JPH071201B2 - 光ビーム測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザー光,LED光，白色光等の光ビームの特性
を測定するために使用され、特にビーム径，ビーム断面
形状及びビーム断面の強度分布等を容易に且つリアルタ
イムに測定し得る光ビーム測定装置及び光ビーム測定用
ビデオカメラに関するものである。

〔従来の技術〕

レーザー光等の光ビームの特性を測定するため、従来よ
り使用されてきた測定装置として次に述べるものがあ
る。

この装置は第13図ないし第15図に示すように光源装置
（レーザー投光器等）ａから投射された光ビームｐを受
光して電気信号に光電変換する光検出部ｂと、該光検出
部ｂから送出される電気信号を処理してビーム径r,r′
（第14図及び第15図参照）等のデータを表示窓ｃにデジ
タル表示するコントローラｄと、ビーム断面の光強度分
布ｍを画像表示するオシロスコープｆ等からなり、前記
光検出部ｂはその前側の中心部に設けたピンホール（又
は回転するスリット）ｇを通してレーザー光を受光し、
検出器ｈに入射させるようにしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、前述の測定装置には次のような問題点があっ
た。

〔ｉ〕ビーム径の寸法がデジタル表示されるため、ビー
ムの断面形状を把握するのに高度の技術を必要とする。
すなわち第14図に示すように、ビームの断面の中心が検
出器ｈの中心部ｊに位置している場合は比較的容易にビ
ームの断面形状を把握できるが、第15図に示すように中
心部ｊから偏倚している場合は測定が手探り状態にな
り、特にビーム断面が円形ではなく、例えば楕円形をし
ている場合、測定はほとんど不可能になる。

〔ii〕ビームの光強度が大きい場合、強度分布（ガウシ
アン分布）がオシロスコープの画面から逸脱するため強
度分布の測定が困難になり、又、ビーム径が小さい場合
は画像が小さくなるため測定値が不正確になる。

〔iii〕上記の結果、測定の対象は専らビーム径及びビ
ーム強度が或る範囲にあり、又、断面の形状が予測され
ており、しかも光軸ｋがほぼ正確に調整されている光ビ
ームに限定されることになり、光源装置の組立及び調整
用の補助手段として利用するには程遠い状況にある。

本発明は前述の問題点に鑑み、光ビームの径及び強度に
関係なく光ビームの特性を容易に且つ正確に、しかもリ
アルタイムに測定することができ、その結果、生産ライ
ンにおける各種光源装置の組立，調整及び検査用に使用
でき、更には実験開発レベルにある各種光源装置の特性
の観測及び測定にも幅広く利用できる光ビーム測定装置
及び測定用ビデオカメラを提供することを技術的課題と
する。

〔課題を解決するための手段〕

前記の課題を解決するため、本発明では次の手段を構成
した。

ビデオカメラとモニターテレビとオシロスコープとを備
え、前記モニターテレビに光ビームの断面形状を、ま
た、オシロスコープに光パワー分布をそれぞれ画像表示
するようにした光ビーム測定装置において、透明な目盛
板を透して光ビームを検出するビデオカメラと、モニタ
ーテレビの画面上に直線状のカーソルを移動自在に表示
すると共に、表示されたカーソルと同じ場所に投射され
たビデオ信号をオシロスコープに送出するカーソル発生
装置とを備え、前記ビデオカメラは光源装置と相対峙し
て光学ベンチ上に移動自在に取り付けられていることを
特徴とする光ビーム測定装置。

〔作用〕

〔ｉ〕ビデオカメラを用いて測定すべき光ビームを検出
し、ビームの断面をモニターテレビに画像表示するよう
にしたので、ビームの断面形状を容易に且つリアルタイ
ムに観測することができる。

〔ii〕カーソルを所望のタイミングで発生させるので、
モニターテレビの画面上に移動自在にカーソルを発生さ
せることができる。従ってカーソルをビーム断面の中心
部に発生させることによってビームのピーク強度，強度
分布及びビーム径等をオシロスコープに画像表示するこ
とが可能になり、ビームの特性を確実に且つリアルタイ
ムに測定することができる。

〔iii〕光学ベンチを設けて光源装置とビデオカメラ間
の距離を変更できるように構成することにより、ビーム
の最小断面位置（焦点距離）及びビームの発散角を測定
することができる。

〔iv〕ビデオカメラの光学装置に減光フィルター及び必
要に応じて拡大レンズを設けるので、ビームの光強度及
びビーム径に関係なく正確な測定を行うことができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。第１
図ないし第12図は本発明の一実施例を示すもので、本装
置は２次元CCD方式のビデオカメラ１と、白黒のモニタ
ーテレビ２と、カーソル発生装置３と、トリガ同期方式
のオシロスコープ（いわゆるシンクロスコープ）４と、
前記ビデオカメラ１とレーザー投光器５を相対して移動
可能に支持する光学ベンチ６等からなり、前記ビデオカ
メラ１は雲台７を介して上下及び左右方向に微小動作で
きるように支持台８上に支持されている。尚、図中、９
はビデオカメラ用電源、10はレーザー用電源である。

ビデオカメラ１は撮像装置12と、該撮像装置12の前側に
取り付けた光学装置13等からなり、前記光学装置13は第
２図及び第３図に示すように、先端部に配置した透明な
目盛板14（１目盛の間隔は例えば10μｍとする）と、所
要数（図では２個）の減光フィルター15と、結像用レン
ズ16等からなり、前記減光フィルター15は目盛板14とレ
ンズ16の中間位置にあって鏡筒11に着脱自在に装着され
ている。更に必要に応じて画像の分解能を高めるため、
拡大レンズ17が光学装置13の基部に配置される（第４図
参照）。撮像装置12はCCD形の光センサー18と、該光セ
ンサー18に蓄積された電荷をビデオ信号として逐次送出
する送像部19等からなる。

カーソル発生装置３はモニターテレビ２の画面20上に直
線状のカーソル22（第６図ないし第８図参照）を移動自
在に表示すると共に、このカーソル22と同じ場所に投射
されるビデオ信号をオシロスコープ４に画像表示される
役割りを果たすもので、その構成は第５図のブロック図
に示すとおりである。

以下、図面を参照して説明すると、カーソル発生装置３
はビデオカメラ１から送られたビデオ信号23を受け取っ
て２種類のパルス信号、すなわちモニターテレビの画面
の水平方向の走査が完了する度ごと（１走査線ごと）に
発生する水平同期信号24と、前記画面の垂直方向の走査
が完了する度ごと（１画面ごと）に発生する垂直同期信
号25とに分離して別個に出力する同期信号分離回路26
と、前記水平同期信号24をクロック入力とし、又、前記
垂直同期信号25をリセット入力として水平同期信号24の
入力回数を２進化10進数としカウントするバイナリーカ
ウンター27と、該バイナリーカウンター27の出力信号28
を後述するマイクロコンピュター29の出力信号30と比較
し、前記２つの出力信号28,30が一致したときに限って
カーソル信号32を出力する比較一致検出回路33と、前記
カーソル信号32とビデオ信号23を混合してモニターテレ
ビ２に送出するカーソル＆ビデオ映像信号混合回路34等
からなる。

マイクロコンピューター29はモニターテレビの画面20の
各走査線（インターレスの場合512本，ノンインターレ
スの場合256本ある）を別々のアドレスとして記憶する
メモリー31と、該メモリー31の中から所望の１本の走査
線を抽出するCPU36と、抽出された１本の走査線を一時
的に記憶するバイナリーレジスター37等からなり、カー
ソル発生装置のパネル前面に配置したパネルスイッチ41
を操作すると所望の走査線が抽出されるように構成され
ている。

尚、前記カーソル信号32は別途、信号ケーブル38を介し
てオシロスコープ４のトリガ入力端子39に入力する。

カーソル発生装置３は前記のように構成されているの
で、測定中、第７図及び第８図に示すようにモニターテ
レビの画面20上にカーソル22と光ビームの断面46が表示
される。又、オシロスコープの画面40上には、モニター
テレビの画面20においてカーソル22が横断しているビー
ム断面に対応するビデオ信号がガウシアン分布（光強度
分布）42として画像表示される（第10図参照）。

オシロスコープ４はすでに述べたように、トリガ同期方
式のもので通常、シンクロスコープと呼ばれる市販品を
使用するが、画面40に表示されるガウシアン分布42から
ビーム径を容易に直読できるようにするため、ピーク強
度を100％とし（100％の位置は、例えば時間軸43より5c
m上ったところに設けられる）、このピーク強度の50％
（半値）,36.8％（1/e）及び13.5％（1/e²）に相当する
目盛を画面41上に表示するようにしてもよい。

次に、本装置の取扱要領及び作動について説明する。測
定前、次の手順に従って光学装置13を調整すると共に、
測定値を求めるためのスケール変換を行う。

〔ｉ〕各構成機器の電源スイッチをONに入れ、カーソル
発生装置３のパネルスイッチ41を操作すると、第６図に
示すようにモニターテレビの画面20上に目盛板14の目盛
44とカーソル22が表示される。

〔ii〕光学装置13の焦点調整を行う。すなわち鏡筒11の
前後側の部分を継手21のところで前後方向に相対移動さ
せると第６図に示す目盛板14の目盛44が鮮明に表示され
る。

〔iii〕第７図に示すようにカーソル22を画面20上で移
動させ、目盛板14の目盛44に合わせる。ここで、オシロ
スコープ４を作動させると、第９図に示すようにオシロ
スコープの時間軸43の近傍に目盛板の目盛44の変調波形
45が一定間隔で現われるので、この変調波形45の１波長
λの間に含まれる時間軸43の目盛の数を読み取るとスケ
ール変換が完了する。尚、径の小さい光ビームを測定す
る際は拡大レンズ17を装備した光学装置13a（第４図参
照）を使用する。

〔iv〕以上の操作で測定準備が完了する。投光器５を駆
動してレーザー光をビデオカメラ１の目盛板14に投射す
ると、モニターテレビ２の画面20にビームの断面46が現
われる。（第７図参照）。

〔ｖ〕ここで、第８図に示すようにカーソル22がビーム
の断面46の中心47を横断するようにカーソル22を移動さ
せると、カーソル22に一致した断面の部分のガウシアン
分布42が第10図に示すように画像表示されるので、ビー
ム径を時間軸43の目盛で読み取る。

この際、第11図に示すようにガウシアン分布42のピーク
が飽和現象のため欠けている場合は、光学装置13に減光
フィルター15を適宜数装着して減光させ、ピークが100
％にくるようにする（仮想線参照）。

又、ガウシアン分布42のピーク48が第12図に示すように
ピーク強度100％のレベルに到達していない場合は、オ
シロスコープの垂直感度切換用の摘み（図示せず）を操
作してピーク48が100％のレベルに到達するように画像
を上方に移動させる（仮想線参照）。

以上の測定操作によって、波長が400nm〜1200nmの光ビ
ームの断面形状，ビーム径，光軸の偏向度，光強度分布
を容易に且つ正確に、しかもリアルタイムに測定するこ
とができる。

更に、ビームの最小断面位置及び発散角を測定する際
は、ビデオカメラ１を光学ベンチ６に沿って適宜移動さ
せ（矢印ｎ）、各移動位置においてビーム径を測定し、
得られた測定値を相互に比較する。

なお、本発明は前述の実施例にのみ限定されるものでは
なく、例えばビデオカメラの撮像装置はCCD方式の代り
に別の方式のものを使用してもよいこと等、その他本発
明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を加え得るこ
とは勿論である。

〔発明の効果〕

以上に述べたごとく、本発明は次の優れた効果を発揮す
る。

〔ｉ〕ビデオカメラを用いて測定すべき光ビームを検出
し、ビームの断面をモニターテレビに画像表示するよう
にしたので、ビームの断面形状を容易に且つリアルタイ
ムに観測することができる。

〔ii〕カーソルを所望のタイミングに発生させるので、
モニターテレビの画面上に移動自在にカーソルを発生さ
せることができる。従ってカーソルをビーム断面の中心
部に発生させることによってビームのピーク強度，強度
分布及びビーム径等をオシロスコープに画像表示するこ
とが可能になり、ビームの特性を確実に且つリアルタイ
ムに測定することができる。

〔iii〕ビデオカメラの光学装置に減光フィルター及び
必要に応じて拡大レンズを設けるので、ビームの光強度
及びビーム径に関係なく正確な測定を行うことができ
る。

〔iv〕光学ベンチを設けて光源装置とビデオカメラ間の
光学距離を変更し得るように構成することにより、光ビ
ームの最小断面位置（焦点距離）及びビームの発散角を
測定することができる。

〔ｖ〕前記第〔ｉ〕項ないし第〔iii〕項の結果、本装
置を用いることにより、生産ラインにおける各種光源装
置の組立，調整の適否，及び実験開発レベルにある各種
光源装置の特性を容易に観察し且つ測定することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第12図は本発明の一実施例を示し、第１図
は全体の配置を示す説明図、第２図は光学装置の切断側
面図、第３図は第２図におけるIII-III方向からの矢視
図、第４図は別の光学装置の切断側面図、第５図はカー
ソル発生装置の構成を示すブロック図、第６図ないし第
８図はいずれもモニターテレビの画面に表示された映像
の説明図、第９図ないし第12図はいずれもオシロスコー
プの画面に表示された映像の説明図、第13図ないし第15
図は従来の装置を示し、第13図は全体の配置を示す説明
図、第14図及び第15図は検出器に入射した光ビームの断
面の説明図である。 図中、 １……ビデオカメラ、２……モニターテレビ ３……カーソル発生装置、４……オシロスコープ ５……レーザー投光器、６……光学ベンチ 12……撮像装置、13……光学装置 14……目盛板、15……減光フィルター 16……結像用レンズ、17……拡大レンズ 18……光センサー 20……モニターテレビの電子画面 22……カーソル 40……オシロスコープの電子画面

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ビデオカメラとモニターテレビとオシロス
   コープとを備え、 前記モニターテレビに光ビームの断面形状を、また、オ
   シロスコープに光パワー分布をそれぞれ画像表示するよ
   うにした光ビーム測定装置において、 透明な目盛板を透して光ビームを検出するビデオカメラ
   と、モニターテレビの画面上に直線状のカーソルを移動
   自在に表示すると共に、表示されたカーソルと同じ場所
   に投射されたビデオ信号をオシロスコープに送出するカ
   ーソル発生装置とを備え、 前記ビデオカメラは光源装置と相対峙して光学ベンチ上
   に移動自在に取り付けられていることを特徴とする光ビ
   ーム測定装置。