JP2885807B2 - Distance detection device - Google Patents
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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。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Industrial application field) The present invention relates to a distance detection device using the self-coupling effect of a semiconductor laser, more specifically, to measure a distance to an object and a change amount thereof, The present invention relates to a distance detection device whose output can be used for control and the like.
（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。(Prior Art) A part of laser light emitted from a semiconductor laser is reflected by an external reflector, returns to the semiconductor laser itself, and is coupled to change various characteristics of the semiconductor laser.
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。This phenomenon is called the self-coupling effect of the semiconductor laser. See "Range find-ing using frequency-mod"
ulated laser diode "Author: Glenn Beheim and Klaus Fri
ts: 1 May 1986 / Vol, 25 No.9 / APPLIED OPTICS, pp1439〜144
2)) shows a distance detection technique using one characteristic of the self-coupling effect.
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。First, a brief description will be given of the distance detection method and apparatus shown in the above-mentioned paper.
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。FIG. 6 is a block diagram of the distance detecting device shown in the above-mentioned paper.
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。FIG. 7 is a waveform chart for explaining the operation of the distance detecting device shown in the above-mentioned paper.
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。The semiconductor laser (LD) 1 is driven by the current from the current generating circuit 60.
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。The output laser light is frequency-modulated by superimposing a triangular wave current modulation as shown in FIG. 7A on the driving current.
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。Laser light emitted forward from the semiconductor laser (LD) 1 is projected on the object (O) 3 through the lens (LE) 2.
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。Part of the reflected light from the object (O) 3 returns to the semiconductor laser (LD) 1 to generate a self-coupling effect.
後方光は、受光素子（PD）４で検出され電気信号とな
る。The backward light is detected by the light receiving element (PD) 4 and becomes an electric signal.
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。FIG. 7B shows the output voltage of the light receiving element (PD) 4.
When the output of the light receiving element (PD) 4 is passed through a filter circuit 5 that allows only the characteristic frequency region to pass, the waveform shown in FIG. 4C is obtained and can be monitored on the oscilloscope 61.
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。Let the distance between the semiconductor laser (LD) 1 and the object (O) 3 be L,
Assuming that the light flux is c, the frequency interval Δ of the external resonator mode composed of the semiconductor laser (LD) 1 and the object (O) 3
The following relationship is established with f.
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。Δf = c / (2 · L) By modulating the frequency by modulating the drive current of the semiconductor laser (LD) 1 with a modulation wave as shown in FIG. An external cavity mode hopping (hereinafter simply mode hopping) of the semiconductor laser (LD) 1 occurs every cycle.
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。Mode hopping involves a sudden change in the output power of the semiconductor laser (LD) 1, and as a result, the light receiving signal of the light receiving element (PD) 4 becomes a triangular wave output as shown in FIG. Ingredients appear.
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。When only the mode hopping signal is extracted by the filter circuit 5, the result is as shown in FIG. 7 (c).
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。Now, assuming that the number of mode hopping signals in a half cycle of the triangular wave modulation of the semiconductor laser (LD) 1 is N, and the frequency modulation width of the semiconductor laser (LD) at this time is ΔF, the following relationship is obtained. is there.
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。L = Nc / 2ΔF The following relationship is established for the object (O) 3 moving at a speed V in the optical axis direction of the laser light.
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。The mode hopping number generated during the rising portion of the triangular wave current modulation is denoted by N 1 , and the mode hopping number generated during the falling portion is denoted by N 2 .
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。Assuming that the oscillation wavelength of the semiconductor laser (LD) 1 is λ and the triangular wave current modulation period is T, the following equation is established.
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。L = (c / 4ΔF) (N 2 + N 1 ) V = (λ / 2T) (N 2 −N 1 ) For higher resolution distance detection, measure the mode hopping cycle instead of integrating the mode hopping number It is realized by doing.
（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。(Problems to be Solved with Conventional Technique) The above-described conventional distance detecting apparatus has the following problems.
（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。(1) It is difficult to continuously detect the distance using the mode hopping number read from the display on the oscilloscope 61. The distance of a moving object cannot be detected with high frequency response.
（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。(2) The mode hopping number N during rising or falling of the triangular wave current modulation is detected as an integer.
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。At this time, a fractional value less than one mode hopping, that is, a value less than the decimal point cannot be detected. As a result, the distance obtained by the calculation also includes an error corresponding to the fractional value, and high-resolution and high-precision distance detection cannot be performed. .
（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。(3) If the mode hopping period is detected instead of the mode hopping number, it is possible to eliminate the error of the mode hopping fraction. However, in the conventional detection device, it is necessary to read from the oscilloscope display. Poor accuracy.
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。On the other hand, semiconductor laser (LD) output has frequency fluctuation (FM
Noise), and particularly when return light is added, large FM noise occurs. The mode hopping cycle fluctuates due to the FM noise, and the distance value obtained from the detection around the mode hopping includes an FM noise error, making it difficult to detect a distance with high accuracy.
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。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art and to provide a distance detecting device having high-speed response and capable of detecting distance with high resolution and high accuracy.
（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。(Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, a distance detection device according to the present invention is configured as follows.
（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。(1) A modulation signal, for example, a triangular wave signal is output from an oscillator, and the semiconductor laser (LD) is triangular wave current modulated by a semiconductor laser (LD) driving circuit.
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。At the same time, there is provided a gate generation circuit for generating a gate signal of less than 1/2 cycle of the triangular wave when the triangular wave rises or falls.
（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。(2) The laser output signal including the output change due to mode hopping that appears in the light emitted from the semiconductor laser (LD) corresponding to the distance between the object and the semiconductor laser (LD) is converted into an electric signal by the light receiving element (PD). Then, a mode hopping output change signal is remarkably extracted from the signal by a filter circuit, and a pulse generating circuit for generating a hopping pulse having a constant pulse width every mode hopping is provided.
（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。(3) A reference clock pulse generation circuit that generates a pulse that is sufficiently narrower than the width of the pulse from the pulse generation circuit is provided.
（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。(4) A synchronization circuit is provided for synchronizing the hopping pulse from the pulse generation circuit with the clock pulse from the reference clock pulse generation circuit, and synchronizing the synchronization hopping pulse with the rise and fall of the gate signal from the gate generation circuit.
（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。(5) A counter circuit that integrates the clock pulse and the hopping pulse output from the synchronization circuit only during the time when the synchronized gate signal exists, and an arithmetic processing circuit that calculates a distance value from both integrated values are provided.
（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。(Operation) When the hopping pulse and the reference clock pulse are synchronized and integrated within a gate time shorter than the rising or falling section of the modulation signal, for example, the triangular wave signal in such a configuration, the following operation is obtained.
（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。(1) The value of the distance can be calculated for each ascending section and descending section of each triangular wave modulation signal.
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。Therefore, the distance detection cycle is short, and high responsiveness can be provided.
（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。(2) The gate signal for integrating the hopping pulse is synchronized with the hopping pulse and the clock pulse. This allows high-resolution and high-accuracy distance detection without including a mode hopping fraction error as a result of integration of hopping pulses.
（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。(3) By calculating using the number of hopping pulses and the number of reference clock pulses corresponding to a number of mode hops integrated in the gate signal section, the average time of the mode hopping interval is obtained.
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。The mode hopping interval fluctuates from a fixed period due to FM noise, and the average value can be converged to a constant value by averaging a large number of mode hopping intervals.
よって、FM雑音による誤差を低下させることができ
る。Therefore, errors due to FM noise can be reduced.
（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。(Embodiment) Hereinafter, the principle of an apparatus according to the present invention and an embodiment will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the principle of a distance detecting device according to the present invention. FIG. 2 is a waveform chart for explaining the operation of the circuit of FIG.
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。Reference numerals (a) to (g) written in FIG. 2 indicate signal waveforms of the portions denoted by the same reference numerals in FIG.
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。The semiconductor laser (LD) 1 emits laser light with an injection current from the semiconductor laser drive circuit 11.
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。A triangular wave signal (FIG. 2A) from the oscillator 10 is superimposed on the injection current.
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。The laser light emitted forward is applied to the object (O) 3 through the optical element (LE) 2, and a part of the reflected light returns to the semiconductor laser (LD) 1 as return light to generate a self-coupling effect.
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。The laser emission light has an output fluctuation due to mode hopping, and the backward light is converted into an electric signal by the light receiving element (PD) 4.
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。The output signal of the light receiving element (PD) 4 has a waveform shown in FIG. The output signal of the light receiving element (PD) 4 is passed by the filter circuit 5 only for a signal change having a substantially constant period due to mode hopping, and the output signal of the filter circuit 5 has a waveform shown in FIG. .
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。The waveform (d) is the output signal (c) of the filter circuit 5.
Is applied to the pulse generation circuit 6 to form a pulse waveform having a constant pulse width.
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。The hopping pulse from the pulse generation circuit 6 is synchronized with a reference clock pulse having a frequency sufficiently higher than the pulse width.
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。In the rising and falling sections of the triangular wave signal from the oscillator 10, a gate signal (e) having a length of less than 1/2 of the triangular wave period is generated by the gate generating circuit 12. Gate generation circuit
When the output of 12 and the output of the pulse generating circuit 6 and the output of the reference clock pulse generating circuit are synchronized by the synchronizing circuit, they become (e '), (d') and (g), respectively.
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TMは
基準クロックパルス周期をｔとすると次式で表せる。The counter circuit 8 outputs a synchronous circuit output (d ') of the output signal of the pulse generating circuit 6 and a synchronous circuit output (g) of the output signal of the reference clock pulse generating circuit in the rising and falling sections of a half cycle of the triangular wave. And n and m
When the number is equal to the number, the average generation cycle T M of the mode hopping can be expressed by the following equation, where t is the reference clock pulse cycle.
TM＝（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FM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。 T M = (m / n) t ... Now, the period of the triangular wave T, the maximum frequency deviation width of the semiconductor laser when the F M, the distance L between the semiconductor laser and the object is expressed by the following equation.
Ｌ＝（ｃ・Ｔ）／（４・FM・TM） … 式のTM以外の定数は、予め設定された値で、式で
計算されるTM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。L = (c · T) / (4 · F M · T M ) The constants other than T M in the formula are preset values, and the value of T M calculated by the formula is used. By calculating, the distance output can be obtained.
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。As is apparent from this embodiment, the present invention can detect a distance with high speed response, high resolution, and high accuracy as described above.
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。FIG. 3 is a block diagram showing a first embodiment of the distance detecting apparatus according to the present invention, which enables distance detection even when an object is moving, that is, when the object has a velocity component.
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。FIG. 4 is a waveform chart for explaining the operation of the embodiment shown in FIG.
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。In each of the figures, reference numerals (a) to (g 2 ) indicate a signal generation position or a signal change, respectively.
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。In this embodiment, the driving of the semiconductor laser (LD) 1 and the optical portion of the laser beam and the portion for processing the received signal of the laser beam by the filter circuit 5 have the same configuration as that of the example shown in FIG.
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。The semiconductor laser (LD) 1 which has been subjected to current modulation by the output signal (a) from the oscillator 10 receives an output laser light frequency modulation having the same shape. Then, mode hopping occurs due to a self-coupling effect due to the reflected light from the object (O) 3.
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。Thereby, the backward light of the semiconductor laser (LD) 1 is detected as an output signal shown in (b) through the light receiving element (PD) 4.
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。After passing through the filter circuit 5, the waveform becomes as shown in FIG. 4 (c). When the laser light from the object (O) 3 has a velocity component in the direction of the optical axis, as shown in waveforms (b) and (c),
The mode hopping interval changes between the rising section and the falling section of the angular wave modulation.
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。In this embodiment, in a rising section and a falling section of a triangular wave signal from the oscillator 10, a gate generation circuit 12A corresponding to each section is provided.
And gate signals (d 1 ) and (d 2 ) having a length of less than の of the triangular wave period.
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。Also, the output of the filter circuit 5 is shaped into a pulse waveform having a constant pulse width by the pulse generation circuits 6A and 6B corresponding to the rising section and the falling section of the triangular wave signal from the oscillator 10, respectively. Signals (e 1 ) and (e 2 ).
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。Hereinafter, as with the distance detection device of FIG.
Synchronizing the gate generator output, the pulse generator output, and the reference clock pulse generator output corresponding to the rising and falling sections of the square wave signal respectively gives (f 1 ), (f 2 ),
(G 1 ) and (g 2 ) signal output.
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nu,nd,mu,mdとなる。When the (f 1 ) and (f 2 ) signals and the (g 1 ) and (g 2 ) signals are integrated by the counter circuit 8 in the rising section and the falling section of the triangular wave signal, n u , n d , m u , m d .
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TMuとTMdとすると次式で表せる。The average occurrence cycle of mode hopping can be expressed by the following equation, where T Mu and T Md correspond to the rising section and the falling section.
TMu＝（mu/nu）ｔ … TMd＝（md/nd）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。 T Mu = (m u / n u) t ... T Md = (m d / n d) t ... Therefore, the distance L between the semiconductor laser and the object is expressed by the following equation.
Ｌ＝ｃ・T/〔２・FM・（TMu＋TMd）〕 … また、対象物の光軸方向速度成分Ｖは次式で表せる。L = c · T / [2 · F M · (T Mu + T Md) ] ... The optical axis direction velocity component V of the object can be expressed by the following equation.
Ｖ＝（λ/4）・（1/TMd−1/TMu） … ，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。V = (λ / 4) · (1 / T Md −1 / T Mu )..., And the distance and the speed can be obtained by calculation by an arithmetic processing circuit using the equation. As in this embodiment, the present invention can detect distance and speed with high-speed response, high resolution, and high accuracy.
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。FIG. 5 is a block diagram showing a second embodiment of the distance detecting device according to the present invention. This device enables high-accuracy distance detection by reducing the frequency fluctuation, ie, FM noise, of light emitted from a semiconductor laser.
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。The basic operation and the like are the same as those of the distance detecting device described above with reference to FIGS. 1 and 2.
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。1 and 3, the distance error caused by FM noise can be reduced by determining the mode hopping interval at the time of distance detection from an average value of a large number.
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。However, the distance error caused by FM noise cannot be reduced sufficiently because the number of mode hoppings in the gate signal section is small, such as when the triangular wave modulation period for obtaining high response is short.
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。In such a case, it is effective to incorporate the FM noise reduction device shown in the embodiment of FIG.
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。In this embodiment, the backward light of the semiconductor laser (LD) 1 is split by an optical splitter (BS) 50, one of which is incident on a light receiving element (PD) 4 and the other is incident on an FM noise reduction device 51.
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。An FM noise control signal is output from the FM noise reduction device 51 and is superimposed on the semiconductor laser injection current by the semiconductor laser (LD) drive circuit 11, thereby reducing the FM noise.
（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。(Effects of the Invention) As described in detail above, a distance detecting apparatus for detecting a periodic change in the output of a semiconductor laser using the self-coupling effect of a semiconductor laser according to the present invention is tuned to the modulation cycle of the semiconductor laser, and A gate generation circuit that generates a constant gate signal having a time length of one cycle or less, a light receiving element that converts a laser output into an electric signal, and a filter circuit that remarkably extracts a semiconductor laser output change signal due to mode hopping,
A pulse generation circuit for generating a constant width pulse for each mode hopping, a reference clock pulse generation circuit for generating a reference clock pulse having a period sufficiently shorter than the hopping pulse from the pulse generation circuit, the gate signal, a hopping pulse and a reference A synchronizing circuit for synchronizing clock pulses, a counter circuit for counting hopping pulses and reference clock pulses within the gate signal time, and an arithmetic processing circuit for calculating distance from the count value are provided.
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。The gate generation circuit and the pulse generation circuit are each provided two each, and one is made to function when the laser oscillation frequency of the semiconductor laser is increased, and the other is made to function when the laser emission frequency is decreased. The distance of the moving object and the amount of change in the distance can be calculated from the count values at the time of the increase and decrease of the laser oscillation frequency counted by the counter circuit.
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。Further, the distance detection device further includes an FM noise reduction device that reduces a frequency fluctuation of the emission light from the semiconductor laser by inputting a part of the laser emission light of the semiconductor laser as an input and returning an output to the semiconductor laser. You can also.
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。Therefore, the distance value can be calculated for each of the rising section and the falling section of the modulation signal, and the distance detection cycle can be shortened, and high responsiveness can be provided.
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。Furthermore, since the gate time for integrating the hopping pulse is synchronized with the hopping pulse, the integrated number of hopping pulses is an integral multiple of the average hopping pulse period. As a result, a mode hopping fraction error is not included when the mode hopping number is integrated, and high-resolution and high-accuracy distance detection can be performed.
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。Furthermore, by calculating the number of hopping pulses corresponding to a large number of mode hops integrated in the gate signal section by the reference clock pulse number, the average time of the mode hopping generation interval is obtained. Then, high-accuracy distance detection in which an error caused by FM noise is reduced becomes possible.
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FIG. 1 is a block diagram showing the basic principle of a distance detecting device according to the present invention. FIG. 2 is a waveform chart for explaining the operation of the distance detecting device shown in FIG. FIG. 3 is a block diagram showing a first embodiment of the distance detecting device according to the present invention. FIG. 4 is a waveform chart for explaining the operation of the embodiment shown in FIG. FIG. 5 is a block diagram showing a second embodiment of the distance detecting device according to the present invention. FIG. 6 shows a block diagram of a distance detection device that has already been proposed. FIG. 7 is a waveform chart for explaining the operation of the distance detecting device shown in FIG. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor laser (LD) 2 ... Lens (optical element LE) 3 ... Object (O) 4 ... Light receiving element (PD) 5 ... Filter circuit 6,6A, 6B ... Pulse generation circuit 7 ... ... Synchronous circuit 8 ... Counter circuit 9 ... Operation processing circuit 10 ... Oscillator 11 ... Semiconductor laser drive circuit 12,12A, 12B ... Gate generating circuit 13 ... Reference clock pulse generating circuit 50 ... Optical splitter ( BS) 51: FM noise reduction device 60: Current generation circuit 61: Oscilloscope
───────────────────────────────────────────────────── 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 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Kenichi Nishiide 1-35-1 Izumi Honcho, Komae City, Tokyo Inside Tokyo Aviation Instruments Co., Ltd. (72) Junichi Yoshida 1-35 Izumi Honcho, Komae City, Tokyo No. 1 Inside Tokyo Aviation Instruments Co., Ltd. (72) Inventor Masafumi Miyata 1-35-1 Izumi Honcho, Komae City, Tokyo Inside Tokyo Aviation Instruments Co., Ltd. (56) References JP-A-60-64284 JP-A 63-15540 (JP, A) JP-A 62-198183 (JP, A) JP-A 61-46476 (JP, U) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) G01S 7 / 00-17/95 G01B 9/00-11/24 G01R 23/10
Claims (2)
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。」A semiconductor laser whose laser oscillation frequency is periodically modulated; and a light emitted from the semiconductor laser is irradiated to a surface of an object, and a part of the reflected light is coupled to the semiconductor laser as return light. An optical element disposed on a light-receiving element, a light-receiving element for detecting a periodic change in semiconductor laser output that occurs in proportion to the distance between the semiconductor laser and the object, and a filter circuit for extracting a constant frequency range component from the light-receiving element output A first gate generation circuit for synchronizing with a laser modulation cycle when the laser oscillation frequency of the semiconductor laser increases and generating a constant gate signal having a time length equal to or less than a half cycle, and And a first pulse generation circuit for shaping the waveform of the output of the filter circuit when the laser oscillation frequency of the semiconductor laser increases. And a second pulse generation circuit that also functions when the pulse is reduced, a reference clock pulse generation circuit that generates a reference clock pulse having a period sufficiently shorter than an output pulse from the pulse generation circuit, the gate signal, an output pulse, and a reference. A synchronization circuit for synchronizing a clock pulse; a counter circuit for counting an output pulse and a reference clock pulse within the gate signal time; and moving from each count value when the laser oscillation frequency counted by the counter circuit increases and decreases. A distance detection device including an arithmetic processing circuit that calculates the distance and the distance change of the object. "
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。2. The method according to claim 1, wherein the distance detection device receives a part of the laser emission light of the semiconductor laser as an input and returns an output to the semiconductor laser to reduce frequency fluctuations of the emission light from the semiconductor laser. The distance detecting device according to claim 1, further comprising a device.
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