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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Projizieren
eines Lichtstrahls bestehend aus einer Strahlquelle zum Erzeugen
eines primären Lichtstrahls und einer Strahlformungsoptik
zur Strahlformung der Leistungsdichteverteilung des primären
Lichtstrahls in einen sekundären Lichtstrahl.
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In
der Bauindustrie, im Elektro- und Installationshandwerk werden Baulaser
zur Definition, Übertragung und Nivellierung von Ebenen,
Linien und Punkten eingesetzt. Dabei werden unter dem Begriff Baulaser
sowohl statische Lasergeräte, wie Punkt- und Linienlaser,
als auch Rotationslaser zusammengefasst. Punkt- oder Linienlaser
erzeugen einen oder mehrere Punkt- oder linienförmige Laserstrahlen.
Bei Multidirektionallasern werden Laserstrahlen in mehrere Raumrichtungen
ausgesandt. Rotationslaser senden einen zu der Längsachse
parallel verlaufenden Laserstrahl und einen rechtwinklig um die
Längsachse rotierenden Laserstrahl aus, wobei der rotierende
Laserstrahl durch eine motorisch angetriebene Umlenkoptik, die als
Umlenkprisma oder als Umlenkspiegel ausgebildet sein kann, erzeugt
wird. Rotationslaser werden vor allem eingesetzt, um auf Wänden,
Decken und Böden horizontale, vertikale oder um einen bestimmten
Winkel geneigte Ebenen oder Abschnitte von Ebenen oder Linien festzulegen.
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Der
Laserstrahl hinterlässt keine bleibende Markierung auf
dem jeweiligen Objekt. Eine bleibende Markierung muss manuell vom
Anwender oder automatisch mit Hilfe von Markierwerkzeugen auf das
Objekt übertragen werden. Abhängig von den Umgebungsbedingungen
und der Arbeitsentfernung, d. h. der Entfernung des Laserstrahls
von der Austrittsöffnung der Strahlquelle bis zur markierten
Stelle auf dem Objekt, können die Sichtbarkeit und die
Genauigkeit des Laserstrahls eingeschränkt sein. Mit Hilfe
von Zieltafeln oder Laserempfängern kann die Sichtbarkeit
des Laserstrahls verbessert werden. Allerdings hat dieses Zubehör
keinen Einfluss auf die Größe des Laserstrahldurchmessers
auf dem Objekt und damit die Genauigkeit, mit der ein Anwender,
die Mittenposition des Laserstrahls auf das Objekt übertragen
kann.
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Um
den Durchmesser eines Laserstrahls auf einem Objekt zu reduzieren,
ist es bekannt, den Laserstrahl mit Hilfe einer Fokussieroptik auf
eine Fokusfläche, die auch als Fokuspunkt bezeichnet wird, zu
fokussieren. Je höher die Strahlqualität des Laserstrahls
ist, umso besser lässt sich der Laserstrahl auf einen Fokuspunkt
fokussieren. Hinter dem Fokuspunkt nimmt der Laserstrahldurchmesser
aufgrund der Divergenz wieder zu und der Laserstrahl weitet sich
auf.
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Der
Einsatz einer Fokussieroptik ist aber auch mit Nachteilen verbunden:
Um einen Laserstrahl in einer Arbeitsentfernung von etwa 80 m auf eine
Fläche mit einem Durchmesser kleiner als 2 mm zu fokussieren,
sind aufgrund der Beugung und der Divergenz des Laserstrahls Austrittsöffnungen
der Laserstrahlquellen erforderlich, die etwa dreimal so groß sind
wie die Austrittsöffnungen bei typischen Baulasern, die
eine Größe von etwa 10 mm nicht überschreiten.
Bei einer Wellenlänge von 635 nm ergeben sich Austrittsöffnungen
von etwa 30 mm. Eine größere Austrittsöffnung
des Laserstrahls führt in der Folge dazu, dass alle weiteren
optischen Elemente, die im Strahlengang des Laserstrahls hinter
der Austrittsöffnung angeordnet sind, entsprechend größer dimensioniert
werden müssen.
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Die
Leistungsdichteverteilung eines Laserstrahls lässt sich
mit Hilfe von diffraktiven oder refraktiven optischen Elementen
in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls
verändern. Dieser Vorgang wird als Strahlformung bezeichnet
und die dazu geeigneten optischen Elemente als Strahlformungsoptiken.
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EP 0 689 080 offenbart eine
Vorrichtung zum Projizieren eines Laserstrahls, mit der die Mittenposition
des Laserstrahls mit einer einfachen Konfiguration und zu geringen
Kosten bestimmt werden kann. Die Vorrichtung besteht aus einer Strahlquelle
zum Erzeugen und Aussenden eines primären Laserstrahls
und einer Strahlformungsoptik zur Strahlformung der Leistungsdichteverteilung
des primären Laserstrahls in einen sekundären
Laserstrahl. Die Strahlformungsoptik umfasst eine Fokussierlinse, eine
Blende und eine Kollimationslinse, die im Strahlengang des Laserstrahls
hintereinander angeordnet sind und nacheinander vom Laserstrahl
passiert werden. Der Laserstrahl wird nach dem Austritt aus der Strahlquelle
durch die Fokussierlinse fokussiert und durch die Blende geformt,
wobei die Blende im Bereich des Fokuspunktes angeordnet ist. Der
Blendendurchmesser ist so eingestellt, dass unerwünschte Laserstrahlanteile
ausgeblendet werden und sich eine im Wesentlichen kreisförmige
Leistungsdichteverteilung einstellt.
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Aus
DE 38 33 153 A1 ist
ein Verfahren zum Erfassen des Zentrums eines von einem Baulaser projizierten
Laserstrahls mittels mindestens zweier spiegelbildlich zu einer
Null-Linie angeordneten laserempfindlichen, signalgebenden Empfangselementen
bekannt. Die selbstjustierende Empfangsvorrichtung der
DE 38 33 153 A1 weist mehrere
Fotodioden auf, die es ermöglichen, dass beim Auftreffen
des Laserstrahls auf eine der Fotodioden oberhalb oder unterhalb
der Null-Linie ein Steuersignal erzeugt wird, welches einen Schlitten,
auf dem die Fotodioden spiegelbildlich zu der festgelegten Null-Linie
angeordnet sind, so lange automatisch in der einen oder anderen
Richtung verschoben wird, bis das Zentrum des projizierten Laserstrahls
genau in Höhe der Null-Linie auftrifft und die Empfangsvorrichtung
einjustiert ist.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demgegenüber
darin, eine Vorrichtung zum Projizieren eines Lichtstrahls bereitzustellen,
die es ermöglicht, dass ein Anwender ohne zusätzliche Hilfsmittel
die Mittenposition des Lichtstrahls mit höherer Genauigkeit
auf ein Objekt übertragen kann.
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Diese
Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass die Strahlformungsoptik derart ausgebildet ist,
dass die Leistungsdichteverteilung des sekundären Lichtstrahls
senkrecht zur Ausbreitungsrichtung ein zentrales Minimum aufweist.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum
Projizieren eines Lichtstrahls liegt somit darin, dass der Anwender
die Mittenposition des Lichtstrahls nicht als Zentrum eines hellen
Lichtflecks bestimmt, sondern die Mittenposition in einem Minimum liegt.
Bevorzugt ist die Strahlformungsoptik derart ausgebildet, dass die
Breite des zentralen Minimums kleiner als die Breite des entsprechenden
Airy-Scheibchens ist. Je kleiner die Breite des zentralen Minimums
ist, umso genauer kann der Anwender die Mittenposition des Lichtstrahls
bestimmen und die Markierung auf das Objekt übertragen.
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Bevorzugt
ist die Strahlformungsoptik als Phasenelement, insbesondere bevorzugt
als eindimensionales oder zweidimensionales Phasenelement ausgebildet.
Phasenelemente bieten gegenüber Amplitudenelementen den
Vorteil, dass die Amplitude des Lichtstrahls nicht verringert wird
und keine Leistungsverluste auftreten.
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In
einer vorteilhaften Ausführung ist die Strahlformungsoptik
derart ausgebildet, dass die Leistungsdichteverteilung des sekundären
Lichtstrahls senkrecht zur Ausbreitungsrichtung zwei lokale Maxima
aufweist, die das zentrale Minimum begrenzen. Eine solche Leistungs dichteverteilung
mit einem zentralen Minimum bietet die Möglichkeit, die Mittenposition
des Lichtstrahls in einem Rotationslaser, bei dem der Lichtstrahl über
eine rotierende Umlenkoptik abgelenkt wird, genau zu bestimmen.
Bei einer Leistungsdichteverteilung mit mehreren ringförmigen
Beugungsringen kommt es bei der Rotation des Laserstrahls aufgrund
der Leistung in den äußeren Beugungsringen zu
einer Aufhellung im Zentrum, so dass die Bestimmung der Mittenposition
erschwert ist.
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Bevorzugt
ist das Phasenelement als eindimensionales Phasenelement mit linearen,
parallel angeordneten Phasenstreifen ausgebildet. Die Anzahl, die
Form und Abmessungen der Phasenstreifen sowie der Abstand zwischen
den Phasenstreifen des Phasenelements werden so ausgewählt
bzw. schrittweise angepasst, dass der sekundäre Lichtstrahl
ein zentrales Minimum aufweist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist die Strahlformungsoptik
derart ausgebildet, dass die Leistungsdichteverteilung des sekundären
Lichtstrahls senkrecht zur Ausbreitungsrichtung ein ringförmiges
Maximum, das das zentrale Minimum begrenzt, aufweist.
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Bevorzugt
ist das Phasenelement als zweidimensionales Phasenelement mit konzentrischen Phasenstreifen
ausgebildet, wobei die Phasenstreifen insbesondere bevorzugt kreisförmig
ausgebildet sind. Die Anzahl, die Form und Abmessungen der Phasenstreifen
sowie der Abstand zwischen den Phasenstreifen des Phasenelements
werden so ausgewählt bzw. schrittweise angepasst, dass
der sekundäre Lichtstrahl ein zentrales Minimum, das von einem
ringförmigen Maximum umgeben ist, aufweist.
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In
einer bevorzugten Ausführung ist im Strahlengang des primären
oder sekundären Lichtstrahls eine weitere Optik vorgesehen,
wobei die Strahlformungsoptik auf der der Strahlquelle zugewandten
Eintrittsseite der Optik oder auf der der Strahlquelle abgewandten
Austrittsseite der Optik angeordnet ist.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführung sind die Strahlformungsoptik
und die Optik als ein gemeinsames optisches Element ausgebildet.
Dabei ist die Strahlformungsoptik insbesondere bevorzugt an der
Eintrittsfläche oder der Austrittsfläche eines
Pentaprismas ausgebildet.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung
sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen
entnehmbar. Ebenso können die vorstehend genannten und
die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils
einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen
Verwendung finden. Die gezeig ten und beschriebenen Ausführungsformen
sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen,
sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die
Schilderung der Erfindung.
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Es
zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zum Projizieren eines
Lichtstrahls auf ein Objekt;
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2a,
b einen primären Laserstrahl mit einem zentralen Maximum
(2a) und einen sekundären Laserstrahl
mit einem zentralen Minimum (2b);
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3a,
b einen Rotationslaser mit einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Projizieren eines Laserstrahls, wobei die Strahlformungsoptik
im Strahlengang hinter einer rotierenden Umlenkoptik (3a)
oder vor der rotierenden Umlenkoptik (3b) angeordnet
ist;
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4 einen
Multidirektionallaser mit einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Projizieren eines Lichtstrahls;
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5a–c
ein eindimensionales Phasenelement in einer Draufsicht (5a)
und einem Querschnitt (5b) sowie die Leistungsdichteverteilung des
sekundären Laserstrahls senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
(5c); und
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6a–c
ein zweidimensionales Phasenelement in einer Draufsicht (6a)
und einem Querschnitt (6b) sowie die Leistungsdichteverteilung des
sekundären Laserstrahls senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
(6c).
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum
Projizieren eines Lichtstrahls auf ein Objekt bestehend aus einer
Strahlquelle 2 und einer Strahlformungsoptik 3.
Die Strahlquelle 2 ist bspw. ein Halbleiterlaser, der einen
Laserstrahl im sichtbaren Spektrum, bspw. einen roten Laserstrahl
mit einer Wellenlänge von 635 nm oder einen grünen
Laserstrahl mit 532 nm, erzeugt.
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Die
Laserleistung ist aus Sicherheitsgründen begrenzt. Daher
ist es wichtig, dass die verfügbare Laserleistung möglichst
im Zentrum des Laserstrahls konzentriert ist und auf dem zu markierenden
Objekt ein begrenzter, sichtbarer Laserfleck entsteht, so dass die
Mittenposition des Laserstrahls gut auf das Objekt übertragen
werden kann. Der Grundmode, der eine gaußförmige
Leistungsdichteverteilung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung aufweist,
stellt eine bevorzugte Strahlverteilung des Laserstrahls dar. Der
Grundmode weist von allen transversalen Lasermoden in einem Laserresonator
den kleinsten Strahldurchmesser, die geringste Divergenz und damit
die höchste Strahlqualität auf. Aufgrund der höchsten
Strahlqualität lässt sich der Grundmode von allen
Lasermoden am besten fokussieren und auf grund der geringsten Divergenz
zeigt der Grundmode bei der Übertragung über weite
Strecken die geringste Aufweitung.
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Der
Laserstrahl verlässt die Strahlquelle 2 an einer
Austrittsöffnung 4 als primärer Laserstrahl 5. Die
Austrittsöffnung 4 stellt eine Blende dar, an
der der Laserstrahl gebeugt wird. Bei der Beugung eines Laserstrahls
an einer Kreisblende ergibt sich im Fernfeld eine Leistungsdichteverteilung
wie in 2a gezeigt. 2a zeigt
einen Schnitt durch die Leistungsdichteverteilung des primären
Laserstrahls 5 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, die
parallel zu der optischen Achse 6 verläuft. Der
primäre Laserstrahl 5 ist annähernd rotationssymmetrisch
um die optische Achse 6 ausgebildet und besteht aus mehreren
Beugungsordnungen. Im Zentrum, d. h. auf der optischen Achse 6,
weist der primäre Laserstrahl 5 ein Maximum 7 auf,
das im Weiteren als zentrales Maximum 7 bezeichnet wird.
Die Energie des primären Laserstrahls 5 befindet
sich vor allem in der nullten Beugungsordnung, die das zentrale
Maximum 7 umfasst und als Airy-Scheibchen bezeichnet wird.
Weicht die Austrittsöffnung 4 der Strahlquelle 2 von
der Kreisform ab, verändern sich die Form des zentralen
Maximums und die Form der höheren Beugungsordnungen. Durch
Beugung an einer quadratischen Austrittsöffnung 4 entsteht
ein primärer Laserstrahl 5 mit annähernd
quadratischer Grundfläche.
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Nach
dem Austritt des primären Laserstrahls 5 aus der
Austrittsöffnung 4 der Strahlquelle 2 kommt es
aufgrund der Divergenz zu einer Aufweitung des primären
Laserstrahls 5, d. h. der Strahldurchmesser des primären
Laserstrahls 5 nimmt mit der Entfernung des Laserstrahls
von der Strahlquelle 2 zu. Je höher die Strahlqualität
eines Laserstrahls ist, desto geringer sind die Divergenz und damit
die Aufweitung des Laserstrahls. Mit Hilfe einer Kollimationsoptik 8 wird
der primäre Laserstrahl 5 kollimiert und ein paralleler
Laserstrahl 9 erzeugt, der auf die Strahlformungsoptik 3 auftrifft.
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Die
Strahlformungsoptik 3 ist in der in 1 gezeigten
Ausführung als eindimensionales Phasenelement mit linear
verlaufenden, parallel angeordneten Phasenstreifen ausgebildet.
Ein Phasenelement lässt die Amplitude einer durchtretenden
Lichtwelle unbeeinflusst. Durch einen ortsabhängigen Brechungsindex
wird die Phase der Lichtwelle unterschiedlich beeinflusst, so dass
sich direkt hinter dem Phasenelement eine periodische Phasenverschiebung
ergibt. Die Phasenverschiebung wird durch eine periodische Modulation
des Brechungsindex (Hologramm) oder durch eine Stufenstruktur der Oberfläche
(Phasengitter) erreicht. Der Aufbau eines eindimensionalen Phasenelements
ist in Zusammenhang mit 5a–c
näher dargestellt.
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Das
in 1 verwendete eindimensionale Phasenelement 3 erzeugt
einen sekundären Laserstrahl 10 wie in 2b gezeigt. 2b zeigt
einen Schnitt durch die Leistungsdichteverteilung des sekundären
Laserstrahls 10 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung 6.
Der sekundäre Laserstrahl 10 weist ein erstes
annähernd kreisförmiges Maximum 11 und ein
zweites annähernd kreisförmiges Maximum 12 auf,
die durch ein Minimum 13, das im Weiteren als zentrales
Minimum 13 bezeichnet wird, voneinander getrennt sind.
Die Amplituden der beiden Maxima 11, 12 des sekundären
Laserstrahls 10 sind geringer als die Amplitude des zentralen
Maximums 7 des primären Laserstrahls 5,
da die Leistung des Laserstrahls unverändert ist. Die Mittenposition,
d. h. das Zentrum, des sekundären Laserstrahls 10 lässt
sich möglichst genau bestimmen, wenn das zentrale Minimum 13 auf
dem zu markierenden Objekt sehr schmal ist, bspw. das zentrale Minimum 13 nicht
breiter als der Durchmesser des Airy-Scheibchens in der entsprechenden
Entfernung ist.
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Der
in 2b gezeigte sekundäre Laserstrahl 10 weist
eine Spiegelsymmetrie bezüglich der optischen Achse 6 auf
und die Amplituden der Maxima 11, 12 stimmen annähernd überein.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 erzeugt
auch dann einen sekundären Laserstrahl mit einem zentralen
Minimum, wenn der primäre Laserstrahl 5 nicht
symmetrisch, sondern seitlich verschoben auf das Phasenelement 3 auftrifft.
In diesem Fall weist der sekundäre Laserstrahl zwei lokale
Maxima mit unterschiedlichen Amplituden auf.
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3a zeigt
eine erste Ausführungsform eines Rotationslasers 20 mit
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 21 zum
Projizieren eines Lichtstrahls bestehend aus der Strahlquelle 2 mit
der Austrittsöffnung 4, an der der primäre
Laserstrahl 5 aus der Strahlquelle 2 austritt,
und einer Strahlformungsoptik 22.
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Der
Rotationslaser 20 weist ein Pentaprisma 23 auf,
das um eine Drehachse 24 drehbar gelagert ist. Das Pentaprisma 23 umfasst
vier optische Flächen, eine Eintrittsfläche 25,
zwei Reflexionsflächen 26, 27 und eine
Austrittsfläche 28. Die optischen Flächen 25–28 des
Pentaprismas 23 sind derart an die Wellenlänge
des Laserstrahls angepasst, dass die Ein- und Austrittsflächen 25, 28 im
Wesentlichen transmittierend und die Reflexionsflächen 26, 27 im Wesentlichen
reflektierend für den Laserstrahl ausgebildet sind. Damit
die verfügbare Leistung des Laserstrahls möglichst
vollständig das zu markierende Objekt erreicht, sind die
Transmissionsgrade der Ein- und Austrittsflächen 25, 28 und
die Reflexionsgrade der Reflexionsflächen 26, 27 des
Pentaprismas 23 möglichst groß.
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Der
primäre Laserstrahl 5 trifft nach dem Austritt
aus der Austrittsöffnung 4 der Strahlquelle 2 auf
die Kollimationsoptik 8, die den primären Laserstrahl 5 kollimiert
und den parallelen La serstrahl 9 erzeugt. Der parallele
Laserstrahl 9 trifft auf die Eintrittsfläche 25 des
Pentaprismas 23, wird an der Eintrittsfläche 25 zumindest
teilweise transmittiert und trifft auf die erste Reflexionsfläche 26,
an der er zumindest teilweise reflektiert wird. Der reflektierte
Laserstrahl trifft auf die zweite Reflexionsfläche 27,
an der er ebenfalls zumindest teilweise reflektiert wird. Die erste
und zweite Reflexionsfläche 26, 27 sind
so zueinander angeordnet, dass der von der zweiten Reflexionsfläche
kommende reflektierte Laserstrahl senkrecht zum auf die Eintrittsfläche 25 einfallenden Laserstrahl
ausgerichtet ist. Der reflektierte Laserstrahl trifft auf die Austrittsfläche 28 des
Pentaprismas 23 und wird an der Austrittsfläche 28 zumindest teilweise
transmittiert.
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Die
Strahlformungsoptik 22 ist im Strahlengang des Laserstrahls
auf der der Strahlquelle 2 abgewandten Austrittsseite des
Pentaprismas 23 angeordnet. Die Strahlformungsoptik 22 ist
als eindimensionales Phasenelement mit linear verlaufenden, parallel
angeordneten Phasenstreifen ausgebildet und erzeugt einen sekundären
Laserstrahl 29 mit einer Leistungsdichteverteilung senkrecht
zur Ausbreitungsrichtung 30 wie in 2b gezeigt.
Die Leistungsdichteverteilung des sekundären Laserstrahls 29 weist
im Bereich der optischen Achse 30 ein zentrales Minimum
auf.
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3b zeigt
eine zweite Ausführungsform eines Rotationslasers 40 mit
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 41 zum
Projizieren eines Lichtstrahls bestehend aus der Strahlquelle 2 und
einer Strahlformungsoptik 42. Der Rotationslaser 40 unterscheidet sich
von dem in 3a gezeigten Rotationslaser 20 dadurch,
dass die Strahlformungsoptik 42 im Strahlengang des Laserstrahls
auf der der Strahlquelle 2 zugewandten Eintrittsseite des
Pentaprismas 23 angeordnet ist. Außerdem weist
der Rotationslaser 40 zusätzlich eine Fokussieroptik 43 auf.
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Der
primäre Laserstrahl 5 trifft nach dem Austritt
aus der Austrittsöffnung 4 der Strahlquelle 2 auf
die Fokussieroptik 43, die den Laserstrahl auf einen Fokuspunkt 44 fokussiert.
Die Lage des Fokuspunktes 44 kann über eine Verstelleinrichtung 45 verändert
werden. Die Fokussieroptik 43 ist in der Ausführung
von 3b als Flüssigkeitslinse ausgebildet, deren
Krümmung über eine angelegte Spannung variierbar
ist. Die Lage des Fokuspunktes 44 wird über die
Krümmung der Flüssigkeitslinse eingestellt. Der aus
der Fokussieroptik 43 austretende Laserstrahl wird als
fokussierter Laserstrahl 46 bezeichnet. Der fokussierte
Laserstrahl 46 trifft auf die Strahlformungsoptik 42,
die einen sekundären Laserstrahl 47 mit einem
zentralen Minimum im Bereich der optischen Achse 48 erzeugt.
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3b zeigt
eine Ausführung, bei der die Strahlformungsoptik 42 und
das Pentaprisma 23 als ein gemeinsames optisches Element
ausgebildet sind. Die Strahlformungsoptik 42 ist in die
Eintrittsfläche 25 des Pentaprismas 23 integriert.
Möglich wäre auch eine Integration der Strahlformungsoptik 42 in die
Austrittsfläche 28 oder in die Reflexionsflächen 26, 27 des
Pentaprismas 23. Die Integration in die Ein- und Austrittsflächen 25, 28 hat
gegenüber den Reflexionsflächen 26, 27 den
Vorteil, dass der Laserstrahl senkrecht auf die optischen Flächen
trifft. Ein Vorteil eines gemeinsamen optischen Elements besteht
darin, dass im Strahlengang weniger optische Elemente angeordnet
sind. Außerdem ist die Ausrichtung der optischen Flächen
fest vorgegeben, so dass eine Justierung entfällt.
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Die
Strahlformungsoptiken 22, 42 können als eindimensionale
Phasenelemente ausgebildet sein. Einzelheiten zum Aufbau von eindimensionalen
Phasenelementen sind in Zusammenhang mit den 5a–c
dargestellt.
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4 zeigt
einen Multidirektionallaser 50 mit einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung 51 zum Projizieren eines Lichtstrahls bestehend aus
der Strahlquelle 2 und einer Strahlformungsoptik 52.
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Der
primäre Laserstrahl 5 trifft nach dem Austritt
aus der Austrittsöffnung 4 der Strahlquelle 2 auf
die Kollimationsoptik 8, die den primären Laserstrahl 5 kollimiert
und den parallelen Laserstrahl 9 erzeugt. Der parallele
Laserstrahl 9 trifft auf ein Rechtwinkelprisma 53,
das als strahlteilende und strahlumlenkende Optik ausgebildet ist.
Das Rechtwinkelprisma 53 weist zwei Reflexionsflächen 54, 55 auf,
die unter einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind.
Der parallele Laserstrahl 9 wird am Rechtwinkelprisma 53 in
einen ersten Teilstrahl 56 und einen zweiten Teilstrahl 57 geteilt.
Der erste Teilstrahl 56 trifft auf die erste Reflexionsfläche 54 und
wird von dieser um 90° umgelenkt, der zweite Teilstrahl 57 trifft auf
die zweite Reflexionsfläche 55 und wird von dieser
um 90° umgelenkt. Die optische Achse 6 des primären
Laserstrahls 5 ist senkrecht zur optischen Achse 58 des
ersten Teilstrahls 56 und senkrecht zur optischen Achse 59 des
zweiten Teilstrahls 57 ausgerichtet.
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Im
Strahlengang des ersten Teilstrahls 56 ist ausgangsseitig
des Rechtwinkelprismas 53 ein erstes Phasenelement 60 und
im Strahlengang des zweiten Teilstrahls 57 ausgangsseitig
des Rechtwinkelprismas 53 ein zweites Phasenelement 61 angeordnet.
Das erste und zweite Phasenelement 60, 61 bilden
zusammen die Strahlformungsoptik 52 der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 51. Der erste Teilstrahl 56 trifft
auf das erste Phasenelement 60 und der zweite Teilstrahl 57 auf
das zweite Phasenelement 61. Das erste Phasenelement 60 erzeugt
einen ersten sekundären Teilstrahl 62 mit einem
zentralen Minimum im Bereich der optischen Achse 58 und
das zweite Phasenelement 61 einen zweiten sekundären Teilstrahl 63 mit
einem zentralen Minimum im Bereich der optischen Achse 59.
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Die
Form der Leistungsdichteverteilung des ersten und zweiten sekundären
Teilstrahls 62, 63 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
hängt von der Geometrie der Phasenelemente 60, 61 ab.
Die Phasenelemente 60, 61 können als
eindimensionale Phasenelemente oder als zweidimensionale Phasenelemente
ausgebildet sein. Einzelheiten zum Aufbau von ein- und zweidimensionalen
Phasenelementen sind in den 5a–c
für eindimensionale Phasenelemente und 6a–c
für zweidimensionale Phasenelemente dargestellt.
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5a–c
zeigen ein eindimensionales Phasenelement 80 in einer Draufsicht
(5a) und einem Querschnitt (5b) sowie
die Leistungsdichteverteilung des resultierenden sekundären
Laserstrahls 81 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung 82 (5c).
Das Phasenelement 80 ist als eindimensionales Phasenelement
mit einer Stufenstruktur in der optischen Oberfläche ausgebildet
und wird im Weiteren als Phasengitter bezeichnet.
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Das
Phasengitter 80 weist fünf lineare Gitterlinien 83a–e,
die parallel zueinander in einem Abstand 84a–d
angeordnet sind, auf. Die Parameter des Phasengitters 80,
vor allem die Anzahl der Gitterlinien 83a–e, die
Form und Abmessungen der Gitterlinien 83a–e sowie
der Abstand 84a–d zwischen benachbarten Gitterlinien,
werden so ausgewählt bzw. schrittweise optimiert, dass
die Leistungsdichteverteilung des sekundären Laserstrahls 81 senkrecht zur
Ausbreitungsrichtung 82 ein zentrales Minimum 85 aufweist,
das von zwei annähernd kreisförmigen Maxima 86, 87 umgeben
ist. Die Gitterlinien 83a–e haben eine rechteckige
Form, die sich als bevorzugte Ausführung herausgestellt
hat, um sekundäre Laserstrahlen mit möglichst
steilen Flanken zu formen. Je steiler die Flanken verlaufen, umso
größer ist der Kontrast zwischen dem zentralen
Minimum 85 und den angrenzenden lokalen Maxima 86, 87.
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6a–c
zeigen ein zweidimensionales Phasenelement 90 in einer
Draufsicht (6a) und einem Querschnitt (6b)
sowie die Leistungsdichteverteilung des resultierenden sekundären
Laserstrahls 91 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung 92 (6c).
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Das
Phasenelement 90 weist drei kreisförmige Phasenstreifen 93a–c
auf, die konzentrisch um die optische Achse 92 angeordnet
sind. Die Anzahl der Phasenstreifen 93a–c, die
Form und Abmessungen jedes einzelnen Phasenstreifen 93a–c
sowie der Abstand 94a, b zwischen den benachbarten Phasenstreifen
des Phasenelements 90 sind so ausgewählt, dass
die Leistungsdichteverteilung des sekundären Laserstrahls 91 senkrecht
zur Ausbreitungsrichtung 92 ein zentrales Minimum 95 aufweist,
das von einem ringförmigen Maximum 96 umgeben
ist. Der in 6c dargestellte sekundäre
Laserstrahl 91 ist als rotationssymmetri scher Laserstrahl
mit dem zentralen Minimum 95 im Bereich der optischen Achse 92 und
mehreren annähernd konzentrischen Beugungsringen ausgebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0689080 [0007]
- - DE 3833153 A1 [0008, 0008]