JP4599514B2

JP4599514B2 - ラインジェネレータ

Info

Publication number: JP4599514B2
Application number: JP2010117426A
Authority: JP
Inventors: 剛正黒田; 陽介中野; 和幸八尾
Original assignee: Nalux Co Ltd
Current assignee: Nalux Co Ltd
Priority date: 2009-05-28
Filing date: 2010-05-21
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2030-05-21
Also published as: JP2010278437A

Description

本発明は、半導体レーザ光源などを使用したラインジェネレータに関する。

建築現場、工事現場、工場などにおいて、位置決め、段差測定や不良検出を行うための基準線を設定するために、半導体レーザ、発光ダイオード、光ファイバなどの光源を使用したラインジェネレータが使用されている。

図２７及び図２８は、従来のラインジェネレータの構成の一例を示す図である。ラインジェネレータは、半導体レーザ光源１１０１、回転対称なコリメートレンズ１１０３及びロッドレンズ１１０５を含む。図２７は、半導体レーザ光源１１０１の鉛直方向（Fast-Axis FA）の断面を示す図であり、図２８は、半導体レーザ光源１１０１の水平方向（Slow-Axis SA）の断面を示す図である。図２８において、半導体レーザ１１０１から出射された光は、回転対称なコリメートレンズ１１０３によって、ＳＡ方向にコリメートされ、３ミリメータの幅の光束となる。コリメート後の光束の幅は、ラインジェネレータによって生成されるラインの幅である。他方、図２７において、半導体レーザ１１０１から出射された光は、回転対称なコリメートレンズ１１０３によって、ＦＡ方向にコリメートされ、約６ミリメータの幅の光束となる。回転対称なコリメートレンズ１１０３によって、コリメートされた光は、ロッドレンズ１１０５によって、ＦＡ方向に拡散されラインが生成される。

コリメートレンズ１１０３のサイズの制約から、ＦＡ方向に約１０ミリメータの幅を有する光束の一部のみが使用されるので、光の利用効率は最大で約６０％である。また、ロッドレンズを使用することにより、容易に広い放射角が得られるが、ライン輝度分布の制御を行うことはできない。

図２９及び図３０は、従来のラインジェネレータの構成の他の例を示す図である。ラインジェネレータは、半導体レーザ光源１２０１、回転対称なコリメートレンズ１２０３及びシリンダーレンズ１２０５を含む。図２９は、半導体レーザ光源１２０１の鉛直方向（Fast-Axis FA）の断面を示す図であり、図３０は、半導体レーザ光源１２０１の水平方向（Slow-Axis SA）の断面を示す図である。図３０において、半導体レーザ１２０１から出射された光は、回転対称なコリメートレンズ１２０３によって、コリメートされ、３ミリメータの幅の光束となる。コリメート後の光束の幅は、ラインジェネレータによって生成されるラインの幅である。他方、図２９において、半導体レーザ１２０１から出射された光は、回転対称なコリメートレンズ１２０３によって、ＦＡ方向にコリメートされ、約６ミリメータの幅の光束となる。回転対称なコリメートレンズ１２０３によって、コリメートされた光は、シリンダーレンズ１２０５によって、ＦＡ方向に拡散されラインが生成される
コリメートレンズ１２０３のサイズの制約から、ＦＡ方向に約１０ミリメータの幅の光束の一部のみが使用されるので、光の利用効率は最大で約６０％である。シリンダーレンズ１２０５の光学面形状を調整することでラインの輝度分布を任意に設計することができる。しかし、レンズの成形に使用する金型加工の制約により、シリンダー形状の接線角度を大きくすることが困難であり、広い放射角を得るのが困難である。また、ラインの特定の投影位置に対して焦点を合わせて輝度分布が一定になるように設計しているので、コリメートレンズ１２０３のフォーカス調整を行うと輝度分布が設計値から外れるという問題があった。

従来タイプのラインジェネレータは、たとえば、特開2008-58295号公報（特許文献１）に開示されている。また、米国特許第6069748号（特許文献２）は、別のタイプのラインジェネレータを開示している。

このように、光の利用効率が高く、広い放射角が得られ、ライン輝度分布の制御を容易に行うことのできるラインジェネレータは開発されていなかった。

特開2008-58295号公報米国特許第6069748号

したがって、光の利用効率が高く、広い放射角が得られ、ライン輝度分布の制御を容易に行うことのできるラインジェネレータに対するニーズがある。

本発明によるラインジェネレータは、光源と、第１レンズ群と、第２レンズ群とを、含む。前記光源から、第１レンズ群及び第２レンズ群の面にともに垂直に入射する光束の位置を光軸とし、第１レンズ群は、前記光源からの光束が、前記光軸に垂直な面内の第１の方向にコリメートを行なわずに、前記光軸に垂直な面内の第１の方向に直交する第２の方向にのみコリメートまたは集光して、ラインの幅を定めるように構成され、第２レンズ群は、第１レンズ群を通過した光束が、ラインを生成するように構成されている。

本明細書及び特許請求の範囲においてレンズ群とは、全体で所定の機能を有する、１または複数のレンズである。

本発明によるラインジェネレータにおいて、第１レンズ群及び第２レンズ群の機能が明確に分離されている。したがって、第１レンズ群の光学面形状を調整することによってラインの幅を定め、第２レンズ群の光学面形状を調整することによって、ラインの輝度分布を任意に調整することができる。また、第１レンズ群によって、一方向（ラインの幅方向）にのみ光をコリメートまたは集光するので、第２レンズ群によって広い放射角が得られる。また、第１レンズ群を通過した光の大部分が第２レンズ群に入射するので、光の利用効率が高くなる。

本発明の実施形態によるラインジェネレータにおいて、第１レンズ群及び第２レンズ群の少なくとも一方が、前記光軸方向の位置を調整する機構をさらに備えている。

本実施形態によれば、第１レンズ群の光軸方向の位置を調整することにより、ラインの長手方向の輝度分布を変化させずに、ラインの焦点位置を容易に調整することができる。また、光源の光の放射状態にばらつきがある場合に、第２レンズの光軸方向の位置を調整することにより、ラインの焦点位置を維持したまま、ラインの長手方向の輝度分布が変化しないようにすることができる。

本発明の実施形態によるラインジェネレータにおいて、前記光源が半導体レーザであり、半導体レーザの鉛直方向（Fast-Axis FA）を第１の方向、前記半導体レーザの水平方向（Slow-Axis SA）を第２の方向としている。

本実施形態によれば、ＦＡ方向をライン幅の方向とすることにより、より小型のラインジェネレータを作製することができる。

本発明の実施形態によるラインジェネレータにおいて、前記光源が半導体レーザであり、半導体レーザの鉛直方向（Fast-Axis FA）を第２の方向、前記半導体レーザの水平方向（Slow-Axis SA）を第１の方向としている。

本実施形態によれば、ＳＡ方向をライン幅の方向とすることにより、より広い放射角が得られる。

本発明の実施形態によるラインジェネレータにおいて、第１レンズ群及び第２レンズ群の少なくとも一面が、第１の方向及び第２の方向に軸対象な形状であり、中心部と外周部で第１の方向の焦点距離が異なる自由曲面を有する。

本実施形態によれば、少なくとも一面に自由曲面を使用することにより、コリメート性能を向上させることができる。具体的には、ラインをより細く集光し、または、任意の面上にラインを集光することが可能となる。

本発明の実施形態によるラインジェネレータは、少なくとも一つの自由曲面を有する位相板をさらに備えている。

本実施形態によれば、作製難易度の高い自由曲面を有する光学素子を、レンズと独立して作製することができるので、作製難易度が低減される。

本発明の第１の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。本発明の第１の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。本発明の第１の実施例によるラインジェネレータの性能を示す図である。本発明の第２の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。本発明の第２の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。本発明の第２の実施例によるラインジェネレータの性能を示す図である。本発明の第３の実施例によるラインジェネレータの性能を示す図である。本発明の第４の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。本発明の第４の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。本発明の第４の実施例によるラインジェネレータにおける第１及び第２レンズ間の間隔調整機能を示す図である。本発明の第４の実施例によるラインジェネレータにおける半導体レーザと第１レンズ間の間隔隔調整機能を示す図である。ラインジェネレータ及び像面の配置を示す図である。本発明の第５の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。本発明の第５の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。本発明の第５の実施例によるラインジェネレータの性能を示す図である。本発明の第６の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。本発明の第６の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。本発明の第７の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。本発明の第７の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。本発明の第８の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。本発明の第８の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。実施例８のラインジェネレータによって、光源面から５メートル離れた平面を照射した場合の光の強度分布を示す図である。実施例８のラインジェネレータ５００と照射面との関係を示す図である。ラインジェネレータと照射面との通常の関係を示す図である。第１レンズ又は第２レンズを光軸方向に移動させる機構の構成の一例を示す図である。第１レンズ又は第２レンズを光軸方向に移動させる機構の構成の他の例を示す図である。従来のラインジェネレータの構成の一例を示す図である。従来のラインジェネレータの構成の一例を示す図である。従来のラインジェネレータの構成の他の例を示す図である。従来のラインジェネレータの構成の他の例を示す図である。

以下に本発明の実施例を説明する。本明細書において、「コリメートさせる（する）」という用語は、遠距離の点において集光させる（する）場合を含むものとする。レンズの材質は用途に応じて選択することができる。プラスチックは、割れにくく、成形により複雑な形状を安価に作製することができる。ガラスは、プラスチックに比べ熱膨張係数が小さく耐熱性が高いため、環境の変化の影響を受けにくく、信頼性が高い。

第１の実施例
図１及び図２は、本発明の第１の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。ラインジェネレータは、半導体レーザ光源１０１、シリンダーレンズである第１レンズ１０３及びシリンダーレンズである第２レンズ１０５を含む。図１は、半導体レーザ光源１０１の鉛直方向（Fast-Axis FA）の断面を示す図であり、図２は、半導体レーザ光源１０１の水平方向（Slow-Axis SA）の断面を示す図である。図１において、半導体レーザ１０１から出射された光は、第１レンズ１０３によって、ＦＡ方向にコリメートされ、３ミリメータの幅の光束となる。コリメート後の光束の幅は、ラインジェネレータによって生成されるラインの幅である。ここで、第１レンズ１０３は、シリンダーレンズであるので、ＳＡ方向にコリメートは行なわれない。第１レンズ１０３によって、ＦＡ方向にコリメートされた光は、第２レンズ１０５によって、ＳＡ方向に拡散されラインが生成される。

ＳＡ方向において、第１レンズ１０３は、コリメートを行なわず、第２レンズ１０５が、広がりを持った光をさらに拡散する。すなわち、本実施例において、ＳＡ方向のコリメートは行なわれない。このため、従来タイプのラインジェネレータと比較して広い放射角が得られる。また、第１レンズ１０３を通過した光の大部分が第２レンズ１０５に入射するので、光の利用効率は、９０％以上である。

第２レンズ１０５の光学面形状を調整することによって、ラインの輝度分布を均一にし、あるいは、任意の部分の輝度を強くすることができる。

本実施例において、第１レンズ１０３は、ラインの幅を定め、第２レンズ１０５は、長手方向に所定の輝度分布を有するラインを生成する。このように、第１レンズ１０３及び第２レンズ１０５の機能がはっきり分離されている。

ＦＡ方向をラインの幅の方向とする上記の構成の利点は以下のとおりである。ＦＡ方向は広がり角度が大きいため、短い光路長で十分なライン幅が得られ、光学系の小型化が可能となる。

表１は、第１の実施例によるラインジェネレータの光学系のデータを示す表である。ここで、光源の行の面間隔は、光源と第１レンズとの間隔を示す。第２面の行の面間隔は、第１レンズの厚さを示す。第３面の行の面間隔は、第１レンズと第２レンズとの間隔を示す。第４面の行の面間隔は、第２レンズの厚さを示す。表における長さの単位は、ミリメータである。以下の表についても同様である。

FＡ方向をｘ軸方向、SＡ方向をｙ軸方向として、第１レンズの光学面（物体側の第２面及び像側の第３面）は以下の式で表せる。

ここで、ｋは２次曲線の形状を定める定数、ｃは中心曲率、Ｒは中心曲率半径である。また、α_2iは補正係数である。

表２は、第２面および第３面を表す式の係数及び定数を示す表である。

FＡ方向をｘ軸方向、SＡ方向をｙ軸方向として、第２レンズの光学面（物体側の第４面及び像側の第５面）は以下の式で表せる。

ここで、α_2iは補正係数である。

表３は、第４面および第５面を表す式の係数及び定数を示す表である。

図３は、第１の実施例によるラインジェネレータの性能を示す図である。図３の横軸は、投影面におけるライン上の点の、光軸とラインとの交点からの距離を示す。縦軸は、その点における光の相対的な強度を示す。ここで、投影面は、光源からの距離が、１０００ｍｍであり、光軸に垂直な面である。投影面におけるラインの輝度分布は、ほぼ一様である。

投影面におけるラインの輝度分布を一様にするには、第４面のパラメータを適切に定める。

第２の実施例
図４及び図５は、本発明の第２の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。ラインジェネレータは、半導体レーザ光源２０１、シリンダーレンズである第１レンズ２０３及びシリンダーレンズである第２レンズ２０５を含む。図４は、半導体レーザ光源２０１の鉛直方向（Fast-Axis FA）の断面を示す図であり、図５は、半導体レーザ光源２０１の水平方向（Slow-Axis SA）の断面を示す図である。図５において、半導体レーザ２０１から出射された光は、第１レンズ２０３によって、ＳＡ方向にコリメートされ、３ミリメータの幅の光束となる。コリメート後の光束の幅は、ラインジェネレータによって生成されるラインの幅である。ここで、第１レンズ２０３は、シリンダーレンズであるので、ＦＡ方向にコリメートは行なわれない。第１レンズ２０３によって、ＳＡ方向にコリメートされた光は、第２レンズ２０５によって、ＦＡ方向に拡散されラインが生成される。

ＦＡ方向において、第１レンズ２０３は、コリメートを行なわず、第２レンズ２０５が、広がりを持った光を拡散する。すなわち、本実施例において、ＦＡ方向のコリメートは行なわれない。このため、従来タイプのラインジェネレータと比較して広い放射角が得られる。また、第１レンズ２０３を通過した光の大部分が第２レンズ２０５に入射するので、光の利用効率は、８０％以上である。

第２レンズ２０５の光学面形状を調整することによって、ラインの輝度分布を均一にし、あるいは、任意の部分の輝度を強くすることができる。

本実施例において、第１レンズ２０３は、ラインの幅を定め、第２レンズ２０５は、長手方向に所定の輝度分布を有するラインを生成する。このように、第１レンズ２０３及び第２レンズ２０５の機能がはっきり分離されている。

ＳＡ方向をラインの幅の方向とする上記の構成の利点は以下のとおりである。ＦＡ方向は広がり角度が大きいため、容易に広い放射角が得られる。

表４は、第２の実施例によるラインジェネレータの光学系のデータを示す表である。

表５は、第２面および第３面を表す式の係数及び定数を示す表である。

表６は、第４面および第５面を表す式の係数及び定数を示す表である。

図６は、第２の実施例によるラインジェネレータの性能を示す図である。図６の横軸は、ｘｚ面において光線の進む方向の光軸に対する角度を示す。図６の縦軸は、その角度における光の相対的な強度を示す。光の相対的な強度は、０乃至約３０度の角度においてほぼ一様である。

０乃至約３０度の角度においてラインの輝度分布を一様にするには、第４面のパラメータを適切に定める。

第３の実施例
第３の実施例によるラインジェネレータの構成は、図４及び図５に示した第２の実施例の構成と同様である。

表７は、第３の実施例によるラインジェネレータの光学系のデータを示す表である。

FＡ方向をｘ軸方向、SＡ方向をｙ軸方向として、第２面（第１レンズの物体側の面）は以下の式で表せる。

表８は、第２面を表す式の係数及び定数を示す表である。

FＡ方向をｘ軸方向、SＡ方向をｙ軸方向として、第３面（第１レンズの像側の面）は以下の式で表せる。第３面は、いわゆる自由曲面である。本実施例では、x軸方向及びy軸方向に軸対称な形状であり、y軸方向のレンズパワーがx軸方向のレンズパワーより大きく、また、y軸方向のレンズパワーがレンズ中心付近と外周部で異なるように自由曲面を定めている。

表９は、第３面を表す式の係数及び定数を示す表である。

表１０は、第４面および第５面を表す式の係数及び定数を示す表である。

図７は、第３の実施例によるラインジェネレータの性能を示す図である。図７の横軸は、ｘｚ面において光線の進む方向の光軸に対する角度を示す。図７の縦軸は、その角度における光の相対的な強度を示す。光の相対的な強度は、０乃至約４５度の角度においてほぼ一様である。

０乃至約４５度の角度においてラインの輝度分布を一様にするには、第４面のパラメータを適切に定める。

第３面に自由曲面を使用することにより、コリメート性能を向上させることができる。具体的には、ラインをより細く集光し、または、任意の面上にラインを集光することが可能となる。

第４の実施例
図８及び図９は、本発明の第４の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。ラインジェネレータは、半導体レーザ光源３０１、シリンダーレンズである第１レンズ３０３及びシリンダーレンズである第２レンズ３０５を含む。図８は、半導体レーザ光源３０１の鉛直方向（Fast-Axis FA）の断面を示す図であり、図９は、半導体レーザ光源３０１の水平方向（Slow-Axis SA）の断面を示す図である。図９において、半導体レーザ３０１から出射された光は、第１レンズ３０３によって、ＳＡ方向にコリメートされ、３ミリメータの幅の光束となる。コリメート後の光束の幅は、ラインジェネレータによって生成されるラインの幅である。ここで、第１レンズ３０３は、シリンダーレンズであるので、ＦＡ方向にコリメートは行なわれない。第１レンズ３０３によって、ＳＡ方向にコリメートされた光は、第２レンズ３０５によって、ＦＡ方向に拡散されラインが生成される。

表１１は、第４の実施例によるラインジェネレータの光学系のデータを示す表である。

表１２は、第２面を表す式の係数及び定数を示す表である。

表１３は、第３面を表す式の係数及び定数を示す表である。

ここで、α_2iは補正係数である。

表１４は、第４面および第５面を表す式の係数及び定数を示す表である。

本実施例において、第１レンズ３０３は、ラインの幅を定め、第２レンズ３０５は、長手方向に所定の輝度分布を有するラインを生成する。このように、第１レンズ３０３及び第２レンズ３０５の機能がはっきり分離されているので、たとえば、半導体レーザ光源３０１の光の放射状態に個体差がある場合に、第２レンズ３０５を光軸方向に移動させることによって、焦点位置を維持したまま、ラインの長手方向の輝度分布が変化しないようにすることができる。また、第１レンズ３０３を光軸方向に移動させることによってラインの焦点位置の調整を行っても、ラインの長手方向尾の輝度分布が変化しない。

図２５は、第１レンズ又は第２レンズを光軸方向に移動させる機構の構成の一例を示す図である。図２５（ｂ）は、移動機構の斜視図である。移動機構は、鏡筒２００１を含み、鏡筒の側面には長手方向にスリット２００７が設けられる。図２５（ａ）は、移動機構の長手方向の中心軸を含む断面の図である。鏡筒２００１内にはレンズホルダ２００３が中心軸（すなわち、光軸）方向に移動可能に設けられる。レンズホルダ２００３には、とって２００５が固定されている。とって２００５は、スリット２００７に沿って長手方向に移動させることができる。したがって、とって２００５をスリット２００７に沿って移動させることにより、レンズホルダ２００３を光軸方向に移動させることができる。

図２６は、第１レンズ又は第２レンズを光軸方向に移動させる機構の構成の他の例を示す図である。図２６（ａ）は、移動機構の長手方向の中心軸を含む断面の図である。図２６（ｂ）は、移動機構の長手方向の中心軸に垂直な断面の図である。移動機構は、鏡筒３００１を含み、鏡筒３００１は、長手方向の一部に環状の部分３００５を備える。環状の部分３００５の内面にはネジが切られている。鏡筒３００１内には、レンズホルダ３００３が備わる。レンズホルダ３００３の外面にはネジが切られ、環状の部分３００５の内面のネジとかみ合うように構成されている。また、レンズホルダ３００３は、鏡筒３００１内において、ストッパ３００７によって鏡筒３００１に対して回転されないよう構成されている。そこで、環状の部分３００５を鏡筒３００１に対して回転させると、レンズホルダ３００３は、回転することができないので長手方向に移動する。したがって、環状の部分３００５を回転させることにより、レンズホルダ３００３を光軸方向に移動させることができる。

図１０は、第４の実施例によるラインジェネレータにおける第１及び第２レンズ間の間隔調整機能を示す図である。図１０の横軸は、投影面におけるライン上の点の、光軸とラインとの交点からの距離を示す。縦軸は、その点における光の相対的な強度を示す。ここで、投影面は、光源からの距離が、１００ｍｍであり、光軸に垂直な面である。

図１０のＡは、光源（半導体レーザ）の広がり角度が３０度（設計値）であり、第１レンズ３０３及び第２レンズ３０５の間隔が３ｍｍの場合のラインの長手方向の光の強度分布を示す。光の強度分布は、ラインの長手方向にほぼ一様である。

図１０のＢは、上記の状態で半導体レーザの広がり角度が３５度に変化した場合のラインの長手方向の光の強度分布を示す。６０ｍｍ付近の光の強度は、光軸付近の強度に比較して２０％以上増加している。

図１０のＣは、半導体レーザの広がり角度が３５度の場合に、第１レンズ３０３及び第２レンズ３０５の間隔を２ｍｍとした場合のラインの長手方向の光の強度分布を示す。レンズ間隔を調整した結果、光の強度分布は、ラインの長手方向にほぼ一様となった。

このように本実施例によれば、半導体レーザの広がり角度に設計値からのばらつきがある場合でも、第２レンズ３０５の光軸方向の位置を調整することにより、ラインの長手方向の光の強度分布を一様にすることができる。

図１１は、第４の実施例によるラインジェネレータにおける半導体レーザと第１レンズ間の間隔調整機能を示す図である。図１１の横軸は、投影面におけるライン上の点の、光軸とラインとの交点からの距離を示す。縦軸は、その点における光の相対的な強度を示す。

図１２は、ラインジェネレータ及び像面の配置を示す図である。

図１１のＡは、半導体レーザと第１レンズ間の間隔を４．０ｍｍとした場合の光の強度分布を示す。図１２のＡに示すように、第２レンズ３０５と像面との間の間隔は、６５ｍｍである。

図１１のＢは、半導体レーザと第１レンズ間の間隔を３．０ｍｍとした場合の光の強度分布を示す。図１２のＢに示すように、第２レンズ３０５と像面との間の間隔は、１００ｍｍである。

図１１のＣは、半導体レーザと第１レンズ間の間隔を２．５ｍｍとした場合の光の強度分布を示す。図１２のＣに示すように、第２レンズ３０５と像面との間の間隔は、１７０ｍｍである。

図１１のＡ、Ｂ、Ｃいずれの場合にも、ラインの長手方向の強度分布はほぼ一様である。このように本実施例によれば、半導体レーザと第１レンズ間の間隔を調整することによって像面の位置（フォーカス位置）を変えても、ラインの長手方向の光の強度分布は、ほぼ一様に維持される。

第５の実施例
図１３及び図１４は、本発明の第５の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。ラインジェネレータは、半導体レーザ光源４０１、シリンダーレンズである第１レンズ４０３、シリンダーレンズである第２レンズ４０５及びシリンダーレンズである第３レンズ４０７を含む。図１３は、半導体レーザ光源３０１の鉛直方向（Fast-Axis FA）の断面を示す図であり、図１４は、半導体レーザ光源４０１の水平方向（Slow-Axis SA）の断面を示す図である。図１４において、半導体レーザ４０１から出射された光は、第１レンズ４０３によって、ＳＡ方向にコリメートされ、３ミリメータの幅の光束となる。コリメート後の光束の幅は、ラインジェネレータによって生成されるラインの幅である。ここで、第１レンズ４０３は、シリンダーレンズであるので、ＦＡ方向にコリメートは行なわれない。第１レンズ４０３によって、ＳＡ方向にコリメートされた光は、第２レンズ４０５及び第３レンズ４０７によって、ＦＡ方向に拡散されラインが生成される。

表１５は、第５の実施例によるラインジェネレータの光学系のデータを示す表である。

表１６は、第２面を表す式の係数及び定数を示す表である。

表１７は、第３面を表す式の係数及び定数を示す表である。

ここで、α_2iは補正係数である。

表１８は、第４面および第５面を表す式の係数及び定数を示す表である。

FＡ方向をｘ軸方向、SＡ方向をｙ軸方向として、第３レンズの光学面（物体側の第６面及び像側の第７面）は以下の式で表せる。

ここで、ｋは２次曲線の形状を定める定数、ｃは中心曲率、Ｒは中心曲率半径である。

表１９は、第６面および第７面を表す式の係数及び定数を示す表である。

図１５は、第５の実施例によるラインジェネレータの性能を示す図である。図１５の横軸は、投影面におけるライン上の点の、光軸とラインとの交点からの距離を示す。縦軸は、その点における光の相対的な強度を示す。ここで、投影面は、光源からの距離が、１００ｍｍであり、光軸に垂直な面である。投影面におけるラインの輝度分布は、ほぼ一様である。

本実施例においては、ビームをＦＡ方向に拡散する機能を２個のレンズ（第２レンズ４０５及び第３レンズ４０７）に分担させている。すなわち、第２レンズ４０５及び第３レンズ４０７が第２レンズ群を構成している。この結果、第２レンズ群の個々のレンズの設計及び製造が容易になる。

第６の実施例
図１６及び図１７は、本発明の第６の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。ラインジェネレータは、半導体レーザ光源５０１、シリンダーレンズである第１レンズ５０３及び像側面（第５面）に自由曲面を有する第２レンズ５０５を含む。図１６は、半導体レーザ光源５０１の鉛直方向（Fast-Axis FA）の断面を示す図であり、図１７は、半導体レーザ光源５０１の水平方向（Slow-Axis SA）の断面を示す図である。図１７において、半導体レーザ５０１から出射された光は、第１レンズ５０３によって、ＳＡ方向にコリメートされる。ここで、第１レンズ５０３は、シリンダーレンズであるので、ＦＡ方向にコリメートは行なわれない。第１レンズ５０３によって、ＳＡ方向にコリメートされた光は、第２レンズ５０５によって、ＦＡ方向に拡散され、ＳＡ方向に集光されてラインが生成される。

表２０は、第６の実施例によるラインジェネレータの光学系のデータを示す表である。

FＡ方向をｘ軸方向、SＡ方向をｙ軸方向として、第２面（第１レンズの物体側の面）及び第３面（第１レンズの像側の面）は以下の式で表せる。

FＡ方向をｘ軸方向、SＡ方向をｙ軸方向として、第４面（第２レンズの物体側の面）は以下の式で表せる。

表２１は、第２乃至第４面を表す式の定数を示す表である。

FＡ方向をｘ軸方向、SＡ方向をｙ軸方向として、第５面（第２レンズの像側の面）は以下の式で表せる。第５面は、いわゆる自由曲面である。

表２２は、第５面を表す式の係数及び定数を示す表である。

本実施例のように、第２レンズ（群）に自由曲面を備える実施形態によれば、焦点距離や線幅が共通で、ライン長手方向の強度分布が異なるラインジェネレータを作製する場合に、第１レンズ（群）を同一仕様とし、第２レンズの自由曲面によってライン上の光の強度分布に応じて集光特性を補正することで、最適な集光性能を得ることができる。

第７の実施例
図１８及び図１９は、本発明の第７の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。ラインジェネレータは、半導体レーザ光源６０１、シリンダーレンズである第１レンズ６０３及びシリンダーレンズである第２レンズ６０５を含む。さらに本実施例のラインジェネレータは、第１レンズ６０３及び第２レンズ６０５の間に、物体側の面（第４面）に自由曲面を有する位相板６０７を備える。図１８は、半導体レーザ光源６０１の鉛直方向（Fast-Axis FA）の断面を示す図であり、図１９は、半導体レーザ光源６０１の水平方向（Slow-Axis SA）の断面を示す図である。図１９において、半導体レーザ６０１から出射された光は、第１レンズ６０３によって、ＳＡ方向にコリメートされる。ここで、第１レンズ６０３は、シリンダーレンズであるので、ＦＡ方向にコリメートは行なわれない。第１レンズ６０３によって、ＳＡ方向にコリメートされた光は、位相板６０７によって調整され、第２レンズ６０５によって、ＦＡ方向に拡散され、ＳＡ方向に集光されてラインが生成される。

表２３は、第７の実施例によるラインジェネレータの光学系のデータを示す表である。

FＡ方向をｘ軸方向、SＡ方向をｙ軸方向として、第６面（第２レンズの物体側の面）及び第７面（第２レンズの像側の面）は以下の式で表せる。

表２４は、第２面、第３面、第６面及び第７面を表す式の定数を示す表である。

FＡ方向をｘ軸方向、SＡ方向をｙ軸方向として、第４面（位相板の像側の面）は以下の式で表せる。第４面は、いわゆる自由曲面である。

表２５は、第４面を表す式の係数を示す表である。なお、第５面は平面である。

本実施例のように、自由曲面を有する位相板を備えた実施形態によれば、作製難易度の高い自由曲面を有する光学素子を、レンズと独立して作製することができるので、作製難易度が低減される。

第８の実施例
図２０及び図２１は、本発明の第８の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。ラインジェネレータは、半導体レーザ光源７０１、像側（第３面）に自由曲面を有する第１レンズ７０３、シリンダーレンズである第２レンズ７０５及びシリンダーレンズである第３レンズ７０７を含む。図２０は、半導体レーザ光源７０１の鉛直方向（Fast-Axis FA）の断面を示す図であり、図２１は、半導体レーザ光源７０１の水平方向（Slow-Axis SA）の断面を示す図である。図２１において、半導体レーザ７０１から出射された光は、第１レンズ７０３及び第２レンズ７０５によって、ＳＡ方向にコリメートされる。このように、第１レンズ７０３及び第２レンズ７０５は、第１レンズ群を構成する。第１レンズ群によって、ＳＡ方向にコリメートされた光は、第３レンズ７０７によって、ＦＡ方向に拡散されてラインが生成される。

表２６は、第８の実施例によるラインジェネレータの光学系のデータを示す表である。

FＡ方向をｘ軸方向、SＡ方向をｙ軸方向として、第２面（第１レンズの物体側の面）、第４面（第２レンズの物体側の面）及び第５面（第２レンズの像側の面）は以下の式で表せる。

表２７は、第２面、第４面及び第５面を表す式の係数を示す表である。

FＡ方向をｘ軸方向、SＡ方向をｙ軸方向として、第３面（第１レンズの像側の面）は以下の式で表せる。第３面は、いわゆる自由曲面である。

表２８は、第３面を表す式の係数を示す表である。

FＡ方向をｘ軸方向、SＡ方向をｙ軸方向として、第６面（第３レンズの物体側の面）及び第７面（第３レンズの像側の面）は以下の式で表せる。

表２９は、第６面及び第７面を表す式の係数を示す表である。

図２２は、実施例８のラインジェネレータによって、光源面から５メートル離れた平面を照射した場合の光の強度分布を示す図である。図２２のグラフの横軸は、光源から照射面に下した垂線の足から照射位置までの距離を示し、縦軸は、任意単位の光の強度を示す。

図２３は、実施例８のラインジェネレータ５００と照射面との関係を示す図である。

本実施例のラインジェネレータによれば、第１レンズ群の第１レンズ７０３の形状によって集光性を向上させ、第２レンズ群（第３レンズ７０７）によってラインの長手方向の光の強度を制御することができる。本実施例においては、ラインの中心部（上記の垂線の足）の光の強度を高め、ラインの長さを確保するために、中心部から離れるにしたがって、強度を緩やかに変化させている。

ここで、自由曲面の利点について一般的に説明する。

図２４は、ラインジェネレータと照射面との一般的な関係を示す図である。図２４の点Ａは、ラインジェネレータの光源から照射面に下した垂線の足の位置である。点Ｂは、点Ａから離れたライン上の点である。光源から点Ａに至る光線の光路長は、光源から点Ｂに至る光線の光路長よりも短い。このように光源からの出射角度によって照射面のライン上に至る点の光路長が異なるため、ライン全体を高精度にコリメートまたは集光するのは困難である。そこで、自由曲面を使用して焦点位置調整を行うことにより、平面または曲面である照射面上のラインの任意の点において、高精度に集光することが可能となる。

上記の実施例において、光源は半導体レーザを使用した。光源として、発光ダイオードまたは光ファイバを経由した光を使用してもよい。

１０１，２０１，３０１，４０１，５０１，６０１，７０１・・・・半導体レーザ光源
１０３，２０３，３０３，４０３，５０３，６０３，７０３・・・・第１レンズ
１０５，２０５，３０５，４０５，５０５，６０５，７０５・・・・第２レンズ
４０７，７０７・・・・第３レンズ

Claims

光源と、第１レンズ群と、第２レンズ群とを、含むラインジェネレータであって、前記光源から、第１レンズ群及び第２レンズ群の面にともに垂直に入射する光束の位置を光軸とし、第１レンズ群は、前記光源からの光束が、前記光軸に垂直な面内の第１の方向にコリメートを行なわずに、前記光軸に垂直な面内の第１の方向に直交する第２の方向にのみコリメートまたは集光して、ラインの幅を定めるように構成され、第２レンズ群は、第１レンズ群を通過した光束が、ラインを生成するように構成されたラインジェネレータ。
第１レンズ群の、前記光軸方向の位置を調整することによって、ラインの長手方向の強度分布を維持したまま、ラインの像面の位置を調整できるように構成された請求項１に記載のラインジェネレータ。
第２レンズ群の、前記光軸方向の位置を調整することによって、ラインの長手方向の強度分布を調整できるように構成された請求項１または２に記載のラインジェネレータ。
前記光源が半導体レーザであり、半導体レーザの鉛直方向（Fast-Axis FA）を第２の方向、前記半導体レーザの水平方向（Slow-Axis SA）を第１の方向とした請求項１から３のいずれかに記載のラインジェネレータ。
前記光源が半導体レーザであり、半導体レーザの鉛直方向（Fast-Axis FA）を第１の方向、前記半導体レーザの水平方向（Slow-Axis SA）を第２の方向とした請求項１から３のいずれかに記載のラインジェネレータ。
第１レンズ群及び第２レンズ群の少なくとも一面が、第１の方向及び第２の方向に軸対象な形状であり、中心部と外周部で第１の方向の焦点距離が異なる自由曲面を有する請求項１から５のいずれかに記載のラインジェネレータ。
少なくとも一つの自由曲面を有する位相板をさらに備えた請求項１から６のいずれかに記載のラインジェネレータ。