用于定位部件的靶板转让专利
申请号 : CN200680045734.5
文献号 : CN101322010B
文献日 : 2010-11-10
发明人 : 于尔格·欣德林 , 彼得·基佩弗 , 安东·克尔 , 杰弗里·维克托·哈宁顿 , 克劳斯·施奈德
申请人 : 莱卡地球系统公开股份有限公司
摘要 :
一种根据本发明的用于定位部件，特别是管道(R1，R2)的靶板(Z)，具有作为全息扩散片的全息光学元件。扩散片可用于将入射在靶板(Z)上的呈参考光束(RS)的形式的光线非常准确并且几乎无损耗地引导到限定的立体角度区域(dΩ)中。扩散片也可具有随机分布的结构，并且可因而均匀照亮立体角度区域(dΩ)。靶板(Z)增加了入射参考光束(RS)的可见性；参考光束(RS)也能够与位置无关地可见。
权利要求 :
1.一种靶板(Z，Z1，Z2，Z3)，该靶板(Z，Z1，Z2，Z3)用于定位部件，该靶板(Z，Z1，Z2，Z3)包括：可选的支架(H)，该支架(H)用于布置在所述部件上或所述部件中，第一光学透明表面(F1)，和
第二光学透明表面(F2)，该第二光学透明表面(F2)具有靶标记(ZM)，该靶标记用于使由光束源发射的参考光束(RS)可见，所述靶板的特征在于，所述靶板(Z，Z1，Z2，Z3)具有全息光学元件，该全息光学元件用于使所述参考光束(RS)发散和衍射到限定的立体角度区域(dΩ，dΩ′，dΩ″)中，所述全息光学元件以这样的方式形成：对于激光光束相位，为了减小三维相干，进行至少部分相位破坏。
2.根据权利要求1所述的靶板(Z，Z1，Z2，Z3)，其特征在于，如此形成所述全息光学元件，以使得该全息光学元件可光学透射。
3.根据权利要求1或2所述的靶板(Z，Z1，Z2，Z3)，其特征在于，所述全息光学元件具有：全息板，或
全息片，或
全息膜。
4.根据权利要求1或2所述的靶板(Z，Z1，Z2，Z3)，其特征在于，所述全息光学元件具有至少一个计算机产生的全息图。
5.根据权利要求1或2所述的靶板(Z，Z1，Z2，Z3)，其特征在于，所述全息光学元件具有混合级衍射结构。
6.根据权利要求1或2所述的靶板(Z，Z1，Z2，Z3)，其特征在于，所述全息光学元件具有可铸造的表面浮突。
7.根据权利要求1或2所述的靶板(Z，Z1，Z2，Z3)，其特征在于，所述全息光学元件以这样的方式形成：激光光束(RS)在以下形状的立体角度区域(dΩ，dΩ′，dΩ″)中进行发散和衍射：正方形，或
矩形，或
椭圆形，或
圆形。
8.根据权利要求1或2所述的靶板(Z，Z1，Z2，Z3)，其特征在于，所述立体角度区域(dΩ，dΩ′，dΩ″)包括至少一个：±45°的水平角度范围，和/或
±45°的垂直角度范围。
9.根据权利要求1或2所述的靶板(Z，Z1，Z2，Z3)，其特征在于，所述全息光学元件以这样的方式形成：在被照射的立体角度区域(dΩ，dΩ′，dΩ″)中的光线分布具有：均匀/恒定分布，
余弦分布，
余弦n次幂分布，
双极分布，
四极分布，或
朗伯分布。
10.根据权利要求1或2所述的靶板(Z，Z1，Z2，Z3)，其特征在于，零级衍射中的光功率小于2％。
11.根据权利要求1或2所述的靶板(Z，Z1，Z2，Z3)，其特征在于，针对参考光束(RS)相对于所述靶板(Z，Z1，Z2，Z3)的从+15度到-15度的入射角度范围，散射效率减小不超过10％。
12.根据权利要求1或2所述的靶板(Z，Z1，Z2，Z3)，其特征在于，所述全息光学元件布置在所述第二表面(F2)上。
13.根据权利要求12所述的靶板(Z，Z1，Z2，Z3)，其特征在于，所述全息光学元件被配置为粘在所述第二表面(F2)上。
14.根据权利要求1所述的靶板(Z，Z1，Z2，Z3)，其特征在于，所述定位部件是管道。
15.根据权利要求1所述的靶板(Z，Z1，Z2，Z3)，其特征在于，所述靶板(Z，Z1，Z2，Z3)包括的所述支架(H)同中心地布置在所述定位部件上或所述定位部件中。
16.一种光学系统，该光学系统用于定位部件，该光学系统包括：光束源，用于发射参考光束(RS)，和
根据前述权利要求1-15任一项所述的靶板(Z，Z1，Z2，Z3)。
17.根据权利要求16所述的光学系统，其特征在于，所述定位部件是管道(R1，R2)。
说明书 :
技术领域
本发明涉及根据权利要求1前序部分的用于定位部件的靶板和相应的光学系统。
背景技术
在现有技术中，工件、部件或建筑机器的定位和对准通常通过光学系统实现，所述光学系统提供快速、准确和非接触测量的优点。定位可通过例如由所述系统确定位置实现，但是定位也通常相对于由发送器发出的可见光线“直接”进行。因而例如通过已定位和对准的激光发射器发射用于产生参考轴的激光光束，或例如通过旋转激光形成参考平面。为确定位置或使光线可见，通常使用有源或无源的靶元件。
在管道的构建中，光学系统，通常为包括管道结构激光和靶板的激光参考系统，也优选地用于管道的准确铺设。激光光束的对准通常相对于重力岩心提取器(gravity corer)进行，从而这样的激光装置通常设有倾斜传感器。激光与在起动轴中的管道准确对准或同中心对准。通过所述激光，于是可能产生作为参考轴的参考光束，进一步用于待铺设的管道。为此，将靶板插入管道中。靶板在管道面向工人的、与起动轴相对的端部处同中心地安装在管道上或管道中。如果激光参考光束击中靶板的通常是压印的靶标记的中心，则管道正确定位并对准。
通常，管道的铺设是如下进行的：挖土机或起重机操作者将管道下降到管沟内，同时工人站在管沟中或紧临管沟站立，并且监控管道的位置和对准。他下指令给操作员，并且如果必要的话，手动校正管道的位置。所述监控基于固定在管道上/管道中的靶板上的参考信号实现。如果像现有技术的装置中那样，准直的激光光束聚焦在靶板(例如聚焦屏)上形成圆形，则如果工人想要检测管道相对于光束的位置话，那么工人的视线必须沿光束的轴线。因此，工人必须位于管沟中，或持续地弯着腰以便对准管道。在管沟不可进入的情况下，通过这样的装置来定位不可行。
为了使工人能够在直立姿态下或在远离管道纵轴的位置接收信号，美国5,095,629描述了一种靶和靶板系统，其发射入射激光辐射，并且使其偏转到已对准的圆锥形角度范围内。为此，在靶表面上引入结构以便在特定方向、例如在直立的工人方向上引导光束。靶表面结构具有周期点阵，因此具有在预定角度范围内以高度不规则的亮度散射光辐射的缺点。在特定方向或在特定角度，工人感觉目眩，而在直接相邻的角度，靶板上的光斑几乎不可见。这些亮度的变化使工人感到难受。而且，这样的靶在与应用不相关的方向上产生非常大的“旁瓣”，这意味着发射的光束在强度方面相应地减弱。而且，这样的具有宏观结构的靶易受例如灰尘、湿气或机械磨损等环境影响。因此表面必需使用盖板保护，从而导致复杂的设计。而且，表面结构设计成用于在预定角度范围内散射光辐射；在偏离相应位置的情况下，光束发射太弱，或者根本不可检测到。
DE 20 2004 000 503 U1描述了一种具有摄像机的光学系统，在所述光学系统中，光轴平行于待铺设管道的纵轴严格对准，并且所述摄像机的物镜指向管道开口方向。平面的、部分光学透明的显示屏布置在摄像机和管道之间，所述显示屏由摄像机锐利聚焦，并且显示在摄像机的视频显示器上。操作者可识别激光在显示屏上的入射点，并且据此对准待铺设的管道。根据通过电缆或无线电通信远程观察的可能性，不再需要人在现场管沟中。但是，摄像机是复杂的灵敏光学装置，其在粗陋的建筑工作过程中容易损坏。而且，在管道端部处的光学系统需要供电，从而不可避免使用更复杂。而且，所述系统需要由工人在建筑现场相应安装和操作，这和其他因素一起可能阻碍操作顺利进行。
在管道的构建中，光学系统，通常为包括管道结构激光和靶板的激光参考系统，也优选地用于管道的准确铺设。激光光束的对准通常相对于重力岩心提取器(gravity corer)进行，从而这样的激光装置通常设有倾斜传感器。激光与在起动轴中的管道准确对准或同中心对准。通过所述激光，于是可能产生作为参考轴的参考光束，进一步用于待铺设的管道。为此，将靶板插入管道中。靶板在管道面向工人的、与起动轴相对的端部处同中心地安装在管道上或管道中。如果激光参考光束击中靶板的通常是压印的靶标记的中心，则管道正确定位并对准。
通常，管道的铺设是如下进行的：挖土机或起重机操作者将管道下降到管沟内，同时工人站在管沟中或紧临管沟站立，并且监控管道的位置和对准。他下指令给操作员，并且如果必要的话，手动校正管道的位置。所述监控基于固定在管道上/管道中的靶板上的参考信号实现。如果像现有技术的装置中那样，准直的激光光束聚焦在靶板(例如聚焦屏)上形成圆形，则如果工人想要检测管道相对于光束的位置话，那么工人的视线必须沿光束的轴线。因此，工人必须位于管沟中，或持续地弯着腰以便对准管道。在管沟不可进入的情况下，通过这样的装置来定位不可行。
为了使工人能够在直立姿态下或在远离管道纵轴的位置接收信号，美国5,095,629描述了一种靶和靶板系统，其发射入射激光辐射，并且使其偏转到已对准的圆锥形角度范围内。为此，在靶表面上引入结构以便在特定方向、例如在直立的工人方向上引导光束。靶表面结构具有周期点阵，因此具有在预定角度范围内以高度不规则的亮度散射光辐射的缺点。在特定方向或在特定角度，工人感觉目眩，而在直接相邻的角度，靶板上的光斑几乎不可见。这些亮度的变化使工人感到难受。而且，这样的靶在与应用不相关的方向上产生非常大的“旁瓣”，这意味着发射的光束在强度方面相应地减弱。而且，这样的具有宏观结构的靶易受例如灰尘、湿气或机械磨损等环境影响。因此表面必需使用盖板保护，从而导致复杂的设计。而且，表面结构设计成用于在预定角度范围内散射光辐射；在偏离相应位置的情况下，光束发射太弱，或者根本不可检测到。
DE 20 2004 000 503 U1描述了一种具有摄像机的光学系统，在所述光学系统中，光轴平行于待铺设管道的纵轴严格对准，并且所述摄像机的物镜指向管道开口方向。平面的、部分光学透明的显示屏布置在摄像机和管道之间，所述显示屏由摄像机锐利聚焦，并且显示在摄像机的视频显示器上。操作者可识别激光在显示屏上的入射点，并且据此对准待铺设的管道。根据通过电缆或无线电通信远程观察的可能性，不再需要人在现场管沟中。但是，摄像机是复杂的灵敏光学装置，其在粗陋的建筑工作过程中容易损坏。而且，在管道端部处的光学系统需要供电，从而不可避免使用更复杂。而且，所述系统需要由工人在建筑现场相应安装和操作，这和其他因素一起可能阻碍操作顺利进行。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于部件特别是管道或支撑系统相对于参考光束定位的靶板，所述靶板改善参考光束的可见性。
另一个目的是简化设计、容易操作、对误操作不敏感的靶板。
再一个目的是提供一种光学系统，包括用于发射参考光束的光源和用于改善其特别是在白天的可见度的靶板。
这些目的通过本发明请求保护的技术方案实现，或者进一步开发技术方案来实现。
根据本发明，靶板具有第一和第二表面和光学全息元件，所述第一和第二表面形成为可光学透射，并且所述第二表面具有靶标记。而且，用于将靶板布置在待定位部件上或部件中的支架或固定装置可设置在靶板上，所述部件在靶板的辅助下定位。但是，靶板也可插入外部支架/固定装置中。
为了定位部件，辐射源发射出参考光束。辐射源优选为激光发射器。但是当激光在下文被称为光源时，不排除其他源，并且也可使用其他源作为替代。激光的位置和发射方向可调节。因而，可能产生建立参考轴的光束。
在管道的构建中，激光可根据计划的管道系统调节，例如根据管道系统计划调节，或者相对于已经铺设的管道布置。如果管道或管道部分已经按照计划铺设，则激光定位在第一管道开口中，并且管道的纵轴通过所发射的参考光束来跟踪。因而，其他管道可在其第二开口处连接到已经铺设的管道，并且可相对于参考轴布置，保持相对于垂直方向的精确倾斜度。为了准确定位管道，靶板可通过将其布置在待铺设管道的非连接开口处来使用。该布置以这样的方式来实现，以使得管道纵轴、即管道中心与靶板的靶标记重合。为了布置靶板，可提供其与管道的位置稳定的连接。这可通过支架来实现，所述支架可固定在管道上或以稳定方式设置在管道中，并且优选设置有水平仪。同样地，固定元件可直接安装在靶板上或靶板可已经具有任选地与所述靶板一体形成的固定设备。理论上来说，可使用所有类型的固定或连接，特别是适合于管道或待定位部件的横截面的组件。
靶板具有第一和第二光学透明表面。所述表面形成靶板基体的前面和后面；例如，其可以是玻璃主体的前面和后面。从功能角度看，光学透明的塑料元件用作靶板主体很有利。两个表面的主体可以多种几何形状形成，例如形成为矩形、正方形或盘状。其也可以适合于待定位部件的几何形状，例如在管道作为部件的情况下，适合于管道横截面的尺寸和形状。
前面或第一表面为面向或将要面向辐射源的表面，而后面或第二表面优选地基本平行于所述第一表面，并且面向与所述第一表面相反的方向。所述基体的优选横截面，特别地，由于其可简单和经济地制造，为矩形或正方形，但是不排除在某些情况下有利的其他几何形状。
所述透明的无色或有色的基体为光学透明，例如包括塑料或玻璃。入射在第一表面上的光辐射通过对光辐射透明的表面，并且也通过所述第二透明表面。所述光辐射最终在所述第二表面上可见，例如为可见的圆。
根据本发明，靶板具有全息光学元件，下面称为HOE，通过所述元件，在限定的立体角度范围内，产生、扩展并且衍射所述第二表面上的可见“光斑”。
根据本发明，所述立体角度区域(dΩ，dΩ′，dΩ″)包括至少一个：±45°的水平角度范围，和/或±45°的垂直角度范围。
全息光学元件为具有将入射光辐射转换为复杂三维形式的波场的性能的全息记录。例如，可仿效如透镜、光栅、反光镜或分光器的光学元件的性能。但是特别地，有可能是破坏激光波的三维相干的全息结构。只有通过该元件，光斑才变得在全息图平面中可见。与传统的光学系统相比，HOE也使得可能实现比至今未实现的复杂得多的光束导向。特别要提到，实际上允许任何形式的衍射波场的数字的、计算机产生的全息图。
但是至今，全息图、包括合成全息图不能根据需要(例如在根据本发明的情况下)产生大的偏转角。而且至今，在HOE上的参考光束入射角对衍射效率和衍射行为具有不利影响。因此，在全息图之后，散射光锥的形状被破坏。虽然有限的波长范围产生其他问题，但是必须能够根据需要、同时针对各种颜色的激光使用普通类型的靶板。还有一个缺点为在阳光下缺乏UV稳定性。
今天可得到不再具有所述缺点的合成HOE。通过亚微米范围内的非常精细的结构，有可能产生大于0.6的数值孔径或＞75度的扇形角。而且，通过所谓的“谐衍射结构”，在所要求的光谱范围上消除色差。这样的“谐衍射结构”为第一级和更高级衍射的结构的组合。随机化的，即高度无周期性的衍射结构支持准消色差光束偏转。不管获得的消色差性如何，最近已经有可能抑制HOE板上的入射角度选择性。具有“谐衍射结构”的表面是准二维的，从而可避开与三维结构相关的布拉格条件。在HOE之后的光波场达到第一近似值，所述第一近似值与全息表面相对于参考光束的倾斜度无关。
用于生产合成HOE的有效工艺构成又一个优点。今天，例如，可从由热塑性和热硬化塑料组成的材料组获得各种光学塑料，并且所述光学塑料可通过注模成型、挤压成型或压制花纹来经济地并且大量地加工以产生HOE。通过新颖的化学添加剂，例如抗氧化剂或HALS(空间位阻胺)，还可确保其UV稳定性。
根据本发明的靶板的HOE呈用于准直激光光束的光学扩散片的形式。这样的全息扩散片可具有光束发散透镜的功能，或者与具有棱镜功能的结构组合，可将光束发散和光束引导相结合。同时，由于这些衍射效应，激光相位的三维相干减少。在相位全息图的情况下，至少部分相位关系的破坏基于大的偏转角所伴随的结构的伪随机布置，或者在振幅全息图的情况下，至少部分相位关系的破坏基于解相关散射中心，例如卤化银复合物。因此，由于HOE没有固定到光轴，有可能仿效漫散板的熵效应。根据本发明的HOE组件以已知的方式具有至少一个相位全息图或者具有微弱地吸收振幅的全息图，所述全息图具有下述性能：
高的传输效率，＞80％，
特定的立体角度分布，达到＞100度，
在散射光锥中的均匀光分布，
＜2％的零级能量，
与参考光束的偏振无关，
低三维相干的均匀度，
无莫尔现象，
在所需波长范围上消色差。
至少一个合成全息图可理论上记录或复制到所有已知的记录材料或者复印与复制材料上。
计算机产生的相位结构对制造具有所需性能的全息图是有利的。衍射结构形成为表面浮突，并且高效地产生所需要的光学性能。当然，光学近似地制备/记录和/或光学复制的全息图也是可以想到的。
合适的支撑材料为例如感光玻璃、感光乳剂或光学塑料。
通过注射成型、在保持压力下的注模成型或挤压成型的方法制备的塑料制品通常特别经济，并且具有所需要的散射性能。全息信息以表面结构的形式引入注射模具或压印模具。也可实现由复制品制造的全息图，所述复制品包括可UV固化的粘结剂、UV催化的无机—有机混合聚合体，比如溶胶—凝胶或适于复制的其他陶瓷类型物质等。
光学透明塑料，例如聚碳酸酯、聚酯和丙烯酸酯，和近期也日益增加的环烯(COC)和共聚多酯(COP)，也用于全息生产工艺。
因而，在用于生产模压全息图的工艺中，通过在例如光刻胶等特定的高分辨率记录材料上曝光，产生所谓的底版全息图(作为“原版”)，所述高分辨率记录材料的微细全息干涉结构可发展为表面浮突。通过电铸造，该表面浮突可以已知方式模压到例如镀金属的片中。因而可在反射片上提供模压成全息微细浮突的模压全息图。这样的模压全息图可机械复制，并且可因而便宜地长期生产。
但是由光刻胶转印的底版全息图也可通过刻蚀技术直接转印到下面的玻璃晶片内，并且这样的全息图具有关于其全息干涉结构的特别高的质量。
计算机产生的全息图，所谓的CGH，也是有利的，所述全息图通过计算机容易地计算，并且所计算的结构写入感光层。数字生产工艺在最近几年达到成熟。与模拟生产的全息图相比，通过数字方法形成的衍射效应形式灵活得多，并且确实实际上不受限制。而且，利用数字法极大地扩展了材料的范围。虽然在模拟全息摄影术的情况下需要具有感光记录层的照相材料，但是在数字方法中，图像信息可例如通过激光控制的光刻工艺转印到合适的支撑材料上。
通过该结构的合成生产，发出光束的形式的可能性显著扩展。而且，特别是对于多级浮突结构而言，可获得超过90％的衍射效率。
通过全息扩散片的适当设计，接收的光辐射可进一步非常均匀地分布在期望方向或期望立体角度范围。可消除所使用的辐射源的能量分布上的不规则性，并且也可基本消除反向散射和在期望范围以外的方向的散射，从而光辐射基本上在期望方向没有损耗地被引导。通过非散射光的损耗小于1％。因此有可能在水平和垂直方向上获得从非常精确控制的扩散片发出的光束能量分布。特别地，光束可以实际上任何期望的形式在立体角度区域中被引导。
如果全息扩散片的表面浮突在横向上具有不规则的结构，则可获得具有均匀光强的均匀光分布。另外，在轴向具有随机结构可提供更加与波长无关的散射效应。在散射锥形中的光分布可由浮突结构的类型和精度来构造。准同相混合物通过适当选择的随机结构而获得，在观察者位置处的光学相位差的差值有可能大于100波长(菲涅尔区的数量＞100)。散射锥因此由随机衍射锥构成，其中衍射级高度混合。在均匀照明的、垂直和/或水平扩展的立体角度区域的情况下，发散光束可从很多方向检测到。特别地，衍射结构可这样设计，以使得扩散片后面的辐射强度独立于散射角。因为与传统的扩散片相比较，透射和衍射或散射效率增加，例如增倍，所以亮度和光束可见性也相应增加。
其中光辐射通过全息光学扩散片来引导的立体角度区域可实际上根据需要通过扩散片结构构造。因而，可生产具有圆形、椭圆形、正方形或矩形的角度分布的扩散片。在圆锥形扇内的光分布可呈现为高帽式分布、余弦分布、余弦n次幂分布、双极分布或四极分布以及许多其他角度分布。
另一个目的是简化设计、容易操作、对误操作不敏感的靶板。
再一个目的是提供一种光学系统，包括用于发射参考光束的光源和用于改善其特别是在白天的可见度的靶板。
这些目的通过本发明请求保护的技术方案实现，或者进一步开发技术方案来实现。
根据本发明，靶板具有第一和第二表面和光学全息元件，所述第一和第二表面形成为可光学透射，并且所述第二表面具有靶标记。而且，用于将靶板布置在待定位部件上或部件中的支架或固定装置可设置在靶板上，所述部件在靶板的辅助下定位。但是，靶板也可插入外部支架/固定装置中。
为了定位部件，辐射源发射出参考光束。辐射源优选为激光发射器。但是当激光在下文被称为光源时，不排除其他源，并且也可使用其他源作为替代。激光的位置和发射方向可调节。因而，可能产生建立参考轴的光束。
在管道的构建中，激光可根据计划的管道系统调节，例如根据管道系统计划调节，或者相对于已经铺设的管道布置。如果管道或管道部分已经按照计划铺设，则激光定位在第一管道开口中，并且管道的纵轴通过所发射的参考光束来跟踪。因而，其他管道可在其第二开口处连接到已经铺设的管道，并且可相对于参考轴布置，保持相对于垂直方向的精确倾斜度。为了准确定位管道，靶板可通过将其布置在待铺设管道的非连接开口处来使用。该布置以这样的方式来实现，以使得管道纵轴、即管道中心与靶板的靶标记重合。为了布置靶板，可提供其与管道的位置稳定的连接。这可通过支架来实现，所述支架可固定在管道上或以稳定方式设置在管道中，并且优选设置有水平仪。同样地，固定元件可直接安装在靶板上或靶板可已经具有任选地与所述靶板一体形成的固定设备。理论上来说，可使用所有类型的固定或连接，特别是适合于管道或待定位部件的横截面的组件。
靶板具有第一和第二光学透明表面。所述表面形成靶板基体的前面和后面；例如，其可以是玻璃主体的前面和后面。从功能角度看，光学透明的塑料元件用作靶板主体很有利。两个表面的主体可以多种几何形状形成，例如形成为矩形、正方形或盘状。其也可以适合于待定位部件的几何形状，例如在管道作为部件的情况下，适合于管道横截面的尺寸和形状。
前面或第一表面为面向或将要面向辐射源的表面，而后面或第二表面优选地基本平行于所述第一表面，并且面向与所述第一表面相反的方向。所述基体的优选横截面，特别地，由于其可简单和经济地制造，为矩形或正方形，但是不排除在某些情况下有利的其他几何形状。
所述透明的无色或有色的基体为光学透明，例如包括塑料或玻璃。入射在第一表面上的光辐射通过对光辐射透明的表面，并且也通过所述第二透明表面。所述光辐射最终在所述第二表面上可见，例如为可见的圆。
根据本发明，靶板具有全息光学元件，下面称为HOE，通过所述元件，在限定的立体角度范围内，产生、扩展并且衍射所述第二表面上的可见“光斑”。
根据本发明，所述立体角度区域(dΩ，dΩ′，dΩ″)包括至少一个：±45°的水平角度范围，和/或±45°的垂直角度范围。
全息光学元件为具有将入射光辐射转换为复杂三维形式的波场的性能的全息记录。例如，可仿效如透镜、光栅、反光镜或分光器的光学元件的性能。但是特别地，有可能是破坏激光波的三维相干的全息结构。只有通过该元件，光斑才变得在全息图平面中可见。与传统的光学系统相比，HOE也使得可能实现比至今未实现的复杂得多的光束导向。特别要提到，实际上允许任何形式的衍射波场的数字的、计算机产生的全息图。
但是至今，全息图、包括合成全息图不能根据需要(例如在根据本发明的情况下)产生大的偏转角。而且至今，在HOE上的参考光束入射角对衍射效率和衍射行为具有不利影响。因此，在全息图之后，散射光锥的形状被破坏。虽然有限的波长范围产生其他问题，但是必须能够根据需要、同时针对各种颜色的激光使用普通类型的靶板。还有一个缺点为在阳光下缺乏UV稳定性。
今天可得到不再具有所述缺点的合成HOE。通过亚微米范围内的非常精细的结构，有可能产生大于0.6的数值孔径或＞75度的扇形角。而且，通过所谓的“谐衍射结构”，在所要求的光谱范围上消除色差。这样的“谐衍射结构”为第一级和更高级衍射的结构的组合。随机化的，即高度无周期性的衍射结构支持准消色差光束偏转。不管获得的消色差性如何，最近已经有可能抑制HOE板上的入射角度选择性。具有“谐衍射结构”的表面是准二维的，从而可避开与三维结构相关的布拉格条件。在HOE之后的光波场达到第一近似值，所述第一近似值与全息表面相对于参考光束的倾斜度无关。
用于生产合成HOE的有效工艺构成又一个优点。今天，例如，可从由热塑性和热硬化塑料组成的材料组获得各种光学塑料，并且所述光学塑料可通过注模成型、挤压成型或压制花纹来经济地并且大量地加工以产生HOE。通过新颖的化学添加剂，例如抗氧化剂或HALS(空间位阻胺)，还可确保其UV稳定性。
根据本发明的靶板的HOE呈用于准直激光光束的光学扩散片的形式。这样的全息扩散片可具有光束发散透镜的功能，或者与具有棱镜功能的结构组合，可将光束发散和光束引导相结合。同时，由于这些衍射效应，激光相位的三维相干减少。在相位全息图的情况下，至少部分相位关系的破坏基于大的偏转角所伴随的结构的伪随机布置，或者在振幅全息图的情况下，至少部分相位关系的破坏基于解相关散射中心，例如卤化银复合物。因此，由于HOE没有固定到光轴，有可能仿效漫散板的熵效应。根据本发明的HOE组件以已知的方式具有至少一个相位全息图或者具有微弱地吸收振幅的全息图，所述全息图具有下述性能：
高的传输效率，＞80％，
特定的立体角度分布，达到＞100度，
在散射光锥中的均匀光分布，
＜2％的零级能量，
与参考光束的偏振无关，
低三维相干的均匀度，
无莫尔现象，
在所需波长范围上消色差。
至少一个合成全息图可理论上记录或复制到所有已知的记录材料或者复印与复制材料上。
计算机产生的相位结构对制造具有所需性能的全息图是有利的。衍射结构形成为表面浮突，并且高效地产生所需要的光学性能。当然，光学近似地制备/记录和/或光学复制的全息图也是可以想到的。
合适的支撑材料为例如感光玻璃、感光乳剂或光学塑料。
通过注射成型、在保持压力下的注模成型或挤压成型的方法制备的塑料制品通常特别经济，并且具有所需要的散射性能。全息信息以表面结构的形式引入注射模具或压印模具。也可实现由复制品制造的全息图，所述复制品包括可UV固化的粘结剂、UV催化的无机—有机混合聚合体，比如溶胶—凝胶或适于复制的其他陶瓷类型物质等。
光学透明塑料，例如聚碳酸酯、聚酯和丙烯酸酯，和近期也日益增加的环烯(COC)和共聚多酯(COP)，也用于全息生产工艺。
因而，在用于生产模压全息图的工艺中，通过在例如光刻胶等特定的高分辨率记录材料上曝光，产生所谓的底版全息图(作为“原版”)，所述高分辨率记录材料的微细全息干涉结构可发展为表面浮突。通过电铸造，该表面浮突可以已知方式模压到例如镀金属的片中。因而可在反射片上提供模压成全息微细浮突的模压全息图。这样的模压全息图可机械复制，并且可因而便宜地长期生产。
但是由光刻胶转印的底版全息图也可通过刻蚀技术直接转印到下面的玻璃晶片内，并且这样的全息图具有关于其全息干涉结构的特别高的质量。
计算机产生的全息图，所谓的CGH，也是有利的，所述全息图通过计算机容易地计算，并且所计算的结构写入感光层。数字生产工艺在最近几年达到成熟。与模拟生产的全息图相比，通过数字方法形成的衍射效应形式灵活得多，并且确实实际上不受限制。而且，利用数字法极大地扩展了材料的范围。虽然在模拟全息摄影术的情况下需要具有感光记录层的照相材料，但是在数字方法中，图像信息可例如通过激光控制的光刻工艺转印到合适的支撑材料上。
通过该结构的合成生产，发出光束的形式的可能性显著扩展。而且，特别是对于多级浮突结构而言，可获得超过90％的衍射效率。
通过全息扩散片的适当设计，接收的光辐射可进一步非常均匀地分布在期望方向或期望立体角度范围。可消除所使用的辐射源的能量分布上的不规则性，并且也可基本消除反向散射和在期望范围以外的方向的散射，从而光辐射基本上在期望方向没有损耗地被引导。通过非散射光的损耗小于1％。因此有可能在水平和垂直方向上获得从非常精确控制的扩散片发出的光束能量分布。特别地，光束可以实际上任何期望的形式在立体角度区域中被引导。
如果全息扩散片的表面浮突在横向上具有不规则的结构，则可获得具有均匀光强的均匀光分布。另外，在轴向具有随机结构可提供更加与波长无关的散射效应。在散射锥形中的光分布可由浮突结构的类型和精度来构造。准同相混合物通过适当选择的随机结构而获得，在观察者位置处的光学相位差的差值有可能大于100波长(菲涅尔区的数量＞100)。散射锥因此由随机衍射锥构成，其中衍射级高度混合。在均匀照明的、垂直和/或水平扩展的立体角度区域的情况下，发散光束可从很多方向检测到。特别地，衍射结构可这样设计，以使得扩散片后面的辐射强度独立于散射角。因为与传统的扩散片相比较，透射和衍射或散射效率增加，例如增倍，所以亮度和光束可见性也相应增加。
其中光辐射通过全息光学扩散片来引导的立体角度区域可实际上根据需要通过扩散片结构构造。因而，可生产具有圆形、椭圆形、正方形或矩形的角度分布的扩散片。在圆锥形扇内的光分布可呈现为高帽式分布、余弦分布、余弦n次幂分布、双极分布或四极分布以及许多其他角度分布。
附图说明
根据本发明的靶板和光学系统将在下面参考在附图中示意性显示的工作示例仅以示例的方式更详细地描述，附图中，
图1表示根据本发明的在管道铺设中用作定位系统的光学系统；
图2A表示根据本发明的靶板的第一实施方式；
图2B表示根据本发明的靶板的第二实施方式；
图2C表示根据本发明的靶板的第三实施方式；
图3A-B表示具有特定照明角度区域的全息扩散片；
图4A-D表示用于立体角区域的几何形状，所述区域可由根据本发明的靶板照明。
图1表示根据本发明的在管道铺设中用作定位系统的光学系统；
图2A表示根据本发明的靶板的第一实施方式；
图2B表示根据本发明的靶板的第二实施方式；
图2C表示根据本发明的靶板的第三实施方式；
图3A-B表示具有特定照明角度区域的全息扩散片；
图4A-D表示用于立体角区域的几何形状，所述区域可由根据本发明的靶板照明。
具体实施方式
图1表示根据本发明的在管道铺设中的包括靶板Z的系统。作为辐射源的管道激光L沿已经铺设的第一管道R1的纵轴发射参考光束RS。根据本发明的靶板Z与第二管道R2同中心地固定。靶板Z具有两个表面：在参考光束RS的方向上并且在管道内部的第一表面和面向第二管道R2以外的第二表面F2，并且形成为对参考光束透明，例如由乳色玻璃或有色塑料形成。参考光束RS的位置显示在靶板Z的第二表面F2上。在该示例中，矩形靶板Z具有极坐标，即，对称地围绕其表面中点的多个同心圆形标记线，并且由于该布置与管道同中心，相对于管道轴线对称，从而极坐标网的原点为靶标记ZM。标记线印刷在第二表面F2上。如果靶标记ZM与显示在板上的参考光束RS重合，则第二管道R2相对于第一管道R1正确定位，如图中所示。为了铺设管道，后者(第一管道)通过例如起重机下降到预制的管沟中。在管沟中或邻近管沟的工人A向起重机操作员发出指令。为此，参考光束在靶板Z上的显示对于工人A必须可清晰识别。为了使板上的参考光束位置可更好地识别/可见，根据本发明，采用全息结构来实现所述板的第二表面F2上的全息光学元件，例如作为用于参考光束RS的限定发散的板。这里，该全息元件设计成具有这样的辐射特性，从而引导或导致参考光束RS按照水平和垂直地扩展的立体角度单元dΩ成圆锥形地扩散。对于工人A，参考光束RS在靶板Z上的位置因而可识别，甚至从远离管道或远离参考光束轴线的位置，例如管沟外部仍可识别。
根据本发明使用的全息靶板Z具有大衍射效率的优点；而且，在功能立体角度单元dΩ外部实际上没有辐射，这表明，与已知的扩散片相比较，参考光斑的可见性几乎被加倍。由于不仅在横向而且在深度方向随机化的全息结构，由全息图产生的视在光源的光束强度均匀，并且因此在功能立体角度单元dΩ内的可见性也均匀。由于在次波长范围中新颖的微细间隔的浮突结构，可获得达到大于50度的大偏转角度，从而参考光束RS甚至在大锥角处仍可见。
可见性的进一步提高可通过塑料支撑板的光学增亮来实现，例如，就像通过将荧光指示剂与光学塑料颗粒混合可实现的那样。
局部视图2A，2B和2C表示根据本发明的具有全息光学散射元件的靶板实施方式。除了平面结构，还可能使用不同的几何形状或表面作为根据本发明的靶板Z；因而，例如弯曲表面或扩展的三维体也可用作具有相同功能的靶板Z。
图2A表示根据本发明的靶板Z1的第一实施方式，其具有带平直拐角的支撑板TP作为靶板主体。支撑板TP由透明塑料制成，并且具有第一和第二表面F1′，F2’，圆形同心标记圆K，所述同心标记圆K具有极坐标系意义的象限划分，其中最里面的圆作为靶标记模压在第二表面F2’上。显示为灰色区域的全息扩散片D粘到第二表面F2’。扩散片D为透明片上的光束形成元件的形式，例如为透射式全息图形式。入射光由支撑板TP传送，在扩散片D中衍射，并且作为在预定立体角度区域中均匀发散的光束离开扩散片D。通过全息扩散片，入射光辐射被有效地散射，并且在预定的立体角度区域中基本上没有损耗。
图2B表示包括支架H中的板TP’的第二实施方式，所述板具有正方形全息扩散片层D’。在该支架H中，根据本发明的靶板Z2可容易地放置在管道中或其他部件中。通过支架H上的高度调节装置HV，靶板Z2可移位，从而使中心标记K2与部件轴线重合。在该第二实施方式中，代替极坐标系的线性直角坐标系模压在面向使用者的侧面上。提供水平仪W用于垂直设置。因而可设定或检查从参考光束偏离的倾斜度。
图2C表示根据本发明的作为圆形靶盘Z3的第三实施方式。两个表面的塑料体G形成靶盘Z3的基体。形成靶心ZZ的圆应用到塑料体G的一个表面。具有透射的由计算机生成的全息图的塑料支撑材料T是靶板Z3的全息扩散片，这里塑料支撑材料T也同样以盘形被切出，例如被冲出，并且因而适合于靶盘Z3的形状。在该实施方式中，根据本发明的靶盘Z3具有四个固定元件B1，B2，B3，B4。这些可以是可移动的，或者可以不可拆卸的方式、例如作为一体的部分连接到盘上。在所示的实施方式中，固定元件B1，B2，B3，B4具有用于将靶盘Z3固定到管道外壁的夹子，所述夹子在图中向后指向绘图平面以外。固定装置的长度可调节，因此可调节到不同的管道直径。可选实施方式通过径向弹簧缓冲器来提供，所述弹簧缓冲器可自动将靶盘Z3保持为中心对准管道。优选地，夹子的直径也可调节，因而适合于各种管道的壁厚。图2C在右侧以放大的平面视图表示固定元件B2的示例性夹子KL。
局部视图3A和3B显示了具有不同辐射特性的两个HOE。对于简单的技术方案，特别使用模压、注模成型或注射压印有全息图的全息光学元件，因为这可通过批量生产制备。在光刻制备结构的情况下，也可能已经在多个阶段中形成记录，并且因此可更精确，所述结构基于所谓的底版全息图再现，通过所述底版全息图，可进行数千至数十万次复制。该结构以及发射特征可实际上按照预期来选择。
在图3A中，利用全息扩散片板D″，可获得具有均匀恒定光强V分布的圆锥形照明角度区域dΩ′；在图3B中，光辐射由扩散片D″′引导在矩形区域dΩ″中，其中光强具有余弦或朗伯(Lambert)扩散。通过这样的全息光学元件，在具有高斯分布的光束形状的激光情况下，不规则光源的光辐射也可均匀化，即，不管激光辐射的入射点如何，都可均匀地并且以高强度照明各空间区域。在立体角度区域dΩ″以内具有朗伯分布的光强是有利的。在具有朗伯分布的光强V’的情况下，视在光源，具体而言是在靶板上的光斑，在任何视角看起来都平均地具有相同的亮度。通过全息扩散片的精确引导，可以以在期望形状的立体角度区域中实际上无损耗的方式引导光辐射，并且与传统的扩散片相比较，光辐射的可见度实际上增倍，这是因为实际上无光能散失，特别是在立体角度区域dΩ″外无光能消散。
角度区域的各种示例性几何形状表示在局部视图4A-4D中，在所述角度区域中光线可通过HOE来引导。线条标记光强为最大值的50％时的各锥形立体角度区域的宽度(FWHM＝full width halfmaximum，半最大值的全宽)。图4A和4B显示了椭圆形角度区域E1-E4，根据扩散片结构的不同，所述椭圆可具有不同的水平或垂直尺寸。光分布的光强可在锥形区域中呈现为任何期望形状。例如，在朗伯分布情况下，平均光强或可视亮度对于观察者是恒定的。在锥形区域外部，光强应为零，从而无辐射功率损耗。图4C表示圆形和正方形区域K1，Q1。图4D表示第一矩形R1和第一矩形被旋转90°而形成的第二矩形R2。显然，根据设计或形状的不同，HOE也可照亮其他非锥形角度区域。该可能性通过例如使用两个空间上分离的全息图而存在，例如所述全息图一个在支撑板的输入侧，另一个在输出侧。通过两个空间上分离的全息图，也可能完全破坏激光光束的三维相干。于是从可见光源到全息图对于观察者而言总激光功率显得消失了。这样的全息图布置也使得靶板上的光斑本身可被均匀化，而与激光光束的强度分布图无关。
根据本发明使用的全息靶板Z具有大衍射效率的优点；而且，在功能立体角度单元dΩ外部实际上没有辐射，这表明，与已知的扩散片相比较，参考光斑的可见性几乎被加倍。由于不仅在横向而且在深度方向随机化的全息结构，由全息图产生的视在光源的光束强度均匀，并且因此在功能立体角度单元dΩ内的可见性也均匀。由于在次波长范围中新颖的微细间隔的浮突结构，可获得达到大于50度的大偏转角度，从而参考光束RS甚至在大锥角处仍可见。
可见性的进一步提高可通过塑料支撑板的光学增亮来实现，例如，就像通过将荧光指示剂与光学塑料颗粒混合可实现的那样。
局部视图2A，2B和2C表示根据本发明的具有全息光学散射元件的靶板实施方式。除了平面结构，还可能使用不同的几何形状或表面作为根据本发明的靶板Z；因而，例如弯曲表面或扩展的三维体也可用作具有相同功能的靶板Z。
图2A表示根据本发明的靶板Z1的第一实施方式，其具有带平直拐角的支撑板TP作为靶板主体。支撑板TP由透明塑料制成，并且具有第一和第二表面F1′，F2’，圆形同心标记圆K，所述同心标记圆K具有极坐标系意义的象限划分，其中最里面的圆作为靶标记模压在第二表面F2’上。显示为灰色区域的全息扩散片D粘到第二表面F2’。扩散片D为透明片上的光束形成元件的形式，例如为透射式全息图形式。入射光由支撑板TP传送，在扩散片D中衍射，并且作为在预定立体角度区域中均匀发散的光束离开扩散片D。通过全息扩散片，入射光辐射被有效地散射，并且在预定的立体角度区域中基本上没有损耗。
图2B表示包括支架H中的板TP’的第二实施方式，所述板具有正方形全息扩散片层D’。在该支架H中，根据本发明的靶板Z2可容易地放置在管道中或其他部件中。通过支架H上的高度调节装置HV，靶板Z2可移位，从而使中心标记K2与部件轴线重合。在该第二实施方式中，代替极坐标系的线性直角坐标系模压在面向使用者的侧面上。提供水平仪W用于垂直设置。因而可设定或检查从参考光束偏离的倾斜度。
图2C表示根据本发明的作为圆形靶盘Z3的第三实施方式。两个表面的塑料体G形成靶盘Z3的基体。形成靶心ZZ的圆应用到塑料体G的一个表面。具有透射的由计算机生成的全息图的塑料支撑材料T是靶板Z3的全息扩散片，这里塑料支撑材料T也同样以盘形被切出，例如被冲出，并且因而适合于靶盘Z3的形状。在该实施方式中，根据本发明的靶盘Z3具有四个固定元件B1，B2，B3，B4。这些可以是可移动的，或者可以不可拆卸的方式、例如作为一体的部分连接到盘上。在所示的实施方式中，固定元件B1，B2，B3，B4具有用于将靶盘Z3固定到管道外壁的夹子，所述夹子在图中向后指向绘图平面以外。固定装置的长度可调节，因此可调节到不同的管道直径。可选实施方式通过径向弹簧缓冲器来提供，所述弹簧缓冲器可自动将靶盘Z3保持为中心对准管道。优选地，夹子的直径也可调节，因而适合于各种管道的壁厚。图2C在右侧以放大的平面视图表示固定元件B2的示例性夹子KL。
局部视图3A和3B显示了具有不同辐射特性的两个HOE。对于简单的技术方案，特别使用模压、注模成型或注射压印有全息图的全息光学元件，因为这可通过批量生产制备。在光刻制备结构的情况下，也可能已经在多个阶段中形成记录，并且因此可更精确，所述结构基于所谓的底版全息图再现，通过所述底版全息图，可进行数千至数十万次复制。该结构以及发射特征可实际上按照预期来选择。
在图3A中，利用全息扩散片板D″，可获得具有均匀恒定光强V分布的圆锥形照明角度区域dΩ′；在图3B中，光辐射由扩散片D″′引导在矩形区域dΩ″中，其中光强具有余弦或朗伯(Lambert)扩散。通过这样的全息光学元件，在具有高斯分布的光束形状的激光情况下，不规则光源的光辐射也可均匀化，即，不管激光辐射的入射点如何，都可均匀地并且以高强度照明各空间区域。在立体角度区域dΩ″以内具有朗伯分布的光强是有利的。在具有朗伯分布的光强V’的情况下，视在光源，具体而言是在靶板上的光斑，在任何视角看起来都平均地具有相同的亮度。通过全息扩散片的精确引导，可以以在期望形状的立体角度区域中实际上无损耗的方式引导光辐射，并且与传统的扩散片相比较，光辐射的可见度实际上增倍，这是因为实际上无光能散失，特别是在立体角度区域dΩ″外无光能消散。
角度区域的各种示例性几何形状表示在局部视图4A-4D中，在所述角度区域中光线可通过HOE来引导。线条标记光强为最大值的50％时的各锥形立体角度区域的宽度(FWHM＝full width halfmaximum，半最大值的全宽)。图4A和4B显示了椭圆形角度区域E1-E4，根据扩散片结构的不同，所述椭圆可具有不同的水平或垂直尺寸。光分布的光强可在锥形区域中呈现为任何期望形状。例如，在朗伯分布情况下，平均光强或可视亮度对于观察者是恒定的。在锥形区域外部，光强应为零，从而无辐射功率损耗。图4C表示圆形和正方形区域K1，Q1。图4D表示第一矩形R1和第一矩形被旋转90°而形成的第二矩形R2。显然，根据设计或形状的不同，HOE也可照亮其他非锥形角度区域。该可能性通过例如使用两个空间上分离的全息图而存在，例如所述全息图一个在支撑板的输入侧，另一个在输出侧。通过两个空间上分离的全息图，也可能完全破坏激光光束的三维相干。于是从可见光源到全息图对于观察者而言总激光功率显得消失了。这样的全息图布置也使得靶板上的光斑本身可被均匀化，而与激光光束的强度分布图无关。