(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調されたレーザ光を放射する半導体レーザと、
前記半導体レーザの内部又はその近傍に配置され、前記半導体レーザから放射されたレーザ光を受光して電気信号に変換する受光器と、
前記受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光とその戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の周期を検出し、静止している基準面による干渉波形の周期と異なる周期の干渉波形が所定の条件を満たすときに、前記レーザ光の放射方向に物体が存在すると判定する物体検知手段と、
前記受光器の出力信号に含まれる干渉の情報から前記物体の物理量を計測する計測手段とを備え、
前記基準面は、前記物体が侵入する予定の空間を挟んで前記半導体レーザと向かい合う反射壁面であり、
前記物体検知手段は、
前記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Ｔ０を算出する代表値算出手段と、
前記レーザ光の１周期前の計数期間において算出された前記代表値Ｔ０に対して、現在の計数期間中の検知期間において周期がこの代表値Ｔ０の所定数倍よりも長い干渉波形の個数Ｎを求める個数導出手段と、
前記検知期間中に周期が測定された干渉波形の全個数Ｎａｌｌに対する前記個数Ｎの割合Ｎ／Ｎａｌｌが所定の閾値以上のときに、前記レーザ光の放射方向に前記物体が存在すると判定する物体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２】
請求項１記載の物理量センサにおいて、
前記所定数は、２であることを特徴とする物理量センサ。
【請求項３】
変調されたレーザ光を放射する半導体レーザと、
前記半導体レーザの内部又はその近傍に配置され、前記半導体レーザから放射されたレーザ光を受光して電気信号に変換する受光器と、
前記受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光とその戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の周期を検出し、静止している基準面による干渉波形の周期と異なる周期の干渉波形が所定の条件を満たすときに、前記レーザ光の放射方向に物体が存在すると判定する物体検知手段と、
前記受光器の出力信号に含まれる干渉の情報から前記物体の物理量を計測する計測手段とを備え、
前記基準面は、前記半導体レーザを保護する透明カバーの内面と外面のうち反射防止処理が施されていない何れか１つの面であり、
前記物体検知手段は、
前記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Ｔ０を算出する代表値算出手段と、
前記レーザ光の１周期前の計数期間において算出された前記代表値Ｔ０に対して、現在の計数期間中の検知期間において周期がこの代表値Ｔ０の所定数倍よりも短い干渉波形の個数Ｎを求める個数導出手段と、
前記検知期間中に周期が測定された干渉波形の全個数Ｎａｌｌに対する前記個数Ｎの割合Ｎ／Ｎａｌｌが所定の閾値以上のときに、前記レーザ光の放射方向に前記物体が存在すると判定する物体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４】
請求項３記載の物理量センサにおいて、
前記所定数は、０．５であることを特徴とする物理量センサ。
【請求項５】
変調されたレーザ光を放射する半導体レーザと、
前記半導体レーザの内部又はその近傍に配置され、前記半導体レーザから放射されたレーザ光を受光して電気信号に変換する受光器と、
前記受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光とその戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の周期を検出し、静止している基準面による干渉波形の周期と異なる周期の干渉波形が所定の条件を満たすときに、前記レーザ光の放射方向に物体が存在すると判定する物体検知手段と、
前記受光器の出力信号に含まれる干渉の情報から前記物体の物理量を計測する計測手段とを備え、
前記基準面は、前記物体が侵入する予定の空間を挟んで前記半導体レーザと向かい合う反射壁面であり、
前記物体検知手段は、
前記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Ｔ０を算出する代表値算出手段と、
前記度数分布から周期が前記代表値Ｔ０の所定数倍よりも長い度数の総和Ｎｗを求めると共に、前記計数期間中の検知期間において周期が前記代表値Ｔ０の所定数倍よりも長い干渉波形の個数Ｎを求める個数導出手段と、
前記レーザ光の１周期前の計数期間における度数Ｎｗに対する現在の計数期間中の検知期間における個数Ｎの割合Ｎ／Ｎｗが所定の閾値以上のときに、前記レーザ光の放射方向に前記物体が存在すると判定する物体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６】
請求項５記載の物理量センサにおいて、
前記所定数は、１．５であることを特徴とする物理量センサ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の物理量センサにおいて、
さらに、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レーザドライバを備え、
前記計測手段は、
前記受光器の出力信号に含まれる、前記レーザ光と前記戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手段と、
この計数手段によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記計数手段の計数結果とから前記物体との距離及び前記物体の速度の少なくとも一方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８】
変調されたレーザ光を半導体レーザから放射させる発振手順と、
前記半導体レーザの内部又はその近傍に配置された受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光とその戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の周期を検出し、静止している基準面による干渉波形の周期と異なる周期の干渉波形が所定の条件を満たすときに、前記レーザ光の放射方向に物体が存在すると判定する物体検知手順と、
前記受光器の出力信号に含まれる干渉の情報から前記物体の物理量を計測する計測手順とを含み、
前記基準面は、前記物体が侵入する予定の空間を挟んで前記半導体レーザと向かい合う反射壁面であり、
前記物体検知手順は、
前記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Ｔ０を算出する代表値算出手順と、
前記レーザ光の１周期前の計数期間において算出された前記代表値Ｔ０に対して、現在の計数期間中の検知期間において周期がこの代表値Ｔ０の所定数倍よりも長い干渉波形の個数Ｎを求める個数導出手順と、
前記検知期間中に周期が測定された干渉波形の全個数Ｎａｌｌに対する前記個数Ｎの割合Ｎ／Ｎａｌｌが所定の閾値以上のときに、前記レーザ光の放射方向に前記物体が存在すると判定する物体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９】
請求項８記載の物理量計測方法において、
前記所定数は、２であることを特徴とする物理量計測方法。
【請求項１０】
変調されたレーザ光を半導体レーザから放射させる発振手順と、
前記半導体レーザの内部又はその近傍に配置された受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光とその戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の周期を検出し、静止している基準面による干渉波形の周期と異なる周期の干渉波形が所定の条件を満たすときに、前記レーザ光の放射方向に物体が存在すると判定する物体検知手順と、
前記受光器の出力信号に含まれる干渉の情報から前記物体の物理量を計測する計測手順とを含み、
前記基準面は、前記半導体レーザを保護する透明カバーの内面と外面のうち反射防止処理が施されていない面であり、
前記物体検知手順は、
前記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Ｔ０を算出する代表値算出手順と、
前記レーザ光の１周期前の計数期間において算出された前記代表値Ｔ０に対して、現在の計数期間中の検知期間において周期がこの代表値Ｔ０の所定数倍よりも短い干渉波形の個数Ｎを求める個数導出手順と、
前記検知期間中に周期が測定された干渉波形の全個数Ｎａｌｌに対する前記個数Ｎの割合Ｎ／Ｎａｌｌが所定の閾値以上のときに、前記レーザ光の放射方向に前記物体が存在すると判定する物体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１１】
請求項１０記載の物理量計測方法において、
前記所定数は、０．５であることを特徴とする物理量計測方法。
【請求項１２】
変調されたレーザ光を半導体レーザから放射させる発振手順と、
前記半導体レーザの内部又はその近傍に配置された受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光とその戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の周期を検出し、静止している基準面による干渉波形の周期と異なる周期の干渉波形が所定の条件を満たすときに、前記レーザ光の放射方向に物体が存在すると判定する物体検知手順と、
前記受光器の出力信号に含まれる干渉の情報から前記物体の物理量を計測する計測手順とを含み、
前記基準面は、前記物体が侵入する予定の空間を挟んで前記半導体レーザと向かい合う反射壁面であり、
前記物体検知手順は、
前記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Ｔ０を算出する代表値算出手順と、
前記度数分布から周期が前記代表値Ｔ０の所定数倍よりも長い度数の総和Ｎｗを求めると共に、前記計数期間中の検知期間において周期が前記代表値Ｔ０の所定数倍よりも長い干渉波形の個数Ｎを求める個数導出手順と、
前記レーザ光の１周期前の計数期間における度数Ｎｗに対する現在の計数期間中の検知期間における個数Ｎの割合Ｎ／Ｎｗが所定の閾値以上のときに、前記レーザ光の放射方向に前記物体が存在すると判定する物体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１３】
請求項１２記載の物理量計測方法において、
前記所定数は、１．５であることを特徴とする物理量計測方法。
【請求項１４】
請求項８乃至１３のいずれか１項に記載の物理量計測方法において、
前記発振手順は、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手順であり、
前記計測手順は、
前記受光器の出力信号に含まれる、前記レーザ光と前記戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手順と、
この計数手順によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記計数手順の計数結果とから前記物体との距離及び前記物体の速度の少なくとも一方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。
【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】
従来より、レーザによる光の干渉を利用した距離計として、レーザの出力光と測定対象からの戻り光との半導体レーザ内部での干渉（自己結合効果）を利用したレーザ計測器が提案されている（例えば、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３参照）。ＦＰ型（ファブリペロー型）半導体レーザの複合共振器モデルを図１５に示す。図１５において、１０１は半導体レーザ、１０２は半導体結晶の壁開面、１０３はフォトダイオード、１０４は測定対象である。
【０００３】
レーザの発振波長をλ、測定対象１０４に近い方の壁開面１０２から測定対象１０４までの距離をＬとすると、以下の共振条件を満足するとき、測定対象１０４からの戻り光と共振器１０１内のレーザ光は強め合い、レーザ出力がわずかに増加する。
Ｌ＝ｑλ／２                                                    ・・・（１）
式（１）において、ｑは整数である。この現象は、測定対象１０４からの散乱光が極めて微弱であっても、半導体レーザの共振器１０１内の見かけの反射率が増加することにより、増幅作用が生じ、十分観測できる。
【０００４】
半導体レーザは、注入電流の大きさに応じて周波数の異なるレーザ光を放射するので、発振周波数を変調する際に、外部変調器を必要とせず、注入電流によって直接変調が可能である。図１６は、半導体レーザの発振波長をある一定の割合で変化させたときの発振波長とフォトダイオード１０３の出力波形との関係を示す図である。式（１）に示したＬ＝ｑλ／２を満足したときに、戻り光と共振器１０１内のレーザ光の位相差が０°（同位相）になって、戻り光と共振器１０１内のレーザ光とが最も強め合い、Ｌ＝ｑλ／２＋λ／４のときに、位相差が１８０°（逆位相）になって、戻り光と共振器１０１内のレーザ光とが最も弱め合う。そのため、半導体レーザの発振波長を変化させていくと、レーザ出力が強くなるところと弱くなるところとが交互に繰り返し現れ、このときのレーザ出力を共振器１０１に設けられたフォトダイオード１０３で検出すると、図１６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。
【０００５】
この階段状の波形、すなわち干渉縞の１つ１つをモードポップパルス（以下、ＭＨＰ）と呼ぶ。ＭＨＰはモードホッピング現象とは異なる現象である。例えば、測定対象１０４までの距離がＬ１のとき、ＭＨＰの数が１０個であったとすれば、半分の距離Ｌ２では、ＭＨＰの数は５個になる。すなわち、ある一定時間において半導体レーザの発振波長を変化させた場合、測定距離に比例してＭＨＰの数は変わる。したがって、ＭＨＰをフォトダイオード１０３で検出し、ＭＨＰの周波数を測定すれば、容易に距離計測が可能となる。
ただし、自己結合型を含め従来の干渉型計測器では、静止した測定対象との距離を計測することはできても、速度を持つ測定対象の距離を計測することはできないという問題点があった。
【０００６】
そこで、発明者は、静止した測定対象との距離だけでなく、測定対象の速度も計測することができる距離・速度計を提案した（特許文献１参照）。この距離・速度計の構成を図１７に示す。図１７の距離・速度計は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザ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測定対象２１０に照射すると共に、測定対象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、測定対象２１０との距離及び測定対象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。
【０００７】
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１８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１８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、ＷＴは三角波の周期である。
【０００８】
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、測定対象２１０に入射する。測定対象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、測定対象２１０との距離及び測定対象２１０の速度を算出する。
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−３１３０８０号公報
【非特許文献１】上田正，山田諄，紫藤進，「半導体レーザの自己結合効果を利用した距離計」，１９９４年度電気関係学会東海支部連合大会講演論文集，１９９４年
【非特許文献２】山田諄，紫藤進，津田紀生，上田正，「半導体レーザの自己結合効果を利用した小型距離計に関する研究」，愛知工業大学研究報告，第３１号Ｂ，ｐ．３５−４２，１９９６年
【非特許文献３】Guido Giuliani，Michele Norgia，Silvano Donati and Thierry Bosch，「Laser diode self-mixing technique for sensing applications」，JOURNAL OF OPTICS A:PURE AND APPLIED OPTICS，ｐ．２８３−２９４，２００２年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図１５に示した自己結合型の距離計によれば測定対象との距離を計測することができ、図１７に示した距離・速度計によれば、測定対象との距離と測定対象の速度を同時に計測することができる。
しかしながら、これらの自己結合型のレーザ計測器では、物体の検知に時間がかかるという問題点があった。つまり、自己結合型のレーザ計測器では、図１８に示したように半導体レーザの発振波長を変化させて、ＭＨＰの個数や周波数を計測し、物体との距離を算出するが、距離を算出するまでは半導体レーザの放射方向に物体が存在するかどうかを検知できない。物体を高速に検知するには、図１８に示す三角波の周期ＷＴを短くすればよいが、周期ＷＴを短くするには、回路速度を速くする、もしくは距離の分解能を低下させる必要が生じてしまうという問題がある。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、物体の高速検知と物理量の高分解能計測とを両立させ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】
【００１２】
本発明の物理量センサは、変調されたレーザ光を放射する半導体レーザと、前記半導体レーザの内部又はその近傍に配置され、前記半導体レーザから放射されたレーザ光を受光して電気信号に変換する受光器と、前記受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光とその戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の周期を検出し、静止している基準面による干渉波形の周期と異なる周期の干渉波形が所定の条件を満たすときに、前記レーザ光の放射方向に物体が存在すると判定する物体検知手段と、前記受光器の出力信号に含まれる干渉の情報から前記物体の物理量を計測する計測手段とを備え、前記基準面は、前記物体が侵入する予定の空間を挟んで前記半導体レーザと向かい合う反射壁面であり、前記物体検知手段は、前記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Ｔ０を算出する代表値算出手段と、前記レーザ光の１周期前の計数期間において算出された前記代表値Ｔ０に対して、現在の計数期間中の検知期間において周期がこの代表値Ｔ０の所定数倍よりも長い干渉波形の個数Ｎを求める個数導出手段と、前記検知期間中に周期が測定された干渉波形の全個数Ｎａｌｌに対する前記個数Ｎの割合Ｎ／Ｎａｌｌが所定の閾値以上のときに、前記レーザ光の放射方向に前記物体が存在すると判定する物体判定手段とからなるものである。
【００１３】
また、本発明の物理量センサの１構成例において、前記所定数は、例えば２である。
【００１４】
また、本発明の物理量センサは、変調されたレーザ光を放射する半導体レーザと、前記半導体レーザの内部又はその近傍に配置され、前記半導体レーザから放射されたレーザ光を受光して電気信号に変換する受光器と、前記受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光とその戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の周期を検出し、静止している基準面による干渉波形の周期と異なる周期の干渉波形が所定の条件を満たすときに、前記レーザ光の放射方向に物体が存在すると判定する物体検知手段と、前記受光器の出力信号に含まれる干渉の情報から前記物体の物理量を計測する計測手段とを備え、前記基準面は、前記半導体レーザを保護する透明カバーの内面と外面のうち反射防止処理が施されていない何れか１つの面であり、前記物体検知手段は、前記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Ｔ０を算出する代表値算出手段と、前記レーザ光の１周期前の計数期間において算出された前記代表値Ｔ０に対して、現在の計数期間中の検知期間において周期がこの代表値Ｔ０の所定数倍よりも短い干渉波形の個数Ｎを求める個数導出手段と、前記検知期間中に周期が測定された干渉波形の全個数Ｎａｌｌに対する前記個数Ｎの割合Ｎ／Ｎａｌｌが所定の閾値以上のときに、前記レーザ光の放射方向に前記物体が存在すると判定する物体判定手段とからなるものである。
また、本発明の物理量センサの１構成例において、前記所定数は、例えば０．５である。
【００１５】
また、本発明の物理量センサは、変調されたレーザ光を放射する半導体レーザと、前記半導体レーザの内部又はその近傍に配置され、前記半導体レーザから放射されたレーザ光を受光して電気信号に変換する受光器と、前記受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光とその戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の周期を検出し、静止している基準面による干渉波形の周期と異なる周期の干渉波形が所定の条件を満たすときに、前記レーザ光の放射方向に物体が存在すると判定する物体検知手段と、前記受光器の出力信号に含まれる干渉の情報から前記物体の物理量を計測する計測手段とを備え、前記基準面は、前記物体が侵入する予定の空間を挟んで前記半導体レーザと向かい合う反射壁面であり、前記物体検知手段は、前記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Ｔ０を算出する代表値算出手段と、前記度数分布から周期が前記代表値Ｔ０の所定数倍よりも長い度数の総和Ｎｗを求めると共に、前記計数期間中の検知期間において周期が前記代表値Ｔ０の所定数倍よりも長い干渉波形の個数Ｎを求める個数導出手段と、前記レーザ光の１周期前の計数期間における度数Ｎｗに対する現在の計数期間中の検知期間における個数Ｎの割合Ｎ／Ｎｗが所定の閾値以上のときに、前記レーザ光の放射方向に前記物体が存在すると判定する物体判定手段とからなるものである。
また、本発明の物理量センサの１構成例において、前記所定数は、例えば１．５である。
【００１６】
また、本発明の物理量センサの１構成例は、さらに、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レーザドライバを備え、前記計測手段は、前記受光器の出力信号に含まれる、前記レーザ光と前記戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手段と、この計数手段によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記計数手段の計数結果とから前記物体との距離及び前記物体の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とからなるものである。
【００１７】
また、本発明の物理量計測方法は、変調されたレーザ光を半導体レーザから放射させる発振手順と、前記半導体レーザの内部又はその近傍に配置された受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光とその戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の周期を検出し、静止している基準面による干渉波形の周期と異なる周期の干渉波形が所定の条件を満たすときに、前記レーザ光の放射方向に物体が存在すると判定する物体検知手順と、前記受光器の出力信号に含まれる干渉の情報から前記物体の物理量を計測する計測手順とを含み、前記基準面は、前記物体が侵入する予定の空間を挟んで前記半導体レーザと向かい合う反射壁面であり、前記物体検知手順は、前記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Ｔ０を算出する代表値算出手順と、前記レーザ光の１周期前の計数期間において算出された前記代表値Ｔ０に対して、現在の計数期間中の検知期間において周期がこの代表値Ｔ０の所定数倍よりも長い干渉波形の個数Ｎを求める個数導出手順と、前記検知期間中に周期が測定された干渉波形の全個数Ｎａｌｌに対する前記個数Ｎの割合Ｎ／Ｎａｌｌが所定の閾値以上のときに、前記レーザ光の放射方向に前記物体が存在すると判定する物体判定手順とからなるものである。
【００１８】
また、本発明の物理量計測方法の１構成例において、前記所定数は、例えば２である。
【００１９】
また、本発明の物理量計測方法は、変調されたレーザ光を半導体レーザから放射させる発振手順と、前記半導体レーザの内部又はその近傍に配置された受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光とその戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の周期を検出し、静止している基準面による干渉波形の周期と異なる周期の干渉波形が所定の条件を満たすときに、前記レーザ光の放射方向に物体が存在すると判定する物体検知手順と、前記受光器の出力信号に含まれる干渉の情報から前記物体の物理量を計測する計測手順とを含み、前記基準面は、前記半導体レーザを保護する透明カバーの内面と外面のうち反射防止処理が施されていない面であり、前記物体検知手順は、前記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Ｔ０を算出する代表値算出手順と、前記レーザ光の１周期前の計数期間において算出された前記代表値Ｔ０に対して、現在の計数期間中の検知期間において周期がこの代表値Ｔ０の所定数倍よりも短い干渉波形の個数Ｎを求める個数導出手順と、前記検知期間中に周期が測定された干渉波形の全個数Ｎａｌｌに対する前記個数Ｎの割合Ｎ／Ｎａｌｌが所定の閾値以上のときに、前記レーザ光の放射方向に前記物体が存在すると判定する物体判定手順とからなるものである。
また、本発明の物理量計測方法の１構成例において、前記所定数は、例えば０．５である。
【００２０】
また、本発明の物理量計測方法は、変調されたレーザ光を半導体レーザから放射させる発振手順と、前記半導体レーザの内部又はその近傍に配置された受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光とその戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の周期を検出し、静止している基準面による干渉波形の周期と異なる周期の干渉波形が所定の条件を満たすときに、前記レーザ光の放射方向に物体が存在すると判定する物体検知手順と、前記受光器の出力信号に含まれる干渉の情報から前記物体の物理量を計測する計測手順とを含み、前記基準面は、前記物体が侵入する予定の空間を挟んで前記半導体レーザと向かい合う反射壁面であり、前記物体検知手順は、前記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Ｔ０を算出する代表値算出手順と、前記度数分布から周期が前記代表値Ｔ０の所定数倍よりも長い度数の総和Ｎｗを求めると共に、前記計数期間中の検知期間において周期が前記代表値Ｔ０の所定数倍よりも長い干渉波形の個数Ｎを求める個数導出手順と、前記レーザ光の１周期前の計数期間における度数Ｎｗに対する現在の計数期間中の検知期間における個数Ｎの割合Ｎ／Ｎｗが所定の閾値以上のときに、前記レーザ光の放射方向に前記物体が存在すると判定する物体判定手順とからなるものである。
また、本発明の物理量計測方法の１構成例において、前記所定数は、例えば１．５である。
【００２１】
また、本発明の物理量計測方法の１構成例において、前記発振手順は、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手順であり、前記計測手順は、前記受光器の出力信号に含まれる、前記レーザ光と前記戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手順と、この計数手順によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記計数手順の計数結果とから前記物体との距離及び前記物体の速度の少なくとも一方を算出する演算手順とからなるものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、物体検知手段を設けることにより、レーザ光の周期（三角波の周期）を短くすることなく、物体を高速に検知することができるので、物体の高速検知と物理量の高分解能計測とを両立させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
［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距離・速度計の構成を示すブロック図である。図１の距離・速度計は、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放射すると共に、反射壁面１０又は物体１２からの戻り光を集光して半導体レーザ１に入射させるレンズ３と、半導体レーザ１を駆動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の出力電圧から搬送波を除去するフィルタ回路６と、フィルタ回路６の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を数える計数装置７と、物体１２との距離及び物体１２の速度を算出する演算装置８と、演算装置８の算出結果及び後述する物体検知装置１１の検知結果を表示する表示装置９と、半導体レーザ１の放射方向に物体１２が存在するかどうかを検知する物体検知装置１１とを有する。
【００２４】
電流−電圧変換増幅器５とフィルタ回路６と計数装置７と演算装置８とは、計測手段を構成している。また、電流−電圧変換増幅器５とフィルタ回路６と計数装置７とは、計数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。
【００２５】
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１８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。
【００２６】
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、半導体レーザ１の放射方向に物体１２が存在しない場合は反射壁面１０に入射し、物体１２が存在する場合は物体１２に入射する。反射壁面１０又は物体１２で反射された光は、レンズ３によって集光され、半導体レーザ１に入射する。ただし、レンズ３による集光は必須ではない。フォトダイオード２は、半導体レーザ１の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。
【００２７】
フィルタ回路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−電圧変換増幅器５の出力電圧波形を模式的に示す図、図２（Ｂ）はフィルタ回路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１８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。
【００２８】
計数装置７は、フィルタ回路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は計数装置７と物体検知装置１１の構成の１例を示すブロック図である。
計数装置７は、判定部７０と、論理積演算部（ＡＮＤ）７１と、カウンタ７２とから構成される。
物体検知装置１１は、周期測定部１１０と、記憶部１１１と、度数分布作成部１１２と、代表値算出部１１３と、個数導出部１１４と、物体判定部１１５とから構成される。
【００２９】
図４（Ａ）〜図４（Ｆ）は計数装置７と物体検知装置１１の動作を説明するための図であり、図４（Ａ）はフィルタ回路６の出力電圧の波形、すなわちＭＨＰの波形を模式的に示す図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）に対応する判定部７０の出力を示す図、図４（Ｃ）は計数装置７と物体検知装置１１に入力されるゲート信号ＧＳを示す図、図４（Ｄ）は図４（Ｂ）に対応するカウンタ７２の計数結果を示す図、図４（Ｅ）は物体検知装置１１に入力されるクロック信号ＣＬＫを示す図、図４（Ｆ）は図４（Ｂ）に対応する周期測定部１１０の測定結果を示す図である。
【００３０】
まず、計数装置７の判定部７０は、図４（Ａ）に示すフィルタ回路６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４（Ｂ）のような判定結果を出力する。このとき、判定部７０は、フィルタ回路６の出力電圧が上昇してしきい値ＴＨ１以上になったときにハイレベルと判定し、フィルタ回路６の出力電圧が下降してしきい値ＴＨ２（ＴＨ２＜ＴＨ１）以下になったときにローレベルと判定することにより、フィルタ回路６の出力を２値化する。
【００３１】
ＡＮＤ７１は、判定部７０の出力と図４（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７２は、ＡＮＤ７１の出力の立ち上がりをカウントする（図４（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Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々）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７２は、計数期間中のＡＮＤ７１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。なお、計数期間は、それぞれ発振期間Ｐ１，Ｐ２中に存在し、発振期間Ｐ１，Ｐ２以下の時間幅を有するものであればよい。
【００３２】
一方、物体検知装置１１の周期測定部１１０は、計数期間中のＡＮＤ７１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１１０は、図４（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４（Ｆ）の例では、周期測定部１１０は、ＭＨＰの周期としてＴα，Ｔβ，Ｔγを順次測定している。図４（Ｅ）、図４（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１１１は、周期測定部１１０の測定結果を記憶する。
【００３３】
ゲート信号ＧＳが立ち下がり、計数期間が終了した後に、物体検知装置１１の度数分布作成部１１２は、記憶部１１１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。記憶部１１１は、度数分布作成部１１２が作成した度数分布を記憶する。
【００３４】
続いて、物体検知装置１１の代表値算出部１１３は、度数分布作成部１１２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。記憶部１１１は、ＭＨＰの周期の中央値Ｔ０を記憶する。
【００３５】
物体検知装置１１の個数導出部１１４は、記憶部１１１を参照し、現在より１三角波周期ＷＴ前の計数期間において算出されたＭＨＰの周期の中央値Ｔ０に対して、現在の計数期間中の任意の検知期間ｄにおいて周期Ｔが次式を満たすＭＨＰの個数Ｎを求める。
２Ｔ０＜Ｔ                                                      ・・・（２）
また、個数導出部１１４は、周期測定部１１０によって上記検知期間ｄ中に周期が測定されたＭＨＰの全個数Ｎａｌｌを求める。
【００３６】
図５はフィルタ回路６の出力電圧波形を模式的に示す図であり、計数期間（第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々）と検知期間ｄとの関係を説明するための図である。検知期間ｄは、一定時間ｔｄ（ｔｄ＜ＷＴ／２）の時間幅を有する。図５に示すように、検知期間ｄは、計数期間中に複数個設定することができる。
【００３７】
物体検知装置１１の物体判定部１１５は、検知期間ｄ中に周期が測定されたＭＨＰの全個数Ｎａｌｌに対する個数Ｎの割合Ｎ／Ｎａｌｌが所定の閾値（例えば６０％）以上の場合、半導体レーザ１の放射方向に物体１２が存在すると判定し、物体１２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１２を検知したことを表示し、演算装置８は距離および速度の算出を開始する。物体検知装置１１は、以上のような物体検知処理を計数期間毎および検知期間毎に行う。
【００３８】
図６はＭＨＰの周期の度数分布を示す図であり、物体検知装置１１による物体検知の原理を説明するための図である。半導体レーザ１の放射方向に物体１２が存在しない場合、反射壁面１０からの光が半導体レーザ１に戻ることになる。この場合、ＭＨＰは同じ周期で出現し、ＭＨＰの周期は中央値Ｔ０を中心にして正規分布する。
【００３９】
一方、半導体レーザ１の放射方向に物体１２が存在する場合、この物体１２は半導体レーザ１と反射壁面１０との間に存在するのであるから、物体１２が存在しない場合よりも低い周波数のＭＨＰが出現する。つまり、ＭＨＰの周期の度数分布で考えると、物体１２が存在しない場合のＭＨＰの周期の中央値Ｔ０よりも長い周期の分布が出現する。
【００４０】
ここで、ＭＨＰの波形には、ノイズのために、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することがある。特に、本実施の形態の場合、物体１２が存在しない場合の戻り光は反射壁面１０からの光なので、ＭＨＰの強度が小さく、信号の欠落が生じる可能性がある。信号の欠落が生じると、欠落が生じた箇所でのＭＨＰの周期は、本来の周期のおよそ２倍になる。つまり、ＭＨＰの強度が小さいために計数時に欠落が生じたＭＨＰの周期は、本来のＭＨＰの周期がＴ０を中心とした正規分布であるために、平均値が２Ｔ０、標準偏差２σの正規分布になる。
【００４１】
したがって、このような信号の欠落の影響を除くために式（２）に基づく判定を行い、２Ｔ０よりも長い周期のＭＨＰが出現したときに、半導体レーザ１の放射方向に物体１２が存在すると判定する。
なお、物体判定部１１５が判定に用いる閾値は、半導体レーザ１の放射方向に物体１２が存在しない初期状態において求めた割合Ｎ／Ｎａｌｌから予め定められた値である。例えば、初期状態の検知期間ｄにおいて、Ｎａｌｌが１００、Ｎが５とすると、Ｎ／Ｎａｌｌ＝５％となる。例えばその２倍の値１０％を閾値とすると、Ｎ／Ｎａｌｌが１０％以上の場合、半導体レーザ１の放射方向に物体１２が存在すると判定する。
【００４２】
次に、物体検知装置１１から物体検知信号が出力されたときの演算装置８の動作について説明する。演算装置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と計数装置７が数えたＭＨＰの数に基づいて、物体１２との距離および物体１２の速度を算出する。図７は演算装置８の構成の１例を示すブロック図、図８は演算装置８の動作を示すフローチャートである。
【００４３】
演算装置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１２との距離の候補値と物体１２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１２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１２との距離及び物体１２の速度を確定する距離・速度確定部８４とから構成される。
【００４４】
本実施の形態では、物体１２の状態を所定の条件を満たす微小変位状態、あるいは微小変位状態よりも動きが大きい変位状態のいずれかであるとする。発振期間Ｐ１と発振期間Ｐ２の１期間あたりの物体１２の平均変位をＶとしたとき、微小変位状態とは（λｂ−λａ）／λｂ＞Ｖ／Ｌｂを満たす状態であり（ただし、Ｌｂは時刻ｔのときの距離）、変位状態とは（λｂ−λａ）／λｂ≦Ｖ／Ｌｂを満たす状態である。
【００４５】
まず、演算装置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８ステップＳ１０）。
Ｌα（ｔ）＝λａ×λｂ×（ＭＨＰ（ｔ−１）＋ＭＨＰ（ｔ））
／｛４×（λｂ−λａ）｝                            ・・・（３）
Ｌβ（ｔ）＝λａ×λｂ×（｜ＭＨＰ（ｔ−１）−ＭＨＰ（ｔ）｜）
／｛４×（λｂ−λａ）｝                            ・・・（４）
Ｖα（ｔ）＝（ＭＨＰ（ｔ−１）−ＭＨＰ（ｔ））×λｂ／４        ・・・（５）
Ｖβ（ｔ）＝（ＭＨＰ（ｔ−１）＋ＭＨＰ（ｔ））×λｂ／４        ・・・（６）
【００４６】
式（３）〜式（６）において、ＭＨＰ（ｔ）は現時刻ｔにおいて算出されたＭＨＰの数、ＭＨＰ（ｔ−１）はＭＨＰ（ｔ）の１回前に算出されたＭＨＰの数である。例えば、ＭＨＰ（ｔ）が第１の発振期間Ｐ１の計数結果であるとすれば、ＭＨＰ（ｔ−１）は第２の発振期間Ｐ２の計数結果であり、逆にＭＨＰ（ｔ）が第２の発振期間Ｐ２の計数結果であるとすれば、ＭＨＰ（ｔ−１）は第１の発振期間Ｐ１の計数結果である。
【００４７】
候補値Ｌα（ｔ），Ｖα（ｔ）は物体１２が微小変位状態にあると仮定して計算した値であり、候補値Ｌβ（ｔ），Ｖβ（ｔ）は物体１２が変位状態にあると仮定して計算した値である。演算装置８は、式（３）〜式（６）の計算を計数装置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。
【００４８】
続いて、演算装置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８ステップＳ１１）。なお、式（７）、式（８）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）                    ・・・（７）
Ｖｃａｌβ（ｔ）＝Ｌβ（ｔ）−Ｌβ（ｔ−１）                    ・・・（８）
【００４９】
履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）は物体１２が微小変位状態にあると仮定して計算した値であり、履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）は物体１２が変位状態にあると仮定して計算した値である。演算装置８は、式（７）〜式（８）の計算を計数装置７によってＭＨＰの数が測定される時刻毎に行う。なお、式（５）〜式（８）においては、物体１２が本実施の形態の距離・速度計に近づく方向を正の速度、遠ざかる方向を負の速度と定めている。
次に、演算装置８の状態判定部８３は、記憶部８２に格納された式（３）〜式（８）の算出結果を用いて、物体１２の状態を判定する（図８ステップＳ１２）。
【００５０】
特許文献１に記載されているように、物体１２が微小変位状態で移動（等速度運動）している場合、物体１２を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の符号は一定で、かつ物体１２を微小変位状態と仮定して計算した速度の候補値Ｖα（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の絶対値の平均値とが等しくなる。また、物体１２が微小変位状態で等速度運動している場合、物体１２を変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の符号は、ＭＨＰの数が測定される時刻毎に反転する。
【００５１】
したがって、状態判定部８３は、物体１２が微小変位状態にあると仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の符号が一定で、かつ物体１２が微小変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖα（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の絶対値の平均値とが等しい場合、物体１２が微小変位状態で等速度運動していると判定する。
【００５２】
特許文献１に記載されているように、物体１２が変位状態で移動（等速度運動）している場合、物体１２を変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の符号は一定で、かつ物体１２を変位状態と仮定して計算した速度の候補値Ｖβ（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の絶対値の平均値とが等しくなる。また、物体１２が変位状態で等速度運動している場合、物体１２を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の符号はＭＨＰの数が測定される時刻毎に反転する。
【００５３】
したがって、状態判定部８３は、物体１２が変位状態にあると仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の符号が一定で、かつ物体１２が変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖβ（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の絶対値の平均値とが等しい場合、物体１２が変位状態で等速度運動していると判定する。
【００５４】
特許文献１に記載されているように、物体１２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１２を微小変位状態と仮定して計算した速度の候補値Ｖα（ｔ）と物体１２を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の絶対値の平均値とは一致しない。同様に、物体１２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１２を変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の絶対値の平均値も一致しない。
【００５５】
また、物体１２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１２を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の符号はＭＨＰの数が測定される時刻毎に反転し、物体１２を変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）では符号の変動はあっても、この変動はＭＨＰの数が測定される時刻毎ではない。
【００５６】
したがって、状態判定部８３は、物体１２が微小変位状態にあると仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の符号がＭＨＰの数が測定される時刻毎に反転し、かつ物体１２が微小変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖα（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の絶対値の平均値とが一致しない場合、物体１２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。
【００５７】
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１２が変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖβ（ｔ）の絶対値が波長変化率と等しく、かつ物体１２が微小変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖα（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の絶対値の平均値とが一致しない場合、物体１２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。
【００５８】
特許文献１に記載されているように、物体１２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１２を微小変位状態と仮定して計算した速度の候補値Ｖα（ｔ）と物体１２を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の絶対値の平均値とは一致せず、物体１２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１２を変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の絶対値の平均値も一致しない。
【００５９】
また、物体１２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１２を変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の符号はＭＨＰの数が測定される時刻毎に反転し、物体１２を微小変位状態と仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）では符号の変動はあっても、この変動はＭＨＰの数が測定される時刻毎ではない。
【００６０】
したがって、状態判定部８３は、物体１２が変位状態にあると仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の符号がＭＨＰの数が測定される時刻毎に反転し、かつ物体１２が変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖβ（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の絶対値の平均値とが一致しない場合、物体１２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。
【００６１】
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１２が微小変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖα（ｔ）の絶対値が波長変化率と等しく、かつ物体１２が変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖβ（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の絶対値の平均値とが一致しない場合、物体１２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。
【００６２】
演算装置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１２の速度及び物体１２との距離を確定する（図８ステップＳ１３）。
すなわち、距離・速度確定部８４は、物体１２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１２の速度とし、距離の候補値Ｌα（ｔ）を物体１２との距離とし、物体１２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１２の速度とし、距離の候補値Ｌβ（ｔ）を物体１２との距離とする。
【００６３】
また、距離・速度確定部８４は、物体１２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１２の速度とし、距離の候補値Ｌα（ｔ）を物体１２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１２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１２の速度とし、距離の候補値Ｌβ（ｔ）を物体１２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。
【００６４】
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１２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１２の速度は正方向（レーザに接近する方向）となる。
【００６５】
演算装置８は、ステップＳ１０〜Ｓ１３の処理を、計数装置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。
表示装置９は、演算装置８によって算出された物体１２との距離及び物体１２の速度をリアルタイムで表示する。
【００６６】
以上のように、本実施の形態では、三角波の周期ＷＴより短い時間幅の各検知期間ｄにおいて物体検知装置１１が物体検知処理を繰り返し行うので、自己結合型のレーザ計測器よりも高速に物体１２を検知することができる。一方、計数装置７や演算装置８等は、自己結合型のレーザ計測器として動作するので、物体１２との距離及び物体１２の速度を高い分解能で計測することができる。その結果、本実施の形態では、（ａ）装置を小型化することができ、（ｂ）高速の回路が不要で、（ｃ）外乱光に強く、（ｄ）測定対象を選ばないといった従来の自己結合型のレーザ計測器の利点を活かしつつ、物体の高速検知と物体の物理量の高分解能計測を実現することができる。
【００６７】
［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、反射壁面１０を物体検知の基準面として用いたが、半導体レーザ１からのレーザ光の入出射部を形成する透明体の片面にだけ無反射防止処理を施し、透明体の無反射防止処理を施していない面を物体検知の基準面としてもよい。
【００６８】
図９は本発明の第２の実施の形態に係る距離・速度計の構成を示すブロック図、図１０は本発明の第２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り、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態と第１の実施の形態との大きな違いは、反射壁面がないことと、物体検知装置１１ａの物体検知処理が違うことである。
【００６９】
図１０において、１３０は半導体レーザ１を収納する密閉ケース、１３１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）、１３２は透明カバー１３１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１３１は、密閉ケース１３０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１３１に対峙させて密閉ケース１３０内に組み込まれる。
【００７０】
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１３１での不要な反射を抑えるべく、透明カバー１３１の表面に反射防止膜１３２を設けるが、この際、透明カバー１３１の内面にだけ反射防止膜１３２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１３１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１３１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。
【００７１】
なお、透明カバー１３１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１３１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。
【００７２】
図１０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１２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１３１の外面によって反射されて半導体レーザ１に戻ることになる。この結果、半導体レーザ１においては、出力光と透明カバー１３１からの反射光との自己結合効果による干渉が生じる。
【００７３】
本実施の形態においても、フォトダイオード２、レーザドライバ４、電流−電圧変換増幅器５、フィルタ回路６、計数装置７、演算装置８および表示装置９の動作は第１の実施の形態と同じなので、説明は省略する。
図１１は本実施の形態の物体検知装置１１ａの構成の１例を示すブロック図である。物体検知装置１１ａは、周期測定部１１０と、記憶部１１１と、度数分布作成部１１２と、代表値算出部１１３と、個数導出部１１４ａと、物体判定部１１５とから構成される。
【００７４】
周期測定部１１０、記憶部１１１、度数分布作成部１１２および代表値算出部１１３の動作は第１の実施の形態と同じである。
物体検知装置１１ａの個数導出部１１４ａは、記憶部１１１を参照し、現在より１三角波周期ＷＴ前の計数期間において算出されたＭＨＰの周期の中央値Ｔ０に対して、現在の計数期間中の任意の検知期間ｄにおいて周期Ｔが次式を満たすＭＨＰの個数Ｎを求める。
０．５Ｔ０＞Ｔ                                                  ・・・（９）
検知期間ｄについては第１の実施の形態で説明したとおりである。また、個数導出部１１４ａは、周期測定部１１０によって上記検知期間ｄ中に周期が測定されたＭＨＰの全個数Ｎａｌｌを求める。
【００７５】
物体判定部１１５は、検知期間ｄ中に周期が測定されたＭＨＰの全個数Ｎａｌｌに対する個数Ｎの割合Ｎ／Ｎａｌｌが所定の閾値（例えば６０％）以上の場合、半導体レーザ１の放射方向に物体１２が存在すると判定し、物体１２を検知したことを示す物体検知信号を出力する。
物体検知装置１１ａは、以上のような物体検知処理を計数期間毎および検知期間毎に行う。
【００７６】
図１２はＭＨＰの周期の度数分布を示す図であり、物体検知装置１１ａによる物体検知の原理を説明するための図である。半導体レーザ１の放射方向に物体１２が存在しない場合、無反射防止処理が施されていない透明カバー１３１の外面からの光が半導体レーザ１に戻ることになる。この場合、ＭＨＰは同じ周期で出現し、ＭＨＰの周期は中央値Ｔ０を中心にして正規分布する。
第１の実施の形態と異なるのは、半導体レーザ１から透明カバー１３１の外面までの距離が半導体レーザ１から反射壁面１０までの距離よりも短いために、ＭＨＰの周波数が低く、周期の中央値Ｔ０が大きくなることである。
【００７７】
一方、半導体レーザ１の放射方向に物体１２が存在する場合、この物体１２は透明カバー１３１よりも遠くに存在するのであるから、物体１２が存在しない場合よりも高い周波数のＭＨＰが出現する。つまり、ＭＨＰの周期の度数分布で考えると、物体１２が存在しない場合のＭＨＰの周期の中央値Ｔ０よりも短い周期の分布が出現する。
【００７８】
ここで、ＭＨＰの波形には、ノイズのために信号として数えるべきでない波形が生じたりすることがある。ノイズを過剰に数えた結果として２分割されたＭＨＰの周期は、分割される前の周期がＴ０を中心とした正規分布であるために、０．５Ｔ０に対して対称な度数分布になる。
【００７９】
したがって、このようなノイズのカウントの影響を除くために式（９）に基づく判定を行い、０．５Ｔ０よりも短い周期のＭＨＰが出現したときに、半導体レーザ１の放射方向に物体１２が存在すると判定する。
その他の動作は、第１の実施の形態で説明したとおりである。以上のように、本実施の形態によれば、透明カバー１３１の一方の面を物体検知の基準面とする場合でも本発明を適用することができ、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
なお、物体１２が基準面（第１の実施の形態の場合は反射壁面、第２の実施の形態の場合は透明体の無反射防止処理を施していない面）付近に出現した場合、閾値を用いて検出できない場合があるが、その場合は、記述した距離算出方法で基準面との距離と異なる距離が算出されたときに物体検知とすることができる。
【００８０】
［第３の実施の形態］
第１、第２の実施の形態では、検知期間ｄを一定時間ｔｄの時間幅を有する固定長のものとして説明したが、検知期間ｄは可変長であってもよい。検知期間ｄを可変長とする場合は、一定個数Ｎａｌｌ個のＭＨＰが出現した期間を検知期間ｄとし、この検知期間ｄにおいて周期Ｔが式（２）又は式（９）を満たすＭＨＰの個数Ｎを求め、物体１２が存在するかどうかを判定すればよい。
【００８１】
［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。本実施の形態においても距離・速度計の構成は第１の実施の形態と同様なので、図１の符号を用いて説明する。
フォトダイオード２、レーザドライバ４、電流−電圧変換増幅器５、フィルタ回路６、計数装置７、演算装置８および表示装置９の動作は、第１の実施の形態と同じである。
【００８２】
図１３は本実施の形態の物体検知装置１１の構成の１例を示すブロック図である。物体検知装置１１は、周期測定部１１０と、記憶部１１１と、度数分布作成部１１２と、代表値算出部１１３と、個数導出部１１４ｂと、物体判定部１１５ｂとから構成される。
周期測定部１１０、記憶部１１１、度数分布作成部１１２および代表値算出部１１３の動作は、第１の実施の形態と同じである。
【００８３】
物体検知装置１１の個数導出部１１４ｂは、記憶部１１１を参照し、度数分布作成部１１２が作成した度数分布から、計数期間中において周期Ｔが次式を満たすＭＨＰの度数の総和Ｎｗを求める。記憶部１１１は、度数Ｎｗを記憶する。
１．５Ｔ０＜Ｔ                                                ・・・（１０）
また、個数導出部１１４ｂは、計数期間中の任意の検知期間ｄにおいて周期Ｔが式（１０）を満たすＭＨＰの個数Ｎを求める。
【００８４】
図１４にＭＨＰの周期の度数分布の１例を示す。図１４において、Ｔｗは中央値Ｔ０の１．５倍の階級値である。なお、図１４では記載を簡略化するため、中央値Ｔ０とＴｗとの間の度数分布を省略している。
【００８５】
物体判定部１１５ｂは、現在より１三角波周期ＷＴ前の計数期間における度数Ｎｗに対する現在の計数期間中の検知期間ｄにおける個数Ｎの割合Ｎ／Ｎｗが所定の閾値以上の場合、半導体レーザ１の放射方向に物体１２が存在すると判定し、物体１２を検知したことを示す物体検知信号を出力する。物体検知装置１１は、以上のような物体検知処理を計数期間毎および検知期間毎に行う。
本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００８６】
なお、第１の実施の形態と同様に、物体判定部１１５ｂが判定に用いる閾値は、半導体レーザ１の放射方向に物体１２が存在しない初期状態において求めた割合Ｎ／Ｎｗから予め定められた値である。
【００８７】
［第５の実施の形態］
第１〜第４の実施の形態では、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。具体的には、物体検知装置１１，１１ａの代表値算出部１１３が、度数分布作成部１１２が作成した度数分布から、ＭＨＰの周期の最頻値を算出すればよい。個数導出部１１４，１１４ａ，１１４ｂは、中央値Ｔ０の代わりに最頻値を用いて第１〜第４の実施の形態と同じ処理を行えばよい。
また、ＭＨＰの周期の代表値として平均値を用いてもよい。この場合は、代表値算出部１１３がＭＨＰの周期の平均値を算出すればよい。
【００８８】
なお、第１〜第５の実施の形態における計数装置７と演算装置８と物体検知装置１１，１１ａ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第１〜第５の実施の形態で説明した処理を実行する。
【００８９】
また、第１〜第５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】
【００９０】
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】
【００９１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る距離・速度計の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る電流−電圧変換増幅器の出力電圧波形及びフィルタ回路の出力電圧波形を模式的に示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る計数装置と物体検知装置の構成の１例を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る計数装置と物体検知装置の動作を説明するための図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態における計数期間と検知期間との関係を説明するための図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る物体検知装置による物体検知の原理を説明するための図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る演算装置の構成の１例を示すブロック図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る演算装置の動作を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る距離・速度計の構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第２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１１】本発明の第２の実施の形態に係る物体検知装置の構成の１例を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係る物体検知装置による物体検知の原理を説明するための図である。
【図１３】本発明の第４の実施の形態に係る物体検知装置の構成の１例を示すブロック図である。
【図１４】本発明の第４の実施の形態におけるモードホップパルスの周期の度数分布の１例を示す図である。
【図１５】従来のレーザ計測器における半導体レーザの複合共振器モデルを示す図である。
【図１６】半導体レーザの発振波長と内蔵フォトダイオードの出力波形との関係を示す図である。
【図１７】従来の距離・速度計の構成を示すブロック図である。
【図１８】図１７の距離・速度計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】
【００９２】
１…半導体レーザ、２…フォトダイオード、３…レンズ、４…レーザドライバ、５…電流−電圧変換増幅器、６…フィルタ回路、７…計数装置、８…演算装置、９…表示装置、１０…反射壁面、１１，１１ａ…物体検知装置、１２…物体、７０…判定部、７１…論理積演算部、７２…カウンタ、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、１１０…周期測定部、１１１…記憶部、１１２…度数分布作成部、１１３…代表値算出部、１１４，１１４ａ，１１４ｂ…個数導出部、１１５，１１５ｂ…物体判定部、１３０…密閉ケース、１３１…透明カバー、１３２…反射防止膜。
【図１】
0005545914.tif 000002
【図２】
0005545914.tif 000003
【図３】
0005545914.tif 000004
【図４】
0005545914.tif 000005
【図５】
0005545914.tif 000006
【図６】
0005545914.tif 000007
【図７】
0005545914.tif 000008
【図８】
0005545914.tif 000009
【図９】
0005545914.tif 000010
【図１０】
0005545914.tif 000011
【図１１】
0005545914.tif 000012
【図１２】
0005545914.tif 000013
【図１３】
0005545914.tif 000014
【図１４】
0005545914.tif 000015
【図１５】
0005545914.tif 000016
【図１６】
0005545914.tif 000017
【図１７】
0005545914.tif 000018
【図１８】
0005545914.tif 000019