CN102362212A - 自动调平式的五路光束激光装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种被实施为自动调平式的五路光束激光装置，其具有三个激光源(21、61)，其中，由所述激光源(21)生成的两路激光束分为各两路分光束，其中，所述分光束中的一路分别与第三激光源(61)的光束在点(P)相交。

Description

自动调平式的五路光束激光装置

背景技术

本发明涉及一种自动调平式的五路光束激光装置。这种装置在工业、手工业和家庭作坊领域中用于校准、标记、测量和定向的目的。通过光束将测量点投射到壁和/或物体上，并且就这样撑开一种水平平面和垂直平面。这种五点或者五路光束激光装置是已知并且是市场上可供的。

US 6,542,304示出用于激光标记装置的分光器，其具有中央通道，围绕该通道有四个相对于激光束倾斜45°的反射分裂面，这些分裂面在光束轴线中彼此以相应90°的旋转错开方式进行设置。由此唯一的激光源的光束可以分为五路激光分光束，它们撑开了一种空间的正交系。US 5,617,202公开了借助于反射镜或者半透明反射镜分裂光束的可能性。

现有技术的缺点一方面是复杂的光学结构。此外所述光束不可以分开地接通和关断。另外由于光束分裂使得光束强度降低了，从而所投影的单个点相应亮度较弱，这因而是有缺点的，这是因为基于激光等级所述强度降低不能毫无疑问地通过更强的激光来平衡。

发明内容

本发明的任务在于克服现有技术的缺点，尤其是提供一种自动调平式五路光束激光装置，其在结构紧凑和制造及校准费用较低的情况下生成具有较高定位精度的激光光束。

该任务通过权利要求1的五路光束装置来解决。在从属权利要求中给出优选的实施方式。

根据本发明提供一种自动调平式的五路光束激光装置，其具有三个激光源，其中，由所述激光源生成的两路激光束分为各两路分光束。所述分光束中的一路分光束分别与第三激光源的光束的轴线在一点处相交。

术语“五路光束激光装置(以下也简称：激光装置)”的意思是，该装置发射五路激光束，这些激光束对应于三维笛卡尔(或者说正交)坐标系的五个轴线。所述坐标系优选如此取向，以使所述光束中的三个从所述坐标系的原点(即所述交点)指向水平面的四个主方向的其中三个，并且两个光束位于垂直平面中，也就是朝向上方或者朝向下方取向。因而利用所述装置例如在房间中可以将五个点投射到壁、地面和天花板上，它们可以用于测量房间或者作为其它的参考量。术语“五路光束”意思是：在装置内部生成五路光束；并且包括：这些光束在离开激光装置时也可以例如通过一种DOE(稍后说明)扇形地分裂。

基于安全原因，激光装置中的激光器的功率限定在确定等级，例如根据DINEN 60825-1限定在2或者2M激光器等级。这意味着，相应的激光束尽量避免伤害人眼。然而尽可能大的功率是所期望的，以便获得尽可能亮的投射点。基于此原因，激光源光束的分裂是有缺点的，这是因为由此降低了各个投射点的亮度。每个激光束应用一个激光源是有优点的，然而具有相应光学元件(例如准直透镜)的单个激光器在制造成本低廉和节约空间的设置方式方面存在问题。因而有创造性地了解到：在应用三个激光源以及分裂所述三路激光束中的两路的情况下可以制造一种五路光束激光装置，所述五路光束激光装置一方面带来各个所投射的激光点的最佳亮度，另一方面具有紧凑的结构。

在所述激光装置中优选地将激光束分为各两路轴线相同的且反向平行的分光束。这尤其通过屋顶镜(Dachspiegel)实现。屋顶镜是光学元件，其可以廉价地且以较高精度地进行制造。屋顶镜的两个镜面彼此形成90°角并且与相应的激光束成45°角地取向，该镜面使得激光束相应地转向为以90°的方向变化的分光束。这两个分光束精确地沿相反的方向延伸。可选的是，也可以通过棱镜来进行分光。通过所述转向，光束位于相同的轴线上。借此，关于笛卡尔坐标系的原点的准确测量效果是可行的，该坐标系通过激光束来撑开或者说形成。因而全部光束关于坐标系无角度误差并且无偏移。

在一种优选实施方式中，所述三个激光源以其纵轴线按照轴线平行的方式进行设置。这三个激光源尤其朝向同一方向发射其光束。通过这种设置方式，这三个激光源连同其光学元件直接彼此相邻。这一方面是节约空间的。另一方面单个激光源(或者说激光二极管)的电接口直接地并排排列。这使得电布线变得容易。因为全部激光二极管的接线柱的方向是相同的(其中角度定向由于椭圆形的光束撑开(Strahlaufweitung)而部分地旋转90°)，因而例如激光二极管的接口可以直接接触在唯一的电路板上。

具有三个激光器的所示实施方式的另一优点在于，激光源可以通过电开关分开地和/或共同地接通和关断。因为激光装置通常通过电池供应能量，因而可以关闭不需要的激光源。在此受结构类型的限制仅独立的光束、也就是非分光束彼此分开地控制。因而正面光束可以与水平光束对分开地并且也与垂直光束对分开地接通或关闭。

按照有利方式，所述五路激光束或者分光束中的至少一个引导通过一种衍射光学元件(DOE，随后进一步描述)。由此可以将特殊形结构，例如坐标十字、光束的扇形扩展等等投影到上述相应的投影面上。

所述激光束或者所述分光束中的至少一路另选地也可以引导通过正方形或矩形光阑。通过该设置方式，以简单装置遮蔽激光束，从而通过衍射，在投射到例如壁上时出现水平和垂直设置的旁瓣最大值，其生成坐标十字。该坐标十字的中点是最亮的，并且点的强度在侧面减弱。优选在所述第三激光源(也就是在其光束未分裂的激光源)的光束中应用这种遮蔽，然而也可以在其他各个激光(分)光束中应用。

在另一有利构造方式中，要分裂的所述激光束中的至少一路被引导通过用于圆形遮蔽的(圆形)光阑。因为激光源优选是激光二极管，所以存在已知的问题是：激光二极管生成椭圆形横截面的光束。通过所述遮蔽，由椭圆形的激光横截面生成一种圆形光束。基于遮蔽，仅光束的中央区域、也就是其最高强度的区域继续传导和使用。这使得所投影的激光点同样具有均匀和亮度相同的强度。

在另一优选构造方式中，所述激光源被实施为激光二极管，并且在光路中均设置准直透镜。在激光二极管和准直透镜之间设置光阑用于圆形遮蔽。尤其是用于圆形遮蔽的所述光阑与准直透镜联合组成一个组件。通过这种集成，明显地简化了安装，这是因为仅需将组件插入到光学单元的块中，并且所述组件自动同轴地相对于激光器对中。为了校准仅需要调节屋顶镜的角位置，也就是所述镜的偏转方向。

优选通过内部的光学单元实现自动调平，所述内部光学单元抵靠所述五路光束激光装置的支承单元借助于两个彼此垂直且优选水平取向的支承轴进行支承。所述轴承原则上是万向节，这也可以被称为万向接头。基于球轴承运行平稳而减少了静摩擦作用，因此即使在激光装置的较小的倾斜位置时内部光学单元也可以停止摆动，从而激光装置自动地相应地进行水平或者垂直定向。在交叉支承的情况下，支承轴优选彼此错开90°。支承交叉不一定非要对称，也就是说交叉中点与支承点具有相同间距。功能相反也是可行的，例如在其中一个轴中，万向节不具有支承轴而是具有轴承套，在该轴承套中容纳球支承的且抗转动地固定在光学单元上的轴。另选地也可以通过悬挂的固定、例如通过尽可能无弹性的绳索或者带有扭曲链环的单节链元件等等来实现所述自动调平。

在一种改进构造方式中，所述内部光学单元为了减震而相对于外部壳体通过减振阻尼器进行耦联，并且所述减振阻尼器优选被实施为涡流制动器。

附图说明

以下将结合附图并依据实施例来举例详细说明本发明。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以三维视图示出五路光束激光装置连同其支承元件；

图2沿着两个激光二极管示出激光装置的纵截面图(垂直截面图)；

图3沿着两个激光二极管示出激光装置的水平截面图；

图4沿着屋顶镜示出具有光路的激光二极管的截面图；

图5是借助于棱镜分裂光束的另一实施方式；

图6以示意图示出激光束的遮蔽；以及

图7示出另选的实施方式。

图1的视图示出自动调平式的五路光束激光装置(缩写为：激光装置)1，该激光装置1以在两条水平轴线上可转动的方式以及自动调平地支承在壳体中。

由该激光装置1生成五路激光束。这包括照射房间地面的下垂直光束2b、照射房间顶部的上垂直光束2a。两路水平光束3a和3b以及正面光束4位于水平面中。在此水平光束3a和3b的方向是反向平行的，并且在正面光束4和水平光束3a和3b之间存在90°角。根据图1，垂直光束2a和2b借助于十字交叉标识形式的DOE(＝Diffraktives Optisches Element-衍射光学元件，随后进一步描述)来扩展。激光装置1的光学单元的自动调平的悬挂方式使得在例如可能发生震动之后自动地重新调节所述水平的和垂直的方向。

当共同观察图2和图3时可看到激光装置1的内部结构。其设置了三个激光源(激光二极管)21、41和61。图3示出：例如激光源21和61分别生成一路激光束，并使其锥形地扩展直至到达准直透镜22和62，在那里该激光束转换为准直的、也就是平行取向的光束。相应地，根据图2的激光源41生成一路激光束。

第一屋顶镜25插入到激光源21(图3)的光路中，该第一屋顶镜25将光束分为水平和反向平行(即反向指向且位于相同轴线上)的两路光束3a和3b。相应地屋顶镜45位于激光二极管41的光路中，该屋顶镜45将光束分为垂直的和反向平行的两路光束2a和2b。第三激光源61的光束在经过准直透镜62和矩形光阑69之后离开光学单元。

根据图3，激光源21和61位于相同的水平平面中，而激光源41直接位于激光源61的下方。屋顶镜25和45如此设置，以使每一路所生成的分光束与第三激光源61的光束在点P处汇合。该点P视为由激光束撑开的三维笛卡尔坐标系的原点。该交点P位于自由空气中并且不位于例如光学元件之内。这五路激光束、也就是激光二极管21和41分出的光束以及激光二极管61的光束如此照射，以使它们例如在激光装置所处的房间的壁上显示出所述坐标系轴线的投影。该投影可以例如在光束3a、3b和4中通过明显清晰的激光点、或者例如在光束2a和2b中通过扇形发散为坐标十字(Koordinatenkreuz)的激光束来实现。

如前面已经描述的那样，激光二极管21、41和61彼此直接相邻，并且它们均具有适配器，该适配器环形地环绕相应的激光二极管，并且激光二极管固定在该适配器中、优选地进行粘合。该适配器连同相应的激光二极管一起分别构成激光单元20、40和60，在该激光单元上成形有端面，该端面与光学单元的激光侧的接触面11相接触。

对于准确的投影-/测量效果来说的重要先决条件在于，这些激光束尽可能精确地位于所述坐标系中。为此激光二极管21、41和61以及屋顶镜25和45的精确的定位和角位置是非常重要的。具体实现方式一方面在于，所述三个激光单元20、40和60紧贴在连续的、共同的激光侧的接触面11上。在生产技术方面能够简单而且价格低廉地制造一种连续的平面，从而通过在该平面上的共同贴合来实现激光的彼此精确的按照角度的取向。

此外在光学单元上成形了平行于激光侧接触面11的反射镜侧的端面12，该端面在每个屋顶镜25和45中过渡进入到圆柱形缺口(孔)。屋顶镜25和45在其位置中通过反射镜的侧端面12和所述圆柱形区域如此限定，以使所述屋顶镜仅能沿着其旋转轴线取向。为此在屋顶镜25、45上侧向地成形了校准面32和52，该校准面充当接触面用于使屋顶镜25、45沿着其旋转轴线校准所述角位置。屋顶镜单元在光学单元的生产过程中已校准之后，它们或者通过粘接或者通过紧固螺栓固定在其位置中。

就此意义而言，在光学单元中激光束的校准非常简单，这是因为在安装时激光二极管仅需大致对应于其椭圆形的光束扩展(Strahlaufweitung)(随后描述)地进行取向，并执行屋顶镜的所述角度校准。光学单元的构造方式用来使得激光单元20、40和60的所述角和区域位置彼此精确地预定，并且使其相对于屋顶镜25和45也精确地预定。因为光学单元由金属材料制成，例如由铝压铸合金或锌压铸合金制成，所以能忽略温度膨胀或者老化问题，例如扭曲。

激光装置在所有侧面处由壳体(未示出)包围，该壳体在激光出射区域处设有窗口，并使激光装置免受环境影响，例如污物或者杂质影响。此外电单元未示出，其固定在激光装置的壳体上，并且包括供电装置(例如电池)、一些开关(用于接通和关断单个激光源)以及导线。导线包括电缆，其从电单元引导到内部的光学单元，其中，这些电缆以尽可能柔韧的方式实施，以便尽可能不影响自动调平。

根据图3，第三激光源61的光束引导通过准直透镜62，并且在离开光学单元时通过矩形光阑69遮蔽。矩形光阑69具有矩形开口，该开口小于激光束，从而出射的激光束得到矩形的横截面。通过矩形光阑69上的衍射，形成了具有所投影的激光点的旁瓣最大值(Nebenmaxima)的干涉图样。由此并且借助于下述方式可以在例如建筑物壁上由所述旁瓣最大值生成投影的十字交叉：矩形光阑69在其相对于激光束2a、2b、3a和3b的角位置中取向；所述十字交叉相应于激光束的坐标系。代替矩形光阑69，同样可以应用正方形光阑。

所述光学单元的在图1中所示轴承座8a和8b接纳球轴承以及第一支承轴(Lagerachse)(未示出)，该第一支承轴可以使光学单元在第一角位置中转动地进行支承。该第一支承轴被设计成万向节的部分。该万向节具有旋转90°的第二支承轴(未示出)，该第二支承轴通过球形轴承支承在壳体中。光学单元的重心垂直地位于万向节的中心的下方，从而光学单元可以如此围绕两个独立方向摆动，以使激光3a、3b和4位于水平面中。

为了使得光学单元尽可能地快速地逐渐停止或者趋于稳定，设置了涡流制动器形式的阻尼器。在此涡流块90固定在光学单元上，该涡流块90优选由铜制成。直接相邻地且非接触地给涡流块90分配一种固定在壳体上的永磁体。该永磁体包括多个单个磁体，这些磁体如此取向，以使大量磁力线引导通过涡流块90。按照Waltenhof摇摆原理，在涡流块90相对于永磁体的相对运动时，在涡流块90中感生电流，其磁场反向于永磁体的磁场作用并由此抑制摆动运动。涡流块90的轴线相对于垂直线倾斜大约30°。虽然针对最佳阻尼效果来说所述涡流块沿垂直方向(也就是0°)的一种取向是最佳的，但却首先得到该取向，这是因为涡流块90不允许覆盖下方的垂直激光束2b的区域，并且其重量用于调平光学单元5。

此外在图3中示出了两个错置90°的校准螺丝84，其被实施为埋头螺钉。通过其拧入到光学单元中的深度，也就是其相对于第一和第二支承轴的垂直距离，可以如此校准所述光学单元的重心，以使该重心垂直地位于第一和第二支承轴的轴承交叉中部(die Mitte des Lagerkreuzes)的下方。

在垂直光束2a和2b的光路中设置DOE(衍射光学元件)46、47，它们以坐标十字(Koordinatenkreuz)的形式扩展光束。DOE是衍射光学元件，其中例如通过光刻图微结构(Fotolitographie Mikrostruktur)设置到玻璃支座上。类似于在透镜中，分光束的不同的光学路程长度导致相位调制(Phasenmodulationen)，其可以形成干涉图样。由此通过激光束除了坐标十字之外也可以投影任意图案和图形。所述DOE 46、47不仅可以在激光束2a和2b的情况下设置，而且也在所述五路光束激光装置的其它光束的情况下设置。同样所述矩形光阑69可以设置在与正面光束4不同的激光束上。DOE 46、47或者矩形光阑69的数量可以自由选择。

图4示意性地示出借助于屋顶镜45和DOE46所进行的光束分裂(Strahlteilung)。光束经过准直透镜42并在此被校准之后，该光束入射至屋顶镜45，该屋顶镜相对于光束居中地取向，并且具有两个相对于光束以45°取向的镜面，这两个镜面将光束分为强度实际上相同的两个分光束并使它们均以90°如此偏转，以形成两个反向平行的、也就是在相同轴线上沿相反方向移动的分光束。此外图4示出一种圆形光阑44，该圆形光阑44插入到在激光二极管41和准直透镜42之间的光路中，并且将通过激光二极管41生成的椭圆形发散的光束限定为锥形光束。圆形光阑44与准直透镜42一起被实施为共同的组件，该组件是一体式的并且可以就这样在一道工序中安装在光学元件中。屋顶镜45的边缘(在其上两个镜面彼此汇合(übergehen))尽可能是尖角式的，也就是以半径尽可能小的方式成形，以便将散射损耗保持得尽可能小。

如图5所示可以另选地应用棱镜来分裂光束，其中，激光元件41的光束照射至被实施为部分镜的棱镜斜边侧(Hypothenusenseite des Prismas)，并且在那里一方面部分地向上(根据图5)偏转，另一方面部分地射入棱镜。所射入的光束在棱镜的右端面上正常反射，并且通过在棱镜中的其他反射在斜边侧上以90°偏转，并且就这样朝向下方离开棱镜。以这种方式也可以将激光束分为两个在相同轴线上的反向平行的光束并使其转向。

图6示意性地在左侧示出例如由低功率的激光二极管生成的激光束的椭圆形。由激光二极管生成的激光束受技术限制具有椭圆形的光束横截面，该横截面越椭圆，激光器功率越小。在右侧示出具有较高功率的激光二极管的激光束的椭圆形。因而该右侧光束的椭圆更小，也就是比左侧光束更接近于圆形形状。在两侧将圆形光阑44示出为圆形。图6示出通过圆形光阑44限定激光的光束，并且仅一部分光束入射到在俯视图中作为矩形示出的屋顶镜25或45上。圆形光阑44的直径如此选择，以使光束强度在其内部边缘上为光束中心能量的大约10-15％，从而遮掉/遮蔽能量更低的光束部分。

图7示意性地示出两种其他实施方式。图7a相当于已述主实施方式的原理图，与此同时图7b示出一种实施方式，其中发射不分裂光束的激光源沿轴向错开，从而其光束不再与两个其他光束相交。然而该激光束的轴线此外延伸穿过交点。

在图7c的另选方案中，其光束不被分裂的激光源以90°转动并且附加的反射镜使得光束以同一角度转向，从而再次出现已述的交点。任意其他转动角度也是可以想到的。

本发明不受具体实施方式的限制，不同实施方式的特征可以自由地相互组合。

Claims (11)

1.自动调平式的五路光束激光装置(1)，具有三个激光源(21、41、61)，其中，由所述激光源(21、41)生成的两路激光束分为各两路分光束，其中，所述分光束之一分别与第三激光源(61)的光束的轴线在点(P)处相交。

2.根据权利要求1所述的具有三个激光源的五路光束激光装置，其中，所述光束被分裂为轴线相同且反向平行的两路分光束，尤其通过屋顶镜(25、45)执行所述分裂。

3.根据权利要求1或2所述的五路光束激光装置，其中，所述三个激光源(21、41、61)轴线平行地设置，尤其是所生成的三路激光束指向同一方向。

4.根据前述权利要求之一所述的五路光束激光装置，其特征在于，所述激光源能够分开地和/或共同地接通和关断，为此设置尤其是电子的开关元件。

5.根据前述权利要求之一所述的五路光束激光装置，其特征在于，所述五路激光束或者所述分光束中的至少一路被引导通过衍射光学元件(DOE)(46、47)。

6.根据前述权利要求之一所述的五路光束激光装置，其特征在于，所述激光束或者所述分光束中的至少一路被引导通过正方形或矩形光阑(69)。

7.根据前述权利要求之一所述的五路光束激光装置，其特征在于，要被分裂的所述激光束中的至少一路被引导通过用于圆形遮蔽的(圆形)光阑。

8.根据权利要求8所述的五路光束激光装置，其特征在于，所述激光源被实施为激光二极管，并且在光路中分别设置准直透镜，在激光二极管和准直透镜之间设置所述至少一个光阑用于圆形遮蔽。

9.根据权利要求8或9所述的五路光束激光装置(1)，其中，用于圆形遮蔽的所述光阑与准直透镜联合组成一种组件。

10.根据前述权利要求之一所述的五路光束激光装置(1)，其特征在于，所述五路光束激光装置(1)具有内部的光学单元(5)作为所述激光源(21、41、61)的容纳部，并且所述内部的光学单元(5)抵靠所述五路光束激光装置的壳体自动调平式地沿着两个彼此垂直并且优选水平取向的支承轴(82、84)进行支承。

11.根据前述权利要求之一所述的五路光束激光装置，其特征在于，所述内部的光学单元相对于外部壳体通过减振阻尼器进行耦联，所述减振阻尼器尤其被实施为涡流制动器。

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