JP2003329815A

JP2003329815A - ビームスプリッター及びそれを用いたマルチビーム光学系並びにそれを搭載したレーザ墨出し装置

Info

Publication number: JP2003329815A
Application number: JP2002140842A
Authority: JP
Inventors: Koji Nishimura; 孝司西村
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2002-05-16
Publication date: 2003-11-19

Abstract

(57)【要約】【課題】 1本のレーザ光から同一強度の複数のビーム
を発生することができる簡易な光学系ならびにそれを搭
載した低価格の複数ライン光を照射できるレーザ墨出し
装置を提供する。【解決手段】ビームスプリッターを、底面形状が直角
二等辺三角形からなる三角柱を3個組合せることにより
構成し、各直角二等辺三角形の稜線を含む平面には入射
光を分離するための薄膜を形成した。この構成により、
三角形の頂角に向かって入射した光は、光分離面によっ
て2本は反射し1本は透過するためビームスプリッターに
入射した光は直交する3方向に分離される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として１本のレ
ーザ光を複数本のレーザ光に分割するためのビームスプ
リッター及びそれを用いたマルチビーム発生光学系に関
し、さらには屋内外での家屋建築工事の際、墨出し作業
に用いるレーザ墨出し装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】家屋建築の際、特に工事の開始時には各
種部材の取り付け基準の設定や部材加工の位置決め等に
水準線を出す作業、すなわち墨出し作業が必須である。
そこで建築現場では、レベル測量儀等の器具を用いてレ
ベル出しを行い、対象となる構造物の壁に複数のマーク
墨をつけ、それらをつないで墨出しラインを形成し工事
基準としていた。

【０００３】しかし、この作業は最低でも２人で行う必
要があり、非常に手間が掛かり、効率が悪いという問題
があった。この問題を改善するために、最近ではライン
光照射機能を有するレーザ墨出し装置を用いて効率良く
墨出し作業を行うことが多くなった。レーザ墨出し装置
は１人で墨出し作業を容易に行うことができるため、建
築作業には欠かせない建築作業ツールとなりつつある。

【０００４】墨出しラインには床から壁、天井にかけて
垂直線を描く所謂、『たちライン』や、２本の『たちラ
イン』を同時に照射させることにより、天井に直角ライ
ンを描く『大矩ライン（おおがねライン）』、あるいは
壁に水平線を描く『ろくライン』、あるいはレーザ墨出
し装置の直下の床上に集光したレーザビームを照射する
『地墨』等いろいろなラインが存在する。

【０００５】レーザ墨出し装置を用いた墨出し作業の効
率化を図るには、1台のレーザ墨出し装置で複数の墨出
しラインが照射できることが望まれる。そこで最近では
1台の装置で2ライン以上のライン照射が可能な装置が提
案されつつある。

【０００６】従来、1台のレーザ墨出し装置から複数ラ
インを照射する方式として、複数個の個のレーザ光源を
用いる方式と、1個のレーザ光源から出射されたレーザ
ビームを分割することにより複数ラインを得る方式が知
られている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前者の方式の場合、搭
載するレーザ光源数の増加に伴い、装置のコストも高く
なるという問題がある。一方、後者のレーザ光を分割す
ることにより複数のライン光を得る方式としては、例え
ば特開平9−159451に開示されるように、レーザ出射方
向に複数のハーフミラーを直列に積層した構造の出射光
学系を用いる方式がある。しかし、この方式では第一番
目のハーフミラーを透過した光はその強度が1/2に減少
し、引続き第二番目のハーフミラーを透過した光はさら
に1/2に強度が減少する。このようにハーフミラーを透
過する毎に光強度が逐次減少するため、分割されたビー
ム毎に光の強度が異なり、得られる複数のライン光の輝
度がそれぞれ異なってしまうという問題があった。ま
た、ビームを分割するために複数のハーフミラーを並べ
て構成する必要があるため、光学系が複雑になり、しか
も光学素子の部品点数が増えてしまうという問題もあっ
た。

【０００８】そのため、複数のライン光を照射すること
ができる従来のレーザ墨出し装置は、ライン光の数だけ
レーザ光源を備えた構造のものが多くなっている。しか
しこの場合は前述の通り、光源数の増加に伴い、装置価
格が上昇する。したがって墨出し作業においてより効率
の高い作業を行うためには、高価な装置が必要となって
いた。

【０００９】本発明はこのような従来の課題を解決する
ものであり、1本のレーザ光からほぼ同一の強度の複数
のビームを発生することができる簡易な構造のビームス
プリッターおよびそれを用いたマルチビーム光学系を提
供することを一つの目的とする。さらに本発明は、上記
の光学系を搭載した低価格の複数ライン光を照射できる
レーザ墨出し装置を実現することを他の目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は，第１の半透明な面と、第２の半透明な面と
を有する光学装置を備え、光源からの光を第１の面の反
射光と第２の面の反射光と、第１及び第２の面の透過光
とに分離する構造としたことに一つの特徴がある。この
ように構成することにより、極めて簡単且つ安価に、１
本の入射光から３本の出力ビームを発生することがで
き、レーザ墨出し装置に適用すれば３本のたちラインや
ろくライン等を形成することができる。

【００１１】本発明の他の特徴は、上記光学装置を複数
の透明な光学部材から構成し、その一つの光学部材は三
角柱の形状とし、該三角柱の底面形状において頂角を挟
む2辺を含む三角柱の側面に上記第１の半透明な面と第
２の半透明な面を形成したことにある。このように構成
すると、底面形状の頂角に向かって１本の入射光を照射
するだけで簡単に３本の出力ビームを形成することがで
きる。

【００１２】本発明の他の特徴は、上記の光学部材を、
その底面形状が直角二等辺三角形である透明な三角柱で
構成したことにある。このように構成すると、３本の出
射ビームを互いに直角な方向に発生することができるた
め、たちラインや、ろくライン等を描くのに非常に便利
である。

【００１３】本発明の他の特徴は、底面形状が直角二等
辺三角形である透明な三角柱からなる3個の光学部材を
備え、第１の光学部材の側面であって、直角二等辺三角
柱の底面形状において頂角を挟む2辺を含む三角柱の側
面と、第２及び第３の光学部材の側面であって、直角二
等辺三角柱の底面形状において頂角と対向する辺を含む
三角柱の側面とを接合し、さらに該接合面に第１の半透
明な面と第２の半透明な面を形成したことにある。この
ように構成することにより、３個の光学部材を組み合わ
せるだけで３本の出射ビームを形成することが可能とな
り構造が簡単であるという効果がある。

【００１４】さらに本発明の他の特徴は、上記の第１及
び第２の半透明な面の光反射率を６７％近傍としたこと
にある。このように構成することにより、３本の出射ビ
ームの光の強度をほぼ等しくすることができる。

【００１５】本発明のさらに他の特徴は、上記出射光の
少なくとも１つの通過経路中に別の光分離効果を有する
光学素子を設けたことにある。このように構成すること
によりさらに多くのビームを形成することが可能とな
り、１個の光源から多くのライン光を発生することがで
きる。

【００１６】

【発明の実施形態】以下実施形態を示した図面を参照し
て本発明を説明する。（実施形態１）本発明の光学素子の基本構成を図1に示
す。ビームスプリッター1は、底面形状が直角二等辺三
角形からなる３個の三角柱１ａ、１ｂ、１ｃを組合せて
構成されている。該三角柱は光を透過することができる
ガラス又はプラスチックからなる。本実施形態ではプリ
ズム材としてBK７を用いた。プリズムを構成する一個の
三角柱形状の素子サイズは次の通りである。光分離薄膜
2が形成されている面の一辺の長さは5ｍｍであり、さら
に三角柱の高さは５ｍｍである。すなわちビームスプリ
ッター1の幅は7ｍｍ奥行き3.5ｍｍ、高さ5ｍｍとなって
いる。

【００１７】光分離面２には入射光を透過光と反射光に
分離するための誘電体薄膜が形成されている。図2に作
製したビームスプリッター1の平面図を示す。図3に示す
ようにビームスプリッター1の入射面から入射した光Ｂ1
（光源は図示せず）は、光分離面2によって一方は反射
しＢ2となり、一方は透過しＢ3となる。例えば簡単のた
め入射光Ｂ1のレーザーパワーを100とすると、入射光の
うち50の分は、図における右方向の反射及び透過に費や
され、残った50の入射光は同様にして図中左方向の反射
及び透過に費やされる。ここで、光分離薄膜１及び2の
反射率はほぼ67％、透過率はほぼ３３％に設定されてい
る。したがって光分離面２の反射光の強度は50×0.67＝
33.5となる。透過光の強度は50×（1―0.67）＝16.5と
なる。左右両方向とも同様に算出される。すなわち、左
右に分かれる反射光の強度はそれぞれ33.5となり、透過
光の強度は16.5×2＝33となり、分離された光はほぼ均
一な強度を有することになる。また、図から明らかなよ
うに本構成のビームスプリッターにより分離された光の
うち反射光を同一直線上に位置させることが可能とな
る。（実施形態２）実施形態２はビームスプリッター1と三
角プリズム3を組合せることにより分岐する光ビームの
数を増加させたもので、図４，５，６がその原理説明
図、図７及び８が一実施例の構成を示す。図4に示した
ように三角プリズム3の頂角側から光を入射すると、そ
の光は特定の角度でプリズムから出射する。図５で詳し
く説明する。まず図中のプリズム下側稜線から入射した
光の入射角度は45°である。この光はθ1の角度でプリ
ズム内部を直進する。プリズム材の屈折率をｎＰ＝1.5
（ＢＫ7の場合）及び空気の屈折率を1とすると、次の関
係式が成り立つ。

【００１８】 1×ｓｉｎ45＝1.5×ｓｉｎθ1 （1）式（1）式からθ1を求めると、θ1＝28°となる。したが
ってθ2＝17°が得られる。次に 1.5×ｓｉｎ17＝1×ｓｉｎθ3 （2）式（2）式からθ3を求めると、θ3＝26°となる。すなわ
ち三角プリズム3の頂角側から45°の入射角で入った光
はプリズム底面から26°の出射角で出射する。入射光は
ある程度の太さを有しているため、入射光の1/2は図5で
説明したように三角プリズム3稜線下側から入射し、26
°の出射角で出射する。残りの1/2は三角プリズム3稜線
上側から入射し、26°の出射角で出射する。すなわち直
角二等辺三角形形状のプリズム頂角から入射した光は2
つの光に分離され、それぞれが26°の角度で出射する。

【００１９】図6に示したように直角二等辺三角形形状
のプリズム3を配置し、光を入射させると上述の原理に
従い、入射光の1/2は26°の角度で出射し、残った1/2の
光はプリズム内部を通過しないため、空気中を直進す
る。

【００２０】以上のようにプリズム形状、屈折率、入射
角度などを制御することにより、出射角度を変えること
が可能となる。図7は本発明の第２の実施例の側面図、
図８はその平面図を示すもので、図１の構成を有するビ
ームスプリッター1の後方に三角プリズム3を配置するこ
とにより4本のビームを得るように構成した例を示す。
すなわち、ビームスプリッター1では同一線上にあり、
進行方向が互いに180°異なる2本の反射光を得る。次に
ビームスプリッター1を透過した出射光の一部は三角プ
リズム3を通過し、プリズム内部で光路が変わるため26
°の角度で出射する。同時にビームスプリッター1から
の残りの光は三角プリズム3内部を通らないため、その
まま空気中を直進する。したがって合計4本の光ビーム
が1個の光源から得られる。なお、この例ではビームス
プリッター１の出力光のうちの1本だけを2つに分離した
が必要に応じて他の出射光も同様にして分離することが
できることは勿論である。（実施形態３）次に本発明のビームスプリッター1の製
造方法について説明する。まず図９に示すように、三角
プリズム1aの表面に光を適当な割合で透過及び反射させ
るための薄膜2を形成する。薄膜2の材質は光を透過及
び反射させるものであれば何でもよいが、一般には誘電
体薄膜が良く用いられる。薄膜の膜厚は光の透過と反射
の割合に応じて適当に選択する。次に図１０のように、
この三角プリズム1aと、他の透明な三角柱をした光学部
材1b,1cを組合わせ、接着することで完成する。接着に
は通常の接着剤を用いてもよいが、平滑面同士を組合わ
せる際に貼り合わせ面で生じる分子間力を用いてもよ
い。（実施形態４）次に本発明のビームスプリッター1をレ
ーザ墨出し装置に実装した形態について説明する。図11
に示すようにレーザ墨出し装置12は基本的にはライン光
を発生させる光学系4と光学系を水平に保つための支持
機構部5から構成されている。図12及び図13にライン光
発生光学系4の概略を示す。半導体レーザ6から出射され
たレーザビームはコリメータレンズ7によりコリメート
光（平行光）に変換される。次にコリメート光は本発明
のビームスプリッター1を通過し3本のビームに分離され
る。このうち透過光はビームスプリッター1の後に配置
された三角プリズム3に入射し2本のビームに分離され
る。すなわち、半導体レーザー6から出た1本のレーザー
ビームから4本のコリメート光を得ることができる。次
に各分離光はライン光発生光学素子の一種であるガラス
製ロッドレンズ8,9,10,及び11を透過することによりラ
イン光に変換される。この光学系4を支持機構部5で支持
することによりレーザ墨出し装置12が構成される（図1
1）。

【００２１】発生するライン光の方向はロッドレンズ8,
9,10,11の設置方向により規定される。すなわち水平ラ
イン光を得たい場合はロッドレンズを垂直方向に配置
し、垂直ライン光を得たい場合はロッドレンズを水平方
向に配置する。本実施形態ではロッドレンズ8、ロッド
レンズ9及びロッドレンズ10を水平に配置し、さらにロ
ッドレンズ11を垂直に配置することにより、3本の垂直
ライン光と1本の水平ライン光を得ている。

【００２２】

【発明の効果】上述のように本発明によるビームスプリ
ッターを用いれば、簡易な方法で，1本のレーザビーム
を複数のレーザビームに分離することが可能となる。ま
た、本発明によるビームスプリッターをレーザ墨出し装
置の光学系に搭載することで1個の光源から複数本のレ
ーザビームを容易に得ることができるため、低コストで
複数本の墨出し用レーザライン光を発生させることが可
能となった。その結果、従来は非常に高価であった複数
ライン光照射用レーザ墨出し装置を低価格で得ることが
可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のビームスプリッターの一実施例を示す
概略図である。

【図２】本発明のビームスプリッターの平面図である。

【図３】本発明による分離光発生の原理を示す説明図で
ある。

【図４】本発明に用いられる三角プリズムによる光の出
射方向の説明図である。

【図５】本発明に用いられる三角プリズムによる光の出
射方向の説明図である。

【図６】本発明に用いられる三角プリズムによる光の出
射方向の説明図である。

【図７】本発明のマルチビーム発生光学系の一実施例を
示す概略側面図である。

【図８】本発明のマルチビーム発生光学系の一実施例を
示す平面図である。

【図９】本発明のビームスプリッターの製造方法を示す
概略図である。

【図１０】本発明のビームスプリッターの製造方法を示
す概略図である。

【図１１】本発明のビームスプリッターを搭載したレー
ザ墨出し装置の一実施例を示す概略図である。

【図１２】本発明のビームスプリッターを組込んだライ
ン光発生光学系の一実施例を示す側面概略図である。

【図１３】本発明のビームスプリッターを組込んだライ
ン光発生光学系の一実施例を示す平面図である。

【符号の説明】

１：ビームスプリッター１ａ，１ｂ，１ｃ：ビームスプリッターを構成する光学
部材２：光分離面および薄膜３：三角プリズム４：ライン光発生光学系５：支持機構部６：半導体レーザ７：コリメートレンズ８、9、10、11：ロッドレンズ 12：レーザ墨出し装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の半透明な面と、第２の半透明な面と
を有する光学装置を備え、光源からの光を第１の面の反
射光と第２の面の反射光と、第１及び第２の面の透過光
とに分離し、１本の入射光から2本の反射光と1本の透過
光を発生させることを特徴とするビームスプリッター。
【請求項２】請求項1記載のビームスプリッターにおい
て、上記光学装置は複数の透明な光学部材からなり、第
１の光学部材は三角柱の形状をし、該三角柱の底面形状
において頂角を挟む2辺を含む三角柱の側面に上記第１
の半透明な面と第２の半透明な面を形成したことを特徴
とするビームスプリッター。
【請求項３】請求項2記載のビームスプリッターにおい
て、第１の光学部材は、その底面形状が直角二等辺三角
形であることを特徴とするビームスプリッター。
【請求項４】底面形状が直角二等辺三角形である透明な
三角柱からなる3個の光学部材を備え、第１の光学部材
の側面であって、直角二等辺三角柱の底面形状において
頂角を挟む2辺を含む三角柱の側面と、第２及び第３の
光学部材の側面であって、直角二等辺三角柱の底面形状
において頂角と対向する辺を含む三角柱の側面とを接合
し、さらに該接合面に第１の半透明な面と第２の半透明
な面を形成したことを特徴とするビームスプリッター。
【請求項５】請求項１記載のビームスプリッターにおい
て、第１の面及び第２の面の光の反射率を６７％近傍に
したことを特徴とするビームスプリッター。
【請求項６】第１の半透明な面と、第２の半透明な面と
を有する光学装置を備え、光源からの光を第１の面の反
射光と第２の面の反射光と、第１及び第２の面の透過光
とに分離し、１本の入射光から出射光として2本の反射
光と1本の透過光を発生させると共に、上記出射光の少
なくとも１つの通過経路中に別の光分離効果を有する光
学素子を設けたことを特徴とするマルチビーム発生光学
系。
【請求項７】請求項６記載のマルチビーム発生光学系に
おいて、上記光学装置は複数の透明な光学部材からな
り、第１の光学部材は三角柱の形状をし、該三角柱の底
面形状において頂角を挟む2辺を含む三角柱の側面に上
記第１の半透明な面と第２の半透明な面を形成したこと
を特徴とするマルチビーム発生光学系。
【請求項８】請求項６記載のマルチビーム発生光学系に
おいて、第１の光学部材は、その底面形状が直角二等辺
三角形であることを特徴とするマルチビーム発生光学
系。
【請求項９】底面形状が直角二等辺三角形である透明な
三角柱からなる3個の光学部材を備え、第１の光学部材
の側面であって、直角二等辺三角柱の底面形状において
頂角を挟む2辺を含む三角柱の側面と、第２及び第３の
光学部材の側面であって、直角二等辺三角柱の底面形状
において頂角と対向する辺を含む三角柱の側面とを接合
し、さらに該接合面に第１の半透明な面と第２の半透明
な面を形成し、光源からの光を第１の面の反射光と第２
の面の反射光と、第１及び第２の面の透過光とに分離
し、１本の入射光から2本の反射光と1本の透過光を発生
させると共に、少なくとも１つの出射光の通過経路中に
別の光分離効果を有する光学素子を設けたことを特徴と
するマルチビーム発生光学系。
【請求項１０】請求項６において、第１の面と第２の面
の光の反射率を６７％近傍としたことを特徴とするマル
チビーム発生光学系。
【請求項１１】半導体レーザ光源と、第１の半透明な面
及び第２の半透明な面を有する光学装置とを備え、上記
光源からの光を第１の面の反射光と第２の面の反射光
と、第１及び第２の面の透過光とに分離し、１本の入射
光から2本の反射光と1本の透過光を発生させると共に、
上記光学装置の後段に配置したレンズによりライン光を
形成するようにしたことを特徴とするレーザ墨出し装
置。
【請求項１２】底面形状が直角二等辺三角形である透明
な三角柱からなる3個の光学部材を備え、第１の光学部
材の側面であって、直角二等辺三角柱の底面形状におい
て頂角を挟む2辺を含む三角柱の側面と、第２及び第３
の光学部材の側面であって、直角二等辺三角柱の底面形
状において頂角と対向する辺を含む三角柱の側面とを接
合し、さらに該接合面に第１の半透明な面と第２の半透
明な面を形成したビームスプリッターと、レーザ光源と
を有し、該レーザ光源からの光を上記ビームスプリッタ
ーに入射することにより得られた複数本の光ビームをラ
イン光に変換するレンズを上記ビームスプリッターの後
段に配置したことを特徴とするレーザ墨出し装置。
【請求項１３】レーザ光源と、第１の半透明な面及び第
２の半透明な面を有する光学装置とを備え、上記レーザ
光源からの光を第１の面の反射光と第２の面の反射光
と、第１及び第２の面の透過光とに分離し、１本の入射
光から出射光として2本の反射光と1本の透過光を発生さ
せると共に、上記出射光の少なくとも１つの通過経路中
に別の光分離素子を配置して4本以上のマルチビームを
発生し、さらに上記光学装置及び光分離素子の後段に設
けたレンズによりマルチビームからライン光を形成する
ようにしたことを特徴とするレーザ墨出し装置。
【請求項１４】請求項１１又は１２又は１３において、
上記光学装置は複数の透明な光学部材からなり、第１の
光学部材は三角柱の形状をし、該三角柱の底面形状にお
いて頂角を挟む2辺を含む三角柱の側面に上記第１の半
透明な面と第２の半透明な面を形成したことを特徴とす
るレーザ墨出し装置。
【請求項１５】請求項１１又は１２又は１３において、
第１の光学部材は、その底面形状が直角二等辺三角形で
あることを特徴とするレーザ墨出し装置。
【請求項１６】請求項１１又は１２又は１３において、
第１の面及び第２の面の光の反射率を６７％近傍にした
ことを特徴とするレーザ墨出し装置。