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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine mehrkanalige
RF-angeregte Gaslaservorrichtung und insbesondere auf eine,
die Anwendungen bei Lasermarkier- und -kodiersystemen hat.
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In der US-A-4618961 lehrt Sutter einen Elektrodenaufbau zur
Verwendung bei einem Gaslaser, bei dem eine Mehrzahl
Elektroden um ein dielektrisches Rohrmaterial herum angeordnet
ist, so daß eine transversale Anregung des Lasers ermöglicht
wird; verschiedene Aufbauten sind gezeigt. Die US-A-4891819
von demselben Erfinder zeigt RF-angeregte Laser mit intern
gefalteten Resonatoren, so daß RF-Anregung extern in einen
geschlitzten zylindrischen Hohlraum eingekoppelt werden
kann. Feste Reflektionsmittel ermöglichen eine kompakte
Quelle von Gaslaserenergie, die bereitzustellen ist. In der
US-A-5095490 wird der asymetrische Aufbau von Elektroden
eines RF-angeregten Gaslasers beschrieben, wobei eine große
und asymetrische Erdelektrode zusammen mit schmalen und
"heißen" RF-Elektroden verwendet wird, um
Gaslaserentladungen in zylindrischen dielektrischen Rohren hervorzubringen.
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Die US-A-4652722 beschreibt die Verwendung einer Mehrzahl
kohärenter Laserstrahlen zusammen mit einem festen
Reflektor, Strahlrohren und einer Fokussierlinse, um ein Markieren
von Zeichen oder eine dauerhafte Änderung von Oberflächen
auf bewegten Substraten zu schaffen.
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Die vorliegende Erfindung zielt ab auf eine Verbesserung bei
der Schaffung einer Reihe von Laserstrahlen, wobei höhere
Markiergeschwindigkeiten im Vergleich zu Systemen, die einen
einzelnen Laserstrahl verwenden, erreicht werden können.
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Hauptkosten bei der Herstellung mehrkanaliger (digitaler)
Gaslasermarkier-/kodiersysteme, die extern RF-angeregte
Gaslaser des Typs verwenden, auf den sich die oben
angegebenen Patentbeschreibungen beziehen, sind verknüpft mit dem
Aufwand, miniaturisierte und mehrere präzise definierte
optische dielektrische Röhrchen zu schleifen und sie genau
im Verhältnis zueinander anzuordnen. Die vorliegende
Erfindung hat auch zum Ziel, dieses Problem zu überwinden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen eine
mehrkanalige RF-angeregte Gaslaservorrichtung mit einem
länglichen, rohrförmigen, dielektrischen Gehäuse, einer
länglichen Erdelektrode, die in dem dielektrischen Gehäuse
vorgesehen ist, einer Mehrzahl Laserkanäle, die innerhalb der
Erdelektrode definiert ist und entlang der Erdelektrode,
benachbart der Innenfläche des dielektrischen Gehäuses,
verläuft, einem Lasergas, das in dem dielektrischen Gehäuse
vorgesehen ist, und einer Mehrzahl RF-Elektroden, die der
Außenfläche des dielektrischen Gehäuses benachbart
angeordnet ist und entlang der Außenfläche des dielektrischen
Gehäuses verläuft, wobei jede RF-Elektrode in Ausrichtung mit
einem jeweiligen der Laserkanäle angeordnet ist.
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Das rohrförmige, dielektrische Gehäuse kann irgendeine einer
Anzahl verschiedener Querschnittsformen haben,
beispielsweise kreisförmige, rechtwinkelige oder andere polygonale
Querschnittsformen können eingesetzt werden, jedoch hat das
dielektrische Gehäuse bevorzugt einen im wesentlichen D-
förmigen Querschnitt.
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Wenn ein D-förmiger Querschnitt für das dielektrische
Gehäuse verwendet wird, ist die Erdelektrode auf der ebenen Seite
des Gehäuses vorgesehen und hat eine Mehrzahl Laserkanäle,
die in ihre Oberfläche maschinell eingearbeitet sind, wobei
die Erdelektrode die Aufgabe der elektrischen RF-Erde übernimmt
und die optischen Laserkanäle für die Laserstrahlen,
die zu erzeugen sind, bereitstellt. Solch ein Aufbau
gewährleistet, daß eine Präzisions- und reproduzierbar maschinell
bearbeitete Oberfläche geschaffen werden kann, so daß eine
Beständigkeit der Lasterstrahlausgabe gewährleistet wird.
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Die optischen Laserkanäle können parallel zueinander
innerhalb der Erdelektrode gebildet sein, sind jedoch
bevorzugt von einem Ende des dielektrischen Gehäuses zum anderen
in Bezug aufeinander in einem Winkel angeordnet. Ein
winkeliger Aufbau ist insbesondere nützlich bei Lasermarkier- und
-kodiersystemen als eine Alternative zu einzeln fokussierten
Laserstrahlen und gestattet es, daß eine einzige
Foussierlinse benutzt wird. Mit winkeligen Laserkanälen können die
Laserstrahlen direkt über ein einziges Strahlfokussiersystem
fokussiert werden. Der Einsatz paralleler Laserkanäle wird
zusätzlich den Einsatz einzelner Spiegel oder Linsen
erfordern, um Laserstrahlen zu dem Fokussierlinsensystem
umzulenken.
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Drei Beispiele einer Laservorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügen
Zeichnungen beschrieben, bei denen:
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Fig. 1A-D eine bevorzugte Ausführungsform jeweils in einer
Seitenansicht, einer Querschnittsansicht des linken Endes,
einer Querschnittsansicht des rechten Endes und einer
Ansicht des linken Endes veranschaulichen;
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Fig. 1E in Form eines Diagramms einen
RF-Versorgungsschaltkreis für die Laservorrichtung der Fig. 1A-1D
veranschaulicht;
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Fig. 2 den Querschnitt einer Vorrichtung mit kreisförmigem
Querschnitt veranschaulicht;
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Fig. 3 eine Vorrichtung mit rechtwinkeligem Querschnitt
veranschaulicht;
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Fig. 4 und 5 zwei Strahlfokussierausführungsformen
veranschaulichen und
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Fig. 6 und 7 jeweils die Geometrie mehrerer in Winkeln
angeordneter Laser und ihr Fokussieren veranschaulichen.
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Die Laservorrichtung der Fig. 1A-D hat ein dielektrisches
Gehäuse 1 mit einer Wand 14 von im wesentlichen D-förmigem
Querschnitt, wie am besten in den Fig. 1B und 1C zu sehen
ist. Bei einem alternativen Aufbau kann das Gehäuse einen
rechtwinkeligen Querschnitt haben. Das Gehäuse 1 ist aus
einem gasundurchlässigen, dielektrischen Material gebildet,
wie Glas hoher Dichte (SiO&sub2;-Basis), Vitrokeramik
(Glas-Keramik) oder Metalloxid (wie BeO oder TiO&sub2;), obwohl
Aluminiumoxid (polykristalliner Saphir-Al&sub2;O&sub3;) bevorzugt ist.
Gehäusematerialien sollten einen geringen Verlust für RF-Energie in
dem Band von 1,0 MHz bis 1,0 GHz zeigen (wie es bei reinem
Aluminiumoxid der Fall ist), konsistent mit der Frequenz von
RF-Energie, die als die Anregungsquelle zu verwenden ist.
Das gezeigte Gehäuse hat eine Länge von 50 cm, eine Breite
von 10 cm und eine Tiefe von 5 cm mit einer Nenn-Wanddicke
von 4-5 mm. Bei alternativen Aufbauten können sich die
Wandabmessungen erheblich ändern, obwohl eine Wanddicke
bevorzugt im wesentlichen ähnlich ist.
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Eine maschinell gearbeitete Metall-Erdelektrode 2 (in diesem
Beispiel aus reinem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung)
ist auf der ebenen Innenseite 3 vorgesehen, an der Wand des
Lasergehäuses 1 oder an einer der zwei Endplatten 15
anhaftend oder mechanisch befestigt. Andere Metalle können für
die Erdelektrode verwendet werden, einschließlich Kupfer,
Messing oder Stähle (beispielsweise rostfrei, Invar oder
Kovar) mit im Vakuum abgeschiedener Kupfer-, Aluminium-,
Nickel- oder Goldbeschichtung. Eine Mehrzahl länglicher
optischer Laserkanäle 4 ist in die Oberfläche 5 der
Erdelektrode 2, die gegen die innere ebene Oberfläche 3 des
Gehäuses stößt, maschinell eingearbeitet oder eingeformt. Wie am
besten in Fig. 1A zu sehen ist, liegen die Laserkanäle 4,
die näherungsweise einen Radius von 2-2,5 mm haben, in
Winkeln von etwas 0,5º relativer Winkellage zueinander,
jedoch kann ein alternativer Aufbau unter Verwendung
paralleler Kanäle eingesetzt werden. Für alternative Aufbauten
mit längeren Erdelektroden können die Winkel zwischen den
Laserkanälen vermindert und der Minimalradius der Kanäle
proportional zu der Quadratwurzel der Erdelektrodenlänge
erweitert werden. Auch kann es erforderlich sein, die Breite
des Lasergehäuses zu erweitern, wenn die Erdelektrodenbreite
zunimmt, da ihre Länge zunimmt, um an den Laserkanalabstand
an dem Ende anzupassen, an dem die Laserkanäle am engsten
gepackt sind.
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Eine herkömmliche Lasergasbefüllung ist innerhalb des Raumes
6 vorgesehen und einzelne RF-Elektroden 7 verlaufen entlang
der Außenseite des dielektrischen Gehäuses 1 und sind auf
der äußeren ebenen Seite 8 des Gehäuses in Ausrichtung mit
den Laserkanälen 4 angeordnet. Eine Reihe kleiner Löcher (1
bis 3 mm) Durchmesser kann in einem Abstand voneinander von
2 bis 5 cm entlang der Länge der Laserkanäle vorgesehen
sein, so daß eine Ventilation des Gases zwischen den
Laserkanälen und dem Befüllungsvolumen auftreten kann. Diese
Löcher dienen dazu, es zu gestatten, daß Gas von dem
Befüllungsvolumen in die Laserkanäle fließt, so daß die
Laserausgangsleistung in gepulster Betriebsart zunimmt. Bevorzugt
wäre die Lasergasmischung für eine kontinuierliche
Kohlendioxidlaserausgabe bei 10,6 um Wellenlänge grob 12%
Kohlendioxid, 12% Stickstoff und/oder Kohlenmonoxid, 5% Xenon und
71% Helium. Diese Mischung kann variiert werden, um ein
optimales Leistungsvermögen für einen gepulsten Laserbetrieb
zu erhalten, indem der Prozentanteil von Kohlendioxid erhöht
wird. Das Lasergas wird durch ein abdichtbares Rohr 16
eingeleitet, das durch eine geeignete Absperrvorrichtung 17
abgeschnürt oder per Ventil verschlossen werden kann, so daß
das Lasergehäuse abgedichtet ist. Bei einem alternativen
Aufbau kann ein zweites Gasaustrittsrohr an dem anderen Ende
des Gehäuses 1 hinzugefügt sein, so daß fließendes Gas in
der Vorrichtung verwendet werden kann. Der typische Gasdruck
in der Vorrichtung wäre 60 Torr und würde ungefähr
proportional zum Laserkanalradius variieren.
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An den Endplatten 15 des Gehäuses 1 sind in herkömmlicher
Weise laseroptische Halterungen 9 vorgesehen. Wenigstens
eine der Endplatten 15 ist elektrisch mit der Erdelektrode 2
verbunden. Die Endplatten 15 sind aus Aluminium oder einer
Aluminiumlegierung hergestellt, können jedoch alternativ aus
Kupfer, Messing oder Stählen (beispielsweise rostfrei, Invar
oder Kovar) mit einer im Vakuum aufgedampften Kupfer-,
Aluminium-, Nickel- oder Goldbeschichtung hergestellt sein. Die
Endplatten 15 sind gegenüber dem Gehäuse 1 über Elastomer-
oder Metalldichtungen (nicht dargestellt) abgedichtet.
Bevorzugt sind diese aus Viton (ein Elastomer) oder aus einer
metallischen Indiumlegierung. Die Endplatten 15 sind mit dem
Gehäuse 1 über geeignete Klemmvorrichtungen oder lange
Gewindestäbe (nicht dargestellt) verschraubt, die einen hohen
Andruck an das Gehäuse schaffen, um eine
Endplattenabdichtung zu gewährleisten. Alternativ können die Endplatten 15
aus mit Nickel beschichtetem Kovar gebildet und bei hoher
Temperatur an das Aluminiumoxid-Gehäuse 1 angeschweißt sein.
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Die optischen Halterungen 9 umfassen Resonatorspiegel 10,
10', die sich von Ende zu Ende der Vorrichtung
unterscheiden. An einem Ende ist der reflektierende Spiegel im
wesentlichen 100% reflektierend für die Laserstrahlung, beispielsweise
aus polierten Silizium mit verstärkt reflektierenden
Beschichtungen hergestellt, um eine Reflektivität an der
gewünschten Wellenlänge (> 99% bei 10,6 um) zu optimieren,
und hat annähernd Abmessungen von 6 mm Durchmesser und 3 mm
Dicke. Die Beschichtung kann vaiiert sein, um andere
Wellenlängen für sowohl Kohlenmonoxid- als auch Kohlendioxidlaser
(5 bis 12 um) zu optimieren. An dem anderen Ende ist der
zweite, gegenüberliegende Spiegel von ähnlicher Größe, an
der gewünschten Wellenlänge teilweise reflektierend (90%
bis 95%) und aus Zinkselenid mit reflektionsverstärkenden
Beschichtungen hergestellt. Andere mögliche Materialien sind
Germanium, Kadmiumtellurid und Silizium, sämtliche mit
reflektionsverstärkenden Beschichtungen. Die Spiegel sind an
der Laseranordnung angebracht und auf die jeweiligen
Laserkanäle unter Verwendung eines optischen Halters mit
Befestigungsschrauben (bevorzugt drei oder vier pro Spiegel)
ausgerichtet. Die Spiegel 10 werden gegen eine Elastomer-
(beispielsweise Viton) oder eine metallische (beispielsweise
eine Indium-Metallegierung) Dichtung gedrückt, die von der
Halterung 9 getragen wird, die hermetisch an der jeweiligen
Endplatte 15 anhaftet und eine Referenzoberfläche für eine
Ausrichtung der Resonatoroptik bereitstellt.
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Fig. 1E veranschaulicht einen Schaltkreis zum Bereitstellen
von RF-Anregung der Laservorrichtung. Dies wird erreicht
durch Entwickeln eines elektrischen Hochspannungsfeldes in
jedem Laserkanal 4 mittels eines hochfrequenten elektrischen
Hochspannungsfeldes an den RF-Elektroden 7, das von einem
200 bis 250 Watt RF-Signal bereitgestellt wird, das an einem
RF-Generator 18 erzeugt und durch ein 50 Ohm RF-Kabel 19
zugeführt und dann über ein Anpassungsnetzwerk 20, das eine
in Reihe geschaltete Induktivität 21 und eine parallel
geschaltete Kapazität 22 aufweist, in eine
Hochspannungsversorgung umgewandelt wird. Die Endplatten 15, die mit der
Erdelektrode 2 verbunden sind, sind gegenüber dem Anpassungsnetzwerk
geerdet.
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Die Laservorrichtung, die in den Fig. 1A bis 1E gezeigt ist
und oben beschrieben wird, ist zum Erzeugen von 10 bis 20
Watt Laserleistung bei etwa 10,6 um ausgelegt.
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Die Fig. 2 und 3 veranschaulichen alternative Geometrien für
das dielektrische Gehäuse mit entsprechenden Änderungen für
die Struktur der anderen Komponenten. Dieselben
Bezugsziffern werden verwendet, es ist jedoch beispielsweise in Fig.
2, bei der das dielektrische Gehäuse kreisförmig ist, zu
erkennen, daß auch die Erdelektrode 2 von der Form her
rohrförmig und mit optischen Laserkanälen 4 über einen Abschnitt
ihres Umfangs vorgesehen oder ausgebildet ist. Die
rechtwinkelige Ausführung, die in Fig. 3 gezeigt ist, ist
derjenigen der Fig. 1A-D dahingehend ähnlicher, daß die
Erdelektrode 2 die Laserkanäle 4 in einer ebenen Seite
ausgebildet hat, die gegen eine der längeren Seitenwände des
rechtwinkeligen dielektrischen Gehäuses stößt.
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Ein wesentliches Merkmal der mehrkanaligen
Laservorrichtungen, die zum Markieren und Kodieren verwendet werden, ist
das eingesetzte Strahlfokussiersystem. Fig. 4
veranschaulicht eine erste Ausführungsform eines
Strahlfokussiersystems, das bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden
kann, und Fig. 5 veranschaulicht eine Alternative. Die
Geometrie und Aufbau und die Brennweite der Linsen, die
eingesetzt werden, bestimmen den Punktabstand und die Punktgröße
der Markierungen, die die Laser, die von den Laserkanälen
emittiert werden, erzeugen können, und die Aufteilung der
Punkte, entweder einzeln oder in Gruppen, kann durch ändern
des Winkels zwischen den Laserstrahlen an den
Fokussierlinsen eingestellt werden. Fig. 4 veranschaulicht den ersten
Aufbau, bei dem eine einzelne Endfokussierlinse 12 verwendet
wird, um die mehreren Strahlen 11 auf ein Ziel 13 zu fokussieren.
Fig. 5 veranschaulicht die Verwendung mehrerer
Endfokussierlinsen 12, um den selben Zweck zu erreichen.
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Fig. 6 veranschaulicht die Geometrie beim Verwenden einer
einzelnen Endfokussierlinse (wie bei Fig. 4) mit der Linse
12, die von einer Brennweite f ist, in einem Abstand D&sub1; von
dem optischen Ende der Laserkanäle 4, wobei die Linse eine
Reihe fokussierter Laserlichtpunkte an einer nahezu ebenen
Oberfläche in einem Abstand D&sub2; von der Fokussierlinse bildet.
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Fig. 7 veranschaulicht den optischen Aufbau von zweien eines
Paars benachbarter Laserstrahlen von denjenigen, die in dem
System der Fig. 4 und 6 vorgesehen sind, und
veranschaulicht Beugungseffekte. In Fig. 7 liegt das benachbarte Paar
Laserstrahlen in einem Winkel zueinander und ist an
Mittelpunkten an den engsten Punkten um einen Abstand Y
getrennt. Jeder Laserstrahl, der aus der jeweiligen
Laseröffnung (mit Innendurchmesser W&sub1;) austritt, weitet sich im
Fernfeld der Austrittsöffnung mit einem Winkel θ auf und
wird von der Linse mit der Brennweite f auf einen
Punktdurchmesser von W&sub2; fokussiert, getrennt um einen Abstand 5
von dem benachbarten Lichtpunkt, der von dem benachbarten
Laserstrahl 11 gebildet wird.
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Die Theorie eines Betriebs wird nun beschrieben werden.
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Gemäß optischer Standardtheorie für Gaußsche Laserstrahlen
niedrigster Ordnung können die folgenden Berechnungen
vorgenommen werden.
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Zuerst ist es aus grundlegender Lasertheorie gegeben, daß
die Laserstrahdivergenz für eine Laserstrahl, der aus einer
Laseröffnung mit einer Gaußschen Strahltaille "W&sub1;" austritt,
durch die Relation gegeben ist:
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θ (4λ)/(πW&sub1;),
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wobei λ die Wellenlänge des Lichtes ist, daß aus dem
Wellenleiter austritt, und π die physikalische Konstante ist, die
durch den Wert 3,14159 angenähert wird.
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Für Gaußsche Laserstrahlen, die durch eine Linse fokussiert
werden, können die folgenden Zusammenhänge ohne weiteres
abgeleitet und in den meisten Standardtexten über das Thema
gefunden werden:
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W&sub2; = [(1/W&sub1;²) (1-(D&sub1;/f))²+(1/(fθ))²]-1/2
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und
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D&sub2; = f + [(D&sub1; - f)] f²]/[(D&sub1; - f)² + (πW&sub1;²)/(4λ)))²]
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Zuletzt ist unter Normalbedingungen, bei denen der Winkel
zwischen Laserkanälen klein ist, dann der Wert von "tan ( )"
näherungsweise gleich " ", so daß durch einfache Geometrie:
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S D&sub2;
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Somit kann man aus diesem Satz Gleichungen die fokussierte
Lichtpunktgröße "W&sub2;" und den Lichtpunktabstand "S" für einen
gegebenen Satz geometrischer Parameter ("W&sub1;", "D&sub1;" und ) und
optischer Parameter ("f" und "λ") ableiten.
Beispielsrechnungen:
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Als ein Beispielfall ist das Folgende gegeben:
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"λ" = 10,6 · 10&supmin;&sup4; (Kohlendioxidlaser-Wellenlänge)
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"f" = 5,0 cm
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"W&sub1;" = 0,40 cm
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"D&sub1;" = 130 cm
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" " = 0,01 rad
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Dann kann aus diesen Werten das Folgende abgeleitet werden:
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"θ" = 0,0337 rad (von Gleichung 1)
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"W&sub2;" = 0,0116 cm (von Gleichung 2)
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"D&sub2;" = 5,1 cm (von Gleichung 3)
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"S" = 0,51 cm (von Gleichung 4)
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Die obigen Werte wären typisch für eine
Sieben-Punkt-Zeichenhöhe von etwas mehr als 3,0 mm, wobei die Zeichenhöhe
"H" gleich ist zu:
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H = (N - 1) S + W&sub2;
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wobei "N" die Anzahl Punkte ist, die in der Höhe der
Markierung enthalten sind.
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Unter Bezugnahme auf die zweite
Strahlfokussierausführungsform, die in Fig. 5 gezeigt ist, können die mehreren
transmittierten Laserstrahlen auf das Ziel 13 über mehrere
Fokussierlinsen 12 fokussiert werden. Die Geometrie des Aufbaus
und die Brennweite der Linsen bestimmen den Punktabstand und
die Punktseite der Markierungen auf dem Ziel. Die Aufteilung
der Punkte, entweder einzeln oder in Gruppen, kann durch
Änderung der Winkellage der Laserkanäle an der
Fokussierlinse eingestellt werden. Die Berechnungen für Lichtpunktgröße
und Lichtpunktabstand für diese Ausführungsform gehorchen
derselben optischen Theorie, die zuvor für die
Strahlfokussierausführungsform #1 (vgl. Gleichungen 2 und 4 oben)
beschrieben worden ist.