JP4606152B2 - レーザ光出射器およびレーザレーダ装置 - Google Patents
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Description
このような3次元位置情報の取得装置として、従来から、レーザ光の光強度を時間変調して測定対象物に照射し、測定対象物から反射されてくるレーザ光を受光し、照射レーザ光と反射光との位相差によって対象物の位置情報を取得するレーザレーダ装置が提案されている。レーザレーダ装置は、軍事、保安用、また火星探査用ロボットなどの各種分野における3次元位置情報の取得手段として、利用分野の拡がりが期待されている。
レーザレーダ装置には、例えば、特許文献1におけるイメージインテンシファイヤー管やゲート手段など、受光手段や信号の調整手段、また、制御手段や測定結果の演算手段など、多数の電子回路が必要となる。レーザレーダ装置を構成するには、レーザ光源に印加するRF重畳電圧を、各手段に漏洩させないことが必要である。特に、レーザレーダ装置をなるべく小型化して構成するために各手段を近接して配置する場合、レーザレーダ装置を安定して動作させるためには、レーザ光源に印加する高周波電圧がレーザ光源およびRF重畳回路から漏洩しないよう、高周波電流信の漏洩を確実に遮断する必要がある。特許文献1においては、このような高周波電流信号の漏洩の問題について一切記載されておらず、漏洩を防止する構成についても何ら示唆されていない。
従来のレーザ光出射器では、このような出射孔からの高周波電流の漏洩を防止することができなかった。このようなレーザ光出射器は、レーザレーダ装置の内部に配置されており、このような出射孔から漏洩した高周波電流は、受光装置などの、レーザレーダ装置内部に設けられた他の装置の動作に影響を与える。レーザレーダ装置を小型化した場合など、この漏洩した高周波電流の影響は特に顕著になる。
本発明は、上記従来の問題点に着目してなされたもので、コンパクトで、かつ高周波電流の漏洩を確実に防止したレーザ光出射器、および、このレーザ光出射器を備えコンパクトな装置構成で、かつ温度の過度な上昇を確実に防止したレーザレーダ装置を提供する。
ここで、変調の方式としては、レーザ光の振幅(amplitude)を変えるAM,パルスの継続時間(duration)すなわち幅(width)を変えるPDMあるいはPWM,周波数変調に対応してパルスの位置(position)を変えるPPM,2進数字などの符号(code)に変換してパルスを生ずるPCMなどの各方式が挙げられる。
このレーザレーダ装置によって取得する表面情報とは、例えば、測定対象物表面の3次元位置情報や、測定対象物表面の反射率の情報などである。
また、前記レーザ光出射器は、隣接して複数配置されることが好ましい。
装置10は、測定対象物Tに照射したレーザ光のうち、測定対象物Tからの反射光を受光することによって取得される測定対象物Tの3次元位置情報と、測定対象物Tの表面における反射率とにより3次元画像情報を取得する装置である。
コンピュータ14は、本体部12から出力される信号を用いてデータ処理を行う他、本体部12の各ユニットの駆動や駆動のタイミングを制御する制御部分でもある。
レーザダイオード22から出射された光は、カバー84のレーザ出射孔88、および、カメラ筐体16のレーザ出射孔18を通り、測定対象物Tに照射される。
レーザ光出射手段20b〜20hも、レーザ光出射手段20aと同様な構成となっている。
本体部12は、レーザ光出射手段20a〜20hと、受光手段30と、レーダ回路手段40と、制御回路手段50とを有する。制御回路手段50は、コンピュータ14と接続されている。
また、本実施形態では8つのレーザ光出射器のレーザ光は測定対象物Tの異なる領域の表面を照射する、同一波長の照射光であるが、同一の領域を照射する波長の異なるレーザ光であってもよい。この場合、例えばR(赤)、G(緑)及びB(青)の3原色の可視レーザ光を同一の領域に照射することによって、後述するように測定対象物Tの表面における3原色の反射率を得ることができ、3次元カラー画像情報として取得することができる。
プリズム33は、後述する空間変調素子34とともに用いて、空間変調素子34のマイクロミラーで反射したレーザ光を、斜行面33aで透過あるいは全反射させる部分である。
具体的には、プリズム33は、空間変調素子34のマイクロミラーのうち、所定の向きに反射面の向いたマイクロミラー(ON状態のマイクロミラー)にて反射されたレーザ光のみプリズム33の斜行面33aを透過させ、所定の向きに反射面が向かないマイクロミラー(OFF状態のマイクロミラー)にて反射されたレーザ光を斜行面33aで全反射させるように配置される。
ON状態にあるマイクロミラーAの反射面で反射したレーザ光はレンズ36を介して光電変換器38に導かれ、OFF状態にあるマイクロミラーBの反射面で反射したレーザ光は光電変換器38と異なる方向に反射する。このように、ON状態にあるマイクロミラーで反射されたレーザ光は光電変換器38にて受光される。
空間変調素子34は、各マイクロミラーの状態をON状態/OFF状態に切り換えるためのマイクロミラー制御器35と接続されている。マイクロミラー制御器35の制御により、全マイクロミラーのうち半数以上がON状態となるマイクロミラーの異なる制御パターンに順次切り換えられる。
光電変換器38は、受光したレーザ光を電気信号に変換する部分であり、光電子倍増管やアバランシェフォトダイオード等のデバイスが独立して8個設けられている部分である。これらのデバイスからそれぞれ電気信号が出力される。なお、光電変換器38に設けられる上記デバイスの数は8個に限定されず、複数個でもよく、又1個であってもよい。これらのデバイスは複数のマイクロミラーの異なる領域で反射されたレーザをそれぞれ別々に受光するようにデバイスを配置してもよい。こうすることによりON状態のマイクロミラーで反射されるレーザ光を別々に受光し、短時間に3次元画像情報を取得することができる。なお、上記デバイスは用いるレーザ光によって適するデバイスが異なり、例えば近赤外(800〜1200μm)のレーザ光にはアバランシェフォトダイオードが、可視帯域(400μm〜800μm)のレーザ光にはアバランシェフォトダイオード又は光電子倍増管が好適に用いられる。
具体的には、レーダ回路手段40は、発振器41、パワースプリッタ42、増幅器43、パワースプリッタ26、移相器44、増幅器45、パワースプリッタ46、8つのミキサ47(47a〜47h)及びミキサ47a〜47hのそれぞれに対応した増幅器48(48a〜48h)を有する。
移相器44は、RF変調信号を位相シフトさせることなく通過させ、また位相制御信号に応じて90度位相シフトさせて位相シフト変調信号を生成し、これらの信号を、増幅器45を介してパワースプリッタ46に供給する部分である。
パワースプリッタ46は、光電変換器38の複数の光電子倍増管等のデバイスに対応して設けられたミキサ47a〜47hにRF変調信号又は位相シフト変調信号を分配する部分である。
制御回路手段50は、システム制御器51、ローパスフィルタ52、増幅器53及びA/D変換器54を有する。
ローパスフィルタ52は、レーダ回路手段40から出力された中間周波数信号(IF信号)と高次成分を含んだ信号をフィルタ処理して高次成分を除去し、時間変調されたレーザ光の信号情報のみを含んだ中間周波数信号とする部分である。中間周波数信号は、増幅器53で増幅された後、A/D変換器54で中間周波数デジタル信号とされ、コンピュータ14に供給される。
なお、レーザ回路手段40から出力される信号は、光電変換器38の8つの光電子倍増管毎に独立に出力され、それぞれ別々にフィルタ処理、増幅、A/D変換されて、コンピュータ14にパラレル信号として供給される。
CPU60は、本体部12の各ユニットを駆動、制御する各種信号を制御回路手段50に作成するように指示し、また後述するデータ処理部64の各処理の演算を実質的に行う部分である。
信号変換部66は、中間周波数デジタル信号を、制御パターン信号及びPN符号化変調信号を用いて変換する部分である。
制御パターン信号は、コンピュータ14の指示に従って制御回路手段50で作成される信号であるため、制御パターン信号は既知であり、この制御パターン信号を用いて信号変換される。
このようにして、信号変換部66は、アダマール逆変換及びPN符号化変調信号の自己相関性及び直交性を利用した分解(符号化識別変換)により、中間周波数デジタル信号から各マイクロミラーの反射位置における各レーザ光の時間変調の信号情報を取得することができる。
なお、PN符号化変調信号による時間変調は100KHz〜10MHzの周波数で行われ、RF変調信号によるレーザ光の時間変調の周波数(50MHz〜10GHz)に比べて低周波である。
具体的には、本体部12のレーザ光出射手段20のレーザダイオード22から測定対象物Tまでの距離と測定対象物Tの表面上の反射点からレンズ32に至るまでの距離をρ、RF変調信号の波長をλ、RF変調信号の周波数をf、光速度をc、各レーザ光の信号の、RF変調信号に対する位相ずれをθとすると、距離ρは、下記式(1)を介して下記式(2)のように表すことができる。
なお、距離ρはレーザダイオード22から測定対象物Tの表面上の反射点を経由して光学レンズ36までの距離であるが、この距離ρを知れば十分である。光学レンズ32から光電変換器38の受光面までの光路の距離、さらにはミキサ47にいたる伝送線路の距離は既知であるため、予め定められた補正式等を用いて正しい値に修正することができる。
距離情報算出部68は、具体的には、信号変換部66で算出された各マイクロミラーの反射位置における各レーザ光毎の信号情報を、RF変調信号の周波数別に取得する。この信号情報は、ミキサ47へ入る参照信号であるRF変調信号の位相シフトを0としたときr・cos(θ)(rは測定対象物の表面における反射率、θは位相ずれ量)となり、RF変調信号を90度位相シフトさせたときr・sin(θ)となることから、距離情報算出部68は、これらの信号を用いて位相ずれ量θを算出する。この位相ずれ量θは、RF変調信号の少なくとも2つの周波数毎に取得されるので、この周波数に関する位相ずれ量の微分を算出することで位相ずれ情報の感度(dθ/df)を求める。
距離情報算出部68において説明したように、信号変換部66では、各マイクロミラーの反射位置における各レーザ光の信号情報が、RF変調信号の周波数別に算出され、これが反射率算出部72に供給される。この信号は、ミキサ47へ入る参照信号であるRF変調信号の位相シフトを0としたときに得られる信号情報は上述したようにr・cos(θ)となり、RF変調信号を90度位相シフトさせたときに得られる信号情報はr・sin(θ)となる。これら2つの信号情報の値から反射率算出部72は反射率rを算出する。
なお、反射率は測定対象物Tの表面の反射率を表し、例えばレーザ光が赤、緑及び青の3原色の可視レーザ光であれば、3原色における測定対象物Tの表面における反射率を求めることができる。すなわち、測定対象物Tの表面の色情報を取得することができ、測定対象物Tの3次元カラー画像を取得することができる。
12 本体部
14 コンピュータ
16 ディスプレイ
20 レーザ光出射手段
22 レーザダイオード
24 レーザドライバ
26,42,46 パワースプリッタ
28,32,36 光学レンズ
30 光学ユニット
34 マイクロミラー空間変調素子
37 ミラー
38 光電変換器
40 レーダ回路ユニット
41 発振器
43,45,48,53 増幅器
44 移相器
47 ミキサ
50 制御回路ユニット
51 システム制御器
52 ローパスフィルタ
54 A/D変換器
80 基体
82 筐体
84 カバー
85 金属体
86 冷却素子
88 レーザ出射孔
90 基板
91 絶縁層
92 金属膜
95 ピン孔
96 配線パターン
97 ピン
100 レーザ光出射器
102 基板
104 レーザダイオード
110 IC
112 筐体
114 冷却手段
118 出射孔
Claims (4)
- 変調されたレーザ光を出射するレーザ光出射器であって、
互いに反対方向を向いた第1および第2の基板面を有する絶縁性の基板と、
前記基板の前記第1の基板面側に設けられ、変調された高周波駆動電流に応じてレーザ光を出射するレーザダイオードと、
前記基板の前記第2の基板面に設けられ、前記高周波駆動電流を前記レーザダイオードに印加するドライバ回路と、
前記基板の前記第1の基板面全面から前記基板の側面全体を通って前記基板の前記第2の基板面における前記ドライバ回路が設けられる領域の周辺部分に至るまでを覆う導電体膜と、
前記ドライバ回路を覆うように前記基板の前記第1の基板面上に設けられ、前記ドライバ回路を囲む周辺部分において前記導電体膜と電気的に接続されることで、前記導電体膜とともに前記ドライバ回路を静電遮蔽する金属筐体と、
前記レーザダイオードを覆うと共に前記基板の前記第2の基板面上に設けられた金属製のユニットカバーと、前記ユニットカバー内に設けられ前記レーザダイオードから出射したレーザ光を調整する光学部材とを有し且つ前記レーザダイオードと接触する光学ユニットと、
前記ユニットカバーの外面と接触して前記ユニットカバーから熱を吸収する冷却素子と
を有し、前記レーザダイオードが前記導電体膜から離間して設置されると共に前記レーザダイオードは前記基板および前記導電体膜を貫通するスルーホールを介して前記ドライバ回路と電気的に接続され、前記レーザダイオードで発生した熱のほとんどが前記光学ユニットの前記ユニットカバーを介して前記冷却素子に伝達されることを特徴とするレーザ光出射器。 - 前記冷却素子と接触して前記冷却素子から熱を吸収して放熱する、前記基板、前記導電体膜、前記金属筐体、前記レーザダイオード、前記光学ユニットおよび前記冷却素子の全体を覆う放熱カバーとを有することを特徴とする、請求項1記載のレーザ光出射器。
- レーザ光を測定対象物に照射し、測定対象物からの反射光を受光することにより測定対象物の表面情報を取得するレーザレーダ装置であって、
請求項1または2に記載のレーザ光出射器と、
前記レーザ光出射器に近接して配置された、前記反射光を受光する受光ユニットとを有することを特徴とするレーザレーダ装置。 - 前記レーザ光出射器は、隣接して複数配置されることを特徴とする請求項3記載のレーザレーダ装置。
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