CN1305090A - 倾斜反射式液体自动安平系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倾斜反射式液体自动安平系统。是在封闭的壳体的玻璃窗的上方倾斜固定一平面反射镜,封闭的壳体内部放一层透明液体,液面下相对液面倾斜固定一反射镜,光线依次沿系统的折转光轴通过系统可达到水平及坡度安平,光线反方向通过系统可达到水平及垂直安平。系统有效地消除了液面反射杂光,可在光能损失较小的情况下实现铅直向上的准垂直安平,可实现补偿水平及倾斜的二维安平。可广泛用于垂准仪、水平仪、水准仪、放线仪、静态扫平仪、动态扫平仪、坡度仪等的自动安平系统。

Description

倾斜反射式液体自动安平系统

本发明公开了一种倾斜反射式液体自动安平系统，涉及垂准仪、水准仪、激光扫平仪、垂面仪、放线仪、坡度仪等系统的自动安平补偿，属于光学测量仪器技术领域。

液体直接用在光路中进行光学自动安平补偿可以极大地提高仪器的自动安平精度及可靠性，系统结构简单，装调容易，成本低廉。但以往用于该目的的液体光楔安平法多产生难以消除的液面反射杂光，对测量及观察极为不利。系统安平维数单一，不具有对象倾斜的安平能力，结构变化少，影响进一步的功能设计及结构造型设计。现代测量技术的发展又提出多点、多向同时自动安平放线系统的要求，传统的安平方法实现起来精度不易提高，成本不易降低。对组合应用无论从结构、成本、可靠性等诸多方面考虑都不大适宜。

本发明公开了一种倾斜反射式液体安平系统，目的旨在克服现有液体光楔安平法产生的液面反射杂光，实现水平或坡度安平的同时对倾斜同时补偿的二维安平，实现准垂直安平。

本发明的目的技术构思如下：在壳体的底部设置一层透明液体，在液体液面下相对液面倾斜固定一反射镜，该反射镜的反射面可以是平面、球面和回转曲面，可以是外反射式和内反射式。当为内反射式时，反射镜的透射面可设计成球面和平面，反射面和透射面之间可以平行或设计成某一角度。壳体的顶部由平面透镜封闭作为光线进入壳体的入射及出射窗口，为使杂光进一步减少，窗口玻璃可与液面设成某一角度，窗口玻璃亦可用楔型平面镜。在封闭的壳体外窗口玻璃的上方相对液体倾斜放一平面反射镜。该平面反射镜包括内反射式、外反射式和半反半透射式三种，与封闭在壳体中的液体和反射镜配合使用。

本发明的积极效果在于：由于采用了液体中的倾斜反射结构，可将系统液面反射的一次杂光得以全部消除，使液体的选择范围拓宽，更利于测量，能实现水平或坡度安平的同时对象倾斜同时补偿的二维安平，能在光能损失较小的情况下实现垂直向上的准垂直安平，系统更加稳定可靠，更利于系统的微型化，使采用液体安平的水准仪或垂准仪等的设计方案更加多样化，从而丰富了液体安平的结构形式，更利于实用化设计。

下面结合附图进一步说明本发明：

图1、为本发明的结构原理图。

图2、为本发明的技术原理图。

参照图1，在壳体1的底部放置一层透明液体3，在液体3的液面下相对液面倾斜固定一反射镜2，壳体1的顶部由平面透镜4封闭作为光线进入壳体的入射及出射窗口，为使杂光进一步减少，窗口玻璃4可与液面设成某一角度，窗口玻璃亦可用楔型平面镜。在封闭的壳体外窗口玻璃的上方相对液体倾斜放一平面反射镜5，与封闭在壳体中的液体和反射镜配合使用。6、7、8为系统中光轴的依次折转方向，光线可依次沿着光轴6、7、8使用或沿反方向8、7、6使用。当6用于激光束的入射光轴时，激光束垂直向下(或倾斜某一角度)射向液体中的反射镜2，这时通过系统光路折转而沿8方向出射的光线可直接用于水平安平(或当将8设计或调整成某一倾角时，系统用于坡度安平)。反向使用时，激光束从8方向射向反射镜5，则从光轴6出射的光束用于垂直安平，这时应沿光轴6的方向设置一倒象棱镜或负1倍的望远系统。上面所说的激光入射处若用目视系统或光电接收系统替换，即可实现目视系统或光电接收系统的自动安平。系统自动安平的光学原理及光学参数匹配关系如下：

参见图2，设系统发生倾斜时液体3的液面(3′)的中心附近总能恢复原来的自然水平状态，(2′)、(2″)分别为液体中反射镜2的入射面和反射面(为简化问题的讨论设其为平面)，β为两面间的夹角，n₃为反射镜2玻璃的折射率(外反射时只需设n₃=n)，n为液体的折射率，γ为液面与反射镜入射面之间的夹角。壳体1由于摆放不平可能经常处于倾斜状态，这时与之相连反射镜5和与光轴6对接的光线发射系统或接收系统也发生同样的倾斜，为简化讨论设系统绕入射面倾斜α角。于是可知：

系统处于零位时有关系：

系统摆放不平倾斜时应保持：

系统安平时应保持： ${\{}_{\mathrm{\δ}{\mathrm{\θ}}_2=\mathrm{\α}}^{\mathrm{\δ}{\mathrm{\θ}}_1=-2\mathrm{\α}}$

于是由上面各式同时考虑到安平系统的物方对接配套的光学系统时可得安平时求液体折射率的算式： $\frac{\sqrt{n^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2}-\cos {\mathrm{\θ}}_2}{\sqrt{n_1^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1}-\cos {\mathrm{\θ}}_1]-L{\mathrm{\Γ}}_l\cos {\mathrm{\θ}}_1}=B-------1$

式中：L为在系统出射光轴处放折射棱镜时的修正系数，可用于增大匹配折射液的范围及校倾斜安平、Γ为在系统出射光轴处所设置的望远系统的倍率，用于安平倾斜时引入参数。

一般对内反射式多从系统抗干扰上考虑，故常设γ=0，这样液面相对可以较薄，这时： $B=-\frac{\sqrt{n_3^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2}}{\sqrt{n_3^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1}}$

外反射时反射镜与液体接触：n₃=n；

外反射时反射镜与液体分离：n₃=1。

内反射镜的入射面与液面不平行γ≠0时，式1的参数B为： $B=-\frac{\sqrt{n^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2}}{\sqrt{n^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1}}\frac{\sqrt{n_3^2-n^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2^{\′\′}}}{\sqrt{n_3^2-n^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1^{\′\′}}}\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_1^{\′\′}}{\cos {\mathrm{\θ}}_2^{\′\′}}$ 同样可以证明在系统安平的同时满足下式可实现倾斜安平： $(\sqrt{n^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1}-\cos {\mathrm{\θ}}_1)(\sin {\mathrm{\θ}}_2-\sin {\mathrm{\θ}}_1)=L\cos {\mathrm{\θ}}_1(\mathrm{\Γ}{\sin \mathrm{\θ}}_2-1)---2$

对于系统用于倾角仪的方式，可不必考虑折射液的准确补偿值的匹配及补偿方向，因这时不准确部分及方向可由接收电路来修正。

下面的实施例是对本发明的应用，但不以任何方式限制本发明：

实施例1：一种超微型激光水准仪

见附图3，在仪器内壳体1的底部固定一倾斜放置的平面反射镜2，其上方置一层透光液体3，平面透镜4将该壳体封闭，胶塞16及压盖15用于液体的灌注及壳体的抽真空密封。激光准直系统9所发出的激光束6垂直(即θ₂=0)射向液体中的平面外反射镜2，经其反射倾斜θ₁=-15°成光轴7的方向，射向平面镜5之后被沿水平方向反射成光线8，由于系统的液面始终为水平面，则通过系统折转后出射光线8始终保持水平，而与仪器的摆放方位无关，11为支撑各光学元件的本体。液体的折射率n可由方程式1来决定。图中的其它序号为用于完成该水准仪的附属部分，简述如下：螺钉23共3个，绕镜座19上的固定冒21的圆周均布，用于装校仪器的水平安平方向；平面楔镜10起保护玻璃作用同时用于系统水平的精校；22为系统的电池盒，绕转轴18转动实现开和关以更换电池24，电池盒关闭时由永久磁铁25使其定位；27为园水泡，指定仪器的安平工作范围；20为仪器的出光孔保护盖板，以便在系统闲置不用时使玻璃镜10保持清洁及不受碰动；31为光路8及电路28的共同开关推扭，上下推动时通过连杆30可使盖板20开和合，同时电路开关29开和关。13为永久磁铁，与仪器底座12半球座14组成磁性可调底座，以方便仪器整体的摆放，底座与仪器壳体26通过17固连。

实施例2，两点同时安平的水准放线仪

见附图4，序号12、14表示磁性可调底座总成，其中14为底座轴承，用于将壳体15绕其中心轴13任意旋转。壳体15中左右对称地设置两个倾斜反射式安平系统总成(见图中序号1至11，其结构及功能与附图3的相同，略述)。17、17′为激光器电路，电源通过电刷18引入，当转动旋钮16、16′时，左右两个安平系统可各自绕自身铅垂轴6、6′旋转，用以任意设定两被安平的水平光束8、8′在水平面内的夹角。这样光束8上的任意一点与8′上的某一点的连线始终在一个水平面内不受壳体摆放倾斜的影响。可广泛地应用于建筑、装潢、安装、测量等各方面放线工作。

实施例3：本发明用于激光水准-垂准仪

见附图5，激光系统10发出的光线8水平射向平面镜5，经反射成光束7，再经过液体3中的平面镜2反射后成铅直向上状态6射出，液体由补偿器壳体1及窗口玻璃4封闭后抽真空。之后光束经分光镜9′分成两部分，6′继续铅直向上，16反射成水平状态直接被自动水平安平；光线6′经倒象棱镜9(参见附图5a)折转成22的垂直方向，被准垂直安平。图中22方向与磁性底座12的转轴轴线13共线，以利于应用底座的旋转轴进行系统垂直度精度的自校。21为垂直度精度校正的旋转双光楔同时起保护玻璃作用。20为水平度精度自校光楔，螺钉23共三个沿固定冒24圆周均布，用于水平的粗校。17、19为保护玻璃。18为园水泡用于指示及限定底座的摆放倾斜范围。15表示仪器的电池，14仪器的壳体，11为固定各光学系统的本体。这样仪器可同时实现水平及垂直的双方向自动安平。

实施例4：一种自动安平准垂直仪及垂面仪

在附图6中，激光系统10的光束8水平射出，经平面反射镜5反射成7射向液体3中的外反射镜2，之后沿垂直状态6射出，经系统后接的别汉屋脊棱镜9的折转成铅直光线16即被准垂直安平，但为消除屋脊角的衍射应使光束避开屋脊棱处。该棱镜亦可用两个正交的无屋脊棱的别汉棱镜组成倒象系统(见附图6a)替代实现垂直安平。系统后接的别汉棱镜9无屋脊角时，可用于铅垂面仪的自动安平。若在光线16处接一五棱镜并使其以入射光线为旋转轴方向旋转时，则系统即成为动态扫平仪。为使系统精度提高6与7之间的夹角应较小。图中：12为旋转磁性可调底座总成，13为外壳，14为电池，17为园水泡，15为旋转双光楔，11为系统本体，1为补偿器壳体内部抽真空。如在激光器处替换一目视系统则系统即为目视自动安平垂直仪。

实施例5：水平面仪

参照附图7，为本发明用于激光静态水平面仪(静态扫平仪)应用举例。激光准直系统9前放一柱面镜9′使激光成垂直于纸面的平面光束6，在入射面内倾斜-θ₂射向液面下的内反射镜2，经液体3及玻璃折反射后，7以-θ₁角射向平面反射镜5，再经反射成水平状态8，然后通过望远系统10，则出射光线12成被安平的水平面状态。完成上述功能须-θ₁、-θ₂、液体n、玻璃n₃按关系式1、2匹配。因为是平面安平，故图中a、b两点连线ab平行于水平面，与系统的倾斜无关。可广泛地应用于激光水平面放线。图中13为仪器盖板，14为盖板托，15为仪器电源开关，盖板落下时电路同时被切断。图中未注部分同图3。

实施例6：为本发明用于水准仪的一种变形设计原理图。

在附图8中，12为仪器磁性可调底座总成，配合园水泡16使仪器壳体13利于摆放成符合要求的倾斜范围(小于1度)以内，激光束8水平射出，经平面外反射镜5及液体3液面下的内反射镜2的反射后，呈倾斜光束6状态，之后再经平面镜9反射、折射棱镜9′折射成水平状态17射出同时被安平。折射棱镜9′可起到匹配折射液的作用，亦可用于匹配二维安平关系，具体参数可由关系式1、2决定。18为系统镜头盖，15电源，14激光器电路。21真空嘴，用于注入液体及抽真空。

实施例7：目视自动安平水平仪

附图9中，12为仪器的磁性底座配合园水泡15使仪器的壳体13利于摆放成正确的方位，物方水平光线8射向平面反射镜5，经反射成倾斜光线7射向液体中倾斜固定的反射镜2，然后成垂直状态6射向目视光学系统9，16为目视光学系统的视度及调焦旋钮，18为仪器的镜盖，当沿圆弧上下推动时可同时打开及关闭目视窗口17和物方窗口19，螺钉14用于粗调系统的水平度，保护玻璃10用于精调系统的水平度精度。

Claims (9)

1、一种倾斜反射式液体自动安平系统，其特征在于：壳体(1)的上部由平面透镜(4)封闭作为光线进入壳体的入射及出射窗口，在被封闭的壳体(1)中置有一层透明液体(3)，液面下相对液面倾斜固定一反射镜(2)，玻璃窗口(4)的上方相对液面倾斜固定一平面反射镜(5)该反射镜包括内反射、外反射和半反半透式三种形式，(6)、(7)、(8)依次为系统中的折转光轴，(9)、(10)为与之对接的其它光学系统。

2、根据权利要求1所述的倾斜反射式液体自动安平系统，其特征是：反射镜(2)的反射面包括平面、球面和回转曲面三种：反射方式包括外反射和内反射式两种，对内反射式的反射镜的入射面也包括平面与球面两种，且反射镜的入射面与反射面之间的夹角在0～40度之间。

3、根据权利要求1所述的倾斜反射式液体自动安平系统，其特征是：窗口平面透镜(4)包括平镜和楔镜，与液面之间设计一夹角以进一步减小反射杂光，夹角一般设计在0～25度之间。

4、根据权利要求1所述的倾斜反射式液体自动安平系统，其特征是：系统光路可分别沿正、逆两方向使用，当光束自上而下依次沿着折转光轴(6)(7)(8)经过系统时，光轴(8)的方向可直接用于水平安平和坡度安平；当激光束反方向入射，即依次沿光轴(8)(7)(6)通过系统时，出射的光线(6)用于铅直向上的准垂直安平和水平安平：垂直安平时出射光轴(6)处应沿光轴固定一倒象棱镜；水平安平时出射光线(6)处固定一单次反射镜、将光线反射成水平状态。

5、根据权利要求1所述的倾斜反射式液体自动安平系统，其特征是：当激光束自上而下依次沿着折转光轴(6)(7)(8)经过系统时，在(10)处放一无光焦度系统可实现水平与象倾斜的同时安平，无光焦度系统包括望远系统和折射棱镜，光线反方向入射时在(9)处放无光焦度系统亦可同样使用。

6、根据权利要求1所述的倾斜反射式液体自动安平系统，其特征是：光轴(6)处接目视系统时，用于目视水平仪的自动安平，(6)处接光电接收系统时，用于光电水平仪的自动安平；光轴(8)处接目视系统时，用于目视垂直仪的自动安平，(8)处接光电接收系统时，用于光电垂准仪的自动安平。

7、根据权利要求1所述的倾斜反射式液体自动安平系统，其特征是：当反射镜(2)为平面反射镜时，系统安平时液体的折射率可由下式决定： $\frac{\sqrt{n^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2}-\cos {\mathrm{\θ}}_2}{\sqrt{n_1^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1}-\cos {\mathrm{\θ}}_1]-L{\mathrm{\Γ}}_l\cos {\mathrm{\θ}}_1}=B-----1$ $(\sqrt{n^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1}-\cos {\mathrm{\θ}}_1)(\sin {\mathrm{\θ}}_2-\sin {\mathrm{\θ}}_1)=L\cos {\mathrm{\θ}}_1(\mathrm{\Γ}\sin {\mathrm{\θ}}_2-1)---2$

8、根据权利要求1所述的倾斜反射式液体自动安平系统，其特征是：倾斜的反射面配合液体、反射镜中玻璃的折射可用于减小半导体激光器光束两个方向的发散角的不同。

9、根据权利要求1所述的倾斜反射式液体自动安平系统，其特征是：平面反射镜(5)为半反半透射式的分光镜时，光线(6)透过分光镜，系统用于高精度垂直安平和倾角器，这时光轴(7)相对液面法线的夹角应小于6度。

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