专利名称：校准仪器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种校准仪器，尤其但并不只涉及一种用于相对于平表面将诸如工具或其它器械的器具校准到期望角度的仪器。本发明还涉及一种用于折射光的方法和仪器，在该方法和仪器的一个实施例中将单个光束分为多个光束，当投射到表面上时，这些光束限定了离散的点和/或直线。
背景技术：
存在很多期望相对于平表面将物体校准到预定的角度的实例。一个例子就是诸如钻孔机或类似的手持式工具与墙壁或其它固定装置的校准。通常，期望用于安装螺钉或类似物的钻孔基本上与壁垂直。钻孔机被误校准会增加这些零件的安装难度，如果误校准的钻孔机钻入墙壁上的埋有电缆的区域，甚至会引起伤害。
获得校准的传统方法包括采用水平仪、摆锤或其它校平仪。这些方法的缺陷在于它们不容易与例如动力钻或类似的工具一起使用，并通常只允许在一个平面内校准，也就是说，或者在垂直平面或者在水平面内校准，但不能同时在两个面内校准。
发明内容
本发明的目的是提供一种克服这些缺陷的校准仪器。
因此，根据本发明的第一方面，提供一种便于相对于表面校准物体的仪器，该仪器包括可安装到所述物体上的装置，其用于在所述表面上以预定图案、形状或间距提供多个可见标记或指示，以便所述物体相对于所述表面在空间方位角或方位上的变化引起所述表面上的指示或标记的图案、形状或间距的变化。
优选的是，所述的装置包括发出光束的光源和将所述光束分为多束光束的光学装置。
通常该光学装置可以包括折射镜或类似物。该折射镜可以包括将光束分成5束光束的棱镜。
这5束光束可以排列为一个中心光束和与所述中心光束基本上等距的四个彼此分叉的光束，并且四个光束彼此之间大体为90°。
所述仪器便于使物体、工具或其它器具相对于水平和垂直平面中的表面校准，以及在这些平面内以半球形大致形成任意角度。
根据本发明的第二方面，提供一种折射光束的仪器，该仪器包括棱镜，所述棱镜具有第一端表面、多个倾斜的侧表面以及相应的将第一端表面和各个侧表面连接起来的多个弧形表面，其结构使得当光束通过棱镜装置并投射到一表面上时，在该表面上显示包括多条大体为直线的预定图案。
在一个实施例中，所述预定图案可包括基本上以直角相交的两条大体直的线。
所述图案可另外包括多个离散点或光点。
有益的是，可以这样设置仪器，使得其相对于所述表面的倾斜引起一个或多个点相对于所述直线发生移动，或者相反。
有益的是，在第一平面中的棱镜装置的横截面基本上是梯形。在第二平面中的棱镜装置的横截面基本上是方形(square)。
所述棱镜装置可以具有四个或更多个倾斜的侧表面。所述侧表面可以相对于第一端表面和/或相对于棱镜装置的轴倾斜20°至70°之间的角度。优选所述侧表面相对于第一端表面以大约60°的角度倾斜。
所述棱镜装置可以由具有1.6到2.5之间的的折射系数的材料形成，有益的是，所述棱镜装置由折射系数在1.7到1.22之间的材料形成。优选所述棱镜装置由不显示双折射的材料形成。
最优选的，所述棱镜装置由尖晶石或与之相当的折射系数在1.712到1.762之间的合成材料形成。
明显地，可以用根据以上描述的本发明第二方面的仪器代替根据以上描述的本发明第一方面的仪器的光学装置。
现在参照附图仅通过举例来描述本发明，其中附图1所示为根据本发明第一方面的仪器的优选形式的示意图；附图2所示为用于附图1中的仪器的光学装置的第一种形式；附图3所示为附图2中的光学装置的操作；附图4a-4c所示为具有图2的光学装置的图1的仪器所产生的标记或指示图案的例子，所述的光学装置相对于一表面处于各种倾斜角度；附图5示出了附图1中的仪器如何与手持式钻孔机结合；附图6所示为附图1中的仪器以分离夹具的形式安装到手持式钻孔机的一个具有实施方式可以理解，术语“垂直平面”、“水平平面”和它们的任何变化说法都是在相对的意义上使用，仅仅是指两个相互垂直的平面，而绝不是用于限制方向或方位。
参照图1，给出了根据本发明第一方面的一种优选形式的仪器的侧视图，用标号10表示。仪器10包括以激光12的形式在其前方安装的光源，以及基本上与之精确对齐并与之间隔预定距离的采取棱镜14的形式的光学装置。为了保证棱镜14相对于激光器12的精确方位，激光器和棱镜都安装在大体为圆柱形的主体或外壳16中。
如附图2所很好示出的，棱镜14采用通常具有大体平行的端表面18、20的截棱锥形状。第一端表面18，也就是与激光器12最接近的表面，通常是方形的并具有大约为1mm2的面积。第二端表面20，也就是离激光器12较远的表面，构成棱锥的基底并且通常是圆形的，棱镜可方便地由合适材料的圆柱形块形成，其具有大约是4mm的直径。棱镜的侧面包括连接第一和第二端面的四个、通常是平的、倾斜的表面或小平面22a、22b、22c、22d。可以理解除了与棱镜基底邻近的圆形区域外，棱镜的横截面大体是方形的。
激光器12最好具有大约3mm的光束直径，这样它的面积就稍大于第一端表面18的面积，但该面积小于第二端表面20的面积。
附图3给出了通过直接设置于激光之前的棱镜14如何影响来自激光器12的光。可以看到，由于相对于棱镜14的第一端表面光束具有较大面积，从激光器12发出的光基本上以垂直角度入射到棱镜14的第一表面18之上，同时它以依赖于棱镜的倾角θ(也就是相对于棱镜的中心轴的倾斜表面的角度)的入射角度照射到棱镜14的四个倾斜表面22a、22b、22c、22d(22b、22d没有示出)上。
基本上以垂直角度入射到棱镜14的第一表面18上的激光器12发出的光(用中心光束L1表示)基本上不受棱镜的影响并直接从其通过，方向几乎没有改变或没有改变。然而，碰撞每个棱镜的倾斜表面22a、22b、22c、22d的光(光束L2、L3)以图示的形式受到棱镜14的折射系数的影响。更具体而言，入射到倾斜表面22a、22c的每一束光束L2、L3在进入棱镜14时被折射，并在从基底20射出棱镜时被再次折射。因此从棱镜14的第二端表面20形成与中心光束L1分离的每一束光束L2、L3。
在附图4a-4c中给出了在诸如墙壁或其它大体为扁平的固定装置的表面上产生的作为该光学结构的结果的标记或指示的可见图案的例子。如附图4a所示，当相对于水平和垂直平面的表面以直角校准仪器10时，在该表面上可见的图案就是四个光点P1-P4，它们绕中心光点P5等距地隔开90°。将该图案称为“骰子5”图案。假设一个大体对称且基本上无缺陷的棱镜，其表面上的光点P1-P5之间的实际或绝对距离取决于棱镜14的折射系数和倾角，这两者决定了光束L2、L3从中心光束L1分出的角度(也就是光束的折射量)，并决定了仪器10与所述表面的间距。
由此可以理解，对于在两个平面上与表面都成直角校准的给定仪器，光点P1-P5之间的实际或绝对距离取决于仪器与表面之间的距离。然而，在表面上的点的相对位置仅仅取决于仪器相对于表面的倾斜角、方位或空间方位角。
举例来说，如果仪器在水平面上相对于表面被误校准(在这个例子中倾斜到水平面以上)，那么所指示的图案可能与附图4b所示的相同。另一方面，如果仪器只在垂直面上相对于表面被误校准(在这个例子中倾斜至垂直面的左方)，那么所指示的图案可能是如附图4c所示。很明显，如果仪器在水平和垂直面上都被误校准，图案就会是附图4b和4c的图案的结合，或者是其变形。在图案中点的相对方位给出了仪器相对于表面的校准的可见指示。
如附图5所示，仪器10可以与诸如手持式钻孔机30或类似器具结合在一起形成在单个外壳中。或者，如附图6所述，所述仪器可以形成为用于独立连接至多个器具的附件40的一部分。具体而言，这种附件40可以通过安装到手持式钻孔机的夹头34基部的卡圈32上的安装卡圈42或者任意其它可行的装置来安装到该钻孔机上。在该实施例中，仪器可通过两级式触发装置A、B来启动，这样第一级触发装置A的操作启动该仪器，同时第二级触发装置B的操作启动钻孔机。
尽管外壳16方便地赋予激光器12和棱镜14一定程度的物理保护，但由于它主要用于校准激光器和棱镜，外壳16不是必要的部件。如果无需这种保护，其它简单的框架或装置对于校准激光器和棱镜也是足够的。
应该认识到可以对本发明的仪器作出各种修改和改进。具体的，该仪器可以由一个或多个包括在外壳16中的电池或蓄电池供电。作为选择，当仪器安装到诸如动力钻之类的电器具上时，该仪器可以由器具的电源提供动力。
作为光源的激光器的使用并不是必须的。尽管优选较大功率的光源以使仪器在强自然光下能够有效，作为产生具有高度方向性的光束的光源，也还是可以采用例如激光二极管、光发射二极管(LED)或通用的灯丝或充气灯等其它类型的光源。更优选的，用于产生光束的光源最好是单色的、相干的(coherent)相对强的光源，其产生大体平行的光束。这些特征不是必要的，但其有助于确保投射的图像的高清晰度和高分辨率，并且即使在环境光水平较高并且图像所投射的表面具有低的反射率的条件下也确保了高的可视性。所以认为激光器是最适合的，除此之外可采用选择性的透镜24以聚焦光束，以便调节标记的可见图案的尺寸。
也应该认识到棱镜的使用并不是必要的。本发明在于以预定的图案投射或显示在表面上的多个可见的标记，从而该仪器离开与所述表面基本垂直的校准位置的运动引起图案和标记的相对位置的改变。因此，反射镜(与折射镜相对)可代替棱镜使用。也可采用相对于彼此设定为固定角度的多个单独的光源，因此在表面上产生多个分开的光点。
也应该认识到如图3a所示的五个有间距的标记的使用并不是必须的。对于在两个平面上的由相对于表面的垂直校准产生的倾斜或变化的指示，最少必须使用三个标记，一个用于水平面，一个用于垂直面，以及一个作为参考点。另一方面，通过适当地构造棱镜(或其它光学机构)使其具有超过四个的侧表面或小平面，则可采用多于五个的标记。设想特别有用的实施例采用三十二个或更多个侧表面或小平面，便于在表面上形成几乎为圆形的图案。
当采用更多个小平面(因此更多个标记)时，图案进一步接近于显著改进了图案的敏感度、分辨率以及和/或分析的圆形。利用这种图案，不再需要中心光点或标记作为参考，这就意味着可形成没有平的第一端表面18的棱镜。当仪器相对于表面的空间方位角改变时，表面上图案的形状被扭曲。
在适用于附图1中的仪器的改进的棱镜14a的例子中，可用其替换附图2中的棱镜，附图7中示出了它的横截面。尽可能的，类似的参考数字表示类似的部件。
如附图2所示的实施例中，棱镜14a采用通常具有平行的第一和第二端表面18、20的截棱锥形状。第一端表面18的形状通常是方形的，并优选具有在大小级别上小于第二端表面20的面积的面积。第二端表面20形成棱锥的基部，通常为圆形，这是棱镜由适当材料的圆柱形块形成的结果。可以理解具有方形的第二端表面20的棱镜具有相同的效果。
第一和第二端表面18、20的绝对和/或相对尺寸并不是严格的，但是有益的设置是使第一端表面18具有小于应用于棱镜的光束的面积的面积，同时使第二端表面20具有大于应用于棱镜的光束的面积的面积。
棱镜的侧表面又包括在第一和第二端表面18、20之间延伸的四个基本是平的、倾斜的表面或小平面22a、22b、22c、22d。在优选实施例中，倾斜表面以大约60°的倾角θ相对于第一和第二端表面倾斜。这个角度不是严格的，但其如下所述影响仪器的操作。
与图2所示的棱镜14比较，图7的实施例的倾斜侧表面22a-22d没有在明确的顶点处与棱镜14a的第一端表面18的边缘相交。相反，弧形表面部分58a-58d与第一端表面18的各个边和棱镜的各个侧表面22a-22d的边大体正切地结合。优选每个弧形表面部分定义一个具有预定半径R的圆弧。R值并不是严格的，但是如下所述，它会影响由棱镜产生的光的图案。
本领域的技术人员可以理解，弧形表面部分58a-58d很容易加工或者切割成棱镜，形成这些部分的方法将不作进一步的讨论。
图8给出了当光线通过图7中的棱镜14a时投射到表面上的光的图案。如图所示，该图案显示了图2中的棱镜14的骰子形的5个图案，但是另外产生了两条大体上正交的、基本上为直的线PL1、PL2。线PL1、PL2分别连接两对直径相对的点P1、P4和P2、P3，并在点P5处相交。直线PL1、PL2的投射被认为是由棱镜10a的弧形表面部分58a-58d产生的折射和散射组合效应引起的。直线PL1、PL2的方向取决于棱镜14a相对于表面的定向。
尽管图8并没有明确示出，实际上线PL1、PL2与五个点P1-P5是趋于融合的，并且使五个点P1-P5局部�：�。因此，在如图9所示的改进中，建议截去棱镜14a的第一端表面18和侧表面22a-22d，例如沿着由虚线截线T1，T2和T3定义的平面截去棱镜。以这种方式，每个弧形表面部分58a-58d与第一端表面18和各个侧表面22a-22d都不是正切地结合(也就是，大体平滑地结合)，而是通过各个顶点连接这些表面。同样，本领域的技术人员可以完全理解如何实施该棱镜的这种截取。
图10给出了当光通过以此种方式截取后的棱镜时投射到表面上的图案。如图所示，正交线PL1、PL2明显比先前实施例中的短，并且不是彼此实际(物理)相交。相反，这些线不是完全地延伸至四个外部的点P1-P4或向内延伸至点P5。这样在线PL1、PL2的外端和各个外部点P1-P4之间存在间隙，并且在线的内端和中心点P5之间也存在间隙。
如果只沿着截取线T2和T3截切棱镜，从而各个弧形表面部分与各个侧表面在顶点处相交，但是与第一端表面12正切结合(也就是说基本上平滑地结合)，则投射到表面上的图案看起来和图6中的图案类似，不过线PL1、PL2通过中心点P5正交。作为选择，如果仅沿着截取线T1截切棱镜，则形成的图案为各条线的外端完全延伸到外部端点P1-P4，但不会向内延伸至中心点P5，并且也不会相交。
可以理解棱镜截取的量或深度(图中截取深度表示为D)决定了对于给定半径R弧形表面部分58a-58d的长度C。例如，已经发现通过例如增大截取深度D从而减小各个弧形表面部分58a-58d的长度，具有缩短正交线PL1、PL2的作用。另外，每个弧形表面部分的锐度或曲率显示出对线PL1、PL2的光强度存在影响。已经发现增加弧形表面部分的曲率(也就是说减小半径R)具有使线PL1、PL2的光强度增加的效果。
尽管用于形成棱镜的材料可以根据需要选择，但显然可以理解所用的材料必须是半透明或透明的。然而，所选材料最好具有在1.6到2.5范围内的折射系数，优选在1.7到2.2的范围内。另外，优选所述材料不会显示出双折射现象，即进入到材料中的光线被分离为以不同角度折射的两束分离光束。因此适当的材料可包括立方氧化锆，最好是尖晶石或与尖晶石具有相同光学特性的合成材料。
很容易理解，为了在表面上投射正确的图案，具有不同光学特性的材料，尤其是具有不同光学折射系数的材料要求倾角θ的改变。例如，所用材料的折射系数越高，所需的棱镜倾角就越小，反之亦然。
如果需要，侧表面的数目可以多于四个，这样沿图2中的线A-A’的棱镜的横截面就是多边形的。可以理解侧表面数目的增加可以相应增加投射点的数目，并且，如果通过各个弧形表面部分连接各个侧面与第一端表面，也会增加投射的光线的数目。
包括棱镜14a的仪器10相对于所述表面的倾斜会引起表面上四个外部光点P1-P4的移动，其移动的量取决于校准仪器相对于表面的倾斜角度。同时通过校准仪器的这种倾斜，正交线PL1、PL2也会出现移动，这种移动明显小于外部点P1-P4的移动，从而基本上不被使用者看到。因此校准仪器的倾斜会让使用者看到外部点P1-P4朝向或者远离正交线PL1、PL2的明显移动，但正交线本身几乎没有或没有移动。通过相对于表面调节校准仪器的倾斜度直到外部光点P1-P4相对于每条线PL1、PL2的端点基本上等距，使用者可以实现仪器的相对于表面的基本上垂直的校准。
另外，尽管可容易地得到仪器的与表面基本上垂直的校准从而可容易地得到连接至该仪器的任何器具，可以理解，也可采用该仪器获得除与表面垂直的的校准以外的校准。例如，可能希望将器具校准到相对于水平线呈例如45°角，但是相对于垂直面没有偏离。由于仪器相对于表面的每个方位或空间方位角在该表面上产生独特的图案，从而，如果使用者清楚预期的图案就可以容易地实现校准。
为了在这方面起到辅助作用，可以设想，图案“模板”或类似物可用于指示仪器相对于表面的各种力位所产生的图案。模板可以具有一个中心标记，它代表由仪器产生的中心光点，而附加标记代表仪器相对表面处于预定空间方位角时的所期望的光点图案。在应用时，使用者在预定点处将模板方位到表面上，例如要钻孔的那一点，并在模板上标明与器具的期望方位的期望图案相应的相关标记。然后，使用者简单地调节器具的空间方位角，直到仪器所产生的光点的图案与模板上的相应标记匹配。
应该认识到本发明提供了一种简单有效的指示器具相对于表面的校准的方法。
另外，如图2、7和9所述和所示的棱镜14、14a可以具有可供选择的应用，在所述应用中出于美观的目的希望在表面上投射光的图案。这种仪器的最常见的应用是用于迪斯科舞厅的照明设备或类似物中。众所周知迪斯科舞厅照明设备采用例如荧光灯泡的一个或多个光源，它的光通过活动的或可调节的快门装置被投射到墙壁或天花板上。快门装置的移动改变了投射到墙壁或天花板上的光的图案。
其它已知的迪斯科舞厅照明设备的形式是采用激光器，所述激光器通过可调节的反射装置将强光束投射到例如墙壁或天花板的表面上。反射装置通常包括多个镜子，为了改变投射到表面上的光图案，所述反射装置可以旋转或以其它方式移动。
这些形式的仪器通常相当笨重，并包括多个复杂的移动部件。这使它们不适于便携式的应用或重视低成本和高稳定性的应用场合。另外，移动快门或反射装置的使用会使投射到表面上的影像或图案变差，产生“�：钡男ЧＵ舛杂诘纤箍莆杼彰飨低呈强梢越邮艿模窍拗屏苏饫嘧爸迷谄渌榭鱿碌挠τ�。
本发明可以用于这类迪斯科舞厅照明系统中，能减少成本以及复杂度，并提供了减小尺寸和减轻重量方面的益处。
权利要求
1.一种便于相对于表面校准物体的仪器，该仪器包括可安装到所述物体上的装置，用于以预定图案、形状或间距在所述表面上提供多个可见标记或指示，以便所述仪器相对于所述表面的空间方位角或方位的改变引起所述表面上的所述指示或标记的图案、形状或间距的改变。
2.根据权利要求1所述的仪器，其中所述的装置包括用于投射光束的光源和用于将所述光束分为多束光束的光学装置。
3.根据权利要求2所述的仪器，其中所述的光学装置包括折射镜或类似装置。
4.根据权利要求3所述的仪器，其中折射镜包括用于将光束分为五束光束的棱镜。
5.根据权利要求4所述的仪器，其中所述的五束光束布置为中心光束和相对于所述中心光束基本上等距的相互以大约90°分开的四束光束。
6.一种用于折射光束的仪器，该仪器包括棱镜装置，所述棱镜装置具有第一端表面、多个倾斜的侧表面以及连接第一端表面和各个侧表面的相应的多个弧形表面，所述棱镜被布置为当光束通过棱镜装置投射到表面上时，在该表面上显示包括多条大体直的线的预定图案。
7.根据权利要求6所述的仪器，其中所述预定图案包括基本上以直角相交的两条大体直的线。
8.根据权利要求6或7所述的仪器，其中所述图案另外包括多个离散的点或光点。
9.根据权利要求8所述的仪器，其中该仪器被布置为所述仪器相对于表面的倾斜引起所述点中的至少一个点和所述线中的至少一条线之间的相对移动。
10.根据前述权利要求中任一项所述的仪器，其中棱镜装置在第一平面中的横截面基本上是梯形。
11.根据前述权利要求中任一项所述的仪器，其中所述棱镜装置包括至少四个倾斜的侧表面。
12.根据前述权利要求中任一项所述的仪器，其中所述侧表面相对于第一端表面倾斜大约60°的角度。
13.根据前述权利要求中任一项所述的仪器，其中所述棱镜装置由不显示双折射特性的材料形成。
14.根据前述权利要求中任一项所述的仪器，其中所述棱镜装置由折射系数在1.712到1.762之间的材料形成。
15.根据前述权利要求中任一项所述的仪器，其中所述棱镜装置由尖晶石形成。
全文摘要
一种用于相对于平表面以期望角度校准诸如工具或其它器械的器具的校准仪器，包括用于产生光束的光源以及将光束分为多束光束以投射到表面上的装置。如果仪器相对于表面的方位发生变化，多束光束形成的表面上的标记或指示的图案也发生改变。该仪器尤其适于相对于墙壁或其它平的固定装置校准钻孔机或其它工具。
文档编号G01B11/26GK1605015SQ02825127
公开日2005年4月6日 申请日期2002年10月16日 优先权日2001年10月16日
发明者沃尔特·利弗, 伊恩·加纳 申请人:沃尔特·利弗, 伊恩·加纳
专业数控铣床产品供应商
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