(57)【要約】【課題】簡単な光学系を用いて容易に任意の大きさの線幅を有する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。【解決手段】半導体レーザからの光ビームをコリメートしてロッドレンズに入射し、ライン光を発生する光学系であって、上記光源からロッドレンズの間に至る光路の一部に上記光ビームの形状を整形するプリズムを配置し、該プリズムの、頂角を挟む二つの面の一方にレーザ光を入射し、他方から出射させることにより上記ロッドレンズの長手方向のビーム径を調整できるようにした。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザよりなる光源と、該光源からの光ビームを入射し、ライン光を発生するロッドレンズとを有する光学系であって、上記光源からロッドレンズの間に至る光路の一部に、上記ロッドレンズに入射する光ビームの、該レンズ長手方向の径を調整できる光学装置を配置したことを特徴とするライン光発生光学系。
【請求項２】
半導体レーザよりなる光源と、該光源からの光ビームを入射し、ライン光を発生するロッドレンズとを有する光学系であって、上記光源からロッドレンズの間に至る光路の一部に上記光ビームの形状を整形するプリズムを配置し、該プリズムの、頂角を挟む二つの面の一方にレーザ光を入射し、他方から出射させることにより上記ロッドレンズの長手方向のビーム径を調整できるようにしたことを特徴とするライン光発生光学系。
【請求項３】
請求項２において、上記プリズムの頂角の大きさαは、α≦ｓｉｎ−１（１／ｎ）（αはプリズム頂角　ｎはプリズム材の屈折率）の関係を満たすことを特徴とするライン光発生光学系。
【請求項４】
光学ユニットと、該光学ユニットを支持する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、該光源からの光ビームを入射し、ライン光を発生するロッドレンズと、上記光源からロッドレンズの間に至る光路の一部に配置され、上記ロッドレンズの長手方向のビーム径を調整できる光学装置から構成したことを特徴とするレーザ墨出し装置。
【請求項５】
光学ユニットと、該光学ユニットを支持する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、該光源からの光ビームを入射し、ライン光を発生するロッドレンズと、上記光源からロッドレンズの間に至る光路の一部に配置されたプリズムを備え、該プリズムの、頂角を挟む二つの面の一方にレーザ光を入射し、他方から出射させることにより上記ロッドレンズの長手方向のビーム径を調整できるようにしたことを特徴とするレーザ墨出し装置。
【請求項６】
請求項５において、上記プリズムの頂角の大きさαは、α≦ｓｉｎ−１（１／ｎ）（αはプリズム頂角　ｎはプリズム材の屈折率）の関係を満たすことを特徴とするライン光発生光学系。
【請求項７】
請求項２又は５において、上記プリズムの屈折率は１．３〜１．９５、頂角の大きさは２０°から４０°であることを特徴とするライン光発生光学系又はレーザ墨出し装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザー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、特に任意の線幅のライン光を発生できる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、効率が悪い作業であった。そこで、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。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ある。２がロッドレンズで断面が円形の円柱形状をしている。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図示している。
【０００６】
ロッドレンズは長手方向（図の紙面に垂直方向）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拡がるため、入射光がライン光に変換される。この時、ロッドレンズに入射したビームの、該レンズ長手方向のビーム幅が得られるライン光の線幅となる。ライン光を用いて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を行う場合、ライン光の線幅は極力細い方が見やすく、またマークを付ける作業を行う場合にも好都合である。
【０００７】
線幅の細いライン光を得るためにはビーム径の小さなコリメート光をロッドレンズに入射させるのが一般的であるが、この場合ライン光発生光学系のサイズに制約があると、必然的にビーム径にも制約がありその結果、ライン光の線幅を任意の大きさにコントロールすることは極めて困難になる。
【０００８】
ライン光発生光学系を例えばレーザ墨出し装置に実装する場合，装置を小型軽量化するためにはライン光発生光学系自体のサイズも小さくすることが必要である。そして、光学系サイズが制限されるということは得られるライン光の線幅の太さも制約を受けることになり、任意の太さのライン光を発生するレーザ墨出し装置を実現することは困難であった。
【０００９】
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、簡単な光学系を用いて容易に任意の大きさの線幅を有する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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は，半導体レーザよりなる光源と、該光源からの光ビームを入射し、ライン光を発生するロッドレンズとを有する光学系であって、上記光源からロッドレンズの間に至る光路の一部に、上記ロッドレンズの長手方向のビーム径を調整できる光学装置を配置したことに一つの特徴がある。このように構成することにより、ロッドレンズから発生するライン光の線幅を上記ビーム径に応じて変化させることができる。
【００１１】
本発明の他の特徴は、上記光源からロッドレンズの間に至る光路の一部に上記光ビームの形状を整形するプリズムを配置し、該プリズムの、頂角を挟む二つの面の一方にレーザ光を入射し、他方から出射させることにより上記ロッドレンズの長手方向のビーム径を調整できるようにしたことにある。このように構成すると、ロッドレンズの長手方向のビーム径を変化させる光学装置を極めて簡単に実現することが可能になる。
【００１２】
本発明の他の特徴は、上記プリズムの頂角の大きさαを、α≦ｓｉｎ−１（１／ｎ）（αはプリズム頂角、ｎはプリズム材の屈折率）の関係を満たすように構成したことにある。このようにすることによりプリズムはビーム成形作用を有しビーム径を変化させることができる。
【００１３】
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、該光源からの光ビームを入射し、ライン光を発生するロッドレンズと、上記光源からロッドレンズの間に至る光路の一部に配置され、上記ロッドレンズの長手方向のビーム径を調整できる光学装置から構成したことにある。このように構成することにより任意の線幅の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できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１及び２は本発明のライン光発生光学系の概略図を示し、図１が平面図、図２が側面図である。コリメート光学系（図示省略）を含む光源１から出射したコリメート光はビームの断面形状が横径Ｄ、縦径ｄ１の楕円光である。
【００１５】
この光はビーム形状整形プリズム２を通過することにより光路が曲げられると同時にビームの縦径がｄ２に変換される。さらにこの光はミラー３により光路が曲げられ、ロッドレンズ４に入射する。一方、図１の平面図から明らかなようにビーム形状整形プリズム２を通過してもビームの横径Ｄは変化することがなく、ロッドレンズ４に入射しライン光となる。すなわち、本発明のライン光発生光学系で得られたライン光は線幅がｄ２のライン光となる。
【００１６】
図６及び７に示す従来のライン発生光学系の構成と比較すれば本発明の特徴は一層明瞭になる。すなわち、従来は光源１から出射したコリメート光はビームの断面形状が縦径Ｄ、横径ｄ１の楕円光であり、この光はそのままロッドレンズ４に入射してライン光となるが、この時の線幅はｄ１のままである。したがって光源からの光ビーム径により一義的にライン光の線幅が決まってしまう。
【００１７】
図３にビーム形状整形プリズムによりビーム径及び光路が変わる様子を示す。頂角の大きさがαであるプリズム２の入射面Ｓｉｎに垂直に光が入射した場合を考える。入射面に対して垂直に入射するため、光はプリズム内部を直進した後、出射面Ｓｏｕｔから入射光の光軸に対してδの角度で出射する。入射ビーム径及び出射ビーム径をそれぞれｄ１、ｄ２とし、プリズム内部の屈折率をｎとすると、出射角δ及び出射ビーム径ｄ２はそれぞれ次式で表される。
【００１８】
δ＝ｓｉｎ−１（ｎｓｉｎα）−α　　　（１）
ｄ２＝（１−（ｎｓｉｎα）２）１／２ｄ１／ｃｏｓα　　（２）
今例えばプリズムの頂角を３０°、プリズム内部の屈折率を１．７８とすると、
出射角δ＝３３°　出射ビーム径ｄ２＝０．５３ｄ１となる。このようにプリズムの頂角あるいは屈折率を適当に設定することにより出射ビーム径を自在に変えることが可能となる。
【００１９】
上記の実施例では、入射光のビーム径のうち、横方向はそのままで縦方向のみ約半分の大きさに縮めたことになる。したがってこの光をロッドレンズで広げることにより線幅がｄ２＝０．５３ｄ１のライン光を得ることが可能となる。
【００２０】
ここで（２）式において１―（ｎｓｉｎα）２は符号が正である必要がある。
１―（ｎｓｉｎα）２は（１―ｎｓｉｎα）（１＋ｎｓｉｎα）と置き換えられる。
すなわち、
０≦（１―ｎｓｉｎα）（１＋ｎｓｉｎα）　　（３）
となる。屈折率ｎは符号が正であり、プリズム頂角αは角度範囲が０°＜α＜９０°であるため　０＜１＋ｎｓｉｎα　となる。したがって（３）式から
０≦１―　ｎｓｉｎα　　　（４）
が成立する。
（４）式より
α≦ｓｉｎ−１（１／ｎ）　（５）
が導かれる。すなわちプリズムの頂角αが（５）式を満たす時、プリズムはビーム整形作用を有し、入射ビーム径ｄ１と出射ビームｄ２は（２）式の関係を満たす。
【００２１】
プリズムの屈折率ｎは通常１．５程度であり、範囲で表わせば１．３から１．９５程度のものが用いられる。図８はｎ＝１．３，ｎ＝１．５，ｎ＝１．７８、ｎ＝１．９５の場合の頂角αとｄ２／ｄ１の関係を示す。頂角の上限値はｎが１．３のとき５０．３°、１．５のとき４１．８°、１．７８のとき３４．２°、１．９５のとき３０．８°となる。ｄ２／ｄ１は７０％程度が望ましいので結局、使用するプリズムとしては屈折率が１．３〜１．９５、頂角が２０°〜４０°程度のものが望ましいということになる。
（実施形態２）
次に本発明のライン光発生光学系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に示すように本発明にかかるレーザ墨出し装置は基本的にはライン光発生光学系１１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。ライン光発生光学系１１はコリメート光学系を含むレーザー光源１、ビーム形状整形用プリズム２、光路補正用ミラー３及びライン光発生用ロッドレンズ４から構成されている。このライン光発生光学系は支持機構部５によって常に水平に姿勢を保つように保持されており、この指示機構部５は本体１２に収納されている。従来のライン光発生光学系ではビーム形状整形プリズムがないため、ライン光の線幅は光源１からの出射光ビーム径に依存するが、本発明のライン光発生光学系ではビーム形状整形プリズム２により光源１からの出射光ビーム径よりもライン光の線幅を小さくすることが可能となる。
【００２２】
【発明の効果】
上述のように本発明によれば、ロッドレンズの長手方向のビーム径を変化するプリズムを備えているので任意の線幅を有するライン光を得ることが可能となった。その結果、従来に比べてライン光の線幅を小さくすることが可能となり、目視し易く且つ、マーキィングし易いライン光を発生するレーザ墨出し装置を提供す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の一実施例を示す概略平面図。
【図２】本発明のライン光発生光学系の一例を示す概略側面図。
【図３】本発明の主要部を構成するビーム形状整形プリズムの説明図。
【図４】本発明のレーザ墨出し装置の一実施例を示す概略図。
【図５】ロッドレンズによるライン光発生の原理を示す説明図。
【図６】従来のライン光発生光学系の概略平面図。
【図７】従来のライン光発生光学系の概略側面図。
【図８】本発明の説明図。
【符号の説明】
１：コリメート光学系を含むレーザー光源
２：ビーム形状整形プリズム
３：ミラー
４：ロッドレンズ
５：支持機構部
１１：ライン光発生光学系
１２：レーザー墨出し器本体
【図１】
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【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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