光平面投射设备和透镜的制作方法

专利名称：光平面投射设备和透镜的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及把准直光束转换为光平面的光学单元，更具体说，是涉及这种光学单元在自动校平测量仪、校平仪(leveling)、和/或铅垂测量仪中的使用，把水平和/或竖直的光平面投射到参考物体上。
背景技术：
把水平和/或竖直的光平面，投射到参考物体上的常规自动校平仪，是利用激光及圆柱面透镜，产生水平和/或竖直的光的平面。美国专利U.S.Patent No.5,539,990，美国专利U.S.Patent No.5,243,398，和1993年6月1日公布的日本申请Japanese Application No.1991-90270(Public Disclosure No.1993-40815)，公开三种这样的仪器。遗憾的是，如在图4中所示，当使用这样圆柱面透镜，把光平面投射到墙、地板、天花板、或其他参考物体上时，如线10所示，随着远侧边缘离开墙上与输入准直光路共轴的点向更远伸延，线10的远侧边缘(图4中所示的上部和下部边缘)逐渐消失。这样，要看清楚线10的远侧极限，变得更为困难或成为不可能。在某些常规的设计中，光平面的远侧极限简单地在仪器内被遮挡，从而造成光的截止部分被浪费。

发明内容
因此，本发明的一个或多个实施例的一个方面，是提供一种产生线的透镜，它引向输出光平面远侧极限的光，要比引向输出光平面中心的光更强，以便在投射到墙或参考物体上的光线远侧末端，给出改进的能见度。
本发明的一个或多个实施例的另一个方面，是提供一种光学装置，这种光学装置包括框架、操作上与该框架连接的第一光产生机构、和放置在第一光产生机构光路中并定义笛卡儿坐标(x，y，z)系统的第一透镜。该第一透镜有以x，y坐标表示的第一和第二表面，它们的坐标至少在第一透镜z方向长度的一部分上与z无关。该第二表面在x，y平面中定义多半径曲线，该透镜把第一光产生机构产生的光，转换为第一光平面。该装置还包括操作上安装在框架上的自动校平机构，该自动校平机构力图使第一光平面的取向相对于水平成预定的角度。
按照一个或多个这些实施例的再一个方面，该装置包括操作上与框架连接的第二光产生机构，和放置在第二光产生机构光路中并定义笛卡儿坐标(x，y，z)系统的第二透镜。该第二透镜有以x，y坐标表示的第一和第二表面，它们的坐标至少在第二透镜z方向长度的一部分上与z无关。该第二透镜的第二表面，在x，y平面中定义多半径曲线。该第二透镜把第二光产生机构产生的光，转换为第二光平面。第一透镜的z轴垂直于第二透镜的z轴。第一和第二光产生机构每个包括激光二极管。
按照一个或多个这些实施例的再一个方面，该多半径曲线，至少包括两个邻接的恒定半径部分，该两部分有不同半径并在切点相交。
按照一个或多个这些实施例的再一个方面，该第一光产生机构包括激光二极管，且该装置还包括位于激光二极管及第一透镜之间的激光二极管光路中的准直器，该激光二极管与准直器产生的准直光束，在光束与第一透镜相交处的最大宽度，至少为2mm。
按照一个或多个这些实施例的再一个方面，该z轴在光路与透镜相交的点上，垂直于光路。
按照一个或多个这些实施例的再一个方面，该第二表面的曲率半径，至少在第二表面的一部分上光滑地变化。
第一透镜可以是正的或负的透镜。
按照一个或多个这些实施例的再一个方面，第二表面中心部分的曲率半径，小于第二表面远侧部分的曲率半径。
按照一个或多个这些实施例的再一个方面，第二表面的最小曲率半径，至少为0.5mm或至少为1.0mm。
按照一个或多个这些实施例的再一个方面，至少第二表面的一部分，按照方程式x2/a2+y2/b2＝1定义一椭圆曲线，这里a大于b。或者，至少第二表面的一部分，按照方程式x＝c*y2/(1+sqrt(1-(1+k)*c2*y2))+a*y4定义一非圆柱曲线，其中的c，k，和a是常数。
按照一个或多个这些实施例的再一个方面，透镜的x轴与光路平行，且第二表面的曲率半径，至少在第二表面的一部分上，随y的绝对值增加而增加。
按照一个或多个这些实施例的再一个方面，第一光产生机构是激光发生器。
按照一个或多个这些实施例的再一个方面，该第一光产生机构是激光二极管。
按照一个或多个这些实施例的再一个方面，该自动校平机构，包括由框架悬垂吊挂的摆锤体，且第一光产生机构与第一透镜，由摆锤体支承，以便随摆锤体相对框架作摇摆运动。该装置还可以包括阻尼机构，该阻尼机构使第一光产生机构与透镜相对框架的摇摆运动产生阻尼。
本发明的一个或多个实施例的另一个方面，是提供一种有第一和第二表面的光学透镜，其中透镜的截面至少在透镜的一部分上，在笛卡儿坐标(x，y，z)系统的z方向中保持恒定，其中的第二表面，在x，y平面中，按照方程式x2/a2+y2/b2＝1定义一曲线，其中的a大于b。数值a大于b至少50％。或者，至少第二表面的一部分，按照方程式x＝c*y2/(1+sqrt(1-(1+k)*c2*y2))+a*y4定义一非圆柱曲线，其中的c，k，和a都是常数。
按照一个或多个这些实施例的再一个方面，该激光二极管与准直器产生的准直光束，在光束与第一透镜相交处的最大宽度，至少为2mm。光束与第一透镜相交处的最大宽度，也可以至少为4mm。
按照一个或多个这些实施例的再一个方面，准直光束的y方向宽度，在准直光束与第一透镜相交处，大于第一透镜的y方向宽度。
本发明另外的和/或此外的优点和卓越特性，通过下面的详细说明将变得更清楚，下面的说明是结合附图作出的，公开了本发明的优选实施例。


现在参照构成本独创的公开内容一部分的附图 图1是按照本发明一个实施例的非柱面透镜的透视图； 图2是图1所示透镜的截面视图，表明该透镜如何把准直光转换为光平面； 图3画出图1中所示透镜在参考表面上产生的光强图样； 图4画出常规柱面透镜在参考表面上产生的光强图样；和 图5是采纳图1透镜的水平仪的透视图；和 图6是图5水平仪的局部透视图； 图7是按照本发明另一个实施例的负非球面透镜的透视图； 图8是图7透镜的侧视图； 图9是图7透镜的前视图；和 图10是图7透镜的侧视光线迹线，表明该透镜如何把准直光转换为光平面；
具体实施例方式图1按照本发明一个实施例，画出非柱面透镜100。透镜100至少有一部分在图示x，y，z笛卡儿坐标系统的z方向中，有恒定的截面(就是说，透镜100表面的x和y坐标与它们的z坐标无关)。
如在图1中所示，透镜100的第一表面110是平的，并位于x，y平面内(或平行于x，y平面)。另外，第一表面110的x，y截面可以有各种其他形状(如，恒定半径的弯曲，变化半径的弯曲)而不偏离本发明的范围。
如在图1中所示，透镜100的第二表面120，在x，y平面内有多半径的光滑弯曲(就是说，至少包括两种不同半径的曲线的弯曲，该两种不同半径曲线在切点相遇)。在图示的实施例中，该多半径弯曲，按照如下方程式x2/a2+y2/b2＝1定义一椭圆曲线，其中常数a大于常数b。常数a是透镜100沿x方向的厚度，而常数b是透镜100沿y方向的宽度。在图示的实施例中，a等于1.5b，但此外，也可以令a大于b多于或少于50％。透镜100的最小曲率半径等于b2/a。
如在图2中所示，当激光二极管125与准直器127把光路为135的准直光束(如激光束)130投射到表面110上时，透镜把光束130沿y方向扩展，建立光平面140。光路135与透镜120的x轴共轴。在弧α上，光平面140中的光强，随x，z平面与部分光平面140之间的角度而增加。在弧α以外，强度可以迅速下降。所以，如在图2和3中所示，当光平面140照射到与透镜100的z轴垂直的墙150上时，光平面140形成的照明线160，在弧α上有基本上恒定的强度。图3透镜100形成的线160，与图4常规柱面透镜形成的线10之间的比较，表明透镜100在线160更远的末端产生的光的强度，比常规柱面透镜的更强。
在图示的实施例中，准直器127包括准直透镜。但是，使用任何其他合适的准直器(如准直管)代替透镜，并不偏离本发明的范围。
激光二极管125最好产生波长在400-700nm范围的可见光。二极管125可以产生红的激光束130(如635nm波长±5nm，650nm波长±5nm，655nm波长±5nm)或绿的激光束130(如532nm波长±5nm)。按照本发明的各个实施例，二极管125的输出功率在0.5到20mW之间、4到14mW之间、约1mW±10％、约4mW±10％、约5mW±10％、或约10mW±10％。按照本发明的各个实施例，二极管125的输入电压，在2.7到6.2伏之间或3.0到7.0伏之间。
透镜100沿y方向的宽度2b，最好大于光束130沿y方向的宽度。在图2所示实施例中，光束130沿y方向的宽度3.5mm，略小于透镜100对应的宽度4mm。在本发明的一些实施例中，光束130大于1mm宽、大于2mm宽、大于3mm宽、大于4mm宽、或在1到10mm之间。如图2中所示，要建立约4mm宽的光束130，可以花费不多地设计激光二极管125及准直器127。
激光二极管通常建立椭圆状截面的光束。激光二极管125的取向，最好使光束130的椭圆状截面主轴，与透镜100的y轴对准。从而令光束130在z方向中尽可能薄，以缩减得到的光平面140的厚度。按照本发明的各个实施例，输出光束130的y方向宽度，约5mm±1mm，或约6mm±1mm。另外，准直器127可以包括截断光束130远侧部分的孔径板。例如，孔径板可以是矩形或圆形，且可以置于准直器透镜127的下游，以控制准直光束130的形状。孔径的y方向宽度，最好等于或小于透镜100的宽度2b。按照本发明的各个实施例，孔径的y方向宽度(以及得到的光束130宽度)在3到8mm之间、3到5mm之间、约4.5mm±1mm、或约5.0mm±1mm。
按照本发明的另一个实施例，透镜100的宽度小于光束130的宽度。例如，椭圆状光束130外侧y方向的边缘，有相对小的光强且不辐照透镜100。在一个实施例中，激光二极管和准直器产生的光束130，在y方向的宽度约4.3mm。常数a等于3mm和常数b等于2mm，使透镜100的宽度为4mm，该宽度略小于准直光束130的宽度。在该实施例中，第二表面120的最小曲率半径(即y＝0的曲率半径)等于1.33mm(即b2/a)。
按照本发明各个实施例，透镜100的宽度2b可以大于1mm、大于2mm、大于3mm、大于4mm、大于5mm、或在1到20mm之间。按照本发明各个实施例，第二表面120的最小曲率半径，可以大于0.1mm、大于0.25mm、大于0.5mm、大于1.0mm、大于1.5mm、或在0.25到10mm之间。
虽然图示的第二表面120定义一椭圆，但该第二表面120可以有任何其他合适的多半径弯曲(例如，在一个切点或多个切点上连结的具有两个或多个截然不同的恒定半径部分的弯曲；其中的曲率半径至少在曲线一部分上变化的光滑弯曲；抛物线(x＝a-by2，这里a和b是常数)；下面讨论的透镜510的弯曲)。第一和第二表面110、120最好具有这样的形状，使得光强向弧α的远侧末端增加。在一个实施例中，第二表面120的曲率半径在第二表面120的中心部分(即，在弧α的中心；y＝0)，比在第二表面120的远侧部分(即，在弧α的外侧部分；在更大的y值上)更小。按照本发明的另一个实施例，第二表面120的曲率半径随y的绝对值增加而增加。
在图示的实施例中，第一和第二表面110、120以某一角度相交，并在x，y平面中定义半椭圆。
上面的解释假定是理想的输入准直光束130，它在它的矩形截面上有恒定的强度。非理想的光源，诸如激光二极管，产生非理想强度的常常呈卵形的光束。如果光束130宽度的y方向宽度，不显著大于透镜110的y方向宽度，则卵形光束130以较低强度的光辐照在透镜100外侧y方向部分，并导致光平面140向着弧α的远侧部分成比例地降低强度。尽管如此，透镜100的曲率，还是与常规柱面透镜相比，增加光平面140在弧α远侧部分的实际光强。
透镜100十分适合用于测量和校平/铅垂测量的激光仪器，因为透镜100比常规的柱面透镜，在投射到参考表面上的弧α的远侧末端和对应光线的远侧部分，提供更强的光。例如，用按照本发明若干实施例的透镜100，取代自动校平激光仪中的柱面透镜，这些自动校平激光仪在美国专利U.S.Patent No.5,539,990，美国专利U.S.Patent No.5,243,398，和日本申请Japanese Application No.1991-90270(Public Disclosure No.1993-40815)中说明，这里引用这些专利申请的全部内容，供参考。
按照本发明的另一个实施例，是在自动校平中采纳透镜100的光平面投射水平仪300，如图5和6中所示。如图6中所示，水平仪300包括壳体310和摆锤体320，摆锤体320通过万向接头330或其他悬垂连接，悬挂在壳体310下。摆锤体320和壳体310包括磁阻尼器340。激光二极管350、360安装在摆锤体320上，使二极管350、360的光束轴沿水平方向扩展(即垂直于摆锤定义的铅垂竖直线)。在图示的实施例中，二极管350、360的光束轴彼此平行。准直器最好设在二极管350、360的光路中，使光准直。第一透镜100在二极管的光路中放在二极管350之前，以便透镜100的z轴沿竖直方向伸延(即平行于摆锤体320的铅垂线365)。如在图5中所示，二极管350和第一透镜100产生水平的光平面370。如在图6中所示，第二透镜100在二极管的光路中放在二极管360之前，以便第二透镜100的z轴沿水平方向伸延。如在图5中所示，二极管360和第二透镜100产生竖直的光平面380。透镜100在水平仪300中的使用，增加光平面370、380远侧部分的强度，在墙上形成长的和/或普遍均匀强度的照明线390、400。
可以在摆锤体320中按不同取向安装另外的二极管和透镜100，以提供另外用途的光平面(例如，光束轴与激光二极管350、360光束轴正交的水平或竖直取向的激光二极管，其中，在这些另外的二极管之前的透镜100是水平或竖直取向的，和/或其z轴与第一和第二透镜100的z轴之一或两者正交)。另外的二极管和透镜，可以与其他二极管和/或透镜成非直角地安装在摆锤上。
虽然图示的水平仪300产生水平和竖直取向的光平面，但也可以改变水平仪300，使之以任何其他需要的相对于水平的取向，建立光平面。例如透镜100的z轴，可以与水平成45度角取向，使透镜产生的光平面与水平成45度角。水平仪300可以包括调整机构，能让操作员自由地选择输出光平面的角度(例如，改变透镜100的取向)。
虽然图示的水平仪300，利用摆锤使水平仪300自动校平，但任何其他合适的自动校平机构(例如随动校平水平仪；流体校平水平仪(例如见美国专利U.S.Pat.No.5,184,406))都可以使用，并不偏离本发明的范围。
虽然图示的水平仪300，利用磁阻尼器340使摆锤(从而激光二极管350、360和透镜100)的运动产生阻尼，但此外，任何其他合适的阻尼器也可以使用(如陀螺仪)，不偏离本发明的范围。此外，可以整个地省去阻尼器。
虽然图示的水平仪300，利用激光二极管350、360来产生光，但此外，任何其他合适的光产生机构(如LED)也可以使用，并不偏离本发明的范围。然而，尽管如此，最好还是使用产生单色光的光产生机构。
虽然图示的水平仪300，利用分开的光产生机构来产生多个光平面，但此外，可以使用单个光产生机构来产生多个光平面(例如，通过光束分束、分离反射镜或透镜，等等)。例如见U.S.Pat.No.5,459,932；日本申请Japanese Application No.1991-90270(JapanesePublic Disclosure No.1993-40815)。还有，可以使用多个光产生机构，在单个光平面内产生不同的弧(例如，建立360度的光平面)。
本领域一般人员应当清楚，各种光学部件(如反射镜、透镜)可以改变光路135的方向。如在本文使用的，光路135(以及其他分量，如光束130等等)的方向，由光路135与部件相交的位置确定，部件的位置是相对于光路135陈述的。例如，如在图2中所示，如果把45度的反射镜置于准直器130和透镜100之间，使光路135旋转90度，那么透镜100的取向应转过90度，以便第一表面110、z轴、和y轴在光路135与透镜100相交处，全都保持与光路135垂直。因此，第一表面110垂直于光路135，尽管第一表面110与光路135位于二极管135及准直器127之间的部分不垂直。
图7-10按照本发明另一个实施例，画出负的非球面透镜500。透镜500有把准直光束转换为光平面的负焦距。透镜500可以取代透镜100，在水平仪300中使用。或者，透镜500可以用于需要把准直光束转换为光平面的其他的产品上。例如，透镜500可以在下面专利说明的装置中使用U.S.Patent Application Publication No.2005/0078303，U.S.Patent Application Serial No.11/477,589，标题为“ADHESIVE MOUNT FOR A LEVELING DEVICE AND ALEVELING DEVICE”，2006年6月30日申请，本文引用这两个专利全文，供参考。具体地说，透镜500可以放在公开的装置中的激光二极管之前，把光束转换为光的平面，以便在某一表面形成线。
透镜500包括凹的非球面第一表面510和平的第二表面520。另外，第二表面520可以有非平面的外形，并不偏离本发明的范围。非球面的第一表面510在x，y平面中有多半径的弯曲。第一表面510的多半径弯曲，最好在x，y平面中有光滑的弯曲，该弯曲与z位置无关。在图示实施例中，该弯曲由下面的方程式定义x＝c*y2/(1+sqrt(1-(1+k)*c2*y2))+a*y4按照一个实施例，c＝0.41322，k＝-0.2108，和a＝-0.002886。透镜500可以包括任何合适的光学材料，例如ZF6或SF4。表面510、520最好抛光并镀以抗反射涂层，以便优化通过透镜的光波长(如635nm到670nm)的传输。图10画出透镜500如何把准直光束530转换为光平面540的光线迹线，该光平面540与表面550相交，产生照明线560。与球面或柱面透镜比较(这些透镜产生的线，随线远离透镜中心轴伸延，强度逐渐减弱)，透镜500优先地把更高强度的光，分配给光平面540的外侧边界，以便增加被照明线560的照明均匀性。
前面的说明是为了表明优选实施例的操作，并不意味对本发明的限制。相反，本领域熟练人员应当了解，在不偏离本发明范围的情况下，可以构建和采取各种变化，本发明范围的各方面，由后面所附权利要求书阐明。
权利要求
1.一种光学装置，包括框架；操作上与该框架连接的第一光产生机构；放置在第一光产生机构光路中并定义笛卡儿坐标(x，y，z)系统的第一透镜，该第一透镜有以x，y坐标表示的第一和第二表面，它们的坐标至少在第一透镜z方向长度的一部分上与z无关，该第二表面在x，y平面中定义多半径曲线，该透镜把第一光产生机构产生的光，转换为第一光平面；和操作上安装在框架上的自动校平机构，该自动校平机构力图使第一光平面的取向相对于水平成预定的角度。
2.按照权利要求1的光学装置，还包括操作上与框架连接的第二光产生机构；和放置在第二光产生机构光路中并定义笛卡儿坐标(x，y，z)系统的第二透镜，该第二透镜有以x，y坐标表示的第一和第二表面，它们的坐标至少在第二透镜z方向长度的一部分上与z无关，该第二透镜的第二表面，在x，y平面中定义多半径曲线，该第二透镜把第二光产生机构产生的光，转换为第二光平面，其中，第一透镜的z轴垂直于第二透镜的z轴，和其中，第一和第二光产生机构每个包括激光二极管。
3.按照权利要求1的光学装置，其中的多半径曲线，至少包括两个邻接的恒定半径部分，该两部分有不同半径并在切点相交。
4.按照权利要求1的光学装置，其中的第一光产生机构，包括激光二极管，而其中该装置还包括准直器，位于激光二极管及第一透镜之间的激光二极管光路中，该激光二极管与准直器产生的准直光束，在光束与第一透镜相交处的最大宽度，至少为2mm。
5.按照权利要求1的光学装置，其中的z轴在光路与透镜相交的点上，垂直于光路。
6.按照权利要求1的光学装置，其中第二表面的曲率半径，至少在第二表面的一部分上光滑地变化。
7.按照权利要求1的光学装置，其中第二表面的中心部分的曲率半径，小于第二表面远侧部分的曲率半径。
8.按照权利要求1的光学装置，其中第二表面的最小曲率半径，至少为0.5mm。
9.按照权利要求8的光学装置，其中第二表面的最小曲率半径，至少为1.0mm。
10.按照权利要求1的光学装置，其中的第一透镜，包括负的非球面透镜。
11.按照权利要求1的光学装置，其中至少第二表面的一部分，按照方程式x2/a2+y2/b2＝1定义一椭圆曲线，其中的a大于b。
12.按照权利要求1的光学装置，其中至少第二表面的一部分，按照方程式x＝c*y2/(1+sqrt(1-(1+k)*c2*y2))+a*y4定义一非圆柱曲线，其中的c，k，和a是常数。
13.按照权利要求1的光学装置，其中透镜的x轴与光路平行，且其中第二表面的曲率半径，至少在第二表面的一部分上，随y的绝对值增加而增加。
14.按照权利要求1的光学装置，其中的第一光产生机构，包括激光发生器。
15.按照权利要求1的光学装置，其中的第一光产生机构，包括激光二极管。
16.按照权利要求1的光学装置，其中的自动校平机构，包括由框架悬垂吊挂的摆锤体，且其中的第一光产生机构与第一透镜，由摆锤体支承，以便随摆锤体相对框架作摇摆运动。
17.按照权利要求16的光学装置，还包括阻尼机构，该阻尼机构使第一光产生机构与透镜相对框架的摇摆运动产生阻尼。
18.一种有第一和第二表面的光学透镜，其中透镜的截面至少在透镜的一部分上，在笛卡儿坐标(x，y，z)系统的z方向中保持恒定，其中的第二表面，在x，y平面中，按照方程式x2/a2+y2/b2＝1定义一曲线，其中的a大于b。
19.按照权利要求18的光学透镜，其中a大于b至少50％。
20.一种有第一和第二表面的光学透镜，其中透镜的截面至少在透镜的一部分上，在笛卡儿坐标(x，y，z)系统的z方向中保持恒定，其中的第二表面，在x，y平面中，按照方程式x＝c*y2/(1+sqrt(1-(1+k)*c2*y2))+a*y4定义一曲线，其中的c，k，和a是常数。
21.一种光学装置，包括第一激光二极管；位于第一激光二极管光路中的第一准直器；和位于第一准直器光路下游中的第一透镜，该第一透镜定义笛卡儿坐标(x，y，z)系统，该第一透镜有以x，y坐标表示的第一和第二表面，它们的坐标至少在第一透镜z方向长度的一部分上与z无关，该第二表面在x，y平面中定义多半径曲线，该第一透镜把第一激光二极管产生的光，转换为第一光平面，其中的第一激光二极管与准直器产生的准直光束，在光束与第一透镜相交处的最大宽度，至少为2mm。
22.按照权利要求21的光学装置，还包括框架；和由框架悬垂吊挂的摆锤体，其中的第一激光二极管、第一准直器、和第一透镜，都安装在摆锤体上。
23.按照权利要求21的光学装置，其中的准直光束在光束与第一透镜相交处的最大宽度，至少为4mm。
24.按照权利要求21的光学装置，其中准直光束的y方向宽度，在准直光束与第一透镜相交处，大于第一透镜的y方向宽度。
全文摘要
一种非柱面透镜，把准直光束转换为光平面，该光平面增加光平面的弧的远侧部分光强，以便基本上均匀地把参考光线，投射到该光平面要投射到的参考平面上。该非柱面透镜，有至少在透镜的z方向长度上保持恒定的第一和第二表面。该第二表面在x，y平面中定义多半径曲线。该透镜可以用在自动校平的光学装置中，这种光学装置以相对于水平的预定角度，把参考光线投射到参考表面上。
文档编号G02B3/00GK101038166SQ20061016420
公开日2007年9月19日 申请日期2006年12月5日 优先权日2005年12月6日
发明者杰伊·芒罗, 李海章, 刘亚平 申请人:斯坦利公司