(57)【要約】【課題】入力信号の周波数変移を精度良く計測する。【解決手段】周波数変移計測装置は、半導体レーザ１を発振させるレーザドライバ４と、半導体レーザ１の出力を電気信号に変換するフォトダイオード２の出力に含まれる干渉波形を２値化した２値化信号のランレングスを数える計数部７と、計数部７の計数結果から干渉波形の周波数の変移を算出する演算部８とを有する。計数部７は、干渉波形をサンプリングクロックと同期して２値化し、基準期間と比較期間の各々において２値化信号のランレングスを測定し、基準期間と比較期間の各々についてランレングスの度数分布を作成し、度数分布から基準期間と比較期間の各々について、閾値Ｔｈ以上のランレングスの数の総和を求める。【選択図】  図１
2016014617.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号をサンプリングクロックと同期して２値化する２値化手段と、
基準期間と比較期間の各々において前記２値化手段から出力される２値化信号が変化する度に、この２値化信号のランレングスを測定するランレングス測定手段と、
このランレングス測定手段の測定結果から前記基準期間と前記比較期間の各々について前記ランレングスの度数分布を作成する度数分布作成手段と、
この度数分布作成手段が作成した度数分布から前記基準期間と前記比較期間の各々について、閾値Ｔｈ以上のランレングスの数の総和を求める計数手段と、
前記基準期間と前記比較期間の各々における前記計数手段の計数結果から、前記基準期間における前記入力信号の周波数に対する前記比較期間における前記入力信号の周波数の変移を求める演算手段とを備えることを特徴とする周波数変移計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の周波数変移計測装置において、
前記閾値Ｔｈは、予め設定された値であることを特徴とする周波数変移計測装置。
【請求項３】
請求項１記載の周波数変移計測装置において、
さらに、前記基準期間において前記ランレングス測定手段の測定結果から前記２値化手段の出力が変化する確率ｐを算出する確率算出手段と、
前記基準期間において前記ランレングス測定手段の測定結果と前記確率ｐとからノイズの度数分布を算出するノイズ度数分布算出手段と、
前記基準期間において前記ノイズ度数分布算出手段の算出結果から、階級値ｍ以上のノイズの度数の総和が所定値となる前記階級値ｍを前記閾値Ｔｈとして設定する閾値設定手段とを備えることを特徴とする周波数変移計測装置。
【請求項４】
請求項１記載の周波数変移計測装置において、
さらに、前記基準期間において前記度数分布作成手段が作成した度数分布から前記ランレングスの分布の代表値Ｔ０を算出する代表値算出手段と、
前記基準期間における前記ランレングス測定手段の測定結果から前記代表値Ｔ０の付近のランレングスの分布を正規分布とみなした場合の標準偏差σを求め、この標準偏差σと前記代表値Ｔ０とを基に前記閾値Ｔｈを設定する閾値設定手段とを備えることを特徴とする周波数変移計測装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の周波数変移計測装置において、
さらに、測定対象の物体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第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振波長変調手段と、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記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波形を含む電気信号を検出する検出手段とを備え、
前記２値化手段は、前記検出手段の出力信号を前記入力信号として２値化することを特徴とする周波数変移計測装置。
【請求項６】
入力信号をサンプリングクロックと同期して２値化する２値化ステップと、
基準期間と比較期間の各々において前記２値化ステップで出力される２値化信号が変化する度に、この２値化信号のランレングスを測定するランレングス測定ステップと、
このランレングス測定ステップの測定結果から前記基準期間と前記比較期間の各々について前記ランレングスの度数分布を作成する度数分布作成ステップと、
この度数分布作成ステップで作成した度数分布から前記基準期間と前記比較期間の各々について、閾値Ｔｈ以上のランレングスの数の総和を求める計数ステップと、
前記基準期間と前記比較期間の各々における前記計数ステップの計数結果から、前記基準期間における前記入力信号の周波数に対する前記比較期間における前記入力信号の周波数の変移を求める周波数変移算出ステップとを含むことを特徴とする周波数変移計測方法。
【請求項７】
請求項６記載の周波数変移計測方法において、
前記閾値Ｔｈは、予め設定された値であることを特徴とする周波数変移計測方法。
【請求項８】
請求項６記載の周波数変移計測方法において、
さらに、前記基準期間において前記ランレングス測定ステップの測定結果から前記２値化ステップの出力が変化する確率ｐを算出する確率算出ステップと、
前記基準期間において前記ランレングス測定ステップの測定結果と前記確率ｐとからノイズの度数分布を算出するノイズ度数分布算出ステップと、
前記基準期間において前記ノイズ度数分布算出ステップの算出結果から、階級値ｍ以上のノイズの度数の総和が所定値となる前記階級値ｍを前記閾値Ｔｈとして設定する閾値設定ステップとを含むことを特徴とする周波数変移計測方法。
【請求項９】
請求項６記載の周波数変移計測方法において、
さらに、前記基準期間において前記度数分布作成ステップで作成した度数分布から前記ランレングスの分布の代表値Ｔ０を算出する代表値算出ステップと、
前記基準期間における前記ランレングス測定ステップの測定結果から前記代表値Ｔ０の付近のランレングスの分布を正規分布とみなした場合の標準偏差σを求め、この標準偏差σと前記代表値Ｔ０とを基に前記閾値Ｔｈを設定する閾値設定ステップとを含むことを特徴とする周波数変移計測方法。
【請求項１０】
請求項６乃至９のいずれか１項に記載の周波数変移計測方法において、
さらに、測定対象の物体にレーザ光を放射する半導体レーザを、発振波長が連続的に単調増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間とが交互に存在するように動作させる発振ステップと、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記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波形を含む電気信号を検出する検出ステップとを含み、
前記２値化ステップは、前記検出ステップで得られた出力信号を前記入力信号として２値化することを特徴とする周波数変移計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力信号の周波数の変移を計測する周波数変移計測装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
紙、フィルム、セロファン、金属箔、ゴムなどのロール状に巻き取った物体（以下、ウェブと呼ぶ）を送出部から繰り出して、ウェブに対して所定の処理を行い、処理後のウェブを受取部によって巻き取るウェブ搬送装置において、ウェブの表面速度を計測する速度計測装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
また、特許文献１に関連する技術として、周期的な信号の２値化信号を用いた信号計数補正技術がある（特許文献２参照）。この特許文献２に開示された技術は、高い精度と速い信号処理とを両立した技術である。
【０００４】
このように自己結合型のセンサを用いて物体の速度を計測する技術は既に多数提案されているが、半導体レーザから放射され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波形の周波数の変移を計測する技術については実現されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１４１１２８号公報
【特許文献２】特開２０１１−０３３５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上のように、従来の技術では、自己結合型のセンサを用いて物体の速度を求める技術は実現されているものの、自己結合効果によって生じる干渉波形の周波数の変移を計測する技術については実現されていなかった。特許文献１、特許文献２に開示された技術を利用すれば、異なる２つの期間での干渉波形の計数値の差分から周波数変移を求めることができる。しかし、干渉波形の計数値に対して計測しようとする差分が小さいとき、干渉波形の計数値に含まれる誤差が計数値の差分に対して相対的に大きくなるため、周波数変移の計測精度の低下を生じるという問題点があった。なお、周波数変移の計測精度の向上という課題は、自己結合型のセンサに限らず、信号の周波数変位を計測する分野に共通の課題である。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、入力信号の周波数の変移を精度良く計測することができる周波数変移計測装置および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】
本発明の周波数変移計測装置は、入力信号をサンプリングクロックと同期して２値化する２値化手段と、基準期間と比較期間の各々において前記２値化手段から出力される２値化信号が変化する度に、この２値化信号のランレングスを測定するランレングス測定手段と、このランレングス測定手段の測定結果から前記基準期間と前記比較期間の各々について前記ランレングスの度数分布を作成する度数分布作成手段と、この度数分布作成手段が作成した度数分布から前記基準期間と前記比較期間の各々について、閾値Ｔｈ以上のランレングスの数の総和を求める計数手段と、前記基準期間と前記比較期間の各々における前記計数手段の計数結果から、前記基準期間における前記入力信号の周波数に対する前記比較期間における前記入力信号の周波数の変移を求める演算手段とを備えることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の周波数変移計測装置の１構成例において、前記閾値Ｔｈは、予め設定された値である。
また、本発明の周波数変移計測装置の１構成例は、さらに、前記基準期間において前記ランレングス測定手段の測定結果から前記２値化手段の出力が変化する確率ｐを算出する確率算出手段と、前記基準期間において前記ランレングス測定手段の測定結果と前記確率ｐとからノイズの度数分布を算出するノイズ度数分布算出手段と、前記基準期間において前記ノイズ度数分布算出手段の算出結果から、階級値ｍ以上のノイズの度数の総和が所定値となる前記階級値ｍを前記閾値Ｔｈとして設定する閾値設定手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の周波数変移計測装置の１構成例は、さらに、前記基準期間において前記度数分布作成手段が作成した度数分布から前記ランレングスの分布の代表値Ｔ０を算出する代表値算出手段と、前記基準期間における前記ランレングス測定手段の測定結果から前記代表値Ｔ０の付近のランレングスの分布を正規分布とみなした場合の標準偏差σを求め、この標準偏差σと前記代表値Ｔ０とを基に前記閾値Ｔｈを設定する閾値設定手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の周波数変移計測装置の１構成例は、さらに、測定対象の物体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第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振波長変調手段と、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記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波形を含む電気信号を検出する検出手段とを備え、前記２値化手段は、前記検出手段の出力信号を前記入力信号として２値化することを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の周波数変移計測方法は、入力信号をサンプリングクロックと同期して２値化する２値化ステップと、基準期間と比較期間の各々において前記２値化ステップで出力される２値化信号が変化する度に、この２値化信号のランレングスを測定するランレングス測定ステップと、このランレングス測定ステップの測定結果から前記基準期間と前記比較期間の各々について前記ランレングスの度数分布を作成する度数分布作成ステップと、この度数分布作成ステップで作成した度数分布から前記基準期間と前記比較期間の各々について、閾値Ｔｈ以上のランレングスの数の総和を求める計数ステップと、前記基準期間と前記比較期間の各々における前記計数ステップの計数結果から、前記基準期間における前記入力信号の周波数に対する前記比較期間における前記入力信号の周波数の変移を求める周波数変移算出ステップとを含むことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ランレングスの計数結果からノイズ成分を除外し、ノイズ成分を除外した計数結果から基準期間における入力信号の周波数に対する比較期間における入力信号の周波数の変移を算出することにより、入力信号の周波数変移を精度良く算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る周波数変移計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る周波数変移計測装置を適用するウェブ搬送装置の構成を示すブロック図である。
【図３】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４】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５】本発明の第１の実施の形態における計数部と演算部の動作を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第１の実施の形態における計数部の構成の１例を示すブロック図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態における計数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計数部の計数処理部の構成の１例を示すブロック図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態における計数部の２値化部の動作を説明するための図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態における計数部のランレングス測定部の動作を説明するための図である。
【図１１】ランレングスの度数分布の１例を示す図である。
【図１２】本発明の第１の実施の形態における演算部の構成の１例を示すブロック図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態における計数部の動作を示すフローチャートである。
【図１４】本発明の第２の実施の形態における計数部の計数処理部の構成の１例を示すブロック図である。
【図１５】無信号状態のランレングス度数分布の例を示す図である。
【図１６】２値化後の符号が変化する確率と符号が変化しない確率について説明する図である。
【図１７】本発明の第３の実施の形態における計数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計数部の計数処理部の構成の１例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［発明の原理］
特許文献２に開示された信号計数方法は信号とノイズの高い分離能力を有するが、度数分布上のノイズが形成する分布と信号が形成する分布とが重なるため、その分離は完全ではない。信号とノイズを完全に分離することができないことは他の計測原理と同様であるが、特許文献２に開示された信号計数方法には以下のような特徴がある。
【００１４】
（Ａ）統計的な作用を利用したノイズシェイピング効果。特許文献２に開示された信号計数方法の「２値化処理とランレングスの度数分布作成処理」は、広い周波数にわたるノイズを高い周波数領域に遷移させるノイズシェイピング機能を有する。
（Ｂ）高い周波数領域に遷移したノイズ分布形状は、度数（計数値）は大きく変化するが分布の形状は高い再現性を有するため、ノイズシェイピング効果による信号とノイズの分離の程度を度数分布の階級値に対して定量的に評価することができる。
【００１５】
以上のことから、特許文献２に開示された信号計数方法を利用してノイズを含む度数分布の差分から周波数の変移量を算出すれば、高い精度と再現性を実現できることが分かる。算出した計数値は物体の表面速度を正しく表現したものではないが、異なる２つの期間での信号計数値の差は干渉波形の周波数の変移を正しく表現したものとなる。本発明では、基準周波数に対する干渉波形の周波数の変移を求めるが、この周波数の変移を求める比較期間よりも前の比較元の期間を基準期間とする。この基準期間における干渉波形の周波数の平均値が基準周波数である。基準期間、比較期間は例えばユーザによって設定される。
【００１６】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る周波数変移計測装置の構成を示すブロック図である。図１の周波数変移計測装置は、測定対象のウェブ１１にレーザ光を放射する半導体レーザ１と、半導体レーザ１の光出力を電気信号に変換するフォトダイオード２と、半導体レーザ１からの光を集光して放射すると共に、ウェブ１１からの戻り光を集光して半導体レーザ１に入射させるレンズ３と、半導体レーザ１を駆動する発振波長変調手段となるレーザドライバ４と、フォトダイオード２の出力電流を電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅部５と、電流−電圧変換増幅部５の出力電圧から搬送波を除去するフィルタ部６と、フィルタ部６の出力電圧に含まれる自己結合信号であるモードホップパルス（以下、ＭＨＰとする）を２値化した２値化信号のランレングスの数を数える計数部７と、計数部７の計数結果に基づいて異なる２つの期間でのＭＨＰの周波数変移を算出する演算部８と、演算部８の計測結果を表示する表示部９とを有する。
【００１７】
半導体レーザ１とフォトダイオード２とレンズ３とは、センサモジュール１０を構成している。また、フォトダイオード２と電流−電圧変換増幅部５とは、検出手段を構成している。
【００１８】
図２は本実施の形態の周波数変移計測装置を適用するウェブ搬送装置の構成を示すブロック図である。ウェブ搬送装置は、送出側ガイド軸１００と、受取側ガイド軸１０１と、送出側ガイド軸１００に装着される送出側ロール１０２と、受取側ガイド軸１０１に装着される受取側ロール１０３と、送出側ガイド軸１００を駆動し、送出側ロール１０２を回転させる送出側モータ駆動部（不図示）と、受取側ガイド軸１０１を駆動し、受取側ロール１０３を回転させる受取側モータ駆動部（不図示）と、送出側モータ駆動部と受取側モータ駆動部とを制御する制御部１０４とを有する。
【００１９】
送出側モータ駆動部が送出側ロール１０２を回転させると、送出側ロール１０２に巻かれたウェブ１１が繰り出される。受取側では、受取側モータ駆動部が受取側ロール１０３を回転させることにより、受取側ロール１０３がウェブ１１を巻き取る。
制御部１０４は、ウェブ１１の速度が所望の値になるように、送出側モータ駆動部と受取側モータ駆動部とを制御する。
【００２０】
半導体レーザ１とフォトダイオード２とレンズ３とからなるセンサモジュール１０は、図２に示すように送出側ガイド軸１００と受取側ガイド軸１０１間のウェブ１１上に配置され、ウェブ１１に対してレーザ光を斜方照射する。レーザ光を斜方照射するのは、ウェブ１１の移動方向に沿った速度、すなわちウェブ１１の表面速度Ｖを計測するためである。
【００２１】
図１のレーザドライバ４と電流−電圧変換増幅部５とフィルタ部６と計数部７と演算部８と表示部９とは、例えば制御部１０４の内部に設けられる。
なお、本実施の形態では、ＭＨＰの周波数変移の計測対象の１例としてウェブ１１を例に挙げて説明するが、これに限るものではなく、本発明はウェブ以外の物体にも適用可能である。
【００２２】
次に、本実施の形態の周波数変移計測装置の動作を詳細に説明する。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。
【００２３】
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。図３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３において、Ｐ１は半導体レーザ１の発振波長が連続的に単調増加する第１の発振期間、Ｐ２は半導体レーザ１の発振波長が連続的に単調減少する第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、Ｔは三角波の周期である。本実施の形態では、発振波長の最大値λｂおよび発振波長の最小値λａはそれぞれ常に一定になされており、それらの差λｂ−λａも常に一定になされている。
【００２４】
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、ウェブ１１に入射する。ウェブ１１で反射された光の一部は、レンズ３によって集光され、半導体レーザ１に入射する。ただし、レンズ３による集光は必須ではない。フォトダイオード２は、半導体レーザ１の内部又はその近傍に配置され、半導体レーザ１の光出力を電流に変換する。電流−電圧変換増幅部５は、フォトダイオード２の出力電流を電圧に変換して増幅する。
【００２５】
フィルタ部６は、変調波から重畳信号を抽出する機能を有するものである。図４（Ａ）は電流−電圧変換増幅部５の出力電圧波形を模式的に示す図、図４（Ｂ）はフィルタ部６の出力電圧波形を模式的に示す図である。これらの図は、フォトダイオード２の出力に相当する図４（Ａ）の波形（変調波）から、図３の半導体レーザ１の発振波形（搬送波）を除去して、図４（Ｂ）のＭＨＰ波形（干渉波形）を抽出する過程を表している。なお、自己結合信号であるＭＨＰについては特許文献１、特許文献２で説明されているので、詳細な説明は省略する。
【００２６】
次に、計数部７と演算部８の動作について説明する。図５は計数部７と演算部８の動作を示すフローチャートである。
計数部７は、フィルタ部６の出力電圧に含まれるＭＨＰを２値化した２値化信号のランレングスの数を、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５ステップＳ１）。図６は計数部７の構成の１例を示すブロック図である。計数部７は、２値化部７１と、論理積演算部（ＡＮＤ）７２と、計数処理部７３と、記憶部７４とから構成される。
【００２７】
図７は計数部７の動作を示すフローチャート、図８は計数処理部７３の構成の１例を示すブロック図である。計数処理部７３は、ランレングス（Run Length）測定部７３０と、度数分布作成部７３１と、ランレングス計数部７３２とから構成される。
【００２８】
図９は２値化部７１の動作を説明するための図であり、フィルタ部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である。
計数部７の２値化部７１は、図９に示すフィルタ部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、判定結果を出力する。このとき、２値化部７１は、サンプリングクロックＣＬＫ０と同期して判定を行うので、例えばサンプリングクロックＣＬＫ０の立ち上がりでフィルタ部６の出力電圧が閾値ＴＨ１以上であればハイレベルと判定し、サンプリングクロックＣＬＫ０の立ち上がりでフィルタ部６の出力電圧が閾値ＴＨ２（ＴＨ２＜ＴＨ１）以下であればローレベルと判定し、サンプリングクロックＣＬＫ０の立ち上がりでフィルタ部６の出力電圧が閾値ＴＨ１未満で閾値ＴＨ２より大であれば、１つ前のサンプリングクロックＣＬＫ０の立ち上がりでの出力レベルを維持する。こうして、２値化部７１は、サンプリングクロックＣＬＫ０と同期してフィルタ部６の出力を２値化する。サンプリングクロックＣＬＫ０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周波数である必要がある（例えばＭＨＰの周波数の２０倍の周波数）。
【００２９】
ＡＮＤ７２は、２値化部７１の出力とゲート信号ＧＳとの論理積演算の結果を出力する。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または第２の発振期間Ｐ２）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。
【００３０】
図１０は計数処理部７３のランレングス測定部７３０の動作を説明するための図である。ランレングス測定部７３０は、基準期間において計数期間中のＭＨＰを２値化した２値化信号のランレングスを測定する（図７ステップＳ１０１）。すなわち、ランレングス測定部７３０は、計数期間中のＡＮＤ７２の出力を閾値ＴＨ３と比較することにより、ＡＮＤ７２の出力の立ち上がりを検出すると共に、ＡＮＤ７２の出力を閾値ＴＨ４（ＴＨ４＜ＴＨ３）と比較することにより、ＡＮＤ７２の出力の立ち下がりを検出する。そして、ランレングス測定部７３０は、ＡＮＤ７２の出力の立ち上がりから次の立ち下がりまでの時間ｔｕｄを測定し、またＡＮＤ７２の出力の立ち下がりから次の立ち上がりまでの時間ｔｄｕを測定することにより、計数期間中のＡＮＤ７２の出力のランレングスを測定する。このように、ランレングスとは、時間ｔｕｄまたはｔｄｕのことである。ランレングス測定部７３０は、以上のような測定をＡＮＤ７２の出力の立ち上がりまたは立ち下がりのどちらかが検出される度に行う。また、ランレングス測定部７３０は、以上のような測定を基準期間中の第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々において行う。
【００３１】
なお、ランレングス測定部７３０は、サンプリングクロックＣＬＫの周期を１単位として２値化信号のランレングスを測定する。例えば２値化信号のランレングスがサンプリングクロック２個分であれば、このランレングスの大きさは２［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］である。サンプリングクロック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（ＣＬＫ＞ＣＬＫ０）。
記憶部７４は、ランレングス測定部７３０の測定結果を記憶する。
【００３２】
計数処理部７３の度数分布作成部７３１は、基準期間において記憶部７４に記憶されたランレングス測定部７３０の測定結果から２値化信号のランレングスｔｕｄ，ｔｄｕの度数分布を作成する（図７ステップＳ１０２）。図１１に２値化信号のランレングスの度数分布の１例を示す。度数分布作成部７３１は、このようなランレングスの度数分布の作成を基準期間中の第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々において行う。
【００３３】
計数処理部７３のランレングス計数部７３２は、基準期間において度数分布作成部７３１が作成した度数分布から、閾値Ｔｈ以上のランレングスｔｕｄ，ｔｄｕの数の総和Ｎを求める（図７ステップＳ１０３）。ランレングス計数部７３２は、このような閾値Ｔｈ以上であるランレングスｔｕｄ，ｔｄｕの計数を基準期間中の第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々において行う。
【００３４】
次に、ランレングス測定部７３０は、比較期間において計数期間中のＭＨＰを２値化した２値化信号のランレングスを、ステップＳ１０１と同様に測定する（図７ステップＳ１０４）。ランレングス測定部７３０は、このような測定を比較期間中の第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々において行う。記憶部７４は、ランレングス測定部７３０の測定結果を記憶する。
【００３５】
度数分布作成部７３１は、比較期間において記憶部７４に記憶されたランレングス測定部７３０の測定結果から２値化信号のランレングスｔｕｄ，ｔｄｕの度数分布をステップＳ１０２と同様に作成する（図７ステップＳ１０５）。度数分布作成部７３１は、このようなランレングスの度数分布の作成を比較期間中の第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々において行う。
【００３６】
ランレングス計数部７３２は、比較期間において度数分布作成部７３１が作成した度数分布から、閾値Ｔｈ以上のランレングスｔｕｄ，ｔｄｕの数の総和Ｎを求める（図７ステップＳ１０６）。ランレングス計数部７３２は、このような閾値Ｔｈ以上であるランレングスｔｕｄ，ｔｄｕの計数を比較期間中の第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々において行う。
【００３７】
ＭＨＰを２値化した２値化信号のランレングスは、図１１に示したようにＴ０を中心に正規分布を形成し、２値化信号に重畳したノイズ成分は幾何分布を形成する。幾何分布における成功率ｐは、２値化処理のヒステリシス閾値幅とノイズ振幅によって定まる。重畳したノイズ成分はウェブ１１の表面速度の変移によらず安定であるため、度数の増減はあるものの分布は安定している。ウェブ１１の表面速度を算出するには、図１１に示した度数分布をノイズ成分（図１１の１１０）と信号成分（図１１の１１１）に分ける必要があるが、分布が重なる階級が存在すると表面速度算出値に誤差を含む。
【００３８】
ただし、ＭＨＰの周波数変移を算出する場合には、ノイズと信号の分布を厳密に分離する必要がないため、ノイズが形成する分布の一部を含んだ状態での分布の差異から周波数変移を求めることができる。ノイズが形成する分布は形状が安定であるが、度数（計数値）の変化が大きいため、変化の大きな短い時間の階級を除いた分布で算出する。そこで、本実施の形態では、閾値Ｔｈ未満のランレングスの数を除外する。閾値Ｔｈについては、例えば信号帯域などから予め定めておけばよい。
【００３９】
次に、演算部８は、計数部７が数えたランレングスの数に基づいてＭＨＰの周波数変移を算出する（図５ステップＳ２）。図１２は演算部８の構成の１例を示すブロック図である。演算部８は、計数部７の計数結果を記憶する記憶部８０と、計数部７の計数結果からＭＨＰの周波数変移を算出する周波数変移算出部８１とから構成される。
【００４０】
計数部７の計数結果は、演算部８の記憶部８０に格納される。演算部８の周波数変移算出部８１は、計数部７の計数結果と、半導体レーザ１の発振波長変調の搬送波（三角波）の周期Ｔとから、基準期間におけるＭＨＰの基準周波数に対する比較期間におけるＭＨＰの周波数変移Δｆを次式のように算出する。
Δｆ＝｛（Ｎ’ｕ1−Ｎ’ｄ1）−（Ｎ’ｕ0−Ｎ’ｄ0）｝／Ｔ        ・・・（１）
【００４１】
式（１）において、Ｎ’ｕ0は基準期間中の第１の発振期間Ｐ１における閾値Ｔｈ以上のランレングスの数の総和、Ｎ’ｄ0は基準期間中の第２の発振期間Ｐ２における閾値Ｔｈ以上のランレングスの数の総和、Ｎ’ｕ1は比較期間中の第１の発振期間Ｐ１における閾値Ｔｈ以上のランレングスの数の総和、Ｎ’ｄ1は比較期間中の第２の発振期間Ｐ２における閾値Ｔｈ以上のランレングスの数の総和である。なお、基準期間には複数の第１の発振期間Ｐ１と複数の第２の発振期間Ｐ２とが含まれ、同様に比較期間にも複数の第１の発振期間Ｐ１と複数の第２の発振期間Ｐ２とが含まれる。したがって、Ｎ’ｕ0は正確には基準期間中の複数の第１の発振期間Ｐ１における閾値Ｔｈ以上のランレングスの数の総和の平均値、Ｎ’ｄ0は基準期間中の複数の第２の発振期間Ｐ２における閾値Ｔｈ以上のランレングスの数の総和の平均値、Ｎ’ｕ1は比較期間中の複数の第１の発振期間Ｐ１における閾値Ｔｈ以上のランレングスの数の総和の平均値、Ｎ’ｄ1は比較期間中の複数の第２の発振期間Ｐ２における閾値Ｔｈ以上のランレングスの数の総和の平均値である。
【００４２】
こうして、異なる２つの期間でのＭＨＰの周波数変移Δｆを算出することができる。表示部９は、周波数変移算出部８１が算出した周波数変移Δｆを表示する。
【００４３】
以上のように、本実施の形態では、ランレングスの計数結果からノイズ成分を除外し、ノイズ成分を除外した計数結果からＭＨＰの周波数変移Δｆを算出することにより、ＭＨＰの周波数変移Δｆの計測精度と再現性を向上させることができる。
【００４４】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態では、基準期間において、２値化されたノイズのランレングスが形成する分布と相関が高い幾何分布を算出し、この幾何分布から閾値Ｔｈを定める。本実施の形態においても、速度変移計測装置の構成は第１の実施の形態と同様であるので、図１、図２、図６の符号を用いて説明する。
【００４５】
図１３は本実施の形態の計数部７の動作を示すフローチャート、図１４は本実施の形態の計数処理部７３の構成の１例を示すブロック図である。本実施の形態の計数処理部７３は、ランレングス測定部７３０と、度数分布作成部７３１と、ランレングス計数部７３２と、確率算出部７３３と、ノイズ度数分布算出部７３４と、閾値設定部７３５とから構成される。
【００４６】
図１３のステップＳ１０１，Ｓ１０２の処理は第１の実施の形態の図６で説明したとおりである。
ＭＨＰがない場合（半導体レーザ１の前方に物体が存在しない場合や物体が検出可能範囲外の遠方にあって検出できない場合）、すなわち無信号状態の場合にランレングス測定部７３０によって測定されるランレングスの度数分布の例を図１５に示す。無信号状態のランレングス度数分布は、離散時間の確率過程であるベルヌーイ過程に従うため、式（２）の幾何分布Ｆedge（ｘ）に従う。
Ｆedge（ｘ）＝ｐ・（１−ｐ）x-1                                 ・・・（２）
【００４７】
式（２）について説明する。離散時間の確率過程で、成功／失敗の確率は時間依存性のないベルヌーイ試行の列で表現することができる。ＭＨＰがない場合、フィルタ部６から出力されるものは時間依存性のないホワイトノイズであるとすることができる。このホワイトノイズを２値化する際、ホワイトノイズの平均値と閾値ＴＨ１，ＴＨ２の中心とが概ね等しいとき、図１６に示すように、２値化後の符号がローレベルからハイレベルまたはハイレベルからローレベルへ変化する確率をｐ、符号が変化しない確率を１−ｐとすることができる。２値化後の符号が変化する場合を成功、符号が変化しない場合を失敗と呼ぶ。図１６における横軸はフィルタ部６の出力であり、１７０はホワイトノイズ、１７１は確率密度、１７２は累積確率を示している。同じ符号がｘ回続く確率は、ｘ−１回の失敗と１回の成功が起こる確率であるので、上記の式（２）で表すことができる。
【００４８】
式（２）の関係から、２値化後の符号が変化する確率ｐを算出することができる。所定の階級値（本実施の形態では階級値１［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］）の度数をＮ１、基準期間中の総サンプリングクロック（ＣＬＫ）数をＮｓａｍｐとすると、２値化後の符号が変化する確率ｐは次式のように算出することができる。
ｐ＝√（Ｎ１／Ｎｓａｍｐ）＝（Ｎ１／Ｎｓａｍｐ）1/2             ・・・（３）
【００４９】
なお、上記所定の階級値は理論的には階級値１であるが、回路に含まれるローパスフィルタの影響で階級値１の度数が減衰している場合もある。このような場合には、階級値１付近の別の階級値を所定の階級値とすればよい。
計数処理部７３の確率算出部７３３は、記憶部７４に記憶されているランレングス測定部７３０の測定結果から、基準期間中の所定の階級値の度数Ｎ１を求め、この度数Ｎ１と基準期間中の総サンプリングクロック（ＣＬＫ）数Ｎｓａｍｐとを用いて式（３）により、２値化後の符号が変化する確率ｐを算出する（図１３ステップＳ１０７）。確率算出部７３３の算出結果は、記憶部７４に格納される。
【００５０】
なお、式（３）による確率ｐの算出方法は半導体レーザ１の前方に物体が存在しないことが前提条件となるので、半導体レーザ１の前方に物体が存在する場合には適用することができない。したがって、実際の方法としては、確率算出部７３３は、記憶部７４に記憶されているランレングス測定部７３０の測定結果から、式（２）とのカーブフィッティングで、２値化後の符号が変化する確率ｐを算出すればよい（ステップＳ１０７）。また、別の方法で確率ｐを算出してもよい。
【００５１】
続いて、計数処理部７３のノイズ度数分布算出部７３４は、ノイズの度数分布を算出する（図１３ステップＳ１０８）。式（２）の関係から、基準期間中の階級値ｍ［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］のノイズの度数Ｎ（ｍ）は次式のように算出することができる。
Ｎ（ｍ）＝Ｎｓａｍｐ・ｐ2・（１−ｐ）m-1                        ・・・（４）
なお、このときノイズの総度数ΣＮ（ｍ）は、Ｎｓａｍｐ・ｐである。
【００５２】
ノイズ度数分布算出部７３４は、記憶部７４に記憶されているランレングス測定部７３０の測定結果から、基準期間中の階級値ｍ［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］のノイズの度数Ｎ（ｍ）を算出する。ノイズ度数分布算出部７３４は、このような度数Ｎ（ｍ）の算出を、階級値１から最大階級値（ランレングス測定部７３０の測定結果のうちの最大周期）まで階級値毎に行う。
【００５３】
そして、計数処理部７３の閾値設定部７３５は、基準期間においてノイズ度数分布算出部７３４の算出結果から、階級値ｍ以上のノイズの度数の総和が所定値となる階級値ｍ（ランレングス）を閾値Ｔｈとして設定する（図１３ステップＳ１０９）。
【００５４】
図１３のステップＳ１０３〜Ｓ１０６の処理は第１の実施の形態の図６で説明したとおりである。こうして、本実施の形態では、計算で閾値Ｔｈを定め、度数が多いノイズ成分を除外することができる。
【００５５】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態では、基準期間において、代表値Ｔ０周辺の分布形状から閾値Ｔｈを定める。本実施の形態においても、速度変移計測装置の構成は第１の実施の形態と同様であるので、図１、図２、図６の符号を用いて説明する。
【００５６】
図１７は本実施の形態の計数部７の動作を示すフローチャート、図１８は本実施の形態の計数処理部７３の構成の１例を示すブロック図である。本実施の形態の計数処理部７３は、ランレングス測定部７３０と、度数分布作成部７３１と、ランレングス計数部７３２と、閾値設定部７３５ａと、代表値算出部７３６とから構成される。
【００５７】
図１７のステップＳ１０１，Ｓ１０２の処理は第１の実施の形態の図７で説明したとおりである。
計数処理部７３の代表値算出部７３６は、基準期間において度数分布作成部７３１が作成した度数分布から、２値化信号のランレングスｔｕｄ，ｔｄｕの分布の代表値Ｔ０を算出する（図１７ステップＳ１１０）。ここでは、２値化信号のランレングスの最頻値や中央値を代表値Ｔ０とすればよい。また、代表値算出部７３６は、２値化信号のランレングスの度数分布において横軸の階級値（ランレングス）と縦軸の度数との積が最大となる階級値を代表値Ｔ０としてもよい。代表値算出部７３６が算出した代表値Ｔ０は、記憶部７４に格納される。なお、度数分布作成部７３１は基準期間中の第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々において度数分布を作成するが、代表値算出部７３６は、これら第１の発振期間Ｐ１についての度数分布と第２の発振期間Ｐ２についての度数分布とを１つに纏めた度数分布から代表値Ｔ０を算出すればよい。
【００５８】
計数処理部７３の閾値設定部７３５ａは、基準期間において記憶部７４に記憶されているランレングス測定部７３０の測定結果から代表値Ｔ０の付近のランレングスの分布を正規分布とみなした場合の標準偏差σを求め、この標準偏差σと代表値算出部７３６が算出した代表値Ｔ０とから閾値Ｔｈを次式のように設定する（図１７ステップＳ１１１）。
Ｔｈ＝Ｔ０−ａσ                                                ・・・（５）
係数ａは予め定められた正の実数である。
【００５９】
図１７のステップＳ１０３〜Ｓ１０６の処理は第１の実施の形態の図７で説明したとおりである。こうして、本実施の形態では、代表値Ｔ０周辺の分布形状から閾値Ｔｈを定めることができる。
【００６０】
なお、第１〜第３の実施の形態では、ＭＨＰの周波数変移の計測対象の１例としてウェブ１１を例に挙げて説明しているが、これに限るものではなく、本発明はウェブ以外の物体にも適用可能である。
また、第１〜第３の実施の形態では、ＭＨＰの周波数の変移を計測しているが、これに限るものではなく、本発明は計数部７に入力される略単一周波数の入力信号の周波数の変移を計測する周波数変移計測装置および方法に適用可能である。この場合、半導体レーザ１とフォトダイオード２とレンズ３とレーザドライバ４と電流−電圧変換増幅部５とフィルタ部６とは不要な構成となる。
【００６１】
第１〜第３の実施の形態において少なくとも計数部７と演算部８とは、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、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、この記憶装置に記憶されたプログラムに従って第１〜第３の実施の形態で説明した処理を実行する。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、半導体レーザから放射され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波形の周波数の変移を計測する技術に適用することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１…半導体レーザ、２…フォトダイオード、３…レンズ、４…レーザドライバ、５…電流−電圧変換増幅部、６…フィルタ部、７…計数部、８…演算部、９…表示部、１０…センサモジュール、１１…ウェブ、７１…２値化部、７２…論理積演算部、７３…計数処理部、７４，８０…記憶部、８１…周波数変移算出部、７３０…ランレングス測定部、７３１…度数分布作成部、７３２…ランレングス計数部、７３３…確率算出部、７３４…ノイズ度数分布算出部、７３５，７３５ａ…閾値設定部、７３６…代表値算出部。
【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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