(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定の物理量と信号の数とが線形の関係を有し、前記物理量が一定の場合は略単一周波数となる前記信号を数える計数装置において、
一定の計数期間における入力信号の数を数える計数手段と、
前記計数期間中の前記入力信号の周期を信号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信号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入力信号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する補正値算出手段とを有することを特徴とする計数装置。
【請求項２】
請求項１記載の計数装置において、
前記代表値は、中央値、最頻値、平均値のうちのいずれか１つであることを特徴とする計数装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の計数装置において、
前記補正値算出手段は、前記計数手段の計数結果をＮとしたとき、補正後の計数結果Ｎ’を、Ｎ’＝Ｎ＋Ｎｗ−Ｎｓにより求めることを特徴とする計数装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の計数装置において、
前記第１の所定数は０．５であり、前記第２の所定数は１．５であることを特徴とする計数装置。
【請求項５】
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レーザドライバと、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との干渉光を電気信号に変換する受光器と、
この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を数える計数手段と、
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する補正値算出手段と、
この補正値算出手段で補正された計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手段とを有することを特徴とする距離計。
【請求項６】
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レーザドライバと、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光と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数える計数手段と、
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する補正値算出手段と、
この補正値算出手段で補正された計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手段とを有することを特徴とする距離計。
【請求項７】
請求項６記載の距離計において、
前記検出手段は、前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器であることを特徴とする距離計。
【請求項８】
請求項６記載の距離計において、
前記検出手段は、前記半導体レーザの端子間電圧を検出する電圧検出手段であることを特徴とする距離計。
【請求項９】
請求項５又は６記載の距離計において、
前記代表値は、中央値、最頻値、平均値のうちのいずれか１つであることを特徴とする距離計。
【請求項１０】
請求項５乃至９のいずれか１項に記載の距離計において、
前記補正値算出手段は、前記計数手段の計数結果をＮとしたとき、補正後の計数結果Ｎ’を、Ｎ’＝Ｎ＋Ｎｗ−Ｎｓにより求めることを特徴とする距離計。
【請求項１１】
請求項５乃至１０のいずれか１項に記載の距離計において、
前記第１の所定数は０．５であり、前記第２の所定数は１．５であることを特徴とする距離計。
【請求項１２】
特定の物理量と信号の数とが線形の関係を有し、前記物理量が一定の場合は略単一周波数となる前記信号を数える計数方法において、
一定の計数期間における入力信号の数を数える計数手順と、
前記計数期間中の前記入力信号の周期を信号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信号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入力信号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する補正値算出手順とを備えることを特徴とする計数方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の計数方法において、
前記代表値は、中央値、最頻値、平均値のうちのいずれか１つであることを特徴とする計数方法。
【請求項１４】
請求項１２又は１３記載の計数方法において、
前記補正値算出手順は、前記計数手順の計数結果をＮとしたとき、補正後の計数結果Ｎ’を、Ｎ’＝Ｎ＋Ｎｗ−Ｎｓにより求めることを特徴とする計数方法。
【請求項１５】
請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の計数方法において、
前記第１の所定数は０．５であり、前記第２の所定数は１．５であることを特徴とする計数方法。
【請求項１６】
半導体レーザを用いて測定対象にレーザ光を放射する距離計測方法において、
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干渉光を受光器によって電気信号に変換する検出手順と、
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前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を数える計数手順と、
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する補正値算出手順と、
この補正値算出手順で補正された計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手順とを備えることを特徴とする距離計測方法。
【請求項１７】
半導体レーザを用いて測定対象にレーザ光を放射する距離計測方法において、
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数える計数手順と、
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する補正値算出手順と、
この補正値算出手順で補正された計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手順とを備えることを特徴とする距離計測方法。
【請求項１８】
請求項１７記載の距離計測方法において、
前記検出手順は、受光器によって前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する手順であることを特徴とする距離計測方法。
【請求項１９】
請求項１７記載の距離計測方法において、
前記検出手順は、電圧検出手段によって前記半導体レーザの端子間電圧を検出する手順であることを特徴とする距離計測方法。
【請求項２０】
請求項１６又は１７記載の距離計測方法において、
前記代表値は、中央値、最頻値、平均値のうちのいずれか１つであることを特徴とする距離計測方法。
【請求項２１】
請求項１６乃至２０のいずれか１項に記載の距離計測方法において、
前記補正値算出手順は、前記計数手順の計数結果をＮとしたとき、補正後の計数結果Ｎ’を、Ｎ’＝Ｎ＋Ｎｗ−Ｎｓにより求めることを特徴とする距離計測方法。
【請求項２２】
請求項１６乃至２１のいずれか１項に記載の距離計測方法において、
前記第１の所定数は０．５であり、前記第２の所定数は１．５であることを特徴とする距離計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号の数を数える計数装置、および計数装置を用いて干渉波形の数を測定し測定対象との距離を求める干渉型の距離計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザによる光の干渉を利用した距離計測は、非接触測定のため測定対象を乱すことなく、高精度の測定方法として古くから用いられている。最近では、半導体レーザは装置の小型化のため、光計測用光源として利用されようとしている。その代表的な例として、ＦＭヘテロダイン干渉計を利用したものがある。これは、比較的長距離測定が可能で精度もよいが、半導体レーザの外部に干渉計を用いているため、光学系が複雑になるという欠点を有する。
【０００３】
これに対して、レーザの出力光と測定対象からの戻り光との半導体レーザ内部での干渉（自己結合効果）を利用した計測器が提案されている（例えば、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３参照）。このような自己結合型のレーザ計測器によれば、フォトダイオード内蔵の半導体レーザが発光、干渉、受光の各機能を兼ねているため、外部干渉光学系を大幅に簡略化することができる。したがって、センサ部が半導体レーザとレンズのみとなり、従来のものに比べて小型となる。また、三角測量法より距離測定範囲が広いという特徴を有する。
【０００４】
ＦＰ型（ファブリペロー型）半導体レーザの複合共振器モデルを図２３に示す。図２３において、１０１は半導体レーザ、１０２は半導体結晶の壁開面、１０３はフォトダイオード、１０４は測定対象である。測定対象１０４からの反射光の一部が発振領域内に戻り易い。戻って来たわずかな光は、共振器１０１内のレーザ光と結合し、動作が不安定となり雑音（複合共振器ノイズまたは戻り光ノイズ）を生じる。戻り光による半導体レーザの特性の変化は、出力光に対する相対的な戻り光量が、極めてわずかであっても顕著に現れる。このような現象は、ファブリペロー型（以下、ＦＰ型）半導体レーザに限らず、Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ型（以下、ＶＣＳＥＬ型）、Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ＦｅｅｄＢａｃｋ  ｌａｓｅｒ型（以下、ＤＦＢレーザ型）など、他の種類の半導体レーザにおいても同様に現れる。
【０００５】
レーザの発振波長をλ、測定対象１０４に近い方の壁開面１０２から測定対象１０４までの距離をＬとすると、以下の共振条件を満足するとき、戻り光と共振器１０１内のレーザ光は強め合い、レーザ出力がわずかに増加する。
Ｌ＝ｎλ／２                                                    ・・・（１）
式（１）において、ｎは整数である。この現象は、測定対象１０４からの散乱光が極めて微弱であっても、半導体レーザの共振器１０１内の見かけの反射率が増加することにより、増幅作用が生じ、十分観測できる。
【０００６】
半導体レーザは、注入電流の大きさに応じて周波数の異なるレーザ光を放射するので、発振周波数を変調する際に、外部変調器を必要とせず、注入電流によって直接変調が可能である。図２４は、半導体レーザの発振波長をある一定の割合で変化させたときの発振波長とフォトダイオード１０３の出力波形との関係を示す図である。式（１）に示したＬ＝ｎλ／２を満足したときに、戻り光と共振器１０１内のレーザ光の位相差が０°（同位相）になって、戻り光と共振器１０１内のレーザ光とが最も強め合い、Ｌ＝ｎλ／２＋λ／４のときに、位相差が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２４に示すように一定周期の階段状の波形が得られる。このような波形は一般的には干渉縞と呼ばれる。
【０００７】
この階段状の波形、すなわち干渉縞の１つ１つをモードポップパルス（以下、ＭＨＰ）と呼ぶ。ＭＨＰは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。
【０００８】
【非特許文献１】上田正，山田諄，紫藤進，「半導体レーザの自己結合効果を利用した距離計」，１９９４年度電気関係学会東海支部連合大会講演論文集，１９９４年
【非特許文献２】山田諄，紫藤進，津田紀生，上田正，「半導体レーザの自己結合効果を利用した小型距離計に関する研究」，愛知工業大学研究報告，第３１号Ｂ，ｐ．３５−４２，１９９６年
【非特許文献３】Guido Giuliani，Michele Norgia，Silvano Donati and Thierry Bosch，「Laser diode self-mixing technique for sensing applications」，JOURNAL OF OPTICS A:PURE AND APPLIED OPTICS，ｐ．２８３−２９４，２００２年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
自己結合型を含む従来の干渉型の距離計では、計数装置を用いてＭＨＰの数を測定するか、あるいはＦＦＴ（Fast Fourier Transform）を用いてＭＨＰの周波数を測定することにより、測定対象との距離を求めるようにしている。
しかし、ＦＦＴを用いる距離計では、レーザの発振波長の変化が時間に対して線形でない場合、ＦＦＴで算出されるピーク周波数と本来求められるべきＭＨＰの平均周波数とに差が生じ、測定した距離に誤差が生じるという問題点があった。
【００１０】
また、計数装置を用いる距離計では、例えば外乱光などのノイズをＭＨＰとして数えたり、信号の歯抜けのために数えられないＭＨＰがあったりして、計数装置で数えるＭＨＰの数に誤差が生じ、測定した距離に誤差が生じるという問題点があった。
なお、このような計数誤差は距離計に限らず、他の計数装置でも同様に発生することがある。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、計数誤差を補正することができる計数装置および計数方法、ＭＨＰの計数誤差を補正して距離の測定精度を向上させることができる距離計および距離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】
本発明は、特定の物理量と信号の数とが線形の関係を有し、前記物理量が一定の場合は略単一周波数となる前記信号を数える計数装置において、一定の計数期間における入力信号の数を数える計数手段と、前記計数期間中の前記入力信号の周期を信号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信号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入力信号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する補正値算出手段とを有するものである。
また、本発明の計数装置の１構成例において、前記代表値は、中央値、最頻値、平均値のうちのいずれか１つである。
また、本発明の計数装置の１構成例において、前記補正値算出手段は、前記計数手段の計数結果をＮとしたとき、補正後の計数結果Ｎ’を、Ｎ’＝Ｎ＋Ｎｗ−Ｎｓにより求めるものである。
また、本発明の計数装置の１構成例において、前記第１の所定数は０．５であり、前記第２の所定数は１．５である。
【００１３】
また、本発明の距離計は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させるレーザドライバと、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との干渉光を電気信号に変換する受光器と、この受光器の出力信号に含まれる、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を数える計数手段と、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する補正値算出手段と、この補正値算出手段で補正された計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手段とを有するものである。
【００１４】
また、本発明の距離計は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させるレーザドライバと、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光と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数える計数手段と、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する補正値算出手段と、この補正値算出手段で補正された計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手段とを有するものである。
また、本発明の距離計の１構成例において、前記検出手段は、前記半導体レーザの光出力を電気信号に変換する受光器である。
また、本発明の距離計の１構成例において、前記検出手段は、前記半導体レーザの端子間電圧を検出する電圧検出手段である。
また、本発明の距離計の１構成例において、前記代表値は、中央値、最頻値、平均値のうちのいずれか１つである。
また、本発明の距離計の１構成例において、前記補正値算出手段は、前記計数手段の計数結果をＮとしたとき、補正後の計数結果Ｎ’を、Ｎ’＝Ｎ＋Ｎｗ−Ｎｓにより求めるものである。
また、本発明の距離計の１構成例において、前記第１の所定数は０．５であり、前記第２の所定数は１．５である。
【００１５】
また、本発明の計数方法は、一定の計数期間における入力信号の数を数える計数手順と、前記計数期間中の前記入力信号の周期を信号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信号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入力信号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する補正値算出手順とを備えるものである。
【００１６】
また、本発明の距離計測方法は、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干渉光を受光器によって電気信号に変換する検出手順と、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前記測定対象からの戻り光とによって生じる干渉波形の数を数える計数手順と、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する補正値算出手順と、この補正値算出手順で補正された計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手順とを備えるものである。
【００１７】
また、本発明の距離計測方法は、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数える計数手順と、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する補正値算出手順と、この補正値算出手順で補正された計数結果から前記測定対象との距離を求める演算手順とを備えるものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、計数期間中の入力信号の周期を測定し、この測定結果から計数期間中の信号周期の度数分布を作成し、度数分布から入力信号の周期の代表値を算出し、度数分布から、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、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に基づいて計数手段の計数結果を補正することにより、計数時の欠落や過剰な計数の影響を除去して、計数装置の計数誤差を補正することができる。
【００１９】
また、本発明では、計数期間中の干渉波形の周期を測定し、この測定結果から計数期間中の干渉波形の周期の度数分布を作成し、度数分布から干渉波形の周期の代表値を算出し、度数分布から、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、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に基づいて計数手段の計数結果を補正することにより、計数時の欠落や過剰な計数の影響を除去して、干渉波形の計数誤差を補正することができるので、計数手段を用いて干渉波形の数を測定し測定対象との距離を求める距離計において、距離の測定精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
［第１の実施の形態］
本発明は、波長変調を用いたセンシングにおいて出射した波と対象物で反射した波の干渉信号をもとに距離を計測する手法である。したがって、自己結合型以外の光学式の干渉計、光以外の干渉計にも適用できる。半導体レーザの自己結合を用いる場合について、より具体的に説明すると、半導体レーザから測定対象にレーザ光を照射しつつ、レーザの発振波長を変化させると、発振波長が最小発振波長から最大発振波長まで変化する間（あるいは最大発振波長から最小発振波長まで変化する間）における測定対象の変位は、ＭＨＰの数に反映される。したがって、発振波長を変化させたときのＭＨＰの数を調べることで測定対象の状態を検出することができる。以上が、干渉計の基本的な原理である。
【００２１】
以下、本発明の第１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の実施の形態となる距離計の構成を示すブロック図である。図１の距離計は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザ１と、半導体レーザ１の光出力を電気信号に変換するフォトダイオード２と、半導体レーザ１からの光を集光して測定対象１２に照射すると共に、測定対象１２からの戻り光を集光して半導体レーザ１に入射させるレンズ３と、半導体レーザ１に発振波長が連続的に増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に減少する第２の発振期間とを交互に繰り返させるレーザドライバ４と、フォトダイオード２の出力電流を電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅器５と、電流−電圧変換増幅器５の出力電圧から搬送波を除去するフィルタ回路１１と、フィルタ回路１１の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を数える計数装置８と、ＭＨＰの数から測定対象１２との距離を算出する演算装置９と、演算装置９の算出結果を表示する表示装置１０とを有する。
【００２２】
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。
【００２３】
例えば、レーザドライバ４は、時間に関して一定の変化率で増減を繰り返す三角波駆動電流を注入電流として半導体レーザ１に供給する。これにより、半導体レーザ１は、注入電流の大きさに比例して発振波長が一定の変化率で連続的に増加する第１の発振期間と発振波長が一定の変化率で連続的に減少する第２の発振期間とを交互に繰り返すように駆動される。
【００２４】
図２は、半導体レーザ１の発振波長の時間変化を示す図である。図２において、ｔ−１はｔ−１番目の発振期間、ｔはｔ番目の発振期間、ｔ＋１はｔ＋１番目の発振期間、ｔ＋２はｔ＋２番目の発振期間、ｔ＋３はｔ＋３番目の発振期間、ｔ＋４はｔ＋４番目の発振期間、λａは各期間における発振波長の最小値、λｂは各期間における発振波長の最大値、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。
【００２５】
半導体レーザ１から出射したレーザ光は、レンズ３によって集光され、測定対象１２に入射する。測定対象１２で反射された光は、レンズ３によって集光され、半導体レーザ１に入射する。ただし、レンズ３による集光は必須ではない。フォトダイオード２は、半導体レーザ１の光出力を電流に変換する。電流−電圧変換増幅器５は、フォトダイオード２の出力電流を電圧に変換して増幅する。
【００２６】
フィルタ回路１１は、変調波から重畳信号を抽出する機能を有するものである。図３（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３（Ｂ）はフィルタ回路１１の出力電圧波形を模式的に示す図である。これらは、フォトダイオード２の出力である図３（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３（Ｂ）のＭＨＰ波形（重畳波）を抽出する過程を表している。
【００２７】
計数装置８は、フィルタ回路１１の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を第１の発振期間ｔ−１，ｔ＋１，ｔ＋３と第２の発振期間ｔ，ｔ＋２，ｔ＋４の各々について数える。図４は計数装置８の構成の１例を示すブロック図である。計数装置８は、判定部８１と、論理積演算部（ＡＮＤ）８２と、カウンタ８３と、計数結果補正部８４と、記憶部８５とから構成される。電流−電圧変換増幅器５とフィルタ回路１１と計数装置８の判定部８１とＡＮＤ８２とカウンタ８３とは、計数手段を構成している。
【００２８】
図５は計数結果補正部８４の構成の１例を示すブロック図である。計数結果補正部８４は、周期測定部８４０と、度数分布作成部８４１と、代表値算出部８４２と、補正値算出部８４３とから構成される。
【００２９】
図６（Ａ）〜図６（Ｆ）は計数装置８の動作を説明するための図であり、図６（Ａ）はフィルタ回路１１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６（Ｂ）は図６（Ａ）に対応する判定部８１の出力を示す図、図６（Ｃ）は計数装置８に入力されるゲート信号ＧＳを示す図、図６（Ｄ）は図６（Ｂ）に対応するカウンタ８３の計数結果を示す図、図６（Ｅ）は計数装置８に入力されるクロック信号ＣＬＫを示す図、図６（Ｆ）は図６（Ｂ）に対応する周期測定部８４０の測定結果を示す図である。
【００３０】
まず、計数装置８の判定部８１は、図６（Ａ）に示すフィルタ回路１１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６（Ｂ）のような判定結果を出力する。このとき、判定部８１は、フィルタ回路１１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１１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１１の出力を２値化する。
【００３１】
ＡＮＤ８２は、判定部８１の出力と図６（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８３は、ＡＮＤ８２の出力の立ち上がりをカウントする（図６（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８３は、計数期間中のＡＮＤ８２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。
【００３２】
一方、計数結果補正部８４の周期測定部８４０は、計数期間中のＡＮＤ８２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８４０は、図６（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６（Ｆ）の例では、周期測定部８４０は、ＭＨＰの周期としてＴα，Ｔβ，Ｔγを順次測定している。図６（Ｅ）、図６（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８５は、カウンタ８３の計数結果と周期測定部８４０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、計数結果補正部８４の度数分布作成部８４１は、記憶部８５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８４の代表値算出部８４２は、度数分布作成部８４１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。
【００３４】
計数結果補正部８４の補正値算出部８４３は、度数分布作成部８４１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８３の計数結果を次式のように補正する。
Ｎ’＝Ｎ＋Ｎｗ−Ｎｓ                                            ・・・（２）
式（２）において、Ｎはカウンタ８３の計数結果であるＭＨＰの数、Ｎ’は補正後の計数結果である。
【００３５】
図７に度数分布の１例を示す。図７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７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７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。
【００３６】
図８はカウンタ８３の計数結果の補正原理を説明するための図であり、図８（Ａ）はフィルタ回路１１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８（Ｂ）は図８（Ａ）に対応するカウンタ８３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。
【００３７】
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８３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。
【００３８】
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８３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。
【００３９】
以上が、式（２）に示した計数結果の補正原理である。なお、本実施の形態では、Ｔｓを周期の中央値Ｔ０の０．５倍の値とし、Ｔｗを中央値Ｔ０の２倍の値とせずに、１．５倍の値としているが、１．５倍とした理由については後述する。
【００４０】
補正値算出部８４３は、式（２）により計算した補正後の計数結果Ｎ’を演算装置９に出力する。計数装置８は、以上のような処理を第１の発振期間ｔ−１，ｔ＋１，ｔ＋３毎及び第２の発振期間ｔ，ｔ＋２，ｔ＋４毎に行う。
【００４１】
次に、演算装置９は、計数装置８によって計測されたＭＨＰの数Ｎ’に基づいて測定対象１２との距離を求める。一定期間におけるＭＨＰの数は測定距離に比例する。そこで、一定の計数期間（本実施の形態では第１の発振期間又は第２の発振期間）におけるＭＨＰの数と距離との関係を予め求めて演算装置９のデータベース（不図示）に登録しておけば、演算装置９は、計数装置８によって計測されたＭＨＰの数Ｎ’に対応する距離の値をデータベースから取得することにより、測定対象１２との距離を求めることができる。
【００４２】
あるいは、計数期間におけるＭＨＰの数と距離との関係を示す数式を予め求めて設定しておけば、演算装置９は、計数装置８によって計測されたＭＨＰの数Ｎ’を数式に代入することにより、測定対象１２との距離を算出することができる。演算装置９は、以上のような処理を第１の発振期間ｔ−１，ｔ＋１，ｔ＋３毎及び第２の発振期間ｔ，ｔ＋２，ｔ＋４毎に行う。
表示装置１０は、演算装置９によって算出された測定対象１２との距離（変位）をリアルタイムで表示する。
【００４３】
以上のように、本実施の形態では、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、距離の測定精度を向上させることができる。
【００４４】
なお、本実施の形態における計数装置８と演算装置９は、例えばＣＰＵ、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このようなコンピュータを動作させるためのプログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供される。ＣＰＵは、読み込んだプログラムを記憶装置に書き込み、このプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。
【００４５】
次に、ＭＨＰの基準周期として周期の度数分布の中央値を用いる理由、及び度数Ｎｗを求める際の周期のしきい値を中央値の１．５倍とする理由について説明する。
最初に、誤ってノイズを数えてしまったために、ＭＨＰの周期が２分割された場合の計数結果の補正について説明する。半導体レーザの発振波長変化が線形である場合、ＭＨＰの周期Ｔは計測期間ＴｃをＭＨＰの数Ｎで除算したＴ０を中心にして正規分布する（図９）。
【００４６】
次に、ノイズによって２分割されたＭＨＰの周期を考える。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、ランダムな割合で２分割されるが、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（図１０のａ）。
【００４７】
このノイズを含むＭＨＰの周期の度数分布について、ＭＨＰのｎ％がノイズによって周期が２分割されたと仮定したとき、ＭＨＰの周期の平均値及び中央値を算出する。
全ての周期の和は常に計測期間Ｔｃであり、変化はないが、ＭＨＰのｎ％がノイズによって周期が２分割されると、度数の積分値は（１＋ｎ［％］）Ｎになるため、ＭＨＰの周期の平均値は（１／（１＋ｎ［％］））Ｔ０になる。
【００４８】
一方、ノイズの分布で正規分布に重なったところを無視した場合、２分割されたノイズの累積度数は中央値とＴ０との間の階級に含まれる度数の２倍になるため、ＭＨＰの周期の中央値は図１１のｂの面積がａの面積の２倍になる位置になる。
【００４９】
マイクロソフト社のソフトウェアであるＥｘｃｅｌ（登録商標）に、正規分布の平均値からασ間の両側値の内部割合が「（１−（１−ＮＯＲＭＳＤＩＳＴ（α））＊２）＊１００［％］」で表現できるＮＯＲＭＳＤＩＳＴ（）という関数があり、この関数を利用すると、ＭＨＰの周期の中央値を以下の式で表すことができる。
（１−（１−ＮＯＲＭＳＤＩＳＴ（（中央値−Ｔ０）／σ））＊２）
＊（１００−ｎ）／２＝ｎ［％］                                ・・・（３）
【００５０】
以上をもとに、標準偏差σを０．０２Ｔ０とし、ＭＨＰの１０％がノイズによって周期が２分割されたとしたときのＭＨＰの周期の平均値Ｔ０’および中央値Ｔ０’を算出すると、以下のようになる。
Ｔ０’＝（１／（１＋０．１））Ｔ０＝０．９１Ｔ０                ・・・（４）
Ｔ０’＝０．９９５Ｔ０                                          ・・・（５）
なお、ここでは平均値、中央値共にＴ０’で表すものとする。カウンタ値（度数の積分値）は、１．１Ｎとなり、カウント誤差は１０％となる。
【００５１】
ここで、ある周期ＴａのＭＨＰが２分割された後の２つの周期Ｔ１，Ｔ２（Ｔ１≧Ｔ２とする）のとり得る期間の確率を考える。ノイズはランダムに生じると仮定すると、図１２に示すようにＴ２は０＜Ｔ２≦Ｔａ／２の値を同じ確率でとり得る。Ｔ１も同様にＴ／２≦Ｔ１＜Ｔａの値を同じ確率でとり得る。図１２におけるＴ１の取り得る確率分布の面積とＴ２の取り得る確率分布の面積は共に１である。
【００５２】
周期ＴａはＴ０を中心とした正規分布をしているので、Ｔａを集合としてとらえると、Ｔ２のとり得る確率の度数分布は、平均値が０．５Ｔ０、標準偏差０．５σの正規分布の累積度数分布と同じ形状になる。
また、図１３に示すように、Ｔ１のとり得る確率の度数分布は平均値が０．５Ｔ０、標準偏差０．５σの正規分布の累積度数分布と平均値がＴ０、標準偏差σの正規分布の累積度数分布を重ねたような形状になる。ここで、Ｔ１、Ｔ２それぞれの数は、周期が２分割されたＭＨＰの数ｎ［％］・Ｎに等しい。
【００５３】
ノイズによって周期が２分割されたＭＨＰの数ｎ［％］・Ｎを数えることができれば、以下の式を用いてＭＨＰの数Ｎを導出することができる。
Ｎ＝Ｎ’−ｎ［％］・Ｎ                                          ・・・（６）
図１４に示すように、Ｔｂ以下の周期を持つＭＨＰの数Ｎｓが２分割されたＭＨＰの数ｎ［％］・Ｎと等しくなるようにＴｂを設定することができれば、Ｔｂ以下の周期を持つＭＨＰの数Ｎｓを数えることで、周期が２分割されたＭＨＰの数ｎ［％］・Ｎを間接的に数えることができる。
【００５４】
図１４において、Ｔｂ以上の周期を持つＭＨＰの周期Ｔ２の度数（図１４のｃ）とＴｂ未満の周期を持つＭＨＰの周期Ｔ１の度数（図１４のｄ）が同じになるとき、Ｔｂ以下の周期を持つＭＨＰの数は、Ｔ２の数、つまり周期が２分割されたＭＨＰの数Ｎｓ（＝ｎ［％］・Ｎ）と等しくなる。つまり、ＭＨＰの数Ｎは以下の式で表すことができる。
Ｎ＝Ｎ’−ｎ［％］・Ｎ＝Ｎ’−Ｎｓ                              ・・・（７）
Ｔ１およびＴ２の度数形状は、０．５Ｔａで対称の形状であるため、０．５Ｔａをしきい値にして判断すると、周期が２分割されたＭＨＰの度数Ｎｓ（＝ｎ［％］・Ｎ）を正確に数えることができる。
【００５５】
次に、０．５Ｔ０以下の周期を持つＭＨＰの数を数えることで、周期が２分割されたＭＨＰの数ｎ［％］・Ｎの数を間接的に数えることができるが、ノイズを含むＭＨＰの周期の度数分布（図１０）からは、Ｔ０を算出することができない。ＭＨＰの母集団が図１０の度数分布のように最頻値（モード）がＴ０と等しくなるほど理想的でかつ母数が大きければ、最頻値をＴ０’として用いることができる。
【００５６】
ここでは、平均値又は中央値Ｔ０’を用いたＭＨＰの数ｎ［％］・Ｎの計数について記載する。Ｔ０’＝ｙ・Ｔ０で表し、Ｔ０の代わりにＴ０’を代入してＮｓを求めると、周期が２分割されたＭＨＰの数として判断する０．５Ｔ０’よりも小さな周期の度数Ｎｓ’は、ｙ・ｎ［％］・Ｎになる（図１５）。
【００５７】
平均値又は中央値Ｔ０’を用いた場合、補正後のカウント値Ｎｔは以下のように表される。
Ｎｔ＝Ｎ’−Ｎｓ’＝（１＋ｎ［％］）Ｎ−ｙｎ［％］Ｎ
＝（１＋（１−ｙ）ｎ［％］）Ｎ＝Ｎ＋（１−ｙ）ｎ［％］Ｎ    ・・・（８）
なお、補正後の誤差である（１−ｙ）ｎ［％］Ｎは、図１６のｅの部分の度数である。
【００５８】
ここで、平均値又は中央値Ｔ０’を用いたカウンタ８３の計数結果の補正例について説明する。
標準偏差をσ＝０．０２Ｔ０とし、ＭＨＰの１０％がノイズによって周期が２分割されたとすると（計数結果は１０％の誤差）、ＭＨＰの周期の平均値Ｔ０’は０．９１Ｔ０、中央値Ｔ０’は０．９９４９Ｔ０であるから、平均値Ｔ０’を用いる場合のｙは０．９１、中央値Ｔ０’を用いる場合のｙは０．９９４９であり、補正後の計数結果Ｎ’は以下のように算出される。
Ｎ’＝（１＋０．１（１−０．９１））Ｎ＝１．００９Ｎ            ・・・（９）
Ｎ’＝（１＋０．１（１−０．９９５））Ｎ＝１．０００５Ｎ      ・・・（１０）
【００５９】
式（９）は平均値Ｔ０’を用いた場合の補正後の計数結果Ｎ’を示し、式（１０）は中央値Ｔ０’を用いた場合の補正後の計数結果Ｎ’を示している。平均値Ｔ０’を用いた場合の計数結果Ｎ’の誤差は０．９％であり、中央値Ｔ０’を用いた場合の計数結果Ｎ’の誤差は０．０５％である。
【００６０】
次に、標準偏差をσ＝０．０５Ｔ０とし、ＭＨＰの２０％がノイズによって周期が２分割されたとすると（計数結果は２０％の誤差）、ＭＨＰの周期の平均値Ｔ０’は０．８３Ｔ０、中央値Ｔ０’は０．９６８２Ｔ０であるから、平均値Ｔ０’を用いる場合のｙは０．８３、中央値Ｔ０’を用いる場合のｙは０．９６８であり、補正後の計数結果Ｎ’は以下のように算出される。
Ｎ’＝（１＋０．２（１−０．８３））Ｎ＝１．０３４Ｎ          ・・・（１１）
Ｎ’＝（１＋０．２（１−０．９６８））Ｎ＝１．００６４Ｎ      ・・・（１２）
【００６１】
式（１１）は平均値Ｔ０’を用いた場合の補正後の計数結果Ｎ’を示し、式（１２）は中央値Ｔ０’を用いた場合の補正後の計数結果Ｎ’を示している。平均値Ｔ０’を用いた場合の計数結果Ｎ’の誤差は３．４％であり、中央値Ｔ０’を用いた場合の計数結果Ｎ’の誤差は０．６４％である。
以上のことから、ＭＨＰの周期の中央値を使用して計数結果Ｎを補正すれば、補正後の計数結果Ｎ’の誤差を小さくできることが分かる。
【００６２】
次に、ＭＨＰの波形に欠落が生じた場合の計数結果の補正について説明する。ＭＨＰの強度が小さいために計数時に欠落が生じた場合の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（図１７のｆ）になる。ｍ［％］のＭＨＰが欠落したとすると、この欠落によって周期が２倍になったＭＨＰの周期の度数はＮｗ（＝ｍ［％］・Ｎ）である。また、計数時の欠落によって減少した後のおおよそＴ０の周期の度数は、図１７に示すｇであり、図１７のｈに示す度数の減少分は２Ｎｗ（＝２ｍ［％］）である。したがって、計数時にＭＨＰの欠落が生じなかった場合の本来のＭＨＰの数Ｎ’は以下の式で表すことができる。
Ｎ’＝Ｎ＋ｍ［％］＝Ｎ＋Ｎｗ                                  ・・・（１３）
【００６３】
次に、計数結果を補正するためのＮｗを数える際の周期のしきい値について考える。ここで、計数時の欠落によって周期が２倍になったＭＨＰの周期の度数Ｎｗのうちノイズによってｐ［％］が２分割された場合を仮定する。欠落したＭＨＰのうち２分割されたＭＨＰの周期の度数は、Ｎｗ’（＝ｍ・ｐ［％］・Ｎ）である。再度２分割されたＭＨＰの周期の度数分布は、図１８のようになる。Ｎｗとみなす周期のしきい値を１．５Ｔ０にすると、周期が０．５Ｔ０以下のＭＨＰの周期の度数は０．５Ｎｗ’（＝０．５ｐ［％］・Ｎｗ）、周期が０．５Ｔ０から１．５Ｔ０までのＭＨＰの周期の度数はＮｗ’（＝ｐ［％］・Ｎｗ）、周期が１．５Ｔ０以上のＭＨＰの周期の度数は０．５Ｎｗ’（＝０．５ｐ［％］・Ｎｗ）となる。
【００６４】
よって、全てのＭＨＰの周期の度数分布は図１９のようになり、Ｎｓのしきい値を０．５Ｔ０、Ｎｗのしきい値を１．５Ｔ０にすると、計数結果Ｎは以下の式で表すことができる。
Ｎ＝（Ｎ’−２Ｎｗ）＋（Ｎｗ−Ｎｗ’）＋２Ｎｗ’＝Ｎ’−Ｎｗ＋Ｎｗ’
・・・（１４）
【００６５】
式（１４）より補正された結果は以下のようになり、計数時にＭＨＰの欠落が生じなかった場合の本来のＭＨＰの数Ｎ’が算出されることが分かる。
Ｎ−０．５Ｎｗ’＋（０．５Ｎｗ’＋（Ｎｗ−Ｎｗ’））
＝（Ｎ−Ｎｗ＋Ｎｗ’）＋（０．５Ｎｗ’＋（Ｎｗ−Ｎｗ’））
＝Ｎ’                                                      ・・・（１５）
【００６６】
以上のことから、度数Ｎｗを求める際の周期のしきい値を中央値の１．５倍とすれば、計数結果Ｎを補正できることが分かる。なお、ノイズによってＭＨＰの周期が２分割された場合と同様に、Ｔ０の代わりに中央値を用いて補正するため、同様の誤差が生じる。
【００６７】
以上の説明では、ノイズを過剰に数えた結果ＭＨＰの周期が２分割された場合と計数時の欠落によってＭＨＰの周期が２倍になった場合を別々に説明したが、これらは独立して生じるため、これらの場合を１つの度数分布に表現すると、図２０のようになる。Ｎｓのしきい値を０．５Ｔ０、Ｎｗのしきい値を１．５Ｔ０にすると、計数結果Ｎは以下の式で表すことができる。
Ｎ＝（Ｎ’−２Ｎｗ−Ｎｓ）＋（Ｎｗ−Ｎｗ’）＋２Ｎｗ’＋２Ｎｓ
＝Ｎ’−Ｎｗ＋Ｎｗ’＋Ｎｓ                                ・・・（１６）
【００６８】
式（１６）より補正された結果は以下のようになり、計数時に欠落や過剰な計数が生じなかった場合の本来のＭＨＰの数Ｎ’が算出されることが分かる。
Ｎ−｛０．５Ｎｗ’＋Ｎｓ｝＋｛０．５Ｎｗ’＋（Ｎｗ−Ｎｗ’）｝
＝｛Ｎ−Ｎｗ＋Ｎｗ’＋Ｎｓ｝−｛０．５Ｎｗ’＋Ｎｓ｝
＋｛０．５Ｎｗ’＋（Ｎｗ−Ｎｗ’）｝
＝Ｎ’                                                      ・・・（１７）
【００６９】
［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。第１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て計数結果を補正したが、周期の代表値として最頻値を用いてもよい。
【００７０】
例えば低周波のノイズ成分の影響により、ＭＨＰの周期の度数分布が図２１に示す本来の分布ｊからずれて図２１の分布ｋのようになった場合、ＭＨＰの周期の中央値も本来の値Ｔ０からずれてＴｄとなってしまう。このような場合に中央値Ｔｄを用いて計数結果を補正すると、補正後の計数結果の誤差が大きくなってしまう。
【００７１】
そこで、このようにノイズ成分による度数分布のずれの影響が考えられる場合には、周期の代表値として最頻値を用いる。具体的には、計数結果補正部８４の代表値算出部８４２が、度数分布作成部８４１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。計数結果補正部８４の補正値算出部８４３は、中央値Ｔ０の代わりに最頻値を用いて第１の実施の形態と同じ処理を行えばよい。
【００７２】
また、式（８）〜式（１２）を用いて説明したように、中央値Ｔ０を用いる場合に比べて補正後の計数結果の誤差が大きくなるが、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８４２が、ＭＨＰの周期の平均値を算出すればよい。
【００７３】
なお、第１、第２の実施の形態では、本発明の計数装置を距離計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、本発明の計数装置は他の分野にも適用することができる。本発明の計数装置が有効な場合は、計数の対象となる信号の数が特定の物理量（第１、第２の実施の形態の場合は距離）と線形の関係を有し、物理量が一定の場合は信号が略単一周波数となる場合である。
また、信号が単一周波数でなくても、計数対象となる特定の物理量が計数期間と比較して十分低い周波数で、例えば１／１０以下の周波数で振動している対象物の速度のように周期分布の広がりが小さい場合も略単一周波数として本発明の計数装置は有効である。
【００７４】
また、第１、第２の実施の形態では、ＭＨＰの欠落の補正については、１個の欠落によってＭＨＰの周期が本来の周期のおよそ２倍になった場合について説明しているが、連続して２個以上の欠落が生じた場合にも本発明を適用することができる。ＭＨＰが連続して２個欠落した場合、中央値の３倍の周期のＭＨＰは３個のＭＨＰが１つになったものだと考えられる。この場合は、周期の中央値のおよそ３倍以上である階級の度数を求めて、この度数を２倍すれば、ＭＨＰの欠落を補正することができる。このような考え方を一般化すると、式（２）の代わりに次式を用いればよい。
Ｎ’＝Ｎ＋Ｎｗ１＋Ｎｗ２＋Ｎｗ３＋・・・・−Ｎｓ              ・・・（１８）
Ｎｗ１は周期の中央値の１．５倍以上である階級の度数の総和、Ｎｗ２は周期の中央値の２．５倍以上である階級の度数の総和、Ｎｗ３は周期の中央値のおよそ３．５倍以上である階級の度数の総和である。
【００７５】
なお、第１、第２の実施の形態を自己結合型以外の距離計に適用する場合には、測定対象１２で反射された半導体レーザ１の光を、例えばビームスプリッタ等により測定対象１２への入射光と分離して、フォトダイオード２で検出すればよい。こうして、自己結合型以外の距離計においても、第１、第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７６】
［第３の実施の形態］
第１、第２の実施の形態では、受光器であるフォトダイオードの出力信号からＭＨＰ波形を抽出していたが、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２２は本発明の第３の実施の形態となる距離計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。本実施の形態の距離計は、第１の実施の形態のフォトダイオード２と電流−電圧変換増幅器５の代わりに、電圧検出回路１３を用いるものである。
【００７７】
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測定対象１２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。
【００７８】
フィルタ回路１１は、第１の実施の形態と同様に、変調波から重畳信号を抽出する機能を有するものであり、電圧検出回路１３の出力電圧からＭＨＰ波形を抽出する。
半導体レーザ１、レーザドライバ４、計数装置８、演算装置９および表示装置１０の動作は、第１の実施の形態と同じである。
【００７９】
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の実施の形態と比較して距離計の部品を削減することができ、距離計のコストを低減することができる。
なお、第１、第２の実施の形態の場合、自己結合型のみならず、自己結合型以外の距離計にも適用することができるが、本実施の形態が適用対象とするのは自己結合型のみである。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、信号の数を数える計数装置や、計数装置を用いて干渉波形の数を測定し測定対象との距離を求める干渉型の距離計に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の第１の実施の形態となる距離計の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における半導体レーザの発振波長の時間変化の１例を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における電流−電圧変換増幅器の出力電圧波形及び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４】本発明の第１の実施の形態における計数装置の構成の１例を示すブロック図である。
【図５】図４の計数装置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６】図４の計数装置の動作を説明するための図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態における周期の度数分布の１例を示す図である。
【図８】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９】モードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。
【図１０】ノイズを含むモードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。
【図１１】ノイズを含むモードホップパルスの周期の中央値を示す図である。
【図１２】周期が２分割されたモードホップパルスの周期の確率分布を示す図である。
【図１３】周期が２分割されたモードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。
【図１４】周期が２分割されたモードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。
【図１５】周期が２分割されたモードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。
【図１６】カウンタ値補正後の誤差を示す図である。
【図１７】２倍の周期になったモードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。
【図１８】計数時に欠落したモードホップパルスのうち２分割されたモードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。
【図１９】計数時に欠落したモードホップパルスのうち２分割されたモードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。
【図２０】計数時に欠落と過剰な計数が同時に発生した場合のモードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。
【図２１】本発明の第１の実施の形態において補正後の計数結果に誤差が生じる例を説明するための図である。
【図２２】本発明の第３の実施の形態となる距離計の構成を示すブロック図である。
【図２３】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２４】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。
【符号の説明】
【００８２】
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、８…計数装置、９…演算装置、１０…表示装置、１１…フィルタ回路、１２…測定対象、１３…電圧検出回路、８１…判定部、８２…論理積演算部、８３…カウンタ、８４…計数結果補正部、８５…記憶部、８４０…周期測定部、８４１…度数分布作成部、８４２…代表値算出部、８４３…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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