(57)【要約】【課題】より簡易な構成で正確に距離を算出することができるレーザ測長器を提供する。【解決手段】レーザ測長器は、レーザ素子と、変調レーザ光をレーザ素子から射出させる駆動制御部と、変調レーザ光の一部を所定の反射面で反射させる光学素子と、測定対象物で反射してレーザ素子に戻入した変調レーザ光との干渉による第１のビート信号と、反射面で反射してレーザ素子に戻入した変調レーザ光との干渉による第２のビート信号と、が重畳した変調レーザ光を検出する検出部と、第１のビート信号の周波数に基づいて、所定の基準位置から測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、を備え、距離算出部は、第２のビート信号の周波数と、レーザ素子から反射面までの光学的距離と、に基づいてレーザ素子及び駆動制御部の少なくとも一方の特性変動に起因する誤差が補正された距離を算出する。【選択図】図１
2020008475.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ素子と、
波長変調された変調レーザ光を前記レーザ素子から射出させる駆動制御部と、
前記レーザ素子から射出された前記変調レーザ光の一部を透過させるとともに、当該変調レーザ光が通る複数の界面のうち所定の一つの界面である反射面で前記変調レーザ光の一部を反射させる光学素子と、
前記光学素子を透過した前記変調レーザ光のうち測定対象物で反射して前記レーザ素子に戻入した光と前記レーザ素子内の前記変調レーザ光との干渉による第１のビート信号と、前記反射面で反射して前記レーザ素子に戻入した前記変調レーザ光と前記レーザ素子内の前記変調レーザ光との干渉による第２のビート信号と、が重畳した前記変調レーザ光を検出する検出部と、
前記検出部による検出結果から取得された前記第１のビート信号の周波数に基づいて、所定の基準位置から前記測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、
を備え、
前記距離算出部は、前記検出部による検出結果から取得された前記第２のビート信号の周波数と、前記レーザ素子から前記反射面までの光学的距離と、に基づいて前記レーザ素子及び前記駆動制御部の少なくとも一方の特性変動に起因する誤差が補正された前記距離を算出することを特徴とするレーザ測長器。
【請求項２】
前記光学素子は、一対の界面を有し、当該一対の界面のうち一方にのみ、前記変調レーザ光の反射を抑制する反射防止層が設けられており、前記一対の界面の他方が前記反射面であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ測長器。
【請求項３】
前記光学素子は、前記一対の界面のうち前記レーザ素子に近い第１面に前記反射防止層が設けられており、前記一対の界面のうち前記第１面とは反対側の第２面が前記反射面であることを特徴とする請求項２に記載のレーザ測長器。
【請求項４】
前記光学素子は、前記レーザ素子から射出された前記変調レーザ光の発散角を低減させるレンズであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ測長器。
【請求項５】
前記距離算出部は、前記第２のビート信号の周波数及び前記光学的距離に基づいて、前記誤差を生じさせ得る誤差因子の大きさを取得し、当該誤差因子の大きさに応じて補正された前記距離を算出することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ測長器。
【請求項６】
前記距離算出部は、前記変調レーザ光の変調周期のうち、前記変調レーザ光の波長が増大する増大期間、及び前記変調レーザ光の波長が減少する減少期間においてそれぞれ前記誤差因子の大きさを取得することを特徴とする請求項５に記載のレーザ測長器。
【請求項７】
前記距離算出部は、前記変調レーザ光の複数の変調周期のうち所定頻度の一部の変調周期において前記誤差因子の大きさを取得することを特徴とする請求項５又は６に記載のレーザ測長器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ測長器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ素子から射出されたレーザ光の測定対象物での反射光を検出し、その検出結果に基づいて測定対象物までの距離を算出するレーザ測長器がある。このようなレーザ測長器の一つとして、レーザ素子のセルフミキシング現象を利用したものが知られている。このレーザ測長器では、波長変調（周波数変調）された変調レーザ光がレーザ素子から射出され、当該射出された変調レーザ光のうち測定対象物で反射してレーザ素子に戻入した戻り光と、レーザ素子内の変調レーザ光との干渉により、レーザ素子から射出されるレーザ光にビート信号が重畳される（セルフミキシング現象）。このビート信号の周波数は、戻り光の往復距離に応じた値となるため、当該ビート信号の周波数に基づいて測定対象物までの距離を算出することができる。
【０００３】
レーザ測長器では、レーザ素子の駆動電流の振幅や変調周波数、及び駆動電流の変調に対するレーザ素子の周波数変調効率といった、レーザ素子の駆動に係る特性（以下、レーザ駆動特性と記す）が、温度に応じて変動したり、経時的に変動したりする。これらのレーザ駆動特性が変動すると、当該変動に応じて上記のビート信号の周波数も変動するため、ビート信号の周波数に基づいて算出された距離には、レーザ駆動特性の変動に応じた誤差が含まれ得る。これに対し、予め定められた基準点で変調レーザ光の一部を反射させて、当該基準点で反射した戻り光との干渉によるビート信号の周波数が一定に保たれるようにレーザ素子の駆動条件をフィードバック制御することで、レーザ駆動特性の変動に起因する誤差の発生を抑制する技術がある（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５３５４７０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の技術では、レーザ素子の駆動電流の振幅や周波数をフィードバック制御するための回路が必要となって回路構成が複雑になり、装置の大型化やコスト上昇を招くというという課題がある。
【０００６】
この発明の目的は、より簡易な構成で正確に距離を算出することができるレーザ測長器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１に記載のレーザ測長器の発明は、
レーザ素子と、
波長変調された変調レーザ光を前記レーザ素子から射出させる駆動制御部と、
前記レーザ素子から射出された前記変調レーザ光の一部を透過させるとともに、当該変調レーザ光が通る複数の界面のうち所定の一つの界面である反射面で前記変調レーザ光の一部を反射させる光学素子と、
前記光学素子を透過した前記変調レーザ光のうち測定対象物で反射して前記レーザ素子に戻入した光と前記レーザ素子内の前記変調レーザ光との干渉による第１のビート信号と、前記反射面で反射して前記レーザ素子に戻入した前記変調レーザ光と前記レーザ素子内の前記変調レーザ光との干渉による第２のビート信号と、が重畳した前記変調レーザ光を検出する検出部と、
前記検出部による検出結果から取得された前記第１のビート信号の周波数に基づいて、所定の基準位置から前記測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、
を備え、
前記距離算出部は、前記検出部による検出結果から取得された前記第２のビート信号の周波数と、前記レーザ素子から前記反射面までの光学的距離と、に基づいて前記レーザ素子及び前記駆動制御部の少なくとも一方の特性変動に起因する誤差が補正された前記距離を算出することを特徴としている。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ測長器において、
前記光学素子は、一対の界面を有し、当該一対の界面のうち一方にのみ、前記変調レーザ光の反射を抑制する反射防止層が設けられており、前記一対の界面の他方が前記反射面であることを特徴としている。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のレーザ測長器において、
前記光学素子は、前記一対の界面のうち前記レーザ素子に近い第１面に前記反射防止層が設けられており、前記一対の界面のうち前記第１面とは反対側の第２面が前記反射面であることを特徴としている。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ測長器において、
前記光学素子は、前記レーザ素子から射出された前記変調レーザ光の発散角を低減させるレンズであることを特徴としている。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ測長器において、
前記距離算出部は、前記第２のビート信号の周波数及び前記光学的距離に基づいて、前記誤差を生じさせ得る誤差因子の大きさを取得し、当該誤差因子の大きさに応じて補正された前記距離を算出することを特徴としている。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のレーザ測長器において、
前記距離算出部は、前記変調レーザ光の変調周期のうち、前記変調レーザ光の波長が増大する増大期間、及び前記変調レーザ光の波長が減少する減少期間においてそれぞれ前記誤差因子の大きさを取得することを特徴としている。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載のレーザ測長器において、
前記距離算出部は、前記変調レーザ光の複数の変調周期のうち所定頻度の一部の変調周期において前記誤差因子の大きさを取得することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に従うと、より簡易な構成で正確に距離を算出することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】レーザ測長器の概略構成を示す図である。
【図２】レーザ素子の駆動電流の波形、及びフォトダイオードの出力の波形を示す図である。
【図３】測定対象距離の算出動作に係るレーザ測長器の機能構成を示すブロック図である。
【図４】測定対象距離の算出動作が行われるタイミングを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明のレーザ測長器に係る実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態であるレーザ測長器１の概略構成を示す図である。
レーザ測長器１は、半導体レーザにより構成されたレーザ素子１１と、フォトダイオード１２（検出部）と、レンズ１３（光学素子）と、これらのレーザ素子１１、フォトダイオード１２及びレンズ１３を内部に収容する筐体１０と、を備えている。
レーザ測長器１は、レーザ素子１１から筐体１０の外部に射出されたレーザ光の測定対象物９０での反射光を検出し、当該検出結果に基づいて、所定の基準位置（ここでは、レーザ素子１１におけるレーザ光の射出位置）から測定対象物９０までの距離を算出する。
【００１８】
レーザ素子１１は、閾値電流以上の駆動電流が供給されることでレーザ光を射出面１１ａから射出する。レーザ素子１１では、駆動電流の大きさに応じて、射出されるレーザ光の波長（周波数）及び出力パワーが変化する。これは、活性層内部のキャリア密度や温度が駆動電流の大きさに応じて変化することに起因する。
レーザ素子１１には、後述するレーザ駆動部２４から、図２（ａ）に示されるような三角波の駆動電流が入力される。これにより、レーザ素子１１は、駆動電流の変調に応じて波長及び出力パワーが変調された変調レーザ光を射出する。詳しくは、レーザ素子１１は、駆動電流の増大に応じて波長及び出力パワーが増大し、駆動電流の減少に応じて波長及び出力パワーが減少する変調レーザ光を射出する。レーザ素子１１の変調周波数は、特には限られないが、本実施形態では１ｋＨｚとされている。
【００１９】
本実施形態では、レーザ素子１１としてＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）が用いられている。ＶＣＳＥＬでは、光の共振器が半導体基板の基板面に垂直な方向（射出面１１ａに垂直な方向）に形成され、共振器内で増幅、共振したレーザ光が基板面に垂直な方向に射出される。また、ＶＣＳＥＬでは、駆動電流の変動に伴って発振周波数が不連続に遷移するモードホップが生じないため、駆動電流の増減に追随してレーザ光の波長を連続的に変調させることができる。
【００２０】
フォトダイオード１２は、入射した光の強度に応じた大きさの電流を出力する光検出素子である。フォトダイオード１２の光の検出面１２ａの一部には、レーザ素子１１の射出面１１ａとは反対側の面が固着されている。フォトダイオード１２は、レーザ素子１１から射出されレンズ１３の表面などで反射された変調レーザ光を、検出面１２ａのうちレーザ素子１１が固着されていない部分で受けて検出する。
【００２１】
レンズ１３は、レーザ素子１１から射出された変調レーザ光の一部を屈折させつつ透過させることで、変調レーザ光の発散角を低減させて平行光とする光学素子である。レンズ１３は、変調レーザ光が通過する一対の界面のうち、レーザ素子１１に近い第１面１３ａが平面となっており、第１面１３ａとは反対側の第２面１３ｂが凸面となっている。
【００２２】
レンズ１３の第１面１３ａには、変調レーザ光の反射を抑制する反射防止層１３１が設けられている。他方で、レンズ１３の第２面１３ｂには反射防止層１３１が設けられていない。このような構成により、レンズ１３の第１面１３ａでは入射した変調レーザ光がほとんど反射せず、第２面１３ｂにおいて変調レーザ光の一部が反射するようになっている。すなわち、本実施形態のレンズ１３では、一対の界面のうち第２面１３ｂが反射面を構成する。
レンズ１３としては、例えばガラスからなるものを用いることができる。レンズ１３がガラスからなる場合の第２面１３ｂにおける光の反射率は、約４〜５％である。
反射防止層１３１の材質は、特には限られないが、例えばフッ素を含有する樹脂などを用いることができる。
【００２３】
筐体１０は、光を透過させない材質、例えば金属や樹脂などにより構成され、測定対象物９０からの反射光以外の光が内部に侵入しないように遮光するとともに、レーザ素子１１、フォトダイオード１２及びレンズ１３を保護する。また、筐体１０のうちレンズ１３を透過した変調レーザ光が通る部分は、光透過性を有する部材（ガラスや樹脂等）により構成された透過窓となっている。
【００２４】
次に、上記構成のレーザ測長器１による距離の測定動作について説明する。
レーザ測長器１では、レーザ素子１１から射出されて測定対象物９０で反射した変調レーザ光の一部がレーザ素子１１内の光共振器に戻入し、この戻り光と、レーザ素子１１の光共振器内で発振している変調レーザ光とが干渉する。ここで、上述のように、レーザ素子１１ではレーザ光の波長が変調されて常に変化しており、戻り光及びレーザ素子１１内の変調レーザ光の波長が共振条件を満たす波長であるときには光共振器における増幅効率が僅かに上がり、減衰条件を満たす波長であるときには増幅効率が僅かに下がる。変調レーザ光の波長の変化に応じて、戻り光と、レーザ素子１１内の変調レーザ光とは、共振条件及び減衰条件を交互に繰り返し満たすため、レーザ素子１１から射出される変調レーザ光の強度は、当該繰り返しの周期で増減する。すなわち、レーザ素子１１からは、戻り光と内部の変調レーザ光との干渉によるビート信号が重畳した変調レーザ光が射出される。このように、戻り光との干渉によるビート信号が射出レーザ光に重畳する現象は、セルフミキシング現象と呼ばれる。
【００２５】
このセルフミキシング現象の結果、フォトダイオード１２による変調レーザ光の検出強度（フォトダイオード１２の出力）は、図２（ｂ）に示されるように、駆動電流の三角波に応じた出力の増減に加えて、駆動電流の変調周波数より高い周波数のビート信号が重畳されたものとなる。
変調レーザ光に重畳されるビート信号の周波数は、戻り光の往復距離、すなわちレーザ素子１１から測定対象物９０までの距離が長くなるに従って増大するため、ビート信号の周波数に基づいて、測定対象物９０までの距離を算出することができる。
【００２６】
詳しくは、測定対象物９０で反射した戻り光との干渉によるビート信号（以下では、第１のビート信号とも記す）の周波数ｆｔは、以下の式（１）を満たす。
Ｌ１＋ｎ・Ｌ２＋Ｌ３＝（ｃ・ｆｔ）／（４・Ｉｍ・ｆｍ・Ω）  …（１）
ここで、Ｌ１、ｎ、Ｌ２、Ｌ３、ｃ、Ｉｍ、ｆｍ、Ωは、それぞれ以下の値である。
Ｌ１：レーザ素子１１からレンズ１３の第１面１３ａまでの距離
ｎ  ：レンズ１３の屈折率
Ｌ２：レンズ１３の光軸方向の厚さ
Ｌ３：レンズ１３の第２面１３ｂから測定対象物９０までの距離
ｃ  ：光速
Ｉｍ：駆動電流の変調振幅
ｆｍ：駆動電流の変調周波数
Ω  ：駆動電流の変調に対するレーザ素子１１の周波数変調効率を表す周波数変調係数
よって、上記の式（１）により、未知の距離Ｌ３を含む測定対象物９０までの距離（以下では、測定対象距離Ｌｍと記す）を取得することができる。本実施形態では、測定対象距離Ｌｍは、レーザ素子１１の射出面１１ａを基準位置とした距離Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３である。ただし、これに限定されず、測定対象距離Ｌｍは、射出面１１ａからの距離が既知である任意の基準位置からの距離とすることができる。例えば、レンズ１３の第２面１３ｂを基準位置として、距離Ｌ３を測定対象距離Ｌｍとしても良い。
【００２７】
また、本実施形態のレーザ測長器１では、レーザ素子１１から射出された変調レーザ光の一部は、レンズ１３の第２面１３ｂにおいても反射してレーザ素子１１に戻入する。このため、レンズ１３の第２面１３ｂからの戻り光との間でも干渉が生じ、レーザ素子１１から射出される変調レーザ光には、当該干渉によるビート信号（以下では、第２のビート信号とも記す）も重畳される。
レンズ１３の第２面１３ｂで反射した戻り光との干渉による第２のビート信号の周波数ｆｒは、以下の式（２）を満たす。
Ｌ１＋ｎ・Ｌ２＝（ｃ・ｆｒ）／（４・Ｉｍ・ｆｍ・Ω）  …（２）
【００２８】
上記の式（１）及び式（２）のうち、レーザ素子１１の駆動に係る特性（レーザ駆動特性）であるＩｍ、ｆｍ及びΩの値は、温度や印加電圧に応じて変動したり、経時的に変動したりする。すなわち、Ｉｍ・ｆｍ・Ωは、測定対象距離Ｌｍの算出結果に誤差を生じさせ得る誤差因子である。当該誤差因子のうち、レーザ素子１１の周波数変調係数Ωは、特に大きく変動しやすい。
このため、第１のビート信号の周波数ｆｔを用いて式（１）に基づいて算出された、距離Ｌ３を含む測定対象距離Ｌｍには、Ｉｍ、ｆｍ及びΩの変動に起因する誤差が含まれ得る。例えば、測定対象距離Ｌｍが約５０ｍｍである場合に、レーザ測長器１の環境温度が１℃変化すると、式（１）に基づいて算出される測定対象距離Ｌｍは、Ｉｍ・ｆｍ・Ωの温度変動に起因して１ｍｍ程度（２％程度）変動し得る。
【００２９】
そこで、本実施形態のレーザ測長器１では、第２のビート信号に係る式（２）に基づいて、温度変動や経時的変動を含んだＩｍ・ｆｍ・Ωの距離測定時における値が取得され、当該取得結果を用いて補正された測定対象距離Ｌｍが算出される。
【００３０】
すなわち、式（２）を変形した下記式（２ａ）の右辺は、検出された第２のビート信号の周波数ｆｒと、製造時に既知であるレーザ素子１１からレンズ１３の第２面１３ｂまでの光学的距離Ｌ１＋ｎ・Ｌ２で表されるため、式（２ａ）によれば、距離測定時におけるＩｍ・ｆｍ・Ωの値、すなわち温度変動や経時的変動を含んだ値を取得することができる。
Ｉｍ・ｆｍ・Ω＝（ｃ・ｆｒ）／｛４（Ｌ１＋ｎ・Ｌ２）｝  …（２ａ）
そして、取得されたＩｍ・ｆｍ・Ωを式（１）に代入することで、Ｉｍ、ｆｍ及びΩの変動に起因する誤差が補正された距離Ｌ３を算出することができ、当該距離Ｌ３に基づいて測定対象距離Ｌｍを算出することできる。
このように、本実施形態のレーザ測長器１では、第２のビート信号の周波数ｆｒと、レーザ素子１１からレンズ１３の第２面１３ｂまでの既知の光学的距離Ｌ１＋ｎ・Ｌ２と、に基づいてレーザ駆動特性の変動に起因する誤差が補正された測定対象距離Ｌｍを算出する。
【００３１】
セルフミキシング現象により重畳されるビート信号の周波数が低すぎると、ＤＣの周波数領域と近くなってビート信号のピーク周波数の検出精度が落ちるため、上記の方法を用いても測定対象距離Ｌｍの真値からの誤差率が高くなる。特に、第２のビート信号の周波数ｆｒは、レンズ１３がレーザ素子１１の近傍に配置されることから小さくなりやすい。
そこで、本実施形態では、レンズ１３の第１面１３ａ及び第２面１３ｂのうち、レーザ素子１１から遠い第２面１３ｂを反射面とすることで、戻り光の往復距離をできるだけ大きくし、第２のビート信号の周波数ｆｒが低くなり過ぎないようにしている。本実施形態の構成では、第２のビート信号の周波数ｆｒを６ｋＨｚ以上とすることで、測定対象距離Ｌｍの真値からの誤差率を±０．３％以内に抑えられることが確認されている。このため、レンズ１３は、第２のビート信号の周波数ｆｒが６ｋＨｚ以上となるような距離だけ第２面１３ｂとレーザ素子１１とが離隔する位置に配置されている。
【００３２】
図３は、上述の補正された測定対象距離Ｌｍの算出動作に係るレーザ測長器１の機能構成を示すブロック図である。
図３に示されるように、レーザ測長器１は、ホストＩ／Ｆ（インターフェース）２０と、駆動波形信号生成部２１と、ＤＡコンバータ２２と、ローパスフィルタ２３と、レーザ駆動部２４と、上述のレーザ素子１１及びフォトダイオード１２と、電流電圧変換部３１と、復調部３２と、増幅部３３と、アンチエイリアスフィルタ３４と、ＡＤコンバータ３５と、帯域選択フィルタ３６と、ＦＦＴ（高速フーリエ変換部）３７と、距離算出部３８などを備える。
【００３３】
ホストＩ／Ｆ（インターフェース）２０は、レーザ測長器１に接続されたホスト機器（パーソナルコンピュータやマイコン等のホストプロセッサー）との間で、ＳＰＩやＩ２Ｃといったシリアル通信などによりデータの送受信を行う。具体的には、ホストＩ／Ｆ２０は、ホスト機器から、レーザ測長器１の動作の各種設定に係るデータや、距離測定動作の開始命令などを受信し、距離の測定結果などをホスト機器に送信する。
【００３４】
駆動波形信号生成部２１は、レーザ素子１１を駆動する三角波のデジタル信号を生成する。
【００３５】
ＤＡコンバータ２２は、駆動波形信号生成部２１で生成された三角波信号をアナログ信号に変換する。
【００３６】
ローパスフィルタ２３は、ＤＡコンバータ２２のサンプリングによって生成されるアナログ信号から高周波成分を除去して三角波信号を抽出する。
【００３７】
レーザ駆動部２４は、ローパスフィルタ２３により生成された三角波信号を電流信号に変換してレーザ素子１１に供給することで、レーザ素子１１を変調駆動する。
【００３８】
レーザ素子１１は、レーザ駆動部２４から供給された三角波の電流信号に応じて変調レーザ光を射出する。当該変調レーザ光には、上述のとおり、測定対象物９０で反射した戻り光との干渉による第１のビート信号、及びレンズ１３の第２面１３ｂで反射した戻り光との干渉による第２のビート信号が重畳されている。
【００３９】
フォトダイオード１２は、レーザ素子１１から射出された変調レーザ光を検出し、当該変調レーザ光の強度に応じた大きさの検出電流を出力する。
【００４０】
電流電圧変換部３１は、フォトダイオード１２から出力された検出電流を電圧信号に変換する。電流電圧変換部３１により生成された電圧信号には、三角波信号に、第１のビート信号及び第２のビート信号が重畳されている。
【００４１】
復調部３２は、電流電圧変換部３１によって生成された電圧信号から三角波信号成分を除去して、三角波信号に重畳されている第１のビート信号及び第２のビート信号を含む電圧信号（以下、混合ビート信号と記す）を抽出する。
【００４２】
増幅部３３は、復調部３２により生成された混合ビート信号が所望の電圧範囲に収まるように混合ビート信号を増幅する。
【００４３】
アンチエイリアスフィルタ３４は、後段のＡＤコンバータ３５によるサンプリングにおいて折り返し（エイリアス）信号が生じるのを防ぐために、混合ビート信号のうちサンプリング周波数の１／２以上の周波数成分を減衰させる。
【００４４】
ＡＤコンバータ３５は、アンチエイリアスフィルタ３４を通過した混合ビート信号を所定のサンプリング周波数でサンプリングしてデジタル信号に変換する。
【００４５】
帯域選択フィルタ３６は、生成された混合ビート信号のデジタル信号から、後段のＦＦＴ３７において周波数解析を行う帯域の成分を抽出する。
【００４６】
ＦＦＴ（高速フーリエ変換部）３７は、混合ビート信号を周波数解析して、第１のビート信号の周波数ｆｔ、及び第２のビート信号の周波数ｆｒを検出する。
【００４７】
距離算出部３８は、検出された第１のビート信号の周波数ｆｔ、第２のビート信号の周波数ｆｒ、及び光学的距離Ｌ１＋ｎ・Ｌ２に基づいて、式（１）及び式（２）を用いた上述したアルゴリズムに従って、Ｉｍ・ｆｍ・Ωの変動に起因する誤差が補正された測定対象距離Ｌｍを算出する。
【００４８】
図３に示される構成要素のうち、駆動波形信号生成部２１、ＤＡコンバータ２２、ローパスフィルタ２３及びレーザ駆動部２４が、レーザ素子１１を駆動して変調レーザ光を射出させる駆動制御部２を構成する。また、当該駆動制御部２及びレーザ素子１１の特性が、上述したレーザ駆動特性に相当する。したがって、本実施形態のレーザ測長器１は、駆動制御部２及びレーザ素子１１の少なくとも一方の特性変動に起因する誤差が補正された測定対象距離Ｌｍを算出するものである。
【００４９】
図４は、測定対象距離Ｌｍの算出動作が行われるタイミングを説明する図である。
図４では、レーザ素子１１の波長の変調周期Ｔのうち、駆動電流の増大に応じて変調レーザ光の波長が増大する期間を増大期間Ａ（Ａ１、Ａ２、…）、駆動電流の減少に応じて変調レーザ光の波長が減少する期間を減少期間Ｂ（Ｂ１、Ｂ２、…）としている。
【００５０】
本実施形態のレーザ測長器１では、図４（ａ）に示される、連続する複数の変調周期Ｔの各々における増大期間Ａ及び減少期間Ｂ（すなわち、増大期間Ａ１、Ａ２、…Ａｎ及び減少期間Ｂ１、Ｂ２、…Ｂｎ）において、それぞれ第２のビート信号の周波数ｆｒが取得されて誤差因子である係数Ｉｍ・ｆｍ・Ωが算出され、得られたＩｍ・ｆｍ・Ωに基づいて測定対象距離Ｌｍが算出される。
レーザ測長器１と測定対象物９０とが相対移動している場合には、増大期間Ａで算出された測定対象距離Ｌｍ、及び減少期間Ｂで算出された測定対象距離Ｌｍには、それぞれドップラー効果による逆方向の速度成分が含まれる。よって、増大期間Ａ及び減少期間Ｂにおいてそれぞれ算出された測定対象距離Ｌｍの平均値を算出することで、ドップラー効果による速度成分を相殺することができ、相対移動する測定対象物９０の距離をより正確に算出することができる。
また、連続する複数の変調周期Ｔの各々において測定対象距離Ｌｍを逐次算出することで、測定対象物９０との相対移動をリアルタイムに検出したり、温度変動が大きい場合に、温度変動による誤差がより正確に補正された測定対象距離Ｌｍを取得したりすることができる。
【００５１】
なお、駆動特性の経時的な変動が小さい場合などでは、図４（ｂ）に示されるように、複数の変調周期Ｔのうち所定頻度の一部の変調周期Ｔにおいて、第２のビート信号の周波数ｆｒを求め、補正に用いる係数Ｉｍ・ｆｍ・Ωを算出しても良い。
また、図４（ｃ）に示されるように、変調周期Ｔのうち増大期間Ａのみ（又は減少期間Ｂのみ）において第２のビート信号の周波数ｆｒを求め、補正に用いる係数Ｉｍ・ｆｍ・Ωを算出しても良い。
【００５２】
以上のように、本実施形態のレーザ測長器１は、レーザ素子１１と、波長変調された変調レーザ光をレーザ素子１１により射出させる駆動制御部２と、レーザ素子１１から射出された変調レーザ光の一部を透過させるとともに、当該変調レーザ光が通る複数の界面のうち所定の一つの界面である第２面１３ｂ（反射面）で前記変調レーザ光の一部を反射させる光学素子としてのレンズ１３と、レンズ１３を透過した変調レーザ光のうち測定対象物９０で反射してレーザ素子１１に戻入した光とレーザ素子１１内の変調レーザ光との干渉による第１のビート信号と、レンズ１３の第２面１３ｂで反射してレーザ素子１１に戻入した変調レーザ光とレーザ素子１１内の変調レーザ光との干渉による第２のビート信号と、が重畳した変調レーザ光を検出するフォトダイオード１２と、フォトダイオード１２による検出結果から取得された第１のビート信号の周波数ｆｔに基づいて、所定の基準位置から測定対象物９０までの測定対象距離Ｌｍを算出する距離算出部３８と、を備え、距離算出部３８は、フォトダイオード１２による検出結果から取得された第２のビート信号の周波数ｆｒと、レーザ素子１１からレンズ１３の第２面１３ｂまでの光学的距離Ｌ１＋ｎ・Ｌ２と、に基づいてレーザ素子１１及び駆動制御部２の少なくとも一方の特性変動に起因する誤差が補正された測定対象距離Ｌｍを算出する。
このような構成によれば、セルフミキシング現象により重畳される第１のビート信号及び第２のビート信号の検出結果を用いることで、レーザ素子１１の駆動に係るレーザ駆動特性（Ｉｍ、ｆｍ及びΩ）の温度変動や経時的変動に起因する誤差が補正された、正確な測定対象距離Ｌｍを算出することができる。
また、レンズ１３などの、レーザ測長器１に元々備えられている部材を光学素子として用いて第２のビート信号を生じさせることができるため、補正を行うために別個の光学素子を追加する必要がない。よって、補正のための部品の増加によるレーザ測長器１のコスト上昇や大型化を招くことなく正確な距離測定を実現することができる。
また、測定対象物９０との距離測定に用いられる第１のビート信号と、測定対象距離Ｌｍの補正に用いられる第２のビート信号とを同時に検出することができるため、測定対象距離Ｌｍの誤差の補正を、距離測定のタイミングでリアルタイムに行うことができる。よって、レーザ駆動特性の温度等による時間変化が大きい場合においても、正確に補正された測定対象距離Ｌｍを算出することができる。
また、所定の基準点からの戻り光との干渉によるビート信号の周波数が一定となるようにレーザ素子１１の駆動条件をフィードバック制御する従来の技術と比較して、フィードバック制御のための回路や処理が不要となるため、レーザ測長器１の構成の簡素化、小型化及び低コスト化を実現することができる。また、上記従来の技術では、駆動電流がフィードバック制御されるまでに一定の応答時間が必要なため、応答のずれに起因する誤差が生じ得るのに対し、本実施形態によれば、同時に検出された第１のビート信号及び第２のビート信号に基づいて補正された測定対象距離Ｌｍを算出できるため、レーザ駆動特性の時間変化に正確に追随した補正を行うことができる。
このように、上記実施形態の構成によれば、より簡易な構成で正確に距離を算出することができる
【００５３】
また、レンズ１３は、一対の界面を有し、当該一対の界面の一方である第１面１３ａにのみ、変調レーザ光の反射を抑制する反射防止層１３１が設けられており、他方の面である第２面１３ｂが反射面とされている。これにより、第１面１３ａ及び第２面１３ｂで変調レーザ光を反射させ得る光透過性のレンズ１３において、単一の反射面で変調レーザ光を反射させることができる。この結果、複数の反射面がある場合に比べて第２のビート信号の周波数ｆｒに係るスペクトラムが孤立し、その線幅を低減させて、周波数ｆｒの検出精度を向上させることができ、より正確に補正された測定対象距離Ｌｍを算出することができる。
【００５４】
また、レンズ１３は、一対の界面のうちレーザ素子１１に近い第１面１３ａに反射防止層１３１が設けられており、第１面１３ａとは反対側の第２面１３ｂが反射面とされている。これにより、第２のビート信号を生じさせる戻り光の往復距離をできるだけ大きくすることができる。よって、第２のビート信号の周波数ｆｒが低くなり過ぎて周波数ｆｒの検出精度が低下する不具合の発生を抑制することができる。
【００５５】
また、レーザ素子１１から射出された変調レーザ光の発散角を低減させるレンズ１３が上記光学素子とされているため、第２のビート信号を生じさせるために別個の光学素子を追加する必要がない。よって、部品の増加によるレーザ測長器１のコスト上昇や大型化を招くことなく正確な距離測定を行うことができる。
【００５６】
また、距離算出部３８は、第２のビート信号の周波数ｆｒ及び光学的距離Ｌ１＋ｎ・Ｌ２に基づいて、測定対象距離Ｌｍの算出結果に誤差を生じさせ得る誤差因子であるＩｍ・ｆｍ・Ωの大きさ（又は変動量）を取得し、Ｉｍ・ｆｍ・Ωの大きさ（又は変動量）に応じて補正された測定対象距離Ｌｍを算出する。これにより、誤差因子に起因する誤差が正確に補正された測定対象距離Ｌｍを算出することができる。
【００５７】
また、距離算出部３８は、変調レーザ光の変調周期Ｔのうち、変調レーザ光の波長が増大する増大期間Ａ、及び変調レーザ光の波長が減少する減少期間Ｂにおいてそれぞれ誤差因子（Ｉｍ・ｆｍ・Ω）の大きさ（又は変動量）を算出する。これらの誤差因子に基づいてそれぞれ算出された測定対象距離Ｌｍによれば、ドップラー効果による速度成分を相殺することができ、相対移動する測定対象物９０の距離をより正確に算出することができる。
【００５８】
また、距離算出部３８は、変調レーザ光の複数の変調周期Ｔのうち所定頻度の一部の変調周期Ｔにおいて誤差因子（Ｉｍ・ｆｍ・Ω）の大きさ（又は変動量）を算出する。これにより、Ｉｍ・ｆｍ・Ωの算出（したがって、測定対象距離Ｌｍの算出）を行わない期間において、レーザ素子１１を駆動させるための各部の動作や、フォトダイオード１２による検出結果に基づいて測定対象距離Ｌｍを算出するための各部の動作を停止させることができるため、レーザ測長器１の消費電力を低減させることができる。また、距離の測定のためにレーザ測長器１の外部に射出されるレーザの単位時間当たりの出力を低減させることができるため、より安全性を高めることができる。
【００５９】
なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、様々な変更が可能である。
例えば、上記実施形態では、光学素子としてのレンズ１３の第１面１３ａに反射防止層１３１を設けて第２面１３ｂを反射面とする例を挙げて説明したが、この構成に限定する趣旨ではない。すなわち、第２のビート信号の周波数ｆｒが所定の下限値以上となるようにレーザ素子１１とレンズ１３とを離隔させることができれば、第２面１３ｂに反射防止層１３１を設けて第１面１３ａを反射面としても良い。
また、複数のレンズを用いて変調レーザ光の発散角を調整する構成において、当該複数のレンズが有する複数の界面のうちいずれか一つの界面（すなわち、いずれかのレンズの一方の界面）を反射面としても良い。
【００６０】
また、本発明の光学素子は、レンズに限られない。例えば、筐体１０の透過窓に設けられた光透過性を有する部材を光学素子として用い、当該部材の一方の界面を反射面としても良い。
【００６１】
また、レーザ素子１１から射出された変調レーザ光を光ファイバに導いて、光ファイバの他方側の端部から測定対象物９０に変調レーザ光を射出する構成のレーザ測長器に本発明を適用しても良い。この場合には、例えば、変調レーザ光を光ファイバに導くレンズの一方の界面を反射面とすることで、当該反射面で反射した戻り光との干渉により第２のビート信号を生じさせて、上記実施形態と同様に補正された測定対象距離Ｌｍを算出することができる。
【００６２】
また、上記実施形態では、式（２）から算出されたＩｍ・ｆｍ・Ωの値を式（１）に代入して距離Ｌ３を含む測定対象距離Ｌｍを算出する例を挙げて説明したが、測定対象距離Ｌｍの算出方法はこれに限られない。
例えば、式（１）に式（２ａ）を代入して得られた下記式（１ａ）を用いて距離Ｌ３を含む測定対象距離Ｌｍを算出しても良い。
Ｌ１＋ｎ・Ｌ２＋Ｌ３＝ｆｔ（Ｌ１＋ｎ・Ｌ２）／ｆｒ  …（１ａ）
また、式（２）に基づいて、Ｉｍ・ｆｍ・Ωの理論値からのずれを表す補正係数を算出し、式（１）のＩｍ・ｆｍ・Ωに対して当該補正係数を乗じることで、Ｉｍ・ｆｍ・Ωの変動に起因する誤差が補正された測定対象距離Ｌｍを算出しても良い。
【００６３】
また、上記実施形態では、レーザ素子１１としてＶＣＳＥＬを用いる例を挙げて説明したが、これに限られず、半導体基板に平行な方向に光共振器が形成され基板の端面からレーザ光を射出する端面発光レーザを用いても良い。この場合には、前方の端面からレンズ１３に向けてレーザ光を射出するとともに、後方の端面から射出されたレーザ光をフォトダイオード１２により検出する構成としても良い。これにより、フォトダイオード１２に入射するレーザ光の強度を大きくしてビート信号の周波数の検出精度を向上させることができる。
【００６４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、本発明の範囲は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲とその均等の範囲を含む。
【符号の説明】
【００６５】
１  レーザ測長器
２  駆動制御部
１０  筐体
１１  レーザ素子
１１ａ  射出面
１２  フォトダイオード（検出部）
１２ａ  検出面
１３  レンズ（光学素子）
１３ａ  第１面
１３ｂ  第２面（反射面）
２０  ホストＩ／Ｆ
２１  駆動波形信号生成部
２２  ＤＡコンバータ
２３  ローパスフィルタ
２４  レーザ駆動部
３１  電流電圧変換部
３２  復調部
３３  増幅部
３４  アンチエイリアスフィルタ
３５  ＡＤコンバータ
３６  帯域選択フィルタ
３７  ＦＦＴ
３８  距離算出部
９０  測定対象物
１３１  反射防止層
【図１】
2020008475.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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