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Stand der Technik
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein selbstnivellierendes Fünf-Strahl-Lasergerät. Derartige
Geräte
werden in der Industrie, Handwerk und Heimwerkerbereich für Justier-Markier-,
Mess- und Ausrichtaufgaben verwendet. Durch die Strahlen werden Messpunkte
auf Wände
und/oder Gegenstände
projiziert und spannen so eine horizontale Ebene und vertikale Ebenen
auf. Derartige Fünf-Punkt-
oder Fünf-Strahl-Lasergeräte sind
bereits bekannt und im Handel verfügbar.
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Die
US 6,542,304 zeigt einen
Strahlteiler für ein
Lasermarkierungsgerät
mit einem zentralen Durchgang, um den herum sich vier um 45° gegen einen
Laserstrahl geneigte reflektierende Teilflächen befinden, die in der Strahlachse
zueinander um jeweils 90° rotationsversetzt
angeordnet sind. Hierdurch lässt
sich der Strahl einer einzigen Laserquelle in fünf Laserteilstrahlen aufteilen,
die ein räumliches Orthogonalsystem
aufspannen. Die
US 5,617,202 offenbart
die Möglichkeit
der Strahlteilung mittels Spiegeln oder teildurchlässigen Spiegeln.
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Nachteile
des Standes der Technik sind zum einen die aufwendige optische Konstruktion.
Ferner lassen sich die Strahlen nicht getrennt ein- und ausschalten.
Des Weiteren wird durch die Strahlteilungen die Strahlintensität reduziert,
so dass die einzelnen projizierten Punkte entsprechend weniger hell sind,
was deshalb nachteilig ist, da aufgrund der Laserklassen nicht ohne
weiteres die genannte Intensitätsreduzierung
durch einen stärkeren
Laser ausgeglichen werden kann.
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Aus
der
DE 696 21 792
T2 ist ein optisches Nivellier- und Lotinstrument in Form
eines Pendellasers bekannt, welcher einen Rahmen; einen Lotkörper, der
schwingend bzw. pendelnd auf dem Rahmen montiert ist und damit eine
Lotrechte durch Gravitations-Wirkung definiert; zumindest einen
Illuminator, der auf dem Lotkörper
montiert ist und Laserlicht auszusenden vermag; und zumindest eine
Linse mit zylindrischer Oberfläche,
die auf dem Lotkörper
vor dem Illuminator montiert ist, um das Laserlicht des Illuminators
planar zu konvergieren, um jeweils eine Laserlichtebene zu bilden,
besitzt.
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Eine
Ausführungsform
des Pendellasers der
DE
696 21 792 T2 besitzt drei Laserdioden mit jeweils einer
vorgeschalteten Zylinderlinse, die am Lotkörper befestigt sind, um drei
orthogonal zueinander ausgerichtete Laserlichtebenen zu erzeugen.
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Eine
weitere Ausführungsform
des Pendellasers der
DE
696 21 792 T2 besitzt fünf
Laserdioden mit jeweils vorgeschalteter Zylinderlinse, die allesamt derart
in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, dass die von den Dioden-Linsen
Baugruppen aufgespannten Ebenen sich teilweise überlappen, so dass das Pendellasersystem
insgesamt eine Laserlichtebene von 360° erzeugt.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile des Standes
der Technik zu beseitigen und insbesondere ein selbstnivellierendes 5-Strahl-Lasergerät bereitzustellen,
das bei einer kompakten Bauform und geringen Produktions- und Justagekosten
Laserstrahlen mit einer hohen Lagegenauigkeit erzeugt.
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Diese
Aufgabe wird durch das Fünfstrahlgerät des Anspruchs
1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Erfindungsgemäß wird ein
selbstnivellierendes Fünf-Strahl-Lasergerät bereitgestellt,
welches drei Laserquellen aufweist, wobei zwei von den Laserquellen
erzeugte Laserstrahlen in je zwei Teilstrahlen geteilt werden. Es
schneiden sich jeweils einer der Teilstrahlen mit der Achse des
Strahls der dritten Laserquelle in einem Punkt.
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Der
Begriff Fünf-Strahl-Lasergerät (in Folge auch
kurz: Lasergerät)
bedeutet, dass dieses Gerät fünf Laserstrahlen
ausstrahlt, welche fünf
Achsen eines dreidimensionalen Kartesischen (bzw. Orthogonalen)
Koordinatensystems entsprechen. Das Koordinatensystem ist vorzugsweise
so ausgerichtet, dass drei der Strahlen vom Ursprung des Koordinatensystems
(also dem genannten Schnittpunkt) in drei der vier Hauptrichtungen
der Horizontalen zeigen und zwei Strahlen in der Vertikalen liegen,
also nach oben bzw. unten gerichtet sind. Somit lassen sich mit
dem Gerät
bspw. in einem Raum fünf
Punkte an die Wände,
den Boden und die Decke projizieren, welche zum Vermessen des Raumes
oder als sonstige Bezugsgrößen verwendet
werden können.
Der Begriff „Fünf-Strahlen” bedeutet,
dass geräteintern fünf Strahlen
erzeugt werden und umfasst, dass diese Strahlen beim Verlassen des
Lasergeräts
auch bspw. durch ein DOE (wie später
beschrieben) fächerförmig aufgeteilt
werden können.
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Aus
Sicherheitsgründen
ist die Leistung der Laser in den Lasergeräten auf bestimmte Klassen, wie
bspw. auf Laserklasse 2 oder 2 M gemäß DIN EN 60825-1 begrenzt.
Diese besagt, dass ein entsprechender Laserstrahl für das menschliche
Auge weitestgehend unschädlich
ist. Es ist aber eine möglichst große Leistung
wünschenswert
ist, um möglichst
helle Projektionspunkte zu erzielen. Aus diesem Grund sind Teilungen
des Strahls der Laserquelle(n) nachteilig, da hierdurch auch die
Helligkeit jedes einzelnen Projektionspunktes reduziert wird. Die
Verwendung von einer Laserquelle pro Strahl wäre somit vorteilhaft, jedoch
ergeben sich hierbei Probleme mit der kostengünstigen Produktion und platzsparenden räumlichen
Anordnung der einzelnen Laser mit den entsprechenden optischen Elementen
(wie z. B. der Kollimierlinsen). So wurde erfinderisch erkannt,
dass bei der Verwendung von drei Laserquellen und der Teilung von
zwei der drei Laserstrahlen ein Fünf-Strahl-Lasergerät erzeugt
werden kann, das zum einen eine bestmögliche Helligkeit jedes projizierten
Laserpunkts und zum anderen eine kompakte Bauform aufweist.
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Vorzugsweise
wird in dem Lasergerät
die Teilung der Laserstrahlen in je zwei achsidentische und antiparallele
Teilstrahlen durchgeführt.
Dies geschieht insbesondere über
Dachspiegel. Dachspiegel sind optische Elemente, die kostengünstig und
in hoher Genauigkeit gefertigt werden können. Ihre beiden Spiegelflächen, welche
im Winkel von 90° zueinander
stehen und im Winkel von 45° zum
entsprechenden Laserstrahl ausgerichtet sind, lenken den Laserstrahl
entsprechend in Teilstrahlen mit einer Richtungsänderung von 90° um. Die
zwei Teilstrahlen laufen exakt in entgegengesetzter Richtung. Alternativ
ist auch eine Teilung über
ein Prisma möglich.
Durch die beschriebene Umlenkung liegen die Strahlen auf derselben
Achse. Hierdurch sind genaue Messergebnisse bezogen auf den Ursprungspunkt
des karthesischen Koordinatensystems möglich, welches durch die Laserstrahlen
aufgespannt wird. Sämtliche
Strahlen liegen somit winkelfehlerfrei und versatzfrei in Bezug
auf das Koordinatensystem.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
sind die drei Laserquellen mit ihren Längsachsen achsparallel angeordnet.
Insbesondere emittieren die drei Laserquellen ihre Strahlen in dieselbe
Richtung. Durch diese Anordnung liegen die drei Laserquellen mit
ihren optischen Elementen direkt benachbart nebeneinander. Dies
ist zum einen platzsparend. Zum anderen sind die elektrischen Anschlüsse der
einzelnen Laserquellen (bzw. Laserdioden) direkt nebeneinander.
Dies erleichtert die elektrische Verdrahtung. Da die Richtung der
Anschlussgins sämtlicher
Laserdioden gleich ist, (wobei die Winkelorientierung aber wegen
der eliptischen Strahlaufweitung teils um 90° verdreht ist) ist es bspw.
möglich
die Anschlüsse
der Laserdioden unmittelbar an einer einzigen Platine zu kontaktieren.
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Ein
weiterer Vorteil der dargestellten Ausführung mit drei Lasern ist,
dass die Laserquellen über elektrische
Schaltelemente getrennt und/oder gemeinsam ein- und ausgeschaltet werden können. Da die
Lasergeräte üblicherweise über eine
Batterie mit Energie versorgt werden, können nicht benötigte Laserquellen
abgeschaltet werden. Bauartbedingt lassen sich dabei nur unabhängige Strahlen,
also nicht die Teilstrahlen zueinander, getrennt schalten. Es lässt sich
somit der Frontalstrahl getrennt vom horizontalen Strahlenpaar und
auch getrennt vom vertikalen Strahlenpaar ein- bzw. ausschalten.
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In
vorteilhafter Weise wird zumindest einer der fünf Laserstrahlen oder Teilstrahlen
durch ein Diffraktives Optisches Element (DOE, wird später näher erläutert) geleitet.
Hierdurch lassen sich spezielle Formen, wie Koordinatenkreuze, fächerförmige Aufweitungen
des Strahls o. ä.
auf eine entsprechende Projektionsfläche projizieren.
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Alternativ
kann zumindest einer der Laserstrahlen oder der Teilstrahlen durch
eine Quadrat- oder Rechteckblende geleitet werden. Durch diese Anordnung
wird mit einfachen Mitteln der Laserstrahl maskiert, so dass über Beugung
bei der Projektion an z. B. eine Wand horizontal und vertikal angeordnete Nebenmaxima
entstehen, welche ein Koordinatenkreuz erzeugen. Der Mittelpunkt
dieses Koordinatenkreuzes ist am hellsten und die Intensität der Punkte nimmt
zu den Seiten ab. Diese Maskierung wird vorzugsweise bei dem Strahl
der dritten Laserquelle verwendet, also bei der Laserquelle, deren
Strahl nicht geteilt wird, ist aber auch bei jedem der anderen Laser-(Teil-)strahlen
anwendbar.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird zumindest einer
der aufzuteilenden Laserstrahlen durch eine (Kreis-) Blende zur
Rundmaskierung geleitet. Da vorzugsweise die Laserquellen Laserdioden
sind, tritt ein bekanntes Problem auf, dass die Laserdioden einen
Strahl erzeugen, der im Querschnitt oval ist. Durch die genannte
Maskierung wird aus dem ovalen Strahlquerschnitt ein runder Strahl erzeugt.
Es wird aufgrund der Maskierung lediglich der zentrale Bereich des
Strahls, also der Bereich mit seiner höchsten Intensität weitergeleitet
und genutzt. Dies bewirkt, dass die projizierten Laserpunkte ebenfalls
eine gleichmäßige und
gleichhelle Intensität
aufweisen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Laserquellen als
Laserdioden ausgeführt und
es ist jeweils eine Kollimierlinse im Strahlengang vorgesehen. Die
Blende zur Rundmaskierung ist zwischen Laserdiode und Kollimierlinse
angeordnet. Insbesondere sind die Blende zur Rundmaskierung mit der
Kollimierlinse zu einer Baugruppe vereinigt. Durch diese Integration
wird die Montage deutlich vereinfacht, da lediglich die Baugruppe
in den Block der optischen Einheit eingesetzt werden muss und sie
automatisch koaxial zum Laser zentriert ist. Zur Justage muss lediglich
die Winkellage der Dachspiegel, also die Ablenkrichtung der Spiegel
eingestellt werden.
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Vorzugsweise
wird die Selbstnivellierung über
eine innere Optische Einheit erreicht, welche gegen eine Trägereinheit
des Fünf-Strahl-Lasergeräts mittels
zwei zueinander senkrechten und vorzugsweise horizontal ausgerichteten
Lagerachsen gelagert ist. Diese Lagerung ist vom Prinzip her ein Kreuzgelenk,
was auch als ein Kardangelenk bezeichnet werden kann. Aufgrund von
leichtgängigen Kugellagern
wird der Effekt von Haftreibungen reduziert, so dass auch bei geringfügiger Schräglage des Lasergeräts die innere
Optische Einheit sich auspendeln kann, so dass sich die Laserstrahlen
automatisch entsprechend horizontal bzw. vertikal ausrichten. Bei
der Kreuzlagerung sind die Lagerachsen vorzugsweise um 90° zueinander
versetzt. Das Lagerkreuz muss nicht symmetrisch, d. h. mit gleichen
Abständen
vom Kreuzmittelpunkt zu den Lagerpunkten ausgeführt sein. Auch ist eine Funktionsumkehr
möglich,
so dass bspw. in einer der Achsen das Kreuzgelenk keine Lagerachse
sondern eine Lagerhülse
aufweist, in der eine kugelgelagerte und an der Optischen Einheit
rotationssteif befestigte Achse aufgenommen wird. Alternativ kann
die Selbstnivellierung auch durch eine hängende Befestigung, wie bspw. über ein
möglichst
unelastisches Seil oder ein eingliedriges Kettenelement mit verdrehten
Kettenösen, o. ä. erreicht
werden.
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In
einer weiterführenden
Ausgestaltung ist die Innere Optische Einheit zur Dämpfung gegenüber dem äußeren Gehäuse über eine
Schwingungsdämpfung
gekoppelt und die Schwingungsdämpfung ist
insbesondere als eine Wirbelstrombremse ausgeführt.
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Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend exemplarisch anhand
von Ausführungsbeispielen
eingehend erläutert.
Die Beschreibung, die zugehörigen
Figuren sowie die Ansprüche enthalten
zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale,
insbesondere auch die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele, auch
einzeln betrachten und zu sinnvollen, weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es
zeigen:
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1 eine
dreidimensionale Ansicht des Fünf-Strahl-Lasergeräts mit seinem
Trägerelement,
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2 einen
Längsschnitt
(Vertikalschnitt) durch das Lasergerät entlang zwei der Laserdioden,
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3 einen
Horizontalschnitt durch das Lasergerät entlang zweier Laserdioden,
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4 einen
Schnitt durch eine Laserdiode mit Strahlengang entlang eines Dachspiegels,
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5 eine
weitere Ausführungsform
der Strahlteilung mittels Prisma,
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6 eine
schematische Ansicht der Maskierung der Laserstrahlen und
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7 alternative Ausführungsformen.
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Die
Darstellung der 1 zeigt das selbstnivellierende
Fünf-Strahl-Lasergerät (kurz:
Lasergerät) 1,
welches in einem Gehäuse über zwei
horizontale Achsen drehbar und selbstnivellierend gelagert ist.
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Von
dem Lasergerät 1 werden 5 Laserstrahlen
erzeugt. Dies sind der untere Vertikalstrahl 2b der den
Boden des Raumes anstrahlt, der obere Vertikalstrahl 2a,
der die Raumdecke anstrahlt. Die beiden Horizontalstrahlen 3a und 3b und
Frontalstrahl 4 ab liegen in der Horizontalen. Dabei sind
die Richtungen der Horizontalstrahlen 3a und 3b antiparallel
und zwischen dem Frontalstrahl 4 zu den Horizontalstrahlen 3a und 3b liegt
ein Winkel von 90°.
Diese Vertikalstrahlen 2a und 2b werden gemäß 1 mittels
eines DOE (=Diffraktives Optisches Element – wie später näher erklärt wird) in Form eines Bezugskreuzes aufgeweitet.
Die selbstnivellierende Aufhängung
der Optischen Einheit des Lasergeräts 1 sorgt dafür, dass
sich nach z. B. einer möglichen
Erschütterung die
genannten horizontalen und vertikalen Richtungen automatisch wieder
einstellen.
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In
der gemeinsamen Betrachtung der 2 und 3 wird
der innere Aufbau des Lasergeräts 1 anschaulich.
Es sind drei Laserquellen (Laserdioden) 21, 41 und 61 vorgesehen. 3 zeigt,
wie jeweils ein Laserstrahl von den Laserquellen 21 und 61 erzeugt
wird und sich kegelförmig
aufweitet, bis er zu den Kollimierlinsen 22 und 62 gelangt,
wo er zu einem kollimierten, also einem parallel gerichteten Strahl,
umgewandelt wird. Entsprechend wird von der Laserquelle 41 gemäß 2 ein
Laserstrahl erzeugt.
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In
den Strahlengang der Laserquelle 21 (3)
ist ein erster Dachspiegel 25 eingefügt, welcher den Strahl in zwei
horizontale und antiparallele (also gegengerichtet und auf der gleichen
Achse liegende) Strahlen 3a und 3b aufteilt. Entsprechend
befindet sich ein Dachspiegel 45 im Strahlengang der Laserdiode 41,
welche den Strahl in zwei vertikale und antiparallele Strahlen 2a und 2b aufteilt.
Der Strahl der dritten Laserquelle 61 verlässt die
Optische Einheit nachdem er die Kollimierlinse 62 und Rechteckblende 69 passiert
hat.
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Die
Laserquellen 21 und 61 befinden sich gemäß 3 in
gleicher horizontaler Ebene und die Laserquelle 41 befindet
sich direkt unterhalb der Laserquelle 61. Die Dachspiegel 25 und 45 sind
so angeordnet, dass sich jeweils einer der erzeugten Teilstrahlen
mit dem Strahl der dritten Laserquelle 61 in einem Punkt
P treffen. Dieser Punkt P wird als der Ursprung eines dreidimensionalen
kartesischen Koordinatensystems betrachtet, welches von den Laserstrahlen
aufgespannt wird. Dieser Schnittpunkt P befindet sich in der freien
Luft und nicht bspw. innerhalb eines optischen Elements. Diese fünf Laserstrahlen, also
die geteilten Strahlen der Laserdioden 21 und 41 und
der Strahl der Laserdiode 61 strahlen so, dass sie bspw.
an den Wänden
eines Raumes, in dem sich das Lasergerät befindet, die Projektion
der Achsen des Koordinatensystems kennzeichnen. Diese Projektion
kann durch einen scharf umrissenen Laserpunkt, wie bei den Strahlen 3a, 3b und 4 oder
durch ein als Koordinatenkreuz aufgefächerter Laserstrahl, wie bei
den Strahlen 2a und 2b, geschehen.
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Wie
bereits beschrieben, befinden sich die Laserdioden 21, 41 und 61 in
direkter Nähe
zueinander und sie sind jeweils mit einem Adapter versehen, welcher
ringförmig
die entsprechende Laserdiode umgibt und in welcher die Laserdiode
befestigt, vorzugsweise verklebt, ist. Dieser Adapter bildet zusammen
mit der entsprechenden Laserdiode jeweils eine Lasereinheit 20, 40 und 60,
an welcher eine Stirnfläche
angeformt ist, die mit einer laserseitigen Anlagefläche 11 der
Optischen Einheit in Kontakt steht.
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Es
ist eine wesentliche Voraussetzung für genaue Projektions-/Messergebnisse,
dass die Laserstrahlen möglichst
exakt in dem genannten Koordinatensystem liegen. Hierfür sind exakte
Positionierungen und Winkellagen der Laserdioden 21, 41 und 61 und
Dachspiegel 25 und 45 von wesentlicher Bedeutung.
Dies wird zum einen dadurch erreicht, dass die drei Lasereinheiten 20, 40 und 60 an
der durchgehenden und gemeinsamen laserseitigen Anlagefläche 11 anliegen.
Es ist fertigungstechnisch einfach und kostengünstig möglich, eine durchgehende ebene
Fläche
zu produzieren, so dass durch die gemeinsame Anlage an dieser Fläche eine
exakte winkelmäßige Ausrichtung
der Laser zueinander realisiert wird.
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Es
ist ferner an der Optischen Einheit eine zur laserseitigen Anlagefläche 11 parallele
spiegelseitige Stirnfläche 12 angeformt,
welche bei jedem der Dachspiegel 25 und 45 in
eine zylinderförmige (Ausnehmung
(Bohrung) übergeht. Über diese
spiegelseitige Stirnfläche 12 und
die genannten zylinderförmigen
Bereiche werden die Dachspiegel 25 und 45 in ihren
Ortslagen soweit definiert, dass sie lediglich noch entlang ihrer
Rotationsachse auszurichten sind. Hierfür sind an den Dachspiegel 25, 45 seitlich Justageflächen 32 und 52 angeformt,
welche als Anlagefläche
zum Justieren der Winkellage der Dachspiegel 25, 45 entlang
ihrer Rotationsachsen dienen. Nachdem die Dachspiegeleinheiten im
Produktionsprozess der Optischen Einheit justiert wurden, werden
sie entweder über
eine Verklebung oder über Spannschrauben
in ihrer Position fixiert.
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In
diesem Sinne ist die Justage der Laserstrahlen in der optischen
Einheit sehr einfach, da bei der Montage die Laserdioden lediglich
grob entsprechend ihrer ovalen Strahlaufweitung (wird später erklärt) auszurichten
sind und die genannte Winkeljustage der Dachspiegel vorzunehmen
ist. Die Bauform der Optischen Einheit sorgt dafür, dass die Winkel- und Ortslagen
der Lasereinheiten 20, 40 und 60 zueinander
und zu den Dachspiegeln 25 und 45 exakt vorgegeben
ist. Da die Optische Einheit aus einem metallischen Werkstoff, wie
bspw. Aluminiumdruckguss- oder Zinkdruckgusslegierung, hergestellt
ist, sind Probleme der Temperaturdehnung oder der Alterung, wie
Verzug, zu vernachlässigen.
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Das
Lasergerät
ist zu allen Seiten von einem Gehäuse (nicht dargestellt) umgeben,
welches an den Laseraustrittsbereichen mit Fenstern versehen ist
und das Lasergerät
vor Umwelteinflüssen,
wie z. B. Schmutz oder Fremdkörpern
schützt.
Ferner ist die elektrische Einheit nicht dargestellt, welche an dem
Gehäuse
des Lasergeräts
befestigt ist und eine elektrische Versorgung, wie z. B. Batterien,
einige Schalter, um die einzelnen Laserquellen ein-und auszuschalten
und eine Verdrahtung umfasst. Die Verdrahtung umfasst Kabel, welche
von der elektrischen Einheit zu der inneren optischen Einheit geführt sind, wobei
diese Kabel möglichst
biegeschlaff ausgeführt sind,
um die Selbstnivellierung möglichst
nicht zu beeinflussen.
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Gemäß 3 wird
der Strahl der dritten Laserquelle 61 über die Kollimierlinse 62 geleitet
und beim Verlassen der optischen Einheit über die Rechteckblende 69 maskiert.
Die Rechteckblende 69 hat eine Öffnung in Rechteckform, welche
kleiner als der Laserstrahl ist, so dass der austretende Laserstrahl einen
rechteckförmigen
Querschnitt erhält.
Durch die Beugung an der Rechteckblende 69 entsteht eine
Interferenzfigur mit Nebenmaxima des projizierten Laserpunkts. Hierdurch
und dadurch, dass die Rechteckblende 69 in ihrer Winkellage
zu den Laserstrahlen 2a, 2b, 3a und 3b ausgerichtet
ist, kann an bspw. einer Gebäudewand
ein projiziertes Kreuz aus den Nebenmaxima erzeugt werden, welches
dem Koordinatensystem der Laserstrahlen entspricht. Anstelle einer
Rechteckblende 69 kann ebenso eine Quadratblende verwendet
werden.
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Die
in 1 dargestellten Lageraufnahmen 8a und 8b der
optischen Einheit nehmen Kugellager und eine erste Lagerachse (nicht
dargestellt) auf, welche die optische Einheit in einer ersten Winkellage
drehbar lagert. Diese erste Lagerachse ist als Teil eines Kreuzgelenks
ausgeführt.
Das Kreuzgelenk weist eine zweite, um 90° verdrehte, Lagerachse (nicht
dargestellt) auf, welche über
eine Kugellagerung in dem Gehäuse
gelagert ist. Der Schwerpunkt der optischen Einheit befindet sich
lotrecht unterhalb der Mitte des Kreuzgelenks, so dass die optische
Einheit sich so um zwei unabhängige
Richtungen auspendeln kann, dass die Laser 3a, 3b und 4 in
der Horizontalen liegen.
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Damit
sich die optische Einheit möglichst schnell
ausschwingt bzw. einpendelt, ist eine Dämpfung in Form einer Wirbelstrombremse
vorgesehen. Hierbei ist an der optischen Einheit ein Wirbelstromblock 90 befestigt,
welcher vorzugsweise aus Kupfer gefertigt ist. Dem Wirbelstromblock 90 ist
unmittelbar benachbart und berührungsfrei
ein an dem Gehäuse befestigter
Permanentmagnet zugeordnet. Dieser Permanentmagnet umfasst eine
Mehrzahl von einzelnen Magneten, welche so ausgerichtet sind, dass eine
Vielzahl von Magnetfeldlinien durch den Wirbelstromblock 90 geleitet
werden. Nach dem Prinzip des Waltenhof'schen Pendels werden bei Relativbewegung
von Wirbelstromblock 90 zu dem Permanentmagneten im Wirbelstromblock 90 Ströme induziert, deren
Magnetfelder entgegen dem(n) Feld(ern) des Permanentmagneten wirken
und so eine Pendelbewegung abbremsen. Die Achse des Wirbelstromblocks 90 ist
um ca. 30° zur
Vertikalen geneigt. Während
für optimale
Dämpfungswirkung
eine Ausrichtung des Wirbelstromblocks in der Vertikalen (also 0°) optimal
wäre, ergibt
sich diese Ausrichtung zum einen, da der Wirbelstromblock 90 nicht
den Bereich des unteren Vertikallaserstrahls 2b überdecken
darf und sein Gewicht zur Austarierung der optischen Einheit 5 dient.
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Ferner
sind in 3 zwei um 90° versetzte Tarierschrauben 84 dargestellt,
welche als Madenschrauben ausgeführt
sind. Durch ihre Einschraubtiefe in die optische Einheit, also ihren
lotrechten Abstand zu den ersten und zweiten Lagerachsen, lässt sich
der Schwerpunkt der optischen Einheit so justieren, dass er sich
lotrecht unterhalb der Mitte des Lagerkreuzes der ersten und zweiten
Lagerachse befindet.
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Im
Strahlengang der vertikalen Strahlen 2a und 2b sind
DOE (Diffraktives Optisches Element) 46, 47 vorgesehen,
welche die Strahlen in Form eines Koordinatenkreuzes aufweiten.
DOE sind diffraktive optische Elemente, bei denen auf einen Glasträger z. B.
durch Fotolitographie Mikrostrukturen aufgebracht sind. Ähnlich wie
bei einer Linse kommt es durch unterschiedliche optische Weglängen der
Teilstrahlen zu Phasenmodulationen, welche Interferenzmuster entstehen
lassen. Hierdurch ist es möglich über den
Laserstrahl neben Koordinatenkreuzen auch beliebige Muster oder
Figuren zu projizieren. Die DOE 46, 47 können nicht
nur bei den Laserstrahlen 2a und 2b, sondern auch
bei den anderen Strahlen des Fünf-Strahl-Lasergeräts angeordnet
sein. Ebenso kann die genannte Rechteckblende 69 an einem
anderen als dem Frontalstrahl 4 angeordnet sein. Es kann
die Anzahl der DOE 46, 47 oder der Rechteckblenden 69 frei
gewählt
werden.
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4 zeigt
schematisch die Strahlteilung mittels Dachspiegel 45 und
dem DOE 46. Nachdem der Strahl die Kollimierlinse 42 passiert
hat und hier kollimiert wurde, trifft er auf den Dachspiegel 45,
welcher zum Strahl mittig ausgerichtet ist und zwei zum Strahl in
45° ausgerichtete
Spiegelflächen
aufweist, welche den Strahl in zwei Teilstrahlen praktisch gleicher
Intensität
teilt und diese so um jeweils 90° ablenkt,
dass zwei antiparallele, also auf gleicher Achse in entgegengesetzter
Richtung laufende Teilstrahlen entstehen. Ferner zeigt 4 eine
Kreisblende 44, welche im Strahlengang zwischen der Laserdiode 41 und
der Kollimierlinse 42 eingefügt ist und den durch die Laserdiode 41 erzeugten
elliptischen divergenten Strahl in einen kegelförmigen Strahl begrenzt. Die Kreisblende 44 ist
zusammen mit der Kollimierlinse 42 als eine gemeinsame
Baugruppe ausgeführt,
welche einteilig ist und so in einem Arbeitsgang in dem Optischen
Element montierbar ist. Die Kante des Dachspiegels 45,
an der die beiden Spiegelflächen ineinander übergehen,
ist möglichst
scharfkantig, also mit einem möglichst
kleinen Radius geformt, um so die Streuverluste möglichst
gering zu halten.
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Es
kann alternativ, wie in 5 dargestellt, zur Teilung des
Strahls ein Prisma verwendet werden, bei dem der Strahl des Laserelements 41 auf eine
als Teilspiegel ausgeführte
Hypothenusenseite des Prismas fällt,
und dort zum einen teils nach oben (gemäß 5) abgelenkt
und zum anderen teils in das Prisma aufgenommen wird. Dieser aufgenommene
Strahl wird an der rechten Stirnseite des Prismas normal gespiegelt,
und über
eine weitere Reflektion im Prisma an der Hypothenusenseite um 90° abgelenkt
und verlässt
so das Prisma nach unten. Auch auf diese Weise kann der Laserstrahl
in zwei antiparallele Strahlen auf der gleichen Achse geteilt und umgelenkt
werden.
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6 zeigt
schematisch auf der linken Seite das Oval des Laserstrahls, wie
er von einer Laserdiode mit geringer Leistung erzeugt wird. Laserstrahlen,
die von Laserdioden erzeugt werden, haben nämlich technisch bedingt einen
ovalen Strahlquerschnitt, welcher umso ovaler ist, je kleiner die
Laserleistung ist. Auf der rechten Seite ist das Oval des Laserstrahls
einer Laserdiode mit höherer
Leistung dargestellt. Dieser rechte Strahl ist somit weniger oval, also
näher an einer
Kreisform ausgebildet, als der linke Strahl. Auf beiden Seiten ist
die Kreisblende 44 als ein Kreis dargestellt. Die 6 zeigt,
dass durch die Kreisblende 44 die Strahlen der Laser begrenzt
werden und nur noch ein Teil von Ihnen auf die in der Draufsicht
als Rechteck dargestellten Dachspiegel 25 oder 45 fallen.
Der Durchmesser der Kreisblende 44 ist so gewählt, dass
die Strahlstärke
an seinem inneren Rand ca. 10–15%
der Energie der Strahlmitte beträgt,
so dass Strahlanteile mit einer geringeren Energie wegmaskiert/ausgeblendet
werden.
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7 zeigt schematisch zwei weitere Ausführungsformen.
Während 7a dem
Prinzip der bereits beschriebenen Hauptausführungsform entspricht, zeigt 7b eine
Ausführung,
bei der die Laserquelle, die den nicht geteilten Strahl aussendet axial
versetzt ist, so dass sich sein Strahl nicht mehr mit den beiden
anderen Strahlen schneidet. Die Achse des Laserstrahls verläuft aber
weiterhin durch den Schnittpunkt.
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Bei
der Alternative der 7c ist die Laserquelle deren
Strahl nicht geteilt wird, um 90° gedreht, und
ein zusätzlicher
Spiegel lenkt den Strahl um denselben Winkel um, so dass sich wieder
der bereits beschriebene Schnittpunkt ergibt. Auch beliebige andere
Drehwinkel sind denkbar.
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Die
Erfindung wird nicht durch konkrete Ausführungsformen begrenzt und Merkmale
unterschiedlicher Ausführungsformen
sind frei miteinander kombinierbar.