JP5081778B2 - 振動振幅計測装置および振動振幅計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、振動する物体の振動振幅を計測する振動振幅計測装置および振動振幅計測方法に関するものである。

従来より、半導体レーザを用いて、振動する物体を解析する技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。
特許文献１に開示された計測装置では、発振周波数が固定された半導体レーザから物体にレーザ光を照射し、物体からのドップラ周波数偏移した反射光の一部を半導体レーザに戻り光として帰還させ、自己混合効果を発生させる。そして、物体の振動に関係して生ずる半導体レーザの出力の変化をフォトダイオードで検出している。

このとき、フォトダイオードの出力に現れるドップラビート波は自己混合効果により物体の変位の方向に応じて傾きが逆転するので、ドップラビート波の傾きから物体の変位の方向を判別することができる。特許文献１に開示された計測装置では、この変位の方向に応じてカウンタ回路の加算と減算を切り換えながら、カウンタ回路でドップラビート波の波数を数えることにより、物体の変位情報を得る。物体の変位情報を得ることができれば、物体の振動振幅（最大変位）を求めることが可能である。

また、発明者は、半導体レーザの自己結合効果を用いた波長変調型の距離・速度計を提案した（特許文献２参照）。この距離・速度計の構成を図１２に示す。図１２の距離・速度計は、物体にレーザ光を放射する半導体レーザ２０１と、半導体レーザ２０１の光出力を電気信号に変換するフォトダイオード２０２と、半導体レーザ２０１からの光を集光して物体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に入射させるレンズ２０３と、半導体レーザ２０１に発振波長が連続的に増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に減少する第２の発振期間とを交互に繰り返させるレーザドライバ２０４と、フォトダイオード２０２の出力電流を電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅器２０５と、電流−電圧変換増幅器２０５の出力電圧を２回微分する信号抽出回路２０６と、信号抽出回路２０６の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を数える計数回路２０７と、物体２１０との距離及び物体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。

レーザドライバ２０４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に供給する。これにより、半導体レーザ２０１は、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１３は、半導体レーザ２０１の発振波長の時間変化を示す図である。図１３において、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、Ｔは三角波の周期である。

半導体レーザ２０１から出射したレーザ光は、レンズ２０３によって集光され、物体２１０に入射する。物体２１０で反射された光は、レンズ２０３によって集光され、半導体レーザ２０１に入射する。フォトダイオード２０２は、半導体レーザ２０１の光出力を電流に変換する。電流−電圧変換増幅器２０５は、フォトダイオード２０２の出力電流を電圧に変換して増幅し、信号抽出回路２０６は、電流−電圧変換増幅器２０５の出力電圧を２回微分する。計数回路２０７は、信号抽出回路２０６の出力電圧に含まれるモードポップパルス（ＭＨＰ）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。演算装置２０８は、半導体レーザ１の最小発振波長λａと最大発振波長λｂと第１の発振期間Ｐ１におけるＭＨＰの数と第２の発振期間Ｐ２におけるＭＨＰの数に基づいて、物体２１０との距離及び物体２１０の速度を算出する。このような距離・速度計によれば、算出した速度を振動の半周期に当たる時間で積分することにより、物体の振動振幅を算出することが可能である。

特許第３２８２７４６号公報 特開２００６−３１３０８０号公報

特許文献１に開示された計測装置では、半導体レーザの波長を高精度に固定する機構が必要になるという問題点があり、また光学的な外乱ノイズに弱いために非常に短い距離においてしか測定することができないという問題点があった。

特許文献２に開示された距離・速度計では、物体の振動振幅を算出するために物体の速度を算出する必要があるが、速度の算出方法が複雑であるという問題点があった。また、特許文献２に開示された距離・速度計では、物体の距離変化率と半導体レーザの波長変化率の大小関係により速度の候補値が２種類存在し、距離の最新の算出値とその直前の算出値との差分の符号変化に応じて２種類の速度の候補値の中から速度の真値を選択する。しかし、距離の分解能と比較して物体の速度（距離の変化）が著しく小さい場合、ノイズなどによって距離の差分の符号が反転する場合があり、速度の候補値の選択を誤る可能性があるため、算出精度の低下を招く可能性があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、物体の振動振幅を簡単に精度良く求めることができる振動振幅計測装置および振動振幅計測方法を提供することを目的とする。

本発明の振動振幅計測装置は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる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測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手段と、この検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える信号抽出手段と、この信号抽出手段の計数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前記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、前記信号抽出手段の最新の計数結果と過去の計数結果の平均値との差の絶対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、前記距離比例個数と前記信号抽出手段の最新の計数結果とを比較することにより、前記測定対象の変位方向を判別する変位方向判別手段と、この変位方向判別手段の判別結果に基づいて前記測定対象の振動半周期あたりの変位比例個数の和を求め、この和と前記半導体レーザの平均半波長との積を求めることにより、前記測定対象の振動振幅を算出する振幅算出手段とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の振動振幅計測装置は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる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測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手段と、この検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える信号抽出手段と、この信号抽出手段の計数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前記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、前記信号抽出手段の最新の計数結果と過去の計数結果の平均値とを比較し、最新の計数結果の方が大きいときのみ、または最新の計数結果の方が小さいときのみ、前記信号抽出手段の最新の計数結果と過去の計数結果の平均値との差の絶対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、前記距離比例個数と前記信号抽出手段の最新の計数結果とを比較することにより、前記測定対象の変位方向を判別する変位方向判別手段と、この変位方向判別手段の判別結果に基づいて前記測定対象の振動半周期あたりの変位比例個数の和を求め、この和と前記半導体レーザの平均半波長との積を求めることにより、前記測定対象の振動振幅を算出する振幅算出手段とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の振動振幅計測装置の１構成例は、さらに、前記信号抽出手段の１回前の計数結果とこの計数結果よりも過去の計数結果を用いて算出された前記距離比例個数の２倍数との大小関係に応じて前記信号抽出手段の最新の計数結果に正負の符号を付与する符号付与手段を備え、前記距離比例個数算出手段は、前記距離比例個数の算出に用いる全ての計数結果に前記符号付与手段によって符号が与えられた符号付き計数結果を用い、前記変位比例個数算出手段は、前記変位比例個数の算出に用いる全ての計数結果に前記符号付与手段によって符号が与えられた符号付き計数結果を用いることを特徴とするものである。
また、本発明の振動振幅計測装置の１構成例において、前記振幅算出手段は、前記変位比例個数を前記測定対象の振動半周期のｎ（ｎは正の整数）倍の期間にわたって積分して前記変位比例個数の和を求め、この和をｎで除算して求めた、振動半周期あたりの変位比例個数の和と前記半導体レーザの平均半波長との積を求めることにより、前記測定対象の振動振幅を算出することを特徴とするものである。

また、本発明の振動振幅計測方法は、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振手順と、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手順と、この検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える信号抽出手順と、この信号抽出手順の計数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前記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、前記信号抽出手順の最新の計数結果と過去の計数結果の平均値との差の絶対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、前記距離比例個数と前記信号抽出手順の最新の計数結果とを比較することにより、前記測定対象の変位方向を判別する変位方向判別手順と、この変位方向判別手順の判別結果に基づいて前記測定対象の振動半周期あたりの変位比例個数の和を求め、この和と前記半導体レーザの平均半波長との積を求めることにより、前記測定対象の振動振幅を算出する振幅算出手順とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の振動振幅計測方法は、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振手順と、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手順と、この検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える信号抽出手順と、この信号抽出手順の計数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前記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、前記信号抽出手順の最新の計数結果と過去の計数結果の平均値とを比較し、最新の計数結果の方が大きいときのみ、または最新の計数結果の方が小さいときのみ、前記信号抽出手順の最新の計数結果と過去の計数結果の平均値との差の絶対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、前記距離比例個数と前記信号抽出手順の最新の計数結果とを比較することにより、前記測定対象の変位方向を判別する変位方向判別手順と、この変位方向判別手順の判別結果に基づいて前記測定対象の振動半周期あたりの変位比例個数の和を求め、この和と前記半導体レーザの平均半波長との積を求めることにより、前記測定対象の振動振幅を算出する振幅算出手順とを備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、半導体レーザの自己結合効果を用いた波長変調型の振動振幅計測装置を実現することができる。波長変調型の計測装置では自己結合効果による干渉波形と外乱との分離が容易になるので、波長固定型の従来の計測装置に比べて外乱光に強くすることができ、振動振幅を測定可能な距離を長くすることができる。また、半導体レーザの波長を高精度に固定する機構も不要となる。さらに、本発明では、波長変調型の距離・速度計よりも簡単な方法で物体の振動振幅を算出することができ、距離・速度計のように速度の候補値を選択するといった処理が不要になるので、振動振幅算出精度の低下を招く可能性を低減することができる。

また、本発明では、信号抽出手段の１回前の計数結果とこの計数結果よりも過去の計数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信号抽出手段の最新の計数結果に正負の符号を付与し、距離比例個数算出手段では、距離比例個数の算出に用いる全ての計数結果に符号付与手段によって符号が与えられた符号付き計数結果を用い、変位比例個数算出手段では、変位比例個数の算出に用いる全ての計数結果に符号付与手段によって符号が与えられた符号付き計数結果を用いることにより、測定対象の距離変化率が半導体レーザの発振波長変化率よりも大きい場合であっても、測定対象の振動振幅を正しく求めることができる。

［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振動振幅計測装置の構成を示すブロック図である。
図１の振動振幅計測装置は、測定対象の物体１０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、物体１０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）の数を数える信号抽出部７と、信号抽出部７の計数結果に基づいて物体１０の振動振幅を求める振幅計測部８と、振幅計測部８の計測結果を表示する表示部９とを有する。

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。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。

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。このときの半導体レーザ１の発振波長の時間変化は、図１３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及び発振波長の最小値λａはそれぞれ常に一定になされており、それらの差λｂ−λａも常に一定になされている。

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、物体１０に入射する。物体１０で反射された光は、レンズ３によって集光され、半導体レーザ１に入射する。ただし、レンズ３による集光は必須ではない。フォトダイオード２は、半導体レーザ１の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。

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２（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２（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２（Ａ）の波形（変調波）から、図１３の半導体レーザ１の発振波形（搬送波）を除去して、図２（Ｂ）のＭＨＰ波形（干渉波形）を抽出する過程を表している。

次に、信号抽出部７と振幅計測部８の動作について説明する。図３は信号抽出部７と振幅計測部８の動作を示すフローチャートである。
信号抽出部７は、フィルタ部６の出力電圧に含まれるＭＨＰ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３ステップＳ１）。信号抽出部７は、論理ゲートからなるカウンタを利用するものでもよいし、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）を利用してＭＨＰの周波数（すなわち単位時間あたりのＭＨＰの数）を計測するものでもよい。

ここで、自己結合信号であるＭＨＰについて説明する。図４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。

図５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５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。前記のとおり、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。

次に、振幅計測部８は、信号抽出部７が数えたＭＨＰの数に基づいて物体１０の振動振幅を算出する。図６は振幅計測部８の構成の１例を示すブロック図である。振幅計測部８は、信号抽出部７の計数結果等を記憶する記憶部８０と、信号抽出部７の計数結果の平均値を算出することにより、半導体レーザ１と物体１０との平均距離に比例したＭＨＰの数（以下、距離比例個数とする）ＮＬを求める距離比例個数算出部８１と、信号抽出部７の１回前の計数結果とこの計数結果よりも過去の計数結果を用いて算出された距離比例個数ＮＬの２倍数との大小関係に応じて信号抽出部７の最新の計数結果に正負の符号を付与する符号付与部８２と、最新の符号付き計数結果と過去の符号付き計数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）ＮＶを求める変位比例個数算出部８３と、距離比例個数算出部８１が求めた距離比例個数ＮＬと信号抽出部７の計数結果とを比較することにより、物体１０の変位方向を判別する変位方向判別部８４と、物体１０の振動半周期あたりの変位比例個数ＮＶの和を求め、この和と半導体レーザ１の平均半波長との積を求めることにより、物体１０の振動振幅を算出する振幅算出部８５とから構成される。

信号抽出部７の計数結果は、振幅計測部８の記憶部８０に格納される。振幅計測部８の距離比例個数算出部８１は、信号抽出部７の計数結果から距離比例個数ＮＬを求める（図３ステップＳ２）。図７は距離比例個数算出部８１の動作を説明するための図であり、信号抽出部７の計数結果の時間変化を示す図である。図７において、Ｎｕは第１の発振期間Ｐ１の計数結果、Ｎｄは第２の発振期間Ｐ２の計数結果である。

物体１０の距離変化率が半導体レーザ１の発振波長変化率よりも小さく、物体１０が単振動している場合、計数結果Ｎｕの時間変化と計数結果Ｎｄの時間変化は、図７に示すように互いの位相差が１８０度の正弦波形となる。特許文献２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。

図１３から明らかなように、第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２は交互に訪れるので、計数結果Ｎｕと計数結果Ｎｄも交互に現れる。計数結果Ｎｕ，Ｎｄは、距離比例個数ＮＬと変位比例個数ＮＶとの和もしくは差である。距離比例個数ＮＬは、図７に示した正弦波形の平均値に相当する。また、計数結果ＮｕまたはＮｄと距離比例個数ＮＬとの差が、変位比例個数ＮＶに相当する。

距離比例個数算出部８１は、次式に示すように現時刻ｔの２回前までに計測された偶数回分の計数結果の平均値を算出することにより、距離比例個数ＮＬを算出する。
ＮＬ＝｛Ｎ（ｔ−２）＋Ｎ（ｔ−３）｝／２ ・・・（２）

式（２）において、Ｎ（ｔ−２）は現時刻ｔの２回前に計測されたＭＨＰの数Ｎであることを表し、Ｎ（ｔ−３）は現時刻ｔの３回前に計測されたＭＨＰの数Ｎであることを表している。現時刻ｔの計数結果Ｎ（ｔ）が第１の発振期間Ｐ１の計数結果Ｎｕであれば、２回前の計数結果Ｎ（ｔ−２）も第１の発振期間Ｐ１の計数結果Ｎｕであり、３回前の計数結果Ｎ（ｔ−３）は第２の発振期間Ｐ２の計数結果Ｎｄである。反対に、現時刻ｔの計数結果Ｎ（ｔ）が第２の発振期間Ｐ２の計数結果Ｎｄであれば、２回前の計数結果Ｎ（ｔ−２）も第２の発振期間Ｐ２の計数結果Ｎｄであり、３回前の計数結果Ｎ（ｔ−３）は第１の発振期間Ｐ１の計数結果Ｎｕである。

式（２）は２回分の計数結果で距離比例個数ＮＬを求める場合の式であるが、２ｍ（ｍは正の整数）回の計数結果を用いる場合、距離比例個数算出部８１は、次式のように距離比例個数ＮＬを算出する。
ＮＬ＝｛Ｎ（ｔ−２ｍ−１）＋Ｎ（ｔ−２ｍ）＋・・・＋Ｎ（ｔ−２）｝／２ｍ
・・・（３）

ただし、式（２）、式（３）は振動振幅の計測開始初期に用いる式で、途中からは式（２）の代わりに後述する符号付き計数結果を用いる次式により距離比例個数ＮＬを算出する。
ＮＬ＝｛Ｎ’（ｔ−２）＋Ｎ’（ｔ−３）｝／２ ・・・（４）
Ｎ’（ｔ−２）は２回前の計数結果Ｎ（ｔ−２）に後述する符号付与処理を施した後の符号付き計数結果、Ｎ’（ｔ−３）は３回前の計数結果Ｎ（ｔ−３）に符号付与処理を施した後の符号付き計数結果である。式（４）が使用されるのは、現時刻ｔの計数結果Ｎ（ｔ）がＭＨＰの数の計測開始から７回目の計数結果になったとき以降である。

また、計測開始初期に式（３）を用いる場合には、途中からは式（３）の代わりに符号付き計数結果を用いる次式により距離比例個数ＮＬを算出する。
ＮＬ＝｛Ｎ’（ｔ−２ｍ−１）＋Ｎ’（ｔ−２ｍ）＋・・・＋Ｎ’（ｔ−２）｝／２ｍ
・・・（５）
式（５）が使用されるのは、現時刻ｔの計数結果Ｎ（ｔ）がＭＨＰの数の計測開始から（２ｍ×２＋３）回目の計数結果になったとき以降である。

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８１は、以上のような距離比例個数ＮＬの算出処理を、信号抽出部７によってＭＨＰの数が測定される時刻毎（発振期間毎）に行う。
なお、距離比例個数ＮＬの算出に用いる計数結果が十分に多いときは、奇数回分の計数結果で距離比例個数ＮＬを算出してもよい。

次に、符号付与部８２は、現時刻ｔの１回前に計測された計数結果Ｎ（ｔ−１）と距離比例個数ＮＬの２倍数２ＮＬとの大小関係に応じて信号抽出部７の計数結果Ｎ（ｔ）に正負の符号を付与する（図３ステップＳ３）。符号付与部８２は、具体的には以下の式を実行する。
Ｉｆ Ｎ（ｔ−１）≧２ＮＬ Ｔｈｅｎ Ｎ’（ｔ）→−Ｎ（ｔ） ・・・（６）
Ｉｆ Ｎ（ｔ−１）＜２ＮＬ Ｔｈｅｎ Ｎ’（ｔ）→＋Ｎ（ｔ） ・・・（７）

図８は符号付与部８２の動作を説明するための図であり、信号抽出部７の計数結果の時間変化を示す図である。物体１０の距離変化率が半導体レーザ１の発振波長変化率よりも大きい場合、計数結果Ｎｕの時間変化は、図８の８０で示す負側の波形が正側に折り返された形になり、同様に計数結果Ｎｄの時間変化は、図８の８１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２では、この計数結果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。一方、計数結果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。

変位状態を含む振動における振動振幅を求めるためには、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が変位状態である場合には、正側に折り返されている計数結果が図８の８０，８１で示した軌跡を描くように補正する必要がある。式（６）、式（７）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するための式である。図８において計数結果の折り返しが生じている変位状態では、Ｎ（ｔ−１）≧２ＮＬが成立する。したがって、式（６）に示すように、Ｎ（ｔ−１）≧２ＮＬが成立する場合には、信号抽出部７の現時刻ｔの計数結果Ｎ（ｔ）に負の符号を与えたものを符号付き計数結果Ｎ’（ｔ）とする。

一方、図７および図８において計数結果の折り返しが生じていない微小変位状態では、Ｎ（ｔ−１）＜２ＮＬが成立する。したがって、式（７）に示すように、Ｎ（ｔ−１）＜２ＮＬが成立する場合には、信号抽出部７の現時刻ｔの計数結果Ｎ（ｔ）に正の符号を与えたものを符号付き計数結果Ｎ’（ｔ）とする。

符号付き計数結果Ｎ’（ｔ）は、記憶部８０に格納される。符号付与部８２は、以上のような符号付与処理を、信号抽出部７によってＭＨＰの数が測定される時刻毎（発振期間毎）に行う。
なお、式（６）の成立条件をＮ（ｔ−１）＞２ＮＬにして、式（７）の成立条件をＮ（ｔ−１）≦２ＮＬにしてもよい。

続いて、変位比例個数算出部８３は、次式のように符号付き計数結果Ｎ’（ｔ）と現時刻ｔの１回前までに算出された偶数回分の符号付き計数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ＮＶを求める（図３ステップＳ４）。
ＮＶ＝｜Ｎ’（ｔ）−｛Ｎ’（ｔ−２ｍ）＋Ｎ’（ｔ−２ｍ＋１）＋・・・
＋Ｎ’（ｔ−１）｝／２ｍ｜ ・・・（８）

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８３は、以上のような変位比例個数ＮＶの算出処理を、信号抽出部７によってＭＨＰの数が測定される時刻毎（発振期間毎）に行う。
なお、平均値の算出に用いる符号付き計数結果が十分に多いときは、符号付き計数結果Ｎ’（ｔ）と現時刻ｔの１回前までに算出された奇数回分の符号付き計数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ＮＶを算出してもよい。

次に、変位方向判別部８４は、距離比例個数算出部８１が求めた距離比例個数ＮＬと信号抽出部７の計数結果とを比較することにより、物体１０の変位方向を判別する（図３ステップＳ５）。変位方向判別部８４は、半導体レーザ１の発振波長が増加しているときの計数結果Ｎｕが距離比例個数ＮＬより大きいか、あるいは半導体レーザ１の発振波長が減少しているときの計数結果Ｎｄが距離比例個数ＮＬより小さい場合、物体１０の移動方向は半導体レーザ１に接近する方向であると判定し、計数結果Ｎｕが距離比例個数ＮＬより小さいか、あるいは計数結果Ｎｄが距離比例個数ＮＬより大きい場合、物体１０の移動方向は半導体レーザ１から遠ざかる方向であると判定する。変位方向判別部８４は、以上のような変位方向判別処理を、信号抽出部７によってＭＨＰの数が測定される時刻毎（発振期間毎）に行う。

次に、振幅算出部８５は、変位比例個数ＮＶを物体１０の振動半周期の期間にわたって積分することにより、振動半周期あたりの変位比例個数ＮＶの和ΣＮＶを求め、次式に示すように変位比例個数ＮＶの和ΣＮＶと半導体レーザ１の平均半波長λ／２との積を求めることにより、物体１０の振動振幅Ａを算出する（図３ステップＳ６）。
Ａ＝ΣＮＶ×（λ／２） ・・・（９）
λ＝（λｂ＋λａ）／２ ・・・（１０）

物体１０の振動半周期は、変位方向判別部８４の判別結果から求めることができる。すなわち、物体１０の移動方向が半導体レーザ１に対して接近する方向から遠ざかる方向に変わった時点から、次に接近する方向に変わるまでの時点が振動半周期である。あるいは、物体１０の移動方向が半導体レーザ１に対して遠ざかる方向から接近する方向に変わった時点から、次に遠ざかる方向に変わるまでの時点が振動半周期である。振幅算出部８５は、以上のような振動振幅の算出処理を振動半周期毎に行う。
表示部９は、振幅計測部８が算出した振動振幅Ａの値を表示する。

以上のように、本実施の形態では、半導体レーザの自己結合効果を用いた波長変調型の振動振幅計測装置とした。波長変調型の計測装置では、レーザ発振波長を変調することで、ＭＨＰの発生周期に規則性を与えることができるために、ＭＨＰと外乱との分離が容易になる。このため、特許文献１に開示された計測装置に比べて外乱光に強くなるので、振動振幅を測定可能な距離を長くすることができる。また、半導体レーザの波長を高精度に固定する機構も不要となる。

さらに、本実施の形態では、特許文献２に開示された距離・速度計よりも簡単な方法で物体の振動振幅を算出することができる。また、本実施の形態では、特許文献２に開示された距離・速度計のように速度の候補値を選択するといった処理が不要になるので、振動振幅算出精度の低下を招く可能性を低減することができる。

［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、物体１０の振動振幅を振動半周期毎に算出していたが、振動半周期の整数倍の期間毎に算出するようにしてもよい。振動半周期のｎ（ｎは正の整数）倍の期間で物体１０の振動振幅Ａを求める場合、振幅算出部８５は、変位比例個数ＮＶを振動半周期のｎ倍の期間にわたって積分することにより変位比例個数ＮＶの和ΣＮＶを求め、このΣＮＶをｎで除算することにより振動半周期あたりの変位比例個数ＮＶの和（ΣＮＶ）／ｎを求め、次式に示すように変位比例個数ＮＶの和（ΣＮＶ）／ｎと半導体レーザ１の平均半波長λ／２との積を求めることにより、物体１０の振動振幅Ａを算出する。
Ａ＝（ΣＮＶ）／ｎ×（λ／２） ・・・（１１）

こうして、物体１０の振動半周期の整数倍の期間毎に振動振幅を算出することができる。第１の実施の形態は、ｎ＝１の場合であることは言うまでもない。

［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。本実施の形態においても、振動振幅計測装置の構成は第１、第２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。本実施の形態では、図３のステップＳ４以降の処理が第１、第２の実施の形態と異なる。

振幅計測部８の変位比例個数算出部８３は、現時刻ｔの符号付き計数結果Ｎ’（ｔ）と現時刻ｔの１回前までに算出された偶数回分の符号付き計数結果の平均値｛Ｎ’（ｔ−２ｍ）＋Ｎ’（ｔ−２ｍ＋１）＋・・・＋Ｎ’（ｔ−１）｝／２ｍとを比較し、符号付き計数結果Ｎ’（ｔ）の方が大きいときのみ、式（８）によって変位比例個数ＮＶを算出する（図３ステップＳ４）。あるいは、変位比例個数算出部８３は、符号付き計数結果Ｎ’（ｔ）と偶数回分の符号付き計数結果の平均値｛Ｎ’（ｔ−２ｍ）＋Ｎ’（ｔ−２ｍ＋１）＋・・・＋Ｎ’（ｔ−１）｝／２ｍとを比較し、符号付き計数結果Ｎ’（ｔ）の方が小さいときのみ、変位比例個数ＮＶを算出するようにしてもよい。

第１の実施の形態と同様に、平均値の算出に用いる符号付き計数結果が十分に多いときは、奇数回分の符号付き計数結果から平均値を求めるようにしてもよい。
変位方向判別部８４の動作は第１の実施の形態と同じである。

振幅算出部８５は、変位比例個数ＮＶを振動半周期のｎ倍の期間にわたって積分することにより変位比例個数ＮＶの和ΣＮＶを求め、このΣＮＶをｎで除算することにより振動半周期あたりの変位比例個数ＮＶの和（ΣＮＶ）／ｎを求め、式（１１）に示すように変位比例個数ＮＶの和（ΣＮＶ）／ｎと半導体レーザ１の平均半波長λ／２との積を求めることにより、物体１０の振動振幅Ａを算出する（図３ステップＳ６）。

なお、第１〜第３の実施の形態において、ステップＳ２〜Ｓ４で用いる計数結果の平均値の算出精度は、これらの平均値の算出に用いる計数結果が多くなるほど高くなるが、振動振幅が大きくなるにつれて誤算出する可能性が高くなるので、高精度を求める際にだけ、平均値の算出に用いる計数結果の数を徐々に増やしていくと良い。

以下、計数結果の折り返しによる誤算出が発生する場合について図９を用いて説明する。距離比例個数ＮＬの算出に折り返しされた計数結果を含む場合（図９の９０の部分）、距離比例個数ＮＬが図９の９１のように誤算出され、計数結果Ｎ（ｔ−１）が本来の距離比例個数ＮＬの２倍より大きくても、誤算出された距離比例個数ＮＬの２倍以上にはならないため、Ｎ（ｔ）は折り返しされた計数結果と判断されない。誤算出が生じている場合でも、距離比例個数ＮＬの算出に折り返しされた計数結果を含まない場合（図９の９２の部分）があると、距離比例個数ＮＬは正しい値になり、それ以降の折り返しされた計数結果は正しく算出される。そこで、図１０に示すように、３回続けて距離比例個数ＮＬよりも小さな計数結果Ｎが発生した場合（図１０の９３の部分）には、距離比例個数算出部８１は、距離比例個数ＮＬの誤算出と判断し、最初の２つの計数結果（図１０の９４と９５）の平均値を距離比例個数ＮＬとする。

［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。第１〜第３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と電流−電圧変換増幅部５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１１は本発明の第４の実施の形態に係る振動振幅計測装置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。本実施の形態の振動振幅計測装置は、第１〜第３の実施の形態のフォトダイオード２と電流−電圧変換増幅部５の代わりに、検出手段として電圧検出部１１を用いるものである。

電圧検出部１１は、半導体レーザ１の端子間電圧、すなわちアノード−カソード間電圧を検出して増幅する。半導体レーザ１から放射されたレーザ光と物体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の端子間電圧には、ＭＨＰ波形が現れる。したがって、半導体レーザ１の端子間電圧からＭＨＰ波形を抽出することが可能である。

フィルタ部６は、電圧検出部１１の出力電圧から搬送波を除去する。振動振幅計測装置のその他の構成は、第１〜第３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３の実施の形態と比較して振動振幅計測装置の部品を削減することができ、振動振幅計測装置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。

本実施の形態では、レーザドライバ４から半導体レーザ１に供給する駆動電流をレーザ発振のしきい値電流付近に制御することが好ましい。これにより、半導体レーザ１の端子間電圧からＭＨＰを抽出することが容易になる。

なお、第１〜第４の実施の形態において少なくとも信号抽出部７と振幅計測部８とは、例えばＣＰＵ、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って第１〜第４の実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、レーザを用いて物体の振動振幅を計測する技術に適用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る振動振幅計測装置の構成を示すブロック図である。 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。 本発明の第１の実施の形態における信号抽出部と振幅計測部の動作を示すフローチャートである。 モードホップパルスについて説明するための図である。 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。 本発明の第１の実施の形態における振幅計測部の構成の１例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態における信号抽出部の計数結果の時間変化の１例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における信号抽出部の計数結果の時間変化の他の例を示す図である。 本発明の第１、第２の実施の形態における問題点を説明するための図である。 本発明の第１、第２の実施の形態における誤算出の検出方法を説明するための図である。 本発明の第４の実施の形態に係る振動振幅計測装置の構成を示すブロック図である。 従来の距離・速度計の構成を示すブロック図である。 図１２の距離・速度計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。

符号の説明

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…信号抽出部、８…振幅計測部、９…表示部、１０…物体、１１…電圧検出部、８０…記憶部、８１…距離比例個数算出部、８２…符号付与部、８３…変位比例個数算出部、８４…変位方向判別部、８５…振幅算出部。

Claims (8)

1. 測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、
   発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる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測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手段と、
   この検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える信号抽出手段と、
   この信号抽出手段の計数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前記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、
   前記信号抽出手段の最新の計数結果と過去の計数結果の平均値との差の絶対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、
   前記距離比例個数と前記信号抽出手段の最新の計数結果とを比較することにより、前記測定対象の変位方向を判別する変位方向判別手段と、
   この変位方向判別手段の判別結果に基づいて前記測定対象の振動半周期あたりの変位比例個数の和を求め、この和と前記半導体レーザの平均半波長との積を求めることにより、前記測定対象の振動振幅を算出する振幅算出手段とを備えることを特徴とする振動振幅計測装置。
2. 測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、
   発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる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測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手段と、
   この検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える信号抽出手段と、
   この信号抽出手段の計数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前記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、
   前記信号抽出手段の最新の計数結果と過去の計数結果の平均値とを比較し、最新の計数結果の方が大きいときのみ、または最新の計数結果の方が小さいときのみ、前記信号抽出手段の最新の計数結果と過去の計数結果の平均値との差の絶対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、
   前記距離比例個数と前記信号抽出手段の最新の計数結果とを比較することにより、前記測定対象の変位方向を判別する変位方向判別手段と、
   この変位方向判別手段の判別結果に基づいて前記測定対象の振動半周期あたりの変位比例個数の和を求め、この和と前記半導体レーザの平均半波長との積を求めることにより、前記測定対象の振動振幅を算出する振幅算出手段とを備えることを特徴とする振動振幅計測装置。
3. 請求項１または２記載の振動振幅計測装置において、
   さらに、前記信号抽出手段の１回前の計数結果とこの計数結果よりも過去の計数結果を用いて算出された前記距離比例個数の２倍数との大小関係に応じて前記信号抽出手段の最新の計数結果に正負の符号を付与する符号付与手段を備え、
   前記距離比例個数算出手段は、前記距離比例個数の算出に用いる全ての計数結果に前記符号付与手段によって符号が与えられた符号付き計数結果を用い、
   前記変位比例個数算出手段は、前記変位比例個数の算出に用いる全ての計数結果に前記符号付与手段によって符号が与えられた符号付き計数結果を用いることを特徴とする振動振幅計測装置。
4. 請求項１または２記載の振動振幅計測装置において、
   前記振幅算出手段は、前記変位比例個数を前記測定対象の振動半周期のｎ（ｎは正の整数）倍の期間にわたって積分して前記変位比例個数の和を求め、この和をｎで除算して求めた、振動半周期あたりの変位比例個数の和と前記半導体レーザの平均半波長との積を求めることにより、前記測定対象の振動振幅を算出することを特徴とする振動振幅計測装置。
5. 発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振手順と、
   前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手順と、
   この検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える信号抽出手順と、
   この信号抽出手順の計数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前記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、
   前記信号抽出手順の最新の計数結果と過去の計数結果の平均値との差の絶対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、
   前記距離比例個数と前記信号抽出手順の最新の計数結果とを比較することにより、前記測定対象の変位方向を判別する変位方向判別手順と、
   この変位方向判別手順の判別結果に基づいて前記測定対象の振動半周期あたりの変位比例個数の和を求め、この和と前記半導体レーザの平均半波長との積を求めることにより、前記測定対象の振動振幅を算出する振幅算出手順とを備えることを特徴とする振動振幅計測方法。
6. 発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振手順と、
   前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手順と、
   この検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える信号抽出手順と、
   この信号抽出手順の計数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前記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、
   前記信号抽出手順の最新の計数結果と過去の計数結果の平均値とを比較し、最新の計数結果の方が大きいときのみ、または最新の計数結果の方が小さいときのみ、前記信号抽出手順の最新の計数結果と過去の計数結果の平均値との差の絶対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、
   前記距離比例個数と前記信号抽出手順の最新の計数結果とを比較することにより、前記測定対象の変位方向を判別する変位方向判別手順と、
   この変位方向判別手順の判別結果に基づいて前記測定対象の振動半周期あたりの変位比例個数の和を求め、この和と前記半導体レーザの平均半波長との積を求めることにより、前記測定対象の振動振幅を算出する振幅算出手順とを備えることを特徴とする振動振幅計測方法。
7. 請求項５または６記載の振動振幅計測方法において、
   さらに、前記距離比例個数算出手順と前記変位比例個数算出手順との間において、前記信号抽出手順の１回前の計数結果とこの計数結果よりも過去の計数結果を用いて算出された前記距離比例個数の２倍数との大小関係に応じて前記信号抽出手順の最新の計数結果に正負の符号を付与する符号付与手順を備え、
   前記距離比例個数算出手順は、前記距離比例個数の算出に用いる全ての計数結果に前記符号付与手段によって符号が与えられた符号付き計数結果を用い、
   前記変位比例個数算出手順は、前記変位比例個数の算出に用いる全ての計数結果に前記符号付与手順によって符号が与えられた符号付き計数結果を用いることを特徴とする振動振幅計測方法。
8. 請求項５または６記載の振動振幅計測方法において、
   前記振幅算出手順は、前記変位比例個数を前記測定対象の振動半周期のｎ（ｎは正の整数）倍の期間にわたって積分して前記変位比例個数の和を求め、この和をｎで除算して求めた、振動半周期あたりの変位比例個数の和と前記半導体レーザの平均半波長との積を求めることにより、前記測定対象の振動振幅を算出することを特徴とする振動振幅計測方法。

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