(57)【要約】      （修正有）【課題】マルチモードファイバを有するレーザ発光装置に於いて、励起光の光強度分布が均一化容易なレーザ発光装置を提供し、又該レーザ発光装置を具備したレーザ測量機を提供する。【解決手段】励起光を発するレーザ発光器２と、励起光を発振、増幅してレーザ光線１５を射出する共振器４と、前記レーザ発光器から発せられた励起光を前記共振器に導くマルチモードファイバ３とを具備し、該マルチモードファイバにモードスクランブラ５を設け、前記マルチモードファイバを伝播した励起光を前記モードスクランブラにより撹拌し、光強度分布を均一化して前記共振器に入射させる様構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を発するレーザ発光器と、励起光を発振、増幅してレーザ光線を射出する共振器と、前記レーザ発光器から発せられた励起光を前記共振器に導くマルチモードファイバとを具備し、該マルチモードファイバにモードスクランブラを設け、前記マルチモードファイバを伝播した励起光を前記モードスクランブラにより撹拌し、光強度分布を均一化して前記共振器に入射させる様構成したことを特徴とするレーザ発光装置。
【請求項２】
前記モードスクランブラは前記マルチモードファイバの射出端部に設けられた請求項１のレーザ発光装置。
【請求項３】
レーザ光線を測定対象物に照射し、該測定対象物からの反射光を受光して距離測定を行うレーザ測量機に於いて、前記レーザ光線の発光源として請求項１記載のレーザ発光装置を具備することを特徴とするレーザ測量機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマルチモードファイバを用いたレーザ発光装置及び該レーザ発光装置を具備するレーザ測量機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザダイオードで発光された励起光をマルチモードファイバを介して共振部に入射させ、該共振部で励起光をポンピングし、共振、増幅してレーザ光線として出力している。
【０００３】
励起光を共振部に導くマルチモードファイバは機器に設置する過程で、曲げられ、捩られる等、所要の変形が加えられるが、変形によりマルチモードファイバ内部に応力が発生し、発生した応力はマルチモードファイバを伝播するレーザ光線の進行状態に影響を与え、光強度分布を不均一にさせ、レーザ光線の品質を劣化させる。
【０００４】
例えば、レーザ発光装置がレーザ測量機に用いられた場合は、光強度分布の不均一は、反射光の受光強度に影響することから測距精度に影響を与えることになる。
【０００５】
この為、共振部に入射する励起光の光強度分布の均一化が要求される。
【０００６】
従来では、レーザダイオードにマルチモードファイバを装着した状態で、マルチモードファイバから射出される励起光の光強度分布が均一である様に、レーザダイオードを選択するか、或はレーザダイオードの発光状態を調整するか等していた。
【０００７】
この為、レーザ発光装置の歩留りが悪く、又調整コストが掛る等し、レーザ発光装置は高価なものとなっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平９−３１８７４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は斯かる実情に鑑み、マルチモードファイバを有するレーザ発光装置に於いて、励起光の光強度分布が均一化容易なレーザ発光装置を提供し、又該レーザ発光装置を具備したレーザ測量機を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、励起光を発するレーザ発光器と、励起光を発振、増幅してレーザ光線を射出する共振器と、前記レーザ発光器から発せられた励起光を前記共振器に導くマルチモードファイバとを具備し、該マルチモードファイバにモードスクランブラを設け、前記マルチモードファイバを伝播した励起光を前記モードスクランブラにより撹拌し、光強度分布を均一化して前記共振器に入射させる様構成したレーザ発光装置に係るものである。
【００１１】
又本発明は、前記モードスクランブラは前記マルチモードファイバの射出端部に設けられたレーザ発光装置に係るものである。
【００１２】
更に又本発明は、レーザ光線を測定対象物に照射し、該測定対象物からの反射光を受光して距離測定を行うレーザ測量機に於いて、前記レーザ光線の発光源として前記レーザ発光装置を具備するレーザ測量機に係るものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、励起光を発するレーザ発光器と、励起光を発振、増幅してレーザ光線を射出する共振器と、前記レーザ発光器から発せられた励起光を前記共振器に導くマルチモードファイバとを具備し、該マルチモードファイバにモードスクランブラを設け、前記マルチモードファイバを伝播した励起光を前記モードスクランブラにより撹拌し、光強度分布を均一化して前記共振器に入射させる様構成したので、マルチモードファイバより射出される励起光の光強度分布が不均一であった場合でも、レーザダイオードを選択する、或はレーザダイオードの発光状態を調整する必要がなく、レーザ発光装置の歩留りを向上させ、安価なレーザ発光装置を提供することができる。
【００１４】
又本発明によれば、レーザ光線を測定対象物に照射し、該測定対象物からの反射光を受光して距離測定を行うレーザ測量機に於いて、前記レーザ光線の発光源として前記レーザ発光装置を具備するので、レーザ測量機の製作費の低減が図れるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例に係るレーザ発光装置の概略構成図である。
【図２】該レーザ発光装置に用いられるモードスクランブラの一例を示す説明図である。
【図３】該レーザ発光装置に用いられるモードスクランブラの他の例を示す説明図である。
【図４】図４（Ａ）、図４（Ｂ）はそれぞれ、前記モードスクランブラを設けない場合、設けた場合の励起光光束断面の光強度の画像を示す図である。
【図５】図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、それぞれ図４（Ａ）、図４（Ｂ）に於ける、Ｘ線上の光強度分布を示すグラフである。
【図６】（Ａ）は、モードスクランブラを設けない場合の光パルスの発振状態を示すグラフ、（Ｂ）は、パルス強度を示すもので、パルスの発光を時系列に示すグラフである。
【図７】（Ａ）は、モードスクランブラを設けた場合の光パルスの発振状態を示すグラフ、（Ｂ）は、パルス強度を示すもので、パルスの発光を時系列に示すグラフである。
【図８】本発明に係るレーザ発光装置を具備するレーザ測量機の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施例に係るレーザ発光装置１を示している。
【００１８】
図１中、２は励起光を発するレーザ発光器（ＬＤ発光器）、３は該ＬＤ発光器２から発せられた励起光を所要の位置（例えば光共振部４）迄導くオプティカルファイバ（マルチモードファイバ）であり、該オプティカルファイバ３はコイル状に湾曲され、或は方向変換の為、屈曲、捩られる等、所要の処理がなされている。
【００１９】
又、前記オプティカルファイバ３の所要位置、好ましくは射出端近傍にモードスクランブラ５が設けられる。前記オプティカルファイバ３の射出端に対向して集光レンズ６が設けられる。該集光レンズ６は、前記オプティカルファイバ３から射出される励起光７を集光させ前記光共振部４に入射させる。
【００２０】
該光共振部４に入射した励起光は、該光共振部４で基本波に発振され、増幅され該光共振部４から射出され、或は２次高調波に発振され、増幅され、要求されるレーザ光線として射出される。
【００２１】
前記光共振部４について説明する。
【００２２】
該光共振部４の入射側に第１共振ミラー１１、前記光共振部４の射出側に第２共振ミラー１２が設けられ、前記第１共振ミラー１１、前記第２共振ミラー１２の間に前記第１共振ミラー１１側からレーザ媒質１３、Ｑスイッチ１４が設けられる。
【００２３】
前記レーザ媒質１３は、前記光共振部４からＱスイッチパルス出力されるパルスレーザ光線１５の波長に対応して選択される。
【００２４】
例えば、前記レーザ媒質１３にＮｄ：ＹＶＯ4 が使用されれば、発振波長は１０６４ｎｍであり、前記レーザ媒質１３にＮｄ：ＹＡＧが使用されれば、Ｎｄ：ＹＡＧは９４６ｎｍ、１０６４ｎｍ、１３１９ｎｍ等の発振波長を有している。又、発振波長が１．５４μｍ帯のＥｒ，Ｙｂ：Ｇｌａｓｓ等を使用することもできる。
【００２５】
前記Ｑスイッチ１４は、前記第１共振ミラー１１と前記第２共振ミラー１２間で基本波がポンピングされ、増幅され、所定のエネルギ以上となった場合に、前記光共振部４から基本波を射出する機能を有する。従って、前記光共振部４からはパルスレーザ光線１５がパルス光として射出される。
【００２６】
尚、前記Ｑスイッチ１４としては、電気光学素子、音響光学素子、過飽和吸収体、或は電子シャッタ等が用いられる。
【００２７】
又、前記光共振部４に、非線形結晶を設け、第２高調波を発振させ、第２高調波のパルスレーザ光線を発生させることも可能である。
【００２８】
次に、前記モードスクランブラ５を説明する。
【００２９】
上記した様に、前記オプティカルファイバ３が用いられることで、励起光の光強度分布が不均一となることがある。前記光共振部４に入射する励起光の光強度分布は、パルスレーザ光線１５の光強度分布にそのまま現れる。前記モードスクランブラ５は、前記オプティカルファイバ３に入射する励起光の、光強度を均一化するものである。
【００３０】
前記モードスクランブラ５は、前記オプティカルファイバ３に機械的な変形を与え、前記オプティカルファイバ３に応力を発生させる。前記オプティカルファイバ３に発生する応力は、前記オプティカルファイバ３を伝播するレーザ光線の進行状態に影響を与えるものであり、該オプティカルファイバ３に応力を発生させることで、該オプティカルファイバ３を伝播するレーザ光線を撹拌し、光強度分布の均一化を促進する。
【００３１】
図２は、前記モードスクランブラ５に於ける前記オプティカルファイバ３に変形を与える１態様を示している。
【００３２】
前記オプティカルファイバ３を挾み、相対向する押圧部材１７ａ，１７ｂが設けられる。該押圧部材１７ａ，１７ｂは、それぞれ対向面に凸部１８ａ，１８ｂを有し、該凸部１８ａ，１８ｂは、前記オプティカルファイバ３に対して千鳥状の配列となっている。
【００３３】
前記オプティカルファイバ３に前記押圧部材１７ａ，１７ｂを押圧することで、前記オプティカルファイバ３は前記凸部１８ａ，１８ｂによって、交互に異なる方向に屈曲される。従って、前記モードスクランブラ５内部では前記オプティカルファイバ３は蛇行する様に、変形される。従って、前記オプティカルファイバ３内部では、前記オプティカルファイバ３の軸心方向に沿って応力の発生状態が変化する。
【００３４】
尚、前記オプティカルファイバ３を蛇行させる様に、屈曲させる方法としては種々考えられ、所定の直径のピンを所定の間隔で直線上に立設し、ピンの間を屈曲させながら挿通させる様にしてもよい。
【００３５】
図３は、モードスクランブラ５に於けるオプティカルファイバ３の他の変形例を示している。
【００３６】
他の変形例では、円筒状の心棒１９に前記オプティカルファイバ３を複数回巻付けたものである。該変形例に於いても、前記オプティカルファイバ３を巻付けることで、前記オプティカルファイバ３に曲げ変形が与えられ、該オプティカルファイバ３の内部には応力が発生する。
【００３７】
尚、上記変形を合成してもよく、或は更に捩り変形を付加してもよい。
【００３８】
図４に於いて、前記オプティカルファイバ３に前記モードスクランブラ５を設けた場合の効果について説明する。図４（Ａ）、図４（Ｂ）はそれぞれ、前記モードスクランブラ５を設けない場合、設けた場合の励起光光束断面の光強度の画像を示す。図４に於いて、明るい部分が光強度が強い部分、暗い部分が弱い部分を示している。
【００３９】
図４（Ａ）では、中央の部分が暗くなっており、光強度が弱いことが分る。又、図４（Ｂ）では、全体が明るく光強度が均一となっていることが分る。
【００４０】
又、図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、それぞれ図４（Ａ）、図４（Ｂ）に於ける、Ｘ線上の光強度分布をグラフ化したものである。図５（Ａ）は前記モードスクランブラ５を設けない場合、図５（Ｂ）は前記モードスクランブラ５を設けた場合である。
【００４１】
図５（Ａ）では、光束の中央部で大きな落込みが見られるが、図５（Ｂ）では、光束の中央部で光強度が最大となり、周辺に向って漸次光強度が減少する好ましい光強度分布となっている。
【００４２】
図６は、前記モードスクランブラ５を設けない場合の光パルスの発振状態を示している。又、図６（Ａ）は、パルス強度波形１５ａを示すもので、重ね書した画像であり、図６（Ｂ）は、パルス強度１５ｂを示すもので、パルスの発光を時系列に示している。
【００４３】
前記モードスクランブラ５を設けない場合では、発光強度のピーク値にバラツキがあり、図６（Ｂ）に示される様に、パルス強度は交互に半減している。発光強度の変動は、前記オプティカルファイバ３から射出される励起光の偏光方向が変動することに起因している。
【００４４】
図７は図６と同様、前記モードスクランブラ５を設けた場合の光パルスの発振状態を示している。又、図７（Ａ）は、パルス強度波形１５ａを示すもので、重ね書した画像であり、図７（Ｂ）は、パルス強度１５ｂを示すもので、パルスの発光を時系列に示している。
【００４５】
前記モードスクランブラ５を設けた場合では、図７（Ａ）に示される様に、発光強度のピーク値は一定であり、発光状態は安定している。又、図７（Ｂ）に示される様に、パルス強度は一定である。これは、射出される励起光の偏光方向が安定していることを示している。
【００４６】
尚、その他の効果として、サブパルスの発生が抑止され、又パルスジッターが減少することが確認されている。
【００４７】
而して、前記オプティカルファイバ３に前記モードスクランブラ５を設けることで、マルチモードファイバを有する前記レーザ発光装置１に於いて、励起光の光強度分布が均一化し、レーザ光線の品質を向上させることができる。
【００４８】
本発明のレーザ発光装置を具備する装置として、例えば図８のレーザ測量機を例示できる。
【００４９】
レーザ測量機２１は、整準部（図示せず）を介して設置される本体部２２、該本体部２２に回転自在に設けられた回動部２３から主に構成されている。
【００５０】
該回動部２３は軸受２４を介して前記本体部２２に設けられ、鉛直な回転軸心を中心に回転自在となっている。
【００５１】
前記本体部２２には、測距光学系２６、制御演算部２７、電源部２８等が収納されている。
【００５２】
前記測距光学系２６は、前記回転軸心と合致する光軸を有し、該光軸上にビームスプリッタ２９、集光レンズ３１、該集光レンズ３１と前記ビームスプリッタ２９との間に設けられた偏光光学部材としてのミラー３２が設けられ、該ミラー３２と対向する位置にレーザ発光装置１０が設けられる。該レーザ発光装置１０は、図１で示された前記レーザ発光装置１と同等の構成を有する。
【００５３】
該レーザ発光装置１０からは測距光としてのパルスレーザ光線３３（波長λ１）が射出され、該パルスレーザ光線３３は前記ミラー３２によって反射され、前記光軸上に偏向される様になっている。
【００５４】
前記ビームスプリッタ２９は、波長選択膜が形成された反射面２９ａを有し、該反射面２９ａで前記光軸が分割され、分割された反射光軸上には受光部３５が設けられ、前記反射面２９ａを透過する透過光軸上には撮像素子３６が設けられる。
【００５５】
前記反射面２９ａは、波長λ１の測距反射光を前記受光部３５に向けて反射し、自然光（可視光、波長λ２）を透過する。前記反射面２９ａを透過した自然光は、前記撮像素子３６によって受光され、該撮像素子３６は測定対象物を含む背景画像を取得する。
【００５６】
前記本体部２２と前記軸受２４との間にはリング状に構成された水平回転モータ３８が設けられ、該水平回転モータ３８によって前記回動部２３が回転される。又前記本体部２２と前記回動部２３間には水平角検出器としての水平エンコーダ３９が設けられ、該水平エンコーダ３９によって、前記回動部２３の前記本体部２２に対する相対回転角が検出される様になっている。
【００５７】
前記軸受２４によって支持される回転フレーム４１には、前記回転軸心（即ち、前記光軸）と直交する水平な水平軸４２が軸受４３を介して回転自在に支持されている。前記水平軸４２には光軸偏向部材である高低回動ミラー４４が固着され、前記水平軸４２と一体に回転する様になっている。
【００５８】
前記回転フレーム４１には、前記水平軸４２と同心にリング状の高低回動モータ４５が設けられ、該高低回動モータ４５は前記水平軸４２を中心に前記高低回動ミラー４４を高低方向に回転する。又前記回転フレーム４１と前記水平軸４２間には高低エンコーダ４６が設けられ、前記水平軸４２、即ち前記高低回動ミラー４４の高低角を検出する様になっている。
【００５９】
以下、レーザ測量機２１の測距について説明する。
【００６０】
前記制御演算部２７は、前記レーザ発光装置１０の発光を制御し、前記水平回転モータ３８、前記高低回動モータ４５の駆動を制御する。又、前記回動部２３の水平回転は前記水平エンコーダ３９によって検出され、前記高低回動ミラー４４の高低角は前記高低エンコーダ４６によって検出される。前記制御演算部２７は、前記水平エンコーダ３９、前記高低エンコーダ４６の検出結果に基づき、前記高低回動ミラー４４の姿勢を所望状態に制御する。
【００６１】
前記レーザ発光装置１０からはパルス測距光が発せられ、該パルス測距光は前記ミラー３２で反射され、前記集光レンズ３１で平行光束とされ、前記高低回動ミラー４４によって水平方向に偏向され、測定対象物に照射される。
【００６２】
測定対象物からの反射測距光は、前記高低回動ミラー４４によって光軸上に偏向され、前記反射面２９ａによって前記受光部３５に向けて偏向され、更に前記集光レンズ３１によって前記受光部３５上に結像される。
【００６３】
又、測定対象物からの背景光が前記高低回動ミラー４４、前記集光レンズ３１を経て前記ビームスプリッタ２９（前記反射面２９ａ）を透過して、前記撮像素子３６に受光され、該撮像素子３６によって測定対象物を含む背景画像が取得される。
【００６４】
前記制御演算部２７は、前記受光部３５からの反射測距光の受光信号に基づき、測定対象物迄の距離を演算し、又反射測距光を受光した時の前記水平エンコーダ３９、前記高低エンコーダ４６の検出結果を取得し、測定対象物の水平角、高低角を演算し、測定対象物の測定を行う。更に、測定時の画像を取得することで、測定対象物の画像付の３次元測定が行える。
【符号の説明】
【００６５】
１              レーザ発光装置
２              ＬＤ発光器
３              オプティカルファイバ
４              光共振部
５              モードスクランブラ
７              励起光
１０            レーザ発光装置
１１            第１共振ミラー
１２            第２共振ミラー
１３            レーザ媒質
１４            Ｑスイッチ
２２            本体部
２３            回動部
２６            測距光学系
２７            制御演算部
２９            ビームスプリッタ
３５            受光部
３６            撮像素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図４】
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【図５】
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