JP2002005614A - 光周波数変調方式距離計 - Google Patents
光周波数変調方式距離計Info
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- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】ＦＳＦ光源構成の簡素化による低コスト化と、
従来のマルチモード発振に起因する感度の劣化を防止し
得る光周波数変調方式距離計を提供する。 【解決手段】半導体レーザ２０の後方端面２８及びモー
ドセレクター素子２７によりレーザ共振器を構成する。
半導体レーザ２０からの光出力はレンズ２６を介し音響
光学素子２３に導かれ、ＡＯＭ用変調信号源２２からｆ
0 の信号印加により音響光学素子２３中に超音波３０が
励起する。音響光学素子２３では、ブラッグ回折現象が
生じ０次光２５と１次回折光２４に分離し、１次回折光
２４はドップラー周波数シフトにより光周波数がｆ0 だ
けずれて出力される。１次回折光２４は、モードセレク
ター素子２７により任意の一つの発振モード成分だけを
反射するファブリペロー共振器条件を有しており、その
反射により音響光学素子２３に入力してドップラー周波
数シフトを受けて半導体レーザ２０へ帰還する。
従来のマルチモード発振に起因する感度の劣化を防止し
得る光周波数変調方式距離計を提供する。 【解決手段】半導体レーザ２０の後方端面２８及びモー
ドセレクター素子２７によりレーザ共振器を構成する。
半導体レーザ２０からの光出力はレンズ２６を介し音響
光学素子２３に導かれ、ＡＯＭ用変調信号源２２からｆ
0 の信号印加により音響光学素子２３中に超音波３０が
励起する。音響光学素子２３では、ブラッグ回折現象が
生じ０次光２５と１次回折光２４に分離し、１次回折光
２４はドップラー周波数シフトにより光周波数がｆ0 だ
けずれて出力される。１次回折光２４は、モードセレク
ター素子２７により任意の一つの発振モード成分だけを
反射するファブリペロー共振器条件を有しており、その
反射により音響光学素子２３に入力してドップラー周波
数シフトを受けて半導体レーザ２０へ帰還する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、連続的な光周波数
掃引が可能な光源を利用した計測原理に基く距離計測方
式または多重位置計測方式（ＦＭＣＷ法：Frequency Mo
dulated Continuous Wave．ＯＦＤＲ法：Optical Frequ
ency Domain Reflectometory．総称して以下、「光周波
数変調方式測定法」と呼ぶ）を用いた光周波数変調方式
距離計に関する。
掃引が可能な光源を利用した計測原理に基く距離計測方
式または多重位置計測方式（ＦＭＣＷ法：Frequency Mo
dulated Continuous Wave．ＯＦＤＲ法：Optical Frequ
ency Domain Reflectometory．総称して以下、「光周波
数変調方式測定法」と呼ぶ）を用いた光周波数変調方式
距離計に関する。
【０００２】
【従来の技術】光計測分野のうち光周波数変調方式測定
法は、距離計、光ファイバセンサー、光ファイバ探傷検
査装置などに応用される。この光周波数変調方式測定法
は、連続的な光周波数が掃引可能な光源を利用した距離
または多重位置の計測法で、具体的にはこの光源からの
光波に周波数変調を行ない（ＦＭ：Frequency Modulati
on ）、その周波数変調の光波を計測場所から被測定物
体に向けて照射し、被測定物体から反射された反射光を
再び受光、それを計測側の参照光との干渉により、参照
光と反射光との光路遅延時間（光路差、距離）に相当す
る周波数差、つまりビート（うなり）周波数を測定す
る。これより所望の測定量（この場合は距離であるがそ
れ以外に温度、歪みも可能）を求める方法である。
法は、距離計、光ファイバセンサー、光ファイバ探傷検
査装置などに応用される。この光周波数変調方式測定法
は、連続的な光周波数が掃引可能な光源を利用した距離
または多重位置の計測法で、具体的にはこの光源からの
光波に周波数変調を行ない（ＦＭ：Frequency Modulati
on ）、その周波数変調の光波を計測場所から被測定物
体に向けて照射し、被測定物体から反射された反射光を
再び受光、それを計測側の参照光との干渉により、参照
光と反射光との光路遅延時間（光路差、距離）に相当す
る周波数差、つまりビート（うなり）周波数を測定す
る。これより所望の測定量（この場合は距離であるがそ
れ以外に温度、歪みも可能）を求める方法である。
【０００３】すなわち、この計測方法は、時間的に線形
掃引が可能な光源から繰り返し出力される光周波数変調
波が干渉光学系によってヘテロダイン検波され、その時
のビート信号の周波数情報から所望する測定量を計測す
る方法であり、そのビート周波数は参照光と被測定物体
までの光路差時間（距離）に依存して変化する特徴を持
っている。なお、ここで「時間的に線形掃引する」と
は、時間軸に対して一定の間隔で周波数を変化させるこ
とを意味する。
掃引が可能な光源から繰り返し出力される光周波数変調
波が干渉光学系によってヘテロダイン検波され、その時
のビート信号の周波数情報から所望する測定量を計測す
る方法であり、そのビート周波数は参照光と被測定物体
までの光路差時間（距離）に依存して変化する特徴を持
っている。なお、ここで「時間的に線形掃引する」と
は、時間軸に対して一定の間隔で周波数を変化させるこ
とを意味する。
【０００４】従来の周波数シフト帰還レーザ（ＦＳＦ：
Frequency Shifted Feedback ：以降ＦＳＦレーザと呼
ぶ）を用いた光周波数変調方式測距計の装置構成を図７
を用いて説明する。図７は、具体例として固体レーザに
よるＦＳＦレーザ光源９０の場合を示している。ＦＳＦ
レーザ光源９０は、励起光源１、結合用のレンズ２、共
振器鏡３、利得媒質４、音響光学素子（ＡＯＭ：Acoust
ic Optical Modulator）５、及び共振器鏡６により構成
される。すなわち、レーザ共振器の内部に周波数シフト
素子として変調用周波数ｆ0 の超音波が伝播せしめられ
る音響光学素子５を挿入し、ドップラー周波数シフトを
受けた１次回折光８を共振器鏡６で反射させ、再び利得
媒質４に帰還させるように構成されている。
Frequency Shifted Feedback ：以降ＦＳＦレーザと呼
ぶ）を用いた光周波数変調方式測距計の装置構成を図７
を用いて説明する。図７は、具体例として固体レーザに
よるＦＳＦレーザ光源９０の場合を示している。ＦＳＦ
レーザ光源９０は、励起光源１、結合用のレンズ２、共
振器鏡３、利得媒質４、音響光学素子（ＡＯＭ：Acoust
ic Optical Modulator）５、及び共振器鏡６により構成
される。すなわち、レーザ共振器の内部に周波数シフト
素子として変調用周波数ｆ0 の超音波が伝播せしめられ
る音響光学素子５を挿入し、ドップラー周波数シフトを
受けた１次回折光８を共振器鏡６で反射させ、再び利得
媒質４に帰還させるように構成されている。
【０００５】上記利得媒質４には通常、固体結晶が用い
られ、その結晶の吸収波長に見合った励起光源１と共振
器鏡３と６によりレーザ共振器を構成している。そし
て、ＦＳＦレーザ出力光７は、音響光学素子５から分離
された０次回折（非回折）光より取り出す。その光周波
数変調信号の発生の過程は、１次回折光８が共振器中を
１周回するごとに２回音響光学素子５を通過するため２
ｆ0 のドップラーシフトを受け、それが多重周回してレ
ーザ発振に至る。この結果、そのレーザ出力は連続的な
周波数チャーピングを受け、これがＦＳＦレーザ光源９
０の光周波数変調信号となる。
られ、その結晶の吸収波長に見合った励起光源１と共振
器鏡３と６によりレーザ共振器を構成している。そし
て、ＦＳＦレーザ出力光７は、音響光学素子５から分離
された０次回折（非回折）光より取り出す。その光周波
数変調信号の発生の過程は、１次回折光８が共振器中を
１周回するごとに２回音響光学素子５を通過するため２
ｆ0 のドップラーシフトを受け、それが多重周回してレ
ーザ発振に至る。この結果、そのレーザ出力は連続的な
周波数チャーピングを受け、これがＦＳＦレーザ光源９
０の光周波数変調信号となる。
【０００６】そして、上記ＦＳＦレーザ光源９０の出力
光７は干渉光学系１００に導かれ、光分配・合波器９に
より参照光１１と測定光１２に分離され、それぞれの反
射ミラーである参照ミラー１０、測定対象ミラー１３に
より再び反射されて光分配・合波器９で合波され、参照
光１１、測定光１２のそれぞれの反射光が重ね合わされ
て干渉光１４になる。この干渉光１４を光検出器１５に
より二乗検波（ヘテロダイン検波）及び光電変換してビ
ート信号を検出する。そして、そのビート信号の周波数
成分を特定する周波数分析装置１６により、参照光１１
と測定光１２との光路差に対応した周波数スペクトラム
（ビート周波数値）が求められ、電子計算機１７により
その周波数値から最終的に光路差（距離）が求められ
る。
光７は干渉光学系１００に導かれ、光分配・合波器９に
より参照光１１と測定光１２に分離され、それぞれの反
射ミラーである参照ミラー１０、測定対象ミラー１３に
より再び反射されて光分配・合波器９で合波され、参照
光１１、測定光１２のそれぞれの反射光が重ね合わされ
て干渉光１４になる。この干渉光１４を光検出器１５に
より二乗検波（ヘテロダイン検波）及び光電変換してビ
ート信号を検出する。そして、そのビート信号の周波数
成分を特定する周波数分析装置１６により、参照光１１
と測定光１２との光路差に対応した周波数スペクトラム
（ビート周波数値）が求められ、電子計算機１７により
その周波数値から最終的に光路差（距離）が求められ
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記ＦＳＦレーザ光源
９０は、従来から部品点数の低減による低コスト化並び
に計測感度の向上が求められているが、次のような理由
により目的の達成が妨げられている。
９０は、従来から部品点数の低減による低コスト化並び
に計測感度の向上が求められているが、次のような理由
により目的の達成が妨げられている。
【０００８】まず、ＦＳＦレーザ光源９０の低コスト化
を妨げている理由について説明する。従来のＦＳＦレー
ザ光源９０は、上記した固体レーザのタイプと、光ファ
イバ増幅器によるファイバレーザのタイプがある。前者
の固体レーザは、励起光源と利得媒質を別にし、各利得
媒質結晶により任意の波長と出力を任意に設定すること
ができるが、装置構成が煩雑になり、励起光源も比較的
大出力レーザを用いなければならない等、総合的にコス
ト高である。また、ファイバレーザは、オールファイバ
光学系である特徴から、そのアライメントフリーが利点
となっているが、固体レーザと同様に、光ファイバ励起
用光源を別途設けなければならず、更にファイバ中の偏
波面制御のために、偏光素子を必要としたり、高出力光
によるファイバの非線形効果の影響を防ぐための減衰器
を挿入したりするなど、部品点数が多い。この結果、上
記いずれのタイプ（固体、ファイバ）も高コストになら
ざるえない。
を妨げている理由について説明する。従来のＦＳＦレー
ザ光源９０は、上記した固体レーザのタイプと、光ファ
イバ増幅器によるファイバレーザのタイプがある。前者
の固体レーザは、励起光源と利得媒質を別にし、各利得
媒質結晶により任意の波長と出力を任意に設定すること
ができるが、装置構成が煩雑になり、励起光源も比較的
大出力レーザを用いなければならない等、総合的にコス
ト高である。また、ファイバレーザは、オールファイバ
光学系である特徴から、そのアライメントフリーが利点
となっているが、固体レーザと同様に、光ファイバ励起
用光源を別途設けなければならず、更にファイバ中の偏
波面制御のために、偏光素子を必要としたり、高出力光
によるファイバの非線形効果の影響を防ぐための減衰器
を挿入したりするなど、部品点数が多い。この結果、上
記いずれのタイプ（固体、ファイバ）も高コストになら
ざるえない。
【０００９】次にＦＳＦレーザを用いた光周波数変調方
式距離計の高感度化を妨げている理由について説明す
る。この計測手法はヘテロダイン検波に基く検出原理の
ため原理上は高感度であるが、それはレーザの発振モー
ドがシングルモードであることを前提にしている。前述
した従来のＦＳＦレーザ光源９０は、その共振器構成が
通常のファブリペロー共振器（図７の共振器鏡３と６に
よる）で、同時に共振器長が通常２０ｃｍ程度のため、
利得媒質固有の利得プロファイル幅（レーザ発振できる
利得の波長幅）内に複数の発振モードが存在し得る条件
（マルチモード発振）となってしまう。その結果、それ
ぞれのモードの位相成分が相対的にランダムな振る舞い
を許してしまうために、その影響が自己雑音となり、検
波時における感度低下を招く。このため原理上ヘテロダ
イン検波における高感度である利点は、これまで説明し
た以上の理由により、実際の装置構成において当てはま
らず、感度低下が課題として残されている。
式距離計の高感度化を妨げている理由について説明す
る。この計測手法はヘテロダイン検波に基く検出原理の
ため原理上は高感度であるが、それはレーザの発振モー
ドがシングルモードであることを前提にしている。前述
した従来のＦＳＦレーザ光源９０は、その共振器構成が
通常のファブリペロー共振器（図７の共振器鏡３と６に
よる）で、同時に共振器長が通常２０ｃｍ程度のため、
利得媒質固有の利得プロファイル幅（レーザ発振できる
利得の波長幅）内に複数の発振モードが存在し得る条件
（マルチモード発振）となってしまう。その結果、それ
ぞれのモードの位相成分が相対的にランダムな振る舞い
を許してしまうために、その影響が自己雑音となり、検
波時における感度低下を招く。このため原理上ヘテロダ
イン検波における高感度である利点は、これまで説明し
た以上の理由により、実際の装置構成において当てはま
らず、感度低下が課題として残されている。
【００１０】本発明は上記の課題を解決するためになさ
れたもので、ＦＳＦ光源構成の簡素化による低コスト化
と、従来のマルチモード発振に起因する感度の劣化を防
止し得る光周波数変調方式距離計を提供することを目的
とする。
れたもので、ＦＳＦ光源構成の簡素化による低コスト化
と、従来のマルチモード発振に起因する感度の劣化を防
止し得る光周波数変調方式距離計を提供することを目的
とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】第１の発明に係る光周波
数変調方式距離計は、所要の周期で光周波数が時間と共
に変化する光周波数変調信号を出力する周波数シフト帰
還共振器型半導体レーザと、この半導体レーザから出力
された光周波数変調信号が光分配器により参照光と測定
光とに二分され、そのうちの測定光は被測定対象により
照射・反射し再び参照光と干渉する光学系と、この光学
系の干渉により生じる参照光と測定光との光路差固有の
ビート信号を検出し電気信号に変換する光検出器と、こ
の光検出器により検出されたビート信号の周波数成分を
計測する周波数分析装置と、この周波数分析装置により
求められる周波数値と測定パラメータから最終的に距離
を算出する電子計算機とを具備したことを特徴とする。
数変調方式距離計は、所要の周期で光周波数が時間と共
に変化する光周波数変調信号を出力する周波数シフト帰
還共振器型半導体レーザと、この半導体レーザから出力
された光周波数変調信号が光分配器により参照光と測定
光とに二分され、そのうちの測定光は被測定対象により
照射・反射し再び参照光と干渉する光学系と、この光学
系の干渉により生じる参照光と測定光との光路差固有の
ビート信号を検出し電気信号に変換する光検出器と、こ
の光検出器により検出されたビート信号の周波数成分を
計測する周波数分析装置と、この周波数分析装置により
求められる周波数値と測定パラメータから最終的に距離
を算出する電子計算機とを具備したことを特徴とする。
【００１２】第２の発明は、第１の発明に係る光周波数
変調方式距離計において、周波数シフト帰還共振器半導
体レーザのレーザ共振器を周回帰還する光に、共振器中
に挿入された音響光学素子により周回毎にドップラー周
波数シフトを与えるレーザ共振器構成のうちの片側の外
部鏡が、共振器中を周回する光の周波数に対し、分光特
性もしくはモードセレクター素子を兼ね、その光周波数
変調信号は常にシングルモードの発振の保障を目的とし
た外部鏡であることを特徴とする。
変調方式距離計において、周波数シフト帰還共振器半導
体レーザのレーザ共振器を周回帰還する光に、共振器中
に挿入された音響光学素子により周回毎にドップラー周
波数シフトを与えるレーザ共振器構成のうちの片側の外
部鏡が、共振器中を周回する光の周波数に対し、分光特
性もしくはモードセレクター素子を兼ね、その光周波数
変調信号は常にシングルモードの発振の保障を目的とし
た外部鏡であることを特徴とする。
【００１３】第３の発明は、第２の発明に係る光周波数
変調方式距離計において、上記レーザ共振器は、半導体
レーザの前端面を無反射コーティングし、後方端面をレ
ーザ共振器の一方の端面とすると共にモードセレクター
素子を兼ねた外部鏡を他方の端面として構成したことを
特徴とする。
変調方式距離計において、上記レーザ共振器は、半導体
レーザの前端面を無反射コーティングし、後方端面をレ
ーザ共振器の一方の端面とすると共にモードセレクター
素子を兼ねた外部鏡を他方の端面として構成したことを
特徴とする。
【００１４】第４の発明は、第１の発明に係る光周波数
変調方式距離計において、周波数シフト帰還共振器型半
導体レーザは、利得媒質である半導体レーザ自身の共振
器構造として、その共振器中の活性層構造が回折格子を
含む分布帰還型またはブラッグ反射型を用いると共に通
常反射を目的とする外部鏡を用いたことを特徴とする。
変調方式距離計において、周波数シフト帰還共振器型半
導体レーザは、利得媒質である半導体レーザ自身の共振
器構造として、その共振器中の活性層構造が回折格子を
含む分布帰還型またはブラッグ反射型を用いると共に通
常反射を目的とする外部鏡を用いたことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を説明する。
施形態を説明する。
【００１６】（第１実施形態）本発明の第１実施形態に
係る光周波数変調方式距離計について、図１、図２、図
３を参照して説明する。図１は本発明に係る光周波数変
調方式距離計の構成図、図２、図３は本発明の作用及び
従来との原理上における違いを示したものである。
係る光周波数変調方式距離計について、図１、図２、図
３を参照して説明する。図１は本発明に係る光周波数変
調方式距離計の構成図、図２、図３は本発明の作用及び
従来との原理上における違いを示したものである。
【００１７】本発明に係る光周波数変調方式距離計は、
ＦＳＦレーザ光源１１０と干渉光学系１００からなって
いる。ＦＳＦレーザ光源１１０は、半導体レーザ（利得
媒質）２０、結合用のレンズ２６、音響光学素子２３、
モードセレクター素子２７により構成される。上記ＦＳ
Ｆレーザ光源１１０は、半導体レーザ２０とその駆動電
源２１により発振出力を得ている。上記半導体レーザ２
０の後方端面（外部鏡Ｍ1 ）２８とモードセレクター素
子（外部鏡Ｍ3 ）２７によりレーザ共振器が構成され
る。この場合、ＦＳＦ共振器効果を得るために半導体レ
ーザ２０の前方端面（外部鏡Ｍ2 ）２９には、通常無反
射コーティング（反射率＜０．２％）の端面処理が施さ
れているが、半導体レーザ素子の固体差により、上記端
面処理が必要でない場合もある。
ＦＳＦレーザ光源１１０と干渉光学系１００からなって
いる。ＦＳＦレーザ光源１１０は、半導体レーザ（利得
媒質）２０、結合用のレンズ２６、音響光学素子２３、
モードセレクター素子２７により構成される。上記ＦＳ
Ｆレーザ光源１１０は、半導体レーザ２０とその駆動電
源２１により発振出力を得ている。上記半導体レーザ２
０の後方端面（外部鏡Ｍ1 ）２８とモードセレクター素
子（外部鏡Ｍ3 ）２７によりレーザ共振器が構成され
る。この場合、ＦＳＦ共振器効果を得るために半導体レ
ーザ２０の前方端面（外部鏡Ｍ2 ）２９には、通常無反
射コーティング（反射率＜０．２％）の端面処理が施さ
れているが、半導体レーザ素子の固体差により、上記端
面処理が必要でない場合もある。
【００１８】そして、まず、半導体レーザ２０自身から
の光出力は、平行光とするためにレンズ２６を介し音響
光学素子(ＡＯＭ)２３に導かれる。また、ＡＯＭ用変調
信号源２２からの変調周波数ｆ0 の信号印加により音響
光学素子２３中に超音波３０が励起し、素子中を矢印の
方向へ伝播する。このとき音響光学素子２３中におい
て、光と音響波との相互作用（光音響効果）によりブラ
ッグ回折現象が生じ、０次光（非回折光）２５と１次回
折光（帰還光）２４とに分離する。そのうちの１次回折
光２４はドップラー周波数シフトにより光周波数がｆ0
だけずれて出力される。上記１次回折光２４は、モード
セレクター素子（外部鏡Ｍ3 ）２７により任意の一つの
発振モード成分だけを反射するようなファブリペロー共
振器条件を有しており、そのような反射により１次回折
光２４は、再び音響光学素子２３に入力し、そこでもう
一度ドップラー周波数シフトｆ0 を受け、レンズ２６を
介して半導体レーザ２０へ帰還する。
の光出力は、平行光とするためにレンズ２６を介し音響
光学素子(ＡＯＭ)２３に導かれる。また、ＡＯＭ用変調
信号源２２からの変調周波数ｆ0 の信号印加により音響
光学素子２３中に超音波３０が励起し、素子中を矢印の
方向へ伝播する。このとき音響光学素子２３中におい
て、光と音響波との相互作用（光音響効果）によりブラ
ッグ回折現象が生じ、０次光（非回折光）２５と１次回
折光（帰還光）２４とに分離する。そのうちの１次回折
光２４はドップラー周波数シフトにより光周波数がｆ0
だけずれて出力される。上記１次回折光２４は、モード
セレクター素子（外部鏡Ｍ3 ）２７により任意の一つの
発振モード成分だけを反射するようなファブリペロー共
振器条件を有しており、そのような反射により１次回折
光２４は、再び音響光学素子２３に入力し、そこでもう
一度ドップラー周波数シフトｆ0 を受け、レンズ２６を
介して半導体レーザ２０へ帰還する。
【００１９】上記のように本実施形態の共振器は、半導
体レーザ２０の後方端面（外部鏡Ｍ 1 ）２８とモードセ
レクター素子（外部鏡Ｍ3 ）２７から構成され、共振器
中を１周回するごとに周波数２ｆ0 のドップラー周波数
シフトを受ける。それが多重周回（反射）することでレ
ーザ発振に至り、その光周波数変調は任意の単一モード
で線形な周波数チャープの特性を示す。
体レーザ２０の後方端面（外部鏡Ｍ 1 ）２８とモードセ
レクター素子（外部鏡Ｍ3 ）２７から構成され、共振器
中を１周回するごとに周波数２ｆ0 のドップラー周波数
シフトを受ける。それが多重周回（反射）することでレ
ーザ発振に至り、その光周波数変調は任意の単一モード
で線形な周波数チャープの特性を示す。
【００２０】ここで本発明の特徴の一つであるモードセ
レクター素子２７の一例として、２枚の任意反射率ミラ
ー対によるファブリペロー共振器（以降エタロンと呼
ぶ）構成を示し、それによる単一モード発振及び従来の
ＦＳＦレーザ発振との違いについて図２、図３を参照し
ながら説明する。
レクター素子２７の一例として、２枚の任意反射率ミラ
ー対によるファブリペロー共振器（以降エタロンと呼
ぶ）構成を示し、それによる単一モード発振及び従来の
ＦＳＦレーザ発振との違いについて図２、図３を参照し
ながら説明する。
【００２１】まず、図２（ａ）を用いて従来のＦＳＦレ
ーザ発振について説明する。図２（ａ）の上図は利得と
損失の関係を示しており、下図はその関係における実際
の発振モード分布である。この図から明らかなように従
来のＦＳＦレーザ発振は、各共振器モードの損失差Δα
が広い利得波長幅Ｇosc（λ）に亘って小さいため、複
数のモードが発振できる条件、つまりマルチモード発振
になってしまう。これを単一にするには本発明原理図２
（ｂ）のように損失曲線Ｌ（λ）を極めて急峻な光周波
数依存性にすることで、任意の一つのモードのみに対し
て損失差Δαを小さく、それ以外のモードでは損失差Δ
αを大きくすることができる。この結果、他のモードの
発振は抑制され、任意の単一モード発振となる。その損
失曲線Ｌ（λ）の光周波数依存性を制御するのが、モー
ドセレクター素子２７の一例として示すエタロンであ
る。このエタロンは波長選択光学素子であり、本実施形
態では、光周波数変調方式距離計の高感度化の目的のた
めにＦＳＦ共振器の片端反射鏡として適用し、単一モー
ド発振を促し、それが時間的に周波数チャープを連続で
発生させるための手段の一つとして用いている。
ーザ発振について説明する。図２（ａ）の上図は利得と
損失の関係を示しており、下図はその関係における実際
の発振モード分布である。この図から明らかなように従
来のＦＳＦレーザ発振は、各共振器モードの損失差Δα
が広い利得波長幅Ｇosc（λ）に亘って小さいため、複
数のモードが発振できる条件、つまりマルチモード発振
になってしまう。これを単一にするには本発明原理図２
（ｂ）のように損失曲線Ｌ（λ）を極めて急峻な光周波
数依存性にすることで、任意の一つのモードのみに対し
て損失差Δαを小さく、それ以外のモードでは損失差Δ
αを大きくすることができる。この結果、他のモードの
発振は抑制され、任意の単一モード発振となる。その損
失曲線Ｌ（λ）の光周波数依存性を制御するのが、モー
ドセレクター素子２７の一例として示すエタロンであ
る。このエタロンは波長選択光学素子であり、本実施形
態では、光周波数変調方式距離計の高感度化の目的のた
めにＦＳＦ共振器の片端反射鏡として適用し、単一モー
ド発振を促し、それが時間的に周波数チャープを連続で
発生させるための手段の一つとして用いている。
【００２２】次に図３を用いて、従来と本発明における
光周波数変調方式による時間変化の比較を参照しなが
ら、干渉光学系１００の参照光と測定光との光路差（遅
延時間τ）によって生じる光周波数差（実線と破線）、
つまりビート周波数の発生過程ついて説明する。最初
に、ＦＳＦレーザの光周波数変調の共通特徴は、それぞ
れの発振モードのチャープにより、各モードは周期的に
再生−消滅を繰り返すことで、常に発振が持続する点で
ある。つまり図３で光周波数ν2 で生まれたｑ番目のモ
ードが時間的に周波数チャープすることで光周波数ν2
まで行き、消滅し、再び光周波数ν1 から次のモードが
新たに再生する。その光周波数変調動作の繰り返しでレ
ーザ発振する。
光周波数変調方式による時間変化の比較を参照しなが
ら、干渉光学系１００の参照光と測定光との光路差（遅
延時間τ）によって生じる光周波数差（実線と破線）、
つまりビート周波数の発生過程ついて説明する。最初
に、ＦＳＦレーザの光周波数変調の共通特徴は、それぞ
れの発振モードのチャープにより、各モードは周期的に
再生−消滅を繰り返すことで、常に発振が持続する点で
ある。つまり図３で光周波数ν2 で生まれたｑ番目のモ
ードが時間的に周波数チャープすることで光周波数ν2
まで行き、消滅し、再び光周波数ν1 から次のモードが
新たに再生する。その光周波数変調動作の繰り返しでレ
ーザ発振する。
【００２３】図３（ａ）に示す従来のＦＳＦレーザはマ
ルチモード発振、つまり、同時間でそれらモードが一斉
に光周波数チャープする。具体的には任意時間領域ΔＴ
の区間において、この場合、４本（ｑ＝０〜３）のモー
ドが同時に存在する。それぞれのモードに対し参照光と
測定光との光路時間差τに相当するビート周波数成分Δ
νb が４個所発生し、それらの重ね合わせの時間積分が
ビート周波数スペクトラムとなる。そのスペクトラムの
様子を図４により説明する。各モードごとに位相雑音が
発生した場合、それはモードの数が多い程、それはビー
ト信号としてはノイズの増大に寄与し、つまり計測感度
が劣化する。光周波数変調による測定法は原理的にマル
チモードである必然性はなく、シングルモードで十分で
あり、それによりノイズに対するビート信号の強度比
（Ｓ／Ｎ比）が良くなる。つまり周波数変調方式の利点
である高感度が実現できる。
ルチモード発振、つまり、同時間でそれらモードが一斉
に光周波数チャープする。具体的には任意時間領域ΔＴ
の区間において、この場合、４本（ｑ＝０〜３）のモー
ドが同時に存在する。それぞれのモードに対し参照光と
測定光との光路時間差τに相当するビート周波数成分Δ
νb が４個所発生し、それらの重ね合わせの時間積分が
ビート周波数スペクトラムとなる。そのスペクトラムの
様子を図４により説明する。各モードごとに位相雑音が
発生した場合、それはモードの数が多い程、それはビー
ト信号としてはノイズの増大に寄与し、つまり計測感度
が劣化する。光周波数変調による測定法は原理的にマル
チモードである必然性はなく、シングルモードで十分で
あり、それによりノイズに対するビート信号の強度比
（Ｓ／Ｎ比）が良くなる。つまり周波数変調方式の利点
である高感度が実現できる。
【００２４】本発明は上記の点に基づいてなされたもの
であり、以下、上記と同様な説明を、本発明によるシン
グルモード光周波数変調の場合について、図３（ｂ）を
参照して説明する。図３（ａ）と同じ時間範囲ΔＴにお
いて、本発明ではそのモード数は常に一つのみであるこ
とが特徴となっている。従って、破線で示した測定光と
の組み合わせは常に一組であり、モードごとに生じる位
相雑音の影響は最小限に止めることができる。これによ
り図４のマルチ、シングルモード発振におけるビート周
波数スペクトラムのＳ／Ｎの比較において、信号強度は
同じでもノイズフロアー（雑音レベル）を下げることが
でき、この結果、Ｓ／Ｎの向上により計測感度向上に寄
与することができる。
であり、以下、上記と同様な説明を、本発明によるシン
グルモード光周波数変調の場合について、図３（ｂ）を
参照して説明する。図３（ａ）と同じ時間範囲ΔＴにお
いて、本発明ではそのモード数は常に一つのみであるこ
とが特徴となっている。従って、破線で示した測定光と
の組み合わせは常に一組であり、モードごとに生じる位
相雑音の影響は最小限に止めることができる。これによ
り図４のマルチ、シングルモード発振におけるビート周
波数スペクトラムのＳ／Ｎの比較において、信号強度は
同じでもノイズフロアー（雑音レベル）を下げることが
でき、この結果、Ｓ／Ｎの向上により計測感度向上に寄
与することができる。
【００２５】以上、第１実施形態におけるＦＳＦレーザ
光源１１０について説明したが、次に、再び図１の構成
に戻り、ＦＳＦレーザ光源１１０からの出力光２５と干
渉光学系１００により距離を求めるまでの流れを説明す
る。本実施形態ではＦＳＦレーザ出力のうち０次光２５
を用いるが、場合によってはモードセレクター素子２７
を透過する１次回折光２４の一部を用いても同じ効果が
得られる。
光源１１０について説明したが、次に、再び図１の構成
に戻り、ＦＳＦレーザ光源１１０からの出力光２５と干
渉光学系１００により距離を求めるまでの流れを説明す
る。本実施形態ではＦＳＦレーザ出力のうち０次光２５
を用いるが、場合によってはモードセレクター素子２７
を透過する１次回折光２４の一部を用いても同じ効果が
得られる。
【００２６】ＦＳＦレーザ光源１１０からの出力光２５
は、干渉光学系１００の光分配・合波器９によりそれぞ
れ参照光１１と測定光１２とに二分され、それらはそれ
ぞれ参照ミラー１０と測定対象ミラー１３により光分配
・合波器９へ再び反射され、それらが重ね合わされて干
渉光１４となる。この干渉光１４は、光検出器１５によ
り二乗検波、光電変換され、光分配・合波器９から各ミ
ラー１０、１３までの光路差（距離）固有のビート信号
が発生する。このビート信号の周波数成分をＦＦＴアナ
ライザー、ＲＦスペクトラムアナライザー、周波数カウ
ンター等の周波数分析装置１６によりビート周波数値が
求められ、その計測値と光周波数変調計測パラメータの
関係式から電子計算機１７を用いて光路差の距離を求め
る。
は、干渉光学系１００の光分配・合波器９によりそれぞ
れ参照光１１と測定光１２とに二分され、それらはそれ
ぞれ参照ミラー１０と測定対象ミラー１３により光分配
・合波器９へ再び反射され、それらが重ね合わされて干
渉光１４となる。この干渉光１４は、光検出器１５によ
り二乗検波、光電変換され、光分配・合波器９から各ミ
ラー１０、１３までの光路差（距離）固有のビート信号
が発生する。このビート信号の周波数成分をＦＦＴアナ
ライザー、ＲＦスペクトラムアナライザー、周波数カウ
ンター等の周波数分析装置１６によりビート周波数値が
求められ、その計測値と光周波数変調計測パラメータの
関係式から電子計算機１７を用いて光路差の距離を求め
る。
【００２７】（第２実施形態）次に本発明の第２実施形
態に係る光周波数変調方式距離計について図５を参照し
て説明する。第１実施形態と本実施形態との違いはモー
ドセレクター素子５０の構成であり、干渉光学系１００
を含む他の構成は第１実施形態と同じである。
態に係る光周波数変調方式距離計について図５を参照し
て説明する。第１実施形態と本実施形態との違いはモー
ドセレクター素子５０の構成であり、干渉光学系１００
を含む他の構成は第１実施形態と同じである。
【００２８】本実施形態の特徴であるモードセレクター
素子５０は、ファイバ４０の後方端側にファイバブラッ
グ反射回折格子（外部鏡Ｍ3 ）４１が形成されており、
それらがレーザ共振器を構成している。音響光学素子２
３から出力される１次回折光２４は、結合レンズ４２を
介しファイバ伝播光４３としてモードセレクター素子５
０中を伝播して後方端面であるファイバブラッグ反射回
折格子４１で反射し、レンズ４２、音響光学素子２３を
介して半導体レーザ２０に帰還する。これより本発明の
特徴であるシングルモード光周波数変調のレーザ発振が
得られる。この発振原理、作用については第１実施形態
と同じであるので、この部分の説明は省略する。
素子５０は、ファイバ４０の後方端側にファイバブラッ
グ反射回折格子（外部鏡Ｍ3 ）４１が形成されており、
それらがレーザ共振器を構成している。音響光学素子２
３から出力される１次回折光２４は、結合レンズ４２を
介しファイバ伝播光４３としてモードセレクター素子５
０中を伝播して後方端面であるファイバブラッグ反射回
折格子４１で反射し、レンズ４２、音響光学素子２３を
介して半導体レーザ２０に帰還する。これより本発明の
特徴であるシングルモード光周波数変調のレーザ発振が
得られる。この発振原理、作用については第１実施形態
と同じであるので、この部分の説明は省略する。
【００２９】本実施形態における上記モードセレクター
素子５０の特徴により、その構成がファイバ部品である
ことから、バルク素子と比べ容易に複製可能で量産に適
しており、低コストを実現できる。また、任意のレーザ
共振器長にもファイバを巻くことで、その共振器長に制
約されることなく同じ収納スペースを確保でき、装置の
小型化と筐体の規格化が容易になり、可搬性及び低コス
ト化にも寄与することができる。
素子５０の特徴により、その構成がファイバ部品である
ことから、バルク素子と比べ容易に複製可能で量産に適
しており、低コストを実現できる。また、任意のレーザ
共振器長にもファイバを巻くことで、その共振器長に制
約されることなく同じ収納スペースを確保でき、装置の
小型化と筐体の規格化が容易になり、可搬性及び低コス
ト化にも寄与することができる。
【００３０】（第３実施形態）次に本発明の第３実施形
態に係る光周波数変調方式距離計について図６を参照し
て説明する。本実施形態と上記第１実施形態及び第２実
施形態との違いは、レーザ共振器側にモードセレクター
素子を使用せず、単純な外部鏡（Ｍ3 ）６０のみで、モ
ードセレクター素子と同じ役割を、半導体レーザ２０の
利得媒質中に回折格子構造（活性層構造）６１を有する
単一シングルモード発振光源として包括している点であ
る。通常、このような半導体レーザの内部構造は分布帰
還型(ＤＦＢ：Distributed FeedBack)またはブラッグ反
射型（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）と呼ば
れている。また、この特徴を持つＦＳＦレーザ光源１１
０以外の干渉光学系１００の構成は第１及び第２実施形
態と同じである。
態に係る光周波数変調方式距離計について図６を参照し
て説明する。本実施形態と上記第１実施形態及び第２実
施形態との違いは、レーザ共振器側にモードセレクター
素子を使用せず、単純な外部鏡（Ｍ3 ）６０のみで、モ
ードセレクター素子と同じ役割を、半導体レーザ２０の
利得媒質中に回折格子構造（活性層構造）６１を有する
単一シングルモード発振光源として包括している点であ
る。通常、このような半導体レーザの内部構造は分布帰
還型(ＤＦＢ：Distributed FeedBack)またはブラッグ反
射型（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）と呼ば
れている。また、この特徴を持つＦＳＦレーザ光源１１
０以外の干渉光学系１００の構成は第１及び第２実施形
態と同じである。
【００３１】そして、本実施形態の構成においても、本
発明の特徴であるシングルモード光周波数変調の発生原
理は図２、図３と同じであるので、ここでの説明は省略
する。
発明の特徴であるシングルモード光周波数変調の発生原
理は図２、図３と同じであるので、ここでの説明は省略
する。
【００３２】本実施形態の半導体レーザの特徴により、
第１実施形態で言うモードセレクター素子(エタロン)２
７、第２実施形態で言うモードセレクター素子（ファイ
バブラッグ反射回折格子）４１を半導体レーザ２０の外
部に構成しなくても、１次回折を半導体レーザ２０に帰
還することのみを目的とする外部鏡６０に置き換えるこ
とで対処できる。
第１実施形態で言うモードセレクター素子(エタロン)２
７、第２実施形態で言うモードセレクター素子（ファイ
バブラッグ反射回折格子）４１を半導体レーザ２０の外
部に構成しなくても、１次回折を半導体レーザ２０に帰
還することのみを目的とする外部鏡６０に置き換えるこ
とで対処できる。
【００３３】本実施形態では、第１及び第２実施形態に
共通なモードセレクター素子という光学部品を用いなく
ても安価な外部鏡で本発明の特徴である光周波数変調発
振が可能である。よって、本実施形態によれば、ＦＳＦ
レーザ光源１１０全体の低コスト化及びレーザ共振器構
造の簡素化によりアライメント（光学調整）動作の低減
（使い易さの向上）に寄与することができる。
共通なモードセレクター素子という光学部品を用いなく
ても安価な外部鏡で本発明の特徴である光周波数変調発
振が可能である。よって、本実施形態によれば、ＦＳＦ
レーザ光源１１０全体の低コスト化及びレーザ共振器構
造の簡素化によりアライメント（光学調整）動作の低減
（使い易さの向上）に寄与することができる。
【００３４】
【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、半
導体レーザの前端面を無反射コーティングし、外部鏡
（Ｍ1 、Ｍ2 、Ｍ3 ）から構成されるレーザ共振器で発
生させた１次回折光を半導体レーザへ結合レンズを介し
て直接結合させることにより、半導体レーザ自身が励起
光源と利得媒質の両方の機能を兼ねることができる。そ
して、レーザ共振器鏡の片方は半導体レーザの後方端面
になるように共振器を構成することで共振器の簡素化を
図ることができる。これより従来の固体ＦＳＦレーザと
比べて部品点数を軽減できると共に、比較的低出力の任
意波長の安価な半導体レーザを用いることができ、全体
的にＦＳＦレーザ光源の低コスト化を実現できる。
導体レーザの前端面を無反射コーティングし、外部鏡
（Ｍ1 、Ｍ2 、Ｍ3 ）から構成されるレーザ共振器で発
生させた１次回折光を半導体レーザへ結合レンズを介し
て直接結合させることにより、半導体レーザ自身が励起
光源と利得媒質の両方の機能を兼ねることができる。そ
して、レーザ共振器鏡の片方は半導体レーザの後方端面
になるように共振器を構成することで共振器の簡素化を
図ることができる。これより従来の固体ＦＳＦレーザと
比べて部品点数を軽減できると共に、比較的低出力の任
意波長の安価な半導体レーザを用いることができ、全体
的にＦＳＦレーザ光源の低コスト化を実現できる。
【００３５】また、ＦＳＦレーザ共振器の一方の反射鏡
をモードセレクター素子を兼ねた外部鏡（Ｍ3 ）にする
ことで、マルチモード発振から任意のシングルモード発
振の光周波数変調方式を実現でき、感度の劣化を防止す
ることができる。従って、本発明によれば、装置構成及
びそれに係わる光周波数変調方式の特徴から、その光源
である周波数シフト帰還レーザの構成を簡略化でき、こ
れよりシステムの低コスト化と同時に光学調整を容易に
でき、かつ、発振する光周波数変調の特徴から計測感度
を向上することができる。
をモードセレクター素子を兼ねた外部鏡（Ｍ3 ）にする
ことで、マルチモード発振から任意のシングルモード発
振の光周波数変調方式を実現でき、感度の劣化を防止す
ることができる。従って、本発明によれば、装置構成及
びそれに係わる光周波数変調方式の特徴から、その光源
である周波数シフト帰還レーザの構成を簡略化でき、こ
れよりシステムの低コスト化と同時に光学調整を容易に
でき、かつ、発振する光周波数変調の特徴から計測感度
を向上することができる。
【図１】本発明の第１実施形態に係る光周波数変調方式
距離計の構成を示す図。
距離計の構成を示す図。
【図２】本発明におけるＦＳＦレーザの発振の原理的特
徴を従来のＦＳＦレーザの原理と比較して説明する図。
徴を従来のＦＳＦレーザの原理と比較して説明する図。
【図３】本発明におけるＦＳＦレーザの発振の光周波数
変調の時間変化の特徴を従来のＦＳＦレーザの場合と比
較して説明する図。
変調の時間変化の特徴を従来のＦＳＦレーザの場合と比
較して説明する図。
【図４】本発明におけるＦＳＦレーザ光源と干渉光学系
を用いて得られるビート周波数スペクトラムの信号強度
とノイズ強度との関係（Ｓ／Ｎ）を示し、従来のＦＳＦ
レーザの場合と比較して説明する図。
を用いて得られるビート周波数スペクトラムの信号強度
とノイズ強度との関係（Ｓ／Ｎ）を示し、従来のＦＳＦ
レーザの場合と比較して説明する図。
【図５】本発明の第２実施形態に係る光周波数変調方式
距離計の構成を示す図。
距離計の構成を示す図。
【図６】本発明の第３実施形態に係る光周波数変調方式
距離計の構成を示す図。
距離計の構成を示す図。
【図７】従来のＦＳＦレーザによる光周波数変調方式距
離計の構成を示す図。
離計の構成を示す図。
９…光分配・合波器 １０…参照ミラー １１…参照光 １２…測定光 １３…測定対象ミラー １４…干渉光 １５…光検出器 １６…周波数分析装置 １７…電子計算機 ２０…半導体レーザ ２１…半導体レーザの駆動電源 ２２…ＡＯＭ用変調信号源 ２３…音響光学素子 ２４…１次回折光 ２５…出力光 ２６…レンズ ２７…モードセレクター素子（外部鏡Ｍ3 ） ２８…半導体レーザの後方端面（外部鏡Ｍ1 ） ２９…半導体レーザの前方端面（外部鏡Ｍ2 ） ３０…超音波 ４０…ファイバ ４１…ファイバブラッグ反射回折格子（外部鏡Ｍ3 ） ４２…レンズ ４３…ファイバ伝播光 ５０…モードセレクター素子 ６０…外部鏡（Ｍ3 ） ６１…回折格子構造（活性層構造） １００…干渉光学系 １１０…ＦＳＦレーザ光源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F064 AA01 BB05 CC01 FF01 GG00 GG02 GG12 GG22 GG51 GG70 HH01 HH05 JJ04 JJ05 KK01 2F065 AA02 AA06 BB25 CC21 DD04 FF51 GG06 JJ01 LL02 LL12 LL46 LL57 QQ28 QQ44 2H079 AA04 BA05 CA11 KA11 KA20 5F073 AA64 AA65 AA67 AA83 AB21 AB28 BA09 EA29
Claims (4)
- 【請求項１】 所要の周期で光周波数が時間と共に変化
する光周波数変調信号を出力する周波数シフト帰還共振
器型半導体レーザと、この半導体レーザから出力された
光周波数変調信号が光分配器により参照光と測定光とに
二分され、そのうちの測定光は被測定対象により照射・
反射し再び参照光と干渉する光学系と、この光学系の干
渉により生じる参照光と測定光との光路差固有のビート
信号を検出し電気信号に変換する光検出器と、この光検
出器により検出されたビート信号の周波数成分を計測す
る周波数分析装置と、この周波数分析装置により求めら
れる周波数値と測定パラメータから最終的に距離を算出
する電子計算機とを具備したことを特徴とする光周波数
変調方式距離計。 - 【請求項２】 請求項１記載の光周波数変調方式距離計
において、周波数シフト帰還共振器半導体レーザのレー
ザ共振器を周回帰還する光に、共振器中に挿入された音
響光学素子により周回毎にドップラー周波数シフトを与
えるレーザ共振器構成のうちの片側の外部鏡が、共振器
中を周回する光の周波数に対し、分光特性もしくはモー
ドセレクター素子を兼ね、その光周波数変調信号は常に
シングルモードの発振の保障を目的とした外部鏡である
ことを特徴とする光周波数変調方式距離計。 - 【請求項３】 請求項２記載の光周波数変調方式距離計
において、上記レーザ共振器は、半導体レーザの前端面
を無反射コーティングし、後方端面をレーザ共振器の一
方の端面とすると共にモードセレクター素子を兼ねた外
部鏡を他方の端面として構成したことを特徴とする光周
波数変調方式距離計。 - 【請求項４】 請求項１記載の光周波数変調方式距離計
において、周波数シフト帰還共振器型半導体レーザは、
利得媒質である半導体レーザ自身の共振器構造として、
その共振器中の活性層構造が回折格子を含む分布帰還型
またはブラッグ反射型を用いると共に通常反射を目的と
する外部鏡を用いたことを特徴とする光周波数変調方式
距離計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000188006A JP3510569B2 (ja) | 2000-06-22 | 2000-06-22 | 光周波数変調方式距離計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000188006A JP3510569B2 (ja) | 2000-06-22 | 2000-06-22 | 光周波数変調方式距離計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002005614A true JP2002005614A (ja) | 2002-01-09 |
| JP3510569B2 JP3510569B2 (ja) | 2004-03-29 |
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ID=18687869
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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|---|---|
| JP (1) | JP3510569B2 (ja) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003061084A1 (de) * | 2002-01-19 | 2003-07-24 | Spheron Vr Ag | Verfahren und vorrichtung zur entfernungsmessung |
| KR100951618B1 (ko) | 2008-02-19 | 2010-04-09 | 한국과학기술원 | 광주파수 발생기를 이용한 절대거리 측정방법 및 시스템 |
| JP2010098039A (ja) * | 2008-10-15 | 2010-04-30 | Nec Corp | 光学変調回路、光学変調装置、画像表示装置、画像形成装置および光学変調方法 |
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