JP2006133020A - レーザ光線射出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】
偏光板を個別に設けることなく、戻り光を遮断できる様にし、レーザ光線射出装置の構成を簡略化する。
【解決手段】
レーザ光源１から発せられたレーザ光線５を波長選択膜１１を通して射出するレーザ光線射出装置に於いて、前記波長選択膜より射出側の光軸６上に複屈折光学部材８を配設し、前記波長選択膜を前記レーザ光線の入射角が４５°〜８０°となる様に傾斜させた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ光源から発せられたレーザ光線の戻り光を遮断する構成を具備するレーザ光線射出装置に関するものである。
レーザ光線を発するレーザ光源は、戻り光があると出力が低下することが知られており、レーザ光線を利用した測量装置では戻り光を遮断する構成を有している。
図７は、戻り光を遮断する作用を有する従来のレーザ光線射出装置の光学系の概略を示している。
図７中、１は半導体レーザを示し、２は集光レンズ、３は光束断面の２方向で収束角の異なる２枚の楔状プリズム４ａ，４ｂによって構成されるアナモルフィックプリズムを示している。該アナモルフィックプリズム３を透過したレーザ光線５は射出光軸６上に射出され、該射出光軸６上にはＰ偏光を透過する偏光板７、１／４λ板（複屈折光学部材）８が配設されている。尚、９は前記レーザ光線５を反射する光学部品であり、例えば反射プリズムである。
前記半導体レーザ１から射出された前記レーザ光線５は、例えばＰ偏光の直線偏光であり、該レーザ光線５の光束断面は楕円形をしている。前記集光レンズ２により平行光束とされた前記レーザ光線５は、前記アナモルフィックプリズム３の２枚の楔状プリズム４ａ，４ｂにより、前記レーザ光線５の光束断面の短軸方向が拡大され、光束断面が円形となる様ビーム整形される。
前記アナモルフィックプリズム３を透過し、光束が円形状となったレーザ光線５は、前記偏光板７を透過し、前記１／４λ板８で円偏光に変換されて照射される。
前記光学部品９で反射された円偏光の反射レーザ光線５′は、前記１／４λ板８を透過することで直線偏光に偏光状態が変換され、更に変換された直線偏光の前記反射レーザ光線５′は射出された前記レーザ光線５に対して９０°偏光方向が異なり、Ｓ偏光となっている。前記偏光板７はＰ偏光を透過する様に配置されているので、該偏光板７によりＳ偏光の前記反射レーザ光線５′は遮断され前記半導体レーザ１には到達しない。
上記した従来のレーザ光線射出装置では、前記射出光軸６に設けられた前記偏光板７と前記１／４λ板８の組合わせで前記反射レーザ光線５′の戻りを遮断しているので、前記射出光軸６上に前記偏光板７が必要である。この為、光学系の構成が複雑となっていたと共に、前記偏光板７が設けられることで該偏光板７の両面での反射が生じ、レーザ光線の損失が生じていた。
本発明は斯かる実情に鑑み、偏光板を個別に設けることなく、戻り光を遮断できる様にし、レーザ光線射出装置の構成を簡略化するものである。
本発明は、レーザ光源から発せられたレーザ光線を波長選択膜を通して射出するレーザ光線射出装置に於いて、前記波長選択膜より射出側の光軸上に複屈折光学部材を配設し、前記波長選択膜を前記レーザ光線の入射角が４５°〜８０°となる様に傾斜させたレーザ光線射出装置に係り、又前記レーザ光線射出装置がアナモルフィックプリズムを具備し、前記波長選択膜は前記アナモルフィックプリズムを構成する楔状プリズムの一面に形成されたレーザ光線射出装置に係り、又前記アナモルフィックプリズムの入射レーザ光線に対して４５°〜８０°となる入射面に前記波長選択膜が形成されるレーザ光線射出装置に係り、又前記波長選択膜は、レーザ光線の入射角が６０°〜７０°の範囲で傾斜されるレーザ光線射出装置に係り、又前記波長選択膜は、レーザ光線の波長と入射角に応じて決定されるレーザ光線射出装置に係り、更に又前記波長選択膜は、前記ロングパスフィルタ又はショートパスフィルタであるレーザ光線射出装置に係るものである。
本発明によれば、レーザ光源から発せられたレーザ光線を波長選択膜を通して射出するレーザ光線射出装置に於いて、前記波長選択膜より射出側の光軸上に複屈折光学部材を配設し、前記波長選択膜を前記レーザ光線の入射角が４５°〜８０°となる様に傾斜させたので、前記波長選択膜はＰ偏光成分とＳ偏光成分を透過する透過特性に差異を生じ、該波長選択膜が偏光板としての作用を発揮するので、別途偏光板を設けなくても戻り光を遮断でき、光学系の構成が簡略化できる。
又、本発明によれば、前記レーザ光線射出装置がアナモルフィックプリズムを具備し、前記波長選択膜は前記アナモルフィックプリズムを構成する楔状プリズムの一面に形成されたので、別途偏光板を設けなくても戻り光を遮断でき、光学系の構成が簡略化できるという優れた効果を発揮する。
以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。
先ず、図１に於いてレーザ光線射出装置の光学系の基本構成を説明する。尚、図１中、図７中で示したものと同等のものには同符号を付してある。
半導体レーザ１からのレーザ光線５はアナモルフィックプリズム３によりビーム整形されて射出され、前記レーザ光線５の射出光軸６上には１／４λ板８が設けられている。
前記アナモルフィックプリズム３を構成する楔状プリズム４ａ，４ｂの少なくとも１面、例えば前記楔状プリズム４ａの前記半導体レーザ１に対向する面に、波長選択膜１１を形成する。該波長選択膜１１はレーザ光線の入射軸に対して４５°以上の傾きとなる面に形成することによりビームスプリッタとして機能をする。
次に、前記波長選択膜１１の特性について図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）に於いて説明する。
図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）は透明板１２に前記波長選択膜１１（ロングパスフィルタ又はショートパスフィルタ）を形成し、前記透明板１２に前記レーザ光線５を入射させ、入射角を０°、４５°、６０°と変化させた場合を示し、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）は、その時のＰ偏光成分、Ｓ偏光成分の透過率の変化を示すものである。図３（Ｂ）、図３（Ｃ）中、ＰがＰ偏光成分の透過率曲線、ＳがＳ偏光成分の透過率曲線を示している。
前記透明板１２、即ち前記波長選択膜１１に、図２（Ａ）に示す様に、前記レーザ光線５が０°の入射角、即ち直角に入射した場合、図３（Ａ）に示される様に、Ｐ偏光成分、Ｓ偏光成分共に前記レーザ光線５の波長に対する透過率の状態は同じであり、波長λA で透過率が略９０％を越える。この場合、前記波長選択膜１１は単なる波長選択膜である。
次に、前記波長選択膜１１に、図２（Ｂ）に示す様に、前記レーザ光線５が４５°の入射角で入射した場合、図３（Ｂ）に示される様に、Ｐ偏光成分、Ｓ偏光成分共に前記レーザ光線５の透過波長は短波長側に変移し、Ｐ偏光成分はλB 、Ｓ偏光成分はλB ′で透過率が略９０％を越える様になる。更に、変移量はＰ偏光成分の方が大きく、Ｐ偏光成分は透過するが、Ｓ偏光成分は遮断する領域１３（図３（Ｂ）中斜線で示す）が生じる。従って、前記波長選択膜１１は前記領域１３に含まれる波長に対しては偏光板と同等の機能を有することになる。
更に、前記波長選択膜１１に、図２（Ｃ）に示す様に、前記レーザ光線５が６０°の入射角で入射した場合、図３（Ｃ）に示される様に、Ｐ偏光成分、Ｓ偏光成分共に前記レーザ光線５の透過波長は更に短波長側に変移し、Ｐ偏光成分はλC 、Ｓ偏光成分はλC ′で透過率が略９０％を越える様になる。又、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分の変移量の差は更に大きくなり、Ｐ偏光成分は透過するが、Ｓ偏光成分は遮断する領域１３（図３（Ｃ）中斜線で示す）は入射角が４５°の時より大きくなる。入射角６０°の場合も、前記波長選択膜１１は前記領域１３に含まれる波長に対しては偏光板と同等の機能を有することになる。
而して、図２（Ｃ）、図３（Ｃ）に示される様に、前記波長選択膜１１を入射角に対して６０°傾斜させ、前記領域１３に含まれる波長の前記レーザ光線５を使用した場合は、前記波長選択膜１１はＰ偏光成分は透過するが、Ｓ偏光成分は遮断する偏光板として使用することができる。
上記した波長選択膜１１の特性を利用し、前記楔状プリズム４ａ，４ｂの少なくとも一面に前記波長選択膜１１を形成し、該波長選択膜１１を前記レーザ光線５に対して所要角度、例えば６０°傾斜させる。
前記半導体レーザ１から射出されるＰ偏光のレーザ光線５は、前記領域１３に含まれる波長を有している。前記レーザ光線５は前記集光レンズ２で平行光束とされ、Ｐ偏光のレーザ光線５は前記波長選択膜１１を透過し、前記アナモルフィックプリズム３の楔状プリズム４ａ，４ｂにより光束断面が円形にビーム整形される。前記アナモルフィックプリズム３を透過した前記レーザ光線５は、前記１／４λ板８で円偏光に変換され、前記光学部品９に照射される。該光学部品９で反射された反射レーザ光線５′が再び前記１／４λ板８を透過することで、Ｓ偏光に変換される。Ｓ偏光の反射レーザ光線５′は前記波長選択膜１１に遮断され、前記半導体レーザ１には到達しない。
前記波長選択膜１１の傾斜角は、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分の透過特性に差異を生じさせ、前記領域１３が得られればよく、例えば４５°〜８０°、好ましくは６０°〜７０°の傾斜角が選択される。ＬＤの波長のバラツキ、膜のバラツキ等を考えると偏光ビームスプリッタとして使用できる波長帯域は広い方が良く、６０°以上の入射角が好ましい。然し入射角を大きくするということは部品を傾けることなので、あまり大きくするとスペース的にも大きな空間が必要となり好ましくなく、６０°〜７０°が好ましい。
而して、本発明によれば、偏光板を別途設けることなく、戻り光を遮断することができる。
図４〜図６に於いて、本発明に係るレーザ光線射出装置を具備する測量装置の一例を説明する。尚、図４〜図６中、図１中で示したものと同等のものには同符号を付してある。
該測量装置は、レーザ光線を水平方向に回転照射して水平基準面を形成するレーザ回転照射装置であり、主にレーザ光線射出装置１５、傾斜補正系１６、照射光学系１７、回転照射部１８、受光系１９を具備している。
前記半導体レーザ１から射出されたレーザ光線５は、前記傾斜補正系１６で光軸の傾き補正がなされ、前記照射光学系１７によって鉛直光軸上に投射される。前記回転照射部１８は前記レーザ光線５を水平方向に偏向すると共に回転照射する。照射されたレーザ光線５は水平基準面を形成すると共に対象反射体２０を横切ることで、該対象反射体２０によって反射される。反射レーザ光線５′は、前記回転照射部１８を経て前記受光系１９で受光検出され、該受光系１９で前記対象反射体２０の位置、方向等が検出される。
前記半導体レーザ１は、図６に示される様にＬＤ駆動部２１によって発光が駆動制御される。前記半導体レーザ１から射出される前記レーザ光線５の一部が分割され、フォトダイオード等の受光素子２２で受光検出され、受光結果は出力電流制御回路２３にフィードバックされ、該出力電流制御回路２３は受光信号に基づき、例えば前記レーザ光線５が一定の光強度となる為の制御信号を半導体レーザ駆動回路２４に送出し、該半導体レーザ駆動回路２４は制御信号に基づき前記半導体レーザ１を駆動する。
前記傾斜補正系１６は、自由液面２５を有し、前記半導体レーザ１から照射された前記レーザ光線５が前記自由液面２５で反射されることで、レーザ回転照射装置が傾いて設置されていた場合にも、前記照射光学系１７の投射光軸を鉛直に補償し、傾き補正を行うものである。
前記傾斜補正系１６から前記照射光学系１７に至る射出光軸６上には、アナモルフィックプリズム３が設けられており、該アナモルフィックプリズム３を構成する楔状プリズム４ａ，４ｂの一面は前記射出光軸６に対して所要角度傾いている。例えば、図１で示された様に前記楔状プリズム４ａの入射面は、前記射出光軸６に対して６０°傾斜しており、前記楔状プリズム４ａの入射面には波長選択膜１１が形成されている。
前記照射光学系１７は前記アナモルフィックプリズム３を透過した前記レーザ光線５を鉛直方向に偏向する反射鏡２６、該反射鏡２６の反射光軸上に前記レーザ光線５の光束径を拡大するビームエキスパンダ２７、孔明き反射鏡２８、前記レーザ光線射出装置１５の構成要素でもある１／４λ板８が設けられている。
前記回転照射部１８は前記孔明き反射鏡２８の孔２９、前記１／４λ板８を透過した前記レーザ光線５を水平方向に偏向するペンタプリズム３１を具備し、該ペンタプリズム３１は中空形状の回転ホルダ３２に設けられ、該回転ホルダ３２が回転モータ３３によって回転されることで、前記回転ホルダ３２から射出される前記レーザ光線５が回転照射される様になっている。
前記対象反射体２０で反射された反射レーザ光線５′は前記回転照射部１８より入射され、前記孔明き反射鏡２８によって前記受光系１９に向けて偏向される。
該受光系１９は集光レンズ３４、偏光板３５、ピンホール板３６、受光素子３７を具備し、前記対象反射体２０からの前記反射レーザ光線５′を受光可能となっており、前記偏光板３５はＳ偏光成分を透過する様に配設されている。
前記受光素子３７からの受光信号は、制御部３８に送出され、該制御部３８は前記受光信号に基づき前記回転モータ３３の回転を制御、例えば前記対象反射体２０を中心に所要角で往復走査する等の制御を行う。
以下、上記レーザ回転照射装置のレーザ光線５、反射レーザ光線５′に関する作用について説明する。
前記半導体レーザ１からは、前記領域１３の波長を有するＰ偏光の直線レーザ光線５が射出される。前記自由液面２５で反射されたレーザ光線５は、前記波長選択膜１１を透過し、前記アナモルフィックプリズム３でビーム整形され、前記反射鏡２６で鉛直方向に偏向されると共に所要のビーム径に拡大される。前記孔２９を通過し、更に前記１／４λ板８を透過することで円偏光に変換され、前記回転照射部１８で水平方向に偏向されると共に回転照射される。
前記対象反射体２０で反射された反射レーザ光線５′は前記回転照射部１８より入射し、前記１／４λ板８を再び透過することで、Ｓ偏光の直線偏光に変換される。
前記反射レーザ光線５′は前記孔２９により前記受光系１９に向けて反射され、前記集光レンズ３４により前記受光素子３７の受光面に集光され、前記偏光板３５はＳ偏光成分のみを透過し、その他の外乱光を遮断する。又、前記ピンホール板３６は光軸上の限られた光束を透過させ、他の外乱光を遮断して、前記対象反射体２０からの前記反射レーザ光線５′のみが前記受光素子３７に受光される様にする。
前記１／４λ板８を透過した前記反射レーザ光線５′の一部は前記孔２９を通過して、前記レーザ光線射出装置１５に戻り光として入射する。前記波長選択膜１１は、Ｐ偏光を透過する様に傾斜されているので、Ｓ偏光である前記反射レーザ光線５′は前記波長選択膜１１で遮断され、前記半導体レーザ１には入射しない。従って、該半導体レーザ１の出力の低下が防止され、該半導体レーザ１からは安定した前記レーザ光線５が射出される。
尚、前記反射レーザ光線５′には前記対象反射体２０からの他に、図５に示される様に前記ペンタプリズム３１等の光学部材の表面からの反射も含まれるが、同様に前記１／４λ板８を往路、復路で透過することで、Ｓ偏光に変換され、前記波長選択膜１１によって遮断される。
又、１／４λ板は前記レーザ光線射出装置１５、及び前記受光系１９それぞれに個別に設けてもよい。例えば、前記アナモルフィックプリズム３と前記反射鏡２６との間及び前記孔明き反射鏡２８と前記集光レンズ３４との間にそれぞれ１／４λ板が設けられてもよい。
又、本発明がレーザ回転照射装置に設けられた場合を説明したが、光波測距装置等に設けられてもよい等、戻り光の影響を除去する必要がある光学装置に同様に実施可能である。
本発明の実施の形態を示す概略構成図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は透明板に形成された波長選択膜とレーザ光線の入射角との関係を示す説明図であり、（Ａ）は入射角が０°、（Ｂ）は入射角が４５°、（Ｃ）は入射角が６０°の場合を示している。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は波長選択膜に対するレーザ光線の入射角と透過率との関係を示す説明図であり、（Ａ）は入射角が０°、（Ｂ）は入射角が４５°、（Ｃ）は入射角が６０°の場合を示している。 本発明が実施されるレーザ回転照射装置の概略構成図である。 該レーザ回転照射装置の光学系の要部を示す説明図である。 該レーザ回転照射装置のＬＤ駆動部のブロック図である。 従来のレーザ光線射出装置を示す概略構成図である。
符号の説明
１ 半導体レーザ
２ 集光レンズ
３ アナモルフィックプリズム
４ａ，４ｂ 楔状プリズム
５ レーザ光線
６ 射出光軸
８ １／４λ板
９ 光学部品
１１ 波長選択膜
１３ 領域
１５ レーザ光線射出装置
１６ 傾斜補正系
１７ 照射光学系
１８ 回転照射部
１９ 受光系

Claims (6)

  1. レーザ光源から発せられたレーザ光線を波長選択膜を通して射出するレーザ光線射出装置に於いて、前記波長選択膜より射出側の光軸上に複屈折光学部材を配設し、前記波長選択膜を前記レーザ光線の入射角が４５°〜８０°となる様に傾斜させたことを特徴とするレーザ光線射出装置。
  2. 前記レーザ光線射出装置がアナモルフィックプリズムを具備し、前記波長選択膜は前記アナモルフィックプリズムを構成する楔状プリズムの一面に形成された請求項１のレーザ光線射出装置。
  3. 前記アナモルフィックプリズムの入射レーザ光線に対して４５°〜８０°となる入射面に前記波長選択膜が形成される請求項２のレーザ光線射出装置。
  4. 前記波長選択膜は、レーザ光線の入射角が６０°〜７０°の範囲で傾斜される請求項１及び請求項３のレーザ光線射出装置。
  5. 前記波長選択膜は、レーザ光線の波長と入射角に応じて決定される請求項１及び請求項３のレーザ光線射出装置。
  6. 前記波長選択膜は、ロングパスフィルタ又はショートパスフィルタである請求項１及び請求項２のレーザ光線射出装置。
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