(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つ以上の垂直共振器型面発光レーザと、これらの垂直共振器型面発光レーザと組合わされて複合共振器を構成する外部反射手段と、上記垂直共振器型面発光レーザと上記外部反射手段との間の相対的な位置変化に起因するレーザ出力の変化を計測する光強度計測手段とを有する光学式変位センサに於いて、
上記垂直共振器型面発光レーザの少なくとも１つと上記外部反射手段との間に配置された光位相シフト手段と、
上記２つ以上の垂直共振器型面発光レーザを時間差を有して駆動するレーザ駆動手段とを備え、
上記光強度計測手段は、このレーザ駆動手段の駆動時刻に対応して、上記２つ以上の垂直共振器型面発光レーザの各々の光出力を分離して計測することを特徴とする光学式変位センサ。
【請求項２】
２つ以上の垂直共振器型面発光レーザと、これらの垂直共振器型面発光レーザと組合わされて複合共振器を構成する外部反射手段と、上記垂直共振器型面発光レーザと上記外部反射手段との間の相対的な位置変化に起因するレーザ出力の変化を計測する光強度計測手段と、を有する光学式変位センサに於いて、
上記垂直共振器型面発光レーザの少なくとも１つが、その他の上記垂直共振器型面発光レーザに対して、その発振波長が互いに異なるように、ビーム出射面に平行な平面上で形若しくは大きさが互いに異なる共振器導波路構造を有することを特徴とする光学式変位センサ。
【請求項３】
２つ以上の垂直共振器型面発光レーザと、これらの垂直共振器型面発光レーザと組合わされて複合共振器を構成する外部反射手段と、上記垂直共振器型面発光レーザと上記外部反射手段との間の相対的な位置変化に起因するレーザ出力の変化を計測する光強度計測手段とを有する光学式変位センサに於いて、
上記垂直共振器型面発光レーザの少なくとも１つが、その他の上記垂直共振器型面発光レーザに対して、その発振波長が互いに異なるように、異なる駆動電流範囲で上記２つ以上の垂直共振器型面発光レーザを駆動するレーザ駆動手段を有することを特徴とする光学式変位センサ。
【請求項４】
２つ以上の垂直共振器型面発光レーザと、これらの垂直共振器型面発光レーザと組合わされて複合共振器を構成する外部反射手段と、上記垂直共振器型面発光レーザと上記外部反射手段との間の相対的な位置変化に起因するレーザ出力の変化を計測する光強度計測手段とを有する光学式変位センサに於いて、
上記垂直共振器型面発光レーザの少なくとも１つがその他の上記垂直共振器型面発光レーザに対して、その発振波長が互いに異なるように、ビーム出射面に平行な平面上で形若しくは大きさが互いに異なる共振器導波路構造を有すると共に、これらの発振波長の異なる上記垂直共振器型面発光レーザを、時間差を有して駆動するレーザ駆動手段を備え、上記光強度計測手段は、このレーザ駆動手段の駆動時刻に対応して発振波長の異なる上記垂直共振器型面発光レーザの各々の光出力を分離して計測することを特徴とする光学式変位センサ。
【請求項５】
２つ以上の垂直共振器型面発光レーザと、これらの垂直共振器型面発光レーザと組合わされて複合共振器を構成する外部反射手段と、上記垂直共振器型面発光レーザと上記外部反射手段との間の相対的な位置変化に起因するレーザ出力の変化を計測する光強度計測手段とを有する光学式変位センサに於いて、
上記垂直共振器型面発光レーザの少なくとも１つがその他の上記垂直共振器型面発光レーザに対して、その発振波長が互いに異なるように、異なる駆動電流範囲で上記２つ以上の垂直共振器型面発光レーザを駆動すると共に、これらの発振波長の異なる上記垂直共振器型面発光レーザを、時間差を有して駆動するレーザ駆動手段を備え、
上記光強度計測手段は、このレーザ駆動手段の駆動時刻に対応して発振波長の異なる上記垂直共振器型面発光レーザの各々の光出力を分離して計測することを特徴とする光学式変位センサ。
【請求項６】
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合わされて複合共振器を構成する外部反射手段と、上記垂直共振器型面発光レーザと上記外部反射手段との間の相対的な位置変化に起因するレーザ出力の変化を計測する光強度計測手段とを有する光学式変位センサに於いて、
上記垂直共振器型面発光レーザを時間差を有して駆動すると共に、この時間差毎に異なる駆動電流範囲で上記垂直共振器型面発光レーザを駆動するレーザ駆動手段を備え、
上記光強度計測手段は、このレーザ駆動手段の駆動時刻に対応して発振波長の異なる上記垂直共振器型面発光レーザの各々の光出力を分離して計測することを特徴とする光学式変位センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、面発光半導体レーザの干渉を用いた光学式センサ、計測システム機器等に用いられる光学式変位センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体レーザを用いた光学式変位センサが開発されている。そして、本件出願人は、先の出願である特願平５−１９８３１８号にて、垂直共振器型面発光レーザ（以下、面発光レーザとも略記する）を用いた小型の光学式センサとして、以下のような光学式変位センサに関する技術を記載している。
【０００３】
上記特願平５−１９８３１８号に記載の光学式変位センサは、垂直共振器型面発光レーザがビーム広がり角が非常に小さく、また戻り光に対してモードが安定なことを利用して、レンズや光アイソレータ等の光学部品を削除した非常にコンパクトな干渉計や変位センサを構成できることを特徴としている。
【０００４】
図１５は上記光学式変位センサの構成図であり、図１６はその動作特性図である。
【０００５】
この光学式変位センサは、ヒートシンク１を介して匡体２内に固定された垂直共振器型面発光レーザ（ＳＥＬ）３と、匡体２内に形成されたガイド孔４を介して挿通された支持棒５の下端部に上記垂直共振器型面発光レーザに３対面して取付けられた外部ミラー６と、匡体２の外部に突出した側の支持棒５の上端部に測定対象に取付け可能に構成された取付部７と、外部ミラー６の主面側に取付けられた受光素子８を備えている。
【０００６】
垂直共振器型面発光レーザ３の駆動電力は、電気配線９及び端子１０を介してレーザ（ＬＤ）駆動電源１１より供給される。また、受光素子８は、電気配線１２及び端子１３を介して電流検出回路１４及び受光素子電源１５に接続されており、これらが全体として光強度の検出を行う。上記電流検出回路１４はまた、計数装置１６を介して演算装置１７にも接続されている。
【０００７】
ここで、取付部７と外部ミラー６が、図示ΔＬ方向に移動したとき、電流検出回路１４から出力される信号と変位量ΔＬの関係が、図１６の特性図に示される。
【０００８】
これにより、電流検出回路１４の出力信号は、光波長をλとするとλ／２の周期で強度変調された信号が得られる。したがって、この出力信号のピークの出現回数を計数装置１６でカウントし、演算装置７１でこのカウント数にλ／２を乗ずることにより、外部ミラー６と面発光レーザ３の相対的な位置の時間的な変化を計測することができる。
【０００９】
また、上記特願平５−１９８３１８号に記載の光学式変位センサに於いて、外部ミラー６と面発光レーザ３の変位の向きを判定するための第１の方法として、図１７（ａ）及び（ｂ）に示される構成を記載している。
【００１０】
すなわち、図１７（ａ）に示されるように、外部ミラー６ａに位相シフト膜１８を設けたり、図１７（ｂ）に示されるように、外部ミラー６ｂの一部に位相シフトのための溝１９を設ける。これらにより、変位に対して周期λ／２を有する大小２つの位相差を持った信号を、受光素子８から出力できる。この向きの判定方法では、図１７（ｃ）に示されるように、大小２つのピークが交互に現れるときは一定の向きに外部ミラーが移動していると考える。
【００１１】
しかしながら、この方法では、例えば、変位に対して１つの極大値が得られる範囲で向きを変えることを繰返しても、図１７（ｃ）に表されるような信号が得られることが考えられる。故に、必ずしもあらゆる場合に対してこの方法により向きの判定が正しい結果となるとはいえないという課題を有している。
【００１２】
更に、変位の向きを判定するための第２の方法として、上記特願平５−１９８３１８号では、図１８（ａ）に示される構成を記載している。
【００１３】
すなわち、垂直共振器型面発光レーザ３１  、３２  を２つ用いて、これらと外部ミラー６ｃにより複合共振器を二組作成し、光強度を検出する２つの受光素子を各々の面発光レーザに対向して図示のように配置し、電極２０、端子１３を介して電流Ｉ１  、Ｉ２  として信号が出力される。尚、２１は電極である。
【００１４】
ここで、一方の複合共振器内に位相シフト膜１８を配置して、２つの複合共振器の光干渉信号の間に位相差を与えることにより、変位Ｌに対して出力電流Ｉ１  、Ｉ２  は、図１８（ｂ）に実線で示されるように、互いに位相差（同図では位相差２φ）を有した信号が得られる。したがって、時間軸上では、面発光レーザから外部ミラーが遠ざかるとき（時間の経過と共にＬが大きくなるとき）と近付くときで、出力電流Ｉ１  、Ｉ２  の位相に進み、遅れが逆になることを利用して変位に向きの判定をすることができる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した本件出願人による特願平５−１９８３１８号の光学式変位センサは、面発光レーザから外部ミラーの側に出射した光に対して光強度を計測することを前提としており、この場合と面発光レーザに対して外部ミラーと反対側に出射される光の光強度を計測する場合との違いについて検討がなされていなかった。
【００１６】
すなわち、図１６に示された特性例は、面発光レーザに対して外部ミラーと反対側に出射される光の光強度（Ｉｒ  ）に対しては形状的に正しいが、後述する外部ミラーの側に出射する光の光強度（Ｉｆ  ）に対しては僅かに異なった形状となり、λ／２の周期の出力信号に２つの強度ピークが現れることがある。これは、面発光レーザ内部で共振しているレーザ光と外部ミラーから戻ったレーザ光の位相が合ったときは、面発光レーザ全体としてはレーザ発振がより維持しやすい状態になるが、面発光レーザの活性層を中心として考えれば下側のミラーに対する（外部ミラーと上側のミラーを合わせた）上側の複合ミラーの実効的な反射率が相対的に増大することになり、相対的に面発光レーザの上側に出射される光の割合が減少するためである。尚、ここで上側とは面発光レーザに対して外部ミラー側を指し、下側とは面発光レーザに対して外部ミラーとは反対側を指す。
【００１７】
したがって、面発光レーザの出射光のうち外部ミラー側に出射される光の強度を計測する場合は、変位に対してλ／２の周期の中に強度がピークとなる場所が２つ現れ、図１５に示される計数装置１６で計数エラーを引起こす可能性があるという課題を有している。
【００１８】
また、上記特願平５−１９８３１８号の光学式変位センサは、正しく変位の向きを判定するためには、図１８に示された構成により二組の面発光レーザと受光素子を必要としたが、これには以下の２つの技術的な課題がある。
【００１９】
第１に、２つの複合共振器からの光出力の信号の間の位相シフト量を一定の範囲内に納めるために、センサ動作中の外部ミラーの傾き変動に対する許容度が小さく、外部ミラーの傾きの高度な保持技術が必要である。また、ミラーの傾き許容度を大きく設計するためには、二組の面発光レーザと受光素子を空間的に近接して配置する必要がある。
【００２０】
第２に、非常に近接した２つの面発光レーザから出射する光が、それぞれの光強度を検出する２つの受光素子に別々に入射するようにレーザと受光素子の位置関係を高精度で組立てる必要がある。
【００２１】
更に、上記特願平５−１９８３１８号の光学式変位センサに於いては、正しく変位の向きを判定するためには、位相シフト膜を１つの面発光レーザのビームの照射領域に形成する必要があるが、このためには、位相シフト膜を外部ミラー側に設ける場合には、外部ミラーと面発光レーザの高精度な配置組立技術が必要であり、また、位相シフト膜を面発光レーザの出射側に設ける場合には、レーザ素子上で位相シフト膜を微細に加工する必要があり、これらがセンサの組立技術や、面発光レーザのプロセス技術上の課題となっている。
【００２２】
この発明は上記課題に鑑みてなされたもので、計数装置で計数エラーを引起こしにくい信号を得ると共に、更に、１）外部ミラーの傾きの許容度が大きくとれること、２）面発光レーザと受光素子の位置関係を高精度で組立てる必要がないこと、３）変位の向きの判定に位相シフト膜を必要としない構成が得られること等の課題の少なくとも何れかを解決した光学式変位センサを提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
すなわちこの発明は、２つ以上の垂直共振器型面発光レーザと、これらの垂直共振器型面発光レーザと組合わされて複合共振器を構成する外部反射手段と、上記垂直共振器型面発光レーザと上記外部反射手段との間の相対的な位置変化に起因するレーザ出力の変化を計測する光強度計測手段とを有する光学式変位センサに於いて、上記垂直共振器型面発光レーザの少なくとも１つと上記外部反射手段との間に配置された光位相シフト手段と、上記２つ以上の垂直共振器型面発光レーザを時間差を有して駆動するレーザ駆動手段とを備え、上記光強度計測手段は、このレーザ駆動手段の駆動時刻に対応して、上記２つ以上の垂直共振器型面発光レーザの各々の光出力を分離して計測することを特徴とする。
【００２４】
またこの発明は、２つ以上の垂直共振器型面発光レーザと、これらの垂直共振器型面発光レーザと組合わされて複合共振器を構成する外部反射手段と、上記垂直共振器型面発光レーザと上記外部反射手段との間の相対的な位置変化に起因するレーザ出力の変化を計測する光強度計測手段と、を有する光学式変位センサに於いて、
上記垂直共振器型面発光レーザの少なくとも１つが、その他の上記垂直共振器型面発光レーザに対して、その発振波長が互いに異なるように、ビーム出射面に平行な平面上で形若しくは大きさが互いに異なる共振器導波路構造を有することを特徴とする。
さらに、第３の発明は、２つ以上の垂直共振器型面発光レーザと、これらの垂直共振器型面発光レーザと組合わされて複合共振器を構成する外部反射手段と、上記垂直共振器型面発光レーザと上記外部反射手段との間の相対的な位置変化に起因するレーザ出力の変化を計測する光強度計測手段とを有する光学式変位センサに於いて、上記垂直共振器型面発光レーザの少なくとも１つが、その他の上記垂直共振器型面発光レーザに対して、その発振波長が互いに異なるように、異なる駆動電流範囲で上記２つ以上の垂直共振器型面発光レーザを駆動するレーザ駆動手段を有することを特徴とする。
さらに、第４の発明は、２つ以上の垂直共振器型面発光レーザと、これらの垂直共振器型面発光レーザと組合わされて複合共振器を構成する外部反射手段と、上記垂直共振器型面発光レーザと上記外部反射手段との間の相対的な位置変化に起因するレーザ出力の変化を計測する光強度計測手段とを有する光学式変位センサに於いて、上記垂直共振器型面発光レーザの少なくとも１つがその他の上記垂直共振器型面発光レーザに対して、その発振波長が互いに異なるように、ビーム出射面に平行な平面上で形若しくは大きさが互いに異なる共振器導波路構造を有すると共に、これらの発振波長の異なる上記垂直共振器型面発光レーザを、時間差を有して駆動するレーザ駆動手段を備え、上記光強度計測手段は、このレーザ駆動手段の駆動時刻に対応して発振波長の異なる上記垂直共振器型面発光レーザの各々の光出力を分離して計測することを特徴とする。
さらに、第５の発明は、２つ以上の垂直共振器型面発光レーザと、これらの垂直共振器型面発光レーザと組合わされて複合共振器を構成する外部反射手段と、上記垂直共振器型面発光レーザと上記外部反射手段との間の相対的な位置変化に起因するレーザ出力の変化を計測する光強度計測手段とを有する光学式変位センサに於いて、上記垂直共振器型面発光レーザの少なくとも１つがその他の上記垂直共振器型面発光レーザに対して、その発振波長が互いに異なるように、異なる駆動電流範囲で上記２つ以上の垂直共振器型面発光レーザを駆動すると共に、これらの発振波長の異なる上記垂直共振器型面発光レーザを、時間差を有して駆動するレーザ駆動手段を備え、上記光強度計測手段は、このレーザ駆動手段の駆動時刻に対応して発振波長の異なる上記垂直共振器型面発光レーザの各々の光出力を分離して計測することを特徴とする。
さらに、第６の発明は、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合わされて複合共振器を構成する外部反射手段と、上記垂直共振器型面発光レーザと上記外部反射手段との間の相対的な位置変化に起因するレーザ出力の変化を計測する光強度計測手段とを有する光学式変位センサに於いて、上記垂直共振器型面発光レーザを時間差を有して駆動すると共に、この時間差毎に異なる駆動電流範囲で上記垂直共振器型面発光レーザを駆動するレーザ駆動手段を備え、上記光強度計測手段は、このレーザ駆動手段の駆動時刻に対応して発振波長の異なる上記垂直共振器型面発光レーザの各々の光出力を分離して計測することを特徴とする。
【００２５】
【作用】
この発明の光学式変位センサにあっては、２つ以上の垂直共振器型面発光レーザと外部反射手段とが組合わされて複合共振器が構成され、上記垂直共振器型面発光レーザと上記外部反射手段との間の相対的な位置変化に起因するレーザ出力の変化を計測する光強度計測手段とを有している。そして、上記垂直共振器型面発光レーザの少なくとも１つと上記外部反射手段との間に光位相シフト手段が配置され、上記２つ以上の垂直共振器型面発光レーザは、レーザ駆動手段によって時間差を有して駆動される。上記光強度計測手段は、このレーザ駆動手段の駆動時刻に対応して、上記２つ以上の垂直共振器型面発光レーザの各々の光出力を分離して計測する。
【００２６】
またこの発明の光学式変位センサにあっては、２つ以上の垂直共振器型面発光レーザと外部反射手段とが組合わされて複合共振器が構成され、上記垂直共振器型面発光レーザと上記外部反射手段との間の相対的な位置変化に起因するレーザ出力の変化が光強度計測手段で計測される。そして、上記垂直共振器型面発光レーザの少なくとも１つが、その他の上記垂直共振器型面発光レーザに対して、その発振波長が互いに異なるように、ビーム出射面に平行な平面上で形若しくは大きさが互いに異なる共振器導波路構造を有している。
さらに、第３の発明の光学式変位センサにあっては、２つ以上の垂直共振器型面発光レーザと外部反射手段とが組合わされて複合共振器が構成され、上記垂直共振器型面発光レーザと上記外部反射手段との間の相対的な位置変化に起因するレーザ出力の変化が、光強度計測手段により計測される。そして、上記垂直共振器型面発光レーザの少なくとも１つが、その他の上記垂直共振器型面発光レーザに対して、その発振波長が互いに異なるように、異なる駆動電流範囲で上記２つ以上の垂直共振器型面発光レーザを駆動するレーザ駆動手段を有している。
さらに、第４の発明の光学式変位センサにあっては、２つ以上の垂直共振器型面発光レーザと外部反射手段とが組合わされて複合共振器が構成され、上記垂直共振器型面発光レーザと上記外部反射手段との間の相対的な位置変化に起因するレーザ出力の変化が、光強度計測手段により計測される。そして、上記垂直共振器型面発光レーザの少なくとも１つが、その他の上記垂直共振器型面発光レーザに対して、その発振波長が互いに異なるように、ビーム出射面に平行な平面上で形若しくは大きさが互いに異なる共振器導波路構造を有する。それと共に、これらの発振波長の異なる上記垂直共振器型面発光レーザはレーザ駆動手段によって、時間差を有して駆動される。上記光強度計測手段では、このレーザ駆動手段の駆動時刻に対応して、発振波長の異なる上記垂直共振器型面発光レーザの各々の光出力が分離されて計測される。
さらに、第５の発明の光学式変位センサにあっては、２つ以上の垂直共振器型面発光レーザと外部反射手段とが組合わされて複合共振器が構成され、上記垂直共振器型面発光レーザと上記外部反射手段との間の相対的な位置変化に起因するレーザ出力の変化が、光強度計測手段により計測される。そして、上記垂直共振器型面発光レーザの少なくとも１つが、その他の上記垂直共振器型面発光レーザに対して、その発振波長が互いに異なるように、異なる駆動電流範囲で上記２つ以上の垂直共振器型面発光レーザを駆動する。それと共に、これらの発振波長の異なる上記垂直共振器型面発光レーザは、レーザ駆動手段によって時間差を有して駆動される。また、上記光強度計測手段では、このレーザ駆動手段の駆動時刻に対応して、発振波長の異なる上記垂直共振器型面発光レーザの各々の光出力が分離されて計測される。
さらに、第６の発明の光学式変位センサにあっては、垂直共振器型面発光レーザと外部反射手段とが組合わされて複合共振器が構成され、上記垂直共振器型面発光レーザと上記外部反射手段との間の相対的な位置変化に起因するレーザ出力の変化が、光強度計測手段により計測される。そして、レーザ駆動手段により、上記垂直共振器型面発光レーザが時間差を有して駆動されると共に、この時間差毎に異なる駆動電流範囲で上記垂直共振器型面発光レーザが駆動される。上記光強度計測手段では、このレーザ駆動手段の駆動時刻に対応して発振波長の異なる上記垂直共振器型面発光レーザの各々の光出力が分離されて計測される。
【００２７】
【実施例】
以下、図面を参照してこの発明の実施例を説明する。
【００２８】
図１は、この発明の光学式変位センサの第１の実施例を示した構成図である。
【００２９】
同図に於いて、垂直共振器型面発光レーザ（面発光レーザ）２５は、電極２６、ボンディングパッド２７を介してヒートシンク２８に固定されている。このヒートシンク２８は、固定部材２９を介して筐体３０内に設置された受光素子用のヒートシンク３１に固定されている。筐体３０の上部には、ガイド孔３２を介して支持棒３３が挿通されている。この支持棒３３の下端部には下面にセンサ３４が形成された外部ミラー３５が面発光レーザ２５に対向して固定され、一方、支持棒３３の上端部には測定対象の取付部３６が固定されている。これにより、測定対象の変位に応じて外部ミラー３５が面発光レーザ２５に対して相対的に変位できるように構成されている。
【００３０】
外部ミラー３５と面発光レーザ２５は、複合共振器を構成している。面発光レーザ２５の上部電極３８のビーム出射窓から出射したビーム（以下、前方出射ビームとも称する）３９は、外部ミラー３５の側に出射される。面発光レーザ２５の下部電極２６のビーム出射窓から出射されたビーム（以下、後方出射ビームとも称する）４０は、受光素子４２に入射される。
【００３１】
この受光素子４２は、電極４３、ボンディングパッド４４を介してヒートシンク３１に固定されている。上記面発光レーザ２５の裏面及び受光素子４２の受光面上に形成された低反射膜４５は、該低反射膜４５が形成された面が面発光レーザ２５と複合共振器を作ることを抑制するためのものである。尚、この低反射膜４５は、面発光レーザ２５の裏面や受光素子４２の受光面の反射率が小さい場合には、必ずしも必要なものではない。
【００３２】
面発光レーザ２５の上部電極３８には、レーザ駆動電極源４７より、レーザ駆動端子４８、電気配線４９、ボンディングパッド２７を介して直流電流が供給される。そして、下部電極２６は、ボンディングパッド２７、電気配線４９を介して接地される。
【００３３】
一方受光素子４２の上部電極５０には、受光素子電源５１、電流検出回路５２、光強度検出端子５３、電気配線５４、ボンディングパッド４４を介して直流電圧が供給される。同じく、下部電極４３は、ボンディングパッド４４、電気配線５４を介して接地される。
【００３４】
また、受光素子４２の出力電流Ｉｄ  は、電流検出回路５２、信号処理回路５６、演算装置５７の順で伝達または処理される。
【００３５】
次に、この第１の実施例の動作を説明する。
【００３６】
測定対象の変位は、面発光レーザ２５と外部ミラー３５の相対的な変位（ここで、変位Ｌは面発光レーザ２５の出射面と外部ミラー３５の反射面の距離を示し、変位ΔＬは特定の時刻から計測したＬの変化を示すものとする）を引起こし、面発光レーザ２５内部で共振している光と、外部ミラー３５から戻ってきた光の位相条件が変化するので、レーザからの出射ビームは変位Ｌに対して周期λ／２で強度変調されたものとなる。このときの受光素子４２からの出力を確かめるために、図２（ａ）に示される構成で実験した結果が図２（ｂ）及び（ｃ）に示される。
【００３７】
図２（ａ）に於いて、受光素子２５をＳｉフォトダイオードで構成し、これ自身を前方ビームに対する外部ミラー３５としたものをＰＤ−ｆ、後方ビームの強度を検出するＳｉフォトダイオードをＰＤ−ｒとした。面発光レーザ２５は、図１の場合と同様に、ヒートシンク２８にボンディングされ、固定部材２９を介して除震ステージ６０に固定されている。
【００３８】
受光素子ＰＤ−ｒは、受光面からの反射光がレーザに戻らないように水平に対して傾斜されて、取付金具６１を介して除震ステージ６０に固定されている。一方、外部ミラー３５を兼ねた受光素子ＰＤ−ｆは、取付金具６２によりピエゾステージ６３に取付けられる。そして、この、ピエゾステージ６３が、除震ステージ６０上に設置された３軸微動ステージ６４により、変位Ｌを粗動・調整できるようになっている。変位ΔＬは、ピエゾステージコントローラ６５によりピエゾステージ６３を上下動することにより変化可能である。
【００３９】
面発光レーザ２５の駆動手段、受光素子４２の駆動手段、光強度の検出方法は図１と同様であるが、実験では信号処理回路５６と演算装置５７を省略して、この代わりに電流検出回路５２からの出力の時間変化を表示装置６６で表示している。
【００４０】
尚、面発光レーザ２５は、前方ビーム出射幅３０μｍ、閾値電流１２ｍＡ、発振波長λ＝０．９９μｍ、上部ミラーの反射率約９８％、下部ミラーの反射率約９９％の素子を駆動電流２０ｍＡで使用した。また、受光素子４２は、受光面の反射率約３０％、変換効率約０．１Ａ／Ｗの素子を用いた。尚、変位の速度は０．５μｍ／ｓｅｃである。
【００４１】
受光素子４２からの出力は変位Ｌにより異なり、ＰＤ−ｆ、ＰＤ−ｒによる出力を各々Ｉｆ  、Ｉｒ  とすると、Ｌ＝５０μｍ付近の信号を図２（ｂ）に、Ｌ＝１００μｍ付近の信号を図２（ｃ）に示す特性が得られた。
【００４２】
尚、図１の実施例では、受光素子４２の出力電流ＩＰＤは、電流検出回路５２により検出され、信号処理回路５６によりＩＰＤのピーク強度の出現回数Ｎｐが計数され、これが演算装置５７に伝達されて、ΔＬ＝Ｎｐ×λ／２の演算により変位ΔＬが算出される（λ：光波長）。
【００４３】
したがって、第１の実施例では、次のような効果がある。
【００４４】
面発光レーザに対して外部ミラーと反対側に出射されるレーザ光の光強度を計測することにより、面発光レーザに対して外部ミラーの側に出射されるレーザ光の光強度を計測する場合に観測されるような面発光レーザと外部ミラーからの戻り光の位相が完全に一致したときに現れるセンサ出力信号のディップが生じない。したがって、センサ出力信号の電子回路による処理が容易となり、例えば計数装置等によりλ／２の変位毎のカウントを行う場合にも、出力信号のディップの影響を取除く複雑な信号処理を必要とせず、また、誤りの生じにくい計数が可能となる。
【００４５】
尚、この第１の実施例の構成は、各種の変形、変更が可能である。例えば、
低反射膜４５は、該低反射膜４５が形成された面が面発光レーザ２５と複合共振器を構成することを抑制するものであり、面発光レーザ２５の裏面発光レーザや受光素子４２の受光面の反射率が小さい場合には必ずしも必要ではない。
【００４６】
受光素子４２上に直接面発光レーザ２５をボンディングして同様な構成としてもよく、また、面発光レーザ２５と受光素子４２を同一の基板上にモノリシックに形成してもよい。
【００４７】
変位ΔＬの決定方法は、上記ではＩＰＤのピーク強度の出現回数Ｎｐのみを用いてΔＬ＝Ｎｐ×λ／２としたが、予めアナログ的な出力信号ＩＰＤと変位Ｌの関係を実験等により求めておき、アナログ的な出力信号ＩＰＤを演算装置５７により変位量に逆変換しても良い。この場合はλ／２よりも細かい変位を計測できる。
【００４８】
レーザ光強度を検出する計測部６８は、図１では受光素子電源５１、電流検出回路５２、受光素子４２及びこれに関連した配線や端子を含むものであるが、これらを例えば太陽電池、ＣＣＤ等のイメージセンサ等を利用した光強度検出手段に置換えても良い。
【００４９】
尚、上記の変形例は、以下に述べる実施例に於いても同様に実施可能なものである。
【００５０】
また、特に断らない限り、以下に述べる実施例に於いても、光強度を検出する計測部に関する上記の置換えを含むものとする。
【００５１】
次に、この発明の第２の実施例について説明する。
【００５２】
図３は、この発明の第２の実施例の構成を示した図である。尚、以下の実施例に於いて、上述した第１の実施例と共通の構成及び各部の名称は省略するものとし、異なる部分の構成について説明する。
【００５３】
図３に於いて、２つの面発光レーザ２５１  、２５２  の素子を同一基板上に配置し、これに対して共通なミラー面発光レーザを有する外部ミラー３５を対向して配置する。そして、２つの面発光レーザ２５１  、２５２  からの後方ビームの各々が、別々の受光素子４２１  、４２２  （ＰＤ−１、ＰＤ−２）の受光面に入射するように、面発光レーザ２５１  、２５２  と受光素子４２１  、４２２  を配置する。更に、２つの面発光レーザ２５１  、２５２  のうち一方（図３では２５１  ）の前方ビームの出射面には、位相シフト膜７０が形成されている。
【００５４】
尚、７１は信号処理回路であり、７２はレーザ光強度の計測部である。
【００５５】
次に、第２の実施例の動作を説明する。
【００５６】
２つの面発光レーザ２５１  、２５２  は、各々別々の駆動端子４８１  、４８２  、電気配線４９を介して、別々の駆動電源４７１  、４７２  により直流電流で駆動される。受光素子４２１  、４２２  は、各々別々の電流検出端子５３１  、５３２  、電気配線５４、電流検出回路５２１  、５２２  を介して、受光素子電源５１により直流電圧で駆動される。電流検出回路５２１  、５２２  からの出力は、信号処理回路７１に伝達され、この信号処理回路７１と演算装置５７により変位の向きと大きさが算出される。
【００５７】
変位の向きが予めわかっているときは、受光素子４２１  、４２２  のうち何れか一方の出力を、上述した第１の実施例を同様に処理することにより、変位量を計測することができる。
【００５８】
一方、変位の向きがわからないときや、時間的に向きが変化しているときは、第１の実施例と同様に求めた変位量に向きに対応させたプラス或いはマイナス符号を付し、これを時間経過と共に加算する必要がある。このためには、変位の向きの判定方法が重要となる。
【００５９】
これについて、以下、図４乃至図６を参照して説明する。
【００６０】
いま、位相シフト膜７０の往復の位相シフト量を１／２Δφとすると、変位Ｌに対する受光素子４２１  、４２２  （ＰＤ−１、ＰＤ−２）の出力は、図４（ａ）に示されるようになる。したがって、実際に観測される時間経過に沿ったセンサの出力信号は、外部ミラーと面発光レーザの距離Ｌが大きくなるとき（遠ざかるとき）と、距離Ｌが小さくなるとき（近付くとき）では、図５（ａ）、図６（ａ）に示されるように、受光素子ＰＤ−１、ＰＤ−２から得られる信号の位相関係が逆点する。この位相の遅れと進みを判定することにより、変位の向きを判定することができる。
【００６１】
先ず、図５（ａ）に示される信号を、図中破線で示すスライスレベルで２値化すると、ＰＤ−２に対しては図５（ｂ）に示されるａ２、ＰＤ−１に対しては図５（ｄ）に示されるａ１のようになり、デジタル的な“１”、“０”の信号が得られる。また、ａ１と“１”、“０”が逆の否定信号は図５（ｅ）に示される（１）式のようになる。
【００６２】
【数１】
0003594253.tif 000002
これらａ１の否定である上記（１）式の信号に、ａ２の時間微分信号ｂ２（図５（ｃ））を加算すると、各々ａ１＋ｂ２（図５（ｆ））、（２）式の信号（図５（ｇ））となる。
【００６３】
【数２】
0003594253.tif 000003
これを更に図中破線のスライスレベルで２値化すると、上記（２）式だけが“０”以外の信号を持つ。
【００６４】
一方、変位の向きが逆の場合は、同様にして、図６（ａ）〜図６（ｇ）に示されるようになり、ａ１＋ｂ２だけが“０”以外の信号を持つ。すなわち、“０”以外の信号を持つ信号がａ１＋ｂ２，上記（２）式の信号の何れになるかを判定することにより、変位の向きを判定できる。
【００６５】
信号処理回路７１は、上述した第１の実施例の信号処理回路５６の機能に加えて、上記の向きの判定機能を含むものである。
【００６６】
ところで、位相シフト膜７０を利用した向きの判定方法は、ＰＤ−１、ＰＤ−２の初期的な位相差Δφが常に一定値以内に保たれる必要がある。図４（ａ）〜図４（ｇ）より、向きの誤り判定が起こらないためには、
０＜Δφ＜ΔＬｏｎ、且つ、０＜Δφ＜ΔＬｏｆｆ  
であるから、スライスレベルを適当に調整して典型的な場合として、
ΔＬｏｎ＝ΔＬｏｆｆ  ＝λ／４
とした場合を考えれば、
０＜Δφ＜λ／４
となる。したがって、Δφは以下のように考えれば良い。
【００６７】
λ／８−λ／８＜Δφ＜λ／８＋λ／８
θを初期的な状態からのミラーの傾き量とすれば、傾きによる２つのビームの光路差は、２ｄｔａｎθである。
【００６８】
いま、理想的な場合として、初期的な状態でΔφ＝λ／８であるとすれば、これ以後のミラーの傾きの位相差が上記の式を満たすためには、次式を満たす必要がある。
【００６９】
｜２ｄｔａｎθ｜＜λ／８
ここで、ｄは２つの面発光レーザのビームの中心間距離である。ｄが小さいほど余裕度があるが、ｄ＝１０μｍとしても、波長λ＝１μｍの場合、
−０．４ｄｅｇ＜θ＜０．４ｄｅｇ
となり、少なくともこの範囲内にミラーの傾きを抑える必要がある。
【００７０】
以上の向きの判定方法に従って信号処理回路７１で向きを判定し、この結果をデジタル的に出力する。それと共に、図１の信号処理回路５６と同様に受光素子の何れか一方からの出力のピーク強度の出現回数Ｎｐを計数し、この結果をデジタル的に出力する。
【００７１】
尚、信号処理回路７１では、向きが反転したときは計数値Ｎｐはリセットされる。信号処理回路７１の出力は、演算装置５７に伝達される。この演算装置５７では、Ｄの符号が変わらない間は、計数値Ｎｐと向きの（向きに対応して＋１または−１で与える）判定信号Ｄを使用して、Ｄ×Ｎｐ×λ／２を計算することにより、計数を開始した時刻から現在までの変位ΔＬが求められる。一般的に、初期状態からの変位の大きさは、Ｄの符号は変わらない期間について上記のようにして求めたΔＬの値を初期状態から現在に至る間、全てについて加算することにより算出される。
【００７２】
この第２の実施例によれば、次のような効果がある。
【００７３】
すなわち、面発光レーザに対して外部ミラーと反対側に出射されるレーザ光の光強度を計測することにより、面発光レーザに対して外部ミラーの側に出射されるレーザ光の光強度を計測する場合に観測されるような面発光レーザと外部ミラーからの戻り光の位相が完全に一致したときに現れるセンサ出力信号のディップが生じない。したがって、センサ出力信号の電子回路による処理が容易となり、例えば出力信号の位相の遅れと進みを判定する場合にも、出力信号のディップの影響を取除く複雑な信号処理を必要とせず、また、誤りの生じにくい判定が可能となる。
【００７４】
尚、この第２の実施例の構成は各種の変形、変更が可能である。例えば、
２つの面発光レーザに対する駆動電源４７１  、４７２  は必ずしも２つ別々に用意するする必要はなく、共通に使用しても良い。この変形例は、後述する第５の実施例に於いても同様に実施可能なものである。
【００７５】
光位相のシフト膜７０は、第２の実施例では面発光レーザの出射面上に配置する場合を示したが、これを外部ミラーの反射面上に形成したり、或いは面発光レーザと外部ミラーの中間位置に配置しても良い。また、光位相のシフト膜７０は、別の光位相シフト手段（例えば、ミラーの表面に凹凸を形成すること等）で置換えても良い。この変形例は、後述する第３の実施例に於いても同様に実施可能なものである。
【００７６】
次に、この発明の第３の実施例を説明する。
【００７７】
図７は、この発明の第３の実施例を示したものである。
【００７８】
図７（ａ）に示されるように、１つの受光素子４２が２つの面発光レーザ２５１  、２５２  の後方出射ビームを共に受光するように構成されている。
【００７９】
図７（ｂ）は、各素子の駆動及び受光素子４２の検出回路を模式的に示したブロック構成図である。
【００８０】
時間標準のクロック７５がタイミングパルス発生回路７６に入力され、パルス電源７７、７８を、図７（ｃ）に示される時間変化で駆動する。受光素子４２には受光素子電源７９が接続され、受光素子４２の出力が光強度の検出端子５３を介して同期検出回路８０に入力される。更に、上記受光素子４２の出力は、出力信号処理回路８１、演算装置５７の順で処理される。
【００８１】
尚、８２はレーザ駆動部であり、８３は光強度の計測部である。
【００８２】
図７（ｂ）に示されるＣＬ１は、第１の実施例の面発光レーザ（ＳＥＬ−１）の駆動及びその出力の検出タイミング信号であり、ＣＬ２は第２の面発光レーザ（ＳＥＬ−２）の駆動及びその出力検出のタイミング信号である。
【００８３】
次に、この第３の実施例の動作を説明する。
【００８４】
２つの面発光レーザ２５１  、２５２  は、時間差を有したレーザ駆動部８２により、クロック７５を時間標準としてタイミングパルス発生回路７６から出力される同期信号に同期したパルス電源７７、７８を用いて、図７（ｃ）に示されるように、周期τｃ  、時間差τｓ  、τｏｎの時間だけ駆動される（典型的には、例えば、τｃ  ＝２００μｓｅｃ、τｓ  ＝１０μｓｅｃ、τｏｎ＝１μｓｅｃ程度）。
【００８５】
レーザ駆動時刻に対応して、前記面発光レーザの各々の光出力を分離して計測する光強度の計測部８３は、受光素子電源７９、受光素子４２、光強度の検出端子５３、同期検出回路８０より構成される。この光強度の計測部８３は、受光素子４２の出力をタイミングパルス発生回路７６から出力される同期信号に同期して、受光素子４２の出力を計測する。これにより、レーザ駆動時刻に対応してレーザの後方出射ビームの各々の光出力を分離して計測することができる。
【００８６】
受光素子４２の出力は、上記計測部８３を介して信号処理回路８１に伝達され、図４乃至図６に示された信号処理により向きを判定すると同時に、時間経過に対して信号強度のピーク出現回路をカウントし、これらの結果をデジタル出力する。尚、向きが反転した時は、カウンタをリセットする機能も含まれる。最終的には、上述した第２の実施例の演算装置５７で行う変位の算出方法と同様な方法により、その時々の変位の大きさが算出される。
【００８７】
したがって、この第３の実施例によれば、次のような効果がある。
【００８８】
受光素子は２つの面発光レーザの出射ビームが受光面にともに入射するように配置すればよいから、上述した第２の実施例のように、２つの面発光レーザの各々のビーム出射領域の中に受光素子の受光面が各々正確に配置されるように組立てる必要がない。したがって、面発光レーザと受光素子の組立に対する位置許容度が大きくなる。特にこの発明は、２つの面発光レーザのビーム間隔が近接している場合には非常に有効である。
【００８９】
尚、この実施例の構成は各種の変形、変更が可能である。例えば、
面発光レーザを時間差を設けて駆動するレーザ駆動部８２、及びこの駆動時刻に対応して垂直共振器型面発光レーザの各々の光出力を分離して計測する光強度の計測部８３は、この第３の実施例では、２つの面発光レーザをパルスで駆動する時間に時間的な重なりがないが、本質的には２つの面発光レーザのうちの片方のみの出力が支配的になるような時刻を設け、この時刻に対応してそれぞれの面発光レーザの出力を計測する変形例を含む。
【００９０】
また、位相シフト膜７０は、この第３の実施例では、２つの面発光レーザの一方（この場合２５２  ）の出射面上に形成する場合を示しているが、これを外部ミラーの反射面上に形成したり、或いは面発光レーザと外部ミラーの中間位置に配置してもよい。
【００９１】
尚、後述する第６及び第７の実施例に於いても、上記の変形例が適用可能である。
【００９２】
次に、第４の実施例について説明する。
【００９３】
図８は、この発明の第４の実施例の構成を示したものである。
【００９４】
図８に於いて、２つの面発光レーザ２５１  、２５２  の共振器導波路の幅ｗ１  、ｗ２  が互いに異なる大きさに構成されている。また、同実施例では、位相シフト膜７０は不要である。その他の構成は、図３に示される第２の実施例と同様である。
【００９５】
次に、この第４の実施例の動作を説明する。
【００９６】
先ず、形または大きさが互いに異なる共振器導波路構造を有する面発光レーザ２５１  、２５２  は、互いに発振波長が異なることについて、図９を参照して説明する。
【００９７】
図９（ｂ）、（ｄ）は導波路幅がｗ１  、ｗ２  である面発光レーザ２５１  、２５２  の断面図であり、この各々に対応して図９（ａ）、（ｃ）は面発光レーザ２５１  、２５２  の断面に対応した光強度分布を示すものである。
【００９８】
いま、導波路内の実効的な屈折率をｎｐ  、導波路の回りの実効的な屈折率をｎｏ  とし、ｎｐ  ＞ｎｏ  で、且つｗ１  、ｗ２  が数μｍ程度と小さく、光の横モードとして単一モードを仮定すれば、光は導波路幅が広いほど導波路内部に強く閉込められるので、相対的に大きな屈折率（等価屈折率）を感じる。更に、この等価屈折率が大きいと、面発光レーザ内部に共振器を構成する各層の間隔を光学的により大きくみなすことができるので、この間隔により決定されるレーザの発振波長が、図９（ｅ）、（ｆ）に示されるように、相対的に長くなる。一般的には、形または大きさが互いに異なる共振器導波路構造を有する面発光レーザの発振波長の違いは、ｎｐ  、ｎｏ  の大きさや導波路幅により異なるが、原理的には上記のような原理により互いに異なるものとなる。
【００９９】
第４の実施例は、このように互いに発振波長が異なる面発光レーザを適用したもので、互いに波長が異なる２つのレーザビームが各々の面発光レーザから得られ、これらが共通な１つの外部ミラーとの間で互いに複合共振器を構成している。
【０１００】
変位Ｌが変化したときの２つの面発光レーザ２５１  、２５２  （ＰＤ−１、ＰＤ−２）の光出力Ｐ１、Ｐ２の変化は、図１０に示されるようになる。
【０１０１】
一般に、発振波長の差は平均的な発振波長の大きさより十分小さいので、変位Ｌの広い範囲に渡ってＰＤ−１、ＰＤ−２の強度ピークは交互に現れる。但し、図１０に示されるように、例外としてＰＤ−１、ＰＤ−２の出力が殆ど同じ位相関係にある“領域ａ”は除外する。これは、厳密にＰＤ−１、ＰＤ−２の位相差が一定ではないためである。この例外の領域を境として、ＰＤ−１、ＰＤ−２の位相の進み（＋）遅れ（−）は、Ｌの広い範囲に渡って一定の符号で表されるので、この範囲に於ける変位の向きを初期的に調べておけば、図４乃至図６と同様な方法により、その後の時間経過に於ける向きを判定することができる。
【０１０２】
以上の向きの判定方法に従い、信号処理回路７１では向きを判定し、この結果をデジタル的に出力すると共に、図１の信号処理回路５６と同様に、受光素子４２に何れか一方の出力ピーク強度の出現回路Ｎｐを計数し、この結果をデジタル的に出力する。尚、信号処理回路７１では、向きが反転したときは計数値Ｎｐはリセットされる。
【０１０３】
信号処理回路７１の出力は演算装置５７に伝達される。演算装置５７では、変位の向きが変わらない間は計数値Ｎｐと向きの（向きに対して＋１または−１で与える）判定信号Ｄを使用して、Ｄ×Ｎｐ×λ／２を計算することにより、計数を開始した時刻から現在までの変位ΔＬが求められる。一般的に、初期状態からの変位の大きさは、Ｄの符号が変わらない期間について上記のようにして求めたΔＬの値を、初期状態から現在に至る間の全てについて加算することにより算出される。
【０１０４】
したがって、この第４の実施例によれば、上述した第２の実施例で必要であった位相シフト膜をレーザビームの照射領域内に形成する必要がないので、センサの作製が容易で、且つ簡略化することができる。
【０１０５】
次に、この発明の第５の実施例について説明する。
【０１０６】
この第５の実施例は、図８に示された構成に於いて、面発光レーザ２５１  、２５２  の導波路ｗ１  、ｗ２  がｗ１  ＝ｗ２  である場合にも上述した第４の実施例と同様な効果を得る方法を提供するものである。したがって、センサの構成は第４の実施例と同様であり、以下、その動作について説明する。
【０１０７】
先ず、面発光レーザが、駆動電流により発振波長を変化させることのできることについて説明する。
【０１０８】
図１１（ａ）は典型的な面発光レーザの断面斜視図を示し、図１１（ｂ）はこのレーザの出射面に平行な面上の透過図を示すものである。
【０１０９】
通常、導波路幅がｗ１  、ｗ２  は１０μｍ程度、或いはこれより大きいが、このような場合は光とキャリアにより引起こされる空間的ホールバーニング現象等を介して面発光レーザに注入される電流の大きさＩに応じて光が導波路を伝搬する横モードが移り変わる。このため、共振する光が感じる等価屈折率が変化し、図１１（ｃ）に示されるように、発振波長が変化することが多い。
【０１１０】
図１１（ｃ）に於いて、領域Ｉは波長λ１で発振し、領域  ＩＩＩは波長λ２で発振し、領域ＩＩは波長λ１とλ２の両方で発振する場合を示している。この場合は、レーザの駆動電流ＩをＩｔｈ＜Ｉ＜Ｉｃ１とすれば波長λ１で発振し、Ｉｃ２＜Ｉ＜Ｉｃ３とすれば波長λ２で発振することになり、駆動電流の大きさにより発振波長を変化させることができる。
【０１１１】
ここで、このような横モードのモードホップによる発振波長の変化が起こるためには、導波路幅がｗａ  、ｗｂ  の何れかが特定な制限値ｗｃｒｉｔ以上である必要がある。ＧａＡｓ系のレーザではｗｃｒｉｔは凡そ５μｍ程度といわれているが、ｗｃｒｉｔは導波路を形成する各部の屈折率に依存するので、一概には規定できない。
【０１１２】
互いに発振波長が異なる駆動条件で面発光レーザを同実施例の構成に適用すれば、互いに波長が異なる２つのレーザビームが各々の面発光レーザから得られ、これらが共通な１つの外部ミラーとの間で互いに独立な複合共振器を構成する。
【０１１３】
変位Ｌが変化したときの２つの面発光レーザの光出力Ｐ１、Ｐ２の変化は、図１０に示されるようになる。
【０１１４】
一般に、発振波長の差は平均的な発振波長の大きさより十分小さいので、Ｌの広い範囲に渡ってＰ１、Ｐ２の強度ピークは交互に現れる。厳密には、Ｐ１、Ｐ２の位相差は一定ではないが、図４乃至図６示された第２の実施例の位相シフト膜を利用した場合と同様に変位の向きが判定できる。
【０１１５】
尚、この第５の実施例では、レーザの駆動電流の大きさにより動作領域Ｉ、ＩＩ、  ＩＩＩを制御するが、このような動作領域が外部ミラーの変位に対して安定かどうかを検討しておく必要がある。参考のため、領域Ｉ及び領域ＩＩで駆動した場合について、一組の面発光レーザと受光素子を用いて実験した結果が図１２に示される。
【０１１６】
図１２（ａ）及び（ｂ）は、ｗａ  ＝ｗｂ  ＝２２μｍの面発光レーザを用い、時刻ｔ＝０に於いてＬ＝５００μｍの条件の下に領域Ｉで面発光レーザを駆動した場合（同図（ａ））と、領域ＩＩで駆動した場合（同図（ｂ））に対して、変位に対する受光素子からの出力の実験結果を示している。この実験結果より、同図（ｂ）に示される領域ＩＩで駆動した場合に於いても、変位に対して周期λ／２の間に、２つの異なるレーザ波長に対応して２つの信号の強度ピークが現れ、しかもこのピーク強度の大小関係や位相差が変わらない状態が実現されており、２つの異なるレーザ波長の波長差、及び異なるレーザ波長に対応したレーザ光の相対的な強度比は、外部ミラーからの戻り光がある場合も安定であることがわかる。
【０１１７】
したがって、この第５の実施例によれば、次のような効果がある。
【０１１８】
上述した第２の実施例で必要であった位相シフト膜をレーザビームの照射領域内に形成する必要が無いので、第４の実施例の場合と同様にセンサの作製が容易で、且つ簡略化できる。
【０１１９】
尚、この第５の実施例の構成は各種の変形、変更が可能である。
【０１２０】
例えば、発振波長が互いに異なる駆動電流範囲は必ずしも異なる電流値で駆動することを意味するとは限らない。２つの面発光レーザが異なる形状や大きさの導波路を有する場合は、同じ駆動電流でも発振波長が異なることがあるためである。
【０１２１】
次に、この発明の第６の実施例について説明する。
【０１２２】
図１３は、この発明の第６の実施例の構成を示したものである。この第６の実施例では、２つの面発光レーザ２５１  、２５２  の導波路幅ｗ１  、ｗ２  が互いに異なっている。また、位相シフト膜は必要でない。その他の構成は、図１３に示される第３の実施例と同様であるので、説明は省略する。
【０１２３】
次に、この第６の実施例の動作を説明する。
【０１２４】
２つの面発光レーザ２５１  、２５２  の導波路幅ｗ１  、ｗ２  が互いに異なるため、互いに波長が異なる２つのレーザビームが各々の面発光レーザから得られ、これらが共通な１つの外部ミラー３５との間で互いに独立な複合共振器を構成する。面発光レーザ２５１  、２５２  の駆動、及び受光素子４２への電源供給と受光素子４２からの出力の信号処理に関しては、上述した第３の実施例と同様に動作する。
【０１２５】
上記各々の光出力を分離して計測する光強度の計測部８２より出力される信号は、図１０と同様な信号が得られるので、変位の向きと大きさが測定できる。
【０１２６】
したがって、この第６の実施例によれば、変位の向きの判定に於いて位相シフト膜を必要とせず、また、受光素子は２つの面発光レーザに対しては１つでよいから、上述した第２の実施例のように２つの面発光レーザの各々のビーム出射領域の中に受光素子の受光面が各々正確に配置されるように組立てる必要がない。したがって、面発光レーザと受光素子の組立てに対する位置許容度が大きくなる。
【０１２７】
次に、この発明の第７の実施例について説明する。
【０１２８】
この第７の実施例では、２つの面発光レーザの導波道幅ｗ１  、ｗ２  は、必ずしもｗ１  ≠ｗ２  の関係にはならない。その他の構成は、上述した第６の実施例と同様である。
【０１２９】
第７の実施例の動作を説明すると、図１１（ｃ）で示されるように、パルス電源７７、７８により、２つの面発光レーザ２５１  、２５２  を互いに波長が異なる領域で動作させるための駆動電流が、２つの面発光レーザ２５１  、２５２  に注入される。図１３（ｃ）に示されるＩ１  、Ｉ２  の大きさは、図１１（ｃ）に示される記号に対応して、以下の範囲に決められる。
【０１３０】
Ｉｔｈ＜Ｉ１  ＜Ｉｃ１、  且つ  Ｉｃ２＜Ｉ２  
これにより、互いに波長が異なる２つのレーザビームが、各々の面発光レーザから時間差を有して出射され、これらが共通な１つの外部ミラーとの間で互いに独立した複合共振器を構成する。面発光レーザの駆動と受光素子での信号の同期検出、及び受光素子への電源供給と受光素子からの出力信号処理に関しては、上述した第３の実施例と同様に動作する。
【０１３１】
尚、この第７の実施例の構成も各種の変形、変更が可能である。
【０１３２】
次に、この発明の第８の実施例を説明する。
【０１３３】
図１４は、第８の実施例の構成を示したものである。図１４（ｂ）には上述した第７の実施例に関する面発光レーザの駆動回路と受光素子の駆動回路及び受光素子の電流検出路を示し、図１４（ａ）に第７の実施例に関するこれ以外の部分を示す。また、図１４（ａ）に示される構成は、上述した第１の実施例の図１に一点鎖線で示されるＡの部分の構成と同様である。更に、図１４（ｂ）に示される構成は、上述した第３の実施例に於いて面発光レーザと受光素子を一組にした場合の模式図に相当する。
【０１３４】
図１４（ｂ）に於いて、時間標準のクロック７５がタイミングパルス発生回路７６に入力され、このタイミングパルス発生回路７６から同期信号が、同期検出回路８０及びパルス電源７７の出力を制御する駆動電流制御回路８５に出力される。パルス電源７７は、図１４（ｃ）に示される時間変化で駆動される。すなわち、図１４（ｃ）に於いて、Ｉ１  、Ｉ２  は図１１（ｃ）に示される領域Ｉ、領域  ＩＩＩに対応するように
Ｉｔｈ＜Ｉ１  ＜Ｉｃ１、  且つ  Ｉｃ２＜Ｉ２  
の範囲で設定されている。
【０１３５】
受光素子４２には受光素子電源７９が接続され、受光素子４２の出力が光強度の検出端子５３を介して同期検出回路８０に入力される。更に、この同期検出回路８０の出力が、信号処理回路８１、演算装置５７の順で適宜処理される。
【０１３６】
尚、８３はレーザ駆動時刻に対応して面発光レーザ２５の各々の光出力を分離して計測する光強度の計測部、８６は時間差を設けて面発光レーザ２５を発振波長が互いに異なる駆動電流範囲で動作させることのできるレーザ駆動部である。
【０１３７】
次に、この第８の実施例の動作を説明する。
【０１３８】
レーザ駆動部８６により、クロック７５を時間標準としてタイミングパルス発生回路８６から同期信号（図１４（ｂ）中ではＣＬ１、ＣＬ２で示す）が出力される。この出力された同期信号に同期して、駆動電流制御回路８５がパルス電源７７からの出力を制御し、図１４（ｃ）に示されるように、周期τｃ  、時間差τｓ  で、τｏｎ１  の時間だけＩ１  の駆動電流が、そしてτｏｎ２  の時間だけＩ２  の駆動電流が、面発光レーザ２５に注入される。このとき、Ｉ１  、Ｉ２  の大きさを、図１１（ｃ）に対応して、
Ｉｔｈ＜Ｉ１  ＜Ｉｃ１、    Ｉｃ２＜Ｉ２  ＜Ｉｃ３
とする。
【０１３９】
光強度の計測部８３は、受光素子４２の出力をタイミングパルス発生回路７６から出力される同期信号ＣＬ１、ＣＬ２に同期して、受光素子４２の出力を計測する。これにより、レーザ駆動時刻に対応して、レーザの後方出射ビームの光出力を分離して計測することができる。
【０１４０】
受光素子４２の出力は、上記計測部８３を介して信号処理回路８１に伝達される。そして、図４乃至図６に示された信号処理により向きを判定すると同時に、時間経過に対して信号強度のピーク出現回数をカウントし、これらの結果をデジタル出力する。尚、向きが反転したときは、カウントをリセットする機能も含まれる。最終的には、上述した第２の実施例の演算装置５７で行う変位の算出方法と同様な方法により、時々の変位の大きさが算出される。
【０１４１】
以上により、１つの面発光レーザの出射面発光レーザから波長の異なるレーザビームが、時間差を有して出射される。これら２つのレーザビームの強度の時間変化を異なる時刻の駆動電流に対応して、各々異なる波長のレーザ光の出力を分離して計測する計測部８３により出力することができる。
【０１４２】
したがって、この第８の実施例によれば、次のような効果がある。
【０１４３】
変位の向きの判定に於いて、位相シフト膜を必要としない。また、センサが一組の受光素子と面発光レーザで構成できるので、第２の実施例のように、２つの面発光レーザの各々のビーム出射領域の中に受光素子の受光面が各々正確に配置されるように組立てる必要がない。したがって、面発光レーザと受光素子の組立に対する位置許容度が大きくなる。
【０１４４】
更に、波長の異なるレーザビームが同一の出射窓から出力されるので、外部ミラーと面発光レーザの相対的な傾きが変化しても、２つの光波長を有するビームそれぞれの間の位相関係が変化しない。したがって、外部ミラーと面発光レーザの相対的な傾きに対する許容度が大きくなる。
【０１４５】
また、この実施例の構成は各種の変形、変更が可能である。
【０１４６】
尚、この発明の上記実施態様によれば、以下の如き構成が得られる。
【０１４７】
（１）  相互に複合共振器を構成する垂直共振器型面発光レーザと、外部ミラーとの間の相対的な位置変化により引起こされるレーザ出力の変化を計測することにより、垂直共振器型面発光レーザと外部ミラーとの間の相対的な位置変化を計測する光学式変位センサに於いて、
上記垂直共振器型面発光レーザに対して上記外部ミラーと反対側に出射される上記垂直共振器型面発光レーザの光強度を計測する計測手段を具備することを特徴とする光学式変位センサ。
【０１４８】
（２）  上記垂直共振器型面発光レーザは少なくとも２つで構成され、該垂直共振器型面発光レーザの各々のレーザビーム照射領域内に配置された受光素子とを含むレーザ光強度の計測手段と、上記垂直共振器型面発光レーザの少なくとも１つと上記外部ミラーとの間に配置された光位相のシフト手段とを更に具備することを特徴とする上記（１）に記載の光学式変位センサ。
【０１４９】
（３）  相互に複合共振器を構成する垂直共振器型面発光レーザと、外部ミラーとの間の相対的な位置変化により引起こされるレーザ出力の変化を計測することにより、垂直共振器型面発光レーザと外部ミラーとの間の相対的な位置変化を計測する光学式変位センサに於いて、
上記垂直共振器型面発光レーザが２つ以上配置され、少なくとも１つの上記垂直共振器型面発光レーザと上記外部ミラーの間に配置された光位相のシフト手段と、上記垂直共振器型面発光レーザを時間差を有して駆動するレーザ駆動手段と、このレーザ駆動手段の駆動時刻に対応して上記垂直共振器型面発光レーザの各々の光出力を分離して計測する光強度の計測手段とを更に具備することを特徴とする光学式変位センサ。
【０１５０】
（４）  相互に複合共振器を構成する垂直共振器型面発光レーザと、外部ミラーとの間の相対的な位置変化により引起こされるレーザ出力の変化を計測することにより、垂直共振器型面発光レーザと外部ミラーとの間の相対的な位置変化を計測する光学式変位センサに於いて、
少なくとも２つの上記垂直共振器型面発光レーザと、該垂直共振器型面発光レーザの各々のレーザビーム照射領域内に配置された受光素子とを含むレーザ光強度の計測手段とを具備し、
上記垂直共振器型面発光レーザの少なくとも１つがその他の上記垂直共振器型面発光レーザに対して、ビーム出射面に平行な平面上で形若しくは大きさが互いに異なる共振器導波路構造を有することを特徴とする光学式変位センサ。
【０１５１】
（５）  相互に複合共振器を構成する垂直共振器型面発光レーザと、外部ミラーとの間の相対的な位置変化により引起こされるレーザ出力の変化を計測することにより、垂直共振器型面発光レーザと外部ミラーとの間の相対的な位置変化を計測する光学式変位センサに於いて、
少なくとも２つの上記垂直共振器型面発光レーザと、該垂直共振器型面発光レーザの各々のレーザビーム照射領域内に配置された受光素子とを含むレーザ光強度の計測手段と、
少なくとも一組の上記垂直共振器型面発光レーザを発振波長が互いに異なる駆動電流範囲で動作可能なレーザ駆動手段と
を具備することを特徴とする光学式変位センサ。
【０１５２】
（６）  相互に複合共振器を構成する垂直共振器型面発光レーザと、外部ミラーとの間の相対的な位置変化により引起こされるレーザ出力の変化を計測することにより、垂直共振器型面発光レーザと外部ミラーとの間の相対的な位置変化を計測する光学式変位センサに於いて、
ビーム出射面に平行な平面上で形若しくは大きさが互いに異なる共振器導波路構造を有する少なくとも２つの上記垂直共振器型面発光レーザと、
少なくとも一組の上記垂直共振器型面発光レーザを、時間差を有して駆動するレーザ駆動手段と、
このレーザ駆動手段の駆動時刻に対応して上記垂直共振器型面発光レーザの各々の光出力を分離して計測する光強度の計測手段と
を具備することを特徴とする光学式変位センサ。
【０１５３】
（７）  相互に複合共振器を構成する垂直共振器型面発光レーザと、外部ミラーとの間の相対的な位置変化により引起こされるレーザ出力の変化を計測することにより、垂直共振器型面発光レーザと外部ミラーとの間の相対的な位置変化を計測する光学式変位センサに於いて、
少なくとも２つ上記垂直共振器型面発光レーザと、
時間差を有して上記少なくとも一組の垂直共振器型面発光レーザを、発振波長が互いに異なる駆動電流範囲で動作可能なレーザ駆動手段と、
異なる時刻の上記駆動電流に対して各々異なる波長のレーザ光の出力を分離して計測する計測手段と
を具備することを特徴とする光学式変位センサ。
【０１５４】
（８）  相互に複合共振器を構成する垂直共振器型面発光レーザと、外部ミラーとの間の相対的な位置変化により引起こされるレーザ出力の変化を計測することにより、垂直共振器型面発光レーザと外部ミラーとの間の相対的な位置変化を計測する光学式変位センサに於いて、
時間差を有して上記垂直共振器型面発光レーザを発振波長が互いに異なる駆動電流範囲で動作可能なレーザ駆動手段と、
異なる時刻の上記駆動電流に対応して各々異なる波長のレーザ光の出力を分離して計測する計測手段と
を具備することを特徴とする光学式変位センサ。
【０１５５】
そして、上記（１）の構成によれば、垂直共振器型面発光レーザと外部ミラーとの間の相対的な位置変化により引起こされるレーザ出力の変化を計測手段によって計測することにより、変位に対してλ／２の周期で強度変調された信号が得られる。したがって、垂直共振器型面発光レーザに対して外部ミラーと同じ側に出射されるレーザ光の光強度を計測する場合に観測されるような、垂直共振器型面発光レーザと外部ミラーからの戻りの光の位相が完全に一致したときに現れるセンサ出力信号のディップが生じない。故に、センサ出力信号の電子回路による処理が容易となり、例えば計数装置等によりλ／２の変位ごとのカウントを行う場合にも、出力信号のディップの影響を取り除く複雑な信号処理を必要とせず、また、誤りの生じにくい計数が可能となる。
【０１５６】
上記（２）の構成によれば、垂直共振器型面発光レーザに対して外部ミラーと反対側に出射されるレーザ光の光強度を計測することにより、垂直共振器型面発光レーザに対して外部ミラーの側に出射されるレーザ光の光強度を計測する場合に観測されるような垂直共振器型面発光レーザと外部ミラーからの戻り光の位相が完全に一致したときに現れるセンサ出力信号のディップが生じない。したがって、センサ出力信号の電子回路による処理が容易となり、例えば出力信号の位相の遅れと進みを判定する場合にも、出力信号のディップの影響を取り除く複雑な信号処理を必要とせず、また誤りの生じにくい判定が可能となる。
【０１５７】
更に、上記（３）の構成によれば、２つ以上の垂直共振器型面発光レーザを時間差を有して駆動し、この駆動時刻に対応して垂直共振器型面発光レーザの各々の光出力を分離して計測することにより、垂直共振器型面発光レーザの数より少ない受光素子により、各々の垂直共振器型面発光レーザの出力を計測できる。例えば、２つの垂直共振器型面発光レーザと１つの受光素子による構成では、各々の光出力を分離して計測した後の出力信号は、変位に対して周期λ／２をもつ強度変調された信号が互いに位相シフトした状態で得られる。これにより、受光素子は２つの垂直共振器型面発光レーザに対しては１つでよいので、２つの垂直共振器型面発光レーザの各々のビーム出射領域の中に受光素子の受光面が各々正確に配置されるように組立てる必要がない。したがって、垂直共振器型面発光レーザを受光素子の組立に対する位置許容度が大きくなる。
【０１５８】
上記（４）及び（５）の構成によれば、位相シフト手段をレーザビームの照射領域内に形成する必要がないので、作製が容易で、且つ簡略化できる。
【０１５９】
更に、上記（６）の構成によれば、互いに波長が異なる２つのレーザビームが各々の垂直共振器型面発光レーザから得られ、これらが共通な１つの外部ミラーとの間で互いに独立な複合共振器を構成するので、変位の向き検出のため、位相シフト手段を必要としない。また、受光素子は２つの面発光レーザに対しては１つでよいから、２つの垂直共振器型面発光レーザの各々のビーム出射領域の中に受光素子の受光面が各々正確に配置されるように組立てる必要がない。したがって、垂直共振器型面発光レーザと受光素子の組立に対する位置許容度が大きくなる。
【０１６０】
上記（７）の構成によれば、互いに波長が異なる２つのレーザビームが各々の面発光レーザ発光レーザから得られ、これらが共通な１つの外部ミラーとの間で互いに独立な複合共振器を構成するので、上記各々の光出力を分離して計測する光強度の計測手段より出力される信号により、変位の向きが判定できる。したがって、変位の向きが判定に於いて、位相シフト手段を必要としない。また、受光素子に関しては、２つの垂直共振器型面発光レーザの出力を共に受光するように配置すればよいので、２つの垂直共振器型面発光レーザの各々のビーム出射領域の中に受光素子の受光面が各々に正確に配置されるように組立てる必要がなく、垂直共振器型面発光レーザと受光素子の組立に対する位置許容度が大きくなる。
【０１６１】
更に、上記（８）の構成によれば、１つの垂直共振器型面発光レーザの出射面発光レーザから波長の異なるレーザビームが時間差を持って出射され、これら２つのレーザビームの強度の時間変化を異なる時刻の上記駆動電流に対応して各々異なる波長のレーザ光の出力を分離して計測する計測手段により出力することができる。したがって、変位の向きが判定に於いて、位相シフト手段を必要とせず、また、センサが一組の受光素子と垂直共振器型面発光レーザで構成できるから、２つの垂直共振器型面発光レーザの各々のビーム出射領域の中に受光素子の受光面が各々正確に配置されるように組立てる必要がない。よって、垂直共振器型面発光レーザと受光素子の組立に対する位置許容度が大きくなる。更に、波長の異なるレーザビームが同一の出射窓から出力されるので、外部ミラーと垂直共振器型面発光レーザの相対的な傾きが変化しても、２つの光波長を有するビームそれぞれの間の位相関係が変化しない。したがって、外部ミラーと垂直共振器型面発光レーザの相対的な傾きに対する許容度が大きくなる。
【０１６２】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、計数装置で計数エラーを引起こしにくいセンサ信号を得ると共に、外部ミラーの傾き許容度が大きくとれ、且つ面発光レーザと受光素子の位置関係を高精度で組立てる必要がなく、更に変位の向きの判定に位相シフト膜を必要としない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】この発明の光学式変位センサの第１の実施例を示した構成図である。
【図２】（ａ）はこの発明の第１の実施例の原理確認実験の構成を示す概略図、（ｂ）及び（ｃ）図は第１の実施例の原理確認実験の受光素子の出力特性を示すグラフである。
【図３】この発明の光学式変位センサの第２の実施例を示した構成図である。
【図４】変位の向きの判定に関して受光素子の出力の信号処理方法を変位ドメインに於いて示した図である。
【図５】変位の向きの判定に関して、外部ミラーと面発光レーザの距離が増大するときの受光素子の出力の信号処理方法を時間ドメインに於いて示した図である。
【図６】変位の向きの判定に関して、外部ミラーと面発光レーザの距離が減少するとき受光素子の出力の信号処理方法を時間ドメインに於いて示した図である。
【図７】（ａ）は第３の実施例の外部ミラー、面発光レーザ、受光素子の断面構成図、（ｂ）は第３の実施例の電気回路のブロック構成図、（ｃ）は第３の実施例の時間軸に於けるレーザ駆動電流の設定方法を説明する図である。。
【図８】この発明の第４及び第５の実施例の構成を示した図である。
【図９】（ａ）は光強度の分布図、（ｂ）は同図（ａ）に対応した面発光レーザの断面図、（ｃ）は光強度の分布図、（ｄ）は同図（ｃ）に対応した面発光レーザの断面図、（ｅ）は同図（ｂ）に対応した面発光レーザの発振スペクトルを示した図、（ｆ）は同図（ｄ）に対応した面発光レーザの発振スペクトルを示した図である。
【図１０】受光素子２５１  （ＰＤ−１）、２５２  （ＰＤ−２）からの出力特性を示した図である。
【図１１】（ａ）は面発光レーザの断面斜視図、（ｂ）は面発光レーザの平面透視図、（ｃ）は面発光レーザの光出力電流特性を示した図である。
【図１２】（ａ）は受光素子出力信号の実験結果を示した特性図、（ｂ）は受光素子出力信号の実験結果を示した特性図である。
【図１３】（ａ）はこの発明の第６及び第７の実施例の外部ミラー、面発光レーザ、受光素子の断面構成図、（ｂ）は第６及び第７の実施例の電気回路のブロック構成図、（ｃ）は第６及び第７の実施例の時間軸に於けるレーザ駆動電流の設定方法を説明する図である。
【図１４】（ａ）はこの発明の第８の実施例の外部ミラー、面発光レーザ、受光素子の断面構成図、（ｂ）は第８の実施例の電気回路のブロック構成図、（ｃ）は第８の実施例の時間軸に於けるレーザ駆動電流の設定方法を説明する図である。
【図１５】従来の光学式変位センサの構成図である。
【図１６】図１５の光学式変位センサの動作特性図である。
【図１７】（ａ）及び（ｂ）は従来の他の光学式変位センサの構成図、（ｃ）は同図（ａ）及び（ｂ）の光学式変位センサの動作特性図である。
【図１８】（ａ）は従来の更に他の光学式変位センサの構成図、（ｂ）は同図（ａ）の光学式変位センサの動作特性図である。
【符号の説明】
２５…垂直共振器型面発光レーザ（面発光レーザ）、２６、４３、３８、５０…電極、２７、４４…ボンディングパッド、２８、３１…ヒートシンク、２９…固定部材、３０…筐体、３２…ガイド孔、３３…支持棒、３５…外部ミラー、３６…取付部、３９…前方出射ビーム、４０…後方出射ビーム、４２…受光素子、４５…低反射膜、４７…レーザ駆動電極源、４８…レーザ駆動端子、４９、５４…電気配線、５１…受光素子電源、５２…電流検出回路、５３…光強度検出端子、５６…信号処理回路、５７…演算装置、６０…除震ステージ、６１、６２…取付金具、６３…ピエゾステージ、６４…３軸微動ステージ、６５…ピエゾステージコントローラ、６６…表示装置。
【図１】
0003594253.tif 000004
【図２】
0003594253.tif 000005
【図３】
0003594253.tif 000006
【図４】
0003594253.tif 000007
【図５】
0003594253.tif 000008
【図６】
0003594253.tif 000009
【図７】
0003594253.tif 000010
【図８】
0003594253.tif 000011
【図９】
0003594253.tif 000012
【図１０】
0003594253.tif 000013
【図１１】
0003594253.tif 000014
【図１２】
0003594253.tif 000015
【図１３】
0003594253.tif 000016
【図１４】
0003594253.tif 000017
【図１５】
0003594253.tif 000018
【図１６】
0003594253.tif 000019
【図１７】
0003594253.tif 000020
【図１８】
0003594253.tif 000021