[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

本发明涉及一种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/速度测量方法。

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量而不会干扰测定对象，以前一直被用作高精度的测量方法。最近，为了实现装置的小型化，半导体激光器被用作光测量用光源。作为其代表性的实例，存在采用FM外差式(heterodyne)干涉仪的类型。这种情况下可进行较长距离的测量，且也具有良好精度，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这样的缺点。

相对于此，在文献1(上田正、山田淳、紫藤近，“利用半导体激光器的自耦合效应的距离计”、1994年度电气关系学会東海支部联合大会演讲论文集，1994年)、文献2(山田淳、紫藤近、津田紀生、上田正，“有关利用半导体激光器的自耦合效应的小型距离计的研究”，爱知工业大学研究報告，第31号B，p.35～42，1996年)、文献3(Guido Giuliani，Michele Norgia，Silvano Donatiand Thierry Bosch，“Laser diode self-mixing technique for sensingapplications”，JOURNAL OF OPTICS A：PURE AND APPLIED OPITCS，p.283～294，2002年)等中提出了利用在激光器的输出光和来自测量对象的返回光之间在半导体激光器内部的干涉(自耦合效应)的测量仪。

根据这种自耦合型的激光测量仪，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39中示出了FP型(Fabry-Perot法布里·珀罗型)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。 返回来的微弱光与半导体激光器谐振器101内的激光耦合，工作就会变得不稳定，并产生噪声(复合谐振器噪声或返回光噪声)。即使相对输出光的相对的返回光量极其微小，但由于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为λ，从接近测量现象104的半导体晶体的壁开面102到测定对象104为止的距离为L时，则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，激光器输出就会稍稍增加。

L＝qλ/2                                …(1)

在公式(1)中，q是整数。即便在来自测定对象104的散射光极其微弱，但通过增加半导体激光器的谐振器101内的表观反射率，就产生了放大作用，能够充分观测该现象。

由于半导体激光器根据注入电流的大小而发射频率不同的激光，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40为表示在按照某一规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图。在满足公式(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°(同相位)，返回光和谐振器101内的激光最大程度地相互加强；当L＝qλ/2+λ/4时，相位差为180°(反相位)，返回光和谐振器101内的激光最大程度地相互减弱。由此，如果使半导体激光器的振荡波长改变，则激光器输出增强的情形和减弱的情形交替地重复出现，在通过设置于谐振器101的光电二极管103检测此时的激光器输出时，就如图40所示，获得固定周期的阶梯状波形。这样的波形一般被称为干涉条纹。