CN100523906C - 调光装置以及使用所述调光装置的距离测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种调光装置，对从第一光纤的输出端输出而导入到第二光纤的输入端的光束的光量进行调节，其特征在于包括反射构件，将从所述第一光纤的输出端输出的光束加以反射；浓度滤光片，使由所述反射构件所反射的光束透过，并且根据透过的光束的透过位置来对透过光量进行控制；以及光学构件，将透过所述浓度滤光片的光束加以反射并导入到所述反射构件，且透过所述浓度滤光片的光束的光量沿着透过的光束的透过位置改变的方向而增减，所述反射构件配置成能够倾斜转动，通过倾斜转动所述反射构件，来使透过所述浓度滤光片的光束的透过位置改变。

Description

调光装置以及使用所述调光装置的距离测定装置

技术领域

本发明涉及一种例如对激光(laser light)的光量进行调整的调光装置以及使用所述调光装置的距离测定装置。

背景技术

先前以来，众所周知的是光波测距仪(range finder)，通过对测定对象照射激光，利用受光元件接收来自该测定对象的反射激光，来测定距离(参照日本专利特开2000-162517号公报)。

所述光波测距仪具备对内部参考光路以及外部测距光路的光量水平进行调整的浓度滤光片。所述浓度滤光片在旋转方向上具有浓度梯度(concentration gradient)，利用电动机使所述浓度滤光片旋转到预定的旋转角度，藉此来转换成预定的浓度。

然而，所述浓度滤光片存在如下问题：由于具有浓度梯度的浓度滤光片较大，并且利用电动机使其旋转来转换浓度，因此难以高速地对浓度进行转换。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够高速地进行浓度转换的调光装置以及使用所述调光装置的距离测定装置。

为了实现所述目的，本发明的一实施例的调光装置是，对从第一光纤的输出端输出而导入到第二光纤的输入端的光束的光量进行调节。该调光装置包括反射构件，将从所述第一光纤的输出端输出的光束加以反射；浓度滤光片，使由所述反射构件所反射的光束透过，并且根据透过的光束的透过位置来对透过光量进行控制；以及光学构件，将透过所述浓度滤光片的光束加以反射并导入到所述反射构件，且透过所述浓度滤光片的光束的光量沿着透过的光束的透过位置改变的方向而增减，所述反射构件配置成能够倾斜转动，通过倾斜转动所述反射构件，来使透过所述浓度滤光片的光束的透过位置改变。

附图说明

图1是表示使用本发明的调光装置的距离测定装置的实施例1的说明图。

图2是表示图1所示的反射摇动装置的MEMS的概略构造的透视图。

图3是用以说明图2所示的反射摇动装置的作用的示意图。

图4是用以说明入射到图3所示的第2光纤时的激光的振荡状态的说明图。

图5是表示调光装置的光学系统的光学配置图。

图6是表示反射摇动装置的MEMS的结构的透视图。

图7是表示平面镜偏斜转动而转换浓度的说明图。

图8是表示第2实施例的结构的说明图。

图9是表示聚光透镜的激光的透过位置的说明图。

图10是表示聚光透镜的激光的透过位置向上移动后的情况的说明图。

具体实施方式

以下，根据附图，来说明本发明所属的调光装置以及使用所述调光装置的距离测定装置的实施形态的实施例。

[实施例1]

图1表示使用本发明的调光装置200的距离测定装置100的实施例1。所述距离测定装置100具有作为光源的半导体激光器(semiconductorlaser)18，所述光源通过控制装置400而受到控制。所述距离测定装置100是用于通过将激光经由混合装置(mixing device)300而照射到测定对象，并接收来自测定对象的反射光，来测定距离。

混合装置300具有导光用光纤24、准直透镜(collimated lens)26、反射摇动装置25、以及混合用光纤28。光纤24、28的末端分别加工成输入端24a、28a及输出端24b、28b。光纤28的直径例如为300μm。

半导体激光器18由第1转换器14(后述)的输出信号来驱动，而射出通过控制装置400而调制的激光P0。所述已射出的激光P0经由透镜19而入射到光纤24的输入端24a。

反射摇动装置25设置在光纤24与光纤28的光路间。所述反射摇动装置25包括MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微电子机械系统)27。

在此，所谓MEMS是Micro Electro Mechanical Systems的略写，是融合有机械要素与电气要素的微细装置的总称。所述MEMS是一项具有在芯片或基板上包括可动部分的这一迄今为止的半导体装置中所没有的新功能的技术，所述功能正被期望作为新的平台(platform)技术，而应用到输入输出零件或各种传感器(sensor)等之中。

图2表示反射摇动装置25的MEMS27的概略构造。反射摇动装置25具有圆盘状镜面板(mirror board)27a。所述镜面板27a的直径例如为约1mm。在所述镜面板27a的周面上形成有在直径方向上延伸的一对轴部27b、27b。

所述一对轴部27b、27b的端部分别经由弹簧部27c而与固定部27d连接。在所述轴部27b的中途形成有可动梳齿(comb)27e，在所述可动梳齿27e上配置着对峙的固定梳齿27fA及27fB。可动梳齿27e、27e与固定梳齿27fA及27fB构成致动器(actuator)的一部分。固定部27d与固定梳齿27fA及27fB例如被固定在基板上。

在所述镜面板27a中，向固定梳齿27fA及27fB、27fA及27fB施加交流电压，并且使可动梳齿27e、27e接地(Ground，GND)而进行例如1KHz的高频充电，藉此可使镜面板27a以轴部27b、27b为中心而在箭头F方向上摇动。此外，在此图示中并说明了使镜面板27a在一个轴方向上摇动的结构，但也可形成如下结构，即，在与轴部27b、27b的延伸方向正交的方向上再设置一对轴部，使镜面板27a在两个轴方向上摇动。即，也可使镜面板27a在两个轴方向上摇动。

此外，对所述固定梳齿27fA、27fB既可施加相同的电压信号，也可施加不同波形的电压信号。作为不同波形的例子，有对固定梳齿27fA施加正弦波信号，而对固定梳齿27fB施加余弦波信号，并且使固定部27d接地的情况，或者对固定梳齿27fB施加正弦波信号，而使固定梳齿27fA与固定部27d接地的情况。

参照图3，说明反射摇动装置25的作用。图3中，在所述镜面板27a的前面示意性地形成有衍射光栅(diffraction grating)部27g。所述衍射光栅部27g是用来配合镜面板27a作用而消除激光的发光不均，以使激光进一步均匀化。此外，衍射光栅部27g可进一步提高混合效果。

如所述图3所示，将导入到第1光纤24并从输出端24b射出的激光P1通过准直透镜26而变为平行光束P2，再导入到衍射光栅部，例如衍射光栅板27g、镜面板27a。所述平行光束P2通过衍射光栅板27g而受到衍射，并且通过镜面板27a而被反射。

所述反射光P3通过作为光学系统的准直透镜26而会聚，并且作为会聚光(convergent light)P4而入射到混合用的光纤28的输入端28a，但由于镜面板27a以轴部27b、27b为中心而摇动着，因此，当会聚光P4入射到输入端28a时，如图4示意性所示，输入端28a处的入射位置在可入射范围内振荡(excursion)，即，会聚光P4产生移动，存在着发光不均的激光P0一点点地振荡(移动)，由此使得导光路径变得不同，从而使激光P0的光量不均被平均化。

参照图4，说明入射到图3所示的第2光纤时的激光的振荡状态。图4中，作为示例，将P4的轨迹表示为直线性且周期性的。但是，也可采用直线以外的圆形、辐射状、李萨如图形(Lissajous figures)之类的轨迹。

如图1所示，从光纤28的输出端28b射出的激光由分光棱镜(splittingprism)29分割成2条光路。射向其中一条光路的激光P5透过分光棱镜29的分光部29a，并透过光路选择装置，例如斩波器(chopper)30，由构成照射部的一部分的棱镜32的反射面32a予以反射，并且利用物镜33而转变为平行光束后，以作为测定光而射出到装置外部。

接着，所述激光P5通过位于被测定点的作为测定对象的三面直角棱镜(corner cube)34等反射体而反射后再次通过物镜33，并由棱镜32的反射面32b所反射，通过分光棱镜35的分光部35a后入射到受光侧光纤361。并且，从分光棱镜29的分光部29a经由棱镜32及三面直角棱镜34直到棱镜35的分光部35a为止的光路成为外部测距光路37。

射向另一条光路的激光P6由分光棱镜29的分光部29a、29b加以反射，通过斩波器30后由透镜38转变为平行光束，通过透镜39加以会聚后，由分光棱镜35的分光部35b、35a加以反射而入射到受光侧光纤361。并且，从分光棱镜29的分光部29a，经由分光部29b、透镜38、39以及分光棱镜35的分光部35b，直到分光棱镜35的分光部35a为止的光路成为内部参考光路40。

并且，在受光侧光纤361与受光侧光纤362之间设置有调光装置200。

斩波器30用于交替地选择内部参考光路40与外部测距光路37，调光装置200用于对内部参考光路40、外部测距光路37的光量水平进行调整。

图5表示调光装置200的光学系统。调光装置200包括：反射构件，例如平面镜220，将从光纤361的输出端361a输出的激光加以反射；以及浓度滤光片204，使由所述平面镜220所反射的激光透过，并且根据光的透过位置来对透过光量进行控制。通过使所述平面镜220倾斜转动，可使透过浓度滤光片的光束的透过位置改变。如图5所示，调光装置200更包括：准直透镜201，使从受光侧光纤361的输出端361a射出的激光转变成大致平行的光束；聚光透镜202，使所述平行光束(light beam)会聚；光学构件，例如直角棱镜(rectangular prism)205，使已透过浓度滤光片204的光束(激光)P8平行移动，并向聚光透镜202反射；以及聚束透镜(condenserlens)206，使激光入射到受光侧光纤362的输入端362b。平面镜是使由聚光透镜202所会聚的会聚光束向聚光透镜202反射，浓度滤光片是使由所述平面镜220所反射并由聚光透镜202加以大致校准后的光束通过。平面镜220配置在聚光透镜202的焦点位置。

在此是使用直角棱镜(rectangular prism)205，但是也可使用例如具备配置成互成直角的平面镜的光学构件。

并且，以聚光透镜202上的激光的通过点202a～202d如图5所示，即，连接通过点202a与通过点202d的直线、以及连接通过点202b与通过点202c的直线，是与轴部227b形成平行关系的方式，来配置受光侧光纤361的输出端361a、准直透镜201、聚光透镜202、平面镜220、浓度滤光片204、直角棱镜205、聚束透镜206、以及受光侧光纤362的输入端362b。

并且，由准直透镜201、聚光透镜202以及平面镜220构成第1光学系统。

由直角棱镜205所反射的光束P9再次透过浓度滤光片204，通过聚光透镜202会聚后到达平面镜220，接着由所述平面镜220加以反射而通过聚光透镜202变为大致平行光束后，通过聚束透镜206而入射到受光侧光纤362的输入端362b。

并且，由直角棱镜205、聚光透镜202、平面镜220以及聚束透镜206构成第2光学系统。

浓度滤光片204具有浓度梯度，以使浓度沿着上下方向而增减，例如越往上浓度越大。

平面镜220为例如图6所示的反射摇动装置227的镜面板，由于反射摇动装置227的结构与反射摇动装置25的MEMS27相同，因此省略对其说明。

平面镜220绕着轴部227b、227b而倾斜转动。即，图5中，平面镜220在轴的前后方倾斜转动。通过所述倾斜转动，透过浓度滤光片204的光束P8的位置相对于浓度滤光片204而上下移动。例如，当平面镜220以轴部227b、227b为中心顺时针转动时，如图7所示，光束P8的位置向浓度滤光片204的上方移动，图5及图9所示的聚光透镜202上的激光的通过点202b、202c则向图7及图10所示的通过点202b′、202c′的位置移动。

即，通过使平面镜220向与光束P8向光束P9平行移动的方向正交的方向(上下方向)倾斜转动，来使光束P8、P9移动。

通过所述光束P8、P9的移动，使浓度滤光片204具有浓度梯度，以此来对光量水平进行调整。

也可使平面镜220的倾斜转动与斩波器30同步。例如，当利用斩波器30选择了外部测距光路37(参照图1)时，如图5所示，光量小的光束P8、P9透过浓度滤光片204的下部，当选择了内部参考光路40时，则如图7所示，光量大的光束P8、P9透过浓度滤光片204的较所述下部更上方的位置(浓度大的位置)。由此，对受光元件43(参照图1)的受光量的水平进行调整。

通过所述方式，光束P8、P9的透过位置产生移动，因此，通过浓度滤光片204预先加大浓度梯度，可扩大光量调整范围。并且，通过组合且使用聚光透镜202、平面镜220、浓度滤光片204、以及直角棱镜205，则可在不改变受光侧光纤361的输出端361a、或受光侧光纤362的输入端362b的位置或光路长度的情况下对光量进行调整。

如上所述，由于是通过使平面镜220倾斜转动来改变光束P8、P9的透过位置，因此即使平面镜220的倾斜转动角较小，也能够大幅度地移动光束P8、P9的透过位置，因此，能够高速地进行浓度的转换。

并且，由于在聚光透镜202的聚光位置(焦点位置)配置有平面镜220，所以能够缩小平面镜220的尺寸，因此可以高速地使平面镜220倾斜转动，从而可以更高速地进行浓度的转换。并且，由于是利用MEMS227来使平面镜220倾斜转动，因此可以更高速地使平面镜220倾斜转动，从而可以更高速地进行浓度的转换。

此外，调光装置200不仅可以设置在受光侧光纤361与受光侧光纤362之间，而且可以设置在投光侧(激光光源侧)的光纤24或光纤28的中途等从射出激光的半导体激光器18直到接收激光的受光元件43为止的任一处。

并且，在上述实施例中，虽然举出使用聚光透镜202的实例，但可省略聚光透镜202，以将从光纤361的输出端361a输出的光束射出到平面镜220，并且通过该平面镜220而被反射，使透过浓度滤光片204的光束通过三面直角棱镜而反射后，导入到平面镜。

入射到受光侧光纤362的输入端362b中的光通过透镜41、42，而由受光元件43所接收。在此，受光元件43相当于受光部。

内部参考光路40是用来防止因构成距离测定装置的电路的温度漂移等所引起的相位变化而使测定数据出现误差，可通过从外部测距光路37所得到的测定值中减去内部参考光路40所得到的测定值，来获得正确的数据。

控制装置400具有光源控制部、测定光接收部、信号处理部、以及显示部。光源控制部具有振荡器(oscillator)11、分频器(frequency divider)10、以及第1转换器14。振荡器11产生例如15MHz的信号后输入到分频器10中。分频器10对来自振荡器11的15MHz的信号进行分频，以例如产生75KHz与3KHz两个信号，并将75KHz的信号输入到第1转换器14中。

第1转换14根据来自下述处理控制电路15的信号16，以输出15MHz或75KHz中的任一个信号。此外，处理控制电路15相当于运算处理单元。

测定光接收部具有合成器13、第2转换器44、混合器47、以及波形整形器48。合成器13产生来自振荡器11的信号即15MHz与来自分频器10的信号即3KHz之差即14.997MHz的信号、以及来自分频器10的3KHz的24倍的72KHz的信号，并输入到第2转换器44中。

第2转换器44根据来自处理控制电路15的信号16，输出从合成器输入的14.997MHz或72KHz的任一个信号。利用放大器46放大来自受光元件43的输出，并输入到混合器47中。混合器47通过将来自放大器46的信号与来自第2的转换器44的信号加以混合，而形成差拍信号(beatsignal)，并且对所述信号加以检测后输出3KHz的正弦波。波形整形器48将3KHz的正弦波整形为矩形波后，输出所述信号(以下称为强拍信号(beatdown signal))。

为了使混合器47的输出信号为3KHz，则须根据来自处理控制电路15的信号16，以当第1转换器14的输出信号的频率为15MHz时，第2转换器44的输出信号的频率为14.997MHz，当第1转换器14的输出信号的频率为75KHz时，第2转换器44的输出信号的频率为72KHz的方式，对第1转换器14的输出信号与第2的转换器44的输出信号进行控制。

利用15MHz与75KHz两种频率来对半导体激光器18进行调制，是为了将相当于波长20m的15MHz用于精密测定，而将相当于波长4000m的75KHz用于粗略测定。

并且，利用混合器47分别将15MHz的频率与75KHz的频率变为3KHz的频率，这是为了通过将15MHz的相位或75KHz的相位作为3KHz的相位来进行测定，以提高相位测定的分辨能力(resolution)。

信号处理部具有门电路(gate circuit)49、计数部50、以及处理控制电路15。门电路49将来自分频器10的3KHz的信号作为开始信号，将来自波形整形器48的信号作为停止信号，在所述两个信号之间，将来自振荡器11的15MHz的信号输出到计数部(计数器)50中。利用计数部50对所述信号进行计数，藉此来对相位差进行测定。

由计数部50所获得的计数值为N次测定的合计数。为了获知所述N次的次数，将来自分频器10的3KHz的信号供给到处理控制电路15。当N次的计数结束时，将复位信号(reset signal)52从处理控制电路15供给到计数部50，使计数部50变为复位状态。N次的计数值由处理控制电路15变为1/N的平均值，并换算成距离后，作为距离测定值而输出到显示器51。

根据所述实施例，反射光P3通过MEMS27以高频而产生振荡，使得向着光纤28的输入端28a的入射位置时刻发生变化，因此当反射光P3在光纤28中传播时，将反射光P3经混合而均匀化后，再从光纤28的输出端28b射出，因此可使从半导体激光器18射出的发光不均的激光在光纤24中传播，经由MEMS27后在光纤28中传播之后，从所述光纤28的输出端28b射出时，实现激光发光不均的均匀化。

在此，作为调光装置的实施例，说明了频率调制(frequencymodulation)型距离测定装置，但也可用于测距光同样为激光的脉冲测距型距离测定装置。

并且，由于在调光装置中使用了MEMS227，所以可以进行高速调光，从而可使消耗电力减少，还可实现噪音的降低。

[实施例2]

图8表示第2实施例的距离测定装置20000，所述距离测定装置20000中省略了第1实施例的混合装置，但其它均与距离测定装置100相同，因此省略对其说明。

根据本发明的实施例，因为是通过使镜倾斜转动而使透过浓度滤光片的光束的透过位置改变，来进行浓度的转换，所以可以高速地进行浓度的转换。

Claims (13)

1.一种调光装置，对从第一光纤的输出端输出而导入到第二光纤的输入端的光束的光量进行调节，其特征在于，包括：

反射构件，将从所述第一光纤的输出端输出的光束加以反射；

浓度滤光片，使由所述反射构件所反射的光束透过，并且根据透过的光束的透过位置来对透过光量进行控制；以及

光学构件，将透过所述浓度滤光片的光束加以反射并导入到所述反射构件，且

透过所述浓度滤光片的光束的光量沿着透过的光束的透过位置改变的方向而增减，

所述反射构件配置成能够倾斜转动，

通过倾斜转动所述反射构件，来使透过所述浓度滤光片的光束的透过位置改变。

2.如权利要求1所述的调光装置，其特征在于，还包括聚光透镜，将来自所述第一光纤的输出端的光束会聚到所述反射构件。

3.如权利要求1所述的调光装置，其特征在于，所述反射构件由在芯片或基板上包括可动部分的微电子机械系统来进行倾斜转动。

4.如权利要求1所述的调光装置，其特征在于，所述光学构件包括相互垂直配置的两个反射面，使透过所述浓度滤光片的光束平行移动并向所述反射构件反射。

5.如权利要求1所述的调光装置，其特征在于还包括：聚光透镜，将来自所述第一光纤的输出端的光束会聚到所述反射构件；以及光学构件，将透过所述浓度滤光片的光束加以反射并导入到所述聚光透镜。

6.如权利要求1所述的调光装置，其特征在于，由所述光学构件所反射的光束通过所述浓度滤光片。

7.一种调光装置，具有浓度滤光片，其配置在第一光纤的输出端与第二光纤的输入端之间的光路中，并且根据光束的透过位置来对透过光量进行控制，该调光装置的特征在于，包括：

第一光学系统，使来自所述第一光纤的输出端的光束进行反射后透过所述浓度滤光片；以及

第二光学系统，将已透过所述浓度滤光片的光束导入到所述第二光纤的输入端，且

所述第一光学系统具有反射构件，使光束反射的同时倾斜转动，

通过使所述反射构件倾斜转动，来使透过所述浓度滤光片的光束的透过位置改变。

8.如权利要求7所述的调光装置，其特征在于，

所述第一光学系统包括使从所述输出端射出的光束会聚到所述反射构件中的聚光透镜，并且所述反射构件使所述已会聚的光束经由所述聚光透镜而向所述浓度滤光片反射，

所述第二光学系统包括具有垂直配置的两个反射面的光学构件，该两个反射面使透过所述浓度滤光片的光束平行移动并向所述聚光透镜反射，并且，所述聚光透镜使由所述光学构件所反射的光束会聚到所述反射构件，所述反射构件使从所述光学构件反射后且被所述聚光透镜会聚的光束再次经由所述聚光透镜而入射到所述输入端。

9.如权利要求8所述的调光装置，其特征在于，由所述光学构件所反射的光束通过所述浓度滤光片。

10.如权利要求7所述的调光装置，其特征在于，由所述浓度滤光片透过的光量沿着光束的透过位置改变的方向而增减。

11.一种距离测定装置，通过对测定对象照射光束，并接收来自所述测定对象的已反射的光束，来对距离进行测定，其特征在于，包括：

第一光纤及第二光纤，分别具有输出端及导入光束的输入端；以及

调光装置，配置在形成于所述第一光纤的输出端与所述第二光纤的输入端之间的光路中，对光束的光量进行调节，

所述调光装置包括：

反射构件，将从所述第一光纤的输出端输出的光束加以反射；以及

浓度滤光片，使由所述反射构件所反射的光束透过，并且根据光束的透过位置来对透过光量进行控制，

所述反射构件配置成能够倾斜转动，

通过倾斜转动所述反射构件，来使透过所述浓度滤光片的光束的透过位置改变。

12.如权利要求11所述的距离测定装置，其特征在于，透过所述浓度滤光片的光束的光量沿着光束的透过位置改变的方向而增减。

13.如权利要求11所述的距离测定装置，其特征在于，还包括：

分割装置，使光束分割为通过参考光路的参考光束、以及通过外部测距光路的测定光束；以及

光路选择装置，选择所述参考光束以及所述测定光束，

所述测定光束作为照射到所述测定对象的光束而使用，且

所述反射构件与所述光路选择装置同步地倾斜转动。

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