JPH08145676A - 基準平面形成用レーザ投光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光学系の複雑化やコストアップを招くことな
く、照準点合わせを容易にし、検出器による検出感度を
どの方向においても同じにすることが可能な基準平面形
成用レーザ投光装置を提供すること。 【構成】 レーザダイオード２３からのレーザ光をペン
タプリズム３５で反射させて回転照射し、基準平面を形
成する基準平面形成用レーザ投光装置１１において、レ
ーザダイオード２３からペンタプリズム３５に至るレー
ザ光光路に、レーザダイオード２３から射出後の断面楕
円状の光束を、略断面円形状に変換するレーザ光束断面
形状変換光学系１８を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は、レーザ光源からのレーザ
光束を反射手段で反射させて回転照射し、基準平面を形
成する基準平面形成用レーザ投光装置に関する。

【０００２】

【従来技術及びその問題点】一般に、土木建築分野で
は、回転する投光部から装置本体周囲の測量対象物に向
けてレーザ光束を走査して基準平面を形成する基準平面
形成用レーザ投光装置（所謂レーザプレーナ）を用い、
測量対象物上に到達したレーザスポットの高さを計測す
ることにより基準出しや高さ計測を行なう。

【０００３】このようなレーザ投光装置では従来、光源
としてヘリウムネオンレーザ（He-Ne レーザ）を用いて
いたが、近年、特開平2-179412号に記載されるような、
ヘリウムネオンレーザに代えてレーザダイオード（Ｌ
Ｄ）を用いた装置が知られるようになった。

【０００４】このレーザダイオードを光源とするレーザ
投光装置は、装置の小型化や消費電流の低減化に寄与す
ることができるものの、レーザダイオードの射出端面が
偏平である等により射出光束の断面が楕円状となるた
め、また該レーザダイオードからの射出レーザ光束が非
点隔差を有するため、次のような問題が生じる。 断面楕円状のレーザ光束を回転投射すると、レーザ光
束スポットは、０〜３６０゜における回転を示す図１８
のＳ₀ 〜Ｓ₈ のように、光軸周りに回転するため、中心
の判別が難しく、水平基準が認識しづらい。 例えば一対の受光素子を備えた別設の検出器で断面楕
円状のレーザ光束の位置を検出する場合には、楕円状の
スポットの回転位置によって受光素子に対する照射状態
が変化するため、図２０の(a)、(b)、(c) のように、検出
信号の出力波形が異なって、検出結果に誤差を招く虞れ
がある。図２０の(a) は、図１９に示す上下一対の受光
素子Ａ、Ｂで、９０゜と２７０゜の回転位置におけるス
ポットＳ₂ 、Ｓ₆ を受光した場合の出力波形であり、図
２０の(b) は、該受光素子Ａ、Ｂで、１３５゜と３１５
゜の回転位置におけるスポットＳ₃ 、Ｓ₇ を受光した場
合の出力波形である。また図２０の(c) は、該受光素子
Ａ、Ｂで、１８０゜と３６０゜の回転位置におけるスポ
ットＳ₄ 、Ｓ₈ を受光した場合の出力波形である。 射出レーザ光束が有する非点隔差のため、ビーム径を
小さく絞ることが難しく、レーザ光束を遠方まで投光す
ることが極めて難しい。

【０００５】上記の問題を解決するため、レーザダ
イオードから射出したレーザ光束を、回転角を互いに９
０゜異ならせた２種の断面楕円状のレーザ光束に分割し
た後、互いの長軸を十字状に合わせて同時に投光するレ
ーザ測量機が知られている（特開平5-272967号参照）。
しかしながら、このような従来のレーザ投光装置による
と、の問題を多少緩和することができるものの、断
面楕円状の長軸を十字状に合わせただけのレーザスポッ
トを測量に用いるため、照準点合わせの容易化、或は検
出器による検出感度のムラを除去する目的を完全に達成
することはできない。さらに、回転角を９０゜異ならせ
た２種のレーザ光束に分割するための光学系が複雑であ
るため、このことがコストアップに繋る。また、上記従
来のレーザ投光装置は、の問題については何も解決し
ていない。

【０００６】また、ＮＡ（開口数）の小さなコリメート
レンズにより、断面楕円状のレーザ光束に無理にケラレ
を与えて断面円形状のレーザ光束を得る方法が知られて
いる。しかしこの方法によると、レーザ光束にケラレを
与えるとき多くの光エネルギーを無駄にするため、出力
の大きなレーザダイオードが必要となり、消費電流の増
大と共にコスト高を招いてしまう。

【０００７】

【発明の目的】本発明は、上記従来のレーザ投光装置に
おける問題点に基づき、光学系の複雑化やコストアップ
を招くことなく、照準点合わせを容易し、検出器による
検出感度をどの方向においても同じにすることが可能な
レーザ投光装置を提供することを目的とする。さらに本
発明は、射出レーザ光束が有する非点隔差のためビーム
径を小さく絞ることができない等の問題を解消可能なレ
ーザ投光装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【発明の概要】上記目的を達成するための本発明は、レ
ーザ光源からのレーザ光束を反射手段で反射させて回転
照射し、基準平面を形成する基準平面形成用レーザ投光
装置において、上記レーザ光源から反射手段に至るレー
ザ光束路に、レーザ光源から射出後の断面楕円状の光束
を、略断面円形状に変換するレーザ光束断面形状変換光
学系を備えたことを特徴としている。この構成により、
光学系の複雑化やコストアップを招くことなく、照準点
合わせを容易にし、検出器による検出感度をどの方向に
おいても同じにすることが可能となる。

【０００９】また、レーザ光源とレーザ光束断面形状変
換光学系との間に、このレーザ光源から射出されるレー
ザ光束を平行光束に変換するコリメートレンズを設け、
このレーザ光源とコリメートレンズとの間隔を変化させ
てレーザ光束に含まれる非点隔差を補正するように構成
する。これにより、射出レーザ光束が有する非点隔差の
ためビーム径を小さく絞ることができない等の問題を解
消することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下図示実施例に基づいて本発明
を説明する。図１は、本発明を適用した基準平面形成用
レーザ投光装置の全体を示す断面図である。このレーザ
投光装置１１は、略円筒状のハウジング１２と、該ハウ
ジング１２の内方に設けられた投光装置本体１３とを有
している。ハウジング１２の同図上方には、投光装置本
体１３上部の回転投光部１５を囲繞する円筒状の透明部
材１６が固定され、下方には、レーザ投光装置１１の駆
動用バッテリ（図示せず）を収納するバッテリケース１
７が固定されている。

【００１１】ハウジング１２は、その上部中央に略円錐
状の摺動案内部１９を有し、下部中央に円孔１２ａを有
している。この円孔１２ａは、バッテリケース１７の中
央部に形成した円孔１７ａと合致された状態において、
上方からのレーザ光束をレーザ投光装置１１の下方外方
に射出させる。また摺動案内部１９は、略円錐状の底部
に摺動孔１９ａを有している。この摺動孔１９ａの先端
部がなす内径は、後述する膨出部２１の球面部の外径よ
り小さく設定されている。

【００１２】また投光装置本体１３は、図１の上下方向
に沿う中空部を有する中空部材２０と、この中空部材２
０の上方に、ベアリング１２を介して回転自在に支持さ
れた上記回転投光部１５とを有している。中空部材２０
が有する膨出部２１は、摺動孔１９ａにその球面部を当
接させた状態で、回転投光部１５（投光装置本体１３）
を回転軸ａ回りの全ての方向に傾け、投光レーザ光束Ｌ
₃ によって形成される基準平面を水平面に対して自由に
調整できるように支持されている。

【００１３】中空部材２０は、その内方に、互いに直交
するレーザ光光路２０ａ、２０ｂを有している。レーザ
光光路２０ａには、可視レーザ光束を発するレーザダイ
オード２３と、コリメートレンズ２４と、一対のアナモ
フィックプリズム２５、２６（図１２参照）からなるレ
ーザ光束断面形状変換光学系１８とが設けられている。
回転投光部１５の回転軸ａの延長上に位置するレーザ光
光路２０ｂは、投光光学系２２を有している。

【００１４】レーザ光束断面形状変換光学系１８は、後
述するプリズムＰを有している。投光光学系２２は、図
２に示すように、プリズムＰから射出されるレーザ光束
を受ける偏光ビームスプリッタ２７を有している。この
偏光ビームスプリッタ２７は、偏光分離面（偏光分割
面）２７ａを有し、その上部に１／４λ板２８が貼着さ
れている。この１／４λ板２８は、入射光の偏光方向に
対して該１／４λ板２８の軸方位が４５゜方向に向くよ
うに貼着されている。さらに、１／４λ板２８の上面に
は、レーザ光束を所定の割合でペンタプリズム３５に向
けて透過し、かつ残りのレーザ光束を偏光ビームスプリ
ッタ２７の偏光分離面２７ａに向けて反射する、反射率
１０〜２０％程度の半透膜２８ａを有している。ここ
で、偏光ビームスプリッタ２７と半透膜２８ａとの間に
設けられた上記１／４λ板２８は、この偏光ビームスプ
リッタ２７で反射した後、半透膜２８ａにより大部分の
光は円偏光のままペンタプリズム３５に向けて透過させ
る。残りの光は半透膜２８ａで反射され、さらに１／４
λ板２８を再び透過することにより、入射時とは逆方向
の直線偏光となる。このため、偏光ビームスプリッタ２
７の偏光分離面２７ａに向かった光は、この偏光分離面
２７ａで反射されることなく、即ちレーザ光源であるレ
ーザダイオード２３に戻ることなく、偏光分離面２７ａ
を全て透過する。

【００１５】偏光ビームスプリッタ２７の図１、図２の
下方には、ウェッジプリズム２９ａ、２９ｂが設けられ
ている。また偏光ビームスプリッタ２７の同図上方に
は、摺動円筒部材３０に固定されこの摺動円筒部材３０
と共に光軸方向に移動可能な合焦用レンズ３１と、レー
ザ光光路２０ｂ内に固定された対物レンズ３２とが設け
られている。

【００１６】回転投光部１５は、レーザ光光路２０ｂと
合致して該レーザ光光路２０ｂに連続するレーザ光光路
１５ａと、このレーザ光光路１５ａに連続する該レーザ
光光路１５ａより大径のペンタプリズム収納部１５ｂと
を有している。該ペンタプリズム収納部１５ｂの側壁に
は、内方に収納したペンタプリズム３５で反射して偏向
されたレーザ光束を装置外方に投光するための投光用窓
３３が形成されている。ペンタプリズム収納部１５ｂの
上方は開放され、レーザ光光路１５ａの光軸が、透明部
材１６の上部中央の円孔１６ａに嵌込まれた透光部材３
６の中心に一致されている。

【００１７】ペンタプリズム３５は、投光装置本体１３
の回転投光部１５に、該回転投光部１５と一体に回転す
るように固定されており、この回転投光部１５の回転軸
ａ上のレーザ光束を反射する反射手段を構成している。
ペンタプリズム３５は、図２に示されるように、レーザ
光束が入射する光入射面３５ｃと、この光入射面３５ｃ
に対して所定角度に設定され、所要の反射率（７０〜８
０％）の半透膜１４が設けられた、該光入射面３５ｃか
ら入射したレーザ光束が入射する第１の反射面３５ａ
と、この第１の反射面３５ａで反射されたレーザ光束を
反射する、この第１の反射面３５ａとでなす角θが４５
゜である第２の反射面３５ｂと、この第２の反射面３５
ｂで反射したレーザ光束が射出する、光入射面３５ｃと
で９０゜をなす光射出面３５ｄとを有している。第２の
反射面３５ｂには、増反射膜がアルミニューム蒸着等に
よって形成されている。また第１の反射面３５ａには、
上記半透膜１４を挟んで楔型プリズム３４が貼着されて
いる。この楔型プリズム３４は、斜辺を第１の反射面３
５ａに貼着した状態において、図２の上部に位置する射
出面３４ａがペンタプリズム３５の光入射面３５ｃと平
行となるように構成されている。

【００１８】他方、中空部材２０は、図１の右方に延出
する駆動用アーム３７と、この駆動用アーム３７に対し
て紙面奥方向に直交する駆動用アーム３９（図３参照）
とを一体的に有している。これらの駆動用アーム３７、
３９は、膨出部２１の最上部から下方に傾斜させて形成
され、それぞれの先端部に、膨出部２１の球心と一致さ
せて取付けられたローラ４０、４１を有している。

【００１９】ハウジング１２はその内壁に、このハウジ
ング１２の内周に向けて突出させたブラケット４２を有
している。このブラケット４２には、ギヤ支持孔４２ａ
が形成されている。また、ハウジング１２の上壁１２ｂ
においてのギヤ支持孔４２ａと対向する位置には、ギヤ
支持孔４３が形成されている。これらのギヤ支持孔４２
ａ、４３には、調整用スクリュー４５の両端の軸部が回
転自在に嵌合されている。ブラケット４２にはまた、第
１レベル調整用モータ４４が固定されている。この第１
レベル調整用モータ４４の回転軸に固定したピニオン４
９は、調整用スクリュー４５の下端部に固定した伝達ギ
ヤ５０と噛み合っている。この調整用スクリュー４５に
は、この調整用スクリュー４５とで送りねじ機構を構成
する調整用ナット４６が螺合されている。この調整用ナ
ット４６の外周には、外方に突出させた作動ピン４７が
固定されており、この作動ピン４７は、ローラ４０にそ
の上方から当接している。調整用ナット４６はまた、図
示しない支持機構によって、ハウジング１２に対する相
対回転を規制されている。

【００２０】図３に示されるように、ハウジング１２は
その内壁に、このハウジング１２の内周に向けて突出さ
せたブラケット７８を有している。このブラケット７８
には、ギヤ支持孔（図示せず）が形成され、ハウジング
１２の上壁においての該ギヤ支持孔と対向する位置に
は、ギヤ支持孔（図示せず）が形成されている。この両
ギヤ支持孔には、調整用スクリュー７９の両端の軸部が
回転自在に嵌合されている。ブラケット７８には、第２
レベル調整用モータ７５が固定されている。この第２レ
ベル調整用モータ７５の回転軸に固定したピニオン７６
は、調整用スクリュー７９の下端部に固定した伝達ギヤ
７７と噛み合っている。調整用スクリュー７９にはま
た、この調整用スクリュー７９とで送りねじ機構を構成
する調整用ナット８０が螺合されている。この調整用ナ
ット８０の外周には、外方に突出させた作動ピン８１が
固定され、この作動ピン８１は、ローラ４１にその上方
から当接している。調整用ナット８０はまた、図示しな
い支持機構によって、ハウジング１２に対する相対回転
を規制されている。

【００２１】またハウジング１２は、その内壁に、互い
に直交する駆動用アーム３７と３９とでなす角を二等分
する方向に設けた支持突起５１を有している。この支持
突起５１と中空部材２０との間には、引張りばね５２が
張設されている。中空部材２０は、この引張りばね５２
により、それぞれ同等の力で上方に向けて付勢されたロ
ーラ４０、４１を、作動ピン４７、８１にその下方から
弾接させている。つまり、中空部材２０はその下部を、
膨出部２１が摺動孔１９ａによって支持された状態で支
持突起５１に向けて付勢されるため、マイクロコンピュ
ータ（以後マイコンと称する）８２の信号に基づき回転
駆動する第１、第２レベル調整用モータ４４、７５によ
って昇降される作動ピン４７、８１により、水平方向に
おける回動位置を調整可能とされる。また中空部材２０
はその下部に、アーム３７、３９とそれぞれ反対方向に
突出させたブラケット７０、７１を有している。この両
ブラケット７０、７１には、それぞれレベル検知センサ
７２、７３が取付けられており、該レベル検知センサ７
２、７３による検知信号はマイコン８２に送られる。

【００２２】また中空部材２０の下部には、外方に向け
て突出させたブラケット５３が設けられている。このブ
ラケット５３の上部には、該ブラケット５３と対向する
ブラケット５５が形成されている。これらのブラケット
５３、５５には、それぞれに対向するギヤ支持孔５３
ａ、５５ａが形成されている。両ギヤ支持孔５３ａ、５
５ａには、合焦用スクリュー５６の両端の軸部が回転自
在に嵌合されている。ブラケット５３には、合焦用モー
タ５９が固定されている。該合焦用モータ５９の回転軸
に固定したピニオン６０は、合焦用スクリュー５６の下
端部に固定した伝達ギヤ６１と噛み合っている。合焦用
スクリュー５６には、この合焦用スクリュー５６とで送
りねじ機構を構成する合焦用ナット５７が螺合されてい
る。中空部材２０の摺動部材３０と対応する壁部には、
挿入窓６３が形成されている。上記合焦用ナット５７に
は、この挿入窓６３から挿入した一端部を摺動部材３０
の下端部に固定した伝達リンク６２の他端部が固定され
ている。よって、合焦用モータ５９をマイコン８２の信
号に基づき駆動することにより、ピニオン６０、伝達ギ
ヤ６１、合焦用スクリュー５６を介して合焦用ナット５
７を昇降させ、リンク６２と摺動部材３０を介して合焦
用レンズ３１を上下動させて焦点距離を調節して、回転
投光部１５から投光するレーザ光束を適切に集光させる
ことができる。

【００２３】また中空部材２０の最上部には、外方に向
けて突出させたブラケット６５が設けられている。この
ブラケット６５には、回転用モータ６６が固定されてお
り、このモータ６６の回転軸に取付けたピニオン６７
は、回転投光部１５の外周に固定された伝達ギヤ６９と
噛み合っている。従って、マイコン８２の信号に基づき
回転用モータ６６を回転駆動することにより、ピニオン
６７、伝達ギヤ６９を介して回転投光部１５を中空部材
２０に対し相対回転させることができる。

【００２４】また、中空部材２０の最上部のブラケット
６５と反対側には、回転検知センサ８３が上方に向けて
設けられている。この回転検知センサ８３は、上方即ち
伝達ギヤ６９に向けて光束を照射し、この伝達ギヤ６９
の裏面に設けた所定のパターン（図示せず）で反射した
光束を、受光した後信号としてマイコン８２に送る。こ
のマイコン８２は、入力した該受光信号に基づいて、回
転投光部１５の回転角を演算する。

【００２５】図１において、レーザ光束断面形状変換光
学系１８が有するプリズムＰを概略的に示したが、本発
明の特徴である該プリズムＰを、以下具体的に説明す
る。

【００２６】先ず、図４により本発明に係る第１の実施
例を説明する。同実施例では、プリズムＰとして、頂角
α、屈折率ｎの１個のアナモフィックプリズム２５を用
いている。該アナモフィックプリズム２５とレーザダイ
オード２３の間に位置するコリメートレンズ２４は、十
分に大きな開口数（ＮＡ）を持ち、アナモフィックプリ
ズム２５に対して所定の入射角度ｉを持つように配置さ
れている。

【００２７】このような構成の第１の実施例において、
レーザダイオード２３から射出される断面楕円状のレー
ザ光束は、コリメートレンズ２４によって、短軸（短
径）Ｄｉ、長軸（長径）Ｄ₀ （紙面に垂直な方向での光
束径）の断面楕円状の平行光に変換される。このような
断面形状の入射時のレーザ光束（図５）は、アナモフィ
ックプリズム２５に対して入射角ｉで入射するとき短軸
Ｄｉが伸ばされて、この短軸Ｄｉ側の径が長軸Ｄ₀ 側の
径と同寸法となって、射出面２５ａに対して垂直に射出
される。よってこのときの射出レーザ光束は、図６に示
すように、長軸Ｄ₀ を直径とする円形形状の光束とな
る。

【００２８】このとき、射出レーザ光束の断面の短軸Ｄ
ｉ、長軸Ｄ₀ 、及びアナモフィックプリズム２５の頂角
αの間には、 Ｄ₀ ／Ｄｉ＝ cosα／ cosｉ＝ cosα／（ 1−n²・sin²
α)^1/2＝ｍ の関係が成立する（但し、ｍはアナモ倍率）。すなわ
ち、アナモフィックプリズム２５から射出されるレーザ
光束を、上述のように、長軸Ｄ₀ を直径とした円形状の
光束としたい場合、頂角α、屈折率ｎ及び入射角ｉをそ
れぞれ適宜決定することにより、所要のアナモ倍率ｍ
（Ｄ₀ ／Ｄｉ）を得ることができる。

【００２９】上記アナモフィックプリズム２５の各量
を、図７と図８に示す。図７は、アナモ倍率ｍと頂角α
との相関関係を示すグラフであり、図８は、アナモ倍率
ｍをパラメータとしたとき、頂角αに対する入射角ｉと
表面反射率Ｒｐとの相関関係を示す。

【００３０】図７では、屈折率ｎがそれぞれ１．５、
１．６５、１．８のアナモフィックプリズムが用いられ
ている。同図において、屈折率ｎの大きいアナモフィッ
クプリズムほど、小さな頂角αで所要アナモ倍率ｍが得
られることが分かる。因に、屈折率ｎが１．８のアナモ
フィックプリズムの場合、頂角αが３０．５゜のとき、
アナモ倍率ｍは２．１１となる。図８では、アナモ倍率
ｍがそれぞれ２、２．５、３のアナモフィックプリズム
が用いられている。同図において、同じ頂角αに対して
必要なアナモ倍率ｍが大きい程、大きな入射角ｉが必要
である。またアナモ倍率ｍが大きいほど、小さな頂角α
で表面反射率Ｒｐが小さくなる。

【００３１】また一般に、レーザダイオードから照射さ
れるレーザ光束は非点隔差を含んでいるが、この非点隔
差をそのままにすると、射出レーザ光束の径を小さく絞
ることができなくなり、レーザ光束を遠方まで投光する
ことが困難となる。本第１実施例では、レーザダイオー
ド２３から射出されるレーザ光束に含まれる非点隔差
を、レーザダイオード２３とコリメートレンズ２４との
間隔を変化させることによって補正している。

【００３２】すなわち、レーザ光束が非点隔差を全く含
まないものとして考えるとき、コリメートレンズ２４か
らの射出光の波面は、コリメートレンズ２４とレーザダ
イオード２３の間隔が所定位置からずれた場合に、図１
１に示されるように、デフォーカスを持った曲面状の波
面となる（間隔が所定位置のときは平面状の波面とな
る）。もともとレーザダイオード２３からの射出レーザ
光束の断面は楕円形であるため、互いに直交する方向に
おけるそれぞれの径が異なる。つまり、このレーザ光束
の短径をρ、長径をρ₀ とするとき、この短径ρ側で曲
面波面に表われる基準平面Ｓとのずれ量はＷｙとなり、
長径ρ₀ 側で曲面波面に表われる基準平面Ｓとのずれ量
はＷｚとなる。ここで、コリメートレンズ２４から射出
後の光束がアナモフィックプリズム２５を通過すると、
光束の短径ρはρ₀ に引き伸ばされ、半径をρ₀ とする
円形光束となる。しかし、短径方向でのずれ量は相変わ
らずＷｙであるため、短径方向ではＷｙ、長径方向では
Ｗｚ（同じρ₀ に対し）となり、非点隔差を持った波面
となる（図９〜図１１参照）。

【００３３】ところで、レーザダイオード２３をコリメ
ートレンズ２４に対してΔｚだけ相対移動させる等によ
り、両者の間隔を、基準の間隔からどちらの方向にずら
すか（即ち、大きくするか小さくするか）によって、発
生する非点隔差の符号を変化させることができる。つま
り、該ずれの向きと量を調整することにより、レーザ光
束が本来持っている非点隔差を相殺するような非点隔差
を発生させることができる。本第１実施例は、このよう
なレーザダイオード２３とコリメートレンズ２４間の関
係に着目したもので、両者の間隔を変化させることによ
り、上記曲面波面のずれ量ＷｙとＷｚで説明したような
半導体レーザ光束が本来有する非点隔差を相殺する非点
隔差を、積極的に形成して補正している。よって、光エ
ネルギーを有効に使用した非点隔差のないレーザ光束を
得ることができる。このとき波面にデフォーカス成分が
残るが、これは合焦レンズ３１を対物レンズ３２に対し
て動かすことによって打ち消すことができる。その結
果、レーザ光束を問題なく遠距離まで投光することが可
能となる。なお、後述する第２の実施例（図１２）、第
３の実施例（図１４）、第４の実施例（図１５）におい
ても、レーザダイオード２３とコリメートレンズ２４の
間隔を変化させることにより、本第１の実施例と同様の
効果を奏することができる。

【００３４】以上の説明に関し、次式のように定義する
ことができる。 Ｗｚ＝〔 {１− (１−ＮＡ₀ ²)^1/2 }×ΔＺ〕 ≒ 1/2×ＮＡ₀ ²×ΔＺ Ｗｙ＝Ｗｚ×（ρ／ρ₀ ）² ＝Ｗｚ×１／ｍ² 従って、 ｄｅｆ＝（Ｗｚ＋Ｗｚ／ｍ² ）／２ ＝Ｗｚ／２×（１＋１／ｍ² ） Ａｓ＝Ｗｚ−Ｗｚ／ｍ² ＝Ｗｚ（１−１／ｍ² ） 但し、 Ａｓ：非点隔差、 ｄｅｆ：デフォーカス、 ＮＡ：開口数、 ｍ：アナモ倍率（ｍ＝ρ₀ ／ρ）、 Ｗｙ：曲面波面の短径側のρにおいての基準平面Ｓに対
するずれ量、 Ｗｚ：曲面波面の長径側のρ₀ においての基準平面Ｓに
対するずれ量、 λ：レーザ光束の波長。

【００３５】上記構成を有する本レーザ投光装置１１
は、次のように作動する。先ず、図１のように、レーザ
投光装置１１を所望の位置に配置する。この状態におい
て、図示しないメインスイッチをオンすると、マイコン
８２の信号に基づき、レーザダイオード２３が発振を開
始させ、レーザ光束を照射する。このレーザ光束は、コ
リメートレンズ２４によって楕円状の平行光束に変換さ
れた後アナモフィックプリズム２５に入射され、このア
ナモフィックプリズム２５によってその短軸径Ｄｉ（図
５参照）を伸ばされて、図６に示すような径がＤ₀ の円
形状の光束に変換される。さらにこの円形状の光束は、
偏光ビームスプリッタ２７によって上方に向かう光束Ｌ
₁ と下方に向かう光束Ｌ₂ とに分割される。

【００３６】この際、図２において、偏光ビームスプリ
ッタ２７に対して入射するレーザ光束Ｌ₀ が、偏光分離
面２７ａの法線ｎとレーザ光束Ｌ₀ とを含む入射面に対
して垂直な振動方向を有する、Ｓ偏光成分を持ちかつＰ
偏光成分を持たない直線偏光である場合、このレーザ光
束Ｌ₀ は、偏光分離面２７ａで全て反射されて９０゜偏
向され、同図上方に向かう。このとき、１／４λ板２８
は、その軸方位が入射光の振動方向に対して４５゜とな
るように偏光ビームスプリッタ２７に貼付けられている
ため、レーザ光束Ｌ₀ は１／４λ板２８を透過すると、
円偏光のレーザ光束Ｌ₁ となってペンタプリズム３５に
向かう。また半透膜２８ａで反射して偏光分離面２７ａ
に戻されるレーザ光束Ｌ₁ は、１／４λ板２８を再び透
過することにより、入射時とは直交した振動方向を有す
る直線偏光に変換される。すなわち、Ｓ偏光成分の直線
偏光がＰ偏光成分の直線偏光に変換される。よって、こ
のＰ偏光成分の直線偏光であるレーザ光束は、レーザ光
束Ｌ₂ として、偏光分離面２７ａで反射することなくこ
の面２７ａを透過して同図下方に向かい、さらにウェッ
ジプリズム２９ａ、２９ｂを透過した後、レーザ投光装
置１１の下部外方に射出される。

【００３７】他方、上方に向かう上記レーザ光束Ｌ₁
は、合焦用レンズ３１と対物レンズ３２を透過し、ペン
タプリズム３５の光入射面３５ｃを透過後、第１、第２
の反射面３５ａ、３５ｂで順に反射されて進路を９０゜
偏向され、レーザ光束Ｌ₃ としてレーザ光束Ｌ₂ と垂直
な方向、つまり水平方向に向けて光射出面３５ｄから投
光される。またレーザ光束Ｌ₁ のうち、第１の反射面３
５ａで所定の割合で反射したもの以外は、ペンタプリズ
ム３５の該第１の反射面３５ａの上面部に貼着された楔
型プリズム３４とでなすハーフミラー面を透過して上方
に向けて射出される。このようにして、レーザダイオー
ド２３から射出されたレーザ光束Ｌ₀ は、図２の上下方
向にそれぞれ投光されるレーザ光束Ｌ₁ 、Ｌ₄ 、Ｌ₂ 、
及びこれらのレーザ光束Ｌ₁ 、Ｌ₄ 、Ｌ₂ と直交する方
向（水平）に向けて投光されるレーザ光束Ｌ₃ とに分割
される。

【００３８】レーザ投光装置１１は、回転用モータ６６
が、メインスイッチのオンによって電力を供給されるこ
とにより所定速度で回転されると、該モータ６６の回転
をピニオン６７と伝達ギヤ６９を介して回転投光部１５
に伝え、これにより該回転投光部１５を中空部材２０に
対して相対回転させる。よってレーザ投光装置１１は、
対物レンズ３２から射出されるレーザ光束Ｌ₁ をペンタ
プリズム３５によって９０゜偏向させ、回転投光部１５
を水平方向に回転させながらレーザ光束Ｌ₃ を射出し続
けることができる。これにより、レーザ投光装置１１か
らは、断面円形状のレーザ光束Ｌ₃ が一定のレベルを維
持して射出され続けるため、即ち水平プレーン（水平基
準面）を形成することが可能となる。作業者は、建物の
柱等に照射された略断面円形状のレーザ光束の通った軌
跡上に標しを付ける等の作業を行なうことができる。

【００３９】また、レーザ投光装置１１を置いた場所に
よって異なる傾斜角を調整する場合には、図示しないス
イッチを操作して、第１、第２レベル調整用モータ４
４、７５を回転駆動する。例えば、第１レベル調整用モ
ータ４４を駆動する場合、その回転はピニオン４９、伝
達ギヤ５０を介して調整用スクリュー４５に伝達され、
この調整用スクリュー４５の回転によって調整用ナット
４６が昇降する。その際、この調整用ナット４６の突起
４７には、引張りばね５２によって所定の方向に付勢さ
れたローラ４０が弾接されているため、このローラ４０
を介して中空部材２０を膨出部２１の球心を中心として
回動させることができる。また第２調整用モータ７５を
駆動する場合、その回転はピニオン７６、伝達ギヤ７７
を介して調整用スクリュー７９に伝達され、この調整用
スクリュー７９の回転によって調整用ナット８０が昇降
する。その際、この調整用ナット８０の突起８１には、
引張りばね５２によって所定の方向に付勢されたローラ
４１が弾接されているため、中空部材２０をこのローラ
４１を介して、膨出部２１の球心を中心として回動させ
ることができる。中空部材２０は、これらの回動調整に
よって、レーザ光束照射時の水平方向に対する傾動位置
が決定される。

【００４０】照射されるレーザ光束の壁や柱等の照射対
象物に対して焦光点を合わせる場合、図示しないスイッ
チの操作によって合焦用モータ５９を回転駆動する。こ
の回転はピニオン６０、伝達ギヤ６１を介して合焦用ス
クリュー５６に伝達される。すると、合焦用スクリュー
５６の回転により合焦用ナット５７が昇降されるため、
この合焦用ナット５７に固定されたリンク６２を介して
摺動部材３０にこの昇降動が伝達される。そして、壁や
柱等の照射対象物に投影したレーザ光束のスポットを観
察しながら、焦光点の位置を調整する。

【００４１】次に、図１２により本発明に係る第２の実
施例を説明する。同実施例では、レーザ光束断面形状変
換光学系１８が有するプリズムＰとして、アナモ倍率が
ｍ₁、ｍ₂ であるアナモフィックプリズム２５、２６を
用いている。両アナモフィックプリズム２５、２６によ
るアナモ倍率ｍは ｍ＝ｍ₁ ×ｍ₂ で表わされる。この
場合、入射レーザ光束と射出レーザ光束とを互いに平行
にすることができる。ここで、特に、両アナモフィック
プリズム２５、２６は、互いに同じ形状かつ同じ硝材を
用いれば、同じアナモ倍率（ｍ₂ ＝ｍ₁ ）となる。この
とき、異なるアナモフィックプリズムを製造する等の製
造時の手間を省くことができ、製造コストの削減に寄与
する。

【００４２】ところで、一般に、温度変化等によってレ
ーザダイオード２３の発振波長が変化すると、アナモフ
ィックプリズム２５、２６による色収差（倍率色収差）
が生じて、射出面２６ａからの射出角がΔθ（図１３参
照）だけ変化する。例えば、可視のレーザ光束（波長λ
＝635nm ）の場合には 2nm／10゜程度変化する。従っ
て、この変化量Δθをできるだけ小さくすることは、測
量時に基準ビームや基準平面を形成するためのレーザ投
光装置１１において極めて重要である。

【００４３】そこで、上記第２の実施例では、アナモフ
ィックプリズム２５、２６を、レーザ光束を曲げる方向
が互いに逆になるように配置し、かつそれぞれに色収差
を打ち消し合うような硝材を選択することにより、色収
差に関する上記問題を解決することができる。第２の実
施例に関する具体的な設計例を、表１に示す。ここでは
必要なアナモ倍率ｍを約４．４と考えている（対象とし
ている可視のレーザダイオードに対して）。なお、この
表１において設計例１、２は異なる硝材を用いた場合で
あり、設計例３は参考のために同じ硝材を用いた場合で
ある。

【表１】

【００４４】設計例１〜３において、倍率は入射角、頂
角、屈折率で決まり、色収差はアナモフィックプリズム
２５のアッベ数と、アナモフィックプリズム２６のアッ
べ数との関係により決まる。すなわち、アナモフィック
プリズム２５のアッベ数をν₁ 、アナモフィックプリズ
ム２６のアッベ数をν₂ とするとき、以下の条件式 (1)
を満足するように硝材を選択すると、色収差が補正でき
る。 （１）ν₂ ／ν₁ ＞１．８ 、ν₂ ＞ν₁ なお頂角α_1、α₂ は、レーザ光束を平行入射させ、射出
面からの射出レーザ光束が該射出面に対して９０゜にな
るように設定したときの角度である。図１２に示す本第
２の実施例によれば、アナモフィックプリズム２５、２
６それぞれの頂角α_1、α₂ の方向の設定により、レーザ
ダイオード２３から射出されたレーザ光束の方向を変え
ることなく、ビームスプリッタ２７に入射させることが
できる。よって、光学系の配置に要する無駄なスペース
を省くことができる。

【００４５】また図１４に示すように、アナモフィック
プリズム２５と２６を、それぞれの頂角α_1、α₂ が図１
２に示す状態と反対方向に向くように配置することもで
きる。この第３の実施例によっても、図１２に示した第
２の実施例と同様に、レーザダイオード２３からの射出
レーザ光束の方向を変えないでビームスプリッタ２７に
入射させることができ、これにより光学系の配置に要す
る無駄なスペースを省くことができる。

【００４６】上記第１〜第３の実施例ではいずれも、レ
ーザ光束断面形状変換光学系１８により、レーザダイオ
ード２３からの断面楕円状の光束の短軸Ｄi を伸ばして
円形形状に変換したが、本発明のレーザ光束断面形状変
換光学系１８はこれに限られない。すなわち、図１５に
示す第４の実施例のように、アナモフィックプリズム２
５′と２６′を配置することにより、断面楕円状の光束
の長軸Ｄ_O （長径方向）を縮めて、短軸Ｄ_i を直径とし
た円形状とすることができる。

【００４７】また、上記第１〜第３の実施例ではいずれ
も、断面楕円状のレーザ光束を略断面円形状に変換する
のにアナモフィックプリズムを用いたが、このアナモフ
ィックプリズムに代えてシリンドリカルレンズを用いた
第５の実施例を、図１６により説明する。同図におい
て、コリメートレンズ２４の後方に、焦点距離ｆ₁ のシ
リンドリカルレンズ９１と、焦点距離ｆ₂ のシリンドリ
カルレンズ９０が順に配置されている。これらのシリン
ドリカルレンズ９０、９１はそれぞれ正のパワーを有
し、互いに、一方向において共焦点の関係となるように
配置され、焦点距離の範囲で、コリメートレンズ２４か
ら射出される断面楕円状のレーザ光束の長径と短径のう
ちの一方のみを変化させることができる。すなわち、所
要のアナモ倍率ｍに対して、 ｍ＝Ｄ₀ ／Ｄ_i ＝｜ｆ₂ ／ｆ₁ ｜ を満たすように、各焦点距離ｆ₁ 、ｆ₂ を選択すること
により、例えばコリメートレンズ２４からの断面楕円状
のレーザ光束の短径を伸ばして略断面円形状の光束とす
ることができる。

【００４８】さらに図１７に、図１６のシリンドリカル
レンズ９１に代えて、負のパワーを有するシリンドリカ
ルレンズ９４を配置することにより、上記第５の実施例
と同様、アナモフィックプリズムを用いずに断面楕円状
のレーザ光束を略断面円形状に変換する第６の実施例を
示す。

【００４９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、レーザ光
源から反射手段に至るレーザ光路に、レーザ光源から射
出後の断面楕円状のレーザ光束を、略断面円形状に変換
するレーザ光束断面形状変換光学系を備えたから、光学
系の複雑化やコストアップを招くことなく、照準点合わ
せを容易にし、検出器による検出感度をどの方向におい
ても同じにすることが可能なレーザ測量装置を提供する
ことができる。

【００５０】また請求項５に記載の発明によれば、レー
ザ光源とレーザ光束断面形状変換光学系との間に、この
レーザ光源から射出されるレーザ光を平行光束に変換す
るコリメートレンズを設け、該レーザ光源とコリメート
レンズとの間隔を変化させてレーザ光束に含まれる非点
隔差を補正するように構成したから、射出レーザ光束が
有する非点隔差のためビーム径を小さく絞ることができ
ない等の問題を解消可能な基準平面形成用レーザ投光装
置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザ投光装置の全体を示す断面
図である。

【図２】同レーザ投光装置のレーザ光束断面形状変換光
学系等を示す側面図である。

【図３】同レーザ投光装置の要部を拡大して示す平面図
である。

【図４】本発明に係るレーザ光束断面形状変換光学系の
第１の実施例を示す側面図である。

【図５】レーザダイオードから射出された断面楕円状の
レーザ光束を示す図である。

【図６】レーザ光束断面形状変換光学系によって断面形
状を略円形に変換されたレーザ光束を示す図である。

【図７】アナモフィックプリズムのアナモ倍率と頂角と
の相関関係を示すグラフ図である。

【図８】アナモフィックプリズムの入射角と頂角と表面
反射率との相関関係を示すグラフ図である。

【図９】射出レーザ光束の非点収差をなくする構成を説
明するための概略図である。

【図１０】射出レーザ光束の非点収差をなくする構成を
説明するための概略図である。

【図１１】射出レーザ光束の非点収差をなくする構成を
説明するための概略図である。

【図１２】本発明に係るレーザ光束断面形状変換光学系
の第２の実施例を示す側面図である。

【図１３】アナモフィックプリズムからの射出レーザ光
束の射出角が色収差によって変化する様子を示す概略側
面図である。

【図１４】本発明に係るレーザ光束断面形状変換光学系
の第３の実施例を示す側面図である。

【図１５】本発明に係るレーザ光束断面形状変換光学系
の第４の実施例を示す側面図である。

【図１６】本発明に係るレーザ光束断面形状変換光学系
の第５の実施例を示す側面図である。

【図１７】本発明に係るレーザ光束断面形状変換光学系
の第６の実施例を示す側面図である。

【図１８】従来のレーザ投光装置の問題点を説明するた
め射出光束の様子を示す説明図である。

【図１９】従来のレーザ投光装置の問題点を説明するた
め検出器による光束スポットの受光状態を示す説明図で
ある。

【図２０】図１９の検出器による光束スポット受光時の
出力波形を示す図である。

【符号の説明】

１１ レーザ投光装置 １３ 投光装置本体 １５ 回転投光部 １５ａ レーザ光光路 ２０ａ ２０ｂ レーザ光光路（第１の光路、第２の光
路） １８ レーザ光束断面形状変換光学系 ２０ 中空部材 ２３ レーザダイオード（レーザ光源） ２４ コリメートレンズ ２５ ２６ アナモフィックプリズム ２７ 偏光ビームスプリッタ ３５ ペンタプリズム（反射手段） ９０ ９１ シリンドリカルレンズ

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光源からのレーザ光束を反射手段
   で反射させて回転照射し、基準平面を形成する基準平面
   形成用レーザ投光装置において、 上記レーザ光源から反射手段に至るレーザ光光路に、該
   レーザ光源から射出後の断面楕円状のレーザ光束を、略
   断面円形状に変換するレーザ光束断面形状変換光学系を
   備えたことを特徴とする基準平面形成用レーザ投光装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１において、レーザ光束断面形状
   変換光学系は、レーザ光源からの楕円状のレーザ光束の
   短径方向を伸ばして円形状とするアナモフィックな光学
   系である基準平面形成用レーザ投光装置。
3. 【請求項３】 請求項１において、レーザ光束断面形状
   変換光学系は、レーザ光源からの楕円状のレーザ光束の
   長径方向を縮めて円形状とするアナモフィックな光学系
   である基準平面形成用レーザ投光装置。
4. 【請求項４】 請求項１において、レーザ光束断面形状
   変換光学系は、焦点距離が互いに異なり、共焦点の関係
   に配置された一対のシリンドリカルレンズからなるアナ
   モフィックな光学系であって、所要のアナモ倍率ｍに関
   して、次の条件式（１）を満足させるようにそれぞれの
   焦点距離が設定されている基準平面形成用レーザ投光装
   置。 （１）ｍ＝Ｄ₀ ／Ｄ_i ＝｜ｆ₂ ／ｆ₁ ｜ 但し、 Ｄ₀ ：レーザ光源からの楕円状のレーザ光束の長軸寸
   法、 Ｄ_i ：レーザ光源からの楕円状のレーザ光束の短軸寸
   法、 ｆ₁ ：一対のシリンドリカルレンズのうちレーザ光源側
   に位置する一方の焦点距離、 ｆ₂ ：一対のシリンドリカルレンズの他方の焦点距離。
5. 【請求項５】 請求項１において、レーザ光源とレーザ
   光束断面形状変換光学系との間には、このレーザ光源か
   ら射出されるレーザ光束を平行光束に変換するコリメー
   トレンズが設けられ、該レーザ光源とコリメートレンズ
   との間隔を変化させることにより、レーザ光束に含まれ
   る非点隔差を補正する基準平面形成用レーザ投光装置。
6. 【請求項６】 請求項１において、レーザ光源は、可視
   光を射出するレーザダイオードである基準平面形成用レ
   ーザ投光装置。
7. 【請求項７】 請求項１において、レーザ光束断面形状
   変換光学系は、レーザ光源からのレーザ光束の光軸上に
   配置された一対のアナモフィックプリズムであり、この
   一対のアナモフィックプリズムそれぞれのアッベ数をレ
   ーザ光源側から順にν₁ 、ν₂ とするとき、次の条件式
   （１）を満足する基準平面形成用レーザ投光装置。 （１）ν₂ ／ν₁ ＞１．８ 、ν₂ ＞ν₁
8. 【請求項８】 請求項１において、レーザ光束断面形状
   変換光学系は、レーザ光源からのレーザ光束の光軸上に
   配置された一対のアナモフィックプリズムであり、この
   一対のアナモフィックプリズムはそれぞれ、レーザ光束
   を曲げる方向が互いに逆となるように配置されている基
   準平面形成用レーザ投光装置。
9. 【請求項９】 請求項１において、レーザ光光路は、互
   いに直交する、レーザ光源が位置する第１の光路と該レ
   ーザ光源からのレーザ光束を反射手段に導く第２の光路
   とを備えている基準平面形成用レーザ投光装置。
10. 【請求項１０】 請求項９において、第１と第２の光路
    の交差部には、レーザ光源からの射出レーザ光束を反射
    手段に向けて偏向させる偏光ビームスプリッタが設けら
    れている基準平面形成用レーザ投光装置。
11. 【請求項１１】 請求項１０において、レーザ光束断面
    形状変換光学系は、レーザ光源と偏光ビームスプリッタ
    の間に設けられている基準平面形成用レーザ投光装置。