[其他]360度平面光束发生器

说明书

本实用新型属于光学仪器的技术领域。

到目前为止，产生二维平面光束的现有技术有两种：

一是把一维的光束入射到一旋转棱镜上，扫描成一个在360度范围内，但不是连续的二维平面光束，并需要精密、昂贵的附助设备。

二是使用柱面透镜，一维光束可以转换成以扇面形扩展的、连续分布的二维平面光束，但远不能达到360度的范围。

在激光器出现之后，曾有个别高增益工作物质产生二维平面光束运转的报道（a）（b），但对于常用激光器却难以达到。

本发明人经检索了七国两组织的15年专利文献（美、日、英、西德、苏、法、瑞士、EP、WP）（1969－1983年），未发现与本实用新型有关的专利文献。

本实用新型的目的是利用简单易行的光学转换装置，把一维光束转换成在360度范围内连续分布的二维平面光束。

在本实用新型中，利用普通He－Ne激光器（3）发出的一维激光束作为光源，入射到一个环镜（4）上，环镜是一段中空的透明圆柱体，参见图5，基于光导纤维的工作原理，当入射到环镜的光束垂直于环镜的轴线，但与环镜的轴线不相交时，若入射光束与×－×轴线的距离H符合关系式H＝（1－n₂）R时，就可以得到360度范围内连续分布的二维平面光束。上式中n₂是环镜材料的折射率。R是环镜中空园柱面部分的半径。

利用简单的几何光路分析，可以得出上述的关系式：

图1中，设α为临界角，He－Ne激光束从A点入射，入射角为0，元件形状为一柱面圆环，内圆半径为R，外圆半径为R＋d，即环的厚度为d，设元件折射率为n₂，周围介质折射率为n₁，则：

sinα＝ (n₁)/(n₂) （公式1）

sinθ＝R／（R＋d）        （公式2）

上式表明欲保证在环内侧的入射角α为临界角，则须θ＝sin^－1（ (R)/(R＋d) ），与材料折射率无关，由于 (sinβ)/(R) ＝ (sinα)/(R＋d)

（公式3）

∴＜β小于＜α，即在内侧入射角为临界角时，在外侧入射角β小于临界角，因此会有部分光线逸出，激光束在圆环内外壁之间多次反射折射而形成光平面。

图1中AE＝H为入射点到X轴的垂直距离，α为临界角时，由图，sinθ＝ (H)/(R＋d)

与公式2比较得：H＝R        （公式4）

当H增大到折射光线与内圆相切时，如图2所示，由折射定律可得：

sinθ＝ (n₂)/(n₁) · (R)/(R＋d) （公式5）

且H＝ (n₂)/(n₁) R

当环外为空气时n₁＝1

则：H＝n₂R （公式6）

若环镜材料为K_θ光学玻璃时，H＝1.52R，如果入射角θ继续增大，即H＞n₂R时，呈图3情况。图中β小于临界角，也就是说，H＞n₂R的入射光线进入环内的折射线不再接触内圆，而经反射、折射，有部分光线逸出环外，而最大反射角β为临界角，当θ＝90°时，β才等于临界角，图4画出H＜R的情况，也就是θ较小的情况，由上述分析情况可知，此时α小于临界角，且sinγ＝ (R＋d)/(R) sinθ其中sinθ＜ (R)/(R＋d) （公式7）进入环内的光线，形成多次反射折射，每次均有光线逸出环外。

综合上述各种情况，可以得出结论：入射到环镜上的光线，当H从0到（R＋d）的范围改变时，也就是入射角从0～90°改变时，如以H大小来区分，则当H＝（R～n₂R）时，就可以形成平面激光束。

本实用新型的重要意义在于提供了一种新型的光学元件，为光束变换技术开辟了新途径。

本实用新型的重要意义还在于：利用简单的光学环镜和价格低廉的He－Ne激光器，配合普通水准仪（1），四维调节装置（5）和激光电源（2），便可制成经济实用，产生平面光束的激光平面仪，使用该激光平面仪可以在三维空间中方便地画出水平面，垂直面，以及任意角度的斜平面。这在建筑工程，机械工程，水利工程和课堂教学中多种几何图形显示都有广泛的用途。

本发明人列举两种激光平面仪的用途：