JP4078593B2

JP4078593B2 - 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

Info

Publication number: JP4078593B2
Application number: JP2002245049A
Authority: JP
Inventors: 西村孝司
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2002-08-26
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2022-08-26
Also published as: JP2004085302A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ光からライン光を得るためのライン光発生光学系に係り、特にライン光への広がり角度と変換効率の高い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所謂、『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。これらのラインはコリメートされたレーザビームをロッドレンズ等のライン光発生光学素子を透過させることにより得ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ライン光を得るためには円柱形状であるロッドレンズを用いる方法が最も簡易かつ安価な方法であるため、ほとんどの場合、この方法が用いられている。図５はロッドレンズを使用してライン光を発生する原理を示す説明図で、２がロッドレンズで、円柱形状の断面を示している。紙面の右側にある光源（図示省略）からロッドレンズ２に入射した光ビームG及びFは、スネルの法則に従いレンズ２内部を屈折した後、出射し扇状に拡がる。図５は正しくは光軸O-Oを対称軸として上下対称に出射光が拡がるように図示すべきものであるが、図が煩雑となるのでここではO-O軸の下方に拡がる半分だけを示している。
【０００６】
ロッドレンズ２は長手方向（紙面と垂直方向）には屈折作用を持たない。したがってロッドレンズ２への入射光は一方向のみに拡がるため、ライン光に変換される。ライン光の拡がり角度はロッドレンズ２に対する入射割合に大きく依存している。ここでライン光の拡がり角度とは出射光と光軸O-Oがなす角度の2倍の大きさで表される。
【０００７】
図５においてビームFはビームGよりもロッドレンズ2に対する入射割合が大きい。ロッドレンズ2に入射する各ビームはスネルの法則に従い屈折しレンズから出射するため、ビームF及びGの進み方は図５に示すようになり、ロッドレンズ2に対する入射割合が大きくなるほどビーム拡がり角度は大きくなることが分かる。
【０００８】
したがってライン光の十分な拡がり角度を得るためには、ロッドレンズ径に対して入射ビームの径を１００％の割合で光を入射させる必要があり、一般的には入射ビーム径をロッドレンズ径に対して１００％を超える割合に設定する方法がとられている。この方法は容易に十分な拡がりを有するライン光を得ることが可能であるが、次の２つの欠点を有する。
【０００９】
一つは、通常入射ビームのビーム強度分布がガウシアン分布であるため、ビーム中心部から外周部にいくに従って強度が急激に低下するような分布となっていることに起因する欠点である。すなわち、上記の入射ビームをロッドレンズにより拡げた場合、得られたライン光の中心部はよく見えるものの、端部は強度が小さいためにほとんど目視できないという問題を生じる。したがって原理的には十分な拡がり角度が得られるが、目視できる光の実質的拡がり角度は１４０°程度に狭いものになってしまう。
【００１０】
二番目の欠点は、入射ビーム径をロッドレンズ径より大きくすると、入射光のうちでロッドレンズの外側にあるものはレンズ内部を通らないで、そのまま直進し、ライン光上に輝点となってドット状に照射されることである。そこで通常はロッドレンズ近傍に遮光部を設けることによりこのドット光を除去しているが、この方法はレーザ光をライン光に変換する変換効率が悪いと言う欠点があった。
【００１１】
本発明の目的は、このような従来の課題を解決するものであり、高効率で且つ拡がり角度の大きなライン光を得ることができるライン光発生光学系ならびにその光学系を搭載したレーザ墨出し装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、半導体レーザよりなる光源と、該光源からの出射光をコリメータ光に変換するコリメータレンズと、該コリメータ光をライン光に変換するロッドレンズと、該ロッドレンズの近傍に設けられた反射体とを有し、該反射体は少なくとも２個の反射面を有し、各反射面は上記ロッドレンズの円周面の一部に接し且つ、上記ロッドレンズに入射するコリメータ光の光軸と所定の角度をなすように配置することにより、上記光源から発射した光の一部が上記反射体により反射された後、上記ロッドレンズに入射してライン光に変換されるようにしたことに一つの特徴を有する。
【００１３】
本発明の他の特徴は、上記ロッドレンズの近傍に設けた反射体を、ロッドレンズに入射するコリメート光の光軸に対して所定の角度をなすように配置したことにある。このように構成することにより変換効率を高めると共に、出射ビームの拡がり角度を増大することができる。
【００１４】
本発明の更に他の特徴は上記の反射体の反射面と光軸とのなす角度を０°より大きく３０°以下の範囲に設定したことにある。このようにすると、変換効率および拡がり角度の両方からみて好ましい結果が得られる。
【００１５】
本発明の更に他の特徴は、ロッドレンズに入射する光ビームの径をロッドレンズの径の１．８〜３倍の範囲に選定したことにある。このようにすると入射した光を無駄にすることがなく、光の変換効率を高めることができる。
【００１６】
本発明の他の特徴は、光学ユニットと、該光学ユニットを支持するための支持機構とからレーザ墨出し装置を構成し、上記光学ユニットを、半導体レーザよりなる光源と、該光源からの出射光をコリメータ光に変換するコリメータレンズと、該コリメータ光をライン光に変換するロッドレンズと、該ロッドレンズの近傍に設けられた反射体とより構成すると共に、該反射体は少なくとも２つの反射面を有し、各反射面を上記ロッドレンズの円周面の一部に接し且つ、上記ロッドレンズに入射するコリメート光の光軸と所定の角度をなすように配置したことにある。このように構成することにより、極めて目視し易いライン光を発生するレーザ墨出し装置を実現することが可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図1に本発明のライン光発生光学系の概略図を示し、図２にその主要部の構成を示す。図１において、レーザ等の光源より出射した光ビームはコリメータレンズ３０を通過し、所定のビーム径を有する平行光（コリメート光）となる。このコリメート光は長手方向が紙面と垂直方向に配置されたロッドレンズ２に入射する。このロッドレンズ２と近接して、本実施例では２個の反射体、すなわちミラー１０が配置されている。
図２から明らかなように、２個のミラー１０は、光軸O-Oの上下にロッドレンズ２を挟むように配置されており、さらに光軸O-Oと角度αをなすように配置されている。
【００１８】
入射光の大きさｄ0 （ロッドレンズの長手方向と直角な断面方向の入射光の径）はロッドレンズ２の直径ｄより大きくなっている。入射光のうち最も光軸から離れた位置にあるビームＡはミラー１０で反射される。この時、ビームとミラーのなす角度はαであるため反射角度もαとなる。次にビームAはロッドレンズ２に入射しスネルの法則に従い、屈折した後、レンズから出射する。出射光は光軸とφA/2の角度をなす。
【００１９】
また、入射光のうちでロッドレンズ２の外側にあり且つ、最もロッドレンズ２に近い位置にあるビームBは、ミラー１０で図のように反射される。この時も、ビームとミラーのなす角度はαであるため反射角度もαとなる。次にビームBはロッドレンズ２に入射しスネルの法則に従い、屈折した後、レンズから出射する。出射光は光軸とφB/2の角度をなす。
【００２０】
二つの出射光と光軸とのなす角度の関係は、図示の通りφA/2＜φB/2 である。すなわち、光ビームAの拡がり角度φAと光ビームBの拡がり角度φBを比較するとロッドレンズ２に近い位置にあるビームBの方が拡がり角度が大きくなることが分かる。これはロッドレンズ２にビームが入射する際に、レンズ面法線とビームとのなす角度がビームBの方が大きくなるためである。
【００２１】
上記の実施例においては、角度αを１０°に設定し、また入射光の大きさをロッドレンズ２の直径の１．５倍に設定した。すなわちｄ0＝1.5ｄとした。また、ロッドレンズ２の材質を一般的なガラス材であるBK７とし、ビームの光線追跡を行い、ロッドレンズによりライン光に拡げられた場合の拡がり角度を計算した。この結果、ロッドレンズ直径の１．５倍に相当するビームＡはロッドレンズ2に入射する際に法線に対して３０°の入射角でロッドレンズ2に入射し、最終的に拡がり角度φＡは８２°となった。一方、ロッドレンズ2の直径の１．００１倍に相当するビームＢは、ロッドレンズに入射する際に法線に対して７８°の入射角でレンズに入射し、最終的に拡がり角度φＢは１８８°となった。
【００２２】
また、ビーム強度を比較するとビームBの方がビームAより中心に近い位置にあるためビーム強度が大きくなる。すなわちロッドレンズ径より外側にある入射光は一旦ミラー１０に反射後、ロッドレンズ２に入射し屈折した場合、ビーム強度の大きなビームの方が拡がり角度が大きくなるため、得られたライン光の端部の光強度を大きくすることができる。また、本実施例によれば入射光の全ての部分をライン光発生に用いているためライン光への変換効率が１００％となる。
【００２３】
次に本発明装置におけるミラー１０の配置角度の望ましい範囲について図６を参照して説明する。
ロッドレンズ２に対して図の上側のミラーを１０ａ，下側のミラーを１０ｂとすると、各ミラー１０ａ，１０ｂの配置角度αを決定するにあたり考慮しなければならない条件の一つは、ロッドレンズ２により広げられたライン光がミラー１０ａ，１０ｂの先端部分により遮られないことである。
【００２４】
また、物理的には、ミラー１０ａでの反射点Ｍと、ロッドレンズ２の中心Ｏを結ぶ直線ＯＭ，つまり入射光がミラー１０ｂとロッドレンズ２の接点Ｓ２を通るとき、入射光はロッドレンズ２内部を直進し、ミラー１０ｂの端部をぎりぎりに通過することが必要である。さらに数学的には、直線ＯＭ，すなわち入射光が接点Ｓ_２を通るとき図６のΔＯＳ_１Ｙ_１≡ΔＯＳ_２Ｙ_２の関係が成立することが必要である。この３つの条件を満足するαを求めるとα＝３０°が得られる。したがってそれぞれミラー１０a、１０ｂはロッドレンズ２の中心を通る水平な軸に対して０°より大きく、３０°以下のときに効率的にライン光を形成することができる。
【００２５】
次にαが３０°以下としたとき、入射光径／ロッドレンズ径の取りうる大きさの望ましい範囲について図７を参照して説明する。
図示のようにロッドレンズ２の中心Oを原点としてX軸とY軸をとると、ミラー１０aの配置される直線Ｓ_１Ｍは次式（１）であらわされる。
ｙ＝ｔａｎα・ｘ＋Ｒ（ｔａｎα・ｓｉｎα＋ｃｏｓα）（１）
また、入射光ＱＳ_４は上記の座標では次式（２）で表わされる。
ｙ＝ｔａｎ２α・ｘ−Ｒ（１＋ｔａｎ^２２α）^１／２（２）
但しＲはロッドレンズ２の半径を示す。
【００２６】
上記（１）式と（２）式の交点Ｍのｙ座標値が入射光径となる。Ｍのｙ座標値は次式（３）であらわされる。
ｙ＝［ｔａｎ２α・｛ｔａｎα・ｓｉｎα＋ｃｏｓα＋（１＋ｔａｎ^２α）^１／２｝／（ｔａｎ２α−ｔａｎα）−（１＋ｔａｎ^２α）^１／２］・Ｒ（３）
ロッドレンズ２の屈折率ｎが次式（４）を満たすとき、入射光径倍率Ｎ（＝入射光径／ロッドレンズ径）は（５）式で与えられる。
ｃｏｓ（π−２ｓｉｎ^−１（ｓｉｎθ／ｎ））・Ｒｔａｎ２α（１＋ｔａｎ^２２α）^１／２／（１＋ｔａｎ^２２α）＋ｓｉｎ（π−２ｓｉｎ^−１（ｓｉｎθ／ｎ））・（１−Ｒ）／（１＋ｔａｎ^２２α）^１／２＝−Ｒｓｉｎα （４）
ただしθ＝２α−ｔａｎ^−１｛（１／Ｒ−１）・（１／ｔａｎ２α）｝
Ｎ＝［ｔａｎ２α・｛ｔａｎα・ｓｉｎα＋ｃｏｓα＋（１＋ｔａｎ^２α）^１／２｝／（ｔａｎ２α−ｔａｎα）−（１＋ｔａｎ^２α）^１／２］（５）
今、ロッドレンズ２の屈折率ｎを１．５とすると（最も典型的な硝材ＢＫ７），ミラー１０の配置角度αと入射光径／ロッドレンズ径との関係は図８のようになる。すなわち入射光の径がロッドレンズの径の約３倍までの大きさであれば入射した光が有効に活用されるが、それより大きくなるとロッドレンズに入射せず無駄になる部分がでてくる。従ってロッドレンズに入射する光ビームの径は０より大きくロッドレンズの径の３倍以下であることが望ましい。
（実施形態２）
図３は本発明光学系の主要部の別の実施形態であり、ミラー１０をロッドレンズ保持部材3と兼用した例を示す。すなわち、ロッドレンズ保持部材３においてテーパ部４はロッドレンズ２を保持収納する部分であると共に光を反射させるためのミラー１０の役割を兼ねている。すなわち、テーパ部４の内壁部には例えば真空蒸着による薄膜形成方法やめっきなどの方法により鏡面仕上げが施されている。さらにテーパの角度はミラー１０における反射角と一致させている。本実施例に示したようなロッドレンズ保持部材３を用いることによりレンズ保持効果とビーム拡がり角度の拡大効果を両立させることが可能となる。
（実施形態３）
次に本発明のライン光発生光学系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４に示すようにレーザ墨出し装置は基本的にはライン光を発生させる光学系１と光学系を水平に保つための支持機構部5から構成されている。
【００２７】
ライン光発生光学系１は前述のように、レーザ光源、コリメータレンズ、ロッドレンズ、反射体から構成される。本発明のライン発生光学系１を用いた場合は、入射光を１００％有効に利用できるばかりではなく、強度が大きな光がミラーでの反射による効果でロッドレンズへの入射角度が拡大し、結果として大きなビーム拡がり角度を得ることが可能となる。その結果、実質的に１９０°程度の拡がり角度を有するライン光を得ることが可能となる。
【００２８】
【発明の効果】
上述のように本発明は、ロッドレンズに入射する光ビームの径をロッドレンズの断面の直径より大きくし、且つロッドレンズの近傍に反射体を設けて入射光をロッドレンズ側に反射するように構成したので、入射光を１００％ライン光に変換することが可能になり、レーザ光を極めて有効に利用することができるという効果がある。また、反射体で反射してからロッドレンズに入射する光は、ビーム強度の強い光の方がビーム強度の弱い光よりも拡がり角度が大きくなるためライン光の端部における光強度を増大する作用をし、その結果、従来に比べて目視できるライン光のビーム拡がり角度を拡大することが可能になった。このため、光ビーム強度が比較的平均化され、且つビームの拡がり角度の大きい目視し易いライン光を発生するレーザ墨出し装置を実現し得るという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のライン光発生光学系の概略図。
【図２】本発明のライン光発生光学系の一実施例を示す主要部の概略図。
【図３】本発明のライン光発生光学系のロッドレンズ保持部の一実施例を示す概略図。
【図４】本発明のライン光発生光学系を用いたレーザ墨出し装置の一実施例を示す概略図。
【図５】ロッドレンズの原理を説明する説明図。
【図６】本発明において望ましいミラー配置角度を説明するための説明図。
【図７】本発明において望ましい入射ビーム径を説明するための説明図。
【図８】本発明におけるミラー配置角度と入射光径／ロッドレンズ径の関係を説明する説明図である。
【符号の説明】
１：ライン光発生光学系
２：ロッドレンズ
３：ロッドレンズ保持部材
４：テーパ部
５：支持機構部
１０：光学反射体（ミラー）
１２：レーザ墨出し装置本体
２０：レーザ光源
３０：コリメータレンズ

Claims

半導体レーザよりなる光源と、該光源からの出射光をコリメータ光に変換するコリメータレンズと、該コリメータ光をライン光に変換するロッドレンズと、該ロッドレンズの近傍に設けられた反射体とを有し、該反射体は少なくとも２個の反射面を有し、各反射面は上記ロッドレンズの円周面の一部に接し且つ、上記ロッドレンズに入射するコリメータ光の光軸と所定の角度をなすように配置することにより、上記光源から発射した光の一部が上記反射体により反射された後、上記ロッドレンズに入射してライン光に変換されることを特徴とするライン光発生光学系。
半導体レーザよりなる光源と、該光源からの出射光をコリメータ光に変換するコリメータレンズと、該コリメータ光をライン光に変換するロッドレンズと、該ロッドレンズを保持する保持部材とを有し、上記ロッドレンズに入射するライン光は、その入射方向とロッドレンズの長手方向に直角な方向のビーム径を同じ方向のロッドレンズ断面の径より大きくし、上記保持部材は少なくとも２個の反射面を有し、各反射面は上記ロッドレンズの円周面の一部に接し且つ、上記ロッドレンズに入射するコリメータ光の光軸と所定の角度をなすように配置したことを特徴とするライン光発生光学系。
請求項１又は２において、前記反射面と、前記ロッドレンズに入射するコリメータ光の光軸とのなす角度を、０°より大きく３０°以下の範囲の角度に設定したことを特徴とするライン光発生光学系。
光学ユニットと、該光学ユニットを支持するための支持機構とから構成され、上記光学ユニットは、半導体レーザよりなる光源と、該光源からの出射光をコリメータ光に変換するコリメータレンズと、該コリメータ光をライン光に変換するロッドレンズと、該ロッドレンズの近傍に設けられた反射体とを有し、該反射体は少なくとも２個の反射面を有し、各反射面は上記ロッドレンズの円周面の一部に接し且つ、上記ロッドレンズに入射するコリメータ光の光軸と所定の角度をなすように配置することにより、上記光源から発射した光の一部が上記反射体により反射された後、上記ロッドレンズに入射してライン光に変換するように構成したことを特徴とするレーザ墨出し装置。
請求項４において、前記反射面と、前記ロッドレンズに入射するコリメータ光の光軸となす角度を、０°より大きく３０°以下の範囲の角度に設定したことを特徴とするレーザ墨出し装置。
請求項１，２及び４のいずれか１項において、ロッドレンズに入射する光ビームの径は、前記ロッドレンズの長手方向に垂直な方向において、該ロッドレンズの径の１．８〜３倍の範囲の中から選定された値を有することを特徴とするライン光発生光学系またはレーザ墨出し装置。