KR102402942B1 - 발광 장치 - Google Patents

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Abstract

간소한 구성으로 단펄스 폭의 발광을 행한다. 광원(101), 미분 회로(102) 및 스위치(103)를 직렬로 접속한다. 스위치(103)를 0N으로 하면, 미분 회로(102)를 구성하는 콘덴서(102b)에 돌입 전류가 흐르고, 그에 따라 광원에 전류가 흘러 발광이 행해진다. 콘덴서(102b)가 충전되면, 저항(102a)에 전류가 흘러, 저항(102a)에서 전압 강하가 발생함으로써, 광원(101)에 가해지는 전압이 저하되어, 발광이 정지한다. 콘덴서(102b)로의 돌입 전류를 이용함으로써, 단펄스 폭의 발광이 가능해진다.

Description

발광 장치{LIGHT EMITTING APPARATUS}
본 발명은, 펄스 발광을 행하는 발광 장치에 관한 것이다.
레이저광을 이용한 거리의 측정이나 각종 가공 등을 행하는 기술에 있어서, 펄스 폭이 수십~수백 피코초 이하와 같은 단(短)펄스의 것이 요구되고 있다. 예를 들면, 펄스 레이저광을 이용한 거리의 측정에 있어서, 펄스 폭이 좁은 펄스광을 이용함으로써 측거 정밀도를 높일 수 있다. 펄스 폭이 좁은 레이저광을 생성하는 기술로서 일본국 특허 공개 평 7-109911호 공보, 일본국 특허 공개 소 55-107282호 공보, 일본국 특허 공개 2002-368329호 공보 등에 기재된 기술이 알려져 있다.
도 1에는, LD(레이저 다이오드)에 있어서의 구동 전류와 출력광의 관계가 나타나 있다. 도 1에 나타낸 바와 같이, LD에 구동 전류를 흐르게 하면, 최초에 펄스형상의 발광이 발생하고, 이 발광의 진폭이 진동하면서 서서히 작아져, 최종적으로 일정 강도의 발광이 발생하는 현상을 볼 수 있다. 이 현상은, 반도체 레이저 전반에 볼 수 있다. 상기 발광 초기에 볼 수 있는 서서히 잦아드는 발광 강도의 진동은 완화 진동이라 불리고 있다.
짧은 펄스 폭의 발광을 시키고자 하는 경우, 도 2에 나타낸 바와 같이 시간 간격이 짧은 구동 전류를 흐르게 하고, 최초의 펄스 발광만을 행하게 하는 수법이 이용된다. 그러나, 수십~수백 피코초오더의 시간 폭을 갖는 구동 전류를 간이한 회로로 생성하는 것은 어렵다.
예를 들면, 20OMHz 정도의 주파수의 정현파나 구형파는, 시판의 IC를 이용하여 용이하게 얻을 수 있다. 그러나, 예를 들어 100MHz의 고주파의 주기가 10-8초(10나노초=10000피코초)인 점으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 수십~수백 피코초오더의 시간 폭을 갖는 펄스형상의 구동 전류를 얻는 것은 용이하지는 않다.
마이크로 웨이브대의 고주파 기술을 이용하여 수십~수백 피코초오더의 시간 폭을 갖는 펄스형상의 구동 전류를 얻을 수 있다. 예를 들면, YIG 공진기를 이용한 발진기에 의해 수십 GHz의 신호를 얻을 수 있어, 이 기술을 이용함으로써, 수십~수백 피코초오더의 시간 폭을 갖는 펄스형상의 구동 전류를 얻을 수 있다. 그러나, 마이크로 웨이브대의 고주파 기술은, 회로 규모, 비용, 조정의 번잡함, 소비 전력이 많다고 하는 점에서, 예를 들면, 야외에서 이용하는 측거 장치 등으로의 이용에는 적합하지 않다.
이와 같은 배경에 있어서, 본 발명은, 간소한 구성으로 단펄스 폭의 발광을 행할 수 있는 기술의 제공을 목적으로 한다.
청구항 1에 기재된 발명은, 발광 구동을 위한 통전 직후에 완화 진동이 발생하는 광원과, 통전 직후에 있어서 낮은 임피던스인 용량성 리액턴스 특성 회로부 및 통전 후 소정 시간 경과 이후에 상기 용량성 리액턴스 특성 회로부에 충전된 전하를 방전하는 레지스턴스 특성 회로부가 병렬 접속되어 있는 미분 회로와, 스위칭 소자를 구비하고, 상기 광원과 상기 미분 회로는 직렬로 접속되고, 상기 스위칭 소자는, 상기 광원 및 상기 미분 회로에 대한 전압 인가의 0N/0FF를 행하는 스위치이며, 상기 용량성 리액턴스 특성 회로부 및 상기 레지스턴스 특성 회로부는, 상기 완화 진동에 있어서의 일부의 발진이 얻어지는 특성이 선택되는 것을 특징으로 하는 발광 장치이다.
발광 구동을 위한 통전 직후에 완화 진동이 발생한다고 하는 현상은 레이저의 일반적인 특성으로서 알려져 있으며, 특히 이 현상을 용이하게 실현할 수 있는 광원으로서 반도체 레이저(LD)를 들 수 있다. 통전 직후에 있어서 낮은 임피던스인 용량성 리액턴스 특성 회로부는, 전하를 축적하는 기능을 갖고, 전하를 축적할 때에 돌입 전류가 발생하는 특성을 갖는다. 용량성 리액턴스 특성 회로부로는, 콘덴서 소자를 들 수 있다. 콘덴서 소자 대신에, 배선이나 도체 패턴간의 용량을 이용할 수도 있다.
통전 후 소정 시간 경과 이후에 용량성 리액턴스 특성 회로부에 충전된 전하를 방전하는 레지스턴스 특성 회로부로는, 각종 저항 소자, 배선을 이용한 저항체, 각종 도체나 반도체를 이용한 저항체를 들 수 있다. 레지스턴스 특성 회로부의 전압-전류 특성은, 선형이 아니어도 된다. 예를 들면, 레지스턴스 특성 회로부로서, 다이오드 등의 비선형 소자나 바이어스를 적절히 설정한 FET 등의 3단자 소자를 이용할 수도 있다.
스위칭 소자는, 회로의 ON/OFF, 즉 도통과 비도통을 선택할 수 있는 소자이다. 스위칭 소자로는, 바이폴러 트랜지스터나 FET 등의 반도체 스위치를 들 수 있다. 또, 스위칭 소자로서, 스위치 기능을 갖는 IC를 이용할 수도 있다. 스위칭 소자로서, 역치 이상의 전압이 가해졌을 때 비도통 상태에서 도통 상태로 이행하는 2단자 소자를 이용할 수도 있다. 이 경우, 전원 전압을 변화시킴으로써 ON/OFF의 제어가 행해진다. 광원과 미분 회로의 직렬 접속은, 직접적으로 접속되어 있는 형태 외에, 사이에 다른 회로나 디바이스가 개재하고 있는 구성도 가능하다.
청구항 2에 기재된 발명은, 청구항 1에 기재된 발명에 있어서, 상기 용량성 리액턴스 특성 회로부 및 상기 레지스턴스 특성 회로부는, 상기 완화 진동에 있어서의 최초의 진동을 발생시키고, 다른 진동을 억제하는 특성이 선택되는 것을 특징으로 한다.
청구항 3에 기재된 발명은, 청구항 2에 기재된 발명에 있어서, 상기 용량성 리액턴스 특성 회로부로의 돌입 전류에 의해, 상기 최초의 진동이 발생하고, 상기 돌입 전류에 의한 상기 용량성 리액턴스 특성 회로부로의 충전 후에 상기 레지스턴스 특성 회로부에 전류가 흐름으로써, 상기 다른 진동이 억제되는 것을 특징으로 한다.
청구항 4에 기재된 발명은, 청구항 3에 기재된 발명에 있어서, 상기 최초의 진동을 발생시키고, 상기 다른 진동을 억제함으로써, 상기 광원에 단일 펄스 발광을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
청구항 5에 기재된 발명은, 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 발명에 있어서, 환경 온도를 계측하는 온도 계측부와, 상기 온도 계측부의 출력에 의거해, 상기 광원과 상기 미분 회로에 가해지는 전압을 가변하는 전원부를 구비하는 것을 특징으로 하는 발광 장치이다. 광원, 특히 반도체 레이저 소자의 발광 강도는, 환경의 온도 변화의 영향을 받기 쉽다. 청구항 5에 기재된 발명에 의하면, 환경 온도에 의거해 광원에 가하는 전압의 값을 제어하므로, 환경의 온도 변화에 기인하는 광원의 발광 강도의 변동이 억제된다.
청구항 6에 기재된 발명은, 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 발명에 있어서, 상기 용량성 리액턴스 특성 회로부가 콘덴서이며, 상기 레지스턴스 특성 회로부가 저항기인 것을 특징으로 한다.
청구항 7에 기재된 발명은, 청구항 6에 기재된 발명에 있어서, 상기 콘덴서가 용량 가변 콘덴서인 것을 특징으로 한다.
청구항 8에 기재된 발명은, 청구항 6에 기재된 발명에 있어서, 상기 저항기가 가변 저항기인 것을 특징으로 한다.
청구항 9에 기재된 발명은, 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 기재된 발명에 있어서, 상기 레지스턴스 특성 회로부는 서미스터를 더 갖고, 광원 특성의 온도 변화를 보정하는 것을 특징으로 한다.
청구항 10에 기재된 발명은, 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 기재된 발명에 있어서, 상기 용량성 리액턴스 특성 회로부 및/또는 상기 레지스턴스 특성 회로부는, 각각 상이한 특성치를 갖는 복수의 소자 및 그들을 선택적으로 접속하는 스위칭 소자로 이루어지고, 그들 소자를 선택적으로 접속함으로써 미분 회로의 특성을 선택 가능한 것을 특징으로 한다.
청구항 11에 기재된 발명은, 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 기재된 발명에 있어서, 상기 스위칭 소자에 의한 통전 시간보다도 상기 광원의 발광 기간이 짧은 것을 특징으로 한다.
청구항 12에 기재된 발명은, 청구항 11에 기재된 발명에 있어서, 상기 스위칭 소자의 ON/0FF에 있어서의 0N 상태의 기간이 폐회로이며, OFF 상태에서 개회로가 되는 것을 특징으로 한다.
청구항 13에 기재된 발명은, 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 기재된 발광 장치로부터 생성되고, 상기 광원의 완화 진동의 최초의 발진에 의한 광을 측정 대상물을 향해 사출하는 사출부와, 상기 측정 대상물로부터 반사된 반사광을 수광하는 수광부와, 상기 수광부의 출력 신호에 의거해 상기 측정 대상물까지의 거리의 산출을 행하는 신호 처리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치이다.
본 발명에 의하면, 간소한 구성으로 단펄스 폭의 발광을 행할 수 있는 기술을 얻을 수 있다.
도 1은 레이저 다이오드(LD)에 있어서의 구동 전류와 발광 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 2는 레이저 다이오드(LD)에 있어서의 구동 전류와 발광 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 실시형태의 발광 장치의 블럭도와 회로도이다.
도 4는 실시형태의 회로도와 각 부의 전압의 변화를 나타내는 그래프 (a)~(c)이다.
도 5는 미분 회로의 동작을 설명하는 개념도이다.
도 6은 발광 파형을 나타내는 도면 대용 사진 (a) 및 (b)이다.
도 7은 발광 파형을 나타내는 도면 대용 사진이다.
도 8은 발광 파형을 나타내는 도면 대용 사진이다.
도 9는 실시형태의 회로도 (a) 및 (b)이다.
도 10은 실시형태의 회로도 (a), (b) 및 (c)이다.
도 11은 실시형태의 블럭도이다.
도 12는 발광 파형을 나타내는 도면 대용 사진이다.
도 13은 발광 파형을 나타내는 도면 대용 사진이다.
도 14는 발광 파형을 나타내는 도면 대용 사진이다.
도 15는 실시형태의 발광 장치의 블럭도 (A) 및 (B)이다.
도 16은 실시형태의 발광 장치의 블럭도이다.
1. 제1의 실시형태
(구성)
도 3에는, 실시형태의 발광 장치의 블럭도와 회로도가 나타나 있다. 도 3에는, 발광 장치(100)가 나타나 있다. 발광 장치(100)는, 광원(101), 미분 회로(102), 스위치(103)가 직렬로 접속되고, 이 직렬 접속된 양단에 전원 전압 V가 가해지고 있다. 이 예에 있어서, 광원(101)은, 레이저 다이오드(LD)이며, 미분 회로(102)는, 저항(R(102a))과 콘덴서(C(102b))를 병렬로 접속한 회로이며, 스위치(103)는, FET이다.
회로 상수로는, 일례이지만, 전원 전압 5V, 저항(102a)의 저항치로서 200Ω, 콘덴서(102b)의 용량으로서 2OpF, 제어 신호로서 주파수가 수십 MHz 정도를 상한으로 한 구형파를 이용하는 예를 들 수 있다.
(동작)
FET가 0FF(소스·드레인간이 비도통)인 상태에 있어서, 광원(101)과 미분 회로(102)에는, 전압 V는 가해지지 않아, 광원(101)은 발광하지 않는다. 제어 신호를 FET의 게이트 전극에 가해, 스위치(103)를 ON으로 하면, 콘덴서(102b)에 전하가 흘러들어가, 돌입 전류가 발생해, 광원(101)에 구동 전류가 흐른다. 이 구동 전류에 의해, 광원(101)이 발광한다.
그리고, 콘덴서(102b)에 전하가 모여가면, 돌입 전류가 급격하게 감소한다. 콘덴서(102b)로의 돌입 전류의 감소에 대응하여, 저항(102b)에 흐르는 전류가 증가한다. 콘덴서(102b)로의 전하의 충전이 종료되면, 콘덴서(102b)에 흘러들어가는 전류가 멈추고, 저항(102a)에 흐르는 전류와 광원(101)에 흐르는 전류가 같은 값이 된다.
여기서, 콘덴서(102b)로의 충전 시간(돌입 전류가 흐르는 시간)이 도 2의 Δt와 거의 같은 값이 되도록, 전원 전압 (+V)의 값, 및 콘덴서(102b)와 저항(102a)의 값이 설정되어 있다. 또, 콘덴서(102b)에 돌입 전류가 흐르지 않게 된 단계에 있어서 저항(102a)에서 전압 강하가 발생하고, 이 전압 강하에 의해 광원(101)에 가해지는 전압이 저하되는데, 이 전압 저하에 의해 광원(101)의 발광이 정지하도록 저항(102a)의 값 및 그 외의 파라미터의 값이 선택되어 있다. 혹은, 콘덴서(102b)에 돌입 전류가 흐르지 않게 된 단계에서 저항(102a)에 전류가 흐르고, 저항(102a)에 의해서 광원(101)에 흐르는 전류가 억제(제한)되는데, 이 전류의 억제에 의해서, 광원(101)에 흐르는 LD 전류가 발광 역치를 밑도는 값이 되도록, 저항(102a)의 값 및 그 외의 파라미터가 설정되어 있다고 파악할 수도 있다.
이 구성 및 파라미터의 설정에 의하면, 콘덴서(102b)의 충전시에 광원(101)이 발광하고, 그 직후에 저항(102a)에서 발생하는 전압 강하(전류 제한)에 의해서, 광원(101)에 가해지는 전압이 저하(흐르는 전류치가 저하)되어, 광원(101)의 발광이 정지한다. 이 결과, 도 1 및 도 2에 나타내는 나머지의 완화 진동의 발생이 억제되어, 최초의 펄스 발광만이 행해진다.
이하, 도면을 이용하여 상기 동작을 보다 상세하게 설명한다. 도 4에는, 각 부에 가해지는 전압의 변화가 나타나 있다. 여기서, 도 4(a)에는, 미분 회로(102)의 광원(101) 측의 전압 Vcs가 나타나 있다. V-Vcs가 광원(101)에 가해지는 전압이 된다. 도 4(b)에는, 미분 회로(102)에 가해지는 전압, 즉 저항(102a)과 콘덴서(102b)에 가해지는 전압 Vdif가 나타나 있다. 도 4 (c)에는, 스위치(103)의 소스·드레인간에 가해지는 전압 Vd가 나타나 있다. 도 5에는, 시간의 경과에 따르는 미분 회로(102)의 동작 상태를 나타내는 개념도이다.
도 5 (a)에는, 스위치(103)가 ON이 되기 전의 상태(OFF 상태)가 나타나 있다. 이 단계에서는, 광원(101) 및 미분 회로(102)에 전원 전압 V는 가해지지 않았다. 스위치(103)가 ON이 되면, 콘덴서(102b)로의 충전이 시작되어, 콘덴서(102b)에 돌입 전류가 흐른다. 최초기에 있어서는, 전기적으로 콘덴서(102b)는 단락 상태이며, 흐르는 전류는, 콘덴서(102b)로의 돌입 전류가 주가 된다(도 5 (b) 참조). 이 콘덴서(102b)로의 돌입 전류가 발생함으로써, 광원(101)에 구동 전류가 흘러 광원(101)이 발광한다.
그리고, 콘덴서(102b)로의 충전이 진행됨에 따라 콘덴서(102b)가 나타내는 저항치가 서서히 상승해, 저항(102a)에 흐르는 전류가 증가한다. 이 상태가 도 5(b) 및 도 5(c)에 나타나 있다. 도 5(b)의 단계에 있어서, 미분 회로(102)에 가해지는 전압 Vdif는 서서히 증가한다. 이것은, 저항(102b)에서의 전압 강하가 발생하기 때문이다.
또, 콘덴서(102b)에 돌입 전류가 발생한 기간(도 4 (a)의 부호 104의 기간)은, 콘덴서(102b)의 스위치(103)측의 전극의 전위가 서서히 저하되(서서히 그랜드 전위에 근접하)므로, Vd는, 도 4 (c)에 나타낸 바와 같이 변화한다.
콘덴서(102b)로의 돌입 전류의 감소에 대응하여 저항(102a)에 흐르는 전류가 증가해, 여기서 전압 강하가 발생하여, 광원(101)에 가해지는 전압이 감소한다. 즉, 전원 전압 V에서 차지하는 저항(102a)에서 발생하는 전압 강하의 영향이 강해져, 그만큼, 광원(101)에 가해지는 전압이 감소한다. 이 때, 광원(101)에 가해지는 전압이 발광 역치를 밑돌도록 저항(102a)의 저항치 및 그 외의 파라미터가 설정되어 있다. 즉, 기간 105에 있어서의 저항(102a)에서 발생하는 전압 강하에 의해, 광원(101)에 가해지는 전압이 발광 역치 미만이 되도록, 저항(102a)의 저항치 및 그 외의 파라미터가 설정되어 있다.
따라서, 기간 104에 있어서 광원(101)은 발광하고, 기간 105에 있어서 발광이 정지한다. 여기서, 기간 104가 도 2의 Δt와 같은 정도의 기간이 되도록, 미분 회로(102)의 CR의 값을 조정함으로써, 발광 개시시의 1펄스만의 발광이 행해진다.
이 상태(기간 105)에 있어서, 스위치(103)를 OFF로 하면, 광원(101)에 전류가 흐르지 않게 되고, 또 콘덴서(102b)에 모인 전하가 저항(102a)에 흘러, 거기서 소비된다. 이렇게 하여, 최초의 스위치(103)가 OFF인 상태로 되돌아온다.
그리고, 다시 스위치(103)를 ON으로 함으로써, 상술한 동작과 같은 동작이 반복되고, 2발째의 펄스 발광이 광원(101)에서 행해진다. 이렇게 하여, 스위치(103)의 ON/OFF를 반복함으로써, 광원(101)에 반복하여 펄스 발광을 행하게 할 수 있다.
(미분 회로의 CR의 설정에 대해서)
상술한 도 2의 Δt의 기간만큼 광원(101)에 역치 이상의 전압이 인가되도록 하려면, 미분 회로(102)의 CR의 값의 적절한 선택이 중요해진다. 이하, 어떻게 해서 미분 회로(102)의 CR의 값을 선택하면 좋은지에 대해서 설명한다.
펄스광을 생성하기 위해서는, 다음에 나타내는 현상이 일어나는 범위의 전류를 광원(레이저 다이오드:LD)(101)에 흐르게 할 필요가 있다. 이 전류의 하한치는 광원(101)이 발광하기 시작하는 전류치(발진 역치 전류)이며, 상한치는 완화 진동의 1번째의 펄스만을 생성하는 전류치이다. LD 전류를 이 범위 내로 하려면, 미분 회로를 구성하고 있는 C와 R의 상수의 조정이 필요하게 된다.
우선, 상기 회로의 초기 상태로서, 콘덴서(102b)에는 전하가 없고, 스위치(103)가 0FF인 상태를 생각한다. 이 상태에서는 저항(102a) 및 콘덴서(102b) 모두 전류가 흐르지 않기 때문에, 광원(LD)(101)에도 전류는 흐르지 않는다. 당연히, 광원(101)은 발광하지 않는다.
스위치(103)가 ON이 되면, 저항(102a) 및 콘덴서(102b)에 급격하게 전압이 인가된다. 이 급격한 전압의 변화는 고주파 성분을 갖고 있으므로, 저항(102a)에 비해 교류적으로 임피던스가 낮은 콘덴서(102b)에 전류가 흐른다. 이 현상은, DC 전압의 인가가 개시된 콘덴서(102b)에 전하의 축적에 수반하는 돌입 전류가 흐른다고 해석할 수도 있다. 콘덴서(102b)와 저항(102a)은 병렬로 접속되어 있기 때문에, 스위치 ON의 직후에 있어서는, 콘덴서(102b)에 흐르는 전류는 광원(101)에 흐르는 전류와 같고, 이 전류에 의해 광원(101)이 발광한다. 콘덴서(102b)에는 시간과 함께 전하가 충전되고, 충전된 전하의 양이 콘덴서(102b)가 갖는 용량에 도달하면 콘덴서(102b)에는 전류가 흐르지 않게 된다. 이 때 저항(102b)에서 발생하는 전압 강하(전류 제한)의 영향으로 스위치(103)가 0N임에도 불구하고 광원(101)이 발광하지 않는 상태가 된다.
상기 설명으로부터 알 수 있듯이, 콘덴서(102b)에 전하가 축적되는 과정에서 발생하는 콘덴서(102b)로의 돌입 전류에 기인하여 광원(101)에 전류가 흐른다. 따라서, 콘덴서(102b)의 용량을 적절한 값으로 함으로써, 광원(101)에 흐르는 전류의 크기를 결정할 수 있어, 펄스 발광에 필요한 범위의 전류를 얻을 수 있다.
상기 현상의 과정에서는, 콘덴서(102b)에 전하가 모임에 따라 콘덴서(102b)에 가해지는 전압도 커진다. 콘덴서(102b)와 저항(102a)은 병렬로 접속되어 있으므로 콘덴서(102b)의 전압과 저항(102a)의 전압은 동일하다. 따라서, 콘덴서(102b)에 가해지는 전압이 커짐으로써, 저항(102a)에 흐르는 전류도 커진다. 이 저항(102a)에 흐르는 전류에 의해 저항(102a)에서 전압 강하가 발생해, 광원(101)에 가해지는 전압이 저하된다.
LD 순방향 전압보다 작은 전압에서는 LD 전류는 흐르지 않으므로, 저항(102a)은 LD 전류를 제한하도록 작용한다. 따라서, 저항(102a)의 값을 적절히 선택함으로써, 저항(102a)에 흐르는 전류치가 작은 단계에서 LD 전류가 흘러 광원(101)이 발광하고, 저항(102a)에 흐르는 전류치가 커진 단계에서 LD 전류가 흐르지 않게 되어 광원(101)이 발광하지 않게 되는 상태를 얻을 수 있다.
또, 펄스 발광을 연속하여 행하는 경우, 광원(101)에 다시 한 번 LD 전류를 흐르게 하기 위해서 콘덴서(102b)에 충전된 전하를 방전해 둘 필요가 있다. 이 방전은, 콘덴서(102b)에 병렬로 접속된 저항(102b)에 의해서 행해진다. 즉, 스위치(103)가 0FF일 때, 콘덴서(102b)와 병렬로 접속한 저항(102a)에 의해서 콘덴서(102b)에 충전되어 있는 전하가 방전되어, 도 3의 회로는 초기 상태가 된다. 즉, 저항(102a)에는, LD 전류를 제한해, 나머지의 완화 진동을 억제함으로써 단발의 펄스 발광을 행하게 하는 제1의 기능과, 다음 발의 펄스 발광을 위해서 콘덴서(102b)에 충전된 전하를 방전시켜, 초기 상태로 되돌리는 제2의 기능이 있다.
콘덴서(C(102b))의 값과 저항(R(102a))의 값을 설정하는 지침을 하기에 나타낸다.
(1) C의 최소치: LD에 발진 역치 전류 이상의 전류를 흐르게 할 수 있는 용량치.
(너무 작으면, LD 발진하지 않는다)
(2) C의 최대치: 완화 진동의 1번째의 펄스만을 생성하여 2번째 이후의 펄스를 억제하는 전류를 흐르게 할 수 있는 용량치(R과의 의존성 있음).
(너무 크면, 연속한 완화 진동이 발생한다)
(3) R의 최소치: LD 전류가 발진 역치 전류와 동일해지는 저항치.
(너무 작으면, 연속한 완화 진동이 발생한다)
(4) R의 최대치: R에서 발생하는 전압 강하와 전원 전압의 차가, LD 순방향 전압과 동일해지는 저항치(C와의 의존성 있음).
(너무 크면, 다음 펄스까지의 동안의 방전이 불가능하게 된다)
또, 펄스광의 피크치와 C 및 R의 값은, 개략 이하의 관계가 있다.
·광펄스의 강도를 크게→C를 크게, R을 작게
·광펄스의 강도를 작게→C를 작게, R을 크게
단, C와 R에는 상관이 있으므로 일의적으로는 정해지지 않는다. 또, 나머지의 완화 진동의 억제 효과와의 관계도 고려하여, C와 R의 값을 결정할 필요가 있다.
펄스광의 피크치에 대해 C는 R보다 크리티컬하게 효과가 있으므로, C는 조(粗) 조정, R은 미세 조정으로 하는 것이 좋다.
이하, 구체적인 예를 나타낸다. 도 6(a)에는, 단일 펄스가 아니라, 복수개의 펄스가 발생하는 경우, 즉 연속한 완화 진동을 볼 수 있는 경우가 나타나 있다. 도 6(b)에는, 단일 펄스이지만, 약간 나머지의 완화 진동의 영향을 볼 수 있는 경우가 나타나 있다. 도 6(a)나 (b)의 현상은, LD 전류의 값이 너무 큰 경우에 발생한다. 따라서, LD 전류를 억제하기 위해서, C를 작게 하고, 그 상태에서 R의 미세 조정을 행한다. 단, C를 너무 작게 하면, 발광의 피크가 작아져, 또한 발광하지 않게 되는 경우가 있으므로 주의한다.
도 7에는, 발광의 피크가 낮고, 또 펄스 폭이 큰 경우가 나타나 있다. 이 경우, LD 전류가 너무 작으므로, C를 크게 한 뒤, R로 미세 조정한다. 또한, 도 8에는, 최적의 상태로 조정된 경우의 펄스광의 파형의 일례가 나타나 있다.
(우위성)
상술한 구성에 의하면, 스위치(103)의 0N 시간보다도 광원(101)의 발광 시간(펄스 발광의 폭)을 짧게 할 수 있다. 즉, 스위치(103)를 구동하는 제어 신호의 펄스 폭이 넓고, 스위치(103)의 ON 시간이 길어도, 콘덴서(102b)의 충전이 종료된 단계에서, 저항(102a)에서 발생하는 전압 강하에 의해, 광원(101)에 가해지는 전압이, 초기에 비해 저하되고, 그 역치 전압을 밑도는 상태가 되므로, 그 단계에서 광원(101)의 발광을 정지시킬 수 있다. 즉, 콘덴서(102b)로의 돌입 전류가 발생하는 현상을 이용하여, 광원(101)을 발광시킴으로써, 스위치(103)가 ON이 되는 기간이 길어도, 광원(101)을 매우 단시간만 발광시킬 수 있다.
바꾸어 말하면, 콘덴서(102b)의 충전시에 있어서의 돌입 전류와, 이 돌입 전류의 감소에 따르는 저항(102a)에서 발생하는 전압 강하를 이용함으로써, 스위치(103)를 제어하는 제어 신호의 주파수는 낮아도, 제어 신호의 펄스 폭보다도 짧은 펄스 폭의 펄스 발광을 광원(101)에 발생시킬 수 있다. 이 때문에, 예를 들면, 수십~수백 피코초오더의 펄스 폭의 펄스 발광을 시키는 경우라도, 스위치(103)를 제어하는 제어 신호에는, 수십~수백 피코초오더의 펄스 폭은 필요하게 되지 않는다.
상기 동작은, 콘덴서(102b)에서의 충전이 진행됨에 따라 저항(102a)에 있어서의 전류의 흐름이 드러나고, 그에 의해 저항(102a)에 의한 전류 제한이 발생해, 이 전류 제한을 위해서 광원(LD)(101)에 흐르는 전류가 감소하여 나머지의 완화 진동이 억제되는 현상으로서 파악할 수도 있다. 본 발명자들의 실험 및 컴퓨터 시뮬레이션에 의하면, 광원(101)에서 발생하는 발광의 펄스 폭을 수십~수백 피코초 정도로 할 수 있음이 확인되고 있다. 또한, 발광 펄스의 펄스 폭은, 수십~수백 피코초의 오더로 한정되는 것은 아니다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명을 이용한 펄스 발광을 위한 회로는, 매우 간소하고, 소형 경량, 저비용, 저소비 전력인 것이 실현 가능하다. 또, 스위치(103)의 동작을 제어하는 제어 신호는, 시판의 IC(신호 발생용 회로를 기입한 FPGA 등)를 이용하여 얻을 수 있고, 고가이며 복잡한 발진 회로는 필요로 하지 않는다.
또, 도 3의 구성에 의하면, 발생하는 펄스광의 피크치가 전원 전압의 변동을 받기 어렵다고 하는 우위성을 얻을 수 있다. 일반적으로, 전원 전압을 LD에 직접 가하는 경우, 발광 강도가 전원 전압의 변동이나 편차의 영향을 크게 받는다. 그 때문에, 전원의 안정화에 주위를 기울일 필요가 있다. 그런데, 콘덴서로의 돌입 전류를 LD 전류로 한 경우, 발광 강도에 대한 전원 전압의 영향이 직접 전원을 접속한 경우에 비해 작아진다. 이 원인의 자세한 것은 분명하지 않지만, 콘덴서로의 돌입 전류를 LD 전류로 함으로써, LD로의 전류의 흐름은, 콘덴서의 영향이 지배적이 되어, 전원의 영향이 상대적으로 저하하기 때문이라고 생각된다.
(그 외)
도 3에서는, 플러스 전원을 이용하는 예가 나타나 있는데, 마이너스 전원으로 동작하는 형태도 가능하다. 마이너스 전원을 이용하는 경우에는, 광원(101) 측이 접지되고, 스위치(103) 측에 마이너스 전원(-V)이 접속된다. 또, 도 3에서는, 스위치(103)로서, FET를 이용하고 있는데, 바이폴러 트랜지스터나 그 밖의 스위칭 소자를 이용할 수도 있다. 또, C로서, 통상의 콘덴서 소자가 아니라, 콘덴서로서 기능하는 소자를 이용할 수 있다. 또, R로서, 통상의 저항 소자가 아니라, 저항으로서 기능하는 소자(예를 들면, 바이어스를 가한 FET 등)를 이용할 수도 있다.
도 9 및 도 10에는, 도 3에 나타내는 회로 구성의 변형예가 나타나 있다. 이하, 도 9 및 도 10에 나타내는 회로에 대해서 설명한다. 또한, 도 9 및 도 10에는, 마이너스 전원을 이용한 경우의 예가 나타나 있다.
도 9(a)에는, 미분 회로의 콘덴서를 가변 콘덴서로 한 경우의 예가 나타나 있다. 도 9(a)의 예에서는, 콘덴서를 가변 콘덴서로 함으로써, 미분 회로의 용량의 조정이 용이해진다. 도 9(b)에는, 스위치를 통해 복수의 콘덴서를 병렬로 접속하고, 스위치를 전환함으로써 용량의 조정을 행할 수 있는 구성이 나타나 있다. 복수의 콘덴서의 각각은, 서로 상이한 값의 것을 이용해도 되지만, 같은 값의 것을 이용할 수도 있다. 도 9(b)의 예에서는, 콘덴서의 조합을 바꿈으로써, 미분 회로의 용량의 조정이 용이해진다.
도 10(a)에는, 미분 회로의 저항을 가변 저항기로 한 예가 나타나 있다. 도 10(b)에는, 도 10(a)의 가변 저항기를 제어 신호에 의해 가변할 수 있는 타입의 것으로 한 예가 나타나 있다. 도 10(a)나 (b)의 구성으로 함으로써, 미분 회로를 구성하는 저항의 저항치의 조정이 용이해진다. 도 10(c)에는, 미분 회로를 구성하는 저항기와 병렬로 서미스터를 접속한 예가 나타나 있다. 서미스터를 이용함으로써, 광원의 온도 특성을 보상할 수 있다.
저항치를 조정 가능하게 하는 예로서, 복수의 저항기를 도 9(b)에 나타낸 바와 같이 스위치를 통해 병렬로 접속하고, ON으로 하는 스위치를 선택함으로써, 저항치의 값을 설정하는 구성도 가능하다. 또, 이 구성을 도 9(b)의 구성과 조합해, ON으로 하는 스위치의 선택에 의해, 미분 회로의 저항기 부분의 저항치와 콘덴서 부분의 용량의 양쪽을 조정 가능하게 할 수도 있다. 또한, 복수의 저항기의 각각은, 서로 상이한 값의 것을 이용해도 되지만, 같은 값의 것을 이용할 수도 있다.
2. 제2의 실시형태
레이저 다이오드(LD)의 발광 강도에는, 온도 의존성이 있다. 여기에서는, 온도 변화에 따른 광원의 발광 강도의 변화를 억제한 구성의 일례를 설명한다. 도 11에는, 본 실시형태의 블럭도가 나타나 있다. 도 11에는, 발광 장치(200)가 나타나 있다. 발광 장치 장치(200)는, 가변 전압 전원(105), 온도 센서(106), 광원(101), 미분 회로(102) 및 스위치(103)를 구비하고 있다. 여기서, 광원(101), 미분 회로(102) 및 스위치(103)는, 도 3에 나타내는 제1의 실시형태와 같다.
가변 전압 전원(105)은, 마이너스 전원이며, 온도 센서(106)가 검출한 온도에 따라 출력하는 전압의 값을 가변한다. 가변 전압 전원(105)에서 설정된 만들어 내어진 마이너스 전압이, 광원(101), 미분 회로(102) 및 스위치(103)가 직렬 접속된 회로에 인가된다.
도 12~도 14는, 도 11에 나타내는 회로 구성을 채용한 경우에 있어서의 환경 온도, 전원 전압, 펄스광의 파형 및 피크치의 관계가 나타나 있다. 도 12~도 14에 나타낸 바와 같이, 전원 전압이 일정한 경우, 환경 온도의 차이에 의해, 레이저다이오드에 의해 구성되는 광원(101)이 발하는 펄스광의 피크의 값은 크게 변화한다. 그러나, 도 12 및 도 14에 나타낸 바와 같이, 환경 온도에 따라 전원 전압을 바꿈으로써, 거의 같은 파형 및 피크치의 펄스광을 얻을 수 있다.
가변 전압 전원(105)은, 마이크로컴퓨터를 이용한 컨트롤러를 내장하고 있다. 이 마이크로컴퓨터의 메모리부에는, 특정한 피크치를 얻기 위해서 필요한 환경 온도와 전원 전압의 관계를 조사한 데이터 테이블이 기억되어 있다. 동작에 있어서는, 온도 센서(106)가 검출한 환경 온도를 상기 데이터 테이블에 적용시켜, 대응하는 전원 전압이 출력되도록 제어가 행해진다.
일반적으로 레이저 다이오드(LD)는 전원 전압의 영향을 강하게 받으므로, LD에 직접 전원 전압을 가하는 경우에는, 전원 전압의 변경에 따른 발광 강도의 변경은, 재현성의 면에서 어려움이 있다. 그러나, 콘덴서로의 돌입 전류를 이용하여 LD를 발광시키는 경우, 전원의 영향이 억제되므로, 전원 전압을 변경하는 것에 의한 발광 강도의 조정은, 높은 재현성을 얻을 수 있다.
3. 제3의 실시형태
도 15(A)에는, 발광 장치(300)가 나타나 있다. 발광 장치(300)는, 스위치(103)의 위치가 도 3의 경우와 상이하다. 발광 장치(300)에서는, 스위치(103)가 광원(101)과 미분 회로(102) 사이에 배치되어 있다. 발광 장치(300)는, 광원과 미분 회로가 직렬로 접속된 일례이다. 발광 장치(300)에 있어서의 광원(101), 미분 회로(102) 및 스위치(103)는, 도 3에 관련하여 설명한 것과 같다.
발광 장치(300)의 동작은, 도 3의 발광 장치(100)와 같다. 이하, 발광 장치(300)의 동작을 간단하게 설명한다. 스위치(103)가 OFF인 상태에서는, 미분 회로의 콘덴서(도 3의 부호 102b)에 전압이 가해지지 않고, 또 광원(101)에도 전압이 가해지지 않기 때문에, 광원(101)은 발광하지 않는다. 스위치(103)가 ON이 되면, 미분 회로(102)의 콘덴서(도 3의 부호 102b)에 전압이 가해져, 돌입 전류가 흐른다. 이 돌입 전류가 흐름으로써, 광원(101)에 전류가 흘러 광원(101)이 발광한다.
그리고, 미분 회로(102)의 콘덴서(도 3의 부호 102b)가 충전되면, 이 콘덴서에 병렬로 접속된 저항(도 3의 부호 102a)에 전류가 흘러, 거기서의 전압 강하(전류 제한)가 발생해, 광원(101)의 발광이 정지한다. 이렇게 하여, 완화 진동에 있어서의 1발째의 펄스만의 발광이 행해진다.
도 15(B)에는, 발광 장치(400)가 나타나 있다. 발광 장치(400)는, 스위치(103)의 위치가 도 3 및 도 15(A)의 경우와 상이하다. 발광 장치(400)에서는, 스위치(103)가 광원(101)과 +전원 사이에 배치되고, 광원(101)은, 그랜드측에 배치된 미분 회로(102)와 직렬로 접속되어 있다. 발광 장치(400)에 있어서의 광원(101), 미분 회로(102) 및 스위치(103)는, 도 3에 관련하여 설명한 것과 같다. 발광 장치(400)의 동작은, 도 3의 발광 장치(100) 및 도 15(A)의 발광 장치(300)와 같다.
4. 제4의 실시형태
도 16에는, 측거 장치(500)가 나타나 있다. 측거 장치(500)는, 레이저광을 이용하여 측정 대상물까지의 거리의 측정을 행하는 장치이다. 측거 장치(500)는, 발광 장치(100), 사출부(501), 수광부(502), 신호 처리부(503) 및 표시부(504)를 구비하고 있다.
발광 장치(100)는, 도 3에 나타내는 구성을 갖는다. 물론, 본 명세서 중에서 예시하는 다른 발광 장치를 이용할 수도 있다. 사출부(501)는, 발광 장치(100)로부터 출력되는 레이저광을 측정 대상물에 대해 사출하기 위한 광학계를 구비하고 있다. 수광부(502)는, 광학계와 수광 소자(포토 다이오드 등)를 구비하고, 사출부(501)로부터 사출되고, 대상물에서 반사되어 온 반사광을 수광한다. 신호 처리부(503)는, 수광부(502)가 수광한 검출광에 의거해, 대상물까지의 거리를 산출한다. 신호 처리부(503)에서 행해지는 연산은, 통상의 레이저 측거 장치에 있어서의 것과 같다. 표시부(504)는, 액정 디스플레이 등의 표시 장치이며, 신호 처리부(503)에서 산출된 대상물까지의 거리를 표시한다.
측거 장치(500)는, 발광 장치(100)에서 생성되는 펄스 폭이 짧은 측거광을 이용하므로, 높은 측거 정밀도를 얻을 수 있다. 또, 발광 장치(100)는 구조가 간소하고, 소비 전력이 작고, 더욱 저비용으로 얻어지므로, 측거 장치(500)는, 소형화, 저소비 전력화, 저비용화를 도모할 수 있다.
여기에서는, 본 발명의 광원의 적용예로서, 레이저 측거 장치를 예시했는데, 미분 회로를 이용하여 펄스 발광을 행하는 본 발명의 광원은, 펄스광을 이용한 각종의 장치(예를 들면, 레이저 가공 장치 등)에 적용할 수 있다.

Claims (13)

  1. 발광 구동을 위한 통전 직후에 완화 진동이 발생하는 광원과,
    통전 직후에 있어서 낮은 임피던스인 용량성 리액턴스 특성 회로부 및 통전 후 소정 시간 경과 이후에 상기 용량성 리액턴스 특성 회로부에 충전된 전하를 방전하는 레지스턴스 특성 회로부가 병렬 접속되어 있는 미분 회로와,
    스위칭 소자를 구비하고,
    상기 광원과 상기 미분 회로는 직렬로 접속되고,
    상기 스위칭 소자는, 상기 광원 및 상기 미분 회로에 대한 전압 인가의 0N/OFF를 행하는 스위치이며,
    상기 용량성 리액턴스 특성 회로부 및 상기 레지스턴스 특성 회로부는, 상기 완화 진동에 있어서의 일부의 발진이 얻어지는 특성이 선택되고,
    상기 미분회로에 의하여, 상기 광원에 단펄스 발광을 발생시키는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 용량성 리액턴스 특성 회로부 및 상기 레지스턴스 특성 회로부는, 상기 완화 진동에 있어서의 최초의 진동을 발생시키고, 다른 진동을 억제하는 특성이 선택되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 용량성 리액턴스 특성 회로부로의 돌입 전류에 의해, 상기 최초의 진동이 발생하고,
    상기 돌입 전류에 의한 상기 용량성 리액턴스 특성 회로부로의 충전 후에 상기 레지스턴스 특성 회로부에 전류가 흐름으로써, 상기 다른 진동이 억제되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 최초의 진동을 발생시키고, 상기 다른 진동을 억제함으로써, 상기 광원에 단일 펄스 발광을 발생시키는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    환경 온도를 계측하는 온도 계측부와,
    상기 온도 계측부의 출력에 의거해, 상기 광원과 상기 미분 회로에 가해지는 전압을 가변하는 전원부를 구비하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 용량성 리액턴스 특성 회로부가 콘덴서이며,
    상기 레지스턴스 특성 회로부가 저항기인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 콘덴서가 용량 가변 콘덴서인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 저항기가 가변 저항기인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 레지스턴스 특성 회로부는 서미스터를 더 갖고, 광원 특성의 온도 변화를 보정하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 용량성 리액턴스 특성 회로부 및/또는 상기 레지스턴스 특성 회로부는, 각각 상이한 특성치를 갖는 복수의 소자 및 그들을 선택적으로 접속하는 스위칭 소자로 이루어지고, 그들 소자를 선택적으로 접속함으로써 미분 회로의 특성을 선택 가능한 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위칭 소자에 의한 통전 시간보다도 상기 광원의 발광 기간이 짧은 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 스위칭 소자의 ON/OFF에 있어서의 ON 상태의 기간이 폐회로이며, OFF 상태에서 개회로가 되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 기재된 발광 장치로부터 생성되고, 상기 광원의 완화 진동의 최초의 발진에 의한 광을 측정 대상물을 향해 사출하는 사출부와,
    상기 측정 대상물로부터 반사된 반사광을 수광하는 수광부와,
    상기 수광부의 출력 신호에 의거해 상기 측정 대상물까지의 거리의 산출을 행하는 신호 처리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
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