專利名稱：測量機的光軸自動調節的制作方法
技術領域：
本發明的領域本發明涉及測量機中的光軸調節。
光傳送光學系統的一個光軸被預先調節，從而使該光軸與觀察光學系統的一個光軸相重合。因此，從測量機發出的光經光傳送光學系統到達信號目標上的觀察點。因此，能夠實現準確的測量。即，能夠準確地測量一個距離、一個角、和水平高度。
然而，光傳送光學系統的光軸偶爾會由于溫度或濕度的改變而相對于觀察光學系統的光軸而發生移動。在此情況下，光所達到的點不與觀察點相重合，因而不能進行準確的測量。為了使兩個光軸相符合，需要手動地調節作為光傳送光學系統的一部分而設置的一個反射鏡的位置。然而，這種調節對一個用戶來說是非常麻煩的且非常困難的。
根據本發明的一種測量機包括用于觀察一個對象的一種觀察光學系統和一種光傳送光學系統。例如，諸如一個反射片或一個反射棱鏡等的一個信號目標被用作所要觀察的對象，并被設置在一個站上。該觀察光學系統具有例如一個物鏡、一個聚焦玻璃和一個直立的光學部件(諸如一個直立棱鏡)和一個目鏡。光傳送光學系統把從一個光源發出的用于測量的一個光束傳送至該對象。而當該測量機是一個矯平機或一個電子/光學經緯儀時，用于觀察的光束(諸如一個激光束)得到發射和傳送。當該測量機是一個電子轉速計或電子距離儀時，一個用于測量測量機與對象之間的距離的光束得到發射和傳送。
本發明的測量機包括一個偏離探測器和一個光軸調節器。該偏離探測器探測一個間隙，即觀察光學系統的光軸與光傳送光學系統的一個光軸之間的一個偏離。當通過該光傳送光學系統的光束未沿著觀察光學系統的該光軸而向著觀察點行進時，發生了偏離。該偏離探測器通過探測其中光束未到達觀察光學系統所觀察的點的情況，而探測這種偏離。以下，該觀察光學系統的該光軸被指定為“第一光軸”且光傳送光學系統的光軸被指定為第二光軸”。
該光軸調節器自動調節該第一光軸和該第二光軸中的至少一個，以對該偏離進行校正。例如，該光軸調節器對第二光軸進行調節，從而使光束沿著第一光軸向著觀察點行進，或者該光軸調節器對第一光軸進行調節從而使第一光軸沿著該光束的行進方向，該方向對應于第二光軸。
由于偏離得到自動探測并被自動校正，因而利用該測量機獲得了準確的距離、準確的高度、或準確的角度。
為了保持觀察光學系統的穩定性，即不改變第一光軸，優選地，該光軸調節器在不調節第一光軸的情況下對第二光軸進行調節。一般地，該光透射光學系統包括一個反射光學部件和一個折射光學部件中的至少一個。在此情況下，該光軸調節器包括一個位置改變器，它改變該反射光學部件的位置或該折射光學部件的位置。為了對該偏離進行補償，該光軸調節器通過根據該偏離來改變該反射或折射光學部件的位置而對第二光軸進行調節。
當該測量機是一個電子轉速計或一個數字距離計時，在該測量機中設置了一個距離探測器。該距離檢測器通過接收從對象反射的光束，而測量該測量機與對象之間的距離。
為了盡可能地利用現有的測量機的構造來探測該偏離，優選地，該偏離探測器根據來自對象的、通過觀察光學系統的反射光而對該偏離進行探測。即，該偏離探測器從第一光軸與包括在來自對象的反射光中的光束的行進方向之間的差來探測該偏離。為了以兩維信息的形式探測該偏離，優選地，該偏離探測器包括一個兩維偏離探測器，它接收該光束并探測由在一個焦平面上定義的兩維坐標表示的該偏離。該兩維偏離探測器根據光束的入射位置和與第一光軸相應的一個預定的基本位置，來探測該偏離。
在電子轉速計或數字距離儀的情況下，在該觀察光學系統中設置了一個特定區域反射光學部件。該特定區域反射光學部件具有一個反射區和一個透射區。該反射區有選擇地被反射光反射至該距離探測器。該透射區使所有反射光傳送。因此，距離和偏離兩者都根據通過觀察光學系統的光束而得到探測。
例如，特定區域反射光學部件由一個單個的部件構成-其中反射區和透射區被形成在一個體中，或者特定區域反射光學部件由多個部件構成-其中反射區和透射區被分開形成。
為了利用通過觀察光學系統的光束探測偏離，優選地，一個可選的反射光學部件或一個可選的透射光學部件被設置在該觀察光學系統中。該可選的反射光學部件通過對來自反射光的光束進行反射而對該光束進行分割，而可選的透射光學部件通過允許該光束通過而對該反射光進行分割。例如，該可選的反射光學部件具有一個第一分色表面，它只反射具有與該光束相應的波長區域的光。另一方面，該可選的透射光學部件具有一個第二分色表面，它只讓具有與該光束相應的波長區域的光通過。
為了利用以該觀察光學系統的元件之一的形式制成的一種光學部件來探測偏離，一種可選的透射光學部件得到采用，它是一種具有一個第二分色表面的正棱鏡。該正棱鏡是作為觀察光學系統的一個而提供的，以使對象的圖象為正立。因此，在沒有用于探測觀察光學系統中的偏離的一個新的光學部件的情況下，偏離得到了探測。
根據本發明的另一方面的一種測量機的一種自動光軸調節設備具有一個偏離探測器和一個光軸調節器。該測量機具有用于觀察一個對象的一個觀察光學系統和用于透射測量光束的光傳送光學系統。該光束從一個光源被輻射至該對象。該偏離探測器探測與該觀察光學系統對應的一個第一光軸與同該光傳送光學系統相對應的一個第二光軸之間的偏離。該光軸調節器對該第一光軸和第二光軸中的至少一個進行自動調節，以校正該偏離。
圖4是示意圖，顯示了一個第一反射鏡和一個鏡轉動裝置；圖5是根據一個第二實施例的設置在一個電子轉速計中的一個透鏡筒的框圖；圖6是顯示一個第二反射鏡的立體圖；圖7是根據一個第三實施例的在一個電子轉速計中設置的一種透鏡筒的框圖；圖8是根據一個第四實施例的設置一個矯平機中設置的一種透鏡筒的框圖；最佳實施例的描述以結合附圖描述本發明的最佳實施例。
圖1是根據一個第一實施例的設置在一種電子轉速計中的一種透鏡筒的框圖。圖2是一種特定區域反射鏡的正視圖。圖3是一種正立光學系統的一個立體圖。該電子轉速計能夠測量一個觀察的對象(諸如一個信號目標或角立方體)與該電子轉速計之間的距離，并進一步地能夠測量一個角度-諸如一個水平角或一個仰角等等。在透鏡筒10中，設置了一個觀察光學系統和一個光傳送光學系統。在此實施例中，一個信號目標ST(它是一個反射片)被設置在一個站。
透鏡筒10具有一個物鏡11。信號目標ST是經過物鏡11觀察的，且用于測量該距離的光經過物鏡11而被傳送到該信號目標。透鏡筒10受到一個支持部件(未顯示)的支持并可繞一個水平軸和一個縱向軸轉動。
用于觀察信號目標ST的該觀察光學系統由物鏡11、一個特定區域反射鏡12、一個聚焦調節透鏡13、一個正立光學系統14、一個聚焦玻璃15、以及一個目鏡16構成。正立光學系統14在此是一個正立棱鏡。
進入物鏡11的光被引向特定區域反射鏡12，其中，如將要在后面描述的，只有特定的光成分被反射，而其他的光成分被引向聚焦調節透鏡13。
聚焦調節透鏡13沿著觀察光學系統的一個光軸E移動，以調節一個焦點位置。通過聚焦調節透鏡13的光經過正立光學系統14而到達聚焦玻璃15，從而使一個對象圖象被形成在聚焦玻璃15上。因此，因此，用戶能夠通過目鏡16對該對象圖象即信號目標ST的象進行觀測。
在聚焦玻璃15中，形成了一個交叉線，從而通過目鏡16觀測到一個交叉的圖象。該交叉線的中心對應于聚焦玻璃15的中心。因此，連接物鏡11的中心和該交叉線的中心的一條線與觀察光學系統的光軸E相重合。
在透鏡筒10中，提供了一種光源20。在此實施例中，該光源20是一個光發射器件，諸如一個LED(發光二極管)或一個LD(激光二極管)，它發射可見光區域中的一種窄波長調制光以測量距離。在此實施例中，該調制光的波長接近于紅外光的波長。以下，從光源20發射的光被稱為“測量光束”。
該測量光束經過該光傳送光學系統而被傳送到信號目標ST。該光傳送光學系統由一個準直透鏡21、一個遠焦透鏡22、一個第一反射鏡23、一個第二反射鏡24、以及物鏡11構成。
從光源20發出的測量光束由準直透鏡21準直并被引向遠焦透鏡22。遠焦透鏡22調節測量光束的寬度。通過遠焦透鏡22的測量光束在第一反射鏡23和第二反射鏡24上被反射，并從電子轉速計經物鏡11而被輻射出去。
從電子轉速計輻射出去的該測量光束到達信號目標ST上的一個觀察點SP，并被該觀察點SP所反射。另一方面，日光在該觀察目標上被反射。因此，包括測量光束的反射光進入物鏡11。
該反射光經一個測量光學系統而被引向一個光電器件32(諸如一個光電二極管)。該測量光學系統由物鏡11、特定區域反射鏡12、一個光接收光學部件30、以及一個光纖束31。
通過物鏡11的反射光被引向特定區域反射鏡12。如圖2所示，特定區域反射鏡12由一個盤形成，并具有形成在特定區域反射鏡12的一個中心周圍的一個反射區12X和沿著該反射區12X的圓周而形成的一個透射區12Y。反射區12X只反射具有一種窄波長的光，其中心對應于測量光束的譜線峰。即，反射區12X只反射反射光中的測量光束，并使得其他的光成分透射。透射區12Y使得反射光直接穿過。即，透射區12Y使反射光透射至聚焦調節透鏡13。
反射區12X所反射的測量光束被引向光接收光學部件30。該測量光束在光接收光學部件30上得到反射并進入光纖束31的一個入射表面。該測量光束通過該光纖束31并到達光電器件32。在該光電器件32中，通過光電轉換而產生電信號，該電信號被饋送到一個系統控制電路40。
系統控制電路40對透鏡筒10進行控制，并通過利用相位調制測量方法來計算該距離。在系統控制電路40中，用于控制光源20的發射時序的基信號被輸出至光源20。測量光束根據該基信號而從光源20被發射出。在系統控制電路40中，根據來自光電器件32的電信號與該基信號之間的相位差，該距離得到計算。該距離被顯示在該測量機上設置的一個監視器(未顯示)上。
另一方面，通過特定區域反射鏡12的反射光被引向正立光學部件14。如圖3所示，正立光學部件14具有一個選擇反射表面141，它對應于一個分色鏡。該選擇反射表面141只讓具有與該測量光束對應的一個窄波長的光穿過。因此，該測量光束被引向一個定位探測器41。該選擇反射表面141反射除了測量光束之外的光，而測量光束被引向聚焦玻璃15。
在此實施例中，定位探測器41是一個CCD(電荷耦合器件)，并對測量光束具有高靈敏度。多個光電二極管被兩維排列在定位探測器41的光接收區上。當測量光束到達該光接收區時，接收該光束的一個光電二極管的位置作為該測量光束的入射位置而得到探測。
定位探測器41被設置在透鏡筒10中，從而使定位探測器41的位置相對于距選擇反射表面141的距離在光學上等價于聚焦玻璃15的位置。因此，包括定位探測器41的該光接收區的一個平面在光學上對應于一個焦平面。在該光接收區上，預先定義了一個基準位置-它對應于聚焦玻璃15中的交叉線的中心并對應于觀察點SP。定位探測器41探測該入射位置與光接收區上的該基準位置之差。
當測量光束從第二反射鏡24沿著觀察光學系統的光軸E經物鏡11行進至信號目標ST，即光傳送光學系統的光軸L與觀察光學系統的光軸E相重合時，在觀察點SP上反射的測量光束到達定位探測器41的光接收區上的與交叉線的中心對應的基準位置。在此情況下，不產生該差。當出現一個給定的差時，該差作為光軸L與光軸E之間的偏離而得到探測。因此，該偏離由兩維坐標信息表示。與該偏離相應的一個探測信號被饋送到系統控制電路40。
在系統控制電路40中，用于控制第一反射鏡23的位置的一個控制信號被饋送到一個鏡轉動裝置43。該鏡轉動裝置43對第一反射鏡23的位置進行調節，以調節光傳送光學系統的光軸L。即，第一反射鏡23的姿態得到調節，從而使光軸L與光軸E相重合。
應該注意的是，光軸的調節是根據一個給定的操作而進行的。在透鏡筒10中，在電子轉速計上設置了一個調節開關，它與系統控制電路40相連。當該調節開關通過用戶的操作而被接通時，光軸的調節得到進行。應該注意的是，光軸的調節可以在電子轉速計中的透鏡筒10被操作的任何時間進行。
圖4是示意圖，顯示了第一反射鏡23和鏡轉動裝置43。鏡轉動裝置43具有一個第一致動器51和一個第二致動器52，并使第一反射鏡23繞一個第一軸X1和一個第二軸X2轉動，而這兩個軸彼此垂直。該第一和第二致動器51和52分別是步進馬達，它們根據從系統控制電路40饋送來的控制信號而工作。
第一反射鏡23具有一個鏡231和一個鏡保持部件232。鏡231是一個平板形的鏡，它反射從光源20送來的測量光束。鏡231被緊固地連接在鏡保持部件232上。鏡保持部件232被緊固地連接到致動器51的一個輸出軸511上并受到一個鏡支持部件53的可轉動支持。
第一致動器51被緊固地連接到鏡支持部件53上，并繞第一軸X1轉動鏡231和鏡保持部件232，即轉動第一反射鏡23。當第一致動器51被驅動時，輸出軸511繞第一軸X1轉動，從而使鏡231繞第一軸X1轉動。應該注意的是，第一軸X1處于平分鏡231的反射區的一條線上。
鏡支持部件53被緊固地連接至第二致動器52的輸出軸521上。第二致動器52連接到透鏡筒10的內表面上。當第二致動器52被驅動時，鏡支持部件53繞第二軸X2轉動。應該注意的是，第二軸X2通過鏡231的中心并與第一軸X1相交叉。第二軸X2不相對于透鏡筒10的內表面移動。即，第二軸X2的方向相對于內表面沒有改變。類似地，第一軸X1相對于鏡支持部件53沒有改變。
第一反射鏡23繞第一和第二軸X1和X2轉動，從而使光傳送光學系統的光軸L改變。繞第一和第二軸X1和X2的轉動量分別根據兩維坐標所表示的偏離而確定。
以此方式，在觀察光學系統中提供了特定區域反射鏡12和具有選擇反射表面141的正立光學系統14(棱鏡)。當光軸E與光軸L之間的偏離根據入射位置與對應于光軸E的基準位置之間的差而得到探測時，第一反射鏡23的位置被改變，以對該偏離進行校正，從而使光軸L與觀察光學系統的光軸E相重合。
該定位探測器可由其他檢測器構成-該檢測器能夠探測光接收位置。例如，一種PDS(位置檢測器二極管)可被用來代替CCD。
應該注意的是，具有一個反射表面的一個棱鏡可被用來代替第一反射鏡23或第二反射鏡24。
在此實施例中，反射區12X和透射區12Y被形成在一個整體中。然而，反射區12X和透射區12Y可以被分別形成。例如，透射區12Y被緊固地連接在透鏡筒10的內表面上，且反射區12X被這樣設置，即使得反射區12X能夠沿著光軸E移動。
應該注意的是，一個遠焦透鏡22(它是一個折射透鏡)的位置可以被改變，從而使光傳送光學系統的光軸L與代替第一反射鏡23的觀察光學系統的光軸E相重合。
用于只測量一個距離的電子距離計可以作為測量機而得到應用。
結合圖5和6，對一個第二實施例的一個電子轉速計進行說明。該第二實施例與第一實施例的不同，在于光傳送光學系統中的另一光學部件發生轉動，以調節光傳送光學系統的光軸。由于第二實施例的其余部分與第一實施例的類似，其標號相同。
圖5是根據第二實施例的電子轉速計中的一個透鏡筒的框圖。圖6是顯示一個第二反射鏡的立體圖。
一個鏡轉動裝置44被設置在透鏡筒10中并與第二反射鏡24和系統控制電路40相連。在該系統控制電路40中，根據光接收位置與基準位置之差，用于調節第二反射鏡24的位置的姿態的一個控制信號被饋送到鏡轉動裝置44。鏡轉動裝置44根據控制信號來調節第二反射鏡24的位置。
如圖6所示，第二反射鏡24能夠繞彼此垂直的一個第三軸X3和一個第四軸X4轉動。根據該控制信號，鏡轉動裝置44通過轉動反射鏡24而改變光傳送光學系統的光軸L。應該注意的是，鏡裝置44的構造基本上與第一實施例中的鏡裝置43的構造相同。
以此方式，在第二實施例中，偏離得到探測且光軸L得到調節，從而使光軸L與觀察光學系統的光軸E相重合，這與第一實施例中相類似。
結合圖7，對一個第三實施例進行描述。該第三實施例與第一實施例和第二實施例的不同，在于觀察光學系統的光軸而不同光傳送光學系統的光軸得到調節。由于第三實施例的其余部分與第一和第二實施例的相同，它們的標號也相同。
圖7是根據第三實施例的電子轉速計的一個透鏡筒的框圖。
一個光學部件轉動裝置45被設置在透鏡筒10中并與特定區域反射鏡12和系統控制電路40相連。該光學部件轉動裝置45使特定區域反射鏡12相對于光軸E傾斜，從而使對應于交叉線的中心的觀察點SP與在信號目標ST上的一個點相重合，而從電子轉速計輻射來的測量光束到達該信號目標ST。應該注意的是，光學部件轉動裝置45可使聚焦透鏡15沿著與光軸E垂直的一個平面發生移動。
結合圖8，描述一個第四實施例的一個電子轉速計。該第四實施例與第一、第二和第三實施例的不同，在于一種矯平機被用作該測量機。由于該第四實施例的其余部分與第一和第二實施例的相同，其標號也相同。
圖8是根據第四實施例的該矯平機中的一個透鏡筒的框圖。
在該矯平機的一個透鏡筒60中，設置了一個光源20’以發射用于觀察的光束。在此，該光束是激光。定位檢測器41被設置在光接收鏡30之下。特定區域反射鏡12反射與用于觀察的光束相應的具有一個特定波長區域的光。光接收鏡30接收用于觀察的光，并把該光束引向定位探測器41。
第一反射鏡23的位置根據從定位探測器41輸出的一個探測信號而受到系統控制電路40的調節。第一反射鏡23受到轉動，從而使光傳送光學系統的光軸L與觀察光學系統的光軸E相重合。
應該注意的是，用于測量一個水平角和一個高度角的一種電子/光學經緯儀可取代矯平機而被用作測量機。
第一實施例顯示的具有選擇反射表面141的正立棱鏡14可被設置在該觀察光學系統中。在此情況下，該定位探測器可被設置在正立棱鏡14之下，且特定區域反射鏡12和光接收鏡30可被除去。
最后，本領域的技術人員應該理解的是，以上的描述是對本設備的最佳實施例而進行的，且在不脫離本發明的精神和范圍的前提下，可以進行各種改變和修正。
本公開與日本專利申請第2001-172161和第2002-036300(2001年6月7日和2002年2月14日遞交)的內容有關，且這些申請在此被全文引用。
權利要求
1.一種對光軸進行自動調節的測量機，包括一個觀察光學系統，用于觀察一個對象；一個光傳送光學系統，它把從一個光源發出的一個用于測量的光束傳送至所述對象；一個偏離探測器，它探測與所述觀察光學系統對應的一個第一光軸和與所述光傳送光學系統對應的一個第二光軸之間的一個偏離；以及一個光軸調節器，它對所述第一光軸和所述第二光軸中的至少一個進行自動調節以對所述偏離進行校正。
2.根據權利要求1的測量機，其中所述光傳送光學系統包括一個反射光學部件和一個折射光學部件中的至少一個，且所述光軸調節器包括一個位置改變器，該位置改變器改變所述反射光學部件與所述折射光學部件中的至少一個的位置，所述先軸調節器通過根據所述偏離改變該位置而對所述第二光軸進行調節。
3.根據權利要求1的測量機，進一步包括一個距離探測器，它通過接收來自所述對象的反射光中包括的所述光束而測量所述測量機與所述對象之間的距離；以及一個特定區域反射光學部件，它被設置在所述觀察光學系統中并具有一個反射區和一個透過區，所述反射區有選擇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離探測器，所述透過區使得所述反射光的全部都能夠穿過。
4.根據權利要求3的測量機，其中所述特定區域反射光學部件由一個單個的部件構成，其中所述反射區和所述透過區被形成在一個整體中。
5.根據權利要求3的測量機，其中所述特定區域反射光學部件由多個部件構成，其中所述反射區和透過區被單獨形成。
6.根據權利要求1的測量機，其中所述光束是與用于觀察的光對應的一個觀察光束和與用于測量所述測量機與所述對象之間的距離的光對應的一個測量光束中的一個。
7.根據權利要求1的測量機，其中所述偏離探測器包括一個可選的反射光學部件-該部件被設置在所述觀察光學系統中并通過反射所述光束而對來自所述對象的反射光中的所述光束進行分割。
8.根據權利要求1的測量機，其中所述偏離探測器包括一個可選透射光學部件，該透射光學部件被設置在所述觀察光學系統中并通過使所述光束能夠穿過而對來自所述對象的反射光中的所述光束進行分割。
9.根據權利要求7的測量機，其中所述可選的反射光學部件具有一個第一分色表面，該表面只反射具有與所述光束對應的一個波長的光。
10.根據權利要求8的測量機，其中所述可選透射光學部件具有一個第二分色表面，該表面只使得具有與所述光束對應的一個波長的光能夠穿過。
11.根據權利要求8的測量機，其中所述可選透射光學部件是一個正立棱鏡，該正立棱鏡具有一個第二分色表面，該第二分色表面只讓具有與所述光束對應的一個波長的光能夠穿過，所述正立棱鏡作為所述觀察光學系統之一而得到提供以使一個對象圖象正立。
12.根據權利要求1的測量機，其中所述偏離探測器從所述第一光軸與來自所述對象的、通過所述觀察光學系統的反射光中包括的所述光束的一個行進方向之間的一個差來探測所述偏離。
13.根據權利要求1的測量機，其中所述偏離探測器包括一個兩維偏離探測器，該偏離探測器接收所述光束并探測由在一個焦平面中定義的兩維坐標所表示的所述偏離，所述兩維偏離探測器根據所述光束的入射位置和與所述第一光軸對應的一個預定的基準位置來探測所述偏離。
14.一種測量機的一種自動光軸調節設備，所述測量機具有一個觀察光學系統，用于觀察一個對象；以及，一個光傳送光學系統，它把從一個光源發出的一個用于測量的光束傳送至所述對象，所述自動光軸調節設備包括一個偏離探測器，它探測與所述觀察光學系統對應的一個第一光軸和與所述光傳送光學系統對應的一個第二光軸之間的一個偏離；以及一個光軸調節器，它對所述第一光軸和所述第二光軸中的至少一個進行自動調節以對所述偏離進行校正。
全文摘要
一種測量機，它對一個光軸進行自動調節，包括用于觀察一個對象的一個觀察光學系統；一個光傳送光學系統，它把從一個光源發出的一個光束傳送至所述對象；一個偏離探測器；以及，一個光軸調節器。該偏離探測器，它探測與所述觀察光學系統對應的一個第一光軸和與所述光傳送光學系統對應的一個第二光軸之間的一個偏離。該光軸調節器，它對所述第一光軸和所述第二光軸中的至少一個進行自動調節以對所述偏離進行校正。
文檔編號G01C15/00GK1391085SQ02108710
公開日2003年1月15日 申請日期2002年3月29日 優先權日2001年6月7日
發明者上野政幸, 高山抱夢 申請人:旭精密株式會社