(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象に第１のレーザ光を放射する第１の半導体レーザと、
前記測定対象に前記第１のレーザ光と平行に第２のレーザ光を放射する第２の半導体レーザと、
少なくとも発振波長が連続的に単調増加する発振期間が繰り返し存在するように前記第１の半導体レーザを動作させる第１の発振波長変調手段と、
前記第１の半導体レーザと発振波長の増減が逆になるように前記第２の半導体レーザを動作させる第２の発振波長変調手段と、
前記第１のレーザ光とこのレーザ光の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第１の検出手段と、
前記第２のレーザ光とこのレーザ光の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第２の検出手段と、
前記第１、第２の検出手段の出力信号に含まれる干渉波形の周期をそれぞれ干渉波形が入力される度に計測する第１、第２の信号抽出手段と、
この第１、第２の信号抽出手段の計測結果からそれぞれ単位時間当たりの干渉波形の数を算出する第１、第２の個数算出手段と、
この第１、第２の個数算出手段の算出結果に正負の符号を付与する符号付与手段と、
この符号付与手段によって符号が与えられた、前記第１、第２の個数算出手段の符号付き算出結果の平均値を算出することにより、前記半導体レーザと測定対象との平均距離に比例した干渉波形の数である距離比例個数を求める距離比例個数算出手段と、
前記符号付与手段によって符号が与えられた、前記第１の個数算出手段の最新の符号付き算出結果と、この算出結果よりも過去の、前記第１、第２の個数算出手段の符号付き算出結果の平均値との差の絶対値を算出するか、前記符号付与手段によって符号が与えられた、前記第２の個数算出手段の最新の符号付き算出結果と、この算出結果よりも過去の、前記第１、第２の個数算出手段の符号付き算出結果の平均値との差の絶対値を算出するか、あるいは２つの前記絶対値の平均値を算出することにより、前記測定対象の変位に比例した干渉波形の数である変位比例個数を求める変位比例個数算出手段と、
前記符号付与手段によって符号が与えられた、前記第１、第２の個数算出手段の符号付き算出結果と前記変位比例個数算出手段が算出した変位比例個数に基づいて前記測定対象の物理量を算出する物理量算出手段とを備え、
前記符号付与手段は、前記第１、第２の個数算出手段の最新の算出結果のうち大きい方の算出結果と、この算出結果よりも過去の、前記第１、第２の個数算出手段の符号付き算出結果を用いて算出された前記距離比例個数の２倍数との大小関係、前記第１、第２の個数算出手段の算出結果の増減方向の一致不一致、あるいは前記第１、第２の個数算出手段の算出結果の平均値の変化に応じて、前記第１、第２の個数算出手段の算出結果に正負の符号を付与することを特徴とする物理量センサ。
【請求項２】
測定対象に第１のレーザ光を放射する第１の半導体レーザと、
前記測定対象に前記第１のレーザ光と平行に第２のレーザ光を放射する第２の半導体レーザと、
少なくとも発振波長が連続的に単調増加する発振期間が繰り返し存在するように前記第１の半導体レーザを動作させる第１の発振波長変調手段と、
前記第１の半導体レーザと発振波長の増減が逆になるように前記第２の半導体レーザを動作させる第２の発振波長変調手段と、
前記第１のレーザ光とこのレーザ光の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第１の検出手段と、
前記第２のレーザ光とこのレーザ光の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第２の検出手段と、
前記第１、第２の検出手段の出力信号に含まれる干渉波形の周期をそれぞれ干渉波形が入力される度に計測する第１、第２の信号抽出手段と、
この第１、第２の信号抽出手段の計測結果からそれぞれ単位時間当たりの干渉波形の数を算出する第１、第２の個数算出手段と、
この第１、第２の個数算出手段の算出結果に基づいて、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定した場合と変位状態にあると仮定した場合の各々について前記測定対象の物理量の候補値を算出する物理量候補値算出手段と、
前記第１の個数算出手段の算出結果の時間変化に対して前記第２の個数算出手段の算出結果の時間変化が逆方向の場合、前記測定対象が微小変位状態であると判定し、前記第１の個数算出手段の算出結果の時間変化に対して前記第２の個数算出手段の算出結果の時間変化が同方向の場合、前記測定対象が変位状態であると判定する状態判定手段と、
前記状態判定手段の判定結果に基づいて前記候補値の選定を行い、前記測定対象の物理量を確定する物理量確定手段とを備えることを特徴とする物理量センサ。
【請求項３】
請求項１記載の物理量センサにおいて、
前記符号付与手段は、前記第１、第２の個数算出手段の算出結果のうち大きい方の算出結果が前記距離比例個数の２倍数よりも小さい場合、前記第１の個数算出手段の算出結果の時間変化に対して前記第２の個数算出手段の算出結果の時間変化が逆方向の場合、あるいは前記第１、第２の個数算出手段の算出結果の平均値に変化が無い場合、前記第１、第２の個数算出手段の算出結果にそれぞれ正の符号を付与した符号付き算出結果を出力し、前記第１、第２の個数算出手段の算出結果のうち大きい方の算出結果が前記距離比例個数の２倍数以上の場合、前記第１の個数算出手段の算出結果の時間変化に対して前記第２の個数算出手段の算出結果の時間変化が同方向の場合、あるいは前記第１、第２の個数算出手段の算出結果の平均値が変化した場合、前記第１、第２の個数算出手段の算出結果のうち大きい方の算出結果に正の符号を付与し、小さい方の算出結果に負の符号を付与した符号付き算出結果を出力し、
前記物理量算出手段は、前記第１、第２の半導体レーザの最小発振波長および最大発振波長と前記符号付与手段によって符号が与えられた符号付き算出結果に基づいて前記測定対象との距離を算出し、前記第１、第２の半導体レーザの平均発振波長と前記変位比例個数算出手段が算出した変位比例個数に基づいて前記測定対象の速度を算出す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、
前記物理量候補値算出手段は、前記測定対象の状態を微小変位状態あるいは前記微小変位状態よりも動きが急な変位状態のいずれかであるとし、前記測定対象が微小変位状態と仮定した場合と変位状態と仮定した場合の各々について、前記第１、第２の半導体レーザの最小発振波長および最大発振波長と前記第１、第２の個数算出手段の算出結果から前記測定対象との距離の候補値と前記測定対象の速度の候補値を算出し、
前記状態判定手段は、前記第１の個数算出手段の算出結果の時間変化に対して前記第２の個数算出手段の算出結果の時間変化が逆方向の場合、前記測定対象が微小変位状態にあると判定し、前記第１の個数算出手段の算出結果の時間変化に対して前記第２の個数算出手段の算出結果の時間変化が同方向の場合、前記測定対象が変位状態にあると判定し、
前記物理量確定手段は、前記測定対象が微小変位状態と判定された場合、前記測定対象が微小変位状態と仮定して算出された前記距離および速度の候補値を前記測定対象の物理量として確定し、前記測定対象が変位状態と判定された場合、前記測定対象が変位状態と仮定して算出された前記距離および速度の候補値を前記測定対象の物理量として確定することを特徴とする物理量センサ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の物理量センサにおいて、
さらに、前記第１、第２の信号抽出手段の計測結果を記憶する記憶手段と、
前記第１の信号抽出手段によって計測された補正対象の干渉波形の周期の直前に計測され前記記憶手段に記憶された所定数の干渉波形の周期の移動平均値と、前記第１の信号抽出手段によって計測された補正対象の干渉波形の周期の直後に計測され前記記憶手段に記憶された所定数の干渉波形の周期の移動平均値とを前記第１の信号抽出手段の計測結果について算出する第１の移動平均値算出手段と、
前記第２の信号抽出手段によって計測された補正対象の干渉波形の周期の直前に計測され前記記憶手段に記憶された所定数の干渉波形の周期の移動平均値と、前記第２の信号抽出手段によって計測された補正対象の干渉波形の周期の直後に計測され前記記憶手段に記憶された所定数の干渉波形の周期の移動平均値とを前記第２の信号抽出手段の計測結果について算出する第２の移動平均値算出手段と、
前記第１の信号抽出手段によって計測された補正対象の干渉波形の周期と前記第１の移動平均値算出手段によって算出された２つの移動平均値から得られる１つの値とを比較することにより、前記第１の信号抽出手段によって計測された補正対象の干渉波形の周期を補正し、この補正の結果に従って前記記憶手段に記憶された周期を更新する第１の周期補正手段と、
前記第２の信号抽出手段によって計測された補正対象の干渉波形の周期と前記第２の移動平均値算出手段によって算出された２つの移動平均値から得られる１つの値とを比較することにより、前記第２の信号抽出手段によって計測された補正対象の干渉波形の周期を補正し、この補正の結果に従って前記記憶手段に記憶された周期を更新する第２の周期補正手段とを備え、
前記第１、第２の個数算出手段は、前記第１、第２の信号抽出手段の計測結果から単位時間当たりの干渉波形の数を算出する代わりに、前記第１、第２の周期補正手段によって補正された干渉波形の周期からそれぞれ単位時間当たりの干渉波形の数を算出することを特徴とする物理量センサ。
【請求項６】
少なくとも発振波長が連続的に単調増加する発振期間が繰り返し存在するように第１の半導体レーザを動作させる第１の発振手順と、
前記第１の半導体レーザと発振波長の増減が逆になるように第２の半導体レーザを動作させる第２の発振手順と、
前記第１の半導体レーザから放射された第１のレーザ光とこのレーザ光の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第１の検出手順と、
前記第２の半導体レーザから放射された第２のレーザ光とこのレーザ光の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第２の検出手順と、
前記第１、第２の検出手順で得られた出力信号に含まれる干渉波形の周期をそれぞれ干渉波形が入力される度に計測する第１、第２の信号抽出手順と、
この第１、第２の信号抽出手順の計測結果からそれぞれ単位時間当たりの干渉波形の数を算出する第１、第２の個数算出手順と、
この第１、第２の個数算出手順の算出結果に正負の符号を付与する符号付与手順と、
この符号付与手順によって符号が与えられた、前記第１、第２の個数算出手順の符号付き算出結果の平均値を算出することにより、前記半導体レーザと測定対象との平均距離に比例した干渉波形の数である距離比例個数を求める距離比例個数算出手順と、
前記符号付与手順によって符号が与えられた、前記第１の個数算出手順の最新の符号付き算出結果と、この算出結果よりも過去の、前記第１、第２の個数算出手順の符号付き算出結果の平均値との差の絶対値を算出するか、前記符号付与手順によって符号が与えられた、前記第２の個数算出手順の最新の符号付き算出結果と、この算出結果よりも過去の、前記第１、第２の個数算出手順の符号付き算出結果の平均値との差の絶対値を算出するか、あるいは２つの前記絶対値の平均値を算出することにより、前記測定対象の変位に比例した干渉波形の数である変位比例個数を求める変位比例個数算出手順と、
前記符号付与手順によって符号が与えられた、前記第１、第２の個数算出手順の符号付き算出結果と前記変位比例個数算出手順で算出した変位比例個数に基づいて前記測定対象の物理量を算出する物理量算出手順とを備え、
前記符号付与手順は、前記第１、第２の個数算出手順の最新の算出結果のうち大きい方の算出結果と、この算出結果よりも過去の、前記第１、第２の個数算出手順の符号付き算出結果を用いて算出された前記距離比例個数の２倍数との大小関係、前記第１、第２の個数算出手順の算出結果の増減方向の一致不一致、あるいは前記第１、第２の個数算出手順の算出結果の平均値の変化に応じて、前記第１、第２の個数算出手順の算出結果に正負の符号を付与することを特徴とする物理量計測方法。
【請求項７】
少なくとも発振波長が連続的に単調増加する発振期間が繰り返し存在するように第１の半導体レーザを動作させる第１の発振手順と、
前記第１の半導体レーザと発振波長の増減が逆になるように第２の半導体レーザを動作させる第２の発振手順と、
前記第１の半導体レーザから放射された第１のレーザ光とこのレーザ光の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第１の検出手順と、
前記第２の半導体レーザから放射された第２のレーザ光とこのレーザ光の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第２の検出手順と、
前記第１、第２の検出手順で得られた出力信号に含まれる干渉波形の周期をそれぞれ干渉波形が入力される度に計測する第１、第２の信号抽出手順と、
この第１、第２の信号抽出手順の計測結果からそれぞれ単位時間当たりの干渉波形の数を算出する第１、第２の個数算出手順と、
この第１、第２の個数算出手順の算出結果に基づいて、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定した場合と変位状態にあると仮定した場合の各々について前記測定対象の物理量の候補値を算出する物理量候補値算出手順と、
前記第１の個数算出手順の算出結果の時間変化に対して前記第２の個数算出手順の算出結果の時間変化が逆方向の場合、前記測定対象が微小変位状態であると判定し、前記第１の個数算出手順の算出結果の時間変化に対して前記第２の個数算出手順の算出結果の時間変化が同方向の場合、前記測定対象が変位状態であると判定する状態判定手順と、
前記状態判定手順の判定結果に基づいて前記候補値の選定を行い、前記測定対象の物理量を確定する物理量確定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８】
請求項６記載の物理量計測方法において、
前記符号付与手順は、前記第１、第２の個数算出手順の算出結果のうち大きい方の算出結果が前記距離比例個数の２倍数よりも小さい場合、前記第１の個数算出手順の算出結果の時間変化に対して前記第２の個数算出手順の算出結果の時間変化が逆方向の場合、あるいは前記第１、第２の個数算出手順の算出結果の平均値に変化が無い場合、前記第１、第２の個数算出手順の算出結果にそれぞれ正の符号を付与した符号付き算出結果を出力し、前記第１、第２の個数算出手順の算出結果のうち大きい方の算出結果が前記距離比例個数の２倍数以上の場合、前記第１の個数算出手順の算出結果の時間変化に対して前記第２の個数算出手順の算出結果の時間変化が同方向の場合、あるいは前記第１、第２の個数算出手順の算出結果の平均値が変化した場合、前記第１、第２の個数算出手順の算出結果のうち大きい方の算出結果に正の符号を付与し、小さい方の算出結果に負の符号を付与した符号付き算出結果を出力し、
前記物理量算出手順は、前記第１、第２の半導体レーザの最小発振波長および最大発振波長と前記符号付与手順によって符号が与えられた符号付き算出結果に基づいて前記測定対象との距離を算出し、前記第１、第２の半導体レーザの平均発振波長と前記変位比例個数算出手順で算出した変位比例個数に基づいて前記測定対象の速度を算出することを特徴とする物理量計測方法。
【請求項９】
請求項７記載の物理量計測方法において、
前記物理量候補値算出手順は、前記測定対象の状態を微小変位状態あるいは前記微小変位状態よりも動きが急な変位状態のいずれかであるとし、前記測定対象が微小変位状態と仮定した場合と変位状態と仮定した場合の各々について、前記第１、第２の半導体レーザの最小発振波長および最大発振波長と前記第１、第２の個数算出手順の算出結果から前記測定対象との距離の候補値と前記測定対象の速度の候補値を算出し、
前記状態判定手順は、前記第１の個数算出手順の算出結果の時間変化に対して前記第２の個数算出手順の算出結果の時間変化が逆方向の場合、前記測定対象が微小変位状態にあると判定し、前記第１の個数算出手順の算出結果の時間変化に対して前記第２の個数算出手順の算出結果の時間変化が同方向の場合、前記測定対象が変位状態にあると判定し、
前記物理量確定手順は、前記測定対象が微小変位状態と判定した場合、前記測定対象が微小変位状態と仮定して算出した前記距離および速度の候補値を前記測定対象の物理量として確定し、前記測定対象が変位状態と判定した場合、前記測定対象が変位状態と仮定して算出した前記距離および速度の候補値を前記測定対象の物理量として確定することを特徴とする物理量計測方法。
【請求項１０】
請求項６乃至９のいずれか１項に記載の物理量計測方法において、
さらに、前記第１、第２の信号抽出手順の計測結果を記憶手段に記憶させる記憶手順と、
前記第１の信号抽出手順で計測した補正対象の干渉波形の周期の直前に計測され前記記憶手段に記憶された所定数の干渉波形の周期の移動平均値と、前記第１の信号抽出手順で計測した補正対象の干渉波形の周期の直後に計測され前記記憶手段に記憶された所定数の干渉波形の周期の移動平均値とを前記第１の信号抽出手順の計測結果について算出する第１の移動平均値算出手順と、
前記第２の信号抽出手順で計測した補正対象の干渉波形の周期の直前に計測され前記記憶手段に記憶された所定数の干渉波形の周期の移動平均値と、前記第２の信号抽出手順で計測した補正対象の干渉波形の周期の直後に計測され前記記憶手段に記憶された所定数の干渉波形の周期の移動平均値とを前記第２の信号抽出手順の計測結果について算出する第２の移動平均値算出手順と、
前記第１の信号抽出手順で計測した補正対象の干渉波形の周期と前記第１の移動平均値算出手順で算出した２つの移動平均値から得られる１つの値とを比較することにより、前記第１の信号抽出手順で計測した補正対象の干渉波形の周期を補正し、この補正の結果に従って前記記憶手段に記憶された周期を更新する第１の周期補正手順と、
前記第２の信号抽出手順で計測した補正対象の干渉波形の周期と前記第２の移動平均値算出手順で算出した２つの移動平均値から得られる１つの値とを比較することにより、前記第２の信号抽出手順で計測した補正対象の干渉波形の周期を補正し、この補正の結果に従って前記記憶手段に記憶された周期を更新する第２の周期補正手順とを備え、
前記第１、第２の個数算出手順は、前記第１、第２の信号抽出手順の計測結果から単位時間当たりの干渉波形の数を算出する代わりに、前記第１、第２の周期補正手順で補正された干渉波形の周期からそれぞれ単位時間当たりの干渉波形の数を算出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】
従来より、半導体レーザの自己結合効果を用いた波長変調型の物理量センサが提案されている（特許文献１参照）。この物理量センサの構成を図２４に示す。図２４の物理量センサは、測定対象の物体２１０にレーザ光を放射する第１、第２の半導体レーザ２０１−１，２０１−２と、半導体レーザ２０１−１，２０１−２の光出力をそれぞれ電気信号に変換するフォトダイオード２０２−１，２０２−２と、半導体レーザ２０１−１，２０１−２からの光をそれぞれ集光して物体２１０に照射すると共に、物体２１０からの戻り光を集光して半導体レーザ２０１−１，２０１−２に入射させるレンズ２０３−１，２０３−２と、半導体レーザ２０１−１，２０１−２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第１、第２のレーザドライバ２０４−１，２０４−２と、フォトダイオード２０２−１，２０２−２の出力電流をそれぞれ電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅器２０５−１，２０５−２と、電流−電圧変換増幅器２０５−１，２０５−２の出力電圧から搬送波を除去するフィルタ回路２０６−１，２０６−２と、フィルタ回路２０６−１，２０６−２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）の数を数える計数装置２０７と、物体２１０との距離および物体２１０の速度を算出する演算装置２０８と、演算装置２０８の算出結果を表示する表示装置２０９とを有する。
【０００３】
レーザドライバ２０４−１，２０４−２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２０１−１，２０１−２に供給する。これにより、半導体レーザ２０１−１，２０１−２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。このとき、レーザドライバ２０４−１，２０４−２は、半導体レーザ２０１−１と２０１−２とで発振波長の増減が逆になるように駆動電流を供給する。図２５は半導体レーザ２０１−１，２０１−２の発振波長の時間変化を示す図である。図２５において、ＬＤ１は半導体レーザ２０１−１の発振波形、ＬＤ２は半導体レーザ２０１−２の発振波形、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、Ｔｃａｒは三角波の周期である。
【０００４】
半導体レーザ２０１−１，２０１−２から出射したレーザ光は、レンズ２０３−１，２０３−２によって集光され、物体２１０に入射する。物体２１０で反射された半導体レーザ２０１−１，２０１−２の光は、それぞれレンズ２０３−１，２０３−２によって集光され、半導体レーザ２０１−１，２０１−２に入射する。電流−電圧変換増幅器２０５−１，２０５−２は、それぞれフォトダイオード２０２−１，２０２−２の出力電流を電圧に変換して増幅する。フィルタ回路２０６−１，２０６−２は、電流−電圧変換増幅器２０５−１，２０５−２の出力電圧から搬送波を除去する。計数装置２０７は、フィルタ回路２０６−１，２０６−２の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を数える。演算装置２０８は、半導体レーザ２０１−１，２０１−２の最小発振波長λａと最大発振波長λｂと計数装置２０７の計数結果に基づいて物体２１０との距離および物体２１０の速度を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−０１４７０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示された自己結合型の物理量センサでは、距離や速度の算出にある程度の計測時間（特許文献１の例では、半導体レーザの発振波長変調の搬送波の半周期）が必要となるため、速度の変化が速い測定対象の計測においては計測誤差を生じるという問題点があった。また、信号処理においてＭＨＰの数を数える必要があるため、半導体レーザの半波長未満の分解能を実現することが難し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、物体との距離や物体の速度等の物理量を高い分解能で計測することができ、計測に要する時間を短縮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（第１の実施の形態）は、測定対象に第１のレーザ光を放射する第１の半導体レーザと、前記測定対象に前記第１のレーザ光と平行に第２のレーザ光を放射する第２の半導体レーザと、少なくとも発振波長が連続的に単調増加する発振期間が繰り返し存在するように前記第１の半導体レーザを動作させる第１の発振波長変調手段と、前記第１の半導体レーザと発振波長の増減が逆になるように前記第２の半導体レーザを動作させる第２の発振波長変調手段と、前記第１のレーザ光とこのレーザ光の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第１の検出手段と、前記第２のレーザ光とこのレーザ光の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第２の検出手段と、前記第１、第２の検出手段の出力信号に含まれる干渉波形の周期をそれぞれ干渉波形が入力される度に計測する第１、第２の信号抽出手段と、この第１、第２の信号抽出手段の計測結果からそれぞれ単位時間当たりの干渉波形の数を算出する第１、第２の個数算出手段と、この第１、第２の個数算出手段の算出結果に正負の符号を付与する符号付与手段と、この符号付与手段によって符号が与えられた、前記第１、第２の個数算出手段の符号付き算出結果の平均値を算出することにより、前記半導体レーザと測定対象との平均距離に比例した干渉波形の数である距離比例個数を求める距離比例個数算出手段と、前記符号付与手段によって符号が与えられた、前記第１の個数算出手段の最新の符号付き算出結果と、この算出結果よりも過去の、前記第１、第２の個数算出手段の符号付き算出結果の平均値との差の絶対値を算出するか、前記符号付与手段によって符号が与えられた、前記第２の個数算出手段の最新の符号付き算出結果と、この算出結果よりも過去の、前記第１、第２の個数算出手段の符号付き算出結果の平均値との差の絶対値を算出するか、あるいは２つの前記絶対値の平均値を算出することにより、前記測定対象の変位に比例した干渉波形の数である変位比例個数を求める変位比例個数算出手段と、前記符号付与手段によって符号が与えられた、前記第１、第２の個数算出手段の符号付き算出結果と前記変位比例個数算出手段が算出した変位比例個数に基づいて前記測定対象の物理量を算出する物理量算出手段とを備え、前記符号付与手段は、前記第１、第２の個数算出手段の最新の算出結果のうち大きい方の算出結果と、この算出結果よりも過去の、前記第１、第２の個数算出手段の符号付き算出結果を用いて算出された前記距離比例個数の２倍数との大小関係、前記第１、第２の個数算出手段の算出結果の増減方向の一致不一致、あるいは前記第１、第２の個数算出手段の算出結果の平均値の変化に応じて、前記第１、第２の個数算出手段の算出結果に正負の符号を付与す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（第２の実施の形態）は、測定対象に第１のレーザ光を放射する第１の半導体レーザと、前記測定対象に前記第１のレーザ光と平行に第２のレーザ光を放射する第２の半導体レーザと、少なくとも発振波長が連続的に単調増加する発振期間が繰り返し存在するように前記第１の半導体レーザを動作させる第１の発振波長変調手段と、前記第１の半導体レーザと発振波長の増減が逆になるように前記第２の半導体レーザを動作させる第２の発振波長変調手段と、前記第１のレーザ光とこのレーザ光の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第１の検出手段と、前記第２のレーザ光とこのレーザ光の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第２の検出手段と、前記第１、第２の検出手段の出力信号に含まれる干渉波形の周期をそれぞれ干渉波形が入力される度に計測する第１、第２の信号抽出手段と、この第１、第２の信号抽出手段の計測結果からそれぞれ単位時間当たりの干渉波形の数を算出する第１、第２の個数算出手段と、この第１、第２の個数算出手段の算出結果に基づいて、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定した場合と変位状態にあると仮定した場合の各々について前記測定対象の物理量の候補値を算出する物理量候補値算出手段と、前記第１の個数算出手段の算出結果の時間変化に対して前記第２の個数算出手段の算出結果の時間変化が逆方向の場合、前記測定対象が微小変位状態であると判定し、前記第１の個数算出手段の算出結果の時間変化に対して前記第２の個数算出手段の算出結果の時間変化が同方向の場合、前記測定対象が変位状態であると判定する状態判定手段と、前記状態判定手段の判定結果に基づいて前記候補値の選定を行い、前記測定対象の物理量を確定する物理量確定手段とを備え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（第１の実施の形態）において、前記符号付与手段は、前記第１、第２の個数算出手段の算出結果のうち大きい方の算出結果が前記距離比例個数の２倍数よりも小さい場合、前記第１の個数算出手段の算出結果の時間変化に対して前記第２の個数算出手段の算出結果の時間変化が逆方向の場合、あるいは前記第１、第２の個数算出手段の算出結果の平均値に変化が無い場合、前記第１、第２の個数算出手段の算出結果にそれぞれ正の符号を付与した符号付き算出結果を出力し、前記第１、第２の個数算出手段の算出結果のうち大きい方の算出結果が前記距離比例個数の２倍数以上の場合、前記第１の個数算出手段の算出結果の時間変化に対して前記第２の個数算出手段の算出結果の時間変化が同方向の場合、あるいは前記第１、第２の個数算出手段の算出結果の平均値が変化した場合、前記第１、第２の個数算出手段の算出結果のうち大きい方の算出結果に正の符号を付与し、小さい方の算出結果に負の符号を付与した符号付き算出結果を出力し、前記物理量算出手段は、前記第１、第２の半導体レーザの最小発振波長および最大発振波長と前記符号付与手段によって符号が与えられた符号付き算出結果に基づいて前記測定対象との距離を算出し、前記第１、第２の半導体レーザの平均発振波長と前記変位比例個数算出手段が算出した変位比例個数に基づいて前記測定対象の速度を算出す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（第２の実施の形態）において、前記物理量候補値算出手段は、前記測定対象の状態を微小変位状態あるいは前記微小変位状態よりも動きが急な変位状態のいずれかであるとし、前記測定対象が微小変位状態と仮定した場合と変位状態と仮定した場合の各々について、前記第１、第２の半導体レーザの最小発振波長および最大発振波長と前記第１、第２の個数算出手段の算出結果から前記測定対象との距離の候補値と前記測定対象の速度の候補値を算出し、前記状態判定手段は、前記第１の個数算出手段の算出結果の時間変化に対して前記第２の個数算出手段の算出結果の時間変化が逆方向の場合、前記測定対象が微小変位状態にあると判定し、前記第１の個数算出手段の算出結果の時間変化に対して前記第２の個数算出手段の算出結果の時間変化が同方向の場合、前記測定対象が変位状態にあると判定し、前記物理量確定手段は、前記測定対象が微小変位状態と判定された場合、前記測定対象が微小変位状態と仮定して算出された前記距離および速度の候補値を前記測定対象の物理量として確定し、前記測定対象が変位状態と判定された場合、前記測定対象が変位状態と仮定して算出された前記距離および速度の候補値を前記測定対象の物理量として確定す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（第１、第２の実施の形態）は、さらに、前記第１、第２の信号抽出手段の計測結果を記憶する記憶手段と、前記第１の信号抽出手段によって計測された補正対象の干渉波形の周期の直前に計測され前記記憶手段に記憶された所定数の干渉波形の周期の移動平均値と、前記第１の信号抽出手段によって計測された補正対象の干渉波形の周期の直後に計測され前記記憶手段に記憶された所定数の干渉波形の周期の移動平均値とを前記第１の信号抽出手段の計測結果について算出する第１の移動平均値算出手段と、前記第２の信号抽出手段によって計測された補正対象の干渉波形の周期の直前に計測され前記記憶手段に記憶された所定数の干渉波形の周期の移動平均値と、前記第２の信号抽出手段によって計測された補正対象の干渉波形の周期の直後に計測され前記記憶手段に記憶された所定数の干渉波形の周期の移動平均値とを前記第２の信号抽出手段の計測結果について算出する第２の移動平均値算出手段と、前記第１の信号抽出手段によって計測された補正対象の干渉波形の周期と前記第１の移動平均値算出手段によって算出された２つの移動平均値から得られる１つの値とを比較することにより、前記第１の信号抽出手段によって計測された補正対象の干渉波形の周期を補正し、この補正の結果に従って前記記憶手段に記憶された周期を更新する第１の周期補正手段と、前記第２の信号抽出手段によって計測された補正対象の干渉波形の周期と前記第２の移動平均値算出手段によって算出された２つの移動平均値から得られる１つの値とを比較することにより、前記第２の信号抽出手段によって計測された補正対象の干渉波形の周期を補正し、この補正の結果に従って前記記憶手段に記憶された周期を更新する第２の周期補正手段とを備え、前記第１、第２の個数算出手段は、前記第１、第２の信号抽出手段の計測結果から単位時間当たりの干渉波形の数を算出する代わりに、前記第１、第２の周期補正手段によって補正された干渉波形の周期からそれぞれ単位時間当たりの干渉波形の数を算出することを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の物理量計測方法（第１の実施の形態）は、少なくとも発振波長が連続的に単調増加する発振期間が繰り返し存在するように第１の半導体レーザを動作させる第１の発振手順と、前記第１の半導体レーザと発振波長の増減が逆になるように第２の半導体レーザを動作させる第２の発振手順と、前記第１の半導体レーザから放射された第１のレーザ光とこのレーザ光の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第１の検出手順と、前記第２の半導体レーザから放射された第２のレーザ光とこのレーザ光の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第２の検出手順と、前記第１、第２の検出手順で得られた出力信号に含まれる干渉波形の周期をそれぞれ干渉波形が入力される度に計測する第１、第２の信号抽出手順と、この第１、第２の信号抽出手順の計測結果からそれぞれ単位時間当たりの干渉波形の数を算出する第１、第２の個数算出手順と、この第１、第２の個数算出手順の算出結果に正負の符号を付与する符号付与手順と、この符号付与手順によって符号が与えられた、前記第１、第２の個数算出手順の符号付き算出結果の平均値を算出することにより、前記半導体レーザと測定対象との平均距離に比例した干渉波形の数である距離比例個数を求める距離比例個数算出手順と、前記符号付与手順によって符号が与えられた、前記第１の個数算出手順の最新の符号付き算出結果と、この算出結果よりも過去の、前記第１、第２の個数算出手順の符号付き算出結果の平均値との差の絶対値を算出するか、前記符号付与手順によって符号が与えられた、前記第２の個数算出手順の最新の符号付き算出結果と、この算出結果よりも過去の、前記第１、第２の個数算出手順の符号付き算出結果の平均値との差の絶対値を算出するか、あるいは２つの前記絶対値の平均値を算出することにより、前記測定対象の変位に比例した干渉波形の数である変位比例個数を求める変位比例個数算出手順と、前記符号付与手順によって符号が与えられた、前記第１、第２の個数算出手順の符号付き算出結果と前記変位比例個数算出手順で算出した変位比例個数に基づいて前記測定対象の物理量を算出する物理量算出手順とを備え、前記符号付与手順は、前記第１、第２の個数算出手順の最新の算出結果のうち大きい方の算出結果と、この算出結果よりも過去の、前記第１、第２の個数算出手順の符号付き算出結果を用いて算出された前記距離比例個数の２倍数との大小関係、前記第１、第２の個数算出手順の算出結果の増減方向の一致不一致、あるいは前記第１、第２の個数算出手順の算出結果の平均値の変化に応じて、前記第１、第２の個数算出手順の算出結果に正負の符号を付与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（第２の実施の形態）は、少なくとも発振波長が連続的に単調増加する発振期間が繰り返し存在するように第１の半導体レーザを動作させる第１の発振手順と、前記第１の半導体レーザと発振波長の増減が逆になるように第２の半導体レーザを動作させる第２の発振手順と、前記第１の半導体レーザから放射された第１のレーザ光とこのレーザ光の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第１の検出手順と、前記第２の半導体レーザから放射された第２のレーザ光とこのレーザ光の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第２の検出手順と、前記第１、第２の検出手順で得られた出力信号に含まれる干渉波形の周期をそれぞれ干渉波形が入力される度に計測する第１、第２の信号抽出手順と、この第１、第２の信号抽出手順の計測結果からそれぞれ単位時間当たりの干渉波形の数を算出する第１、第２の個数算出手順と、この第１、第２の個数算出手順の算出結果に基づいて、前記測定対象が微小変位状態にあると仮定した場合と変位状態にあると仮定した場合の各々について前記測定対象の物理量の候補値を算出する物理量候補値算出手順と、前記第１の個数算出手順の算出結果の時間変化に対して前記第２の個数算出手順の算出結果の時間変化が逆方向の場合、前記測定対象が微小変位状態であると判定し、前記第１の個数算出手順の算出結果の時間変化に対して前記第２の個数算出手順の算出結果の時間変化が同方向の場合、前記測定対象が変位状態であると判定する状態判定手順と、前記状態判定手順の判定結果に基づいて前記候補値の選定を行い、前記測定対象の物理量を確定する物理量確定手順とを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、発振波長の増減が逆になる第１、第２の半導体レーザからそれぞれレーザ光を測定対象に同時に放射させ、第１、第２の検出手段の出力信号に含まれる干渉波形の周期を計測し、２つの計測結果からそれぞれ単位時間当たりの干渉波形の数を算出し、２つの算出結果のうち大きい方の算出結果とこの算出結果よりも過去の算出結果を用いて算出された、半導体レーザと測定対象との平均距離に比例した干渉波形の数である距離比例個数の２倍数との大小関係、２つの算出結果の増減方向の一致不一致、あるいは２つの算出結果の平均値の変化に応じて、２つの算出結果に正負の符号を付与し、符号が与えられた最新の符号付き算出結果と過去の符号付き算出結果の平均値との差の絶対値を算出することにより変位比例個数を求め、符号付き算出結果と変位比例個数に基づいて測定対象の物理量を算出することにより、測定対象の物理量を従来よりも高い分解能で計測することができる。また、従来の物理量センサでは、半導体レーザの発振波長変調の搬送波の半周期分の計測時間がかかるのに対して、本発明では、１つ１つの干渉波形の周期を単位時間当たりの干渉波形の数に変換して、この干渉波形の数から測定対象の物理量を求めることができるので、計測に要する時間を大幅に短縮することができ、速度の変化が速い物体にも対応することができる。
【００１６】
また、本発明では、発振波長の増減が逆になる第１、第２の半導体レーザからそれぞれレーザ光を測定対象に同時に放射させ、第１、第２の検出手段の出力信号に含まれる干渉波形の周期を計測し、２つの計測結果からそれぞれ単位時間当たりの干渉波形の数を算出し、２つの算出結果に基づいて測定対象の物理量の候補値を算出し、２つの算出結果の増減方向の一致不一致に基づいて測定対象の状態を判定し、この判定結果に基づいて候補値の選定を行い、測定対象の物理量を確定することにより、測定対象の物理量を従来よりも高い分解能で計測することができる。また、本発明では、従来の物理量センサに比べて計測に要する時間を大幅に短縮することができ、速度の変化が速い物体にも対応することができる。
【００１７】
また、本発明では、第１、第２の信号抽出手段によって計測された干渉波形の周期を補正することにより、測定対象の物理量の計測精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【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電流−電圧変換増幅部の出力電圧波形およびフィルタ部の出力電圧波形を模式的に示す波形図である。
【図３】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４】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５】本発明の第１の実施の形態における信号抽出部の動作を説明するための図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態における演算部の構成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１の実施の形態における周期補正部の動作を説明するための図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態におけるモードホップパルスの周期の補正原理を説明するための図である。
【図１０】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】物体が等速運動している場合の物体との距離の変化を示す図である。
【図１２】物体が等速運動している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１３】物体の速度が変化している場合の物体との距離の変化および物体の速度の変化を示す図である。
【図１４】物体の速度が変化している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１５】本発明の第１の実施の形態における個数算出部の算出結果の時間変化の例を示す図である。
【図１６】本発明の第２の実施の形態における演算部の構成を示すブロック図である。
【図１７】本発明の第２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１８】本発明の第３の実施の形態における演算部の構成を示すブロック図である。
【図１９】本発明の第３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２０】本発明の第４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２１】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２２】本発明の第１〜第５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他の例を示す図である。
【図２３】本発明の第１〜第５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他の例を示す図である。
【図２４】従来の物理量センサの構成を示すブロック図である。
【図２５】図２４の物理量センサにおける半導体レーザの発振波長の時間変化の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［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、測定対象の物体１０にレーザ光を放射する第１、第２の半導体レーザ１−１，１−２と、半導体レーザ１−１，１−２の光出力をそれぞれ電気信号に変換するフォトダイオード２−１，２−２と、半導体レーザ１−１，１−２からの光をそれぞれ集光して物体１０に照射すると共に、物体１０からの戻り光を集光して半導体レーザ１−１，１−２に入射させるレンズ３−１，３−２と、半導体レーザ１−１，１−２を駆動する第１、第２の発振波長変調手段となるレーザドライバ４−１，４−２と、フォトダイオード２−１，２−２の出力電流をそれぞれ電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅部５−１，５−２と、電流−電圧変換増幅部５−１，５−２の出力電圧からそれぞれ搬送波を除去するフィルタ部６−１，６−２と、フィルタ部６−１，６−２の出力電圧に含まれる自己結合信号であるＭＨＰの周期を計測する信号抽出部７−１，７−２と、物体１０との距離および物体１０の速度を算出する演算部８と、演算部８の算出結果を表示する表示部９とを有する。
【００２０】
フォトダイオード２−１と電流−電圧変換増幅部５−１とは第１の検出手段を構成し、フォトダイオード２−２と電流−電圧変換増幅部５−２とは第２の検出手段を構成している。以下、説明容易にするために、半導体レーザ１には、モードホッピング現象を持たない型（ＶＣＳＥＬ型、ＤＦＢレーザ型）のものが用いられているものと想定する。
【００２１】
レーザドライバ４−１，４−２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１−１，１−２に供給する。これにより、半導体レーザ１−１，１−２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。
【００２２】
このとき、レーザドライバ４−１，４−２は、半導体レーザ１−１と１−２とで発振波長の増減が逆になるように駆動電流を供給する。すなわち、半導体レーザ１−１と１−２は、発振波長の変化率の絶対値が同一で変化率の極性が逆になっている。したがって、半導体レーザ１−１の発振波長が最大値になったときに、半導体レーザ１−２の発振波長は最小値となり、半導体レーザ１−１の発振波長が最小値になったときに、半導体レーザ１−２の発振波長は最大値となる。半導体レーザ１−１の発振波形をＬＤ１、半導体レーザ１−２の発振波形をＬＤ２とすると、半導体レーザ１−１，１−２の発振波長の時間変化は、図２５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。
【００２３】
半導体レーザ１−１，１−２から出射したレーザ光は、レンズ３−１，３−２によって集光され、物体１０に入射する。このとき、半導体レーザ１−１，１−２のレーザ光は互いに平行に出射して物体１０に入射する。物体１０で反射された半導体レーザ１−１，１−２の光は、それぞれレンズ３−１，３−２によって集光され、半導体レーザ１−１，１−２に入射する。なお、レンズ３−１，３−２による集光は必須ではない。フォトダイオード２−１，２−２は、それぞれ半導体レーザ１−１，１−２の内部又はその近傍に配置され、半導体レーザ１−１，１−２の光出力を電流に変換する。電流−電圧変換増幅部５−１，５−２は、それぞれフォトダイオード２−１，２−２の出力電流を電圧に変換して増幅する。
【００２４】
フィルタ部６−１，６−２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）、図２（Ｂ）はそれぞれ電流−電圧変換増幅部５−１，５−２の出力電圧波形を模式的に示す図、図２（Ｃ）、図２（Ｄ）はそれぞれフィルタ部６−１，６−２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２−１，２−２の出力に相当する図２（Ａ）、図２（Ｂ）の波形（変調波）から、図２５に示したような半導体レーザ１−１，１−２の発振波形（搬送波）を除去して、図２（Ｃ）、図２（Ｄ）のＭＨＰ波形（重畳波）を抽出する過程を表している。
【００２５】
信号抽出部７−１，７−２は、それぞれフィルタ部６−１，６−２の出力電圧に含まれるＭＨＰの周期をＭＨＰが発生する度に計測する。ここで、自己結合信号であるＭＨＰについて説明する。図３に示すように、ミラー層１０１３から物体１０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１０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１０からの散乱光が極めて微弱であっても、半導体レーザ１の共振器内の見かけの反射率が増加することにより、増幅作用が生じ、十分観測できる。なお、図３において、１０１９はミラーとなる誘電体多層膜である。
【００２６】
図４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４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。物体１０が静止している場合、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。なお、物体１０が運動している場合は、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、ＭＨＰの数は測定距離に比例する個数と変位に比例する個数とが線形結合した数になる。
【００２７】
図５（Ａ）〜図５（Ｄ）は信号抽出部７−１の動作を説明するための図であり、図５（Ａ）はフィルタ部６−１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５（Ｂ）はＭＨＰを２値化した波形を示す図、図５（Ｃ）は信号抽出部７−１に入力されるサンプリングクロックを示す図、図５（Ｄ）は図５（Ｂ）に対応する信号抽出部７−１の測定結果を示す図である。
【００２８】
まず、信号抽出部７−１は、図５（Ａ）に示すフィルタ部６−１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、フィルタ部６−１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、フィルタ部６−１の出力を２値化する。そして、信号抽出部７−１は、２値化したＭＨＰ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、信号抽出部７−１は、図５（Ｃ）に示すサンプリングクロックの周期を１単位としてＭＨＰの周期を測定する。図５（Ｄ）の例では、信号抽出部７−１は、ＭＨＰの周期としてＴα，Ｔβ，Ｔγを順次測定している。図５（Ｃ）、図５（Ｄ）から明らかなように、周期Ｔα，Ｔβ，Ｔγの大きさは、それぞれ５［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］、４［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］、２［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］である。サンプリングクロックの周波数は、ＭＨＰの取り得る最高周波数に対して十分に高いものとする。
【００２９】
信号抽出部７−２の動作は、信号抽出部７−１と同様である。すなわち、信号抽出部７−２は、信号抽出部７−１と同じサンプリングクロックを用いて、フィルタ部６−２の出力電圧に含まれるＭＨＰの周期を計測する。信号抽出部７−１がフィルタ部６−１の出力電圧に含まれるＭＨＰの周期ＴＸを計測すると同時に、信号抽出部７−２がフィルタ部６−２の出力電圧に含まれるＭＨＰの周期ＴＹを計測するといったように、ＭＨＰの周期ＴＸとＴＹは同時に求められる。
【００３０】
次に、演算部８は、半導体レーザ１−１，１−２の最小発振波長λａと最大発振波長λｂとＭＨＰの周期ＴＸ，ＴＹに基づいて、物体１０との距離および物体１０の速度を算出する。図６は演算部８の構成を示すブロック図、図７はこの演算部８の動作を示すフローチャートである。
【００３１】
演算部８は、信号抽出部７−１，７−２の計測結果等を記憶する記憶部８０と、補正対象のＭＨＰの周期の直前に計測され記憶部８０に記憶された所定数のＭＨＰの周期の移動平均値と補正対象のＭＨＰの周期の直後に計測され記憶部８０に記憶された所定数のＭＨＰの周期の移動平均値とを信号抽出部７−１，７−２の計測結果について算出する移動平均値算出部８１−１，８１−２と、移動平均値算出部８１−１，８１−２が算出した移動平均値と信号抽出部７−１，７−２によって計測され記憶部８０に記憶された補正対象のＭＨＰの周期とを比較することにより補正対象のＭＨＰの周期を補正する周期補正部８２−１，８２−２と、周期補正部８２−１，８２−２によって補正されたＭＨＰの周期から単位時間当たりのＭＨＰの数を算出する個数算出部８３−１，８３−２と、個数算出部８３−１，８３−２の算出結果の増減方向の一致不一致に応じて個数算出部８３−１，８３−２の算出結果に正負の符号を付与する符号付与部８４と、符号付与部８４によって符号が与えられた最新の符号付き算出結果と過去の符号付き算出結果の平均値との差の絶対値を算出することにより、物体１０の変位に比例したＭＨＰの数（以下、変位比例個数とする）を求める変位比例個数算出部８５と、物体１０との距離および物体１０の速度を算出する物理量算出部８６とから構成される。
【００３２】
記憶部８０は、信号抽出部７−１，７−２の計測結果を記憶する。移動平均値算出部８１−１は、信号抽出部７−１によって計測された補正対象のＭＨＰの周期の直前に計測され記憶部８０に記憶された所定数のＭＨＰの周期の移動平均値ＴＡＸと、信号抽出部７−１によって計測された補正対象のＭＨＰの周期の直後に計測され記憶部８０に記憶された所定数のＭＨＰの周期の移動平均値ＴＢＸとを信号抽出部７−１の計測結果について算出する（図７ステップＳ１０）。
【００３３】
移動平均値算出部８１−１の処理と並行して移動平均値算出部８１−２は、信号抽出部７−２によって計測された補正対象のＭＨＰの周期の直前に計測され記憶部８０に記憶された所定数のＭＨＰの周期の移動平均値ＴＡＹと、信号抽出部７−２によって計測された補正対象のＭＨＰの周期の直後に計測され記憶部８０に記憶された所定数のＭＨＰの周期の移動平均値ＴＢＹとを信号抽出部７−２の計測結果について算出する（図７ステップＳ１０）。
【００３４】
移動平均値算出部８１−１，８１−２は、それぞれ信号抽出部７−１，７−２から新たな計測結果が出力され記憶部８０に格納される度に、移動平均値算出済みの現在の補正対象の周期よりも１回新しい計測結果を新たな補正対象の周期として、移動平均値ＴＡＸ，ＴＢＸ，ＴＡＹ，ＴＢＹの算出処理を行う。移動平均値算出部８１−１，８１−２の算出結果は、記憶部８０に格納される。
【００３５】
次に、周期補正部８２−１は、移動平均値算出部８１−１が算出した移動平均値ＴＡＸ，ＴＢＸと信号抽出部７−１によって計測され記憶部８０に記憶された補正対象のＭＨＰの周期とを比較することにより、補正対象のＭＨＰの周期を補正する（図７ステップＳ１１）。周期補正部８２−１は、この補正を信号抽出部７−１から新たな計測結果が出力され記憶部８０に格納される度に行う。図８（Ａ）〜図８（Ｄ）は周期補正部８２−１の動作を説明するための図である。
【００３６】
周期補正部８２−１は、移動平均値算出部８１−１が算出した２つの移動平均値ＴＡＸ，ＴＢＸのうち小さい方をＴ１、大きい方をＴ２とし、Ｔｘ＝Ｔ１＋α・（Ｔ２−Ｔ１）としたとき（０≦α≦１）、図８（Ａ）に示すように補正対象のＭＨＰの周期Ｔがｋ・Ｔｘ未満の場合は（ｋは１未満の正の値）、図８（Ｂ）に示すように補正対象のＭＨＰの周期Ｔと次に計測されたＭＨＰの周期Ｔｎｅｘｔとを合わせた周期を補正後のＭＨＰの周期Ｔ’とし、周期を合わせた波形を１つの波形とする。
【００３７】
また、周期補正部８２−１は、補正対象のＭＨＰの周期Ｔが（ｍ−０．５）・Ｔｘ以上で（ｍ＋０．５）・Ｔｘ未満の場合は（ｍは２以上の自然数）、補正対象のＭＨＰの周期Ｔをｍ等分した周期をそれぞれ補正後の周期とし、補正後の周期の波形がｍ個あるものとする。図８（Ｃ）の例は、ｍ＝２で補正対象のＭＨＰの周期Ｔが１．５Ｔｘ以上２．５Ｔｘ未満の場合であり、この場合、図８（Ｄ）に示すように補正対象のＭＨＰの周期ＴがＴｄｉｖ１，Ｔｄｉｖ２に２等分される。
【００３８】
周期補正部８２−１は、記憶部８０に記憶されている信号抽出部７−１の計測結果を、補正結果に従って更新する。したがって、図８（Ａ）、図８（Ｂ）に示した例の場合には、信号抽出部７−１の２つの計測結果が１つに合成されることになり、図８（Ｃ）、図８（Ｄ）に示した例の場合には、信号抽出部７−１の１つの計測結果が２つに分割されることになる。また、補正対象のＭＨＰの周期よりも前に計測されたＭＨＰの周期は、周期補正部８２−１によって既に補正されていることになる。つまり、移動平均値算出部８１−１が算出する移動平均値ＴＡＸは、補正済みの計測結果から算出されることになる。
【００３９】
周期補正部８２−１の処理と並行して周期補正部８２−２は、移動平均値算出部８１−２が算出した移動平均値ＴＡＹ，ＴＢＹと信号抽出部７−２によって計測され記憶部８０に記憶された補正対象のＭＨＰの周期とを比較することにより、補正対象のＭＨＰの周期を補正する（図７ステップＳ１１）。周期補正部８２−１との違いは、移動平均値ＴＡＸ，ＴＢＸの代わりに移動平均値ＴＡＹ，ＴＢＹを用いる点と、信号抽出部７−２によって計測されたＭＨＰの周期を補正する点である。これにより、周期補正部８２−２は、記憶部８０に記憶されている信号抽出部７−２の計測結果を、補正結果に従って更新する。
周期補正部８２−１，８２−２は、以上のような補正処理を信号抽出部７−１，７−２から新たな計測結果が出力され記憶部８０に格納される度に行う。
【００４０】
図９はＭＨＰの周期の補正原理を説明するための図であり、フィルタ部６−１，６−２の出力電圧の波形、すなわちＭＨＰの波形を模式的に示す図である。ただし、説明を簡単にするため、ここでの原理は物体１０が静止している場合もしくは物体１０の振動の中心が変化しない場合を説明しており、補正対象のＭＨＰの周期の比較対象として移動平均値Ｔ１，Ｔ２の代わりに、基準周期Ｔ０を用いている。基準周期Ｔ０は、物体１０が静止していたときのＭＨＰの周期、算出された距離におけるＭＨＰの周期、もしくは周期補正部８２−１，８２−２による周期補正の直前に計測された一定数のＭＨＰの周期の移動平均値のいずれかである。物体１０が動く場合の周期補正の原理については後述する。
【００４１】
ＭＨＰの周期は物体１０との距離によって異なるが、物体１０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の周期に誤差が生じる。
信号の欠落が生じると、欠落が生じた箇所でのＭＨＰの周期Ｔｗは、本来の周期のおよそ２倍になる。つまり、ＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０のおよそ２倍以上の場合には、信号に欠落が生じていると判断できる。そこで、周期Ｔｗを２等分することで、信号の欠落を補正することができる。
【００４２】
また、ノイズをカウントした箇所でのＭＨＰの周期Ｔｓは、少なくとも１つの周期は本来の周期のおよそ０．５倍以下になる。つまり、ＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０のおよそ０．５倍未満の場合には、信号を過剰に数えていると判断できる。そこで、周期Ｔｓと次に計測される周期Ｔｎｅｘｔとを加算することで、誤って数えたノイズを補正することができる。
【００４３】
以上が、ＭＨＰの周期補正の基本原理である。信号に欠落が生じたと見なす周期Ｔｗを決めるためのしきい値を基準周期Ｔ０の２倍の値とせずに、１．５倍（本実施の形態で実際に用いるのは（ｍ−０．５）倍であり、ｍ＝２の場合に１．５倍となる）とする理由は、特開２００９−４７６７６号公報に開示されている。特開２００９−４７６７６号公報に記載された原理はＭＨＰの計測結果を補正する原理であるが、ＭＨＰの周期Ｔと計数結果Ｎとは、三角波の半周期あたりのサンプリングクロック数をＭとすると、Ｔ＝Ｍ／Ｎの関係にあり、Ｍは一定値であるから、信号に欠落が生じたと見なす周期Ｔｗを決めるためのしきい値は、計数結果Ｎを補正する場合と同様に、基準周期Ｔ０の１．５倍とすればよいことが分かる。
【００４４】
次に、物体１０が動く場合の周期の補正原理について説明する。ＭＨＰの時間当たりの数は、物体１０との距離に比例した個数と物体１０の速度に比例する個数との和で表すことができる。物体１０がある状態でＭＨＰの周期がＴの場合、個々のＭＨＰの周期の確率分布はノイズなどによってばらつきが生じ、Ｔを中心とした概ね正規分布になる。よって、物体１０が静止している場合、個々のＭＨＰの周期の確率分布も基準周期Ｔ０を中心とした正規分布になり、静止している期間のＭＨＰの周期の度数分布は、図１０に示したように基準周期Ｔ０を中心とした正規分布になる。
【００４５】
ここで、図１１に示すように物体１０が等速運動している場合を考える。自己結合型のレーザセンサでは、物体１０の速度に比例するＭＨＰの数と比較すると、物体１０との距離に比例するＭＨＰの数の変化は非常に小さい。このため、個々のＭＨＰの周期の確率分布は、図１１のＡ点でもＢ点でも、物体１０との平均距離に相当するＴ０から速度の大きさの分だけ周期が変化した値Ｔを中心とした正規分布になるため、Ａ点からＢ点の期間のＭＨＰの周期の度数分布も、Ｔを中心とした正規分布になる（図１２）。
【００４６】
次に、図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）に示すように物体１０の速度が変化している場合を考える。ここでは、簡略化するために、折れ線運動を考える。すなわち、物体１０との距離Ｌを期間Ａにおける距離ＬＡと期間Ｂにおける距離ＬＢに簡略化し、同様に物体１０の速度Ｖを期間Ａにおける速度ＶＡと期間Ｂにおける速度ＶＢに簡略化する。このように物体１０の運動を簡略化すると、ＭＨＰの周期の度数分布は図１４のようになる。図１４においてＴＡは期間Ａにおける物体１０の平均速度と平均距離に対応するＭＨＰの周期、ＴＢは期間Ｂにおける物体１０の平均速度と平均距離に対応するＭＨＰの周期である。ただし、距離比例分ＬＡとＬＢは同一とみなしても良い。
【００４７】
物体１０の速度変化がなだらかに変化しているとしたら、図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）の時刻ｔでの物体１０の速度は速度ＶＡとＶＢとの間にあるので、ＭＨＰの周期も周期ＴＡとＴＢとの間にある。このときのＭＨＰの周期をＴＺとすると、信号に欠落が生じて２つのＭＨＰが１つになった場合のＭＨＰの周期の確率分布は、２ＴＺを中心とした正規分布になると考えられる。また、周期ＴＺのＭＨＰがノイズで２分割された場合のＭＨＰの２つの確率分布は、０．５ＴＺを軸にした対称の形になる。したがって、ＴＡからＴＢの間の値と考えられるＴＺの周期補正を考える場合、基準周期Ｔ０の代わりに、ＴＡとＴＢの移動平均値を基準として周期補正を行うことが妥当である。以上が、物体１０が動く場合のＭＨＰの周期補正の原理である。
【００４８】
次に、個数算出部８３−１，８３−２は、それぞれ周期補正部８２−１，８２−２によって補正されたＭＨＰの周期から単位時間当たりのＭＨＰの数を算出する（図７ステップＳ１２）。周期補正部８２−１によって補正されたＭＨＰの周期をＴＸ’とすると、個数算出部８３−１が算出する単位時間当たりのＭＨＰの数Ｘは次式のようになる。
Ｘ＝１／ＴＸ’                                                  ・・・（２）
【００４９】
同様に、周期補正部８２−２によって補正されたＭＨＰの周期をＴＹ’とすると、個数算出部８３−２が算出する単位時間当たりのＭＨＰの数Ｙは次式のようになる。
Ｙ＝１／ＴＹ’                                                  ・・・（３）
個数算出部８３−１，８３−２は、以上のような算出処理を周期補正部８２−１，８２−２によってＭＨＰの周期が補正される度に行う。個数算出部８３−１，８３−２の算出結果は、記憶部８０に格納される。なお、図８（Ｃ）、図８（Ｄ）のような例の場合、ＭＨＰの周期をｍ等分する補正が行われるが、この場合はｍ等分された周期のうちの１個の周期について式（２）または式（３）から単位時間当たりのＭＨＰの数を算出すればよい。
【００５０】
次に、符号付与部８４は、個数算出部８３−１，８３−２の算出結果Ｘ，Ｙの増減方向の一致不一致を判定し（図７ステップＳ１３）、この判定の結果に応じて個数算出部８３−１，８３−２の算出結果Ｘ，Ｙに正負の符号を付与する（図７ステップＳ１４，Ｓ１５）。
【００５１】
図１５は符号付与部８４の動作を説明するための図であり、個数算出部８３−１，８３−２の算出結果Ｘ，Ｙの時間変化を示す図である。半導体レーザ１−１，１−２と物体１０との距離の変化率が半導体レーザ１−１，１−２の発振波長変化率よりも小さい場合、個数算出部８３−１の算出結果Ｘの時間変化と個数算出部８３−２の算出結果Ｙの時間変化は、互いの位相差が１８０度の正弦波形となる。特許文献１では、このときの物体１０の状態を微小変位状態としている。
【００５２】
一方、半導体レーザ１−１，１−２と物体１０との距離の変化率が半導体レーザ１−１，１−２の発振波長変化率よりも大きい場合、個数算出部８３−１の算出結果Ｘの時間変化は、図１５の１５０で示す負側の波形が正側に折り返された形になり、同様に個数算出部８３−２の算出結果Ｙの時間変化は、図１５の１５１で示す負側の波形が正側に折り返された形になる。特許文献１では、この算出結果Ｘ，Ｙの折り返しが生じている部分における物体１０の状態を変位状態としている。算出結果Ｘ，Ｙの折り返しが生じていない部分における物体１０の状態は、上記の微小変位状態である。
【００５３】
運動している物体１０の物理量を求めるためには、物体１０が変位状態であるか微小変位状態であるかを判定し、物体１０が変位状態の場合には、正側に折り返されている計数結果Ｘ，Ｙが図１５の１５０，１５１で示した軌跡を描くように補正する必要がある。
そこで、符号付与部８４は、個数算出部８３−１の算出結果Ｘの時間変化に対して個数算出部８３−２の算出結果Ｙの時間変化が逆方向の場合（図７ステップＳ１３においてＮＯ）、算出結果Ｘ，Ｙに折り返しが生じていないことになるので、物体１０が微小変位状態であると判定し、個数算出部８３−１，８３−２の最新の算出結果Ｘ，Ｙにそれぞれ正の符号を付与した符号付き算出結果Ｘ’，Ｙ’を出力する（図７ステップＳ１４）。
【００５４】
また、符号付与部８４は、個数算出部８３−１の算出結果Ｘの時間変化に対して個数算出部８３−２の算出結果Ｙの時間変化が同方向の場合（図７ステップＳ１３においてＹＥＳ）、算出結果Ｘ，Ｙのどちらか一方に折り返しが生じていることになるので、物体１０が変位状態であると判定し、個数算出部８３−１，８３−２の最新の算出結果Ｘ，Ｙのうち大きい方の算出結果に正の符号を付与し、小さい方の算出結果に負の符号を付与した符号付き算出結果Ｘ’，Ｙ’を出力する（図７ステップＳ１５）。
【００５５】
個数算出部８３−１の算出結果Ｘの増減は、最新の算出結果Ｘ（ｔ）と１回前の算出結果Ｘ（ｔ−１）との差Ｘ（ｔ）−Ｘ（ｔ−１）の符号で判別することができ、個数算出部８３−２の算出結果Ｙの増減は、最新の算出結果Ｙ（ｔ）と１回前の算出結果Ｙ（ｔ−１）との差Ｙ（ｔ）−Ｙ（ｔ−１）の符号で判別することができる。このような増減の判別の結果、算出結果Ｘ，Ｙが共に増加している場合あるいは共に減少している場合は、算出結果Ｘの時間変化と算出結果Ｙの時間変化が同方向であり、物体１０が変位状態であると判定することができる。また、算出結果Ｘ，Ｙのどちらか一方が増加していて他方が減少している場合は、算出結果Ｘの時間変化と算出結果Ｙの時間変化が同方向でなく、物体１０が微小変位状態であると判定することができる。
【００５６】
符号付き算出結果Ｘ’，Ｙ’は、記憶部８０に格納される。符号付与部８４は、以上のような符号付与処理を、個数算出部８３−１，８３−２によってＭＨＰの数Ｘ，Ｙが算出される度に行う。
【００５７】
次に、変位比例個数算出部８５は、次式のように符号付与部８４によって符号が与えられた最新の符号付き算出結果Ｘ’（ｔ）とｊ（ｊは正の整数）回前から１回前までに算出された過去の符号付き算出結果Ｘ’，Ｙ’の平均値との差の絶対値を算出することにより、変位比例個数ＮＶを求める（図７ステップＳ１６）。
ＮＶ＝｜Ｘ’（ｔ）−｛Ｘ’（ｔ−ｊ）＋Ｙ’（ｔ−ｊ）＋・・・＋Ｘ’（ｔ−１）
＋Ｙ’（ｔ−１）｝／２ｊ｜                                ・・・（４）
【００５８】
また、変位比例個数算出部８５は、次式のように符号付与部８４によって符号が与えられた最新の符号付き算出結果Ｙ’（ｔ）と過去の符号付き算出結果Ｘ’，Ｙ’の平均値との差の絶対値を算出することにより、変位比例個数ＮＶを求めてもよい。
ＮＶ＝｜Ｙ’（ｔ）−｛Ｘ’（ｔ−ｊ）＋Ｙ’（ｔ−ｊ）＋・・・＋Ｘ’（ｔ−１）
＋Ｙ’（ｔ−１）｝／２ｊ｜                                ・・・（５）
【００５９】
また、変位比例個数算出部８５は、式（４）の算出結果と式（５）の算出結果の平均値を変位比例個数ＮＶとしてもよい。変位比例個数ＮＶは、記憶部８０に格納される。変位比例個数算出部８５は、以上のような変位比例個数ＮＶの算出処理を、個数算出部８３−１，８３−２によってＭＨＰの数Ｘ，Ｙが算出される度に行う。
【００６０】
次に、物理量算出部８６は、半導体レーザ１−１，１−２の最小発振波長λａと最大発振波長λｂと平均発振波長λと符号付与部８４が出力した符号付き算出結果Ｘ’，Ｙ’と変位比例個数算出部８５が算出した変位比例個数ＮＶに基づいて、半導体レーザ１−１，１−２と物体１０との距離Ｌおよび物体１０の速度Ｖを算出する（図７ステップＳ１７）。物理量算出部８６は、次式のように物体１０との距離Ｌを算出する。
Ｌ＝λａ×λｂ×（Ｘ’＋Ｙ’）／（４×（λａ−λｂ））          ・・・（６）
また、物理量算出部８６は、次式のように物体１０の速度Ｖを算出する。
Ｖ＝ＮＶ×λ／２                                                ・・・（７）
【００６１】
なお、物理量算出部８６は、個数算出部８３−１，８３−２が算出したＭＨＰの数Ｘ，Ｙの大小を比較し、半導体レーザ１−１の発振波長が増加し半導体レーザ１−２の発振波長が減少する期間においてＹよりもＸが大きい場合は物体１０が物理量センサに近づきつつあると判定し、ＸよりもＹが大きい場合は物体１０が物理量センサから遠ざかりつつあると判定することができる。また、物理量算出部８６は、半導体レーザ１−１の発振波長が減少し半導体レーザ１−２の発振波長が増加する期間においてＸよりもＹが大きい場合は物体１０が物理量センサに近づきつつあると判定し、ＹよりもＸが大きい場合は物体１０が物理量センサから遠ざかりつつあると判定することができる。
【００６２】
物理量算出部８６は、以上のような算出処理を、個数算出部８３−１，８３−２によってＭＨＰの数Ｘ，Ｙが算出される度に行う。
表示部９は、物理量算出部８６が算出した物体１０との距離Ｌおよび物体１０の速度Ｖを表示する。
【００６３】
特許文献１に開示された物理量センサでは、距離と速度の分解能は半導体レーザの半波長λ／２程度である。これに対して、本実施の形態では、半波長λ／２未満の分解能を実現することができ、従来よりも高分解能の計測を実現することができる。以上のように、本実施の形態では、物体との距離や物体の速度等の物理量を従来よりも高い分解能で計測することができる。
【００６４】
また、特許文献１に開示された物理量センサでは、半導体レーザの発振波長変調の搬送波（三角波）の半周期分の計測時間がかかるのに対して、本実施の形態では、１つ１つのＭＨＰの周期を単位時間当たりのＭＨＰの数に変換して、このＭＨＰの数から物体との距離や物体の速度等の物理量を求めることができるので、計測に要する時間を大幅に短縮することができ、速度の変化が速い物体にも対応することができる。さらに、本実施の形態では、ＭＨＰの周期の誤差を補正することができるので、距離や速度の計測精度を向上させることができる。
【００６５】
［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１６は本発明の第２の実施の形態に係る物理量センサの演算部８の構成を示すブロック図、図１７はこの演算部８の動作を示すフローチャートである。本実施の形態においても、物理量センサ全体の構成は第１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。
【００６６】
図１６に示すように、本実施の形態の演算部８は、記憶部８０と、移動平均値算出部８１−１，８１−２と、周期補正部８２−１，８２−２と、個数算出部８３−１，８３−２と、半導体レーザ１−１，１−２の最小発振波長λａと最大発振波長λｂと個数算出部８３−１，８３−２の算出結果Ｘ，Ｙに基づいて物体１０との距離の候補値と物体１０の速度の候補値を算出する物理量候補値算出部８７と、個数算出部８３−１，８３−２の算出結果Ｘ，Ｙの増減方向の一致不一致に基づいて物体１０の状態を判定する状態判定部８８と、状態判定部８８の判定結果に基づいて候補値の選定を行い、物体１０との距離および物体１０の速度を確定する物理量確定部８９とから構成される。
【００６７】
記憶部８０、移動平均値算出部８１−１，８１−２、周期補正部８２−１，８２−２、個数算出部８３−１，８３−２の動作（図１７ステップＳ１０〜Ｓ１２）は、第１の実施の形態で説明したとおりである。
【００６８】
物理量候補値算出部８７は、個数算出部８３−１，８３−２の算出結果Ｘ，Ｙから、半導体レーザ１−１，１−２と物体１０との距離の第１の候補値Ｌ１と第２の候補値Ｌ２を次式のように算出して、記憶部８０に格納する（図１７ステップＳ１８）。
Ｌ１＝λａ×λｂ×（Ｘ＋Ｙ）／（４×（λａ−λｂ））            ・・・（８）
Ｌ２＝λａ×λｂ×（Ｘ−Ｙ）／（４×（λａ−λｂ））            ・・・（９）
【００６９】
また、物理量候補値算出部８７は、個数算出部８３−１，８３−２の算出結果Ｘ，Ｙから物体１０との速度の第１の候補値Ｖ１と第２の候補値Ｖ２とを次式のように算出して、記憶部８０に格納する（図１７ステップＳ１８）。
Ｖ１＝（Ｘ−Ｙ）×（λａ＋λｂ）／８                          ・・・（１０）
Ｖ２＝（Ｘ＋Ｙ）×（λａ＋λｂ）／８                          ・・・（１１）
【００７０】
式（８）〜式（１１）において、第１の候補値Ｌ１，Ｖ１は物体１０が微小変位状態にあると仮定して計算した値であり、第２の候補値Ｌ２，Ｖ２は物体１０が変位状態にあると仮定して計算した値である。
物理量候補値算出部８７は、以上のような算出処理を、個数算出部８３−１，８３−２によってＭＨＰの数Ｘ，Ｙが算出される度に行う。
【００７１】
次に、状態判定部８８は、個数算出部８３−１，８３−２の算出結果Ｘ，Ｙの増減方向の一致不一致に基づいて物体１０の状態を判定する（図１７ステップＳ１９）。この判定処理は、第１の実施の形態の符号付与部８４で行う判定処理と同じである。すなわち、状態判定部８８は、個数算出部８３−１の算出結果Ｘの時間変化に対して個数算出部８３−２の算出結果Ｙの時間変化が逆方向の場合、物体１０が微小変位状態であると判定し、個数算出部８３−１の算出結果Ｘの時間変化に対して個数算出部８３−２の算出結果Ｙの時間変化が同方向の場合、物体１０が変位状態であると判定する。
状態判定部８８は、以上のような判定処理を、個数算出部８３−１，８３−２によってＭＨＰの数Ｘ，Ｙが算出される度に行う。
【００７２】
物理量確定部８９は、状態判定部８８の判定結果に基づいて物体１０との距離および物体１０の速度を確定する（図１７ステップＳ２０，Ｓ２１）。物理量確定部８９は、物体１０が微小変位状態と判定された場合、記憶部８０に記憶されている距離の候補値Ｌ１を物体１０との距離として確定し、速度の候補値Ｖ１を物体１０の速度として確定する（図１７ステップＳ２０）。また、物理量確定部８９は、物体１０が変位状態と判定された場合、記憶部８０に記憶されている距離の候補値Ｌ２を物体１０との距離として確定し、速度の候補値Ｖ２を物体１０の速度として確定する（図１７ステップＳ２１）。
【００７３】
なお、物理量確定部８９は、個数算出部８３−１，８３−２が算出したＭＨＰの数Ｘ，Ｙの大小を比較し、半導体レーザ１−１の発振波長が増加し半導体レーザ１−２の発振波長が減少する期間においてＹよりもＸが大きい場合は物体１０が物理量センサに近づきつつあると判定し、ＸよりもＹが大きい場合は物体１０が物理量センサから遠ざかりつつあると判定することができる。また、物理量確定部８９は、半導体レーザ１−１の発振波長が減少し半導体レーザ１−２の発振波長が増加する期間においてＸよりもＹが大きい場合は物体１０が物理量センサに近づきつつあると判定し、ＹよりもＸが大きい場合は物体１０が物理量センサから遠ざかりつつあると判定することができる。
物理量確定部８９は、以上のような確定処理を、個数算出部８３−１，８３−２によってＭＨＰの数Ｘ，Ｙが算出される度に行う。
【００７４】
表示部９は、物理量確定部８９が確定した物体１０との距離および物体１０の速度を表示する。物理量センサの他の構成は、第１の実施の形態で説明したとおりである。
以上のようにして、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７５】
［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。図１８は本発明の第３の実施の形態に係る物理量センサの演算部８の構成を示すブロック図、図１９はこの演算部８の動作を示すフローチャートである。本実施の形態においても、物理量センサ全体の構成は第１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。
【００７６】
本実施の形態の演算部８は、記憶部８０と、移動平均値算出部８１−１，８１−２と、周期補正部８２−１，８２−２と、個数算出部８３−１，８３−２と、個数算出部８３−１，８３−２の算出結果のうち大きい方の算出結果とこの算出結果よりも過去の算出結果を用いて算出された距離比例個数の２倍数との大小関係に応じて、個数算出部８３−１，８３−２の算出結果に正負の符号を付与する符号付与部８４ａと、変位比例個数算出部８５と、物理量算出部８６と、半導体レーザ１−１，１−２と物体１０との平均距離に比例したＭＨＰの数である距離比例個数を求める距離比例個数算出部９０とから構成される。
【００７７】
移動平均値算出部８１−１，８１−２と周期補正部８２−１，８２−２と個数算出部８３−１，８３−２の動作は、第１の実施の形態と同じである（図１９ステップＳ１０，Ｓ１１，Ｓ１２）。
符号付与部８４ａは、個数算出部８３−１，８３−２の最新の算出結果Ｘ，Ｙのうち大きい方の算出結果とこの算出結果よりも過去の算出結果を用いて算出された距離比例個数ＮＬの２倍数２ＮＬとの大小関係を判定し（図１９ステップＳ２２）、この大小関係に応じて個数算出部８３−１，８３−２の最新の算出結果Ｘ，Ｙに正負の符号を付与する（図１９ステップＳ２３，Ｓ２４）。
【００７８】
個数算出部８３−１，８３−２の最新の算出結果Ｘ，Ｙのうち大きい方の算出結果をＺとすると、算出結果Ｘ，Ｙの折り返しが生じている変位状態では、Ｚ≧２ＮＬが成立する。符号付与部８４ａは、Ｚ≧２ＮＬが成立する場合（図１９ステップＳ２２においてＹＥＳ）、個数算出部８３−１，８３−２の最新の算出結果Ｘ，Ｙのうち大きい方の算出結果に正の符号を付与し、小さい方の算出結果に負の符号を付与した符号付き算出結果Ｘ’，Ｙ’を出力する（図１９ステップＳ２４）。
【００７９】
一方、算出結果Ｘ，Ｙの折り返しが生じていない微小変位状態では、Ｚ＜２ＮＬが成立する。符号付与部８４ａは、Ｚ＜２ＮＬが成立する場合（図１９ステップＳ２２においてＮＯ）、個数算出部８３−１，８３−２の最新の算出結果Ｘ，Ｙにそれぞれ正の符号を付与した符号付き算出結果Ｘ’，Ｙ’を出力する（図１９ステップＳ２３）。
【００８０】
符号付き算出結果Ｘ’，Ｙ’は、記憶部８０に格納される。符号付与部８４ａは、以上のような符号付与処理を、個数算出部８３−１，８３−２によってＭＨＰの数Ｘ，Ｙが算出される度に行う。
なお、ステップＳ２２において判定ＹＥＳとなる条件をＺ＞２ＮＬにして、ステップＳ２２において判定ＮＯとなる条件をＺ≦２ＮＬにしてもよい。
【００８１】
次に、距離比例個数算出部９０は、符号付与部８４ａによって符号が与えられた符号付き算出結果から距離比例個数ＮＬを求める（図１９ステップＳ２５）。距離比例個数ＮＬは、算出結果Ｘ’，Ｙ’の平均値に相当する。距離比例個数算出部９０は、次式に示すように符号付き算出結果Ｘ’，Ｙ’を用いて、距離比例個数ＮＬを算出する。
ＮＬ＝（Ｘ’＋Ｙ’）／２                                      ・・・（１２）
【００８２】
なお、物理量の計測開始初期時においては、符号付与部８４ａが大小関係を判定するのに必要な距離比例個数ＮＬが得られていない。このため、符号付与部８４ａは、算出結果Ｘ，Ｙのうち大きい方の算出結果とこの算出結果よりも過去の算出結果を用いて算出された距離比例個数ＮＬの２倍数２ＮＬとの大小関係を判定することはできず、符号付き算出結果を出力することはできない。したがって、計測開始初期時においては、距離比例個数算出部９０は、式（１２）の代わりに個数算出部８３−１，８３−２の算出結果Ｘ，Ｙを用いる次式により距離比例個数ＮＬを算出する。
ＮＬ＝（Ｘ＋Ｙ）／２                                          ・・・（１３）
【００８３】
つまり、距離比例個数算出部９０は、計測開始初期時に式（１３）を用いて距離比例個数ＮＬを算出し、符号付与部８４ａによって距離比例個数ＮＬの算出に必要な符号付き算出結果が算出されるようになった後は式（１２）を用いて距離比例個数ＮＬを算出することになる。
【００８４】
距離比例個数算出部９０が算出した距離比例個数ＮＬは、記憶部８０に格納される。距離比例個数算出部９０は、以上のような距離比例個数ＮＬの算出処理を、個数算出部８３−１，８３−２によってＭＨＰの数Ｘ，Ｙが算出される度に行う。なお、本実施の形態では、１回分の算出結果を用いて距離比例個数ＮＬを算出しているが、２ｍ（ｍは正の整数）回の算出結果を用いて距離比例個数ＮＬを算出するようにしてもよい。
【００８５】
変位比例個数算出部８５と物理量算出部８６の動作は、第１の実施の形態と同じである（図１９ステップＳ１６，Ｓ１７）。
こうして、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００８６】
［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１５で説明したような算出結果の折り返しが生じると、算出結果Ｘ，Ｙの平均値に変化が生じる。そこで、符号付与部８４は、算出結果Ｘ，Ｙの平均値の変化に応じて個数算出部８３−１，８３−２の最新の算出結果に正負の符号を付与するようにしてもよい。本実施の形態においても、物理量センサの構成は第１の実施の形態と同様であるので、図１、図６の符号を用いて説明する。
【００８７】
図２０は本実施の形態の演算部８の動作を示すフローチャートである。移動平均値算出部８１−１，８１−２と周期補正部８２−１，８２−２と個数算出部８３−１，８３−２の動作は、第１の実施の形態と同じである（図２０ステップＳ１０，Ｓ１１，Ｓ１２）。
【００８８】
本実施の形態の符号付与部８４は、現時刻ｔ以前に求めた算出結果Ｘの最新の平均値がこの値よりも前に求めた算出結果Ｘの平均値に対して所定のしきい値以内であり、かつ現時刻ｔ以前に求めた算出結果Ｙの最新の平均値がこの値よりも前に求めた算出結果Ｘの平均値に対して所定のしきい値以内である場合、算出結果Ｘ，Ｙのそれぞれの平均値に変化無しと判断して（図２０ステップＳ２６においてＮＯ）、個数算出部８３−１，８３−２の最新の算出結果Ｘ，Ｙにそれぞれ正の符号を付与した符号付き算出結果Ｘ’，Ｙ’を出力する（図２０ステップＳ２７）。
【００８９】
また、符号付与部８４は、現時刻ｔ以前に求めた算出結果Ｘの最新の平均値がこの値よりも前に求めた算出結果Ｘの平均値に対して所定のしきい値を超えて変化したり、現時刻ｔ以前に求めた算出結果Ｙの最新の平均値がこの値よりも前に求めた算出結果Ｘの平均値に対して所定のしきい値を超えて変化したりした場合（図２０ステップＳ２６においてＹＥＳ）、個数算出部８３−１，８３−２の最新の算出結果Ｘ，Ｙのうち大きい方の算出結果に正の符号を付与し、小さい方の算出結果に負の符号を付与した符号付き算出結果Ｘ’，Ｙ’を出力する（図２０ステップＳ２８）。
【００９０】
符号付き算出結果Ｘ’，Ｙ’は、記憶部８０に格納される。符号付与部８４は、以上のような符号付与処理を、個数算出部８３−１，８３−２によってＭＨＰの数Ｘ，Ｙが算出される度に行う。
変位比例個数算出部８５と物理量算出部８６の動作は、第１の実施の形態と同じである（図２０ステップＳ１６，Ｓ１７）。
こうして、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００９１】
［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。第１〜第４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２−１，２−２と電流−電圧変換増幅部５−１，５−２とを用いたが、フォトダイオードを使用することなくＭＨＰ波形を抽出することも可能である。図２１は本発明の第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の実施の形態のフォトダイオード２−１，２−２と電流−電圧変換増幅部５−１，５−２の代わりに、第１、第２の検出手段として電圧検出部１１−１，１１−２を用いるものである。
【００９２】
電圧検出部１１−１，１１−２は、それぞれ半導体レーザ１−１，１−２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１−１，１−２から放射されたレーザ光と物体１０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１−１，１−２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１−１，１−２の端子間電圧からＭＨＰ波形を抽出することが可能である。
【００９３】
フィルタ部６−１，６−２は、それぞれ電圧検出部１１−１，１１−２の出力電圧から搬送波を除去する。物理量センサのその他の構成は、第１〜第４の実施の形態と同じである。こうして、本実施の形態では、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４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。
【００９４】
なお、第１〜第５の実施の形態において少なくとも信号抽出部７−１，７−２と演算部８とは、例えばＣＰＵ、メモリおよびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、メモリに格納されたプログラムに従って第１〜第５の実施の形態で説明した処理を実行する。
【００９５】
また、第１〜第５の実施の形態では、半導体レーザ１−１と１−２の最小発振波長λａが同一で、かつ半導体レーザ１−１と１−２の最大発振波長λｂが同一の場合について説明したが、これに限るものではなく、図２２に示すように、半導体レーザ１−１と１−２の間で最小発振波長λａ及び最大発振波長λｂが異なっていてもよい。図２２において、λａ１，λｂ１は半導体レーザ１−１の最小発振波長、最大発振波長、λａ２，λｂ２は半導体レーザ１−２の最小発振波長、最大発振波長である。この場合、λａ１×λｂ１／｛４×（λｂ１−λａ１）｝とλａ２×λｂ２／｛４×（λｂ２−λａ２）｝とが常に同一の固定値であればよい。この場合、式（６）、式（８）〜式（１１）におけるλａ，λｂとしては、λａ１，λｂ１を使ってもよいし、λａ２，λｂ２を使ってもよい。
【００９６】
また、第１〜第５の実施の形態では、半導体レーザ１−１，１−２を三角波状に発振させていたが、これに限るものではなく、図２３に示すように半導体レーザ１−１，１−２を鋸波状に発振させてもよい。すなわち、本発明では、少なくとも第１の発振期間Ｐ１が繰り返し存在するように半導体レーザ１−１を動作させ、半導体レーザ１−１と発振波長の増減が逆になるように半導体レーザ１−２を動作させればよい。図２２の場合と同様にλａ１≠λａ２、λｂ１≠λｂ２でもよいし、図２５の場合と同様にλａ１＝λａ２、λｂ１＝λｂ２でもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
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技術に適用することができる。
【符号の説明】
【００９８】
１−１，１−２…半導体レーザ、２−１，２−２…フォトダイオード、３−１，３−２…レンズ、４−１，４−２…レーザドライバ、５−１，５−２…電流−電圧変換増幅部、６−１，６−２…フィルタ部、７−１，７−２…信号抽出部、８…演算部、９…表示部、１０…物体、１１−１，１１−２…電圧検出部、８０…記憶部、８１−１，８１−２…移動平均値算出部、８２−１，８２−２…周期補正部、８３−１，８３−２…個数算出部、８４，８４ａ…符号付与部、８５…変位比例個数算出部、８６…物理量算出部、８７…物理量候補値算出部、８８…状態判定部、８９…物理量確定部、９０…距離比例個数算出部。
【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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