專利名稱：光束分離器及其采用該分離器的激光打墨印裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于將一束激光分成多束激光的光束分離器及其采用該分離器的多束光生成光學系統(tǒng)，尤其是涉及在屋內外的房屋建筑施工時用于打墨印作業(yè)的激光打墨印裝置。
背景技術：
在房屋建筑時，特別是在施工開始時，在各種部件的安裝基準的設定或部件加工的定位等中必須要進行打出基準線的作業(yè)，即打墨印作業(yè)。因此，在建筑現(xiàn)場，采用水平測量儀等器具找出水平，在作為對象的結構物的壁面上打上多個墨跡，將其連接而形成打墨印線，作為施工的基準。
在打墨印線上，除了從地面到壁面、再到頂板畫出垂直線的所謂“豎線”，通過兩條“豎線”在頂板上畫出直角線的“矩形線”，或者在壁面上畫出水平線的“地線”等各種線之外，還有在地面上畫出“底墨印”(點)等。
手工操作的打墨印作業(yè)最少由兩個人進行，存在費時費力，效率低的問題。為了改善這一問題，最近多采用具有線光照射功能的激光打墨印裝置高效率地進行打墨印作業(yè)。激光打墨印裝置由于只需一個人即可容易地進行打墨印作業(yè)，所以逐漸成為建筑作業(yè)不可或缺的建筑作業(yè)工具。
為了實現(xiàn)采用激光打墨印裝置的打墨印作業(yè)的高效化，希望由一臺激光打墨印裝置能夠照射出多條打墨印線。最近，提出了由一臺裝置可照射出兩條以上的裝置。
以往，作為由一臺激光打墨印裝置照射多條線的方式，公知的有采用多個激光源的方式，以及通過對從一個激光源射出的激光束進行分割，獲得多條線的方式。
在前者的情況下，存在隨著裝載的激光源數(shù)量的增加，裝置成本也增加的問題。
另一方面，作為后者的通過對激光進行分割，獲得多條線光的方式，例如日本專利公開公報9-159451號公報所公開的那樣，是一種采用在激光射出方向上順次疊層多個半透明反射鏡結構的射出光學系統(tǒng)的方式。但是，在這種方式中，透過第一個半透明反射鏡的光的強度減弱到1/2，繼續(xù)透過第二個半透明反射鏡的光再減弱到1/2。這樣，由于每透過一次半透明反射鏡光的強度逐漸減弱，所以在分割后的射束中光的強度不同，存在所獲得的多條線光的光的亮度不同的問題。而且，由于為了分割射束而需要排列多個半透明反射鏡，所以還存在光學系統(tǒng)復雜，光學元件的數(shù)量增加的問題。
因此，能夠照射多條線光的現(xiàn)有的激光打墨印裝置大多是僅具備線光數(shù)量的激光源。但是，在這種情況下，如前所述，隨著光源數(shù)量的增加，裝置價格上升。因此，為了在打墨印作業(yè)中進行更加高效率的作業(yè)，必須要有高價的裝置。

發(fā)明內容
本發(fā)明是為了解決上述問題而提出的，其目的之一在于提供一種能夠從一束激光形成多束射束的結構簡單的光束分離器，以及采用了該光束分離器的多束光發(fā)生器。
另外，本發(fā)明的另一個目的在于提供一種裝載了上述多束光發(fā)生器、可照射出多束線光的廉價的激光打墨印裝置。
為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種光束分離器，包括至少具有兩個面的透光體，形成在上述至少兩個面中第一面上的第一分光部，以及形成在上述至少兩個面中第二面上的第二分光部，從一束入射光獲得多束分離光。
另外，本發(fā)明提供一種多束光發(fā)生器，包括產生光束的光源和光束分離器，所述光束分離器由至少具有兩個面、上述光束入射的透光體，形成在上述至少兩個面中的第一面上的第一分光部，以及形成在上述至少兩個面中的第二面上的第二分光部構成。
另外，本發(fā)明提供一種線光生成光學系統(tǒng)，包括產生激光的光源；將來自上述光源射出光變換成準直光的平行光管透鏡；呈具有三個側面的三棱柱的形狀、在上述三棱柱的三個側面中的兩個側面上形成有第一分光部和第二分光部的三棱鏡，所述三棱鏡以由上述兩個側面夾持的頂角承受上述準直光、將上述準直光分離成四束光束；配置在從上述三棱鏡射出的光束的光路中的至少一個光路上、將該光束分離成線光的線光生成光學元件。
另外，本發(fā)明提供一種激光打墨印裝置，包括產生光束的激光器；由至少具有兩個面、上述光束入射的透光體，形成在上述至少兩個面中的第一面上的第一分光部，以及形成在上述至少兩個面中的第二面上的第二分光部構成的光束分離器；從由上述第一分光部和上述第二分光部中的至少一個分離的光束獲得線光的線光生成光學元件；支承上述激光器、上述光束分離器、以及上述線光生成光學元件的支承部。


圖1為表示本發(fā)明第1實施方式的光束分離器的立體圖。
圖2為圖1的光束分離器的俯視圖。
圖3為表示光束由圖1的光束分離器分離的原理的說明圖。
圖4為表示圖1的光束分離器的制造方法的說明圖，表示形成分光薄膜的工序。
圖5為表示圖1的光束分離器的制造方法的說明圖，表示接合三個三棱柱的工序。
圖6為表示入射到三棱鏡中的光射出的方向的說明圖。
圖7為進一步詳細說明入射到三棱鏡中的光射出的方向的說明圖。
圖8為表示部分入射到三棱鏡中的光射出的方向的說明圖。
圖9為表示本發(fā)明第1實施方式的多束光發(fā)生器的側視圖。
圖10為表示圖9的多束光發(fā)生器的俯視圖。
圖11為表示本發(fā)明第1實施方式的激光打墨印裝置的側視圖。
圖12為表示圖11的激光打墨印裝置上設置的線光生成光學系統(tǒng)的側視圖。
圖13為圖12的線光生成光學系統(tǒng)的俯視圖。
圖14為表示本發(fā)明第2實施方式的線光生成光學系統(tǒng)的說明圖。
圖15為表示入射到圖14的三棱鏡中的光射出的方向的說明圖。
圖16為表示圖14的線光生成光學系統(tǒng)的變形例的說明圖。
圖17(a)表示棒式透鏡和入射射束的截面朝向的關系的說明圖。
圖17(b)為表示棒式透鏡和入射射束的截面朝向的其他關系的說明圖。
圖17(c)為表示棒式梯形棱鏡的朝向的說明圖。
圖18為表示圖16的線光生成光學系統(tǒng)的變形例的說明圖。
圖19為表示本發(fā)明第2實施方式的激光打墨印裝置的側視圖。
圖20為表示圖19的激光打墨印裝置上裝載的光學單元的說明圖。
圖21為表示本發(fā)明第3實施方式的光束分離器的立體圖。
圖22為表示光束由圖21的光束分離器分離的原理的說明圖。
圖23為進一步詳細說明光束由圖21的光束分離器分離的原理的說明圖。
圖24為表示第3實施方式的第1變形例的光束分離器的立體圖。
圖25為表示光束由圖24的光束分離器分離的原理的說明圖。
圖26為進一步詳細說明光束由圖24的光束分離器分離的原理的說明圖。
圖27為表示本發(fā)明第3實施方式的第2變形例的光束分離器的立體圖。
圖28為表示光束由圖27的光束分離器分離的原理的說明圖。
圖29為表示第3實施方式的第3變形例的光束分離器的立體圖。
圖30為表示光束由圖29的光束分離器分離的原理的說明圖。
圖31為裝載了本發(fā)明第3實施方式的光束分離器的激光打墨印裝置的側視圖。
圖32為采用了圖21的光束分離器的線光生成光學系統(tǒng)的側視圖。
圖33為采用了圖28的光束分離器的線光生成光學系統(tǒng)的側視圖。
具體實施例方式
第1實施方式基于圖1至圖13對本發(fā)明第1實施方式的光束分離器、采用該分離器的多束光發(fā)生器、以及裝載了該發(fā)生器的激光打墨印裝置加以說明。
圖1為表示光束分離器1的基本結構的立體圖。圖2為光束分離器1的俯視圖。光束分離器1是將底面形狀為直角等腰三角形的三個三棱柱(三棱柱狀光學部件(棱鏡))1a、1b、1c組合而構成，整體為大致的長方體形狀。更詳細地說，三棱柱1a在其直角等腰三角形的底面形狀上具有包括夾著頂角22(直角)的兩個邊(互為相等的邊)的兩個側面20a、20a。而且，三棱柱1b、1c在其直角等腰三角形的底面形狀上具有包括與其頂角23、24對向的底邊的側面20b、20c。三棱柱1a的兩個側面20a、20a分別與三棱柱1b、1c的側面20b、20c相接合。三棱柱1a、1b、1c由透光的玻璃或者塑料構成。本實施方式中，作為棱鏡的材料采用了BK7(折射率為1.5)的玻璃材料。構成棱鏡的一個三棱柱形狀的元件1a、1b、1c的尺寸例如以下所述。側面20a、20a的一邊的長度為5mm，三棱柱的高度為5mm。因此，光束分離器1整體的寬度為7mm，進深為3.5mm，高度為5mm。
在兩個側面20a上分別形成有用于將入射光分離成透過光和反射光的分光薄膜2。分光薄膜2位于側面20a和20b以及側面20a和20c之間。形成了分光薄膜2的兩個側面20a作為將入射光分離成透過光和反射光的兩個分光面發(fā)揮作用。
分光薄膜2具有規(guī)定的反射率(在本例中大致為67％)和規(guī)定的透過率(在本例中大致為33％)。作為分光薄膜2的材料，只要是將入射光分離成透過光和反射光的材料即可。分光薄膜2的材料優(yōu)選地為Cr、Al等金屬或TiO2、SiO2、MgF2等電介質材料。分光薄膜2是將這些材料制成單層或多層而形成的。在多層結構的情況下，分光薄膜2既可以是將金屬薄膜相互疊層，也可以是將電介質材料薄膜相互疊層的多層電介質層，或者是將金屬薄膜和電介質材料薄膜疊層的混合膜。在本實施方式中，分光薄膜2為單層的電介質薄膜。
具有這種結構的光束分離器1如圖3所示，是將從未圖示的光源射出的光束B1朝向三棱柱1a的頂角22入射而加以使用。入射到光束分離器1中的光B1通過分光薄膜2，一方面反射而成為光B2，一方面透過而成為光B3。例如，當為了簡單而將入射光B1的激光功率設為100時，入射光中的功率50的部分在圖中右方向的反射和透過中被消耗，余下的功率50的部分同樣地在圖中左方向的反射和透過中被消耗。
在本例中，分光薄膜2的反射率大致為67％，透過率大致為33％。因此，分光薄膜2的反射光的強度為50×0.67-33.5。透過光的強度為50×(1-0.67)＝16.5。左右兩方向均同樣地計算出。即，分成左右的反射光的強度分別為33.5，透過光的強度為16.5×2＝33，分離的三束光束具有大致均勻的強度。而且，能夠使由光束分離器1分離的光束中兩束反射光B2位于同一直線上，并且能夠使一束透過光B3位于相對于兩束反射光B2垂直的直線上。
另外，分光薄膜2的反射率或透過率并不僅限于上述的例子。分離光B2、B2、B3的強度根據(jù)這些反射率或透過率確定。兩個分光薄膜2也可以具有互不相同的反射率、透過率。
而且，光束分離器1由于僅通過將三個光學部件1a、1b、1c組合即可形成三束射出射束，所以結構簡單。而且，由于光束分離器1是由底面形狀為直角等腰三角形的透明的三棱柱1a構成的，所以三束射出射束B2、B3能夠在相互成直角的方向上產生。因此，若裝載在后述的激光打墨印裝置12上，則非常適合于畫出豎立線或橫線。
以下，對光束分離器1的制造方法加以說明。首先，如圖4所示，在三棱鏡1a的兩個側面20a的每一個上，通過蒸鍍等形成用于以所希望的比例透過和反射的分光薄膜2(在本例中為電介質單層膜)。此時，分光薄膜2的膜厚制成光的透過和反射的比例為所希望的值。在本例中，以分光薄膜2的反射率大致為67％，透過率大致為33％的方式制成分光薄膜2的膜厚。
其次，如圖5所示，通過使在三棱鏡1a的兩個側面20a上形成的分光薄膜2與三棱柱1b、1c的側面20b、20c對合地粘接，將三棱鏡1a和三棱柱1b、1c接合在一起。粘接既可以采用通常的粘接劑，也可以利用在組合為平滑面的分光薄膜2和側面20b、20c合時其貼合面上產生的分子之間的力。
以下，參照圖6、7、8，對通過將光束分離器1和其他的三棱鏡3組合而增加產生的光束的數(shù)量的原理加以說明。另外，三棱鏡3為底面形狀大致為直角等腰三角形的透明的三棱柱。
如圖6所示，當使光束B5從三棱鏡3的頂角30一側入射到側面31、32上時，光束B6、B7以特定的角度從棱鏡3的側面33射出。
以下，參照圖7對入射角度和射出角度的關系加以詳細說明。
首先，從圖中的棱鏡3的下側棱線312入射的光的入射角為45°。該光以角度θ1在棱鏡內部直行。當設棱鏡材料的折射率為nP＝1.5(BK7的情況下)，以及空氣的折射率為1時，根據(jù)斯涅耳折射定律，下式(1)成立。
1×sin45°＝1.5×sinθ1 (1)當從式(1)求出θ1時，θ1＝28°。因此，得到θ2＝17°。當從下式(2)求出θ3時，θ3＝26°。
1.5×sin17°＝1×sinθ3 (2)
即，從三棱鏡3的頂角30一側以45°的入射角進入的光從棱鏡的底面33以26°的射出角向斜上方射出。
由于入射光束B5具有某種程度的粗度，所以入射光束B5的1/2如圖7中所說明的那樣，從三棱鏡3的下側棱線31入射，以26°的射出角向斜上方射出(光束B6)。余下的1/2從三棱鏡3的上側棱線32入射，以26°的射出角向斜下方射出(光束B7)。即，從直角等腰三角形的棱鏡頂角30入射的光束B5分離成兩束光束B6、B7，分別以26°的角度向斜上方和斜下方射出。
如圖8所示配置這種直角等腰三角形的棱鏡3，僅使光束B8的1/2入射到底面33上。這樣一來，根據(jù)上述的原理，光束B8的1/2以26°的角度射出(光束B9)，余下的1/2的光由于不通過棱鏡內部，所以在空氣中直行(光束B10)。
如上所述可知，通過控制棱鏡3的形狀、折射率、入射角度等可改變射出角度。
圖9為采用了光束分離器1以及三棱鏡3的多束光發(fā)生器40的側視圖，圖19為其俯視圖。
多束光發(fā)生器40具備準直光源42，光束分離器1，以及三棱鏡3。多束光發(fā)生器40通過將三棱鏡3配置在光束分離器1的后方而產生總計四束的射束。
準直光源42例如由未圖示的半導體激光器和平行光管透鏡構成。當使光束B11從準直光源42入射到光束分離器1上時，獲得在同一直線上行進方向相差180°的兩束反射光B12(與圖3中的B2相對應)和一束透過光B13(與圖3中的B3相對應)。然后，從光束分離器1射出的透過光B1的一部分通過三棱鏡3，由于在棱鏡內部光路改變，以26°的角度射出(光束B14(與圖8中的B9相對應))。同時，由于射出光B13中余下的光不通過三棱鏡3的內部而原封不動地在空氣中直行(光束B15(與圖8中的B10相對應))。因此，從一個光源42獲得總計四束的光束B12、B12、B14、B15。另外，在本例中，雖然僅將從光束分離器1射出的光中的一束光束B13分離成兩束，當也可以根據(jù)需要將其他的射出光B12同樣地分離成兩束。
以下，參照圖11至圖13對將光束分離器1和三棱鏡3實際安裝在激光打墨印裝置12上的例子加以說明。
如圖11所示，激光打墨印裝置12基本上由產生線光的線光生成光學系統(tǒng)4，用于將線光生成光學系統(tǒng)4保持水平的支承結構部5，以及覆蓋線光生成光學系統(tǒng)4和支承結構部5的殼體54構成。線光生成光學系統(tǒng)4具備光束分離器1和三棱鏡3。
支承結構部5采用公知的萬向支架機構。萬向支架機構具備支承架50，大環(huán)51，小環(huán)52，以及安裝臺53。大環(huán)51通過未圖示的軸承可相對于支承架50繞X軸擺動。小環(huán)52通過未圖示的軸承可相對于大環(huán)51繞Y軸(垂直于紙面的方向)擺動。在小環(huán)52上固定有裝載了光學系統(tǒng)4的安裝臺53。根據(jù)這種結構，裝載了光學系統(tǒng)4的安裝臺53可保持水平。
圖12和圖13為表示線光生成光學系統(tǒng)4的大致結構的側視圖和俯視圖。線光生成光學系統(tǒng)4具備半導體激光器6，平行光管透鏡7，光束分離器1，三棱鏡3，四個玻璃制的棒式透鏡8，9，10和11。
從半導體激光器6射出的激光束通過平行光管透鏡7轉換成準直光(平行光)，沿水平方向前進。然后，準直光通過本實施方式的光束分離器1，分離成三束射束。其中的透過光入射到配置在光束分離器1之后的三棱鏡3上而分離成兩束射束。即，可從半導體激光器6輸出的一束激光束獲得四束準直光。然后，四束準直光透過作為線光生成光學系統(tǒng)元件的一種的玻璃制棒式透鏡8、9、10以及11而轉換成線光。
在此，棒式透鏡8、9、10、11產生的線光的朝向由棒式透鏡8、9、10、11的設置朝向限定。即在要獲得水平線光的情況下，將棒式透鏡配置成其軸為垂直方向，在要獲得垂直線光的情況下，將棒式透鏡配置成其軸為水平方向。在本實施方式中，將棒式透鏡8、9、10配置成其軸為水平，將棒式透鏡11配置成其軸垂直于水平方向，從而獲得三束垂直線光L1、L2、L3和一束水平線光L4。
采用上述實施方式的光束分離器1，可通過簡單的方法將一束激光束分離成多束激光束。即，光束分離器1能夠非常簡單且廉價地從一束入射光中產生三束輸出射束。另外，通過將光束分離器1裝載在激光打墨印裝置12的光學系統(tǒng)4上，能夠容易地從一個光源獲得多束激光束。也就是說，通過使光束分離器1適用于激光打墨印裝置12中，能夠簡單地形成豎線和橫線等。其結果，能夠以低價格獲得多束線光照射用的激光打墨印裝置。
第2實施方式。
基于圖14至圖20對本發(fā)明第2實施方式的線光生成光學系統(tǒng)以及裝載了該光學系統(tǒng)的激光打墨印裝置加以說明。
圖14為表示本實施方式的線光生成光學系統(tǒng)100的說明圖(側視圖)。
線光生成光學系統(tǒng)100具備激光光源101，平行光管透鏡102，三棱鏡103，反射鏡104，以及棒式透鏡105和106。激光光源101具備激光射出面101a。激光光源101配置成激光射出面101a朝向水平方向。三棱鏡103是底面形狀為直角等腰三角形的三棱柱。三棱鏡103由透光的玻璃或塑料構成。三棱鏡103在其直角等腰三角形的底面形狀上具有包含夾著頂角103d的兩邊的兩個側面103a和103b，以及包含與頂角103d對向的底邊的側面103c。三棱鏡103是頂角103d經由平行光管透鏡102與激光射出面101a對向。
在本實施方式中，與第1實施方式的三棱柱1a不同，三個側面103a、103b、103c中的任一個上均未形成分光薄膜。但是，側面103a、103b具有反射率(例如百分之幾)和透過率(例如百分之百-百分之幾)，作為入射光的一部分反射、而其余部分透過的分光面發(fā)揮作用。
從激光光源101的激光射出面101a射出的光透過平行光管透鏡102，成為具有規(guī)定大小的平行光(準直光)，沿水平方向前進。然后，該準直光從三棱鏡103的頂角103d一側入射，透過三棱鏡103分離成兩束反射光R1和R2以及兩束透過光T1和T2。即，入射光的一部分被側面103a反射，作為一束反射光R1向圖中的上方、即垂直上方前進。入射光的另一部分被側面103b反射，作為另一束反射光R2向圖中的下方、即垂直下方前進。入射光的另一部分透過側面103b，作為透過光T1通過棱鏡103內部，然后在折射作用下僅彎曲規(guī)定角度，從棱鏡端面103c射出。入射光的其余部分通過側面103a，作為透過光T2通過棱鏡3內部，然后在折射作用下僅彎曲規(guī)定角度，從棱鏡端面103c射出。另外，在本實施方式中，采用透過光T1用于垂直線照射，采用透過光T2用于水平線照射。
透過光T2由反射鏡104反射，其前進方向被調節(jié)成水平方向。棒式透鏡105配置成其軸為水平方向的朝向，棒式透鏡106配置成其軸為垂直方向的朝向。因此，透過光T1通過棒式透鏡105被轉換成垂直線光。透過光T2通過棒式透鏡106被轉換成水平線光。
以下，參照圖15對光從入射到三棱鏡103上到射出的情況加以說明。
三棱鏡103是其頂角103d正對著激光射出面101a。即，三棱鏡103配置成從激光射出面101a延伸的光軸O將頂角103d兩等分的朝向。因此，入射光的1/2入射到側面103a上，其余的1/2入射到側面103b上。
從三棱鏡103的下側棱線103b入射的光的入射角度為45°。該光中的一部分以角度θ1在棱鏡內部直行。當使棱鏡材料的折射率為nP＝1.5(BK7的情況下)以及空氣的折射率為1時，根據(jù)斯涅耳折射定律，下式(3)成立。
1×sin45°＝1.5×sinθ1 (3)當從式(3)求出θ1時，θ1＝28°，因此，獲得了θ2＝17°。然后，當從下式(4)求出θ3時，θ3＝26°。
1.5×sin17°＝1×sinθ3 (4)因此，可知從三棱鏡103的頂角103d一側以45°的入射角入射到側面103b上的光的一部分從棱鏡底面103c以相對水平方向朝上26°的射出角射出(透過光T1)。
另一方面，以45°的入射角入射到側面103b上的光的其余部分以和入射角相等的反射角45°反射，形成反射光R2。因此，可知反射光R2向相對入射角的光軸O向下偏離90°的垂直下方前進。
在此，由于入射光具有某種程度的粗度，所以入射光的1/2從三棱鏡103的下側棱線103b入射，其一部分(透過光T1)以26°的射出角射出，其余的光(反射光R2)向垂直下方射出。余下的1/2從三棱鏡103的上側棱線103a入射，其一部分(透過光T2)以從水平方向朝下26°的射出角射出，其余的光(反射光R1)向垂直上方射出。即，從直角等腰三角形的棱鏡頂角103d入射的光被分離成四束光，分別以垂直上方、垂直下方、從水平方向朝上26°、從水平方向朝下26°的角度射出。
根據(jù)以上說明的線光生成光學系統(tǒng)100，由于使準直光從三棱鏡103的頂角103d一側入射，所以能夠從一束入射射束產生四束光束。即，在與準直光的入射方向大致垂直的方向上產生兩束光束，在準直光的大致入射方向上產生兩束光束。因此，若將線光生成光學系統(tǒng)100裝載在激光打墨印裝置上，則從一束入射光束獲得了兩束的上下方向的光束，一束水平線光，以及一束垂直線光。上下方向的光束用于畫出底墨印，而線光用于畫出豎線或橫線。
另外，作為本實施方式中的光源101，最好使用例如綠激光器這種產生射束的圓形度接近于大圓形的光束的激光器。
圖16為表示作為線光生成光學系統(tǒng)100的變形例的線光生成光學系統(tǒng)120的說明圖(側視圖)。在本變形例中，作為光源101，采用了紅色半導體激光器。通常，紅色半導體激光器是射束的圓形度小，射束形狀為橢圓形。因此，當采用紅色半導體激光器作為光源101時，由棱鏡103將紅色激光束分離成四束射束，并原封不動地轉換成線光，生成的垂直線和水平線上線寬是不同的。因此，在本變形例中，將梯形棱鏡107配置在透過光T1或T2的光路上，使垂直線的線寬和水平線的線寬大致相同。
在線光生成光學系統(tǒng)120中也與圖14的線光生成光學系統(tǒng)100同樣，從紅色半導體激光器101射出的光由平行光管透鏡102變換成準直光。在此，由于紅色半導體激光器通常是射束截面為橢圓形，所以由平行光管透鏡102獲得的準直光的光束截面也為橢圓形。因此，由三棱鏡103獲得的四束射束的截面全部為橢圓形。
現(xiàn)在，考慮長軸徑A、短軸徑B的橢圓射束入射到棒式透鏡N(105、106)上的情況。如圖17(a)所示，在橢圓射束以橢圓的長軸A方向和棒式透鏡N的軸向垂直的朝向入射到棒式透鏡N上的情況下，所獲得的線光的寬度為B。另一方面，如圖17(b)所示，在橢圓射束以橢圓的長軸A方向和棒式透鏡N的軸向平行的朝向入射到棒式透鏡N上的情況下，所獲得的線光的寬度為A。因此，為了使棒式透鏡105、106雙方產生線寬為B的垂直線和水平線，要使透過光T1的長軸A方向和棒式透鏡105的軸向如圖17(a)所示那樣垂直，同時使透過光T2的垂直A方向和棒式透鏡106的軸向也如圖17(a)所示那樣垂直。
但是，棒式透鏡105和棒式透鏡106配置成軸向相互垂直。因此，在變形例中，將作為像旋轉元件的梯形棱鏡107設置在透過光T1或T2的光路的中間，改變射束形狀的朝向。
另外，在本例中，使光源101產生長軸A方向朝向垂直方向的射束。在這種情況下，透過光T1的長軸A方向為相對于棒式透鏡105的軸垂直的圖17(a)的關系。另一方面，透過光T2的長軸A方向為相對于棒式透鏡106的軸平行的圖17(b)的關系。因此，將梯形透鏡107設置在透過光T2的光路的中間，具體地說設置在反射鏡104和棒式透鏡106之間的位置。
如圖17(c)所示，梯形透鏡107具備平行于長度軸L的兩個側面107a、107a，底面107c，頂面107b，相對于長度軸L傾斜的入射面107d和射出面107e。側面107a為梯形。梯形透鏡107配置成其長度軸L與透過光T2的光軸O相一致的朝向。將梯形透鏡107的底面107c朝向水平方向配置的狀態(tài)稱為基準位置。而且，將梯形透鏡107c以長度軸L方向為中心從基準位置僅旋轉角度θ的狀態(tài)稱為角度θ位置。在梯形透鏡107位于角度θ位置的情況下，使透過光T2的射束截面形狀僅旋轉2θ。在本變形例中，梯形透鏡107配置成45°角度位置的朝向，使透過光T2的射束截面形狀旋轉90°。因此，從梯形透鏡107射出的透過光T2能夠相對于棒式透鏡106以圖17(a)所示的朝向入射。
根據(jù)這種結構，由于橢圓射束T1、T2的雙方相對于棒式透鏡105和106以射束截面的長軸A方向與透鏡的軸向垂直的圖17(a)的關系入射，所以獲得的垂直線光和水平線光均具有相同的線寬B(橢圓的短軸徑)。
另外，在上例中，光源101產生了長軸A方向朝向垂直方向的射束。但是，光源101也可以產生長軸A方向朝向水平方向的射束。在這種情況下，透過光T2的長軸A方向為相對于棒式透鏡106的軸垂直的圖17(a)的關系。但是，透過光T1的長軸A方向為相對于棒式透鏡105的軸平行的圖17(b)的關系。因此，若將梯形透鏡107設置在透過光T1的光路的中間，即配置在棱鏡103和棒式透鏡105之間的位置上，則能夠使透過光T1相對于棒式透鏡105以圖17(a)那樣的朝向入射。
另外，光源101也可以產生長軸A方向朝向任意方向的射束。在這種情況下，可以準備兩個梯形透鏡107，將其分別配置在透過光T1和T2的光路的中間，使透過光T1、T2的射束截面形狀僅旋轉必要的角度，入射到對應的棒式透鏡105、106。
圖18為表示作為線光生成光學系統(tǒng)120的變形例的的線光生成光學系統(tǒng)140的說明圖(側視圖)。在線光生成光學系統(tǒng)140中，不配置梯形透鏡107，而代之以將變形透鏡108配置在平行光管透鏡102的后級。
變形透鏡108變換橢圓的準直光的長寬比，將其射束形狀變換成圓形。長寬比表示橢圓的圓形度。變形透鏡108將橢圓形的準直光變換成圓形的準直光，形成長徑軸和短徑軸均為B的光、即射束形狀為圓形的光。這種圓形射束由棱鏡103分離，形成的透過光T1、T2也成為長軸徑和短軸徑為B的圓形射束。因此，通過棒式透鏡105、106，可獲得線寬為B的垂直線和線寬為B的水平線。
另外，也可以取代變形透鏡，而采用能夠將橢圓形的準直光變換成圓形的準直光的其他任意的光學部件。
圖19為表示裝載了上述線光生成光學系統(tǒng)100的激光打墨印裝置111的示意說明圖。激光打墨印裝置111基本上由發(fā)生線光的光學單元109，將光學系統(tǒng)保持水平的支承結構部110，以及覆蓋光學單元109和支承結構部110的殼體112構成。由于支承結構部110與第1實施方式所說明的支承結構部5為相同的結構，所以省略其說明。
本實施方式的激光打墨印裝置111中，示出了采用綠激光器作為光源101的情況。由于綠激光的射束圓形度大，所以即使不使用梯形透鏡107或者變形透鏡108也能夠獲得圓形的射束形狀。因此，在本實施方式中，雖然光學單元109具備線光生成光學系統(tǒng)100(圖14)，但也可以根據(jù)所使用的激光采用其他的線光生成光學系統(tǒng)120(圖16)或者140(圖18)。
圖20為表示光學單元109的結構的說明圖(側視圖)。從激光源101射出的光通過平行光管透鏡102，成為具有規(guī)定的大小、沿水平前進的準直光。然后，該準直光從三棱鏡103的頂角103d一側入射，由側面103a、103b反射而得到的反射光R1和R2成為分別沿垂直的上下方向前進的點光。透過側面103a、103b的透過光T1和T2通過三棱鏡103的內部，在折射作用下彎曲規(guī)定的角度，從棱鏡端面103c射出。在本實施方式中，由于將透過光T2作為水平線照射加以使用，所以采用反射鏡104，調節(jié)成光的行進方向為水平方向。然后，透過光T1和T2分別由棒式透鏡105和106變換成線光。即，透過光T1變換成垂直線光，透過光T2變換成水平線光。
根據(jù)這樣構成的激光打墨印裝置111，能夠從一個光源獲得兩束線光和兩束點光。
如上所述，采用本實施方式的線光生成光學系統(tǒng)100、120、或者140，能夠以簡單的方法將一束激光束分離成四束激光束。而且，由于通過將線光生成光學系統(tǒng)100、120、或者140裝載在激光打墨印裝置111上，能夠容易地從一個光源101獲得四束激光束，所以能夠以低成本產生打墨印用的激光線光。其結果，能夠低價格地提供兩束線光、兩束點光的激光打墨印裝置。
第3實施方式基于圖21至圖33對本發(fā)明第3實施方式的光束分離器以及裝載了該分離器的激光打墨印裝置加以說明。
本實施方式的光束分離器201示于圖21。光束分離器21由能夠透光的玻璃或塑料構成。在本實施方式中，采用BK7(折射率為1.5)的玻璃材料。光束分離器201具有長方體形狀。光束分離器201作為相互對向的兩個側面具有光學平面202和204。光學平面202和204相互平行。在本例中，光束分離器210為長20mm、高10mm、進深(光學平面202和204之間的距離)10mm。
光學平面202的一部分上形成有用于將入射光分離成透過光和反射光的第一分光薄膜(第一分光面)203。光學平面204的一部分上形成有第二分光薄膜(第二分光面)205。第一分光薄膜203和第二分光薄膜205雙方均與第1實施方式的分光薄膜2同樣，為金屬薄膜或電介質薄膜的單層或多層的薄膜。在本例中，第一分光薄膜203具有33％的反射率，67％的透過率。第二分光薄膜205具有50％的反射率，50％的透過率。
另外，第一分光薄膜203或第二分光薄膜205與第1實施方式的分光薄膜2同樣，能夠通過蒸鍍等形成。只要形成獲得所希望的反射率或透過率的膜厚即可。
圖22表示光束分離器201的俯視圖。使入射光B21相對于第一分光薄膜203斜向(具體地說為45°入射角)入射。入射光B21的一部分(在本例中為33％)反射而成為反射光R21。其余的光(在本例中為67％)成為透過光T21，并通過光束分離器201的內部。透過光T21到達第二分光薄膜205上時，透過光T21的一部分(在本例中為50％)反射，成為反射光R22。通過了光束分離器201內部的光R22從光學平面202射出，成為光線R23。透過光T21中其余的光(在本例中為50％)通過第二分光薄膜205，成為光線T22。因此，從光束分離器201獲得了三束分離光R21、R23、T22。分離光R21、R23、T22具有大致相同的強度(33％＝67％×50％)。
另外，第一分光薄膜203或第二分光薄膜205的反射率或透過率并不僅限于上述的例子。分離光R21、R23、T22的強度根據(jù)這些反射率或透過率確定。
以下，參照圖23對入射光B21被分割成三束的光R21、R23、T22的原理加以說明。
如圖23所示，使被準直的激光B21以相對于光學平面202的法線為45°的角度入射(入射點O)。入射光B21的一部分由第一分光面203以相對于法線為45°的角度反射，成為反射光R21。其余的光T21以相對于法線為θ的角度入射到光束分離器201的內部。
此時，當設空氣的折射率為1，光束分離器201的折射率為n時，根據(jù)斯涅耳折射定律，成為下式(5)。
1sin45°＝nsinθ (5)光線T21的一部分由第二分光面205以相對于法線為θ的角度反射，成為反射光R22，并在通過了光束分離器201的內部之后，從光學平面202射出(光線R23)。
此時，根據(jù)斯涅耳折射定律，光線R23與作為射出面的光學平面202的法線呈45°的角度。光線T21中其余的光通過第二分光面205，成為光線T22。由于根據(jù)斯涅耳折射定律，光線T22成為與第二分光面205的法線的角度為45°，所以光線T22與入射光B21平行。
當設第一分光面203上的入射光B21的入射點O為原點，入射點處的法線為y軸，與y軸垂直的軸為x軸時，光線T21的直線式為下式(6)。
y＝cotθ·x(6)在此，第一分光面203和第二分光面205的y軸方向的距離為d時，包含第二分光面205的直線式為下式(7)。
y＝-d (7)
光線T21與第二分光面205的交點A的坐標根據(jù)式(6)和(7)為A(-dtanθ、 -d)。
線段OA的長度b為下式(8)所示。
b＝((-dtanθ)2+(-d)2)1/2＝d(1+tan2θ)1/2(8)因此，入射光線B21和光線T22的偏離量δ由下式(9)表示。
δ＝bsin(45°-θ)＝d(1+tan2θ)1/2·sin(45°-θ) (9)然后，當設光學平面202處的光線R23的射出點為c，線段oc的長度為L時，則成為下式(10)。
L＝bsinθ·2＝2d(1+tan2θ)1/2·sinθ＝2dtanθ(10)因此，光線R21和R23的間隔w為下式(11)。
w＝Lcos45°＝2d(1+tan2θ)1/2·sinθcos45°＝2dtanθ·cos45° (11)例如，當設光束分離器201的材料的折射率為1.5時，根據(jù)式(5)獲得1sin45°＝1.5sinθ，因此獲得θ＝28°。而且，當設光學平面202、204之間的距離為10mm時，將θ＝28°代入式(9)中，獲得光線B21和光線T22的偏離量δ為，δ＝10(1+tan228°)1/2·sin(45°-28°)＝3.3mm。
在此，第一分光薄膜203上的入射位置O和第二分光薄膜205上的入射位置A的x軸方向的距離為L/2，根據(jù)式(10)，L/2＝dtanθ。因此，可知第一分光薄膜203處的光的入射點和第二分光薄膜205處的光入射點的x軸方向的距離大致為dtanθ。因此可知，當入射光B21入射到第一分光薄膜203上時，為了透過光T21必須到達第二分光薄膜205，將第一分光薄膜203和第二分光薄膜205形成在光學平面202、204上沿與這些光學平面202、3204平行的方向僅偏離距離dtanθ的位置上即可。具體地說，在圖22中，形成為第一分光薄膜203的左右方向的大致中心部和第二分光薄膜205的左右方向的大致中心部在左右方向上僅偏離距離dtanθ。
同樣，光線R21和R23之間的間隔w為，w＝2·10(1+tan228°)1/2·sin28°cos45°＝7.5mm。
因此，根據(jù)光束分離器201，可簡單地形成在與入射光B21平行的光路中前進的光線T22，以及在與入射光B21垂直的光路中前進的光線R21和R23三束光線。
以下，基于圖24和圖25對本實施方式的變形例的光束分離器301加以說明。光束分離器301的特征在于可生成與入射光線B21的偏離量δ為零的射出光線T24。
如圖24所示，光束分離器301是將兩個長方體組合成L字形的結構。即，光束分離器301與圖21的光束分離器201一樣，作為相互對向的兩個側面具有光學平面202和204。光學平面202和204相互平行。光束分離器301作為相互對向的兩個側面還具有光學平面206和207。光學平面206和207相互平行，并與光學平面202和204垂直。光學平面202、204的間隔與光學平面206、207的間隔相等。在本例中，光束分離器301的L字形的尺寸為30mm(光學平面202、204的長度)×25mm(光學平面206、207的長度+光學平面202和204的距離)。而且，光束分離器301的高度為10mm，光學平面202和204的間隔為10mm，光學平面206和207的間隔為10mm。
光束分離器301由能夠透光的玻璃或塑料構成。在本例中，光束分離器301由BK7(折射率為1.5)的玻璃材料構成。
與圖21的光束分離器201同樣，在光學平面202的一部分上形成有第一分光薄膜(第一分光面)203，在光學平面204的一部分上形成有第二分光薄膜(第二分光面)205。第一分光薄膜203和第二分光薄膜205的位置關系、反射率、透過率與光束分離器201上形成的第一分光薄膜203、第二分光薄膜205相同。
如圖25所示，光線B21相對于光束分離器301也斜向入射。與參照圖22說明的光束分離器201的情況同樣地產生反射光R21、R22、R23和透過光T21、T22。光線T22入射到光學平面206上，作為光線T23再次通過光束分離器301內部，作為光線T24從光學平面207射出。入射光線B21和光線T24的偏離量δ’為零。
以下，采用圖26對偏離量δ’為零的理由加以說明。
另外，將第一分光面203上的入射點(原點)O和光學平面206的x軸方向的距離(沿著平面202、204的距離)作為c。
由于光線T22和第二分光面250的法線呈45°的角度，并且通過點A(-dtanθ、-d)，所以光線T22的直線式為下式(12)。
y＝x+d(tanθ-1) (12)然后，當設包含光學平面206的直線式為下式(13)時。
x＝-c(13)
光學平面206和光學平面207的間隔與光學平面202和光學平面204的間隔同樣地為d，所以包含光學平面207的直線式為下式(14)。
x＝-(c+d) (14)因此，光線T22和光學平面206的交點E的座標根據(jù)式(12)和式(13)為E(-c、d(tanθ-1)-c)。而且，由于光線T23與光學平面206的法線呈角度θ，所以包含光線T23的直線式的斜率為tanθ。同時，由于該直線通過點E(-c、d(tanθ-1)-c)，所以直線式為下式(15)。
y＝tanθ·x+(c+d)(tanθ-1)(15)包含光線T23的直線和光學平面207的交點F的座標根據(jù)式(14)和式(15)為F(-(c+d)、-(c+d))。
在此，包含入射光B21的直線式為下式(16)。
y＝x (16)當從式(14)和式(16)求出入射光B21和光學平面207的交點F’的座標時，F(xiàn)’為(-(c+d)、-(c+d))。即，F(xiàn)和F’相一致。而且，由于F點也是光線T24的射出點，所以可知入射光B21和射出光T24位于同一直線上。
如上所述，當為了使入射光B21和射出光T24位于同一直線上而使光學平面206和207的間隔與光學平面202和204的間隔相一致時，不僅要將光學平面206和207與光學平面202和204配置成相互垂直，還要將從入射點O(y軸)到光學平面206的x軸方向的距離取為大于從入射點O(y軸)到射出點(A)的x軸方向的距離。這是由于透過光T22從光學平面204射出后還需要再次入射到光學平面206上的緣故。
即，要滿足下式(17)。
dtanθ＜c (17)如上所述，第一分光薄膜203處的光入射點和光學平面206在與光學平面202、204平行的方向上的距離要大于dtanθ。因此，將光束分離器301制成光學平面206和第一分光薄膜203在與光學平面202、204平行的方向上的距離大于dtanθ即可。例如，在圖25中，制成光學平面206和第一分光薄膜203的左右方向的大致中心位置的距離在左右方向上大于dtanθ即可。優(yōu)選地制成光學平面206和第一分光薄膜203中左側端部(光學平面206一側的端部)的距離大于dtanθ。
這樣一來，若能夠在與入射光相同的直線上形成射出光線，則用激光打墨印裝置畫出水平線或垂直線非常方便。
以下，基于圖27和圖28對本實施方式的第2變形例的光束分離器401加以說明。在光束分離器401中，其特征在于，光線R21的反射光的一部分在與R21相同的光路上返回，再次入射到光束分離器401。
如圖27所示，光束分離器401也是將兩個長方體組合成L字形構成的。即，光束分離器401與圖21的光束分離器201一樣，作為相互對向的兩個側面，具有光學平面202和204。光學平面202和204相互平行。光束分離器401還具有光學平面208和209作為相互對向的另外兩個側面。光學平面208和209相互平行，并且與光學平面202和204垂直。光學平面202和204的間隔與光學平面208和209的間隔相等。在本例中，光束分離器401的L字形的尺寸為30mm(光學平面202、204的長度)×25mm(光學平面208、209的長度+光學平面202和204的間隔)。而且，光束分離器401的高度為10mm，光學平面202和204的間隔為10mm，光學平面208和209的間隔為10mm。
光束分離器401由能夠透光的玻璃或塑料構成。在本例中，光束分離器401由BK7(折射率為1.5)的玻璃材料構成。
與圖21的光束分離器201同樣，在光學平面202的一部分上形成有第一分光薄膜(第一分光面)203，在光學平面204的一部分上形成有第二分光薄膜(第二分光面)205。第一分光薄膜203和第二分光薄膜205的位置關系、反射率、透過率與光束分離器201上形成的第一分光薄膜203、第二分光薄膜205相同。
如圖28所示，光線B21相對于光束分離器401也斜向入射。與參照圖22說明的光束分離器201的情況同樣地產生反射光R21、R22、R23和透過光T21、T22。光線R21入射到設置在光線R21的延長線上的未圖示的棒式透鏡中。垂直入射到棒式透鏡上的光中的百分之幾被反射，作為光線R24在與光線R21相同的光路上返回。光線R24入射到第一分光面203上，與光線呈角度θ＝28°，通過光束分離器401內部(光線T25)，以45°的角度從光學平面204上作為光線T26射出。之后，入射到光學平面208上，再次通過光束分離器401內部(光線T27)，然后以45°的角度從光學平面209上作為光線T28射出。在此，與參照圖26說明的光束分離器301一樣，光學平面208和209的間隔與光學平面202和204的間隔相一致，光學平面208和209與光學平面202和204相互垂直，另外，若光學平面208和第一分光薄膜203在與光學平面202、204平行的方向上的距離大于dtanθ，則光線T28位于和反射光R24相同的直線上。這是由于透過光T28從光學平面204射出后可入射到光學平面208上的緣故。
在該變形例中，由于能夠形成在與光線B21成直角的方向的光路中前進的兩束光線R21、T28，所以在例如用于激光打墨印裝置中的情況下，在畫出垂直線或水平線上非常方便。
以下，基于圖29和圖30對本實施方式的第3變形例的光束分離器501加以說明。光束分離器501具有將圖24的光束分離器301和圖27的光束分離器401組合的結構，使射出光T24位于和入射光B21相同的直線上，進而使射出光T28位于和反射光R24相同的直線上。
如圖29所示，光束分離器301為將三個長方體組合成コ字形的結構。即，光束分離器501除了具有光學平面202、204之外，還與光束分離器301同樣地具有光學平面206、207，另外，與光束分離器401同樣地具有光學平面208、209。而且，光束分離器501由能夠透光的玻璃或塑料構成。在本變形例中也采用了BK7(折射率為1.5)的玻璃材料。
而且，與光束分離器301、401一樣，在光學平面202的一部分上形成有第一分光薄膜(第一分光面)203，在光學平面204的一部分上形成有第二分光薄膜(第二分光面)205。光學平面202、204、206、207、208、209、以及第一、第二分光薄膜203、205的位置關系、第一、第二分光薄膜203、205的反射率、透過率與光束分離器301、401相同。光學平面202、204之間的距離，光學平面206、207之間的距離，以及光學平面208、209之間的距離相同(例如為10mm)。
如圖30所示，透過第二分光薄膜205的光線T22入射到光學平面206上，再次通過光束分離器501內部(光線T23)，從光學平面207上作為光線T24射出。而且，作為光線R21的反射光的R24入射到第一分光面203上，與法線成角度θ＝28°，再次通過光束分離器501內部(光線T25)，以45°的角度從光學平面204上射出，成為光線T26。光線T26入射到光學平面208上，作為光線T27再次通過光束分離器501內部，以45°的角度從光學平面209上射出，成為光線T28。這樣一來，光線T24和入射光B21位于同一直線上，反射光R24和光線T28位于同一直線上。
以下，參照圖31、圖32對本實施方式的將光束分離器201(圖21)安裝在激光打墨印裝置上的方式加以說明。
如圖31所示，激光打墨印裝置210基本上由產生線光的光學系統(tǒng)214，將光學系統(tǒng)214保持水平的支承結構部215，以及覆蓋光學系統(tǒng)214和支承結構部215的殼體226構成。由于支承結構部215和第1實施方式中說明的支承結構部5結構相同，所以省略其說明。
圖32中示出線光生成光學系統(tǒng)214的側視圖。
線光生成光學系統(tǒng)214具備半導體激光器216，平行光管透鏡217，光束分離器201，以及三個棒式透鏡221、222、223。
半導體激光器216配置成光軸為水平方向。從半導體激光器216射出的激光束由平行光管透鏡217變換成射束截面形狀為圓形的準直光(平行光)B21。在本例中，設定成準直光B21的射束直徑為2mm。而且，光束分離器201配置成其光學平面202的法線和半導體激光器216的光軸成45°的角度。光學平面202和204的間隔為10mm，光束分離器的長度為20mm，高為10mm。
由第一分光薄膜203將入射光中的33％反射，67％透過。因此，入射光B21由第一分光面203反射33％，成為光線R21。其余的67％的光成為透過光T21，通過光束分離器201內部。由第二分光薄膜205將入射光中的50％反射，50％透過。因此，由第二分光薄膜205反射透過光T21的50％，成為反射光R22，通過光束分離器201內部后，從光學平面202上射出(光線R23)。T21中其余的50％的光透過第二分光薄膜205，成為光線T22。光線R21和光線R23以相對于光學平面202的法線為45°的角度射出。因此，光線R21、R23的射出方向為垂直方向。
光線R21和R23的間隔w根據(jù)式(11)為，w＝2·10(1+tan228°)1/2·sin28°cos45°＝7.5mm。
將θ＝28°代入式(9)，獲得光線B21和光線B23的偏離量δ為，δ＝10(1+tan228°)1/2·sin(45°-28°)＝3.3mm。
棒式透鏡221、222配置在向垂直方向射出的兩束光線R21和R23的光路上，將光線R21和R23變換成線光。配置在光線R21的光路上的棒式透鏡221配置成其軸向為水平、并且是與半導體激光器216的射出方向平行的朝向。而且，配置在光線R23的光路上的棒式透鏡222配置成其軸向為水平，并且是與棒式透鏡221垂直的方向。因此，從棒式透鏡221、222射出的兩束垂直線光相互交叉。
而且，棒式透鏡223配置在光線T22的光路上。棒式透鏡223配置成軸向朝向垂直方向。因此，從棒式透鏡223產生的線光為水平線光。在此，由于光線B21和光線T22的偏離量δ為3.3mm，所以光線T22從比半導體激光器216的射出位置低3.3mm的位置射出。另外，若裝載第1變形例所示的光束分離器301(圖25)以取代光束分離器201，則能夠使光線B21和光線T22的偏離量δ為零。因此，能夠使半導體激光器216的射束射出高度和水平線光的射出高度相一致。
而且，光線R21中相對于棒式透鏡221的入射面垂直入射的光的一部分成為反射光R24，在與光線R1相同的光路上返回。圖33中示出裝載了第2變形例的光束分離器401(圖28)以取代光束分離器201的線光生成光學系統(tǒng)224的側視圖。在線光生成光學系統(tǒng)224中，光線R24和光線T28通過光束分離器401而位于同一直線上。即，由棒式透鏡221和222形成的交叉線光的交點和光線T28配置在同軸上。因此，若取代線光生成光學系統(tǒng)214(圖32)而將線光生成光學系統(tǒng)224配置在圖31的激光打墨印裝置210上，則能夠獲得光線T28原封不動地向激光打墨印裝置210的垂直下方射出的所謂底墨印點光。
同樣，在圖32的線光生成光學系統(tǒng)214中，若取代光束分離器201而裝載第3變形例所示的光束分離器501(圖30)，則能夠容易地使半導體激光器216的射束射出高度和線光射出高度相一致，并且獲得能夠射出地墨點光的激光打墨印裝置。而且，也可以通過采用反射鏡等光學元件改變光線R21或R23的射出方向。
如上所述，采用本實施方式的光束分離器201、301、401、或501，能夠以簡單的方法將一束激光束分離成多束激光束。而且，由于通過將光束分離器201、301、401、或501裝載在激光打墨印裝置210的光學系統(tǒng)中，能夠容易地從一個光源獲得多束激光束，所以能夠以低成本產生多束打墨印用的激光線光。其結果，能夠以低價格提供多束線光照射用的激光打墨印裝置。
本發(fā)明的光束分離器、線光生成光學系統(tǒng)、多束光發(fā)生器、激光打墨印裝置并不僅限于上述的實施方式，可在權利要求書記載的范圍內進行各種變形或改進。
例如，在上述第1和第3實施方式中，作為分光薄膜采用了電介質薄膜，但也可以采用Cr、Al等金屬薄膜。
與第1實施方式相同，也可以在第2實施方式的三棱鏡103的側面103a和103b上形成分光薄膜2，將反射光R1和透過光T2的比例以及反射光R2和透射光T1的比例調整成任意值。
光束分離器的尺寸并不僅限于實施方式中說明的數(shù)值，可根據(jù)用途設定成任意值。
在圖14中，僅在透過光T2的光路上配置了反射鏡104，但也可以在光T2、R1、R2等光路上設置同樣的反射鏡，從而改變這些光路。
權利要求
1.一種光束分離器，包括至少具有兩個面的透光體，形成在上述至少兩個面中第一面上的第一分光部，以及形成在上述至少兩個面中第二面上的第二分光部，從一束入射光獲得多束分離光。
2.根據(jù)權利要求1所述的光束分離器，其特征是，上述第一分光部將上述一束入射光的一部分分離成反射光和透射光，上述第二分光部將上述一束入射光的其余部分分離成反射光和透過光，輸出兩束反射光和一束透過光。
3.根據(jù)權利要求2所述的光束分離器，其特征是，上述透光體為具有三個側面的三棱柱形狀的透明光學部件，在上述三棱柱的三個側面中的兩個側面上形成有上述第一分光部和上述第二分光部。
4.根據(jù)權利要求3所述的光束分離器，其特征是，上述光學部件是其底面形狀大致為直角等腰三角形的三棱柱。
5.根據(jù)權利要求1所述的光束分離器，其特征是，上述透光體具備分別具有大致直角等腰三角形的底面形狀的作為透明三棱柱的第一光學部件、第二光學部件、和第二光學部件，上述第一光學部件的側面、即在上述三棱柱的底面形狀上包含夾著頂角的兩邊的三棱柱的兩個側面接合在上述第二光學部件和上述第三光學部件的側面、即在上述三棱柱的底面形狀上包含與頂角對向的邊的三棱柱的側面上，在上述接合的兩個側面上形成有上述第一分光部和上述第二分光部。
6.根據(jù)權利要求2所述的光束分離器，其特征是，上述第一分光部和上述第二分光部具有約67％的反射率。
7.根據(jù)權利要求1所述的光束分離器，其特征是，上述第一面和上述第二面相互平行，上述第一分光部將上述一束入射光分離成反射光和透過光，上述第二分光部將上述透過光進一步分離成反射光和透過光。
8.根據(jù)權利要求7所述的光束分離器，其特征是，在將上述一束入射光以大致45°的入射角相對于上述第一分光部入射情況下的上述第一分光部的入射時的折射角設為θ，將上述第一面和上述第二面的間隔設為d時，以上述第一分光部和上述第二分光部的距離、即與上述第一面和上述第二面平行方向上的距離大致為d tanθ的方式形成上述第一分光部和上述第二分光部。
9.根據(jù)權利要求7所述的光束分離器，其特征是，上述透光體還具備使上述第二分光部處的透過光順序地透過的第三面和第四面，上述第三面和上述第四面相互平行，并且與上述第一面和上述第二面垂直。
10.根據(jù)權利要求9所述的光束分離器，其特征是，在將上述一束入射光以大致45°的入射角相對于上述第一分光部入射情況下的上述第一分光部的入射時的折射角設為θ，將上述第一面和上述第二面的間隔設為d時，上述第一分光面和上述第三面的距離、即與上述第一面和上述第二面平行方向上的距離大于d tanθ。
11.根據(jù)權利要求9所述的光束分離器，其特征是，上述第三面和上述第四面的間隔與上述第一面和上述第二面的間隔實質上相等，并且使透過了上述第四面的光的光路與入射光的光路的延長線相一致。
12.根據(jù)權利要求9所述的光束分離器，其特征是，上述透光體還具備使由規(guī)定的反射體將上述第一分光部處的反射光反射來的光順序地透過的第五面和第六面，上述第五面和上述第六面相互平行，并且與上述第一面和上述第二面垂直。
13.根據(jù)權利要求12所述的光束分離器，其特征是，上述第五面和上述第六面的間隔與上述第一面和上述第二面的間隔實質上相等，并且使透過了上述第六面的光的光路與由上述規(guī)定的反射體反射來的光的光路的延長線相一致。
14.根據(jù)權利要求1所述的光束分離器，其特征是，上述第一分光部和上述第二分光部分別由分光薄膜構成。
15.一種多束光發(fā)生器，包括產生光束的光源和光束分離器，所述光束分離器由至少具有兩個面、上述光束入射的透光體，形成在上述至少兩個面中的第一面上的第一分光部，以及形成在上述至少兩個面中的第二面上的第二分光部構成。
16.根據(jù)權利要求15所述的多束光發(fā)生器，其特征是，還具備從由上述第一分光部和上述第二分光部中的至少一個分離的光束獲得線光的線光生成光學元件。
17.根據(jù)權利要求16所述的多束光發(fā)生器，其特征是，上述光束分離器將從上述光源產生的一束入射光分離成由上述第一分光部反射的一束光，由上述第二分光部反射的一束反射光，以及由透過了上述第一分光部的光和透過了上述第二分光部的光構成的一束透過光，上述線光生成光學元件承受由上述第一分光部反射的反射光，由上述第二分光部反射的反射光，以及由透過了上述第一分光部的光和透過了上述第二分光部的光構成的一束透過光中的至少一束，并將其變換成線光。
18.根據(jù)權利要求17所述的多束光發(fā)生器，其特征是，上述透光體為具有三個側面的三棱柱形狀的透明光學部件，在上述三棱柱的三個側面中的兩個側面上形成有上述第一分光部和上述第二分光部。
19.根據(jù)權利要求18所述的多束光發(fā)生器，其特征是，上述光學部件是其底面形狀大致為直角等腰三角形的三棱柱。
20.根據(jù)權利要求17所述的多束光發(fā)生器，其特征是，上述透光體具備分別具有大致直角等腰三角形的底面形狀的作為透明三棱柱的第一光學部件、第二光學部件、和第二光學部件，上述第一光學部件的側面、即在上述三棱柱的底面形狀上包含夾著頂角的兩邊的三棱柱的兩個側面接合在上述第二光學部件和上述第三光學部件的側面、即在上述三棱柱的底面形狀上包含與頂角對向的邊的三棱柱的側面上，在上述接合的兩個側面上形成有上述第一分光部和上述第二分光部。
21.根據(jù)權利要求17所述的多束光發(fā)生器，其特征是，上述第一分光部和上述第二分光部具有約67％的反射率。
22.根據(jù)權利要求15所述的多束光發(fā)生器，其特征是，上述第一分光部和上述第二分光部分別由分光薄膜構成。
23.根據(jù)權利要求15所述的多束光發(fā)生器，其特征是，上述第一面和上述第二面相互平行，上述第一分光部將上述一束入射光分離成反射光和透過光，上述第二分光部將上述透過光進一步分離成反射光和透過光。
24.根據(jù)權利要求23所述的多束光發(fā)生器，其特征是，上述透光體還具備使上述第二分光部處的透過光順序地透過的第三面和第四面，上述第三面和上述第四面相互平行，并且與上述第一面和上述第二面垂直，上述第三面和上述第四面的間隔與上述第一面和上述第二面的間隔實質上相等，并且使透過了上述第四面的光的光路與入射光的光路的延長線相一致，上述透光體還具備使由規(guī)定的反射體將上述第一分光部處的反射光反射來的光順序地透過的第五面和第六面，上述第五面和上述第六面相互平行，并且與上述第一面和上述第二面垂直，上述第五面和上述第六面的間隔與上述第一面和上述第二面的間隔實質上相等，并且使透過了上述第六面的光的光路與由上述規(guī)定的反射體反射來的光的光路的延長線相一致。
25.一種線光生成光學系統(tǒng)，包括產生激光的光源，將來自上述光源射出光變換成準直光的平行光管透鏡，呈具有三個側面的三棱柱的形狀、在上述三棱柱的三個側面中的兩個側面上形成有第一分光部和第二分光部的三棱鏡，所述三棱鏡以由上述兩個側面夾持的頂角承受上述準直光、將上述準直光分離成四束光束，配置在從上述三棱鏡射出的光束的光路中的至少一個光路上、將該光束分離成線光的線光生成光學元件。
26.根據(jù)權利要求25所述的線光生成光學系統(tǒng)，其特征是，通過在上述三棱鏡和上述線光生成光學元件之間還設置反射從上述三棱鏡射出的光束的反射鏡，改變該光束的光路。
27.根據(jù)權利要求25所述的線光生成光學系統(tǒng)，其特征是，上述光源還具有射出激光的激光射出面，上述三棱鏡的頂角與該激光射出面對向。
28.根據(jù)權利要求25所述的線光生成光學系統(tǒng)，其特征是，還具備使來自上述平行光管透鏡的準直光的射束形狀為大致圓形得光學元件。
29.根據(jù)權利要求28所述的線光生成光學系統(tǒng)，其特征是，上述光學元件由改變上述準直光的圓形度的變形透鏡構成。
30.根據(jù)權利要求25所述的線光生成光學系統(tǒng)，其特征是，在上述三棱鏡和上述線光生成光學元件之間還配置有梯形透鏡，使光束的射束形狀旋轉。
31.根據(jù)權利要求25所述的線光生成光學系統(tǒng)，其特征是，上述第一分光部和上述第二分光部分別由分光薄膜構成。
32.一種激光打墨印裝置，包括產生光束的激光器，由至少具有兩個面、上述光束入射的透光體，形成在上述至少兩個面中的第一面上的第一分光部，以及形成在上述至少兩個面中的第二面上的第二分光部構成的光束分離器，從由上述第一分光部和上述第二分光部中的至少一個分離的光束獲得線光的線光生成光學元件，支承上述激光器、上述光束分離器、以及上述線光生成光學元件的支承部。
33.根據(jù)權利要求32所述的激光打墨印裝置，其特征是，上述光束分離器將從上述激光器產生的一束入射光分離成由上述第一分光部反射的一束光，由上述第二分光部反射的一束反射光，以及由透過了上述第一分光部和上述第二分光部中的任一個的光構成的一束透過光，上述線光生成光學元件承受由上述第一分光部反射的反射光，由上述第二分光部反射的反射光，以及由透過了上述第一分光部的光和透過了上述第二分光部的光構成的一束透過光中的至少一種，并將其變換成線光。
34.根據(jù)權利要求32所述的激光打墨印裝置，其特征是，在上述第一分光部的反射光、上述第二分光部的反射光、上述第一分光部和第二分光部的透過光中的至少一種的通過路徑上設置其他的分光元件，產生四束以上的光束，上述線光生成光學元件承受上述四束以上的光束中的至少一束，并將其變換成線光。
35.根據(jù)權利要求33所述的激光打墨印裝置，其特征是，上述透光體為具有三個側面的三棱柱形狀的透明光學部件，在上述三棱柱的三個側面中的兩個側面上形成有上述第一分光部和上述第二分光部。
36.根據(jù)權利要求35所述的激光打墨印裝置，其特征是，上述光學部件是其底面形狀大致為直角等腰三角形的三棱柱。
37.根據(jù)權利要求33所述的激光打墨印裝置，其特征是，上述透光體具備分別具有大致直角等腰三角形的底面形狀的作為透明三棱柱的第一光學部件、第二光學部件、和第二光學部件，上述第一光學部件的側面、即在上述三棱柱的底面形狀上包含夾著頂角的兩邊的三棱柱的兩個側面接合在上述第二光學部件和上述第三光學部件的側面、即在上述三棱柱的底面形狀上包含與頂角對向的邊的三棱柱的側面上，在上述接合的兩個側面上形成有上述第一分光部和上述第二分光部。
38.根據(jù)權利要求33所述的激光打墨印裝置，其特征是，上述第一分光部和上述第二分光部具有約67％的反射率。
39.根據(jù)權利要求33所述的激光打墨印裝置，其特征是，在上述激光器和上述光束分離器之間還設置有將來自該激光器的射出光變換成準直光的平行光管透鏡，上述透光體由具有三個側面的三棱柱形狀的三棱鏡構成，上述棱鏡在三棱柱的三個側面中的兩個側面上形成有上述第一分光部和上述第二分光部，以由上述兩個側面夾持的頂角承受上述準直光，上述第一分光部和上述第二分光部協(xié)同動作，將上述準直光分離成四束光束。
40.根據(jù)權利要求39所述的激光打墨印裝置，其特征是，上述三棱鏡從與上述頂角對向的一個側面射出第一光束和第二光束，從形成了上述第一分光部和上述第二分光部的上述兩個側面射出第三光束和第四光束，具備配置在上述第一光束的光路上、將上述第一光束變換成線光的第一線光生成光學元件，以及配置在上述第二光束的光路上、將上述第二光束變換成線光的第二線光生成光學元件。
41.根據(jù)權利要求40所述的激光打墨印裝置，其特征是，上述第一分光部和上述第二分光部沿著相對于上述準直光的入射方向大致垂直的方向射出上述第三光束和上述第四光束。
42.根據(jù)權利要求40所述的激光打墨印裝置，其特征是，在上述第一光束和上述第二光束的光路的至少一個上配置有將光路變更成光的行進方向為水平方向的光路變更光學元件。
43.根據(jù)權利要求42所述的激光打墨印裝置，其特征是，上述光路變更光學元件配置在上述第一光束的光路上，上述第一線光生成光學元件設置在上述光路變更光學元件的后級，從行進方向為水平方向的上述第一光束產生水平線光，上述第二線光生成光學元件從上述第二光束產生垂直線光。
44.根據(jù)權利要求40所述的激光打墨印裝置，其特征是，在上述三棱鏡和上述線光生成光學元件之間的上述第一光束和上述第二光束中的上述一個的光路上配置梯形透鏡，使上述第一光束和上述第二光束中的至少一束的射束形狀旋轉。
45.根據(jù)權利要求40所述的激光打墨印裝置，其特征是，在上述平行光管透鏡和上述三棱鏡之間的光路上配置使光束為大致圓形的光學元件。
46.根據(jù)權利要求39所述的激光打墨印裝置，其特征是，通過在從上述三棱鏡射出的光束中的至少一束的光路上設置反射鏡，改變上述光束的光路。
47.根據(jù)權利要求39所述的激光打墨印裝置，其特征是，上述激光器具有射出激光的激光射出面，上述三棱鏡的頂角和該激光射出面對向。
48.根據(jù)權利要求39所述的激光打墨印裝置，其特征是，還具備使來自上述平行光管透鏡的準直光的射束形狀為圓形的光學元件。
49.根據(jù)權利要求48所述的激光打墨印裝置，其特征是，上述光學元件由改變上述準直光的圓形度的變形透鏡構成。
50.根據(jù)權利要求39所述的激光打墨印裝置，其特征是，在從上述三棱鏡射出的四束光束中的至少一束的光路上配置梯形透鏡，使至少一束光束的射束形狀旋轉。
51.根據(jù)權利要求32所述的激光打墨印裝置，其特征是，上述第一面和上述第二面相互平行，上述第一分光部將上述一束入射光分離成反射光和透過光，上述第二分光部將上述透過光進一步分離成反射光和透過光。
52.根據(jù)權利要求51所述的激光打墨印裝置，其特征是，在將上述一束入射光以大致45°的入射角相對于上述第一分光部入射情況下的上述第一分光部的入射時的折射角設為θ，將上述第一面和上述第二面的間隔設為d時，以上述第一分光部和上述第二分光部的距離、即與上述第一面和上述第二面平行方向上的距離大致為d tanθ的方式配置上述第一分光部和上述第二分光部。
53.根據(jù)權利要求51所述的激光打墨印裝置，其特征是，上述透光體還具備使上述第二分光部處的透過光順序地透過的第三面和第四面，上述第三面和上述第四面相互平行，并且與上述第一面和上述第二面垂直。
54.根據(jù)權利要求53所述的激光打墨印裝置，其特征是，在將上述一束入射光以大致45°的入射角相對于上述第一分光部入射情況下的上述第一分光部的入射時的折射角設為θ，將上述第一面和上述第二面的間隔設為d時，上述第一分光面和上述第三面的距離、即與上述第一面和上述第二面平行方向上的距離大于d tanθ。
55.根據(jù)權利要求53所述的激光打墨印裝置，其特征是，上述第三面和上述第四面的間隔與上述第一面和上述第二面的間隔實質上相等，并且使透過了上述第四面的光的光路與入射光的光路的延長線相一致。
56.根據(jù)權利要求53述的激光打墨印裝置，其特征是，上述透光體還具備使由規(guī)定的反射體將上述第一分光部處的反射光反射來的光順序地透過的第五面和第六面，上述第五面和上述第六面相互平行，并且與上述第一面和上述第二面垂直。
57.根據(jù)權利要求56所述的激光打墨印裝置，其特征是，上述第五面和上述第六面的間隔與上述第一面和上述第二面的間隔實質上相等，并且使透過了上述第六面的光的光路與由上述規(guī)定的反射體反射來的光的光路的延長線相一致。
58.根據(jù)權利要求32所述的激光打墨印裝置，其特征是，上述第一分光部和上述第二分光部分別由分光薄膜構成。
全文摘要
通過將三個底面形狀為直角等腰三角形的三棱柱組合而構成光束分離器，在包含各直角等腰三角形的棱線的平面上形成用于分離入射光的薄膜。通過這種結構，朝向三角形的頂角入射的光由分光面反射出兩束，透過一束，入射到光束分離器上的光被分離成三個方向。因此，可提供能夠從一束激光產生大致相同強度的多束射束的簡單的光學系統(tǒng)，以及裝載了這種光學系統(tǒng)、能夠照射出多束線光的激光打墨印裝置。
文檔編號G02B5/08GK1493850SQ0315498
公開日2004年5月5日 申請日期2003年8月26日 優(yōu)先權日2002年8月26日
發(fā)明者西村孝司 申請人:日立工機株式會社