一种线宽可调的激光标线仪

　　近年来，随着机械制造、建筑装潢、轮胎生产等领域的迅速发展，传统手工划线的方法已经为激光标线仪所取代。

　　1 激光标线原理

　　激光的发散度小，将激光传输到一个较远的光屏上仍可得到一个小的光斑，但在木板的加工和装修业中，要求光斑为一直线，下面利用透镜成像原理叙述激光标线仪原理。

　　激光源采用半导体激光器(670 nm)，用一柱透镜会聚一束截面为圆的平行光束，则在透镜焦点后的光屏上可得到一直线，且光屏距透镜焦点越远，该直线就越长。

　　设该光束的发散角为 θ，透镜焦距为 f，则聚焦光斑的大小为：

　　由式(1)知θ越小，则 ω0越小，聚焦后发散角就会越大，所得到的直线就会越长;尽管半导体激光的发散度很小，但为提高光束的平行度，仍需在经透镜聚焦前加一准直望远镜系统，进一步压缩光束发散角。另外调整望远镜系统还可使光束在距离标线仪一定距离的Y 方向成像，这样直线的两边更加清晰。光学系统如图 1 所示。

　　激光经 F1、F2组成的望远镜系统准直并经柱透镜 F3会聚后，在 X 方向发散，最终在距系统为 Ls 的光屏处形成一条直线。柱透镜F3的焦距越短，激光光斑形成的直线越长。

　　2 误差分析

　　由于仪器加工和装配的影响，激光标线仪的出射平面会偏离基准平面，影响仪器的精度。在使用过程中，激光标线仪的主要性能指标之一为激光线的弯曲度。如果激光束与玻璃棒不垂直，如图 2 所示，玻璃棒在 XOZ 平面内微倾，则出射的扇形水平平面不水平。经观察可知，激光束在远处的投影为一曲线，且当玻璃棒沿顺时针方向微倾时，曲线向上弯曲;当玻璃棒沿逆时针方向微倾时，曲线向下弯曲。设倾斜角 γ 为水平激光线的弯曲角度。

　　为了得到玻璃棒的倾角与出射曲线之间的关系，需要研究光线斜入射到圆柱面的折射情况。如图 3 所示，光线 BN 经柱透镜面折射后为 NB′，法线 ONO′是入射点 N 和对应的圆柱截面圆的圆心连线。BN 与 XZ 和 XY 平面的夹角分别为 θ 和 Ψ，NB′与 XZ 和 XY 平面的夹角分别为 θ 和 Ψ′，则：

　　如果把 BN 分解为沿 Y 向的 BC 和 ZOX 面内的 CN 两个分量，则由式(2)可知，斜入射的光线沿 Y 向仍遵守折射定律。而激光束通过玻璃棒时，在柱面上发生了两次折射，因此，出射光束沿 Y向的倾角仍为 θ，与入射角相等。

　　由此可知，与 YOZ 平面成 θ 入射的一束平面光，虽然不同光线的入射点高度相同，光线经玻璃棒后的偏移也不同，但因为入射角和玻璃棒直径都很小，差异可忽略，即认为所有光线仍从同一高度以同倾角 θ 出射。