ОПТИЧЕСКИЙ УЗЕЛ С КОНИЧЕСКИМ ЗЕРКАЛОМ
OPTICAL UNIT WITH CONICAL MIRROR

Изобретение относится к оптическому узлу с коническим зеркалом согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
В патенте США US 2012/0275043 описан известный оптический узел, включающий коническое зеркало, коллимационную линзу, держатель оптики с первым несущим элементом, на котором закреплена коллимационная линза, и вторым несущим элементом, на котором закреплено коническое зеркало, и соединительное устройство, соединяющее друг с другом первый и второй несущие элементы. Оптический узел расположен на траектории лазерного луча позади источника лазерного излучения. Источник лазерного излучения формирует расходящийся лазерный луч, который падает на коллимационную линзу и покидает ее в виде коллимированного лазерного луча. Коническое зеркало имеет отражающую боковую поверхность, которая изменяет направление коллимированного лазерного луча и трансформирует его в кольцевой луч, который распространяется в плоскости распространения перпендикулярно оси конуса конического зеркала.
Соединительное устройство, соединяющее друг с другом первый и второй несущие элементы, включает три или более тонкостенных соединительных элемента, которые соединяют друг с другом несущие элементы. При этом тонкостенные соединительные элементы расположены параллельно оси конуса конического зеркала, причем линии продолжения соединительных элементов пересекаются на оси конуса. Недостатком вертикальной ориентации тонкостенных соединительных элементов является полное прерывание кольцевого луча в зоне расположения этих соединительных элементов, причем при проецировании кольцевого луча на основание в кольцевом луче возникают разрывы. Ширина подобного разрыва увеличивается по мере удаления от конического зеркала.
В основу настоящего изобретения была положена задача модернизировать оптический узел с коническим зеркалом таким образом, чтобы избежать разрывов кольцевого луча при его проецировании на основание.
Указанная задача применительно к упомянутому в начале описания оптическому узлу согласно изобретению решается благодаря отличительным признакам, приведенным в независимом пункте формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно изобретению предусмотрено, что по меньшей мере один соединительный элемент расположен относительно оси конуса конического зеркала в положении скрещивания. Две прямые называют скрещивающимися, если они не пересекаются и не расположены параллельно друг к другу.
Преимущество расположения соединительного элемента относительно оси конуса конического зеркала в положении скрещивания состоит в возможности распространения части кольцевого луча выше соединительного элемента и части кольцевого луча ниже соединительного элемента, причем экранируется лишь часть кольцевого луча, падающая непосредственно на соединительный элемент. Экранирование части кольцевого луча может приводить к почти незаметному для потребителя снижению яркости кольцевого луча в соответствующем угловом диапазоне. Ширину углового диапазона с пониженной яркостью кольцевого луча можно регулировать, варьируя угол наклона соединительного элемента, причем чем с большим наклоном расположен соединительный элемент, тем шире угловой диапазон с пониженной яркостью.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения соединительное устройство характеризуется числом соединительных элементов 2n (n≥1), причем n соединительных элементов выполнены в виде нисходящих соединительных элементов и n соединительных элементов выполнены в виде восходящих соединительных элементов и причем нисходящие и восходящие соединительные элементы расположены по окружности конического зеркала в чередующейся последовательности. Благодаря расположению соединительных элементов в противоположном друг другу направлении возрастает стабильность соединения несущих элементов друг с другом.
Первый несущий элемент, второй несущий элемент и соединительное устройство предпочтительно выполнены монолитно. Преимущество монолитного (неразъемного) конструктивного исполнения держателя оптики и соединительного устройства состоит в том, что юстировку несущих элементов осуществляют уже при изготовлении неразъемного держателя оптики.
Первый несущий элемент, второй несущий элемент и соединительное устройство особенно предпочтительно выполнены в виде неразъемной отливки, изготовленной литьем под давлением. Преимущество конструктивного исполнения в виде неразъемной отливки (детали), изготавливаемой литьем под давлением, состоит в возможности изготовления соединительных элементов, обладающих более сложной формой.
Соединительные элементы предпочтительно выполнены в виде спирали. Благодаря исполнению соединительных элементов в виде спирали предоставляется возможность дополнительного уменьшения части кольцевого луч, экранируемой соединительными элементами, по сравнению с плоскими соединительными элементами. Вследствие наклонного положения соединительных элементов на соединительный элемент падают разные части кольцевого луча. Исполнение соединительных элементов в виде спирали способствует тому, что любая часть кольцевого луча, радиально распространяющегося от отражающей боковой поверхности конического зеркала, перпендикулярно падает на соединительный элемент, и экранируемая часть кольцевого луча сводится к минимуму.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения по меньшей мере один соединительный элемент наклонен относительно оси конуса, причем угол наклона составляет от 5° до 45°. За счет угла наклона соединительных элементов относительно оси конуса можно регулировать ширину углового диапазона, в котором снижена яркость кольцевого луча. Чем с большим наклоном расположены соединительные элементы, тем шире угловой диапазон с пониженной яркостью.
Расстояние по меньшей мере от одного соединительного элемента до оси конуса в плоскости распространения лазерного луча предпочтительно составляет от 5 до 20 мм. Расстояние до оси конуса, составляющее от 5 до 20 мм, допускает возможность компактного конструктивного исполнения оптического узла.
Соединительное устройство в предпочтительном варианте конструктивного исполнения включает по меньшей мере три соединительных элемента, толщина стенок которых составляет от 0,1 до 0,7 мм. Для обеспечения достаточно высокой стабильности соединительного устройства можно использовать один соединительный элемент, который должен обладать соответствующей толщиной. В качестве альтернативы достаточная стабильность соединительного устройства может быть обеспечена благодаря использованию нескольких тонкостенных соединительных элементов с толщиной стенок от 0,1 до 0,7 мм.
Примеры
Ниже приведены примеры осуществления изобретение со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи. При этом соблюдение истинных масштабов не является обязательным: напротив, чертежи для наглядности выполнены схематически и/или в несколько искаженной форме. В отношении непосредственно обнаруживаемых на чертежах дополнительных технических решений следует сослаться на соответствующий уровень техники. При этом следует учитывать возможность многообразных модификаций и изменений формы и деталей того или иного варианта осуществления изобретения без отклонения от общей идеи изобретения. Указанные в описании, на чертежах и в формуле изобретения отличительные признаки как по отдельности, так и в любых комбинациях друг с другом могут иметь важное значение для усовершенствования изобретения. Кроме того, изобретение предусматривает любые комбинации по меньшей мере двух отличительных признаков, указанных в описании, на чертежах и/или в формуле изобретения. Общая идея изобретения не ограничена точной формой или деталями приведенного ниже предпочтительного варианта осуществления или ограничена объектом, сокращенным по сравнению с заявленным в формуле изобретения объектом. При указанных диапазонах параметров предельными, пригодными для любого использования и способными быть предметом притязания следует считать также находящиеся в указанных пределах значения. Для обозначения идентичных или подобных частей, или частей с идентичной или подобной функцией для простоты используют одни и те же позиции.
На прилагаемых к описанию чертежах показано:
на фиг. 1 лазерная система с источником лазерного излучения, который формирует лазерный луч, и оптическим узлом, расположенным на траектории лазерного луча позади источника лазерного излучения и включающим коллимационную линзу, коническое зеркало и держатель оптики,
на фиг. 2 первый вариант конструктивного исполнения предлагаемого в изобретении оптического узла, включающего коллимационную линзу, коническое зеркало и состоящий из нескольких частей держатель оптики с первым и вторым несущими элементами, соединенными посредством четырех плоских соединительных элементов,
на фиг. 3 второй вариант конструктивного исполнения предлагаемого в изобретении оптического узла, состоящего из коллимационной линзы, конического зеркала и неразъемного держателя оптики с первым и вторым несущими элементами, соединенными посредством четырех, выполненных в виде спирали соединительных элементов.
На фиг. 1 показана лазерная система 10 с формирующим лазерный луч 12 источником лазерного излучения 11 и оптическим узлом 13, расположенным на траектории лазерного луча 12 позади источника лазерного излучения 11. Оптический узел 13 включает коллимационную линзу 14, коническое зеркало 15 и держатель оптики 16 с первым несущим элементом 17, на котором закреплена коллимационная линза 14, и вторым несущим элементом 18, на котором закреплено коническое зеркало 15.
Источник лазерного излучения 11 выполнен в виде полупроводникового лазера, который формирует лазерный луч 12 в видимом спектре, например красный лазерный луч с длиной волн 635 нм или зеленый лазерный луч с длиной волн 510 нм или 532 нм. После выхода лазерного луча 12 из источника лазерного излучения 11 вследствие эффекта расхождения лазерный луч расширяется, то есть по мере удаления от источника лазерного излучения 11 диаметр лазерного луча возрастает.
Расходящийся лазерный луч 12 распространяется в направлении распространения 21 и падает на коллимационную линзу 14, которая трансформирует лазерный луч 12 в коллимированный лазерный луч 22. Коллимированный лазерный луч 22 распространяется в направлении распространения 21 и падает на коническое зеркало 15. Коническое зеркало 15 обладает геометрической формой прямого кругового конуса. Круговой конус является конусом с круглым основанием. Конус представляет собой геометрическое тело, которое образуется в том случае, если все точки лежащей в плоскости ограниченной площади прямолинейно соединены с точкой, лежащей вне этой плоскости. Площадь называют основанием, ограничительную линию основания называют направляющей конуса, точку называют вершиной конуса. Расстояние между вершиной конуса и основанием определяет высоту конуса. Линии, соединяющие вершину конуса с направляющей, называют образующими, а совокупность образующих называют боковой поверхностью конуса. Вершина прямого конуса с круглым основанием лежит на оси конуса, проходящей перпендикулярно основанию через его центр.
Коллимированный лазерный луч 22 падает на боковую поверхность 23 конического зеркала 15, которая выполнена с возможностью отражения лазерного луча 22 с соответствующей длиной волн. На боковой поверхности 23 лазерный луч 22 изменяет направление и трансформируется в кольцевой луч 24. Кольцевой луч 24 распространяется в плоскости распространения 25, перпендикулярной оси конуса 26.
На фиг. 2 показан первый вариант конструктивного исполнения предлагаемого в изобретении оптического узла 31, включающего коллимационную линзу 14, коническое зеркало 15, состоящий из нескольких частей держатель оптики 32 с первым несущим элементом 33, на котором закреплена коллимационная линза 14, и вторым несущим элементом 34, на котором закреплено коническое зеркало 15, и соединительным устройством 35, которое соединяет первый и второй несущие элементы 33, 34 друг с другом.
Соединительное устройство 35 включает четыре плоских соединительных элемента 36, 37, 38, 39, выполненных в виде тонкостенных листовых деталей. Соединительные элементы 36, 38 выполнены в виде нисходящих соединительных элементов, тогда как соединительные элементы 37, 39 выполнены в виде восходящих соединительных элементов. Нисходящие соединительные элементы 36, 38 и восходящие соединительные элементы 37, 39 расположены по окружности конического зеркала 15 в чередующейся последовательности. Благодаря расположению соединительных элементов 36-39 в противоположном друг другу направлении повышается стабильность соединения несущих элементов 33, 34 друг с другом.
<mrow />
Каждый из соединительных элементов 36-39 расположен под углом наклона относительно оси конуса 26 конического зеркала 15, равным α, и характеризуется расстоянием до оси конуса 26, равным I. Угол наклона α к оси конуса 26 в данном примере конструктивного исполнения оптического узла 31 составляет около 45°. За счет угла наклона соединительных элементов α можно регулировать ширину углового диапазона, в котором понижена яркость кольцевого луча 24, причем чем с большим наклоном расположены соединительные элементы 36-39, тем шире угловой диапазон с пониженной яркостью. Расстояние I от соединительных элементов 36-39 до оси конуса 26 составляет от 5 до 20 мм и в данном примере конструктивного исполнения оптического узла 31 примерно соответствует диаметру конического зеркала 15. Расстояние до оси конуса 26, составляющее от 5 до 20 мм, допускает возможность компактного конструктивного исполнения оптического узла 31. Соединительные элементы 36-39 выполнены в виде тонкостенных листовых деталей с толщиной стенок d, составляющей от 0,1 до 0,7 мм.
Снижение яркости на 20% приемлемо для потребителя, причем соединительное устройство 35 выполнено таким образом, чтобы снижение яркости не превышало 20%. Для решения типичных задач, возникающих при выполнении измерений на строительных площадках, пригодны кольцевые лучи шириной от 2 до 6 мм. Снижение яркости зависит от угла наклона α соединительных элементов 36-39 относительно оси конуса 26 и толщины стенок d соединительных элементов 36-39. Чем меньше толщина стенок d соединительного элемента, тем меньшим может быть угол его наклона α к оси конуса 26. В случае небольшой ширины луча (2 мм) для сохранения показателя снижения яркости на уровне ниже 20% подходящий угол наклона α находится в интервале от 20° до 45° и подходящая толщина стенок d составляет максимум 0,3 мм. В случае средней ширины луча (4 мм) для сохранения показателя снижения яркости на уровне ниже 20% подходящий угол наклона α находится в интервале от 10° и 40° и подходящая толщина стенок d составляет максимум 0,5 мм. В случае большой ширины луча (6 мм) для сохранения показателя снижения яркости на уровне ниже 20% подходящий угол наклона α находится в интервале от 5° до 45° и подходящая толщина стенок d составляет от 0,1 до 0,7 мм.
На фиг. 3 показан второй вариант конструктивного исполнения предлагаемого в изобретении оптического узла 51, состоящего из коллимационной линзы 14, конического зеркала 15, неразъемного держателя оптики 52 с первым несущим элементом 53, на котором закреплена коллимационная линза 14, и вторым несущим элементом 54, на котором закреплено коническое зеркало 15, и соединительного устройства 55, которое соединяет друг с другом первый и второй несущие элементы 53, 54.
Соединительное устройство 55 включает четыре соединительных элемента 56, 57, 58, 59, которые образуют с первым и вторым несущими элементами 53, 54 неразъемный держатель оптики 52. Соединительные элементы 56, 58 выполнены в виде нисходящих соединительных элементов, тогда как соединительные элементы 57, 59 выполнены в виде восходящих соединительных элементов, причем нисходящие соединительные элементы 56, 58 и восходящие соединительные элементы 57, 59 расположены по окружности конического зеркала 15 в чередующейся последовательности.
Соединительные элементы 56, 57, 58, 59 соединительного устройства 55 отличаются от соединительных элементов 36, 37, 38, 39 соединительного устройства 35 тем, что они обладают спиралеобразным исполнением. Спиралеобразное исполнение соединительных элементов 56, 57, 58, 59 способствует уменьшению экранируемой этими соединительными элементами части кольцевого луча по сравнению с плоскими соединительными элементами. В отношении угла наклона α соединительных элементов 56-59 относительно оси конуса 26, их расстояния I до оси конуса 26 и толщины их стенок d действительны те же ограничения, что и для показанных на фиг. 2 соединительных элементов 36-39.
Коллимированный лазерный луч 22 на отражающей боковой поверхности 23 конического зеркала 15 изменяет направление и трансформируется в кольцевой луч 24. Вследствие наклонного положения соединительных элементов на соединительный элемент падают разные части кольцевого луча 24. Спиралеобразное исполнение соединительных элементов 56, 57, 58, 59 способствует тому, что любая часть кольцевого луча 24, радиально распространяющегося от отражающей боковой поверхности 23 конического зеркала, перпендикулярно падает на соединительный элемент, и экранируемая часть кольцевого луча сводится к минимуму.