JP3711161B2

JP3711161B2 - マイクロレーザー測距装置

Info

Publication number: JP3711161B2
Application number: JP25741695A
Authority: JP
Inventors: パスカルブゼスティ; アンジャンモルヴァ
Original assignee: コミツサリアタレネルジーアトミーク
Priority date: 1994-10-04
Filing date: 1995-10-04
Publication date: 2005-10-26
Anticipated expiration: 2015-10-04
Also published as: CA2159680A1; EP0706063A1; CA2159680C; DE69514470D1; DE69514470T2; EP0706063B1; JPH08122434A; FR2725279A1; US5719664A; FR2725279B1

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光パルスの往復時間を測定することによって測距儀（又は距離計）と目標体との間の距離を決定することが可能な装置に関し、光パルスはレーザーから射出され、本発明は従ってレーザー測距儀又はリーダー（ＬＩＤＡＲ）の分野に属し、衝突予防システムを開発するための自動車分野、三次元幾何分野、ロボット用の環境知覚の分野において、短距離及び中間距離測定に用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
レーザー測距分野においては、レーザーダイオード又はレーザー等の光源が用いられている。近時、短距離又は中間距離測定への応用には、二つのタイプのレーザー光源が用いられている。第１に、レーザーダイオードが、１００ｍ以下の短距離測定に用いられている。これらのダイオードはピークパワーが制限されているのみならず、その長いパルス時間の結果として視覚安全基準が制限され、その長いパルス時間は７−１０ナノ秒であり、ピークパワーは約３０ワットである。レーザーダイオードが組み込まれた装置はフランス特許ＦＲ−Ｂ−２６６６１５３に述べられている。
【０００３】
このタイプの装置は、光源から出射されたビームを整形するための光学系の使用、フィードバックに対して保護する装置の使用及びレーザービームを変調するため、スイッチング電子工学回路を要求する。
【０００４】
視覚安全（例えば、フランス基準ＮＦＣ４３−８０１）の課題に関する作業基準は、パルス持続時間と光源の波長の関数として使用され得る最大パワーを与えている。たとえば、１．０６４μmの波長で８ナノ秒のパルスを用いると、最大パワーは２５０ワットであり、１ナノ秒以下のパルス持続時間に対する最大パワーは２０００ワットである。このように、レーザーダイオードのあるものを用いると、そのような制限を決して受けない。半導体レーザー光源に関しては、短時間のパルス持続時間で高いピークパワーを得ることが可能である。というのは、接合に供給されるべき注入電流がチョークコイルとキャパシタンスとによって制限されるからである。
【０００５】
通常の固体レーザーは、中間及び長距離の測定に用いられるが、それらは非常に大型でかつ非常に脆弱（耐久性がなく）であり、かつ、小型化されたシステムに合理的なコストで組み込み難い。更に、フランス特許ＦＲ−Ｂ−２６６６１５３に述べられた装置は、視覚安全基準及び限られた全体的な寸法で中間距離測定への応用を満足させることができない。
【０００６】
現在のところ、光パルス通過時間を使用し、短距離及び中間距離測定可能性（１００ｍ〜２０００ｍ）、可能な限り一体の小型装置、スイッチング制御を要求されない簡略化された電子工学回路、視覚安全基準を満足すること、量産により低コストで製造可能という条件を考慮に入れて作動可能なパルスタイプ作動のレーザー測距装置は非公知である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、光パルス通過時間測定原理で動作しかつ上述した全ての目的を達成することが可能なレーザー測距装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係るマイクロレーザー測距装置は、光パルスの通過時間を測定する原理で作動し、
入射ミラーと出射ミラーとの間に配置された固体活性媒体および飽和吸収剤から成りパルス型作動の受動スイッチングマイクロレーザーと、
対象から反射された光パルスを受光しかつこの光パルスの受光時間を検出する手段と、
マイクロレーザーのパルスの射出時間を検出する手段と、
マイクロレーザーのパルスの射出時間を反射ビーム受光時間から分離して時間間隔を測定する手段とを備えている。、
前記マイクロレーザーのパルスの射出時間を反射ビーム受光時間から分離して時間間隔を測定する手段は、周期Ｔでパルスを供給する第１クロックと、全期間Ｔで続けられかつスタート信号（Ｄ）とストップ信号（Ｆ）との間に存在する第１クロックのパルスの数を計数するデジタル回路と、第１パルスからスタート信号（Ｄ）を分離する時間ｔ１を決定する一方、ストップ信号（Ｆ）の前に終わる第１クロックの最終周期のエンドからストップ信号（Ｆ）を分離する時間ｔ２を決定し、得られたアナログデータをデジタルデータに変換するアナログ回路と、デジタル回路から供給されたデータとアナログ回路から供給されかつ前もってデジタルデータに変換されたデータとに基づいて時間スロットの持続時間を決定する処理回路とを有する。
【０００９】
本発明の実施の形態によれば、マイクロレーザーキャビティは固体活性媒体、入射ミラー、出射ミラー、固体活性媒体に直接ディポジット（堆積）された薄い飽和吸収物質層形状の飽和吸収剤を有する。この発明の実施の形態によれば、マイクロレーザーの構造は積層からなり、それは低コストで量産実現性の可能性を保持させる。
【００１０】
この多重層構造は単純性及びマイクロレーザーの量産工程を害さない。
【００１１】
それは、並列されたモノシリックの受動スイッチングマイクロレーザー（すなわち、何の光学的セッッティングも不要）の製造を可能にし、不規則である。この構造は同一キャビティの一方の構成要素に他方の構成要素を接着又は嵌合する操作、いかなる調整操作をも必要としない。更に、同一媒体が活性媒体と飽和吸収剤媒体として共に用いられている「コドープ」レーザーと較べて、二つの媒体に活性イオンを集中させるのみならず、層の堆積又は層を堆積させた後の機械的薄肉化によってその厚さを加減することを可能にする。
【００１２】
本発明の他の観点によれば、時間間隔（タイムインターバル）又はタイムスロット測定手段は、周期Ｔでパルスを供給する第１クロックと、
全期間Ｔで続けられかつスタート信号（Ｄ）とストップ信号（Ｆ）との間に存在する第１クロックのパルスの数を計数するデジタル回路と、
スタート信号（Ｄ）の後で始まる第１クロックの第１パルスのスタートからスタート信号（Ｄ）を分離する時間ｔ１を決定する一方停止信号（Ｆ）の前に終わる第１クロックの最終周期のエンドから停止信号（Ｆ）を分離する時間ｔ２を決定して、得られたアナログデータをデジタルデータに変換するアナログ回路と、
デジタル回路から供給されたデータとアナログ回路から供給されかつ前もってディジタルデータに変換されたデータとに基づいて時間スロットの持続時間を決定する処理回路とからなる。
【００１３】
この装置は、非常に高い正確さでかつ非常に長い時間間隔での測定を可能にし、スタート信号（Ｄ）及びストップ信号（Ｆ）は完全にそのクロックに非同期である。
【００１４】
本発明の実施の形態によれば、ディジタル回路には第２クロックが設けられ、そのパルスは第１クロックのパルスに関してシフトされ、そのデジタル回路は全期間で続けられかつスタート信号（Ｄ）とストップ信号（Ｆ）との間で生じる第２クロックのパルスの数を計数し、アナログ回路はスタート信号（Ｄ）とスタート信号（Ｄ）の後に始まる第２クロックの第１パルスのスタートとを分離する時間を決定する一方、ストップ信号（Ｆ）の前に終わる第２クロックの最終周期のエンドからストップ信号（Ｆ）を分離する時間を決定し、前記アナログ回路は得られたデータをデジタルデータに変換可能であり、その装置は、二つのクロック（Ｈ１、Ｈ２）の一方のうち実行されるカウントのどれが考慮に入れられるべきであるかを決定することが可能な手段を有し、その結果、クロック周期カウントエラーに通じる曖昧状態を解消することが可能である。
【００１５】
このように、スタート信号（Ｄ）とストップ信号（Ｆ）との少なくとも一つがクロックパルスに一致した場合のいかなる曖昧状態も避けることが可能である。
【００１６】
他の観点及び実施の形態は従属クレームから知ることができるだろう。
【００１７】
【作用】
請求項１に記載の受動スイッチング原理で作動するマイクロレーザーの使用による測距装置は以下に説明する長所を提供する。
【００１８】
レーザー光源用のパルスタイプ制御電子光学回路を必要としないので、かつ、出力ビームの整形を必要としないので、従って、光学的セッチィングが不要となるので、従来の測距装置よりも一層シンプルになる。従って、エネルギー消費利得を与える長所もある。
【００１９】
視覚安全性基準を考慮に入れつつかなりの測定範囲を可能にし、マイクロレーザーによって生成されるパルスは非常に狭い。視覚安全基準を考慮に入れた所定の平均パワーに対して、測距範囲又は距離範囲を増大させることが可能である。
【００２０】
レーザー光源を製造するための光学配列を必要としないのでより一層堅固になる。つまり、耐久性が向上する。
【００２１】
興味深いマイクロレーザー時間特性があり、正確さが向上する。
【００２２】
マイクロレーザーは非常に小さく、一体の光学系に結合されるので、一層小さくなり、その結果、小型精密装置が得られる。
【００２３】
マイクロレーザーはマイクロエレクトロニクス方法によって作成され、それは再現可能であり、量産に適しているので、信頼性、再現性が向上し、製造コストが低減される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１において、本発明に係わる装置は、本質的に受動スイッチングマイクロレーザー２を有し、その受動スイッチングマイクロレーザー２は位置の決定が望まれる対象４の方向に光ビーム１４を送出する。対象４によって反射されたビーム１８は、例えば、受光レンズと組み合わされたビームスプリッタのような光ビーム受光手段６に導かれる。反射ビーム１８の受光手段６の出射口で得られたビーム１９は、例えば、ビーム通過時間を決定するために測定されるべき間隔のエンドをマークする電気的パルスを供給することが可能なホトディテクタ要素を有する検出回路１０に導かれる。この検出回路１０は増幅器からなる増幅チェィンを組み入れてあり、それは測定されるべき間隔のエンドを意味する信号をコンパレータ段に供給する。この信号は時間測定装置１２に送信される。
【００２５】
その装置はマイクロレーザーパルスの射出時間を検出する手段を有する。これらの手段は、例示されているように、マイクロレーザー２から射出されたビーム１４の光束の部分２０をサンプルするための、例えば、スプリットプレート等の装置８を組み入れている。
【００２６】
その装置８の他の形態が図２に示されている。それは光ビーム１４を二つのビーム、すなわち、主ビーム１６と二次ビーム２０とに分割するのを可能にし、その主ビーム１６と二次ビーム２０とのエネルギー比は非常に大きく、約１０００を越えている。この実施例では、それは光ビーム１４の光路に設置された線形偏光子２２（例えば、グラン−トンプソンタイプ）と四分の一波長板２４とからなる。その線形偏光子２２は、接合面２８で組み合わされた二個の複屈折性物質２６、２７から形成され、その組立体は長方形の平行六面体を形成する。線形偏光子２２は、プリズム２６に属する入射面２９又は研磨入射口を有し、光ビーム１４はその入射面２９又は研磨入射口に突き当たる。その光ビームは、線形偏光子２２を通過してプリズム２７に属する研磨出射口又は出射面３０から出射する。入射面２９及び出射面３０は光ビーム１４に垂直である。例えば、方解石からなる四分の一波長板２４はその線形偏光子２２の出射面３０に接着されている。符号３２は光ビームの出力ジオプターを示し、出力ジオプター３２は光ファイバ、レンズ、ガラス板の入射面であり得る。
【００２７】
マイクロレーザー２からのレーザービーム１４は線形偏光子２２により直線偏光に偏光される。四分の一波長板２４は、光ビーム１４の伝搬軸（光軸）に関して４５度の回転角度で配置され、直線偏光を円偏光に変換する。すなわち、四分の一波長板２４は光ビームの位相を４５度シフトさせる。光ビームがジオプター３２に当たると、その大部分は主ビーム１６を構成するためにジオプター３２によって伝搬され、少量のビーム３４が四分の一波長板２４に向けて反射される。少量のビーム３４はジオプター３２に達する光ビームの光損失となり、結果的に光ビーム１４のエネルギーと較べて非常に低いエネルギー波となり得る。
【００２８】
反射ビーム３４は、ジオプター３２の反射期間に１８０度位相をシフトされ、マイクロレーザー２の方向に向かって四分の一波長板２４を横切る。このビーム３４は更に４５度位相をシフトされ、すなわち、全体として１８０度＋９０度位相をシフトされ、線形偏光子２２に貫入する。線形偏光子２２は９０度変位された光波に対して透過性を有さず、ビーム３４はプリズム２７の面３６に向けて反射される。面３６は研磨されているので、ビーム２０は線形偏光子２２の出力側に集められる。
【００２９】
ビーム２０は二次ビームを構成する。そのエネルギーはジオプター３２の入射面の反射率に比例している。ビーム２０は図１の例えば、ビーム１９を検出するのに用いられたものと同一のホトディテクタ要素、測定されるべき間隔のスタートをマークする信号をコンパレータ段に供給する増幅チェィン等を組み入れた回路１０内で検出され、その信号は時間測定装置１２に送信される。
【００３０】
主ビーム１６と二次ビーム２０とは位相が一致しかつ同一の形であり、その振幅のみが異なっている。
【００３１】
線形偏光子と四分の一波長板とからなる組立体は、レーザービーム１４の光路に関して垂直に入射するように配置された入射面２９によって、マイクロレーザー２に戻って来るエネルギーがもたらす乱れからの独立性を得ることを可能にする。このように、エネルギーサンプルの目的のために、線形偏光子２９に補助的な研磨面２９を与えることのみが必要であり、従って、前もって失われるだろうエネルギーを回復させる。
【００３２】
それ故に、この装置は光学的ビーム偏光作用と信号サンプリング作用との二つの作用を果たす。
【００３３】
マイクロレーザーの構造は、例えば、１９９１年発行の応用物理雑誌（Applied Physics Letters）の５９卷，ナンバー２７，の３５１９頁においてエヌ．マーミリオド（N. Mermilliod）等による論文で述べられ、多層からなっている。活性レーザー媒体は１５０μmから１０００μmの制限された厚さでかつ小さなサイズ（数平方mm）によって構成され、その活性レーザー媒体に、誘電性キャビティミラーが直接デポジット（堆積）されている。この活性媒体はIII-Vレーザーダイオードによってポンプされ、そのIII-Vレーザーダイオードはマイクロレーザーに直接混成されるか又はそのマイクロレーザーに光ファイバーによって結合されている。
【００３４】
通常の方法では、活性媒体の構成物質は、約１．０６μmのレーザー放射のためネオジウム（Ｎｄ）でドープされる。この構成物質は、例えばＹＡＧ（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）、ＬＭＡ（ＬaＭgＡｌ₁₁Ｏ₁₉）、ＹＶＯ₄、ＹＳＯ（Ｙ₂ＳiＯ₅）、ＹＬＦ（ＹＬiＦ₄）又はＧdＶＯ₄等の物質群のうちの一つから選択されることができる。この選択は以下に記載する規準によって条件づけられる。
【００３５】
その規準は、制限された物質厚さ（＜１mm）を維持するが、ポンピング効率を増大させるために、ポンプ波長（例えば、III-Vレーザーダイオードに対して約８００ナノメートル）での高吸収係数、レーザーダイオードの波長安定化の問題に従うために及びポンピングレーザーダイオードの電子制御とその選択を簡略化するために約８００ナノメートルのポンプ波長での広い吸収帯、高効率と高出力パワーを得るために広い実効強制放射断面積、単一波長のレーザーを得るために放射帯の制限された幅又は逆に周波数調整レーザー放射を容易に得るための広い放射帯、物質の研磨仕上げを簡単化するために及びポンプ吸収によって発生する熱の良好な消散による有害な熱影響を制限するために良好な熱力学的特性（レーザーのエネルギー効率に依存する余分の熱）、長エネルギー蓄積期間のための励起状態における長寿命、又は急速スイッチング比のための短寿命、同時量産によって可能な限りの個数のマイクロレーザーを１個のレーザー結晶で可能にするために大きな寸法である。
【００３６】
一般に、上述した全ての規準を同時に満足させる公知の物質は一つもない。しかしながら、公知の物質には、マイクロレーザー動作のために最も適合するものがある。
【００３７】
ＹＶＯ4：この物質は良好な係数と広い吸収帯を有するのみならず、良好な実効断面積を有するが、その熱伝導性が悪く、小寸法が得られるのみで脆弱である。
【００３８】
ＹＡＧ：この物質の吸収係数及び実効強制放射断面積は平均的であり、かつ、その吸収帯及び放射帯は小さいが、しかし、大寸法のため良好な熱伝導性を有し、ネオジウム（Ｎd）でドープされ、最も広く知られており、現在広く用いられている固体レーザー物質である。
【００３９】
ＬＭＡ：この物質は低い吸収係数と小さな実効断面積とを提供するが、吸収帯及び放射帯が広く、そのサイズは大きいが、その熱伝導性は悪い。
【００４０】
他の波長における放射に対しては、異なる物質及びドープ材料が選択される。一般に、活性イオンが以下に記載する中から選択される。
【００４１】
約１．０６μm放射のためのＮd；
約１．５μm放射のためのエルビウムＥr又はコドープされたエルビウム−イッテリウム（Ｅr＋Ｙb）；
約２．０μm放射のためのツリウムＴm又はホルミウムＨo又はコドープされたホルミウム；
他の決定パラメータは活性媒体の厚さｅである。この厚さｅはマイクロレーザーの特性を規定する。一方において、ポンピングビームの吸収は厚さｅが増大すればするほど大きくなる。他方において、ファブリーペローキャビティの長軸（縦軸）方向モードの数が厚さに比例して増加し、縦軸方向単様レーザー（縦軸 monomodal レーザー）を得ることが望まれるなら、その厚さは小さいであろう。単波長レーザーに対しては、一般に最小厚さがＮ＝１に対して選択される。厚さｅが１００μm以上である場合には、単一モードを得るための代表的厚さは、以下の通りである。
【００４２】
ＹＡＧ：Ｌ＝７５０μm
ＹＶＯ：Ｌ＝５００μm
ＬＭＡ：Ｌ＝１５０μm
このように、実際、その厚さｅは１００μmから５mmに渡って変化する。
【００４３】
マイクロレーザーキャビティをスイッチするために、ポンピングエネルギーが利得物質の励起レベルに蓄積される期間、それに対して時間内で各種のロスが追加され、それはある時間の間レーザー効果を禁止する。これらのロスは正確な時間で突然減少し、非常に短い時間内に蓄積エネルギーを解放する（ジャイアントパルス）。
【００４４】
受動スイッチングの場合には、各種の損失はいわゆる飽和吸収剤又はＳＡの形でキャビティに導入され、それはレーザー波長で高い吸収があり、低出力密度で、その密度があるしきい値を越えると、ほとんど透明になり、そのしきい値はＳＡ飽和強度と呼ばれている。
【００４５】
本発明の実施例によれば、飽和吸収剤は固体活性媒体に直接薄層の形態で積着される。
【００４６】
キャビティの実施例は図３ａに図示され、符号３８は活性媒体を示し、符号４０は吸収剤薄層を示している。この二つの要素は一対のミラー４２とミラー４４との間に配置され、この一対のミラー４２とミラー４４とはレーザーキャビティ４６を閉成している。
【００４７】
飽和吸収剤４０のために、吸収剤分子を含むポリマーによって構成された薄層を使用することが可能である。代表的には１．０６μmのマイクロレーザーに対して、クロロベンゼンに６％重量のポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を含む溶液にビス（４−ジエチルアミノジチオベンジル）ニッケル（ＢＤＮ，Ｋｏｄａｋ，ＧＡＳＮｏ．５１４４９−１８−４）のような有機染料を飽和吸収剤として使用することが可能である。
【００４８】
ポリビニルアルコール又はポリビニルアセタート又はポリスチレンのような他のポリマーはＰＭＭＡの代わりにそれらの各溶媒に使用されることができる。染料としてビス（４−ジメチルアミノジチオベンジル）ニッケル（ＢＤＮ，Ｋｏｄａｋ，ＧＡＳＮｏ．３８４６５−５５−３）を使用することが可能である。染料はシリカゲルに組み入れられ、又は染料はポリマー鎖に接合される。多数の他の金属合成物とジチネス（dithienes）とが染料として用いられる。
【００４９】
その技術は１．０６μmよりも他の波長で作動するスイッチングレーザーに対して用いられることができる。例えば、エルビウム又はＥＲ⁺Ｙｂ合成物でドープされて約１．５μmの波長のビームを出射するレーザーはテトラエチルオクタハイドロテトラ−アザペンタフェン−ジチオラート−ニッケル
（tetraethyloctahydrotetraazapentaphene-dithiolato-nickel）でスイッチングされるだろう。
【００５０】
このタイプの溶液は、レーザー物質（例えば、準備工程の詳細は後述する）に直接回転手段（ワーラ）によって直接積着される。これは、約１μm〜５μmの厚さを有する薄層又は薄膜を与える。
【００５１】
図４ａに図示された本発明の別の実施例によれば、飽和吸収剤５０、４０を活性物質８の各片側に積着することが可能である。これは、ポンピングビームのエネルギーをより一層吸収することが可能であり、しかしポンピングビームの入射側に配置された薄膜はそのビームによって非常に影響を受け易い。この符号４２、４４はキャビティ４６の入射及び出射ミラーを示している。
【００５２】
従来の技術（１９９２年５月、米国アナハイムで開催された”レーザと電気光学に関する会議”を収録した出版物”ＣＬＥＯ ’９２ＣＷＧ３３”のＰ．２８２に記載されたＥｄｏｅｔａｌ．の記事を参照）を利用すると、レーザ物質３８上に、透明物質（シリカ等）から成るマイクロレンズ５６の配列を製造することが可能である。これらマイクロレンズの代表的寸法は、直径が１００〜数百（数１００）ミクロン、曲率半径が数百ミクロン〜数ミリメータである。これらのマイクロレンズは、第２飽和性吸収層２２が入射面に存在する場合、図３Ｂ、４Ｂに示されるように、平凹型の”安定”キャビティを形成するために使用される。これらのマイクロレンズで、ポンピング光束を合焦させることも可能である。
【００５３】
公知の処理によって付着（デポジット）された入力ミラー４２はダイクロイックミラーを用いてもよく、該ダイクロイックミラーは、レーザ波長で最高反射率（ほぼ１００％）を有し、ポンピング波長（一般的に、Ｎｄがドーピングされた物質で８００ｎｍ、Ｅｒがドーピングされた物質で７８０ｎｍ、Ｔｍがドーピングされた物質で７８０ｎｍ）で考えられ得る最高の透過率（＞８０％）を有する。出力ミラー４４もダイクロイックミラー型のミラーを用いることが可能ではあるが、しかし、レーザ光束の数パーセントしか透過できない。
【００５４】
上述のようなマイクロレーザキャビティを製造するための処理過程について以下に説明する。この処理過程は次の七つの段階から成る。
【００５５】
１）第１段階は、活性レーザ物質を選択すること。使用可能な物質については既に述べた。
【００５６】
２）第２段階は、選択された結晶を調整（コンデショニング）すること。この結晶は方位付けされ（オリエントされ）て厚さ０．５〜５ｍｍの板に切断される。
【００５７】
３）第３段階は、公知の処理法で、前記の板を研削、研磨すること。
【００５８】
４）第４段階は、飽和性吸収薄層を準備してこの薄層を付着させること。この薄層はポリマーに溶解された有機性の飽和性吸収染料で構成される。ＰＭＭＡに溶解されたＢＤＭの例については既に述べた。液滴法でかつ回転遠心運動で、射出面（ダイクロイックミラーを有する入射面と反対の面）上の基板に上述の溶液を濾過して付着させる。このような処理をするために、ワーラ（遠心除滴装置）を使用することが可能である。このワーラ（遠心除滴装置）は、石版印刷（リソグラフィー）で使用される樹脂を付着させるために超小形電子工学で使用される装置に似た標準型の装置である。研磨作業で生じた不純物の痕跡を、前もって、基板からすべて取り除く。この薄層を２０秒間、毎分２０００ｒｐｍで回転させ、続いて３０秒間、毎分５０００ｒｐｍで回転させる。その後、７０°Ｃのオーブンで２時間、乾燥させる。
【００５９】
この処理により、厚さ１ミクロン（μｍ）の膜が形成される。この膜は３％の活性分子（ＢＤＮ）を有し、この膜の光学的強度は飽和前で０．１３〜１．０６ミクロン（透過率７４％）である。
【００６０】
ポリマー濃度パラメータ、その分子量あるいはその溶剤、染料の比率、およびワーラの回転速度を変えることによって、飽和性吸収剤の性能特性を調整することが可能である。
【００６１】
ポリマーと染料の他の例について以下に述べる。
【００６２】
５）第５段階は、入力ミラーを付着させること。この入力ミラーは誘電多層体を付着させることによって獲得されるダイクロイックミラーであり、第４段階の前か後に行なわれる。
【００６３】
６）第６段階は、第５段階と同じ方法で、薄層上に出力ミラーを付着させること。
【００６４】
７）第７段階は、マイクロレーザチップを得るために板を細かく切断すること。切断は、例えば、ＳＩチップ切断用に超小形電子工学で使用されるタイプのダイアモンド鋸で行なうことが可能である。この細断作業の後に、上述のように形成されたレーザキャビティを修復するために、獲得されたウェーハ（薄小片）を数ｍｍ²の”スモールチップ”にさらに細断してもよい。
【００６５】
得られたレーザチップは、箱内に、ポンプ源（レーザダイオード）と一体成形される。
【００６６】
前述したように、得られるレーザは単一周波数タイプのレーザである。なぜなら、キャビティの長さが数百マイクロメータと短いからである。したがって、レーザ結晶の利得帯において、単一縦モード（物質の作用として１〜３ナノメータ）が得られる。さらに、縦ポンピングによって、利得の空間分布（ポンプの像）とレーザキャビティの横モードに関連する分布との間で、重なり積分を最適化することが可能である。
【００６７】
さらに発射波長を、１〜２ナノメータの程度まで、きわめて正確な方法で、しかもきわめて簡単に調整することが可能である。すなわち、レーザチップ温度を調整することによって、あるいは、圧電セルでその長さを調整することによって、又は、ふたつの連結されたキャビティの構成における電気光学的要素でその長さを調整することによって発射波長を調整することが可能である。圧電効果または電気光学効果により、キャビティの温度または長さを制御することによって波長を安定化できる。飽和性吸収構造体を上述のように定義すると、高いピーク電力（１ｋｗ以上）のもとで、きわめて短時間のパルス（１ナノ秒以下で永続する）を獲得することができる。現在のところ、獲得されるパルスは３００ピコ秒以下の立ち上がり時間を有する。これは次のことを意味する。すなわち、光パルスの走行時間の計測にとって、信号ノイズ比４に対して、統計的累算ではなく一回の測定で、精度が２ｃｍであることである。レーザダイオードを使用した測距儀または距離計では、この精度を獲得することはできない。したがって、必要な電力を生成するために必要な注入電流は、３００ピコ秒の立ち上がり時間で、２０アンペアを超える。寄生インダクタンスと接合容量によって引き起こされる制限によって、これを獲得することは不可能である。
【００６８】
次に図１の検知回路１２について述べる。この回路の実施例については図５ないし図８を参照しながら述べる。この回路によって、マイクロレーザパルス発射時間と発射されたパルスが物体に反射されてから戻るまでの時間との間の時間間隔すなわちスロットを計測することが可能となる。この回路によって、マイクロレーザのパルスと時間計測装置のクロックとの間の数マイクロ秒（μｓ）の変動の非同期について考慮することが可能となる。
【００６９】
発射された光パルスＤと受け取られたパルスＦとの間のタイムスロットの間隔を計測するために、デジタル方式でタイムスロットの粗（ラフ）部計測が行なわれ、アナログ方式でタイムスロットの微細（ファイン）部計測が行なわれる。
【００７０】
この計測結果を得るために、上述のようにして獲得されたパラメータを組み換える。したがって、カウントされたクロック周期の数の形でのデジタル量と、時間を電圧振幅に変換したアナログ量とを結合させることによって、時間測定値が得られる。
【００７１】
図５のタイミング図を参照しつつ、この原理について、さらに詳しく説明する。スタートパルスＤ（検知回路１２へ送信され、マイクロレーザによって発射されたパルスに対応したスロットスタート信号）と、測定されるスロットのエンド用のパルスＦ（検知回路１２へ送信され、リターンパルス１８に対応したスロットのストップ信号）との間の時間間隔ｔ_vを測定することが目的である。
【００７２】
この目的のために、周期Ｔの基本クロックＨが利用され、時間ｔ_vの間の周期数ｎをカウントする。この期間経過に対応する総時間はｎＴである。クロックはスタート信号Ｄとストップ信号Ｆとに同期していないので、スタート信号Ｄとスタート信号Ｄの後に始まる第１クロックパルスのスタートとの間に経過する時間ｔ₁を決定することが必要であり、一方では、ストップ信号Ｆとストップ信号Ｆの前で終る最終クロック期間のエンドとの間に経過する時間ｔ₂を決定することも必要である。タイムスロットｔ_vの期間を獲得するためには、計測された３種類の時間を単に加算するだけでよい（ｔ₁＋ｎＴ＋ｔ₂）。
【００７３】
ｔ₁とｔ₂を決定するために、振幅がＡで周期Ｔの基本クロックと同期した周期２Ｔの三角波信号Ｒを利用する。どんな場合でも、もしａがランプ（傾斜部）で計測された振幅であるとすれば、そのランプからスタートして経過した時間ｔは（Ｔ／Ａ）・ａとなる。スタート信号Ｄとストップ信号Ｆが生じた時にランプをサンプリングすることによって、それぞれｔ₁、ｔ₂に相当する振幅ａ₁、ａ₂が得られる。
【００７４】
もし、立ち上がりランプの期間中にスタートパルスが発生すれば、ｔ₁＝（Ｔ／Ａ）・ａ₁が得られる。
【００７５】
もし、立ち下がりランプの期間中にスタートパルスが発生すれば、ｔ₁＝Ｔ−（Ｔ／Ａ）・ａ₁が得られる。
【００７６】
もし、立ち上がりランプにストップパルスＦが発生すれば、ｔ₂＝（Ｔ／Ａ）・ａ₂が得られる。
【００７７】
もし、立ち下がりランプにストップパルスＦが発生すれば、ｔ₂＝Ｔ−（Ｔ／Ａ）・ａ₂が得られる。
【００７８】
次にｔ₁とｔ₂とをデジタル化し、ふたつの対応する値Ｔ₁とＴ₂を付与する。その結果、タイムスロットの期間（ｔ_v−ｎＴ＋Ｔ₁＋Ｔ₂）が得られる。
【００７９】
本発明を行なうための装置を図６に示す。クロックＨは、ＡＮＤゲート５２の入力端子の一方に対して周期Ｔのパルスを与える。クロックＨは、例えば２００ＭＨｚの振動数で作動するクリスタルクォーツ発振器から生成される。ＡＮＤゲート５２のもうひとつ別の入力端子はＲーＳフリップフロップ５４の出力端子からの信号を受け取る。ＲーＳフリップフロップ５４の入力端子Ｓにスタート信号Ｄが与えられる。一方、ＲーＳフリップフロップ５４の入力端子Ｒはストップ信号Ｆによって制御される。ＡＮＤゲート５２、ＲーＳフリップフロップ５４、およびクロックＨによって構成されるユニットはデジタル計測回路を構成し、このデジタル計測回路によって、計測されるタイムスロットの粗値（ラフ値）を得ることができる。この粗値（ラフ値）はｎＴとなる。ここで、ｎはスタート信号Ｄとストップ信号Ｆとの間で経過したクロック周期Ｔの数であり、カウンタ５３で計数される。
【００８０】
これに平行して、クロックＨの信号の振動数の分割が、例えば、フリップフロップによって構成されるデバイダ（分周器）５６によって行なわれる。デバイダ５６はランプジェネレータ（ランプ発生器）５８に出力する。このジェネレータ５８はコンデンサの一定の充電、放電によってその機能を発揮する。これらランプの期間と傾斜はきわめて良く定義される。ランプジェネレータ５８は高速アナログデジタル変換器６０（例えば、フラッシュ型、あるいは高速サンプル＋型の変換器）へ出力する。高速アナログデジタル変換器６０の別の入力端子は、測定される期間のスタート信号Ｄとストップ信号Ｆとによって制御された、例えば、フリップフロップ６２からの信号を受け取る。したがって、コンバータ６０は測定されるタイムスロットのスタート時Ｄとストップ時Ｆにランプの振幅に関する情報をサンプリングし、さらに、これらスタート時Ｄとストップ時Ｆでのランプのパリティに関する情報、すなわち立ち上がりまたは立ち下がり特性の情報をサンプリングする。このコンバータ６０によって、Ｔ₁とＴ₂の値に関する情報を獲得し、それをメモリ６３に記憶させることが可能となる。
【００８１】
ｎＴに関する粗情報と、スロットＴ₁とＴ₂とに関する微細情報（ファイン情報）とは、処理回路６４に提供され、この処理回路６４によって、測定されるタイムスロットの期間ｔ_vが計算される。
【００８２】
本発明の装置によって、良好な精度を得ることができる。なぜなら、タイマあるいはクロノメータクロックＨに関連した測定スタート信号Ｄと測定ストップ信号Ｆとは同期に無関係であるからである。また、その振動数が固定されているので、数秒ないし無限大の間で変わり得るわずかな、かつ、きわめて長い時間の偏差を決定するためのクロノメータの限定された容量とは無関係に測定することが可能となる。
【００８３】
本発明の装置によって、長い時間間隔がどのようなものであっても、不変の精度でその長い時間間隔を決定することも可能である。このことは従来のタイムスロット間隔測定装置、特に、１９９３年７月２日のフランス特許出願９３０８１４５において提示された測定装置にはあてはまらない。つまり、後者の装置においては、タイムスロットの測定のスタート時点でコンデンサが放電され、タイムスロットの測定の終了時点で前記コンデンサが充電される。しかしながら、信号Ｄの到着直後に測定された電荷は、測定されるタイムスロットの最後部に達する前に、ストップ信号の直前に変わり得る。この電荷は測定されるタイムスロットが長くなるにつれて増加する。本発明の装置においては、周期三角波を使用することによってこの問題を解消することができる。
【００８４】
最後に、コンパクトな回路を形成するために、この種の装置を簡単に一体成形することができる。検知回路１２のもうひとつ別の実施例によれば、スタート信号Ｄとストップ信号Ｆに関する不明状態に関連した問題を考慮することが可能である。これらの問題が起きるのは、クロックの信号の立ち上がり前端または後端、あるいはクロック信号の立ち下がり前端または後端で信号のひとつ、またはそれ以外の信号が同時に発生する時である。タイムスロットの粗測定値を決定する本装置のデジタル部のカウンタは、まだ計測されていない補助クロック信号をカウントすることができる。
【００８５】
この問題を解決するために、本発明は図７に示された原理にしたがって作動する装置を提案する。前述した説明にしたがい、クロックＨ₁は周期Ｔの信号を供給する。本装置によれば、クロックＨ₁の信号と同期した周期２Ｔの信号を生成することが可能である。
【００８６】
振幅Ａの上下動する傾斜波（三角波）Ｒ１を発生することが可能である。装置の遅れは第１信号Ｈ１に基づいて第２信号（クロック）Ｈ２を発生させ得る。第２信号Ｈ２は第１信号に関してＴ／２だけ位相がシフトされる。このように、図７に示されているように、矩形波パルスＨ２の立ち下がり端は矩形波パルスＨ１の立ち上がり端に対応している。このクロック信号Ｈ２はクロックＨ１に対して詳細に前述したように周期２Ｔの信号Ｓ２を発生させ得る。その信号Ｓ２は傾斜波（三角波）Ｒ１と同じ振幅Ａの傾斜波（三角波）Ｒ２を制御する。測定スタート信号Ｄが生じると、２個の傾斜波（三角波）Ｒ１、Ｒ２に同時サンプリングが生じる。仮に、例えば、測定スタート信号Ｄと矩形波パルスＨ１との間の不明瞭性、すなわち、測定スタート信号Ｄが矩形波パルスＨ１の重なり合わされた時、二つのチャンネルの半周期の位相ずれに起因して、測定スタート信号Ｄと矩形波Ｈ２によって発生された信号との間のあいまいさが同時であることが不可能である。従って、測定スタート信号Ｄに伴ってあいまい状態にないクロックを同定すること及び時間ｔ１を決定するために対応する傾斜波（三角波）Ｒに対応するサンプル値を保持することのみが必要であるのみである。例えば、仮にあいまい状態がスタート信号ＤとクロックＨ１との間で生じる場合、時間ｔ１の測定を決定するための有効クロックはクロックＨ２であり、考慮に入れられるべき値は傾斜波（三角波）Ｒ２に基づいて測定されたそれである。
【００８７】
同じ状態はストップ信号Ｆのいかなるあいまいさに対しても生じる。ストップ信号Ｆが生じると、２個の傾斜波（三角波）Ｒ１、Ｒ２に同時サンプリングが生じる。時間ｔ２に対して、信号Ｆに伴ってとあいまいさを有さないクロックＨ１又はＨ２から傾斜波（三角波）Ｒ１、Ｒ２の値が得られる。
【００８８】
あいまい状態が測定スタート信号Ｄと測定ストップ信号Ｆとに同時に存在する場合には、クロックＨ１、Ｈ２に関してそれぞれ位相シフトされた第３回路を付加することが可能である。
【００８９】
あいまいさがない場合には、クロックＨ１でも、クロックＨ２でもなく、得られた時間（ｔ１又はｔ２）は２個のクロックに対応する２個の回路の一方又は他方に生じる。
【００９０】
この発明の実施例に対応する装置は、図８に示され、第１ブロック７４における第１カウンタ７５がその許可入力端子ＣＥに基づきフリップフロップ７３からのカウント命令を受取り、その入力端子Ｃにクロック信号Ｈ１を受け取る。第１カウンタ７５からの出力データは、オアゲート８２によって制御されるスイッチング（又は配備）回路８６によって処理回路７２に伝送される。
【００９１】
Ｄフリップフロップ７６、８０はオア回路９０、９１によって信号Ｄ及びＦをそれらの入力端子Ｄに受け取る。許可入力端子信号ＣＥを供給するフリップフロップ７３は、同じく信号Ｄ及びＦによって制御され、その信号Ｄ及びＦは例えば論理ゲート内でタイムラグを生ぜしめる装置６９、９２による３個の伝播時間に接近する量によって共に遅延される。第１アンドゲート７７はフリップフロップ７６の出力とクロックＨ２とのアンドを履行する。後者の信号Ｈ２はクロックＨ１とゲート内の伝播時間を生ぜしめる遅延回路６８とから得られる。
【００９２】
第２ブロック７８内で、第２カウンタ７９はその入力端子ＣＥにフリップフロップ７３からカウント命令を受け取る。そのカウンタ７９のデータは回路８６を経由して処理回路７２に伝送される。第２Ｄフリップフロップは前述したと同様の作用を果たす。第２アンドゲート８１は回路８０の出力とクロックＨ１との間のアンド作用を履行する。
【００９３】
回路８２の出力は最初にＤフリップフロップ７６又は８０がスイッチされなかったカウンタ７５又は７９の読み出しを得るためにスイッチング（又は配備）回路８６の作動を制御する。それはスイッチされたフリップフロップ７６又は８０の最初のものを検出し、かつ、それは状態が変更されないフリップフロップのカウンタの読み出しを許可する。
【００９４】
仮に、不確定状態が例えばカウントのスタート時にカウンタの一方又は他方に対してあると、回路７６、８０を切替える当該同定の最初はクロックＨ１又はＨ２の選択を有効にする。有効にされたカウンタは変更されない状態で残っており、一方他方のカウンタは信号Ｄに続く第２クロックパルスの到着前にゼロにされる。これは第１カウンタ、第２カウンタに対して回路９４、９５及び９６、９７によってそれぞれ実行される。回路９４、９６はアンドゲートであり、一方回路９５、９７は時間形成タイプである。ＲＳフリップフロップ８３はそのセット入力端子に回路９２及び６９によって遅延された信号Ｄ及びＦに入力が一致するオアゲート８４の出力を受け取る。フリップフロップ８３はその他方の入力端子に２個のアンドゲート７７、８１の出力を受け取る。
【００９５】
フリップフロップ８３はアナログデジタルコンバータ１００の一方の入力端子とアナログデジタルコンバータ１０２の一方の入力端子とを制御する。これらのコンバータ１００、１０２の各他方の入力端子はそれぞれクロックＨ１、Ｈ２に各フリップフロップ１０１、１０３及び各傾斜波Ｒ１、Ｒ２を発生するための傾斜波発生器１０５、１０７によって接続されている。各フリップフロップ１０１、１０３はそれぞれ周期２Ｔの信号Ｓ１、Ｓ２を発生させることを可能にする。アナログデジタルコンバータの下流には、２個のメモリ１１０、１１２及び回路８２によって制御されるスイッチング回路１０６がある。
【００９６】
次に、マイクロレーザーから出射され対象によって反射された光パルスの出射戻り経過時間の測定を述べることが必要である。このために、出射された光パルスの展開と受光された光パルスの展開とをそれぞれ述べる図９ａ、９ｂが参照されるべきである。仮にｄが出射装置（すなわちマイクロレーザー）と対象との間の距離であり、ｃが光速、ｔｄが出射及び戻り経過時間であると、
ｔｄ＝２ｄ／ｃを得る。
【００９７】
出射されたパワーＰｅの関数として、受光パワーＰｒの比は、
Ｐｒ／Ｐｅ＝ｋｔ・ｋｄ／ｄ２
ここで、ｋｔは大気透過率であり、ｋｄは物質によって生ぜしめられる散乱係数である。
【００９８】
測定の正確さは、σｘ＝ｔｒ・ｃ／（２．３６・ｓｎｒ）で与えられ、ここで、ｔｒはパルス発生時間であり、ｓｎｒは検出装置における信号ノイズ比である。
【００９９】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載のマイクロレーザー付き測距装置は、以上説明したように構成したので、短距離及び中間距離測定可能性（１００ｍ〜２０００ｍ）、可能な限り一体の小型装置、スイッチング制御を要求されない簡略化された電子光学回路、視覚安全基準を満足すること、量産により低コストで製造可能という条件を考慮に入れて作動可能で光パルス通過時間測定原理で動作するレーザー測距装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる測距装置の主構成要素のブロック図である。
【図２】マイクロレーザーからの光ビームを主ビームと二次ビームとに分割する装置の一例を示す図である。
【図３】本発明に従う測距装置のレーザーキャビティの実施例を示す図であり、図３Ａは吸収剤が１個でマイクロレンズアレイがない状態を示し、図３Ｂは吸収剤が１個でマイクロレンズアレイがある状態を示している。
【図４】本発明に従う測距装置のレーザーキャビティの実施例を示す図であり、図４Ａは吸収剤が２個でマイクロレンズアレイがない状態を示し、図４Ｂは吸収剤が２個でマイクロレンズアレイがある状態を示している。
【図５】本発明に従う測距装置に用いられる通過時間測定原理のタイミング図である。
【図６】図５に示す原理を実行する装置を示す図である。
【図７】本発明に従う測距装置における通過時間を測定する他の方法を示す図である。
【図８】図７に示された原理を実行する装置を示す図である。
【図９】時間パルスの展開図であり、図９ａはマイクロレーザーによって出射された光パルスの時間展開図、図９ｂは対象から反射されて装置に到着した光パルスの時間展開図を示す。
【符号の説明】
２…マイクロレーザー
４…対象
６、８、１０…手段
１２…タイムスロット測定手段
１８、１９…光パルス

Claims

光パルスの通過時間を測定する原理で作動し、
入射ミラーと出射ミラーとの間に配置された固体活性媒体および飽和吸収剤から成りパルス型作動の受動スイッチングマイクロレーザーと、
対象から反射された光パルスを受光しかつ該光パルスの受光時間を検出する手段と、
前記マイクロレーザーのパルスの射出時間を検出する手段と、
前記マイクロレーザーのパルスの射出時間を反射ビーム受光時間から分離して時間間隔を測定する手段とを備え、
前記マイクロレーザーのパルスの射出時間を反射ビーム受光時間から分離して時間間隔を測定する手段は、周期Ｔでパルスを供給する第１クロックと、全期間Ｔで続けられかつスタート信号（Ｄ）とストップ信号（Ｆ）との間に存在する第１クロックのパルスの数を計数するデジタル回路と、第１パルスからスタート信号（Ｄ）を分離する時間ｔ１を決定する一方、ストップ信号（Ｆ）の前に終わる第１クロックの最終周期のエンドからストップ信号（Ｆ）を分離する時間ｔ２を決定し、得られたアナログデータをデジタルデータに変換するアナログ回路と、デジタル回路から供給されたデータとアナログ回路から供給されかつ前もってデジタルデータに変換されたデータとに基づいて時間スロットの持続時間を決定する処理回路とを有するマイクロレーザー測距装置。
前記飽和吸収剤は固体活性媒体に直接ディポジットされた薄い飽和吸収物質層である請求項１に記載のマイクロレーザー測距装置。
固体活性媒体は、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂、Ｌ_aＭ_gＡｌ₁₁Ｏ₁₉、ＹＶＯ₄、Ｙ₂ＳｉＯ₅、ＹＬｉＦ₄又はＧｄＶＯ₄の中から選択された基質によって構成され、ネオジウム（Ｎｄ）イオン、エルビウム（Ｅｒ）イオン、ツリウム（Ｔｍ）イオン、ホルミウム（Ｈｏ）イオンでドープされるか又はエルビウム及びイッテルビウム（Ｅｒ＋Ｙｂ）イオンでコドープされるか又はツリウム及びホルミウム（Ｔｍ＋Ｈｏ）イオンでコドープされている請求項２に記載のマイクロレーザー測距装置。
薄層がポリマー溶媒に溶解された有機染料によって構成されている請求項２又は請求項３に記載のマイクロレーザー測距装置。
有機染料がビス（４−ジエチルアミノジチオベンジル）ニッケル又はビス（４−ジメチルアミノジチオベンジル）ニッケルから選択され、溶媒はポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセタート又はポリスチレンの溶液であることを特徴とする請求項４に記載のマイクロレーザー測距装置。
薄層が液相結晶成長法によって得られる請求項２に記載のマイクロレーザー測距装置。
マイクロレーザーが第２の飽和吸収層を有している請求項２ないし請求項６のいずれか１項に記載のマイクロレーザー測距装置。
マイクロレーザーがマイクロレンズ配列を有している請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のマイクロレーザー測距装置。
入射ミラーと出射ミラーとがダイクロイックミラーである請求項２ないし請求項８のいずれか１項に記載のマイクロレーザー測距装置。
マイクロレーザーのパルスの射出時間を検出する手段を有し、該手段は、接合面で組み合わされた複屈折性物質からなりかつマイクロレーザーパルスの光路に設置された二個のプリズムを有し、光パルスが一対のプリズムの一方に属する入射面に貫入するようにかつプリズムの他方に属する出射面を貫通するように配置され、入射面及び出射面がマイクロレンズパルスの光路に対して垂直に研磨された線形偏光子と、該線形偏光子の出射面に平行に配置された四分の一波長板と、前記パルスを、主パルスを形成するために透過される第１部分と四分の一波長板と二次パルスを生ぜしめるための線形偏光子とに向けて反射される第２部分とに分離するために、四分の一波長板を通過する光パルスの光路に配置された手段とからなり、前記線形偏光子は、線形偏光子から射出された二次パルスをサンプルすることを可能にするために、第３研磨面を有する請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のマイクロレーザー測距装置。
デジタル回路には第２クロック（Ｈ２）が設けられ、そのパルスは第１クロック（Ｈ１）のパルスと比較して位相がシフトされ、そのデジタル回路は全期間Ｔで続けられかつスタート信号（Ｄ）とストップ信号（Ｆ）との間で生じる第２クロックのパルスの数を計数し、アナログ回路はスタート信号（Ｄ）とスタート信号（Ｄ）の後に始まる第２クロックの第１パルスのスタートとを分離する時間を決定する一方、ストップ信号（Ｆ）の前に終わる第２クロックの最終周期のエンドからストップ信号（Ｆ）を分離する時間を決定し、前記アナログ回路は得られたデータをデジタルデータに変換可能であり、二つのクロック（Ｈ１、Ｈ２）の一方のうち実行されるカウントのどれが考慮に入れられるべきであるかを決定することが可能な手段を有し、その結果、クロック周期カウントエラーに通じる曖昧状態を解消することが可能である請求項１に記載のマイクロレーザー測距装置。