JP2005099807A - ビームスプリッタ - Google Patents

Abstract

【課題】基準角を特定した複数の不連続ポイントビームと，面内で常に拡散した１本のラインビームとを生じさせることが可能なビームスプリッタを実現する。
【解決手段】光軸（Ａ）に沿う平行光束（２）のためのビームスプリッタ（１）は，透明な中央領域（３）と，光軸（Ａ）に対してそれぞれ所定の角度（α）だけ傾斜した複数の反射面（４ａ，４ｂ）とを具える。これらの反射面は各1本の不連続なポイントビーム（５ａ，５ｂ）を反射によって生じる。中央領域（３）は少なくとも凸状に湾曲したプリズムで構成され，又は光線を拡散する回折光学系（１９）を具える。
【選択図】図１

Description

本発明は，好適には多軸式又は回転式建設用レーザ装置等の光学的位置決め装置に公的に適用可能なビームスプリッタに関するものである。

工具を整列したり，ワークに印を付けるためにマーキングが必要となる場合，特に建設分野では厳密に限定した良好な可視かつ十分な輝度のライトスポットが不可欠である。これらのライトスポットは限定した基準角を形成し，多軸式建設用レーザ装置の泡準した直角座標系等で有用となる。

ビームスプリッタは，光を反射する面が少なくとも部分的に平坦に形成された光学的な構造素子であり，集束した光線を不連続に回折させるか，あるいは平行光束を不連続に分割する。

それに対してシリンダレンズは、光を屈折させる面が少なくとも部分的に円筒外面形状として形成された光学的な構造素子であり，集束した光線を面内で常に回折させるか，あるいは平行光束を常に拡散する。シリンダ形状とすることにより，周縁部における透過した平行偏向光の強度及び回折したラインビームの強度は拡散角度の増大と共に急激に低下し，９０°の回折角度は実質的に達成不可能である。加えて，屈折効果により回折角度を厳密に規定することができない。

米国特許第５３６３４６９号明細書（特許文献１）に記載されたプリズムレンズは，円筒外面形状に形成した中央領域と２個の凹状とする側方領域を具える。これらの側方領域は光束の周縁部分から内側の完全反射によって拡散角度を厳密に局限する。その際、光束は不連続の部分光束に分割されない。

米国特許第０５４３７３０号明細書（特許文献２）に記載された光軸に沿う平行光束のためのビームスプリッタは，平行平面で透明な中央領域と，光軸に対してそれぞれ４５°だけ傾斜した複数の反射面とを具え，互いに直交するポイントビームを生じることができる。

米国特許第６００５７１９号明細書（特許文献３）に記載された多軸式建設用レーザ装置において，平行光束はグレーティングにより互いに直交する２面内で不連続に回折され，２列の不連続に分割されたポイントビームが生じる。更に開示されたシリンダレンズを面内で集束した光線の絶えざる拡散に使用することは不利である。

米国特許第５８３８４３１号明細書（特許文献４）に記載された回転式建設用レーザ装置において，平行光束は透明な平行平面領域及びこの領域に平滑に連接する円筒セグメント形状領域を有するプリズムの複合レンズにより一面内で常に高い輝度のラインビームとして光軸に沿って拡散する。光束を厳密に回折したポイントビームに不連続で分割することは不可能である。
米国特許第５３６３４６９号明細書 米国特許第０５４３７３０号明細書 米国特許第６００５７１９号明細書 米国特許第５８３８４３１号明細書

本発明の課題は，基準角を特定した複数の不連続ポイントビームと，面内で常に拡散した１本のラインビームとを生じさせることが可能なビームスプリッタを実現することにある。

この課題を解決するため，本発明に係るビームスプリッタは，請求項１記載の事項を特徴とするものである。また，その好適な実施形態は従属請求項に記載したとおりである。

本発明において，光軸に沿う平行光束のためのビームスプリッタは，透明な中央領域と，光軸に対してそれぞれ反射角だけ傾斜した複数個の反射面とを具え，これらの反射面は各1本の不連続なポイントビームを生じる。中央領域は少なくとも凸状に湾曲したプリズムで構成され，又は光束を拡散する回折光学系を具える。

少なくとも無限小のシリンダレンズとして作用する中央領域を凸状に湾曲したプリズムで構成することにより，光軸に平行な光束がシリンダ軸線の面内で絶えずラインビームとして拡散すると共に，反射面を用いた更に別の２本の光束で各１本の不連続なポイントビーム生じ、これらのポイントビームは互いに限定した基準角を形成する。

中央領域は光軸及び少なくとも２本のポイントビームに対して直交するシリンダ軸線を有する円筒セグメント形状に形成するのが有利である。それにより，ラインビームはポイントビームによって限定された面内に位置する。

円筒セグメント形状とする中央領域は，入射側のみならず，出射側でも円筒セグメントを形成する構成とするのが有利である。それによって大角度での回折が実現する。

入射側円筒セグメントの中心角は，出射側円筒セグメントの中心角よりも大とするのが有利である。中央領域内では有効光路に係る立体的な最適化が実現する。

回折光学系はフレネルレンズ等のシリンダレンズアレーとして，又はホログラム若しくはグレーティング等の光学的に活性の微細構造として形成するのが有利である。それにより，光軸に沿うビームスプリッタの全長を短縮することができる。

反射角は光軸に対して正確に４５°とするのが有利である。このば愛には，ポイントビームが光軸に対して直交するからである。

各反射面が光軸の周りで９０°の倍数だけ互いにシフトさせるのが有利である。ポイントビームは，互いに９０°，１８０°又は２７０°の基準角度を形成する。

直径対向位置とする正確に２個の反射面を具えるのが有利である。２本の反対方向を指向するポイントビームは半平面を限定する。このようなビームスプリッタは，確定可能な光軸と結合して直角な座標系を固張する回転式建設用レーザ装置に投入可能とするのが有利である。

ビームスプリッタは一体化して形成されると共に，鏡面コーティングを施した反射面を具えるポリスチレン等の透明なプラスチックによるプリズムのダイカスト光学系から構成されるのが有利である。このビームスプリッタは簡便に大きな個数で作製可能である。

代替的に，ビームスプリッタは透明な中実シリンダと，鏡面コートの反射面を具える少なくとも１個のプリズムと，好適にはその他の部材とからモジュールとして組み合わされたのが有利である。光学的な標準構造部材が使用可能となる。

それぞれのシリンダ軸線に対して互いに直交して指向する２個のビームスプリッタを隣接させて位置決め装置内に配置するのが有利である。このように配置した２個のビームスプリッタは自動水準調整可能な多軸式建設用レーザ装置に有利に適用することが可能である。

以下，本発明を図示の実施形態について更に具体的に説明する。

図１に示したビームスプリッタ１は，光軸Ａに沿う平行光束２に係るものであり、透明な中央領域３と，光軸Ａに対してそれぞれ正確に４５°の反射角αだけ傾斜した２個の反射面４ａ，４ｂとを具える。光軸Ａを中心として１８０°だけ互いにオフセットした両方の反射面４ａ，４ｂは，反対方向に向けた２個の不連続なポイントビーム５ａ，５ｂを生じる。これらのポイントビーム５ａ，５ｂは，互いに１８０°として規定した基準角βを成す。円筒セグメント形状とする中央領域３は，拡散角γをもって拡散するラインビーム６を生じる。図示平面に対して直角に位置する円筒セグメント形状の中央領域３のシリンダ軸線Ｚは、入射側に大きな円筒セグメント７ａを，出射側に小さな円筒セグメント７ｂを形成する。このシリンダ軸線Ｚは光軸Ａ及び両方のポイントビーム５ａ，５ｂに対して直角に指向する。それぞれの円筒セグメント７ａ，７ｂ間で中央領域３に隣接して反射面４ａ，４ｂが配置されている。

このビームスプリッタ１は，図２に示すように，表面をシルバー加工した反射面４ａ，４ｂを有する透明なポリスチレン製プリズムを含む一体成形体よりなる光学系として構成する。

図３ａ，図３ｂ及び図３ｃに示したビームスプリッタ１は，ガラス製のシリンダレンズとしての透明な中実シリンダ８を具えるモジュールとして構成されている。図３ａに示すように，中実シリンダ８の両側には特殊なプリズム反射体９を接着する。図３ｂに示す直径ｄの中実シリンダ８は，ガラス製の平坦化した直角プリズム１０の，幅が直径ｄと同一の天井面１１と対向する底面に結合する。図３ｃに示した中実シリンダ８は２個の４５°プリズム１２の間に配置され，これらのプリズム１２と共に透明な平行平面プレート１３上に取り付けられる。図３ｄに示した一体形成されたビームスプリッタ１の中央領域３は，出射側で平坦化された直角プリズム１０の頂面１１に対向する側に，シリンダレンズアレーよりなるフレネルレンズで構成され，頂面１１と幅が同一の回折光学系１９を具える。このフレネルレンズは，光軸Ａに沿う平行光束２から拡散ラインビーム６を生じさせるものである。

図４に示した多軸式建設用レーザ装置１４は，２個のレーザダイオード光学系１６ａ，１６ｂを有する振り子１５を具え，重力Gの作用下で自動的に水準調整可能とされている。レーザダイオード光学系１６ａ，１６ｂは，平行光束の光源として機能する。レーザダイオード光学系１６ａ，１６ｂには，それぞれ光軸に平行に配置したビームスプリッタ１が対応する。ビームスプリッタ１は，１本のラインビーム６と，互いに逆方向を指向する２本のポイントビーム５ａ，５ｂとを生じる。それぞれのシリンダ軸線Ｚに対して互いに９０°だけシフトさせた両ビームスプリッタ１は，互いに９０°だけシフトした４本のポイントビーム５ａ，５ｂと，これらのポイントビームに対してそれぞれ９０°だけオフセットした１本のクロスビーム１７とを生じる。このクロスビームは１７，交差する２本のラインビーム６で形成されるものである。４本のポイントビーム５ａ，５ｂ及びクロスビーム１７は，重力Ｇに従って水準調整された直交座標系１８を規定する。

本発明に係るビームスプリッタの断面図である。 図１のビームスプリッタの斜視図である。 本発明の一変形例に係るビームスプリッタの斜視図である。 本発明の他の変形例に係るビームスプリッタの斜視図である。 本発明の他の変形例に係るビームスプリッタの斜視図である。 本発明の他の変形例に係るビームスプリッタの斜視図である。 本発明に係るビームスプリッタの使用方法を例示する側面図である。

符号の説明

１ ビームスプリッタ
２ 平行光束
３ 中央領域
４ａ，４ｂ 反射面
５ａ，５ｂ ポイントビーム
６ ラインビーム
７ａ 大きな円筒セグメント
７ｂ 小さな円筒セグメント
８ 透明な中実シリンダ
９ 反射体
１０ 直角プリズム
１１ 天井面
１２ ４５°プリズム
１３ 透明な平行平面プレート
１４ 位置決め装置
１５ 振り子
１６ａ，１６ｂ レーザダイオード光学系
１７ クロス光線
１８ 直角座標系
１９ 回折光学系

Claims (10)

1. 光軸（Ａ）に沿う平行光束（２）のためのビームスプリッタであって，透明な中央領域（３）と光軸（Ａ）に対してそれぞれ反射角（α）だけ傾斜した複数個の反射面（４ａ，４ｂ）とを具え，これらの反射面において各1本の不連続なポイントビーム（５ａ，５ｂ）を生じさせるビームスプリッタにおいて，中央領域（３）が光線を拡散する回折光学系（１９）を具えることを特徴とするビームスプリッタ。
2. 光軸（Ａ）に沿う平行光束（２）のためのビームスプリッタであって，透明な中央領域（３）と光軸（Ａ）に対してそれぞれ反射角（α）だけ傾斜した複数個の反射面（４ａ，４ｂ）とを具え，これらの反射面において各1本の不連続なポイントビーム（５ａ，５ｂ）を生じさせるビームスプリッタにおいて，中央領域（３）が少なくとも凸状に湾曲したプリズムを具えることを特徴とするビームスプリッタ。
3. 請求項２記載のビームスプリッタにおいて，中央領域（３）が，光軸（Ａ）及び少なくとも２本のポイントビーム（５ａ，５ｂ）に対して直交するシリンダ軸線（Ｚ）を有する円筒セグメント形状を呈することを特徴とするビームスプリッタ。
4. 請求項３記載のビームスプリッタにおいて，円筒セグメント形状とする中央領域（３）は入射側のみならず出射側でも円筒セグメント（７ａ，７ｂ）を形成すること，及び，好適には入射側の円筒セグメント（７ａ）が出射側の円筒セグメント（７ｂ）よりも大であることを特徴とするビームスプリッタ。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載のビームスプリッタにおいて，前記所定の角度（α）が，光軸（Ａ）に対して４５°であり，好適には各反射面（４ａ，４ｂ）が光軸（Ａ）の回りで９０°の倍数だけ互いにシフトしていることを特徴とするビームスプリッタ。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載のビームスプリッタにおいて，互いに直径対向位置に配置された２個の反射面（４ａ，４ｂ）を具えることを特徴とするビームスプリッタ。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載のビームスプリッタにおいて，鏡面コーティングを施した反射面（４ａ，４ｂ）が一体成形されていることを特徴とするビームスプリッタ。
8. 請求項２〜６の何れか一項に記載のビームスプリッタにおいて，透明な中実シリンダ（８）と，鏡面コートの反射面（４ａ，４ｂ）を有する少なくとも１個のプリズム（９，１０，１２）と，好適にはその他の部材とがモジュールとして組み合わされていることを特徴とするビームスプリッタ。
9. 請求項１〜８の何れか一項に記載のビームスプリッタにおいて，光学的位置決め装置に組み込まれていることを特徴とするビームスプリッタ。
10. 請求項９記載のビームスプリッタにおいて，シリンダ軸線（Ｚ）が９０°だけシフトされている別のビームスプリッタ（１）と組み合わされていることを特徴とするビームスプリッタ。

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