專利名稱：使用激光束的水平度和鉛直度指示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用激光束的水平度和/或鉛直度指示器，具體地說，所涉及的種使用激光束的水平度和/或鉛直度指示器通過把從激光束掃描機構(gòu)發(fā)射之激光束轉(zhuǎn)換成激光束線，并在保持基準水平度的同時輸出該激光束線。
背景技術(shù)：
一般說來，在建筑工地建造建筑結(jié)構(gòu)時，通過使充有液體并被密封的玻璃管內(nèi)所形成的氣泡能夠位于其中心，以調(diào)整水平度，從而指示水平狀態(tài)。然后，定位一條線或者鋼線，與水平面相應(yīng)，從而可使被碼放的磚塊或木料能夠所述水平面或水平線相應(yīng)地被水平地放置。另外，為設(shè)定鉛直線，使用系于線下的鉛錘，并相應(yīng)于所述鉛直線豎立一柱。于是，就使建筑結(jié)構(gòu)平穩(wěn)。圖1示出普通水平度指示器具(水平儀)，通過以裸眼檢查玻璃管內(nèi)氣泡的位置指示水平度。圖2表示普通鉛直度指示器，利用一條線和系于線下的鉛錘在重力下懸垂形成一條鉛錘線，指示鉛直度。
在建筑工地上還有一種需要，即在要把兩個或多個畫框或平面鏡固定在建筑物內(nèi)墻壁上的情況下，是難于設(shè)定水平度和鉛直度的。另外，在焊接龐大的結(jié)構(gòu)，如現(xiàn)有建筑物、工程機械和船艦，或者建造巨大的雕像或藝術(shù)作品的場所，水平度和鉛直度都需要用線及鉛錘、水平儀和指示器做艱苦的工作，需要大量的時間和工作量用在安置線和鉛錘以及水平儀，還要改變它們的位置。另外，雖然在每個位置可在顯微鏡下使用水平度指示器，但由于無法以顯微鏡觀察目標，也使水平和鉛直作業(yè)變得困難。盡管有多種激光指示器，但普通激光指示器指示激光束線的能力、它的制作及其控制方法都非常困難，使得這種指示器的價格高，而且有的使用方法非常復(fù)雜，用戶也難以學習，以致降低在作業(yè)場合的生產(chǎn)效力。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種使用激光束的水平度和鉛直度指示器，易于加工，也便于操作。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種使用激光束的水平度和鉛直度指示器，可用于大型加工件。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種使用激光束的水平度和鉛直度指示器，可于自動保持水平度的同時指示水平度和/或鉛直度。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種使用激光束的水平度和鉛直度指示器，通過采用視力保護機構(gòu)以保護視力不受激光束影響而能安全地使用。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種使用激光束的水平度和鉛直度指示器，通過采用遙控裝置而能有效地使用。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種使用激光束的水平度和鉛直度指示器和鉛垂點指示器，易于加工，也便于操作。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種使用激光束的水平度和鉛直度指示器，通過使鉛錘快速保持水平和鉛直，而能快速指示水平度和鉛直度。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，提供一種使用激光束的水平度和鉛直度指示器，用于指示水平度和鉛直度，它包括用以發(fā)射激光束的激光束掃描機構(gòu)；將激光束掃描機構(gòu)發(fā)射的激光束轉(zhuǎn)換成激光束線，并輸出所述激光束線的裝置；以及基準水平度保持裝置，用以在保持水平度的同時維持所要輸出的激光束線。
按照本發(fā)明優(yōu)選的是，所述激光掃描機構(gòu)包括調(diào)制電路，用于響應(yīng)所接收的預(yù)定電功率調(diào)制脈沖間隔和脈沖寬度；激光二極管，用于響應(yīng)從所述調(diào)制電路收到的調(diào)制信號發(fā)射激光束。
按照本發(fā)明優(yōu)選的是，所述激光束線轉(zhuǎn)換及輸出裝置為柱面透鏡，它被沿長度方向經(jīng)切割處理，用以使被聚焦的激光束轉(zhuǎn)換成激光束線。
按照本發(fā)明優(yōu)選的是，所述激光束轉(zhuǎn)換及輸出裝置還包括用以使所述柱面透鏡旋轉(zhuǎn)90°的裝置，以使所述激光束線在被旋轉(zhuǎn)90°的狀態(tài)下輸出。
按照本發(fā)明優(yōu)選的是，所述激光束線轉(zhuǎn)換及輸出裝置包括以預(yù)定速度旋轉(zhuǎn)的多角旋轉(zhuǎn)平面鏡，用以反射激光束，使已聚焦的激光束轉(zhuǎn)換成激光束線；電機，用以按預(yù)定速度轉(zhuǎn)動所述多角旋轉(zhuǎn)平面鏡。
按照本發(fā)明優(yōu)選的是，所述基準水平度保持裝置包括局部經(jīng)切割處理的上球體，與所述激光束掃描裝置相適應(yīng)；支承體，它的上表面有微型軸承機構(gòu)，使上球體與三點相適應(yīng)；下球體，其直徑大于上球體的直徑，并由所述支承體與上球體連接，以便能自動保持沿鉛直方向的平衡，并因此而保持上球體之激光掃描機構(gòu)的水平度。
按照本發(fā)明優(yōu)選的是，所述基準水平度保持裝置是液體水平度指示器，其中一個內(nèi)置激光束掃描機構(gòu)用于掃描通過激光束掃描窗的激光束，所述激光束掃描窗形成于基準水平度保持裝置的一側(cè)，所述內(nèi)置激光束掃描機構(gòu)被安置在所述液體水平度指示器中的特定空間處，并根據(jù)液體水平度指示器中氣泡的位置，以手動方式調(diào)節(jié)被安置在所述液體水平度指示器中的激光束掃描機構(gòu)的水平度。
按照本發(fā)明優(yōu)選的是，所述水平度指示器包括上部單元和下部單元，并在將指示器用作水平度指示器時，所述上部單元和下部單元彼此折疊；還包括與所述上部單元相連的懸臂，該懸臂沿著在所述下部單元的上表面上形成的槽滑動，并被折疊；在將所述指示器用作鉛直度指示器時，所述上部單元和下部單元并不彼此折疊，而且所述懸臂沿所述槽滑動，并且不折疊。
按照本發(fā)明優(yōu)選的是，所述指示器還包括一個三角架，它與在指示器下表面處形成的孔相連，用以調(diào)節(jié)指示器的高度，以形成激光束的水平線和鉛直線。
按照本發(fā)明優(yōu)選的是，所述指示器還包括一個窗口，它形成于指示器的一側(cè)，用以接收來自遙控器的遙控信號。還包括一個安置在指示器中的處理器，用以處理所述遙控信號，以對所述激光束掃描機構(gòu)給出經(jīng)過處理的遙控信號。
按照本發(fā)明優(yōu)選的是，所述指示器還包括眼保護電路，用以切斷所述激光束掃描機構(gòu)的電功率，而響應(yīng)從傳輸部分收到的功率斷開信號。所述傳輸部分在檢測激光束線時傳送控制信號，以切斷所述激光束掃描機構(gòu)的電功率。
按照本發(fā)明優(yōu)選的是，所述傳輸部分被安置在工作人員佩戴的一對眼鏡或頭盔中，以保護工作人員的視力。
按照本發(fā)明優(yōu)選的是，所述基準水平度保持裝置包括柱狀浮動體，其上部設(shè)有覆蓋物，用以容納激光束掃描機構(gòu)；校準器，它包括放在所述浮動體上部之覆蓋物上的三點處的重錘；與各重錘相連的桿；以及調(diào)節(jié)重錘，用以通過沿著豎直形成于移動體內(nèi)之棒狀導管的移動，調(diào)節(jié)激光束掃描機構(gòu)的水平度，其中所述導管內(nèi)嵌入電池；球形鉛錘連在通孔的下端；以及裝有液體的外部盒子，在連接所述球形鉛錘的同時，所述浮動體在液體上面移動。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，提供一種使用激光束的水平度和鉛直度指示器，它包括陀螺地平儀，被固定安裝在一個外部盒子主體的上部，它的中心部分能夠沿各個方向旋轉(zhuǎn)和移動；從所述陀螺地平儀的中心部分懸垂的重錘機構(gòu)進行擺動運動；與所述重錘機構(gòu)耦接的水平和豎向激光發(fā)生器沿水平方向和鉛直方向發(fā)射激光束；水平和豎向激光束轉(zhuǎn)換及輸出裝置與所述重錘機構(gòu)耦接，并使水平和豎向激光發(fā)生器所發(fā)射激光束發(fā)散并輸出到與水平面或豎直面相同的平面上；以及擺動阻尼部分，用以快速阻尼所述重錘機構(gòu)的擺動運動，使其穩(wěn)定在鉛直位置。
按照本發(fā)明優(yōu)選的是，所述水平和豎向激光發(fā)生器包括調(diào)制電路，用以響應(yīng)預(yù)定的電功率調(diào)制脈沖間隔和脈沖寬度；激光二極管，用以受調(diào)制電路的調(diào)制信號激發(fā)而發(fā)射激光束；以及準直透鏡，用以聚焦發(fā)散的激光束。
按照本發(fā)明優(yōu)選的是，所述水平和豎向激光束線轉(zhuǎn)換及輸出裝置包括柱面透鏡，它將豎直輸入的激光束發(fā)散到與柱面透鏡的圓形部分同樣的水平面或豎直面上，并將所述發(fā)散的激光束輸出為激光束線。
按照本發(fā)明優(yōu)選的是，所述水平和豎向激光束轉(zhuǎn)換及輸出裝置還包括高度調(diào)節(jié)機構(gòu)，用以沿前后方向調(diào)節(jié)所述柱面透鏡的高度；以及左右旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，用以調(diào)節(jié)向左右兩側(cè)偏斜的角度。
按照本發(fā)明優(yōu)選的是，所述重錘機構(gòu)為一銅板。
按照本發(fā)明優(yōu)選的是，所述重錘機構(gòu)還包括重錘調(diào)節(jié)部分，用以調(diào)節(jié)重錘重心的運動。
按照本發(fā)明優(yōu)選的是，所述重錘調(diào)節(jié)機構(gòu)通過調(diào)節(jié)螺栓(bolt)的位置，調(diào)節(jié)重心。
按照本發(fā)明優(yōu)選的是，所述擺動阻尼部分，是一個多極磁環(huán)，它被固定地安置在外部盒子的下部，并與豎直在其下方的重錘機構(gòu)分離。
按照本發(fā)明優(yōu)選的是，所述豎向激光束線轉(zhuǎn)換及輸出裝置還包括光纖，用以接收豎向激光發(fā)生器發(fā)射并通過準直透鏡的激光束，并沿豎直向下的方向輸出激光束；以及聚焦透鏡，用以匯聚通過光纖傳輸?shù)募す馐?，并在外部盒子所在的底部表面上顯示鉛直點。
按照本發(fā)明優(yōu)選的是，所述陀螺地平儀包括固定到所述外部盒子上部的外環(huán)；中間環(huán)，它被安置在所述外環(huán)內(nèi)側(cè)，并經(jīng)一徑向支承軸與所述外環(huán)連接而被可轉(zhuǎn)地安裝；以及中心環(huán)，它被安置在所述中間環(huán)內(nèi)側(cè)，并經(jīng)一支承軸與所述中間環(huán)相連，以便能夠沿與中間環(huán)旋轉(zhuǎn)方向垂直的方向轉(zhuǎn)動，其中所述中心環(huán)的內(nèi)側(cè)連到重錘機構(gòu)，互相耦接。
按照本發(fā)明優(yōu)選的是，所述豎向激光束線轉(zhuǎn)換及輸出裝置包括光束分路器，用以沿向上的方向傳輸一部分從豎向激光發(fā)生器發(fā)射的激光束，顯示一個豎直向上的點，并向著豎向柱面透鏡反射其余激光束，顯示一條豎直線。


圖1是表示普通液體密封水平儀的透視圖；圖2是表示普通利用一條線和一個鉛錘設(shè)定鉛直向方法的示意圖；圖3是表示本發(fā)明一種優(yōu)選實施例激光束掃描機構(gòu)的示意圖；圖4是表示圖3激光束掃描機構(gòu)之光學結(jié)構(gòu)的分解透視圖；圖5是表示圖3激光束掃描機構(gòu)之光學結(jié)構(gòu)的裝配透視圖；圖6是表示圖3激光束掃描機構(gòu)轉(zhuǎn)過90°結(jié)構(gòu)的側(cè)向剖面視圖；圖7是表示本發(fā)明另一優(yōu)選實施例激光束掃描機構(gòu)的示意圖；圖8和9是表示由一多角旋轉(zhuǎn)平面鏡的表面按照該多角旋轉(zhuǎn)平面鏡之旋轉(zhuǎn)角度反射激光束的示意圖；
圖10A是表示用以保持圖3和7中所示激光束掃描機構(gòu)之基準水平度裝置的優(yōu)選實施例主視圖；圖10B和10C分別是表示用以保持圖3和7中所示激光束掃描機構(gòu)之基準水平度設(shè)備的另一種優(yōu)選實施例的主視圖和平面示意圖；圖11是沿圖10A之I-I線所取的剖面圖；圖12A至12D是表示在本發(fā)明激光束掃描機構(gòu)采用圖10A水平度保持裝置情況下，幾種關(guān)于傾斜表面保持水平度示例的示意圖；圖13是表示本發(fā)明又一種優(yōu)選實施例中，圖3和7所示激光束掃描機構(gòu)的水平度保持裝置的透視圖；圖14是表示水平度指示器形狀的透視圖，它被變換成鉛直度指示器，以及該指示器的360°旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；圖15和16是表示本發(fā)明使用激光束的水平度和鉛直度指示器的示意圖，它裝有三角架；圖17和18是表示具有圖15三角架的使用激光束的水平度和/或鉛直度指示器的透視圖，它被用于沿水平方向和鉛直方向砌磚；圖19和20是表示具有圖16三角架的使用激光束的水平度和/或鉛直度指示器的透視圖，它被用于沿水平方向和鉛直方向砌磚；圖21A和21B是用于說明制造本發(fā)明使用激光束的水平度和鉛直度指示器過程中校準精確的水平度步驟的示意圖；圖22A和22B是用于說明大結(jié)構(gòu)鉛直作業(yè)所用反射片功能的示意圖；圖23是表示用于保護視力免受激光束影響的眼鏡和激光束自動截隔電路的示意圖；圖24是用于說明通過遙控本發(fā)明使用激光束的水平度和鉛直度指示器而控制激光束發(fā)射周期的遙控發(fā)射器和接收裝置的示意圖；圖25是用于說明將本發(fā)明指示器置于多接點平衡設(shè)備上進行工作情況的示意圖；圖26是表示把本發(fā)明指示器用于在飛機和船舶上所用陀螺地平儀，情況的示意圖；圖27是表示用于吸收本發(fā)明指示器外表面處振動和沖擊結(jié)構(gòu)的示意圖；
圖28是表示激光二極管的激光發(fā)射機構(gòu)示意圖，用以說明本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例；圖29是用于說明在由圖28中部分發(fā)散光束預(yù)先確定的位置處指示一個指示點的結(jié)構(gòu)示意圖；圖30是表示激光發(fā)生器光學部分的分解透視圖，用以使發(fā)散光束的中心角與激光發(fā)生器柱形外殼的縱向相符；圖31是表示圖30激光發(fā)生器光學部分的剖面圖；圖32是表示圖30的激光二極管與所述發(fā)生器主體管子相符而與中心角無關(guān)情況下光學結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖33是表示圖30的激光二極管光束與準直透鏡的中心線相符情況下光學結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖34是用于說明使用本發(fā)明又一優(yōu)選實施例激光發(fā)生器之指示器的示意圖；圖35是用于說明圖34陀螺地平儀結(jié)構(gòu)的分解透視圖；圖36是表示圖35中間環(huán)和中心環(huán)細節(jié)的剖面圖；圖37是圖34多極磁環(huán)的平面視圖；圖38是用于說明多極磁環(huán)與鉛錘之間的磁性制動關(guān)系的示意圖；圖39是圖34所示指示器的剖面圖；圖40是表示在入射到柱面透鏡上的激光束同一平面上發(fā)散情況的剖面圖；圖41和42是表示按照激光束垂直入射到柱面透鏡上的角度使激光束發(fā)散的狀態(tài)示意圖；圖43和44表示激光束的水平束線關(guān)于要被傾斜輸入到柱面透鏡上的激光束入射角度關(guān)系的示意圖；圖45和46是用于說明有關(guān)本發(fā)明另一優(yōu)選實施例柱面透鏡外殼結(jié)構(gòu)的剖面圖和俯視圖，用以調(diào)節(jié)柱面透鏡的姿態(tài)。
具體實施例方式
以下將參照附圖詳細說明本發(fā)明優(yōu)選實施例的使用激光束的水平度和/或鉛直度指示器的結(jié)構(gòu)和工作情況。
本發(fā)明涉及一種使用激光束的水平度和/或鉛直度指示器，它可以方便地用于建筑場所或內(nèi)部裝飾的安裝過程中。本發(fā)明是一種方便地得到水平位置和/或豎直位置的裝置。
如圖3所示，本發(fā)明的使用激光束的水平度和/或鉛直度指示器包括激光束發(fā)生機構(gòu)4，用以產(chǎn)生激光束；以及激光束線轉(zhuǎn)換輸出裝置6，用以將所述激光束發(fā)生機構(gòu)4產(chǎn)生的激光束轉(zhuǎn)換成激光束線，并輸出被轉(zhuǎn)換成的激光束線。所述激光束發(fā)生機構(gòu)4包括調(diào)制電路2，用以接收預(yù)定的電源3的電功率，調(diào)制脈沖間隔和脈沖寬度；激光二極管41，它受所述調(diào)制電路之調(diào)制信號的驅(qū)動，用以發(fā)射激光束；以及準直聚焦透鏡42，用以準直來自所述激光二極管的激光束。所述激光束線轉(zhuǎn)換輸出裝置由柱面透鏡6形成，沿其縱長方向被局部加工，由柱面透鏡6形成激光束線8。
如該圖所示，由于p-型和n-型組合半導體二極管的間隔和尺寸都較小，并且反射表面較窄，所以激光二極管41產(chǎn)生的激光束按預(yù)定的角度被發(fā)散輸出。通過準直聚焦透鏡42，使激光束被集中成一定的尺寸再通過柱面透鏡，從而使激光束被展開成預(yù)定的寬度，得到直線束線。雖然圖中并未詳細地表現(xiàn)，但由于本發(fā)明采用脈沖發(fā)生電路和激光二極管驅(qū)動電路構(gòu)成激光束發(fā)生機構(gòu)，因此本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠易于理解所述激光二極管的驅(qū)動，因而略去對它的詳細描述。
下面將參照圖4-6描述采用柱面透鏡為激光束線轉(zhuǎn)換輸出裝置的激光束掃描機構(gòu)。圖4是表示圖3激光束掃描機構(gòu)之光學結(jié)構(gòu)的分解透視圖。圖5是表示圖3激光束掃描機構(gòu)之光學結(jié)構(gòu)的裝配透視圖。圖6是表示用以使圖3激光束掃描機構(gòu)旋轉(zhuǎn)90°之結(jié)構(gòu)的剖面圖。
如圖4-6所示，本發(fā)明所用激光束掃描機構(gòu)的結(jié)構(gòu)類似于照相機的鏡頭裝置。圓柱形安裝部分410被固定裝配到本發(fā)明指示器的主體上，并將激光束掃描機構(gòu)總成插入到該安裝部分中。所述激光束掃描機構(gòu)包括水平度校準器411，用于進行水平度校準，激光二極管41以可分離方式插入其中；連接部分422，它與水平度校準器411連接，用以裝入所述激光二極管41；聚焦部分42，它安裝到連接部分422中，并包括能夠調(diào)節(jié)激光束焦點和寬度的準直聚焦透鏡；轉(zhuǎn)換部分5，用以將聚焦部分42輸出的激光束轉(zhuǎn)換成激光束線，其中插入有柱面透鏡6；以及窗口部分7，用以輸出激光束線。
沿著關(guān)于安裝部分410略有分離的相反方向拉拔水平度校準器411，然后再使水平度校準器411轉(zhuǎn)過一個預(yù)定的轉(zhuǎn)角，可使激光束線從水平線轉(zhuǎn)換成豎直線，反之亦然。為此目的，通過使水平度校準器411表面上的指示線與安裝部分410表面上的指示線符合，即可使水平度校準器411轉(zhuǎn)過所需的角度。還有，雖然圖中未示出，但在另一優(yōu)選實施例中，通過以霍爾(Hall)器件使減速步進電機或直線電機關(guān)于安裝部分410轉(zhuǎn)動預(yù)定的轉(zhuǎn)角，水平度校準器411可使激光束線從水平線轉(zhuǎn)成豎直線，反之亦然。在本優(yōu)選實施例中，所述激光束線被標記在轉(zhuǎn)過90°的位置，因為只需使激光束線從水平方向轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直方向，或者從豎直方向轉(zhuǎn)變?yōu)樗椒较?。在要轉(zhuǎn)動水平度校準器411時，在關(guān)于安裝部分410拉拔的同時，使水平度校準器411轉(zhuǎn)動。在使水平度校準器411轉(zhuǎn)過預(yù)定角度時，取消拉力，利用彈簧409的力，使水平度校準器411復(fù)原并固定到安裝部分410。在這種情況下，一種能夠同時轉(zhuǎn)動柱面透鏡6的結(jié)構(gòu)是足夠的。由于這樣的結(jié)構(gòu)通常被用于本領(lǐng)域技術(shù)人員易于理解的典型照相機鏡頭裝置中，所以略去對它的詳細敘述。
在本發(fā)明的又一種優(yōu)選實施例中，采用多角旋轉(zhuǎn)平面鏡代替柱面透鏡作為激光束線轉(zhuǎn)換輸出裝置，這將在下面參照附圖有所說明。
圖7表示本發(fā)明另一種優(yōu)選實施例的激光束掃描機構(gòu)。圖8和9表示激光束關(guān)于圖7之多角旋轉(zhuǎn)平面鏡旋轉(zhuǎn)角度的反射位置。
如這些附圖所示，本發(fā)明另一種優(yōu)選實施例的激光束掃描機構(gòu)包括脈沖間隔和脈沖寬度調(diào)制電路22，用以通過接收預(yù)定的電功率調(diào)制脈沖間隔和脈沖寬度；激光二極管24，它受所述調(diào)制電路22的調(diào)制信號驅(qū)動，用以發(fā)射激光束；按預(yù)定速度旋轉(zhuǎn)的多角旋轉(zhuǎn)平面鏡26，用以向著特定的顯示器部分反射入射的激光束；以及電機28，用以使所述多角旋轉(zhuǎn)平面鏡26預(yù)定速度旋轉(zhuǎn)。
圖8和9詳細示出通過多角旋轉(zhuǎn)平面鏡26的旋轉(zhuǎn)被反射的激光束的位置。只需通過增加電機28的轉(zhuǎn)數(shù)，即可減少激光束各點之間的間隔。不過，由于當每秒鐘點的運動超過24次時，人眼就把點辨認為線，而不再是點，所以會發(fā)生光學錯覺，而多角旋轉(zhuǎn)平面鏡足以旋轉(zhuǎn)至少每秒鐘24次。通過按預(yù)定的速度旋轉(zhuǎn)多角旋轉(zhuǎn)平面鏡26而得到激光束線的原理在于是入射角和反射角的位置，也即光線關(guān)于所述多角旋轉(zhuǎn)平面鏡的入射點位置是隨多角旋轉(zhuǎn)平面鏡的旋轉(zhuǎn)角度改變的，反射角變化，使得反射點按斯奈爾(Snell)定律變化，其中光線的入射角和反射角總是相同的。于是，由于這種光學錯覺現(xiàn)象，激光束看起來是在反射面上，比如特殊空間的壁上的一條直線，其中人辨認每秒重復(fù)超過24次的多個連續(xù)點就不再運動，而是靜止的。
在采用多角旋轉(zhuǎn)平面鏡26作為激光束線轉(zhuǎn)換輸出裝置時，則有如采用圖3-6的柱面透鏡6的情況那樣，以機械方式形成所述激光束掃描機構(gòu)。不過，在本發(fā)明的這個優(yōu)選實施例中，還包括用于旋轉(zhuǎn)多角旋轉(zhuǎn)平面鏡26的電機28。雖然圖中未示出，在本優(yōu)選實施例中還可以額外包括用于把激光束從水平線變換為豎直線，或者相反的機械結(jié)構(gòu)。例如，在圖7所示的優(yōu)選實施例中，能夠使包括激光束掃描窗20的整個激光束掃描機構(gòu)旋轉(zhuǎn)的機構(gòu)是足夠的，其中通過所示掃描窗以預(yù)定角度輸出激光束線。由于上述技術(shù)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯見的，所以省略對它的詳細描述。
如上所述，激光束掃描機構(gòu)用于把從典型激光束發(fā)生裝置發(fā)射之激光束轉(zhuǎn)換成激光束線并輸出被轉(zhuǎn)換的激光束線，采用波長為650-670nm之紅色可見光激光，這是教室中廣泛地用來指明黑板上或屏幕上內(nèi)容的激光。激光束從上述激光二極管按預(yù)定的角度傳布，被準直焦距透鏡變換成平行光線。通常將這種平行光線用作激光指示器，它被用于教室中。由于高亮度紅色可見光激光可以生成其寬度在一定的距離范圍內(nèi)不會增大或減小的激光束，所以在幾百米的目視距離范圍內(nèi)保持一定線寬的同時，可以顯示通過掃描窗顯示的直線。
本發(fā)明使用激光束的水平度和/或鉛直度指示器包括基準水平度保持裝置，用以輸出激光束線，也就是由具有上述結(jié)構(gòu)之激光束掃描機構(gòu)掃描的激光束直線，同時保持基準水平度。以下將參照附圖詳細描述幾種基準水平度保持裝置的實施例。
圖10A是表示圖3-9所示激光束掃描機構(gòu)的水平度保持裝置優(yōu)選實施例的主視圖。圖11是沿圖10A之I-I線所取的剖面圖。圖12A和12D分別是用來說明在圖10A的基準水平度保持裝置采用本發(fā)明激光束掃描機構(gòu)情況下關(guān)于入射面保持水平度的幾種示例。
圖10A和圖11-12D所示基準水平度保持裝置包括上球體110，它的一部分受到輥軋切割處理，提供激光束掃描機構(gòu)4；支承體125，它的上表面上形成有微型軸承機構(gòu)，使所述上球體110能在三點上受到支承；下球體130，它的直徑比上球體110的大，并通過穿過支承體125的管子140與上球體110連接，以便沿豎直方向自動平衡上球體110，使上球體上的激光束掃描機構(gòu)4能夠水平地被平衡。支承體125包括閥門115，用以注入或排放空氣，還包括空氣管117，通過經(jīng)閥門115注入空氣或者排放空氣而膨脹或收縮。從而在校準和運動過程中可使上球體110被固定。另外，連接上球體110和下球體130的管子140穿入下球體130中，并由封蓋160將其固定在下球體130的下部。管子140的內(nèi)部是空的，以便能夠插入電池50，用以給閥門115或激光束掃描機構(gòu)4供電。在下球體130下面裝有安裝機構(gòu)170，用以在運動過程中固定所述下球體130。安裝機構(gòu)170是由螺桿簡單形成的，以便在該安裝機構(gòu)170的主體旋轉(zhuǎn)時使該安裝機構(gòu)170升起，用以圍住下球體130。此外，用外部盒子190封裝所述基準水平度保持裝置，避免外面的物質(zhì)進入它的內(nèi)部。用透明材料制成所述外部盒子190，以便能從外面看見盒子的內(nèi)部。還有，另一個安裝機構(gòu)180安置于所述外部盒子190的底部，以便于本發(fā)明的水平度和/或鉛直度指示器安置在一個支承座，比如三角架上。
在上述基準水平度保持裝置工作期間，由于上球體110和下球體130被管子140連在一起，因重力作用在微型軸承機構(gòu)120的三點處之故，使得上球體110受到起平衡重物作用之下球體130的支承；由三個小球在支承體125中形成所述微型軸承機構(gòu)120。上球體110和下球體130趨于保持豎向定向。因而，被置于上球體110之上部經(jīng)研磨處理表面上的激光束掃描機構(gòu)4保持水平取向，而與外部盒子190的水平程度無關(guān)，從而使本激光束掃描機構(gòu)發(fā)射的激光束線保持基準水平度。以下參照圖12A-12D描述所述水平度保持裝置的工作情況。其中為了便于說明，假設(shè)將激光束掃描機構(gòu)4的外部盒子190改型為與地面接觸。雖然激光束掃描機構(gòu)4的外部盒子190的形狀被改型為與地面接觸，但由于外部盒子190中上球體110和下球體130因它們的重量而保持在重力方向上，所以上球體110的上端表面總保持水平。因此，被安置在上球體110上端的激光束掃描機構(gòu)4自動保持成為水平。
圖10B和10C示出本發(fā)明另一種優(yōu)選實施例的基準水平度保持裝置。外部盒子190a被充以液體188，成中空船形的浮子125a浮于液體188上。這種激光束掃描機構(gòu)4設(shè)置于蓋板125b上，所述蓋板在浮子125a的上部?？蓪㈦姵夭迦氲酱┻^浮子125a的管子140a中，并將平衡重物130a連到管子140a的下端。借助平衡重物130a沿豎直方向的重力以及浮子125a浮力的作用，使蓋板125b保持水平。其中，在制作過程中，由于難于使激光束掃描機構(gòu)平衡以及將其安裝在蓋板125b上，所以使激光束掃描機構(gòu)適宜地得到固定，然后再進行校準。利用在三點的小平衡重物120a、連接于這些小平衡重物120a之間的桿115a以及能夠沿著桿115a移動而設(shè)置的調(diào)節(jié)平衡重物進行這種校準，以使從激光束掃描機構(gòu)4發(fā)射的激光束受到配合的調(diào)節(jié)。兩個水柱(未示出)的水平儀放在它前面3米處。本優(yōu)選實施例采用通過將物體安置于在水上漂浮的船上以保持物體的原理。在這種情況下，最好使浮力大于平衡重物的重力，并使所述三個平衡重物的重量與整個浮力相應(yīng)。
本發(fā)明再一種優(yōu)選實施例激光束掃描機構(gòu)的基準水平度保持裝置采用現(xiàn)有的液體水平度指示器。如圖13所示，在所述液體水平度指示器中包括這種激光束掃描機構(gòu)。為使激光束線水平，通過目視檢測該種液體水平度指示器中氣泡的中心位置，而保持一個基準的水平。
如圖13所示，包括一個激光束掃描機構(gòu)(未示出)，用于使通過激光束掃描窗20的激光束掃描到液體水平度指示器10中的特定空間。所述激光束掃描機構(gòu)可以是如上述那樣采用柱面透鏡的那種，或者是采用多角旋轉(zhuǎn)平面鏡的那種。這里省略對它們的詳細描述。
激光束掃描窗20是一個形成于該水平度指示器側(cè)面處的開口，由易于透過激光束的材料，比如經(jīng)過平面處理而無折射的玻璃制成。在檢測氣泡13的中心位置之后，使激光束掃描機構(gòu)工作，通過該掃描窗20發(fā)射與所述基準水平度相適的激光束水平線。另外，在該水平度指示器中形成另一個接收窗30，用以接收能夠遙控的遙控信號。雖然圖中未示出，但用以處理所收到的遙控信號的處理系統(tǒng)被安置在接收窗口處，而與激光束掃描機構(gòu)是獨立的。另外，所述液體水平度指示器由上部單元15和下部單元15′組成，所述上部單元15包含所述激光束掃描機構(gòu)，而下部單元15′具有將要與三角架連接的部分。將上部單元15形成為使其以滑移的方式被抬起，而可將下部單元15′制成直角，這將在后面有述。這里，在檢測氣泡13的中心位置之后使激光束掃描機構(gòu)工作時，形成豎向激光束線。圖14示出在水平線和鉛直線之間變換的過程。
參照圖14，液體水平度指示器13和激光束掃描窗20分別形成于本發(fā)明使用激光束之水平度和/或鉛直度指示器的上表面和側(cè)面處。本發(fā)明的水平度和/或鉛直度指示器最好包括上部單元15和下部單元15′，所述上部單元15具有形成于其側(cè)面的遙控接收窗口30，所述下部單元15′具有孔60，三角架40就插入其中；還包括槽55，一個支撐桿50可沿該槽滑動，使上部單元15可用作鉛直度指示器。在下部單元15′中形成的孔60與三角架相連(圖15和16中的標號40)，以便按所需要的多少旋轉(zhuǎn)指示器。作為這種結(jié)構(gòu)的一個示例，三角架和該孔是螺旋連接的，通過旋轉(zhuǎn)靠近孔60設(shè)置的轉(zhuǎn)盤65，通過旋緊或旋松所述螺旋，可使三角架40上的水平度和/或鉛直度指示器旋轉(zhuǎn)到所需的位置。
這種水平度和/或鉛直度指示器可以有效地工作，因為它被安置于三角架上。
圖15是表示本發(fā)明一種優(yōu)選實施例被安置在三角架上的水平度和/或鉛直度指示器的透視圖，它采用自動基準水平度保持方法。圖16是表示本發(fā)明另一種優(yōu)選實施例被安置在三角架上的水平度和/或鉛直度指示器的透視圖，它采用手動基準水平度保持方法。圖17和18分別是表示應(yīng)用圖15的水平度和/或鉛直度指示器水平或鉛直碼放磚塊過程示例的透視圖。圖19和20分別是表示應(yīng)用圖16的水平度和/或鉛直度指示器水平或鉛直碼放磚塊過程示例的透視圖。
圖17-20是用于說明磚塊碼放過程的示意圖，由在三角架40上的指示器10所形成的水平指示線和鉛直指示線被應(yīng)用于這個過程中。參照圖17和18，指示器10借助基準水平度保持裝置自動保持基準水平度，所述基準水平度保持裝置使用位于外部盒子190中在激光束掃描機構(gòu)4下的兩個球(球體)，并形成和輸出激光束線。這里，通過調(diào)節(jié)三角架的角度，可以控制所形成之水平線的高度。不過，雖然圖中未予示出，但通過激光束掃描機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，把激光束轉(zhuǎn)換成水平束線和鉛直束線，可以進行圖17的水平作業(yè)或圖18的鉛直作業(yè)。如圖19所示，三角架40上的指示器上部單元15和下部單元15′被折疊成一體，使該指示器可作為液體水平度指示器10工作。安置在指示器內(nèi)部的激光束掃描機構(gòu)通過激光束掃描窗20水平地發(fā)射激光束，從而關(guān)于被碼放的磚墻上形成水平儀。其中通過調(diào)節(jié)三角架的角度，可以控制所形成之水平線的高度。圖20中使未折疊的上部單元15和下部單元15′互成直角，從而通過激光束掃描窗20發(fā)射的豎向激光束形成在所需的位置處。也即圖中在被碼放的磚墻上所形成的激光束作為基準鉛直線。
如上所述，可使用照相機三角架作為三角架40，用以根據(jù)所需的準確程度固定指示器10。對于精確的制品而言，可使用特殊的三角架。
在制作本發(fā)明使用激光束的水平度和/或鉛直度指示器的過程中，在組裝激光束掃描機構(gòu)以及基準水平度保持裝置之后，應(yīng)該實行精確的校準過程。下面參照圖21A和21B敘述這種校準過程。
圖21A和21B是用于說明在制作本發(fā)明使用激光束的水平度和/或鉛直度指示器校準過程中，精確水平度校準過程的示意圖。
通過對所制得的指示器實行精確校準，在水平系統(tǒng)指示器指示有關(guān)作業(yè)場地基準平面的水平位置處所發(fā)射的激光束可以具有水平面。為了檢測所安放的水平度指示器的水平狀態(tài)，使液體與所述激光束發(fā)射的方向平行，將其封入玻璃杯中。液體的水平面與玻璃杯表面上的指示線位置對應(yīng)的位置被認為是平行的。然后，激光束就能保持水平。如圖21A的(A)和(B)所指示的那樣，要使每個杯中所裝的水的水平高度一致是非常困難的或者幾乎是不可能的。然而，有如圖21B的(C)、(D)和(E)所指示的那樣，在每個杯子的底部互相連通的狀態(tài)下充入液體時，因為大氣壓力之故，各水平面的高度就變得相同。參照圖21B，指示器10之激光束光源的高度與水柱(D)的水平面位置一致。在保持激光束掃描機構(gòu)的鉛直度的同時，為使激光束光源的高度與水柱(C)和(D)的水平面位置一致，在本優(yōu)選實施例中，精細地調(diào)節(jié)柱面透鏡的角度(其它實施例中即多角旋轉(zhuǎn)平面鏡的位置和角度)。于是，從激光束掃描機構(gòu)發(fā)射的激光束受到校準，總與基準水平度相同。
除了目視檢測玻璃杯中的液體是否與玻璃杯表面上的指示直線一致的方法之外，可以借助光學傳感器和用于檢測液體與氣體空間之間的分界線的位置傳感器，以電子方式檢測水平度。為了形成理想的鉛直度，用陀螺地平儀的原理檢測鉛直位置，利用每分鐘轉(zhuǎn)20000轉(zhuǎn)之電機的離心力，隨著地面陀螺的旋轉(zhuǎn)力保持豎直姿態(tài)，所述陀螺地平儀自動地保持飛機的水平姿態(tài)。另外，可以采用通過補償而自動保持水平度的方法，所示補償即利用安置在兩個軸處的伺服電機，關(guān)于鉛直度的鉛直位置平移。
在完成本發(fā)明水平度和/或鉛直度指示器的校準之后，用戶可以目視的方式檢測它被安置的地方的水平狀態(tài)或者自動保持水平，可使自水平度指示器發(fā)射的激光束所得到的束線保持水平。利用水平度指示器的激光束掃描機構(gòu)中的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，比如通過使它關(guān)于固定在三角架的固定螺母部分直立90°，旋轉(zhuǎn)柱面透鏡或固定水平度指示器，可以得到與采用系于線下的鉛錘指示鉛直度同樣的效果。于是，可將水平度指示器用于建造各種柱形結(jié)構(gòu)或直立結(jié)構(gòu)。
為了說明水平度和/或鉛直度指示器的使用場合，調(diào)節(jié)所發(fā)射的激光束，使之以預(yù)定的間隔閃爍。在發(fā)射激光束的同時，按恒定的速度改變多角旋轉(zhuǎn)平面鏡的轉(zhuǎn)速，把激光束所指示的水平線表示成具有預(yù)定間隔的點線。于是，可關(guān)于點線端部之間的間隔數(shù)目指示中心位置或距離。
以下描述本發(fā)明使用激光束水平度和/或鉛直度指示器的應(yīng)用實例。
圖22A和22B是用于說明大型結(jié)構(gòu)之豎直作業(yè)件(taskpiece)所用反射片功能的透視圖。當進行直立作業(yè)，如電線桿，并且太陽輻射量較大或者遠離經(jīng)歷直立作業(yè)之目標的情況下，在實行作業(yè)之前，如圖22A所示那樣，將一反射片220(反光鏡片)裝到目標上。所述反射片由裝于其表面上的多個玻璃球或一個三角形鉛錘組成，用以按入射角反射入射光，如圖22B所示。采用反射片220，可將作業(yè)的距離擴展到幾百米。當來自指示器10的激光束線被垂直照射在這個反射片上時，即使因白晝的陽光看不見激光束，也能看見反射光，從而可以進行水平度和/或鉛直度作業(yè)。有如圖中所示，在調(diào)整動力桿鉛直度的情況下，通過從一個位置把激光束發(fā)射到反射片上來調(diào)整動力桿的鉛直度，并且人們用他們的裸眼目視檢測反射光。然后，再從與第一位置離開90°的另一個位置反射激光束，并調(diào)整動力桿的鉛直度，從而可形成來自反射片的反射光。于是，完成動力桿的直立作業(yè)。
利用本發(fā)明使用激光束的水平度和/或鉛直度指示器時，雖然在特定的輸出區(qū)域內(nèi)看見反射的波長為650nm紅色激光束的直線光線無關(guān)緊要，但直接看激光束的光發(fā)射部分困難就是危險的，就像不戴護目鏡片看太陽一樣，可能造成視力下降。因此，需要有保護使用本發(fā)明激光束指示器作業(yè)者眼睛的鏡片，或者裝附到頭盔上的保護設(shè)備。以下將參照圖23詳細描述用來保護操作者眼睛免受激光束影響的眼睛保護裝置。
圖23是表示一對保護操作者眼睛免受激光束影響之護目鏡片和激光束自動截止電路的方框圖。如圖23所示，為避免指示器10中的激光束掃描機構(gòu)發(fā)射的激光束直接照在操作者的眼睛上，設(shè)置保護眼睛的裝置，它包括裝在指示器10中的接收器230和裝在操作者佩戴的一付眼鏡250上的發(fā)送器240。如圖所示，在電源248供給電能時，由眼鏡的發(fā)送器240中的光敏晶體管242檢測直接照在操作者眼內(nèi)的激光束。由放大處理部分244處理測得的激光束，并從RF發(fā)射器246輸出，作為切斷激光束的控制信號。指示器10中接收器230的RF接收器238接收該控制信號，插在脈沖控制電路232與激光束掃描機構(gòu)236之間的開關(guān)電路234響應(yīng)所接收的控制信號而動作，避免激光束的發(fā)射。雖然采用RF信號作為控制信號，但也可采用其它信號，比如940nm的紅外線信號。在采用這樣的眼睛保護裝置時，在操作者背對激光束工作的情況下，該裝置并不切斷激光束。不過，在具有預(yù)定脈沖寬度的激光束于眼鏡的側(cè)面或頭盔上掃描時，也就是在瞳孔附近的位置掃描時，就發(fā)射上述RF控制信號或紅外線控制信號，作為激光束切斷控制信號，以防止由激光束掃描機構(gòu)所發(fā)射的激光束，使操作者的眼鏡能受到保護。
另外，本發(fā)明的指示器可以進行遙控作業(yè)。圖24是用來說明遙控發(fā)送器和接收裝置的示意圖，用以通過遙控本發(fā)明使用間隔束的水平度和/或鉛直度指示器，控制激光束的發(fā)射間隔。
如圖24所示，本發(fā)明設(shè)計了遙控接收窗30，使得可以用遙控器80遙控激光束和激光發(fā)射的間隔。在這種情況下，雖然圖中并未示出，但一個處理器，用以通過接收遙控信號產(chǎn)生控制信號，以控制激光束的脈沖間隔及脈沖寬度，并將所產(chǎn)生的信號提供給圖3的調(diào)制電路2，或者提供給圖7中的調(diào)制電路22和多角旋轉(zhuǎn)平面鏡的電機28。由于上述技術(shù)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯見的，所以這里省去對它的詳細描述。這里，雖然對于本發(fā)明包括液體水平度指示器形式的指示器來說要求遙控的功能，但由于就本發(fā)明指示器的應(yīng)用而言，采用圖10的自動基準水平度保持裝置對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員也是顯見的，所以也略去對它的詳細描述。
另外，在把本發(fā)明的指示器置于普通多接點平衡裝置上時，能夠更為有效地進行作業(yè)。圖25是用于說明在將本發(fā)明指示器置于一個多接點平衡裝置上進行作業(yè)情況的示意圖。如圖所示，當把多接點平衡裝置350放在三角架40上，并將指示器10置于該多接點平衡裝置350上時，其中所述多接點平衡裝置350直接安置在三角架40上，通過移動每個接點，調(diào)節(jié)指示器10的高度。于是，通過調(diào)節(jié)該多接點平衡裝置保持平衡，可以更為容易和有效地調(diào)節(jié)指示器10的高度。
圖26是用于說明本發(fā)明指示器采用飛機或船舶中常規(guī)所用陀螺地平儀情況的示意圖，這種陀螺地平儀可被用作本發(fā)明的平衡保持裝置。如圖所示，陀螺地平儀450利用電機的離心力保持水平的原理，所述電機以每分鐘20000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。在將陀螺地平儀450裝到采用圖7的自動基準水平度保持裝置之指示器的上部時，得到更為精確的鉛直位置，使與鉛直位置的偏離受到補償，從而可得到更為精確的水平度。
由于本發(fā)明的指示器對于振動和沖撞是非常靈敏的，所以需得采用能夠減少振動和沖撞的結(jié)構(gòu)。如圖所示，本發(fā)明指示器10的外表面采用蜂房結(jié)構(gòu)，以使其很少受到風、地面振動的影響，或者抵抗物體的撞擊。
如上所述，本發(fā)明使用激光束的指示器可由激光束線既容易又精確地形成水平線和鉛直線，從而能夠提高水平和/或鉛直作業(yè)中的作業(yè)效率。另外，可以判明幾千米高度的整體結(jié)構(gòu)的水平狀態(tài)。當在兩個不同的位置設(shè)置鉛直線并向加工物件發(fā)射激光束時，可在所有需要豎直作業(yè)的應(yīng)用場合下，比如在建立動力桿或鋼架鐵塔、用H梁和鋼索建造的結(jié)構(gòu)，以及建立內(nèi)部柱子和木結(jié)構(gòu)的座礎(chǔ)處提高作業(yè)效率。也就是說，在使保持水平度的水平度指示器展開90°并發(fā)射激光束時，由于可以得到有如采用系于線下之鉛錘得到鉛直度情況下一樣的效果，所以用起來更加容易和更為方便。設(shè)置鎖定裝置，通過把水平度指示器豎向直立并穩(wěn)定地保持直角，使它可被用作為鉛直度指示器。在三角架上固定一個盤，用以使水平度和/或鉛直度旋轉(zhuǎn)360°。
圖28是表示激光二極管的激光束發(fā)射機構(gòu)的示意圖，用以說明本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例。圖28中的激光束發(fā)生機構(gòu)包括調(diào)制電路3a，用以通過接收來自預(yù)定電源2a的電功率調(diào)制脈沖間隔和脈沖寬度，還包括激光二極管6a，用以通過接收來自調(diào)制電路3a之調(diào)制信號的驅(qū)動而發(fā)射激光束。從激光二極管6a發(fā)散的激光束被后面將有述及的準直透鏡匯聚，產(chǎn)生以直線生成的激光束線。
在激光二極管6a中，由于通過沉積P型半導體和N型半導體所形成之結(jié)合區(qū)8a的寬度非常窄，在結(jié)合區(qū)8a中激光束向著P型半導體和N型半導體兩側(cè)處的每個結(jié)合面發(fā)散約40°。激光束向著所述P型半導體和N型半導體互不接觸的部分有大約10°的光束發(fā)散。于是，發(fā)散具有橢圓形截面10a的激光束，它的長度是沿著所述P型半導體和N型半導體沉積同樣的方向。
這就是說，由于發(fā)散激光束的截面10a成橢圓形，它的長度是沿著所述P型半導體和N型半導體沉積同樣的方向，所以如圖29所示那樣，有些發(fā)散光束不通過準直透鏡40a，而通過位于準直透鏡40a上方和下方的部分A和B。通過部分A和B的發(fā)散激光束經(jīng)光纖12a傳送到特定的指示點15a，并且穿過聚焦透鏡14a，使激光束能夠用于由本發(fā)明指示器在與激光二極管6a分開預(yù)定距離的位置處所指示的鉛直點，而無需一個分開的激光二極管。
從激光二極管6a發(fā)射的發(fā)散激光束受到準直透鏡40a的匯聚，所述準直透鏡40a被置于與激光二極管6a分開一定距離，也就是焦距的位置，從而可沿一定方向輸出平行激光束。
然而，在粘結(jié)芯片的過程中，其中在生產(chǎn)激光二極管6的過程中，將激光二極管的半導體芯片裝入封裝中，由于要幾乎不可能實現(xiàn)使光束發(fā)散角的中心角與封裝一致(垂直于)的粘結(jié)，所以在允許的誤差角度內(nèi)粘結(jié)并制作所有的激光二極管。于是，每一個制成的激光二極管的光束發(fā)散中心角表現(xiàn)出互不相同。大約99％實際制成的激光二極管具有不同的光束發(fā)散中心角。
圖30是要使發(fā)散激光束的中心角與激光發(fā)生器圓柱形外殼的長度方向一致之激光發(fā)生器光學部分的分解透視圖。圖31是圖30激光發(fā)生器光學部分的剖面圖。其中具有同樣功能的相同結(jié)構(gòu)元件具有同樣的參考標號。
當激光二極管50a產(chǎn)生之激光束的中心軸與準直透鏡40a的中心軸不一致，并且它們的中心角不同時，為使發(fā)散光束由準直透鏡40a匯聚成平行光束，修正激光發(fā)生器硬件結(jié)構(gòu)中的激光二極管50a的裝配角度，使每個中心角可互相一致。
這里，作為修正本發(fā)明激光二極管之發(fā)散光束的中心角的方法，將激光二極管50a插入支承板52a，所述支承板52a具有一個中心孔，并在其周緣有三個螺栓孔。圍繞激光二極管50a的前面依次插入三個盤形彈簧53a至55a和半球形環(huán)56a。接著把激光二極管50a按壓得與導槽60a緊密接觸，以支承安置在激光發(fā)生器的圓柱體58a內(nèi)部的激光二極管50a。然后，通過調(diào)節(jié)支承板52a的各孔螺栓連接之三點調(diào)節(jié)螺栓62a，同時支承導槽60a，可使激光二極管50a沿四個方向傾斜。
于是，通過調(diào)節(jié)三點調(diào)節(jié)螺栓，使激光發(fā)生器的柱面透鏡可與激光束互相平行，可使激光二極管的芯片粘結(jié)過程中無奈所產(chǎn)生之激光束中心角偏離與準直透鏡的中心線一致。
圖32中的激光二極管激光束圓柱體的中心與激光束發(fā)射角彼此不一致。圖33中，通過用各調(diào)節(jié)螺栓調(diào)節(jié)激光二極管向上傾斜，使得按向下傾斜到中心線以下之角度輸出的激光束與激光發(fā)生器圓柱體和匯聚調(diào)節(jié)的中心線一致。
圖34是用以說明本發(fā)明水平度和/或鉛直度指示器擺動運動的剖面圖。圖35是說明圖34所示陀螺地平儀結(jié)構(gòu)的分解透視圖。圖36是表示圖35陀螺地平儀的中間環(huán)和中心環(huán)的剖面圖。圖37是圖34所示多極磁環(huán)的平面視圖。圖38是用以說明當圖34的銅板在所述多極磁環(huán)上方進行擺動運動時所生渦流的平面視圖。
圖34中的陀螺地平儀98被連接得與垂直相連的水平和豎向激光發(fā)生器部分90的擺動運動耦接。借助調(diào)節(jié)銅板重錘94和重量調(diào)節(jié)螺栓的位置，通過水平和豎向激光發(fā)生器部分90，將用以調(diào)節(jié)重錘94重心的重錘調(diào)節(jié)部分93連接成使得豎向激光發(fā)生器86是被垂直布置的。于是，陀螺地平儀98與重錘94耦接成一體，使得在重錘94的擺動運動停止時，所述水平發(fā)生器84和豎直發(fā)生器86各自保持水平和豎直。
以下參照圖35和36詳細敘述陀螺地平儀的結(jié)構(gòu)。
中間環(huán)104的直徑小于外環(huán)102的直徑，通過沿著直徑方向穿過兩環(huán)102和104之X軸的直線插入兩個第一軸108，將中間環(huán)104插入外環(huán)102，其中所述第一軸穿過外環(huán)102和中間環(huán)104的外圓環(huán)。所述中間環(huán)104具有插入其中的軸承110，由所述兩個第一軸108使中間環(huán)被可轉(zhuǎn)地連接。于是，中間環(huán)104在固定的外環(huán)102中是穩(wěn)定的，并進行左右擺動，直至停止。
借助第二軸110b，以與外環(huán)102和中間環(huán)104可轉(zhuǎn)連接同樣的方式，使中間環(huán)104與中心環(huán)106連接，以便與第一軸108方向垂直的Y軸一致，其中所述中心環(huán)106的直徑小于中間環(huán)104的直徑。
當把一個軸插入軸承114，以便與中間環(huán)104可轉(zhuǎn)地連接時，其中所述軸承114被插在所述中心環(huán)106中，如果把過大的力加給所述軸承，就會縮短軸承的壽命期限，或者軸承不能有更長的適用功能。在一部分軸內(nèi)形成一個V形槽120b，所述的軸處于被固定不能轉(zhuǎn)動，軸與槽之間沒有余量的狀態(tài)。多個呈U形的螺栓116被連接在外環(huán)102和中間環(huán)104的幾個上部位置處，這是插有固定軸的位置，使各U形螺栓能鎖定在固定軸的V形槽內(nèi)。
相應(yīng)地，無需加給軸承和軸以過大的力就能夠運動。另外，當改變本發(fā)明水平度/鉛直度和鉛直點指示器的位置時，陀螺地平儀的中間環(huán)104沿右和左的方向運動。中心環(huán)106隨中間環(huán)104的運動一起左右運動，同時進行沿前后方向的運動，最后停止。
在與中心環(huán)106的內(nèi)圓環(huán)相連的豎直空氣軸的下部，給水平激光發(fā)生器84和豎向激光發(fā)生器86裝設(shè)重錘。為使重錘在它停止擺動之后靜止于鉛直方向，調(diào)節(jié)設(shè)于重錘94上方用來修正在處理或裝配步驟中偶然發(fā)生的重錘不平衡之重錘修正螺栓92的位置，使豎向激光發(fā)生器86可以精確地指向鉛直。在由軸承112和114和所述的軸關(guān)于X和Y軸精確地裝配陀螺地平儀的情況下，與中心環(huán)106相連并延伸以安置在下部一端的重錘94在360°之內(nèi)運動，指向鉛直，其中所述X和Y軸位于兩個環(huán)104和106。但由于重錘94是慢慢停止的，所以為了準備測量，需得花費很長的時間。
因此，作為在保持鉛直的同時使重錘94盡可能快速停止—就像擺動運動的結(jié)果那樣—的方法，在重錘94下面裝設(shè)一個銅板，或者由銅板制成重錘94，并把圖34所示的多極磁環(huán)96固定在指示器的下部，且與指示器分開一定的距離。在這種情況下，當使用于指示水平度和鉛直度的水平度/鉛直度指示器位于所需的位置時，移動陀螺地平儀98，使它與重錘94耦接，并且重錘94進行擺動運動而不受摩擦阻力。在重錘94如圖38所示那樣沿箭號所指示的方向進行擺動運動時，因固定裝配在重錘94下的多極磁環(huán)96產(chǎn)生的磁場，就會在銅板重錘94內(nèi)部產(chǎn)生渦流。
也就是說，隨著重錘94在固定的多極磁環(huán)96上方進行擺動運動，在重錘94內(nèi)按照弗萊銘(Fleming)右手定則產(chǎn)生大量的渦流。在銅板的厚度為3mm或更大些的情況下，這些渦流處于渦流的流動被短路的狀態(tài)，因而多極磁環(huán)96起磁制動器的作用，限制銅板的運動。于是，隨著陀螺地平儀98中的重錘94的擺動運動加大，這個磁制動力也增大，可在短時間內(nèi)使所述擺動運動停止。
圖39是表示從圖34所示水平度/鉛直度指示器輸出束線的剖面圖，其中，以相同的參照標號表示與圖34相應(yīng)的部件。
當豎向激光發(fā)生器86通過固定在圖34中陀螺地平儀98的中心環(huán)106上的圓柱向上發(fā)射激光束時，豎向激光束轉(zhuǎn)換及輸出裝置的光束分路器144發(fā)射一部分激光束，它將在天花板(未示出)上形成鉛直點，并反射其余部分的激光束，從而由豎直柱面透鏡146把激光束發(fā)散，所述豎直柱面透鏡146就是在指示鉛直線束之鉛直面上的激光束轉(zhuǎn)換及輸出裝置。另外，借助下鉛直點聚焦透鏡148，所述豎向激光束轉(zhuǎn)換及輸出裝置使豎向激光發(fā)生器86中的激光二極管(未示出)所發(fā)射的一部分激光束被聚焦，因而實現(xiàn)在沿本發(fā)明指示器的鉛直方向位置處指示下鉛直點的功能。所述一部分激光束通過光纖141指向聚焦透鏡148。
詳細地說，把光束分路器144裝配在豎向激光發(fā)生器86的中心軸和陀螺地平儀98上方一側(cè)，關(guān)于所述中心軸被沿鉛直方向向上傾斜一定的角度，并通過豎向激光發(fā)生器86輸出的大約20％的激光束，從而在天花板上形成一個鉛直點。再有，光束分路器144反射所輸出激光束的其余部分，比如80％的激光束到所述上鉛直點，以指示鉛直激光束線。所述豎向柱面透鏡部分146使光束分路器144反射的激光束發(fā)散在與墻壁上指示鉛直線的鉛直面為同一的平面上。還有，裝配在本發(fā)明指示器之外部盒子152下端部的下鉛直點聚焦透鏡148接收豎向激光發(fā)生器86輸出到光纖141中的激光束，以指示下鉛直點。所述豎直柱面透鏡部分146包括柱面透鏡，用以使激光束發(fā)散在后面要述及的同一平面上；高度調(diào)節(jié)機構(gòu)，用以沿向上和向下的方向調(diào)節(jié)柱面透鏡；以及左右旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，用以調(diào)節(jié)左和右的傾斜角。
水平激光束轉(zhuǎn)換及輸出裝置包括水平柱面透鏡部分143，用以接收與豎向激光發(fā)生86相連之水平激光發(fā)生84輸出的水平激光束，并將所接收的激光束發(fā)散在與指示墻壁上水平束線之水平面為同一的平面上。
所述水平柱面透鏡部分143具有與豎向柱面透鏡部分146同樣的功能，并包括高度調(diào)節(jié)機構(gòu)，用以沿向上和向下的方向調(diào)節(jié)柱面透鏡；以及左右旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，用以調(diào)節(jié)柱面透鏡的左和右的傾斜角，以將激光束發(fā)散在后面要述及的同一平面上。
這里的水平柱面透鏡部分143和豎向柱面透鏡部分146中的每一個都呈圓柱形。如圖30所示，當水平激光發(fā)生器84輸出的激光束被垂直輸出到柱面透鏡145的柱面上時，柱面透鏡145將輸入的激光束發(fā)散在同一平面上。其中如果把柱面透鏡145固定成垂直的，則當發(fā)射到墻壁上時，通過柱面透鏡145并受到發(fā)散的激光束線指示成水平線。
用以把本發(fā)明的水平度和鉛直度指示器支承在支承器，如三角架上的固定裝置140b被裝配在所述外部盒子152的底部表面上。固定裝置140b可借助螺栓與三角架相連。
圖41和42是表示按照激光束垂直入射到柱面透鏡上的角度使激光束發(fā)散情況的示意圖。圖43和44表示激光束的水平束線關(guān)于要被傾斜輸入到柱面透鏡上的激光束入射角度關(guān)系的示意圖。
當水平激光發(fā)生器84的激光束有如圖41和42所示那樣垂直入射到柱面透鏡上時，受到柱面透鏡145發(fā)散的激光束在墻面上160b上表現(xiàn)成直線。與上面所述的相比，當使激光束入射到像圖43和44所示那樣向后傾斜的柱面透鏡145上時，由柱面透鏡145發(fā)散的激光束線在墻面160b表現(xiàn)成曲線164，隨著柱面透鏡被傾斜，曲線的中間位置被彎曲得越多。
于是，即使在將激光發(fā)生器的柱面精確地裝配到豎直軸上時，如果激光束不垂直入射到柱面透鏡145的中心部分，則表現(xiàn)在墻面160上的束線中間部分被彎曲成有如圖44所示那樣。因而，為要精確地指示水平束線，需要調(diào)節(jié)柱面透鏡145的位置。
圖45和46是表示為調(diào)節(jié)本發(fā)明激光束之柱面透鏡位置，所示柱面透鏡外殼表面的剖面圖。
所述柱面透鏡的外殼包括調(diào)節(jié)機構(gòu)，用以利用安置在柱面透鏡145外殼處的兩個螺栓180b和182b沿向前、向后方向調(diào)節(jié)柱面透鏡145的高度；以及左右旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，用以通過旋調(diào)被安置在柱面透鏡145的外殼處的螺栓190b沿左右方向調(diào)節(jié)角度，以調(diào)節(jié)柱面調(diào)節(jié)145，使其精確地垂直于進入的激光束。
像圖45所示那樣，通過調(diào)節(jié)螺栓180b和182b，以便如箭號E和F所示那樣沿向前和向后的方向調(diào)節(jié)柱面調(diào)節(jié)145的高度，防止在柱面透鏡145水平表面或豎直表面為同一的平面上發(fā)散而在墻壁上出現(xiàn)的水平或鉛直激光束線彎曲，所述螺栓180b和182b被安置在柱面調(diào)節(jié)145的外殼處。
另如圖46所示，通過旋調(diào)安置在柱面透鏡145的外殼190處的左右調(diào)節(jié)螺栓190b，沿箭號C或D所指示的方向，也就是沿反時針方向或順時針方向轉(zhuǎn)動柱面透鏡145，使激光束在與水平線或鉛直線相符之水平面或鉛直面為同一的平面上發(fā)散。由于上述結(jié)構(gòu)是熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人所公知的普通照相機透鏡組所用的技術(shù)，所以省略了對它們的詳細描述。
產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用如上所述，本發(fā)明使用激光束的水平度和/或鉛直度指示器中，由于把三角架裝在所述水平度和/或鉛直度指示器的底部，并將遙控接收裝置裝設(shè)在指示器主體的側(cè)面，以便能夠遙控控制，所以使用它是方便的。另外，內(nèi)置旋轉(zhuǎn)機構(gòu)能夠在水平度指示器與鉛直度指示器之間變換。由于磁阻力的緣故，可使重錘的擺動運動快速停止，從而使得能由激光束方便地指示真實的水平度和鉛直度。因而，本發(fā)明能夠減少為指示水平度和/或鉛直度所需的時間和工作量。此外，在作業(yè)目標非常大的情況下，能夠有效地指示水平度和/或鉛直度。
權(quán)利要求
1.一種使用激光束的水平度和鉛直度指示器，用于指示水平度和鉛直度，所述指示器包括用以發(fā)射激光束的激光束掃描機構(gòu)；將激光束掃描機構(gòu)發(fā)射的激光束轉(zhuǎn)換成激光束線，并輸出所述激光束線的裝置；以及基準水平度保持裝置，用以在保持水平度的同時維持所要輸出的激光束線。
2.如權(quán)利要求1所述的指示器，其中，所述激光掃描機構(gòu)包括調(diào)制電路，用于響應(yīng)所接收的預(yù)定電功率調(diào)制脈沖間隔和脈沖寬度；以及激光二極管，用于響應(yīng)從所述調(diào)制電路收到的調(diào)制信號發(fā)射激光束。
3.如權(quán)利要求1或2所述的指示器，其中，所述激光束線轉(zhuǎn)換及輸出裝置為柱面透鏡，它被沿長度方向經(jīng)切割處理，用以使被聚焦的激光束轉(zhuǎn)換成激光束線。
4.如權(quán)利要求3所述的指示器，其中，所述激光束線轉(zhuǎn)換及輸出裝置還包括用以使所述柱面透鏡旋轉(zhuǎn)90°的裝置，以使所述激光束線在被旋轉(zhuǎn)90°的狀態(tài)下輸出。
5.如權(quán)利要求1或2所述的指示器，其中，所述激光束線轉(zhuǎn)換及輸出裝置包括以預(yù)定速度旋轉(zhuǎn)的多角旋轉(zhuǎn)平面鏡，用以反射激光束，使已聚焦的激光束轉(zhuǎn)換成激光束線；和電機，用以按預(yù)定速度轉(zhuǎn)動所述多角旋轉(zhuǎn)平面鏡。
6.如權(quán)利要求1或2所述的指示器，其中，所述基準水平度保持裝置包括局部經(jīng)切割處理的上球體，與所述激光束掃描裝置相適應(yīng)；支承體，它的上表面有微型軸承機構(gòu)，使上球體與三點相適應(yīng)；下球體，其直徑大于上球體的直徑，并由所述支承體與上球體連接，以便能自動保持沿鉛直方向的平衡，并因此而保持上球體之激光掃描機構(gòu)的水平度。
7.如權(quán)利要求1或2所述的指示器，其中，所述基準水平度保持裝置是液體水平度指示器，其中一個內(nèi)置激光束掃描機構(gòu)用于掃描通過激光束掃描窗的激光束，所述激光束掃描窗形成于基準水平度保持裝置的一側(cè)，所述內(nèi)置激光束掃描機構(gòu)被安置在所述液體水平度指示器中的特定空間處，并根據(jù)液體水平度指示器中氣泡的位置，以手動方式調(diào)節(jié)被安置在所述液體水平度指示器中的激光束掃描機構(gòu)的水平度。
8.如權(quán)利要求7所述的指示器，其中，所述水平度指示器包括上部單元和下部單元，并在將指示器用作水平度指示器時，所述上部單元和下部單元彼此折疊；還包括與所述上部單元相連的懸臂，該懸臂沿著在所述下部單元的上表面上形成的槽滑動，并被折疊；在將所述指示器用作鉛直度指示器時，所述上部單元和下部單元并不彼此折疊，而且所述懸臂沿所述槽滑動，并且不折疊。
9.如權(quán)利要求1或2所述的指示器，其中，所述指示器還包括一個三角架，它與在指示器下表面處形成的孔相連，用以調(diào)節(jié)指示器的高度，以形成激光束的水平線和鉛直線。
10.如權(quán)利要求1或2所述的指示器，其中，所述指示器還包括一個窗口，它形成于指示器的一側(cè)，用以接收來自遙控器的遙控信號；以及一個安置在指示器中的處理器，用以處理所述遙控信號，以對所述激光束掃描機構(gòu)給出經(jīng)過處理的遙控信號。
11.如權(quán)利要求1或2所述的指示器，其中，所述指示器還包括眼保護電路，用以切斷所述激光束掃描機構(gòu)的電功率，而響應(yīng)從傳輸部分收到的功率斷開控制信號，所述傳輸部分在檢測激光束線時傳送控制信號，以切斷所述激光束掃描機構(gòu)的電功率。
12.如權(quán)利要求1或2所述的指示器，其中，所述傳輸部分被安置在工作人員佩戴的一對眼鏡或頭盔中，以保護工作人員的視力。
13.如權(quán)利要求12所述的指示器，其中，所述基準水平度保持裝置包括柱狀浮動體，其上部設(shè)有覆蓋物，用以容納激光束掃描機構(gòu)；校準器，它包括放在所述浮動體上部之覆蓋物上的三點處的重錘；與各重錘相連的桿；以及調(diào)節(jié)重錘，用以通過沿著桿的移動，調(diào)節(jié)激光束掃描機構(gòu)的水平度；在所述浮動體內(nèi)豎直形成的導管，管內(nèi)嵌入電池；球形鉛錘，它連在通孔的下端；以及裝有液體的外部盒子，在連接所述球形鉛錘的同時，所述浮動體在液體上面移動。
14.一種使用激光束的水平度和鉛直度指示器，它包括陀螺地平儀，被固定安裝在一個外部盒子主體體的上部，它的中心部分能夠沿各個方向旋轉(zhuǎn)和移動；從所述陀螺地平儀的中心部分懸錘的重錘機構(gòu)進行擺動運動；與所述重錘機構(gòu)耦接的水平和豎向激光發(fā)生器沿水平方向和鉛直方向發(fā)射激光束；水平和豎向激光束轉(zhuǎn)換及輸出裝置與所述重錘機構(gòu)耦接，并使水平和豎向激光發(fā)生器所發(fā)射激光束發(fā)散并輸出到與水平面或豎直面相同的平面上；以及擺動阻尼部分，用以快速阻尼所述重錘機構(gòu)的擺動運動，使其穩(wěn)定在鉛直位置。
15.如權(quán)利要求14所述的指示器，其中，所述水平和豎向激光發(fā)生器包括調(diào)制電路，用以響應(yīng)預(yù)定的電功率調(diào)制脈沖間隔和脈沖寬度；激光二極管，用以受調(diào)制電路的調(diào)制信號激發(fā)而發(fā)射激光束；以及準直透鏡，用以聚焦發(fā)散的激光束。
16.如權(quán)利要求14所述的指示器，其中，所述水平和豎向激光束線轉(zhuǎn)換及輸出裝置包括柱面透鏡，它將豎直輸入的激光束發(fā)散到與柱面透鏡的圓形部分同樣的水平面或豎直面上，并將所述發(fā)散的激光束輸出為激光束線。
17.如權(quán)利要求14所述的指示器，其中，所述水平和豎向激光束轉(zhuǎn)換及輸出裝置還包括高度調(diào)節(jié)機構(gòu)，用以沿前后方向調(diào)節(jié)所述柱面透鏡的高度；以及左右旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，用以調(diào)節(jié)向左右兩側(cè)偏斜的角度。
18.如權(quán)利要求14所述的指示器，其中，所述重錘機構(gòu)為一銅板。
19.如權(quán)利要求14所述的指示器，其中，所述重錘機構(gòu)還包括重錘調(diào)節(jié)部分，用以調(diào)節(jié)重錘重心的運動。
20.如權(quán)利要求19所述的指示器，其中，所述重錘調(diào)節(jié)機構(gòu)通過調(diào)節(jié)螺栓的位置，調(diào)節(jié)重心。
21.如權(quán)利要求14所述的指示器，其中，所述擺動阻尼部分是一個多極磁環(huán)，它被固定地安置在外部盒子的下部，并與豎直在其下方的重錘機構(gòu)分離。
22.如權(quán)利要求14所述的指示器，其中，所述豎向激光束線轉(zhuǎn)換及輸出裝置還包括光纖，用以接收豎向激光發(fā)生器發(fā)射并通過準直透鏡的激光束，并沿豎直向下的方向輸出激光束；以及聚焦透鏡，用以匯聚通過光纖傳輸?shù)募す馐⒃谕獠亢凶铀诘牡撞勘砻嫔巷@示鉛直點。
23.如權(quán)利要求14所述的指示器，其中，所述陀螺地平儀包括固定到所述外部盒子上部的外環(huán)；中間環(huán)，它被安置在所述外環(huán)內(nèi)側(cè)，并經(jīng)一徑向支承軸與所述外環(huán)連接而被可轉(zhuǎn)地安裝；以及中心環(huán)，它被安置在所述中間環(huán)內(nèi)側(cè)，并經(jīng)一支承軸與所述中間環(huán)相連，以便能夠沿與中間環(huán)旋轉(zhuǎn)方向垂直的方向轉(zhuǎn)動；其中所述中心環(huán)的內(nèi)側(cè)連到重錘機構(gòu)，互相耦接。
24.如權(quán)利要求14所述的指示器，其中，所述豎向激光束線轉(zhuǎn)換及輸出裝置包括光束分路器，用以沿向上的方向傳輸一部分從豎向激光發(fā)生器發(fā)射的激光束，顯示一個豎直向上的點，并向著豎向柱面透鏡反射其余激光束，顯示一條豎直線。
全文摘要
一種使用激光束的水平度和鉛直度指示器，其中利用柱面透鏡(145)或多角旋轉(zhuǎn)平面鏡，將從激光束掃描機構(gòu)(4)發(fā)射的激光束轉(zhuǎn)換成激光束線，通過校準過程，所述激光束線用于指示水平度和/或鉛直度以及鉛直點，使激光束線與基準水平線相符。所述水平度和鉛直度指示器包括激光二極管(50a)，用以發(fā)射激光束；激光束轉(zhuǎn)換及輸出單元，用以轉(zhuǎn)換所接收的激光束并輸出被轉(zhuǎn)換的激光束；以及提供基準水平度的部分，使從激光束轉(zhuǎn)換及輸出單元輸出的激光束線保持基準水平度。另外，由于磁阻力的緣故，使重錘(94)的擺動運動快速停止，從而用激光束方便地指示真實的水平度和鉛直度以及鉛直點。因而，減少為指示水平度和鉛直度所需的時間和工作量。此外，在作業(yè)目標非常大的情況下，能夠有效地指示水平度和/或鉛直度。
文檔編號G01C15/00GK1461403SQ00820012
公開日2003年12月10日 申請日期2000年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月23日
發(fā)明者卓勝鎬 申請人:Sht株式會社