专利名称:360度平面光束发生器的制作方法
本实用新型属于光学仪器的技术领域：
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到目前为止，产生二维平面光束的现有技术有两种一是把一维的光束入射到一旋转棱镜上，扫描成一个在360度范围内，但不是连续的二维平面光束，并需要精密、昂贵的附助设备。
二是使用柱面透镜，一维光束可以转换成以扇面形扩展的、连续分布的二维平面光束，但远不能达到360度的范围。
在激光器出现之后，曾有个别高增益工作物质产生二维平面光束运转的报道(a)(b)，但对于常用激光器却难以达到。
本发明人经检索了七国两组织的15年专利文献(美、日、英、西德、苏、法、瑞士、EP、WP)(1969－1983年)，未发现与本实用新型有关的专利文献。
本实用新型的目的是利用简单易行的光学转换装置，把一维光束转换成在360度范围内连续分布的二维平面光束。
在本实用新型中，利用普通He－Ne激光器(3)发出的一维激光束作为光源，入射到一个环镜(4)上，环镜是一段中空的透明圆柱体，参见图5，基于光导纤维的工作原理，当入射到环镜的光束垂直于环镜的轴线，但与环镜的轴线不相交时，若入射光束与×－×轴线的距离H符合关系式H＝(1－n2)R时，就可以得到360度范围内连续分布的二维平面光束。上式中n2是环镜材料的折射率。R是环镜中空园柱面部分的半径。
利用简单的几何光路分析，可以得出上述的关系式图1中，设α为临界角，He－Ne激光束从A点入射，入射角为0，元件形状为一柱面圆环，内圆半径为R，外圆半径为R＋d，即环的厚度为d，设元件折射率为n2，周围介质折射率为n1，则sinα＝ (n1)/(n2) (公式1)sinθ＝R／(R＋d) (公式2)上式表明欲保证在环内侧的入射角α为临界角，则须θ＝sin－1( (R)/(R＋d) )，与材料折射率无关，由于 (sinβ)/(R) ＝ (sinα)/(R＋d)(公式3)∴＜β小于＜α，即在内侧入射角为临界角时，在外侧入射角β小于临界角，因此会有部分光线逸出，激光束在圆环内外壁之间多次反射折射而形成光平面。
图1中AE＝H为入射点到X轴的垂直距离，α为临界角时，由图，sinθ＝ (H)/(R＋d)与公式2比较得H＝R (公式4)当H增大到折射光线与内圆相切时，如图2所示，由折射定律可得sinθ＝ (n2)/(n1) · (R)/(R＋d) (公式5)且H＝ (n2)/(n1) R当环外为空气时n1＝1则H＝n2R (公式6)若环镜材料为Kθ光学玻璃时，H＝1.52R，如果入射角θ继续增大，即H＞n2R时，呈图3情况。图中β小于临界角，也就是说，H＞n2R的入射光线进入环内的折射线不再接触内圆，而经反射、折射，有部分光线逸出环外，而最大反射角β为临界角，当θ＝90°时，β才等于临界角，图4画出H＜R的情况，也就是θ较小的情况，由上述分析情况可知，此时α小于临界角，且sinγ＝ (R＋d)/(R) sinθ其中sinθ＜ (R)/(R＋d) (公式7)进入环内的光线，形成多次反射折射，每次均有光线逸出环外。
综合上述各种情况，可以得出结论入射到环镜上的光线，当H从0到(R＋d)的范围改变时，也就是入射角从0～90°改变时，如以H大小来区分，则当H＝(R～n2R)时，就可以形成平面激光束。
本实用新型的重要意义在于提供了一种新型的光学元件，为光束变换技术开辟了新途径。
本实用新型的重要意义还在于利用简单的光学环镜和价格低廉的He－Ne激光器，配合普通水准仪(1)，四维调节装置(5)和激光电源(2)，便可制成经济实用，产生平面光束的激光平面仪，使用该激光平面仪可以在三维空间中方便地画出水平面，垂直面，以及任意角度的斜平面。这在建筑工程，机械工程，水利工程和课堂教学中多种几何图形显示都有广泛的用途。
本发明人列举两种激光平面仪的用途1.室内划线。在房屋建筑工程中，当围墙垒起来以后，要在内壁划一条封闭的水平线。该水平线的高度是距施工完成后的地平面为0.5米。用普通水准仪划线时要多次立水准尺，多次测量找点再划线。还存在人工立水准尺操作的误差，操作者需两人以上，费工费时。若用激光平面仪划线时，可以在室内一次形成一个激光平面光束，该平面光束与围墙相交就可以形成一激光亮线，这条亮线就是室内施工的基准线(可用墨笔划出该线)。这种操作过程只需一人，方便迅速，如图5所示。
2.课堂教学几何图形显示。
在几何及工程绘图的教学中，激光平面仪可以直接显示各种角度的平面；平面与透明体相交，可以显示各种方位的直线，及多种空间曲线。如与球体相交可得平面圆曲线，与圆锥体相交位置不同可得抛物线、双曲线、圆、三角形，与圆柱体斜交可得椭圆曲线。
在用截面法讲解相贯线的划法时，用激光平面代替假想平面可得到非常好的直观教学效果。用相等直径的透明圆柱体(6)相贯，如图6，用激光平面Ⅰ－Ⅰ、Ⅱ－Ⅱ、Ⅲ－Ⅲ，截该相贯体，截线形状为(7)(8)(9)。将(7)，(8)，(9)中圆弧与直线的交点(相贯线上的点)向Ⅰ－Ⅰ，Ⅱ－Ⅱ，Ⅲ－Ⅲ平面投影得1′，2′，3′点。将0，1′，2′，3′，0′相连就是所求的相贯线。
权利要求
1.一台产生二维平面激光束的光学仪器，该仪器有一个光源(3)，其特征是有一个把该光源转换成连续分布的360°平面光束的中空透明圆柱环镜(4)。
2.按照权项1所说的光学仪器，其特征在于该光源(3)是氦氖激光器。
3.按照权项1所说的光学仪器，其特征在于该仪器包括一台水准仪(1)。
专利摘要
一种360平面光束发生器。本实用新型属于光学仪器领域。利用被称为环境的光学元件，可将氦氖激光束变换成360范围内的平面激光束，本发生器为光束变换技术提供了一种简便的新方法。利用本装置制成经济实用的激光平面仪，形成二维准直，可广泛应用于平面测量，建筑施工，空间几何图形显示等。
文档编号G02B3/02GK85200911SQ85200911
公开日1986年1月1日 申请日期1985年4月1日
发明者张国顺, 程福安, 王克起 申请人:天津大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan