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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Projizieren einer optischen Linie auf einen Körper, mit einem Laser zum Erzeugen eines Lichtbündels, mit einer im Strahlengang des Lichtbündels angeordneten inversen Powell-Linse, die eine Lichteintrittsfläche und eine optisch wirksame Lichtaustrittsfläche aufweist, wobei die Lichteintrittsfläche und/oder die Lichtaustrittsfläche etwa V-förmig angeordnete erste Grenzflächenbereiche und einen zwischen diesen befindlichen, konkav gekrümmte zweiten Grenzflächenbereich umfasst, und mit einer im Strahlengang des Lichtbündels angeordneten Blende zum Ausblenden von Randbereichen des Lichtbündels, die in einer von den aus der Powell-Linse austretenden Lichtstrahlen aufgespannten Hauptabstrahlebene zueinander beabstandet sind.
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Eine derartige Vorrichtung ist aus
US 4 826 299 ,
10 und
13 bekannt. Mit Hilfe einer solchen Vorrichtung kann beispielsweise an einer Kreissäge eine optische Linie auf einen zuzuschneidenden Körper projiziert werden, um die Sägelinie anzuzeigen. Die Vorrichtung kann auch dazu verwendet werden, um auf einen auf einem Arbeitstisch befindlichen flächigen Körper, wie zum Beispiel ein Stück Leder oder eine Textile eine Linie zu projizieren, entlang welcher der Körper bearbeitet und insbesondere zerteilt werden soll. Die vorbekannte Vorrichtung weist als Lichtquelle einen He-Ne Laser mit einer Strahlleistung von 5 mW auf. Dieser erzeugt ein Lichtbündel mit im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Lichtstrahlen. Im Strahlengang zwischen der Halbleiterlichtquelle und der Lichteintrittsfläche der inversen Powell-Linse ist eine Lochblende angeordnet, mittels der die Randbereiche des Lichtbündels ausgeblendet werden. Der mit der Lochblende kombinierte He-Ne Laser ermöglicht zwar bezüglich seiner Abstrahlachse eine weitgehend rotationssymmetrische Intensitätsverteilung des von ihm ausgesandten Lichts. Entlang der optischen Linie kann daher eine weitgehend gleichmäßige Helligkeitsverteilung erreicht werden. Nachteilig ist jedoch, dass der He-Ne Laser noch relativ große Abmessungen aufweist und außerdem recht aufwändig und teuer ist.
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Es besteht deshalb die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die kompakte Abmessungen ermöglicht, kostengünstig herstellbar ist und mit der dennoch eine helle optische Linie projiziert werden kann, die in Längserstreckungsrichtung eine weitgehend gleichmäßige Helligkeitsverteilung aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Laser ein Halbleiterlaser ist und dass die Blende derart ausgestaltet und im Strahlengang angeordnet ist, dass das von dem Halbleiterlaser ausgesandte Lichtbündel in einer normal zur Hauptabstrahlebene verlaufenden Richtung über seine gesamte Breite auf die Linie projiziert wird.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass ein Halbleiterlaser zwar eine asymmetrische, von einem rotationssymmetrischen Lichtbündel stark abweichende Lichtabstrahlcharakteristik aufweist, dass mit dem Licht des Halbleiterlasers aber dennoch eine gleichmäßig helle optische Linie projiziert werden kann, wenn die in Längsrichtung der Linie voneinander beabstandeten Endbereiche der Linie ausgeblendet werden. Wenn keine Blende vorhanden wäre, würde an diesen Endbereichen das Licht mit einer wesentlich größeren Helligkeit auf die Projektionsfläche auftreffen als in dem dazwischen befindlichen mittleren Bereich.
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Damit trotz der Blende ein ausreichend großer Lichtstrom in die Projektionsfläche projiziert werden kann und die Linie somit für das menschliche Auge hell und deutlich sichtbar ist, ist die Blende derart ausgestaltet, dass sie das Lichtbündel quer zur Hauptabstrahlebene nicht begrenzt. Überraschender Weise hat sich nämlich herausgestellt, dass beim Projizieren einer schmalen optischen Linie quer zur Hauptabstrahlebene des Lichtbündels nur sehr geringe Helligkeitsunterschiede in der optischen Linie auftreten. Daher kann das Lichtbündel zwischen den ausgeblendeten Endbereichen der Linie über seine gesamte Breite auf die optische Linie projiziert werden, so dass diese entsprechend hell beleuchtet wird.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Blende eine Schlitzblende, die mit ihrer Längserstreckungsrichtung quer zur Hauptabstrahlebene im Strahlengang angeordnet ist. Dabei kann die Blende einstückig ausgebildet sein oder zwei separate Blendbalken aufweisen.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Blende zwischen der Lichtaustrittsfläche der inversen Powell-Linse und der optischen Linie angeordnet und weist vorzugsweise eine kreisförmige Durchtrittsöffnung auf. Die Blende kann dann eine handelsübliche Lochblende sein.
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Vorteilhaft ist, wenn der Abstand zwischen der Blende und der Lichtaustrittsfläche verstellbar ist. Dabei kann die Blende insbesondere in Axialrichtung auf die Lichtaustrittsfläche zu und von dieser weg verschiebbar angeordnet sein. Dadurch ist es möglich, den Abstrahlwinkel des Lichtbündels zu verengen und/oder zu erweitern.
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Es ist aber auch denkbar, dass der Abstand zwischen der inversen Powell-Linse und dem Halbleiterlaser verstellbar ist. Auch durch diese Maßnahme kann der Abstrahlwinkel des Lichtbündels verändert werden. Dabei kann die Blende ortsfest im Strahlengang angeordnete sein.
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Zweckmäßigerweise ist zwischen dem Halbleiterlaser und der Powell-Linse eine Kollimationslinse angeordnet, die derart auf die Abstrahlcharakteristik des Halbleiterlasers abgestimmt ist, dass die Lichtstrahlen des Lichtbündels in einem zwischen der Kollimationslinse und der Lichteintrittsfläche der Powell-Linse befindlichen Abschnitt des Lichtbündels im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Das von dem Halbleiterlaser ausgesandte Lichtbündel kann dadurch besser auf die optische Linie projiziert werden.
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Die Schlitzblende ist bevorzugt zwischen der Kollimationslinse und der Lichteintrittsfläche der inversen Powell-Linse angeordnet. Die Schlitzblende kann dadurch kompakte Abmessungen aufweisen.
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Die Lichteintrittsfläche der Powell-Linse ist bevorzugt eben ausgestaltet. Die Powell-Linse ist dadurch kostengünstig herstellbar. Es ist aber auch denkbar, dass die Lichteintrittsfläche von einer Ebene abweicht. Dadurch kann die Kollimationslinse einstückig in die Powell-Linse integriert sein.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
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1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung,
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3 einen Längsschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung,
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4 eine graphische Darstellung der Helligkeitsverteilung entlang einer mittels der in 1 gezeigten Vorrichtung auf eine Projektionsfläche projizierten optischen Linie, wobei auf der Abszisse der Ort entlang der Linie und auf der Ordinate Helligkeit aufgetragen ist, und
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5 eine graphische Darstellung der Helligkeitsverteilung nach Entfernen einer im Strahlengang der Vorrichtung befindlichen Blende.
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Eine im Ganzen mit 1 bezeichnete Vorrichtung zum Projizieren einer optischen Linie auf einen Körper 2 weist einen Halbleiterlaser 3 auf, der ein Lichtbündel 4 mit asymmetrischem Querschnitt abstrahlt, das in Richtung einer Fast-Axis eine größere Querschnittsabmessung aufweist als in Richtung einer quer zur Fast-Axis angeordneten Slow-Axis.
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Im Strahlengang des Lichtbündels 4 ist eine Kollimationslinse 5 angeordnet, die eine plane erste Oberfläche 6 aufweist, an der das Lichtbündel 4 in die Kollimationslinse 5 eintritt. Es sind aber auch andere Ausgestaltungen denkbar, bei denen die erste Oberfläche 6 von einer Ebene abweichen kann.
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An ihrem von der ersten Oberfläche 6 entfernten Ende hat die Kollimationslinse 5 eine asphärische zweite Oberfläche 7, an der das Lichtbündel 4 aus der Kollimationslinse 5 austritt. Die zweite Oberfläche 7 ist derart konvex geformt, dass die Lichtstrahlen das Lichtbündels 4 nach dem Austreten aus der Kollimationslinse 5 im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
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Im Strahlengang hinter der Kollimationslinse 5 ist eine schlitzförmige Blende 8A angeordnet, bei welcher der Blendenschlitz mit seiner Längsachse normal zu der der Zeichenebene in 1 entsprechenden Hauptabstrahlebene des Lichtbündels 4 ausgerichtet ist. Deutlich ist erkennbar, dass die Blende 8A in der Hauptabstrahlebene quer zum Strahlengang voneinander beabstandete, diametral einander gegenüberliegende seitliche Randbereiche des Lichtbündels 4 ausblendet. Zwischen den ausgeblendeten Randbereichen kann das Lichtbündel 4 über seine gesamte, normal zur Hauptabstrahlebene von 1 orientierte Breite durch die Blende 8A hindurch treten.
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Hinter der Blende
8A ist eine inverse Powell-Linse
9 im Strahlengang angeordnet, die eine plane Lichteintrittsfläche
10 und eine davon beabstandete, optisch wirksame Lichtaustrittsfläche
11 aufweist. Wie in
1 erkennbar ist, hat die Lichtaustrittsfläche
11 zwei etwa V-förmig angeordnete erste Grenzflächenbereiche, die spiegelsymmetrisch zur Längsmittelachse des Lichtbündels
4 angeordnet sind. Die Lichtaustrittsfläche
11 weist außerdem einen konkav gekrümmten zweiten Grenzflächenbereich auf, welcher sich zwischen den ersten Grenzflächenbereichen befindet und diese stetig differenzierbar miteinander verbindet. Die ersten Grenzflächenbereiche sind jeweils als Ebenen ausgestaltet. Die Form des zweiten Grenzflächenbereichs kann durch folgende Linsengleichung beschrieben werden:
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Dabei bedeutet h die Form der zweiten Grenzflächenbereichs, y eine quer zur Hauptabstrahlrichtung des Lichtbündels 4 verlaufende Achse, c den inversersen Krümmungsradius an der tiefsten Stelle des zweiten Grenzflächenbereichs und k eine konische Konstante, wobei 0,25/mm ≤ c·k ≤ 50/mm und k ≤ –1 ist.
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Wie in 1 erkennbar ist, verlaufen die Lichtstrahlen des Lichtbündels 4 nach dem Eintritt in die Powell-Linse 9 zunächst noch parallel. Beim Durchtritt durch die Lichtaustrittsfläche werden die von der optischen Achse der Powell-Linse 9 beabstandeten Lichtstrahlen von der optischen Achse weg gebrochen, so dass das Lichtbündel 4 in der Hauptabstrahlebene bzw. der Zeichenebene aufgeweitet wird. Nach dem Austritt des Lichtbündels 4 aus der Powell-Linse 10 weist dieses eine flächige Geometrie auf. Hinter der Powell-Linse 9 trifft das flächige Lichtbündel 4 auf eine an dem Körper 2 angeordnete Projektionsfläche 12 auf. Dabei wird der Körper 2 entlang einer schmalen Linie beleuchtet, die sich in der Zeichenebene von 1 quer zur optischen Achse der Powell-Linse 9 erstreckt.
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Bei dem In 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die inverse Powell-Linse 9 um 180° gegenüber 1 gedreht, d. h. in 2 bilden die etwa V-förmig angeordneten ersten Grenzflächenbereiche und der konkav gekrümmte zweite Grenzflächenbereich die Lichteintrittsfläche 10 und die Lichtaustrittsfläche 11 ist plan. Im übrigen entspricht das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel dem in 1, weshalb die Beschreibung zu 1 für 2 entsprechend gilt.
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Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Blende 8B eine Lochblende, die im Strahlengang zwischen der Powell-Linse 9 und der Projektionsfläche 12 angeordnet ist. Die Blende 8B weist eine kreisrunde Durchtrittsöffnung auf, deren Durchmesser kleiner ist als die Querschnittsabmessung, die das Lichtbündel 4 unmittelbar vor der Blende 8B in einer ersten Richtung aufweist, die in der der Zeichenebene von 3 entsprechenden Hauptabstrahlebene rechtwinklig zur Längsmittellachse des Lichtbündels 4 verläuft. Außerdem ist der Durchmesser der Durchtrittsöffnung größer als die Querschnittsabmessung, die das Lichtbündel 4 unmittelbar vor der Blende 8B in einer normal zur Zeichenebene von 3 verlaufenden zweiten Richtung aufweist. Somit kann das Lichtbündel 4 über seine gesamte, normal zur Hauptabstrahlebene von 3 orientierte Breite durch die Blende 8B hindurch treten.
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Bei Bedarf kann der Abstand zwischen der Blende 8A und der Lichtaustrittsfläche 11 verstellbar und insbesondere verschiebbar sein, um den Abstrahlwinkel des Lichtbündels 4 verengen und/oder erweitern zu können.
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In 4 ist die Helligkeit entlang der optischen Linie in der Projektionsfläche 12 für das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel graphisch dargestellt. 5 zeigt zum Vergleich Helligkeitsverteilung, die sich ergibt, wenn die Blende 8A aus dem Strahlengang entfernt ist. Deutlich ist erkennbar, dass durch die Blende 8A die Helligkeitsspitzen in den Endbereichen der optischen Linie ausgeblendet werden. Dadurch wird entlang der optischen Linie eine weitgehend gleichmäßige Helligkeit der Linie ermöglicht.
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Erwähnt werden soll noch, dass die Lichtstrahlen des Lichtbündels 4 ohne sich zu kreuzen von dem Halbleiterlaser 3 zur Projektionsfläche 12 gelangen. Auch dadurch wird eine gleichmäßige Helligkeitsverteilung entlang der optischen Linie ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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