JPWO2007029613A1 - ミキシング装置及びこれを用いた距離測定装置 - Google Patents

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Abstract

レーザ光源18からのレーザ光P0をミキシングするために、光ファイバー24の一方の端面からレーザ光P0を入射させ、光ファイバー24の他方の端面からレーザー光を出射させると共に、光ファイバー24の他方の端面から出射されたレーザ光P1を光ファイバー28の一方の端面に入射させ、光ファイバー28の他方の端面から出射させるようにしたものにおいて、光ファイバー24の他方の端面と光ファイバー28の一方の端面との間に、ミラー板27aを有する揺動型のマイクロエレクトロメカニカルシステム27を介在させ、ミラー板27aを揺動させることによりレーザー光P4をゆう乱させてレーザ光をミキシングする。

Description

この発明は、レーザ光源に使用するミキシング装置及びこれを用いた距離測定装置に関する。
従来から、レーザ光を用いた距離測定装置では使用光の波長帯域が狭く、使用光が干渉を起こし易く、装置から発光する光の発光ムラによる誤差が発生し易いために、レーザ光を用いた距離測定装置を用いて長距離の測定を精度良く行うのは難しいと言われている。
そこで、発光ムラを低減するために、レーザ光を光ファイバーに導いてミキシングを行う構成の距離測定装置が提案されているが、レーザ光の発光ムラをなくすためにはファイバー長を長くする必要があり、装置全体が大型化する不都合がある。
このため、この不都合を解消するために、距離測定装置に用いるミキシング装置として、回折格子を備えた位相板と、この位相板を駆動する駆動手段とからなるものが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。このものでは、駆動手段としてのモータを駆動して位相板を回転させ、半導体レーザから出射されるレーザ光をミキシングして、発光ムラを解消し均一化するようにしている。
特開2000−162517号公報
しかしながら、この従来のミキシング装置では、モータを駆動して位相板を回転させることによりレーザ光をミキシングして発光ムラを解消する構成であるので、高速ミキシングが難しく電力消耗が大きく、かつ、騒音が大きいという問題がある。
この発明の目的は、電力消耗を小さく、かつ、騒音が小さいミキシング装置及びこれを用いた距離測定装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、この発明は、レーザ光源からのレーザ光を照射部に導く途中でレーザ光をミキシングするミキシング装置であって、揺動するミラー面を有する反射揺動装置と、前記照射部にレーザ光を導く光ファイバーと、前記レーザ光源からのレーザ光を前記反射揺動装置のミラー面に向けて導き、該ミラー面で反射されたレーザ光を前記光ファイバーの入力端に向けて集光する光学系とを有し、前記反射揺動装置は前記光ファイバーの入力端の入射可能範囲でレーザ光を移動させることを特徴とする。
また、この発明は、レーザ光源からのレーザ光を照射部に導く途中でレーザ光をミキシングするミキシング装置であって、揺動するミラー面を有する第1反射揺動装置と、前記照射部にレーザ光を導く第1光ファイバーと、前記照射部にレーザ光を導く第2光ファイバーと、揺動するミラー面を有して前記第1光ファイバーへの導光と前記第2光ファイバーへの導光との切り換えを選択的に行う光スイッチとして機能する第2反射揺動装置と、前記レーザ光源からのレーザ光を前記第1反射揺動装置のミラー面に向けて導く第1光学系と前記ミラー面で反射されたレーザ光を前記第2反射揺動装置のミラー面に向けて導く第2光学系とを備え、前記第1反射揺動装置は前記第1光ファイバーの入力端又は前記第2光ファイバーの入力端の入射可能範囲で前記レーザ光を移動させることを特徴とする。
さらに、この発明は、測定対象にレーザ光を照射し、該測定対象からの反射光を受光して距離を測定する距離測定装置であって、
レーザ光源からのレーザ光を照射部に導く途中でレーザ光をミキシングするミキシング装置を有し、該ミキシング装置は、揺動するミラー面を有する反射揺動装置と、前記照射部にレーザ光を導く光ファイバーと、前記レーザ光源からのレーザ光を前記反射揺動装置のミラー面に向けて導きかつ該ミラー面で反射されたレーザ光を前記光ファイバーの入力端に向けて集光する光学系とを有し、前記反射揺動装置は前記光ファイバーの入力端の入射可能範囲でレーザ光を移動させることを特徴とする。
また、この発明は、測定対象に測定光を照射し、該測定対象からの反射光を受光して距離を測定する距離測定装置であって、
レーザ光源からのレーザ光を照射部に導く途中でレーザ光をミキシングするミキシング装置を有し、該ミキシング装置は、揺動するミラー面を有する第1反射揺動装置と、前記照射部にレーザ光を導く第1光ファイバーと、前記照射部にレーザ光を導く第2光ファイバーと、揺動するミラー面を有して前記第1光ファイバーへの導光と前記第2光ファイバーへの導光との切り換えを選択的に行う光スイッチとして機能する第2反射揺動装置と、前記レーザ光源からのレーザ光を前記第1反射揺動装置のミラー面に向けて導く第1光学系と前記ミラー面で反射されたレーザ光を前記第2反射揺動装置のミラー面に向けて導く第2光学系とを備え、前記第1反射揺動装置は前記第1光ファイバーの入力端又は前記第2光ファイバーの入力端の入射可能範囲で前記レーザ光を移動させることを特徴とする。
この発明は、反射タイプのものを用いたので高速のミキシングが可能であり、騒音が小さいという効果を奏する。
また、この発明は、照射部に導く導光路を選択的に切り替えて、照射部から射出されるレーザ光のパワーを変更できるようにしたから、測定対象の性質に応じて好適なレーザ光の強度を選択できる。
この発明に係わるミキシング装置を用いた距離測定装置の実施例1を示す説明図である。 図1に示すミキシング装置の概略構造を示す斜視図である。 図2に示すミキシング装置の作用を説明するための模式図である。 図3に示す第2の光ファイバーへ入射する際のレーザ光のゆう乱状態を説明するための説明図である。 この発明に係わるミキシング装置の実施例2を示す要部光学図である。 図5に示すミキシング装置の変形例を示す要部光学図である。
符号の説明
18 半導体レーザ(レーザ光源)
24 光ファイバー
28 光ファイバー
27 マイクロエレクトロメカニカルシステム
27a ミラー板
以下に、この発明に係わるミキシング装置及びこのミキシング装置を用いた距離測定装置の実施の形態である実施例を図面に基づいて説明する。
図1に基づいて変調光を利用した距離測定装置100を説明する。
距離測定装置100の分周器10は、発振器11からの15MHzの信号を分周して、75KHzと3KHzの二つの信号を発生する。
合成器13は、発振器11からの信号である15MHzと、分周器10からの信号である3KHzとの差である14.997MHzと、分周器10からの3KHzの24倍の72KHzの信号とを発生する。
第1の切り替え器14は、処理制御回路15からの信号16によって、15MHz又は75KHzのいずれか一方の信号を出力するようになっている。なお、処理制御回路15は、演算処理手段に該当するものである。
ミキシング装置は、コリメートレンズ26、反射揺動装置25、ミキシング用の光ファイバー28を有する。光ファイバーの先端は入力端28a又は出力端28bとして加工されている。例えば、光ファイバー28の径は300μmである。
半導体レーザ18は、第1の切り替え器14の出力信号で駆動され、変調されたレーザ光P0を放出する。この放出されたレーザ光P0は、レンズ19により導光用の光ファイバー24の一方の端面が加工された入力端24aに入射される。なお、半導体レーザー18はレーザ光源に該当する。
光ファイバー24と第2の光ファイバー28との光路間には、図2に拡大して示すように、反射揺動装置25が設けられている。この反射揺動装置25はMEMS(マイクロエレクトロメカニカルシステム)27から構成されている。
ここで、MEMSとは、Micro Electro-Mechanical Systemsの略で、機械的要素と電気的要素を融合した微細デバイスの総称である。このMEMSは、チップないし基板内に可動部分を有するというこれまでの半導体デバイスにはなかった新しい機能を持ち込む技術であり、このような機能は、新しいプラットフォーム技術として、入出力部品や各種センサなどへの応用が期待されているものである。
反射揺動装置25は円盤状のミラー板27aを有する。このミラー板27aの直径は例えば約1mmである。このミラー板27aにはその周面に直径方向に延びる一対の軸部27b、27bが形成されている。
その一対の軸部27b、27bはバネ部27c、27cを介して固定部27dにその端部が連結されている。その軸部27b、27bの途中には可動櫛歯27e、27eが形成され、この可動櫛歯27e、27eには固定櫛歯27fAおよび27fB、27fAおよび27fBが臨まされている。可動櫛歯27e、27eと固定櫛歯27fAおよび27fB、27fAおよび27fBとはアクチュエータの一部を構成している。
そのミラー板27aは、固定櫛歯27fAおよび27fB、27fAおよび27fBに交流電圧を印加し、可動櫛歯27eをGNDに接続して例えば1KHzの高周波をチャージすることにより、ミラー板27aは軸部27b、27bを中心にして矢印F方向に揺動される。なお、ここでは、一軸方向にミラー板27aを揺動させる構成を図示して説明しているが、軸部27b、27bの延びる方向と直交する方向に更に一対の軸部を設けて、ミラー板27aを二軸方向に揺動させる構成とすることもできる。すなわち、ミラー板27aは二軸方向に揺動させこともできる。
なお、上記固定櫛歯27fA、27fBには同一の電圧信号を印加してもよいが、別波形の電圧信号を印加してもよい。別波形の例としては、固定櫛歯27fAには正弦波、固定櫛歯27fBには余弦波の信号を印加し、固定部27dをGNDに接地するという場合や、固定櫛歯27fBには正弦波の信号を印加し、固定櫛歯27fAと固定部27dをGNDに接地するという場合がある。
そのミラー板27aの前面には図3に模式的に示す回折格子板27gが形成されている。この回折格子板27gはミラー板27aと協働してレーザ光の発光ムラを解消して、更に均一化するのに用いられる。なお、回折格子部27gはミキシング効果をさらに向上させることができる。
その図3に示すように、第1の光ファイバー24に導光されかつ出力端24bから出射されたレーザ光P1は、コリメートレンズ26によって平行光束P2とされ、回折格子板27g、ミラー板27aに導かれる。その平行光束P2は回折格子板27gにより回折を受けると共にミラー板27aにより反射される。
その反射光P3は光学系としてのコリメートレンズ26によって集光され、ミキシング用の光ファイバー28の入力端28aに収束光P4として入射されるが、ミラー板27aが軸部27b、27bを中心にして揺動しているので、収束光P4が入力端28aに入射する際に図4に模式的に示すように入力端28aでの入射位置が入射可能範囲でゆう乱され、すなわち収束光P4が移動されて、発光ムラのあるレーザー光P0が細かくゆう乱(移動)されることにより導光経路が異なることとされ、レーザー光P0の光量ムラが平均化される。
図4には例として直線的かつ周期的なP4の軌跡が示されている。ただし、直線的以外の円状、放射状、リサージュ図形のような軌跡を採用することもできる。
光ファイバー28の出力端28bから射出したレーザ光は、分割プリズム29で2つの光路に分割される。その一方の光路に向かうレーザ光P5は、分割プリズム29の分割部29aを透過し、チョッパー30を透過して照射部の一部を構成するプリズム32の反射面32aで反射され、対物レンズ33により平行光束にされて測定光として装置外部へ射出される。そして、分割プリズム29とプリズム32と対物レンズ33などとで照射部が構成される。
そして、被測定点にある測定対象としてのコーナーキューブ34等の反射体により反射されて対物レンズ33を再び通過し、プリズム32の反射面32bで反射されて濃度フィルタ31を通過し、次いで分割プリズム35の分割部35aを通過して受光側ファイバー36へ入射する外部測距光路37を形成する。
他方の光路に向かうレーザ光P6は、分割プリズム29の分割部29a、29bで反射され、チョッパー30を通過してレンズ38で平行光束にされ、レンズ39で集光されて濃度フィルター31を通過し、分割プリズム35の分割部35b、35aで反射されて受光側光ファイバー36へ入射する内部参照光路40を形成する。
チョッパー30は、内部参照光路40と外部測距光路37とを交互に選択し、濃度フィルタ31は、内部参照光路40、外部測距光路37の光量レベルの調整を行う。受光側光ファイバー36へ入射した光は、レンズ41、42により受光素子43で受光される。ここで、受光素子43は受光部に該当する。
内部参照光路40は、距離測定装置を構成する電気回路の温度ドリフト等に起因する位相変化により測定データに誤差が生じないようにするためのものであり、内部参照光路40による測定値を外部測距光路37による測定値から減ずることにより正確なデータが得られる。
第2の切り替え器44は、処理制御回路15からの信号16によって、14.997MHz又は72KHzのいずれか一方の信号を出力する。受光素子43からの出力は、コンデンサ45を介して増幅器46で増幅され、混合器47に入力される。混合器47は増幅器46からの信号と、第2の切り替え器44からの信号を混合することにより、ビート信号を形成し、この信号を検出して3KHzの正弦波を出力する。波形整形器48は、3KHzの正弦波を矩形波に整形してその信号(以下、ビートダウン信号という)を出力する。
ゲート回路49は、分周器10からの3KHzの信号をスタート信号とし、波形整形器48からの信号をストップ信号として、その間に発振器11からの15MHzの信号を計数器50へ出力する。この信号を計数器50で計数することにより、位相差を測定する。
計数器50で得られる計数値はN回測定の合計数である。このN回の回数を知るために、分周器10からの3KHzの信号が処理制御回路15へ供給される。N回の計数が終了すると、処理制御回路15から計数器50へリセット信号52が供給されて計数器50はリセット状態となる。N回の計数値は、処理制御回路15で1/Nの平均値とされ、距離に換算された後、距離測定値として表示器51に出力される。
混合器47の出力を3KHzにするために、第1の切り替え器14の出力信号と第2の切り替え器44の出力信号とは、第1の切り替え器14の出力信号の周波数が15MHzのときに第2の切り替え器44の出力信号の周波数が14.997MHzとなり、第1の切り替え器14の出力信号の周波数が75KHzのときに第2の切り替え器44の出力信号の周波数が72KHzとなるように、処理制御回路15からの信号16によって制御される。
半導体レーザー18を、15MHzと75KHzの2種類の周波数で変調するのは、波長20mに相当する15MHzを精密測定に使用し、波長4000mに相当する75KHZを粗測定に使用するためである。
また、15MHzの周波数と75KHzの周波数とを混合器47によりそれぞれ3KHzの周波数にするのは、15MHzの位相又は75KHzの位相を3KHzの位相として測定することにより、位相測定の分解能を高くするためである。
この発明の実施の形態によれば、反射光P3がMEMS27により高周波でゆう乱されて、光ファイバー28の入力端28aへの入射位置が時々刻々と変化するため、反射光P3が光ファイバー28を伝播する際に、反射光P3が混合されて均一化され、光ファイバー28の出射端28bから射出されるため、半導体レーザ18から出射されたレーザ光の発光ムラを光ファイバー24を伝播してMEMS27を経由して光ファイバー28を伝播してこの光ファイバー28の出射端28bから出射させる際に、レーザ光の発光ムラの均一化を図ることができる。
ここでは、ミキシング装置の実施例として周波数変調型の距離測定装置について説明したが、同様に測距光がレーザ光であるパルス測距型の距離測定装置にも使用することができる。
また、この発明の実施の形態によれば、ミキシング装置にMEMS27を用いたので高速ミキシングが可能であり、消費電力を小さく、騒音の低減も図ることができる。
図5は変調光を利用した実施例2を示す要部光学図である。この図5において、実施例1と同一構成要素については同一符号を付してその詳細な説明は省略し、異なる部分について主として説明する。
このミキシング装置は、レーザ光をゆう乱させる第1反射揺動装置25’と、レーザ光の反射方向を選択的に切り替える光スイッチとしての第2反射揺動装置25”との組み合わせからなっている。
距離測定装置は、測定光としてのレーザ光を射出し、その測定対象からの反射光を受光検出して距離を測定する。その測定対象としての反射プリズム34を使用するプリズムタイプと、測定対象が自然物、人工物であって反射プリズム34を使用しないノンプリズムタイプとがあり、更にこれらの一体タイプでプリズムモードとノンプリズムモードとを有するものがある。
反射プリズム34を使用する場合、反射効率が良いので測距光としての光量は少なくても良く、反射プリズム34を使用しない場合、高出力が必要となる。このため、実施例2では、反射プリズムを使用するかしないかで測定光の射出形態を異ならせたものである。
第1反射揺動装置25’は、ミラー板27aと回折格子27gとを有するマイクロエレクトロメカニカルシステム27から構成されている。第2反射揺動装置25”はミラー板27aを有するマイクロエレクトロメカニカルシステム27から構成されている。
この実施例2では、光ファイバー24と第1反射揺動装置25’との間にレーザ光源からのレーザ光P1を第1反射揺動装置のミラー面に向けて導く第1光学系としてのコリメータレンズ26’が設けられている。このコリメータレンズ26’は光ファイバー24の出射端24bから射出されたレーザ光を平行光束P2とする役割を有する。その第1反射揺動装置25’のミラー面に導かれた平行光束P2は再びコリメータレンズ26’に導かれて集束光とされる。この集束光は微小台形プリズム60、導光ファイバー又はカレイド等の導光素子に導かれ、台形プリズム60内を伝播されてコリメータレンズ26”に導かれ、このコリメータレンズ26”により再び平行光束とされて第2反射揺動装置25”に導かれる。第2反射揺動装置25”は後述する第1光ファイバー28’への導光と第2光ファイバー28”への導光との切り換えを選択的に行うのに用いられる。
第1光ファイバー28’、第2光ファイバー28”は照射部の一部を構成するプリズム32の反射面32aに導くために用いられる。その台形プリズム60、コリメータレンズ26”は第1反射揺動装置25’のミラー面で反射されたレーザ光P2を第2反射揺動装置25”のミラー面に向けて導く第2光学系として機能する。
第2反射揺動装置25’に導かれたレーザ光P2は第1光ファイバー28’と第2光ファイバー28”との間で切り替えられ、第1光ファイバー28’又は第2光ファイバー28”に導かれた集束レーザ光は、その入射端28a’又は入射端28a”の入射可能範囲で第1反射揺動装置25”により揺動される。
第1光ファイバー28’の出射端28b’の前面にはビームエキスパンダーレンズ61が設けられ、第2光ファイバー28”の出射端28b”の前面にはコリメータレンズ62が設けられ、ビームエキスパンダーレンズ61は第1光ファイバー28’を伝播して出射端28b’から出射されるレーザ光P5のスポット径を拡大して反射面32aに導く役割を果たし、コリメータレンズ62は第2光ファイバー28”を伝播して出射端28b”から出射されるレーザ光P5’を細い平行ビームとして反射面32aに導く役割を果たす。そのビームエキスパンダーレンズ61から出射されるレーザ光P5の光路の途中には光路合成ミラー63が設けられ、コリメータレンズ62から出射されるレーザ光P5’の光路の途中にはそのレーザ光P5’を光路合成ミラー63に向けて反射する反射ミラー64が設けられ、レーザー光P5’はレーザ光P5の光路と同一光路を通ってプリズム32の反射面32aに導かれる。
図6は図5に示すミキシング装置の変形例を示す要部光学図であって、台形プリズム60を除去しかつ光学要素の配置を変更してコンパクト化を図った例を示す光学図であり、その作用は図5に示すミキシング装置と同様であるので、その詳細な説明は省略し、図5に示す光学要素と同一光学要素に同一符号を付してその詳細な説明は省略する。

Claims (10)

  1. レーザ光源からのレーザ光を照射部に導く途中でレーザ光をミキシングするミキシング装置であって、
    揺動するミラー面を有する反射揺動装置と、
    前記照射部にレーザ光を導く光ファイバーと、
    前記レーザ光源からのレーザ光を前記反射揺動装置のミラー面に向けて導き、該ミラー面で反射されたレーザ光を前記光ファイバーの入力端に向けて集光する光学系とを有し、
    前記反射揺動装置は前記光ファイバーの入力端の入射可能範囲でレーザ光を移動させることを特徴とするミキシング装置。
  2. 前記反射揺動装置は、櫛歯型アクチュエータによりミラー面を駆動するマイクロエレクトロメカニカルシステムであることを特徴とする請求項1に記載のミキシング装置。
  3. 前記ミラー板の前面に回折格子板が設けられていることを特徴とする請求項2に記載のミキシング装置。
  4. レーザ光源からのレーザ光を照射部に導く途中でレーザ光をミキシングするミキシング装置であって、
    揺動するミラー面を有する第1反射揺動装置と、
    前記照射部にレーザ光を導く第1光ファイバーと、
    前記照射部にレーザ光を導く第2光ファイバーと、
    揺動するミラー面を有して前記第1光ファイバーへの導光と前記第2光ファイバーへの導光との切り換えを選択的に行う光スイッチとして機能する第2反射揺動装置と、
    前記レーザ光源からのレーザ光を前記第1反射揺動装置のミラー面に向けて導く第1光学系と、
    前記ミラー面で反射されたレーザ光を前記第2反射揺動装置のミラー面に向けて導く第2光学系とを備え、
    前記第1反射揺動装置は前記第1光ファイバーの入力端又は前記第2光ファイバーの入力端の入射可能範囲で前記レーザ光を移動させることを特徴とするミキシング装置。
  5. 前記反射揺動装置は回路基板上又はチップ上に一体に構成されることを特徴とする請求項1に記載のミキシング装置。
  6. 前記第1,第2反射揺動装置は回路基板上又はチップ上に一体に構成されることを特徴とする請求項4に記載のミキシング装置。
  7. 測定対象にレーザ光を照射し、該測定対象からの反射光を受光して距離を測定する距離測定装置であって、
    レーザ光源からのレーザ光を照射部に導く途中でレーザ光をミキシングするミキシング装置を有し、
    該ミキシング装置は、揺動するミラー面を有する反射揺動装置と、前記照射部にレーザ光を導く光ファイバーと、前記レーザ光源からのレーザ光を前記反射揺動装置のミラー面に向けて導きかつ該ミラー面で反射されたレーザ光を前記光ファイバーの入力端に向けて集光する光学系とを有し、
    前記反射揺動装置は前記光ファイバーの入力端の入射可能範囲でレーザ光を移動させることを特徴とする距離測定装置。
  8. 測定対象に測定光を照射し、該測定対象からの反射光を受光して距離を測定する距離測定装置であって、
    レーザ光源からのレーザ光を照射部に導く途中でレーザ光をミキシングするミキシング装置を有し、
    該ミキシング装置は、揺動するミラー面を有する第1反射揺動装置と、前記照射部にレーザ光を導く第1光ファイバーと、前記照射部にレーザ光を導く第2光ファイバーと、揺動するミラー面を有して前記第1光ファイバーへの導光と前記第2光ファイバーへの導光との切り換えを選択的に行う光スイッチとして機能する第2反射揺動装置と、前記レーザ光源からのレーザ光を前記第1反射揺動装置のミラー面に向けて導く第1光学系と、前記ミラー面で反射されたレーザ光を前記第2反射揺動装置のミラー面に向けて導く第2光学系とを備え、
    前記第1反射揺動装置は前記第1光ファイバーの入力端又は前記第2光ファイバーの入力端の入射可能範囲で前記レーザ光を移動させることを特徴とする距離測定装置。
  9. 前記反射揺動装置は回路基板上又はチップ上に一体に構成されることを特徴とする請求項7に記載の距離測定装置。
  10. 前記第1,第2反射揺動装置は回路基板上又はチップ上に一体に構成されることを特徴とする請求項8に記載の距離測定装置。
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