JP3454870B2 - Optical displacement sensor - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、対象物の変位量を光学
的に測定する光学式変位センサに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical displacement sensor for optically measuring a displacement amount of an object.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、半導体レーザを用いて対象物の変
位量を測定する光学系として、図20に示すようなマイ
ケルソン干渉計(例えば、山口一郎 他編の「半導体レ
ーザと光計測」参照)が知られている。2. Description of the Related Art Conventionally, as an optical system for measuring a displacement amount of an object using a semiconductor laser, a Michelson interferometer as shown in FIG. 20 (for example, see "Semiconductor Laser and Optical Measurement" edited by Ichiro Yamaguchi et al. )It has been known.
【0003】即ち、半導体レーザ1から出射されたレー
ザービームは、第1のコリメートレンズ3によって平行
光束に整形された後、光アイソレータ5を介してビーム
スプリッタ7に照射され、2方向に振り分けられる。That is, the laser beam emitted from the semiconductor laser 1 is shaped into a parallel light flux by the first collimator lens 3, and then is irradiated onto the beam splitter 7 via the optical isolator 5 and is split into two directions.
【0004】その一方のレーザービームは、ビームスプ
リッタ7から反射して固定ミラー9に照射された後、こ
の固定ミラー9によって再びビームスプリッタ7方向に
反射される。他方のレーザービームは、ビームスプリッ
タ7を透過し、対象物(図示しない)に取り付けられた
ミラー11に照射された後、このミラー11によって再
びビームスプリッタ7方向に反射される。One of the laser beams is reflected from the beam splitter 7 and applied to the fixed mirror 9, and then is reflected again by the fixed mirror 9 toward the beam splitter 7. The other laser beam passes through the beam splitter 7, irradiates a mirror 11 attached to an object (not shown), and is then reflected by the mirror 11 toward the beam splitter 7 again.
【0005】両ミラー9,11から反射された夫々のレ
ーザービームは、ビームスプリッタ7によって再び合波
された後、集光レンズ13を介して受光素子15上に集
光される。The respective laser beams reflected from both mirrors 9 and 11 are recombined by the beam splitter 7 and then condensed on the light receiving element 15 via the condenser lens 13.
【0006】受光素子15では、これら2つのレーザー
ビームの光路差に対応した光強度の変化状態(例えば、
干渉縞の明暗の変化状態)が検出される。この受光素子
15によって検出された検出データに基づいて、対象物
に取り付けられたミラー11の変位量(S)が測定され
ることになる。In the light receiving element 15, a change state of the light intensity corresponding to the optical path difference between these two laser beams (for example,
The change state of the brightness and darkness of the interference fringes) is detected. The displacement amount (S) of the mirror 11 attached to the object is measured based on the detection data detected by the light receiving element 15.
【0007】なお、光アイソレータ5は、半導体レーザ
1の発振モード変化(モードホッピング)、あるいは、
発振波長の跳びやレーザー出力の変動等の弊害を防止す
るために、半導体レーザ1への戻り光を遮断する。The optical isolator 5 changes the oscillation mode of the semiconductor laser 1 (mode hopping), or
The return light to the semiconductor laser 1 is blocked in order to prevent adverse effects such as jumps in the oscillation wavelength and fluctuations in laser output.
【0008】一方、半導体レーザ1からのレーザービー
ムを被測定体に照射して、その被測定体からの反射光を
半導体レーザ1に帰還させる構成により、複合共振器を
形成して、被測定体の変位を測定する方法(特開昭60
−256079号公報参照)が提案されており、図21
に、その構成を示す。On the other hand, by irradiating the laser beam from the semiconductor laser 1 to the object to be measured and returning the reflected light from the object to be measured to the semiconductor laser 1, a composite resonator is formed and the object to be measured is formed. Method for measuring the displacement of
No. 25656079) is proposed, and FIG.
Shows the configuration.
【0009】図21に示すように、半導体レーザ1から
出射されたレーザービームは、コリメートレンズ3によ
り平行光となり、更に、ビームスプリッタ7により直交
する2方向に分離される。一方のレーザービームは、被
測定体に取り付けた外部ミラー11に垂直に照射され、
その反射光は、出射光と対の経路を通って半導体レーザ
1に帰還する。他方のレーザービームは、光検出器5に
より、その光出力を測定するために利用される。As shown in FIG. 21, the laser beam emitted from the semiconductor laser 1 is made into parallel light by the collimator lens 3 and further split by the beam splitter 7 in two orthogonal directions. One of the laser beams is radiated vertically to the external mirror 11 attached to the measured object,
The reflected light returns to the semiconductor laser 1 through a pair of paths with the emitted light. The other laser beam is used by the photodetector 5 to measure its light output.
【0010】外部ミラー11がX又は−X方向に変位す
ると、半導体レーザ1の出射光と反射光の位相関係によ
り、その変位が発振波長λ0 の半分(λ0 /2)だけ変
化する毎に光出力の強度が変化することを利用して、外
部ミラー11の変位を測定することができる。[0010] External mirror 11 is displaced in the X or -X direction, the phase relationship of the semiconductor laser 1 of the emitted light and the reflected light, each of the displacement is changed by half the oscillation wavelength λ 0 (λ 0/2) The displacement of the external mirror 11 can be measured by utilizing the change in the intensity of the light output.
【0011】[0011]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図20
に示されたような干渉計は、レンズ3,13、光アイソ
レータ5、ビームスプリッタ7及びミラー9,11等を
組み合わせてレーザービームを分岐あるいは合波させる
ように構成されている。このため、光学系全体を組み上
げるのに大きな容積を必要とし、非常に小さなマイクロ
センサとして集積化させることは困難である。However, as shown in FIG.
The interferometer as shown in FIG. 2 is configured to combine the lenses 3 and 13, the optical isolator 5, the beam splitter 7, the mirrors 9 and 11 and the like to split or combine the laser beams. Therefore, a large volume is required to assemble the entire optical system, and it is difficult to integrate it as a very small microsensor.
【0012】また、図21に示した構成でも、レーザー
ビームをコリメートするためのコリメートレンズ3やビ
ームスプリッタ7を必要とするため、センサの小型化に
は制限を受ける。The configuration shown in FIG. 21 also requires the collimating lens 3 and the beam splitter 7 for collimating the laser beam, which limits the miniaturization of the sensor.
【0013】更に、図21に示す構成において、例え
ば、ストライプ構造を有する通常の半導体レーザを使用
した場合、半導体レーザに帰還する光の量や位相が変化
すると、半導体レーザ内の発振モードが変化(モードホ
ッピング)するため、光出力の変動が生じ易くなる。従
って、変位Xに対してλ0 /2毎の規則的な光出力の変
化と、不規則なモードホッピングによる光出力の変化と
が重なって測定されることになり、正確な変位量の測定
が難かしい。そこで、本発明は、極めて簡単な構成で高
精度な変位測定が可能なコンパクトな光学式変位センサ
を提供することを目的とする。Further, in the structure shown in FIG. 21, for example, when an ordinary semiconductor laser having a stripe structure is used, when the amount or phase of light returned to the semiconductor laser changes, the oscillation mode in the semiconductor laser changes ( Due to the mode hopping, the optical output is likely to change. Therefore, regular and light output changes every lambda 0/2 with respect to the displacement X, will be the change in light output by the irregular mode hopping is measured overlap, accurate measurement of displacement It's difficult. Therefore, an object of the present invention is to provide a compact optical displacement sensor capable of highly accurate displacement measurement with an extremely simple structure.
【0014】[0014]
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の光学式変位センサは、垂直共振器型
面発光レーザと、この垂直共振器型面発光レーザと光学
系を介さずに対向して配置され、かつ互いに組み合わさ
れて複合共振器を構成する外部反射手段と、前記垂直共
振器型面発光レーザと前記外部反射手段との間の相対的
な位置変化に起因して生じるレーザ出力の周期的な変化
または前記複合共振器のミラー損失の周期的変化を計測
することによって、前記垂直共振器型面発光レーザと前
記外部反射手段との間の相対的な位置変化を検出可能に
構成された検出手段とを備えている。また、本発明の別
の光学式変位センサは、同一の基板上に形成されている
少なくとも二つの垂直共振器型面発光レーザと、前記垂
直共振器型面発光レーザと光学系を介さずに対向して配
置され、かつ互いに組み合わされ、少なくとも二つの複
合共振器を形成する少なくとも二つの反射領域を有する
外部反射手段と、少なくとも一つの複合共振器に設けら
れた、光線の位相をシフトさせる為の光学的位相シフト
手段と、前記垂直共振器型面発光レーザと前記外部反射
手段の反射面との相対距離の変化によって生じる、二つ
あるいはそれ以上のレーザ出力の周期的な変化、または
前記複合共振器のミラー損失の周期的な変化を計測する
ことにより、少なくとも二つの前記垂直共振器型面発光
レーザと前記外部反射手段の反射面との相対距離の変化
を検出する検出手段とを有する。In order to achieve such an object, an optical displacement sensor of the present invention includes a vertical cavity surface emitting laser and an optical system including the vertical cavity surface emitting laser and an optical system. Due to a relative position change between the external reflection means, which are opposed to each other and are combined with each other to form a composite resonator, and the vertical cavity surface emitting laser and the external reflection means. Detecting a relative change in position between the vertical cavity surface emitting laser and the external reflection means by measuring the resulting periodic change in laser output or the periodic change in mirror loss of the composite resonator. And a detection means configured as possible. Another optical displacement sensor of the present invention is such that at least two vertical cavity surface emitting lasers formed on the same substrate are opposed to the vertical cavity surface emitting laser without an optical system. External reflection means having at least two reflective regions which are arranged together and are combined with each other to form at least two composite resonators, and for providing the phase shift of the light beam provided in the at least one composite resonator. Periodic changes in two or more laser outputs caused by changes in the relative distance between the optical phase shift means, the vertical cavity surface emitting laser and the reflection surface of the external reflection means, or the composite resonance Of the relative distance between at least two of the vertical cavity surface emitting lasers and the reflection surface of the external reflection means by measuring a periodic change in mirror loss of the external reflection means. And a detection means for detecting for.
【0015】[0015]
【作用】垂直共振器型面発光レーザと外部反射手段との
間の相対的な位置変化は、検出手段によって、垂直共振
器型面発光レーザと外部反射手段との間の相対的な位置
変化に起因して生じるレーザ出力の周期的変化又は複合
共振器のミラー損失の周期的変化を計測することによっ
て検出される。The relative position change between the vertical cavity surface emitting laser and the external reflection means is changed by the detection means into the relative position change between the vertical cavity surface emitting laser and the external reflection means. It is detected by measuring the resulting periodic change in the laser output or the periodic change in the mirror loss of the composite resonator.
【0016】[0016]
【実施例】以下、本発明の基本原理について説明し、次
に、この原理を適用した各実施例について順次説明す
る。図1には、垂直共振器型面発光レーザ19と外部ミ
ラー21とを組み合わせて構成した複合共振器を備えた
本発明の基本原理となる光学系の基本構成が示されてい
る。この複合共振器におけるレーザー光の強度変化又は
ミラー損失の変化は、検出手段23によって検出され
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The basic principle of the present invention will be described below, and then each embodiment to which this principle is applied will be sequentially described. FIG. 1 shows a basic configuration of an optical system, which is a basic principle of the present invention, including a compound resonator configured by combining a vertical cavity surface emitting laser 19 and an external mirror 21. The change in the intensity of the laser light or the change in the mirror loss in this composite resonator is detected by the detecting means 23.
【0017】この検出手段23による検出方法として
は、受光素子25によってレーザー光の強度変化を直接
検出する方法、あるいは、PN接合電位差検出手段27
によって外部ミラー21と垂直共振器型面発光レーザ1
9との相対的変位により引き起こされる外部ミラーを含
むレーザのミラー損失の変化を複合共振器内部のキャリ
ア密度の変化に基づいて検出する方法が知られている。As the detecting method by the detecting means 23, a method of directly detecting the intensity change of the laser beam by the light receiving element 25 or a PN junction potential difference detecting means 27.
External mirror 21 and vertical cavity surface emitting laser 1
9 includes an external mirror caused by relative displacement with
There is known a method of detecting a change in mirror loss of a laser based on a change in carrier density inside the compound resonator.
【0018】また、外部ミラー21から帰還するレーザ
ー光の位相は、外部ミラー21と垂直共振器型面発光レ
ーザ19との相対的な変位(S)により決定され、レー
ザー光の波長(λ0 )の1/2に相当する変位量の周期
でレーザー光出力が変動する。The phase of the laser light returned from the external mirror 21 is determined by the relative displacement (S) between the external mirror 21 and the vertical cavity surface emitting laser 19, and the wavelength of the laser light (λ 0 ). The laser light output fluctuates in a cycle of a displacement amount corresponding to ½ of the above.
【0019】このときの変位量(ΔL)は、計数装置2
9及び演算装置31を介して算出される。具体的には、
計数装置29を介してカウントされたレーザー光出力の
変動回数Nc を演算装置31に入力する。演算装置31
は、入力されたデータ(Nc)に対して以下の計算式に
基づいた演算処理を施す。
ΔL=Nc ・λ0 /2/n …(1)
n;外部ミラー21と垂直共振器型面発光レーザ19と
の間の媒質の屈折率この演算の結果得られた値が、変位
量(ΔL)となる。なお、屈折率(n)は、以下の説明
では大気中で動作させる場合を前提として、n=1.0
とする。The displacement amount (ΔL) at this time is calculated by the counting device 2
9 and the calculation device 31. In particular,
The number of fluctuations Nc of the laser light output counted through the counter 29 is input to the arithmetic unit 31. Arithmetic unit 31
Performs arithmetic processing on the input data (Nc) based on the following calculation formula. ΔL = Nc · λ 0/2 / n ... (1) n; refractive index value obtained as a result of this operation of the medium between the external mirror 21 and the vertical cavity surface emitting laser 19, the amount of displacement ([Delta] L ). The refractive index (n) is n = 1.0 in the following description on the assumption that it is operated in the atmosphere.
And
【0020】また、レーザー光強度の変化又は複合共振
器のミラー損失の変化を検出する検出手段として、以
下、受光素子25を利用した場合について説明するが、
特に断らない限り、これを共振器のミラー損失の変化を
検出する検出手段27に置き換えることも可能である。The case where the light receiving element 25 is used as the detecting means for detecting the change in the laser light intensity or the change in the mirror loss of the composite resonator will be described below.
Unless otherwise specified, this may be replaced with a detecting means 27 for detecting a change in the mirror loss of the resonator.
【0021】次に、更に詳しい動作原理を説明するため
に、図2に示すように、単一モードを出力する半導体レ
ーザとして、分布反射型(DBR型)ミラー(図示しな
い)を有する垂直共振器型面発光レーザ19が適用され
た複合共振器について説明する。Next, in order to explain the more detailed operation principle, as shown in FIG. 2, a vertical cavity having a distributed reflection (DBR) mirror (not shown) as a semiconductor laser that outputs a single mode. A compound resonator to which the surface emitting laser 19 is applied will be described.
【0022】なお、以下の説明では、レーザの発振モー
ドは、共振器方向に対応した縦モードに関してのみ考慮
し、これと垂直方向の横モードは、単一モードに制御さ
れているものとする。ここで、横モードを単一モードに
制御するためには、面発光レーザ内部の導波路の断面寸
法のうち、共振器と垂直な断面寸法を一定値以下(10
μm程度)にすればよい。ここで、垂直共振器型面発光
レーザ19の実効的な共振器長をleff 、レーザーの出
射面と外部ミラー21との間の距離をLとした場合、In the following description, the oscillation mode of the laser is considered only for the longitudinal mode corresponding to the cavity direction, and the transverse mode in the vertical direction is controlled to be a single mode. Here, in order to control the transverse mode to a single mode, among the cross-sectional dimensions of the waveguide inside the surface-emitting laser, the cross-sectional dimension perpendicular to the resonator is not more than a certain value (10
μm). Here, when the effective cavity length of the vertical cavity surface emitting laser 19 is l eff and the distance between the laser emission surface and the external mirror 21 is L,
【0023】[0023]
【数1】 [Equation 1]
【0024】となるように構成することによって、図3
(a)〜(c)に示すような特性を得ることができる。
図3(a)に示すように、複合共振器全体の反射率R
tot は、外部ミラー21(図2参照)からの反射光と垂
直共振器型面発光レーザ19内部で共振している光との
干渉によって、DBR型ミラーの反射率RDBR が周期Δ
λFPで変調されたものとなる。ここで、ΔλFPは、λ0
を発振波長とすると、数1式の条件の下では、As shown in FIG.
The characteristics shown in (a) to (c) can be obtained.
As shown in FIG. 3A, the reflectance R of the entire composite resonator is
The tot is caused by the interference between the reflected light from the external mirror 21 (see FIG. 2) and the light resonating inside the vertical cavity surface emitting laser 19, so that the reflectance R DBR of the DBR mirror has a period Δ.
It will be modulated by λ FP . Where Δλ FP is λ 0
Is the oscillation wavelength, under the condition of equation 1,
【0025】[0025]
【数2】 として与えられる。[Equation 2] Given as.
【0026】一方、図3(b)に示すように、垂直共振
器型面発光レーザ19単体で共振器の位相条件を満たす
波長間隔Δλfpは、neff をレーザー導波路(図示しな
い)の波長分散を考慮した有効屈折率とすると、On the other hand, as shown in FIG. 3B, in the vertical cavity surface emitting laser 19 alone, the wavelength interval Δλfp satisfying the phase condition of the cavity is represented by n eff of the wavelength dispersion of the laser waveguide (not shown) Taking into account the effective refractive index,
【0027】[0027]
【数3】 として与えられる。[Equation 3] Given as.
【0028】通常、垂直共振器型面発光レーザ19の半
導体多層ミラー(図示しない)によって形成されたDB
Rの反射率が、そのピークの1/2となる帯域幅Δλ
DBR (同図(a)参照)は、約20nm程度であるか
ら、(2)式の条件を考慮するとA DB normally formed by a semiconductor multi-layer mirror (not shown) of the vertical cavity surface emitting laser 19.
Bandwidth Δλ at which the reflectance of R is half of its peak
Since the DBR (see (a) in the figure) is about 20 nm, considering the condition of equation (2)
【0029】[0029]
【数4】 となることが分かる。[Equation 4] It turns out that
【0030】典型的な値として、λ0 =0.97μm、L=
100μm、leff = 3.5μm、neff =4.3 とすると、
Δλfp=31nm、ΔλFP= 4.7nmとなる。ストライプ
構造を有する通常の半導体レーザでは、Δλfpは、1n
m程度であるが、垂直共振器型面発光レーザでは、上述
のように、Δλfpが数十nmとなり、ΔλDBR と同程度
の大きさであることにより、図3(a),(b)に示す
ように、DBRミラーが高反射率を示す波長領域では、
同図(b)の位相条件を満足するモードが高々1〜2モ
ードしかない。As typical values, λ 0 = 0.97 μm, L =
Assuming 100 μm, l eff = 3.5 μm, and n eff = 4.3,
Δλ fp = 31 nm and Δλ FP = 4.7 nm. In a normal semiconductor laser having a stripe structure, Δλ fp is 1n
Although about m, in the vertical cavity surface emitting laser, as described above, Δλ fp is several tens of nm, which is about the same as Δλ DBR . As shown in, in the wavelength region where the DBR mirror exhibits high reflectance,
Only at most one or two modes satisfy the phase condition of FIG.
【0031】このため、垂直共振器型面発光レーザは、
モードが非常に安定でモードホッピングすることは殆ど
ない特長を有している。なお、DBRミラーを持たない
垂直共振器型面発光レーザにおいても、Δλfpが数十n
mであり、また、活性層の光利得の波長依存性のため、
Δλfpだけ波長の異なるモードでは、モードの利得差が
大きく、レーザ発振モードのモードホッピングが生じに
くいことが知られている。Therefore, the vertical cavity surface emitting laser is
It has a feature that the mode is very stable and hardly causes mode hopping. Even in the vertical cavity surface emitting laser having no DBR mirror, Δλ fp is several tens n.
m, and because of the wavelength dependence of the optical gain of the active layer,
It is known that in the modes having wavelengths different by Δλ fp , the mode gain difference is large and mode hopping of the laser oscillation mode hardly occurs.
【0032】外部ミラー21と垂直共振器型面発光レー
ザ19(図2参照)との間の距離Lが、ΔLだけ変化し
たとすると、複合共振器としての反射率Rtot の波長特
性は、図3(a)に示すように、δλFPだけシフトし、
R´tot で示される波長特性となる。Assuming that the distance L between the external mirror 21 and the vertical cavity surface emitting laser 19 (see FIG. 2) changes by ΔL, the wavelength characteristic of the reflectance R tot as a compound resonator is as shown in the figure. As shown in 3 (a), it is shifted by δλ FP ,
The wavelength characteristic is represented by R'tot .
【0033】このシフト量“δλFP”は、 δλFP=λ0 ・ΔL/L…(6) として表すことができる。The shift amount "δλ FP " can be expressed as δλ FP = λ 0 · ΔL / L (6)
【0034】垂直共振器型面発光レーザ19を発振させ
るためには、半導体レーザーを構成する活性層が形成す
る光利得gth(cm-1)を共振器のロスと吊り合わせる
必要がある。In order to oscillate the vertical cavity surface emitting laser 19, it is necessary to suspend the optical gain g th (cm −1 ) formed by the active layer constituting the semiconductor laser with the loss of the cavity.
【0035】いま、垂直共振器型面発光レーザ19の活
性層の厚さをd、導波路の内部損失をαi (cm-1)、
l eff で規格化した共振器全体のミラー損失をαm,tot
(cm-1)、垂直共振器型面発光レーザ19単体の前後
のミラーの反射率をR1 ,R2 とすると、Now, the vertical cavity surface emitting laser 19 is activated.
The thickness of the conductive layer is d, the internal loss of the waveguide is α i (cm −1 ),
The mirror loss of the entire resonator normalized by l eff is α m, tot
(Cm −1 ), assuming that the reflectances of the mirrors before and after the vertical cavity surface emitting laser 19 alone are R 1 and R 2 ,
【0036】[0036]
【数5】 [Equation 5]
【0037】[0037]
【数6】 と表すことができる。[Equation 6] It can be expressed as.
【0038】なお、βは、外部ミラー21が垂直共振器
型面発光レーザ19の前面のDBRの反射率を変調させ
るファクタである。このβは、外部ミラー21の反射率
REX、及び、外部ミラー21と垂直共振器型面発光レー
ザ19との間の距離Lに対応した外部ミラー21からの
光位相及び戻り光量で決定される値であって、距離Lに
対して緩やかに減少する包絡線に沿って光波長の半分
(λ0 /2)の周期で強く変調される。Note that β is a factor by which the external mirror 21 modulates the reflectance of the DBR on the front surface of the vertical cavity surface emitting laser 19. This β is determined by the reflectance R EX of the external mirror 21 and the optical phase and the amount of returned light from the external mirror 21 corresponding to the distance L between the external mirror 21 and the vertical cavity surface emitting laser 19. a value is strongly modulated at a period of half of the light wavelength (λ 0/2) along the envelope gradually decreases with respect to the distance L.
【0039】なお、垂直共振器型面発光レーザ19から
出射されるレーザー光は、通常半導体レーザに比べて、
そのビーム広がり角は小さく半値全幅(FWHM)で5
deg程度である。しかしながら、完全な平行光ではない
ため、距離Lが数十cm程度に大きくなるとβが非常に
小さくなり、レーザー発振に対する外部ミラー21から
の寄与は殆ど表れなくなる。The laser light emitted from the vertical cavity surface emitting laser 19 is, as compared with the ordinary semiconductor laser,
The beam divergence angle is small and the full width at half maximum (FWHM) is 5
It is about deg. However, since the light is not perfectly parallel light, β becomes very small when the distance L increases to several tens of cm, and the contribution from the external mirror 21 to the laser oscillation hardly appears.
【0040】垂直共振器型面発光レーザ19では、通常
の半導体レーザと比較して、(8)式のleff が小さい
のでβの僅かな変化によって、αm,tot が大きく変動す
る。このため、レーザー発振がON/OFFしたり、又
は、極端なレーザー光出力の変動が生じる。Since the vertical cavity surface emitting laser 19 has a smaller l eff in the equation (8) than that of a normal semiconductor laser, α m, tot varies greatly with a slight change in β. Therefore, the laser oscillation is turned on / off, or the laser light output changes extremely.
【0041】従って、図3(c)に示すように、外部ミ
ラー21の距離Lが変化することによって、λ0 /2の
周期で光出力が変調されることから、この光出力の変化
回数を計数装置29(図1参照)でカウントし、上記
(1)式を適用することによって、外部ミラー21の変
位量(S;図1参照)を測定することができる。[0041] Therefore, as shown in FIG. 3 (c), by a distance L of the external mirror 21 is changed, since the light output is modulated at a cycle of lambda 0/2, the change frequency of the light output It is possible to measure the displacement amount (S; see FIG. 1) of the external mirror 21 by counting with the counting device 29 (see FIG. 1) and applying the above equation (1).
【0042】以下、このような原理を適用した本発明の
第1の実施例に係る光学式変位センサについて、図4を
参照して説明する。図4(a)には、上記原理が適用さ
れた小型変位センサの構成が概略的に示されている。An optical displacement sensor according to the first embodiment of the present invention to which such a principle is applied will be described below with reference to FIG. FIG. 4A schematically shows the configuration of a small displacement sensor to which the above principle is applied.
【0043】図4(a)に示すように、本実施例の小型
変位センサは、ヒートシンク33を介して匡体35内に
固定された垂直共振器型面発光レーザ37と、匡体35
内に形成されたガイド穴39を介して挿通された支持棒
41の下端部に垂直共振器型面発光レーザ37に対面し
て取り付けられた外部ミラー43と、匡体35外部に突
出した側の支持棒41の上端部に測定対象物(図示しな
い)を取付可能に構成された取付部45と、外部ミラー
43の主面側に取り付けられた受光素子47とを備えて
いる。As shown in FIG. 4A, in the small displacement sensor of this embodiment, the vertical cavity surface emitting laser 37 fixed in the housing 35 via the heat sink 33 and the housing 35.
An external mirror 43 mounted to face the vertical cavity surface emitting laser 37 at the lower end of a support rod 41 inserted through a guide hole 39 formed in the inside, and a side of the outside mirror 43 protruding outside the housing 35. An attachment portion 45 configured to attach an object to be measured (not shown) to the upper end portion of the support rod 41 and a light receiving element 47 attached to the main surface side of the external mirror 43 are provided.
【0044】外部ミラー43は、その主面がレーザー光
49の光軸に対して直交するように、支持棒41の下端
部に取り付けられており、取付部45を介して支持棒4
1を図中矢印S方向に移動させることによって、光軸方
向に移動可能に構成されている。The external mirror 43 is attached to the lower end portion of the support rod 41 so that its main surface is orthogonal to the optical axis of the laser light 49, and the support rod 4 is attached via the attachment portion 45.
By moving 1 in the direction of the arrow S in the figure, it is movable in the optical axis direction.
【0045】垂直共振器型面発光レーザ37は、匡体3
5に形成された第1の通し穴51を介して挿通されたレ
ーザー駆動用電気配線53の基端部が接続されており、
この電気配線53の先端部は、レーザー駆動用電極端子
55を介して半導体レーザー(LD)駆動電源57に電
気的に接続されている。The vertical cavity surface emitting laser 37 includes a casing 3
The base end portion of the laser driving electric wiring 53 inserted through the first through hole 51 formed in 5 is connected,
A tip portion of the electric wiring 53 is electrically connected to a semiconductor laser (LD) driving power source 57 via a laser driving electrode terminal 55.
【0046】このため、LD駆動電源57から出力され
た駆動電流は、レーザー駆動用電極端子55及びレーザ
ー駆動用電気配線53を介して垂直共振器型面発光レー
ザ37に供給されることになる。Therefore, the drive current output from the LD drive power source 57 is supplied to the vertical cavity surface emitting laser 37 through the laser drive electrode terminal 55 and the laser drive electrical wiring 53.
【0047】また、受光素子47は、匡体35に形成さ
れた第2の通し穴59を介して挿通された光強度検出用
電気配線61の基端部が接続されており、この電気配線
61の先端部は、光強度検出用電流端子63を介して電
流検出手段65に電気的に接続されている。なお、この
電流検出手段65には、受光素子電源67が接続されて
いると共に、この電流検出手段65から出力された検出
データは、計数装置69を介して演算装置71に出力可
能に構成されている。Further, the light receiving element 47 is connected to a base end portion of a light intensity detecting electric wiring 61 inserted through a second through hole 59 formed in the casing 35, and this electric wiring 61 is connected. The tip end of is electrically connected to the current detecting means 65 via the light intensity detecting current terminal 63. A light receiving element power supply 67 is connected to the current detecting means 65, and the detection data output from the current detecting means 65 is configured to be output to the arithmetic device 71 via the counting device 69. There is.
【0048】また、受光素子47は、この受光素子47
からの反射光の影響を抑えるために、外部ミラー43の
主面のうちレーザー光49の照射領域の周辺部に接着さ
れることが好ましい。The light receiving element 47 is the same as the light receiving element 47.
In order to suppress the influence of the reflected light from the external mirror 43, it is preferable that the external mirror 43 is bonded to the peripheral portion of the irradiation area of the laser light 49 on the main surface.
【0049】図4(b)には、垂直共振器型面発光レー
ザ37の構成が拡大して示されている。同図(b)に示
すように、N型半導体基板73上には、N型半導体バッ
ファ層75、半導体多層膜から成る下部分布ブラッグ反
射器77、N型半導体クラッド層79、活性層81、P
型半導体クラッド層83、P型半導体多層膜から成る上
部分布ブラッグ反射器85が積層されている。そして、
共振器部を残してN型半導体クラッド層79の深さまで
エッチングを施し、その表面に被覆された二酸化シリコ
ン膜87の電極コンタクト部分を窓開けし、上部分布ブ
ラッグ反射器85及びN型半導体クラッド層79に夫々
P型及びN型電極89,91が形成されている。FIG. 4B shows an enlarged structure of the vertical cavity surface emitting laser 37. As shown in FIG. 7B, on the N-type semiconductor substrate 73, an N-type semiconductor buffer layer 75, a lower distributed Bragg reflector 77 including a semiconductor multilayer film, an N-type semiconductor clad layer 79, an active layer 81, and P.
An upper distributed Bragg reflector 85 composed of a P-type semiconductor clad layer 83 and a P-type semiconductor multilayer film is laminated. And
Etching is performed to the depth of the N-type semiconductor clad layer 79 leaving the resonator portion, the electrode contact portion of the silicon dioxide film 87 covering the surface is opened, and the upper distributed Bragg reflector 85 and the N-type semiconductor clad layer are opened. P-type and N-type electrodes 89 and 91 are formed at 79, respectively.
【0050】なお、レーザー光49の基板裏面からの反
射を抑制するために、N型半導体基板73及びN型半導
体バッファ層75は、レーザー光を吸収可能な材料を選
択することが望ましい。In order to suppress the reflection of the laser light 49 from the back surface of the substrate, it is desirable to select a material capable of absorbing the laser light for the N-type semiconductor substrate 73 and the N-type semiconductor buffer layer 75.
【0051】レーザー光49は、受光素子47によって
電気信号に変換され、電流検出手段65を介して計数装
置69に入力され、光強度の変動回数がカウントされ
る。カウントされたデータは、演算装置71に入力さ
れ、上述した(1)式に基づいた演算が施される。The laser light 49 is converted into an electric signal by the light receiving element 47, is input to the counting device 69 via the current detecting means 65, and the number of fluctuations of the light intensity is counted. The counted data is input to the arithmetic unit 71, and is arithmetically operated based on the above-mentioned equation (1).
【0052】この結果、垂直共振器型面発光レーザ37
と外部ミラー43との相対的な変位量(ΔL)が算出さ
れる。このように、本実施例に適用された面発光レーザ
は、ビームの放射角が小さいので、面発光レーザと外部
ミラーとの間に他の光学系(例えば、レンズ)を配置さ
せる必要がない。更に、面発光レーザは、戻り光に対す
る影響を受けず常時単一の発振モードを維持できるた
め、光アイソレータ等の遮光光学系を配置しなくても、
一般的な半導体レーザで問題となる戻り光によるモード
ホッピングに起因した光出力や発振波長の変動を抑える
ことができる。As a result, the vertical cavity surface emitting laser 37
And the relative displacement amount (ΔL) between the external mirror 43 and the external mirror 43 is calculated. As described above, since the surface emitting laser applied to this embodiment has a small beam emission angle, it is not necessary to dispose another optical system (for example, a lens) between the surface emitting laser and the external mirror. Further, since the surface emitting laser can always maintain a single oscillation mode without being affected by the return light, it is possible to dispose a light shielding optical system such as an optical isolator.
It is possible to suppress fluctuations in optical output and oscillation wavelength due to mode hopping due to return light, which is a problem in general semiconductor lasers.
【0053】このため、外部ミラーと面発光レーザの相
対的な変位に基づく、レーザー発振光の出力変化を広い
変位範囲をカバーして高精度に測定することが可能とな
る。この結果、極めて簡単な構成で高精度な変位測定が
可能なコンパクトな光学式変位センサを提供することが
できる。Therefore, the output change of the laser oscillation light based on the relative displacement of the external mirror and the surface emitting laser can be measured with high accuracy while covering a wide displacement range. As a result, it is possible to provide a compact optical displacement sensor capable of highly accurate displacement measurement with an extremely simple configuration.
【0054】次に、本発明の第2の実施例に係る光学式
変位センサについて、図5及び図6を参照して説明す
る。なお、本実施例の説明に際し、第1の実施例と同一
の構成には同一符号を付して、その説明を省略する。Next, an optical displacement sensor according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the description of this embodiment, the same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
【0055】図5(a)に示すように、本実施例に適用
された外部ミラー93は、半透過型ミラーであり、受光
素子47は、外部ミラー93の裏面側(主面とは反対
側)に取り付けられている。As shown in FIG. 5A, the external mirror 93 applied to this embodiment is a semi-transmissive mirror, and the light receiving element 47 is provided on the rear surface side of the external mirror 93 (on the side opposite to the main surface). ) Is attached to.
【0056】本実施例の場合、受光素子47からの反射
光がレーザー光強度に及ぼす影響を考慮する必要がない
ため、受光素子47の設置位置を任意に設定することが
可能となる。In the case of this embodiment, it is not necessary to consider the influence of the reflected light from the light receiving element 47 on the laser light intensity, so that the installation position of the light receiving element 47 can be set arbitrarily.
【0057】なお、外部ミラー93の形状は、その上部
表面(主面とは反対側の面)からの反射光による影響を
防止するため、例えば、上部表面を斜めに切除して構成
されている。The shape of the external mirror 93 is formed, for example, by obliquely cutting the upper surface in order to prevent the influence of reflected light from the upper surface (the surface opposite to the main surface) thereof. .
【0058】図5(b)に示すように、本実施例では、
外部ミラーの代わりに半導体基板で形成された受光素子
95が設けられている。この受光素子95の構成は、同
図(c)に示すように、N型電極91が形成されたN型
半導体基板73上に、N型半導体バッファ層75、低濃
度の光吸収層97、P型コンタクト層99を積層して成
り、このP型コンタクト層99上に形成された二酸化シ
リコン層87の電極コンタクト部分を窓開けし、P型コ
ンタクト層99にP型電極89が接続されている。As shown in FIG. 5B, in this embodiment,
A light receiving element 95 formed of a semiconductor substrate is provided instead of the external mirror. As shown in FIG. 7C, the structure of the light receiving element 95 is such that an N-type semiconductor buffer layer 75, a low-concentration light absorption layer 97, and P are formed on an N-type semiconductor substrate 73 on which an N-type electrode 91 is formed. A type contact layer 99 is laminated, an electrode contact portion of the silicon dioxide layer 87 formed on the P type contact layer 99 is opened, and a P type electrode 89 is connected to the P type contact layer 99.
【0059】二酸化シリコン層87は、P型電極89以
外の部分の保護膜であるが、反射率の調整手段としての
機能も合せ持つ。例えば、二酸化シリコン層87の厚み
が、光波長の1/2に相当する場合、反射ミラー全体と
して半導体基板と同程度の反射率となり、あるいは、光
波長の1/4に相当する場合、最小の反射率となる。The silicon dioxide layer 87 is a protective film for the portion other than the P-type electrode 89, but also has a function as a means for adjusting the reflectance. For example, when the thickness of the silicon dioxide layer 87 corresponds to 1/2 of the light wavelength, the reflection mirror as a whole has a reflectance similar to that of the semiconductor substrate, or when it corresponds to 1/4 of the light wavelength, the minimum reflectance. It becomes the reflectance.
【0060】また、受光素子95の裏面(即ち、垂直共
振器型面発光レーザ37に対面しない側の面)からの反
射を抑制するために、N型半導体基板73やN型半導体
バッファ層75は、レーザー光を吸収するように、バン
ドの禁制帯幅が光エネルギより小さくなるように構成す
ることが好ましい。Further, in order to suppress reflection from the back surface of the light receiving element 95 (that is, the surface not facing the vertical cavity surface emitting laser 37), the N type semiconductor substrate 73 and the N type semiconductor buffer layer 75 are provided. It is preferable that the band gap of the band is smaller than the light energy so as to absorb the laser light.
【0061】図6(a),(b)に示すように、本実施
例には、受光素子が集積された垂直共振器型面発光レー
ザ101が適用されている。垂直共振器型面発光レーザ
101には、その中央部に面発光レーザー領域Tが形成
され、その両側に外部ミラー43からの光を受光するた
めの受光領域Eが形成されている。面発光レーザから外
部ミラーに向かう光の放射角は小さいものの、半値全角
で5deg程度の拡がりをもつので、受光領域Eによっ
て、外部ミラーにより反射した光の一部を測定すること
ができる。 As shown in FIGS. 6A and 6B, the vertical cavity surface emitting laser 101 in which the light receiving elements are integrated is applied to this embodiment. In the vertical cavity surface emitting laser 101, a surface emitting laser region T is formed in the center thereof, and light receiving regions E for receiving light from the external mirror 43 are formed on both sides thereof. Outside the surface emitting laser
Although the emission angle of the light that goes to the partial mirror is small, the full width at half maximum
Since it has a spread of about 5 deg.
Measuring part of the light reflected by the external mirror
You can
【0062】このように構成すると、外部ミラー43に
設けられた受光素子47から延びる電気配線61(図4
及び図5参照)のたわみが変形することがなくなり、外
部ミラー43の設計の自由度が向上し、コンパクト化も
容易となる。With this structure, the electric wiring 61 extending from the light receiving element 47 provided on the external mirror 43 (see FIG. 4).
And FIG. 5) is not deformed, the degree of freedom in designing the external mirror 43 is improved, and the external mirror 43 is easily made compact.
【0063】なお、同図(b)に示すように、垂直共振
器型面発光レーザ101は、図4(b)と同様に半導体
多層膜が積層されたのち、特に、N型電極91のコンタ
クト部分は、表面からN型半導体クラッド層79までエ
ッチングされ、受光領域Eは、表面からP型半導体クラ
ッド層83までエッチングされて構成されている。As shown in FIG. 4B, the vertical cavity surface emitting laser 101 has a semiconductor similar to that shown in FIG.
After the multilayer films are stacked, the contact portion of the N-type electrode 91 is etched from the surface to the N-type semiconductor clad layer 79, and the light receiving region E is etched from the surface to the P-type semiconductor clad layer 83. ing.
【0064】次に、本発明の第3の実施例に係る光学式
変位センサについて、図7を参照して説明する。なお、
本実施例の説明に際し、上述した実施例と同一の構成に
は同一符号を付して、その説明を省略する。Next, an optical displacement sensor according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition,
In the description of this embodiment, the same components as those in the above-described embodiment are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
【0065】本実施例には、外部ミラー43と垂直共振
器型面発光レーザ101との間の距離が大きい場合の構
成が示されている。図7(a)では、外部ミラー43を
凹面形状として、レーザー光49に集束性をもたせて確
実に出射端面上にレーザー光をフィードバックするよう
に構成されている。The present embodiment shows a configuration in which the distance between the external mirror 43 and the vertical cavity surface emitting laser 101 is large. In FIG. 7A, the external mirror 43 is formed in a concave shape so that the laser beam 49 has a converging property and the laser beam is reliably fed back onto the emission end face.
【0066】同図(b)では、外部ミラー43と垂直共
振器型面発光レーザ101との間にレンズ取り付け部1
03を介してコリメートレンズ105を配置して構成さ
れている。いずれの場合も、固定した参照ミラーや外部
ミラーからの反射光によるモードホップを防ぐための光
アイソレータ等を必要としない点が従来の方式と異な
る。 In FIG. 2B, the lens mounting portion 1 is provided between the external mirror 43 and the vertical cavity surface emitting laser 101.
A collimating lens 105 is arranged via 03. In each case, a fixed reference mirror or external
Light to prevent mode hop due to reflected light from the mirror
Unlike the conventional method, it does not require an isolator.
It
【0067】なお、本実施例では、受光素子を集積した
垂直共振器型面発光レーザ101が適用されているが、
図4及び図5に示されたような受光素子を適用すること
も可能である。In this embodiment, the vertical cavity surface emitting laser 101 in which light receiving elements are integrated is applied.
It is also possible to apply the light receiving element as shown in FIG. 4 and FIG.
【0068】次に、本発明の第4の実施例に係る光学式
変位センサについて、図8を参照して説明する。なお、
本実施例の説明に際し、上述した実施例と同一の構成に
は同一符号を付して、その説明を省略する。Next, an optical displacement sensor according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition,
In the description of this embodiment, the same components as those in the above-described embodiment are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
【0069】本実施例の光学式変位センサは、単一モー
ドファイバ107を介して光学的に接続された第1及び
第2の匡体35a,35bとを備えている。具体的に
は、第1及び第2の匡体35a,35b内には、夫々、
単一モードファイバ107の端部に対面した位置に、第
1及び第2のコリメートレンズ105a,105bが配
置されており、垂直共振器型面発光レーザ101と外部
ミラー43との間において、レーザー光は、第1及び第
2のコリメートレンズ105a,105b及び単一モー
ドファイバ107を介して共振されることになる。The optical displacement sensor of this embodiment is provided with first and second casings 35a and 35b which are optically connected via the single mode fiber 107. Specifically, in the first and second casings 35a and 35b, respectively,
The first and second collimating lenses 105a and 105b are arranged at positions facing the end of the single mode fiber 107, and laser light is emitted between the vertical cavity surface emitting laser 101 and the external mirror 43. Will be resonated via the first and second collimating lenses 105a and 105b and the single mode fiber 107.
【0070】この場合、変位量の検出部即ち第2の匡体
35bを更に小型化させることが可能となる。なお、本
実施例では、受光素子を集積した垂直共振器型面発光レ
ーザ101が適用されているが、図4及び図5に示され
たような受光素子を適用することも可能である。In this case, the displacement detecting portion, that is, the second casing 35b can be further miniaturized. Although the vertical cavity surface emitting laser 101 in which the light receiving elements are integrated is applied in the present embodiment, the light receiving elements as shown in FIGS. 4 and 5 can also be applied.
【0071】次に、本発明の第5の実施例に係る光学式
変位センサについて、図9を参照して説明する。なお、
本実施例の説明に際し、上述した実施例と同一の構成に
は同一符号を付して、その説明を省略する。Next, an optical displacement sensor according to the fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition,
In the description of this embodiment, the same components as those in the above-described embodiment are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
【0072】光学式変位センサを組み立てる工程におい
て、半透過型の外部ミラー93の傾斜が大きくなり、レ
ーザー光の有効出射面上に多数の干渉縞が形成される場
合には、受光素子47の出力が位相に対して平均化さ
れ、変位量の検出が困難となる。垂直共振器型面発光レ
ーザ(図示しない)の出射端面の有効径をWSEL とする
と、外部ミラー93がθだけ傾斜したときに、外部ミラ
ーで1回反射された光が面発光レーザ内の共振している
光と干渉する場合、レーザー出射面上で干渉縞が一つ生
じる条件は、 WSEL ・tan θ=λ0 /4
と表すことができる。In the process of assembling the optical displacement sensor, when the semi-transmissive external mirror 93 has a large inclination and a large number of interference fringes are formed on the effective emission surface of the laser light, the output of the light receiving element 47 is output. Are averaged with respect to the phase, which makes it difficult to detect the displacement amount. Assuming that the effective diameter of the emission end face of the vertical cavity surface emitting laser (not shown) is W SEL , when the external mirror 93 is tilted by θ , the external mirror
The light reflected once by the laser resonates in the surface emitting laser.
Interfere with the light, conditions that one interference fringe on the laser emission surface, can be expressed as W SEL · tan θ = λ 0 /4.
【0073】例えば、WSEL =5μm、λ0 =0.97μm
とすると、θ=2.7deg となるので、レーザー出射面
と外部ミラーの間の多重反射を考慮すれば、外部ミラー
93の傾斜は、この数分の1以下になるように保持する
必要がある。For example, W SEL = 5 μm, λ 0 = 0.97 μm
Then, θ = 2.7deg, so the laser emission surface
Considering the multiple reflection between the external mirror and the external mirror, the inclination of the external mirror 93 needs to be maintained so as to be equal to or less than a fraction thereof.
【0074】本実施例に適用された外部ミラー93は、
その4隅部に配置された圧電素子109を介して受光素
子47に接着されている。これら圧電素子109は、そ
の両側に電極111が形成されており、これら電極11
1に圧電素子制御端子113を介して所定量の電圧を印
加することよって、その厚みを伸縮制御可能に構成され
ている。The external mirror 93 applied to this embodiment is
It is adhered to the light receiving element 47 through the piezoelectric elements 109 arranged at the four corners. Electrodes 111 are formed on both sides of each of these piezoelectric elements 109.
By applying a predetermined amount of voltage to the piezoelectric element 1 via the piezoelectric element control terminal 113, the thickness of the element can be controlled to expand and contract.
【0075】この結果、外部ミラー93の傾斜を調整す
ることができる。実際の調製方法は、1つの圧電素子1
09に印加する電圧を可変して光出力が最大となるよう
にした後、順次、他の圧電素子109も同様に調整する
ことを繰り返す。全ての圧電素子109を均一に伸縮さ
せることによって、λ0 /2毎に光の極大値が得られる
ようになれば調整が完了したことになる。As a result, the inclination of the external mirror 93 can be adjusted . The actual preparation method is one piezoelectric element 1
After the voltage applied to 09 is varied to maximize the optical output, the other piezoelectric elements 109 are sequentially adjusted in the same manner. By uniformly stretching all piezoelectric elements 109, so that the adjustment if such maximum value of the light is obtained completed for each λ 0/2.
【0076】次に、本発明の第6の実施例に係る光学式
変位センサについて、図10を参照して説明する。な
お、本実施例の説明に際し、上述した実施例と同一の構
成には同一符号を付して、その説明を省略する。Next, an optical displacement sensor according to the sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the description of this embodiment, the same components as those in the above-described embodiment will be designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
【0077】本実施例には、外部ミラー93の移動方向
が変化した場合でも、以下に示す変位量を計測するため
の手段を適用することができる。外部ミラー93の移動
の向きを判定する第1の方法は、レーザ出力のピーク値
の大小により判定することである。即ち、図3(c)に
示すように、外部ミラー93が、面発光レーザから遠ざ
かるときは、レーザ出力のピーク値が減少し、逆に近づ
くときは、ピーク値が増大することにより判定すること
ができる。In the present embodiment, the following means for measuring the displacement amount can be applied even when the moving direction of the external mirror 93 changes. The first method for determining the direction of movement of the external mirror 93 is to determine by the magnitude of the peak value of the laser output. That is, as shown in FIG. 3C, when the external mirror 93 moves away from the surface emitting laser, the peak value of the laser output decreases, and when the external mirror 93 approaches, the peak value increases. You can
【0078】外部ミラー93の移動の向きを判定する第
2の方法として、ミラーからの反射光に位相シフトを導
入した場合の構成を図10に示す。図10(a)には、
外部ミラー93の主面(即ち、垂直共振器型面発光レー
ザ37に対面する側の面)に、位相2φに相当する量だ
け反射光の位相をシフトさせるように、誘電体膜115
が形成されている。As a second method for determining the direction of movement of the external mirror 93, FIG. 10 shows a configuration in which a phase shift is introduced into the reflected light from the mirror. In FIG. 10 (a),
The dielectric film 115 is configured to shift the phase of the reflected light by an amount corresponding to the phase 2φ on the main surface of the external mirror 93 (that is, the surface facing the vertical cavity surface emitting laser 37).
Are formed.
【0079】なお、誘電体の屈折率をnとすれば、位相
φに相当する膜厚は、
φ・λ/(2π・n)
となる。When the refractive index of the dielectric is n, the film thickness corresponding to the phase φ is φ · λ / (2π · n).
【0080】同図(b)には、位相2φに相当する量だ
け反射光の位相をシフトさせるように、外部ミラー93
の主面にエッチングが施されている。この結果、受光素
子47では、同図(c)に示すように、垂直共振器型面
発光レーザ37と外部ミラー93との間の距離Lの変化
に対応して、λ0 /2の周期で位相2φだけずれた2組
の光強度ピークが観測される。In FIG. 7B, the external mirror 93 is arranged so as to shift the phase of the reflected light by an amount corresponding to the phase 2φ.
The main surface of is etched. As a result, the light receiving element 47, as shown in FIG. (C), in response to a change in the distance L between the vertical cavity surface emitting laser 37 and the external mirror 93, in a cycle of lambda 0/2 Two sets of light intensity peaks shifted by 2φ in phase are observed.
【0081】このように、位相シフトを設けた領域の位
置や面積を適宜設定することによって、位相シフトを設
けた部分とそれ以外の部分とに対応したレーザー光強度
の相対的な大きさを変化させることが可能となる。As described above, by appropriately setting the position and area of the region provided with the phase shift, the relative magnitude of the laser light intensity corresponding to the region provided with the phase shift and the other region is changed. It becomes possible.
【0082】一定方向に外部ミラー93が移動する場合
には、受光素子47が検出する光強度信号のピーク値
は、大小が交互に現れるが、外部ミラー93の移動方向
が反転すると大又は小のピーク値が連続して現れる。When the external mirror 93 moves in a fixed direction, the peak value of the light intensity signal detected by the light receiving element 47 alternately appears as large or small. However, when the moving direction of the external mirror 93 is reversed, it becomes large or small. The peak value appears continuously.
【0083】従って、外部ミラー93の移動方向が逆転
したときは、計数装置69(図4参照)において、カウ
ンタ数値の正負を逆転させることによって、外部ミラー
93の向きを含めた変位量を計測することが可能とな
る。Therefore, when the moving direction of the external mirror 93 is reversed, the positive / negative of the counter numerical value is reversed in the counter 69 (see FIG. 4) to measure the displacement amount including the direction of the external mirror 93. It becomes possible.
【0084】次に、本発明の第7の実施例に係る光学式
変位センサについて、図11を参照して説明する。な
お、本実施例の説明に際し、上述した実施例と同一の構
成には同一符号を付して、その説明を省略する。Next, an optical displacement sensor according to the seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the description of this embodiment, the same components as those in the above-described embodiment will be designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
【0085】本実施例は、第6の実施例の応用例であっ
て、外部ミラーとして半導体基板で形成された受光素子
95が適用されており、この受光素子95と垂直共振器
型面発光レーザ37とを夫々2組用意して、その一方の
組に位相シフトを導入することによって、変位の向きが
判断可能に構成されている。The present embodiment is an application example of the sixth embodiment, in which a light receiving element 95 formed of a semiconductor substrate is applied as an external mirror, and the light receiving element 95 and the vertical cavity surface emitting laser are applied. Two sets of 37 and 37 are prepared, and a phase shift is introduced into one of the sets, so that the direction of displacement can be determined.
【0086】受光素子95が一定方向に移動する場合に
は、これら受光素子95の受光領域Eで検出される光強
度のピーク値は、交互に検出されるが、移動方向が逆転
した場合には、計数装置69(図4参照)において、カ
ウンタ数値の正負を逆転させることによって、受光素子
95の向きを含めた変位量の計測することが可能とな
る。When the light receiving element 95 moves in a fixed direction, the peak values of the light intensity detected in the light receiving area E of these light receiving elements 95 are alternately detected, but when the moving direction is reversed. In the counting device 69 (see FIG. 4), it is possible to measure the displacement amount including the direction of the light receiving element 95 by reversing the positive and negative of the counter numerical value.
【0087】次に、本発明の第8の実施例に係る光学式
変位センサについて、図12ないし図16を参照して説
明する。なお、本実施例の説明に際し、上述した実施例
と同一の構成には同一符号を付して、その説明を省略す
る。Next, an optical displacement sensor according to the eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 12 to 16. In the description of this embodiment, the same components as those in the above-described embodiment will be designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
【0088】本実施例には、受光素子が集積された垂直
共振器型面発光レーザ101が適用されており、この面
発光レーザ101と外部ミラー43との間に一対の弾性
体117を介在させることによって、全体として圧力セ
ンサが構成されている。In this embodiment, a vertical cavity surface emitting laser 101 in which light receiving elements are integrated is applied, and a pair of elastic bodies 117 are interposed between the surface emitting laser 101 and the external mirror 43. As a result, the pressure sensor is configured as a whole.
【0089】具体的には、垂直共振器型面発光レーザ1
01は、N型半導体基板73上に、半導体多層膜から成
る下部分布ブラッグ反射器77、N型半導体クラッド層
79、活性層81、P型半導体クラッド層83、P型半
導体多層膜から成る上部分布ブラッグ反射器85を積層
させた状態で、これら層をP型電極89及びN型電極9
1で挟んだサンドイッチ構造を成している。Specifically, the vertical cavity surface emitting laser 1
01 is a lower distributed Bragg reflector 77 made of a semiconductor multilayer film, an N type semiconductor clad layer 79, an active layer 81, a P type semiconductor clad layer 83, and a P type semiconductor multilayer film on an N type semiconductor substrate 73. In the state where the Bragg reflector 85 is laminated, these layers are connected to the P-type electrode 89 and the N-type electrode 9
It is sandwiched between 1.
【0090】なお、一対の弾性体117は、P型電極8
9上に設けられており、外部ミラー43を垂直共振器型
面発光レーザ101上に支持している。外部ミラー43
の変位量と圧力との関係は、線形な弾性領域では比例関
係にあるため、外部ミラー43の変位量を測定すること
によって圧力を算出することができる。It should be noted that the pair of elastic members 117 are the P-type electrodes 8
9, the external mirror 43 is supported on the vertical cavity surface emitting laser 101. External mirror 43
Since the relationship between the displacement amount and the pressure is proportional in the linear elastic region, the pressure can be calculated by measuring the displacement amount of the external mirror 43.
【0091】ここで、外部ミラー43と垂直共振器型面
発光レーザ101との間に加えられた外力をF(N)、
弾性体117の垂直共振器型面発光レーザ101に対す
る接触幅をWG (m)、接触長さをLG 、厚さをt0 と
すると、一対の弾性体117の厚さがΔtだけ変化した
場合には、
F/2WG LG =EΔt/t0
なる関係を有する。なお、弾性体117のヤング率は、
E(N/m2 )とする。Here, the external force applied between the external mirror 43 and the vertical cavity surface emitting laser 101 is F (N),
When the contact width of the elastic body 117 with respect to the vertical cavity surface emitting laser 101 is W G (m), the contact length is L G , and the thickness is t 0 , the thickness of the pair of elastic bodies 117 changes by Δt. In this case, there is a relationship of F / 2W G L G = EΔt / t 0 . The Young's modulus of the elastic body 117 is
E (N / m 2 ).
【0092】このような関係によれば、例えば、WG =
100μm、LG =200μm
t0 =100μmとし、弾性体117としてゴム(E〜
3×106 N/m2 )を適用すると、変位の最小分解能
は、λ0 /2〜0.49μmだから、外力Fの分解能Δ
Fmin は、ΔFmin =5.9×10-4(N)=0.06
0gfと見積もることができる。According to such a relationship, for example, W G =
100 μm, L G = 200 μm t 0 = 100 μm, and the elastic body 117 is made of rubber (E to
Applying 3 × 10 6 N / m 2 ), the minimum resolution of the displacement, λ 0 /2~0.49μm So, the resolution of the external force F delta
Fmin is ΔFmin = 5.9 × 10 −4 (N) = 0.06
It can be estimated as 0 gf.
【0093】弾性体117に適用する材料を適宜選択し
て、所望の弾性定数に規定することによって、外力の分
解能を広範に設定することができる。次に、上述した圧
力センサ(図12参照)の作製方法について、図13な
いし図16を参照して説明する。By appropriately selecting the material applied to the elastic body 117 and defining it to a desired elastic constant, the resolution of the external force can be set in a wide range. Next, a method for manufacturing the above-described pressure sensor (see FIG. 12) will be described with reference to FIGS.
【0094】まず、図13に示すように、N型半導体基
板73上に、半導体多層膜から成る下部分布ブラッグ反
射器77、N型半導体クラッド層79、活性層81、P
型半導体クラッド層83、P型半導体多層膜から成る上
部分布ブラッグ反射器85を有機金属気相エピタキシャ
ル成長法(MOVPE法)等によって積層する。First, as shown in FIG. 13, a lower distributed Bragg reflector 77 made of a semiconductor multilayer film, an N-type semiconductor clad layer 79, an active layer 81, and P are formed on an N-type semiconductor substrate 73.
The upper distributed Bragg reflector 85 including the type semiconductor clad layer 83 and the P type semiconductor multilayer film is laminated by a metal organic vapor phase epitaxial growth method (MOVPE method) or the like.
【0095】次に、面発光レーザ領域Tとこの両側に設
けられる受光領域Eとを電気的に分離するために、図示
するように、活性層81とN型半導体クラッド層79の
境界に達する溝をフォトエッチングによって形成する。Next, in order to electrically separate the surface emitting laser region T and the light receiving regions E provided on both sides thereof, as shown in the drawing, a groove reaching the boundary between the active layer 81 and the N-type semiconductor cladding layer 79. Are formed by photoetching.
【0096】この後、受光領域Eの上部に残留した上部
分布ブラッグ反射器85をエッチング除去する。図14
に示すように、表面保護のための二酸化シリコン膜87
をスパッタ法等によって堆積した後、フォトエッチング
によって面発光レーザ領域Tの上部端面と受光領域Eの
コンタクト領域の窓開けを行う。After that, the upper distributed Bragg reflector 85 remaining on the light receiving region E is removed by etching. 14
As shown in FIG.
Is deposited by a sputtering method or the like, and then a window is opened in the upper end surface of the surface emitting laser region T and the contact region of the light receiving region E by photoetching.
【0097】次に、面発光レーザ領域T及び受光領域E
の上部電極としてP型電極89をリフトオフ法等によっ
てパターニングした後、N型半導体基板73の裏面を研
磨して、N型電極91を蒸着した後、熱処理を施す。Next, the surface emitting laser region T and the light receiving region E.
After patterning the P-type electrode 89 as the upper electrode of the N-type semiconductor substrate 73 by a lift-off method or the like, the back surface of the N-type semiconductor substrate 73 is polished to deposit the N-type electrode 91, and then heat treatment is performed.
【0098】図15に示すように、次に、一対の弾性体
117を形成することになるが、例えば、ポリイミド等
の材料を適用する場合には、スピンコーティングとフォ
トエッチング法によって、レーザー光の共振領域Tや受
光領域E上に空洞部119が形成されるように一対の弾
性体117のパターンを形成する。As shown in FIG. 15, next, a pair of elastic bodies 117 are formed. For example, when a material such as polyimide is applied, a laser beam is applied by spin coating and photoetching. The pattern of the pair of elastic bodies 117 is formed so that the cavity portion 119 is formed on the resonance region T and the light receiving region E.
【0099】図16に示すように、このように形成され
た一対の弾性体117の上部に、例えば、金を蒸着した
シリコン基板等を外部ミラー43として接着する。この
接着には、紫外線硬化樹脂等を適用することも可能であ
る。更に、チップの劈開とダイボンディング、ワイヤー
ボンディング等を施すことによって、図12に示された
ような圧力センサが完成する。As shown in FIG. 16, for example, a gold-deposited silicon substrate or the like is bonded as an external mirror 43 to the upper portion of the pair of elastic bodies 117 thus formed. It is also possible to apply an ultraviolet curable resin or the like for this adhesion. Further, the pressure sensor as shown in FIG. 12 is completed by performing cleavage of the chip, die bonding, wire bonding and the like.
【0100】次に、本発明の第9の実施例に係る光学式
変位センサについて、図17を参照して説明する。な
お、本実施例の説明に際し、上述した実施例と同一の構
成には同一符号を付して、その説明を省略する。Next, an optical displacement sensor according to the ninth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the description of this embodiment, the same components as those in the above-described embodiment will be designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
【0101】図17(a)に示すように、本実施例に
は、受光素子が集積された垂直共振器型面発光レーザ1
01が適用されており、この面発光レーザ101は、そ
の周囲に配置された例えば丹型又は正方型匡体35によ
って区画されたヒートシンク33上に固定されている。As shown in FIG. 17A, in this embodiment, a vertical cavity surface emitting laser 1 having light receiving elements integrated therein is used.
No. 01 is applied, and this surface emitting laser 101 is fixed on a heat sink 33 partitioned by, for example, a red or square type casing 35 arranged around the surface emitting laser 101.
【0102】また、匡体35によって区画されたヒート
シンク33上には、面発光レーザ101を囲むように弾
性体117が配置されており、この弾性体117上に外
部ミラー43が載置されている。An elastic body 117 is arranged on the heat sink 33 partitioned by the casing 35 so as to surround the surface emitting laser 101, and the external mirror 43 is placed on the elastic body 117. .
【0103】更に、この外部ミラー43上には、匡体3
5を介して挿入されたピストン121が当接されてお
り、外部ミラー43は、弾性体117とピストン121
との間に挟持されている。Furthermore, on this external mirror 43, the housing 3
5, the piston 121 inserted through the outer mirror 43 is in contact with the piston 121.
It is sandwiched between and.
【0104】なお、弾性体117の内部を例えばN2 や
He 等の不活性ガスで満たすことも好ましい。また、ピ
ストン121は、匡体35に対して一定方向に摺動可能
となるように、極めて高精度に加工されている。It is also preferable to fill the inside of the elastic body 117 with an inert gas such as N 2 or He. Further, the piston 121 is processed with extremely high precision so that it can slide in a fixed direction with respect to the housing 35.
【0105】このように構成することによって、ピスト
ン121が外力を受けた場合でも、外部ミラー43の傾
きは、ピストン121及び匡体35の加工精度及びピス
トン121の幅(厚み)等で規定され、常時、面発光レ
ーザ101に対して外部ミラー43の平行度を保つこと
ができる。With this configuration, even when the piston 121 receives an external force, the inclination of the external mirror 43 is defined by the processing accuracy of the piston 121 and the casing 35, the width (thickness) of the piston 121, and the like. The parallelism of the external mirror 43 with respect to the surface emitting laser 101 can always be maintained.
【0106】なお、同図(b)は、匡体35が底部を有
し、この匡体35内に上述した構成を有する圧力センサ
が配置された変形例を示す。次に、本発明の第10の実
施例に係る光学式変位センサについて、図18を参照し
て説明する。FIG. 16B shows a modified example in which the casing 35 has a bottom portion and the pressure sensor having the above-mentioned structure is arranged in the casing 35. Next, an optical displacement sensor according to a tenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
【0107】なお、本実施例の説明に際し、上述した実
施例と同一の構成には同一符号を付して、その説明を省
略する。図18(a)に示すように、本実施例には、受
光素子が集積された垂直共振器型面発光レーザ101が
適用されており、この面発光レーザ101は、ヒートシ
ンク33上に固定されている。In the description of this embodiment, the same components as those in the above-mentioned embodiment will be designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. As shown in FIG. 18A, a vertical cavity surface emitting laser 101 in which light receiving elements are integrated is applied to this embodiment, and the surface emitting laser 101 is fixed on a heat sink 33. There is.
【0108】また、外部ミラー43と面発光レーザ10
1との間には強誘電体123が介在されており、面発光
レーザ101から発光されたレーザー光は、強誘電体1
23を介して外部ミラー43との間で共振されることに
なる。Further, the external mirror 43 and the surface-emitting laser 10
1, a ferroelectric material 123 is interposed between the ferroelectric material 123 and the surface emitting laser 101.
It resonates with the external mirror 43 via 23.
【0109】強誘電体123は、外力の大きさによっ
て、その屈折率を変化させることができ、例えば、液
晶、強誘電体液晶、強誘電体物質等が適用可能である。
このような構成によれば、例えば、弾性体117やピス
トン121(図17参照)等を用いることなく、コンパ
クトな圧力センサを構成することができる。The refractive index of the ferroelectric 123 can be changed according to the magnitude of the external force, and for example, liquid crystal, ferroelectric liquid crystal, ferroelectric substance or the like can be applied.
With such a configuration, for example, a compact pressure sensor can be configured without using the elastic body 117, the piston 121 (see FIG. 17), or the like.
【0110】なお、特に、PLZTは、可視光領域で透
明であり、且つ、安定性に優れているため、信頼性を有
するセンサを構成することが可能となる。同図(b)に
は、外部ミラー43と強誘電体123との間に透明導電
膜125を介在させて、この透明導電膜125及び強誘
電体123から引出電極127を付加させた変形例に係
る圧力センサの構成が示されている。In particular, since PLZT is transparent in the visible light region and has excellent stability, it is possible to form a reliable sensor. FIG. 6B shows a modification in which the transparent conductive film 125 is interposed between the external mirror 43 and the ferroelectric 123, and the extraction electrode 127 is added from the transparent conductive film 125 and the ferroelectric 123. The configuration of such a pressure sensor is shown.
【0111】このような構成によれば、引出電極127
を介して強誘電体123に所定の電圧を印加することに
よって、強誘電体123の屈折率の変化率、即ち圧力に
対する感度を可変することができる。According to this structure, the extraction electrode 127
By applying a predetermined voltage to the ferroelectric body 123 via, it is possible to change the rate of change of the refractive index of the ferroelectric body 123, that is, the sensitivity to pressure.
【0112】即ち、引出電極127を介してオフセット
制御や、初期状態に復帰させるリセット制御あるいは感
度の制御を行うことが可能となる。なお、外部ミラー4
3と透明導電膜125との順番を逆転させたり、外部ミ
ラー43と透明導電膜125とを同一材料で形成するこ
とも可能である。That is, it is possible to perform offset control, reset control for returning to the initial state, or sensitivity control via the extraction electrode 127. The external mirror 4
It is also possible to reverse the order of 3 and the transparent conductive film 125, or to form the external mirror 43 and the transparent conductive film 125 with the same material.
【0113】次に、本発明の第11の実施例に係る光学
式変位センサについて、図19を参照して説明する。な
お、本実施例の説明に際し、上述した実施例と同一の構
成には同一符号を付して、その説明を省略する。Next, an optical displacement sensor according to the eleventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the description of this embodiment, the same components as those in the above-described embodiment will be designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
【0114】図19に示すように、本実施例には、受光
素子が集積された垂直共振器型面発光レーザ101が適
用されており、この面発光レーザ101は、ヒートシン
ク33上に固定されている。As shown in FIG. 19, a vertical cavity surface emitting laser 101 in which light receiving elements are integrated is applied to this embodiment, and the surface emitting laser 101 is fixed on a heat sink 33. There is.
【0115】このヒートシンク33上には、面発光レー
ザ101を囲むように弾性可変物質127が形成されて
おり、この弾性可変物質127上には、透明導電膜12
5を介して外部ミラー43が設けられている。An elastic variable substance 127 is formed on the heat sink 33 so as to surround the surface emitting laser 101. On the elastic variable substance 127, the transparent conductive film 12 is formed.
An external mirror 43 is provided via 5.
【0116】弾性可変物質127は、引出電極127を
介して印加された電圧によって、所望の値に弾性率を変
化可能に構成されており、例えば、液晶、強誘電体液
晶、強誘電体物質等が適用可能に構成されている。The elastic variable substance 127 is constructed so that the elastic modulus can be changed to a desired value by the voltage applied through the extraction electrode 127. For example, liquid crystal, ferroelectric liquid crystal, ferroelectric substance, etc. Is configured to be applicable.
【0117】[0117]
【発明の効果】本発明に適用された垂直共振器型面発光
レーザは、ビームの放射角が小さいので、面発光レーザ
と外部ミラーとの間に他の光学系(例えば、レンズ)を
配置させる必要がない。更に、垂直共振器型面発光レー
ザは、戻り光に対する影響を受けず常時単一の発振モー
ドを維持できるため、光アイソレータ等の遮光光学系を
配置しなくても、一般的な半導体レーザで問題となる戻
り光によるモードホッピングに起因した光出力や発振波
長の変動を抑えることができる。Since the vertical cavity surface emitting laser applied to the present invention has a small beam emission angle, another optical system (for example, a lens) is arranged between the surface emitting laser and the external mirror. No need. Further, since the vertical cavity surface emitting laser can maintain a single oscillation mode at all times without being affected by the returning light, there is a problem with a general semiconductor laser even if a light shielding optical system such as an optical isolator is not arranged. It is possible to suppress the fluctuation of the optical output and the oscillation wavelength due to the mode hopping due to the returning light.
【0118】このため、外部反射手段と垂直共振器型面
発光レーザの相対的な変位に基づく、レーザー発振光の
出力変化を高精度に測定することが可能となる。この結
果、極めて簡単な構成で高精度な変位測定が可能なコン
パクトな光学式変位センサを提供することができる。Therefore, it is possible to measure the output change of the laser oscillation light with high accuracy based on the relative displacement between the external reflection means and the vertical cavity surface emitting laser. As a result, it is possible to provide a compact optical displacement sensor capable of highly accurate displacement measurement with an extremely simple configuration.
【図1】本発明に適用された原理の構成を示す図。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a principle applied to the present invention.
【図2】図1に示す原理の動作を説明するための複合共
振器の構成を示す図。FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a composite resonator for explaining the operation of the principle shown in FIG.
【図3】図2に示す複合共振器における反射率、位相条
件、レーザ出力との関係を示す図。FIG. 3 is a diagram showing the relationship among reflectance, phase conditions, and laser output in the composite resonator shown in FIG.
【図4】(a)は、本発明の第1の実施例に係る光学式
変位センサの全体の構成を示す図、(b)は、垂直共振
器型面発光レーザの構成を示す図。FIG. 4A is a diagram showing an overall configuration of an optical displacement sensor according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a diagram showing a configuration of a vertical cavity surface emitting laser.
【図5】本発明の第2の実施例に係る光学式変位センサ
の構成を示す図であって、(a)は、外部ミラーとして
半透過型ミラーが適用された場合を示す図、(b)は、
外部ミラーの代わりに半導体基板で形成された受光素子
が適用された場合を示す図、(c)は、(b)に示す受
光素子の構成を示す図。FIG. 5 is a diagram showing a configuration of an optical displacement sensor according to a second embodiment of the present invention, FIG. 5A is a diagram showing a case where a semi-transmissive mirror is applied as an external mirror, and FIG. ) Is
The figure which shows the case where the light receiving element formed of the semiconductor substrate is applied instead of an external mirror, (c) is a figure which shows the structure of the light receiving element shown to (b).
【図6】(a)は、本発明の第2の実施例に係る光学式
変位センサの構成を示す図、(b)は、受光素子を集積
した垂直共振器型面発光レーザの構成を示す図。FIG. 6A is a diagram showing a configuration of an optical displacement sensor according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 6B is a diagram showing an integrated light receiving element.
The figure which shows the structure of the vertical cavity surface emitting laser.
【図7】本発明の第3の実施例に係る光学式変位センサ
の構成を示す図であって、(a)は、凹面形状の外部ミ
ラーが適用された場合を示す図、(b)は、外部ミラー
と垂直共振器型面発光レーザとの間の光路上にコリメー
トレンズが配置された場合を示す図。7A and 7B are diagrams showing a configuration of an optical displacement sensor according to a third embodiment of the present invention, FIG. 7A is a diagram showing a case where a concave external mirror is applied, and FIG. FIG. 6 is a diagram showing a case where a collimator lens is arranged on the optical path between an external mirror and a vertical cavity surface emitting laser.
【図8】本発明の第4の実施例に係る光学式変位センサ
の構成を示す図。FIG. 8 is a diagram showing a configuration of an optical displacement sensor according to a fourth embodiment of the present invention.
【図9】本発明の第5の実施例に係る光学式変位センサ
の構成を示す図であって、(a)は、外部ミラーの部分
の断面図、(b)は、その平面図。9A and 9B are views showing a configuration of an optical displacement sensor according to a fifth embodiment of the present invention, FIG. 9A is a sectional view of a portion of an external mirror, and FIG. 9B is a plan view thereof.
【図10】本発明の第6の実施例に係る光学式変位セン
サの構成を示す図であって、(a)は、反射光の位相を
シフトさせる誘電体膜が形成された場合を示す図、
(b)は、反射光の位相をシフトさせるように、外部ミ
ラーの主面にエッチングが施された場合を示す図、
(c)は、外部ミラーの変位と受光強度との関係を示す
図。FIG. 10 is a diagram showing a configuration of an optical displacement sensor according to a sixth embodiment of the present invention, in which (a) shows a case where a dielectric film for shifting the phase of reflected light is formed. ,
(B) is a diagram showing a case where the main surface of the external mirror is etched so as to shift the phase of reflected light,
FIG. 6C is a diagram showing the relationship between the displacement of the external mirror and the received light intensity.
【図11】(a)は、本発明の第7の実施例に係る光学
式変位センサの構成を示す図、(b)は、外部ミラーと
しての受光素子の変位と受光強度との関係を示す図。11A is a diagram showing a configuration of an optical displacement sensor according to a seventh embodiment of the present invention, and FIG. 11B is a diagram showing a relationship between displacement of a light receiving element as an external mirror and light receiving intensity. Fig.
【図12】(a)は、本発明の第8の実施例に係る光学
式変位センサの構成を示す断面斜視図、(b)は、外部
からの圧力と受光強度との関係を示す図。12A is a sectional perspective view showing the configuration of an optical displacement sensor according to an eighth embodiment of the present invention, and FIG. 12B is a diagram showing a relationship between external pressure and received light intensity.
【図13】図12に示すセンサの制作工程を示す図。FIG. 13 is a diagram showing a manufacturing process of the sensor shown in FIG. 12;
【図14】図12に示すセンサの制作工程を示す図。FIG. 14 is a diagram showing a manufacturing process of the sensor shown in FIG. 12;
【図15】図12に示すセンサの制作工程を示す図。FIG. 15 is a diagram showing a manufacturing process of the sensor shown in FIG.
【図16】図12に示すセンサの制作工程を示す図。16 is a diagram showing a manufacturing process of the sensor shown in FIG.
【図17】(a)は、本発明の第9の実施例に係る光学
式変位センサの構成を示す図、(b)は、その変形例を
示す図。17A is a diagram showing a configuration of an optical displacement sensor according to a ninth embodiment of the present invention, and FIG. 17B is a diagram showing a modification thereof.
【図18】(a)は、本発明の第10の実施例に係る光
学式変位センサの構成を示す図、(b)は、その変形例
を示す図。18A is a diagram showing a configuration of an optical displacement sensor according to a tenth embodiment of the present invention, and FIG. 18B is a diagram showing a modification thereof.
【図19】本発明の第11の実施例に係る光学式変位セ
ンサの構成を示す図。FIG. 19 is a diagram showing a configuration of an optical displacement sensor according to an eleventh embodiment of the present invention.
【図20】マイケルソン干渉計の基本構成を示す図。FIG. 20 is a diagram showing a basic configuration of a Michelson interferometer.
【図21】複合共振器構造を用いた従来の光学式変位セ
ンサの構成を示す図。FIG. 21 is a diagram showing a configuration of a conventional optical displacement sensor using a composite resonator structure.
19…垂直共振器型面発光レーザ、21…外部ミラー、
23…検出手段、25…受光素子、27…PN接合電位
差検出手段、29…計数装置、31…演算装置。19 ... Vertical cavity surface emitting laser, 21 ... External mirror,
23 ... Detecting means, 25 ... Light receiving element, 27 ... PN junction potential difference detecting means, 29 ... Counting device, 31 ... Arithmetic device.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−195778(JP,A) 特開 平4−120405(JP,A) 特開 昭64−59107(JP,A) 特開 平5−152674(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 11/00 - 11/30 G01B 9/02 G01D 5/26 H01S 3/18 ─────────────────────────────────────────────────── --Continued from the front page (56) References JP-A-4-195778 (JP, A) JP-A-4-120405 (JP, A) JP-A-64-59107 (JP, A) JP-A-5- 152674 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) G01B 11/00-11/30 G01B 9/02 G01D 5/26 H01S 3/18
Claims (14)
して配置され、かつ互いに組み合わされて複合共振器を
構成する外部反射手段と、 前記垂直共振器型面発光レーザと前記外部反射手段との
間の相対的な位置変化に起因して生じるレーザ出力の周
期的な変化または前記複合共振器のミラー損失の周期的
変化を計測することによって、前記垂直共振器型面発光
レーザと前記外部反射手段との間の相対的な位置変化を
検出可能に構成された検出手段とを備えていることを特
徴とする光学式変位センサ。1. A vertical cavity surface emitting laser, and external reflection means which are arranged so as to face the vertical cavity surface emitting laser without an optical system and which are combined with each other to form a compound resonator. Measuring a periodical change in laser output or a periodical change in mirror loss of the compound resonator caused by a relative positional change between the vertical cavity surface emitting laser and the external reflection means. Accordingly, the optical displacement sensor is provided with a detection unit configured to detect a relative positional change between the vertical cavity surface emitting laser and the external reflection unit.
前記外部反射手段に対してレンズ効果を有する光学系を
介さずに直接レーザビームが照射される構成であること
を特徴とする請求項1に記載の光学式変位センサ。2. The vertical cavity surface emitting laser comprises:
The optical displacement sensor according to claim 1, wherein the external reflection means is directly irradiated with a laser beam without passing through an optical system having a lens effect.
共振器の位相条件を満たす波長間隔が30nm以上であ
ることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光
学式変位センサ。3. The optical displacement sensor according to claim 1, wherein a wavelength interval satisfying a phase condition of a laser resonator of the vertical cavity surface emitting laser is 30 nm or more.
共振器の実効的な共振器長が3.5μm以下であること
を特徴とする請求項1または請求項2に記載の光学式変
位センサ。4. The optical displacement sensor according to claim 1, wherein an effective cavity length of the laser cavity of the vertical cavity surface emitting laser is 3.5 μm or less. .
共振器の実効的な共振器長をleff、前記垂直共振器型
面発光レーザの光ビーム出射面と前記外部反射手段との
距離をLとしたとき、 L>10×leff であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載
の光学式変位センサ。5. The effective cavity length of the laser cavity of the vertical cavity surface emitting laser is l eff , and the distance between the light beam emitting surface of the vertical cavity surface emitting laser and the external reflection means is defined as: When L is set, L> 10 × l eff , The optical displacement sensor according to claim 1 or 2, wherein
共振器の位相条件を満たす波長間隔が30nm以上であ
るとともに、 前記垂直共振器型面発光レーザのレーザ共振器の実効的
な共振器長をleff、前記垂直共振器型面発光レーザの
光ビーム出射面と前記外部反射手段との距離をLとした
とき、 L>10×leff であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載
の光学式変位センサ。6. The wavelength spacing satisfying the phase condition of the laser cavity of the vertical cavity surface emitting laser is 30 nm or more, and the effective cavity length of the laser cavity of the vertical cavity surface emitting laser. Is L eff and L is a distance between the light beam emitting surface of the vertical cavity surface emitting laser and the external reflection means, L> 10 × l eff. 2. The optical displacement sensor according to 2.
複合共振器を形成するように、前記垂直共振器型面発光
レーザと組み合わされた、少なくとも二つの反射領域を
有し、 前記複合共振器のうち少なくとも一つに、光学的位相シ
フト手段が設けられていることを特徴とする請求項1に
記載の光学式変位センサ。7. The external reflection means has at least two reflection regions combined with the vertical cavity surface emitting laser so as to form at least two composite resonators. The optical displacement sensor according to claim 1, wherein at least one of them is provided with an optical phase shift means.
的位相シフト手段が設けられた複合共振器と他の複合共
振器において、光線の位相をシフトさせることを特徴と
する請求項7に記載の光学式変位センサ。8. The optical phase shift means shifts the phase of a light beam in the composite resonator provided with the optical phase shift means and another composite resonator. Optical displacement sensor.
射手段上に設けられており、前記少なくとも二つの反射
領域上の前記光学的位相シフト手段はそれぞれに異なる
位相シフト量を有していることを特徴とする請求項7に
記載の光学式変位センサ。9. The optical phase shift means is provided on the external reflection means, and the optical phase shift means on the at least two reflection regions have different phase shift amounts. The optical displacement sensor according to claim 7, wherein:
部反射手段の前記少なくとも二つの反射領域のうち、少
なくとも一つの反射領域に対応する箇所に設けられた誘
電体膜からなることを特徴とする請求項7に記載の光学
的変位センサ。10. The optical phase shift means comprises a dielectric film provided at a location corresponding to at least one reflection area of the at least two reflection areas of the external reflection means. The optical displacement sensor according to claim 7.
部反射手段の前記少なくとも二つの反射領域のうち、少
なくとも一つの反射領域に対応する箇所に設けられた誘
電体膜からなることを特徴とする請求項7に記載の光学
的変位センサ。11. The optical phase shift means comprises a dielectric film provided at a position corresponding to at least one reflection area of the at least two reflection areas of the external reflection means. The optical displacement sensor according to claim 7.
とも二つの垂直共振器型面発光レーザと、 前記垂直共振器型面発光レーザと光学系を介さずに対向
して配置され、かつ互いに組み合わされ、少なくとも二
つの複合共振器を形成する少なくとも二つの反射領域を
有する外部反射手段と、 少なくとも一つの複合共振器に設けられた、光線の位相
をシフトさせる為の光学的位相シフト手段と、 前記垂直共振器型面発光レーザと前記外部反射手段の反
射面との相対距離の変化によって生じる、二つあるいは
それ以上のレーザ出力の周期的な変化、または前記複合
共振器のミラー損失の周期的な変化を計測することによ
り、少なくとも二つの前記垂直共振器型面発光レーザと
前記外部反射手段の反射面との相対距離の変化を検出す
る検出手段とを有することを特徴とする光学式変位セン
サ。12. At least two vertical cavity surface emitting lasers, which are formed on the same substrate, are arranged to face the vertical cavity surface emitting lasers without an optical system, and are combined with each other. External reflection means having at least two reflection regions forming at least two composite resonators, and optical phase shift means provided in at least one composite resonator for shifting the phase of a light beam, Periodic changes in two or more laser outputs caused by changes in the relative distance between the vertical cavity surface emitting laser and the reflection surface of the external reflection means, or the periodic mirror loss of the composite resonator. By measuring the change, a detecting means for detecting a change in the relative distance between at least two of the vertical cavity surface emitting lasers and the reflecting surface of the external reflecting means is provided. An optical displacement sensor having.
学的位相シフト手段が設けられた複合共振器と他の複合
共振器において、光線の位相をシフトさせることを特徴
とする請求項12に記載の光学式変位センサ。13. The optical phase shift means shifts the phase of a light beam in the composite resonator provided with the optical phase shift means and another composite resonator. Optical displacement sensor.
反射手段上に設けられており、前記少なくとも二つの反
射領域上に設けられた上記光学的位相シフト手段は、そ
れぞれに異なる位相シフト量を有していることを特徴と
する請求項12に記載の光学式変位センサ。14. The optical phase shift means is provided on the external reflection means, and the optical phase shift means provided on the at least two reflection areas have different phase shift amounts, respectively. The optical displacement sensor according to claim 12, wherein:
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