(57)【要約】【課題】  レーザ光の偏光方向に起因する問題を解消して、レーザ光の自己結合効果を確実に生起して計測対象物までの距離を信頼性良く計測することのできる簡易な構成の反射形レーザ測長器を提供する。【解決手段】  ＶＣＳＥＬ型のレーザダイオードのような自己結合型のレーザ素子から波長変調したレーザ光を計測対象物に照射すると共に、上記計測対象物により反射されて前記レーザ素子に戻った反射レーザ光と前記照射レーザ光との自己結合作効果により生じる変調レーザ光を解析して前記測定対象物までの距離を測定する反射形レーザ測長器であって、特に前記計測対象物に前記レーザ光を反射する再帰反射体を、具体的には照射レーザ光を反射して円偏波した反射レーザ光を得るコーナキューブリフレクタまたはキャッツアイリフレクタを設ける。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自己結合型のレーザ素子から波長変調したレーザ光を計測対象物に照射すると共に、上記計測対象物により反射されて前記レーザ素子に戻った反射レーザ光と前記照射レーザ光との自己結合作効果により生じた変調レーザ光を解析して前記測定対象物までの距離を測定する反射形レーザ測長器であって、
前記レーザ光の光路中に前記照射レーザ光および／または反射レーザ光を円偏向する光学素子を設けたことを特徴とする反射形レーザ測長器。
【請求項２】
前記光学素子は、前記計測対象物に設けられて前記照射レーザ光を反射する再帰反射体である請求項１に記載の反射形レーザ測長器。
【請求項３】
前記再帰反射体は、前記照射レーザ光を反射して円偏向した反射レーザ光を得るコーナキューブリフレクタまたはキャッツアイリフレクタからなる請求項２に記載の反射形レーザ測長器。
【請求項４】
前記光学素子は、前記照射レーザ光および／または反射レーザ光を透過して円偏向する円偏向フィルタである請求項１に記載の反射形レーザ測長器。
【請求項５】
前記光学素子は、その光学面に垂直でない角度で入射する前記照射レーザ光および／または反射レーザ光を反射して円偏向する円偏向反射板である請求項１に記載の反射形レーザ測長器。
【請求項６】
前記自己結合型のレーザ素子は、ＶＣＳＥＬ型のレーザダイオードである請求項１に記載のレーザ測長器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光の自己結合作用（自己混合効果ともいう）を利用して距離を計測する反射形レーザ測長器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学的な距離計測技術の１つにレーザ光の自己結合効果［Self mixing Effect］を利用したものがある（例えば特許文献１,２を参照）。この手法は、例えば図１に示すように所定の変調信号を用いて駆動したレーザ素子（以下、ＬＤ）１から計測対象物２にレーザ光を照射すると共に、計測対象物２により反射されて前記レーザ素子１に戻った反射レーザ光と前記出力レーザ光との自己結合により生じた変調光（変調波）を受光器（以下、ＰＤ）３にて受光し、その出力を周波数分析する等して前記計測対象物２までの距離Ｌを測定するものである。
【０００３】
即ち、レーザ素子１から出力されるレーザ光の発振波長を変化させると、或る発振波長において計測対象物２により反射した戻りレーザ光（反射レーザ光）と上記レーザ素子１の出力レーザ光（照射レーザ光）とが共振条件を満たしたとき（自己結合効果）、前記受光器３の出力が増加する。例えば付与した電流値に応じてレーザー光の発振波長が変化するタイプのレーザー素子を図２に示すような三角波α（縦方向が電流値、横方向が時間を表す）を用いて波長変調すれば、三角波αの一周期分において時間の経過と共に電流値が連続的に増加するので、これに応じてレーザ素子から放出されるレーザー光の波長は連続的に増加する。そして電流値がピークに達した後は電流値が連続的に減少するので、これに応じて上記レーザ素子から放出されるレーザー光の波長は連続的に減少する。
【０００４】
このようにして放射レーザー光の波長が連続的に増減する中で、上記放射レーザー光とその戻りレーザー光との間の共振条件が何度も満たされる。この結果、前記受光器３からは上記三角波αに微小な共振成分が重畳したビート波形（変調光）βが得られる。従ってこの変調光βを解析すれば、上記共振成分の周波数から計測対象物２までの距離Ｌを求めることが可能となる。例えば上記変調光βを微分して三角波αに重畳した信号成分を抽出し、この信号成分を計数することによって距離Ｌを求めることが可能となる。
【特許文献１】特開平１０−２４６７８２号公報
【特許文献２】特開平１１−２８７８５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで反射形レーザ測長器においては、レーザ素子１から放射されるレーザ光の不本意な拡散を防ぐべく、レーザ素子１の前面に光学素子（レンズ）４を設けることが多い。そしてレーザ素子１から放射されたレーザ光を光学素子４を介してビーム状に絞り込んで計測対象物２に照射し、またその戻りレーザ光（反射レーザ光）を上記光学素子４を介して集光してレーザ素子に導くようにしている。またレーザ素子１の前面に光学素子（レンズ）４を設けない場合であっても、その使用環境下でのレーザ素子１の汚れを防止するべくレーザ素子１の前面をガラス等の透明体（窓部）にて覆うことも多い。
【０００６】
するとレーザ光(直線偏波）が上記光学素子４や透明体を透過する際、その光学的歪みに起因して上記レーザ光の偏光面が回転することがある。この結果、放射レーザ光と反射レーザ光との偏光面との間にずれが生じて前述したレーザ光の自己結合効果が生じなくなることがあった。特にレーザ素子１としてＶＣＳＥＬ（垂直共振器表面発光）型のレーザダイオードを用いた場合、その放射レーザ光の偏光面が時間的に不連続に変化するので、放射レーザ光と反射レーザ光との偏光面を一致させることが難しいと言う問題があった。
【０００７】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、レーザ光の自己結合効果を確実に生起して計測対象物までの距離を信頼性良く計測することのできる簡易な構成の反射形レーザ測長器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するべく本発明に係る反射形レーザ測長器は、例えばＶＣＳＥＬ型のレーザダイオードのような自己結合型のレーザ素子から波長変調したレーザ光を計測対象物に照射すると共に、上記計測対象物により反射されて前記レーザ素子に戻った反射レーザ光と前記照射レーザ光との自己結合作効果により生じる変調レーザ光を解析して前記測定対象物までの距離を測定するものであって、特に前記レーザ光の光路中に前記照射レーザ光および／または反射レーザ光を円偏向する光学素子を設けたことを特徴としている。
【０００９】
ちなみに前記光学素子は、例えば請求項２に記載するように前記計測対象物に設けられて前記照射レーザ光を反射する再帰反射体、具体的には請求項３に記載するように照射レーザ光を反射して円偏波した反射レーザ光を得るコーナキューブリフレクタまたはキャッツアイリフレクタからなる。或いは前記光学素子は、請求項４に記載するように前記照射レーザ光および／または反射レーザ光を透過して円偏向する円偏向フィルタ、若しくは請求項５に記載するようにその光学面に垂直でない角度で入射する前記照射レーザ光および／または反射レーザ光を反射して円偏向する円偏向反射板からなる。
【発明の効果】
【００１０】
上述した構成の反射形レーザ測長器によれば、レーザ光の光路中に前記照射レーザ光および／または反射レーザ光を円偏向する光学素子を設けているので、レーザ素子から照射された照射レーザ光の偏波面がどの向きを向いていても、上記レーザ素子に戻ってくる戻りレーザ光（反射レーザ光）が円偏向されており、照射レーザ光と反射レーザ光との自己結合効果が確実に生じる。特にレーザ素子がＶＣＳＥＬ（垂直共振器表面発光）型のレーザダイオードであり、その放射レーザ光の偏光面が時間的に不連続に変化するような場合であっても、上記自己結合効果が必ず生じることになる。
【００１１】
特に計測対象物にレーザ光を反射する再帰反射体、具体的にはコーナキューブリフレクタまたはキャッツアイリフレクタを設けるようにすれば、自己結合型のレーザ素子から放射されたレーザ光を上記レーザ素子に向けて精度良く反射することができることのみならず、上記レーザ素子から放射されて平面偏波されているレーザ光を円形偏波したレーザ光として反射することができるので光軸合わせ等が不要となり、その光学系の簡素化を図り得る。従ってレーザ素子の前面にレンズや透明体（カバー）が設けられており、これによって平面偏波されたレーザ光の偏波面が回転するような場合であっても、或いはレーザ光の偏光面が不連続に変化するような場合であっても、計測対象物に照射された上記レーザ光を円形偏波した反射レーザ光としてレーザ素子に戻すことができる。この結果、照射レーザ光の偏光面がどの方向を向いている場合であっても、自己結合型のレーザ素子におけるレーザ光の自己結合効果を確実に生起することが可能となる。
【００１２】
即ち、本発明に係る反射形レーザ測長器においては、レーザ光の光路中に前記照射レーザ光および／または反射レーザ光を円偏向する光学素子を設けているので、自己結合型のレーザ素子には必ず円形偏波した反射レーザ光が導入されることになる。従ってレーザ素子から放射されるレーザ光の偏光面の向きに拘わることなくレーザ光の自己結合作用が確実に生じることになる。故に、レーザ素子から放射するレーザ光を波長変調しておけば、レーザー光の波長の連続的な増減に伴って放射レーザー光とその戻りレーザー光とが共振するので、その変調波を解析することで計測対象物までの距離を正確に計測することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明に係る反射形レーザ測長器について説明する。
《第１の実施形態》
この反射形レーザ測長器は、基本的には前述した図１に示した従来の反射形レーザ測長器と同様に構成されるが、特に図３に示すように計測対象物２に、レーザ光を反射する再帰反射体５を設けたことを特徴としている。上記再帰反射体５は図４(ａ)(ｂ)に示すようなコーナキューブリフレクタ５ａ、または図５(ａ)(ｂ)に示すようなキャッツアイリフレクタ５ｂからなる。
【００１４】
即ち、コーナキューブリフレクタ５ａは、図４(ｂ)に示すように３枚の二等辺三角形状をなす平面反射体を互いに直交させて配置し、これによって凹状の三角錐形状の反射面を形成したコーナキューブ５１を、図４(ａ)に示すように複数個平面的に並べたものであり、そこに照射された光（レーザ光）をその照射方向と逆向きに反射する機能を有する。特にコーナキューブ５１（コーナキューブリフレクタ５ａ）は、或る方向に平面偏波された光を円形偏光して反射する性質を有する。
【００１５】
またキャッツアイリフレクタ５ｂは、図５(ｂ)に示すように所定の屈折率を有する透明なビーズ状の球体５２を半分だけ遮光体からなる基体５３に埋め込み、基体５３との接触面を反射面としたキャッツアイ５４を、図５(ａ)に示すように複数個平面的に並べたものであり、球体５２に照射された光（レーザ光）をその照射方向と逆向きに反射する機能を有する。このキャッツアイ５４（キャッツアイリフレクタ５ｂ）もまた、上述したコーナキューブ５１（コーナキューブリフレクタ５ａ）と同様に、或る方向に平面偏波された光を円形偏光して反射する性質を有する。
【００１６】
尚、図３において自己結合型のレーザ素子１は、例えばＶＣＳＥＬ（垂直共振器表面発光）型のレーザダイオードからなる。このレーザ素子１は、発振器１１から与えられる三角波のような変調波に応じて駆動増幅器１２により駆動され、例えばその駆動電流の増減により波長変調されたレーザ光を発振出力する。また受光器３は、レーザ素子１における自己結合効果により生じた変調レーザ光（変調波）を受光し、その受光強度に応じた信号を出力するフォトトランジスタからなる。そしてこの受光器３の出力は前置増幅器１３を介して微分器１４に導かれており、微分処理によってレーザ光の自己結合効果により生じた変調成分が抽出されている。そしてカウンタ１５は、上記微分器１４により求められた変調成分を計数することで前記計測対象物２までの距離Ｌを求めるものとなっている。
【００１７】
かくして上述した如く構成された反射形レーザ測長器によれば、計測対象物２にコーナキューブリフレクタ５ａまたはキャッツアイリフレクタ５ｂからなる再帰反射体５が取り付けられているので、レーザ素子１から計測対象物２に向けて照射したレーザ光は、上記再帰反射体５により上記レーザ素子１に向けて反射される。従ってレーザ素子１から照射されたレーザ光は、計測対象物２にて反射されて上記レーザ素子１に確実に戻されることになる。
【００１８】
これにも増して上記反射形レーザ測長器によれば、計測対象物２に取り付けた反射体がコーナキューブリフレクタ５ａまたはキャッツアイリフレクタ５ｂからなる再帰反射体５なので、平面偏波された照射レーザ光の偏光面の向きに拘わらず、その反射レーザ光は円形偏波されたものとなる。従って計測対象物２による反射レーザ光がレーザ素子１に確実に折り返されることと相俟って、その反射レーザ光が円形偏波しているので、レーザ素子１から出力されるレーザ光の偏光方向に拘わることなくレーザ光の自己結合効果が確実に生じる。この結果、レーザ素子１から出力するレーザ光を波長変調しておけば、レーザ光の波長が変化する過程において共振条件が成立する都度、レーザ光の自己結合効果によって照射レーザ光と反射レーザ光とが共振することになり、これによって生じる変調レーザ光からその共振成分を抽出することで計測対象物２までの距離Ｌを正確に計測することが可能となる。
【００１９】
特に上述した構成によれば、レーザ光の照射光路中にレンズや透明体等のレーザ光の偏光方向にずれを与える要素が介在する場合であっても、必ず円形偏波した反射レーザ光をレーザ素子１に導入することができるので、上記偏光面のずれ要素の存在が問題となることがない。従ってレーザ光の照射系（光学系）を、その計測仕様に応じて種々工夫する場合であっても、上記照射系（光学系）の影響を受けることなしにレーザ光の自己結合効果を確実に生起することができるので、安定した精度の高い距離計測が可能となる等の効果が奏せられる。特にレーザ光の自己結合効果を利用した反射形レーザ計測器において、計測対象物２にコーナキューブリフレクタ５ａまたはキャッツアイリフレクタ５ｂからなる再帰反射体５を設けると言う簡単な構成にて、レーザ光の偏光方向に関する技術的課題を解消することができるので、その実用的利点が多大である。
【００２０】
《第２の実施形態》
ところで計測対象物２にコーナキューブリフレクタ５ａまたはキャッツアイリフレクタ５ｂからなる再帰反射体５を設けることに代えて、図６に示すように計測対象物２との間に形成されるレーザ光の光路中に、計測対象物２への照射レーザ光および／または計測対象物２からの反射レーザ光を円偏向する円偏光フィルタ（サーキュラフィルタ）６を設け、レーザ素子１に戻るレーザ光を円形偏波するようにして反射形レーザ測長器を構成しても良い。
【００２１】
上記円偏光フィルタ６は、基本的には透過型の１／４波長板を用いて直線偏光を円偏光に変換する機能を備えた光学素子であるから、上述したようにレーザ光の光路中に介挿することで、レーザ素子１から射出されたレーザ光の偏向面がどの方向を向いていても、或いはそのその偏向面が不規則に変化しても、上記レーザ素子１に戻るレーザ光を円形偏波したものとすることが可能となる。この結果、先の実施形態と同様に照射レーザ光と戻りレーザ光との自己結合効果を確実に生起することが可能となるので、自己結合効果によって生じる変調レーザ光から計測対象物２までの距離Ｌを正確に計測することが可能となる。
【００２２】
《第３の実施形態》
一方、上述した円偏光フィルタ６に示される透過型の光学素子に代えて、図７に示すように反射形の光学素子７を用いて反射形レーザ測長器を構成することも可能である。この反射形の光学素子７は、誘電体ミラー等の多層膜反射体からなり、その光学面に垂直でない角度（斜め）からの入射光に対して円偏向作用を呈するものである。
【００２３】
従ってこのような反射形の円偏向光学素子（誘電体ミラー）７を介して前記レーザ素子１と計測対象物２との間にレーザ光の光路を形成すれば、前述した各実施形態と同様に照射レーザ光と戻りレーザ光との自己結合効果を確実に生起することが可能となる。故にこのような構成の反射形レーザ測長器においても、自己結合効果によって生じる変調レーザ光から計測対象物２までの距離Ｌを正確に計測することが可能となる。
【００２４】
《その他の実施形態》
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば計測対象物２に装着するコーナキューブリフレクタ５ａまたはキャッツアイリフレクタ５ｂからなる再帰反射体５の大きさ等は、その計測仕様や計測対象物２の大きさに応じたものであれば良く、コーナキューブ５１の大きさ、またキャッツアイ５４における球体５２の大きさも、その計測仕様に応じたものであれば十分である。更には計測に用いるレーザ光の波長や、その変調波長域（波長変調幅）等も仕様に応じたものであれば良い。また自己結合型のレーザ素子１についても前述したＶＣＳＥＬ型のレーザダイオードに限らず、導波路型レーザダイオード等であっても良い。
【００２５】
また前述した円偏光フィルタ６や反射形の円偏向光学素子（誘電体ミラー）７を用いる場合には、計測対象物２による反射レーザ光が確実にレーザ素子１に戻るように、その光路および光軸を予め調整しておくことは言うまでもない。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】レーザ光の自己結合効果を用いた反射形レーザ測長器の基本的な構成例を示す図。
【図２】レーザ光の自己結合効果を用いた反射形レーザ測長器の計測原理を説明する為の図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る反射形レーザ測長器の概略構成を示す図。
【図４】図３に示す反射形レーザ測長器にて用いられる再帰反射器としてのコーナーキューブリフレクタの例を示す図。
【図５】図３に示す反射形レーザ測長器にて用いられる再帰反射器としてのキャッツアイリフレクタの例を示す図。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る反射形レーザ測長器の概略構成を示す図。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る反射形レーザ測長器の概略構成を示す図。
【符号の説明】
【００２７】
１  レーザ素子
２  計測対象
３  受光器
５  再帰反射体
５ａ  コーナーキューブリフレクタ
５ｂ  キャッツアイリフレクタ
６  円偏向フィルタ（透過型光学素子）
７  誘電体ミラー（反射形光学素子）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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