调平激光器以及光学的投影透镜的制作方法

1.本发明涉及一种用于在表面上生成激光投影线的、包括光学的投影透镜的调平激光器以及一种相应的光学的投影透镜。


背景技术：

2.由de 10 2007 039 343 a1已知调平激光器的、在此特别是自对准调平激光器（所谓的摆式激光器）的一般的结构。
3.基于自由变形曲面的光学透镜由现有技术已知，例如由激光测距仪的技术领域已知。ep 2379983 b1例如公开了一种用于补偿在测量从激光测距仪到目标的小间距时出现的光学的功率损失的自由变形透镜。在这种近场测量中存在的问题是，在发出的激光束和接收到的、这就是说反射的激光束之间的视差偏差会较为强烈地影响测量结果。因此功率损失尤其造成了，在激光测距仪的探测器上成像的激光束由于发射路径和接收路径的视差偏差而不再完全击中探测器的有效的面。


技术实现要素：

4.本发明在第一个方面中涉及一种用于在表面上生成激光投影线的调平激光器（也称为调平装置）。调平激光器在此用于在特别是在手工业领域中出现的调平任务、对准任务、测量任务和/或标记任务的范畴内，例如在建筑物的内部装修时、在建筑作业时、在墙或类似物处施加标记时，生成形式为激光投影线的光学的标记。借助调平激光器生成的激光投影线的准确的设计方案另外可以视使用领域和任务而不同。因此激光投影线也可以包括多个标记点和/或多条标记线，也包括中断的标记线。此外，调平激光器可以设置用于，随时间改变地、特别是例如闪烁地实现激光投影线。调平激光器原则上允许生成激光标记、特别是投影到是与地板、天花板、墙壁或其它物体、例如柜子的垂直壁的取向无关的参考物的对象上。
5.调平激光器典型地具有带有至少一个开口、特别是窗口的壳体，其中，通过所述开口将激光投影线发出到表面上，在所述表面上应当生成激光投影线。调平激光器被这样设定大小，使得它可以在没有运输机械的辅助下仅用手、特别是用一只手就能运输。调平激光器的质量小于5 kg、特别是小于2 kg并且十分特别地小于1 kg。调平激光器沿第一方向（特别是轴x的方向，参看下文）的尺寸小于15 cm、特别是小于10 cm、十分特别地小于5 cm。调平激光器沿第二方向（特别是轴z和/或y的方向，参看下文）的尺寸小于25 cm、特别是小于15 cm、十分特别地小于10 cm。
6.调平激光器设置用于，例如水平地、垂直地或按照其它的调平角调平所发出的激光投影线。调平角尤其可以由用户选择。调平可以例如在使用设置在调平激光器的壳体中的摆动装置的情况下进行，激光投影线借助摆动装置与壳体在铅垂线处的取向无关地能自由地自对准、特别是能全面地摆动或振荡地发出。摆动装置承载并且在此调平所述调平激光器的所有光学的部件，这就是说，至少一个用于生成激光辐射的激光单元和投影透镜。壳
体备选能够实现激光投影线的手动的对准。在这种情况下，光学的部件，这就是说，至少用于生成激光辐射的激光单元和投影透镜牢固地布置在调平激光器的壳体中。此外还可以想到的是，在壳体中设有调平传感器、特别是惯性传感器、磁场传感器、加速度传感器、重力传感器或类似物，和/或水平仪，在使用它们的情况下可以将激光投影线手动地（通过用户）和/或自动地（例如马达驱动地）带入到期望的调平的状态中。调平激光器尤其可以包括一种特别是光学的、声学的或触觉的输出装置，借助所述输出装置可以将调平的状态输出给用户。因此用户可以在水平仪处和/或所输出的信号处识别到，何时或者在何种条件下（
‘
还转动了5
°’
）存在激光投影线的调平的状态。
7.调平激光器包括至少一个激光单元和带有三维的透镜表面的光学的投影透镜作为光学的部件，其中，投影透镜可以在具有三条彼此垂直布置的轴x、y、z的三维坐标系中说明，并且其中，轴z与投影透镜的光轴重合。在调平激光器的一种实施方式中，激光单元和投影透镜是在调平激光器的发射路径（也称为投影路径）中的唯一的光学的部件。激光单元具有至少一个激光光源、例如半导体激光器或激光二极管。在一种实施方式中，激光辐射设在人眼可见的光谱波长范围内，这就是说特别是在380 nm至780 nm之间，例如设置成635 nm的红色的激光光线。此外，激光单元可以包括形成束的和/或引导束的和/或影响激光辐射的特性的光学的元件，特别是如例如透镜，如准直器、准直透镜、滤光器、衍射元件、镜子、反射器、光学透明的玻璃片或类似物。
8.投影透镜布置在调平激光器的发射路径中。投影透镜用于将激光束折射和扇形展开到在由轴x、z撑开的平面中延伸的激光扇形（激光平面）中。这个激光平面与表面的相交生成了人眼可见的激光投影线。在调平激光器的一种实施方式中，投影透镜沿轴y的方向具有镜像对称的、特别是柱筒形的形状。以这种方式可以实现的是，投影透镜沿轴y的方向没有发挥折光力并且因此将激光束的整个辐射功率特别有效地扇形放射到激光扇形中。激光投影线因此沿轴y的方向能实现得特别狭窄（横向受限）。在调平激光器的一种实施方式中，投影透镜能借助经准直的激光束沿光轴的方向照射或者在激光单元的应用状态或运行状态下相应地照射。经准直的激光束可以尤其在使用准直器或准直透镜的情况下生成，准直器/准直透镜在光学的发射路径中处在激光单元后方和特别是投影透镜前方。在一种实施方式中，投影透镜和准直透镜集成为一个单独的透镜构件。在此，可以尤其在调平激光器的一种实施方式中规定，激光单元和透镜构件是在调平激光器的发射路径中的唯一的光学的部件。准直透镜和激光单元备选可以集成成单独的激光单元构件。在此，在调平激光器的一种实施方式中尤其可以规定，激光单元构件和投影透镜是在调平激光器的发射路径中的唯一的光学的部件。尤其能以这种方式提供紧凑的和在它们的功能上尤为综合的构件，并且调平激光器可以设计得特别小型。此外，在调平激光器的制造方法中明显简化了光学的部件的安装和校准。在调平激光器的一种实施方式中，投影透镜由塑料制成。塑料在此至少对所使用的激光光线的波长而言在光学上是透明的。投影透镜可以有利地例如通过注塑方法由塑料特别利于成本地和同时精确地制造。
9.在调平激光器的一种实施方式中，调平激光器设置用于，直接布置在表面上。在表面上的布置在此可以借助本领域技术人员公知的保持器件，如胶带、螺钉或类似物完成。调平激光器的壳体尤其可以包括相应的装置，例如壳体后侧布置的、能反复使用的胶垫，如由us 9,909,035 b已知的那样。在一种实施方式中，调平激光器设置用于，将激光投影线投影
到调平激光器在应用状态下布置于其上的表面上或者生成在调平激光器在应用状态下布置于其上的表面上。在调平激光器的一种实施方式中，激光投影线能投影到表面上，其中，激光投影线具有平行于投影透镜的光轴的、特别是也平行于入射到投影透镜上的激光辐射的光轴的取向并且与这个光轴间隔了沿轴x方向的偏差。所述表面处在由轴y、z撑开的平面中，其中，表面与投影透镜的光轴间隔了沿轴x方向的偏差。以这种方式可以提供一种能特别简单和直观地操作的调平激光器。所需的空间需求尤其很小，因为调平激光器不需要如例如在由现有技术公知的摆式激光器中那样与表面具有间距。
10.为了在表面上、特别是调平激光器在应用状态下布置于其上的表面上生成尽可能均匀地照亮的激光投影线而建议，透镜表面至少在投影透镜的能用于生成激光投影线的区段中具有带有沿着轴x单调上升的表面倾角的形状。透镜表面尤其实现为自由变形曲面。透镜表面可以沿轴z的方向通过函数z = f(x)描述，其中，导数是单调上升的函数。按照本发明可以这样实现，即，以一种特别是经准直的激光束为出发点，能在表面上生成、特别是投影尽可能均匀地照亮的激光投影线，其中，调平激光器同时布置在所述表面上。投影透镜允许了提供关于投影透镜的光轴不对称的强度分布。
11.表面倾角是透镜表面相对轴x的角。
[0012]“投影透镜的能用于生成激光投影线的区段”尤其指的是，投影透镜的用于生成激光投影线并且用入射的激光辐射照明的区段具有所述的形状。在制造公差的范畴内，在投影透镜的这个区段中可以想到与按本发明的形状的偏差。此外，在投影透镜的这个区段中可以想到与按本发明的形状的巨大的偏差，这些区段要么没有用激光辐射照明，要么它们对生成激光投影线的贡献微不足道（例如，因为激光扇形的这些部分被壳体挡住）。
[0013]
在调平激光器的一种实施方式中，在投影透镜的沿轴x的方向观察面朝表面的侧面上设有最大的表面倾角。在此，最大的表面倾角可以取决于激光投影线与投影透镜的最小的间距。最小的间距尤其表征激光投影线从调平激光器起沿轴z的方向观察的起点。尤其这样来选择最大的表面倾角，使得最小的间距小于100 mm、特别是小于50 mm、十分特别地小于25 mm。在一种实施例中，最小的间距为10 mm。因此，还在投影透镜的沿轴x的方向上观察背对表面的侧面上设最小的表面倾角。在此，最小的表面倾角可以取决于激光投影线与投影透镜的最大的间距。最大的间距在此表征激光投影线从调平激光器起沿轴z的方向观察的终点。尤其这样来选择最小的表面倾角，使得最大的间距大于750 mm、特别是大于1500 mm、十分特别地大于2000 mm。
[0014]
因此，按照本发明，可以在表面上生成激光投影线，所述激光投影线同时是所布置的调平激光器的安放面或布置面（或基础）。与由现有技术已知的装置（在这些装置中，借助由激光单元发出的激光束的条带状入射在表面上生成了激光投影线）相比，当前的调平激光器在激光投影线在其整个长度上的极为均匀的照亮的同时也允许了明显更为简单的结构（没有镜子或类似物）。
[0015]
在本发明的另外的方面中建议了上面所阐述的调平激光器的带有三维的透镜表面的光学的投影透镜，其中，投影透镜能在具有三个垂直于彼此的轴x、y、z的三维的坐标系中说明，并且其中，z轴与投影透镜的光轴重合。按照本发明，光学的投影透镜的透镜表面至少部分具有带有沿着轴x单调上升的表面倾角的形状。
[0016]“规定”和“设置”尤其应当理解为专门“编程”、“设计”和/或“装备”。对象“规定”用
于特定的功能，尤其应当指的是，所述对象在至少一个应用状态和/或运行状态下履行和/或实施这个特定的功能或者设计用于履行所述功能。
附图说明
[0017]
借助附图所示的实施例在接下来的说明书中更为详细地阐释本发明。附图、说明书和权利要求包含大量组合的特征。本领域技术人员相宜地也单独观察所述特征并且将其概括成合理的另外的组合。附图中的相同的附图标记标注相同的元件。
[0018]
图1是按本发明的调平激光器的一种设计方案的立体图；图2a是图1的按本发明的调平激光器的设计方案的示意性的侧视图；图2b是包含按本发明的投影透镜在内的光学的部件的示意性侧视图；图3放大示出了图2b的示意性的侧视图的光学的部件。
具体实施方式
[0019]
图1的图示在立体的侧视图中示出了按本发明的调平激光器10的一种实施方式。调平激光器10用于在表面22上生成激光投影线20。调平激光器10具有扁平的、基本上环形的壳体12，壳体具有约10cm的直径和约5 cm的最大的高度。调平激光器10具有约300 克的质量。壳体12优选基本上由聚合材料或一种例如纤维增强的复合材料（例如纤维增强的热固性塑料或热塑性塑料）制成。壳体12包围调平激光器10的机械的、光学的以及电子的组成部分并且保护这些组成部分免受机械损伤并减小了脏污的风险。为了降低撞击对调平激光器10的有害影响以及为了更为舒适地通过用户进行操纵，壳体12部分铺设有软握部件14。在前侧上（在此未详细示出）设有在壳体12中的开口，特别是出口。光学的信号、特别是由布置在壳体12中的激光单元16（尤其参看图3）发出的激光辐射18为了在对象的表面22上生成至少一个激光投影线20而可以通过出口从壳体12出来。出口配设有对激光辐射18透明的、但至少半透明的窗口元件（未详细示出），因而调平激光器10的内部被保护不受损伤和环境影响，例如被保护不受湿气和灰尘入侵。
[0020]
壳体12具有上方的壳体壳26和下方的壳体壳28（参看图2），其中，上方的壳体壳26以能相对下方的壳体壳28转动的方式被支承。这样对调平激光器10的用户而言可能的是，所发出的激光辐射18的方向相对调平激光器10、特别是相对调平激光器10的中心转动。
[0021]
在壳体12的上方的壳体壳26上有开关24，对开关的操纵激活/禁用了布置在壳体12中的电子器件、特别是激光单元16的和传感器件的供能装置。
[0022]
调平激光器10用其下侧（这就是说用下方的壳体壳28向前）直接布置在表面22上或表面处。在所示的实施例中，调平激光器10在使用在壳体后侧施加的、能反复使用的胶垫的情况下可逆地布置在表面22处。调平激光器10设置用于，将激光投影线20直接投影到表面22上，调平激光器布置在所述表面上或所述表面处。针对接下来的说明定义了一种三维的坐标系32，其包括三个彼此垂直布置的轴x、y、z。轴z与投影透镜34的光轴重合（尤其参看图2a、2b），表面22则基本上平行地与由轴y、z撑开的平面间隔了间距36（）（也参看图2a、2b）。
[0023]
在图1中没有更为详细地示出的是在侧向布置在壳体12处的用于容纳为调平激光器10供能的电池的电池格以及用于调平所述调平激光器10的另外的电子的部件。另外的部
件包括至少一个倾斜传感器，借助所述倾斜传感器可以求取调平激光器10、特别是所发出的激光辐射18例如相对铅垂线和/或相对水平线或类似物的倾斜。倾斜传感器至少与在此实现为能照明的led条带的输出装置30在信号技术上连接，其中，在调平激光器10的调平的状态下，发出绿色的发光信号向用户表明了调平的状态，而在未调平的状态下发出红色的发光信号则向用户表明了未调平的状态。为了从未调平的状态进入调平的状态，用户需要将上方的壳体壳26仅相对与表面22连接的下方的壳体壳28转动，直至所发出的激光辐射18被调平并且输出装置30发出绿色的发光信号。要注意的是，调平激光器10尤其适用于使用在垂直的墙壁处，因而通过上方的壳体壳26的转动能设定水平地调平的激光投影线20和/或垂直地调平的激光投影线20。此外还可以想到的是，例如通过与调平激光器10在信号技术上能连接的外部的设备、如智能电话或类似物来预定调平角（例如“45
°”
）。
[0024]
图2a在示意性的侧图中示出了之前所说明的调平激光器10。图2b在示意性的侧图中示出了调平激光器10的光学的部件。调平激光器10包括至少一个激光单元16和光学的投影透镜34作为光学的部件。激光单元16在此通过激光二极管实现。投影透镜34具有三维的透镜表面，其中，坐标系32的轴z与投影透镜34的光轴重合。此外，光学的部件（出口窗口没有被视作重要的光学的部件，因为其几乎不会影响激光辐射18的特性）包括准直透镜38。光学的部件共同形成了调平激光器10的发射路径。投影透镜34用于激光束到在由轴x、z撑开的平面中延伸的激光扇形18a（激光平面）中的折射和扇形展开。这个激光扇形18a与表面22的相交生成了人眼可见的激光投影线20。光学的部件按照本发明被这样设计，使得达到了在表面22上的尽可能均匀地照亮的激光投影线20。激光投影线20在此在起点50和终点54之间延伸（图2a），在所述起点和终点之间，激光投影线20的照亮特别均匀。
[0025]
如在图2b和图3中放大示出的那样，激光辐射18由激光单元16发出并且借助准直透镜38准直成经准直的激光辐射18b。投影透镜34借助这种经准直的激光辐射18b照明。因为仅需要激光扇形18a的沿表面22的方向延伸的那一部分，所以投影透镜34部分变黑（变得不透明），因而投影透镜被划分成能用于生成激光投影线20的区段40和不能用于生成激光投影线20的区段42。这种划分当然也可以另行引起，例如在使用光阑的情况下引起。投影透镜34由塑料制成。投影透镜34沿轴y的方向具有镜像对称的形状，因而沿轴y的方向无法发挥折光力并且基本上在激光扇形18a的平面中进行经准直的激光辐射18b的扇形展开。激光投影线20因此能特别狭窄。此外还可以想到的是，投影透镜34沿轴y的方向被这样设计，使得发挥了沿轴y的方向作用的折光力。这样可以生成特别精细的激光投影线20。
[0026]
投影透镜34的透镜表面至少在投影透镜34的能用于生成激光投影透镜20的区段40中具有带有沿着轴x单调上升的表面倾角44的形状，尤其参看图3。表面倾角44是（面朝激光单元16的）透镜表面46相对轴x的角。透镜表面46尤其实现为自由变形曲面并且可以沿轴z的方向通过函数z = f(x)说明，其中，导数是单调上升的函数。最大的表面倾角44如在图2b和图3中可以看到的那样设在投影透镜34的面朝表面22的侧面上并且被这样选择，使得在激光投影线20的起点50和调平激光器10之间的最小的间距48（参看图2a）小于25 mm。此外，这样来选择处在投影透镜34的背对表面22的侧面上的最小的表面倾角44，使得最大的间距52（参看图2a），这就是说直至激光投影线20的终点54，大于1500 mm，其中，在所述最大的间距下，激光投影线20的照亮仍基本上是均匀的。