計測装置
【課題】面発光型半導体レーザによる自己結合効果を利用して測定対象物の状態変化を検出する計測装置を提供する。
【解決手段】センサ１００は、光軸から第１および第２の放射角で第１および第２のレーザ光Ｌ１、Ｌ２をそれぞれ出射する１次シングルモードのＶＣＳＥＬ１１０と、ＶＣＳＥＬを駆動する駆動回路と、ＶＣＳＥＬから出射された第１および第２のレーザ光を測定対象物Ｓに照射したとき、測定対象物Ｓからの戻り光によって生じる自己結合効果によるインピーダンス変動を検出するインピーダンス変動検出回路１２０と、検出されたインピーダンスの周波数成分を分析する周波数成分分析回路１３０と、分析結果に基づき測定対象物Ｓの距離、速度および移動方向を算出する距離・速度算出回路１４０とを有する。
【解決手段】センサ１００は、光軸から第１および第２の放射角で第１および第２のレーザ光Ｌ１、Ｌ２をそれぞれ出射する１次シングルモードのＶＣＳＥＬ１１０と、ＶＣＳＥＬを駆動する駆動回路と、ＶＣＳＥＬから出射された第１および第２のレーザ光を測定対象物Ｓに照射したとき、測定対象物Ｓからの戻り光によって生じる自己結合効果によるインピーダンス変動を検出するインピーダンス変動検出回路１２０と、検出されたインピーダンスの周波数成分を分析する周波数成分分析回路１３０と、分析結果に基づき測定対象物Ｓの距離、速度および移動方向を算出する距離・速度算出回路１４０とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザを用いて非接触で物体の位置や速さを高精度で検知する計測装置が利用されている。これらの計測装置には、自己結合効果または自己混合効果と呼ばれる、物体で反射または散乱された戻り光による半導体レーザの振る舞いを応用したものが知られている。自己結合効果とは、レーザの戻り光または反射光がレーザ媒体中で増幅され、結果的にレーザ発振状態が変調を受けることである。
【０００３】
特許文献１は、２つの半導体レーザを用いた光学計測装置に関し、シートに向かってビームを放射し、シートの移動によって起きるダイオードレーザの自己結合効果とビームのドップラー偏移を用いてシートの移動を測定している。特許文献２は、半導体レーザからのレーザ光をハーフミラーによって２分割し、分割されたレーザ光の戻り光によるビート波を検出し、位置、角度および速度を測定している。特許文献３は、分岐路を有する光導波路を利用してレーザ光を分割し、対象物によって散乱されたレーザ光をレーザダイオードに導き、フォトダイオードによって光強度のドップラー変位周波数で変動する交流成分を検出し、交流成分と２つのレーザ光の照射角度の差から物体の速度を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開表２００４−５１３３４８号公報
【特許文献２】特開平１１−２８７８６０号公報
【特許文献３】特開２００２−３５０５４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、簡易な構成で測定対象物の状態変化を検出することができる面発光型半導体レーザを用いた計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に係る計測装置は、光軸から複数のレーザ光を出射する１次あるいは高次のシングルモードの面発光型半導体レーザ素子と、前記面発光型半導体レーザ素子を駆動する駆動手段と、前記面発光型半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を測定対象物に照射したとき、測定対象物の戻り光によって生じる電気信号を検出する検出手段と、前記検出手段により検出された電子信号に基づき少なくとも測定対象物の移動方向を算出する算出手段とを有する。
請求項２において、前記検出手段は、面発光型半導体レーザ素子のインピーダンス変化に対応する前記電気信号を検出する。
請求項３において、前記検出手段は、前記検出された電気信号から、第１および第２のレーザ光に対応する光強度の変動を表す周波数成分を分析する分析手段を含み、前記算出手段は、分析された周波数成分に基づき測定対象物の速度を算出する。
請求項４において、前記算出手段は、第１および第２のレーザ光のそれぞれの放射角θ、測定対象物の移動速度をｖ、測定対象物の移動方向をａ、第１のレーザ光および第２のレーザ光が測定対象物の移動方向となす角をＡ、Ｂとしたとき、レーザ光Ｌ１の光路方向の速度成分ｖ１とレーザ光Ｌ２の光路方向の速度成分ｖ２とを式（１）、（２）から求め、角Ａと角Ｂの関係を式（３）から求め、角度ａと角度Ａの関係を式（４）から求め、式（１）と（２）から式（５）を求め、式（３）から式（６）を求め、式（５）と（６）から式（７）を求め、式（１）と（７）から式（８）を求め、式（４）と（７）から式（９）を求める。
【０００７】
【数１】
【０００８】
請求項５において、面発光型半導体レーザ素子は、基板と、基板上に形成された第１導電型の下部半導体多層反射膜と、活性領域と、活性領域上に形成された第２導電型の上部半導体多層反射膜、上部半導体多層反射膜上に形成された電極層とを含み、電極層には、１次モードの第１および第２のレーザ光を出射する出射窓が形成され、当該出射窓には０次モードのレーザ光を遮蔽する遮蔽部が形成されている。
請求項６において、面発光型半導体レーザ素子は、基板と、基板上に形成された第１導電型の下部半導体多層反射膜と、活性領域と、活性領域上に形成された第２導電型の上部半導体多層反射膜、上部半導体多層反射膜上に形成された電極層とを含み、電極層には、１次モードの第１および第２のレーザ光を出射する出射窓が形成され、当該出射窓内の露出された上部半導体多層膜反射膜には０次モードのレーザ光の出射を抑制する溝が形成されている。
請求項７において、面発光型半導体レーザ素子は、８５０ｎｍの波長の第１および第２のレーザ光を出射し、第１および第２のレーザ光は、測定対象物として血液中のヘモグロビンを照射し、前記算出手段は、血液の速度を算出する。
請求項８に係る血流計測装置は、前記算出手段により算出された血液の速度を表示する表示部を有する。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１と２によれば、複数の半導体レーザを使用する場合、または半導体レーザ光と光学系により分岐する場合と比べ、部品の高精度な位置調整を低減することができる。
請求項３によれば、測定対象物の移動方向を算出することができる。
請求項４によれば、測定対象物の移動方向と速度を計算式により容易に算出することができる。
請求項５と６によれば、複数の半導体レーザを使用する場合、または半導体レーザ光と光学系により分岐する場合と比べ、１次あるいは高次のシングルモードを簡易に形成することができる。
請求項７によれば、複数の半導体レーザを使用する場合、または半導体レーザ光と光学系により分岐する場合と比べ、簡易な構成で血流を計測することができる。
請求項８によれば、２つの半導体レーザを使用する場合、および１つの半導体レーザ光を分岐する場合と比べ、部品点数の少ない低コストの血流計測装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例に係る計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示すＶＣＳＥＬ装置の構成を示す図である。
【図３】均一コア光ファイバの分散曲線を示す図である。
【図４Ａ】ＬＰ０１モードの正規化光パワー分布を示す図である。
【図４Ｂ】ＬＰ1１モードの正規化光パワー分布を示す図である。
【図４Ｃ】ＬＰ2１モードの正規化光パワー分布を示す図である。
【図５】本実施例のＶＣＳＥＬの平面図とそのＡ−Ａ線断面図である。
【図６Ａ】ＶＣＳＥＬの出射領域に形成される遮蔽部の他の例を示す図である。
【図６Ｂ】ＶＣＳＥＬの出射領域に形成されるトレンチ溝の他の例を示す図である。
【図７】トレンチ溝による１次シングルモードのレーザ光を説明する図である。
【図８】本実施例の他のＶＣＳＥＬの平面図とそのＢ−Ｂ線断面図である。
【図９】測定対象物の速度と移動方向を算出する方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。
【実施例】
【００１２】
以下、本発明の実施例について説明する。図１は、本発明の実施例に係る計測装置の構成を示すブロック図である。本実施例の計測装置１００は、１次シングルモードにより２つのビームに分割されたレーザ光を出射するＶＣＳＥＬ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode）装置１１０と、測定対象物で反射または散乱された戻り光によって光強度の変調を受けたＶＣＳＥＬのインピーダンス変化を検出するインピーダンス検出回路１２０と、検出されたインピーダンス変化の周波数成分を分析する周波数成分分析回路１３０と、分析結果から測定対象物Ｓまでの距離、速度、移動方向を算出する距離・速度算出回路１４０とを備えて構成される。これらの回路１２０、１３０、１４０は、１つの集積回路または半導体チップ上に形成することができる。また、計測装置１００は、ＶＣＳＥＬ装置１１０とこのような集積回路を包含した１つのパッケージまたはモジュールとして構成することができる。
【００１３】
ＶＣＳＥＬ装置１１０は、図２に示すように、１次シングルモードのＶＣＳＥＬ１１２とＶＣＳＥＬ１１２を駆動する駆動回路１１４とを有する。駆動回路１１４は、一定の周波数を有する三角波または鋸波のような駆動信号を供給し、ＶＣＳＥＬ１１２を駆動する。ＶＣＳＥＬ１１２は、駆動信号の周波数に応答して光強度を周波数変化させた２つのレーザ光を出射する。１次シングルモードは、１つの横モード発振であり、光軸からの広がり角の変動の少ない２つの単峰性のビームに分割されたレーザ光が出射される。１次シングルモードは、ＶＣＳＥＬの出射表面、例えば上部半導体多層反射膜のコンタクト層に溝を加工したり、あるいはコンタクト層上に形成される電極パターンの一部を中央に残すことにより、０次モードのレーザ光を抑制しまたは遮蔽して得ることができる。
【００１４】
１次シングルモードのＶＣＳＥＬの作製例として、例えば、「IEICE TRANS. ELECTRON., VOL.E85-C, NO.4 APRIL 2002」が知られている。つまり、１次シングルモードＶＣＳＥＬは、共振器のコア径と、それによって決まる発光パターンに対応した電極の出射口（アパーチャ）の口径と形状（基本モードと２次以上のモードが出ないようフィルタリング）に設計することで作製可能である。
【００１５】
図３は、一般的に知られている均一コア光ファイバの分散曲線であ。横軸は、正規化周波数ν、縦軸は、正規化変数ｂで、各モードにおけるνとｂの関係が確認できる。例えば、正規化周波数ν＝４の時、ｂ＝０．８あたりに０１モード（基本モード）が存在し、ｂ＝０．５あたりに１１モード（１次モード）、ｂ＝０．１あたりに２１モードが存在することがわかる。正規化周波数νは、ＶＣＳＥＬの電流狭窄層の酸化領域の屈折率と非酸化領域の屈折率、コア径（非酸化領域の開口径）から求められる（ν＝kn1a(2Δ)1/2 Δ：酸化領域と非酸化領域の屈折率差 a：コア半径）。また、正規化変数ｂは、図４に示すように各モードの発光パワーの閉じ込め具合を示す。
【００１６】
例えば、一次シングルモードのＶＣＳＥＬの設計は次のようにして行われる。
１．設計するＶＣＳＥＬの電流狭窄層の材料系を決める。電流狭窄層の材料系が決まることで、酸化領域と非酸化領域の屈折率が物性的に求められる。本実施例のＶＣＳＥＬ１１２では、後述するように、電流狭窄層としてＡｌＡｓを用いるため、ＡｌＡｓの非酸化領域と酸化領域の屈折率が物性的に決まる。
２．図３に示された分岐曲線から、一次モード（１１モード）発振を実現する正規化周波数νと正規化変数ｂを決める。正規化周波数νが決まると、１．で決めた電流狭窄層の酸化領域と非酸化領域の屈折率からコア径（2a）が求められる。
３．正規化変数bから、存在する各モードの発光パワー分布を知ることができる。本実施例では、１次シングルモードのＶＣＳＥＬを用いるため、１１モードの正規化変数ｂを得る。
【００１７】
図４Ａは、ＬＰ０１モードの正規化光パワー分布を示し、（ａ）は、ｂ＝０．９の場合（光エネルギーが比較的よく閉じ込められている状態）、（ｂ）は、ｂ＝０．１の場合（遮断状態に近い）を示している。同様に、図４Ｂは、ＬＰ１１モード、図４Ｃは、ＬＰ２１モードに正規化光パワー分布を示している。例えば図４Ｂを参照すると、ｂ＝０．９では、光軸に対して広がり角または放射角の小さい２つの単峰性のレーザビームが得られ、ｂ＝０．１では、広がり角が大きく単峰性ではあるが傾斜がなだらかなレーザビームが得られる。これにより、正規化変数ｂに応じた光強度のピークの放射角または光軸からの位置を知ることができるため、これに応じた出射電極パターンあるいはトレンチ溝パターンを決定する。
【００１８】
図５にＶＣＳＥＬの平面図とそのＡ−Ａ線断面図を示す。なお、平面図では、分かり易くするために電極層をハッチングで表示している。ＶＣＳＥＬ１１２は、同図に示すように、ＧａＡｓ基板２００上に、ｎ型の下部半導体多層反射鏡(ＤＢＲ:Distributed Bragg Reflector)２０２、活性領域２０４、ｐ型のＡｌＡｓ層２０６、ｐ型の上部半導体多層反射鏡２０８の順で半導体薄膜を積層している。上部多層反射鏡２０８の最上層は、ｐ型のＧａＡｓからなるコンタクト層２１０である。
【００１９】
上部多層反射鏡２０８から下部多層反射鏡２０２の一部に至るまでエッチングにより環状の溝２３０が形成され、これにより、基板上に円柱状のポストＰまたはメサが形成されている。ポストＰは、高温の水蒸気下で熱処理され、ポストＰ内のＡｌＡｓ層２０６の周囲には酸化領域２０６ａが形成され、ＡｌＡｓ層２０６内に酸化領域２０６ａによって囲まれた光閉じ込め兼電流狭窄層が形成される。
【００２０】
ポストＰの底部、側面および頂部の一部は、層間絶縁膜２１２によって覆われている。ポストＰの頂部の層間絶縁膜２１２には、円形状のコンタクトホールが形成され、この上からｐ側の電極層２１４がコンタクト層２１０にオーミック接続されている。ｐ側の電極層２１４の中央には、レーザ光を出射するための円形状の出射窓２１６が形成され、出射窓２１６によってコンタクト層２１０が露出されている。さらに出射窓２１６の中央の光軸上には、光を遮蔽する円形の遮蔽部２１８が形成されている。遮蔽部２１８は、例えば金属から構成されるが、好ましくは電極層２１４と同一材料から構成され、電極層２１４に出射窓２１６を形成するときに同時に形成される。基板２００の裏面には、ｎ側の電極層２２０が形成される。
【００２１】
ｎ型の下部半導体多層反射鏡２０２は、例えば、Ａｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓとを交互に複数の周期で積層し、各層の厚さは、λ／４ｎｒ（但し、λは発振波長、ｎｒは媒質の屈折率）である。活性領域２０４は、例えば、アンドープ下部Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓスペーサ層とアンドープ量子井戸活性層とアンドープ上部Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓスペーサ層とで構成される。ｐ型の上部半導体多層反射鏡２０８は、例えば、Ａｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓとを交互に複数の周期で積層し、各層の厚さは、媒質内波長の１／４とである。上部半導体多層反射鏡２０８の最下層には、低抵抗のｐ型ＡｌＡｓ層２０６が含まれ、さらに、上部半導体多層反射鏡２０８の最上部に、例えば、キャリア濃度が１×１０19cm-3となるｐ型のＧａＡｓコンタクト層２１０が積層される。ｐ側の電極層２１４は、例えばＡｕから構成され、ｎ側の電極層２２０は、例えばＡｕ／Ｇｅから構成される。層間絶縁膜２１２は、例えばＳｉＮｘから構成される。
【００２２】
ポストＰは、下部半導体多層反射鏡２０２と上部半導体多層反射鏡２０８により垂直共振器を構成し、ｐ側の電極層２１４とｎ側の電極層２２０に順方向の駆動電流を印加することで、ポストＰの出射窓２１６から約８５０ｎｍの波長のレーザ光が基板と垂直方向に出射される。また、ＶＣＳＥＬ１１２は１次シングルモードで動作されるため、出射窓２１６からは２つのレーザ光が出射される。２つのレーザ光は、光軸からそれぞれ等しい拡がり角で出射される。
【００２３】
上記したように、１次シングルモードの発光パワー分布は、図４Ｂに示すように正規化変数ｂの値によって異なる。ｂの値が大きいほど、光閉じ込めが強いため、レーザ光の広がり角度は小さくなり、反対に、ｂの値が小さいほど、レーザ光の広がり角度は大きくなる。正規化変数ｂからレーザ光の拡がり角が決定されるため、電極層２１４の出射窓２１６の開口径（直径）は、１次シングルモードのレーザ光を透過する大きさに設計される。さらに、遮蔽部２１８は、光軸上に配置され、１次モードのレーザ光を遮蔽することなく、０次モードのレーザ光を遮蔽するように設計される。例えば、電流狭窄層２０６の材料がＡｌＡｓの場合、酸化領域２０６ａによって囲まれた導電領域のコア径を４ミクロン、遮蔽部２１８の直径を２ミクロンとすることで一次モードのレーザ光が得られる。これにより、出射窓２１６からは、光軸に対して広がり角の等しい２つのレーザ光が出射される。
【００２４】
なお、遮蔽部２１８は、必ずしもｐ側電極層２１４と同一材料で形成される必要はなく、レーザ光を遮蔽することができる他の金属で構成するものであってもよい。さらに遮蔽部２１８の形状は、必ずしも円形に限らない。例えば、図６Ａに示すように、遮蔽部２１８ａは、光軸を通り電極層２１４の中心を直線状に延びる形状であってもよく、左右に２つの出射窓２１６ａを形成するようにしてもよい。
【００２５】
また、１次シングルモードＶＣＳＥＬは、出射領域に遮蔽部を形成する代わりに溝や孔を形成するものであってもよい。図７に示すように、積層された半導体層の出射面の光軸上にトレンチ溝２４０を形成する。これにより、光強度がガウス分布の０次モードのレーザ光は、トレンチ溝２４０によって出射が抑制され、出射面からは図示するような強度分布をもつ１次モードのレーザ光が出射される。
【００２６】
図８は、このようなトレンチ溝を出射面に形成したＶＣＳＥＬを示している。ＶＣＳＥＬは、図８に示すように、出射窓２１６の中央の光軸上に円形状のトレンチ溝２４０が形成されている。トレンチ溝２４０は、０次モードのレーザ光の出射を抑止し、かつ１次モードのレーザ光を透過する大きさに設計される。トレンチ溝２４０は、例えば集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工装置を用いて出射表面に形成することができる。トレンチ溝２４０は、例えば直径が１ミクロン、深さが１ミクロンとすることできる。トレンチ溝２４０の形状は、必ずしも円形に限らず、矩形状であってもよい。さらに、トレンチ溝２４０ａは、図６Ｂに示すように、光軸上を延在し２つの出射窓２１６ａが分割されるように電極層に到達する形状であってもよい。
【００２７】
次に、インピーダンス変動検出回路１２０について説明する。駆動回路１１４は、一定周波数の駆動信号でＶＣＳＥＬを駆動する。ＶＣＳＥＬ１１２から出射された２つのレーザ光が測定対象物Ｓを照射したとき、測定対象物Ｓで反射または散乱された戻り光がポストＰのレーザ媒質内に戻り、レーザ発振状態が変調される。つまり、レーザ光とドップラー変位された戻り光の周波数、または、位相の差により光強度にビート信号が生じ、このビート信号が駆動信号またはＶＣＳＥＬのインピーダンス変化となって表れる。インピーダンス変動検出回路１２０は、駆動信号に表れるＶＣＳＥＬのインピーダンス変動を検出する。
【００２８】
駆動回路１１４によりＶＣＳＥＬの光強度を変調することで、発振周波数が変化され、発振周波数と測定対象物Ｓの移動方向と速度によってドップラー変位された戻り光の周波数との差がビート信号となる。なお、測定対象物Ｓの距離によって生じる発振周波数と戻り光の位相差もビート信号となる。周波数成分分析回路１３０は、検出されたインピーダンス変化すなわちビート信号の周波数成分を分析し、２つのレーザ光についてのドップラー変位周波数と位相差を求める。周波数成分分析回路１３０による解析結果は、距離・速度算出回路１４０へ提供され、距離・速度算出回路１４０は、測定対象物Ｓの距離、速度、方向を算出する。
【００２９】
次に、測定対象物Ｓが一箇所で回転し、センサと測定対象物Ｓの距離が変わらないため、測定対象物Ｓの回転の速度測定のみを行うような場合（位相差が生じず、ドップラー変位のみが生じる）を例に、距離・速度算出回路１４０の詳細な測定原理について説明する。図９は、測定原理を説明する図である。１次シングルモードＶＣＳＥＬ１１２は、光導波路やハーフミラーなどの光学部材を用いることなく、光軸から２方向に分かれたレーザ光Ｌ１、Ｌ２を出射する。２つのレーザ光Ｌ１、Ｌ２の光軸に対する放射角（出射角）θは等しい。２つのレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、それぞれ異なる入射角で測定対象物Ｓに入射する。
【００３０】
測定対象物Ｓが速度ｖで移動しているとき、２つのレーザ光Ｌ１、Ｌ２の反射光は、測定対象物Ｓの移動速度ｖに応じて異なるドップラー変位を起こす。測定対象物Ｓからの反射光の一部がそれぞれ入射時の光路を戻ってＶＣＳＥＬに戻る。異なるドップラー変位を起こした戻り光がＶＣＳＥＬの媒質に戻ると、ＶＣＳＥＬのインピーダンスや出射光量が変動する。ＶＣＳＥＬのインピーダンスや出射光量は、それぞれのドップラー変位に対応した２つの変動成分（周波数成分）を持ち、２つの周波数成分を分析することで、分割されたレーザ光を含む２次元平面上を、どの方向にどれぐらいの速さで測定対象物Ｓが移動しているのかという速度情報を得ることができる。距離・速度算出回路１４０はさらに、速度を微分することによって測定対象物Ｓの加速度を算出したり、速度を積分することで測定対象物Ｓが回転した距離を算出することも可能である。
【００３１】
次に、具体的な測定方法について説明する。既知の値は、θ、ｖ１、ｖ２である。θは、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の光軸との放射角、ｖ１とｖ２は、測定対象物Ｓの速度ｖのレーザ光Ｌ１、Ｌ２の光路方向の成分である。速度ｖ１とｖ２は、観測されるレーザ光Ｌ１、Ｌ２の各光路の戻り光のドップラー変位周波数ｆ１とｆ２と、ｖ＝λ／２πｆの関係式から求められる。
【００３２】
距離・速度算出回路１４０によって最終的に求めたい値は、ａ、ｖである。aは、光軸に垂直な法線に対する測定対象物Ｓの移動方向（角度）、ｖは、測定対象物の速度である。
【００３３】
先ず、レーザ光Ｌ１の光路方向の速度成分ｖ１と、レーザ光Ｌ２の光路方向の速度成分ｖ２とを、式（１）、（２）より求める。
【００３４】
【数２】
【００３５】
図９に示す角度Ａと角度Ｂは、式（３）によって求められ、角度ａと角度Ａの関係は、式（４）によって求められる。
【００３６】
【数３】
【００３７】
式（１）と（２）から、式（５）が求められる。
【００３８】
【数４】
【００３９】
また式（３）から式（６）が求められる。
【００４０】
【数５】
【００４１】
式（５）と（６）から式（７）に示す角度Ａが求められる。
【００４２】
【数６】
【００４３】
式（１）と（７）から式（８）に示す測定対象物Ｓの速度ｖが求められる。
【００４４】
【数７】
【００４５】
そして式（４）と（７）から式（９）に示す測定対象物Ｓの移動方向が求められる。
【００４６】
【数８】
【００４７】
このような計算式によって、測定対象物Ｓの速度と移動方向を算出することができる。本実施例によれば、１次シングルモードＶＣＳＥＬを用いることで、放射角が構造上一義的に決定される２つのレーザ光を容易に得ることができ、従来のように、光導波路やハーフミラーなどの部品の高精度な位置調整をなくすことができる。これにより、部品点数が少なく、工数の少ない低コストな計測装置を得ることができる。
【００４８】
上記実施例では、１つのＶＣＳＥＬを用いる例を示したが、複数のＶＣＳＥＬをアレイ状にモノリシックに形成し、測定対象物の複数の箇所を計測するようにしてもよい。複数箇所を計測することで、計測の信頼性を改善することができる。
【００４９】
上記のように構成された計測装置は、例えば、血液中のヘモグロビンの速度や量を計測する血流計測装置に適用することができる。波長が８５０ｎｍのレーザ光は、人体の皮膚を透過し、毛細血管中のヘモグロビンを照射し、ヘモグロビンの表面で反射または散乱された光の一部が戻り光として自己結合効果に寄与し、ヘモグロビンの速度や方向を計測することができる。
【００５０】
さらに本実施例の計測装置は、血流計測装置以外の移動体の速度計や角度計として利用することができる。また、上記実施例では、８５０ｎｍの波長のＶＣＳＥＬの例を示したが、これ以外の波長や構造のＶＣＳＥＬであってもよい。
【００５１】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００５２】
２１４：ｐ側の電極層
２１６、２１６ａ：出射窓
２１８、２１８ａ：遮蔽部
２４０、２４０ａ：トレンチ溝
Ｐ：ポスト（ＶＣＳＥＬの発光部）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザを用いて非接触で物体の位置や速さを高精度で検知する計測装置が利用されている。これらの計測装置には、自己結合効果または自己混合効果と呼ばれる、物体で反射または散乱された戻り光による半導体レーザの振る舞いを応用したものが知られている。自己結合効果とは、レーザの戻り光または反射光がレーザ媒体中で増幅され、結果的にレーザ発振状態が変調を受けることである。
【０００３】
特許文献１は、２つの半導体レーザを用いた光学計測装置に関し、シートに向かってビームを放射し、シートの移動によって起きるダイオードレーザの自己結合効果とビームのドップラー偏移を用いてシートの移動を測定している。特許文献２は、半導体レーザからのレーザ光をハーフミラーによって２分割し、分割されたレーザ光の戻り光によるビート波を検出し、位置、角度および速度を測定している。特許文献３は、分岐路を有する光導波路を利用してレーザ光を分割し、対象物によって散乱されたレーザ光をレーザダイオードに導き、フォトダイオードによって光強度のドップラー変位周波数で変動する交流成分を検出し、交流成分と２つのレーザ光の照射角度の差から物体の速度を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開表２００４−５１３３４８号公報
【特許文献２】特開平１１−２８７８６０号公報
【特許文献３】特開２００２−３５０５４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、簡易な構成で測定対象物の状態変化を検出することができる面発光型半導体レーザを用いた計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に係る計測装置は、光軸から複数のレーザ光を出射する１次あるいは高次のシングルモードの面発光型半導体レーザ素子と、前記面発光型半導体レーザ素子を駆動する駆動手段と、前記面発光型半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を測定対象物に照射したとき、測定対象物の戻り光によって生じる電気信号を検出する検出手段と、前記検出手段により検出された電子信号に基づき少なくとも測定対象物の移動方向を算出する算出手段とを有する。
請求項２において、前記検出手段は、面発光型半導体レーザ素子のインピーダンス変化に対応する前記電気信号を検出する。
請求項３において、前記検出手段は、前記検出された電気信号から、第１および第２のレーザ光に対応する光強度の変動を表す周波数成分を分析する分析手段を含み、前記算出手段は、分析された周波数成分に基づき測定対象物の速度を算出する。
請求項４において、前記算出手段は、第１および第２のレーザ光のそれぞれの放射角θ、測定対象物の移動速度をｖ、測定対象物の移動方向をａ、第１のレーザ光および第２のレーザ光が測定対象物の移動方向となす角をＡ、Ｂとしたとき、レーザ光Ｌ１の光路方向の速度成分ｖ１とレーザ光Ｌ２の光路方向の速度成分ｖ２とを式（１）、（２）から求め、角Ａと角Ｂの関係を式（３）から求め、角度ａと角度Ａの関係を式（４）から求め、式（１）と（２）から式（５）を求め、式（３）から式（６）を求め、式（５）と（６）から式（７）を求め、式（１）と（７）から式（８）を求め、式（４）と（７）から式（９）を求める。
【０００７】
【数１】
【０００８】
請求項５において、面発光型半導体レーザ素子は、基板と、基板上に形成された第１導電型の下部半導体多層反射膜と、活性領域と、活性領域上に形成された第２導電型の上部半導体多層反射膜、上部半導体多層反射膜上に形成された電極層とを含み、電極層には、１次モードの第１および第２のレーザ光を出射する出射窓が形成され、当該出射窓には０次モードのレーザ光を遮蔽する遮蔽部が形成されている。
請求項６において、面発光型半導体レーザ素子は、基板と、基板上に形成された第１導電型の下部半導体多層反射膜と、活性領域と、活性領域上に形成された第２導電型の上部半導体多層反射膜、上部半導体多層反射膜上に形成された電極層とを含み、電極層には、１次モードの第１および第２のレーザ光を出射する出射窓が形成され、当該出射窓内の露出された上部半導体多層膜反射膜には０次モードのレーザ光の出射を抑制する溝が形成されている。
請求項７において、面発光型半導体レーザ素子は、８５０ｎｍの波長の第１および第２のレーザ光を出射し、第１および第２のレーザ光は、測定対象物として血液中のヘモグロビンを照射し、前記算出手段は、血液の速度を算出する。
請求項８に係る血流計測装置は、前記算出手段により算出された血液の速度を表示する表示部を有する。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１と２によれば、複数の半導体レーザを使用する場合、または半導体レーザ光と光学系により分岐する場合と比べ、部品の高精度な位置調整を低減することができる。
請求項３によれば、測定対象物の移動方向を算出することができる。
請求項４によれば、測定対象物の移動方向と速度を計算式により容易に算出することができる。
請求項５と６によれば、複数の半導体レーザを使用する場合、または半導体レーザ光と光学系により分岐する場合と比べ、１次あるいは高次のシングルモードを簡易に形成することができる。
請求項７によれば、複数の半導体レーザを使用する場合、または半導体レーザ光と光学系により分岐する場合と比べ、簡易な構成で血流を計測することができる。
請求項８によれば、２つの半導体レーザを使用する場合、および１つの半導体レーザ光を分岐する場合と比べ、部品点数の少ない低コストの血流計測装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例に係る計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示すＶＣＳＥＬ装置の構成を示す図である。
【図３】均一コア光ファイバの分散曲線を示す図である。
【図４Ａ】ＬＰ０１モードの正規化光パワー分布を示す図である。
【図４Ｂ】ＬＰ1１モードの正規化光パワー分布を示す図である。
【図４Ｃ】ＬＰ2１モードの正規化光パワー分布を示す図である。
【図５】本実施例のＶＣＳＥＬの平面図とそのＡ−Ａ線断面図である。
【図６Ａ】ＶＣＳＥＬの出射領域に形成される遮蔽部の他の例を示す図である。
【図６Ｂ】ＶＣＳＥＬの出射領域に形成されるトレンチ溝の他の例を示す図である。
【図７】トレンチ溝による１次シングルモードのレーザ光を説明する図である。
【図８】本実施例の他のＶＣＳＥＬの平面図とそのＢ−Ｂ線断面図である。
【図９】測定対象物の速度と移動方向を算出する方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。
【実施例】
【００１２】
以下、本発明の実施例について説明する。図１は、本発明の実施例に係る計測装置の構成を示すブロック図である。本実施例の計測装置１００は、１次シングルモードにより２つのビームに分割されたレーザ光を出射するＶＣＳＥＬ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode）装置１１０と、測定対象物で反射または散乱された戻り光によって光強度の変調を受けたＶＣＳＥＬのインピーダンス変化を検出するインピーダンス検出回路１２０と、検出されたインピーダンス変化の周波数成分を分析する周波数成分分析回路１３０と、分析結果から測定対象物Ｓまでの距離、速度、移動方向を算出する距離・速度算出回路１４０とを備えて構成される。これらの回路１２０、１３０、１４０は、１つの集積回路または半導体チップ上に形成することができる。また、計測装置１００は、ＶＣＳＥＬ装置１１０とこのような集積回路を包含した１つのパッケージまたはモジュールとして構成することができる。
【００１３】
ＶＣＳＥＬ装置１１０は、図２に示すように、１次シングルモードのＶＣＳＥＬ１１２とＶＣＳＥＬ１１２を駆動する駆動回路１１４とを有する。駆動回路１１４は、一定の周波数を有する三角波または鋸波のような駆動信号を供給し、ＶＣＳＥＬ１１２を駆動する。ＶＣＳＥＬ１１２は、駆動信号の周波数に応答して光強度を周波数変化させた２つのレーザ光を出射する。１次シングルモードは、１つの横モード発振であり、光軸からの広がり角の変動の少ない２つの単峰性のビームに分割されたレーザ光が出射される。１次シングルモードは、ＶＣＳＥＬの出射表面、例えば上部半導体多層反射膜のコンタクト層に溝を加工したり、あるいはコンタクト層上に形成される電極パターンの一部を中央に残すことにより、０次モードのレーザ光を抑制しまたは遮蔽して得ることができる。
【００１４】
１次シングルモードのＶＣＳＥＬの作製例として、例えば、「IEICE TRANS. ELECTRON., VOL.E85-C, NO.4 APRIL 2002」が知られている。つまり、１次シングルモードＶＣＳＥＬは、共振器のコア径と、それによって決まる発光パターンに対応した電極の出射口（アパーチャ）の口径と形状（基本モードと２次以上のモードが出ないようフィルタリング）に設計することで作製可能である。
【００１５】
図３は、一般的に知られている均一コア光ファイバの分散曲線であ。横軸は、正規化周波数ν、縦軸は、正規化変数ｂで、各モードにおけるνとｂの関係が確認できる。例えば、正規化周波数ν＝４の時、ｂ＝０．８あたりに０１モード（基本モード）が存在し、ｂ＝０．５あたりに１１モード（１次モード）、ｂ＝０．１あたりに２１モードが存在することがわかる。正規化周波数νは、ＶＣＳＥＬの電流狭窄層の酸化領域の屈折率と非酸化領域の屈折率、コア径（非酸化領域の開口径）から求められる（ν＝kn1a(2Δ)1/2 Δ：酸化領域と非酸化領域の屈折率差 a：コア半径）。また、正規化変数ｂは、図４に示すように各モードの発光パワーの閉じ込め具合を示す。
【００１６】
例えば、一次シングルモードのＶＣＳＥＬの設計は次のようにして行われる。
１．設計するＶＣＳＥＬの電流狭窄層の材料系を決める。電流狭窄層の材料系が決まることで、酸化領域と非酸化領域の屈折率が物性的に求められる。本実施例のＶＣＳＥＬ１１２では、後述するように、電流狭窄層としてＡｌＡｓを用いるため、ＡｌＡｓの非酸化領域と酸化領域の屈折率が物性的に決まる。
２．図３に示された分岐曲線から、一次モード（１１モード）発振を実現する正規化周波数νと正規化変数ｂを決める。正規化周波数νが決まると、１．で決めた電流狭窄層の酸化領域と非酸化領域の屈折率からコア径（2a）が求められる。
３．正規化変数bから、存在する各モードの発光パワー分布を知ることができる。本実施例では、１次シングルモードのＶＣＳＥＬを用いるため、１１モードの正規化変数ｂを得る。
【００１７】
図４Ａは、ＬＰ０１モードの正規化光パワー分布を示し、（ａ）は、ｂ＝０．９の場合（光エネルギーが比較的よく閉じ込められている状態）、（ｂ）は、ｂ＝０．１の場合（遮断状態に近い）を示している。同様に、図４Ｂは、ＬＰ１１モード、図４Ｃは、ＬＰ２１モードに正規化光パワー分布を示している。例えば図４Ｂを参照すると、ｂ＝０．９では、光軸に対して広がり角または放射角の小さい２つの単峰性のレーザビームが得られ、ｂ＝０．１では、広がり角が大きく単峰性ではあるが傾斜がなだらかなレーザビームが得られる。これにより、正規化変数ｂに応じた光強度のピークの放射角または光軸からの位置を知ることができるため、これに応じた出射電極パターンあるいはトレンチ溝パターンを決定する。
【００１８】
図５にＶＣＳＥＬの平面図とそのＡ−Ａ線断面図を示す。なお、平面図では、分かり易くするために電極層をハッチングで表示している。ＶＣＳＥＬ１１２は、同図に示すように、ＧａＡｓ基板２００上に、ｎ型の下部半導体多層反射鏡(ＤＢＲ:Distributed Bragg Reflector)２０２、活性領域２０４、ｐ型のＡｌＡｓ層２０６、ｐ型の上部半導体多層反射鏡２０８の順で半導体薄膜を積層している。上部多層反射鏡２０８の最上層は、ｐ型のＧａＡｓからなるコンタクト層２１０である。
【００１９】
上部多層反射鏡２０８から下部多層反射鏡２０２の一部に至るまでエッチングにより環状の溝２３０が形成され、これにより、基板上に円柱状のポストＰまたはメサが形成されている。ポストＰは、高温の水蒸気下で熱処理され、ポストＰ内のＡｌＡｓ層２０６の周囲には酸化領域２０６ａが形成され、ＡｌＡｓ層２０６内に酸化領域２０６ａによって囲まれた光閉じ込め兼電流狭窄層が形成される。
【００２０】
ポストＰの底部、側面および頂部の一部は、層間絶縁膜２１２によって覆われている。ポストＰの頂部の層間絶縁膜２１２には、円形状のコンタクトホールが形成され、この上からｐ側の電極層２１４がコンタクト層２１０にオーミック接続されている。ｐ側の電極層２１４の中央には、レーザ光を出射するための円形状の出射窓２１６が形成され、出射窓２１６によってコンタクト層２１０が露出されている。さらに出射窓２１６の中央の光軸上には、光を遮蔽する円形の遮蔽部２１８が形成されている。遮蔽部２１８は、例えば金属から構成されるが、好ましくは電極層２１４と同一材料から構成され、電極層２１４に出射窓２１６を形成するときに同時に形成される。基板２００の裏面には、ｎ側の電極層２２０が形成される。
【００２１】
ｎ型の下部半導体多層反射鏡２０２は、例えば、Ａｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓとを交互に複数の周期で積層し、各層の厚さは、λ／４ｎｒ（但し、λは発振波長、ｎｒは媒質の屈折率）である。活性領域２０４は、例えば、アンドープ下部Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓスペーサ層とアンドープ量子井戸活性層とアンドープ上部Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓスペーサ層とで構成される。ｐ型の上部半導体多層反射鏡２０８は、例えば、Ａｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓとを交互に複数の周期で積層し、各層の厚さは、媒質内波長の１／４とである。上部半導体多層反射鏡２０８の最下層には、低抵抗のｐ型ＡｌＡｓ層２０６が含まれ、さらに、上部半導体多層反射鏡２０８の最上部に、例えば、キャリア濃度が１×１０19cm-3となるｐ型のＧａＡｓコンタクト層２１０が積層される。ｐ側の電極層２１４は、例えばＡｕから構成され、ｎ側の電極層２２０は、例えばＡｕ／Ｇｅから構成される。層間絶縁膜２１２は、例えばＳｉＮｘから構成される。
【００２２】
ポストＰは、下部半導体多層反射鏡２０２と上部半導体多層反射鏡２０８により垂直共振器を構成し、ｐ側の電極層２１４とｎ側の電極層２２０に順方向の駆動電流を印加することで、ポストＰの出射窓２１６から約８５０ｎｍの波長のレーザ光が基板と垂直方向に出射される。また、ＶＣＳＥＬ１１２は１次シングルモードで動作されるため、出射窓２１６からは２つのレーザ光が出射される。２つのレーザ光は、光軸からそれぞれ等しい拡がり角で出射される。
【００２３】
上記したように、１次シングルモードの発光パワー分布は、図４Ｂに示すように正規化変数ｂの値によって異なる。ｂの値が大きいほど、光閉じ込めが強いため、レーザ光の広がり角度は小さくなり、反対に、ｂの値が小さいほど、レーザ光の広がり角度は大きくなる。正規化変数ｂからレーザ光の拡がり角が決定されるため、電極層２１４の出射窓２１６の開口径（直径）は、１次シングルモードのレーザ光を透過する大きさに設計される。さらに、遮蔽部２１８は、光軸上に配置され、１次モードのレーザ光を遮蔽することなく、０次モードのレーザ光を遮蔽するように設計される。例えば、電流狭窄層２０６の材料がＡｌＡｓの場合、酸化領域２０６ａによって囲まれた導電領域のコア径を４ミクロン、遮蔽部２１８の直径を２ミクロンとすることで一次モードのレーザ光が得られる。これにより、出射窓２１６からは、光軸に対して広がり角の等しい２つのレーザ光が出射される。
【００２４】
なお、遮蔽部２１８は、必ずしもｐ側電極層２１４と同一材料で形成される必要はなく、レーザ光を遮蔽することができる他の金属で構成するものであってもよい。さらに遮蔽部２１８の形状は、必ずしも円形に限らない。例えば、図６Ａに示すように、遮蔽部２１８ａは、光軸を通り電極層２１４の中心を直線状に延びる形状であってもよく、左右に２つの出射窓２１６ａを形成するようにしてもよい。
【００２５】
また、１次シングルモードＶＣＳＥＬは、出射領域に遮蔽部を形成する代わりに溝や孔を形成するものであってもよい。図７に示すように、積層された半導体層の出射面の光軸上にトレンチ溝２４０を形成する。これにより、光強度がガウス分布の０次モードのレーザ光は、トレンチ溝２４０によって出射が抑制され、出射面からは図示するような強度分布をもつ１次モードのレーザ光が出射される。
【００２６】
図８は、このようなトレンチ溝を出射面に形成したＶＣＳＥＬを示している。ＶＣＳＥＬは、図８に示すように、出射窓２１６の中央の光軸上に円形状のトレンチ溝２４０が形成されている。トレンチ溝２４０は、０次モードのレーザ光の出射を抑止し、かつ１次モードのレーザ光を透過する大きさに設計される。トレンチ溝２４０は、例えば集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工装置を用いて出射表面に形成することができる。トレンチ溝２４０は、例えば直径が１ミクロン、深さが１ミクロンとすることできる。トレンチ溝２４０の形状は、必ずしも円形に限らず、矩形状であってもよい。さらに、トレンチ溝２４０ａは、図６Ｂに示すように、光軸上を延在し２つの出射窓２１６ａが分割されるように電極層に到達する形状であってもよい。
【００２７】
次に、インピーダンス変動検出回路１２０について説明する。駆動回路１１４は、一定周波数の駆動信号でＶＣＳＥＬを駆動する。ＶＣＳＥＬ１１２から出射された２つのレーザ光が測定対象物Ｓを照射したとき、測定対象物Ｓで反射または散乱された戻り光がポストＰのレーザ媒質内に戻り、レーザ発振状態が変調される。つまり、レーザ光とドップラー変位された戻り光の周波数、または、位相の差により光強度にビート信号が生じ、このビート信号が駆動信号またはＶＣＳＥＬのインピーダンス変化となって表れる。インピーダンス変動検出回路１２０は、駆動信号に表れるＶＣＳＥＬのインピーダンス変動を検出する。
【００２８】
駆動回路１１４によりＶＣＳＥＬの光強度を変調することで、発振周波数が変化され、発振周波数と測定対象物Ｓの移動方向と速度によってドップラー変位された戻り光の周波数との差がビート信号となる。なお、測定対象物Ｓの距離によって生じる発振周波数と戻り光の位相差もビート信号となる。周波数成分分析回路１３０は、検出されたインピーダンス変化すなわちビート信号の周波数成分を分析し、２つのレーザ光についてのドップラー変位周波数と位相差を求める。周波数成分分析回路１３０による解析結果は、距離・速度算出回路１４０へ提供され、距離・速度算出回路１４０は、測定対象物Ｓの距離、速度、方向を算出する。
【００２９】
次に、測定対象物Ｓが一箇所で回転し、センサと測定対象物Ｓの距離が変わらないため、測定対象物Ｓの回転の速度測定のみを行うような場合（位相差が生じず、ドップラー変位のみが生じる）を例に、距離・速度算出回路１４０の詳細な測定原理について説明する。図９は、測定原理を説明する図である。１次シングルモードＶＣＳＥＬ１１２は、光導波路やハーフミラーなどの光学部材を用いることなく、光軸から２方向に分かれたレーザ光Ｌ１、Ｌ２を出射する。２つのレーザ光Ｌ１、Ｌ２の光軸に対する放射角（出射角）θは等しい。２つのレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、それぞれ異なる入射角で測定対象物Ｓに入射する。
【００３０】
測定対象物Ｓが速度ｖで移動しているとき、２つのレーザ光Ｌ１、Ｌ２の反射光は、測定対象物Ｓの移動速度ｖに応じて異なるドップラー変位を起こす。測定対象物Ｓからの反射光の一部がそれぞれ入射時の光路を戻ってＶＣＳＥＬに戻る。異なるドップラー変位を起こした戻り光がＶＣＳＥＬの媒質に戻ると、ＶＣＳＥＬのインピーダンスや出射光量が変動する。ＶＣＳＥＬのインピーダンスや出射光量は、それぞれのドップラー変位に対応した２つの変動成分（周波数成分）を持ち、２つの周波数成分を分析することで、分割されたレーザ光を含む２次元平面上を、どの方向にどれぐらいの速さで測定対象物Ｓが移動しているのかという速度情報を得ることができる。距離・速度算出回路１４０はさらに、速度を微分することによって測定対象物Ｓの加速度を算出したり、速度を積分することで測定対象物Ｓが回転した距離を算出することも可能である。
【００３１】
次に、具体的な測定方法について説明する。既知の値は、θ、ｖ１、ｖ２である。θは、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の光軸との放射角、ｖ１とｖ２は、測定対象物Ｓの速度ｖのレーザ光Ｌ１、Ｌ２の光路方向の成分である。速度ｖ１とｖ２は、観測されるレーザ光Ｌ１、Ｌ２の各光路の戻り光のドップラー変位周波数ｆ１とｆ２と、ｖ＝λ／２πｆの関係式から求められる。
【００３２】
距離・速度算出回路１４０によって最終的に求めたい値は、ａ、ｖである。aは、光軸に垂直な法線に対する測定対象物Ｓの移動方向（角度）、ｖは、測定対象物の速度である。
【００３３】
先ず、レーザ光Ｌ１の光路方向の速度成分ｖ１と、レーザ光Ｌ２の光路方向の速度成分ｖ２とを、式（１）、（２）より求める。
【００３４】
【数２】
【００３５】
図９に示す角度Ａと角度Ｂは、式（３）によって求められ、角度ａと角度Ａの関係は、式（４）によって求められる。
【００３６】
【数３】
【００３７】
式（１）と（２）から、式（５）が求められる。
【００３８】
【数４】
【００３９】
また式（３）から式（６）が求められる。
【００４０】
【数５】
【００４１】
式（５）と（６）から式（７）に示す角度Ａが求められる。
【００４２】
【数６】
【００４３】
式（１）と（７）から式（８）に示す測定対象物Ｓの速度ｖが求められる。
【００４４】
【数７】
【００４５】
そして式（４）と（７）から式（９）に示す測定対象物Ｓの移動方向が求められる。
【００４６】
【数８】
【００４７】
このような計算式によって、測定対象物Ｓの速度と移動方向を算出することができる。本実施例によれば、１次シングルモードＶＣＳＥＬを用いることで、放射角が構造上一義的に決定される２つのレーザ光を容易に得ることができ、従来のように、光導波路やハーフミラーなどの部品の高精度な位置調整をなくすことができる。これにより、部品点数が少なく、工数の少ない低コストな計測装置を得ることができる。
【００４８】
上記実施例では、１つのＶＣＳＥＬを用いる例を示したが、複数のＶＣＳＥＬをアレイ状にモノリシックに形成し、測定対象物の複数の箇所を計測するようにしてもよい。複数箇所を計測することで、計測の信頼性を改善することができる。
【００４９】
上記のように構成された計測装置は、例えば、血液中のヘモグロビンの速度や量を計測する血流計測装置に適用することができる。波長が８５０ｎｍのレーザ光は、人体の皮膚を透過し、毛細血管中のヘモグロビンを照射し、ヘモグロビンの表面で反射または散乱された光の一部が戻り光として自己結合効果に寄与し、ヘモグロビンの速度や方向を計測することができる。
【００５０】
さらに本実施例の計測装置は、血流計測装置以外の移動体の速度計や角度計として利用することができる。また、上記実施例では、８５０ｎｍの波長のＶＣＳＥＬの例を示したが、これ以外の波長や構造のＶＣＳＥＬであってもよい。
【００５１】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００５２】
２１４：ｐ側の電極層
２１６、２１６ａ：出射窓
２１８、２１８ａ：遮蔽部
２４０、２４０ａ：トレンチ溝
Ｐ：ポスト（ＶＣＳＥＬの発光部）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸から複数のレーザ光を出射する１次あるいは高次のシングルモードの面発光型半導体レーザ素子と、
前記面発光型半導体レーザ素子を駆動する駆動手段と、
前記面発光型半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を測定対象物に照射したとき、測定対象物の戻り光によって生じる電気信号を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された電子信号に基づき少なくとも測定対象物の移動方向を算出する算出手段と、
を有する計測装置。
【請求項２】
前記検出手段は、面発光型半導体レーザ素子のインピーダンス変化に対応する前記電気信号を検出する、請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記検出手段は、前記検出された電気信号から、第１および第２のレーザ光に対応する光強度の変動を表す周波数成分を分析する分析手段を含み、前記算出手段は、分析された周波数成分に基づき測定対象物の速度を算出する、請求項１に記載の計測装置。
【請求項４】
前記算出手段は、第１および第２のレーザ光のそれぞれの放射角θ、測定対象物の移動速度をｖ、測定対象物の移動方向をａ、第１のレーザ光および第２のレーザ光が測定対象物の移動方向となす角をＡ、Ｂとしたとき、レーザ光Ｌ１の光路方向の速度成分ｖ１とレーザ光Ｌ２の光路方向の速度成分ｖ２とを式（１）、（２）から求め、角Ａと角Ｂの関係を式（３）から求め、角度ａと角度Ａの関係を式（４）から求め、式（１）と（２）から式（５）を求め、式（３）から式（６）を求め、式（５）と（６）から式（７）を求め、式（１）と（７）から式（８）を求め、式（４）と（７）から式（９）を求める、請求項１ないし３いずれか１つに記載の計測装置。
【数９】
【請求項５】
面発光型半導体レーザ素子は、基板と、基板上に形成された第１導電型の下部半導体多層反射膜と、活性領域と、活性領域上に形成された第２導電型の上部半導体多層反射膜、上部半導体多層反射膜上に形成された電極層とを含み、前記電極層には、１次モードの第１および第２のレーザ光を出射する出射窓が形成され、当該出射窓には０次モードのレーザ光を遮蔽する遮蔽部が形成されている、請求項１に記載の計測装置。
【請求項６】
面発光型半導体レーザ素子は、基板と、基板上に形成された第１導電型の下部半導体多層反射膜と、活性領域と、活性領域上に形成された第２導電型の上部半導体多層反射膜、上部半導体多層反射膜上に形成された電極層とを含み、電極層には、１次モードの第１および第２のレーザ光を出射する出射窓が形成され、当該出射窓内の露出された上部半導体多層膜反射膜には０次モードのレーザ光の出射を抑制する溝が形成されている、請求項１に記載の計測装置。
【請求項７】
面発光型半導体レーザ素子は、８５０ｎｍの波長の第１および第２のレーザ光を出射し、第１および第２のレーザ光は、測定対象物として血液中のヘモグロビンを照射し、前記算出手段は、血液の速度を算出する、請求項１に記載の計測装置。
【請求項８】
前記算出手段により算出された血液の速度を表示する表示部を有する、請求項７に記載の血流計測装置。
【請求項１】
光軸から複数のレーザ光を出射する１次あるいは高次のシングルモードの面発光型半導体レーザ素子と、
前記面発光型半導体レーザ素子を駆動する駆動手段と、
前記面発光型半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を測定対象物に照射したとき、測定対象物の戻り光によって生じる電気信号を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された電子信号に基づき少なくとも測定対象物の移動方向を算出する算出手段と、
を有する計測装置。
【請求項２】
前記検出手段は、面発光型半導体レーザ素子のインピーダンス変化に対応する前記電気信号を検出する、請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記検出手段は、前記検出された電気信号から、第１および第２のレーザ光に対応する光強度の変動を表す周波数成分を分析する分析手段を含み、前記算出手段は、分析された周波数成分に基づき測定対象物の速度を算出する、請求項１に記載の計測装置。
【請求項４】
前記算出手段は、第１および第２のレーザ光のそれぞれの放射角θ、測定対象物の移動速度をｖ、測定対象物の移動方向をａ、第１のレーザ光および第２のレーザ光が測定対象物の移動方向となす角をＡ、Ｂとしたとき、レーザ光Ｌ１の光路方向の速度成分ｖ１とレーザ光Ｌ２の光路方向の速度成分ｖ２とを式（１）、（２）から求め、角Ａと角Ｂの関係を式（３）から求め、角度ａと角度Ａの関係を式（４）から求め、式（１）と（２）から式（５）を求め、式（３）から式（６）を求め、式（５）と（６）から式（７）を求め、式（１）と（７）から式（８）を求め、式（４）と（７）から式（９）を求める、請求項１ないし３いずれか１つに記載の計測装置。
【数９】
【請求項５】
面発光型半導体レーザ素子は、基板と、基板上に形成された第１導電型の下部半導体多層反射膜と、活性領域と、活性領域上に形成された第２導電型の上部半導体多層反射膜、上部半導体多層反射膜上に形成された電極層とを含み、前記電極層には、１次モードの第１および第２のレーザ光を出射する出射窓が形成され、当該出射窓には０次モードのレーザ光を遮蔽する遮蔽部が形成されている、請求項１に記載の計測装置。
【請求項６】
面発光型半導体レーザ素子は、基板と、基板上に形成された第１導電型の下部半導体多層反射膜と、活性領域と、活性領域上に形成された第２導電型の上部半導体多層反射膜、上部半導体多層反射膜上に形成された電極層とを含み、電極層には、１次モードの第１および第２のレーザ光を出射する出射窓が形成され、当該出射窓内の露出された上部半導体多層膜反射膜には０次モードのレーザ光の出射を抑制する溝が形成されている、請求項１に記載の計測装置。
【請求項７】
面発光型半導体レーザ素子は、８５０ｎｍの波長の第１および第２のレーザ光を出射し、第１および第２のレーザ光は、測定対象物として血液中のヘモグロビンを照射し、前記算出手段は、血液の速度を算出する、請求項１に記載の計測装置。
【請求項８】
前記算出手段により算出された血液の速度を表示する表示部を有する、請求項７に記載の血流計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−１６０１１７（Ｐ２０１０−１６０１１７Ａ）
【公開日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３９７６（Ｐ２００９−３９７６）
【出願日】平成２１年１月９日（２００９．１．９）
【出願人】（０００００５４９６）富士ゼロックス株式会社 (21,908)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月９日（２００９．１．９）
【出願人】（０００００５４９６）富士ゼロックス株式会社 (21,908)
【Ｆターム（参考）】
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