CN106918330B - 激光模块和激光标线仪 - Google Patents

Abstract

一种激光标线仪激光模块包括：光学器件架(1)，激光源(4)，其安装在光学器件架(1)的一端，光束成形元件(2)，其安装在光学器件架(1)中，用于成形从激光源(4)发出的激光束，和反射镜(6)，其通过镜支座安装在光学器件架(1)的另一端，用于反射成形的激光束并且以激光平面的形式输出激光束；其中，镜支座包括至少一个支腿(8)，其延伸在反射镜(6)和光学器件架(1)之间，并且稳固连接着反射镜(6)和/或光学器件架(1)。

Description

激光模块和激光标线仪

技术领域

本申请涉及一种具有改进的镜支座的激光模块以及包含这种激光模块的激光标线仪。

背景技术

激光标线仪或水平仪常被用于建筑、装修和其它各种行业中。典型的激光标线仪包括至少一个激光模块，用于发射出激光平面，该激光平面投射到对象上而形成激光标线，以方便操作。

图1示意性展示了一种传统激光标线仪的激光模块，其主要包括大致细长管形式的光学器件架1，安装在光学器件架1中的透镜2，装于光学器件架1一端的激光二极管座3，由激光二极管座3支承的激光二极管4，安装在光学器件架1另一端的玻璃管5，和由玻璃管5支承的圆锥镜6。从激光二极管4射出的激光束穿过透镜2而被准直，准直的激光束然后被圆锥镜6反射而穿过玻璃管5以激光平面的形式输出，如图1中的虚线所示。

在这种激光模块中，圆锥镜6通过胶水固定在玻璃管5上，而玻璃管5又通过胶水固定在光学器件架1上。玻璃管和这两个胶接界面对标线仪质量有负面影响。举例而言，玻璃管的精确定位较为困难。此外，胶水在固化过程中会收缩，且在固化后会蠕变，这两种效应都会引起激光模块精度漂移。

发明内容

本申请的目的是提供一种用于激光标线仪的激光模块，其能够解决前述由玻璃管和胶水固化稳定性引起的定位精度问题。

为了实现这个目的，本申请在其一个方面提供了一种用于激光标线仪的激光模块，其包括：光学器件架；激光源，特别是激光二极管，其安装在光学器件架的一端；光束成形元件，其安装在光学器件架中，用于成形从激光源发出的激光束；和反射镜，特别是圆锥镜，其通过镜支座安装在光学器件架的另一端，用于反射成形的激光束并且以激光平面的形式输出激光束；其中，镜支座包括至少一个支腿，其延伸在反射镜和光学器件架之间，并且稳固连接着反射镜和/或光学器件架。

根据一种可行实施方式，所述镜支座通过下述工艺中的一或多种连接到反射镜和/或光学器件架：钎焊/焊接；材料变形；形状配合。

根据一种可行实施方式，所述镜支座与反射镜和光学器件架中的一个一体地形成，并且稳固连接到反射镜和光学器件架中的另一个。

根据一种可行实施方式，所述镜支座、反射镜和光学器件架由具有相近或相同热膨胀系数的材料制成，例如都由铝制成。

根据一种可行实施方式，所述至少一个支腿包括单一的支腿，其包括从反射镜的顶点沿着反射镜的中心轴线延伸出来的第一腿部和从第一腿部延伸到光学器件架的一或多个第二腿部。

根据一种可行实施方式，所述支腿可横向变形而改变反射镜相对于光学器件架的位置和定向，用以校准激光模块。

根据一种可行实施方式，所述至少一个支腿包括若干支腿，所述若干支腿从反射镜的外周部分沿着平行于反射镜的中心轴线的方向延伸到光学器件架。

根据一种可行实施方式，每个支腿包括第一腿部和第二腿部，第一腿部比第二腿部细，第一腿部连接着反射镜或与反射镜形成一体，并且第二腿部与光学器件架形成一体或连接着光学器件架。

根据一种可行实施方式，所述每个支腿可横向变形而改变反射镜相对于光学器件架的位置和定向，用以校准激光模块。

根据一种可行实施方式，所述激光标线仪具有外壳，其上具有通过支撑柱支撑着的罩板，所述罩板被构造成保护反射镜，所述支腿被布置成沿激光模块的径向方向分别与相应的支撑柱对正。

本申请在其另一个方面提供了一种激光标线仪，其包括至少一个前面所述的激光模块。

在本申请的激光模块中，利用镜支座将圆锥镜稳固连接于光学器件架，而不使用玻璃管和胶水，因此，激光模块的定位精度可以提高。

附图说明

通过阅读下面参照附图所做详细描述，可进一步了解本申请，在附图中：

图1是根据现有技术的激光标线仪激光模块的示意图；

图2是根据本申请的可行实施方式的激光标线仪的立体图；

图3是根据本申请的可行实施方式的激光标线仪激光模块的示意图；

图4是图3所示激光模块中使用的镜支座的立体图；

图5是根据本申请的另一可行实施方式的激光标线仪激光模块的立体图；

图6和7是图5所示激光模块中可以使用的两种镜支座的立体图；

图8是展现本申请的激光模块中的光学元件的可能相对运动的示意图；

图9至11是展示本申请的镜支座的调节的示意图；以及

图12是展示本申请的镜支座的腿的变形的示意图。

具体实施方式

下面参照附图描述根据本申请的激光标线仪的一些可行实施方式。

本申请总体上涉及一种激光标线仪，如图2中示意性展示。激光标线仪100包括外壳101，通过万向节悬挂于外壳中的自我水平的摆锤(未示出)，和由摆锤支承的至少一个激光模块(见图3和5)，用于发射出激光平面。在图2所示实施方式中，设有两个激光模块，用于发射出水平激光平面P1和横向竖直激光平面P2；然而，本申请的激光标线仪中可以采用更多或更少的激光模块。

激光标线仪的外壳101包括为每个激光模块配备的罩板102。罩板102通过支撑柱103连接着外壳101的主体部分，支撑柱103之间组装有透明板104，以使得激光模块产生的激光平面能够照射到外壳101外面。

如图3所示，根据本申请的可行实施方式的激光模块包括光学器件架1，其形式为细长管。一或多个光束成形元件布置在该光学器件架1中。光束成形元件可以选自、但不限于：准直透镜(球面透镜的叠层或非球面透镜)，抛物面镜，衍射器件。作为光束成形元件的例子，准直透镜2被显示为安装在光学器件架1上，例如安装在光学器件架1中形成的台阶上。激光二极管座3安装在光学器件架1的后端(图3中的右端)，激光二极管4由激光二极管座3支承，例如安装在激光二极管座3上或之内。具有镜面7的圆锥镜6通过镜支座安装于光学器件架1，使得镜面7朝向激光二极管4。镜面7为圆锥面，其母线(圆锥顶点与底部之间的连线)的形式为直线，或是内凹的曲线，例如抛物线(适于聚焦)。

准直透镜2、激光二极管4和圆锥镜6同轴布置，限定出激光模块的光轴A。激光二极管4构造成用于朝向准直透镜2发射激光束。激光束穿过准直透镜2并被其准直，从而激光束在离开准直透镜2后变得基本上相互平行且围绕光轴A。然后，准直的激光束入射到圆锥镜6的镜面7并且被镜面7以围绕镜面7且垂直于光轴A的激光平面的形式反射出来。

镜支座包括一或多个支腿，所述支腿一方面连接着圆锥镜6，另一方面连接着光学器件架1。

图3和4展示了镜支座具有一个支腿8，其包括第一腿部8a和一或多个第二腿部8b。第一腿部8a的形式为大致直杆，其第一端在圆锥镜6的顶点处连接着圆锥镜6，并且第一腿部8a沿着圆锥镜6的中心轴线即光轴A从圆锥镜6延伸出来。第一腿部8a的第二端连接着或形成有一或多个第二腿部8b，所述第二腿部8b从第一腿部8a的第二端伸出并且连接着光学器件架1。理论上讲，仅有一个第二腿部8b就足以将圆锥镜6固定到光学器件架1。然而，在考虑到稳定性和耐用性等其它因素时，需要采用两个、三个、甚至更多个第二腿部8b。在所示的实施方式中，四个第二腿部8b被采用，它们垂直于圆锥镜6的中心轴线延伸而形成十字形。在其它实施方式中，第二腿部可以相对于圆锥镜6的中心轴线倾斜延伸。

图5显示了一种实施方式，其中镜支座包括连接在圆锥镜6的外周与光学器件架1之间的若干支腿8。

圆锥镜6的外周形成有连接部9，用于连接支腿8。例如，在所示的实施方式中，连接部的形式为外周凸缘。

每个支腿8的形式为平行于圆锥镜6的中心轴线延伸的直杆。支腿优选沿着圆锥镜6的外周均布。在图5所示的实施方式中，最少可以利用两个支腿8将圆锥镜6固定到光学器件架1。然而，考虑到稳定性和耐用性等其它因素，需要采用三个(见图6)、四个(见图7)、甚至更多个支腿。

每个支腿8可以是具有恒定直径的杆；然而，出于调节以及其它因素的考虑，每个支腿8可以包括较细的第一腿部8a和较粗的第二腿部8b，即第一腿部8a比第二腿部8b细，每个支腿8的第一和第二腿部8a和8b彼此构成一体，并且分别连接着圆锥镜6和光学器件架1。较细的第一腿部8a的轴向长度可以等于或略大于圆锥镜6的轴向尺寸，以便尽可能少地阻碍激光束。

根据本申请的可行实施方式，镜支座被单独制成，然后稳固连接到圆锥镜6和光学器件架1。例如，镜支座、圆锥镜6和光学器件架1分别由铝制成，且镜支座通过下述工艺中的一或多种而稳固连接到圆锥镜6和光学器件架1：

·钎焊/焊接(熔接)

·材料变形，例如冷成型(压接，挤压，...)

·形状配合

任何工艺都不涉及胶接。

通过采用借助前述工艺中的一或多种而稳固连接到圆锥镜6和光学器件架1的镜支座，现有技术的两个胶接界面被省略，从而可以避免因胶水在固化过程中收缩、在固化后蠕变引起的激光模块精度漂移。

另外，在现有技术中，圆锥镜6和光学器件架1的材料(例如，铝)、胶水和玻璃管的热膨胀差异可能导致激光模块的精度不稳定。根据本申请，镜支座优选由与圆锥镜6和光学器件架1具有相近或相同热膨胀系数的材料制成，例如，镜支座、圆锥镜6和光学器件架1都由铝制成，从而避免上述因热膨胀差异导致的问题。

根据本申请的可行实施方式，镜支座与圆锥镜6或光学器件架1形成一体。

例如，在镜支座包括单一支腿8的情况下，如图3和4所示，支腿8可以与圆锥镜6一体形成。也就是说，镜支座由圆锥镜6的整体材料形成，使得第一腿部8a从圆锥镜6的顶点延续，第二腿部8b构造成借助前述工艺中的一或多种而稳固连接到光学器件架1。

作为另一个例子(未示出)，镜支座与光学器件架1形成一体。也就是说，镜支座由光学器件架1的整体材料，使得第二腿部8b从光学器件架1延续，第一腿部8a构造成借助前述工艺中的一或多种而稳固连接到圆锥镜6。

当镜支座被形成为与圆锥镜6或光学器件架1一体时，可以获得下面的益处：

·减少全部零件的数量(潜在地节约成本)；

·减少零件之间的界面数量；

·组装步骤数目减少，且组装时间短；

·累积公差小；

·减少光束路径中的有效光学器件的数量；

·减少材料种类数量，并且因此使得激光模块的热膨胀一致；

·提高校准后的标线仪的稳定性。

需要指出，外壳101的罩板102支撑柱103(见图2)不可避免地在相对于圆锥镜6的中心轴线的径向上阻碍激光平面。在镜支座包括围绕圆锥镜6的若干支腿8时，支腿8也会阻碍激光模块产生的激光平面。在这种情况下，支腿8的数量优选等于或小于罩板102的支撑柱103的数量，并且从圆锥镜6的中心轴线沿径向朝向支撑柱103看，各支腿8分别与相应的支撑柱103对正。以这种方式，由于支撑柱103已经对激光平面造成遮挡，因而支腿8不会进一步阻碍激光平面。

可以理解，在前面描述的例子中，激光二极管4用于发出激光束。可以理解，也可以使用其它适宜形式的能够发出激光束的激光源。此外，在前面描述的例子中，圆锥镜6用于将激光束以激光平面的形式反射出来。可以理解，也可以使用其它适宜形式的能够实现此功能的反射镜。

根据本申请的进一步的方面，激光模块的各光学器件的相对位置和定向是可调的。在解释这种调节之前，首先参照图8考察各光学器件的可能运动。

在图8中，引入直角坐标系，其包括沿着光轴A的Z轴，和彼此垂直且都垂直于Z轴的X和Y轴。

假定光束成形元件(透镜2)是固定的而作为基准，并且其中心轴线限定光轴A，激光二极管4和圆锥镜6分别具有六个运动自由度(DoF)，也就是沿着X、Y和Z轴移动和绕X、Y和Z轴转动的能力。当激光二极管4和圆锥镜6沿X和Y轴方向相对于光轴A移动且绕X和Y轴转动后，它们到达从光轴A偏置的位置，且它们的中心轴线4A和6A相对于光轴A倾斜。在激光二极管4和圆锥镜6没有精确校准时，激光平面沿着径向向外方向发散，如图8中的虚线所示，并且具有最高激光密度的实际位置O’从具有最高激光密度的理想或期望位置O偏移，如图8所示。

通过将激光二极管4和圆锥镜6沿X和Y轴方向移动，可以校准激光平面的倾角，并且通过将激光二极管4沿Z轴方向移动，可以设定射出激光束的焦点。

根据现有技术，激光模块的校准过程涉及将激光二极管4沿X和Y轴方向移动，将激光二极管4绕X和Y轴转动，将圆锥镜6沿X、Y和Z轴方向移动，和将圆锥镜6绕X和Y轴转动。所有这些调节需要同步进行而不能将它们解耦，因此校准是很困难的。在激光模块中采用胶接玻璃管的情况下，由于胶水在固化过程中收缩、在固化后蠕变，校准更为困难。

当激光模块中使用前面描述的镜支座时，激光模块的校准可以通过弯曲镜支座的支腿实现。例如，通过弯曲图3和4所示的镜支座中的单一支腿8，圆锥镜6相对于光束成形元件(透镜2)的位置和定向可被调节，以实现激光模块的校准。

对于具有若干支腿8的镜支座，诸如图5-7中所示的，校准涉及弯曲这些支腿中的一个、多个或全部。下面以图6所示的具有三个支腿8的镜支座为例，参照图9-11描述这种校准。

在图9中，圆锥镜6处在校准前的状态，镜支座的全部三个支腿8保持为直的，即平行于圆锥镜6的中心轴线。

在图10中，通过将全部支腿8横向弯曲相同的量9(对称)，而每个支腿8的相反两端在X和Y轴方向上的相对位置保持不变，圆锥镜6相对于光学器件架1在Z轴方向上的位置从校准前的状态(以点线表示)移动一个距离ΔZ。也就是说，圆锥镜6和光学器件架1(以及激光二极管4)之间的轴向距离被缩短。通过调节圆锥镜6和激光二极管4之间的轴向距离，可以用于实现射出激光束的聚焦。

在图11中，通过将一个支腿8横向弯曲一定距离，同时该支腿8的相反两端在X和Y轴方向上的相对位置保持不变，圆锥镜6相对于光学器件架1的定向从校准前的状态(以点线表示)改变(即实现圆锥镜6的倾斜，如图中曲线箭头所指示)，可能绕X和Y轴之一或二者改变。

可以理解，通过弯曲一或多个或全部支腿8，而弯曲后的支腿8的相反两端在X、Y和Z轴方向中的一或多个方向上的相对位置也被改变或保持不变，圆锥镜6可以相对于光学器件架1定位在任何理想的位置和定向。

支腿8在被弯曲后固定在弯曲的形状和位置，从而通过弯曲镜支座的一或多个支腿8可实现校准。

需要注意，尽管在图10和11中显示弯曲支腿8以使得支腿8在弯曲后本身具有一定角度，但也可以将支腿8以其它方式弯曲，例如弯成曲线形，以使得支腿8的相反两端之间在至少一个方向上的相对位置在支腿变形后发生变化。

从图12中可以看到，在支腿8被横向弯曲了距离D后，支腿8的相反两端之间的轴向距离(在Z轴方向上)减小一个量L，而L远小于D。这使得校准过程具有较高鲁棒性。

通过这种方式，可以在单一的过程中通过弯曲镜支座的一或多个支腿8而调节圆锥镜6的位置和定向(以及激光平面的特性)，也就是说，能够通过单一零件在单一位置的设置而快捷地实现激光模块的校准。

激光二极管4不再需要以精密的公差进行调节，因此可以更灵活地设计其周围的散热结构，以实现更大的热通量。

在利用玻璃管固定圆锥镜的现有技术中，玻璃管如果在轴向上的构造不完美，它就会像透镜一样使得激光线的准直失真。另外，玻璃管如果厚度不均和正交性低，则构成产量损耗源。根据本申请，玻璃管被替换为镜支座，而镜支座由可调的一或多个支腿构成，因此与玻璃管的制造和组装有关的前述问题就不存在了。

虽然上面描述了一些实施方式，但这些实施方式仅以示例的方式给出，而不意于限制本申请的范围。所附权利要求及其等同替换意在覆盖落在本申请主旨和范围内的所有修改、替换和变更。

Claims (12)

1.一种用于激光标线仪的激光模块，包括：

光学器件架(1)；

激光源(4)，其安装在光学器件架(1)的一端；

光束成形元件(2)，其安装在光学器件架(1)中，用于成形从激光源(4)发出的激光束；和

反射镜(6)，其通过镜支座安装在光学器件架(1)的另一端，用于反射成形的激光束并且以激光平面的形式输出激光束；

其中，镜支座包括至少一个支腿(8)，其延伸在反射镜(6)和光学器件架(1)之间，并且稳固连接着反射镜(6)和/或光学器件架(1)；并且

其中，所述支腿(8)可横向变形而改变反射镜(6)相对于光学器件架(1)的位置和定向，用以校准激光模块。

2.如权利要求1所述的激光模块，其中，所述镜支座通过下述工艺中的一或多种连接到反射镜(6)和/或光学器件架(1)：

钎焊/焊接；

材料变形；

形状配合。

3.如权利要求1所述的激光模块，其中，所述镜支座与反射镜(6)和光学器件架(1)中的一个一体地形成，并且稳固连接到反射镜(6)和光学器件架(1)中的另一个。

4.如权利要求1至3中任一项所述的激光模块，其中，所述镜支座、反射镜(6)和光学器件架(1)由具有相近或相同热膨胀系数的材料制成。

5.如权利要求4所述的激光模块，其中，所述镜支座、反射镜(6)和光学器件架(1)都由铝制成。

6.如权利要求1至3中任一项所述的激光模块，其中，所述至少一个支腿(8)包括单一的支腿(8)，其包括从反射镜(6)的顶点沿着反射镜(6)的中心轴线延伸出来的第一腿部(8a)和从第一腿部(8a)延伸到光学器件架(1)的一或多个第二腿部(8b)。

7.如权利要求1至3中任一项所述的激光模块，其中，所述至少一个支腿(8)包括若干支腿(8)，所述若干支腿(8)从反射镜(6)的外周部分沿着平行于反射镜(6)的中心轴线的方向延伸到光学器件架(1)。

8.如权利要求7所述的激光模块，其中，每个支腿(8)包括第一腿部(8a)和第二腿部(8b)，第一腿部(8a)比第二腿部(8b)细，第一腿部(8a)连接着反射镜(6)或与反射镜(6)形成一体，并且第二腿部(8b)与光学器件架(1)形成一体或连接着光学器件架(1)。

9.如权利要求7所述的激光模块，其中，所述激光标线仪具有外壳(101)，其上具有通过支撑柱(103)支撑着的罩板(102)，所述罩板(102)被构造成保护反射镜(6)，所述支腿(8)被布置成沿激光模块的径向方向分别与相应的支撑柱(103)对正。

10.如权利要求1至3中任一项所述的激光模块，其中，所述激光源(4)是激光二极管。

11.如权利要求1至3中任一项所述的激光模块，其中，所述反射镜(6)是圆锥镜。

12.一种激光标线仪，包括至少一个如权利要求1至11中任一项所述的激光模块。

Images