DE10116563A1 - Mehrachslaserstrahler mit optischem Strahlteiler - Google Patents

Mehrachslaserstrahler mit optischem Strahlteiler

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Abstract

Ein Mehrachslaserstrahler (1) mit einem optischen Strahlteiler (4) mit mindestens zwei zueinander senkrechten, jeweils bezüglich eines kollimierten Hauptstrahls (H) einer Laserlichtquelle (6) zu 45 DEG sowie zueinander zu 90 DEG orientierten, spiegelnd beschichteten Spiegelflächen (7a, 7b, 7c, 7d), wobei im Strahlengang mindestens einem der durch die Spiegelflächen (7) um 90 DEG zum Hauptstrahl (H) abgelenkten Teilstrahlen (Ta, Tb, Tc, Td) eine Keilplatte (8a, 8b, 8c, 8d, 8e) nachgeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezeichnet einen Mehrachslaserstrahler mit einem optischen Strahlteiler, welcher in mindestens 3 zueinander senkrechte Richtungen strahlt und vorzugsweise selbstnivellierend bezüglich der Schwerkraft ausgebildet ist.
Derartige Mehrachslaserstrahler mit drei bis fünf, entlang der Achsen des kartesischen Koordinatensystems orientierten, sichtbaren Laserlichtstrahlen, dienen insbesondere im Baugewerbe zur Vermessung und Nivellierung. Üblicherweise ist der Strahlteiler des Mehrachslaserstrahlers punktunterstützt durch die Schwerkraft beweglich in einem Gehäuse aufgehängt.
Die US 5617202 offenbart einen Strahlteiler für einen selbstnivellierenden Mehrachslaserstrahler, welcher sichtbar in 3 zueinander senkrechte Richtungen strahlt, wobei der Strahlteiler selbst aus um 45° zum Hauptstrahl orientierte und mit einer Blende abgeschatteten Spiegelflächen besteht, welche als spiegelnd beschichtete Prismenflächen oder einzelne, zusammengeklebte Spiegel ausgebildet sind. Zur Kompensation eines, bei der im Gehäuse beweglichen Punktunterstützung des Strahlteilers verbleibenden, Nivellierungsfehlers mittels der durch diese entstehenden laterale Versetzung der Teilstrahlen zum Gehäuse ist je Teilstrahl jeweils eine leicht gekrümmte Linse im Gehäuse angeordnet. Der im Querschnitt elliptische Laserstrahl ist parallel zu einem Teilstrahl und senkrecht zu einem anderen Teilstrahl polarisiert.
Des weiteren weist die EP 797071 eine selbstnivellierende optische Baugruppe mit einer Laserlichtquelle und einem Prisma auf, welchem im Strahlengang ein Paar Keilplatten vorgeordnet sind, die jeweils eine Winkelkorrektur vornehmen und miteinander kombiniert einen Winkelfehler bei der Nivellierung minimieren.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Realisierung eines Mehrachslaserstrahlers hoher Präzision, bei dem ein optischer Strahlteiler geringerer Präzision einsetzbar ist.
Die Aufgabe wird im wesentlichen durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im wesentlichen weist der Mehrachslaserstrahler einen Strahlteiler mit mindestens zwei zueinander senkrechten, jeweils bezüglich eines kollimierten Hauptstrahles einer Laserlichtquelle zu 45° sowie zueinander zu 90° orientierten, spiegelnd beschichteten Spiegelflächen auf, wobei im Strahlengang mindestens einem, der durch die Spiegelflächen um 90° zum Hauptstrahl abgelenkten, Teilstrahlen eine Keilplatte nachgeordnet ist.
Bei einem Einsatz von Strahlteilern geringer Präzision weicht selbst bei einer optimalen Zuordnung des Strahlteilerprismas mindestens ein Teilstrahl von der präzisen 90° Ablenkung zu den übrigen Teilstrahlen ab. Zur Korrektur des verbleibenden Restwinkelfehlers ist bei der Herstellung des Strahlteilers mindestens eine konkrete Keilplatte aus einem abgestuften Satz verschiedener Keilplatten auswählbar, welche hinter dem Strahlteiler angeordnet den Restfehler unter einen zulässigen Schwellwert absenkt.
Vorteilhaft sind die Spiegelflächen als spiegelnd mit Metall oder Dielektrikum beschichtete Prismenflächen ausgeführt, welche in kompakter, zusammenhängender Form technologisch einfach aus Glas giessbar oder aus Kunststoff spritzbar sind.
Vorteilhaft ist der Strahlteiler um zwei Achsen quer zum Hauptstrahl schwenkbar justierbar ausgebildet, wodurch durch eine vorab erfolgende geeignete Wahl der Winkellage stets zwei Teilstrahlen zu 90° justierbar und der Fehler zwischen zwei weiteren Teilstrahlen reduzierbar ist.
Vorteilhaft sind die Spiegelflächen des Strahlteilers zumindest teilweise zu einem kompakten ganzen Strahlteiler, weiter vorteilhaft durch Kleben, zusammengesetzt, wodurch die einzelnen Teilstrahlteiler, bspw. in Form von vier 45°-Prismen, technologisch einfacher herstellbar sind. Die durch eine damit in Kauf genommene geringere Präzision des Strahlteilers verursachten Winkelfehler zwischen den Teilstrahlen sind durch die Lösung dieser Erfindung an anderer Stelle in höherer Präzision kompensierbar.
Vorteilhaft ist die Keilplatte ortsfest zum Strahlteiler angeordnet, wodurch der Strahlteiler mit den zugeordneten Teilplatten in sich eine kompakte, präzisere Baugruppe zur Strahlteilung ausbildet.
Alternativ vorteilhaft ist bei einem, in einem Gehäuse über eine Punktunterstützung beweglich gelagerten, durch die Schwerkraft abgelenkten, schwingungsgedämpften, selbstnivellierenden Strahlteiler, die Keilplatte im punktunterstützenden Gehäuse im Austrittsbereich des Teilstrahles angeordnet, wodurch die beweglich gelagerte Baugruppe kompakter ausführbar ist sowie eine laterale Versetzung zum Gehäuse keine zusätzliche Winkelabweichung verursacht.
Vorteilhaft ist die zwischen dem Kollimator und dem Strahlteiler angeordnete oder auf dem Strahlteiler aufgebrachte, den Strahlteiler im wesentlichen abschattende, Blende mit separaten Blendenöffnungen für jeden Teilstrahl ausgebildet, wobei weiter vorteilhaft die flächige Blendenöffnung für einen einzelnen Teilstrahl kleiner als ein Viertel der übrigen flächigen Blendenöffnung ist, wodurch dieser einzelne, bspw. nach unten orientierte, schwache Teilstrahl noch hinreichend intensiv ist und insgesamt, da aus geometrischen Gründen restliche grösser flächige Blendenöffnung als bei sämtlich gleichflächigen Blendenöffnungen erzielbar sind, und somit intensivere restliche, bspw. seitlich sowie nach oben orientierte, Teilstrahlen ausgestrahlt werden.
Vorteilhaft ist die Blendenöffnung für den einzelnen Teilstrahl H quadratisch ausgebildet, um einerseits die verfügbare Fläche besser auszunutzen und andererseits im Fernfeld ein fadenkreuzartiges Beugungsmuster als Orientierungshlife zu erzeugen. Weiter vorteilhaft sind die übrigen Blendenöffnungen rund oder quadratisch und so nah wie möglich an den Prismenkanten und der quadratischen Blendenöffnung angeordnet, um eine scharfe Abgrenzung des Beugungsbilds im Fernfeld zu erreichen.
Vorteilhaft ist die Polarisationsebene einer Laserlichtquelle im Winkel von 45° zu den jeweils zueinander um 90° zum Hauptstrahl abgelenkten Teilstrahlen polarisiert, wodurch bei der Reflektion an den Spiegelflächen sowohl die senkrecht als auch die parallel zur Einfallsebene orientierte Komponente des Hauptstrahls im, bezüglich aller Spiegelflächen des Strahlteilers, gleichen Reflektionsgrad reflektiert wird.
Vorteilhaft ist der Strahlteiler pyramidenstumpfförmig ausgebildet und weist zu einer transparenten Deckfläche mindestens drei in 45° schräge, jeweils zueinander senkrecht orientierte verspiegelte Spiegelflächen auf. Weiter vorteilhaft ist der pyramidenstumpfförmige Strahlteiler bezüglich seiner Symmetrieachse lateral zum Hauptstrahl versetzt, wobei eine Seitenkante parallel zu der Polarisationsebene des Hauptstrahls angeordnet ist.
Vorteilhaft besteht ein Strahlteiler für eine Laserlichtquelle wie eine übliche Halbleiterlaserdiode mit stark elliptischen Strahlquerschnitt des Hauptstrahls aus einem aus zwei Teilprismen zusammengeklebten Strahlteilerprisma, wobei ein erstes prismatisches Teilprisma zwei zueinander senkrechte, verspiegelte Spiegelflächen und eine diese jeweils zu 45° verbindende, transparente Dachfläche aufweist, und das zweite prismatische Teilprisma eine, in 45° zu einer Seitenfläche orientierte, verspiegelte Spiegelfläche aufweist, und das erste Teilprisma über seine Seitenfläche mit dem zweiten Teilprisma über seine Seitenfläche derart verbunden, weiter vorteilhaft verklebt, ist, dass die Spiegelfläche des zweiten Teilprismas, hälftig bezüglich seiner Dicke lateral zur Symmetrieebene des ersten Teilprismas versetzt, bündig an der Dachfläche des ersten Teilprismas anlegt und zu dieser in 45° orientiert ist.
Die Erfindung wird bezüglich eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels näher erläutert mit:
Fig. 1 als Mehrachslaserstrahler mit einem optischen Strahlteiler
Fig. 2a und Fig. 2b als Strahlteilerprisma bei rundem Strahlquerschnitt des Hauptstrahls
Fig. 3a und Fig. 3b als Strahlteilerprisma bei elliptischem Strahlquerschnitt des Hauptstrahls
Nach Fig. 1 beinhaltet ein Mehrachslaserstrahler 1 in seinem Gehäuse 2 einen, an einem punktunterstützt aufgehängten und durch die Schwerkraft G abgelenkten Pendel 3 montierten, um zwei Achsen schwenkend justierbaren Strahlteiler 4. Ein mit einem Kollimator 5 kollimierter Hauptstrahl H einer Laserlichtquelle 6 wird an spiegelnd beschichteten Spiegelflächen 7a, 7b, 7c, 7d (wovon nur 7b bezeichnet ist) des Strahlteilers 4 jeweils unpräzise um 90° abgelenkt. Im Strahlengang der um 90° abgelenkten Teilstrahlen Ta, Tb, Tc, Td sowie des Hauptstrahls H ist je eine Keilplatte 8a, 8b, 8c, 8d, 8e, welche zur Korrektur eines verbleibenden Restwinkelfehlers θ dient, dem Strahlteiler 4 nachgeordnet und im Austrittsbereich im Gehäuse 2 befestigt. Eine vorgeordnete Blende 9 schattet den Strahlteiler 4 ab und teilt den Hauptstrahl H in einzelne, den einzelnen Spiegelflächen 7 zugeordnete, Bereiche für die Teilstrahlen Ta, Tb, Tc, Td auf. Der Strahlteiler 4 besteht aus vier miteinander zu einem kompakten Ganzen verklebten, einzelnen 45°-Prismen, die um eine optisch freibleibende Symmetrieachse längs des Hauptstrahls H herum zueinander senkrecht angeordnet sind.
Nach Fig. 2a und Fig. 2b ist für einen Hauptstrahl H mit runden Strahlquerschnitt 10 die, dem einstückigen pyramidenstumpfförmigen Strahlteiler 4 mit drei in 45° zum Hauptstrahl H angeordneten, spiegelnd beschichteten Spiegelflächen 7b, 7c, 7d zugeordnete Blende 9 mit vier separaten Blendenöffnungen 11b, 11c, 11d, 11e für jeden der drei Teilstrahlen Tb, Tc, Td und den durch die transparente Deckfläche 12 durchtretenden Hauptstrahl H ausgebildet, wobei die flächige Blendenöffnung 11d für einen einzelnen Teilstrahl Td kleiner als ein Viertel der jeweils übrigen drei flächigen Blendenöffnungen 11b, 11c, 11e ist. Die Blendenöffnung 11e für den Hauptstrahl H ist quadratisch, die Blendenöffnungen 11b, 11c, 11d für die Teilstrahlen Tb, Tc sind rund bzw. für den Teilstrahl Td quadratisch und so nah wie möglich an den Prismenkanten und der quadratischen Blendenöffnung 11e angeordnet. Die Polarisationsebene 13 ist im Winkel von 45° zu den abgelenkten Teilstrahlen Tb, Tc, Td polarisiert. Der von der Spiegelfläche 7c abgelenkte Teilstrahl Tc wird von der zum Strahlteiler 4 ortsfest angeordneten Keilplatte 8c korrigiert.
Nach Fig. 3a und Fig. 3b weist die Blende 9 für einen Hauptstrahl H mit stark elliptischen Strahlquerschnitt 10' und einer Polarisationsebene 13 im Winkel von 45° zu den abgelenkten Teilstrahlen eine zugeordnete flache Anordnung der einzelnen Blendenöffnungen 11b, 11c, 11d, 11e auf, wobei die flächige Blendenöffnung 11d kleiner und die Blendenöffnung 11e für den Hauptstrahl H quadratisch ist. Der Strahlteiler 4 ist aus zwei Teilprismen 14a, 14b zusammengeklebt, wobei das erste prismatische Teilprisma 14a zwei zueinander senkrechte, verspiegelte Spiegelflächen 7b, 7d und eine diese jeweils zu 45° verbindende, transparente Dachfläche 12 aufweist. Das zweite prismatische Teilprisma 14b weist eine, in 45° zu einer Seitenfläche 15 orientierte, verspiegelte Spiegelfläche 7c auf. Das erste Teilprisma 14a ist mit dem zweiten Teilprisma 14b über je eine Seitenfläche 15 verklebt, wobei die Spiegelfläche 7c des zweiten Teilprismas 14b hälftig bezüglich seiner Dicke lateral zur Symmetrieebene des ersten Teilprismas 14a versetzt, bündig an der Dachfläche 12 des ersten Teilprismas 14a anlegt und zu dieser in 45° orientiert ist. Der von der Spiegelfläche 7c abgelenkte Teilstrahl Tc wird von der zum Strahlteiler 4 ortsfest angeordneten Keilplatte 8c korrigiert.

Claims (10)

1. Mehrachslaserstrahler mit einem optischen Strahlteiler (4) mit mindestens zwei zueinander senkrechten, jeweils bezüglich eines kollimierten Hauptstrahls (H) einer Laserlichtquelle (6) zu 45° sowie zueinander zu 90° orientierten, spiegelnd beschichteten Spiegelflächen (7a, 7b, 7c, 7d), dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang mindestens einem der durch die Spiegelflächen (7) um 90° zum Hauptstrahl (H) abgelenkten Teilstrahlen (Ta, Tb, Tc, Td) eine Keilplatte (8a, 8b, 8c, 8d, 8e) nachgeordnet ist.
2. Mehrachslaserstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelflächen (7a, 7b, 7c, 7d) als spiegelnd beschichtete Prismenflächen (14a, 14b) ausgeführt sind.
3. Mehrachslaserstrahler nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelflächen (7a, 7b, 7c, 7d) des Strahlteilers (4) zumindest teilweise zu einem kompakten Ganzen, optional durch Kleben, zusammengesetzt sind, welcher optional um zwei Achsen quer zum Hauptstrahl (H) schwenkbar justierbar ausgebildet ist.
4. Mehrachslaserstrahler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keilplatte (8a, 8b, 8c, 8d, 8e) ortsfest zum Strahlteiler (4) angeordnet ist.
5. Mehrachslaserstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem selbstnivellierenden Strahlteiler (4) zumindest eine Keilplatte (8a, 8b, 8c, 8d, 8e) im Austrittsbereich des Teilstrahles (Ta, Tb, Tc, Td) oder des Hauptstrahls (H) durch ein den Strahlteiler (4) beweglich, punktunterstützendes Gehäuse (2) angeordnet ist.
6. Mehrachslaserstrahler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Kollimator (5) und dem Strahlteiler (4) eine Blende (9) mit separaten Blendenöffnungen (11a, 11b, 11c, 11d, 11e) für jeden Teilstrahl (Ta, Tb, Tc, Td) und den Hauptstrahl (H) ausgebildet ist, wobei optional genau eine einzelne flächige Blendenöffnung (11d) für einen einzelnen Teilstrahl (Td) kleiner als ein Viertel der übrigen flächigen Blendenöffnung (11a, 11b, 11c, 11d, 11e) ist, und weiter optional eine Blendenöffnung (11e) für den Hauptstrahl (H) quadratisch ausgebildet ist.
7. Mehrachslaserstrahler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsebene (13) der Laserlichtquelle (6) im Winkel von 45° zu den jeweils zueinander um 90° zum Hauptstrahl (H) abgelenkten Teilstrahlen (Ta, Tb, Tc, Td) polarisiert ist.
8. Mehrachslaserstrahler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (4) pyramidenstumpfförmig ausgebildet ist und zu einer transparenten Deckfläche (12) mindestens drei in 45° schräge, jeweils zueinander senkrecht orientierte verspiegelte Spiegelflächen (7b, 7c, 7d) aufweist sowie optional bezüglich seiner Symmetrieachse lateral zum Hauptstrahl (H) versetzt angeordnet ist.
9. Mehrachslaserstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlteiler (4) für eine Laserlichtquelle (6) mit stark elliptischen Strahlquerschnitt (10') des Hauptstrahls (H) aus einem aus zwei Teilprismen (14a, 14b) zusammengesetzten Ganzen besteht, wobei das erste prismatische Teilprisma (14a) zwei zueinander senkrechte, verspiegelte Spiegelflächen (7b, 7d) und eine diese jeweils zu 45° verbindende, transparente Dachfläche (12) aufweist, und dass das zweite prismatische Teilprisma (14b) eine, in 45° zu einer Seitenfläche (15) orientierte, verspiegelte Spiegelfläche (7c) aufweist, und dass beide Teilprismen (14a, 14b) über die Seitenfläche (15) derart verbunden sind.
10. Mehrachslaserstrahler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelfläche (7c) des zweiten Teilprismas (14b) lateral zur Symmetrieebene des ersten Teilprismas (14a) versetzt sowie bündig an der Dachfläche (12) des ersten Teilprismas (14a) anliegend und zu dieser in 45° orientiert angeordnet ist.
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