[發明專利]距離/速度計和距離/速度測量方法

有效

• 申請號: 200810096322.5
• 申請日: 2008-04-01
• 公開（公告）號: CN101281031A
• 公開（公告）日: 2008-10-08
• 發明（設計）人: 上野達也
• 申請（專利權）人: 株式會社山武
• 主分類號: G01C3/00
• 分類號: G01C3/00;G01P3/36
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 汪惠民

技術領域

本發明涉及利用光的干涉對距測定對象的距離以及測定對象的速度中的至少一方進行測量的距離/速度計和距離/速度測定方法。

背景技術

利用了由激光器產生的光的干涉的距離測量因屬于非接觸測定，因而不會擾亂測定對象，以往一直被用作高精度的測定方法。最近，為了實現裝置的小型化，半導體激光器被用作光測定用光源。作為其代表性的實例，有采用FM外差(heterodyne)干涉計的類型。這種情況下可進行較長距離的測定，精度也良好，但是由于在半導體激光器的外部采用干涉儀，故具有光學系統復雜的缺點。

相對于此，在文獻1(JP特開2006-313080號)、文獻2(上田正、山田淳、紫藤近，“半導體レ—ザの自己結合效果を利用した距離計”、1994年度電氣関係學會東海支部連合大會講演論文集，1994年)、文獻3(山田淳、紫藤近、津田紀生、上田正，“半導體レ—ザの自己結合效果を利用した小型距離計に関する研究”，愛知工業大學研究報告，第31號B，p.35～42，1996年)、文獻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輸出光和來自測定對象的返回光之間在半導體激光器內部的干涉(自耦合型效果)的測定器。

采用這樣的自耦合型的激光測定器，由于內置光電二極管的半導體激光器兼有發光、干涉、接收光的各功能，故可大幅度地簡化外部干涉光學系統。因此，傳感部僅僅由半導體激光器和透鏡構成，與過去的情況相比較，為小型。另外，具有距離測定范圍大于三角測量法的特征。

圖13表示FP型(Fabry-Perot型)半導體激光器的復合諧振器模型。來自測定對象104的反射光的一部分容易返回到振蕩區域的內部。返回來的微弱的光與半導體激光器諧振器101內的激光耦合，動作變得不穩定，產生噪音(復合諧振器噪音或返回光噪音)。即使相對輸出光的相對返回光量極其微小，因返回光引起的半導體激光器的特性的變化仍顯著呈現。這樣的現象并不限于法布里-珀羅(Fabry-Perot)型(以下稱為FP型)半導體激光器，在垂直空腔表面發射激光器(Vertical?Cavity?Surface?Emitting?Laser)型(以下稱為VCSEL型)、分布反饋激光器(Distributed?Feedback?Laser)型(以下稱為DFB激光器型)等其它種類的半導體激光器中也同樣呈現。

如果激光器的振蕩波長由λ表示，從接近測定現象104的半導體晶體的壁開面102到測定對象104為止的距離由L表示，則在滿足以下的諧振條件時，返回光和諧振器101內的激光相互加強，激光器輸出稍稍增加。

L＝qλ/2??????????????????????????...(1)

在式(1)中，q表示整數。該現象即便在來自測定對象104的散射光極其微弱的情況下，通過半導體激光器的諧振器101內的表觀反射率增加故而產生放大作用，也能夠充分觀測該現象。

在半導體激光器中，由于根據注入電流的大小，照射頻率不同的激光，因此在調制振蕩頻率時，不需要外部調制器，可通過注入電流直接進行調制。圖14為表示在按照某個恒定的比例使半導體激光器的振蕩波長改變時的振蕩波長和光電二極管103的輸出波形之間的關系的圖。在滿足式(1)所示的L＝qλ/2時，返回光和諧振器101內的激光的相位差變成0°(相同相位)，返回光和諧振器101內的激光相互加強最大程度；當L＝qλ/2+λ/4時，相位差為180°(相反相位)，返回光和諧振器101內的激光相互加強最小程度。由此，如果使半導體激光器的振蕩波長改變，則激光輸出增強的情形和減弱的情形交替反復地出現，在通過設置于諧振器101上的光電二極管103，檢測此時的激光輸出時，如圖14所示那樣，獲得恒定周期的階梯狀波形。這樣的波形一般稱為干涉條紋。