[发明专利]距离/速度计和距离/速度测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及利用光的干涉对距测定对象的距离以及测定对象的速度中的至少一方进行测量的距离/速度计和距离/速度测定方法。

背景技术

利用了由激光器产生的光的干涉的距离测量因属于非接触测定，因而不会扰乱测定对象，以往一直被用作高精度的测定方法。最近，为了实现装置的小型化，半导体激光器被用作光测定用光源。作为其代表性的实例，有采用FM外差(heterodyne)干涉计的类型。这种情况下可进行较长距离的测定，精度也良好，但是由于在半导体激光器的外部采用干涉仪，故具有光学系统复杂的缺点。

相对于此，在文献1(JP特开2006-313080号)、文献2(上田正、山田淳、紫藤近，“半導体レ—ザの自己結合效果を利用した距離計”、1994年度電气関係学会東海支部連合大会講演論文集，1994年)、文献3(山田淳、紫藤近、津田紀生、上田正，“半導体レ—ザの自己結合效果を利用した小型距離計に関する研究”，爱知工业大学研究報告，第31号B，p.35～42，1996年)、文献4(GuidoGiuliani，Michele Norgia，Silvano Donati and Thierry Bosch，“Laser diode self-mixingtechnique for sensing applications”，JOURNAL OF OPTICS A：PURE ANDAPPLIED OPITCS，p.283～294，2002年)等中提出了利用激光器的输出光和来自测定对象的返回光之间在半导体激光器内部的干涉(自耦合型效果)的测定器。

采用这样的自耦合型的激光测定器，由于内置光电二极管的半导体激光器兼有发光、干涉、接收光的各功能，故可大幅度地简化外部干涉光学系统。因此，传感部仅仅由半导体激光器和透镜构成，与过去的情况相比较，为小型。另外，具有距离测定范围大于三角测量法的特征。

图13表示FP型(Fabry-Perot型)半导体激光器的复合谐振器模型。来自测定对象104的反射光的一部分容易返回到振荡区域的内部。返回来的微弱的光与半导体激光器谐振器101内的激光耦合，动作变得不稳定，产生噪音(复合谐振器噪音或返回光噪音)。即使相对输出光的相对返回光量极其微小，因返回光引起的半导体激光器的特性的变化仍显著呈现。这样的现象并不限于法布里-珀罗(Fabry-Perot)型(以下称为FP型)半导体激光器，在垂直空腔表面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)型(以下称为VCSEL型)、分布反馈激光器(Distributed Feedback Laser)型(以下称为DFB激光器型)等其它种类的半导体激光器中也同样呈现。

如果激光器的振荡波长由λ表示，从接近测定现象104的半导体晶体的壁开面102到测定对象104为止的距离由L表示，则在满足以下的谐振条件时，返回光和谐振器101内的激光相互加强，激光器输出稍稍增加。

L＝qλ/2                          ...(1)

在式(1)中，q表示整数。该现象即便在来自测定对象104的散射光极其微弱的情况下，通过半导体激光器的谐振器101内的表观反射率增加故而产生放大作用，也能够充分观测该现象。

在半导体激光器中，由于根据注入电流的大小，照射频率不同的激光，因此在调制振荡频率时，不需要外部调制器，可通过注入电流直接进行调制。图14为表示在按照某个恒定的比例使半导体激光器的振荡波长改变时的振荡波长和光电二极管103的输出波形之间的关系的图。在满足式(1)所示的L＝qλ/2时，返回光和谐振器101内的激光的相位差变成0°(相同相位)，返回光和谐振器101内的激光相互加强最大程度；当L＝qλ/2+λ/4时，相位差为180°(相反相位)，返回光和谐振器101内的激光相互加强最小程度。由此，如果使半导体激光器的振荡波长改变，则激光输出增强的情形和减弱的情形交替反复地出现，在通过设置于谐振器101上的光电二极管103，检测此时的激光输出时，如图14所示那样，获得恒定周期的阶梯状波形。这样的波形一般称为干涉条纹。