(57)【要約】【課題】自己結合効果を用いて距離計測における分解能の向上と計測速度の向上との両立を図ることができる距離計を提供すること。【解決手段】本発明の距離計１は、測定対象物Ｏに照射するレーザー光Ｌｏを出射する光源部２と、光源部２から出射されたレーザー光Ｌｏと測定対象物Ｏからの戻り光Ｌｒとの自己結合効果によって生じる干渉光に応じた干渉波形を含む電気信号を出力する検出部３と、光源部２から出射されるレーザー光Ｌｏの波長を連続的に時間変化する変化率で変化させる駆動信号によって光源部２を駆動する光源駆動部４と、検出部３から出力された電気信号に基づいて、光源部２と測定対象物Ｏとの間の距離を求める距離演算部５と、を備える。【選択図】図１
2017125717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物に照射するレーザー光を出射する光源部と、
前記光源部から出射されたレーザー光と前記測定対象物からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉光に応じた干渉波形を含む電気信号を出力する検出部と、
前記光源部から出射されるレーザー光の波長を連続的に時間変化する変化率で変化させる駆動信号によって前記光源部を駆動する光源駆動部と、
前記検出部から出力された前記電気信号に基づいて、前記光源部と前記測定対象物との間の距離を求める距離演算部と、を備えることを特徴とする距離計。
【請求項２】
前記距離演算部は、
前記電気信号または前記電気信号に基づく信号が入力されるバンドパスフィルターを含み、
前記バンドパスフィルターから出力された信号と、前記レーザー光の波長の前記変化率の時間変化に関する情報とに基づいて、前記光源部と前記測定対象物との間の距離を求める請求項１に記載の距離計。
【請求項３】
前記距離演算部は、前記電気信号が入力される利得制御機能を有する増幅器を含み、
前記バンドパスフィルターは、前記増幅器から出力された信号が入力される請求項２に記載の距離計。
【請求項４】
前記変化率の時間変化に関する情報を設定情報として記憶する記憶部を備え、
前記バンドパスフィルターから出力される信号と、前記設定情報とに基づいて、前記光源部と前記測定対象物との間の距離を求める請求項２または３に記載の距離計。
【請求項５】
前記バンドパスフィルターのＱ値が１以上４０以下である請求項２ないし４のいずれか１項に記載の距離計。
【請求項６】
前記駆動信号は、前記レーザー光の波長の前記変化率が正となる第１駆動信号と、前記レーザー光の波長の前記変化率が負となる第２駆動信号と、を含み、
前記第１駆動信号および前記第２駆動信号のうちの少なくとも一方は、前記レーザー光の波長の前記変化率が連続的に時間変化する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の距離計。
【請求項７】
前記光源部は、面発光レーザーである請求項１ないし６のいずれか１項に記載の距離計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自己結合効果を用いた距離計に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザー光を用いて測定対象物との間の距離を非接触で測定する距離計として、自己結合効果を用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。自己結合効果とは、レーザー光源から対象物に照射したレーザー光が散乱してレーザー光源に戻ってきた戻り光とレーザー光源の出力光との干渉によりレーザー光源の出力が増減する現象である。
【０００３】
例えば、特許文献１に係る距離計は、測定対象物にレーザー光を照射するレーザー素子と、レーザー素子を所定の変調駆動信号に基づいて駆動するレーザー駆動手段と、測定対象物で反射したレーザー光を受光するとともに変調駆動信号に応じたレーザー光と自己結合した鋸歯状波信号を検出する検出手段と、を備えている。この距離計では、レーザー駆動手段が周波数の異なる複数の変調駆動信号に基づいてレーザー素子を駆動し、レーザー素子が備えるフォトダイオードが、自己結合を起こしたレーザー光を電気信号に変換して出力し、検出手段が、フォトダイオードからの電気信号をバンドパスフィルターに通すことで、自己結合した鋸歯状波信号を検出し、その鋸歯状波信号の大きさを計測することで、距離を計測する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２８７８５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に係る距離計では、距離計測の分解能を上げようとしたとき、周波数の異なる変調駆動信号を数多く用意し、距離を算出する際に、変調駆動信号の数に応じた多くの数のシーケンスを実行する必要があり、その結果、距離計測に要する時間が長くなってしまうという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、自己結合効果を用いて距離計測における分解能の向上と計測速度の向上との両立を図ることができる距離計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の距離計は、測定対象物に照射するレーザー光を出射する光源部と、
前記光源部から出射されたレーザー光と前記測定対象物からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉光に応じた干渉波形を含む電気信号を出力する検出部と、
前記光源部から出射されるレーザー光の波長を連続的に時間変化する変化率で変化させる駆動信号によって前記光源部を駆動する光源駆動部と、
前記検出部から出力された前記電気信号に基づいて、前記光源部と前記測定対象物との間の距離を求める距離演算部と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
このような距離計によれば、自己結合効果に用いるレーザー光の波長を連続的に時間変化する変化率で変化させるため、その変化率に対応した１つのシーケンスで距離を高精度に算出することができる。そのため、自己結合効果を用いて距離計測における分解能の向上と計測速度の向上との両立を図ることができる距離計を提供することができる。
【０００９】
本発明の距離計では、前記距離演算部は、
前記電気信号または前記電気信号に基づく信号が入力されるバンドパスフィルターを含み、
前記バンドパスフィルターから出力された信号と、前記レーザー光の波長の前記変化率の時間変化に関する情報とに基づいて、前記光源部と前記測定対象物との間の距離を求めることが好ましい。
【００１０】
これにより、干渉光（ビート光）の周波数がバンドパスフィルターの中心周波数またはその近傍周波数となったタイミングをバンドパスフィルターの出力により検出することができる。したがって、バンドパスフィルターの出力と、レーザー光の波長の変化率の時間変化に関する情報とに基づいて、当該タイミングにおけるレーザー光の波長の変化率を求めることができる。また、バンドパスフィルターの中心周波数が当該タイミングにおける干渉光（ビート光）の周波数に相当する。このようなことから、干渉光の周波数とレーザー光の波長の変化率との関係を用いて、光源部と測定対象物との間の距離を求めることができる。このように、比較的簡単なシーケンスで距離計測を行うことができる。
【００１１】
本発明の距離計では、前記距離演算部は、前記電気信号が入力される利得制御機能を有する増幅器を含み、
前記バンドパスフィルターは、前記増幅器から出力された信号が入力されることが好ましい。
【００１２】
これにより、戻り光の光量が変動しても、バンドパスフィルターの出力の変動を低減することができる。そのため、様々な表面状態の測定対象物との間の距離を測定したり、測定可能な距離の範囲を広くしたりすることができる。
【００１３】
本発明の距離計では、前記変化率の時間変化に関する情報を設定情報として記憶する記憶部を備え、
前記バンドパスフィルターから出力される信号と、前記設定情報とに基づいて、前記光源部と前記測定対象物との間の距離を求めることが好ましい。
これにより、比較的簡単なシーケンスで距離を測定することができる。
【００１４】
本発明の距離計では、前記バンドパスフィルターのＱ値が１以上４０以下であることが好ましい。
【００１５】
これにより、測定可能な距離の範囲を広くしつつ、距離測定の分解能を高めることができる。
【００１６】
本発明の距離計では、前記駆動信号は、前記レーザー光の波長の前記変化率が正となる第１駆動信号と、前記レーザー光の波長の前記変化率が負となる第２駆動信号と、を含み、
前記第１駆動信号および前記第２駆動信号のうちの少なくとも一方は、前記レーザー光の波長の前記変化率が連続的に時間変化することが好ましい。
【００１７】
これにより、２つの変化率に対応した２つのシーケンスを用いて距離をより高精度に算出することができる。また、測定対象物が移動している場合に、測定対象物の速度をも測定することができる。
【００１８】
本発明の距離計では、前記光源部は、面発光レーザーであることが好ましい。
これにより、光源部の小型化を図りつつ、レーザー光の自己結合効果を生じさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る距離計の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す距離計が備える光源部（レーザーダイオード）の模式的断面図である。
【図３】自己結合効果を説明するための模式図である。
【図４】図１に示す距離計が備える光源駆動部の駆動信号（レーザー駆動電流）の時間変化を示すグラフである。
【図５】図１に示す距離計が備える検出部のフォトダイオードの出力の時間変化を示すグラフである。
【図６】図１に示す距離計が備える距離演算部のバンドパスフィルターの出力の時間変化を示すグラフである。
【図７】図１に示す距離計が備えるパターン発生器に設定されるレーザー波長の変化率の時間変化を示すグラフである。
【図８】図６に示す信号の詳細を説明するためのグラフである。
【図９】図１に示す距離計が備える計数回路の出力の時間変化を示すグラフである。
【図１０】計数回路の出力とレーザー波長の変化率との関係を説明するためのグラフである。
【図１１】自己結合効果によるビート周波数と時間との関係を示すグラフである。
【図１２】検出光の波長変化率の時間変化を示すグラフである。
【図１３】検出光の波長の時間変化を示すグラフである。
【図１４】バンドパスフィルターの出力振幅比（出力振幅／入力振幅）とＱ値との関係を示すグラフである。
【図１５】バンドパスフィルターの応答時間とＱ値との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の距離計の好適な実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る距離計の概略構成を示す図である。
【００２１】
図１に示す距離計１は、レーザー光Ｌｏの自己結合効果を用いて測定対象物Ｏとの間の距離を計測する距離計である。測定対象物Ｏとしては、レーザー光Ｌｏを反射し得るものであれば特に限定されず、気体、液体、固体のいずれであってもよい。
【００２２】
この距離計１は、測定対象物Ｏに照射するレーザー光Ｌｏを出射する光源部２と、光源部２と測定対象物Ｏとの間の光路上に配置されているレンズ６１およびミラー６２と、光源部２から出射されたレーザー光Ｌｏと測定対象物Ｏからの戻り光Ｌｒとの自己結合効果によって生じる干渉光に応じた干渉波形を含む電気信号を出力する検出部３と、光源部２から出射されるレーザー光Ｌｏの波長を連続的に時間変化する変化率で変化させる駆動信号によって光源部２を駆動する光源駆動部４と、検出部３から出力された電気信号に基づいて、光源部２と測定対象物Ｏとの間の距離（Ｌ１＋Ｌ２＝Ｌ）を求める距離演算部５と、設定値情報等を記憶する記憶部７と、を備える。
【００２３】
以下、まず、距離計１の各部の構成を簡単に説明する。
（光源部）
光源部２は、レーザーダイオード２０（ＬＤ）を備える。このレーザーダイオード２０は、面発光レーザー（Surface Emitting Laser：ＳＥＬ）であり、より具体的には、垂直共振器面発光レーザー（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）である。以下、図２に基づいて、レーザーダイオード２０の構成を説明する。
【００２４】
図２は、図１に示す距離計が備える光源部（レーザーダイオード）の模式的断面図である。
【００２５】
図２に示すように、レーザーダイオード２０は、基板２１と、基板２１上に第１半導体光反射層２２、活性層２３および第２半導体光反射層２４をこの順に積層して構成されたレーザー共振器２９（光共振器）と、活性層２３と第２半導体光反射層２４の外周部との間に設けられた電流狭窄層２５と、基板２１上でレーザー共振器２９の側部を覆う絶縁層２６と、第２半導体光反射層２４の活性層２３とは反対側の面に接続された電極２７と、電極２７に接続されて絶縁層２６上に引き出されている配線２８と、を有する。また、図示しないが、基板２１のレーザー共振器２９とは反対側の面（底面）上には、電極２７と対をなす電極が設けられている。
【００２６】
基板２１は、例えばｎ型またはｐ型のＧａＡｓからなる半導体基板である。例えば、基板２１をｎ型ＧａＡｓ基板で構成した場合、基板２１の底面に設けられた電極（図示せず）はｎ側電極となる。そして、この場合、例えば、第１半導体光反射層２２としてｎ型ＡｌＧａＡｓ多層膜からなるＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）ミラー、活性層２３としてＡｌＧａＡｓ多重量子井戸、第２半導体光反射層２４としてｐ型ＡｌＧａＡｓ多層膜からなるＤＢＲミラーが用いられ、これらを基板２１上に順次積層することにより、柱状のレーザー共振器２９が構成されている。また、電流狭窄層２５は、第２半導体光反射層２４を構成する層のうち活性層２３に近いＡｌＧａＡｓ層を側面から酸化することにより形成されている。
【００２７】
絶縁層２６は、例えばポリイミド樹脂で構成されている。
電極２７は、開口部２７１を有するリング状をなし、柱状のレーザー共振器２９と略同心円となるように形成されている。電極２７の構成材料としては、例えば、金および亜鉛からなる合金、または、金およびゲルマニウムからなる合金等を用いることができる。また、電極２７は、チタンと金を順番に積層したもの、または、チタンとプラチナと金を順番に積層したもので構成することもできる。
【００２８】
配線２８は、図示しないパッド電極への引き出し電極としての機能を有する。配線２８の構成材料としては、半導体とのオーミック接触の相性を考慮する必要がないので、粘りがあって断線に強い材料、すなわち延性に富んだ材料である金単体等を用いることができる。
【００２９】
以上のように構成されたレーザーダイオード２０を備える光源部２は、レーザー共振器２９で共振したレーザー光Ｌｏを第１電極２７の開口部２７１から出射する。このような光源部２から出射されたレーザー光Ｌｏは、図１に示すように、レンズ６１およびミラー６２を介して測定対象物Ｏに照射される。そして、測定対象物Ｏに照射されたレーザー光Ｌｏは、測定対象物Ｏの表面で散乱し、その散乱したレーザー光の一部が戻り光Ｌｒとして、ミラー６２およびレンズ６１を介してレーザーダイオード２０のレーザー共振器２９内に戻る。このとき、前述したレーザーダイオード２０の活性層２３内で、レーザー光Ｌｏと戻り光Ｌｒとが干渉し、光源部２からのレーザー光Ｌｏの出力が増減する現象が生じる。この現象を「自己結合効果」と呼ぶ。ここで、この干渉が共振条件を満たすとき、光源部２からのレーザー光Ｌｏの出力が増加する。
【００３０】
このような面発光レーザーである光源部２によれば、光源部２の小型化を図りつつ、レーザー光Ｌｏの自己結合効果を生じさせることができる。
【００３１】
ここで、レンズ６１は、図１では、測定対象物Ｏの表面に向かってレーザー光Ｌｏが集光するように図示しているが、レーザー光Ｌｏが平行光となるように放射角度を調整してもよい。また、ミラー６２は、固定配置されていてもよいし、レーザー光Ｌｏを測定対象物Ｏの表面に走査するように、光スキャナー等に設けて所定の回動軸周りに回動させてもよい。また、ミラー６２は、必要に応じて設ければよく、省略してもよい。
【００３２】
（検出部）
図１に示すように、検出部３は、光源部２とミラー６２との間に配置されているビームスプリッター３２と、ビームスプリッター３２で反射したレーザー光Ｌｏ（干渉光）を受光するフォトダイオード３１（ＰＤ）と、を有する。
【００３３】
ビームスプリッター３２は、レンズ６１の光軸ａ上に配置され、光源部２からのレーザー光Ｌｏの一部をフォトダイオード３１に向けて反射させるとともに残部を透過させる。フォトダイオード３１は、ビームスプリッター３２からのレーザー光Ｌｏを受光し、その受光強度に応じた電気信号として電流信号を出力する。したがって、フォトダイオード３１は、光源部２から出射されたレーザー光Ｌｏと測定対象物Ｏからの戻り光Ｌｒとの自己結合効果によって生じる干渉光（レーザー光Ｌｏと戻り光Ｌｒとの干渉により強度が増減するビート光であるレーザー光Ｌｏ）に応じた干渉波形（ビート信号）を含む電気信号（電流信号）として出力する。ここで、この電気信号の波形は、レーザー駆動電流と同様な波形と、自己結合効果によるビート信号の波形とが重畳した波形となる。
【００３４】
（光源駆動部）
図１に示すように、光源駆動部４は、光源部２に供給する駆動信号の波形に関する情報を含む信号を出力するパターン発生器４１と、パターン発生器４１からの信号に基づいて光源部２を駆動する駆動信号を出力する駆動回路４２と、を有する。
【００３５】
パターン発生器４１は、記憶部７に記憶されている設定情報（設定値）に基づいて、駆動回路４２が出力する駆動信号の波形（電流波形）に関する情報を含む信号（変調信号）を出力する。駆動回路４２は、パターン発生器４１からの信号に基づいて、光源部２が出力するレーザー光Ｌｏの波長を変化させる駆動信号を出力する。この駆動信号は、光源部２のレーザーダイオード２０に供給される駆動電流（以下、「レーザー駆動電流」という）である。ここで、レーザーダイオード２０のレーザー駆動電流とレーザー光Ｌｏの波長との関係が線形である領域においてレーザーダイオード２０を駆動する場合、レーザー光Ｌｏの波長の時間変化の波形は、レーザー駆動電流の波形と同様となる。
【００３６】
なお、駆動回路４２は、光源部２の一部として捉えることもできる。この場合、パターン発生器４１が、光源部２から出射されるレーザー光Ｌｏの波長を連続的に遷移する変化率で変化させる駆動信号（変調信号）によって光源部２を駆動する「光源駆動部」と捉えることができる。
【００３７】
（記憶部）
図１に示す記憶部７は、光源部２のレーザー光Ｌｏの波長の変化率の時間変化に関する情報を設定情報として記憶する機能を有する。ここで、記憶部７に記憶されている設定情報は、測定期間内において光源部２から出射されるレーザー光Ｌｏの波長が時間変化するとともに、その時間変化の変化率が連続的に時間変化するように設定された情報を含んでいる。このような設定情報を光源駆動部４が用いることにより、光源駆動部４の駆動回路４２は、光源部２から出射されるレーザー光Ｌｏの波長を連続的に時間変化する変化率で変化させる駆動信号を出力する。
【００３８】
なお、記憶部７は、光源駆動部４の一部として捉えることもでき、この場合、パターン発生器４１の一部として捉えることもできる。すなわち、記憶部７は、光源駆動部４に組み込まれていてもよく、この場合、パターン発生器４１に組み込まれていてもよい。
【００３９】
（距離演算部）
図１に示すように、距離演算部５は、電流電圧変換回路５１（ＩＶ）と、フィルター５２（ＦＬＴ）と、自動利得制御回路５３（ＡＧＣ）と、バンドパスフィルター５４（ＢＰＦ）と、計数回路５５と、波長変化率算出部５６と、距離算出部５７と、を備えている。
【００４０】
電流電圧変換回路５１は、フォトダイオード３１から出力された電気信号を電流信号から電圧信号に変換する機能を有する。これにより、自己結合効果によって生じるビート信号を含む電圧信号を電気信号として得ることができる。ここで、この電圧信号の波形は、フォトダイオード３１から出力される電流信号の波形と同様、レーザー駆動電流と同様な波形と、自己結合効果によるビート信号の波形とが重畳した波形となる。
【００４１】
フィルター５２は、電流電圧変換回路５１から出力された電気信号（電圧信号）から、レーザー駆動電流に類似した波形成分を除去する機能を有する。これにより、ビート信号を主成分とする電圧信号を得ることができる。
【００４２】
自動利得制御回路５３（自動利得制御アンプ）は、入力された電圧信号の振幅が変動する場合においても一定の出力が得られるよう、自動的に増幅率（利得）を調整する増幅回路（増幅器）である。すなわち、自動利得制御回路５３は、入力された電気信号を増幅する増幅機能と、出力する電気信号の振幅が予め設定された一定の振幅となるように増幅機能の増幅率を調整する自動利得制御機能と、を有する。これにより、戻り光Ｌｒの光量変化等に起因するビート信号の振幅変動を除去して、予め設定された一定振幅のビート信号を得ることができる。
【００４３】
バンドパスフィルター５４は、自動利得制御回路５３から出力されたビート信号の周波数が所定の周波数となったときに、ビート信号を通過させる機能を有する。これにより、ビート信号の周波数が所定の周波数となったタイミングを検出することができる。このバンドパスフィルター５４の帯域幅は、比較的狭く設定されている。なお、バンドパスフィルター５４の帯域幅については、後に詳述する。
【００４４】
計数回路５５は、バンドパスフィルター５４の出力のゼロクロス点をカウントする機能を有する。波長変化率算出部５６は、計数回路５５の出力と、記憶部７からの設定情報とに基づいて、レーザー光Ｌｏの波長の変化率を算出する機能を有する。距離算出部５７は、波長変化率算出部５６の出力を用いて、距離Ｌを算出する機能を有する。
【００４５】
以上説明したような距離計１の構成を簡単に説明した。この距離計１は、以下のようにして測定対象物Ｏとの間の距離を測定する。
【００４６】
まず、図３に基づいて、距離計１の測定原理について説明する。
図３は、自己結合効果を説明するための模式図である。
【００４７】
レーザー光Ｌｏと戻り光Ｌｒとの干渉が共振条件を満たすときのレーザー光Ｌｏの互いに異なる波長を波長λ１および波長λ２とし、波長λ１から波長λ２へ時間間隔Ｔ［ｓｅｃ］で変化させたとき、レーザー光Ｌｏのビート周波数ｆｂは、下記式（１）で表される。
【００４８】
【数１】
2017125717.tif 000003
【００４９】
また、レーザー光Ｌｏの波長をλ０とし、波長λ０の変化率（時間変化率）をｄλ／ｄｔとしたとき、レーザー光Ｌｏのビート周波数ｆｂは、下記式（２）で表される。
【００５０】
【数２】
2017125717.tif 000004
【００５１】
レーザー光Ｌｏの波長λ０は既知であるため、この式（２）からわかるように、変化率ｄλ／ｄｔおよびビート周波数ｆｂに基づいて、距離Ｌを求めることができる。以下、距離計１における距離Ｌの測定について詳述する。
【００５２】
図４は、図１に示す距離計が備える光源駆動部の駆動信号（レーザー駆動電流）の時間変化を示すグラフである。
【００５３】
前述したように、距離計１では、距離Ｌの測定に際し、レーザー駆動電流を変化させることで、レーザー光Ｌｏの波長を変化させる。その際、図４に示すような波形のレーザー駆動電流を用いることで、レーザー光Ｌｏの波長の変化率を連続的に変化させる。このとき、光源部２のレーザー駆動電流とレーザー光Ｌｏの波長との関係が線形な関係にある場合、図４に示す波形と同様の波形で、レーザー光Ｌｏの波長を変化させることができる。図４に示すように、駆動信号（レーザー駆動電流）は、時間ｔが０からＴ１までの間の第１駆動信号と、時間ｔがＴ１からＴ２までの間の第２駆動信号と、を含む。第１駆動信号は、波長変化率が正であり、かつ、時間Ｔ１に向かって波長変化率が徐々に小さくなる。一方、第２駆動信号は、波長変化率が負であり、かつ、時間Ｔ２に向かって波長変化率が徐々に小さくなる。
【００５４】
図５は、図１に示す距離計が備える検出部のフォトダイオードの出力の時間変化を示すグラフである。
【００５５】
前述したようにレーザー光Ｌｏの波長を変化させると、フォトダイオード３１の出力波形の出力波形は、図５に示すように、レーザー駆動電流と同様な波形に自己結合効果によるビート信号の波形とが重畳した波形となる。また、電流電圧変換回路５１の出力波形も、フォトダイオード３１の出力波形の出力波形と同様となる。また、ビート信号の振幅は戻り光量等に起因して大きく変動する。
【００５６】
電流電圧変換回路５１の出力信号は、フィルター５２を通ることにより、少なくともレーザー駆動電流に類似した波形成分が除去される。これにより、ビート信号を主成分とする信号を得る。そして、この信号が自動利得制御回路５３を通ることにより、予め設定された振幅の信号を得る。
【００５７】
ここで、ビート信号の周波数（すなわち、ビート周波数）は、波長変化率が小さくなるに従い、小さくなる。
【００５８】
図６は、図１に示す距離計が備える距離演算部のバンドパスフィルターの出力の時間変化を示すグラフである。図７は、図１に示す距離計が備えるパターン発生器に設定されるレーザー波長の変化率の時間変化を示すグラフである。
【００５９】
自動利得制御回路５３の出力信号は、バンドパスフィルター５４に入力されるが、このバンドパスフィルター５４の通過帯域が狭帯域となっている。したがって、バンドパスフィルター５４の出力信号は、図６に示すように、ビート信号が所望の周波数（すなわちバンドパスフィルター５４の通過帯域）となったとき振幅が増大する（ビート信号が現れる）。より具体的には、時間ｔが０からＴ１までの間に、ビート信号Ａが現れ、また、時間ｔがＴ１からＴ２までの間に、ビート信号Ｂが現れる。
【００６０】
また、記憶部７の設定情報を用いて、図７に示すように、バンドパスフィルター５４の出力信号にビート信号が現れたタイミングの変化率ｄλ／ｄｔを得ることができる。
【００６１】
したがって、バンドパスフィルター５４の通過帯域の中心周波数をビート周波数ｆｂとして捉えれば、このビート周波数ｆｂと、バンドパスフィルター５４の出力信号にビート信号が現れたタイミングの変化率ｄλ／ｄｔとに基づいて、距離Ｌを求めることができる。
【００６２】
また、例えば、ビート信号Ａおよびビート信号Ｂのそれぞれを用いて距離Ｌを求め、これらを平均することで、より正確な距離Ｌを求めることもできる。また、測定対象物Ｏが距離計１に対して移動している場合、ビート信号Ａおよびビート信号Ｂを用いることで、測定対象物Ｏの速度を求めることができる。
【００６３】
図８は、図６に示す信号の詳細を説明するためのグラフである。図９は、図１に示す距離計が備える計数回路の出力の時間変化を示すグラフである。図１０は、計数回路の出力とレーザー波長の変化率との関係を説明するためのグラフである。
【００６４】
バンドパスフィルター５４から出力されるビート信号は、図８に示すような波形をなし、出現する幅（時間幅）がある程度の長さを有する。また、このビート信号は、周期が変化している。このような波形のビート信号のゼロクロス点を計数回路５５で計測する。これにより、計数回路５５の出力は、図９に示すように、複数の信号レベルの異なる階段状の波形となる。
【００６５】
波長変化率算出部５６は、例えば、計数回路５５の信号における複数の信号レベルのうちの中間の信号レベルのときをビート信号の中心位置のタイミングとして決定する。例えば、図示の場合、６つの信号レベルのうちの中間の４つ目の信号レベルのとき、より具体的には、信号レベルが３つ目から４つ目に切り換わるタイミングｔａと、４つ目から５つ目に切り換わるタイミングｔｂとの中間のタイミングをビート信号の中心位置でのタイミングｔｃとする。これにより、ビート信号の中心位置でのタイミングｔｃを高精度に検出することができる。
【００６６】
そして、波長変化率算出部５６は、このように決定されたタイミングｔｃと、記憶部７の設定値とを用いて、変化率ｄλ／ｄｔ（図１０中のα）を算出する。距離算出部５７は、波長変化率算出部５６で算出した変化率と、前述した式（２）とを用いて、距離Ｌを算出する。
【００６７】
以上説明したように距離計１で測定対象物Ｏとの間の距離Ｌを測定する。以下、この測定に用いるバンドパスフィルター５４について詳述する。
【００６８】
図１１は、自己結合効果によるビート周波数と時間との関係を示すグラフである。
レーザー光Ｌｏの波長の時間変化率を一次関数で表すと、図１１に示すように、ビート周波数ｆｂは、測定対象物Ｏとの距離Ｌに依存する。したがって、バンドパスフィルター５４の中心周波数ｆ０は、想定する測定距離の最小値で信号が得られるように、その距離での最大のビート周波数ｆｂに等しく設定すればよい。また、バンドパスフィルター５４の帯域幅は、中心周波数ｆ０と同程度となるようにすればよい。すなわち、バンドパスフィルター５４のＱ値（ｆ０／（帯域幅））を１とすればよい。また、バンドパスフィルター５４の帯域幅は、狭い方が距離測定の分解能は上がる一方、時間応答が長くなる。したがって、分解能と応答とを両立する観点から、バンドパスフィルター５４として帯域幅が可変なものを用い、ビート周波数ｆｂの変化率が大きいときにはバンドパスフィルター５４の帯域幅を広く、変化率が小さいときにはバンドパスフィルター５４の帯域幅を狭くすることが好ましい。
【００６９】
図１２は、検出光の波長変化率の時間変化を示すグラフである。図１３は、検出光の波長の時間変化を示すグラフである。
【００７０】
図１２に示すように、レーザー光Ｌｏの波長の時間変化率である変化率ｄλ／ｄｔを周期Ｔｍの一次関数と仮定すると、図１３に示すようにレーザー光Ｌｏの波長が変化する。
【００７１】
ここで、変化させることができるレーザー光Ｌｏの波長幅をΔλとすると、バンドパスフィルター５４の中心周波数ｆ０は、下記式（３）で表される。
【００７２】
【数３】
2017125717.tif 000005
【００７３】
この式（３）の各数値例として、λ０＝１０００ｎｍ、Δλ＝１ｎｍ、Ｌｍｉｎ＝０．０１ｍ、Ｔｍ＝１ｍｓを代入すると、ｆ０＝４０ｋＨｚとなる。
【００７４】
図１４は、バンドパスフィルターの出力振幅比（出力振幅／入力振幅）とＱ値との関係を示すグラフである。
【００７５】
測定距離がＬｍａｘ／２となるとき、Ｌｍａｘ／Ｌｍｉｎ＝１０としてバンドパスフィルター５４の出力振幅と入力振幅との比（出力振幅／入力振幅）は、図１４に示すようになる。ここで、Ｌｍａｘ／Ｌｍｉｎ＝１０とした理由は、測定装置としてのダイナミックレンジが１０程度必要なためである。測定のために必要な振幅比は２０％であるため、図１４から、バンドパスフィルター５４のＱ値は４０以下であることが必要であることがわかる。
【００７６】
図１５は、バンドパスフィルターの応答時間とＱ値との関係を示すグラフである。
前述したバンドパスフィルター５４の帯域幅およびＱ値に関する検討では、バンドパスフィルター５４が２次のバンドパスフィルターである場合を説明したが、図１５に示すように、高次のバンドパスフィルターのＱ値および応答時間の関係は、２次のバンドパスフィルターと概ね同じである。
【００７７】
以上より、バンドパスフィルター５４のＱ値は、が１以上４０以下であることが好ましく、５以上３０以下であることがより好ましく、１０以上３０以下であることがさらに好ましい。これにより、測定可能な距離Ｌの範囲を広くしつつ、距離測定の分解能を高めることができる。
【００７８】
以上説明したような距離計１によれば、自己結合効果に用いるレーザー光Ｌｏの波長を連続的に時間変化する変化率で変化させるため、その変化率に対応した１つのシーケンスで距離Ｌを高精度に算出することができる。そのため、自己結合効果を用いて距離計測における分解能の向上と計測速度の向上との両立を図ることができる。
【００７９】
ここで、前述したように、距離演算部５が、バンドパスフィルター５４から出力された信号と、レーザー光Ｌｏの波長の変化率ｄλ／ｄｔの時間変化に関する情報とに基づいて、光源部２と測定対象物Ｏとの間の距離Ｌを求める。その際、干渉光（ビート光）の周波数であるビート周波数ｆｂがバンドパスフィルター５４の中心周波数またはその近傍周波数となったタイミングをバンドパスフィルター５４の出力により検出することができる。したがって、バンドパスフィルター５４の出力と、レーザー光Ｌｏの波長の変化率ｄλ／ｄｔの時間変化に関する情報とに基づいて、当該タイミングにおけるレーザー光Ｌｏの波長の変化率ｄλ／ｄｔを求めることができる。また、バンドパスフィルター５４の中心周波数が当該タイミングにおける干渉光（ビート光）の周波数ｆｂに相当する。このようなことから、干渉光の周波数ｆｂとレーザー光Ｌｏの波長の変化率ｄλ／ｄｔとの関係を用いて、光源部２と測定対象物Ｏとの間の距離Ｌを求めることができる。このように、比較的簡単なシーケンスで距離計測を行うことができる。
【００８０】
また、バンドパスフィルター５４に、利得制御機能を有する増幅器である自動利得制御回路５３から出力された信号が入力されるため、戻り光Ｌｒの光量が変動しても、バンドパスフィルター５４の出力の変動を低減することができる。そのため、様々な表面状態の測定対象物Ｏとの間の距離Ｌを測定したり、測定可能な距離Ｌの範囲を広くしたりすることができる。
【００８１】
また、バンドパスフィルター５４から出力される信号と、記憶部７に記憶されている設定情報（変化率ｄλ／ｄｔの時間変化に関する情報）とに基づいて、光源部２と測定対象物Ｏとの間の距離Ｌを求めるため、比較的簡単なシーケンスで距離Ｌを測定することができる。
【００８２】
また、本実施形態では、前述したように、光源駆動部４が出力する駆動信号は、レーザー光Ｌｏの波長の変化率ｄλ／ｄｔが正となる第１駆動信号と、レーザー光Ｌｏの波長の変化率ｄλ／ｄｔが負となる第２駆動信号と、を含む。そして、第１駆動信号および第２駆動信号のそれぞれがレーザー光Ｌｏの波長の変化率ｄλ／ｄｔが連続的に時間変化する。これにより、２つの変化率に対応した２つのシーケンスを用いて距離をより高精度に算出することができる。また、測定対象物Ｏが移動している場合に、測定対象物Ｏの速度をも測定することができる。
【００８３】
以上、本発明の距離計について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明は、実施形態に記載の各部の構成を、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができ、また、他の任意の構成を付加することもできる。
【符号の説明】
【００８４】
１…距離計、２…光源部、３…検出部、４…光源駆動部、５…距離演算部、７…記憶部、２０…レーザーダイオード、２１…基板、２２…第１半導体光反射層、２３…活性層、２４…第２半導体光反射層、２５…電流狭窄層、２６…絶縁層、２７…電極、２８…配線、２９…レーザー共振器、３１…フォトダイオード、３２…ビームスプリッター、４１…パターン発生器、４２…駆動回路、５１…電流電圧変換回路、５２…フィルター、５３…自動利得制御回路、５４…バンドパスフィルター、５５…計数回路、５６…波長変化率算出部、５７…距離算出部、６１…レンズ、６２…ミラー、２７１…開口部、Ａ…ビート信号、ａ…光軸、Ｂ…ビート信号、ｆ０…中心周波数、ｆｂ…ビート周波数、Ｌ…距離、Ｌｏ…レーザー光、Ｌｒ…戻り光、Ｏ…測定対象物、ｔ…時間、Ｔ１…時間、Ｔ２…時間、ｔｃ…タイミング、Ｔｍ…周期、λ０…波長、λ１…波長、λ２…波長
【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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