CZ300803B6 - Zarízení pro korekci parametru paprsku laserového zárice, zejména pro nivelacní aplikace ve stavebnictví a zpusob jeho výroby a justáže - Google Patents

Abstract

Zarízení sestává z telesa (6) s válcovým otvorem v jehož podélné ose jsou kluzne upevnena dve válcová pouzdra (2) v nichž jsou protilehle uloženy laserové zárice (3). Cela pouzder (2) jsou opatrena odnímatelnými celními držáky (4), v nichž jsou upevneny korekcní spojné cocky (5) s extrémne velkou ohniskovou vzdáleností a s centrálním otvorem (14) se stredem v podélné ose pouzder (2), jehož prumer (d) je roven nebo menší než polovina prumeru (D) paprsku (1) z laserového zárice (3). Tlouštka (t) cocek (5) v míste kruhové hrany centrálního otvoru (14) odpovídá nekteré z tlouštek, kde dráhový rozdíl zpusobený rozdílnou rychlostí šírení svetla ve vzdušném prostredí centrálního otvoru (14) a v optickém prostredí materiálu cocky (5) je roven nebo se blíží jedné polovine vlnové délky svetla vyzarovaného laserovým záricem (3). Pri justáži a výrobe zarízení se urcí vzdálenost, ve které se požaduje optimální obraz (13) paprsku (1) z laserového zárice (3). Poté se k laserovému zárici (3) postupne prikládají korekcní spojné cocky (5) ze zkušební rady cocek (5) se stupnovite vzrustající mocností a sleduje se jejich vliv na obraz (13) paprsku (1) v této urcené vzdálenosti. Podle zjištené nejblíže nižší mocnosti k mocnosti predpokládaného optimálního obrazu (13) se vybere polotovar cocky (5) nebo kotoucek z planparalelní desky cirého plastu, který se postupne leští. Tím se zvyšuje optická mocnost cocky (5), která se prubežne porovnává s mocností odpovídající predpokládanému optimálnímu obrazu (13). Po jejím dosažení se v cocce (5) vytvorí axiální centrální otvor (14).

Description

Zařízení pro korekci parametrů paprsku laserového zářiče, zejména pro nivelační aplikace ve stavebnictví a způsob jeho výroby a justáže

Oblast techniky

Řešeni se týká zařízení, které je určeno pro úpravu ajustáž vlastností paprsku hromadně vyráběných diodových laserových zářičů tak, aby výrazně větší procento vyrobených laserových zářičů běžné kvality bylo využitelných pro nivelační aplikace ve stavebnictví,

Dosavadní stav techniky

Aplikace laserové techniky pro náročnější geodetická měření ve stavebnictví vede dosud k potřebě využívat špičkovou laserovou techniku, která je svými pořizovacími náklady zatím většinou ekonomicky nereálná, nebo cestou výběru s účinností menší než promile získat extrémně kvalitní sortu diodových laserů a posílením lomových efektů specielními mřížkami apod. zvětšit podíl energie laserového paprsku vyzářené do vnějších interferenčních kruhů vytvářejících terčovitý obraz na stínítku přípravku pro kontrolu vzdálenosti paprsku od měřeného místa kontrolo20 váné konstrukce. Jen na ekonomicky málo výhodnou úroveň a obecně málo universální řešení se podařilo vývojem zvládnout metodiku justáže parametru výstupní optiky laseru založenou na analogii funkce lidského oka.

Hlavní společnou nevýhodou všech dosud známých řešení je cenová náročnost technického vybavení, které by bylo způsobilé v oblasti náročných geodetických měření stavebnictví konkurovat možnostem klasického geodetického vybavení. Cesty zvýšené disipace světelné energie do interferenčních kroužků vedou k velkým rozdílům plošně vyzařované energie, takže kompromis mezi potřebou snížit z důvodů bezpečnosti max., plošnou intenzitu světelné energie paprsku a současně zajistit dobrou viditelnost interferenčních kroužků pozorovaných na stínítku i v pod30 mínkách denního osvětlení stínítka je často nereálný. Dalším nedostatkem této cesty je, že na rozdíl od centrálního paprsku průměr interferenčních kroužků, již z principu jejich vzniku roste se vzdáleností od zářiče, takže se jedná o řešení, které přináší výhody při aplikacích ve vzdálenosti od zářiče jen do cca 20 m.

Podstata vynálezu

Nevýhody dosud známých řešení odstraňuje nebo významným způsobem omezuje zařízení pro korekci parametrů paprsku laserového zářiče uložené na rámu nivelačního zařízení a způsob justáže parametrů a výroby tohoto zařízení za účelem jejich vylepšení zejména pro aplikaci při nivelaěních měřeních podle předkládaného řešení.

Podstatou zařízení pro korekci parametrů paprsku laserového zářiče pro nivelační aplikace ve stavebnictví je, že sestává z tělesa s válcovým otvorem v jehož podélné ose jsou kluzně upevněna dvě válcová pouzdra. V těchto válcových pouzdrech jsou protilehle uloženy laserové zářiče, které jsou tedy opačně orientované. Čela pouzder jsou opatřena odnímatelnými čelními držáky, kde v každém tomto čelním držáku je upevněna korekční spojná čočka s extrémně velkou ohniskovou vzdáleností a s centrálním otvorem se středem v podélné ose pouzder. Průměr centrálního otvoru je roven nebo menší než polovina průměru paprsku z laserového zářiče. Tloušťka korekč50 nich spojných Čoček v místě kruhové hrany centrálního otvoru odpovídá některé z tlouštěk, kde dráhový rozdíl způsobený rozdílnou rychlostí šíření světla ve vzdušném prostředí centrálního otvoru a v optickém prostředí materiálu čočky je roven nebo se blíží jedné polovině vlnové délky světla vyzařovaného laserovým zářičem.

Ve výhodném provedení má centrální otvor korekčních spojných čoček pro každý laserový zářič kompenzační ovalitu, která odpovídajícímu interferenčnímu kroužku na stínítku vzdáleném cca 20 m i více zajišťuje kruhový tvar.

Jako válcová pouzdra s čelními držáky a vloženými laserovými zářiči lze s výhodou použít laserová ukazovátka.

V jednom možném provedení může být těleso s válcovým otvorem integrální součástí rámu nivelačního zařízení.

io

Podstatou justáže a výroby uvedeného zařízení je, že se nejprve určí vzdálenost, ve které se požaduje optimální obraz paprsku z laserového zářiče. Poté se k laserovému zářiči postupně přikládají korekční spojné čočky ze zkušební řady korekčních spojných čoček, a to se stupňovitě vzrůstající mocností. Sleduje se jejich vliv na obraz paprsku v této určené vzdálenosti a podle zjištěné nejblíže nižší mocnosti k mocnosti předpokládaného optimálního obrazu se vybere polotovar čočky nebo kotouček z planparalelní desky čirého plastu, který se postupně leští. Tím se zvyšuje optická mocnost čočky, která se průběžně porovnává s mocností odpovídající předpokládanému optimálnímu obrazu. Po jejím dosažení se v čočce vytvoří axiální centrální otvor.

Hlavním přínosem předkládaného řešení je, že souběžně se zhoršováním kvality kruhového obrysu obrazu laserového paprsku na stínítku při jeho vzdalovaní, doplňuje tento obraz vnitřním neosvětleným interferenčním kroužkem, tedy kroužkem v plně osvětlené oblasti tohoto obrazu. Kromě toho navržený způsob justáže optické mocnosti korekční čočky nevyžaduje žádné speciální technologické vybavení a v případě sériovosti výroby příslušné laserové nivelační techniky lze plně aplikovat metodiky známé ze systému výběru brýlí očními optiky. Pro realizaci lze využít s výhodou velkosériově vyráběné komerční výrobky jako např. laserová ukazovátka, což vede prakticky ke stejné užitné hodnotě, jako mají nákladná zařízení s rozkladem paprsku pomocí polopropustných zrcadel. Zařízení navíc umožňuje eliminovat nejčastější vadu laserů vyrobených pro nenáročné přípravky, kterou je ovalita paprsku a to velmi snadným ustavením osy ova30 lity tak, aby tato vada nezvětšovala nejistoty nivelačního měření.

Přehled obrázků na výkrese

Příklad zařízení pro korekci parametrů paprsku laserového zářiče pro nivelační aplikace ve stavebnictví je schematicky naznačen na obr. I. Obr. 2 vysvětluje funkci zařízení a na obr. 3 je uveden jeden možný způsob výroby korekční čočky zařízení.

Příklady provedení vynálezu

Typickou aplikací řešení podle vynálezu je zářič zdroje laserového paprsku X pro kontrolní systém užívaný při měření průhybu mostu v rámci zatěžovací zkoušky, který je schematicky naznačen na obr. 1.

Pro tento účel je užíván přípravek se dvěma protilehle uloženými laserovými zářiči 3 upevněnými ve válcovém pouzdru 2 s výhodou přímo sériově vyráběných laserových ukazovátek. Jejich výhodou je, že jsou opatřeny čelním držákem 4 clony, kterou lze nahradit čočkou 5 pro korekci parametrů paprsku 1 laserového zářiče 3, opatřenou centrálním otvorem 14. Pro upevnění válco50 vých pouzder 2 v přípravku slouží těleso 6 s válcovým otvorem, kde jsou válcová pouzdra 2 upevněna kluzně. V uvedeném příkladě je těleso 6 s válcovým otvorem vytvořeno přímo v rámu 7 nivelačního zařízení. Tento rám 7 též dále zajišťuje pouzdro bateriového zdroje 8 a magnetické příchytky 9, které nivelační zařízení uchycuje na prizma 10 přitmelené v žádoucí poloze na kontrolovanou konstrukci, na příklad ve středu zatěžovaného mostního pole. Upevnění laserových

-2CZ 3Θ08Θ3 B6 zářičů 3 přes válcové pouzdro 2 v otvoru tělesa 6 umožňuje díky kluznému upevnění snadné natočení zářiče 3 tak, aby kratší osa eliptického řezu paprskem i laserového zářiče 3 byla rovnoběžná se směrem vzdálenosti tohoto paprsku I, která je laserovou metodou určována. Napájení laserových zářičů 3 je alternativní, buď externí přes svorky 12, nebo interní z bateriového zdroje

8 přes vypínač J_l·

Čočku 5 tvoří spojná čočka s centrálním otvorem 14,jehož průměr je v ideálním případě polovinou průměru paprsku 1 z laserového zářiče 3 nebo je případně menší. Spojná čočka 5 je čočka s extrémně velkou ohniskovou vzdáleností, to znamená kolem 20 m i více. Výhodné je pro konsio trukcí zařízení použít laserová ukazovátka, protože ta jsou zpravidla již opatřena čelním držákem clony. Při justáži optické mocnosti čočky 5 lze pak postupovat velmi snadno krokovým způsobem. Nejprve se určí vzdálenost, ve které se požaduje optimální obraz 13 paprsku 1 z laserového zářiče 3. Pak se k laserovému zářiči 3 s vyjmutou clonou přikládají postupně spojné čočky 5 ze zkušební sady spojných čoček 5 se stupňovitě vzrůstající mocností a sleduje se jejich vliv na ís obraz 13 paprsku I v předem určené vzdálenosti, na příklad ve vzdálenosti cca 20 m. Podle zjištěné nejblíže nižší mocnosti vzhledem k mocnosti předpokládaného optima, je vybrán polotovar čočky nebo kotouček z planparalelní desky čirého plastu, který se postupně leští a tím se zvětšuje optická mohutnost čočky 5. Ta se průběžně porovnává s mocností, která odpovídá optimálnímu obrazu 13. Po jejím dosažení se v čočce 5 vytvoří axiální centrální otvor 14 a čočka se pomocí držáku 4 upevní do zařízení. Jedna z možností jak lze polotovar čočky 5 respektive kotoučku z planparalelní desky čirého plastu upravovat je uveden na obr. 3. Jako zařízení lze využít např. stolní vrtačku, do které je místo vrtáku upnut dřík T7 s čelní prohlubní, jejíž průměr i hloubka odpovídá rozměrům upravované Čočky 5. Tato čočka 5 je v prohlubni dříku T7 podložena pryží 18, takže čočka 5 z prohlubně dříku 17 přečnívá o tloušťku pryže 18. Přitlačením rotující čočky 5 silou P na podložku 19 opatřenou papírovým polepem 20 dochází k leštění čočkového tvaru při současném zvyšování optické mocnosti leštěné spojné čočky 5. V zájmu snížení rizika nežádoucích důsledků nerovností papírového polepu 20 je při leštění čočky 5 podložce 19 udílen kmitavý pohyb v rovině kolmé na osu dříku 17. Bezproblémové přemísťování čočky 5 z dříku 17 do držáku 4 laserového ukazovátka dovoluje postupnou optimalizaci optické mocnosti čočky 5. Násled30 ně je čočka 5 opatřena axiálním otvorem 14 s průměrem d, který je roven nebo menší než je polovina průměru D paprsku 1 z laserového zářiče 3 procházejícího čočkou 5. Jelikož tloušťka t čočky 5 je volena tak, aby způsobila procházejícímu paprsku 1 zpoždění odpovídající polovině vlnové délky světla vyzařovaného laserem, respektive zpoždění (η + !4) λ, kde n je kladné celé číslo včetně 0 a λ je vlnová délka použitého laserového zářiče 3, dochází v přechodovém pásmu k interferenci částí paprsku 1 procházející otvorem 14 a části paprsku i procházející neporušenou částí čočky 5 a tím ke vzniku neosvícených kroužků 21 obrazu 13. viz obr. 2. Tyto kroužky 2j_ jsou výhodně použitelné pro stanovení polohy paprsku 1 pomocí optických přípravků.

Klíčovým aplikačním zájmem a parametrem kvality laserového paprsku 1 pro předmět předklá40 daného řešení je způsobilost obrazu 13 umožnit maximální přesné centrování tohoto obrazu 13 na stínítku odečítacího zařízení. Proto je hlavním účelem minimalizovat průměr obrysové linie obrazu 13 respektive kroužku 2_[. Tohoto řešení se dosahuje jednak novým systémem postupné úpravy optické mocnosti čočky 5 a snadnou realizovatelností korekční ovality centrálního otvoru 14, ale zejména novým způsobem zajištěného vnitřního interferenčního kroužku 21, jehož prů45 měr je z principu výrazně menší než vnější průměr základního obrazu 13 paprsku 1 z laserového zářiče 3.

-3CZ 300803 B6

Průmyslová využitelnost

Zařízení pro korekci parametrů paprsku laserového zářiče je využitelné pro nivelační aplikace ve 5 stavebnictví. Vylepšuje speciální geodetické metody kontroly kvazistatických mechanických pohybů, přičemž sleduje snížení nejistot měření při současném snížení nákladnosti geodetických metod měření. V tomto smyslu se jedná o úzce specializovaný vynález.

Claims (5)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   15 1. Zařízení pro korekci parametrů paprsku laserového zářiče zejména pro nivelační aplikace ve stavebnictví uložené na rámu (7) nivelačního zařízení, vyznačující se tím, že sestává z tělesa (6) s válcovým otvorem v jehož podélné ose jsou kluzně upevněna dvě válcová pouzdra (2), v nichž jsou protilehle uloženy laserové zářiče (3), a čela těchto pouzder (2) jsou opatřena odnímatelnými čelními držáky (4), kde v každém tomto čelním držáku (4) je upevněna korekční

   20 spojná čočka (5) s extrémně velkou ohniskovou vzdáleností a s centrálním otvorem (14) se středem v podélné ose pouzder (2), jehož průměr (d) je roven nebo menší než polovina průměru (D) paprsku (1) z laserového zářiče (3), přičemž tloušťka (t) korekčních spojných čoček (5) v místě kruhové hrany centrálního otvoru (14) odpovídá některé z tlouštěk, kde dráhový rozdíl způsobený rozdílnou iychlostí šíření světla ve vzdušném prostředí centrálního otvoru (14) a v optic25 kém prostředí materiálu čočky (5) je roven nebo se blíží jedné polovině vlnové délky světla vyzařovaného laserovým zářičem (3)
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tí m , že centrální otvor (14) korekčních spojných čoček (5) má pro každý laserový zářič (3) kompenzační ovalitu.
3. 3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že jako válcová pouzdra (2) s čelními držáky (4) a vloženými laserovými zářiči (3) jsou použita laserová ukazovátka.
4. 4. Zařízení podle kteréhokoli z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že těleso (6) s

   35 válcovým otvorem je integrální součástí rámu (7) nivelačního zařízení.
5. 5. Způsob justáže a výroby zařízení podle nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že se určí vzdálenost, ve které se požaduje optimální obraz (13) paprsku (1) z laserového zářiče (3), poté se k laserovému zářiči (3) postupně přikládají korekční spojné Čočky (5) ze zkušební řady

   40 korekčních spojných čoček (5) se stupňovitě vzrůstající mocností, sleduje se jejich vliv na obraz (13) paprsku (1) v této určené vzdálenosti, podle zjištěné nejblíže nižší mocnosti k mocnosti předpokládaného optimálního obrazu (13) se vybere polotovar čočky (5) nebo kotouček z planparalelní desky čirého plastu, který se postupně leští, čímž se zvyšuje optická mocnost čočky (5), která se průběžně porovnává s mocností odpovídající předpokládanému optimálnímu obrazu (13)

   45 a po jejím dosažení se v čočce (5) vytvoří axiální centrální otvor (14).