JP2010261792A - 送受信一体型光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】送信光学系及び受信光学系の同一視野内に目標を捕らえることが可能な送受信一体型光学装置を得る。
【解決手段】レーザ光を発生するレーザ光源１と、このレーザ光源１から出射したレーザ光を目標へ照射するとともに、目標からの反射光を集光する集光レンズ２又は回折レンズ６と、目標からの反射光を受光する受光センサ４とを備え、集光レンズ２又は回折レンズ６は、透過型グレーティング構造部３、反射型グレーティング構造部７、回折レンズ構造部８、プリズム構造部９、ミラー構造部１０、あるいはスリット構造部１１を持つものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーザ光の送受信を同一光学系で行う送受信一体型光学装置に関するものである。

レーザ光を用いた測定技術として、レーザ光を照射して大気中のエアロゾルからの散乱光を受信することで風速や粒子濃度を測定するものや、車両や建物などの固体目標からの反射光を受信することで目標までの距離を測定するものがある。これらのレーザレーダ装置では、目標を送信光学系及び受信光学系の視野の同一範囲内に捕らえる必要がある。そこでレーザレーダ装置では、レーザ光の送受信を同一光学系で行う送受信一体型光学系が広く用いられている。

例えば、ビームスプリッタを用いて受信光の伝搬方向を受光部へと変化させることで、送信光学系及び受信光学系の同一視野内に目標を捕らえることが可能な送受信一体型光学系を実現している（例えば、特許文献１参照）。

また、ミラーを用いて送信光の伝搬方向を目標へと変化させることで、送信光学系及び受信光学系の同一視野内に目標を捕らえることが可能な送受信一体型光学系を実現している（例えば、特許文献２参照）。

特開昭６１−２１９８８４号公報 特開２００２−１９６０７５号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。従来の送受信一体型光学系において、送信光学系及び受信光学系の同一視野内に目標を捕らえるためにビームスプリッタやミラーなどの光学素子を用いて送信光または受信光の伝搬方向を任意方向へと変化させている。このような場合、送受信光学系を構成する光学素子数が多くなり、光学系が複雑化する、光学系の小型化の障害となる、といった問題が生じる。

また、ビームスプリッタやミラーを固定するためのジグ（スパイダー、等）によって送信光または受信光が遮光され、レーザレーダ装置のエネルギー効率低下の原因となる。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、部材の一部分に回折素子構造部を備えた光学素子を用いる。レーザレーダ装置に用いるレーザ光は狭波長域であるため、回折素子構造部に入射したレーザ光の伝搬方向を回折現象によって任意方向へと変化させることが可能である。これによって送信光と受信光のいずれか一方または両方の伝搬方向を任意方向へと変化させることで、送信光学系及び受信光学系の同一視野内に目標を捕らえることが可能な送受信一体型光学装置を得ることを目的とする。

本発明に係る送受信一体型光学装置は、レーザ光を発生するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射したレーザ光を目標へ照射するとともに、目標からの反射光を集光する集光レンズ又は回折レンズと、目標からの反射光を受光する受光センサとを備え、前記集光レンズ又は回折レンズは、回折素子構造を持つものである。

本発明に係る送受信一体型光学装置によれば、部材の一部分に回折素子構造部を備えた光学素子を用いることで、送信光学系及び受信光学系の同一視野内に目標を捕らえるために別途光学素子を必要とせず、送受信光学系の構成を簡単化することが可能である。また、送信光と受信光の伝搬方向を任意方向へと変化させる機能を光学素子の一部分に備えることで、送信光または受信光を遮光する原因となる固定ジグを無くすことが可能となり、レーザレーダ装置のエネルギー効率低下を防ぐことが可能となる。

この発明の実施の形態１に係る送受信一体型光学装置の断面構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る送受信一体型光学装置の透過型グレーティング構造部の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係る送受信一体型光学装置のレーザ光源の傾き配置調整方法の例を示した図である。 この発明の実施の形態１に係る送受信一体型光学装置の別の断面構成を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る送受信一体型光学装置の断面構成を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る送受信一体型光学装置の断面構成を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る送受信一体型光学装置の回折レンズ構造部の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態４に係る送受信一体型光学装置の断面構成を示す図である。 この発明の実施の形態５に係る送受信一体型光学装置の断面構成を示す図である。 この発明の実施の形態６に係る送受信一体型光学装置のスリット構造部の構成を示す図である。

以下、本発明の送受信一体型光学装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る送受信一体型光学装置について図１から図４までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る送受信一体型光学装置の断面構成を示す図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、この発明の実施の形態１に係る送受信一体型光学装置は、レーザ光源１と、集光レンズ２と、透過型グレーティング構造部３と、受光センサ４とが設けられている。

つぎに、この実施の形態１に係る送受信一体型光学装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図２は、この発明の実施の形態１に係る送受信一体型光学装置の透過型グレーティング構造部の構成を示す断面図である。

図１に示すように、レーザ光源１から出射した光を、集光レンズ２の一部分を加工した透過型グレーティング構造部３へ入射する。この透過型グレーティング構造部３へ入射した光は、回折現象によって伝搬方向を変化させて、送信光１０１として、目標へ照射される。そして、目標で反射した光を、受信光１０２として、集光レンズ２によって受光センサ４へ集光する。このとき、送信光学系及び受信光学系の同一視野内に目標を捕らえることが可能となる。

図１では、本実施の形態１の部材の一部分に回折素子構造部を持つ光学素子の例として、中心部を透過型グレーティング構造部３に加工した集光レンズ２を示しているが、回折素子構造部の位置は光学素子の中心部に限定しなくても良い。

本実施の形態１の部材の一部分に回折素子構造を備える光学素子は、レーザ加工やエッチング加工などによって光学素子自体の一部分を直接、回折素子構造とする他に、別途部材を回折素子構造に加工したものを部材の一部分に貼り付けたものでも良い。

ここで、図２では、透過型グレーティング構造部３の一例として、鋸歯型回折格子の構造を示しており、他にも正弦波型構造や矩形型構造でも良い。また、透過型グレーティング構造部３を平面構造とし、媒質の屈折率を鋸歯分布、正弦波分布、矩形分布と変化するような構造としても良い。

透過型グレーティング構造部３における回折現象は、レーザ光の入射角をθ_ｉｎ、グレーティング周期をΔ、レーザ光の波長をλとすると、ｍ次回折光（ｍ＝±１、±２、・・・）の出射角をθ_ｏｕｔとすると、次の式（１）が成り立つ。

式（１）より、レーザ光の波長λと、入射角θ_ｉｎと、出射角θ_ｏｕｔと、送信光１０１として使用する回折光次数を決定すると、グレーティング周期Δが求まる。

例えば、回折光のうち最も光強度が強くなる１次回折光を送信光１０１とし、この送信光１０１を受信光学系の視野中心方向へと伝搬させるとして出射角をθ_ｏｕｔ＝０とすると、式（１）より、次の式（２）が成り立つ。

式（２）より、レーザ光の波長λと入射角θ_ｉｎからグレーティング周期Δが決定される。

以上より、本実施の形態１では素子の一部分に透過型グレーティング構造部３を備えた集光レンズ２を用いることで、レーザ光の送受信を集光レンズ２のみで行うことが可能であり、従来技術よりも光学素子数を減少させることが可能となる。

また、送信光の伝搬方向を変化させるための光学素子を固定するジグを用いる必要がないため、受信光の遮光が生じず、レーザレーダ装置のエネルギー効率低下を防ぐことが可能となる。

本実施の形態１において、送信光１０１の伝搬方向を調整する際には、透過型グレーティング構造部３へ入射するレーザ光の入射角、つまり集光レンズ２に対するレーザ光源１の傾き配置調整が重要となる。

ここで、入射角θ_ｉｎの微小変化量をΔθ_ｉｎ、出射角θ_ｏｕｔの微小変化量をΔθ_ｏｕｔとすると、式（１）より、次の式（３）が成り立つ。

例えば、回折光のうち最も光強度が強くなる１次回折光を送信光１０１とし、この送信光１０１を受信光学系の視野中心方向へと伝搬させるとして出射角をθ_ｏｕｔ＝０とすると、式（３）より、次の式（４）が成り立つ。

式（４）より、入射角の微小変化量Δθ_ｉｎに対して出射角の微小変化量Δθ_ｏｕｔは小さくなる。例えば、入射角θ_ｉｎが６０［ｄｅｇ］以上になると入射角の微小変化量Δθ_ｉｎに対する出射角の微小変化量Δθ_ｏｕｔは１／２以下となる。

一方、従来のようにミラーの反射を用いて送信光１０１の伝搬方向を目標へと変化させるような場合では、反射の法則から入射角θ_ｉｎと反射（出射）角θ_ｏｕｔは等しくなり、入射角θ_ｉｎの微小変化量Δθ_ｉｎと出射角θ_ｏｕｔの微小変化量Δθ_ｏｕｔも、次の式（５）が成り立つ。

式（４）と式（５）を比較すると、送信光１０１の伝搬方向を目標へと変化させるために、従来では送信光１０１の伝搬方向調整と同感度で入射角θ_ｉｎの調整、すなわち、レーザ光源１の傾き配置調整を行う必要があるのに対し、本実施形態では、Δθ_ｏｕｔ≦Δθ_ｉｎとなることから、送信光１０１の伝搬方向調整よりも低感度で入射角θ_ｉｎの調整、すなわち、レーザ光源１の傾き配置調整を行うことが可能である。

例えば、送受信光学系から１ｋｍ先の地点において１０ｍｍ精度で送信光１０１の照射点調整を行う場合、Δθ_ｏｕｔ＝６×１０^−４［ｄｅｇ］の精度で傾き配置調整を行う必要がある。ミラーの反射を用いて送信光１０１の伝搬方向を目標へと変化させる場合には、式（５）から、Δθ_ｉｎ＝６×１０^−４［ｄｅｇ］でレーザ光源１の傾き配置調整を行う必要があるのに対して、本実施の形態１では、集光レンズ２への入射角θ_ｉｎを６０［ｄｅｇ］とした場合には、Δθ_ｉｎ＝１２×１０^−４［ｄｅｇ］の精度でレーザ光源１の傾き配置調整を行えば良いことになる。

以上より、本実施の形態１は、従来よりも各光学素子の傾き配置調整を容易に行うことが可能である。

本実施の形態１におけるレーザ光源１の傾き配置調整方法として、例えば、図３に示すように、傾き配置調整ミラー５を用いる方法がある。レーザ光源１から出射した光は、集光レンズ２の一部分を加工した透過型グレーティング構造部３へ入射する。ここで、送信光１０１を受信光学系の視野中心方向へと伝搬させるとして出射角をθ_ｏｕｔ＝０とする。

また、傾き配置調整ミラー５の受光面の法線が受信光学系の光軸と一致するように配置する。透過型グレーティング構造部３を出射したレーザ光は傾き配置調整ミラー５で反射してそれまでの伝搬方向とは逆の方向へと伝搬し、再度透過型グレーティング構造部３へ、受信光１０２として、入射する。そして、受信光１０２は、式（１）に従って、レーザ光源１へと伝搬方向を変化する。このとき、受信光１０２がレーザ光源１の出射口へ入射するようにレーザ光源１の傾き配置調整をすることで高精度な傾き配置調整を行うことが可能である。

本実施の形態１において、集光レンズ２の一部分を透過型グレーティング構造部３とする以外にも、図４に示すように、集光レンズ２を回折レンズ６に置き換えて、その一部分を透過型グレーティング構造部３とすることも可能である。集光レンズ２を回折レンズ６に置き換えることで、受信光１０２の伝搬方向も回折現象によって変化させることが可能となる。これによって、レーザ光源１と受光センサ４の配置自由度が向上し、光学系の小型化を実現することが可能となる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る送受信一体型光学装置について図５を参照しながら説明する。図５は、この発明の実施の形態２に係る送受信一体型光学装置の断面構成を示す図である。

図５において、この発明の実施の形態２に係る送受信一体型光学装置は、レーザ光源１と、集光レンズ２と、反射型グレーティング構造部７と、受光センサ４とが設けられている。

本実施の形態２では、集光レンズ２の一部分に透過型グレーティング構造部３を用いた実施の形態１に対し、図１に示す実施の形態１と同様の送受信一体型光学装置において、透過型グレーティング構造部３を反射型グレーティング構造部７としたものである。

つぎに、この実施の形態２に係る送受信一体型光学装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図５に示す実施の形態２において、レーザ光源１から出射した光を、集光レンズ２の一部分を加工した反射型グレーティング構造部７へ入射する。この反射型グレーティング構造部７へ入射した光は、回折現象によって反射して目標へ、送信光１０１として、照射される。

そして、目標で反射した光を、受信光１０２として、集光レンズ２によって受光センサ４へ集光する。このとき、目標は送信光学系及び受信光学系の同一視野内に捕らえられている。

グレーティング構造部を透過型構造から反射型構造に変えることによって、レーザ光源１の配置が集光レンズ２の配置に対して受光センサ４側に制限されることがなくなる。これによって、各光学素子の配置設計自由度が向上し、光学系の小型化を実現することが可能である。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る送受信一体型光学装置について図６及び図７を参照しながら説明する。図６は、この発明の実施の形態３に係る送受信一体型光学装置の断面構成を示す図である。

図６において、この発明の実施の形態３に係る送受信一体型光学装置は、レーザ光源１と、集光レンズ２と、回折レンズ構造部８と、受光センサ４とが設けられている。

本実施の形態３では、集光レンズ２の透過型グレーティング構造部３のグレーティング間隔が等間隔構造である実施の形態１に対して、グレーティング構造部を、屈折力を持つ回折レンズ構造部８としたものである。

つぎに、この実施の形態３に係る送受信一体型光学装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図７は、この発明の実施の形態３に係る送受信一体型光学装置の回折レンズ構造部の構成を示す断面図である。

図６に示す実施の形態３において、レーザ光源１から出射した光を、集光レンズ２の一部分を加工した回折レンズ構造部８へ入射する。この回折レンズ構造部８に入射した光は、回折現象によって任意角で発散して目標へ、送信光１０１として、照射する。

回折レンズ構造部８の構造例を図７に示す。そして、目標で反射した光を、受信光１０２として、集光レンズ２によって受光センサ４へ集光する。このとき、回折レンズ構造部８における送信光１０１の発散角を受光センサ４の画角と一致させることによって、目標へと効率良く送信光１０１を照射することが可能となる。

図７では、本実施の形態３の回折レンズ構造部８の構造例として、回折レンズ構造部８の中心軸と回折レンズの中心軸が一致するような構造を示しているが、回折レンズ構造部８の中心軸と回折レンズの中心軸は一致しないような軸外し構造とすることも可能である。

本実施の形態３において、集光レンズ２の一部分を加工したグレーティング構造部を回折レンズ構造部８とする以外にも、図４に示すように、集光レンズ２を回折レンズ６に置き換えて、その一部分を回折レンズ構造部８とすることも可能である。集光レンズ２を回折レンズ６に置き換えることで、受信光１０２の伝搬方向も回折現象によって変化させることが可能となる。これによって、レーザ光源１と受光センサ４の配置自由度が向上し、光学系の小型化を実現することが可能となる。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る送受信一体型光学装置について図８を参照しながら説明する。図８は、この発明の実施の形態４に係る送受信一体型光学装置の断面構成を示す図である。

図８において、この発明の実施の形態４に係る送受信一体型光学装置は、レーザ光源１と、集光レンズ２と、プリズム構造部９と、受光センサ４とが設けられている。

本実施の形態４では、集光レンズ２の一部分に透過型グレーティング構造部３を用いた実施の形態１に対して、図１に示す実施の形態１と同様の送受信一体型光学装置において、集光レンズ２の一部分を加工した透過型グレーティング構造部３の代わりに、プリズム構造部９を用いるものである。

つぎに、この実施の形態４に係る送受信一体型光学装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図８に示す実施の形態４において、レーザ光源１から出射した光を、集光レンズ２の一部分を加工したプリズム構造部９へ入射する。このプリズム構造部９へ入射した光は、屈折によって目標へ、送信光１０１として、照射される。そして、目標で反射した光を、受信光１０２として、集光レンズ２によって受光センサ４へ集光する。このとき、目標は送信光学系及び受信光学系の同一視野内に目標を捕らえることが可能となる。

本実施の形態４の部材の一部分にプリズム構造部９を備える光学素子は、レーザ加工やエッチング加工などによって光学素子自体の一部分を直接回折素子構造とする他に、別途部材を回折素子構造に加工したものを部材の一部分に貼り付けたものでも良い。

実施の形態５．
この発明の実施の形態５に係る送受信一体型光学装置について図９を参照しながら説明する。図９は、この発明の実施の形態５に係る送受信一体型光学装置の断面構成を示す図である。

図９において、この発明の実施の形態５に係る送受信一体型光学装置は、レーザ光源１と、集光レンズ２と、ミラー構造部１０と、受光センサ４とが設けられている。

本実施の形態５では、集光レンズ２の一部分に透過型グレーティング構造部３を用いた実施の形態１に対して、図１に示す実施の形態１と同様の送受信一体型光学装置において、集光レンズ２の一部分を加工した透過型グレーティング構造部３の代わりに、ミラー構造部１０を用いるものである。

つぎに、この実施の形態５に係る送受信一体型光学装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図９に示す実施の形態５において、レーザ光源１から出射した光を、集光レンズ２の一部分を加工したミラー構造部１０へ入射する。このミラー構造部１０へ入射した光は、反射によって目標へ、送信光１０１として、照射される。そして、目標で反射した光を、受信光１０２として、集光レンズ２によって受光センサ４へ集光する。このとき、目標は送信光学系及び受信光学系の同一視野内に目標を捕らえることが可能となる。

本実施の形態５の部材の一部分にミラー構造部１０を備える光学素子は、レーザ加工やエッチング加工などによって光学素子自体の一部分を直接回折素子構造とする他に、別途部材を回折素子構造に加工したものを部材の一部分に貼り付けたものでも良い。

実施の形態６．
この発明の実施の形態６に係る送受信一体型光学装置について図１０を参照しながら説明する。図１０は、この発明の実施の形態６に係る送受信一体型光学装置のスリット構造部の構成を示す図である。

この発明の実施の形態６に係る送受信一体型光学装置は、レーザ光源１と、集光レンズ２と、スリット構造部１１と、受光センサ４とが設けられている。

本実施の形態６では、集光レンズ２の一部分に透過型グレーティング構造部３を用いた実施の形態１に対し、図１に示す実施の形態１と同様の送受信一体型光学装置において、集光レンズ２の一部分を加工した透過型グレーティング構造部３の代わりに、スリット構造部１１を用いるものである。

つぎに、この実施の形態６に係る送受信一体型光学装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図１０に示すように、スリット構造部１１をＸ軸方向のスリット間隔が周期的となるような構造とする。このようなスリット構造とすることで各軸方向の透過屈折率分布がＹ軸方向には一定分布、Ｘ軸方向には周期的な分布となる。逆に、透過屈折率分布がＸ軸方向には一定分布、Ｙ軸方向には周期的な分布としてもよい。

ここで、光の振幅を直交する２方向の振幅（偏光）成分に分解したとき、スリット構造部１１を透過する光に対して、Ｙ軸方向の偏光成分には屈折率が一定として作用するため光路差は生じないが、Ｘ軸方向の偏光成分には入射位置によって屈折率が異なるために光路差が生じる。つまり、Ｘ軸方向の偏光成分に対しては回折素子として作用することになり、回折現象によってスリット構造部１１への入射光の伝搬方向を変化させることが可能となる。

Ｘ軸方向に偏光を持つ直線偏光のレーザ光をレーザ光源１から出射させ、集光レンズ２の一部分を加工したスリット構造部１１へと入射させると、入射したレーザ光は回折現象によって伝搬方向が変化して目標へと照射する。そして、目標で反射した光を集光レンズ２によって受光センサ４へ集光する。

ここで、上記の実施の形態１から実施の形態３までで用いた透過型グレーティング構造部３、反射型グレーティング構造部７、または回折レンズ構造部８へと入射した受信光１０２は、回折現象によって伝搬方向が変化して受光センサ４へ集光されずに受光量損失の原因となっていた。しかし、本実施の形態６のスリット構造部１１は、受信光１０２のＸ軸方向の偏光成分に対してのみ回折素子として作用するため、Ｙ軸方向に平行な偏光成分は伝搬方向を変化せずに受光センサ４へと集光することが可能となり、受光量を増加させることが可能となる。

以上より、本実施の形態６では、グレーティング構造の代わりにスリット構造を用いるものであり、スリット分布を周期構造とすることで任意軸方向の偏光成分に対してのみ回折素子して作用させることが可能であり、この特徴を用いることで上記の実施の形態１から実施の形態３までの回折素子構造部を用いた場合よりも受光量を増加させることが可能である。

本実施の形態６において、集光レンズ２の一部分を加工したグレーティング構造をスリット構造部１１とする以外にも、図４に示すように、集光レンズ２を回折レンズ６に置き換えて、その一部分をスリット構造部１１とすることも可能である。集光レンズ２を回折レンズ６に置き換えることで、受信光の伝搬方向も回折現象によって変化させることが可能となり、受光センサ４の配置を集光レンズ２の焦点位置に配置する必要がなくなる。これによって、レーザ光源１と受光センサ４の配置自由度が向上し、光学系の小型化を実現することが可能となる。

本実施の形態６の部材の一部分にスリット構造を備える光学素子は、レーザ加工やエッチング加工などによって光学素子自体の一部分を直接回折素子構造とする他に、別途部材を回折素子構造に加工したものを部材の一部分に貼り付けたものでも良い。

１ レーザ光源、２ 集光レンズ、３ 透過型グレーティング構造部、４ 受光センサ、５ 傾き配置調整ミラー、６ 回折レンズ、７ 反射型グレーティング構造部、８ 回折レンズ構造部、９ プリズム構造部、１０ ミラー構造部、１１ スリット構造部。

Claims (7)

1. レーザ光を発生するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射したレーザ光を目標へ照射するとともに、目標からの反射光を集光する集光レンズ又は回折レンズと、
   目標からの反射光を受光する受光センサとを備え、
   前記集光レンズ又は回折レンズは、回折素子構造を持つ
   ことを特徴とする送受信一体型光学装置。
2. 前記回折素子構造がグレーティング構造である
   ことを特徴とする請求項１記載の送受信一体型光学装置。
3. 前記回折素子構造が回折レンズ構造である
   ことを特徴とする請求項１記載の送受信一体型光学装置。
4. レーザ光を発生するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射したレーザ光を目標へ照射するとともに、目標からの反射光を集光する集光レンズと、
   目標からの反射光を受光する受光センサとを備え、
   前記集光レンズは、プリズム構造を持つ
   ことを特徴とする送受信一体型光学装置。
5. レーザ光を発生するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射したレーザ光を目標へ照射するとともに、目標からの反射光を集光する集光レンズと、
   目標からの反射光を受光する受光センサとを備え、
   前記集光レンズは、ミラー構造を持つ
   ことを特徴とする送受信一体型光学装置。
6. レーザ光を発生するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射したレーザ光を目標へ照射するとともに、目標からの反射光を集光する集光レンズと、
   目標からの反射光を受光する受光センサとを備え、
   前記集光レンズは、スリット構造を持つ
   ことを特徴とする送受信一体型光学装置。
7. 前記スリット構造は、光軸を法線とする平面内に直交座標系Ｘ−Ｙを定義すると、スリット間隔がＸ又はＹ軸方向のいずれか一軸方向で周期的である
   ことを特徴とする請求項６記載の送受信一体型光学装置。

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