CN1256400A - 反射式液体光楔补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反射式液体光楔补偿系统,在壳体的底部设置有水平放置的反射镜,反射镜的上面注入一层透明液体,液体由平面透镜封闭在壳体中,平面透镜与平面反射镜为平行设置;采用了反射式液体光楔直接在光路中匹配运算效正,因而补偿精度有明显提高,液体光楔结构简单,成本低廉,安平范围大,精度高,漂移小,抗干扰性强,装调方便,可实现作为水准仪、垂准仪、坡度仪的自动安平系统。

Description

反射式液体光楔补偿系统

本发明公开一种反射式液体光楔补偿系统，涉及水准仪、垂准仪、倾角准直仪用的自动安平补偿系统，属于光学测量仪器技术领域。

常规的水准仪、垂准仪等光学测量仪器所采用的自动安平系统，多为重力悬挂、电子安平、液体悬浮式及双层液体透明式安平补偿系统，前三种系统结构复杂，影响安平精度的因素多，不易微型化，装调麻烦，制造成本高，后一种补偿器虽然解决了结构、精度、成本、装调之间的矛盾，但双层液体的引入的误差源较单层多，温差负载大，均匀性保证不易，影响精度的进一步提高。

本发明提供一种反射式液体光楔补偿系统，目的旨在克服上述安平补偿系统存在的结构复杂、成本高、精度差等缺点和不足。

为完成本发明目的，具体构思如下(见附图1)：在壳体1的底部设置有水平放置的反射镜2，所述的反射镜2包括平面、球面及外反射和内反射式镜片，反射镜2的上面注入一层透明液体3，液体3由平面透镜4封闭在壳体1中；

由于液体在重力的作用下其上表面保持自然水平液面，当仪器的壳体安放不平时，反射镜和液体的上表面形成一液体楔角，光线通过这一楔角的液体光楔将发生折射及在反射镜面上反射，随着角度的不同，折射光线的偏转角亦不同，但通过液体折射率与平面镜系统或棱镜系统的配合，可刚好消除由于壳体的摆放误差造成的准直光线的的方向偏差。其原理见(附图4)。系统对光轴9安平时应保持如下关系：当壳体相反方向倾斜时，上面各式α只需取负值。于是可以推出： $n=\frac{1}{2}\{\frac{\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\α})}{\mathrm{sim}\left[\mathrm{arctg}\frac{\sin 2\mathrm{\α}}{\sin (\mathrm{\θ}+2\mathrm{\α})/\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\α})-\cos 2\mathrm{\α}}\right]}+\frac{\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})}{\sin \left[\mathrm{arctg}\frac{\sin 2\mathrm{\α}}{\cos 2\mathrm{\α}-\sin (\mathrm{\θ}-2\mathrm{\α})/\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})}\right]}\}$ 可见：元件8应为负一倍的望远系统，这样的系统可由在入射面内的反射次数为奇次的平面反射系统(如：棱镜)组成。而对于水平安平或坡度安平其要安平的光轴方向亦需要反射面来达到。

垂直安平属于二维安平，这时元件8的入射光轴和出射光轴必须平行，如用平面反射系统组成8，则两个方向的反射次数都应为奇次，且θ＝0，于是元件8为作用矩阵必须为： $R=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& -1& 0\\ 0& 0& -1\end{array}\right]$ 元件8与液体折射率相互配合而达到对光轴9的自动安平。

用于激光系统的水平安平时会出现主亮光线之外的伴随光线，它相对主亮光线的角距离可用作水泡指示，代替园水泡的作用。

本发明的积极效果在于：由于采用了反射式液体光楔直接在光路中匹配运算效正，因而补偿精度有明显提高，液体光楔结构简单，成本低廉，安平范围大，精度高，漂移小，抗干扰性强，装调方便，可实现作为水准仪、垂准仪、坡度仪的自动安平装置。

下面结合实施例进一步说明本发明：

图1为本发明结构原理图。

图2为本发明应用于激光水平仪结构原理图。

图3为本发明应用于激光水平垂准仪原理图。

图4为本发明技术原理图。

在图1中，壳体1的底部设置有水平放置的反射镜2，所述的反射镜2包括平面、球面及外反射和内反射式镜片，反射镜2的上面注入一层透明液体3，液体3由平面透镜4封闭在壳体1中，平面透镜4与平面反射镜2为平行设置；与光轴7对接的光学元件8为在入射面内的反射次数为奇次的平面反射镜系统(如棱镜)或者放大倍率为负一倍的望远系统。液体反射光楔与元件8的反射次数及倍率配合达到安平光轴9方向的目的。光轴5可设计成与液面下的反射镜面法线平行θ＝0或倾斜θ≠0两种状态，将需要安平的激光准直系统或目视系统与此对接，即成自动安平仪器。成平行状态θ＝0时，系统可同时实现水平、垂直及坡度等各种方向安平，但此时最有意义的为垂直、水平同时安平，垂直安平时元件8的入射光轴和出射光轴相互平行且作用矩阵必须为： $R=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& -1& 0\\ 0& 0& -1\end{array}\right]$ 的平面反射镜系统(如棱镜)或者放大被率为负一倍的望远系统。成倾斜状态θ≠0时，系统只能实现水平和坡度安平，光轴9设计在光轴7与5所决定的平面里。水平安平时光轴9与反射镜2表面平行或反平行；角度安平时9与反射面的夹角为所要安平的坡度角。水平和角度安平时光学元件8必须为在入射面内的反射次数为奇次的平面反射系统。例如：单次反射棱镜。

图2为本发明系统应用于激光水平仪举例：在壳体1的底部置有水平放置的平面反射镜2，该反射镜的反射面是外反射，反射镜2上面注入一层透明液体3，液体被平面透镜4封闭在壳体1内。在封闭的平面透镜外面相对壳体固定单次反射棱镜8，激光从准直系统6及反射棱镜射出，光线7射入液体3经平面镜2反射后从液体射出，光线7经棱镜8奇次反射成水平方向，这样当系统安放不平时其出射光线9仍能保持水平。

若将激光准直系统6处换为目视望远系统即为普通自动安平目视水平仪。为消除镜像，可在目视系统中在加一次反射或将反射棱镜的反射面设计成屋脊反射面。

附图3为本发明应用于激光水平垂准仪举例：在壳体1的底部置有水平放置的反射镜2，反射镜2上面注入一层透明液体3，液体的折射率为n＝1.5，液体被平面透镜4封闭在壳体1内。在平面透镜外放上分光镜6、8，在分光镜的上方放上别汉屋脊棱镜8′，或正交放置两个无屋脊别汉棱镜(此时可消除屋脊棱的衍射)，这样从棱镜出射的光线便被自动安平成垂直水平面状态的光线9′。而从分光镜8反射的的光线9被自动安平为平行水平面的光线。

Claims (5)

1、一种反射式液体光楔补偿系统，其特征在于：在壳体(1)的底部置有水平放置的反射镜(2)，该反射镜的反射面包括平面、球面、外反射或内反射式，反射镜(2)上面注入一层透明液体(3)，液体被平面透镜(4)封闭在壳体(1)内。

2、根据权利要求1所述的的反射式液体光楔补偿系统，其特征在于：当液体中的反射镜面为平面时，液体折射率n可由下式决定： $n=\frac{1}{2}\{\frac{\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\α})}{\sin \left[\mathrm{arctg}\frac{\sin 2\mathrm{\α}}{\sin (\mathrm{\θ}+2\mathrm{\α})/\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\α})-\cos 2\mathrm{\α}}\right]}+\frac{\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})}{\sin \left[\mathrm{arctg}\frac{\sin 2\mathrm{\α}}{\cos 2\mathrm{\α}-\sin (\mathrm{\θ}-2\mathrm{\α})/\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})}\right]}\}$ 式中：θ为光线(5)相对反射镜法线的角度，α一般设计在0.5-3角度之间。

3、根据权利要求1所述的反射式液体光楔补偿系统，其特征在于：光线(5)相对反射面的夹角θ＝0度时，系统用于垂直安平，(2)为平面反射镜时，元件(8)为负一倍望远系统、作用矩阵为： $R=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& -1& 0\\ 0& 0& -1\end{array}\right]$ 的反射棱镜、平面反射镜系统。

4、根据权利要求1所述的反射式液体光楔补偿系统，其特征在于：光线(5)相对反射面的夹角θ≠0度时，系统用于水平安平或坡度安平，元件(8)为在入射面内的反射次数为奇次的反射棱镜、平面反射镜系统。

5、根据权利要求1所述的的反射式液体光楔补偿系统，其特征在于：用于激光系统的水平安平时会出现主亮光线之外的伴随光线，它相对主亮光线的角距离可用作水泡指示，代替园水泡的作用。

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