(57)【要約】【課題】基準位置を示す基準ビームを出射する基準ビーム出射装置において、基準ビームのスポット径の微細化と、微細なスポット径が維持される範囲の拡大との双方を実現することが可能な技術を実現する。【解決手段】基準ビーム出射装置１は、光軸を基準とする径方向における光の振幅分布がベッセル関数状となるように基準ビームＢを生成する基準ビーム生成部１０と、基準面に取り付けられる取付面２１を有する取付部２０と、基準ビーム生成部１０と取付部２０とを連結する連結部３０と、を備える。連結部３０は、取付面２１の姿勢にかかわらず重力の向きを基準として定まる方向に基準ビームＢが出射されるように、又は、取付面２１の向きを基準として定まる方向に基準ビームＢが出射されるように、基準ビーム生成部１０と取付部２０とを連結している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準面に取り付けられた状態で、基準位置を示す光ビームである基準ビームを出射する基準ビーム出射装置であって、
光軸を基準とする径方向における光の振幅分布がベッセル関数状となるように前記基準ビームを生成する基準ビーム生成部と、
前記基準面に取り付けられる取付面を有する取付部と、
前記基準ビーム生成部と前記取付部とを連結する連結部と、を備え、
前記連結部は、前記取付面の姿勢にかかわらず重力の向きを基準として定まる方向に前記基準ビームが出射されるように、又は、前記取付面の向きを基準として定まる方向に前記基準ビームが出射されるように、前記基準ビーム生成部と前記取付部とを連結している、基準ビーム出射装置。
【請求項２】
前記基準ビーム生成部は、前記径方向における光の振幅分布が０次のベッセル関数状となるように前記基準ビームを生成する、請求項１に記載の基準ビーム出射装置。
【請求項３】
前記基準ビーム生成部は、光源と、前記光源の側から入射される光を回折させて前記基準ビームを生成する基準ビーム生成素子と、を備え、
前記光源と前記基準ビーム生成素子との間の光路上に、他の光学素子が配置されておらず、又は、前記光源と前記基準ビーム生成素子との間の光路上に、２枚以下のレンズを有するレンズ光学系のみが配置されている、請求項１又は２に記載の基準ビーム出射装置。
【請求項４】
前記光源と前記基準ビーム生成素子との間の光路上に前記レンズ光学系が配置され、
前記レンズ光学系は、球面収差を補正するレンズを用いて、前記基準ビーム生成素子の側に平面波状の光を出射するように構成されている、請求項３に記載の基準ビーム出射装置。
【請求項５】
前記基準ビーム生成部は、光源と、前記光源の側から入射される光から前記基準ビームを生成する基準ビーム生成素子と、を備え、
前記光源の波長をλ［ｍ］、前記基準ビーム生成素子の有効径をＤ［ｍ］、前記基準ビーム生成素子から出射される光の円錐状波面の進行方向と、前記光軸との交差角をθ［ｒａｄ］、前記基準ビームの焦点深度をδ［ｍ］、前記基準ビームのスポット径をγ［ｍ］とした下記の式、
λ／（２γ）≦θ≦Ｄ／（２δ）
を満たしている、請求項１から４のいずれか一項に記載の基準ビーム出射装置。
【請求項６】
前記交差角が０．００５［ｒａｄ］以下である、請求項５に記載の基準ビーム出射装置。
【請求項７】
前記基準ビーム生成部は、光源と、前記光源の側から入射される光を回折させて前記基準ビームを生成する基準ビーム生成素子と、を備え、
前記基準ビーム生成素子は、前記光軸に沿う方向における複数の位置に、前記基準ビーム生成素子からの距離に応じて異なる像を結像させるように構成されている、請求項１から６のいずれか一項に記載の基準ビーム出射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基準面に取り付けられた状態で、基準位置を示す光ビームである基準ビームを出射する基準ビーム出射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のような基準ビーム出射装置の一例が、特開２０１８−６６７１５号公報（特許文献１）に開示されている。以下、背景技術の説明において括弧内に示す符号は特許文献１のものである。特許文献１に記載のレーザ下げ振り器（１００）は、柱（５）や壁等の測定面（４）に取り付けられた状態で、鉛直方向の下向きにレーザ光（１８）を出射するように構成されている。そして、特許文献１には、測定面（４）に取り付けられた位置検出装置（２００）の受光面（１９）における、レーザ光（１８）の照射位置を検出することで、測定面（４）の鉛直度を測定することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−６６７１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、基準ビームのスポット径を微細なものとすることで、基準ビームが示す基準位置の精度（特許文献１では、受光面で検出されるレーザ光の照射位置の精度）を高めることができる。基準ビームのスポット径の微細化は、例えば、光源から出射された光をレンズで集光することで実現可能である。しかしながら、このようにレンズで光を集光する場合、基準ビームの伝搬方向における特定の位置において基準ビームのスポット径を微細なものとすることができるものの、微細なスポット径が維持される有効範囲（焦点深度）は、スポット径が小さくなるに従って狭くなる。具体的には、有効範囲を、ビーム径がスポット径の最小値の√２倍以下に維持される範囲とすると、有効範囲は、基準ビームのスポット径の２乗に比例するように、スポット径の低下に応じて狭くなる。基準ビーム出射装置の応用上、有効範囲を広く確保できることが求められるが、レンズで光を集光する場合には、スポット径の微細化と有効範囲の拡大との間にはこのようにトレードオフの関係があり、これらの双方を実現することは困難である。特許文献１には、この点についての記載はない。
【０００５】
そこで、基準位置を示す基準ビームを出射する基準ビーム出射装置において、基準ビームのスポット径の微細化と、微細なスポット径が維持される範囲の拡大との双方を実現することが可能な技術の実現が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示に係る基準ビーム出射装置は、基準面に取り付けられた状態で、基準位置を示す光ビームである基準ビームを出射する基準ビーム出射装置であって、光軸を基準とする径方向における光の振幅分布がベッセル関数状となるように前記基準ビームを生成する基準ビーム生成部と、前記基準面に取り付けられる取付面を有する取付部と、前記基準ビーム生成部と前記取付部とを連結する連結部と、を備え、前記連結部は、前記取付面の姿勢にかかわらず重力の向きを基準として定まる方向に前記基準ビームが出射されるように、又は、前記取付面の向きを基準として定まる方向に前記基準ビームが出射されるように、前記基準ビーム生成部と前記取付部とを連結している。
【０００７】
上記の構成では、基準ビーム出射装置が、光軸を基準とする径方向における光の振幅分布がベッセル関数状となるように基準ビームを生成する基準ビーム生成部を備えるため、ベッセルビームに近似した近似ベッセルビーム（疑似ベッセルビーム）が、基準位置を示す基準ビームとして出射される基準ビーム出射装置を実現することができる。この際、基準ビーム出射装置が備える連結部の作用により、基準ビームとしての近似ベッセルビームは、基準位置を示すための適切な方向に出射される。
近似ベッセルビームは、光軸に向かって収束する円錐状波面を有する光によって生成することができ、その中心スポット（セントラルローブ）の径は、円錐状波面の進行方向と光軸との交差角を調整することで、所望する程度に小さくすることが可能である。また、円錐状波面における互いに異なる方向から光軸に向かう波面同士が干渉する干渉領域においては、近似ベッセルビームの中心スポットの径は、理想的にはベッセルビームと同様に光軸に沿う方向において不変となり、この干渉領域の広さ（光軸に沿う方向の大きさ）は、レンズで光を集光して同程度のスポット径のビームを生成する場合の微細なスポット径が維持される範囲に比べて、大きく確保することができる。
従って、上記の構成によれば、基準位置を示す基準ビームを出射する基準ビーム出射装置において、基準ビームのスポット径の微細化と、微細なスポット径が維持される範囲の拡大との双方を実現することが可能となる。
【０００８】
基準ビーム出射装置の更なる特徴と利点は、図面を参照して説明する実施形態についての以下の記載から明確となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】基準ビーム出射装置の内部構造を示す断面図
【図２】基準ビーム出射装置が基準面に取り付けられた状態を示す模式図
【図３】基準ビーム生成部の光学系を示す模式図
【図４】基準ビーム生成素子の正面図及び断面図
【図５】光軸に直交する面内の基準ビームの強度分布を示す図
【図６】所望の特性の基準ビームを得るための条件を示すグラフ
【図７】その他の実施形態に係る基準ビーム出射装置の模式図
【図８】その他の実施形態に係る基準ビーム生成部を説明するための図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
基準ビーム出射装置の実施形態について、図面を参照して説明する。図２及び図７に示すように、基準ビーム出射装置１は、基準面３ａに取り付けられた状態で、基準位置Ｐ（言い換えれば、基準点）を示す光ビームである基準ビームＢを出射する装置である。なお、以下では、基準ビーム出射装置１が単独で用いられる場合を例として説明するが、基準ビーム出射装置１は、レーザ距離計等の各種測定器と組み合わせて用いられてもよく、また、加工部品の形状合否判定システムや変位量自動測定システム等のシステムに組み込まれてもよい。
【００１１】
図１に示すように、基準ビーム出射装置１は、基準ビームＢを生成する基準ビーム生成部１０と、基準面３ａ（図２参照）に取り付けられる取付面２１を有する取付部２０と、基準ビーム生成部１０と取付部２０とを連結する連結部３０とを備えている。図２に示すように、基準面３ａは、基準ビーム出射装置１が取り付けられる取付対象物３が有する面（具体的には、平面）であり、取付部２０は、平面状に形成された取付面２１が基準面３ａと面接触するように、取付対象物３に取り外し可能に取り付けられる。基準面３ａに対する取付面２１の取付方法はこれに限られないが、本実施形態では、一例として、取付部２０に設けられた磁石によって、取付面２１を基準面３ａに対して取り付けることが可能に構成されている。
【００１２】
図１に示すように、基準ビーム出射装置１は、更に、基準ビーム生成部１０を収容するハウジング３１と、基準ビーム生成部１０をハウジング３１に対して支持する支持部３２と、を備えている。取付部２０は、ハウジング３１の一部により構成され、又は、ハウジング３１とは別部材により構成される。本実施形態では、取付部２０は、ハウジング３１とは別部材であり、ボルト締結によってハウジング３１に固定されている。
【００１３】
連結部３０は、取付面２１の姿勢にかかわらず重力の向きを基準として定まる方向に基準ビームＢが出射されるように、又は、取付面２１の向きを基準として定まる方向に基準ビームＢが出射されるように、基準ビーム生成部１０と取付部２０とを連結する。なお、本実施形態では、取付面２１は基準面３ａと面接触しているため、取付面２１の姿勢は、基準面３ａの姿勢と一致する。
【００１４】
ここで、重力の向きを基準として定まる方向は、重力の向きに対する交差角が予め定められた角度（以下、「第１角度」という）となる方向である。例えば、第１角度が０度となる方向（すなわち、重力の向きと一致する方向、言い換えれば、鉛直方向Ｖに沿って下方へ向かう方向）や、第１角度が９０度となる方向（すなわち、重力の向きに直交する水平方向）、或いは、第１角度が１８０度となる方向（すなわち、重力の向きとは反対方向、言い換えれば、鉛直方向Ｖに沿って上方へ向かう方向）が、重力の向きを基準として定まる方向とされる。また、取付面２１の向きを基準として定まる方向は、取付面２１に対する交差角が予め定められた角度（以下、「第２角度」という）となる方向である。例えば、第２角度が０度となる方向（すなわち、取付面２１に平行な方向）や、第２角度が９０度となる方向（すなわち、取付面２１に垂直な方向）が、取付面２１の向きを基準として定まる方向とされる。
【００１５】
本実施形態では、連結部３０は、取付面２１の姿勢にかかわらず重力の向きを基準として定まる方向（具体的には、重力の向きと一致する方向）に基準ビームＢが出射されるように、基準ビーム生成部１０と取付部２０とを連結している。具体的には、支持部３２は、基準ビーム生成部１０をハウジング３１に対して揺動可能に支持するように構成されており、ハウジング３１と支持部３２とによって連結部３０が構成されている。
【００１６】
詳細は省略するが、支持部３２は、図１に示すように、基準ビーム生成部１０の一端に形成された被支持部１０ａを、第１軸Ｘ周りに揺動自在に、且つ、第１軸Ｘに対して直交する第２軸Ｙ周りに揺動自在に支持している。すなわち、支持部３２は、２軸のジンバル機構により構成されている。取付面２１が鉛直面に平行な姿勢で配置された状態では、第１軸Ｘ及び第２軸Ｙの双方が水平面に平行に配置される。この状態での基準ビーム生成部１０の姿勢を基準姿勢とすると、取付面２１が鉛直面に対して傾斜した姿勢で配置された場合には、被支持部１０ａがハウジング３１に対して第１軸Ｘ及び第２軸Ｙの少なくともいずれかの軸周りに揺動することで、基準ビーム生成部１０の姿勢が基準姿勢に維持される。そして、本実施形態では、基準ビーム生成部１０の姿勢が基準姿勢である場合に基準ビームＢの出射方向が重力の向きと一致するように、基準ビーム生成部１０が構成されている。よって、取付面２１の姿勢にかかわらず、基準ビームＢの出射方向は重力の向きと一致する。
【００１７】
図１に示すように、基準ビーム出射装置１は、基準ビーム生成部１０の揺動を制動するための制動機構４０を備えている。本実施形態では、制動機構４０は、導電性を有する材料により形成されて基準ビーム生成部１０に固定された被制動部４１と、ハウジング３１に固定された磁石４２とを備えており、基準ビーム生成部１０の揺動に伴い被制動部４１に流れる渦電流の作用により、基準ビーム生成部１０の揺動の向きとは反対向きの制動力を発生させるように構成されている。
【００１８】
上記のように、本実施形態では、取付面２１の姿勢にかかわらず、基準ビームＢの出射方向が重力の向きと一致する。よって、本実施形態に係る基準ビーム出射装置１は、図２に示すように、基準面３ａの鉛直度を測定するために用いることができる。図２では、基準面３ａにおける基準ビーム出射装置１が取り付けられた位置よりも下方に、照射対象物２が取り付けられている。照射対象物２は、基準ビームＢが照射される照射面２ａを有しており、照射対象物２は、照射面２ａが基準面３ａに対して直交する姿勢で基準面３ａに取り付けられている。照射面２ａにおける基準ビームＢの照射位置が、基準ビームＢによって示される基準位置Ｐであり、照射面２ａ上における基準面３ａから基準位置Ｐまでの第１距離と、取付面２１が鉛直面に平行な姿勢で配置された場合の取付面２１から基準ビームＢの出射位置Ｅ（基準ビーム出射装置１からの出射位置）までの水平面に沿った第２距離との比較に基づき、鉛直度が判定される。なお、図２では、柱や壁等の取付対象物３の基準面３ａが、鉛直面に対して傾斜している状況を想定しているため、第１距離と第２距離とが異なっている。
【００１９】
次に、基準ビーム出射装置１が備える基準ビーム生成部１０の構成について説明する。基準ビーム生成部１０は、光軸Ａを基準とする径方向Ｒにおける光の振幅分布がベッセル関数状（第１種のベッセル関数状）となるように基準ビームＢを生成する構成となっている。本実施形態では、基準ビーム生成部１０は、径方向Ｒにおける光の振幅分布が０次のベッセル関数状（第１種の０次ベッセル関数状）となるように基準ビームＢを生成する。
【００２０】
径方向における光の振幅分布がベッセル関数（具体的には、第１種の０次ベッセル関数）で表されるベッセルビームは、光軸に沿う方向においてその振幅分布が変化しない（すなわち、光軸に直交する面内の強度分布が維持されたまま伝搬する）非回折ビームとなる。そのため、光軸上に形成されるベッセルビームの中心スポット（セントラルローブ）の径は、光軸に沿う方向において変化しない。基準ビーム生成部１０によって生成される基準ビームＢは、このようなベッセルビームに近似した近似ベッセルビーム（疑似ベッセルビーム）となる。そのため、以下に述べるように、基準ビームＢは、ベッセルビームと近似した性質を有する。
【００２１】
図３に示すように、基準ビーム生成部１０は、光源１１と、光源１１の側から入射される光から基準ビームＢを生成する基準ビーム生成素子１２と、を備えている。レンズやフィルタ等を用いて光学系を適切に構築することで、光源１１としてあらゆるものを用いることが可能であるが、光源１１として、単一波長の光を出射し、且つ、点光源とみなせるものを用いると好適である。本実施形態では、光源１１として、レーザダイオード（半導体レーザ）を用いている。また、本実施形態では、光源１１の波長を可視光領域の波長としている。光源１１として、半導体レーザ以外のレーザ（例えば、ガスレーザ）や発光ダイオードを用いることも可能である。
【００２２】
基準ビーム生成素子１２は、光軸Ａに向かって収束する円錐状波面を有する光を出射するように構成されている。そして、円錐状波面における互いに異なる方向から光軸Ａに向かう波面同士が干渉する干渉領域において、基準ビームＢとしての近似ベッセルビームが生成される。具体的には、円錐状波面は、光軸Ａ周りの全方位から同じ傾斜角（図３に示す交差角θ）で光軸Ａに向かう平面波の集合と考えることができる。図３に示すように光軸Ａを通る断面では、円錐状波面は、光軸Ａに対して互いに反対側から同じ傾斜角（交差角θ）で光軸Ａに向かう第１平面波Ｂ１と第２平面波Ｂ２との２つの平面波の集合により表される。そして、円錐状波面を構成する平面波同士が干渉する干渉領域（図３においてハッチングを付した領域）において、基準ビームＢとしての近似ベッセルビームが生成される。
【００２３】
図５に光軸に直交する面内の近似ベッセルビームの強度分布の一例を示すように、近似ベッセルビームは、光軸Ａ上に形成される中心スポットＳＣ（セントラルローブ）と、中心スポットＳＣの周りに光軸Ａと同軸の円環状に形成される複数のサイドローブＳＬとを有する。上述した干渉領域においては、近似ベッセルビームの中心スポットＳＣの径は、理想的にはベッセルビームと同様に、光軸Ａに沿う方向である光軸方向Ｌにおいて不変となる。本明細書では、近似ベッセルビームの中心スポットＳＣの径を、基準ビームＢのスポット径とし、中心スポットＳＣの径が維持される干渉領域の広さ（光軸方向Ｌの大きさ）を、基準ビームＢの焦点深度δとする。図３より、基準ビームＢの焦点深度δは、基準ビーム生成素子１２の有効径（光が通過する部分の径）をＤとして、幾何学的にδ＝Ｄ／（２ｔａｎθ）と導出される。なお、ここでは、基準ビーム生成素子１２から有効径Ｄに相当する光が出射されるものとする。
【００２４】
図５に示されるような中心スポットＳＣ及びサイドローブＳＬからなる干渉縞は、光軸Ａ周りの全方位から同じ傾斜角（交差角θ）で光軸Ａに向かう平面波同士の干渉により形成される。そのため、光源の波長をλとして、この干渉縞の間隔は近似的に｛λ／（２ｓｉｎθ）｝となる。本明細書では、この干渉縞の間隔を、近似ベッセルビームの中心スポットＳＣの径（すなわち、基準ビームＢのスポット径）とする。
【００２５】
具体例を挙げて説明すると、光源１１の波長λが６５０［ｎｍ］、基準ビーム生成素子１２の有効径Ｄが８［ｍｍ］、交差角θが０．０５［ｄｅｇ］の場合には、基準ビームＢのスポット径は約０．３７［ｍｍ］となり、基準ビームＢの焦点深度δは約４．６［ｍ］となる。比較例として、波長λが６５０［ｎｍ］の平面波を、有効径Ｄが６［ｍｍ］であって焦点距離Ｆが３［ｍ］のレンズで集光する場合を考えると、｛２．４４×（λＦ／Ｄ）｝で表される最小スポット径は約０．８［ｍｍ］となり、最小スポット径の２乗に｛１．１６／λ｝を乗じた値で表される焦点深度は約１．１［ｍ］となる。なお、ここでは、ビーム径が最小スポット径の√２倍以下に維持される範囲を焦点深度としている。この比較例と比較すると明らかなように、この基準ビーム出射装置１では、基準ビームＢのスポット径を、レンズで光を集光する場合のスポット径と同程度或いはそれ以上に小さくすることが可能でありながら、基準ビームＢの焦点深度δを、レンズで光を集光する場合に比べて大きく増加させることができる。
【００２６】
このように、本開示に係る基準ビーム出射装置１では、基準ビームＢとして近似ベッセルビームが出射される構成とすることで、基準ビームＢのスポット径の微細化と、微細なスポット径が維持される範囲（焦点深度）の拡大との双方を実現可能としている。なお、上述したように、近似ベッセルビームには、中心スポットＳＣに加えてサイドローブＳＬが含まれるが、サイドローブＳＬは、照射面２ａにおいて、中心スポットＳＣを囲む、光軸Ａと同軸の円環状に形成される。そのため、例えば基準位置Ｐを目視で確認する場合等に、サイドローブＳＬの存在によって中心スポットＳＣの中心を認識しやすいという利点もある。
【００２７】
上述したように、近似ベッセルビームは、光軸Ａに向かって収束する円錐状波面を有する光によって生成することができる。本実施形態では、円錐状波面を有する光を生成するための基準ビーム生成素子１２として、回折光学素子（言い換えれば、ホログラム素子）を用いている。すなわち、本実施形態では、基準ビーム生成素子１２は、光源１１の側から入射される光を回折させて基準ビームＢを生成するように構成されている。具体的には、基準ビーム生成素子１２は、光源１１の側から入射される光の波面を、回折によって、光軸Ａに向かって収束する円錐状波面に変換するように構成されている。基準ビーム生成素子１２として用いる回折光学素子は、透過型の回折光学素子及び反射型の回折光学素子のいずれとすることもできるが、本実施形態では、透過型の回折光学素子を基準ビーム生成素子１２として用いている。また、基準ビーム生成素子１２として用いる回折光学素子は、表面レリーフ型の回折光学素子及び体積型（体積位相型）の回折光学素子のいずれとすることもできるが、本実施形態では、表面レリーフ型の回折光学素子を基準ビーム生成素子１２として用いている。
【００２８】
具体的には、本実施形態では、図４に例示するような、表面レリーフ型であって透過型の回折光学素子（位相型ホログラム）を、基準ビーム生成素子１２として用いている。図４に示すように、基準ビーム生成素子１２のパターン形成面１２ａには、複数の同心円状の凹凸パターンが形成されている。なお、図４における基準ビーム生成素子１２の正面図（図４における左側の図）では、パターン形成面１２ａにおける高さが最も低い部分を結ぶ線によって、パターン形成面１２ａの凹凸を表している。パターン形成面１２ａに形成される凹凸の深さＧ１は、２πの位相差を与えるように、光源１１の波長及び基準ビーム生成素子１２を構成する材料の屈折率に基づき設計される。この深さＧ１は、例えば、１［μｍ］程度の値とされる。また、パターン形成面１２ａに形成される凹凸の周期Ｇ２は、光源１１の波長及び上述した交差角θに基づき設計される。この周期Ｇ２は、例えば、０．８［ｍｍ］程度の値とされる。本実施形態では、基準ビーム生成素子１２におけるパターン形成面１２ａとは反対側の面は、平坦面１２ｂとされている。本実施形態では、基準ビーム生成素子１２の平坦面１２ｂに対して光源１１の側から光が入射され、基準ビーム生成素子１２のパターン形成面１２ａから円錐状波面を有する光が出射される。
【００２９】
このような基準ビーム生成素子１２は、例えば、石英ガラス基板等のガラス基板の表面に対して微細加工（フォトリソグラフィプロセス等）を行って製造することができる。パターン形成面１２ａに形成される凹凸の斜面形状（ブレーズ形状）は、例えば、複数のレベル（例えば、４レベル）の階段状となるように形成される。
【００３０】
本実施形態では、基準ビーム生成素子１２は、光源１１の側から平面波状の光が入射された場合に近似ベッセルビームを生成するように構成されている。そのため、図３に示すように、光源１１と基準ビーム生成素子１２との間の光路上には、光源１１の側から入射される光（ここでは、球面波状の光）を平面波状の光に変換するためのレンズ光学系１３（１枚以上のレンズ１３ａにより構成される光学系）が配置されている。すなわち、レンズ光学系１３は、基準ビーム生成素子１２の側に平面波状の光を出射するように構成されている。ここでは、光源１１と基準ビーム生成素子１２との間の光路上には、レンズ光学系１３のみが配置されている。なお、レンズ光学系は、光をレンズで集光して微細なスポット径を実現する場合にも必要となるため、本実施形態の基準ビーム生成部１０は、このような場合の光学系に対して基準ビーム生成素子１２を追加するだけで、上述したように、基準ビームＢのスポット径の微細化と、微細なスポット径が維持される範囲（焦点深度）の拡大との双方を実現できる。
【００３１】
光軸方向Ｌにおける基準ビーム生成部１０の寸法を小さく抑えるために、レンズ光学系１３が２枚以下のレンズ１３ａを有する構成とすると好適である。また、レンズ光学系１３から基準ビーム生成素子１２の側に歪みの少ない平面波状の光を出射させるために必要な、光軸方向Ｌにおける光源１１とレンズ光学系１３との離間距離を短く抑えるために、レンズ光学系１３を、球面収差を補正するレンズ１３ａを用いて、基準ビーム生成素子１２の側に平面波状の光を出射するように構成すると好適である。レンズ光学系１３がレンズ１３ａを１枚のみ有する構成とする場合に、例えば、球面収差を補正するレンズ１３ａとして、非球面レンズを用いることができる。また、レンズ光学系１３がレンズ１３ａを２枚有する構成とする場合に、例えば、球面収差を補正するレンズ１３ａとして、２枚のレンズ１３ａの組み合わせによって球面収差を補正するもの（例えば、２枚のレンズ１３ａが貼り合わせて構成されるアクロマティックレンズ）を用いることができる。なお、光軸方向Ｌにおける光源１１とレンズ光学系１３との離間距離を短く抑える必要性が低い場合等において、レンズ１３ａとして、通常の球面レンズを用いることも可能である。
【００３２】
次に、基準ビームＢのスポット径及び焦点深度を所望のものとするための基準ビーム生成素子１２の設計について説明する。上述したように、基準ビームＢのスポット径は｛λ／（２ｓｉｎθ）｝で表され、基準ビームＢの焦点深度は｛Ｄ／（２ｔａｎθ）｝で表される。ここで、必要なスポット径をγ以下とし、必要な焦点深度をδ以上とすると、下記の式（１）が満たされるとγ以下のスポット径が得られ、下記の式（２）が満たされるとδ以上の焦点深度が得られる。なお、必要なスポット径は、基準ビーム出射装置１の用途によるが、例えば、１［ｍｍ］以下の値とされる。
λ／（２ｓｉｎθ）≦γ  ・・・（１）
Ｄ／（２ｔａｎθ）≧δ  ・・・（２）
【００３３】
上述した具体例では交差角θを０．０５［ｄｅｇ］（≒０．０００８７［ｒａｄ］）としているように、この基準ビーム出射装置１では、交差角θは基本的に１［ｒａｄ］よりも十分に小さくなる。そのため、ｓｉｎθ＝ｔａｎθ＝θと近似することができ、上記の式（１）及び式（２）より下記の式（３）が得られる。
λ／（２γ）≦θ≦Ｄ／（２δ）  ・・・（３）
この式（３）を満たすように交差角θを基準ビーム生成素子１２の有効径Ｄと光源１１の波長λとに基づき設定することで、スポット径をγ以下とし且つ焦点深度をδ以上とすることができる。なお、式（３）では、これまでにも述べているように、光源１１の波長をλ［ｍ］、基準ビーム生成素子１２の有効径をＤ［ｍ］、基準ビーム生成素子１２から出射される光の円錐状波面の進行方向と、光軸Ａとの交差角をθ［ｒａｄ］、基準ビームＢの焦点深度（必要とされる最小値）をδ［ｍ］、基準ビームＢのスポット径（許容される最大値）をγ［ｍ］としている。
【００３４】
式（３）をグラフに表すと図６のようになる。なお、図６では、θ＝λ／（２γ）を表す線分と、Ｄ＝２δθを表す線分に加えて、Ｄ＝εを表す線分を示している。ここで、εは、基準ビーム生成素子１２の有効径Ｄとして許容される最大サイズを表す。そのため、上記の式（３）とＤ≦εとを満たす領域、すなわち、図６において３つの線分により囲まれる領域が、スポット径をγ以下とし且つ焦点深度をδ以上とするための交差角θ及び有効径Ｄの設定領域５０となる。この設定領域５０内では、交差角θが大きくなるに従って基準ビームＢのスポット径が小さくなり、交差角θを表す軸に対する偏角φが大きくなるに従って基準ビームＢの焦点深度が大きくなる。
【００３５】
これには限定されないが、本実施形態では、一例として、交差角θが０．００５［ｒａｄ］以下となるように基準ビーム生成素子１２を設計している。この場合、少なくとも｛Ｄ／（２×０．００５）｝の大きさの焦点深度（δ）を確保することができる。具体的には、Ｄ＝１０［ｍｍ］とした場合には少なくとも１［ｍ］の焦点深度を確保することができ、Ｄ＝１００［ｍｍ］とした場合には少なくとも１０［ｍ］の焦点深度を確保することができる。また、この場合、最大限で｛λ／（２×０．００５）｝まで基準ビームＢのスポット径を小さくすることができる。具体的には、λ＝５３２［ｎｍ］の場合には最大限で５３．２［μｍ］まで基準ビームＢのスポット径を小さくすることができる。このように、交差角θが０．００５［ｒａｄ］以下である構成とすることで、基準ビーム生成素子１２の有効径Ｄを実用上許容され得る範囲内の値としつつ、基準位置Ｐを示すために必要とされる程度にスポット径を微細化し、且つ、微細なスポット径が維持される範囲（焦点深度）をメートルオーダの比較的広い範囲とすることができる。
【００３６】
〔その他の実施形態〕
次に、基準ビーム出射装置のその他の実施形態について説明する。
【００３７】
（１）上記の実施形態では、基準ビーム生成素子１２が、光源１１の側から入射される光から基準ビームＢを生成する機能のみを有する構成を例として説明した。しかし、そのような構成に限定されることなく、基準ビーム生成素子１２が、基準ビームＢを生成する機能以外の付加機能も有する構成とすることもできる。具体的には、基準ビームＢとは空間的に異なる場所にフレネルホログラムを符号化することで、又は、基準ビームＢとフレネルホログラムとを足し合わせた波面を符号化することで、基準ビームＢを生成する機能に加えて、当該フレネルホログラムの情報を照射面２ａに結像させる機能を有するように、基準ビーム生成素子１２を構成することができる。
【００３８】
例えば、図８に一例を示すように、基準ビーム生成素子１２が、光軸方向Ｌにおける複数の位置に、基準ビーム生成素子１２からの距離に応じて異なる像を結像させる構成とすることができる。図８に示す例では、基準ビーム出射装置１から基準ビームＢの照射対象物２（具体的には、照射面２ａ）までの距離の概算値が、基準ビームＢの伝搬距離の情報として照射面２ａに表示されるように、基準ビーム生成素子１２が構成されている。具体的には、基準ビーム出射装置１からの距離が１［ｍ］の位置に照射面２ａが配置されている場合には、基準ビームＢの照射エリアの外側に“１”を表す画像Ｍが結像され、当該距離が４［ｍ］の位置に照射面２ａが配置されている場合には、基準ビームＢの照射エリアの外側に“４”を表す画像Ｍが結像され、当該距離が８［ｍ］の位置に照射面２ａが配置されている場合には、基準ビームＢの照射エリアの外側に“８”を表す画像Ｍが結像されるように、基準ビーム生成素子１２が構成されている。
【００３９】
なお、基準ビームＢの伝搬距離の情報を表す像は、図８に示す例のように数値を表す画像ではなく、図形（例えば帯状の図形等）を表す画像等であってもよい。また、光軸方向Ｌにおける複数の位置に結像される像は、基準ビームＢの伝搬距離の情報を表す像に限らず、基準ビーム生成素子１２からの距離に応じて必要となる他の情報を表す像としてもよい。例えば、基準ビームＢの出射方向（光軸方向Ｌ）における基準ビームＢを用いた計測等の有効範囲が予め定められている場合には、当該有効範囲内であること、或いは当該有効範囲外であることを示す図形や記号等を表す像としてもよい。
【００４０】
（２）上記の実施形態では、光源１１と基準ビーム生成素子１２との間の光路上に、レンズ光学系１３が配置される構成を例として説明した。しかし、そのような構成に限定されることなく、光源１１と基準ビーム生成素子１２との間の光路上に、他の光学素子が配置されない構成とすることもできる。この場合、基準ビーム生成素子１２は、例えば、光源１１の側から球面波状の光が入射された場合に近似ベッセルビームを生成するように構成される。具体的には、上記の実施形態でのレンズ光学系１３の機能も併せて有するように、基準ビーム生成素子１２が設計される。
【００４１】
（３）上記の実施形態では、基準ビーム生成素子１２として、回折光学素子を用いる場合を例として説明した。しかし、そのような構成に限定されることなく、光源１１の側から入射される光の波面を、光軸Ａに向かって収束する円錐状波面に変換することができる素子であれば、回折光学素子以外の素子を基準ビーム生成素子１２として用いることもできる。例えば、屈折により波面を偏向させる屈折光学素子（アキシコンレンズ）や、素子内部の屈折率分布により位相差を生成して波面を偏向させる屈折率分布素子（液晶レンズやグリンレンズ）等を、基準ビーム生成素子１２として用いることができる。
【００４２】
（４）上記の実施形態では、連結部３０が、取付面２１の姿勢にかかわらず重力の向きと一致する方向（重力の向きを基準として定まる方向の一例）に基準ビームＢが出射されるように、基準ビーム生成部１０と取付部２０とを連結する構成を例として説明した。しかし、そのような構成に限定されることなく、連結部３０が、取付面２１の姿勢にかかわらず重力の向きを基準として定まる方向（但し、重力の向きと一致する方向とは異なる方向）に基準ビームＢが出射されるように、基準ビーム生成部１０と取付部２０とを連結する構成とすることもできる。
【００４３】
例えば、連結部３０が、取付面２１の姿勢にかかわらず重力の向きに直交する水平方向（重力を基準として定まる方向の別例）に基準ビームＢが出射されるように、基準ビーム生成部１０と取付部２０とを連結する構成とすることができる。この場合、基準ビーム出射装置１は、基準面３ａの水平度を測定するために用いることができる。図１に示す基準ビーム出射装置１をこのような構成に改変する場合、例えば、ハウジング３１における下端部（図１において基準ビームＢの出射位置Ｅが形成されている部分）に、取付面２１が下側を向くように取付部２０が設けられた構成とし、基準ビーム生成部１０の姿勢が基準姿勢である場合に基準ビームＢの出射方向が水平方向と一致するように（すなわち、図１において基準ビームＢが基準ビーム生成部１０から側方に出射されるように）、基準ビーム生成部１０を構成するとよい。この場合に、ハウジング３１における下端部ではなく、ハウジング３１における上端部に、取付面２１が上側を向くように取付部２０を設けてもよい。
【００４４】
また、例えば、連結部３０が、取付面２１の姿勢にかかわらず重力の向きとは反対方向（重力を基準として定まる方向の更なる別例）に基準ビームＢが出射されるように、基準ビーム生成部１０と取付部２０とを連結する構成とすることもできる。この場合に、上記の実施形態とは異なり、ハウジング３１における下端部に、取付面２１が下側を向くように取付部２０を設けてもよい。なお、上記の実施形態のように、連結部３０が、取付面２１の姿勢にかかわらず重力の向きと一致する方向に基準ビームＢが出射されるように、基準ビーム生成部１０と取付部２０とを連結する構成において、上記の実施形態とは異なり、ハウジング３１における上端部に、取付面２１が上側を向くように取付部２０を設けてもよい。
【００４５】
（５）上記の実施形態では、連結部３０が、取付面２１の姿勢にかかわらず重力の向きを基準として定まる方向に基準ビームＢが出射されるように、基準ビーム生成部１０と取付部２０とを連結する構成を例として説明した。しかし、そのような構成に限定されることなく、連結部３０が、取付面２１の向きを基準として定まる方向に基準ビームＢが出射されるように、基準ビーム生成部１０と取付部２０とを連結する構成とすることもできる。この場合、連結部３０が備える支持部３２は、基準ビーム生成部１０をハウジング３１に対して移動不能に支持する。
【００４６】
例えば、連結部３０が、取付面２１に平行な方向（取付面２１の向きを基準として定まる方向の一例）或いは取付面２１に垂直な方向（取付面２１の向きを基準として定まる方向の別例）に基準ビームＢが出射されるように、基準ビーム生成部１０と取付部２０とを連結する構成とすることができる。取付面２１に平行な方向に基準ビームＢが出射される構成とする場合、基準面３ａからの離間距離（基準面３ａに直交する方向の距離）が基準ビームＢの出射位置Ｅと等しくなる位置が、基準ビームＢが示す基準位置Ｐとなる。連結部３０がこのように構成される場合に、基準ビーム出射装置１が、気泡管等の水平度を測定する水準器を備える構成としてもよい。この場合には、例えば図７に示すように、当該水準器（図示せず）を用いて水平面に平行となるように調整された基準面３ａに基準ビーム出射装置１が取り付けられた状態（ここでは、載置された状態）で、基準ビーム出射装置１から水平方向Ｈに沿って基準ビームＢを出射させることができる。
【００４７】
詳細は省略するが、取付面２１の姿勢にかかわらず重力の向きを基準として定まる方向に基準ビームＢが出射されるように、基準ビーム生成部１０と取付部２０とを連結する状態を第１状態とし、取付面２１の向きを基準として定まる方向に基準ビームＢが出射されるように、基準ビーム生成部１０と取付部２０とを連結する状態を第２状態として、連結部３０が、第１状態と第２状態とに切替可能な構成とされていてもよい。
【００４８】
（６）なお、上述した各実施形態で開示された構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示された構成と組み合わせて適用すること（その他の実施形態として説明した実施形態同士の組み合わせを含む）も可能である。その他の構成に関しても、本明細書において開示された実施形態は全ての点で単なる例示に過ぎない。従って、本開示の趣旨を逸脱しない範囲内で、適宜、種々の改変を行うことが可能である。
【００４９】
〔上記実施形態の概要〕
以下、上記において説明した基準ビーム出射装置の概要について説明する。
【００５０】
基準面に取り付けられた状態で、基準位置を示す光ビームである基準ビームを出射する基準ビーム出射装置であって、光軸を基準とする径方向における光の振幅分布がベッセル関数状となるように前記基準ビームを生成する基準ビーム生成部と、前記基準面に取り付けられる取付面を有する取付部と、前記基準ビーム生成部と前記取付部とを連結する連結部と、を備え、前記連結部は、前記取付面の姿勢にかかわらず重力の向きを基準として定まる方向に前記基準ビームが出射されるように、又は、前記取付面の向きを基準として定まる方向に前記基準ビームが出射されるように、前記基準ビーム生成部と前記取付部とを連結している。
【００５１】
上記の構成では、基準ビーム出射装置が、光軸を基準とする径方向における光の振幅分布がベッセル関数状となるように基準ビームを生成する基準ビーム生成部を備えるため、ベッセルビームに近似した近似ベッセルビーム（疑似ベッセルビーム）が、基準位置を示す基準ビームとして出射される基準ビーム出射装置を実現することができる。この際、基準ビーム出射装置が備える連結部の作用により、基準ビームとしての近似ベッセルビームは、基準位置を示すための適切な方向に出射される。
近似ベッセルビームは、光軸に向かって収束する円錐状波面を有する光によって生成することができ、その中心スポット（セントラルローブ）の径は、円錐状波面の進行方向と光軸との交差角を調整することで、所望する程度に小さくすることが可能である。また、円錐状波面における互いに異なる方向から光軸に向かう波面同士が干渉する干渉領域においては、近似ベッセルビームの中心スポットの径は、理想的にはベッセルビームと同様に光軸に沿う方向において不変となり、この干渉領域の広さ（光軸に沿う方向の大きさ）は、レンズで光を集光して同程度のスポット径のビームを生成する場合の微細なスポット径が維持される範囲に比べて、大きく確保することができる。
従って、上記の構成によれば、基準位置を示す基準ビームを出射する基準ビーム出射装置において、基準ビームのスポット径の微細化と、微細なスポット径が維持される範囲の拡大との双方を実現することが可能となる。
【００５２】
ここで、前記基準ビーム生成部は、前記径方向における光の振幅分布が０次のベッセル関数状となるように前記基準ビームを生成すると好適である。
【００５３】
この構成によれば、基準ビーム生成部により生成される基準ビームの振幅分布を、径方向の中心（すなわち、光軸上）において値が最大となる０次のベッセル関数に近似させることができる。よって、基準ビーム出射装置から出射される基準ビームのスポット径の微細化を図りやすくなる。
【００５４】
また、前記基準ビーム生成部は、光源と、前記光源の側から入射される光を回折させて前記基準ビームを生成する基準ビーム生成素子と、を備え、前記光源と前記基準ビーム生成素子との間の光路上に、他の光学素子が配置されておらず、又は、前記光源と前記基準ビーム生成素子との間の光路上に、２枚以下のレンズを有するレンズ光学系のみが配置されていると好適である。
【００５５】
この構成では、基準ビーム生成部が備える基準ビーム生成素子が、回折光学素子とされるため、基準ビーム生成部が備える基準ビーム生成素子が、光源の側から入射される光を屈折させて基準ビームを生成する屈折光学素子とされる場合に比べて、光軸に沿う方向における基準ビーム生成素子の寸法を小さく抑えやすくなる。そして、上記の構成では、光源と基準ビーム生成素子との間の光路上には他の光学素子が配置されず、又は、当該光路上には２枚以下のレンズを有するレンズ光学系のみが配置されるため、光軸に沿う方向における光源と基準ビーム生成素子との間隔を小さく抑えることもできる。よって、上記の構成によれば、光軸に沿う方向における基準ビーム生成部の寸法を小さく抑えて、当該方向における基準ビーム出射装置の小型化を図ることができる。
【００５６】
上記のように前記基準ビーム生成部が前記光源と前記基準ビーム生成素子とを備える構成において、前記光源と前記基準ビーム生成素子との間の光路上に前記レンズ光学系が配置され、前記レンズ光学系は、球面収差を補正するレンズを用いて、前記基準ビーム生成素子の側に平面波状の光を出射するように構成されていると好適である。
【００５７】
この構成によれば、光源と基準ビーム生成素子との間の光路上に配置されるレンズ光学系が、球面収差を補正するレンズを用いずに構成される場合に比べて、レンズ光学系から基準ビーム生成素子の側に歪みの少ない平面波状の光を出射させるために必要な、光軸に沿う方向における光源とレンズ光学系との離間距離を短く抑えることができる。よって、光源と基準ビーム生成素子との間の光路上にレンズ光学系が配置される場合であっても、光軸に沿う方向における基準ビーム生成部の寸法を小さく抑えて、当該方向における基準ビーム出射装置の小型化を図ることができる。
なお、上記の構成では、基準ビーム生成素子に対して光源の側から平面波状の光を入射させることができる。そのため、基準ビーム生成素子に対して光源の側から球面波状の光が入射される場合に比べて、基準ビーム生成素子の設計や製造が容易になるという利点もある。
【００５８】
上記の各構成の基準ビーム出射装置において、前記基準ビーム生成部は、光源と、前記光源の側から入射される光から前記基準ビームを生成する基準ビーム生成素子と、を備え、前記光源の波長をλ［ｍ］、前記基準ビーム生成素子の有効径をＤ［ｍ］、前記基準ビーム生成素子から出射される光の円錐状波面の進行方向と、前記光軸との交差角をθ［ｒａｄ］、前記基準ビームの焦点深度をδ［ｍ］、前記基準ビームのスポット径をγ［ｍ］とした下記の式、λ／（２γ）≦θ≦Ｄ／（２δ）を満たしていると好適である。
【００５９】
この構成によれば、スポット径がγ［ｍ］以下となり且つ焦点深度（光軸に沿う方向におけるγ［ｍ］以下のスポット径が維持される範囲）がδ［ｍ］以上となるように、円錐状波面の進行方向と光軸との交差角を、基準ビーム生成素子の有効径と光源の波長とに基づき適切に設定することができる。
【００６０】
上記の式が満たされる構成において、前記交差角が０．００５［ｒａｄ］以下であると好適である。
【００６１】
円錐状波面の進行方向と光軸との交差角が１［ｒａｄ］より十分に小さい場合には、当該交差角（θ）と、基準ビーム生成素子の有効径（Ｄ）と、基準ビームの焦点深度（δ）との間には、δ＝Ｄ／（２θ）の関係が成立する。上記の構成によれば、この交差角（θ）が０．００５［ｒａｄ］以下とされるため、少なくとも｛Ｄ／（２×０．００５）｝の大きさの焦点深度（δ）を確保することができる。よって、Ｄ＝１０［ｍｍ］とした場合には少なくとも１［ｍ］の焦点深度を確保することができ、Ｄ＝１００［ｍｍ］とした場合には少なくとも１０［ｍ］の焦点深度を確保することができる等、基準ビーム生成素子の有効径を実用上許容され得る範囲内の値としつつ、メートルオーダの比較的長い焦点深度を確保することができる。
なお、円錐状波面の進行方向と光軸との交差角が１［ｒａｄ］より十分に小さい場合には、当該交差角（θ）と、光源の波長（λ）と、基準ビームのスポット径（γ）との間には、γ＝λ／（２θ）の関係が成立する。そのため、上記の構成のようにこの交差角（θ）が０．００５［ｒａｄ］以下とされる場合であっても、λ＝５３２［ｎｍ］の場合には５３．２［μｍ］まで基準ビームのスポット径（γ）を小さくすることができる等、基準位置を示すために必要とされる程度の微細なスポット径を実現することが可能である。
以上のように、上記の構成によれば、基準ビーム生成素子の有効径を実用上許容され得る範囲内の値としつつ、基準位置を示すために必要とされる程度の微細なスポット径が維持される範囲（焦点深度）を、メートルオーダの比較的広い範囲とすることができる。
【００６２】
上記の各構成の基準ビーム出射装置において、前記基準ビーム生成部は、光源と、前記光源の側から入射される光を回折させて前記基準ビームを生成する基準ビーム生成素子と、を備え、前記基準ビーム生成素子は、前記光軸に沿う方向における複数の位置に、前記基準ビーム生成素子からの距離に応じて異なる像を結像させるように構成されていると好適である。
【００６３】
この構成によれば、基準ビーム生成素子として用いられる回折光学素子を利用して、基準ビーム生成素子からの距離に応じて異なる像を基準ビームの照射面に表示させることができる。よって、基準ビーム生成素子からの距離に応じて必要となる情報を、基準ビームの照射面に表示させることができる。例えば、基準ビームの伝搬距離を表す情報を基準ビームの照射面に表示させることにより、基準ビーム出射装置から基準ビームの照射対象物までの距離の概算値を、当該距離の計測を別途行うことなく認識可能にできる。
【００６４】
本開示に係る基準ビーム出射装置は、上述した各効果のうち、少なくとも１つを奏することができればよい。
【符号の説明】
【００６５】
１：基準ビーム出射装置
３ａ：基準面
１０：基準ビーム生成部
１１：光源
１２：基準ビーム生成素子
１３：レンズ光学系
１３ａ：レンズ
２０：取付部
２１：取付面
３０：連結部
Ａ：光軸
Ｂ：基準ビーム
Ｌ：光軸方向（光軸に沿う方向）
Ｐ：基準位置
Ｒ：径方向
【図１】
2020063930.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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