JP2885807B2

JP2885807B2 - 距離検出装置

Info

Publication number: JP2885807B2
Application number: JP63265585A
Authority: JP
Inventors: 茂信篠原; 博文吉田; 稔安藤; 正雄角; 健一西出; 純一吉田; 正史宮田
Original assignee: Tokyo Koku Keiki KK
Current assignee: Tokyo Koku Keiki KK
Priority date: 1988-10-21
Filing date: 1988-10-21
Publication date: 1999-04-26
Anticipated expiration: 2014-04-26
Also published as: JPH02112784A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、半導体レーザの自己結合効果を利用した距
離検出装置、さらに詳しく言えば対象物との距離やその
変化量を計測したり、その出力を制御等に利用すること
ができる距離検出装置に関する。

（従来の技術）半導体レーザから出射したレーザ光の一部が、外部の
反射物で反射され半導体レーザ自身に戻ってきて結合す
ることにより半導体レーザの各種の特性を変化させる。

この現象を半導体レーザの自己結合効果と呼ぶ。グレ
ンビハイム等の論文「周波数変調されたレーザを用いた
距離検出」（“Range find−ing using frequency−mod
ulated laser diode"著者:Glenn Beheim and Klaus Fri
ts: 1 May 1986/Vol,25 No.9/APPLIED OPTICS,pp1439〜144
2））には自己結合効果の１特性を利用した距離検出技
術が示されている。

まず、前記論文に示されている距離検出方式と装置に
ついて簡単に説明する。

第６図に前記論文に示されている距離検出装置のブロ
ック図である。

第７図は、前記論文に示されている距離検出装置の動
作を説明するための波形図である。

半導体レーザ（LD）１は、電流発生回路60からの電流
で駆動されている。

駆動電流に第７図（ａ）に示されているような３角波
の電流変調を重畳することにより、出射レーザ光は周波
数変調される。

半導体レーザ（LD）１から前方へ出射されたレーザ光
はレンズ（LE）２を通して対象物（Ｏ）３に投射され
る。

対象物（Ｏ）３からの反射光の一部が半導体レーザ
（LD）１に戻ってきて自己結合効果を発生させる。

後方光は、受光素子（PD）４で検出され電気信号とな
る。

第７図（ｂ）に受光素子（PD）４の出力電圧を示す。
この受光素子（PD）４の出力を特性周波数領域だけ通過
させるフィルタ回路５を通すと、同図（ｃ）に示す波形
となりオシロスコープ61上でモニタすることができる。

半導体レーザ（LD）１と対象物（Ｏ）３間の距離をL,
光束をｃとすると、半導体レーザ（LD）１と対象物
（Ｏ）３で構成される外部共振器モードの周波数間隔Δ
ｆとの間に次の関係が成立する。

Δｆ＝c/（２・Ｌ）半導体レーザ（LD）１の駆動電流に第７図（ａ）のよ
うに変調波を重畳することにより、周波数変調すると戻
り光の周波数偏移Δｆによる位相変化の１サイクル毎に
半導体レーザ（LD）１の外部共振器モードホッピング
（以下単にモードホッピング）が生ずる。

モードホッピングは半導体レーザ（LD）１の出射パワ
ーの急激な変化を伴い、その結果，受光素子（PD）４の
受光信号は第７図（ｂ）のように３角波出力に階段状の
非線形成分が現れる。

フィルタ回路５により，このモードホッピング信号の
みを取り出すと第７図（ｃ）となる。

今、半導体レーザ（LD）１の３角波変調の1/2周期中
のモードホッピング信号を数え,N個とし、この時の半導
体レーザ（LD）の周波数変調幅をΔＦとすると次の関係
がある。

Ｌ＝Nc/2ΔＦ … レーザ光の光軸方向に速度Ｖで移動をしている対象物
（Ｏ）３に対しては次の関係がある。

３角波電流変調の上昇部分の間に生ずるモードホッピ
ング数をN₁,下降部分の間に生ずるものをN₂とする。

半導体レーザ（LD）１の発振波長をλ,3角波電流変調
周期をＴとすると次式が成立する。

Ｌ＝（c/4ΔＦ）（N₂＋N₁） … Ｖ＝（λ/2T）（N₂−N₁） … より高分解能な距離検出は，モードホッピング数の積算
の代わりにモードホッピング周期を測定することで実現
される。

（従来の技術と解決しようとする課題）前述した従来技術の距離検出装置には以下のような問
題点があった。

（１）オシロスコープ61上の表示から読み取るモードホ
ッピング数を用い距離を連続的に検出することは困難で
ある。移動する対象物の距離を高い周波数応答性を持っ
て，検出することができない。

（２）３角波電流変調の上昇中または下降中のモードホ
ッピング数Ｎは整数として検出される。

この時、モードホッピング１回未満の端数値，すなわ
ち少数点以下の値は検できず、その結果，計算で求める
距離もその分の誤差を含むこととなり、高分解能で高精
度な距離検出ができない。

（３）モードホッピング数の検出ではなく、モードホッ
ピング周期の検出を行えば、上記のモードホッピング数
端数分の誤差をなくすことは可能となるが、従来技術の
検出装置ではオシロスコープ表示から読み取るために精
度が悪い。

一方、半導体レーザ（LD）出力には周波数ゆらぎ（FM
雑音）が存在し、特に，戻り光が加わった状態では、大
きなFM雑音となる。このFM雑音によりモードホッピング
周期は変動し、モードホッピング周囲の検出から求める
距離の値にFM雑音誤差が含まれ、高精度な距離検出が困
難になる。

本発明の目的は、従来の技術の持つ，以上のような問
題点を解消し，高速応答性を持ち，高分解能で高精度な
距離検出を可能する距離検出装置を提供することにあ
る。

（課題を解決するための手段）前記目的を達成するために本発明による距離検出装置
は次のように構成されている。

（１）発振器から変調信号，例えば３角波信号を出力
し、半導体レーザ（LD）駆動回路により半導体レーザ
（LD）を３角波電流変調する。

同時に、３角波の1/2周期未満のゲート信号を３角波
の上昇時，または下降時に発生させるゲート発生回路を
設ける。

（２）対象物と半導体レーザ（LD）との距離に対応し
て、半導体レーザ（LD）の出射光に現れるモードホッピ
ングによる出力変化を含むレーザ出力信号を受光素子
（PD）により電気信号に変換し、その信号からフィルタ
回路によりモードホッピング出力変化信号を顕著に取り
出し、モードホッピング毎に一定パルス幅のホッピング
パルスを発生させるパルス発生回路を設ける。

（３）パルス発生回路からのパルスの幅より十分に狭い
パルスを発生する基準クロックパルス発生回路を設け
る。

（４）パルス発生回路からのホッピングパルスと基準ク
ロックパルス発生回路からのクロックパルスを同期さ
せ、この同期ホッピングパルスとゲート発生回路からの
ゲート信号の立ち上がりと立ち下がりを同期させる同期
回路を設ける。

（５）同期したゲート信号の存在する時間内だけ、同期
回路から出力されるクロックパルスとホッピングパルス
をそれぞれ積算するカウンタ回路と、両積算値から距離
の値を演算する演算処理回路を設ける。

（作用）このような構成でホッピングパルスと基準クロックパ
ルスを変調信号，例えば３角波信号の上昇または下降の
区間未満のゲート時間内で同期させ積算した場合、次の
作用がある。

（１）各３角波変調信号の上昇区間および下降区間ごと
に距離の値を算出することができる。

したがって、距離検出周期が短く，高い応答性を持た
せることができる。

（２）ホッピングパルスを積算するゲート信号がホッピ
ングパルスとクロックパルスに同期している。このこと
は、ホッピングパルスの積算の結果、モードホッピング
端数誤差を含まず、高分解能で高精度な距離検出を可能
とする。

（３）ゲート信号区間で積算した多数個のモードホッピ
ングに対応したホッピングパルス数と基準クロックパル
ス数を用いて演算することにより、モードホッピング発
生間隔の平均時間が求まる。

FM雑音によりモードホッピング発生間隔は一定周期か
らのゆらぎを生じており、多数個のモードホッピング発
生間隔を平均することで平均値を一定値に収斂させるこ
とができる。

よって、FM雑音による誤差を低下させることができ
る。

（実施例）以下、図面を参照して本発明による装置の原理およ
び、実施例を詳細に説明する。第１図は、本発明による
距離検出装置の原理を示すブロック図である。第２図
は、第１図の回路の動作を説明するための波形図であ
る。

第２図に記入された（ａ）〜（ｇ）の符号は第１図に
同じ符号が示されている部分の信号波形を示す。

半導体レーザ（LD）１は、半導体レーザ駆動回路11か
らの注入電流でレーザ発光する。

注入電流には発振器10からの三角波信号（第２図
（ａ））が重畳されている。

前方へのレーザ出射光は光学素子（LE）２を通して対
象物（Ｏ）３に照射され、その反射光の一部が半導体レ
ーザ（LD）１に戻り光として帰還し自己結合効果を発生
させる。

レーザ出射光はモードホッピングによる出力変動を有
し，後方光は受光素子（PD）４で電気信号に変換され
る。

受光素子（PD）４の出力信号は第２図（ｂ）に示す波
形となる。受光素子（PD）４の出力信号はフィルタ回路
５により、モードホッピングによるほぼ一定周期の信号
変化分だけが通過させられ、フィルタ回路５の出力信号
は、第２図（ｃ）に示す波形となる。

波形（ｄ）は、このフィルタ回路５の出力信号（ｃ）
をパルス発生回路６に印加して一定パルス幅のパルス波
形に成形したものである。

パルス発生回路６からのホッピングパルスを、そのパ
ルス幅と比較して十分高い周波数の基準クロックパルス
に同期させる。

発振器10からの３角波信号の立ち上がりおよび立ち下
がり区間で、３角波周期の1/2未満の長さのゲート信号
（ｅ）をゲート発生回路12で作成する。ゲート発生回路
12の出力とパルス発生回路６の出力と基準クロックパル
ス発生回路出力を同期回路で同期させると、各々
（ｅ′），（ｄ′），（ｇ）のようになる。

カウンタ回路８が、３角波の1/2周期の立ち上がりお
よび立ち下がり区間でパルス発生回路６の出力信号の同
期回路出力（ｄ′）と基準クロックパルス発生回路出力
信号の同期回路出力（ｇ）を積算し，各々ｎ個およびｍ
個となったとき、モードホッピングの平均発生周期T_Mは
基準クロックパルス周期をｔとすると次式で表せる。

T_M＝（m/n）ｔ … 今、３角波の周期をT,半導体レーザの最大周波数偏移
幅をF_Mとすると、半導体レーザと対象物間距離Ｌは次式
で表せる。

Ｌ＝（ｃ・Ｔ）／（４・F_M・T_M） … 式のT_M以外の定数は、予め設定された値で、式で
計算されるT_Mの値を用い、演算処理回路で計算すること
により、距離出力を求めることができる。

この実施例から明らかなように、本発明は前述のよう
に高速応答性と高分解能，高精度で距離を検出すること
ができる。

第３図は、本発明による距離検出装置の第１の実施例
を示すブロック図であって、対象物が移動中，すなわち
速度成分を有するときも距離検出を可能にするものであ
る。

第４図は、この第３図に示された実施例の動作を説明
するための波形図である。

各図において（ａ）〜（g₂）の符号はそれぞれ信号の
発生位置または信号の変化を示している。

この実施例では、半導体レーザ（LD）１の駆動と、レ
ーザ光の光学的部分およびその受光信号をフィルタ回路
５で処理する部分は前述した第１図の例と同じ構成であ
る。

発振器10からの出力信号（ａ）による電流変調を受け
た半導体レーザ（LD）１は同形状の出力レーザ光周波数
変調を受ける。そして、対象物（Ｏ）３からの反射光に
よる自己結合効果でモードホッピングを発生する。

これにより、半導体レーザ（LD）１の後方光は、受光
素子（PD）４を通して（ｂ）に示す出力信号として検出
される。

フィルタ回路５を通すと、第４図（ｃ）に示す波形と
なる。対象物（Ｏ）３からのレーザ光が光軸方向に速度
成分を有するときは、（ｂ），（ｃ）波形のように、３
角波変調の上昇区間と下降区間でモードホッピング発生
間隔が変わる。

この実施例では、発振器10からの３角波信号の上昇区
間と下降区間で、各区間に対応したゲート発生回路12A
および12Bを有し、３角波周期の1/2未満の長さのゲート
信号（d₁），（d₂）を作成する。

また、フィルタ回路５の出力も、発振器10からの３角
波信号の上昇区間と下降区間のそれぞれに対応したパル
ス発生回路6Aおよび6Bにより、一定パルス幅のパルス波
形に成形され、パルス発生回路出力信号（e₁）および
（e₂）となる。

以下、第１図の距離検出装置と同様に同期回路で、３
角波信号の上昇と下降区間のそれぞれに対応したゲート
発生回路出力とパルス発生回路出力と基準クロックパル
ス発生回路出力を同期させると、（f₁），（f₂），
（g₁），（g₂）信号出力となる。

３角波信号の上昇区間と下降区間で（f₁），（f₂）信
号および（g₁），（g₂）信号をカウンタ回路８で積算す
ると、各々n_u,n_d,m_u,m_dとなる。

モードホッピングの平均発生周期は、前記上昇区間と
下降区間に対応してT_MuとT_Mdとすると次式で表せる。

T_Mu＝（m_u/n_u）ｔ … T_Md＝（m_d/n_d）ｔ … よって、半導体レーザと対象物間距離Ｌは次式で表せ
る。

Ｌ＝ｃ・T/〔２・F_M・（T_Mu＋T_Md）〕 … また、対象物の光軸方向速度成分Ｖは次式で表せる。

Ｖ＝（λ/4）・（1/T_Md−1/T_Mu） … ，式を用いて演算処理回路で計算することにより
距離および速度を求めることができる。この実施例のよ
うに、本発明は高速応答性と高分解能，高精度で距離お
よび速度を検出することができる。

第５図は本発明による距離検出装置の第２の実施例を
示すブロック図である。この装置は半導体レーザからの
出射光が有する周波数ゆらぎ、すなわちFM雑音を低減さ
せることにより、高精度な距離検出を可能にしたもので
ある。

基本的な動作等は先に第１図および第２図を参照して
説明した距離検出装置と異ならない。

第１図および第３図の距離検出装置では距離検出する
際のモードホッピング発生間隔を多数個の平均値から求
めることによりFM雑音に原因する距離誤差を減少させる
ことができる。

しかし、高い応答性を得るための３角波変調周期が短
い場合等、ゲート信号区間でのモードホッピング数が少
ないために、十分にFM雑音に原因する距離誤差を低減で
きない。

このような場合、第５図の実施例に示すFM雑音低減装
置を組み込むことが有効となる。

この実施例では半導体レーザ（LD）１の後方光を光分
岐器（BS）50で分岐し、一方は受光素子（PD）４へ、他
方はFM雑音低減装置51へ入射させる。

FM雑音低減装置51からFM雑音制御信号が出力され、半
導体レーザ（LD）駆動回路11で半導体レーザ注入電流に
重畳されることによりFM雑音を低下させる。

（発明の効果）以上詳しく説明したように、本発明による、半導体レ
ーザの自己結合効果を利用し半導体レーザ出力の周期的
変化を検出する距離検出装置で、半導体レーザ変調周期
に同調し、２分の１周期以下の時間長さの一定ゲート信
号を発生するゲート発生回路と、レーザ出力を電気信号
に変換する受光素子と、モードホッピングによる半導体
レーザ出力変化信号を顕著に取り出すフィルタ回路と、
モードホッピング毎に一定幅パルスを発生させるパルス
発生回路と、前記パルス発生回路からのホッピングパル
スより十分短い周期を持つ基準クロックパルスを発生す
る基準クロックパルス発生回路と、前記ゲート信号とホ
ッピングパルスおよび基準クロックパルスを同期させる
同期回路と、前記ゲート信号時間内のホッピングパルス
と基準クロックパルスを計数するカウンタ回路と、計数
値から距離を演算する演算処理回路を設けてある。

また前記ゲート発生回路および前記パルス発生回路は
それぞれ各２個ずつ用意され、１個は前記半導体レーザ
のレーザ発信周波数の増加時に機能させ、もう１個は同
じく減少時に機能させ、演算処理回路で、前記カウンタ
回路で計数したレーザ発振周波数の前記増加および減少
時の各計数値から、移動する対象物の距離および距離変
化分を演算するように構成できる。

また、前記距離検出装置に前記半導体レーザのレーザ
出射光の一部を入力として出力を半導体レーザに帰還す
ることにより前記半導体レーザからの出射光が有する周
波数ゆらぎを低減するFM雑音低減装置をさらに設けるこ
ともできる。

したがって、変調信号の上昇区間および下降区間ごと
に距離の値を算出することができ、距離検出周期を短く
し、高い応答性を持たせることができる。

さらに、ホッピングパルスを積算するゲート時間がホ
ッピングパルスに同期しているので、積算したホッピン
グパルス数は平均したホッピングパルス周期の整数倍と
なる。これにより、モードホッピング数の積算の際にモ
ードホッピング端数誤差が含まれず、高分解能で，高精
度な距離検出を可能とする。

さらに、ゲート信号区間で積算した多数個のモードホ
ッピングに対応したホッピングパルス数を基準クロック
パルス数で演算することにより、モードホッピング発生
間隔の平均時間が求められる。そして、FM雑音に原因す
る誤差を低減させた高精度な距離検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明により距離検出装置の基本原理を示す
ブロック図である。第２図は、第１図に示した距離検出装置の動作を説明す
るための波形図である。第３図は、本発明による距離検出装置の第１の実施例を
示すブロック図である。第４図は、第３図に示した実施例の動作を説明するため
の波形図である。第５図は、本発明による距離検出装置の第２の実施例を
示すブロック図である。第６図は、すでに提案されている距離検出装置のブロッ
ク図を示す。第７図は、第６図に示されている距離検出装置の動作を
説明するための波形図である。１……半導体レーザ（LD）２……レンズ（光学素子LE）３……対象物（Ｏ）４……受光素子（PD）５……フィルタ回路 6,6A,6B……パルス発生回路７……同期回路８……カウンタ回路９……演算処理回路 10……発振器 11……半導体レーザ駆動回路 12,12A,12B……ゲート発生回路 13……基準クロックパルス発生回路 50……光分岐器（BS） 51……FM雑音低減装置 60……電流発生回路 61……オシロスコープ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西出健一東京都狛江市和泉本町１丁目35番１号東京航空計器株式会社内 (72)発明者吉田純一東京都狛江市和泉本町１丁目35番１号東京航空計器株式会社内 (72)発明者宮田正史東京都狛江市和泉本町１丁目35番１号東京航空計器株式会社内 (56)参考文献特開昭60−64284（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−15540（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−198183（ＪＰ，Ａ) 実開昭61−46476（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01S 7/00 - 17/95 G01B 9/00 - 11/24 G01R 23/10

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】周期的にレーザ発振周波数を変調された半
導体レーザと、前記半導体レーザの出射光を対象物表面に照射し、その
反射光の一部が戻り光として前記半導体レーザに結合す
るように配置された光学素子と、前記半導体レーザと前記対象物間の距離に比例して生ず
る半導体レーザ出力の周期的変化を検出する受光素子
と、前記受光素子出力から一定周波数範囲成分を取り出すフ
ィルタ回路と、前記半導体レーザのレーザ発振周波数の増加時にレーザ
変調周期に同期し、２分の１周期以下の時間長さの一定
ゲート信号を発生する第１のゲート発生回路および同じ
く減少時に機能させられる第２のゲート発生回路と、前記半導体レーザのレーザ発振周波数の増加時に、前記
フィルタ回路出力の波形成形をする、第１のパルス発生
回路および同じく減少時に機能させられる第２のパルス
発生回路と、前記パルス発生回路からの出力パルスより十分短い周期
を持つ基準クロックパルスを発生する基準クロックパル
ス発生回路と、前記ゲート信号と出力パルスおよび基準クロックパルス
を同期させる同期回路と、前記ゲート信号時間内の出力パルスと基準クロックパル
スを計数するカウンタ回路と、前記カウンタ回路で計数したレーザ発振周波数の前記増
加および減少時の各計数値から移動する前記対象物の前
記距離および距離変化分を演算する演算処理回路から構
成した距離検出装置。」
【請求項２】前記距離検出装置は、前記半導体レーザの
レーザ出射光の一部を入力として出力を半導体レーザに
帰還することにより前記半導体レーザからの出射光が有
する周波数ゆらぎを低減するFM雑音低減装置をさらに設
けたものである請求項１記載の距離検出装置。