CN106767679A - 一种光电自准直经纬仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电自准直经纬仪，包括激光器、偏振分光镜、1/4玻片、光束准直镜、补偿镜、调焦镜、物镜、反射镜和位置探测器，所述激光器用于发出偏振光束，偏振光束依次透过偏振分光镜、1/4玻片、光束准直镜、补偿镜、调焦镜、物镜，经物镜的出射光束经过反射镜反射后，依次透过物镜、调焦镜、补偿镜、光束准直镜、1/4玻片、偏振分光镜，所述偏振分光镜再将光束反射至位置探测器。该光电自准直经纬仪集成了传统电子经纬仪和光电自准直仪双重功能，既能作为方位测量的基本工具，同时具备失准角测量功能，实现方便、结构简单，具有较高的测量精度。

Description

一种光电自准直经纬仪

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，特别是涉及一种共光路的光电自准直经纬仪。

背景技术

随着我国航天事业的大力发展，航天载荷系统装调检测任务更加繁重和复杂，要求测量设备应具有更高精度、更加便携、更加集成的功能。传统的电子经纬仪、自准直仪等仪器已经不能满足高效高质完成组合参数测量和复杂检测任务的要求。而且，现有的自准直仪存在检测精度不够高，光路结构复杂的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种光电自准直经纬仪，以提高检测准确性，同时简化光路结构。

本发明提供的光电自准直经纬仪包括激光器、偏振分光镜、1/4玻片、光束准直镜、补偿镜、调焦镜、物镜、反射镜和位置探测器，所述激光器用于发出偏振光束，偏振光束依次透过偏振分光镜、1/4玻片、光束准直镜、补偿镜、调焦镜、物镜，经物镜的出射光束经过反射镜反射后，依次透过物镜、调焦镜、补偿镜、光束准直镜、1/4玻片、偏振分光镜，所述偏振分光镜再将光束反射至位置探测器。

在本发明的一些实施例中，所述激光器为固定偏光器，用于发出p波偏振光束，缩束光束经过1/4玻片后，偏振态变成s波。

在本发明的一些实施例中，所述偏振分光镜与位置探测器之间设置有滤光片，光束经过滤光片会聚在位置探测器上。

在本发明的一些实施例中，所述偏振分光镜与滤光片之间设置有聚焦镜。

在本发明的一些实施例中，所述物镜为望远物镜。

在本发明的一些实施例中，所述调焦镜为内调焦镜。

在本发明的一些实施例中，所述光电自准直经纬仪的分辨力为：

其中，M为准直扩束倍数，f'为聚焦镜的焦距，Δh-位置探测器的分辨力，ρ-转换系数。

在本发明的一些实施例中，所述光电自准直经纬仪还包括扩普罗棱镜、分光镜、聚焦镜补偿镜、目视分划板和目镜，偏振光束依次透过偏振分光镜、1/4玻片、光束准直镜、分光镜、普罗棱镜、补偿镜、调焦镜、物镜，经物镜的出射光束经过反射镜反射后，依次透过物镜、调焦镜、补偿镜、普罗棱镜、分光镜、光束准直镜、1/4玻片、偏振分光镜，所述偏振分光镜再将光束反射至位置探测器。

在本发明的一些实施例中，所述光电自准直经纬仪还包括毛玻璃和照明LED。

从上面的所述可以看出，本发明提供的光电自准直经纬仪具有便携、精度高且环境适应性较强等特点，集成了传统电子经纬仪和光电自准直仪双重功能，既能作为方位测量的基本工具，同时具备失准角测量功能，实现方便、结构简单，具有较高的测量精度。可以在精密仪器的安装、调试和检测过程中发挥巨大作用，也可推广应用于大尺寸、形状、位置测量，以及机床和机器人几何误差的精确标定，大型工装的安装定位等，应用前景很广。

附图说明

图1为本发明一个实施例的光电自准直经纬仪的结构示意图；

图2为图1中A的局部放大图；

图3为本发明另一个实施例的光电自准直经纬仪的结构示意图。

其中：101-激光器，102-光束准直镜，103-补偿镜，104-调焦镜，105-物镜，106-反射镜，107-1/4玻片，108-偏振分光镜，109-聚焦镜，110-滤光片，111-位置探测器；201-激光器，202-光束准直镜，203-补偿镜，204-调焦镜，205-物镜，206-反射镜；207-1/4玻片，208-偏振分光镜，209-聚焦镜，210-滤光片，211-位置探测器(PSD)，212-普罗棱镜，213-分光镜，214-聚焦镜补偿镜，215-目视分划板，216-目镜，217-毛玻璃，218-照明LED。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

参见图1，其为本发明一个实施例的光电自准直经纬仪的结构示意图，参见图2，其为图1中A的局部放大图。作为本发明的一个实施例，所述光电自准直经纬仪包括激光器101、偏振分光镜108、1/4玻片107、光束准直镜102、补偿镜103、调焦镜104、物镜105、反射镜106和位置探测器111，所述激光器101用于发出偏振光束，所述偏振光束依次透过偏振分光镜108(不反射)、1/4玻片107、光束准直镜102、补偿镜103、调焦镜104、物镜105，经物镜105的出射光束经过反射镜106反射后，依次透过物镜105、调焦镜104、补偿镜103、光束准直镜102、1/4玻片107、偏振分光镜108(不透过)，所述偏振分光镜108再将光束反射至位置探测器111。

所述光束准直镜102、补偿镜103、调焦镜104、物镜105组成准直扩束系统，对入射的偏振光束进行准直扩束，所述物镜105、调焦镜104、补偿镜103、光束准直镜102组成准直缩束系统，对反射的出射光束进行缩束，缩束光束经过1/4玻片107后，偏振态发生改变。本发明提供的光电自准直经纬仪可以实现高精度的平面失准角测量和垂直度测量。

优选地，所述激光器101为固体激光器，用于发出p波偏振光束，缩束光束经过1/4玻片107后，偏振态变成s波。优选地，所述偏振分光镜108与位置探测器111之间还设置有滤光片110，光束经过滤光片110会聚在位置探测器111上。较佳地，所述偏振分光镜108与滤光片110之间还设置有聚焦镜109。可选地，所述物镜105可以为望远物镜。可选地，所述调焦镜104可以为内调焦镜。即本发明提供的光电自准直经纬仪将固体激光器101发出的激光经偏振分光镜108-1/4玻片107-1/4玻片102-补偿镜103-调焦镜104-物镜105进行准直扩束，然后经过反射镜106反射后，又通过物镜105-调焦镜104-补偿镜103-1/4玻片102-1/4玻片107-偏振分光镜108-聚焦镜109-滤光片110-位置探测器111的光路顺序会聚到位置探测器111上。

那么，所述光电自准直经纬仪的分辨力为：

其中，M为准直扩束倍数，f'为聚焦镜的焦距，Δh-位置探测器的分辨力，ρ-转换系数。可选地，ρ的值可以为206265。

所述光电自准直经纬仪比传统的自准直仪的分辨率增大M倍，通常准直扩束的倍率为5-10倍，所述光电自准直经纬仪的分辨率至少增大5-10倍。

需要说明的是，所述光电自准直经纬仪是既具有自准直仪的自准直角度测量功能，又具有经纬仪的测角功能(即通过光栅码盘测量横竖轴方位角和俯仰角的功能)，可见，本发明可以将自准直仪和经纬仪集成在一起。具体地，可以直接将自准直光路加在经纬仪的横竖轴平台上，实现功能的集成。

参见图3，其为本发明另一个实施例的光电自准直经纬仪的结构示意图。作为本发明的另一个实施例，所述光电自准直经纬仪包括激光器201、偏振分光镜208、1/4玻片207、光束准直镜202、补偿镜203、调焦镜204、物镜205、反射镜206、位置探测器211、普罗棱镜212、分光镜213、聚焦镜补偿镜214、目视分划板215和目镜216，所述激光器201用于发出偏振光束，偏振光束依次透过偏振分光镜208(不反射)、1/4玻片207、光束准直镜202、分光镜213、普罗棱镜212、补偿镜203、调焦镜204、物镜205进行准直扩束，经物镜205的出射光束经过反射镜反射后，又依次透过物镜205、调焦镜204、补偿镜203、普罗棱镜212、分光镜213、光束准直镜202、1/4玻片207、偏振分光镜208(不透过)，所述偏振分光镜208再将光束反射至位置探测器211。即所述激光器201、偏振分光镜208、1/4玻片207、普罗棱镜212、分光镜213光束准直镜202、补偿镜203、调焦镜204、物镜205、反射镜206、位置探测器211、组成激光自准直光路。所述物镜205、调焦镜204、补偿镜203、普罗棱镜212、分光镜213、聚焦镜补偿镜214、目视分划板215和目镜216组成光学经纬仪光路系统，经纬仪光学系统主要是可调焦的望远系统，用于经纬仪目视对准。同时激光器201发出的光斑又在目视分划板215上会聚，形成目视自准直系统。

优选地，所述偏振分光镜208与位置探测器211之间还设置有聚焦镜209和滤光片210，光束依次经过聚焦镜209、滤光片210会聚在位置探测器211上。进一步地，所述光电自准直经纬仪还可以包括毛玻璃217和照明LED218。

可见，本发明提供的光电自准直光路，可以扩展为光电自准直经纬仪的核心光路，如图3所示，其为具有目视测量功能的光电自准直经纬仪光路结构，其光路是由两个大部分组成：

一是由激光器201、光束准直镜202、补偿镜203、调焦镜204、物镜205、反射镜206、1/4玻片207、偏振分光镜208、聚焦镜209、滤光片210和位置探测器211组成的激光自准直光路。即将激光器201发出的激光经偏振分光镜208-1/4玻片207-光束准直镜202-补偿镜203-调焦镜204-物镜205进行准直扩束，经过反射镜206反射后，又通过物镜205-调焦镜204-补偿镜203-光束准直镜202-1/4玻片207-偏振分光镜208-聚焦镜209-滤光片210-位置探测器211的光路顺序会聚到位置探测器211上。

二是由物镜205、调焦镜204、补偿镜203、普罗棱镜212、分光镜213、聚焦镜补偿镜214、目视分划板215和目镜216组成的光学经纬仪光路系统，经纬仪光学系统主要是可调焦的望远系统，用于经纬仪目视对准。同时激光器发出的光斑又在目视分划板215上会聚，形成目视自准直系统，可以与光电自准直接受系统互相对照，有助于系统的初始光轴装调和扩大仪器的使用范围。此光路结构设计最大程度上压缩和集成光路几何尺寸，最大程度上缩短机械筒长，使仪器能够更加轻小便携。同时利用偏振分光镜，可以很大程度上提高光能利用率，可以使用更低功率的激光器满足使用要求。

本发明可以保留经纬仪的目视测量功能，同时又具有自准直仪的小角度测量功能。既可单独作为经纬仪或自准直仪使用，又可以扩展各自单一功能形成集成测量网，实现复杂的测量.

因此，本发明提供的光电自准直经纬仪具有以下有益效果：

1、本发明提出了一种由激光光路和位置探测器组成的非成像的光电自准直经纬仪，其光路具有分辨率的放大功能，提高自准直仪的精度，未经过软件处理的系统分辨力比同等传统光学系统的分辨力提高了M倍(M为准直扩束倍数)。

2、所述光电自准直经纬仪的自准直光路具有变倍调焦功能，可以实现一定范围的分辨力连续调整，能够满足不同精度要求条件下的使用。

3、该自准直系统的出射系统与接收系统共光路，减少一路成像光路，大大简化了整个系统的光学结构，减小了仪器外形尺寸，使仪器便于携带、安装。

4、以此准直测量光路为基础的光电自准直的经纬仪望远光路和自准直光路为部分共路，大大缩短光学筒长，同时又望远系统和光电自准直系统光路可以独立调校，互相验证，大大简化了以往系统的调校难度。

本发明提供的光电自准直经纬仪基于激光自准直光路和位置探测器的非成像自准直仪测量原理，其与传统自准直原理相较，具有分辨力更高、光路更简单、光学元件精度要求较低、可实现变倍调焦功能的特点。而且本发明提供的光电自准直经纬仪采用目视望远光学系统与自准直仪光学系统部分共光路，能够实现结构紧凑，装调方便。本发明提供的光电自准直经纬仪主要有两方面的使用，一是使用光学镜头瞄准和精密轴系角度转动，来对测量对象进行空间俯仰角和方位角的测量定位，这是传统经纬仪的作用；二是对已经进行俯仰角和方位角定位的工作对象进行姿态角度测量，这是光电自准直仪的作用，本发明将两者结合并保证彼此精度不干涉。

由此可见，本发明提供的光电自准直经纬仪具有便携、精度高且环境适应性较强等特点，集成了传统电子经纬仪和光电自准直仪双重功能，既能作为方位测量的基本工具，同时具备失准角测量功能，实现方便、结构简单，具有较高的测量精度。可以在精密仪器的安装、调试和检测过程中发挥巨大作用，也可推广应用于大尺寸、形状、位置测量，以及机床和机器人几何误差的精确标定，大型工装的安装定位等，应用前景很广。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光电自准直经纬仪，其特征在于，包括激光器、偏振分光镜、1/4玻片、光束准直镜、补偿镜、调焦镜、物镜、反射镜和位置探测器，所述激光器用于发出偏振光束，偏振光束依次透过偏振分光镜、1/4玻片、光束准直镜、补偿镜、调焦镜、物镜，经物镜的出射光束经过反射镜反射后，依次透过物镜、调焦镜、补偿镜、光束准直镜、1/4玻片、偏振分光镜，所述偏振分光镜再将光束反射至位置探测器。

2.根据权利要求1所述的光电自准直经纬仪，其特征在于，所述激光器为固体激光器，用于发出p波偏振光束，缩束光束经过1/4玻片后，偏振态变成s波。

3.根据权利要求1所述的光电自准直经纬仪，其特征在于，所述偏振分光镜与位置探测器之间设置有滤光片，光束经过滤光片会聚在位置探测器上。

4.根据权利要求3所述的光电自准直经纬仪，其特征在于，所述偏振分光镜与滤光片之间设置有聚焦镜。

5.根据权利要求1所述的光电自准直经纬仪，其特征在于，所述物镜为望远物镜。

6.根据权利要求1所述的光电自准直经纬仪，其特征在于，所述调焦镜为内调焦镜。

7.根据权利要求1所述的光电自准直经纬仪，其特征在于，所述光电自准直经纬仪的分辨力为：

$d\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\Δ}h\·M\·\mathrm{\ρ}}{2\·f^{\′}}$

其中，M为准直扩束倍数，f′为聚焦镜的焦距，Δh-位置探测器的分辨力，ρ-转换系数。

8.根据权利要求1所述的光电自准直经纬仪，其特征在于，还包括扩普罗棱镜、分光镜、聚焦镜补偿镜、目视分划板和目镜，偏振光束依次透过偏振分光镜、1/4玻片、光束准直镜、分光镜、普罗棱镜、补偿镜、调焦镜、物镜，经物镜的出射光束经过反射镜反射后，依次透过物镜、调焦镜、补偿镜、普罗棱镜、分光镜、光束准直镜、1/4玻片、偏振分光镜，所述偏振分光镜再将光束反射至位置探测器。

9.根据权利要求7所述的光电自准直经纬仪，其特征在于，还包括毛玻璃和照明LED。