CN101283290A - 混光装置及使用该混光装置的测距装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种混光装置，为了混合来自激光光源(18)的激光束(P0)，从光纤(24)一端的端面入射激光束(P0)，从光纤(24)另一端的端面射出激光束，同时使从光纤(24)另一端的端面射出的激光束(P1)入射到光纤(28)一端的端面，从光纤(28)另一端的端面射出，把具有镜面板(27a)的摆动型微机电系统(27)插入在光纤(24)另一端的端面与光纤(28)一端的端面之间，通过摆动镜面板(27a)，来搅乱激光束(P4)，并混合激光束。

Description

混光装置及使用该混光装置的测距装置
技术领域
本发明涉及一种用于激光光源的混光装置及使用该混光装置的测距装置。
背景技术
一直以来，采用激光束的测距装置由于所用光的波长带宽窄，所用光易产生干扰，容易产生因从装置发出的光的发光不均引起的误差，因此，可以说很难用采用激光束的测距装置进行高精度的长距离测量。
因此，为了减轻发光不均，提出了一种将激光束导向光纤进行混光的测距装置，但是为了消除激光束的发光不均，必须延长光纤长度，因此会导致整个装置大型化。
因此，为了消除这一弊病，提出了一种由具备衍射光栅的相位板和驱动该相位板的驱动器构成的装置，作为用于测距装置的混光装置(例如，参照专利文献1)。在该装置中，驱动作为驱动器的电机，使相位板旋转，再把从半导体激光器射出的激光束混合起来，从而消除发光不均，使光束均匀。
专利文献1：日本专利特开2000-162517号公报
然而，在这种现有的混光装置中，驱动电机使相位板旋转来混合激光束，以消除发光不均，因此难以高速混光，耗电量大且噪音大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耗电量小且噪音小的混光装置及使用该混光装置的测距装置。
为了实现上述目的，本发明是一种在把来自激光光源的激光束导向照射部的途中对激光束进行混合的混光装置，其特征在于，具备：具有摆动的镜面的反射摆动装置、将激光束导向所述照射部的光纤以及把来自所述激光光源的激光束导向所述反射摆动装置的镜面并将被该镜面反射的激光束向所述光纤的输入端聚光的光学系统，所述反射摆动装置在所述光纤输入端的可入射范围使激光束移动。
本发明是一种在把来自激光光源的激光束导向照射部的途中对激光束进行混合的混光装置，其特征在于，具备：具有摆动的镜面的第一反射摆动装置、将激光束导向所述照射部的第一光纤、将激光束导向所述照射部的第二光纤、具有摆动的镜面且作为选择性地切换向所述第一光纤导光与向所述第二光纤导光的光学开关作用的第二反射摆动装置、把来自所述激光光源的激光束导向所述第一反射摆动装置的镜面的第一光学系统以及将被所述镜面反射的激光束导向所述第二反射摆动装置的镜面的第二光学系统，所述第一反射摆动装置在所述第一光纤的输入端或所述第二光纤的输入端的可入射范围内使所述激光束移动。
进而，本发明是一种对测定对象照射激光束并接受来自该测定对象的反射光来测定距离的测距装置，其特征在于，具有在把来自激光光源的激光束导向照射部的途中对激光束进行混合的混光装置，该混光装置具备：具有摆动的镜面的反射摆动装置、将激光束导向所述照射部的光纤以及把来自所述激光光源的激光束导向所述反射摆动装置的镜面并将被该镜面反射的激光束向所述光纤的输入端聚光的光学系统，所述反射摆动装置在所述光纤的输入端的可入射范围使激光束移动。
本发明是一种对测定对象照射测定光并接受来自该测定对象的反射光来测定距离的测距装置，其特征在于，具有在把来自激光光源的激光束导向照射部的途中对激光束进行混合的混光装置，该混光装置具备：具有摆动的镜面的第一反射摆动装置、将激光束导向所述照射部的第一光纤、将激光束导向所述照射部的第二光纤、具有摆动的镜面且作为选择性地切换向所述第一光纤导光与向所述第二光纤导光的光学开关作用的第二反射摆动装置、将来自所述激光光源的激光束导向所述第一反射摆动装置的镜面的第一光学系统以及将被所述镜面反射的激光束导向所述第二反射摆动装置的镜面的第二光学系统，所述第一反射摆动装置在所述第一光纤的输入端或所述第二光纤的输入端的可入射范围使所述激光束移动。
由于本发明采用反射型装置，所以具有可高速混光且噪音小的效果。
本发明可以选择性地切换导向照射部的导光路径，可以变更从照射部射出的激光束的功率，因此可以根据测定对象的性质选择合适的激光束的强度。
附图说明
图1是表示使用本发明的混光装置的测距装置的实施例1的说明图。
图2是表示图1所示的混光装置的概略结构的立体图。
图3是用以说明图2所示的混光装置的作用的示意图。
图4是用以说明向图3所示的第二光纤入射时的激光束的搅乱状态的说明图。
图5是表示本发明的混光装置的实施例2的主要部分光学图。
图6是表示图5所示的混光装置的变形例的主要部分光学图。
符号说明：
18半导体激光器(激光光源)
24光纤
28光纤
27微机电系统
27a镜面板
具体实施方式
以下，基于附图说明本发明的混光装置及使用该混光装置的测距装置的实施方式即实施例。
实施例1
基于图1来说明利用调制光的测距装置100。
测距装置100的分频器10对来自振荡器11的15MHz的信号进行分频，产生75KHz和3KHz的两个信号。
合成器13产生来自振荡器11的15MHz的信号与来自分频器10的3KHz的信号之差即14.997MHz的信号和来自分频器10的3KHz的信号的24倍的72KHz的信号。
第一切换器14根据来自处理控制电路15的信号16输出15MHz或75KHz的信号之一，处理控制电路15相当于运算处理单元。
混光装置具有准直透镜26、反射摆动装置25及混光用的光纤28。光纤的前端被加工为输入端28a或输出端28b。例如，光纤28的直径为300μm。
半导体激光器18由第一切换器14的输出信号来驱动，放射出经调制的激光束P0。所放射出来的激光束P0经由透镜19入射至导光用的光纤24一端的加工有端面的输入端24a，半导体激光器18相当于激光光源。
如图2中放大图示，在光纤24与第二光纤28的光路之间设有反射摆动装置25。该反射摆动装置25由MEMS(微机电系统)27构成。
这里，MEMS是Micro Electro-Mechanical Systems的简称，是融合了机械要素与电子要素的微细器件的总称。MEMS在芯片乃至基板内具有可动部分，这是先前的半导体器件所不具备的新功能，作为新的平台技术，这种功能被期待着应用于输入/输出零部件或各种传感器等。
反射摆动装置25具有圆盘状镜面板27a，该镜面板27a的直径例如约为1mm。在该镜面板27a的圆周面上形成有一对沿直径方向延伸的轴部27b、27b。
这一对轴部27b、27b的端部经由弹簧部27c、27c连结在固定部27d上。在该轴部27b、27b上形成有可动梳齿27e、27e，固定梳齿27fA及27fB、27fA及27fB面对该可动梳齿27e、27e。可动梳齿27e、27e与固定梳齿27fA及27fB、27fA及27fB构成致动器的一部分。
向固定梳齿27fA及27fB、27fA及27fB施加交流电压，将可动梳齿27e接GND，进行例如1KHz的高频充电，该镜面板27a则以轴部27b、27b为中心沿箭头F方向摆动。虽然这里图示说明的是使镜面板27a在单轴方向上摆动的结构，但是也可以在与轴部27b、27b的延伸方向正交的方向上再设置一对轴部，而作成使镜面板27a在双轴方向上摆动的结构。也就是说，镜面板27a也可以在双轴方向上摆动。
不仅可以向上述固定梳齿27fA及27fB施加相同的电压信号，也可以施加不同波形的电压信号。作为不同波形的例子，包括向固定梳齿27fA施加正弦波信号，向固定梳齿27fB施加余弦波信号，使固定部27d接GND、以及向固定梳齿27fB施加正弦波信号，使固定梳齿27fA与固定部27d接GND。
在该镜面板27a的前面形成有示意性地示于图3的衍射光栅板27g，该衍射光栅板27g用来与镜面板27a协作而消除激光束的发光不均，使发光更加均匀。另外，衍射光栅部分27g可以进一步提高混光效果。
如图3所示，被导向第一光纤24且从输出端24b射出的激光束P1在准直透镜26的作用下，成为平行光束P2，并被导向衍射光栅板27g、镜面板27a。该平行光束P2由衍射光栅板27g产生衍射，同时被镜面板27a反射。
该反射光P3被作为光学系统的准直透镜26聚光，并作为汇聚光P4入射到混光用光纤28的输入端28a，但由于镜面板27a以轴部27b、27b为中心摆动，因此在汇聚光P4入射到输入端28a时，如图4示意性所示的那样，输入端28a上的入射位置在可入射范围被搅乱，即汇聚光P4被移动，存在发光不均的激光束P0被微细地搅乱(移动)，从而使导光路径变得不同，激光束P0的光量不均得以平均化。
图4的例子中所示的是直线状且周期性的P4的轨迹，但是，也可以采用直线状以外的如圆形、放射状、李萨如图形那样的轨迹。
从光纤28的输出端28b射出的激光束被分光棱镜29分割成两条光路。射向其中一条光路的激光束P5透过分光棱镜29的分光部29a，并透过斩波器30，被构成照射部的一部分的棱镜32的反射面32a反射，经物镜33成为平行光束，并作为测定光向装置外部射出。分光棱镜29、棱镜32和物镜33等构成照射部。
继而，经处于被测定点上的作为测定对象的直角棱镜34等反射体反射之后，再次通过物镜33，被棱镜32的反射面32b反射，通过浓度滤光片31之后，再通过分光棱镜35的分光部35a，形成向受光侧光纤36入射的外部测距光路37。
射向另一条光路的激光束P6被分光棱镜29的分光部29a、29b反射后，通过斩波器30，经透镜38成为平行光束，被透镜39聚光后通过浓度滤光片31，被分光棱镜35的分光部35b、35a反射，形成向受光侧光纤36入射的内部参照光路40。
斩波器30交替选择内部参照光路40和外部测距光路37，浓度滤光片31调整内部参照光路40、外部测距光路37的光量等级。入射到受光侧光纤36的光线经透镜41、42，被受光元件43接受。这里的受光元件43相当于受光部。
内部参照光路40用于防止因构成测距装置的电路的温度漂移等引起的相位变化而导致测定数据产生误差，从外部测距光路37的测定值减去内部参照光路40的测定值，即可获得正确的数据。
第二切换器44根据来自处理控制电路15的信号16输出14.997MHz或72KHz之一种信号。来自受光元件43输出的信号经由电容器45被放大器46放大，并输入到混频器47。混频器47对来自放大器46的信号和来自第二切换器44的信号进行混频，形成拍频信号，检测该信号并输出3KHz的正弦波。波形整形器48将3KHz的正弦波整形为矩形波，并输出该信号(以下称作逐次差拍信号)。
门电路49以来自分频器10的3KHz信号为起始信号，以来自波形整形器48的信号为终止信号，其间向计数器50输出来自振荡器11的15MHz的信号。用计数器50对该信号进行计数，由此来测定相位差。
用计数器50获得的计数值为N次测定的合计值。为了获知N次的次数，将来自分频器10的3KHz的信号提供给处理控制电路15。一旦N次计数结束，处理控制电路15就向计数器50提供复位信号52，计数器50变为复位状态。处理控制电路15计算N次计数值的1/N的平均值，换算为距离后，作为距离测定值输出到显示器51。
为了使混频器47的输出为3KHz，根据来自处理控制电路15的信号16来控制第一切换器14的输出信号和第二切换器44的输出信号，使之当第一切换器14的输出信号的频率为15MHz时，第二切换器44的输出信号的频率为14.997MHz；当第一切换器14的输出信号的频率为75KHz时，第二切换器44的输出信号的频率为72KHz。
用15MHz和75KHz两种频率来调制半导体激光器18的原因在于精测时使用相当于波长20m的15MHz而粗测时使用相当于波长4000m的75KHz。
用混频器47分别将15MHz频率和75KHz频率混频为3KHz频率的原因在于通过将15MHz的相位或75KHz的相位混频为3KHz的相位进行测定，可以提高相位测定的分辨率。
按照本发明的实施方式，由于MEMS27用高频搅乱反射光P3，向光纤28的输入端28a的入射位置时刻发生变化，因此，反射光P3在光纤28内传播时，反射光P3被混合起来，而被均匀化，并从光纤28的出射端28b射出，所以即便从半导体激光器18射出的激光束存在发光不均，而在光纤24内传播，经由MEMS27之后，在光纤28内传播，并从该光纤28的出射端28b射出时，也可以实现激光束发光不均的均匀化。
这里，作为混光装置的实施例，说明了调频型的测距装置，但本混光装置同样也可以用于测距光为激光束的脉冲测距型的测距装置。
按照本发明的实施方式，由于混光装置中使用MEMS27，因此可以高速混光，还可以减少耗电量，降低噪音。
实施例2
图5是表示利用调制光的实施例2的主要部分光学图。在该图5中，对于和实施例1相同的构成要素标注相同符号，并省略其详细说明，主要说明不同的部分。
该混光装置由搅乱激光束的第一反射摆动装置25′与选择性地切换激光束反射方向的作为光学开关的第二反射摆动装置25″的组合构成。
测距装置射出作为测定光的激光束，接受并检测来自其测定对象的反射光来测定距离。包括使用作为其测定对象的反射棱镜34的棱镜型测距装置及测定对象为自然物、人造物而不使用反射棱镜34的无棱镜型测距装置，此外还有上述两种合为一体型即包含棱镜模式和无棱镜模式的测距装置。
使用反射棱镜34的情况下，由于反射效率高，因此即使作为测距光的光量少也可以；不使用反射棱镜34的情况下，必须要高输出。因此，在实施例2中，反射棱镜使用与否会改变测量光的射出形态。
第一反射摆动装置25′由具有镜面板27a和衍射光栅27g的微机电系统27构成。第二反射摆动装置25″由具有镜面板27a的微机电系统27构成。
在本实施例2中，在光纤24和第一反射摆动装置25′之间设有把来自激光光源的激光束P1导向第一反射摆动装置的镜面的作为第一光学系统的准直透镜26′。该准直透镜26′的作用在于使从光纤24的出射端24b射出的激光束成为平行光束P2。被导向第一反射摆动装置25′的镜面的平行光束P2再次被导向准直透镜26′，而成为汇聚光。该汇聚光被导向微小梯形棱镜60、导光纤维或万花筒等导光元件，在梯形棱镜60内传播，并被导向准直透镜26″，被该准直透镜26″再次形成为平行光束后，被导向第二反射摆动装置25″。第二反射摆动装置25″用来选择性地进行后述的向第一光纤28′的导光与向第二光纤28″的导光的切换。
第一光纤28′、第二光纤28″用于将光束导向构成照射部之一部分的棱镜32的反射面32a。梯形棱镜60、准直透镜26″用作第二光学系统，用以将被第一反射摆动装置25′的镜面反射的激光束P2导向第二反射摆动装置25″的镜面。
被导至第二反射摆动装置25′的激光束P2在第一光纤28′和第二光纤28″之间进行切换，第一反射摆动装置25″使被导向第一光纤28′或第二光纤28″的汇聚光在其入射端28a′或入射端28a″的可入射范围摆动。
在第一光纤28′的出射端28b′的前面设有扩束透镜61，在第二光纤28″的出射端28b″的前面设有准直透镜62，扩束透镜61的作用是扩大在第一光纤28′内传播并从出射端28b′射出的激光束P5的点径，并将其导向反射面32a，准直透镜62的作用是使在第二光纤28″内传播并从出射端28b″射出的激光束P5′成为细的平行光束之后导向反射面32a。在从该扩束透镜61射出的激光束P5的光路中设有光路合成镜63，在从准直透镜62射出的激光束P5′的光路中设有反射镜64，用以使该激光束P5′向光路合成镜63反射，激光束P5′通过与激光束P5相同的光路，被导向棱镜32的反射面32a。
图6是表示图5所示的混光装置的变形例的主要部分光学图，该光学图所示的例子除去了梯形棱镜60且改变了光学要素的配置，从而实现了装置的小型化，其作用和图5所示的混光装置相同，因此省略其详细说明，对于和图5所示的光学要素相同的光学要素标注相同符号，并省略其详细说明。

Claims (10)

1.一种在把来自激光光源的激光束导向照射部的途中对激光束进行混合的混光装置，其特征在于，具备：
具有摆动的镜面的反射摆动装置、
将激光束导向所述照射部的光纤、以及
把来自所述激光光源的激光束导向所述反射摆动装置的镜面并将被该镜面反射的激光束向所述光纤的输入端聚光的光学系统，
所述反射摆动装置在所述光纤的输入端的可入射范围使激光束移动。
2.根据权利要求1记载的混光装置，其特征在于，所述反射摆动装置是用梳齿型致动器驱动镜面的微机电系统。
3.根据权利要求2记载的混光装置，其特征在于，在所述镜面板的前面设有衍射光栅板。
4.一种在把来自激光光源的激光束导向照射部的途中对激光束进行混合的混光装置，其特征在于，具备：
具有摆动的镜面的第一反射摆动装置、
将激光束导向所述照射部的第一光纤、
将激光束导向所述照射部的第二光纤、
具有摆动的镜面且作为选择性地切换向所述第一光纤导光与向所述第二光纤导光的光学开关作用的第二反射摆动装置、
把来自所述激光光源的激光束导向所述第一反射摆动装置的镜面的第一光学系统、以及
将被所述镜面反射的激光束导向所述第二反射摆动装置的镜面的第二光学系统，
所述第一反射摆动装置在所述第一光纤的输入端或所述第二光纤的输入端的可入射范围使所述激光束移动。
5.根据权利要求1记载的混光装置，其特征在于，所述反射摆动装置被一体地形成在电路基板上或芯片上。
6.根据权利要求4记载的混光装置，其特征在于，所述第一、第二反射摆动装置被一体地形成在电路基板上或芯片上。
7.一种对测定对象照射激光束并接受来自该测定对象的反射光来测定距离的测距装置，其特征在于，
具有在把来自激光光源的激光束导向照射部的途中对激光束进行混合的混光装置，
该混光装置具备：
具有摆动的镜面的反射摆动装置、
将激光束导向所述照射部的光纤、以及
把来自所述激光光源的激光束导向所述反射摆动装置的镜面并将被该镜面反射的激光束向所述光纤的输入端聚光的光学系统，
所述反射摆动装置在所述光纤的输入端的可入射范围内使激光束移动。
8.一种对测定对象照射测定光并接受来自该测定对象的反射光来测定距离的测距装置，其特征在于，具有在把来自激光光源的激光束导向照射部的途中对激光束进行混合的混光装置，
该混光装置具备：
具有摆动的镜面的第一反射摆动装置、
将激光束导向所述照射部的第一光纤、
将激光束导向所述照射部的第二光纤、
具有摆动的镜面且作为选择性地切换向所述第一光纤导光与向所述第二光纤导光的光学开关作用的第二反射摆动装置、
将来自所述激光光源的激光束导向所述第一反射摆动装置的镜面的第一光学系统、以及
将被所述镜面反射的激光束导向所述第二反射摆动装置的镜面的第二光学系统，
所述第一反射摆动装置在所述第一光纤的输入端或所述第二光纤的输入端的可入射范围使所述激光束移动。
9.根据权利要求7记载的测距装置，其特征在于，所述反射摆动装置被一体地形成在电路基板上或芯片上。
10.根据权利要求8记载的测距装置，其特征在于，所述第一、第二反射摆动装置被一体地形成在电路基板上或芯片上。
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