JP3548247B2

JP3548247B2 - レーザ投射装置

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Publication number: JP3548247B2
Application number: JP29137994A
Authority: JP
Inventors: 政博大野; 正人原
Original assignee: ペンタックス株式会社
Priority date: 1994-11-25
Filing date: 1994-11-25
Publication date: 2004-07-28
Anticipated expiration: 2019-07-28
Also published as: JPH08145662A

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、０．５〜１．５ｍの近距離から１００〜２００ｍ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（１００〜２００ｍ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_０、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_０｛１＋（４λｘ／πＷ_０ ^２）^２｝^１／２ ……１−１
Ｒ＝ｘ｛１＋（πＷ_０ ^２／４λｘ）^２｝ ……１−２
これらの式は、下記のように変形できる。
Ｗ_０＝Ｗ｛１＋（πＷ^２／４λＲ）^２｝^−１／２ ……１−３
ｘ＝Ｒ｛１＋（４λＲ／πＷ^２）^２｝^−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_０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_０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_０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_０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_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４とすると、
ＦＥＳ＝（Ｓ_１＋Ｓ_３）−（Ｓ_２＋Ｓ_４）
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_Ｂ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_Ｂ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_Ｂ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_Ａ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_Ａ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_１＋Ｓ_３）−（Ｓ_２＋Ｓ_４）｝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_Ｃ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_Ｃ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_１＋Ｓ_３）−（Ｓ_２＋Ｓ_４）｝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_Ｂ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Ｒ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_Ａ、１５１_Ｂと焦点距離ｆ_０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_Ｂ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_Ａ、１５１_Ｃ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_Ｂ点の値になり、入力波面がＡのときにはＯ_Ａ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_Ｂ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_Ａ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_０ ^２／２Δ ……２−１
（ただし、ｆ_０＞＞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_０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_０、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_０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^２／８λｋ ……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_０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_２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_２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_３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_３と第２の対象方向Ｏ_２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_２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_１に射出される。通常、第１の対象方向Ｏ_１に射出されたビームは第２の対象方向Ｏ_２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_３に射出するレーザビームＬ_３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_１、Ｌ_２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_１、Ｏ_２、Ｏ_３に射出するレーザビームＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３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_３へのレーザビームＬ_３に無関係に、主に第１、第２の対象方向Ｏ_１、Ｏ_２のレーザビームＬ_１、Ｌ_２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_１、Ｌ_２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_１、Ｌ_２であり、第３の対象方向Ｏ_３へのレーザビームＬ_３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_１、Ｌ_２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_１、Ｌ_２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_１、Ｌ_２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

Claims

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。
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／πＷ²）²｝^-1
により算出すること、を特徴とするレーザ投射装置。
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ｘを一定に保つこと、を特徴とするレーザ投射装置。
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。
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。