JP2013142654A - 物理量センサおよび物理量計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外乱光の影響を受け難い物理量センサを実現する。
【解決手段】物理量センサは、物体１２にレーザ光を放射する半導体レーザ１と、半導体レーザ１から放射される光と略同一波長の光を放射する半導体レーザ２と、半導体レーザ１からの光の一部を反射して半導体レーザ２に入射させると共に残りの光を透過するビームスプリッタ３と、半導体レーザ２の端子間電圧を検出する電圧検出部７と、電圧検出部７の出力電圧から搬送波を除去するフィルタ部８と、フィルタ部８の出力電圧に含まれる自己結合信号の数と周期のうち少なくとも一方を計測する信号抽出部９と、信号抽出部９の計測結果から物体１２の物理量を算出する演算部１０とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体レーザから放射したレーザ光と物体からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉の情報から、例えば物体の速度等の物理量を計測する物理量センサおよび物理量計測方法に関するものである。

従来より、半導体レーザの自己結合効果を用いた波長変調型の物理量センサが提案されている（特許文献１参照）。この物理量センサの構成を図５に示す。図５の物理量センサは、物体２１０にレーザ光を放射する半導体レーザ２０１と、半導体レーザ２０１の光出力を電気信号に変換するフォトダイオード２０２と、半導体レーザ２０１からの光を集光して物体２１０に照射すると共に、物体２１０からの戻り光を集光して半導体レーザ２０１に入射させるレンズ２０３と、半導体レーザ２０１に発振波長が連続的に増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に減少する第２の発振期間とを交互に繰り返させるレーザドライバ２０４と、フォトダイオード２０２の出力電流を電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅部２０５と、電流−電圧変換増幅部２０５の出力電圧から信号を抽出する信号抽出回路２０６と、信号抽出回路２０６の出力電圧に含まれる、自己結合効果による干渉縞であるモードホップパルス（以下、ＭＨＰとする）の数を数える計数装置２０７と、物体２１０の速度を算出する演算装置２０８と、演算装置２０８の算出結果を表示する表示装置２０９とを有する。

レーザドライバ２０４は、時間に関して一定の変化率で増減を繰り返す三角波駆動電流を注入電流として半導体レーザ２０１に供給する。これにより、半導体レーザ２０１は、発振波長が一定の変化率で連続的に増加する第１の発振期間と発振波長が一定の変化率で連続的に減少する第２の発振期間とを交互に繰り返すように駆動される。図６は、半導体レーザ２０１の発振波長の時間変化を示す図である。図６において、Ｐ１は第１の発振期間、Ｐ２は第２の発振期間、λａは各期間における発振波長の最小値、λｂは各期間における発振波長の最大値、Ｔｃａｒは三角波の周期である。

半導体レーザ２０１から出射したレーザ光は、レンズ２０３によって集光され、物体２１０に入射する。物体２１０で反射された光は、レンズ２０３によって集光され、半導体レーザ２０１に入射する。フォトダイオード２０２は、半導体レーザ２０１の光出力を電流に変換する。電流−電圧変換増幅部２０５は、フォトダイオード２０２の出力電流を電圧に変換して増幅し、信号抽出回路２０６は、電流−電圧変換増幅部２０５の出力電圧から半導体レーザ２０１の発振波形（搬送波）を除去する。計数装置２０７は、信号抽出回路２０６の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々について数える。演算装置２０８は、半導体レーザ２０１の最小発振波長λａと最大発振波長λｂと第１の発振期間Ｐ１におけるＭＨＰの数と第２の発振期間Ｐ２におけるＭＨＰの数に基づいて、物体２１０の速度等の物理量を算出する。

特開２００６−３１３０８０号公報

特許文献１に開示された従来の物理量センサでは、半導体レーザの内部又はその近傍に配置されたフォトダイオードで半導体の光出力を検出するが、フォトダイオードの波長選択性が低く、外乱光の影響を受け易いという問題点があった。外乱光の影響を受けると、物理量の計測結果に誤差が生じる可能性がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、外乱光の影響を受け難い物理量センサおよび物理量計測方法を提供することを目的とする。

本発明の物理量センサは、測定対象にレーザ光を放射する第１の半導体レーザと、この第１の半導体レーザから放射される光と略同一波長の光を放射すると共に、前記第１の半導体レーザから放射される光を受光する第２の半導体レーザと、前記第１の半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の情報を含む、前記第２の半導体レーザの端子間インピーダンスを検出する検出手段と、この検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の情報から、前記測定対象の物理量を計測する計測手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の物理量センサの１構成例は、さらに、前記第１の半導体レーザを発振させると共に発振波長を変調する発振波長変調手段と、前記第２の半導体レーザを、前記第１の半導体レーザよりも弱い光強度で発光させる駆動手段とを備え、前記計測手段は、前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数と周期のうち少なくとも一方を計測する信号抽出手段と、この信号抽出手段の計測結果から前記測定対象の物理量を求める演算手段とからなることを特徴とするものである。

また、本発明の物理量計測方法は、測定対象にレーザ光を放射する第１の半導体レーザに駆動電流を供給して前記第１の半導体レーザを発振させる発振ステップと、第２の半導体レーザに駆動電流を供給して前記第１の半導体レーザから放射される光と略同一波長の光を放射させると共に、前記第１の半導体レーザから放射される光を前記第２の半導体レーザで受光する発光・受光ステップと、前記第１の半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の情報を含む、前記第２の半導体レーザの端子間インピーダンスを検出する検出ステップと、この検出ステップで得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の情報から、前記測定対象の物理量を計測する計測ステップとを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の物理量計測方法の１構成例において、前記発振ステップは、前記第１の半導体レーザの発振波長を変調するステップを含み、前記発光・受光ステップは、前記第２の半導体レーザを、前記第１の半導体レーザよりも弱い光強度で発光させるステップを含み、前記計測ステップは、前記検出ステップで得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の数と周期のうち少なくとも一方を計測する信号抽出ステップと、この信号抽出ステップの計測結果から前記測定対象の物理量を求める演算ステップとからなることを特徴とするものである。

本発明によれば、第１の半導体レーザから放射される光と略同一波長の光を放射する第２の半導体レーザに第１の半導体レーザの光出力を入射させ、第２の半導体レーザの端子間インピーダンスを検出して、この端子間インピーダンスから干渉波形の情報を抽出するので、波長選択性を向上させることができ、外乱光の影響を受け難い物理量センサを実現することができる。また、本発明では、第１、第２の半導体レーザとして、同一基板上に２つの半導体レーザが形成されたチップを利用することができるので、従来のように半導体レーザとフォトダイオードを別々に設ける場合と比較して装置のコストを抑えることができる。

本発明の実施の形態に係る物理量センサの構成を示すブロック図である。 モードホップパルスについて説明するための図である。 半導体レーザの発振波長とフォトダイオードの出力波形との関係を示す図である。 本発明の実施の形態における電圧検出部の出力電圧波形およびフィルタ部の出力電圧波形を模式的に示す波形図である。 従来の物理量センサの構成を示すブロック図である。 図５の物理量センサにおける半導体レーザの発振波長の時間変化の１例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る物理量センサの構成を示すブロック図である。図１の物理量センサは、測定対象の物体１２にレーザ光を放射する半導体レーザ１と、半導体レーザ１から放射される光と略同一波長の光を放射すると共に、半導体レーザ１から放射される光を受光する半導体レーザ２と、半導体レーザ１からの光の一部を反射して半導体レーザ２に入射させると共に残りの光を透過するビームスプリッタ３と、ビームスプリッタ３を透過した光を集光して放射すると共に、物体１２からの戻り光を集光して半導体レーザ１に入射させるレンズ４と、半導体レーザ１を発振させると共に発振波長を変調する発振波長変調手段となるレーザドライバ５と、半導体レーザ２を駆動する駆動手段となるレーザドライバ６と、半導体レーザ２の端子間インピーダンス（本実施の形態では端子間電圧）を検出する電圧検出部７と、電圧検出部７の出力電圧から搬送波を除去するフィルタ部８と、フィルタ部８の出力電圧に含まれる自己結合信号であるＭＨＰの数と周期のうち少なくとも一方を計測する信号抽出部９と、信号抽出部９の計測結果から例えば物体１２との距離や物体１２の速度等の物理量を算出する演算部１０と、演算部１０の算出結果を表示する表示部１１とを有する。信号抽出部９と演算部１０とは、計測手段を構成している。

本実施の形態では、半導体レーザ１，２としてＶＣＳＥＬ型のものを用いることを想定しており、ＶＣＳＥＬ型の半導体レーザは例えば特開２００５−２２３１１１号公報、特開２００７−１７３５５０号公報に開示されている。
レーザドライバ５は、時間に関して一定の変化率で電圧増減（または電流増減）を繰り返す三角波状の駆動信号を半導体レーザ１に供給する。これにより、半導体レーザ１は、駆動信号の大きさに比例して発振波長が一定の変化率で連続的に増加する第１の発振期間Ｐ１と発振波長が一定の変化率で連続的に減少する第２の発振期間Ｐ２とを交互に繰り返すように駆動される。このときの半導体レーザ１の発振波長の時間変化は、図６に示したとおりである。なお、半導体レーザ１の駆動方法はこのような形態に限定されず、第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２で時間に対する発振波長変化速度の絶対値が異なるようにしてもよいし、三角波の極大部と極小部とを丸めた波形の駆動信号を半導体レーザ１に供給してもよいし、半導体レーザ１を鋸波状に発振させてもよい。

レーザドライバ６は、半導体レーザ２に駆動信号を供給して、半導体レーザ１から放射される光と略同一波長の光を半導体レーザ２から放射させる。上記のとおり半導体レーザ１の発振波長が変調されるので、半導体レーザ２から放射される光の波長が半導体レーザ１から放射される光の波長と常時一致することはないが、例えば半導体レーザ２から放射される光の波長が半導体レーザ１から放射される光の中心波長と一致するようにすればよい。また、レーザドライバ６は、半導体レーザ２から放射される光の強度が半導体レーザ１から放射される光の強度よりも弱くなるようにレーザ駆動電流を設定する。

なお、ＤＦＢ型の半導体レーザ１，２の場合には、レーザ駆動電流によって波長変調と光強度設定の両方を行う。すなわち、レーザ駆動電流が上記駆動信号となる。
一方、ＶＣＳＥＬ型の半導体レーザ１，２の場合には、駆動信号の電圧を増減することによって波長変調を行い、レーザ駆動電流によって光強度設定を行う。

半導体レーザ１から出射した光の一部は、ビームスプリッタ３で反射されて半導体レーザ２に入射し、半導体レーザ１から出射した残りの光は、ビームスプリッタ３を透過して、レンズ４によって集光され、物体１２に入射する。物体１２で反射された光は、レンズ４によって集光され、半導体レーザ１に入射する。
電圧検出部７は、半導体レーザ２の端子間電圧、すなわちアノード−カソード間電圧を検出して増幅する。フィルタ部８は、電圧検出部７の出力電圧から搬送波を除去する。

ここで、自己結合信号であるＭＨＰについて説明すると共に、半導体レーザ２の端子間電圧からＭＨＰ波形を抽出する原理について説明する。図２に示すように、ミラー層１３から物体１２までの距離をＬ、レーザの発振波長をλとすると、以下の共振条件を満足するとき、物体１２からの戻り光と半導体レーザ１の光共振器内のレーザ光は強め合い、レーザ出力がわずかに増加する。
Ｌ＝ｑλ／２ ・・・（１）
式（１）において、ｑは整数である。この現象は、物体１２からの散乱光が極めて微弱であっても、半導体レーザ１の共振器内の見かけの反射率が増加することにより、増幅作用が生じ、十分観測できる。なお、図２において、１４は半導体レーザ１の光出力を検出するフォトダイオード、１５はミラーとなる誘電体多層膜である。

図３は、半導体レーザ１の発振波長をある一定の割合で変化させたときの発振波長とフォトダイオード１４の出力波形との関係を示す図である。式（１）に示したＬ＝ｑλ／２を満足したときに、戻り光と光共振器内のレーザ光の位相差が０°（同位相）になって、戻り光と光共振器内のレーザ光とが最も強め合い、Ｌ＝ｑλ／２＋λ／４のときに、位相差が１８０°（逆位相）になって、戻り光と光共振器内のレーザ光とが最も弱め合う。そのため、半導体レーザ１の発振波長を変化させていくと、レーザ出力が強くなるところと弱くなるところとが交互に繰り返し現れ、このときのレーザ出力をフォトダイオード１４で検出すると、図３に示すように一定周期の階段状の波形が得られる。このような波形は一般的には干渉縞と呼ばれる。この階段状の波形、すなわち干渉縞の１つ１つがＭＨＰである。ある一定時間において半導体レーザ１の発振波長を変化させた場合、測定距離に比例してＭＨＰの数は変化する。さらに、物体１２が速度を持つ場合、ドップラー効果成分によって速度に比例したＭＨＰの数だけ増減する。

以上の説明から明らかなように、半導体レーザ１の光出力をフォトダイオードで検出すれば、フォトダイオードの出力にはＭＨＰ波形が現れる。特許文献１に開示された従来の物理量センサは、フォトダイオードを用いるものである。

一方、本実施の形態では、半導体レーザ２を用いてＭＨＰ波形を抽出する。上記のとおり、半導体レーザ２は、半導体レーザ１から放射される光と略同一波長の光を放射する。このことは、半導体レーザ１と半導体レーザ２の光学利得スペクトルが略等しいことを意味する。このような半導体レーザ２に半導体レーザ１の光出力の一部を入射させると、光学利得スペクトルが高い波長の光を半導体レーザ２の活性層に注入することになるので、図２、図３で説明した自己結合効果によって生じる半導体レーザ１の光出力変化に応じて半導体レーザ２の光電変換効率が変化することになり、半導体レーザ２の端子間電圧には、ＭＨＰ波形が現れる。したがって、半導体レーザ２の端子間電圧からＭＨＰ波形を抽出することが可能である。なお、ＶＣＳＥＬ型の半導体レーザにおいて、ここで言う「端子」とは、レーザ駆動電流が供給される端子のことである。

フィルタ部８は、電圧検出部７の出力電圧から搬送波を除去する。図４（Ａ）は電圧検出部７の出力電圧波形を模式的に示す図、図４（Ｂ）はフィルタ部８の出力電圧波形を模式的に示す図である。これらの図は、半導体レーザ２の端子間電圧波形に相当する図４（Ａ）の波形（変調波）から、図６に示した半導体レーザ１の発振波形（搬送波）を除去して、図４（Ｂ）のＭＨＰ波形（干渉波形）を抽出する過程を表している。フィルタ部８は、例えば搬送波除去用のハイパスフィルタとノイズ除去用のローパスフィルタで構成することができる。

信号抽出部９は、フィルタ部８の出力電圧に含まれるＭＨＰの数とＭＨＰの周期のうち少なくとも一方を計測する。
演算部１０は、信号抽出部９の計測結果から、物体１２との距離および物体１２の速度を算出する。ＭＨＰの数から物体１２との距離および物体１２の速度を算出する方法については、特許文献１に開示されているので、詳細な説明は省略する。

以上のように、本実施の形態では、半導体レーザ１から放射される光と略同一波長の光を放射する半導体レーザ２に半導体レーザ１の光出力を入射させ、半導体レーザ２の端子間電圧を検出して、この端子間電圧からＭＨＰを抽出する。半導体レーザ２は波長が略同一の半導体レーザ１からのみ影響を受けるので、波長選択性を向上させることができ、外乱光の影響を受け難い物理量センサを実現することができる。また、本実施の形態では、半導体レーザ１，２として、同一基板上に２つの半導体レーザが形成されたチップを利用することができるので、従来のように半導体レーザとフォトダイオードを別々に設ける場合と比較して装置のコストを抑えることができる。

なお、本実施の形態では、物理量センサが算出する物理量として物体１２との距離および物体１２の速度を例に挙げて説明しているが、物理量センサが算出する物理量はこれに限るものではない。ＭＨＰの周期から物体１２の変位や速度を算出する方法については、例えば特開２０１０−１０１６４２号公報に開示されている。ＭＨＰの数から物体１２の振動周波数を算出する方法については、例えば特開２０１０−７１９２３号公報に開示されている。ＭＨＰの数から物体１２の振動振幅を算出する方法については、例えば特開２０１０−７８３９３号公報に開示されている。ＭＨＰの周期から物体１２の速度および張力を算出する方法については、例えば特開２０１０−２１０３８２号公報に開示されている。このように、本実施の形態は様々な物理量センサに適用することができる。

また、本実施の形態において、半導体レーザ２から放射される光の強度は半導体レーザ１から放射される光の強度よりも弱い。このため、半導体レーザ２からの光が半導体レーザ１に影響を与えることはないので、半導体レーザ２からの光の放射方向については特に限定する必要はない。つまり、半導体レーザ１と同様に、半導体レーザ２からの光を物体１２に放射してもよいし、別の方向に放射してもよい。

また、本実施の形態では、半導体レーザ２で半導体レーザ１の光出力を受光するためにビームスプリッタ３を用いているが、半導体レーザ２で半導体レーザ１の光出力を受光できればよく、他の手段を用いてもよい。
また、本実施の形態では、半導体レーザ２の端子間インピーダンスを検出する例として、端子間電圧を検出する例を挙げているが、これに限るものではなく、インピーダンスそのものを検出するようにしてもよい。

本実施の形態において少なくとも信号抽出部９と演算部１０とは、例えばＣＰＵ、メモリおよびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、メモリに格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、半導体レーザから放射したレーザ光と物体からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉の情報から、物体の物理量を計測する技術に適用することができる。

１，２…半導体レーザ、３…ビームスプリッタ、４…レンズ、５，６…レーザドライバ、７…電圧検出部、８…フィルタ部、９…信号抽出部、１０…演算部、１１…表示部、１２…物体。

Claims (4)

1. 測定対象にレーザ光を放射する第１の半導体レーザと、
   この第１の半導体レーザから放射される光と略同一波長の光を放射すると共に、前記第１の半導体レーザから放射される光を受光する第２の半導体レーザと、
   前記第１の半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の情報を含む、前記第２の半導体レーザの端子間インピーダンスを検出する検出手段と、
   この検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の情報から、前記測定対象の物理量を計測する計測手段とを備えることを特徴とする物理量センサ。
2. 請求項１記載の物理量センサにおいて、
   さらに、前記第１の半導体レーザを発振させると共に発振波長を変調する発振波長変調手段と、
   前記第２の半導体レーザを、前記第１の半導体レーザよりも弱い光強度で発光させる駆動手段とを備え、
   前記計測手段は、
   前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数と周期のうち少なくとも一方を計測する信号抽出手段と、
   この信号抽出手段の計測結果から前記測定対象の物理量を求める演算手段とからなることを特徴とする物理量センサ。
3. 測定対象にレーザ光を放射する第１の半導体レーザに駆動電流を供給して前記第１の半導体レーザを発振させる発振ステップと、
   第２の半導体レーザに駆動電流を供給して前記第１の半導体レーザから放射される光と略同一波長の光を放射させると共に、前記第１の半導体レーザから放射される光を前記第２の半導体レーザで受光する発光・受光ステップと、
   前記第１の半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形の情報を含む、前記第２の半導体レーザの端子間インピーダンスを検出する検出ステップと、
   この検出ステップで得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の情報から、前記測定対象の物理量を計測する計測ステップとを備えることを特徴とする物理量計測方法。
4. 請求項３記載の物理量計測方法において、
   前記発振ステップは、前記第１の半導体レーザの発振波長を変調するステップを含み、
   前記発光・受光ステップは、前記第２の半導体レーザを、前記第１の半導体レーザよりも弱い光強度で発光させるステップを含み、
   前記計測ステップは、
   前記検出ステップで得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の数と周期のうち少なくとも一方を計測する信号抽出ステップと、
   この信号抽出ステップの計測結果から前記測定対象の物理量を求める演算ステップとからなることを特徴とする物理量計測方法。

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