JP2007199680A - 光平面投射装置及びレンズ - Google Patents

Abstract

【課題】光平面投射装置及びレンズを提供すること。
【解決手段】非円筒形表面を成すレンズがコリメート光ビームを光平面に変換するが、この光平面は、光平面が投射される参照表面上に参照光を実質的に均一に投射するように光平面の円弧の末端部分に向かって光強度を増大させる。この非円筒形表面を成すレンズは、レンズのｚ方向長さの少なくとも一部分に亘って一定に留まる第１及び第２の表面を有する。第２の表面はｘ，ｙ平面内に多半径の曲線を画定する。このレンズは、参照光の線を水平面に対して所定の角度で参照表面上に投射する自己水平式の光学装置に組み込まれ得る。
【選択図】図２

Description

本出願は、共に「Ｌｉｇｈｔ−Ｐｌａｎｅ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｎｇ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｌｅｎｓ」と題され、共にその内容全体がここで参照によって組み込まれる２００５年１２月６日出願の米国特許仮出願第６０／７４２５３２号及び２００６年１０月２５日出願の米国特許出願第１１／５８５９３１号の優先権を主張するものである。

本発明は一般に、コリメート光を光平面に変換するための光学素子に関し、さらに詳細には、水平及び／又は垂直の光平面を参照物体の上に投射するための自己水平式の測量、水準測量、及び／又は測深機器で、このような光学素子を使用することに関する。

水平及び／又は垂直の光平面を参照物体の上に投射するための従来の自己水平式機器は、光の水平及び／又は垂直平面を生成するために、レーザと、円筒形表面を成すレンズとを利用する。米国特許第５５３９９９０号明細書、米国特許第５２４３３９８号明細書、及び１９９３年６月１日公開の特願平３−９０２７０号（公開番号平５−４０８１５）明細書が、このような３つの機器を開示する。残念ながら、図４に示されているように、このような円筒形レンズを使用して光平面を照明線１０として壁、床、天井、又は他の参照物体上に投射するとき、この線１０の末端縁部（図４に例示された上縁及び下縁）は、これらが入力コリメート光の光路に対して同軸である、壁上の点から遠ざかるにつれて薄れていく。これは、線１０の最末端部の視認をより困難にするか又は不可能にする。幾つかの従来設計では、光平面の最末端部は、単に機器の範囲内から閉め出されているにすぎず、それによって、この光の遮断された部分を無駄にする。

従って、本発明の１つ又は複数の実施例の一態様は、壁又は参照物体の上に投射される光の線の末端部において向上した視認性を与えるように、出力光平面の中心よりも出力光平面の最末端部に向かってより強度の光を向ける線生成レンズを設ける。

本発明の１つ又は複数の実施例の別の態様は、枠台と、この枠台に動作可能に連結された第１の光生成機構と、この第１の光生成機構の光路の中に配置され且つデカルト（ｘ，ｙ，ｚ）座標系を画定する第１のレンズとを含む光学装置を設ける。第１のレンズは、この第１のレンズのｚ方向長さの少なくとも一部分に亘って、ｚに依存しないｘ，ｙ座標を有する第１及び第２の表面を有する。第２の表面は、ｘ，ｙ平面内に多半径の曲線を画定する。このレンズは、第１の光生成機構によって生成された光を第１の光平面に変換する。本装置は、枠台に動作可能に取り付けられた自己水平機構も含む。この自己水平機構は、第１の光平面を水平面に対して所定の角度に配向しようとする。

１つ又は複数のこれらの実施例の他の態様によれば、本装置は、枠台に動作可能に連結された第２の光生成機構と、この第２の光生成機構の光路の中に配置され且つデカルト（ｘ，ｙ，ｚ）座標系を画定する第２のレンズとを含む。第２のレンズは、この第２のレンズのｚ方向長さの少なくとも一部分に亘って、ｚに依存しないｘ，ｙ座標を有する第１及び第２の表面を有する。第２のレンズの第２の表面は、ｘ，ｙ平面内に多半径の曲線を画定する。第２のレンズは、この第２の光生成機構によって生成された光を第２の光平面に変換する。第１のレンズのｚ軸は第２のレンズのｚ軸に直交する。第１及び第２の光生成機構はそれぞれがレーザ・ダイオードを含む。

１つ又は複数のこれらの実施例の他の態様によれば、多半径の曲線は、異なる半径を有し且つ曲線終始点で交差する少なくとも２つの隣接する定半径部分を含む。

１つ又は複数のこれらの実施例の他の態様によれば、第１の光生成機構はレーザ・ダイオードを含み、本装置は、レーザ・ダイオードの光路においてレーザ・ダイオードと第１のレンズとの間に配置されたコリメータをさらに含む。レーザ・ダイオード及びコリメータはコリメート光ビームを生成し、コリメート光ビームは、この光ビームが第１のレンズと交差する箇所で少なくとも２ｍｍの最大幅を有する。

１つ又は複数のこれらの実施例の他の態様によれば、ｚ軸は、光路がレンズと交差する点で光路に直交する。

１つ又は複数のこれらの実施例の他の態様によれば、第２の表面の曲率半径は、第２の表面の少なくとも一部分に亘って滑らかに変化する。

第１のレンズは正又は負のレンズでよい。

１つ又は複数のこれらの実施例の他の態様によれば、第２の表面の中心部分における曲率半径が、第２の表面の末端部分の曲率半径よりも小さい。

１つ又は複数のこれらの実施例の他の態様によれば、第２の表面の最小曲率半径は少なくとも０．５ｍｍか又は少なくとも１．０ｍｍでよい。

１つ又は複数のこれらの実施例の他の態様によれば、第２の表面の少なくとも一部分は、方程式ｘ^２／ａ^２＋ｙ^２／ｂ^２＝１（但し、ａはｂよりも大きい）に従う楕円曲線を画定する。別法として、第２の表面の少なくとも一部分は、方程式ｘ＝ｃ^＊ｙ^２／（１＋平方根（１−（１＋ｋ）^＊ｃ^２＊ｙ^２））＋ａ^＊ｙ^４（但し、ｃ、ｋ、及びａは定数）に従う非円筒形曲線を画定してもよい。

１つ又は複数のこれらの実施例の他の態様によれば、レンズのｘ軸は光路に平行であり、第２の表面の曲率半径は、第２の表面の少なくとも一部分に亘ってｙの絶対値が増加するにつれて増大する。

１つ又は複数のこれらの実施例の他の態様によれば、第１の光生成機構がレーザ発生器である。

１つ又は複数のこれらの実施例の他の態様によれば、この第１の光生成機構はレーザ・ダイオードである。

１つ又は複数のこれらの実施例の他の態様によれば、自己水平機構は、枠台によって振子式に支持されている振子本体を含み、第１の光生成機構及び第１のレンズは、枠台に対して振子本体と共に振子運動するために振子本体によって支持される。本装置は、枠台に対して第１の光生成機構及びレンズの振子運動を減衰する減衰機構も含む。

本発明の１つ又は複数の実施例の別の態様が、第１及び第２の表面を有する光学レンズを設けるが、そこではレンズの断面が、デカルト（ｘ，ｙ，ｚ）座標系のｚ方向においてレンズの少なくとも一部分に亘って一定に留まり、第２の表面は、ｘ，ｙ平面内に方程式ｘ^２／ａ^２＋ｙ^２／ｂ^２＝１（但し、ａはｂよりも大きい）に従う曲線を画定する。数ａはｂよりも少なくとも５０％大きくてもよい。別法として、第２の表面の少なくとも一部分は、方程式ｘ＝ｃ^＊ｙ^２／（１＋平方根（１−（１＋ｋ）^＊ｃ^２＊ｙ^２））＋ａ^＊ｙ^４（但し、ｃ、ｋ、及びａは定数）に従う非円筒形曲線を画定してもよい。

１つ又は複数のこれらの実施例の他の態様によれば、レーザ・ダイオード及びコリメータはコリメート光ビームを生成し、コリメート光ビームは、この光ビームが第１のレンズと交差する箇所で少なくとも２ｍｍの最大幅を有する。コリメート光ビームの最大幅は、光ビームが第１のレンズと交差する箇所で少なくとも４ｍｍでもよい。

１つ又は複数のこれらの実施例の他の態様によれば、コリメート光ビームのｙ方向幅が、コリメート光ビームが第１のレンズと交差する箇所で第１のレンズのｙ方向幅よりも大きい。

本発明の追加的な且つ／又は別法による利点及び顕著な特徴は、添付の図面に関連して採用された、本発明の好ましい実施例を開示する以下の詳細な説明から明白となろう。

ここで、本発明の原開示の一部から図面を参照する。

図１は、本発明の実施例に係る非円筒形レンズ１００を例示する。このレンズ１００の少なくとも一部分が、図示されたｘ，ｙ，ｚデカルト座標系のｚ方向に一定の断面を有する（即ち、レンズ１００の表面のｘ及びｙ座標は、これらのｚ座標に依存しない）。

図１に示されているように、レンズ１００の第１の表面１１０は平面的であり、ｙ，ｚ平面内にある（又はこの平面に平行である）。別法として、本発明の範囲から逸脱することなく、第１の表面１１０のｘ，ｙ断面は多様な他の形状（例えば、定半径の湾曲、不定半径の湾曲）を有してもよい。

図１に示されているように、レンズ１００の第２の表面１２０は、ｘ，ｙ平面内に多半径の滑らかな湾曲（即ち、１つ又は複数の曲線終始点で交わる少なくとも２つの異なる半径の曲線を含む湾曲）を有する。例示の実施例では、多半径の湾曲が、次式、即ち、ｘ^２／ａ^２＋ｙ^２／ｂ^２＝１（但し、定数ａは定数ｂよりも大きい）に従う楕円を画定する。定数ａはｘ方向におけるレンズ１００の厚みであり、定数ｂはｙ方向におけるレンズ１００の幅の１／２である。例示の実施例では、ａは１．５ｂに等しいが、別法として、ｂよりもほぼ５０％大きくてもよい。レンズ１００の最小曲率半径はｂ^２／ａに等しい。

図２に示されているように、レーザ・ダイオード１２５及びコリメータ１２７は、光路１３５を有するコリメート光ビーム（例えば、レーザ・ビーム）１３０を表面１１０上に投射するとき、レンズ１００はビーム１３０をｙ方向へ拡大して光平面１４０を創出する。光路１３５はレンズ１２０のｘ軸と同軸である。円弧αに亘って、ｘ，ｚ平面と光平面１４０の一部との間の角度と共に、光平面１４０内の光強度が増大する。円弧αを超えると、その強度は急激に低下し得る。従って、図２及び３に示されているように、光平面１４０が、レンズ１００のｘ軸に垂直である壁１５０を照射するとき、それは円弧αに亘って実質的に一定の強度を有する照明線１６０を形成する。図３のレンズ１００によって形成された線１６０と図４の従来の円筒形レンズによって形成された線１０との間の比較は、レンズ１００が従来の円筒形レンズよりも線１６０のより末端部で高い光強度を生成することを例示する。

例示の実施例では、コリメータ１２７はコリメーティング・レンズを含む。しかし、本発明の範囲から逸脱することなく、このレンズの代わりに他の任意適切なコリメータ（例えば、コリメーティング管）が使用されてもよい。

レーザ・ダイオード１２５は、４００〜７００ｎｍの範囲内の波長を有する可視光を生成することが好ましい。ダイオード１２５は、赤色レーザ・ビーム１３０（例えば、６３５ｎｍ±５ｎｍの波長、６５０ｎｍ±５ｎｍの波長、６５５ｎｍ±５ｎｍの波長）又は緑色レーザ・ビーム１３０（例えば、５３２ｎｍ±５ｎｍの波長）を生成してもよい。本発明の様々な実施例によれば、ダイオード１２５の出力は、０．５と２０ｍＷとの間、４と１４ｍＷとの間、約１ｍＷ±１０％、約４ｍＷ±１０％、約５ｍＷ±１０％、又は約１０ｍＷ±１０％である。本発明の様々な実施例によれば、ダイオードに対する入力電圧は、２．７と６．２ボルトとの間か又は３．０と７．０ボルトとの間である。

ｙ方向におけるレンズ１００の幅２ｂは、ｙ方向におけるビーム１３０の幅よりも大きいことが好ましい。図２に例示されている実施例では、ｙ方向におけるビーム１３０の幅３．５ｍｍが、レンズ１００の対応する幅４ｍｍよりもわずかに小さい。本発明の幾つかの実施例では、ビーム１３０の幅が１ｍｍよりも大きいか、２ｍｍよりも大きいか、３ｍｍよりも大きいか、４ｍｍよりも大きいか、又は１ｍｍと１０ｍｍとの間である。図２に示されているように、レーザ・ダイオード１２５及びコリメータ１２７は、約４ｍｍ幅のビーム１３０を創出するように安価に設計され得る。

レーザ・ダイオードは、典型的に楕円形状断面を有する光ビームを創出する。レーザ・ダイオード１２５は、ビーム１３０の楕円形状断面の長軸がレンズ１００のｙ軸と位置合わせされ、それによって、得られる光平面１４０の厚みを低減するためにビーム１３０をｚ方向へ可能な限り薄くするように配向されることが好ましい。本発明の様々な実施例によれば、出力ビーム１３０のｙ方向幅が約５ｍｍ±１ｍｍか又は約６ｍｍ±１ｍｍである。別法として、コリメータ１２７が、ビーム１３０の末端部分を遮断する開口平面を含んでもよい。この開口は、例えば、正方形又は円形でよく、コリメート・ビーム１３０の形状を制御するためにコリメータ１２７のレンズの下流に配置されてもよい。開口のｙ方向幅は、レンズ１００の幅２ｂに等しいか、又はそれよりも小さいことが好ましい。本発明の様々な実施例によれば、開口のｙ方向幅（従って、得られるビーム幅１３０）が、３と８ｍｍとの間、３と５ｍｍとの間、約４．５ｍｍ±１ｍｍ、又は約５．０ｍｍ±１ｍｍである。

本発明の別の実施例によれば、レンズ１００の幅がビーム１３０の幅よりも小さい。例えば、楕円形状ビーム１３０のｙ方向外縁が相対的に小さい光強度を有し、且つレンズ１００を照射しない。一実施例では、レーザ・ダイオード及びコリメータが、ｙ方向へ約４．３ｍｍの幅を有するビーム１３０を生成する。定数ａは３ｍｍに等しく、且つ定数ｂは、レンズ１００の幅がコリメート・ビーム１３０の幅よりもわずかに小さい４ｍｍであるように２ｍｍに等しい。この実施例では、第２の表面１２０の最小曲率半径（即ち、ｙ＝０における曲率半径）が、１．３３ｍｍ（即ち、ｂ^２／ａ）に等しい。

本発明の様々な実施例によれば、レンズ１００の幅２ｂは、１ｍｍよりも大きいか、２ｍｍよりも大きいか、３ｍｍよりも大きいか、４ｍｍよりも大きいか、５ｍｍよりも大きいか、又は１ｍｍと２０ｍｍとの間でよい。本発明の様々な実施例によれば、第２の表面１２０の最小曲率半径は、０．１ｍｍよりも大きいか、０．２５ｍｍよりも大きいか、０．５ｍｍよりも大きいか、１．０ｍｍよりも大きいか、１．５ｍｍよりも大きいか、又は０．２５ｍｍと１０ｍｍとの間でよい。

例示されている第２の表面１２０は楕円を画定するけれども、この第２の表面１２０は、他の任意適切な多半径の湾曲（例えば、１つ又は複数の曲線終始点で接合される２つ以上の別個の定半径部分を有する湾曲、曲線の少なくとも一部に亘って曲率半径が変化する滑らかな湾曲、放物線（ｘ＝ａ−ｂｙ^２、但し、ａ及びｂは定数）、下で論じられるレンズ５１０の湾曲）を有し得る。第１及び第２の表面１１０、１２０は、光強度が円弧αの末端部に向かって増大するように形作られることが好ましい。一実施例では、第２の表面１２０の曲率半径が、第２の表面１２０の中心部分では（即ち、円弧αの中心では、即ち、ｙ＝０では）、第２の表面１２０の末端部分における（即ち、円弧αの外方部分における、即ち、より大きなｙ値における）よりも小さい。本発明の別の実施例によれば、第２の表面１２０の曲率半径が、ｙの絶対値の増加につれて増大する。

例示の実施例では、第１及び第２の表面１１０、１２０が角度を成して交わり、ｘ，ｙ平面内に半楕円を画定する。別法として、第１及び第２の表面１１０、１２０は、例えば、この第１及び第２の表面１１０、１２０が完全な楕円を画定する場合には、曲線終始点で交差し得る。

上の説明は、理想的な入力コリメート光ビーム１３０が、その長方形断面全体に亘って一定の強度を有するものと想定している。レーザ・ダイオードのような非理想的な光源は、しばしば形状が卵形である非理想的な強度のビームを生成する。ビーム１３０の幅のｙ方向幅がレンズ１００のｙ方向幅よりもそれほど大きくなければ、この卵形ビーム１３０は、レンズ１００の外方−ｙ方向部分の上により低い強度の光を照射し、従って光平面１４０の強度を円弧αの末端部分に向かって比例して低下させ得る。しかし、レンズ１００の曲率は、従来の円筒形レンズに対して、円弧αの末端部分で光平面１４０の実際の強度を増大させる。

レンズ１００は、このレンズ１００が、円弧αの末端部で且つ参照表面上に投射される対応する光の線の末端部分で、従来の円筒形レンズよりも大きな強度の光を供給するので、測量、水準測量、及び／又は測深用レーザ機器で使用するのに優れて適切である。例えば、本発明の幾つかの実施例によれば、レンズ１００は、ここで内容全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第５５３９９９０号明細書、米国特許第５２４３３９８号明細書、及び特願平３−９０２７０号（公開番号平５−４０８１５）明細書に説明されている自己水平式のレーザ機器における円筒形レンズに取って換わる。

本発明の別の実施例によれば、レンズ１００が、図５及び６に示されている自己水平式の光平面投射水準器３００に組み込まれる。図６に示されているように、この水準器３００は、筐体３１０と、この筐体３１０からジンバル３３０又は他の振子連結部によって垂下された振子本体３２０とを含む。振子本体３２０及び筐体３１０は、磁気式抑動器３４０を含む。レーザ・ダイオード３５０、３６０が、これらのダイオード３５０、３６０のビーム軸が水平に（即ち、振子によって画定された鉛直垂線に対して直交して）延びるように振子本体３２０に取り付けられる。例示の実施例では、ダイオード３５０、３６０のビーム軸は相互に平行である。光をコリメートするために、コリメータがダイオード３５０、３６０の光路の中に設けられることが好ましい。第１のレンズ１００が、このレンズ１００のｚ軸が垂直に（即ち、振子本体３２０の鉛直線３６５に対して平行に）延びるように、ダイオードの光路においてダイオード３５０の前方に配置される。図５に示されているように、ダイオード３５０及び第１のレンズ１００は水平の光平面３７０を生成する。図６に示されているように、第２のレンズ１００が、この第２のレンズ１００のｚ軸が水平に延びるように、ダイオードの光路においてダイオード３６０の前方に配置される。図５に示されているように、ダイオード３６０及び第２のレンズ１００は垂直な光平面３８０を生成する。水準器３００でレンズ１００を使用すると、光平面３７０、３８０の末端部分の強度を増大させて、壁上に長く且つ／又は全体的−均一的な強度の照明線３９０、４００を形成する。

追加的な有用光平面を設けるために、追加的なダイオード及びレンズ１００が異なる配向で振子本体３２０に取り付けられてもよい（例えば、レーザ・ダイオード３５０、３６０のビーム軸に直交するビーム軸を有する水平又は垂直に配向されたレーザ・ダイオードであり、このような追加的な１つ若しくは複数のダイオードの前方にあるレンズ１００が水平に又は垂直に配向され、且つ／又は第１及び第２のレンズ１００のｚ軸の一方若しくは両方に直交するｚ軸を有する）。追加的なダイオード及びレンズは、他のダイオード及び／又はレンズに対して非直角で振子に取り付けられてもよい。

例示の水準器３００は水平に且つ垂直に配向された光平面を生成するが、水準器３００は水平面に対して他の任意適切な配向で光平面を生成するように変更されてもよい。例えば、レンズ１００のｚ軸は、このレンズが水平面に対して４５度の角度で光平面を生成するように、水平面に対して４５度の角度で配向されてもよい。水準器３００は、操作者が出力光平面の角度を選択的に決めることを可能にする（例えば、レンズ１００の配向を変更することによって）調整機構を含んでもよい。

例示の水準器３００は、振子を利用して水準器３００を自己水平化するが、本発明の範囲から逸脱することなく、他の任意適切なタイプの自己水平機構（例えば、サーボ式水平化水準器、流体式本体水平化水準器（例えば、米国特許第５１８４４０６号明細書を参照されたい）を使用してもよい。

例示の水準器３００は振子（従ってレーザ・ダイオード３５０、３６０及びレンズ１００）の運動を減衰するために磁気式抑動器３４０を利用するが、本発明の範囲から逸脱することなく、他の任意適切な抑動器が別法として使用されてもよい（例えば、ジャイロスコープ）。別法として、抑動器がまったく割愛されてもよい。

例示の水準器３００は光を生成するためにレーザ・ダイオード３５０、３６０を利用するが、本発明の範囲から逸脱することなく、他の任意適切な光生成機構が別法として使用されてもよい（例えば、ＬＥＤ、白熱灯、ガス・レーザなど）。しかし、このような光生成機構が単色光を生成することが依然として好ましい。

例示の水準器３００は、それぞれの光平面を生成するために別体の光生成機構を利用するが、別法として単一の光生成機構を使用して（例えば、ビーム分割、分離ミラー又はレンズなどによって）複数の光平面を生成してもよい。米国特許第５４５９９３２号明細書及び特願平３−９０２７０号（公開番号平５−４０８１５）明細書を参照されたい。さらには、複数の光生成機構を使用して単一の光平面内に異なる円弧を生成してもよい（例えば、３６０度の光平面を創出するために）。

当業者によって理解されるように、様々な光学構成要素（例えば、ミラー、レンズ）が光路１３５の方向を変更してもよい。本明細書に使用されるように、光路１３５（及びビーム１３０などのような他の構成要素）の方向は、光路１３５が構成要素と交差する位置で決められ、その構成要素の位置は光路１３５に対して説明されている。例えば、図２に示されているように、光路１３５を９０度回転するために、４５度のミラーがコリメータ１２７とレンズ１００との間に配置されていれば、レンズ１００の配向は、光路１３５がレンズ１００と交差する箇所で、第１の表面１１０、ｚ軸、及びｙ軸がすべて光路１３５に対して垂直に留まるように９０度移動される。従って、第１の表面１１０がダイオード１２５とコリメータ１２７との間に配置される光路１３５の一部分に対して垂直ではないにも拘わらず、第１の表面１１０は光路１３５に対して垂直である。

図７〜１０は、本発明の別法による実施例に係る負の非球面レンズ５００を例示する。このレンズ５００は、コリメート光ビームを光平面に変換するために負の焦点距離を有する。レンズ５００は、水準器３００でレンズ１００の代わりに使用されてもよい。別法として、レンズ５００は、光のコリメート・ビームを光平面に変換することが望ましい他の製品で使用されてもよい。例えば、このようなレンズ５００は、米国特許出願公開第２００５／００７８３０３号明細書、又は２００６年６月３０日出願の「ＡＤＨＥＳＩＶＥ ＭＯＵＮＴ ＦＯＲ Ａ ＬＥＶＥＬＩＮＧ ＤＥＶＩＣＥ ＡＮＤ Ａ ＬＥＶＥＬＩＮＧ ＤＥＶＩＣＥ」と題された米国特許出願第１１／４７７５８９号明細書（これらの両方がここで参照によりそれらの全体が組み込まれる）に説明されている装置で使用されてもよい。特に、レンズ５００は、これらの開示された装置では、表面上に線を形成するために光のビームを光の平面に変換するようにレーザ・ダイオードの前方に位置決めされ得る。

レンズ５００は、凹面で非球面の第１の表面５１０及び平面的な第２の表面５２０を含む。第２の表面５２０は、本発明の範囲から逸脱することなく、別法として非平面輪郭を有してもよい。非球面の第１の表面５１０は、ｘ，ｙ平面内に多半径の湾曲を有する。第１の表面５１０の多半径の湾曲は、ｘ，ｙ平面内に滑らかな湾曲を有することが好ましく、この湾曲はｚ位置に依存しない。例示の実施例では、この湾曲は次式によって画定される。即ち、
ｘ＝ｃ^＊ｙ^２／（１＋平方根（１−（１＋ｋ）^＊ｃ^２＊ｙ^２））＋ａ^＊ｙ^４
となる。一実施例によれば、ｃ＝０．４１３２２、ｋ＝−０．２１０８、及びａ＝−０．００２８８６である。レンズ５００は、ＺＦ６又はＳＦ４のような、任意適切の光学材料を含んでもよい。表面５１０、５２０は、レンズに透過されるべき光の波長（例えば、６３５ｎｍから６７０ｎｍ）で最適透過するために研磨され、且つ反射防止被覆によって被覆されることが好ましい。図１０は、照明線５６０を生成するために、どのようにレンズ５００がコリメート光ビーム５３０を表面５５０と交差する光平面５４０に変換するかのレイ・トレースを示す。球形又は円筒形レンズ（線がレンズの中心軸から離れて延びるにつれて強度が低下する線を生成する）と比較して、レンズ５００は、好ましいことに、照明線５６０の照度均一性を向上するように光平面５４０の外方周囲に向かってより高い強度の光を分散する。

以上の説明は、好ましい実施例の動作を例示するために含まれており、本発明の範囲を限定しようとするものではない。限定ではなく、本明細書に添付の特許請求の範囲に態様が記載されている本発明の範囲から逸脱することなく、変形が構成され且つ使用されることを当業者は理解するはずである。

本発明の実施例に係る非円筒形表面を成すレンズを示す斜視図である。 図１のレンズを示す断面図であり、どのようにレンズがコリメート光を光平面に変換するかを例示する。 図１のレンズによって参照表面上に生成される光強度パターンを例示する図である。 従来の円筒形レンズによって参照表面上に生成される光強度パターンを例示する図である。 図１のレンズを組み込む水準器を示す斜視図である。 図５の水準器の一部を示す斜視図である。 本発明の別法による実施例に係る負の非球面レンズを示す斜視図である。 図７のレンズの側面図である。 図７のレンズの正面図である。 図７のレンズのレイ・トレースを示す側面図であり、どのようにレンズがコリメート光を光平面に変換するかを例示する。

符号の説明

１００ 非円筒形レンズ
１１０ 第１の表面
１２０ 第２の表面
１２５ レーザ・ダイオード
１２７ コリメータ
１３０、５３０ コリメート光ビーム
１３５ 光路
１４０、５４０ 光平面
１５０ 壁
１６０、５６０ 照明線
３００ 自己水平式の光平面投射水準器
３１０ 筐体
３２０ 振子本体
３３０ ジンバル
３４０ 磁気式抑動器
３５０、３６０ レーザ・ダイオード
３６５ 振子本体の鉛直線
３７０ 水平の光平面
３８０ 垂直な光平面
３９０、４００ 全体的−均一的な強度の照明線
５００ 負の非球面レンズ
５１０ 第１の表面
５２０ 第２の表面
５５０ 表面

Claims (24)

1. 枠台と、
   前記枠台に動作可能に連結された第１の光生成機構と、
   前記第１の光生成機構の光路の中に配置され且つデカルト（ｘ，ｙ，ｚ）座標系を画定する第１のレンズとを備え、前記第１のレンズは、前記第１のレンズのｚ方向長さの少なくとも一部分に亘って、ｚに依存しないｘ，ｙ座標を有する第１及び第２の表面を有し、前記第２の表面は、ｘ，ｙ平面内に多半径の曲線を画定し、前記レンズは、前記第１の光生成機構によって生成された光を第１の光平面に変換し、さらに
   前記枠台に動作可能に取り付けられた自己水平機構を備え、前記自己水平機構は、前記第１の光平面を水平面に対して所定の角度に配向しようとする、光学装置。
2. 前記光学装置は、
   前記枠台に動作可能に連結された第２の光生成機構と、
   前記第２の光生成機構の光路の中に配置され且つデカルト（ｘ，ｙ，ｚ）座標系を画定する第２のレンズとをさらに備え、前記第２のレンズは、前記の第２のレンズのｚ方向長さの少なくとも一部分に亘って、ｚに依存しないｘ，ｙ座標を有する第１及び第２の表面を有し、前記第２のレンズの前記第２の表面は、ｘ，ｙ平面内に多半径の曲線を画定し、前記第２のレンズは、前記第２の光生成機構によって生成された光を第２の光平面に変換し、
   前記第１のレンズのｚ軸は前記第２のレンズのｚ軸に直交し、
   前記第１及び第２の光生成機構はそれぞれがレーザ・ダイオードを含む、請求項１に記載の光学装置。
3. 前記多半径の曲線は、異なる半径を有し且つ曲線終始点で交差する少なくとも２つの隣接する定半径部分を含む、請求項１に記載の光学装置。
4. 前記第１の光生成機構はレーザ・ダイオードを含み、前記装置は、前記レーザ・ダイオードの前記光路において前記レーザ・ダイオードと前記第１のレンズとの間に配置されたコリメータをさらに含み、前記レーザ・ダイオード及びコリメータはコリメート光ビームを生成し、前記コリメート光ビームは、前記光ビームが前記第１のレンズと交差する箇所で少なくとも２ｍｍの最大幅を有する、請求項１に記載の光学装置。
5. ｚ軸は、前記光路が前記レンズと交差する点で前記光路に直交する、請求項１に記載の光学装置。
6. 前記第２の表面の曲率半径は、前記第２の表面の少なくとも一部分に亘って滑らかに変化する、請求項１に記載の光学装置。
7. 前記第２の表面の中心部分における曲率半径が、前記第２の表面の末端部分の曲率半径よりも小さい、請求項１に記載の光学装置。
8. 前記第２の表面の最小曲率半径が少なくとも０．５ｍｍである、請求項１に記載の光学装置。
9. 前記第２の表面の前記最小曲率半径は少なくとも１．０ｍｍである、請求項８に記載の光学装置。
10. 前記第１のレンズは負の非球面レンズを含む、請求項１に記載の光学装置。
11. 前記第２の表面の少なくとも一部分は、方程式ｘ^２／ａ^２＋ｙ^２／ｂ^２＝１（但し、ａはｂよりも大きい）に従う楕円曲線を画定する、請求項１に記載の光学装置。
12. 前記第２の表面の少なくとも一部分は、方程式ｘ＝ｃ^＊ｙ^２／（１＋平方根（１−（１＋ｋ）^＊ｃ^２＊ｙ^２））＋ａ^＊ｙ^４（但し、ｃ、ｋ、及びａは定数）に従う非円筒形曲線を画定する、請求項１に記載の光学装置。
13. 前記レンズのｘ軸は前記光路に平行であり、前記第２の表面の前記曲率半径は、前記第２の表面の少なくとも一部分に亘ってｙの絶対値が増加するにつれて増大する、請求項１に記載の光学装置。
14. 前記第１の光生成機構はレーザ発生器を含む、請求項１に記載の光学装置。
15. 前記第１の光生成機構はレーザ・ダイオードを含む、請求項１に記載の光学装置。
16. 前記自己水平機構は、前記枠台によって振子式に支持されている振子本体を含み、前記第１の光生成機構及び第１のレンズは、前記枠台に対して前記振子本体と共に振子運動するために前記振子本体によって支持される、請求項１に記載の光学装置。
17. 前記枠台に対して前記第１の光生成機構及びレンズの振子運動を減衰する減衰機構をさらに備える、請求項１６に記載の光学装置。
18. 第１及び第２の表面を有する光学レンズであって、前記レンズの断面が、デカルト（ｘ，ｙ，ｚ）座標系のｚ方向において前記レンズの少なくとも一部分に亘って一定に留まり、前記第２の表面は、ｘ，ｙ平面内に方程式ｘ^２／ａ^２＋ｙ^２／ｂ^２＝１（但し、ａはｂよりも大きい）に従う曲線を画定する、光学レンズ。
19. ａはｂよりも少なくとも５０％大きい、請求項１８に記載の光学レンズ。
20. 第１及び第２の表面を有する光学レンズであって、前記レンズの断面が、デカルト（ｘ，ｙ，ｚ）座標系のｚ方向において前記レンズの少なくとも一部分に亘って一定に留まり、前記第２の表面は、ｘ，ｙ平面内に方程式ｘ＝ｃ^＊ｙ^２／（１＋平方根（１−（１＋ｋ）^＊ｃ^２＊ｙ^２））＋ａ^＊ｙ^４（但し、ｃ、ｋ、及びａは定数）に従う曲線を画定する、光学レンズ。
21. 第１のレーザ・ダイオードと、
    前記第１のレーザ・ダイオードの光路の中に配置された第１のコリメータと、
    前記光路において前記第１のコリメータから下流に配置された第１のレンズとを備え、前記第１のレンズはデカルト（ｘ，ｙ，ｚ）座標系を画定し、前記第１のレンズは、前記第１のレンズのｚ方向長さの少なくとも一部分に亘って、ｚに依存しないｘ，ｙ座標を有する第１及び第２の表面を有し、前記第２の表面はｘ，ｙ平面内に多半径の曲線を画定し、前記第１のレンズは、前記第１のレーザ・ダイオードによって生成された光を第１の光平面に変換し、
    前記第１のレーザ・ダイオード及びコリメータはコリメート光ビームを生成し、前記コリメート光ビームは、前記光ビームが前記第１のレンズと交差する箇所で少なくとも２ｍｍの最大幅を有する、光学装置。
22. 枠台と、
    前記枠台によって振子式に支持された振子本体とをさらに備え、前記第１のレーザ・ダイオード、第１のコリメータ、及び第１のレンズは前記振子本体に取り付けられる、請求項２１に記載の光学装置。
23. 前記コリメート光ビームの前記最大幅は、前記光ビームが前記第１のレンズと交差する箇所で少なくとも４ｍｍである、請求項２１に記載の光学装置。
24. 前記コリメート光ビームのｙ方向幅が、前記コリメート光ビームが前記第１のレンズと交差する箇所で前記第１のレンズのｙ方向幅よりも大きい、請求項２１に記載の光学装置。