| 【発明の名称】 |
マルチレーザービーム照準器のレーザー装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】ヴァイベル ラインハルト
【氏名】ピスケ ヴィルフリート
【氏名】ビュンター アーヴィン
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| 【要約】 |
【課題】現行の技術水準におけるレーザー照準器の不利を排除すると共に、光の強さを損なうことなく、異なる色彩の部分ビームを発生するための必要条件を提案することにある。
【解決手段】レーザー配列(21)は、マルチレーザー照準器に投入するために構成される。この照準器は、少なくとも1本の一次レーザービームを発生する光源と、反射面(28)を有する分光器(7)とを具える。分光器により、少なくとも1本の一次レーザービームは、互いに垂直に延在する最低2本の部分ビームに分裂可能となる。光源は2個の半導体レーザー(22,23)を具え、それらの発光面は長手方向寸法と横方向寸法とを有する。寸法の比率は、約2.5:1〜約4:1とする。発光面を具える半導体レーザー(22,23)を適切に配置することにより、発光面の長手方向寸法(l)は互いに90°だけ回転して延在すると共に、両方の半導体レーザー(22,23)から発生した一次ビーム(P,Q)は分光器(24)の前又は脇で合成可能である。 |
【特許請求の範囲】
【請求項1】 マルチレーザービーム照準器のレーザー装置であって、レーザー照準器は少なくとも1本の一次レーザービーム(G)を発生する光源と、反射面(8;18;28)を有するビームスプリッタ(7;17;24)とを具え、該ビームスプリッタにより、少なくとも1本の一次レーザービーム(G)を互いに直交する方向に伝搬する少なくとも2本の部分ビーム(T)に分割するレーザー装置において、前記光源は長手方向寸法(l)と横方向寸法(w)とする発光面(E)を有する2個の半導体レーザー(2,3;12,13;22,23)を具え、前記長手方向寸法と横方向寸法との比率をほぼ約2.5:1〜4:1とし、前記2個のレーザは、発光面(E)の長手方向寸法(l)が互いに90°の角度をなすように配置され、これら両方の半導体レーザー(2,3;12,13;22,23)から放出した一次ビーム(P,Q)が前記ビームスプリッタの前側又はビームスプリッタにおいて合成されることを特徴とするレーザー装置。 【請求項2】 請求項1記載のレーザー配列において、前記2個の半導体レーザー(2,3;12,13;22,23)が互いに異なる出力レベルを有することを特徴とするレーザー装置。 【請求項3】 請求項1又は2に記載のレーザー配列において、前記2個の半導体レーザー(2,3;12,13;22,23)は、互いに波長の異なる一次ビーム(P,Q)を放出することを特徴とするレーザー装置。 【請求項4】 請求項1〜3の何れか一項に記載のレーザー装置において、少なくとも一方の半導体レーザー(2,3;12,13;22,23)と前記ビームスプリッタ(7, 17)との間に、1個又は複数個のビーム成形素子(4,5;14,15)を配置したことを特徴とするレーザー装置。 【請求項5】 請求項1〜4の何れか一項に記載のレーザー装置において、前記2個の半導体レーザー(2,3)は光軸が互いに直交するように配置され、これら半導体レーザから出射した一次ビーム(P,Q)は、これら半導体レーザと前記ビームスプリッタとの間に配置され、前記半導体レーザから出射した一次ビームに対してそれぞれ45°の角度をなすように配置したハーフミラー(6)により合成されることを特徴とするレーザー装置。 【請求項6】 請求項5記載に記載のレーザー装置において、前記ビームスプリッタ(7)は少なくとも2個の好適には4個の反射面(8)を有し、これら反射面は互いに直交すると共に、合成されたの一次ビーム(G )に対してそれぞれ45°だけ傾斜し、前記ビームスプリッタは、合成されたビーム(G )の一部を透過する部分を有することを特徴とするレーザー装置。 【請求項7】 請求項1〜4の何れか一項に記載のレーザー装置において、前記2個の半導体レーザー(12,13)は、光軸が互いに鋭角をなすように配置され、前記ビームスプリッタ(17)は、少なくとも2個好適には4個の反射面(18)を具え、これら反射面は互いに対として90°の角度をなすと共に、入射する一次ビーム(P,Q)に対して45°以下の角度で配置されたことを特徴とするレーザー装置。 【請求項8】 請求項1〜4の何れか一項に記載のレーザー装置において、前記2個の半導体レーザー(22,23)は、光軸が互いにに平行になるように整列し、前記ビームスプリッタ(24)は2個のプリズム(25,26)から形成され、これらプリズムは互いに直交するする長手方向軸線を有し、一方のプリズム(26)は、対応する半導体レーザ(23)から出射したビームに対してそれぞれ45°の角度をなすと共に互いに45°の角度をなす1対のプリズム面(28)及びこれらプリズム面と直交する1対の側面(30)を有すると共に、前記対応する半導体レーザから出射したビームがほぼ垂直に入射する互いに平行な1対の面を有し、前記一方のプリズム(26)の一方の側面が他方のプリズム(25)の一方のプリズム面と対向することを特徴とするレーザ装置。 【請求項9】 請求項1〜8の何れか一項に記載のレーザー装置において、前記ビームスプリッタ(7;17;24)の反射面(8;18;28)は、互いに結合されて1個の構造ユニットを形成することを特徴とするレーザー装置。 【請求項10】 請求項1〜9の何れか一項に記載のレーザー装置において、前記ビームスプリッタ(7;17;24)の反射面(8;18;28)が、単体の構造部材に形成されていることを特徴とするレーザー装置。
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【発明の詳細な説明】【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、マルチレーザー照準器のレーザー装置に関し、特に、レーザー照準器は少なくとも1本の一次レーザービームを発生する光源と、反射面を有するビームスプリッタとを具え、前記ビームスプリッタにより、少なくとも1本の一次レーザービームを互いに直交する方向に伝搬する少なくとも2本の部分ビームに部分するレーザー装置に関するものである。 【0002】 【従来の技術】建設業界では、以前から公知の機械装置等を、高い輝度の平行光ビームを基礎とする光学装置によって代替するケースが増えている。それらは、目視検査により構造部材、内装、配管・配線等の位置的精度を調整及び測定する装置である。半導体産業では、赤色の可視スペクトルの光ビームを放出する大量のレーザー・ダイオードを使用することが可能となった。それ以来、建設業界ではレーザビームを用いた一連の測定装置が用いられるようになった。これら測定装置は、従来の主力であったメカノ・ヴィジュアル機構及び方法にとって変わる共に、測定に新たな可能性を加えるものである。例えば、少なくとも1本のコリメートされたレーザービームを放射する照準器は広く普及した。このレーザービームは、約20m以内の領域で最大直径約10mmで水平方向における約1mm/10mの偏差を有する。 【0003】水平方向の整列及び水準化の他に、建設現場では垂線を立てたり、精確に直角を定めることが極めて重要である。例えば、米国特許第5144487号明細書に開示されたレーザー照準器は、水平面内で互いに直角に延在する3本のレーザービームを放射する。更に、この照準器は2本の鉛直光線を発する。水平方向及び鉛直のレーザービームを放射するために、照準器の内部には、レーザーダイオードから発した一次レーザービームを所望の方向に偏向するミラーが配置されている。水平方向及び鉛直方向の合計5本のビームを発する偏向ミラーは、一次レーザービームの放射経路内に互いに空間的に離間して配置される。それにより、放射されたレーザービームによって固定された三次元光軸系には零点オフセットが生じる。鉛直のビームと水平方向のビームとは、異なる仮の原点を有するからである。従来、この種のレーザー照準器の製造者は、零点オフセットに対して、例えば、設計上で概ね20mmの公差を許容することで対処していた。上述の構成を有するレーザー照準器によって測定する場合、常に零点オフセットを考慮しなければならない。実際の使用に際して、このことが誤差の重大な原因となることがある。光源から発した一次レーザービームの分割により、個々の部分ビームのビーム強度は著しく低下する。この不利を克服するために、適切な出力のレーザー光源を使用することが試されている。レーザーダイオードに係る費用は、獲得されるビーム出力に比べて不相応に増加する。従って、この解決方法は非経済的である。時折、異なるカラーの光ビームを放射することも望まれる。しかしながら、このことは市販の照準器によっては実現することが不可能である。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、現行の技術水準におけるレーザー照準器の問題が解消されたレーザ装置を提供することにある。さらに、に本発明の目的は、零点オフセットが回避された光軸系を有するレーザ装置を提供することにある。さらに、本発明の別の目的は、部分ビームが遠距離にわたって十分なビーム強度を有し正確な水平方向及び鉛直方向のビーム表示を可能とするレーザ装置を提供する。また、本発明の別の目的は、光の強さを損なうことなく、複数のカラーの異なるレーザビームを発生するレーザ装置を提供することにある。 【0005】 【課題を解決するための手段】この課題を解決するため、本発明においては、光源が長手方向寸法と横方向寸法とする発光面を有する2個の半導体レーザーを具え、前記長手方向寸法と横方向寸法との比率は約2.5:1〜約4:1であり、発光面の長手方向寸法は90°の角度で互いに回転して配置されると共に、両方の半導体レーザーから生じた一次ビームはビームスプリッタの前段又はビームスプリッタにおいてで合成可能であることを特徴とする。本発明の好適な実施形態は、従属請求項に記載されている。本発明によるレーザー装置は、マルチレーザービーム照準器に用いるものとして形成される。レーザー照準器は、少なくとも1 本の一次レーザービームを発生する光源と、反射面を有するビームスプリッタとを具える。このビームスプリッタにより、少なくとも1 本の一次レーザービームは、互いに直交方向に伝搬する少なくとも2 本の部分ビームに分割可能である。本発明における光源は2個の半導体レーザーを有する。それらの発光面における長手方向寸法と横方向寸法との比率は、約2.5:1〜約4:1とする。半導体レーザーの発光面を適切に配置することにより、発光面の長手方向寸法は90°の角度をなすと共に、両方の半導体レーザーから発生した一次ビームはビームスプリッタの前段又はビームスプリッタにおいて合成することができる。 【0006】半導体レーザーから発したレーザー光線は、楕円の放射断面形状を有する。これは、半導体レーザーにおけるレーザー光を生ずる層の発光面が矩形であることに起因する。90°だけ互いに回転した発光面を有する半導体レーザーの選択的配列により、両方の楕円形状の一次ビームから合成した全体ビームは、ほぼ星形のビーム形状を有する。この形状は、90°だけ互いに回転した楕円から生じる。その結果、全体ビームは再びほぼ左右対称の形状となり、ビームスプリッタの幾何要件に適合する。2個の半導体レーザーからの一次ビームを合成することにより、低出力の半導体レーザーも光源として用いることができる。一方の半導体レーザーが故障した場合、レーザー照準器は完全に停止することなく、少なくとも制限された範囲で使用可能である。それにより、レーザー照準器の経済性と可処分性とが更に向上する。出力又は放射波長が互いに異なる半導体レーザーも光源としてもることが可能である。その結果、レーザー照準器については、放射されたレーザー光線に係る興味深い変形の可能性がある。三次元レーザー照準器の場合、例えば、平行光軸系を固定する少なくとも2本のレーザービームは、互いに異なるカラーとすることができる。従って、使用者は投影されたマークの色で位置を確認することができる。 【0007】光線の軌跡を向上すると共に、分光器の要件に係る適合性を高めるために、少なくとも一方の半導体レーザーとビームスプリッタとの間には、1個又は複数個のビーム整形素子又はビーム拡大光学系を配置すことができる。 【0008】レーザー装置の一実施形態として、2個の半導体レーザー(2,3)は光軸が互いに直交するように配置され、これら半導体レーザから出射した一次ビーム(P,Q)は、これら半導体レーザと前記ビームスプリッタとの間に配置され、前記半導体レーザから出射した一次ビームに対してそれぞれ45°の角度をなすように配置したハーフミラー(6)により合成されることを特徴とする。この選択された装置は容易に実施可能であり、ハーフミラーを除けば、特別に形成した光学素子を必要としない。両方の半導体レーザーを選択的に配列した場合、ビームスプリッタは好適には4個、少なくとも2個の反射面を具える。反射面は、互いに直角かつハーフミラーから等距離として配置される。それらの反射面は、入射する一次ビーム全体に対して各45°だけ傾斜すると共に、全体ビームに突出しビームの一部分がビームスプリッタを透過する部分が形成される。一次レーザービームの放射経路内に反射面を配置することにより、互いに垂直に延在する3本の部分ビームが極めて容易に発生可能となる。分光器の反射面から生じた部分ビームは、例えば、直交するy軸とz軸とを形成する。合成されたビームの一部のビーム部分が透過する方向はx軸を形成する。4個の反射面を配置すると、一次ビーム全体は合計5本の部分ビームに分割される。このようにして、y軸及びz軸の" 負の" 部分(光軸に沿って一方の方向と反対の方向に伝搬する)も生成可能である。部分ビームから成る平行光軸系は、共通する仮の原点を有する。この原点は、ビームスプリッタの2対の反射面の合成ビームの一部が入射する位置を結ぶ延長線の交点により形成される。同様に、合成ビームのビームスプリッタを透過する部分ビームは当該交点すなわち原点を通過する。これにより、零点オフセットは確実に回避される。反射面の配列は、光学素子の集約的かつ堅牢な構造に係る必要条件であり、レーザー照準器における取り付けを容易化すると共に、耐振動性能が一層向上する。 【0009】別の実施形態によるレーザー照準器のレーザー装置において、2個の半導体レーザーは、光軸が互いに鋭角をなすように配置される。ビームスプリッタは、好適には4個、少なくとも2個の反射面を有する。これらの反射面は、互いに対として90°の角度を成し、対応する半導体レーザーから等距離に位置する。その際、対の反射面は、入射する一次ビームに対して45°以下の角度で配置される。この実施形態においては、ハーフミラーは使用しない。両方の半導体レーザーの発光面は、ビームスプリッタの反射面に対して整列し、2個の半導体レーザーからのビームはビームスプリッタにより1本の全体ビームに合成される。 【0010】本発明によるレーザー装置の更に別の有利な実施形態において、2個の半導体レーザー(22,23)は、光軸が互いにに平行になるように整列し、前記ビームスプリッタ(24)は2個のプリズム(25,26)から形成され、これらプリズムは互いに直交するする長手方向軸線を有し、一方のプリズム(26)は、対応する半導体レーザ(23)から出射したビームに対してそれぞれ45°の角度をなすと共に互いに45°の角度をなす1対のプリズム面(28)及びこれらプリズム面と直交する1対の側面(30)を有すると共に、前記対応する半導体レーザから出射したビームがほぼ垂直に入射する互いに平行な1対の面を有し、前記一方のプリズム(26)の一方の側面が他方のプリズム(25)の一方のプリズム面と対向することを特徴とする。本発明のこの実施形態においては、ビームスプリッタは2個の簡単なプリズムから構成され、それらのプリズム反射面は、半導体レーザーに対向するプリズム縁において、互いに90°の角度を成す。その際、偏向した部分ビームを屈折せずに通過させるべきプリズムは、互いに平行な2個の平行平面を有し、入射する一次ビームの中間ビーム部分が透過する部分とを具える。この透過部分は、側面に対して直交するように延在する。これらのプリズムは、簡単かつ経済的に作製可能であり、レーザー照準器における取り付け及び整列は比較的容易に実行される。プリズムは堅牢であり、耐振動性も良好である。 【0011】製造技術上の理由から、また、構造の強靭性を高めるために、ビームスプリッタの反射面は1個の構造ユニットとして互いに結合する。例えば、両方のプリズムを1個の調整したユニットに合成することができる。特に有利な実施形態として、分光器の反射面を単体の構造部材に形成する。この構造部材は、例えば、角錐台の形状を有するものとし、角錐面は互いに90°に延在する。垂線に対する角錐面の角度は、例えば、45°とする。 【0012】 【発明の実施の形態】以下、本発明を図示の好適な実施形態について更に具体的に説明する。なお、図示は、本発明を理解する上で重要な素子に限定する。 【0013】図1に示す半導体レーザーSは、層状の構造を有する。特に、2個の反射層Rの間に活性層Aを配置し、これらの層で完全反射が実現する。半導体レーザーSの発光面は、符号Eで示され、長手方向寸法lと横方向寸法wとする長方形である。発光面Eの長手方向寸法lと横方向寸法wとは、約2.5:1〜約4:1の比率である。発光面Eの非対称性により、放射されたレーザー光線は楕円形の断面を有する。 【0014】図2に示した第1 のレーザー装置は、例えば、マルチレーザー照準器に用いることができる。レーザー装置1は、光軸が互いに直交する2 個の半導体レーザー2,3を有し、それらの発光面の長手方向寸法は互いに直交する。このことは、図2における互いに垂直に配置した矢印Iによって示される。レーザー光源2,3から放射された一次ビームP,Qはコリメータレンズ4,5を経て拡大平行ビームに変換され、ハーフミラー6に入射し、ハーフミラー6で全体の一次ビームGに合成する。図3は、合成個所における一次ビームG全体の断面輪郭を示している。ここで分かるように、両方の楕円形状の一次ビームP,Qは、両方の半導体レーザー2,3を選択的に配置したため、長手方向寸法が互いに90°だけ回転している。両方の楕円形状の一次ビームP,Qを合成することにより、ほぼ星形の断面とする全体ビームGが生じる。ハーフミラー6は、両方の一次ビームP,Qに対して45°の角度で配置する。 【0015】全体の一次ビームGに合成された一次ビームP,Qはビームスプリッタ7に入射する。このビームスプリッタは2対の反射面8を有し、各対の反射面のエッジ(反射面の結合縁)は水平方向及び鉛直方向に延在する。さらに、このビームスプリッタは一次ビームG全体の中間部分が直進して通過できる中心的な貫通孔9を具える。貫通孔9の代わりに、当該ビームスプリッタは、その中央に光学的に平坦な平行平面を具えることも可能である。この場合、入射ビームはこの平坦な面に垂直に入射するので、入射ビームのほとんどが透過し、直進する部分ビームTを発生させることができる。各対の反射面8は、互いに90°を成して整列すると共に、入射する一次ビーム全体に対して45°の角度をなす。ビームスプリッタ7は、例えば、正方形の底面と左右対象の側面とを有する角錘台の形状とする。このように構成することにより、エッジが互いに直交する2対の反射面が形成される。一次ビームG全体の断面輪郭は概ね星形であるため、角錘台の各側の反射面8には楕円形のセグメントの半分のビーム部分がそれぞれ入射する。この結果、断面が楕円形のレーザビームを用いてもビームの全ての部分を有効に利用することができ、比較的低出力のレーザダイオードを有効に利用することができる。一次ビームG全体に対して、4個の反射面8に入射するビーム部分は、当該反射面8によりそれぞれ入射方向に対して90°だけ偏向される。合成した一次ビームG全体の中間部分は、中心の貫通孔9を介して概ね自由に分光器7を通過する。この結果、互いに直交する5本の部分ビームが発生する。反射面8が4面ある場合、対として互いに直交して延在する4本の部分ビームTが放射可能である。一次ビーム全体の中間部分は、偏向した部分ビームTに対して垂直に延在する。このようにして、共通の原点を有する平行座標系が求められる。尚、当該座標系の原点は、各対の反射面の入射点を結ぶ線の交点として求められ、この交点は固定点であるため、固定された原点が得られる。 【0016】図4に示したレーザー装置11は、光軸が互いに鋭角に配置された2個の半導体レーザー12,13を有する。半導体12,13の発光面を整列させることにより、長手方向寸法は互いに垂直に延在する。このことは、半導体レーザー12,13の矢印lによって示される。両方のレーザー光源12,13は、直接、ビームスプリッタ17に向かい、そこで合成する。ビームスプリッタ17と光源12,13との間には、例えば、エキスパンダレンズ14,15を配置することができる。ビームスプリッタ17の反射面18は、互いに垂直として配置され、入射する一次ビームP,Qに対して傾斜するため、反射した部分ビームは互いに垂直に延在すると共に、その延長線上で光源に到達する。反射面18が4個の場合、各2対の部分ビームは互いに垂直に延在する。5本の部分ビームを作成するために、入射する一次ビームの1本は、分光器の軸線に対して平行に整列する。この一次ビームに対して決定的な反射面は、一次光線の方向に対して45°だけ傾斜する。一次ビームの中間部分に対して、ビームスプリッタは貫通孔又は光学的に平坦な平行平面を具えることができる。 【0017】図5に示したレーザー装置21では、2個の半導体レーザー22,23を並置する。それらの発光面は、互いに垂直に整列する。これは、互いに垂直に延在する矢印Iによって示される。一次ビームP,Qは、2個のプリズム25,26を具えるビームスプリッタ24に入射する。各プリズム25,26は、一次ビームP,Qの放射経路内に位置する。第1のプリズム25は三角プリズムとし、一次ビームPの放射経路内に配置され、第1の一次ビームPに対して45°だけ傾斜する1対の2個の反射面28を有する。これら反射面の結合縁部は、レーザダイオード22から出射したレーザビームの長軸と直交する方向に延在する。その結果、一次ビームPは2本の部分ビームZ,−Zに分割される。これらの部分ビームはX軸に沿って伝搬するが、伝播方向は逆である。第1プリズム25の一方の反射面の付近には、第2の一次ビームQの放射経路内に位置する第2のプリズム26を配置する。この第2のプリズムは、光源23からのビームが入射する側のプリズム縁を底面に対して平行な(X軸及びZ軸に平行な)平坦な面に研磨された面を有し、断面が台形の形状を有する。第2プリズム26は、その軸線(X軸に平行な軸線)が第1プリズムの軸線(Z軸に平行な軸線)に対して90°だけ回転する。従って、その反射面28もまた、第1プリズム25の反射面に対して90°だけ回転する。従って、この第2のプリズムには、ビームの長軸がZ方向に延在するレーザビームが入射するので、入射ビームの光量を有効に利用できる。第2のプリズム26の側面30はX軸と直交する平面に形成され、第1プリズム25により偏向された部分ビームZ,−Zに対して垂直に延在する。第1のプリズム25の反射面28により偏向されX軸に平行に伝搬するビーム−Xは第2のプリズム26の側面30を透過する。この結果、2個のレーザ22及び23から出射した光ビームが互いに光学的に結合されることになる。第2プリズム26の反射面28に入射する第2の一次ビームQは90°だけ偏向する。このことは、第1プリズム25により偏向された部分ビームZ,−Zに対して垂直に延在する部分ビームX,−Xによって示される。第2の一次ビームQの一部分は、平行平面29を介してプリズム26を自由に透過し、X及びZ軸と直交するY軸に沿って伝搬する部分ビームを形成する。従って、互いに直交する5本の部分ビームを発生するレーザ装置が実現される。このようにして、共通の原点を有する3次元直交座標系が得られる。尚、第2のプリズム26の側面30に貫通孔を形成して第1のプリズム25により偏向されたビーム部分を通過させることもできる。 【0018】レーザー装置の両方の半導体レーザーから、異なる出力レベル又は異なるカラーのレーザビームを発生させることも可能であり、この場合出力及び/又は波長の異なる半導体レーザーを使用する。本発明による両方の半導体レーザーの装置により、一次光線の楕円形状の放射が合成するのが有利である。上述の構成を有するビームスプリッタと結合することにより、損失は著しく低減する。入射するレーザービームの断面が反射面の配列に順応しているからである。両方の一次光線が1本の全体ビームに合成することにより、低出力の半導体レーザーを用いことが可能となり、レーザー装置を装備するレーザー照準器の経済性が高まる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】591010170 【氏名又は名称】ヒルティ アクチエンゲゼルシャフト
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| 【出願日】 |
平成12年8月25日(2000.8.25) |
| 【代理人】 |
【識別番号】100059258 【弁理士】 【氏名又は名称】杉村 暁秀 (外2名)
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| 【公開番号】 |
特開2001−124556(P2001−124556A) |
| 【公開日】 |
平成13年5月11日(2001.5.11) |
| 【出願番号】 |
特願2000−255276(P2000−255276) |
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