CN101163942B - 用于对激光束进行光学校正的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种激光束发射器和校准这样的发射器的方法产生相对于发射器在所需的方向照射的激光束。这样对发射器和激光束目标进行定位，以便经过完全校准的光束将照射目标上的所需的点，例如，目标中心。激活发射器，并测量目标上的照射点与目标中心的偏移。提供了多个具有不同楔角的光楔校正元件，选择这些光楔校正元件中的将校正测量的偏移的适当的一个光楔校正元件。将选定的光楔校正元件定位在发射器机身中的光束的路径中。旋转光楔校正元件，直到光束基本上对准以照射目标中心。然后，将光楔元件固定在发射器机身中的适当位置。

Description

用于对激光束进行光学校正的方法和设备

本发明涉及激光发射器，具体来说，涉及具有简单的快速实现的用于校正由激光发射器产生的光束的初始偏差的方案的激光发射器。本发明特别适用于对产生一个或多个静止参考光束的类型的发射器中的光学误差进行校正。

这种简单的发射器一直用于建筑行业，可以照射一个、两个、三个或更多可见光光束，以便进行校准。在1975年8月5日授予Genho的美国专利No.3,897,637中显示了一个这样的发射器。对发自激光源的光束进行校准，然后，将光束分成三个光束，它们准确地形成了三维参考坐标系。

在1996年3月10日授予Rando的美国专利No.5,500,524中显示了类似的发射器。在Rando的专利中，通过适当的光学装置将发自激光二极管的光束分成三个垂直光束。这种以小型电池为能源的激光投影仪在建筑业广泛应用于校准操作中。例如，可见光束在空中以直线照射，而这种可见光束还可以用于定位参考建筑物。可以使用校平或竖直光束来设置诸如楼面、墙和柱之类的建筑构件的水平或竖直方向。在许多应用场合，小直径的可见激光光束代替了标线。光束照射到目标时，会产生一个小的光点。然后，可以根据需要用铅笔将光点的中心标记出来。

通常，这种发射器或投影仪使用单个二极管光源并利用光学装置来分裂光束。例如，在1992年9月1日授予Hersey的美国专利No.5,144,487中，使用光束分离器和反射镜生成两个共线光束。这种发射器需要光学元件准确地校准才能取得所需的精确度。

在1999年9月28日授予Rando的美国专利No.5,959,789中显示了多个调整或校准激光投影仪或发射器的输出光束的方法。在Rando的专利的图3中，显示了有两个光楔或棱镜安装在光束的输出路径中。两个光楔可以独立地围绕与激光束对准的轴旋转。这些光楔在两个方向折射光束，如果正确地设置，可以进行任何方向的不同量的光束校正。Rando的专利还显示了使用单个光学元件，该光学元件包括低放大率望远镜，该望远镜可以在半球形底座上旋转，以将光束转向所需的方向并校正光束偏差。Rando的专利讲述了当进行了所需的校正时通过粘合剂将低放大率望远镜就地固定。尽管可以进行校正，但是，安装和望远镜在机械方面有点复杂。因此，需要一种简单、便宜的补偿参考光束发射器的在制造和组装过程中所产生的微小误差的方式，以便最终的发射器便宜、稳定而精确。

这些需要通过根据本发明的校准激光束发射器的方法来满足，以便发射器产生的激光束相对于发射器机身在所需的方向照射。这样对发射器和激光束目标进行定位，以便经过完全校准的光束将照射目标上的所需的点，例如，目标中心。激活发射器，并测量目标上的照射点与目标中心的偏移。提供多个具有不同楔角的光楔校正元件。然后，选择这些光楔校正元件中的将校正测量的偏移的适当光楔校正元件。将选定的光楔校正元件定位在发射器机身中的光束的路径中。然后，旋转光楔校正元件，直到，光束基本上对准以照射目标中心，并将光楔元件固定在发射器机身中的适当位置。

将光楔元件固定到发射器机身中的适当位置的步骤可以包括通过粘合剂将光楔元件固定在适当位置的步骤。提供多个具有不同楔角的光楔校正元件的步骤可以包括提供多个光楔校正元件的步骤，每一个元件都具有大致的圆柱形形状，并形成了第一和第二平面。多个光楔校正元件的第一和第二表面之间的角度在不同元件有所不同。激活发射器并测量目标上的照射点与目标中心的偏移的步骤可以包括激活发射器并测量目标上的照射点与目标中心的偏移而不考虑偏移的方向(即，方位角和高度)的步骤。提供多个具有不同楔角的光楔校正元件的步骤可以包括提供偏转角以制造公差和所需的校正的精度所决定的增量变化的多个光楔校正元件的步骤。在一种情况下，偏转角以.25分的增量变化的光学校正元件是可以接受的。定位发射器和激光束目标以便经过完全校准的光束将照射目标中心的步骤，包括通过将发射器机身与参考面或参考点接触来定位发射器机身的步骤。

根据本发明的激光束发射器包括发射器机身，机身中的能够生成光束的激光束源。机身限定了一对参考面。光楔校正元件定位机身中的激光束的路径中。光楔校正元件具有适当的楔角和用于偏转光束的方向，以便光束相对于参考面基本上完全对准。通过粘合剂将光楔校正元件固定在机身的适当位置。

可以用粘合剂将校正元件固定到机身上。另外，机身中的激光束的路径中的光楔校正元件可以大致是圆柱形，在非平行的上下表面之间形成了一个楔。

相应地，本发明的目标是在制造过程过程中可以以简单便宜的方式校正激光束偏差的激光发射器和方法。通过阅读下面的说明，附图，以及所附的权利要求，本发明的其他目标和优点将变得显而易见。

图1是显示了根据本发明的激光束发射器和水平仪的透视图；

图2是卸掉了盖板的图1的设备的透视图；

图3是卸掉了盖板的图1的设备的侧视图；

图4是图1的设备的一部分的视图，有一些部分脱离，在校准过程中将激光束指向目标；

图5A是光学校正楔的侧视图；

图5B是在图5A中从左向右看的图5A的光学校正楔的平面图；以及

图6是用于校准的目标的平面图。

图2和3显示了盖板14被卸掉的设备10，以便暴露出用于安装和校准水平仪玻璃管16、18和20的内部结构。值得注意的是，图2和3显示了设备10的相对的两侧。机身12形成了参考面22、23、24、25、26和28。当设备10用于校平或者用于照射参考光束时，这些表面可以履行参考功能。

众所周知，水平仪玻璃管16、18和20各自都具有限定了封闭的空腔的透明空心体。空腔被部分地填充了液体21，以便气泡也被限定在空腔内。气泡自然地浮在空腔的顶部，并提供水平仪玻璃管的朝向的指示。

水平仪玻璃管16、18，以及20计划准确地相对于参考面22、23、24、25、26，以及28而进行定向或校准。在机身12上提供了小玻璃管托架，用于夹持每一个水平仪玻璃管16、18，以及20。具体来说，水平仪玻璃管16被小玻璃管托架30夹持，水平仪玻璃管18被小玻璃管托架32夹持，而水平仪玻璃管20被小玻璃管托架34夹持。每一个小玻璃管托架都夹持其关联的水平仪玻璃管，以便可以通过围绕一对垂直调整轴旋转来校准水平仪玻璃管，每一个垂直调整轴都垂直于水平仪玻璃管的延长的方向。例如，参考如图2所示的轴36，平行于Z轴延长的小玻璃管16，可以被围绕平行于X和Y轴的调整轴而进行旋转。平行于Y轴延长的小玻璃管18，可以被围绕平行于X和Z轴的调整轴而进行旋转。最后，平行于X轴延长的小玻璃管20，可以被围绕平行于Y和Z轴的调整轴而进行旋转。在组装和校准过程中，在校准水平仪玻璃管之后，使用粘合剂来将每一个水平仪玻璃管16、18、20的位置相对于其小玻璃管托架30、32、34固定，并将每一个小玻璃管托架30、32、34的位置相对于机身12固定，并相对于机身12上的参考面固定。参考表面是指，当这些表面或表面点与将要被测量或以别的方式标记或评估的表面进行接触时共同地限定了用于使发射器定向的基础的表面或表面点。

激光束发射器包括光源，例如，沿着并平行于机身12的所有三个轴X、Y和Z传输光束的发光激光二极管源，如图2所示的36处显示的。具体来说，参考光束分别从开口83、84和85在两个正交方向垂直和水平地照射。

如图4所示，在机身12中提供了能够生成激光束92的激光束源90。激光束源90包括激光二极管94，对发自二极管94的激光束进行校准的准直透镜96，允许经过校准的光束的三个部分穿过的蔽光片98，将发自二极管的光分裂成三个垂直光束并重定向的光束分光镜100。一个这样的光束92通过开口84从机身12射出。其他两个光束通过开口83和85从机身12射出(图3)。

应该理解，对由发射器产生的光束92，以及其他光束相对于发射器的机身12的校准，可以随着构成激光束源90的组成元件的几何形状和校准而大大地不同。本发明可以首先通过机身12中的激光束92的路径中的光楔校正元件102(图5A和5B)对任何误差进行补偿。光楔校正元件102具有适当的楔角

和用于将光束折射角度θ的朝向，以便光束相对于机身12上参考面基本上完全对准，如光束朝着目标的中心的移动方向所示。发射器包括粘合剂，用于将光楔校正元件102固定在开口84中的适当位置。粘合剂按照所需的方向将校正元件102固定在机身12中的开口84。

从图5A和5B可以看出，光楔校正元件102大致是圆柱形，在非平行的上下表面122和124之间形成了一个楔。如图5A所示，穿过校正元件的光线向上折射。应该理解，通过旋转元件102，可以向任何所需的方向重定向折射光线。如此，可以使用光楔校正元件来将光束92重定向到任何所需要的方向。

根据本发明，在制造过程中通过适当地选择光楔校正元件102并进行定向来校准激光束发射器。为实现这一点，将发射器10与激光束目标106定位在一起，以便经过完全校准的光束将照射目标中心或其他所需的点108。接下来，激活发射器，并测量偏移110(目标上的被照射点112和目标中心108之间的)。提供了具有不同楔角

的多个光楔校正元件102，以便技术人员进行校准。从这些楔校正元件中选择适合于校正测量的偏移的光楔校正元件。接下来，将选定的光楔校正元件定位在发射器机身中的光束的路径中。然后，旋转光楔校正元件，直到光束基本上对准以照射目标中心。最后，将光楔元件固定在发射器机身中的适当位置。

如图4和6所示，在校准过程中，针对一对参考面114和116(它们相对于目标106定位)定位发射器10，以便发自发射器10的经过完全校准的光束92将照射目标上的所需的点108。然后，激活发射器10，照射目标106上的点112。然后，测量点108和112之间的偏移110。此偏移110的幅度，不考虑其在方位角和高度的方向，提供了所需要的校正量的指示，因此，也提供了多个具有各种楔角的光楔校正元件中的哪一个光楔校正元件适于校正光束位置中的测量的误差的指示。每一个校正元件都能够使穿过那里的光束偏转一个预先确定的偏转角。从多个光楔校正元件中选择一个光楔校正元件102。然后，将选定的光楔校正元件插入在机身12中的开口84中的光束92的路径中。光束将被选定的元件102折射，在目标106上产生被照射的不同点118。点112和118之间的位移应该基本上大致与偏移110相同，但是也许在不同的方向。然后，旋转光楔校正元件102，使照射点沿着圆形光道120移动。此旋转一直持续，直到照射点118与目标106上的点108一致。此时，激光束相对于发射器的注册表面而被校准。通过向元件102的边缘和发射器机身12施加粘合剂，将光楔校正元件102固定在发射器机身中的适当位置。

如前面所指出的，提供了具有不同楔角的多个光楔校正元件102，供技术人员进行校准操作使用。在一种情况下，使用具有0分和12.00分之间的偏转角(以.25分为增量)的楔元件的集合的校正精度就足够了。然而，应该理解，偏转角度的范围和元件之间可用的增量式调整将是制造公差和经过校正的光束位置的所需的精度的函数。如图5A和5B所示，每一个元件102都具有大致的圆柱形形状，并形成了平坦的第一和第二表面122和124。

尽管为了说明本发明显示了某些代表性的实施例和细节，对那些精通本技术的人员显而易见的是，在不偏离所附的权利要求所定义的本发明的范围的情况下可以对这里所说明的发射器和方法进行各种更改。

Claims (12)

1.一种校准激光束发射器的方法，以便由所述发射器产生的激光束在相对于所述发射器机身的所需的方向照射，包括下列步骤：

定位所述发射器和激光束目标，以便经过完全校准的光束将照射目标中心，

激活所述发射器，并测量目标上的照射点与所述目标中心的偏移，

提供多个具有不同楔角的光楔校正元件，

选择适合于校正测量的偏移的光楔校正元件，

将选定的光楔校正元件定位在所述发射器机身中的所述光束的路径中，

旋转所述光楔校正元件，直到所述光束基本上对准以照射所述目标中心，以及

将所述光楔校正元件固定在所述发射器机身的适当位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述光楔校正元件固定在所述发射器中的适当位置的步骤包括通过粘合剂将所述光楔校正元件固定在适当位置的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，提供多个具有不同楔角的光楔校正元件的步骤包括提供多个光楔校正元件的步骤，每一个元件都具有大致的圆柱形形状，并形成了平坦的第一和第二表面，所述多个光楔校正元件的所述第一和第二表面之间的角度在不同光楔校正元件之间有所不同。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，激活所述发射器并测量目标上的照射点与所述目标中心的偏移的步骤包括激活所述发射器并测量目标上的照射点与所述目标中心的偏移而不考虑在方位角或高度方面的偏移的步骤。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，提供多个具有不同楔角的光楔校正元件的步骤包括提供具有以0.25分的增量变化的偏转 角的多个光楔校正元件的步骤。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，定位所述发射器和激光束目标以便经过完全校准的光束将照射目标中心的步骤，包括通过将所述发射器机身与参考面接触来定位所述发射器机身的步骤。

7.一种校准具有发射器机身的激光束发射器的方法，以便由所述发射器产生的激光束在相对于所述发射器机身的所需的方向照射，包括下列步骤：

针对一对参考面定位所述发射器，并定位激光束目标，以便发自所述发射器的经过完全校准的光束将照射目标上的所需的点，

激活所述发射器，并测量光束在目标上的照射点与目标上的所需的点的偏移，

提供多个具有各种楔角的光楔校正元件，每一个所述校正元件都能够使穿过那里的光束偏转一个预先确定的偏转角，

从所述多个光楔校正元件中选择一个适合于校正测量的偏移的光楔校正元件，选定的光楔校正元件被选择校正光束在目标上的照射点与目标上的所需的点的测量的偏移，

将选定的光楔校正元件定位在所述发射器机身中的所述光束的路径中，

旋转所述光楔校正元件，直到所述光束基本上对准以照射所述目标上所述所需的点；以及

将所述光楔校正元件固定在所述发射器机身的适当位置。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，将所述光楔校正元件固定在所述发射器中的适当位置的步骤包括将所述光楔校正元件胶着地固定在适当位置的步骤。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，提供多个具有不同楔角的光楔校正元件的步骤包括提供多个光楔校正元件的步骤，每一个元件都具有大致的圆柱形形状，并形成了平坦的第一和第二表面，所述多个光楔校正元件的所述第一和第二表面之间的角度在不同光楔校正元件之间有所不同。 

10.根据权利要求7所述的方法，其中，从所述多个光楔校正元件中选择一个光楔校正元件的步骤，包括选择具有适合于将光束重定向到目标上的所需的点的偏转角的光楔校正元件的步骤。

11.根据权利要求7所述的方法，其中，提供多个具有不同楔角的光楔校正元件的步骤包括提供具有以0.25分的增量变化的偏转角的多个光楔校正元件的步骤。

12.根据权利要求7所述的方法，其中，定位所述发射器和激光束目标以便经过完全校准的光束将照射目标上所需的点的步骤，包括通过将所述发射器机身与参考面接触来定位所述发射器机身的步骤。 

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