JP2009210528A - Light transmitting/receiving device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、空間に光を出射し、その光に対して空間から戻って来る光を受光して、空間による光への物理的な影響を把握するために用いられる光送受信装置において、出射光を空間的に走査させることができ、送受信の光学系を同じにすることで、装置の小型化・低価格化がはかれ、かつ走査された光が散乱・反射されて光源方向に戻ってくる戻り光を高効率で受光器へ集光できるようにするための技術に関する。 The present invention relates to an optical transmission / reception apparatus used for emitting light to a space, receiving light returning from the space with respect to the light, and grasping a physical influence on the light by the space. Can be scanned spatially, and by making the optical system for transmission and reception the same, the size and cost of the apparatus can be reduced, and the scanned light is scattered and reflected back to the light source direction. The present invention relates to a technique for allowing return light to be focused on a light receiver with high efficiency.
所定の物理量を検出する方法の1つとして、光のスペクトラムの変化を検知する手法が用いられている。例えば、物質はその結晶構造や分子構造に応じた固有周波数に電磁波の吸収ピークを有しているため、電磁波を物質に照射して、透過波のスペクトラムを検出し、物質に吸収された電磁波の周波数を調べることでその物質を知ることができる。さらに、その吸収率から、物質の含有量や濃度を定量することも可能である。 As one of methods for detecting a predetermined physical quantity, a method for detecting a change in the spectrum of light is used. For example, since a substance has an electromagnetic wave absorption peak at a natural frequency corresponding to its crystal structure or molecular structure, the substance is irradiated with the electromagnetic wave, the spectrum of the transmitted wave is detected, and the electromagnetic wave absorbed by the substance is detected. The substance can be known by examining the frequency. Furthermore, the content and concentration of the substance can be quantified from the absorption rate.
上記の吸収ピークは物質ごとに固有であるため、同ピークにあわせた周波数を持つ電磁波を用いれば、対象とする物質だけを効率よく検出することができる。この特定の周波数をもつ電磁波を放出できる素子として、半導体レーザが挙げられる。半導体レーザは特定波長の光を高いエネルギー密度で出射できるだけでなく、気体分子の固有周波数(吸収ピーク)が多く存在する赤外線領域の電磁波を出射できるためである。このため、半導体レーザと受光器を組み合わせれば、大気中に存在する特定の気体分子の濃度を測定することが可能になる。 Since the above absorption peak is unique to each substance, only the target substance can be efficiently detected by using an electromagnetic wave having a frequency matched to the peak. As an element capable of emitting an electromagnetic wave having this specific frequency, a semiconductor laser can be cited. This is because the semiconductor laser not only emits light of a specific wavelength at a high energy density but also can emit electromagnetic waves in the infrared region where there are many natural frequencies (absorption peaks) of gas molecules. For this reason, if a semiconductor laser and a light receiver are combined, it is possible to measure the concentration of a specific gas molecule present in the atmosphere.
空間に存在する物質の濃度を測定する方法として、電気式センサが従来から用いられているが、これら電気式センサは、対象物質が存在する場所にセンサを設置しておかなければならない。このため、物質の漏洩などを検知する目的で利用する場合には、見逃しのないように多点計測が必要であり、センサの設置および配線に膨大なコストがかかる。 Conventionally, electric sensors have been used as a method for measuring the concentration of a substance present in space. However, these electric sensors must be installed at a place where the target substance exists. For this reason, when using it for the purpose of detecting the leakage of a substance, etc., multipoint measurement is required so as not to overlook it, and the installation and wiring of the sensor are enormous.
そこで、近年ではセンサの設置および配線の手間を必要とせず、広い空間にわたって物質の濃度を簡便に測定できる、前述のような光の吸収ピークを用いた測定方法に関心が集まっている。特に、可燃性物質を検出・測定する場合には、高い防爆性があるなどの理由から大変注目を集めている。 Therefore, in recent years, there is an interest in a measurement method using the light absorption peak as described above, which can easily measure the concentration of a substance over a wide space without requiring the installation of a sensor and wiring. In particular, when detecting and measuring flammable substances, it has attracted a great deal of attention because of its high explosion resistance.
例えば、次の特許文献1には、測定対象物質の吸収ピークに一致した光周波数で発振するレーザ素子からレーザ光を測定対象方向に出射し、壁などで散乱・反射されてレーザ素子方向に戻ってきた戻り光を受光器で受けることで、レーザ素子から該壁などの間に存在する対象物質の濃度を測定する方法が開示されている。
For example, in the following
この方法では、半導体レーザから出射された光をコリメートレンズにより平行光に変換してから空間に伝播させ、前記壁などで散乱・反射された戻り光を集光レンズで受光器上に集め、前記吸収ピークにおける光のパワーの減衰分から対象物質の濃度を測定できるようにしている。 In this method, light emitted from the semiconductor laser is converted into parallel light by a collimator lens and then propagated to space, and return light scattered and reflected by the wall or the like is collected on a light receiver by a condenser lens. The concentration of the target substance can be measured from the attenuation of light power at the absorption peak.
配管の特定部分などから漏洩・排出される物質は、通常風に流されるため、等方的に拡散するよりもむしろプルーム(高濃度の気体物質の帯)となり、空間に広がって行く。このため、プルーム近傍の物質濃度は高いが、それから離れるとその濃度が極端に低下する。光を用いてこのプルームを検出するためには、プルームのある方向を狙って光を出射しなければならない。 Substances that are leaked or discharged from a specific part of the pipe flow normally into the wind, so they become plumes (bands of high-concentration gaseous substances) rather than isotropically spreading and spread into the space. For this reason, the substance concentration in the vicinity of the plume is high, but when it is away from it, the concentration decreases extremely. In order to detect this plume using light, light must be emitted aiming at a certain direction of the plume.
しかしながら、上記のように半導体レーザから出射される光をコリメートレンズにより平行光に変換してから空間に伝播させる従来技術の場合、平行光の断面は細く保たれため、ガス濃度を測定できる空間の範囲は非常に限られたものに成らざるを得ない。 However, in the case of the prior art in which the light emitted from the semiconductor laser is converted into parallel light by the collimator lens and propagated to the space as described above, the cross section of the parallel light is kept thin, so that the space in which the gas concentration can be measured The range must be very limited.
前記特許文献1に開示されている方法を用いる場合、前記平行光が出射される方向を徐々に変えていくことでプルームが存在する空間を探すことはできる。しかし、測定対象物質が存在する場所が測定器から遠い場合、平行光の出射角度をわずかに変えただけでも、平行光の通過位置が大きくずれてしまうため、測定対象物質を検知するには高精度に平行光の出射角度を変化させる必要がある。
When using the method disclosed in
これを解決する手段として、計測装置に可動機構を追加することで前記平行光の出射方向を高精度に制御する方法が考えられる。しかし、このように付加的な可動機構を追加すると、装置が大型かつ高価になり、特にハンドヘルド型の安価な装置を提供することができないといった問題が生じる。 As a means for solving this problem, a method of controlling the emission direction of the parallel light with high accuracy by adding a movable mechanism to the measuring device can be considered. However, when an additional movable mechanism is added in this way, the apparatus becomes large and expensive, and in particular, a problem arises that it is impossible to provide a handheld inexpensive apparatus.
また、平行光をガルバノミラーで反射させて、その出射方向を変えるという方法も考えられるが、特許文献1などの従来技術のように光の送信系と受信系が別々に構成されている場合、光学部品の点数が増えて装置が大型かつ高価なものになるだけでなく、受光器における前記戻り光の受光効率も低下してしまう。
In addition, a method of reflecting parallel light with a galvanometer mirror and changing its emission direction is also conceivable, but when a light transmission system and a reception system are configured separately as in the prior art such as
本発明は、上記問題を解決して、光源から出射される出射光の方向を空間的に掃引することで、測定対象物質のプルームを捕捉できる確率を向上させると共に、送受信の光学系を同じにすることで、装置の小型化・低価格化がはかれ、かつ走査された光が散乱・反射されて光源方向に戻ってくる戻り光を高効率で受光器へ集光できる光送受信装置を提供することを目的としている。 The present invention solves the above problems and spatially sweeps the direction of the emitted light emitted from the light source, thereby improving the probability that the plume of the measurement target substance can be captured and making the transmission / reception optical system the same. In this way, the optical transmitter / receiver can reduce the size and cost of the device, and can condense the return light that returns to the light source direction as the scanned light is scattered / reflected. The purpose is to do.
前記目的を達成するために、本発明の請求項1の光送受信装置は、
光源(22)と、
前記光源から出射された光を平行光に変換するためのコリメートレンズ(23)と、
前記コリメートレンズから出射された平行光を受けて反射する反射部(28a)を有し、該反射部が設けられている部分を所定の角度範囲内で回動できるように形成された回動ミラー(25)と、
前記回動ミラーに対する前記平行光の入射位置近傍に焦点が位置し、且つ前記反射部で反射された平行光を受けて送受信対象空間へ出射させるとともに、該送受信対象空間からの戻り光を前記焦点近傍に集光させる送受信レンズ(35)と、
前記回動ミラーの前記反射部が設けられている部分の前記送受信レンズの焦点近傍で、且つ前記平行光の入射位置から離間した位置に固定され、前記送受信対象空間から前記送受信レンズを介して入射される戻り光を受ける受光素子(40)とを備えている。
In order to achieve the above object, an optical transmission / reception apparatus according to
A light source (22);
A collimating lens (23) for converting light emitted from the light source into parallel light;
A rotating mirror having a reflecting portion (28a) that receives and reflects the parallel light emitted from the collimating lens, and is formed so that the portion provided with the reflecting portion can be rotated within a predetermined angle range. (25) and
The focal point is located in the vicinity of the incident position of the parallel light with respect to the rotating mirror, receives the parallel light reflected by the reflecting unit and emits the parallel light to the transmission / reception target space, and returns light from the transmission / reception target space to the focus. A transmitting and receiving lens (35) for condensing in the vicinity;
The rotating mirror is fixed at a position near the focal point of the transmission / reception lens at a portion where the reflection unit is provided and is spaced from the incident position of the parallel light, and is incident from the transmission / reception target space via the transmission / reception lens. And a light receiving element (40) for receiving the returned light.
また、本発明の請求項2の光送受信装置は、請求項1記載の光送受信装置において、
前記光源が半導体レーザであり、前記戻り光のうち前記回動ミラーで反射して前記光源の方向へ出射される光を阻止するために、前記コリメートレンズと前記回動ミラーの間にアイソレータ(24)を配置したことを特徴とする。
An optical transceiver according to
The light source is a semiconductor laser, and an isolator (24) is provided between the collimating lens and the rotating mirror in order to block the return light reflected by the rotating mirror and emitted in the direction of the light source. ).
また、本発明の請求項3の光送受信装置は、請求項1または請求項2記載の光送受信装置において、
前記回動ミラーは、
内フレーム(27)と、
前記内フレームの内側に配置され、前記反射部が一方の面に形成された反射板(28)と、
捩れ変形自在で前記内フレームの内側に前記反射板を回動自在に支持する第1の連結軸(31、32)とが一体的に形成された構造を有しており、
前記反射板の前記一方の面側に前記受光素子が設けられていることを特徴とする。
An optical transceiver according to
The rotating mirror is
An inner frame (27);
A reflector (28) disposed inside the inner frame and having the reflecting portion formed on one surface;
A first connecting shaft (31, 32) that is twistably deformable and that rotatably supports the reflector on the inner side of the inner frame;
The light receiving element is provided on the one surface side of the reflecting plate.
また、本発明の請求項4の光送受信装置は、請求項3記載の光送受信装置において、
外フレーム(26)と、
前記第1の連結軸の捩れ方向とは異なる方向に捩れ変形自在で、前記外フレームの内側に前記内フレームを回動自在に支持する第2の連結軸(29、30)とを有していることを特徴とする。
An optical transceiver according to
An outer frame (26);
A second connecting shaft (29, 30) that is twistable and deformable in a direction different from the twisting direction of the first connecting shaft, and that rotatably supports the inner frame inside the outer frame; It is characterized by being.
また、本発明の請求項5の光送受信装置は、請求項3または請求項4記載の光送受信装置において、
前記回動ミラーの前記反射板の他方の面に、前記受光素子により発生する回転モーメントとバランスするカウンターマス(45)が固定されていることを特徴とする。
An optical transceiver according to
A counter mass (45) that balances a rotational moment generated by the light receiving element is fixed to the other surface of the reflecting plate of the rotating mirror.
また、本発明の請求項6の光送受信処理装置は、請求項1〜5のいずれかに記載の光送受信装置において、
前記コリメートレンズと前記回動ミラーの間に、前記コリメートレンズから出射された光が前記受光素子に到達しないように配置されたマスク(50)が備えられていることを特徴とする。
Moreover, the optical transmission / reception processing apparatus of
A mask (50) is provided between the collimating lens and the rotating mirror so that the light emitted from the collimating lens does not reach the light receiving element.
このように構成されているため、本発明の光送受信装置は、光源から出射してコリメートレンズで平行光に変換された光の出射方向を空間的に繰り返し掃引することができ、送受信空間に存在する測定対象物質のプルームを捕捉できる確率を大幅に向上させると共に、測定対象物質の空間的な分布を測定も可能となる。 With this configuration, the optical transmission / reception apparatus of the present invention can spatially repeatedly sweep the emission direction of the light emitted from the light source and converted into parallel light by the collimator lens, and exists in the transmission / reception space. The probability that the plume of the measurement target substance to be captured can be captured is greatly improved, and the spatial distribution of the measurement target substance can be measured.
また、送受信の光学系が共通化されているので、光学部品の点数を増やすことなく装置の小型化・低価格化がはかれ、かつ空間的に走査された光の戻り光を少ない光学部品で、効率よく受光器へ集光できるため、高SN比の測定が可能となり、対象物質濃度の測定精度を向上させることができる。 In addition, since the optical system for transmission and reception is shared, the size and cost of the device can be reduced without increasing the number of optical components, and the return light of the spatially scanned light can be reduced with fewer optical components. Since the light can be efficiently collected on the light receiver, it is possible to measure a high signal-to-noise ratio and improve the measurement accuracy of the target substance concentration.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明を適用した光送受信装置20の構造を示している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows the structure of an
この光送受信装置20は、ベース21の上に、光源としての半導体レーザ22、コリメートレンズ23、アイソレータ24、回動ミラー25、送受信レンズ35が固定されて構成されている。
The optical transmitter /
半導体レーザ22は、送受信対象空間の測定対象物質の吸収波長に対応した波長の光をコリメートレンズ23に出射し、コリメートレンズ23は、半導体レーザ22の出射光を平行光に変換してベース21の上面にほぼ平行な光軸に沿ってアイソレータ24を介して回動ミラー25へ出射する。半導体レーザ22、コリメートレンズ23およびアイソレータ24は所定高さの台21aの上に固定されている。アイソレータ24は、回動ミラー25からの戻り光、特に、後述する送受信対象空間から戻ってくる半導体レーザ22のレーザ光が再び半導体レーザ22に戻ってレーザ発振が不安定になるのを防止する。
The
回動ミラー25は、コリメートレンズ23から出射された平行光を受けて反射する反射部28aを有し、その反射部が設けられている部分を所定の角度範囲内で回動できるように形成されている。
The rotating
回動ミラーとしては空間を線上に走査する1軸構造と、空間を2次元的に走査する2軸構造のものが使用できるが、ここではより効率的に空間の検査が可能なように2軸構造のものについて説明する。 As the rotating mirror, a one-axis structure that scans the space on a line and a two-axis structure that scans the space two-dimensionally can be used. Here, the two-axis is used so that the space can be inspected more efficiently. The structure will be described.
回動ミラー25は、同一平面内に直交する2つの軸(X軸、Y軸)をもつジンバル構造であり、半導体基板に対するエッチング処理などを用いて、外フレーム26、内フレーム27、反射板28および外連結軸29、30、内連結軸31、32を一体的に形成した所謂MEMS構造を有している。
The rotating
図2に示すように、回動ミラー25の外フレーム26は、上板26a、下板26b、左右の側板26c、26dにより矩形枠状に形成され、その内側に、上板27a、下板27b、左右の側板27c、27dからなる矩形枠状の内フレーム27が同心に配置され、さらにその内側に、矩形の反射板28が同心に配置されている。
As shown in FIG. 2, the
外フレーム26の側板26c、26dの内縁中央から内フレーム27の側板27c、27dの外縁中央の間は、捩じり変形自在な細さを有する外連結軸29、30によって連結され、内フレーム27の上板27a、下板27bの内縁中央から反射板28の上縁、下縁の中央の間は、捩じり変形自在な細さを有する内連結軸31、32によって連結されている。
The center of the inner edges of the side plates 26c, 26d of the
したがって、反射板28は、外フレーム26に対して外連結軸29、30を結ぶ線と内連結軸31、32を結ぶ線との交点を回動中心として直交2軸で回動できるように支持されている。
Therefore, the reflecting
なお、ここでは詳述しないが、外フレーム26に対する内フレーム27の回動駆動および内フレーム27に対する反射板28の回動駆動は、静電駆動方式あるいは電磁駆動方式のいずれであってもよい。
Although not described in detail here, the rotation drive of the
静電駆動方式は、対向する電極に電圧を印加して、その間に生じる吸引力を利用するものであり、上記構造の場合、反射板28の左右方向の少なくとも一端側に形成された電極と、それに対向するように内フレーム27に固定された電極との間に電圧を与えて、内フレーム27に対して、反射板28を内連結軸31、32を回動の軸として回動させ、さらに、内フレーム27の上下方向の少なくとも一端側に形成された電極と、それに対向するように外フレーム26に固定された電極との間に電圧を与えて、外フレーム26に対して、内フレーム27を外連結軸29、30を回動の軸として回動させる。
The electrostatic drive method uses a suction force generated between the electrodes by applying a voltage to the opposing electrodes. In the case of the above structure, the electrode formed on at least one end side in the left-right direction of the
また、電磁駆動方式の場合は、上記の対向電極の代わり、電磁石と磁性体、電磁石同士あるいは電磁石と永久磁石のいずれかの組合せを用いて内フレーム27および反射板28を回動させる。
In the case of the electromagnetic drive system, the
外フレーム26に対する反射板28の向きは、回動駆動のための信号により所定範囲内で任意に変化させることができ、それによって空間に対する光の走査軌道を自由に設定することができる。
The direction of the reflecting
例えば2軸の駆動信号を、周波数が等しく位相が90度異なる正弦波信号とすると、出射する光の走査軌道を図3の(a)のように円状(あるいは楕円状)にすることができ、また、2つの駆動信号に周波数差を与えれば、図3の(b)のように横方向と縦方向の走査の組合せによる矩形空間の走査(この例は粗密走査であるが均等走査でもよい)も可能となる。 For example, if the biaxial drive signal is a sine wave signal having the same frequency and a phase difference of 90 degrees, the scanning trajectory of the emitted light can be made circular (or elliptical) as shown in FIG. If a frequency difference is given to the two drive signals, scanning of a rectangular space by a combination of scanning in the horizontal direction and the vertical direction as shown in FIG. 3B (this example is coarse scanning, but uniform scanning may be used. ) Is also possible.
なお、1次元走査だけする場合には、上記構成の回動ミラー25から外フレーム26および外連結軸29、30を除いた構成で対応することができる。勿論上記構成の回動ミラー25において、外フレーム26に対して内フレーム27を固定した状態で、反射板28を回動させることでも1次元走査は可能である。
In the case of performing only one-dimensional scanning, a configuration in which the
このような構造の回動ミラー25は、その外フレーム26が所定高さの台21b上に直立した状態で固定されていて、コリメートレンズ23からアイソレータ24を介して出射された平行光を反射板28の中心から僅かに上方に離れた位置で且つ光に対して高い反射率を示すように形成された反射部28aで受ける。
The rotating
なお、ここで反射部28aは、平行光が入射される領域のみに形成されている場合について説明するが、光に対して高い反射率を示す反射部28aは、平行光が入射される領域を含み、後述する受光素子40が設けられている部分を除く領域であれば任意の広さに形成することができる。
Here, the case where the reflection portion 28a is formed only in the region where the parallel light is incident will be described. However, the reflection portion 28a exhibiting a high reflectance with respect to the light has a region where the parallel light is incident. It can be formed in an arbitrary area as long as it is a region excluding a portion where a
回動ミラー25の反射板28の表面の中心から僅か(中心から反射部28aまでの距離とほぼ等しい距離)に下方に離れた位置には、後述する送受信レンズ35を介して外部空間から入射された光を受光するための受光素子40が形成されている。
The light is incident from the outside space through a transmission / reception lens 35 (described later) at a position slightly below the center of the surface of the reflecting
この受光素子40は内部に電流電圧変換回路(IV変換回路)を有しており、入射光の強度に比例した電圧の信号を出力する。受光素子40は、回動ミラー25の製造過程で反射板28の表面に半導体技術により一体的に形成されたものの他に、回動ミラー25と別体に形成されて反射板28の表面に固定されたものであってもよい。ただし、受光素子40を反射板28の表面に半導体技術により一体的に形成した場合、各部の配置関係からその受光面が送受信レンズ35のレンズ中心軸Cに対して傾いた状態となり、しかも反射板28の回動によりその向きが変化するが、その変化が所定範囲内であれば、受光面の向きの変化に対する受光感度の変化はほとんど無視できる。また受光面の向きの変化が大きい場合には、後述する信号処理部42において、予めその向きと感度との関係を求めておき、その関係に基づいて角度毎の受光出力の補正を行えばよい。
The
回動ミラー25の反射部28aで反射された平行光は、送受信レンズ35に入射される。送受信レンズ35は、所謂凸型の性質を示すレンズ(外形は凸型、平面型のいずれでもよい)であり、その焦点Fの位置は回動ミラー25の反射板28の表面の中心位置に一致しており、且つレンズ中心軸Cがベース21の上面に平行となる状態で図示しない支持体に支持されてベース21上に直立状態で固定されており、回動ミラー25の反射部28aで反射された平行光を、レンズ中心軸Cにほぼ平行な光軸の送信光Tにして外部の送受信対象空間へ出射させる。
The parallel light reflected by the reflecting portion 28 a of the
また、この送受信レンズ35は、外部の送受信対象空間からの戻り光Rを焦点およびその近傍に集光させ、前記したように回動ミラー25の反射板28の表面の中心の焦点位置Fから僅かに離れた位置に形成された受光素子40に入射される。
Further, the transmission /
なお、回動ミラー25の回動駆動が停止している状態で、反射部28aで反射された光が送受信レンズ35のレンズ中心軸Cにほぼ一致した光軸で通過するように、半導体レーザ22、コリメートレンズ23および回動ミラー25が配置されているものとする。
The
また、図2に示すように、回動ミラー25の反射板28の他方の面には、受光素子40により発生する回転モーメントとバランスするカウンターマス45が固定されており、このカウンターマス45により反射板28の回動の軸ズレが防止されている。
As shown in FIG. 2, a counter mass 45 that balances the rotational moment generated by the
また、コリメートレンズ23と回動ミラー25の間には、コリメートレンズ23からアイソレータ24を介して出射された光の受光素子40への入射を阻止するためのマスク50が、台21c上に支持されて設けられている。
A
上記のように光学系が構成された光送受信装置20は、例えば図4のように、携帯使用可能で、送受信レンズ35からの送信光Tを外部空間へ出射させ、且つ外部空間から送受信レンズ35への戻り光Rの入射が可能なガン形状を有する筐体100を有しており、図示しない操作部の操作により、光の送受信動作を起動できるように構成されている。
The optical transmission /
また、装置内部には、図5のように受光素子40の出力信号をA/D変換するA/D変換器41と、A/D変換器41の出力に基づいて、送受信空間における測定対象物質の存在あるいは濃度等についての評価処理を行う信号処理部42と、処理結果などを表示する表示器43が設けられている。また、前記した回動ミラー25を静電駆動あるいは電磁駆動するためのミラー駆動装置44が設けられている。このミラー駆動装置44は、信号処理部42から指定される走査情報に基づいて回動ミラー25を駆動する。
Further, inside the apparatus, as shown in FIG. 5, an A / D converter 41 for A / D converting the output signal of the
この信号処理については詳述しないが、最も簡単な処理としては、所望のしきい値と、受光出力とを比較し、掃引中に受光出力がしきい値より低いときにアラーム表示を行い、測定対象物質が存在すること、あるいは規定以上の濃度であることを通知する。 Although this signal processing is not described in detail, the simplest process is to compare the desired threshold value with the received light output, and display an alarm when the received light output is lower than the threshold value during the sweep. Notify that the target substance exists or the concentration is higher than the specified level.
また、掃引中の受光出力を記憶して掃引毎の平均化処理を行い、その空間分布を表示器43に表示することも可能であり、その分布から測定対象物質が集中している空間を特定することが容易に行える。 It is also possible to store the received light output during sweeping, perform averaging processing for each sweep, and display the spatial distribution on the display 43. From this distribution, the space where the measurement target substance is concentrated is specified. Can be easily done.
このように構成された光送受信装置20では、半導体レーザ22から出射されてコリメートレンズ23により平行光に変換された光は、回動ミラー25の反射部28aに入射される。
In the
回動ミラー25の反射板28の回動に伴いコリメートレンズ23の出射光が反射される角度は変化するが、その入射位置は送受信レンズ35の焦点Fの近傍にあるため、反射部28aから出射されて送受信レンズ35を透過した送信光Tはその送受信レンズ35のレンズ中心軸Cにほぼ平行なビームとなって、外部空間へ出射される。
The angle at which the light emitted from the
この送信光Tは、空間を伝播し、そこに含まれる物質の吸収ピークに対応した周波数の光成分が吸収され、さらに反射・散乱体まで進み、そこで反射・散乱された光の一部が戻り光Rとして送受信レンズ35に戻り、その焦点Fおよびその近傍に集光されて受光素子43に入射される。
The transmitted light T propagates through the space, the light component having a frequency corresponding to the absorption peak of the substance contained therein is absorbed, and further travels to the reflection / scattering body, where a part of the reflected / scattered light returns. The light R returns to the transmission /
したがって、半導体レーザ22から出射される光の波長を測定対象物質の吸収ピークに一致させておけば、例えば出射光のパワーと受光素子40で受けた戻り光のパワーの比等から、送受信対象空間に存在する測定対象物質の濃度などを知ることができる。
Therefore, if the wavelength of the light emitted from the
なお、特許文献1に記載されているように、半導体レーザ22から出射される光に周波数変調(可変波長光源とする)をかけ、これを測定対象物質が存在する空間に通し、その透過光を受光素子40で受けたときの出力信号に基づいて空間の吸収スペクトラム特性を求めて、測定対象ガスのガス濃度を測定することもできる。この方法を用いれば、測定対象物質の濃度をより高精度かつ高安定に測定できる。
In addition, as described in
この方法で実際に測定対象物の濃度を測定すると、吸収ピークに合った周波数の光が吸収されるが、濃度に応じた強度で前記変調周波数の2倍の周波数の強度変化が得られる。この2倍の周波数成分と元の変調周波数の強度変化の比は測定対象物の濃度に比例するので、その濃度を知ることができる。 When the concentration of an object to be measured is actually measured by this method, light having a frequency matching the absorption peak is absorbed, but an intensity change at a frequency twice the modulation frequency can be obtained at an intensity corresponding to the concentration. Since the ratio of the intensity change of the double frequency component and the original modulation frequency is proportional to the concentration of the measurement object, the concentration can be known.
また、外部空間に含まれる物質自体が送信光Tに対して反射・散乱を生じさせる場合には、より簡単な測定原理を適用できる。反射・散乱する粒子に向けて光を出射した場合、空間中の粒子密度が高ければ、戻り光は多く、密度が低ければ戻り光が少なくなる。したがって、光源より出射された光のパワーに対する戻り光の比を測定すれば、空間中の上記粒子密度を知ることができる。 Further, when the substance itself contained in the external space causes reflection / scattering with respect to the transmission light T, a simpler measurement principle can be applied. When light is emitted toward the particles that are reflected / scattered, if the particle density in the space is high, the return light is large, and if the density is low, the return light is small. Therefore, if the ratio of the return light to the power of the light emitted from the light source is measured, the particle density in the space can be known.
この場合、上記のように物質の吸収ピークに対応した周波数を含む光を用いる必要はなく、該物質により反射・散乱される周波数の光であればよく、その光源も半導体レーザに限られず、ランプ、LED、ASE、SLD等種々のものから選択することが可能となる。この場合、アイソレータ24を省略することも可能である。また、上記種々の光源を用いる場合で、その大きさ等の理由からコリメートレンズ23へ直接入射できない場合には、光源から出射された光を一度光ファイバの一端に結合させ、他端から出射された光をコリメートレンズ23に出射することもできる。
In this case, it is not necessary to use light including a frequency corresponding to the absorption peak of the substance as described above, it is sufficient that the light has a frequency reflected and scattered by the substance, and the light source is not limited to the semiconductor laser. , LED, ASE, SLD and the like can be selected. In this case, the
さらに、この場合、光源自体の直接変調もしくは光源から出射された光を外部の光スイッチにより変調し、送信光Tを光パルスとして出射することもできる。この場合、同光パルスが出射され、空間中の物質により反射・散乱されて、戻り光となり、受光素子で受かるまでの時間を測定すれば、同物質が存在する場所までの距離も知ることができる。 Furthermore, in this case, direct modulation of the light source itself or light emitted from the light source can be modulated by an external optical switch, and the transmission light T can be emitted as an optical pulse. In this case, if the same light pulse is emitted, reflected and scattered by the substance in the space, becomes return light, and the time until it is received by the light receiving element is measured, the distance to the place where the substance exists can also be known. it can.
これまで述べてきた上記実施形態では、回動ミラー25に対して送受信レンズ35の位置が相対的に固定されていたが、図6のように、回動ミラー25から送受信レンズ35までの距離を、少なくとも焦点距離より短い方向に可変できる可動機構60を設けることで、走査空間の広さを拡大することができる。なお、ここでは可変機構60で送受信レンズ35を動かす場合を示すが、送受信レンズ35に対して、半導体レーザ22、コリメートレンズ23、アイソレータ24および回動ミラー25を一体的に動かしてもよい。
In the embodiment described so far, the position of the transmission /
このように、回動ミラー25と送受信レンズ35との距離を短くした場合、反射部28aで反射されて送受信レンズ35に向かう平行光のうち、レンズ中心軸Cを通るもの以外は、送受信レンズ透過後に、レンズ中心軸Cとは平行にならずレンズ中心軸Cから遠ざかる方向に伝播するので走査空間が拡がる。ただし、反射により受光素子40に戻ってくる光量が少なくなり、受信における焦点ずれも発生するので、S/N比が劣化して測定精度が低下するが、走査空間が広くなったことで、測定対象物の検知確率が高くなる。
As described above, when the distance between the
したがって、初めに上記した広範囲走査モードで測定を行い、測定対象物の検知後、あるいは測定対象物の存在が予測される領域特定後に、走査空間を元に戻して、精度の高い測定を実行することもできる。 Therefore, the measurement is first performed in the above-described wide-range scanning mode, and after the detection of the measurement object or after the region where the existence of the measurement object is predicted is specified, the scanning space is returned to the original to perform a high-precision measurement. You can also.
特に、配管などからの漏洩を検知するには、まずは漏洩物質の所在を捉えることが最優先であり、一度漏洩物質を捉えてしまえば、あとは走査空間を元の状態に戻したり、走査を止め、回動ミラー25の回動を停止して、高精度な濃度測定を行えばよい。なお、回動ミラー25の回動を停止させて使う場合には、回動停止時に平行光が送受信レンズ35の中心を通るように、半導体レーザ22、コリメートレンズ23および回動ミラー25を配置しておくとよい。
In particular, in order to detect leaks from pipes etc., it is top priority to first detect the location of the leaking substance. Once the leaking substance is caught, the scanning space can be returned to the original state, or scanning can be performed. It is only necessary to stop and stop the rotation of the
また、上記の広範囲走査モードは、可動機構60でレンズを移動する方法だけでなく、固定の送受信レンズ35の前に凹レンズを着脱できるように構成し、凹レンズを装着して送信光Tの走査範囲を広げて粗い測定を行い、その後に凹レンズを外して正確な測定を行うようにしてもよい。
The wide-range scanning mode is not limited to the method in which the lens is moved by the
20……光送受信装置、21……ベース、22……半導体レーザ、23……コリメートレンズ、24……アイソレータ、25……回動ミラー、26……外フレーム、27……内フレーム、28……反射板、28a……反射部、29〜32……連結軸、35……送受信レンズ、40……受光素子、41……A/D変換器、42……信号処理部、43……表示器、44……ミラー駆動装置、45……カウンターマス、50……マスク、60……可動機構
20: Optical transceiver, 21: Base, 22: Semiconductor laser, 23 ... Collimator lens, 24 ... Isolator, 25 ... Rotating mirror, 26 ... Outer frame, 27 ... Inner frame, 28 ... ... Reflector, 28a ... Reflecting part, 29-32 ... Connecting shaft, 35 ... Transceiving lens, 40 ... Light receiving element, 41 ... A / D converter, 42 ... Signal processing part, 43 ...
Claims (6)
前記光源から出射された光を平行光に変換するためのコリメートレンズ(23)と、
前記コリメートレンズから出射された平行光を受けて反射する反射部(28a)を有し、該反射部が設けられている部分を所定の角度範囲内で回動できるように形成された回動ミラー(25)と、
前記回動ミラーに対する前記平行光の入射位置近傍に焦点が位置し、且つ前記反射部で反射された平行光を受けて送受信対象空間へ出射させるとともに、該送受信対象空間からの戻り光を前記焦点近傍に集光させる送受信レンズ(35)と、
前記回動ミラーの前記反射部が設けられている部分の前記送受信レンズの焦点近傍で、且つ前記平行光の入射位置から離間した位置に固定され、前記送受信対象空間から前記送受信レンズを介して入射される戻り光を受ける受光素子(40)とを備えた光送受信装置。 A light source (22);
A collimating lens (23) for converting light emitted from the light source into parallel light;
A rotating mirror having a reflecting portion (28a) that receives and reflects the parallel light emitted from the collimating lens, and is formed so that the portion provided with the reflecting portion can be rotated within a predetermined angle range. (25) and
The focal point is located in the vicinity of the incident position of the parallel light with respect to the rotating mirror, receives the parallel light reflected by the reflecting unit and emits the parallel light to the transmission / reception target space, and returns light from the transmission / reception target space to the focus. A transmitting and receiving lens (35) for condensing in the vicinity;
The rotating mirror is fixed at a position near the focal point of the transmission / reception lens at a portion where the reflection unit is provided and is spaced from the incident position of the parallel light, and is incident from the transmission / reception target space via the transmission / reception lens. And a light receiving element (40) for receiving the returned light.
内フレーム(27)と、
前記内フレームの内側に配置され、前記反射部が一方の面に形成された反射板(28)と、
捩れ変形自在で前記内フレームの内側に前記反射板を回動自在に支持する第1の連結軸(31、32)とが一体的に形成された構造を有しており、
前記反射板の前記一方の面側に前記受光素子が設けられていることを特徴とする請求項1または請求項2記載の光送受信装置。 The rotating mirror is
An inner frame (27);
A reflector (28) disposed inside the inner frame and having the reflecting portion formed on one surface;
A first connecting shaft (31, 32) that is twistably deformable and that rotatably supports the reflector on the inner side of the inner frame;
The optical transmission / reception apparatus according to claim 1, wherein the light receiving element is provided on the one surface side of the reflection plate.
前記第1の連結軸の捩れ方向とは異なる方向に捩れ変形自在で、前記外フレームの内側に前記内フレームを回動自在に支持する第2の連結軸(29、30)とを有していることを特徴とする請求項3記載の光送受信装置。 An outer frame (26);
A second connecting shaft (29, 30) that is twistable and deformable in a direction different from the twisting direction of the first connecting shaft, and that rotatably supports the inner frame inside the outer frame; The optical transceiver according to claim 3.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008056461A JP2009210528A (en) | 2008-03-06 | 2008-03-06 | Light transmitting/receiving device |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011086847A (en) * | 2009-10-19 | 2011-04-28 | Juki Corp | Electronic component mounting apparatus |
JPWO2018155290A1 (en) * | 2017-02-27 | 2019-11-07 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Optical component sensor |
-
2008
- 2008-03-06 JP JP2008056461A patent/JP2009210528A/en active Pending
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