JP2008026127A - Spectral unit, and meteorological observation lidar system - Google Patents

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Juichi Hasegawa
壽一 長谷川
Kiyotaka Uchida
清孝 内田
Katsuji Imashiro
勝治 今城
Takao Kobayashi
喬郎 小林
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Eko Instruments Trading Co Ltd
University of Fukui NUC
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Eko Instruments Trading Co Ltd
University of Fukui NUC
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To increase the precision of measurement of a Raman lidar system. <P>SOLUTION: The spectral unit is equipped with: a diffraction grating (32) for generating diffraction light on the basis of object light; two wedge mirrors (35, 36) arranged with a gap between on the optical path of the diffraction light; first interference filters (44, 45) arranged on the optical path of transmitted light passing through the gap between the two wedge mirrors; and second interference filters (38, 39) arranged on the optical path of reflected light generated by at least one of the two wedge mirrors. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、大気成分の反射・吸収・散乱等の光学的現象に応じた測定に用いる計測技術の改良に関する。   The present invention relates to an improvement in measurement technology used for measurement according to optical phenomena such as reflection, absorption, and scattering of atmospheric components.

ライダー(LIDAR; Light Detection and Ranging)は、観測領域の大気中の短いパルスのレーザ光を照射し、その散乱光をライダー信号として測定し、解析することにより、大気の状態を観測する技術である。ライダー観測のためのレーザ光には、通例、Nd:YAGレーザが用いられる。レーザ光の照射による散乱の種類には、エアロゾル(浮遊粒子状物質)によるミー散乱、大気構成分子によるレイリー散乱やラマン散乱などがあり、これらを利用して大気温度やエアロゾルの空間分布、大気密度、大気成分の濃度分布などの観測要素を解析することができる。具体的には、かかる解析は、ライダー信号を表現した、いわゆるライダー方程式と呼ばれる式を解くことにより行われる(たとえば、特許文献1参照)。   LIDAR (Light Detection and Ranging) is a technology that observes the state of the atmosphere by irradiating a short pulse of laser light in the atmosphere of the observation area and measuring and analyzing the scattered light as a lidar signal. . As a laser beam for lidar observation, an Nd: YAG laser is usually used. The types of scattering by laser light irradiation include Mie scattering by aerosol (floating particulate matter), Rayleigh scattering and Raman scattering by atmospheric constituent molecules, and using these, atmospheric temperature, aerosol spatial distribution, atmospheric density It is possible to analyze observation elements such as concentration distribution of atmospheric components. Specifically, this analysis is performed by solving a so-called rider equation expressing a rider signal (see, for example, Patent Document 1).

ライダーにおける計測では、測定対象となる大気成分の反射・吸収・散乱等の光学的現象に応じた測定を行う必要がある。例えば、窒素分子、酸素分子などから構成される“空気”の回転ラマン散乱を利用した気温計測の場合には、少なくとも二つの近接した中心波長における狭帯域の応答信号を検知することにより、気温計測を実現することができる。こうした気温用ライダーの他、大気ガス物質(H2O,SOx,NOx,CH4等)の濃度を検出する目的のラマンライダーにおいても、このような固有の中心波長における狭帯域の応答信号を少なくとも一つ以上検知する必要がある。 In measurement by a rider, it is necessary to perform measurement according to optical phenomena such as reflection, absorption, and scattering of atmospheric components to be measured. For example, in the case of temperature measurement using rotational Raman scattering of “air” composed of nitrogen molecules, oxygen molecules, etc., temperature measurement is performed by detecting narrow-band response signals at at least two adjacent central wavelengths. Can be realized. In addition to these temperature lidars, Raman lidar for the purpose of detecting the concentration of atmospheric gas substances (H 2 O, SOx, NOx, CH 4 etc.) has at least a narrow-band response signal at such a unique central wavelength. One or more must be detected.

従来のラマンライダーに関する技術では,光学系全体の効率や対象とする波長以外の光の遮断率が課題となっており、それを克服する手段として複数枚の高性能な干渉フィルタを多用する方法が用いられてきた。しかしながら、高性能な干渉フィルタは高コストであり、測定システム全体としてのコストも高かった。さらに、可視域のレーザを使用しているため目に対する安全性(アイセーフ性能)が低いため、レーザの出力が制限されることとなるため、このレーザ出力の低下に起因してライダー計測の精度が低下するという不都合があった。   In conventional Raman lidar technology, the efficiency of the entire optical system and the blocking rate of light other than the target wavelength are issues, and as a means to overcome this, there is a method of using multiple high-performance interference filters. Has been used. However, a high-performance interference filter is expensive, and the cost of the entire measurement system is high. Furthermore, since the laser in the visible range is used and the safety to the eyes (eye-safe performance) is low, the laser output is limited. There was an inconvenience of a drop.

国際公開番号 WO 03/073127 A1International Publication Number WO 03/073127 A1

そこで本発明は、近接した二つの中心波長の入射光を検出器に導くまでに、ラマン散乱光をより高い受信効率で導くと共に、ミー散乱やレイリー散乱光からのラマン散乱光のより高い遮断率を得ることにより、計測精度を向上させることを目的とする。
また、本発明は、ラマンライダーシステムの低コスト化を図ることを目的とする。
Therefore, the present invention guides Raman scattered light with higher reception efficiency before guiding incident light of two adjacent central wavelengths to the detector, and higher blocking rate of Raman scattered light from Mie scattered light and Rayleigh scattered light. The purpose is to improve the measurement accuracy.
Another object of the present invention is to reduce the cost of a Raman rider system.

本発明の第1の態様にかかる分光ユニットは、
対象光に基づいて回折光を生じさせる回折格子と、
相互間に間隙が設けられ、当該間隙を前記回折光の光路が通るように配置される2つのウェッジミラーと、
前記2つのウェッジミラーの前記間隙を通る通過光の光路上に配置される第1の干渉フィルタと、
前記2つのウェッジミラーの少なくとも一方によって生じる反射光の光路上に配置される第2の干渉フィルタと、
を備えることを特徴とする。
ここで、「ウェッジミラー(くさび型のミラー)」とは、入射光を反射する作用を有する部材(例えば板状のもの)であって、当該部材の端部が鋭角に形成されているものをいう。
The spectroscopic unit according to the first aspect of the present invention includes:
A diffraction grating that generates diffracted light based on the target light;
Two wedge mirrors provided so that a gap is provided between them, and the optical path of the diffracted light passes through the gap;
A first interference filter disposed on an optical path of light passing through the gap between the two wedge mirrors;
A second interference filter disposed on an optical path of reflected light generated by at least one of the two wedge mirrors;
It is characterized by providing.
Here, the “wedge mirror (wedge mirror)” is a member (for example, a plate-like member) having an action of reflecting incident light, in which the end of the member is formed at an acute angle. Say.

上記構成では、2枚のウェッジミラーを相互間(各々の端部の相互間)に微小な間隙を設けつつ配置し、スリットのようにして用いることにより、空間的に近接している波長を高い遮断率で分光している。このようなウェッジミラーによる近接波長の高い遮断率と、回折格子による高い効率および干渉フィルタによる高い効率と遮断率を有効に活用し、計測精度の向上を図ることができる。また、比較的に安価な回折格子とウェッジミラーを活用することにより、より高価な干渉フィルタの使用枚数を従来よりも減らすことができるので、測定システムの簡素化、低コスト化を図ることができる。   In the above configuration, two wedge mirrors are arranged with a minute gap between each other (between each end), and are used like a slit, thereby increasing the wavelength of spatial proximity. Spectroscopy is performed by the blocking rate. It is possible to improve the measurement accuracy by effectively utilizing such a high cutoff rate of the near wavelength by the wedge mirror, high efficiency by the diffraction grating, and high efficiency and cutoff rate by the interference filter. In addition, by using relatively inexpensive diffraction gratings and wedge mirrors, the number of more expensive interference filters used can be reduced as compared with the prior art, so that the measurement system can be simplified and the cost can be reduced. .

好ましくは、前記2つのウェッジミラーは、互いの延長方向が斜めに交わるように配置される。より詳細には、前記2つのウェッジミラーは、両者の反射面が全体として前記回折光の入射方向に対して凹状となるように配置されることが好ましい。また、前記2つのウェッジミラーは、両者の反射面が全体として前記回折光の入射方向に対して凸状となるように配置されることも好ましい。   Preferably, the two wedge mirrors are arranged such that the extending directions of the two wedge mirrors intersect obliquely. More specifically, it is preferable that the two wedge mirrors are disposed so that the reflecting surfaces of the two wedge mirrors as a whole are concave with respect to the incident direction of the diffracted light. It is also preferable that the two wedge mirrors are arranged so that the reflecting surfaces of the two wedge mirrors as a whole are convex with respect to the incident direction of the diffracted light.

それにより、各ウェッジミラーにより生じる反射光の受光がより容易になる。   This makes it easier to receive the reflected light generated by each wedge mirror.

好ましくは、上記分光ユニットは、前記回折光の光路上であって前記回折格子と前記2つのウェッジミラーの相互間に配置され、前記回折光を前記2つのウェッジミラーの前記間隙付近に集光させる第1のレンズを更に備える。   Preferably, the spectroscopic unit is disposed between the diffraction grating and the two wedge mirrors on the optical path of the diffracted light, and condenses the diffracted light in the vicinity of the gap between the two wedge mirrors. A first lens is further provided.

それにより、分光精度(分解能)をより高めることができる。   Thereby, the spectral accuracy (resolution) can be further increased.

好ましくは、上記分光ユニットは、前記対象光の光路上であって、前記対象光の入射位置と前記回折格子の相互間に配置され、前記対象光を平行光に変換する第2のレンズを更に備える。   Preferably, the spectroscopic unit further includes a second lens that is disposed on the optical path of the target light and disposed between the incident position of the target light and the diffraction grating, and converts the target light into parallel light. Prepare.

それにより、対象光の光利用効率を高め、測定精度をより向上させることができる。   Thereby, the light use efficiency of object light can be improved and measurement accuracy can be improved more.

好ましくは、上記分光ユニットは、
前記通過光の光路上であって前記第1の干渉フィルタの後段に配置される第1の受光器と、
前記反射光の光路上であって前記第2の干渉フィルタの後段に配置される第2の受光器と、
を更に備える。
Preferably, the spectroscopic unit is
A first light receiver disposed on the optical path of the passing light and subsequent to the first interference filter;
A second light receiver disposed on the optical path of the reflected light and subsequent to the second interference filter;
Is further provided.

本発明の第2の態様にかかる気象観測ライダーシステムは、
パルスレーザ光を発生させ、観測対象である大気中に向けてこれを発射する送信ユニットと、
前記送信ユニットから発射されたレーザ光の前記大気による反射光を観測対象光として受信する受信ユニットと、
前記受信ユニットにより受信された前記観測対象光を分光して複数の信号光を生成し、当該複数の信号光をそれぞれ電気信号に変換する分光ユニットと、
前記送信ユニット、前記受信ユニット及び前記分光ユニットの動作を制御するとともに、前記分光ユニットから出力される前記電気信号に基づいて信号処理を行う制御/処理ユニットと、
を含み、
前記分光ユニットとして、上記の分光ユニットを用いることを特徴とする。
The meteorological observation lidar system according to the second aspect of the present invention is:
A transmission unit that generates pulsed laser light and launches it toward the atmosphere to be observed;
A receiving unit that receives reflected light from the atmosphere of the laser light emitted from the transmitting unit as observation target light; and
A spectroscopic unit that splits the observation target light received by the receiving unit to generate a plurality of signal lights, and converts the plurality of signal lights into electrical signals, respectively;
A control / processing unit that controls operations of the transmission unit, the reception unit, and the spectroscopic unit, and that performs signal processing based on the electrical signal output from the spectroscopic unit;
Including
The spectroscopic unit is used as the spectroscopic unit.

上記構成によれば、計測精度が高く、尚かつシステムが簡素で低コストなライダーシステムが得られる。   According to the above configuration, a rider system with high measurement accuracy, a simple system, and low cost can be obtained.

本発明によれば、ライダーシステムの計測精度の向上を図るとともに、測定システムの簡素化、低コスト化を図ることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while improving the measurement precision of a rider system, the simplification and cost reduction of a measurement system can be achieved.

本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、気象観測ライダーシステムの基本構成を示す概略図である。気象観測ライダーシステム100は、ライダー観測に適した単一のパルスレーザ光を発生させ、観測対象である大気中に向けてこれを発射する送信ユニット1と、その送信ユニット1から発射されたレーザ光の大気による反射光(散乱光)を応答信号(ライダー信号)として受信する受信ユニット2と、その受信ユニット2により受信された応答信号を各種のライダー観測に必要な応答信号(観測対象光)にそれぞれ分光して複数の信号光を生成し、各信号光をそれぞれ電気信号に変換する分光ユニット3と、これらの各ユニットを構成する機器を制御するとともに、分光ユニット3から出力される電気信号に基づいて観測領域の各観測要素についての解析処理を行う制御/処理ユニット5と、を含んで構成される。   FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a weather observation lidar system. The meteorological observation lidar system 100 generates a single pulse laser beam suitable for lidar observation, and emits the laser beam toward the atmosphere to be observed, and the laser light emitted from the transmission unit 1. Receiving unit 2 that receives reflected light (scattered light) from the atmosphere as a response signal (rider signal), and the response signal received by the receiving unit 2 is used as a response signal (observation target light) necessary for various lidar observations Each of the spectral units generates a plurality of signal lights and converts each of the signal lights into electrical signals, and controls the devices that constitute each of these units, and the electrical signals output from the spectral unit 3 And a control / processing unit 5 that performs analysis processing for each observation element in the observation region.

送信ユニット1の中核をなすレーザ装置11は、QスイッチNd・YAGレーザを含んで構成される。レーザ装置11は、生成した高周波パルスのレーザ光の第三高調波成分(λ=355nm)を不図示の非線形光学素子により取り出して、適切な出力エネルギーを外部に出射する。   The laser device 11 that forms the core of the transmission unit 1 includes a Q-switched Nd / YAG laser. The laser device 11 takes out the third harmonic component (λ = 355 nm) of the generated laser light of the high-frequency pulse by a non-illustrated nonlinear optical element and emits appropriate output energy to the outside.

レーザ装置11から射出されるレーザ光は、ビームエクスパンダ14を介して適宜の径に調整された後、所定の位置から大気に向けて発射される。ビームエクスパンダ14を用いてビーム径を大きくすることにより、上空大気に射出されるビーム拡がりを低減させ、最終的に得られる集光効率を向上させることができる。   Laser light emitted from the laser device 11 is adjusted to an appropriate diameter via the beam expander 14 and then emitted from a predetermined position toward the atmosphere. By enlarging the beam diameter using the beam expander 14, it is possible to reduce the spread of the beam emitted to the upper atmosphere and improve the condensing efficiency finally obtained.

受信ユニット2は、大気に向けて発射されたレーザ光の反射光(後方散乱光)を集光する反射望遠鏡である。この反射望遠鏡により集光された観測光(応答信号)は、光ファイバーを介して分光ユニット3に誘導される。   The receiving unit 2 is a reflecting telescope that collects reflected light (backscattered light) of laser light emitted toward the atmosphere. Observation light (response signal) collected by the reflecting telescope is guided to the spectroscopic unit 3 through an optical fiber.

分光ユニット3は、受信ユニット2から光ファイバー6を介して導入される応答信号をライダー観測に必要な信号にそれぞれ分光し、検出可能に構成されている。分光ユニット3の各光検出手段(不図示)によりそれぞれ検出された応答信号(電気信号)は、アナログ/デジタル器(A/D変換器)4によってデジタル信号に変換されて制御/処理ユニット5に送出され、解析処理される。これにより、大気温度、水蒸気量およびエアロゾルの分布等が得られることになる。   The spectroscopic unit 3 is configured to be able to detect and separate the response signals introduced from the receiving unit 2 via the optical fiber 6 into signals necessary for lidar observation. Response signals (electrical signals) respectively detected by the respective light detection means (not shown) of the spectroscopic unit 3 are converted into digital signals by the analog / digital device (A / D converter) 4 and are sent to the control / processing unit 5. Sent out and analyzed. Thereby, atmospheric temperature, water vapor amount, aerosol distribution, and the like are obtained.

制御/処理ユニット5は、コンピュータ16を中心にして、ディスプレイ17、キーボード18およびプリンタ19などを備える。このコンピュータ16には入出力ポートが配設されており、コンピュータ16は、この入出力ポートを介して、各ユニットを構成する機器から送出される信号をそれぞれ受け取り、また、機器に対して信号をそれぞれ出力する。コンピュータ16の基本的な役割は、本実施形態の気象観測ライダーシステムに対する総括的な制御の下、分光ユニット3の各光検出手段からの応答信号に基づいて、大気の気温や水蒸気等の状態を解析することである。   The control / processing unit 5 includes a display 17, a keyboard 18, and a printer 19 with a computer 16 as a center. The computer 16 is provided with an input / output port. The computer 16 receives signals sent from the devices constituting each unit via the input / output ports, and sends signals to the devices. Output each. The basic role of the computer 16 is to control the atmospheric temperature, water vapor, and other states based on response signals from the respective light detection means of the spectroscopic unit 3 under comprehensive control over the weather observation lidar system of the present embodiment. To analyze.

図2は、分光ユニット3の構成を説明するための図である。受信ユニット2から光ファイバー6を介して誘導された観測光(対象光)は、上空大気からの後方散乱光である。かかる散乱光は、その光路上であって当該散乱光の入射位置(本例では光ファイバー6の一端部)と回折格子32との相互間に配置されるレンズ31に入射する。そして、この散乱光はレンズ31を通過することによって平行光に変換された後、回折格子32に入射する。この入射光は回折格子32により波長毎の光(回折光)として反射され、レンズ33を通ってウェッジミラー部34に導かれる。ウェッジミラー部34は、2つのウェッジミラー35、36から構成される。ここで、「ウェッジミラー」とは、入射光を反射する作用を有する楔状の部材(例えば板状のもの)であって、当該部材の端部が鋭角に形成されているものをいう。これらのウェッジミラー35、36は、互いの端部間に僅かな間隙(例えば、数百μm程度)が設けられており、この間隙が回折光の光路上に位置するように配置される。そして、これらのウェッジミラー35、36は、互いの延長方向が斜めに交わるように配置されている。ウェッジミラー部34の配置の詳細については更に後述する。   FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration of the spectroscopic unit 3. The observation light (target light) guided from the receiving unit 2 via the optical fiber 6 is backscattered light from the atmosphere above. Such scattered light is incident on a lens 31 disposed on the optical path between the diffraction grating 32 and the incident position of the scattered light (one end of the optical fiber 6 in this example). The scattered light is converted into parallel light by passing through the lens 31 and then enters the diffraction grating 32. The incident light is reflected as light (diffracted light) for each wavelength by the diffraction grating 32, and is guided to the wedge mirror unit 34 through the lens 33. The wedge mirror unit 34 includes two wedge mirrors 35 and 36. Here, the “wedge mirror” refers to a wedge-shaped member (for example, a plate-shaped member) that has an action of reflecting incident light, and an end portion of the member is formed at an acute angle. The wedge mirrors 35 and 36 are provided with a slight gap (for example, about several hundred μm) between the end portions thereof, and are arranged so that the gap is located on the optical path of the diffracted light. And these wedge mirrors 35 and 36 are arrange | positioned so that the mutual extension direction may cross diagonally. Details of the arrangement of the wedge mirror 34 will be described later.

レンズ37、2つの干渉フィルタ38、39、レンズ40は、一方のウェッジミラー35で反射した光(反射光)の光路上にこの順で配置される。ウェッジミラー35からの反射光は、レンズ37を通ることにより平行光とされた後、2枚の干渉フィルタ38、39を透過し、更にレンズ40によって集光される。なお、干渉フィルタはその特性等によっては1枚だけ使用するように構成してもよい。レンズ40によって集光された光は検出器41によって受光され、その強度に応じた電気信号に変換される。検出器41から出力される電気信号(アナログ信号)は上述のA/D変換器4によってデジタル信号に変換され、コンピュータ16に転送される。また、他方のウェッジミラー36で反射した光(反射光)は、当該反射光の光路上に配置されたダンパー42によって吸収される。   The lens 37, the two interference filters 38 and 39, and the lens 40 are arranged in this order on the optical path of the light (reflected light) reflected by one wedge mirror 35. The reflected light from the wedge mirror 35 is converted into parallel light by passing through the lens 37, passes through the two interference filters 38 and 39, and is further collected by the lens 40. Note that only one interference filter may be used depending on its characteristics. The light collected by the lens 40 is received by the detector 41 and converted into an electric signal corresponding to the intensity. The electrical signal (analog signal) output from the detector 41 is converted into a digital signal by the A / D converter 4 described above and transferred to the computer 16. The light reflected by the other wedge mirror 36 (reflected light) is absorbed by a damper 42 disposed on the optical path of the reflected light.

レンズ43、2つの干渉フィルタ44、45、レンズ46は、2つのウェッジミラー35、36の相互間の間隙を通過した光(通過光)の光路上にこの順で配置される。この通過光は、レンズ43を通ることにより平行光となった後、2枚の干渉フィルタ44、45を透過し、更にレンズ46により集光される。なお、干渉フィルタはその特性等によっては1枚だけ使用するように構成してもよい。レンズ46によって集光された光は検出器47によって受光され、その強度に応じた電気信号に変換される。検出器47から出力される電気信号(アナログ信号)は上述のA/D変換器4によってデジタル信号に変換され、コンピュータ16に転送される。   The lens 43, the two interference filters 44 and 45, and the lens 46 are arranged in this order on the optical path of the light (passing light) that has passed through the gap between the two wedge mirrors 35 and 36. The passing light is converted into parallel light by passing through the lens 43, passes through the two interference filters 44 and 45, and is collected by the lens 46. Note that only one interference filter may be used depending on its characteristics. The light condensed by the lens 46 is received by the detector 47 and converted into an electric signal corresponding to the intensity. The electrical signal (analog signal) output from the detector 47 is converted into a digital signal by the A / D converter 4 described above and transferred to the computer 16.

図3は、回折格子32の詳細について説明するための図である。本実施形態では回折格子32として反射型ブレーズド回折格子を用いており、図3ではそれが模式的に示されている。光ファイバ4から出射し、回折格子32へ入射するするレーザ光(レーザビーム)の波長をλ0、レーザ光の入射角(すなわち、回折格子32の主面の垂線とレーザ光と交差角)θin、回折格子32の格子定数をN、とすると、レーザ光の入射角θinは次式のように表される。

Figure 2008026127

また、回折格子32によって生じる回折光の回折角θout(λ)は、回折次数をmとすると次式のように表される。
Figure 2008026127

よって、設計によりθout(λ0)の角度を定義する。例えば、+1次回折光を用いるとするとm=+1となるので、レーザ光の入射角θinを適宜設定することにより、θout(λ0)の値が求められる。この求められたθout(λ0)の値に基づき、+1次回折光の進行方向(光路)が分かるので、当該進行方向に対応してレンズ33及びウェッジミラー部34を配置する。 FIG. 3 is a diagram for explaining the details of the diffraction grating 32. In the present embodiment, a reflective blazed diffraction grating is used as the diffraction grating 32, which is schematically shown in FIG. The wavelength of the laser beam (laser beam) emitted from the optical fiber 4 and incident on the diffraction grating 32 is λ 0 , and the incident angle of the laser beam (that is, the crossing angle between the perpendicular of the main surface of the diffraction grating 32 and the laser beam) θ. In , where the grating constant of the diffraction grating 32 is N, the incident angle θ in of the laser beam is expressed by the following equation.
Figure 2008026127

Further, the diffraction angle θ out (λ) of the diffracted light generated by the diffraction grating 32 is expressed by the following equation where the diffraction order is m.
Figure 2008026127

Therefore, the angle of θ out0 ) is defined by design. For example, if + 1st order diffracted light is used, m = + 1. Therefore, the value of θ out0 ) can be obtained by appropriately setting the incident angle θ in of the laser light. Since the traveling direction (optical path) of the + 1st-order diffracted light is known based on the obtained value of θ out0 ), the lens 33 and the wedge mirror unit 34 are arranged corresponding to the traveling direction.

図4は、ウェッジミラー部34の配置の詳細について説明するための図である。図4では、ウェッジミラー35、36の相互間の間隙部分が拡大して示されている。まず、各ウェッジミラー35、36は、両者の反射面が全体として光の入射方向(図中では左上側)に対して凹状となる状態に配置される。より詳細には、図示のように各ウェッジミラー35、36の互いの延長方向がなす交差角度をφとすると、このφが概ね90°以上180°以下の範囲内で適宜設定される。本実施形態では、ウェッジミラー35とウェッジミラー36との交差角度をφ=135°に設定している。また、各ウェッジミラー35、36は、エッジ面(端部)35a、36aのそれぞれが光入射方向と向かい合わないように配置される。別言すれば、各ウェッジミラー35、36は、これらの上面(長辺側)35b、36bのそれぞれが光入射方向に向き合うように配置される。それにより、エッジ部分で不要な反射光(迷光)を生じないようにすることができる。また、各ウェッジミラー35、36は、相互間にある程度の隙間を設けて離間して配置される。より詳細には、波長λ0の光はウェッジミラー36によって反射され、それより短い波長λ-1の光が各ウェッジミラー35、36の相互間の隙間を通過し、更に短い波長λ-2の光はウェッジミラー35によって反射されるように、各ウェッジミラー35、36の配置状態が設定される。それにより、各ウェッジミラー35、36の相互間の隙間を通過した波長λ-1の光は、各レンズ43、46及び各干渉フィルタ44、45を通過し、検出器47によって検出される。ウェッジミラー35によって反射された波長λ-2の光は、各レンズ37、40及び各干渉フィルタ38、39を通過し、検出器41によって検出される。ウェッジミラー36によって反射された波長λ0の光はダンパー42に吸収される。各ウェッジミラー35、36の交差角度φは、これらの波長λ0の光および波長λ-2の光の反射効率が最大となるように配置されることが望ましい。また、ウェッジミラー35、36の相互間の隙間については、使用する光の波長(例えば本例では、波長λ0、波長λ-1、波長λ-2はそれぞれ354.67nm、354.10nm、353.10nm)や、回折格子32およびレンズ33の特性などに応じて適宜設定されるものであり、例えば数百μm程度の間隔が設けられる。これについて更に説明する。 FIG. 4 is a diagram for explaining details of the arrangement of the wedge mirror unit 34. In FIG. 4, the gap portion between the wedge mirrors 35 and 36 is shown enlarged. First, each of the wedge mirrors 35 and 36 is disposed in a state in which both reflecting surfaces are concave with respect to the light incident direction (upper left in the drawing). More specifically, if the crossing angle formed by the extension directions of the wedge mirrors 35 and 36 is φ as shown in the figure, φ is appropriately set within a range of approximately 90 ° to 180 °. In this embodiment, the intersection angle between the wedge mirror 35 and the wedge mirror 36 is set to φ = 135 °. The wedge mirrors 35 and 36 are arranged so that the edge surfaces (end portions) 35a and 36a do not face the light incident direction. In other words, the wedge mirrors 35 and 36 are arranged such that their upper surfaces (long side sides) 35b and 36b face each other in the light incident direction. Thereby, unnecessary reflected light (stray light) can be prevented from being generated at the edge portion. In addition, the wedge mirrors 35 and 36 are arranged apart from each other with a certain gap therebetween. More specifically, light having a wavelength λ 0 is reflected by the wedge mirror 36, and light having a shorter wavelength λ −1 passes through the gap between the wedge mirrors 35, 36, and further has a shorter wavelength λ −2 . The arrangement state of each of the wedge mirrors 35 and 36 is set so that the light is reflected by the wedge mirror 35. As a result, the light having the wavelength λ −1 that has passed through the gap between the wedge mirrors 35 and 36 passes through the lenses 43 and 46 and the interference filters 44 and 45, and is detected by the detector 47. The light having the wavelength λ -2 reflected by the wedge mirror 35 passes through the lenses 37 and 40 and the interference filters 38 and 39 and is detected by the detector 41. The light having the wavelength λ 0 reflected by the wedge mirror 36 is absorbed by the damper 42. It is desirable that the intersection angle φ of each of the wedge mirrors 35 and 36 is arranged so that the reflection efficiency of the light having the wavelength λ 0 and the light having the wavelength λ -2 is maximized. As for the gap between the wedge mirrors 35 and 36, the wavelength of the light to be used (for example, in this example, the wavelengths λ 0 , λ −1 , and λ −2 are 354.67 nm, 354.10 nm, and 353.10 nm, respectively). In addition, it is appropriately set according to the characteristics of the diffraction grating 32 and the lens 33, and an interval of about several hundred μm is provided, for example. This will be further described.

図5は、ウェッジミラー35、36の相互間の間隔について詳細に説明するための図である。図5では、レンズ33への入射光とレンズ33からの出射光のスポット位置との関係が示されている。スポット位置に関する基本式は以下のように表される。なお、下記(3)式では、θoutが微小であるためtanθout≒θoutと近似している。

Figure 2008026127

ここで、fはレンズ33の焦点距離、dはスポット位置(像高)である。また、短波長側の回折光の波長をλ-1、λ-2、・・・、λ-n、長波長側の回折光の波長をλ1、λ2、・・・、λn、と表現する。このとき、中心波長λ0、短波長側の波長λ-1、長波長側の波長λ1、のそれぞれに対するスポット位置d(λ0)、d(λ-1)、d(λ1)は図示のように、レンズ33の光軸と直交する面(像面)において微小距離だけ離間する。本実施形態の気象観測ライダーシステム100では、中心波長λ0、短波長側波長λ-1の光を受信する。このとき、短波長側の光の受信スペクトル幅をΔλ-1とすると、ウェッジミラー35、36の相互間の間隔d1は次式によって表される。
Figure 2008026127

よって、この(4)式に基づいて、各ウェッジミラー35、36の相互間距離を設定することができる。このように、2枚のウェッジミラーを相互間に微小な間隙を設けつつ配置し、スリットのようにして用いることにより、空間的に近接している波長を高い遮断率で分光することが可能となる。 FIG. 5 is a diagram for explaining in detail the interval between the wedge mirrors 35 and 36. In FIG. 5, the relationship between the incident light to the lens 33 and the spot position of the outgoing light from the lens 33 is shown. The basic formula for the spot position is expressed as follows. In the following equation (3), theta out is approximated to tanθ out θ out because it is very small.
Figure 2008026127

Here, f is the focal length of the lens 33, and d is the spot position (image height). Further, -1 wavelength of the diffracted light on the short wavelength side λ, λ -2, ···, λ -n, the wavelength of the diffracted light on the long wavelength side λ 1, λ 2, ···, λ n, and Express. At this time, the center wavelength lambda 0, the wavelength lambda -1 on the short wavelength side, the wavelength lambda 1 of the long wavelength side, the spot position for each d (λ 0), d ( λ -1), d (λ 1) is shown As described above, the lens 33 is separated by a minute distance on the surface (image surface) orthogonal to the optical axis. The meteorological observation lidar system 100 of the present embodiment receives light having a center wavelength λ 0 and a short wavelength λ −1 . At this time, assuming that the reception spectrum width of the light on the short wavelength side is Δλ −1 , the interval d1 between the wedge mirrors 35 and 36 is expressed by the following equation.
Figure 2008026127

Therefore, the mutual distance between the wedge mirrors 35 and 36 can be set based on the equation (4). In this way, by arranging two wedge mirrors with a small gap between them and using them like slits, it is possible to disperse spatially close wavelengths with a high cutoff rate. Become.

本実施形態の気象観測ライダーシステム100は以上のような構成を有している。次に、上記した分光ユニット3の他の構成例について説明する。以下に説明する分光ユニット3aを用いて本実施形態の気象観測ライダーシステム100を構成することもできる。   The meteorological observation lidar system 100 of the present embodiment has the above-described configuration. Next, another configuration example of the above-described spectroscopic unit 3 will be described. The meteorological observation lidar system 100 of the present embodiment can also be configured using a spectroscopic unit 3a described below.

図6は、分光ユニットの他の構成例について説明する図である。図6に示す分光ユニット3aの基本的な構成は上述した図2に示した分光ユニット3と同様である。なお、上述した分光ユニット3と本例の分光ユニット3aとで共通している構成要素については同符号を付し、それらについての詳細な説明は省略する。本例の分光ユニット3aは、上述の分光ユニット3と比較して、ウェッジミラー部34に含まれる各ウェッジミラー35、36の配置状態が異なっている。また、このウェッジミラー部34の配置状態の変更に伴って、レンズ37、40、干渉フィルタ38、39及び検出器41からなる光学系の配置とダンパー42の配置とが入れ替わっている。   FIG. 6 is a diagram illustrating another configuration example of the spectroscopic unit. The basic configuration of the spectroscopic unit 3a shown in FIG. 6 is the same as that of the spectroscopic unit 3 shown in FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the component which is common in the spectroscopy unit 3 mentioned above and the spectroscopy unit 3a of this example, and detailed description about them is abbreviate | omitted. The spectroscopic unit 3 a of this example is different from the spectroscopic unit 3 in the arrangement state of the wedge mirrors 35 and 36 included in the wedge mirror unit 34. In addition, with the change in the arrangement state of the wedge mirror section 34, the arrangement of the optical system including the lenses 37 and 40, the interference filters 38 and 39, and the detector 41 and the arrangement of the damper 42 are switched.

図7は、図6に示す分光ユニットにおけるウェッジミラー部34の配置状態について詳細に説明する図である。図7では、ウェッジミラー35、36の相互間の隙間部分が拡大して示されている。まず、本例では、各ウェッジミラー35、36は、両者の反射面が全体として回折光の入射方向(図中では左上側)に対して凸状となる状態に配置される。より詳細には、図示のように各ウェッジミラー35、36の互いの延長方向がなす交差角度をφとすると、このφが概ね90°以上180°以下の範囲内で適宜設定される。本実施形態では、ウェッジミラー35とウェッジミラー36との交差角度をφ=135°に設定している。すなわち、上述の図4に示した配置を反転した状態となっている。また、各ウェッジミラー35、36は、エッジ面35a及び36aのそれぞれが光入射方向と向かい合わないように配置される。別言すれば、各ウェッジミラー35、36は、これらの上面(長辺側)35b、36bのそれぞれが光入射方向に向き合うように配置される。別言すれば、上記図4に示した例では上面35b、36bのなす角度が90°〜180°となっていたが、本例では上面35b、36bのなす角度(φの対頂角)が180°〜270°の範囲となる。それにより、エッジ部分で不要な反射光(迷光)を生じないようにすることができる。また、各ウェッジミラー35、36は、相互間にある程度の隙間を設けて離間して配置される。当該隙間の設定方法については上述した通りであるため、ここでは説明を省略する(図5参照)。本例においても、波長λ0の光はウェッジミラー36によって反射され、それより短い波長λ-1の光が各ウェッジミラー35、36の相互間の隙間を通過し、更に短い波長λ-2の光はウェッジミラー35によって反射されるように、各ウェッジミラー35、36の配置状態が設定される。各ウェッジミラー35、36の相互間の隙間を通過した波長λ-1の光は、各レンズ43、46及び各干渉フィルタ44、45を通過し、検出器47によって検出される。ウェッジミラー35によって反射された波長λ-2の光は、各レンズ37、40及び各干渉フィルタ38、39を通過し、検出器41によって検出される。ウェッジミラー36によって反射された波長λ0の光はダンパー42に吸収される。 FIG. 7 is a diagram for explaining in detail the arrangement state of the wedge mirror 34 in the spectroscopic unit shown in FIG. In FIG. 7, a gap portion between the wedge mirrors 35 and 36 is shown enlarged. First, in this example, each of the wedge mirrors 35 and 36 is arranged in a state in which both reflecting surfaces are convex with respect to the incident direction of diffraction light (upper left in the drawing). More specifically, if the crossing angle formed by the extension directions of the wedge mirrors 35 and 36 is φ as shown in the figure, φ is appropriately set within a range of approximately 90 ° to 180 °. In this embodiment, the intersection angle between the wedge mirror 35 and the wedge mirror 36 is set to φ = 135 °. That is, the arrangement shown in FIG. 4 is inverted. The wedge mirrors 35 and 36 are arranged so that the edge surfaces 35a and 36a do not face the light incident direction. In other words, the wedge mirrors 35 and 36 are arranged such that their upper surfaces (long side sides) 35b and 36b face each other in the light incident direction. In other words, in the example shown in FIG. 4, the angle formed by the upper surfaces 35b and 36b is 90 ° to 180 °, but in this example, the angle formed by the upper surfaces 35b and 36b (vertical angle of φ) is 180 °. It is in a range of ˜270 °. Thereby, unnecessary reflected light (stray light) can be prevented from being generated at the edge portion. In addition, the wedge mirrors 35 and 36 are arranged apart from each other with a certain gap therebetween. Since the setting method of the gap is as described above, the description is omitted here (see FIG. 5). Also in this example, the light with the wavelength λ 0 is reflected by the wedge mirror 36, and the light with the shorter wavelength λ −1 passes through the gap between the wedge mirrors 35, 36, and further has the shorter wavelength λ −2 . The arrangement state of each of the wedge mirrors 35 and 36 is set so that the light is reflected by the wedge mirror 35. The light having the wavelength λ −1 that has passed through the gap between the wedge mirrors 35 and 36 passes through the lenses 43 and 46 and the interference filters 44 and 45, and is detected by the detector 47. The light having the wavelength λ -2 reflected by the wedge mirror 35 passes through the lenses 37 and 40 and the interference filters 38 and 39 and is detected by the detector 41. The light having the wavelength λ 0 reflected by the wedge mirror 36 is absorbed by the damper 42.

以上のように本実施形態では、2枚のウェッジミラーを相互間に微小な間隙を設けつつ配置し、スリットのようにして用いることにより、空間的に近接している波長を高い遮断率で分光している。このようなウェッジミラーによる近接波長の高い遮断率と、回折格子による高い効率および干渉フィルタによる高い効率と遮断率を有効に活用し、計測精度の向上を図ることができる。また、比較的に安価な回折格子とウェッジミラーを活用することにより、より高価な干渉フィルタの使用枚数を従来よりも減らすことができるので、測定システムの簡素化、低コスト化を図ることができる。   As described above, in this embodiment, two wedge mirrors are arranged with a small gap between each other and are used like a slit, so that spatially close wavelengths can be separated with a high cutoff rate. is doing. It is possible to improve the measurement accuracy by effectively utilizing such a high cutoff rate of the near wavelength by the wedge mirror, high efficiency by the diffraction grating, and high efficiency and cutoff rate by the interference filter. In addition, by using relatively inexpensive diffraction gratings and wedge mirrors, the number of more expensive interference filters used can be reduced as compared with the prior art, so that the measurement system can be simplified and the cost can be reduced. .

なお、本発明は上述した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において更に種々変形して実施することが可能である。例えば、上述した実施形態では回折格子32として反射型ブレーズド回折格子を用いていたが、回折格子32として透過型の回折格子を用いてもよい。この場合には、図2等に示した光学系において、レーザ光の入射方向が図示の例と反対側に設定すればよいことは当業者にとって周知である。   In addition, this invention is not limited to the content of embodiment mentioned above, In the range of the summary of this invention, it can change in various further and can be implemented. For example, in the embodiment described above, a reflective blazed diffraction grating is used as the diffraction grating 32, but a transmissive diffraction grating may be used as the diffraction grating 32. In this case, it is well known to those skilled in the art that in the optical system shown in FIG. 2 and the like, the incident direction of the laser light may be set on the side opposite to the illustrated example.

また、回折格子32は必ずしもブレーズ型である必要はなく、他の形態であってもよい。また、各ウェッジミラー35、36の配置を傾けることにより、各ウェッジミラーによる反射光の進行方向を上下方向に制御してもよい。それにより、検出器に至る光学系の配置やダンパーの配置に自由度が増すので、分光ユニット全体の形状や構成を種々の要望に合わせてカスタマイズすることが容易となる。   The diffraction grating 32 does not necessarily have to be a blazed type, and may have another form. In addition, the traveling direction of the reflected light by each wedge mirror may be controlled in the vertical direction by tilting the arrangement of the wedge mirrors 35 and 36. This increases the degree of freedom in the arrangement of the optical system leading to the detector and the arrangement of the damper, so that the shape and configuration of the entire spectroscopic unit can be easily customized to meet various needs.

また、上記実施形態では、光路中に1つの回折格子を配置していたが、2つ又はそれ以上の回折格子を適宜配置してもよい。それにより、更に分光効率を向上させることができる。   In the above embodiment, one diffraction grating is arranged in the optical path, but two or more diffraction gratings may be arranged as appropriate. Thereby, the spectral efficiency can be further improved.

また、上記実施形態を通して説明した本発明の分光ユニットは、気象観測ライダーシステムに用いて好適なものであるが、これ以外にも光を利用する多様な技術分野において用いることが可能である。   Moreover, although the spectroscopic unit of the present invention described through the above embodiments is suitable for use in a weather observation lidar system, it can be used in various technical fields that utilize light.

気象観測ライダーシステムの基本構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the basic composition of a weather observation lidar system. 分光ユニットの構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of a spectroscopy unit. 回折格子の詳細について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the detail of a diffraction grating. ウェッジミラー部の配置の詳細について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the detail of arrangement | positioning of a wedge mirror part. ウェッジミラーの相互間の間隔について詳細に説明するための図である。It is a figure for demonstrating in detail the space | interval between wedge mirrors. 分光ユニットの他の構成例について説明する図である。It is a figure explaining the other structural example of a spectroscopy unit. 図6に示す分光ユニットにおけるウェッジミラー部の配置状態について詳細に説明する図である。It is a figure explaining in detail the arrangement | positioning state of the wedge mirror part in the spectroscopy unit shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1…送信ユニット
2…送信ユニット
3…分光ユニット
4…アナログ/デジタル器
5…制御/処理ユニット
6…光ファイバー
11…レーザ装置
12…シーダ
14…ビームエクスパンダ
16…コンピュータ
17…ディスプレイ
18…キーボード
19…プリンタ
31…レンズ
32…回折格子
33…レンズ
34…ウェッジミラー部
35、36…ウェッジミラー
35a、36a…エッジ面
35b、36b…上面
37、40、43、46…レンズ
38、39、44、45…干渉フィルタ
41、47…検出器
42…ダンパー
100…気象観測ライダーシステム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Transmission unit 2 ... Transmission unit 3 ... Spectroscopic unit 4 ... Analog / digital device 5 ... Control / processing unit 6 ... Optical fiber 11 ... Laser apparatus 12 ... Seeder 14 ... Beam expander 16 ... Computer 17 ... Display 18 ... Keyboard 19 ... Printer 31 ... Lens 32 ... Diffraction grating 33 ... Lens 34 ... Wedge mirror part 35, 36 ... Wedge mirror 35a, 36a ... Edge surface 35b, 36b ... Upper surface 37, 40, 43, 46 ... Lens 38, 39, 44, 45 ... Interference filter 41, 47 ... Detector 42 ... Damper 100 ... Weather observation lidar system

Claims (2)

対象光に基づいて回折光を生じさせる回折格子と、
相互間に間隙が設けられ、当該間隙を前記回折光の光路が通るように配置される2つのウェッジミラーと、
前記2つのウェッジミラーの前記間隙を通る通過光の光路上に配置される第1の干渉フィルタと、
前記2つのウェッジミラーの少なくとも一方によって生じる反射光の光路上に配置される第2の干渉フィルタと、
を備える、分光ユニット。
A diffraction grating that generates diffracted light based on the target light;
Two wedge mirrors provided so that a gap is provided between them, and the optical path of the diffracted light passes through the gap;
A first interference filter disposed on an optical path of light passing through the gap between the two wedge mirrors;
A second interference filter disposed on an optical path of reflected light generated by at least one of the two wedge mirrors;
A spectroscopic unit.
パルスレーザ光を発生させ、観測対象である大気中に向けてこれを発射する送信ユニットと、
前記送信ユニットから発射されたレーザ光の前記大気による反射光を観測対象光として受信する受信ユニットと、
前記受信ユニットにより受信された前記観測対象光を分光して複数の信号光を生成し、当該複数の信号光をそれぞれ電気信号に変換する分光ユニットと、
前記送信ユニット、前記受信ユニット及び前記分光ユニットの動作を制御するとともに、前記分光ユニットから出力される前記電気信号に基づいて信号処理を行う制御/処理ユニットと、
を含み、
前記分光ユニットとして、請求項1に記載の分光ユニットを用いることを特徴とする、気象観測ライダーシステム。
A transmission unit that generates pulsed laser light and launches it toward the atmosphere to be observed;
A receiving unit that receives reflected light from the atmosphere of the laser light emitted from the transmitting unit as observation target light; and
A spectroscopic unit that splits the observation target light received by the receiving unit to generate a plurality of signal lights, and converts the plurality of signal lights into electrical signals, respectively;
A control / processing unit that controls operations of the transmission unit, the reception unit, and the spectroscopic unit, and that performs signal processing based on the electrical signal output from the spectroscopic unit;
Including
A meteorological observation lidar system using the spectroscopic unit according to claim 1 as the spectroscopic unit.
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