JP5225055B2 - 光伝送装置 - Google Patents

Description

この発明は、光伝送装置に関係している。

光伝送装置は、例えば特開２００６−１８９２５６号公報（特許文献１）により広く知られている。

光伝送装置は、光伝送装置の使用目的に応じた種々の光学要素を含んでおり、種々の光学要素の相対的な位置関係がずれると所望の使用目的を達成することが出来ない。

種々の光学要素の相対的な位置関係のずれは、光伝送装置に負荷される振動等の機械的な外力はもちろんのこと、光伝送装置の温度の上下や光学要素及びその他の材料の経年変化に伴い発生する歪により生じる。
特開２００６−１８９２５６号公報

この発明の目的は、光伝送装置の種々の光学要素の相対的な位置関係がずれたとしても、相対的な位置関係のずれを補償して光伝送装置に所望の目的を達成させることができる簡易な構成の光伝送装置を提供することである。

上述したこの発明の目的を達成する為に、この発明に従った光伝送装置は：
主光軸と基端と末端とを含む主光学系と；
主光学系の主光軸に主光ビームを投入し主光学系の主光軸に沿い上記主光ビームを伝送させた後に上記主光ビームを主光学系の末端から目標物に向かい照射させる主光ビーム出射器と、主光学系の末端から主光軸に入射し主光軸に沿い伝送され主光学系の基端から出射した光ビームを受光する受光素子と、の少なくともいずれか一方と；
主光学系の基端に向かい計測光ビームを出射する計測光ビーム出射手段と、主光学系の基端において計測光ビーム出射手段からの計測光ビームを主光学系の主光軸と平行にし計測光ビームを主光学系の主光軸と平行に伝送する第１光学素子と、主光学系の末端において第１光学素子からの計測光ビームを主光学系の主光軸と平行に反射する第２光学素子と、を含んでおり、第２光学素子により反射された計測光ビームは第１光学素子により主光学系から離され、主光学系から離れた後の計測光ビームが入射され主光学系から離れた後の計測光ビームの位置の変化を検出し主光軸の位置ずれを計測する検出器をさらに含んでいる、計測光学系と；主光学系の主光ビーム出射器と受光素子との少なくともいずれか一方と、計測光学系の計測光ビーム出射手段，第１光学素子，そして検出器が夫々の所定の位置に固定されている第１台座と；
主光学系の末端及び計測光学系の第２光学素子が所定の位置に固定されている第２台座と；
第１台座及び第２台座に固定されている計測光学系の第１及び第２光学要素の間で主光学系の主光軸に介在された少なくとも１つのチルトミラーと、少なくとも１つのチルトミラーを介し主光学系の末端及び計測光学系の第２光学素子へと主光学系の主光軸を導く導光手段と、を含んでいて、計測光学系により計測された上記主光軸の位置ずれに対応して、少なくとも１つのチルトミラーの傾きにより上記主光軸の位置ずれを解消するよう主光学系を制御する位置ずれ補正制御系と；
を備えていることを特徴としている。

上述した如く構成されたことを特徴とするこの発明に従った光伝送装置は、簡易な構成でありながら、光伝送装置の種々の光学要素の相対的な位置関係がずれたとしても、相対的な位置関係のずれを補償して光伝送装置に所望の目的を達成させることができる。

以下、この発明の一実施の形態に従った光伝送装置１０を添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１中に図示されている如く、この発明の一実施の形態に従った光伝送装置１０は：主光軸ＭＡと基端１２ａと末端１２ｂとを含む主光学系１２と；主光学系１２に計測光ビームＫＢを投入し主光学系１２の主光軸ＭＡに沿い伝送される光ビームから独立して主光軸ＭＡと平行に計測光ビームＫＢを伝送させ主光軸ＭＡに沿った所定の位置から計測光ビームＫＢを主光学系１２から離れさせる副光軸ＫＡを形成し、主光学系１２から離れた後の計測光ビームＫＢの位置の変化により主光軸ＭＡの位置ずれを計測する計測光学系１４と；そして、計測光学系１４により計測された主光軸ＭＡの位置ずれに対応して、主光軸ＭＡの位置ずれを解消するよう主光学系１２を制御する位置ずれ補正制御系１６と、を備えている。

この実施の形態において光伝送装置１０はさらに、主光学系１２の基端１２ａから主光軸ＭＡに主光ビームＭＢを投入し主光学系１２の主光軸ＭＡに沿い主光ビームＭＢを伝送させた後に主光ビームＭＢを主光学系１２の末端１２ｂから図示されていない目標物に向かい照射させる主光ビーム出射器１２ｃを備えている。主光ビーム出射器１２ｃは、例えばレーザ光出射器であることができる。

とはいうものの、この発明の概念に従えば光伝送装置１０は、主光ビーム出射器１２ｃに代わり、主光学系１２の末端１２ｂから主光軸ＭＡに入射し主光軸ＭＡに沿い伝送され主光学系１２の基端１２ａから出射した光ビームを受光する受光素子をさらに備えることができる。

計測光学系１４は、計測光学系１４の計測光ビームＫＢを出射する計測光ビーム出射手段１４ａと、主光学系１２の基端１２ａの近傍部（基端近傍部）において計測光ビーム出射手段１４ａから主光学系１２に投入された計測光ビームＫＢを主光学系１２の主光軸ＭＡと平行にする第１光学素子１４ｂと、主光学系１２の末端１２ｂの近傍部（末端近傍部）において計測光学系１４の第１光学素子１４ｂからの計測光ビームＫＢを主光学系１２の主光軸ＭＡと平行に反射する第２光学素子１４ｃと、を含んでいる。

そして、第２光学素子１４ｃにより反射された計測光ビームＫＢは、第１光学素子１４ｂにより主光学系１２から離される。計測光ビーム出射手段１４ａは、例えばレーザ光出射手段であることができる。

位置ずれ補正制御系１６は、計測光学系１４の第１及び第２光学素子１４ｂ、１４ｃの間で主光学系１２の主光軸ＭＡに介在された少なくとも１つのチルトミラー１６ａと、少なくとも１つのチルトミラー１６ａを介し主光学系１２の末端１２ｂ及び計測光学系１４の第２光学素子１４ｃへと主光学系１２の主光軸ＭＡを導く導光手段１８と、を含んでいる。

そして、位置ずれ補正制御系１６は、計測光学系１４により計測された主光軸ＭＡの位置ずれに対応して少なくとも１つのチルトミラー１６ａの傾きにより主光軸ＭＡの位置ずれを解消するよう主光学系１２を制御する。

計測光学系１４は、主光学系１２から離れた後の計測光ビームＫＢが入射され主光学系１２から離れた後の計測光ビームＫＢの位置の変化を検出する検出器１４ｄをさらに含んでいる。

以下、この発明の一実施の形態に従った光伝送装置１０をさらに詳細に説明する。

主光学系１２の為の主光ビーム出射器１２ｃ，及び計測光学系１４の為の計測光ビーム出射手段１４ａ，第１光学素子１４ｂ，そして検出器１４ｄは、第１台座２０の一面（図１では紙面に沿った面）の夫々の所定の位置に固定されている。

第１台座２０において主光ビーム出射器１２ｃから出射された主光ビームＭＢの延長上に第１光学素子１４ｂが配置されていて、第１光学素子１４ｂは主光ビームＭＢを直線状に透過させる。

第１光学素子１４ｂは主光ビームＭＢに対し所定の角度に傾斜されていて、第１台座２０において第１光学素子１４ｂに向かい計測光ＫＢを出射する位置に計測光ビーム出射手段１４ａが配置されている。計測光ビーム出射手段１４ａは第１光学素子１４ｂに対し主光ビームＭＢが透過する位置とは異なる位置に計測光ビームＫＢを投射し、第１光学素子１４ｂは計測光ビームＫＢが主光ビームＭＢと平行に同じ方向に伝送されるよう反射する。

この実施の形態において第１光学素子１４ｂは主光ビームＭＢに対し４５度の角度で傾斜しており、計測光ビーム出射手段１４ａは、主光ビームＭＢに対し９０度の角度で第１光学素子１４ｂに向かい計測光ビームＫＢを投射している。

この実施の形態において第１光学素子１４ｂは光の周波数に応じて光の透過と反射とを選択するダイクロイックミラーである。従って、第１光学素子１４ｂを透過する主光ビームＭＢの波長と第１光学素子１４ｂにより反射される計測光ビームＫＢの波長とは相互に異なっている。この実施の形態において第１光学素子１４ｂは主光学系１２の基端１２ａを兼ねている。

第１台座２０において計測光ビーム出射手段１４ａから第１光学素子１４ｂに向かう計測光ビームＫＢの光路上にはハーフミラー１４ｅが配置されていて、ハーフミラー１４ｅにより上記光路から分岐された計測光ビームＫＢの分岐光路上に検出器１４ｄが配置されている。検出器１４ｄは、そこに投射された計測光ビームＫＢの分岐光の位置又は入射角を検出することができ、例えば電子撮像素子（ＣＣＤ）またはポジションセンサにより構成することができる。

入射角を検出する場合には、ハーフミラー１４ｅと検出器１４ｄとの間に集光レンズを介在させ、集光レンズの焦点ｆを変更することにより入射角の検出感度を変更することができる。

従ってこの実施の形態においては、第１台座２０の夫々の所定の位置に固定されている主光ビーム出射器１２ｃ及び計測光ビーム出射手段１４ａから出射された主光ビームＭＢ及び計測光ビームＫＢは第１光学素子１４ｂから常に相互に独立して相互に平行に同じ方向に出射される。このように第１台座２０から常に相互に独立して相互に平行に同じ方向に出射される主光ビームＭＢ及び計測光ビームＫＢの相互間をこれら主光ビームＭＢ及び計測光ビームＫＢと相互に平行に同じ方向に延びる不動の仮想軸Ｃ１が１点鎖線により図示されている。

さらにこの実施の形態においては、第１台座２０の所定の位置に固定されているハーフミラー１４ｅにより第１台座２０の別の所定の位置に固定されている検出器１４ｄに向かう計測光ビーム出射手段１４ａから出射された計測光ビームＫＢの分岐光は検出器１４ｄ上の常に同じ位置（基準位置）に投射される。

１つの第１台座２０における夫々の所定の位置に固定されている主光ビーム出射器１２ｃ，計測光ビーム出射手段１４ａ，第１光学素子１４ｂ，検出器１４ｄ、そしてハーフミラー１４ｅの相対位置の関係は、この光伝送装置１０の通常の使用環境における温度の上下による第１台座２０の膨張や収縮や第１台座２０に対する振動を含む外力の負荷によっては変化しない。

第１台座２０の第１光学要素１４ｂから相互に平行に同じ方向に出射された主光ビームＭＢ及び計測光ビームＫＢの延長上には位置ずれ補正制御系１６の為のチルトミラー１６ａが配置されていて、チルトミラー１６ａは第１台座２０から独立したミラー駆動部１６ｂに支持されている。

この実施の形態においてミラー駆動部１６ｂは、チルトミラー１６ａを、仮想軸Ｃ１上で図１の紙面に対し直交する第１回転軸ＶＲを回転中心に所定の回転範囲θで回転させることが可能であるとともに、仮想軸Ｃ１に対し所定の角度に傾斜し図１の紙面に沿い平行に延びる第２回転軸ＨＲを回転中心に所定の回転範囲δで回転させることが可能である。

第１台座２０の第１光学要素１４ｂから相互に平行に同じ方向に出射された主光ビームＭＢ及び計測光ビームＫＢは、チルトミラー１６ａにより反射された後に導光手段１８を介して主光学系１２の末端１２ｂに位置する第２光学要素１４ｃまで相互に平行に同じ方向に導かれる。この実施の形態では導光手段１８は複数の導光要素１８ａ，１８ｂ，そして１８ｃにより構成されている。

複数の導光要素１８ａ，１８ｂ，そして１８ｃの夫々は、反射ミラーや曲率を有している非平面ミラーやプリズムにより構成することができる。

図２には、複数の導光要素１８ａ，１８ｂ，そして１８ｃの夫々が反射ミラーにより構成されている場合の反射ミラー保持体１８ｄが概略的に図示されていて、反射ミラー保持体１８ｄでは、主光ビームＭＢ及び計測光ビームＫＢの夫々の為の相互に独立した反射ミラーＭ１，Ｍ２が所定の位置に固定されている。

導光手段１８の複数の導光要素１８ａ，１８ｂ，そして１８ｃにおいて、主光ビームＭＢ及び計測光ビームＫＢを最後に主光学系１２の末端１２ｂに位置する第２光学要素１４ｃに向かわせる導光要素１８ｃは、図１中に図示されている如く、第２光学要素１４ｃとともに第２台座２４の一面（図１の紙面に沿った面）の夫々の所定の位置に固定されていることが出来る。

この実施の形態において第２光学要素１４ｃも、第１光学素子１４ｂと同じダイクロックミラーにより構成されていて、主光ビーム出射器１２ｃからの主光ビームＭＢは透過させ計測光ビーム出射手段１４ａからの計測光ビームＫＢは反射する。

導光手段１８の最後の導光要素１８ｃは、第２光学要素１４ｃに対し、最後の導光要素１８ｃから第２光学要素１４ｃに向かう計測光ビームＫＢと第２光学要素１４ｃにおいて反射された計測光ビームＫＢとが同じ光路を通るよう計測光ビームＫＢを導く。

１つの第２台座２４における夫々の所定の位置に第２光学要素１４ｃ及び最後の導光要素１８ｃを固定した場合、これら第２光学要素１４ｃ及び最後の導光要素１８ｃの相対位置の関係は、この光伝送装置１０の通常の使用環境における温度の上下による第２台座２４の膨張や収縮や第２台座２４に対する振動を含む外力の負荷によっては変化しない。

位置ずれ補正制御系１６は、計測光学系１４の検出器１４ｄと位置ずれ補正制御系１６のチルトミラー１６ａのミラー駆動部１６ｂとに接続された制御器１６ｃをさらに備えている。

この実施の形態に従った光伝送装置１０においては、第１台座２０上の主光ビーム射出器１２ｃから射出された主光ビームＭＢが、第１台座２０上の第１光学要素１４ｂを透過してからチルトミラー１６ａ及び導光手段１８の複数の導光要素１８ａ，１８ｂ、そして１８ｃを介して第２台座２４上の第２光学要素１４ｃに到達し第２光学要素１４ｃから出射されるまでに通過する光路が主光学系１２の主光軸ＭＡである。

そして、第１光学要素１４ｂ及び第２光学要素１４ｃが主光学系１２の基端１２ａ及び末端１２ｂとなっている。

この実施の形態に従った光伝送装置１０においてはさらに、第１台座２０上の計測光ビーム出射手段１４ａから出射された計測光ビームＫＢが、第１光学要素１４ｂにより反射されてからチルトミラー１６ａ及び導光手段１８の複数の導光要素１８ａ，１８ｂ、そして１８ｃを介して第２台座２４上の第２光学要素１４ｃまで主光学系１２の主光軸ＭＡに沿い主光ビームＭＢから独立して主光軸ＭＡと平行に伝送され、さらに第２光学要素１４ｃにより反射されて導光手段１８の複数の導光要素１８ｃ，１８ｂ、そして１８ａ及びチルトミラー１６ａを前述したのと逆に同じ光路をたどり第１台座２０上の第１光学要素１４ｂにより反射させられて主光学系１２の主光軸ＭＡから離れさせられ、最後に第１台座２０上のハーフミラー１４ｅにより検出器１４ｄに到達されるまでに通過する光路が計測光学系１４の副光軸ＫＡである。

主光学系１２の主光軸ＭＡが設計時基準状態にある間に第１台座２０上の主光ビーム射出器１２ｃから射出された主光ビームＭＢが主光学系１２の基端１２ａの第１光学要素１４ｂに入射され主光学系１２の主光軸ＭＡに沿い伝送され主光学系１２の末端１２ｂの第２光学要素１４ｃから目標に向かわせられた時には、同時に第１台座２０上の計測光ビーム射出手段１４ａから出射された計測光ビームＫＢは、主光学系１２の基端１２ａの第１光学要素１４ｂにより主光学系１２に投入されて主光学系１２の主光軸ＭＡに沿い主光ビームＭＢから独立して主光軸ＭＡと平行に伝送され、主光学系１２の末端１２ｂの第２光学要素１４ｃにより反射されて主光学系１２の基端１２ａの第１光学要素１４ｂまで同じ副光軸ＫＡに沿い伝送され、さらに第１光学要素１４ｂ及びハーフミラー１４ｅにより反射されて検出器１４ｄの基準位置に入射される。

そして、主光学系１２の主光軸ＭＡに温度の上下や外力の負荷や経年変化等の何等か理由により設計時基準状態からの位置ずれが生じた場合、主光学系１２の末端１２ｂの第２光学要素１４ｃから目標に向かわせられた主光ビームＭＢが目標の所望の位置或るいは目標自体から外れることになる。そして、上記位置ずれの量と方向は主光学系１２の末端１２ｂの第２光学要素１４ｃにより反射されて主光学系１２の基端１２ａの第１光学要素１４ｂまで同じ副光軸ＫＡに沿い伝送され、さらに第１光学要素１４ｂ及びハーフミラー１４ｅにより反射された計測光ビームＫＢが検出器１４ｄに入射される位置又は入射角が前述した基準位置からずれている量及び方向に対応する。

位置ずれ補正制御系１６の制御器１６ｃは検出器１４ｄにより検出された上記位置ずれの量と方向に対応してミラー駆動部１６ｂによりチルトミラー１６ａを第１回転軸ＶＲ及び／又は第２回転軸ＨＲの周りに回転させる。そして、主光学系１２の末端１２ｂの第２光学要素１４ｃにより反射されて主光学系１２の基端１２ａの第１光学要素１４ｂまで同じ副光軸ＫＡに沿い伝送され、さらに第１光学要素１４ｂ及びハーフミラー１４ｅにより反射された計測光ビームＫＢが検出器１４ｄに入射される位置を、前述した基準位置に合致させる。

この結果として、主光軸ＭＡの設計時基準状態からの位置ずれが補償される。

上述した実施の形態では第１及び第２光学素子１４ｂ，１４ｃの夫々はダイクロックミラーにより構成されていたが、偏光ミラー及びパルス光シャッター手段のいずれか１つにより構成されていることができる。第１光学素子１４ｂは、ハーフミラーであることもできる。

そして、偏光ミラーを使用する場合には、主光ビーム出射器１２ｃから出射される主光ビームＭＢと計測光ビーム出射手段１４ａから出射される計測光ビームＫＢとは偏光状態が相互に異なっていて、第１及び第２光学素子１４ａ，１４ｂの夫々は主光ビームＭＢを通過させ計測光ビームＫＢは反射するよう構成される。

また、パルス光シャッター手段を使用する場合には、主光ビーム出射器１２ｃ及び計測光ビーム出射手段１４ａは時間的に相互に異なるパルス状に主光ビームＭＢ及び計測光ビームＫＢを射出させ、第１及び第２光学素子１４ａ，１４ｂの夫々は主光ビームＭＢのパルスの時間周期に同調して主光ビームＭＢを通過させ、計測光ビームＫＢのパルスの時間周期に同調して計測光ビームＫＢを反射させるよう構成される。

図１は、この発明の一実施の形態に従った光伝送装置の構成を概略的に示す図。 図２は、図１の光伝送装置において主光学系の基端近傍部と末端近傍部との間で主光学系の主光ビーム及び計測光学系の計測光ビームを導く導光手段に含まれる導光要素の１種である主導光ミラー及び副導光ミラーを支持したミラー支持体を概略的に示す斜視図である。

符号の説明

１０…光伝送装置、ＭＡ…主光軸、ＭＢ…主光ビーム、１２…主光学系、１２ａ…基端、１２ｂ…末端、１２ｃ…主光ビーム出射器、ＫＡ…副光軸、ＫＢ…計測光ビーム、１４…計測光学系、１４ａ…計測光ビーム出射手段、１４ｂ…第１光学素子、１４ｃ…第２光学素子、１４ｄ…検出器、１４ｅ…ハーフミラー、１６…位置ずれ補正制御系、１６ａ…チルトミラー、１６ｂ…ミラー駆動部、ＶＲ…第１回転軸、θ…回転範囲、ＨＲ…第２回転軸、δ…回転範囲、１６ｃ…制御器、１８…導光手段、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ…導光要素、１８ｄ…反射ミラー保持体、Ｍ１，Ｍ２…反射ミラー、２０…第１台座、Ｃ１…仮想軸。

Claims (3)

1. 主光軸と基端と末端とを含む主光学系と；
   主光学系の主光軸に主光ビームを投入し主光学系の主光軸に沿い上記主光ビームを伝送させた後に上記主光ビームを主光学系の末端から目標物に向かい照射させる主光ビーム出射器と、主光学系の末端から主光軸に入射し主光軸に沿い伝送され主光学系の基端から出射した光ビームを受光する受光素子と、の少なくともいずれか一方と；
   主光学系の基端に向かい計測光ビームを出射する計測光ビーム出射手段と、主光学系の基端において計測光ビーム出射手段からの計測光ビームを主光学系の主光軸と平行にし計測光ビームを主光学系の主光軸と平行に伝送する第１光学素子と、主光学系の末端において第１光学素子からの計測光ビームを主光学系の主光軸と平行に反射する第２光学素子と、を含んでおり、第２光学素子により反射された計測光ビームは第１光学素子により主光学系から離され、主光学系から離れた後の計測光ビームが入射され主光学系から離れた後の計測光ビームの位置の変化を検出し主光軸の位置ずれを計測する検出器をさらに含んでいる、計測光学系と；
   主光学系の主光ビーム出射器と受光素子との少なくともいずれか一方と、計測光学系の計測光ビーム出射手段，第１光学素子，そして検出器が夫々の所定の位置に固定されている第１台座と；
   主光学系の末端及び計測光学系の第２光学素子が所定の位置に固定されている第２台座と；
   第１台座及び第２台座に固定されている計測光学系の第１及び第２光学要素の間で主光学系の主光軸に介在された少なくとも１つのチルトミラーと、少なくとも１つのチルトミラーを介し主光学系の末端及び計測光学系の第２光学素子へと主光学系の主光軸を導く導光手段と、を含んでいて、計測光学系により計測された上記主光軸の位置ずれに対応して、少なくとも１つのチルトミラーの傾きにより上記主光軸の位置ずれを解消するよう主光学系を制御する位置ずれ補正制御系と；
   を備えていることを特徴とする光伝送装置。
2. 導光手段において、計測光学系の計測光ビーム出射手段からの計測光ビームを最後に第２光学素子に向かわせる導光要素が、第２台座の所定の位置に固定されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光伝送装置。
3. 計測光学系の第１光学要素及び第２光学要素の夫々は、ダイクロックミラー，偏光ミラー，及びパルス光シャッター手段のいずれか１つを含む、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光伝送装置。

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