JP7066163B2 - Laser line generator - Google Patents
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Description
本発明は、レーザラインジェネレータに関する。 The present invention relates to a laser line generator.
測定対象物を非接触式で3次元計測したい場合、計測法の1つとして光切断法が挙げられる。光切断法は、対象物に直線状(ライン状)の光を投影し、投影された光の形状から対象物の3次元形状を求める計測法である。 When it is desired to perform three-dimensional measurement of a measurement object in a non-contact manner, an optical cutting method can be mentioned as one of the measurement methods. The light cutting method is a measurement method in which linear (line-shaped) light is projected onto an object and the three-dimensional shape of the object is obtained from the shape of the projected light.
このような光切断法で用いられるライン状の光を生成して出射するデバイスとして、例えば特許文献1記載のレーザラインジェネレータが挙げられる。
Examples of the device that generates and emits line-shaped light used in such an optical cutting method include the laser line generator described in
特許文献1記載のレーザラインジェネレータは、取り込んだ光を集光又は平行光にする入射面と、光を直線状に照射する楔状の出射面とを有する。更に、楔状の出射面の先端は円形の面取り形状に形成され、ガラス又は樹脂によりモールド成型で作製される。
The laser line generator described in
しかし特許文献1記載のレーザラインジェネレータでは、レーザ光源から直接コリメータや出射用レンズに光を入射させていた為、コリメータや出射用レンズと云った光学部品の直径によりレーザラインジェネレータの外径寸法が決定されてしまう。この様なコリメータや出射用レンズの外径は、6mm程度である。従って、3次元計測の対象物が小さく(例えば外形寸法が数mm程度の対象物)、且つレーザラインジェネレータを内視鏡用途等の小径(数mm程度)の装置に使用する場合、装置のチューブにレーザラインジェネレータを挿入する事が出来なかった。よって小形の対象物を光切断法で計測する事が不可能であった。
However, in the laser line generator described in
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、光切断法により小形の対象物の3次元計測を可能とする、レーザラインジェネレータの提供を目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a laser line generator capable of three-dimensional measurement of a small object by a light cutting method.
前記課題は、以下の本発明により解決される。即ち本発明のレーザラインジェネレータは、構成部品が少なくとも、GRINレンズ又はグレーデッドインデックス光ファイバと、光ファイバと、レーザ光透過体又はコアレス光ファイバであり、光ファイバがシングルモードファイバであり、GRINレンズ又はグレーデッドインデックス光ファイバの出射端側に、レーザ光透過体又はコアレス光ファイバが配置され、構成部品の光学面どうしが接合されており、光ファイバを除く構成部品の外径が全て同一であり、レーザ光が光ファイバの内部を伝搬され、光ファイバから伝搬された光がGRINレンズ又はグレーデッドインデックス光ファイバで平行光に変換され、レーザ光透過体又はコアレス光ファイバに、GRINレンズ又はグレーデッドインデックス光ファイバから平行光が入射され、平行光が入射されるレーザ光透過体又はコアレス光ファイバの端部と反対側の端部が楔形状の平面部を有し、更に楔形状の先端が曲面形状に成形されており、反対側の端部から平行光が直線状に、且つレーザ光透過体又はコアレス光ファイバの光軸方向へと出射される事を特徴とする。
The above problems are solved by the following invention. That is, in the laser line generator of the present invention, the components are at least a GRIN lens or a graded index optical fiber, an optical fiber , a laser light transmitter or a coreless optical fiber , and the optical fiber is a single mode fiber and a GRIN lens . Alternatively, a laser light transmitter or a coreless optical fiber is arranged on the emission end side of the graded index optical fiber, the optical surfaces of the components are joined to each other, and the outer diameters of the components except the optical fiber are all the same. , Laser light propagates inside the optical fiber, the light propagated from the optical fiber is converted to parallel light by the GRIN lens or graded index optical fiber, and the GRIN lens or graded to the laser light transmitter or coreless optical fiber. Parallel light is incident from the index optical fiber, and the end opposite to the end of the laser light transmitter or coreless optical fiber into which parallel light is incident has a wedge-shaped flat surface, and the wedge-shaped tip is curved. It is formed into a shape, and is characterized in that parallel light is emitted linearly from the opposite end and in the optical axis direction of a laser light transmitter or a coreless optical fiber .
本発明のレーザラインジェネレータに依れば、レーザ光の伝搬用光学部品に光ファイバを用いる事で、小形化が可能となる。従って、本出願のレーザラインジェネレータを用いる事で小形の対象物を光切断法で計測可能となる。 According to the laser line generator of the present invention, it is possible to reduce the size by using an optical fiber as an optical component for propagating laser light. Therefore, by using the laser line generator of the present application, it is possible to measure a small object by the optical cutting method.
本実施の形態の第一の特徴は、レーザラインジェネレータの構成部品が少なくとも、GRINレンズ又はグレーデッドインデックス光ファイバと、光ファイバと、レーザ光透過体又はコアレス光ファイバであり、光ファイバがシングルモードファイバであり、GRINレンズ又はグレーデッドインデックス光ファイバの出射端側に、レーザ光透過体又はコアレス光ファイバが配置され、構成部品の光学面どうしが接合されており、光ファイバを除く構成部品の外径が全て同一であり、レーザ光が光ファイバの内部を伝搬され、光ファイバから伝搬されたレーザ光がGRINレンズ又はグレーデッドインデックス光ファイバで平行光に変換され、レーザ光透過体又はコアレス光ファイバに、GRINレンズ又はグレーデッドインデックス光ファイバから平行光が入射され、平行光が入射されるレーザ光透過体又はコアレス光ファイバの端部と反対側の端部が楔形状の平面部を有し、更に楔形状の先端が曲面形状に成形されており、反対側の端部から平行光が直線状に、且つレーザ光透過体又はコアレス光ファイバの光軸方向へと出射される点である。
The first feature of this embodiment is that the components of the laser line generator are at least a GRIN lens or a graded index optical fiber, an optical fiber , a laser light transmitter or a coreless optical fiber , and the optical fiber is in a single mode. It is a fiber, and a laser light transmitter or a coreless optical fiber is arranged on the emission end side of a GRIN lens or a graded index optical fiber, and the optical surfaces of the components are joined to each other. All have the same diameter, the laser light propagates inside the optical fiber, the laser light propagated from the optical fiber is converted to parallel light by a GRIN lens or graded index optical fiber, and the laser light transmitter or coreless optical fiber. The end of the laser beam transmitter or coreless optical fiber to which parallel light is incident from the GRIN lens or graded index optical fiber and the end opposite to the end of the coreless optical fiber has a wedge-shaped flat surface portion. Further, the tip of the wedge shape is formed into a curved shape, and parallel light is emitted linearly from the opposite end portion in the optical axis direction of the laser light transmitter or the coreless optical fiber .
この構成に依れば、レーザ光の伝搬用光学部品に光ファイバを用いる事で、小形化が可能となる。従って、本実施形態のレーザラインジェネレータを用いる事で小形の対象物を光切断法で計測可能となる。 According to this configuration, it is possible to reduce the size by using an optical fiber as an optical component for propagating laser light. Therefore, by using the laser line generator of the present embodiment, it is possible to measure a small object by the optical cutting method.
更に、レーザラインジェネレータの構成部品を増加させる事で構成部品どうしの接合部分を多くし、レーザ光の伝搬方向に於ける1つの構成部品当たりの長手寸法を短縮する事が出来る。従って、光切断法による3次元計測の対象物が小形(例えば外形寸法が数mm程度の対象物)で、レーザラインジェネレータを内視鏡用途等の小径(数mm程度)の装置に使用する場合に、構成部品の折れや破損が防止可能なレーザラインジェネレータを実現する事が出来る。
Further , by increasing the number of components of the laser line generator, it is possible to increase the number of joints between the components and shorten the longitudinal dimension per component in the propagation direction of the laser beam. Therefore, when the object of 3D measurement by the optical cutting method is small (for example, the object with external dimensions of about several mm) and the laser line generator is used for a device with a small diameter (about several mm) such as for endoscopes. In addition, it is possible to realize a laser line generator that can prevent breakage and breakage of components.
本実施の形態の第二の特徴は、レーザ光の伝搬方向に対して垂直な方向に於ける構成部品の断面形状が円形で、外径が125μm以上2.0mm以下の点である。
The second feature of this embodiment is that the cross-sectional shape of the component in the direction perpendicular to the propagation direction of the laser beam is circular, and the outer diameter is 125 μm or more and 2.0 mm or less.
これら構成に依れば、レーザラインジェネレータの細径化が可能となるので、小形の対象物の光切断法計測により好適なレーザラインジェネレータを実現する事が出来る。 According to these configurations, the diameter of the laser line generator can be reduced, so that a suitable laser line generator can be realized by measuring the optical cutting method of a small object.
本実施の形態の第三の特徴は、構成部品に於けるレーザ光が伝搬する部分の屈折率に整合した接着剤によって、構成部品間の光学面どうしが接合されている点である。
The third feature of the present embodiment is that the optical surfaces of the components are joined to each other by an adhesive matching the refractive index of the portion of the component where the laser beam propagates.
この構成に依れば、構成部品間の光学面に於けるフレネル反射が防止され、戻り光及び迷光の発生を防止する事が出来る。 According to this configuration, Fresnel reflection on the optical surface between the components can be prevented, and the generation of return light and stray light can be prevented.
なお本発明に於いて「光学面」とは、構成部品間の境界面を指し、光学表面とも云う。 In the present invention, the "optical surface" refers to a boundary surface between components and is also referred to as an optical surface.
本実施の形態の第四の特徴は、構成部品がスリーブで保持される点である。
The fourth feature of this embodiment is that the components are held by the sleeve.
この構成に依れば、レーザラインジェネレータの構成部品を保持する事が可能となり、小径な装置のチューブの中にレーザラインジェネレータを挿入する際の、チューブとレーザラインジェネレータの構成部品との接触が防止され、構成部品の破損も防止出来る。更に、レーザラインジェネレータの構成部品がスリーブで保持される事で、構成部品どうしの光軸を一致させる事が可能となり、レーザラインジェネレータの組み立てが容易となる。 According to this configuration, it is possible to hold the components of the laser line generator, and when the laser line generator is inserted into the tube of a small-diameter device, the contact between the tube and the components of the laser line generator is established. It is prevented and damage to components can be prevented. Further, since the components of the laser line generator are held by the sleeve, the optical axes of the components can be aligned with each other, and the assembly of the laser line generator becomes easy.
本実施の形態の第五の特徴は、直線状に出射される平行光のファンアングルが60°±30°であり、光強度が中央部と端部で異なると共に、中央部の光強度が最大光強度値の70%以上100%未満の点である。
The fifth feature of this embodiment is that the fan angle of the parallel light emitted in a straight line is 60 ° ± 30 °, the light intensity differs between the central part and the end part, and the light intensity in the central part is the maximum. It is a point of 70% or more and less than 100% of the light intensity value.
この構成に依れば、小形の対象物の光切断法計測により好適なファンアングルを設定する事が可能である。更にそのファンアングルに於けるレーザ光の光強度に、バラツキの発生を許容する事も出来る。従って、レーザラインジェネレータの製造の容易化と量産性の向上、及び歩留まりの改善を達成する事が可能となる。 According to this configuration, it is possible to set a suitable fan angle by measuring the optical cutting method of a small object. Further, it is possible to allow the occurrence of variation in the light intensity of the laser beam at the fan angle. Therefore, it is possible to facilitate the manufacture of the laser line generator, improve mass productivity, and improve the yield.
以下、本発明の実施の形態について、図1~図7を参照して説明する。本実施形態のレーザラインジェネレータ1は、図1に示す様に少なくとも、GRINレンズ又はグレーデッドインデックス光ファイバ3と、光ファイバ2の構成部品から成る。更に図1の形態では、構成部品として更にフェルール4及びレーザ光出射部5を有する。更に、各構成部品の光学面どうしは、接着剤又は融着により接合されている。なお本実施形態に於いて「光学面」とは、構成部品間の境界面を指し、光学表面とも云う。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 7. As shown in FIG. 1, the
図1より、光ファイバ2のレーザ光入射側端部(図1(b)又は(c)の左側)には、図示しない光源が配置され、その光源からレーザ光が入射される。光源はレーザダイオード(LD:Laser Diode)と云った半導体レーザ素子であり、波長としては光切断法による3次元計測用として405nm~1620nm等が挙げられる。
From FIG. 1, a light source (not shown) is arranged at the end of the
光ファイバ2は、コア及びコアの屈折率より低い屈折率を有するクラッドから成り、クラッドがコアの周囲を囲む事で構成される。更に光ファイバ2は、シングルモード(SM:Single Mode)型の光ファイバであり、例えば石英系光ファイバを用いる事が出来る。光源から光ファイバ2のレーザ光入射側端部にレーザ光が入射され、入射されたレーザ光が光ファイバ2の図示しないコア内部を伝搬していく。なおクラッドの外径は125μmであり、更にクラッドの周囲には被覆が施されている。図1に示す光ファイバ2の光軸oa方向の長さL2は、任意の長さに設定可能である。また光ファイバ2としては、クラッド外径が80μmのシングルモード型光ファイバを使用しても良い。
The
フェルール4は、中心軸(即ち光軸oa)上に貫通孔が設けられた円筒部品であり、ジルコニア(ZrO2)やアルミナを主成分とするセラミックス、ステンレス(SUS)等の金属、石英、又は液晶ポリマ(LCP)等のプラスチック等から成る。その貫通孔に被覆が除去された光ファイバ2部分が挿入されている。従って、前記光ファイバ2の長さL2とは、光ファイバ2の一端側からフェルール4に挿入される端部までの長さと云える。
フェルール4の光軸oa方向の長さL4は、約6.0mm等に設定可能である。更にフェルール4の外径は、1.0mm以上2.0mm以下に設定される。
The length L4 of the
更に、フェルール4の端部及びフェルール4内部に挿入されている光ファイバの端部に、GRINレンズ又はグレーデッドインデックス光ファイバ3が接合されている。光ファイバ2を伝搬したレーザ光は、GRINレンズ又はグレーデッドインデックス光ファイバ3に入射され、GRINレンズ又はグレーデッドインデックス光ファイバ3の内部で平行光に変換される。GRINレンズ3は、その屈折率が中央部(光軸oa)に近づくにつれて高くなる様に連続的に異なる、円筒形状のラジアル屈折率分布型(GRIN:GRadient INdex)のレンズである。また、その外径は1.0mm以上2.0mm以下に設定される。
Further, a GRIN lens or a graded index
GRINレンズのレンズ長(即ち、光軸oa方向の長さL3)を0.25Pとした場合(P:GRINレンズのピッチ)、又は0.25Pの奇数倍に設定した場合、光ファイバ2から入射されたレーザ光は平行光に変換されて、レーザ光出射部5に入射される。よって、レーザ光が広がることなくレーザ光出射部5に光学的に結合されるので、光伝搬効率の低下を抑制することが可能となる。なお前記L3は一例として、約2.6mmに設定可能である。また、GRINレンズからレーザ光出射部5に入射される際のレーザ光のビームウエスト(Beam Waist)直径2ω(図5参照)は約0.1mmに設定される。
When the lens length of the GRIN lens (that is, the length L3 in the optical axis oa direction) is set to 0.25P (P: GRIN lens pitch), or when it is set to an odd multiple of 0.25P, the light is incident from the
また前記GRINレンズに換えてグレーデッドインデックス(GI:Graded Index)光ファイバに置き換えても良い。グレーデッドインデックス光ファイバは、クラッド、及び中心の屈折率が高く、外側に向かって緩やかに低くなるように屈折率分布を調整したコアから構成される。グレーデッドインデックス光ファイバ3を用いる場合の前記長さL3は、グレーデッドインデックス光ファイバのコア内を伝搬するレーザ光の蛇行周期の4分の1、或いは4分の1の奇数倍に設定すれば良い。一例として、コア径105μm、クラッド外径が125μmのグレーデッドインデックス光ファイバの場合、L3は0.63mmに設定される。また、グレーデッドインデックス光ファイバの外径は125μmである。以降、必要に応じてグレーデッドインデックス光ファイバを、GIFと記載する。
Further, the GRIN lens may be replaced with a graded index (GI) optical fiber. The graded index optical fiber is composed of a clad and a core whose refractive index distribution is adjusted so that the refractive index at the center is high and gradually decreases toward the outside. When the graded index
更にGRINレンズ又はGIF3の出射端側(図1(b)又は(c)での、GRINレンズ又はGIF3の右側端部)には、円柱状の前記レーザ光出射部5が接合されて配置される。レーザ光出射部5は、屈折率が均一(屈折率分布が平坦)なガラスから成る、レーザ光透過体又はコアレス光ファイバで構成される。またレーザ光出射部5の外径は、125μm以上2.0mm以下に設定される。
Further, the columnar laser
前記GRINレンズ又はGIF3から、レーザ光出射部5であるレーザ光透過体又はコアレス光ファイバに平行光が入射される。平行光が入射されるレーザ光透過体又はコアレス光ファイバの端部と反対側の端部に、図2及び図5に示す様に、光軸oaに対して線対称に2つの平面部5a、5aが形成され、2つの平面部5a、5aによってレーザ光出射部5の端部が楔形状に成形されている。更に楔形状の先端(2つの平面部5a、5aどうしで形成される峰部分)が、任意の曲率半径R5bで以て曲面形状に成形されて、曲面部5bが2つの平面部5a、5aとそれぞれ面続きに形成されている。
From the GRIN lens or GIF3, parallel light is incident on the laser light transmitter or the coreless optical fiber which is the laser
図2(b)及び(c)より曲面部5bは、図2(c)の奥行き方向で見た時に、曲率半径R5bにより形成されている。更に図2(b)の奥行き方向(即ち図2(c)での図示方向)で見た時には曲面部5bの先端は、光軸oaに対して垂直方向に直線状に形成されている。従って曲面部5bは部分的な円柱形状で、且つ2つの平面部5a、5aと面続きに成形されている。
From FIGS. 2 (b) and 2 (c), the
2つの平面部5a、5a及び曲面部5bは、研磨加工又はCO2レーザ等による加工で形成される。また、2つの平面部5a、5aの形成角度θ5a(図2(b)参照)は、GRINレンズ又はGIF3から出射されるレーザ光及び所望のライン拡がり角に応じて、約60°~110°、曲率半径R5bは約5.0μm~1.0mmに、それぞれ設定される。
The two
GRINレンズ又はGIF3の内部を伝搬し、レーザ光出射部5に入射された平行光は、図5及び図6に示す様にレーザ光出射部5の端部から直線状のレーザ光として出射される。GRINレンズ又はGIF3から入射した平行光は、レーザ光出射部5を透過する際に直線状に拡がって出射される。なお図5では、GRINレンズ又はGIF3から入射した平行光を説明の便宜上、6つの光路7a、7b、7c、7d、7e、7fに代表して図示している。また図6では、レーザ光出射部5に伝搬した後からのレーザ光のみ図示している。
The parallel light propagating inside the GRIN lens or GIF3 and incident on the laser
図5より、平面部5a、5aに入射したレーザ光7a、7b、7e、7fは、平面部5a、5a上でスネルの法則に従って屈折されて、照射面8に照射される。同様に、曲面部5bに入射したレーザ光7c、7dは、曲面部5b上で屈折してそれぞれ照射面8に照射される。この場合、平面部5a、5aと曲面部5bとの境目で出射されるレーザ光(図5の場合、7bと7e)が、直線状に出射されるレーザ光の照射面8上での幅WLを決める要因となる。更に幅WLを決める要因として、図5に示す様にレーザ光出射部5の先端から照射面8までの距離ZLも挙げられる。
From FIG. 5, the
従って図6の様に巨視的に見た場合、図6(b)に示す様にレーザ光は望ましくは一定の幅で、且つ直交する方向では図6(a)に示す様に拡がり角(ファンアングル:Fan angle)θで以て、直線状に出射される。出射されて照射面8上に直線状のレーザ光が照射される事で、対象物に直線状のレーザ光が投影され、光切断法による3次元計測が可能となる。なお、図5では照射面8を平面としているが、3次元計測の対象物の外形形状に応じた凹凸面や曲面等種々の面にも直線状のレーザ光は照射可能である。
Therefore, when viewed macroscopically as shown in FIG. 6, the laser beam preferably has a constant width as shown in FIG. 6 (b), and the spread angle (fan) as shown in FIG. 6 (a) in the orthogonal direction. Angle: Fan angle) θ is emitted in a straight line. By being emitted and irradiating the
レーザラインジェネレータ1を、外形寸法が数mm程度の小形対象物の光切断法計測に用いる場合、前記ZLを20mm~50mmに設定した時にはファンアングルθを60°±30°に設定する事が、小形の対象物全体の光切断法計測により好適なファンアングルが設定可能となる。その理由として、ZLが20mm~50mmの時、ファンアングルθを60°±30°に設定する事で、外形寸法が数mm程度の小形対象物の全幅を直線状のレーザ光で照射可能となる為である。
When the
更に図7に、レーザラインジェネレータ1から出射された直線状のレーザ光に於ける前記幅WLでの、光強度分布を模式的に示す。図7に示す様に、光強度の分布が中央部と端部で異なると共に、レーザラインジェネレータ1の設計によっては中央部の光強度が最大光強度値の70%以上100%未満である事を、本実施形態では許容している。本実施形態では、どちらかの端部又は両端部での光強度が最大光強度値となる。その最大光強度値に対して、中央部の光強度が相対的に低下する事を、本出願人は検証の上、確認した。
Further, FIG. 7 schematically shows the light intensity distribution at the width WL in the linear laser light emitted from the
幅WLに亘って一様な光強度値となる光強度分布が、光切断法による3次元計測への使用を考えると望ましい。しかし、実際にはレーザラインジェネレータ1の製造の段階で、2つの平面部5aどうしの線対称度合いや、曲面部5aの曲率半径R5bにバラツキが発生してしまう。そこで本出願人は、外形寸法が数mm程度の小形対象物をファンアングルθ=60°±30°で照射した際の光切断法による3次元計測を実測し、測定された対象物の形状と実際の対象物の形状を比較した。その結果、光強度が中央部と端部で異なったとしても、中央部の光強度が最大光強度値の70%以上100%未満の範囲内であれば、外形寸法が数mm程度の小形対象物ならば外形形状の変化が正確に求められる事を見出した。
It is desirable that the light intensity distribution, which has a uniform light intensity value over the width WL, is considered for use in three-dimensional measurement by the light cutting method. However, in reality, at the stage of manufacturing the
従って、中央部の光強度が最大光強度値の70%以上100%未満の範囲内であれば、測定対象物の外形寸法が数mm程度の時、ファンアングルθ=60°±30°に於けるレーザ光の光強度に、バラツキの発生を許容出来る事を、本出願人は検証の上見出した。従って、レーザラインジェネレータ1の製造の容易化と量産性の向上、及び歩留まりの改善を達成する事が可能となる。
Therefore, if the light intensity in the central part is within the range of 70% or more and less than 100% of the maximum light intensity value, when the external dimension of the object to be measured is about several mm, the fan angle θ = 60 ° ± 30 °. The applicant has found that it is possible to tolerate the occurrence of variation in the light intensity of the laser beam. Therefore, it is possible to facilitate the manufacture of the
一方、中央部の光強度が最大光強度値の70%未満まで光強度のバラツキが大きくなると、外形寸法が数mm程度の光切断3次元計測では、読み取ったパターン形状と実際の測定物の外形形状に差異が生じてしまい、対象物の外形形状の変化が正確に求められなくなる事も、本出願人は検証の上確認した。 On the other hand, when the variation in light intensity becomes large until the light intensity in the central part is less than 70% of the maximum light intensity value, the read pattern shape and the outer shape of the actual measured object are measured in the optical cutting 3D measurement with an external dimension of about several mm. The applicant has also confirmed through verification that the change in the outer shape of the object cannot be accurately obtained due to the difference in the shape.
レーザ光出射部5の光軸oa方向の長さL5は、約0.5~3.0mm等に設定可能である。なおL5とは、GRINレンズ又はGIF3に接合されている端部から、曲面部5bの先端(即ち、前記レーザ光出射部5の先端)までの光軸oa方向の長さを指すものとする。
The length L5 of the laser
レーザラインジェネレータ1では、レーザ光の伝搬方向(光軸oaに平行な方向)に対して垂直な方向に於ける各構成部品の断面形状が円形で、且つ外径が125μm以上2.0mm以下の範囲内に収まる様に設定する事とする。更に光ファイバ2を除く各構成部品の外径は全て同一の値に設定する事が、より好ましい。この様に外径を設定する事で、レーザラインジェネレータの細径化が可能となり、前記小形の対象物の光切断法計測に、より好適なレーザラインジェネレータを実現する事が出来る。特に前記外径の上限を2.0mm以下に設定する事により、小径の装置のチューブにレーザラインジェネレータ1を容易に挿入可能となり、好ましい。
In the
更にレーザラインジェネレータ1では、各構成部品に於けるレーザ光が伝搬する部分の屈折率に整合した接着剤(光学接着剤)によって、構成部品間の光学面どうしを接合している。詳述すると、レーザ光が伝搬する部分である、光ファイバ2のコアの屈折率、GRINレンズ又はGIF3のレーザ光伝搬部分、及びレーザ光出射部5の屈折率が整合する場合、そのレーザ光が伝搬する部分の屈折率と整合する屈折率を有する接着剤によって、各光学面どうしを接合している。従って、構成部品間の光学面に於けるフレネル反射が防止され、戻り光及び迷光の発生を防止する事が出来る。
Further, in the
接着剤としては、紫外線や赤外線と云った光を照射することにより、その場で重合硬化するような光硬化性樹脂から成る接着剤を使用する事が好ましい。その理由として光硬化性樹脂から成る接着剤を使用する事により、フェルール4の貫通孔内部で光ファイバ2の位置を調芯しながら光を照射して、光硬化性樹脂を硬化させて光ファイバ2を固定する事が可能となる為である。従って、光ファイバ2の光学的な調芯作業が簡略化可能であり、より短時間で作業を完了させる事が出来る。なお光硬化性樹脂が硬化する光とは、波長範囲が200nm以上1400nm以下の範囲内である光を指すものとする。
As the adhesive, it is preferable to use an adhesive made of a photocurable resin that can be polymerized and cured on the spot by irradiating with light such as ultraviolet rays or infrared rays. The reason is that by using an adhesive made of a photocurable resin, light is irradiated while aligning the position of the
また光学接着剤を使用する際、構成部品のレーザ光伝搬部分の屈折率が、光学接着剤の屈折率と整合しない場合、構成部品の光学面に光学接着剤等の屈折率に整合した反射防止膜を形成すれば良い。 When using an optical adhesive, if the refractive index of the laser beam propagating portion of the component does not match the refractive index of the optical adhesive, the optical surface of the component has antireflection that matches the refractive index of the optical adhesive or the like. A film may be formed.
なお前記接着剤による接合に代えて、融着により構成部品間の光学面どうしを接合しても良い。接着剤又は融着と云った接合方法を問わず、各構成部品を順次接合後に所望の長さ(L3、L4、L5)で切断すれば良い。 Instead of joining with the adhesive, the optical surfaces between the components may be joined by fusion. Regardless of the joining method such as adhesive or fusion, each component may be sequentially joined and then cut to a desired length (L3, L4, L5).
好ましくは、レーザラインジェネレータ1の各構成部品の外径は、光ファイバ2を伝搬する際のレーザ光の、ビームウエスト径の2倍以上が望ましい。その理由として、ビームウエストの2倍以上の外径がないと、レーザ光のガウス分布の裾野部分が伝搬されずに落とされてしまい、回折の影響によりレーザ光の形状が、ガウス分布から崩れてしまう為である。
Preferably, the outer diameter of each component of the
更に、光ファイバ2を除くレーザラインジェネレータ1の構成部品は、スリーブで保持される。スリーブとしては、図3に示す様に外形形状が円筒形で、更に周側面の一部が切り欠かれている、割りスリーブ6がより好ましい。更に割りスリーブ6の外径D6は5.0mm以下に設定するものとする。前記構成部品をスリーブで保持する事により、レーザラインジェネレータ1の構成部品を保持する事が可能となり、小径な装置のチューブの中にレーザラインジェネレータ1を挿入する際の、チューブとレーザラインジェネレータ1の構成部品との接触が防止され、構成部品の破損も防止出来る。
Further, the components of the
更に、レーザラインジェネレータ1の構成部品をスリーブで保持する事で、自動的に構成部品どうしの光軸を一致させる事が可能となる。従って、レーザラインジェネレータ1の組み立てが容易となる。
Further, by holding the component of the
スリーブはジルコニアやアルミナを主成分とするセラミックスやその他材料等から形成され、更に割りスリーブ6で形成される事で、スリーブに弾性を持たせて径方向への膨らみ変形が可能となる。従って、割りスリーブ6の貫通孔に前記構成部品を挿入すると、各構成部品の外径寸法に従って拡がり、各構成部品の外周に密着しながら装着されていく。
The sleeve is formed of ceramics containing zirconia or alumina as a main component, other materials, or the like, and is further formed by the
更に外径D6を5.0mm以下に設定する事で、スリーブを含めたレーザラインジェネレータ1の外径を小形化出来るので、小径な装置のチューブの中にスリーブを装着したレーザラインジェネレータ1を挿入する事が出来る。更にスリーブ外径を5.0mm以下に細径化する事により、小形の対象物の光切断法計測により好適なレーザラインジェネレータを実現する事が出来る。
Furthermore, by setting the outer diameter D6 to 5.0 mm or less, the outer diameter of the
なおスリーブ全体を黒く着色して、レーザラインジェネレータ1の構成部品からの漏れ光を吸収しても良い。
The entire sleeve may be colored black to absorb the leaked light from the components of the
以上、本実施形態に係るレーザラインジェネレータ1に依れば、レーザ光の伝搬用光学部品に光ファイバ2を用いる事で、小形化が可能となる。従って、本実施形態のレーザラインジェネレータ1を用いる事で小形の対象物を光切断法で計測可能となる。
As described above, according to the
更に、構成部品としてレーザ光透過体又はコアレス光ファイバを有する様に構成する事で、レーザラインジェネレータ1の構成部品を増加させ、構成部品どうしの接合部分を多くして、レーザ光の伝搬方向に於ける1つの構成部品当たりの長手寸法(L2、L3、L4、L5)を短縮する事が出来る。従って、光切断法による3次元計測の対象物が小形(例えば外形寸法が数mm程度の対象物)で、且つレーザラインジェネレータを内視鏡用途等の小径(数mm程度)の装置に使用する場合に、構成部品の折れや破損が防止可能なレーザラインジェネレータ1を実現する事が出来る。
Further, by configuring the
なお、本実施形態は本発明の技術的思想に基づいて種々変更可能である。例えば、本発明に係る別の実施形態として、図10及び図11に示すレーザラインジェネレータ9が挙げられる。レーザラインジェネレータ9が前記レーザラインジェネレータ1と異なる点は、レーザ光出射部5を廃すると共に、GRINレンズ又はGIF3の端部に図10及び図11に示す様に2つの平面部3a、3aと、曲面部3bを形成しても良い。
The present embodiment can be variously modified based on the technical idea of the present invention. For example, another embodiment of the present invention includes the
2つの平面部3a、3aは、5aと同様に形成角度θ3aで光軸oaに対して線対称に形成される。従って、GRINレンズ又はGIF3の端部は楔形状に成形される。θ3aはθ5aと同様、約60°~110°に設定可能である。
The two
更に楔形状の先端(2つの平面部3a、3aどうしで形成される峰部分)が、任意の曲率半径R3bで以て曲面形状に成形されて、曲面部3bが2つの平面部3a、3aとそれぞれ面続きに形成される。曲率半径R3bはR5bと同様、約5.0μm~1.0mmに設定可能である。2つの平面部3a、3a及び曲面部3bも、研磨加工又はCO2レーザ等による加工で形成される。
Furthermore, the tip of the wedge shape (the peak portion formed by the two
光ファイバ2の内部を伝搬したレーザ光は、GRINレンズ又はGIF3内部を伝搬して平行光に変換され、図5及び図6に示したと同様に、GRINレンズ又はGIF3の端部から直線状のレーザ光として出射される。レーザラインジェネレータ9から出射された直線状のレーザ光に於ける幅WLでの光強度分布も、図7のように模式的に示される。
The laser light propagating inside the
以下に本発明に係る各実施例を説明するが、本発明は以下の実施例にのみ限定されるものではない。 Each embodiment of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following examples.
本実施例では、図1に示す構成部品から成るレーザラインジェネレータ1を作製し、出射される直線状のレーザ光を観察した。各構成部品間の光学面どうしは、紫外光(波長200nm~400nm)により硬化する樹脂製の光学接着剤で接合した。また光学接着剤の屈折率は、光ファイバ2のコアの屈折率、GRINレンズ3の中心屈折率、及びレーザ光出射部5の屈折率と整合な物を用いた。なお、円筒型のスリーブをフェルール4、GRINレンズ3、及びレーザ光出射部5に装着した。
In this embodiment, a
光ファイバ2は石英製のSM型光ファイバとし、更にクラッドの周囲には被覆が直径250μmに亘って施されているものを使用した。またL2は500mmに設定した。LDから入射されるレーザ光の波長は600~630nmとした。なお、光ファイバ2のモードフィールド径(MFD)はφ4.0μmである。
The
フェルール4はZrO2製で、L4を6.0mmに設定すると共に、外径を1.0mmに設定した。
The
GRINレンズ3に入射したレーザ光を平行光に変換するレンズ長L3として、2.6mmとした。また外径は1.0mmに設定すると共に、図5に示した2ωは0.1mmに設定した。
The lens length L3 for converting the laser light incident on the
レーザ光出射部5には、外径1.0mmの石英ガラス製円柱ガラス体を用いた。GRINレンズが接合された端部と反対側の端部には、光軸oaに対して線対称にθ5a=90°で以て、2つの平面部5a、5aを楔状に形成した。更に曲面部5bをR5b=30μmで以て、2つの平面部5a、5aとそれぞれ面続きに形成した。また、L5を3.0mmに設定した。
A quartz glass columnar glass body having an outer diameter of 1.0 mm was used for the laser
照射面8として、幅490mm(49cm)の平板状の板材を用意し、その平面上に直線状のレーザ光をレーザラインジェネレータ1から出射させて観察した。なお、ZL=200mm、ファンアングルθ=60°とした。
A flat plate having a width of 490 mm (49 cm) was prepared as the
図8に本実施例に係るレーザラインジェネレータから出射されて観察された、直線状のレーザ光を写した画像を示す。図8よりWL=約485mm(48.5cm)の直線状レーザ光が出射されている事を確認した。更に図9には、図8に示したレーザ光の幅WLに亘る光強度分布グラフを示す。図9より、図8中の両端部寄りでの光強度が最大光強度値に成ると共に、中央部の光強度が最大光強度値の約82%である事が確認された。 FIG. 8 shows an image of a linear laser beam emitted from the laser line generator according to the present embodiment and observed. From FIG. 8, it was confirmed that a linear laser beam having a WL = about 485 mm (48.5 cm) was emitted. Further, FIG. 9 shows a light intensity distribution graph over the width WL of the laser beam shown in FIG. From FIG. 9, it was confirmed that the light intensity near both ends in FIG. 8 became the maximum light intensity value, and the light intensity in the central part was about 82% of the maximum light intensity value.
1、9 レーザラインジェネレータ
2 光ファイバ
3 GRINレンズ又はグレーデッドインデックス光ファイバ
3a、5a 平面部
3b、5b 曲面部
4 フェルール
5 レーザ光出射部
6 割りスリーブ
7a、7b、7c、7d、7e、7 レーザ光
8 照射面
D6 割りスリーブの外径
L2 光ファイバの長さ
L3 GRINレンズ又はグレーデッドインデックス光ファイバの長さ
L4 フェルールの長さ
L5 レーザ光出射部の長さ
oa 光軸
R3b、R5b 曲面部の曲率半径
WL 直線状に出射されたレーザ光の距離ZLに於ける幅
ZL レーザ光出射部の先端から照射面までの距離
θ ファンアングル
θ3a、θ5a 平面部の形成角度
2ω ビームウエスト直径
1, 9
3a, 5a flat surface
3b, 5b
7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7
Outer diameter of D6 split sleeve
L2 optical fiber length
Length of L3 GRIN lens or graded index fiber optic
L4 ferrule length
Length of L5 laser beam emitting part
oa optical axis
R3b, R5b Radius of curvature of curved surface
WL The width of the laser beam emitted in a straight line at the distance ZL
Distance from the tip of the ZL laser beam emitting part to the irradiation surface θ Fan angle θ3a, θ5a Formation angle of the flat surface part
2ω beam waist diameter
Claims (5)
前記光ファイバがシングルモードファイバであり、
前記GRINレンズ又はグレーデッドインデックス光ファイバの出射端側に、前記レーザ光透過体又は前記コアレス光ファイバが配置され、
前記構成部品の光学面どうしが接合されており、
前記光ファイバを除く前記構成部品の前記外径が全て同一であり、
レーザ光が前記光ファイバの内部を伝搬され、
前記光ファイバから伝搬された前記レーザ光が前記GRINレンズ又はグレーデッドインデックス光ファイバで平行光に変換され、
前記レーザ光透過体又は前記コアレス光ファイバに、前記GRINレンズ又はグレーデッドインデックス光ファイバから前記平行光が入射され、
前記平行光が入射される前記レーザ光透過体又は前記コアレス光ファイバの端部と反対側の端部が楔形状の平面部を有し、更に前記楔形状の先端が曲面形状に成形されており、
前記反対側の端部から前記平行光が前記直線状に、且つ前記レーザ光透過体又は前記コアレス光ファイバの光軸方向へと出射されるレーザラインジェネレータ。 The components of the laser line generator are at least a GRIN lens or graded index optical fiber, an optical fiber , a laser light transmitter or a coreless optical fiber .
The optical fiber is a single mode fiber and
The laser light transmitter or the coreless optical fiber is arranged on the emission end side of the GRIN lens or the graded index optical fiber.
The optical surfaces of the components are joined together,
The outer diameters of the components except the optical fiber are all the same.
Laser light is propagated inside the optical fiber and
The laser light propagated from the optical fiber is converted into parallel light by the GRIN lens or the graded index optical fiber.
The parallel light is incident on the laser light transmitter or the coreless optical fiber from the GRIN lens or the graded index optical fiber.
The end of the laser light transmitter or the coreless optical fiber on which the parallel light is incident has a wedge-shaped flat surface portion, and the wedge-shaped tip is formed into a curved shape. ,
A laser line generator in which the parallel light is emitted linearly from the opposite end portion in the optical axis direction of the laser light transmitter or the coreless optical fiber .
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