устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора
Классы МПК: | G01C1/02 теодолиты |
Автор(ы): | Кулакова А.Ф. |
Патентообладатель(и): | Научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела, Кулакова Алла Федоровна |
Приоритеты: |
подача заявки:
1992-12-02 публикация патента:
20.06.1996 |
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.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6
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![устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора, патент № 2062447](/images/patents/410/2062024/177.gif)
![устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора, патент № 2062447](/images/patents/410/2062006/945.gif)
![устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора, патент № 2062447](/images/patents/410/2062447/2062447-4t.gif)
где А апертура дополнительного световода;
![устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора, патент № 2062447](/images/patents/410/2062024/946.gif)
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.
Описание изобретения к патенту
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 90o 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![устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора, патент № 2062447](/images/patents/410/2062024/177.gif)
![устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора, патент № 2062447](/images/patents/410/2062006/945.gif)
![устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора, патент № 2062447](/images/patents/410/2062447/2062447-2t.gif)
где A апертура дополнительного объектива;
![устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора, патент № 2062447](/images/patents/410/2062024/946.gif)
![устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора, патент № 2062447](/images/patents/410/2062024/177.gif)
![устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора, патент № 2062447](/images/patents/410/2062006/945.gif)
![устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора, патент № 2062447](/images/patents/410/2062447/2062447-3t.gif)
![устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора, патент № 2062447](/images/patents/410/2062024/946.gif)
![устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора, патент № 2062447](/images/patents/410/2062024/183.gif)
![устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора, патент № 2062447](/images/patents/410/2062024/183.gif)
![устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора, патент № 2062447](/images/patents/410/2062024/183.gif)
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
![устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора, патент № 2062447](/images/patents/410/2062024/177.gif)
![устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора, патент № 2062447](/images/patents/410/2062006/945.gif)
![устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора, патент № 2062447](/images/patents/410/2062006/945.gif)
![устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора, патент № 2062447](http://www.fips.ru/chr/913.gif)
![устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора, патент № 2062447](/images/patents/410/2062024/946.gif)
![устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора, патент № 2062447](/images/patents/410/2062006/945.gif)
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=-
![устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора, патент № 2062447](/images/patents/410/2062099/948.gif)
![устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора, патент № 2062447](/images/patents/410/2062099/948.gif)
![устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора, патент № 2062447](/images/patents/410/2062099/948.gif)
![устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора, патент № 2062447](/images/patents/410/2062024/177.gif)