專利名稱：產(chǎn)生兩個(gè)相互垂直的雷射光平面的裝置的制作方法
專利說明產(chǎn)生兩個(gè)相互垂直的雷射光平面的裝置 本發(fā)明涉及一種能產(chǎn)生兩個(gè)相互垂直的雷射光平面的裝置。在建筑、室內(nèi)裝修等工程的施工中，需要一個(gè)或一組參考面用以作為測量、測定的基準(zhǔn)。而在工程的現(xiàn)場，這些基準(zhǔn)參考面應(yīng)該是確定的、可見的，通常，最常用的基準(zhǔn)是水平面或垂直面。
半導(dǎo)體激光器由于較小的尺寸、很高的亮度、低廉的價(jià)格，是常用于指示基準(zhǔn)線和基準(zhǔn)面的工具。
目前的雷射掃描儀僅能產(chǎn)生一個(gè)光學(xué)水平面，或以外加機(jī)構(gòu)輔助操作，形成垂直面作為垂直度量基準(zhǔn)，這是不方便的。
有關(guān)一般之雷射儀，傳統(tǒng)者利用一空心之空心馬達(dá)，軸心里部裝設(shè)有激光束發(fā)生器，馬達(dá)整體由一水平云臺(tái)作重力垂掛輔助而架設(shè)于機(jī)臺(tái)，在光束輸出端經(jīng)由一偏轉(zhuǎn)棱鏡，使投出之光束轉(zhuǎn)折成橫向，得是經(jīng)由馬達(dá)帶動(dòng)該偏轉(zhuǎn)棱鏡，即掃描出一水平之光學(xué)平面光幅，該等設(shè)計(jì)之應(yīng)用僅能提供水平面之光幅形成，且由于其馬達(dá)為離心高速馬達(dá)，耗電量高，而且本體碩重，更且構(gòu)建復(fù)雜，一般皆應(yīng)用于建筑工地地基開挖時(shí)的基地基礎(chǔ)建構(gòu)，和樓層桁架架構(gòu)時(shí)所應(yīng)用。另應(yīng)用于室內(nèi)居家之裝潢現(xiàn)場，由于空間及精準(zhǔn)度要求不是很高的情況下，得有應(yīng)用簡易式雷射光學(xué)儀，其主要系由兩組構(gòu)成垂直關(guān)系之雷射發(fā)生器，各別投射出筆直之光束，藉由該光束作為水平及垂直線的測量參考依據(jù)，基本上無法形成平面光幅，得是新近設(shè)計(jì)利用一載臺(tái)載動(dòng)前述之雷射發(fā)生器，使其筆直之光束可達(dá)到全方位的掃描形成光幅，但也只形成水平的光幅，垂直向者則必須再利用其它的輔助機(jī)構(gòu)支撐帶轉(zhuǎn)其光束進(jìn)行垂直面的掃描，也就是其光幅的形成只能單一性的水平或是選擇成垂直狀的光幅掃描，無法同時(shí)并行，而且相同存在有偏移精準(zhǔn)度及攜帶不便性以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)。
有相關(guān)雷射水平儀等諸多前案設(shè)計(jì)，概利用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)光學(xué)偏移棱鏡，整體系受云臺(tái)式支撐座所浮載，以確實(shí)獲得水平角位，唯諸前案設(shè)計(jì)有笨重及菜單現(xiàn)未臻完善，造成使用上不夠輕巧利便。本發(fā)明包括至少一個(gè)筆直光束的雷射模塊它包含一雷射二極體及聚焦光學(xué)系統(tǒng)；雷射二極發(fā)出的發(fā)散光為聚焦光學(xué)所聚焦形成光束；至少一個(gè)光學(xué)偏轉(zhuǎn)器用以將射向它的光束偏轉(zhuǎn)并分成二道垂直關(guān)系之光束；至少二個(gè)光束擴(kuò)張器用以將光束擴(kuò)張射出為光平面。
本發(fā)明使用一雷射模塊，對上述水平及垂直的兩組模塊改變、簡化。為敘述方便，將空心馬達(dá)及錐形光束反射錐體稱為光束擴(kuò)展器。將兩上模塊以垂直關(guān)系放置，分別沿其旋轉(zhuǎn)對稱軸射入細(xì)光束就會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)相互垂直的光學(xué)平面。
為了以下描述方便我們?nèi)我鈱⑦@兩個(gè)模塊分別稱為水平的第一和垂直的第二光束擴(kuò)展器；它們所產(chǎn)生的光學(xué)平面分別稱為第一和第二光學(xué)平面(光幅)。由于本發(fā)明所確定的儀器將同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)相互垂直的光學(xué)平面，從雷射模塊來的細(xì)光束將至少通過一個(gè)光學(xué)偏轉(zhuǎn)器偏轉(zhuǎn)提供另一光束到垂直的擴(kuò)展器方向。
這里的光學(xué)偏轉(zhuǎn)器可以是一個(gè)和入射光成45°的平面反射鏡，或是直角棱鏡，利用其反射面使投出之光束與入射光束呈90°角。
該分光方法雖然簡單，但是兩束光難以高精度準(zhǔn)確而穩(wěn)定地保持在垂直狀態(tài)，為了克服這個(gè)問題，通常使用兩個(gè)反射面。它的工作原理是基于這樣一個(gè)事實(shí)當(dāng)光線被兩個(gè)反射面連續(xù)作兩次反射后，其出射光與入射光之間的夾角為此兩反射面之夾角的兩倍，而且與入射光本身的入射角度無關(guān)。這時(shí)，光線偏轉(zhuǎn)的誤差僅取決于它們之間的夾角偏差。當(dāng)這反射面之間的夾角為45°時(shí)，這兩束光將有效相互垂直。
通過一整塊導(dǎo)光材質(zhì)，我們將上述兩個(gè)反射面做成一體，就形成了更為穩(wěn)定的的五角棱鏡。這種偏轉(zhuǎn)器有四個(gè)光學(xué)表面兩個(gè)折射面相互垂直而兩個(gè)反射面成45°，光束經(jīng)兩次折射、兩次反射作用后的光束與原入射光束當(dāng)能有效呈垂直。
本發(fā)明光學(xué)偏轉(zhuǎn)器的應(yīng)用，放射端亦可是同時(shí)產(chǎn)生兩束相互垂直的分光光學(xué)組件，這種分光光學(xué)組件可以是和入射光成45°的半反射鍍膜的平面平行透明平板，這樣，入射光的一部分，如50％被反射到與入射垂直的方向上，而另余下部分，如50％則沿入射方向穿過該膜，形成直向光束。
上述分光光學(xué)組件可以是立方棱鏡它為兩個(gè)直角棱鏡沿其斜面膠合而成，其中至少一個(gè)斜面鍍有半反膜。這樣，入射光的部分，如50％被反射到與入射垂直的方向上，而余下50％則沿入射方向同軸穿透該棱鏡。
但是由于將該鍍膜平行平板厚度的影響，兩束光之間將有一平行平移。為了消除兩光之間的位置偏差，引入一補(bǔ)償平面平行透明平板，由它的厚度所引起的光線之間的位移來抵消上述分光鏡帶來的位移。
同樣，為了兩束光難以高精度準(zhǔn)確而穩(wěn)定地保持在垂直狀態(tài)，在本發(fā)明應(yīng)用的分光光學(xué)組件亦可用兩片夾角為45°的平面平行透明平板，其中面對從光源入射光的平面平行透明平板鍍有半反膜，而另一平面鍍有反射膜。入射光首先射向鍍有半反膜的平行透明平板，其一部分如50％，沿入射方向穿過該平行透明平板沿原方向行進(jìn)，余下50％，則被它反射到鍍反射膜的平行平板上，經(jīng)兩次連續(xù)的反射形成與入射光垂直的光束。
在五角棱中，為了使部分光線沿原方向穿過該棱鏡，其中正對從雷射模塊來的光反射面改鍍半反膜。從它反射的光被隨后的反射面再次反射成與原光束垂直的光束，而透過半反膜的光因折射而偏離原入射方向，為了保持原方向不變，在鍍以分光膜的平面固定一光楔，光楔的角度被選擇，使得這部分光束透過該光楔后形成一光束，與原射向五角棱鏡的光束在同一直線上。
利用兩組光束擴(kuò)展器及光學(xué)偏轉(zhuǎn)器就可以建立起自動(dòng)或手動(dòng)的水平儀。
得是本發(fā)明特別針對水平及垂直基準(zhǔn)，經(jīng)偏轉(zhuǎn)器或半反射方式，獲得二角向垂直關(guān)系光束，再藉各別光擴(kuò)展方式，而同步獲得水平面參考光幅和垂直面參考光幅為其主要目的。
本發(fā)明再一目的為垂直狀態(tài)光幅之?dāng)U展器，可依據(jù)指向地心的垂直軸線為中心而繞轉(zhuǎn)，藉以聯(lián)動(dòng)垂直面之光幅，可在環(huán)狀任一角位照向環(huán)境周圍任一位置。
本發(fā)明再二目的為在相關(guān)之光學(xué)偏轉(zhuǎn)器所射反射面，為了同步形成二道垂直關(guān)系之光束，可采半反射鍍膜方式，提供光束部分折射及部分直接穿透，藉以同步獲得直角關(guān)系之二道激光束。
本發(fā)明第三目的為該光擴(kuò)展器之實(shí)施，可采由馬達(dá)帶動(dòng)光束進(jìn)行掃描形成一光學(xué)平面，或利用圓錐形反射錐體，以直角關(guān)系擴(kuò)展出光學(xué)平面。
本發(fā)明實(shí)施表現(xiàn)之優(yōu)點(diǎn)有1、結(jié)構(gòu)精簡、功耗小、可同時(shí)產(chǎn)生相互垂直的二個(gè)光學(xué)平面的光學(xué)系統(tǒng)。
2、發(fā)明簡單可靠的可產(chǎn)生一個(gè)光學(xué)平面(光幅)，以及另一個(gè)與之垂直且方向可變化的光學(xué)平面的光學(xué)系統(tǒng)；3、于利用光學(xué)系統(tǒng)，發(fā)明全新既可產(chǎn)生水光幅，又可同步產(chǎn)生垂直光幅的雷射光學(xué)參考光學(xué)平面發(fā)生儀。
在本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施中，將雷射模塊發(fā)出的細(xì)光束首先射向第一光束擴(kuò)展器。第一光束擴(kuò)展器一部分入射光擴(kuò)展為第一光學(xué)平面，而另一部分將穿過此擴(kuò)展器保持原方向射向光學(xué)偏轉(zhuǎn)器，并由該偏轉(zhuǎn)器偏轉(zhuǎn)90°射向第二光束擴(kuò)展器形成與第一光學(xué)平面垂直的第二光學(xué)平面。
上述實(shí)施，第一個(gè)光束偏轉(zhuǎn)器必須同時(shí)有光學(xué)分光及擴(kuò)展功能其分光功能是將入射光分為兩部分，其中一部分沿原方向不變；另一部份利用光學(xué)擴(kuò)展功能將之?dāng)U展為與原入射方向垂直的光學(xué)平面。
在本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施中，可將雷射模塊發(fā)出的細(xì)光束，首先由分光光學(xué)組件以前置性分解為兩束相互垂直的光束。這兩束光分別指向第一和第二光束擴(kuò)展器，由它們擴(kuò)展成相互垂直的二個(gè)光學(xué)平面。

圖1a代表45°反射鏡光學(xué)偏轉(zhuǎn)器。
圖1b代表直角棱鏡。
圖1c代表雙反射鏡光學(xué)偏轉(zhuǎn)器圖1d代表五角梭鏡光學(xué)偏轉(zhuǎn)器。
圖2a代表代表45°分光偏轉(zhuǎn)器。
圖2b代表帶光束平行偏移校正的45°分光偏轉(zhuǎn)器。
圖2c代表立方棱鏡。
圖2d代表鍍分光膜的雙反射鏡光學(xué)偏轉(zhuǎn)器。
圖2e代表轉(zhuǎn)軸指向光被校正了的雙反射鏡偏轉(zhuǎn)器。
圖3a代表錐形反射鏡。
圖3b代表錐形全反射鏡。
圖4a代表分光錐形反射鏡。
圖4b代表分光錐形全反射鏡。
圖5代表使用旋轉(zhuǎn)五角棱鏡的第一種實(shí)體。
圖6a代表使用全反射錐形鏡的第一種實(shí)體。
圖6b代表使用全反射錐形鏡的第一種實(shí)體的模塊。
圖6c系為本發(fā)明相關(guān)第二擴(kuò)展器與垂直地表之軸心線偏轉(zhuǎn)立體示意圖。
圖6d為圖6c之俯視圖。
圖7a代表使用一個(gè)反射鏡和一個(gè)全反射錐形鏡的第一種實(shí)體圖7b為本發(fā)明代表含一個(gè)反射鏡、一個(gè)全反射錐形鏡和一光學(xué)偏轉(zhuǎn)器的第一種實(shí)體的集成塊。
圖8a代表使用旋轉(zhuǎn)五角棱鏡的第二種實(shí)施的模塊。
圖8b代表使用旋轉(zhuǎn)五角棱鏡的第二種實(shí)體的能同時(shí)產(chǎn)生水平面及垂直面的模塊。
圖8c代表使用旋轉(zhuǎn)五角棱鏡的第二種實(shí)體的能同時(shí)產(chǎn)生水平面及旋轉(zhuǎn)垂直面的模塊。
圖8d代表使用旋轉(zhuǎn)五角棱鏡的第二種實(shí)體的能自動(dòng)同時(shí)產(chǎn)生水平面及旋轉(zhuǎn)垂直面的模塊。
圖9代表使用全反射錐形鏡的第二種實(shí)施例。圖標(biāo)符號(hào)說明11-反射鏡15、170-元件17、35、36-平板20、26、470-偏轉(zhuǎn)器250、260、40、114、124-棱鏡21、22、23、31、32、39、41、42、43、45、46、48、49、51、62、74、84、85、173、174、210、220-平面16、27、37-分光膜47-光楔 50-反射錐體60、60a、60b、70、80、210、220-擴(kuò)展器52、61、71、81-軸63、72、82-錐面66-圓柱視窗73-底面83、175-光學(xué)圓柱面100-雷射掃描模塊 110-雷射模塊111-半導(dǎo)體雷射112-光學(xué)聚焦系統(tǒng)113、123-空心馬達(dá) 115、213-機(jī)殼116、200-機(jī)構(gòu) 117-透明窗171、172-錐形面 211-水泡212-透明窗214-軸承230-軸轉(zhuǎn)平臺(tái)241-懸臂 242-重錘243-鐵盤244-永磁體
Bo、Br、Bt、Bi、Bt’、Bn、Br1、Br2-光束Bc、Bc1、Bc2-光平面 t、t1-厚度e、e1-距離[具體實(shí)施方式
]在描述本發(fā)明的掃描平面發(fā)生器之前，我們先描述本發(fā)明所用的光學(xué)偏轉(zhuǎn)器。
如圖1a所示，最簡單的光學(xué)偏轉(zhuǎn)器為一和入射光束Bo成45°的反射鏡11。從它反射的光束Br和入射光束Bo垂直。當(dāng)反射鏡11以入射光束Bo為軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，反射光束Br掃描出一與該軸垂直的水平平面光幅。
圖1b所示為一直角棱鏡偏轉(zhuǎn)器20，它有三個(gè)平面21，22和23。其中平面21和22相互垂直，而平面23與上述平面成45°，與平面21垂直的入射光束Bo在通過該面后沒有偏離其方向而射向平面23，由于全反射，光線在該平面上被反射垂直射向平面22，穿透該平面所形成的光束Br與原入射光束Bo垂直，并如前述，當(dāng)偏轉(zhuǎn)器20被帶動(dòng)以入射光束Bo同軸旋轉(zhuǎn)，則同掃描出平面光幅。
上述這種光學(xué)偏轉(zhuǎn)組件雖然簡單，但是難以高精度準(zhǔn)確而穩(wěn)定地安裝在和入射光成45°方向上，為了克服這個(gè)問題，通常使用如圖1c所示的兩個(gè)夾角為45°的反射平面31和32。該裝置中入射光束Bo和出射光束Br的垂直度和它們相對入射光的方向無關(guān)，在誤差僅取決于它們之間45°夾角的誤差。
更準(zhǔn)確而穩(wěn)定的光學(xué)偏轉(zhuǎn)器為五角棱鏡。如圖1d所示，該棱鏡40的五個(gè)平面41-45，其中有兩個(gè)相互垂直的光學(xué)折射面入射平面41和出射平面42；兩個(gè)光學(xué)夾角為45°的反射平面第一反射平面43和第二反射平面44。其中切割平面45為非光學(xué)作用面，光束Bo首先在入射平面41上射進(jìn)入該棱鏡成為第一反射平面44的入射光，其反射光束Bi又為第二反射平面43反射至出射平面42，經(jīng)折射作為光束Br離開該棱鏡，入射光束Bo與偏轉(zhuǎn)光束Br相互垂直。
對上述光學(xué)偏轉(zhuǎn)器加以改造即可以同時(shí)產(chǎn)生兩束相互垂直光線的分光光學(xué)組件。
用半透膜取代如圖1a所示平面平行平板反射鏡11上的反射膜，即成為最簡單的分光光學(xué)組件。請?jiān)賲㈤唸D2b，與此分光組件15成45°角入射的光束Bo的一部分被其分光膜16反射成與入射光垂直的光束Br，而另余下部分，則沿入射方向穿過該膜成為光束Bt。由于平板厚度t的影響，這兩束光束Bo和Bt有一個(gè)平行平移距離e，當(dāng)該雙反射片以入射光束Bo為軸心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，指向光束Br將圍繞該光束Bt轉(zhuǎn)動(dòng)而形成光柱，這是在使用中所不希望的。
為此我們可使用一補(bǔ)償用二相對為平行平面之光學(xué)平板17，透過分光組件15之分光膜16并穿過此組件15后，其出射光束Bt與入射光偏離了一個(gè)距離e，它又通過另一平板17(如圖2b)。小心選擇光學(xué)平板17的厚度折射率及取向，可以使因平行平板組件15的厚度所引起的出射光束Bn相對入射光束Bo的偏離，為平板17的厚度所引起的偏離所抵消，從而Bo與Bt兩光束共線。
用兩個(gè)直角棱鏡250及260沿其斜面膠合而成為立方棱鏡(圖2c)。其中至少一個(gè)鍍有半反射膜之斜面形成分光膜27，這樣入射光束Bo進(jìn)入棱鏡250后，在分光膜27上一部分，如約50％，被反射到與入射垂直的方向光束Br，而另余下部分，則透過該分光膜27沿入射方向同軸穿過棱鏡260，而成為與入射光束Bo共線的光束Bt。
為了產(chǎn)生與原入射光共處一線的光束Bt，我們也可將圖1c的反射平面32改為鍍半透膜的分光膜，部分入射光束Bo將被該分光膜反射，經(jīng)反射平面31再次反射而形成偏轉(zhuǎn)光束Br。另一部分將穿過該平板形成與入射光平行的指向光束Bt。
然而同樣由于平板厚度t的影響，這兩束光也有一個(gè)平行平移距離e，為此，也可以如圖2d的同附加的平面平行平板所產(chǎn)生的平移來抵消這個(gè)平行平移，因?yàn)樵谠谶@光學(xué)系統(tǒng)中使用有兩片相成90度的平面平行平板，我們作適當(dāng)?shù)慕M合即可以產(chǎn)生無偏移的光束Bt，鍍分光膜37的平行平面平板35和平面平行平板36之間的夾角為45°，平板36的出射平面39鍍以反射膜，入射光束Bo首先穿過平行平板36射向平行平板35的分光入射分光膜37。由于其平板的厚度t1影響，其出射光束Bt’與之有一個(gè)平移距離e1，當(dāng)該光束Bt’透過分光膜37穿越透過平板35后，其出射光束Br又將為其厚度t的影響而反向偏回一個(gè)平移距離e，小心選擇平行平板35和36的厚度折射率以及取向，因平行平板36的厚度所引起的出射光束Bt’相對入射光束Bo的偏離e1，可為平板35的厚度所引起的偏離距離e所抵消，從而兩光束Bo和Bt同軸。
將圖1d五角棱鏡的第一反射平面44鍍以分光膜，該面因此標(biāo)以反射平面46。如圖2e所示，光束Bo的一部分將在反射平面46反射而形成光束Bi。另一部分Bt將穿出該棱鏡。由于反射平面46不與入射光束Bo垂直，離開該面的光束Bt將偏離該軸一個(gè)角度。為了使兩光束在同一直線上，在反射平面46上附一光楔47，該光楔47有兩個(gè)光學(xué)折射平面48和49，其中平面48與反射平面46貼合。在光楔47的光學(xué)材料和五角棱鏡一樣時(shí)，光楔47的夾角平面49得與棱鏡的入射平面41平行，兩者的組合相當(dāng)于一光學(xué)平面平行平板，透過棱鏡40之反射平面46的部分光將進(jìn)入光楔47，經(jīng)其平面49離開該棱鏡組合成為光束Bt，當(dāng)入射光束Bo與入射平面41垂直時(shí)，兩光束Bo、Bt同軸。
利用上述光學(xué)偏轉(zhuǎn)器和不同的光學(xué)擴(kuò)展器，發(fā)明了能同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)相互垂直的光學(xué)平面的裝置。
主要系利用上述最佳實(shí)施之偏轉(zhuǎn)器，間接于光束擴(kuò)展系統(tǒng)之前置或中段光學(xué)路徑，提供同步獲得水平之第一光學(xué)平面，或垂直之第二光學(xué)平面，以下首先對光學(xué)擴(kuò)展器作簡述，如圖3及圖4中對所指錐形光束擴(kuò)展器。
圖3a為一反射錐體50，它有一錐頂角為90度與軸52旋轉(zhuǎn)對稱的反射面平51。入射光束Bo沿該軸射向錐面，經(jīng)它反射圓形擴(kuò)展形成一光平面Bc。
圖3b中顯示的為一全反射型的光學(xué)透明內(nèi)錐形光學(xué)擴(kuò)展器60，具有一光學(xué)入射平面62、一與軸61旋轉(zhuǎn)對稱的內(nèi)錐面63、以此軸為旋轉(zhuǎn)對稱軸的光學(xué)圓柱窗口66。入射平面62和旋轉(zhuǎn)對稱軸61垂直。當(dāng)光束Bo入射光沿軸61垂直射入平面62時(shí)，光束越過該面進(jìn)入透明體射向錐面63，只要透明體的光學(xué)折射率大于某值，該光在錐面上會(huì)發(fā)生全反射。對于反射光要求和入射光垂直的情況，光學(xué)透明體的折射率不小于1.4142。絕大多數(shù)的光學(xué)物質(zhì)，如光學(xué)玻璃和塑料的折射率大多都大于此值，為此反射的光束將擴(kuò)展成第一光平面Bc。
對上述錐形反射鏡作改變即可以同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)光平面，并進(jìn)一步如圖4所示，可形成有效分光作用于錐形光學(xué)擴(kuò)展器。
如圖4a描述的分光錐形鏡為一光學(xué)透明擴(kuò)展器70，它是一與軸71旋轉(zhuǎn)對稱，頂角為90度的光學(xué)透明錐形體。其錐面72鍍有反射膜，底面73為與軸71垂直的光學(xué)平面，其錐頂為一與底面73的光學(xué)小平面74平行，截面比小平面74大的光束Bo沿軸71入射到該組件上，一部分透過小平面74與底面73的光束Bt穿射方向不變，余下為錐面72反射的光線擴(kuò)展成第一光平面Bc。
圖4b描述的分光錐形鏡為全反射型的錐形光學(xué)擴(kuò)展器80，它是有一光學(xué)入射平面85、一與軸81旋轉(zhuǎn)對稱的內(nèi)錐面82、以此軸為旋轉(zhuǎn)對稱軸的光學(xué)圓柱面83，在錐面82頂端有一與入射平面85平行的小平面84，入射平面85和旋轉(zhuǎn)對稱軸81垂直。當(dāng)直徑大于小平面84的光束Bo入射光沿軸81垂直進(jìn)入平面85時(shí)，一部分光穿過小平面84保持原方向不變成直線光束Bt，其余的入射光會(huì)進(jìn)入透明體射向錐面82，只要透明體的光學(xué)折射率大于某值，該光在錐面82上會(huì)發(fā)生全反射，為其反射的光線擴(kuò)展成光平面Bc。
本發(fā)明能同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)相互垂直的光學(xué)平面的第一種實(shí)施中，光學(xué)偏轉(zhuǎn)器在光學(xué)路徑上置于第一光束擴(kuò)展器之后。
圖5描述了本發(fā)明第一種實(shí)體使用旋轉(zhuǎn)光學(xué)偏轉(zhuǎn)器的裝置。圖中100就是這種雷射掃描模塊它由一個(gè)雷射模塊110，一個(gè)空心馬達(dá)113及一個(gè)固定在馬達(dá)之空心轉(zhuǎn)軸上的五角棱鏡114組成，雷射模塊110和空心馬達(dá)113由一機(jī)殼115固定在一起并使雷射模塊110發(fā)出的光束與空心馬達(dá)113的轉(zhuǎn)軸重合。
雷射模塊110含有一個(gè)半導(dǎo)體雷射111和一個(gè)筆直光學(xué)聚焦系統(tǒng)112。從半導(dǎo)體雷射111發(fā)出的擴(kuò)散之雷射光為垂直光學(xué)聚焦系統(tǒng)112聚焦形成一束光束Bo，光束Bo通過空心馬達(dá)旋轉(zhuǎn)軸的通孔(未畫)射向旋轉(zhuǎn)的帶補(bǔ)償光楔的五角棱鏡114。從其分光膜反射的光束Br1形成第一光學(xué)面。穿過分光膜的光束Bt’進(jìn)入光學(xué)偏轉(zhuǎn)器26，(圖中為分光立方棱鏡偏轉(zhuǎn)器26)，反射的光通過另一水平向之空心馬達(dá)123的中心沿其旋轉(zhuǎn)軸的通孔(未畫)射向旋轉(zhuǎn)的五角棱鏡124。為此五角棱鏡反射的光束Br2形成垂直之第二光學(xué)平面。穿越分光偏轉(zhuǎn)器26的光束Bt與原入射光束Bo的方向重合。
光學(xué)偏轉(zhuǎn)器26及第二光束擴(kuò)展器位置為機(jī)構(gòu)116所固定。為了不遮阻光束Br1，此組合可用透明窗117與雷射模塊110結(jié)合在一起。
當(dāng)為機(jī)構(gòu)116所組合的光學(xué)偏轉(zhuǎn)器26及第二光束擴(kuò)展器可以圍繞入射光束Bo同軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，也就是橫向設(shè)置之空心馬達(dá)123或棱鏡124，可偏心圍繞光束Bo之軸心，而作外圍走動(dòng)，則第二光學(xué)平面則可被調(diào)整照射于周圍環(huán)境任一角位，提供任一標(biāo)示點(diǎn)皆可取得垂直線依據(jù)，換句話說第二平面可任意出現(xiàn)在與第一平面垂直的任一角位上。
前述所有相關(guān)之光學(xué)偏轉(zhuǎn)器，均可以取代圖中的分光立方棱鏡狀之偏轉(zhuǎn)器26。
圖6a顯示的裝置的第一光束擴(kuò)展組件為一全反射型的錐形光學(xué)擴(kuò)展器80。光束Bo入射光沿軸81射入該組件時(shí)，一部分光束Bt穿過它。余下的光在其內(nèi)錐面上發(fā)生全反射而擴(kuò)展成第一光平面Bc1。不偏轉(zhuǎn)的光束Bt為偏轉(zhuǎn)器26(圖中為立方棱鏡)所反射射向水平擺置之第二光束擴(kuò)展器60。該光經(jīng)此擴(kuò)展器擴(kuò)展為第二光平面Bc2。圖中的第二光束一擴(kuò)展器60為全反射型的內(nèi)錐面反射鏡。
將第一光束擴(kuò)展器80及第二光束擴(kuò)展器60分別與光學(xué)偏轉(zhuǎn)器26的入射與出射平面結(jié)合在一起成為一個(gè)整體。如圖6b所示，再與雷射模塊110結(jié)合在一起就形成為一不但可以同時(shí)產(chǎn)生兩相互直角關(guān)系的光學(xué)平面，而且能產(chǎn)生一平面法線(垂直線)的模塊。
有關(guān)圖6c系在重復(fù)說明如圖5所述之第二光束擴(kuò)展器，可以圍繞入射光束Bo同軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而獲得第二光學(xué)平面可形成外圍調(diào)動(dòng)，而在任一角位皆可取得第二光學(xué)平面之類等圍繞機(jī)構(gòu)示意，由圖上所示，該雷射模塊110對上設(shè)有第一光學(xué)擴(kuò)展器80，該光學(xué)擴(kuò)展器80可由雷射模塊110所發(fā)出之雷激光擴(kuò)展成第一光平面Bc1，又穿經(jīng)第一光學(xué)擴(kuò)展器80之光束Bt，則垂直射向偏轉(zhuǎn)器26，藉由偏轉(zhuǎn)器26再橫向轉(zhuǎn)折射向第二光學(xué)擴(kuò)展器60，并藉由該擴(kuò)展器60再擴(kuò)展出垂直的第二光平面Bc2，其中第二光學(xué)擴(kuò)展器60可圍繞著雷射模塊110(或是相同垂直地表的軸心線，如圖上系同等光束Bt)而作為中心點(diǎn)進(jìn)行外圍的弧向調(diào)轉(zhuǎn)(如圖6d所示)，由圖6d俯視觀之，其中第二擴(kuò)展器60可經(jīng)由調(diào)校方式沿著Bt的軸心而作圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)，因此相同帶動(dòng)第二光平面Bc2形成不同角位的變化，于此而使第二光平面可投射在任一角位，獲得任一角位的垂直線參考。
圖7a的裝置使用了反射型的分光式錐形第一擴(kuò)展器70，光束Bo沿軸71入射到該組件上。軸71附近的一部分透過該組件射向光學(xué)偏轉(zhuǎn)器20(此圖為直角棱鏡)。余下的為錐面72反射形成第一光平面Bc1。為直角棱鏡所反射的光進(jìn)而為第二光擴(kuò)展器60擴(kuò)展而形成第二光平面Bc2。
圖中使用的第一光擴(kuò)展器70是一全反射錐形鏡。它的優(yōu)點(diǎn)是可以將第一，二光束擴(kuò)展器70及60及直角棱鏡偏轉(zhuǎn)器20集成為單一整體的光學(xué)組件。將第一光擴(kuò)展器70的底面73與直角棱鏡偏轉(zhuǎn)器20的入射平面重合，將偏轉(zhuǎn)器20的出射平面與第二光擴(kuò)展器60的底面(入射面)重合就形成如圖7b所示的可以同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)相互垂直光平面的單一光學(xué)組件170。該組件為一光學(xué)透明體，它有四個(gè)光學(xué)表面一個(gè)鍍反射膜的錐形面171，一個(gè)全反射的內(nèi)錐形面172，它們的對稱軸相互垂直；一個(gè)在錐形面171錐頂上與其對稱軸垂直的小平面173，一個(gè)與兩對稱均成45度的全反射平面174和一以全反射面對稱軸為軸的光學(xué)圓柱面175。
本發(fā)明能同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)相互垂直的光學(xué)平面的第二種實(shí)施中，分光光學(xué)偏轉(zhuǎn)器在光學(xué)路徑上置于第一光束擴(kuò)展器之前，如圖8a所描述的是此實(shí)體中的使用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)光束擴(kuò)展器210及220的裝置。從雷射模塊110發(fā)出的細(xì)光束Bo首先射向有分光作用的光學(xué)偏轉(zhuǎn)器470(圖中為帶光楔的五角棱鏡40)，且與其入射面垂直。為光學(xué)偏轉(zhuǎn)器470折射出的光為第一旋轉(zhuǎn)擴(kuò)展器210掃描擴(kuò)展成垂直的光平面Bc1。透過該光學(xué)偏轉(zhuǎn)器470的光為第二旋轉(zhuǎn)擴(kuò)展器220掃描擴(kuò)展成光平面Bc2。
圖8b是這種裝置組合的水平儀的模塊。指示水平位置的水泡211通過一圓柱型透明窗212與機(jī)殼213固定在一起。在儀器校正中，將第一光平面Bc1校正到水平位置，而第二光平面Bc2自動(dòng)處于垂直位置。
圖中第二旋轉(zhuǎn)擴(kuò)展器210連同光學(xué)偏轉(zhuǎn)器所設(shè)光楔47及棱鏡40可以通過一個(gè)機(jī)殼213固定在一起。如圖8c所示，通過一個(gè)偏移機(jī)構(gòu)200，由軸承214活固第二旋轉(zhuǎn)擴(kuò)展器210，使該擴(kuò)展器210可依入射光束Bo作水平向掃動(dòng)，它所產(chǎn)生的第二光平面Bc2則可以出現(xiàn)任何與第一光平面Bc1垂直的方向上(除受機(jī)殼機(jī)構(gòu)限制外)。
圖8d的自動(dòng)水平儀中的雷射模塊110懸置在一個(gè)可以圍繞兩個(gè)相互垂直而與地心引力垂直的軸轉(zhuǎn)平臺(tái)230上。雷射模塊110通過懸臂241與一重錘242相連。重錘242處于平衡位置時(shí)雷射模塊110產(chǎn)生的細(xì)光束Bo與地心引力重合。重錘242偏離平衡位置時(shí)，雷射模塊110在重力作用下將返回平衡位置，直到它產(chǎn)生的細(xì)光束Bo與地心引力重合。
正對重錘242下方可設(shè)有一靜止的鐵盤243，上面固定至少一個(gè)永磁體244。它和重錘242組成一電磁掣動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)重錘擺動(dòng)時(shí)，它將切割永磁體244的磁力線而產(chǎn)生掣動(dòng)力使之快速回到平衡位置。
圖9是第二個(gè)實(shí)施的另一種裝置，它使用了兩個(gè)對稱軸相互垂直的錐形光束擴(kuò)展器60a和60b。從雷射模塊110來的光束經(jīng)光學(xué)偏轉(zhuǎn)器25反射的光為第二光束擴(kuò)展器60b反射為第二光平面Bc2。而透過此偏轉(zhuǎn)器25的光為第一光束擴(kuò)展器60a反射為第一光平面Bc1。圖中的水泡可以將光平面Bc1定向?yàn)樗矫妫鳥c2為垂直光平面。
所有錐形擴(kuò)束器均可以用作第一和第二光束擴(kuò)展器，其中錐形擴(kuò)展器可以與所描述的光學(xué)偏轉(zhuǎn)器作各種組合和變型，特別是如其中第二光學(xué)擴(kuò)展器可與光學(xué)偏轉(zhuǎn)器圍繞入射光束Bo軸心線轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生與第一光學(xué)擴(kuò)展器所發(fā)生的第一擴(kuò)展平面垂直，可獲得投光角位能任意取向的第二光學(xué)面。
此外，本發(fā)明的裝置可以用于具體的水平儀，它可以自動(dòng)或手動(dòng)地同步產(chǎn)生一個(gè)水平面和一個(gè)垂直面。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生兩個(gè)相互垂直的雷射光平面的裝置，其特征在于它系包括至少一個(gè)筆直光束的雷射模塊它包含一雷射二極體及聚焦光學(xué)系統(tǒng)；雷射二極發(fā)出的發(fā)散光為聚焦光學(xué)所聚焦形成光束；至少一個(gè)光學(xué)偏轉(zhuǎn)器用以將射向它的光束偏轉(zhuǎn)并分成二道垂直關(guān)系之光束；至少二個(gè)光束擴(kuò)張器用以將光束擴(kuò)張射出為光平面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生兩個(gè)相互垂直的雷射光平面的裝置，其特征為擴(kuò)展垂直光平面之第二光學(xué)擴(kuò)展器，可依據(jù)垂直地心之軸心為中心做水平的角向調(diào)整，該中心系位置于雷射模組之激光束與之同軸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生兩個(gè)相互垂直的雷射光平面的裝置，其特征為該光學(xué)擴(kuò)展器可為具有錐形反射面之光學(xué)元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生兩個(gè)相互垂直的雷射光平面的裝置，其特征為該光學(xué)擴(kuò)展器可為電機(jī)馬達(dá)帶動(dòng)反射光學(xué)元件掃描者。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生兩個(gè)相互垂直的雷射光平面的裝置，其特征為光學(xué)偏轉(zhuǎn)器置于第一光學(xué)擴(kuò)展器之后。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生兩個(gè)相互垂直的雷射光平面的裝置，其特征為偏轉(zhuǎn)器可置設(shè)于第一光學(xué)擴(kuò)展器之前。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生兩個(gè)相互垂直的雷射光平面的裝置，其特征為該偏轉(zhuǎn)器可為棱鏡或平板之光學(xué)平板。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、7所述的產(chǎn)生兩個(gè)相互垂直的雷射光平面的裝置，其特征為該偏轉(zhuǎn)器引起之透射偏角，可由另一光學(xué)元件，如光楔或光學(xué)平板輔助校正。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生兩個(gè)相互垂直的雷射光平面的裝置，其特征為以錐形體為光擴(kuò)展之第一光學(xué)擴(kuò)展器中心部位，可提供光束穿透。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生兩個(gè)相互垂直的雷射光平面的裝置，其特征為該錐形體之?dāng)U展器所設(shè)的反射錐面，可為內(nèi)錐面或外錐面之二種方式。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生兩個(gè)相互垂直的雷射光平面的裝置，其特征為雷射模塊固定在一個(gè)可以繞兩個(gè)相互垂直而與地心引力垂直的軸轉(zhuǎn)動(dòng)的平臺(tái)上，重錘處于平衡位置時(shí)雷射模塊產(chǎn)生的細(xì)光束與地心引力重合，重錘偏離平衡位置時(shí)，雷射模組在重力作用下將返回平衡位置，直到它產(chǎn)生的細(xì)光束與地心引力重合，這時(shí)它將產(chǎn)生一個(gè)水平面和一個(gè)垂直面，擺動(dòng)的重錘切割永磁體的磁力線而產(chǎn)生掣動(dòng)力使之快速回到平衡位置。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生兩個(gè)相互垂直的雷射光平面的裝置，其特征為雷射模組通過懸臂與一銅質(zhì)盤形重錘相連。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生兩個(gè)相互垂直的雷射光平面的裝置，其特征為正對重錘下方有一靜止的鐵盤，上面固定至少一個(gè)永磁體，它和重錘組成一電磁掣動(dòng)系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能產(chǎn)生兩個(gè)相互垂直的雷射光平面的裝置。它包括至少一個(gè)筆直光束的雷射模塊它包含一雷射二極體及聚焦光學(xué)系統(tǒng)；雷射二極發(fā)出的發(fā)散光為聚焦光學(xué)所聚焦形成光束；至少一個(gè)光學(xué)偏轉(zhuǎn)器用以將射向它的光束偏轉(zhuǎn)并分成二道垂直關(guān)系之光束；至少二個(gè)光束擴(kuò)張器用以將光束擴(kuò)張射出為光平面。本發(fā)明結(jié)構(gòu)精簡、功耗小、可同時(shí)產(chǎn)生相互垂直的二個(gè)光學(xué)平面的光學(xué)系統(tǒng)，利用光學(xué)系統(tǒng)，本發(fā)明既可產(chǎn)生水光幅，又可同步產(chǎn)生垂直光幅的雷射光學(xué)參考光學(xué)平面發(fā)生儀。
文檔編號(hào)G01C15/00GK1479079SQ0313990
公開日2004年3月3日 申請日期2003年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月22日
發(fā)明者浦建華 申請人:浦建華