RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 187786 (21) Numer zgłoszenia 326965 (22) Data zgłoszenia- 23.06.1998 (13) B1 (51) IntCl7 G02B 27/46 G02B 5/20 Opis patentowy przedrukowano ze względu na zauważone błędy (54) Filtr przestrzenny wiązki laserowej (23) Pierwszeństwo z wystawy: 15.06.1998,PL,70 MTP (73) Uprawniony z patentu: Instytut Maszyn Matematycznych, Warszawa, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: 21.12.1998 BUP 26/98 (72) Twórcy wynalazku: Włodzimierz Lipiński, Warszawa, PL Marcin Pawełczak, Warszawa, PL Romuald Synak, Warszawa, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 29.10.2004 WUP 10/04 (74) Pełnomocnik: Przykorski Andrzej, Kancelaria Patentowa PL 187786 B1 (57)1. Filtr przestrzenny wiązki laserowej składający się z korpusu, wewnątrz którego jest umieszczony okular w postaci soczewki skupiającej oraz kolimujący obiektyw, pomiędzy którymi znajduje się przesłona typu pirihol, znamienny tym, że wewnątrz korzystnie cylindrycznego korpusu (1) z jednej strony jest osadzony trwale moduł (4) lasera zwłaszcza diodowego, za którym jest zamocowany przesuwnie wzdłuż osi korpusu (1) okular (6) w postaci soczewki, a z drugiej strony korpusu (1) jest zamocowany przesuwnie wzdłuż osi korpusu (1) kolimujący obiektyw (15), przy czym pomiędzy okularem (6) a obiektywem (15) znajduje się przesłona (22) typu pinhol osadzona w oprawie (21) zamocowanej przesuwnie w płaszczyźnie prostopadłej do osi korpusu (1).
Filtr przestrzenny wiązki laserowej Zastrzeżenia patentowe 1. Filtr przestrzenny wiązki laserowej składający się z korpusu, wewnątrz którego jest umieszczony okular w postaci soczewki skupiającej oraz kolimujący obiektyw, pomiędzy którymi znajduje się przesłona typu pinhol, znamienny tym, że wewnątrz korzystnie cylindrycznego korpusu (1) z jednej strony jest osadzony trwale moduł (4) lasera zwłaszcza diodowego, za którym jest zamocowany przesuwnie wzdłuż osi korpusu (1) okular (6) w postaci soczewki, a z drugiej strony korpusu (1) jest zamocowany przesuwnie wzdłuż osi korpusu (1) kolimujący obiektyw (15), przy czym pomiędzy okularem (6) a obiektywem (15) znajduje się przesłona (22) typu pinhol osadzona w oprawie (21) zamocowanej przesuwnie w płaszczyźnie prostopadłej do osi korpusu (1). 2. Filtr przestrzenny według zastrz. 1, znamienny tym, że moduł (4) lasera zwłaszcza diodowego jest zamocowany trwale w tulei (2) za pomocą wkrętów (3) promieniowo usytuowanych w korpusie (1), przy czym tuleja (2) jest umiejscowiona we wnętrzu korpusu (1) za pomocą połączenia gwintowego, natomiast wkręty (3) są zabezpieczone przesuwną osłoną (5) osadzoną suwliwie na powierzchni korpusu (1). 3. Filtr przestrzenny według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że okular (6) w postaci soczewki skupiającej jest osadzony w tulei osadczej (7) zamocowanej przesuwnie wewnątrz korpusu (1), przy czym na końcu tulei osadczej (7) bardziej oddalonym od modułu (4) lasera jest wykonana jednostronnie szczelina (8) przeznaczona dla kołka (9) trwale zamocowanego promieniowo w korpusie (1), a na drugim końcu tulei osadczej (7) jest wykonany oporowy kołnierz (10) dla sprężyny (11) umieszczonej wewnątrz korpusu (1), natomiast płaszczyzna czołowa kołnierza (10) tulei osadczej (7) jest dociskana gwintowaną tulejką nastawczą (12) usytuowaną we wnętrzu korpusu (1) za pomocą połączenia gwintowego, przy czym tulejka nastawcza (12) posiada na obwodzie promieniowo wykonane nastawcze otwory (13), którym odpowiadają okna manipulacyjne (14) usytuowane odpowiednio w korpusie (1) i zabezpieczone przesuwną osłoną (5). 4. Filtr przestrzenny według zastrz. 3, znamienny tym, że kolimujący obiektyw (15) ma postać soczewki osadzonej w gwintowanej tulei osadczej (16), która jest usytuowana we wnętrzu końcowej części korpusu (1) za pomocą połączenia gwintowego, przy czym obrót gwintowanej tulei osadczej (16) umożliwiają rowki (17) wykonane w zewnętrznej płaszczyźnie czołowej, natomiast w głębi wnętrza korpusu (1) jest umieszczona przesuwnie tuleja dociskowa (18) zaopatrzona w kołnierz (19), a pomiędzy kołnierzem (19) a gwintowaną tuleją osadczą (16), wewnątrz korpusu (1), jest osadzona sprężyna (20). 5. Filtr przestrzenny według zastrz. 1 lub 4, znamienny tym, że oprawa (21) zawierająca we wnęce trwale przytwierdzoną przesłonę (22) typu pinhol, jest dociskana do wewnętrznej krawędzi (23) korpusu (1), prostopadłej do jego osi, poprzez płaszczyznę czołową kołnierza (19) tulei dociskowej (18), natomiast średnica oprawy (21) jest mniejsza niż odpowiednia średnica wewnętrzna korpusu (1), przy czym w płaszczyźnie oprawy (21) w korpusie (1) są umieszczone promieniowo wkręty regulacyjne (24). * if * Przedmiotem wynalazku jest filtr przestrzenny umożliwiający uzyskanie prawidłowego rozkładu promieniowania w przekroju poprzecznym wiązki laserowej zwłaszcza wysyłanej przez moduł lasera diodowego. Standardowe moduły laserów diodowych nie zapewniają uzyskania wiązki światła charakteryzującej się czystym profilem gaussowskim. Dlatego stosuje się filtry przestrzenne złożone z dwu soczewek skupiających oraz przesłony typu pinhol umieszczonej w ognisku soczewki
187 786 3 wejściowej i regulowanej za pomocą mechanizmu justowania o 3 stopniach swobody. Takie rozwiązanie przedstawiono w polskim opisie patentowym nr 142130, przy czym mechanizm justowania przesłony jest regulowany śrubami mikrometrycznymi. Rysunek obrazuje zasadę działania filtru, gdzie wiązka światła pada na soczewkę wejściową, po czym zostaje skupiona i zogniskowana na otworze pinhola, w którym zostają obcięte boczne zafalowania padającej wiązki, natomiast zostaje przepuszczony prążek podstawowy, co powoduje otrzymanie na wyjściu filtru bardzo wyrównanego i gładkiego rozkładu poprzecznego wiązki, pozbawionego niejednorodności widocznych na rozkładzie wejściowym wiązki. Podobne urządzenia dla modułów lasera diodowego są oferowane w katalogu z 1998 r. firmy Edmund Scientific Co. Z USA Optics and Optical Instruments Catalog na str. 209, a także w katalogu z 1997 r. angielskiej firmy Newport Co. Optics 1997/1998 Catalog na str. 2-60 i 2-61. Wspomniane rozwiązania nie przewidują stabilnego powiązania źródła światła laserowego z filtrem i dlatego posiadają rozbudowane przesuwy i duże pokrętła regulacyjne służące do częstych manipulacji w celu korygowania zmian względnego położenia wiązki światła i osi optycznej filtru. Ze względu na duże wymiary zewnętrzne i rozłączność z modułem laserowym, ich zastosowanie w wytwarzanych seryjnie przyrządach optycznych jest ograniczone. Oczyszczanie światła laserowego na obwodzie wiązki za pomocą filtru jest również szczegółowo opisane w różnych odmianach zgłoszonego w Polsce wynalazku nr P-315355 dotyczącego eliptycznej sondy laserowej do masek kineskopowych i wizualnie przedstawione na fig. 6 do fig. 9 rysunku. Zastosowanie elementu czyszczącego wiązką laserową w postaci pinhola w lunecie typu Keplera przedstawiono w polskim opisie patentowym nr 128089. Istotnym elementem w opisanej konstrukcji jest wymienna przesłona typu pinhol umieszczona wgnieździe mechanizmu krzyżowego usytuowanego wewnątrz uchwytu mechanicznego znajdującego się w obudowie. Prawidłowe ustawienie pinhola czyszczącego wiązkę laserową uzyskuje się przy przemieszczeniu go ruchem krzyżowym w płaszczyźnie prostopadłej do osi układu, przy czym ruch krzyżowy mechanizmu realizuje się obrotem bębnów śrub mikrometrycznych. Różne warianty konstrukcji przyrządu do precyzyjnego ustawiania soczewek w filtrze przestrzennym lasera dużej mocy zostały przedstawione w polskich opisach patentowych nr nr 152913, 152914, 152916, 152918, a różne warianty konstrukcji przyrządu do precyzyjnego ustawiania elementu optycznego w postaci pinhola w filtrze przestrzennym lasera dużej mocy zostały przedstawione w polskich opisach patentowych nr nr 152915 i 152917. Na przykład, z opisu patentowego nr 152916 jest znany przyrząd umożliwiający dokładne określenie ogniskowej wiązki promieniowania laserowego w celu precyzyjnego jej naprowadzenia na płytkę pinhola, w którym zastosowano do ustawiania każdej z soczewek regulator wzdłużny i regulator pochylenia połączone próżnioszczelnie za pomocą mieszków. Regulator pochylenia jest wyposażony w dwie głowice mikrometryczne, przesunięte względem siebie kątowo o 90, pierścień regulacyjny duży i w oprawę soczewki połączoną stycznie z wrzecionami głowic mikrometrycznych. Regulator wzdłużny jest zrealizowany za pomocą dwóch słupków dystansowych i dwóch wałków prowadzących usytuowanych średnicowo, przesuniętych parami względem siebie kątowo o 90 oraz za pomocą ruchomego pierścienia kształtowego, osadzonego suwliwie na drugich końcach wspomnianych wałków, a także na drugich nagwintowanych końcach słupków dystansowych. Jeden z przyrządów do ustawiania pinhola w filtrze przestrzennym lasera, przedstawiony w polskim opisie patentowym nr 152915 składa się z dwóch regulatorów realizujących przesuw pinhola w płaszczyźnie wyznaczonej układem współrzędnych x, y i prostopadłej do toru wiązki promieniowania laserowego. Jeden z regulatorów zawiera płytkę ruchomą umieszczoną ślizgowo pomiędzy prowadnicami równoległymi do współrzędnej x układu x. y, przymocowanymi szczytowo do płyty wspomej oraz z dwu śrub regulacyjnych usytuowanych względem siebie przeciwsobnie i wkręconych w listwy wspome. Drugi z regulatorów zawiera pierścień osadczy połączony z kołnierzem pierścieniowym końcówki środkowego kanału filtru przestrzennego. Płyta ruchoma i pierścień osadczy są połączone ze sobą za pomocą mieszka. W otworze poosiowym płyty ruchomej jest osadzony sztywno jeden koniec wałka, na którego drugim końcu jest osadzona sztywno oprawka pinhola, leżącego w tej samej płaszczyźnie co śruby regulacyjne. W opisanych przyrządach ustawienie elementów
4 187 786 optycznych jest dokonywane za pomocą znacznej liczby dużych pokręteł regulacyjnych, co uniemożliwia ich zastosowanie do małych modułów laserów diodowych. Istotę wynalazku stanowi konstrukcja filtru przestrzennego, który charakteryzuje się tym, że wewnątrz korzystnie cylindrycznego korpusu, z jednej strony jest osadzony trwale moduł lasera zwłaszcza diodowego, za którym jest zamocowany przesuwnie wzdłuż osi korpusu okular w postaci soczewki, a z drugiej strony korpusu jest zamocowany przesuwnie wzdłuż osi korpusu kolimujący obiektyw, przy czym pomiędzy okularem a obiektywem znajduje się przysłona typu pinhol osadzona w oprawie zamocowanej przesuwnie w płaszczyźnie prostopadłej do osi korpusu. Takie rozwiązanie uzyskano dzięki zastosowaniu następujących elementów konstrukcyjnych i ich powiązań. Moduł lasera zwłaszcza diodowego jest zamocowany trwale w tulei za pomocą wkrętów promieniowo usytuowanych w korpusie, przy czym tuleja jest umiejscowiona we wnętrzu korpusu za pomocą połączenia gwintowego, natomiast wkręty są zabezpieczone przesuwną osłoną osadzoną suwliwie na powierzchni korpusu. Okular w postaci soczewki skupiającej jest osadzony w tulei osadczej zamocowanej przesuwnie wewnątrz korpusu, przy czym na końcu tulei osadczej bardziej oddalonym od modułu lasera jest wykonana jednostronnie szczelina przeznaczona dla kołka trwale zamocowanego promieniowo w korpusie. Na drugim końcu tulei osadczej jest wykonany oporowy kołnierz dla sprężyny umieszczonej wewnątrz korpusu, natomiast płaszczyzna czołowa kołnierza tulei osadczej jest dociskana gwintowaną tulejką nastawczą usytuowaną we wnętrzu korpusu za pomocą połączenia gwintowego, przy czym tulejka nastawcza posiada na obwodzie promieniowo wykonane nastawcze otwory, którym odpowiadają okna manipulacyjne usytuowane odpowiednio w korpusie i zabezpieczone przesuwną osłoną. Kolimujący obiektyw ma postać soczewki osadzonej w gwintowanej tulei osadczej, która jest usytuowana we wnętrzu końcowej części korpusu za pomocą połączenia gwintowego, przy czym obrót gwintowanej tulei osadczej umożliwiają rowki wykonane w zewnętrznej płaszczyźnie czołowej. W głębi wnętrza korpusu jest umieszczona przesuwnie tuleja dociskowa zaopatrzona w kołnierz, a pomiędzy kołnierzem i gwintowaną tuleją osadczą wewnątrz korpusu jest osadzona sprężyna. Oprawa zawierająca we wnęce trwale przytwierdzoną przesłonę typu pinhol jest dociskana do wewnętrznej krawędzi korpusu, prostopadłej do jego osi, za pomocą płaszczyzny czołowej kołnierza tulei dociskowej, natomiast średnica oprawy jest mniejsza niż odpowiednia średnica wewnętrzna korpusu. W płaszczyźnie oprawy w korpusie są umieszczone promieniowo wkręty regulacyjne. Taka konstrukcja pozwala na uzyskanie filtru przestrzennego o zwartej, solidnej budowie i niewielkich rozmiarach, zbliżonych do wielkości typowych modułów laserów półprzewodnikowych, charakteryzującego się dużą trwałością i stabilnością nastaw oraz możliwością łatwego mocowania w różnego rodzaju gniazdach i uchwytach, przeznaczonego dla urządzeń pracujących w zmiennych warunkach otoczenia. Wszystkie elementy składowe filtru przestrzennego, w tym zespoły regulacyjne oraz źródło światła - laser diodowy, są umieszczone w jednym korpusie o niewielkich rozmiarach, zapewniającym sztywność i niezmienność zamocowania. Zespoły regulacyjne z gwintami drobnozwojonymi umożliwiają osiągnięcie z wystarczającą dokładnością ogniskowania wiązki laserowej na pinholu oraz kolimowania wiązki wychodzącej. Przedmiot wynalazku został pokazany w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia filtr przestrzenny w półwidoku-półprzekroju. Wewnątrz cylindrycznego korpusu 1 z jednej strony jest zamocowany trwale w tulei 2 za pomocą wkrętów 3 promieniowo usytuowanych w korpusie 1 moduł 4 lasera diodowego, przy czym tuleja 2 jest umiejscowiona wewnątrz korpusu 1 za pomocą połączenia gwintowego. Wkręty 3 są zabezpieczone przesuwną osłoną 5 osadzoną suwliwie na powierzchni korpusu 1. Za modułem 4 lasera diodowego znajduje się okular 6 w postaci soczewki skupiającej. Okular 6 jest osadzony w tulei osadczej 7 zamocowanej przesuwnie wewnątrz korpusu 1. Na końcu tulei osadczej 7 bardziej oddalonym od modułu 4 lasera jest wykonana jednostronnie szczelina 8 równoległa do osi korpusu 1, współpracująca z kołkiem 9 trwale zamocowanym promieniowo w korpusie 1. Na drugim końcu tulei osadczej 7 jest wykonany oporowy kołnierz 10 współpracujący ze sprężyną 11 umieszczoną wewnątrz korpusu 1. Płaszczyzna czołowa kołnierza 10 tulei osadczej 7 współdziała z gwintowaną tulejką nastawczą 12 wkręconą do wnętrza
187 786 5 korpusu 1 za pomocą połączenia gwintowego. Tulejka nastawcza 12 posiada na obwodzie promieniowo wykonane nastawcze otwory 13, którym odpowiadają okna manipulacyjne 14 usytuowane odpowiednio w korpusie 1 i zabezpieczone przesuwną osłoną 5. Z drugiej strony korpusu 1 jest zamocowany przesuwnie wzdłuż osi korpusu 1 kolimujący obiektyw 15 w postaci soczewki osadzonej w gwintowanej tulei osadczej 16, która jest usytuowana we wnętrzu końcowej części korpusu 1 za pomocą połączenia gwintowego. Obrót gwintowanej tulei osadczej 16 umożliwiają rowki 17 wykonane w zewnętrznej płaszczyźnie czołowej. W głębi wnętrza korpusu 1 jest umieszczona przesuwnie tuleja dociskowa 18 zaopatrzona w kołnierz 19 współpracujący ze sprężyną 20, która drugim końcem naciska wewnętrzną płaszczyznę czołową gwintowanej tulei osadczej 16. Pomiędzy okularem 6 a obiektywem 15 znajduje się oprawa 21 zawierająca we wnęce przesłonę 22 typu pinhol, trwale przytwierdzoną. Oprawa 21 jest dociskana do wewnętrznej krawędzi 23 korpusu 1, prostopadłej do jego osi, za pomocą sprężyny 20 poprzez płaszczyznę czołową kołnierza 19 tulei dociskowej 18, przy czym średnica oprawy 21 jest mniejsza niż średnica części wnętrza korpusu 1, w której jest usytuowana oprawa 21. W płaszczyźnie oprawy 21, w korpusie 1 są umieszczone promieniowo wkręty regulacyjne 24. Działanie filtru przestrzennego jest następujące: moduł 4 lasera osadzony trwale w korpusie 1 wysyła wiązkę światła, która za pomocą soczewki okularu 6 zostaje zogniskowana w płaszczyźnie pinhola przesłony 22. Idealne zogniskowanie jest możliwe dzięki ustawieniu okularu 6 poprzez obrót tulejki nastawczej 12 za pomocą bolca wkładanego w kolejne otwory 13 poprzez okno manipulacyjne 14 po odsunięciu osłony 5. Aretowanie przesłony 22 w płaszczyźnie prostopadłej do osi wiązki światła umożliwiają wkręty regulacyjne 24. Prostopadłe położenie przesłony 22 do osi wiązki światła zapewnia tuleja dociskowa 18 dzięki działaniu sprężyny 20. Sprężyna 20 zapewnia również stabilizację położenia obiektywu 15 kolimującego wiązkę wyjściową, po odpowiednim ustawieniu położenia wzdłuż osi korpusu 1 za pomocą rowków 17, przy użyciu odpowiedniego wkrętaka.
187 786 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.