УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАДАНИЯ СВЕТОВОЙ ПЛОСКОСТИ И УЗЕЛ РАЗВЕРТКИ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА СВЕТА В ПЛОСКОСТЬ Российский патент 1997 года по МПК G01C5/00 

Изобретение относится к геодезическому приборостроению и может быть использовано при строительно-монтажных работах: при нивелировании площадей, вертикальной планировке местности, монтаже сборных элементов зданий и т.п.

Известны лазерные указатели направления, лазерные теодолиты и нивелиры, позволяющие "закреплять" опорные направления с помощью лазерного пучка света, которым в пространстве фиксируется в определенный отрезок времени строго однозначное направление. Примером может служить лазерный визир ЛВ8 (В. П. Скогорев. Лазеры в геодезии. М. Недра, 1987, стр.46). Прибор включает счетчик лазерного излучения и формирующую оптику, предназначенную для коллимирования лазерного излучения. При наличии оси вращения поворотом прибора можно описать узконаправленным пучком света некоторую поверхность, например, коническую. Однако в качестве опорной поверхности эффективнее всего использование световой плоскости.

Известен лазерный прибор для задания световой плоскости типа ЛАГ различных модификаций [1] Оптический блок развертки лазерного пучка света в плоскость выполнен в виде вращающейся пентапризмы, установленной на выходе формирующей оптики. Для формирования световой плоскости это самый распространенный прием, позволяющий использовать компенсатор возможного сбоя положения пучка до пентапризмы, которая в свою очередь обеспечивает в своем главном сечении постоянный угол отклонения падающего на нее пучки света.

Известен универсальный лазерный прибор LNA фирмы Leika (Швейцария), выполненный на основе патента CH N 674573 от 15.06.1990 г. Оптический блок развертки выполнен в виде вращающейся пентапризмы, установленной на выходе формирующей оптики, формирующая оптика обеспечивает компенсацию возможного сбоя положения светового пучка на выходе благодаря подвесу отрицательного компонента объектива. Между объективом формирующей оптики и пентапризмой расположен узел регулировки направленности световой плоскости в пространстве, выполненный в виде системы двух клиньев с возможностью их взаимного поворота относительно друг друга в разные стороны. При повороте клиньев наклоняется и блок развертки лазерного пучка света в плоскости, это необходимо для совмещения оси пучка света после клиновой системы с осью вращения пентапризмы. Такое решение необходимо для правильной работы прибора при задании наклона световой плоскости, но в целом приводит к конструктивному усложнению и как следствие к повышению себестоимости прибора.

Формирование световой плоскости возможно не только вращением оптического элемента призмы или зеркала, с помощью мотора, что в свою очередь требует решения дополнительных конструктивных и электротехнических задач, но и статическим путем. Известен способ формирования световой плоскости с помощью цилиндрической оптики, например, цилиндрического конденсатора, (как это предложено в патенте России N1569540 от 13.01.93 г. G 01 C 5/00). Согласно патенту формирование лазерной плоскости ИК-излучения начинается до выходного объектива формирующей оптической системы и завершается объективом, что не позволяет достичь одновременного формирования и световой плоскости и узконаправленного пучка лазерного света на выходе объектива. Кроме того, в устройстве не предусмотрена возможность поворота световой плоскости и ее самоустановки при возможном сбое положения всего устройства.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для задания световой плоскости с использованием конической призмы (П.Н.Кузнецов, И.Ю.Васютинский, Х.К.Ямбаев. Геодезическое инструментоведение. М. Недра, 1984,стр.281). Устройство содержит корпус, последовательно установленные в нем лазер, формирующую оптическую систему и узел развертки лазерного пучка света в плоскость, размещенный на оптической оси формирующей системы. Узел развертки представляет собой оптический элемент, жестко закрепленный в держателе и установленный на выходе формирующей системы, а именно, коническую призму. Коллимированный лазерный пучек света, попадая на призму, как бы рассыпается в плоскость. Устройство не обеспечивает смены направленности световой плоскости, самоустановки положения световой плоскости при возможном сбое положения устройства в целом. Кроме того, круговая статическая развертка лазерного пучка света в плоскость характеризуется максимальным падением яркости лазерной марки. Высокие требования к точности шлифовки конусной поверхности, в особенности в области, прилегающей к ее вершине, с тем, чтобы избежать значительных потерь энергии излучения при отражении, делают операцию шлифовки указанной области призмы трудоемкости и саму призму дорогостоящей.

Для расширения функциональных возможностей устройства за счет задания определенной направленности световой плоскости и одновременного формирования и световой плоскости и узконаправленного лазерного пучка света, а также для повышения надежности использования устройства за счет самоустановки положения световой плоскости при сбое его положения при сравнительно низкой себестоимости устройства в целом оно снабжено устройством поворота световой плоскости, установленным на корпусе соосно оптической оси формирующей системы, подвижно соединенным с узлом развертки лазерного пучка света и скрепленным с ним с помощью фиксатора. Устройство поворота выполнено в виде оправы, жестко скрепленной с подвижной частью подшипника, неподвижная часть которого установлена на корпусе соосно с оптической осью формирующей системы. Устройство снабжено системой балансировки. Оптический элемент узла развертки лазерного пучка света в плоскость выполнен в виде прозрачного стержня цилиндрической формы, диаметр основания которого не превышает светового диаметра выходного объектива формирующей оптической системы, а ось стержня ортогональна ее оптической оси.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства с самоустанавливающейся лазерной маркой; на фиг.2 вид устройства со стороны объектива; на фиг. 3 вид лазерной марки; на фиг.4 и 5 пример исполнения устройства в виде насадки на датчик коллимированного излучения; на фиг.6 - возможные положения лазерной марки относительно горизонта или вертикали.

В корпусе 1 (фиг.1,2,4 и 5) устройства для задания световой плоскости последовательно установлены лазер 2, формирующая оптическая система 3 с выходным объективом 4 и устройство 5 поворота световой плоскости. Узел развертки выполнен в виде прозрачного стержня 6 цилиндрической формы, закрепленного в держателе 7 с возможностью поворота относительно оптической оси формирующей оптической системы 3 с помощью устройства 5. Устройство 5 может быть выполнено в виде подшипника 8 (фиг.1 и 2), жестко скрепленного с корпусом 1 соосно с оптической осью формирующей системы 3, подвижная часть подшипника 8 скреплена с держателем 7 прозрачного стержня 6 с помощью оправы 9 подшипника 8. Устройство при этом снабжено системой балансировки 10, 12 и демпфером 10, 11 для быстрой самоустановки прозрачного стержня 6 под постоянным углом к горизонту или вертикали. Для смены направленности световой плоскости держатель 7 установлен в оправе 9 подшипника 8 с возможностью дополнительного поворота и снабжен фиксатором 13. Для возможности дополнительного поворота держателя 7 в оправе 9, устройство снабжено упорами 14, ограничивающими поворот оправы 9.

Для возможности одновременного формирования и световой плоскости, и узконаправленного пучка лазерного света диаметр основания прозрачного стержня 6 выбран не превышающим светового диаметра выходного объектива 4, при этом диаметр основания прозрачного цилиндрического стержня 6, меньший светового диаметра объектива 4, обеспечивает частичное прохождение коллимированного лазерного пучка света без преломления на стержне 6. При выборе равных диаметров формируется только световая плоскость. Ось стержня 6 ортогональна оптической оси формирующей системы 3.

Узел развертки лазерного пучка света в плоскость может быть выполнен в виде съемной насадки на датчик коллимированного лазерного излучения (фиг.4 и 5) с возможностью поворота держателя 7 стержня 6 вокруг оси формирующей оптической системы 3 и его закрепления на корпусе 1 фиксатором 13. Для задания определенного угла поворота держателя 7 стержня 6 на корпусе 1 устройства и на держателе 7 могут быть нанесены риски 15,16.

Приведены возможные варианты положений лазерной марки в виде черты относительно центра более яркой круглой марки на ней и относительно горизонта или вертикали при самоустановке световой плоскости (фиг.3) и без нее (фиг. 6).

Устройство работает следующим образом. Формирующая оптическая система 3 коллимирует лазерное излучение лазера 2, и оно параллельным пучком выходит из объектива 4 и падает на прозрачный цилиндрический стержень 6. В плоскости, в которой лежит ось стержня 6, последний работает как плоскопараллельная пластинка, и излучение в этой плоскости выходит из стержня по-прежнему параллельным. В другой плоскости, ортогональной оси стержня 6, последний работает как круглая линза с фокусным расстоянием f, зависящим от диаметра основания D следующим образом чем меньше диаметр D, тем меньше фокусное расстояние f. Для стекла К8, к примеру, зависимость фокусного расстояния f от диаметра основания D, полученная преобразованием известной формулы для вычисления фокусного расстояния f линзы, у которой радиусы преломляющих поверхностей численно равны между собой, а толщина по оси равна двум радиусам или диаметру D, выглядит следующим образом f=0,73 D. Известно, что максимальный угол b отклонения линзой крайнего луча параллельного пучка света, падающего на нее параллельно ее оси, равен arctg D/2f, и в нашем случае для стекла К8 b=D/2x0,73 D=1/1,46=0,685, а сам угол b=argctg 0,685 ≈35^o. Полный угол при вершине светового сектора на выходе прозрачного стержня 6 равен 2b, т. е. 70^o. Такая развертка лазерного пучка света, при которой формируется световой сектор с углом при вершине порядка 70^o и толщиной, равной D, позволяет достичь широкого охвата рабочей зоны, получить марку в виде тонкой черты и выиграть в яркости марки, сконцентрировав энергию излучения в угле развертки светового пучка, меньшем, чем при круговой развертке, примерно в 5 раз. При диаметре основания стержня 6, меньшем, чем световой диаметр выходного объектива 4, коллимированный пучок лазерного света частично проходит без преломления на стержне 6 и кроме формирования световой плоскости сохраняется и направление, задаваемое узким пучком света, что очень удобно при работе. Технология изготовления прозрачного стеклянного стержня гораздо проще технологии изготовления линз и тем более цилиндрических, в качестве прозрачного цилиндрического стержня может работать световод с участком цилиндрической формы или стеклянная трубка.

Устройство поворота 5 световой плоскости обеспечивает поворот последней поворотом прозрачного стержня 6. Устройство поворота 5 может быть выполнено с использованием подшипника 8 и работает следующим образом. Прозрачный стержень 6 в держателе 7 поворачивается в оправе 9 подшипника 8 на определенный угол α, устанавливается определенным образом и закрепляется в нужном положении фиксатором 13. Фиксатор 13, как это показано на фиг.1 и 2, обеспечивает установку стержня 6 в горизонтальном или вертикальном положениях при повороте последнего на угол a, равный 90^o. Система балансировки обеспечивает самоустановку оправы 9 подшипника 8 и закрепленного в ней определенным образом держателя 7 при наклонах устройства в строго однозначном положении. Система балансировки может быть выполнена в виде системы регулируемых грузов 12 и включать медную пластину 10 магнитно-индукционного демпфера 11, которая может быть скреплена с оправой 9 и сама работать как груз, определяющий положение равновесия оправы 9 при возможном наклоне всего прибора. Грузы 12 скреплены с держателем 7 и представляют собой две пары грузов, работающих попеременно в зависимости от положения держателя 7 в оправе 9. Перемещением грузов 12, занимающих положение на горизонтальной оси, к оси вращения от нее осуществляется регулировка положения световой плоскости в положении равновесия. Другая пара грузов, занимающая вертикальное положение, при этом не задействуется и регулируется аналогичным образом при смене положения на 90^o держателя 7 в оправе 9. Самоустановка цилиндрического прозрачного стержня и соответственно световой плоскости с помощью устройства поворота 5 с использованием подшипника 8 осуществляется в поперечном оптической оси направлении. При горизонтальном положении прозрачного стержня 6 световой сектор занимает вертикальное положение и негоризонтальность оси светового сектора существенно не влияет на работу устройства. При вертикальном положении стержня 6 горизонтирование оси светового сектора обязательно и может быть произведено с помощью подъемных винтов по уровню, размещенному вдоль оптической оси (не показано) или с помощью подвеса всего устройства, предназначенного для обеспечения самоустановки оси светового сектора в горизонтальное положение.

Магнитно-индукционный демпфер 10,11 служит для ускорения затухания колебаний оправы 9 при ее качаниях вокруг оптической оси. Демпфер может быть также выполнен жидкостным или воздушным.

Узел развертки лазерного пучка света в плоскость может быть выполнен в виде съемной насадки на датчик коллимированного лазерного излучения, как это показано на фиг. 4,5. Устройство поворота 5 при этом представляет собой сопряжение поверхностей вращения корпуса 1 и держателя 7, расположенных соосно оптической оси формирующей системы 3, а фиксатор 13 выполнен в виде зажимного винта. Узел развертки лазерного пучка света в плоскость может быть повернут на любой угол a в диапазоне от 0 до 360^o. Для задания определенного наклона светового сектора вокруг его оси на корпусе 1 датчика и на корпусе держателя 7 могут быть закреплены риски 15, 16 или шкала с угловой разметкой и риска (не показано).

Предложенное устройство просто в эксплуатации. Устройство может быть использовано для имитации створа отвесов и одновременного задания направления горным выработкам при разметке сооружений, помещений, настилке полов, установке подвесных потолков, контроле наклона элементов конструкции возводимого или построенного сооружения, например, наклонных балок, при контроле положения приборов и инструментов базовой поверхности и т.д. Устройство достаточно портативно и сравнительно дешево. Поворот световой плоскости относительно оси вращения обеспечивается в диапазоне углов от 0 до 360^o. Предложенное устройство универсально, надежно в работе и позволит производить целый ряд работ в условиях с пониженной освещенностью.

Использование: геодезическое приборостроение при строительно-монтажных работах: при нивелировании площадей, вертикальной планировке местности, монтаже сборных элементов зданий. Сущность: устройство для задания световой плоскости снабжено устройством поворота 5 световой плоскости, установленным на корпусе 1 соосно оптической оси формирующей системы 3 с выходным объективом 4, коллимирующей излучение лазера 2. Устройство поворота 5 подвижно соединено с узлом развертки лазерного пучка света и скреплено с ним с помощью фиксатора 13. Устройство поворота 5 выполнено в виде оправы 9, жестко скрепленной с подвижной частью подшипника 8, неподвижная часть которого установлена на корпусе 1 соосно с оптической осью формирующей системы 3, причем устройство снабжено системой балансировки. Узел развертки лазерного пучка света в плоскость выполнен в виде прозрачного стержня 6 цилиндрической формы, закрепленного в держателе 7 и установленного с возможностью поворота относительно оптической оси формирующей системы 3 с помощью устройства поворота 5, диаметр основания стержня 6 не превышает светового диаметра выходного объектива 4 формирующей системы 3, а ось стержня 6 ортогональна ее оптической оси. Узел развертки лазерного пучка света в плоскость может быть выполнен в виде съемной насадки на источник коллимированного лазерного излучения. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для задания световой плоскости, содержащее корпус, в котором последовательно установлены лазер и формирующая оптическая система, узел развертки лазерного пучка света в плоскость, оптически сопряженный с формирующей оптической системой, отличающееся тем, что дополнительно снабжено средством поворота световой плоскости, установленным соосно формирующей оптической системы и соединенным с узлом развертки лазерного пучка посредством фиксатора. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство поворота световой плоскости выполнено в виде оправы, соединенной с узлом развертки лазерного пучка и жестко скрепленной с подвижной частью подшипника, неподвижная часть которого установлена на корпусе соосно формирующей оптической системы. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено системой балансировки узла разверти лазерного пучка света в плоскость. 4. Узел развертки лазерного пучка в плоскость, содержащий оптический элемент, жестко закрепленный в держателе с возможностью оптического сопряжения с выходным объективом формирующей оптической системы, отличающийся тем, что оптический элемент выполнен в виде прозрачного стержня цилиндрической формы, диаметр основания которого меньше или равен световому диаметру выходного объектива формирующей оптической системы, а ось стержня ортогональна ее оптической оси.