CN100416337C - 从单个光源提供四个光束的光学系统 - Google Patents

Abstract

一种产生正交光束的系统，包括：激光二极管，以及与其结合的准直透镜，孔径，和简单的小型光学组件。三个准直光束被引向由粘接在一起的元件构成的光学组件。从两个光学元件以直角反射的光束中产生铅垂光束。此外，从光学组件以直角反射的光束中以及从透射通过光学组件的光束中产生直角光束和水平光束。所有四个光束是互相正交，并有大致相同的功率，它们排列和取向成似乎源自单个重合点。任选地，可以产生第五个正交光束。我们还公开一种由六个小型光学元件构成的长方体形状光学组件。

Description

从单个光源提供四个光束的光学系统

技术领域

本发明一般涉及在结构布局中可能使用的光学系统，更具体地说，本发明涉及从一个入射的准直激光束中至少产生四个正交光束的简单光学系统。

背景技术

在建筑和家庭装修行业，在房间布局的过程中，工人们确定沿墙壁或潜在墙壁位置的水平线和直角线以及找到从地面到天花板的铅垂线是相当普遍的。一次和从单个重合点利用一个装置进行这些测量是有利的。若从单个重合点利用一个装置同时进行测量，则可以提高测量的准确性。在测量过程中从一点到另一点不移动测量装置，可以消除可能发生的不准确性。此外，单独工作的个人能够从一个重合点同时确定水平线，直角线和铅垂线。利用光束确定水平线，直角线和铅垂线是特别有利的。这就不需要使用铅锤，而且不要求对墙壁作各种标记。产生直角光束，水平光束和铅垂光束的单个装置允许一个工人进行操作。

当前已出现一些商品化装置，它是利用可见光束作为辅助工具进行水平，直角和铅垂测量。然而，这些装置的结构是复杂的，因此，它们的制作成本是昂贵的。当前的商品化装置通常有一个或多个激光二极管和复杂的多部件光学组合。由于这种复杂性，这些装置可能要求仔细的定标和校正。

所以，我们需要一种从单个重合点产生水平光束，直角光束和铅垂光束的激光系统。这种激光系统应当是设计简单，而且是经济，准确，高效率，容易制造和容易组装。

发明内容

按照本发明，我们公开一种产生正交光束的光学系统。光源产生一个激光束，然后聚焦通过准直透镜和孔径装置，用于至少产生三个准直的平行激光束。使这三个准直的平行激光束照射到光学组件上。接着，该光学组件反射和透射该三个准直的平行激光束以产生至少四个正交光束。该四个正交光束的取向和位置是这样的，它们似乎源自单个重合点。此外，该四个正交光束通常是有相同的功率。

光学组件是由粘接在一起的至少四个元件构成。其中一个元件是直角三角形固体元件。该直角三角形固体元件的斜边面涂敷部分反射材料，其位置适合于反射和透射一个准直的平行激光束。两个其他的光学元件是直角梯形固体元件。这些直角梯形固体元件中的每个元件放置成沿相反的方向反射两个准直的平行激光束。最后一个元件是另一个直角梯形固体元件。这个直角梯形固体元件的倾斜面放置成与涂敷反射材料的直角三角形固体元件的斜边面相邻以形成一个长方体。该直角三角形固体元件和直角梯形固体元件有相同的折射率。所以，直角梯形固体元件没有折射地透射部分已透射通过直角三角形固体元件的光束。

按照本发明的另一个实施例，玻璃带用于把光学元件粘接在一起，而不是利用连接光学元件之间的粘合剂。

按照本发明的另一个实施例，该直角三角形固体元件有涂敷反射材料的第二面，用于反射和透射一个所述准直的激光束，从而沿x轴产生一个附加的正交光束。

按照本发明的另一个实施例，代替反射材料涂敷到直角三角形固体元件的斜边面，反射材料涂敷到直角梯形固体元件的倾斜面，该倾斜面放置成与直角三角形固体元件的斜边面相邻。

按照本发明的另一个实施例，至少四个直角梯形固体元件构成一个光学组件。一个直角梯形固体元件的倾斜面是与另一个直角梯形固体元件的倾斜面相邻以形成一个长方体。直角梯形固体元件的一个倾斜面涂敷反射材料，用于反射和透射入射的准直激光束。构成该长方体的这两个直角梯形固体元件有相同的折射率。其他两个直角梯形固体元件放置成沿相反的方向反射激光束。

按照本发明的另一个实施例，至少四个直角三角形固体元件用于构成光学组件。一个直角三角形固体元件的斜边面放置成与另一个直角三角形固体元件的斜边面相邻以构成一个立方体。直角三角形固体元件的一个斜边面涂敷反射材料，用于反射和透射入射的准直激光束。构成该立方体的这两个直角三角形固体元件有相同的折射率。其他两个直角三角形固体元件的位置是沿相反的方向反射准直的激光束。

按照本发明的另一个实施例，至少六个直角三角形固体元件用于构成长方体光学组件。该长方体的形状使制造和组装都变得较容易。

因此，本发明的目的是提供一种包含单个激光源和简单光学组件的装置，它能够准确地产生源自一个共同点的四个正交光束。该光学组件有简单的结构，容易制造，和不需要复杂的定标或调整。因为该光学组件的设计是简单的，从而可以降低光学元件的成本。

根据以下对本发明的描述，本发明的其他目的是显而易见的。

附图说明

在结合以下的附图阅读时，可以更好地理解本发明具体实施例的详细描述，其中相同的结构是用相同的参考数字表示，其中：

图1是按照本发明一个实施例系统的示意图，该系统包括用于产生四个正交光束的激光二极管，准直透镜，孔径，和简单的光学组件；

图2是按照本发明一个实施例系统的光学组件透视图，该组件是由三个直角梯形固体元件和一个直角三角形固体元件构成，用于从一个重合点产生四个正交光束；

图2A是图2所示光学组件的分解图；

图3是按照本发明另一个实施例利用玻璃带粘接的系统中光学组件的透视图；

图4是按照本发明另一个实施例系统中光学组件的透视图，该组件是由四个直角梯形固体元件构成；

图4A是图4所示光学组件的分解图；

图5是按照本发明另一个实施例系统中光学组件的透视图，该组件是利用玻璃带粘接的四个直角梯形固体元件构成；

图6是按照本发明另一个实施例系统中光学组件的透视图，该组件是由四个直角三角形固体元件构成；

图6A是图6所示光学组件的分解图；

图7是按照本发明另一个实施例系统中光学组件的透视图，该组件是由六个直角三角形固体元件构成以形成一个长方体光学组件；

图7A是图7所示光学组件的分解图；

图8是按照本发明另一个实施例系统中光学组件的透视图，该组件是由三个直角梯形固体元件和一个直角三角形固体元件构成，用于从一个重合点产生五个正交光束；和

图8A是图8所示光学组件的分解图。

具体实施方式

图1表示包含单个光源15的系统10，该光源产生照射到光学组件40上的光束17。接着，光学组件40产生四个正交光束41，42，43，44，这四个光束的取向和排列成似乎源自光学组件40内的单个重合点。光源15最好是激光二极管，它产生通常是椭圆形截面的光束17。光束17是大致沿y轴方向投射的。椭圆形截面激光束17传输通过准直透镜20和孔径30，它产生三个平行的准直激光束32，34和36。“水平”光束34的功率约为孔径光束17之和功率的1/2。“铅垂”光束32和36中每个光束的功率约为孔径光束17之和功率的1/4。三个光束32，34和36投射到光学组件40上。光学组件40反射和透射三个光束32，34和36以产生功率大致相同的四个正交光束41，42，43，44，这些光束的取向和排列成似乎源自光学组件40内的单个重合点。

光学组件40是由光学元件构成。每个光学元件有简单的几何形状。该光学元件可以由硼硅酸盐冕玻璃制成，例如，BK7玻璃。最好是，该光学元件在635nm下有1/4波长的光学表面平坦度。

现在参照图2和2A所示的一个实施例，两种简单几何形状的四个光学元件用于构成光学组件40。一个光学元件是直角三角形固体54，它是分束器光学元件。最好是，分束器光学元件54设计成工作在约620nm与650nm之间的波长，且最好设计成沿直角三角形固体元件54的斜边面55是S偏振的。最好是，直角三角形固体元件54的其他平面有多层介质的抗反射(AR)涂层，它允许约大于97％的激光透射通过。直角三角形固体元件54是五个侧面的固体元件，该五个侧面是两个直角三角形侧面和三个矩形侧面。

光学组件40中其他的三个光学元件是直角梯形固体元件50，52。梯形固体元件50，52是六个侧面的固体元件，该六个侧面是两个直角梯形侧面和四个矩形侧面。最好是，直角梯形固体元件50，52设计成工作在约620nm与650nm之间的波长，优选的波长是635nm。直角梯形固体元件50，52中倾斜面51的取向是与相对的面成45°角。两个直角梯形固体元件50是90°光学组件，它们放置成沿相反的方向41，44从它们的倾斜面51反射两个1/4功率“铅垂”光束36，可以形成沿Z轴的铅垂线。最好是，每个倾斜面51有保护的增强铝涂层，其反射率在P偏振方向上约大于93％，且激光的透射率约小于0.05％。第三个直角梯形固体元件52是水平光学元件，它的位置是这样的，其倾斜面51是与分束器光学元件54的斜边面相邻和紧靠在一起以形成一个长方体。这个长方体放置在两个90°光学元件50中较长的两个平行平面之间。最好是，水平光学元件52中的直边非平行侧面57是涂敷多层介质AR涂层。因为直角三角形固体元件54和直角梯形固体元件50，52有简单的几何形状，它们构成光学元件和组合成光学组件40是较容易并有较低的成本。

在一个实施例中，分束器光学元件54的斜边面涂敷反射材料。在另一个实施例中，水平光学元件52的倾斜面51涂敷反射材料。在任何一种情况下，反射材料把以45°入射角的入射水平光束34分割成两个光束。入射水平光束34的一半沿y轴透射通过水平光学元件52，从而形成水平光束42，其功率约为入射水平光束34功率的1/2或孔径光束17功率的1/4。入射水平光束34的另一半与x轴成90度角从部分反射材料上反射，从而形成约1/4入射水平光束34功率或1/4原始光束17功率的直角光束43。因为水平光学元件52与分束器光学元件54有相同的折射率，所以，在水平光学元件52与分束器光学元件54之间的界面上不发生透射光束42的折射。因此，透射光束42是沿与反射光束43正交的方向射出水平光学元件52。

利用粘合剂可以把光学组件40中的元件50，52，54粘接在一起。涂敷粘合剂是为了不干扰入射光束32，34，36的透射和反射。在图3所示的另一个实施例中，利用玻璃带56把光学组件40中的元件50，52，54粘接在一起。玻璃带56通常粘贴到光学组件40中的各个元件，从而形成附加的结构整体性。利用粘合剂使玻璃带56粘贴到光学元件50，52，54。玻璃带56与光学元件50，52，54之间的粘合剂取代各个元件50，52和54接触面之间的粘合剂。去掉各个接触面之间的粘合剂，可以提高正交光束41，42，43，44的加工精确度。

图4和4A表示另一个实施例的光学组件40。在这个实施例中，构成光学组件40的四个元件有相同的几何形状，它们是以上实施例中三个元件的直角梯形固体形状。在这个实施例中，另一个水平光学元件52代替图2所示的分束器光学元件54以形成一个长方体。这个长方体类似于以上图2所示的长方体，虽然这个长方体沿y轴的方向略微长一些。如在以上图2中所描述的，这个长方体也是位于两个90度光学元件50的较长平行侧面之间。两个水平光学元件52的一个倾斜面51涂敷部分反射材料，用于产生透射光束42和反射光束43。同样地，利用粘合剂或与粘贴粘合剂的玻璃带56，光学组件40中的四个光学元件50，52可以粘接在一起，如图5所示。

图6和6A表示另一个实施例的光学组件40。在这个实施例中，代替利用四个直角梯形固体元件50，52以形成图4所示的光学组件40，可以利用四个直角三角形固体元件54，60，62。按照与以上图2所讨论的90度光学元件50的相同方式，涂敷两个直角三角形固体元件60，为的是以90度反射光束32和36以产生沿z轴的反射光束41和44。此外，另一个直角三角形固体元件62代替水平光学元件52以形成一个立方体，该立方体放置在两个直角三角形固体元件60之间。两个直角三角形固体元件54，62中的一个斜边面涂敷部分反射材料，按照以上讨论的相同方式可以产生透射光束42和反射光束43。

图7和7A表示本发明另一个实施例的光学组件40，它是按照以上图6所讨论光学组件40的方法构造。在这个实施例中，六个直角三角形固体元件54用于构成一个长方体光学组件40。这是通过添加两个附加的直角三角形固体元件64以形成一个光学组件40。该两个直角三角形固体元件64放置在三角形90度光学元件62之上以形成一个立方体。添加两个直角三角形固体元件64导致三个立方体互相重叠在一起以形成一个长方体。由于它的简单几何结构，长方体光学组件40简化系统10的制造和组装，从而可以降低系统10的总体成本。

图8和8A表示另一个实施例的光学组件40。在这个实施例中，四个光学元件50，52，54的排列是与图2所示的排列相同。然而，在这个实施例中，两个表面涂敷反射材料。在一个实施例中，两个涂敷表面是直角三角形固体元件54的斜边面55和直角三角形固体元件54的表面58，因此，入射的水平光束34不能透射通过。在另一个实施例中，两个涂敷表面是水平光学元件52的倾斜面51和直角三角形固体元件54的非斜边面58，因此，入射的水平光束34不能透射通过。利用反射材料涂敷直角三角形固体元件54的附加面58，沿x轴和沿反射光束43的相反方向产生第五个正交光束45。可以改变表面58和55上的反射材料涂层，从而实现相对于入射光束34有不同功率比的光束42，43，45。

应当注意，此处使用的术语“最好是”，“通常”和“典型的是”不是用于限制本发明的范围，也不意味着某些特征对于本发明的结构或功能是关键的，本质的或甚至重要的。相反，这些术语仅仅是强调在本发明具体实施例中可以利用或不可以利用的一些特征。

我们已参照附图详细地描述本发明，显而易见，在不偏离所附权利要求书规定的范围内，可以有各种改动和变化。更具体地说，虽然我们认为本发明的某些特征是优选的或特别有利的，可以设想，本发明不受这些优选特征的限制。

Claims (17)

1. 一种产生正交光束的系统，该系统包括：

产生激光束的光源；

准直透镜和孔径装置，用于产生至少三束准直、有孔径、平行的激光束；和

光学组件，用于至少接收该三束准直的平行激光束，反射和透射该至少三束准直的平行激光束，以产生四束正交光束，所述正交光束被取向和定位，以便使它们似乎源自单个重合点，且所述四束正交光束在功率上大致相等，其中所述四束正交光束代表铅垂的、水平的、和直角的光束，且其中所述至少三束准直、有孔径、平行的激光束中两束的功率，约为所述光源产生的孔径激光束总功率的1/4，而所述至少三束准直、有孔径、平行的激光束中别的光束的功率，约为所述光源产生的孔径激光束总功率的1/2。

2. 按照权利要求1的系统，其中所述光源包括发光二极管。

3. 按照权利要求1的系统，其中所述光源包括激光二极管。

4. 按照权利要求1的系统，其中所述光学组件是由多个元件构成的。

5. 按照权利要求4的系统，其中所述元件包括光学材料的几何实体。

6. 按照权利要求4的系统，其中光学组件中各个所述元件，是利用光粘合剂粘接在一起的。

7. 按照权利要求4的系统，其中光学组件中的各个所述元件，是利用固定于所述元件的玻璃带保持在一起的。

8. 按照权利要求1的系统，其中的光学组件包括：

一个直角三角形固体元件，其中该直角三角形固体元件的斜边面被定位并涂敷反射材料，既用于反射也用于透射所述至少三束准直、有孔径、平行激光束之一；

至少两个直角梯形固体元件，其中的至少两个直角梯形固体元件，被定位在反射所述至少三束准直、有孔径、平行激光束之一的位置，使所述至少两个直角梯形固体元件沿相反方向反射光束；和

一个直角梯形固体元件，它被定位在涂敷反射材料的直角三角形固体元件的斜边面附近，其中该直角三角形固体元件和直角梯形固体元件有相同的折射率，且其中该直角梯形固体元件，不折射地透射已透过所述直角三角形固体元件的光束部分。

9. 按照权利要求8的系统，其中所述至少两个直角梯形固体元件的每一个在倾斜面上有反射涂层，以反射准直光束。

10. 按照权利要求8的系统，其中的反射材料包括设计成45°入射角的50/50的分束器涂层。

11. 按照权利要求8的系统，其中至少两个直角梯形固体元件之一，在它的直边非平行面上有抗反射涂层。

12. 按照权利要求8的系统，其中的直角三角形固体元件，在它的非斜边面上有抗反射涂层。

13. 按照权利要求8的系统，其中所述直角三角形固体元件，有涂敷部分地反射材料的另外的面，既用于反射也用于透射所述准直激光束之一，从而产生第五束正交光束。

14. 按照权利要求1的系统，其中的光学组件包括：

一个直角三角形固体元件；

至少两个直角梯形固体元件，其中的直角梯形固体元件，各定位在反射所述准直平行激光束之一的位置，使所述两个直角梯形固体元件沿相反方向反射光束；和

一个被定位在直角三角形固体元件附近的直角梯形固体元件，与直角三角形固体元件相邻的侧面，涂敷部分地反射的材料，既用于反射也用于透射准直激光束的入射部分，其中的直角三角形固体元件和直角梯形固体元件，有相同的折射率，且其中的直角梯形固体元件，不折射地透射已透过所述直角三角形元件的光束部分。

15. 按照权利要求1的系统，其中的光学组件包括：

至少四个直角梯形固体元件，其中该至少四个直角梯形固体元件之一，被定位在该至少四个直角梯形固体元件的另一个附近，且其中该两个直角梯形固体元件接触处附近的各侧面之一，涂敷部分地反射的材料，既用于反射也用于透射入射的准直激光束，其中该两个直角梯形固体元件有相同的折射率，并被定位在以相反方向反射激光束的位置。

16. 按照权利要求1的系统，其中的光学组件包括：

至少四个直角三角形固体元件，其中该至少四个直角三角形固体元件之一，被定位在该至少四个直角三角形固体元件的另一个附近，且其中该两个直角三角形固体元件接触处附近的各侧面之一，涂敷反射材料，既用于反射也用于透射入射的准直激光束，其中该两个直角三角形固体元件有相同的折射率，并被定位在以相反方向反射激光束的位置。

17. 按照权利要求1的系统，其中的光学组件包括：

至少六个直角三角形固体元件，其中的直角三角形固体元件之一，被定位并涂敷反射材料，既用于反射也用于透射所述至少三束准直、有孔径、平行激光束之一，并排列该至少六个直角三角形固体元件，使之形成一个长方体。

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