WO2019017245A1 - Optical device - Google Patents
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Abstract
[Problem] To provide an optical device capable of obtaining a uniform amount of reflection light. [Solution] An optical device (1) comprises: a light source (2) in which the wavelength of laser light emitting therefrom can be changed; a scanning unit (5) that scans a predetermined range by diffracting the laser light according to the wavelength thereof; and a light reception element (7) that receives reflection light resulting from the laser light having been scanned by the scanning unit (5) and reflected by an object (100). The optical device (1) further comprises: an efficiency database (9) in which a diffraction efficiency corresponding to the wavelength of the scanning unit (5) is set; and a control unit (8) that controls the output of laser light to be emitted from the light source (2) on the basis of the diffraction efficiency set in the efficiency database (9) such that the reception light intensity of the reflection light received by the light reception element (7) becomes constant.
Description
本発明は、出射した光が対象物で反射した反射光を受光する光学装置に関する。
The present invention relates to an optical device that receives reflected light obtained by reflecting emitted light from an object.
従来、光を対象物に照射して、反射した光が戻ってくるまでの往復の時間を基に対象物までの距離を測定する装置が実用化されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been put into practical use an apparatus that irradiates light onto an object and measures the distance to the object based on the round-trip time until the reflected light returns.
この種の装置では、光を対象物に照射する際に所定の範囲を走査するためＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーやガルバノミラーなどの可動ミラーが用いられることが多い。しかしながら、可動ミラーにより光を走査する方式は、光を走査する範囲を大きくするほどミラーを動かす量も大きくなり、装置の信頼性や発熱、振動などの点で問題が発生する場合がある。また、ＭＥＭＳミラーの場合、その反射面の大きさが大きくなるほど製作難易度が増すという問題もある。
In this type of apparatus, a movable mirror such as a micro electro mechanical systems (MEMS) mirror or a galvano mirror is often used to scan a predetermined range when irradiating light onto an object. However, in the method of scanning light with a movable mirror, the amount of moving the mirror increases as the range of light scanning increases, and problems may occur in terms of device reliability, heat generation, and vibration. In the case of the MEMS mirror, there is also a problem that the degree of difficulty in manufacturing increases as the size of the reflecting surface increases.
特許文献１には、レーザ光の波長を変化させることにより回折格子の回折角を変化させてレーザ光の走査をすることが記載されている。
Patent Document 1 describes that the laser light is scanned by changing the diffraction angle of the diffraction grating by changing the wavelength of the laser light.
特許文献１に記載の発明では、可動部品を使用せずにレーザ光を走査することができる。しかしながら、受光素子や回折格子等の光学部品は一般的に波長により受光感度や回折効率等の光の利用効率が異なることが知られている。そのため、特許文献１の構成では対象物に対して照射されるレーザ光の光量が波長によって変化してしまうため、その反射光の光量も波長により変化してしまう。
In the invention described in Patent Document 1, the laser beam can be scanned without using a movable part. However, it is known that optical components such as light receiving elements and diffraction gratings generally have different utilization efficiencies of light such as light receiving sensitivity and diffraction efficiency depending on wavelengths. Therefore, in the configuration of Patent Document 1, the light amount of the laser beam irradiated to the target changes depending on the wavelength, so the light amount of the reflected light also changes depending on the wavelength.
したがって、特許文献１に記載の発明では、出射光の反射光の光量を均一に得ることができないという問題があった。
Therefore, in the invention described in Patent Document 1, there is a problem that the light quantity of the reflected light of the outgoing light can not be obtained uniformly.
本発明が解決しようとする課題としては、上述したような出射光の反射光の光量を均一に得ることができないことが一例として挙げられる。
One of the problems to be solved by the present invention is that the light amount of the reflected light of the outgoing light as described above can not be obtained uniformly.
上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、出射光の波長を変化させることができる出射部と、照射された前記出射光を、その波長に応じた方向に導く第１光学素子と、前記出射光の波長を変化させることで、前記第１光学素子を介した前記出射光で所定の範囲を走査させる制御手段と、走査された前記出射光が対象物で反射した反射光を受光する受光部と、を有する光学装置であって、前記制御手段は、前記第１光学素子を含む光学系を通過する光の波長に応じた利用効率に基づいて、前記出射部から出射する前記出射光の光量を制御することを特徴としている。
The invention according to claim 1 made in order to solve the above-mentioned problems comprises: an emitting part capable of changing the wavelength of the emitted light; and a first for guiding the emitted light emitted in a direction according to the wavelength An optical element, a control means for scanning a predetermined range with the outgoing light through the first optical element by changing the wavelength of the outgoing light, and a reflection when the scanned outgoing light is reflected by the object An optical device having a light receiving portion for receiving light, wherein the control means emits light from the light emitting portion based on utilization efficiency according to the wavelength of light passing through an optical system including the first optical element. And controlling the light amount of the emitted light.
以下、本発明の一実施形態にかかる光学装置を説明する。本発明の一実施形態にかかる光学装置は、出射光の波長を変化させることができる出射部と、照射された出射光を、その波長に応じた方向に導く第１光学素子と、出射光の波長を変化させることで、第１光学素子を介した出射光で所定の範囲を走査させる制御手段と、走査された出射光が対象物で反射した反射光を受光する受光部と、を有している。そして、制御手段は、光学素子を含む光学系を通過する光の波長に応じた利用効率に基づいて、出射部から出射する出射光の光量を制御している。このようにすることにより、光の波長に応じた利用効率に基づいて出射部から出射するため、出射部からの出射光の波長に関わらず、出射部から出射される出射光が対象物に反射した反射光を受光した受光部から一定の出力が得られるようにすることができる。
Hereinafter, an optical device according to an embodiment of the present invention will be described. An optical device according to an embodiment of the present invention includes: an emitting unit capable of changing a wavelength of emitted light; a first optical element for guiding emitted emitted light in a direction according to the wavelength; It has control means for scanning a predetermined range with the outgoing light through the first optical element by changing the wavelength, and a light receiving unit for receiving the reflected light that is reflected by the scanned outgoing light from the object. ing. Then, the control means controls the light amount of the outgoing light emitted from the outgoing part based on the utilization efficiency according to the wavelength of the light passing through the optical system including the optical element. In this way, since the light is emitted from the light emission unit based on the utilization efficiency according to the wavelength of light, the light emitted from the light emission unit is reflected to the object regardless of the wavelength of the light emitted from the light emission unit. It is possible to obtain a constant output from the light receiving unit that has received the reflected light.
また、受光部は受光する光の強度に応じた信号を出力し、制御手段は、所定距離にある対象物による反射光を受光した受光部が出力する信号が、走査のための出射光の波長の変化によっても変化しないよう出射部から出射する出射光の光量を制御するようにしてもよい。このようにすることにより、走査のために出射光の波長が変化しても受光部が出力する信号が一定になるように出射光の光量を制御することができる。
Further, the light receiving unit outputs a signal according to the intensity of the light to be received, and the control means outputs a signal output from the light receiving unit having received the reflected light by the object at a predetermined distance as the wavelength of the outgoing light for scanning The light amount of the emitted light emitted from the emitting unit may be controlled so as not to change even by the change of. By doing this, it is possible to control the light amount of the emitted light so that the signal output from the light receiving unit becomes constant even if the wavelength of the emitted light changes for scanning.
また、制御手段によって走査される出射光の少なくとも一部を反射光として反射させる第２光学素子を有し、制御手段は、反射光を受光した受光素子からの信号に基づき、出射光の光量を制御してもよい。このようにすることにより、一部の反射光に基づいて光の波長に応じた利用効率を得ることができるため、その利用効率に基づいて出射部から出射する出射光の光量を制御することができる。
The control unit further includes a second optical element that reflects at least a part of the emitted light scanned by the control unit as the reflected light, and the control unit controls the light amount of the emitted light based on the signal from the light receiving element that has received the reflected light. You may control. By doing this, it is possible to obtain the utilization efficiency according to the wavelength of light based on a part of the reflected light, so controlling the light quantity of the emission light emitted from the emission part based on the utilization efficiency it can.
また、第１光学素子の波長に応じた回折効率が設定されている設定部を有し、設定部に設定された回折効率に基づいて光量を制御してもよい。このようにすることにより、予め設定された回折光率に基づいて光量を制御できるため、光の波長に応じた利用効率を測定等する手段等を備える必要がない。
The light amount may be controlled based on the diffraction efficiency set in the setting unit, and the setting unit may have the diffraction efficiency set in accordance with the wavelength of the first optical element. By doing so, the light amount can be controlled based on the preset diffracted light rate, and therefore, it is not necessary to provide a means etc. for measuring the utilization efficiency according to the wavelength of light.
また、設定部には、受光部の波長に応じた受光感度が設定されており、制御手段は、回折効率及び受光感度に基づいて光量を制御してもよい。このようにすることにより、受光部の感度も考慮して出射光の光量を制御することができる。したがって、受光部から一定の出力が得られるように出射光の光量を制御することができる。
Further, in the setting unit, the light receiving sensitivity is set according to the wavelength of the light receiving unit, and the control unit may control the light amount based on the diffraction efficiency and the light receiving sensitivity. By doing this, it is possible to control the light quantity of the emitted light in consideration of the sensitivity of the light receiving part. Therefore, the light amount of the emitted light can be controlled so that a constant output can be obtained from the light receiving unit.
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学装置を有し、出射光の出射から、受光部による出射光の受光までに要した時間に基づき、対象物までの距離を測定する距離測定装置としてもよい。このようにすることにより、距離測定装置において、反射光を確実に受光することができ、距離の測定精度を向上させることができる。
A distance measurement which comprises the optical device according to any one of claims 1 to 5 and measures a distance to an object based on a time taken from emission of emitted light to light reception of emitted light by the light receiving unit. It may be an apparatus. By doing this, in the distance measuring device, the reflected light can be reliably received, and the distance measurement accuracy can be improved.
本発明の第１の実施例にかかる光学装置を図１～図４を参照して説明する。本実施例にかかる光学装置１は、図１に示したように、光源２と、レンズ３と、ビームスプリッタ４と、走査部５と、集光レンズ６と、受光素子７と、制御部８と、効率データベース９と、を備えている。
An optical apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4. As shown in FIG. 1, the optical device 1 according to the present embodiment includes the light source 2, the lens 3, the beam splitter 4, the scanning unit 5, the condensing lens 6, the light receiving element 7, and the control unit 8. And an efficiency database 9.
出射部としての光源２は、後述する走査部５が走査する範囲に応じた波長範囲で、出射するレーザ光の波長を変化させることができる波長可変光源で構成されている。なお、波長可変光源としては、周知のリトロー型外部共振器やリットマン型外部共振器を用いたものが挙げられるが、他の方式でもよく特に限定されない。また、光源２は、レーザ光をパルス光として間欠的に出射（照射）する。
The light source 2 as the emitting unit is configured of a variable-wavelength light source capable of changing the wavelength of the emitted laser beam in a wavelength range corresponding to the range scanned by the scanning unit 5 described later. Examples of the variable-wavelength light source include those using well-known Littrow external resonators and Littman external resonators, but other methods may be used without particular limitation. Further, the light source 2 intermittently emits (irradiates) laser light as pulse light.
レンズ３は、光源２から出射されたレーザ光を緩い収束光にする。ビームスプリッタ４は、レンズ３で平行光にされたレーザ光を走査部５へ出力し、且つ走査部５で反射された後述する反射光を集光レンズ６へ向けて反射する。
The lens 3 turns the laser beam emitted from the light source 2 into loose convergent light. The beam splitter 4 outputs the laser light collimated by the lens 3 to the scanning unit 5 and reflects the later-described reflected light reflected by the scanning unit 5 toward the condensing lens 6.
走査部５は、回折格子で構成されている。走査部５は、照射された出射光を、その波長に応じた方向に導く第１光学素子となる。走査部５は、ビームスプリッタ４を透過したレーザ光をそのレーザ光の波長に応じた回折角で回折させ、回折させる方向が連続的に変化されることで、対象物１００が存在する所定の領域を水平方向走査することができる。また、走査部５は、対象物１００で反射した反射光等が入射し、その反射光を波長に応じた回折角で回折させてビームスプリッタ４へ出力する。
The scanning unit 5 is configured of a diffraction grating. The scanning unit 5 serves as a first optical element that guides the emitted light in the direction according to the wavelength. The scanning unit 5 diffracts the laser beam transmitted through the beam splitter 4 at a diffraction angle according to the wavelength of the laser beam, and the direction in which the laser beam is diffracted is continuously changed, whereby a predetermined region where the object 100 exists Can be scanned horizontally. Further, the scanning unit 5 receives the reflected light or the like reflected by the object 100, diffracts the reflected light at a diffraction angle corresponding to the wavelength, and outputs the light to the beam splitter 4.
また、走査部５を構成する回折格子は、本実施例では、鋸歯状の溝形状を有するブレーズド回折格子を使用する。ブレーズド回折格子により＋１次光の回折効率を理論上１００％とすることが出来るため、ブレーズド回折格子の使用が望ましい。また、本実施例では、反射型の回折格子で説明するが、透過型の回折格子であってもよい。
Further, in the present embodiment, a blazed diffraction grating having a sawtooth-like groove shape is used as the diffraction grating that constitutes the scanning unit 5. The use of a blazed diffraction grating is desirable because the diffraction efficiency of + 1st order light can be theoretically made 100% by the blazed diffraction grating. Further, in the present embodiment, although a reflection type diffraction grating is described, a transmission type diffraction grating may be used.
集光レンズ６は、ビームスプリッタ４と受光素子７との間に設けられ、ビームスプリッタ４で反射された反射光を受光素子７へ集光する。
The condensing lens 6 is provided between the beam splitter 4 and the light receiving element 7 and condenses the reflected light reflected by the beam splitter 4 onto the light receiving element 7.
受光部としての受光素子７は、集光レンズ６で集光された反射光を受光する。受光素子７は、例えばアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）により構成されている。受光素子７は、受光した光の強度に応じた値となる信号（受光強度）を出力する。
The light receiving element 7 as a light receiving unit receives the reflected light collected by the collecting lens 6. The light receiving element 7 is configured of, for example, an avalanche photodiode (APD). The light receiving element 7 outputs a signal (light receiving intensity) having a value corresponding to the intensity of the received light.
制御手段としての制御部８は、走査部５の走査おける、レーザ光の照射方向に応じて光源２の出射するレーザ光の波長を順次変化させる。このようにレーザ光の波長を変化させることで、走査部５を介したレーザ光で所定の範囲を走査させている。また、制御部８は、効率データベース９に設定された走査部５を構成する回折格子の波長ごとの回折効率及び受光素子７の波長ごとの受光感度に基づいて光源２の出射するレーザ光の出力（光量）を変化させる。
The control unit 8 as the control means sequentially changes the wavelength of the laser beam emitted from the light source 2 according to the irradiation direction of the laser beam in the scanning of the scanning unit 5. By changing the wavelength of the laser beam as described above, the laser beam passing through the scanning unit 5 scans the predetermined range. Further, the control unit 8 outputs the laser beam emitted from the light source 2 based on the diffraction efficiency for each wavelength of the diffraction grating that configures the scanning unit 5 set in the efficiency database 9 and the light reception sensitivity for each wavelength of the light receiving element 7. (Light intensity) is changed.
設定部としての効率データベース９は、走査部５を構成する回折格子の波長ごとの回折効率及び受光素子７の波長ごとの受光感度が予め設定されている。この効率データベース９には、回折格子や受光素子の種類（メーカ名や品番等）ごとに前記した回折効率や受光感度が設定されているが、少なくとも、光学装置に現実に使用されている回折格子及び受光素子７にのみ対応する回折効率や受光感度が設定されていればよい。この回折格子の回折効率や受光素子７の受光感度はこれらの部品における光の波長に応じた利用効率を示すものである。
In the efficiency database 9 as the setting unit, the diffraction efficiency for each wavelength of the diffraction grating constituting the scanning unit 5 and the light receiving sensitivity for each wavelength of the light receiving element 7 are set in advance. Although the above-mentioned diffraction efficiency and light receiving sensitivity are set in the efficiency database 9 for each type of the diffraction grating and the light receiving element (manufacturer name, part number, etc.), at least the diffraction grating actually used in the optical device The diffraction efficiency and the light reception sensitivity corresponding to only the light receiving element 7 may be set. The diffraction efficiency of the diffraction grating and the light receiving sensitivity of the light receiving element 7 indicate the utilization efficiency according to the wavelength of light in these parts.
制御部８は、光学装置１の初期設定時に部品として用いられている回折格子や受光素子の品番等を指定して効率データベース９から読み出すことで、レーザ光の反射光を受光した受光素子７からの出力が一定になるように光源２から出力するレーザ光の出力を制御する。すなわち、光源２から一定の光量のレーザ光を照射していたのでは、回折格子によるレーザ光の減衰や受光素子の受光感度の影響で受光素子からの出力が変動してしまうので、これらの影響を考慮してレーザ光の出力を適宜制御することで、受光素子７からの出力が一定となるよう、光源２から出力するレーザ光の出力を制御するのである。
The control unit 8 designates part numbers of diffraction gratings and light receiving elements used as parts at the time of initial setting of the optical device 1 and reads out from the efficiency database 9 from the light receiving element 7 receiving the reflected light of the laser light. The output of the laser beam output from the light source 2 is controlled so that the output of the light source 2 becomes constant. That is, when the laser light of a constant light quantity is irradiated from the light source 2, the output from the light receiving element fluctuates due to the influence of the attenuation of the laser light by the diffraction grating and the light receiving sensitivity of the light receiving element. By appropriately controlling the output of the laser light in consideration of the above, the output of the laser light output from the light source 2 is controlled so that the output from the light receiving element 7 becomes constant.
なお、効率データベース９は、光学装置１が有しなくてもよい。例えば光学装置１の製造メーカ等の事業所等に効率データベース９が構築されたコンピュータ等を設置し、逐次新規の回折格子や受光素子の仕様を追加することができるようにする。そして、設定部としては制御部８内のメモリ等の記憶手段に記憶させ、設計時に効率データベース９を構成するコンピュータ等からその光学装置１に対応する部品の回折効率や受光感度をダウンロードして設定するようにしてもよい。
The efficiency database 9 may not be included in the optical device 1. For example, a computer or the like on which the efficiency database 9 is constructed is installed at a business office or the like of a manufacturer of the optical device 1 so that specifications of new diffraction gratings and light receiving elements can be sequentially added. Then, the setting unit is stored in storage means such as a memory in the control unit 8, and at the time of design, the diffraction efficiency and light receiving sensitivity of the parts corresponding to the optical device 1 are downloaded and set from a computer etc. You may do it.
次に、上述した構成の光学装置１における動作について図２及び図３を参照して説明する。図２は図１の平面図である。
Next, the operation of the optical device 1 configured as described above will be described with reference to FIGS. 2 and 3. FIG. 2 is a plan view of FIG.
まず、光源２からパルス状に出射したレーザ光はレンズ３により緩い収束光とされ、走査部５（回折格子）により光学装置１の外部に向けて照射するように回折される。ここで、溝間隔ｐの回折格子に波長λ0の単色光（レーザ光）を角度θ1の方向から入射させたときの回折角θ2は次の（１）式で表される。
First, the laser light emitted in a pulse form from the light source 2 is converted to a loose convergent light by the lens 3 and is diffracted by the scanning unit 5 (diffraction grating) so as to irradiate the outside of the optical device 1. Here, when a monochromatic light (laser light) of wavelength λ 0 is made incident on the diffraction grating with groove spacing p from the direction of angle θ 1 , the diffraction angle θ 2 is expressed by the following equation (1).
したがって、光学装置１からの投光時は、光源２から出射するレーザ光の波長を変化させることにより回折角が変化し、対象物１００が存在する領域に向けて照射されるビームスポットの位置が変化する。例えば、図３の投光時の場合、波長λminからλmaxまで（或いはλmaxからλminまで）連続的に波長を変化させることで対象物１００上の所定の領域を走査することができる。
Therefore, when projecting from the optical device 1, the diffraction angle changes by changing the wavelength of the laser beam emitted from the light source 2, and the position of the beam spot irradiated toward the region where the object 100 exists is Change. For example, in the case of light projection in FIG. 3, a predetermined region on the object 100 can be scanned by continuously changing the wavelength from the wavelength λ min to λ max (or from λ max to λ min ) .
対象物１００で反射（散乱）したレーザ光の反射光は走査部５（回折格子）に入射する。入射したレーザ光の回折角は光源２から出射したレーザ光の入射角と同じθ1になる（図３の受光時を参照）。そして、ビームスプリッタ４で反射されたレーザ光の反射光は、レンズ６により受光素子７上に集光される。
The reflected light of the laser beam reflected (scattered) by the object 100 is incident on the scanning unit 5 (diffraction grating). The diffraction angle of the incident laser light is θ 1 which is the same as the incident angle of the laser light emitted from the light source 2 (see the time of light reception in FIG. 3). The reflected light of the laser light reflected by the beam splitter 4 is condensed on the light receiving element 7 by the lens 6.
本実施例では、光源２の波長を変化させることによる回折角の変化でレーザ光により所定の領域を走査しているが、回折格子の回折効率や受光素子７の受光感度は波長によって異なることが知られている。したがって、前述したように一定の光量（出力）でレーザ光を照射すれば、レーザ光を照射する方向（回折角）によって回折格子から出射する光の光量が変化し、結果的に反射光の光量が大きく変化してしまう。また、レーザ光を照射する方向によっては受光素子７からの信号の出力も変化してしまう。そこで、本実施例では、予め回折効率や受光感度の情報を設定しておき、それに基づき波長ごとにレーザ光の出力（光量）を変化させることで、レーザ光を照射する方向（レーザ光の波長）によらず受光素子７において一定の出力が得られるようにした。
In this embodiment, the predetermined area is scanned with the laser light by the change of the diffraction angle by changing the wavelength of the light source 2, but the diffraction efficiency of the diffraction grating and the light receiving sensitivity of the light receiving element 7 may differ depending on the wavelength. Are known. Therefore, as described above, when the laser light is irradiated with a constant light amount (output), the light amount of light emitted from the diffraction grating changes depending on the direction (diffraction angle) of the laser light irradiation, and as a result, the light amount of reflected light Changes greatly. In addition, the output of the signal from the light receiving element 7 also changes depending on the direction in which the laser light is irradiated. Therefore, in the present embodiment, information on the diffraction efficiency and the light receiving sensitivity is set in advance, and the output (light amount) of the laser light is changed for each wavelength based on the information (wavelength of the laser light) In the light receiving element 7, a constant output can be obtained regardless of.
波長λにおける回折効率をη（λ）、受光感度をＱ（λ）とし、Ａを予め算出される比例定数とすると、光源２の出力ＰＷは次の（２）式で表すことができる。
Assuming that the diffraction efficiency at the wavelength λ is η (λ), the light receiving sensitivity is Q (λ), and A is a proportional constant calculated in advance, the output PW of the light source 2 can be expressed by the following equation (2).
この回折効率η（λ）や受光感度Ｑ（λ）は、回折格子や受光素子７の仕様書等から取得すればよい。制御部８は、このようにして得た回折光率η（λ）や受光感度Ｑ（λ）に基づいて上記（２）式により光源２の出力ＰＷを算出して光源２を制御する。
The diffraction efficiency η (λ) and the light receiving sensitivity Q (λ) may be acquired from the specification of the diffraction grating or the light receiving element 7 or the like. The control unit 8 controls the light source 2 by calculating the output PW of the light source 2 by the above equation (2) based on the diffracted light ratio η (λ) and the light receiving sensitivity Q (λ) thus obtained.
また、仕様書等を入手できない場合は図４のようにして回折効率や受光感度を含む情報を取得することができる。図４は、効率データベース９に登録する情報を取得するために所定の距離に置かれた標準反射板５０からの戻り光を計測する構成を示している。この場合の標準反射板５０はランバート標準反射板を用いるのが望ましい。このとき、光源２の出力は一定として、波長を変化させながらレーザ光を出力し、受光素子７で受光される光量レベルを測定する。すると、走査部５（回折格子）、受光素子７を含む光路中の全ての光学素子の波長に応じた光の利用効率が得られる。この光の波長に応じた利用効率を効率データベース９に設定して利用すればよい。即ち、この光の波長に応じた利用効率は上記した回折格子の回折効率や受光素子７の受光感度を含むものとなる。
In addition, when a specification sheet or the like can not be obtained, information including diffraction efficiency and light reception sensitivity can be obtained as shown in FIG. FIG. 4 shows a configuration for measuring the return light from the standard reflector 50 placed at a predetermined distance in order to obtain information to be registered in the efficiency database 9. As the standard reflector 50 in this case, it is desirable to use a Lambert standard reflector. At this time, while the output of the light source 2 is constant, the laser light is output while changing the wavelength, and the light amount level received by the light receiving element 7 is measured. Then, the utilization efficiency of light according to the wavelengths of all the optical elements in the optical path including the scanning unit 5 (diffraction grating) and the light receiving element 7 can be obtained. The utilization efficiency corresponding to the wavelength of light may be set in the efficiency database 9 and used. That is, the utilization efficiency according to the wavelength of the light includes the diffraction efficiency of the diffraction grating described above and the light receiving sensitivity of the light receiving element 7.
本実施例によれば、光学装置１は、レーザ光の波長を変化させることができる光源２と、レーザ光をその波長に応じて回折させることで所定の範囲を走査する走査部５と、走査部５が走査したレーザ光が対象物１００で反射した反射光を受光する受光素子７と、を有している。更に、走査部５の波長に応じた回折効率が設定されている効率データベース９と、効率データベース９に設定された回折効率に基づいて受光素子７で受光される反射光の受光強度が一定になるように、光源２から出射されるレーザ光の出力を制御する制御部８と、を有している。このようにすることにより、予め設定された走査部５を構成する回折格子の回折効率に基づいて受光素子７で受光される反射光の受光強度が一定となる（すなわち受光素子７から一定の出力が得られる）ように光源２から出射されるレーザ光の出力を制御できる。そのため、光源２からのレーザ光の波長に関わらず、光源２から出射されるレーザ光が対象物１００に反射した反射光を受光した受光素子７から一定の出力が得られるようにすることができる。
According to this embodiment, the optical device 1 includes the light source 2 capable of changing the wavelength of the laser light, the scanning unit 5 that scans the predetermined range by diffracting the laser light according to the wavelength, and the scanning The laser beam which the part 5 scanned has the light receiving element 7 which light-receives the reflected light reflected in the target object 100. Furthermore, the light reception intensity of the reflected light received by the light receiving element 7 becomes constant based on the efficiency database 9 in which the diffraction efficiency according to the wavelength of the scanning unit 5 is set and the diffraction efficiency set in the efficiency database 9 As described above, the controller 8 controls the output of the laser beam emitted from the light source 2. By doing this, the light reception intensity of the reflected light received by the light receiving element 7 becomes constant based on the diffraction efficiency of the diffraction grating that configures the scanning unit 5 set in advance (that is, constant output from the light receiving element 7) The output of the laser beam emitted from the light source 2 can be controlled so that Therefore, regardless of the wavelength of the laser light from the light source 2, it is possible to obtain a constant output from the light receiving element 7 that has received the reflected light that the laser light emitted from the light source 2 reflects on the object 100 .
また、効率データベース９には受光素子７の波長に応じた受光感度が設定されており、制御部８は、回折効率及び受光感度に基づいて出力を制御している。このようにすることにより、受光素子７を構成する素子の感度も考慮してレーザ光の出力を制御することができる。したがって、受光素子７から一定の出力が得られるようにレーザ光の出力を制御することができる。
Further, in the efficiency database 9, the light receiving sensitivity according to the wavelength of the light receiving element 7 is set, and the control unit 8 controls the output based on the diffraction efficiency and the light receiving sensitivity. By doing this, it is possible to control the output of the laser light in consideration of the sensitivity of the element constituting the light receiving element 7. Therefore, the output of the laser beam can be controlled so that a constant output can be obtained from the light receiving element 7.
なお、本実施例では回折格子の回折効率及び受光素子７の受光感度の両方を考慮してレーザ光の出力を制御する例を示したが、回折格子の回折効率及び受光素子７の受光感度のうち、少なくともいずれか一方のみを考慮する構成としても良い。
In the present embodiment, an example is shown in which the output of laser light is controlled in consideration of both the diffraction efficiency of the diffraction grating and the light reception sensitivity of the light receiving element 7, but the diffraction efficiency of the diffraction grating and the light reception sensitivity of the light reception element 7 Of these, at least one of them may be considered.
また、本光学装置は対象物までの距離を測定に用いることができる。すなわち、本光学装置を搭載した距離測定装置のＣＰＵ等により、光源がレーザ光を出射してから対象物１００で反射した反射光として受光素子に受光されるまでの時間を測定することで、光学装置から対象物までの距離を測定することができる。
Further, the present optical device can use the distance to the object for measurement. That is, the CPU or the like of the distance measuring device on which the optical device is mounted measures the time from when the light source emits laser light to when it is received by the light receiving element as reflected light reflected by the object 100. The distance from the device to the object can be measured.
次に、本発明の第２の実施例にかかる光学装置を図５及び図６を参照して説明する。なお、前述した第１の実施例と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。
Next, an optical apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 5 and FIG. The same parts as those of the first embodiment described above are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
本実施例にかかる光学装置１Ａは、図５に示したように、光源２と、レンズ３と、ビームスプリッタ４と、走査部５と、集光レンズ６と、受光素子７と、制御部８Ａと、半透過部材１３と、を備えている。
As shown in FIG. 5, an optical device 1A according to the present embodiment includes a light source 2, a lens 3, a beam splitter 4, a scanning unit 5, a focusing lens 6, a light receiving element 7, and a control unit 8A. And the semi-transmissive member 13.
光源２と、レンズ３と、ビームスプリッタ４と、走査部５と、集光レンズ６と、受光素子７は、第１の実施例と同様である。
The light source 2, the lens 3, the beam splitter 4, the scanning unit 5, the condenser lens 6, and the light receiving element 7 are the same as those in the first embodiment.
制御部８Ａは、走査部５の走査におけるレーザ光の照射方向に応じて、光源２の出射するレーザ光の波長を順次変化させる。また、制御部８Ａは、半透過部材１３で反射され、ビームスプリッタ４及び集光レンズ６を経て受光素子７で受光された光の受光強度に基づいて光源２の出射するレーザ光の出力を変化させる。
The control unit 8A sequentially changes the wavelength of the laser beam emitted from the light source 2 in accordance with the irradiation direction of the laser beam in the scanning of the scanning unit 5. Further, the control unit 8A changes the output of the laser beam emitted from the light source 2 based on the light receiving intensity of the light reflected by the semi-transmissive member 13 and received by the light receiving element 7 through the beam splitter 4 and the condenser lens 6. Let
第２光学素子としての半透過部材１３は、光の反射率が非常に小さくなっており、走査部５で対象物１００に向けて回折されたレーザ光の殆どを透過し、レーザ光のうち一部のごく僅かな光だけを反射する（分光する）。半透過部材１３は、波長による反射率が照射位置に関わらず一定であるものが望ましく保護カバーなどとして利用してもよい。
The semi-transmissive member 13 as the second optical element has a very low light reflectance, transmits most of the laser light diffracted toward the object 100 by the scanning unit 5, and one of the laser light Reflects (splits) only a very small amount of light from parts. The semi-transmissive member 13 desirably has a constant reflectance due to the wavelength regardless of the irradiation position, and may be used as a protective cover or the like.
本実施例における光源２の制御について図６を参照して説明する。図６上段は、光源２が出射したレーザ光の光量と時間との関係を示した図であり、図６下段は、図６上段で出射されたレーザ光が半透過部材１３で反射された反射光及び対象物１００で反射された反射光と時間との関係を示した図である。
Control of the light source 2 in the present embodiment will be described with reference to FIG. The upper part of FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the light amount of the laser beam emitted from the light source 2 and time, and the lower part of FIG. 6 is a reflection of the laser beam emitted in the upper part of FIG. FIG. 2 is a diagram showing the relationship between light and reflected light reflected by an object 100 and time.
まず、図６上段に示したように、時刻ｔ１において、光源２は、レーザ光をパルス光として対象物１００へ向けて投光する。すると、半透過部材１３で反射されたレーザ光の一部が、走査部５、ビームスプリッタ４、集光レンズ６を経て、時刻ｔ１直後の時刻ｔ２において受光素子７で受光される（以下、このとき受光素子７で受光された光を反射光１とする）。
First, as shown in the upper part of FIG. 6, at time t1, the light source 2 emits laser light as pulsed light toward the object 100 as light. Then, a part of the laser beam reflected by the semi-transmissive member 13 passes through the scanning unit 5, the beam splitter 4 and the condenser lens 6, and is received by the light receiving element 7 at time t2 immediately after time t1 The light received by the light receiving element 7 is referred to as the reflected light 1).
一方、半透過部材１３で反射されなかったレーザ光は、対象物１００で反射され、走査部５、ビームスプリッタ４、集光レンズ６を経て、時刻ｔ２より後の時刻ｔ４において、受光素子７で受光される（以下、このとき受光素子７で受光された光を反射光２とする）。
On the other hand, the laser beam not reflected by the semi-transmissive member 13 is reflected by the object 100, passes through the scanning unit 5, the beam splitter 4 and the condenser lens 6, and is received by the light receiving element 7 at time t4 after time t2. The light is received (hereinafter, the light received by the light receiving element 7 at this time is referred to as the reflected light 2).
反射光１はレーザ光の出射の直後に受光素子７で受光されるのに対して、反射光２は半透過部材１３の配置されている位置と比較して非常に離れた対象物１００まで往復した光であるので、反射光１に比べて長い時間経過後の時刻ｔ４において受光される。また、反射光１は、半透過部材１３で反射される光量が少ないため、受光素子７で受光する受光強度も小さくなる。
The reflected light 1 is received by the light receiving element 7 immediately after the emission of the laser light, while the reflected light 2 reciprocates to the object 100 far away from the position where the semi-transmissive member 13 is disposed. The light is received at time t4 after an elapse of a long time as compared with the reflected light 1. Further, since the amount of light reflected by the semi-transmissive member 13 is small, the intensity of light received by the light receiving element 7 is also small.
光学装置１では、レーザ光を出射した後、次のレーザ光を出射するまでの所定の時間帯（計測レンジ）に受光された反射光を対象物１００との距離の計測のために使用する。この時間帯は光学装置１が計測しようとする距離の範囲に応じて予め設定されているが、図６下段の時刻ｔ３～ｔ５に示したように、半透過部材１３からの反射光が観測されるようなレーザ光の出射直後の時間帯は通常計測レンジに設定されない。
In the optical device 1, the reflected light received in a predetermined time zone (measurement range) from the emission of the laser beam to the emission of the next laser beam is used to measure the distance to the object 100. Although this time zone is preset according to the range of the distance that the optical device 1 is to measure, the reflected light from the semi-transmissive member 13 is observed as shown at time t3 to t5 in the lower part of FIG. The time zone immediately after the emission of such laser light is not usually set to the measurement range.
そこで、レーザ光（パルス光）の出射後、計測レンジｔ３～ｔ５の間に受光される反射光２のみを光学装置１が対象物１００との距離の計測に利用し、計測レンジｔ３～ｔ５の時間帯よりも前に受光される反射光１は距離の計測を行うためには利用しないことで、この反射光１が対象物１００との距離の計測に影響しないようにできる。
Therefore, after emitting the laser light (pulsed light), the optical device 1 uses only the reflected light 2 received during the measurement range t3 to t5 for measuring the distance to the object 100, and the measurement range t3 to t5 is obtained. The reflected light 1 received before the time zone is not used to measure the distance, so that the reflected light 1 does not affect the measurement of the distance to the object 100.
一方、走査部５を構成する回折格子の波長ごとの回折効率や受光素子７の波長ごとの受光感度は、受光素子７で受光された反射光１の受光強度により取得することができる。半透過部材１３の反射率は一定となっているので、光源２から出射するレーザ光の波長を変化させることで、反射光１の受光強度が変化する場合は、走査部５や受光素子７を含む光学装置１の光学系全体の利用効率が変化したことになる。
On the other hand, the diffraction efficiency for each wavelength of the diffraction grating that constitutes the scanning unit 5 and the light reception sensitivity for each wavelength of the light receiving element 7 can be obtained by the light receiving intensity of the reflected light 1 received by the light receiving element 7. Since the reflectance of the semi-transmissive member 13 is constant, when the light reception intensity of the reflected light 1 changes by changing the wavelength of the laser light emitted from the light source 2, the scanning unit 5 or the light receiving element 7 is used. The utilization efficiency of the entire optical system of the optical device 1 including the change is changed.
そして、制御部８は、この反射光１の受光強度に基づいて、この受光強度が一定となるように光源２が出射するレーザ光の波長に応じてレーザ光の出力（光量）を制御する。
Then, based on the light reception intensity of the reflected light 1, the control unit 8 controls the output (light amount) of the laser light according to the wavelength of the laser light emitted by the light source 2 so that the light reception intensity becomes constant.
なお、半透過部材１３の反射率が位置または波長により一定でなくても、予めその反射率分布特性を測定しておき、反射光１の受光強度に対して重み付けをすることにより上記と同様に光源２が出射するレーザの出力を制御することができる。
In addition, even if the reflectance of the semi-transmissive member 13 is not constant depending on the position or the wavelength, the reflectance distribution characteristic is measured in advance, and the received light intensity of the reflected light 1 is weighted similarly to the above. The output of the laser emitted from the light source 2 can be controlled.
本実施例によれば、光学装置１は、走査部５から出射されたレーザ光の一部を走査部５へ向けて反射する半透過部材１３を有し、受光素子７は、半透過部材１３が反射した一部のレーザ光を受光する。このようにすることにより、半透過部材１３により反射された光を受光素子７が受光した受光強度によって光学装置１Ａの光学系の光の波長に応じた利用効率を得ることができる。
According to the present embodiment, the optical device 1 includes the semi-transmissive member 13 that reflects a part of the laser light emitted from the scanning unit 5 toward the scanning unit 5, and the light-receiving element 7 includes the semi-transmissive member 13. Receive some of the reflected laser light. By doing this, it is possible to obtain the utilization efficiency according to the wavelength of the light of the optical system of the optical device 1A by the light receiving intensity at which the light receiving element 7 receives the light reflected by the semitransparent member 13.
次に、本発明の第３の実施例にかかる光学装置を図７を参照して説明する。なお、前述した第１、第２の実施例と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。
Next, an optical apparatus according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The same parts as those in the first and second embodiments described above are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
本実施例にかかる光学装置１Ｂは、図７に示したように、光源２と、レンズ３と、ビームスプリッタ４と、走査部５と、集光レンズ６と、制御部８と、効率データベース９と、レンズ１０と、シリンドリカルレンズ１１と、ラインセンサ１２と、を備えている。
As shown in FIG. 7, the optical device 1B according to the present embodiment includes the light source 2, the lens 3, the beam splitter 4, the scanning unit 5, the condensing lens 6, the control unit 8, and the efficiency database 9. The lens 10, the cylindrical lens 11, and the line sensor 12 are provided.
光源２と、レンズ３と、ビームスプリッタ４と、走査部５と、集光レンズ６と、制御部８と、効率データベース９は、第１の実施例と同様である。
The light source 2, the lens 3, the beam splitter 4, the scanning unit 5, the focusing lens 6, the control unit 8, and the efficiency database 9 are the same as those in the first embodiment.
レンズ１０及びシリンドリカルレンズ１１は、光源２から出射されたレーザ光を点状から強度分布が均一な線状の光（即ち、光束断面が帯状の光であるラインビーム）にしている。即ち、光源２とレンズ１０及びシリンドリカルレンズ１１で本実施例にかかる出射部を構成している。
The lens 10 and the cylindrical lens 11 convert the laser light emitted from the light source 2 from point-like into linear light with uniform intensity distribution (that is, a line beam whose light beam cross section is band-like light). That is, the light source 2, the lens 10, and the cylindrical lens 11 constitute an emitting unit according to the present embodiment.
ラインセンサ１２は、ビームスプリッタ４で反射されるラインビームの伸長方向に沿って複数の受光素子が１列に並んで形成された受光センサである。ラインセンサ１２の各受光素子は、受光した光の受光強度を出力する。また、ラインセンサ１２は、例えば受光素子としてＡＰＤにより構成することができる。
The line sensor 12 is a light receiving sensor in which a plurality of light receiving elements are formed in a line along the extension direction of the line beam reflected by the beam splitter 4. Each light receiving element of the line sensor 12 outputs the light receiving intensity of the received light. Moreover, the line sensor 12 can be comprised by APD as a light receiving element, for example.
本実施例の光学装置１Ａは、対象物１００上にラインビームを投射し、そのラインビームにより対象物１００が存在する領域を１軸方向に走査することで対象物１００が存在する領域に向けて照射されるビームスポットの位置を時間的に変化させている。また、ラインビームの反射光をラインセンサ１２で受光することにより、ラインビームの伸長方向上の各位置における受光強度を得ている。
The optical apparatus 1A of this embodiment projects a line beam onto the object 100, and scans the area where the object 100 is present in one axis direction by the line beam toward the area where the object 100 is present. The position of the beam spot to be irradiated is temporally changed. Further, the reflected light of the line beam is received by the line sensor 12 to obtain the received light intensity at each position in the extending direction of the line beam.
本実施例においても、効率データベース９に走査部５を構成する回折格子の回折効率やラインセンサ１２の受光感度を設定することで、ラインビームの出力を波長に関わらず光量を均一にすることができる。
Also in the present embodiment, by setting the diffraction efficiency of the diffraction grating constituting the scanning unit 5 and the light receiving sensitivity of the line sensor 12 in the efficiency database 9, the light intensity of the line beam can be made uniform regardless of the wavelength. it can.
なお、図７に示した構成は、図１に示した第１の実施例に基づいてラインビームを出射するようにしているが、図５に示した第２の実施例に基づいてラインビームを出射するようにしてもよい。
Although the configuration shown in FIG. 7 emits the line beam based on the first embodiment shown in FIG. 1, the line beam is output based on the second embodiment shown in FIG. You may make it emit.
本実施例によれば、光源２、レンズ１０及びシリンドリカルレンズ１１は、光束断面が帯状であるレーザ光を出射している。このようにすることにより、走査部５が走査する方向と直交する方向にも同時に光を照射することができ、可動部を用いない構成とすることが可能となる。
According to the present embodiment, the light source 2, the lens 10 and the cylindrical lens 11 emit a laser beam having a belt-like cross section. By doing this, light can be simultaneously irradiated in the direction orthogonal to the direction in which the scanning unit 5 scans, and it becomes possible to use a configuration that does not use a movable unit.
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。即ち、当業者は、従来公知の知見に従い、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。かかる変形によってもなお本発明の光学装置の構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇に含まれるものである。
The present invention is not limited to the above embodiment. That is, those skilled in the art can carry out various modifications without departing from the gist of the present invention in accordance with conventionally known findings. As long as the configuration of the optical device of the present invention is provided even by such a modification, it is of course included in the scope of the present invention.
１、１Ａ、１Ｂ 光学装置
２ 光源（出射部）
５ 走査部（第１光学素子）
７ 受光素子（受光部）
８ 制御部（制御手段）
９ 効率データベース（設定部）
１０ レンズ（出射部）
１１ シリンドリカルレンズ（出射部）
１２ ラインセンサ（受光部）
１３ 半透過部材（第２光学素子）
１００ 対象物 1, 1A,1B Optical device 2 Light source (emission part)
5 Scanning unit (first optical element)
7 light receiving element (light receiving unit)
8 Control unit (control means)
9 Efficiency database (setting section)
10 lens (emission part)
11 Cylindrical lens (emitting part)
12 Line sensor (light receiving unit)
13 semi-transmissive member (second optical element)
100 objects
２ 光源（出射部）
５ 走査部（第１光学素子）
７ 受光素子（受光部）
８ 制御部（制御手段）
９ 効率データベース（設定部）
１０ レンズ（出射部）
１１ シリンドリカルレンズ（出射部）
１２ ラインセンサ（受光部）
１３ 半透過部材（第２光学素子）
１００ 対象物 1, 1A,
5 Scanning unit (first optical element)
7 light receiving element (light receiving unit)
8 Control unit (control means)
9 Efficiency database (setting section)
10 lens (emission part)
11 Cylindrical lens (emitting part)
12 Line sensor (light receiving unit)
13 semi-transmissive member (second optical element)
100 objects
Claims (6)
- 出射光の波長を変化させることができる出射部と、
照射された前記出射光を、その波長に応じた方向に導く第１光学素子と、
前記出射光の波長を変化させることで、前記第１光学素子を介した前記出射光で所定の範囲を走査させる制御手段と、
走査された前記出射光が対象物で反射した反射光を受光する受光部と、
を有する光学装置であって、
前記制御手段は、前記第１光学素子を含む光学系を通過する光の波長に応じた利用効率に基づいて、前記出射部から出射する前記出射光の光量を制御する
ことを特徴とする光学装置。 An emitting unit capable of changing the wavelength of the emitted light;
A first optical element for guiding the emitted light in a direction according to the wavelength of the emitted light;
A control unit configured to scan a predetermined range with the outgoing light through the first optical element by changing the wavelength of the outgoing light;
A light receiving unit that receives the reflected light that is emitted from the scanned object and reflected by the object;
An optical device having
An optical apparatus characterized in that the control means controls the light amount of the outgoing light emitted from the outgoing part based on utilization efficiency according to the wavelength of light passing through the optical system including the first optical element. . - 前記受光部は受光する光の強度に応じた信号を出力し、
前記制御手段は、所定距離にある前記対象物による前記反射光を受光した前記受光部が出力する信号が、走査のための前記出射光の波長の変化によっても変化しないよう前記出射部から出射する前記出射光の光量を制御することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。 The light receiving unit outputs a signal according to the intensity of light to be received,
The control means emits light from the light emitting portion such that a signal output from the light receiving portion that receives the reflected light from the object at a predetermined distance does not change due to a change in wavelength of the light for scanning. The optical device according to claim 1, wherein the light amount of the emitted light is controlled. - 前記制御手段によって走査される前記出射光の少なくとも一部を反射光として反射させる第２光学素子を有し、
前記制御手段は、前記反射光を受光した受光素子からの信号に基づき、前記出射光の光量を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学装置。 A second optical element for reflecting at least a part of the emitted light scanned by the control means as reflected light;
The optical device according to claim 1, wherein the control unit controls the light amount of the emitted light based on a signal from a light receiving element that has received the reflected light. - 前記第１光学素子の波長に応じた回折効率が設定されている設定部を有し、前記設定部に設定された前記回折効率に基づいて前記光量を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の光学装置。 2. The apparatus according to claim 1, further comprising: a setting unit in which a diffraction efficiency corresponding to a wavelength of the first optical element is set, and controlling the light amount based on the diffraction efficiency set in the setting unit. The optical device according to claim 3.
- 前記設定部には、前記受光部の波長に応じた受光感度が設定されており、
前記制御手段は、前記回折効率及び前記受光感度に基づいて前記光量を制御する、
ことを特徴とする請求項４に記載の光学装置。 In the setting unit, a light receiving sensitivity corresponding to the wavelength of the light receiving unit is set.
The control means controls the light amount based on the diffraction efficiency and the light reception sensitivity.
The optical device according to claim 4, - 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学装置を有し、
前記出射光の出射から、前記受光部による前記出射光の受光までに要した時間に基づき、前記対象物までの距離を測定することを特徴とする距離測定装置。 An optical device according to any one of claims 1 to 5, comprising:
A distance measuring device characterized in that a distance to the object is measured based on a time required from the emission of the emitted light to the light reception of the emitted light by the light receiving unit.
Applications Claiming Priority (2)
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| JP2017-138814 | 2017-07-18 |
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2018
- 2018-07-10 WO PCT/JP2018/026032 patent/WO2019017245A1/en active Application Filing
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