(57)【特許請求の範囲】
【請求項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揺動させることを特徴とするミキシング装置。
【請求項２】
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ていることを特徴とする請求項１に記載のミキシング装置。
【請求項３】
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揺動させることを特徴とする距離測定装置。
【請求項４】
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ていることを特徴とする請求項３に記載の距離測定装置。
【発明の詳細な説明】
【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。【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。【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。）。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】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【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。【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。
【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。
【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
【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、７５ＫＨｚ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。【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。【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。【００２２】
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。【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。【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。【００２５】
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。【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。【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。【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。【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。【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。【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。【００３４】
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。【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。【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による測定値から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。【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。【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。【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。【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、消費電力を小さく、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、異なる部分につい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。【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。【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。【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。【００５１】
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。【００５２】
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。【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。【００５４】
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。【００５５】
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。
【図１】
0004755650.tif 000002
【図２】
0004755650.tif 000003
【図３】
0004755650.tif 000004
【図４】
0004755650.tif 000005
【図５】
0004755650.tif 000006
【図６】
0004755650.tif 000007