JP5752685B2 - Ｓｍｉセンサを動作させる方法および対応のセンサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、対象物の速度および／または距離を計測する自己混合干渉（ｓｅｌｆ−ｍｉｘｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ；ＳＭＩ）センサであって、レーザーと、そのレーザーの出力パワーの変動を計測する光検出器とを少なくとも備えるセンサを、動作させる方法に関するものである。本発明はまた、上記の方法に従って動作するよう適合化された、自己混合干渉センサ装置にも関するものである。

自己混合インターフェロメトリーに基づくレーザーセンサは、一般的に、速度、振動および距離の計測を可能とし、したがって広範な用途をカバーする。ＳＭＩレーザーセンサは、目的対象物から散乱または反射されて戻り、レーザーキャビティ内に再入射するレーザー放射が、共鳴放射と干渉し、それによりレーザーの出力特性に影響を及ぼす効果を利用したものである。出力パワーまたは周波数に結果として現れる変動は、センサに対する目的対象物の動きまたは距離に関する、追跡可能な情報を含んでいる。この情報を含むレーザー出力信号は、典型的には、フォトダイオードにより収集される。たとえば目的対象物の移動は、散乱されて戻りレーザーキャビティ内のレーザー場と干渉するレーザー放射に、ドップラーシフトを生じさせ、その結果、キャビティ内の場および出力パワーに変化をもたらす。変化の大きさは、散乱されて戻るレーザー放射の強さに依存する。レーザーの自己混合の動作原理は、たとえば、Ｇ．Ｇｉｕｌｉａｎｉ他、「Ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ ｓｅｌｆ−ｍｉｘｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｓｅｎｓｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（検出用途のためのレーザーダイオードの自己混合技術）」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ Ａ：Ｐｕｒｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｅｄ ｏｐｔｉｃｓ ４（２００２）、Ｓ２８３−Ｓ２９４ページで説明されている。

散乱されて戻るレーザー放射の強さは、レーザーのレーザーパワーと、目的対象物の反射特性とに依存する。散乱されて戻るレーザー放射の強さが弱いと、レーザー放射内に存在するノイズの方が優勢になり、ＳＭＩ信号を表す変化はもはや観測不能となってしまう。

本発明の１つの目的は、ＳＭＩ信号の改善された信号対雑音比を実現する、自己混合干渉センサを動作させる方法、およびかかる方法に従って動作するよう設計された自己混合干渉センサ装置を提供することである。

上記の目的は、請求項１および４に係る方法および装置により達成される。この方法および装置の有利な実施形態は、従属請求項で規定され、あるいは本明細書の以下の部分に記載されている。

本願が提案する、対象物の速度および／または距離を計測する自己混合干渉センサを動作させる方法では、レーザーが周期的にレーザーパルスを発し、そのレーザーパルスの後に、そのレーザーパルスよりも低い振幅を有するレーザー放射の放射期間が後続するよう、上記の自己混合干渉センサの少なくとも１つのレーザーが制御され、対象物で反射された後のレーザーパルスが、上記の低い振幅を有するレーザー放射の放射期間中においてレーザーに再入射するよう、レーザーパルスのパルス幅が調整される。このことは、対象物の距離をｄ、光速をｃとして、レーザーパルスのパルス幅ｔが、ｔ＜２ｄ／ｃの条件を満たさなくてはならないことを意味する。換言すると、パルスの存続時間は、レーザーから対象物へとパルスが伝播するのに必要とされる時間よりも、短くなくてはならない。

本発明の重要な特徴は、レーザーから対象物へと伝播しさらに戻ってくるのに必要とされる時間以下のパルス存続時間を有する、レーザーパワーのパルス変調を適用する点にある。このパルス変調により、信号対雑音比が高められるＳＭＩ信号は、反射または散乱により戻ってきたパルスが、レーザーキャビティ内においてより低い振幅のレーザー放射と干渉する期間内のみに限定される。ＳＭＩ信号はこれらの期間中において検出および評価され、対象物の速度および／または距離が特定される。

ＳＭＩセンサのレーザーは、より低い振幅を有するレーザー放射の放射期間が、次のパルスが生成されるまで存続するように制御されてもよい。また、より低い振幅を有するレーザー放射の放射期間がより短い期間とされ、次のパルスが放射されるまでの間、レーザーパワーがさらに低い値（極端にはゼロ）に低減されてもよい。明らかなことであるが、パルスに後続する、より低い振幅を有するレーザー放射の放射期間は、散乱または反射して戻ってきたレーザーパルスが、レーザーキャビティ内においてこのレーザー放射と自己混合干渉することを可能とするのに、十分な長さの期間とされなくてはならない。

ＳＭＩセンサのレーザーをこのように動作させると、ＳＭＩ信号Ｓの信号対雑音比は、以下の理由により改善される。ＳＭＩ信号Ｓは、強度Ｉ_ｂを有する戻り反射場と、強度Ｉ_ｌを有するレーザーキャビティ内部のレーザー放射場との間の、干渉の強さに比例する。すなわち、

である。

この信号のノイズは、ｎ（Ｉ_ｌ）と定義されるレーザーノイズにより決まる。ここでｎは、レーザーの強度Ｉ_ｌの関数である。かかるＳＭＩセンサの既知の動作モードの場合のように、レーザーパワーが一定である場合には、信号対雑音比ＳＮＲは

により与えられる。

ＳＭＩレーザーセンサが、本願が提案する方法により動作させられると、レーザーはより高い強度ｇ×Ｉ_ｌでパルス駆動させられ、パルスの存続時間は、レーザーから目的対象物へ行って戻ってくる往復行程の時間以下とされる。戻り反射されたレーザー放射は、増強されたパワーｇ×Ｉ_ｂを有する。ここでＩ_ｂは、低いキャビティ内パワーを有する反射レーザー光のパワーレベルを示す。戻り反射されたパルスと、より低い強度を有する通常のレーザー放射との間の干渉が生じる期間中に、ＳＭＩ信号Ｓが観測されると、この信号Ｓは、増強された強度

を有することとなる。一方、ノイズはＩ_ｌの場合と変わらず、戻り反射部分ｇ＊Ｉ_ｂは、依然としてＩ_ｌに対して小さい。したがって、全体としての信号対雑音比は、

だけ増大させられる。高パワーの戻り反射パルスと通常の（より低い）レーザー強度のレーザー放射との重複期間中におけるこの信号のみが、検出され評価されるように、ＳＭＩ信号の検出が時間ゲーティングされれば、上記で説明したように、信号対雑音比が高められる。

レーザーパルスのパルス存続時間は、レーザーの弛緩振動の周波数の逆数よりも、長いことが好ましい。この条件は、場の方程式のレーザーダイナミクスを無視でき、従来型のＳＭＩ記述式が依然として適用可能な状態を確保する。たとえば、目的対象物とレーザーとの間の距離として典型的な値は、３０ｃｍである。このことは、本願が提案する方法によれば、パルス存続時間は、２ｎｓ以下であることが好ましいことを意味する。垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）の場合、レーザーが閾値よりも十分高い値で動作させられている際の弛緩振動の周波数は、１０ＧＨｚより高い。したがって、パルス存続時間は、０．１ｎｓよりも長くなるように、すなわち０．２ｎｓと２ｎｓとの間の範囲内になるように、調整されるべきである。本願が提案する方法では、反射されたレーザーの場と、レーザーキャビティ内のレーザー場との重複が必要とされる。このことは、パルスの出力パワーの変化が、上記の場合には２ｎｓよりも速く、一般的な場合には光がレーザーから目的対象物へと伝播しさらに戻ってくるのに必要とされる時間よりも速く、行われなくてはならないことを意味する。

レーザー放射のパルス変調は、レーザーキャビティ内部のゲインまたは損失が適切に制御される方策であれば、レーザー技術の分野における他の種々の方策により行われ得る。ＳＭＩセンサのレーザーとしてレーザーダイオードを用いる場合には、高い駆動電流を伴う第１の駆動期間に後続して、低い駆動電流を伴う第２の駆動期間が現れるように、レーザーダイオードの駆動電流を周期的に変調させることにより、レーザー放射のパルス変調を実現することができる。この第１の期間はレーザーパルスの生成期間に対応し、第２の期間はより低い振幅を有するレーザー放射の生成期間に対応する。駆動電流を介した変調は、レーザーダイオードの所望のパルス放射挙動を、非常に単純な構成で生成することを可能にする。

上記より、対応の自己混合干渉センサ装置は、レーザー（好ましくはレーザーダイオード）と、レーザーの出力パワーの変動を計測する光検出器と、レーザーのレーザー放射を制御する制御ユニットとを、少なくとも備えている。制御ユニットは、あるパルス幅およびパルス振幅を有するレーザーパルスをレーザーが周期的に発し、そのレーザーパルスの後に、より低い振幅（好ましくは一定振幅）を有するレーザー放射の放射期間が後続するよう、上記のレーザーを制御する。検出対象の対象物で反射された後のパルスが、上記のより低い振幅を有するレーザー放射の放射期間中においてレーザーに再入射するよう、パルス幅が選択される。パルス幅は、好ましくは２ｎｓ以下となるように調整または選択される。そのような値を用いれば、かかるＳＭＩセンサ装置の典型的なアプリケーションおよび計測範囲はカバーされる。

出力パワーの変動の計測結果に基づいて、対象物の速度および／または距離を特定するため、ＳＭＩセンサに接続されたまたは組み込まれた検出ユニットは、既知の手法で光検出器の信号を検出および評価する。光検出器が、検出ユニットの一部を構成していてもよいし、他の態様で検出ユニットに接続されていてもよい。検出ユニットは、光検出器の信号のうち、戻り散乱されたパルスと、より低い振幅を有するレーザー放射との重複期間中において計測された信号期間、すなわち戻り反射されたレーザーパルスがレーザーキャビティ内の上記のレーザー放射と干渉しているときに計測された信号期間だけを評価する。これらの期間中においてのみ、ＳＭＩ信号が評価または検出される。好ましくは、光検出器から送出される信号、または光検出器の動作は、上記の期間中のみ信号を提供するように、適切にゲーティングされる。

本願が提案する方法はまた、１つよりも多くのレーザーを有するＳＭＩセンサ装置にも適用可能である。かかる装置のコストを節約するため、これらのレーザーは、１つのみの検出ユニットを共有していてもよい。この場合、異なる複数のレーザーからのレーザーパルスが、時間的に重複せずに順番に発せられるよう、異なる複数のレーザーが制御される。したがって、信号対雑音比が高められたＳＭＩ信号も、時間的に重複せず、検出ユニットは、これらのＳＭＩ信号を時間的にシーケンシャルに検出できる。この方策により、装置全体を、単一の検出ユニットで有利に動作させることができる。

本願が提案する方法および対応のＳＭＩセンサ装置を用いれば、ＳＭＩセンサが通常の動作条件で動作させられている場合、すなわち一定振幅のレーザー放射で動作させられている場合と比較して、ＳＭＩ信号の信号対雑音比を高めることができる。かかるレーザーが閾値よりもはるかに高い値で動作させられると、レーザー放射は

で増加するショットノイズを含むこととなる。より高いパワーでは、通常、レーザーはモード遷移に近い状態となるので、ショットノイズが優勢のノイズが生じるのみならず、いわゆるモード分配雑音に起因してノイズが増大する。かかる場合において、本発明に従うパルス化技術は、非常に有利である。なぜならば、高強度のノイズは戻り反射パルス内のみに存在し、これは反射のため既に弱くなっており、ＳＭＩ信号に影響を与えないためである。本願が提案する方法および対応の装置の別の利点は、より低い平均駆動電流で、すなわちより低い平均温度で、レーザーを動作させることができる点である。このことは、通常は動作温度が高くなると短くなる、レーザーの寿命の観点から有利である。

本願が提案するＳＭＩセンサ装置の概略的な設置例を示した図 レーザー放射のパルス変調のための、駆動電流の２つの例を示した図 ＳＭＩセンサが２つ以上のレーザーを有する場合における、本願が提案する方法に従う動作原理を示す例を示した図

以下、本願が提案する方法および装置の例を、添付の図面を参照しながら説明する。この説明は、特許請求の範囲により規定される保護範囲を限定するものではない。

図１は、本願が提案するＳＭＩレーザーセンサ装置が、目的対象物の速度または距離を計測する際の、概略的な設置例を示している。ＳＭＩレーザーセンサ装置は、レーザーパルスドライバ２に接続されたレーザー１を備えている。レーザーパルスドライバは、レーザー１の制御ユニットを意味するか、あるいはレーザー１の制御ユニットの一部である。レーザーパルスドライバは、レーザー１が周期的にレーザーパルスを発し、それらレーザーパルスの後に、それらパルスよりも低い振幅または強度を有するレーザー放射の期間が後続するよう、変調された駆動電流を生成する。パルスは、目的対象物３に向けて発せられ、その一部が、レーザー１のキャビティ内に戻るように反射される。図１には、発射され、戻り反射されたレーザー放射４が示されている。レーザー１は、レーザーパルスに対応する高強度の場が生成され、目的対象物３においてこのレーザーパルスが戻り反射されてレーザーキャビティ１内に再入射した際に、レーザー強度が通常の（より低い）動作レベルに切り換えられるように制御される。レーザーパワーまたはレーザー強度は、検出ユニット５により検出される。戻り反射されたレーザーパルスは、レーザーキャビティ内に再入射すると、内部のレーザー場６と干渉して、出力パワーまたは内部パワーに変化をもたらす。これがすなわちＳＭＩ信号である。このＳＭＩ信号は、通常のレーザー動作時（すなわちより高い強度のパルスが存在しないとき）において反射され戻ってくる放射と比較して、より高い戻り反射強度に対応するので、信号対雑音比が高められる。すると、検出ユニット５が、目的対象物の距離および／または速度を特定するために、検出された信号を評価する。この評価は、ＳＭＩセンサで距離および／または速度を計測するための、従来技術より知られている評価法と同一である（たとえば、本明細書の冒頭部分で言及したＧ．Ｇｉｕｌｉａｎｉ他の刊行物参照）。

図２は、本発明の方法に従う、パルス化されたレーザー出力を生成するための駆動電流の２つの例を示している。第１の例では、パルス幅Δｔ_ｐを有するパルス化された駆動電流によりパルスが生成され、それに後続してより低い駆動電流の期間が存在し、その低い駆動電流はその後、次のパルスが生成されるまでゼロに減少させられる。別の可能な形態は、パルスを生成するためのより高い電流に後続する、より低い駆動電流を、次のパルスが生成されるまで維持する形態である。この形態は、図２の２つ目の図表に示されている。しかしながら、パルス間の電流は、さらに変動させられてもよい。より低い駆動電流の期間は、少なくとも、戻り反射するパルスと、より低い振幅のレーザー放射との間の干渉がレーザーキャビティ内で生じ、適切なフォトダイオードに接続されたまたはかかるフォトダイオードを含む検出ユニット５により検出可能となるのを担保するのに、十分な持続時間を有するべきである。

図３は、３つのレーザー１を有するＳＭＩセンサ装置の例を示している。かかるＳＭＩセンサ装置のコストを抑制するため、検出電子回路系、すなわち検出ユニット５は、３つのレーザー１により共有されている。レーザーは、本発明に従うパルス化モードで動作させられる。対応するレーザー１の駆動電流実行状態の時間的一部を示した、図３の左側部分に模式的に示されているように、このレーザー動作は、複数のレーザーにより発せられるパルスが時間的に重複せず、したがってその基となる電流パルスも時間的に重複しないように実行される。これにより、異なるレーザーの信号をシーケンシャルにサンプリングすることが可能となる。この場合、第１のレーザーの信号が検出されるとき、すなわち高強度パルスの戻り反射部分が、通常のレーザー強度を有する放射と重なり合うときには、第２のレーザーのパルスがすでに生成されている。第１のレーザーの信号を検出した後、検出ユニット５は第２のレーザーに切り換えられ、その第２のレーザーに戻り反射されたパルス部分がレーザーキャビティ内に再入射し・・・といった具合に動作する。こうして、本願発明によれば、すべての検出されたＳＭＩ信号について信号対雑音比が高められ、同時に、たった１つの検出ユニット５を用いるだけで、３つまたはより多くのレーザーの動作が実現される。

図面および以上の記載により本発明を詳細に図解および説明してきたが、かかる図解および説明は、限定のためのものではなく、説明または例示と捉えられるべきであり、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。上記の説明および特許請求の範囲に記載された種々の実施形態を、組み合わせることも可能である。当業者においては、図面、明細書および特許請求の範囲を読むことにより、特許請求の範囲に記載された発明を実施するにあたり、開示された実施形態に対する他のバリエーションも理解し、実施することができる。たとえば、レーザーのパルス化出力を生成するための駆動電流は、図２に模式的に示した実行状態とは異なるものであってもよい。とりわけ、パルスの形状は、矩形状とは異なるものであってもよい。さらに、レーザー放射の変調は、駆動電流に依らない別の方法により実行されてもよい。装置のレーザーは、レーザーダイオードに限定されるものではなく、たとえば光ポンピング固体レーザーといったような、他のタイプのレーザーであってもよい。

特許請求の範囲においては、「含む」または「備える」との語は、他の要素または工程の存在を排除するものではなく、「１つの」との不定冠詞は、複数の存在を排除するものではない。複数の施策が、単に互いに異なる従属請求項で規定されているという事実は、それらの施策の組合せは有利に使用できないことを意味するものではない。請求項中のいずれの参照符号も、それら請求項の技術的範囲を限定するものと捉えられるべきではない。

１ レーザー
２ レーザーパルスドライバ
３ 目的対象物
４ 戻り反射されたレーザー放射
５ 検出ユニット
６ 内部のレーザー場
７ 駆動電流の実行状態

Claims (8)

1. 対象物の速度および／または距離を計測する自己混合干渉センサであって、レーザーと、該レーザーの出力パワーの変動を計測する光検出器とを少なくとも備える自己混合干渉センサを、動作させる方法であって、
   前記レーザーがパルス幅をもつレーザーパルスを周期的に発し、各レーザーパルスの後に、該レーザーパルスよりも低い所定レベルの振幅を有するレーザー放射の放射期間が後続するよう、前記レーザーを制御するステップと、
   前記対象物で反射された後の前記レーザーパルスが、前記低い振幅を有するレーザー放射の前記放射期間中において前記レーザーに再入射するよう、前記レーザーパルスのパルス幅を調整するステップと、
   を含む方法。
2. 前記対象物で反射され前記レーザーに再入射する前記レーザーパルスが、前記レーザー内においてより前記低い振幅のレーザー放射と干渉する期間中のみ、前記光検出器の計測信号を評価するステップを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記自己混合干渉センサが、１つの検出ユニットを共有する複数のレーザーを含む場合において、異なるレーザーの計測信号を前記検出ユニットがシーケンシャルに検出または評価することを可能とするよう、異なるレーザーのレーザーパルスが時間的に重複しないように、前記複数のレーザーが制御されることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. レーザーと、
   前記レーザーの出力パワーの変動を計測する光検出器と、
   前記レーザーがレーザー放射を発するように制御する制御ユニットと、
   を少なくとも備えた自己混合干渉センサ装置であって、
   前記制御ユニットは、前記レーザーがパルス幅をもつレーザーパルスを周期的に発し、各レーザーパルスの後に、該レーザーパルスよりも低い所定レベルの振幅を有するレーザー放射の放射期間が後続するよう、前記レーザーを制御し、検出対象の対象物で反射された後の前記レーザーパルスが、前記低い振幅を有するレーザー放射の前記放射期間中において前記レーザーに再入射するよう、前記レーザーパルスのパルス幅を調整する、装置。
5. 前記制御ユニットが、変調された駆動電流を前記レーザーに印加することにより、前記レーザーパルスを発するよう前記レーザーを制御することを特徴とする請求項４記載の装置。
6. 前記パルス幅が、２ｎｓ以下であることを特徴とする請求項４記載の装置。
7. 検出ユニットが設けられており、計測された前記出力パワーの変動に基づいて前記対象物の速度および／または距離を特定するため、前記検出ユニット内において、前記光検出器の計測信号が評価され、前記検出ユニットは、前記対象物で反射され前記レーザーに再入射する前記レーザーパルスが、前記低い振幅を有するレーザー放射と前記レーザー内で干渉する期間中においてのみ、前記計測信号を検出または評価することを特徴とする請求項４記載の装置。
8. 前記検出ユニットを共有する複数のレーザーを含み、前記制御ユニットは、異なるレーザーのレーザーパルスが時間的に重複しないように、前記複数のレーザーを制御することを特徴とする請求項７記載の装置。

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