JP3731022B2 - 回転レーザー装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転レーザー装置に係わり、特に、視認距離を飛躍的に増大させ、作業領域も拡大することのできるパルスレーザーを使用した回転レーザー装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、土木建設作業現場等では、レーザー光束を回転させて回転レーザー平面を形成し、この基準平面を用いて施工を行う工法が普及している。この回転レーザー平面を形成するための回転レーザー照射装置には、昨今の半導体レーザーの技術進歩が反映され、赤色のレーザーダイオードが採用されている。この赤色のレーザーダイオードを使用した回転レーザー照射装置は、取扱いの容易な電池駆動が可能であり、土木建設作業現場で広く使用されている。
【０００３】
例えば、従来からの回転レーザー照射装置は、レーザー投光器と、このレーザー投光器の光軸を中心に回転し、前記レーザー投光器の光軸に対して９０度偏向させて照射させるためのレーザー光照射部とからなり、このレーザー光照射部を回転させることにより、基準平面を形成し、或いは壁面等に基準線を設定することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の赤色のレーザーダイオードを使用した回転レーザー照射装置は、半導体レーザーの出力に制限がある上、作業者の眼に対する安全性を確保する必要性から、レーザーの照射出力に制約があった。このため、比較的明るい作業現場では、回転レーザー照射装置から少し離れると、回転レーザー平面を視認することができなかった。
【０００５】
最近では、人間の眼の比視感度が高いグリーンレーザーの利用が考えられ、第２次高調波発生装置を利用した固体レーザー発生装置により、グリーンレーザーを得る装置が開発されている。
【０００６】
この固体レーザー発生装置は、比較的高出力のグリーンレーザーを得ることができるが、消費電力が大きく、電池駆動が困難であることから、パルス発光が採用されていた。このパルス発光のレーザー光を、ガイド光又はポイント光として用いる場合はよいが、回転して照射するための回転レーザー装置に用いる場合には、基準線とはならず、点状のパルス発光となってしまい、視認の観点から一般的に点状のパルス発光は見難いという深刻な問題点があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑み案出されたもので、レーザー光を被照射物に回転照射し基準線を形成するための回転レーザー装置において、パルス発光させたレーザー光源と、このパルス発光させたレーザー光源を駆動するためのパルス駆動手段と、前記レーザー光源からのレーザー光束を被照射物に対して点状に照射させるための照射手段と、この照射手段を回転させるための回転駆動手段と、前記照射手段に設けられ、前記点状となるレーザー光束間隔を埋める様に、回転方向に対して発散波面に変換するための変換手段としてシリンドリカルレンズとを備えている。
【０００８】
また本発明は、レーザー光を被照射物に回転照射し基準線を形成するための回転レーザー装置において、パルス発光させたレーザー光源と、このパルス発光させたレーザー光源を駆動するためのパルス駆動手段と、前記レーザー光源からのレーザー光束を被照射物に対して点状に照射させるための照射手段と、この照射手段を回転させるための回転駆動手段と、前記照射手段に設けられ、前記点状となるレーザー光束間隔を埋める様に、回転方向に対して発散波面に変換するための回折デバイスとから構成されている。
【０００９】
また本発明の回折デバイスが、回折デバイスは、回転方向のみ発散波面に変換するための回折部領域と、被照射物で反射された入射光を透過するための外周部とから構成することもできる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以上の様に構成された本発明は、レーザー光を被照射物に回転照射し基準線を形成するための回転レーザー装置であって、レーザー光源がパルス発光させ、パルス駆動手段が、パルス発光させたレーザー光源を駆動し、照射手段が、レーザー光源からのレーザー光束を被照射物に対して点状に照射させ、回転駆動手段が、
照射手段を回転させ、照射手段に設けられた変換手段としてシリンドリカルレンズが、点状となるレーザー光束間隔を埋める様に、回転方向に対して発散波面に変換する様になっている。
【００１８】
また本発明は、レーザー光を被照射物に回転照射し基準線を形成するための回転レーザー装置であって、レーザー光源がパルス発光させ、パルス駆動手段が、パルス発光させたレーザー光源を駆動し、照射手段が、レーザー光源からのレーザー光束を被照射物に対して点状に照射させ、回転駆動手段が、照射手段を回転させ、照射手段に設けられた回折デバイスが、点状となるレーザー光束間隔を埋める様に、回転方向に対して発散波面に変換する様になっている。
【００１９】
また本発明の変換手段が、回折デバイスであり、回転方向のみ発散波面に変換するための回折部領域と、この回折部領域の外周部に形成され、被照射物で反射された入射光を透過偏角で曲げるためのプリズム領域とを形成することもできる。
【００２７】
「原理」
【００２８】
本発明の回折デバイスを使用したレーザー照射装置の原理を説明する。
【００２９】
図１１は、本発明の回折デバイスを使用したレーザー照射装置の原理を示すもので、レーザー光源９１００と、コリメータレンズ９２００と、ペンタプリズム９３００と、シリンドリカルレンズ９４００とから構成されている。
【００３０】
レーザー光源９１００から射出されたレーザー光は、コリメータレンズ９２００で平行光束に変換され、ペンタプリズム９３００に入射される。ペンタプリズム９３００の内部で２回反射された光は、９０度方向に偏向され、シリンドリカルレンズ９４００に入射される様に構成されている。
【００３１】
このシリンドリカルレンズ９４００は、鉛直断面方向には屈折力を要せず、水平断面（回転）方向のみ、屈折力を有する様に構成されている。
【００３２】
即ち、図１２に示す様に、水平断面（回転）方向のみ凹レンズとなっており、集束波面を発散波面に変換することができる。
【００３３】
なお、本原理で説明するシリンドリカルレンズ９４００は、図１３に示す様に、中央部にシリンドリカル・レンズ領域９４１０と、その外周部に形成され、透過偏角を有するプリズム作用を備えたプリズム領域９４２０とから構成されている。
【００３４】
従って、図１４に示す様に、シリンドリカルレンズ９４００に入射されたレーザー光は、全体が透過偏角で曲げられると共に、水平断面（回転）方向のみ集束波面を発散波面に変換することができる。
【００３５】
【実施例】
【００３６】
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００３７】
図１は、本実施例の回転レーザー照射装置１００００の構成を示す図であり、図２は、回転レーザー照射装置１００００を示す斜視図である。
【００３８】
ここで、回転レーザー照射装置１００００の光学的構成及び電気的構成を説明する。
【００３９】
図１に示す様に、回転レーザー照射装置１００００は、発光部１１５と、回転部１１６と、制御部（ＣＰＵ）１１８と、レーザー駆動部１１９と、モータ駆動部１２０と、表示部１２１とから構成されている。
【００４０】
制御部（ＣＰＵ）１１８は、演算処理手段に該当するものである。
【００４１】
次に、発光部１１５を説明する。
【００４２】
本実施例の発光部１１５は、レーザ発振装置１０００と、コリメータレンズ１２６とから構成されており、レーザ発振装置１０００から射出されるレーザー光は、コリメータレンズ１２６により平行光とされ、上方の回転部１１６に入射する様になっている。
【００４３】
ここで、レーザ発振装置１０００はパルスレーザー光源に該当するものである。
【００４４】
回動部１１６は、発光部１１５から入射されたレーザー光を、９０度偏向して射出走査するものであり、ペンタプリズム１１４と、回転支持体１３と、駆動ギア１６と、従動ギア１７と、走査モータ１５と、エンコーダ１２９とから構成されている。なお回動部１１６は、照射手段に該当するものである。
【００４５】
ペンタプリズム１１４は、発光部１１５から入射されたレーザー光を、９０度偏向させるためのものであり、ペンタプリズム１１４内で２回反射させることにより、レーザー光を９０度偏向させることができる。
【００４６】
回転支持体１３は、ペンタプリズム１１４を回転させるためのもので、従動ギア１７が設けられており、発光部１１５から入射されたレーザー光を略水平方向に回転走査させることができる。
【００４７】
走査モータ１５は、回転支持体１３を介して、ペンタプリズム１１４を回転させるための駆動源である。走査モータ１５には駆動ギア１６が形成されており、この駆動ギア１６と従動ギア１７とが噛合し、駆動ギア１６の回転駆動力が従動ギア１７に伝達され、回転支持体１３を介してペンタプリズム１１４を回転させることができる。なお、走査モータ１５と駆動ギア１６と従動ギア１７とは、回転駆動手段に該当するものである。
【００４８】
また回転支持体１３には、エンコーダ１２９が取付られており、回転支持体１３の回転状態を検出する様になっており、エンコーダ１２９の検出信号を制御部１１８に入力する様に構成されている。エンコーダ１２９は、回転検出手段に該当するもので、本実施例では、レーザー光の照射方向も検出することができる。
【００４９】
次に、レーザ発振装置１０００について説明する。
【００５０】
図３は、本実施例のレーザー発振装置１０００を示すもので、レーザー光源１００と、集光レンズ２００と、レーザー結晶３００と、非線形光学媒質４００と、出力ミラー５００と、レーザー駆動手段６００とから構成されている。
【００５１】
レーザー光源１００は、レーザー光を発生させるためのものであり、本実施例では半導体レーザーが使用されている。本実施例では、レーザー光源１００が基本波を発生させるポンプ光発生装置として機能を有する。そして、レーザー駆動手段６００は、レーザー光源１００を駆動するためのものであり、本実施例では、レーザー光源１００をパルス駆動することができる。レーザー光源１００は、ポンピングレーザー光源に該当するものである。
【００５２】
レーザー結晶３００は、負温度の媒質であり、光の増幅を行うためのものである。
【００５３】
レーザー結晶３００のレーザー光源１００側には、第１の誘電体反射膜３１０が形成されている。
【００５４】
出力ミラー５００は、第１の誘電体反射膜３１０が形成されたレーザー結晶３００に対向する様に構成されており、出力ミラー５００のレーザー結晶３００側は、適宜の半径を有する凹面球面境の形状に加工されており、第２の誘電体反射膜５１０が形成されている。
【００５５】
レーザー結晶３００の第１の誘電体反射膜３１０と、出力ミラー５００とから構成された光共振器内に非線形光学媒質４００が挿入されている。
【００５６】
レーザー光の様に強力なコヒーレント光の場合には、電界と分極の間の比例関係が崩れ、電界の２乗、３乗に比例する非線形的な分極成分が卓越してくる。
【００５７】
この非線形分極により、異なった周波数の光波間に結合が生じ、光周波数を２倍にする高調波が発生する。
【００５８】
一般的なレーザー光源の緩和振動時の反転分布と光強度の関係を示したものが、図４である。図４中に示されたデルタＮ（ｔ）は、反転分布（ゲイン）を示し、φ（ｔ）は光強度であり、横軸は時間の経過を示すものである。
【００５９】
図４を見ると、反転分布が最大となった時に最初のスパイク（即ち、ファーストパルス）が立ち上がり、最大の光強度が生じる。
【００６０】
半導体レーザーに対して、連続波の駆動電力を供給すれば、ファーストパルスに対応して最大の光強度が生じ、その後、光強度が低下し、一定の光強度に収束するから、ファーストパルスのみ使用すると光の取り出しが最も効率的となる。
【００６１】
更に図５に基づいて、レーザー光源１００の入力パルスと、レーザー発振装置１０００の出射光量の関係を説明する。
【００６２】
レーザー光源１００の入力パルスは、しきい値電流を越えると、レーザー発振装置１０００の出射光量は非線形で増加する。従って、レーザー光源１００に与える入力パルス電流のピーク値をレーザー光源１００の定格値とし、入力パルスのデューティ比、周期を制御すれば、最も効率よくレーザーが発振している状態で、レーザー光量を可変させることができる。
【００６３】
次に、レーザー駆動手段６００で形成される駆動信号を詳細に説明する。
【００６４】
「第１の光量制御」
【００６５】
レーザー発振装置１０００の出射光量を大きくさせる場合には、パルスの周期を短くし、レーザー光源１００に供給する駆動信号の実効値を高くする。この結果、レーザー発振装置１０００の出射光量が増大する。
【００６６】
また、レーザー発振装置１０００の出射光量を小さくさせる場合には、パルスの周期を長くし、レーザー光源１００に供給する駆動信号の実効値を低くする。この結果、レーザー発振装置１０００の出射光量が低下する。
【００６７】
以上の様に、レーザー駆動手段６００が、レーザー光源１００に供給する駆動信号を変化させることにより、レーザー発振装置１０００の出射光量を調整することができる。
【００６８】
なお、第１の駆動信号の「パルスの周期」は、数１００ＫＨｚであるが、適宜設定可能である。
【００６９】
「第２の光量制御」
【００７０】
第２の光量制御は、パルスの「デューティ比」を制御することにより、レーザー光源１００を制御駆動し、レーザー発振装置１０００の出射光量を調整するものである。
【００７１】
第２の光量制御は、パルスの周期を変化させることなく、「パルスのデューティ比」を可変させるものであり、レーザー光源１００に供給する駆動信号がＯＮとなる時間（Ｔ1）と、ＯＦＦとなっている時間（Ｔ2）の比であるデューティ比を変化させる様になっている。
【００７２】
即ち、レーザー発振装置１０００の出射光量を大きくさせる場合には、（Ｔ1）／（Ｔ1＋Ｔ2）を大きくし、レーザー光源１００に 供給する駆動信号がＯＮとなる時間を大きくすることにより、レーザー発振装置１０００の出射光量が増大させることができる。
【００７３】
また、レーザー発振装置１０００の出射光量を小さくさせる場合には、（Ｔ1）／（Ｔ1＋Ｔ2）を小さくし、レーザー光源１００に 供給する駆動信号がＯＮとなる時間を小さくすることにより、レーザー発振装置１０００の出射光量が低下させることができる。
【００７４】
以上の様に、レーザー駆動手段６００が、レーザー光源１００に供給するための駆動信号の駆動時間を変化させ、パルスのデューティ比を変化させることにより、レーザー発振装置１０００の出射光量を調整することができる。
【００７５】
そして、ペンタプリズム１１４から射出されたレーザー光は、シリンドリカルレンズ９４００に入射される様に構成されている。
【００７６】
このシリンドリカルレンズ９４００は、鉛直断面方向には屈折力を要せず、回転方向のみ屈折力を有する様に構成されている。即ち、回転方向のみ凹レンズとなっており、集束波面を発散波面に変換することができる。シリンドリカルレンズ９４００に入射されたレーザー光は、全体が透過偏角で曲げられると共に、水平断面方向のみ集束波面を発散波面に変換することができる。
【００７７】
次に、レーザーパルス発光と、形成される回転レーザー平面について説明する。
【００７８】
本発明は、照射面がドットとならず、ドットの間隔を埋める様にスポットが連続するマークを描写することを目的としている。
【００７９】
例えば、レーザー光源のパルス数ｍを２００ＫＨｚ、デューティ１０％とし、回転支持体１３の回転数Ｎを３００ｒｍｐとし、図６（ａ）に示す様に、回転レーザー照射装置１００００から壁等の照射位置までの距離Ｒを５０ｍとすれば、
【００８０】
ω（オメガ）＝（Ｎ／６０）＊２＊π
【００８１】
ω（オメガ）は、角速度（ｒａｄ／ｓ）
【００８２】
であるから、
【００８３】
発光パルス間隔Ｌは、
【００８４】
Ｌ＝（ω＊Ｒ）／ｍ＝（Ｎ／６０）＊（２＊π＊Ｒ）／ｍ
【００８５】
＝（３００／６０）＊（２＊π＊５０＊１０００）／（２００＊１０００） ＝７.８５ｍｍ
【００８６】
次に、図６（ｂ）に示す様に、上記原理で説明した回折デバイスにより、発散させたマークの幅Ｗとすれば、
【００８７】
Ｗ＞Ｌ
【００８８】
とすれば、複数のスポットを連続させることができる。
【００８９】
この条件では、Ｗ＝３０ｍｍ（７.８５＊４≒）程度が使用される。なお、通常回転速度Ｎは、５〜３００ｒｐｍの範囲で変更される。パルス数ｍは、２０ＫＨｚから、性能の高いデバイスを使用すれば、１ＭＨｚ程度まで可変することができる。
【００９０】
ここで、シリンドリカルレンズ９４００について詳細に説明する。
【００９１】
「シリンドリカルレンズ９４００」
【００９２】
図７は、シリンドリカルレンズ９４００を説明する図であり、ペンタプリズム１１４から射出されたレーザー光を入射し、透過偏角で曲げると共に、回転方向のみ集束波面を発散波面に変換している。
【００９３】
このシリンドリカルレンズ９４００は、鉛直断面方向には屈折力を要せず、回転方向のみ、屈折力を有する様に構成されている。即ち、回転方向のみ凹レンズとなっており、集束波面を発散波面に変換することができる。シリンドリカルレンズ９４００に入射されたレーザー光は、全体が透過偏角で曲げられると共に、回転方向のみ集束波面を発散波面に変換することができる。
【００９４】
図１０に示す様に、射出方向に再帰反射部材を有するターゲットがある場合、射出光は、シリンドリカルレンズ９４００の中央から射出され、反射光は周辺部より入射する。この入射した反射光の受光に基づいて、スキャン等の動作を行う様に制御される。
【００９５】
「第１の回折デバイス９５００」
【００９６】
図８は、シリンドリカルレンズ９４００に代えて、第１の回折デバイス９５００を使用した変形例を説明する図であり、ペンタプリズム１１４から射出されたレーザー光を入射し、透過偏角で曲げると共に、回転方向のみ集束波面を発散波面に変換している。
【００９７】
図１４は、第１の回折デバイス９５００の水平断面（回転）方向の発散波面の状態を示している。
【００９８】
なお、第１の回折デバイス９５００は、中央部に回折部領域９５１０と、その外周部に形成され、透過偏角を有するプリズム作用を備えたプリズム領域９５２０とから構成されている。
【００９９】
図１３は、回折デバイス９５００の正面図である。
【０１００】
従って、回折部領域９５１０に入射されたレーザー光は、水平断面（回転）方向のみ集束波面を発散波面に変換される。
【０１０１】
シリンドリカルレンズ９４００と同様に、周辺の透過偏角を備えたプリズム部９５２０により曲げられて、ターゲットからの反射光が入射する。
【０１０２】
回折部領域９５１０で曲げられて発散した出射光は、再帰反射部材を有するターゲットにより、出射方向に反射されるため、反射光を受光するためには、再び曲げる必要がある。
【０１０３】
この第１の回折デバイス９５００は、ＯＦＦーＡＸＩＳ型と呼ばれている。
【０１０４】
「第２の回折デバイス９６００」
【０１０５】
図９は、シリンドリカルレンズ９４００に代えて、第２の回折デバイス９６００を使用した変形例を説明する図であり、ペンタプリズム１１４から射出されたレーザー光を入射し、透過偏角で曲げると共に、回転方向のみ集束波面を発散波面に変換している。
【０１０６】
なお、第２の回折デバイス９６００は、中央部に回折部領域９６１０と、その外周部に形成された平面部領域９６２０とから構成されている。
【０１０７】
回折部領域９６１０では、出射方向にそのまま発散されるため、反射光は周辺の平面部領域９６２０より入射し、同様に受光される。
【０１０８】
従って、第２の回折デバイス９６００に入射されたレーザー光は、回折部領域により透過偏角で曲げられると共に、回転方向のみ集束波面を発散波面に変換することができる。
【０１０９】
図１２は、第２の回折デバイス９６００の水平断面（回転）方向の発散波面の状態を示している。
【０１１０】
この第２の回折デバイス９６００は、ＯＮーＡＸＩＳ型と呼ばれている。
【０１１１】
以上の様に構成された本実施例は、図２に示す様に、壁等にパルス光が連続したマークを照射することができる。
【０１１２】
また本実施例は、反射光を受光し、回転レーザー照射装置１００００の回転を制御することもできる。
【０１１３】
【効果】
以上の様に構成された本発明は、レーザー光を被照射物に回転照射し基準線を形成するための回転レーザー装置において、パルス発光させたレーザー光源と、このパルス発光させたレーザー光源を駆動するためのパルス駆動手段と、前記レーザー光源からのレーザー光束を被照射物に対して点状に照射させるための照射手段と、この照射手段を回転させるための回転駆動手段と、前記照射手段に設けられ、前記点状となるレーザー光束間隔を埋める様に、回転方向に対して発散波面に変換するための変換手段としてシリンドリカルレンズとを備えているので、基準線等を形成できるだけでなく、極めて見やすいという卓説した効果がある。
【０１１４】
更に、シリンドリカルレンズに代えて、回折デバイスを使用すれば、コストが安く、高精度な回転レーザー装置を提供することができる。
【０１１５】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である回転レーザー照射装置１００００の構成を説明する図である。
【図２】本実施例の回転レーザー照射装置１００００の斜視図である。
【図３】本実施例のレーザー発振装置１０００の構成を示す図である。
【図４】半導体レーザーの緩和振動時の反転分布と光強度の関係を示した図である。
【図５】レーザー光源１００の入力パルスと、レーザー発振装置１０００の出射光量の関係を説明する図である。
【図６（ａ）】本発明の照射方法を説明する図である。
【図６（ｂ）】本発明の照射方法を説明する図である。
【図７】シリンドリカルレンズ９４００を説明する図である。
【図８】第１の回折デバイス９５００を説明する図である。
【図９】第２の回折デバイス９６００を説明する図である。
【図１０】回転レーザー照射装置１００００の使用状態を示す斜視図である。
【図１１】原理を説明する図である。
【図１２】原理を説明する図である。
【図１３】原理を説明する図である。
【図１４】原理を説明する図である。
【符号の説明】
１００００ 回転レーザー照射装置
１０００ レーザー発振装置
１３ 回転支持体
１５ 走査モータ
１６ 駆動ギア
１７ 従動ギア
１００ レーザー光源
１１４ ペンタプリズム
１１５ 発光部
１１６ 回転部
１１８ 制御部（ＣＰＵ）
１１９ レーザー駆動部
１２０ モータ駆動部
１２１ 表示部
１２６ コリメータレンズ
１２９ エンコーダ
２００ 集光レンズ
３００ レーザー結晶
３１０ 第１の誘電体反射膜
４００ 非線形光学媒質
５００ 出力ミラー
５１０ 第２の誘電体反射膜
６００ レーザー駆動手段
９４００ シリンドリカルレンズ
９５００ 第１の回折デバイス
９５１０ 回折部領域
９５２０ プリズム領域
９６００ 第２の回折デバイス
９６１０ 回折部領域
９６２０ 平面部領域
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転レーザー装置に係わり、特に、視認距離を飛躍的に増大させ、作業領域も拡大することのできるパルスレーザーを使用した回転レーザー装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、土木建設作業現場等では、レーザー光束を回転させて回転レーザー平面を形成し、この基準平面を用いて施工を行う工法が普及している。この回転レーザー平面を形成するための回転レーザー照射装置には、昨今の半導体レーザーの技術進歩が反映され、赤色のレーザーダイオードが採用されている。この赤色のレーザーダイオードを使用した回転レーザー照射装置は、取扱いの容易な電池駆動が可能であり、土木建設作業現場で広く使用されている。
【０００３】
例えば、従来からの回転レーザー照射装置は、レーザー投光器と、このレーザー投光器の光軸を中心に回転し、前記レーザー投光器の光軸に対して９０度偏向させて照射させるためのレーザー光照射部とからなり、このレーザー光照射部を回転させることにより、基準平面を形成し、或いは壁面等に基準線を設定することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の赤色のレーザーダイオードを使用した回転レーザー照射装置は、半導体レーザーの出力に制限がある上、作業者の眼に対する安全性を確保する必要性から、レーザーの照射出力に制約があった。このため、比較的明るい作業現場では、回転レーザー照射装置から少し離れると、回転レーザー平面を視認することができなかった。
【０００５】
最近では、人間の眼の比視感度が高いグリーンレーザーの利用が考えられ、第２次高調波発生装置を利用した固体レーザー発生装置により、グリーンレーザーを得る装置が開発されている。
【０００６】
この固体レーザー発生装置は、比較的高出力のグリーンレーザーを得ることができるが、消費電力が大きく、電池駆動が困難であることから、パルス発光が採用されていた。このパルス発光のレーザー光を、ガイド光又はポイント光として用いる場合はよいが、回転して照射するための回転レーザー装置に用いる場合には、基準線とはならず、点状のパルス発光となってしまい、視認の観点から一般的に点状のパルス発光は見難いという深刻な問題点があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑み案出されたもので、レーザー光を被照射物に回転照射し基準線を形成するための回転レーザー装置において、パルス発光させたレーザー光源と、このパルス発光させたレーザー光源を駆動するためのパルス駆動手段と、前記レーザー光源からのレーザー光束を被照射物に対して点状に照射させるための照射手段と、この照射手段を回転させるための回転駆動手段と、前記照射手段に設けられ、前記点状となるレーザー光束間隔を埋める様に、回転方向に対して発散波面に変換するための変換手段としてシリンドリカルレンズとを備えている。
【０００８】
また本発明は、レーザー光を被照射物に回転照射し基準線を形成するための回転レーザー装置において、パルス発光させたレーザー光源と、このパルス発光させたレーザー光源を駆動するためのパルス駆動手段と、前記レーザー光源からのレーザー光束を被照射物に対して点状に照射させるための照射手段と、この照射手段を回転させるための回転駆動手段と、前記照射手段に設けられ、前記点状となるレーザー光束間隔を埋める様に、回転方向に対して発散波面に変換するための回折デバイスとから構成されている。
【０００９】
また本発明の回折デバイスが、回折デバイスは、回転方向のみ発散波面に変換するための回折部領域と、被照射物で反射された入射光を透過するための外周部とから構成することもできる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以上の様に構成された本発明は、レーザー光を被照射物に回転照射し基準線を形成するための回転レーザー装置であって、レーザー光源がパルス発光させ、パルス駆動手段が、パルス発光させたレーザー光源を駆動し、照射手段が、レーザー光源からのレーザー光束を被照射物に対して点状に照射させ、回転駆動手段が、
照射手段を回転させ、照射手段に設けられた変換手段としてシリンドリカルレンズが、点状となるレーザー光束間隔を埋める様に、回転方向に対して発散波面に変換する様になっている。
【００１８】
また本発明は、レーザー光を被照射物に回転照射し基準線を形成するための回転レーザー装置であって、レーザー光源がパルス発光させ、パルス駆動手段が、パルス発光させたレーザー光源を駆動し、照射手段が、レーザー光源からのレーザー光束を被照射物に対して点状に照射させ、回転駆動手段が、照射手段を回転させ、照射手段に設けられた回折デバイスが、点状となるレーザー光束間隔を埋める様に、回転方向に対して発散波面に変換する様になっている。
【００１９】
また本発明の変換手段が、回折デバイスであり、回転方向のみ発散波面に変換するための回折部領域と、この回折部領域の外周部に形成され、被照射物で反射された入射光を透過偏角で曲げるためのプリズム領域とを形成することもできる。
【００２７】
「原理」
【００２８】
本発明の回折デバイスを使用したレーザー照射装置の原理を説明する。
【００２９】
図１１は、本発明の回折デバイスを使用したレーザー照射装置の原理を示すもので、レーザー光源９１００と、コリメータレンズ９２００と、ペンタプリズム９３００と、シリンドリカルレンズ９４００とから構成されている。
【００３０】
レーザー光源９１００から射出されたレーザー光は、コリメータレンズ９２００で平行光束に変換され、ペンタプリズム９３００に入射される。ペンタプリズム９３００の内部で２回反射された光は、９０度方向に偏向され、シリンドリカルレンズ９４００に入射される様に構成されている。
【００３１】
このシリンドリカルレンズ９４００は、鉛直断面方向には屈折力を要せず、水平断面（回転）方向のみ、屈折力を有する様に構成されている。
【００３２】
即ち、図１２に示す様に、水平断面（回転）方向のみ凹レンズとなっており、集束波面を発散波面に変換することができる。
【００３３】
なお、本原理で説明するシリンドリカルレンズ９４００は、図１３に示す様に、中央部にシリンドリカル・レンズ領域９４１０と、その外周部に形成され、透過偏角を有するプリズム作用を備えたプリズム領域９４２０とから構成されている。
【００３４】
従って、図１４に示す様に、シリンドリカルレンズ９４００に入射されたレーザー光は、全体が透過偏角で曲げられると共に、水平断面（回転）方向のみ集束波面を発散波面に変換することができる。
【００３５】
【実施例】
【００３６】
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００３７】
図１は、本実施例の回転レーザー照射装置１００００の構成を示す図であり、図２は、回転レーザー照射装置１００００を示す斜視図である。
【００３８】
ここで、回転レーザー照射装置１００００の光学的構成及び電気的構成を説明する。
【００３９】
図１に示す様に、回転レーザー照射装置１００００は、発光部１１５と、回転部１１６と、制御部（ＣＰＵ）１１８と、レーザー駆動部１１９と、モータ駆動部１２０と、表示部１２１とから構成されている。
【００４０】
制御部（ＣＰＵ）１１８は、演算処理手段に該当するものである。
【００４１】
次に、発光部１１５を説明する。
【００４２】
本実施例の発光部１１５は、レーザ発振装置１０００と、コリメータレンズ１２６とから構成されており、レーザ発振装置１０００から射出されるレーザー光は、コリメータレンズ１２６により平行光とされ、上方の回転部１１６に入射する様になっている。
【００４３】
ここで、レーザ発振装置１０００はパルスレーザー光源に該当するものである。
【００４４】
回動部１１６は、発光部１１５から入射されたレーザー光を、９０度偏向して射出走査するものであり、ペンタプリズム１１４と、回転支持体１３と、駆動ギア１６と、従動ギア１７と、走査モータ１５と、エンコーダ１２９とから構成されている。なお回動部１１６は、照射手段に該当するものである。
【００４５】
ペンタプリズム１１４は、発光部１１５から入射されたレーザー光を、９０度偏向させるためのものであり、ペンタプリズム１１４内で２回反射させることにより、レーザー光を９０度偏向させることができる。
【００４６】
回転支持体１３は、ペンタプリズム１１４を回転させるためのもので、従動ギア１７が設けられており、発光部１１５から入射されたレーザー光を略水平方向に回転走査させることができる。
【００４７】
走査モータ１５は、回転支持体１３を介して、ペンタプリズム１１４を回転させるための駆動源である。走査モータ１５には駆動ギア１６が形成されており、この駆動ギア１６と従動ギア１７とが噛合し、駆動ギア１６の回転駆動力が従動ギア１７に伝達され、回転支持体１３を介してペンタプリズム１１４を回転させることができる。なお、走査モータ１５と駆動ギア１６と従動ギア１７とは、回転駆動手段に該当するものである。
【００４８】
また回転支持体１３には、エンコーダ１２９が取付られており、回転支持体１３の回転状態を検出する様になっており、エンコーダ１２９の検出信号を制御部１１８に入力する様に構成されている。エンコーダ１２９は、回転検出手段に該当するもので、本実施例では、レーザー光の照射方向も検出することができる。
【００４９】
次に、レーザ発振装置１０００について説明する。
【００５０】
図３は、本実施例のレーザー発振装置１０００を示すもので、レーザー光源１００と、集光レンズ２００と、レーザー結晶３００と、非線形光学媒質４００と、出力ミラー５００と、レーザー駆動手段６００とから構成されている。
【００５１】
レーザー光源１００は、レーザー光を発生させるためのものであり、本実施例では半導体レーザーが使用されている。本実施例では、レーザー光源１００が基本波を発生させるポンプ光発生装置として機能を有する。そして、レーザー駆動手段６００は、レーザー光源１００を駆動するためのものであり、本実施例では、レーザー光源１００をパルス駆動することができる。レーザー光源１００は、ポンピングレーザー光源に該当するものである。
【００５２】
レーザー結晶３００は、負温度の媒質であり、光の増幅を行うためのものである。
【００５３】
レーザー結晶３００のレーザー光源１００側には、第１の誘電体反射膜３１０が形成されている。
【００５４】
出力ミラー５００は、第１の誘電体反射膜３１０が形成されたレーザー結晶３００に対向する様に構成されており、出力ミラー５００のレーザー結晶３００側は、適宜の半径を有する凹面球面境の形状に加工されており、第２の誘電体反射膜５１０が形成されている。
【００５５】
レーザー結晶３００の第１の誘電体反射膜３１０と、出力ミラー５００とから構成された光共振器内に非線形光学媒質４００が挿入されている。
【００５６】
レーザー光の様に強力なコヒーレント光の場合には、電界と分極の間の比例関係が崩れ、電界の２乗、３乗に比例する非線形的な分極成分が卓越してくる。
【００５７】
この非線形分極により、異なった周波数の光波間に結合が生じ、光周波数を２倍にする高調波が発生する。
【００５８】
一般的なレーザー光源の緩和振動時の反転分布と光強度の関係を示したものが、図４である。図４中に示されたデルタＮ（ｔ）は、反転分布（ゲイン）を示し、φ（ｔ）は光強度であり、横軸は時間の経過を示すものである。
【００５９】
図４を見ると、反転分布が最大となった時に最初のスパイク（即ち、ファーストパルス）が立ち上がり、最大の光強度が生じる。
【００６０】
半導体レーザーに対して、連続波の駆動電力を供給すれば、ファーストパルスに対応して最大の光強度が生じ、その後、光強度が低下し、一定の光強度に収束するから、ファーストパルスのみ使用すると光の取り出しが最も効率的となる。
【００６１】
更に図５に基づいて、レーザー光源１００の入力パルスと、レーザー発振装置１０００の出射光量の関係を説明する。
【００６２】
レーザー光源１００の入力パルスは、しきい値電流を越えると、レーザー発振装置１０００の出射光量は非線形で増加する。従って、レーザー光源１００に与える入力パルス電流のピーク値をレーザー光源１００の定格値とし、入力パルスのデューティ比、周期を制御すれば、最も効率よくレーザーが発振している状態で、レーザー光量を可変させることができる。
【００６３】
次に、レーザー駆動手段６００で形成される駆動信号を詳細に説明する。
【００６４】
「第１の光量制御」
【００６５】
レーザー発振装置１０００の出射光量を大きくさせる場合には、パルスの周期を短くし、レーザー光源１００に供給する駆動信号の実効値を高くする。この結果、レーザー発振装置１０００の出射光量が増大する。
【００６６】
また、レーザー発振装置１０００の出射光量を小さくさせる場合には、パルスの周期を長くし、レーザー光源１００に供給する駆動信号の実効値を低くする。この結果、レーザー発振装置１０００の出射光量が低下する。
【００６７】
以上の様に、レーザー駆動手段６００が、レーザー光源１００に供給する駆動信号を変化させることにより、レーザー発振装置１０００の出射光量を調整することができる。
【００６８】
なお、第１の駆動信号の「パルスの周期」は、数１００ＫＨｚであるが、適宜設定可能である。
【００６９】
「第２の光量制御」
【００７０】
第２の光量制御は、パルスの「デューティ比」を制御することにより、レーザー光源１００を制御駆動し、レーザー発振装置１０００の出射光量を調整するものである。
【００７１】
第２の光量制御は、パルスの周期を変化させることなく、「パルスのデューティ比」を可変させるものであり、レーザー光源１００に供給する駆動信号がＯＮとなる時間（Ｔ1）と、ＯＦＦとなっている時間（Ｔ2）の比であるデューティ比を変化させる様になっている。
【００７２】
即ち、レーザー発振装置１０００の出射光量を大きくさせる場合には、（Ｔ1）／（Ｔ1＋Ｔ2）を大きくし、レーザー光源１００に 供給する駆動信号がＯＮとなる時間を大きくすることにより、レーザー発振装置１０００の出射光量が増大させることができる。
【００７３】
また、レーザー発振装置１０００の出射光量を小さくさせる場合には、（Ｔ1）／（Ｔ1＋Ｔ2）を小さくし、レーザー光源１００に 供給する駆動信号がＯＮとなる時間を小さくすることにより、レーザー発振装置１０００の出射光量が低下させることができる。
【００７４】
以上の様に、レーザー駆動手段６００が、レーザー光源１００に供給するための駆動信号の駆動時間を変化させ、パルスのデューティ比を変化させることにより、レーザー発振装置１０００の出射光量を調整することができる。
【００７５】
そして、ペンタプリズム１１４から射出されたレーザー光は、シリンドリカルレンズ９４００に入射される様に構成されている。
【００７６】
このシリンドリカルレンズ９４００は、鉛直断面方向には屈折力を要せず、回転方向のみ屈折力を有する様に構成されている。即ち、回転方向のみ凹レンズとなっており、集束波面を発散波面に変換することができる。シリンドリカルレンズ９４００に入射されたレーザー光は、全体が透過偏角で曲げられると共に、水平断面方向のみ集束波面を発散波面に変換することができる。
【００７７】
次に、レーザーパルス発光と、形成される回転レーザー平面について説明する。
【００７８】
本発明は、照射面がドットとならず、ドットの間隔を埋める様にスポットが連続するマークを描写することを目的としている。
【００７９】
例えば、レーザー光源のパルス数ｍを２００ＫＨｚ、デューティ１０％とし、回転支持体１３の回転数Ｎを３００ｒｍｐとし、図６（ａ）に示す様に、回転レーザー照射装置１００００から壁等の照射位置までの距離Ｒを５０ｍとすれば、
【００８０】
ω（オメガ）＝（Ｎ／６０）＊２＊π
【００８１】
ω（オメガ）は、角速度（ｒａｄ／ｓ）
【００８２】
であるから、
【００８３】
発光パルス間隔Ｌは、
【００８４】
Ｌ＝（ω＊Ｒ）／ｍ＝（Ｎ／６０）＊（２＊π＊Ｒ）／ｍ
【００８５】
＝（３００／６０）＊（２＊π＊５０＊１０００）／（２００＊１０００） ＝７.８５ｍｍ
【００８６】
次に、図６（ｂ）に示す様に、上記原理で説明した回折デバイスにより、発散させたマークの幅Ｗとすれば、
【００８７】
Ｗ＞Ｌ
【００８８】
とすれば、複数のスポットを連続させることができる。
【００８９】
この条件では、Ｗ＝３０ｍｍ（７.８５＊４≒）程度が使用される。なお、通常回転速度Ｎは、５〜３００ｒｐｍの範囲で変更される。パルス数ｍは、２０ＫＨｚから、性能の高いデバイスを使用すれば、１ＭＨｚ程度まで可変することができる。
【００９０】
ここで、シリンドリカルレンズ９４００について詳細に説明する。
【００９１】
「シリンドリカルレンズ９４００」
【００９２】
図７は、シリンドリカルレンズ９４００を説明する図であり、ペンタプリズム１１４から射出されたレーザー光を入射し、透過偏角で曲げると共に、回転方向のみ集束波面を発散波面に変換している。
【００９３】
このシリンドリカルレンズ９４００は、鉛直断面方向には屈折力を要せず、回転方向のみ、屈折力を有する様に構成されている。即ち、回転方向のみ凹レンズとなっており、集束波面を発散波面に変換することができる。シリンドリカルレンズ９４００に入射されたレーザー光は、全体が透過偏角で曲げられると共に、回転方向のみ集束波面を発散波面に変換することができる。
【００９４】
図１０に示す様に、射出方向に再帰反射部材を有するターゲットがある場合、射出光は、シリンドリカルレンズ９４００の中央から射出され、反射光は周辺部より入射する。この入射した反射光の受光に基づいて、スキャン等の動作を行う様に制御される。
【００９５】
「第１の回折デバイス９５００」
【００９６】
図８は、シリンドリカルレンズ９４００に代えて、第１の回折デバイス９５００を使用した変形例を説明する図であり、ペンタプリズム１１４から射出されたレーザー光を入射し、透過偏角で曲げると共に、回転方向のみ集束波面を発散波面に変換している。
【００９７】
図１４は、第１の回折デバイス９５００の水平断面（回転）方向の発散波面の状態を示している。
【００９８】
なお、第１の回折デバイス９５００は、中央部に回折部領域９５１０と、その外周部に形成され、透過偏角を有するプリズム作用を備えたプリズム領域９５２０とから構成されている。
【００９９】
図１３は、回折デバイス９５００の正面図である。
【０１００】
従って、回折部領域９５１０に入射されたレーザー光は、水平断面（回転）方向のみ集束波面を発散波面に変換される。
【０１０１】
シリンドリカルレンズ９４００と同様に、周辺の透過偏角を備えたプリズム部９５２０により曲げられて、ターゲットからの反射光が入射する。
【０１０２】
回折部領域９５１０で曲げられて発散した出射光は、再帰反射部材を有するターゲットにより、出射方向に反射されるため、反射光を受光するためには、再び曲げる必要がある。
【０１０３】
この第１の回折デバイス９５００は、ＯＦＦーＡＸＩＳ型と呼ばれている。
【０１０４】
「第２の回折デバイス９６００」
【０１０５】
図９は、シリンドリカルレンズ９４００に代えて、第２の回折デバイス９６００を使用した変形例を説明する図であり、ペンタプリズム１１４から射出されたレーザー光を入射し、透過偏角で曲げると共に、回転方向のみ集束波面を発散波面に変換している。
【０１０６】
なお、第２の回折デバイス９６００は、中央部に回折部領域９６１０と、その外周部に形成された平面部領域９６２０とから構成されている。
【０１０７】
回折部領域９６１０では、出射方向にそのまま発散されるため、反射光は周辺の平面部領域９６２０より入射し、同様に受光される。
【０１０８】
従って、第２の回折デバイス９６００に入射されたレーザー光は、回折部領域により透過偏角で曲げられると共に、回転方向のみ集束波面を発散波面に変換することができる。
【０１０９】
図１２は、第２の回折デバイス９６００の水平断面（回転）方向の発散波面の状態を示している。
【０１１０】
この第２の回折デバイス９６００は、ＯＮーＡＸＩＳ型と呼ばれている。
【０１１１】
以上の様に構成された本実施例は、図２に示す様に、壁等にパルス光が連続したマークを照射することができる。
【０１１２】
また本実施例は、反射光を受光し、回転レーザー照射装置１００００の回転を制御することもできる。
【０１１３】
【効果】
以上の様に構成された本発明は、レーザー光を被照射物に回転照射し基準線を形成するための回転レーザー装置において、パルス発光させたレーザー光源と、このパルス発光させたレーザー光源を駆動するためのパルス駆動手段と、前記レーザー光源からのレーザー光束を被照射物に対して点状に照射させるための照射手段と、この照射手段を回転させるための回転駆動手段と、前記照射手段に設けられ、前記点状となるレーザー光束間隔を埋める様に、回転方向に対して発散波面に変換するための変換手段としてシリンドリカルレンズとを備えているので、基準線等を形成できるだけでなく、極めて見やすいという卓説した効果がある。
【０１１４】
更に、シリンドリカルレンズに代えて、回折デバイスを使用すれば、コストが安く、高精度な回転レーザー装置を提供することができる。
【０１１５】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である回転レーザー照射装置１００００の構成を説明する図である。
【図２】本実施例の回転レーザー照射装置１００００の斜視図である。
【図３】本実施例のレーザー発振装置１０００の構成を示す図である。
【図４】半導体レーザーの緩和振動時の反転分布と光強度の関係を示した図である。
【図５】レーザー光源１００の入力パルスと、レーザー発振装置１０００の出射光量の関係を説明する図である。
【図６（ａ）】本発明の照射方法を説明する図である。
【図６（ｂ）】本発明の照射方法を説明する図である。
【図７】シリンドリカルレンズ９４００を説明する図である。
【図８】第１の回折デバイス９５００を説明する図である。
【図９】第２の回折デバイス９６００を説明する図である。
【図１０】回転レーザー照射装置１００００の使用状態を示す斜視図である。
【図１１】原理を説明する図である。
【図１２】原理を説明する図である。
【図１３】原理を説明する図である。
【図１４】原理を説明する図である。
【符号の説明】
１００００ 回転レーザー照射装置
１０００ レーザー発振装置
１３ 回転支持体
１５ 走査モータ
１６ 駆動ギア
１７ 従動ギア
１００ レーザー光源
１１４ ペンタプリズム
１１５ 発光部
１１６ 回転部
１１８ 制御部（ＣＰＵ）
１１９ レーザー駆動部
１２０ モータ駆動部
１２１ 表示部
１２６ コリメータレンズ
１２９ エンコーダ
２００ 集光レンズ
３００ レーザー結晶
３１０ 第１の誘電体反射膜
４００ 非線形光学媒質
５００ 出力ミラー
５１０ 第２の誘電体反射膜
６００ レーザー駆動手段
９４００ シリンドリカルレンズ
９５００ 第１の回折デバイス
９５１０ 回折部領域
９５２０ プリズム領域
９６００ 第２の回折デバイス
９６１０ 回折部領域
９６２０ 平面部領域
Claims (3)
- レーザー光を被照射物に回転照射し基準線を形成するための回転レーザー装置において、パルス発光させたレーザー光源と、このパルス発光させたレーザー光源を駆動するためのパルス駆動手段と、前記レーザー光源からのレーザー光束を被照射物に対して点状に照射させるための照射手段と、この照射手段を回転させるための回転駆動手段と、前記照射手段に設けられ、前記点状となるレーザー光束間隔を埋める様に、回転方向に対して発散波面に変換するための変換手段としてシリンドリカルレンズとを備えた回転レーザー装置。
- レーザー光を被照射物に回転照射し基準線を形成するための回転レーザー装置において、パルス発光させたレーザー光源と、このパルス発光させたレーザー光源を駆動するためのパルス駆動手段と、前記レーザー光源からのレーザー光束を被照射物に対して点状に照射させるための照射手段と、この照射手段を回転させるための回転駆動手段と、前記照射手段に設けられ、前記点状となるレーザー光束間隔を埋める様に、回転方向に対して発散波面に変換するための回折デバイスとから構成された回転レーザー装置。
- 回折デバイスは、回転方向のみ発散波面に変換するための回折部領域と、被照射物で反射された入射光を透過するための外周部とから構成されている請求項２記載の回転レーザー装置。
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