专利名称：环状激光光点投影机的制作方法
技术领域：
本发明是关于使用激光的投影机的发明，特别是在平行光管透镜与被照射物体之间设有光圈、并能投射由衍射条纹形成的环状投影像的环状激光光点投影机的发明。
近年来，在隧道工程、上下水道敷设工程、建筑工程等现场，进行打墨线等工作中使用激光投影机作导向装置。这些投影机中使用的激光，一般说来，多用于投射于标靶等目标上用来确定其中心，因此投影图像多为圆形。如果投影像不圆、甚至因倾斜而呈椭圆形或长方形时，则中心点难以确定。
而且，使用激光的投影机，用在具有一定距离的场合用得较少，而在近距离至数百米距离的场合下用得甚多。这就要求有这样的激光光点投影机它不受距离的影响而且投射的激光光点仍保持同样大小。因此，使用激光投影机中采用用光学系统来放大投射的平行光管光。
用光学系统放大投射激光，能得到与简单光源的激光的断面形状相同的投影像。从而，以激光管为光源的投影机，激光投影像大致成圆形，以半导体激光为光源的投影机，激光投影像大致成长方形。半导体激光为光源的投影机的投影像呈长方形是因为半导体激光的激光射出面呈长方形。
于是，为了使半导体激光的射出光为圆形，提出了使用变形光学系统的方法和使用光圈的方法。
使用变形光学系统把射出光变成圆形的方法着眼于能够得到纵横比一定的圆点状光，借助于使纵横比大致相同，使射出光大致成圆形。
使用光圈将投射光整圆的方法，如图8所示，由半导体激光器1100、聚焦透镜2000、光圈3000、平行光管透镜4000等构成。来自半导体激光器1100的激光首先用聚焦透镜2000聚焦，再用光圈3000将其整为圆形。这个光圈3000，通常最好是大小为φ2—3μm，用光圈3000去掉激光中多余的椭圆形部分，可使投影光大致呈圆形。
再者，为了使半导体激光器的射出光成圆形、也考虑将变形光学系统的方法与使用光圈的方法并用。
但是，使用上述变形光学系统将射出光变为圆形的方法、本来是为了得到规定纵横比的圆点状光的方法，因此为了使纵横比相同，得到圆形点状光、有必要采用充分大的光学系统，再加上同时使用光圈，这种结构有零部件数目增加，价格贵的问题。
又，使用光圈使射出光成圆形的方法，光圈与半导体激光器对位置不容易，而且半导体激光器受温度的影响、发光部有移动的趋势。因此，光圈实际使用的大小必须定为φ100μm左右。由于光圈的大小增大，就有混入不是完全环形的衍射光、因此存在着投影像模糊不清、中心难于确定的问题。
而且，仅仅只是同样的圆形投影像的情况下，不能决定中心点，就存在必须用目测在圆形投影像中决定中心点的问题。
从而，人们很希望有结构简单、价格便宜、投影像中心易于确定的激光光点投影机。
半导体激光器的发光面呈长方形，举个例子，短的一边约0.5μm、长的一边约2—3μm。这里根据具有有限大小的光源的扩展和衍射光束的扩展的式子求其大概，定出衍射合适、形成环状的值。
如图2所示，将具有有限大小的光源设置于透镜的焦点位置上的照明光学系统中，通常具有如下式表示的扩展角θ。
tanθ＝r/f从而距透镜的距离仅为L的位置上的像的扩展2R为2R＝2×L×tanθ＋D＝L·(2r/f)＋D……(1)式此处f为焦距；D为透镜孔径；r为光源大小；λ为光源的波长。
亦即，在距透镜仅为L的观察面上，通常出现像扩大了的光源形状那样的不均匀的照明范围。
下面从波动光学的立场出发考察衍射引起的光束的扩展角θ，如图3所示。
Sinθ＝λ/D若θ≤D，则Sinθ≌tanθ，因此，在距透镜仅为L的位置上像的扩展2R′为2R′＝2×(λ/D)×L＋D……(2)式亦即，成像变得模糊不清的情况取决于光学系统的孔径D。
因而，要消除观察面的照明不均匀性、要使照明成圆形，就必须满足下述条件2R＜2R′……(3)式亦即，只要使衍射引起的像的扩展2R′比透镜引起的像的扩展2R大就行。
因而，将(1)式与(2)式代入(3)式，得出(2r/f)×L＋D＜(2λ/D)×L＋D从而得出(r/f)＜(λ/D)的条件。
结果是，为了消除观察面上的照明不均匀，并使照明成圆形，必须是D＜(f/r)×λ或(r/λ)＜(f/D)＝Fno……(4)式其中Fno为光圈数。
又考虑到透镜的像差等问题和衍射很好地形成环状的条件以及光源的变形率等，要使其能在实用上看作圆形、要求
R≤(1.5～2.0)×R′再确定透镜的孔径D，并据此来决定距透镜为L的位置上的照明光的大小。
例如L＝100m，λ＝600nm时，如果将这些值代入第2式，则得到2R′＝2×(λ/D)×L＋D＝2×(600nm/D)×100m＋D然后，考察2R′为最小值的情况，即计算出孔径D约为11mm.2R′＝21.9mm。
根据这一结果，即使用目视也能达到2—3mm的精度。
再者，如果设2r＝3μm，则得出(r/λ)＝(1.5μm/600nm)＝2.5根据(4)式，Fno≥5即可。又为了提高聚光效率，Fno必须做得小，因此，假如选择Fno＝5，则得出f＝Fno×D＝5×11＝55mm。
另外，因为衍射产生了衍射条纹，这一点也应予顾及。
第1条明线出现于Sinθ＝(3/2)×(λ/D)的地方，因而，在距透镜为L的位置上，可得到2R′1＝2×(3/2)×(λ/D)×L＋D即在衍射0次成像的1.5倍的位置上出现光环。
从而，可以使照明光成环状。
图1是本发明的实施例的结构示意图。
图2是本发明的原理图。
图3是本发明的原理图。
图4是说明在本实施例附加变迹滤光器400的结构的图。
图5说明本实施例的应用例。
图6说明本实施例的应用例。
图7说明本实施例的应用例。
图8说明已有的技术。
实施例下面根据附图对本发明的实施例加以说明。
图1是表示本实施例的环状激光光点投影机1000的结构示意图、由发光元件100、平行光管透镜200、光圈300构成。
发光元件100是相当于激光光源的元件，用来发射激光。发光元件100配置于平行光管透镜200的焦点位置上。发光元件100只要是能发出激光的元件，用半导体激光器、激光管等哪一种都可以。
平行光管透镜是传送光的装置，用来将从发光元件100发射出的激光转换成平行光送向被照射物体2000。送光装置不限于平行光管透镜，只要是能使从发光元件100射出的激光变成平行光的元件就够了。
光圈300插入于平行光管透镜200与被照射物体2000之间是用来使投影在被照射物体2000上的投影像3000产生衍射条纹，使投影像3000形成环状投影部3200的装置。
如上所述构成的本实施例，一旦发光元件100被驱动，从发光元件100发出激光，由平行光管透镜200向被照射物2000传送。然后，从平行光管透镜200送出的激光经光圈3000收缩、成圆形投影于被照物体2000上，形成相当于第1投影像的圆形投影部分3100。
再者，由于光具有波动性，所以它也具有衍射到遮蔽物的阴影部分的性质，由于这种衍射性质而形成衍射条纹。这种衍射条纹在半径R′1的位置上形成环状，因此，在半径R1的位置上形成相当于第2投影像的环状投影部分3200。
于是，投影于被照射物体2000上的投影像3000由圆形投影部分3100与出现在半径R1位置上的环状投影部分3200组合而成。亦即，如按图1所示的光强度所理解的那样，在中心部有一相当于圆形投影部3100的圆形的明亮部分，在其周围有比较暗的圆环包围着，它的外面，存在着相当于环状投影部3200的明亮部分。
还有，为了防止圆形投影部分3100照明不均匀，必须使衍射引起的像的扩展2R′比透镜引起的像的扩展2R大。
为了满足这一条件R＜R′，如(4)式所示，必须满足D＜(f/r)×λ或(r/λ)＜(f/D)＝Fno。从而，为了使圆形投影部3100成为完全圆形，要求R≤(1.5～2.0)×R′用上面这样构成的环状激光光点投影机1000形成的投影像3000，在圆形投影部分3100的周围形成环状投影部分3200，因而，具有便于确定投影像3000的中心点的优点。
而为了提高环状激光光点1000的聚光效率，只要减小衍射条纹的强度、或减小光源的变形率即可。
为了减小衍射条纹的强度，只要在光圈300上附加一个变迹滤光器即可。这种变迹滤光器400是外周部分浓度深，靠中心部分浓度慢慢降低的滤光器。通常，衍射条纹不是一条，而是产生数条，越离中心光强度越弱。
如图4所示，一旦在本实施例的环状激光光点1000上附加变迹滤光器400，可以做到近中心部分留有衍射条纹，而周边的衍射条纹的强度减小，因而有提高集光效率的效果。
于是，为了减小光源的变形率，提高集光效率，只要添加变形光学系统即可。而且，如果与变迹滤光器400组合则更加有效。
从而，在本实施例中，如果添加变形光学系统及变迹滤光器400，有能更加提高集光效率的效果。
下面对本实施例的应用例加以说明。根据图5～图7对将本实施例应用于激光瞄准装置的例子加以说明。
激光瞄准装置，如图5及图6所示，由机架1、以设于该机架1的前端近傍的水平俯仰轴2为中心的可施转自如的俯仰架3、在该俯仰架3的垂直方向上安装的以摆动轴4为中心能摆动自如的激光振荡装置5构成。
在俯仰架3的下边，设有向后方的水平辅助架6、在该水平辅助架6上设有水平轴7。该轴通过弹簧与机架1连结，由于弹簧8的弹力的作用，在图5中俯仰架3有一个向顺时针方向运动的蓄势。
使俯仰螺杆10竖立在与轴7大致正交的方向上，使拧在俯仰螺杆10上的螺母11与突出设置于该螺母11上的固定梢12配合。然后，俯仰螺杆10连结于装在机架1上的俯仰电动机9的输出轴上，借助于俯仰电动机9的驱动力，可以改变俯仰架3的倾斜度。
如图7所示，在俯仰架3的侧边上，设有垂直辅助架13。摆动电动机15通过齿轮箱14安装于该垂直辅助架13上。从该齿轮箱14上向水平方向延伸设置导轴16及摆动螺杆17，摆动螺杆17连结于摆动电动机15的输出轴上。于是，拧在摆动螺杆17上的带螺母牵引块18嵌合于导轴16上并可自由滑动。
在激光振荡器5的后端部，在水平方向上安装着水平伸出臂杆19，该水平伸出杆19与带螺母牵引块18上的配合梢20配合。于是，在水平伸出杆19与垂直辅助架13之间，放入弹簧21，由于该弹簧的弹性恢复力的作用，激光振荡装置5有向水平方向、即图7中的右方运动的蓄势。
如上构成的激光瞄准装置，由于俯仰电动机9与摆动电动机15的驱动作用，可以向互相垂直的两个方向转动。
激光振荡装置5，与上述实施例中的环状激光光点投影机1000配套组装。
上述结构的本项发明，激光光源发出激光、光传送装置将激光向被照射物体传送，在被照射物体上形成第1投影像、位于该光传送装置与被照射物体之间的光圈部件对激光的形状加以整形，同时，在被照射物体上形成由衍射条纹组成的环状的第2投影像，因而有根据环状的第2投影像很容易确定投影像的中心点的效果。
而本发明以平行光管透镜为光传送装置，如果满足下述任一条件，就可防止投影像照明的不均匀。
D＜(f/r)×λ或(r/λ)＜(f/D)＝Fno而且本发明如果以衍射引起的像的扩展为2R′、用平行光管透镜引起的像的扩展为2R，也可以定为如下条件R≤(1.5～2.0)×R′再者，本发明也可以将光圈部件与变迹滤光器加以组合。
权利要求
1.一种环状激光光点投影机，其特征在于包含发射激光的激光光源；将该激光光源发射的激光传送到被照射物体、在该被照射物体上形成第1投影像用的光传送装置；以及位于该光传送装置与该被照射物体之间、在所述被照射物体上形成由衍射条纹构成的环状的第2投影像用的光圈部件。
2.根据权利要求1所述的环状激光光点投影机，其特征在于所述光传送装置由平行光管透镜构成，且满足下述任一条件D＜(f/r)×λ或(r/λ)＜(f/D)＝Fno其中，D为平行光管透镜的孔径；f为平行光管透镜的焦距；r为激光光源的大小；λ为激光光源的波长；Fno为光圈数。
3.根据权利要求2所述的环状激光光点投影机，其特征在于，以衍射引起的像的扩展为2R′，由平行光管透镜引起的像的扩展为2R时R≤(1.5～2.0)×R′
4.根据权利要求1或2或3所述的环状激光光点投影机，其特征在于在光圈部件上添加变迹滤光器。
全文摘要
本发明系一种关于采用激光的投影机，特别是在平行光管透镜与被照射物体之间设置光圈、能投射由衍射条纹形成的环状投影像的环状激光光点投影机，激光源发射出激光，光传送装置向被照射物体传送激光，在被照射物体上形成第一投影像，设置于该光传送装置与该被照射物体之间的光圈部件，在对激光光束加以整形的同时，在被照射物体上形成由衍射条纹构成的环状的第2投影像。
文档编号G02B27/58GK1122010SQ9510688
公开日1996年5月8日 申请日期1995年6月22日 优先权日1994年6月22日
发明者大友文夫, 菅井博雄, 小川洋平, 榎本芳幸 申请人:株式会社拓普康