CN100343726C - 转换光束的装置 - Google Patents

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Abstract

一种将例如激光器、VCSEL(垂直空腔表面发射激光器)或者一个和多个发光二极管发射的光转换成面传播光的装置，该装置包括准直的或者聚光的光辐射源，其特征在于，转动对称的双反射部件的全部或者一部分或者若干部分，共轴地固定配置在由准直的或者聚焦的光辐射源发射光束的光路中，使得该光束可以偏转到要求角度的光传播面上，该传播面以360°角围绕该双反射部件。

Description

转换光束的装置
本发明涉及一种将例如激光器、VCSER(垂直空腔表面发射激光器)或者一个或多个发光二极管发射的光束转换成平面传播光的装置，该装置包括准直的或者聚焦的光辐射源。
该装置适合于例如用来产生平面光，该平面光可以是完全平面的，或者是具有要求的向上或者向下锥角的圆锥面，这种装置可以用在例如建筑工程、道路建设工程等方面。
背景技术
过去采用一种装置来解决此问题，该装置具有光源，利用转动棱镜或者反射镜使该光源的光束转变角度，这些转动棱镜或者反射镜可以转到360°，使得转动的光束围绕装置沿一个传播平面运行。
这些已知装置的问题是，需要很精确地制造这些装置，使得转动部件在转动期间不能使光束错误地改变角度。另外，至少需要一个马达来转动转动部件。
另外的问题是，需要在四个窗口中配置装置，这造成需要四个角部支柱来固定窗口，该支柱挡住了平面光的传播。在美国专利3820903中，已经设法克服由转动部件和马达造成的问题。在此专利中，采用锥形的反射棱镜代替转动部件，这种锥形反射棱镜可以使激光束偏转90°，从而形成绕棱镜360°的平面光。
采用反射圆锥相关的问题是，这种装置相对于入射光，对圆锥的角度偏差是很敏感的，因为在传播平面中放大了小的角度偏差，见图1b。按照反射定律，这种角度偏差将增加一倍。对于长距离，小角度偏差可能造成大的位置误差。
发明概要
本发明提供了一种将激光器、VCSEL(垂直空腔表面发射激光器)或者一个或者多个发光二极管发射的光转变到光传播平面的装置，该装置包括准直或者聚焦的光辐射源，其特征在于，旋转对称的双反射部件的全部或者部分被固定共轴地配置在准直的或者聚焦的光辐射源射出光束的光路中，使得该光偏转到要求的倾斜的光传播面中，该传播面可360°围绕双反射部件延伸。采用所述的装置可以解决这些问题，这种解决方案的优点是，双反射部件几乎完全对安装误差不敏感。旋转对称双反射部件工作原理类似于所谓五棱镜。在五棱镜中，入射和出射光之间的角度是固定的，不管其是否有横向位移或者倾斜。具有两个相互固定连接反射面的相互偏转角度α的反射体使入射光反射2α角，即两倍反射表面的偏转角，而不关入射角如何(图1b)。
当反射体在光束的传播平面上转动β角时，在第一次反射时，光束偏转2β，这种偏转在第二表面上反射时受到补偿，该第二表面也转动同样的角度β。对于其他对的反射表面可以以此类推。对于偏转，入射角的独立性因此影响到具有任意偶数反射面的反射体，即影响到在各个偶数表面上反射的部件，以后称为双反射部件。
另一个优点是，不需要任何转动部件或者马达。另外，光束的偏转和窗口可以并合在同一部件中，即合并在双反射部件中。
部件最好配置在光辐射源和双反射部件之间的光路上，射到双反射部件的光的入射角可以利用这种部件调节，这种部件又影响射出双反射部件的平面传播光的角度。同一个装置可以以容易的方式进行调节，产生水平面的传播光或者具有要求角度(向上或者向下)的圆锥面传播光，这当然是一个很重要的优点。
可以以若干可能的方式实现这一点。一种方式是共轴地配置一个或者两个轴锥体，其中至少一个轴锥体可沿一个轴移动，该轴与双反射部件的中心轴重合。一个轴锥体的轴向运动可以改变在透镜共同焦面上像环的大小。这样可以改变准直圆锥光束的角度。
轴锥体产生一些像差。采用两个锥角具有相反符号的轴锥体可以补偿这些像差。
另外一种方法是配置变焦透镜，该变焦透镜与双反射部件共轴，由此使得环的大小是恒定的。在变焦时可以改变圆锥的角度，因为改变了变焦透镜的焦距。
准直光辐射源可以采用一个或者多个折射的或者衍射的轴锥体，或者Fresnel型的轴锥体发射形状为环形或者一部分环形或者多部分环形的光。如果不需要完全包围的光平面，也可以挡住双反射部件的一个部分或者多个部分射出的光。
其他实施例示出应用电动的双轴微机械反射镜。准直的光束射向该反射镜，该反射镜以这样的方式改变角度，使得光束沿圆锥罩传播，即使得在双反射部件中形成光环。
附图的简要说明
图1a-1b示出已知技术的反射部件和其问题。
图2a-2b示出本发明双反射部件的作用。
图3示出本发明第一实施例的位于第一位置的装置，该装置可以调节光传播平面的要求角度，光在焦面上的光像示于图的下面。
图4示出图3的装置位于第二位置。相应的光像示于图的下面。
图5示出本发明第二实施例的位于第一位置的装置，该装置可以调节光传播平面的要求角度，光在焦面上的光像示于图的下面。
图6示出图5的装置位于第二位置。相应的光像示于图的下面。
图7示出本发明第三实施例的位于第一位置的装置，该装置可以调节光传播平面的要求角度，光的焦面上光的像示于图的下面。
图8示出图7的装置位于第二位置。相应的光像示于图的下面。
图9示出本发明第四实施例的位于第一位置的装置，该装置可以调节光传播平面的要求角度，光在焦面上的光像示于图的下面。
图10示出图7所示的装置，该装置具有采用另外一种调节，这种调节可以形成局部的光像。
图11示出光路如何进入到双反射部件的一个例子。为了清楚起见，在焦面之后，仅示出光束的中心光束，即所谓主光束。
图12示出从侧面看到的本发明第一实施例，该实施例具有双轴微机械反射镜。
图13示出从上面看到的图10所示实施例。
图14示出双反射部件的许多实施例。
图15示出从侧面看到的本发明第二实施例，该实施例具有双轴微机械反射镜。
图16示出从上面看到的图15所示的实施例。
本发明优选实施例的详细说明
图1示出先有技术，这种技术具有圆锥棱镜1，该棱镜将光束2偏转90°，该光束由光辐射源发射，并由聚焦透镜或者准直镜4准直。图1b示出图1a中的棱镜1不正确安装产生的影响。棱镜1的误差角α造成光束2的角度偏差2α。
在图2a中示出本发明的装有双反射部件5的装置。该光束2射在第一反射面6上，并偏转角度γ。该光束然后由第二反射面7反射，再偏转角度γ。入射和出射光束2之间的角度θ是固定的，而不管是否存在横向平移或者倾斜，见图2b。
当然，两次反射不一定具有相同尺寸，而双反射部件5可以这样设计，使得第一表面以较小的角度反射，而第二表面以较大的角度反射，反之已然。
在图2中双反射部件5安装不正确，在图面上形成偏转角度β。在图的右侧，光束2射在第一反射面6上，偏转角度γ+2β，随后，光束2在第二反射面7上反射，偏转角度γ-2β。由此在入射和出射光束2之间的角度变成θ，因为误差彼此抵消。
在图的左侧，光束2射到第一反射面6上，并偏转角度γ-2β。然后该光束在第二反射表面7上反射，偏转角为γ+2β。因此入射和出射光束2之间的总的角度在这一侧也是θ。
因为双反射部件是转动对称的，所以该部件可以连续地将错误的偏转(分别是2β和-2β)从右侧的极端位置，经垂直于图面的无错误角度(即光束2在第一和第二表面上偏转γ角度)过渡到图中左侧的极端位置(分别是-2β和2β)，但是围绕双反射部件5的入射和出射光束总的反射角总是θ。
图3中示出第一实施例的装置，该实施例可以改变从双反射部件(在此图中未示出)射出的光传播面的角度。光辐射源3发射由聚焦透镜或者准直光镜4准直的光束2。该光束随后进入活动安装的轴锥体8，该轴锥体可以是折射轴锥体、衍射轴锥体或者Fresnel型的轴锥体。
在焦面10上光束彼此聚合，形成光环11，见该装置下面直接位于该装置下面的像。在中间像中的光路是远心的，即主光束平行于光轴。采用这种装置时，总的圆锥角对于透镜之间的小聚焦误差是不敏感的。随后是第二准直镜12，该准直镜使光束偏转到出射孔13。双反射部件5最好这样配置，使得出射孔结束于双反射部件中。所有包含的部件彼此共轴配置。
在图4中示出图3所示的同一装置，但是轴锥体8已沿共同轴线位移到更靠近聚焦透镜或者准直镜4。这样，在焦面10上形成的光环11具有较大直径，见装置下面的像。光束2随后射到准直镜12，随后受该准直镜折射，该准直镜的折射角大于图3所示的设定角。
该轴锥体如果需要，可以进行切换，以便能够改变焦面上光环的大小。由此光束以另外的入射角射在双反射部件5上，该入射角不同于图3所示设定的入射角，结果是，从双反射部件5射出的光传播平面其角度具有不同于图3所示的设定角度。
在图5中示出本发明的第二实施例的装置，该装置可以改变从双反射部件(在此图中未示出)射出的光传播面的角度。光辐射源3射出光束2，该光束由聚焦透镜或者准直镜4准直。随后该光束进入第一固定的轴锥体8，该轴锥体可以是折射轴锥体、衍射轴锥体或者Fresnel型的轴锥体，并再通过第二活动的轴锥体9，该轴锥体也是折射轴锥体、衍射轴锥体或者Fresnel型的轴锥体。
在焦面10上，这些光束收敛，形成光环11，见装置紧下面的像。在中间像中的光路是远心的，即主光束平行于光轴。采用这种装置时，所得到的圆锥角对于透镜之间的小聚焦误差是不敏感的。随后配置第二准直透镜12，该透镜使光束2偏转到出射孔13。最好这样配置双反射部件5，使得该出射孔13位于双反射部件5中。所有包含的部件彼此共轴配置。
在图6中示出图5所示的同一装置，但是第二轴锥体9已经沿共同轴线移离固定的轴锥体8。这样，在焦面10上形成的光环11具有较大的直径，见该装置下面的像。该光束2然后穿过准直透镜12，被折射，其折射角大于图5所示的设定角。
由此，光束射到双反射部件5，该光束具有不同于图7所示入射角的另一入射角，结果是，从双反射部件5射出的光传播面具有不同于图5设定角的另一角度。
对于图3-6所示的装置，光传播面可以从预定的向下角度，即形成向下倾斜的光传播圆锥面的预定角度，经平的光传播面(角度为零)调节到预定的向上角度，即形成向上倾斜的圆锥光传播面。
在图7中，示出第三实施例的装置，该装置可以调节从双反射部件5射出光束2的传播面的角度。该装置包括光辐射源3、准直镜4以及用于在焦面10上形成光像11的一个或者两个固定的轴锥体8、9，在这种情况下，该光像是一个圆，见该装置下面的像。
另外，配置变焦透镜14，利用该变焦透镜可以调节光束2的出射角度。所有包含的部件共轴配置。调节聚焦透镜时，可以改变光束的出射角。
在图8中，变焦透镜14位于另一调节位置，因而从变焦透镜14射出的光束2的出射角是不同的。因此，可以调节光束2入射在双反射部件5上的入射角，结果是，可以调节光传播面的角度。
在图9中示出本发明的另一装置。此装置中包含的部件也共轴配置。该装置包括光辐射源3、准直镜4以及衍射花样发生部件15，该花样发生部件15例如形成三个具有不同直径的光环11。
这些光环彼此不同，具有不同的花样，例如在装置下面示出的花样，具有内部点线环、中间的实线环以及虚线的外环，或者以其他方式示出的环，例如光环11的不同颜色。
在不同光像11中的光束2具有不同的直径，并射在准直镜12上，由此以不同的角度反射这些光束，使得这些光束在双反射部件5上具有不同的入射角，因此得到从双反射部件5射出的不同角度的光传播面。
例如，中间光环可以形成水平的光传播面，而两个其他的光环分别形成朝上的和朝下的光传播圆锥面，例如分别朝上和朝下1 °的光传播圆锥面。
在图10中示出，如果需要，还可以采用例如衍射部件形成局部的光束像11。通过屏蔽双反射部件5，挡住光束2，也可以得到这种局部的光束像，并且光的传播面也变成不完全包围的。
在图11中，示出本发明图5所示的实施例，其中还示出双反射部件5。图中还示出通过双反射部件5的光束2的光路。如果在焦面10中有三个不同的光像11，则这些光束形成三个不同的光传播面17。
如果将这些传播面假想地画成指向中心轴的传播面18，则这些传播面将相交于中心点16，该中心点起着想象的“节点”或者“中心点”的作用，想象的一个或者若干个光传播面17从该想象的中心点出发，然后从该中心点向上或者向下地发生倾斜。
图12中示出本发明的另一实施例，该实施例采用电动两轴微机械反射镜20。从光辐射源3发射的准直光束2射在反射镜20上，该反射镜利用电子装置(未示出)转变角度，使得光束2形成圆锥的口，即在双反射部件5上得到光环。
在双反射部件5的底部上反射光束2的一些部分22，并射在彼此垂直配置的两个发光二极管阵列21上，见图13。这样，可以形成反馈，因而可以利用电子装置(未示出)进行光环和光环定中的调节。
在图14中示出作为例子的许多不同双反射部件。
在图15示出图12所示本发明第二实施例的变型例。在图中，示出在微机械反射镜20和双反射部件5之间采用一个或者两个轴锥体的可能性。还可以代之以采用配置在其间的变焦透镜。

Claims (8)

1.一种将激光器、VCSEL(垂直空腔表面发射激光器)或者一个或者多个发光二极管发射的光转变到光传播平面的装置，该装置包括准直或者聚焦的光辐射源(3)，其特征在于，旋转对称的双反射部件(5)的全部或者部分被固定共轴地配置在准直的或者聚焦的光辐射源(3)射出光束(2)的光路中，使得该光偏转到要求的倾斜的光传播面(17)中，该传播面可360°围绕双反射部件(5)延伸。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，可调节的部件(8、9、14、20、21)配置在位于准直光辐射源(3)和双反射部件(5)之间光束(2)的光路中，该部件(8、9、14、20、21)的设定可以确定射到双反射部件(5)的光束(2)的入射角，因此确定光传播面(17)的角度。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，可调节的部件包括一个或者若干个共轴配置的轴锥体(8、9)，其中至少一个轴锥体(9)可沿一根轴线移动，该轴线与双反射部件(5)的轴线是重合的。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，该轴锥体(8、9)是折射式轴锥体、衍射式轴锥体，或者Fresnel型的轴锥体。
5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，该可调节的部件是与双反射部件(5)共轴配置的变焦透镜(14)。
6.如权利要求2-5中任一项所述的装置，其特征在于，该准直的光辐射源(3)借助于所述可调节的部件来发射形状为环(11)的光束(2)，或者配置折射式、衍射式或者菲涅耳式部件，以便使光束形成要求的形状。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，挡住双反射部件(5)的部分以便不接受光束(2)，使得可以除去光传播面(17)的一部分或者若干部分。
8.如权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，准直光束(2)照射在电动的两轴微机械反射镜(20)上，该反射镜(20)被操作，使得光束(2)这样偏转，造成光形成圆锥的罩形面，该罩形面射到双反射部件(5)上。
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