JP3792193B2

JP3792193B2 - 線状光照射装置

Info

Publication number: JP3792193B2
Application number: JP2002339682A
Authority: JP
Inventors: 富三山本; 秀樹森本
Original assignee: 富三山本; 高島知己
Priority date: 2002-11-22
Filing date: 2002-11-22
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2022-11-22
Also published as: JP2004170884A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被照射物に対して線状（一次元状）の光を照射する線状光照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、計測分野、切削加工分野などにおいて、被照射面に直線状の光束を照射する線状光照射装置が利用されている。線状光照射装置として、特許文献１に記載のものが従来から知られている。図８は、このようなレーザ照射装置の基本要素のみを抽出して描いた斜視図である。
【０００３】
レーザ光源１０から出射した光束径ｄのレーザ光束Ｌは円柱体状レンズ１１の周面に入射し、円柱体状レンズ１１を通過する際に屈折され、そのレンズ１１の中心軸Ｃに直交する面内で扇状に広がりつつ進行する。このとき中心軸Ｃの延伸方向に光は広がらない。その結果、円柱体状レンズ１１から所定距離離れた位置では、線幅ｄで長さがＵであるような線状の光束Ｌ’が得られる。また、こうした線状光を得るために、レンズは円柱面を有しておればよく、特許文献２に記載のように円柱凹レンズを利用した構成とすることもできる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１５８００３号公報
【特許文献２】
特開平０７−１２０６８７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような線状光照射装置は構成が簡単であるものの、レンズ１１を通過した光が扇状に広がって線状光となるため、単位長（厳密には単位面積）当たりの光量はレーザ光源１０からの光束Ｌの単位面積当たりの光量よりも遙かに低くなり、目的によっては充分な光強度（又は輝度）を確保することが難しくなる。線状光の単位面積当たりの光量を増すためにはレーザ光源１０自体の発光光量を増加すればよいが、そのためには、より高出力のレーザ光源を用いる必要があり、コストが大幅に増加したり、或いは装置のサイズが大きくなったりするといった問題がある。
【０００６】
本発明はかかる課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、簡単な構成であって且つ低廉なコストで、大きな光強度を有する線状光を照射することができる線状光照射装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明に係る線状光照射装置は、第１レーザ光源と、１以上の第２レーザ光源と、円柱レンズと、を備え、これらレーザ光源が前記レンズの中心軸に直交する同一面内に配置され、第１レーザ光源はその光軸が前記レンズの中心軸を通過するように配置される一方、第２レーザ光源はその光軸が前記レンズの中心軸を通る場合の前記レンズへの入射点よりも前記第１レーザ光源の光軸における入射点に近づく方向にずれた位置を通過するように配置されることにより、該レンズを通過する際に屈折されて線状に拡散しつつ出射した各出射光束による照射領域の少なくとも一部が、該レンズから所定距離離れた線状領域で重なるようになっていることを特徴としている。
【０００８】
ここで言う「円柱レンズ」とは、入射面と出射面との少なくとも一方が円柱面（他方は同じく円柱面又は平面）となっているレンズであり、レンズ自体が円柱体形状であるレンズのみならず円柱凹レンズ等も含む。また、ここで言う「光源」とは必ずしもそれ自身が能動的に発光するものであるとは限らず、例えば他の場所に設けられた光源による出射光を案内する光導波路（光ファイバなど）の出射端面など、光を放出するもの全てを含む。なお、光源として各種のものを利用することができるが、レーザ光源を用いれば、光束径をできる限り絞った状態でレンズに入射することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態として、例えば図２に概略の光路構成を示すように、ｎ個のレーザ光源として少なくとも第１、第２なる２個のレーザ光源１０ａ、１０ｂを有し、それら２個のレーザ光源１０ａ、１０ｂは円柱体であるレンズ１１の中心軸Ｃに直交する同一面（図２では紙面）内に配置され、第１レーザ光源１０ａはその光束Ｌａの光軸Ｓａがレンズ１１の中心軸Ｃを通過するように配置されている。一方、第２レーザ光源１０ｂは、その入射光束Ｌｂの光軸Ｓｂがレンズ１１の中心軸Ｃよりも手前方向にずれた位置を通過するように、つまりその光軸Ｓｂがレンズ１１の中心軸Ｃを通る場合の該レンズ１１への入射点よりも第１レーザ光源１０ａの光軸Ｓａにおける入射点Ｐに近づく方向にずれた位置を通過するように傾き、且つ第１レーザ光源１１ａとはずらして配置されている。
【００１０】
この構成では、第１レーザ光源１０ａから出射された光束Ｌａのうち、レンズ１１の中心軸Ｃを通過する光線はレンズ１１の直径に相当する光路を通り、該レンズ１１への入射面での入射角及び出射面での出射角はいずれも０°となる。従って、中心軸Ｃを通過する光線は全く屈折せずに直進する。また、中心軸Ｃの左右で光軸Ｓａに平行に進む光線はレンズ１１の入射面及び出射面でそれぞれ屈折し、レンズ１１を出射した後、扇状に広がるように進行する。一方、第２レーザ光源１０ｂから出射された光束Ｌｂの光軸Ｓｂはレンズ１１の中心軸Ｃよりも手前側を通過するように入射するため、その入射面では光軸Ｓａに近づく方向に屈折し、更に出射面でも同方向に屈折する。そして、光束Ｌｂは全体としてもレンズ１１を通過することによって光軸Ｓａに近づく方向に屈折し、扇状に広がりながら進行する。
【００１１】
従って、第２レーザ光源１０ｂの出射光の方向を適切に設定することにより、その第２レーザ光源１０ｂからの光束Ｌｂがレンズ１１を通過した後の拡散光束Ｌｂ’が、第１レーザ光源１０ａに端を発する拡散光束Ｌａ’をほぼカバーするようにすることができる。２つのレーザ光源１０ａ、１０ｂを同一波長としておけば、両拡散光束Ｌａ’、Ｌｂ’が重なり合った範囲では、単一光源であるときよりも単位面積当たりの光強度又は光量を増加させることができる。更に同じ手法によってレーザ光源の数を増すことにより、線状領域での単位面積当たりの光強度又は光量を更に増加させることができる。
【００１２】
また、２個（又はそれ以上の個数）のレーザ光源１０ａ、１０ｂを、それぞれ異なる波長とすることもできる。それによれば、例えば、異なる色の光による同時多重計測や、カラー光（又は白色光）などの照射等も行える。
【００１３】
【発明の効果】
このように本発明に係る線状光照射装置によれば、１個のレーザ光源の出力は比較的小さくても、これを複数用いることで大きな光強度や光量を得ることができるので、安価な光源を利用することでコストを抑制することができる。また、こうした大きな光強度を得るために、複数の光源とレンズとの相対位置を適切に設定しさえすればよいので、構成も簡単である。
【００１４】
【実施例】
本発明の一実施例による線状光照射装置について、図面を参照しつつ説明する。図１は本実施例による線状光照射装置の要部の概略構成を示す斜視図、図２は本装置の構成を上から見た状態を示す概略平面図である。なお、図１及び図２は、本装置の構成を概略的に示したものであって、各構成要素のサイズや相対的な位置関係を示す角度、離間距離などは正確ではない。また、光路についても概念を示したものであって正確ではなく、実際の光路については後述の説明で明らかになる。
【００１５】
本実施例の線状光照射装置では、第１、第２、第３なる３個のレーザ光源１０ａ、１０ｂ、１０ｃが円柱体状のレンズ１１に対し所定の位置に配置されている。具体的には、３個のレーザ光源１０ａ、１０ｂ、１０ｃはいずれもレンズ１１の中心軸Ｃに直交する同一面内に配置され、且つそれらの出射光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃの光軸Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃはその同一面内に含まれる。中央の第１レーザ光源１０ａは、その出射光束Ｌａの光軸Ｓａがレンズ１１の中心軸Ｃを通るように配置されている。一方、第１レーザ光源１０ａを挟むように両側に配置された第２レーザ光源１０ｂ及び第３レーザ光源１０ｃは、それぞれ出射光束Ｌｂ、Ｌｃの光軸Ｓｂ、Ｓｃがレンズ１１の中心軸Ｃよりも手前側、つまり、光軸Ｓａ上の入射点Ｐに近づく方向にずれた位置を通過するように傾き、且つずらして配置されている。本装置の特徴は、これら３個のレーザ光源１０ａ、１０ｂ、１０ｃとレンズ１１との相対的な配置にある。次に、その点について詳しく説明する。
【００１６】
（Ｉ）入射光束の光軸がレンズの中心軸Ｃを通る場合
図３は、光軸Ｓがレンズ１１の中心軸Ｃを通るように光束Ｌが入射したときの光路構成図である。中心軸Ｃを通る光軸Ｓに沿った光線はレンズ１１の入射面（法面）に対して入射角０°で入射し、レンズ１１の出射面から出射角０°で出射する。従って、そのいずれでも屈折することなく直進する。
【００１７】
これに対し、光軸Ｓに平行で且つ光束Ｌの一方の端部に位置する光線は、レンズ１１に対して入射角θ１で以て入射する。すると、その光は入射面で所定の屈折角θ２で屈折した後、レンズ１１内部を直進し、その反対側の境界面（出射面）に達する。そして、その出射面で再び屈折されて外部へ出る。そのときの入射角、屈折角、及び出射角を幾何学的に検討すると図３に示すようになり、レンズ１１から出射した後の光線が光軸Ｓと成す角度θ３は、
θ３＝２・（θ１−θ２） …(1)
となる。
【００１８】
また、波長λの光に対する空気中の屈折率をｎ１、レンズ１１を構成する材料の屈折率をｎ２とするとき、
ｎ２・sinθ２＝ｎ１・sinθ１
となる。ここで、空気中の屈折率ｎ１を１とし、レンズ１１の材料である石英ガラスの屈折率ｎ２を1.5とすると、θ１とθ２との間には、
sinθ１／sinθ２＝1.5
なる関係が成り立つから、θ２は次の(2)式で算出できる。
θ２＝sin^-1［（sinθ１）／1.5］ …(2)
【００１９】
すなわち、図３に描出したように、光軸Ｓから左右にそれぞれθ１だけ開いた範囲でレンズ１１に照射される光束Ｌは、レンズ１１を通過した後、光軸Ｓから左右にそれぞれ２・（θ１−θ２）の開き角を以て広がるように拡散する拡散光束Ｌ’となる。厳密には、この拡散光束Ｌ’の出発点は図３ではレンズ１１後方の収束点Ｆであるが、通常、レンズ１１から拡散光束Ｌ’の照射対象までの距離はレンズ１１の径に比べて遙かに大きいため（図３では、図面の制限上、拡散光束Ｌａ’の投影面Ｂとレンズ１１との離間距離を非常に短く描いているが、実際にはこの距離は格段に長いのが普通である）、拡散光束Ｌ’はレンズ１１の中心軸Ｃから広がるものと看做しても構わない。
【００２０】
具体的な例として、レンズ１１の直径が５mm、レンズ１１に入射する光束Ｌの光径はその直径の１／２の2.5mmであるとした場合の光路構成を図４に示す。このときには、入射角θ１は約30°となる。従って(2)式によりθ２を求めると、約20°と求まる。更に、レンズ１１から出射する拡散光束Ｌ’ の光軸Ｓに対する開き角θ３は、(1)式より約20°と求まる。当然のことながら、この拡散光束Ｌ'はレンズ１１から離れるに従い広がるから、レンズ１１から充分に離れた位置においてレンズ１１からの距離をＴとすると、拡散光束Ｌ’により形成される線状光の長さは、２Ｔ・sin20(deg)である。例えば、Ｔ＝100cmの位置では、線状光の長さは約68cmとなる。
【００２１】
（II）入射光束の光軸がレンズの中心軸Ｃを通らない場合
さて次に、図４に示した状態から、レンズ１１に当たる光束Ｌが左右に平行移動した場合について考えてみる。つまり、光束Ｌの光軸Ｓがレンズ１１の中心軸Ｃを外れた場合である。図５は図４の状態から光束Ｌが右方向に0.5mm平行移動した状態を示す光路構成図、図６は図４の状態から光束Ｌが右方向に１mm平行移動した状態を示す光路構成図である。光束Ｌに含まれる、光軸Ｓに平行な各光線に対し、上記（Ｉ）と同様の手法を適用して、その光線に対する出射光線の開き角θ３を求めることができる。
【００２２】
図５の場合には、光束Ｌの両端部に位置する光線の入射角θ１は、右側が約45°、左側が約17°であり、レンズ１１を通過した後の拡散光束Ｌ’の開き角θ３は左側が約34°、右側が約11°となる。また、図６の場合には、光束Ｌの両端部に位置する光線の入射角θ１は、右側が約67°、左側が約５°であり、レンズ１１を通過した後の拡散光束Ｌ’の開き角θ３は左側が約58°、右側が約3.5°となる。すなわち、光束Ｌを右方向に平行移動すると、レンズ１１から出射する拡散光束Ｌ’は光は全体的に左側に屈折しつつ広がる。その結果、例えばレンズ１１から所定距離だけ離れた位置の投影面Ｂ上に投影される線状光の像は、（Ｉ）のときに形成される投影像Ａを外れ、左方向に長く延伸する。
【００２３】
従って、上記のような入射光束Ｌと中心軸Ｃとの相対的な位置関係を維持したまま、光源１０とレンズ１１とを中心軸Ｃを中心にして左方向（反時計回り方向）に回転すれば、拡散光束Ｌ’を全体的に右方向に移動させることができ、（Ｉ）のときに形成される像Ａを含んで重ねることができることが判る。図７は図６の状態から、光源１０とレンズ１１とを中心軸Ｃを中心にして左方向に約20°回転したときの光路構成を示す図である。このとき、投影面Ｂ上で拡散光束Ｌ’の照射範囲は線状の投影像Ａを完全にカバーし、しかも、その拡散光束Ｌ’のほぼ中央付近が投影像Ａに重なる。
【００２４】
すなわち、図４に示した入射光束Ｌと図７に示した入射光束Ｌとを同時にレンズ１１に照射することによって、レンズ１１から或る程度以上離れた位置では、両者の拡散光束Ｌ’が重なる線状領域（この場合には、図４に示した拡散光束Ｌ’の全てが図７に示した拡散光束Ｌ’にカバーされる）が形成され、その線状領域では単一の入射光束を利用した場合よりも光強度を増加させることができる。レンズ１１への入射光束つまりレーザ光源の数を更に増やすことにより、拡散光束を更に重畳させて光強度を一層増加させることができる。
【００２５】
図１及び図２に示した本実施例の装置に戻り説明すると、この装置はレーザ光源を３個設けたものであって、第１レーザ光源１０ａが上記図４で説明した条件を満たすように配置されており、第２及び第３レーザ光源１０ｂ及び１０ｃが上記図７で説明した条件を満たすように配置されている。従って、図示したように、両側の第２、第３レーザ光源１０ｂ、１０ｃによる拡散光束Ｌｂ’、Ｌｃ’の一部を中央の第１レーザ光源１０ａによる拡散光束Ｌａ’に重畳させ、その線状領域（例えば線状の照射領域１２）で光強度を高めることができる。
【００２６】
なお、複数設けられるレーザ光源の具体的な配置については、その光源から出射される光束の光径、レンズの直径などの基本的な光学的パラメータの他、光源のサイズやレンズから光源までの離間距離等の素子配置の制限条件などを考慮して、適宜定めることができる。また、上記実施例は３個のレーザ光源を使用しているが、それ以上の個数に増やすことも可能である。但し、上記説明で明らかなように、レンズ１１での屈折が大きい場合には拡散光束の開き角が大きくなるため、線状光の単位面積当たりの光強度はそれだけ小さくなる。従って、上記のように光を重ねたときの光量の加算効果はそれだけ小さくなる。
【００２７】
本実施例のような線状光照射装置は各種の装置に利用することができるが、例えば、ポリゴンミラー等を用いて線状レーザ光をそれに直交する方向に走査することにより、面状の領域に光を照射して、その領域内の３次元計測を行う計測装置などに利用することができる。
【００２８】
なお、上記実施例は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変更や修正を行うことができることは明らかである。例えば、上記実施例はレンズが円柱体状のレンズであるが、それ以外に、円柱凹レンズを用いた線状光照射装置にも本発明を適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による線状光照射装置の要部の構成を示す斜視図。
【図２】本実施例の線状光照射装置の構成を上から見た状態を示す概略平面図。
【図３】本発明に係る線状光照射装置の原理説明図。
【図４】本発明に係る線状光照射装置の原理説明のための光路の一例を示す図。
【図５】本発明に係る線状光照射装置の原理説明のための光路の一例を示す図。
【図６】本発明に係る線状光照射装置の原理説明のための光路の一例を示す図。
【図７】本発明に係る線状光照射装置の原理説明のための光路の一例を示す図。
【図８】従来の線状光照射装置の構成を示す斜視図。
【符号の説明】
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ…レーザ光源
１１…円柱体状レンズ

Claims

第１レーザ光源と、１以上の第２レーザ光源と、円柱レンズと、を備え、これらレーザ光源が前記レンズの中心軸に直交する同一面内に配置され、第１レーザ光源はその光軸が前記レンズの中心軸を通過するように配置される一方、第２レーザ光源はその光軸が前記レンズの中心軸を通る場合の前記レンズへの入射点よりも前記第１レーザ光源の光軸における入射点に近づく方向にずれた位置を通過するように配置されることにより、該レンズを通過する際に屈折されて線状に拡散しつつ出射した各出射光束による照射領域の少なくとも一部が、該レンズから所定距離離れた線状領域で重なるようになっていることを特徴とする線状光照射装置。