專利名稱：混光裝置及使用該混光裝置的測距裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于激光光源的混光裝置及使用該混光裝置的測距 裝置。
背景技術(shù)：
一直以來，采用激光束的測距裝置由于所用光的波長帶寬窄，所用 光易產(chǎn)生干擾，容易產(chǎn)生因從裝置發(fā)出的光的發(fā)光不均引起的誤差，因 此，可以說很難用采用激光束的測距裝置進行高精度的長距離測量。因此，為了減輕發(fā)光不均，提出了一種將激光束導(dǎo)向光纖進行混光 的測距裝置，但是為了消除激光束的發(fā)光不均，必須延長光纖長度，因 此會導(dǎo)致整個裝置大型化。因此，為了消除這一弊病，提出了一種由具備衍射光柵的相位板和 驅(qū)動該相位板的驅(qū)動器構(gòu)成的裝置，作為用于測距裝置的混光裝置(例 如，參照專利文獻l)。在該裝置中，驅(qū)動作為驅(qū)動器的電機，使相位板 旋轉(zhuǎn)，再把從半導(dǎo)體激光器射出的激光束混合起來，從而消除發(fā)光不均， 使光束均勻。專利文獻l:日本專利特開2000- 162517號7>報 然而，在這種現(xiàn)有的混光裝置中，驅(qū)動電機使相位板旋轉(zhuǎn)來混合激 光束，以消除發(fā)光不均，因此難以高速混光，耗電量大且噪音大。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種耗電量小且噪音小的混光裝置及使用該 混光裝置的測距裝置。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是一種在把來自激光光源的激光束導(dǎo)向照射部的途中對激光束進行混合的混光裝置，其特征在于，具備具有 擺動的鏡面的反射擺動裝置、將激光束導(dǎo)向所述照射部的光纖以及把來 自所述激光光源的激光束導(dǎo)向所述反射擺動裝置的鏡面并將被該鏡面反 射的激光束向所述光纖的輸入端聚光的光學(xué)系統(tǒng)，所述反射擺動裝置在所 述光纖輸入端的可入射范圍使激光束移動。本發(fā)明是一種在把來自激光光源的激光束導(dǎo)向照射部的途中對激光 束進行混合的混光裝置，其特征在于，具備具有擺動的鏡面的第一反 射擺動裝置、將激光束導(dǎo)向所述照射部的第一光纖、將激光束導(dǎo)向所述 照射部的第二光纖、具有擺動的鏡面且作為選擇性地切換向所述第一光 纖導(dǎo)光與向所述第二光纖導(dǎo)光的光學(xué)開關(guān)作用的第二反射擺動裝置、把 來自所述激光光源的激光束導(dǎo)向所述第 一反射擺動裝置的鏡面的第 一光 學(xué)系統(tǒng)以及將被所述鏡面反射的激光束導(dǎo)向所述第二反射擺動裝置的鏡 面的第二光學(xué)系統(tǒng)，所述第一反射擺動裝置在所述第一光纖的輸入端或 所述第二光纖的輸入端的可入射范圍內(nèi)使所述激光束移動。進而，本發(fā)明是一種對測定對象照射激光束并接受來自該測定對象 的反射光來測定距離的測距裝置，其特征在于，具有在把來自激光光源 的激光束導(dǎo)向照射部的途中對激光束進行混合的混光裝置，該混光裝置 具備具有擺動的鏡面的反射擺動裝置、將激光束導(dǎo)向所述照射部的光 纖以及把來自所述激光光源的激光束導(dǎo)向所述反射擺動裝置的鏡面并將 被該鏡面反射的激光束向所述光纖的輸入端聚光的光學(xué)系統(tǒng)，所述反射 擺動裝置在所述光纖的輸入端的可入射范圍使激光束移動。本發(fā)明是一種對測定對象照射測定光并接受來自該測定對象的反射 光來測定距離的測距裝置，其特征在于，具有在把來自激光光源的激光 束導(dǎo)向照射部的途中對激光束進行混合的混光裝置，該混光裝置具備 具有擺動的鏡面的第一反射擺動裝置、將激光束導(dǎo)向所述照射部的第一 光纖、將激光束導(dǎo)向所述照射部的第二光纖、具有擺動的鏡面且作為選 擇性地切換向所述第一光纖導(dǎo)光與向所述第二光纖導(dǎo)光的光學(xué)開關(guān)作用 的第二反射擺動裝置、將來自所述激光光源的激光束導(dǎo)向所述第 一反射 擺動裝置的鏡面的第 一光學(xué)系統(tǒng)以及將被所述鏡面反射的激光束導(dǎo)向所述第二反射擺動裝置的鏡面的第二光學(xué)系統(tǒng)，所述第 一反射擺動裝置在 所述第 一光纖的輸入端或所述第二光纖的輸入端的可入射范圍使所述激 光束移動。由于本發(fā)明采用反射型裝置，所以具有可高速混光且噪音小的效果。 本發(fā)明可以選擇性地切換導(dǎo)向照射部的導(dǎo)光路徑，可以變更乂人照射部射出的激光束的功率，因此可以根據(jù)測定對象的性質(zhì)選擇合適的激光束的強度。


圖l是表示使用本發(fā)明的混光裝置的測距裝置的實施例1的說明圖。圖2是表示圖1所示的混光裝置的概略結(jié)構(gòu)的立體圖。 圖3是用以說明圖2所示的混光裝置的作用的示意圖。 圖4是用以說明向圖3所示的第二光纖入射時的激光束的攪亂狀態(tài) 的說明圖。圖5是表示本發(fā)明的混光裝置的實施例2的主要部分光學(xué)圖。 圖6是表示圖5所示的混光裝置的變形例的主要部分光學(xué)圖。符號說明18半導(dǎo)體激光器(激光光源)24光纖28光纖27 微才幾電系統(tǒng)27a 鏡面板具體實施方式
以下，基于

本發(fā)明的混光裝置及使用該混光裝置的測距裝 置的實施方式即實施例。 實施例1基于圖1來說明利用調(diào)制光的測距裝置100。測距裝置100的分頻器IO對來自振蕩器11的15MHz的信號進行分 頻，產(chǎn)生75KHz和3KHz的兩個信號。合成器13產(chǎn)生來自振蕩器11的15MHz的信號與來自分頻器10的 3KHz的信號之差即14.997MHz的信號和來自分頻器10的3KHz的信號 的24倍的72KHz的信號。第一切換器14根據(jù)來自處理控制電路15的信號16輸出15MHz或 75KHz的信號之一，處理控制電路15相當于運算處理單元。混光裝置具有準直透鏡26、反射擺動裝置25及混光用的光纖28。 光纖的前端被加工為輸入端28a或輸出端28b。例如，光纖28的直徑為 300 Mm。半導(dǎo)體激光器18由第一切換器14的輸出信號來驅(qū)動，》文射出經(jīng)調(diào) 制的激光束P0。所放射出來的激光束PO經(jīng)由透鏡19入射至導(dǎo)光用的光 纖24 —端的加工有端面的輸入端24a,半導(dǎo)體激光器18相當于激光光源。如圖2中放大圖示，在光纖24與第二光纖28的光路之間設(shè)有反射 擺動裝置25。該反射擺動裝置25由MEMS (微機電系統(tǒng))27構(gòu)成。這里，MEMS是Micro Electro-Mechanical Systems的簡稱，是融合了 機械要素與電子要素的微細器件的總稱。MEMS在芯片乃至基板內(nèi)具有 可動部分，這是先前的半導(dǎo)體器件所不具備的新功能，作為新的平臺技 術(shù)，這種功能被期待著應(yīng)用于輸入/輸出零部件或各種傳感器等。反射擺動裝置25具有圓盤狀鏡面板27a,該鏡面板27a的直徑例如 約為lmm。在該鏡面板27a的圓周面上形成有一對沿直徑方向延伸的軸 部27b、 27b。這一對軸部27b、 27b的端部經(jīng)由彈簧部27c、 27c連結(jié)在固定部27d 上。在該軸部27b、 27b上形成有可動橋u齒27e、 27e,固定梳齒27fA及 27ffi、 27fA及27fB面對該可動梳齒27e、 27e?？蓜邮猃X27e、 27e與固 定梳齒27fA及27ffi、 27fA及27ffi構(gòu)成致動器的一部分。向固定梳齒27fA及27fB、 27fA及27fB施加交流電壓，將可動梳齒 27e接GND，進行例如lKHz的高頻充電，該鏡面板27a則以軸部27b、 27b為中心沿箭頭F方向擺動。雖然這里圖示說明的是使鏡面板27a在單軸方向上擺動的結(jié)構(gòu)，但是也可以在與軸部27b、 27b的延伸方向正交的 方向上再設(shè)置一對軸部，而作成使鏡面板27a在雙軸方向上擺動的結(jié)構(gòu)。 也就是說，鏡面才反27a也可以在雙軸方向上擺動。不僅可以向上述固定梳齒27fA及27fB施加相同的電壓信號，也可 以施加不同波形的電壓信號。作為不同波形的例子，包括向固定梳齒27fA 施加正弦波信號，向固定梳齒27ffi施加余弦波信號，使固定部27d接 GND、以及向固定梳齒27fB施加正弦波信號，使固定梳齒27fA與固定 部27d接GND。在該鏡面板27a的前面形成有示意性地示于圖3的衍射光柵板27g， 該衍射光柵板27g用來與鏡面板27a協(xié)作而消除激光束的發(fā)光不均，使 發(fā)光更加均勻。另外，衍射光柵部分27g可以進一步提高混光效果。如圖3所示，被導(dǎo)向第一光纖24且從輸出端24b射出的激光束Pl 在準直透鏡26的作用下，成為平行光束P2，并被導(dǎo)向衍射光柵板27g、 鏡面板27a。該平行光束P2由衍射光柵板27g產(chǎn)生衍射，同時被鏡面板 27a反射。該反射光P3被作為光學(xué)系統(tǒng)的準直透鏡26聚光，并作為匯聚光P4 入射到混光用光纖28的輸入端28a, ^旦由于鏡面板27a以軸部27b、 27b 為中心擺動，因此在匯聚光P4入射到輸入端28a時，如圖4示意性所示 的那樣，輸入端28a上的入射位置在可入射范圍被攪亂，即匯聚光P4被 移動，存在發(fā)光不均的激光束P0被微細地攪亂(移動)，從而使導(dǎo)光路 徑變得不同，激光束PO的光量不均得以平均化。圖4的例子中所示的是直線狀且周期性的P4的軌跡，但是，也可以 采用直線狀以外的如圓形、放射狀、李薩如圖形那樣的軌跡。從光纖28的輸出端28b射出的激光束被分光棱鏡29分割成兩條光 路。射向其中一條光路的激光束P5透過分光棱鏡29的分光部29a,并透 過斬波器30,被構(gòu)成照射部的一部分的棱鏡32的反射面32a反射，經(jīng)物 鏡33成為平行光束，并作為測定光向裝置外部射出。分光棱鏡29、棱鏡 32和物鏡33等構(gòu)成照射部。繼而，經(jīng)處于被測定點上的作為測定對象的直角棱鏡34等反射體反射之后，再次通過物鏡33，被棱鏡32的反射面32b反射，通過濃度濾光 片31之后，再通過分光棱鏡35的分光部35a,形成向受光側(cè)光纖36入 射的外部測距光路37。射向另 一條光路的激光束P6被分光棱鏡29的分光部29a、 29b反射 后，通過斬波器30,經(jīng)透鏡38成為平行光束，被透鏡39聚光后通過濃 度濾光片31,被分光棱鏡35的分光部35b、 35a反射，形成向受光側(cè)光 纖36入射的內(nèi)部參照光路40。斬波器30交替選擇內(nèi)部參照光路40和外部測距光路37，濃度濾光 片31調(diào)整內(nèi)部參照光路40、外部測距光路37的光量等級。入射到受光 側(cè)光纖36的光線經(jīng)透鏡41、 42,被受光元件43接受。這里的受光元件 43相當于受光部。內(nèi)部參照光路40用于防止因構(gòu)成測距裝置的電路的溫度漂移等引起 的相位變化而導(dǎo)致測定數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差，從外部測距光路37的測定值減去 內(nèi)部參照光路40的測定值，即可獲得正確的數(shù)據(jù)。第二切換器44根據(jù)來自處理控制電路15的信號16輸出14.997MHz 或72KHz之一種信號。來自受光元件43輸出的信號經(jīng)由電容器45被放 大器46放大，并輸入到混頻器47?；祛l器47對來自放大器46的信號和 來自第二切換器44的信號進行混頻，形成拍頻信號，；險測該信號并輸出 3KHz的正弦波。波形整形器48將3KHz的正弦波整形為矩形波，并輸 出該信號(以下稱作逐次差拍信號)。門電路49以來自分頻器10的3KHz信號為起始信號，以來自波形 整形器48的信號為終止信號，其間向計數(shù)器50輸出來自振蕩器11的 15MHz的信號。用計數(shù)器50對該信號進行計數(shù)，由此來測定相位差。用計數(shù)器50獲得的計數(shù)值為N次測定的合計值。為了獲知N次的 次數(shù)，將來自分頻器10的3KHz的信號提供給處理控制電路15。 一旦N 次計數(shù)結(jié)束，處理控制電路15就向計數(shù)器50提供復(fù)位信號52,計數(shù)器 50變?yōu)閺?fù)位狀態(tài)。處理控制電路15計算N次計數(shù)值的1/N的平均值， 換算為距離后，作為距離測定值輸出到顯示器51。為了使混頻器47的輸出為3KHz,根據(jù)來自處理控制電路15的信號16來控制第一切換器14的輸出信號和第二切換器44的輸出信號，使之 當?shù)谝磺袚Q器14的輸出信號的頻率為15MHz時，第二切換器44的輸出 信號的頻率為14.997MHz;當?shù)谝磺袚Q器14的輸出信號的頻率為75KHz 時，第二切換器44的輸出信號的頻率為72KHz。用15MHz和75KHz兩種頻率來調(diào)制半導(dǎo)體激光器18的原因在于精 測時4吏用相當于波長20m的15MHz而粗測時4吏用相當于波長4000m的 75KHz。用混頻器47分別將15MHz頻率和75KHz頻率混頻為3KHz頻率的 原因在于通過將15MHz的相位或75KHz的相位混頻為3KHz的相位進行 測定，可以提高相位測定的分辨率。按照本發(fā)明的實施方式，由于MEMS27用高頻攪亂反射光P3，向光 纖28的輸入端28a的入射位置時刻發(fā)生變化，因此，反射光P3在光纖 28內(nèi)傳播時，反射光P3被混合起來，而被均勻化，并從光纖28的出射而在光纖24內(nèi)傳播，經(jīng)由MEMS27之后，在光纖28內(nèi)傳播，并從該光 纖28的出射端28b射出時，也可以實現(xiàn)激光束發(fā)光不均的均勻化。這里，作為混光裝置的實施例，說明了調(diào)頻型的測距裝置，但本混 光裝置同樣也可以用于測距光為激光束的脈沖測距型的測距裝置。按照本發(fā)明的實施方式，由于混光裝置中使用MEMS27,因此可以 高速混光，還可以減少耗電量，降低噪音。 實施例2圖5是表示利用調(diào)制光的實施例2的主要部分光學(xué)圖。在該圖5中， 對于和實施例1相同的構(gòu)成要素標注相同符號，并省略其詳細說明，主 要說明不同的部分。該混光裝置由攪亂激光束的第一反射擺動裝置25'與選擇性地切換 激光束反射方向的作為光學(xué)開關(guān)的第二反射擺動裝置25〃的組合構(gòu)成。測距裝置射出作為測定光的激光束，接受并^r測來自其測定對象的 反射光來測定距離。包括使用作為其測定對象的反射棱鏡34的棱鏡型測 距裝置及測定對象為自然物、人造物而不使用反射棱鏡34的無棱鏡型測距裝置，此外還有上述兩種合為一體型即包含棱鏡模式和無棱鏡模式的 測距裝置。使用反射棱鏡34的情況下，由于反射效率高，因此即使作為測距光的光量少也可以；不使用反射棱鏡34的情況下，必須要高輸出。因此， 在實施例2中，反射棱鏡使用與否會改變測量光的射出形態(tài)。第一反射擺動裝置25'由具有鏡面板27a和衍射光柵27g的樣l機電 系統(tǒng)27構(gòu)成。第二反射擺動裝置25〃由具有鏡面板27a的微機電系統(tǒng) 27構(gòu)成。在本實施例2中，在光纖24和第一反射擺動裝置25'之間設(shè)有把來 自激光光源的激光束Pl導(dǎo)向第一反射擺動裝置的鏡面的作為第一光學(xué)系 統(tǒng)的準直透鏡26'。該準直透鏡26'的作用在于使從光纖24的出射端 24b射出的激光束成為平行光束P2。被導(dǎo)向第一反射擺動裝置25'的鏡 面的平行光束P2再次被導(dǎo)向準直透鏡26',而成為匯聚光。該匯聚光被 導(dǎo)向微小梯形棱鏡60、導(dǎo)光纖維或萬花筒等導(dǎo)光元件，在梯形棱鏡60 內(nèi)傳播，并被導(dǎo)向準直透鏡26〃 ，被該準直透鏡26〃再次形成為平行光 束后，被導(dǎo)向第二反射擺動裝置25〃 。第二反射擺動裝置25〃用來選擇 性地進行后述的向第一光纖28'的導(dǎo)光與向第二光纖28〃的導(dǎo)光的切 換。第一光纖28'、第二光纖28〃用于將光束導(dǎo)向構(gòu)成照射部之一部分 的棱鏡32的反射面32a。梯形棱鏡60、準直透鏡26〃用作第二光學(xué)系統(tǒng)， 用以將被第一反射擺動裝置25'的鏡面反射的激光束P2導(dǎo)向第二反射 擺動裝置25〃的鏡面。被導(dǎo)至第二反射擺動裝置25'的激光束P2在第一光纖28'和第二光 纖28〃之間進行切換，第一反射擺動裝置25〃使被導(dǎo)向第一光纖28'或 第二光纖28〃的匯聚光在其入射端28a'或入射端28a〃的可入射范圍擺 動。在第一光纖28'的出射端28b'的前面設(shè)有擴束透鏡61,在第二光 纖28〃的出射端28b〃的前面設(shè)有準直透鏡62,擴束透鏡61的作用是擴 大在第一光纖28'內(nèi)傳播并從出射端28b'射出的激光束P5的點徑，并將其導(dǎo)向反射面32a,準直透鏡62的作用是使在第二光纖28〃內(nèi)傳播并 從出射端28b〃射出的激光束P5'成為細的平行光束之后導(dǎo)向反射面 32a。在從該擴束透鏡61射出的激光束P5的光路中設(shè)有光路合成鏡63, 在從準直透鏡62射出的激光束P5'的光路中設(shè)有反射鏡64，用以使該 激光束P5'向光路合成鏡63反射，激光束P5'通過與激光束P5相同的 光路，被導(dǎo)向棱鏡32的反射面32a。圖6是表示圖5所示的混光裝置的變形例的主要部分光學(xué)圖，該光 學(xué)圖所示的例子除去了梯形棱鏡60且改變了光學(xué)要素的配置，從而實現(xiàn) 了裝置的小型化，其作用和圖5所示的混光裝置相同，因此省略其詳細 說明，對于和圖5所示的光學(xué)要素相同的光學(xué)要素標注相同符號，并省 略其詳細i^明。
權(quán)利要求
1.一種在把來自激光光源的激光束導(dǎo)向照射部的途中對激光束進行混合的混光裝置，其特征在于，具備具有擺動的鏡面的反射擺動裝置、將激光束導(dǎo)向所述照射部的光纖、以及把來自所述激光光源的激光束導(dǎo)向所述反射擺動裝置的鏡面并將被該鏡面反射的激光束向所述光纖的輸入端聚光的光學(xué)系統(tǒng)，所述反射擺動裝置在所述光纖的輸入端的可入射范圍使激光束移動。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1記載的混光裝置，其特征在于，所述反射擺動裝 置是用梳齒型致動器驅(qū)動鏡面的微機電系統(tǒng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2記載的混光裝置，其特征在于，在所述鏡面板的 前面設(shè)有衍射光柵板。
4. 一種在把來自激光光源的激光束導(dǎo)向照射部的途中對激光束進行 混合的混光裝置，其特征在于，具備具有擺動的鏡面的第 一反射擺動裝置、 將激光束導(dǎo)向所述照射部的第 一光纖、 將激光束導(dǎo)向所述照射部的第二光纖、具有擺動的鏡面且作為選擇性地切換向所述第一光纖導(dǎo)光與向所述 第二光纖導(dǎo)光的光學(xué)開關(guān)作用的第二反射擺動裝置、把來自所述激光光源的激光束導(dǎo)向所述第一反射擺動裝置的鏡面的 第一光學(xué)系統(tǒng)、以及將被所述鏡面反射的激光束導(dǎo)向所述第二反射擺動裝置的鏡面的第 二光學(xué)系統(tǒng)，所述第一反射擺動裝置在所述第一光纖的輸入端或所述第二光纖的 輸入端的可入射范圍使所述激光束移動。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1記載的混光裝置，其特征在于，所述反射擺動裝置被一體地形成在電路基板上或芯片上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4記載的混光裝置，其特征在于，所述第一、第二反射擺動裝置被一體地形成在電路基板上或芯片上。
7. —種對測定對象照射激光束并接受來自該測定對象的反射光來測 定距離的測距裝置，其特征在于，具有在把來自激光光源的激光束導(dǎo)向照射部的途中對激光束進行混 合的混光裝置，該混光裝置具備具有擺動的鏡面的反射擺動裝置、將激光束導(dǎo)向所述照射部的光纖、以及把來自所述激光光源的激光束導(dǎo)向所述反射擺動裝置的鏡面并將被 該鏡面反射的激光束向所述光纖的輸入端聚光的光學(xué)系統(tǒng)，所述反射擺動裝置在所述光纖的輸入端的可入射范圍內(nèi)使激光束移動。
8. —種對測定對象照射測定光并接受來自該測定對象的反射光來測 定距離的測距裝置，其特征在于，具有在把來自激光光源的激光束導(dǎo)向 照射部的途中對激光束進行混合的混光裝置，該混光裝置具備具有擺動的鏡面的第 一反射擺動裝置、 將激光束導(dǎo)向所述照射部的第 一光纖、 將激光束導(dǎo)向所述照射部的第二光纖、具有擺動的鏡面且作為選擇性地切換向所述第一光纖導(dǎo)光與向所述 第二光纖導(dǎo)光的光學(xué)開關(guān)作用的第二反射擺動裝置、將來自所述激光光源的激光束導(dǎo)向所述第一反射擺動裝置的鏡面的 第一光學(xué)系統(tǒng)、以及將被所述鏡面反射的激光束導(dǎo)向所述第二反射擺動裝置的鏡面的第 二光學(xué)系統(tǒng)，所述第一反射擺動裝置在所述第一光纖的輸入端或所述第二光纖的 輸入端的可入射范圍使所述激光束移動。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7記載的測距裝置，其特征在于，所述反射擺動裝 置被一體地形成在電路基板上或芯片上。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8記載的測距裝置，其特征在于，所述第一、第二反射擺動裝置被一體地形成在電路基板上或芯片上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種混光裝置，為了混合來自激光光源(18)的激光束(P0)，從光纖(24)一端的端面入射激光束(P0)，從光纖(24)另一端的端面射出激光束，同時使從光纖(24)另一端的端面射出的激光束(P1)入射到光纖(28)一端的端面，從光纖(28)另一端的端面射出，把具有鏡面板(27a)的擺動型微機電系統(tǒng)(27)插入在光纖(24)另一端的端面與光纖(28)一端的端面之間，通過擺動鏡面板(27a)，來攪亂激光束(P4)，并混合激光束。
文檔編號G01S17/36GK101283290SQ20068003250
公開日2008年10月8日 申請日期2006年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月5日
發(fā)明者中西美智子, 丸山弘毅, 后藤義明, 小林亮夫, 川島浩幸, 藤野誠 申請人:株式會社拓普康