CN108646400A - 一种自准直仪及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自准直仪及其工作方法，该自准直仪包括望远镜系统、入射光源系统和同轴指示光源系统，采用同轴指示光源系统和入射光源系统相配合，同轴指示光源由物镜的中心射出，可实现精准同轴指示；同轴指示光源系统中仅有介质全反射头与望远镜系统同轴设置，可大幅减小望远镜系统的体积；当系统使用测距系统时，同轴指示光源系统发出的激光还可作为测距系统的发射光源，实现了测距与自准直双重功能。

Description

一种自准直仪及其工作方法

技术领域

本发明涉及测量设备技术领域，特别是一种自准直仪及其工作方法。

背景技术

现有技术中，自准直仪是利用光学自准直原理测量微小角度的长度测量工具。光学自准直原理是：光线通过位于物镜焦平面的分划板后，经物镜形成平行光，平行光被垂直于光轴的反射镜或反光板反射回来，再通过物镜后在焦平面上形成分划板标线像与标线重合，当反射镜或反光板倾斜一个微小角度β角时，反射回来的光束就倾斜2β角。由于分划板和各光学元件的位置、结构不同，自准仪有以下三种基本光路：a)高斯型自准直仪，其光路结构如图1所示，包括置于同一光轴上的目镜2、分光镜91、分划板90、物镜7和反光板8，并由入射光源4提供入射光，上述自准直仪的优点是目镜2视场不受遮挡，且分划板90上的刻划位于视场正中，观察方便；b)阿贝型自准直仪，其光路结构如图2所示，包括置于同一光轴上的目镜2、分划板90、物镜7和反光板8，并由入射光源4和棱镜92相配合提供入射光，上述自准直仪的优点是光强度大，亮度损失小，缺点是目镜2视场被胶合棱镜92遮挡了一半，又因出射光和入射光的方向不同，当反光板8和物镜7间的距离超过一定数值后，反射光线就不能进入物镜7成像，因此工作距离较短；c）双分划板型自准直仪，包括置于同一光轴上的目镜2、目镜分划板93、立方棱镜24、物镜7和反光板8，并由入射光源4和分划板90相配合提供入射光，上述自准直仪的优点是目镜2视场不受遮挡，刻线位于视场中央，目镜2焦距短，可获得较大的放大倍率，且目镜2和入射光源4可互换位置，给使用带来方便；由于入射光源经物镜射出后发散，因此上述系统普遍存在不易对准的难题，造成调整时间长，效率较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可提供同轴指示激光、提高调整效率的自准直仪及其工作方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的自准直仪，包括：望远镜系统、入射光源系统和同轴指示光源系统，所述望远镜系统包括置于同一光轴上的物镜、调焦镜、立方棱镜和观察目镜，所述观察目镜与立方棱镜之间设置转像棱镜和目镜分划板，所述入射光源系统包括垂直于望远镜系统光轴设置的光源和自准直分划板，所述同轴指示光源系统包括激光指示光源、介质全反光片、准直透镜和介质全反射头，所述介质全反射头置于所述物镜的中心，所述准直透镜垂直于望远镜系统光轴设置，使用时所述激光指示光源发射出的指示激光经介质全反光片后穿过准直透镜进入介质全反光头，由介质全反光头沿物镜的中心射出到达反光板，起到同轴瞄准指向功能；由于具有同轴激光指向功能，观察者可快速找到远处较小的反射棱镜，关闭激光指示光源，打开自准直光源后，自准直分划板的十字基准线在光源发出的光经自准直分划板、立方棱镜、调焦镜、物镜到达反光板，使得自准直十字基准线到达反光板后反射处的成像再经物镜、调焦镜、立方棱镜、转像棱镜到达目镜分划板，观察者经观察目镜确认反射回的十字基准线与目镜分划板上的基准线的偏差，调节望远镜系统的光轴角度，确保入射光线与反光板垂直设置。

进一步，自准直仪还包括CMOS图像处理系统和显示屏，该CMOS图像处理系统包括处理器、CMOS图像传感器、接收反光片、接收分光棱镜，所述接收分光棱镜置于立方棱镜和自准直分划板之间，以使自准直分划板的十字基准线在反光板处的成像经物镜、调焦镜、立方棱镜到达接收分光棱镜，由接收分光棱镜反射到接收反光片和CMOS图像传感器，处理器和显示屏、CMOS图像传感器电连接，由CMOS图像传感器读出返回的十字基准线像的位置并反馈至处理器，由处理器计算出偏移位置后输送至显示屏进行显示，实现十字基准线像的自动检测，无需实时观测瞄准读数据。

进一步，自准直仪还包括测距系统，该测距系统包括测距板、接收光纤、接收减光片、接收透镜组、反光棱镜和测距反光板，所述测距反光板置于所述物镜与所述调焦镜之间，所述反光棱镜紧邻所述介质全反射头设置，使用时以同轴指示光源系统的激光指示光源作为测距的发射光源，发射光源发射的激光目标物反光后，反射光线穿过物镜到达测距反光板，测距反光板反射的光线经反光棱镜后穿过接收透镜组和接收减光片，并经接收光纤传送至测距板，实现测距功能。

进一步，自准直仪还包括上机壳和调平基座，该上机壳的底端与所述调平基座转动配合，以使所述上机壳可绕所述调平基座转动。

进一步，自准直仪还包括底座，所述上机壳上设置管水准器，所述调平基座呈三角形设置，该调平基座各顶角的底端与所述底座之间设置可升降的基座脚螺旋，通过调节基座脚螺旋的升降使得调平基座和上机壳处于水平状态。

进一步，自准直仪还包括望远镜系统安装座，该望远镜系统安装座的两侧与上机壳枢接配合，以使所述望远镜系统安装座可转动设置，便于对望远镜系统进行转动调节。

进一步，所述望远镜系统安装座的上方设置粗瞄器件，便于指向设置在远方目标处的反光板，进行粗瞄观察。

进一步，所述转像棱镜为阿贝屋脊棱镜或普罗棱镜，结构简单，可减小望远镜系统的体积。进一步，所述光源和激光指示光源为激光光源或LED光源，单色性好，方向性强，光亮度高。

所述的自准直仪的工作方法，包括：使用时以同轴指示光源系统的激光指示光源作为测距的发射光源，发射光源发射的激光目标物反光后，反射光线穿过物镜到达测距反光板，测距反光板反射的光线经反光棱镜后穿过接收透镜组和接收减光片，并经接收光纤传送至测距板。

发明的技术效果：（1）本发明的自准直仪，相对于现有技术，采用采用增强光源系统和入射光源系统相配合同轴激光指示和自准直光源结合，增强光源由物镜的中心射出同轴激光指示光源由物镜的中心射出，既可做为同轴瞄准指示光又可在仪器增加测距系统时作为测距的发射光源，使得自准直仪具备测距功能，易于测量，效率较高；（2）同轴指示光源系统中仅有介质全反射头与望远镜系统同轴设置，相比传统的异轴粗瞄光源可大幅减小望远镜系统的体积；（3）CMOS图像传感器可直接读出返回的十字基准线像的偏移位置，并输送至显示屏进行显示，实现十字基准线像的自动检测，无需实时观测瞄准读数据；（4）上机壳和调平基座相配合使得上机壳可360度转动，调平基座和底座之间设置3个基座脚螺旋，使得调平基座可调节至水平；（5）粗瞄器件的设置，可快速观察到反光板，使得自准直仪可大致对准目标，降低调节难度。

附图说明

下面结合说明书附图对本发明作进一步详细说明：

图1是现有技术中的高斯型自准直仪的光路结构示意图；

图2是现有技术中的阿贝型自准直仪的光路结构示意图；

图3是现有技术中的双分划板型自准直仪的光路结构示意图；

图4是本发明实施例1的自准直经纬仪的光路结构示意图；

图5是本发明实施例2的光电自准直经纬仪的光路结构示意图；

图6是本发明实施例3的自准直全站仪的光路结构示意图；

图7是本发明实施例4的光电自准直全站仪的光路结构示意图；

图8是本发明实施例1的光电自准直全站仪的立体结构示意图。

图中：上机壳1，望远镜系统安装座10，底座11，调平基座12，基座脚螺旋13，管水准器14，垂直调节旋钮15， 水平调节旋钮16， 显示屏17，粗瞄器件18，目镜2，望远镜系统20，观察目镜21，目镜分划板22，转像棱镜23，立方棱镜24，调焦镜25，同轴指示光源系统30，激光指示光源31，介质全反光片32，准直透镜33，介质全反射头34，入射光源4，光源41，磨砂玻璃42，自准直分划板43，CMOS图像传感器51，接收反光片52，接收分光棱镜53，测距板61，接收光纤62，接收减光片63，接收透镜组64，反光棱镜65，测距反光板66，物镜7，反光板8，分划板90，分光镜91，棱镜92。

具体实施方式

实施例1 一种自准直仪，其光路系统如图4所示，包括望远镜系统20、入射光源系统和同轴指示光源系统30，望远镜系统20包括置于同一光轴上的物镜7、调焦镜25、立方棱镜24和观察目镜21，观察目镜21与立方棱镜24之间设置转像棱镜2和目镜分划板22，入射光源系统包括垂直于望远镜系统20光轴设置的光源41和自准直分划板43，光源41和自准直分划板43之间设置磨砂玻璃42；自准直分划板43上设置十字通光刻线（在其他实施例中也可以是圆点通光刻线），光源41发射出的光经过磨砂玻璃42后照亮带十字通光刻线的自准直分划板43，亮十字基准线经过望远镜系统20的立方棱镜24、调焦镜25、物镜7后形成出射光，并照到置于远方目标处的反光板8（其他实施例也可以是反光镜或者直角反射棱镜）上，反射回的亮十字基准线再经过物镜7、调焦镜25，当反射十字基准线经过立方棱镜24后，经过转像棱镜23成像在目镜分划板22上，观察者经观察目镜21确认反射回的十字基准线与目镜分划板22上的基准线的偏差，调节望远镜系统20的光轴角度，确保光线与反光板8垂直设置；同轴指示光源系统30包括激光指示光源31、介质全反光片32、准直透镜33和介质全反射头34，介质全反射头34置于物镜7的中心，准直透镜33垂直于望远镜系统20光轴设置，使用时激光指示光源31发射出的指示激光经介质全反光片32后穿过准直透镜33进入介质全反光头34，由介质全反光头34沿物镜7的中心射出到达反光板8，使得激光指示光源31发出的指示激光与出射光同轴到达反光板8，实现精准指示功能，调焦镜25的设置可方便的调节观察距离和清晰程度。同轴指示光源系统与入射光源系统并不设置在同一直线上，可以减小准直仪的体积，自准直仪内还设有测角单元、密珠轴系和双轴补偿器，使得该自准直仪可作为自准直经纬仪使用。

作为优选，自准直仪还包括望远镜系统安装座10、上机壳1、调平基座12，如图8所示，望远镜系统20置于望远镜系统安装座10内，望远镜系统安装座10的两侧与上机壳1枢接配合，以使望远镜系统安装座10可转动设置，便于对望远镜系统20进行转动调节，上机壳1上设置水平调节旋钮16，用于控制上机壳1的转动角度；上机壳1的底端经枢轴、电机与调平基座12转动配合，以使上机壳1可绕调平基座12的枢轴转动；上机壳1上设置垂直调节旋钮15，用于控制望远镜系统安装座10的转动角度。

作为优选，自准直仪还包括底座11，上机壳1上设置管水准器14，调平基座12呈三角形设置，该调平基座12各顶角的底端与底座11之间设置可升降的基座脚螺旋13，通过调节基座脚螺旋13的升降使得调平基座12和上机壳1处于水平状态。

作为优选，望远镜系统安装座10的上方设置粗瞄器件18，便于对设置在远方目标处的反光板8进行粗瞄观察。

作为优选，转像棱镜23为阿贝屋脊棱镜或普罗棱镜，结构简单，可减小望远镜系统的体积。

作为优选，光源41和激光指示光源31为激光光源或LED光源，单色性好，方向性强，光亮度高。

实施例2

在实施例1的基础上，该实施例的自准直仪还包括CMOS图像处理系统和显示屏17，其光路系统如图5所示，CMOS图像处理系统包括处理器（例如DSP、单片机、FPGA芯片等）、CMOS图像传感器51、接收反光片52、接收分光棱镜53，接收分光棱镜53置于立方棱镜24和自准直分划板43之间，以使自准直分划板43的十字基准线在反光板8处的成像经物镜7、调焦镜25、立方棱镜24到达接收分光棱镜53，由接收分光棱镜53反射到接收反光片52和CMOS图像传感器51，处理器和显示屏17、CMOS图像传感器51电连接，由CMOS图像传感器51读出返回的十字基准线像的位置并反馈至处理器，由处理器计算出偏移位置后输送至显示屏17进行显示，实现十字基准线像的自动检测，无需实时观测瞄准读数据。CMOS图像处理系统的设置使得该自准直仪成为光电自准直经纬仪。

实施例3

在实施例1的基础上，该实施例的自准直仪还包括测距系统，其光路系统如图6所示，该测距系统包括测距板61、接收光纤62、接收减光片63、接收透镜组64、反光棱镜65和测距反光板66，测距反光板66置于物镜7与调焦镜24之间，反光棱镜65紧邻介质全反射头34设置，使用时以同轴指示光源系统的激光指示光源作为测距的发射光源，发射的激光经介质全反光片32后穿过准直透镜33进入介质全反光头34，由介质全反光头34沿物镜7的中心射出到达反光板8，经反光板8反射后的光线穿过物镜7后可到达测距反光板66，测距反光板66反射的光线经反光棱镜65后穿过接收透镜组64和接收减光片63，并经接收光纤62传送至测距板61，实现测距功能。测距系统的设置，使得该自准直仪可作为自准直全站仪使用。

实施例4

在实施例1的基础上，该实施例的自准直仪还包括测距系统、CMOS图像处理系统和显示屏17，其光路系统如图7所示，CMOS图像处理系统包括处理器（例如DSP、单片机、FPGA芯片等）、CMOS图像传感器51、接收反光片52、接收分光棱镜53，接收分光棱镜53置于立方棱镜24和自准直分划板43之间，测距系统包括测距板61、接收光纤62、接收减光片63、接收透镜组64、反光棱镜65和测距反光板66，反光棱镜65紧邻介质全反射头34设置，测距反光板66置于反光棱镜34与调焦镜25之间，使得自准直分划板43的十字基准线在反光板8处的成像经物镜7、测距反光板66、调焦镜25、立方棱镜24到达接收分光棱镜53，由接收分光棱镜53反射到接收反光片52和CMOS图像传感器51，处理器和显示屏17、CMOS图像传感器51电连接，由CMOS图像传感器51读出返回的十字基准线像的位置并反馈至处理器，由处理器计算出偏移位置后输送至显示屏17进行显示；且由反光板8反射回的部分反射光线经物镜7到达测距反光板66，测距反光板66反射的光线经反光棱镜65后穿过接收透镜组64和接收减光片63，并经接收光纤62传送至测距板61，实现测距功能，使得该自准直仪成为光电自准直全站仪。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种自准直仪，其特征在于，包括：望远镜系统、入射光源系统和同轴指示光源系统，所述望远镜系统包括置于同一光轴上的物镜、调焦镜、立方棱镜和观察目镜，所述观察目镜与立方棱镜之间设置转像棱镜和目镜分划板，所述入射光源系统包括垂直于望远镜系统光轴设置的光源和自准直分划板，光源发出的出射光经自准直分划板、立方棱镜、调焦镜、物镜到达反光板，自准直分划板的十字基准线在反光板处的成像经物镜、调焦镜、立方棱镜、转像棱镜到达目镜分划板；

所述同轴指示光源系统包括激光指示光源、介质全反光片、准直透镜和介质全反射头，所述介质全反射头置于所述物镜的中心，所述准直透镜垂直于望远镜系统光轴设置，使用时所述激光指示光源发射出的指示激光经介质全反光片后穿过准直透镜进入介质全反光片，由介质全反光片沿物镜的中心射出到达反光板。

2.根据权利要求1所述的自准直仪，其特征在于，还包括CMOS图像处理系统和显示屏，该CMOS图像处理系统包括处理器、CMOS图像传感器、接收反光片、接收分光棱镜，所述接收分光棱镜置于立方棱镜和自准直分划板之间，以使自准直分划板的十字基准线在反光板处的成像经物镜、调焦镜、立方棱镜到达接收分光棱镜，由接收分光棱镜反射到接收反光片和CMOS图像传感器，处理器和显示屏、CMOS图像传感器电连接，由CMOS图像传感器读出返回的十字基准线像的位置并反馈至处理器，由处理器计算出偏移位置后输送至显示屏进行显示。

3.根据权利要求1或2所述的自准直仪，其特征在于，还包括测距系统，该测距系统包括测距板、接收光纤、接收减光片、接收透镜组、反光棱镜和测距反光板，所述测距反光板置于所述物镜与所述调焦镜之间。

4.根据权利要求3所述的自准直仪，其特征在于，还包括上机壳和调平基座，该上机壳的底端与所述调平基座转动配合，以使所述上机壳可绕所述调平基座转动。

5.根据权利要求4所述的自准直仪，其特征在于，所述上机壳上设置管水准器，所述调平基座呈三角形设置，该调平基座各顶角的底端与所述底座之间设置可升降的基座脚螺旋。

6.根据权利要求5所述的自准直仪，其特征在于，还包括望远镜系统安装座，该望远镜系统安装座的两侧与上机壳枢接配合，以使所述望远镜系统安装座可转动设置。

7.根据权利要求6所述的自准直仪，其特征在于，所述望远镜系统安装座的上方设置粗瞄器件。

8.根据权利要求6所述的自准直仪，其特征在于，所述转像棱镜为阿贝屋脊棱镜或普罗棱镜。

9.根据权利要求6所述的自准直仪，其特征在于，所述光源和激光指示光源为激光光源或LED光源。

10.一种权利要求3所述的自准直仪的工作方法，其特征在于，包括：使用时以同轴指示光源系统的激光指示光源作为测距的发射光源，发射光源发射的激光目标物反光后，反射光线穿过物镜到达测距反光板，测距反光板反射的光线经反光棱镜后穿过接收透镜组和接收减光片，并经接收光纤传送至测距板。