WO2007029613A1 - 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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WO2007029613A1
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reflection
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Hiroyuki Kawashima
Makoto Fujino
Yoshiaki Goto
Michiko Nakanishi
Hirotake Maruyama
Akio Kobayashi
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Kabushiki Kaisha Topcon
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Definitions

  • the present invention relates to a mixing device used for a laser light source and a distance measuring device using the mixing device.
  • the used light having a narrow wavelength band is likely to cause interference, and an error due to uneven emission of light emitted from the device is likely to occur. It is said that it is difficult to accurately measure long distances using a distance measurement device using light.
  • a mixing device used for the distance measuring device which includes a phase plate provided with a diffraction grating and a driving means for driving the phase plate.
  • a driving means for driving the phase plate for example, see Patent Document 1.
  • the motor as the driving means is driven to rotate the phase plate, and the laser light emitted from the semiconductor laser is mixed to eliminate unevenness in light emission and make it uniform. Like to do.
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-162517
  • this conventional mixing device is configured to eliminate unevenness in light emission by driving the motor and rotating the phase plate to mix the laser light, so that high-speed mixing is difficult and power consumption There is a problem that consumption is large and noise is large.
  • An object of the present invention is to provide a mixing device that consumes less power and has less noise, and a distance measuring device using the mixing device.
  • the present invention provides a mixing device that mixes laser light in the middle of guiding laser light having a laser light source power to an irradiating section, and a reflection oscillating device having a oscillating mirror surface;
  • An optical fiber that guides the laser light to the irradiating unit, and guides the laser light from the laser light source toward the mirror surface of the reflection oscillating device, and the laser light reflected by the mirror surface is the optical fiber.
  • the present invention is a mixing device for mixing laser light in the middle of guiding laser light from a laser light source to an irradiation unit, the first reflection / oscillation device having an oscillating mirror surface, A first optical fiber that guides the laser light to the irradiating part; a second optical fiber that guides the laser light to the irradiating part; and a light guide to the first optical fiber having a oscillating mirror surface; A second reflection oscillating device that functions as an optical switch that selectively switches the light guide to the second optical fiber, and the laser beam from the laser light source is applied to the mirror surface of the first reflection oscillating device.
  • the present invention is a distance measuring device for measuring a distance by irradiating a measurement target with laser light, receiving reflected light from the measurement target,
  • a mixing device that mixes the laser light in the middle of guiding the laser light from the laser light source to the irradiating unit; the mixing device includes a reflection oscillating device having a oscillating mirror surface; and The guiding optical fiber and the laser light from the laser light source are directed toward the mirror surface of the reflection oscillating device, and the laser light reflected by the mirror surface is collected toward the input end of the optical fiber.
  • An optical system that emits light, and the reflection oscillating device moves the laser light within an incident range of the input end of the optical fiber.
  • the present invention is a distance measuring device that measures the distance by irradiating the measuring object with the measuring light and receiving the reflected light of the measuring object force
  • the mixing device includes: a first reflection / oscillation device having a mirror surface that oscillates; a first optical fiber that guides laser light to the irradiation unit; and a first optical fiber that guides laser light to the irradiation unit.
  • a second optical fiber having a oscillating mirror surface and functioning as an optical switch that selectively switches between the light guide to the first optical fiber and the light guide to the second optical fiber.
  • the light guide path guided to the irradiation unit can be selectively switched so that the power of the laser light emitted from the irradiation unit can be changed.
  • the light intensity can be selected.
  • FIG. 1 is an explanatory view showing Example 1 of a distance measuring device using a mixing device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a schematic structure of the mixing apparatus shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the operation of the mixing apparatus shown in FIG.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a disturbance state of a laser beam when entering the second optical fiber shown in FIG. 3.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a disturbance state of a laser beam when entering the second optical fiber shown in FIG. 3.
  • FIG. 5 is an essential part optical diagram showing Embodiment 2 of the mixing apparatus according to the present invention.
  • FIG. 6 is a principal part optical diagram showing a modification of the mixing apparatus shown in FIG. 5.
  • FIG. 6 is a principal part optical diagram showing a modification of the mixing apparatus shown in FIG. 5.
  • a distance measuring apparatus 100 using modulated light will be described with reference to FIG.
  • the frequency divider 10 of the distance measuring device 100 divides the 15 MHz signal from the oscillator 11 and 7
  • the synthesizer 13 is a signal from the oscillator 11 and a signal from the frequency divider 10 and 15 MHz.
  • the first switch 14 has a frequency of 15 MHz or 75 depending on a signal 16 from the processing control circuit 15.
  • the processing control circuit 15 is
  • the mixing device has a collimating lens 26, a reflection / oscillation device 25, and an optical fiber 28 for mixing.
  • the tip of the optical fiber is processed as an input end 28a or an output end 28b.
  • the diameter of the optical fiber 28 is 300 m.
  • the semiconductor laser 18 is driven by the output signal of the first switch 14 and emits the modulated laser beam PO.
  • the emitted laser beam PO is incident on an input end 24 a in which one end face of a light guiding optical fiber 24 is processed by a lens 19.
  • the semiconductor laser 18 corresponds to a laser light source.
  • a reflection rocking device 25 is provided.
  • the reflection oscillating device 25 is composed of a MEMS (micro eletromechanical system) 27.
  • MEMS is an abbreviation for Micro Electro-Mechanical Systems, and is a generic name for micro devices that fuse mechanical and electrical elements.
  • This MEMS has a new function that is powerful for conventional semiconductor devices that have a movable part in the chip or substrate. This function is expected to be applied to input / output components and various sensors as a new platform technology.
  • the reflection / oscillation device 25 includes a disk-shaped mirror plate 27a.
  • the diameter of the mirror plate 27a is about lmm, for example.
  • the mirror plate 27a is formed with a pair of shaft portions 27b and 27b extending in the diameter direction on the peripheral surface thereof.
  • the mirror plate 27a applies an AC voltage to the fixed comb teeth 27fA and 27fB, 27fA and 27fB, connects the movable comb teeth 27e to GND, and charges the high frequency of ⁇ , for example, so that the mirror plate 27a It swings in the direction of arrow F around the shafts 27b and 27b.
  • the configuration in which the mirror plate 27a is swung in the uniaxial direction is illustrated and described, but a pair of shaft portions are further provided in a direction orthogonal to the extending direction of the shaft portions 27b and 27b, and the mirror plate It is also possible to adopt a configuration in which 27a is swung in the biaxial direction. That is, the mirror plate 27a can be swung in the biaxial direction.
  • the same voltage signal may be applied to the fixed comb teeth 27fA and 27fB, but voltage signals of different waveforms may be applied.
  • a sine wave is applied to the fixed comb tooth 27f A
  • a cosine wave signal is applied to the fixed comb tooth 27fB
  • the fixed portion 27d is grounded to GND. If a sine wave signal is applied and the fixed comb tooth 27fA and fixed part 27d are grounded to GND, it may occur.
  • a diffraction grating plate 27g schematically shown in FIG. 3 is formed on the front surface of the mirror plate 27a.
  • This diffraction grating plate 27g is used for coordinating with the mirror plate 27a to eliminate unevenness of laser light emission and to make it uniform.
  • the diffraction grating portion 27g can further improve the mixing effect.
  • the laser light P 1 guided to the first optical fiber 24 and emitted from the output end 24 b is converted into a parallel light beam P 2 by the collimator lens 26, and the diffraction grating plate 2 7g, led to mirror plate 27a.
  • the parallel light beam P2 is diffracted by the diffraction grating plate 27g and reflected by the mirror plate 27a.
  • the reflected light P3 is collected by a collimating lens 26 as an optical system, and the force is incident on the input end 28a of the mixing optical fiber 28 as convergent light P4.
  • the mirror plate 27a has the shaft portions 27b and 27b. Since it is oscillating about the center, when the convergent light P4 is incident on the input end 28a, the incident position at the input end 28a is disturbed in the incident range as schematically shown in FIG.
  • P4 is moved and the laser beam PO with uneven emission is perturbed (moved) by a small force, the light guide path is assumed to be different, and the light amount unevenness of the laser beam PO is averaged.
  • FIG. 4 shows a linear and periodic P4 locus as an example.
  • trajectories such as circular, radial, and Lissajous figures other than straight lines can also be used.
  • the laser light emitted from the output end 28 b of the optical fiber 28 is split into two optical paths by the splitting prism 29.
  • the laser beam P5 traveling toward one of the optical paths is transmitted through the splitting portion 29a of the splitting prism 29, is transmitted through the chopper 30 and is reflected by the reflecting surface 32a of the prism 32 constituting a part of the irradiation portion, and is reflected by the objective lens 33. It is converted into a parallel beam and emitted as measurement light to the outside of the device.
  • the splitting prism 29, the prism 32, the objective lens 33, and the like constitute an irradiation unit.
  • the light is reflected by a reflector such as a corner cube 34 as a measurement target at the measurement point, passes through the objective lens 33 again, is reflected by the reflecting surface 32b of the prism 32, and passes through the density filter 31. Then, an external distance measuring optical path 37 that passes through the splitting portion 35a of the splitting prism 35 and enters the light receiving side fiber 36 is formed.
  • a reflector such as a corner cube 34 as a measurement target at the measurement point
  • the directional laser beam P6 in the other optical path is reflected by the split portions 29a and 29b of the split prism 29, passes through the chopper 30, is converted into a parallel light beam by the lens 38, is condensed by the lens 39, and is concentrated.
  • An internal reference optical path 40 that passes through the degree filter 31 and is reflected by the split portions 35b and 35a of the split prism 35 and enters the light receiving side optical fiber 36 is formed.
  • the chopper 30 alternately selects the internal reference optical path 40 and the external distance measuring optical path 37, and the density filter 31 adjusts the light amount levels of the internal reference optical path 40 and the external distance measuring optical path 37.
  • the light incident on the light receiving side optical fiber 36 is received by the light receiving element 43 by the lenses 41 and 42.
  • the light receiving element 43 corresponds to a light receiving portion.
  • the internal reference optical path 40 is for preventing an error from occurring in measurement data due to a phase change caused by a temperature drift of an electric circuit constituting the distance measuring device. Accurate data can be obtained by reducing the measured value by the external distance measuring optical path 37.
  • the second switch 44 outputs either a signal of 14.997 MHz or 72 KHz according to the signal 16 from the processing control circuit 15.
  • the output from the light receiving element 43 is amplified by the amplifier 46 through the capacitor 45 and input to the mixer 47.
  • the mixer 47 mixes the signal from the amplifier 46 and the signal from the second switch 44 to form a beat signal, detects this signal, and outputs a 3 KHz sine wave.
  • the waveform shaper 48 shapes a 3 KHz sine wave into a rectangular wave and outputs the signal (hereinafter referred to as a beat down signal).
  • the gate circuit 49 uses the 3 kHz signal from the frequency divider 10 as a start signal, the signal from the waveform shaper 48 as a stop signal, and outputs the 15 MHz signal from the oscillator 11 to the counter 50 during that time. To do. The phase difference is measured by counting this signal with the counter 50.
  • the count value obtained by the counter 50 is the total number of N measurements.
  • a signal of 3 KHz from the frequency divider 10 is supplied to the processing control circuit 15.
  • the reset signal 52 is supplied from the processing control circuit 15 to the counter 50, and the counter 50 is reset.
  • the count value of N times is set to an average value of 1ZN by the processing control circuit 15, converted into a distance, and then output to the display 51 as a distance measurement value.
  • the output signal of the first switch 14 and the output signal of the second switch 44 have a frequency of 15 MHz.
  • the frequency of the output signal of the second switch 44 is 14.997 MHz and the frequency of the output signal of the first switch 14 is 75 KHz, the frequency of the output signal of the second switch 44 is 72 KHz.
  • the reason for modulating the semiconductor laser 18 at two frequencies of 15 MHz and 75 KHz is that 15 MHz corresponding to a wavelength of 20 m is used for precision measurement, and 75 KHZ corresponding to a wavelength of 4000 m is used for rough measurement. .
  • the frequency of 15MHz and 75KHz are each set to 3KHz by the mixer 47 because the phase measurement resolution is increased by measuring the 15MHz phase or the 75KHz phase as the 3KHz phase. It is to do.
  • the reflected light P3 is disturbed at high frequency by the MEMS 27, and the incident position on the input end 28a of the optical fiber 28 changes every moment.
  • the reflected light P3 is mixed and uniformed and emitted from the exit end 28b of the optical fiber 28.
  • propagating through the optical fiber 24 and the optical fiber 28 via the MEMS 27 to be emitted from the emission end 28b of the optical fiber 28 it is possible to make the emission unevenness of the laser light uniform.
  • a frequency modulation type distance measuring device has been described as an example of a mixing device, but it is also used for a pulse distance measuring type distance measuring device in which distance measuring light is laser light. Can be used.
  • FIG. 5 is a principal part optical diagram showing Example 2 using modulated light.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, detailed description thereof is omitted, and different portions are mainly described.
  • This mixing device is a combination of a first reflection / oscillation device 25 'for disturbing laser light and a second reflection / oscillation device 25 "as an optical switch for selectively switching the reflection direction of the laser light. It is made up of.
  • the distance measurement device emits laser light as measurement light, and receives and detects reflected light of the measurement target force to measure the distance.
  • a prism type that uses the reflective prism 34 as the measurement target
  • a non-prism type that does not use the reflective prism 34 and the measurement target is a natural or artificial object, and these integrated types also have a prism mode and a non-prism mode.
  • Example 2 the measurement light is emitted in a different manner without using a reflecting prism.
  • the first reflection / oscillation device 25 includes a micro-elect port mechanical system 27 having a mirror plate 27a and a diffraction grating 27g.
  • the second reflection oscillating device 25 is composed of a microelectromechanical system 27 having a mirror plate 27a.
  • the first light guides the laser light P1 from the laser light source between the optical fiber 24 and the first reflection / oscillation device 25 'toward the mirror surface of the first reflection / oscillation device.
  • a collimator lens 26 ′ is provided as an optical system.
  • the collimator lens 26 ' has a role of converting the laser beam emitted from the emission end 24b of the optical fiber 24 into a parallel light beam P2.
  • the parallel light beam P2 guided to the mirror surface of the first reflection / oscillation device 25 ' is guided again to the collimator lens 26' to be focused light.
  • This focused light is guided to a light guide element such as a micro trapezoidal prism 60, a light guide fiber or a kaleidoscope, propagates through the trapezoidal prism 60 and is guided to a collimator lens 26 ", and is collimated again by the collimator lens 26" And is guided to the second reflection / oscillation device 25 ".
  • the second reflection / oscillation device 25" is guided between the first optical fiber 28 'and the second optical fiber 28 ". Used to selectively switch.
  • the first optical fiber 28 and the second optical fiber 28 are used to guide to the reflecting surface 32a of the prism 32 constituting a part of the irradiation unit.
  • the trapezoidal prism 60 and the collimator lens 26" It functions as a second optical system that guides the laser beam P2 reflected by the mirror surface of the first reflection / oscillation device 25 ′ toward the mirror surface of the second reflection / oscillation device 25 ′′.
  • the laser beam P2 guided to the second reflection / oscillation device 25 ' is switched between the first optical fiber 28' and the second optical fiber 28 ", and the first optical fiber 28 or the second optical fiber 28" is switched.
  • the focused laser beam guided to the two optical fibers 28 " is oscillated by the first reflection oscillating device 25" within the incident range of the incident end 28a 'or the incident end 28a ".
  • a beam expander lens 61 is provided in front of the exit end 28b of the first optical fiber 28, and a collimator lens 62 is provided in front of the exit end 28b "of the second optical fiber 28".
  • the beam expander lens 61 plays a role of propagating the first optical fiber 28 through the output end 28b and expanding the spot diameter of the laser beam P5 that is emitted, and leading it to the reflecting surface 32a.
  • the collimator lens 62 plays a role of guiding the laser beam P5, which is propagated through the second optical fiber 28 "and emitted from the emission end 28b", to the reflection surface 32a as a parallel beam.
  • An optical path combining mirror 63 is provided in the middle of the optical path of the laser beam P5 emitted from the beam expander lens 61, and the laser beam P5 ′ is provided in the middle of the optical path of the laser beam P5 ′ emitted from the collimator lens 62. Is reflected toward the optical path combining mirror 63, and the laser beam P5 is guided to the reflecting surface 32a of the prism 32 through the same optical path as the laser beam P5.
  • FIG. 6 is an optical diagram showing a principal part of a modification of the mixing apparatus shown in FIG. 5 and showing an example in which the trapezoid prism 60 is removed and the arrangement of optical elements is changed to achieve compactness. Since the operation is the same as that of the mixing apparatus shown in FIG. 5, detailed description thereof will be omitted, and the same optical elements as those shown in FIG. 5 will be assigned the same reference numerals and detailed description thereof will be omitted.

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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

明 細 書
ミキシング装置及びこれを用いた距離測定装置
技術分野
[0001] 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。
背景技術
[0002] 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ぐ使用光 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 、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。
[0003] 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一に導 、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 はファイバ一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。
[0004] 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。 ) 0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。
特許文献 1 :特開 2000— 162517号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] し力しながら、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ぐかつ、騒音が大きいという問題がある。
[0006] この発明の目的は、電力消耗を小さぐかつ、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。
課題を解決するための手段 [0007] 上記目的を達成するため、この発明は、レーザ光源力 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一と、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 一ザ光を前記光ファイバ一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一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。
[0008] 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光ファイバ一と、前記照射部にレーザ光を導く第 2光ファイバ一と、揺動するミラー面を有して前記第 1光ファイバ一への導光と前記第 2光ファイバ一への導光との切り換えを選択的に行う光スィ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光ファイバ一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。
[0009] 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一と、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 記光ファイバ一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 記光ファイバ一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。
[0010] また、この発明は、測定対象に測定光を照射し、該測定対象力 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光ファイバ一と、前記照射部にレーザ光を導く第 2光ファイバ一と、揺動するミラー面を有して前記第 1光ファイバ一への導光と前記第 2光ファイバ一への導光との切り換えを選択的に行う光スィ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光ファイバ一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。
発明の効果
[0011] 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。
[0012] 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。
図面の簡単な説明
[0013] [図 1]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 2]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 3]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 4]図 3に示す第 2の光ファイバ一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。
[図 5]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 6]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
[0014] 18 半導体レーザ (レーザ光源）
24 光ファイバ一
28 光ファイバ一 27 マイクロエレクト口メカニカルシステム
27a ミラー板
発明を実施するための最良の形態
[0015] 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。
実施例 1
[0016] 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。
[0017] 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、 7
5KHzと 3KHzの二つの信号を発生する。
[0018] 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。
[0019] 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 75
KHz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。
[0020] 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 一 28を有する。光ファイバ一の先端は入力端 28a又は出力端 28bとして加工されて いる。例えば、光ファイバ一 28の径は 300 mである。
[0021] 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 POを放出する。この放出されたレーザ光 POは、レンズ 19により導光用の光ファ ィバー 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 一 18はレーザ光源に該当する。
[0022] 光ファイバ一 24と第 2の光ファイバ一 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 タトロメカ-カルシステム） 27から構成されている。
[0023] 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力つた新しい機能を 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。
[0024] 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 lmm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 2 7b、 27bが形成されている。
[0025] その一対の軸部 27b、 27bはパネ部 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 ァクチユエータの一部を構成して 、る。
[0026] 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 ΙΚΗζ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。
[0027] 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 27f A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 G NDに接地すると ヽぅ場合がある。
[0028] 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。
[0029] その図 3に示すように、第 1の光ファイバ一 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 2 7g、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。
[0030] 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 の光ファイバ一 28の入力端 28aに収束光 P4として入射される力 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 POが細力べゆう乱 (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 POの光量ムラが平均化 される。
[0031] 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。
[0032] 光ファイバ一 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。
[0033] 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 、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 一 36へ入射する外部測距光路 37を形成する。
[0034] 他方の光路に向力 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 光ファイバ一 36へ入射する内部参照光路 40を形成する。
[0035] 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 光ファイバ一 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。
[0036] 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による測定値力も減ずることにより正確な データが得られる。
[0037] 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。
[0038] 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 4 8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。
[0039] 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ヘリセット信号 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 1ZN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。
[0040] 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
[0041] 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。 [0042] 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。
[0043] 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、光ファイバ一 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が光ファイバ一 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 アイバー 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一 24を伝播して MEMS27を経由して光ファイバ一 28 を伝播してこの光ファイバ一 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。
[0044] 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!/、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。
[0045] 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、消費電力を小さぐ騒音の低減も図ることができる。 実施例 2
[0046] 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 る部分にっ 、て主として説明する。
[0047] 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ィッチとしての第 2反射揺動装置 25"との組み 合わせからなっている。
[0048] 距離測定装置は、測定光としてのレーザ光を射出し、その測定対象力 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 一ドとを有するものがある。
[0049] 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 くても良ぐ反射プリズム 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力しな 、かで測定光の射出形態を異ならせたもの である。
[0050] 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口 メカ-カルシステム 27から構成されて 、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力-カルシステム 27から構成されている。
[0051] この実施例 2では、光ファイバ一 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'は光ファイバ一 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、導光ファイバ一又はカレイ 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光ファイバ一 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。
[0052] 第 1光ファイバ一 28，、第 2光ファイバ一 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。
[0053] 第 2反射揺動装置 25'に導かれたレーザ光 P2は第 1光ファイバ一 28'と第 2光ファ ィバー 28"との間で切り替えられ、第 1光ファイバ一 28，又は第 2光ファイバ一 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。
[0054] 第 1光ファイバ一 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光ファイバ一 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光ファイバ一 28，を伝播して出射端 28b， 力 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光ファイバ一 28"を伝播して出射端 28b"から出射されるレ 一ザ光 P5，を細 、平行ビームとして反射面 32aに導く役割を果たす。そのビームェキ 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 6 3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 一ザ一光 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ィヒ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

請求の範囲
[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一と、
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一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一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、櫛歯型ァクチユ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-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光ファイバ一と、
前記照射部にレーザ光を導く第 2光ファイバ一と、
揺動するミラー面を有して前記第 1光ファイバ一への導光と前記第 2光ファイバ一へ の導光との切り換えを選択的に行う光スィッチとして機能する第 2反射揺動装置と、 前記レーザ光源力 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光ファイバ一の入力端又は前記第 2光ファイバ 一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、該測定対象力 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 一ザ光を導く光ファイバ一と、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一の 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一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、該測定対象力 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光ファイバ一と、前記照射部にレーザ光を導く第 2光ファイバ一 と、揺動するミラー面を有して前記第 1光ファイバ一への導光と前記第 2光ファイバ一 への導光との切り換えを選択的に行う光スィッチとして機能する第 2反射揺動装置と 、前記レーザ光源力 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光ファイバ一の入力端又は前記第 2光ファイバ 一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。 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。
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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