JPH02249902A - レーザー干渉測長機の制御回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は半導体レーザーを用いた測長機において、発振
周波数の安定化回路の改良に関するものである。

（従来の技術） 半導体レーザーは、Ｈｅ−Ｎｅレーザー等に比べて、小
型軽量で比較的高出力が得られる利点がある反面、温度
、注入電流の変動、経時変化によって周波数が変るため
、通常は電流、電圧を一定にした半導体レーザー駆動回
路及び温度コントロール回路によって制御される電子冷
却素子を配備して、発振周波数の安定化を画っている。

出願人は以前、第４図に示すレーザー発振周波数の安定
化方法を提案した（特願昭６２−１９３５３０）。

該回路は、半導体レーザー（１）をある一定出力で発振
させ、発振光をコリメータレンズ（２）で平行光に変え
、それをビームスプリッタ（３）で二分する。

一方のレーザー光はファブリペロ干渉計（４）を透して
受光素子（５）で受光し、もう一方のレーザ−光はファ
ブリペロ干渉計（４）は透さず直接に受光素子（６）で
受光するのである。

三角波発生器（７）により、半導体レーザー（１）の注
入電流を、所定周波数（例えば６００ヘルツ）、振幅（
±３　ｍＡ）の三角波で直接に変調し、周波数掃引を行
なう。

半導体レーザーの発振波長は、第３図に示す如く、駆動
電流によって略直線的に比例して変化するから、注入電
流に±３ｍＡの三角波（第５図ａ）によって変調を加え
ると、それに対応して、発振波長従って周波数は変動す
る。

レーザー光の変調された発振周波数の中心がファブリペ
ロ干渉計の中心周波数ν。に一致しているときは、第２
図の透過スペクトルにおいて領域■での発振となり、受
光素子（５）の出力は最大となって、第５図すに示すと
おり、変調信号の２倍の周波数で変動する。レーザー光
の発振周波数の中心が、ファブリペロ干渉計の中心周波
数νＯに対して上下方の何れかにずれると、透過スペク
トルの領域■又は■の範囲での発振となり、受光素子（
５）の出力は、三角形の変調波（第５図ａ）と同−周波
数且つ同−又は１８００ずれた位相の波形（図示せず）
となる。

受光素子（５）（６）の出力を交流増幅器（８）　（８
ａ）によって増幅し、且つ直流成分を除去し、比較器（
９）（９ａ）を通して、基準電圧と比較することにより
、レーザー発振が領域■で起っているときは、第５図Ｃ
及びｄの矩形波の出力を得る。２つの比較器（９）（９
ａ）からの出力をＥＸ−ＯＲ回路（ｌＯ）に入力すると
、三角波で変調されたレーザー光の発振周波数の中心が
、ファブリペロ干渉計（４）の特性領域（第２図）■■
■の何れにあるかによって、ＥＸ−ＯＲ回路（１０）は
、第５図ｆＳｅｓ　ｇの夫々異なった信号を出力するか
ら、第２図の透過スペクトル曲線のどの領域で半導体レ
ーザーの発振周波数が変動しているかを検出できる。

従ってＥＸ−ＯＲ回路（１０）の出力を積分器（１１）
へ入力して積分することにより、それぞれの場合の積分
値は半導体レーザー（１）への制御信号とすることが出
来る。これを半導体レーザーへの注入電流に帰還して、
半導体レーザー（１）の発振周波数の変動中心を例えば
第２図の透過スペクトル曲線の中心波長ν。に近付け、
一定に安定化できるのである。

（解決しようとする問題点） 上記安定化回路は、注入電流を三角波信号によって変調
しているから、レーザー光は波長のみでなく、出力（パ
ワー）も同時に変調されて、複雑な波形になっている。

第８図は上記安定化回路を公知のレーザー干渉測長機に
用いた実施例の説明図であって、半導体レーザー（１）
の変調されたレーザー光は、ビームスプリッタ（１２）
へ送って二分される。一方のレーザー光は１７８波長板
（１３）を経て固定反射鏡（１４）により反射し、再び
１／８波長板（１３）を通して、ビームスプリッタ（１
２）へ戻す。

他方のレーザー光は移動物体に取り付けられた移動反射
鏡（１５）にて反射した後、ビームスプリッタ（１２）
に戻って再び１本の光線に合成される。この際、光の干
渉が起こり、該干渉光は更に偏光ビームスプリッタ（１
６）にて入射面に対し垂直な偏光成分と平行な偏光成分
に分離し、これらの光成分が測長回路（２４）中で夫々
受光素子（１７）　（１８）にて電気信号に変換される
。

前記電気信号は交流増幅器（１９）　（１９）を経て位
相判別・パルス発生回路（２０）へ送られ、これによっ
て移動反射鏡（１５）の移動方向が判別されると共に、
アップダウンカウンター（２１）によって移動距離に応
じた干渉縞の数が計数され、マイクロコンピュータ（２
２）によって、実際の移動距離が演算される。

ところが、移動反射鏡（１５）で反射したレーザー光と
固定反射鏡（１４）で反射したレーザー光では、光路長
が異なり、差の長さだけ移動反射鏡（１５）からの光は
到達が遅れる。該レーザー光がビームスプリッタ（１６
）に到達した時点では、半導体レーザーの発振周波数は
変調によって波長は僅かにずれているから、合流する２
つのレーザー光は干渉して、第６図ａ、ｂの如く光度を
時間的に変化させる。

上記の干渉光は、移動反射鏡がレーザー光の半波長の長
さ移動することに生じる同心円の干渉縞とは異なり、変
調による２つのレーザー光間の周波数のズレが原因であ
る。従って、たとえ移動反射鏡（１５）が静止していて
も、偏光ビームスプリッタ（１６）へ入射する合成光の
合成光度は時間的に変化する。

第６図ａ及びｂは、偏光ビームスプリッタで二分された
レーザー光の中、垂直方向成分について、受光素子（１
８）の出力変化を表わしたものである。

同様にして生じるもう一方の偏光成分は、受光素子（１
７）の出力として表わすことが出来、それは第６図ａ、
ｂの波形を、変調波形（第６図Ｃ）の１７４波長分だけ
ずらしたものと同じである。

移動反射鏡（１５）までの距離が短かいときは、光路中
における２つの反射鏡（１４）（１５）からのレーザー
光の周波数のズレは小さいから、明暗繰返し回数即ち縞
数は少なく、受光素子（１８）の出力は第６図ａの如く
、山数の少ない波形である。この波形は、駆動電流の変
調分を表わす第６図Ｃの三角波の各頂点Ａ、Ｂに対応し
て、同時に対称的に切り替っている。

ところが移動反射鏡（１５）までの距離が遠くなるほど
、光路中での２つのレーザー光の周波数のズレは大きく
なるから、明暗回数は増え、干渉性が悪くなり、干渉に
よる信号分は小さくなるので、受光素子（１８）の出力
は第６図すの如く山の多い波形となり、また振幅も小さ
くなる。

移動反射鏡が移動すると、半波長分の移動毎に生じる干
渉縞も受光素子（１７）　（１８）に検出されるから、
受光素子（１７）　（１８）の出力は、半導体レーザー
の周波数変調による干渉縞と、移動反射鏡の移動に伴な
う干渉縞とを合成した形となる。

ところで、半導体レーザー（１）は注入電流の変調によ
って、周波数とパワーの両方が変調されるから、受光素
子（１８）の出力である第６図ａＳｂの波形は、干渉縞
の山と同時に、パワー変動による大きなうねりが表われ
る。このうねりは注入電流の変調による根元的なもので
あり、特に移動反射鏡（１５）の光軸と固定反射鏡（１
４）の光軸との交点がビームスプリッタ（１２）の中心
から外れている場合に著しい。

位相判別パルス発生回路（２０）は、公知の如く２つの
偏光成分について、夫々受光素子（１７）　（１８）の
出力を基準電圧と大小比較して行なうから、受光素子（
１７）　（１８）の出力は基準電圧を中心として上下に
同じ振幅で変化することが、比較判別に便利である。

ところが、第６図すの如く大きなうねりが出力波形に含
まれていると、基準電圧と比較する際に、波形の変化は
基準電圧を中心としておらず、ある時期には波形の頂点
で、ある時期には波形の底で基準電位に到達してしまう
。

これでは２つの偏光成分について受光素子の出力をパル
スに変換して対比し、移動反射鏡の移動方向及び移動距
離を判別することが困難となり、誤動作を起こす原因と
なる。

（構　成） 本発明は、受光素子（１８）の出力の強弱繰返し回数を
計数する縞数検出回路（２５）を測長回路（２４）に連
繋して設け、該縞数検出回路（２４）の出力は、半導体
レーザーの安定化回路（２３）に連繋し半導体レーザー
の発振レーザー波長に対する変調を調節するものである
。

（作　用） 縞数検出回路（２５）が、所定数以上の縞数を検出する
と、それは位相判別パルス発生回路（２０）が位相パル
スを判別できる限度を越えており、移動反射鏡（１５）
が遠方に位置していることを表わすがら、半導体レーザ
ー駆動回路（２８）に対する変調を下げ、波長の変調幅
を小さくして縞数を減少させる様に制御する。

（効　果） 受光素子の出力変動の周期が下がると、基準電位との比
較が明瞭になり、位相判別パルス発生回路（２０）の誤
動作を回避して精度の高い計測が可能となる。

（実施例） 以下の記載は、本発明を説明するためのものであって、
特許請求の範囲を限定する解釈に用いるべきではない。

半導体レーザー（１）の安定化回路（２３）、測長回路
（２４）、光学系は第８図に示した公知の回路と同じで
ある。

安定化回路において、波長誤差検出回路（２９）は、三
角波発生器（７）からの変調信号を参照電流に用いて波
長のズレを判別し、制御信号を出力してレーザー駆動回
路（２８）の注入電流を制御する。

レーザー駆動回路（２８）は同時に三角波発生器（７）
からの例えば振幅３ｍＡ、周波数６００ヘルツの三角波
信号によって変調され、半導体レーザーは、透過スペク
トル（第２図）の領域■において発振レーザー光を変調
する様に設定されている。

測長回路（２４）における第５図ｃＳｄの波形、位相判
別パルス発生回路（２０）、アップダウンカウンター（
２１）、マイクロコンピュータ（２２）の何れもが、レ
ーザー光の光度が単位時間に強弱に変化する回数を表わ
す情報を含んでいるから、縞数検出回路（２５）は、測
長回路（２４）の適当な箇所から信号をとり出し、単位
時間当りの明暗の繰り返し数を計数する。

測長回路から取り出された信号′には、半導体レーザー
に対する変調に起因して変調周波数の大きなうねりが含
まれているが、第６図ａの如く、移動反射鏡が近傍に位
置し、固定反射鏡と移動反射鏡の光路差が小さいときに
は、レーザー光の干渉性が良く、干渉による信号成分が
大きくなるため、パワーの変動によるうねりはパルス判
別に殆んど問題とならない。

一方、移動反射鏡の遠方に位置し、固定反射鏡と移動反
射鏡の光路差が大きくなると、縞数が増え、レーザー光
の干渉性が悪くなって干渉による信号成分が小さくなる
ため、パワーの変動によってパルス判別に支障を来すよ
うになる。すると縞数検出回路は制御信号を出力して、
半導体レーザー駆動回路に対し変調を下げる様に変調す
る。第７図すの如く注入電流に対する変調の振幅を下げ
ると、半導体レーザーの発振周波数の変動幅は狭まるか
ら、レーザー光の光路差が大きくとも周波数のズレは下
げることが出来、第７図ａのとおり縞数は減らすことが
出来る。又、パワーの変動も小さくなり、うねりも小さ
くなって、測長回路（２４）は支障なくパルス判別し、
高精度の測長が維持される。

尚、本発明の実施に際しては、上記の説明に限定される
ことなく、種々の変更は可能である。例えば、縞数発生
器（２５）は、受光素子（１７）　（１８）の両方の出
力を受けて、それの平均値によって縞数を検出してもよ
い。又該回路（２５）を温度コントロール回路（２７）
に連繋し、電子冷却素子（２６）による設定温度を制御
することによってレーザー光の発振波長を制御する等、
当業者にとって特許請求の範囲に記載の範囲内において
、種々の変更が出来ることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を説明するブロック図、第２図はファブ
リペロ干渉計の透過スペクトル、第３図は半導体レーザ
ーの注入電流と発振波長の関係を示すグラフ、第４図は
本出願人が以前提案した安定化回路、第５図は第４図の
各部の波形図・、第６図ａ、ｂＳｃは従来例の受光素子
の出力及び変調信号のグラフ、第７図ａＳｂは本発明の
受光素子の出力及び変調信号のグラフ、第８図は従来の
レーザー干渉長機の説明図である。 （１）・・・半導体レーザー　（７）・・・三角波発生
器（２３）・・・安定化回路　　　（２４）・・・測長
回路（２５）・・・縞数検出回路 （２７）・・・温度コントロール回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ［１］半導体レーザー（１）と、該半導体レーザーの光
   の周波数を変調することにより半導体レーザーの発振周
   波数を制御する周波数安定化回路（２３）と、半導体レ
   ーザーから出射したレーザー光を二分し夫々を移動反射
   鏡（１５）及び固定反射鏡（１４）に反射させた後、再
   び合成し干渉させる光学系と、干渉光の受光信号を処理
   して距離の計測を行なう計測回路（２４）と、該計測回
   路中の干渉光の受光信号が強弱変化する回数を検出する
   縞数検出回路（２５）とから構成され、該縞数検出回路
   （２５）は、半導体レーザーの安定化回路（２３）に連
   繋して注入電流に対する変調を制御し、測長距離が長い
   場合は変調を弱めることを特徴とするレーザー干渉測長
   機の制御回路。