JP2006053055A - Laser measuring apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ光を用いて大気中の浮遊微粒子の相対濃度分布等を計測するレーザ測定装置に関するものである。 The present invention relates to a laser measuring device that measures the relative concentration distribution of suspended fine particles in the atmosphere using laser light.
レーザ光を用いて各種測定を行うレーザ測定装置としては、短パルスの高出力レーザ光を大気に向けて照射し、そのレーザ光が大気中に浮遊している粉塵等の粒子により散乱し、そのレーザレーダ方向の散乱光(後方散乱光)を受信(受光)することにより粉塵等の相対濃度分布を計測するレーザレーダ装置(例えば特許文献1や特許文献2参照)や、レーザレーダ装置と類似の技術であり、レーザ光を車両、建物、木、岩等の固体物(測定対象物)に照射し、照射対象からの散乱光を受信することにより、照射対象までの距離を高精度で計測する測距装置(例えば特許文献3参照)が広く使用されている。
As a laser measuring device that performs various measurements using laser light, short-pulse high-power laser light is irradiated toward the atmosphere, and the laser light is scattered by particles such as dust floating in the atmosphere. Laser radar devices that measure the relative concentration distribution of dust and the like by receiving (receiving) scattered light (back scattered light) in the direction of the laser radar (see, for example,
この種のレーザ測定装置では、システムの小型化を図るために送信望遠鏡と受信望遠鏡とを一体化し、送信ビーム軸と受信ビーム軸とを一致させたインライン型レーダ測定装置も提供されている。インライン型レーダ測定装置においては、受信ビームを送信ビームから分岐(分離)するために偏光ビームスプリッタが用いられる構成も採用されている。
しかしながら、上述したような従来のレーザ測定装置には、以下のような問題が存在する。
例えば反射型望遠鏡を用いるレーザ測定装置の場合、目に対するアイセーフ性の実現及び長距離計測を可能とするためにレーザ光直径を拡大するビーム拡大光学系や口径の大きな受光望遠鏡を必要とするため、装置の大型化、複雑化を招き、結果として高価格となってしまう。また、反射型望遠鏡を用いたインライン型レーザ測定装置の場合、エネルギ強度が大きい送信ビームの中心部が反射型望遠鏡の副鏡で遮られるため、エネルギ送信効率が悪いという問題があった。
また、インライン型のレーザ測定装置の場合、偏光ビームスプリッタや波長板等の多くの光学部品を要し、構造が複雑になるため、フィールドでの使用が煩雑になる可能性がある。
However, the conventional laser measuring apparatus as described above has the following problems.
For example, in the case of a laser measuring device using a reflective telescope, a beam expanding optical system that expands the laser beam diameter and a light receiving telescope with a large aperture are required in order to realize eye-safety and long distance measurement for the eyes. This leads to an increase in size and complexity of the apparatus, resulting in a high price. In addition, in the case of an in-line type laser measuring apparatus using a reflective telescope, there is a problem that the energy transmission efficiency is poor because the center part of the transmission beam having a large energy intensity is blocked by the secondary mirror of the reflective telescope.
In addition, an in-line type laser measuring apparatus requires many optical parts such as a polarizing beam splitter and a wave plate, and the structure becomes complicated, so that it may be complicated to use in the field.
さらに、ビームスプリッタを用いる場合、ビームスプリッタの反射率をR、透過率を1−R、光源から発生した光出力をPo、測定対象から散乱されて装置に戻ってくる受信光の送信光出力に対する比例係数をaとすると、光源から出射してビームスプリッタを透過し、測定対象で散乱してビームスプリッタで反射されて光検知器に入射する光出力Pdは次式で表される。
Pd=a×R×(1−R)×Po …(1)
ここで、送信光の利用効率ηを次式で定義する。
η=Pd/(a×Po) …(2)
式(1)を用いると、式(2)は以下となる。
η=R×(1−R) …(3)
式(3)において、効率ηを最大にする反射率Rは0.5であり、このときの利用効率ηは0.25となる。
すなわち、通常、ビームスプリッタを用いた場合は、送信光の25%しか受信信号強度に寄与しておらず、レーザ光の利用効率が低いという問題がある。
Further, when a beam splitter is used, the reflectance of the beam splitter is R, the transmittance is 1-R, the light output generated from the light source is Po, and the transmitted light output of the received light that is scattered from the measurement object and returns to the apparatus. If the proportionality coefficient is a, the light output Pd emitted from the light source, transmitted through the beam splitter, scattered by the measurement object, reflected by the beam splitter, and incident on the photodetector is expressed by the following equation.
Pd = a * R * (1-R) * Po (1)
Here, the transmission light utilization efficiency η is defined by the following equation.
η = Pd / (a × Po) (2)
Using equation (1), equation (2) becomes:
η = R × (1-R) (3)
In Expression (3), the reflectance R that maximizes the efficiency η is 0.5, and the utilization efficiency η at this time is 0.25.
That is, when a beam splitter is used, only 25% of the transmitted light contributes to the received signal intensity, and there is a problem that the utilization efficiency of the laser light is low.
本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、装置構成を簡素化でき、レーザ光の利用効率の向上に寄与するインライン型レーザ測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above points, and an object of the present invention is to provide an inline-type laser measuring apparatus that can simplify the apparatus configuration and contribute to an improvement in the utilization efficiency of laser light.
上記の目的を達成するために本発明は、以下の構成を採用している。
本発明のレーザ測定装置は、レーザ光を出射する光源と、前記レーザ光の測定対象による散乱光を検知する検知器とを有するインライン型のレーザ測定装置であって、前記光源から出射したレーザ光を略非反射状態で通過させる非反射通過部と、前記散乱光を前記検知器に向けて反射する反射部とを有する分離器を備えることを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, the present invention employs the following configuration.
The laser measurement apparatus of the present invention is an inline-type laser measurement apparatus having a light source that emits laser light and a detector that detects scattered light from the measurement target of the laser light, and the laser light emitted from the light source Is provided with a separator having a non-reflective passing part that passes the light in a substantially non-reflective state and a reflective part that reflects the scattered light toward the detector.
従って、本発明のレーザ測定装置では、光源から出射されたレーザ光が非反射状態で分離器を通過することになるので、送信光の出力低下を抑制することが可能になる。そのため、散乱光の受信効率低下を抑えることが可能になり、レーザ光の利用効率の向上に寄与できる。
非反射通過部としては、前記分離器に設けられた孔部とする構成や、前記分離器における前記レーザ光の入射側の面、及び出射側の面に設けられた誘電体無反射膜を有する構成とすることが好ましい。
非反射通過部が孔部の場合は、光学素子等を介さないで分離器を出射するため、送信光の出力低下を大幅に抑えることができる。また、非反射通過部が誘電体無反射膜を有する場合は、反射による送信光の出力低下を抑えることができる。この場合、前記反射部は、前記出射側の面の前記誘電体無反射膜の周囲に設けられた偏光ビームスプリッタ膜を有する構成とすることが好ましい。
また、本発明では、孔部や誘電体無反射膜及び反射部を有する簡素な構成の分離器により、出射したレーザ光と散乱光とを分離できるので、装置構成の複雑化を防止して高価格化を防ぐことが可能になる。
Therefore, in the laser measurement device of the present invention, the laser light emitted from the light source passes through the separator in a non-reflecting state, and thus it is possible to suppress a decrease in output of the transmitted light. For this reason, it is possible to suppress a decrease in the reception efficiency of scattered light, which can contribute to an improvement in the utilization efficiency of laser light.
As a non-reflective passage part, it has the structure made into the hole provided in the said separator, and the dielectric non-reflective film provided in the surface by the side of the said laser beam in the said separator, and the surface by the side of emission A configuration is preferable.
In the case where the non-reflective passage portion is a hole, since the separator is emitted without passing through an optical element or the like, it is possible to greatly suppress the output reduction of the transmission light. Moreover, when the non-reflective passage part has a dielectric non-reflective film, the output fall of the transmission light by reflection can be suppressed. In this case, it is preferable that the reflecting portion includes a polarizing beam splitter film provided around the dielectric non-reflective film on the emission side surface.
Further, in the present invention, since the emitted laser light and scattered light can be separated by a separator having a simple configuration having a hole, a dielectric non-reflective film, and a reflective portion, the apparatus configuration is prevented from becoming complicated and high. It becomes possible to prevent pricing.
前記レーザ光の光軸と、受光する前記散乱光の光軸とは、略同一軸上にあることが装置の小型化を実現するために好ましい。
また、この構成では、出射された前記レーザ光の光軸と略同軸で前記非反射通過部が形成されることが好ましい。
これにより、分離器の非反射通過部を通過したレーザ光のエネルギ分布がレーザ光の光軸を中心として軸対称となり、又光軸のずれに伴うレーザ光の利用効率の低下を防止できる。
It is preferable that the optical axis of the laser beam and the optical axis of the scattered light to be received are substantially on the same axis in order to reduce the size of the apparatus.
In this configuration, it is preferable that the non-reflective passage portion is formed substantially coaxially with the optical axis of the emitted laser light.
As a result, the energy distribution of the laser light that has passed through the non-reflective passage portion of the separator becomes axially symmetric with respect to the optical axis of the laser light, and the use efficiency of the laser light can be prevented from being lowered due to the deviation of the optical axis.
前記非反射通過部の口径としては、前記レーザ光の光強度分布と、受光する前記散乱光の光強度分布とに基づいて設定されることが好ましい。
レーザ光の光強度分布は光軸中央部では高く周辺部は低い分布であり、一方、受光する散乱光の光強度分布はほぼ一様であるため、本発明ではレーザ光の周辺部を遮光しても光強度の低下(損失)が少ない大きさに非反射通過部の口径を設定することで、散乱光の受信効率を向上させることが可能になる。
The aperture of the non-reflective passage part is preferably set based on the light intensity distribution of the laser light and the light intensity distribution of the scattered light received.
The light intensity distribution of the laser beam is high in the central part of the optical axis and low in the peripheral part. On the other hand, the light intensity distribution of the scattered light received is almost uniform. However, it is possible to improve the reception efficiency of scattered light by setting the aperture of the non-reflective passage part to a size with little decrease (loss) in light intensity.
前記レーザ光及び前記散乱光の大きさを調整する屈折系光学素子が配設されることが、反射系光学素子を用いた場合のように、レーザ光が副鏡で遮られて散乱光の受信効率が悪くなることを防止できるため好ましい。
この場合、前記分離器と前記屈折系光学素子との間に、前記分離器を通過した前記レーザ光の光路を遮光状態で包囲する包囲部材が設けられることが好適である。
この構成では、分離器を通過したレーザ光が屈折系光学素子で反射し、この反射光が迷光となって検知器に入射することを抑制でき、検知器による検知精度を向上させることができる。
Refractive optical elements that adjust the sizes of the laser light and the scattered light are disposed. As in the case of using a reflective optical element, the laser light is blocked by the secondary mirror and receives the scattered light. It is preferable because efficiency can be prevented from deteriorating.
In this case, it is preferable that an enclosing member that encloses an optical path of the laser beam that has passed through the separator in a light-shielded state is provided between the separator and the refractive optical element.
In this configuration, it is possible to prevent the laser light that has passed through the separator from being reflected by the refractive optical element, and to prevent the reflected light from entering the detector as stray light, and the detection accuracy of the detector can be improved.
また、本発明では、前記分離器で反射した前記レーザ光を減衰させるダンパを有する構成も好適に採用できる。
この構成では、分離器により反射されたレーザ光が迷光として検知器に入射することを抑制でき、検知器による検知精度を向上させることができる。
Moreover, in this invention, the structure which has a damper which attenuates the said laser beam reflected with the said separator can also be employ | adopted suitably.
In this configuration, the laser light reflected by the separator can be prevented from entering the detector as stray light, and the detection accuracy of the detector can be improved.
また、本発明では、前記検知器が検知した信号に基づいて、前記測定対象の分布及び前記測定対象との間の距離を導出する信号処理装置を有する構成も好適に採用可能である。
この構成では、粉塵等の分布測定と測定対象との距離測定を一つの装置で可能とし、装置の汎用性を向上させることが可能になる。
Moreover, in this invention, the structure which has a signal processing apparatus which derives | leads-out the distribution between the said measuring object and the distance between the said measuring objects based on the signal which the said detector detected is also employable suitably.
In this configuration, it is possible to measure the distribution of dust and the like and the distance from the measurement object with a single device, and improve the versatility of the device.
本発明では、装置構成を簡素化できるとともに、出射されたレーザ光のパワー損失を大幅に低減させることが可能になり、レーザ光の利用効率を向上させることができ、光源として半導体レーザ装置等、比較的低出力のパルス光源を使用することが可能になり、装置の小型化及び低価格化に寄与できる。 In the present invention, the device configuration can be simplified, the power loss of the emitted laser light can be greatly reduced, the utilization efficiency of the laser light can be improved, and a semiconductor laser device or the like as a light source, It becomes possible to use a pulse light source having a relatively low output, which can contribute to downsizing and cost reduction of the apparatus.
(第1実施形態)
以下、本発明のレーザ測定装置の第1実施形態を、図1ないし図4を参照して説明する。
図1は、レーザ測定装置1の概略的な構成図である。
この図に示すレーザ測定装置1は、送受信望遠鏡2、走査装置3、レーザ発信器(光源)4、信号処理装置5及び制御装置6を主体に構成されている。
送受信望遠鏡2は、筒状の本体21、レンズ等で構成される屈折系光学素子22、受信光分岐用の分離器23、光検知器(検知器)24から構成されている。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the laser measurement apparatus of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a
A
The transmission /
本体21は、走査装置3によって支持されており、本体21内の基端部にレーザ発信器4が配置され、分離器23を挟んだ先端部に屈折系光学素子22が設けられている。屈折系光学素子22は、レーザ発信器4から出射されて当該光学素子22に入射したレーザ光Bを略平行光に変換するものである。
The
また、本体21内には分離器23のレーザ光の光軸AXと直交する方向の一方側(図1中、上側)に光検知器24が配置され、他方側(図1中、下側)にビームダンパ(ダンパ)25が配置されている。さらに、本体21の先端側の上部には、CCDカメラ等の撮像装置を有する照準器26が設けられている。
In the
走査装置3は、制御装置6の制御下で本体21の向きを鉛直軸線回りに走査状に回転運動させるものである。レーザ発信器4は、パルス半導体レーザや他の半導体レーザ励起マイクロチップレーザ、ファイバレーザ等の小型の発信器で構成されており、所定の繰り返し周期のレーザパルス(レーザ光)Bを発生し、屈折系光学素子22と光軸AXを一致させて上記分離器23に向けて出射する。また、このレーザ発振器4は、自らのレーザパルスBの出射出力を検出して同期信号として信号処理装置5に出力するように構成されている。
The scanning device 3 rotates the direction of the
図2に示すように、分離器23は、レーザ光Bの光軸AXに対して、例えば45度傾いて配置された鏡体で構成されており、レーザ発信器4から出射されたレーザ光Bを通過させる孔部(非反射通過部)27と、測定対象によるレーザ光Bの後方散乱光を光検出器24に向けて反射する反射面(反射部)28とを有している。
As shown in FIG. 2, the
孔部27は、レーザ光Bの光軸AXと同軸で形成されており、その口径BSは分離器23の位置におけるレーザ光Bのビーム径よりも僅かに小さく、且つ光学素子22を介して入射する後方散乱光のビーム径よりも小さく設定されている。従って、分離器23に入射したレーザ光Bは僅かに反射するものの、その大部分は孔部27を通過する。
なお、孔部27の口径BSは、出射するレーザ光Bの光強度分布と、光学素子22を介して受光する後方散乱光の光強度分布に基づいて設定されているが、その詳細については後述する。
The
The aperture BS of the
信号処理装置5は、光検知器24により検知された信号に基づいて、測定対象の分布または測定対象との間の距離を導出するものであり、図3に示すように、利得(ゲイン)調整機能を有する信号調整器31、32、33、信号調整器31、32で調整されたノイズを含む信号パルスの立ち上がりをそれぞれ検出するCFD(Constant Fraction Discriminator)34、35、2つの周波数を有するか若しくは周波数を可変とする外部クロック36、外部クロック36によって動作するA/D変換器37及びカウンター(TDC;Time to Distance Converter)38から構成される。
The
カウンター38は、外部クロック36の周波数がf1で動作し、CFD34から入力するレーザ光Bの発光信号をスタートパルスとしてクロック信号の計数を開始し、CFD35から入力する測定対象からの信号(後方散乱光の受光信号)をストップパルスとして、その間のクロック信号を計測し、クロック周波数f1とともに制御装置6に出力する構成となっている。
The
A/D変換器37は、外部クロック36の周波数がf2(f2<f1)で動作し、CFD34から入力するレーザ光Bの発光信号をスタートパルスとして、信号調整器32、33によりゲイン調整されて入力する測定対象からの信号(後方散乱光の受光信号)をデジタル変換して表示画面を有する制御装置(コンピュータ)6に出力する。
制御装置6は、信号処理装置5から入力する信号を用いて、測定対象までの距離及び測定対象の分布を導出する。
The A /
The control device 6 uses the signal input from the
続いて、上述した分離器23における孔部27の口径BSについて説明する。
図2において、分離器23が配置されていない場合、レーザ光Bは屈折系光学素子22を介して口径DLoで送信(送光)される。また、分離器23が配置されている場合、レーザ光Bは屈折系光学素子22を介して口径DL(DL<DLo)で送信(送光)される。
一方、測定対象からの後方散乱光は、光学素子22の有効径DTの全体で入射することになる。
Next, the aperture BS of the
In FIG. 2, when the
On the other hand, the backscattered light from the measurement object enters the entire effective diameter DT of the
ここで、分離器23における孔部27の口径BSとレーザ光Bのビーム効率との関係について説明する。
まず、レーザ発信器4から出射されたレーザ光Bの出力Poに対して、屈折系光学素子22を介して実際に送信される出力Poutは、次式(4)で与えられる。
なお、レーザ光Bの光強度分布は、ここでは理解を容易にするためにスポットサイズDLoo(DLoo<DLo)のガウシアンビームと仮定し、さらに光学素子22等の光学系の損失等は考えないものとする。
Here, the relationship between the aperture BS of the
First, the output P out actually transmitted via the refractive
Here, the light intensity distribution of the laser beam B is assumed to be a Gaussian beam having a spot size DLoo (DLoo <DLo) for easy understanding, and the loss of the optical system such as the
次に、測定対象から散乱されて装置に戻ってくる後方散乱光のパワーPdoは、ライダー方程式に従うが、ここでは理解を容易にするために、測定対象から散乱されて装置に戻ってくる受信光の送信光出力に対する比例係数をaとすると次式(5)で表すことができる。 Next, the power Pdo of the backscattered light scattered from the measurement object and returning to the apparatus follows the lidar equation, but here, for easy understanding, the received light scattered from the measurement object and returned to the apparatus. If the proportionality coefficient to the transmitted light output is a, it can be expressed by the following equation (5).
さらに、光検知器24に入射する受信光のパワーPdは、次式(6)に従う。
Furthermore, the power Pd of the received light incident on the
従って、送信したレーザ光(送信光)Bの利用効率ηは、上述した式(2)を用いると、次式(7)で表される。 Therefore, the utilization efficiency η of the transmitted laser beam (transmitted light) B is expressed by the following equation (7) when the above equation (2) is used.
なお、別の形態として、レーザ光Bの光強度分布が一定の直径DLoの方形ビームと仮定した場合の効率は、次式(8)で表される。 As another form, the efficiency when the light intensity distribution of the laser beam B is assumed to be a square beam having a constant diameter DLo is expressed by the following equation (8).
式(7)、(8)を用いてビーム効率を求めた結果を図4に示す。
なお、ここでは、DT=145mm、DLo=100mm、DLoo=50mmの数値を使用した。なお、スポットサイズDLooは、口径DLoでほぼ全ての光パワーを含むものとする値に設定されている。
FIG. 4 shows the result of calculating the beam efficiency using the equations (7) and (8).
Here, numerical values of DT = 145 mm, DLo = 100 mm, and DLoo = 50 mm were used. The spot size DLoo is set to a value that includes almost all the optical power with the aperture DLLo.
この図に示されるように、ガウシアンビーム及び方形ビームのいずれの場合の利用効率A、Bにおいても、ビームスプリッタを用いる場合の利用効率Cよりも効率が高い条件が存在している。例えば、ガウシアンビームAでDL=70の場合の光利用効率(Pd/Po)は約67%であり、方形ビームBの場合はDL=105で効率は約56%であり、ビームスプリッタを用いる場合の利用効率Cの2倍以上となっている。
なお、実際のレーザ光Bは、光強度分布が理想的な分布(ガウシアンビーム)からずれているため、孔部27の口径BSは実際に計測した光強度分布を用いて設定することが好ましい。実際のレーザ光を使用したビーム効率においてもガウシアンビームの利用効率Aと、方形ビームの利用効率Bの範囲内にあり、実際においてもビームスプリッタを用いた場合よりも利用効率が高くなる。
As shown in this figure, there is a condition in which the efficiency of use A and B in the case of either a Gaussian beam or a square beam is higher than the efficiency of use C in the case of using a beam splitter. For example, when the Gaussian beam A has DL = 70, the light utilization efficiency (Pd / Po) is about 67%. For the square beam B, DL = 105 and the efficiency is about 56%. The utilization efficiency C is more than twice.
Since the actual laser beam B has a light intensity distribution deviated from an ideal distribution (Gaussian beam), the aperture BS of the
続いて、レーザ測定装置1による測定処理について説明する。
レーザ発信器4から出射されたレーザ光Bは、分離器23で光強度が低い周辺部が遮光され、光強度が大きい中央部が分離器23の孔部27を通過する。すなわち、光強度的には、レーザ光Bはほぼ非反射状態で通過する。分離器23で遮光されて反射したレーザ光Bは、ビームダンパ25によって減衰されるため、本体21内で乱反射を生じ迷光(ノイズ成分)として光検知器24に入射して計測を阻害しない。なお、ビームダンパ25を設ける代わりに分離器23のレーザ発信器4と対向する面(反射面28と逆側の面)にレーザ光Bを吸収する部材や膜を設けてもよい。この場合、例えばクロム等で形成された遮光板を設ける構成やクロムメッキ等により遮光膜を形成する構成とすることができる。
Subsequently, a measurement process performed by the
The laser light B emitted from the
分離器23の孔部27を通過したレーザ光Bは、屈折系光学素子22によって口径DLの平行光に変換された状態でレーザ測定装置1から出射される。
そして、測定対象からの後方散乱光は、レーザ光Bと同一の光軸AXで光学素子22の有効径DTで入射し、分離器23において孔部27より外側の反射面28で反射してドーナツ状の光分布で光検知器24に集光される。
The laser beam B that has passed through the
Then, the backscattered light from the measurement object is incident at the effective diameter DT of the
ここで、測定対象までの距離を測定する場合は、カウンター38が信号調整器31及びCFD34を介して入力するレーザ光Bの発光信号の立ち上がりをスタートパルスとして外部クロック36のクロック信号の計数を開始し、光検知器24から信号調整器32及びCFD35を介して入力する後方散乱光の受光信号をストップパルスとしてクロック信号の計数を停止する。そして、制御装置6は、スタートパルスからストップパルスまでの間にカウンター38が計測したクロック信号とクロック周波数f1とを用いて、レーザ光Bが出射されて後方散乱光として受光されるまでの間の時間差を求め、この時間差が測定対象までの往復に要する時間であることから、測定対象までの距離を導出し表示画面に表示する。
Here, when measuring the distance to the measuring object, the
一方、粉塵等を計測対象とする場合は、微弱信号の計測が必要になるため、光検知器24及び信号調整器32の利得(ゲイン)を増加させて後方散乱光の信号を検出する。利得調整された受光信号は、信号調整器33を介してA/D変換器37に入力する。A/D変換器37に対しては、レーザ光Bの発光信号が信号調整器31及びCFD34を介して入力しており、A/D変換器37はこの発光信号をスタートパルスとして動作を開始している。ここで、粉塵等の情報は、光検知器24に入射したアナログ信号に含まれており、A/D変換器37は、アナログ信号波形をデジタル変換して制御装置6に出力する。制御装置6は、A/D変換器37から入力した信号を解析し、走査装置3の駆動による本体21の位置に応じて測定対象の情報(例えば粉塵の浮遊状態)を表示画面に表示する。
On the other hand, when dust or the like is to be measured, it is necessary to measure a weak signal. Therefore, the gain of the
以上説明したように、本実施の形態では、分離器23が孔部27でレーザ光Bを通過させ、反射面28で後方散乱光を光検知器24に向けて反射する構成であるので、装置構成を簡素化でき、また発信器4から出射されたレーザ光Bの分離器23でのパワー損失を大幅に低減させることが可能になり、レーザ光Bの利用効率を向上させることができる。そのため、本実施の形態では、光源として半導体レーザ装置等、比較的低出力のパルス光源を使用することが可能になり、装置の小型化及び低価格化に寄与できる。また、本実施の形態では、反射型望遠鏡ではなく屈折系光学素子22を用いた望遠鏡を用いているので、副鏡等でレーザ光が遮光されず送信及び受信効率の悪化も防止できる。
As described above, in the present embodiment, the
特に、本実施の形態では、レーザ光Bの光軸と後方散乱光の光軸とが略同一のインライン型の装置構成であるものの、偏光ビームスプリッタや波長板等を用いることなく、送信光であるレーザ光Bに対して後方散乱光を容易に分離できるので、装置構成を簡素化でき、装置の小型化を実現できるとともに、フィールドにおいても容易に使用することが可能である。 In particular, in the present embodiment, although the optical axis of the laser beam B and the optical axis of the backscattered light are substantially the same in-line type device configuration, the transmitted light can be transmitted without using a polarization beam splitter or a wave plate. Since backscattered light can be easily separated from a certain laser beam B, the configuration of the apparatus can be simplified, the apparatus can be miniaturized, and can be easily used in the field.
また、本実施の形態では、孔部27の口径をレーザ光Bの光強度分布と後方散乱光の光強度分布に基づいて設定しているので、偏光ビームスプリッタを用いた場合と比較して格段にレーザ光Bの利用効率を向上させることが可能である。
加えて、本実施の形態では、分離器23の孔部27がレーザ光Bの光軸AXと略同軸で形成されているので、光軸のずれに伴うレーザ光の利用効率の低下を防止できる。
Further, in the present embodiment, the
In addition, in this embodiment, since the
さらに、本実施の形態では、後方散乱光を受光した結果を用いて信号処理装置5が粉塵等、測定対象の分布及び測定対象との間の距離の双方を高精度に測定することが可能であり、レーザレーダ装置と測距装置の機能を有する高機能なレーザ測定装置を実現することができる。また、この信号処理装置5においては、測定対象までの距離計測時にアナログ信号(アナログ波形)の再現を必要としないので、データ量の低減化が実現しデータ数の増加に伴う蓄積メモリ増加や計数時間の増加を防ぐことができる。
Furthermore, in this embodiment, it is possible for the
また、本実施の形態では、分離器23で反射したレーザ光Bを減衰させるビームダンパ25を設けているので、ノイズ成分として光検知器24に入射する迷光の光強度を低下させることができ、測定精度の向上及び信頼性の向上に寄与できる。
In the present embodiment, since the
(第2実施形態)
続いて、本発明に係るレーザ測定装置の第2実施形態について図5を参照して説明する。この図において、図2に示す第1の実施形態の構成要素と同一の要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
第2の実施の形態と上記の第1の実施の形態とが異なる点は、分離器23の構成である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the laser measurement device according to the present invention will be described with reference to FIG. In this figure, the same reference numerals are given to the same elements as those of the first embodiment shown in FIG. 2, and the description thereof is omitted.
The difference between the second embodiment and the first embodiment is the configuration of the
図5に示す分離器23は、レーザ光Bの入射側の面の全面に誘電体無反射膜47が形成されるとともに、出射側の面に、入射したレーザ光Bのビーム径よりも僅かに小さい径(口径)BSの誘電体無反射膜48がそれぞれレーザ光Bとほぼ同軸で形成されている。これら誘電体無反射膜47、48により本発明に係る非反射通過部が構成される。そして、上記出射側の面の無反射膜48の周囲には、測定対象によるレーザ光Bの後方散乱光を光検出器24に向けて反射するための偏光ビームスプリッタ膜(反射部)49が例えば蒸着等によりドーナツ状に形成されている。
In the
上記の構成のレーザ測定装置では、例えば直線偏光のレーザ光Bは、分離器23から略非反射状態で口径BSで出射する。そして、測定対象からの後方散乱光は、レーザ光Bと同一の光軸AXで光学素子22の有効径DTで入射し、分離器23において偏光ビームスプリッタ膜49で反射してドーナツ状の光分布で光検知器24に集光される。
この後の、計測処理については、第1実施形態と同様である。
本実施形態についても、上記第1実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。
また、本実施形態では、偏光ビームスプリッタ膜49の効果で背景光が1/2となり、第1実施形態の構成と比較して、高い感度での計測を実施することが可能になる。
In the laser measuring apparatus having the above configuration, for example, the linearly polarized laser beam B is emitted from the
Subsequent measurement processing is the same as in the first embodiment.
Also in this embodiment, the same actions and effects as those in the first embodiment can be obtained.
Further, in this embodiment, the background light is halved by the effect of the polarization
(第3実施形態)
続いて、本発明に係るレーザ測定装置の第3実施形態について図6を参照して説明する。この図において、図2に示す第1の実施形態の構成要素と同一の要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
第2の実施の形態と上記の第1の実施の形態とが異なる点は、迷光防止用のフードを設けたことである。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the laser measurement device according to the present invention will be described with reference to FIG. In this figure, the same reference numerals are given to the same elements as those of the first embodiment shown in FIG. 2, and the description thereof is omitted.
The difference between the second embodiment and the first embodiment described above is that a hood for preventing stray light is provided.
図6に示すように、分離器23と屈折系光学素子22との間には、分離器23を通過したレーザ光Bの光路を包囲する円錐筒状のフード(包囲部材)50が設けられている。フード50は、遮光材料で形成されている、または内面に遮光面を有しており、屈折系光学素子22で反射したレーザ光Bが当該レーザ光Bの光路から出射しないように遮光する構成となっている。
As shown in FIG. 6, a conical tube-shaped hood (enclosure member) 50 that surrounds the optical path of the laser beam B that has passed through the
本実施の形態のレーザ計測装置では、上記第1実施形態と同様の作用・効果が得られることに加えて、送信光と受信光とを分離して、屈折系光学素子22で反射したレーザ光Bの反射光が迷光となって光検知器24に入射することを防止できるため、散乱光の検知精度を向上させることができる。
In the laser measuring apparatus of the present embodiment, in addition to obtaining the same operation and effect as the first embodiment, the laser beam reflected by the refractive
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, but it goes without saying that the present invention is not limited to such examples. Various shapes, combinations, and the like of the constituent members shown in the above-described examples are examples, and various modifications can be made based on design requirements and the like without departing from the gist of the present invention.
BS…口径、 B…レーザパルス(レーザ光)、 1…レーザ測定装置、 4…レーザ発信器(光源)、 5…信号処理装置、 22…屈折系光学素子(レンズ)、 23…分離器、 24…光検知器(検知器)、 25…ビームダンパ(ダンパ)、 27…孔部(非反射通過部)、 28…反射面(反射部)、 47、48…誘電体無反射膜(非反射通過部)、 49…偏光ビームスプリッタ膜(反射部)、 50…フード(包囲部材)
BS ... aperture, B ... laser pulse (laser light), 1 ... laser measurement device, 4 ... laser transmitter (light source), 5 ... signal processing device, 22 ... refractive optical element (lens), 23 ... separator, 24 ... Photodetector (detector) 25. Beam damper (damper) 27. Hole (non-reflective passing part) 28. Reflecting surface (reflective part) 47, 48. Dielectric non-reflective film (non-reflective passing part) ), 49... Polarizing beam splitter film (reflective portion), 50. Hood (enclosure member)
Claims (11)
前記光源から出射したレーザ光を略非反射状態で通過させる非反射通過部と、前記散乱光を前記検知器に向けて反射する反射部とを有する分離器を備えることを特徴とするレーザ測定装置。 A laser measuring device having a light source that emits laser light and a detector that detects scattered light from the measurement target of the laser light,
A laser measuring apparatus comprising: a separator having a non-reflective passage that allows laser light emitted from the light source to pass in a substantially non-reflective state; and a reflector that reflects the scattered light toward the detector. .
前記非反射通過部は、前記分離器に設けられた孔部であることを特徴とするレーザ測定装置。 The laser measurement device according to claim 1,
The non-reflective passage portion is a hole provided in the separator.
前記非反射通過部は、前記分離器における前記レーザ光の入射側の面、及び出射側の面に設けられた誘電体無反射膜を有することを特徴とするレーザ測定装置。 The laser measurement device according to claim 1,
The non-reflective passage part has a dielectric non-reflective film provided on the laser light incident side surface and the emission side surface of the separator.
前記反射部は、前記出射側の面の前記誘電体無反射膜の周囲に設けられた偏光ビームスプリッタ膜を有することを特徴とするレーザ測定装置。 The laser measurement apparatus according to claim 3, wherein
The laser measuring apparatus according to claim 1, wherein the reflecting portion includes a polarizing beam splitter film provided around the dielectric non-reflective film on the emission side surface.
前記レーザ光の光軸と、受光する前記散乱光の光軸とは、略同一軸上にあることを特徴とするレーザ測定装置。 In the laser measuring device according to any one of claims 1 to 4,
An optical axis of the laser beam and an optical axis of the scattered light to be received are substantially on the same axis.
前記非反射通過部は、出射された前記レーザ光の光軸と略同軸で形成されることを特徴とするレーザ測定装置。 The laser measurement apparatus according to claim 5, wherein
The non-reflective passage part is formed substantially coaxially with the optical axis of the emitted laser light.
前記非反射通過部の口径は、前記レーザ光の光強度分布と、受光する前記散乱光の光強度分布とに基づいて設定されることを特徴とするレーザ測定装置。 In the laser measuring device according to any one of claims 1 to 6,
The aperture of the non-reflective passage part is set based on the light intensity distribution of the laser light and the light intensity distribution of the scattered light received.
前記レーザ光及び前記散乱光の大きさを調整する屈折系光学素子が配設されることを特徴とするレーザ測定装置。 In the laser measuring device according to any one of claims 1 to 7,
2. A laser measuring apparatus comprising: a refractive optical element that adjusts the size of the laser light and the scattered light.
前記分離器と前記屈折系光学素子との間に、前記分離器を通過した前記レーザ光の光路を遮光状態で包囲する包囲部材が設けられることを特徴とするレーザ測定装置。 The laser measurement apparatus according to claim 8,
A laser measuring apparatus comprising: an enclosing member that encloses an optical path of the laser light that has passed through the separator in a light-shielded state between the separator and the refractive optical element.
前記分離器で反射した前記レーザ光を減衰させるダンパを有することを特徴とするレーザ測定装置。 In the laser measuring device according to any one of claims 1 to 9,
A laser measuring apparatus comprising a damper for attenuating the laser beam reflected by the separator.
前記検知器が検知した信号に基づいて、前記測定対象の分布及び前記測定対象との間の距離を導出する信号処理装置を有することを特徴とするレーザ測定装置。
In the laser measuring device according to any one of claims 1 to 10,
A laser measurement device comprising a signal processing device for deriving a distribution of the measurement object and a distance between the measurement object based on a signal detected by the detector.
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