JP2004264152A - Line beam generating optical system, and laser marking apparatus mounting the same - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、線幅が細く、かつ極めて広がり角度が大きいライン光を発生す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。
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。
【0003】
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。
【0004】
レーザ墨出し装置を用いた墨出し作業を精度良く行うためには、ライン光の線幅が細いことが望ましい。また、墨出し作業を効率良く行うためには、1本当たりのライン光の広がり角度ができるだけ大きいことが望まれる。従来のレーザ墨出し装置のライン光発生光学ユニットは、基本的にはレーザ光源とそれから出たレーザ光をビーム径一定のコリメート光に変換するコリメートレンズさらにコリメート光をライン光に変化するロッドレンズから構成されている。ライン光の線幅を細くするために従来は、コリメート光のビーム径を小さくすることで対応していた。
【0005】
また、広角のライン光を得るためには複数個のライン光発生光学ユニットを用い、各光学ユニットから照射されたライン光を連結することにより広角のライン光を得る方法や1個のロッドレンズに対して2個のレーザ光源を用いることにより発生した2個のライン光を連結する方法が特許文献1により提案されている。
【特許文献1】
特開2003−14456号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
まず図2を用いてロッドレンズを用いた場合のライン光発生原理を説明する。
ロッドレンズとは側面が透過面である円柱形状をしたレンズである。図2にはコリメート光がロッドレンズに入射し、ライン光が発生する様子を示している。今簡単のため、1本のビームについて考える。入射点における法線とビームがなす角度(入射角)をα、ロッドレンズ内部で屈折して進むビームと法線がなす角度(屈折角)をβ、レンズの屈折率をn、空気の屈折率を1とする。
この時、屈折角βはスネルの法則 1・sinα=n・sinβを満たす式から求めることができる。次に出射点における法線とビームのなす角度はβであるため、ロッドレンズを出射後のビームと法線のなす角度をγとするとスネルの法則によりn・sinβ=1・sinγ となるため、2つの式を比較してα=γとなる。すなわちビームの入射角が大きければ出射角も大きくなる。
【0007】
従ってロッドレンズ径いっぱいにビームを入射させた場合にライン光の広がり角度が最大になる。この時、ロッドレンズの長手方向にはレンズの屈折作用がないため、光は屈折することなく直進する。すなわちロッドレンズにレーザ光を入射させるとその出射光は一方向に引き伸ばされてライン光に変換される。この時、ロッドレンズ径に対する光の入射割合が大きくなる程、ライン光の広がり角度は大きくなる。
【0008】
次にレーザ光の強度分布特性について説明する。レーザ光の強度分布はガウス分布をなしている。すなわちレーザ光源から出射した光は放射状に広がっており、中心部ほど光が密になるため強度が強く、周辺部ほど光が疎となり強度が弱くなる。従ってロッドレンズを用いてライン光を発生させた場合、広がり角度が大きな部分は、周辺部の光強度の弱い光で形成されている。さらにライン光は変換前のドット光に比べて面積が大きくなるため、単位面積あたりの光強度が小さくなる。すなわち、広がり角度の大きな部分のライン光は広がり角度の小さな部分のライン光に比べて人間の目には見えにくくなり、周囲の照度条件によっては見えなくなる場合が生じる。
【0009】
そこで上記課題を解決するため、従来方法では光強度の大きな中心部分だけを使う方法が採られてきた。この方法によればロッドレンズ径いっぱいに光強度の大きな中心部分の光を入射させるためには、ビーム径を大きくせざるを得ず、ライン光線幅は大きくなる方向になるため、細い線幅を得るのには不利である。
【0010】
一般のレーザ墨出し装置によく用いられる赤色半導体レーザはビーム形状が楕円形状をしているため、楕円の短軸方向が線幅方向に一致するようにレーザ光源とロッドレンズを配置することで対処している。しかし、ビーム形状が円形状であるような例えばグリーンレーザを光源として用いる場合は、上記問題が残る。
【0011】
また、従来方法では光強度の大きな部分のみ使うため、光の利用効率は低くならざるを得ないと言う問題がある。
【0012】
次に、広角のライン光を得るために上記した如く複数個のライン光発生光学ユニットを用い、各光学ユニットから照射されたライン光を連結することにより広角のライン光を得る方法があるが、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。この問題を解決する手段として特許文献1に開示された1個のロッドレンズに対して2個のレーザ光源を用いることにより発生した2個のライン光を連結する方法が提案されている。この方法によればライン光発生光学ユニットが2組のレーザ光源/コリメートレンズと1個のロッドレンズから構成されるため、ロッドレンズ1個分のコストダウンにはなるが、基本的に光の入射方式は従来方法と同じであるため、光の利用効率は改善されておらず、利用効率が悪いと言う問題がある。
【0013】
本発明の目的は、このような従来の課題を解決して、光の利用効率が高く、広がり角度の大きい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である。
【0014】
【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、レーザ光をフレネル型ビームスプリッターによってお互いに所定の開き角度を有する2本の光に分岐し、2本の分岐光がロッドレンズに同時に入射するように第1ロッドレンズを配置し、さらに第1ロッドレンズとフレネルビームスプリッターの間に所定の間隔で第2ロッドレンズを2個配置したことに一つの特徴がある。このように構成すると第1ロッドレンズに入射した後、屈折して出射した光により形成されるライン光と、第1ロッドレンズに入射し切れなかった光が第2ロッドレンズに入射、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。このように構成することにより、全ての光をロッドレンズに入射させることが可能となるため光の利用効率が著しく向上する。
【0015】
本発明の他の特徴は、第1ロッドレンズ入射面側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設けたことにある。このように構成すると第1ロッドレンズで反射したことにより得られる広角のライン光と第1及び第2ロッドレンズの一部に入射した後、屈折して出射した光により形成されるライン光とが合成され、光の利用効率が高く、拡がり角度の大きいライン光を得ることが可能になる。
【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うち少なくとも一つの光をフレネルビームスプリッターによってお互いに所定の開き角度を有する2本の光に分岐し、2本の分岐光が同時に入射するように第1ロッドレンズを配置し、さらに第1ロッドレンズとフレネルビームスプリッターの間に所定の間隔で第2ロッドレンズを2個配置したことに一つの特徴がある。また、第1ロッドレンズ入射面側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設けたことにある。このようにすると、光利用効率が高く、大きな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、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ハーフミラーと、上記反射光の光路に配置
された第1ライン光発生光学系と、上記透過光の光路に配置された第2ハーフミラーと、該第2ハーフミラーの反射光の光路に配置された第2ライン光発生光学系と、上記第2ハーフミラーの透過光の光路に配置された第3ライン光発生光学系とからなり、上記第1、2、3ライン光発生光学系
がフレネルビームスプリッター及び1個の第1ロッドレンズと2個のロッドレンズから構成され、さらに第1ロッドレンズの入射面側の一部に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効率良く容易に得ることが可能になる。
【0018】
本発明の他の特徴は、上述のようなライン光発生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、拡がり角度の大きい複数の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可能となる。
【0019】
【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フレネルビームスプリッター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、図の左側にレーザ光源があるが図示は省略してある。1は第1ロッドレンズの断面で、紙面と垂直方向に長い円柱形状をしている。本実施形態ではロッドレンズ1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3mm、長さは15mmとした。
【0020】
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反射面2a、2bが形成されている。この光学反射面2a、2bは本実施形態では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。ロッドレンズ1の中心から7.1mm離れた位置にプリズム角20°で屈折率が1.49のフレネルビームスプリッター3を配置している。このビームスプリッター3によって分岐された光は互いに20°の分離角となる。さらに第1ロッドレンズ1の中心から4.6mm離れた位置に第2ロッドレンズ4が2個配置されている。本実施形態では第2ロッドレンズ4の直径は2mmであり、2個のロッドレンズ4は中心間距離で3.4mm離れて配置されている。なお、第2ロッドレンズ4には反射面は存在しない。次にフレネルビームスプリッター3に入射するレーザ光を本実施形態では直径2mmの円形状のコリメータ光とする。上述のようにレーザ光は光強度分布を持っており、周辺部の光はライン光に変換後は見えなくなる。ライン光の見え方は照射環境に依存するが、ここではビーム中心の最大強度に対して1/e2の強度まではライン光にした場合に見える光と仮定する。これは見かけのビーム径の1/1.52すなわち0.66倍に相当する。従ってライン光にした時に見えるレーザ光の領域は2×0.66=1.32mmと言うことになる。フレネルビームスプリッター3によって光はx軸に対して10°の傾きを持って直進し、大部分の光は第1ロッドレンズ1で反射あるいは入射することによりライン光に変換される。また、第1ロッドレンズ1に入射できないレーザ光は手前に配置された第2ロッドレンズ4によってそれぞれライン光に変換され、第1ロッドレンズ1により反射で形成されたライン光と合成される。
ライン光に変換した場合に条件により見えなくなるような周辺部の強度の小さい光もいずれかのロッドレンズ1、4によりライン光に変換され、上述のライン光と合成される。従って、レーザ光源から発生されたレーザ光を無駄なくすべてライン光に変換することが可能となる。また、第1ロッドレンズ1表面に設けた反射面2a、2bにより、180°以上の広角度のライン光を得ることが可能となる。
【0021】
なお、上記実施形態においては光を分岐する手段として、フレネルビームスプリッター3を用いると説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明のライン光発生光学系に用いる光分岐手段は1本の光ビームを2本以上の光に分ける機能を有するものであれば、基本的には何でもよい。従って、光分岐用光学素子として例えばプリズム、ハーフミラー、キューブ型ビームスプリッター、ポルカドットビームスプリッターあるいは回折格子等を用いてもよい。特に本実施形態で示したような光学系レイアウトで適用する場合は、フレネルビームスプリッターか回折格子が好都合である。なお、回折格子を用いる場合は、分岐光である0次光及び±1次光の光強度が極力揃うように回折格子の設計を行う必要がある。
(実施形態2)
実施形態2ではライン光発生光学系を構成する各パーツの作用について説明し、組合せによるライン発生光学系の例を説明する。
図3ではフレネルビームスプリッター3によって分岐光が得られる様子を示す。図3はフレネルビームスプリッター3の断面拡大図であり、入射光のうちの1本の光線がビームスプリッター3内を通過する様子を示す。光はフレネルビームスプリッター3の溝側からx軸に平行に入射するものとする。溝の傾き角(プリズム角)をθ、ビームスプリッター3からの出射光がx軸となす角をψとすると、
ψ=sin‐ 1{sinθ×(n2−sin2θ)1/2−sinθcosθ} (1)
で与えられる。以下、式の誘導は省略し、結果のみを記載する。
図4にx軸とψの角度をなす光が第1ロッドレンズ1表面で反射した場合の様子を示す。y軸から角度Θだけ反時計方向に回転した点における反射光とx軸がなす角度をξとすると
ξ=2Θ−ψ (2)
となる。
【0022】
次に光強度の最も大きな光線を第1ロッドレンズ1の反射面2aのX軸側始点の角度Θの点に照射する場合のフレネルビームスプリッター3の位置は
x=−R(sinΘ+cotψ×cosΘ) (3)
となる。すなわち、第1ロッドレンズ1の中心から光源側にR(sinΘ+cotψ×cosΘ)だけ離れた位置にビームスプリッター3を配置すればよい。
【0023】
図5に第1ロッドレンズ1表面に形成した反射面2a、2bと透過面2cの範囲を示す。図5から明らかなように光と第1ロッドレンズ1の接点はy軸から角度ψだけ反時計方向に回転した位置にある。第1ロッドレンズ1上の接点より外側では反射面は不要である。従って反射面2a、2bの端面の一つは第1ロッドレンズ1と光線の接点で決まる。次に反射面2a、2bの他の端面はライン光の拡がり角度の最大値によって決まる。この時の反射面端面の角度をΘmaxとすると、(2)式から
Θmax=(ξ+ψ)/2 (4)
となる。
【0024】
従って第1ロッドレンズ1表面における反射面2a、2bの範囲は
δr=Θmax−ψ=(ξ+ψ)/2−ψ=(ξ−ψ)/2 (5)となる。
同様に透過面2cの範囲は
δt=π/2−Θmax=π/2−(ξ+ψ)/2=(π−ξ−ψ)/2 (6)
となる。
【0025】
次に図6にx軸に対してψの傾きをなす光が第1ロッドレンズ1に入射した場合の様子を示す。第1ロッドレンズ1からの出射光がx軸となす角度をωとすると
ω=(π−ψ−2Θ)/3 (7)
となる。
【0026】
最後に第1ロッドレンズ1に対する分岐光の照射範囲について説明する。図4にx軸に対してψの傾きをなす2本の分岐光が第1ロッドレンズ1を照射している様子を示す。図4から明らかなように最も効率良く第1ロッドレンズ1に光があたるのは、第1ロッドレンズ1を表す円とx軸の交点(マイナス側)から光線と円の接点の間にかけて光が存在する場合である。すなわち光の幅(ビーム径)が上記の2本の光の間隔に一致する時が最も光利用効率が高いことになる。第1ロッドレンズ1の半径をRとすると、求める光の幅dは
d=R{(1+tan2ψ)1/2−tanψ}×cosψ (8)
となる。
【0027】
そこで例えば見かけ上の入射ビーム径が2mmのレーザ光を用いて拡がり角度が240°(x軸と光線のなす角度で120°)であるライン光を発生させるライン光発生光学系について説明する。
【0028】
拡がり角度の最大値は反射光で形成するため、(2)式より
2Θ−ψ=120°とおいてΘでまとめると
Θ=60°+ψ/2 (9)
となる。ここで第1ロッドレンズ1からの反射光及び透過光からなるライン光は連続している必要がある。反射光と透過光が連続する条件は
ψ≦ω (10)
の時、(9)式、(7)式を(10)式に代入してまとめるとψ≦12° となる。そこで余裕を取りψ=10°とすると式(1)からプリズム角20°で屈折率が1.49のフレネルビームスプリッター3が適していることが分かる。
【0029】
次に第1ロッドレンズ1の最適径を計算する。今、レーザ光の見かけ上のビーム径に対して0.66倍の範囲内の光がライン光にした時にも視認し易い範囲であると仮定すると、ライン光に変換すべきレーザ光の範囲は
2.0×0.66=1.3mm となる。そこで(8)式においてd=1.3mm、
ψ=10°とすると R=1.57mm となる。すなわち、市販ロッドレンズのうちで最適径のものは直径3.0mmのロッドレンズとなる。
【0030】
次に第1ロッドレンズ1表面に形成する反射面2a、2b及び透過面2cについて説明する。ライン光の拡がり角度の目標値が240°(x軸と光線のなす角度で120°)であるため、(5)式にξ=120° ψ=10°を代入して δr=55° が得られる。
【0031】
さらにビームスプリッター3の位置について説明する。例えば最も強度の大きな光線を第1ロッドレンズ1上、y軸から45°の位置に照射させたい場合、(3)式にΘ=45°、ψ=10°R=1.5mmを入れて計算すると
x=−1.5(sin45°+cot10°×cos45°)≒−7.1mm
が得られる。すなわち、第1ロッドレンズ1の中心位置から光源側に7.1mm離した位置にフレネルビームスプリッター3を配置すれば良いことが分かる。以上でフレネルビームスプリッター3と第1ロッドレンズ1のレイアウトが決まるので、そのレイアウトに応じて第2ロッドレンズ4を配置する。第1ロッドレンズ1で形成されたライン光が第2ロッドレンズ4によって、けられないように注意して配置した。その結果、第1ロッドレンズ1の中心から4.6mm離れた位置に第2ロッドレンズ4を2個配置した。第2ロッドレンズ4の直径は2mmであり、2個の第2ロッドレンズ4は中心間距離で3.4mm離れて配置されている。
【0032】
以上に示した考え方に従えば、広角度のライン光を高い光利用効率で発生させることが可能となる。
【0033】
(実施形態3)
反射部の無い、通常の第1ロッドレンズ1の1個とフレネルビームスプリッター3の1個を用いて高効率に広角度のライン光を得る方法について説明する。
【0034】
実施形態3でもレーザ光の見かけ上のビーム径を2mmとし、それに対して0.66倍の範囲内の光がライン光にした時にも視認し易い範囲であると仮定すると、ライン光に変換すべきレーザ光の範囲は 2.0×0.66=1.3mm となる。
【0035】
実施形態2と同様に直径3mmのロッドレンズを用いるとすると(8)式にR=1.5mm、ψ=10° を入れて計算すると、
d=1.5{(1+tan210°)1/2−tan10°}×cos10°≒1.2mm となる。上述のようにライン光に変換すべきレーザ光の範囲は1.3mmであるため、若干のロスはあるが、大部分の光がロッドレンズに入ると考えられる。領域dの中心部を最も強い光が通過する場合のフレネルビームスプリッター3の位置は
x=−(R/2){(1+tan2ψ)1/2/tanψ+1} (11)から求まる。
【0036】
実施形態2と同じフレネルビームスプリッター3を用いるとすると、
R=1.5mm ψ=10°を(11)式に代入して
x=−(1.5/2){(1+tan210°)1/2/tan10°+1}≒−5
となる。すなわち、ロッドレンズの中心から5mm離した位置にフレネルビームスプリッター3を配置すればよい。この時は、ロッドレンズに照射された光はすべてロッドレンズ内部を透過してライン光となり、拡がり角度はロッドレンズの屈折率が1.5程度の場合、約174°となる(図7)。
【0037】
(実施形態4)
本発明のライン光発生光学系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8に示すようにレーザ墨出し装置10は基本的には光学系5と光学系を水平に保つための支持機構部6から構成されている。
【0038】
図9にライン光発生光学系5の概略を示す。レーザ墨出し装置10本体に対して水平方向に配置した半導体レーザ7から出射されたレーザビームはコリメータレンズ8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。コリメート光B1は2個の光分離面を有するビームスプリッター11に入射し、3方向の光に分岐される。第1光分離面50では入射光のうち70%が反射し、30%が透過するような特性となっている。従って入射光B1は第1光分離面50で70%が反射し,光線R1となる。残り30%の光はビームスプリッター11内部を通過し透過光T1となる。第2光分離面60は入射光の40%が反射し、60%が透過する特性を有しているため、第2光分離面60ではR1の40%は反射し反射光R2となる。残り60%の光は第2光分離面60を透過し光線T2となる。従って、各光線の光路上にライン光発生光学系15を配置することで効率良く、広角度のライン光を得ることができる。光線T1の光路上に配置したライン光発生光学系15ではロッドレンズがロッドレンズの長手方向が半導体レーザ7の出射方向と直交し垂直方向に配置されている。従って得られるライン光は水平ライン光となる。なお、この時用いるライン光発生光学系15は実施形態3で説明したものを用いる。次に、光線R2の光路上に配置したライン光発生光学系15ではロッドレンズが上述の水平ライン光発生用ロッドレンズと直交する方向に配置している。従って得られるライン光は垂直ライン光となる。なお、この時用いるライン光発生光学系15は実施形態1で説明したものを用いる。
【0039】
また光線T2の光路上に配置したライン光発生光学系15ではロッドレンズが、ロッドレンズの長手方向が半導体レーザ7の出射方向と平行になるように配置されている。このため、発生するライン光は左右に垂直ラインとして振り分けられる。なお、この時用いるライン光発生光学系15は実施形態1で説明したものを用いる。このように本発明のライン光発生光学系15をレーザ墨出し装置10に搭載することにより、広角度のライン光を容易に効率良く照射することができるため、簡単な構造で1個のレーザ光源を用いていろいろな方向にライン光を発生させることが可能となる。
【0040】
【発明の効果】
上述のように本発明のライン光発生光学系を用いれば、簡易な方法で拡がり角度の大きなライン光を効率良く得ることが可能となる。また、本発明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により、広角度のライン光を容易に効率良く照射することができるため、簡単な構造で1個のレーザ光源を用いていろいろな方向にライン光を発生させることが可能となる。従って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提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明ライン光発生光学系の一実施形態を示す概略図。
【図2】ロッドレンズを用いた場合のライン光発生原理を説明する図。
【図3】フレネルビームスプリッターの説明図。
【図4】ロッドレンズ表面での反射光の様子を示す概略図。
【図5】ロッドレンズ表面の反射面と透過面の範囲を示す概略図。
【図6】ロッドレンズへの透過光の様子を示す概略図。
【図7】本発明ライン光発生光学系の他の実施形態を示す概略図。
【図8】本発明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9】本発明レーザ墨出し装置の光学系の一実施形態を示す構成図。
【符号の説明】
1は第1ロッドレンズ、2a、2bは光反射面、2cは透過面、3はフレネルビームスプリッター、4は第2ロッドレンズ、5は光学系、6は支持機構部、7は半導体レーザ、8はコリメータレンズ、10はレーザ墨出し装置、15はライン光発生光学系。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a line light generating optical system capable of generating line light having a small line width and an extremely large spread angle, and a laser marking device equipped with the same.
[0002]
[Prior art]
When building a house, especially at the start of construction, it is essential to perform a task of setting a reference position for mounting various members and setting a level line for the positioning of member processing, that is, a blackout operation. Therefore, at the construction site, leveling was performed using instruments such as a level surveyor, multiple marks (black) were attached to the walls of the target structure, and they were connected to form a blacking line, which was used as a construction standard. .
However, this operation must be performed by at least two people, which is very time-consuming and inefficient. In order to solve this problem, recently, the ink marking operation has been often performed efficiently using a laser marking device having a line light irradiation function. Since a laser marking device can easily perform a marking operation by one person, the laser marking device is becoming an indispensable building work tool for building work.
[0003]
The so-called "Tachi-Line" which draws a vertical line from the floor to the wall and the ceiling and two "Tachi-Lines" are simultaneously illuminated to draw a right angle line on the ceiling. There are various lines, such as a "Roku line" that draws a horizontal line on a wall, and a "ground ink" that irradiates a focused laser beam on the floor directly below a laser marking device.
[0004]
In order to accurately perform a blackout operation using a laser blackout device, it is desirable that the line width of the line light be small. Further, in order to efficiently perform the blackout operation, it is desired that the spread angle of the line light per line be as large as possible. The line light generating optical unit of the conventional laser marking device basically consists of a laser light source and a collimating lens that converts the laser light emitted from the laser light into collimated light with a constant beam diameter, and a rod lens that converts the collimated light into line light. It is configured. Conventionally, in order to reduce the line width of the line light, it has been coped with by reducing the beam diameter of the collimated light.
[0005]
In addition, in order to obtain a wide-angle line light, a plurality of line light generating optical units are used, and a method of obtaining a wide-angle line light by connecting the line light emitted from each optical unit or a single rod lens. On the other hand,
[Patent Document 1]
JP 2003-14456 A
[Problems to be solved by the invention]
First, the principle of generating line light when a rod lens is used will be described with reference to FIG.
A rod lens is a cylindrical lens whose side surface is a transmission surface. FIG. 2 shows a state in which collimated light is incident on the rod lens and line light is generated. Now, for simplicity, consider one beam. The angle (incident angle) between the normal and the beam at the incident point (incident angle) is α, the angle (refractive angle) between the beam refracted inside the rod lens and the normal (β), the refractive index of the lens n, and the refractive index of air Is set to 1.
At this time, the refraction angle β can be obtained from an equation satisfying Snell's
[0007]
Therefore, when the beam is made to enter the entire rod lens diameter, the spread angle of the line light becomes maximum. At this time, since there is no refracting action of the lens in the longitudinal direction of the rod lens, the light goes straight without being refracted. That is, when laser light is incident on the rod lens, the emitted light is stretched in one direction and converted into line light. At this time, as the incidence ratio of light to the rod lens diameter increases, the spread angle of the line light increases.
[0008]
Next, the intensity distribution characteristics of laser light will be described. The intensity distribution of the laser light has a Gaussian distribution. That is, the light emitted from the laser light source is spread radially, and the intensity is higher because the light becomes denser toward the center, and the intensity becomes weaker and weaker toward the periphery. Therefore, when line light is generated using a rod lens, a portion having a large spread angle is formed of light having a low light intensity in a peripheral portion. Further, since the area of the line light is larger than that of the dot light before the conversion, the light intensity per unit area is reduced. That is, the line light of the portion having a large divergence angle is less visible to human eyes than the line light of the portion having a small divergence angle, and may not be visible depending on the surrounding illuminance condition.
[0009]
Therefore, in order to solve the above problem, a method using only a central portion having a large light intensity has been adopted in the conventional method. According to this method, in order to make the light of the central portion having a large light intensity incident on the entire rod lens diameter, the beam diameter must be increased, and the line light beam width is increased. It is disadvantageous to get.
[0010]
Since the red semiconductor laser, which is often used in general laser marking devices, has an elliptical beam shape, the laser light source and rod lens are arranged so that the minor axis of the ellipse matches the line width direction. are doing. However, when a green laser having a circular beam shape is used as a light source, the above problem remains.
[0011]
Further, in the conventional method, since only a portion having a high light intensity is used, there is a problem that the light use efficiency must be reduced.
[0012]
Next, there is a method of obtaining a wide-angle line light by using a plurality of line light generation optical units as described above to obtain a wide-angle line light, and connecting the line lights emitted from the respective optical units, There is a problem that the cost of the apparatus increases as the number of laser light sources mounted increases. As a means for solving this problem, a method of connecting two line lights generated by using two laser light sources for one rod lens disclosed in
[0013]
An object of the present invention is to solve such a conventional problem and to provide a line light generating optical system having a high light utilization efficiency and a large spread angle, and a laser marking device using the same.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a laser beam splitting by a Fresnel type beam splitter into two lights having a predetermined opening angle with each other, so that the two split lights are simultaneously incident on a rod lens. One feature is that the first rod lens is arranged, and two second rod lenses are arranged at a predetermined interval between the first rod lens and the Fresnel beam splitter. With such a configuration, after being incident on the first rod lens, the line light formed by the light refracted and emitted, and the light not completely incident on the first rod lens are incident on the second rod lens and refracted. The emitted light and the line light are combined to obtain a line light having a large divergence angle. With this configuration, all light can be incident on the rod lens, so that the light use efficiency is significantly improved.
[0015]
Another feature of the present invention is that a light reflecting surface for reflecting incident light is provided on at least a part of the first rod lens incident surface side. With this configuration, the wide-angle line light obtained by the reflection from the first rod lens and the line light formed by the light that is incident on a part of the first and second rod lenses and then refracted and emitted are generated. It is possible to obtain line light that is synthesized, has high light use efficiency, and has a large spread angle.
[0016]
Other features of the present invention include a semiconductor laser, a collimator lens that converts a light beam emitted from the semiconductor laser into collimated light, and at least one half mirror that separates the collimated light into reflected light and transmitted light. At least one of the reflected light and the transmitted light is branched by a Fresnel beam splitter into two lights having a predetermined opening angle, and a first rod lens is formed so that the two branched lights are incident simultaneously. One feature is that the second rod lens is disposed at a predetermined interval between the first rod lens and the Fresnel beam splitter. Further, a light reflecting surface for reflecting incident light is provided on at least a part of the first rod lens incident surface side. This makes it possible to form a plurality of line lights having high light use efficiency and a large spread angle.
[0017]
Other features of the present invention include a semiconductor laser, a collimator lens that converts a light beam emitted from the semiconductor laser into collimated light, at least a first half mirror that separates the collimated light into reflected light and transmitted light, A first line light generating optical system arranged in the optical path of the reflected light, a second half mirror arranged in the optical path of the transmitted light, and a second line light arranged in the optical path of the reflected light of the second half mirror And a third line light generating optical system disposed on an optical path of light transmitted through the second half mirror. The first, second, and third line light generating optical systems include a Fresnel beam splitter and one It is composed of a first rod lens and two rod lenses, and further has a reflection surface formed on a part of the first rod lens on the incident surface side. With this configuration, it is possible to efficiently and easily obtain a large number of different types of line light.
[0018]
Another feature of the present invention is that a laser marking device equipped with the above-described line light generating optical system is configured. In this case, it is possible to provide a low-cost laser marking device for irradiating a plurality of line lights with a large spread angle.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(Embodiment 1)
The line light generating optical system according to the present invention basically includes a laser light source, a Fresnel beam splitter, and a rod lens. FIG. 1 shows an embodiment of the present invention, in which a laser light source is shown on the left side of the figure, but is not shown.
[0020]
Reflection surfaces 2a and 2b that reflect a part of incident light are formed on the incident surface side of the lens surface of the
Light having a low intensity at the peripheral portion, which becomes invisible depending on conditions when converted to line light, is also converted to line light by one of the
[0021]
In the above embodiment, the Fresnel beam splitter 3 has been described as a means for splitting light, but the present invention is not limited to this. That is, the light splitting means used in the line light generating optical system of the present invention may be basically any light as long as it has a function of dividing one light beam into two or more lights. Therefore, for example, a prism, a half mirror, a cube beam splitter, a polka dot beam splitter, a diffraction grating, or the like may be used as the optical branching optical element. In particular, when applied to an optical system layout as described in the present embodiment, a Fresnel beam splitter or a diffraction grating is advantageous. When a diffraction grating is used, it is necessary to design the diffraction grating so that the light intensities of the 0th-order light and ± 1st-order light, which are branched lights, are as uniform as possible.
(Embodiment 2)
In the second embodiment, the operation of each part constituting the line light generating optical system will be described, and an example of a line generating optical system based on a combination will be described.
FIG. 3 shows a manner in which the Fresnel beam splitter 3 obtains branched light. FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the Fresnel beam splitter 3 and shows a state in which one light beam of the incident light passes through the beam splitter 3. It is assumed that light is incident from the groove side of the Fresnel beam splitter 3 in parallel to the x-axis. Assuming that the inclination angle (prism angle) of the groove is θ and the angle between the light emitted from the beam splitter 3 and the x axis is ψ,
ψ = sin - 1 {sinθ × (n 2 -sin 2 θ) 1/2 -sinθcosθ} (1)
Given by Hereinafter, the derivation of the formula is omitted, and only the result is described.
FIG. 4 shows a state where light having an angle of ψ with the x-axis is reflected on the surface of the
It becomes.
[0022]
Next, the position of the Fresnel beam splitter 3 when irradiating the light beam with the highest light intensity to the point at the angle Θ of the starting point on the X-axis side of the
It becomes. That is, the beam splitter 3 may be arranged at a position away from the center of the
[0023]
FIG. 5 shows the range of the reflecting
It becomes.
[0024]
Therefore, the range of the reflection surfaces 2a and 2b on the surface of the
Similarly, the range of the transmission surface 2c is δt = π / 2−Θmax = π / 2− (ξ + ψ) / 2 = (π−ξ−ψ) / 2 (6)
It becomes.
[0025]
Next, FIG. 6 shows a state in which light having an inclination of ψ with respect to the x-axis enters the
It becomes.
[0026]
Finally, the irradiation range of the branched light to the
It becomes.
[0027]
Therefore, a line light generating optical system that generates a line light having a divergence angle of 240 ° (an angle between the x-axis and a light ray of 120 °) using a laser beam having an apparent incident beam diameter of 2 mm will be described.
[0028]
Since the maximum value of the divergence angle is formed by reflected light, 2 よ り −ψ = 120 ° from Expression (2), and Θ = 60 ° + ψ / 2 (9)
It becomes. Here, the line light composed of the reflected light and the transmitted light from the
At this time, when the expressions (9) and (7) are substituted into the expression (10) and summarized, ψ ≦ 12 °. Therefore, if a margin is set to ψ = 10 °, it is understood from Expression (1) that the Fresnel beam splitter 3 having a prism angle of 20 ° and a refractive index of 1.49 is suitable.
[0029]
Next, the optimum diameter of the
If ψ = 10 °, R = 1.57 mm. That is, among the commercially available rod lenses, those having an optimum diameter are rod lenses having a diameter of 3.0 mm.
[0030]
Next, the reflecting
[0031]
Further, the position of the beam splitter 3 will be described. For example, when it is desired to irradiate the light beam having the highest intensity on the
Is obtained. That is, it is understood that the Fresnel beam splitter 3 should be disposed at a position 7.1 mm away from the center position of the
[0032]
According to the concept described above, it is possible to generate wide-angle line light with high light use efficiency.
[0033]
(Embodiment 3)
A method for efficiently obtaining a wide-angle line light by using one ordinary
[0034]
In the third embodiment as well, assuming that the apparent beam diameter of the laser light is 2 mm, and light within a range of 0.66 times that of the laser light is easily visible even when converted to line light, the laser light is converted to line light. The range of the power laser beam is 2.0 × 0.66 = 1.3 mm.
[0035]
Assuming that a rod lens having a diameter of 3 mm is used in the same manner as in the second embodiment, calculation is performed by adding R = 1.5 mm and ψ = 10 ° to equation (8).
d = 1.5 {(1 + tan 2 10 °) 1/2 −tan10 °} × cos10 ° ≒ 1.2 mm. As described above, since the range of the laser light to be converted to the line light is 1.3 mm, it is considered that most of the light enters the rod lens although there is a slight loss. The position of the Fresnel beam splitter 3 when the strongest light passes through the center of the region d is obtained from x = − (R / 2) {(1 + tan 2 ψ) 1/2 / tan {+1} (11).
[0036]
If the same Fresnel beam splitter 3 as in the second embodiment is used,
Substituting R = 1.5 mm ψ = 10 ° into Expression (11), x = − (1.5 / 2) {(1 + tan 2 10 °) 1/2 / tan10 ° + 1} ≒ -5
It becomes. That is, the Fresnel beam splitter 3 may be disposed at a
[0037]
(Embodiment 4)
An embodiment in which the line light generating optical system of the present invention is mounted on a laser marking device will be described. As shown in FIG. 8, the
[0038]
FIG. 9 schematically shows the line light generating
[0039]
In the line light generating
[0040]
【The invention's effect】
As described above, by using the line light generating optical system of the present invention, it is possible to efficiently obtain line light having a large divergence angle by a simple method. Further, by mounting the line light generating optical system of the present invention on a laser marking device, a wide-angle line light can be easily and efficiently irradiated. Line light can be generated in various directions. Therefore, it has become possible to generate a plurality of blackout laser line lights at low cost. As a result, it has become possible to provide a low-cost laser marking device for irradiating a plurality of lines of light, which has conventionally been very expensive.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of a line light generating optical system of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating the principle of generating line light when a rod lens is used.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a Fresnel beam splitter.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a state of reflected light on a rod lens surface.
FIG. 5 is a schematic diagram showing a range of a reflection surface and a transmission surface of a rod lens surface.
FIG. 6 is a schematic view showing a state of light transmitted through a rod lens.
FIG. 7 is a schematic view showing another embodiment of the line light generating optical system of the present invention.
FIG. 8 is a schematic view of a laser marking device equipped with the line light generating optical system of the present invention.
FIG. 9 is a configuration diagram showing one embodiment of an optical system of the laser marking device of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 is a first rod lens, 2a and 2b are light reflection surfaces, 2c is a transmission surface, 3 is a Fresnel beam splitter, 4 is a second rod lens, 5 is an optical system, 6 is a support mechanism, 7 is a semiconductor laser, 8 Is a collimator lens, 10 is a laser marking device, and 15 is a line light generating optical system.
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2003054841A JP2004264152A (en) | 2003-02-28 | 2003-02-28 | Line beam generating optical system, and laser marking apparatus mounting the same |
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CN113366658A (en) * | 2019-01-15 | 2021-09-07 | 三星显示有限公司 | Light emitting device, display device including the same, and method of manufacturing the display device |
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