CN1499171A

CN1499171A - 一种具有自动准直功能和距离测量功能的观测仪器

Info

Publication number: CN1499171A
Application number: CNA2003101035601A
Authority: CN
Inventors: 金子健治; 一; 铃木新一
Original assignee: Pentax Precision Co Ltd
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2002-11-11
Filing date: 2003-11-10
Publication date: 2004-05-26
Also published as: JP3947455B2; DE10352669A1; US20040090612A1; US6822732B2; JP2004163164A

Abstract

一个观测仪器包括一个观测仪器体，观测仪器体可绕纵轴和横轴旋转，具有一个用来相对于一个观测点准直观测仪器的望远镜光学系统，一个用来向观测点发射第一光线和接收在观测点反射的第一光线的准直光学系统，一个用来旋转观测仪器体使观测点定位在望远镜光学系统的一个光轴上的自动准直系统，一个用来向观测点发射第二光线和接收在观测点反射的第二光线的距离测量光学系统，和一个用来计算观测仪器到观测点距离的距离测量设备，准直光学系统的光轴与距离测量光学系统的光轴之间相互偏移。

Description

一种具有自动准直功能和距离测量功能的观测仪器

技术领域

本发明涉及一种具有自动准直功能和距离测量功能的观测仪器。

背景技术

传统的高端观测仪器例如总站除具有一个用于测量观测仪器到观测点的距离以及水平角和垂直角的基本功能之外，还具有一个自动准直功能，用来相对于观测点(三面直角棱镜)自动准直观测仪器。根据自动准直功能，自动准直光线经过观测仪器的一个望远镜光学系统向观测点(三面直角棱镜)发射，随后从观测点向观测仪器反射回来，被观测仪器所接收，用来相对于观测点自动准直观测仪器。

另一方面，根据距离测量功能例如一个EDM(电子测距表)的距离测量功能，距离测量光线经过同一望远镜光学系统向观测点发射，随后从观测点向观测仪器反射回来，被观测仪器所接收，用来测量观测仪器到观测点的距离。

通常，自动准直光线和距离测量光线沿望远镜光学系统的同一个光轴向一个观测点发射。为了沿同一光轴向一个观测点发射自动准直光线和距离测量光线，从不同方向发出的前述两个不同光线必须由一个分光镜(半透明反射镜)组合，该分光镜不可避免地导致两个不同光线中每一个光线数量的大量损失，结果两个不同光线中每一个光线数量减小到小于一半，这使得在观测仪器到观测点的距离增加时，自动准直和距离测量的进行变得更加困难，也导致距离测量精度的降低。如果使用一个波长选择分光镜，使两个不同的光线具有不同的波长，可克服该问题，但是产生两个具有不同波长的光线的成本一般很高。

发明内容

本发明提供一个具有自动准直功能和距离测量功能的观测仪器，其中自动准直光线和距离测量光线经过同一望远镜光学系统向一个观测点发射，并且两个不同光线的光线数量损失被降低。

本发明按下面的想法设计，如果自动准直光线和距离测量光线分别沿不同的光路向一个观测点发射，光路之间相互偏移，且这种偏移不会对自动准直或距离测量操作产生任何不利影响，那么就可以克服两个不同光线的光线数量损失问题。

根据本发明的一个方面，提供一个观测仪器，其包括一个可绕一个垂直轴或一个水平轴中的每一个旋转的观测仪器体，观测仪器体包括一个用来相对于观测点准直观测仪器的望远镜光学系统；一个装在观测仪器体内的、用来经过望远镜光学系统向观测点发射第一光线和接收在观测点反射的第一光线的准直光学系统；一个依据观测点的位置信息、使观测仪器体绕垂直轴和水平轴中的每一个旋转、使观测点定位在望远镜光学系统的一个光轴上的自动准直系统；一个装有观测仪器体内的、用来经过望远镜光学系统向观测点发射第二光线和接收在观测点反射的第二光线的距离测量光学系统；和一个依据由距离测量光学系统向观测点发射的、并在观测点反射的第二光线的信息计算观测仪器到观测点距离的距离测量设备。第一光线向观测点传播所沿的准直光学系统的光轴与第二光线向观测点传播所沿的距离测量光学系统的光轴之间在望远镜光学系统中相互偏移。

希望的是使准直光学系统的光轴和距离测量光学系统的光轴中的一个与望远镜光学系统的光轴重合。

希望的是使距离测量光学系统的光轴与望远镜光学系统的光轴重合。

准直光学系统可以包括一个发出第一光线的第一光源；和一个装在与望远镜光学系统的光轴偏移的位置上的偏轴镜。距离测量光学系统可以包括一个发出第二光线的第二光源，和一个位于望远镜光学系统的光轴上的同轴镜。偏轴镜相对于同轴镜大约成90度角，同轴镜相对于望远镜光学系统的光轴大约成45度角。

希望的是使距离测量光学系统包括一个光接收元件和一个位于同轴镜后面、实质上与同轴镜平行的第二同轴镜，这样在观测点反射回到望远镜光学系统的第二光线由第二同轴镜反射后，入射到光接收元件上。

希望的是使望远镜光学系统包括一个位于第二同轴镜后面、望远镜光学系统的光轴上的、与第二同轴镜结合的半透明反射镜。

希望的是使偏轴镜、同轴镜和第二同轴镜形成一个单一构件，位于望远镜光学系统的物镜后面。

希望的是使单一构件位于望远镜光学系统的一个分光镜的前面。

在另一个实施例中，提供一个观测仪器，其包括一个可绕垂直轴和水平轴中的每一个旋转的观测仪器体；一个装在观测仪器体内的、用来相对于一个观测点准直观测仪器的望远镜光学系统；一个装在观测仪器体内的、用来经过望远镜光学系统向观测点发射第一光线和接收在观测点反射的第一光线的准直光学系统；和一个装在观测仪器体内的、用来经过望远镜光学系统向观测点发射第二光线和接收在观测点反射的第二光线的距离测量光学系统。第一光线经过望远镜光学系统向观测点发射所沿的光路与第二光线经过望远镜光学系统向观测点发射所沿的光路在望远镜光学系统中相互偏移。

附图说明

下面结合附图对本发明进行详细描述，其中：

图1示出依据本发明的观测仪器的一个实施例侧视图。

具体实施方式

如图1所示，在一个实施例中，观测仪器100设有一个具有望远镜光学系统10的观测仪器体1，望远镜光学系统10包括一个物镜11，一个多功能复合镜12，一个分光镜(分光棱镜)13，一个聚焦镜14，一个波罗棱镜(正像系统)15、一个调制盘16和一个目镜17，按从目标侧(图1所示的左侧)的顺序组成。观测仪器体1可以绕一个垂直轴10V向前转和反向旋转，也可以绕一个与垂直轴10V相交的水平轴10H向前转和反向旋转，这样观测者就可以通过绕垂直轴10V和水平轴10H适当旋转观测仪器体，经过望远镜光学系统10的目镜17看到一个三面直角棱镜(反射镜)18的图像。

多功能复合镜12包括三个直角镜体：第一直角镜体12X，第二直角镜体12Y和第三直角镜体12Z，它们被粘接形成多功能复合镜12的一个单片结构。第一直角镜体12X具有一个位于望远镜光学系统10的光轴10X上的、相对光轴10X大约成45度角的第一反射面12a。同样地，第二直角镜体12Y具有一个位于望远镜光学系统10的光轴10X上的、相对光轴10X大约成45度角的、实质上与第一反射面12a平行的第二反射面12b。第二直角镜体12Y被粘接在第一直角镜体12X面向分光镜13的那个表面上。第三直角镜体12Z具有一个位于光轴10X的一个偏移位置上的、相对第一反射面12a大约成90度角的第三反射面12c，第三直角镜体12Z被粘接在第一直角镜体12X的顶面上。

多功能复合镜12的第一直角镜体12X作为EDM的距离测量光学系统中的一个光学元件，用来向三面直角棱镜18发射距离测量光线，距离测量光线由一个具有波长例如780纳米的辐射调制激光束构成。观测仪器100具有用于距离测量的一个光源21和一个与第一反射面12a结合的反射镜22。从光源21发出的距离测量光线被反射镜22反射后，沿实质上与光轴10X垂直的方向入射到第一反射面12a上。另一方面，观测仪器100在光源21和反射镜22之间设有一个可移动反射器24，可移动反射器24在一个缩进位置和一个反射位置之间移动，在缩进位置，可移动反射器位于光源21与反射镜22之间的光路的外面，这样从光源21发出的距离测量光线入射到反射镜22上，而不是可移动反射器24上，然后再向三面直角棱镜18发射；在反射位置，可移动反射器24如图1所示位于光源21与反射镜22之间，这样从光源21发出的距离测量光线经可移动反射器24反射，直接入射到一个用于距离测量的光接收元件23上。驱动可移动反射器24交替在缩进位置和反射位置之间移动。除了包括第一反射面12a的第一直角镜体12X之外，光源21，反射镜22，光接收元件23和可移动反射器24也是观测仪器体1中设置的距离测量光学系统的组件。

因此，在可移动反射器24位于缩进位置的情况下，从光源21发出的距离测量光线沿望远镜光学系统10的光轴10X向三面直角棱镜18发射，经反射镜22、第一反射面12a和物镜11入射到三面直角棱镜18上。随后，入射到三面直角棱镜18上，再在那向观测仪器100反射，再入射到物镜11上的光线经过物镜11，入射到分光镜13的一个半透明反射镜表面13a上。半透明反射镜表面13a允许返回的距离测量光线(具有波长780纳米)的一部分通过，同时向第二反射面12b反射返回的距离测量光线的剩余部分。因为从光源21发出的距离测量光线由位于望远镜光学系统10的光轴10X上的第一反射面12a反射，沿光轴10X向三面直角棱镜18发射，所以可以理解的是，距离测量光线向三面直角棱镜18传播所沿的观测仪器100的距离测量光学系统的光轴与望远镜光学系统10的光轴10X重合。

由半透明反射镜表面13a反射的距离测量光线再由第二反射面12b反射，入射到用于距离测量的光接收元件23上。相比之下，在可移动反射器24位于图1所示的反射位置时，从光源21发出的光线由可移动反射器24反射，直接入射到光接收元件23上。因此，从光源21发出的、由三面直角棱镜18反射回望远镜光学系统10的距离测量光线(外部发射调制光线)与从光源21发出的、由可移动反射器24反射的距离测量光线(内部调制光线)交替入射到光接收元件23上。观测仪器具有一个与光接收元件23电连接的距离测量计算电路(距离测量设备)25。距离测量计算电路25从前述外部发射调制光线与内部调制光线之间的相差计算得到观测仪器100到三面直角棱镜18的距离。EDM的这种原理在本领域中是已知的。

多功能复合镜12的第三直角镜体12Z作为观测仪器体1中设置的准直光学系统的一个基本光学元件，用来向三面直角棱镜18发射自动准直光线，自动准直光线由一个具有与用于距离测量的内部调制激光束相同波长例如780纳米的辐射调制激光束构成。观测仪器100具有一个用于自动准直的光源31和一个与第三反射面12c组合的投影透镜32。除了第三直角镜体12Z(其包括第三反射面12c)之外，光源31和投影透镜32也是观测仪器体1中设置的准直光学系统的光学元件。从光源31发出的自动准直光线经过投影透镜32、沿实质上与光轴10X垂直的方向入射到偏移光轴10X的第三反射面12c上。因此，从光源31发出的自动准直光线沿一条偏移光轴10X的光路，即不沿光轴10X，向三面直角棱镜18发射。向三面直角棱镜18发射的自动准直光线按照与向三面直角棱镜18发射的距离测量光线相同的方式，反射回望远镜光学系统10。在穿过半透明反射镜表面13a之后，自动准直光线被分光镜13的一个分色镜表面13b反射，入射到一个CCD33上。分色镜表面13b具有完全反射波长为780纳米的入射光的特性。观测仪器100具有一个坐标检测器34，一个水平轴驱动机构35和一个垂直轴驱动机构36，CCD33与坐标检测器34电连接，这样坐标检测器34为水平轴驱动机构35和垂直轴驱动机构36输出驱动信号，驱动水平轴驱动机构35和垂直轴驱动机构36，使观测仪器体1分别绕水平轴10H和垂直轴10V旋转，这样三面直角棱镜18被正确定位在望远镜光学系统10的光轴10X上。这些操作依据传统的自动准直功能运行。CCD33、坐标检测器34、水平轴驱动机构35和垂直轴驱动机构36构成一个自动准直系统。

上面已讨论的EDM功能(距离测量功能)和自动准直功能是传统观测仪器具有的已知功能。本实施例的观测仪器100的一个特点在于，从光源21发出的距离测量光线经过多功能复合镜12的第一直角镜12X、沿望远镜光学系统10的光轴10X向三面直角棱镜18发射，同时从光源31发出的自动准直光线经过多功能复合镜12的第三直角镜12Z、沿偏移望远镜光学系统10的光轴10X的一个光路向三面直角棱镜18发射，其中光路与光轴10X不相交。换句话说，本实施例的观测仪器100的特征在于，距离测量光线向三面直角棱镜18传播所沿的望远镜光学系统10的光轴10X与自动准直光线向三面直角棱镜18传播所沿的光路的光轴在观测仪器体1中相互偏移。因此，从光源21发出的距离测量光线和从光源31发出的自动准直光线都不穿过任何用于结合两个不同光线到光轴10X上的分光镜或半透明反射镜，这样不减小两个不同光线中每一个的光线数量。换句话说，通过这样的布置，其中自动准直光线的光路与距离测量光线的光路之间相互偏移，可减小两个不同光线(距离测量光线和自动准值光线)的光线数量上的损失。这使得对一个更远距离的观测点进行距离测量成为可能，或使得高精确度的距离测量操作运行成为可能。

在这时，尽管穿过物镜11向分光镜13前进的光线部分地被多功能复合镜12截取，但只要自动准直光线聚焦到调制盘16(CCD33)上，仍可通过目镜17看到一个清楚的图像。

尽管在上述观测仪器的实施例中，从光源21发出的距离测量光线沿望远镜光学系统10的光轴10X传播发射，同时从光源31发出的自动准直光线沿偏移光轴10X的一个光路传播发射，但是自动准直光线也可沿望远镜光学系统10的光轴10X传播发射，同时距离测量光线可沿偏移光轴10X的一个光路传播发射。

尽管在上述观测仪器的实施例中，三个反射面12a、12b和12c分别形成在三个组成多功能复合镜12的直角镜体12X、12Y和12Z上，但是分别对应于三个反射面12a、12b和12c的三个反射面可以形成在一个单一构件上。

可以从前述理解的是，依据本发明，可以降低距离测量光线和自动准直光线中每一个光线数量的损失。此外，即使观测点位于遥远的位置，仍可以进行精细的距离测量和精细的自动准直操作。

可以在本发明描述的具体实施例上作显而易见的改变，只要这样的修改在本发明所要求的精神和范围之内。需要说明的是，这里所包含的所有内容只是说明性的，不限制本发明的范围。

Claims

1.一种观测仪器，包括：

一个观测仪器体，可绕垂直轴和水平轴中的每一个旋转，所述观测仪器体包括一个用来相对于一个观测点准直所述观测仪器的望远镜光学系统；

一个设在所述观测仪器体内的、用来经过所述望远镜光学系统向所述观测点发射第一光线和接收从所述观测点反射的所述第一光线的准直光学系统；

一个依据所述观测点的位置信息、绕所述垂直轴和所述水平轴中的每一个旋转所述观测仪器体、使得所述观测点定位在所述望远镜光学系统的一个光轴上的自动准直系统；

一个设在所述观测仪器体内的、用来经过所述望远镜光学系统向所述观测点发射第二光线和接收从所述观测点反射的所述第二光线的距离测量光学系统；和

一个用来依据由所述距离测量光学系统向所述观测点发射的、在所述观测点反射的所述第二光线的信息计算得到所述观测仪器到所述观测点的一个距离的距离测量设备，

其中所述第一光线向所述观测点传播所沿的所述准直光学系统的一个光轴与所述第二光线向所述观测点传播所沿的所述距离测量光学系统的一个光轴在所述望远镜光学系统中相互偏移。

2.根据权利要求1所述的观测仪器，其中所述准直光学系统的所述光轴与所述距离测量光学系统的所述光轴中的一个与所述望远镜光学系统的所述光轴重合。

3.根据权利要求1所述的观测仪器，其中所述距离测量光学系统的所述光轴与所述望远镜光学系统的所述光轴重合。

4.根据权利要求3所述的观测仪器，其中所述准直光学系统包括：

一个发出所述第一光线的第一光源；和

一个在所述望远镜光学系统的所述光轴的一个偏离位置上设置的偏轴镜，

其中所述距离测量光学系统包括：

一个发出所述第二光线的第二光源；和

一个位于所述望远镜光学系统的所述光轴上的同轴镜，

其中所述偏轴镜相对于所述同轴镜大约成90度角，和

其中所述同轴镜相对于所述望远镜光学系统的所述光轴大约成45度角。

5.根据权利要求4所述的观测仪器，其中所述距离测量光学系统还包括：

一个光接收元件；和

一个位于所述同轴镜的后面、实质上与所述同轴镜平行的第二同轴镜，这样在所述观测点反射回所述望远镜光学系统的所述第二光线由所述第二同轴镜反射，入射到所述光接收元件上。

6.根据权利要求5所述的观测仪器，其中所述望远镜光学系统包括一个位于所述第二同轴镜的后面并与所述第二同轴镜结合的、所述望远镜光学系统的所述光轴上的半透明反射镜。

7.根据权利要求5所述的观测仪器，其中所述偏轴镜、所述同轴镜和所述第二同轴镜形成一个单一构件，位于所述望远镜光学系统的一个物镜后面。

8.根据权利要求5所述的观测仪器，其中所述单一构件位于所述望远镜光学系统的一个分光镜的前面。

9.一种观测仪器，包括：

一个观测仪器体，可绕垂直轴和水平轴中的每一个旋转；

一个望远镜光学系统，设在所述观测仪器体内，用来相对于一个观测点准直所述观测仪器；

一个准直光学系统，设在所述观测仪器体内，用来经过所述望远镜光学系统向所述观测点发射第一光线和接收从所述观测点反射的所述第一光线；和

一个距离测量光学系统，设在所述观测仪器体内，用来经过所述望远镜光学系统向所述观测点发射第二光线和接收从所述观测点反射的所述第二光线，

其中所述第一光线经过所述望远镜光学系统向所述观测点发射所沿的一个光路与所述第二光线经过所述望远镜光学系统向所述观测点发射所沿的一个光路在所述望远镜光学系统中相互偏移。