Устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора

Устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора

Реферат

 

Использование: в области приборостроения, в частности касается лазерных геодезических приборов, предназначенных для фиксации проектных направлений, трассировочных работ, контроля положения объектов и т.п., например, к таким как лазерный теодолит или нивелир. Сущность изобретения: устройство установлено на выходе зрительной трубы с помощью отражающего элемента, размещенного на выходе объектива зрительной трубы, и содержит дополнительный объектив и микрообъектив - в случае использования в качестве лазера газового лазера. Отверстие в элементе служит для сопряжения оси лазера с визирной осью зрительной трубы в направлении визирования. Показан вариант использования гибкого световода лазерного диода в качестве лазера и вогнутого зеркала в качестве дополнительного объектива, сопряженного с лазером через отверстие отражающего объектива, показано выполнение дополнительного объектива в виде компенсатора наклонов. Устройство портативно, может быть выполнено в виде объективной насадки на серийно-выпускаемые теодолиты и нивелиры, оперативно переводя их в производственных условиях в проекционный режим работы, обеспечивает по сравнению с известными лазерными вводами повышенную точность и дальность действия за счет повышенной яркости лазерной марки. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к лазерным геодезическим приборам, предназначенным для фиксации проектных направлений, трассировочных работ, контроля положения объектов и т.п. например, к таким как лазерный теодолит или нивелир.

Известны оптические приборы, представляющие собой визирные системы, дополненные лазерными каналами либо в виде единой жестко скрепленной конструкции, либо в виде съемных лазерных насадок.

Лазерные насадки известны в виде лазерных окуляров [1] взаимозаменяемых с обычными окулярами теодолитов, нивелиров, оптических проектиров и тому подобных приборов. При смене обычного окуляра на лазерный прибор снабжается функцией лазерного проектора, что значительно повышает эффективность использования прибора. Практическое применение нашли пока три типа окулярных насадок: GLO1 и GLO2 фирмы "Вильд", LO фирмы "Керн" (Швейцария) и окуляр, разработанный на кафедре инженерной геодезии Нижне-Новгородского инженерно-строительного института. Последний в принципе повторяет схему LO, отличие заключается в снабжении световода двумя дополнительными линзами на входе и выходе, с целью упрощения юстировки и уменьшения потерь мощности лазерного излучения. Все три насадки выполнены на базе газового (гелий-неонового) лазера и волоконной оптики и работают следующим образом; пучок лазерного света через световод направляется в окуляр под углом 90^o к визирной оси зрительной трубы, попадает на делительную призму и, отразившись от ее грани, совмещается с визирной осью трубы и идет в направлении визирования. Оптика зрительной трубы при этом служит для коллимирования лазерного пучка света и одновременно визирования на цель. Делительная грань светоделителя устанавливается в ходе лучей зрительной трубы на оси последней и выполняется как правило полупрозрачной.

Окуляры насадки доказали целесообразность разработки отдельных лазерных приспособлений в дополнение к серийно выпускаемым приборам с целью расширения их функциональных возможностей. Однако волоконная оптика не получила достаточно широкого распространения в геодезических лазерных приборах в основном из-за больших потерь мощности излучения в световодах, кроме того, в случае окулярной насадки светоделитель окуляра и оптика зрительной трубы в дополнение к потерям мощности в световоде сводят практически до 5 10% мощность излучения на выходе системы по сравнению с мощностью лазерного излучения на входе в световод.

Для предотвращения попадания в глаз наблюдателя лазерного света в виде паразитных бликов от оптики в конструкции окулярной насадки предусмотрено наличие фильтра или специальной ловушки лазерного излучения, снижающих светопропускание визирного канала в дополнение к потерям света на светоделителе, введенном в ход лучей зрительной трубы, и самой оптике зрительной трубы, что приводит к значительному снижению (более чем на 70 - 80%) светопропускания визирного канала и соответственно к снижению точности наведения на цель и дальности действия системы в целом.

Известна также лазерная насадка [2] представляющая собой конструкцию, частично скрепляемую с геодезическим прибором (теодолитом, нивелиром) с внешней стороны, включающую лазер, систему оптической коррекции и систему фокусирования, и частично внедряемую внутрь прибора, включающую светоделитель и линзу формирующей системы. Насадка предусматривает установку оптических деталей в полой горизонтальной оси вращения зрительной трубы теодолита или в предварительно подготовленном вводе в корпусе нивелира, а также установку светоделителя внутри зрительной трубы приборов на ее визирной оси, что также требует специальных доработок конструкций зрительных труб. Горизонтальная полая ось вращения зрительной трубы теодолита известна только в одном типе отечественных теодолитов, а именно в конструкции теодолита типа ТЗОМ, выпускаемом Харьковским заводом ПО Точприбор, в остальных типах теодолита, включая конструкцию теодолита ТЗО, выпускаемого Свердловским заводом, полая ось занята оптико-механическими деталями. Так же обстоит дело и в конструкциях теодолитов зарубежных фирм. Поэтому установка насадки на большинство типов теодолита и оперативная полевая установка насадки на теодолит ТЗОМ или нивелир без их конструктивной доработки не представляется возможной. В схеме лазерного ввода насадки лазерное излучение проходит многокомпонентный оптический тракт, включающий согласно описанию оптические элементы 7, 10, 12, 11, 8, 13, 9 и 14, в том числе многолинзовые компоненты 10, 11 и 14, что, даже при предложении, что на светоделителе 9 лазерный пучок отражается без потерь и в тракте линзовые компоненты имеют просветляющие покрытия, приводит к потерям мощности лазерного излучения, превышающим 70% относительно исходной (на выходе лазера). Согласно описанию изобретения сопряжение оптического тракта лазерного ввода с визирным с помощью зеркала, установленного внутри зрительной трубы "существенно снижает яркость паразитного светового фона, ореола", а не исключает его полностью, что также влияет на работоспособность визирной системы при переводе ее в проекционный режим работы, а именно необходимость использования фильтра снижает яркость лазерной марки и, следовательно, и дальность действия, и точность работы устройства.

Наиболее близким по своей технической сущности к изобретению является лазерный ввод в визирную систему, использованный в лазерном теодолите [3] содержащий последовательно установленные лазер, оптическую систему, включающую световод и дополнительную оптику, формирующую лазерный пучок света с кольцевой структурой, отражающий элемент (светоделитель), выполненный в виде зеркала с центральным отверстием, и объектив зрительной трубы.

Для повышения точности и дальности работы визирного устройства при переводе его в проекционный режим работы посредством ввода в ход лучей светоделителя за счет уменьшения влияния последнего на светопропускание как визирного, так и совмещенного с ним лазерного каналов, а также для расширения функциональных возможностей лазерного ввода за счет возможности его оперативной установки на геодезический прибор любого типа (теодолит, нивелир), отражающий элемент установлен за объектом, световой диаметр которого равен или превышает световой диаметр объектива зрительной трубы. Оптическая формирующая система выполнена в виде последовательно установленных соосно с лазером микрообъектива и дополнительного объектива, фокус которого размещен между микрообъективом и его задним фокусом. При использовании гибкого световода оптическая формирующая система выполнена в виде последовательно размещенных гибкого световода и дополнительного объектива, причем ось входного торца световода установлена под углом к оси лазера при условии, что где A апертура дополнительного объектива; максимальный угол между осью дополнительного объектива и линией, соединяющей край проекции отверстия отражающего элемента на главную плоскость дополнительного объектива и фокус объектива, а ось выходного торца световода совпадает с оптической осью дополнительного объектива.

При использовании в качестве лазера лазерного диода оптическая формирующая система выполнена в виде установленного на оптической оси лазера дополнительного объектива, причем тело свечения лазера размещено между фокусом дополнительного объектива и его главной плоскостью. Для уменьшения веса и габаритов лазерного ввода дополнительный объектив выполнен в виде одиночной линзы или в виде вогнутого зеркала, оптически сопряженного с осью лазера через отверстие в отражающем элементе. Для осуществления возможности оснащения проекционной функцией нивелиров с компенсаторами наклонов и повышения точности работы нивелиров без компенсаторов дополнительный объектив может быть выполнен в виде компенсатора, установленного в корпусе с возможностью качания с помощью не менее трех параллельных осевых скоб равной длины, подвижно скрепленных с корпусом и дополнительным объектом, причем плоскость крепления скоб к корпусу совмещена с задней фокальной плоскостью дополнительного объектива, а точка пересечения отражающей плоскости отражательного элемента и оптической оси дополнительного объектива удалена от центра объектива зрительной трубы на расстояние, равное половине фокусного расстояния дополнительного объектива.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена схема устройства при использовании в составе формирующей оптики микрообъектива; на фиг. 2 с использованием гибкого световода; на фиг. 3 при использовании в качестве лазера полупроводникового лазерного диода; на фиг. 4 при использовании в качестве дополнительного объектива вогнутого зеркала; на фиг 5, 6 схема работы дополнительного объектива в качестве компенсатора наклонов.

Изобретение представляет собой устройство для ввода лазерного излучения 1 в визирную систему зрительной трубы 2 геодезического прибора (теодолита, нивелира) и содержит отражающий элемент 3, вынесенный за объектив 4 зрительной трубы 2 прибора, оптическую формирующую систему, снабженную дополнительным объективом 5 и соосным с ним микрообъективом 6, и лазер 7, в качестве которого может быть использован газовый лазер или полупроводниковый лазерный диод. Отражающий элемент 3 снабжен центральным отверстием 8, соосным с оптической осью объектива 4 зрительной трубы 2. Лазер 7 может быть скреплен со зрительной трубой 2 или размещен в любом другом удобном с точки зрения эксплуатации прибора месте с помощью гибкого световода 9 (фиг. 2), входной торец которого установлен под углом - к оси лазера 7, где A апертура дополнительного объектива 5, максимальный угол между осью дополнительного объектива 5 и линией, соединяющей край проекции отверстия 8 отражающего элемента 3 на главную плоскость дополнительного объектива 5 и фокус объектива F₅. При использовании в качестве лазера 7 лазерного полупроводникового диода (фиг. 3) тело свечения лазера размещено между фокусом F₅ дополнительного объектива 5 и его главной плоскостью H H'. Дополнительный объектив 5 может быть выполнен в виде линзовой системы, например, одиночной линзы (фиг. 1 3), либо в виде вогнутого зеркала (фиг. 4), оптическая ось которого сопряжена с осью лазера 7 через отверстие 8 отражающего элемента 3. При этом кольцевая лазерного пучка света формируется с помощью микрообъектива 6 (как на фиг. 4), или гибкого световода 9 (аналогично фиг. 2), или с помощью установки тела свечения лазерного полупроводникового диода между фокусом F₅ и его главной плоскостью H H' дополнительного объектива 5, аналогично фиг. 3 (на отдельном чертеже не показано). Для компенсации наклонов прибора дополнительный объектив 5 может быть подвижно с возможностью качания (фиг. 5) скреплен с корпусом 10 насадки (прибора) с помощью не менее 3-х осевых скоб 11 равной длины, определяемой фокусным расстоянием f'₅ дополнительного объектива 5, причем точка пересечения отражающей поверхности отражательного элемента 3 и оптической оси дополнительного объектива 5 удалена от центра объектива 4 зрительной трубы 2 прибора на половину фокусного расстояния дополнительного объектива 5.

В случае аналогичной установки дополнительного объектива 5, выполненного в виде вогнутого зеркала (фиг. 6), скобы 11 снабжены противовесами 12.

Устройство работает следующим образом. Устройство для ввода лазерного излучения, конструктивно выполненное в виде насадки, при работе устанавливается на выходе зрительной трубы теодолита или нивелира, центрируется так, чтобы центр лазерной марки, наблюдаемой на объекте, совпал с центром сетки нитей зрительной трубы 2, например наклонами отражающего элемента 3 или подвижками объектива 5. С помощью формирующей оптической системы обеспечивается кольцевая структура лазерного пучка света по всей дальности его действия, причем кольцевая структура формируется в пространстве в основном краями дополнительного объектива 5. При перекрытии центра объектива структура не пропадает, при перекрытии краев либо нарушается, либо исчезает совсем. Последнее сделано возможным выполнить отражающий элемент (светоделитель), соединяющий визирный и лазерный каналы в виде зеркала, снабженного центральным отверстием, через которое обеспечивается визирование центральной областью поля зрения зрительной трубы, при этом обеспечивается отражение периферийных лазерных лучей в направлении визирования, участвующих в построении кольцевой структуры. Зеркало (отражающий элемент 3) установлено на выходе объектива 4 и конструктивно не ограничено корпусом зрительной трубы 2. При увеличении отверстия 8 и отражающей поверхности зеркала при световом диаметре дополнительного объектива 5, превышающем световой диаметр объектива 4, достигается одновременно повышение светопропускания как визирного, так и лазерного проекционного каналов и, следовательно, увеличение дальности действия системы в целом и повышение точности ее работы.

Установка отражающего элемента 3 на выходе зрительной трубы 2 и введение дополнительного объектива 5 делает возможным конструктивное исполнение лазерного ввода в виде съемной объективной насадки с независимой юстировкой с целью оперативного оснащения проекционной функцией геодезических приборов (теодолитов, нивелиров) практически всех типов, в том числе электронных.

Для оценки яркости лазерной марки и светосилы визирной системы, переведенной в проекционный режим работы с помощью устройства для ввода лазерного излучения, можно воспользоваться отношением площадей сечений лазерного пучка отраженного и падающего на отражающий элемента 3 (или площадкой сечений пучка, потерянного на отверстии 8 отражающего элемента 3 и падающего на него) и отношением квадратов относительного отверстия (d/F)² объектива 4 зрительной трубы 2 до и после установки лазерного ввода 1. Так как объектив 4 один и тот же и при установке лазерного ввода 1 его фокус остается неизменным, светосилу визирного канала можно оценить по формуле k D²_{после уст.}²до уст. 100% При D 42 мм D² 1864 мм², при k 50% D²_{после уст.}882 мм² и, след. Dпосле уст. 29,7 мм. Это означает, что при световом диаметре объектива 4 после установки устройства для ввода лазерного излучения 1, превышающем 29,7 мм, светосила визирной системы превысит 50% относительно исходной, т.е. до установки лазерного ввода 1.

При световом диаметре дополнительного объектива 5 большем чем 42 мм, т. е. большем чем световой диаметр объектива 4 зрительной трубы 2, например 56 мм, потери мощности лазерного излучения на отверстии 8 отражающего элемента 3: k D²отверст./ D²объект.5100% Пусть D_{отверстия} 30 мм, тогда при D_{объект.5} 56 мм получим k 30²/56²100% 28,2% Таким образом расчеты подтверждают вышесказанное.

При использовании в качестве формирующей оптической системы дополнительного объектива 5 совместно с микрообъективом 6 (фиг. 1) для формирования кольцевой структуры лазерного пучка света используются дифракционные явления на отверстии микрообъектива 6, которые проявляются при установке объектива 5 таким образом, что его передний фокус занимает положение между микрообъективом 6 и его задним фокусом, а именно в зоне дифракционной каустики.

Использование микрообъектива 6 позволило значительно сократить габариты оптической системы, формирующей лазерный пучок с кольцевой структурой, при использовании газового лазера 7, обеспечило портативность лазерного ввода и его решение в виде насадки.

При использовании гибкого световода 9 (фиг. 2) потери лазерного света на отражающем элементе 3 (делителя) сводятся до возможного минимума, так как лазерный свет полностью без срезания на отверстии 8 вписывается в кольцевую отражающую поверхность отражающего элемента 3. Кольцевая форма лазерного света на отражающем элементе 3 достигается наклоном входного торца световода 9 относительно оси лазера 7 на некоторый угол .. При этом на выходе световода 9 лазерный свет выходит в виде полого светового конуса, вписывается в световой диаметр объектива 5, благодаря ограничению </2, коллимируется и выходит из объектива 5 в виде полого светового цилиндра, затем вписывается на отражающую поверхность элемента 3, благодаря ограничению <./ При использовании в качестве лазера 7 полупроводникового лазерного диода (фиг. 3) дополнительный объектив 5 установлен так, что тело свечения диода занимает положение между передним фокусом F₅ и главной плоскостью H₅ H'₅ дополнительного объектива 5. Эффект образования кольцевой структуры на выходе объектива был получен опытным путем. Объяснением этого эффекта может служить проявление дифракционных явлений на отверстии объектива, сферической аберрации объектива и ее имитация, благодаря конечным размерам тела свечения лазерного диода. Использование лазерного диода для формирования кольцевой структуры лазерного пучка света значительно сокращает габариты и вес лазерного ввода, повышает его надежность, делает возможным оснащение лазерного ввода малогабаритным автономным блоком питания. В качестве лазерного диода может быть использован полупроводниковый лазер ИЛПН 2 8 А, Б с длиной волны излучения l 650-690 нм, т.е. с излучением в видимом диапазоне.

Дополнительный объектив 5 может быть выполнен в виде одиночной линзы (фиг. 1 3), что сокращает вес и габариты ввода, а также в виде вогнутого зеркала (фиг. 4), оптически сопряженного с осью лазера 7 через отверстие 8 в отражающем элементе 3, что позволяет сделать лазерный ввод еще более портативным и легким.

На фиг. 5 и 6 показана работа дополнительного объектива 5 в качестве компенсатора наклонов. При наклоне геодезического прибора и соответственно лазерного ввода 1 на некоторый угол стойки осевых скоб 11, подвижно скрепленных с корпусом 10, автоматически занимают вертикальное положение. При этом объектив 5 смещается параллельно самому себе поперечно оси лазерного излучения с незначительным смещением вдоль оси. Поперечное смещение дополнительного объектива 5, при выбранной длине скоб 11 подвеса, равной f'₅ вызывает наклон оси пучка лазерного света на выходе объектива 5 на тот же угол, но в противоположную сторону, т.е. на L=-. При изменении направления падающего на отражающий элемент 3 луча света на некоторый угол (в нашем случае на L=-), отраженный луч изменит свое направление на тот же угол, но с противоположным знаком, т.е. на L=-2. Таким образом, отражающий элемент 3 при отражении компенсирует противоположность знака угла наклона оси лазерного пучка света относительно стоек скоб 11, а смещение объектива 5 сам наклон. В исходном положении ось выходящего из системы светового пучка по отношению к стойкам составляет прямой угол. Стойки при наклоне системы автоматически занимают вертикальное положение, при этом сохранение угла наклона оси выходящего из системы лазерного пучка света относительно стоек скоб 11 (90^o) практически означает автоматическое принятие осью пучка лазерного света горизонтального положения.

Такая функция лазерного ввода полезна: при установке на нивелир с компенсатором наклонов, в комплексе с ним представляя систему с автоматическим принятием как визирной осью, так и ось пучка лазерного света горизонтального положения; при установке на нивелир без компенсатора наклонов, позволяя при работе вручную подстраивать визирную ось наклонами нивелира по лазерной марке на объекте как по опорному направлению; при установке на теодолит возможно измерение вертикального угла последовательным совмещением перекрестия сетки нитей с объектом и с центром лазерной марки и снятием соответствующих отсчетов по вертикальному лимбу.

Незначительное смещение вдоль оси лазерного пучка света объектива 5 в выбранном диапазоне компенсации, например, равном 5^o, и фокусе дополнительного объектива равном к примеру 60 мм, смещение составит 0,2 мм, что выразится в уменьшении диаметра марки при сохранении ее кольцевой структуры и ее центра, другими словами, смещение объектива вдоль оси при наклонах всей системы не вызовет нарушения в работе лазерного ввода и всей системы в целом.

При установке лазерного ввода 1 таким образом, что точка пересечения отражающей плоскости элемента 3 и оптической оси дополнительного объектива 5 в исходном положении удалена от центра объектива 4 зрительной трубы 2 на расстояние, равное половине фокусного расстояния f'₅ дополнительного объектива 5, изменение направления оси лазерного пучка света относительно конструкции не будет сопровождаться поперечным смещением светового пучка относительно объектива 4 зрительной трубы 2 (см. фиг. 5 и 6), т.е. ось светового пучка всегда будет как бы исходить из центра объектива 4 зрительной трубы 2. Последнее упростит работу с прибором, исключив необходимость введения поправок на поперечное смещение светового пучка при наклонах устройства.

Устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему (фиг. 1 6) не имеет паразитных бликов на оптике, мешающих при работе и вызывающих необходимость введения фильтра на окуляр зрительной трубы. Ввод может быть снабжен защитным стеклом с возможностью вывода из хода лучей при наблюдениях с целью устранения нежелательных бликов от него.

Повышенная яркость лазерной марки, наблюдаемой в визирную систему при работе, обеспечивает повышенную точность измерений или задания опорного направления по сравнению с известными решениями лазерных насадок (лазерный окуляр) и встроенных лазерных вводов в визирные системы (лазерные теодолиты, нивелиры).

Устройство согласно изобретению может быть выполнено конструктивно в виде съемной объективной насадки на любой тип теодолита или нивелира, серийно выпускаемых в нашей стране и за рубежом. Насадка может оперативно устанавливаться на геодезический прибор в полевых и производственных условиях.

Устройство, начиная с 3 5 м от прибора, работает в автоколлимационном режиме.

Практическое использование изобретения может найти в геодезии, в строительстве, в том числе дорожном, при монтажных работах, т.е. там где используются оптико-механические или электронные теодолиты, нивелиры и прочие задающие направление геодезические приборы, оперативно переводя их в лазерный проекционный режим работы.

Формула изобретения

1. Устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора, содержащее последовательно установленные источник лазерного излучения в корпусе, оптическую формирующую систему с дополнительным объективом и отражающий элемент с отражающим покрытием со стороны дополнительного объектива и с центральным отверстием, расположенным на пересечении оптических осей дополнительного объектива и объектива визирной системы геодезического прибора, отличающееся тем, что отражающий элемент расположен после объектива визирной системы геодезического прибора, а световой диаметр дополнительного объектива выполнен большим или равным световому диаметру объектива визирной системы геодезического прибора.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оптическая формирующая система выполнена с микрообъективом, между которым и его задним фокусом расположен задний фокус дополнительного объектива.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оптическая формирующая система выполнена в виде последовательно размещенных гибкого световода и дополнительного объектива, причем ось входного торца световода установлена под углом к оси лазера при условии, что где А апертура дополнительного световода; - максимальный угол между осью дополнительного объектива и линией, соединяющей край проекции отверстия отражающего элемента на главную плоскость дополнительного объектива и фокус дополнительного объектива, а ось выходного торца световода совпадает с оптической осью дополнительного объектива.

4. Устройство по пп.1-3, отличающееся тем, что дополнительный объектив выполнен в виде одиночной линзы или вогнутого зеркала.

5. Устройство по пп. 1-4, отличающееся тем, что дополнительный объектив установлен в корпусе с возможностью качания не менее, чем на трех параллельных осевых скобах равной длины, плоскость шарнирного крепления которых к корпусу совмещена с фокальной плоскостью дополнительного объектива, а точка пересечения плоскости отражающего элемента с оптической осью дополнительного объектива удалена на половину его фокусного расстояния от центра объектива визирной системы геодезического прибора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6