JP2006322911A - 状態検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体レーザ素子の自己結合効果を利用した状態検出装置であって、光分離素子や光アイソレータ等の特殊な光学素子を用いることなしに戻り光が直接受光素子に入射することを防ぎ、レーザ素子の出力光の強度を確実に検出することのできる簡易な構成の状態検出装置を提供する。
【解決手段】 レーザ素子の出力光を集光して検出対象物に照射すると共に、上記出力光の一部を側方に反射する集光レンズを、前記レーザ素子の出力光出射面に対してそのレンズ面を傾斜させて設け、この集光レンズレンズにて反射した前記出力光を受光する受光素子を、前記検出対象物により反射されて上記集光レンズを介して前記レーザ素子に入射する戻り光の光路を避けた位置に設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体レーザ素子の自己結合効果（自己混合効果ともいう）を利用して検出対象物の状態を検出する状態検出装置に関する。

光学的な距離計測技術の１つに半導体レーザ素子の自己結合効果［Self mixing Effect］を利用したものがある（例えば特許文献１,２を参照）。この手法は、例えば図３に示すように所定の変調信号を用いて駆動したレーザ素子（ＬＤ）１から検出対象物２に照射レーザ光（出力光）を照射すると共に、検出対象物２により反射されて前記レーザ素子１に戻った反射レーザ光（戻り光）と前記出力光との自己結合効果により生じた干渉信号が重畳した出力光を受光器（ＰＤ）３にて受光し、その出力を周波数分析する等して前記検出対象物２までの距離（Ｌ）や速度、振動等の状態を測定するものである。

即ち、レーザ素子１の出力光の発振波長を連続的に変化させると、検出対象物２により反射した戻り光と上記レーザ素子１の出力光とが干渉を生じ、共振条件を満たす波長においてはレーザ素子１の増幅効率が僅かに上がり、また減衰条件を満たす波長においては増幅効率が僅かに下がり、この結果、受光器３の出力が増減を繰り返す。例えば付与した電流値に応じて出力光の発振波長が変化するタイプのレーザー素子に、三角波形の駆動電流を付与すると、三角波の一周期分において、電流値が時間の経過に比例して連続的に増加し、ピークに達した後に減少する。これに応じてレーザ素子から放出される出力光の波長は連続的に長くなり、ピークに達した後、出力光の波長は連続的に短くなる。

このようにして出力光の波長が連続的に増減する中で、上記出力光とその戻り光との間の共振条件および減衰条件が交互に何度も満たされる。この結果、前記受光器３からは上記三角波に微小な干渉成分が重畳した波形が得られる。この干渉成分は、レーザ素子１と検出対象物２との距離Ｌ等の情報を含んでいる。従ってこの波形を解析すれば、上記共振成分の周波数から検出対象物２までの距離や速度、振動等の状態を求めることが可能となる。例えば上記変調光を微分して三角波に重畳した信号成分を抽出し、この信号成分を計数することによって検出対象物２の状態を求めることが可能となる。

一方、レーザ素子の出力光の出力（強度）を制御する手法の１つに、その出力光の一部をモニタ用受光素子にて受光し、その受光強度を上記レーザ素子の駆動回路にフィードバックする技術がある。戻り光や迷光がレーザ素子に入射して生じる干渉による雑音は、一般の使用目的においては雑音として作用する。そこで、このような雑音の発生を防ぐため、モニタ用受光素子に戻り光や迷光が入り込まないように、例えば回折格子からなる光分離素子や光アイソレータを、その光路に介挿することが提唱されている。具体的には光分離素子を用いて射出レーザ光の一部を光路の側方に取り出したり、光ガイドを用いて射出レーザ光の一部を側方に取り出してモニタ用受光素子に導くことが提唱されている（特許文献３,４,５を参照）。
特開平１０−２４６７８２号公報 特開平１１−２８７８５９号公報 特開平８−２７９１７４号公報 特開平９−８０２７４号公報 特開平１０−１９８９９９号公報

しかしながら半導体レーザ素子の自己結合効果を利用した状態検出装置にあっては、検出対象物による戻り光をレーザ素子に導入することが必要である。これにも拘わらず、上述した光分離素子や光アイソレータ等を用いた場合、検出対象物による戻り光のレーザ素子への戻り（再注入）が妨げられる等の不具合が生じる虞があった。
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、半導体レーザ素子の自己結合効果を利用した状態検出装置において、光分離素子や光アイソレータ等の特殊な光学素子を用いることなしにレーザ素子から出射される出力光の強度を確実に検出することのできる簡易な構成の状態検出装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は次の構成を有する。
即ち、第１の発明に係る状態検出装置は、レーザ光を射出する半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子を駆動する駆動手段と、前記半導体レーザ素子から射出された照射レーザ光を集光して検出対象物へ向けて照射すると共に、この検出対象物にて反射された反射レーザ光を前記半導体レーザ素子へ向けて集光する集光レンズと、前記照射レーザ光を受光する受光素子と、この受光素子の受光信号から前記検出対象物の状態を検出する検出手段とを備え、
前記集光レンズはその光軸を前記照射レーザ光の光軸に対して傾斜させて設けられ、前記受光素子は前記集光レンズの表面で反射された前記照射レーザ光を受光可能な位置に置かれていることを特徴としている。

また第２の発明に係る状態検出装置は、レーザ光出射面を有する半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子を駆動する駆動手段と、前記半導体レーザ素子から射出された照射レーザ光を集光して検出対象物へ向けて照射すると共に、この検出対象物から反射された反射レーザ光を前記半導体レーザ素子へ向けて集光する集光レンズと、前記照射レーザ光を受光する受光素子と、この受光素子の受光信号から前記検出対象物の状態を検出する検出手段とを備え、
前記集光レンズはその主面を前記レーザ光出射面に対して傾斜させて設けられ、前記受光素子は前記集光レンズの表面で反射された前記照射レーザ光を受光可能な位置に置かれていることを特徴としている。

更に第３の発明に係る状態検出装置は、上述した第１または第２の発明において、前記受光素子は、前記集光レンズの表面で全反射した出射レーザ光を受光する位置に設けられることを特徴としている。そして第４の発明に係る状態検出装置は、第１〜３の発明において、前記自己結合型のレーザ素子として、ＶＥＣＳＥＬ型のレーザダイオードを用いることを特徴としている。

尚、第１〜４の発明および本明細書の記載において、「集光」とは光路が拡がる角度を小さくすることを表し、必ずしも収束を意味しない。即ち、集光前の光路が広がる角度よりも、集光後の光路が広がる角度が幾分なりとも小さくなっていさえすれば「集光」という。

上記構成の状態検出装置によれば、集光レンズの光軸を照射レーザ光の光軸に対して、或いは集光レンズをレーザ素子のレーザ光出射面に対して傾斜させて設けているので、そのレンズの表面で反射する照射レーザ光をその光路から外れた側方へと向けることができる。しかも集光レンズを傾けても、照射レーザ光は検出対象物に向けて照射されると共に、検出対象物からの反射レーザ光はレーザ素子に集光される。従って集光レンズの本来の機能である集光作用を犠牲にすることなく、該集光レンズにレーザ素子からの出射レーザ光をモニタするべく該出射レーザ光の一部を光路の側方に取り出す反射体としての機能を兼備できる。この結果、状態検出装置の全体構成の簡素化と小型化を図りながら、レーザ素子の出力を正確にモニタすることができる等の実用上多大なる効果が奏せられる。

また集光レンズとして一般的な片凸面レンズまたは両凸面レンズを用い、そのレンズ面を光軸に対して傾けて設けるだけで良いのでその構成が非常に簡単であり、いわゆるレーザユニットの小型化を図ることができる。また出射レーザ光の前記集光レンズにおける全反射を利用して該出射レーザ光を受光するようにすれば、光の損失を抑えてその受光量を大きくすることができるので、射出レーザ光の出力モニタを安定に行うことができる等の効果が奏せられる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る状態検出装置について説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号を付す。
この状態検出装置は、レーザ光の自己結合効果を利用して検出対象物の状態を検出するものであり、基本的には背景技術の欄の記載と同等の機能を持つ構成を有する（図３を参照）。半導体レーザ素子１としては、例えばファブリペロー型またはＶＣＳＥＬ型のレーザ素子を用いることができる。これらのレーザ素子はレーザ光出射面１１を有している。このレーザ光出射面１１から出射するレーザ光は或る程度の拡がり角を持つので、その光路は円錐状あるいは楕円錐状を呈し、またその光軸はレーザ光出射面１１に垂直である。

本発明の特徴は以下の点にある。図１および図２にそれぞれその概略的な構成を示すように、レーザ素子１のレーザ光出射面１１の前面に設けられる集光レンズ４の光軸を、レーザ光出射面１１から射出されるレーザ光の光軸１２に対して斜めに傾けて（すなわち、両光軸が角度αをなすように）設け、集光レンズ４の主面４１が上記レーザ素子１のレーザ光出射面１１に対して傾くようにしてある。

この実施の形態においては、レーザ出射面１１は集光レンズ４の焦点Ｆの位置からレンズ主面４１に平行に変位した位置Ｆ’あるいはその近傍に置かれている。この位置Ｆ’から出射された照射レーザ光の光路は円錐状に拡がるものの、焦点Ｆから出射された場合と同様に、集光レンズ４を透過することによってほぼ平行光路に変換される。このとき、レーザ光の大部分は集光レンズ４を透過するが、その一部は集光レンズ４の二つの表面（レーザ素子１の側の表面４３と反射体２の側の表面４４）で反射される。この反射された照射レーザ光の一部を、その反射位置に向けて配された受光器３にて受光し、前記レーザ素子１の出力強度（光量）を検出する。ちなみに上記集光レンズ４の光軸４１の、レーザ光の光軸１２に対する傾き角度は、そのレンズ４の表面にて反射する出力光がレーザ素子１に戻って該レーザ素子１に再注入されることのない向きとなるように設定することが望ましい。

前述した通り集光レンズ４の光軸４１はレーザ光の光軸１２に対して傾きαを持つが、この傾き具合によっては、図２のように集光レンズ４の反射体２の側の表面４４で全反射が生じる。即ち、集光レンズ４の反射体２の側の表面に対してレンズ４の内部から外部へ向けて臨界角β（レンズの材質の屈折率が約１.５のとき約４１°）よりも大きな角度で臨む照射レーザ光は、レンズ４から外部へ出ることなく全反射される。従ってその全反射光が到達する位置に受光器３を設ければ、上記出射レーザ光を効率良くモニタすることが可能となる。尚、傾きαが大きくなる場合には、レーザ光の光軸１２がレンズ４の中心からやや外れるように（変位ｄを持つように）、レンズ４とレーザ素子１とを配置すると平行光路を得易い。

集光レンズ４によって平行光路に変換された照射レーザ光は反射体２（検出対象物）に到達し、その一部が反射レーザ光（戻り光）として集光レンズ４へ戻る。そしてこの戻り光は、レーザ素子１のレーザ光出射面１１へ向けて集光され、レーザ光出射面１１からレーザ素子１の内部へと入射する。このようにしてレーザ素子１に戻るレーザ光により前述した自己結合効果が生じる。

図４は、図２に示す原理の構成を用いた本発明の実施例としてのキャン・パッケージの断面図を示している。金属製のケース１００は有底の円筒形状に形成されており、傾きαを呈する底部１０１に円形の開口１０２を有している。開口１０２のケース１００内部側には段部が形成されており、この段部にガラス製の平凸のレンズ４の平面側が嵌め込まれており、レンズ４の凸面はケース１００の内側に向けられている。そしてケース１００の内側には、レンズ４の外周全周を囲むように低融点ガラス１０３が溶融固化されており、これによってレンズ４がケース１００に固定されている。ケース１００、レンズ４、および低融点ガラス１０３の材質としては、熱膨張率が互いに近似すると共に密着性に優れた材質がそれぞれ選択されており、レンズ４と開口１０２との間の密封状態が保たれる。

一方、ケース１００の端部は金属製の円板状の基板１１０で塞がれている。即ち、ケース１００の端部外周に形成されたフランジ形状の部分と基板１１０の外周に形成されたフランジ形状の部分とが密着して全周で溶接されて密封されている。基板１１０に形成された複数の貫通孔には、それぞれに金属製のピン１１１が挿入されている。それらの間は低融点ガラス１１２が溶融・固化されており、ピン１１１を基板１１０に固定している。基板１１０、ピン１１１、および低融点ガラス１１２の材質としては、熱膨張率が互いに近似すると共に密着性に優れた材質がそれぞれ選択されており、基板１１０とピン１１１との間の密封状態が保たれると共に、電気的絶縁性が保たれている。

また基板１１０の内側には、そのレーザ出射面１１をレンズ４へ向けて、レーザ素子１が接着固定されている。また基板１１０には金属製の支柱１１３が固定されており、その先端部には受光素子３が受光面をレンズ４へ向けて接着固定されている。そしてレーザ素子１および受光素子３のそれぞれの端子とピン１１１との間は導電性を持つワイヤ１１４で電気的に接続されており、外部からの給電および外部への信号取り出しが可能となっている。尚、基板１１０には接地ピン１１５が設けられており、この接地ピン１１５は基板１１０および支柱１１３に電気的に導通している。そして、レーザ素子１はその裏面で基板１１０に接地され、受光素子３はその裏面で支柱１１３に接地されている。

レーザ素子１とレンズ４と受光素子３について、図２に示した位置関係が採用されている。即ち、レーザ素子１の光軸１２はレンズ４の主点を通らずにやや変位して設けられており、レーザ素子１の光軸１２とレンズ４の光軸４１とは傾きαを成している。レーザ素子１のレーザ出射面１１から円錐状に放射されるレーザ光の外縁部分１２０は、レンズ４に入射した後、レンズ４の外側の表面４４に対して臨界角よりも大きい角度βで入射するので、表面４４で全反射されてレンズ４の側方へ出射し、受光素子３により受光される。尚、レーザ光１２０がレンズ４に入射するとき、その一部１２１はレンズ４の内側の表面４３で反射されるが、それが受光素子３に受光されないように、各部の位置関係が予め考慮されている。この際、キャン・パッケージの内部空間に不活性ガスを充填しておけば、レーザ素子１の劣化を防いで長寿命化することができる。

尚、この実施例において、平凸レンズ４の平面側をパッケージの外側へ向けて配置したのは、その平面側で生じる全反射を利用するときにレンズ４の傾きαを小さくすることができるからである。レンズ４の傾きαを大きくしても支障のないときは、レンズ４の凸面側をパッケージの外側へ向けて配置し、その凸面側で生じる全反射を利用するようにしても良い。またこの実施例は図２に示す原理の構成を用いたものであるが、図１に示す原理の構成を用いることもできる。即ち、受光素子３がレンズ４の表面反射１２１のみを受光するように、各部の位置関係を規定すれば良い。

かくして上述したように構成されたレーザ測長器によれば、集光レンズ４がその光軸に対して傾けて設けられていても、レーザ素子１から出射された出力光を集光して測定対象物（反射体）２に向けて照射し、また測定対象物（反射体）２にて反射した戻り光をレーザ素子１に再注入する機能が損なわれることがないので、その本来の機能（集光作用）を果たしながら、同時にレーザ素子１から出射された出力光の一部を反射して受光器３に導く機能を果たす。従って回折格子を備えた光分離素子や光アイソレータ等の特殊な光学素子を用いることなくレーザ素子１の出力光だけをモニタすることができるので、その構成の大幅な簡素化を図ることができる。

しかも集光レンズ４での全反射を利用して出射レーザ光の出力をモニタするようにすれば、受光器５での受光量を多くし、またその受光効率を高めることができるので安定した検出が可能である。また集光レンズ１の本来の機能を損なうことがないので、レーザ光の自己結合作用を安定に生起して状態検出を高精度に行うことが可能となる等の効果が奏せられる。

特に上述した構成であれば、例えばレーザ素子１がＶＥＣＳＥＬ（面発光）型のレーザダイオードであり、劈開面発光型や導波路型のレーザダイオードのように、レーザ発光素子１の裏面側に受光器３を配置することができないような場合であっても、その出力光を確実に検出することが可能である。
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば集光レンズ４については、前記レーザ素子１および受光器３を含む光学ユニットの窓部として形成するようにしても良い。またレーザ素子１として劈開面発光型や導波路型のレーザダイオードを用いることも勿論可能である。更には集光レンズ４としてコリメータ機能を持たせることも可能である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の一実施形態に係る状態検出装置の概略構成図。 本発明の別の実施形態に係る状態検出装置の概略構成図。 レーザ光の自己結合効果を利用したレーザ測長器の基本的な構成図。 本発明の実施例に係る状態検出装置を、キャン・パッケージに組み込んで実現されるレーザ測長器の概略構成図。

符号の説明

１ レーザ素子
２ 検出対象物（反射体）
３ 受光器
４ 集光レンズ

Claims (4)

1. レーザ光を射出する半導体レーザ素子と、
   この半導体レーザ素子を駆動する駆動手段と、
   前記半導体レーザ素子から射出された照射レーザ光を集光して検出対象物へ向けて照射すると共に、この検出対象物にて反射された反射レーザ光を前記半導体レーザ素子へ向けて集光する集光レンズと、
   前記照射レーザ光を受光する受光素子と、
   この受光素子の受光信号から前記検出対象物の状態を検出する検出手段とを備え、
   前記集光レンズはその光軸を前記照射レーザ光の光軸に対して傾斜させて設けられ、前記受光素子は前記集光レンズの表面で反射された前記照射レーザ光を受光可能な位置に置かれていることを特徴とする状態検出装置。
2. レーザ光出射面を有する半導体レーザ素子と、
   この半導体レーザ素子を駆動する駆動手段と、
   前記半導体レーザ素子から射出された照射レーザ光を集光して検出対象物へ向けて照射すると共に、この検出対象物から反射された反射レーザ光を前記半導体レーザ素子へ向けて集光する集光レンズと、
   前記照射レーザ光を受光する受光素子と、
   この受光素子の受光信号から前記検出対象物の状態を検出する検出手段とを備え、
   前記集光レンズはその主面を前記レーザ光出射面に対して傾斜させて設けられ、前記受光素子は前記集光レンズの表面で反射された前記照射レーザ光を受光可能な位置に置かれていることを特徴とする状態検出装置。
3. 前記受光素子は、前記集光レンズの表面で全反射した出射レーザ光を受光する位置に設けられるものである請求項１または２に記載の状態検出装置。
4. 前記自己結合型のレーザ素子は、ＶＥＣＳＥＬ型のレーザダイオードからなる請求項１〜３のいずれかに記載の状態検出装置。

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