JP2001330669A - Laser diode-type distance and displacement meter with double external resonator - Google Patents

Laser diode-type distance and displacement meter with double external resonator

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JP2001330669A
JP2001330669A JP2000151435A JP2000151435A JP2001330669A JP 2001330669 A JP2001330669 A JP 2001330669A JP 2000151435 A JP2000151435 A JP 2000151435A JP 2000151435 A JP2000151435 A JP 2000151435A JP 2001330669 A JP2001330669 A JP 2001330669A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser diode-type distance and displacement meter in which a measurement error is corrected by a double external resonator. SOLUTION: One laser diode 3 is used to cast its radiation light an object 7. A semitransparent mirror (a reference reflector) 6 is placed in the halfway of its optical path to obtain reflected light. Returned light is made incident in an on-line manner on a photodiode 2 which is built in the laser diode 3. The position of the object and the position of the mirror are specified by an FFT method. Thereby, a submicron-order error which exists in a measuring system can be removed.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザダイオード
の戻り光を利用した距離・変位計に関する。さらに詳し
く言えば、二重外部共振器により測定誤差を補正したレ
ーザダイオード式距離・変位計に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a distance / displacement meter using return light of a laser diode. More specifically, the present invention relates to a laser diode type distance / displacement meter in which a measurement error is corrected by a double external resonator.

【0002】[0002]

【従来の技術】レーザが実用化されて以来、レーザ干渉
計は距離や変位の測定に使用され、位置測定やアライメ
ント用などに広く使用されてきた。この形のマイクロ位
置センサはロボットセンシング、機械の制御、寸法伸縮
の計測・監視、表面形状計測などに広く利用されてき
た。
2. Description of the Related Art Since the practical use of lasers, laser interferometers have been used for measuring distance and displacement, and have been widely used for position measurement and alignment. This type of micro position sensor has been widely used for robot sensing, machine control, measurement / monitoring of dimensional expansion / contraction, and surface shape measurement.

【0003】最近、サブミクロン(1μm以下)の変位
を測定するための周波数変調式レーザダイオード干渉計
に属するさまざまな技術が提案されている。例えば、ジ
ー・ビーハイム(G. Beheim ) およびケー・フリッツシ
(K. Fritsch)によるレーザダイオードを使用した遠隔変
位計測法がエレクトロニクス レター(Electronics Let
ters)誌、21巻(1985年)、93〜94ページに
記載されている。久保田(T.Kubota)、奈良(M. Nara) お
よび吉野(T. Yoshino)により、変位と距離を測定するた
めの干渉計がオプチックレター(Optics Letter) 誌、1
2巻(1987年)、310〜312ページに記載さ
れ、加藤, 菊池, 山口およびオゾノ(J. Kato, N. Kikuc
hi, I. Yamaguchi and S. Ozono)によりレーザダイオー
ドを使用した光帰還形変位センサとその性能改善につい
て、メジャメントサイエンス アンド テクノロジー(M
easurement Science & Technology)誌、6巻(199
5)、45〜52ページに記載されている。さらに、最
近では、内山(T. Uchiyama) および来(G. Lai)により、
レーザダイオードの位相センサを使用し、光学的に捕獲
された粒子の変位を測定する方法が提案され、アイイー
イーイー アプリケーション ソサイエティ (IEEE Ind
ustryApplication Society)の1998年度年次大会
(1998年)で発表され、同論文誌1686〜168
9ページに記載されている。
Recently, various techniques belonging to a frequency modulation type laser diode interferometer for measuring a displacement of submicron (1 μm or less) have been proposed. For example, G. Beheim and K. Fritzsi
(K. Fritsch) Remote Distance Measurement Using Laser Diodes
ters), vol. 21, (1985), pp. 93-94. T. Kubota, Nara (M. Nara) and T. Yoshino (T. Yoshino) have developed an interferometer for measuring displacement and distance in the field of Optics Letter, 1
2 (1987), pp. 310-312, by Kato, Kikuchi, Yamaguchi and Ozono (J. Kato, N. Kikuc)
hi, I. Yamaguchi and S. Ozono) on the measurement of the optical feedback displacement sensor using a laser diode and its performance improvement.
easurement Science & Technology), 6 volumes (199
5) pages 45-52. More recently, T. Uchiyama and G. Lai
A method for measuring the displacement of optically captured particles using a laser diode phase sensor has been proposed, and the IEEE Application Society (IEEE Ind.
ustryApplication Society) at the 1998 Annual Meeting (1998).
It is described on page 9.

【0004】一般に、レーザダイオードを光源として使
用した干渉計は構成が極めて単純であり、小形軽量にま
とめることができる。これらの干渉計法においては、レ
ーザダイオードの注入電流に光パワーも変調されてい
る。さらに、これらの干渉計法の測定精度はレーザダイ
オードの発光周波数のフラクチュエーション(飄動)に
よっても影響されている。レーザダイオードの温度変動
を1/500°K(=2×10-3 °K)に保たないと周波
数の変動により、外部共振器の長さを約10cmと仮定
しても、測定精度を1/20波長に保つことは実際上極
めて困難であると試算されている。
In general, an interferometer using a laser diode as a light source has a very simple structure and can be reduced in size and weight. In these interferometer methods, the optical power is also modulated by the injection current of the laser diode. Furthermore, the measurement accuracy of these interferometer methods is also affected by the fluctuation of the emission frequency of the laser diode. If the temperature fluctuation of the laser diode is not kept at 1/500 ° K (= 2 × 10 −3 ° K), the measurement accuracy will be 1 even if the external resonator length is assumed to be about 10 cm due to the frequency fluctuation. It has been estimated that it is practically extremely difficult to keep the wavelength at the / 20 wavelength.

【0005】一方、周波数変調を行う方式のレーザダイ
オード形干渉計は、共振のピーク値の数を計数する方
式、あるいは干渉信号の共振周波数を見出す方式によっ
て距離を測定するものが提案されている。前者に属する
方式を2例挙げることができる。一つは、篠原,吉田,
池田,西出および角(S. Shinohara, H. Yoshida, H. I
keda, K. Nishide, and M. Sumi)によって提案されてい
る。この方法は測定距離に広いダイナミックレンジがあ
り、簡易な構造で比較的高精度が得られているとしてア
イイーイーイー トランスアクション アンド メジャ
メント(IEEE Transaction on Instrumentation and Mea
surement) 誌、41巻(1992年)、40〜44ペー
ジに記載されている。他のひとつは菊田, 岩田, 永田
(H. Kikuta, K. Iwata, and R. Nagata)によって提案さ
れている。これはレーザダイオードの出力光の波長偏移
を使って距離を測定するもので、アプライド オプチッ
ク (Applied Optics) 誌、25巻(1986年)、29
76〜2980ページに記載されている。
On the other hand, there has been proposed a laser diode interferometer of a frequency modulation type which measures the distance by a method of counting the number of resonance peak values or a method of finding the resonance frequency of an interference signal. There are two examples of the former method. One is Shinohara, Yoshida,
S. Shinohara, H. Yoshida, H. I
keda, K. Nishide, and M. Sumi). This method has a wide dynamic range in the measurement distance, and has relatively high accuracy with a simple structure, and is based on IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement.
surement), 41 (1992), pp. 40-44. The other one is Kikuta, Iwata, Nagata
(H. Kikuta, K. Iwata, and R. Nagata). This measures the distance using the wavelength shift of the output light of a laser diode. Applied Optics, 25 (1986), 29
Pages 76-2980.

【0006】一方、後者に属する方式は一例を挙げるこ
とができる。これは小林(T. Kobayashi)によって提案さ
れたものであり、ジャパニーズ ジャーナル オブ オ
プチック(Japanese Journal of Optics)誌、17巻(1
988年)、279〜284ページに記載されている。
On the other hand, an example of the latter method is given. This was proposed by T. Kobayashi and was published in the Japanese Journal of Optics, vol.
988), pages 279-284.

【0007】距離の絶対値を測定する方法は菊田, 岩
田, 永田( H. Kikuta, K. Iwata, andNagata)によっ
て、アプライド オプチック(Applied Optics)誌、25
巻(1986年)、2976〜2980ページに提案さ
れた。すなわち、この方法では二つの干渉計を組み合わ
せたもので、一方の干渉計は参照用、他は目的とする距
離を測定するものである。この方法による距離計測法と
FFT(FastFourierTransform,高速フーリェ変換)と
を組み合わせれば、多重反射をする目的物体に応用する
ことが可能であり、共振周波数の測定精度を向上でき
る。この組み合わせ法は末松(M.Suematsu)および武田
(M.Takeda)によって、アプライドオプチック(AppliedOp
tics)誌、30巻(1991年)、4046〜4055
ページに記載され、公表されている。
A method for measuring the absolute value of the distance is described in Applied Optics, 25, by K. Kikuta, K. Iwata, and Nagata.
Volume (1986), pp. 2976-2980. That is, in this method, two interferometers are combined, one interferometer for reference, and the other for measuring a target distance. By combining the distance measurement method by this method with FFT (Fast Fourier Transform, fast Fourier transform), the method can be applied to a target object that performs multiple reflections, and the measurement accuracy of the resonance frequency can be improved. This combination method is based on M. Suematsu and Takeda
(M.Takeda), AppliedOptic
tics), Vol. 30, (1991), 4046-4055
Listed on the page and published.

【0008】このように、参照用干渉計を使用すれば、
レーザ電流とレーザ周波数変調との関係における不確定
性を避けることができる利点がある。しかし、センサシ
ステムとしては構成が複雑になるという欠点がある。
As described above, if the reference interferometer is used,
There is an advantage that uncertainty in the relationship between laser current and laser frequency modulation can be avoided. However, the sensor system has a disadvantage that the configuration is complicated.

【0009】一方、蜂屋氏および藤原氏による特開平0
9−257415号には、移動または振動している被測
定物に対して、三角波状に周波数変調されたレーザ光ビ
ーム、ならびにこのレーザ光により位相の遅れたレーザ
光ビームを照射し、ビート光を検出して、位置および変
位を測定する方法が提案されている。また、金子氏、梅
村氏、および越本氏による特開平09−072711号
(公開1997年3月18日)にはレーザダイオードと
ホトダイオードを一体化してピエゾ素子に装着し、観測
面に対してピエゾ素子をホトダイオード出力の最低値を
中心に揺動させ、ホトダイオード出力の積分値により揺
動中心を前記最低値に制御させ、変位を検出する装置が
提案されている。
On the other hand, Japanese Patent Laid-Open No.
No. 9-257415 discloses that a moving or vibrating DUT is irradiated with a laser light beam frequency-modulated in a triangular wave shape and a laser light beam delayed in phase by the laser light, and the beat light is emitted. Methods have been proposed to detect and measure position and displacement. Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-072711 (March 18, 1997) by Kaneko, Umemura and Koshimoto discloses that a laser diode and a photodiode are integrated and mounted on a piezo element. A device has been proposed in which an element is oscillated around a minimum value of a photodiode output, and the center of oscillation is controlled to the minimum value by an integrated value of the photodiode output to detect displacement.

【0010】さらに、渡辺氏による特開平09−033
214号には変調されたレーザダイオード出力の光を対
象とするミラーによって反射させて外部共振器を構成
し、この外部共振器で得られた干渉信号を利用して測定
する方法が提案されている。また西川氏および大野氏に
よる特開平06−129812号(公開1994年5月
13日)には、ヘテロダイン干渉計を利用してレーザダ
イオードの発振波長やビート周波数のゆらぎによる誤差
を補正した測長器が提案されている。上述の特許公開公
報では干渉計の手法を採用しているので、精度は目的と
する対象に対して得られるが、複雑な構成である。
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-033 by Watanabe
No. 214 proposes a method in which a modulated laser diode output light is reflected by a target mirror to form an external resonator, and measurement is performed using an interference signal obtained by the external resonator. . Japanese Patent Application Laid-Open No. 06-129812 (published May 13, 1994) by Nishikawa and Ohno discloses a length measuring device in which a heterodyne interferometer is used to correct errors due to fluctuations in the oscillation wavelength and beat frequency of a laser diode. Has been proposed. Since the above-mentioned patent publication employs an interferometer technique, accuracy can be obtained for a target object, but the configuration is complicated.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】前述の文献および特許
公開公報によって、公知の距離および変位の測定方式で
は、いずれも一対のレーザ光ビームの位相差を干渉計法
により対象物体から求め、この位相差に相当する距離お
よび変位を検出していた。しかし、干渉計の構成が大型
になるとともに複雑になり、作業性が劣る上、調整や保
守に手間がかかるという欠点があった。さらに、上記各
種の方法には次のような欠点がある。干渉計法により位
相差を求めるのに採用されている変調では、変調周波数
が光波長の該当周波数に比べて著しく低いため、測定中
にパラメータが変化する可能性があり、この変化がサブ
ミクロンオーダの距離の計測に誤差をもたらす。干渉計
において二つのレーザビームを使用するので、光路を構
成するハードウェアのパラメータ変化により、測定誤差
を生ずる。特に、測定中の微小部分の温度変化や経路変
化などの環境変化により、位相差が生じて距離の誤差が
生ずる。
According to the distance and displacement measurement methods known from the above-mentioned literature and patent publication, the phase difference between a pair of laser light beams is determined from an object by an interferometer method. The distance and displacement corresponding to the phase difference were detected. However, the configuration of the interferometer becomes large and complicated, the workability is inferior, and adjustment and maintenance are troublesome. Further, the above methods have the following disadvantages. In the modulation used to determine the phase difference by the interferometer method, the modulation frequency is significantly lower than the corresponding frequency of the optical wavelength, so that the parameter may change during the measurement, and this change is on the order of submicron. Causes an error in the measurement of the distance. Since two laser beams are used in the interferometer, a measurement error occurs due to a change in a parameter of hardware constituting an optical path. Particularly, a phase difference occurs due to an environmental change such as a temperature change or a path change of a minute portion during measurement, and a distance error occurs.

【0012】前記二つのレーザビームの経路が異なるの
で、見かけ上1本のレーザダイオードの出力光を二つに
分けたとしても、数百サイクル〜数千サイクルだけ位相
の異なる二つの波を干渉させるため、レーザダイオード
内での状態変化に起因する波長変化が誤差となって測定
系に入ってくる。本発明の基本的な目的は、前述の干渉
計法にもとづく一般的な欠点、並びにサブミクロンの精
密計測を行う場合の特定の欠点を除去することができ
る、距離・変位計を提供することにある。本発明のさら
に詳細な目的は、1本のレーザダイオードを利用して、
その出射光を対象物体に当てると同時に、その光路の途
中に半透明ミラーを置いて反射光を得ることにより、オ
ンラインで戻り光をレーザダイオードに内蔵のホトダイ
オードに入射することにより上記測定系の一般的欠点を
除去し、FFT法により対象物体位置とミラー位置とを
特定することによって、測定系に存在するサブミクロン
オーダの誤差を除去することで、前述した特定の欠点を
除去することができる二重外部共振器つきレーザダイオ
ード式距離・変位計を提供することにある。
Since the paths of the two laser beams are different, even if the output light of one laser diode is apparently divided into two, two waves having different phases by several hundred to several thousand cycles interfere. Therefore, a wavelength change caused by a state change in the laser diode enters the measurement system as an error. A basic object of the present invention is to provide a distance / displacement meter capable of eliminating the general disadvantages based on the above-mentioned interferometer method and the specific disadvantages when performing submicron precision measurement. is there. A more detailed object of the present invention utilizes a single laser diode,
At the same time that the emitted light hits the target object, a reflected light is obtained by placing a translucent mirror in the middle of the optical path. The above-mentioned specific defect can be removed by removing sub-micron-order errors existing in the measurement system by removing the target defect and specifying the target object position and the mirror position by the FFT method. An object of the present invention is to provide a laser diode type distance / displacement meter with a heavy external resonator.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明による二重外部共振器つきレーザダイオード
式距離・変位計は、基本的には、内部に監視用ホトダイ
オードを備えたレーザダイオードと、前記レーザダイオ
ードの発光面に面して配置され、前記レーザダイオード
から出力された光ビームを整列させ平行光を得るための
レンズと、前記レーザダイオードから前記レンズを介し
て得られた平行光の一部を反射して前記レーザダイオー
ドに付属された前記ホトダイオードに戻り光を入力し、
対象物体の距離・変位の測定に必要な位相基準を形成す
るための参照反射器と、前記レーザダイオードに直流電
流および変調電流を流して発光を得るためのレーザダイ
オード駆動装置と、および前記ホトダイオードに接続さ
れ、前記ホトダイオードに入力された戻り光に含まれた
前記距離・変位の情報と前記位相基準の情報とを解析し
て前記対象物体の前記距離・変位を求めるための位相演
算装置と、 から構成され
ている。
In order to achieve the above object, a laser diode type distance / displacement meter with a double external resonator according to the present invention is basically provided with a laser diode having a monitoring photodiode inside. A lens arranged to face a light emitting surface of the laser diode, for aligning a light beam output from the laser diode to obtain parallel light, and a parallel light obtained from the laser diode via the lens. Input a return light to the photodiode attached to the laser diode by reflecting a part of the laser diode,
A reference reflector for forming a phase reference required for measuring the distance and displacement of the target object, a laser diode driving device for applying a direct current and a modulation current to the laser diode to obtain light emission, and the photodiode A phase calculation device for analyzing the distance / displacement information and the phase reference information included in the return light input to the photodiode and calculating the distance / displacement of the target object; It is configured.

【0014】前記二重外部共振器つきレーザダイオード
式距離・変位計において、前記二重外部共振器は、前記
参照反射器と前記レーザダイオードとの間の第1の光の
伝達空間によって形成される第1の外部共振器と、前記
対象物体と前記レーザダイオードとの間の第2の光伝達
空間によって形成される第2の外部共振器とを具備し、
かつ、前記第1の外部共振器と前記第2の外部共振器と
は一部に共通の空間を有して同一光路上に形成され、環
境条件の変化に起因する誤差を補償することができるよ
うに構成することができる。
In the laser diode distance / displacement meter with a double external resonator, the double external resonator is formed by a first light transmission space between the reference reflector and the laser diode. A first external resonator, and a second external resonator formed by a second light transmission space between the target object and the laser diode;
In addition, the first external resonator and the second external resonator are partially formed on the same optical path with a common space, and can compensate for an error caused by a change in environmental conditions. It can be configured as follows.

【0015】前記二重外部共振器つきレーザダイオード
式距離・変位計において、前記参照反射器は、前記レー
ザダイオードと前記レーザダイオードのレーザ光ビーム
を照射させる前記対象物体を結ぶ光軸上に沿って、前記
レーザダイオードと前記対象物体との間に配置され、か
つ、前記対象物体に十分なレーザ光ビームが照射される
ようにその波長において透過率が設定されたものとする
ことができる。
In the laser diode type distance / displacement meter with a double external resonator, the reference reflector is provided along an optical axis connecting the laser diode and the object to be irradiated with a laser beam of the laser diode. The laser diode may be arranged between the laser diode and the target object, and the transmittance may be set at the wavelength so that the target object is irradiated with a sufficient laser light beam.

【0016】前記二重外部共振器つきレーザダイオード
式距離・変位計において、前記レーザダイオード駆動装
置は、前記レーザダイオードに鋸歯波形電流を流して前
記信号演算装置での位相解析に必要な情報を与えるため
の鋸歯波形発生部と、前記レーザダイオードに直流電流
を供給するための直流源と、前記レーザダイオードから
前記ホトダイオードに入力する直流光を一定に保つため
のレーザ電流安定化手段と、から構成することができ
る。
In the laser diode type distance / displacement meter with a double external resonator, the laser diode driving device applies a sawtooth waveform current to the laser diode to give information necessary for phase analysis in the signal arithmetic device. Sawtooth waveform generator, a DC source for supplying a DC current to the laser diode, and a laser current stabilizing means for keeping DC light input from the laser diode to the photodiode constant. be able to.

【0017】前記二重外部共振器つきレーザダイオード
式距離・変位計において、前記参照反射器と前記対象物
体からの共振信号を同一ホトダイオードにより検出さ
れ、共通なトリガタイミングによってそれぞれの信号の
初期位相が取得されるように構成することができる。
In the laser diode type distance / displacement meter with a double external resonator, resonance signals from the reference reflector and the target object are detected by the same photodiode, and the initial phase of each signal is determined by a common trigger timing. It can be configured to be obtained.

【0018】前記二重外部共振器つきレーザダイオード
式距離・変位計において、前記参照反射器と前記対象物
体からの共振信号を電子回路によって分離し、それぞれ
の位相を検出し、演算処理し、かつ位相検出にロックイ
ン位相検出法、信号の時間遅れと信号の周期から位相を
求めるパルス計数法を用いることができるように構成す
ることができる。
In the laser diode type distance / displacement meter with a double external resonator, the resonance signal from the reference reflector and the target object is separated by an electronic circuit, the respective phases are detected, arithmetic processing is performed, and It is possible to use a lock-in phase detection method and a pulse counting method for obtaining a phase from a signal time delay and a signal period for phase detection.

【0019】前記二重外部共振器つきレーザダイオード
式距離・変位計において、前記レーザダイオード駆動装
置は、前記レーザダイオードに任意の変調電流を流して
前記信号演算装置での位相解析に必要な情報を与えるた
めの変調波発生部と、前記レーザダイオードに直流電流
を供給するための直流源と、前記レーザダイオードから
前記ホトダイオードに入力する直流光を一定に保つため
のレーザ電流安定化手段とから構成することができる。
In the laser diode type distance / displacement meter with a double external resonator, the laser diode driving device supplies an arbitrary modulation current to the laser diode to transmit information necessary for phase analysis in the signal operation device. And a DC current source for supplying a DC current to the laser diode, and a laser current stabilizing means for keeping DC light input from the laser diode to the photodiode constant. be able to.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】以下図面等を参照して本発明によ
る装置の実施の形態を説明する。図1は、本発明による
二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計の
基本的な構成を示すブロック図である。ホトダイオード
2はレーザダイオード3に内蔵され、レーザダイオード
3の出力光パワーを監視して帰還制御するためのもので
ある。レーザダイオード3の投射経路に配置されている
光学系5として非球面レンズが用いられ、レーザダイオ
ード3から出力されたレーザ光をコリメートして平行光
線にする役目を有するとともに、参照反射器6および測
定の対象である対象物体7からの戻り光をコリメートし
てレーザダイオード3にフィードバックする割合を調節
するためのものである。信号演算装置1は、ホトダイオ
ード2の出力によって戻り光による共振信号を解析し、
対象物体7の位置およびその変位を演算するための電子
回路あるいは特有のアルゴリズムを含むコンピュータ装
置から構成されている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a basic configuration of a laser diode type distance / displacement meter with a double external resonator according to the present invention. The photodiode 2 is built in the laser diode 3 and monitors the output light power of the laser diode 3 to perform feedback control. An aspherical lens is used as the optical system 5 disposed on the projection path of the laser diode 3, and has a function of collimating the laser light output from the laser diode 3 into a parallel light beam. The purpose is to adjust the rate at which the return light from the target object 7 is collimated and fed back to the laser diode 3. The signal operation device 1 analyzes the resonance signal due to the return light by the output of the photodiode 2,
It comprises an electronic circuit for calculating the position of the target object 7 and its displacement or a computer device including a specific algorithm.

【0021】レーザダイオード駆動装置4はレーザダイ
オード3に注入電流を与えるためのもので、直流電流と
変調信号電流とをレーザダイオード3に与えることがで
きるように構成されている。対象物体7は参照反射器6
の後ろに置かれ、その反射光の一部をレーザダイオード
3に戻すことができるように調整されている。また、参
照反射器6からの戻り光もレーザダイオード3に入射さ
れる。参照反射器6からの反射光と、対象物体7からの
反射光とがレーザダイオード3に入射されると、二重の
外部共振器が形成され、それによって発振が生ずる。こ
れらの光信号はレーザダイオード3に一体化して集積さ
れたホトダイオード2によって、これらの発振情報は同
時に検出され、A/D変換器を通ってパーソナルコンピ
ュータによって構成された信号演算装置1に入力され
る。前記のレーザ共振器信号に変位と距離の情報が含ま
れている。
The laser diode driving device 4 supplies an injection current to the laser diode 3, and is configured to supply a direct current and a modulation signal current to the laser diode 3. The target object 7 is a reference reflector 6
And is adjusted so that a part of the reflected light can be returned to the laser diode 3. The return light from the reference reflector 6 also enters the laser diode 3. When the reflected light from the reference reflector 6 and the reflected light from the target object 7 are incident on the laser diode 3, a double external resonator is formed, thereby causing oscillation. These optical signals are simultaneously detected by the photodiode 2 integrated with the laser diode 3 and integrated, and the oscillation information is detected at the same time, and is input to the signal operation device 1 constituted by a personal computer through the A / D converter. . The laser resonator signal contains displacement and distance information.

【0022】前記構成の装置は二重外部共振器を備える
ものである。レーザダイオード3内に実装されたホトダ
イオード2によって、レーサダイオード3の光出力パワ
ーは監視される。この光出力パワーは4つの反射器から
成る複合共振器によって決定される。レーザダイオード
3の内部共振器はレーザダイオード内の2つの側壁間に
形成され、そのモード周波数間の間隔はレーザダイオー
ドの実効長およびレーザを形成する半導体材料の実効屈
折率によって決定される。外部共振器の一つはレーザ外
部の参照反射器6と、レーザダイオード3の側壁との間
に形成される。さらに他の一つは対象物体7と前記側壁
との間に形成される。それぞれの外部共振器に対応する
モード周波数間隔は共振器の実効長によって決定され
る。この実効長はレーザダイオード内部に形成される共
振器領域の実効長に比べ、通常、はるかに大きい。
The device having the above-mentioned configuration has a double external resonator. The light output power of the laser diode 3 is monitored by the photodiode 2 mounted in the laser diode 3. This optical output power is determined by a composite resonator consisting of four reflectors. The internal cavity of the laser diode 3 is formed between two side walls in the laser diode, and the spacing between the mode frequencies is determined by the effective length of the laser diode and the effective refractive index of the semiconductor material forming the laser. One of the external resonators is formed between the reference reflector 6 outside the laser and the side wall of the laser diode 3. Still another is formed between the target object 7 and the side wall. The mode frequency interval corresponding to each external resonator is determined by the effective length of the resonator. This effective length is usually much larger than the effective length of the resonator region formed inside the laser diode.

【0023】外部共振器によって決定されるモード周波
数のモード番号が内部共振器によるものの整数倍である
という条件の下では、外部共振器あるいは対象物体から
の帰還光ビームの位相は内部共振器によって決定される
光ビームの位相と一致するので、外部構造体との間にレ
ーザ共振が得られる。反射器および対象物体からの帰還
量がともに小さい場合には、干渉は相互に独立であると
考えられる。レーザダイオードの注入電流が外部入力波
によって変調されている場合、レーザダイオードの光周
波数も外部入力波と同様の形の変調を受ける。電流−周
波数の変調が直線関係にある部分を用いることにより、
外部共振器による正帰還および負帰還が電流変調に対し
て周期的に発生する。
Under the condition that the mode number of the mode frequency determined by the external resonator is an integral multiple of that of the internal resonator, the phase of the return light beam from the external resonator or the object is determined by the internal resonator. Since the phase of the light beam coincides with the external structure, laser resonance is obtained with the external structure. If the amount of feedback from both the reflector and the object is small, the interferences are considered to be independent of each other. When the injection current of the laser diode is modulated by an external input wave, the optical frequency of the laser diode is also modulated in the same manner as the external input wave. By using the part where the current-frequency modulation is linear,
Positive feedback and negative feedback by the external resonator occur periodically with respect to the current modulation.

【0024】このレーザ発振周波数は、速度とレーザダ
イオードから反射器および対象物体までの距離とによっ
て決定され、時間とともに周期的に変化するものであ
る。図2に外部共振器による共振信号をアナログ回路に
よって処理する状態を波形とともに示す。参照反射器6
と対象物体7とは、レーザダイオード3からの距離が異
なっているので参照反射器6によって構成される共振器
と対象物体7によって形成される共振器とは異なった共
振周波数を有している。
The laser oscillation frequency is determined by the speed and the distance from the laser diode to the reflector and the object, and changes periodically with time. FIG. 2 shows a state in which a resonance signal from an external resonator is processed by an analog circuit together with waveforms. Reference reflector 6
Since the distance between the target object 7 and the laser diode 3 is different, the resonator formed by the reference reflector 6 and the resonator formed by the target object 7 have different resonance frequencies.

【0025】図2に示す注入電流(信号A)は光周波数
を変化させるだけではなく、レーザダイオードの全出力
光パワーを変化させる。外部共振器による共振信号は、
光強度変調に重畳され信号(C)のようになり、この電
流は信号が増幅できる範囲を制限する。したがって、増
幅の前にこの光強度変調を除去するため、差分回路によ
り変調信号による引き算が行われる(信号D)。この処
理によって、信号をさらにディジタル化したり、処理し
たりすることができるようになっている。信号(A)の
立ち上がりと同期したパルス信号(B)は、タイミング
を取るためのトリガとして用いる。
The injection current (signal A) shown in FIG. 2 not only changes the optical frequency, but also changes the total output light power of the laser diode. The resonance signal from the external resonator is
The signal is superimposed on the light intensity modulation and becomes a signal (C), and this current limits the range in which the signal can be amplified. Therefore, in order to remove this light intensity modulation before amplification, subtraction by a modulation signal is performed by a difference circuit (signal D). By this processing, the signal can be further digitized and processed. The pulse signal (B) synchronized with the rise of the signal (A) is used as a trigger for taking timing.

【0026】共振周波数は外部共振器の長さに比例す
る。対象物体の距離L2 が参照反射器の距離L1 の関数
として次のように与えられる。 L2 =L1 (f2 /f1 ) (1) 前記共振周波数は対象物体の距離L2 を決定するために
使用される。ここでf1、f2 はそれぞれ参照反射器6
を含む共振器および対象物体7を含む共振器の共振周波
数であり、信号のパワースペクトラムによって検出され
る。前記(1)式において、対象物体の距離L2 を決定
するための唯一のパラメータは、参照反射器の距離L1
であり、距離L1 を予め校正することができる。したが
って、光周波数の変調比対注入電流およびその浮動(変
動)は、かかるシステムでは重要ではない。位相情報も
共振信号に含まれている。もし、参照反射器と対象物体
の距離が変化しないならば、これらの共振は変調信号電
流のタイミング(図2の信号B)に正確に一致して発生
する。共振のピークは信号の位相成分を表すものであ
り、対象物体の位置とともに移動する。信号の共振周期
は一波長の光路長に相当するものである。対象物体の共
振周波数に相当する信号位相をロックイン検出すれば、
共振信号の位相からは対象物体までの距離を、光の波長
よりもはるかに短い長さの感度で検出することができ
る。
The resonance frequency is proportional to the length of the external resonator. The distance L 2 of the target object is given as a function of the distance L 1 of the reference reflector: L 2 = L 1 (f 2 / f 1 ) (1) The resonance frequency is used to determine the distance L 2 to the target object. Here, f 1 and f 2 are the reference reflectors 6 respectively.
And the resonance frequency of the resonator including the target object 7, and is detected by the power spectrum of the signal. In the above (1), the only parameter for determining the distance L 2 of the target object, the reference reflector distance L 1
In it, it is possible to calibrate the distance L 1 in advance. Therefore, the modulation ratio of the optical frequency versus the injection current and its drift (fluctuation) is not important in such a system. Phase information is also included in the resonance signal. If the distance between the reference reflector and the object does not change, these resonances occur exactly in accordance with the timing of the modulation signal current (signal B in FIG. 2). The resonance peak represents the phase component of the signal, and moves with the position of the target object. The resonance period of the signal corresponds to the optical path length of one wavelength. If the signal phase corresponding to the resonance frequency of the target object is lock-in detected,
From the phase of the resonance signal, the distance to the target object can be detected with a sensitivity much shorter than the wavelength of light.

【0027】しかしながら、レーザダイオードの動作温
度変化や注入電流変化に起因して、光周波数にはノイズ
とドリフトとが存在する。参照反射器の導入で、位相測
定におけるこれらの誤差を減らすことができる。さら
に、参照反射器と対象物体による共振信号が同一トリガ
を使用するため、トリガによる誤差も軽減できる。参照
反射器の共振器および対象物体の共振器には同一の光源
を使っているので、光周波数の浮動は同一であると考え
られる。共振器が長くなればなるほど、位相誤差は大き
くなる。もし参照反射器が固く固定されていれば、位相
変動は純粋にレーザダイオードの周波数変動によるもの
であり、対象物体の位相補償を行うため、対象物体距離
の参照反射器に対する比の分だけこの周波数変動は帰還
される。すなわち、 φ2'= φ2 −φ12 /f1 (2) が得られる。ここで、φ2 ,φ2'はそれぞれ補償前と補
償後の共振信号の位相であり、φ1 は参照反射器の共振
信号の位相である。
However, due to changes in the operating temperature of the laser diode and changes in the injection current, noise and drift exist in the optical frequency. With the introduction of a reference reflector, these errors in the phase measurement can be reduced. Furthermore, since the resonance signal from the reference reflector and the resonance signal from the target object use the same trigger, errors due to the trigger can be reduced. Since the same light source is used for the resonator of the reference reflector and the resonator of the target object, the floating of the optical frequency is considered to be the same. The longer the resonator, the greater the phase error. If the reference reflector is firmly fixed, the phase variation is purely due to the frequency variation of the laser diode, and to compensate for the phase of the target object, this frequency is equal to the ratio of the target object distance to the reference reflector. Fluctuations are returned. That is, φ 2 ′ = φ 2 −φ 1 f 2 / f 1 (2) is obtained. Here, φ 2 and φ 2 ′ are the phases of the resonance signal before and after compensation, respectively, and φ 1 is the phase of the resonance signal of the reference reflector.

【0028】図2は図1に示した装置の各部の信号を示
す説明図である。二重外部共振器の共振信号は、図2に
示すようにアナログ処理回路によって前処理される。す
なわち、レーザダイオード駆動装置4の出力は、直流バ
イアス電流と周期的に変化する鋸歯波形変調信号(A)
とがレーザダイオード3に印加される。ホトダイオード
2によって検出された光強度信号は、鋸歯光強度信号上
に重畳された二重共振信号(C)であり、光信号から電
流信号に変換されたものである。電流変調波を参照して
光強度の鋸歯変化分を除去する前に、前記信号電流は電
圧信号に変換される。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing signals of respective parts of the apparatus shown in FIG. The resonance signal of the double external resonator is pre-processed by an analog processing circuit as shown in FIG. That is, the output of the laser diode driving device 4 is a sawtooth waveform modulation signal (A) that changes periodically with the DC bias current.
Is applied to the laser diode 3. The light intensity signal detected by the photodiode 2 is a double resonance signal (C) superimposed on the sawtooth light intensity signal, which is converted from the optical signal to a current signal. The signal current is converted into a voltage signal before removing the sawtooth change in light intensity with reference to the current modulation wave.

【0029】図3は、得られた電圧信号を時間の関数と
して表したものである。得られた信号は共振情報を含む
ので、鋸歯波形の立ち上がりに同期したトリガパルスを
スタート同期信号として、この信号はA/D変換器によ
りディジタル化される。トリガパルスの尖頭位置は干渉
信号の位相計算の基準となるため、トリガパルスのタイ
ミングは変位・距離測定における位相の計算に重要であ
る。共振周波数と初期位相を求めるのにフーリエ変換手
法を使用して、測定データが解析される。共振周波数は
パワースペクトラムから容易に取り出すことができる。
参照反射器6と対象物体7に相当する一対の共振周波数
を読み取れば、対象物体7の距離は前述の第(1)式に
よって計算することができる。
FIG. 3 shows the resulting voltage signal as a function of time. Since the obtained signal contains resonance information, this signal is digitized by the A / D converter using a trigger pulse synchronized with the rise of the sawtooth waveform as a start synchronization signal. Since the peak position of the trigger pulse serves as a reference for calculating the phase of the interference signal, the timing of the trigger pulse is important for calculating the phase in displacement / distance measurement. The measured data is analyzed using a Fourier transform technique to determine the resonance frequency and the initial phase. The resonance frequency can be easily extracted from the power spectrum.
If a pair of resonance frequencies corresponding to the reference reflector 6 and the target object 7 are read, the distance between the target object 7 can be calculated by the above-mentioned equation (1).

【0030】図4に、図2に示した(D)の周波数をフ
ーリエ変換して得られたパワースペクトラムを示す。半
導体レーザの注入電流は高速に変調できるので、ここで
のサンプリング周波数は、使用するA/D変換器のサン
プリング周波数によって決まる。位相測定には一対の共
振周波数におけるフーリエ変換成分を使用するが、この
原理はロックインでの位相検出法と同様である。すなわ
ち、一対の共振周波数フーリエ変換での係数を計算し
て、その実部と虚部から信号の位相を算出する。
FIG. 4 shows a power spectrum obtained by Fourier-transforming the frequency (D) shown in FIG. Since the injection current of the semiconductor laser can be modulated at high speed, the sampling frequency here is determined by the sampling frequency of the A / D converter used. For the phase measurement, a Fourier transform component at a pair of resonance frequencies is used, and this principle is the same as the lock-in phase detection method. That is, a coefficient in a pair of resonance frequency Fourier transforms is calculated, and the phase of the signal is calculated from the real part and the imaginary part.

【0031】図5は、フーリエ変換による位相計算法で
求められた誤差位相信号と、参照反射器による誤差位相
信号の除去を示している。図5(a)の部分は、参照反
射器6のみにおける共振のフーリエ係数から位相を求め
たときの誤差位相信号、図5(b)の部分は、対象物体
7のみにおける共振のフーリエ係数から位相を求めたと
きの位相誤差信号である。
FIG. 5 shows removal of the error phase signal obtained by the phase calculation method using the Fourier transform and the error phase signal by the reference reflector. FIG. 5A shows an error phase signal when the phase is obtained from the Fourier coefficient of the resonance only in the reference reflector 6, and FIG. 5B shows the phase from the Fourier coefficient of the resonance only in the target object 7. Is a phase error signal obtained when is obtained.

【0032】図6は、参照反射器6の位相誤差を参照し
て求めた対象物体7の位相誤差であり、信号演算装置1
において処理を行った後の値を示したものである。図6
では、位相誤差が図5(a),(b)の部分のいずれの
ものよりも小さくなっていることがわかる。前記の位相
測定は時間の関数として行われるので、一対の共振周波
数に相当する一対の位相の値が、1回の信号取得と1回
のフーリエ解析とによって得られる。したがって、参照
反射器6と対象物体7との間の相対変位は、両者の共振
器間の位相変化によって与えられる。参照反射器6まで
の距離が変化しないと仮定すれば、レーザダイオード3
の光周波数変動による測定誤差は、前述の第(2)式に
したがって、減少させられる。
FIG. 6 shows the phase error of the target object 7 obtained by referring to the phase error of the reference reflector 6.
Shows the value after performing the processing in FIG. FIG.
In FIG. 5, it can be seen that the phase error is smaller than that of any of the portions shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b). Since the phase measurement is performed as a function of time, a pair of phase values corresponding to a pair of resonance frequencies is obtained by one signal acquisition and one Fourier analysis. Therefore, the relative displacement between the reference reflector 6 and the target object 7 is given by the phase change between both resonators. Assuming that the distance to the reference reflector 6 does not change, the laser diode 3
The measurement error due to the optical frequency fluctuation is reduced according to the above-mentioned equation (2).

【0033】図7は、図1に示した基本構成をさらに具
体化した本発明の第1の実施形態を示すブロック図であ
る。この実施形態では、対象物体7としてPZTに固定
したミラーを使用し、PZTの特性を評価するように構
成されている。前述した信号演算装置1に相当する部分
は、コンピュータ11と、A/D変換器12と、引き算
回路を構成する差動増幅器13から構成されている。レ
ーザダイオード駆動装置4は、ドライバと鋸歯波形発生
部14とから成り立つ。ケーブルを使用することによ
り、レーザダイオード3と信号演算装置1とを切り離し
て設置することができる。レーザダイオード3と、ホト
ダイオード2と、参照反射器6とによりセンサ部が構成
され、センサ部はこれらの要素部品を一体化してまとめ
たものである。このようなセンサシステムはコンパクト
化を考慮して組み立てたものであり、小形軽量に組み立
てることができる。したがって、対象物体7とセンサ部
とを一体化して、コンパクトに測定系を構成できる特徴
がある。
FIG. 7 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention, which further embodies the basic configuration shown in FIG. In this embodiment, a mirror fixed to PZT is used as the target object 7, and the characteristics of PZT are evaluated. The part corresponding to the above-described signal operation device 1 includes a computer 11, an A / D converter 12, and a differential amplifier 13 forming a subtraction circuit. The laser diode driving device 4 includes a driver and a saw-tooth waveform generator 14. By using a cable, the laser diode 3 and the signal operation device 1 can be installed separately. The laser diode 3, the photodiode 2, and the reference reflector 6 form a sensor unit, and the sensor unit is an integrated unit of these component parts. Such a sensor system is assembled in consideration of compactness, and can be assembled small and lightweight. Therefore, there is a feature that the measurement object can be compactly configured by integrating the target object 7 and the sensor unit.

【0034】図8は図7に示した装置のミラーの動作の
測定例を示すグラフである。この例は、ピエゾ振動子P
ZTを周波数0.2Hzの三角波駆動電圧で駆動したと
き、得られたミラーの変位(振動)を示す。図7の二重
外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計で測定
して得られたものである。
FIG. 8 is a graph showing a measurement example of the operation of the mirror of the apparatus shown in FIG. In this example, the piezo oscillator P
When the ZT is driven by a triangular wave drive voltage having a frequency of 0.2 Hz, the obtained displacement (vibration) of the mirror is shown. This was obtained by measurement using the laser diode type distance / displacement meter with a double external resonator shown in FIG.

【0035】次に、本測定器において信号演算装置1の
作用を調べるため、測定した位相の浮動を図9に示す。
図9において、(a)は参照反射器6からの反射戻り光
によって決定される初期位相、(b)は対象物体7から
の反射戻り光によって決定される初期位相、(c)は対
象物体7からの戻り光の位相の浮動から参照反射器6か
らの戻り光の位相の浮動を引き算して得られた結果をそ
れぞれ表すデータである。これらのデータから、参照反
射器6の存在によって測定系の安定性が向上しているこ
とがわかる。PZTをナノメータの微小変位させている
時には、その動きのヒステリシス特性は無視できる。し
かし、大きな範囲にわたって変位させている時には、ヒ
ステリシス特性は顕著となる。図10は、図7で示すシ
ステムによって計測された印加電圧に対する圧電素子の
伸縮を示すもので、ヒステリシス特性が計測されてい
る。
Next, in order to examine the operation of the signal operation device 1 in the present measuring instrument, the measured phase floating is shown in FIG.
9A shows an initial phase determined by reflected return light from the reference reflector 6, FIG. 9B shows an initial phase determined by reflected return light from the target object 7, and FIG. These are data respectively representing the results obtained by subtracting the phase shift of the return light from the reference reflector 6 from the phase shift of the return light from the. From these data, it can be seen that the stability of the measurement system is improved by the presence of the reference reflector 6. When the PZT is displaced minutely by nanometers, the hysteresis characteristic of the movement can be ignored. However, when displaced over a large range, the hysteresis characteristic becomes remarkable. FIG. 10 shows the expansion and contraction of the piezoelectric element with respect to the applied voltage measured by the system shown in FIG. 7, and the hysteresis characteristics are measured.

【0036】図11は、図1に示す基本構成を具体化し
た本発明の第2の実施形態を示したものである。図11
において、図7に示す要素と同一の要素には同一の番号
が付してある。図7との相違点は、非球面レンズ5と参
照反射器6との間が空間ではなく、光ファイバ20で接
続されている点である。レンズ5と参照反射器6との間
が空間で供給されている場合には、レンズ5の光軸と参
照反射器6の光軸とが合致するように空間配置する必要
があるため両者の位置が固定されている。しかし、光フ
ァイバ20により両者間が接続されている場合には、光
ファイバ20の可撓性を利用しているため、位置はフレ
キシブルに移動し得る。参照反射器は、ファイバ端面あ
るいはレンズ端面を使用することができる。
FIG. 11 shows a second embodiment of the present invention which embodies the basic configuration shown in FIG. FIG.
In FIG. 7, the same elements as those shown in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals. The difference from FIG. 7 is that the aspheric lens 5 and the reference reflector 6 are connected not by a space but by an optical fiber 20. When the space between the lens 5 and the reference reflector 6 is supplied in a space, it is necessary to arrange the space so that the optical axis of the lens 5 and the optical axis of the reference reflector 6 coincide with each other. Has been fixed. However, when the two are connected by the optical fiber 20, the position can be moved flexibly because the flexibility of the optical fiber 20 is used. The reference reflector can use a fiber end face or a lens end face.

【0037】図12は、本発明による装置の第3の実施
形態を部分的に示したものである。図12において、図
7に示す要素と同一の要素には同一の番号が付してあ
る。図7との相違点は、対物レンズ21を参照反射器6
と被測定面である対象物体7との間に挿入してあり、被
測定面は光軸に垂直なX軸方向およびY軸方向に機械的
にスキャンする構造を有している。X,Y両方向のスキ
ャンは、コンピュータ制御下でステッピングモータある
いは圧電素子搭載ステージにより行われるものである。
本実施形態では、対物レンズ21の挿入と、XおよびY
軸のスキャンとによって、対象物体の位置を特定しなが
ら観察を続けることにより、対象物体7の三次元形状を
良好に観察できるという特徴がある。
FIG. 12 shows partly a third embodiment of the device according to the invention. 12, the same elements as those shown in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals. The difference from FIG. 7 is that the objective lens 21 is
And the target object 7 which is a measured surface, and the measured surface has a structure for mechanically scanning in the X-axis direction and the Y-axis direction perpendicular to the optical axis. Scanning in both the X and Y directions is performed by a stepping motor or a stage equipped with a piezoelectric element under computer control.
In the present embodiment, insertion of the objective lens 21 and X and Y
By continuing the observation while specifying the position of the target object by scanning the axis, the three-dimensional shape of the target object 7 can be favorably observed.

【0038】図13は、本発明による第4の実施形態を
部分的に示したものである。図13において、図7に示
す要素と同一の要素には同一の番号が付してある。レー
ザダイオード駆動装置4に備えられた変調信号(鋸歯波
形)の振幅は光ファイバ20−iの長さに応じて変化す
る。また、22は光スイッチ、20−1〜20−nはn
本の光ファイバであり、光スイッチの接点位置に応じて
光ファイバ20−1〜20−nの一端に装着された参照
反射器であり、光ビームを対象物体7に平行に入射させ
るための距離を変えることにより、異なった参照距離を
設定できるので、測定可能距離を変えられる特徴があ
る。
FIG. 13 partially shows a fourth embodiment according to the present invention. 13, the same elements as those shown in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals. The amplitude of the modulation signal (sawtooth waveform) provided in the laser diode driving device 4 changes according to the length of the optical fiber 20-i. Further, 22 is an optical switch, 20-1 to 20-n are n
A reference reflector mounted on one end of each of the optical fibers 20-1 to 20-n according to the contact position of the optical switch, and a distance for causing the light beam to enter the target object 7 in parallel. By changing the distance, a different reference distance can be set, so that the measurable distance can be changed.

【0039】以上詳しく説明した実施形態について本発
明の範囲内で種々の変形を施すことができる。
Various modifications can be made to the embodiment described in detail above within the scope of the present invention.

【0040】[0040]

【発明の効果】本発明による二重外部共振器つきレーザ
ダイオード式距離・変位計は、参照反射器を測定系に付
加して参照共振器を形成し、これによってレーザダイオ
ードの光周波数漂動に起因する測定誤差を補正できるた
め、従来、かかる方式では不可能であった絶対距離およ
び数ナノメータの変位を安定に測定できる。しかも測定
系にレーザ共振器を含んでいるため、1mm以下の精度
で数メータの距離まで安定に測定できる。また、参照反
射器によって構成される参照共振器の使用により位相誤
差を減ずることができる。これによって、このレーザダ
イオード式距離・変位計を各種の用途に適用させること
ができ、ロボットセンサ、機械加工制御、伸縮の監視、
および表面粗さ計測などに使用できると考えられる。
According to the laser diode type distance / displacement meter with a double external resonator according to the present invention, a reference reflector is added to a measuring system to form a reference resonator, thereby reducing the optical frequency drift of the laser diode. Since the resulting measurement error can be corrected, it is possible to stably measure the absolute distance and the displacement of several nanometers, which were not possible with the conventional method. In addition, since the measurement system includes a laser resonator, it is possible to stably measure a distance of several meters with an accuracy of 1 mm or less. The phase error can be reduced by using a reference resonator constituted by a reference reflector. This makes it possible to apply this laser diode type distance / displacement meter to various applications, such as robot sensors, machining control, monitoring of expansion and contraction,
And it can be used for surface roughness measurement.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明による二重外部共振器つきレーザダイオ
ード式距離・変位計の基本的な実施形態を示すブロック
図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a basic embodiment of a laser diode type distance / displacement meter with a dual external resonator according to the present invention.

【図2】図1の実施形態の概略動作を説明するための主
要回路部と波形図である。
FIG. 2 is a main circuit section and a waveform diagram for explaining a schematic operation of the embodiment of FIG. 1;

【図3】引き算回路の出力電圧信号を時間の関数として
表したグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the output voltage signal of the subtraction circuit as a function of time.

【図4】図2に示した(D)の周波数をフーリエ変換し
て得られたパワースペクトラムを示す。
FIG. 4 shows a power spectrum obtained by Fourier-transforming the frequency (D) shown in FIG.

【図5】フーリエ変換による位相計算法で求められた誤
差位相信号と、参照反射器による誤差位相信号の除去を
示し、同図(a)の部分は、参照反射器のみにおける共
振のフーリエ係数から位相を求めたときの誤差位相信
号、同図(b)の部分は対象物体のみにおける共振のフ
ーリエ係数から位相を求めたときの位相誤差信号であ
る。
FIG. 5 shows removal of an error phase signal obtained by a phase calculation method using a Fourier transform, and removal of the error phase signal by a reference reflector. FIG. The error phase signal obtained when the phase is obtained, and the part shown in FIG. 3B is a phase error signal obtained when the phase is obtained from the Fourier coefficient of resonance only in the target object.

【図6】図6は、参照反射器の位相誤差を参照して求め
た対象物体の位相誤差を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing a phase error of a target object obtained by referring to a phase error of a reference reflector.

【図7】図1で示した基本構成をさらに具体化した本発
明の第1の実施形態を示すブロック図である。
FIG. 7 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention in which the basic configuration shown in FIG. 1 is further embodied.

【図8】図7の実施形態において、PZTでミラーを変
位させたときの変位の測定出力のグラフである。
FIG. 8 is a graph of a measured output of displacement when the mirror is displaced by PZT in the embodiment of FIG. 7;

【図9】本測定器において信号演算装置の作用を調べる
ため測定した位相の浮動を示す図であって、同図の
(a)は参照反射器6からの反射戻り光によって決定さ
れる初期位相、(b)は対象物体からの反射戻り光によ
って決定される初期位相、(c)は対象物体7からの戻
り光の位相の浮動から参照反射器6からの戻り光の位相
の浮動を、引き算して得られた結果をそれぞれ表すグラ
フである。
9A and 9B are diagrams showing the floating of the phase measured to check the operation of the signal operation device in the measuring instrument, wherein FIG. 9A shows the initial phase determined by the reflected return light from the reference reflector 6; , (B) is the initial phase determined by the reflected return light from the target object, and (c) is the subtraction of the floating light phase from the reference reflector 6 from the floating light phase from the target object 7. It is a graph each showing the result obtained by doing.

【図10】図7で示すシステムによって計測された印加
電圧に対する圧電素子の伸縮を示すもので、ヒステリシ
ス特性が計測されている。
10 shows expansion and contraction of a piezoelectric element with respect to an applied voltage measured by the system shown in FIG. 7, and a hysteresis characteristic is measured.

【図11】図1で示した基本構成をさらに具体化した本
発明の第2の実施形態を示すブロック図である。
11 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention in which the basic configuration shown in FIG. 1 is further embodied.

【図12】図1で示した基本構成をさらに具体化した本
発明の第3の実施形態を示すブロック図である。
FIG. 12 is a block diagram showing a third embodiment of the present invention in which the basic configuration shown in FIG. 1 is further embodied.

【図13】図1で示した基本構成をさらに具体化した本
発明の第4の実施形態を示すブロック図である。
FIG. 13 is a block diagram showing a fourth embodiment of the present invention in which the basic configuration shown in FIG. 1 is further embodied.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 信号演算装置 2 ホトダイオード 3 レーザダイオード 4 レーザダイオード駆動装置 5 レンズ(非球面レンズ) 6 参照反射器 7 対象物体 11 コンピュータ(PC) 12 A/D変換器 13 差動増幅器 14 鋸歯波形発生部 20 光ファイバ 21 対物レンズ 22 光スイッチ REFERENCE SIGNS LIST 1 signal operation device 2 photodiode 3 laser diode 4 laser diode driving device 5 lens (aspherical lens) 6 reference reflector 7 target object 11 computer (PC) 12 A / D converter 13 differential amplifier 14 sawtooth waveform generator 20 light Fiber 21 Objective lens 22 Optical switch

フロントページの続き (72)発明者 来 関明 静岡県浜松市広沢1−22−6 広沢住宅5 −23 (72)発明者 篠原 茂信 静岡県浜松市安間町2−2 安間町パーク ホームズ404 (72)発明者 王 鳴 静岡県浜松市蜆塚3−22−1 浜松国際交 流会館 (72)発明者 佐藤 敬彦 静岡県浜北市根堅2099−6 Fターム(参考) 2F065 AA06 AA09 EE00 FF13 FF51 FF61 GG06 HH03 JJ01 JJ18 LL00 LL02 LL04 LL10 MM03 NN02 NN08 NN17 PP12 PP22 QQ01 QQ03 QQ16 QQ25 QQ26 5F073 AB21 AB27 AB28 AB29 BA09 FA02 GA12 GA24 5J084 AA05 BA04 BA36 BA51 BB02 BB31 CA08 CA31 CA49 EA04Continuing from the front page (72) Inventor Seki Akira 1-22-6 Hirosawa, Hamamatsu-shi, Shizuoka Prefecture 5-23 Hirosawa House (72) Inventor Shigenobu Shinohara 2-2 Anmacho, Hamamatsu-shi, Shizuoka Prefecture Anmacho Park Homes 404 (72 ) Inventor Wang Ning 3-22-1, Hamamatsu International Exchange Hall, Hamamatsu City, Shizuoka Prefecture (72) Inventor Takahiko Sato 2099-6 Neken, Hamakita City, Shizuoka Prefecture F-term (reference) 2F065 AA06 AA09 EE00 FF13 FF51 FF61 GG06 HH03 JJ01 JJ18 LL00 LL02 LL04 LL10 MM03 NN02 NN08 NN17 PP12 PP22 QQ01 QQ03 QQ16 QQ25 QQ26 5F073 AB21 AB27 AB28 AB29 BA09 FA02 GA12 GA24 5J084 AA05 BA04 BA36 BA51 BB02 BB31 CA08 CA31 CA49 EA04

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 内部に監視用ホトダイオードを備えたレ
ーザダイオードと、前記レーザダイオードの発光面に面
して配置され、前記レーザダイオードから出力された光
ビームを整列させ平行光を得るためのレンズと、前記レ
ーザダイオードから前記レンズを介して得られた平行光
の一部を反射して前記レーザダイオードに付属された前
記ホトダイオードに戻り光を入力し、対象物体の距離・
変位の測定に必要な位相基準を形成するための参照反射
器と、前記レーザダイオードに直流電流および変調電流
を流して発光を得るためのレーザダイオード駆動装置
と、および前記ホトダイオードに接続され、前記ホトダ
イオードに入力された戻り光に含まれた前記距離・変位
の情報と前記位相基準の情報とを解析して前記対象物体
の前記距離・変位を求めるための位相演算装置と、
から構成した二重外部共振器
つきレーザダイオード式距離・変位計。
1. A laser diode having a monitoring photodiode therein, and a lens arranged to face a light emitting surface of the laser diode and aligning a light beam output from the laser diode to obtain parallel light. Reflecting a part of the parallel light obtained from the laser diode through the lens and returning the light to the photodiode attached to the laser diode,
A reference reflector for forming a phase reference necessary for measuring displacement, a laser diode driving device for supplying a direct current and a modulation current to the laser diode to obtain light emission, and the photodiode connected to the photodiode, A phase calculation device for analyzing the distance / displacement information and the phase reference information included in the return light input to obtain the distance / displacement of the target object,
Laser diode type distance / displacement meter with dual external resonator.
【請求項2】 請求項1記載の二重外部共振器つきレー
ザダイオード距離・変位計において、前記二重外部共振
器は、前記参照反射器と前記レーザダイオードとの間の
第1の光の伝達空間によって形成される第1の外部共振
器と、前記対象物体と前記レーザダイオードとの間の第
2の光伝達空間によって形成される第2の外部共振器と
を具備し、かつ、前記第1の外部共振器と前記第2の外
部共振器とは一部に共通の空間を有して同一光路上に形
成され、環境条件の変化に起因する誤差を補償すること
ができるように構成したことを特徴とする二重外部共振
器つきレーザダイオード式距離・変位計。
2. The laser diode distance / displacement meter with a double external resonator according to claim 1, wherein the double external resonator transmits first light between the reference reflector and the laser diode. A first external resonator formed by a space, and a second external resonator formed by a second light transmission space between the target object and the laser diode; The external resonator and the second external resonator are partially formed on the same optical path with a common space, and are configured to be able to compensate for errors caused by changes in environmental conditions. Laser diode type distance / displacement meter with dual external resonator.
【請求項3】 請求項1記載の二重外部共振器つきレー
ザダイオード式距離・変位計において、前記参照反射器
は、前記レーザダイオードと前記レーザダイオードのレ
ーザ光ビームを照射させる前記対象物体を結ぶ光軸上に
沿って、前記レーザダイオードと前記対象物体との間に
配置され、かつ、前記対象物体に十分なレーザ光ビーム
が照射されるようにその波長において透過率が設定され
たものであることを特徴とする二重外部共振器つきレー
ザダイオード式距離・変位計。
3. The laser diode distance / displacement meter with a dual external resonator according to claim 1, wherein the reference reflector connects the laser diode and the target object to be irradiated with a laser beam of the laser diode. Along the optical axis, disposed between the laser diode and the target object, and the transmittance is set at the wavelength so that the target object is irradiated with a sufficient laser light beam. A laser diode distance / displacement meter with a dual external resonator.
【請求項4】 請求項1記載の二重外部共振器つきレー
ザダイオード式距離・変位計において、前記レーザダイ
オード駆動装置は、前記レーザダイオードに鋸歯波形電
流を流して前記信号演算装置での位相解析に必要な情報
を与えるための鋸歯波形発生部と、前記レーザダイオー
ドに直流電流を供給するための直流源と、前記レーザダ
イオードから前記ホトダイオードに入力する直流光を一
定に保つためのレーザ電流安定化手段と、から構成した
ことを特徴とする二重外部共振器つきレーザダイオード
式距離・変位計。
4. A laser diode type distance / displacement meter with a dual external resonator according to claim 1, wherein the laser diode driving device applies a sawtooth waveform current to the laser diode and performs a phase analysis in the signal operation device. A sawtooth waveform generator for giving necessary information to the laser diode, a DC source for supplying a DC current to the laser diode, and a laser current stabilization for keeping DC light input from the laser diode to the photodiode constant. And a laser diode type distance / displacement meter with a dual external resonator.
【請求項5】 請求項1記載の二重外部共振器つきレー
ザダイオード式距離・変位計において、前記参照反射器
と前記対象物体からの共振信号を同一ホトダイオードに
より検出され、共通なトリガタイミングによってそれぞ
れの信号の初期位相が取得されることを特徴とする二重
外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計。
5. The laser diode type distance / displacement meter with a dual external resonator according to claim 1, wherein resonance signals from the reference reflector and the target object are detected by the same photodiode, and each of the signals is detected by a common trigger timing. A laser diode type distance / displacement meter with a dual external resonator, wherein an initial phase of the signal is obtained.
【請求項6】 請求項1に記載の二重外部共振器つきレ
ーザダイオード式距離・変位計において、前記参照反射
器と前記対象物体からの共振信号を電子回路によって分
離し、それぞれの位相を検出し、演算処理し、かつ位相
検出にロックイン位相検出法、信号の時間遅れと信号の
周期から位相を求めるパルス計数法を用いることを特徴
とする二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変
位計。
6. The laser diode type distance / displacement meter with a double external resonator according to claim 1, wherein a resonance signal from the reference reflector and the target object are separated by an electronic circuit, and respective phases are detected. A laser diode type distance / displacement with a double external resonator, wherein a lock-in phase detection method is used for phase detection and a pulse counting method for obtaining a phase from a signal time delay and a signal period is used for phase detection. Total.
【請求項7】 請求項1記載の二重外部共振器つきレー
ザダイオード式距離・変位計において、前記レーザダイ
オード駆動装置は、前記レーザダイオードに任意の変調
電流を流して前記信号演算装置での位相解析に必要な情
報を与えるための変調波形発生部と、前記レーザダイオ
ードに直流電流を供給するための直流源と、前記レーザ
ダイオードから前記ホトダイオードに入力する直流光を
一定に保つためのレーザ電流安定化手段とから構成した
二重外部共振器つきレーザダイオード式距離・変位計。
7. The laser diode type distance / displacement meter with a dual external resonator according to claim 1, wherein the laser diode driving device applies an arbitrary modulation current to the laser diode and outputs a phase in the signal operation device. A modulation waveform generator for providing information necessary for analysis, a DC source for supplying a DC current to the laser diode, and a laser current stabilization for maintaining a constant DC light input from the laser diode to the photodiode. Laser diode type distance / displacement meter with dual external resonators.
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