CN1391085A - 测量机的光轴自动调节 - Google Patents

Abstract

一种测量机，它对一个光轴进行自动调节，包括：用于观察一个对象的一个观察光学系统；一个光传送光学系统，它把从一个光源发出的一个光束传送至所述对象；一个偏离探测器；以及，一个光轴调节器。该偏离探测器，它探测与所述观察光学系统对应的一个第一光轴和与所述光传送光学系统对应的一个第二光轴之间的一个偏离。该光轴调节器，它对所述第一光轴和所述第二光轴中的至少一个进行自动调节以对所述偏离进行校正。

Description

测量机的光轴自动调

本发明的领域

本发明涉及测量机中的光轴调节。

相关技术的描述

在测量机-诸如电子转速计、电子/光学经纬仪、矫平机等-中，提供了用于观看一个对象的观察光学系统和用于把光从一个光源发送至该对象的光传送光学系统。通常，一个信号目标或柱被设置在一个测量位置(一个站)，且利用该观察光学系统对该信号目标或柱进行观察。从光源发出的光通过该光传送光学系统并从测量机射向信号目标或柱上的一个观察点。

光传送光学系统的一个光轴被预先调节，从而使该光轴与观察光学系统的一个光轴相重合。因此，从测量机发出的光经光传送光学系统到达信号目标上的观察点。因此，能够实现准确的测量。即，能够准确地测量一个距离、一个角、和水平高度。

然而，光传送光学系统的光轴偶尔会由于温度或湿度的改变而相对于观察光学系统的光轴而发生移动。在此情况下，光所达到的点不与观察点相重合，因而不能进行准确的测量。为了使两个光轴相符合，需要手动地调节作为光传送光学系统的一部分而设置的一个反射镜的位置。然而，这种调节对一个用户来说是非常麻烦的且非常困难的。

本发明的概述

因而本发明的一个目的，是提供一种测量机，它能够在不需要手动光轴调节的情况下随时提供准确的测量。

根据本发明的一种测量机包括用于观察一个对象的一种观察光学系统和一种光传送光学系统。例如，诸如一个反射片或一个反射棱镜等的一个信号目标被用作所要观察的对象，并被设置在一个站上。该观察光学系统具有例如一个物镜、一个聚焦玻璃和一个直立的光学部件(诸如一个直立棱镜)和一个目镜。光传送光学系统把从一个光源发出的用于测量的一个光束传送至该对象。而当该测量机是一个矫平机或一个电子/光学经纬仪时，用于观察的光束(诸如一个激光束)得到发射和传送。当该测量机是一个电子转速计或电子距离仪时，一个用于测量测量机与对象之间的距离的光束得到发射和传送。

本发明的测量机包括一个偏离探测器和一个光轴调节器。该偏离探测器探测一个间隙，即观察光学系统的光轴与光传送光学系统的一个光轴之间的一个偏离。当通过该光传送光学系统的光束未沿着观察光学系统的该光轴而向着观察点行进时，发生了偏离。该偏离探测器通过探测其中光束未到达观察光学系统所观察的点的情况，而探测这种偏离。以下，该观察光学系统的该光轴被指定为“第一光轴”且光传送光学系统的光轴被指定为第二光轴”。

该光轴调节器自动调节该第一光轴和该第二光轴中的至少一个，以对该偏离进行校正。例如，该光轴调节器对第二光轴进行调节，从而使光束沿着第一光轴向着观察点行进，或者该光轴调节器对第一光轴进行调节从而使第一光轴沿着该光束的行进方向，该方向对应于第二光轴。

由于偏离得到自动探测并被自动校正，因而利用该测量机获得了准确的距离、准确的高度、或准确的角度。

为了保持观察光学系统的稳定性，即不改变第一光轴，优选地，该光轴调节器在不调节第一光轴的情况下对第二光轴进行调节。一般地，该光透射光学系统包括一个反射光学部件和一个折射光学部件中的至少一个。在此情况下，该光轴调节器包括一个位置改变器，它改变该反射光学部件的位置或该折射光学部件的位置。为了对该偏离进行补偿，该光轴调节器通过根据该偏离来改变该反射或折射光学部件的位置而对第二光轴进行调节。

当该测量机是一个电子转速计或一个数字距离计时，在该测量机中设置了一个距离探测器。该距离检测器通过接收从对象反射的光束，而测量该测量机与对象之间的距离。

为了尽可能地利用现有的测量机的构造来探测该偏离，优选地，该偏离探测器根据来自对象的、通过观察光学系统的反射光而对该偏离进行探测。即，该偏离探测器从第一光轴与包括在来自对象的反射光中的光束的行进方向之间的差来探测该偏离。为了以两维信息的形式探测该偏离，优选地，该偏离探测器包括一个两维偏离探测器，它接收该光束并探测由在一个焦平面上定义的两维坐标表示的该偏离。该两维偏离探测器根据光束的入射位置和与第一光轴相应的一个预定的基本位置，来探测该偏离。

在电子转速计或数字距离仪的情况下，在该观察光学系统中设置了一个特定区域反射光学部件。该特定区域反射光学部件具有一个反射区和一个透射区。该反射区有选择地被反射光反射至该距离探测器。该透射区使所有反射光传送。因此，距离和偏离两者都根据通过观察光学系统的光束而得到探测。

例如，特定区域反射光学部件由一个单个的部件构成-其中反射区和透射区被形成在一个体中，或者特定区域反射光学部件由多个部件构成-其中反射区和透射区被分开形成。

为了利用通过观察光学系统的光束探测偏离，优选地，一个可选的反射光学部件或一个可选的透射光学部件被设置在该观察光学系统中。该可选的反射光学部件通过对来自反射光的光束进行反射而对该光束进行分割，而可选的透射光学部件通过允许该光束通过而对该反射光进行分割。例如，该可选的反射光学部件具有一个第一分色表面，它只反射具有与该光束相应的波长区域的光。另一方面，该可选的透射光学部件具有一个第二分色表面，它只让具有与该光束相应的波长区域的光通过。

为了利用以该观察光学系统的元件之一的形式制成的一种光学部件来探测偏离，一种可选的透射光学部件得到采用，它是一种具有一个第二分色表面的正棱镜。该正棱镜是作为观察光学系统的一个而提供的，以使对象的图象为正立。因此，在没有用于探测观察光学系统中的偏离的一个新的光学部件的情况下，偏离得到了探测。

根据本发明的另一方面的一种测量机的一种自动光轴调节设备具有一个偏离探测器和一个光轴调节器。该测量机具有用于观察一个对象的一个观察光学系统和用于透射测量光束的光传送光学系统。该光束从一个光源被辐射至该对象。该偏离探测器探测与该观察光学系统对应的一个第一光轴与同该光传送光学系统相对应的一个第二光轴之间的偏离。该光轴调节器对该第一光轴和第二光轴中的至少一个进行自动调节，以校正该偏离。

附图的简要描述

从以下结合附图对本发明的最佳实施例所进行的描述，本发明将得到更好的理解。在附图中：

图1是根据一个第一实施例的一种电子转速计中设置的一个透镜筒的一个框图；

图2是一个特定区域反射镜的正视图；

图3是一个正立光学系统的立体图。

图4是示意图，显示了一个第一反射镜和一个镜转动装置；

图5是根据一个第二实施例的设置在一个电子转速计中的一个透镜筒的框图；

图6是显示一个第二反射镜的立体图；

图7是根据一个第三实施例的在一个电子转速计中设置的一种透镜筒的框图；

图8是根据一个第四实施例的设置一个矫平机中设置的一种透镜筒的框图；

最佳实施例的描述

以结合附图描述本发明的最佳实施例。

图1是根据一个第一实施例的设置在一种电子转速计中的一种透镜筒的框图。图2是一种特定区域反射镜的正视图。图3是一种正立光学系统的一个立体图。该电子转速计能够测量一个观察的对象(诸如一个信号目标或角立方体)与该电子转速计之间的距离，并进一步地能够测量一个角度-诸如一个水平角或一个仰角等等。在透镜筒10中，设置了一个观察光学系统和一个光传送光学系统。在此实施例中，一个信号目标ST(它是一个反射片)被设置在一个站。

透镜筒10具有一个物镜11。信号目标ST是经过物镜11观察的，且用于测量该距离的光经过物镜11而被传送到该信号目标。透镜筒10受到一个支持部件(未显示)的支持并可绕一个水平轴和一个纵向轴转动。

用于观察信号目标ST的该观察光学系统由物镜11、一个特定区域反射镜12、一个聚焦调节透镜13、一个正立光学系统14、一个聚焦玻璃15、以及一个目镜16构成。正立光学系统14在此是一个正立棱镜。

进入物镜11的光被引向特定区域反射镜12，其中，如将要在后面描述的，只有特定的光成分被反射，而其他的光成分被引向聚焦调节透镜13。

聚焦调节透镜13沿着观察光学系统的一个光轴E移动，以调节一个焦点位置。通过聚焦调节透镜13的光经过正立光学系统14而到达聚焦玻璃15，从而使一个对象图象被形成在聚焦玻璃15上。因此，因此，用户能够通过目镜16对该对象图象即信号目标ST的象进行观测。

在聚焦玻璃15中，形成了一个交叉线，从而通过目镜16观测到一个交叉的图象。该交叉线的中心对应于聚焦玻璃15的中心。因此，连接物镜11的中心和该交叉线的中心的一条线与观察光学系统的光轴E相重合。

在透镜筒10中，提供了一种光源20。在此实施例中，该光源20是一个光发射器件，诸如一个LED(发光二极管)或一个LD(激光二极管)，它发射可见光区域中的一种窄波长调制光以测量距离。在此实施例中，该调制光的波长接近于红外光的波长。以下，从光源20发射的光被称为“测量光束”。

该测量光束经过该光传送光学系统而被传送到信号目标ST。该光传送光学系统由一个准直透镜21、一个远焦透镜22、一个第一反射镜23、一个第二反射镜24、以及物镜11构成。

从光源20发出的测量光束由准直透镜21准直并被引向远焦透镜22。远焦透镜22调节测量光束的宽度。通过远焦透镜22的测量光束在第一反射镜23和第二反射镜24上被反射，并从电子转速计经物镜11而被辐射出去。

从电子转速计辐射出去的该测量光束到达信号目标ST上的一个观察点SP，并被该观察点SP所反射。另一方面，日光在该观察目标上被反射。因此，包括测量光束的反射光进入物镜11。

该反射光经一个测量光学系统而被引向一个光电器件32(诸如一个光电二极管)。该测量光学系统由物镜11、特定区域反射镜12、一个光接收光学部件30、以及一个光纤束31。

通过物镜11的反射光被引向特定区域反射镜12。如图2所示，特定区域反射镜12由一个盘形成，并具有形成在特定区域反射镜12的一个中心周围的一个反射区12X和沿着该反射区12X的圆周而形成的一个透射区12Y。反射区12X只反射具有一种窄波长的光，其中心对应于测量光束的谱线峰。即，反射区12X只反射反射光中的测量光束，并使得其他的光成分透射。透射区12Y使得反射光直接穿过。即，透射区12Y使反射光透射至聚焦调节透镜13。

反射区12X所反射的测量光束被引向光接收光学部件30。该测量光束在光接收光学部件30上得到反射并进入光纤束31的一个入射表面。该测量光束通过该光纤束31并到达光电器件32。在该光电器件32中，通过光电转换而产生电信号，该电信号被馈送到一个系统控制电路40。

系统控制电路40对透镜筒10进行控制，并通过利用相位调制测量方法来计算该距离。在系统控制电路40中，用于控制光源20的发射时序的基信号被输出至光源20。测量光束根据该基信号而从光源20被发射出。在系统控制电路40中，根据来自光电器件32的电信号与该基信号之间的相位差，该距离得到计算。该距离被显示在该测量机上设置的一个监视器(未显示)上。

另一方面，通过特定区域反射镜12的反射光被引向正立光学部件14。如图3所示，正立光学部件14具有一个选择反射表面141，它对应于一个分色镜。该选择反射表面141只让具有与该测量光束对应的一个窄波长的光穿过。因此，该测量光束被引向一个定位探测器41。该选择反射表面141反射除了测量光束之外的光，而测量光束被引向聚焦玻璃15。

在此实施例中，定位探测器41是一个CCD(电荷耦合器件)，并对测量光束具有高灵敏度。多个光电二极管被两维排列在定位探测器41的光接收区上。当测量光束到达该光接收区时，接收该光束的一个光电二极管的位置作为该测量光束的入射位置而得到探测。

定位探测器41被设置在透镜筒10中，从而使定位探测器41的位置相对于距选择反射表面141的距离在光学上等价于聚焦玻璃15的位置。因此，包括定位探测器41的该光接收区的一个平面在光学上对应于一个焦平面。在该光接收区上，预先定义了一个基准位置-它对应于聚焦玻璃15中的交叉线的中心并对应于观察点SP。定位探测器41探测该入射位置与光接收区上的该基准位置之差。

当测量光束从第二反射镜24沿着观察光学系统的光轴E经物镜11行进至信号目标ST，即光传送光学系统的光轴L与观察光学系统的光轴E相重合时，在观察点SP上反射的测量光束到达定位探测器41的光接收区上的与交叉线的中心对应的基准位置。在此情况下，不产生该差。当出现一个给定的差时，该差作为光轴L与光轴E之间的偏离而得到探测。因此，该偏离由两维坐标信息表示。与该偏离相应的一个探测信号被馈送到系统控制电路40。

在系统控制电路40中，用于控制第一反射镜23的位置的一个控制信号被馈送到一个镜转动装置43。该镜转动装置43对第一反射镜23的位置进行调节，以调节光传送光学系统的光轴L。即，第一反射镜23的姿态得到调节，从而使光轴L与光轴E相重合。

应该注意的是，光轴的调节是根据一个给定的操作而进行的。在透镜筒10中，在电子转速计上设置了一个调节开关，它与系统控制电路40相连。当该调节开关通过用户的操作而被接通时，光轴的调节得到进行。应该注意的是，光轴的调节可以在电子转速计中的透镜筒10被操作的任何时间进行。

图4是示意图，显示了第一反射镜23和镜转动装置43。镜转动装置43具有一个第一致动器51和一个第二致动器52，并使第一反射镜23绕一个第一轴X1和一个第二轴X2转动，而这两个轴彼此垂直。该第一和第二致动器51和52分别是步进马达，它们根据从系统控制电路40馈送来的控制信号而工作。

第一反射镜23具有一个镜231和一个镜保持部件232。镜231是一个平板形的镜，它反射从光源20送来的测量光束。镜231被紧固地连接在镜保持部件232上。镜保持部件232被紧固地连接到致动器51的一个输出轴511上并受到一个镜支持部件53的可转动支持。

第一致动器51被紧固地连接到镜支持部件53上，并绕第一轴X1转动镜231和镜保持部件232，即转动第一反射镜23。当第一致动器51被驱动时，输出轴511绕第一轴X1转动，从而使镜231绕第一轴X1转动。应该注意的是，第一轴X1处于平分镜231的反射区的一条线上。

镜支持部件53被紧固地连接至第二致动器52的输出轴521上。第二致动器52连接到透镜筒10的内表面上。当第二致动器52被驱动时，镜支持部件53绕第二轴X2转动。应该注意的是，第二轴X2通过镜231的中心并与第一轴X1相交叉。第二轴X2不相对于透镜筒10的内表面移动。即，第二轴X2的方向相对于内表面没有改变。类似地，第一轴X1相对于镜支持部件53没有改变。

第一反射镜23绕第一和第二轴X1和X2转动，从而使光传送光学系统的光轴L改变。绕第一和第二轴X1和X2的转动量分别根据两维坐标所表示的偏离而确定。

以此方式，在观察光学系统中提供了特定区域反射镜12和具有选择反射表面141的正立光学系统14(棱镜)。当光轴E与光轴L之间的偏离根据入射位置与对应于光轴E的基准位置之间的差而得到探测时，第一反射镜23的位置被改变，以对该偏离进行校正，从而使光轴L与观察光学系统的光轴E相重合。

该定位探测器可由其他检测器构成-该检测器能够探测光接收位置。例如，一种PDS(位置检测器二极管)可被用来代替CCD。

应该注意的是，具有一个反射表面的一个棱镜可被用来代替第一反射镜23或第二反射镜24。

在此实施例中，反射区12X和透射区12Y被形成在一个整体中。然而，反射区12X和透射区12Y可以被分别形成。例如，透射区12Y被紧固地连接在透镜筒10的内表面上，且反射区12X被这样设置，即使得反射区12X能够沿着光轴E移动。

应该注意的是，一个远焦透镜22(它是一个折射透镜)的位置可以被改变，从而使光传送光学系统的光轴L与代替第一反射镜23的观察光学系统的光轴E相重合。

用于只测量一个距离的电子距离计可以作为测量机而得到应用。

结合图5和6，对一个第二实施例的一个电子转速计进行说明。该第二实施例与第一实施例的不同，在于光传送光学系统中的另一光学部件发生转动，以调节光传送光学系统的光轴。由于第二实施例的其余部分与第一实施例的类似，其标号相同。

图5是根据第二实施例的电子转速计中的一个透镜筒的框图。图6是显示一个第二反射镜的立体图。

一个镜转动装置44被设置在透镜筒10中并与第二反射镜24和系统控制电路40相连。在该系统控制电路40中，根据光接收位置与基准位置之差，用于调节第二反射镜24的位置的姿态的一个控制信号被馈送到镜转动装置44。镜转动装置44根据控制信号来调节第二反射镜24的位置。

如图6所示，第二反射镜24能够绕彼此垂直的一个第三轴X3和一个第四轴X4转动。根据该控制信号，镜转动装置44通过转动反射镜24而改变光传送光学系统的光轴L。应该注意的是，镜装置44的构造基本上与第一实施例中的镜装置43的构造相同。

以此方式，在第二实施例中，偏离得到探测且光轴L得到调节，从而使光轴L与观察光学系统的光轴E相重合，这与第一实施例中相类似。

结合图7，对一个第三实施例进行描述。该第三实施例与第一实施例和第二实施例的不同，在于观察光学系统的光轴而不同光传送光学系统的光轴得到调节。由于第三实施例的其余部分与第一和第二实施例的相同，它们的标号也相同。

图7是根据第三实施例的电子转速计的一个透镜筒的框图。

一个光学部件转动装置45被设置在透镜筒10中并与特定区域反射镜12和系统控制电路40相连。该光学部件转动装置45使特定区域反射镜12相对于光轴E倾斜，从而使对应于交叉线的中心的观察点SP与在信号目标ST上的一个点相重合，而从电子转速计辐射来的测量光束到达该信号目标ST。应该注意的是，光学部件转动装置45可使聚焦透镜15沿着与光轴E垂直的一个平面发生移动。

结合图8，描述一个第四实施例的一个电子转速计。该第四实施例与第一、第二和第三实施例的不同，在于一种矫平机被用作该测量机。由于该第四实施例的其余部分与第一和第二实施例的相同，其标号也相同。

图8是根据第四实施例的该矫平机中的一个透镜筒的框图。

在该矫平机的一个透镜筒60中，设置了一个光源20’以发射用于观察的光束。在此，该光束是激光。定位检测器41被设置在光接收镜30之下。特定区域反射镜12反射与用于观察的光束相应的具有一个特定波长区域的光。光接收镜30接收用于观察的光，并把该光束引向定位探测器41。

第一反射镜23的位置根据从定位探测器41输出的一个探测信号而受到系统控制电路40的调节。第一反射镜23受到转动，从而使光传送光学系统的光轴L与观察光学系统的光轴E相重合。

应该注意的是，用于测量一个水平角和一个高度角的一种电子/光学经纬仪可取代矫平机而被用作测量机。

第一实施例显示的具有选择反射表面141的正立棱镜14可被设置在该观察光学系统中。在此情况下，该定位探测器可被设置在正立棱镜14之下，且特定区域反射镜12和光接收镜30可被除去。

最后，本领域的技术人员应该理解的是，以上的描述是对本设备的最佳实施例而进行的，且在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以进行各种改变和修正。

本公开与日本专利申请第2001-172161和第2002-036300(2001年6月7日和2002年2月14日递交)的内容有关，且这些申请在此被全文引用。

Claims (14)

1.一种对光轴进行自动调节的测量机，包括：

一个观察光学系统，用于观察一个对象；

一个光传送光学系统，它把从一个光源发出的一个用于测量的光束传送至所述对象；

一个偏离探测器，它探测与所述观察光学系统对应的一个第一光轴和与所述光传送光学系统对应的一个第二光轴之间的一个偏离；以及

一个光轴调节器，它对所述第一光轴和所述第二光轴中的至少一个进行自动调节以对所述偏离进行校正。

2.根据权利要求1的测量机，其中所述光传送光学系统包括一个反射光学部件和一个折射光学部件中的至少一个，且所述光轴调节器包括一个位置改变器，该位置改变器改变所述反射光学部件与所述折射光学部件中的至少一个的位置，所述先轴调节器通过根据所述偏离改变该位置而对所述第二光轴进行调节。

3.根据权利要求1的测量机，进一步包括：

一个距离探测器，它通过接收来自所述对象的反射光中包括的所述光束而测量所述测量机与所述对象之间的距离；以及

一个特定区域反射光学部件，它被设置在所述观察光学系统中并具有一个反射区和一个透过区，所述反射区有选择地反射所述反射光中的所述光束以把所述光束引向所述距离探测器，所述透过区使得所述反射光的全部都能够穿过。

4.根据权利要求3的测量机，其中所述特定区域反射光学部件由一个单个的部件构成，其中所述反射区和所述透过区被形成在一个整体中。

5.根据权利要求3的测量机，其中所述特定区域反射光学部件由多个部件构成，其中所述反射区和透过区被单独形成。

6.根据权利要求1的测量机，其中所述光束是与用于观察的光对应的一个观察光束和与用于测量所述测量机与所述对象之间的距离的光对应的一个测量光束中的一个。

7.根据权利要求1的测量机，其中所述偏离探测器包括一个可选的反射光学部件-该部件被设置在所述观察光学系统中并通过反射所述光束而对来自所述对象的反射光中的所述光束进行分割。

8.根据权利要求1的测量机，其中所述偏离探测器包括一个可选透射光学部件，该透射光学部件被设置在所述观察光学系统中并通过使所述光束能够穿过而对来自所述对象的反射光中的所述光束进行分割。

9.根据权利要求7的测量机，其中所述可选的反射光学部件具有一个第一分色表面，该表面只反射具有与所述光束对应的一个波长的光。

10.根据权利要求8的测量机，其中所述可选透射光学部件具有一个第二分色表面，该表面只使得具有与所述光束对应的一个波长的光能够穿过。

11.根据权利要求8的测量机，其中所述可选透射光学部件是一个正立棱镜，该正立棱镜具有一个第二分色表面，该第二分色表面只让具有与所述光束对应的一个波长的光能够穿过，所述正立棱镜作为所述观察光学系统之一而得到提供以使一个对象图象正立。

12.根据权利要求1的测量机，其中所述偏离探测器从所述第一光轴与来自所述对象的、通过所述观察光学系统的反射光中包括的所述光束的一个行进方向之间的一个差来探测所述偏离。

13.根据权利要求1的测量机，其中所述偏离探测器包括一个两维偏离探测器，该偏离探测器接收所述光束并探测由在一个焦平面中定义的两维坐标所表示的所述偏离，所述两维偏离探测器根据所述光束的入射位置和与所述第一光轴对应的一个预定的基准位置来探测所述偏离。

14.一种测量机的一种自动光轴调节设备，所述测量机具有：一个观察光学系统，用于观察一个对象；以及，一个光传送光学系统，它把从一个光源发出的一个用于测量的光束传送至所述对象，所述自动光轴调节设备包括：

一个偏离探测器，它探测与所述观察光学系统对应的一个第一光轴和与所述光传送光学系统对应的一个第二光轴之间的一个偏离；以及

一个光轴调节器，它对所述第一光轴和所述第二光轴中的至少一个进行自动调节以对所述偏离进行校正。

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