陶瓷光學件載體的制作方法

專利名稱：陶瓷光學件載體的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學件載體、尤其用于光學的測量設備，所述光學件載體具有基體，在所述基體上設有用于固定一種電子光學的發射及接收系統的組件的裝置。此外本發明還涉及這種光學件載體的制造方法。另外本發明還涉及一種光學測量設備、尤其是激光測距儀，其具有透鏡保持部、光學件載體和發射及接收系統。DE 10 2005 041 980A1已公開了一種用于激光測距的光學測量設備，該測量設備被設計成手持設備。在該激光測距儀中設置由塑料制成的光學件載體作為中央元件，電子光學的發射及接收系統保持在該光學件載體上。為此光學件載體具有用于測量設備光學和 /或電子組件的容納部和固定裝置。在光學件載體的前端區域上一體式地設置包含用于一種接收器光學件的容納部的透鏡保持部。此外具有激光二極管和光敏接收器二極管的電路板保持在光學件載體上，激光二極管具有安裝在其之前的準直透鏡用于生成激光束。電路板如此定位在測量設備中，以使激光二極管可以通過發射器光學件發射光束，并且使所述光敏接收器二極管定位在接收器光學件的焦點中。為了改善測量準確度以及為了減少測量錯誤，平行地設置用于發射和接收的光線路徑。由此，作用于光學件載體的外部影響同樣作用于所述兩個光線路徑。該光學件載體連同固定在其上的電子光學的發射及接收系統與顯示裝置、輸入裝置和能量供給裝置一起安裝在共同的殼體中。在工作中，通過輸入裝置操作激光測距儀。因而由激光二極管將激光束發射至應測量距離的對象上。投射到該對象上的光點通過接收器光學件聚焦到光敏接收器二極管上并且被進行分析。通過顯示裝置輸出所述通過測量所得到的距離值。在實踐中光學測量設備對機械負荷能力有較高要求。在安裝期間會導致變形的力可能已經作用于光學件載體。設備在使用中也可能受到沖擊并且因而變形。這僅可以部分地通過結構性措施彌補和避免。在此特別對于手持的光學測量設備而言基于其功能目標是受到限制的。因而鋼是一種適當材料，這是因為鋼具有較大的彈性模量(參見表1)。鋁壓鑄件(Alu-Druckguss)和鎂鑄件(Magnesiumguss)在這方面就不適合，而塑料的彈性模量最小。然而基于重量原因應用鋼是有缺點的，這是因為在表1中列出的材料中它是最重的。表 背景技術：
材料 彈性模量
鋼(板材彎曲件，sei) 210000 N/mm2
鋁壓鑄件(GD-AlSi 12)75000 N/mm:
鎂鑄件(GD-MgA15) 50000 N/mm:
塑料(PPS-GF40) 13000N/mm:
此外測量設備例如通過太陽照射還承受熱影響。如果光學件載體與殼體固定連 接，那么這會在一側加熱時導致彎曲，由此光學件載體變形并且降低測量精度。因而期望使 得所述材料一方面具有較高的導熱性，另一方面具有較低的熱膨脹系數。如表2所示，在鋼 情況下這種組合是最適合的，與此同時在塑料情況下最不適合。表 2
材料導熱性熱膨脹系數
鋼(板材彎曲件，St37) 48-58 W/mK13 [om/mK
鋁壓鑄件(GD-AlSi 12) 160 W/mK21 nm/mK
騰件(GD-MgA15)200 W/mK26nm/mK
塑料(PPS-GF40)0.3 W/mK20-40 nm/mK因為電子光學的發射及接收系統包含電子構件，這些電子構件基于直至IGHz的 所應用的調制頻率生成電磁輻射，所以也要注意對電磁兼容性的要求。在此當光學件載體 由導電材料制成時，原則上它也可以充當屏蔽物。然而這很困難，這是由于所應用的調制頻 率較高。在此，光學件載體應當由電導率較低的材料制成，因而光學件載體自身不可以充當 用于電子光學的發射及接收系統的天線，進而不利于發射。金屬材料一鋼、鋁壓鑄件和鎂鑄 件都具有較高的導電性，因而關于電磁兼容性方面都是不適合的。在此僅塑料比較適合作 為絕緣體。表3
材料導電性
鋼(板材彎曲件，St37)約lOm/Ohmmm2
鋁壓鑄件(GD-AlSi 12)19-22m/Ohmmm2
鎂鑄件(GD-MgA15)8 m/Ohm mm2
塑料(PPS-GF40)絕緣此外壓鑄或者噴鑄制成的光學件載體具有受到制造限制的內應力。這種效應原則 上也存在于鋼板材彎曲件中。這種內應力隨著使用時間和溫度而松弛，從而隨著時間的推 移而出現光學系統的失調。與所應用的材料有關，對于光學件載體并且進而光學的測量設備而言，因制造導 致精度受限。在鋁壓鑄件的情況下，受到制造限制的精度最小，鎂鑄件和塑料至鋼的精度逐 步增大。在安裝所述光學的測量設備時經常應用粘合劑，這是因為粘合可以極大地避免由 于安裝過程在光學件載體中產生的應力，在花費較小情況下可以獲得較高的精度。在此金 屬鑄造材料與鋼或者塑料相比通常不太適合，這是因為它們具有通常較差的粘合特性。應 用粘合劑也是受限的，這是因為例如金屬是不透光的，因而應用光固化粘合劑不能快速實 施粘合過程。僅塑料材料可以透光地制造，從而可以應用光固化的粘合劑。總而言之可以確定的是，沒有材料滿足所有期望的要求。最適合的材料看來是鋼或者塑料，其中，塑料尤其在其穩定性和熱特性方面是有缺點的，然而鋼尤其在電磁兼容性方面是受到挑剔的。此外在所有迄今為止所應用的材料中尤其是內應力被看做是有缺點的。因此本發明的任務在于，提供一種光學件載體，其同時具有較高的機械和熱負荷能力，有良好的電磁兼容性，具有較高使用壽命，能以較高精度制造并且能按照簡單方式進行安裝。

發明內容
根據本發明該任務將如此解決，S卩，所述光學件載體是陶瓷的光學件載體，其優選按照陶瓷注塑成型工藝(Ceramic Injection Molding-Verfahren)進行制造。這種制造工藝實現了由陶瓷材料制成的復雜構件的造型，這種造型利用傳統的陶瓷制造工藝迄今為止無法實現。在此，Al2O3以及Al2O3和^O3的混合物已被證實作為適當的材料。陶瓷材料相對于迄今為止所應用的材料的特征在于特別高的強度。在應用Al2O3 時彈性模量為390000N/m2。所述陶瓷的熱特性也非常適合，這是因為在具有30W/mK的較高導熱性的情況下其僅具有8. 2 μ m/mK的熱膨脹系數。因而熱膨脹特別小，與此同時較高的導熱性使得熱量均勻地分布在整個光學件載體上。由此光學件載體在加熱時經歷沒有變形的均勻的長度改變。此外陶瓷是絕緣體，因而通過光學件載體排除了電磁不兼容的危險。另外陶瓷具有較強的可粘合性，它比所有迄今為止所應用的材料都有優勢。因為陶瓷構件在制造中被燒結，也就是在高溫下進行硬化，因而它們幾乎無應力， 從而不會出現由于應力松弛所導致的光學系統失調。此外按照陶瓷注塑成型工藝制造的陶瓷的受到制造限定的精度特別高，并且該精度等同于應用鋼時產生的精度。總而言之，陶瓷的光學件載體與傳統材料制造的光學件載體相比在幾乎所有所述方面都占優勢。在本發明的另一構造方式中，所述光學件載體由至少在波長范圍內至少局部透光的陶瓷制成，尤其由UV透光的陶瓷制成。這實現了對于光固化的粘合材料的應用，以便將其他自身不透光的組件安裝在光學件載體上。這種粘合劑在現有技術中廣泛應用并且基于其易操作性非常適合于一種粘合連接過程。例如在應用Al2O3陶瓷時，在材料厚度為最大 2mm情況下可以有足夠的光照，其中，Al2O3對于波長包括350nm至635nm的寬波長范圍是局部透光的。此外透鏡保持部可以與所述光學件載體集成地進行構造。一體式的實施方式降低了出現的制造公差，并且保持在所述透鏡保持部中的透鏡以改善了的強度被保持在光學件載體上。另外省略了用于連接所述透鏡保持部和光學件載體的安裝步驟，這降低了光學測量設備的制造成本和廢品率。在本發明的一種可選擇的構造方案中，透鏡保持部單獨地進行設置并且能夠與所述光學件載體連接，其中，所述透鏡保持部具有用于至少一個透鏡的筒管形的容納部。所述筒管形的容納部尤其可以用于容納兩個彼此連續排列的透鏡。因而在所述透鏡保持部中也可以實現復雜的光學特性。在此出于制造原因被證實為有利之處在于，透鏡相應地從對置的端部區域插入到所述透鏡保持部中。因而可應用的透鏡的選擇不局限于那些可以穿過所述容納部而安裝在外側上的透鏡。
所述光學件載體在其基體上可以附加具有至少一個軸向的凸出部和電子光學的發射及接收單元、與所述基體的所述凸出部相對應的凹口，它們在組裝狀態下彼此嵌合。在此，所述電子光學的發射及接收單元可以包括電路板，所述凹口設置在電路板中。因而簡化了所述電子光學的發射及接收單元在基體上的安裝并且提高了定位精度。在所述電路板上設置激光二極管和光敏二極管，例如APD用于發射或接收光線。在此所述凸出部和凹口優選地設置在激光二極管附近，進而為其實現特別準確的定位。在所述基體的外側上也可以設有定位及固定元件，利用所述定位及固定元件能夠將透鏡、尤其是準直透鏡安裝在所述基體上。通過與基體的直接連接可以簡單地安裝準直透鏡，尤其通過粘合工藝來實現。最后在所述基體中可以設置至少一個在所述端部區域之間延伸的容納部，具有帶通濾波器的管體能夠插入到所述容納部中。因而所述管體能夠按照簡單的方式定位在光學路徑中，并且可以將附加的光學元件安裝在所述光學路徑中。通過應用具有管形外殼的管體可以保證屏蔽所述光學路徑。


關于本發明其它有利的構造方案可參考從屬權利要求以及根據附圖作出的對實施例的以下描述。附圖中圖1以分解圖示出根據本發明的第一實施方式的具有發射及接收系統的光學件載體；圖2以縱剖圖示出根據圖1的組合構件，其具有安裝在其上的光學組件；圖3示出根據圖1的組合構件，其具有設置在其上的顯示器用于安裝在激光測距儀的殼體中；圖4以立體圖示出根據本發明的第二實施方式的本發明的光學件載體，所述光學件載體與透鏡保持部構造為一體式的；以及圖5以分解圖示出根據圖3的光學件載體，其具有發射及接收單元。
具體實施例方式圖1和圖2示出了根據本發明第一實施方式的、用于激光測距儀M的、具有發射及接收系統的光學件載體1。光學件載體1由Al2O3陶瓷制成，并且按照陶瓷注塑成型工藝進行制造。另選地也可以應用由Al2O3和制成的陶瓷。光學件載體1包括具有管形的容納部3的基體2，該管形的容納部3沿軸向貫穿基體2。具有保持在其中的帶通濾波器5的管體4插入到所述管形的容納部3中。沿側向在光學件載體1上設有兩個定位及固定元件6，利用這兩個定位及固定元件6使得具有保持部7的準直透鏡定位在基體2上，并且利用夾持連接機構固定在其上。此外在光學件載體1上，將一種參考翻轉元件8固定在準直透鏡的具有保持部7的一側上。在基體2的對置的側面上設置一種目標光學組件，該目標光學組件具有楔形棱鏡9和帶電路板10的偏向棱鏡。在端側上，基體2具有兩個端部凸緣11、12。一種透鏡保持部13被固定在前端部凸緣11上。該透鏡保持部13包含前板14，在前板14中設置筒管狀的容納部15以及右側和左側的窗口 16A、16B。兩個透鏡17保持在所述筒管狀的容納部15中。此外透鏡保持部13具有帶U形橫截面的兩個側向固定元件18， 利用這兩個側向固定元件18使得透鏡保持部13插裝在光學件載體1的前端部凸緣11上。 在連接區域中，固定元件18固定夾持在前端部凸緣11上。后端部凸緣12具有四個遠離基體2指向的凸出部19，用于安裝一種發射及接收單元20，在該附圖中僅可見到其中的3個凸出部19。所述發射及接收單元20包含電路板21， 該電路板21面對光學件載體1的一側具有激光二極管22和光敏二極管(APD) 23。在電路板21中設有四個圓形連接孔M，這些連接孔M和后凸緣12上的凸出部19相互對應。在安裝時，凸出部19與連接孔M彼此接合，并且所述發射及接收單元20通過一種夾持連接機構固定在光學件載體1的后端部凸緣12上。在組裝狀態下，激光二極管22、后端部凸緣12的通過部25、具有保持部7的準直透鏡、參考翻轉元件18和右側窗口 16A位于一軸線上，該軸線構成了用于由激光二極管22 發射的光線的發射路徑。在此，準直透鏡7用于將由激光二極管22發射的光線匯聚成平行的光束。在參考翻轉元件8中對所發射的激光執行參考測量，用于校準激光測距儀M。激光束通過右側窗口 16A無變化地射出，作為透鏡的盤片插入到所述右側窗口 16A中。所發射的激光在未示出的對象上生成光點，由激光測距儀M探測該光點。一種接收路徑用于此目的，該接收路徑延伸穿過兩個透鏡17和具有在其中保持的帶通濾波器5的管體4直至光敏二極管23。所述兩個透鏡17使得到達的光線聚焦到光敏二極管23上。在通過所述帶通濾波器5時，盡可能濾出波長不同于通過激光二極管22發射的光線的光部分，從而使得僅由激光二極管22所發射的光照射到光敏二極管23上并在那里探測該光線。光學的目標測量路徑沿著一軸線延伸，該軸線由左側窗口 16B、前端部凸緣11中的通孔沈、楔形棱鏡9和帶電路板10的偏向棱鏡構成。由此可以精確地瞄準所要測量的對象并且保證激光照射到所期望的對象上。在圖3中以其整體示出所述測量設備。該測量設備包括具有操作單元觀的殼體 27，該殼體具有端側開口四。此外設有測量單元30，該測量單元30作為中央元件包含前述光學件載體1，該光學件載體具有保持在其上的組件。光學件載體1由U形顯示器保持部 31包圍，該顯示器保持部將顯示器32保持在其邊柱的自由端部之間。安裝在光學件載體1 上的透鏡保持部13在其外側由安裝在該顯示器保持部31上的橡膠套33包圍。測量單元 30從敞開的端側插入到殼體27中，其中，橡膠套33封閉端側開口四。在殼體27中附加地設置未示出的能量供給單元。在圖4和圖5中示出根據本發明的第二實施方式的光學件載體1'。第二實施方式的光學件載體1與第一實施方式的光學件載體幾乎相同，因而用相同的附圖標記標識相同的構件。光學件載體1'包含具有兩個側向的定位及固定元件6的基體2，具有保持部7的準直透鏡如前述保持在這兩個側向的定位及固定元件上。在其前端部上，基體2與透鏡保持部13實施為一體式的。透鏡保持部13如在第一實施方式中那樣，包含具有中央的筒管狀的容納部15和兩個側向窗口 16A、16B的前板14。透鏡17從外部插入到筒管狀的容納部 15中。在基體2背側的端部上設置后端部凸緣12，該后端部凸緣與第一實施方式的后端部凸緣以相同方式構造。與第一實施方式的發射及接收單元相同的一種發射及接收單元20被安裝在該后端部凸緣上。 盡管光學件載體Γ與第一實施方式的光學件載體相比有很小的結構差別，然而單個組件的設置方式前述實施例中的設置方式相同。因而原則上得到相同類型的光學軸線以及單個組件的相同類型的工作方式。在第二實施方式中，未明確示出的參考翻轉單元和目標光學組件如前述那樣安裝在光學件載體1'上。測量設備Μ，正如先前在結合圖3對于第一實施方式中已描述的那樣，其功能與第一實施方式的測量設備相同。
權利要求
1.光學件載體(1、1')，尤其是用于光學的測量設備(M)，所述光學件載體具有基體 O)，在所述基體上設有用于固定一種電子光學的發射及接收系統的裝置，其特征在于，所述光學件載體(1、1')是陶瓷的光學件載體。
2.根據權利要求1所述的光學件載體(1、1')，其特征在于，在所述基體( 的外側上設有定位及固定元件(6)，利用所述定位及固定元件能夠將透鏡(7)、尤其是準直透鏡安裝在所述基體( 上。
3.根據權利要求1或2所述的光學件載體(1、1')，其特征在于，所述基體(2)具有至少一個軸向的凸出部(19)，用于固定電子光學的發射及接收單元00)。
4.根據前述權利要求之一所述的光學件載體(1、Γ)，其特征在于，所述光學件載體 (1>1')由至少在波長范圍內至少局部透光的陶瓷制成，尤其由透光的陶瓷制成。
5.根據權利要求4所述的光學件載體(1、1')，其特征在于，所述光學件載體(1、1') 由Al2O3陶瓷或者Al2O3和陶瓷制成。
6.根據前述權利要求之一所述的光學件載體(1、Γ)，其特征在于，透鏡保持部(13) 集成地與所述光學件載體(1、1')進行構造。
7.根據權利要求1至6之一所述的光學件載體(1、1')，其特征在于，設置透鏡保持部(13)并且其具有用于至少一個透鏡(17)的筒管形的容納部(14)，其中，所述光學件載體 (1、1')能夠與所述透鏡保持部(1 連接。
8.根據權利要求7所述的光學件載體(1、1')，其特征在于，所述筒管形的容納部 (14)用于容納兩個彼此連續排列的透鏡(17)，該透鏡能夠從對置的端部區域插入到所述透鏡保持部(13)中。
9.根據前述權利要求之一所述的光學件載體(1、1')，其特征在于，在所述基體(2)中設置至少一個在所述端部區域之間延伸的容納部(3)，具有帶通濾波器( 的管體(4)能夠插入到所述容納部中。
10.光學的測量設備(M)，尤其是激光測距儀，其具有透鏡保持部(13)、光學件載體(1、 1')和發射及接收系統，其特征在于，構造根據前述權利要求之一所述的光學件載體(1、 1')。
11.根據權利要求10所述的光學的測量設備，其特征在于，構造根據權利要求6所述的光學件載體(1、1')，所述發射及接收系統包括電路板(21)，所述電路板具有激光二極管 (22)和光敏二極管(23)、尤其是APD，并且所述電路板具有與所述基體(2)的所述凸出部(19)相對應的凹口(M)，所述凸出部(19)插入到所述凹口中。
12.用于根據權利要求1至9之一所述的光學件載體(1、1')的制造方法，其特征在于，所述光學件載體(1、1')按照陶瓷注塑成型工藝進行制造。
13.根據權利要求12所述的制造方法，其特征在于，所述陶瓷注塑成型工藝利用Al2O3 陶瓷、尤其是Al2O3和陶瓷來實施。
全文摘要
尤其用于光學的測量設備(M)的光學件載體具有基體(2)，在所述基體上設有用于固定一種電子光學的發射及接收系統的裝置，其中，所述光學件載體(1.1、1′)是陶瓷光學件載體。
文檔編號G01S7/481GK102362195SQ201080013347
公開日2012年2月22日 申請日期2010年1月26日 優先權日2009年3月23日
發明者J·施蒂爾勒, P·沃爾夫, U·斯庫爾特蒂-貝茨 申請人:羅伯特·博世有限公司