[发明专利]计数设备、测距计、计数方法及距离测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种对信号数目进行计数的计数设备、以及一种用于获得到测量目标的距离的测距计，其中通过使用该计数设备根据距离来测量干涉波形的数目。

背景技术

由于采用非接触式测量，使用光干涉的激光器的距离测量不会干扰测量目标，从而早已用作高精度测量方法。近来，已经尝试使用半导体激光器作为光测量光源来实现设备的小型化。这种设备的典型示例是使用FM外差干涉计。该设备可以以较高的精度测量相对长的距离，但具有由于使用半导体激光器外部的干涉计而光系统很复杂的缺点。

与此相反的是，提出了一种使用半导体激光器的输出光与测量目标的光反馈(自混合效应、自耦合效应)之间在激光器内部的干涉的测量仪器。例如，在参考文献1(Tadashi Ueda，Jun Yamada以及SusumuShitoh“Distance Meter Using Self-Mixing Effect of SemiconductorLaser”，Papers for 1994 Tokai-Secion Joint Conference of the 8 Institutesof Electrical and Related Engineers)、参考文献2(Jun Yamada，SusumuShitoh，Norio Tuda以及Tadashi Ueda“Study of Compact Distance Meterby Self-Coupling Effect of Laser Diode”，Bulletin of Aichi Institute ofTechnology，Vol.3b，pp.35-42，1996)以及参考文献3(Guido Giuliani，Michele Norgia，Silvano Donati以及Thierry Bosch，“Laser diodeself-mixing technique for sensing application”，JOURNAL OF OPTICSA：PURE AND APPLIED OPTICS，pp.283-294，2002)中公开了使用自混合效应的激光器测量仪器。

在这种使用自混合效应的激光器测量仪器中，半导体激光器中内置的光电二极管同时具有发射光、干涉以及接收光的功能，并因此允许对外部干涉光系统进行极大简化。因此，传感器单元仅包括半导体激光器和透镜，并变得比传统的传感器单元小。这种仪器还具有其距离测量范围比三角测量的测量范围宽的性能特征。

图23示出了FP型(Fabry-Perot型)半导体激光器的复合共振模型。参照图23，附图标记101表示半导体激光器；102表示半导体晶体的解理面；103表示光电二极管；以及104表示测量目标。来自测量目标104的反射光的一部分趋向于返回振荡区域。少量光反馈与激光束在共振器101内部混合，从而导致不稳定操作和噪声(复合共振噪声或光反馈噪声)。甚至相对于输出光的极其少量的光反馈都会引起半导体激光器性能上的显著变化。这种现象不局限于Fabry-Perot型(表示为FP型)半导体激光器，也可能发生在诸如垂直腔面发射激光器型(下文中表示为VCSEL型)和分布反馈激光器型(称为DFB激光器型)之类的其它类型的半导体激光器中。

假设λ为激光器的振荡波长，L为测量目标104附近的解理面102到测量目标104的距离。在这种情况下，当满足下列共振条件时，光反馈和激光束将在共振器101中彼此增强。因此，激光功率略微增大。

L＝nλ/2  ...(1)

其中，n是整数。当半导体激光器的共振器101内部的表观反射率增大时，甚至对于来自测量目标104的极其微弱的散射光，也能够在发生放大行为时充分观察到上述现象。

根据注入电流的幅值，半导体激光器发射具有不同频率的激光束。因此，该激光器可以使用注入电流对振荡频率进行直接调制，而不需要任何外部调制器。图24示出了当半导体激光器的振荡波长以预定速率改变时、振荡波长与光电二极管的输出波形之间的关系。当满足等式(1)中指示的L＝nλ/2时，共振器101内部的光反馈与激光束之间的相位差变成0°(同相)，共振器101内部的光反馈与激光束以最大程度彼此增强。当L＝nλ/2+λ/4时，相位差变成180°(反相)，共振器101内部的光反馈与激光束以最大程度彼此削弱。当半导体激光器的振荡波长改变时，激光器功率重复交替地增大和减小。当共振器101中提供的光电二极管103在此时检测激光器功率时，获得如图24所示的具有恒定周期的阶梯波形。通常将这种波形称为干涉图案。