CN103180774B - 用于在工作平面内产生线状的强度分布的激光设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在工作平面内产生线状的强度分布的照明设备，包括：‑至少一组激光源，所述激光源以各具有M个并排设置的激光源的N个行彼此重叠设置，使得它们能够沿第一传播方向发射激光；‑多个射线偏转装置(4)，所述射线偏转装置沿第一传播方向在激光源下游如此设置并设立，使得它们能够把从激光源发射出来的激光沿第二传播方向朝工作面偏转；‑射线聚集装置，这些射线聚集装置沿第二传播方向在射线偏转装置之后如此设置，使得它们能够把激光源的单个激光射线束聚集成所述线状的强度分布，其中相邻的行沿垂直于第一和第二传播方向的第一方向以及沿第一传播方向彼此错开设置，使得激光源的激光射线束能够不重叠地射入射线聚集装置。

Description

用于在工作平面内产生线状的强度分布的激光设备
技术领域
本发明涉及用于在工作平面内产生线状的强度分布的照明装置。
定义：沿光的传播方向指光的中间的传播方向，特别当光不是平面波或者至少部分发散时。当并非明确表示另外某些内容时，光射线、部分射线、射线或者射线束不指几何的光学器件的理想化的射线，而指一种实际的光射线，例如具有高斯轮廓的激光射线，其不具有无穷小的射线横截面、而具有扩展的射线横截面。
背景技术
根据现有技术，长的激光线(例如大于100mm)仅通过相应大的距离的光源和线产生。这里典型的是该距离至少和线一样长。在工业应用中这样大的空间经常不存在，特别在线长大于1米的情况下。
发明内容
本发明的任务在于，实现一种开始时提到的类型的、用于在工作平面内产生线状的强度分布的照明设备，其与从现有技术中知晓的照明设备相比能够更紧凑地实现并且提供高的强度。
根据本发明该任务通过按照本发明的照明设备解决。
根据本发明，用于在工作平面内产生线状的强度分布的照明设备包括：
-至少一组激光源，它们以各具有M个并排设置的激光源的N个行彼此这样地重叠设置，使得它们能够沿第一传播方向发射激光；
-多个射线偏转装置，所述射线偏转装置沿第一传播方向在激光源下游如此设置并设立，使得它们能够把从激光源发射出来的激光沿第二传播方向向工作面偏转；
-射线聚集装置，这些射线聚集装置沿第二传播方向在射线偏转装置之后如此设置，使得它们能够把激光源的单个激光射线束聚集成所述线状的强度分布，
其中相邻的行沿垂直于第一和第二传播方向的第一方向(x方向)以及沿第一传播方向(z方向)彼此错开设置，使得激光源的激光射线束能够不重叠地进入射线聚集装置。借助这里建议的照明设备能够在工作平面内产生大长度的线状分布。本发明的解决方案的优点在于，不由于激光射线束的重叠产生任何损失，因为它们在两个彼此独立的阶段内在工作平面内聚集成线状的强度分布。照明设备的激光源的每一个激光射线束在产生线状的强度分布时仅与两个光学元件共同作用，也就是把有关的激光射线束向工作平面偏转的射线偏转装置和射线聚集装置。通过该措施能够在工作平面内产生高质量的线状的强度分布。还可以在该照明设备的射线路径中为构成激光射线束的腰身而使用附加的透镜装置。然而它们不参加把激光射线束聚集成线状的强度分布的实际过程。本发明的照明设备整体能够以有利的方式比现有技术的照明设备显著紧凑地实现。激光源优选相同地－特别以模块方式－构造并且分别具有高度H和宽度P。优选激光源作为半导体激光源实现。
在一种优选的实施方式中规定，激光源的相邻的行沿第一方向(x方向)相互分别错开恒定的距离dx设置。优选相邻的行能够沿第一方向(x方向)相互分别错开距离dx＝p/N设置，其中P是激光源的宽度(激光源的在它们被并排设置的第一方向上的延伸)。
在一种有利的实施方式中可以规定，激光射线束能够在一个与工作平面的距离为Y＝Y1的第一平面***入射线聚集装置，并且能够在一个与工作平面的距离为Y＝Y2的第二平面内重新从射线聚集装置射出。
在一种特别有利的实施方式中建议，这两个平面之间沿Y方向的间隔ΔY12＝Y1-Y2约为2T到3T，其中T是激光射线束沿第一传播方向(z方向)的腰身大小平面的间隔ΔY12特别可以这样选择，使得激光射线束能够无损失地在第二平面内聚集成线状的强度分布。这里光学的光程差保持完全相同。这特别可以如下实现：例如第二行激光源相对于第一行沿z方向移动H+Δ，第三行激光源相对于第二行移动H－Δ等等。
在照明设备的一种优选的实施方式中规定，射线聚集装置包括一些玻璃板，它们这样设置，使得激光射线束能够在玻璃板的光学的边界面上如此折射，使得能够把激光射线束聚集成所述线状的强度分布。由此能够在工作面内产生质量特别高的线状的强度分布。在一种特别优选的实施方式中规定，玻璃板成对地彼此交叉设置。这些玻璃板对于x-z平面例如可以倾斜45°角度设置。然而在这里要强调，玻璃板和x-z平面之间的角度不必一定是45°。
在一种特别有利的实施方式中射线偏转装置例如作为反射镜装置构造。
在运行期间激光源发射激光，其首先沿第一传播方向(z方向)延展。激光源的激光射线束各个借助反射镜装置向y方向从而向工作平面(x-z平面)的方向偏转90°。存在这种可能性：为每一个激光源分别提供一个单个的、直接分配给它的反射镜装置，以便偏转从有关的激光源发射的激光。另外可以选择的方案是，可以为每一行激光源分别提供一个单个的公共的反射镜装置。
在另一种有利的实施方式中还可以规定，照明设备至少具有第二组激光源，其相对于第一组激光源镜像对称设置。工作平面内的线状的强度分布由这两组激光源产生。第二组激光源在它那一方面特别可以具有在按照本发明的关于第一组激光源所述的特征。
附图说明
本发明其他的特征和优点参照附图借助于优选的实施例的说明将会十分明显。附图中：
图1表示根据本发明的第一实施例实现的照明设备的透视图；
图2a、2b表示两个在笛卡儿坐标系中彼此旋转90°的视图，它们说明从现有技术中知晓的相邻的激光射线束重叠的问题；
图3a表示根据图1的照明设备的侧视图；
图3b表示根据图1和3a的照明设备的俯视图；
图4a、4b表示两个示意的极为简化的视图，它们说明一种射线模式，该射线模式可以借助根据图1、3a和3b的照明设备在两个不同的、沿射线传播方向彼此隔开的x-z平面内获得；
图5a表示根据本发明的第二实施例实现的照明设备的侧视图；
图5b表示根据图5a的照明设备的俯视图；
图6a、6b表示两个示意的极为简化的视图，它们说明一种射线模式，该射线模式可以借助根据图5a、5b的照明设备在两个不同的、沿射线传播方向彼此隔开的x-z平面内获得。
具体实施方式
首先参考图1，它用透视图表示一个根据本发明的第一优选的实施例实现的照明设备1。此外在图1中为简化另外的表示还表示一个笛卡儿坐标系，该坐标系规定x方向、y方向和z方向。
照明设备1具有一些激光源2、2a－2h，它们以模块方式构造，并且优选各自包括一个激光二极管作为发射器。激光源2、2a－2h在这里相同构造并且各具有高度H和宽度P。激光源2、2a－2h在这里在四行R1、R2、R3、R4内在x方向彼此并排在y方向彼此上下堆叠设置。在这里就应该说明，为简化表示用绘画表现的行R1、R2、R3、R4的数目限于N＝4并且在该四行中的每一行中各并排设置M＝5个激光源2、2a－2h。应该明确强调，取决于要借助照明设备1产生的线长度，在x方向可以彼此并排显著大于五个的激光源2、2a－2h。
十分明显，激光源2、2a－2h的相邻的行R1、R2、R3、R4各在x方向上移动距离dx。相邻的行R1、R2、R3、R4在x方向的该位移dx对于所有的行R1、R2、R3、R4恒定，这里以普遍的形式特别可以成立：dx＝P/N。如上所述，N是行R1、R2、R3、R4的数目(这里是四)，P是激光源2、2a－2h在x方向上的延伸(宽度)，其在以模块方式构造的激光源2、2a－2h中相同。在y方向激光源2、2a－2h彼此直接上下设置，使得激光源2、2a－2h的相邻的行R1、R2、R3、R4在y方向上的“移动”相应于激光源2、2a－2h的高度H。
在运行期间，激光源2、2a－2h发射激光，其首先沿第一射线传播方向(z方向)延展。激光源2、2a－2h的激光射线束各个借助射线偏转装置特别借助反射镜装置向第二射线传播方向(y方向)从而向工作平面(x-z平面)的方向偏转90°。存在一种可能性：为每一个激光源2、2a－2h分别提供一个自己的射线偏转装置(特别是反射镜装置)，以便使从有关的激光源2、2a－2h发射的激光向工作平面的方向偏转90°。对此另外可选的方案是，为激光源2、2a－2h的每一行R1、R2、R3、R4分别提供一个射线偏转装置(特别是反射镜装置)。这样可以规定，沿射线传播方向(z方向)在第四行后设置一个反射镜装置4，它把从激光源2a－2h发射的激光向y方向偏转90°。图1中仅举例以虚线的形式表示出两个单个的反射镜装置4，以便不使通过绘画的表现变得复杂化。
一眼就看出，激光源2、2a－2h的相邻的行R1、R2、R3、R4沿第一射线传播方向(z方向)的移动应该相应于竖直的移动H，以便满足光学路径长度相等的条件。因此每一个激光源2、2a－2h的射线输出窗口到产生线状的强度分布的点的距离(Y＝Y2)对于所有的激光源2、2a－2h都应该相同并且等于LY+LZ。如将在下面说明的那样，该一眼就可以理解的方法导致一些问题，它们可以借助本发明的措施避免。
要用这里说明的照明设备1实现的主要目的在于，工作面内被照明的线的亮度应该尽可能高。这意味着，从每一个激光源2、2a－2h发出的激光在单个的激光射线束要聚集成一条线的平面内应该具有束腰，如其在图2a和2b中示意所示。如在图2a中看出的那样，该条件不能直接满足，因为在到该点的射线回程内存在激光射线束A、B、C的重叠的区域。图2a中通过一条水平线表示的该重叠区相对于工作平面位于比激光射线束A、B、C聚集成线状的强度分布的点更高的位置。在这种情况下这些激光射线束A、B、C必须通过单独的透镜通道提供。
从现有技术知晓不同的方法用以以最致密的包封把束腰聚集在一起。为此目的例如使用透镜光导器(Linsenlichtleiter)或者空腔光导器。透镜光导器在这一方面是有利的因此是优选的，因为它的制造提供工艺方面的优点。这里透镜之间的距离LW在把区域保持在具有在x方向的延展W具有全发散Θ0(以弧度)的束腰内的情况下在旁轴附近应该为LW＝W/Θ0。实践证明，该周期比照明设备1的整个高度H*N显著小。这意味着，透镜光导器必须由多个周期组成，这使得在结构方面构造照明设备变得极为困难。
该问题在这里介绍的照明设备1中如下避免：把激光源2、2a－2h的激光射线束在两个彼此独立的阶段内转化为线状的强度分布。在第一步骤把彼此叠置的激光源2a、2f、2g、2h的激光射线束A、B、C、D转化为高度Y＝Y1的第一平面(x-z平面)，其中z方向中相邻的激光射线束A、B、C、D彼此成对地具有z方向的偏移Δ。在继续的行进中例如借助平面的、彼此交叉的玻璃板5、6把激光射线束A、B、C、D在高度Y＝Y2的第二平面(x-z平面)内聚集成一条线状的强度分布。
图1中未表示这些玻璃板5、6，以便不使通过绘画的表现复杂化。图1中仅表示激光射线束A、B、C、D(以及其余的、未提供有附图标记的激光射线束)在穿过玻璃板5、6的情况下的射线延伸。玻璃板5、6在照明设备1的射线路径内的设置从图3看出。玻璃板5、6如此设置，使得激光射线束A－L在玻璃板5、6的光学界面处能够如此折射，使得激光射线束A－L能够聚集成线状的强度分布。在本例中玻璃板5、6与x-z平面形成45°的角度。然而这里应该强调，玻璃板5、6相对于x-z平面倾斜的角度不必一定是45°。Y＝Y1的第一平面内和Y＝Y2的第二平面内的强度分布在图3a和3b中表示。在图3a中特别可以看到相邻的激光射线束A、B、C、D在z方向的偏移Δ。
这里可以以有利的方式把两个平面间在y方向的距离ΔY12＝Y1－Y2减小到约2T到3T的大小，其中T是激光射线束A、B、C、D在z方向的腰身大小。如果ΔY12是如此小，使得ΔY12<<LW，则激光射线束A、B、C、D能够没有由于重叠引起的损失而聚集成一条线状的强度分布。这里光学的光程差完全保持相同。这点如下实现：行R2相对于行R1在z方向移动H+Δ，行R3相对于行R2移动H－Δ等等，这点特别在图1和图3a中可以看出。
借助这里介绍的照明设备1能够在工作平面内产生具有高的射线质量的线状的强度分布。
参考图5，那里示出本发明的第二实施例。在根据第一实施例的照明设备1中提供单组激光源2、2a－2h，而在这里表示的实施例中照明设备1具有两组激光源2、2a－2j(图5a和5b中的左边)以及2、2k－2p(图5a和5b中的右边)。
两组激光源2、2a－2j以及2、2k－2p彼此镜像对称地实现并且在运行时在z方向的彼此相对的射线传播方向上发射激光。在本例中两组中的每一组的激光源2、2a－2j或者2、2k－2p在六行R1到R6中彼此重叠设置，其中在每一行中总共彼此并排设置五个激光源2、2a－2j、2、2k－2p。
如已经在第一实施例中所述，激光射线束A－L各个借助射线偏转装置特别借助反射镜装置4向y方向从而向工作平面的方向(x-z平面)偏转90°。把哪一些射线偏转装置(本例中是反射镜装置4)分配给哪一些激光射线束A－L，从图3a结合图3b可知。存在这样的可能性：为每一个激光源2、2a－2j、2、2k－2p分别提供一个射线偏转装置(特别是反射镜装置)，以便把从有关的激光源2、2a－2h以及2、2k－2p发射的激光偏转90°。另外可选的方案是，为激光源2、2a－2j以及2、2k－2p的每一行R1、R2、R3、R4、R5、R6分别提供一个射线偏转装置(特别是反射镜装置)。以这种方式偏转的激光射线束重新在第二步骤以在上面已经说明的方式方法借助玻璃板5、6转化为工作平面内的一条线状的强度分布。这些玻璃板5、6以上述方式彼此交叉设置。本例中玻璃板5、6与x-z平面又形成45°的角度。然而这里应该再次强调，玻璃板5、6和x-z平面之间的角度不必一定成45°。现在在Y＝Y1的第一x-z平面内不是产生两行而是产生三行光束A－L(参见图6a)，它们要在Y＝Y2的第二x-z平面内统一成一条线(图6)。为此目的，可以优选以阵列的形式设置多个平面的、彼此成对交叉的玻璃板5、6。
激光源2、2a－2j、2、2k－2p再次在x方向以及在z方向以上述方式彼此错开设置。相邻的行R1至R6彼此错开恒定的距离dx(这里也选dx＝P/N)。激光源2、2a－2j以及2、2k－2p的相邻的行R1、R2、R3、R4、R5、R6在第一射线传播方向(z方向)的偏移直接从图5a可知。
这里介绍的激光源2、2a－2h以及2、2a－2j、2k－2p的几何的安排的主要特点在于，以模块方式构造的激光源2、2a－2h以及2、2a－2j、2k－2p以行方式在x方向具有一定偏移并且在z方向也具有一定偏移地在三维堆栈中联合，而不需要在此对于激光源2、2a－2h以及2、2a－2j、2k－2p进行特别的角度调整。
以有利的方式不具有由于激光射线束的重叠引起的损失，因为它们以上述方式在两个阶段内聚集成线状的强度分布。激光源2、2a－2h或者2、2a－2j的每一条激光射线束最多与两个光学元件共同作用，更确切说与一个特别可以是射线偏转镜的射线偏转装置4和各一个平面的玻璃板5、6共同作用。在射线路径中另外可以使用透镜装置用来形成腰部。这些透镜装置不参加把激光射线束聚集成线状的强度分布的过程。

Claims (10)

1.用于在工作平面内产生线状的强度分布的照明设备(1)，包括：
-至少一组激光源(2、2a－2j)，所述激光源以各具有M个并排设置的激光源(2、2a－2j)的N个行(R1－R6)彼此重叠设置，使得所述激光源能够沿第一传播方向发射激光；
-多个射线偏转装置(4)，所述射线偏转装置沿第一传播方向在激光源(2、2a－2j)下游如此设置并设立，使得所述射线偏转装置能够把从激光源(2、2a－2j)发射出来的激光沿第二传播方向朝工作面偏转；
-射线聚集装置，这些射线聚集装置沿第二传播方向在射线偏转装置(4)之后如此设置，使得这些射线聚集装置将通过射线偏转装置偏转的激光射线束沿第一传播方向移动，以便将各个激光射线束统一成一条线，从而所述射线聚集装置能够把激光源(2、2a－2j)的单个激光射线束聚集成所述线状的强度分布，
其中相邻的行(R1－R6)沿垂直于第一和第二传播方向的第一方向以及沿第一传播方向彼此错开设置，使得激光源(2、2a－2j)的激光射线束(A－L)能够不重叠地射入射线聚集装置。
2.根据权利要求1所述的照明设备(1)，其特征在于，相邻的行(R1－R6)沿第一方向相互分别错开恒定的距离dx设置。
3.根据权利要求2所述的照明设备(1)，其特征在于，相邻的行(R1－R6)沿第一方向相互分别错开距离dx＝P/N设置，其中P是激光源(2、2a－2j)的宽度。
4.根据权利要求1到3之一所述的照明设备(1)，其特征在于，激光射线束(A－L)能够在一个与工作平面的距离为Y＝Y1的第一平面***入射线聚集装置，并且能够在一个与工作平面的距离为Y＝Y2的第二平面内重新从射线聚集装置射出。
5.根据权利要求4所述的照明设备(1)，其特征在于，两个平面之间沿第二传播方向的间隔ΔY12＝Y1-Y2为2T到3T，其中T是激光射线束(A－L)沿第一传播方向的腰身大小。
6.根据权利要求5所述的照明设备(1)，其特征在于，平面的间隔ΔY12这样选择，使得激光射线束(A－L)能够无损失地在第二平面内聚集成线状的强度分布。
7.根据权利要求1到3之一所述的照明设备(1)，其特征在于，射线聚集装置包括多个玻璃板(5、6)，所述玻璃板这样设置，使得激光射线束(A－L)能够在玻璃板(5、6)的光学的边界面上如此折射，以便能够把激光射线束(A－L)聚集成所述线状的强度分布。
8.根据权利要求7所述的照明设备(1)，其特征在于，所述玻璃板(5、6)成对地相互交叉设置。
9.根据权利要求1到3之一所述的照明设备(1)，其特征在于，射线偏转装置(4)构造为反射镜装置。
10.根据权利要求1到3之一所述的照明设备(1)，其特征在于，照明设备(1)至少具有第二组激光源(2、2k-2p)，该第二组激光源相对于第一组激光源(2、2a-2j)镜像对称设置。
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