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JP3548247B2 - Laser projection device - Google Patents
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JP3548247B2 - Laser projection device - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、投光装置から投光したレーザ光によって測距、測角あるいは基準平面を形成するレーザ投射装置に関する。
【0002】
【従来技術及びその問題点】
土木建築の分野において、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を走査してレーザ光による基準平面を形成するレーザ測量装置(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光の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が行なわれている。
【0003】
このようなレーザ測量装置は、レーザ光を射出する光源、レーザ光の光軸の傾きを自動的に補正する光軸自動補正部、光源から射出されたレーザ光を平行光束にするコリメータレンズ、そのレーザ光を水平または鉛直に回転投射する回転投射部を備えている。近年、装置の小型化や、消費電流の低減化のために、光源に、ヘリウムネオンレーザに代えて半導体レーザを用いたレーザ測量器が開発されている。
【0004】
この種の従来のレーザ測量装置は、例えば、0.5 〜1.5 mの近距離から100 〜200 mの遠距離までの広範囲において基準出しや高さ計測に使用される。このような使用においては、照準合わせが簡便にでき、検出器でビーム高さ位置を検出する際に測定距離により検出感度が変動することがなく、野外等で十分使用が可能なことなど、いわゆる検出器による検出精度の向上および目視における視認性の向上が望まれる。つまり、第1に照準合わせが簡便にできること、第2にビーム照射位置を検出器で検出する際に、検出感度にばらつきが生じないこと、第3に温度変化などの影響を受けず、野外での使用が可能なこと、第4に検出器による検出精度および目視による視認性がよいこと、が望まれる。これらを満足するためには、以下の条件が必要とされる。
【0005】
▲1▼ 所定の投射距離において投射ビーム径ができるかぎり小さいこと
▲2▼ 投射ビーム径の大きさが、投射距離にかかわらず一定であること
▲3▼ 波長変化、温度変化等の外乱により投射ビーム径が変化しないこと
▲4▼ 必要に応じて任意の距離(近距離から遠距離に亙って)にビームウエスト位置の設定が可能なこと
上記条件▲1▼および▲2▼は、レーザ投射装置の初期性能というべきもので、所要の投射距離に対して最適な射出ビーム径とビームウエスト位置を決定すべき設計技術、および光学部品の加工精度あるいは組み立て精度などの製作技術により克服することができる。
【0006】
条件▲3▼は、レーザ投射装置の安定性に関するもので、土木工事など屋外で多く使用されるレーザ測量装置では非常に重要である。特にレーザ測量装置は、−20℃〜50℃という、他の精密機器に比して格段に広い環境温度範囲における性能の保証が要求される。通常、温度変化に伴い、レンズ支持枠の膨張収縮、レンズ自体の屈折率の変化、および光源の波長の変化等により投射レーザビームのウエスト位置およびウエスト径が変化する。
【0007】
温度変化をパラメータとし、異なる投射距離におけるビーム径を測定し、変化の様子をグラフ化した一例を、図8および図9に示した。これらの図は、詳細は省略するが、レーザ投射装置において、適当な大きさの平行ビームを作り出すレンズ系を設定し、その投射装置の出射端における射出径(すなわち、射出ビーム径)と、所定のビームウエスト位置(投射装置の出射端からビームウエストを形成している位置までの距離)xを与えたときのおのおのの距離におけるビームの大きさ、すなわちビーム径をプロットしたものである。図8および図9はそれぞれ、射出ビーム径W=φ8(mm)、W=φ12.5(mm)である。
【0008】
図8は、投射装置の初期設定として温度20℃のときに射出ビーム直径が8mmで、ビームウエスト位置x=39.578m、すなわち、投射装置の射出口からビームウエストが生じている所までの距離がx=39.578(m) であり、この時の射出ビーム波面の曲率半径R=78(m) 、とした投射装置に対して、温度をそれぞれ50℃、−20℃と変化させた状態を示す。
図9は、同様に射出ビーム径W=φ12.5(mm)、ビームウエスト位置x=96.605(m) 、射出ビーム波面の曲率半径R=190(m)および温度20℃を初期設定とし、この初期設定から温度変化を与えたときの各距離に対するビーム径を示す。
【0009】
これらの図から分かるように、初期に適当な射出ビーム径、ビームウエスト径、ビームウエスト位置を設定していても、温度変化によりビームウエスト距離xが変化し、それぞれの距離xにおけるビーム径が変化することが分かる。このようなビーム径の変化により、レーザ投射装置として要求されている上記▲3▼等の条件が満たされない、という問題を生じていた。そして、▲3▼の条件が満たされないことによって、当初設定した▲1▼および▲2▼の条件も崩れてしまうのである。
【0010】かかる問題を解決するために、平行ビームを形成するレンズ系に対し、温度変化を補償するコリメータが提案されているが(米国特許第5,225,928 号公報)、補償を可能にする光学ガラスが離散的にしか存在しないため、他の収差を補正しつつ、なおかつ温度補償を完全に行なうことは困難であった。特に、光源として、光の放射角が大きな半導体レーザ等を用いる場合には、NA(開口数)の大きなコリメータレンズが必要になるので、温度補償を完全に行なうことはより一層困難であった。
【0011】
また、仮に、設計上温度補償ができたとしても、実際に温度変化の影響を完全に補償するのは困難であった。これは、レーザ投射装置を構成する各部材に温度分布が生じるためである。例えば、レーザ投射装置は、半導体レーザ等の光源を持っており、その光源自体が熱源となって外界の温度との間に温度差を生じ、温度分布を発生させていた。また、レーザビームを回転照射するためのモータなどの発熱も無視できず、したがって従来のレーザ投射装置では、温度補償をしたにも拘らず、現実には温度変化が生ずると、所定距離において所望のビーム径が得られていなかった。
【0012】
次に、条件▲4▼は、所定距離に投射されたビームの高さや位置を検出する際に、所定距離において、検出器で検出するときにはその検出器の大きさおよび感度等の仕様に応じて最適なビーム径を、目視する場合には視認性等の条件に対して最適なビーム径を、マニュアルあるいは自動的に得ようというものである。
【0013】
図10および図11は、いずれも同一の一定温度において、図10は射出ビーム径W=φ8(mm)、図11は射出ビーム径W=φ12.5(mm)のレーザビームの投射距離とビーム径との関係を示す図である。なお、いずれの場合もレーザビームの波長は同一であり、各図において符号“x”はビームウエスト距離を示している。
【0014】
ここで、両図ともビームウエスト位置xを変化させれば、各距離においてビーム径が変化することが分かる。例えば、図11において、投射装置を比較的近距離範囲(10〜70m程度)で使用する場合は、ビームウエスト距離x=50.879mに設定すればよいことが分かる。また、近距離から遠距離(100 〜200 m程度)まで使用する場合は、ビームウエスト距離x=97.505(m) に設定すればよいことも分かる。
このように一つのレーザ投射装置で任意のビームウエスト距離xを設定できることは、非常に有用である。
そこで、従来、ビームウエスト位置を変化させることを可能とし、さらに遠隔操作を可能にしたレーザ投射装置が特開平5−322564号公報に開示されている。
【0015】
しかし、この従来例では、投射ビームのビームウエスト位置(距離)、あるいはその位置でのビーム径(ウエスト径)を確認する手段はない。したがって、条件▲4▼を満足するためには、実際に所定距離離れた遠方位置(例えば数百メートル離反した位置)でビーム径を確認しなければならず、操作が複雑になるという問題があった。また、屋外の明るい所では、レーザビームを視認することは難しく、実際にビーム径を検出することは困難であった。特に、近赤外の半導体レーザのような不可視光源を用いたレーザ投射装置では目視ができず、ビーム径の検出がより一層困難であるという問題があった。そのため上記従来のビームウエスト位置を変更可能としたレーザ投射装置は、実際には、近距離で、しかも明るい可視レーザ光源でしか使用できない。また、一旦ビームウエスト位置およびビームウエスト径を決めたとしても、上記条件▲3▼は満足しておらず、温度変化などの外乱により投射ビームのビーム径が変化することに対しては何ら考慮もされていなかった。
【0016】
【発明の目的】
本発明は、上記従来のレーザ測量装置における問題点に基づき成されたものであって、所要の距離において、最適なあるいは所望とするビームウエスト位置およびビームウエスト径の設定を自動的に可能とし、さらに、温度、波長変化などの外乱に対しても設定したビームウエスト位置やビーム径を安定して維持するレーザ投射装置を提供することにある。さらに本発明は、投射レーザビームウエスト位置を検出可能とする検出系、さらに検出系の信号に基づいてビームウエスト位置の設定を自由に行なえるレーザ投射装置を提供すること、を目的とする。
【0017】
【発明の概要】
上記目的を達成する本発明は、レーザ光源からの光束をほぼ平行光束のレーザビームとして投射するレーザ投射装置において、上記レーザ光源から射出されたレーザビームのビームウエスト距離を変更するビームウエスト距離変更光学系と、該ビームウエスト距離変更光学系から射出されたレーザビームの一部を分岐する分岐光学系と、該分岐光学系で分岐されたレーザビームを受光して非点収差法によりレーザビームの波面の曲率半径Rに相当する量を検出するフォーカスエラー検出手段と、上記波面の曲率半径Rに相当する量と、予め設定された所定位置におけるレーザビーム径Wとから上記投射ビームのビームウエスト距離を演算する演算手段と、上記投射ビームのビームウエスト距離に基づいて前記ビームウエスト距離変更光学系を駆動制御する制御手段とを設けたことに特徴を有する。
【0018】
【発明の実施例】
本発明について、図示実施例に基づいて説明するが、本発明の構成の説明に先立って、本発明の理解を容易にするために、本発明の基本原理を説明する。
本発明は、投射レーザビーム(一般にガウスビーム)のビームウエスト位置は任意の距離におけるビーム径(本発明の場合は投射装置の投射口を射出する射出ビーム径に相当)と、ビーム波面の曲率半径Rとが既知であれば一義的に決定される、という考え方に着眼している。そこで、ビーム波面の曲率半径を何らかの方法で検出すれば、射出ビーム径は予め投射装置の仕様に応じた初期設定により決まっているので、ビームウエスト位置が自動的に決定される。したがって、ビームウエスト径も自動的に決まる。
【0019】
一般にレーザビームなどのガウスビームにおいては、ビームウエスト位置でのビーム径をW 、ビームウエスト位置からx離れた位置でのビーム径をW、その位置での波面の曲率半径をR、レーザビームの波長をλとすると、ビーム径Wと波面の曲率半径Rは、下記式により表わすことができることが知られている(例えば、「結像光学入門」 松井吉哉著 啓学出版発行の第112 〜115 頁)。
W=W {1+(4λx/πW 1/2 ……1−1
R=x{1+(πW /4λx) } ……1−2
これらの式は、下記のように変形できる。
=W{1+(πW /4λR)−1/2 ……1−3
x=R{1+(4λR/πW−1 ……1−4
【0020】
ここで、対象となるレーザ投射装置が特定されれば、レーザビームの波長λおよびレーザ投射装置の投射口における射出ビームのビーム径Wが特定される。したがって、レーザ投射装置から射出するレーザビームの波面の曲率半径Rを計測すれば、ビームウエスト位置におけるビームウエスト径W を上記1−3式により、レーザ投射装置からビームウエストまでの距離xを上記1−4式により求めることができる。図12には、射出位置でのビーム径Wをパラメータとしたときの波面の曲率半径Rとビームウエスト距離xとの関係を示した。この図から、波面の曲率半径Rによりビームウエスト距離xが決まることが分かる。
【0021】
波面の曲率半径Rに相当する量を検出する手段としては、(1) 波面の曲率半径Rを直接検出する手段と、(2) 曲率半径Rの波面を有する光束をレンズで集光し、その集光状態により検出する手段がある。(1) の検出手段として、例えばラジアルシェアリング干渉計を使用できる。(2) の検出手段として、既知の光ディスク装置などに用いられている非点収差法などによるフォーカスエラー検出光学系を用いることができる。
【0022】
本発明の一実施例では、レーザ投射装置から射出するレーザビームの径Wを決めたときの波面の曲率半径Rを測定して、ビームウエスト距離xおよびビームウエスト径W を求めることに特徴がある。この実施例について、図1ないし図6を参照して説明する。
【0023】
図1には、第1の実施例として、(2) の方法の一つである非点収差法によるフォーカスエラー検出手段により射出レーザビームの波面の曲率半径Rを測定するレーザ投射装置を示してある。このレーザ投射装置は、投射レーザビームのビームウエスト位置を調整する手段を有するレーザ投射部として、レーザ光源部101と、レーザ光源部101から射出された光束の光軸と一致している回転軸心111cを軸心として回転し、回転軸心111cとほぼ直交する方向にレーザビームを回転投射(射出)する回転投光部111とを備えている。さらに波面の曲率半径Rの検出手段として、レーザ光源部101から射出された分岐レーザビームを受光し、波面の曲率半径Rを検出する、光ディスク装置などで用いられているフォーカスエラー検出系121と、フォーカスエラー検出系121が検出したフォーカスエラー信号に基づいてビームウエストBWの位置(距離x)の調整を行なうための制御部131とを備えている。
【0024】
レーザ光源部101は、半導体レーザ102と、半導体レーザ102から射出したレーザ光をほぼ平行光束にするコリメータレンズ103と、ほぼ平行光束とされたレーザビームの大部分、例えば約90%を透過し、残りをフォーカスエラー検出系121方向に反射するビームスプリッタ104とを備えている。回転投光部111は、図示しない駆動機構により回転軸心111cを中心として回転駆動される。コリメータレンズ103の光軸は、回転軸心111cと一致している。つまり、レーザ光源部101から射出されたレーザビームは、回転投光部111の回転軸心111cを中心にして進み、お互いの面の成す角度が45゜に設定された第1ミラー112および第2ミラー113により回転軸心111cと直交する方向に反射され、回転投光部111から射出される。このときの射出時のレーザビームの波面の曲率半径をR、射出ビーム径をWとする。
【0025】
コリメータレンズ103は、レンズ駆動機構105により、光軸と平行に進退動される。この進退動により、半導体レーザ102とコリメータレンズ103の間隔dが変化し、レーザビームの波面の曲率半径Rが変化してビームウエストBWが移動する。これらにより、ビームウエスト距離xとビームウエスト径W が変化する。
【0026】
回転投光部111から出射したレーザビームは、回転投光部111から所定距離x離れた位置において、ビーム径W のビームウエストBWを形成する。本レーザ投光装置の各光学部品が高精度に製作されていれば、レーザ投光装置から出射するレーザビームの波面の曲率半径RおよびビームウエストBWの距離xは、半導体レーザ102とコリメータレンズ103との間隔dのみによって一義的に決まる。
【0027】
一方、ビームスプリッタ104で反射されて分岐されたレーザビームは、集光レンズ122で集光され、さらにシリンダーレンズ123により4分割センサ124上に集光される。シリンダーレンズ123は、図においては紙面内ではレンズパワーを持たず、紙面に垂直な方向ではレンズパワーを有するように配置されている。4分割センサ124は、直交十字線により対称に4分割されていて、その分割線の方向がシリンダーレンズ123の母線方向(紙面内)と45゜を成して配置されている。レーザビームの波面の曲率半径Rが変化すると、ビームスポット形状は楕円、円、そして前記楕円とは長軸方向が直交する方向の楕円と変化する。このため、4分割センサ124の各センサ出力が変化する。
【0028】
4分割センサ124の出力は、制御部131の処理部132で増幅処理等されて、マイクロコンピュータ133で所定の演算処理に利用される。マイクロコンピュータ133は、この演算結果による波面の曲率半径R、ビームウエスト距離xなどを表示部134に表示する。また、マイクロコンピュータ133は、先の値に基づいて、例えばビームウエスト位置を所定位置に変更できるコリメータレンズ103の移動方向および移動量を演算し、その演算結果に基づいて制御部135を介してレンズ駆動機構105を駆動し、コリメータレンズ103を移動させる。この移動により、温度変化や波長変化などの外乱に対してビームウエストBWまでの距離xを一定に保ったり、あるいはビームウエストBWを所定距離に形成したりできる。
【0029】
距離xを一定に保つか所定距離に変更するかの選択、あるいは所定距離などの各種データの設定、選択は、オペレータが入力部136を操作して行なう。また、予め使用方法をプログラミングしておくことも可能である。それにより、スイッチオン状態で直ちに所定のモードでの計測などをスタートすることが可能になる。さらに以上の操作は、制御部131とは別体として形成された遠隔操作部141によっても実行できる。遠隔操作部141から出力された信号は、受信部137で受信され、入力部136を介して、入力部136からの信号と同様にマイクロコンピュータ133に入力される。遠隔操作部141からの信号は受信部137に、ワイヤ、赤外線、電波あるいは超音波などを介して伝達される。
【0030】
以上は本実施例の概要であるが、フォーカスエラー検出系121の構成、作用について、さらに図2および図3を参照してより詳細に説明する。図2は、フォーカスエラー検出系121の測定原理を説明するための図である。
【0031】
本実施例のフォーカスエラー検出系121は、光ディスク装置に使用されている非点収差法によるフォーカスエラー検出光学系と等価な光学系を備えている。4分割センサ124は、十字方向の分割線で分割された4個の独立した分割センサ1241、1242、1243、1244を有し、分割線の交点Oを中心として、ビームスプリッタ104で反射されたレーザビームが集光レンズ122およびシリンダーレンズ123により集光される。そして、一方の対角方向の分割センサ1241、1243の出力の和と、他方の対角方向の分割センサ1242、1244の出力の和、との差から、フォーカスエラー信号(FES)が得られる。各分割センサ1241、1242、1243、1244の出力をS 、S 、S 、S とすると、
FES=(S +S )−(S +S
で表わされる。フォーカスエラー検出系121に入射する光束の波面の曲率半径Rの大小によってフォーカスエラー信号FESの大きさは変化する。これを、光ディスク装置との対比でフォーカスエラー検出回路について説明する。
【0032】
今、仮に光ディスクの情報記録面151 上に、対物レンズ152を出射した光スポットが合焦していたとすると、情報記録面151 から反射してフォーカスエラー検出系に入射した光束は、Bの如く平行光束となり、したがって光束Bの波面の曲率半径R は∞となる。このとき、4分割センサ124上での光スポットはB′のように円形となり、フォーカスエラー信号FESは0となる。
【0033】
一方、情報記録面151がΔだけ対物レンズ152から遠ざかった場合、情報記録面151 からの反射光でフォーカスエラー検出系に入射する光束はAのようになり、そのときの波面の曲率半径はR となる。そして、4分割センサ124上での光スポットはA′の如く、分割センサ1241、1243の対角方向を長軸方向とする楕円形状となり、フォーカスエラー信号FES{(S +S )−(S +S )}は、プラスの値になる。
【0034】
また、情報記録面151がΔだけ対物レンズ152に近付いた場合、情報記録面151 からの反射光でフォーカスエラー検出系に入射する光束はCのようになり、そのときの波面の曲率半径はR となる。そして、4分割センサ124上での光スポットはC′の如く、光スポットA′とは直交する長軸を有する楕円形状となり、フォーカスエラー信号FES{(S +S )−(S +S )}は、マイナスの値になる。
光ディスク装置においては、フォーカスエラー信号FESが常に0になるように、すなわち波面の曲率半径がR となるように対物レンズをサーボコントロールし、常に光ディスクに対して合焦状態を作り出しているのである。
【0035】
以上述べたように、光ディスクと対物レンズの合焦点からのずれ量Δの大きさは、フォーカスエラー検出系121に入射する光束の波面の曲率半径Rの変化となり、さらに4分割センサ124上の光スポット形状変化を誘発し、フォーカスエラー信号FESを生成する。すなわち、フォーカスエラー検出系121は、そこに入射する波面の曲率半径を検出しているといえる。
【0036】
このフォーカスエラー信号FESの大きさは、デフォーカス量Δに応じて変化して、図3に示すようなSカーブ曲線が得られる。このSカーブ曲線は、光ディスク151 、151 と焦点距離f の対物レンズ152との間の合焦点からのずれ量Δ(デフォーカス量)と、そのとき得られるフォーカスエラー信号FESの大きさとの関係を示すものである。図2において、合焦位置に光ディスク151 があるときの入力波面がBであり、非合焦位置に光ディスク151 、151 があるときの入力波面がそれぞれA、Cである。フォーカスエラー信号FESは、入力波面がBのときにはO 点の値になり、入力波面がAのときにはO 点になる。つまり、フォーカスエラー信号FESの大きさが分かれば、ずれ量Δは容易に求まることが分かる。このとき、ずれ量Δに対するフォーカスエラー信号FESの変化、すなわちSカーブ曲線における直線領域の範囲や、O 点付近の感度は、フォーカスエラー検出系の光学系を最適化することにより、自由に設計できる。本実施例では、Bの光束の波面のときに4分割センサ124上でスポットがB′のように円形でフォーカスエラー信号FES=0となる構成で説明したが、光束がAのときにFES=0となるように設定することも容易である。これは、波面の曲率半径がR のときにFES=0になるような設定をすることと等価である。
【0037】
一方、ずれ量Δと波面の曲率半径Rとの関係は、以下の式で与えられる。
R=f /2Δ ……2−1
(ただし、f >>Δ)
つまり、光ディスク装置のフォーカスエラー検出系におけるSカーブ曲線は、ずれ量Δとフォーカスエラー信号FESとの関係を示すものであるが、同時にフォーカスエラー検出系に入射する光束の波面の曲率半径Rを検出しているともいえる。すなわち、焦点距離f を有する対物レンズと、それに対応するフォーカスエラー検出系の設定条件(検出感度など)とを決めたとすれば、ずれ量Δに対応した(波面の曲率半径Rの変化に対応した)フォーカスエラー信号FESが得られる。実際のレーザ投射装置においては対物レンズ、光ディスクなどは存在しないが、検出したい波面の曲率半径Rを有する光束を所定の設定条件を持たせたフォーカスエラー検出系に入射させれば、波面の曲率半径Rは演算により求まる。
以上の方法は、検出信号がアナログ信号でも得られるため、高速制御(リアルタイム制御)ができる。
【0038】
以上の曲率半径Rを求める処理は、コンピュータ133により統括的に制御され、実行される。先ずコンピュータ133は、射出波面の曲率半径Rおよび射出ビーム径Wに基づいて、先の式1−3および式1−4によりビームウエスト径W 、ビームウエスト距離xを演算する。そして、入力部136を介して入力されたビームウエスト距離に、あるいはコンピュータ133に予め設定(メモリ)されているビームウエスト距離に、演算したビームウエスト距離xが一致するように、制御部135、レンズ駆動機構105を介してコリメータレンズ103を移動させる。
【0039】
図4には、手段(1) の波面の曲率半径Rを直接検出する手段として、ラジアルシェアリング干渉計を利用した本発明の第2の実施例を示してある。なお、図1に示した第1の実施例と同様の構造を有し、同様の作用を奏する部材には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【0040】
レーザ光源部101およびレーザ投光部111の構成は、図1に示した実施例と同一である。半導体レーザ102から射出され、コリメータレンズ103でほぼ平行光束にされ、ビームスプリッタ104で反射し、分岐されたレーザビームが干渉計221内に導かれる。
【0041】
干渉計221内に導かれたレーザビームは、第1のハーフミラー222により透過参照レーザビームと反射被検レーザビームとに二分割される。第1のハーフミラー222を透過した参照レーザビームは、ビーム拡大光学系(ビームエキスパンダー)223によりビーム径が拡大され、波面収差の小さい波面中央部が第1のミラー224および第2のハーフミラー226で反射されて、観測レンズ227によりCCDカメラ228(CCDイメージセンサの受光面)上に到達する。これは、被検波面から参照波面を形成していることとなる。
【0042】
一方、第1のハーフミラー222で反射された被検レーザビームは、ビーム径を保って、すなわち、被検レーザビーム自身の波面形状を保って第2のミラー225で第2のハーフミラー226に向かって反射され、第2のハーフミラー226を透過して観測レンズ227によりCCDカメラ228の撮像面上に到達する。つまり、CCDカメラ228上では、参照波面と被検波面とが重ね合わせられる。この重ね合わせにより参照レーザビームと被検レーザビームとが干渉し、CCDカメラ228によりその干渉状態が撮像される。
【0043】
この干渉縞は、CCDカメラ228で撮像され、画像メモリー232においてディジタル画像信号に変換されてメモリされる。そして、ディジタル画像信号は、画像メモリー232からコンピュータ233により読み込まれる。そして、コンピュータ233は、干渉縞の曲がり量から波面の曲率半径Rを算出し、さらに式1−3、1−4によりビームウエスト距離x、ビームウエスト径W を算出し、表示部234に表示する。さらにコンピュータ233は、算出した波面の曲率半径Rおよびビームウエスト距離xの値に基づいて、制御部235を介してレンズ駆動機構105を駆動し、コリメータレンズ103を移動して間隔dを調整する。このコリメータレンズ103の移動により、温度変化や波長変動などの外乱に対してビームウエスト距離xを一定に保ったり、ビームウエスト位置を所望の位置に移動させたりできる。なお、入力部236の機能は第1の実施例の入力部136と同様であり、第2の実施例においても受信部137および遠隔操作部141を備えた構成でもよい。
【0044】
CCDカメラ228で撮像した干渉縞から曲率半径Rを求める方法について、さらに図5および図6を参照して詳細に説明する。図6の(A)、(B)、(C)はそれぞれ、図5において、入射波面の曲率半径Rが変化した波面A、B、Cのときの干渉縞の様子である。
【0045】
撮像した干渉縞の波面の曲率半径Rによる曲がりの本数をkとすると、波面の曲率半径Rは次式により得られる。なお、本数kは、図6において、k=ΔP/Pにより求められる。
R=W /8λk ……3−1
(ただし、R>>W)
本数kは、公知の位相シフト法などの干渉縞解析法により容易に求めることができる。また、実際には波面の曲率半径Rのみだけでなく、高次の項である波面収差の影響も存在するが、この干渉法は、波面の形状を直接干渉縞の曲がりとして検出できるので、波面の曲率半径のみならず、その他の諸収差を求めることもできる。この諸収差により、初期性能はもとより、外乱または何らかの理由で初期性能の劣化が生じた場合の情報として取り出すことができる。したがって、レーザ投射装置の動作状態をモニターすることもできる。
【0046】
波面の曲率半径Rが求められれば、先の式1−3、1−4によりビームウエスト距離xおよびビームウエスト径W を求めることができる。
【0047】
さらに本発明の第3の実施例について、図7を参照して説明する。この実施例は、射出レーザビームの曲率半径Rを検出する検出系を、レーザ光源部101から射出されたレーザビームを相異なる3方向(水平、鉛直上方、鉛直下方方向)に投射するレーザ投射装置に適用したものである。図1および図4に示した実施例と同一の構成、同一の作用を奏する部材にはそれぞれ同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【0048】
半導体レーザ102から出射したレーザビームは、コリメータレンズ103を経てほぼ平行光束になる。平行レーザビームは、ビームスプリッタ311に入射し、大部分は回転投光部111に向かって(第2の対象方向O に)反射し、一部は透過する。なお、このレーザ投射装置は、第2の対象方向O と回転軸心111cとは平行である。通常、これらが鉛直上方向と一致するように設置されており、鉛直上方基準ビームとして機能する。
【0049】
ビームスプリッタ311を透過したレーザビームは、一部が第3の反射板312を透過し、残りが反射して光路を逆行し、ビームスプリッタ311において第3の対象方向O に反射する。第3の反射板312を透過したレーザビームは、第1のフォーカスエラー検出・処理系321に入射する。この第1のフォーカスエラー検出・処理系321は、先のフォーカスエラー検出系121、制御部131と同様の構成である。なお、第3の対象方向O と第2の対象方向O とは、方向のみが互いに逆であり、通常、鉛直下方向と一致するように配置されており、鉛直下方基準ビームとして機能する。
【0050】
ビームスプリッタ311で回転投光部111方向に反射されたレーザビームは、ビームエキスパンダー313により所定のビーム径に拡大される。なお、このビームエキスパンダー313は、凹レンズ314および凸レンズ315を有するガリレオタイプであって、凹レンズ314は凸レンズ315に対して光軸方向で接離移動可能に設けられている。
【0051】
拡径されたレーザビームは、大部分が第1の反射鏡316を透過して回転投光部111に入射し、一部が第1の反射鏡316で反射する。第1の反射鏡316で反射したレーザビームは、第1の実施例に示したフォーカスエラー検出系121および制御部131と同様の第2のフォーカスエラー検出・処理系331に入射する。
【0052】
第1の反射鏡316を透過し、回転投光部111に入射したレーザビームは、第1の実施例と同様に、一部はハーフミラー112を透過して第2の対象方向O に射出し、他はハーフミラー112で反射され、さらにミラー113で反射されて、回転軸心111cと直交する第1の対象方向O に射出される。通常、第1の対象方向O に射出されたビームは第2の対象方向O を軸として回転することにより平面を形成し、水平基準面として機能する。
【0053】
第1のフォーカスエラー検出・処理系321は、主に、第3の対象方向O に射出するレーザビームL の波面の曲率半径Rのモニターを行なうもので、コリメータレンズ103から射出したときのレーザビーム波面の曲率半径Rを測定する。また、第1のフォーカスエラー検出・処理系321は、コリメータレンズ103から射出時の波面の曲率半径Rを検出するので、第1、第2の対象方向のレーザビームL 、L の曲率半径の大部分の影響もモニターしていることになる。
【0054】
ここで、第1のフォーカスエラー検出・処理系321は、検出結果に基づいて、レンズ駆動機構105によりコリメータレンズ103を移動し、波面の曲率半径Rを調整する。この調整により、第1、第2、第3対象方向O 、O 、O に射出するレーザビームL 、L 、L の波面の曲率半径Rが変化し、ビームウエスト位置の移動が可能になる。
【0055】
第2のフォーカスエラー検出・処理系331は、第3の対象方向O へのレーザビームL に無関係に、主に第1、第2の対象方向O 、O のレーザビームL 、L の波面の曲率半径Rの測定、モニターを行なう。そして、測定結果に基づいて、レンズ駆動機構333を駆動して凹レンズ314を凸レンズ314に対して接離移動し、レーザビームL 、L の波面の曲率半径Rを調整して、ビームウエスト位置を移動する。
【0056】
この第3の実施例では、外乱の影響を受け易いのは、投射距離の長い第1、第2対象方向のレーザビームL 、L であり、第3の対象方向O へのレーザビームL には影響が少ない。したがって、第2のフォーカスエラー検出・処理系331と、レンズ駆動機構105およびレンズ駆動機構333が存在すれば、レーザビームL 、L のビームウエスト位置の調整ができる。
【0057】
しかし、実際にはレーザビームL 、L 側の波面の曲率半径Rを変化させる要因の内、最大なものは、コリメータレンズ103と半導体レーザ102間の距離変化によるものである。したがって、外乱によって変化するコリメータレンズ103射出後のレーザビーム波面をモニターするということであれば、第1のフォーカスエラー検出・処理系321のみであっても、外乱の影響を受け易いレーザビームL 、L のビームウエスト距離xの調整もできる。
【0058】
以上、本発明についてレーザ投射装置に適用した実施例に基づいて説明したが、本発明は、図示実施例に限定されない。例えば、フォーカスエラー検出系としては、ナイフエッジ法や、スポットサイズ法でもよい。また、干渉法の場合も、ラテラルシェアリング干渉計でもよい。要するに本発明は、レーザビームの射出時の波面の曲率半径Rを検出する手段を備えていれば、光学系の構成は問わない。
【0059】
また、本発明は、投射されるレーザビームがガウスビームとして1−1〜1−4式を論を進めてきたが、実際には途中光学系の絞りなどにより回折の影響が出る。あるいは、実際には光学系の収差などの影響も生じる。
しかし、その場合であっても、1−1〜1−4式に何らかの補正項を加えるか、あるいは実際に1回だけ波面の曲率半径Rを変化させながらビームウエスト位置およびビームウエスト径などのデータを取得しておき、そのデータに基づいて補正を行なうなどの処理を行なえばよい。要するに本発明は、波面の曲率半径をその場その場でレーザ投射装置自身で計測できるところに枢要な特徴がある。
【0060】
【発明の効果】
以上の説明から明らかな通り本発明は、射出時のレーザビームの波面の曲率半径Rに相当する量を検出し、予め設定された射出時のレーザビームの径とからレーザビームのビームウエスト距離を検出し、所定のビームウエスト距離となるように制御するので、ビームウエスト距離を一定に保つことが可能になり、さらに照射されたレーザビームを観察しなくても、ビームウエスト位置を所望の距離に容易に調整できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用したレーザ投射装置の第1の実施例の主要構成を示す図である。
【図2】第1の実施例に適用したフォーカスエラー検出系の概要を説明する図である。
【図3】第1の実施例のフォーカスエラー信号をグラフで示す図である。
【図4】本発明をレーザ投射装置に適用した第2の実施例の主要構成を示す図である。
【図5】第2の実施例に適用したラジアルシェアリング干渉計の概要を説明する図である。
【図6】同ラジアルシェアリング干渉計により観測する干渉縞とレーザビームの波面の曲率半径との関係を説明する図である。
【図7】本発明をレーザ投射装置に適用した第3の実施例の概要を説明する図である。
【図8】レーザビームのビーム投射ビーム径と温度との関係をグラフで示した図である。
【図9】レーザビームのビームウエスト距離と温度との関係をグラフで示した図である。
【図10】ビームウエスト位置とビーム径との関係をグラフで示した図である。
【図11】ビームウエスト位置の変化とビーム径との関係をグラフで示した図である。
【図12】射出時の波面の曲率半径とビームウエスト距離との関係をグラフで示した図である。
【符号の説明】
101 レーザ光源部
102 半導体レーザ
103 コリメータレンズ
105 レンズ駆動機構
111 回転投光部
112 ハーフミラー(第1ミラー)
113 ミラー(第2ミラー)
121 フォーカスエラー検出系
131 演算・制御部
221 干渉計
321 第1のフォーカスエラー検出・処理系
331 第2のフォーカスエラー検出・処理系
[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a laser projector that forms a distance measurement, an angle measurement, or a reference plane by using a laser beam emitted from the projector.
[0002]
[Prior art and its problems]
In the field of civil engineering and construction, a surveying object is used by using a laser surveying device (a so-called laser planar) that scans a laser beam from a rotating light projecting portion toward a surveying object around the device body and forms a reference plane by the laser beam. Reference measurement and height measurement are performed by measuring the height of the spot of the laser light that has reached the upper side.
[0003]
Such a laser surveying device includes a light source that emits laser light, an automatic optical axis correction unit that automatically corrects the tilt of the optical axis of the laser light, a collimator lens that converts the laser light emitted from the light source into a parallel light flux, A rotary projection unit for horizontally or vertically rotating and projecting laser light is provided. In recent years, a laser surveying instrument using a semiconductor laser instead of a helium neon laser as a light source has been developed in order to reduce the size of the apparatus and reduce current consumption.
[0004]
This type of conventional laser surveying device is used for reference setting and height measurement in a wide range from a short distance of 0.5 to 1.5 m to a long distance of 100 to 200 m, for example. In such a use, aiming can be easily performed, the detection sensitivity does not fluctuate depending on the measurement distance when the beam height position is detected by the detector, and it can be used sufficiently in the field and so on. It is desired to improve the detection accuracy of the detector and the visibility in visual observation. That is, firstly, aiming can be easily performed, secondly, there is no variation in detection sensitivity when a beam irradiation position is detected by a detector, and thirdly, it is not affected by a temperature change or the like and can be used outdoors. Fourth, it is desired that the detector can be used, and fourthly, the detection accuracy by the detector and the visibility by visual inspection are good. To satisfy these, the following conditions are required.
[0005]
(1) The projection beam diameter must be as small as possible at a given projection distance.
(2) The size of the projection beam diameter is constant regardless of the projection distance
(3) The projected beam diameter does not change due to disturbance such as wavelength change and temperature change.
(4) The beam waist position can be set to any distance (from short distance to long distance) as necessary.
The above conditions (1) and (2) refer to the initial performance of the laser projector, a design technique for determining an optimum emission beam diameter and a beam waist position for a required projection distance, and processing of optical components. It can be overcome by manufacturing techniques such as precision or assembly precision.
[0006]
Condition (3) relates to the stability of the laser projection device, and is very important for a laser surveying device that is frequently used outdoors such as in civil engineering works. In particular, a laser surveying device is required to guarantee performance in a temperature range of −20 ° C. to 50 ° C., which is much wider than that of other precision instruments. Normally, the waist position and waist diameter of the projection laser beam change due to expansion and contraction of the lens support frame, changes in the refractive index of the lens itself, changes in the wavelength of the light source, and the like, as the temperature changes.
[0007]
FIGS. 8 and 9 show examples in which beam diameters at different projection distances are measured using the temperature change as a parameter, and the state of the change is graphed. Although these figures are not described in detail, a lens system for producing a parallel beam of an appropriate size is set in the laser projection device, and an exit diameter (that is, an exit beam diameter) at the exit end of the projection device is determined. The beam size at each distance when the beam waist position (distance from the emission end of the projection device to the position forming the beam waist) x is plotted, that is, the beam diameter at each distance. FIG. 8 and FIG. 9 show the emission beam diameter W = φ8 (mm) and W = φ12.5 (mm), respectively.
[0008]
FIG. 8 shows an initial setting of the projection apparatus when the beam diameter is 8 mm at a temperature of 20 ° C. and the beam waist position x = 39.578 m, that is, the distance from the exit of the projection apparatus to the point where the beam waist is generated. Is x = 39.578 (m), and the temperature is changed to 50 ° C. and −20 ° C., respectively, for the projection apparatus in which the radius of curvature R of the exit wavefront at this time is R = 78 (m). Is shown.
FIG. 9 also shows the initial settings of the exit beam diameter W = φ12.5 (mm), the beam waist position x = 96.605 (m), the radius of curvature R of the exit beam wavefront R = 190 (m), and the temperature of 20 ° C. Shows the beam diameter for each distance when a temperature change is given from this initial setting.
[0009]
As can be seen from these figures, even if the appropriate exit beam diameter, beam waist diameter, and beam waist position are initially set, the beam waist distance x changes due to temperature changes, and the beam diameter at each distance x changes. You can see that Due to such a change in the beam diameter, there has been a problem that the above conditions (3) and the like required for the laser projection device are not satisfied. When the condition (3) is not satisfied, the conditions (1) and (2) initially set are also destroyed.
In order to solve such a problem, a collimator for compensating for a temperature change in a lens system for forming a parallel beam has been proposed (US Pat. No. 5,225,928). Therefore, it is difficult to completely correct the temperature while correcting other aberrations. Particularly, when a semiconductor laser or the like having a large light emission angle is used as a light source, a collimator lens having a large NA (numerical aperture) is required, so that it has been even more difficult to completely perform temperature compensation.
[0011]
Further, even if the temperature can be compensated by design, it is difficult to completely compensate for the effect of the temperature change. This is because a temperature distribution occurs in each member constituting the laser projection device. For example, a laser projection device has a light source such as a semiconductor laser, and the light source itself acts as a heat source to generate a temperature difference between the temperature and the outside world, thereby generating a temperature distribution. In addition, heat generated by a motor or the like for rotating and irradiating a laser beam cannot be neglected. Therefore, in a conventional laser projector, when a temperature change actually occurs despite a temperature compensation, a desired distance is obtained at a predetermined distance. The beam diameter was not obtained.
[0012]
Next, condition (4) is that, when detecting the height and position of the beam projected at a predetermined distance, when detecting with a detector at a predetermined distance, the size and sensitivity of the detector are determined in accordance with the specifications such as the detector. The objective is to obtain the optimum beam diameter manually or automatically for the conditions such as visibility when viewing it visually.
[0013]
FIGS. 10 and 11 show the projection distance and beam of the laser beam with an emission beam diameter W = φ8 (mm), and FIG. 11 shows the emission beam diameter W = φ12.5 (mm) at the same constant temperature. It is a figure showing the relation with a diameter. In each case, the wavelength of the laser beam is the same, and the symbol “x” in each drawing indicates the beam waist distance.
[0014]
Here, in both figures, if the beam waist position x is changed, it is understood that the beam diameter changes at each distance. For example, in FIG. 11, when the projection apparatus is used in a relatively short range (about 10 to 70 m), it can be seen that the beam waist distance x should be set to 50.879 m. Also, when using from a short distance to a long distance (about 100 to 200 m), it can be seen that the beam waist distance x should be set to 97.505 (m).
It is very useful to be able to set an arbitrary beam waist distance x with one laser projection device.
In view of the above, a laser projector capable of changing the beam waist position and enabling remote control has been disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 5-322564.
[0015]
However, in this conventional example, there is no means for confirming the beam waist position (distance) of the projection beam or the beam diameter (waist diameter) at that position. Therefore, in order to satisfy the condition (4), it is necessary to confirm the beam diameter at a distant position actually separated by a predetermined distance (for example, a position separated by several hundred meters), and there is a problem that the operation becomes complicated. Was. In a bright outdoor place, it was difficult to visually recognize the laser beam, and it was difficult to actually detect the beam diameter. In particular, there is a problem that a laser projector using an invisible light source such as a semiconductor laser of near-infrared cannot be visually observed, and it is more difficult to detect a beam diameter. For this reason, the above-mentioned conventional laser projection apparatus capable of changing the beam waist position can be used only with a visible laser light source that is short in distance and bright. Even if the beam waist position and beam waist diameter are once determined, the above condition (3) is not satisfied, and no consideration is given to the fact that the beam diameter of the projection beam changes due to disturbance such as temperature change. Had not been.
[0016]
[Object of the invention]
The present invention has been made based on the problems in the above-described conventional laser surveying apparatus, and at a required distance, it is possible to automatically set an optimal or desired beam waist position and beam waist diameter, Another object of the present invention is to provide a laser projection apparatus that stably maintains a beam waist position and a beam diameter that are set even with disturbances such as temperature and wavelength changes. Still another object of the present invention is to provide a detection system capable of detecting a projection laser beam waist position, and a laser projection device capable of freely setting a beam waist position based on a signal of the detection system.
[0017]
Summary of the Invention
The present invention that achieves the above object is a laser projection device that projects a light beam from a laser light source as a substantially parallel laser beam,A beam waist distance changing optical system for changing a beam waist distance of the laser beam emitted from the laser light source, a branch optical system for branching a part of the laser beam emitted from the beam waist distance changing optical system, and the branch Focus error detecting means for receiving the laser beam branched by the optical system and detecting an amount corresponding to the radius of curvature R of the wavefront of the laser beam by an astigmatism method, and an amount corresponding to the radius of curvature R of the wavefront; Calculating means for calculating the beam waist distance of the projection beam from the laser beam diameter W at a predetermined position, and control means for driving and controlling the beam waist distance changing optical system based on the beam waist distance of the projection beam WhenIt is characterized by having provided.
[0018]
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described based on illustrated embodiments. Before describing the configuration of the present invention, the basic principle of the present invention will be described to facilitate understanding of the present invention.
According to the present invention, the beam waist position of a projection laser beam (generally a Gaussian beam) is defined as a beam diameter at an arbitrary distance (in the case of the present invention, corresponding to an exit beam diameter for emitting from a projection port of a projection device) and a radius of curvature of a beam wavefront. The focus is on the idea that if R is known, it is uniquely determined. Therefore, if the radius of curvature of the beam wavefront is detected by any method, the beam waist position is automatically determined because the emission beam diameter is determined in advance by initial settings according to the specifications of the projection device. Therefore, the beam waist diameter is automatically determined.
[0019]
Generally, in a Gaussian beam such as a laser beam, the beam diameter at the beam waist position is set to W0  If the beam diameter at a position x away from the beam waist position is W, the radius of curvature of the wavefront at that position is R, and the wavelength of the laser beam is λ, the beam diameter W and the radius of curvature R of the wavefront are given by the following equations. It is known that it can be represented (for example, "Introduction to Imaging Optics" by Yoshiya Matsui, pages 112-115, published by Keigaku Shuppan).
W = W0  {1+ (4λx / πW0 2)2  }1/2                ... 1-1
R = x {1+ (πW0 2/ 4λx)2  } …… 1-2
These equations can be modified as follows.
W0  = W {1+ (πW2  / 4λR)2  }-1/2              ... 1-3
x = R {1+ (4λR / πW2  )2  }-1                  ... 1-4
[0020]
Here, if the target laser projector is specified, the wavelength λ of the laser beam and the beam diameter W of the emission beam at the projection port of the laser projector are specified. Therefore, if the radius of curvature R of the wavefront of the laser beam emitted from the laser projector is measured, the beam waist diameter W at the beam waist position can be obtained.0  Can be obtained by the above equation 1-3, and the distance x from the laser projector to the beam waist can be obtained by the above equation 1-4. FIG. 12 shows the relationship between the radius of curvature R of the wavefront and the beam waist distance x when the beam diameter W at the emission position is used as a parameter. From this figure, it can be seen that the beam waist distance x is determined by the radius of curvature R of the wavefront.
[0021]
As means for detecting the amount corresponding to the radius of curvature R of the wavefront, (1) means for directly detecting the radius of curvature R of the wavefront, and (2) light beam having a wavefront with the radius of curvature R is condensed by a lens, and There is a means for detecting according to the state of light collection. As the detection means (1), for example, a radial sharing interferometer can be used. As the detection means (2), a focus error detection optical system based on an astigmatism method or the like used in a known optical disk device or the like can be used.
[0022]
In one embodiment of the present invention, the radius of curvature R of the wavefront when the diameter W of the laser beam emitted from the laser projection device is determined is measured, and the beam waist distance x and the beam waist diameter W are measured.0  There is a feature in seeking. This embodiment will be described with reference to FIGS.
[0023]
FIG. 1 shows, as a first embodiment, a laser projection apparatus for measuring a radius of curvature R of a wavefront of an emitted laser beam by a focus error detecting means based on an astigmatism method which is one of the methods (2). is there. This laser projection device includes a laser projection unit having a means for adjusting a beam waist position of a projection laser beam, a laser light source unit 101, and a rotation axis center coincident with an optical axis of a light beam emitted from the laser light source unit 101. A rotating light projecting unit 111 that rotates about the axis 111c and rotationally projects (emits) a laser beam in a direction substantially orthogonal to the rotating axis 111c is provided. Further, as a means for detecting the radius of curvature R of the wavefront, a focus error used in an optical disk device or the like, which receives a branched laser beam emitted from the laser light source unit 101 and detects the radius of curvature R of the wavefront.Detection system121 and focus errorDetection systemA control unit 131 for adjusting the position (distance x) of the beam waist BW based on the focus error signal detected by the control unit 121.
[0024]
The laser light source unit 101 includes a semiconductor laser 102, a collimator lens 103 that converts the laser light emitted from the semiconductor laser 102 into a substantially parallel light beam, and transmits most of the substantially parallel laser beam, for example, about 90%. The beam splitter 104 reflects the remainder toward the focus error detection system 121. The rotary light projecting unit 111 is driven to rotate about a rotation axis 111c by a driving mechanism (not shown). The optical axis of the collimator lens 103 coincides with the rotation axis 111c. That is, the laser beam emitted from the laser light source unit 101 travels around the rotation axis 111c of the rotary light projecting unit 111, and the first mirror 112 and the second mirror 112, whose angle between the surfaces is set to 45 °. The light is reflected by the mirror 113 in a direction orthogonal to the rotation axis 111 c and emitted from the rotation light projecting unit 111. At this time, the radius of curvature of the wavefront of the laser beam at the time of emission is R, and the emission beam diameter is W.
[0025]
The collimator lens 103 is moved forward and backward by the lens driving mechanism 105 in parallel with the optical axis. Due to this reciprocation, the distance d between the semiconductor laser 102 and the collimator lens 103 changes, the radius of curvature R of the wavefront of the laser beam changes, and the beam waist BW moves. From these, the beam waist distance x and the beam waist diameter W0  Changes.
[0026]
The laser beam emitted from the rotary light projecting unit 111 has a beam diameter W at a position that is a predetermined distance x away from the rotary light projecting unit 111.0  Is formed. If each optical component of the laser projector is manufactured with high precision, the radius of curvature R of the wavefront of the laser beam emitted from the laser projector and the distance x of the beam waist BW are determined by the semiconductor laser 102 and the collimator lens 103. And is uniquely determined only by the distance d between them.
[0027]
On the other hand, the laser beam reflected and branched by the beam splitter 104 is condensed by a condenser lens 122 and further condensed on a four-divided sensor 124 by a cylinder lens 123. In the drawing, the cylinder lens 123 has no lens power in the plane of the paper, and is arranged so as to have the lens power in a direction perpendicular to the plane of the paper. The four-divided sensor 124 is symmetrically divided into four by an orthogonal cross line, and the direction of the divided line is arranged at 45 ° with respect to the generatrix direction (in the plane of the paper) of the cylinder lens 123. When the radius of curvature R of the wavefront of the laser beam changes, the beam spot shape changes to an ellipse, a circle, and an ellipse whose major axis is orthogonal to the ellipse. Therefore, each sensor output of the four-divided sensor 124 changes.
[0028]
The output of the four-divided sensor 124 is subjected to amplification processing or the like in the processing unit 132 of the control unit 131 and is used by the microcomputer 133 for predetermined arithmetic processing. The microcomputer 133 displays the radius of curvature R of the wavefront, the beam waist distance x, and the like based on the calculation result on the display unit 134. Further, the microcomputer 133 calculates a moving direction and a moving amount of the collimator lens 103 that can change, for example, the beam waist position to a predetermined position based on the above value, and based on the calculation result, the lens through the control unit 135. The driving mechanism 105 is driven to move the collimator lens 103. By this movement, the distance x to the beam waist BW can be kept constant against disturbance such as temperature change and wavelength change, or the beam waist BW can be formed at a predetermined distance.
[0029]
The operator operates the input unit 136 to select whether to keep the distance x constant or to change the distance to a predetermined distance, or to set and select various data such as the predetermined distance. Further, it is also possible to program the usage method in advance. This makes it possible to start measurement in a predetermined mode immediately after the switch is turned on. Further, the above operations can also be executed by the remote operation unit 141 formed separately from the control unit 131. The signal output from the remote operation unit 141 is received by the receiving unit 137, and is input to the microcomputer 133 via the input unit 136 in the same manner as the signal from the input unit 136. A signal from the remote operation unit 141 is transmitted to the receiving unit 137 via a wire, infrared rays, radio waves, or ultrasonic waves.
[0030]
The above is an outline of the present embodiment, but the configuration and operation of the focus error detection system 121 will be described in more detail with reference to FIGS. 2 and 3. FIG. 2 is a diagram for explaining the measurement principle of the focus error detection system 121.
[0031]
The focus error detection system 121 according to the present embodiment includes an optical system equivalent to a focus error detection optical system based on the astigmatism method used in the optical disc device. The four-division sensor 124 has four independent division sensors 1241, 1242, 1243, and 1244 divided by a division line in the cross direction, and the laser reflected by the beam splitter 104 around the intersection O of the division line. The beam is focused by the focusing lens 122 and the cylinder lens 123. Then, a focus error signal (FES) is obtained from the difference between the sum of the outputs of the diagonal split sensors 1241 and 1243 and the sum of the outputs of the other diagonal split sensors 1242 and 1244. The output of each of the divided sensors 1241, 1242, 1243, 1244 is represented by S1  , S2  , S3  , S4  Then
FES = (S1  + S3  )-(S2  + S4  )
Is represented by The magnitude of the focus error signal FES changes depending on the radius of curvature R of the wavefront of the light beam incident on the focus error detection system 121. This will be described for a focus error detection circuit in comparison with an optical disk device.
[0032]
Now, suppose the information recording surface 151 of the optical disk isB  Assuming that the light spot emitted from the objective lens 152 is focused on the information recording surface 151B  The light beam reflected from the lens and incident on the focus error detection system becomes a parallel light beam as indicated by B, and therefore, the radius of curvature R of the wavefront of the light beam BB  Becomes ∞. At this time, the light spot on the four-divided sensor 124 has a circular shape like B ', and the focus error signal FES becomes zero.
[0033]
On the other hand, when the information recording surface 151 moves away from the objective lens 152 by Δ, the information recording surface 151A  The light beam incident on the focus error detection system due to the reflected light from the light source is as shown by A, and the radius of curvature of the wavefront at that time is RA  It becomes. The light spot on the four-divided sensor 124 has an elliptical shape whose major axis is the diagonal direction of the divided sensors 1241 and 1243, as indicated by A ', and the focus error signal FES {(S1  + S3  )-(S2  + S4  } Is a positive value.
[0034]
When the information recording surface 151 approaches the objective lens 152 by Δ, the information recording surface 151C  The luminous flux incident on the focus error detection system by the reflected light from the light source becomes C, and the radius of curvature of the wavefront at that time is RC  It becomes. The light spot on the four-divided sensor 124 has an elliptical shape having a major axis orthogonal to the light spot A ', such as C', and the focus error signal FES {(S1  + S3  )-(S2  + S4  } Is a negative value.
In the optical disk device, the focus error signal FES is always 0, that is, the radius of curvature of the wavefront is RB  Thus, the objective lens is servo-controlled so that the optical disk is always in focus.
[0035]
As described above, the amount of deviation Δ from the focal point between the optical disc and the objective lens is determined by the focus error detection system.121Wavefront of light beam incident onRadius of curvature R, And further induces a change in the shape of the light spot on the four-divided sensor 124 to generate the focus error signal FES. That is, the focus error detection system 121 calculates the radius of curvature of the wavefront incident thereon.RIs detected.
[0036]
The magnitude of the focus error signal FES changes according to the defocus amount Δ, and an S-curve curve as shown in FIG. 3 is obtained. This S-curve curve isA  , 151B  And focal length f0  3 shows the relationship between the amount of deviation Δ (defocus amount) from the focal point with the objective lens 152 and the magnitude of the focus error signal FES obtained at that time. In FIG. 2, the optical disc 151 is located at the in-focus position.B  The input wavefront is B when there is an optical disc 151 at the out-of-focus position.A  , 151C  The input wavefronts when there are are A and C, respectively. When the input wavefront is B, the focus error signal FESB  Point value, and when the input wavefront is A,A  Points. That is, if the magnitude of the focus error signal FES is known, the shift amount Δ can be easily obtained. At this time, the change of the focus error signal FES with respect to the deviation amount Δ, that is, the range of the linear region in the S-curve,B  The sensitivity near the point can be freely designed by optimizing the optical system of the focus error detection system. In this embodiment, the focus error signal FES = 0 when the spot is circular and the focus error signal FES = 0 on the four-divided sensor 124 when the wavefront of the light beam B is B. However, when the light beam is A, the FES = It is easy to set it to zero. This is because the radius of curvature of the wavefront is RA  Is equivalent to setting such that FES = 0 at the time of.
[0037]
On the other hand, the relationship between the shift amount Δ and the radius of curvature R of the wavefront is given by the following equation.
R = f0 2/ 2Δ ... 2-1
(However, f0  >>>)
In other words, the S-curve in the focus error detection system of the optical disk device indicates the relationship between the shift amount Δ and the focus error signal FES, and simultaneously detects the radius of curvature R of the wavefront of the light beam incident on the focus error detection system. It can be said that. That is, the focal length f0  If the objective lens having the condition (1) and the setting condition (detection sensitivity, etc.) of the focus error detection system corresponding thereto are determined, the focus error signal FES corresponding to the shift amount Δ (corresponding to the change in the radius of curvature R of the wavefront). Is obtained. In an actual laser projection apparatus, there is no objective lens, optical disk, or the like. However, if a light beam having a radius of curvature R of a wavefront to be detected is made incident on a focus error detection system having predetermined setting conditions, the radius of curvature of the wavefront can be obtained. R is obtained by calculation.
In the above method, since the detection signal can be obtained even by an analog signal, high-speed control (real-time control) can be performed.
[0038]
The process of obtaining the radius of curvature R described above is controlled and executed by the computer 133 as a whole. First, the computer 133 calculates the beam waist diameter W according to the above equations 1-3 and 1-4 based on the radius of curvature R of the exit wavefront and the exit beam diameter W.0  , The beam waist distance x is calculated. Then, the control unit 135 and the lens are controlled such that the calculated beam waist distance x matches the beam waist distance input via the input unit 136 or the beam waist distance preset (memory) in the computer 133. The collimator lens 103 is moved via the drive mechanism 105.
[0039]
FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention using a radial sharing interferometer as means for directly detecting the radius of curvature R of the wavefront of the means (1). It is to be noted that members having the same structure as the first embodiment shown in FIG. 1 and having the same function are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0040]
The configurations of the laser light source unit 101 and the laser projection unit 111 are the same as those of the embodiment shown in FIG. The laser beam emitted from the semiconductor laser 102 is converted into a substantially parallel light beam by the collimator lens 103, reflected by the beam splitter 104, and guided into the interferometer 221.
[0041]
The laser beam guided into the interferometer 221 is split by the first half mirror 222 into a transmitted reference laser beam and a reflected test laser beam. The beam diameter of the reference laser beam transmitted through the first half mirror 222 is expanded by a beam expanding optical system (beam expander) 223, and the center of the wavefront having a small wavefront aberration is reduced to the first mirror 224 and the second half mirror 226. And reaches the CCD camera 228 (the light receiving surface of the CCD image sensor) by the observation lens 227. This means that the reference wavefront is formed from the test wavefront.
[0042]
On the other hand, the test laser beam reflected by the first half mirror 222 maintains the beam diameter, that is, maintains the wavefront shape of the test laser beam itself, and is transmitted to the second half mirror 226 by the second mirror 225. The reflected light is transmitted through the second half mirror 226 and reaches the imaging surface of the CCD camera 228 by the observation lens 227. That is, on the CCD camera 228, the reference wavefront and the test wavefront are superimposed. This superposition causes the reference laser beam and the test laser beam to interfere with each other, and the CCD camera 228 captures an image of the interference state.
[0043]
The interference fringes are imaged by the CCD camera 228, converted into digital image signals in the image memory 232, and stored. Then, the digital image signal is read from the image memory 232 by the computer 233. Then, the computer 233 calculates the radius of curvature R of the wavefront from the amount of bending of the interference fringes, and further calculates the beam waist distance x and the beam waist diameter W according to the expressions 1-3 and 1-4.0  Is calculated and displayed on the display unit 234. Further, the computer 233 drives the lens driving mechanism 105 via the control unit 235 based on the calculated values of the radius of curvature R of the wavefront and the beam waist distance x, and moves the collimator lens 103 to adjust the distance d. By moving the collimator lens 103, the beam waist distance x can be kept constant against disturbances such as temperature change and wavelength fluctuation, and the beam waist position can be moved to a desired position. The function of the input unit 236 is the same as that of the input unit 136 of the first embodiment, and the second embodiment may have a configuration including the receiving unit 137 and the remote control unit 141.
[0044]
A method for obtaining the radius of curvature R from the interference fringes captured by the CCD camera 228 will be described in detail with reference to FIGS. FIGS. 6A, 6B, and 6C show the states of the interference fringes at the wavefronts A, B, and C in which the radius of curvature R of the incident wavefront changes in FIG.
[0045]
Assuming that the number of bends due to the radius of curvature R of the wavefront of the imaged interference fringes is k, the radius of curvature R of the wavefront is obtained by the following equation. Note that the number k is determined by k = ΔP / P in FIG.
R = W2  / 8λk 3-1
(However, R >> W)
The number k can be easily obtained by an interference fringe analysis method such as a known phase shift method. In addition, actually, not only the curvature radius R of the wavefront, but also the influence of the wavefront aberration, which is a higher-order term, exists. In addition to the radius of curvature, other aberrations can also be obtained. Due to these various aberrations, not only the initial performance, but also information obtained when the initial performance deteriorates due to a disturbance or some reason can be extracted. Therefore, the operation state of the laser projection device can be monitored.
[0046]
If the radius of curvature R of the wavefront is obtained, the beam waist distance x and the beam waist diameter W can be calculated by the above equations 1-3 and 1-4.0  Can be requested.
[0047]
Further, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, a detection system for detecting a radius of curvature R of an emitted laser beam is a laser projection device that projects a laser beam emitted from a laser light source 101 in three different directions (horizontal, vertically upward, vertically downward). It is applied to. Members having the same configuration and the same function as those of the embodiment shown in FIGS. 1 and 4 are denoted by the same reference numerals, respectively, and detailed description is omitted.
[0048]
The laser beam emitted from the semiconductor laser 102 passes through the collimator lens 103 and becomes a substantially parallel light beam. The parallel laser beam enters the beam splitter 311 and is mostly directed toward the rotary light projecting unit 111 (in the second target direction O).2  ) Reflected and partially transmitted. In addition, this laser projection device has a second object direction O2  And the rotation axis 111c are parallel. Usually, they are installed so as to coincide with the vertical upward direction, and function as a vertical upward reference beam.
[0049]
A part of the laser beam transmitted through the beam splitter 311 passes through the third reflecting plate 312, and the rest is reflected and travels backward in the optical path.3  To reflect. The laser beam transmitted through the third reflection plate 312 enters the first focus error detection / processing system 321. The first focus error detection / processing system 321 has the same configuration as the focus error detection system 121 and the control unit 131 described above. Note that the third target direction O3  And the second target direction O2  Is only opposite to each other, and is usually arranged so as to coincide with the vertically downward direction, and functions as a vertically downward reference beam.
[0050]
The laser beam reflected by the beam splitter 311 in the direction of the rotary light projecting unit 111 is expanded to a predetermined beam diameter by the beam expander 313. The beam expander 313 is a Galileo type having a concave lens 314 and a convex lens 315, and the concave lens 314 is provided so as to be movable toward and away from the convex lens 315 in the optical axis direction.
[0051]
Most of the expanded laser beam passes through the first reflecting mirror 316 and is incident on the rotary light projecting unit 111, and part of the laser beam is reflected by the first reflecting mirror 316. The laser beam reflected by the first reflecting mirror 316 enters a second focus error detection / processing system 331 similar to the focus error detection system 121 and the control unit 131 shown in the first embodiment.
[0052]
As in the first embodiment, a part of the laser beam transmitted through the first reflecting mirror 316 and incident on the rotary light projecting unit 111 is transmitted through the half mirror 112 and travels in the second target direction O.2  And the other is reflected by the half mirror 112, further reflected by the mirror 113, and in the first target direction O orthogonal to the rotation axis 111c.1  Injected into. Usually, the first target direction O1  Emitted in the second target direction O2  A plane is formed by rotating about the axis, and functions as a horizontal reference plane.
[0053]
The first focus error detection / processing system 321 mainly performs the third target direction O3  Laser beam L emitted to3  Is monitored, and the radius of curvature R of the laser beam wavefront when emitted from the collimator lens 103 is measured. In addition, the first focus error detection / processing system 321 detects the radius of curvature R of the wavefront at the time of emission from the collimator lens 103, so that the laser beam L in the first and second target directions can be detected.1  , L2  The effect of most of the radius of curvature is also monitored.
[0054]
Here, the first focus error detection / processing system 321 moves the collimator lens 103 by the lens driving mechanism 105 based on the detection result, and adjusts the radius of curvature R of the wavefront. With this adjustment, the first, second, and third target directions O1  , O2  , O3  Laser beam L emitted to1  , L2  , L3  Changes the radius of curvature R of the wavefront, and the beam waist position can be moved.
[0055]
The second focus error detection / processing system 331 outputs the third target direction O3  Laser beam L to3  Irrespective of the first and second target directions O1  , O2  Laser beam L1  , L2  Is measured and monitored. Then, based on the measurement result, the lens driving mechanism 333 is driven to move the concave lens 314 toward and away from the convex lens 314, and the laser beam L1  , L2  Is adjusted, and the beam waist position is moved.
[0056]
In the third embodiment, the laser beam L in the first and second target directions having a long projection distance is easily affected by disturbance.1  , L2  And the third target direction O3  Laser beam L to3  Has little effect. Therefore, if the second focus error detection / processing system 331, the lens driving mechanism 105 and the lens driving mechanism 333 exist, the laser beam L1  , L2  Beam waist position can be adjusted.
[0057]
However, actually, the laser beam L1  , L2  Among the factors that change the radius of curvature R of the wavefront on the side, the largest one is due to the change in the distance between the collimator lens 103 and the semiconductor laser 102. Therefore, if the wavefront of the laser beam after the emission of the collimator lens 103 that changes due to the disturbance is to be monitored, the laser beam L that is easily affected by the disturbance can be used only with the first focus error detection / processing system 321.1  , L2  Can be adjusted.
[0058]
Although the present invention has been described based on the embodiment applied to the laser projection apparatus, the present invention is not limited to the illustrated embodiment. For example, the focus error detection system may be a knife edge method or a spot size method. In the case of the interferometry, a lateral sharing interferometer may be used. In short, the present invention is not limited to the configuration of the optical system as long as it has means for detecting the radius of curvature R of the wavefront when the laser beam is emitted.
[0059]
In the present invention, the equations 1-1 to 1-4 have been discussed assuming that the laser beam to be projected is a Gaussian beam. Alternatively, actually, an influence such as aberration of the optical system also occurs.
However, even in such a case, data such as the beam waist position and the beam waist diameter are added while adding some correction term to the equations 1-1 to 1-4 or actually changing the curvature radius R of the wavefront only once. May be obtained, and processing such as performing correction based on the data may be performed. In short, the present invention has an essential feature in that the radius of curvature of the wavefront can be measured on the spot by the laser projector itself.
[0060]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, the present invention detects the amount corresponding to the radius of curvature R of the wavefront of the laser beam at the time of emission.And the diameter of the laser beam at the time of injection set in advance.And the beam waist distance of the laser beam is detected fromSince the beam waist distance is controlled to be a predetermined value, the beam waist distance can be kept constant, and the beam waist position can be easily adjusted to a desired distance without observing the irradiated laser beam. Can be adjusted.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a main configuration of a first embodiment of a laser projection apparatus to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a diagram illustrating an outline of a focus error detection system applied to the first embodiment.
FIG. 3 is a graph showing a focus error signal of the first embodiment in a graph.
FIG. 4 is a diagram showing a main configuration of a second embodiment in which the present invention is applied to a laser projection device.
FIG. 5 is a diagram illustrating an outline of a radial sharing interferometer applied to a second embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between interference fringes observed by the radial sharing interferometer and the radius of curvature of the wavefront of the laser beam.
FIG. 7 is a diagram illustrating an outline of a third embodiment in which the present invention is applied to a laser projection device.
FIG. 8 is a graph showing a relationship between a beam projection beam diameter of a laser beam and a temperature.
FIG. 9 is a graph showing a relationship between a beam waist distance of a laser beam and a temperature.
FIG. 10 is a graph showing a relationship between a beam waist position and a beam diameter.
FIG. 11 is a graph showing a relationship between a change in a beam waist position and a beam diameter.
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the radius of curvature of the wavefront at the time of emission and the beam waist distance.
[Explanation of symbols]
101 Laser light source section
102 Semiconductor laser
103 Collimator lens
105 Lens drive mechanism
111 Rotating light emitter
112 Half mirror (first mirror)
113 mirror (second mirror)
121 Focus error detection system
131 Operation and control unit
221 interferometer
321 First focus error detection / processing system
331 Second focus error detection / processing system

Claims (5)

レーザ光源からの光束をほぼ平行光束のレーザビームとして投射するレーザ投射装置において、
上記レーザ光源から射出されたレーザビームのビームウエスト距離を変更するビームウエスト距離変更光学系と、
該ビームウエスト距離変更光学系から射出されたレーザビームの一部を分岐する分岐光学系と、
該分岐光学系で分岐されたレーザビームを受光して非点収差法によりレーザビームの波面の曲率半径Rに相当する量を検出するフォーカスエラー検出手段と、
上記波面の曲率半径Rに相当する量と、予め設定された所定位置におけるレーザビーム径Wとから上記投射ビームのビームウエスト距離を演算する演算手段と、
上記投射ビームのビームウエスト距離に基づいて前記ビームウエスト距離変更光学系を駆動制御する制御手段とを備えたことを特徴とするレーザ投射装置。
In a laser projection device that projects a light beam from a laser light source as a substantially parallel light beam,
A beam waist distance changing optical system that changes a beam waist distance of the laser beam emitted from the laser light source,
A branch optical system that branches a part of the laser beam emitted from the beam waist distance changing optical system,
Focus error detecting means for receiving the laser beam split by the splitting optical system and detecting an amount corresponding to the radius of curvature R of the wavefront of the laser beam by an astigmatism method;
Calculating means for calculating a beam waist distance of the projection beam from an amount corresponding to the radius of curvature R of the wavefront and a laser beam diameter W at a predetermined position set in advance;
Control means for controlling the drive of the beam waist distance changing optical system based on the beam waist distance of the projection beam .
請求項1に記載のレーザ投射装置において、上記演算手段は、上記レーザ投射装置の出射端からビームウエスト位置までのビームウエスト距離xを式、
x=R{1+(4λR/πW22-1
により算出すること、を特徴とするレーザ投射装置。
2. The laser projection device according to claim 1, wherein the calculation unit calculates a beam waist distance x from an emission end of the laser projection device to a beam waist position,
x = R {1+ (4λR / πW 2 ) 2−1
Calculated by the following formula:
請求項2に記載のレーザ投射装置において、上記制御手段は、上記ビームウエスト距離変更光学系を駆動して上記レーザビームウエスト距離を一定に保つこと、を特徴とするレーザ投射装置。 3. The laser projection apparatus according to claim 2, wherein said control means drives said beam waist distance changing optical system to keep said laser beam waist distance x constant. 請求項3に記載のレーザ投射装置は、上記レーザ光源から射出されたレーザビームを平行光束にする光学部材を備え、上記ビームウエスト距離変更光学系は、上記光学部材を光軸方向に移動させるレンズ駆動手段を含むこと、を特徴とするレーザ投射装置。Laser projector according to claim 3, comprising an optical member for the parallel beam of the laser beam emitted from the laser light source, the beam waist distance changing optical system includes a lens for moving the optical member in the optical axis direction A laser projection device comprising a driving unit. 請求項4に記載のレーザ投射装置において、上記レーザビームを平行光束にする光学部材は、少なくとも二群のレンズ系からなるビームエキスパンダーであって、一方のレンズ群を光軸と平行に移動させるレンズ駆動手段を含むこと、を特徴とするレーザ投射装置。Oite the laser projection device according to claim 4, optical members into a parallel beam of the laser beam, a beam expander comprising at least two groups of lens system, one lens group parallel to the optical axis moving A laser driving device for driving the laser.
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