專利名稱：一種具有自動準直功能和距離測量功能的觀測儀器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有自動準直功能和距離測量功能的觀測儀器。
背景技術：
傳統(tǒng)的高端觀測儀器例如總站除具有一個用于測量觀測儀器到觀測點的距離以及水平角和垂直角的基本功能之外，還具有一個自動準直功能，用來相對于觀測點(三面直角棱鏡)自動準直觀測儀器。根據(jù)自動準直功能，自動準直光線經(jīng)過觀測儀器的一個望遠鏡光學系統(tǒng)向觀測點(三面直角棱鏡)發(fā)射，隨后從觀測點向觀測儀器反射回來，被觀測儀器所接收，用來相對于觀測點自動準直觀測儀器。
另一方面，根據(jù)距離測量功能例如一個EDM(電子測距表)的距離測量功能，距離測量光線經(jīng)過同一望遠鏡光學系統(tǒng)向觀測點發(fā)射，隨后從觀測點向觀測儀器反射回來，被觀測儀器所接收，用來測量觀測儀器到觀測點的距離。
通常，自動準直光線和距離測量光線沿望遠鏡光學系統(tǒng)的同一個光軸向一個觀測點發(fā)射。為了沿同一光軸向一個觀測點發(fā)射自動準直光線和距離測量光線，從不同方向發(fā)出的前述兩個不同光線必須由一個分光鏡(半透明反射鏡)組合，該分光鏡不可避免地導致兩個不同光線中每一個光線數(shù)量的大量損失，結(jié)果兩個不同光線中每一個光線數(shù)量減小到小于一半，這使得在觀測儀器到觀測點的距離增加時，自動準直和距離測量的進行變得更加困難，也導致距離測量精度的降低。如果使用一個波長選擇分光鏡，使兩個不同的光線具有不同的波長，可克服該問題，但是產(chǎn)生兩個具有不同波長的光線的成本一般很高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一個具有自動準直功能和距離測量功能的觀測儀器，其中自動準直光線和距離測量光線經(jīng)過同一望遠鏡光學系統(tǒng)向一個觀測點發(fā)射，并且兩個不同光線的光線數(shù)量損失被降低。
本發(fā)明按下面的想法設計，如果自動準直光線和距離測量光線分別沿不同的光路向一個觀測點發(fā)射，光路之間相互偏移，且這種偏移不會對自動準直或距離測量操作產(chǎn)生任何不利影響，那么就可以克服兩個不同光線的光線數(shù)量損失問題。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一個觀測儀器，其包括一個可繞一個垂直軸或一個水平軸中的每一個旋轉(zhuǎn)的觀測儀器體，觀測儀器體包括一個用來相對于觀測點準直觀測儀器的望遠鏡光學系統(tǒng)；一個裝在觀測儀器體內(nèi)的、用來經(jīng)過望遠鏡光學系統(tǒng)向觀測點發(fā)射第一光線和接收在觀測點反射的第一光線的準直光學系統(tǒng)；一個依據(jù)觀測點的位置信息、使觀測儀器體繞垂直軸和水平軸中的每一個旋轉(zhuǎn)、使觀測點定位在望遠鏡光學系統(tǒng)的一個光軸上的自動準直系統(tǒng)；一個裝有觀測儀器體內(nèi)的、用來經(jīng)過望遠鏡光學系統(tǒng)向觀測點發(fā)射第二光線和接收在觀測點反射的第二光線的距離測量光學系統(tǒng)；和一個依據(jù)由距離測量光學系統(tǒng)向觀測點發(fā)射的、并在觀測點反射的第二光線的信息計算觀測儀器到觀測點距離的距離測量設備。第一光線向觀測點傳播所沿的準直光學系統(tǒng)的光軸與第二光線向觀測點傳播所沿的距離測量光學系統(tǒng)的光軸之間在望遠鏡光學系統(tǒng)中相互偏移。
希望的是使準直光學系統(tǒng)的光軸和距離測量光學系統(tǒng)的光軸中的一個與望遠鏡光學系統(tǒng)的光軸重合。
希望的是使距離測量光學系統(tǒng)的光軸與望遠鏡光學系統(tǒng)的光軸重合。
準直光學系統(tǒng)可以包括一個發(fā)出第一光線的第一光源；和一個裝在與望遠鏡光學系統(tǒng)的光軸偏移的位置上的偏軸鏡。距離測量光學系統(tǒng)可以包括一個發(fā)出第二光線的第二光源，和一個位于望遠鏡光學系統(tǒng)的光軸上的同軸鏡。偏軸鏡相對于同軸鏡大約成90度角，同軸鏡相對于望遠鏡光學系統(tǒng)的光軸大約成45度角。
希望的是使距離測量光學系統(tǒng)包括一個光接收元件和一個位于同軸鏡后面、實質(zhì)上與同軸鏡平行的第二同軸鏡，這樣在觀測點反射回到望遠鏡光學系統(tǒng)的第二光線由第二同軸鏡反射后，入射到光接收元件上。
希望的是使望遠鏡光學系統(tǒng)包括一個位于第二同軸鏡后面、望遠鏡光學系統(tǒng)的光軸上的、與第二同軸鏡結(jié)合的半透明反射鏡。
希望的是使偏軸鏡、同軸鏡和第二同軸鏡形成一個單一構(gòu)件，位于望遠鏡光學系統(tǒng)的物鏡后面。
希望的是使單一構(gòu)件位于望遠鏡光學系統(tǒng)的一個分光鏡的前面。
在另一個實施例中，提供一個觀測儀器，其包括一個可繞垂直軸和水平軸中的每一個旋轉(zhuǎn)的觀測儀器體；一個裝在觀測儀器體內(nèi)的、用來相對于一個觀測點準直觀測儀器的望遠鏡光學系統(tǒng)；一個裝在觀測儀器體內(nèi)的、用來經(jīng)過望遠鏡光學系統(tǒng)向觀測點發(fā)射第一光線和接收在觀測點反射的第一光線的準直光學系統(tǒng)；和一個裝在觀測儀器體內(nèi)的、用來經(jīng)過望遠鏡光學系統(tǒng)向觀測點發(fā)射第二光線和接收在觀測點反射的第二光線的距離測量光學系統(tǒng)。第一光線經(jīng)過望遠鏡光學系統(tǒng)向觀測點發(fā)射所沿的光路與第二光線經(jīng)過望遠鏡光學系統(tǒng)向觀測點發(fā)射所沿的光路在望遠鏡光學系統(tǒng)中相互偏移。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細描述，其中圖1示出依據(jù)本發(fā)明的觀測儀器的一個實施例側(cè)視圖。
具體實施例方式
如圖1所示，在一個實施例中，觀測儀器100設有一個具有望遠鏡光學系統(tǒng)10的觀測儀器體1，望遠鏡光學系統(tǒng)10包括一個物鏡11，一個多功能復合鏡12，一個分光鏡(分光棱鏡)13，一個聚焦鏡14，一個波羅棱鏡(正像系統(tǒng))15、一個調(diào)制盤16和一個目鏡17，按從目標側(cè)(圖1所示的左側(cè))的順序組成。觀測儀器體1可以繞一個垂直軸10V向前轉(zhuǎn)和反向旋轉(zhuǎn)，也可以繞一個與垂直軸10V相交的水平軸10H向前轉(zhuǎn)和反向旋轉(zhuǎn)，這樣觀測者就可以通過繞垂直軸10V和水平軸10H適當旋轉(zhuǎn)觀測儀器體，經(jīng)過望遠鏡光學系統(tǒng)10的目鏡17看到一個三面直角棱鏡(反射鏡)18的圖像。
多功能復合鏡12包括三個直角鏡體第一直角鏡體12X，第二直角鏡體12Y和第三直角鏡體12Z，它們被粘接形成多功能復合鏡12的一個單片結(jié)構(gòu)。第一直角鏡體12X具有一個位于望遠鏡光學系統(tǒng)10的光軸10X上的、相對光軸10X大約成45度角的第一反射面12a。同樣地，第二直角鏡體12Y具有一個位于望遠鏡光學系統(tǒng)10的光軸10X上的、相對光軸10X大約成45度角的、實質(zhì)上與第一反射面12a平行的第二反射面12b。第二直角鏡體12Y被粘接在第一直角鏡體12X面向分光鏡13的那個表面上。第三直角鏡體12Z具有一個位于光軸10X的一個偏移位置上的、相對第一反射面12a大約成90度角的第三反射面12c，第三直角鏡體12Z被粘接在第一直角鏡體12X的頂面上。
多功能復合鏡12的第一直角鏡體12X作為EDM的距離測量光學系統(tǒng)中的一個光學元件，用來向三面直角棱鏡18發(fā)射距離測量光線，距離測量光線由一個具有波長例如780納米的輻射調(diào)制激光束構(gòu)成。觀測儀器100具有用于距離測量的一個光源21和一個與第一反射面12a結(jié)合的反射鏡22。從光源21發(fā)出的距離測量光線被反射鏡22反射后，沿實質(zhì)上與光軸10X垂直的方向入射到第一反射面12a上。另一方面，觀測儀器100在光源21和反射鏡22之間設有一個可移動反射器24，可移動反射器24在一個縮進位置和一個反射位置之間移動，在縮進位置，可移動反射器位于光源21與反射鏡22之間的光路的外面，這樣從光源21發(fā)出的距離測量光線入射到反射鏡22上，而不是可移動反射器24上，然后再向三面直角棱鏡18發(fā)射；在反射位置，可移動反射器24如圖1所示位于光源21與反射鏡22之間，這樣從光源21發(fā)出的距離測量光線經(jīng)可移動反射器24反射，直接入射到一個用于距離測量的光接收元件23上。驅(qū)動可移動反射器24交替在縮進位置和反射位置之間移動。除了包括第一反射面12a的第一直角鏡體12X之外，光源21，反射鏡22，光接收元件23和可移動反射器24也是觀測儀器體1中設置的距離測量光學系統(tǒng)的組件。
因此，在可移動反射器24位于縮進位置的情況下，從光源21發(fā)出的距離測量光線沿望遠鏡光學系統(tǒng)10的光軸10X向三面直角棱鏡18發(fā)射，經(jīng)反射鏡22、第一反射面12a和物鏡11入射到三面直角棱鏡18上。隨后，入射到三面直角棱鏡18上，再在那向觀測儀器100反射，再入射到物鏡11上的光線經(jīng)過物鏡11，入射到分光鏡13的一個半透明反射鏡表面13a上。半透明反射鏡表面13a允許返回的距離測量光線(具有波長780納米)的一部分通過，同時向第二反射面12b反射返回的距離測量光線的剩余部分。因為從光源21發(fā)出的距離測量光線由位于望遠鏡光學系統(tǒng)10的光軸10X上的第一反射面12a反射，沿光軸10X向三面直角棱鏡18發(fā)射，所以可以理解的是，距離測量光線向三面直角棱鏡18傳播所沿的觀測儀器100的距離測量光學系統(tǒng)的光軸與望遠鏡光學系統(tǒng)10的光軸10X重合。
由半透明反射鏡表面13a反射的距離測量光線再由第二反射面12b反射，入射到用于距離測量的光接收元件23上。相比之下，在可移動反射器24位于圖1所示的反射位置時，從光源21發(fā)出的光線由可移動反射器24反射，直接入射到光接收元件23上。因此，從光源21發(fā)出的、由三面直角棱鏡18反射回望遠鏡光學系統(tǒng)10的距離測量光線(外部發(fā)射調(diào)制光線)與從光源21發(fā)出的、由可移動反射器24反射的距離測量光線(內(nèi)部調(diào)制光線)交替入射到光接收元件23上。觀測儀器具有一個與光接收元件23電連接的距離測量計算電路(距離測量設備)25。距離測量計算電路25從前述外部發(fā)射調(diào)制光線與內(nèi)部調(diào)制光線之間的相差計算得到觀測儀器100到三面直角棱鏡18的距離。EDM的這種原理在本領域中是已知的。
多功能復合鏡12的第三直角鏡體12Z作為觀測儀器體1中設置的準直光學系統(tǒng)的一個基本光學元件，用來向三面直角棱鏡18發(fā)射自動準直光線，自動準直光線由一個具有與用于距離測量的內(nèi)部調(diào)制激光束相同波長例如780納米的輻射調(diào)制激光束構(gòu)成。觀測儀器100具有一個用于自動準直的光源31和一個與第三反射面12c組合的投影透鏡32。除了第三直角鏡體12Z(其包括第三反射面12c)之外，光源31和投影透鏡32也是觀測儀器體1中設置的準直光學系統(tǒng)的光學元件。從光源31發(fā)出的自動準直光線經(jīng)過投影透鏡32、沿實質(zhì)上與光軸10X垂直的方向入射到偏移光軸10X的第三反射面12c上。因此，從光源31發(fā)出的自動準直光線沿一條偏移光軸10X的光路，即不沿光軸10X，向三面直角棱鏡18發(fā)射。向三面直角棱鏡18發(fā)射的自動準直光線按照與向三面直角棱鏡18發(fā)射的距離測量光線相同的方式，反射回望遠鏡光學系統(tǒng)10。在穿過半透明反射鏡表面13a之后，自動準直光線被分光鏡13的一個分色鏡表面13b反射，入射到一個CCD33上。分色鏡表面13b具有完全反射波長為780納米的入射光的特性。觀測儀器100具有一個坐標檢測器34，一個水平軸驅(qū)動機構(gòu)35和一個垂直軸驅(qū)動機構(gòu)36，CCD33與坐標檢測器34電連接，這樣坐標檢測器34為水平軸驅(qū)動機構(gòu)35和垂直軸驅(qū)動機構(gòu)36輸出驅(qū)動信號，驅(qū)動水平軸驅(qū)動機構(gòu)35和垂直軸驅(qū)動機構(gòu)36，使觀測儀器體1分別繞水平軸10H和垂直軸10V旋轉(zhuǎn)，這樣三面直角棱鏡18被正確定位在望遠鏡光學系統(tǒng)10的光軸10X上。這些操作依據(jù)傳統(tǒng)的自動準直功能運行。CCD33、坐標檢測器34、水平軸驅(qū)動機構(gòu)35和垂直軸驅(qū)動機構(gòu)36構(gòu)成一個自動準直系統(tǒng)。
上面已討論的EDM功能(距離測量功能)和自動準直功能是傳統(tǒng)觀測儀器具有的已知功能。本實施例的觀測儀器100的一個特點在于，從光源21發(fā)出的距離測量光線經(jīng)過多功能復合鏡12的第一直角鏡12X、沿望遠鏡光學系統(tǒng)10的光軸10X向三面直角棱鏡18發(fā)射，同時從光源31發(fā)出的自動準直光線經(jīng)過多功能復合鏡12的第三直角鏡12Z、沿偏移望遠鏡光學系統(tǒng)10的光軸10X的一個光路向三面直角棱鏡18發(fā)射，其中光路與光軸10X不相交。換句話說，本實施例的觀測儀器100的特征在于，距離測量光線向三面直角棱鏡18傳播所沿的望遠鏡光學系統(tǒng)10的光軸10X與自動準直光線向三面直角棱鏡18傳播所沿的光路的光軸在觀測儀器體1中相互偏移。因此，從光源21發(fā)出的距離測量光線和從光源31發(fā)出的自動準直光線都不穿過任何用于結(jié)合兩個不同光線到光軸10X上的分光鏡或半透明反射鏡，這樣不減小兩個不同光線中每一個的光線數(shù)量。換句話說，通過這樣的布置，其中自動準直光線的光路與距離測量光線的光路之間相互偏移，可減小兩個不同光線(距離測量光線和自動準值光線)的光線數(shù)量上的損失。這使得對一個更遠距離的觀測點進行距離測量成為可能，或使得高精確度的距離測量操作運行成為可能。
在這時，盡管穿過物鏡11向分光鏡13前進的光線部分地被多功能復合鏡12截取，但只要自動準直光線聚焦到調(diào)制盤16(CCD33)上，仍可通過目鏡17看到一個清楚的圖像。
盡管在上述觀測儀器的實施例中，從光源21發(fā)出的距離測量光線沿望遠鏡光學系統(tǒng)10的光軸10X傳播發(fā)射，同時從光源31發(fā)出的自動準直光線沿偏移光軸10X的一個光路傳播發(fā)射，但是自動準直光線也可沿望遠鏡光學系統(tǒng)10的光軸10X傳播發(fā)射，同時距離測量光線可沿偏移光軸10X的一個光路傳播發(fā)射。
盡管在上述觀測儀器的實施例中，三個反射面12a、12b和12c分別形成在三個組成多功能復合鏡12的直角鏡體12X、12Y和12Z上，但是分別對應于三個反射面12a、12b和12c的三個反射面可以形成在一個單一構(gòu)件上。
可以從前述理解的是，依據(jù)本發(fā)明，可以降低距離測量光線和自動準直光線中每一個光線數(shù)量的損失。此外，即使觀測點位于遙遠的位置，仍可以進行精細的距離測量和精細的自動準直操作。
可以在本發(fā)明描述的具體實施例上作顯而易見的改變，只要這樣的修改在本發(fā)明所要求的精神和范圍之內(nèi)。需要說明的是，這里所包含的所有內(nèi)容只是說明性的，不限制本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種觀測儀器，包括一個觀測儀器體，可繞垂直軸和水平軸中的每一個旋轉(zhuǎn)，所述觀測儀器體包括一個用來相對于一個觀測點準直所述觀測儀器的望遠鏡光學系統(tǒng)；一個設在所述觀測儀器體內(nèi)的、用來經(jīng)過所述望遠鏡光學系統(tǒng)向所述觀測點發(fā)射第一光線和接收從所述觀測點反射的所述第一光線的準直光學系統(tǒng)；一個依據(jù)所述觀測點的位置信息、繞所述垂直軸和所述水平軸中的每一個旋轉(zhuǎn)所述觀測儀器體、使得所述觀測點定位在所述望遠鏡光學系統(tǒng)的一個光軸上的自動準直系統(tǒng)；一個設在所述觀測儀器體內(nèi)的、用來經(jīng)過所述望遠鏡光學系統(tǒng)向所述觀測點發(fā)射第二光線和接收從所述觀測點反射的所述第二光線的距離測量光學系統(tǒng)；和一個用來依據(jù)由所述距離測量光學系統(tǒng)向所述觀測點發(fā)射的、在所述觀測點反射的所述第二光線的信息計算得到所述觀測儀器到所述觀測點的一個距離的距離測量設備，其中所述第一光線向所述觀測點傳播所沿的所述準直光學系統(tǒng)的一個光軸與所述第二光線向所述觀測點傳播所沿的所述距離測量光學系統(tǒng)的一個光軸在所述望遠鏡光學系統(tǒng)中相互偏移。
2.根據(jù)權利要求1所述的觀測儀器，其中所述準直光學系統(tǒng)的所述光軸與所述距離測量光學系統(tǒng)的所述光軸中的一個與所述望遠鏡光學系統(tǒng)的所述光軸重合。
3.根據(jù)權利要求1所述的觀測儀器，其中所述距離測量光學系統(tǒng)的所述光軸與所述望遠鏡光學系統(tǒng)的所述光軸重合。
4.根據(jù)權利要求3所述的觀測儀器，其中所述準直光學系統(tǒng)包括一個發(fā)出所述第一光線的第一光源；和一個在所述望遠鏡光學系統(tǒng)的所述光軸的一個偏離位置上設置的偏軸鏡，其中所述距離測量光學系統(tǒng)包括一個發(fā)出所述第二光線的第二光源；和一個位于所述望遠鏡光學系統(tǒng)的所述光軸上的同軸鏡，其中所述偏軸鏡相對于所述同軸鏡大約成90度角，和其中所述同軸鏡相對于所述望遠鏡光學系統(tǒng)的所述光軸大約成45度角。
5.根據(jù)權利要求4所述的觀測儀器，其中所述距離測量光學系統(tǒng)還包括一個光接收元件；和一個位于所述同軸鏡的后面、實質(zhì)上與所述同軸鏡平行的第二同軸鏡，這樣在所述觀測點反射回所述望遠鏡光學系統(tǒng)的所述第二光線由所述第二同軸鏡反射，入射到所述光接收元件上。
6.根據(jù)權利要求5所述的觀測儀器，其中所述望遠鏡光學系統(tǒng)包括一個位于所述第二同軸鏡的后面并與所述第二同軸鏡結(jié)合的、所述望遠鏡光學系統(tǒng)的所述光軸上的半透明反射鏡。
7.根據(jù)權利要求5所述的觀測儀器，其中所述偏軸鏡、所述同軸鏡和所述第二同軸鏡形成一個單一構(gòu)件，位于所述望遠鏡光學系統(tǒng)的一個物鏡后面。
8.根據(jù)權利要求5所述的觀測儀器，其中所述單一構(gòu)件位于所述望遠鏡光學系統(tǒng)的一個分光鏡的前面。
9.一種觀測儀器，包括一個觀測儀器體，可繞垂直軸和水平軸中的每一個旋轉(zhuǎn)；一個望遠鏡光學系統(tǒng)，設在所述觀測儀器體內(nèi)，用來相對于一個觀測點準直所述觀測儀器；一個準直光學系統(tǒng)，設在所述觀測儀器體內(nèi)，用來經(jīng)過所述望遠鏡光學系統(tǒng)向所述觀測點發(fā)射第一光線和接收從所述觀測點反射的所述第一光線；和一個距離測量光學系統(tǒng)，設在所述觀測儀器體內(nèi)，用來經(jīng)過所述望遠鏡光學系統(tǒng)向所述觀測點發(fā)射第二光線和接收從所述觀測點反射的所述第二光線，其中所述第一光線經(jīng)過所述望遠鏡光學系統(tǒng)向所述觀測點發(fā)射所沿的一個光路與所述第二光線經(jīng)過所述望遠鏡光學系統(tǒng)向所述觀測點發(fā)射所沿的一個光路在所述望遠鏡光學系統(tǒng)中相互偏移。
全文摘要
一個觀測儀器包括一個觀測儀器體，觀測儀器體可繞縱軸和橫軸旋轉(zhuǎn)，具有一個用來相對于一個觀測點準直觀測儀器的望遠鏡光學系統(tǒng)，一個用來向觀測點發(fā)射第一光線和接收在觀測點反射的第一光線的準直光學系統(tǒng)，一個用來旋轉(zhuǎn)觀測儀器體使觀測點定位在望遠鏡光學系統(tǒng)的一個光軸上的自動準直系統(tǒng)，一個用來向觀測點發(fā)射第二光線和接收在觀測點反射的第二光線的距離測量光學系統(tǒng)，和一個用來計算觀測儀器到觀測點距離的距離測量設備，準直光學系統(tǒng)的光軸與距離測量光學系統(tǒng)的光軸之間相互偏移。
文檔編號G01C3/08GK1499171SQ200310103560
公開日2004年5月26日 申請日期2003年11月10日 優(yōu)先權日2002年11月11日
發(fā)明者金子健治, 鈴木新一, 一 申請人:賓得勵精株式會社