JPH0755423A

JPH0755423A - 光学式変位センサ

Info

Publication number: JPH0755423A
Application number: JP19831893A
Authority: JP
Inventors: Eiji Yamamoto; 英二山本; Takashi Mihara; 孝士三原
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-08-10
Filing date: 1993-08-10
Publication date: 1995-03-03
Anticipated expiration: 2018-10-06
Also published as: JP3454870B2

Abstract

(57)【要約】【目的】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。【構成】垂直共振器型面発光レーザ１９と外部ミラー２
１とが組み合わされた合共振器を備えており、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で
検出される。検出手段は、レーザー光の強度変化を直接
検出する受光素子２５、あるいは、外部ミラーと垂直共
振器型面発光レーザとの相対的変位により生じるミラー
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ＰＮ接合電位差検出手段２７を備える。
外部ミラーから帰還するレーザー光の位相は、外部ミラ
ーと垂直共振器型面発光レーザとの相対的な変位により
決定され、レーザー光の波長の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。かかる変位量は、
計数装置２９及び演算装置３１を介して算出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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
光束に規制された後、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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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
変化又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る。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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ｌ_eff 、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、

【００２３】

【数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Ｒ_DBR が周期Δ
λ_FPで変調されたものとなる。ここで、Δλ_FPは、λ₀
を発振波長とすると、数１式の条件の下では、

【００２５】

【数２】として与えられる。

【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、ｎ_eff 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、

【００２７】

【数３】として与えられる。

【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

【００２９】

【数４】となることが分かる。

【００３０】典型的な値として、λ₀ ＝0.97μｍ、Ｌ＝
100μｍ、ｌ_eff ＝ 3.5μｍ、ｎ_eff ＝4.3 とすると、
Δλ_fp＝31ｎｍ、Δλ_FP＝ 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、Δλ_fp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、Δλ_fpが数十ｎｍとなり、Δλ_DBR 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。

【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、Δλ_fp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、
Δλ_fp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。

【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Ｒ_tot の波長特
性は、図３（ａ）に示すように、δλ_FPだけシフトし、
Ｒ´_tot で示される波長特性となる。

【００３３】このシフト量“δλ_FP”は、 δλ_FP＝λ₀ ・ΔＬ／Ｌ…（６）として表すことができる。

【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ｇ_th（ｃｍ^-1）を共振器のロスと吊り合わせる
必要がある。

【００３５】いま、垂直共振器型面発光レーザ１９の導
波路の内部損失をα_i （ｃｍ^-1）、共振器全体のミラー
損失をα_m,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、

【００３６】

【数５】

【００３７】

【数６】と表すことができる。

【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
Ｒ_EX、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。

【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。

【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ｌ_eff が小さい
のでβの僅かな変化によって、α_m,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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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、積層されたうち、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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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Ｗ_SEL とする
と、外部ミラー９３がθだけ傾斜したときに出射面上で
干渉縞が一つ生じる条件は、
Ｗ_SEL ・tan θ＝λ₀ ／４と表すことができる。

【００７３】例えば、Ｗ_SEL ＝５μｍ、λ₀ ＝0.97μｍ
とすると、θ＝２．７deg となるので、外部ミラー９３
の傾斜は、この数分の１になるように保持する必要があ
る。図９（ａ），（ｂ）は、外部ミラー４７の組立精度
がこの基準に達しない場合の対策として、ミラーの向き
を微調整する方法を示したものである。

【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。

【００７５】この結果、外部ミラー９３の傾斜を調製す
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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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Ｗ_G （ｍ）、接触長さをＬ_G 、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／２Ｗ_G Ｌ_G ＝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。

【００９２】このような関係によれば、例えば、Ｗ_G ＝
１００μｍ、Ｌ_G ＝２００μｍｔ₀ ＝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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に適用された原理の構成を示す図。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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、垂直共振器型面
発光レーザの構成を示す図。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図１３】図１２に示すセンサの制作工程を示す図。

【図１４】図１２に示すセンサの制作工程を示す図。

【図１５】図１２に示すセンサの制作工程を示す図。

【図１６】図１２に示すセンサの制作工程を示す図。

【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。

【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。

【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。

【図２０】マイケルソン干渉計の基本構成を示す図。

【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。

【符号の説明】

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。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成６年１１月１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００３

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１７

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３５

【補正方法】変更

【補正内容】

【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α_i（ｃｍ^-1）、
ｌ_effで規格化した共振器全体のミラー損失をα_m,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、

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３６】

【数５】

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６１

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６３

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６６

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７２

【補正方法】変更

【補正内容】

【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Ｗ_SEL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、Ｗ_SEL・tan θ＝λ₀／４と表
すことができる。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００７３】例えば、Ｗ_SEL＝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。

【手続補正１０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７５

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。

【手続補正１１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図６

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。

【手続補正１２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３】

【手続補正１３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１２】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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
期的変化又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。