CN102362195A - 陶瓷光学件载体 - Google Patents

Abstract

尤其用于光学的测量设备(M)的光学件载体具有基体(2)，在所述基体上设有用于固定一种电子光学的发射及接收系统的装置，其中，所述光学件载体(1.1、1′)是陶瓷光学件载体。

Description

陶瓷光学件载体

技术领域

本发明涉及一种光学件载体、尤其用于光学的测量设备，所述光学件载体具有基体，在所述基体上设有用于固定一种电子光学的发射及接收系统的组件的装置。此外本发明还涉及这种光学件载体的制造方法。另外本发明还涉及一种光学测量设备、尤其是激光测距仪，其具有透镜保持部、光学件载体和发射及接收系统。

背景技术

DE 10 2005 041 980A1已公开了一种用于激光测距的光学测量设备，该测量设备被设计成手持设备。在该激光测距仪中设置由塑料制成的光学件载体作为中央元件，电子光学的发射及接收系统保持在该光学件载体上。为此光学件载体具有用于测量设备光学和/或电子组件的容纳部和固定装置。在光学件载体的前端区域上一体式地设置包含用于一种接收器光学件的容纳部的透镜保持部。此外具有激光二极管和光敏接收器二极管的电路板保持在光学件载体上，激光二极管具有安装在其之前的准直透镜用于生成激光束。电路板如此定位在测量设备中，以使激光二极管可以通过发射器光学件发射光束，并且使所述光敏接收器二极管定位在接收器光学件的焦点中。为了改善测量准确度以及为了减少测量错误，平行地设置用于发射和接收的光线路径。由此，作用于光学件载体的外部影响同样作用于所述两个光线路径。

该光学件载体连同固定在其上的电子光学的发射及接收系统与显示装置、输入装置和能量供给装置一起安装在共同的壳体中。在工作中，通过输入装置操作激光测距仪。因而由激光二极管将激光束发射至应测量距离的对象上。投射到该对象上的光点通过接收器光学件聚焦到光敏接收器二极管上并且被进行分析。通过显示装置输出所述通过测量所得到的距离值。

在实践中光学测量设备对机械负荷能力有较高要求。在安装期间会导致变形的力可能已经作用于光学件载体。设备在使用中也可能受到冲击并且因而变形。这仅可以部分地通过结构性措施弥补和避免。在此特别对于手持的光学测量设备而言基于其功能目标是受到限制的。因而钢是一种适当材料，这是因为钢具有较大的弹性模量(参见表1)。铝压铸件(Alu-Druckguss)和镁铸件(Magnesiumguss)在这方面就不适合，而塑料的弹性模量最小。然而基于重量原因应用钢是有缺点的，这是因为在表1中列出的材料中它是最重的。

表1

此外测量设备例如通过太阳照射还承受热影响。如果光学件载体与壳体固定连接，那么这会在一侧加热时导致弯曲，由此光学件载体变形并且降低测量精度。因而期望使得所述材料一方面具有较高的导热性，另一方面具有较低的热膨胀系数。如表2所示，在钢情况下这种组合是最适合的，与此同时在塑料情况下最不适合。

表2

因为电子光学的发射及接收系统包含电子构件，这些电子构件基于直至1GHz的所应用的调制频率生成电磁辐射，所以也要注意对电磁兼容性的要求。在此当光学件载体由导电材料制成时，原则上它也可以充当屏蔽物。然而这很困难，这是由于所应用的调制频率较高。在此，光学件载体应当由电导率较低的材料制成，因而光学件载体自身不可以充当用于电子光学的发射及接收系统的天线，进而不利于发射。金属材料—钢、铝压铸件和镁铸件都具有较高的导电性，因而关于电磁兼容性方面都是不适合的。在此仅塑料比较适合作为绝缘体。

表3

此外压铸或者喷铸制成的光学件载体具有受到制造限制的内应力。这种效应原则上也存在于钢板材弯曲件中。这种内应力随着使用时间和温度而松弛，从而随着时间的推移而出现光学系统的失调。

与所应用的材料有关，对于光学件载体并且进而光学的测量设备而言，因制造导致精度受限。在铝压铸件的情况下，受到制造限制的精度最小，镁铸件和塑料至钢的精度逐步增大。

在安装所述光学的测量设备时经常应用粘合剂，这是因为粘合可以极大地避免由于安装过程在光学件载体中产生的应力，在花费较小情况下可以获得较高的精度。在此金属铸造材料与钢或者塑料相比通常不太适合，这是因为它们具有通常较差的粘合特性。应用粘合剂也是受限的，这是因为例如金属是不透光的，因而应用光固化粘合剂不能快速实施粘合过程。仅塑料材料可以透光地制造，从而可以应用光固化的粘合剂。

总而言之可以确定的是，没有材料满足所有期望的要求。最适合的材料看来是钢或者塑料，其中，塑料尤其在其稳定性和热特性方面是有缺点的，然而钢尤其在电磁兼容性方面是受到挑剔的。此外在所有迄今为止所应用的材料中尤其是内应力被看做是有缺点的。

因此本发明的任务在于，提供一种光学件载体，其同时具有较高的机械和热负荷能力，有良好的电磁兼容性，具有较高使用寿命，能以较高精度制造并且能按照简单方式进行安装。

发明内容

根据本发明该任务将如此解决，即，所述光学件载体是陶瓷的光学件载体，其优选按照陶瓷注塑成型工艺(Ceramic Injection Molding-Verfahren)进行制造。这种制造工艺实现了由陶瓷材料制成的复杂构件的造型，这种造型利用传统的陶瓷制造工艺迄今为止无法实现。在此，Al₂O₃以及Al₂O₃和ZrO₃的混合物已被证实作为适当的材料。

陶瓷材料相对于迄今为止所应用的材料的特征在于特别高的强度。在应用Al₂O₃时弹性模量为390000N/m²。所述陶瓷的热特性也非常适合，这是因为在具有30W/mK的较高导热性的情况下其仅具有8.2μm/mK的热膨胀系数。因而热膨胀特别小，与此同时较高的导热性使得热量均匀地分布在整个光学件载体上。由此光学件载体在加热时经历没有变形的均匀的长度改变。此外陶瓷是绝缘体，因而通过光学件载体排除了电磁不兼容的危险。另外陶瓷具有较强的可粘合性，它比所有迄今为止所应用的材料都有优势。

因为陶瓷构件在制造中被烧结，也就是在高温下进行硬化，因而它们几乎无应力，从而不会出现由于应力松弛所导致的光学系统失调。此外按照陶瓷注塑成型工艺制造的陶瓷的受到制造限定的精度特别高，并且该精度等同于应用钢时产生的精度。

总而言之，陶瓷的光学件载体与传统材料制造的光学件载体相比在几乎所有所述方面都占优势。

在本发明的另一构造方式中，所述光学件载体由至少在波长范围内至少局部透光的陶瓷制成，尤其由UV透光的陶瓷制成。这实现了对于光固化的粘合材料的应用，以便将其他自身不透光的组件安装在光学件载体上。这种粘合剂在现有技术中广泛应用并且基于其易操作性非常适合于一种粘合连接过程。例如在应用Al₂O₃陶瓷时，在材料厚度为最大2mm情况下可以有足够的光照，其中，Al₂O₃对于波长包括350nm至635nm的宽波长范围是局部透光的。

此外透镜保持部可以与所述光学件载体集成地进行构造。一体式的实施方式降低了出现的制造公差，并且保持在所述透镜保持部中的透镜以改善了的强度被保持在光学件载体上。另外省略了用于连接所述透镜保持部和光学件载体的安装步骤，这降低了光学测量设备的制造成本和废品率。

在本发明的一种可选择的构造方案中，透镜保持部单独地进行设置并且能够与所述光学件载体连接，其中，所述透镜保持部具有用于至少一个透镜的筒管形的容纳部。所述筒管形的容纳部尤其可以用于容纳两个彼此连续排列的透镜。因而在所述透镜保持部中也可以实现复杂的光学特性。在此出于制造原因被证实为有利之处在于，透镜相应地从对置的端部区域插入到所述透镜保持部中。因而可应用的透镜的选择不局限于那些可以穿过所述容纳部而安装在外侧上的透镜。

所述光学件载体在其基体上可以附加具有至少一个轴向的凸出部和电子光学的发射及接收单元、与所述基体的所述凸出部相对应的凹口，它们在组装状态下彼此嵌合。在此，所述电子光学的发射及接收单元可以包括电路板，所述凹口设置在电路板中。因而简化了所述电子光学的发射及接收单元在基体上的安装并且提高了定位精度。在所述电路板上设置激光二极管和光敏二极管，例如APD用于发射或接收光线。在此所述凸出部和凹口优选地设置在激光二极管附近，进而为其实现特别准确的定位。

在所述基体的外侧上也可以设有定位及固定元件，利用所述定位及固定元件能够将透镜、尤其是准直透镜安装在所述基体上。通过与基体的直接连接可以简单地安装准直透镜，尤其通过粘合工艺来实现。

最后在所述基体中可以设置至少一个在所述端部区域之间延伸的容纳部，具有带通滤波器的管体能够插入到所述容纳部中。因而所述管体能够按照简单的方式定位在光学路径中，并且可以将附加的光学元件安装在所述光学路径中。通过应用具有管形外壳的管体可以保证屏蔽所述光学路径。

附图说明

关于本发明其它有利的构造方案可参考从属权利要求以及根据附图作出的对实施例的以下描述。附图中：

图1以分解图示出根据本发明的第一实施方式的具有发射及接收系统的光学件载体；

图2以纵剖图示出根据图1的组合构件，其具有安装在其上的光学组件；

图3示出根据图1的组合构件，其具有设置在其上的显示器用于安装在激光测距仪的壳体中；

图4以立体图示出根据本发明的第二实施方式的本发明的光学件载体，所述光学件载体与透镜保持部构造为一体式的；以及

图5以分解图示出根据图3的光学件载体，其具有发射及接收单元。

具体实施方式

图1和图2示出了根据本发明第一实施方式的、用于激光测距仪M的、具有发射及接收系统的光学件载体1。光学件载体1由Al₂O₃陶瓷制成，并且按照陶瓷注塑成型工艺进行制造。另选地也可以应用由Al₂O₃和ZrO₃制成的陶瓷。

光学件载体1包括具有管形的容纳部3的基体2，该管形的容纳部3沿轴向贯穿基体2。具有保持在其中的带通滤波器5的管体4插入到所述管形的容纳部3中。沿侧向在光学件载体1上设有两个定位及固定元件6，利用这两个定位及固定元件6使得具有保持部7的准直透镜定位在基体2上，并且利用夹持连接机构固定在其上。此外在光学件载体1上，将一种参考翻转元件8固定在准直透镜的具有保持部7的一侧上。在基体2的对置的侧面上设置一种目标光学组件，该目标光学组件具有楔形棱镜9和带电路板10的偏向棱镜。在端侧上，基体2具有两个端部凸缘11、12。

一种透镜保持部13被固定在前端部凸缘11上。该透镜保持部13包含前板14，在前板14中设置筒管状的容纳部15以及右侧和左侧的窗口16A、16B。两个透镜17保持在所述筒管状的容纳部15中。此外透镜保持部13具有带U形横截面的两个侧向固定元件18，利用这两个侧向固定元件18使得透镜保持部13插装在光学件载体1的前端部凸缘11上。在连接区域中，固定元件18固定夹持在前端部凸缘11上。

后端部凸缘12具有四个远离基体2指向的凸出部19，用于安装一种发射及接收单元20，在该附图中仅可见到其中的3个凸出部19。所述发射及接收单元20包含电路板21，该电路板21面对光学件载体1的一侧具有激光二极管22和光敏二极管(APD)23。在电路板21中设有四个圆形连接孔24，这些连接孔24和后凸缘12上的凸出部19相互对应。在安装时，凸出部19与连接孔24彼此接合，并且所述发射及接收单元20通过一种夹持连接机构固定在光学件载体1的后端部凸缘12上。

在组装状态下，激光二极管22、后端部凸缘12的通过部25、具有保持部7的准直透镜、参考翻转元件18和右侧窗口16A位于一轴线上，该轴线构成了用于由激光二极管22发射的光线的发射路径。在此，准直透镜7用于将由激光二极管22发射的光线汇聚成平行的光束。在参考翻转元件8中对所发射的激光执行参考测量，用于校准激光测距仪M。激光束通过右侧窗口16A无变化地射出，作为透镜的盘片插入到所述右侧窗口16A中。

所发射的激光在未示出的对象上生成光点，由激光测距仪M探测该光点。一种接收路径用于此目的，该接收路径延伸穿过两个透镜17和具有在其中保持的带通滤波器5的管体4直至光敏二极管23。所述两个透镜17使得到达的光线聚焦到光敏二极管23上。在通过所述带通滤波器5时，尽可能滤出波长不同于通过激光二极管22发射的光线的光部分，从而使得仅由激光二极管22所发射的光照射到光敏二极管23上并在那里探测该光线。

光学的目标测量路径沿着一轴线延伸，该轴线由左侧窗口16B、前端部凸缘11中的通孔26、楔形棱镜9和带电路板10的偏向棱镜构成。由此可以精确地瞄准所要测量的对象并且保证激光照射到所期望的对象上。

在图3中以其整体示出所述测量设备。该测量设备包括具有操作单元28的壳体27，该壳体具有端侧开口29。此外设有测量单元30，该测量单元30作为中央元件包含前述光学件载体1，该光学件载体具有保持在其上的组件。光学件载体1由U形显示器保持部31包围，该显示器保持部将显示器32保持在其边柱的自由端部之间。安装在光学件载体1上的透镜保持部13在其外侧由安装在该显示器保持部31上的橡胶套33包围。测量单元30从敞开的端侧插入到壳体27中，其中，橡胶套33封闭端侧开口29。在壳体27中附加地设置未示出的能量供给单元。

在图4和图5中示出根据本发明的第二实施方式的光学件载体1′。第二实施方式的光学件载体1与第一实施方式的光学件载体几乎相同，因而用相同的附图标记标识相同的构件。

光学件载体1′包含具有两个侧向的定位及固定元件6的基体2，具有保持部7的准直透镜如前述保持在这两个侧向的定位及固定元件上。在其前端部上，基体2与透镜保持部13实施为一体式的。透镜保持部13如在第一实施方式中那样，包含具有中央的筒管状的容纳部15和两个侧向窗口16A、16B的前板14。透镜17从外部插入到筒管状的容纳部15中。

在基体2背侧的端部上设置后端部凸缘12，该后端部凸缘与第一实施方式的后端部凸缘以相同方式构造。与第一实施方式的发射及接收单元相同的一种发射及接收单元20被安装在该后端部凸缘上。

尽管光学件载体1′与第一实施方式的光学件载体相比有很小的结构差别，然而单个组件的设置方式前述实施例中的设置方式相同。因而原则上得到相同类型的光学轴线以及单个组件的相同类型的工作方式。在第二实施方式中，未明确示出的参考翻转单元和目标光学组件如前述那样安装在光学件载体1′上。测量设备M，正如先前在结合图3对于第一实施方式中已描述的那样，其功能与第一实施方式的测量设备相同。

Claims (13)

1.光学件载体(1、1′)，尤其是用于光学的测量设备(M)，所述光学件载体具有基体(2)，在所述基体上设有用于固定一种电子光学的发射及接收系统的装置，其特征在于，所述光学件载体(1、1′)是陶瓷的光学件载体。

2.根据权利要求1所述的光学件载体(1、1′)，其特征在于，在所述基体(2)的外侧上设有定位及固定元件(6)，利用所述定位及固定元件能够将透镜(7)、尤其是准直透镜安装在所述基体(2)上。

3.根据权利要求1或2所述的光学件载体(1、1′)，其特征在于，所述基体(2)具有至少一个轴向的凸出部(19)，用于固定电子光学的发射及接收单元(20)。

4.根据前述权利要求之一所述的光学件载体(1、1′)，其特征在于，所述光学件载体(1、1′)由至少在波长范围内至少局部透光的陶瓷制成，尤其由透光的陶瓷制成。

5.根据权利要求4所述的光学件载体(1、1′)，其特征在于，所述光学件载体(1、1′)由Al₂O₃陶瓷或者Al₂O₃和ZrO₃陶瓷制成。

6.根据前述权利要求之一所述的光学件载体(1、1′)，其特征在于，透镜保持部(13)集成地与所述光学件载体(1、1′)进行构造。

7.根据权利要求1至6之一所述的光学件载体(1、1′)，其特征在于，设置透镜保持部(13)并且其具有用于至少一个透镜(17)的筒管形的容纳部(14)，其中，所述光学件载体(1、1′)能够与所述透镜保持部(13)连接。

8.根据权利要求7所述的光学件载体(1、1′)，其特征在于，所述筒管形的容纳部(14)用于容纳两个彼此连续排列的透镜(17)，该透镜能够从对置的端部区域插入到所述透镜保持部(13)中。

9.根据前述权利要求之一所述的光学件载体(1、1′)，其特征在于，在所述基体(2)中设置至少一个在所述端部区域之间延伸的容纳部(3)，具有带通滤波器(5)的管体(4)能够插入到所述容纳部中。

10.光学的测量设备(M)，尤其是激光测距仪，其具有透镜保持部(13)、光学件载体(1、1′)和发射及接收系统，其特征在于，构造根据前述权利要求之一所述的光学件载体(1、1′)。

11.根据权利要求10所述的光学的测量设备，其特征在于，构造根据权利要求6所述的光学件载体(1、1′)，所述发射及接收系统包括电路板(21)，所述电路板具有激光二极管(22)和光敏二极管(23)、尤其是APD，并且所述电路板(21)具有与所述基体(2)的所述凸出部(19)相对应的凹口(24)，所述凸出部(19)插入到所述凹口中。

12.用于根据权利要求1至9之一所述的光学件载体(1、1′)的制造方法，其特征在于，所述光学件载体(1、1′)按照陶瓷注塑成型工艺进行制造。

13.根据权利要求12所述的制造方法，其特征在于，所述陶瓷注塑成型工艺利用Al₂O₃陶瓷、尤其是Al₂O₃和ZrO₃陶瓷来实施。

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