JP2018182244A - レーザ光出力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力をより一層削減したレーザ光出力装置を提供する。【解決手段】レーザ光を間欠的に出射するものとし、一度のパルスレーザ光の出射機会において、そのレーザ光の出力またはレーザ発振器に印加する電流若しくは電圧の大きさが所定の収束値に収束するよりも早く、レーザ光の出力またはレーザ発振器への電流若しくは電圧の印加を停止するレーザ光出力装置を構成した。【選択図】図３

Description

本発明は、対象に照射するべきレーザ光を出力するレーザ光出力装置に関する。

レーザ光出力装置の用途の一つに、レーザポインタが挙げられる。周知の通り、レーザポインタは、対象面に向けてレーザ光を照射し、当該対象面に現れる光点（または、輝点）を看者に視覚的に認識させるものであり、会議や講義等の場で広く用いられている。

一般に、レーザポインタは、乾電池または二次電池から必要な電力の供給を受けて駆動される。長時間に亘る使用を可能とするためには、当然、消費電力をできるだけ削減することが求められる。そこで、使用者が操作ボタンを押下している間、連続的にレーザ光を出力するのではなく、間欠的にパルスレーザ光を出力することで、平均消費電力の抑制を図ることが試みられている（例えば、下記特許文献を参照）。

特開２０１６−０２１５０６号公報

本発明は、消費電力をより一層削減したレーザ光出力装置を提供することを所期の目的としている。

上述の課題を解決するべく、本発明では、レーザ光を間欠的に出射するものとし、一度のパルスレーザ光の出射機会において、そのレーザ光の出力またはレーザ発振器に印加する電流若しくは電圧の大きさが所定の収束値に収束するよりも早く、レーザ光の出力またはレーザ発振器への電流若しくは電圧の印加を停止するレーザ光出力装置を構成した。

より具体的には、一度のパルスレーザ光の出射機会において、そのレーザ光の出力またはレーザ発振器に印加する電流若しくは電圧の大きさが所定の収束値を超越するオーバーシュートが一回ないし数回起こったときに、レーザ光の出力またはレーザ発振器への電流若しくは電圧の印加を停止することが好ましい。

一度のパルスレーザ光の出射機会において、レーザ光を出力またはレーザ発振器に電流若しくは電圧を印加する期間を顕著に短縮する都合上、レーザ発振器に接続し当該レーザ発振器に電流若しくは電圧を印加する電気回路上に設けられた半導体スイッチング素子に付随するバイパスコンデンサは必ずしもその効用を発揮しない。よって、このバイパスコンデンサを廃することができる。

レーザ光の出射の周波数は、例えば１００００Ｈｚ以上の高周波数に設定する。

本発明は、例えば対象面に向けてレーザ光を照射し当該対象面に現れる光点を看者に視覚的に認識させるレーザポインタに適用することができる。

本発明によれば、消費電力をより一層削減したレーザ光出力装置を実現することができる。

本発明の一実施形態のレーザ光出力装置の斜視図。 同実施形態のレーザ光出力装置の電気回路図。 同実施形態のレーザ光出力装置が備えるレーザ発振器への印加電流の推移を示すタイミング図。 本発明の一変形例に係るレーザ光出力装置の電気回路図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態におけるレーザ光出力装置１は、レーザ光の光点により所望の箇所を指し示すためのレーザポインタである。本レーザポインタ１は、既存のレーザポインタと同様、ディスプレイやスクリーン、ホワイトボード、黒板等の表面や、部屋の壁面にといった対象面にレーザ光２を照射し、その照射位置に現れる光点３により、使用者が指し示したい箇所を明示するものである。照射位置にて反射したレーザ光２は、使用者を含む看者の肉眼に入射して、看者の視覚に光点３として認識される。

図１に示すように、本実施形態のレーザポインタ１は、棒状をなす筐体１１の内にレーザ光２を発振する発振器１２やレンズ等の光学系、レーザ発振器１２に必要な電力を供給する電気回路及び電源となる電池を内蔵したものである。電池は、例えば一本ないし数本の乾電池であるが、再充電可能な二次電池を用いても構わない。

レーザポインタ１の筐体１１の先端側には、使用者の手によるレーザ光２を照射するべき旨の指令を受け付けるためのスイッチとして、押下ボタン１３を設けている。筐体１１の基端側を把持した使用者が親指等でこの押下ボタン１３を押下すると、レーザ発振器１２がレーザ光２を発振し、そのレーザ光２が筐体１１の先端部に配した光学系を通じて筐体１１外へと出射し、筐体１１の指向する先にある対象面に照射される。

図２に、レーザ発振器１２に電力を供給するための電気回路の具体例を示している。なお、図中のＶｂａ、Ｖｒｅｆ及びＶｂｒはそれぞれ、電池に由来する電源電圧である。レーザ発振器１２は、可視光波長のレーザ光２を発振する、例えば半導体レーザ素子（レーザダイオード）である。このレーザ発振器１２には、昇圧回路部１４において昇圧した直流電圧を印加する。昇圧回路部１４は、昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ（ＸＣ９１０４Ｄ０９３ＭＲ−Ｇ）Ｕ１を用いてなり、電源である電池から供給される３Ｖの電圧を７Ｖまで昇圧する。

本実施形態のレーザポインタ１は、押下ボタン１３が押下されている間、連続的にレーザ光２を出射し続けるのではなく、間欠的なパルスレーザ光２を出射する。そのために、本実施形態では、昇圧回路部１４からレーザ発振器１２に印加される電流を、トランジスタやＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４を介して制御する。

基本的に、半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４が点弧すると、レーザ発振器１２への通電が行われ、レーザ発振器１２がレーザ光２を出力する。翻って、半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４が消弧すると、レーザ発振器１２への通電が行われず、レーザ発振器１２がレーザ光２を出力しない。つまり、半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４が点弧する期間がレーザポインタ１からレーザ光２を出射する期間であり、半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４が消弧する期間がレーザ光２の出射が停止する期間である。

半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の点弧／消弧を切り替えるための制御信号は、発振回路部１５において生成する。発振回路部１５が制御信号として出力するパルス電流の周波数、ひいてはレーザ発振器１２が出力するパルスレーザ光２の周波数（一秒間に何個のパルスレーザ光２が筐体１１から出射するか）は、コンデンサＣ７の容量に依存する。具体的には、コンデンサＣ７の容量が大きいほど周波数が低くなる。なお、論理回路ＩＣ（ＴＣ７ＳＺ１４Ｆ）Ｕ３はＮＯＴゲートであり、２番（ＩＮ）端子の入力を反転させて４番（ＯＵＴ）端子に出力する。

他方、発振回路部１５が制御回路として出力するパルス電流のＤＵＴＹ比、ひいてはレーザ発振器１２が出力するパルスレーザ光２のＤＵＴＹ比（押下ボタン１３が押下されている期間の中でレーザ光２が出射する期間が占める割合）は、可変抵抗器（半固定抵抗器）であるトリマポテンショメータ（ＴＣ３３Ｘ−２−１０３Ｅ）ＶＲ１が具現する抵抗の増減を通じて調節することができる。トリマポテンショメータＶＲ１は、１番端子と３番端子とを繋ぐ抵抗体に接触しこれに沿って摺動可能な摺動子の変位により、１番端子−２番端子間の抵抗、及び２番端子−３番端子間の抵抗がそれぞれ変化するものである。２番端子と接続する摺動子を３番端子に近づけるほど、２番端子−３番端子間の抵抗が小さくなり、発振回路部１５のトリマポテンショメータＶＲ１による抵抗が小さくなる。このトリマポテンショメータＶＲ１は、回路の各素子の特性のばらつき（公差）に起因した制御電流のＤＵＴＹ比のばらつきを吸収し、ＤＵＴＹ比を本来の設計値に合致させるために存在している。本レーザポインタ１の製造の際には、トリマポテンショメータＶＲ１を操作して所望のＤＵＴＹ比を達成し、しかる後これを固定する。

そして、発振回路部１５が出力するパルス電流のピークの値は、抵抗Ｒ９及び抵抗Ｒ１０に依存する。但し、発振回路部１５が出力するパルス電流は、直接後段の半導体スイッチＱ３、Ｑ４のベースには印加されず、当該半導体スイッチＱ３、Ｑ４のベースに印加するべき電流を制御する前段の半導体スイッチＱ１、Ｑ２のベースに印加される。図２に例示した電気回路における前段の半導体スイッチＱ１、Ｑ２は、ｐｎｐ型のバイポーラトランジスタであり、エミッタ接地の増幅回路を構成し、そのベースに印加される（ベースから流れ出る負の）パルス電流を増幅した上で後段の半導体スイッチＱ３、Ｑ４のベースに入力する。

前段の半導体スイッチＱ１、Ｑ２のエミッタには、レギュレータ回路部１６において一定に調整された定電圧が与えられる。レギュレータ回路部１６は、シャントレギュレータ（シャント電圧リファレンスＬＭ４０４０Ｄ２０ＩＤＢＺＲ）Ｕ２を含んでいる。このシャントレギュレータＵ２は、１番（アノード）端子−２番（カソード）端子間の電圧を所定値に維持する。

本レーザポインタ１の電気回路には、レーザ発振器１２が出力するレーザ光２の強度、換言すればレーザ発振器１２が放つ光束の量を所定の収束値に近づけるフィードバック機能が備わっている。具体的には、レーザ発振器１２が出力するレーザ光２の一部を光検出器、典型的にはフォトダイオード１７に入射させ、これを受けたフォトダイオード１７が出力する電流を、発振回路部１５が出力するパルス電流と合わせて、前段の半導体スイッチＱ１、Ｑ２のベースに印加している。

前段の増幅回路は、ｐｎｐ型トランジスタＱ１、Ｑ２をエミッタ接地したものである。従って、レーザ光２を受けたフォトダイオード１７が正電圧を起電することで、当該フォトダイオード１７に接続している前段のトランジスタＱ１、Ｑ２のベース電流及びコレクタ電流がそれぞれ小さくなる。その結果、後段のトランジスタＱ３、Ｑ４のベース電流及びコレクタ電流もまた小さくなって、レーザ発振器１２を流れる印加電流が減少し、レーザ発振器１２が出力するレーザ光２の強度が弱まる。

要するに、フォトダイオード１７に入射するレーザ光２の強度が増大すると、レーザ発振器１２が出力するレーザ光２の強度が低減し、フォトダイオード１７に入射するレーザ光２の強度が低減すると、レーザ発振器１２が出力するレーザ光２の強度が増大する。図３に、レーザ発振器１２にパルスレーザ光２を出力させる際に当該レーザ発振器１２に印加する電流（または、電圧）の推移を示す。なお、図３の縦軸の印加電流量は、レーザ発振器１２が出力するレーザ光２の出力または光束の量と見なすことができる。発振回路部１５が出力する制御信号を半導体スイッチＱ１、Ｑ２に与えて半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４を点弧した後、その状態のままで十分な時間が経過した場合、図３に細線で描画しているように、レーザ発振器１２への印加電流の大きさ及びレーザ光２の強度は、各回路素子の特性（定数）に応じて定まる所定の収束値に収束する。収束値は、フィードバック制御における目標値と捉えることもできる。

後段の半導体スイッチＱ３、Ｑ４に並列接続しているバイパスコンデンサＣ４、Ｃ５は、レーザ発振器１２への印加電流の大きさ及びレーザ光２の強度が収束値に収束する過程で収束値を跨いで上下に振動するのを抑制する働きをする（但し、後述するように、バイパスコンデンサＣ４、Ｃ５は廃することが許される）。そして、後段の半導体スイッチＱ３、Ｑ４のベースに接続している抵抗Ｒ１１、Ｒ１２は、当該半導体スイッチＱ３、Ｑ４のベース電流の上限を規定する。即ち、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２は、レーザ発振器１２への印加電流の上限及びレーザ光２の強度の上限を規定する。

また、本レーザポインタ１の電気回路には、異常が生じたときにレーザ発振器１２への通電を遮断する安全機能が備わっている。フェイルセーフ回路部１８の半導体スイッチＭ２は、昇圧回路部１４の昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラＵ１の３番（ＣＥ）端子とグランドとの間に介在している。この半導体スイッチＭ２は、平時は消弧しているが、これが点弧すると、昇圧回路部１４の昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラＵ１の３番端子に印加される電圧が０となる。さすれば、昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラＵ１の内部回路の動作が停止して、昇圧回路部１４がレーザ発振器１２に必要な直流電圧を印加しない状態となる。フェイルセーフ回路部１８が含むプッシュプル出力サブマイクロアンプコンパレータ（ＭＣＰ６５４１Ｔ−Ｉ−ＯＴ）Ｕ４は、３番（ＶＩＮ＋）端子の電圧と４番（ＶＩＮ−）端子の電圧とを比較し、後者が前者を下回る異常時に、５番（ＶＤＤ）端子の電圧に対応した大きさの電圧を１番（ＯＵＴ）端子から出力する。

既に述べた通り、本レーザポインタ１は、パルスレーザ光２を間欠的に出射する。図３に示すように、パルスレーザ光２を出力させるべくレーザ発振器１２に対する通電を開始した時点ｔ₀以降、レーザ発振器１２への印加電流量は急増し、所定の収束値を上回るオーバーシュートを起こす。その直後、印加電流量は収束値に向かって減少し、今度は収束値を下回るアンダーシュートを起こす。さらにその後、再び印加電流量は増大してオーバーシュートし、続いてまたもやアンダーシュートし、……、というように、印加電流量はオーバーシュートとアンダーシュートとを繰り返しながら、最終的には細線で描画しているように収束値に収束してゆくこととなる。

しかしながら、本実施形態では、図３に太線で描画しているように、印加電流量が収束値に収束するよりも遙かに早い時点ｔ₁で、半導体スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４を消弧させてレーザ発振器１２への通電を打ち切ってしまう。これにより、レーザ発振器１２への通電期間を顕著に短縮し、レーザポインタ１が消費する平均の消費電力を大きく削減することができる。レーザ発振器１２への通電を打ち切る時点ｔ₁は、一度のパルスレーザ光２の出射機会において、レーザ発振器１２への印加電流（または、電圧）の大きさが収束値を超越するオーバーシュートが一回ないし数回（十回以下）起こったときとすることが好ましい。

本実施形態にあって、発振回路部１５が出力するパルス制御信号のＤＵＴＹ比、レーザ発振器１２への印加電流のＤＵＴＹ比、つまりはレーザ発振器１２が出力するパルスレーザ光２のＤＵＴＹ比は非常に小さくなる。ＤＵＴＹ比は、当然に５０％を下回り、１０％を下回ることもあり得る。一方で、レーザ発振器１２が出力するレーザ光２の光束の量、即ち対象面に照射されたレーザ光２の光点３の輝度を必要十分な大きさとするためには、パルスレーザ光２の周波数を高め、及び／または、パルスレーザ光２の出力のピーク即ちレーザ発振器１２への印加電流（または、電圧）のピークを大きくすることが要求される。特に、パルスレーザ光２の周波数は、１００００Ｈｚ以上に設定する。好ましくは、周波数を３５０００Ｈｚとする。パルスレーザ光２のＤＵＴＹ比は、トリマポテンショメータＶＲ１が具現する抵抗値を増減させることで調節でき、レーザ光２の一個一個のパルスの出力のピークは、抵抗Ｒ９、Ｒ１０及び／または抵抗Ｒ１１、Ｒ１２の抵抗値を増減させることで調節できる。並びに、パルスレーザ光２の周波数は、コンデンサＣ７の容量値を増減させることで調節できる。

本実施形態では、対象面に向けてレーザ光２を照射し当該対象面に現れる光点３を看者に視覚的に認識させるレーザポインタ１であって、レーザ光２を間欠的に出射するものとし、一度のパルスレーザ光２の出射機会において、そのレーザ光２の出力またはレーザ発振器１２に印加する電流若しくは電圧の大きさが所定の収束値に収束するよりも早く、レーザ光２の出力またはレーザ発振器１２への電流若しくは電圧の印加を停止するレーザポインタを構成した。

より具体的には、一度のパルスレーザ光２の出射機会において、そのレーザ光２の出力またはレーザ発振器１２に印加する電流若しくは電圧の大きさが所定の収束値を超越するオーバーシュートが一回ないし数回起こった時点ｔ₁で、レーザ光２の出力またはレーザ発振器１２への電流若しくは電圧の印加を停止する。

本実施形態によれば、既存のレーザポインタと比較して消費電力をより一層低減した省電力レーザポインタ１を実現することができ、同じ電池でより長い時間レーザポインタ１を使用し続けることが可能となる（電池の寿命が延びる）。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、一度のパルスレーザ光の出射機会において、レーザ光２を出力またはレーザ発振器１２に電流若しくは電圧を印加する期間を顕著に短縮する都合上、レーザ発振器１２に接続し当該レーザ発振器１２に電流若しくは電圧を印加する電気回路上に設けられた半導体スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４に付随するバイパスコンデンサＣ４、Ｃ５は必ずしもその効用を十分に発揮しない。従って、図４に示すように、このバイパスコンデンサＣ４、Ｃ５を廃することも可能である。これにより、部品点数及びコストの削減が実現されるだけでなく、バイパスコンデンサＣ４、Ｃ５による電力消費が回避される利点もある。

本発明に係るレーザ光出力装置の用途は、レーザ光の光点により所望の箇所を指し示すためのレーザポインタには限定されない。例えば、人体にレーザ光を照射して治療を行う医療用機器、測量計、粒径分析や非破壊検査に用いられる計測機器、バーコードスキャナやポインティングデバイス（レーザを用いるマウス）の光源、光学ディスクの読み取りや書き込みのための光源、光通信の光源、穿孔や切削、切断等の各種加工を施すレーザ加工機、照準器や水準器、レーザ誘導、ホログラフィ、レーザライトショーのようなエンタテインメント分野、その他に、本発明を適用することも可能である。

その他、各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、対象に照射するべきレーザ光を出力するレーザ光出力装置に適用することができる。

１…レーザ光出力装置（レーザポインタ）
２…レーザ光
３…光点
Ｃ４、Ｃ５…バイパスコンデンサ

Claims (5)

1. レーザ光を間欠的に出射するものとし、一度のパルスレーザ光の出射機会において、そのレーザ光の出力またはレーザ発振器に印加する電流若しくは電圧の大きさが所定の収束値に収束するよりも早く、レーザ光の出力またはレーザ発振器への電流若しくは電圧の印加を停止するレーザ光出力装置。
2. 一度のパルスレーザ光の出射機会において、そのレーザ光の出力またはレーザ発振器に印加する電流若しくは電圧の大きさが所定の収束値を超越するオーバーシュートが一回ないし数回起こったとき、レーザ光の出力またはレーザ発振器への電流若しくは電圧の印加を停止する請求項１記載のレーザ光出力装置。
3. レーザ発振器に接続し当該レーザ発振器に電流若しくは電圧を印加する電気回路上に設けられた半導体スイッチング素子に付随するバイパスコンデンサを廃した請求項１または２記載のレーザ光出力装置。
4. レーザ光の出射の周波数を１００００Ｈｚ以上に設定した請求項１、２または３記載のレーザ光出力装置。
5. 対象面に向けてレーザ光を照射し当該対象面に現れる光点を看者に視覚的に認識させるレーザポインタである請求項１、２、３または４記載のレーザ光出力装置。

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