CN102362151A - 自动调平式的激光标线仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动调平式的激光标线仪，具有至少一个激光束和用于在至少一个平面内扩展该激光束的机构。本发明提出，激光束能够通过微光学元件(10)在第一平面内被扩展。

Description

自动调平式的激光标线仪

技术领域

本发明涉及一种自动调平式的激光标线仪(selbstnivellierendes Linien-

)，用于产生至少一个可投射的激光线。通过这样的仪器，可以借助一路被扩展的激光束撑开至少一个优选水平的或竖直的平面，并将一条优选水平的或竖直的激光线例如投射到壁面或物体上。该可投射的线此后被称为激光标线仪的激光线或投射的激光线，尽管该仪器不产生所述标线本身，而是只通过将所述被扩展的激光束投射到例如墙壁或者物体上来产生。

这种激光标线仪尤其可在工业、手工业和家庭作坊领域中例如用于校准、标记、测量和定向的目的。

从现有技术中公开了不同的激光标线仪，借此能投射水平的和/或竖直的激光线。此时，或是激光束通过透镜元件在平面内被扩展，由此可分别产生一种具有大约60°至120°的可利用的角度范围的激光线。

可选择的是，也可以在市场上得到回转式激光仪，其中，激光束通过快速转动的转向件被转过90°，并且因此通过伴随转动的转动件而转动的激光束，产生一道连续激光线的光学幻影。

但是，上述来自现有技术的激光标线仪的缺点是，激光器功率分布在大的角度范围中，并且因此激光线的亮度和可见度尤其在较亮的环境光和/或投射距离较远时是不令人满意的。不允许使用较强的激光源，一般尤其是出于安全考虑(避免伤害人眼)，因为用于这种仪器的激光器功率按照欧洲标准EN 60825-1一般被限制到2或2M激光器等级，并且因此限制到≤1mW的功率。为了解决利用裸眼观察激光线的能见度经常不足的问题，尤其提出使用激光护目镜、反射镜或光学放大器或电子检测器，但这通常阻碍了这种仪器的简单合理应用。

本发明的任务

本发明的任务是：克服现有技术的缺点，尤其是提供一种自动调平式的激光标线仪，其激光线具有更好的可见度，特别是用裸眼。

本发明的公开内容

该任务通过权利要求1的自动调平式的激光标线仪来完成。在从属权利要求中给出了优选的实施方式。

根据本发明，提出一种自动调平式的激光标线仪，它具有至少一路激光束和用于在至少一个平面内扩展该激光束的机构，其中该激光束可通过微光学元件在第一平面内扩展。

微光学元件是这样的元件，它尤其是包括衍射光学元件(DOE)和/或微折射光学元件(ROE)，其中后者术语还将如下定义。

因此，微光学元件可以是衍射光学元件(DOE)或微折射光学元件(ROE)，或者具有这样的元件。“微”表示是微观结构，它匹配于(激光)光的波长。

通过衍射光学元件，激光束可以按照就强度图形和强度分布而言可精确掌控且尽量可自由限定的方式来操纵，这无法用常见的非干涉光学元件做到。在设有DOE的情况下，在镜座上设置(或形成)有微观结构，在这里，优选使微观结构的尺寸和/或间距匹配于激光波长。不同的光学路程长度导致分光束的不同光学路程长短，就是说导致相位调制，由此出现干涉图样。在设有微折射光学元件(ROE)的情况下，同样将微观结构安置到镜座上，在这里，因折射而出现光束变化。结果是，可以利用ROE实现基本上与利用DOE时相似的光束扩展/-变化。微光学元件因此以下也被统称为干涉光学元件。

使用衍射光学元件(DOE)或微折射光学元件(ROE)表现出成本特别低廉、节省空间和便于安装的特点。

术语“非干涉光学元件”是由像例如玻璃或透明塑料这样的光学材料构成的常见光学元件，并且意味着高表面质量。高表面质量表示光滑的例如抛光的表面。非干涉光学元件表示这样的透镜(例如也是柱形透镜)，其中实现了光学效应，例如利用光束折射的光束扩展或光束转向。

本发明的一种优点是激光线的更好的可发现性和可识别性，尤其是在较远投射距离、较高环境亮度或故障光入射和/或在光学上不一致的、结构化的或强烈吸收(暗)的背景下，其做法是使连续的激光线与由干涉光学元件不连续扩展的激光束相叠加，其成系列的激光点具有比由非干涉光学元件连续扩展的激光束更高的亮度。这种作用如此进一步提高：最终的叠加激光线的亮度对比和周期性强度图案因同时对比现象、侧向的抑制和人类视觉的较高光学中心的图案识别能力而有助于获得更好的激光线识别能力—尤其在基于光学上不一致的或结构化的背景下—其甚至与连续的激光线相比能获得相应更高的亮度。本发明的进一步附加应用在于，可通过干涉光学元件在激光线内产生一系列的等距标注点，它们在某些应用场合中可用作距离尺度(例如对于孔或固定机构)。本发明的另一个优点在于，可通过所述干涉光学元件呈十字形地分裂一路激光束，并且因此同时两个相互垂直的平面可被标记。

在根据本发明的激光仪的一种有利的实施方式中，激光束可通过该微光学元件在第一平面内和/或在第二平面内进行扩展。通过这种方式，可以通过唯一的光学元件不仅实现激光交叉(两条正交线)，或可选地也实现两条单线，它们例如也能单独地进行开闭并且相互垂直地取向。

在一种优选的实施方式中，根据本发明的激光仪如此构成，第一激光束可通过微光学元件在第一平面内被扩展，第二激光束可通过非干涉光学元件在相同的第一平面内被扩展，由此，所述微光学扩展的激光束能与非干涉光学地扩展的激光束至少在该第一平面内局部区域地进行叠加。

在另一种优选的实施方式中，该非干涉光学元件可以是透镜，其具有在相互垂直的、包括着光轴的平面内的不同的折光力或者说折射能力；优选是柱形透镜。由此一来，激光束的所述扩展可以一方面成本很低而准确，且另一方面很节省空间并便于安装地实现。

在另一种优选的实施方式中，激光束可通过干涉光学元件以十字交叉方式在两个相互垂直的平面内被扩展。这样一来，可以用一激光束和一光学元件同时标示两个标记平面，并且由此节约了零件、构造支出、成本和结构空间。

在另一种优选的实施方式中，可以通过干涉光学元件在投影中产生一系列激光点，这一系列激光点布置在一条线、优选是两条相互垂直的线上。通过这一系列的激光点，激光能可以被转换成非常有利的亮度图案，由此得到所标示的平面的非常好的可识别性。一系列等距的激光点是特别有利的，它们对于所标示的平面的可识别性非常有利，并且可以在某些应用场合中被用作间距尺度(例如对于孔或紧固机构)。

在另一种优选实施方式中，可以通过这些激光点逐点地提高可由非干涉光学元件投射的激光线的亮度。通过这种由非干涉光学元件投射的激光线与干涉光学地产生的激光点的叠加，可以非常强地逐点提高激光线的亮度，并且尤其改善了激光线的可见度。

在另一种优选实施方式中，至少一路激光束可以通过作为激光源的激光二极管来产生，并且优选可通过至少一个准直光学元件、尤其是准直透镜被准直化。通过使用激光二极管作为激光源，可以成本非常低廉地制造激光标线仪以及获得其紧凑的结构。此外，借助于准直的光学元件，可以将例如由激光二极管发出的发散的激光束准直化，就是说使其平行定向，由此可以在采用干涉光学元件和非干涉光学元件的情况下实现准确的投影几何形状，并且实现精确的激光图形。

在另一种优选实施方式中，至少两路激光束可以借助分光器(Strahlteilung)、优选通过部分反射光学元件从激光源、优选从激光二极管被耦出(auskoppeln)。在最简单的情况下，这可以通过部分透明的镜来实现，该镜相对于要被分裂开的激光束以45°角布置。由此一来，可以省掉一个激光源。当例如要通过激光标线仪提供绿色激光线时，这尤其是有利的，因为此时在绿色光谱范围内发射的激光源还是相对价格昂贵的。

在另一种优选实施方式中，激光源中的至少两个可以相互共平面地进行布置。这样一来，所述制造可被简化，并且提高了激光线的位置精度。

在另一种优选实施方式中，自动调平式的激光标线仪可以具有至少另一路激光束和另一个非干涉光学元件和/或干涉光学元件。因此，例如可以通过柱形透镜或衍射光学元件(DOE)和/或ROE在第三空间平面内扩展另一激光束，并如此产生第三激光线，该第三激光线垂直于另外两路激光线，并且因此标示第三空间平面。另一方面，例如可证明有利的是，第一激光束通过衍射光学元件(DOE)和/或ROE以十字交叉方式在两个相互垂直的空间平面内被扩展，由此可由一路激光束产生由激光点构成的十字图形。该图形随后可以与由另外两路激光束借助非干涉光学元件(例如利用两个柱形透镜)所产生的两道连续激光线叠加，从而可以由三路激光束借助一衍射光学元件(DOE)和/或ROE和两个柱形透镜产生两条相互垂直的组合的激光线，带来上述的优点。

在另一种优选实施方式中，这个或这些激光源、准直光学元件以及干涉光学元件和非干涉光学元件可安装在镜组座之上和/或之中，其中该镜组座以自动调平方式构成，并且优选摆动地悬挂在优选两个相互垂直的且在工作状态中基本上水平定向的支承轴上。这样一来，能够以非常优选的方式实现激光标线仪的自动调平能力。

在另一优选实施方式中，支座机构可具有减振阻尼器，优选是磁性阻尼器，尤其是涡流阻尼器。通过这种减振阻尼器，可显著地改善振动持续时间和可获得的激光线调节精度，由此实际应用和实际应用效率得以提高。

附图说明

以下，将结合附图并依据实施例来举例性地详细说明本发明。说明书、所属的附图和权利要求包含大量特征组合。本领域技术人员能够单独审视这些特征、尤其还有不同实施例的特征并将其组合成有意义的其它组合方案。

附图示出：

图1是自动调平式的激光标线仪的实施方式的镜座组的侧视图，该自动调平式的激光标线仪包括内置的激光器模块(尤其包含激光二极管和准直透镜)和光束成形机构(柱形透镜和衍射的光学元件)及万向悬挂机构和涡流阻尼器；

图2是图1所示物体以及通过柱形透镜竖直扩展的激光束的透视图；

图3是图1所示物体以及通过衍射的光学元件被水平和竖直地扩展成扇形的激光束的透视图；

图4是内置于壳体中的图1所示实施方式的自动调平式的激光多线标线仪和所示的激光平面的斜视图。

图1至图3的视图示出了自动调平式的激光标线仪的一种实施方式的中心的光学及机械构件的基础结构。它具有镜组座1，该镜组座优选基本由金属的压铸合金(优选的是铝或锌压铸合金)构成，并且承载着以下将描述的主要的光学元件。镜组座1摇摆地悬挂在框架元件2中，该框架元件与仪器壳体(仅在图4中用标记3表示)连接。

镜组座1的摆动式的悬挂通过带有球轴承4的十字接头来实现，在此，两个相互垂直的支承轴线不是设置在一个平面内，而是竖向错开地布置，由此一来，每个旋转轴线只需要一个球轴承4并且避免了对准问题和支承轴中的卡死，就像例如因为加工误差而在采用两个球轴承4时会出现的那样。通过这种结构，镜组座1可围绕两个轴线自由摆动并且在地球重力场内定向。

为了明显地缩短摇摆地并且—在技术可行范围内—尽量无摩擦地悬挂的镜组座1的摆动持续时间(Einschwingdauer)，而没有降低在重力场内的镜组座1最终位置的调节精度，在此所示的实施例的镜组座1具有按照Waltenhof摇摆原理的涡流阻尼器。为此，铜块5被安装在摆动悬挂的镜组座1的自由下端上，在这里，铜块5在摇摆运动情况下近距离地但不接触地在一永磁体6上方运动，该永磁体与壳体3固定地连接。永磁体6有利地包括许多个单独的具有优选交变的磁场取向的磁体元件(在此是四个)并且被如此优化，即，具有尽量高的磁场密度和尽量大的磁场强度梯级的磁场线穿过铜块5，并在那里通过电磁感应产生一种与永磁体6磁场相反指向的磁场。该磁场强烈地阻尼镜组座1的摆动，但是不影响镜组座1的最终位置，这是因为阻尼效果按照磁涡流原理与永磁体6和铜块5之间的相对运动速度成比例，并且因此在镜组座1的运动被阻尼之后的静态情况下消失。

阻尼器通过这种方式可以被优化并且例如几乎根据“非周期临界状况”来调整。借助于所述涡流阻尼器，镜组座1在激光标线仪安放就位之后或在顶碰到激光标线仪之后，在一般为0.5至5秒的短暂时间内以例如每米达到几十分之一毫米的很高精度停止在地球重力场内。为了校准镜组座1在地球磁场内的精确取向，镜组座可以在铜块附近具有两个校准螺丝(例如埋头螺钉，未示出)，该校准螺丝相互之间且相对于镜组座1的重心线包夹或者说形成优选为90°的角，以及优选相对于水平激光束的取向包夹或者说形成0°或90°的角，并且可通过螺丝拧入深度来略微修正镜组座1的重心位置，由此略微修正激光线的精确取向。

此外，其直径大于铜块5的永磁体6在其外周面上具有用于所述铜块5的径向止挡(未示出)，由此一来，镜组座1的摆动运动(进而自动调平式的激光标线仪的自动调平范围)例如可被限制到某个值(例如在5°至15°范围内，一般是最大5°或8°)。这样，可防止镜组座1或与之相连的构件止挡于壳体3上，并防止例如用于激光源7、8的(非常柔软且弯垂的、但非常细且易拉坏的或者说拉力敏感的)供电电缆(未示出)例如在激光标线仪较为倾斜地安置时、在工作中或在运输中过度伸长。当在铜块5和永磁体6的径向止挡之间发生接触时，控制电路中的电触点可以被接通，使用者于是可以例如通过光学信号或声学信号或者通过激光源7、8的周期性的遮隐扫描(闪烁)被警告出现未正确找平的系统。

在此处所示的实施例中，该光学结构具有两个共平面的且垂直于镜组座1重心轴线地叠置的激光器模块7、8，每个激光器模块具有一激光二极管(未示出)和一个准直的光学元件，该准直的光学元件在此呈准直透镜(未示出)形式。

作为激光源7、8，采用价格有利的“低功率”激光二极管，它们固有地、即因为物理形成原理而产生椭圆形发散的光锥体。该光锥体通过准直透镜(未示出)被平行定向。因为激光二极管和准直透镜之间的校准变得相当重要，所以从生产技术和成本角度出发，将激光二极管和准直透镜组合成一种呈组件形式的激光器模块7、8是有利的，该模块已经发射平行定向的椭圆形光束，因而作为预制的激光器模块7、8被装入到镜组座1中。

此外，激光器模块7、8可以在准直器之前或之后还具有一掩模或光阑，其例如圆形地遮蔽着椭圆形的激光束，但是在此实施例中未包括所述掩模或光阑。

所述两路激光束中的第一路，在这里是上方的激光器模块7的激光束，在其借助准直透镜平行定向后经过一水平设置的柱形透镜9，激光束通过该柱形透镜在竖向平面内被扩展，由此，一种激光线12例如可以在墙壁和物体上以大于120°的可用角度范围来产生(见图2)。激光二极管的椭圆形激光束被如此定向，其长半轴垂直于柱形透镜9(在本实施例中呈直的圆柱体形式)的长轴，从而就是说在这里，椭圆形激光束以其长半轴竖直取向地进行布置，而柱形透镜9垂直于激光束的光束中心轴线，并且以其水平定向的长轴沿着椭圆形光束横截面的短半轴延伸。

所述两路激光束中的第二路，在这里是下方的激光器模块8的激光束，在其借助准直透镜平行定向后穿过一干涉光学元件10，像例如全息摄影元件、光栅或者像在此实施例中那样的衍射的光学元件(DOE)和/或折射的光学元件(ROE)10，其中该面状激光束被分解成许多相干的部分光源，其相互的干涉可以产生可几乎自由规定的投射亮度图案。这样一来，在此实施例中，激光束以交叉的形式分别以大于120°的角度范围被分裂成两个相互垂直的平面，由此，在这两个平面中通过被扇形地扩展成激光分光束13的激光束可以例如产生一系列等距的激光点(见图3)。或者，也可以设置衍射的光学元件(DOE)和/或ROE 10，其只在一维上扩展该激光束或者产生附加的线、标记和/或光图。

如果是衍射的光学元件(DOE)和/或折射的光学元件(ROE)10，则可以使衍射的光学元件(DOE)和/或折射的光学元件(ROE)10的有效可用面积毫无问题地匹配于椭圆形的光束横截面。椭圆形的激光束的定向不太重要，在此实施例中，激光束的椭圆形光横截面的长半轴同样适当地竖直取向，以便尤其是使得竖直的激光线的可用的角度范围和亮度降低得以优化。

就是说，在此处所示的实施例中，第一激光束通过水平布置的柱形透镜9在竖向平面内在大于120°的可用角度范围内被扩展。第二激光束通过衍射的光学元件(DOE)和/或折射的光学元件(ROE)10同时在水平平面和竖向平面内在大于120°的角度范围内以一系列不连续的分光束形式呈扇形扩展，其在竖向平面内展开成扇形的分光束因为所述两个激光器模块7、8的共平面的布置而与由柱形透镜9竖向扩展的激光束在一平面内重合。这样一来，人们获得了可投射的连续的竖直激光线，其与一系列较亮的激光点叠加，以及在水平平面内获得了一条不连续的激光线或一系列激光点，这一系列激光点共同设置在一个平面内并且刚好垂直于该竖直激光线。

仪器壳体3(见图4)优选地基本由聚合物材料或例如纤维加强型聚合物复合材料(例如纤维强化的热固性塑料或热塑性塑料)制成。仪器壳体3包围上述机械和光学组件并保护它们免受机械损伤，降低脏污风险。仪器壳体3具有十字形开口11，用于使得在水平和竖向上呈扇形扩展的激光束射出。开口11可通过一光学中性的、未使呈扇形扩展的激光束的光路变形的、由矿物玻璃或优选由具有冲击韧性的透明塑料制成的盖子封闭。

此外，壳体3在此处所示的实施例中还装有用于供电的两块电池或蓄电池(未示出)、用于共同和分开地开关所述两个激光源的操作件、优选是薄膜按键(未示出)以及用于操作激光源7、8的电子电路(未示出)。激光源7、8从安装在壳体内的电子电路到摇摆地悬挂于镜组座1中的激光二极管的供电通过很薄的、非常柔软且弯垂的供电电缆(未示出)来实现，其靠近镜组座1的悬挂点引导，用于尽量不影响镜组座1在重力场内的摇摆以及找平精度。

本发明不受具体实施方式的限制，并且不同实施方式的特征可以自由地相互组合。本申请中的描述不同零部件的相对位置的术语、例如“恰好90°”或“相互垂直”、“在一条线上”、“在光学平面内”等等描述了期望的理想位置/状态，并且包含因机械/光学设计而可能出现的一定偏差和不准确性，这被根据本发明的教导所涵盖。在说明范围的情况下，本发明教导不仅包含所给出的端点值，而且也包含所有位于其间的值和包含在其中的子范围。如果在本申请中提到激光线或可投射的激光线，则在此是指几何图形，该几何图形出现在以下情况中：在采用干涉光学元件和非干涉光学元件的情况下在一个平面内被扩展的激光束照射到平面物体上并且在那里在投影中产生了激光线。

Claims (15)

1.自动调平式的激光标线仪，具有至少一路激光束和用于在至少一个平面内扩展该激光束的机构，其特征在于，该激光束能够通过微光学元件(10)在第一平面内被扩展。

2.根据权利要求1所述的自动调平式的激光标线仪，其特征在于，该激光束能够通过微光学元件(10)在第一平面和/或第二平面内被扩展。

3.根据权利要求2所述的自动调平式的激光标线仪，其特征在于，第一和第二平面相互垂直。

4.根据权利要求1所述的自动调平式的激光标线仪，其特征在于，第一激光束能够通过该微光学元件(10)在第一平面内被扩展，第二激光束能够通过非干涉光学元件(9)在上述第一平面内被扩展，由此使得被微光学扩展的该激光束(13)能够至少在第一平面内局部区域地与非干涉光学扩展的激光束(12)叠加。

5.根据权利要求4所述的自动调平式的激光标线仪，其特征在于，该非干涉光学元件(9)具有透镜、优选是柱形透镜，该透镜具有在相互垂直的、包括光轴的平面内不同的折光力。

6.根据前述权利要求中至少一项所述的自动调平式的激光标线仪，其特征在于，该微光学元件(10)具有衍射的光学元件(DOE)和/或微折射的光学元件(ROE)。

7.根据权利要求2至6中至少一项所述的自动调平式的激光标线仪，其特征在于，该激光束能够通过干涉光学元件(10)以交叉形式在两个相互垂直的平面内被扩展。

8.根据前述权利要求中至少一项所述的自动调平式的激光标线仪，其特征在于，通过干涉光学元件(10)，能够在投影中产生一系列激光点，这一系列的激光点设置在一条线上，优选设置在两条相互垂直的线上。

9.根据权利要求8所述的自动调平式的激光标线仪，其特征在于，通过所述激光点，能够由非干涉光学元件投射的激光线的亮度能够被逐点地提高。

10.根据前述权利要求中至少一项所述的自动调平式的激光标线仪，其特征在于，至少一路激光束能够通过作为激光源的激光二极管产生，并且优选能够通过至少一个准直的光学元件、尤其是准直透镜被对准。

11.根据前述权利要求中至少一项所述的自动调平式的激光标线仪，其特征在于，至少两路激光束能够借助分光器、优选通过部分反射的光学元件从激光源、优选从激光二极管被耦出。

12.根据权利要求4至11中至少一项所述的自动调平式的激光标线仪，其特征在于，所述激光源中的至少两个激光源相互共平面地进行布置。

13.根据前述权利要求中至少一项所述的自动调平式的激光标线仪，其特征在于，该自动调平式的激光标线仪具有至少另一路激光束和另一非干涉光学元件和/或干涉光学元件。

14.根据权利要求4至13中至少一项所述的自动调平式的激光标线仪，其特征在于，激光源、准直光学元件和干涉光学元件和非干涉光学元件能够被安装在镜组座(1)之上和/或之中，其中该镜组座(1)以自动调平方式构成并且优选摆动地悬挂在优选两个相互垂直的且在工作状态下基本上水平取向的支承轴上。

15.根据前述权利要求中至少一项所述的自动调平式的激光标线仪，其特征在于，具有至少所述微光学元件的镜组座(1)具有减振阻尼器、优选是磁性阻尼器、尤其是涡流阻尼器(5、6)。

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