JP3991822B2 - ライン発生光学素子及びそれを搭載したレーザ墨出し装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、極めて広がり角度の大きいライン光を発生できるライン光発生光学系及びそれを搭載したレーザ墨出し装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
家屋建築の際、特に工事の開始時には各種部材の取り付け基準位置の設定や部材加工の位置決め等に水準線を出す作業、すなわち墨出し作業が必須である。そこで建築現場では、レベル測量儀等の器具を用いてレベル出しを行い、対象となる構造物の壁に複数のマーク(墨)をつけ、それらをつないで墨出しラインを形成し工事基準としていた。
【0003】
しかし、この作業は最低でも2人で行う必要があり、非常に手間が掛かり、効率が悪いという問題があった。この問題を改善するために、最近ではライン光照射機能を有するレーザ墨出し装置を用いて効率良く墨出し作業を行うことが多くなった。レーザ墨出し装置は1人で墨出し作業を容易に行うことができるため、建築作業には欠かせない建築作業必須ツールとなりつつある。
【0004】
墨出しラインには床から壁、天井にかけて垂直線を描くいわゆる『たちライン』や2本の『たちライン』を同時に照射させることで天井に直角ラインを描く『大矩ライン(おおがねライン)』あるいは壁に水平線を描く『ろくライン』あるいはレーザ墨出し装置の直下の床上に集光したレーザビームを照射する『地墨』等いろいろなラインが存在する。
【0005】
レーザ墨出し装置を用いた墨出し作業の効率化を図るには、1台のレーザ墨出し装置で複数の墨出しラインが照射できることが望まれる。そこで最近では1台の装置で2ライン以上のライン照射が可能な装置が提案されている。
【0006】
1台のレーザ墨出し装置から複数ラインを照射するためには、複数個のレーザ光源を搭載する方式か、1個のレーザ光源から出射されたレーザ光を分割することにより複数ラインを得る方式が考えられる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
複数個のレーザ光源を用いる方式の場合は当然、搭載するレーザ光源数の増加に伴い、装置のコストも高くなるという問題がある。一方、1本のレーザ光を分割することにより複数のライン光を得る方式としては、例えば特開平9−159451号に開示されるように、レーザ出射方向に複数のハーフミラーを直列に積層した構造の出射光学系を用いる方式が知られている。
【0008】
しかし、この方式の場合、第一番目のハーフミラーを透過した光はその強度が1/2に減少し、引続き第二番目のハーフミラーを透過した光はさらに1/2に強度が減少する。このようにハーフミラーを透過する毎に光強度が逐次減少する。そのため、上述の光学系を用いることにより複数ビームを得ることは可能となるが分割された光によっては強度が大いに異なるため、得られる複数のライン光の輝度がそれぞれ異なってしまうという問題がある。
【0009】
このため、従来実用化されているレーザ墨出し装置は、ライン光の数だけレーザ光源を備えた構造のものが多くなっている。しかしこの場合は上記の通り、光源数の増加に伴い、装置価格が上昇するため墨出し作業においてより効率の高い作業を行うためには、高価な装置が必要となるという問題をかかえていた。
【0010】
また、従来の装置では1個のレーザ光源により得られるライン光の広がり角度はほとんどが180度またはそれ以下であったため、前後に垂直ライン光あるいは水平ライン光を形成するには、それぞれ2個のレーザ光源を必要とし、これも安価で効率の高い作業をする上で障害となっていた。
【0011】
本発明の目的は、このような従来の課題を解決した簡易なライン光発生光学系及びそれを用いたレーザ墨出し装置を提供することにある。
具体的には、本発明の課題は、簡単な構成で複数のライン光を発生させることができる光学系及びそれを搭載した低価格の複数ライン光を照射できるレーザ墨出し装置を提供することである。
【0012】
本発明の他の目的は、ライン光の広がり角度が240°近くに達する極めて広い角度範囲のライン光を発生する光学系およびそれを用いたレーザ墨出し装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明は、ライン光を発生させるためのロッドレンズであって、円柱形状をした上記ロッドレンズの光が入射する側の表面の一部に、第1の反射面を形成すると共に、該第1の反射面から離間した位置に第2の反射面を形成したことに一つの特徴がある。このように構成すると反射面で反射した光により形成されるライン光と、ロッドレンズに入射した後、屈折して出射した光によるライン光とが合成され拡がり角度の大きいライン光を得ることが可能になる。
【0015】
本発明の他の特徴は、上記第1と第2の反射面を、その中心線が互いに120°の角度離間した位置に形成すると共に、ロッドレンズの円周方向の角度でみたときそれぞれ60°の領域に形成したことにある。このようにすると、合成されたライン光の拡がりが240°程度になる。
【0016】
本発明の他の特徴は、半導体レーザと、該半導体レーザから出射した光ビームをコリメート光に変換するコリメータレンズと、該コリメート光を反射光と透過光に分離する少なくとも1個のハーフミラーと、上記反射光と上記透過光の光路に配置されたロッドレンズとからライン光発生光学系を構成し、上記ロッドレンズの表面の一部に入射光を反射する第1の光反射面と、該第1の反射面から離間した位置に第2の反射面を形成したことにある。
【0018】
本発明の他の特徴は、半導体レーザと、該半導体レーザから出射した光ビームをコリメート光に変換するコリメータレンズと、該コリメート光を反射光と透過光に分離する少なくとも第1のハーフミラーと、上記反射光の光路に配置された第1のロッドレンズと、上記透過光の光路に配置された第2のハーフミラーと、該第2のハーフミラーの反射光の光路に配置された第2のロッドレンズと、上記第2のハーフミラーの透過光の光路に配置された第3のロッドレンズとからなり、上記第1,2,3のロッドレンズの少なくとも1個のロッドレンズの表面の一部に、光反射面を形成したことにある。このように構成することにより多数のしかも異なる種類のライン光を容易に得ることが可能になる。
【0019】
本発明の他の特徴は、上述のようなロッドレンズを有する光学系を搭載したレーザ墨出し装置を構成したことにある。このようなにすると、複数ライン光照射用レーザ墨出し装置を低価格で提供することができる。
本発明の他の特徴及び利点は以下の本発明の実施例の説明からより明確に理解できる。
【0020】
【発明の実施の形態】
(実施形態1)
本発明にかかるライン光発生光学系は、基本的にはレーザ光源とロッドレンズから構成される。図1はその一実施形態を示し、図の右側にレーザ光源があるが図示は省略してある。1はロッドレンズでの断面で、紙面と垂直方向に長い円柱形状をしている。本実施例ではロッドレンズの材料としてガラス材であるBK7(屈折率1.5)を用いた。また、レンズ1の直径は2mm、長さは15mmとした。
【0021】
ロッドレンズ1のレンズ面のうち、入射面側に一部の入射光を反射させるための反射面2a、2bが形成されている。この光学反射面は本実施例では2箇所に形成されている。すなわち、ロッドレンズ1の断面形状でみると、図1のように光の入射側の光軸付近の円周面2cを除く上下の円周面に反射面2a,2bが形成されている。この光学反射面2a,2bはCrやAl等の金属薄膜を真空蒸着法やスパッタリング法等の手法により成膜することで形成することができる。
【0022】
反射面が存在しないレンズ面2cに入射した光Gはスネルの法則に従い、レンズ内部を屈折した後、反対側の面から出射する(ビームGT)。ロッドレンズ1は長手方向には屈折作用を持たないため、ロッドレンズ1へ入射した光は一方向のみ拡がりライン光に変換される。すなわち、反射面が存在しない面2cから入射した入射光Gのレンズへの入射角をφ、レンズ内部での屈折角をθ、ロッドレンズ1の屈折率をn、空気の屈折率を1とするとスネルの法則により、
1sinφ=nsinθ (1) となる。
この時、(1)式に示した関係を満たすため、出射光と法線がなす角度はφとなる。ビームの入射位置によってφ及びθの値が少しずつ変わり、さらにロッドレンズ1は、前述のようにその長手方向には屈折作用を持たないため、出射光はライン状となる。
【0023】
一方、光反射面2a,2bを有するレンズ面に到達した光Fは反射する。この光は反射面2a,2b上の反射点で反射角ψで反射する。反射光についてもビーム位置によってψの値が少しずつ変わるため反射光の方向は放射状となる。
【0024】
図2にビームGがA点で反射角ψで反射した場合の様子を示す。
図において∠AORxは反射点における法線の傾き角度であるから、
∠AORx=ψ となる。
∠OABは反射角ψと錯角の関係にあるので∠OAB=ψ である。
反射光Grがy軸となす∠OBAをξとすると、∠AOB=ψ+π/2 であるため、
三角形OABにおいて内角の総和は∠AOB+∠OAB+∠OBAで表される。
【0025】
すなわち (ψ+π/2)+(ψ)+ξ=π となる。この式を整理すると、
ξ=π/2−2ψ (2) となる。
今、図3に示すように各反射面2a,2bの領域を60°とし、さらに二つの反射面2a、2bの中心を120°の角度、離間して配置したとき、反射光がy軸となす角度は(2)式から計算できる。
【0026】
例えば図4に示すように反射面2aの端部A点における反射光がy軸となす角度は、A点での法線の角度が30°であるためξ=90°−2×30°=30°となる。同様にRy点近傍における反射光がy軸となす角度は法線の角度が90°であるためξ=90°−2×90°=−90°となる。すなわちA点での反射光は光源側に30°の角度で反射し、Ry点近傍での反射光は光源とは反対方向に90°の方向に進む。したがってロッドレンズ1により形成されるライン光の広がり角度は(90°+30°)×2=240°となる。
【0027】
したがって、反射面2a,2bによって形成されたライン光と、透過面2cからロッドレンズ1に入射し、屈折して形成されるライン光を合成すれば約240°の角度の拡がりを有するライン光を得ることが可能になる。
【0028】
(実施形態2)
本発明のロッドレンズ1をレーザ墨出し装置に実装した形態について説明する。図6に示すようにレーザ墨出し装置10は基本的にはライン光を発生させる光学系3と光学系を水平に保つための支持機構部4から構成されている。
【0029】
図7にライン光発生光学系3の概略を示す。レーザ墨出し装置本体に対して水平方向に配置した半導体レーザ5から出射されたレーザビームはコリメータレンズ6によりビーム断面形状が円形であるコリメート光(平行光)B1に変換される。本実施形態ではコリメート光B1のビーム径は2mmになるように設定している。
【0030】
コリメート光B1の光路上には光軸に対して45°の角度をなすように第一のハーフミラー7が配置されている。このハーフミラー7は33%の光が反射し、67%の光が透過するような特性を有している。反射光R1は垂直上向きに向かって進み、光路上に設置された本発明のロッドレンズ1aに入射する。このロッドレンズ1aはその長手方向が半導体レーザ5の出射方向と平行になるように設置されている。従って反射光R1により形成されるライン光はR1を含み紙面と垂直な面に約240°の拡がりがりをもつライン光となる。
【0031】
また、ロッドレンズ1aに垂直に入射した光のうち50%の光は反射角0°で反射するため、そのまま通ってきた光路を戻り、再びハーフミラー7に入る。ハーフミラー7への戻り光のうち67%がハーフミラー7を透過して光線T0となる。する。この光TOは鉛直下向きに進むため、いわゆる地墨光として用いることができる。
【0032】
次にハーフミラー7を透過した67%の光は光路上に設けられた第二のハーフミラー8により50%の光は反射し、50%の光は透過する。設置条件はハーフミラー7の場合と同一であるため、反射光R2は垂直上向きに向かって進み、光路上に設置された本発明のロッドレンズ1bに入射する。このロッドレンズ1bは、その長手方向が半導体レーザ5の出射方向と直交するように、つまり紙面と垂直方向に設置されている。従って反射光R2により形成されるライン光はR2を含み紙面と同じ面に約240°の拡がりをもつライン光となる。
【0033】
次にハーフミラー8を透過した透過光T1はその前方に設けられたロッドレンズ1cに入射する。このロッドレンズ1cはその長手方向が紙面と同じ面で半導体レーザ5の出射方向と垂直方向に向くように設置している。したがってT1により形成されるライン光は、T1を含み、紙面と垂直方向の面に約240°の拡がりを有する水平ライン光となる。
【0034】
図8は図4に示した本発明のレーザ墨出し装置のライン光発生の様子を示す。図7で半導体レーザ5の左側を前方、右側を後方、半導体レーザ5の上側を上方、下側を下方とすれば、R1から形成されたライン光は装置左右垂直ライン光及び装置上方左右ライン光、R2から形成されたライン光は装置前後で垂直ライン光及び装置上方前後ライン光、T1から形成されたライン光は装置前方水平ライン光及び装置左右水平ライン光となる。さらにT0から装置下方に地墨光を得ることができる。なお、ミラー等の光学素子を用いることにより光線R1,R2,あるいはT1の出射方向を変えてもよい。
【0035】
【発明の効果】
上述のように本発明にかかる光分離面を有するロッドレンズを用いれば、簡易な方法で,拡がり角度の大きなライン光を得ることが可能となる。また、本発明によるロッドレンズをレーザ墨出し装置の光学系に搭載することで1個の光源から拡がりの大きな複数本のライン光を容易に得ることができるため、低コストで複数本の墨出し用レーザライン光を発生させることが可能となった。その結果、従来は非常に高価であった複数ライン光照射用レーザ墨出し装置を低価格で得ることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のライン光発生光学系一実施例を示すロッドレンズの断面図。
【図2】本発明のロッドレンズの光反射面の説明図。
【図3】本発明のロッドレンズの光反射面の角度範囲の説明図。
【図4】本発明のロッドレンズのライン光の拡がり角度の説明図。
【図5】本発明のロッドレンズのライン光の拡がり角度の説明図。
【図6】本発明のライン光発生光学系を搭載したレーザ墨出し装置の概略図。
【図7】本発明のライン光発生光学系の一実施例を示す構成図。
【図8】本発明のレーザ墨出し装置により発生されるライン光の説明図。
【符号の説明】
1はロッドレンズ、2a,2bは光反射面、2cは反射面のないレンズ面、3はライン光発生光学系、4は支持機構部、5は半導体レーザ、6はコリメータレンズ、7は第一のハーフミラー、8は第二のハーフミラー、10は本発明のレーザ墨出し装置
Claims (12)
- ライン光を発生させるためのロッドレンズであって、円柱形状をした上記ロッドレンズの光が入射する側の表面の一部に形成された第1の反射面と、該第1の反射面から離間した位置に形成された第2の反射面とを有することを特徴とするロッドレンズ。
- 請求項1において、第1と第2の反射面は、その中心線が互いに120°の角度離間した位置に形成されていることを特徴とするロッドレンズ。
- 請求項1において、第1及び第2の反射面は、ロッドレンズの円周方向の角度がそれぞれ60°の領域に形成されていることを特徴とするロッドレンズ。
- 半導体レーザと、該半導体レーザから出射した光ビームをコリメート光に変換するコリメータレンズと、該コリメート光を入射し、ライン光を発生するロッドレンズとから構成され、円柱形状をした上記ロッドレンズはその表面の一部に、入射光を反射する第1の光反射面と、該第1の反射面から離間した位置に形成された第2の反射面とを有することを特徴とするライン光発生光学系。
- 請求項4において、第1と第2の反射面は、その中心線が互いに120°の角度離間した位置に形成されていることを特徴とするライン光発生光学系。
- 請求項4において、第1及び第2の反射面は、ロッドレンズの円周方向の角度がそれぞれ60°の領域に形成されていることを特徴とするライン光発生光学系。
- 半導体レーザと、該半導体レーザから出射した光ビームをコリメート光に変換するコリメータレンズと、該コリメート光を反射光と透過光に分離する少なくとも1個のハーフミラーと、上記反射光と上記透過光の光路に配置されたロッドレンズとから構成され、上記ロッドレンズの表面の一部に、入射光を反射する光反射面を形成して、少なくとも2本のライン光を形成することを特徴とするライン光発生光学系。
- 半導体レーザと、該半導体レーザから出射した光ビームをコリメート光に変換するコリメータレンズと、該コリメート光を反射光と透過光に分離する少なくとも第1のハーフミラーと、上記反射光の光路に配置された第1のロッドレンズと、上記透過光の光路に配置された第2のハーフミラーと、該第2のハーフミラーの反射光の光路に配置された第2のロッドレンズと、上記第2のハーフミラーの透過光の光路に配置された第3のロッドレンズとからなり、上記第1,2,3のロッドレンズの少なくとも1個のロッドレンズの表面の一部に、入射光を反射する光反射面を形成したことを特徴とするライン光発生光学系。
- 半導体レーザと、該半導体レーザから出射した光ビームを反射光と透過光に分離する少なくとも1個のハーフミラーと、上記反射光と上記透過光の光路の少なくとも一方に配置されたロッドレンズとから構成され、上記ロッドレンズの表面の一部に、入射光を反射する光反射面を形成して、少なくとも2本のライン光を形成することを特徴とするライン光発生光学系。
- ライン光発生光学系と、該光学系を支持する支持機構から構成されるレーザ墨出し装置であって、上記ライン光発生光学系は、半導体レーザと、該半導体レーザから出射した光ビームをコリメート光に変換するコリメータレンズと、該コリメート光を反射光と透過光に分離する少なくとも1個のハーフミラーと、上記反射光と上記透過光の光路に配置されたロッドレンズとから構成され、上記ロッドレンズの表面の一部に、入射光を反射する光反射面を形成して、少なくとも2本のライン光を形成することを特徴とするレーザ墨出し装置。
- ライン光発生光学系と、該光学系を支持する支持機構から構成されるレーザ墨出し装置であって、上記ライン光発生光学系は、半導体レーザと、該半導体レーザから出射した光ビームをコリメート光に変換するコリメータレンズと、該コリメート光を反射光と透過光に分離する少なくとも第1のハーフミラーと、上記反射光の光路に配置された第1のロッドレンズと、上記透過光の光路に配置された第2のハーフミラーと、該第のハーフミラーの反射光の光路に配置された第2のロッドレンズと、上記第2のハーフミラーの透過光の光路に配置された第3のロッドレンズとからなり、上記第1,2,3のロッドレンズの少なくとも1個のロッドレンズの表面の一部に、入射光を反射する光反射面を形成したことを特徴とするレーザ墨出し装置。
- ライン光発生光学系と、該光学系を支持する支持機構から構成されるレーザ墨出し装置であって、半導体レーザと、該半導体レーザから出射した光ビームを反射光と透過光に分離する少なくとも1個のハーフミラーと、上記反射光と上記透過光の光路の少なくとも一方に配置されたロッドレンズとから構成され、上記ロッドレンズの表面の一部に、入射光を反射する光反射面を形成して、少なくとも2本のライン光を形成することを特徴とするレーザ墨出し装置。
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