JPH0933214A - 半導体レーザ測長器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体レーザと可動の外部ミラーから成る複
合外部共振器における干渉信号を、より高いＳ／Ｎ比で
計測できる距離測定装置を提供すること。 【解決手段】 半導体レーザ１と、この半導体レーザの
一端面より出射された光を反射し再びこの半導体レーザ
の活性層１００に反射光が入射するように配置された広
い範囲で可動可能な外部ミラー３と、直流電源４と第１
高周波信号源５から供給された直流と交流電流を重畳す
る手段からなり半導体レーザを変調動作させる変調駆動
電源６と、レーザの出力光強度を検出する光検出器９
と、この光検出器で受けた信号に含まれる第１高周波信
号源で変調された周波数成分を弁別する周波数弁別手段
１０と、この弁別された周波数成分の強度の変化を計測
して外部ミラーと半導体レーザとの間の距離の変化量を
計算する演算手段１２とから半導体レーザ測長器を構成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザを光
源とした距離測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６には、従来のいわゆる「マイケルソ
ン干渉計」を用いて構成された半導体レーザ測長器とし
ての距離測定装置の基本的構造を例示している。この測
長器は、半導体レーザ１０１からの出射光をハーフミラ
ー１０３で分割し、可動である第１の直角プリズム１０
４、固定である第２の直角プリズム１０５に向かった光
が反射して再びハーフミラー１０３で合波干渉するよう
に設計されている。このような干渉が起こるとき、第１
の直角プリズム１０４の位置の変化が干渉縞の変化と等
化となり、この変化量を計測することによって測長器と
しての機能を発揮する原理である。

【０００３】またこの際、第１の直角プリズム１０４お
よび第２の直角プリズム１０５を経由した光の一部が表
面反射によって半導体レーザ１０１に帰還すると、半導
体レーザ１０１の発振光と干渉して、半導体レーザ１０
１の光強度または発振波長などに変化が生ずる。前者を
「ＡＭノイズ」、後者を「ＦＭノイズ」と称する。

【０００４】上述のようないわゆる「戻り光ノイズ」
は、一般に測長精度の劣化の原因となるので、これを除
去するために偏光子とファラデーローテータ等を組み合
わせた光アイソレータ１０２をこの半導体レーザ１０１
の前面に配置した改良がなされている。

【０００５】しかし、上述のようなマイケルソン干渉計
を利用した測長器は、その構成自体が複雑であり、部品
点数もそれに伴って多数におよぶ故に、どうしても製造
コストの低減が困難であった。特に、その構成上で不可
欠である光アイソレータ１０２についてはその大量生産
が技術的にきわめて困難といわれる磁気光学結晶をファ
ラデーローテータとして利用していることにより、コス
トの低減化はいっそう困難であるのが現実であった。ま
た、光アイソレータは、波長によっては小型化が困難で
あるという問題もある。

【０００６】一方、微小変位を測定するものとして、図
７に示したような「微小隙間測定装置」が知られてい
る。すなわちこの測定装置は、半導体レーザ１１１と外
部ミラー１１３と複数の光学レンズ１１２, １１４, １
１５および、フォトディテクタ１１６とにより図示のよ
うに構成されており、この外部ミラー１１３から帰還し
た光と半導体レーザ１１１の発振光が半導体レーザ１１
１の活性層１００内で干渉することによって半導体レー
ザの光出力強度が変化するいわゆる「複合共振器」を利
用し、外部ミラー１１３のわずかな微小範囲の移動量を
測定するための装置であって、特開平５−９５１６７号
公報において提案されている。

【０００７】この従来技術では、半導体レーザ１１１固
有で発振している光と、半導体レーザ１１１の一方の端
面と外部ミラー１１３で構成される「外部共振器」で発
振している光が、半導体レーザ１１１の活性層１００で
干渉を起こすような構成をとっている。

【０００８】一般に、半導体レーザ１１１内部の干渉の
強さは半導体レーザ１１１で内部で発振している光と外
部共振器で発振している光の位相整合条件で決まる。こ
の場合、半導体レーザ１１１の固有モードは固定なの
で、位相整合条件は外部共振器の長さで決まる。

【０００９】したがって図７に示した装置構成において
は、外部ミラー１１３の位置が半導体レーザの発振波長
の１／２に相当する距離だけ変化する毎に半導体レーザ
１１１の光出力の周期的に変化することを利用し、この
光出力の変化を所定の方法で計数することによって、こ
の外部ミラーと半導体レーザとの間隔を波長オーダーで
計測することができるのである。なお、上述のような構
成配置を当分野では特に「自己干渉型」と称することが
ある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述のような図７に示
す複合共振器の構成を利用した場合、半導体レーザ１１
１内部での光の干渉によって、半導体レーザの活性層１
００のキャリア密度に時間的変動が起き、その結果とし
て半導体レーザ１１１の出力光が変動する。

【００１１】このようにして生じた出力光の時間的な強
度変化を「ＡＭ揺らぎ」と呼び、発信周波数の時間的な
変化を「ＦＭ揺らぎ」と呼ばれる。特にこの「ＡＭ揺ら
ぎ」は、外部ミラー１１３までの距離（即ち、半導体レ
ーザの端面と外部ミラーによって構成された外部共振器
の長さ）および外部ミラー１１３の反射率によって大き
く影響を受ける。

【００１２】前述の従来例、即ち、特開平５−９５１６
７号公報においては、レンズ１１２を用いることで外部
ミラー１１３の反射率の変動の影響を低減しているが、
しかし、外部共振器の長さの変化によって引き起こされ
る時間スペクトル領域でのＡＭ揺らぎの変動については
何らの対策もなされていない。以下にこの「ＡＭ揺らぎ
の変動」についてグラフを使って説明する。

【００１３】上述の「ＡＭ揺らぎ」では図５（ａ）に示
すグラフのように、半導体レーザ１１１の縦モードと外
部共振器のモードの整合（即ち、実線グラフ曲線のイン
フェイズ５１１、破線グラフ曲線のアンチフェイズ５１
２）の度合いによって、干渉光出力に強弱が発生する
が、図７の従来例のように半導体レーザ１１１が無変調
の場合には、時間スペクトル領域でのＡＭ揺らぎにおい
て複数のパワーピーク（モード）が波状的に発生し、そ
れらのモードの間隔は外部共振器の長さによって変動す
る。

【００１４】ここでこの外部共振器長が「長い」場合
（つまり、外部ミラーの可動範囲が広い場合）を考える
と、そこで発信することが可能なモードの間隔がせばま
るため、このモード間隔の狭い複数のモードにエネルギ
ーが分配されてＡＭスペクトルが広い周波数範囲に拡が
ってしまう。（参照、図５（ａ）の実線グラフ）。

【００１５】また、モード間隔が狭いために、この複数
のモード間ではエネルギーの遷移（以下、「モード間遷
移」と称す）が容易に起こるが、この「モード間遷移」
が時間的にさまざまに変動するため、各モードのスペク
トルを表す形状は時間的に不安定なものになる。

【００１６】上述のようなモードのスペクトルの広がり
とグラフ曲線の形状の時間的な不安定さは、複合共振器
での干渉による出力光の強弱の差をある適当な時間スペ
クトル領域で計測する場合のＳ／Ｎ比および再現性の低
下の主な要因となってしまう。

【００１７】したがって、従来例では半導体レーザ内の
位相整合条件の変化による光出力の周期的で不安定な変
化を、光検出器の特定の周波数成分ではなく、光検出器
の全周波数領域にわたる総和で計測しており、その周期
的な変化をカウントしてその値に基づいて外部ミラー１
１３の移動量の計測を行っている。

【００１８】しかし、このような構成の従来例でも、上
述の位相整合条件の変化による光出力の変化を光検出器
の応答周波数の全領域で積分して求めているために、仮
に外部共振器の長さが長くなると検出される位相整合条
件の違いによる光出力のＳ／Ｎ比は極めて低くなる。そ
の結果、外部ミラー１１３の長距離の移動を計測するこ
と、及び外部ミラー１１３までの距離を長くすること
は、この従来装置の構成で行う限りにおいて全く困難で
あった。つまり、従来装置の用途は、ごく短い長さか、
微小な隙間等の測定のためのみに限定されたものであ
り、決して長距離の測定には適すものではなかった。

【００１９】本発明は上述の問題を鑑みて成されたもの
であり、その目的とするところは、半導体レーザと可動
の外部ミラーを有する複合共振器における干渉信号を、
より高いＳ／Ｎ比でしかも従来技術では達成できなかっ
た長距離の計測も可能にする計測装置を提供することに
ある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明は、この課題を解
決し上記目的を達成するために次のような手段を講じて
いる。すなわち、 （１） 本発明の半導体レーザ測長器の基本構成とし
て、半導体レーザと、半導体レーザの一方の端面より出
射した光を反射して再び半導体レーザの活性層に光が入
射するように配置された可動の外部ミラーと、直流電源
と第１の高周波信号源とこれらの直流電流および交流電
流を重畳する重畳手段からなり半導体レーザを変調動作
させる変調駆動電源と、半導体レーザの出力光強度を検
出する光検出器と、前記光検出器でうけた信号に含まれ
る前記第１の高周波信号源で変調した周波数成分を弁別
する周波数弁別手段と、前記周波数弁別手段により弁別
された周波数成分の強度の変化を計測して前記外部ミラ
ーと前記半導体レーザとの間の距離の変化量を演算する
演算手段とを備えた半導体レーザ測長器を提供する。

【００２１】（２） 前記周波数弁別手段は、所定の高
周波信号を供給する局発信号源と、前記局発信号源の局
発信号と前記光検出器で受けた信号とを混合する混合器
と、前記混合器により混合された信号から前記局発信号
の周波数と前記第１高周波信号源の周波数との差周波信
号成分を弁別するバンドパスフィルタと、から成ること
を特徴とする（１）に記載の半導体レーザ測長器を提供
する。

【００２２】（３） 前記周波数弁別手段は、所定の高
周波を発生する第２の高周波信号源と、前記第１高周波
信号源および前記第２高周波信号源からの高周波信号を
混合する第１の混合器と、前記第１混合器の出力より前
記第１高周波信号源と前記第２の高周波信号源からの高
周波信号の差周波成分を弁別する第１のバンドパスフィ
ルタと、前記光検出器からの出力と前記第１バンドパス
フィルタからの出力とを混合する第２の混合器と、前記
第２混合器の出力より前記第２高周波信号源からの高周
波成分を弁別する第２のバンドパスフィルタと、から構
成されることを特徴とする（１）または（２）のいずれ
かに記載の半導体レーザ測長器を提供する。

【００２３】（作用）上記の構成により、本発明の半導
体レーザ測長器は次のような作用を奏する。このような
構成の測長器における複合共振器においては、半導体レ
ーザ固有で発振した光と半導体レーザの端面と外部ミラ
ーによって構成した外部共振器の光は半導体レーザの活
性層内で干渉を起こすが、半導体レーザ内部での干渉の
度合いは、半導体レーザ固有の光の発振モードと外部共
振器の光の発振モードとの間の「位相整合」の度合いに
よって、半導体レーザの出力光のＡＭ揺らぎのスペクト
ルが時間と共に強められたり弱められたりして絶えず変
化する。

【００２４】従来例のように半導体レーザが無変調の場
合には、図５（ａ）に示すようにインフェイズ状態５１
１、アンチフェイズ状態５１２の両者の場合ともに複数
のパワーピーク（モード）が発生する。

【００２５】いま、半導体レーザ周波数ｆi の高周波を
重畳した電流源によって駆動すると、半導体レーザの内
部での干渉によって起こされる半導体レーザの出力光の
ＡＭ揺らぎの各モードは、半導体レーザを変調駆動する
ために重畳した高周波信号と同じ周波数ｆi の成分に引
き込まれ、周波数ｆi の近傍のみに図５（ｂ）のグラフ
が示すような光パワーの高いピークが現れる（これを
「ＡＭモードの引き込み」と称す）。

【００２６】この現象は、複合共振器を構成する半導体
レーザ内のキャリア密度が特定の周波数ｆi で変動して
いるため、複合共振器での干渉によるキャリア密度の変
動もその周波数付近のモードで最も強く起こるためと考
えられる。

【００２７】この、図５（ｂ）に示された変調時の出力
光のＡＭ揺らぎの周波数パワースペクトラムを観ると、
外部共振器長を変化させた時に、変調駆動した高周波信
号と同じ周波数の干渉信号が強められる場合（即ち、実
線グラフ曲線のインフェイズ５２１）と、その逆に弱め
られる場合（即ち、破線グラフ曲線のアンチフェイズ５
２２）とのそれぞれのスペクトルが示されることがわか
る。このとき、ＡＭ揺らぎは変調周波数に引き込まれて
いる即ち「ＡＭモードの引き込み」状態であり、スペク
トルの分散および時間的な変動が小さいので、外部共振
器長を長くしてもスペクトルの形状は劣化しない。

【００２８】つまり、外部ミラーと半導体レーザとの間
の距離を長くしたとしても、インフェイズ状態のピーク
は安定に保たれる。従って、外部共振器長の大きな変化
に伴うＡＭスペクトルの不安定な変動を除去することが
できるので、半導体レーザの光出力を光検出器によって
計測すれば、外部ミラーの位置の広い移動範囲にわたる
変化を光出力の変化として安定的に知ることができる。
よって、従来の測長器と異なり長距離の測長にも適用で
きることが明かである。

【００２９】さらに、光検出器は広い周波数帯域を持つ
ので半導体レーザを変調した周波数と同じ周波数の光出
力信号を検出することができるが、光検出器で検出した
信号は、この他の周波数成分も含んでいる故に、光検出
器の後段に周波数弁別手段を配置することで、半導体レ
ーザを変調した周波数と同じ周波数成分を光出力信号か
ら弁別するように構成する。

【００３０】すなわち、複合共振器における外部ミラー
の位置の変化によって生じる干渉による光出力の変動の
うち半導体レーザを変調した周波数と同じ周波数成分を
検出するように構成してやる。このようにして、ＡＭ揺
らぎ信号のうちから変調した周波数成分と同じ周波数成
分を計測するように処理してやると、位相整合の度合い
による半導体レーザ内部での干渉の強度変化を１つの周
波数帯域において極めて高いＳ／Ｎ比で計測することが
可能となる。

【００３１】

【発明の実施の形態】図１〜図４を参照しながら本発明
に係わる複数の実施形態例について以下に説明する。 （第１実施形態）図１には、本発明の第１の実施形態と
しての半導体レーザ測長器の基本構成が例示されてい
る。この複合共振器としては、縦単一モードで両端面に
出射端をもつ半導体レーザ１と可動の外部ミラー３によ
って構成されている。半導体レーザ１と外部ミラー３の
間にはコリメータ用のレンズ２を配している。そして、
半導体レーザ１、レンズ２と外部ミラー３は、図示のよ
うに、半導体レーザの一方の端面から出射した光が外部
ミラー３で反射して再び半導体レーザ１の活性層１００
に入射するように配置されている。いわゆる外部共振器
を構成するこの半導体レーザ１と外部ミラー３とは例え
ば５０ｍｍ以上離れて設置されており、可動の外部ミラ
ー３はそれから１０００ｍｍ程度の移動が可能である。

【００３２】この半導体レーザ１に供給する電源は直流
電源４および第１の高周波信号源５から構成され、イン
ダクタおよびコンデンサから成るバイアスＴ６によって
直流電流に高周波変調を付加している。第１の高周波信
号源５は周波数および出力強度が可変であり、例えば１
０ＧＨｚ程度までの単一周波数ｆi の高周波信号を供給
することができる。

【００３３】また、この半導体レーザ１のもう一方に在
る出射端面からの出力光は、例えばＧＨｚオーダーの周
波数帯域の応答速度を持つ高速フォトディテクタ９によ
ってモニタされる。レンズ７および８は半導体レーザ１
の出射光をフォトディテクタ９に集光するためのレンズ
である。

【００３４】また、このフォトディテクタ９の後段には
バンドパスフィルタ１０と高周波アンプ１１が配置され
ている。さらに高周波アンプ１１の後段にはマイクロコ
ンピュータ１２を備え、計測値により移動距離を計算す
る演算処理手段が配置されている。

【００３５】（作用効果１）：次に、例示された本第１
実施形態の構成による作用効果について説明する。い
ま、半導体レーザ１は第１の高周波信号源５によって周
波数ｆi で変調されている。半導体レーザ１の一端から
出射した光は外部ミラー３によって反射され、再び半導
体レーザ１の活性層１００に入射する。このとき、この
半導体レーザ１の活性層１００では当該半導体レーザ１
固有で発振している光と外部ミラー３によって反射され
た光が「干渉」をひき起こす。このときの干渉信号はフ
ォトディテクタ９によってモニタされる。ここで、この
フォトディテクタ９の応答速度は半導体レーザ１の変調
周波数ｆi より十分速いので、フォトディテクタ９は複
合共振器内の干渉による、周波数ｆi を含む高い周波数
領域の「揺らぎ」を検知できる。

【００３６】また、本実施形態におけるバンドパスフィ
ルタ１０は、周波数ｆi に中心周波数を持つ狭帯域のも
のであり、周波数の弁別手段に代わるもので、このバン
ドパスフィルタ１０を通過した信号は周波数ｆi 付近の
帯域に周波数成分を有するほぼ単一周波数の高周波信号
となる。そして、アンプ１１はこの信号を増幅するもの
である。

【００３７】前記の（作用）の項で述べたように、外部
ミラー３を移動させながらアンプ１１の出力信号を観測
すると、外部ミラー３の移動にともなって出力光強度に
含まれる周波数ｆi 付近の信号が周期的に変化すること
が観測できる。このような変化を連続的に測定すること
で外部ミラー３の移動量を測長することが可能となる。

【００３８】つまり、「ＡＭ揺らぎ」は変調周波数に引
き込まれている即ち「ＡＭモードの引き込み」状態とな
り、スペクトルの分散が小さいので、移動する距離を長
くしてもスペクトルの形状に劣化および時間変動は生じ
ない。つまり、外部ミラーと半導体レーザとの間の距離
が長くても、インフェイズ状態のピークは安定に保たれ
る。

【００３９】従って、移動の大きな変化に伴うＡＭスペ
クトルの不安定な変動を除去できるので、レーザの光出
力を光検出器でモニタすれば、この外部ミラーの位置の
広い範囲にわたる移動変化を光出力の変化として安定的
に捉えられ、後段に配設されたマイクロコンピュータ１
２が、アンプ１１からの出力信号を基にして外部ミラー
３の位置の変化量を所定の式に基づき算出することによ
り、従来の測長器と異なり長距離の測長値も高精度に得
られる。

【００４０】また、この実施形態例の基本構成によれ
ば、半導体レーザ１と外部ミラー３との初期間隔である
例えば５０ｍｍ以上からも計測でき、更に外部ミラー３
が可動できる範囲の約１０００ｍｍまでもの正確な測長
も可能となる。

【００４１】（第２実施形態）次に、本発明に係わる第
２の実施形態としての半導体レーザ測長器の構成を図２
を参照しながら説明する。

【００４２】図示された構成において、使用する特定の
周波数を弁別するための周波数弁別手段としては、フォ
トディテクタ９の後段に設けられた高周波アンプ２０
と、第１の周波数可変の高周波信号源５から供給される
変調周波数ｆi に対して両者の周波数の差ｆc を１〜１
０ＭＨｚに保つように周波数ｆo が変更可能であり１０
ＧＨｚ程度までの単一周波数の高周波信号を供給するこ
とができる局発高周波信号源２１と、ダブルバランスド
ミキサー２２と、周波数ｆi とｆo の差ｆc を中心周波
数にもち中心周波数の利得にたいして３ｄＢ減衰する、
２つの周波数の差を通過帯域に持つバンドパスフィルタ
２３とから構成されており、これが本第２実施形態の構
成的な特徴である。

【００４３】（作用２）：フォトディテクタ９で受信し
た光信号は変調周波数ｆi で振動している信号であり、
高周波アンプ２０はこの信号が測定に十分な強度を持っ
ていない場合に強度を補償するものである。十分な強度
を持って変調周波数ｆi で振動している信号は、ダブル
バランスドミキサ２２によって、変調周波数ｆi とは異
なる周波数を持つ局発高周波信号源２１からの周波数ｆ
o と混合される。混合された電気信号から信号周波数ｆ
i よりも周波数の低い中間周波数成分｜ｆi −ｆo ｜
を、中心周波数｜ｆi −ｆo ｜を持つバンドパスフィル
タ２３によって弁別する。

【００４４】なお、上述の検出方法は「ヘテロダイン検
波法」として知られている。以下にヘテロダイン検波法
の原理について簡単に述べる。高周波信号源および局発
高周波信号源がそれぞれ周波数ｆi,ｆo 、振幅のＥi,Ｅ
o 、位相φ_i , φ_o を持つ交流信号ｅ_i ＝Ｅi ・ｓｉｎ
（２πｆi ・ｔ ＋φ_i ）および、ｅ_o ＝Ｅo ・ｓｉｎ
（２πｆo ・ｔ ＋ φ_o ）であると仮定する( 但し、
ｔ：時間) 。これらの合成電圧 ｅ＝ｅ_i ＋ｅ_o の自乗
ｅ² の検波を行うと、検波された信号は元の電圧の振
幅、周波数および位相を用いれば次式（ａ）のように表
せる。

【００４５】

【数１】

【００４６】右辺の第４項が差周波｜ｆi −ｆo ｜で振
動する成分であり、差周波｜ｆi −ｆo ｜を中心周波数
にもつフィルタを用いてやれば第４項のみを検出するこ
とができる。ここで右辺第４項は高周波信号と局発信号
の電界振幅の積に比例しているので、局発信号の電界振
幅を大きくとることにより、高いＳ／Ｎ比で第４項の中
間周波数信号が検出できる。いま局発信号源の振幅Ｅo
が既知であり、高周波信号源の振幅Ｅi が未知の信号で
あるとすれば、第４項の計測から高いＳ／Ｎ比で周波数
ｆi の振幅Ｅi を知ることができる。

【００４７】従って、バンドパスフィルタ２３の出力信
号から、複合共振器における干渉信号の中の周波数ｆi
の成分のみを高いＳ／Ｎ比で検出することができる。そ
して、この検出成分をマイクロコンピュータ１２により
演算処理して外部ミラー３の位置の移動距離を知ること
ができる。

【００４８】（効果２）：前説の図１が示す第１実施形
態では、第１の高周波信号源５の変調周波数ｆiを変化
させた場合に、その周波数に応じてバンドパスフィルタ
１０の中心周波数も変化させる必要がある。

【００４９】しかし、図２が示す第２実施形態では、第
１の高周波信号源５の変調周波数を任意のｆi に設定し
たときに、局発高周波信号源２１の周波数ｆo をｆi に
対して一定の周波数の差ｆc ＝｜ｆi −ｆo ｜を持つよ
うに設定すれば、中間周波数信号用のバンドパスフィル
タ２３の中心周波数ｆc は一定のものを用いることがで
きる。

【００５０】すなわち、第１の高周波信号源５から供給
する周波数ｆi を自由に設定した場合、これに応じて局
発高周波信号源２１の周波数を適宜に変化させれば、バ
ンドパスフィルタ２３を変えずに、実質的に同じ構成に
よって任意の周波数ｆi 成分の弁別計測が可能となる。

【００５１】（第３実施形態）図３には、第２実施形態
の変形例であるところの第３実施形態としての構成を示
している。図示された構成図において、利用する所定周
波数を弁別するための周波数弁別手段としての構成が、
前説の第２実施形態とは異なるが、実質的には等化な回
路構成を成していることがわかる。

【００５２】詳しくは、この周波数弁別手段は、フォト
ディテクタ９の後段に在る第１高周波アンプ２０を入力
側として接続して成り、一方、第１高周波信号源５から
の可変の変調周波数ｆi を供給されるように、第１ダブ
ルバランスドミキサー３０に続き第１バンドパスフィル
タ３２、そして第２高周波アンプ３３が接続され、更に
前述の入力側として接続する第２ダブルバランスドミキ
サー３４に接続している。

【００５３】なお、前述の第１ダブルバランスドミキサ
ー３０は固定の周波数ｆc を供給する第２高周波信号源
３１に接続されている。また、上記の第２ダブルバラン
スドミキサー３４はその後段に第２バンドパスフィルタ
３５を有して、当該弁別手段を構成している。これが本
第３実施形態の構成的な特徴である。

【００５４】また、前説の実施形態と同様にこの後段に
は、マイクロコンピュータ１２を有している。 （作用効果３）：周波数可変の第１高周波信号源５から
発せられた高周波信号ｆi と、バンドパスフィルタ３５
の中心周波数ｆc と同じ周波数ｆc を持つ周波数固定の
第２の高周波信号源３１からの高周波信号ｆc とを、第
１のダブルバランスドミキサー３０で混合して、両者の
差周波｜ｆi −ｆc ｜を中心周波数に持つバンドパスフ
ィルタ３２で中間周波数信号ｆc ′＝｜ｆi −ｆc ｜を
選択した後、第２のアンプ３３で増幅することにより、
ヘテロダイン検波用の局発高周波信号を合成する。この
局発信号と、フォトディテクタ９で電気信号に変換され
第１のアンプ２０で増幅された周波数ｆi の信号は、第
２のダブルバランスドミキサー３４によって混合され
る。バンドパスフィルタ３５は、この混合された合成信
号の中から周波数ｆc の信号成分だけを検出する。

【００５５】バンドパスフィルタ３５の出力信号として
検出される合成信号は、前述の自乗検波信号を与える前
式（ａ）中の第４項より、差周波 ｜ｆi −｜ｆi −ｆ
c ｜｜＝｜ｆc ｜を周波数に持ち、周波数ｆi の高周波
信号と周波数ｆc ′＝｜ｆi−ｆc ｜の局発高周波信号
の電界振幅の積を振幅として持つ。従ってバンドパスフ
ィルタ２３の出力信号から、複合共振器における干渉信
号の中の周波数ｆi の成分のみを、高いＳ／Ｎ比で検出
することができ、後段のマイクロコンピュータ１２によ
る所定の信号演算処理により、外部ミラー３の位置の移
動距離を算出することができる。

【００５６】したがって、本実施形態の構成による効果
としては、周波数可変の第１の高周波信号源５を１台と
中間周波数を発生させるための周波数固定の第２の高周
波信号源３１を１台で、ヘテロダイン検波用の信号成分
ｆc ′＝｜ｆi −ｆc ｜を合成している。このとき、高
周波信号源５の周波数ｆi を変化させると局発信号の周
波数は、フォトディテクタ９で電気信号に変換され、第
１のアンプ２０で増幅された周波数ｆi の信号と同じ量
だけ周波数が変化することになるので、第２のダブルバ
ランスドミキサ３４において混合された信号の差周波｜
ｆc ｜は常に一定となる故に、局発信号の周波数の調整
が不要となる。

【００５７】通常、周波数固定の高周波信号源の方が周
波数可変の高周波信号源よりコストが低いので、この例
のような構成的特徴をとることにより、測長器全体とし
てコストを十分に低減させることができる。

【００５８】（第４実施形態）図４には、本発明の第４
の実施形態としての半導体レーザ測長器の構成を示して
いる。

【００５９】前述の第１実施形態の構成配置と比較する
と、本実施形態においては図示のように、第１高周波信
号源５の出力の一部を位相補償するための位相補償回路
４１がこの第１高周波信号源５に接続されていることが
その特徴の１つである。

【００６０】また、他の特徴としては、バンドパスフィ
ルタ１０とマイクロコンピュータ１２との間に同期検出
回路４２が更に設けられ、前述の位相補償回路４１とも
接続されていることである。そしてこの同期検出回路４
２は、位相補償回路４１で位相補償された出力信号を取
り込むと共に、バンドパスフィルタ１０から所定の周波
数成分の供給を受けるように接続されている。

【００６１】（作用効果４）：第１の高周波信号源５の
出力の一部を位相補償回路４１で位相補償して同期検出
回路４２に出力する。ここで同期検出回路４２は位相補
償された信号をトリガーとしてバンドパスフィルタ１０
を通過した信号を検出する。従って、バンドパスフィル
タ１０の出力信号から、複合共振器における干渉信号中
の周波数ｆiの成分のみを高いＳ／Ｎ比で検出すること
ができ、続くマイクロコンピュータ１２による信号処理
によって外部ミラー３の移動距離が算出される。

【００６２】その効果としては、上述の如く同期検出回
路４２を更に設けることにより、フォトディテクタ９で
受信した周波数ｆi で振動している成分の信号を更に選
択的かつ低ノイズで測定することができる。その結果、
本実施形態例の半導体レーザ測長器は更に高いＳ／Ｎ比
で干渉信号の変化を測定でき、よって、高精度な距離計
測を実現することを可能とする。

【００６３】以上、本発明の複数の実施形態に基づいて
説明したが、本明細書中には以下の発明が含まれる。 （１） 半導体レーザと、前記半導体レーザの一方の端
面より出射された光を反射して再び前記半導体レーザが
有する活性層に当該光が入射するように配置された可動
の外部ミラーと、直流電源と第１の高周波信号源とから
供給された直流電流および交流電流を重畳する重畳手段
からなり前記半導体レーザを変調動作させる変調駆動電
源と、前記半導体レーザの出力光強度を検出する光検出
器と、前記光検出器で受けた信号に含まれる前記第１の
高周波信号源で変調した周波数成分を弁別する周波数弁
別手段と、前記周波数弁別手段により弁別された周波数
成分の強度の変化を計測して前記外部ミラーと前記半導
体レーザとの間の距離の変化量を演算する演算手段と、
を具備することを特徴とする半導体レーザ測長器。（な
おこれは、全実施形態と図１〜４に対応している）。

【００６４】（２） 前記半導体レーザと前記外部ミラ
ーとの間には、コリメート用のレンズが配置されている
ことを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ測長
器。（なおこれも、全実施形態と図１〜４に対応してい
る）。

【００６５】（３） 前記周波数弁別手段は、所定の高
周波信号を供給する局発信号源と、前記局発信号源の局
発信号と前記光検出器で受けた信号とを混合する混合器
と、前記混合器により混合された信号から前記局発信号
の周波数と前記第１高周波信号源の周波数との差周波信
号成分を弁別するバンドパスフィルタと、から成ること
を特徴とする（１）または（２）のいずれかに記載の半
導体レーザ測長器。（なおこれは、第２実施形態と図２
に対応している）。

【００６６】（４） 前記周波数弁別手段は、所定の高
周波を発生する第２の高周波信号源と、前記第１高周波
信号源および前記第２高周波信号源からの高周波信号を
混合する第１の混合器と、前記第１混合器の出力より前
記第１高周波信号源と前記第２の高周波信号源からの高
周波信号の差周波成分を弁別する第１のバンドパスフィ
ルタと、前記光検出器からの出力と前記第１バンドパス
フィルタからの出力とを混合する第２の混合器と、前記
第２混合器の出力より前記第２高周波信号源からの高周
波成分を弁別する第２のバンドパスフィルタと、から構
成されることを特徴とする、請求項３に記載の半導体レ
ーザ測長器。（なおこれは、第３実施形態と図３に対応
している）。

【００６７】（５） 前記周波数弁別手段は、前記第１
高周波信号源の周波数に相当する周波数成分を弁別する
バンドパスフィルタで構成されていることを特徴とす
る、請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体
レーザ測長器。（なおこれは、第１実施形態と図１に対
応している）。

【００６８】（６） 前記第１高周波信号源の周波数が
可変であることを特徴とする、請求項１または請求項２
のいずれかに記載の半導体レーザ測長器。（なおこれ
も、全実施形態と図１〜４に対応している）。

【００６９】（７） 前記第２高周波信号源の周波数は
固定されていることを特徴とする、請求項４に記載の半
導体レーザ測長器。 （８） 前記周波数弁別手段と前記演算手段との間に
は、さらに同期検出回路が設けられ、前記同期検出回路
と前記第１高周波信号源との間には、さらに位相補償回
路が配置され、前記同期検出回路は、前記周波数弁別手
段の出力を前記位相補償回路からの出力に同期させて検
出することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項
に記載の半導体レーザ測長器。（なおこれは、第４実施
形態と図４に対応するタイミング同期によるＳ／Ｎ比向
上を図る構成に該当している）。

【００７０】

【発明の効果】以上に説明した如く本発明によれば、外
部可動ミラーと半導体レーザで構成された複合共振器に
おいては、この半導体レーザのための駆動電流に高周波
信号を重畳することによって、この複合共振器を構成す
る半導体レーザ内での干渉による「ＡＭ揺らぎ」信号の
エネルギーを変調周波数付近に集中させ、ミラーと半導
体レーザとの間のいわゆる外部共振器長の大きな範囲の
変動によるスペクトルの分散の変化を抑制することがで
きる。

【００７１】したがって、この干渉による半導体レーザ
の出力光の強度変化を高いＳ／Ｎ比でしかも安定的に計
測することができ、その結果として、本発明の半導体レ
ーザ測長器における半導体レーザの変調動作手段および
周波数弁別手段を備えていない従来の複合共振器型の測
長器に比較して、可動の外部ミラーがより長距離移動す
る場合や、外部ミラーと半導体レーザとの間が離れてい
る場合においてもその測定を可能にすることができる。

【００７２】以上、本発明により、半導体レーザと可動
の外部ミラーから成る複合共振器における干渉信号をよ
り高いレベルのＳ／Ｎ比で高精度な計測をし、しかも低
コストで実現してくれる本発明の目的であるところの距
離測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる第１の実施形態としての半導体
レーザ測長器の基本構成図。

【図２】本発明に係わる第２の実施形態としての半導体
レーザ測長器の構成図。

【図３】本発明に係わる第３の実施形態としての半導体
レーザ測長器の構成図。

【図４】本発明に係わる第４の実施形態としての半導体
レーザ測長器の構成図。

【図５】図５（ａ）, （ｂ）は、変調によるモード引き
込み時における干渉の効果を説明する図であり、（ａ）
は、無変調時における内部干渉によるＡＭ揺らぎの光出
力のパワースペクトルを示すグラフ、（ｂ）は、変調時
における内部干渉によるＡＭ揺らぎの光出力のパワース
ペクトルを示すグラフ。

【図６】従来例としての「マイケルソン干渉計型」測長
器の基本構成図。

【図７】従来例としての「複合共振器型」変位計の構成
図。

【符号の説明】

１…半導体レーザ、２…コリメータレンズ、３…外部ミ
ラー、４…直流電源、 ５…第１高周波信号源、６…バ
イアスＴ、７，８…レンズ、９…フォトディテクタ、１
０…バンドパスフィルタ、１１…高周波アンプ、１２…
マイクロコンピュータ、２０…高周波アンプ、２１…局
発高周波信号源、２２…ダブルバランスドミキサー、２
３…バンドパスフィルタ、３０…第１ダブルバランスド
ミキサー、３１…第２高周波信号源、３２…第１バンド
パスフィルタ、３３…第２高周波アンプ、３４…第２ダ
ブルバランスドミキサー、３５…第２バンドパスフィル
タ、４１…位相補償回路、４２…同期検出回路、１００
…活性層、１０１…コリメータ付き半導体レーザ、１０
２…アイソレータ、１０３…ハーフミラー、１０４…第
１の直角プリズム( 可動ミラー) 、１０５…第２の直角
プリズム、１０６…光検出器、１１１…半導体レーザ、
１１２…コリメータレンズ、１１３…外部ミラー、１１
４, １１５…レンズ、１１６…フォトディテクタ、５１
１…無変調時に位相整合によって干渉が強化される場合
( インフェイズ) 、５１２…無変調時に位相不整合によ
って干渉が弱化される場合( アンチフェイズ) 、５２１
…変調時に位相整合によって干渉が強化される場合( イ
ンフェイズ) 、５２２…変調時に位相不整合によって干
渉が弱化される場合( アンチフェイズ)。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体レーザと、前記半導体レーザの一
   方の端面より出射された光を反射して再び前記半導体レ
   ーザが有する活性層に当該光が入射するように配置され
   た可動の外部ミラーと、 直流電源と第１の高周波信号源とから供給された直流電
   流および交流電流を重畳する重畳手段からなり前記半導
   体レーザを変調動作させる変調駆動電源と、 前記半導体レーザの出力光強度を検出する光検出器と、 前記光検出器で受けた信号に含まれる前記第１の高周波
   信号源で変調した周波数成分を弁別する周波数弁別手段
   と、 前記周波数弁別手段により弁別された周波数成分の強度
   の変化を計測して前記外部ミラーと前記半導体レーザと
   の間の距離の変化量を演算する演算手段と、を具備する
   ことを特徴とする半導体レーザ測長器。
2. 【請求項２】 前記周波数弁別手段は、 所定の高周波信号を供給する局発信号源と、 前記局発信号源の局発信号と前記光検出器で受けた信号
   とを混合する混合器と、 前記混合器により混合された信号から前記局発信号の周
   波数と前記第１高周波信号源の周波数との差周波信号成
   分を弁別するバンドパスフィルタと、から成ることを特
   徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ測長器。
3. 【請求項３】 前記周波数弁別手段は、 所定の高周波を発生する第２の高周波信号源と、 前記第１高周波信号源および前記第２高周波信号源から
   の高周波信号を混合する第１の混合器と、 前記第１混合器の出力より前記第１高周波信号源と前記
   第２の高周波信号源からの高周波信号の差周波成分を弁
   別する第１のバンドパスフィルタと、 前記光検出器からの出力と前記第１バンドパスフィルタ
   からの出力とを混合する第２の混合器と、 前記第２混合器の出力より前記第２高周波信号源からの
   高周波成分を弁別する第２のバンドパスフィルタと、か
   ら構成されることを特徴とする、請求項１または請求項
   ２のいずれかに記載の半導体レーザ測長器。