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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines aus parallelen Lichtstrahlen bestehenden Strahlenbündels.
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Aus der
EP 0 831 350 A2 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines aus parallelen Lichtstrahlen bestehenden Strahlenbündels bekannt. Die bekannte Vorrichtung weist eine kugelförmige Linse auf, die in einer Hülse an deren oberem planen Ende aufgenommen und befestigt wird, wobei diese Hülse an dieser Stelle eine Durchbrechung aufweist und die kugelförmige Linse in diese Durchbrechung, dort Fenster genannt, eingeführt ist. Die Hülse selbst ist auf einem scheibenförmigen Träger aufgebracht, wobei der Mittelpunkt des scheibenförmigen Trägers mit dem Mittelpunkt der kugelförmigen Linse übereinstimmen soll. Das die kugelförmige Linse, von einer Lichtquelle herkommende, verlassende Licht wird in einen Lichtleiter eingekoppelt, wobei die Stirnfläche des Lichtleiters sehr viel kleiner als die laterale Ausdehnung des von der Kugellinse kommenden Strahlenbündels ist. Da das die Kugellinse verlassende Licht mit Ausnahme einer definierten Lichteinkoppelfläche des Lichtleiters ansonsten eine lichtundurchlässige Stirnfläche aufweist, ist eine weitergehende Justierungsmaßnahme zwischen Lichtquelle, Kugellinse und definierter Lichteinkoppelfläche nicht erforderlich. Ohne die definierte stirnseitige Öffnung des Lichtleiters bzw. ohne Lichtleiter wäre die bekannte Vorrichtung für die angegebenen Zwecke nicht einsetzbar.
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Aus der
DE 75 02 361 U ist ein Kleinprojektor für ein zu projizierendes Symbol, beispielsweise in Form eines Lichtpfeiles und dgl., bekannt, bei dem in Richtung der Lichtstrahlachse einer Lichtquelle eine den Wünschen des Benutzers angepaßte Blende, ggf. mit den gewünschten Symbolen versehen, einbringbar und wiederum entfernbar ist, wobei in Richtung des Austritts des Lichtstrahls nach der Blende eine optische Einrichtung positionierbar ist. Die optische Einrichtung ist in einen gesonderten Tubus von dessen stirnseitiger Öffnung her einbringbar, wobei der Tubus in einen zweiten Tubus, in dem die Lichtquelle und die Einrichtung zur Aufnahme unterschiedlicher Blenden angeordnet sind, einsteckbar und herausziehbar ist.
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Vorrichtungen der eingangs genannten Art können beispielsweise optische Instrumente sein, mit denen gebündelte Lichtstrahlen für Meß-, Kalibrierungs-, und sonstige Zwecke benötigt werden, beispielsweise auch im Zusammenhang mit geodätischen Vermessungsgeräten usw. Im einfachsten Fall kann eine derartige Vorrichtung beispielsweise auch als einfache Markierungsleuchte ausgebildet sein, um beispielsweise bei Vorträgen vor einem Auditorium Lichtpunkte auf beispielsweise auf eine Leinwand projizierte Bilder bzw. Elemente der Bilder zu richten, um diese für das Auditorium sichtbar zu markieren. Diese Vorrichtungen werden nach Art einer miniaturisierten Taschenlampe gehandhabt.
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Der von der Lichtquelle ausgehende Lichtstrahl soll definitionsgemäß einen geringen Querschnitt aufweisen, da es bei der gattungsgemäßen Vorrichtung nicht auf das Erhellen der Umgebung des Ziels des Lichtstrahls ankommt, sondern nur auf die optische Markierung des Ziels, um dieses dann in seiner Gesamtheit visuell erfassen zu können. Dazu ist es ausreichend, daß die Lichtquelle ebenfalls regelmäßig einen geringen Lichtaustrittsquerschnitt aufweist. Selbst wenn derartige Maßnahmen bei einer Lichtquelle getroffen werden, ist es zur Bündelung des aus der Lichtquelle austretenden Lichts nötig, eine lichtfokussierende Einrichtung vorzusehen, um das Licht zu bündeln und zu parallelisieren, so daß ein im wesentlichen punktförmiger Lichtstrahl aus der Vorrichtung austritt.
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Im Stand der Technik wurden dafür bisher die verschiedensten Linsen bzw. Linsensysteme verwendet und in ein entsprechendes, vor der Lichtquelle in Lichtaustrittsrichtung angeordnetes bzw. wirkendes Gehäuseelement oder dergleichen eingepreßt und dort gegebenenfalls zusätzlich durch Klebung oder andere Befestigungsmittel in dem so ausgebildeten Sitz der Optik gesichert.
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Durch die fertigungsbedingten aber auch konstruktionsbedingten Toleranzen derartiger Sitze bzw. Einfassungen der Optiken, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, entsteht regelmäßig eine Abweichung zwischen der optischen und der mechanischen Achse eines solchen Systems. Man ist gezwungen, um eine punktförmige Abbildung des Lichtstrahls axial zur Achse des Lichtstrahls dennoch zu erhalten, diese Abweichungen zu vermindern, was mit einem erheblichen zusätzlichen Fertigungsaufwand und einem erheblichen zusätzlichen Justageaufwand verbunden ist, um die Achsverschiebung zu minimieren bzw. aufzuheben. Die gegenwärtig bei Vorrichtungen der gattungsgemäßen Art verwendeten Optiken weisen regelmäßig einen Rand zur Einfassung oder zu einer definierten Auflage auf einem in einem Gehäuse oder einer Gehäusehülle angeordneten Auflager bzw. Anschlag auf. Daraus ergibt sich, daß die im Stand der Technik verfügbaren lichtfokussierenden Einrichtungen, d. h. die verschiedenen Linsen bzw. Linsensysteme, einen verhältnismäßig großen Außendurchmesser aufweisen, der äußerst hinderlich in bezug auf das Bestreben ist, den Außendurchmesser der Vorrichtung so klein wie möglich zu halten, der der wunschgemäß angestrebten Ausbildung des Lichtstrahls, nämlich diesen punktförmig auszugestalten, an sich zuwider läuft.
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Ein weiteres Problem stellt sich darin, daß zur Gewährleistung eines im wesentlichen punktförmigen Lichtstrahls eine hohe Genauigkeit der mechanischen Achslage der lichtfokussierenden Einrichtung zum Mittelpunkt bzw. zur Mittelachse der Lichtquelle gewährleistet sein muß, was wiederum eine hohe Genauigkeit der mechanischen Einfassung der lichtfokussierenden Einrichtung einerseits und der hochgenauen Ausbildung des Sitzes der lichtfokussierenden Einrichtung an ihrem Sitz vor der Lichtquelle andererseits erfordert. Das Anbringen der bekannten lichtfokussierden Einrichtung erfolgt unter anderem deshalb durch Einpressung der lichtfokussierenden Einrichtung in den entsprechenden Sitz vor der Lichtquelle, um, soweit möglich, eine hohe Genauigkeit der mechanischen Achslage der lichtfokussierenden Einrichtung zum Mittelpunkt bzw. zur Mittelachse der Lichtquelle zu gewährleisten. Ein Verkippen der lichtfokussierenden Einrichtung bei der Fertigung bzw. der Anordnung am vorgenannten Ort muß auf alle Fälle vermieden werden, um den angestrebten punktförmigen Lichtstrahl zu erhalten. Das hat zur Folge, daß an die Fertigung des Sitzes der lichtfokussierenden Einrichtung zu ihrer bestimmungsgemäßen Fixierung und gegebenenfalls weiterer optischer Komponenten besonders hohe Anforderungen gestellt werden, was insgesamt hohe Fertigungskosten verursacht. Dieses gilt ebenfalls für die oben erwähnte mechanische Einfassung der lichtfokussierenden Einrichtung. So müssen Preßwerkzeuge für den richtigen, eng tolerierten Sitz der lichtfokussierenden Einrichtung sorgen.
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Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der auf einfache und sehr effektive Weise eine Ausrichtung der lichtfokussierenden Einrichtung, d. h. von deren optischer Achse axial zur optischen Achse der Lichtquelle, möglich ist, ohne daß aufwendige Justagemaßnahmen erforderlich sind und ebenfalls aufwendige Maßnahmen zur Vorbereitung und Ausbildung des Sitzes der lichtfokussierenden Einrichtung relativ zur Lichtquelle nötig sind und die Vorrichtung somit kostengünstig herstellbar und bereitstellbar ist, so daß sich die Vorrichtung auch zur Ausbildung von sehr kostengünstig bereitstellbaren Ausgestaltungen, die den eingangs erwähnten Lichtpunkt markieren, eignet.
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Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines aus parallelen Lichtstrahlen bestehenden Strahlenbündels, umfassend eine Lichtquelle, vor der in Lichtaustrittsrichtung eine lichtfokussierende Einrichtung in Form einer Kugellinse angeordnet ist, wobei die Kugellinse vollständig in einer Innenbohrung eines Gehäuseelementes angeordnet ist, und wobei die Innenbohrung einen deren Durchmesser verjüngenden Absatz aufweist, auf dem sich die Kugellinse abstützt, daß die Lichtquelle ebenfalls in der Innenbohrung axial angeordnet ist, so daß sich die mechanische Mittenachse des Sitzes der Kugellinse und der geometrischen Strahlachse von selbst justieren, und daß in Lichtaustrittsrichtung nach der Kugellinse ein Blendenelement in der Innenbohrung angeordnet ist.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Kugellinse, die selbst einfach und kostengünstig herstellbar ist, nicht justiert zu werden braucht, da sich die Kugellinse bei der Anordnung in dem Sitz vor der Lichtquelle aufgrund der Kugelform von selbst zentriert und Zentrierungsprobleme nicht mehr auftreten. Die Kugellinse wird dabei so relativ zur Lichtquelle angeordnet, daß sich die Lichtquelle im Brennpunkt der Kugellinse befindet. Der außerordentliche Vorteil der Erfindung besteht auch darin, daß sich Achsabweichungen zwischen der mechanischen Mittenachse des Sitzes der Kugellinse und der geometrischen Strahlachse von selbst ohne mechanischen Aufwand minimieren. Vorteilhafterweise kommt hinzu, daß die erfindungsgemäß verwendete Kugellinse, anders als die bisher bekannten, für diese Zwecke beispielsweise bisher ebenfalls verwendeten Plankonvexlinsen, keinen Auflage- oder Befestigungsrand besitzt, wodurch sich eine aufwendige Ausgestaltung des Sitzes erfindungsgemäß erübrigt und sich der Gesamtdurchmesser des Systems und damit der Vorrichtung schlechthin sehr stark minimieren läßt.
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Dadurch, daß die Kugellinse in einer Innenbohrung eines Gehäuseelementes aufgenommen wird, die vorzugsweise im wesentlichen kreisförmig ausgebildet ist, und in diesem Gehäuseelement ebenfalls auch die Lichtquelle, zur Achse der Innenbohrung geeignet axial ausgerichtet, aufgenommen werden kann, und auf diese Weise eine Aufnahme sowohl der Kugellinse als auch der Lichtquelle in einem Gehäuseelement möglich ist, justiert sich die Kugellinse dabei relativ zur Achse der Innenbohrung selbständig.
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Mittels des in Strahlaustrittsrichtung vor der Kugellinse angeordneten Blendenelementes kann ein wunschgemäßer Querschnittsdurchmesser des von der Vorrichtung abgegebenen Lichtstrahls erzeugt werden. Die Blendenöffnung muß dabei nicht zwangsläufig einen kreisförmigen Durchmesser aufweisen, vielmehr ist es auch möglich, den Blendenöffnungsdurchmesser derart zu gestalten, daß er beispielsweise beim Auftreffen des Lichtstrahls auf einer bestimmungsgemäß mit der Vorrichtung angestrahlten Fläche bzw. bei einem bestimmungsgemäß angestrahlten Objekt eine bestimmte Figur, beispielsweise in Form eines Pfeiles, abbildet.
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Die Kugellinse kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung aus Glas bestehen, wobei bei dieser Ausgestaltung, anders als bei glasförmigen Plankonvexlinsen, wie sie beispielsweise bisher für derartige Zwecke verwendet wurden, die in einen Sitz, wie oben beschrieben, eingepreßt wurden, nicht befürchtet zu werden braucht, daß das Glas beschädigt oder zerstört wird.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Kugellinse auch aus einem geeigneten lichttransparenten Kunststoff hergestellt werden, wie er beispielsweise zur Herstellung von Kontaktlinsen zur Verbesserung der Sehkraft beim Menschen verwendet wird. Derartige lichttransparente Kunststoffe sind im allgemeinen auch hinreichend temperaturstabil und gewährleisten auch eine hinreichende mechanische Stabilität, so daß sie für die lösungsgemäßen Zwecke eingesetzt werden können.
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Grundsätzlich ist es möglich, den Sitz der Kugellinse bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf beliebige geeignete Weise auszubilden unter der Maßgabe, daß sichergestellt wird, daß dann, wenn die Kugellinse an ihren Sitz relativ zur Lichtquelle im oben beschriebenen Sinne verbracht wird, sich dort selbst zentrieren kann und dort ein sicherer Sitz gewährleistet ist.
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Die Lichtquelle selbst kann eine beliebige geeignete Lichtquelle sein, sie sollte jedoch vornehmlich derart gewählt werden, daß die Querschnittsfläche des Lichtstrahls sehr gering ist, d. h. im wesentlichen punktförmig ist. Eine Lichtquelle dieser Art wird vorzugsweise bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch eine Laserdiode gebildet, die per se von ihrer Lichtemissionsfläche aus schon ”flächenhaft” mehr oder weniger paralleles Licht emittiert. Im Handel verfügbar sind Laserdioden, die im allgemeinen ein rotationssymmetrisches Gehäuse aufweisen, so daß diese auf einfache Weise im Gehäuseelement aufgenommen werden können, beispielsweise auch in einen Preßsitz bei entsprechend ausgebildeter Aufnahme im Gehäuseelement.
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Erfindungsgemäß wird das Blendenelement in der Innenbohrung des Gehäuseelements aufgenommen, und zwar in der Form, wie sie auch unmittelbar für die Aufnahme der Kugellinse vorgesehen ist und die, wie oben erwähnt, auch die Lichtquelle selbst aufnehmen kann. Ein derart ausgestaltetes Gehäuseelement ist verhältnismäßig einfach mechanisch herstellbar, so daß die Vorrichtung neben allen voraufgezeigten Vorzügen auch sehr kostengünstig bereitstellbar ist.
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Um den Sitz und die Ausrichtung der optischen Achse der Kugellinse axial zur optischen Achse der Lichtquelle noch auf einfache Weise zu verbessern, weist die kreisförmige Innenbohrung einen den Durchmesser verjüngenden Absatz auf, an dem sich die Kugellinse abstützen kann. Die Kugellinse selbst wird dann lediglich kreisumfangsförmig am Absatz abgestützt, der eine zwangsweise Zentrierung der Kugellinse bei entsprechender Anlage am Absatz gewährleistet, so daß selbst dann, wenn dieser Absatz fertigungsbedingt, betrachtet in der Draufsicht, nicht exakt plan ist, sondern geringfügig elliptisch ist, dennoch eine Zentrierung stattfindet.
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Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Nachfolgende einzige schematische Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles eingehend beschrieben. Diese zeigt:
In der Seitenansicht im Schnitt einen Ausschnitt der Vorrichtung unter Weglassung für das Verständnis der Vorrichtung nicht wichtiger Einzelheiten.
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Es wird nachfolgend Bezug auf die einzige Figur genommen. Dort ist eine Vorrichtung 10 dargestellt, die im wesentlichen aus einem hier zylinderförmig dargestellten Gehäuseelement 16 besteht sowie aus einer Lichtquelle 12, hier dargestellt in Form einer Laserdiode, einer in Form einer Kugellinse ausgebildeten lichtfokussierenden Einrichtung 14 und einem Blendenelement 18.
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Das Gehäuseelement 16 weist eine im wesentlichen im Querschnitt kreisförmig ausgebildete Innenbohrung 15 auf, die in ihrer Tiefe, bezogen auf die Darstellung in der einzigen Figur, durch einen Absatz 19 begrenzt ist. Die Innenbohrung 15 ist derart im Durchmesser bemessen, daß die Kugellinse 14 von der hier durch das Blendenelement 18 verschlossenen Öffnung her einsetzbar ist. Die Kugellinse 14 liegt auf dem umlaufenden Rand des Absatzes 19 auf und kann dort mit Befestigungsmitteln wie einem geeigneten Klebstoff befestigt und in dieser Stellung fixiert werden. Die Kugellinse soll die Innenbohrung 15 nicht berühren.
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In die Innenbohrung 15 ist in ihrem im Durchmesser kleineren Bereich 150 die in Form der Laserdiode ausgebildete Lichtquelle 12 eingesetzt, und zwar derart, daß die optische Achse der Lichtquelle 12 der optischen Achse der Kugellinse 14 entspricht, wobei aufgrund des rotationssymmetrischen Aufbaus des Gehäuseelementes 16 sowie der Innenbohrung 15, 150 die optischen Achsen mit der Vorrichtungsachse 17 zusammenfallen, die auch in ihrer aus der Vorrichtung 10 herausweisenden Verlängerung der Lichtaustrittsrichtung 13 entspricht.
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Die Lichtquelle 12 ist im Brennpunkt der Kugellinse 14 positioniert. Die Laserdiode, die hier die Lichtquelle 12 bildet, ist regelmäßig mit einem achssymmetrischen Gehäuse ausgebildet und kann somit auf einfache Weise in einem der Kugellinse 14 gegenüberliegenden Lichtquellensitz 22, der axial zur Vorrichtungsachse 17 ausgebildet ist, aufgenommen werden
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Der Brennpunkt 20 ist hier zur Verdeutlichung der Darstellung in etwa in der Mitte der Lichtquelle 12 positioniert.
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Das Blendenelement 18 weist eine geeignet ausgebildete Blendenöffnung 180 auf, die hier im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Die Blendenöffnung 180 kann aber auf beliebige geeignete Weise, beispielsweise in Form eines Pfeiles oder einer sonstigen anderen geeigneten geometrischen Figur ausgebildet sein, um am bestimmungsgemäßen Markierungsort den Lichtstrahl 11, beispielsweise an einer Tafel oder einer Leinwand, in der geeigneten bzw. gewählten Form entsprechend der Form der Blendenöffnung 180 erscheinen zu lassen. Das Blendenelement 18 ist bei der hier dargestellten Ausgestaltung der Vorrichtung 10 ebenfalls in der kreisförmige Innenbohrung 15 zum Abschluß des Innenraumes 21 des Gehäuseelementes 16 angeordnet.
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Beim Einsetzen der Kugellinse 14 in den Inneraum 21 stößt die Kugeloberfläche der Kugellinse 14 kreisringförmig bei der Position der Vorrichtung 10 gemäß der einzigen Figur an den kreisförmig umlaufenden Absatz 19 an und fixiert sich somit von selbst mit seiner optischen Achse gegenüber der optischen Achse der Lichtquelle 12, so daß diese beiden Achsen dann selbständig axial zueinander ausgerichtet sind, ohne daß es zusätzlicher mechanischer Maßnahmen oder zusätzlicher Justagemaßnahmen bedarf.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 11
- Lichtstrahl
- 12
- Lichtquelle
- 13
- Lichtaustrittsrichtung
- 14
- lichtfokussierende Einrichtung/Kugellinse
- 15
- kreisförmige Innenbohrung
- 150
- kreisförmige Innenbohrung
- 16
- Gehäuseelement
- 17
- Vorrichtungsachse
- 18
- Blendenelement
- 180
- Blendenöffnung
- 19
- Absatz
- 20
- Brennpunkt
- 21
- Innenraum
- 22
- Lichtquellensitz
