(57)【要約】【課題】測定範囲の長距離化、高分解能、測定精度の安定化、および信号抽出の容易さを実現する。【解決手段】物理量センサは、ダイアフラム制御信号に応じた共振器長の調節により発振波長の制御が可能な波長可変機構を備え、物体１１にレーザ光を放射する波長可変半導体レーザ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に駆動電流を供給するレーザドライバ４と、フォトダイオード２の出力電流を電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅器５と、フィルタ回路６の出力電圧に含まれる干渉波形の数を数える計数部７と、干渉波形の数から物体１１との距離および物体１１の速度を算出する演算部８と、半導体レーザ１の発振波長を変調するダイアフラムドライバ１０とを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御信号に応じた共振器長の調節により発振波長の制御が可能な波長可変機構を備え、測定対象にレーザ光を放射する波長可変半導体レーザと、
この半導体レーザに駆動電流を供給して前記半導体レーザを発振させるレーザドライバと、
前記半導体レーザに前記制御信号を供給して前記半導体レーザの発振波長を変調す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情報から、前記測定対象の物理量を計測する計測手段とを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、
前記発振波長変調手段は、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ものであり、
前記計測手段は、
前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記半導体レーザの発振波長の増加側の計数期間と前記発振波長の減少側の計数期間の各々について数える信号抽出手段と、
前記信号抽出手段の計数結果から前記測定対象の物理量を算出する演算手段とからなることを特徴とする物理量センサ。
【請求項３】
請求項２記載の物理量センサにおいて、
前記信号抽出手段は、
前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記半導体レーザの発振波長の増加側の計数期間と前記発振波長の減少側の計数期間の各々について数える計数手段と、
この計数手段が干渉波形の数を数える計数期間中の前記干渉波形の周期を干渉波形が入力される度に測定する周期測定手段と、
この周期測定手段の測定結果から前記計数期間中の干渉波形の周期の度数分布を作成する度数分布作成手段と、
前記度数分布から前記干渉波形の周期の分布の代表値を算出する代表値算出手段と、
前記度数分布から、前記代表値の第１の所定数倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと、前記代表値の第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に基づいて前記計数手段の計数結果を補正し、補正後の計数結果を出力する補正値算出手段とからなることを特徴とする物理量センサ。
【請求項４】
請求項２記載の物理量センサにおいて、
前記測定対象の物理量は、前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方であることを特徴とする物理量センサ。
【請求項５】
請求項１記載の物理量センサにおいて、
前記レーザドライバは、パルス状の前記駆動電流を前記半導体レーザに供給して、前記半導体レーザをパルス発光させることを特徴とする物理量センサ。
【請求項６】
請求項５記載の物理量センサにおいて、
さらに、前記測定対象からの戻り光を受光して電気信号に変換する戻り光検知用受光器と、
この戻り光検知用受光器の出力信号を基に前記レーザ光の放射方向に測定対象が存在するかどうかを判定する物体検知手段とを備えることを特徴とする物理量センサ。
【請求項７】
請求項１記載の物理量センサにおいて、
さらに、前記半導体レーザの光出力が一定になるように、前記レーザドライバから前記半導体レーザに供給される駆動電流を制御する光出力制御手段を備えることを特徴とする物理量センサ。
【請求項８】
請求項１記載の物理量センサにおいて、
さらに、前記半導体レーザの光出力が周囲温度に応じた適切な値になるように、前記レーザドライバから前記半導体レーザに供給される駆動電流を制御する光出力制御手段を備えることを特徴とする物理量センサ。
【請求項９】
請求項１記載の物理量センサにおいて、
さらに、前記測定対象からの戻り光を受光して電気信号に変換する戻り光検知用受光器と、
この戻り光検知用受光器の出力信号に基づいて、前記測定対象からの戻り光量が一定になるように、前記レーザドライバから前記半導体レーザに供給される駆動電流を制御する光出力制御手段とを備えることを特徴とする物理量センサ。
【請求項１０】
請求項１記載の物理量センサにおいて、
さらに、参照信号を生成する参照信号生成手段と、
変調信号を生成する電圧制御発振手段と、
前記参照信号と前記検出手段の出力に含まれる変調信号とを位相比較し、この変調信号が前記参照信号と同期もしくは前記変調信号と前記参照信号との位相差が一定になるように、前記電圧制御発振手段を制御する位相制御手段とを備え、
前記レーザドライバは、前記電圧制御発振手段から出力される変調信号で前記駆動電流を変調し、
前記発振波長変調手段は、前記制御信号を前記参照信号と同期させることを特徴とする物理量センサ。
【請求項１１】
請求項１０記載の物理量センサにおいて、
さらに、前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形を、前記発振波長の増加側の複数回の計数期間について平均化すると共に前記発振波長の減少側の複数回の計数期間について平均化する平均化処理手段を備え、
前記発振波長変調手段は、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ものであり、
前記計測手段は、
前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記半導体レーザの発振波長の増加側の計数期間と前記発振波長の減少側の計数期間の各々について数える信号抽出手段と、
前記平均化処理手段から出力された計数結果から前記測定対象の物理量を算出する演算手段とからなり、
前記平均化処理手段は、
前記平均化を行う平均化計算手段と、
前記平均化後の干渉波形の数を、前記半導体レーザの発振波長の増加側の計数期間と前記発振波長の減少側の計数期間の各々について数える平均化処理後計数手段と、
前記信号抽出手段から出力された計数結果の変化が所定の範囲内の場合、前記平均化処理後計数手段から出力された計数結果を前記演算手段に出力し、前記信号抽出手段から出力された計数結果の変化が所定の範囲を超える場合、前記信号抽出手段から出力された計数結果を前記演算手段に出力する状態判定手段とからなることを特徴とする物理量センサ。
【請求項１２】
請求項１１記載の物理量センサにおいて、
前記信号抽出手段は、
前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記半導体レーザの発振波長の増加側の計数期間と前記発振波長の減少側の計数期間の各々について数える平均化処理前計数手段と、
この平均化処理前計数手段が干渉波形の数を数える計数期間中の前記干渉波形の周期を干渉波形が入力される度に測定する周期測定手段と、
この周期測定手段の測定結果から前記計数期間中の干渉波形の周期の度数分布を作成する度数分布作成手段と、
前記度数分布から前記干渉波形の周期の分布の代表値を算出する代表値算出手段と、
前記度数分布から、前記代表値の第１の所定数倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと、前記代表値の第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に基づいて前記平均化処理前計数手段の計数結果を補正し、補正後の計数結果を前記平均化処理手段に出力する補正値算出手段とからなり、
前記状態判定手段は、前記信号抽出手段から出力された計数結果の変化を観測する代わりに、前記信号抽出手段で算出された周期の分布の代表値の変化を観測し、この代表値の変化が所定の範囲内の場合、前記平均化処理後計数手段から出力された計数結果を前記演算手段に出力し、前記代表値の変化が所定の範囲を超える場合、前記信号抽出手段から出力された計数結果を前記演算手段に出力する状態判定手段とからなることを特徴とする物理量センサ。
【請求項１３】
請求項１１記載の物理量センサにおいて、
さらに、前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の位相変化を検出して、前記半導体レーザの発振波長の変化率が一定になるように、前記発振波長変調手段から前記半導体レーザに供給される制御信号を制御する位相検出手段を備えることを特徴とする物理量センサ。
【請求項１４】
請求項１１記載の物理量センサにおいて、
前記平均化処理後計数手段は、前記平均化後の干渉波形を小数点以下の単位で数えることを特徴とする物理量センサ。
【請求項１５】
請求項７記載の物理量センサにおいて、
前記レーザドライバは、レーザ発振のしきい値電流付近の前記駆動電流を前記半導体レーザに供給することを特徴とする物理量センサ。
【請求項１６】
制御信号に応じた共振器長の調節により発振波長の制御が可能な波長可変機構を備え測定対象にレーザ光を放射する波長可変半導体レーザに、駆動電流を供給して前記半導体レーザを発振させる発振手順と、
前記半導体レーザに前記制御信号を供給して前記半導体レーザの発振波長を変調する発振波長変調手順と、
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情報から、前記測定対象の物理量を計測する計測手順とを備えることを特徴とする物理量計測方法。
【請求項１７】
請求項１６記載の物理量計測方法において、
前記発振波長変調手順は、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ものであり、
前記計測手順は、
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数を、前記半導体レーザの発振波長の増加側の計数期間と前記発振波長の減少側の計数期間の各々について数える信号抽出手順と、
前記信号抽出手順の計数結果から前記測定対象の物理量を算出する演算手順とからなることを特徴とする物理量計測方法。
【請求項１８】
請求項１７記載の物理量計測方法において、
前記信号抽出手順は、
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数を、前記半導体レーザの発振波長の増加側の計数期間と前記発振波長の減少側の計数期間の各々について数える計数手順と、
この計数手順で干渉波形の数を数える計数期間中の前記干渉波形の周期を干渉波形が入力される度に測定する周期測定手順と、
この周期測定手順の測定結果から前記計数期間中の干渉波形の周期の度数分布を作成する度数分布作成手順と、
前記度数分布から前記干渉波形の周期の分布の代表値を算出する代表値算出手順と、
前記度数分布から、前記代表値の第１の所定数倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと、前記代表値の第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に基づいて前記計数手順の計数結果を補正し、補正後の計数結果を信号抽出手順の計数結果として出力する補正値算出手順とからなることを特徴とする物理量計測方法。
【請求項１９】
請求項１７記載の物理量計測方法において、
前記測定対象の物理量は、前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方であることを特徴とする物理量計測方法。
【請求項２０】
請求項１６記載の物理量計測方法において、
前記発振手順は、パルス状の前記駆動電流を前記半導体レーザに供給して、前記半導体レーザをパルス発光させることを特徴とする物理量計測方法。
【請求項２１】
請求項２０記載の物理量計測方法において、
さらに、前記測定対象からの戻り光を受光して電気信号に変換する戻り光検知手順と、
この戻り光検知手順で得られた出力信号を基に前記レーザ光の放射方向に測定対象が存在するかどうかを判定する物体検知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２２】
請求項１６記載の物理量計測方法において、
さらに、前記半導体レーザの光出力が一定になるように、前記半導体レーザに供給される駆動電流を制御する光出力制御手順を備えることを特徴とする物理量計測方法。
【請求項２３】
請求項１６記載の物理量計測方法において、
さらに、前記半導体レーザの光出力が周囲温度に応じた適切な値になるように、前記半導体レーザに供給される駆動電流を制御する光出力制御手順を備えることを特徴とする物理量計測方法。
【請求項２４】
請求項１６記載の物理量計測方法において、
さらに、前記測定対象からの戻り光を受光して電気信号に変換する戻り光検知手順と、
この戻り光検知手順で得られた出力信号に基づいて、前記測定対象からの戻り光量が一定になるように、前記半導体レーザに供給される駆動電流を制御する光出力制御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２５】
請求項１６記載の物理量計測方法において、
さらに、参照信号を生成する参照信号生成手順と、
変調信号を生成する電圧制御発振手順と、
前記参照信号と前記検出手順の出力に含まれる変調信号とを位相比較し、この変調信号が前記参照信号と同期もしくは前記変調信号と前記参照信号との位相差が一定になるように、前記電圧制御発振手順を制御する位相制御手順とを備え、
前記発振手順は、前記電圧制御発振手順で出力される変調信号で前記駆動電流を変調し、
前記発振波長変調手順は、前記制御信号を前記参照信号と同期させることを特徴とする物理量計測方法。
【請求項２６】
請求項２５記載の物理量計測方法において、
さらに、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を、前記発振波長の増加側の複数回の計数期間について平均化すると共に前記発振波長の減少側の複数回の計数期間について平均化する平均化処理手順を備え、
前記発振波長変調手順は、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ものであり、
前記計測手順は、
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数を、前記半導体レーザの発振波長の増加側の計数期間と前記発振波長の減少側の計数期間の各々について数える信号抽出手順と、
前記平均化処理手順で得られた計数結果から前記測定対象の物理量を算出する演算手順とからなり、
前記平均化処理手順は、
前記平均化を行う平均化計算手順と、
前記平均化後の干渉波形の数を、前記半導体レーザの発振波長の増加側の計数期間と前記発振波長の減少側の計数期間の各々について数える平均化処理後計数手順と、
前記信号抽出手順の計数結果の変化が所定の範囲内の場合、前記平均化処理後計数手順の計数結果を前記演算手順で使用させ、前記信号抽出手順の計数結果の変化が所定の範囲を超える場合、前記信号抽出手順の計数結果を前記演算手順で使用させる状態判定手順とからなることを特徴とする物理量計測方法。
【請求項２７】
請求項２６記載の物理量計測方法において、
前記信号抽出手順は、
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数を、前記半導体レーザの発振波長の増加側の計数期間と前記発振波長の減少側の計数期間の各々について数える平均化処理前計数手順と、
この平均化処理前計数手順で干渉波形の数を数える計数期間中の前記干渉波形の周期を干渉波形が入力される度に測定する周期測定手順と、
この周期測定手順の測定結果から前記計数期間中の干渉波形の周期の度数分布を作成する度数分布作成手順と、
前記度数分布から前記干渉波形の周期の分布の代表値を算出する代表値算出手順と、
前記度数分布から、前記代表値の第１の所定数倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと、前記代表値の第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に基づいて前記平均化処理前計数手順の計数結果を補正し、補正後の計数結果を信号抽出手順の計数結果として出力する補正値算出手順とからなり、
前記状態判定手順は、前記信号抽出手順の計数結果の変化を観測する代わりに、前記信号抽出手順で算出された周期の分布の代表値の変化を観測し、この代表値の変化が所定の範囲内の場合、前記平均化処理後計数手順の計数結果を前記演算手順で使用させ、前記代表値の変化が所定の範囲を超える場合、前記信号抽出手順の計数結果を前記演算手順で使用させる状態判定手順とからなることを特徴とする物理量計測方法。
【請求項２８】
請求項２６記載の物理量計測方法において、
さらに、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位相変化を検出して、前記半導体レーザの発振波長の変化率が一定になるように、前記半導体レーザに供給される制御信号を制御する位相検出手順を備えることを特徴とする物理量計測方法。
【請求項２９】
請求項２６記載の物理量計測方法において、
前記平均化処理後計数手順は、前記平均化後の干渉波形を小数点以下の単位で数えることを特徴とする物理量計測方法。
【請求項３０】
請求項２２記載の物理量計測方法において、
前記発振手順は、レーザ発振のしきい値電流付近の前記駆動電流を前記半導体レーザに供給することを特徴とする物理量計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザから放射したレーザ光と物体からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉の情報から、物体との距離や物体の速度等の物理量を計測する物理量センサおよび物理量計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザの自己結合効果（自己混合効果）を用いたレーザセンサには、波長固定型と波長変調型の２種類がある。波長固定型のセンサについては例えば特許文献１に開示され、波長変調型のセンサについては例えば特許文献２に開示されている。
【０００３】
波長固定型のセンサは、測定対象の物体の変位に伴い、レーザ素子の活性層端面もしくは反射面と、物体の反射面との間の外部干渉長が変化するため、この外部干渉長の変化によって生じる干渉を自己結合信号として取り出すことにより、例えば物体の変位を計測する。しかしながら、このような波長固定型のセンサでは、物体に照射するレーザ光のゆらぎや外乱光と、自己結合信号との分離が非常に難しいという問題があった。
【０００４】
一方、波長変調型のセンサは、レーザ発振波長を変調することで、測定対象が静止している物体の場合でも外部干渉状態の変化による自己結合信号を作り出すことができると同時に、自己結合信号の発生周期に規則性を与えることができるために、自己結合信号と外乱との分離が容易になる。発振波長を変調する場合についてより具体的に説明すると、レーザから物体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）における物体の変位は、自己結合信号の数に反映される。例えば、物体までの距離がＬ１のとき、自己結合信号の数が１０個であったとすれば、半分の距離Ｌ２では、自己結合信号の数は５個になる。すなわち、ある一定時間において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自己結合信号の数は変わる。したがって、レーザの光出力を電気信号に変換し、この電気信号から自己結合信号を抽出すれば、容易に距離計測が可能となる。
【０００５】
【特許文献１】特許第３２８２７４６号公報
【特許文献２】特許第２７３３９９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
波長変調型のセンサでは、注入電流の変調を行うことでレーザ素子の線膨張による干渉長変化を生じさせ、発振波長を変調している。そのため、波長変調型のセンサでは、波長変化量が距離分解能に比例する距離計測において、注入電流変調によるレーザの光出力変化が大きくなり、光出力の変化から微小な自己結合信号を抽出することが容易でなくなるため、距離分解能と自己結合信号抽出特性が相反するという問題点があった。さらに、波長変調型のセンサでは、レーザの光出力変化が物体からの戻り光の強度変化を引き起こし、自己結合信号の強度の安定性に悪影響を及ぼすため、測定精度の安定性が悪いという問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、測定範囲の長距離化、高分解能、測定精度の安定化、および信号抽出の容易さを実現することができる物理量センサおよび物理量計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の物理量センサは、制御信号に応じた共振器長の調節により発振波長の制御が可能な波長可変機構を備え、測定対象にレーザ光を放射する波長可変半導体レーザと、この半導体レーザに駆動電流を供給して前記半導体レーザを発振させるレーザドライバと、前記半導体レーザに前記制御信号を供給して前記半導体レーザの発振波長を変調す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情報から、前記測定対象の物理量を計測する計測手段とを備えることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の物理量センサの１構成例において、前記発振波長変調手段は、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ものであり、前記計測手段は、前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記半導体レーザの発振波長の増加側の計数期間と前記発振波長の減少側の計数期間の各々について数える信号抽出手段と、前記信号抽出手段の計数結果から前記測定対象の物理量を算出する演算手段とからなることを特徴とするものである。
また、本発明の物理量センサの１構成例において、前記信号抽出手段は、前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記半導体レーザの発振波長の増加側の計数期間と前記発振波長の減少側の計数期間の各々について数える計数手段と、この計数手段が干渉波形の数を数える計数期間中の前記干渉波形の周期を干渉波形が入力される度に測定する周期測定手段と、この周期測定手段の測定結果から前記計数期間中の干渉波形の周期の度数分布を作成する度数分布作成手段と、前記度数分布から前記干渉波形の周期の分布の代表値を算出する代表値算出手段と、前記度数分布から、前記代表値の第１の所定数倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと、前記代表値の第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に基づいて前記計数手段の計数結果を補正し、補正後の計数結果を出力する補正値算出手段とからなることを特徴とするものである。
また、本発明の物理量センサの１構成例において、前記測定対象の物理量は、前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方である。
また、本発明の物理量センサの１構成例において、前記レーザドライバは、パルス状の前記駆動電流を前記半導体レーザに供給して、前記半導体レーザをパルス発光させることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の物理量センサの１構成例は、さらに、前記測定対象からの戻り光を受光して電気信号に変換する戻り光検知用受光器と、この戻り光検知用受光器の出力信号を基に前記レーザ光の放射方向に測定対象が存在するかどうかを判定する物体検知手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の物理量センサの１構成例は、さらに、前記半導体レーザの光出力が一定になるように、前記レーザドライバから前記半導体レーザに供給される駆動電流を制御する光出力制御手段を備えることを特徴とするものである。
また、本発明の物理量センサの１構成例は、さらに、前記半導体レーザの光出力が周囲温度に応じた適切な値になるように、前記レーザドライバから前記半導体レーザに供給される駆動電流を制御する光出力制御手段を備えることを特徴とするものである。
また、本発明の物理量センサの１構成例は、さらに、前記測定対象からの戻り光を受光して電気信号に変換する戻り光検知用受光器と、この戻り光検知用受光器の出力信号に基づいて、前記測定対象からの戻り光量が一定になるように、前記レーザドライバから前記半導体レーザに供給される駆動電流を制御する光出力制御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構成例は、さらに、参照信号を生成する参照信号生成手段と、変調信号を生成する電圧制御発振手段と、前記参照信号と前記検出手段の出力に含まれる変調信号とを位相比較し、この変調信号が前記参照信号と同期もしくは前記変調信号と前記参照信号との位相差が一定になるように、前記電圧制御発振手段を制御する位相制御手段とを備え、前記レーザドライバは、前記電圧制御発振手段から出力される変調信号で前記駆動電流を変調し、前記発振波長変調手段は、前記制御信号を前記参照信号と同期させ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構成例は、さらに、前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形を、前記発振波長の増加側の複数回の計数期間について平均化すると共に前記発振波長の減少側の複数回の計数期間について平均化する平均化処理手段を備え、前記発振波長変調手段は、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ものであり、前記計測手段は、前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記半導体レーザの発振波長の増加側の計数期間と前記発振波長の減少側の計数期間の各々について数える信号抽出手段と、前記平均化処理手段から出力された計数結果から前記測定対象の物理量を算出する演算手段とからなり、前記平均化処理手段は、前記平均化を行う平均化計算手段と、前記平均化後の干渉波形の数を、前記半導体レーザの発振波長の増加側の計数期間と前記発振波長の減少側の計数期間の各々について数える平均化処理後計数手段と、前記信号抽出手段から出力された計数結果の変化が所定の範囲内の場合、前記平均化処理後計数手段から出力された計数結果を前記演算手段に出力し、前記信号抽出手段から出力された計数結果の変化が所定の範囲を超える場合、前記信号抽出手段から出力された計数結果を前記演算手段に出力する状態判定手段とからな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、前記信号抽出手段は、前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記半導体レーザの発振波長の増加側の計数期間と前記発振波長の減少側の計数期間の各々について数える平均化処理前計数手段と、この平均化処理前計数手段が干渉波形の数を数える計数期間中の前記干渉波形の周期を干渉波形が入力される度に測定する周期測定手段と、この周期測定手段の測定結果から前記計数期間中の干渉波形の周期の度数分布を作成する度数分布作成手段と、前記度数分布から前記干渉波形の周期の分布の代表値を算出する代表値算出手段と、前記度数分布から、前記代表値の第１の所定数倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと、前記代表値の第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に基づいて前記平均化処理前計数手段の計数結果を補正し、補正後の計数結果を前記平均化処理手段に出力する補正値算出手段とからなり、前記状態判定手段は、前記信号抽出手段から出力された計数結果の変化を観測する代わりに、前記信号抽出手段で算出された周期の分布の代表値の変化を観測し、この代表値の変化が所定の範囲内の場合、前記平均化処理後計数手段から出力された計数結果を前記演算手段に出力し、前記代表値の変化が所定の範囲を超える場合、前記信号抽出手段から出力された計数結果を前記演算手段に出力する状態判定手段とからなることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の物理量センサの１構成例は、さらに、前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の位相変化を検出して、前記半導体レーザの発振波長の変化率が一定になるように、前記発振波長変調手段から前記半導体レーザに供給される制御信号を制御する位相検出手段を備えることを特徴とするものである。
また、本発明の物理量センサの１構成例において、前記平均化処理後計数手段は、前記平均化後の干渉波形を小数点以下の単位で数え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、前記レーザドライバは、レーザ発振のしきい値電流付近の前記駆動電流を前記半導体レーザに供給す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は、制御信号に応じた共振器長の調節により発振波長の制御が可能な波長可変機構を備え測定対象にレーザ光を放射する波長可変半導体レーザに、駆動電流を供給して前記半導体レーザを発振させる発振手順と、前記半導体レーザに前記制御信号を供給して前記半導体レーザの発振波長を変調する発振波長変調手順と、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情報から、前記測定対象の物理量を計測する計測手順とを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、半導体レーザとして波長可変半導体レーザを用いることにより、光出力と発振波長とを独立に制御することができる。その結果、本発明では、半導体レーザの発振波長を変調しつつ、駆動電流を一定にして、一定の高光出力を維持することができるので、測定範囲の長距離化を実現することができる。また、本発明では、発振波長変化量が駆動電流振幅に依存しないため、発振波長変化量を大きくとることができ、従来の駆動電流変調型のＶＣＳＥＬを用いるセンサに比べて距離分解能を向上させることができる。また、本発明では、半導体レーザの光出力が一定であるため、半導体レーザの光出力に重畳している微小な干渉波形を容易に抽出することができる。また、本発明では、半導体レーザの光出力の変化が小さいため、光出力変化による干渉波形の強度の不安定性を回避することができ、測定精度の安定化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
［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、測定対象である物体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の光出力を電気信号に変換する受光器であるフォトダイオード２と、半導体レーザ１からの光を集光して物体１１に照射すると共に、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に駆動電流を供給するレーザドライバ４と、フォトダイオード２の出力電流を電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅器５と、電流−電圧変換増幅器５の出力電圧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、ＭＨＰの数から物体１１との距離および物体１１の速度を算出する演算部８と、演算部８の算出結果などを表示する表示装置９と、半導体レーザ１の発振波長を変調する発振波長変調手段であるダイアフラムドライバ１０とを有する。
【００１７】
フォトダイオード２と電流−電圧変換増幅器５とは、検出手段を構成している。信号抽出部７と演算部８とは、計測手段を構成している。
【００１８】
図２は本実施の形態の半導体レーザ１の要部構成断面図である。半導体レーザ１は、垂直共振面発光レーザ（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）の一種であり、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いて作製された垂直共振器波長可変機構を備えたＭＥＭＳ波長可変半導体レーザである。この垂直共振器波長可変機構は、共振器を構成する２枚のミラーの距離（共振器長）を静電力によって制御することにより、レーザの発振波長を変化させる。図２の例では、ミラー層１０１３と、活性層１０１４と、電極１０１５，１０２３と、ダイアフラム１０２２と、光学薄膜１０１９と、ＳＯＩ基板１０１７とが、波長可変機構を構成している。
【００１９】
図２において、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板１０１７は、シリコン基板１０１７ａと、シリコン基板１０１７ａ上の酸化膜１０１７ｂと、酸化膜１０１７ｂ上のシリコン膜１０１７ｃとからなる。シリコン基板１０１７ａの下面には、電極１０２３が形成される。酸化膜１０１７ｂの中央部には、酸化膜１０１７ｂをエッチングすることにより空洞となった静電駆動ギャップ１０２１が形成される。この静電駆動ギャップ１０２１は、酸化膜１０１７ｂの犠牲層エッチングにより形成される。
【００２０】
シリコン膜１０１７ｃの中央部上面には、凹面部１０１８が形成されている。この凹面部１０１８は、シリコンの選択研磨により形成される。この凹面部１０１８により薄くなった部分のシリコン膜１０１７ｃが、ダイアフラム１０２２を構成している。凹面部１０１８には、誘電体多層膜からなる光学薄膜１０１９が形成されている。光学薄膜１０１９は、ミラーとして機能する。凹面部１０１８の周囲のシリコン膜１０１７ｃ上には、電極１０１５が形成される。電極１０１５の上面には、ＩｎＰ基板１０１２が設けられる。そして、電極１０１５の中央部には、凹面部１０１８と光学薄膜１０１９とが露出する空隙部１０１６が形成されている。この空隙部１０１６は、光共振ギャップを構成している。
【００２１】
電極１０１１は、ＩｎＰ基板１０１２の上面に形成される。ミラー層１０１３は、ＩｎＰ基板１０１２の内部に形成される。このミラー層１０１３は、ＩｎＰ化合物からなる。また、ＩｎＰ基板１０１２の上面には、ミラー層１０１３まで届く開口部１１２１が形成されている。この開口部１１２１がレーザ光の出射孔となる。活性層１０１４は、ＩｎＰ基板１０１２の下面に、ミラー層１０１３と接するようにして形成される。上述の空隙部１０１６は、この活性層１０１４の中央部下面が露出するように形成されている。
【００２２】
以上のような半導体レーザ１において、光共振器は、ミラー層１０１３と光学薄膜１０１９とからなる２枚のミラーの間に、ＩｎＰの活性層１０１４と空隙部１０１６とが存在する構造となっている。
【００２３】
この半導体レーザ１の動作を説明する。電極１０１１と電極１０１５との間に電圧を印加することで活性層１０１４に電流が注入され、活性層１０１４に含まれる原子が励起状態になり、光が出射される。この光がミラー層１０１３と光学薄膜１０１９との間で反射されることにより、レーザ発振が生じる。そして、ミラー層１０１３から出射したレーザ光は、ＩｎＰ基板１０１２を通ることなく、開口部１１２１から半導体レーザ１の外部に出射する。
【００２４】
出射されるレーザ光の発振波長は、ミラー層１０１３と光学薄膜１０１９との間の距離で決定される。電極１０１５と電極１０２３との間に電圧を印加することにより、シリコンのダイアフラム１０２２とシリコン基板１０１７ａとの間に静電力が発生し、ダイアフラム１０２２がシリコン基板１０１７ａ側に動くので、ミラー層１０１３と光学薄膜１０１９との間の距離が長くなり、レーザーの発振波長が長波長側にシフトする。このような動作でレーザの発振波長を変化させることが可能になる。
なお、以上のような半導体レーザ１の詳細は、例えば特開２００５−２２３１１１号公報、特開２００７−１７３５５０号公報に開示されている。
【００２５】
本実施の形態では、フォトダイオード２は、半導体レーザ１の内部に設けられている。すなわち、フォトダイオード２は、受光面が静電駆動ギャップ１０２１内に露出するように、シリコン基板１０１７ａの中央部上面に設けられている。ミラー層１０１３から出射したレーザ光は、物体１１に照射される。一方、光学薄膜１０１９から出射したレーザ光は、静電駆動ギャップ１０２１を通ってフォトダイオード２に入射する。したがって、フォトダイオード２に物体１１からの戻り光や外乱光などが入射することがないため、ＳＮ比（Signal to Noise Ratio）を向上させることができる。
【００２６】
レーザドライバ４の出力は、半導体レーザ１の電極１０１１，１０１５に接続されている。レーザドライバ４は、電極１０１１，１０１５を介して半導体レーザ１の活性層１０１４に一定の駆動電流を供給する。
ダイアフラムドライバ１０は、半導体レーザ１の電極１０１５と電極１０２３との間にダイアフラム制御信号を印加する。ダイアフラム制御信号の電圧を変化させることにより、半導体レーザ１の発振波長を変化させることが可能になる。
【００２７】
ダイアフラムドライバ１０は、時間に関して一定の変化率で電圧増減を繰り返す三角波状のダイアフラム制御信号を半導体レーザ１に印加する。これにより、半導体レーザ１は、ダイアフラム制御信号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動作する。
【００２８】
図３（Ａ）はダイアフラムドライバ１０から半導体レーザ１に供給されるダイアフラム制御信号を示す図、図３（Ｂ）はダイアフラム制御信号に応じた半導体レーザ１の発振波長の時間変化を示す図、図３（Ｃ）はレーザドライバ４から半導体レーザ１に供給される駆動電流を示す図、図３（Ｄ）は駆動電流に応じた半導体レーザ１の光出力を示す図である。なお、図３（Ｃ）では、ダイアフラム制御信号との比較を容易にするために、ダイアフラム制御信号を破線３０で示している。また、図３（Ｄ）では、半導体レーザ１の発振波長変化との比較を容易にするために、発振波長を破線３１で示している。
【００２９】
図３（Ａ）〜図３（Ｄ）において、λａは半導体レーザ１の発振波長の最小値、λｂは発振波長の最大値、Ｔは三角波の周期である。本実施の形態では、発振波長の最大値λｂおよ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。
【００３０】
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で反射された半導体レーザ１の光は、レンズ３によって集光され、半導体レーザ１に入射する。
フォトダイオード２は、半導体レーザ１の内部又はその近傍に配置され、半導体レーザ１の光出力を電流に変換する。
【００３１】
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。
【００３２】
信号抽出部７は、電流−電圧変換増幅器５の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を第１の計数期間Ｑ１と第２の計数期間Ｑ２の各々について数える。信号抽出部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、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）を利用してＭＨＰの周波数（すなわち単位時間あたりのＭＨＰの数）を計測するものでもよい。なお、信号抽出部７は、必要に応じて信号抽出用のバンドパスフィルタなどを内部に備え、電流−電圧変換増幅器５の出力電圧からＭＨＰを抽出するようにしてもよい。
【００３３】
第１の計数期間Ｑ１は、第１の発振期間Ｐ１と同じ期間か、あるいは第１の発振期間Ｐ１内に含まれ、第１の発振期間Ｐ１の開始時点から所定時間後に始まる期間である。同様に、第２の計数期間Ｑ２は、第２の発振期間Ｐ２と同じ期間か、あるいは第２の発振期間Ｐ２内に含まれ、第２の発振期間Ｐ２の開始時点から所定時間後に始まる期間である。第１の計数期間Ｑ１と第２の計数期間Ｑ２は、電流−電圧変換増幅器５の出力電圧の極大値と極小値のタイミングを除くように設定することが好ましい。この場合、第１の計数期間Ｑ１と第２の計数期間Ｑ２のそれぞれの長さは、Ｔ／２より短くなる。
なお、現時点が第１の発振期間Ｐ１か第２の発振期間Ｐ２かはダイアフラムドライバ１０から通知されるので、信号抽出部７は、現時点が第１の計数期間Ｑ１か第２の計数期間Ｑ２かを認識できるようになっている。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
次に、演算部８は、半導体レーザ１の最小発振波長λａと最大発振波長λｂと信号抽出部７が数えたＭＨＰの数に基づいて、物体１１との距離および物体１１の速度を算出する。図６は演算部８の構成の１例を示すブロック図、図７は演算部８の動作を示すフローチャートである。演算部８は、半導体レーザ１の最小発振波長λａと最大発振波長λｂとＭＨＰの数に基づいて物体１１との距離の候補値と物体１１の速度の候補値とを算出する距離・速度算出部８０と、距離・速度算出部８０で算出された距離の候補値と直前に算出された距離の候補値との差である履歴変位を算出する履歴変位算出部８１と、距離・速度算出部８０と履歴変位算出部８１の算出結果を記憶する記憶部８２と、距離・速度算出部８０と履歴変位算出部８１の算出結果に基づいて物体１１の状態を判定する状態判定部８３と、状態判定部８３の判定結果に基づいて物体１１との距離および物体１１の速度を確定する距離・速度確定部８４とから構成される。
【００３７】
本実施の形態では、物体１１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。半導体レーザ１の発振波形の半周期あたりの物体１１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。
【００３８】
まず、演算部８の距離・速度算出部８０は、現時刻ｔにおける距離の候補値Ｌα（ｔ），Ｌβ（ｔ）と速度の候補値Ｖα（ｔ），Ｖβ（ｔ）を次式のように算出して、記憶部８２に格納する（図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）
【００３９】
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の計数期間Ｑ１の計数結果であるとすれば、ＭＨＰ（ｔ−１）は第２の計数期間Ｑ２の計数結果であり、逆にＭＨＰ（ｔ）が第２の計数期間Ｑ２の計数結果であるとすれば、ＭＨＰ（ｔ−１）は第１の計数期間Ｑ１の計数結果である。
【００４０】
候補値Ｌα（ｔ），Ｖα（ｔ）は物体１１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１１が変位状態にあると仮定して計算した値である。演算部８は、式（２）〜式（５）の計算を信号抽出部７によってＭＨＰの数が測定される時刻毎（計数期間毎）に行う。
【００４１】
続いて、演算部８の履歴変位算出部８１は、微小変位状態と変位状態の各々について、現時刻ｔにおける距離の候補値と、記憶部８２に格納された、直前の時刻における距離の候補値との差である履歴変位を次式のように算出して、記憶部８２に格納する（図７ステップＳ１１）。なお、式（６）、式（７）では、現時刻ｔの１回前に算出された距離の候補値をＬα（ｔ−１），Ｌβ（ｔ−１）としている。
Ｖｃａｌα（ｔ）＝Ｌα（ｔ）−Ｌα（ｔ−１）                    ・・・（６）
Ｖｃａｌβ（ｔ）＝Ｌβ（ｔ）−Ｌβ（ｔ−１）                    ・・・（７）
【００４２】
履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）は物体１１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）は物体１１が変位状態にあると仮定して計算した値である。演算部８は、式（６）〜式（７）の計算を信号抽出部７によってＭＨＰの数が測定される時刻毎に行う。なお、式（４）〜式（７）においては、物体１１が本実施の形態の物理量センサ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、演算部８の状態判定部８３は、記憶部８２に格納された式（２）〜式（７）の算出結果を用いて、物体１１の状態を判定する（図７ステップＳ１２）。
【００４３】
特開２００６−３１３０８０号公報に記載されているように、物体１１が微小変位状態で移動（等速度運動）している場合、物体１１を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の符号は一定で、かつ物体１１を微小変位状態と仮定して計算した速度の候補値Ｖα（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の絶対値の平均値とが等しくなる。また、物体１１が微小変位状態で等速度運動している場合、物体１１を変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の符号は、ＭＨＰの数が測定される時刻毎に反転する。
【００４４】
したがって、状態判定部８３は、物体１１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、かつ物体１１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、物体１１が微小変位状態で等速度運動していると判定する。
【００４５】
特開２００６−３１３０８０号公報に記載されているように、物体１１が変位状態で移動（等速度運動）している場合、物体１１を変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の符号は一定で、かつ物体１１を変位状態と仮定して計算した速度の候補値Ｖβ（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の絶対値の平均値とが等しくなる。また、物体１１が変位状態で等速度運動している場合、物体１１を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の符号はＭＨＰの数が測定される時刻毎に反転する。
【００４６】
したがって、状態判定部８３は、物体１１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、かつ物体１１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、物体１１が変位状態で等速度運動していると判定する。
【００４７】
特開２００６−３１３０８０号公報に記載されているように、物体１１が微小変位状態で、等速度運動以外の運動をしている場合、物体１１を微小変位状態と仮定して計算した速度の候補値Ｖα（ｔ）と物体１１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、物体１１を変位状態と仮定して計算した速度の候補値Ｖβ（ｔ）と物体１１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。
【００４８】
また、物体１１が微小変位状態で、等速度運動以外の運動をしている場合、物体１１を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の符号はＭＨＰの数が測定される時刻毎に反転し、物体１１を変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）では符号の変動はあっても、この変動はＭＨＰの数が測定される時刻毎ではない。
【００４９】
したがって、状態判定部８３は、物体１１が微小変位状態にあると仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の符号がＭＨＰの数が測定される時刻毎に反転し、かつ物体１１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、物体１１が微小変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定する。
【００５０】
なお、速度の候補値Ｖβ（ｔ）に着目すると、Ｖβ（ｔ）の絶対値は定数となり、この値は半導体レーザ１の波長変化率（λｂ−λａ）／λｂと等しい。そこで、状態判定部８３は、物体１１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、かつ物体１１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、物体１１が微小変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定してもよい。
【００５１】
特開２００６−３１３０８０号公報に記載されているように、物体１１が変位状態で、等速度運動以外の運動をしている場合、物体１１を微小変位状態と仮定して計算した速度の候補値Ｖα（ｔ）と物体１１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、物体１１を変位状態と仮定して計算した速度の候補値Ｖβ（ｔ）と物体１１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。
【００５２】
また、物体１１が変位状態で、等速度運動以外の運動をしている場合、物体１１を変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の符号はＭＨＰの数が測定される時刻毎に反転し、物体１１を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）では符号の変動はあっても、この変動はＭＨＰの数が測定される時刻毎ではない。
【００５３】
したがって、状態判定部８３は、物体１１が変位状態にあると仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の符号がＭＨＰの数が測定される時刻毎に反転し、かつ物体１１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、物体１１が変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定する。
【００５４】
なお、速度の候補値Ｖα（ｔ）に着目すると、Ｖα（ｔ）の絶対値は定数となり、この値は半導体レーザ１の波長変化率（λｂ−λａ）／λｂと等しい。したがって、状態判定部８３は、物体１１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、かつ物体１１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、物体１１が変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定してもよい。
【００５５】
演算部８の距離・速度確定部８４は、状態判定部８３の判定結果に基づいて物体１１の速度および物体１１との距離を確定する（図７ステップＳ１３）。
すなわち、距離・速度確定部８４は、物体１１が微小変位状態で等速度運動していると判定された場合、速度の候補値Ｖα（ｔ）を物体１１の速度とし、距離の候補値Ｌα（ｔ）を物体１１との距離とし、物体１１が変位状態で等速度運動していると判定された場合、速度の候補値Ｖβ（ｔ）を物体１１の速度とし、距離の候補値Ｌβ（ｔ）を物体１１との距離とする。
【００５６】
また、距離・速度確定部８４は、物体１１が微小変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定された場合、速度の候補値Ｖα（ｔ）を物体１１の速度とし、距離の候補値Ｌα（ｔ）を物体１１との距離とする。ただし、実際の距離は、距離の候補値Ｌα（ｔ）の平均値となる。また、距離・速度確定部８４は、物体１１が変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定された場合、速度の候補値Ｖβ（ｔ）を物体１１の速度とし、距離の候補値Ｌβ（ｔ）を物体１１との距離とする。ただし、実際の距離は、距離の候補値Ｌβ（ｔ）の平均値となる。
【００５７】
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１１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１１の速度は正方向（レーザに接近する方向）となる。
【００５８】
演算部８は、ステップＳ１０〜Ｓ１３の処理を、信号抽出部７によってＭＨＰの数が測定される時刻毎（計数期間毎）に行う。
表示装置９は、物体１１との距離などの演算部８によって算出された物理量を表示する。
【００５９】
以上のように、本実施の形態では、半導体レーザ１としてＭＥＭＳ波長可変半導体レーザを用いることにより、光出力と発振波長とを独立に制御することができる。その結果、本実施の形態では、図３（Ｂ）に示すように半導体レーザ１の発振波長を変調しつつ、駆動電流を一定にして、図３（Ｄ）に示すように一定の高光出力を維持することができるので、測定範囲の長距離化を実現することができる。
【００６０】
自己結合型の距離計において、距離分解能は発振波長変化量に比例する。よって、従来の駆動電流変調型のＶＣＳＥＬを用いるセンサの場合、距離分解能を向上させるには、ＶＣＳＥＬに供給する駆動電流の変化量を大きくする必要があり、それに伴いレーザ出力の増減が大きくなる。その結果、駆動電流が小さくなるときに、物体からの戻り光が、自己結合効果を得られるだけの十分な光強度を下回るという課題がある。
【００６１】
これに対して、本実施の形態では、ＭＨＰを抽出する期間の光出力の変化を小さくすることができる。自己結合効果はわずかな戻り光で生じるため、戻り光を受光素子で検知するタイプのセンサと比較すると、物体１１の反射率や距離に依存せずにＭＨＰを得ることができる。しかし、光出力に対してＭＨＰそのものが小さいため、遠距離に存在する低反射率の物体１１に対して高光出力を保持しながらセンシングできる効果は大きい。また、本実施の形態では、発振波長変化量が駆動電流振幅に依存しないため、発振波長変化量を大きくとることができ、従来の駆動電流変調型のＶＣＳＥＬを用いるセンサに比べて距離分解能を向上させることができる。
【００６２】
また、本実施の形態では、半導体レーザ１の光出力が一定、すなわち電流−電圧変換増幅器５の出力電圧がほぼ一定であるため、この電流−電圧変換増幅器５の出力電圧に重畳している微小なＭＨＰを容易に抽出することができる。したがって、信号抽出部７の内部にフィルタを設けることは必須ではなく、ノイズを除去するためにフィルタが必要な場合には、簡単なバンドパスフィルタを設けるようにすればよい。
【００６３】
また、本実施の形態では、半導体レーザ１の光出力の変化が小さいため、光出力変化によるＭＨＰの強度の不安定性を回避することができ、測定精度の安定化を実現することができる。
【００６４】
［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。図８は本発明の第２の実施の形態における半導体レーザ１の要部構成断面図であり、図２と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態は、フォトダイオード２を半導体レーザ１の外部に設けた例を示している。
【００６５】
シリコン基板１０１７ａと電極１０２３の中央部には、シリコン基板１０１７ａと電極１０２３を貫通する貫通孔１０２４が形成されている。光学薄膜１０１９から出射したレーザ光は、静電駆動ギャップ１０２１と貫通孔１０２４を通ってフォトダイオード２に入射する。
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。
【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。本実施の形態においても、物理量センサの構成は第１の実施の形態、第２の実施の形態と同様であるので、図１の符号を用いて説明する。
【００６７】
レーザ出力は、その安全性の観点からクラス分けがなされている。一般的に、レーザの安全性を高めるためにとられる手法として、パルス発光による平均光出力の低減手法が知られている。しかしながら、パルス状の駆動電流を従来の駆動電流変調型のＶＣＳＥＬに供給してＶＣＳＥＬをパルス発光させようとしても、発振波長の変化は駆動電流変化で生じる熱膨張・熱収縮によるので、レーザの伸び縮みに遅れが生じ、所望の発振波長変調を行うことは難しい。
【００６８】
図９（Ａ）は従来の駆動電流変調型のＶＣＳＥＬに供給される駆動電流を示す図、図９（Ｂ）は駆動電流に応じたＶＣＳＥＬの発振波長の時間変化を示す図である。図９（Ａ）の例では、ＶＣＳＥＬをパルス発光させつつ、その発光期間内においてＶＣＳＥＬの発振波長を変調するために、頭頂部が三角波状の駆動電流をＶＣＳＥＬに供給している。この駆動電流に対して、ＶＣＳＥＬの期待される発振波長の変化は図９（Ｂ）の破線９０で示すような波形となる。しかし、実際にはレーザの伸び縮みの遅れにより、図９（Ｂ）の９１で示すような波形となる。図９（Ｂ）を拡大した図１０によると、ＶＣＳＥＬの期待される発振波長の変化９０に対して、実際の発振波長の変化９１がずれていることが分かる。図１０に示すように、ＶＣＳＥＬの発振波長の変化率が一定でなくなると、ＭＨＰの周期にばらつきが生じてしまうので、距離や速度の測定に誤差が生じてしまう。
【００６９】
これに対して、本実施の形態では、半導体レーザ１としてＭＥＭＳ波長可変半導体レーザを用いることにより、第１の実施の形態で説明したとおり、光出力と発振波長とを独立に制御することができる。静電駆動を用いたＭＥＭＳ波長可変半導体レーザにおける波長変調では、駆動電流による熱膨張・熱収縮を利用した波長変化のような大きな非線形性を持たないため、半導体レーザ１をパルス発光させる際の発振波長変化の非線形性を改善することができる。
【００７０】
本実施の形態の発振波長の制御を図１１（Ａ）〜図１１（Ｄ）を用いて説明する。図１１（Ａ）はダイアフラムドライバ１０から半導体レーザ１に供給されるダイアフラム制御信号を示す図、図１１（Ｂ）はダイアフラム制御信号に応じた半導体レーザ１の発振波長の時間変化を示す図、図１１（Ｃ）はレーザドライバ４から半導体レーザ１に供給される駆動電流を示す図、図１１（Ｄ）は駆動電流に応じた半導体レーザ１の光出力を示す図である。なお、図１１（Ｃ）では、ダイアフラム制御信号との比較を容易にするために、ダイアフラム制御信号を破線１１０で示している。また、図１１（Ｄ）では、半導体レーザ１の発振波長変化との比較を容易にするために、発振波長を破線１１１で示している。Ｐ１は第１の発振期間、Ｐ２は第２の発振期間、λａは発振波長の最小値、λｂは発振波長の最大値、ＴＬはパルス発光の周期である。
【００７１】
物理量センサのその他の構成は、第１、第２の実施の形態と同じである。ただし、第１、第２の実施の形態では、第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２が間断なく交互に現れるため、物体１１との距離および物体１１の速度が連続的に測定されるが、本実施の形態では、第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２が断続的に現れるので、距離および速度の測定も断続的に行われることは言うまでもない。
【００７２】
以上のように、本実施の形態では、図１１（Ｃ）に示すようにパルス状の駆動電流を半導体レーザ１に断続的に供給することにより、半導体レーザ１を図１１（Ｄ）のようにパルス発光させることができ、平均光出力を小さくすることができるので、人に対する安全性を確保することができる。
【００７３】
また、本実施の形態では、少なくともパルス発光の期間内において図１１（Ａ）に示すように電圧が三角波状に変化するダイアフラム制御信号を半導体レーザ１に供給することにより、図１１（Ｂ）に示すように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とがパルス発光の期間内に現れるように、発振波長を変調することができる。このとき、半導体レーザ１の発振波長は、駆動電流の変化に影響されることなく、ダイアフラム制御信号に応じて変化するので、半導体レーザ１をパルス発光させる際の発振波長変化の非線形性を改善することができる。その結果、本実施の形態では、物体１１との距離と無関係にＭＨＰの数が変化してしまうことがなくなるので、従来の駆動電流変調型のＶＣＳＥＬを用いてパルス発光させる場合に比べて、距離や速度の測定誤差を向上させることができる。
【００７４】
なお、本実施の形態では、半導体レーザ１の駆動電流と発振波長が独立の関係にあるとしているが、厳密には、ダイアフラム１０２２上の光学薄膜１０１９と活性層１０１４との間隔がわずかに変化するために、駆動電流と発振波長は完全に独立とはいえない。しかしながら、発振波長制御用のダイアフラム制御信号は駆動電流と独立なので、ダイアフラム制御信号によって駆動電流の変化の影響を容易に補正することができる。より具体的には、半導体レーザ１の発振波長が一定の変化率で増加したり一定の変化率で減少したりするように、ダイアフラム制御信号の波形を予め設定しておけばよい、
【００７５】
このようなダイアフラム制御信号を生成するには、例えばダイアフラムドライバ１０内のメモリ（不図示）にダイアフラム制御信号のデジタル値を予め設定しておき、このデジタル値をＤ／Ａコンバーター（不図示）でアナログ信号に変換して、ダイアフラムドライバ１０から出力すればよい。
【００７６】
［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１２は本発明の第４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の物理量センサは、第１、第２の実施の形態の物理量センサに対して、ビームスプリッター１２と、戻り光検知用受光器であるフォトダイオード１３と、フォトダイオード１３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１４と、電流−電圧変換増幅器１４の出力電圧を基にレーザ光の放射方向に物体が存在するかどうかを判定する物体検知部１５とを追加したものである。
【００７７】
ダイアフラムドライバ１０から半導体レーザ１に供給されるダイアフラム制御信号、ダイアフラム制御信号に応じた半導体レーザ１の発振波長、レーザドライバ４から半導体レーザ１に供給される駆動電流、および駆動電流に応じた半導体レーザ１の光出力は、図１１（Ａ）〜図１１（Ｄ）に示したとおりである。
【００７８】
半導体レーザ１から出射したレーザ光は、ビームスプリッター１２を透過し、レンズ３によって集光され、物体１１に入射する。物体１１からの戻り光は、レンズ３によって集光され、戻り光の一部はビームスプリッター１２で反射されてフォトダイオード１３に入射し、戻り光の残りはビームスプリッター１２を透過して半導体レーザ１に入射する。
電流−電圧変換増幅器１４は、フォトダイオード１３の出力電流を電圧に変換して増幅する。
【００７９】
物体検知部１５は、電流−電圧変換増幅器１４の出力電圧に基づいて、半導体レーザ１の放射方向に物体１１が存在するかどうかを判定する。半導体レーザ１の放射方向に物体１１が存在しない場合、フォトダイオード１３に入射する光量がなくなるか若しくは低下する。物体検知部１５は、電流−電圧変換増幅器１４の出力電圧が例えば所定のしきい値以下の場合、半導体レーザ１の放射方向に物体１１が存在しないと判定する。
【００８０】
また、物体検知部１５は、電流−電圧変換増幅器１４の出力電圧が所定のしきい値を超える場合、半導体レーザ１の放射方向に物体１１が存在すると判定し、物体１１を検知したことを示す物体検知信号を出力する。物体検知信号の出力に応じて、表示装置９は物体１１を検知したことを表示する。
物理量センサのその他の構成は、第１、第２の実施の形態と同じである。
【００８１】
なお、物体検知部１５は、半導体レーザ１のパルス発光の周期ＴＬ毎に電流−電圧変換増幅器１４の出力電圧がしきい値を超える場合、半導体レーザ１の放射方向に物体１１が存在すると判定するようにしてもよい。このように、パルス発光の周期ＴＬ毎に電流−電圧変換増幅器１４の出力電圧がしきい値を超えるかどうかを複数周期にわたって確認するのは、フォトダイオード１３に入射する外乱光の影響を排除し、物体１１の有無を正しく判定するためである。
【００８２】
こうして、本実施の形態では、パルス状の戻り光をモニタすることによって、反射型の光電スイッチと同じ機能を付加することができ、物体検知機能を実現することができる。また、一般的なパルス発光型の光電スイッチと同様に、外乱光除去機能や複数のセンサの相互干渉防止機能を実現することができる。
【００８３】
自己結合型のレーザセンサは、照射光と戻り光の外部干渉の原理を用いているため、物体がランダムな運動をしている場合などに、ＭＨＰとノイズの分離ができず、物体の物理量を計測できない場合がある。安全性の観点から、物体の検知機能を付加しようとしたとき、従来の駆動電流変調型のＶＣＳＥＬを用いるセンサにおいても、ＶＣＳＥＬをパルス発光させることで、パルス発光させたレーザ光を一般的な光電スイッチの光源として用いることができる。
【００８４】
しかしながら、第３の実施の形態で説明したとおり、従来の駆動電流変調型のＶＣＳＥＬをパルス発光させようとしても、所望の発振波長変調を行うことは難しい。したがって、従来の駆動電流変調型のＶＣＳＥＬを用いるセンサでは、物体検知機能を付加しようとすると、物体検知用のレーザ駆動方法と物体検知後の測定時のレーザ駆動方法を分ける必要がある。
【００８５】
これに対して、本実施の形態では、光電スイッチとしての機能のための光出力のパルス変調と物理量センサとしての機能のための発振波長の変調とを同時に実施することができ、簡単な構成で物体検知機能を付加することができる。
【００８６】
なお、第３、第４の実施の形態では、パルス発光の期間内において電圧が三角波状に変化するダイアフラム制御信号を用いたが、駆動電流と三角波が同期しているのであれば、連続的な三角波のダイアフラム制御信号を用いてもよい。この場合のダイアフラム制御信号を図１３（Ａ）に示し、ダイアフラム制御信号に応じた半導体レーザ１の発振波長の時間変化を図１３（Ｂ）に示す。なお、図１３（Ａ）では、駆動電流との比較を容易にするために、駆動電流を破線１３０で示している。また、図１３（Ｂ）では、半導体レーザ１の光出力との比較を容易にするために、光出力を破線１３１で示している。
また、第４の実施の形態では、ビームスプリッター１２を用いているが、物体１１からの戻り光を検知できればよいので、ビームスプリッター１２は必須の構成ではない。
【００８７】
［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物理量センサの構成を示すブロック図である。図１４の物理量センサは、第１、第２の実施の形態の物理量センサに対して、光出力制御部１６を追加したものである。
【００８８】
光出力制御部１６は、フォトダイオード２の出力電流が一定になるように、レーザドライバ４から半導体レーザ１に供給される駆動電流を制御する。より具体的には、光出力制御部１６は、電流−電圧変換増幅器５の出力電圧が所定の基準値になるように駆動電流を制御する。物理量センサのその他の構成は、第１、第２の実施の形態と同じである。
こうして、本実施の形態では、半導体レーザ１の光出力を一定にすることができ、半導体レーザ１の長寿命化を実現することができる。
【００８９】
レーザデバイスの駆動電流−光出力特性には温度依存性がある。図１５は半導体レーザ１の駆動電流−光出力特性の１例を示す図である。Ｃ０，Ｃ１０，Ｃ２０，Ｃ３０，Ｃ４０，Ｃ５０は、それぞれ０℃、１０℃、２０℃、３０℃、４０℃、５０℃の特性である。測定対象が遠距離にある低反射率の物体の場合、高光出力の保持は有効であるが、高い周囲温度と高駆動電流はレーザデバイスの寿命を縮める原因になる。
【００９０】
従来の駆動電流変調型のＶＣＳＥＬを用いるセンサの場合、駆動電流で発振波長を変化させる方法でフィードバックをかけることができるが、発振波長を変化させるために駆動電流に振幅を持たせることが必要で、波長変化量と寿命の両立が難しくなる。これに対して、本実施の形態では、光出力と発振波長とを独立に制御することができるので、半導体レーザ１の寿命を考慮した光出力制御を行うことができる。つまり、本実施の形態では、光出力量に相当する電流−電圧変換増幅器５の出力電圧を検出して、検出結果に基づく信号をレーザドライバ４にフィードバックすることにより、適切な駆動電流を選択することができ、半導体レーザ１の長寿命化を実現することができる。
【００９１】
半導体レーザ１の寿命の観点から考えると、半導体レーザ１の温度に制限を掛ける必要があり、周囲温度が高いときの最大駆動電流を決めることが必要である。周囲温度が高くなるほど半導体レーザ１の光出力は低下するので、物理量センサの使用が想定される最高周囲温度のときの最大駆動電流での光出力量（図１５の例では例えば１ｍＷ）を基準光出力量として、半導体レーザ１から基準光出力量が出力されているときの電流−電圧変換増幅器５の出力電圧を基準値として、光出力制御部１６に予め設定しておけばよい。
【００９２】
なお、第１の実施の形態で説明したとおり、電流−電圧変換増幅器５の出力電圧にはＭＨＰが重畳しているが、ＭＨＰの大きさは電流−電圧変換増幅器５の出力電圧に比べて非常に小さいものなので、ＭＨＰが光出力の制御に影響を与えることはない。
【００９３】
［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１６は本発明の第６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１６の物理量センサは、第１、第２の実施の形態の物理量センサに対して、光出力制御部１７を追加したものである。
【００９４】
光出力制御部１７は、半導体レーザ１の光出力が周囲温度に応じた適切な値になるように、レーザドライバ４から半導体レーザ１に供給される駆動電流を制御する。物理量センサのその他の構成は、第１、第２の実施の形態と同じである。
【００９５】
半導体レーザ１の光出力量を、周囲温度が高いときの基準光出力量に一致させる第５の実施の形態の方式では、周囲温度が低いときに半導体レーザ１の温度に余裕があるため、温度によって光出力を大きくしたい場合がある。その際、駆動電流を一定にして低温時に過大な光出力を出すよりも、周囲温度によって光出力を変化させる方法が適切である。
【００９６】
光出力制御部１７は、周囲温度に応じて駆動電流を変化させるものであり、具体的には予め温度特性が規定された抵抗などから構成される。その温度特性は、例えば図１５の丸印１５０で示したように、周囲温度が変化しても駆動電流と光出力との積が常に一定になるように規定されている。
【００９７】
こうして、本実施の形態では、周囲温度に応じて半導体レーザ１の光出力を変化させることができ、半導体レーザ１の長寿命化を実現しつつ、周囲温度が低くて半導体レーザ１の温度に余裕がある場合には、光出力を大きくして測定範囲の長距離化を実現することができる。
なお、図１４のように電流−電圧変換増幅器５の出力電圧を光出力制御部１７にフィードバックして、光出力制御部１７は、電流−電圧変換増幅器５の出力電圧が表す光出力と駆動電流との積が常に一定になるように駆動電流を制御してもよい。
【００９８】
［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。図１７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る。図１７の物理量センサは、第１、第２の実施の形態の物理量センサに対して、ビームスプリッター１２と、戻り光検知用受光器であるフォトダイオード１３と、電流−電圧変換増幅器１４と、光出力制御部１８とを追加したものである。
【００９９】
第４の実施の形態で説明したように、半導体レーザ１から出射したレーザ光は、ビームスプリッター１２を透過し、レンズ３によって集光され、物体１１に入射する。物体１１からの戻り光は、レンズ３によって集光され、戻り光の一部はビームスプリッター１２で反射されてフォトダイオード１３に入射し、戻り光の残りはビームスプリッター１２を透過して半導体レーザ１に入射する。
電流−電圧変換増幅器１４は、フォトダイオード１３の出力電流を電圧に変換して増幅する。
【０１００】
光出力制御部１８は、フォトダイオード１３の出力電流が一定になるように、レーザドライバ４から半導体レーザ１に供給される駆動電流を制御する。より具体的には、光出力制御部１８は、電流−電圧変換増幅器１４の出力電圧が所定の基準値になるように駆動電流を制御する。物理量センサのその他の構成は、第１、第２の実施の形態と同じである。こうして、本実施の形態では、物体１１からの戻り光量を一定にすることができる。
【０１０１】
物体１１との距離や物体１１の反射率に依存せずに、半導体レーザ１の光出力からＭＨＰを安定的に抽出するには、自己結合効果が得られるように戻り光量を適切に制御することが好ましい。具体的な目標としては、ＭＨＰが最大となるレーザ発振状態、あるいはＭＨＰが安定的に生じるレーザ発振状態を保てばよい。そこで、ＭＨＰが最大となるレーザ発振状態あるいはＭＨＰが安定的に生じるレーザ発振状態が得られる戻り光量を基準戻り光量として、フォトダイオード１３が基準戻り光量を受光しているときの電流−電圧変換増幅器１４の出力電圧を基準値として、光出力制御部１８に予め設定しておけばよい。
【０１０２】
こうして、本実施の形態では、ＭＨＰを安定的に抽出することができるので、物体１１の物理量の測定精度、測定の信頼性を向上させることができる。また、本実施の形態では、物体１１からの戻り光量が一定になるように光出力を制御するので、ＭＨＰの抽出に十分以上の戻り光量が得られている場合、光出力を小さくすることになる。したがって、本実施の形態によれば、半導体レーザ１の長寿命化を実現することができる。
また、本実施の形態では、ビームスプリッター１２を用いているが、物体１１からの戻り光を検知できればよいので、ビームスプリッター１２は必須の構成ではない。
【０１０３】
［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。本実施の形態は、信号抽出部の別の構成例を示すものである。図１８は本実施の形態の信号抽出部７ａの構成の１例を示すブロック図である。信号抽出部７ａは、判定部７１と、論理積演算部（ＡＮＤ）７２と、カウンタ７３と、計数結果補正部７４と、記憶部７５とから構成される。
図１９は計数結果補正部７４の構成の１例を示すブロック図である。計数結果補正部７４は、周期測定部７４０と、度数分布作成部７４１と、代表値算出部７４２と、補正値算出部７４３とから構成される。
【０１０４】
図２０（Ａ）〜図２０（Ｆ）は信号抽出部７ａの動作を説明するための図であり、図２０（Ａ）は電流−電圧変換増幅器５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２０（Ｂ）は図２０（Ａ）に対応する判定部７１の出力を示す図、図２０（Ｃ）は信号抽出部７ａに入力されるゲート信号ＧＳを示す図、図２０（Ｄ）は図２０（Ｂ）に対応するカウンタ７３の計数結果を示す図、図２０（Ｅ）は信号抽出部７ａに入力されるクロック信号ＣＬＫを示す図、図２０（Ｆ）は図２０（Ｂ）に対応する周期測定部７４０の測定結果を示す図である。
【０１０５】
まず、信号抽出部７ａの判定部７１は、図２０（Ａ）に示す電流−電圧変換増幅器５の出力電圧がハイレベル（Ｈ）かローレベル（Ｌ）かを判定して、図２０（Ｂ）のような判定結果を出力する。このとき、判定部７１は、電流−電圧変換増幅器５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、電流−電圧変換増幅器５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、電流−電圧変換増幅器５の出力を２値化する。
【０１０６】
ＡＮＤ７２は、判定部７１の出力と図２０（Ｃ）のようなゲート信号ＧＳとの論理積演算の結果を出力し、カウンタ７３は、ＡＮＤ７２の出力の立ち上がりをカウントする（図２０（Ｄ））。ここで、ゲート信号ＧＳは、計数期間（本実施の形態では第１の発振期間又は第２の発振期間）の先頭で立ち上がり、計数期間の終わりで立ち下がる信号である。したがって、カウンタ７３は、計数期間中のＡＮＤ７２の出力の立ち上がりエッジの数（すなわち、ＭＨＰの立ち上がりエッジの数）を数えることになる。
【０１０７】
一方、計数結果補正部７４の周期測定部７４０は、計数期間中のＡＮＤ７２の出力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、周期測定部７４０は、図２０（Ｅ）に示すクロック信号ＣＬＫの周期を１単位としてＭＨＰの周期を測定する。図２０（Ｆ）の例では、周期測定部７４０は、ＭＨＰの周期としてＴα，Ｔβ，Ｔγを順次測定している。図２０（Ｅ）、図２０（Ｆ）から明らかなように、周期Ｔα，Ｔβ，Ｔγの大きさは、それぞれ５クロック、４クロック、２クロックである。クロック信号ＣＬＫ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。
記憶部７５は、カウンタ７３の計数結果と周期測定部７４０の測定結果を記憶する。
【０１０８】
ゲート信号ＧＳが立ち下がり、計数期間が終了した後、計数結果補正部７４の度数分布作成部７４１は、記憶部７５に記憶された測定結果から計数期間中のＭＨＰの周期の度数分布を作成する。
続いて、計数結果補正部７４の代表値算出部７４２は、度数分布作成部７４１が作成した度数分布から、ＭＨＰの周期の中央値（メジアン）Ｔ０を算出する。
【０１０９】
計数結果補正部７４の補正値算出部７４３は、度数分布作成部７４１が作成した度数分布から、周期の中央値Ｔ０の０．５倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと、周期の中央値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７３の計数結果を次式のように補正する。
Ｎ’＝Ｎ＋Ｎｗ−Ｎｓ                                            ・・・（８）
式（８）において、Ｎはカウンタ７３の計数結果であるＭＨＰの数、Ｎ’は補正後の計数結果である。
【０１１０】
図２１に度数分布の１例を示す。図２１において、Ｔｓは周期の中央値Ｔ０の０．５倍の階級値、Ｔｗは中央値Ｔ０の１．５倍の階級値である。図２１における階級が、ＭＨＰの周期の代表値であることは言うまでもない。なお、図２１では記載を簡略化するため、中央値Ｔ０とＴｓとの間、及び中央値Ｔ０とＴｗとの間の度数分布を省略している。
【０１１１】
図２２はカウンタ７３の計数結果の補正原理を説明するための図であり、図２２（Ａ）は電流−電圧変換増幅器５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２２（Ｂ）は図２２（Ａ）に対応するカウンタ７３の計数結果を示す図である。
本来、ＭＨＰの周期は測定対象１２との距離によって異なるが、測定対象１２との距離が不変であれば、ＭＨＰ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、ＭＨＰの数に誤差が生じる。
【０１１２】
信号の欠落が生じると、欠落が生じた箇所でのＭＨＰの周期Ｔｗは、本来の周期のおよそ２倍になる。つまり、ＭＨＰの周期が中央値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７３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。
【０１１３】
また、ノイズをカウントした箇所でのＭＨＰの周期Ｔｓは、本来の周期のおよそ０．５倍になる。つまり、ＭＨＰの周期が中央値のおよそ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７３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（８）に示した計数結果の補正原理である。
【０１１４】
補正値算出部７４３は、式（８）により計算した補正後の計数結果Ｎ’の値を演算部８に出力する。信号抽出部７ａは、以上のような処理を第１の計数期間Ｑ１と第２の計数期間Ｑ２の各々について行う。なお、本実施の形態では、ＭＨＰの周期の代表値として中央値を用いたが、周期の代表値として最頻値を用いてもよい。
【０１１５】
以上、本実施の形態で説明した信号抽出部７ａを、第１〜第７の実施の形態において、信号抽出部７の代わりに使用することが可能である。
信号抽出部７ａによれば、計数期間中のＭＨＰの周期を測定し、この測定結果から計数期間中のＭＨＰの周期の度数分布を作成し、度数分布からＭＨＰの周期の中央値を算出し、度数分布から、中央値の０．５倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと、中央値の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に基づいてカウンタの計数結果を補正することにより、ＭＨＰの計数誤差を補正することができるので、物理量の測定精度を向上させることができる。
【０１１６】
［第９の実施の形態］
次に、本発明の第９の実施の形態について説明する。図２３は本発明の第９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２３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、変調信号で変調された駆動電流を半導体レーザ１に供給するレーザドライバ４ａと、電流−電圧変換増幅器５と、信号抽出部７と、演算部８と、表示装置９と、参照信号に同期したダイアフラム制御信号を半導体レーザ１に供給するダイアフラムドライバ１０ａと、参照信号を生成する参照信号生成回路１９と、電圧制御発振器を制御する位相制御手段であるＰＬＬ（Phase Locked Loop ）回路２０と、変調信号を生成する電圧制御発振器（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）２１と、電流−電圧変換増幅器５の出力電圧に含まれるＭＨＰ波形を平均化する平均化処理部２２とを有する。
【０１１７】
参照信号生成回路１９は、正弦波状の参照信号を生成する。この参照信号の周波数は、ＭＨＰの想定される最低周波数よりも低い値に設定されている。
ダイアフラムドライバ１０ａは、第１の実施の形態のダイアフラムドライバ１０と同様に、時間に関して一定の変化率で電圧増減を繰り返す三角波状のダイアフラム制御信号を半導体レーザ１に供給する。ただし、ダイアフラムドライバ１０ａは、ダイアフラム制御信号を、参照信号生成回路１９から出力される参照信号と同期させて出力する。
【０１１８】
ＶＣＯ２１は、正弦波状の変調信号を生成する。レーザドライバ４ａは、ＶＣＯ２１から出力される変調信号によって駆動電流の振幅を変調し、変調後の駆動電流を半導体レーザ１に供給する。このとき、駆動電流に重畳される変調信号の振幅は、駆動電流の大きさよりも小さい値に設定されている。
【０１１９】
ＰＬＬ回路２０は、参照信号生成回路１９から出力される参照信号と電流−電圧変換増幅器５の出力電圧に含まれる変調信号とを位相比較し、変調信号の周波数が参照信号の周波数と等しく、かつ変調信号が参照信号と同期もしくは変調信号と参照信号との位相差が一定になるように、ＶＣＯ２１を制御する。
【０１２０】
波長変調型のセンサによる物理量の測定においては、ＭＨＰを直接計数した値を用いることが多いが、ＭＨＰが発振波長変調の搬送波（ダイアフラム制御信号）の３桁以上速い周波数になることがあるため、計数値の繰り返し精度を向上させるためには、発振波長変調の搬送波と同期したタイミングもしくは一定の位相差のタイミングとなるように、ＭＨＰの計数を開始するタイミング及び計数を行う時間の長さを高精度に制御する必要がある。
【０１２１】
図２４（Ａ）は第１、第２の実施の形態においてダイアフラムドライバ１０から半導体レーザ１に供給されるダイアフラム制御信号を示す図、図２４（Ｂ）、図２４（Ｃ）は電流−電圧変換増幅器５の出力から抽出されるＭＨＰを示す図である。ただし、図２４（Ｂ）では図２４（Ａ）のダイアフラム制御信号と同じ時間でＭＨＰを示し、図２４（Ｃ）では計数開始時点を起点としてＭＨＰを示している。
【０１２２】
第１、第２の実施の形態のようにダイアフラム制御信号で半導体レーザ１の発振波長を変調する場合、図２４（Ａ）、図２４（Ｂ）に示すようにダイアフラム制御信号のタイミングを基準として、ＭＨＰを数える期間をある程度制御することができ、ＭＨＰの計数値のばらつきを少なくすることができる。しかし、ＭＨＰの計数開始のタイミングのばらつきは、図２４（Ｃ）に示すように計数開始時点を起点にした時間と抽出したＭＨＰとの相関を小さくすることとなり、同期信号を利用したＭＨＰの平均化によるノイズ除去などの手法が行えなくなる。つまり、ＭＨＰのタイミングが計数の度にずれ、繰り返し精度が悪いため、複数の計数期間にわたってＭＨＰを平均化する手法が使用できない。
【０１２３】
これに対して、本実施の形態では、ＰＬＬ回路２０を用いることにより、ダイアフラム制御信号と半導体レーザ１の光出力に含まれる変調信号とが同期するか若しくは一定の位相差になるように、変調信号の位相を制御することができ、光出力をダイアフラム制御信号と同期して変調することができるので、ＭＨＰの計数期間のタイミングを高精度に制御することができ、計数開始時点を起点にした時間とＭＨＰとの相関（繰り返し精度）を高めることができ、平均化などのノイズ除去手法を用いることができる。つまり、ＭＨＰは、物体１１の状態が変化しない場合、ダイアフラム制御信号に対して計数の度に位置がずれることがなくなり、常に同じ位置に現れるため、ダイアフラム制御信号でトリガが掛け、平均化を施すことによってＭＨＰのノイズを除去することができる。
【０１２４】
信号抽出部７の構成および動作は第１の実施の形態と同様であるが、ここでは信号抽出部７は、ＭＨＰの計数結果を平均化処理部２２に出力する。
また、信号抽出部７の代わりに、第８の実施の形態で説明した信号抽出部７ａを用いることも可能である。この場合、信号抽出部７ａの補正値算出部７４３は、式（８）により計算した補正後の計数結果Ｎ’とＭＨＰの周期の代表値（中央値または最頻値）を平均化処理部２２に出力する。
【０１２５】
図２５は平均化処理部２２の構成の１例を示すブロック図である。平均化処理部２２は、Ａ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）２２０と、メモリ２２１と、平均化計算部２２２と、計数部２２３と、状態判定部２２４とから構成される。
【０１２６】
ＡＤＣ２２０は、電流−電圧変換増幅器５の出力をデジタル信号に変換する。メモリ２２１は、ＡＤＣ２２０から出力されたデジタル信号を記憶する。
平均化計算部２２２は、メモリ２２１に記憶されたデジタル信号を、複数回の第１の計数期間Ｑ１について平均化すると共に、複数回の第２の計数期間Ｑ２について平均化する。
【０１２７】
第１の計数期間Ｑ１は、第１の発振期間Ｐ１と同じ期間か、あるいは第１の発振期間Ｐ１内に含まれ、第１の発振期間Ｐ１の開始時点から所定時間後に始まる期間である。同様に、第２の計数期間Ｑ２は、第２の発振期間Ｐ２と同じ期間か、あるいは第２の発振期間Ｐ２内に含まれ、第２の発振期間Ｐ２の開始時点から所定時間後に始まる期間である。なお、現時点が第１の発振期間Ｐ１か第２の発振期間Ｐ２かはダイアフラムドライバ１０ａから通知されるので、平均化計算部２２２は、現時点が第１の計数期間Ｑ１か第２の計数期間Ｑ２かを認識できるようになっている。
【０１２８】
図２６（Ａ）〜図２６（Ｃ）は平均化計算部２２２の動作を説明するための図であり、図２６（Ａ）はメモリ２２１に記憶された最新の第１の計数期間Ｑ１におけるＭＨＰを示し、図２６（Ｂ）は最新からｉ回前（ｉは整数）の第１の計数期間Ｑ１におけるＭＨＰを示し、図２６（Ｃ）は複数回の第１の計数期間Ｑ１ついて平均化されたＭＨＰを示す。なお、平均化計算部２２２は、デジタル信号を処理するものであるが、図２６（Ａ）〜図２６（Ｃ）ではＭＨＰをアナログ信号で簡便的に示している。
【０１２９】
平均化計算部２２２は、計数期間の開始時点から経過時間ｔのタイミングでＡＤＣ２２０によってサンプリングされた最新のサンプル値をＡｔ（ｎ）、最新からｉ回前の計数期間において同一経過時間ｔのタイミングでサンプリングされたサンプル値をＡｔ（ｎ−ｉ）とすると、ｍ回（例えばｍ＝１０）の計数期間のサンプル値の平均値Ａｔａｖを、以下のようにして計算する。
Ａｔａｖ＝｛Ａｔ（ｎ）＋Ａｔ（ｎ−１）＋・・・・＋Ａ（ｎ−ｍ−１）｝／ｍ
・・・（９）
【０１３０】
平均化計算部２２２は、以上のような平均化を、複数回の第１の計数期間Ｑ１同士で各計数期間の開始時点からの経過時間が同一のタイミング毎に行うと共に、複数回の第２の計数期間Ｑ２同士で各計数期間の開始時点からの経過時間が同一のタイミング毎に行う。なお、平均化計算部２２２が計算を行う間隔（図２６（Ａ）〜図２６（Ｃ）の時間ｔとｔ＋１との間隔）は、ＡＤＣ２２０のサンプリング間隔である。以上のようにして、平均化計算部２２２はＭＨＰを平均化することができる。
【０１３１】
計数部２２３は、平均化計算部２２２の出力に含まれるＭＨＰの数を第１の計数期間Ｑ１と第２の計数期間Ｑ２の各々について数える。計数部２２３は、カウンタを利用するものでもよいし、ＦＦＴを利用するものでもよい。
【０１３２】
次に、状態判定部２２４は、信号抽出部７，７ａから出力された計数結果とＭＨＰの周期の代表値（中央値または最頻値）に基づいて、物体１１の状態を判定し、信号抽出部７，７ａから出力された計数結果と計数部２２３から出力された計数結果のうちどちらを演算部８に出力するかを判定する。
【０１３３】
状態判定部２２４は、信号抽出部７から出力された現時点の計数結果をＴ（Ｔは三角波周期）時間前に信号抽出部７から出力された計数結果と比較して、その変化が所定の範囲内の場合、物体１１の状態が変化していないと判定し、計数部２２３から出力された現時点の計数結果を演算部８に出力する。また、状態判定部２２４は、信号抽出部７から出力された現時点の計数結果をＴ時間前に信号抽出部７から出力された計数結果と比較して、その変化が所定の範囲を超える場合、物体１１の状態が変化したと判定し、信号抽出部７から出力された現時点の計数結果を演算部８に出力する。なお、現時点の値をＴ時間前の値と比較することは、第１の計数期間Ｑ１の値を１回前の第１の計数期間Ｑ１の値と比較し、第２の計数期間Ｑ２の値を１回前の第２の計数期間Ｑ２の値と比較することを意味する。
【０１３４】
信号抽出部７の代わりに信号抽出部７ａを用いる場合、状態判定部２２４は以下のような動作を行う。すなわち、状態判定部２２４は、信号抽出部７ａの補正値算出部７４３から出力された現時点のＭＨＰの周期の代表値をＴ時間前に補正値算出部７４３から出力されたＭＨＰの周期の代表値と比較して、その変化が所定の範囲内の場合、物体１１の状態が変化していないと判定し、計数部２２３から出力された現時点の計数結果を演算部８に出力する。また、状態判定部２２４は、補正値算出部７４３から出力された現時点のＭＨＰの周期の代表値をＴ時間前に補正値算出部７４３から出力されたＭＨＰの周期の代表値と比較して、その変化が所定の範囲を超える場合、物体１１の状態が変化したと判定し、補正値算出部７４３から出力された現時点の計数結果を演算部８に出力する。
【０１３５】
さらに、状態判定部２２４は、補正値算出部７４３から出力された現時点の計数結果をＴ時間前に補正値算出部７４３から出力された計数結果と比較して、計数結果の変化が所定の範囲内の場合、計数部２２３から出力された現時点の計数結果を演算部８に出力し、計数結果の変化が所定の範囲を超える場合、補正値算出部７４３から出力された現時点の計数結果を演算部８に出力するようにしてもよい。なお、計数結果を比較する場合、周期の代表値を比較する場合のいずれにおいても、ある範囲の平均値と比較するようにしてもよい。
平均化処理部２２は、以上のような処理を第１の計数期間Ｑ１と第２の計数期間Ｑ２の各々について行う。
【０１３６】
演算部８は、半導体レーザ１の最小発振波長λａと最大発振波長λｂと平均化処理部２２から出力された計数結果に基づいて、第１の実施の形態で説明したように、物体１１との距離および物体１１の速度を算出すればよい。物理量センサのその他の構成は、第１、第２の実施の形態と同じである。
【０１３７】
以上のように、本実施の形態では、半導体レーザ１の光出力をダイアフラム制御信号と同期して変調することにより、ダイアフラム制御信号に対するＭＨＰの計数期間のタイミングのばらつきを除去することができ、物体１１の物理量の測定精度を向上させることができる。また、本実施の形態では、ダイアフラム制御信号をトリガとして、複数の計数期間にわたってＭＨＰを平均化することにより、ノイズを除去することができ、ノイズとＭＨＰの分離性能を向上させることができるので、測定精度をさらに向上させることができる。なお、平均化処理部２２は必須の構成ではない。平均化処理部２２を用いない場合には、他の実施の形態と同様に、信号抽出部７または７ａの計数結果を演算部８に直接入力すればよい。
【０１３８】
本実施の形態における光出力の変調は、トリガを掛けてＭＨＰの同期をとるためのものなので、非常に小さな変調量でよい。すなわち、本実施の形態における駆動電流の変調量は、従来の駆動電流変調型のセンサにおいて距離分解能を確保するための駆動電流の変調量とはレベルが大きく異なる。したがって、本実施の形態では、光出力は概ね一定であると云えるので、本実施の形態の構成が第１の実施の形態で説明した効果を損なうことはない。
【０１３９】
［第１０の実施の形態］
次に、本発明の第１０の実施の形態について説明する。図２７は本発明の第１０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２７の物理量センサは、第９の実施の形態の物理量センサに対して、位相検出部２３を追加したものである。
【０１４０】
第９の実施の形態で説明したように、ダイアフラム制御信号に対するＭＨＰの計数期間のタイミングが高精度に制御されている場合、静止した基準面にレーザ光を照射したときに、ダイアフラム制御信号に対して毎回同じタイミングでＭＨＰが発生することになる。駆動電流とダイアフラム制御信号との相関が高いと、周囲温度の変化などによって生じる発振波長の変化はＭＨＰの位相変化として現れる。例えば、周囲温度の変化によって半導体レーザ１の発振波長変化率が増加すると、単位距離あたりのＭＨＰの数が増加するために、基準面にレーザ光を照射したときのＭＨＰの周期が短くなる。
【０１４１】
そこで、ＭＨＰの位相変化を駆動電流にフィードバックすることによって、周囲温度変化による測定誤差を小さくすることができる。
すなわち、位相検出部２３は、複数回の第１の計数期間Ｑ１について電流−電圧変換増幅器５の出力に含まれるＭＨＰの位相を調べたときに、位相変化がある場合には、複数回の第１の計数期間Ｑ１についてＭＨＰの位相が一致するように、すなわち半導体レーザ１の発振波長の変化率が一定になるように、ダイアフラムドライバ１０ａから半導体レーザ１に供給されるダイアフラム制御信号の振幅を制御する。
【０１４２】
物理量センサのその他の構成は、第９の実施の形態と同じである。第９の実施の形態で説明したとおり、信号抽出部７の代わりに信号抽出部７ａを用いてもよい。なお、上記の説明では、第１の計数期間Ｑ１についてのみ述べたが、位相検出部２３は、ダイアフラム制御信号の制御を複数回の第１の計数期間Ｑ１と複数回の第２の計数期間Ｑ２の各々について行えばよい。
【０１４３】
こうして、本実施の形態では、周囲温度が変化したとしても、半導体レーザ１の発振波長変化率を一定にすることができ、周囲温度変化による測定誤差を小さくすることができる。なお、本実施の形態は、静止した基準面を観測している場合のみ有効である。基準面としては、例えば物体１１が侵入する予定の空間を挟んで半導体レーザ１と向かい合う反射壁面がある。半導体レーザ１の放射方向に物体１１が存在しない場合、この反射壁面からの光が半導体レーザ１に戻る。
【０１４４】
また、半導体レーザ１を保護する透明カバーの内面と外面のうち無反射防止処理が施されていない何れか１つの面を基準面とすることもできる。図２８は半導体レーザ１の入出射部の要部概略構成を示す図である。図２８において、１４０は半導体レーザ１を収納する密閉ケース、１４１は半導体レーザ１の前面に設けられて半導体レーザ１を保護するガラス等の透明カバー（透明体）、１４２は透明カバー１４１の表面に設けられた反射防止膜（ＡＲコート）である。
透明カバー１４１は、密閉ケース１４０の窓部に嵌め込んで設けられる。そして、半導体レーザ１は、その前面であるレーザ光入出射面を透明カバー１４１に対峙させて密閉ケース１４０内に組み込まれる。
【０１４５】
ガラス等の透明体を通してレーザ光を入出力する場合、透明体と空気との界面で僅かではあるがレーザ光の反射が生じる。このような反射を防ぐ場合、専ら、低屈折率材料を分散させたフィラーを透明体の表面にコーティングして反射防止膜を形成することが行われる。本実施の形態においても、レーザ光の入出射面となる透明カバー１４１での不要な反射を抑えるべく、透明カバー１４１の表面に反射防止膜１４２を設けるが、この際、透明カバー１４１の内面にだけ反射防止膜１４２を設け、その外面には反射防止膜を形成しないことで、敢えて透明カバー１４１の外面においてレーザ光の反射が生じるようにしている。そして、半導体レーザ１から出力されたレーザ光の一部が透明カバー１４１の外面にて反射して半導体レーザ１に戻るようにしている。
【０１４６】
なお、透明カバー１４１の外面については、無反射防止処理を施さないことは勿論のことではあるが、敢えて半導体レーザ１において自己結合効果が生じる強度の反射光を得るに必要な処理を施すようにしても良い。具体的には透明カバー１４１の外面を鏡面研磨したり、或る程度の反射率を有する光学膜を被覆形成することも可能である。図２８に示した構成によれば、半導体レーザ１の放射方向に物体１１が存在しない場合、半導体レーザ１から出射したレーザ光は、その一部が透明カバー１４１の外面によって反射されて半導体レーザ１に戻る。
【０１４７】
［第１１の実施の形態］
次に、本発明の第１１の実施の形態について説明する。本実施の形態においても、物理量センサの構成は第９の実施の形態と同様であるので、図２３の符号を用いて説明する。
第９の実施の形態において、信号抽出部７は、平均化処理部２２の出力に含まれるＭＨＰの数を整数単位で数えている。しかしながら、第９の実施の形態で説明したように、ダイアフラム制御信号に対するＭＨＰの計数期間のタイミングが高精度に制御され、さらに複数の計数期間にわたってＭＨＰを平均化すると、平均化処理部２２の計数部２２３は、計数期間の始めから終わりまでのＭＨＰを小数点以下の単位で数えることができる。
【０１４８】
こうして、本実施の形態では、ＭＨＰを小数点以下の単位で数えることができ、式（２）〜式（５）におけるＭＨＰの数に小数点以下の数を代入することができるので、算出する物理量の分解能を向上させることができる。
【０１４９】
［第１２の実施の形態］
第１〜第１１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−電圧変換増幅器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２９は本発明の第１２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と同様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２の形態のフォトダイオード２と電流−電圧変換増幅器５の代わりに、検出手段として電圧検出回路２４を用いるものである。
【０１５０】
電圧検出回路２４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。
【０１５１】
信号抽出部７は、電圧検出回路２４の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を第１の計数期間Ｑ１と第２の計数期間Ｑ２の各々について数える。物理量センサのその他の構成は、第１、第２の実施の形態と同じである。他の実施の形態と同様に、信号抽出部７の代わりに信号抽出部７ａを用いてもよい。
【０１５２】
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１１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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
なお、第１〜第１２の実施の形態において少なくとも信号抽出部７と演算部８とは、例えばＣＰＵ、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このようなコンピュータを動作させるためのプログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供される。ＣＰＵは、読み込んだプログラムを記憶装置に書き込み、このプログラムに従って実施の形態で説明した処理を実行する。
【０１５５】
また、第１〜第１２の実施の形態では、物理量センサの１例として距離・速度計を例に挙げて説明しているが、これに限るものではなく、距離計でもよいし、速度計でもよいし、その他の物理量を計測するセンサであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１５６】
本発明は、半導体レーザから放射したレーザ光と物体からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉の情報から、物体の物理量を計測する技術に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１５７】
【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半導体レーザの要部構成断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態においてダイアフラムドライバから半導体レーザに供給されるダイアフラム制御信号、半導体レーザの発振波長の時間変化、レーザドライバから半導体レーザに供給される駆動電流、および半導体レーザの光出力を示す図である。
【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２の実施の形態における半導体レーザの要部構成断面図である。
【図９】従来の駆動電流変調型の半導体レーザを用いてパルス発光させる場合の駆動電流、および半導体レーザの発振波長の時間変化を示す図である。
【図１０】図９の半導体レーザの発振波長の時間変化を拡大した図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態においてダイアフラムドライバから半導体レーザに供給されるダイアフラム制御信号、半導体レーザの発振波長の時間変化、レーザドライバから半導体レーザに供給される駆動電流、および半導体レーザの光出力を示す図である。
【図１２】本発明の第４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１３】本発明の第３の実施の形態、第４の実施の形態においてダイアフラムドライバから半導体レーザに供給されるダイアフラム制御信号の別の例、および半導体レーザの発振波長の時間変化を示す図である。
【図１４】本発明の第５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１５】半導体レーザの駆動電流−光出力特性の１例を示す図である。
【図１６】本発明の第６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の実施の形態に係る物理量センサの構成を示すブロック図である。
【図１８】本発明の第８の実施の形態における信号抽出部の構成の１例を示すブロック図である。
【図１９】図１８の信号抽出部における計数結果補正部の構成の１例を示すブロック図である。
【図２０】図１８の信号抽出部の動作を説明するための図である。
【図２１】本発明の第８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２２】本発明の第８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２３】本発明の第９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２４】ダイアフラムドライバから半導体レーザに供給されるダイアフラム制御信号およびモードホップパルスを示す図である。
【図２５】本発明の第９の実施の形態における平均化処理部の構成の１例を示すブロック図である。
【図２６】本発明の第９の実施の形態における平均化処理部の動作を説明するための図である。
【図２７】本発明の第１０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２８】本発明の第１０の実施の形態に係る半導体レーザの入出射部の要部概略構成を示す図である。
【図２９】本発明の第１２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。
【符号の説明】
【０１５８】
１…半導体レーザ、２，１３…フォトダイオード、３…レンズ、４，４ａ…レーザドライバ、５，１４…電流−電圧変換増幅器、７，７ａ…信号抽出部、８…演算部、９…表示装置、１０，１０ａ…ダイアフラムドライバ、１１…物体、１２…ビームスプリッター、１５…物体検知部、１６，１７，１８…光出力制御部、１９…参照信号生成回路、２０…ＰＬＬ回路、２１…電圧制御発振器、２２…平均化処理部、２３…位相検出部、２４…電圧検出回路、７１…判定部、７２…論理積演算部、７３…カウンタ、７４…計数結果補正部、７５…記憶部、８０…距離・速度算出部、８１…履歴変位算出部、８２…記憶部、８３…状態判定部、８４…距離・速度確定部、２２０…Ａ／Ｄコンバータ、２２１…メモリ、２２２…平均化計算部、２２３…計数部、２２４…状態判定部、７４０…周期測定部、７４１…度数分布作成部、７４２…代表値算出部、７４３…補正値算出部。
【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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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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