JP2017138218A - Semiconductor laser light source device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体レーザ光源装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor laser light source device.
従来、流体の流れや速度を計測する方法として、PIV(Particle Image Velocimetry)と呼ばれる技術が知られている。PIVとは、流体にトレーサ粒子と呼ばれる微小粒子を混入し、当該トレーサ粒子にシート状のレーザ光を照射して得られる散乱光を撮影することで、流体の流動を可視化して計測する技術である。 Conventionally, a technique called PIV (Particle Image Velocimetry) is known as a method for measuring the flow and velocity of a fluid. PIV is a technology that visualizes and measures the flow of fluid by mixing fine particles called tracer particles in a fluid and photographing the scattered light obtained by irradiating the tracer particles with a sheet of laser light. is there.
例えば特許文献1及び特許文献2には、トレーサ粒子を混入した三次元空間にシート状のレーザ光を照射し、微小な時間間隔で複数の画像を撮影し、得られた画像を解析することによって、流体の速度の2成分を算出することが記載されている。このように、流体を二次元的に計測するPIVが知られている。
For example, in
ところで、流体の流動をより正確に計測するべく、流体の速度の3成分を算出したいという要望がある。そのため、流体を三次元的に計測するPIVが検討されてきている。なお、以下では流体を三次元的に計測するPIVを「三次元的なPIV」と呼ぶことがある。 By the way, in order to measure the fluid flow more accurately, there is a demand for calculating three components of the fluid velocity. Therefore, PIV for measuring fluid in three dimensions has been studied. In the following, a PIV that measures a fluid three-dimensionally may be referred to as a “three-dimensional PIV”.
例えば特許文献3には、シート状のレーザ光によって照射されるトレーサ粒子を、複数台のカメラを用いて異なる方向から撮影し、得られた画像を解析することによって流体の速度の3成分を算出することが記載されている。
For example, in
また非特許文献1には、シート状のレーザ光を回転するミラーに入射することで、当該シート状のレーザ光を空間的に走査することが記載されている。
Non-Patent
しかしながら、従来の三次元的なPIVでは、次のような問題があった。 However, the conventional three-dimensional PIV has the following problems.
例えば特許文献3の技術では、CCDカメラ等の撮影装置を複数台準備する必要がある。PIVによる計測システムの低コスト化及び小型化を図るためには、撮影装置の台数を比較的少なくすることが望ましい。
For example, in the technique of
また、非特許文献1の技術では、回転するミラーによってシート状のレーザ光を走査する。そのため、ミラーを可動する機構に故障等の不具合が生じた場合、シート状のレーザ光を走査することができない。即ち、非特許文献1の技術はミラーの可動機構の影響を大きく受け、PIVによる計測システムの信頼性に欠けるという問題があった。
In the technique of Non-Patent
そのため、従来の三次元的なPIVでは利用者の要望を満たすことができず、三次元的なPIVを実現可能な新規な技術を求められていた。 Therefore, the conventional three-dimensional PIV cannot satisfy the user's request, and a new technique capable of realizing the three-dimensional PIV has been demanded.
本発明は、流体を三次元的に計測する三次元的なPIVを実現可能な新規な技術を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the novel technique which can implement | achieve the three-dimensional PIV which measures a fluid three-dimensionally.
本発明の半導体レーザ光源装置は、
複数のエミッタを含む光源部と、
複数の前記エミッタから射出された各レーザ光を、第一の方向に拡がり、且つ、前記第一の方向に直交する第二の方向に所定の幅を有して進行するレーザシートに変換するレンズと、を有し、
前記レンズは、複数の前記エミッタごとに、それぞれの前記エミッタから射出された前記レーザ光を前記レーザシートに変換する複数のレンズ領域を含み、
複数の前記エミッタのうち少なくとも二つの前記エミッタから射出された前記レーザ光において、前記レーザ光の前記レンズ領域における入射位置が、前記第二の方向において互いに異なることを特徴とする。
The semiconductor laser light source device of the present invention is
A light source unit including a plurality of emitters;
A lens that converts each laser beam emitted from the plurality of emitters into a laser sheet that spreads in a first direction and travels with a predetermined width in a second direction orthogonal to the first direction. And having
The lens includes, for each of the plurality of emitters, a plurality of lens regions that convert the laser light emitted from the emitters into the laser sheet,
In the laser beams emitted from at least two of the plurality of emitters, incident positions of the laser beams in the lens region are different from each other in the second direction.
上記構成によれば、複数のエミッタのうち少なくとも二つのエミッタから射出されたレーザ光は、対応するレンズ領域に、第二の方向において互いに異なる位置から入射する。これにより、少なくとも二つのエミッタから射出されたレーザ光は、レンズ領域によりレーザシートに変換されると、同一方向に進行することなく所定の角度をなして進行する。その結果、異なる方向に進行する複数のレーザシートを形成可能となり、三次元的なPIVを実現できる。 According to the above configuration, laser beams emitted from at least two of the plurality of emitters are incident on the corresponding lens regions from different positions in the second direction. Thus, when the laser light emitted from at least two emitters is converted into a laser sheet by the lens region, it proceeds at a predetermined angle without traveling in the same direction. As a result, a plurality of laser sheets traveling in different directions can be formed, and a three-dimensional PIV can be realized.
また、上記構成において、
複数の前記エミッタのうち、一部の前記エミッタが前記レーザ光を射出し、一部の前記エミッタ以外の他の前記エミッタが前記レーザ光を射出しないように前記光源部を制御する制御部をさらに有し、
一部の前記エミッタから射出された前記レーザ光と、一部の前記エミッタ以外の他の前記エミッタから射出された前記レーザ光とにおいて、前記レーザ光の前記レンズ領域における入射位置が、前記第二の方向において互いに異なるものとしても構わない。
In the above configuration,
A control unit that controls the light source unit so that some of the emitters emit the laser light and other emitters other than some of the emitters do not emit the laser light; Have
In the laser light emitted from some of the emitters and the laser light emitted from other emitters other than some of the emitters, the incident position of the laser light in the lens region is the second The directions may be different from each other.
上記構成によれば、複数のエミッタを個別に点灯することが可能となる。また、同一方向に進行することなく所定の角度をなして進行するレーザシートが、個別に形成される。これにより、三次元的なPIVを実現できる。 According to the said structure, it becomes possible to light a some emitter separately. In addition, laser sheets that travel at a predetermined angle without traveling in the same direction are individually formed. Thereby, a three-dimensional PIV can be realized.
また、上記構成において、
前記制御部は、
複数の前記エミッタのなかから前記レーザ光を射出する特定の前記エミッタを決定する点灯エミッタ決定部と、
前記点灯エミッタ決定部により決定された特定の前記エミッタに電流を供給し、特定の前記エミッタ以外の他の前記エミッタに電流を供給しない電流供給部と、を有する
ものとしても構わない。
In the above configuration,
The controller is
A lighting emitter determining unit that determines a specific emitter that emits the laser light from a plurality of the emitters;
A current supply unit that supplies current to the specific emitter determined by the lighting emitter determination unit and does not supply current to the other emitters other than the specific emitter may be included.
上記構成によれば、点灯エミッタ決定部及び電流供給部によって複数のエミッタを個別に点灯することを実現できる。 According to the said structure, it can implement | achieve lighting a some emitter separately by the lighting emitter determination part and an electric current supply part.
また、上記構成において、
前記制御部は、
前記レーザシートによって照射される被照射物を前記第二の方向から撮影する撮影装置が露光を開始するための同期信号を受信する同期信号受信部をさらに有し、
前記点灯エミッタ決定部は、
前記同期信号を受信した場合に、複数の前記エミッタのなかから前記レーザ光を射出する特定の前記エミッタを決定し、
前記同期信号を受信しない場合に、前記レーザ光を射出する特定の前記エミッタを決定しないものとしても構わない。
In the above configuration,
The controller is
An imaging device that captures an object irradiated by the laser sheet from the second direction further includes a synchronization signal receiving unit that receives a synchronization signal for starting exposure;
The lighting emitter determining unit is
Determining the specific emitter that emits the laser light from the plurality of emitters when receiving the synchronization signal;
When the synchronization signal is not received, the specific emitter that emits the laser light may not be determined.
上記構成によれば、撮影装置の露光及びエミッタの点灯の二つの処理を同期信号によって同期することができる。これにより、エミッタ点灯時に撮影装置が露光を行うことが可能になる。 According to the above configuration, it is possible to synchronize the two processes of exposure of the photographing apparatus and lighting of the emitter with the synchronization signal. As a result, the photographing apparatus can perform exposure when the emitter is lit.
また、上記構成において、
複数の前記エミッタは、前記第一の方向に並び、
前記レーザ光は、前記第一の方向及び前記第二の方向に拡がって進行し、
複数の前記エミッタのうちの少なくとも二つの前記エミッタと、二つの前記エミッタに対応する二つの前記レンズ領域と、において、それぞれの前記エミッタの前記第二の方向における位置を基準としたとき、前記エミッタに対応する前記レンズ領域の前記第二の方向における位置が異なるものとしても構わない。
In the above configuration,
The plurality of emitters are arranged in the first direction,
The laser beam travels in the first direction and the second direction,
In at least two of the plurality of emitters and two lens regions corresponding to the two emitters, when the positions of the emitters in the second direction are used as a reference, the emitters The positions in the second direction of the lens regions corresponding to may be different.
上記構成によれば、複数のエミッタのうち少なくとも二つのエミッタにおいて、エミッタと、当該エミッタに対応するレンズ領域との、第二の方向に関する相対的な位置関係が相違する。これにより、少なくとも二つのエミッタから射出されたレーザ光は、レンズ領域によりレーザシートに変換されると、同一方向に進行することなく所定の角度をなして進行する。その結果、異なる方向に進行する複数のレーザシートを形成可能となり、三次元的なPIVを実現できる。 According to the above configuration, in at least two of the plurality of emitters, the relative positional relationship in the second direction between the emitter and the lens region corresponding to the emitter is different. Thus, when the laser light emitted from at least two emitters is converted into a laser sheet by the lens region, it proceeds at a predetermined angle without traveling in the same direction. As a result, a plurality of laser sheets traveling in different directions can be formed, and a three-dimensional PIV can be realized.
また、上記構成において、
複数の前記レンズ領域のうち少なくとも二つの前記レンズ領域において、
一方の前記レンズ領域の光軸は、前記第一の方向と前記第二の方向との双方に直交する第三の方向からみたとき、一方の前記レンズ領域に対応する前記エミッタよりも前記第二の方向にずれており、
他方の前記レンズ領域の光軸は、前記第三の方向からみたとき、他方の前記レンズ領域に対応する前記エミッタよりも前記第二の方向と反対方向にずれているものとしても構わない。
In the above configuration,
In at least two of the lens regions of the plurality of lens regions,
The optical axis of one of the lens regions is higher than the emitter corresponding to one of the lens regions when viewed from a third direction orthogonal to both the first direction and the second direction. Is shifted in the direction of
The optical axis of the other lens region may be shifted in the direction opposite to the second direction with respect to the emitter corresponding to the other lens region when viewed from the third direction.
上記構成によれば、少なくとも二つのエミッタから射出されたレーザ光は、レンズ領域によりレーザシートに変換されると、光軸に対して逆向きに傾いて進行する。これにより、観測対象の流体が存在する三次元空間を広範囲に照射することが可能となり、流体を広範囲に計測できる。 According to the above configuration, when laser light emitted from at least two emitters is converted into a laser sheet by the lens region, the laser light travels in an opposite direction with respect to the optical axis. As a result, it is possible to irradiate the three-dimensional space in which the fluid to be observed exists over a wide range, and the fluid can be measured over a wide range.
また、上記構成において、複数の前記エミッタのうち少なくとも二つの前記エミッタから射出された前記レーザ光において、前記レーザ光の前記レンズ領域における前記入射位置が、前記第二の方向において一致し、
少なくとも二つの前記エミッタから射出された前記レーザ光は、対応する前記レンズ領域により、互いに平行に進行する前記レーザシートに変換されるものとしても構わない。
Further, in the above configuration, in the laser light emitted from at least two of the plurality of emitters, the incident position in the lens region of the laser light coincides in the second direction,
The laser beams emitted from at least two of the emitters may be converted into the laser sheets traveling in parallel with each other by the corresponding lens regions.
上記構成によれば、複数のエミッタのうち少なくとも二つのエミッタによるレーザシートは、互い平行に進行する。これにより、複数のレーザシートが重なり合って一層のレーザシートを形成可能となり、レーザの出力低下を抑制できる。 According to the above configuration, the laser sheets by at least two of the plurality of emitters travel in parallel with each other. As a result, a plurality of laser sheets can be overlapped to form a single laser sheet, and a reduction in laser output can be suppressed.
また、上記構成において、
複数の前記レンズ領域の光軸は、前記第一の方向と前記第二の方向との双方に直交する第三の方向からみたとき、直線状に並び、
前記レンズは、前記第三の方向からみたとき、前記第一の方向から所定の角度だけ傾斜しているものとしても構わない。
In the above configuration,
The optical axes of the plurality of lens regions are arranged in a straight line when viewed from a third direction orthogonal to both the first direction and the second direction,
The lens may be inclined at a predetermined angle from the first direction when viewed from the third direction.
上記構成によれば、複数のエミッタのうち少なくとも二つのエミッタから射出されたレーザ光において、レーザ光のレンズ領域における入射位置が、第二の方向において互いに異なる形態を、レンズを第一の方向から所定の角度だけ傾斜させることによって実現できる。 According to the above configuration, in the laser light emitted from at least two emitters of the plurality of emitters, the laser light is incident on the lens region in different forms in the second direction. This can be realized by inclining by a predetermined angle.
また、上記構成において、
前記レンズは、シリンドリカルレンズであり、
前記光源部は、複数の前記エミッタが前記第一の方向に並び、前記第一の方向を遅軸方向とし、前記第二の方向を速軸方向とする半導体レーザアレイを含み、
一方の端部に位置する前記エミッタから他方の端部に位置する前記エミッタまでの距離をd、前記レンズの焦点距離をf、前記レンズの前記第二の方向における幅をh、前記レンズが前記第一の方向から傾斜する角度をθ、前記複数の前記エミッタから射出された前記レーザ光の前記第二の方向における発散角をφ、としたとき、下記の式、
(d/2)tanθ+f・tan(φ/2)<h/2
を満たしているものとしても構わない。
In the above configuration,
The lens is a cylindrical lens;
The light source unit includes a semiconductor laser array in which a plurality of the emitters are arranged in the first direction, the first direction is a slow axis direction, and the second direction is a fast axis direction,
The distance from the emitter located at one end to the emitter located at the other end is d, the focal length of the lens is f, the width of the lens in the second direction is h, and the lens is the When the angle inclined from the first direction is θ and the divergence angle in the second direction of the laser light emitted from the plurality of emitters is φ, the following equation:
(D / 2) tan θ + f · tan (φ / 2) <h / 2
It does not matter as long as
上記構成によれば、各エミッタから射出されるレーザ光をより確実にレンズ領域に入射させることができる。詳細は、発明を実施するための形態で説明する。 According to the above configuration, the laser light emitted from each emitter can be more reliably incident on the lens region. Details will be described in a mode for carrying out the invention.
本発明の半導体レーザ光源装置によれば、流体を三次元的に計測する三次元的なPIVを新規な手法によって実現できる。 According to the semiconductor laser light source device of the present invention, three-dimensional PIV for measuring fluid in three dimensions can be realized by a novel method.
実施形態の半導体レーザ光源装置につき、図面を参照して説明する。なお、各図において図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。 The semiconductor laser light source device of the embodiment will be described with reference to the drawings. In each figure, the dimensional ratio in the drawing does not necessarily match the actual dimensional ratio.
(第一実施形態)
[PIVの概要]
第一実施形態における半導体レーザ光源装置1について説明する。半導体レーザ光源装置1は、PIV(Particle Image Velocimetry)の光源に使用される。まず初めに図1及び図2を参照してPIVシステムの概要について説明する。
(First embodiment)
[Overview of PIV]
The semiconductor laser
図1は、流体を三次元的に計測するPIVシステムの概要を示す模式図である。図1に示すようにPIVシステム100は、半導体レーザ光源装置1、同期信号発生器3、撮影装置5、及び画像処理装置7を備える。以下、半導体レーザ光源装置1、同期信号発生器3、撮影装置5、及び画像処理装置7について、適宜図2を参照しながら説明する。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of a PIV system that measures fluid three-dimensionally. As shown in FIG. 1, the
半導体レーザ光源装置1は、シート状のレーザ光LSを射出する。以下、シート状のレーザ光LSを「レーザシートLS」と呼ぶ。図1では一例として、半導体レーザ光源装置1が9層のレーザシートLS(1〜9)を射出する場合を示しているが、レーザシートLSの数はこれに限られない。
The semiconductor laser
レーザシートLSは、x方向に一定の幅を有し、y方向に拡がりつつ進行する光である。なお、x方向とは後述する半導体レーザアレイの短手方向であり、「第二の方向」に対応する。また、y方向とは後述する半導体レーザアレイの長手方向であり、「第一の方向」に対応する。また、z方向とはx方向及びy方向に直交する方向であり、「第三の方向」に対応する。なお図1では、各レーザシートLS(1〜9)のx方向の幅の図示を省略している。一例としてレーザシートLSのx方向の幅は、1〜2mmである。また、レーザシートLSのy方向の幅は、半導体レーザ光源装置1からz方向に少なくとも1〜2m離れた領域において、120〜240mmである。すなわち、この領域においては、x方向の幅はy方向の幅と比較して極めて小さい。
The laser sheet LS is light that has a certain width in the x direction and travels while spreading in the y direction. The x direction is a short direction of a semiconductor laser array, which will be described later, and corresponds to a “second direction”. The y direction is a longitudinal direction of a semiconductor laser array, which will be described later, and corresponds to a “first direction”. The z direction is a direction orthogonal to the x direction and the y direction, and corresponds to a “third direction”. In FIG. 1, the illustration of the width in the x direction of each laser sheet LS (1-9) is omitted. As an example, the width of the laser sheet LS in the x direction is 1 to 2 mm. The width of the laser sheet LS in the y direction is 120 to 240 mm in a region at least 1 to 2 m away from the semiconductor laser
また、各レーザシートLS(1〜9)は、互いに異なる方向に進行する。例えばレーザシートLS5は、半導体レーザ光源装置1の上面11に平行である。即ち、レーザシートLS5は、y−z平面に平行である。またレーザシートLS(1〜4)は、半導体レーザ光源装置1の上面11から上方(即ち、x方向)に所定の角度傾いている。またレーザシートLS(6〜9)は、半導体レーザ光源装置1の上面11から下方(即ち、−x方向)に所定の角度傾いている。
Moreover, each laser sheet LS (1-9) advances in a mutually different direction. For example, the laser sheet LS5 is parallel to the
なお半導体レーザ光源装置1は、レーザシートLS(1〜9)を、レーザシートLS1から順番に、一層ずつ射出する。図2を参照して具体的に説明する。図2は、同期信号発生器3による同期信号S(詳細は後述)の出力、撮影装置5の露光、及び各レーザシートLS(1〜9)の射出のタイミングを示すタイミングチャートである。なお詳細は後述するが、半導体レーザ光源装置1及び撮影装置5は、同期信号発生器3から同期信号Sを受信する。
The semiconductor laser
図2に示すように、半導体レーザ光源装置1は同期信号Sを受信すると、まず初めにレーザシートLS1を時間T1(例えば10ms)だけ射出する。なお、レーザシートLS1が射出されている間、他のレーザシートLS(2〜9)は射出されていない。半導体レーザ光源装置1は、レーザシートLS1を時間T1だけ射出すると、レーザシートLS1の射出を終了し、次の同期信号Sの受信を待つ。続いて半導体レーザ光源装置1は、次の同期信号Sを受信すると、レーザシートLS2を射出する。そして、半導体レーザ光源装置1は、レーザシートLS2を時間T1だけ射出すると、レーザシートLS2の射出を終了し、次の同期信号Sの受信を待つ。続いて、半導体レーザ光源装置1は、次の同期信号Sを受信すると、レーザシートLS3を射出する(図示略)。このように半導体レーザ光源装置1は、レーザシートLS(1〜9)を、同期信号Sを受信する度に、レーザシートLS1、LS2・・・LS9の順に一層ずつ射出する。なお図2では、便宜的にレーザシート(LS1、LS2)の射出のみ図示している。また図2では、半導体レーザ光源装置1がレーザシートLSを射出している状態を「ON」とし、射出していない状態を「OFF」としている。
As shown in FIG. 2, when the semiconductor laser
なお図1では、説明の都合上、半導体レーザ光源装置1が9層のレーザシートLS(1〜9)を射出している状態を示したが、上述のように、半導体レーザ光源装置1はレーザシートLS(1〜9)を一層ずつ射出する。
For convenience of explanation, FIG. 1 shows a state in which the semiconductor laser
半導体レーザ光源装置1の構成、及び、半導体レーザ光源装置1がレーザシートLS(1〜9)を一層ずつ射出するための制御については後述する。
The configuration of the semiconductor laser
図1に戻って説明を続ける。計測対象の流体には、トレーサ粒子9が混入されている。なお、図1では、流体自体は図示していないが、所定の流体内に多数のトレーサ粒子9が混入されており、この流体に対してレーザシートLSが照射された状況において、当該レーザシートLSが照射された領域内に位置しているトレーサ粒子9の一部のみが図示されている。トレーサ粒子9は、一例として、ポリスチレン等の樹脂からなる微小粒子、水及びオイルを噴霧化した微小な液滴、プラスチック製の微小粒子、煙等である。半導体レーザ光源装置1から射出されたレーザシートLSが、流体内のトレーサ粒子9に照射されると、散乱光が生成される。
Returning to FIG. 1, the description will be continued. Tracer particles 9 are mixed in the fluid to be measured. In FIG. 1, although the fluid itself is not shown, a large number of tracer particles 9 are mixed in the predetermined fluid, and the laser sheet LS is irradiated in a state where the fluid is irradiated with the laser sheet LS. Only a part of the tracer particles 9 located in the region irradiated with is shown. The tracer particles 9 are, for example, fine particles made of resin such as polystyrene, fine droplets obtained by atomizing water and oil, plastic fine particles, smoke, and the like. When the laser sheet LS emitted from the semiconductor laser
同期信号発生器3は、同期信号Sを生成し、当該同期信号Sを半導体レーザ光源装置1及び撮影装置5に出力する。図2に示すように、同期信号発生器3は、一定の時間間隔T2(例えば12ms)で同期信号Sを出力する。なお詳細は後述するが、同期信号Sとは、半導体レーザ光源装置1が各レーザシートLS(1〜9)を射出するタイミングと、撮影装置5が露光を行うタイミングとを同期するための信号である。
The
撮影装置5は、一例としてCCDカメラによって構成される。図2を参照して撮影装置5について説明を続ける。撮影装置5は、利用者からPIVの解析指示(例えば、撮影装置5の電源ON)を受けると、同期信号Sを受信するまで待機する。撮影装置5は、同期信号Sを受信すると、時間を0からT3(例えば1ms)までカウントする。撮影装置5は、時間T3までカウントすると、露光を開始し、時間T4(例えば8ms)だけ露光を行う。撮影装置5は、時間T4だけ露光を行うと、露光を終了し、次の同期信号を受信するまで待機する。撮影装置5は、次の同期信号Sを受信すると、時間T3のカウント及び時間T4の露光を行う。このように撮影装置5は、同期信号Sを受信するごとに、時間T3のカウント及び時間T4の露光を行う。なお図2では、撮影装置5が露光を行っている状態を「ON」とし、露光を行っていない状態を「OFF」としている。
The photographing
図2に示すように、レーザシートLSが射出される時間T1は、同期信号が出力される間隔T2に比べて短い(即ち、T1<T2)。また、撮影装置5が同期信号Sを受信してから露光を終了するまでの時間(T3+T4)は、レーザシートLSが射出される時間T1に比べて短い(即ち、T3+T4<T1<T2)。そのため、撮影装置5は、レーザシートLS(1〜9)が射出されるごとに、トレーサ粒子9の散乱光を撮影する。具体的には、撮影装置5は、レーザシートLS1によるトレーサ粒子9の散乱光を1つの画像として撮影し、レーザシートLS2によるトレーサ粒子9の散乱光を別の画像として撮影する。このように撮影装置5は、レーザシートLSの数(本実施形態では9個)だけ画像を記録する。撮影装置5は、撮影した画像を画像処理装置7に出力する。
As shown in FIG. 2, the time T1 at which the laser sheet LS is emitted is shorter than the interval T2 at which the synchronization signal is output (that is, T1 <T2). Further, the time (T3 + T4) from when the photographing
画像処理装置7は、入力された画像を基に、流体の速度を算出する。上述のように、半導体レーザ光源装置1は互いに異なる方向に進行するレーザシートLS(1〜9)を射出する。そのため画像処理装置7は、撮影装置5から入力された画像を解析することによって、流体の速度の3成分(x、y、及びz成分)を算出できる。なお、流体の速度の算出方法は既知の技術であるため、本明細書では説明を省略する。
The
[構成]
続いて、第一実施形態の半導体レーザ光源装置1の構成について図3を参照して説明する。図3は、図1の半導体レーザ光源装置1の上面11を上方(即ち、−x方向)から見たときの模式図である。なお図3では、半導体レーザ光源装置1が、上面11に平行(即ち、y−z平面に平行)なレーザシートLS5を射出した状態を示している。
[Constitution]
Next, the configuration of the semiconductor laser
図3に示すように、半導体レーザ光源装置1は、光源部13、シリンドリカルレンズ15、制御部19を含む。なお、シリンドリカルレンズ15が「レンズ」に対応する。
As shown in FIG. 3, the semiconductor laser
以下、光源部13、シリンドリカルレンズ15、及び制御部19について、詳細に説明する。
Hereinafter, the
[光源部13]
図3に示すように、光源部13は、半導体レーザアレイ21、サブマウント23、及びヒートシンク25を備える。なお図3には示されていないが、光源部13は、半導体レーザアレイ21及びサブマウント23の間、及び、サブマウント23及びヒートシンク25の間にハンダ層を含む。以下、図4及び図5を参照して、光源部13について説明する。図4は、図3の半導体レーザ光源装置1の光源部13を紙面左方向、即ち−z方向にみたときの模式的な図である。なお図4では説明の都合上、シリンドリカルレンズ15の外縁を示した。
[Light source unit 13]
As shown in FIG. 3, the
半導体レーザアレイ21は、端面発光型の半導体レーザ素子がアレイ状に複数配置されて構成されている。半導体レーザアレイ21は、z方向に垂直な面(図面上はxy平面に対応する)である側面22を含み、この側面22からレーザ光を射出する。
The
半導体レーザアレイ21は、側面22上にy方向に複数配置されたエミッタ27を含む。図4に示される半導体レーザアレイ21では、エミッタ27の配置方向であるy方向が、半導体レーザアレイ21の長手方向に対応している。エミッタ27aは、y方向に関して側面22の中央に位置するエミッタである。エミッタ27bは、y方向に関して側面22の一方の端部(即ち、+y方向側の端部)に位置するエミッタであり、エミッタ27cは、y方向に関して側面22の他方の端部(即ち、−y方向側の端部)に位置するエミッタである。一例として、半導体レーザアレイ21は、200μmのピッチで並ぶ20個のエミッタ27を含む。なお、図2では、便宜的に9個のエミッタ27を図示している。
The
以下では、エミッタ27aを「中央のエミッタ27a」と呼び、エミッタ27b、27cをそれぞれ「端部のエミッタ27b」、「端部のエミッタ27c」と呼ぶことがある。
Hereinafter, the
各エミッタ27は、x方向及びy方向の双方に拡がりつつ進行するレーザ光を射出する。図5に、半導体レーザアレイ21の中央のエミッタ27aから射出されるレーザ光Lを示す。図5に示すように、レーザ光Lは、x方向及びy方向の双方に発散する。またレーザ光Lは、y方向に比べてx方向に大きく発散する。即ち、レーザ光Lのx方向における発散角は、y方向における発散角に比べて大きい。つまり、x方向が「速軸方向」に対応し、y方向が「遅軸方向」に対応する。他のエミッタ27から射出されるレーザ光もレーザ光Lと同様に進行する。なお図5では、レーザ光Lのx方向における発散角をφとしている。
Each
図4に戻って説明を続ける。半導体レーザアレイ21は、ハンダ層29によりサブマウント23と接合されている。ハンダ層29は、サブマウント23の上面に載置されている。なお、光源部13はサブマウント23を備えないものとしても構わない。
Returning to FIG. 4, the description will be continued. The
半導体レーザアレイ21の温度は、レーザ光の射出に伴い上昇する。サブマウント23は、熱伝導率の高い材料により構成されており、半導体レーザアレイ21から生じる熱をヒートシンク25へ伝導する。
The temperature of the
ハンダ層31は、ヒートシンク25の上面に載置されており、サブマウント23及びヒートシンク25を接合する。
The
ヒートシンク25は、サブマウント23から伝導された熱を半導体レーザ光源装置1の外部へ放出する。ヒートシンク25は、熱伝導率の高い金属によって構成されている。なお、光源部13はヒートシンク25を備えないものとしても構わない。
The
[シリンドリカルレンズ]
図4に示すように、シリンドリカルレンズ15は、y方向から角度θ(一例として、0.1〜0.5度)だけ傾いて配置されている。なお、角度θが「所定の角度」に対応する。以下、シリンドリカルレンズ15について図6〜図8を参照して詳細に説明する。
[Cylindrical lens]
As shown in FIG. 4, the
図6は、シリンドリカルレンズ15を−z方向(図3参照)にみたときの模式的な図である。なお、図6では説明の都合上、シリンドリカルレンズ15の後方(即ち、−z方向側)に位置するエミッタ27を破線で示している。
FIG. 6 is a schematic diagram when the
図6に示すように、シリンドリカルレンズ15は、複数のレンズ領域33からなる。本実施形態において、シリンドリカルレンズ15は、エミッタ27と同数(即ち9個)のレンズ領域33を含む。各レンズ領域33は、各エミッタ27に対向している。即ち、各エミッタ27から射出されるレーザ光は、対向するレンズ領域33に入射する。
As shown in FIG. 6, the
各レンズ領域33は、z方向に平行な光軸OAを有する。光軸OAとは、各レンズ領域33の中心及び各レンズ領域33の焦点を結んだ直線である。
Each
上述のように、シリンドリカルレンズ15は、y方向から角度θだけ傾いて配置されている(図4参照)。そのため、エミッタ27のx方向における位置と、当該エミッタ27に対応するレンズ領域33の光軸OAのx方向における位置とが相違する。具体的には、図6に示すように、端部のエミッタ27bは、対応するレンズ領域33の光軸OAから−x方向に大きくずれる。また、端部のエミッタ27cは、対応するレンズ領域33の光軸OAからx方向に大きくずれる。また、中央のエミッタ27aと、端部のエミッタ(27b、27c)との間に位置するエミッタ27は、対応するレンズ領域33の光軸OAからx方向または−x方向に小さくずれる。中央のエミッタ27aは、対応するレンズ領域33の光軸OAと、x方向において同じ位置に存在する。なお、端部のエミッタ27bに対応するレンズ領域33が「一方のレンズ領域」に対応し、端部のエミッタ27cに対応するレンズ領域33が「他方のレンズ領域」に対応する。
As described above, the
なお本実施形態では、端部のエミッタ(27b、27c)は、対応するレンズ領域33の光軸OAから同じ距離Hだけずれる。即ち、端部のエミッタ27bは、対応するレンズ領域33の光軸OAから距離Hだけ−x方向にずれる。また、端部のエミッタ27cは、対応するレンズ領域33の光軸OAから距離Hだけx方向にずれる。
In this embodiment, the emitters (27b, 27c) at the ends are shifted from the optical axis OA of the corresponding
レンズ領域33は、対向するエミッタ27から射出されるレーザ光Lを、レーザシートLSに変換する。以下、図7及び図8を参照して具体的に説明する。
The
図7は、図3の半導体レーザ光源装置1をA−A線で切断したときの模式的な断面図である。なお、A−A線はz方向に平行であり、半導体レーザアレイ21の端部のエミッタ27b(図4参照)を通過する。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor laser
図7に示すように、レーザ光Lは、レンズ領域33に入射前においてx方向に拡がって進行する。なお上述のように、レーザ光Lのx方向における発散角はφである(図5参照)。レンズ領域33は、レーザ光Lをx方向に一定の幅を有するよう変換する。換言すると、レンズ領域33は、レーザ光Lのx方向への発散を抑制する。またレンズ領域33は、レーザ光Lのy方向における発散を保持する(図1及び図3参照)。即ちレンズ領域33は、レーザ光Lのy方向における発散角を保持する。このようにレンズ領域33は、対向するエミッタ27bから射出されるレーザ光Lを、x方向に一定の幅を有し、y方向に拡がりつつ進行するレーザシートLS1に変換する。
As shown in FIG. 7, the laser light L spreads in the x direction and travels before entering the
上述のように、端部のエミッタ27bは、対応するレンズ領域33の光軸OAから−x方向にずれた位置に存在する(図6参照)。そのため、端部のエミッタ27bから射出されたレーザ光Lが変換されたレーザシートLS1は、レンズ領域33の光軸OAに対し角度αをなして進行する。より具体的には、レーザシートLS1は、レンズ領域33の光軸OAに対しx方向に傾いて進行する。
As described above, the
図8は、図3の半導体レーザ光源装置1をB−B線で切断したときの模式的な断面図である。なお、B−B線はz方向に平行であり、半導体レーザアレイ21の端部のエミッタ27c(図4参照)を通過する。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor laser
図8に示すように、レンズ領域33は、対向するエミッタ27cから射出されるレーザ光Lを、x方向に一定の幅を有し、y方向に拡がりつつ進行するレーザシートLS9に変換する。上述のように、端部のエミッタ27cは、対応するレンズ領域33の光軸OAからx方向にずれた位置に存在する(図6参照)。そのため、端部のエミッタ27cから射出されたレーザ光Lが変換されたレーザシートLS9は、レンズ領域33の光軸OAに対し角度αをなして進行する。より具体的には、レーザシートLS9は、レンズ領域33の光軸OAに対し−x方向に傾いて進行する。
As shown in FIG. 8, the
図示を省略するが、中央のエミッタ27aと、端部のエミッタ(27b、27c)との間に位置するエミッタ27によるレーザシートLS(2〜4、6〜8)について同様に、対応するレンズ領域33の光軸OAに対し、所定の角度をなして進行する。
Although not shown, the corresponding lens regions are similarly applied to the laser sheets LS (2 to 4, 6 to 8) by the
なお、端部のエミッタ(27b、27c)は、対応するレンズ領域33の光軸OAから−x方向またはx方向に大きくずれる。そのため、変換後のレーザシート(LS1、LS9)は、光軸OAに対して比較的大きい角度αをなして進行する(図7及び図8参照)。これに対し、中央のエミッタ27aと、端部のエミッタ(27b、27c)との間に位置するエミッタ27は、対応するレンズ領域33の光軸OAからx方向または−x方向に小さくずれる。そのため、変換後のレーザシートLS(2〜4、6〜8)は、光軸OAに対して比較的小さい角度をなして進行する。このように、エミッタ27の位置と、対応するレンズ領域33の光軸OAの位置との間の距離が大きいほど、レーザシートLSは光軸OAに対して大きく傾いて進行する。
Note that the emitters (27b, 27c) at the ends are greatly displaced in the −x direction or the x direction from the optical axis OA of the corresponding
中央のエミッタ27aによるレーザシートLS5は、上述のようにy−z平面に平行である(図3参照)。図示を省略するが、中央のエミッタ27aによるレーザシートLS5は、y方向からみたとき、対応するレンズ領域33の光軸OAに平行である。
The laser sheet LS5 by the
[シリンドリカルレンズの傾斜]
続いて、シリンドリカルレンズ15の傾斜について図9を参照して説明する。上述のように、シリンドリカルレンズ15は、y方向から角度θだけ傾いて配置されている(図4参照)。
[Inclination of cylindrical lens]
Next, the inclination of the
図9(a)は、シリンドリカルレンズ15を−z方向(図3参照)にみたときの模式的な図である。なお図9(a)では、説明の都合上、シリンドリカルレンズ15の後方(即ち、−z方向側)に位置するエミッタ27を破線で示している。図9(b)は、図9(a)のシリンドリカルレンズ15をC−C線で切断したときの模式的な断面図である。なお、C−C線はx方向に平行であり、半導体レーザアレイ21の端部のエミッタ27b(図4参照)を通過する。また図9(b)では、説明の都合上、端部のエミッタ27b、及び当該エミッタ27bから射出されたレーザ光L、及び当該レーザ光Lの変換後のレーザシートLS1も示している。
FIG. 9A is a schematic diagram when the
図9(a)に示すように、端部のエミッタ27bから端部のエミッタ27cまでの距離をdとし、シリンドリカルレンズ15のx方向における幅をhとする。また図9(b)に示すように、シリンドリカルレンズ15の焦点距離をfとする。また上述のように、レーザ光Lのx方向における発散角はφである。このとき、角度θは以下の式を満たしている。
(d/2)tanθ+f・tan(φ/2)<h/2
As shown in FIG. 9A, the distance from the
(D / 2) tan θ + f · tan (φ / 2) <h / 2
上記式について説明する。左辺の第一項「(d/2)tanθ」は、端部のエミッタ27bと、端部のエミッタ27bに対応するレンズ領域33の光軸OAとの間の距離Hである(図6、図9(a)、(b)参照)。左辺の第二項「f・tan(φ/2)」は、レーザシートLS1のx方向における幅H’の半分の長さである。
The above formula will be described. The first term “(d / 2) tan θ” on the left side is a distance H between the
上述のように端部のエミッタ27bは、他のエミッタ27に比べて対応するレンズ領域33の光軸OAから−x方向に最も大きくずれる。そのため、端部のエミッタ27bから射出されたレーザ光Lのうち、一部のレーザ光がレンズ領域33に入射しない虞がある。具体的には、端部のエミッタ27bから射出されたレーザ光Lのうち、−x方向に最も傾いて進行するレーザ光が、レンズ領域33に入射しない虞がある。
As described above, the
これに対し、本実施形態では上記の式を満たす角度θだけ、シリンドリカルレンズ15が傾斜する。即ち、H+(H’/2)の値が、シリンドリカルレンズ15のx方向における幅hの半分の長さよりも短い。これにより、本実施形態によれば、エミッタ27bから射出されたレーザ光Lは、レンズ領域33からはみ出すことなく全てレンズ領域33に入射する。その結果、レーザシートLS1の強度が低下することを抑制できる。
On the other hand, in this embodiment, the
なお、シリンドリカルレンズ15の傾斜について端部のエミッタ27bを例に説明したが、端部のエミッタ27cについても同様である。具体的には、端部のエミッタ27bは、他のエミッタ27に比べてx方向に最も大きくずれる。そのため、端部のエミッタ27bから射出されたレーザ光Lのうち、x方向に最も傾いて進行するレーザ光が、レンズ領域33に入射しない虞がある。これに対し、本実施形態では、シリンドリカルレンズ15は上記の式を満たす角度θだけ傾斜する。これにより、端部のエミッタ27cから射出されたレーザ光Lは、レンズ領域33からはみ出すことなく全てレンズ領域33に入射する。
The tilt of the
以上のように、本実施形態によれば、端部のエミッタ(27b、27c)から射出されたレーザ光Lは、全て、対応するレンズ領域33に入射する。なお、端部のエミッタ(27b、27c)以外の他のエミッタ27から射出されたレーザ光Lも、全て、対応するレンズ領域33に入射する。他のエミッタ27は、端部のエミッタ(27b、27c)に比べ、対応するレンズ領域33の光軸OAから小さくずれた位置に存在するためである。
[制御部]
続いて、図10及び図11を参照して制御部19について説明する。
As described above, according to the present embodiment, all of the laser light L emitted from the emitters (27b, 27c) at the end is incident on the corresponding
[Control unit]
Subsequently, the
図10は、制御部19の構成を示すブロック図である。図10に示すように、制御部19は、同期信号受信部191、点灯エミッタ決定部193、及び電流供給部195を備える。
FIG. 10 is a block diagram showing the configuration of the
同期信号受信部191は、同期信号発生器3に電気的に接続されている。同期信号受信部191は、同期信号発生器3から同期信号Sを受信する。
The
点灯エミッタ決定部193は、同期信号受信部191が同期信号Sを受信した場合に、複数のエミッタ27(本実施形態では、9個のエミッタ)のなかからレーザ光Lを射出するエミッタ27を決定する。
When the synchronization
電流供給部195は、点灯エミッタ決定部193により決定されたエミッタ27に電流を供給する。具体的には、電流供給部195は、各エミッタ27への電流の供給を切り替えるスイッチ(図示略)を含む。当該スイッチは、初期状態ではOFFの状態となっている。電流供給部195は、点灯エミッタ決定部193により決定されたエミッタ27に電流を供給するためのスイッチをOFFからONに切り替えることより、当該エミッタ27に電流を供給する。なお電流供給部195は、点灯エミッタ決定部193により決定されなかった他のエミッタ27に電流を供給しない。即ち電流供給部195は、当該他のエミッタ27に電流を供給するためのスイッチをOFFのまま維持する。
The
また制御部19は、各エミッタ27に番号を付し、各エミッタ27を識別できるよう管理する。本実施形態では、9個のエミッタ27のそれぞれに1〜9までの何れかの番号Nを関連付ける。一例として制御部19は、端部のエミッタ27bから端部のエミッタ27cに向かって順番に、1〜9の番号Nを関連付ける。即ち、端部のエミッタ27bにはN=1が関連付けられ、中央のエミッタ27bにはN=5が関連付けられ、端部のエミッタ27cにはN=9が関連付けられている。
The
続いて、図11を参照して制御部19が行う処理について説明する。以下、半導体レーザアレイ21が9個のエミッタ27を含む場合を例に説明する。制御部19は、利用者によりPIVの計測指示(例えば、半導体レーザ光源装置1の電源ON)を入力されると、図11に示す点灯回路切替処理を開始する。
Next, processing performed by the
初めに、点灯エミッタ決定部193は、変数Nを1に設定する(S1)。続いて、同期信号受信部191は、同期信号Sを受信したかを判断し(S3)、同期信号Sを受信しないと判断した場合(S3:No)、同期信号Sを受信したと判断するまでS3の処理を繰り返す。
First, the lighting
同期信号受信部191が、同期信号を受信したと判断した場合(S3:Yes)、電流供給部195は、N=1が関連付けられているエミッタ27(本実施形態では、端部のエミッタ27b)に電流を時間T1だけ供給する(S5)。具体的には、電流供給部195は、端部のエミッタ27bに電流を供給するためのスイッチをOFFからONに切り替えることにより、電流の供給を開始する。電流供給部195は、電流の供給を開始してから時間T1だけ経過すると、上記のスイッチをONからOFFに切り替える。
When the synchronization
なお上述のように各エミッタ27に電流を供給するためのスイッチは、初期状態ではOFFの状態である。そのため、電流供給部195が、端部のエミッタ27bに電流を供給するためのスイッチをOFFからONに切り替えることにより(S5)、端部のエミッタ27bのみがレーザ光Lを射出する。その結果、半導体レーザ光源装置1は、レーザシートLS1のみを射出する。
As described above, the switch for supplying current to each
電流供給部195がS5を終了すると、点灯エミッタ決定部193は、変数Nの値を1だけ増加する(S7)。即ち、変数Nの値が「1」から「2」に更新される。そして、点灯エミッタ決定部193は、S7で更新された変数Nの値が、エミッタ27の総数(本実施形態では、9個)以下であるかを判断する(S9)。なお点灯エミッタ決定部193は、変数Nの値「2」は、エミッタ27の総数以下である、と判断する(S9:Yes)
When the
点灯エミッタ決定部193が、変数Nの値がエミッタ27の総数以下であると判断した場合(S9:Yes)、S3の処理に戻る。そして、同期信号受信部191が同期信号Sを受信すると(S3:Yes)、電流供給部195は、N=2が関連付けられているエミッタ27(本実施形態では、端部のエミッタ27bの隣のエミッタ27)に電流を時間T1だけ供給する(S5)。そして、S7の処理に移行する。点灯エミッタ決定部193がS7で更新された変数Nの値がエミッタ27の総数以下でない(S9:No)、と判断するまで、制御部19は、S3〜S9の処理を繰り返す。
When the lighting
このように、電流供給部195は、N=1が関連付けられているエミッタ27から順番に、電流を供給するエミッタ27を切り替える。これにより、N=1からN=10に向かう順番に、エミッタ27の点灯が切り替わる。
In this manner, the
電流供給部195は、N=9が関連付けられたエミッタ27(本実施形態では、端部のエミッタ27c)に電流を供給すると(S5)、点灯エミッタ決定部193は、変数Nの値を「9」から「10」の更新する(S7)。そして、点灯エミッタ決定部193は、変数Nの値「10」は、エミッタ27の総数以下でないと判断し(S9:No)、点灯回路切替処理を終了する。
When the
(作用効果)
続いて、第一実施形態の半導体レーザ光源装置1による作用効果について説明する。
(Function and effect)
Then, the effect by the semiconductor laser
上述のように、半導体レーザ光源装置1によれば、互いに異なる方向に進行するレーザシートLS(1〜9)が、LS1、LS2・・・LS9の順番に、一層ずつ射出される。また、半導体レーザ光源装置1が各レーザ光LSを射出するタイミングと同期して、撮影装置5は露光を開始する。これにより、レーザシートLSが射出されるごとに、トレーサ粒子9の散乱光が撮影される。その結果、流体の速度の三成分を算出可能な三次元的なPIVを、新規な手法によって実現できる。
As described above, according to the semiconductor laser
また、半導体レーザ光源装置1をPIVの光源に使用することにより、撮影装置5を複数台使用する必要がなく、一台の撮影装置5によってPIVを実現できる。これにより、PIVシステム100の大型化やコストの上昇を抑制できる。
In addition, by using the semiconductor laser
さらに、半導体レーザ光源装置1によれば、制御部19が、点灯するエミッタ27を順次切り替えることによって、異なる方向に進行するレーザシートLSを射出できる。即ち、従来の回転ミラーのように、機械的に可動する部材(以下、可動部材)を使用することなく、レーザシートLSを射出できる。これにより、光源の複雑化、大型化、及びコストの上昇を抑制できる。さらに、可動部材の不具合による影響を受けることがなく、信頼性の高いPIVの光源を提供できる。
Furthermore, according to the semiconductor laser
(第二実施形態)
続いて、第二実施形態の半導体レーザ光源装置200について説明する。第一実施形態の半導体レーザ光源装置1では、1つのエミッタ27により1つのレーザシートLSを形成していたが、第二実施形態の半導体レーザ光源装置200では、複数のエミッタによって1つのレーザシートLSを形成する。以下、図12及び図13を参照して第二実施形態について第一実施形態と異なる点を重点的に説明する。
(Second embodiment)
Next, the semiconductor laser
図12は、第二実施形態の半導体レーザ光源装置200を−z方向(図3参照)にみたときの模式的な図である。図12に示すように、半導体レーザ光源装置200は、半導体レーザアレイ35、サブマウント37、ヒートシンク39、レンズ41、及び制御部43を備える。なお、図12では、説明の便宜上、レンズ41については外縁を示している。
FIG. 12 is a schematic diagram when the semiconductor laser
図12に示すように、半導体レーザアレイ35のエミッタ36の個数は、第一実施形態の半導体レーザアレイ21のエミッタ27の個数に比べて多い。本実施形態では、半導体レーザアレイ35は、18個のエミッタ(36a〜36r)を含む。また、サブマウント37のy方向の長さは、第一実施形態のサブマウント23に比べて長く、ヒートシンク39のy方向の長さは、第一実施形態のシートシンク25に比べて長い。
As shown in FIG. 12, the number of
図13を参照して第二実施形態について説明を続ける。図13は、第二実施形態の半導体レーザ光源装置200のレンズ41を−z方向にみたときも模式図である。なお、図13では説明の都合上、レンズ41の後方(即ち、−z方向側)に位置するエミッタ36を破線で示している。
The description of the second embodiment will be continued with reference to FIG. FIG. 13 is also a schematic diagram when the
図13に示すように、レンズ41は、複数のレンズ領域42からなる。本実施形態では、レンズ41は、18個のレンズ領域(42a〜42r)からなる。レンズ領域(42a〜42r)は、第一実施形態と同様に、エミッタ(36a〜36r)からのレーザ光LをレーザシートLSに変換する。
As shown in FIG. 13, the
ここで、レンズ領域42aの光軸OAと、レンズ領域42jの光軸OAとにおいて、x方向における位置が等しい。そのため、レンズ領域42aの光軸OAと、エミッタ36aとの間の距離は、レンズ領域42jの光軸OAと、エミッタ36jとの間の距離と等しい。その結果、レンズ領域42a、42jによって変換された各レーザシートLSは、y方向からみたとき、平行に進行する。
Here, the optical axis OA of the
同様に、レンズ領域(42b、42k)において、光軸OAのx方向における位置が等しいため、エミッタ(36b、36k)(図示略)と光軸OAとの間の距離も等しい。その結果、レンズ領域(42b、42k)によって変換された各レーザシートLSは、y方向からみたとき、平行に進行する。レンズ領域(42c、42l)、レンズ領域(42d、42m)、レンズ領域(42e、42n)、レンズ領域(42f、42o)、レンズ領域(42g、42p)、レンズ領域(42h、42q)、及び、レンズ領域(42i、42r)においても同様である。 Similarly, in the lens region (42b, 42k), the position in the x direction of the optical axis OA is equal, and therefore the distance between the emitter (36b, 36k) (not shown) and the optical axis OA is also equal. As a result, the laser sheets LS converted by the lens regions (42b, 42k) travel in parallel when viewed from the y direction. Lens region (42c, 42l), lens region (42d, 42m), lens region (42e, 42n), lens region (42f, 42o), lens region (42g, 42p), lens region (42h, 42q), and The same applies to the lens regions (42i, 42r).
なお、エミッタ(36a、36j)は、レンズ領域(42a、42j)の光軸OAから−x方向に最も大きくずれる。そのため、エミッタ(36a、36j)によるレーザシートLSは、x方向に最も大きく傾いて進行する(図7参照)。また、エミッタ(36i、36r)(図示略)は、レンズ領域(42i、42r)の光軸OAからx方向に最も大きくずれる。そのため、エミッタ(36i、36r)によるレーザシートLSは、−x方向に最も大きく傾いて進行する(図8参照)。また、レンズ領域(42e、42n)によるレーザシートLSは、y−z平面に平行に進行する。 The emitters (36a, 36j) are most greatly displaced in the −x direction from the optical axis OA of the lens regions (42a, 42j). Therefore, the laser sheet LS by the emitters (36a, 36j) travels with the greatest inclination in the x direction (see FIG. 7). Further, the emitters (36i, 36r) (not shown) are most displaced in the x direction from the optical axis OA of the lens regions (42i, 42r). Therefore, the laser sheet LS by the emitters (36i, 36r) travels with the greatest inclination in the −x direction (see FIG. 8). Further, the laser sheet LS by the lens regions (42e, 42n) travels in parallel to the yz plane.
続いて制御部43について説明する。制御部43は、エミッタ(36a、36j)に、同じ値の変数N(例えば、N=1)を付与する。同様に、制御部43は、エミッタ(36b、36k)に同じ変数Nの値(例えば、N=2)を付与する。以下同様に、制御部43は、エミッタ(36c、36l)、エミッタ(36d、36m)、エミッタ(36e、36n)、エミッタ(36f、36o)、エミッタ(36g、36p)、エミッタ(36h、36q)、及び、エミッタ(36i、36r)に、同じ変数Nの値を当該順番に1ずつ増加するよう付与する。
Next, the
これにより、制御部43は、エミッタ(36a、36j)を同時に点灯し、点灯が終了すると、続いて、エミッタ(36b、36k)を点灯する。そして制御部43は、エミッタ(36b、36k)の点灯が終了すると、続いて、エミッタ(36c、36l)を点灯する。このように制御部43は、y方向からみて平行に進行する2つのレーザシートLSを同時に点灯する。また制御部43は、y方向からみて異なる方向に進行するレーザシートLSが同時に点灯されないよう、点灯するエミッタ36を切り替える。
As a result, the
以上のように、第二実施形態の半導体レーザ光源装置200によれば、同一平面上を進行する2つのレーザシートLSが重なり合って一層のレーザシートを形成する。これにより、第二実施形態によれば、第一実施形態に比べ、一層のレーザシートの強度が高くなるため、トレーサ粒子9をより確実に捕捉可能となり、PIVの計測結果の精度を向上できる。
As described above, according to the semiconductor laser
(別実施形態)
なお、半導体レーザ光源装置は、上記の実施形態の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、以下の別実施形態に係る構成を任意に選択して、上記の実施形態に係る構成に採用してもよいことは勿論である。
(Another embodiment)
The semiconductor laser light source device is not limited to the configuration of the above-described embodiment, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, it is needless to say that the configuration according to another embodiment below may be arbitrarily selected and adopted in the configuration according to the above-described embodiment.
〈1〉第一実施形態及び第二実施形態では、エミッタ(27、36)のx方向における位置に対し、各レンズ領域(33、42)の光軸OAのx方向における位置をずらすことによって、異なる方向に進行するレーザシートLSを形成するが、これに限らない。例えば、各レンズ領域(33、42)の光軸OAのx方向における位置が同じであり、各エミッタ(27、36)のx方向における位置をずらしても構わない。 <1> In the first embodiment and the second embodiment, by shifting the position in the x direction of the optical axis OA of each lens region (33, 42) with respect to the position in the x direction of the emitter (27, 36), Although the laser sheet LS traveling in different directions is formed, the present invention is not limited to this. For example, the positions of the lens regions (33, 42) in the x direction of the optical axis OA may be the same, and the positions of the emitters (27, 36) in the x direction may be shifted.
また、第一実施形態において、エミッタ27のx方向における位置と、対応するレンズ領域33の光軸OAのx方向における位置との相対関係を調整する形態に限らない。例えば、図14に示す半導体レーザ光源装置300のように、エミッタ27(図示略)と同数のミラー45を準備し、各ミラー45を、各エミッタ27(図示略)に対向させて、さらにz方向における位置をずらして配置しても構わない。半導体レーザ光源装置300によれば、各エミッタ27(図示略)から射出されたレーザ光Lは、それぞれ対向するミラー45により反射し、シリンドリカルレンズ15の入射面上の異なる位置に入射する。その結果、各エミッタ27(図示略)によるレーザ光Lは、それぞれ異なる方向に進行するレーザシートLSに変換される。なお、図14では便宜的に、各エミッタ27から射出されるレーザ光Lのうち、z方向に平行に進行するレーザ光のみを図示している。また、図の便宜上、3つのミラー45のみを示している。なお、図14において、y方向が「第一の方向」に対応し、z方向が「第二の方向」に対応する。
Moreover, in 1st embodiment, it is not restricted to the form which adjusts the relative relationship of the position in the x direction of the optical axis OA of the optical axis OA of the corresponding lens area |
以上を一般的にいえば、複数のエミッタ(27、36)のうち少なくとも二つのエミッタ(27、36)から射出されたレーザ光Lのレンズ領域(33、42)における入射位置が、第二の方向(即ち、x方向またはz方向)において互いに異なる、と表現できる。より具体的には、少なくとも二つのエミッタ(27、36)から射出されたレーザ光Lのうち、レンズ領域(33、42)の光軸OAに平行に進行するレーザ光において、レンズ領域(33、42)における入射位置が、第二の方向(即ち、x方向またはz方向)において互いに異なる、と表現できる。 Generally speaking, the incident position in the lens region (33, 42) of the laser light L emitted from at least two emitters (27, 36) of the plurality of emitters (27, 36) is the second. It can be expressed as different from each other in the direction (that is, the x direction or the z direction). More specifically, among the laser light L emitted from at least two emitters (27, 36), in the laser light traveling in parallel to the optical axis OA of the lens region (33, 42), the lens region (33, 42) can be expressed as different incident positions in the second direction (ie, x direction or z direction).
〈2〉第一実施形態及び第二実施形態において、レンズ領域(33、42)の光軸OAに対し、x方向にずれるエミッタ(27、36)と、−x方向にずれるエミッタ(27、36)とが存在するがこれに限らない。即ち、全てのエミッタ(27、36)が、レンズ領域(33、42)の光軸OAに対しx方向にずれていても構わない。同様に、全てのエミッタ(27、36)が、光軸OAに対し−x方向にずれていても構わない。換言すると、各エミッタ(27、36)による全てのレーザシートLSが、光軸OAに対してx方向/−x方向に傾いて進行しても構わない。なお、第一実施形態及び第二実施形態によれば、レーザシートLSが広い範囲で傾いて進行するため、流体が存在する三次元空間を、広範囲に照射することができ、流体を広範囲に観測することができる。 <2> In the first and second embodiments, the emitter (27, 36) shifted in the x direction and the emitter (27, 36) shifted in the -x direction with respect to the optical axis OA of the lens region (33, 42). ) And is not limited to this. That is, all the emitters (27, 36) may be displaced in the x direction with respect to the optical axis OA of the lens regions (33, 42). Similarly, all the emitters (27, 36) may be displaced in the −x direction with respect to the optical axis OA. In other words, all the laser sheets LS by the respective emitters (27, 36) may travel while being inclined in the x direction / −x direction with respect to the optical axis OA. In addition, according to 1st embodiment and 2nd embodiment, since laser sheet LS advances in a wide range, it can irradiate the three-dimensional space where a fluid exists over a wide range, and observe the fluid over a wide range. can do.
〈3〉また、第一実施形態において、撮影装置5が同期信号Sを受信してから露光を終了するまでの時間(T3+T4)は、レーザシートLSが射出される時間T1に比べて短い(即ち、T3+T4<T1)と説明したが、同期信号Sの時間間隔T2よりも短ければ時間T1よりも長くても構わない。また、露光時間T4は、時間T1に比べて長くても構わない。より一般的に言うと、同期信号Sが出力される時間間隔T2の間に、1つのレーザシートLSが点灯すれば構わない。また、当該間隔T2の間に、撮影装置5が露光を開始すれば構わない。また、時間T4の間に、1つのレーザシートLSが点灯し、複数のレーザシートLSが点灯されないようにすればよい。なお、時間T1の間に、撮影装置5が複数の画像を記録する形態であっても構わない。
<3> In the first embodiment, the time (T3 + T4) from when the photographing
〈4〉また、第一実施形態ではシリンドリカルレンズ15を傾斜して配置することによって各エミッタ27と各レンズ領域33の光軸OAとのx方向における位置をずらしていたが、これに限らない。例えばシリンドリカルレンズ15に代わり、図15に示すようなレンズ47を使用しても構わない。なお、図15は、レンズ47を−z方向(図3参照)からみたときの模式図であり、レンズ47の後方(即ち、−z方向側)に位置するエミッタ27を破線で示している。
<4> In the first embodiment, the
〈5〉また、レーザ光Lは、x方向に大きな発散角を有し、y方向に小さな発散角を有して進行すると説明したが、これに限らない。即ちレーザ光Lは、x方向及びy方向に同程度の発散角を有して進行しても構わない。またレーザ光Lは、x方向に小さな発散角を有し、y方向に大きな発散角を有して進行しても構わない。 <5> Further, although it has been described that the laser light L travels with a large divergence angle in the x direction and a small divergence angle in the y direction, the present invention is not limited thereto. That is, the laser light L may travel with the same divergence angle in the x direction and the y direction. Further, the laser beam L may travel with a small divergence angle in the x direction and a large divergence angle in the y direction.
〈6〉また、第一実施形態の半導体レーザ光源装置1では、シリンドリカルレンズ15を使用して各レーザ光LをレーザシートLSに変換したが、これに限らない。例えば、シリンドリカルレンズの他に、フライアイレンズを利用することができる。即ち、x方向(速軸方向)においてレーザ光Lの発散を抑制するレンズであれば何れのレンズを使用しても構わない。例えば、x方向(速軸方向)のみならず、y方向(遅軸方向)においてもレーザ光Lの発散を抑制するレンズを使用しても構わない。
<6> Further, in the semiconductor laser
〈7〉また、第二実施形態において、レンズ領域42が1つのレンズを構成しても構わない。即ち、レンズ41は、複数のレンズからなるレンズ群であっても構わない。
<7> In the second embodiment, the
1 : 第一実施形態の半導体レーザ光源装置
13 : 第一実施形態の光源部
15 : 第一実施形態のシリンドリカルレンズ
19 : 第一実施形態の制御部
21 : 第一実施形態半導体レーザアレイ
27 : 第一実施形態エミッタ
33 : 第一実施形態のレンズ領域
200 : 第二実施形態の半導体レーザ光源装置
35 : 第二実施形態の半導体レーザアレイ
36 : 第二実施形態のエミッタ
41 : 第二実施形態のレンズ
42 : 第二実施形態のレンズ領域
191 : 第一実施形態の同期信号受信部
193 : 第一実施形態の点灯エミッタ決定部
195 : 第一実施形態の電流供給部
L : レーザ光
LS : レーザシート
OA : 光軸
1: Semiconductor laser light source device of the first embodiment 13: Light source unit of the first embodiment 15: Cylindrical lens of the first embodiment 19: Control unit of the first embodiment 21: Semiconductor laser array of the first embodiment 27:
Claims (9)
複数の前記エミッタから射出された各レーザ光を、第一の方向に拡がり、且つ、前記第一の方向に直交する第二の方向に所定の幅を有して進行するレーザシートに変換するレンズと、を有し、
前記レンズは、複数の前記エミッタごとに、それぞれの前記エミッタから射出された前記レーザ光を前記レーザシートに変換する複数のレンズ領域を含み、
複数の前記エミッタのうち少なくとも二つの前記エミッタから射出された前記レーザ光において、前記レーザ光の前記レンズ領域における入射位置が、前記第二の方向において互いに異なることを特徴とする半導体レーザ光源装置。 A light source unit including a plurality of emitters;
A lens that converts each laser beam emitted from the plurality of emitters into a laser sheet that spreads in a first direction and travels with a predetermined width in a second direction orthogonal to the first direction. And having
The lens includes, for each of the plurality of emitters, a plurality of lens regions that convert the laser light emitted from the emitters into the laser sheet,
The laser beam emitted from at least two of the plurality of emitters is different from each other in the second direction in the incident position of the laser beam in the lens region.
一部の前記エミッタから射出された前記レーザ光と、一部の前記エミッタ以外の他の前記エミッタから射出された前記レーザ光とにおいて、前記レーザ光の前記レンズ領域における入射位置が、前記第二の方向において互いに異なることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ光源装置。 A control unit that controls the light source unit so that some of the emitters emit the laser light and other emitters other than some of the emitters do not emit the laser light; Have
In the laser light emitted from some of the emitters and the laser light emitted from other emitters other than some of the emitters, the incident position of the laser light in the lens region is the second The semiconductor laser light source device according to claim 1, wherein the semiconductor laser light source devices are different from each other in the direction.
複数の前記エミッタのなかから前記レーザ光を射出する特定の前記エミッタを決定する点灯エミッタ決定部と、
前記点灯エミッタ決定部により決定された特定の前記エミッタに電流を供給し、特定の前記エミッタ以外の他の前記エミッタに電流を供給しない電流供給部と、を有することを特徴とする請求項2に記載の半導体レーザ光源装置。 The controller is
A lighting emitter determining unit that determines a specific emitter that emits the laser light from a plurality of the emitters;
3. A current supply unit that supplies current to the specific emitter determined by the lighting emitter determination unit and does not supply current to the other emitters other than the specific emitter. The semiconductor laser light source device described.
撮影装置の露光と同期するための同期信号を受信する同期信号受信部をさらに有し、
前記点灯エミッタ決定部は、
前記同期信号を受信した場合に、複数の前記エミッタのなかから前記レーザ光を射出する特定の前記エミッタを決定し、
前記同期信号を受信しない場合に、前記レーザ光を射出する特定の前記エミッタを決定しないことを特徴とする請求項3に記載の半導体レーザ光源装置。 The controller is
A synchronization signal receiving unit for receiving a synchronization signal for synchronizing with exposure of the photographing apparatus;
The lighting emitter determining unit is
Determining the specific emitter that emits the laser light from the plurality of emitters when receiving the synchronization signal;
The semiconductor laser light source device according to claim 3, wherein when the synchronization signal is not received, the specific emitter that emits the laser light is not determined.
前記レーザ光は、前記第一の方向及び前記第二の方向に拡がって進行し、
複数の前記エミッタのうちの少なくとも二つの前記エミッタと、二つの前記エミッタに対応する二つの前記レンズ領域と、において、それぞれの前記エミッタの前記第二の方向における位置を基準としたとき、前記エミッタに対応する前記レンズ領域の前記第二の方向における位置が異なることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の半導体レーザ光源装置。 The plurality of emitters are arranged in the first direction,
The laser beam travels in the first direction and the second direction,
In at least two of the plurality of emitters and two lens regions corresponding to the two emitters, when the positions of the emitters in the second direction are used as a reference, the emitters 5. The semiconductor laser light source device according to claim 1, wherein positions of the lens regions corresponding to the second region differ in the second direction.
一方の前記レンズ領域の光軸は、前記第一の方向と前記第二の方向との双方に直交する第三の方向からみたとき、一方の前記レンズ領域に対応する前記エミッタよりも前記第二の方向にずれており、
他方の前記レンズ領域の光軸は、前記第三の方向からみたとき、他方の前記レンズ領域に対応する前記エミッタよりも前記第二の方向と反対方向にずれていることを特徴とする請求項5に記載の半導体レーザ光源装置。 In at least two of the lens regions of the plurality of lens regions,
The optical axis of one of the lens regions is higher than the emitter corresponding to one of the lens regions when viewed from a third direction orthogonal to both the first direction and the second direction. Is shifted in the direction of
The optical axis of the other lens region is shifted in a direction opposite to the second direction with respect to the emitter corresponding to the other lens region when viewed from the third direction. 5. The semiconductor laser light source device according to 5.
少なくとも二つの前記エミッタから射出された前記レーザ光は、対応する前記レンズ領域により、互いに平行に進行する前記レーザシートに変換されることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の半導体レーザ光源装置。 In the laser light emitted from at least two of the plurality of emitters, the incident position in the lens region of the laser light coincides in the second direction,
The semiconductor laser according to claim 1, wherein the laser beams emitted from at least two of the emitters are converted into the laser sheets traveling in parallel with each other by the corresponding lens regions. Laser light source device.
前記レンズは、前記第三の方向からみたとき、前記第一の方向から所定の角度だけ傾斜していることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の半導体レーザ光源装置。 The optical axes of the plurality of lens regions are arranged in a straight line when viewed from a third direction orthogonal to both the first direction and the second direction,
The semiconductor laser light source device according to claim 1, wherein the lens is inclined by a predetermined angle from the first direction when viewed from the third direction.
前記光源部は、複数の前記エミッタが前記第一の方向に並び、前記第一の方向を遅軸方向とし、前記第二の方向を速軸方向とする半導体レーザアレイを含み、
一方の端部に位置する前記エミッタから他方の端部に位置する前記エミッタまでの距離をd、前記レンズの焦点距離をf、前記レンズの前記第二の方向における幅をh、前記レンズが前記第一の方向から傾斜する角度をθ、前記複数の前記エミッタから射出された前記レーザ光の前記第二の方向における発散角をφ、としたとき、下記の式、
(d/2)tanθ+f・tan(φ/2)<h/2
を満たしていることを特徴とする請求項8に記載の半導体レーザ光源装置。
The lens is a cylindrical lens;
The light source unit includes a semiconductor laser array in which a plurality of the emitters are arranged in the first direction, the first direction is a slow axis direction, and the second direction is a fast axis direction,
The distance from the emitter located at one end to the emitter located at the other end is d, the focal length of the lens is f, the width of the lens in the second direction is h, and the lens is the When the angle inclined from the first direction is θ and the divergence angle in the second direction of the laser light emitted from the plurality of emitters is φ, the following equation:
(D / 2) tan θ + f · tan (φ / 2) <h / 2
The semiconductor laser light source device according to claim 8, wherein:
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