１２との距離とする。
【００４３】
また、距離・速度確定部９５は、測定対象１２が微小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Ｖα（ｔ）を測定対象１２の速度とし、距離の候補値Ｌα（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Ｖβ（ｔ）を測定対象１２の速度とし、距離の候補値Ｌβ（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Ｌβ（ｔ）の平均値となる。
【００４４】
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との距離及び測定対象１２の速度を表示する。
【００４５】
以上のように、本実施の形態では、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−１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λａと最大発振波長λｂとから、測定対象１２との距離及び測定対象１２の速度を算出することができる。その結果、本実施の形態では、（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）外乱光に強く、（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かしつつ、測定対象１２との距離だけでなく、測定対象１２の速度も計測することができる。また、本実施の形態によれば、測定対象１２が等速度運動しているか加速度運動しているかを判定することができる。
【００４６】
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０．０００５ｍ／期間に対し、計測した速度Ｖα（ｔ）も０．０００５ｍ／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７の例で計測した距離Ｌα（ｔ）と距離の真値とを示す。図１４によれば、距離の計測結果が真値と一致していることが分かる。
【００４７】
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０．００２ｍ／期間に対し、計測した速度Ｖβ（ｔ）も０．００２ｍ／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１５に、図８の例で計測した距離Ｌβ（ｔ）と距離の真値とを示す。図１５によれば、距離の計測結果が真値と一致していることが分かる。
【００４８】
図１６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Ｖα（ｔ）と速度の真値とを示し、図１７に図９の例で計測した距離Ｌα（ｔ）と距離Ｌα（ｔ）の平均値と距離の真値とを示す。図１６、図１７によれば、速度の計測結果が真値と一致し、距離及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。
【００４９】
図１８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Ｖβ（ｔ）と速度の真値とを示し、図１９に図１１の例で計測した距離Ｌβ（ｔ）と距離Ｌβ（ｔ）の平均値と距離の真値とを示す。図１８、図１９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いることが分かる。
【００５０】
また、本実施の形態における演算装置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の形態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、リアルタイムで同時に表示される。
【００５１】
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、距離算出の分解能が変位分解能よりも低いため、誤差が大きくなる。そこで、測定対象が微小な変位を有する運動状態にある場合、算出結果の代わりに、変位（速度）を積分した値を距離の変化とした方が精度が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、測定対象との距離及び測定対象の速度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】
【００５３】
【図１】本発明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】本発明の実施の形態における半導体レーザの発振波長の時間変化の他の例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態における電流−電圧変換増幅器の出力電圧波形及び微分回路の出力電圧波形を模式的に示す図である。
【図５】本発明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６】本発明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７】本発明の実施の形態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１例を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態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１例を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態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１例を示す図である。
【図１０】図９の一部を拡大した図である。
【図１１】本発明の実施の形態において測定対象が変位状態で振動している場合の履歴変位の１例を示す図である。
【図１２】図１１の一部を拡大した図である。
【図１３】本発明の実施の形態における演算装置の状態判定部の判定動作を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態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１５】本発明の実施の形態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１６】本発明の実施の形態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１７】本発明の実施の形態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１８】本発明の実施の形態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１９】本発明の実施の形態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２０】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】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】モードホッピング現象によって不連続となった周波数の幅の大きさを示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１…半導体レーザ、２…フォトダイオード、３…レンズ、４…レーザドライバ、５…電流−電圧変換増幅器、６、７…微分回路、８…計数回路、９…演算装置、１０…表示装置、１１…信号抽出回路、１２…測定対象、９１…距離・速度算出部、９２…履歴変位算出部、９３…記憶部、９４…状態判定部、９５…距離・速度確定部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザの自己結合効果を利用して、測定対象との距離及び測定対象の速度を計測する距離・速度計および距離・速度計測方法に関するものである。
【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く、高精度の測定方法として古くから用いられている。最近では、半導体レーザは装置の小型化のため、光計測用光源として利用されようとしている。その代表的な例として、ＦＭヘテロダイン干渉計を利用したものがある。これは、比較的長距離測定が可能で精度もよいが、半導体レーザの外部に干渉計を用いているため、光学系が複雑になるという欠点を有する。
【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いる（例えば、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３参照）。このような自己結合型のレーザ計測器によれば、フォトダイオード内蔵の半導体レーザが発光、干渉、受光の各機能を兼ねているため、外部干渉光学系を大幅に簡略化することができる。したがって、センサ部が半導体レーザとレンズのみとなり、従来のものに比べて小型となる。また、三角測量法より距離測定範囲が広いという特徴を有する。
【０００４】
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２０に示す。図２０において、１０１は半導体レーザ、１０２は半導体結晶の壁開面、１０３はフォトダイオード、１０４は測定対象である。測定対象１０４からの反射光の一部が発振領域内に戻り易い。戻って来たわずかな光は、共振器１０１内のレーザ光と結合し、動作が不安定となり雑音（複合共振器ノイズまたは戻り光ノイズ）を生じる。戻り光による半導体レーザの特性の変化は、出力光に対する相対的な戻り光量が、極めてわずかであっても顕著に現れる。このような現象は、ファブリペロー型（以下、ＦＰ型）半導体レーザに限らず、Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ型（以下、ＶＣＳＥＬ型）、Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＦｅｅｄＢａｃｋ ｌａｓｅｒ型（以下、ＤＦＢレーザ型）など、他の種類の半導体レーザにおいても同様に現れる。
【０００５】
レーザの発振波長をλ、測定対象１０４に近い方の壁開面１０２から測定対象１０４までの距離をＬとすると、以下の共振条件を満足するとき、戻り光と共振器１０１内のレーザ光は強め合い、レーザ出力がわずかに増加する。
Ｌ＝ｎλ／２ ・・・（１）
式（１）において、ｎは整数である。この現象は、測定対象１０４からの散乱光が極めて微弱であっても、半導体レーザの共振器１０１内の見かけの反射率が増加することにより、増幅作用が生じ、十分観測できる。
【０００６】
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＝ｎλ／２を満足したときに、戻り光と共振器１０１内のレーザ光の位相差が０°（同位相）になって、戻り光と共振器１０１内のレーザ光とが最も強め合い、Ｌ＝ｎλ／２＋λ／４のときに、位相差が９０°（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。
【０００７】
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２２に示すように、注入電流の連続的な増減に応じて発振波長に不連続な箇所が生じる現象である。注入電流の増加時と減少時とにおいて僅かにヒステリシスを有する。
【０００８】
【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】
【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化できるため、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、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。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、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・速度計および距離・速度計測方法を提供することを目的とする。特に、自己結合型のレーザ計測器の利点を活かしつつ、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・速度計および距離・速度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】
【００１１】
本発明の距離・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、この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を、前記第１の発振期間の少なくとも一部と前記第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、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を有するものである。
また、本発明の距離・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、前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器と、この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、前記第１の発振期間の少なくとも一部と前記第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、前記半導体レーザの各発振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を有するものである。
また、本発明の距離・速度計の１構成例において、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・速度算出部と、この距離・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・速度算出部と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、この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及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を確定する距離・速度確定部とからなるものである。
また、本発明の距離・速度計の１構成例において、前記距離・速度算出部と前記履歴変位算出部は、前記測定対象の状態を微小変位状態あるいは前記微小変位状態よりも動きが急な変位状態のいずれかであるとし、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前記距離の候補値と前記速度の候補値と前記履歴変位とを、前記第１の発振期間と前記第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・速度算出部と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が微小変位状態にあるか変位状態にあるかを前記算出毎に判定すると共に、前記測定対象が等速度運動しているか加速度運動しているかを前記算出毎に判定するものである。
【００１２】
また、本発明の距離・速度計の１構成例において、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前記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前記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前記履歴変位の絶対値の平均値とが等しい場合、前記測定対象が微小変位状態で等速度運動していると判定するものである。
また、本発明の距離・速度計の１構成例において、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前記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前記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前記履歴変位の絶対値の平均値とが等しい場合、前記測定対象が変位状態で等速度運動していると判定するものである。
【００１３】
また、本発明の距離・速度計の１構成例において、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前記履歴変位の符号が前記算出毎に反転し、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前記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前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、前記測定対象が微小変位状態で加速度運動していると判定するものである。
また、本発明の距離・速度計の１構成例において、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前記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前記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前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、前記測定対象が微小変位状態で加速度運動していると判定するものである。
また、本発明の距離・速度計の１構成例において、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前記履歴変位の符号が前記算出毎に反転し、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前記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前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、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ものである。
また、本発明の距離・速度計の１構成例において、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前記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変位状態にあると仮定して算出された前記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前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、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ものである。
また、本発明の距離・速度計の１構成例において、前記演算手段は、前記測定対象が微小な変位を有する運動状態にある場合、前記算出の結果の代わりに、前記変位の積分結果を前記測定対象との距離の変化とするものである。
また、本発明の距離・速度計測方法は、波長変調した波を測定対象に放射し、測定対象に反射して戻る波と前記放射した波との間で発生する干渉を検出し、この干渉に関する情報に基づいて、測定対象との距離および測定対象との速度の候補値をそれぞれ算出すると共にこれらの候補値の中から該当する速度および距離の値をそれぞれ１つずつ選択するようにしたものである。
また、本発明は、半導体レーザを用いて測定対象にレーザ光を放射する距離・速度計測方法において、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に少なくとも２期間存在するように前記半導体レーザを動作させる発振手順と、前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、前記第１の発振期間の少なくとも一部と前記第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備えるものである。
また、本発明の距離・速度計測方法の１構成例において、前記演算手順は、前記測定対象が微小な変位を有する運動状態にある場合、前記算出の結果の代わりに、前記変位の積分結果を前記測定対象との距離の変化とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、測定対象との距離だけでなく、測定対象の速度（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、レーザ計測器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いるか加速度運動しているかを判定することができる。
【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、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザ１と、半導体レーザ１の光出力を電気信号に変換するフォトダイオード２と、半導体レーザ１からの光を集光して測定対象１２に照射すると共に、測定対象１２からの戻り光を集光して半導体レーザ１に入射させるレンズ３と、半導体レーザ１に発振波長が連続的に増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に減少する第２の発振期間とを交互に繰り返させるレーザドライバ４と、フォトダイオード２の出力電流を電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅器５と、電流−電圧変換増幅器５の出力電圧を２回微分する信号抽出回路１１と、信号抽出回路１１の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を数える計数回路８と、測定対象１２との距離及び測定対象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。電流−電圧変換増幅器５と信号抽出回路１１と計数回路８とは、計数手段を構成している。
【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い型（ＶＣＳＥＬ型、ＤＦＢレーザ型）のものが用いられているものと想定する。そして、モードホッピング現象を持つ型（ＦＰ型）の半導体レーザ１を用いた場合については、その旨を特記する。
【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、ｔ−１はｔ−１番目の発振期間、ｔはｔ番目の発振期間、λａは各期間における発振波長の最小値、λｂは各期間における発振波長の最大値である。この実施例では、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。なお、駆動電流が、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３期間連続する波形を持つ駆動電流であって、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を持つ駆動電流であれば、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、消費電流を抑制するために、２山毎（すなわち４期間毎）に休止期間を置いた間歇的な波形の駆動電流を用いることができる（図３）。
【００１９】
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４（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４（Ｂ）は微分回路６の出力電圧波形を模式的に示す図、図４（Ｃ）は微分回路７の出力電圧波形を模式的に示す図である。これらは、フォトダイオード１０３の出力である図４（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４（Ｃ）のＭＨＰ波形（重畳波）を抽出する過程を表している。
【００２０】
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−１におけるＭＨＰの数をＭＨＰｔ−１（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 Transform（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。
【００２１】
演算装置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との距離及び測定対象１２の速度を算出する。なお、上述の通り、最大発振波長λｂと最小発振波長λａとの差であるλｂ−λａ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が、もしλｂ−λａ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λｂ−λａの値によってＭＰＨの数を正規化しておく必要がある。
【００２２】
図５は演算装置９の構成の１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１の最小発振波長λａと最大発振波長λｂと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・速度算出部９１と、距離・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・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・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との距離及び測定対象１２の速度を確定する距離・速度確定部９５とから構成される。
【００２３】
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（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。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。
【００２４】
まず、演算装置９の距離・速度算出部９１は、現時刻ｔにおける距離の候補値Ｌα（ｔ），Ｌβ（ｔ）と変位の候補値Ｖα（ｔ），Ｖβ（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Ｓ１）。
Ｌα（ｔ）＝λａ×λｂ×（’ＭＨＰｔ−１’＋’ＭＨＰｔ’）
／｛４×（λｂ−λａ）｝ ・・・（２）
Ｌβ（ｔ）＝λａ×λｂ×（｜’ＭＨＰｔ−１’−’ＭＨＰｔ’｜）
／｛４×（λｂ−λａ）｝ ・・・（３）
Ｖα（ｔ）＝（’ＭＨＰｔ−１’−’ＭＨＰｔ’）×λ／４ ・・・（４）
Ｖβ（ｔ）＝（’ＭＨＰｔ−１’＋’ＭＨＰｔ’）×λ／４ ・・・（５）
なお、式の中のクォーテーション記号 ’はＭＨＰ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λ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λはλａとなる。また、現時刻が図２の時刻ｔ＋１である場合は、波長λはλｂとなる。
なお、上述の式（２）及び（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）及び（３）に代えて下記の式（２Ａ）及び（３Ａ）を用いる必要がある。
Ｌα（ｔ）＝λａ×λｂ×（’ＭＨＰｔ−１’＋’ＭＨＰｔ’）
／｛４×（λｂ−λａ−Σλｍｐ）｝ ・・・（２Ａ）
Ｌβ（ｔ）＝λａ×λｂ×（｜’ＭＨＰｔ−１’−’ＭＨＰｔ’｜）
／｛４×（λｂ−λａ−Σλｍｐ）｝ ・・・（３Ａ）
ここでλｍｐ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λｍｐもほぼ同じ大きさを示す。Σλｍｐ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λｍｐを全て加算した値である。
【００２５】
候補値Ｌα（ｔ），Ｖα（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Ｌβ（ｔ），Ｖβ（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。
【００２６】
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Ｓ２）。
Ｖｃａｌα（ｔ）＝Ｌα（ｔ）−Ｌα（ｔ−１） ・・・（６）
Ｖｃａｌβ（ｔ）＝Ｌβ（ｔ）−Ｌβ（ｔ−１） ・・・（７）
【００２７】
履歴変位Ｖｃａｌα（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Ｖｃａｌβ（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）。
【００２８】
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Ｖα（ｔ），Ｖβ（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ），Ｖｃａｌβ（ｔ）の１例を示す。図７の例では、測定対象１２の速度を０．０００５ｍ／期間、半導体レーザ１の最小発振波長λａを６８０ｎｍ、最大発振波長λｂを６８１ｎｍ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Ｖｃａｌα（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Ｖα（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌα（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Ｖｃａｌβ（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合が異なる。
【００２９】
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Ｖｃａｌα（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１２が微小変位状態で移動していると判定する。
【００３０】
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Ｖα（ｔ），Ｖβ（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ），Ｖｃａｌβ（ｔ）の１例を示す。図８の例では、測定対象１２の速度を０．００２ｍ／期間、半導体レーザ１の最小発振波長λａを６８０ｎｍ、最大発振波長λｂを６８１ｎｍ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Ｖｃａｌβ（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Ｖβ（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌβ（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Ｖｃａｌα（ｔ）の符号は始点時刻ｔ毎に反転する。
【００３１】
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Ｖｃａｌβ（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１２が変位状態で移動していると判定する。
【００３２】
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Ｖα（ｔ），Ｖβ（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ），Ｖｃａｌβ（ｔ）の１例を示す。図９の例では、測定対象１２の最大速度を０．０００００２ｍ／期間、半導体レーザ１の最小発振波長λａを６８０ｎｍ、最大発振波長λｂを６８１ｎｍ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Ｖα（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Ｖｃａｌα（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Ｖβ（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Ｖｃａｌβ（ｔ）の絶対値の平均値も一致しない。
【００３３】
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Ｖｃａｌα（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Ｖｃａｌβ（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。
【００３４】
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Ｖｃａｌα（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１２が微小変位状態で振動していると判定する。
【００３５】
なお、図９に示した速度の候補値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Ｖβ（ｔ）の絶対値が波長変化率と等しく、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１２が微小変位状態で振動していると判定してもよい。
【００３６】
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Ｖｃａｌα（ｔ），Ｖｃａｌβ（ｔ）の１例を示す。図１１の例では、測定対象１２の最大速度を０．０１ｍ／期間、半導体レーザ１の最小発振波長λａを６８０ｎｍ、最大発振波長λｂを６８１ｎｍとした。なお、図１１では、値が小さいため、速度の候補値Ｖα（ｔ），Ｖβ（ｔ）については記載していない。
【００３７】
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Ｖα（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Ｖｃａｌα（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Ｖβ（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Ｖｃａｌβ（ｔ）の絶対値の平均値も一致しない。
【００３８】
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Ｖｃａｌβ（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Ｖｃａｌα（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。
【００３９】
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Ｖｃａｌβ（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１２が変位状態で振動していると判定する。
【００４０】
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Ｖα（ｔ）の絶対値が波長変化率と等しく、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１２が変位状態で振動していると判定してもよい。
【００４１】
以上の状態判定部９４の判定動作を図１３に示す。演算装置９の距離・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の速度及び測定対象１２との距離を確定する（図６ステップＳ４）。
【００４２】
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Ｖα（ｔ）を測定対象１２の速度とし、距離の候補値Ｌα（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Ｖβ（ｔ）を測定対象１２の速度とし、距離の候補値Ｌβ（ｔ）を測定対象１２との距離とする。
【００４３】
また、距離・速度確定部９５は、測定対象１２が微小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Ｖα（ｔ）を測定対象１２の速度とし、距離の候補値Ｌα（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Ｖβ（ｔ）を測定対象１２の速度とし、距離の候補値Ｌβ（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Ｌβ（ｔ）の平均値となる。
【００４４】
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との距離及び測定対象１２の速度を表示する。
【００４５】
以上のように、本実施の形態では、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−１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λａと最大発振波長λｂとから、測定対象１２との距離及び測定対象１２の速度を算出することができる。その結果、本実施の形態では、（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）外乱光に強く、（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かしつつ、測定対象１２との距離だけでなく、測定対象１２の速度も計測することができる。また、本実施の形態によれば、測定対象１２が等速度運動しているか加速度運動しているかを判定することができる。
【００４６】
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０．０００５ｍ／期間に対し、計測した速度Ｖα（ｔ）も０．０００５ｍ／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７の例で計測した距離Ｌα（ｔ）と距離の真値とを示す。図１４によれば、距離の計測結果が真値と一致していることが分かる。
【００４７】
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０．００２ｍ／期間に対し、計測した速度Ｖβ（ｔ）も０．００２ｍ／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１５に、図８の例で計測した距離Ｌβ（ｔ）と距離の真値とを示す。図１５によれば、距離の計測結果が真値と一致していることが分かる。
【００４８】
図１６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Ｖα（ｔ）と速度の真値とを示し、図１７に図９の例で計測した距離Ｌα（ｔ）と距離Ｌα（ｔ）の平均値と距離の真値とを示す。図１６、図１７によれば、速度の計測結果が真値と一致し、距離及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。
【００４９】
図１８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Ｖβ（ｔ）と速度の真値とを示し、図１９に図１１の例で計測した距離Ｌβ（ｔ）と距離Ｌβ（ｔ）の平均値と距離の真値とを示す。図１８、図１９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いることが分かる。
【００５０】
また、本実施の形態における演算装置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の形態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、リアルタイムで同時に表示される。
【００５１】
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、距離算出の分解能が変位分解能よりも低いため、誤差が大きくなる。そこで、測定対象が微小な変位を有する運動状態にある場合、算出結果の代わりに、変位（速度）を積分した値を距離の変化とした方が精度が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、測定対象との距離及び測定対象の速度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】
【００５３】
【図１】本発明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】本発明の実施の形態における半導体レーザの発振波長の時間変化の他の例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態における電流−電圧変換増幅器の出力電圧波形及び微分回路の出力電圧波形を模式的に示す図である。
【図５】本発明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６】本発明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７】本発明の実施の形態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１例を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態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１例を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態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１例を示す図である。
【図１０】図９の一部を拡大した図である。
【図１１】本発明の実施の形態において測定対象が変位状態で振動している場合の履歴変位の１例を示す図である。
【図１２】図１１の一部を拡大した図である。
【図１３】本発明の実施の形態における演算装置の状態判定部の判定動作を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態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１５】本発明の実施の形態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１６】本発明の実施の形態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１７】本発明の実施の形態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１８】本発明の実施の形態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１９】本発明の実施の形態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２０】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】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】モードホッピング現象によって不連続となった周波数の幅の大きさを示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１…半導体レーザ、２…フォトダイオード、３…レンズ、４…レーザドライバ、５…電流−電圧変換増幅器、６、７…微分回路、８…計数回路、９…演算装置、１０…表示装置、１１…信号抽出回路、１２…測定対象、９１…距離・速度算出部、９２…履歴変位算出部、９３…記憶部、９４…状態判定部、９５…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、
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、
この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を、前記第１の発振期間の少なくとも一部と前記第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、
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を有することを特徴とする距離・速度計。
【請求項２】
測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、
発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に少なくとも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、
前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器と、
この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、前記第１の発振期間の少なくとも一部と前記第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、
前記半導体レーザの各発振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を有することを特徴とする距離・速度計。
【請求項３】
請求項２記載の距離・速度計において、
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・速度算出部と、
この距離・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・速度算出部と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、
この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及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を確定する距離・速度確定部とからなることを特徴とする距離・速度計。
【請求項４】
請求項３記載の距離・速度計において、
前記距離・速度算出部と前記履歴変位算出部は、前記測定対象の状態を微小変位状態あるいは前記微小変位状態よりも動きが急な変位状態のいずれかであるとし、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前記距離の候補値と前記速度の候補値と前記履歴変位とを、前記第１の発振期間と前記第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・速度算出部と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が微小変位状態にあるか変位状態にあるかを前記算出毎に判定すると共に、前記測定対象が等速度運動しているか加速度運動しているかを前記算出毎に判定することを特徴とする距離・速度計。
【請求項５】
請求項４記載の距離・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前記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前記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前記履歴変位の絶対値の平均値とが等しい場合、前記測定対象が微小変位状態で等速度運動していると判定することを特徴とする距離・速度計。
【請求項６】
請求項４記載の距離・速度計において、
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前記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前記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前記履歴変位の絶対値の平均値とが等しい場合、前記測定対象が変位状態で等速度運動していると判定することを特徴とする距離・速度計。
【請求項７】
請求項４記載の距離・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前記履歴変位の符号が前記算出毎に反転し、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前記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前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、前記測定対象が微小変位状態で加速度運動していると判定することを特徴とする距離・速度計。
【請求項８】
請求項４記載の距離・速度計において、
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前記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前記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前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、前記測定対象が微小変位状態で加速度運動していると判定することを特徴とする距離・速度計。
【請求項９】
請求項４記載の距離・速度計において、
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前記履歴変位の符号が前記算出毎に反転し、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前記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前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、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・速度計。
【請求項１０】
請求項４記載の距離・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前記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変位状態にあると仮定して算出された前記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前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、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・速度計。
【請求項１１】
請求項２記載の距離・速度計において、
前記演算手段は、前記測定対象が微小な変位を有する運動状態にある場合、前記算出の結果の代わりに、前記変位の積分結果を前記測定対象との距離の変化とすることを特徴とする距離・速度計。
【請求項１２】
波長変調した波を測定対象に放射し、測定対象に反射して戻る波と前記放射した波との間で発生する干渉を検出し、この干渉に関する情報に基づいて、測定対象との距離および測定対象との速度の候補値をそれぞれ算出すると共にこれらの候補値の中から該当する速度および距離の値をそれぞれ１つずつ選択することを特徴とする距離・速度計測方法。
【請求項１３】
半導体レーザを用いて測定対象にレーザ光を放射する距離・速度計測方法において、
発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に少なくとも２期間存在するように前記半導体レーザを動作させる発振手順と、
前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、前記第１の発振期間の少なくとも一部と前記第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備えることを特徴とする距離・速度計測方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の距離・速度計測方法において、
前記演算手順は、前記測定対象が微小な変位を有する運動状態にある場合、前記算出の結果の代わりに、前記変位の積分結果を前記測定対象との距離の変化とすることを特徴とする距離・速度計測方法。
【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、
この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を、前記第１の発振期間の少なくとも一部と前記第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、
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を有することを特徴とする距離・速度計。
【請求項２】
測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、
発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に少なくとも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、
前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器と、
この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、前記第１の発振期間の少なくとも一部と前記第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、
前記半導体レーザの各発振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を有することを特徴とする距離・速度計。
【請求項３】
請求項２記載の距離・速度計において、
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・速度算出部と、
この距離・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・速度算出部と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、
この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及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を確定する距離・速度確定部とからなることを特徴とする距離・速度計。
【請求項４】
請求項３記載の距離・速度計において、
前記距離・速度算出部と前記履歴変位算出部は、前記測定対象の状態を微小変位状態あるいは前記微小変位状態よりも動きが急な変位状態のいずれかであるとし、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前記距離の候補値と前記速度の候補値と前記履歴変位とを、前記第１の発振期間と前記第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・速度算出部と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が微小変位状態にあるか変位状態にあるかを前記算出毎に判定すると共に、前記測定対象が等速度運動しているか加速度運動しているかを前記算出毎に判定することを特徴とする距離・速度計。
【請求項５】
請求項４記載の距離・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前記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前記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前記履歴変位の絶対値の平均値とが等しい場合、前記測定対象が微小変位状態で等速度運動していると判定することを特徴とする距離・速度計。
【請求項６】
請求項４記載の距離・速度計において、
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前記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前記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前記履歴変位の絶対値の平均値とが等しい場合、前記測定対象が変位状態で等速度運動していると判定することを特徴とする距離・速度計。
【請求項７】
請求項４記載の距離・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前記履歴変位の符号が前記算出毎に反転し、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前記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前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、前記測定対象が微小変位状態で加速度運動していると判定することを特徴とする距離・速度計。
【請求項８】
請求項４記載の距離・速度計において、
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前記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前記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前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、前記測定対象が微小変位状態で加速度運動していると判定することを特徴とする距離・速度計。
【請求項９】
請求項４記載の距離・速度計において、
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前記履歴変位の符号が前記算出毎に反転し、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前記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前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、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・速度計。
【請求項１０】
請求項４記載の距離・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前記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変位状態にあると仮定して算出された前記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前記履歴変位の絶対値の平均値とが一致しない場合、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・速度計。
【請求項１１】
請求項２記載の距離・速度計において、
前記演算手段は、前記測定対象が微小な変位を有する運動状態にある場合、前記算出の結果の代わりに、前記変位の積分結果を前記測定対象との距離の変化とすることを特徴とする距離・速度計。
【請求項１２】
波長変調した波を測定対象に放射し、測定対象に反射して戻る波と前記放射した波との間で発生する干渉を検出し、この干渉に関する情報に基づいて、測定対象との距離および測定対象との速度の候補値をそれぞれ算出すると共にこれらの候補値の中から該当する速度および距離の値をそれぞれ１つずつ選択することを特徴とする距離・速度計測方法。
【請求項１３】
半導体レーザを用いて測定対象にレーザ光を放射する距離・速度計測方法において、
発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に少なくとも２期間存在するように前記半導体レーザを動作させる発振手順と、
前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、前記第１の発振期間の少なくとも一部と前記第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備えることを特徴とする距離・速度計測方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の距離・速度計測方法において、
前記演算手順は、前記測定対象が微小な変位を有する運動状態にある場合、前記算出の結果の代わりに、前記変位の積分結果を前記測定対象との距離の変化とすることを特徴とする距離・速度計測方法。
【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２１】
【図２２】
【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２１】
【図２２】
【公開番号】特開２００６−３１３０８０（Ｐ２００６−３１３０８０Ａ）
【公開日】平成１８年１１月１６日（２００６．１１．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１３４９８０（Ｐ２００５−１３４９８０）
【出願日】平成１７年５月６日（２００５．５．６）
【出願人】（０００００６６６６）株式会社山武 (1,808)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月１６日（２００６．１１．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月６日（２００５．５．６）
【出願人】（０００００６６６６）株式会社山武 (1,808)
【Ｆターム（参考）】
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