专利名称：物理量传感器以及物理量测量方法
技术领域：
本发明涉及一种根据由于从半导体激光器发射的激光与从物体返回的返回光的自混合效应而产生的干涉的信息，对物体的位移、速度进行测量的物理量传感器以及物理量测量方法。
背景技术：
关于FMCW(调频连续波)雷达或驻波雷达、自混合型激光器传感器等的、利用干涉原理的位移(速度)测定方法，在基于脉动或干涉条纹的频率算出测定对象的位移、速度时一般采用FFT(快速傅里叶变换)等的信号处理、干涉条纹的计数处理等。但是，为了通过FFT实现高分辨率，需要长的采样时间和高的采样周期的数据，存在需要巨大的处理时间这样的问题。又，关于干涉条纹的计数处理，为了测量不到半波长的位移，需要使传感器进行物理振动，或者进行干涉条纹的振幅的分析，存在只能对作为测定对象的周期运动的振动进行测量这样的问题，进一步存在干涉条纹的计数处理需要花费时间这样的问题。
另一方面，发明者提出了一种使用半导体激光器的自混合效应的波长调制型激光测量器(参照专利文献I)。该激光测量器的构成如图15所示。图15的激光测量器包括半导体激光器201，其向物体210发射激光；光电二极管202，其将半导体激光器201的光输出变换为电信号；透镜203，其将来自半导体激光器201的光聚光并照射到物体210，并将从物体210返回的光聚光使其入射到半导体激光器201中；激光器驱动器204，其使半导体激光器201的振荡波长连续地增加的第I振荡期间与振荡波长连续地减少的第2振荡期间交替反复；电流-电压变换放大部205，其将光电二极管202的输出电流变换为电压并放大；信号提取电路206，其将电流-电压变换放大部205的输出电压进行2次微分；计数装置207，其对信号提取电路206的输出电压中所含有的MHP的数量计数；运算装置208，其计算出与物体210的距离以及物体210的速度；以及，显示装置209，显示运算装置208的算出结果。激光器驱动器204将相对于时间以一定的变化率反复增减的三角波驱动电流作为注入电流提供给半导体激光器201。由此，半导体激光器201被驱动为振荡波长以一定的变化率连续地增加的第I振荡期间与振荡波长以一定的变化率连续地减少的第2振荡期间交替反复。图16是示出半导体激光器201的振荡波长随时间变化的图。在图16中，Pl是第I振荡期间，P2是第2振荡期间，\ a是各期间的振荡波长的最小值，\ b是各期间的振荡波长的最大值，Tt是三角波的周期。从半导体激光器201出射的激光通过透镜203被聚光之后入射到物体210中。由物体210反射的光通过透镜203被聚光之后入射到半导体激光器201中。光电二极管202将半导体激光器201的光输出变换为电流。电流-电压变换放大部205将光电二极管202的输出电流变换为电压并放大，信号提取电路206对电流-电压变换放大部205的输出电压进行2次微分。计数装置207对信号提取电路206的输出电压中所含有的跳模脉冲(MHP)的数量分别就第I振荡期间Pl和第2振荡期间P2进行计数。基于半导体激光器201的最小振荡波长\ a、最大振荡波长\ b、第I振荡期间Pl的MHP的数量以及第2振荡期间P2的MHP的数量，运算装置208计算出与物体210的距离以及物体210的速度。根据这样的自混合型的激光测量器，能够进行约半导体激光器201的半波长的分辨率的位移测量和与半导体激光器201的波长调制量成反比例的分辨率的距离测量。专利文献专利文献I日本特开2006-313080号公报
发明内容
发明所要解决的问题 与现有的FMCW雷达或驻波雷达、自混合型激光器传感器等相比，根据自混合型的激光测量器，能够以高的分辨率测量测定对象的位移、速度。但是，采用自混合型的激光测量器的话，由于和FFT相同地，位移、速度的算出需要一定的时间(在专利文献I中，半导体激光器的振荡波长调制的载波的半周期)，因此有在速度的变化快的测定对象的测量中产生测量误差这样的问题。又，由于在信号处理中需要对MHP的数量进行计数，因此存在难以实现不到半导体激光器的半波长的分辨率这样的问题。本发明是为了解决上述课题而作出，其目的是提供能够以高的分辨率测量物体的位移、速度，且能够缩短测量所需要的时间的物理量传感器以及物理量测量方法。解决课题的手段本发明的物理量传感器的特征在于包括向测定对象发射激光的半导体激光器；振荡波长调制单元，其使所述半导体激光器动作，以使得振荡波长连续地单调增加的第I振荡期间和振荡波长连续地单调减少的第2振荡期间中的至少一个反复存在；检测单元，其对含有干涉波形的电信号进行检测，该干涉波形是由于从所述半导体激光器发射的激光与从所述测定对象返回的返回光的自混合效应而产生的；信号提取单元，其在每次输入干涉波形时，对该检测单元的输出信号中所包含的所述干涉波形的周期进行测量；以及运算单元，其基于该信号提取单元所测量的各个周期算出所述测定对象的位移和速度中的至少一方。又，在本发明的物理量传感器的I个构成例中，所述运算单元根据测量所述干涉波形的周期的采样时钟的频率、基准周期、所述半导体激光器的平均波长以及所述信号提取单元所测量的周期的相对于所述基准周期的变化量，算出所述测定对象的位移和速度中的至少一方。又，本发明的物理量传感器的I个构成例进一步具有载波调整单元，其能够对所述半导体激光器的振荡波长调制的载波的振幅或者频率进行调整。又，在本发明的物理量传感器的I个构成例中，所述载波调整单元调整所述载波的振幅或者频率，使得所述测定对象为静止时的所述干涉波形的周期或者即将调整之前所测量的规定数量的干涉波形的周期的平均值为被预先规定的周期。又，在本发明的物理量传感器的I个构成例中，所述被预先规定的周期是与物理量传感器能处理的干涉波形的最高频率的1/2的值相对应的周期。又，在本发明的物理量传感器的I个构成例中，所述载波调整单元将所述载波的振幅或者频率减小规定量。
又，在本发明的物理量传感器的I个构成例中，所述载波调整单元将所述载波的振幅或者频率增大规定量。又，在本发明的物理量传感器的I个构成例中，所述运算单元将所述测定对象为静止时的所述干涉波形的周期设为所述基准周期。又，本发明的物理量传感器的I个构成例进一步包含计数单元，其就各个所述第I振荡期间和所述第2振荡期间对所述检测单元的输出信号中所包含的所述干涉波形的数量进行计数；距离算出单元，其根据通过该计数单元对干涉波形的数量进行计数的期间中的最小振荡波长、最大振荡波长和所述计数单元的计数结果，算出与所述测定对象的距离；以及周期算出单元，其根据该距离算出单元所算出的距离，求出所述干涉波形的周期，所述运算单元将所述周期算出单元求出的周期设为所述基准周期。
又，本发明的物理量传感器的I个构成例进一步包含计数单元，其就各个所述第I振荡期间和所述第2振荡期间对所述检测单元的输出信号中所包含的所述干涉波形的数量进行计数；距离比例个数算出单元，其通过算出所述干涉波形的数量的平均值，求出与所述半导体激光器和所述测定对象的平均距离成比例的、作为干涉波形的数量的距离比例个数；以及周期算出单元，其根据所述距离比例个数算出所述干涉波形的周期，所述运算单元将所述周期算出单元求出的周期设为所述基准周期。又，本发明的物理量测量方法的特征在于包括振荡步骤，其使所述半导体激光器动作，以使得振荡波长连续地单调增加的第I振荡期间和振荡波长连续地单调减少的第2振荡期间中的至少一个反复存在；检测步骤，其对含有干涉波形的电信号进行检测，该干涉波形是由于从所述半导体激光器发射的激光与从所述测定对象返回的返回光的自混合效应而产生的；信号提取步骤，其在每次输入干涉波形时，对通过该检测步骤得到的输出信号中所包含的所述干涉波形的周期进行测量；以及运算步骤，其基于通过该信号提取步骤测量到的各个周期算出所述测定对象的位移和速度中的至少一方。发明效果根据本发明，通过根据测量了的各个干涉波形的周期进行计算，能够以比现有技术高的分辨率测量测定对象的位移、速度。又，采用现有的自混合型的激光测量器的话，需要花费载波的半周期的测量时间，而在本发明中，由于能够根据各个干涉波形的周期求出测定对象的位移、速度，因此能够大幅度地缩短测量所需要的时间，也能够应对速度变化快的测定对象。又，在本发明中，通过设置能够调整半导体激光器的振荡波长调制的载波的振幅或者频率的载波调整单元，能够从将关于测定对象的速度的测量的动态范围设为最大，或者使位移、速度的分辨率提高，或者使位移、速度的测量精度提高这三个项目中，适当地选择想要重视的项目。
图I是示出本发明的第I实施形态所涉及的物理量传感器的构成的框图。图2是示意性地示出本发明的第I实施形态的电流-电压变换放大部的输出电压波形及滤波部的输出电压波形的波形图。图3是对跳模脉冲进行说明的图。
图4是示出半导体激光器的振荡波长与光电二极管的输出波形的关系的图。图5是示出本发明的第I实施形态所涉及的信号提取部的构成例的框图。图6是说明本发明的第I实施形态的信号提取部的动作的图。图7是示出本发明的第2实施形态所涉及的物理量传感器的构成的框图。图8是说明在本发明的第2实施形态中从激光器驱动器被供给至半导体激光器的三角波驱动电流的振幅的调整方法的图。图9是示出本发明的第4实施形态的运算部的构成例的框图。图10是示出本发明的第5实施形态的运算部的构成例的框图。图11是示出本发明的第5实施形态的计数部的计数结果随时间变化的一个实例 的图。图12是示出本发明的第5实施形态的计数部的计数结果随时间变化的另一个实例的图。图13是示出本发明的第6实施形态的半导体激光器的振荡波长随时间变化的另一个实例的图。图14是示出本发明的第7实施形态所涉及的物理量传感器的构成的框图。图15是示出现有的激光测量器的构成的框图。图16是示出图15的激光测量器中的半导体激光器的振荡波长随时间变化的一个实例的图。符号的说明I…半导体激光器、2…光电二极管、3…透镜、4…激光器驱动器、5…电流-电压变换放大部、6…滤波部、7…信号提取部、8…运算部、9…显示部、10…物体、11…载波调整部、12…电压检测部、70…二值化部、71…周期测定部、80…物理量算出部、81，84…计数部、82…距离算出部、83…周期算出部、85…存储部、86…距离比例个数算出部、87…符号赋予部、88…周期算出部。
具体实施例方式(第I实施形态)下面，参照附图对本发明的实施形态进行说明。图I是示出本发明的第I实施形态的物理量传感器的构成的框图。图I的物理量传感器包括半导体激光器1，其向作为测定对象的物体10发射激光；光电二极管2，其将半导体激光器I的光输出变换为电信号；透镜3，其将来自半导体激光器I的光聚光并照射，且将从物体10返回的返回光聚光使其入射到半导体激光器I中；激光器驱动器4，其成为驱动半导体激光器I的振荡波长调制单元；电流-电压变换放大部5，其将光电二极管2的输出电流变换为电压并放大；滤波部6，其从电流-电压变换放大部5的输出电压中去除载波；信号提取部7，其对滤波部6的输出电压中所含有的作为自混合信号的跳模脉冲(以下称MHP)的周期进行测量；运算部8，其基于信号提取部7所测量的每个周期计算出物体10的位移、速度；以及，显示装置9，其显示运算部8的计算结果。光电二极管2和电流-电压变换放大部5构成检测单元。下面，为了易于说明，假设半导体激光器I使用的是不具有模跳现象的类型(VCSEL型、DFB激光型)。
激光器驱动器4将相对于时间以一定的变化率反复增减的三角波驱动电流作为注入电流提供给半导体激光器I。由此，半导体激光器I与注入电流的大小成比例地被驱动，使得其振荡波长以一定的变化率连续地增加的第I振荡期间Pl与振荡波长以一定的变化率连续地减少的第2振荡期间P2交替反复。此时的半导体激光器I的振荡波长随时间的变化如图16所示。在本实施形态中，半导体激光器I的振荡波长的变化速度需要是一定的。从半导体激光器I出射的激光通过透镜3被聚光并入射到物体10上。由物体10反射的光通过透镜3被聚光并入射到半导体激光器I上。但并不是一定要通过透镜3聚光。光电二极管2配置于半导体激光器I的内部或者其附近，将半导体激光器I的光输出变换为电流。电流-电压变换放大部5将光电二极管2的输出电流变换为电压并放大。滤波部6具有从调制波中提取出叠加信号的功能。图2(A)是示意性地示出电流-电压变换放大部5的输出电压波形的图，图2 (B)是示意性地示出滤波部6的输出电压波形的图。这些图表示如下的过程，首先从与光电二极管2的输出相当的图2(A)的波形(调制波)中去除图2的半导体激光器I的振荡波形(载波)，再提取出图2 (B)的MHP波 形(干涉波形)。接着，信号提取部7在每次产生MHP时，对滤波部6的输出电压中所包含的MHP的周期进行测量。在这里对作为自混合信号的MHP进行说明。如图3所示，假设镜层1013距物体10的距离为L、激光器的振荡波长为\，在满足下面的谐振条件时，从物体10返回的返回光与半导体激光器I的光谐振器内的激光强度值叠加，激光输出略有增加。L=q 入/2... (I)在算式(I)中，q是整数。即使来自物体10的散射光非常微弱，通过增加半导体激光器I的谐振器内的表观反射率，产生放大作用，也可以充分地观测到该现象。图4是示出使半导体激光器I的振荡波长以一定的比例变化时、振荡波长与光电二极管2的输出波形的关系的图。在满足算式(I)所示的L=qX/2时，返回光与光谐振器内的激光的相位差为0° (同相位)，返回光与光谐振器内的激光为最强值叠加，L=q X/2+X/4时，相位差为180° (逆相位)，返回光与光谐振器内的激光为最弱值叠加。因此，如果使半导体激光器I的振荡波长变化，激光输出变强的状态与变弱的状态交替反复出现，如果通过光电二极管2检测此时的激光输出，则可以得到如图4所示的一定周期的阶梯状的波形。这样的波形一般被称为干涉条纹。该阶梯状的波形，即各个干涉条纹就是MHP。如前所述，在某一定的时间内使半导体激光器I的振荡波长变化时，MHP的数量与测定距离成比例地变化。图5是示出信号提取部7的构成例的方框图。信号提取部7包括二值化部70和周期测定部71。图6 (A) 图6⑶是对信号提取部7的动作进行说明的图，图6 (A)是示意性地示出滤波部6的输出电压的波形、即MHP的波形的图，图6(B)是示出与图6(A)对应的二值化部70的输出的图，图6(C)是示出输入到信号提取部7中的采样时钟CLK的图，图6(D)是示出与图6(B)对应的周期测定部71的测定结果的图。首先，信号提取部7的二值化部70对图6(A)所示的滤波部6的输出电压是高电平(H)还是低电平(L)进行判断，并输出如图6(B)所示的判断结果。此时，在滤波部6的输出电压上升达到阈值THl以上时，二值化部70判断为高电平，在滤波部6的输出电压下降达到阈值TH2(TH2〈TH1)以下时，二值化部70判断为低电平，由此将滤波部6的输出二值化。周期测定部71在每次产生上升沿时，对二值化部70的输出的上升沿的周期(即、MHP的周期)进行测量。此时，周期测定部71以图6(C)所示的采样时钟CLK的周期作为一个单位对MHP的周期进行测定。在图6 (D)的实例中，周期测定部71依次测定T a、T P、T Y作为MHP的周期。从图6(C)、图6(D)可知，周期Ta、TP、Ty的大小分别是5 [samplings]、4[samplings]、2samplings]。采样时钟CLK的频率要充分高于MHP的能取得的最高频率。接着，运算部8基于信号提取部7的测量结果，根据各个MHP的周期的变化算出物体10的位移、速度。将采样时钟的频率设为fad[Hz]、将基准周期设为NO [samplings]、将半导体激光器I的振荡平均波长设为、[m]、假设运算对象的MHP的周期从基准周期NO增长n [samplings],如下算式获得该运算对象的MHP的周期的物体10的位移D[m]。D=nXA/(2XN0)... (2) 基准周期NO是指物体10静止时的MHP周期，或者所算出的距离的MHP的周期。运算对象的MHP的周期从基准周期NO变短n [samplings]的情况下,将算式(2)的周期变化量n的符号变为负号即可。关于半导体激光器I的振荡波长为增加的第I振荡期间P1，位移D为正时，物体10的移动方向是远离半导体激光器I的方向，位移D为负时，物体10的移动方向是靠近半导体激光器I的方向。又，关于振荡波长为减少的第2振荡期间P2，位移D为正时，物体10的移动方向是靠近半导体激光器I的方向，位移D为负时，物体10的移动方向是远离半导体激光器I的方向。又，根据基准周期TO能够算出与物体10的距离。作为算出方法有在专利文献I中使位移为0而算出的方法。又，由于运算对象的MHP的周期是(NO+N)/fad，所以运算对象的MHP的周期中的物体10的速度V[m/s]如下算式获得。V=nX 入 / (2 XNO) X fad/ (N0+n)... (3)运算部8能够通过算式(2)算出物体10的位移D，且能够通过算式(3)算出物体10的速度V。例如将采样时钟的频率fad设为16 [Hz]、将基准周期NO设为160 [samplings]、将半导体激光器I的平均波长设为850 [nm]、假设运算对象的MHP的周期从基准周期NO增长I [samplings],能够计算出运算对象的MHP的周期中的物体10的位移D是5. 31 [nm]、速度V是1.05[mm/S]。运算部8在每次产生MHP时，进行以上那样的算出处理。显示部9显示运算部8的算出结果。这里，将半导体激光器I的振荡波长调制的载波(三角波)的每个半周期的、与和物体10的距离相关联的MHP的数量设为NI。如果在将物体10的平均速度的绝对值换算为每个载波半周期的位移时，将物体10的平均速度的绝对值设为X/2 XNa，则每个载波半周期的MHP的数量则为Nl+Na或者Nl-Na。每个载波半周期的位移以X /2 XNb的速度移动时，每个载波半周期的MHP数量则为Nl+Nb或者Nl-Nb，由此观测与该数量对应的MHP的周期。要求得物体10的位移D和速度V，只要从各个MHP的周期对每个载波半周期的MHP的数量进行逆运算，从该MHP的数量计算出物体10的位移D和速度V即可。上述的算式(2)、算式(3)是基于这样的导出原理。又，上述的平均速度是指某I个MHP间的平均速度。采用在专利文献I中所揭示的自混合型激光测量器的话，物体的位移、速度的分辨率是半导体激光器的半波长X/2左右。相对于此，在本实施形态中，由于位移D和速度V的分辨率是X/2Xn/N0，因此能够实现不到半波长X/2的分辨率，从而能够实现比现有技术闻的分辨率的测量。如上所述，在本实施形态中，能够以比现有技术高的分辨率对物体10的位移D和速度V进行测量。又，采用在专利文献I中所揭示的自混合型的激光测量器的话，要花费载波的半周期的测量时间，而在本实施形态中，由于能够从各个MHP的周期求出物体10的位移D和速度V，因此能够大幅度地缩短测量所需要的时间，也能够应对速度变化快的物体10。又，由于各个MHP的周期即使物体10为静止，以正态分布也存在偏差，因此最好对算出了的位移施行移动平均等的处理。又，在本实施形态中，虽然对物体10的位移和速度双方进行测量，但是也可以仅对任一方进行测量。(第2实施形态)·下面，对本发明的第2实施形态进行说明。图7是示出本发明的第2实施形态所涉及的物理量传感器的结构的框图，与图I相同的结构标注相同符号。本实施形态的物理量传感器相对于第I实施形态的物理量传感器增加了载波调整部11。载波调整部11是在物体10为静止的初期设定时，例如根据由操作者所输入的载波调整指示信号，通过激光器驱动器4对三角波驱动电流的振幅(载波的振幅)进行调整，以使得信号提取部7测量了的MHP的周期T为被预先规定的周期T0。这里，被预先规定的周期TO是与物理量传感器能处理的MHP的最高频率fmax的1/2的值对应的周期(T0=2/fmax)。物理量传感器能处理的MHP的最高频率fmax通过在物理量传感器的电路(例如电流-电压变换放大部5中所包含的运算放大器)来决定。图8是用于说明从激光器驱动器4被供给至半导体激光器I的三角波驱动电流的振幅的调整方法的图。激光器驱动器4根据来自载波调整部11的指示，将驱动电流的直流成分(DC偏置)CB固定为一定值，就在该状态下对驱动电流的振幅AMP进行调整。如本实施形态那样，将测量到的MHP的周期设定为被预先规定的周期TO的话，能够使关于物体10的速度V的测量的动态范围最大。又，载波调整部11也可以通过激光器驱动器4对三角波驱动电流的频率(载波的频率)进行调整，使得信号提取部7所测量的MHP的周期T为被预先规定的周期T0。又，虽然在本实施形态中，将用于调整的MHP的周期T设置为物体10在静止状态的周期，但是也不限于此，也可以将即将调整之前被测量到的规定数量的MHP的周期的移动平均作为周期T，对载波的振幅或者频率进行调整。本实施形态适用于已知物体10为振动时或者已知物体10的速度较大的时候。(第3实施形态)下面，对本发明的第3实施形态进行说明。在本实施形态中，传感器的构成与第2实施形态相同，因此采用图7的符号进行说明。物体10的位移D和速度V的分辨率与在MHP的I个周期所包含的采样时钟数量成比例地提高。半导体激光器I与物体10的距离变远的话，MHP的频率增高(MHP的个数变多)，因此，MHP的I个周期所包含的采样时钟数量减少，则位移D和速度V的分辨率降低。gp，与物体10的距离变为A倍的话，在MHP的I个周期所包含的采样时钟数量减少为1/A倍，位移D和速度V的分辨率变坏A倍。 这里，在根据与物体10的距离较远等的理由，重视位移D和速度V的分辨率的情况下，也可以进行和第2实施形态不同的调整。即，例如由操作者输入分辨率重视调整指示信号的话，载波调整部11通过激光器驱动器4将三角波驱动电流的振幅或者频率(载波的振幅或者频率)从之前的值减小规定量。调整使得载波的振幅或者频率变小的话，即使与物体10的距离相同，与调整前相比，MHP的周期变长，因此能够增加MHP的I个周期所包含的采样时钟数量，且能够使位移D和速度V的分辨率提高。又，作为初期的调整方法，使用在第2实施形态中说明了的调整方法即可。 又，与物体10的距离较远的情况下，MHP的周期变短，位移D和速度V的分辨率降低，但是由于MHP的个数增多，MHP的周期的频数分布是大致高斯分布，因此能够精度良好地求出基准周期。相反地，与物体10的距离较近的情况下，MHP的周期增长，位移D和速度V的分辨率提高，但是由于MHP的周期的高斯分布的分散是与周期成比例地增大，MHP的个·数也减少，因此基准周期的精度降低。这里，在根据与物体10的距离较近等的理由，重视测量精度的情况下，也可以进行以下那样的调整。即，例如由操作者输入精度重视调整指示信号的话，载波调整部11通过激光器驱动器4将三角波驱动电流的振幅或者频率(载波的振幅或者频率)从之前的值增大规定量。由此，能够使MHP的基准周期的精度提高，且能够使位移D和速度V的测量精度提高。(第4实施形态)下面，对本发明的第4实施形态进行说明。在第I实施形态中，将基准周期NO设为物体10为静止状态的MHP的周期，但是本实施形态是对基准周期NO的另外的求出方法进行说明。图9是示出本发明的第4实施形态所涉及的运算部8的构成例的框图。运算部8包括物理量算出部80、计数部81、距离算出部82和周期算出部83。虽然物理量传感器的整体的结构和第I 第3实施形态相同，但是需要半导体激光器I的振荡波长的变化速度为一定，且振荡波长的最大值Xb以及振荡波长的最小值X a分别为一定，它们的差Ab-Aa也是一定的。计数部81就各个第I振荡期间Pl和第2振荡期间P2对滤波部6的输出电压中所含有的MHP的数量进行计数。计数部81也可以利用由逻辑门构成的计数器，也可以利用FFT (快速傅里叶变换)对MHP的频率(即每单位时间的MHP的数量)进行测量。接着，距离算出部82基于半导体激光器I的最小振荡波长Xa、最大振荡波长入b、以及计数部81所计算的MHP的数量，算出与物体10的距离。在本实施形态中，物体10的状态是满足规定的条件的微小位移状态，或者比微小位移状态活动大的位移状态中的某一个。将振荡期间Pl和振荡期间P2的每I个期间的物体10的平均位移设为V时，微小位移状态是指满足U b- X a) / X b>V/Lb的状态(但是，Lb是时刻t时的距离)，位移状态是指满足Ub-Xa)/Xb = V/Lb的状态。首先，距离算出部82如下算式算出当前时刻t的距离的候选值L a⑴，L @⑴和速度的候选值V a⑴，V P⑴。La ⑴=入 aX 入 bX (MHP(t-l)+MHP(t))/{4X (入 b-入 a)}…(4)L3 ⑴=入 aX 入 bX (|MHP(t-l)-MHP(t) |)/{4X (入 b-入 a)}...(5)Va (t) = (MHP (t_l) -MHP (t)) X 入 b/4... (6)(t) = (MHP(t-l)+MHP(t)) X 入 b/4 ... (7)在算式(4) (7)中，MHP (t)是当前时刻t下所算出的MHP的数量，MHP(t-l)是在MHP⑴的上一次所算出的MHP的数量。例如，MHP(t)是第I振荡期间Pl的计数结果的话，MHP(t-1)是第2振荡期间P2的计数结果，相反地，MHP(t)是第2振荡期间P2的计数结果的话，MHP(t-1)是第I振荡期间Pl的计数结果。候选值La (t), Va (t)是假设物体10为微小位移状态所计算的值，且候选值(t)，VP (t)是假设物体10为位移状态所计算的值。距离算出部82在每个通过计数部81测定MHP的数量的时刻(每个振荡期间)，进行算式⑷ 算式(7)的计算。接着，距离算出部82如下算式就微小位移状态和位移状态的各状态，分别算出作为当前时刻t的距离的候选值与之前时刻的距离的候选值的差的历史位移。又，在算式(8)、算式(9)中，将在当前时刻t的前一次所算出的距离的候选值设为La (t-1)，LP (t-1)。Vcal a ⑴=La ⑴-L a (t-1)... (8)Vcal ^ (t) =L ^ (t) -L ^ (t_l)…(9)历史位移Vcal a (t)是假设物体10为微小位移状态所计算的值，且历史位移 Vcal 3 (t)是假设物体10为位移状态所计算的值。距离算出部82在每个通过计数部81测定MHP的数量的时刻，进行算式(8) 算式(9)的计算。又，在算式(6) 算式(9)中，将物体10接近本实施形态的物理量传感器的方向规定为正的速度，将远离的方向规定为负的速度。接着，距离算出部82使用算式(4) 算式(9)的算出结果对物体10的状态进行判断。如在专利文献I中所记载的那样，距离算出部82在假设物体10为微小位移状态而计算的历史位移Vcal a (t)的符号一定、且假设物体10为微小位移状态而计算的速度的候选值Va (t)和历史位移Vcala (t)的绝对值的平均值是相等的情况下，判断为物体10以微小位移状态等速度运动。又，如在专利文献I中所记载的那样，距离算出部82在假设物体10为位移状态而计算的历史位移VcalP (t)的符号一定、且假设物体10为位移状态而计算的速度的候选值
⑴和历史位移Vcal P⑴的绝对值的平均值是相等的情况下，判断为物体10以位移状态等速度运动。又，如在专利文献I中所记载的那样，距离算出部82在假设物体10为微小位移状态而计算的历史位移Vcal a (t)的符号在每次测定MHP的数量的时刻反转、且假设物体10为微小位移状态而计算的速度的候选值V a (t)和历史位移Vcal a (t)的绝对值的平均值不一致的情况下，判断为物体10为以微小位移状态进行等速度运动以外的运动。又，注意速度的候选值VP (t)的话，(t)的绝对值是常数，该值等于半导体激光器I的波长变化率(X b- X a) / X b。因此，距离算出部82可以在假设物体10为位移状态而计算的速度的候选值^^ (t)的绝对值和波长变化率相等、且假设物体10为微小位移状态而计算的速度的候选值V a (t)和历史位移Vcal a (t)的绝对值的平均值不一致的情况下，判断为物体10以微小位移状态进行等速度运动以外的运动。又，如在专利文献I中所记载的那样，距离算出部82在假设物体10为位移状态而计算的历史位移VcalP (t)的符号在每次测定MHP的数量的时刻反转、且假设物体10为位移状态而计算的速度的候选值VP (t)和历史位移VcalP (t)的绝对值的平均值不一致的情况下，判断为物体10以位移状态进行等速度运动以外的运动。又，注意速度的候选值V a (t)的话，Va (t)的绝对值是常数，该值等于半导体激光器I的波长变化率(X b- X a) / X b。因此，距离算出部82可以在假设物体10为位移状态而计算的速度的候选值V a (t)的绝对值和波长变化率相等、且假设物体10为微小位移状态而计算的速度的候选值VP (t)和历史位移VcalP (t)的绝对值的平均值不一致的情况下，判断为物体10以微小位移状态进行等速度运动以外的运动。距离算出部82基于上述的判定结果确定与物体10的距离。即，距离算出部82是在判定为物体10以微小位移状态等速度运动的情况下，将距离的候选值La (t)设为与物体10的距离，在判定为物体10以位移状态等速度运动的情况下，将距离的候选值LP (t)设为与物体10的距离。又，距离算出部82在判定为物体以微小位移状态进行等速度运动以外的运动的情况下，将距离的候选值La (t)设为与物体10的距离。但是，实际的距离是距离的候选值La (t)的平均值。又，距离算出部82在判定为物体以位移状态进行等速度运动以外的运动的情况下，将距离的候选值L P (t)设为与物体10的距离。但是，实际的距离是距离的候选值L Mt)的平均值。 接着，周期算出部83根据距离算出部82所算出的距离求出MHP的周期。MHP的频率与测量距离成比例，且MHP的周期与测量距离成反比例。在此，如果预先求出MHP的周期和距离的关系且登记到周期算出部83的数据库(未图示)中的话，周期算出部83能够通过从数据库取得与由距离算出部82所算出的距离对应的MHP的周期，由此求出MHP的周期。或者，如果预先求出表示MHP的周期和距离的关系且进行设定的话，周期算出部83能够通过将由距离算出部82所算出的距离代入算式中，由此算出MHP的周期。物理量算出部80将周期算出部83求出的周期设为基准周期NO，基于信号提取部7的测量结果，根据各个MHP的周期的变化算出物体10的位移、速度。S卩，物理量算出部80通过在第I实施形态说明了的算式(2)算出物体10的位移D，通过算式(3)算出物体10的速度V。根据本实施形态，即使是在无法使之静止的物体10的情况下，也能够求出基准周
期NO。(第5实施形态)下面，对本发明的第5实施形态进行说明。图10是示出本发明的第5实施形态所涉及的运算部8的构成例的框图。运算部8包括物理量算出部80;对滤波部6的输出电压所包含的MHP的数量进行计数的计数部84;存储计数部84的计数结果等的存储部85;通过算出计数部84的计数结果的平均值，求出与半导体激光器I和物体10的平均距离成比例的MHP的数量(以下称为距离比例个数)NL的距离比例个数算出部86;根据与使用计数部84的前一次的计数结果和该计数结果之前的计数结果所算出的距离比例个数NL的2倍数量的大小关系，将正负符号赋予计数部84的最新计数结果的符号赋予部87;根据距离比例个数NL算出MHP的周期的周期算出部88。物理量传感器的整体的结构和第I 第3实施形态相同。计数部84就各个第I振荡期间Pl和第2振荡期间P2对滤波部6的输出中所含有的MHP的数量进行计数。计数部84也可以利用由逻辑门构成的计数器，也可以利用FFT对MHP的频率(即每个单位时间的MHP的数量)进行测量。计数器84的计数结果存储于存储部85中。
距离比例个数算出部86根据计数部84的计数结果求出距离比例个数NL。图11是对距离比例个数算出部86的动作进行说明的图，是表示计数部84的计数结果的时间变化的图。在图11中，Nu是第I振荡期间Pl的计数结果，Nd是第2振荡期间P2的计数结果。物体10的距离变化率比半导体激光器I的振荡波长变化率�。椅锾�10为简谐振动的情况下，计数结果Nu的时间变化和计数结果Nd的时间变化是如图11所示的彼此的相位差为180度的正弦波形状。在专利文献I中，将该时刻的物体10的状态作为微小位移状态。从图16可知，第I振荡期间Pl和第2振荡期间P2交替到来，因此，计数结果Nu和计数结果Nd也交替出现。计数结果Nu、Nd是距离比例个数NL和与物体10的位移成比例的MHP的数量(以下，称为位移比例个数)NV两者的和或差。距离比例个数NL相当于图11所示的正弦波形状的平均值。又，计数结果Nu或者Nd与距离比例个数NL的差相当于位 移比例个数NV。距离比例个数算出部86通过如下算式所示那样地算出直到当前时刻t的前2次所测量的偶数次的计数结果的平均值，由此算出距离比例个数NL。NL= {N(t-2)+N(t-3)}/2…(10)在算式(10)中，N(t-2)表示在当前时刻t的前2次所测量的MHP的数量，N(t-3)表示在当前时刻t的前3次所测量的MHP的数量。当前时刻t的计数结果N(t)为第I振荡期间Pl的计数Nu的话，前2次的计数结果N(t-2)也是第I振荡期间Pl的计数结果Nu，前3次的计数结果N(t-3)则是第2振荡期间P2的计数结果Nd。相反地，当前时刻t的计数结果N(t)为第2振荡期间P2的计数Nd的话，前2次的计数结果N(t-2)也是第2振荡期间P2的计数结果Nd，前3次的计数结果N(t-3)则是第I振荡期间Pl的计数结果Nu。算式(10)是以两次的计数结果求出距离比例个数的情况的算式，但是对于使用2m(m是正整数)次的计数结果的情况，距离比例个数算出部86如下算式那样地算出距离比例个数NL。NL= {N (t-2m-l) +N (t_2m) +... +N (t_2)} /2m ... (I I)但是，算式(10)、算式(11)是在物体10的位移以及速度的测量开始初期所使用的算式，从中途替代算式(10)而通过使用后面叙述的带符号的计数结果的下式来算出距离比例个数NL。NL={N’(t-2)+N，(t-3)}/2— (12)N’ (t-2)是对前2次的计数结果N(t-2)施行了后面叙述的符号赋予处理后的带符号的计数结果，N’ (t-3)是对前2次的计数结果N(t-3)施行了符号赋予处理后的带符号的计数结果。使用算式(12)的情形是当前时刻t的计数结果N(t)成为从MHP的数量的测量开始起的第7次的计数结果时以后。又，在测量开始初期使用算式(11)的情况下，从中途替代算式(11)，而通过使用带符号的计数结果的下式来算出距离比例个数NL。NL={N，(t-2m-l)+N，(t-2m)+…+N，(t-2)}/2m ...(13)使用算式(13)的情形是当前时刻t的计数结果N (t)成为从MHP的数量的测量开始起的第(2mX2+3)次的计数结果时以后。
距离比例个数NL被储存在存储部85中。在每次通过计数部84测定MHP的数量的时刻(每个振荡期间)，距离比例个数算出部86进行以上那样的距离比例个数NL的算出处理。又，在用于距离比例个数NL的算出的计数结果充分多时，也可以以奇数次的计数结果算出距离比例个数NL。接着，符号赋予部87根据在当前时刻t的前一次所测量的计数结果N(t-l)和距离比例个数NL的2倍数量2NL的大小关系，将正负符号赋予计数部84的计数结果N(t)。符号赋予部87具体地说执行以下的算式。IfN(t-1) ≥ 2NL Then N，(t) — _N(t)... (14)IfN(t-l)<2NL Then N，(t) — +N(t)...(15) 图12是对符号赋予部87的动作进行说明的图，是表示计数部84的计数结果的时间变化的图。物体10的距离变化率为比半导体激光器I的振荡波长变化率大的情况下，计数结果Nu的时间变化是用图12的170示出的负侧的波形被翻转至正侧的形状，同样地，计数结果Nd的时间变化是用图12的171示出的负侧的波形被翻转至正侧的形状。在专利文献I中，将产生该计数结果的翻转的部分的物体10的状态作为位移状态。另一方面，未产生计数结果的翻转的部分的物体10的状态是所述的微小位移状态。为了求出包含位移状态的振动中的物体10的物理量，判定物体10为位移状态还是为微小位移状态，在物体10为位移状态的情况下，需要进行修正以使得被翻转至正侧的计数结果描绘出图12的170，171示出的轨迹。算式(14)、算式(15)是用来判定物体10是位移状态还是微小位移状态的算式。在图12中，在产生计数结果的翻转的位移状态下，N(t-l) ^ 2NL成立。因此，如算式(14)所示，N(t-l) ^ 2NL成立的情况下，将对计数部84的当前时刻t的计数结果N(t)赋予负号后的结果设为带符号的计数结果N’(t)。另一方面，在图11以及图12中，在未产生计数结果的翻转的微小位移状态下，N(t-1)〈2NL成立。因此，如算式(15)所示，N(t-1)〈2NL成立的情况下，将对计数部84的当前时刻t的计数结果N(t)赋予正号后的结果设为带符号的计数结果N’(t)。带符号的计数结果N’ (t)被储存在存储部85中。在每次通过计数部84测定MHP的数量的时刻(每个振荡期间)，符号赋予部87进行以上那样的符号赋予处理。另外，也可以将算式(14)的成立条件设为N(t-1) >2NL，将算式(15)的成立条件设为 N(t-1) ^ 2NL。接着，周期算出部88根据距离比例个数NL如下式那样算出MHP的周期T。T=C/(2XfXNL)…(16)这里，f是二角波的频率，C是光速。物理量算出部80将周期算出部88求出的周期设为基准周期NO，基于信号提取部7的测量结果根据各个MHP的周期的变化算出物体10的位移、速度。即，物理量算出部80通过在第I实施形态说明了的算式(2)算出物体10的位移D，通过算式(3)算出物体10的速度V。根据本实施形态，即使是在无法使之静止的物体10的情况下，也能够求出基准周
期NO。(第6实施形态)
下面，对本发明的第6实施形态进行说明。在第I 第5实施形态中，虽然使半导体激光器I振荡为三角波状，但是不限于此，在第I 第3、第5实施形态中也可以如图13所示，使半导体激光器I振荡为锯齿波状。即，在本实施形态中，使半导体激光器I动作以使得第I振荡期间Pl或者第2振荡期间P2的某一方反复存在即可。但是，在第4实施形态中，需要使半导体激光器I振荡为三角波状。在如本实施形态那样使半导体激光器I振荡为锯齿波状的情况下，也需要半导体激光器I的振荡波长的变化速度为一定。第I振荡期间Pl或者第2振荡期间P2中的动作和三角波振荡的情况相同。如图13所示，在仅第I振荡期间Pl反复存在的锯齿波状的振荡的情况下反复进行第I振荡期间Pl的处理即可，在仅第2振荡期间P2反复存在的锯齿波状的振荡的情况下反复进行第2振荡期间P2的处理即可，这是不必再说的。(第7实施形态)下面，对本发明的第7实施形态进行说明。在第I 第6实施形态中，使用光电二 极管2和电流-电压变换放大部5作为检测含有MHP波形的电信号的检测单元，但不使用光电二极管，也能够提取MHP波形。图14是示出本发明的第7实施形态所涉及的物理量传感器的结构的框图，与图I相同的结构标注相同符号。本实施形态的物理量传感器是使用电压检测部12作为检测单元来替代第I 第6实施形态的光电二极管2和电流-电压变换放大部5。电压检测部12检测出半导体激光器I的端子间电压、即阳极-阴极间电压并进行放大。从半导体激光I放射出的激光和从物体10返回的返回光产生干涉时，在半导体激光I的端子间的电压中就会出现MHP波形。因此，能够从半导体激光I的端子间的电压中提取出MHP波形。滤波部6从电压检测部12的输出电压中去除载波。物理量传感器的其他结构与第I 第6实施形态相同。由此，在本实施形态中，可以不使用光电二极管就提取出MHP波形，与第I 第6实施形态相比，可以削减物理量传感器的部件的数量，从而可以降低物理量传感器的成本。而且，在本实施形态中，由于不使用光电二极管，可以去除干扰光带来的影响。另外，在第I 第7实施形态中，至少信号提取部7、运算部8和载波调整部11能够通过包括例如CPU、存储装置以及接口的计算机和控制这些硬件资源的程序来实现。CPU根据储存于存储装置中的程序执行在第I 第7实施形态中说明了的处理。产业上的可利用性本发明可以应用于根据由于从半导体激光器所发射的激光与从物体返回的返回光的自混合效应而产生的干涉的信息来测量物体的物理量的技术。
权利要求
1.一种物理量传感器，其特征在于，包括 向测定对象发射激光的半导体激光器； 振荡波长调制单元，其使所述半导体激光器动作，以使得振荡波长连续地单调增加的第I振荡期间和振荡波长连续地单调减少的第2振荡期间中的至少一个反复存在； 检测单元，其对含有干涉波形的电信号进行检测，该干涉波形是由于从所述半导体激光器发射的激光与从所述测定对象返回的返回光的自混合效应而产生的； 信号提取单元，其在每次输入干涉波形时，对该检测单元的输出信号中所包含的所述干涉波形的周期进行测量；以及 运算单元，其基于该信号提取单元所测量的各个周期算出所述测定对象的位移和速度中的至少一方。
2.如权利要求I所述的物理量传感器，其特征在于， 所述运算单元根据测量所述干涉波形的周期的采样时钟的频率、基准周期、所述半导体激光器的平均波长以及所述信号提取单元所测量的周期的相对于所述基准周期的变化量，算出所述测定对象的位移和速度中的至少一方。
3.如权利要求I或2所述的物理量传感器，其特征在于，进一步具有载波调整单元，其能够对所述半导体激光器的振荡波长调制的载波的振幅或者频率进行调整。
4.如权利要求3所述的物理量传感器，其特征在于，所述载波调整单元调整所述载波的振幅或者频率，使得所述测定对象为静止时的所述干涉波形的周期或者即将调整之前所测量的规定数量的干涉波形的周期的平均值为被预先规定的周期。
5.如权利要求4所述的物理量传感器，其特征在于，所述被预先规定的周期是与物理量传感器能处理的干涉波形的最高频率的1/2的值相对应的周期。
6.如权利要求3所述的物理量传感器，其特征在于，所述载波调整单元将所述载波的振幅或者频率减小规定量。
7.如权利要求3所述的物理量传感器，其特征在于，所述载波调整单元将所述载波的振幅或者频率增大规定量。
8.如权利要求2所述的物理量传感器，其特征在于，所述运算单元将所述测定对象为静止时的所述干涉波形的周期设为所述基准周期。
9.如权利要求2所述的物理量传感器，其特征在于，进一步包含 计数单元，其就各个所述第I振荡期间和所述第2振荡期间对所述检测单元的输出信号中所包含的所述干涉波形的数量进行计数； 距离算出单元，其根据通过该计数单元对干涉波形的数量进行计数的期间中的最小振荡波长、最大振荡波长和所述计数单元的计数结果，算出与所述测定对象的距离；以及周期算出单元，其根据该距离算出单元所算出的距离，求出所述干涉波形的周期， 所述运算单元将所述周期算出单元求出的周期设为所述基准周期。
10.如权利要求2所述的物理量传感器，其特征在于，进一步包含 计数单元，其就各个所述第I振荡期间和所述第2振荡期间对所述检测单元的输出信号中所包含的所述干涉波形的数量进行计数； 距离比例个数算出单元，其通过算出所述干涉波形的数量的平均值，求出与所述半导体激光器和所述测定对象的平均距离成比例的、作为干涉波形的数量的距离比例个数；以及 周期算出单元，其根据所述距离比例个数算出所述干涉波形的周期， 所述运算单元将所述周期算出单元求出的周期设为所述基准周期。
11.一种物理量测量方法，其特征在于，包括 振荡步骤，其使所述半导体激光器动作，以使得振荡波长连续地单调增加的第I振荡期间和振荡波长连续地单调减少的第2振荡期间中的至少一个反复存在； 检测步骤，其对含有干涉波形的电信号进行检测，该干涉波形是由于从所述半导体激光器发射的激光与从所述测定对象返回的返回光的自混合效应而产生的； 信号提取步骤，其在每次输入干涉波形时，对通过该检测步骤得到的输出信号中所包含的所述干涉波形的周期进行测量；以及 运算步骤，其基于通过该信号提取步骤测量到的各个周期算出所述测定对象的位移和速度中的至少一方。
12.如权利要求11所述的物理量测量方法，其特征在于， 所述运算步骤根据测量所述干涉波形的周期的采样时钟的频率、基准周期、所述半导体激光器的平均波长以及所述信号提取步骤所测量的周期的相对于所述基准周期的变化量，算出所述测定对象的位移和速度中的至少一方。
13.如权利要求11或12所述的物理量测量方法，其特征在于，进一步具有载波调整步骤，其能够对所述半导体激光器的振荡波长调制的载波的振幅或者频率进行调整。
14.如权利要求13所述的物理量测量方法，其特征在于，所述载波调整步骤调整所述载波的振幅或者频率，使得所述测定对象为静止时的所述干涉波形的周期或者即将调整之前所测量的规定数量的干涉波形的周期的平均值为被预先规定的周期。
15.如权利要求14所述的物理量测量方法，其特征在于，所述被预先规定的周期是与能处理的干涉波形的最高频率的1/2的值相对应的周期。
16.如权利要求13所述的物理量测量方法，其特征在于，所述载波调整步骤将所述载波的振幅或者频率减小规定量。
17.如权利要求13所述的物理量测量步骤，其特征在于，所述载波调整步骤将所述载波的振幅或者频率增大规定量。
18.如权利要求12所述的物理量测量方法，其特征在于，所述运算步骤将所述测定对象为静止时的所述干涉波形的周期设为所述基准周期。
19.如权利要求12所述的物理量测量方法，其特征在于，进一步包含 计数步骤，其就各个所述第I振荡期间和所述第2振荡期间对通过所述检测步骤得到的输出信号中所包含的所述干涉波形的数量进行计数； 距离算出步骤，其根据通过该计数步骤对干涉波形的数量进行计数的期间中的最小振荡波长、最大振荡波长和所述计数步骤的计数结果，算出与所述测定对象的距离；以及周期算出步骤，其根据通过该距离算出步骤所算出的距离，求出所述干涉波形的周期，所述运算步骤将通过所述周期算出步骤求出的周期设为所述基准周期。
20.如权利要求12所述的物理量测量方法，其特征在于，进一步包含 计数步骤，其就各个所述第I振荡期间和所述第2振荡期间对通过所述检测步骤得到的输出信号中所包含的所述干涉波形的数量进行计数；距离比例个数算出步骤，其通过算出所述干涉波形的数量的平均值，求出与所述半导体激光器和所述测定对象的平均距离成比例的、作为干涉波形的数量的距离比例个数；以及 周期算出步骤，其根据通过所述距离比例个数算出的所述干涉波形的周期， 所述运算步骤将通过所述周期算出步骤求出的周期设为所述基准周期。
全文摘要
本发明涉及能够以高的分辨率测量物体的位移、速度，且缩短测量所需的时间的物理量传感器以及物理量测量方法。该物理量传感器包括向物体(10)发射激光的半导体激光器(1)；使半导体激光器(1)动作，以使得振荡波长连续地单调增加的第1振荡期间和振荡波长连续地单调减少的第2振荡期间中的至少一个反复存在的激光器驱动器(4)；对含有由于从半导体激光器(1)发射的激光和从物体(10)返回的返回光的自混合效应而产生的干涉波形的电信号进行检测的光电二极管(2)和电流-电压变换放大部(5)；在每次输入干涉波形时，对电流-电压变换放大部(5)的输出信号中所包含的干涉波形周期进行测量的信号提取部(7)；以及基于信号提取部(7)所测量的各个周期算出物体(10)的位移、速度中的至少一方的运算部(8)。
文档编号G01B11/00GK102792183SQ20108006528
公开日2012年11月21日 申请日期2010年3月10日 优先权日2010年3月10日
发明者上野达也 申请人:阿自倍尔株式会社
