DE10055161B4

DE10055161B4 - Justageanordnung für Strahlteiler

Info

Publication number: DE10055161B4
Application number: DE10055161A
Authority: DE
Inventors: Lieu-Kim Dang
Original assignee: Hilti AG
Current assignee: Hilti AG
Priority date: 2000-11-08
Filing date: 2000-11-08
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2020-11-09
Also published as: JP2002244004A; DE10055161A1; CH695635A5; US6529329B2; US20020085611A1

Abstract

Justageanordnung zur Minimierung der Winkelfehler (Δ) der mittels eines Strahlteilers (2) abgelenkten Teilstrahlen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) eines primären Laserstrahls (4), welcher, divergent von einer Strahlenquelle (5) ausgehend, in einem Kollimator (6) gebündelt parallelisiert auf den Strahlteiler (2) gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des divergenten primären Laserstrahls (4) eine transparente Planplatte (7) angeordnet ist, welche räumlich schwenkbar einstellbar ist.

Description

Die Erfindung bezeichnet eine Justageanordnung zur Minimierung der Winkelfehler der mittels eines Strahlteilers abgelenkten Teilstrahlen eines primären Laserstrahls, vorteilhaft ausgebildet für Multibeam-Lasergeräte, bspw. Dreiachsen-Laser für Anwendungen im Baugewerbe.
Üblicherweise werden mehrere Spiegel und Strahlteiler verwendet, um einen primären Laserstrahl in rechtwinkelig abgelenkte Teilstrahlen zu unterteilen. Aus der US 5,307,368 A ist eine Justageanordnung mit einer Strahlquelle zur Erzeugung eines divergenten Laserstrahls, der von einem Kollimator gebündelt und auf ein Strahlteilersystem gebündelt wird, bekannt. Das Strahlteilersystem umfasst einen ersten und zweiten Strahlteiler, die drei senkrechte Teilstrahlen erzeugen. Dabei muss jeder einzelne Spiegel und Strahlteiler präzise justiert und befestigt werden, um die erforderliche genaue Ausrichtung der Teilstrahlen zueinander zu erzielen. In den neuen Geräten ersetzt ein einziges Strahlteilerprisma solche Spiegel. Das mit einer sehr hohen Genauigkeit bezüglich der Raumwinkel zwischen den aktiven Oberflächen hergestellte Strahlteilerprisma wird bei nur geringen tolerierbaren Winkelabweichungen bezüglich des Laserstrahls im freien Raum oder in einem Gerät mit Klebestoff oder über eine bewegliche mechanische Aufnahme justiert, befestigt und fixiert. Derartige Justageanordnungen weisen keine hohe mechanische Stabilität gegen thermische Einflüsse oder schockartige Beanspruchungen auf, wie sie im Baugewerbe üblich sind.
Nach der US 5617202 A wird in einem Multibeam-Lasergerät zur Erzeugung der rechtwinkelig abgelenkten Teilstrahlen ein Strahlteilerprisma eingesetzt, wobei zur lateralen Ablenkung von Teilen des primären Laserstrahls auf einzelnen aktiven Oberflächen des Strahlteilers planparallele, transparente Platten vorhanden sind, welche im parallelen Strahlengang zwischen dem Kollimator und dem Strahlteiler angeordnet sind.
Nach der US 5321717 A werden spezielle Prismenkombinationen zur Stahlfokussierung von Laserstrahlen eingesetzt, welche auch eine laterale Verschiebung der Strahlen bewirken.
Nach der US 5341246 A werden schwenkbar einstellbare planparallele, transparente Platten zur lateralen Ablenkung von Laserstrahlen eingesetzt, welche auf Prismen gerichtet sind.
Nach der US 6118471 A werden in Teilbereichen des divergenten Strahlengangs normal orientierte, planparallele transparente Platten eingesetzt, um eine Phasendifferenz innerhalb des Strahlengangs zu bewirken.
US 4,468,119 A offenbart eine Justageanordnung zur Minimierung von Fehlern mit einer Strahlquelle, einem Strahlteiler und einer Umlenkoptik in Form eines Penta-Prismas, das auf einer Spindel um eine Drehachse drehbar angeordnet ist. Im Strahlengang des Laserstrahls ist eine planparallele Platte vorgesehen, die mittels einer Einstelleinrichtung manuell oder automatisch um eine Drehachse verstellbar ausgebildet ist. Der Strahlteiler teilt den Laserstrahl in zwei Teilstrahlen, wobei ein erster Teilstrahl zum Penta-Prisma und ein zweiter Teilstrahl zu einer Detektoreinrichtung gerichtet ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Realisierung einer einfachen und mechanisch stabilen Justageanordnung zur Minimierung der Winkelfehler der mittels eines Strahlteilers abgelenkten Teilstrahlen eines primären Laserstrahls.
Die Aufgabe wird im Wesentlichen durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im wesentlichen weist die Justageanordnung zur Minimierung der Winkelfehler der mittels eines Strahlteilers abgelenkten Teilstrahlen eines primären Laserstrahls, welcher, divergent von einer Strahlenquelle ausgehend, in einem Kollimator gebündelt parallelisiert auf einen Strahlteiler gerichtet ist, innerhalb des divergenten primären Laserstrahls eine transparente Planplatte auf, welche mit Justagemitteln räumlich schwenkbar einstellbar ist.
Die räumlich schwenkbare transparente Planplatte führt zu einer lateralen parallelen Verschiebung des Strahls und zusammenwirkend mit dem nachfolgenden Kollimator zu einem Winkelversatz. Somit wird die virtuelle Lichtquelle aus der Ursprungslage lateral verschoben.
Die Grösse des Ablenkungswinkels hängt von der Dicke D, dem Brechungsindex n der Planplatte, von der Brennweite f der Kollimatorlinse und dem Kippwinkel ε ab. Der Ablenkungswinkel α ist näherungsweise durch folgende Formel gegeben:
Da der lateral parallel justierbare Strahl hinter dem Kollimator zusätzlich in einem Justierwinkel abgelenkt ist, unter welchem er auf den Strahlteiler mit unterschiedlich oft reflektierten Teilstrahlen, bspw. einem reflektierten und einem transmittierten Teilstrahl, gerichtet ist, wird vermittelt durch die bei Reflektion erfolgende Justierwinkelverdopplung bezüglich der zum Justierwinkel parallelen Transmittation eine Justage der Winkellage zwischen den Teilstrahlen ermöglicht. Die Übertragungsfunktion vom Kippwinkel der transparenten Planplatte zum Ablenkungswinkel ist sehr klein. Die Justage der räumlichen Kippwinkel der transparenten Planplatte ist durch die dadurch bewirkte geringfügige Ablenkung des primären Laserstrahls wesentlich einfacher durchführbar und bezüglich einer Fixierung der Einstellung mechanisch stabiler gegenüber Temperaturausdehnung und schockartiger Beanspruchung. Diese Eigenschaft zeichnet die Stabilität der Justagemethode aus.
Die gekippte transparente Planplatte führt zusätzlichen Astigmatismus und Koma in den Strahlengang ein, was zur Veschlechterung der Wellenfrontaberation des Laserstrahls führen kann. Daher hängt die obere Grenze des Ablenkungswinkels davon ab, welche Kollimatorlinse, numerische Apertur des Teilstrahls und schliesslich welche optische Qualität der Ausgangsstrahlen benötigt werden. Insbesondere bei Anwendungen im Baugewerbe überwiegen jedoch die Vorteile der mechanisch stabilen Justageanordnung.
Vorteilhaft ist die Lage der transparenten Planplatte bezüglich der aus Strahlenquelle und Kollimator bestehenden Kollimationseinheit nach der Justage mit Klebstoff fixierbar, welcher auf benachbarte Flächenbereiche verbindend aufgebracht ist.
Vorteilhaft ist der Strahlteiler als ein, mit einer sehr hohen Genauigkeit bezüglich der Raumwinkel zwischen den aktiven Oberflächen ausgeführtes, Strahlteilerprisma ausgebildet, wodurch einzelne Bauteile und Justageschritte bezüglich der beiden Orientierungen eines Teilstrahls entfallen.
Vorteilhaft ist die transparente Planplatte räumlich drehschwenkbar einstellbar, wodurch bei koaxialer Drehung zum primären Laserstrahl ein Freiheitsgrad der Justage konstant bleibt und diese somit vereinfacht.
Vorteilhaft ist die transparente Planplatte fest in einer Kalotte aufgenommen. Diese Kalotte ist nach der Justage bezüglich der Kollimationseinheit mit Klebstoff fixierbar.
Alternativ vorteilhaft ist der Rand der transparenten Planplatte sphärisch ausgebildet und wird direkt in der Aufnahme der Kugelschalenform mit Klebstoff fixiert.
Die Erfindung wird bezüglich eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels näher erläutert mit:
1 als Justageanordnung
Nach 1 weist eine Justageanordnung 1 zur Minimierung der Winkelfehler Δ der mittels eines Strahlteilers 2 fünf rechtwinkelig zueinander abgelenkten Teilstrahlen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e eines primären Laserstrahls 4, welcher, divergent von einer als Halbleiterdiodenlaser ausgebildeten punktförmigen Strahlenquelle 5 ausgehend in einem Kollimator 6 gebündelt, parallelisiert auf den als Strahlteilerprisma ausgebildeten Strahlteiler 2 gerichtet ist, innerhalb des divergenten primären Laserstrahls 4 eine transparente Planplatte 7 auf, welche durch Stellschrauben als Justagemittel 8 innerhalb einer Kalotte 9 räumlich schwenkbar einstellbar ist. Über einen grossen, räumlich schwenkbaren Kippwinkel ε ist ein sehr kleiner Ablenkungswinkel α zur optischen Achse A einstellbar. Bei einer üblichen Anordnung für Dreiachsen-Laser mit n = 1.515; D = 3 mm; f = 27 mm; ε = 0.122 rad (~7°) ergibt sich bspw. ein Ablenkungswinkel α von 21 Bogenminuten, wodurch die Übertragungsfunktion 0.05 beträgt. Der auf Grund der Parallelität der beiden zugeordneten Oberflächen des Strahlteilerprismas unverändert in der Ausbreitungsrichtung durch das Strahlteilerprisma transmittierte Teilstrahl 3a ist um den einfachen, die reflektierten Teilstrahlen 3b, 3d sind um den zweifachen, Ablenkungswinkel α abgelenkt, wodurch der Winkelfehler Δ korrigierbar ist. Entsprechendes gilt auch für eine Kippung der transparenten Planplatte 7, um die senkrecht zur optischen Achse A und in der Zeichenebene liegende Achse.

Claims

Justageanordnung zur Minimierung der Winkelfehler (Δ) der mittels eines Strahlteilers (2) abgelenkten Teilstrahlen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) eines primären Laserstrahls (4), welcher, divergent von einer Strahlenquelle (5) ausgehend, in einem Kollimator (6) gebündelt parallelisiert auf den Strahlteiler (2) gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des divergenten primären Laserstrahls (4) eine transparente Planplatte (7) angeordnet ist, welche räumlich schwenkbar einstellbar ist.
Justageanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine, die Strahlenquelle (5) und den Kollimator (6) beinhaltende, Kollimationseinheit und die transparente Planplatte (7) benachbarte Flächenbereiche ausbilden, die relativ zueinander mit Klebstoff fixierbar sind.
Justageanordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (2) als ein Strahlteilerprisma ausgebildet ist.
Justageanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Planplatte (7) räumlich drehschwenkbar einstellbar ist.
Justageanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der transparenten Planplatte (7), deren Lage zum primären Laserstrahl (4) einstellende, Justagemittel (8) zugeordnet sind.
Justageanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Planplatte (7) in einer Kalotte (9) aufgenommen ist.
Justageanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Planplatte (7) einen sphärisch ausgebildeten Rand aufweist.