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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Laserstrahl-Abstrahlgerät zum Abstrahlen
eines fächerförmigen Laserstrahls,
und insbesondere ein Laserstrahl-Abstrahlgerät durch welches es möglich ist, den
Streuwinkel des fächerförmigen,
vom Gerät
abgestrahlten Laserstrahles zu verändern.
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In
der Vergangenheit war ein Verfahren zum Projizieren eines fächerförmigen Laserstrahls
bekannt. Gemäß diesem
Verfahren wird ein divergierender von einer Laserlichtquelle ausgesandter
Laserstrahl durch eine zylindrische Linse geführt und der Lichtstrom des
Laserstrahls wird durch die Refraktionskraft einer gekrümmten Oberfläche der
zylindrischen Linse in fächerartige
Form verwandelt. Eine Ausbildung gemäß dem Stand der Technik ist
in
JP 10281768 offenbart.
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Grundsätzlich sind
die Anforderungen an einen fächerförmigen Laserstrahl
derart, dass der Lichtstrom eine Streuung aufweist aber so dünn wie möglich sein
muss. Allerdings geht bei einem fächerförmigen Laserstrahl, der von
einen herkömmlichen Laserstrahl-Abstrahlgerät bereitgestellt
wird, das divergierende Lich durch die zylindrische Linse. Wenn der
Lichstrahl über
eine lange Distanz projiziert wird, wird der Lichtstrahl in eine
Dickenausdehnung gestreut, das ist in Richtung seiner Dicke, und
wird dicker.
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Dementsprechend
ist ein fächerförmiger Laserstrahl,
der von einem herkömmlichen
Laserstrahl-Abstrahlgerät
ausgestrahlt wird, sehr hilfreich bei der Anwendung für kürzere Entfernungen.
Allerdings bei Anwendung für
größere Entfernungen
wird der fächerförmige Laserstrahl
weit gestreut und die Lichtstärke
nimmt ab. Auch wird die Dicke des fächerförmigen Laserstrahls erhöht, und
in der Praxis treten Unzukömmlichkeiten
auf wenn er zur Bildung einer Bezugslinie verwendet wird. Weiters
ist der Streuwinkel im herkömmlichen
Fall festgelegt. Wenn beispielsweise ein größerer Streuwinkel für die Anwendung
in kurzer Entfernung benötigt
wird oder wenn der Wunsch nach Verringerung des Streuwinkels bei
größerer Entfernung
besteht, dann kann das herkömmliche
Gerät diese
Anforderungen nicht erfüllen.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein Laserstrahl-Abstrahlgerät zu schaffen,
durch welches eine Änderung
des Streuwinkels eines Laserstrahls und die Beibehaltung eines dünnen Zustandes
des Laserstrahl selbst bei größerer Entfernung möglich ist.
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Zur
Erreichung des vorstehenden Ziels ist ein Laserstrahl-Abstrahlgerät gemäß Anspruch
1 vorgesehen.
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Ausbildungen
der Erfindung werden nun im Weg eines Beispiels unter Bezugnahme
auf die angeschlossenen Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 ein einfaches Blockdiagramm einer Ausbildung
der vorliegenden Erfindung ist. 1(A) eine
Seitenansicht, 1(B) eine Vorderansicht und 1(C) eine Draufsicht ist.
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2 ein einfaches Blockdiagramm der Ausbildung
der vorliegenden Erfindung ist. 2(A) eine
Seitenansicht, 2(B) eine Vorderansicht und 2(C) eine Draufsicht ist.
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3 eine
Zeichnung ist, um eine zylindrische Linse und die Refraktionsbedingungen
eines Lichtstromes zu erläutern.
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4 ein
Diagramm ist, welches einen Durchmesser des Lichtstromes in der
zylindrischen Linse und einen Streuwinkel eines fächerförmigen Laserstrahls
zeigt.
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5 eine
Querschnittsansicht eines wesentlichen Teiles der ersten Variante
der vorliegenden Erfindung ist; und
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6 eine
Querschnittsansicht eines wesentlichen Teiles der zweiten Variante
der vorliegenden Erfindung ist.
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Nachstehend
wird eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beschrieben.
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1 und 2 geben
jede ein einfaches Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Gerätes wieder.
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In
jeder von 1 und 2 gibt 1(A) und 2(A) jede
eine Seitenansicht, 1(B) und 2(B) jede eine Vorderansicht und 1(C) und 2(C) jede
eine Draufsicht wieder.
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In
den Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Laserlichtquelle,
z.B. einen Halbleiterlaser, 2 ist eine Kondensorlinse,
welche den von der Lichtquelle 1 kommenden Laserstrahl
in einen Laserstrahl mit parallelem Lichtstrom umwandelt, 3 ist
eine zylindrische Linse, 4 ist eine von der Laserlichtquelle 1 abgestrahlter
Laserstrahl, 6 ist ein den Lichtstrom drehendes Organ,
welches des Lichtstrom des von der Lichtquelle 1 abgestrahlten
Laserstrahls um einen Winkel von 90° um die optische Achse des Lichtstroms
drehen kann.
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Der
Querschnitt des Lichtstroms des von dem Halbleiterlaser ausgestrahlten
Laserstrahls 4 weist elliptische Form auf. Daher ist der
Querschnitt des Lichtstroms des Laserstrahls 4, der durch
die Kondensorlinse 2 in einen Parallelstrom gewandelt wurde,
ebenfalls elliptisch.
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In 1 wird der Laserstrahl 4 so in
die zylindrische Linse eingebracht, dass eine längere Achse 8 des
Querschnitts des Lichtstroms die Mittellinie 7 der zylindrischen
Linse 3 in rechtem Winkel schneidet. In 2 ist
der Lichtstrom des Laserstrahls 4 durch das den Lichtstrom
drehende Organ 6 um 90° um
die optische Achse des Lichtstroms gedreht und der Laserstrahl wird
so eingebracht, dass eine längere
Achse 8 des Querschnitts des Lichtstroms parallel zu oder
im Übereinstimmung
mit der Mittellinie 7 der zylindrischen Linse 3 verläuft. Der
Laserstrahl 4, der die zylindrische Linse 3 passiert
hat, wird als fächerförmiger Laserstrahl 4a projiziert.
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Wie
in 1 gezeigt ist, ist dann, wenn die längere Achse
des Querschnitts des Lichtstroms die Mittellinie 7 rechtwinkelig
kreuzt, der Streuwinkel des fächerförmigern
Laserstrahl 4a verbreitert. Wenn die längere Achse 8 des
Querschnitts des Lichtstromes in Übereinstimmung mit der Mittellinie 7 verläuft, ist der
Streuwinkel des fächerförmigen Laserstrahls 4a klein.
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Bezugnehmend
auf 3 und 4 werden die Breite des Lichtstromes
des in die zylindrische Linse eintretenden Laserstrahls 4 und
der Streuwinkel des fächerförmigen Laserstrahls 4a nachdem
er die zylindrische Linse 3 passiert hat, beschrieben.
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3 ist
eine Zeichnung, um das Verhältnis zwischen
dem Lichtstrom des in die zylindrische Linse 3 eintretenden
Laserstrahls 4 und dem Streuwinkel des Lichtstromes des
fächerförmigen Laserstrahls 4a,
nachdem er die zylindrische Linse 3 passiert hat, zu zeigen.
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Es
wird angenommen, dass ein Durchmesser der zylindrischen Linse 3d ist,
ein Radius des einfallenden Lichtstromes des Laserstrahls 4 d'/2 ist, ein Refraktionsindex
der zylindrischen Linse 3 n ist und der Streuwinkel (Halbwert)
des Lichtstromes des fächerförmigen Laserstrahles 4a nach
dem Passieren durch die zylindrische Linse 3a ist.
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Ein
Einfallswinkel θ des
Laserstrahls 4 auf die zylindrische Linse 3 ist
durch die folgende Gleichung (1) gegeben: θ =
sin–1(d'/d) (1)
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Ein
Refraktionswinkel θ' der optischen Achse des
in die zylindrische Linse 3 eintretenden Lichts nachdem
es in die zylindrische Linse 3 eingetreten ist, kann durch
die folgende Gleichung (2) gegeben sein: θ' = sin–1(1/n'·sin θ) (2)
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Der
Streuwinkel α (Halbwert)
des fächerförmigen Laserstrahl 4a,
nachdem er durch die zylindrische Linse hindurchgegangen ist, kann
durch die folgende Gleichung (3) gegeben sein: α = 2θ – 2θ' (3)
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Wenn
das Verhältnis
zwischen einer Position der optischen Achse des einfallenden Lichtes
des Laserstrahls 4 in Bezug auf eine radiale Richtung der zylindrischen
Linse 3 und dem Streuwinkel α des fächerförmigen Laserstrahls 4a basierend
auf der Gleichung (3) graphisch dargestellt wird, dann ist dies
wie in 4 dargestellt. Von diesem Diagramm ist ersichtlich,
dass je länger
die Entfernung vom Zentrum der zylindrischen Linse 3 ist
desto mehr Licht gebrochen wird.
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Daher,
je größer die
Breite des in die zylindrische Linse 3 eintretenden Lichstromes
ist desto mehr wird der Streuwinkel des fächerförmigen Laserstrahles erhöht.
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Es
wird nachstehend eine erste Variante des Laserstrahl-Abstrahlgerätes unter
Bezugnahme auf 5 beschrieben.
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Eine
zylindrische Form aufweisende Lichtquelleneinheit-Halterung 13 ist
auf einer Basis 11 über
Drehlager 12 drehbar montiert. Innerhalb der Lichtquelleneinheit-Halterung 13 ist
die Laserlichtquelle 1, die einen Halbleiterlaser als Lichtquelle
verwendet, vorgesehen. Die Kondensorlinse 2 ist in der optischen
Achse der Laserlichtquelle 1 angeordnet und die zylindrische
Linse 3 ist so angeordnet, dass ihre Mittellinie mit der
optischen Achse ausgerichtet ist. Die Kondesorlinse 2 wandelt
den Laserstrahl 4 von der Laserlichtquelle 1 in
einen Laserstrahl um, der parallelen Lichtstrom aufweist. Die Endflächen der zylindrischen
Linse 3 sind rechtwinkelig zur optischen Achse ausgerichtet
und der Laserstrahl 4 geht gerade durch die zylindrische
Linse hindurch.
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An
einem oberen Ende der Lichtquelleneinheit-Halterung 13 ist
ein Winkelprismenhalter 15 über eine Hohlwelle 14 drehbar
angebracht und ein Würfeleck-Prisma 16 ist
in Winkelprismenhalter 15 gehalten. Auf einer unteren Fläche des
Winkelprismenhalters 15 ist ein Pentaprismenhalter 17 befestigt
und ein Pentaprisma 18 ist durch den Pentaprismenhalter 17 gehalten.
Ein Strahlengangdurchgang 19 ist im Winkelprismenhalter 15 und
im Pentagonalprismenhalter 17 vorgesehen und der Laserstrahl 4,
der in das Würfeleckprisma 16 und
das Pentaprisma 18 eindringt und durch diese reflektiert
wird, geht durch den Strahlengangdurchgang 19 hindurch.
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Der
Laserstrahl 4 von der Laserlichtquelle 1 wird
durch die Kondensorlinse 2 in einen Laserstrahl umgewandelt,
der einen parallelen Strom aufweist. Der Laserstrahl 4 wird
durch das Würfeleckprisma 16 so
reflektiert, dass der Laserstrahl 4 parallel zu dem einfallenden
Licht verläuft.
Weiters wird der Strahl durch das Pentaprisma 18 in eine
im rechten Winkel stehende Richtung (horizontale Richtung) abgelenkt. Daher
tritt der Laserstrahl 4 von der Lichtquelle 1 in die
zylindrische Linse in einer Richtung ein, die rechtwinkelig zur
Mittellinie 7 verläuft.
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Die
Lichtquelleneinheit-Halterung 13 hält die zylindrische Linse 3 mit
einem Spalt 21 und dieser erlaubt so dem reflektierten
Laserstrahl aus dem Pentaprisma 18, dass der Laserstrahl
die Mittellinie der zylindrischen Linse 3 im rechten Winkel
kreuzt.
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Nachfolgend
wird die Wirkungsweise beschrieben.
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Der
von der Laserlichtquelle 1 ausgesandte Laserstrahl 4 geht
durch die zylindrische Linse 3 hindurch ohne die optische
Achse zu ändern.
Dann tritt der Laserstrahl in das Würfeleck-Prisma 16 ein
und wird reflektiert.
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Das
Würfeleck-Prisma 16 reflektiert
den Laserstrahl 4 derart, dass die optische Achse des austretenden
Lichtes parallel zur optischen Achse des eintretenden Lichtes verläuft. Der
durch das Würfeleck-Prisma 16 reflektierte
Laserstrahl 4 geht durch den Strahlengangdurchgang 19 und
tritt in das Pentaprisma 18 ein.
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Das
Pentaprisma 18 reflektiert den Laserstrahl 4 unter
Beibehaltung einer im rechten Winkel bezüglich der optischen Achse des
einfallenden Lichtes verlaufenden Richtung unabhängig vom Eintrittswinkel der
optischen Achse des eintretenden Lichtes. Genauer gesagt, wenn das
Pentaprisma 18 in eine im rechten Winkel verlaufende Richtung
zur Papieroberfläche
in 5 geneigt wird, geht die rechtwinkelige Kreuzung
der optischen Achse des reflektierten Lichtes verloren, wobei dies
ein vernachlässigbarer Wert
ist, wenn der Neigungswinkel des Pentaprismas sehr klein ist.
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Weiters
ist der Winkelprismenhalter 15, der das Würfeleck-Prisma 16 und
das Pentaprisma 18 hält,
um die Welle 14 drehbar. Jedoch tritt wenn er gedreht wird
unvermeidbar eine Auslenkung der Welle 14 ein. Daraus resultiert,
dass der Laserstrahl 4 in das Pentaprisma 14 immer
in einem abgelenkten Winkel eintritt.
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Allerdings
kann auf Grund der Eigenschaften des Winkeleck-Prismas 16 und
des Pentaprismas 18, und wenn weiters das Winkeleck-Prisma 16 und das
Pentaprisma 18 wie oben beschrieben angeordnet ist, der
durch die zylindrische Linse 3 in Richtung der optischen
Achse durchgehende Laserstrahl 4 im rechten Winkel zur
Mittellinie 7 der zylindrischen Linse 3 gerichtet
werden, ohne durch die Ablenkung der Welle 14 beeinflusst
zu werden. Dies ermöglicht
die Vermeidung einer Neigung des fächerförmigen Laserstrahles 4a.
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In
der oben beschriebenen Ausführung
wird, wenn der Winkelprismenhalter 15 gedreht wird, der Lichtstrom
des aus einer im rechten Winkel zur zylindrischen Linse 3 verlaufenden
Richtung eintretenden Laserstrahls 4 um die optische Achse
herum gedreht.
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Es
wird nun davon ausgegangen, dass die Lage des Lichtstroms des Laserstrahles 4 in
Bezug auf die zylindrische Linse 3 in dem in 5 gezeigten Stadium
die Lage ist, wie sie beispielsweise in 1 gezeigt
ist. In diesem Fall hat der fächerförmige Laserstrahl 4a einen
breiteren Streuwinkel und ist für die
Anwendung zur Erzeugung einer Bezugslinie u.dgl. in näherem Bereich
geeignet. Da der Laserstrahl 4 einen parallelen Strom aufweist,
ist der Strahl in Richtung der Dicke nicht gestreut.
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Als
nächstes
wird der Winkelprimenhalter 15 kontinuierlich um einen
Winkel bis zu 90° um
die Welle 14 gedreht. Die Lage des Lichtstromes des in
die zylindrische Linse 3 eintretenden Laserstrahles 4 ist derart,
dass die längere
Achse 8 des Querschnittes des Lichtstromes mit der Mittellinie 7 der
zylindrischen Linse 3 wie in 2 gezeigt
ausgerichtet ist. Daher wird der Streuwinkel des projizierten fächerförmigen Laserstrahls 4a verringert.
Das heißt,
durch Drehung des Winkelprismenhalters 15 ist es möglich den
Streuwinkel des fächerförmigen Laserstrahl 4a zu
verändern.
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Durch
Drehung der Lichtquelleneinheit-Halterung 13 ist es auch
möglich,
die Strahlungsrichtung zu ändern.
In diesem Fall wird auch der Winkelprimenhalter 15 mitgedreht.
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Wie
oben beschrieben weist der Laserstrahl 4 einen parallelen
Lichtstrom auf und ist in Dickenrichtung nicht gestreut, d.h. in
Richtung seiner Dicke, und die Dicke ist gleichgesetzt mit der Länge der
längeren
Achse des Querschnittes des Lichtstromes. Unmittelbar nach der Aussendung
aus der Laserlichtquelle 1 ist der Lichtstrom nicht groß aber der
Größenwert
ist für
den praktischen Gebrauch ausreichend.
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In
der in 1 gezeigten Lage ist der Streuwinkel
des fächerförmigen Laserstrahls 4a am
größten. In
der in 2 gezeigten Lage ist der Streuwinkel
des fächerförmigen Laserstrahls 4a am
kleinsten. Durch Drehung des Winkelprismenhalters 15 ist
es möglich,
die fächerförmigen Laserstrahl 4a auf
jeden gewünschten
Winkel zwischen dem größten Streuwinkel
und dem kleinsten Streuwinkel zu ändern. In diesem Fall ist die
Dicke des Lichtstroms des fächerförmigen Laserstrahl 4a zwischen
der Länge
der längeren
Achse und der Länge
der kürzeren
Achse des Querschnitts des Lichtstroms des Laserstrahles 4.
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Ein
Streuwinkeleinstellmotor (nicht dargestellt) kann an der Basis 11 oder
an der Lichtquelleneinheit-Halterung 13 vorgesehen sein.
Wenn der Winkelprismenhalter 15 über einen Getriebezug gedreht
wird, ist es möglich,
einen genauen Winkel einzustellen. Weiters, wenn er ausgebildet
ist, um über eine
Steuereinheit mit einer Kommunikationsfunktion für den Streuwinkeleinstellmotor
angetrieben zu werden, dann kann der Streuwinkel über eine
Fernsteuerung eingestellt werden.
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Unter
Bezugnahme auf 6 wird eine zweite Variante
beschrieben.
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Die
Laserlichtquelle 1 weist eine in horizontaler Richtung
verlaufende optische Achse auf und ist auf einer Lichtquelleneinrichtung-Halterung 13 vorgesehen
und die Kondensorlinse 2 ist in der optischen Achse angeordnet.
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Ein
hakenförmiger
Arm 25 erstreckt sich von der Lichtquelleneinheit-Halterung 13 in
horizontaler Richtung und die zylindrische Linse 3 ist
in horizontaler Lage am Arm 25 gehalten. Ein Prismenhalter 26 ist
am Arm 25 über
die Welle 14 so gelagert, dass er wenigstens um einen Winkel
vom 90° gedreht
werden kann. Die Mittellinie der Welle 14 ist mit der Mittellinie 7 der
zylindrischen Linse ausgerichtet.
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Der
Prismenhalter 26 hält
ein rhombisches Prisma 27 und das Pentaprisma 18.
Das rhombische Prisma 27 reflektiert den von der Laserlichtquelle 1 kommenden
Laserstrahl 4 an beiden Endflächen in Parallelrichtung und
dieses Prisma verschiebt den Laserstrahl 4 während es
die optische Achse des austretenden Lichts parallel zur optischen
Achse des eintretenden Lichtes des Laserstrahles 4 erhält, und der
Laserstrahl 4 wird zum Pentaprisma 18 gelenkt. Das
Pentaprisma 18 beugt die optische Achse des eintretenden
Lichts in eine im rechten Winkel verlaufende Richtung und der Laserstrahl
tritt in die zylindrische Linse 3 ein. Von der zylindrischen
Linse 3 wird der fächerförmige in
vertikaler Richtung gestreute Laserstrahl 4a projiziert.
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Bei
dieser Variante wird durch Drehung des Prismenhalters 26 um
einen Winkel vom 90° die
Lage des Lichtstromes des in die zylindrische Linse eintretenden
Laserstrahles 4 von der Lage gemäß 1 in die
Lage gemäß 2 geändert.
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Wenn
der Laserstrahl 4 in seitlicher Richtung in Bezug auf die
Mittellinie 7 der zylindrischen Linse 3 (siehe 1) in die zylindrische Linse 3 eintritt,
wird die Haltung der Laserlichtquelle 1 dadurch bestimmt, dass
der Mittelpunkt der optischen Achse des fächerförmigen Laserstrahls 4a in
vertikaler Richtung projiziert wird. Ebenso, wenn der Prismenhalter 26 um
einen Winkel von 90° gedreht
wird und der Laserstrahl in Längsrichtung
bezüglich
der Mittellinie 7 der zylindrischen Linse (siehe 3)
eintritt, wird der Laserstrahl 4 in horizontaler Richtung
projiziert und der Mittelpunkt der optischen Achse des fächerförmigen Laserstrahls 4a wird
in horizontale Richtung projiziert. So ist es möglich eine Laserstrahl-Abstrahlgerät bereitzustellen,
das eine praktische Leuchtkraftverteilung aufweist, das ist, dass
der Laserstrahl eine nicht so hohe Leuchtdichte jedoch größere Streuung
für eine
Gebäudedecke
in kürzerer
Entfernung besitzt und eine hohe Leuchtdichte jedoch geringere Streuung
für einen
Gegenstand in größerer Entfernung
in horizontaler Richtung aufweist.
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Bei
der vorliegenden Variante tritt eine Neigung des Pentaprismas 18 auf
Grund einer Abweichung der Welle 14 auf. Allerdings wenn
die Genauigkeit der Welle 14 erhöht wird, treten in der praktischen
Anwendung nur vernachlässigbare
Fehler auf.
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Bei
der in 5 gezeigten Variante ist der den Winkelprimenhalter 15 und
den Pentaprimenhalter 17 aufweisende Prismenhalter in Bezug
auf die Welle 14 nicht gleichförmig angeordnet. Deshalb ist, wenn
der Laserstrahl 4 beispielsweise in eine vertikale Richtung
projiziert wird, die Welle sehr wahrscheinlich verlagert wenn die
Anordnung um einen Winkel von 90° geneigt
wird. Anderseits wird in der vorliegenden Erfindung das rhombische
Prisma 27 anstelle des Winkelprismas 16 verwendet
und der benötigte
Platz kann verringert werden. Damit kann die Balance des drehbaren
Prismenhalters 26 in Bezug auf die Welle 14 besser
ausgeglichen werden. Weiters ist bei der vorliegenden Variante eine
solche Struktur vorgesehen, dass der Laserstrahl 4 nicht
durch die zylindrische Linse 3 hindurchgeht und damit ist
eine hohe Genauigkeit an beiden Endflächen der zylindrischen Linse
nicht erforderlich.
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Das
Laserstrahl-Abstrahlgerät
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist durch den angeschlossenen Anspruch 1 definiert. Da
der Streuwinkel des fächerförmigen Laserstrahls
durch Drehung des Laserstrahles geändert werden kann, ist es möglich, den fächerförmigen Laserstrahls
mit hoher Leuchtkraft für die
Anwendung im Bereich von kurzer Entfernung bis langer Entfernung
zu projizieren.