光轴调整机构和激光雷达装置的制作方法

本发明涉及对激光的光轴的角度和位置进行调整的光轴调整机构和具有该光轴调整机构的激光雷达装置。

背景技术：

在使用激光的激光雷达装置(也被称为激光雷达装置、光波雷达装置)中，朝向大气发送激光，接收基于大气中的气雾的散射光，计测风速，或者，朝向被测定对象物发送激光，接收基于被测定对象物的反射光，计测与被测定对象物之间的距离和速度。这里，为了高效地接收针对所发送的激光的接收光(散射光、反射光)，优选使激光的光轴与接收光的光轴的角度和位置(与光轴垂直的面中的位置)一致(同轴接收方式)。特别是在相干多普勒激光雷达装置中，需要高精度地使激光的光轴与接收光的光轴的角度和位置一致。

以往，作为实现同轴接收方式的方法，使用通过具有2枚反射镜的市售或专用的角度调整机构同时调整激光的光轴的角度和位置的方法。

此外，如搭载于航空器中的激光雷达装置那样，在光轴调整要求耐震性的用途中，作为角度调整机构，代替上述2枚反射镜而使用2枚楔形板。而且，使楔形板绕激光的基准光轴旋转，由此调整激光的光轴的位置和角度。

在同轴接收方式中，激光的光轴和接收光的光轴一致，因此，从距离较近的位置到距离较远的位置，都能够进行稳定的计测。这里，如果角度一致，则激光与接收光的光轴平行传播，因此，远方的位置偏移的影响较小。另一方面，在角度偏移的情况下，远方的位置偏移的影响较大。因此，在光轴调整后，特别要求针对角度偏移的稳定性。

另一方面，在现有的光轴调整中，当对反射镜或楔形板进行调整时，激光的光轴的角度和位置双方偏移，因此，当对角度偏移进行校正时，位置偏移。这样，在现有的光轴调整中，存在无法独立调整光轴的角度和位置这样的课题。

此外，在使用反射镜的角度调整机构中，在光轴调整时，在反射镜的角度大幅偏移而使激光从接收光的光轴大幅偏移的情况下，为了使激光的光轴返回原来的位置，需要再次进行光轴调整。但是，在现有的使用反射镜的角度调整机构中，很难使激光的光轴返回原来的位置。因此，例如如野外使用的激光雷达装置那样，测定器需要在受限环境下调整光轴的情况下，可能由于光轴调整而使特性更加恶化。

此外，在使用反射镜的角度调整机构中，由于具有对反射镜自身的角度进行调整的机构，因此，在光轴调整后固定反射镜的位置时，容易产生角度偏移。此外，在该角度调整机构中，2枚反射镜的距离分开，反射镜独立进行调整，因此，在任意一个反射镜产生角度偏移的情况下，都产生激光的光轴的角度偏移和位置偏移。

另外，公知有使用平行平板对激光的光轴的位置进行调整的机构(例如参照专利文献1)。在该专利文献1所公开的机构中，能够使1枚或2枚平行平板绕与激光的基准光轴垂直的轴旋转。而且，还考虑如下结构：通过将该机构应用于光轴调整机构，与角度调整机构不同，仅独立地调整光轴的位置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007-035960号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

但是，在专利文献1所公开的机构中，使平行平板绕与激光的基准光轴垂直的轴旋转，即使将该机构应用于光轴调整机构，光轴调整的稳定性和再现性也较低。

本发明是为了解决上述这种课题而完成的，其目的在于，提供具有光轴调整的稳定性和再现性、能够调整光轴的位置而不使激光的光轴的角度变化的光轴调整机构。

用于解决课题的手段

本发明的光轴调整机构的特征在于，光轴调整机构具有：角度调整机构，其配置在激光的基准光轴上，对所入射的激光的光轴的角度进行调整；以及位置调整机构，其配置在基准光轴上，对所入射的激光的光轴的位置进行调整，位置调整机构具有：第1平行平板，其以入射面的法线相对于基准光轴倾斜的方式配置在该基准光轴上；第1旋转机构，其使第1平行平板绕基准光轴旋转；第2平行平板，其以入射面的法线相对于基准光轴倾斜的方式配置在该基准光轴上；以及第2旋转机构，其使第2平行平板绕基准光轴旋转。

发明效果

根据本发明，如上所述构成，因此，具有光轴调整的稳定性和再现性，能够对光轴的位置进行调整而不使激光的光轴的角度变化。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式1的光轴调整机构的结构例的图。

图2是示出本发明的实施方式1的光轴调整机构进行的光轴调整例的流程图。

图3a是说明本发明的实施方式1中的基于第1平行平板的激光的平行移动的图，图3b是示出基于第1平行平板的激光的可移动范围的图。

图4a、图4b、图4c是示出本发明的实施方式1中的基于第1平行平板和第2平行平板的激光的可移动范围的图，图4a是示出δd1＝δd2的情况的图，图4b是示出δd1>δd2的情况的图，图4c是示出δd1<δd2的情况的图。

图5a、图5b是说明本发明的实施方式1中的基于第1平行平板和第2平行平板的激光的位置调整(δd1＝δd2的情况)的图，图5a是示出设激光的平行移动量为零的情况的图，图5b是示出设激光的平行移动量最大的情况的图。

图6a、图6b是说明本发明的实施方式1的光轴调整机构的效果的图，图6a是示出现有的平行平板的图，图6b是示出实施方式1中的第1平行平板的图。

图7是示出本发明的实施方式2的光轴调整机构的结构例的图。

图8是示出本发明的实施方式2中的光学系统的结构例的图。

图9a、图9b是示出本发明的实施方式2中的位置调整部的硬件结构例的图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。

实施方式1

图1是示出本发明的实施方式1的光轴调整机构的结构例的图。

光轴调整机构是对所入射的激光101的光轴的角度和位置进行调整的机构，搭载于使用激光的激光雷达装置(未图示)中。如图1所示，该光轴调整机构具有角度调整机构1、位置调整机构2和光轴对齐部3。另外，图1中的虚线的箭头表示激光101的可移动范围。

角度调整机构1配置在激光101的基准光轴102上，对所入射的激光101的光轴的角度进行调整。该角度调整机构1能够使用现有的机构，例如，能够组合能够通过旋转机构绕基准光轴102旋转的2枚楔形板来实现。另外，在该角度调整机构1中，不仅光轴的角度变化，位置也变化。

位置调整机构2配置在基准光轴102上，对所入射的激光101的光轴的位置进行调整。该位置调整机构2在后面详细叙述。

光轴对齐部3配置在基准光轴102上，并且配置在角度调整机构1和位置调整机构2的后级，使基准光轴102和接收光的基准光轴103重合。该光轴对齐部3例如能够使用透射p偏振光且反射s偏振光的偏振分束器来实现。另外，p偏振光是在包含偏振分束器中的反射面的法线和基准光轴102的面内具有电场的偏振光，s偏振光是在与上述包含反射面的法线和基准光轴102的面垂直的面内具有电场的偏振光。在图1的例子中，光轴对齐部3对激光101进行反射而改变其方向，使接收光透射。

接着，对位置调整机构2的详细情况进行说明。

如图1所示，位置调整机构2具有第1平行平板21、第1旋转机构22、第2平行平板23和第2旋转机构24。

第1平行平板21是以入射面的法线相对于基准光轴102倾斜的方式配置在该基准光轴102上的构件，是具有折射率的介质。该第1平行平板21构成为能够通过第1旋转机构22绕基准光轴102旋转。

第1旋转机构22使第1平行平板21绕基准光轴102旋转。

第2平行平板23是以入射面的法线相对于基准光轴102倾斜的方式配置在该基准光轴102上的构件，是具有折射率的介质。该第2平行平板23构成为能够通过第2旋转机构24绕基准光轴102旋转。

第2旋转机构24使第2平行平板23绕基准光轴102旋转。

接着，参照图1～5对实施方式1的光轴调整机构进行的光轴调整例进行说明。

在光轴调整机构进行的光轴调整例中，如图2所示，首先，角度调整机构1对所入射的激光101的光轴的角度进行调整(步骤st21)。在该角度调整机构1中，例如使2枚楔形板绕基准光轴102旋转规定的旋转量，由此对激光101的光轴的角度进行调整。另外，在该角度调整机构1中，不仅光轴的角度变化，位置也变化。

接着，位置调整机构2对所入射的激光101的光轴的位置进行调整(步骤st22)。下面，对位置调整机构2内的动作进行说明。另外，如图3a所示，设第1平行平板21以入射面的法线相对于基准光轴102倾斜角度θ1的方式进行配置，同样，第2平行平板23以入射面的法线相对于基准光轴102倾斜角度θ2的方式进行配置。另外，图3a中的虚线的箭头表示第1平行平板21的旋转方向。

如图3a所示，穿过角度调整机构1的激光101以θ1的角度入射到第1平行平板21中的入射面。这里，设第1平行平板21的折射率为n1，厚度为t1。该情况下，入射到第1平行平板21的激光101在包含基准光轴102和第1平行平板21的入射面的法线的面内以由下式(1)表示的变化量δd1平行移动并射出。

δd1＝(t1/cos(θ1’))×sin(θ1-θ1’)(1)

另外，式(1)中的θ1’是第1平行平板21的内部角度，由下式(2)表示。

θ1’＝sin^-1(sin(θ1)/n1)(2)

此外，第1平行平板21构成为能够通过第1旋转机构22绕基准光轴102旋转。因此，如图3b所示，第1平行平板21能够根据自身的旋转位置，使激光101平行移动到以基准光轴102为中心且以变化量δd1为半径的圆上的任意位置。

同样，穿过第1平行平板21的激光101以θ2的角度入射到第2平行平板23中的入射面。这里，设第2平行平板23的折射率为n2，厚度为t2。该情况下，入射到第2平行平板23的激光101在包含基准光轴102和第2平行平板23中的入射面的法线的面内以由下式(3)表示的变化量δd2平行移动并射出。

δd2＝(t2/cos(θ2’))×sin(θ2-θ2’)(3)

另外，式(3)中的θ2’是第2平行平板23的内部角度，由下式(4)表示。

θ2’＝sin^-1(sin(θ2)/n2)(4)

此外，第2平行平板23构成为能够通过第2旋转机构24绕基准光轴102旋转。因此，第2平行平板23能够根据自身的旋转位置，使激光101平行移动到以基准光轴102为中心且以变化量δd2为半径的圆上的任意位置。

因此，激光101穿过第1平行平板21和第2平行平板23，由此，如图4所示，在平行移动到以变化量δd1为半径的圆(实线)上的任意位置后，平行移动到以变化量δd2为半径的圆(虚线)上的任意位置。因此，位置调整机构2能够使激光101平行移动到最大半径|δd1+δd2|～最小半径|δd1-δd2|之间的任意位置。另外，图4a示出δd1＝δd2的情况，图4b示出δd1>δd2的情况，图4a示出δd1<δd2的情况。

此外，如图4a所示，如果对第1平行平板21和第2平行平板23的配置角度和旋转位置进行调整以使得变化量δd1和变化量δd2成为相同值，则位置调整机构2能够以平行移动量零、即不改变激光101的光轴的位置的方式射出激光101。另外，图5a是示出在δd1＝δd2的情况下、设激光101的平行移动量为零的情况下的第1平行平板21和第2平行平板23的旋转位置的图，图5b是示出在δd1＝δd2的情况下、设激光101的平行移动量最大的情况下的第1平行平板21和第2平行平板23的旋转位置的图。

接着，光轴对齐部3使基准光轴102和接收光的基准光轴103重合(步骤st23)。在图1的例子中，光轴对齐部3对激光101进行反射而改变其方向，使接收光透射。

这样，在位置调整机构2中，使第1平行平板21和第2平行平板23绕基准光轴102旋转，由此，仅使激光101的光轴的位置变化。因此，能够独立于角度调整来进行激光101的光轴的位置调整，能够实现在光轴调整时得到稳定特性的光轴调整机构。此外，在位置调整后，固定第1平行平板21和第2平行平板23的旋转位置，由此，能够容易地固定激光101的光轴的位置。

此外，在位置调整机构2中，在位置调整中，即使光轴的平行移动量过大，通过使第1平行平板21和第2平行平板23旋转，也能够使光轴恢复到位置调整前的位置。因此，在位置调整中，光轴完全不会偏移，能够可靠地调整光轴。特别是在野外使用的激光雷达装置等中，多数情况下，计测器需要进行受限环境下的光轴调整，但是，即使位置调整失败，也能够使光轴返回到位置调整前的位置。

此外，在位置调整机构2中，使用2枚平行平板21、23。因此，例如在由于壳体的变形等而在位置调整机构2自身产生倾斜的情况下，相对于激光101产生依赖于该倾斜的光轴的平行移动，但是，光轴的角度没有变化，光轴调整机构的性能稳定。特别是在野外使用的激光雷达装置等，有时由于应力或温度而使壳体变形，但是，该情况下，光轴的角度也不会变化。

另外，在上述中，示出在角度调整机构1的后级配置位置调整机构2的情况，但是不限于此，也可以在角度调整机构1的前级配置位置调整机构2。另外，该情况下，也如图2所示的流程图那样，在基于角度调整机构1的角度调整后，进行基于位置调整机构2的位置调整。

如上所述，根据该实施方式1，光轴调整机构具有：角度调整机构1，其配置在激光101的基准光轴102上，对所入射的激光101的光轴的角度进行调整；以及位置调整机构2，其配置在基准光轴102上，对所入射的激光101的光轴的位置进行调整，位置调整机构2具有：第1平行平板21，其以入射面的法线相对于基准光轴102倾斜的方式配置在该基准光轴102上；第1旋转机构22，其使第1平行平板21绕基准光轴102旋转；第2平行平板23，其以入射面的法线相对于基准光轴102倾斜的方式配置在该基准光轴102上；以及第2旋转机构24，其使第2平行平板23绕基准光轴102旋转，因此，具有光轴调整的稳定性和再现性，能够调整光轴的位置而不使激光101的光轴的角度变化。

另外，在位置调整机构2中，使第1平行平板21和第2平行平板23绕基准光轴102旋转，由此对激光101的光轴的位置进行调整。因此，相对于使平行平板绕与激光的基准光轴垂直的轴旋转的现有结构，能够得到再现性和稳定性较高的光轴调整机构。

即，如图6a所示的现有结构那样，在使平行平板绕与激光的基准光轴垂直的轴旋转的情况下，为了固定平行平板的旋转位置，需要进行使平行平板旋转的旋转轴的固定或平行平板自身的固定。但是，此时，需要以不遮挡激光的方式进行固定，因此，结构复杂。此外，在进行平行平板自身的固定的情况下，对平行平板施加力的方向(图6a的标号601)成为平行平板的旋转方向(图6a的标号602)，因此，在光轴调整后，在固定平行平板的旋转位置时，旋转位置会偏移。进而，固定平行平板的旋转位置的固定部对平行平板进行固定的固定部位离旋转轴较远，因此，由于杠杆原理而对旋转轴施加较大的力，可能使旋转轴变形等。来自外部的干扰的影响也同样，在仅利用旋转轴支承平行平板的情况下，当对固定部施加较强的冲击时，对旋转轴施加的应力较强，因此，旋转位置容易偏移。

另一方面，如图6b所示的实施方式1那样，在使第1平行平板21绕基准光轴102旋转的情况下，为了固定第1平行平板21的旋转位置而对第1平行平板21施加力的方向(图6b的标号603)与第1平行平板21的旋转方向(图6b的标号604)垂直。因此，不容易产生由于固定而引起的旋转位置的偏移，能够牢固地进行固定，并且，在第1平行平板21在固定方向上偏移的情况下，也仅为平行移动，因此，不会对光轴调整造成影响。进而，光轴偏移相对于旋转的变化量较小，即使由于上述固定而在第1平行平板21中产生旋转，光轴偏移也较小，因此，再现性也提高。第2平行平板23也同样。

另外，在实施方式1中，将位置调整机构2配置在基准光轴102上，但是，将位置调整机构2配置在接收光的基准光轴103上而对基准光轴103的位置进行调整，也能够使基准光轴102和基准光轴103重合，得到与上述相同的效果。

实施方式2

在实施方式1的光轴调整机构中，示出对光轴的位置进行调整而不使激光101的光轴的角度变化的结构。在该光轴调整机构中，光轴完全不会由于位置调整而偏移，仅使第1平行平板21和第2平行平板23旋转，就能够返回到位置调整前的位置。因此，通过在该光轴调整机构中追加检测激光101的光轴的位置的结构，能够实现位置调整的自动化。因此，在实施方式2中，说明自动进行位置调整的光轴调整机构。

图7是示出本发明的实施方式2的光轴调整机构的结构例的图。该图7所示的实施方式2的光轴调整机构相对于图1所示的实施方式1的光轴调整机构追加了位置检测部4、位置调整部5和光学系统6。其他结构相同，标注相同标号并省略其说明。另外，在图7中，标号7是反射主要光且透射一部分光的部分反射镜。该部分反射镜7透射光的一部分即可。例如，一般而言，即使是反射全部光的全反射反射镜，也产生些许透射光，因此，能够用作部分反射镜7。

位置检测部4检测由角度调整机构1调整了光轴的角度且由位置调整机构2调整了光轴的位置的激光101的光轴的位置。

位置调整部5根据由位置检测部4检测到的位置，对基于第1旋转机构22和第2旋转机构24的旋转量进行调整。由此，位置调整部5进行调整，以使得激光101的光轴的位置成为期望位置。

例如，位置调整部5预先存储接收光的基准光轴103的位置。然后，位置调整部5检测由位置检测部4检测到的激光101的光轴的位置与所存储的接收光的基准光轴103的位置之差，对基于第1旋转机构22和第2旋转机构24实现的旋转量进行调整，以使得消除该差。

在图7的例子中，在光轴对齐部3的后级配置部分反射镜7，通过该部分反射镜7改变激光101和接收光的方向。而且，位置检测部4使用从该部分反射镜7的背面泄漏的激光101检测光轴的位置。由此，能够将具有位置检测部4的光轴调整机构搭载于激光雷达装置中，光轴调整机构能够在基于激光雷达装置的观测中自动进行光轴调整。

光学系统6被入射由角度调整机构1调整了光轴的角度且由位置调整机构2调整了光轴的位置的激光101，对该激光进行转印。在图7的例子中，光学系统6配置在部分反射镜7的后级。该光学系统6不是必须的结构，根据需要进行设置。而且，在设置光学系统6的情况下，位置检测部4配置在通过光学系统6转印激光101的位置。该光学系统6能够使位置检测部4检测任意部位的激光101的光轴的位置。上述任意部位是指希望使激光101和接收光的光轴一致的部位，例如是光轴对齐部3的出射面。

另外，作为光学系统6，能够使用图8所示的具有焦距f的透镜、或由多个光学部件的组合实现的与该透镜等效的转印光学系统。这里，在利用位置检测部4检测光轴对齐部3的出射面中的激光101的光轴的位置的情况下，光轴对齐部3与光学系统6的距离s1和光学系统6与位置检测部4的距离s2之间的关系由下式(5)表示。

1/f＝1/s1+1/s2(5)

这里，在未设置光学系统6的情况下，当激光101相对于接收光的基准光轴103具有角度时，由位置检测部4检测到的光轴的位置相对于光轴对齐部3的出射面中的该光轴的位置偏移。由此，需要反复进行角度调整和位置调整。

另一方面，在设置有光学系统6的情况下，能够将光轴对齐部3的出射面中的激光101的光轴与接收光的基准光轴103之间的位置关系转印到位置检测部4而进行再现。其结果，在激光101相对于接收光的基准光轴103具有角度的情况下，也能够将光轴对齐部3中的光轴的位置偏移再现于位置检测部4，因此，能够仅独立地调整位置。由此，能够在短时间内进行光轴调整。

另外，在位置调整机构2中，使第1平行平板21和第2平行平板23绕基准光轴102旋转，由此，仅使激光101的光轴的位置变化。因此，在位置调整机构2中，即使在位置调整中使光轴的平行移动量过大，通过使第1平行平板21和第2平行平板23旋转，也能够使光轴恢复到位置调整前的位置。因此，在位置调整中光轴完全不会偏移，能够可靠地调整光轴。进而，位置调整部5预先存储第1平行平板21和第2平行平板23的初始旋转位置，由此，在位置调整失败的情况下，也能够容易地使光轴返回到初始位置。

最后，参照图9对实施方式2中的位置调整部5的硬件结构例进行说明。

位置调整部5的功能由处理电路51实现。处理电路51可以如图9a所示是专用硬件，也可以如图9b所示是执行存储器53中存储的程序的cpu(也称为centralprocessingunit、中央处理装置、处理装置、运算装置、微处理器、微计算机、处理器、dsp(digitalsignalprocessor))52。

在处理电路51是专用硬件的情况下，处理电路51例如是单一电路、复合电路、程序化的处理器、并行程序化的处理器、asic(applicationspecificintegratedcircuit)、fpga(fieldprogrammablegatearray)或组合它们而得到的部件。

在处理电路51是cpu的情况下，位置调整部5的功能由软件、固件或软件与固件的组合实现。软件和固件作为程序进行记述，存储在存储器53中。处理电路51读出并执行存储器53中存储的程序，由此实现位置调整部5的功能。即，位置调整部5具有用于存储如下程序的存储器53：在由处理电路51执行该程序时，其结果执行根据由位置检测部4检测到的位置对基于第1旋转机构22和第2旋转机构24的旋转量进行调整的动作。此外，可以说这些程序使计算机执行位置调整部5的步骤或方法。这里，存储器53例如是ram(randomaccessmemory)、rom(readonlymemory)、闪存、eprom(erasableprogrammablerom)、eeprom(electricallyeprom)等非易失性或易失性半导体存储器、磁盘、软盘、光盘、高密度盘、迷你盘、dvd(digitalversatiledisc)等。

这样，处理电路51能够通过硬件、软件、固件或它们的组合实现上述功能。

另外，本申请发明能够在其发明范围内进行各实施方式的自由组合、或各实施方式的任意结构要素的变形、或各实施方式中的任意结构要素的省略。

产业上的可利用性

本发明的光轴调整机构具有光轴调整的稳定性和再现性，能够对光轴的位置进行调整而不使激光的光轴的角度变化，适用于对激光的光轴的角度和位置进行调整的光轴调整机构等。

标号说明

1：角度调整机构；2：位置调整机构；3：光轴对齐部；4：位置检测部；5：位置调整部；6：光学系统；7：部分反射镜；21：第1平行平板；22：第1旋转机构；23：第2平行平板；24：第2旋转机构；51：处理电路；52：cpu；53：存储器；101：激光；102：基准光轴；103：基准光轴。