JP3510569B2 - Optical frequency modulation distance meter - Google Patents

Optical frequency modulation distance meter

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JP3510569B2
JP3510569B2 JP2000188006A JP2000188006A JP3510569B2 JP 3510569 B2 JP3510569 B2 JP 3510569B2 JP 2000188006 A JP2000188006 A JP 2000188006A JP 2000188006 A JP2000188006 A JP 2000188006A JP 3510569 B2 JP3510569 B2 JP 3510569B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a distance measuring method or a multiple position measuring method (FMCW method: Frequency Mower) based on a measuring principle using a light source capable of continuous optical frequency sweep.
dulated Continuous Wave. OFDR method: Optical Frequ
ency Domain Reflectometory. Hereinafter, the optical frequency modulation type range finder using the "optical frequency modulation type measuring method" will be described.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art In the field of optical measurement, an optical frequency modulation type measuring method is applied to a range finder, an optical fiber sensor, an optical fiber flaw detector, and the like. This optical frequency modulation method is a method of measuring a distance or multiple positions using a light source capable of continuously sweeping an optical frequency. Specifically, the light wave from this light source is frequency-modulated (FM: Frequency Modulati
on), the frequency-modulated light wave is emitted from the measurement location toward the object to be measured, the reflected light reflected from the object to be measured is received again, and the reflected light is reflected by the reference light on the measurement side by interference. A frequency difference corresponding to an optical path delay time (optical path difference, distance) with light, that is, a beat (beat) frequency is measured. This is a method of obtaining a desired measurement amount (in this case, distance, but other than this, temperature and strain are also possible).

【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。
That is, in this measuring method, an optical frequency modulated wave repeatedly output from a light source capable of linear sweeping in time is heterodyne detected by an interference optical system, and a desired measurement amount is obtained from frequency information of a beat signal at that time. This is a measuring method, and its beat frequency has a characteristic that it changes depending on the optical path difference time (distance) between the reference light and the object to be measured. Here, "linearly sweeping in time" means changing the frequency at regular intervals with respect to the time axis.

【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。
A conventional frequency shift feedback laser (FSF:
Frequency Shifted Feedback (hereinafter referred to as FSF laser) is shown in FIG.
Will be explained. FIG. 7 shows a case of an FSF laser light source 90 using a solid-state laser as a specific example. FSF
The laser light source 90 includes an excitation light source 1, a coupling lens 2, a resonator mirror 3, a gain medium 4, and an acousto-optic device (AOM: Acoust).
ic Optical Modulator) 5 and a resonator mirror 6. That is, an acousto-optic element 5 in which an ultrasonic wave of a modulation frequency f 0 is propagated is inserted as a frequency shift element inside the laser resonator, and the first-order diffracted light 8 subjected to Doppler frequency shift is reflected by the resonator mirror 6. , Is configured to return to the gain medium 4 again.

【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
0 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。
A solid crystal is usually used as the gain medium 4, and a laser resonator is constituted by the pumping light source 1 and the resonator mirrors 3 and 6 that match the absorption wavelength of the crystal. Then, the FSF laser output light 7 is extracted from the 0th-order diffracted (non-diffracted) light separated from the acoustooptic device 5. The process of generating the optical frequency modulation signal is 2 because the first-order diffracted light 8 passes through the acousto-optic element 5 twice every time it makes one revolution in the resonator.
A Doppler shift of f 0 is received, and it makes multiple turns to cause laser oscillation. As a result, its laser output undergoes continuous frequency chirping, which causes the FSF laser source 9
The optical frequency modulation signal is 0.

【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。
Then, the output light 7 of the FSF laser light source 90 is guided to the interference optical system 100, and is separated into a reference light 11 and a measurement light 12 by a light distributor / combiner 9, and reference mirrors which are respective reflection mirrors. 10, reflected again by the mirror 13 to be measured and multiplexed by the light distributor / multiplexer 9, and the respective reflected lights of the reference light 11 and the measurement light 12 are combined to form an interference light 14. This interference light 14 is square-law detected (heterodyne detection) and photoelectrically converted by a photodetector 15 to detect a beat signal. Then, the reference beam 11 is detected by the frequency analyzer 16 that identifies the frequency component of the beat signal.
The frequency spectrum (beat frequency value) corresponding to the optical path difference between the measurement light 12 and the measurement light 12 is obtained, and the optical path difference (distance) is finally obtained from the frequency value by the electronic calculator 17.

【0007】[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。
The FSF laser light source 90 has been conventionally required to be low in cost and improved in measurement sensitivity by reducing the number of parts. However, achievement of the object is hindered by the following reasons. ing.

【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。
First, the reason why the cost reduction of the FSF laser light source 90 is prevented will be described. The conventional FSF laser light source 90 includes the solid-state laser type described above and the fiber laser type using an optical fiber amplifier. In the former solid-state laser, the pumping light source and the gain medium can be separated, and any wavelength and output can be set arbitrarily by each gain medium crystal, but the device configuration becomes complicated and the pumping light source also has a relatively large output laser. Therefore, the cost is generally high. In addition, the fiber laser has the advantage of being alignment-free because it is an all-fiber optical system. However, as with the solid-state laser, a light source for exciting the optical fiber must be provided separately, and the polarization in the fiber is further increased. For the wavefront control, there are many components such as a polarizing element and insertion of an attenuator for preventing the influence of the nonlinear effect of the fiber due to the high output light. As a result, any of the above types (solid, fiber) must be expensive.

【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。
Next, the reason why the sensitivity of the optical frequency modulation type rangefinder using the FSF laser is hindered from increasing will be described. This measurement method is highly sensitive in principle because of the detection principle based on heterodyne detection, but it is premised that the laser oscillation mode is a single mode. In the conventional FSF laser light source 90 described above, the resonator configuration is a normal Fabry-Perot resonator (by the resonator mirrors 3 and 6 in FIG. 7), and at the same time, the resonator length is usually about 20 cm.
This results in a condition (multimode oscillation) in which a plurality of oscillation modes can exist within the gain profile width (wavelength width of gain that allows laser oscillation) specific to the gain medium. As a result, the phase components of the respective modes allow relatively random behavior, and the influence thereof becomes self-noise, which causes a decrease in sensitivity at the time of detection. For this reason, the advantage of high sensitivity in heterodyne detection in principle is not applicable to the actual device configuration for the reasons described above, and sensitivity reduction remains a problem.

【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。
The present invention has been made to solve the above problems, and is an optical frequency modulation method capable of reducing the cost by simplifying the structure of the FSF light source and preventing the deterioration of sensitivity due to the conventional multimode oscillation. The purpose is to provide a rangefinder.

【0011】[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、前記周波数シフト帰
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。
An optical frequency modulation type rangefinder according to a first aspect of the present invention includes a frequency shift feedback resonator type semiconductor laser which outputs an optical frequency modulation signal whose optical frequency changes with time in a required period. , An optical frequency modulation signal output from this semiconductor laser is divided into reference light and measurement light by an optical distributor, of which the measurement light is irradiated and reflected by the object to be measured, and an optical system that interferes with the reference light again. A photodetector that detects the beat signal specific to the optical path difference between the reference light and the measurement light caused by the interference of this optical system and converts it into an electrical signal, and the frequency that measures the frequency component of the beat signal detected by this photodetector. and analyzer, includes a computer for calculating the final distance from the frequency value determined with the measurement parameters by the frequency analyzer, the frequency shift attributable
Light that circulates back in the laser cavity of a return-cavity semiconductor laser
In addition, by the acousto-optic element inserted in the resonator,
A laser cavity configuration providing a Doppler frequency shift.
The external mirror on one side is set to the frequency of the light circulating in the resonator.
On the other hand, it also serves as a spectral characteristic or a mode selector element,
The optical frequency modulation signal always maintains single mode oscillation.
It is an external mirror for the purpose of disability .

【0012】[0012]

【0013】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、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。
A second invention is the optical frequency modulation rangefinder according to the first invention, wherein the laser resonator has a front end face of the semiconductor laser coated with antireflection and a rear end face of the one end face of the laser resonator. In addition, the external mirror also serving as the mode selector element is configured as the other end surface.

【0014】[0014]

【0015】[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。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【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。
(First Embodiment) An optical frequency modulation rangefinder according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 2 and 3. FIG. 1 is a block diagram of an optical frequency modulation type rangefinder according to the present invention, and FIGS. 2 and 3 show the operation of the present invention and the difference in principle from the prior art.

【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。
The optical frequency modulation range finder according to the present invention comprises:
It is composed of an FSF laser light source 110 and an interference optical system 100. The FSF laser light source 110 includes a semiconductor laser (gain medium) 20, a coupling lens 26, an acousto-optic element 23,
It is composed of a mode selector element 27. Above FS
The F laser light source 110 obtains an oscillation output from the semiconductor laser 20 and its driving power supply 21. The semiconductor laser 2
A rear end face of 0 (external mirror M 1 ) 28 and a mode selector element (external mirror M 3 ) 27 constitute a laser resonator. In this case, the front end face (external mirror M 2 ) 29 of the semiconductor laser 20 is usually end face treated with a non-reflection coating (reflectance <0.2%) in order to obtain the FSF resonator effect. In some cases, the above-mentioned end face treatment may not be necessary due to the difference in the individual semiconductor laser elements.

【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。
First, the light output from the semiconductor laser 20 itself is guided to the acousto-optic device (AOM) 23 via the lens 26 to be parallel light. Further, the ultrasonic wave 30 is excited in the acoustooptic device 23 by the application of the signal of the modulation frequency f 0 from the AOM modulation signal source 22, and propagates in the device in the direction of the arrow. At this time, in the acousto-optic element 23, a Bragg diffraction phenomenon occurs due to the interaction between the light and the acoustic wave (photoacoustic effect), and is separated into 0th-order light (non-diffracted light) 25 and 1st-order diffracted light (returned light) 24. To do. Among them, the first-order diffracted light 24 has an optical frequency f 0 due to the Doppler frequency shift.
It is output after being deviated. The first-order diffracted light 24 has a Fabry-Perot resonator condition in which only one arbitrary oscillation mode component is reflected by the mode selector element (external mirror M 3 ) 27, and such reflection causes the first-order diffracted light 24. The signal 24 is again input to the acoustooptic device 23, where it is again subjected to the Doppler frequency shift f 0 and is returned to the semiconductor laser 20 via the lens 26.

【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。
As described above, the resonator of this embodiment is a semiconductor
Rear end face of body laser 20 (external mirror M 128) and Modeset
Rector element (external mirror M3) 27, a resonator
Frequency 2f for each round of the inside0Doppler frequency
Receive a shift. It makes multiple revolutions (reflections)
Laser oscillation, the optical frequency modulation of which is arbitrary single mode
Shows the characteristic of linear frequency chirp.

【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。
Here, as an example of the mode selector element 27 which is one of the features of the present invention, a Fabry-Perot resonator (hereinafter referred to as an etalon) structure with two pairs of arbitrary reflectance mirrors is shown, and a single mode based on it is shown. The difference between the oscillation and the conventional FSF laser oscillation will be described with reference to FIGS. 2 and 3.

【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。
First, the conventional FSF laser oscillation will be described with reference to FIG. The upper diagram of FIG. 2A shows the relationship between gain and loss, and the lower diagram shows the actual oscillation mode distribution in that relationship. As is clear from this figure, in the conventional FSF laser oscillation, the loss difference Δα between the resonator modes is
Is small over a wide gain wavelength width G osc (λ), which results in a condition in which a plurality of modes can oscillate, that is, multimode oscillation. The principle of the present invention is shown in FIG.
By making the loss curve L (λ) extremely steep optical frequency dependency as shown in (b), the loss difference Δα is small with respect to only one arbitrary mode, and the loss difference Δα with respect to other modes.
α can be increased. As a result, oscillations in other modes are suppressed, resulting in arbitrary single-mode oscillation. The etalon shown as an example of the mode selector element 27 controls the optical frequency dependence of the loss curve L (λ). This etalon is a wavelength-selective optical element, and in the present embodiment, it is applied as a single-end reflecting mirror of an FSF resonator for the purpose of increasing the sensitivity of an optical frequency modulation type rangefinder, and promotes single-mode oscillation. It is used as one of the means to continuously generate frequency chirps.

【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。
Next, referring to FIG. 3, referring to a comparison of the time change between the conventional and the present invention, the optical path difference (delay time τ) between the reference light and the measurement light of the interference optical system 100. Optical frequency difference (solid line and broken line),
That is, the generation process of the beat frequency will be described. First, a common feature of the optical frequency modulation of the FSF laser is that the oscillation is always maintained by the repeated chirping of each mode due to the chirp of each oscillation mode. That optical frequency [nu 2 by q-th mode born in optical frequency [nu 2 in FIG. 3 is temporally frequency chirp
Until it disappears, and the next mode is newly reproduced again from the optical frequency ν 1 . Laser oscillation is generated by repeating the optical frequency modulation operation.

【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。
The conventional FSF laser shown in FIG. 3 (a) oscillates in a multi-mode, that is, the modes simultaneously perform optical frequency chirping at the same time. Specifically, the arbitrary time region ΔT
In this case, in this case, four modes (q = 0 to 3) simultaneously exist. The beat frequency component Δ corresponding to the optical path time difference τ between the reference light and the measurement light for each mode
Four ν b are generated, and the time integration of their superposition becomes a beat frequency spectrum. The state of the spectrum will be described with reference to FIG. When phase noise is generated in each mode, the more the number of modes, the more it contributes to noise as a beat signal, that is, the measurement sensitivity deteriorates. In principle, the measurement method using optical frequency modulation does not necessarily have to be multimode, and single mode is sufficient, which improves the intensity ratio (S / N ratio) of the beat signal to noise. That is, high sensitivity, which is an advantage of the frequency modulation method, can be realized.

【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。
The present invention has been made on the basis of the above points. Hereinafter, the same description as the above will be described with reference to FIG. 3B in the case of the single mode optical frequency modulation according to the present invention. . In the same time range ΔT as in FIG. 3A, the present invention is characterized in that the number of modes is always only one. Therefore, the combination with the measuring light shown by the broken line is always one set, and the influence of the phase noise generated for each mode can be minimized. As a result, in the S / N comparison of the beat frequency spectra in the multi-mode oscillation and the single-mode oscillation of FIG. 4, the noise floor (noise level) can be lowered even if the signal strength is the same, and as a result, the measurement sensitivity is improved due to the improvement of the S / N. It can contribute to improvement.

【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。
The FSF laser light source 110 in the first embodiment has been described above. Next, returning to the configuration of FIG. 1 again, until the distance is obtained by the output light 25 from the FSF laser light source 110 and the interference optical system 100. Explain the flow. In this embodiment, the 0th order light 25 of the output of the FSF laser is used.
However, depending on the case, the mode selector element 27
The same effect can be obtained by using a part of the first-order diffracted light 24 that passes through.

【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。
Output light 25 from the FSF laser light source 110
Is split into a reference beam 11 and a measurement beam 12 by a light distributor / combiner 9 of the interference optical system 100, which are reflected back to the light distributor / combiner 9 by a reference mirror 10 and a measurement target mirror 13, respectively. Then, they are overlapped to form the interference light 14. The interference light 14 is square-law detected and photoelectrically converted by the photodetector 15, and a beat signal peculiar to the optical path difference (distance) from the optical distributor / multiplexer 9 to the mirrors 10 and 13 is generated. The frequency component of this beat signal is used to obtain a beat frequency value by a frequency analysis device 16 such as an FFT analyzer, an RF spectrum analyzer, and a frequency counter, and the optical path is calculated from the relational expression between the measured value and the optical frequency modulation measurement parameter using an electronic computer 17. Find the difference distance.

【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。
(Second Embodiment) Next, an optical frequency modulation type rangefinder according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The difference between the first embodiment and this embodiment is the configuration of the mode selector element 50, and the interference optical system 100
Other configurations including is the same as the first embodiment.

【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。
The mode selector element 50, which is a feature of this embodiment, has a fiber Bragg reflection diffraction grating (external mirror M 3 ) 41 formed on the rear end side of the fiber 40.
They form a laser resonator. Acousto-optic element 2
The first-order diffracted light 24 output from the mode selector element 5 is output as fiber propagation light 43 through the coupling lens 42.
The light propagates through 0 and is reflected by the fiber Bragg reflection diffraction grating 41, which is the rear end surface, and is returned to the semiconductor laser 20 via the lens 42 and the acoustooptic device 23. As a result, laser oscillation of single mode optical frequency modulation, which is a feature of the present invention, can be obtained. The oscillation principle and operation are the same as those in the first embodiment, and thus the description of this part is omitted.

【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。
Due to the features of the mode selector element 50 in the present embodiment, since its structure is a fiber component, it can be duplicated more easily than a bulk element, suitable for mass production, and low cost can be realized. In addition, by wrapping the fiber in any laser resonator length, the same storage space can be secured without being restricted by the resonator length, making it easy to downsize the device and standardize the housing, and portability. It can also contribute to cost reduction.

【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。
(Third Embodiment) Next, an optical frequency modulation rangefinder according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The difference between this embodiment and the first and second embodiments is that the mode selector element is not used on the laser resonator side, only the simple external mirror (M 3 ) 60 is used, and the same role as the mode selector element is achieved. Is included as a single single mode oscillation light source having a diffraction grating structure (active layer structure) 61 in the gain medium of the semiconductor laser 20. Usually, the internal structure of such a semiconductor laser is called a distributed feedback type (DFB: Distributed FeedBack) or a Bragg reflector type (DBR: Distributed Bragg Reflector). Further, the FSF laser light source 11 having this characteristic
The configuration of the interference optical system 100 other than 0 is the same as that of the first and second embodiments.

【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。
Also in the configuration of this embodiment, the principle of generation of single-mode optical frequency modulation, which is a feature of the present invention, is the same as that in FIGS. 2 and 3, and the description thereof is omitted here.

【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。
Due to the features of the semiconductor laser of this embodiment,
Mode selector element (etalon) 2 referred to in the first embodiment
7. Even if the mode selector element (fiber Bragg reflection diffraction grating) 41 referred to in the second embodiment is not provided outside the semiconductor laser 20, an external mirror whose sole purpose is to return first-order diffraction to the semiconductor laser 20. It can be dealt with by replacing with 60.

【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。
In this embodiment, the optical frequency modulation oscillation, which is a feature of the present invention, can be performed with an inexpensive external mirror without using the mode selector element, which is an optical component common to the first and second embodiments. Therefore, according to the present embodiment, the FSF
By reducing the cost of the entire laser light source 110 and simplifying the laser resonator structure, it is possible to contribute to a reduction in alignment (optical adjustment) operation (improvement in ease of use).

【0034】[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。
As described in detail above, according to the present invention, the front end face of a semiconductor laser is subjected to antireflection coating and generated by a laser resonator composed of external mirrors (M 1 , M 2 , M 3 ). By directly coupling the first-order diffracted light to the semiconductor laser through the coupling lens, the semiconductor laser itself can serve as both the pumping light source and the gain medium. The resonator can be simplified by configuring the resonator so that one of the laser resonator mirrors is the rear end face of the semiconductor laser. As a result, the number of parts can be reduced as compared with the conventional solid-state FSF laser, and an inexpensive semiconductor laser having a relatively low output and an arbitrary wavelength can be used, and the cost of the FSF laser light source can be reduced as a whole.

【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。
Further, by using one of the reflection mirrors of the FSF laser resonator as an external mirror (M 3 ) which also serves as a mode selector element, it is possible to realize an optical frequency modulation method from multimode oscillation to arbitrary single mode oscillation. It is possible to prevent deterioration of sensitivity. Therefore, according to the present invention, the structure of the frequency shift feedback laser, which is the light source thereof, can be simplified due to the features of the device configuration and the optical frequency modulation method related thereto, and thus the system cost can be reduced and the optical adjustment can be easily performed. In addition, the measurement sensitivity can be improved due to the characteristics of the optical frequency modulation that oscillates.

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

【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。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical frequency modulation rangefinder according to a first embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 2 is a diagram for explaining the principle feature of oscillation of an FSF laser according to the present invention in comparison with the principle of a conventional FSF laser.

【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。
FIG. 3 is a diagram for explaining the characteristics of the change over time in the optical frequency modulation of the oscillation of the FSF laser of the present invention in comparison with the case of the conventional FSF laser.

【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。
FIG. 4 shows a relationship (S / N) between signal strength and noise strength of a beat frequency spectrum obtained by using an FSF laser light source and an interference optical system according to the present invention, and shows a conventional FSF.
The figure compared with the case of a laser and explaining.

【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。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of an optical frequency modulation type rangefinder according to a second embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of an optical frequency modulation rangefinder according to a third embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a conventional optical frequency modulation type rangefinder using an FSF laser.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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9 ... Optical distribution / multiplexer 10 ... Reference mirror 11 ... Reference light 12 ... Measurement light 13 ... Measurement target mirror 14 ... Interference light 15 ... Photodetector 16 ... Frequency analysis device 17 ... Computer 20 ... Semiconductor laser 21 ... Semiconductor Laser driving power source 22 ... AOM modulation signal source 23 ... Acousto-optic element 24 ... First-order diffracted light 25 ... Output light 26 ... Lens 27 ... Mode selector element (external mirror M 3 ) 28 ... Rear end surface of semiconductor laser (external mirror M) 1 ) 29 ... Front end face of semiconductor laser (external mirror M 2 ) 30 ... Ultrasonic wave 40 ... Fiber 41 ... Fiber Bragg reflection diffraction grating (external mirror M 3 ) 42 ... Lens 43 ... Fiber propagation light 50 ... Mode selector element 60 ... External mirror (M 3 ) 61 ... Diffraction grating structure (active layer structure) 100 ... Interference optical system 110 ... FSF laser light source

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−82858(JP,A) 特開 平8−37342(JP,A) 特開 平8−262137(JP,A) 特開 平5−203412(JP,A) 特開 平9−172215(JP,A) 特開 平2−308583(JP,A) 特開 平8−75433(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 9/02 G01B 11/00 G01S 17/32 H01S 3/10 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP 10-82858 (JP, A) JP 8-37342 (JP, A) JP 8-262137 (JP, A) JP 5- 203412 (JP, A) JP-A-9-172215 (JP, A) JP-A-2-308583 (JP, A) JP-A-8-75433 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) G01B 9/02 G01B 11/00 G01S 17/32 H01S 3/10

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【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、前記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。
1. A frequency-shifted feedback resonator type semiconductor laser that outputs an optical frequency modulation signal whose optical frequency changes with time at a required period, and an optical distributor refers to the optical frequency modulation signal output from this semiconductor laser. The light is divided into light and measurement light, of which the measurement light is radiated and reflected by the object to be measured and interferes with the reference light again, and the optical path difference between the reference light and the measurement light caused by the interference of this optical system A photodetector that detects the beat signal and converts it to an electrical signal, a frequency analyzer that measures the frequency component of the beat signal detected by this photodetector, and a final value based on the frequency values and measurement parameters obtained by this frequency analyzer. And a computer for calculating a distance, and a laser resonance of the frequency shift feedback resonator semiconductor laser.
Acousto-optics inserted in the resonator for the light that goes back around the resonator
Depending on the element, a laser that gives a Doppler frequency shift for each revolution
An external mirror on one side of the laser resonator configuration
Spectral characteristics or mode selection for the frequency of the rotating light
The optical frequency modulation signal that doubles as a
Optical frequency modulation range finder, which is an external mirror for the purpose of ensuring the oscillation of the Le mode.
【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、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。
2. A optical frequency modulation scheme rangefinder according to claim 1 Symbol placement, mode with the laser resonator, and antireflection coating on the front end face of the semiconductor laser, the rear end surface and one end surface of the laser resonator An optical frequency modulation rangefinder, characterized in that an external mirror that also serves as a selector element is configured as the other end face.
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