CN1409086A - 放射标准激光线用的合成树脂凹面锥形透镜 - Google Patents

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Abstract

一种低成本的放射标准激光线用的合成树脂凹面锥形透镜，其结构是：用透明性和任意折射率的热塑性合成树脂通过注射模塑成形装置制成的凹面锥形透镜主体的一特定表面上形成有一反射膜作为反射面，一在透镜主体上形成的锥形凹部的顶角由热塑性合成树脂材料的折射率及一比普通脱模斜角大的脱模角所限定，一分型线设置在锥形凹部的外壁外圆周的一端，一放射部由一通过脱模斜角形成的圆周形成，激光束的入射端面、锥形凹部的内表面和放射部的圆周面形成镜面，因此，由一半导体激光光源发射的激光束放射至垂直于凹面圆锥透镜主体中轴线的方向。本发明可确定标准激光线精度，可防止产生缺陷产品，以及可充分享受因大量生产的生产成本的优点。

Description

放射标准激光线用的合成树脂凹面锥形透镜
(1)技术领域
本发明涉及一种放射标准激光线用的合成树脂凹面锥形透镜，其安装在一以水平方向或垂直方向放射一标准线的标记激光装置的放射功能部件内，且其主要用于在建筑领域内设定或确定结构物或建筑物的水平精度或垂直精度，或是设定房间的天花或地板或布局或分隔的水平程度。
(2)背景技术
以合成树脂制作的凹面锥形透镜业已公知，日本专利申请第JP-A-2000-18946号中被描述为一种反射器(在下文，术语″凹面锥形透镜″将作为″反射器″的同义词)，该申请已由本申请人提出。
本申请人所提出的已知的凹面锥形透镜主要安装在一标记激光装置的放射功能部件内。凹面锥形透镜被研制成一种称之为凸成形的锥形透镜的代用物或一种呈正圆台形的圆锥台透镜，这在本申请提交之前已经知道。它还被研制成为在精度、生产和成本方面提供一种最合适的产品，一用一半导体激光作为光源的标记激光装置的放射机构的部件，这已由日本专利申请第JP-A-4-22943U号中公开。
本申请之前的已有技术有三个如日本专利申请第JP-A-2000-18946号中所述的问题，分别说明如下：
第一个问题是：在锥形透镜和圆锥台透镜中，制作的透镜以一通过金属气相沉积的圆锥表面作为反射面使激光束聚集在圆锥顶角而使激光束反射至周围，由于这样一种结构，要求高生产精度和高表面精度，故而降低大批量生产的生产成本已经不可能。
第二个问题是：因日本专利申请第JP-A-4-22943U号所描述的标记激光装置包括一氦气激光管，该管在垂直方向由通过螺旋稳定器自动支承且配置在一在头部垂直设置的风挡内，在所述风挡上设有多个螺纹固定件用以固定激光管的防护管，可防止激光管的意外移动，但是却极难在单独与电源连接时分别转动和操作所述多个固定件。
第三个问题是：因支承体是活动的，其像一锤球那样保持活动，在运送装置、运送至现场以及在现场内搬移的过程中，激光放射装置会与外壳的内壁或支柱碰撞，所述内壁或支柱的损坏以及可活动保持件的损坏将导致垂直或水平标记水位线的放射不准确。
本申请人在第JP-A-2000-18946号中所描述的发明解决了上述问题。如该发明的权利要求和详细说明书所描述的，玻璃材料、聚碳酸酯树脂以及聚苯乙烯树脂可用作为一透明件。如果为玻璃材料，则用冲压制造凹面锥形透镜。如果为丙烯酸树脂和聚碳酸酯树脂，则用注射模塑成形来制作，其中采用一金属模，其具有以圆锥凹部的开口面作为组合模分型线，其铸口为对反射无影响的一部分圆周面。在一由上述半透明件形成的实心圆柱体的一端面，凹面锥形透镜形成为圆锥凹部，其顶角精度为90°±20″且其顶角与实心圆柱体的中心线一致，而在所述圆锥凹部的内表面，通过气相沉积或其它方法形成一反射膜，以一在反射膜和圆锥凹部内表面之间的界面作为反射面，使通过所述中心线上并经过该中心线入射的光线反射到与该中心线垂直的所有方向。
如果凹面锥形透镜的顶角为90°或非常精确地在90°±20″范围内，诸如第JP-A-2000-18946号专利申请中关于上述改进所描述的发明，当材料为玻璃材料，以及当材料为热塑性组件时，除了激光束的反射范围如同分割房间的一基准线一样比较窄之外，采用此方法的优点是误差极小，可大批量生产，生产成本低，实际使用极佳，而且可用于各种类型的包括标记激光装置的激光放射装置。然而，当凹面锥形透镜由热塑性材料制成，业已发现这样一个问题：标准激光线放射精度不能确保，产生有缺陷的产品，以及不能完全达到以大批量生产来降低生产成本。
因此，考虑到造成前述情况的各种因素，发现了以下的主要原因。在各种包括标记激光装置的激光放射装置中使用的直径和长度均约为10毫米的小尺寸凹面锥形透镜，当由于注射模塑成形时脱模斜角(锥度)非常小，故而凹面锥形透镜的顶角限定在90°(±20″)的范围内被认为是可能的。采用玻璃材料制作的情况也一样，因此，不必着重于玻璃材料和热塑性合成树脂之间的折射率差异上。另外，因为脱模斜角极小，所以会出现这样一些情况，作为反射面的锥面当脱模时被损坏而未能达到所要求的高表面精度。
因此，为了获得高精度的凹面锥形透镜的顶角为90°(±20″)或更高精度，确保极小脱模斜角的金属模具的生产会使金属模具的生产成本大大增加。另外，在注射模塑成形操作中在脱模时需特别小心。因此，有一个问题就是凹面锥形透镜的生产并不能反映因大批量生产而使成本降低。
(3)发明内容
本发明的目的是提供这样一种低成本的放射标准激光线的合成树脂制的凹面锥形透镜，可解决第JP-A-2000-18946号专利申请中关于前述改进所描述的发明未能解决的问题，因此即使凹面锥形透镜是以热塑性材料制成，也可确保标准激光线放射的精度，可防止有缺陷产品的产生，以及可充分享受因大批量生产而带来的的生产成本降低的好处。
本发明的放射标准激光线的合成树脂凹面锥形透镜，其包括：一通过注射模塑成形装置以热塑性合成树脂制成的半透明的具有任意折射率的凹面锥形透镜主体，以及一在其特定表面上形成的反射膜，以在所述反射膜和凹面锥形透镜主体之间形成一作为反射面的接触界面；凹面锥形透镜主体具有一位于一圆柱形基体的中轴线一端上的锥形凹部，该锥形凹部具有适合沿垂直于中轴线的方向发射一平行于中轴线入射的激光束的顶角；由折射率获得的角度以及一比普通脱模斜面大的脱模角度，两者都是已知的顶角的一顶点，一通过顶点的圆锥中心线与基体的中轴线一致，基体一端的端面侧形成为一开口面；一分型线设置在所述锥形凹部的顶点、或在一入射端面一侧的外壁部分的外圆周上或在所述锥形凹部的开口侧边上形成的放射部分具有一锥形注射圆周面，脱模角比普通脱模斜面大，与中轴线垂直的入射端面在基体另一端部的一端面上形成，且所述入射端面、锥形凹部的内表面以及放射部的圆周面形成为镜面。
因此，反射膜由凹面锥形透镜主体的锥形凹部的内表面形成作为一特定表面，反射膜和凹面锥形透镜主体之间的接触界面成为反射面，由此，自一与凹面锥形透镜主体的中轴线一致或平行的半导体激光光源发射的激光束，通过基体的入射端面并由反射面反射，从凹面锥形透镜主体的放射部放射至垂直于凹面锥形透镜主体中轴线的方向，使得激光线放射在一需要放射的物品上。
在具有本发明上述结构的放射标准激光线的合成树脂制凹面锥形透镜中，凹面锥形透镜主体是由热塑性合成树脂通过注射模塑成形装置制成，其具有透明性及任意折射率，反射膜在其一特定表面上形成，以在反射膜和凹面锥形透镜主体之间制成一作为反射面的接触界面。
设定并形成所述凹面锥形透镜主体中轴线的顶角藉由所用的热塑性树脂的折射率以平行于中轴线入射并以垂直于中轴线的方向发射激光束并且设定及形成脱模角，所述脱模角比普通脱模斜面大，具有一锥形注射圆周面的放射部分这样形成：在锥形凹部的顶点外壁的外圆周上或在锥形凹部开口侧上设置一分型线，并利用一比普通脱模斜面大的脱模角。一与中轴线垂直的入射端面在基体的另一端部的一端面上形成，所述入射端面、锥形凹部的内表面以及放射部的圆周面形成为镜面。因此，在第JP-A-2000-18946号专利申请中所述发明末解决的有关改进的问题得到了解决，既使凹面锥形透镜由热塑性组件形成，都可确保一标准激光线的放射精度，这样一种低成本的合成树脂制的凹面锥形透镜可防止有缺陷产品的产生，且其优点是可充分享受因大批量生产而使生产成本降低的好处。
更具体地说，所述凹面锥形透镜主体的锥形凹部的顶角可由用作凹面锥形透镜主体材料的热塑性树脂材料的已知折射率以及由比一普通脱模斜面大的脱模角来限定。凹面锥形透镜主体的脱模可在不需任何特别慎重的操作以及不损坏放射部的情况下进行。保持表面精度就可确保激光束放射方向的准确性，且可有效地制作凹面锥形透镜主体。
因为按上述方式确定及模制的所述凹面锥形透镜主体的锥形凹部的顶角以所用组件的折射率为基础设定，故而平行于中轴线入射的激光束可自放射部放射，所述放射部呈圆锥形，在一具有极小精度误差的极高精度范围内(90°±30＂)的情况下，其表面精度保持为与中轴线几乎成90°角垂直的方向。
因此，所述凹面锥形透镜主体的模具具有一比普通脱模斜面大的脱模角，且凹面锥形透镜主体的锥形凹部的顶角是通过脱模斜面和折射率之间的关系决定。因此，可以相当低的成本制作具极高机械精度的模具。
如与本发明人上述公开的发明相似，即使当将铝气相沉积在锥形凹部的内表面上形成的反射膜厚度不均时，一具有高精度(即，反射强度比由25至80(Re＝0.05-0.8微米))的反射面不论其厚度如何不平都可通过增加锥形凹部内表面的精度轻易形成，从而可保持激光束放射的一精确标准激光线的线性。
不论分型线的位置是在锥形凹部的顶点外壁的外圆周或是在锥形凹部的开口侧上，凹面锥形透镜都可制成，因此以上作了选择性描述。具体地说，若凹面锥形透镜主体呈圆柱形(即，不设有一支承凸缘部和一定位凸台)，自固定在一具有贯通其中心的固定孔的近乎棱形的铝制头部主体上的一半导体激光光源发射的一激光束入射在一聚光透镜系统和一热塑性合成树脂制凹面锥形透镜的一反射面上，该凹面锥形透镜设置在一激光放射装置上的镜状固定圆筒的尖端上，由此本发明的目的可以达成，即使放射部的圆周锥形尖端的方向处于锥形凹部的开口侧或者保持固定部侧。
为更清楚理解本发明的目的、特点和优点，下面将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细的说明。
(4)附图说明
图1所示为本发明一实施例的凹面锥形透镜(M)的放大视图；
图2所示为图1中沿A-A线的剖视图；
图3所示为一激光束入射、反射及放射之间关系的局部示意图；
图4所示为使用本发明一实施例的凹面锥形透镜(M)的一激光放射装置的一组件的剖视图。
(5)具体实施方式
下面将对本发明合成树脂制凹面锥形透镜的一实施例进行描述。图1为一凹面锥形透镜M的放大视图，图2为图1中沿A-A线的剖视图，以及图3为一激光束的入射、反射及放射之间关系的示意图。凹面锥形透镜主体1由一非晶体聚烯烃树脂(Zeonex，Zeon公司的一注册商标)形成，其作为一半透明组件，其透光率极好且其具有一折射率N为1.5279，通过注射模塑成形装置形成，其直径为10毫米(机械精度：+0，-0.02)，厚度为3毫米。凹面锥形透镜主体1包括一配置有一门部10的支承凸缘部2，当支承凸缘部2阻碍支承操作时可将其去除或当支承凸缘部2不阻碍支承操作时因省略不必要的操作而可将其保留，以及一形成的入射端面5具有与支承凸缘部2相同的中轴线4，在所述入射端面5的相反侧但在所述中轴线4的方向设有一放射部6其整体模塑成形，其在支承凸缘部2的侧边底部上的长度为5毫米，直径为9毫米(机械精度：+0，-0.02)，以及其为锥形，脱模角e为3°(即锥角为6°)，在放射部6的锥形窄侧的中心连续形成具有一深度为0.5毫米的盖孔7的锥形凹部3，其深度为3.56毫米且顶角为C°。锥形凹部3的内表面，放射部6的圆周和入射端面5形成的表面粗糙度为0.05微米或小于0.05微米。
一反射膜9用铝通过气相沉积在凹面锥形透镜主体1的锥形凹部3的内表面上形成，这样形成的反射面8，其在反射膜9和锥形凹部3的内表面之间的界面上具有的反射强度率为25-80(Re＝0.05-0.8微米)。如果凹面锥形透镜主体1的尖端部可用分开的盖盖住，则配置一以合成树脂或橡胶件制成的不会损坏凹面锥形透镜M的外周的盖26，其具有一插入盖孔7中的盖固定部7a和一盖住凹面锥形透镜M外圆周顶端的盖部7b(见图4)，因此，反射膜9因被保护而增加耐用性。
如果入射角度等于或小于45°，会产生全反射，则不需反射膜9，因此生产成本可进一步降低。
为使一激光束以正垂直于中轴线4作为入射方向入射至放射部6的圆周，如果凹面锥形透镜主体1的锥形凹部3的顶角角度为C，所用材料的折射率N为1.5279，脱模角ε角度为3°，相对于反射面8的入射角(反射角)为γ°，反射方向线和垂直线4b之间的角度相对于放射部6的圆周成θ1，垂直线4b和反射方向线之间的角度为θ2以及入射线和反射线之间的角度为β，凹面锥形透镜M制成具有前述结构满足以下表达式：
N＝sinθ2/sinθ1 sinθ1＝sinθ2/N
β＝90+θ2-θ1   γ＝(180-β)/2
ε＝θ2
当C＝180-β＝2γ，C为88.96297°，并以高精度处理圆锥形状以使锥形凹部3的顶角角度为88.96297°，入射激光束可准确地以垂直于中轴线4的方向放射(精度范围为90°±20″)，从而放射一标准激光线。
前面所描述的实施例采用非晶体聚烯烃树脂(Zeonex，Zeon公司的一注册商标)，其透光率极佳且折射率N为1.5279，但也有一些例子采用聚碳酸酯树脂、聚苯乙烯树脂、甲荃丙烯酸酯树脂(Parapet，Kuraray有限公司的一注册商标)以及高分子量环己二烯均聚物(Arton，JSR公司的一注册商标)等耐热透明树脂。在这些例子中，凹面锥形透镜是通过注射模塑成形装置或压塑成型装置制成，放射面6的脱模角e角度设定为3°，锥形凹部3的顶角角度C限定为每种材料的已知折射率C。透光率极佳的热塑性合成树脂作为一透明组件，并可通过注射模塑成形装置或压塑成型装置成形，其被用作为合成树脂制凹面锥形透镜的材料，即使透明组件被替换为透光率极佳的热固性树脂并可通过压塑成形装置成形，考虑到其折射率，制成的合成树脂制的凹面锥形透镜也可以得到和热塑性合成树脂同样的效果。
当凹面锥形透镜M采用以玻璃材料制成凹面锥形透镜主体时，可以得到和合成树脂制的凹面锥形透镜M同样的效果，但其生产成本高于以热塑性合成树脂制的凹面锥形透镜M且易碎。因此，从实际观点来看较佳是采用以合成树脂制的凹面锥形透镜M。
热塑性合成树脂制的凹面锥形透镜M的用途与本发明人第JP-A-2000-18946号专利申请中所描述的反射是相同的。因此，对装备有热塑性合成树脂制的凹面锥形透镜M的激光入射装置，将参见附图仅作简单的描述。
图4所示为一装设在一桌(图中未示出)上的激光放射装置的一放射头的一组件的剖视图，其在水平两方向上水平操作，使能以一垂直方向放射一标准线至圆周。激光放射装置由以下组件构成：一具有一贯穿近乎棱形中心的固定孔20a的铝制头主体20；一固定至所述头主体20一端的半导体激光光源21，其采用波长为635纳米的可见射线半导体激光；一固定在头主体20的中间位置的透镜固定圆筒22；一由此被支承的聚光透镜系统23，其具有将半导体激光光源21发射的激光束聚合的功能以产生一平行光射线；一固定在头主体20另一端的镜固定圆筒24；一固定并保持在镜固定圆筒24顶端的热塑性合成树脂制凹面锥形透镜M；以及一盖26。

Claims (2)

1.一种放射一标准激光线用的合成树脂凹面锥形透镜，其特征在于，该凹面锥形透镜包括：
一用热塑性合成树脂通过注射模塑成形装置制成具有透明性和任意折射率的凹面锥形透镜主体(1)，以及一在其一特定表面上形成的反射膜(9)，以在反射膜(9)和凹面锥形透镜主体(1)之间形成一界面作为一反射面(8)；
凹面锥形透镜主体(1)具有一位于圆柱形基体的中轴线(4)一端上的锥形凹部(3)，该锥形凹部(3)具有一适合通过此锥形凹部(3)沿垂直于中轴线(4)的方向射出一平行于中轴线(4)入射的激光束的顶角，由已知折射率获得的角度和一比普通脱模斜角大的脱模角，一顶角的顶点和一通过顶角与基体的中轴线(4)一致的圆锥中心线，以及在所述基体一端的端面侧上形成的一开口面，一设置在锥形凹部(3)的顶角的一外壁部分的外圆周上或在锥形凹部(3)的一开口侧上的分型线，一放射部(6)形成具有一锥形注射圆周面和一比普通脱模角大的脱模斜角，一垂直于中轴线(4)形成在基体另一端端面上的入射端面(5)，以及入射端面(5)、锥形凹部(3)的内表面和放射部(6)的圆周面形成为镜面；
反射膜(9)与凹面锥形透镜主体(1)的锥形凹部(3)的内表面形成为一特定表面，反射膜(9)与凹面锥形透镜主体(1)之间的一接触界面成为反射面(8)，因此一激光束通过基体的入射端面(5)并被反射面(8)反射，从凹面锥形透镜主体(1)的放射部(6)的圆周面放射至一与凹面锥形透镜主体(1)的中轴线(4)垂直的方向，使得一激光线放射至一需要放射的物品上，其中，该激光束是自一与凹面锥形透镜主体(1)的中轴线(4)一致或平行的半导体激光光源(21)发射。
2.如权利要求1所述的凹面锥形透镜，其特征在于：所述热塑性合成树脂件是丙烯酸树脂、聚苯乙烯树脂、聚碳酸酯树脂、非晶体聚烯烃树脂、甲荃丙烯酸酯树脂以及高分子量环己二烯均聚物等耐热透明树脂的其中一种。
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