JP2004094123A

JP2004094123A - ライン発生光学素子及びそれを搭載したレーザ墨出し装置

Info

Publication number: JP2004094123A
Application number: JP2002258012A
Authority: JP
Inventors: Koji Nishimura; 西村　孝司
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2002-09-03
Filing date: 2002-09-03
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2022-09-03
Also published as: JP3991822B2

Abstract

【課題】簡単な構成で広がり角度が大きい複数のライン光を発生させることができるライン光発生光学系及び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】ロッドレンズのレンズ面のうち、光入射面側の一部に入射光を反射する光反射面を形成する。反射面のない部分に入射した光はロッドレンズの前方で通常のようにある拡がり角度を有するライン光となり、反射光は反射の方向が放射状になるためこれもライン光となる。従って両方のライン光を合成すると２４０°程度の広がりを有するライン光を得ることが可能である。また、このライン光発生光学系をレーザ墨出し装置に搭載することで簡単な構成で複数方向のライン光を得ることができる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、極めて広がり角度の大きいライン光を発生できるライン光発生光学系及びそれを搭載した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位置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必須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いわゆる『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で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ている。
【０００６】
１台のレーザ墨出し装置から複数ラインを照射するためには、複数個のレーザ光源を搭載する方式か、１個のレーザ光源から出射されたレーザ光を分割することにより複数ラインを得る方式が考えられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
複数個のレーザ光源を用いる方式の場合は当然、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、１本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号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知られている。
【０００８】
しかし、この方式の場合、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。そのため、上述の光学系を用いることにより複数ビームを得ることは可能となるが分割された光によっては強度が大いに異なるため、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る。
【０００９】
このため、従来実用化されている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。しかしこの場合は上記の通り、光源数の増加に伴い、装置価格が上昇するため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るという問題をかかえていた。
【００１０】
また、従来の装置では１個のレーザ光源により得られるライン光の広がり角度はほとんどが１８０度またはそれ以下であったため、前後に垂直ライン光あるいは水平ライン光を形成するには、それぞれ２個のレーザ光源を必要とし、これも安価で効率の高い作業をする上で障害となっていた。
【００１１】
本発明の目的は、このような従来の課題を解決した簡易なライン光発生光学系及びそれを用いたレーザ墨出し装置を提供することにある。
具体的には、本発明の課題は、簡単な構成で複数のライン光を発生させることができる光学系及び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ことである。
【００１２】
本発明の他の目的は、ライン光の広がり角度が２４０°近くに達する極めて広い角度範囲のライン光を発生する光学系およびそれを用いたレーザ墨出し装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明は、ライン光を発生させるためのロッドレンズの表面の少なくとも一部に、入射光を反射するための光反射面を形成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、広がり角度の大きいライン光を得ることが可能になる。
【００１４】
本発明の他の特徴は、円柱形状をした上記ロッドレンズの光が入射する側の表面の一部第１の反射面を形成すると共に、該第１の反射面から離間した位置に第２の反射面を形成したことにある。このように構成すると反射面で反射した光により形成されるライン光と、ロッドレンズに入射した後、屈折して出射した光によるライン光とが合成され拡がり角度の大きいライン光を得ることが可能になる。
【００１５】
本発明の他の特徴は、上記第１と第２の反射面を、その中心線が互いに１２０°の角度離間した位置に形成すると共に、ロッドレンズの円周方向の角度でみたときそれぞれ６０°の領域に形成したことにある。このようにすると、合成されたライン光の拡がりが２４０°程度になる。
【００１６】
本発明の他の特徴は、半導体レーザと、該半導体レーザから出射した光ビームをコリメート光に変換するコリメータレンズと、該コリメート光を反射光と透過光に分離する少なくとも１個のハーフミラーと、上記反射光と上記透過光の光路に配置されたロッドレンズとからライン光発生光学系を構成したことにある。このようにすると、２４０°程度の拡がり角度を有する複数のライン光を形成することが可能になる。
【００１７】
本発明の他の特徴は、上記ハーフミラーの反射光が上記ロッドレンズに入射したときの反射光を再び上記ハーフミラーに入射し、該ハーフミラーを透過した光を得るように構成したことにある。このようにすると、拡がり角度の大きいライン光とは別に地墨光に使用できる光線を得ることができる。
【００１８】
本発明の他の特徴は、半導体レーザと、該半導体レーザから出射した光ビームをコリメート光に変換するコリメータレンズと、該コリメート光を反射光と透過光に分離する少なくとも第１のハーフミラーと、上記反射光の光路に配置された第１のロッドレンズと、上記透過光の光路に配置された第２のハーフミラーと、該第２のハーフミラーの反射光の光路に配置された第２のロッドレンズと、上記第２のハーフミラーの透過光の光路に配置された第３のロッドレンズとからなり、上記第１，２，３のロッドレンズの少なくとも１個のロッドレンズの表面の一部に、光反射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多数のしかも異なる種類のライン光を容易に得ることが可能になる。
【００１９】
本発明の他の特徴は、上述のようなロッドレンズを有する光学系を搭載したレーザ墨出し装置を構成したことにある。このようなにすると、複数ライン光照射用レーザ墨出し装置を低価格で提供することができる。
本発明の他の特徴及び利点は以下の本発明の実施例の説明からより明確に理解できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本発明にかかるライン光発生光学系は、基本的にはレーザ光源とロッドレンズから構成される。図１はその一実施形態を示し、図の右側にレーザ光源があるが図示は省略してある。１はロッドレンズでの断面で、紙面と垂直方向に長い円柱形状をしている。本実施例ではロッドレンズの材料としてガラス材であるＢＫ７（屈折率１．５）を用いた。また、レンズ１の直径は２ｍｍ、長さは１５ｍｍとした。
【００２１】
ロッドレンズ１のレンズ面のうち、入射面側に一部の入射光を反射させるための反射面２ａ、２ｂが形成されている。この光学反射面は本実施例では２箇所に形成されている。すなわち、ロッドレンズ１の断面形状でみると、図１のように光の入射側の光軸付近の円周面２ｃを除く上下の円周面に反射面２ａ，２ｂが形成されている。この光学反射面２ａ，２ｂはＣｒやＡｌ等の金属薄膜を真空蒸着法やスパッタリング法等の手法により成膜することで形成することができる。
【００２２】
反射面が存在しないレンズ面２ｃに入射した光Ｇはスネルの法則に従い、レンズ内部を屈折した後、反対側の面から出射する（ビームＧ_Ｔ）。ロッドレンズ１は長手方向には屈折作用を持たないため、ロッドレンズ１へ入射した光は一方向のみ拡がりライン光に変換される。すなわち、反射面が存在しない面２ｃから入射した入射光Ｇのレンズへの入射角をφ、レンズ内部での屈折角をθ、ロッドレンズ１の屈折率をｎ、空気の屈折率を１とするとスネルの法則により、
１ｓｉｎφ＝ｎｓｉｎθ　　　　（１）　　となる。
この時、（１）式に示した関係を満たすため、出射光と法線がなす角度はφとなる。ビームの入射位置によってφ及びθの値が少しずつ変わり、さらにロッドレンズ１は、前述のようにその長手方向には屈折作用を持たないため、出射光はライン状となる。
【００２３】
一方、光反射面２ａ，２ｂを有するレンズ面に到達した光Ｆは反射する。この光は反射面２ａ，２ｂ上の反射点で反射角ψで反射する。反射光についてもビーム位置によってψの値が少しずつ変わるため反射光の方向は放射状となる。
【００２４】
図２にビームＧがＡ点で反射角ψで反射した場合の様子を示す。
図において∠ＡＯＲｘは反射点における法線の傾き角度であるから、
∠ＡＯＲｘ＝ψ　となる。
∠ＯＡＢは反射角ψと錯角の関係にあるので∠ＯＡＢ＝ψ　である。
反射光Ｇｒがｙ軸となす∠ＯＢＡをξとすると、∠ＡＯＢ＝ψ＋π／２　　であるため、
三角形ＯＡＢにおいて内角の総和は∠ＡＯＢ＋∠ＯＡＢ＋∠ＯＢＡで表される。
【００２５】
すなわち　（ψ＋π／２）＋（ψ）＋ξ＝π　となる。この式を整理すると、
ξ＝π／２−２ψ　　　　（２）　となる。
今、図３に示すように各反射面２ａ，２ｂの領域を６０°とし、さらに二つの反射面２ａ、２ｂの中心を１２０°の角度、離間して配置したとき、反射光がｙ軸となす角度は（２）式から計算できる。
【００２６】
例えば図４に示すように反射面２ａの端部Ａ点における反射光がｙ軸となす角度は、Ａ点での法線の角度が３０°であるためξ＝９０°−２×３０°＝３０°となる。同様にＲｙ点近傍における反射光がｙ軸となす角度は法線の角度が９０°であるためξ＝９０°−２×９０°＝−９０°となる。すなわちＡ点での反射光は光源側に３０°の角度で反射し、Ｒｙ点近傍での反射光は光源とは反対方向に９０°の方向に進む。したがってロッドレンズ１により形成されるライン光の広がり角度は（９０°＋３０°）×２＝２４０°となる。
【００２７】
したがって、反射面２ａ，２ｂによって形成されたライン光と、透過面２ｃからロッドレンズ１に入射し、屈折して形成されるライン光を合成すれば約２４０°の角度の拡がりを有するライン光を得ることが可能になる。
【００２８】
（実施形態２）
本発明のロッドレンズ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６に示すようにレーザ墨出し装置１０は基本的にはライン光を発生させる光学系３と光学系を水平に保つための支持機構部４から構成されている。
【００２９】
図７にライン光発生光学系３の概略を示す。レーザ墨出し装置本体に対して水平方向に配置した半導体レーザ５から出射されたレーザビームはコリメータレンズ６によりビーム断面形状が円形であるコリメート光（平行光）Ｂ１に変換される。本実施形態ではコリメート光Ｂ１のビーム径は２ｍｍになるように設定している。
【００３０】
コリメート光Ｂ１の光路上には光軸に対して４５°の角度をなすように第一のハーフミラー７が配置されている。このハーフミラー７は３３％の光が反射し、６７％の光が透過するような特性を有している。反射光Ｒ１は垂直上向きに向かって進み、光路上に設置された本発明のロッドレンズ１ａに入射する。このロッドレンズ１ａはその長手方向が半導体レーザ５の出射方向と平行になるように設置されている。従って反射光Ｒ１により形成されるライン光はＲ１を含み紙面と垂直な面に約２４０°の拡がりがりをもつライン光となる。
【００３１】
また、ロッドレンズ１ａに垂直に入射した光のうち５０％の光は反射角０°で反射するため、そのまま通ってきた光路を戻り、再びハーフミラー７に入る。ハーフミラー７への戻り光のうち６７％がハーフミラー７を透過して光線Ｔ０となる。する。この光ＴＯは鉛直下向きに進むため、いわゆる地墨光として用いることができる。
【００３２】
次にハーフミラー７を透過した６７％の光は光路上に設けられた第二のハーフミラー８により５０％の光は反射し、５０％の光は透過する。設置条件はハーフミラー７の場合と同一であるため、反射光Ｒ２は垂直上向きに向かって進み、光路上に設置された本発明のロッドレンズ１ｂに入射する。このロッドレンズ１ｂは、その長手方向が半導体レーザ５の出射方向と直交するように、つまり紙面と垂直方向に設置されている。従って反射光Ｒ２により形成されるライン光はＲ２を含み紙面と同じ面に約２４０°の拡がりをもつライン光となる。
【００３３】
次にハーフミラー８を透過した透過光Ｔ１はその前方に設けられたロッドレンズ１ｃに入射する。このロッドレンズ１ｃはその長手方向が紙面と同じ面で半導体レーザ５の出射方向と垂直方向に向くように設置している。したがってＴ１により形成されるライン光は、Ｔ１を含み、紙面と垂直方向の面に約２４０°の拡がりを有する水平ライン光となる。
【００３４】
図８は図４に示した本発明のレーザ墨出し装置のライン光発生の様子を示す。図７で半導体レーザ５の左側を前方、右側を後方、半導体レーザ５の上側を上方、下側を下方とすれば、Ｒ１から形成されたライン光は装置左右垂直ライン光及び装置上方左右ライン光、Ｒ２から形成されたライン光は装置前後で垂直ライン光及び装置上方前後ライン光、Ｔ１から形成されたライン光は装置前方水平ライン光及び装置左右水平ライン光となる。さらにＴ０から装置下方に地墨光を得ることができる。なお、ミラー等の光学素子を用いることにより光線Ｒ１，Ｒ２，あるいはＴ１の出射方向を変えてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
上述のように本発明にかかる光分離面を有するロッドレンズを用いれば、簡易な方法で，拡がり角度の大きなライン光を得ることが可能となる。また、本発明によるロッドレンズをレーザ墨出し装置の光学系に搭載することで１個の光源から拡がりの大きな複数本のライン光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】本発明のライン光発生光学系一実施例を示すロッドレンズの断面図。
【図２】本発明のロッドレンズの光反射面の説明図。
【図３】本発明のロッドレンズの光反射面の角度範囲の説明図。
【図４】本発明のロッドレンズのライン光の拡がり角度の説明図。
【図５】本発明のロッドレンズのライン光の拡がり角度の説明図。
【図６】本発明のライン光発生光学系を搭載したレーザ墨出し装置の概略図。
【図７】本発明のライン光発生光学系の一実施例を示す構成図。
【図８】本発明のレーザ墨出し装置により発生されるライン光の説明図。
【符号の説明】
１はロッドレンズ、２ａ，２ｂは光反射面、２ｃは反射面のないレンズ面、３はライン光発生光学系、４は支持機構部、５は半導体レーザ、６はコリメータレンズ、７は第一のハーフミラー、８は第二のハーフミラー、１０は本発明のレーザ墨出し装置

Claims

ライン光を発生させるためのロッドレンズであって、該ロッドレンズの表面の少なくとも一部に、入射光を反射するための光反射面を形成したことを特徴とするロッドレンズ。
請求項１において、円柱形状をした上記ロッドレンズの光が入射する側の表面の一部に形成された第１の反射面と、該第１の反射面から離間した位置に形成された第２の反射面とを有することを特徴とするロッドレンズ。
請求項２において、第１と第２の反射面は、その中心線が互いに１２０°の角度離間した位置に形成されていることを特徴とするロッドレンズ。
請求項２において、第１及び第２の反射面は、ロッドレンズの円周方向の角度がそれぞれ６０°の領域に形成されていることを特徴とするロッドレンズ。
半導体レーザと、該半導体レーザから出射した光ビームをコリメート光に変換するコリメータレンズと、該コリメート光を入射し、ライン光を発生するロッドレンズとから構成され、上記ロッドレンズはその表面の一部に、入射光を反射する光反射面が形成されていることを特徴とするライン光発生光学系。
請求項５において、第１と第２の反射面は、その中心線が互いに１２０°の角度離間した位置に形成されていることを特徴とするライン光発生光学系。
請求項５において、第１及び第２の反射面は、ロッドレンズの円周方向の角度がそれぞれ６０°の領域に形成されていることを特徴とするライン光発生光学系。
半導体レーザと、該半導体レーザから出射した光ビームをコリメート光に変換するコリメータレンズと、該コリメート光を反射光と透過光に分離する少なくとも１個のハーフミラーと、上記反射光と上記透過光の光路に配置されたロッドレンズとから構成され、上記ロッドレンズの表面の一部に、入射光を反射する光反射面を形成して、少なくとも２本のライン光を形成することを特徴とするライン光発生光学系。
請求項８において、上記ハーフミラーの反射光が上記ロッドレンズに入射したときの反射光を再び上記ハーフミラーに入射し、該ハーフミラーを透過した光を得るように構成したことを特徴とするライン光発生光学系。
半導体レーザと、該半導体レーザから出射した光ビームをコリメート光に変換するコリメータレンズと、該コリメート光を反射光と透過光に分離する少なくとも第１のハーフミラーと、上記反射光の光路に配置された第１のロッドレンズと、上記透過光の光路に配置された第２のハーフミラーと、該第２のハーフミラーの反射光の光路に配置された第２のロッドレンズと、上記第２のハーフミラーの透過光の光路に配置された第３のロッドレンズとからなり、上記第１，２，３のロッドレンズの少なくとも１個のロッドレンズの表面の一部に、入射光を反射する光反射面を形成したことを特徴とするライン光発生光学系。
請求項１０において、上記第１のハーフミラーの反射光が上記ロッドレンズに入射したときの反射光を再び上記第１のハーフミラーに入射し、該第１のハーフミラーを透過した光を得るように構成したことを特徴とするライン光発生光学系。
半導体レーザと、該半導体レーザから出射した光ビームを反射光と透過光に分離する少なくとも１個のハーフミラーと、上記反射光と上記透過光の光路の少なくとも一方に配置されたロッドレンズとから構成され、上記ロッドレンズの表面の一部に、入射光を反射する光反射面を形成して、少なくとも２本のライン光を形成することを特徴とするライン光発生光学系。
ライン光発生光学系と、該光学系を支持する支持機構から構成されるレーザ墨出し装置であって、上記ライン光発生光学系は、半導体レーザと、該半導体レーザから出射した光ビームをコリメート光に変換するコリメータレンズと、該コリメート光を入射し、ライン光を発生するロッドレンズとから構成され、上記ロッドレンズはその表面の一部に、入射光を反射する光反射面が形成されていることを特徴とするレーザ墨出し装置。
ライン光発生光学系と、該光学系を支持する支持機構から構成されるレーザ墨出し装置であって、上記ライン光発生光学系は、半導体レーザと、該半導体レーザから出射した光ビームをコリメート光に変換するコリメータレンズと、該コリメート光を反射光と透過光に分離する少なくとも１個のハーフミラーと、上記反射光と上記透過光の光路に配置されたロッドレンズとから構成され、上記ロッドレンズの表面の一部に、入射光を反射する光反射面を形成して、少なくとも２本のライン光を形成することを特徴とするレーザ墨出し装置。
ライン光発生光学系と、該光学系を支持する支持機構から構成されるレーザ墨出し装置であって、上記ライン光発生光学系は、　半導体レーザと、該半導体レーザから出射した光ビームをコリメート光に変換するコリメータレンズと、該コリメート光を反射光と透過光に分離する少なくとも第１のハーフミラーと、上記反射光の光路に配置された第１のロッドレンズと、上記透過光の光路に配置された第２のハーフミラーと、該第のハーフミラーの反射光の光路に配置された第２のロッドレンズと、上記第２のハーフミラーの透過光の光路に配置された第３のロッドレンズとからなり、上記第１，２，３のロッドレンズの少なくとも１個のロッドレンズの表面の一部に、入射光を反射する光反射面を形成したことを特徴とするレーザ墨出し装置。
ライン光発生光学系と、該光学系を支持する支持機構から構成されるレーザ墨出し装置であって、半導体レーザと、該半導体レーザから出射した光ビームを反射光と透過光に分離する少なくとも１個のハーフミラーと、上記反射光と上記透過光の光路の少なくとも一方に配置されたロッドレンズとから構成され、上記ロッドレンズの表面の一部に、入射光を反射する光反射面を形成して、少なくとも２本のライン光を形成することを特徴とするレーザ墨出し装置。