(57)【要約】【課題】メモリ容量を増大させることなく、対応可能な振動周波数を低減する。【解決手段】振動周波数計測装置は、レーザ光を放射する半導体レーザ１と、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の発振期間とが交互に存在するようにレーザ１を動作させるレーザドライバ４と、レーザ１から放射されたレーザ光と物体１１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フォトダイオード２および電流−電圧変換増幅部５と、電流−電圧変換増幅部５の出力に含まれる干渉波形の数を数える信号抽出部７と、信号抽出部７の計数結果に基づいて物体１１の振動周波数を求める周波数計測部８と、干渉波形の数を計測する各計測点の間に休止期間を設定することが可能な休止期間設定部１０とを備える。【選択図】  図１
2010078560.tif 000002
【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信号抽出手段と、
この信号抽出手段の計数結果に基づいて前記測定対象の振動周波数を求める周波数計測手段と、
前記干渉波形の数を計測する各計測点の間に休止期間を設定することが可能な休止期間設定手段とを備えることを特徴とする振動周波数計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の振動周波数計測装置において、
さらに、前記干渉波形のデータが得られる度に前記信号抽出手段と前記周波数計測手段とが処理を実行する逐次処理と、前記干渉波形のデータを前記信号抽出手段が蓄積しておき、データ量が所定量に達した時点で前記信号抽出手段と前記周波数計測手段とが処理を実行するバッチ処理のいずれか一方に切り換えることが可能な処理切換手段を備えることを特徴とする振動周波数計測装置。
【請求項３】
請求項１記載の振動周波数計測装置において、
前記休止期間設定手段は、外部から入力される休止期間設定指示信号に応じて前記休止期間を設定することを特徴とする振動周波数計測装置。
【請求項４】
請求項２記載の振動周波数計測装置において、
前記処理切換手段は、外部から入力される処理切換指示信号に応じて前記逐次処理と前記バッチ処理とを切り換えることを特徴とする振動周波数計測装置。
【請求項５】
請求項１記載の振動周波数計測装置において、
前記周波数計測手段は、
時間的に隣接する前記第１、第２の発振期間の計数結果の大小を比較して、これらの計数結果を２値化する２値化手段と、
この２値化手段から出力された２値化出力の周期を測定する２値化出力周期測定手段と、
この２値化出力周期測定手段の測定結果から一定時間における２値化出力の周期の度数分布を作成する２値化出力周期度数分布作成手段と、
前記２値化出力の周期の度数分布から前記２値化出力の周期の分布の代表値である基準周期を算出する基準周期算出手段と、
前記２値化出力周期度数分布作成手段が度数分布作成の対象とする期間と同じ一定時間の期間において前記２値化出力のパルスの数を数える２値化出力計数手段と、
前記２値化出力の周期の度数分布から、前記基準周期の第１の所定数倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと前記基準周期の第２の所定数倍以上である階級の度数の総和Ｎｗとを求め、これらの度数ＮｓとＮｗに基づいて前記２値化出力計数手段の計数結果を補正する補正手段と、
この補正手段で補正された計数結果と前記一定時間に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する周波数算出手段とからなることを特徴とする振動周波数計測装置。
【請求項６】
請求項１記載の振動周波数計測装置において、
前記周波数計測手段は、
時間的に隣接する前記第１、第２の発振期間の計数結果の大小を比較して、これらの計数結果を２値化する２値化手段と、
この２値化手段から出力された一定個数の２値化出力のパルスについて周期を測定する２値化出力周期測定手段と、
前記２値化出力の一定個数のパルスについて実施された前記２値化出力周期測定手段の測定結果から前記２値化出力の周期の度数分布を作成する２値化出力周期度数分布作成手段と、
前記２値化出力の周期の度数分布から前記２値化出力の周期の分布の代表値である基準周期を算出する基準周期算出手段と、
前記２値化出力周期測定手段の測定結果から前記２値化出力の周期の総和を算出する周期和算出手段と、
前記２値化出力の周期の度数分布から、前記基準周期の第１の所定数倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと前記基準周期の第２の所定数倍以上である階級の度数の総和Ｎｗとを求め、これらの度数ＮｓとＮｗに基づいて前記一定個数を補正する補正手段と、
この補正手段で補正された値と前記周期和算出手段で算出された周期の総和に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する周波数算出手段とからなることを特徴とする振動周波数計測装置。
【請求項７】
請求項５または６記載の振動周波数計測装置において、
前記休止期間設定手段は、
前記信号抽出手段と前記周波数計測手段とで処理可能なデータ容量の中で、前記２値化出力の所定個数のパルスに相当する干渉波形のデータを処理できない場合に、前記休止期間を設定し、前記データ容量の中に前記２値化出力の所定個数のパルスに相当する干渉波形のデータが含まれるように前記休止期間の長さを設定する休止期間増加設定手段と、
前記２値化出力の１周期の中に前記干渉波形の最低必要個数の計数結果が含まれていない場合に、前記２値化出力の１周期の中に前記干渉波形の最低必要個数の計数結果が含まれるように前記休止期間を短くする休止期間減少設定手段とからなることを特徴とする振動周波数計測装置。
【請求項８】
請求項５または６記載の振動周波数計測装置において、
前記処理切換手段は、前記２値化出力の１周期の中に前記干渉波形の最低必要個数の計数結果が含まれていない場合に、前記逐次処理からバッチ処理に切り換えることを特徴とする振動周波数計測装置。
【請求項９】
半導体レーザを用いて測定対象の振動周波数を計測する振動周波数計測方法において、
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信号抽出手順と、
この信号抽出手順で得られた計数結果に基づいて前記測定対象の振動周波数を求める周波数計測手順と、
前記干渉波形の数を計測する各計測点の間に休止期間を設定することが可能な休止期間設定手順とを備えることを特徴とする振動周波数計測方法。
【請求項１０】
請求項９記載の振動周波数計測方法において、
さらに、前記干渉波形のデータが得られる度に前記信号抽出手順と前記周波数計測手順とを実行する逐次処理と、前記干渉波形のデータを蓄積しておき、データ量が所定量に達した時点で前記信号抽出手順と前記周波数計測手順とを実行するバッチ処理のいずれか一方に切り換えることが可能な処理切換手順を備えることを特徴とする振動周波数計測方法。
【請求項１１】
請求項９記載の振動周波数計測方法において、
前記休止期間設定手順は、外部から入力される休止期間設定指示信号に応じて前記休止期間を設定することを特徴とする振動周波数計測方法。
【請求項１２】
請求項１０記載の振動周波数計測方法において、
前記処理切換手順は、外部から入力される処理切換指示信号に応じて前記逐次処理とバッチ処理を切り換えることを特徴とする振動周波数計測方法。
【請求項１３】
請求項９記載の振動周波数計測方法において、
前記周波数計測手順は、
時間的に隣接する前記第１、第２の発振期間の計数結果の大小を比較して、これらの計数結果を２値化する２値化手順と、
この２値化手順で得られた２値化出力の周期を測定する２値化出力周期測定手順と、
この２値化出力周期測定手順の測定結果から一定時間における２値化出力の周期の度数分布を作成する２値化出力周期度数分布作成手順と、
前記２値化出力の周期の度数分布から前記２値化出力の周期の分布の代表値である基準周期を算出する基準周期算出手順と、
前記２値化出力周期度数分布作成手順が度数分布作成の対象とする期間と同じ一定時間の期間において前記２値化出力のパルスの数を数える２値化出力計数手順と、
前記２値化出力の周期の度数分布から、前記基準周期の第１の所定数倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと前記基準周期の第２の所定数倍以上である階級の度数の総和Ｎｗとを求め、これらの度数ＮｓとＮｗに基づいて前記２値化出力計数手順の計数結果を補正する補正手順と、
この補正手順で補正された計数結果と前記一定時間に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する周波数算出手順とからなることを特徴とする振動周波数計測方法。
【請求項１４】
請求項９記載の振動周波数計測方法において、
前記周波数計測手順は、
時間的に隣接する前記第１、第２の発振期間の計数結果の大小を比較して、これらの計数結果を２値化する２値化手順と、
この２値化手順で得られた一定個数の２値化出力のパルスについて周期を測定する２値化出力周期測定手順と、
前記２値化出力の一定個数のパルスについて実施された前記２値化出力周期測定手順の測定結果から前記２値化出力の周期の度数分布を作成する２値化出力周期度数分布作成手順と、
前記２値化出力の周期の度数分布から前記２値化出力の周期の分布の代表値である基準周期を算出する基準周期算出手順と、
前記２値化出力周期測定手順の測定結果から前記２値化出力の周期の総和を算出する周期和算出手順と、
前記２値化出力の周期の度数分布から、前記基準周期の第１の所定数倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと前記基準周期の第２の所定数倍以上である階級の度数の総和Ｎｗとを求め、これらの度数ＮｓとＮｗに基づいて前記一定個数を補正する補正手順と、
この補正手順で補正された値と前記周期和算出手順で算出された周期の総和に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する周波数算出手順とからなることを特徴とする振動周波数計測方法。
【請求項１５】
請求項１３または１４記載の振動周波数計測方法において、
前記休止期間設定手順は、
前記信号抽出手順と前記周波数計測手順とで処理可能なデータ容量の中で、前記２値化出力の所定個数のパルスに相当する干渉波形のデータを処理できない場合に、前記休止期間を設定し、前記データ容量の中に前記２値化出力の所定個数のパルスに相当する干渉波形のデータが含まれるように前記休止期間の長さを設定する休止期間増加設定手順と、
前記２値化出力の１周期の中に前記干渉波形の最低必要個数の計数結果が含まれていない場合に、前記２値化出力の１周期の中に前記干渉波形の最低必要個数の計数結果が含まれるように前記休止期間を短くする休止期間減少設定手順とからなることを特徴とする振動周波数計測方法。
【請求項１６】
請求項１３または１４記載の振動周波数計測方法において、
前記処理切換手順は、前記２値化出力の１周期の中に前記干渉波形の最低必要個数の計数結果が含まれていない場合に、前記逐次処理から前記バッチ処理に切り換えることを特徴とする振動周波数計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動する物体の振動周波数を計測する振動周波数計測装置および振動周波数計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体レーザを用いて、振動する物体を解析する技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に開示された計測装置では、発振周波数が固定された半導体レーザから物体にレーザ光を照射し、物体からのドップラ周波数偏移した反射光の一部を半導体レーザに戻り光として帰還させ、自己混合効果を発生させる。そして、物体の振動に関係して生ずる半導体レーザの出力の変化をフォトダイオードで検出している。
【０００３】
このとき、フォトダイオードの出力に現れるドップラビート波は自己混合効果により物体の変位の方向に応じて傾きが逆転するので、ドップラビート波の傾きから物体の変位の方向を判別することができる。そして、物体の変位の方向を判別することができれば、変位の周期から物体の振動周波数を求めることが可能である。
図２２（Ａ）は特許文献１に開示された計測装置においてフォトダイオードの出力に現れるドップラビート波の１例を示し、図２２（Ｂ）はドップラビート波の傾きから物体の変位の方向を判別する方向判別回路の出力電圧の１例を示している。
【０００４】
特許文献１に開示された計測装置では、実際にはドップラビート波にノイズが存在するため、ドップラビート波の傾きの判定が非常に困難な場合があり、また物体の振動の加速度が小さいとき（例えば振動周波数が低いとき）には振動振幅の最大点付近で物体の速度が遅いので、非対称性がほとんど生じない。ドップラビート波の実際の波形は、時間に関してほとんど対称な三角形である。物体の変位の速度が小さいと、ドップラビート波が小さくなり、ドップラビート波の強度が増大するときの傾きと強度が減少するときの傾きとは絶対値が同じになり、物体の変位の方向を判別することができなくなる。その結果、特許文献１に開示された計測装置では、振動周波数計測の誤差が非常に大きいという問題点があった。
【０００５】
一方、発明者は、半導体レーザの自己結合効果を用いた波長変調型のレーザ計測器を提案した（特許文献２参照）。このレーザ計測器の構成を図２３に示す。図２３のレーザ計測器は、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−電圧変換増幅器２０５と、電流−電圧変換増幅器２０５の出力電圧を２回微分する信号抽出回路２０６と、信号抽出回路２０６の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を数える計数回路２０７と、物体２１０との距離及び物体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。
【０００６】
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２４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２４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、Ｔｔは三角波の周期である。
【０００７】
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−電圧変換増幅器２０５は、フォトダイオード２０２の出力電流を電圧に変換して増幅し、信号抽出回路２０６は、電流−電圧変換増幅器２０５の出力電圧を２回微分する。計数回路２０７は、信号抽出回路２０６の出力電圧に含まれるモードポップパルス（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との距離及び物体２１０の速度を算出する。このような自己結合型のレーザ計測器の技術を利用して、ＭＨＰの数を測定すれば、このＭＨＰの数から物体の振動周波数を算出することが可能である。
【０００８】
【特許文献１】特許第３２８２７４６号公報
【特許文献２】特開２００６−３１３０８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献２に開示された自己結合型のレーザ計測器によれば、特許文献１に開示された計測装置に比べて、物体の振動周波数の測定精度を向上させることができる。
しかしながら、特許文献２に開示されたレーザ計測器では、ＭＨＰの個数を計測するために半導体レーザの波長変調の搬送波の半周期（図２４の三角波の半周期）以上の時間にわたって信号処理が必要になり、さらに物体の振動周波数を算出するために、物体の振動１周期あたり最低１０点のＭＨＰの個数の計測データが必要になる。このため、物体の振動周波数が低くなり、振動周期が長くなると、１０点の計測データを得るために要する時間が長くなり、莫大なメモリ容量が必要になる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、メモリ容量を増大させることなく、対応可能な振動周波数を低減することができる振動周波数計測装置および振動周波数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】
本発明の振動周波数計測装置は、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信号抽出手段と、この信号抽出手段の計数結果に基づいて前記測定対象の振動周波数を求める周波数計測手段と、前記干渉波形の数を計測する各計測点の間に休止期間を設定することが可能な休止期間設定手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の振動周波数計測装置の１構成例は、さらに、前記干渉波形のデータが得られる度に前記信号抽出手段と前記周波数計測手段とが処理を実行する逐次処理と、前記干渉波形のデータを前記信号抽出手段が蓄積しておき、データ量が所定量に達した時点で前記信号抽出手段と前記周波数計測手段とが処理を実行するバッチ処理のいずれか一方に切り換えることが可能な処理切換手段を備えることを特徴とするものである。
また、本発明の振動周波数計測装置の１構成例において、前記休止期間設定手段は、外部から入力される休止期間設定指示信号に応じて前記休止期間を設定することを特徴とするものである。
また、本発明の振動周波数計測装置の１構成例において、前記処理切換手段は、外部から入力される処理切換指示信号に応じて前記逐次処理と前記バッチ処理とを切り換えることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の振動周波数計測装置の１構成例において、前記周波数計測手段は、時間的に隣接する前記第１、第２の発振期間の計数結果の大小を比較して、これらの計数結果を２値化する２値化手段と、この２値化手段から出力された２値化出力の周期を測定する２値化出力周期測定手段と、この２値化出力周期測定手段の測定結果から一定時間における２値化出力の周期の度数分布を作成する２値化出力周期度数分布作成手段と、前記２値化出力の周期の度数分布から前記２値化出力の周期の分布の代表値である基準周期を算出する基準周期算出手段と、前記２値化出力周期度数分布作成手段が度数分布作成の対象とする期間と同じ一定時間の期間において前記２値化出力のパルスの数を数える２値化出力計数手段と、前記２値化出力の周期の度数分布から、前記基準周期の第１の所定数倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと前記基準周期の第２の所定数倍以上である階級の度数の総和Ｎｗとを求め、これらの度数ＮｓとＮｗに基づいて前記２値化出力計数手段の計数結果を補正する補正手段と、この補正手段で補正された計数結果と前記一定時間に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する周波数算出手段とからなることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の振動周波数計測装置の１構成例において、前記周波数計測手段は、時間的に隣接する前記第１、第２の発振期間の計数結果の大小を比較して、これらの計数結果を２値化する２値化手段と、この２値化手段から出力された一定個数の２値化出力のパルスについて周期を測定する２値化出力周期測定手段と、前記２値化出力の一定個数のパルスについて実施された前記２値化出力周期測定手段の測定結果から前記２値化出力の周期の度数分布を作成する２値化出力周期度数分布作成手段と、前記２値化出力の周期の度数分布から前記２値化出力の周期の分布の代表値である基準周期を算出する基準周期算出手段と、前記２値化出力周期測定手段の測定結果から前記２値化出力の周期の総和を算出する周期和算出手段と、前記２値化出力の周期の度数分布から、前記基準周期の第１の所定数倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと前記基準周期の第２の所定数倍以上である階級の度数の総和Ｎｗとを求め、これらの度数ＮｓとＮｗに基づいて前記一定個数を補正する補正手段と、この補正手段で補正された値と前記周期和算出手段で算出された周期の総和に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する周波数算出手段とからなることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の振動周波数計測装置の１構成例において、前記休止期間設定手段は、前記信号抽出手段と前記周波数計測手段とで処理可能なデータ容量の中で、前記２値化出力の所定個数のパルスに相当する干渉波形のデータを処理できない場合に、前記休止期間を設定し、前記データ容量の中に前記２値化出力の所定個数のパルスに相当する干渉波形のデータが含まれるように前記休止期間の長さを設定する休止期間増加設定手段と、前記２値化出力の１周期の中に前記干渉波形の最低必要個数の計数結果が含まれていない場合に、前記２値化出力の１周期の中に前記干渉波形の最低必要個数の計数結果が含まれるように前記休止期間を短くする休止期間減少設定手段とからなることを特徴とするものである。
また、本発明の振動周波数計測装置の１構成例において、前記処理切換手段は、前記２値化出力の１周期の中に前記干渉波形の最低必要個数の計数結果が含まれていない場合に、前記逐次処理からバッチ処理に切り換えることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の振動周波数計測方法は、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に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信号抽出手順と、この信号抽出手順で得られた計数結果に基づいて前記測定対象の振動周波数を求める周波数計測手順と、前記干渉波形の数を計測する各計測点の間に休止期間を設定することが可能な休止期間設定手順とを備え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、干渉波形の数を計測する各計測点の間に休止期間を設定することが可能な休止期間設定手段を設けることにより、測定対象の振動周波数が低い場合でも、測定対象の振動の１周期以上の時間にわたって信号処理することが可能になり、振動周波数を算出することが可能になる。その結果、本発明では、メモリ容量を増大させることなく、対応可能な振動周波数を低減することができる。
【００１７】
また、本発明では、逐次処理とバッチ処理のいずれか一方に切り換えることが可能な処理切換手段を設けることにより、測定対象の振動周波数が高い場合でも、振動周波数を算出することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る振動周波数計測装置の構成を示すブロック図である。
図１の振動周波数計測装置は、測定対象の物体１１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１１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モードホップパルス（以下、ＭＨＰとする）の数を数える信号抽出部７と、信号抽出部７の計数結果に基づいて物体１１の振動周波数を求める周波数計測部８と、周波数計測部８の計測結果を表示する表示部９と、ＭＨＰの数を計測する各計測点の間に休止期間を設定することが可能な休止期間設定部１０とを有する。
【００１９】
フォトダイオード２と電流−電圧変換増幅部５とは、検出手段を構成している。以下、説明容易にするために、半導体レーザ１には、モードホッピング現象を持たない型（ＶＣＳＥＬ型、ＤＦＢレーザ型）のものが用いられているものと想定する。
【００２０】
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２４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。
【００２１】
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１１に入射する。物体１１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。
【００２２】
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。
【００２３】
次に、信号抽出部７と周波数計測部８の動作について説明する。図３は信号抽出部７と周波数計測部８の動作を示すフローチャートである。
信号抽出部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（図３ステップＳ１）。信号抽出部７は、ＭＨＰの波形をサンプリングクロックでサンプリングしてＭＨＰの数を数えるカウンタからなるものでもよいし、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）を利用してＭＨＰのサンプリングデータからＭＨＰの周波数（すなわち単位時間あたりのＭＨＰの数）を計測するものでもよい。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。
【００２４】
ここで、自己結合信号であるＭＨＰについて説明する。図４に示すように、ミラー層１０１３から物体１１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１１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１１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。
【００２５】
図５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５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。前記のとおり、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。
【００２６】
次に、周波数計測部８は、信号抽出部７が数えたＭＨＰの数に基づいて物体１１の振動周波数を算出する。図６は周波数計測部８の構成の１例を示すブロック図である。周波数計測部８は、信号抽出部７の計数結果等を記憶する記憶部８０と、信号抽出部７の計数結果を２値化する２値化部８１と、２値化部８１から出力された２値化出力の周期を測定する周期測定部８２と、２値化出力の周期の度数分布を作成する度数分布作成部８３と、２値化出力の周期の分布の代表値である基準周期を算出する基準周期算出部８４と、２値化出力のパルスの数を数える２値化出力計数手段となるカウンタ８５と、カウンタ８５の計数結果を補正する補正部８６と、補正された計数結果に基づいて物体１１の振動周波数を算出する周波数算出部８７とから構成される。
【００２７】
信号抽出部７の計数結果は、周波数計測部８の記憶部８０に格納される。周波数計測部８の２値化部８１は、記憶部８０に格納された、信号抽出部７の計数結果を２値化する（図３ステップＳ２）。図７は２値化部８１の動作を説明するための図であり、図７（Ａ）は半導体レーザ１の発振波長の時間変化を示す図、図７（Ｂ）は信号抽出部７の計数結果の時間変化を示す図、図７（Ｃ）は２値化部８１の出力Ｄ（ｔ）を示す図である。図７（Ｂ）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。
【００２８】
２値化部８１は、時間的に隣接する２つの発振期間Ｐ１，Ｐ２の計数結果ＮｕとＮｄの大小を比較して、これらの計数結果を２値化する。２値化部８１は、具体的には以下の式を実行する。
Ｉｆ  Ｎｕ（ｔ）≧Ｎｄ（ｔ−１）  ｔｈｅｎ  Ｄ（ｔ）＝１        ・・・（２）
Ｉｆ  Ｎｕ（ｔ）＜Ｎｄ（ｔ−１）  ｔｈｅｎ  Ｄ（ｔ）＝０        ・・・（３）
Ｉｆ  Ｎｄ（ｔ）≦Ｎｕ（ｔ−１）  ｔｈｅｎ  Ｄ（ｔ）＝１        ・・・（４）
Ｉｆ  Ｎｄ（ｔ）＞Ｎｕ（ｔ−１）  ｔｈｅｎ  Ｄ（ｔ）＝０        ・・・（５）
【００２９】
式（２）〜式（５）において、（ｔ）は現時刻ｔにおいて計測されたＭＨＰの数であることを表し、（ｔ−１）は現時刻ｔの１回前に計測されたＭＨＰの数であることを表している。式（２）、式（３）は、現時刻ｔの計数結果が第１の発振期間Ｐ１の計数結果Ｎｕで、１回前の計数結果が第２の発振期間Ｐ２の計数結果Ｎｄの場合である。この場合、２値化部８１は、現時刻ｔの計数結果Ｎｕ（ｔ）が１回前の計数結果Ｎｄ（ｔ−１）以上であれば、現時刻ｔの出力Ｄ（ｔ）を「１」（ハイレベル）とし、現時刻ｔの計数結果Ｎｕ（ｔ）が１回前の計数結果Ｎｄ（ｔ−１）より小さい場合は、現時刻ｔの出力Ｄ（ｔ）を「０」（ローレベル）とする。
【００３０】
式（４）、式（５）は、現時刻ｔの計数結果が第２の発振期間Ｐ２の計数結果Ｎｄで、１回前の計数結果が第１の発振期間Ｐ１の計数結果Ｎｕの場合である。この場合、２値化部８１は、現時刻ｔの計数結果Ｎｄ（ｔ）が１回前の計数結果Ｎｕ（ｔ−１）以下であれば、現時刻ｔの出力Ｄ（ｔ）を「１」とし、現時刻ｔの計数結果Ｎｄ（ｔ）が１回前の計数結果Ｎｕ（ｔ−１）より大きい場合は、現時刻ｔの出力Ｄ（ｔ）を「０」とする。
【００３１】
こうして、信号抽出部７の計数結果は２値化される。２値化部８１の出力Ｄ（ｔ）は記憶部８０に格納される。２値化部８１は、以上のような２値化処理を、信号抽出部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。
【００３２】
信号抽出部７の計数結果を２値化することは、物体１１の変位の方向を判別することを意味する。つまり、半導体レーザ１の発振波長が増加しているときの計数結果Ｎｕが、発振波長が減少しているときの計数結果Ｎｄ以上の場合（Ｄ（ｔ）＝１）、物体１１の移動方向は半導体レーザ１に接近する方向であり、計数結果Ｎｕが計数結果Ｎｄより小さい場合（Ｄ（ｔ）＝０）、物体１１の移動方向は半導体レーザ１から遠ざかる方向である。したがって、基本的には図７（Ｃ）に示した２値化出力の周期を求めることができれば、物体１１の振動周波数を算出することができる。
【００３３】
周期測定部８２は、記憶部８０に格納された２値化出力Ｄ（ｔ）の周期を測定する（図３ステップＳ３）。図８は周期測定部８２の動作を説明するための図である。図８において、Ｈ１は２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち上がりを検出するためのしきい値、Ｈ２は２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち下がりを検出するためのしきい値である。
【００３４】
周期測定部８２は、記憶部８０に格納された２値化出力Ｄ（ｔ）をしきい値Ｈ１と比較することにより、２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち上がりを検出し、２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち上がりから次の立ち上がりまでの時間ｔｕｕを測定することにより、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期を測定する。周期測定部８２は、このような測定を２値化出力Ｄ（ｔ）に立ち上がりエッジが発生する度に行う。
【００３５】
あるいは、周期測定部８２は、記憶部８０に格納された２値化出力Ｄ（ｔ）をしきい値Ｈ２と比較することにより、２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち下がりを検出し、２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち下がりから次の立ち下がりまでの時間ｔｄｄを測定することにより、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期を測定してもよい。周期測定部８２は、このような測定を２値化出力Ｄ（ｔ）に立ち下がりエッジが発生する度に行う。
【００３６】
周期測定部８２の測定結果は記憶部８０に格納される。次に、度数分布作成部８３は、周期測定部８２の測定結果から、一定時間Ｔ（Ｔ＞Ｔｔであり、例えば１００×Ｔｔ、すなわち三角波１００個分の時間）における周期の度数分布を作成する（図３ステップＳ４）。図９は度数分布の１例を示す図である。度数分布作成部８３が作成した度数分布は、記憶部８０に格納される。度数分布作成部８３は、このような度数分布の作成をＴ時間毎に行う。
【００３７】
続いて、基準周期算出部８４は、度数分布作成部８３が作成した度数分布から、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期の代表値である基準周期Ｔ０を算出する（図３ステップＳ５）。一般に、周期の代表値は最頻値や中央値であるが、本実施の形態においては、最頻値や中央値が周期の代表値として適していない。そこで、基準周期算出部８４は、階級値と度数との積が最大となる階級値を基準周期Ｔ０とする。表１に、度数分布の数値例およびこの数値例における階級値と度数との積を示す。
【００３８】
【表１】
2010078560.tif 000003
【００３９】
表１の例では、度数が最大である最頻値（階級値）は１である。これに対して、階級値と度数との積が最大となる階級値は６であり、最頻値とは異なる値になっている。階級値と度数との積が最大となる階級値を基準周期Ｔ０とする理由については後述する。算出された基準周期Ｔ０の値は、記憶部８０に格納される。基準周期算出部８４は、このような基準周期Ｔ０の算出を、度数分布作成部８３によって度数分布が作成される度に行う。
【００４０】
一方、カウンタ８５は、周期測定部８２および度数分布作成部８３と並行して動作し、度数分布作成部８３が度数分布作成の対象とする期間と同じ一定時間Ｔの期間において、２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち上がりエッジの数Ｎ（すなわち、２値化出力Ｄ（ｔ）の「１」のパルスの数）を数える（図３ステップＳ６）。カウンタ８５の計数結果Ｎは、記憶部８０に格納される。カウンタ８５は、このような２値化出力Ｄ（ｔ）の計数をＴ時間毎に行う。
【００４１】
補正部８６は、度数分布作成部８３が作成した度数分布から、基準周期Ｔ０の０．５倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと、基準周期Ｔ０の１．５倍以上である階級の度数の総和Ｎｗとを求め、カウンタ８５の計数結果Ｎを次式のように補正する（図３ステップＳ７）。
Ｎ’＝Ｎ−Ｎｓ＋Ｎｗ                                            ・・・（６）
式（６）において、Ｎ’は補正後の計数結果である。この補正後の計数結果Ｎ’は、記憶部８０に格納される。補正部８６は、このような補正をＴ時間毎に行う。
【００４２】
図１０は度数の総和ＮｓとＮｗを模式的に表す図である。図１０において、Ｔｓは基準周期Ｔ０の０．５倍の階級値、Ｔｗは基準周期Ｔ０の１．５倍の階級値である。図１０における階級が、周期の代表値であることは言うまでもない。なお、図１０では記載を簡略化するため、基準周期Ｔ０とＴｓとの間、及び基準周期Ｔ０とＴｗとの間の度数分布を省略している。
【００４３】
図１１はカウンタ８５の計数結果の補正原理を説明するための図であり、図１１（Ａ）は２値化出力Ｄ（ｔ）を示す図、図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）に対応するカウンタ８５の計数結果を示す図である。
本来、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期は物体１１の振動周波数によって異なるが、物体１１の振動周波数が不変であれば、２値化出力Ｄ（ｔ）のパルスは同じ周期で出現する。しかし、ノイズのために、ＭＨＰの波形には欠落が生じたり、信号として数えるべきでない波形が生じたりして、結果として２値化出力Ｄ（ｔ）の波形にも欠落や信号として数えるべきでない波形が生じ、２値化出力Ｄ（ｔ）のパルスの計数結果に誤差が生じる。
【００４４】
信号の欠落が生じると、欠落が生じた箇所での２値化出力Ｄ（ｔ）の周期Ｔｗは、本来の周期のおよそ２倍になる。つまり、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期が基準周期Ｔ０のおよそ２倍以上の場合には、信号に欠落が生じていると判断できる。そこで、周期Ｔｗ以上の階級の度数の総和Ｎｗを信号が欠落した回数と見なし、このＮｗをカウンタ８５の計数結果Ｎに加算することで、信号の欠落を補正することができる。
【００４５】
また、スパイクノイズなどによって本来の信号が分割された箇所での２値化出力Ｄ（ｔ）の周期Ｔｓは、本来の周期と比較して０．５倍よりも短い信号と０．５倍よりも長い信号の２つになる。つまり、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期が基準周期Ｔ０のおよそ０．５倍以下の場合には、信号を過剰に数えていると判断できる。そこで、周期Ｔｓ以下の階級の度数の総和Ｎｓを信号を過剰に数えた回数と見なし、このＮｓをカウンタ８５の計数結果Ｎから減算することで、誤って数えたノイズを補正することができる。以上が、式（６）に示した計数結果の補正原理である。
【００４６】
周波数算出部８７は、補正部８６が計算した補正後の計数結果Ｎ’に基づいて、物体１１の振動周波数ｆｓｉｇを次式のように算出する（図３ステップＳ８）。
ｆｓｉｇ＝Ｎ’／Ｔ                                              ・・・（７）
表示部９は、周波数計測部８が算出した振動周波数ｆｓｉｇの値を表示する。
【００４７】
以上のように、本実施の形態では、時間的に隣接する第１、第２の発振期間Ｐ１，Ｐ２の計数結果の大小を比較してＭＨＰの計数結果を２値化し、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期を測定して一定時間Ｔにおける周期の度数分布を作成し、周期の度数分布から２値化出力Ｄ（ｔ）の周期の分布の代表値である基準周期Ｔ０を算出し、一定時間Ｔの期間において２値化出力Ｄ（ｔ）のパルスの数を数え、度数分布から、基準周期Ｔ０の０．５倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと基準周期Ｔ０の１．５倍以上である階級の度数の総和Ｎｗとを求め、これらの度数ＮｓとＮｗに基づいて２値化出力Ｄ（ｔ）のパルスの計数結果を補正することにより、２値化出力Ｄ（ｔ）の計数誤差を補正することができるので、物体１１の振動周波数の測定精度を向上させることができる。
【００４８】
次に、階級値と度数との積が最大となる階級値を基準周期Ｔ０とする理由について説明する。
波長変調（本実施の形態では三角波変調）を用いた自己結合型のレーザ計測装置においては、各計数期間におけるＭＨＰの数は、物体１１との距離に比例したＭＨＰの数と計数期間における物体１１の変位（速度）に比例したＭＨＰの数との和もしくは差になる。物体１１の振動の最大速度と物体１１との距離の比と、半導体レーザ１の波長変化率の大小関係によって、計測装置で得られる信号の状況を以下の２通りに分けることができる。
【００４９】
まず、物体１１の振動の最大速度と物体１１との距離の比が、半導体レーザ１の波長変化率よりも小さい場合について説明する。図１２は、この場合に本実施の形態の振動周波数計測装置で得られる信号を説明するための図であり、図１２（Ａ）は物体１１との距離の時間変化を示す図、図１２（Ｂ）は物体１１の速度の時間変化を示す図、図１２（Ｃ）は信号抽出部７の計数結果の時間変化を示す図、図１２（Ｄ）は２値化部８１による２値化出力Ｄ（ｔ）を示す図である。図１２（Ｂ）において，１３０は速度が小さい箇所を示し、１３１は物体１１の移動方向が半導体レーザ１に接近する方向であることを示し、１３２は物体１１の移動方向が半導体レーザ１から遠ざかる方向であることを示している。
【００５０】
物体１１の振動の最大速度と物体１１との距離の比が半導体レーザ１の波長変化率よりも小さい場合は、物体１１との距離に比例したＭＨＰの数が、計数期間における物体１１の変位（速度）に比例したＭＨＰの数よりも常に大きいため、半導体レーザ１の発振波長が増加しているときの計数結果Ｎｕと発振波長が減少しているときの計数結果Ｎｄとの差の絶対値が２つの計数期間（本実施の形態では発振期間Ｐ１とＰ２）における物体１１の変位に常に比例することになる。この場合、Ｎｕ−Ｎｄを時系列でプロットすると、半導体レーザ１への接近方向を正とした振動の速度を示す。そのため、Ｎｕ−Ｎｄの符号が物体１１の運動方向を示すことになり、この符号によって物体１１の変位を２値化することができる。
【００５１】
このとき、度数分布作成部８３によって作成される周期の度数分布は、図１３のようになる。
図１２（Ｃ）に示すように物体１１の速度が小さい箇所１３３において、例えば外乱光などに起因するホワイトノイズが加わると、計数結果ＮｕとＮｄの大小関係が本来の関係と反転する場合がある。その結果、図１２（Ｄ）に示すように、２値化出力Ｄ（ｔ）の符号が切り替わる箇所１３４において、２値化出力Ｄ（ｔ）の符号が本来の値と逆の値になることがある。
また、例えば外乱光などに起因するスパイクノイズが加わると、図１２（Ｄ）に示すように箇所１３５において２値化出力Ｄ（ｔ）の符号が局所的に反転する。
【００５２】
その結果、度数分布作成部８３によって作成される周期の度数分布は、図１３に示すように、基準周期Ｔ０を中心とした正規分布１４０と、スパイクノイズに起因する符号反転による度数１４１と、ホワイトノイズに起因する符号逆転による度数１４２との和になる。また、２値化を実施したときの信号の欠落の度数１４３は、大きな速度を持った低周波ノイズが混入しない限り生じないことが多い。
【００５３】
次に、物体１１の振動の最大速度と物体１１との距離の比が、半導体レーザ１の波長変化率よりも大きい場合について説明する。図１４は、この場合に本実施の形態の振動周波数計測装置で得られる信号を説明するための図であり、図１４（Ａ）は物体１１との距離の時間変化を示す図、図１４（Ｂ）は物体１１の速度の時間変化を示す図、図１４（Ｃ）は信号抽出部７の計数結果の時間変化を示す図、図１４（Ｄ）は２値化部８１による２値化出力Ｄ（ｔ）を示す図である。図１４（Ｂ）において，１５０は速度が小さい箇所を示し、１５１は物体１１の移動方向が半導体レーザ１に接近する方向であることを示し、１５２は物体１１の移動方向が半導体レーザ１から遠ざかる方向であることを示している。
【００５４】
物体１１の振動の最大速度と物体１１との距離の比が、半導体レーザ１の波長変化率よりも大きい場合は、物体１１の最大速度付近で、物体１１との距離に比例したＭＨＰの数が、計数期間における物体１１の変位（速度）に比例したＭＨＰの数よりも小さくなるため、半導体レーザ１の発振波長が増加しているときの計数結果Ｎｕと発振波長が減少しているときの計数結果Ｎｄとの差が２つの計数期間（本実施の形態では発振期間Ｐ１とＰ２）における物体１１の変位に比例する期間と、計数結果Ｎｕと計数結果Ｎｄとの和が２つの計数期間における物体１１の変位に比例する期間とが存在する。
【００５５】
この場合、物体１１の振動の速度は、図１４（Ｂ）のようにＮｕ−ＮｄとＮｕ＋Ｎｄを時系列でプロットしたグラフの合成で表現することができる。ただし、速度の方向は常にＮｕとＮｄとの大小関係と一致するため、Ｎｕ−Ｎｄの符号が物体１１の運動方向を示すことになり、この符号によって物体１１の変位方向（速度の方向、あるいは運動方向）を２値化することができる。このとき、度数分布作成部８３によって作成される周期の度数分布は、図１３と同様である。
【００５６】
後述する実施の形態のように、ＭＨＰの計数結果を補正する場合には、ＭＨＰが小さいときの低周波ノイズによるＭＨＰの波形の欠落の補正が重要であるが、本実施の形態のように物体１１の変位を２値化した２値化出力Ｄ（ｔ）を補正する場合においては、高周波ノイズの補正が重要になる。
【００５７】
高周波ノイズによる短い周期での符号の変化は物体１１の本来の振動の周期の度数を上回ることがあり、周期の代表値として最頻値や中央値などを用いた場合、誤って振動周期よりも短いノイズの周期を基準として補正を掛けてしまう懸念がある。そのため、振動周波数を算出するための一定時間Ｔの期間において、ある階級の信号が占める割合、つまり階級値と度数との積が最も大きい階級値を基準周期Ｔ０として、カウンタ８５の計数結果の補正を実施する。以上が、階級値と度数との積が最大となる階級値を基準周期Ｔ０とする理由である。
【００５８】
次に、本実施の形態の休止期間設定部１０の動作について説明する。物体１１の振動周波数を算出するためには、信号抽出部７にメモリ（不図示）が必要であり、周波数計測部８にもメモリ（記憶部８０）が必要である。上記で説明したように、基本的には２値化出力Ｄ（ｔ）の周期を求めることができれば、物体１１の振動周波数を算出することができるが、物体１１の振動周波数が低く、振動周期が長くなると、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期を求めるために延々と処理を行うことになり、莫大なメモリ容量が必要になる。
【００５９】
そこで、本実施の形態の休止期間設定部１０は、例えばオペレータから入力される休止期間設定指示信号に応じて、ＭＨＰの数を計測する各計測点の間（計数結果Ｎｕの計測点と次の計数結果Ｎｄの計測点との間、および計数結果Ｎｄの計測点と次の計数結果Ｎｕの計測点との間）に一定の休止期間を設けるように信号抽出部７と周波数計測部８を制御し、ＭＨＰの数の計測と振動周波数の算出に必要な処理とを間引くようにする。休止期間は、例えば搬送波（三角波）の周期Ｔｔの整数倍の時間であればよい。つまり、本来の計測間隔である搬送波の半周期よりも間隔を空けてＭＨＰの数を計測する。
【００６０】
計測に休止期間を設けることにより、同様に周波数計測部８の２値化部８１においても本来の処理間隔である搬送波の半周期よりも間隔を空けて２値化処理が行われることになる。また、周波数計測部８で用いる一定時間Ｔは休止期間に応じて延長される。つまり、本来の一定時間Ｔで想定している計測点の間に挿入される休止期間の分だけ一定時間Ｔを延長すればよい。例えば本来の一定時間Ｔを１００×Ｔｔとし、休止期間を搬送波の１周期分の時間Ｔｔとすると、１００回の計測と９９回の休止期間が必要になるので、一定時間Ｔは１９９×Ｔｔに延長される。
【００６１】
以上のように、計測を間引くことにより、物体１１の振動周波数が低い場合でも、物体１１の振動の１周期以上の時間にわたって信号処理することが可能になり、振動周波数を算出することが可能になる。例えば搬送波の周波数を１０［ｋＨｚ］、振動周波数計測装置で処理可能なＭＨＰの最高周波数を１［ＭＨｚ］、ＭＨＰの数および２値化出力Ｄ（ｔ）の周期を測定するために使用されるサンプリングクロックの周波数を２［ＭＨｚ］、メモリ容量を２００００点（搬送波１００周期分に相当）、搬送波１周期分の信号処理に要する時間を１０［ｍｓ］とすると、休止期間を設けない場合、対応可能な最低の振動周波数は１０［ｋＨｚ］／１００［個］＝１００［Ｈｚ］である。
【００６２】
一方、搬送波のｍ周期分（ここではｍ＝１）の休止期間を設けるとすると、１００回の計測と９９回の休止期間の時間だけ信号処理することが可能になるので、対応可能な最低の振動周波数は１／（９９×ｍ×０．１［ｍｓ］＋１００×０．１［ｍｓ］）＝５０Ｈｚとなり、休止期間を設けない場合よりも低い振動周波数に対応できることが分かる。
【００６３】
［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。本実施の形態は、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期を第１の実施の形態と異なる方法で測定するものである。本実施の形態においても、振動周波数計測装置の構成は第１の実施の形態と同様であるので、図１、図６の符号を用いて説明する。図１５は本実施の形態の周期測定部８２の動作を説明するための図である。
【００６４】
本実施の形態の周期測定部８２は、記憶部８０に格納された２値化出力Ｄ（ｔ）が「０」から「１」に変化するときを２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち上がりとし、２値化出力Ｄ（ｔ）が「１」から「０」に変化するときを２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち下がりとする。そして、周期測定部８２は、２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち上がりから次の立ち下がりまでの時間ｔｕｄを測定すると共に、２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち下がりから次の立ち上がりまでの時間ｔｄｕを測定することにより、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期を測定する。周期測定部８２は、このような測定を２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち上がりまたは立ち下がりのどちらかが検出される度に行う。
【００６５】
以上のようにして、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期、より正確には半周期を測定することができる。２値化出力Ｄ（ｔ）の半周期を測定することにより、基準周期算出部８４が算出するＴ０も周期ではなく、正確には基準半周期Ｔ０となる。他の構成は第１の実施の形態と同様である。
【００６６】
［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。本実施の形態は、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期を第１、第２の実施の形態と異なる方法で測定するものである。本実施の形態においても、振動周波数計測装置の構成は第１の実施の形態と同様であるので、図１、図６の符号を用いて説明する。
【００６７】
本実施の形態の周期測定部８２は、２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち上がりから次の立ち上がりまでの時間ｔｕｕを測定することにより、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期を測定すると共に、２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち下がりから次の立ち下がりまでの時間ｔｄｄを測定することにより、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期を測定する。周期測定部８２は、このような測定を２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち上がりまたは立ち下がりのどちらかが検出される度に行う。
以上のようにして、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期を測定することができる。他の構成は第１の実施の形態と同様である。
【００６８】
［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。第１〜第３の実施の形態では、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期の度数分布と２値化出力Ｄ（ｔ）のパルスの数とを求める時間を一定時間Ｔとしたが、この時間を可変長にしてもよい。
図１６は本実施の形態の周波数計測部８ａの構成の１例を示すブロック図である。周波数計測部８ａは、記憶部８０と、２値化部８１と、周期測定部８２ａと、度数分布作成部８３ａと、基準周期算出部８４と、補正部８６ａと、周波数算出部８７ａと、周期和算出部８８とから構成される。
【００６９】
図１７は本実施の形態の信号抽出部７と周波数計測部８ａの動作を示すフローチャートである。半導体レーザ１、フォトダイオード２、レーザドライバ４、電流−電圧変換増幅部５、フィルタ部６、信号抽出部７、および周波数計測部８ａの記憶部８０と２値化部８１の動作は、第１の実施の形態と同じである。
【００７０】
周期測定部８２ａは、記憶部８０に格納された２値化出力Ｄ（ｔ）の一定個数Ｎ（Ｎは２以上の自然数で、例えば１００）個のパルスについて、周期を測定する（図１７ステップＳ９）。２値化出力Ｄ（ｔ）の周期の測定方法は、第１〜第３の実施の形態のいずれの方法を用いてもよい。周期測定部８２ａの測定結果は記憶部８０に格納される。周期測定部８２ａは、このような測定を２値化出力Ｄ（ｔ）の「１」のパルスがＮ個発生する度に行う。
【００７１】
度数分布作成部８３ａは、２値化出力Ｄ（ｔ）の一定個数Ｎ個のパルスについて実施された周期測定部８２ａの測定結果から、周期の度数分布を作成する（図１７ステップＳ１０）。度数分布作成部８３ａが作成した度数分布は、記憶部８０に格納される。度数分布作成部８３ａは、このような度数分布の作成を２値化出力Ｄ（ｔ）の「１」のパルスがＮ個発生する度に行う。
基準周期算出部８４の動作は、第１の実施の形態と同様である（図１７ステップＳ５）。
【００７２】
周期和算出部８８は、記憶部８０に格納された周期測定部８２ａの測定結果から、２値化出力Ｄ（ｔ）の一定個数Ｎ個のパルスについて測定された周期の総和Ｔを算出する（図１７ステップＳ１１）。算出された周期の総和Ｔは、記憶部８０に格納される。
ただし、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期の測定方法として、第３の実施の形態の方法を用いる場合には、算出した値の１／２を周期の総和Ｔとする。
【００７３】
補正部８６ａは、度数分布作成部８３ａが作成した度数分布から、基準周期Ｔ０の０．５倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと、基準周期Ｔ０の１．５倍以上である階級の度数の総和Ｎｗとを求め、一定個数Ｎを式（６）のように補正する（図１７ステップＳ１２）。補正後の値Ｎ’は、記憶部８０に格納される。補正部８６ａは、このような補正を２値化出力Ｄ（ｔ）の「１」のパルスがＮ個発生する度に行う。
【００７４】
周波数算出部８７ａは、補正部８６ａが算出した補正後の値Ｎ’と周期和算出部８８が算出した周期の総和Ｔに基づいて、物体１１の振動周波数ｆｓｉｇを式（７）のように算出する（図１７ステップＳ１３）。
【００７５】
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、本実施の形態のように、周波数計測部８の代わりに周波数計測部８ａを用いる場合においても、物体１１の振動周波数の測定精度を向上させることができる。
なお、第１の実施の形態では、休止期間に応じて一定時間Ｔを延長する必要があったが、本実施の形態では、２値化出力Ｄ（ｔ）の一定個数Ｎ個のパルスの周期の総和で時間Ｔが決まるので、休止期間に応じて時間Ｔを延長する必要はない。
【００７６】
第１の実施の形態では、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期の度数分布と２値化出力Ｄ（ｔ）のパルスの数とを求める時間が一定時間Ｔで固定されているため、周期の総和が一定時間Ｔと一致しない場合がある。このため、第１の実施の形態では、物体１１の振動周波数に測定誤差が生じる可能性がある。
【００７７】
これに対して、本実施の形態では、周期和算出部８８で算出される周期の総和が式（７）で用いる時間Ｔと等しくなるようにしたので、第１の実施の形態と同様の効果が得られるだけでなく、振動周波数の測定精度をさらに向上させることができる。
【００７８】
なお、物体１１の振動周波数ｆｓｉｇを求める際の母集団のＴについて、母集団の境目に前記のＮｓに該当するパルスがあると、図１８（Ｂ）、図１８（Ｃ）のように凹凸両方のノイズの可能性が考えられるが、凹のノイズなのか凸のノイズなのか判断できないためＮｓの短いパルスが本来Ｔに含まれるものか否かを判断することが困難であるため、Ｔに誤差が生じる可能性がある。図１８（Ａ）はノイズがない場合、図１８（Ｂ）はＮｓに該当する凹のノイズ１９０が存在する場合、図１８（Ｃ）はＮｓに該当する凸のノイズ１９１が存在する場合を示している。そこで、図１８（Ｂ）、図１８（Ｃ）のような場合には、Ｔの境目の前後にＮｓのパルスがないようにＴを選択すると良い。
【００７９】
［第５の実施の形態］
第１〜第４の実施の形態では、休止期間設定部１０が例えばオペレータからの指示により手動で休止期間を設けていたが、休止期間の設定の要否および休止期間の必要な長さを自動的に判定するようにしてもよい。
図１９は本実施の形態の休止期間設定部１０ａの構成の１例を示すブロック図である。休止期間設定部１０ａは、休止期間増加設定部１００と、休止期間減少設定部１０１とから構成される。
【００８０】
休止期間増加設定部１００は、信号抽出部７と周波数計測部８，８ａとで処理可能なデータ容量の中で、２値化出力Ｄ（ｔ）の所定個数（例えば１００個）のパルスに相当するサンプリングデータを処理できる場合、休止期間を設ける必要はないと判定する。ここで、サンプリングデータとは、信号抽出部７においてＭＨＰの波形をサンプリングクロックでサンプリングしたデータのことである。
【００８１】
また、休止期間増加設定部１００は、信号抽出部７と周波数計測部８，８ａとで処理可能なデータ容量の中で、２値化出力Ｄ（ｔ）の所定個数のパルスに相当するサンプリングデータを処理できない場合に、物体１１の振動が遅いと判定し、休止期間を設定して、処理可能なデータ容量の中に２値化出力Ｄ（ｔ）の所定個数のパルスに相当するサンプリングデータが含まれるように休止期間の長さを設定する。
【００８２】
一方、休止期間減少設定部１０１は、２値化出力Ｄ（ｔ）の１周期の中にＭＨＰの最低必要個数（例えば１０個）の計数結果が含まれていない場合、物体１１の振動が早いと判定し、２値化出力Ｄ（ｔ）の１周期の中にＭＨＰの最低必要個数の計数結果が含まれるように休止期間を短くする。休止期間減少設定部１０１の判定は、２値化部８１の入出力に基づいて行うことが可能である。
【００８３】
その他の構成は、第１〜第４の実施の形態と同じである。こうして、本実施の形態では、休止期間の設定の要否および休止期間の必要な長さを自動的に判定することができる。
搬送波の周波数を１０［ｋＨｚ］、振動周波数計測装置で処理可能なＭＨＰの最高周波数を１［ＭＨｚ］、ＭＨＰの数および２値化出力Ｄ（ｔ）の周期を測定するために使用されるサンプリングクロックの周波数を２［ＭＨｚ］、メモリ容量を２００００点（搬送波１００周期分に相当）、搬送波１周期分の信号処理に要する時間を１０［ｍｓ］とすると、搬送波のｍ周期分（ここではｍ＝１）の休止期間を設けるとすると、２値化出力Ｄ（ｔ）の１周期の中に最低１０個の計数結果と９回の休止期間とが必要になるので、対応可能な最高の振動周波数は１／（９×ｍ×０．１［ｍｓ］＋１０×０．１［ｍｓ］）＝５２６Ｈｚとなる。
【００８４】
一方、休止期間減少設定部１０１の機能により、休止期間を０にした場合には、対応可能な最高の振動周波数は１０［ｋＨｚ］／１０＝１ｋＨｚとなり、休止期間を設ける場合よりも高い振動周波数に対応できることが分かる。
【００８５】
［第６の実施の形態］
第１〜第５の実施の形態では、信号抽出部７と周波数計測部８，８ａとはＭＨＰのサンプリングデータが得られる度に処理を実行する逐次処理を行っているが、物体１１の振動が早い場合には、休止期間をなくしたとしても処理が追いつかないことがある。そこで、このような場合には、ＭＨＰのサンプリングデータを信号抽出部７のメモリ（不図示）に蓄積しておき、信号抽出部７のデータ量が所定量に達した時点で信号抽出部７と周波数計測部８，８ａとが処理を実行するバッチ処理を行うことが好ましい。
【００８６】
図２０は本発明の第６の実施の形態に係る振動周波数計測装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の振動周波数計測装置は、第１の実施の形態の振動周波数計測装置に処理切換部１２を追加したものである。
処理切換部１２は、例えばオペレータから入力される処理切換指示信号に応じて、逐次処理からバッチ処理、あるいはバッチ処理から逐次処理に切り換えるよう信号抽出部７と周波数計測部８に指示する。
【００８７】
こうして、本実施の形態では、逐次処理からバッチ処理に切り換えることにより、物体１１の振動周波数が高い場合でも、信号処理することが可能になり、振動周波数を算出することが可能になる。
なお、本実施の形態では、第１の実施の形態に適用した場合について説明したが、これに限るものではなく、他の第２〜第５の実施の形態に適用してもよいことは言うまでもない。
【００８８】
［第７の実施の形態］
第６の実施の形態では、処理切換部１２が例えばオペレータからの指示により手動で逐次処理とバッチ処理を切り換えていたが、処理の切り換えを自動的に行うようにしてもよい。
すなわち、処理切換部１２は、２値化出力Ｄ（ｔ）の１周期の中にＭＨＰの最低必要個数（例えば１０個）の計数結果が含まれていない場合には、物体１１の振動が早いと判定し、逐次処理からバッチ処理に切り換えるようにすればよい。
【００８９】
なお、バッチ処理から逐次処理への切り換えは、自動で行ってもよいし、手動で行ってもよい。自動で切り換える場合、処理切換部１２は、２値化出力Ｄ（ｔ）の１周期の中にＭＨＰの最低必要個数の計数結果が含まれるようになったときに、物体１１の振動が遅くなったと判定し、バッチ処理から逐次処理に切り換えるようにすればよい。
【００９０】
［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２１は本発明の第８の実施の形態に係る振動周波数計測装置の構成を示すブロック図であり、図１と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の振動周波数計測装置は、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回路１３を用いるものである。
【００９１】
電圧検出回路１３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１１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。
【００９２】
フィルタ部６は、電圧検出回路１３の出力電圧から搬送波を除去する。振動周波数計測装置のその他の構成は、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振動周波数計測装置の部品を削減することができ、振動周波数計測装置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。
【００９３】
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。
【００９４】
なお、第１〜第８の実施の形態において少なくとも信号抽出部７と周波数計測部８，８ａと休止期間設定部１０，１０ａと処理切換部１２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。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明は、レーザを用いて物体の振動周波数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】
【００９６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る振動周波数計測装置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】本発明の第１の実施の形態における信号抽出部と周波数計測部の動作を示すフローチャートである。
【図４】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５】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６】本発明の第１の実施の形態における周波数計測部の構成の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２値化部の動作を説明するための図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態における周期測定部の動作を説明するための図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態における周期の度数分布の１例を示す図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態においてカウンタの計数結果の補正に用いる度数を模式的に表す図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態におけるカウンタの計数結果の補正原理を説明するための図である。
【図１２】物体の振動の最大速度と物体との距離の比が半導体レーザの波長変化率よりも小さい場合に、本発明の第１の実施の形態に係る振動周波数計測装置で得られる信号を説明するための図である。
【図１３】図１２の２値化出力に応じて作成される周期の度数分布を示す図である。
【図１４】物体の振動の最大速度と物体との距離の比が半導体レーザの波長変化率よりも大きい場合に、本発明の第１の実施の形態に係る振動周波数計測装置で得られる信号を説明するための図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態における周期測定部の動作を説明するための図である。
【図１６】本発明の第４の実施の形態における周波数計測部の構成の１例を示すブロック図である。
【図１７】本発明の第４の実施の形態における信号抽出部と周波数計測部の動作を示すフローチャートである。
【図１８】２値化出力にノイズが存在する場合の一定時間の設定の仕方を説明するための図である。
【図１９】本発明の第５の実施の形態における休止期間設定部の構成の１例を示すブロック図である。
【図２０】本発明の第６の実施の形態に係る振動周波数計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２１】本発明の第８の実施の形態に係る振動周波数計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２２】従来の計測装置においてフォトダイオードの出力に現れるドップラビート波の１例を示す図およびドップラビート波の傾きから物体の変位の方向を判別する方向判別回路の出力電圧の１例を示す図である。
【図２３】従来のレーザ計測器の構成を示すブロック図である。
【図２４】図２３のレーザ計測器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。
【符号の説明】
【００９７】
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…信号抽出部、８，８ａ…周波数計測部、９…表示部、１０，１０ａ…休止期間設定部、１１…物体、１２…処理切換部、１３…電圧検出回路、８０…記憶部、８１…２値化部、８２，８２ａ…周期測定部、８３，８３ａ…度数分布作成部、８４…基準周期算出部、８５…カウンタ、８６，８６ａ…補正部、８７，８７ａ…周波数算出部、８８…周期和算出部、１００…休止期間増加設定部、１０１…休止期間減少設定部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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