調光裝置以及使用所述調光裝置的距離測定裝置的製作方法

2023-10-05 11:38:54

專利名稱：調光裝置以及使用所述調光裝置的距離測定裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種例如對'雷射(laser light)的光量進^f亍調整的調光裝 置以及使用所述調光裝置的距離測定裝置。
背景技術：
先前以來，眾所周知的是光波測距儀(range finder )，通過對測定對 象照射雷射，利用受光元件接收來自該測定對象的反射雷射，來測定距離 (參照日本專利特開2000 一 162517號公報)。
所述光波測距儀具備對內部參考光路以及外部測距光路的光量水平進 行調整的濃度濾光片。所述濃度濾光片在旋轉方向上具有濃度梯度 (concentration gradient),利用電動枳W吏所述濃度濾光片旋轉到預定的 旋轉角度，藉此來轉換成預定的濃度。
然而，所述濃度濾光片存在如下問題由於具有濃度梯度的濃度濾光 片較大，並且利用電動機使其旋轉來轉換濃度，因此難以高速地對濃度進 行轉換。

發明內容
本發明的目的在於提供一種能夠高速地進行濃度轉換的調光裝置以及 使用所述調光裝置的距離測定裝置。
為了實現所述目的，本發明的一實施例的調光裝置是，對從第一光纖 的輸出端輸出而導入到第二光纖的輸入端的光束的光量進行調節。該調光 裝置包括反射構件，將從所述第一光纖的輸出端輸出的光束加以反射；濃 度濾光片，使由所述反射構件所反射的光束透過，並且根據所述光束的透 過位置來對透過光量進行控制；以及光學構件，將透過所述濃度濾光片的 光束加以反射並導入到所述反射構件；且透過所述濃度濾光片的光束的光 量沿著所述光束的透過位置改變的方向而增減；所述反射構件配置成能夠 傾斜轉動，通過傾斜轉動所述反射構件，來使透過所述濃度濾光片的光束 的透過位置改變。


圖1是表示使用本發明的調光裝置的距離測定裝置的實施例1的說明圖。
圖2是表示圖1所示的反射搖動裝置的MEMS的概略構造的透視圖。 圖3是用以說明圖2所示的反射搖動裝置的作用的示意圖。 圖4是用以說明入射到圖3所示的第2光纖時的雷射的振蕩狀態的說 明圖。
圖5是表示調光裝置的光學系統的光學配置圖。
圖'6是表示反射搖動裝置的MEMS的結構的透視圖。
圖7是表示平面鏡偏斜轉動而轉換濃度的說明圖。
圖8是表示第2實施例的結構的說明圖。
圖9是表示聚光透鏡的雷射的透過位置的說明圖。
圖IO是表示聚光透鏡的雷射的透過位置向上移動後的情況的說明圖。
具體實施例方式
以下，根據附圖，來說明本發明所屬的調光裝置以及使用所述調光裝 置的距離測定裝置的實施形態的實施例。 [實施例1]
圖1表示使用本發明的調光裝置200的距離測定裝置100的實施例1。 所述距離測定裝置100具有作為光源的半導體雷射器(semiconductor laser )18,所述光源通過控制裝置400而受到控制。所述距離測定裝置100 是用於通過將雷射經由混合裝置(mixing device) 300而照射到測定對象， 並接收來自測定對象的反射光，來測定距離。
混合裝置300具有導光用光纖24、準直透鏡(collimated lens) 26、 反射搖動裝置25、以及混合用光纖28。光纖24、 28的末端分別加工成輸 入端24a、 28a及輸出端24b、 28b。光纖28的直徑例如為300 u m。
半導體雷射器18由第1轉換器14 (後述)的輸出信號來驅動，而射出 通過控制裝置400而調製的雷射P0。所述已射出的雷射P0經由透鏡19而 入射到光纖24的輸入端24a。
反射搖動裝置25設置在光纖24與光纖28的光路間。所述反射搖動裝 置25包4舌MEMS (Micro Electro Mechanical Systems, 4敬電子才幾才成系統) 27。
在此，所謂MEMS是Micro Electro Mechanical Systems的略寫，是融 合有機械要素與電氣要素的微細裝置的總稱。所述MEMS是一項具有在晶片 或基板上包括可動部分的這一迄今為止的半導體裝置中所沒有的新功能的 技術，所述功能正被期望作為新的平臺(platform)技術，而應用到輸入 輸出零件或各種傳感器(sensor)等之中。
圖2表示反射搖動裝置25的MEMS27的概略構造。反射搖動裝置25具 有圓盤狀鏡面板(mirror board )27a。所述鏡面板的直徑例如為約1 mm。
在所述鏡面板27a的周面上形成有在直徑方向上延伸的一對軸部27b、 27b。
所述一對軸部27b、 27b的端部分別經由彈簧部27c而與固定部27d連 接。在所述軸部27b的中途形成有可動梳齒(comb) 27e，在所述可動梳齒 27e上配置著對峙的固定梳齒27fA及27fB。可動衝危齒27e、 27e與固定才危 齒27fA及27fB構成致動器(actuator)的一部分。固定部27d與固定衝危 齒27f A及27fB例如被固定在基板上。
在所述鏡面板27a中，向固定梳齒27fA及27fB、 27fA及27fB施加交 流電壓，並且使可動橫u齒27e、 27e接地(Ground, GND)而進行例如1 KHz 的高頻充電，藉此可使鏡面板27a以軸部27b、 27b為中心而在箭頭F方向 上搖動。此外，在此圖示中並說明了使鏡面板27a在一個軸方向上搖動的 結構，但也可形成如下結構，即，在與軸部27b、 27b的延伸方向正交的方 向上再設置一對軸部，使鏡面板27a在兩個軸方向上搖動。即，也可使鏡 面板27a在兩個軸方向上搖動。
此外，對所述固定梳齒27fA、 27fB既可施加相同的電壓信號，也可施 加不同波形的電壓信號。作為不同波形的例子，有對固定才危齒27fA施加正 弦波信號，而對固定梳齒27fB施加餘弦波信號，並且使固定部27d接地的 情況，或者對固定梳齒27fB施加正弦波信號，而使固定梳齒27fA與固定 部27d接地的情況。
參照圖3,說明反射搖動裝置25的作用。圖3中，在所述鏡面板27a 的前面示意性地形成有衍射光柵(diffraction grating)部27g。所述衍 射光柵部27g是用來配合鏡面板27a作用而消除雷射的發光不均，以使激 光進一步均勻化。此外，衍射光柵部27g可進一步提高混合效果。
如所述圖3所示，將導入到第l光纖24並從輸出端24b射出的雷射Pl 通過準直透鏡26而變為平行光束P2，再導入到衍射光柵部，例如衍射光柵 板27g、鏡面板27a。所述平行光束P2通過衍射光柵板27g而受到衍射，並 且通過鏡面板27a而被反射。
所述反射光P3通過作為光學系統的準直透鏡26而會聚，並且作為會 聚光(convergent light) P4而入射到混合用的光纖28的豐俞入端28a,但 由於鏡面板27a以軸部27b、 27b為中心而搖動著，因此，當會聚光P4入 射到輸入端28a時，如圖4示意性所示，輸入端28a處的入射位置在可入 射範圍內振蕩(excursion),即，會聚光P4產生移動，存在著發光不均的 雷射P0 —點點地振蕩(移動)，由此使得導光路徑變得不同，從而使雷射 P0的光量不均被平均化。
參照圖4，說明入射到圖3所示的第2光纖時的雷射的振蕩狀態。圖4 中，作為示例，將P4的軌跡表示為直線性且周期性的。但是，也可採用直 線以外的圓形、輻射狀、李薩如圖形(Lissajous figures )之類的軌跡。
prism) 29分割成2條光路。射向其中一條光路的雷射P5透過分光稜鏡29 的分光部29a,並透過光路選擇裝置，例如斬波器(chopper) 30，由構成 照射部的一部分的稜鏡32的反射面32a予以反射，並且利用物鏡33而轉 變為平行光束後，以作為測定光而射出到裝置外部。
接著，所述雷射P5通過位於被測定點的作為測定對象的三面直角稜鏡 (corner cube) 34等反射體而反射後再次通過物鏡33，並由稜鏡32的反 射面32b所反射，通過分光稜鏡35的分光部35a後入射到受光側光纖361。 並且，從分光稜鏡29的分光部29a經由稜鏡32及三面直角稜鏡34直到稜 鏡35的分光部35a為止的光路成為外部測距光路37。
射向另一條光路的雷射P6由分光稜鏡29的分光部29a、29b加以反射， 通過斬波器30後由透鏡38轉變為平行光束，通過透鏡39加以會聚後，由 分光稜鏡35的分光部35b、 35a加以反射而入射到受光側光纖361。並且， 從分光稜鏡29的分光部29a，經由分光部29b、透鏡38、 39以及分光稜鏡 35的分光部35b，直到分光稜鏡35的分光部35a為止的光路成為內部參考 光路40。
並且，在受光側光纖361與受光側光纖362之間設置有調光裝置200。
斬波器30用於交替地選擇內部參考光路40與外部測距光路37,調光 裝置200用於對內部參考光路40、外部測距光路37的光量水平進行調整。
圖5表示調光裝置200的光學系統。調光裝置200包括反射構件，例 如平面鏡220,將從光纖361的輸出端361a輸出的雷射加以反射；以及濃 度濾光片204，使由所述平面鏡220所反射的雷射透過，並且根據光的透過 位置來對透過光量進行控制。通過使所述平面鏡220傾斜轉動，可使透過 濃度濾光片的光束的透過位置改變。如圖5所示，調光裝置200更包括準 直透鏡201，使從受光側光纖361的輸出端361a射出的雷射轉變成大致平 行的光束；聚光透鏡202,使所述平行光束(light beam)會聚；光學構件， 例如直角稜4竟(rectangular prism) 205, 4吏已透過濃度濾光片204的光 束(雷射)P8平行移動，並向聚光透鏡202反射；以及聚束透鏡(condenser lens ) 206，使雷射入射到受光側光纖362的輸入端362b。平面鏡是使由聚 光透鏡202所會聚的會聚光束向聚光透鏡202反射，濃度濾光片是使由所 述平面鏡220所反射並由聚光透鏡202加以大致校準後的光束通過。平面 鏡220配置在聚光透鏡202的焦點位置。
在此是使用直角稜鏡(rectangular prism) 205，但是也可使用例如 具備配置成互成直角的平面鏡的光學構件。
並且，以聚光透4竟202上的雷射的通過點202a ~ 202d如圖5所示，即， 連接通過點202a與通過點202d的直線、以及連接通過點202b與通過點202c 的直線，是與軸部227b形成平行關係的方式，來配置受光側光纖361的輸出 端361a、準直透鏡201、聚光透鏡202、平面鏡220、濃度濾光片204、直 角稜鏡205、聚束透鏡206、以及受光側光纖362的輸入端362b。
並且，由準直透鏡201、聚光透鏡202以及平面鏡220構成第l光學系統。
由直角稜鏡205所反射的光束P9再次透過濃度濾光片204，通過聚光 透鏡202會聚後到達平面鏡220，接著由所述平面鏡220加以反射而通過聚 光透鏡202變為大致平行光束後，通過聚束透鏡206而入射到受光側光纖 362的輸入端362b。
並且，由直角稜鏡205、聚光透鏡202、平面鏡220以及聚束透鏡206 構成第2光學系統。
濃度濾光片204具有濃度梯度，以使濃度沿著上下方向而增減，例如越 往上濃度越大。
平面鏡220為例如圖6所示的反射搖動裝置227的鏡面板，由於反射 搖動裝置227的結構與反射搖動裝置25的MEMS27相同，因此省略對其說 明。
平面鏡220繞著軸部227b、 227b而傾斜轉動。即，圖5中，平面鏡220 在軸的前後方傾斜轉動。通過所述傾斜轉動，透過濃度濾光片204的光束 P8的位置相對於濃度濾光片204而上下移動。例如，當平面鏡220以軸部 227b、 227b為中心順時針轉動時，如圖7所示，光束P8的位置向濃度濾光 片204的上方移動，圖5及圖9所示的聚光透鏡202上的雷射的通過點202b、 202c則向圖7及圖IO所示的通過點202b'、 202c'的位置移動。
即，通過使平面鏡220向與光束P8向光束P9平行移動的方向正交的 方向(上下方向)傾斜轉動，來使光束P8、 P9移動。
通過所述光束P8、 P9的移動，使濃度濾光片204具有濃度梯度，以此 來對光量水平進^S周整。
也可使平面鏡220的傾斜轉動與斬波器30同步。例如，當利用斬波器 30選擇了外部測距光路37 (參照圖1)時，如圖5所示，光量小的光束P8、 P9透過濃度濾光片204的下部，當選擇了內部參考光路40時，則如圖7所 示，光量大的光束P8、 P9透過濃度濾光片204的較所述下部更上方的位置 (濃度大的位置)。由此，對受光元件43 (參照圖1)的受光量的水平進行 調整。
通過所述方式，光束P8、 P9的透過位置產生移動，因此，通過濃度濾 光片204預先加大濃度梯度，可擴大光量調整範圍。並且，通過組合且使 用聚光透鏡202、平面鏡220、濃度濾光片204、以及直角稜鏡205,則可 在不改變受光側光纖361的輸出端361a、或受光側光纖362的輸入端362b
的位置或光路長度的情況下對光量進行調整。
如上所述，由於是通過使平面鏡220傾斜轉動來改變光束P8、 P9的透 過位置，因此即使平面鏡220的傾斜轉動角較小，也能夠大幅度地移動光 束P8、 P9的透過位置，因此，能夠高速地進行濃度的轉換。
並且，由於在聚光透鏡202的聚光位置(焦點位置)配置有平面鏡220， 所以能夠縮小平面鏡220的尺寸，因此可以高速地使平面鏡220傾斜轉動， 從而可以更高速地進行濃度的轉換。並且，由於是利用MEMS227來使平面 鏡220傾斜轉動，因此可以更高速地使平面鏡220傾斜轉動，從而可以更 高速地進行濃度的轉換。
此外，調光裝置200不僅可以設置在受光側光纖361與受光側光纖362 之間，而且可以設置在投光側(雷射光源側)的光纖24或光纖28的中途 等從射出雷射的半導體雷射器18直到接收雷射的受光元件43為止的任一 處。
並且，在上述實施例中，雖然舉出使用聚光透鏡202的實例，但可省 略聚光透鏡202，以將從光纖361的輸出端361a輸出的光束射出到平面鏡 220，並且通過該平面鏡220而被反射，使透過濃度濾光片204的光束通過 三面直角稜鏡而反射後，導入到平面鏡。
入射到受光側光纖362的輸入端362b中的光通過透鏡41、 42，而由受 光元件43所接收。在此，受光元件43相當於受光部。
內部參考光路4 0是用來防止因構成距離測定裝置的電路的溫度漂移等 所引起的相位變化而使測定數據出現誤差，可通過從外部測距光路37所得 到的測定值中減去內部參考光路40所得到的測定值，來獲得正確的數據。
控制裝置400具有光源控制部、測定光接收部、信號處理部、以及顯 示部。光源控制部具有振蕩器(oscillator )11、分頻器(frequency divider ) 10、以及第1轉換器14。振蕩器11產生例如15 MHz的信號後輸入到分頻 器10中。分頻器10對來自振蕩器11的15 MHz的信號進行分頻，以例如 產生75 KHz與3 KHz兩個信號，並將75 KHz的信號輸入到第1轉換器14 中。
第1轉換14根據來自下述處理控制電路15的信號16，以輸出15 MHz 或75 KHz中的任一個信號。此外，處理控制電路15相當於運算處理單元。
測定光接收部具有合成器13、第2轉換器44、混合器47、以及波形整 形器48。合成器13產生來自振蕩器11的信號即15 MHz與來自分頻器10 的信號即3 KHz之差即14. 997 MHz的信號、以及來自分頻器10的3 KHz 的24倍的72 KHz的信號，並輸入到第2轉換器44中。
第2轉換器44根據來自處理控制電路15的信號16,輸出從合成器輸 入的14. 997 MHz或72 KHz的任一個信號。利用放大器46放大來自受光元
件43的輸出，並輸入到混合器47中。混合器47通過將來自放大器46的 信號與來自第2的轉換器44的信號加以混合，而形成差拍信號(beat signal )，並且對所述信號加以;險測後輸出3 KHz的正弦波。波形整形器48 將3 KHz的正弦波整形為矩形波後，輸出所述信號(以下稱為強拍信號(beat down signal ))。
為了使混合器47的輸出信號為3 KHz,則須根據來自處理控制電路15 的信號16，以當第1轉換器14的輸出信號的頻率為15 MHz時，第2轉換 器44的輸出信號的頻率為14. 997 MHz,當第1轉換器14的輸出信號的頻 率為75 KHz時，第2轉換器44的輸出信號的頻率為72 KHz的方式，對第 1轉換器14的輸出信號與第2的轉換器44的輸出信號進行控制。
利用15 MHz與75 KHz兩種頻率來對半導體雷射器18進行調製，是為 了將相當于波長20 m的15 MHz用於精密測定，而將相當于波長4000 m的 75 KHz用於粗略測定。
並且，利用混合器47分別將15MHz的頻率與75KHz的頻率變為3 KHz 的頻率，這是為了通過將15 MHz的相位或75 KHz的相位作為3 KH'z的相 位來進行測定，以提高相位測定的分辨能力(resolution )。
信號處理部具有門電路(gate circuit) 49、計數部50、以及處理控 制電路15。門電路49將來自分頻器10的3 KHz的信號作為開始信號，將 來自波形整形器48的信號作為停止信號，在所述兩個信號之間，將來自振 蕩器ll的15MHz的信號輸出到計數部(計數器)50中。利用計數部50對 所述信號進行計數，藉此來對相位差進行測定。
由計數部50所獲得的計數值為N次測定的合計數。為了獲知所述N次 的次數，將來自分頻器10的3 KHz的信號供給到處理控制電路15。當N次 的計數結束時，將復位信號(reset signal ) 52從處理控制電路15供給到 計數部50，使計數部50變為復位狀態。N次的計數值由處理控制電路15 變為1/N的平均值，並換算成距離後，作為距離測定值而輸出到顯示器51。
根據所述實施例，反射光P3通過MEMS27以高頻而產生振蕩，使得向 著光纖28的輸入端28a的入射位置時刻發生變化，因此當反射光P3在光 纖28中傳播時，將反射光P3經混合而均勻化後，再從光纖28的輸出端28b 射出，因此可4吏從半導體雷射器18射出的發光不均的雷射在光纖24中傳 播，經由MEMS27後在光纖28中傳播之後，從所述光纖28的輸出端28b射 出時，實現雷射發光不均的均勻化。
在此，作為調光裝置的實施例，說明了頻率調製(frequency modulation)型距離測定裝置，但也可用於測距光同樣為雷射的脈衝測距 型距離測定裝置。
並且，由於在調光裝置中使用了 MEMS227,所以可以進行高速調光,從 而可使消耗電力減少，還可實現噪音的P爭低。
圖8表示第2實施例的距離測定裝置20000,所述距離測定裝置20000 中省略了第1實施例的混合裝置，但其它均與距離測定裝置100相同，因此 省略對其說明。
根據本發明的實施例，因為是通過使鏡傾斜轉動而使透過濃度濾光片 的光束的透過位置改變，來進行濃度的轉換，所以可以高速地進行濃度的 轉換。
權利要求
1. 一種調光裝置，對從第一光纖的輸出端輸出而導入到第二光纖的輸入端的光束的光量進行調節，其特徵在於，包括反射構件，將從所述第一光纖的輸出端輸出的光束加以反射； 濃度濾光片，使由所述反射構件所反射的光束透過，並且根據所述光束的透過位置來對透過光量進行控制；以及光學構件，將透過所述濃度濾光片的光束加以反射並導入到所述反射構件；且透過所述濃度濾光片的光束的光量沿著所述光束的透過位置改變的方 向而增減；所述反射構件配置成能夠傾斜轉動，通過傾斜轉動所述反射構件，來使透過所述濃度濾光片的光束的透過 位置改變。
2. 如權利要求1所述的調光裝置，其特徵在於，還包括聚光透鏡，將 來自所述第一光纖的輸出端的光束會聚到所述反射構件。
3. 如權利要求1所述的調光裝置，其特徵在於，所述反射構件是由在 晶片或基板上包括可動部分的微電子機械系統來進行傾斜轉動。
4. 如權利要求1所述的調光裝置，其特徵在於，所述光學構件包括相 互垂直配置的2個反射面，使透過所述濃度濾光片的光束平行移動並向所 述反射構件反射。
5. 如權利要求1所述的調光裝置，其特徵在於更包括聚光透鏡，將來 自所述第一光纖的輸出端的光束會聚到所述反射構件；以及光學構件，將透 過所述濃度濾光片的光束加以反射並導入到所述聚光透鏡。
6. 如權利要求1所述的調光裝置，其特徵在於，由所述光學構件所反 射的光束通過所述濃度濾光片。
7. —種調光裝置，具有濃度濾光片，其配置在第一光纖的輸出端與第二 光纖的輸入端之間的光路中，並且根據光束的透過位置來對透過光量進行 控制，其特徵在於，包括第一光學系統，使來自所述第一光纖的輸出端的光束進行反射後透過 所述濃度濾光片；以及第二光學系統，將已透過所述濃度濾光片的光束導入到所述第二光纖 的車俞入端；且第一光學系統具有反射構件，使所述光束反射的同時傾斜轉動， 通過使所述反射構件傾斜轉動，來使透過所述濃度濾光片的光束的透 過位置改變。
8. 如權利要求7所述的調光裝置，其特徵在於，所述第 一光學系統包括使從所述輸出端射出的光束會聚到所述反射構 件中的聚光透鏡，並且所述反射構件是使所述已會聚的光束經由所述聚光 透鏡而向所述濃度濾光片反射，所述第二光學系統包括具有垂直配置的兩個反射面的光學構件，以使 透過所述濃度>慮光片的光束平行移動並向所述聚光透鏡反射，並且，所述 聚光透鏡是使由所述光學構件所反射的光束會聚到所述反射構件，所述反 射構件是使所述已會聚的光束經由所述聚光透鏡而入射到所述輸入端。
9. 如權利要求8所述的調光裝置，其特徵在於，由所述光學構件所反 射的光束通過所述濃度濾光片。
10. 如權利要求7所述的調光裝置，其特徵在於，通過所述濃度濾光片 而透過的光量沿著所述光束的透過位置改變的方向而增減。
11. 一種距離測定裝置，通過對測定對象照射光束，並接收來自所述測 定對象的已反射的光束，來對距離進行測定，其特徵在於，包括第一光纖及第二光纖，分別具有導入所述光束的輸出端及輸入端；以及調光裝置，配置在形成於所述第一光纖的輸出端與所述第二光纖的輸 入端之間的光路中，對所述光束的光量進行調節；' 所述調光裝置包括反射構件，將從所述第一光纖的輸出端輸出的光束加以反射；以及 濃度濾光片，使由所述反射構件所反射的光束透過，並且根據所述光 束的透過位置來對透過光量進行控制； 所述反射構件配置成能夠傾斜轉動，通過傾斜轉動所述反射構件，來使透過所述濃度濾光片的光束的透過 位置改變。
12. 如權利要求11所述的距離測定裝覃，其特徵在於，透過所述濃度 濾光片的光束的光量沿著所述光束的透過位置改變的方向而增減。
13. 如權利要求11所述的距離測定裝置，其特徵在於，更包括 參考光路，使由所述光束分割而來的參考光束通過；以及 光路選擇裝置，選擇通過所述參考光路的參考光束、以及照射到所述測定對象的光束；且所述反射構件是與所述光路選擇裝置同步地傾斜轉動。
全文摘要
本發明提供一種調光裝置，對從第一光纖的輸出端輸出而導入到第二光纖的輸入端的光束的光量進行調節，其特徵在於包括反射構件，將從所述第一光纖的輸出端輸出的光束加以反射；濃度濾光片，使由所述反射構件所反射的光束透過，並且根據所述光束的透過位置來對透過光量進行控制；以及光學構件，將透過所述濃度濾光片的光束加以反射並導入到所述反射構件；且透過所述濃度濾光片的光束的光量沿著所述光束的透過位置改變的方向而增減；所述反射構件配置成能夠傾斜轉動，通過傾斜轉動所述反射構件，來使透過所述濃度濾光片的光束的透過位置改變。
文檔編號G01C3/00GK101122676SQ20071014013
公開日2008年2月13日 申請日期2007年8月6日 優先權日2006年8月8日
發明者川島浩幸, 藤野誠 申請人:株式會社拓普康