ЛАЗЕРНЫЙ НИВЕЛИР Российский патент 2002 года по МПК G01C5/00 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности может быть использовано при разработке и проектировании геодезических приборов, используемых при строительстве и монтаже инженерных сооружений для задания лазерным лучом вертикальных и горизонтальных линий. Лазерный нивелир предназначен для нивелирования уровней точек местности, элементов конструкций, частей сооружений, для проведения разметочных работ при монтаже, строительстве зданий и сооружений, укладке фундаментов, установке оборудования в цехах, при укладке магистралей трубопроводов, при разметке авто- и железнодорожных путей, при строительстве тоннелей и мостов, при решении вопросов точного базирования при сборочных работах в тяжелом машиностроении и станкостроении. Лазерный нивелир предназначен также для строительных работ внутри помещений при их отделке, ремонте, при раскрое материалов и многих других работах.

В последнее время источники лазерного излучения все чаще используются в различных геодезических приборах (лазерных нивелирах, теодолитах, дальномерах и т.п.). Точность задания направления при помощи лазерного луча в большой степени зависит от размера пучка падающего излучения в точке визирования. Точность повышается при малом пятне фокусировки излучения.

Известные устройства для формирования лазерного излучения, используемые совместно с оптическими нивелирами и теодолитами, такие как лазерные насадки для зрительных труб, обладают рядом недостатков, ограничивающих их применение. Конструктивная сложность таких устройств создает значительную трудность юстировки и совмещения лазерного луча с визирной осью трубы теодолита или нивелира и вызывает необходимость производить их в стационарных условиях в специально оборудованных лабораториях. Из-за наличия в оптических системах большого количества компонентов и светоделительных устройств происходит большая потеря мощности излучения лазерного источника (см. патент РФ 1714364, БИ 7, с.137, 1992 г. <Лазерная насадка для зрительной трубы геодезического прибора>). Известны лазерные насадки для нивелиров и теодолитов, устанавливаемые на выходе визирной трубы (см., например, патент РФ 2062447 (БИ 17, 1996 г., <Устройство для ввода лазерного излучения в визирную систему геодезического прибора>, 6 G 01 C 1/02). Такие системы имеют довольно простое устройство, малое количество компонентов. Однако они не позволяют получать малые пятна лазерного излучения, особенно на больших расстояниях. Такие устройства располагаются на выходе оптической системы геодезического прибора, поэтому оптическая система геодезического прибора не участвует в формировании лазерного излучения, а сами устройства для ввода лазерного излучения не снабжены устройствами фокусировки. Оптическая система, используемая в патенте РФ 1714364 <Лазерная насадка для зрительной трубы геодезического прибора> автономно решает задачи формирования и фокусирования лазерного излучения в рабочем диапазоне расстояний 2-200 м. Однако недостаточная коррекция аберрации не позволяет сфокусировать излучение в пятно малых размеров особенно на расстояниях, больших 50 м. Возникающее из-за остаточной сферической аберрации расплывание пятна фокусировки приводит к снижению точности снятия отсчетов при работе с таким устройством.

Таким образом, существующие в настоящее время устройства для задания направления с помощью лазерного луча имеют ограниченные возможности применения: либо малую дальность действия, либо сложность настройки и юстировки, либо имеют большие потери излучения и т.п.

Поэтому для оптического приборостроения и геодезии актуальным является создание новых устройств, использующих лазерные источники излучения, имеющие малые весогабаритные характеристики и высокую точность задания направления лазерного излучения.

Наиболее близким по технической сущности является лазерный нивелир (патент РФ 2059202 БИ 12, 1996 г. <Лазерный нивелир>), в котором лазер и коллиматор размещены в корпусе, являющемся их общей базой, коллиматор закреплен в кассете с возможностью вращения вокруг продольной оси, лазер установлен в корпусе с возможностью углового и радиального перемещения. Прототип, как и аналоги, не позволяет получать высокую точность задания направления при больших расстояниях, т.к. в нем отсутствуют средства фокусировки излучения на различные расстояния. Выходящий коллимированный пучок лазерного излучения увеличивает свой размер за счет дифракционных и аберрационных эффектов по мере распространения, снижая точность задания направления при увеличении расстояния.

Технической задачей изобретения является повышение точности задания направления с помощью лазерного луча, расширение рабочей дистанции и функциональных возможностей лазерного нивелира.

Это достигается тем, что в лазерном нивелире, содержащем корпус, в котором последовательно размещены на одной оптической оси лазерный источник излучения и коллимирующее устройство, коллимирующее устройство выполнено в виде телескопической системы, которая имеет большое увеличение и снабжена устройством фокусировки и в объектив которой введен коррекционный элемент из двух стекол с внутренней асферической границей соединения, в качестве источника излучения использован лазерный диодный модуль, снабженный системой регулировки интенсивности излучения, при этом в лазерный нивелир введены оптические насадки, которые расположены за коллимирующим устройством на его оптической оси, и дополнительная оптическая система - визирная труба, оптическая ось которой параллельна оптической оси коллимирующего устройства. При выполнении системы регулировки интенсивности излучения лазера в виде электронной системы, размещенной в отдельном корпусе вместе с энергонезависимой системой питания лазера, которая снабжена электронным устройством отключения источника питания при понижении напряжения питания ниже допустимого уровня, достигается возможность экономного расходования энергии питания, что увеличивает время непрерывной работы нивелира и ресурс работы источника питания. При введении в лазерный нивелир оптических насадок, выполняющих роль цилиндрических линз, изображение формируется в виде линии, при выполнении оптических насадок в виде аксиконов формируются концентрические окружности, при использовании светоделительной насадки пучок делится в двух взаимно перпендикулярных направлениях, причем наличие возможности вращения насадки вокруг оптической оси коллимирующей системы и шкалы отсчета углов поворота позволяет повернуть луч на заданный угол.

На фиг. 1 представлена схема нивелира, где 1 - корпус; 2 - подставка с устройством горизонтирования 3 и уровнем 4; 5 - лазерный источник; 6 - окуляр, 7 - объектив коллимирующей системы с коррекционным элементом 8, 9 - подвижный компонент для фокусировки излучения, 10 - корпус с системой питания и регулирования выходной интенсивности излучения лазера, 11 - визирная труба, 12 - оптические насадки.

На фиг. 2 приведены графики размеров пятен фокусировки в зависимости от расстояния: а - аберрационное пятно рассеяния, б - дифракционный размер сфокусированного пучка, в - аберрационное пятно рассеяния при использовании в качестве фокусирующего элемента плоского элемента с внутренней асферической поверхностью.

Лазерные диодные модули имеют выходную апертуру малого размера, а дифракционный предел размера пятна фокусировки излучения обратно пропорционален размеру выходной апертуры формирующей оптической системы Получение малого дифракционного размера пятна фокусировки можно достичь за счет использования телескопической системы с большим увеличением. При выполнения требования к компактности системы и малым весогабаритным характеристикам возникает необходимость создания телескопической системы с объективом и окуляром, имеющими большое относительное отверстие. В этом случае в оптической системе возникает большая сферическая аберрация, которая эффективно компенсируется при использовании корректоров с асферическими поверхностями.

Расчетные исследований показали, что использование коррекционного элемента с внутренней асферической поверхностью позволяет достигать фокусировку излучения в пятна, близкие к дифракционным, на расстояниях от полуметра до 350 м. Использование фокусирующей системы позволяет получать пятна излучения малого размера на расстояниях от 0,5 м до 250 м (причем на расстояния выше 50 м размер пятна фокусировки полностью определяется дифракционным размером пятна, который в свою очередь зависит от выходной апертуры коллимирующей системы). Прототип не позволяет этого делать.

Использование устройства регулировки интенсивности излучения лазера позволяет выбирать яркость пятна в зависимости от условий внешней освещенности, повышая тем самым точность снятия отсчетов. Использование электронной системы регулировки интенсивности излучения лазера, кроме того, позволяет более экономно расходовать энергию источника питания, а применение устройства отключения питания при понижении напряжения на источнике ниже допустимого позволяет увеличить ресурс работы источника питания. Использование анаморфотных (для формирования линии и концентрических окружностей) и светоделительной насадок расширяет функциональные возможности нивелира, а применение визирной трубки позволяет точно фокусировать излучение на объекте и делает работу с прибором более комфортной, а снятие отсчетов более точными. Ни прототип, ни известные аналоги не позволяют этого делать.

Принцип действия лазерного нивелира основан на использовании пучка лазерного излучения видимого диапазона, ориентированного по жидкостному уровню в горизонтальный плоскости и сфокусированного на объекте измерения, в качестве которого могут быть рейки нивелирные, плоскости разметки, реперные знаки, марки, триангуляционные знаки и т.п..

На фиг.1 схематично показан лазерный нивелир. Лазерный нивелир работает следующим образом. Световой пучок от лазерного источника 5, размещенного в корпусе 1, формируется коллимирующей системой, выполненной в виде телескопической системы с фокусировкой, состоящей из последовательно расположенных на одной оптической оси за лазерным источником окуляра 6, подвижного компонента 9, обеспечивающего фокусировку излучения на нужное расстояние, объектива 7, размещенных в этом же корпусе 1. При этом в объектив введен коррекционный элемент 8, который обеспечивает коррекцию сферической аберрации коллимирующей системы. Питание лазерного источника осуществляется от размещенной в отдельном корпусе 11 энергонезависимой системы (батарей или аккумуляторов). При понижении напряжения на источнике питания электронное устройство отключает его, тем самым позволяет увеличить ресурс работы источника питания, что особенно важно для аккумуляторов, разрядка которых ниже допустимого уровня приводит к выходу их из стоя. Система регулировки интенсивности лазерного излучения обеспечивает возможность изменять яркость пятна фокусировки излучения в зависимости от условий работы: при ярком солнечном свете необходимо увеличивать мощность выходного излучения, чтобы повысить видимость пятна фокусировки, при сумеречном освещении интенсивность выходного излучения может быть снижена. В качестве системы регулировки могут быть использованы различные устройства, например поглощающие фильтры, поляроиды. Наибольшую эффективность имеет электронная система регулировки интенсивности излучения, осуществляющая изменение средней мощности выходного излучения лазера изменением скважности импульсного режима питания по току. Система значительно экономит расход электроэнергии источников питания. Система регулировки интенсивности излучения располагается в корпусе 10 вместе с системой питания лазера и электронным устройством отключения источника питания. Корпус 1 устанавливается на подставку 2, снабженную механизмом горизонтирования 3 и сферическим жидкостным уровнем 4. Уровень 4 и механизм горизонтирования 3 обеспечивают ориентирование корпуса относительно горизонтальной плоскости.

С помощью светоделительной оптической насадки 12 излучение может поворачиваться вокруг горизонтальной оси на 360^o и фиксироваться при установке на заданный угол, в том числе осуществлять оптический отвес и зенит. Использование других типов оптических насадок позволяет формировать лазерное излучение в виде линий различной длины или окружностей, поворачивать изображение линии вокруг горизонтальной оси на заданный угол.

Наблюдение за точностью фокусировки лазерного луча и считывание показаний с измерительной рейки осуществляется при помощи визирной трубки 11.

Введение в известную совокупность таких отличительных свойств, как использование в лазерном нивелире телескопической системы с большим увеличением и возможностью фокусировки лазерного излучения, введение в объектив коррекционного элемента из двух стекол с внутренней асферической поверхностью соединения для коррекции сферической аберрации, использование регулировки выходной интенсивности излучения изменением скважности импульсного режима питания по току лазерного источника для повышения точности снятия отсчетов в широком диапазоне освещенности, экономного расходования энергии питания и удобства работы при различном уровне освещенности, использование в устройстве дополнительного оптического устройства - визирной трубы для повышения точности наведения и удобства работы при повышенной дальности действия - авторами не обнаружено. На основании вышеизложенного можно говорить о высоком изобретательском уровне.

Предложенное устройство было реализовано при создании лазерного нивелира, в котором в качестве источника излучения использовался полупроводниковый лазерный модуль с длиной волны 0,65 мкм, который располагался в одном корпусе с телескопической системой. Выходная апертура лазерного диодного модуля была 1,6 мм х 4 мм. Энергонезависимая система питания лазера (батарея аккумуляторов) с электронной системой регулировки выходной мощности излучения изменением скважности импульсов тока питания размещалась в отдельном корпусе, который размещался в торце корпуса телескопической системы. На наружную панель были выведены тумблеры включения лазера, включения подсветки шкалы и уровня, а также соответствующие сигнальные лампы, в качестве которых использовались двухцветные светодиоды. В блоке питания было предусмотрено автоматическое отключение лазера при снижении напряжения на аккумуляторах ниже допустимого, при этом цвет от сигнального светодиода изменялся с зеленого на красный. Это позволяло не допускать глубокую разрядку аккумуляторов, которая снижает срок их службы.

Прибор устанавливался на подставку, по функциональному назначению и основным конструктивным решениям аналогичную теодолитной. Подставка имела трехточечную юстировку для выставления луча по горизонту. Определителем горизонтального положения прибора являлся жидкостной уровень. Уровень находился внутри верхнего корпуса и через окно на боковой поверхности подсвечивался светодиодом. В нижнем корпусе подставки укреплялся лимб углового отсчета показаний с рисками 0...360^o, расположенными через 1^o. На корпусе подставки также располагались зеркала для проецирования изображения пузырька уровня и шкалы отсчета углов с нониусом в горизонтальное, удобное для работы положение. Линза, увеличивающая изображение шкалы и нониуса лимба, одновременно являлась защитным стеклом. Верхний корпус подставки имел возможность вращения относительно нижнего корпуса при опускании стопора для грубой установки углового отсчета. После фиксации стопором верхнего корпуса имелась возможность тонкой юстировки в пределах ±5^o.

Были изготовлены нивелиры с телескопическими системами с увеличением 20^х и 50^х, длина устройств по оси была около 95 мм, выходной диаметр телескопической системы 35 мм, фокусное расстояние объектива ~95 мм при дальнем положении фокусировки. В случае телескопической системы с увеличением 20^х в качестве окуляра использовалась одиночная плосковогнутая линза из высокопреломляющего стекла ТФ10 толщиной 0,8 мм, при увеличении 50^х окуляром служила симметричная двояковогнутая линза из того же стекла и той же толщины, фокусное расстояние окуляров было 3,86 мм и 1,8 мм соответственно. Объектив был изготовлен двух видов: в виде плосковыпуклой линзы с асферическим корректором из двух стекол с монотонной асферической внутренней поверхностью соединения и в виде склеенного двухлинзового компонента с асферическим корректором с волнообразной внутренней границей соединения. Корректоры при помощи склейки соединялись с плоскими поверхностями объективов. В качестве фокусирующей линзы использовался склеенный двухлинзовый компонент с плоскими наружными поверхностями и сферической поверхностью склейки. Оптическими насадками служили анаморфотные насадки, которые были выполнены в виде плоскопараллельных пластин из пар стекол ЛК5 и ЛК7 и К8 и ТБФ4 с внутренней цилиндрической и конической поверхностями соединения.

Визирная труба имела увеличение 13,3^х и состояла из двухлинзовых склеенных объектива и окуляра. Она имела диоптрийную подстройку.

Линзы изготавливались по традиционной технологии. Корректоры и анаморфотные элементы изготавливались методом спекания и горячего формообразования по технологии, разработанной в НИИКИ ОЭП.

Габариты устройства составляли 150 х 190 х 210 мм без насадок и 150 х 190 х 264 мм с насадками, вес был около 2,8 кг.

Результаты проведенных исследований изготовленных устройств показали их хорошее качество. В эксперименте излучение фокусировалось от 1 м до 150 м. При этом пятно фокусировки имело выраженную дифракционную структуру со слабым ореолом малого диаметра на больших расстояниях, который устранялся при уменьшении напряжения питания. Пятно фокусировки при малых расстояниях имело размер около 1 мм. Использование светоделительной насадки позволяло получать два взаимно перпендикулярных лазерных луча. Использование анаморфотных цилиндрических насадок позволяло получать фокусировку в виде линии 1-5 м, а использование аксиконов позволяло формировать кольцевую структуру в пятне фокусировки, причем изображение формировалось в виде концентрических окружностей с ярким центральным керном, не изменяющим свое положение на оси на значительном расстоянии (от 20 до 80 м) без перефокусировки.

Питание лазерных диодов осуществлялось от аккумуляторов, был также сделан батарейный вариант нивелира. Электронная система регулировки интенсивности выходного излучения лазерного диода позволяла изменять яркость пятна фокусировки для получения наибольшего контраста для точного снятия отсчетов.

Прототип не позволяет достичь такого результата.

Из вышесказанного следует, что изобретение имеет преимущества перед прототипом. Предложенное устройство в отличие от прототипа позволяет задавать направление лазерного луча с большой точностью на больших расстояниях, имеет возможность работы в широком диапазоне освещенности, имеет расширенные функциональные возможности, позволяет формировать излучение в виде линий и концентрических окружностей, а также позволяет формировать два взаимно перпендикулярных луча, снабжено системой регулировки интенсивности лазерного излучения, при этом оно компактно, имеет малый вес и габариты, автономное питание.

Заявляемое устройство имеет широкие возможности для организации серийного производства, не требует особых материалов, особого оборудования, легко позволяет перейти на автоматизированные линии изготовления.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что применение такого устройства в народном хозяйстве перспективно в экономическом и научном плане.

Изобретение предназначено для использования в оптическом приборостроении, в частности может быть использовано при разработке и проектировании геодезических приборов, которые предназначены для нивелирования уровней точек местности, элементов конструкций, частей сооружений, для проведения разметочных работ при монтаже, строительстве и монтаже инженерных сооружений для задания лазерным лучом вертикальных и горизонтальных линий. Сущность изобретения: в лазерном нивелире, содержащем корпус, в котором последовательно размещены на одной оптической оси лазерный источник излучения и коллимирующее устройство, коллимирующее устройство выполнено в виде телескопической системы, которая имеет большое увеличение и снабжена устройством фокусировки и в объектив которой введен коррекционный элемент из двух стекол с внутренней асферической границей соединения, в качестве источника излучения использован лазерный диодный модуль, снабженный системой регулировки интенсивности излучения, при этом в лазерный нивелир введена дополнительная оптическая система - визирная труба, оптическая ось которой параллельна оптической оси коллимирующего устройства. Технический результат: устройство позволяет задавать направление лазерного луча с большой точностью на протяженной трассе, имеет возможность работы в широком диапазоне освещенностей, имеет расширенные функциональные возможности, позволяет формировать излучение в виде линий и концентрических окружностей, а также позволяет формировать два взаимно перпендикулярных луча, обладает системой регулировки яркости лазерного излучения, при этом оно компактно, имеет малый вес и габариты, автономное питание. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Лазерный нивелир, содержащий корпус, в котором последовательно размещены на одной оптической оси лазерный источник излучения и коллимирующее устройство, отличающийся тем, что коллимирующее устройство выполнено в виде телескопической системы, которая имеет увеличение не менее 20^х и снабжена устройством фокусировки, выполненным в виде плоскопараллельной пластины из двух стекол со сферической границей соединения, а объектив телескопической системы состоит из линзовых компонентов с общей положительной оптической силой и коррекционного элемента, выполненного из двух стекол с внутренней асферической границей соединения, в качестве источника излучения использован лазерный диодный модуль, снабженный системой регулировки интенсивности излучения, при этом в лазерный нивелир введена дополнительная оптическая система - визирная труба с увеличением не менее 13^х, оптическая ось которой параллельна оптической оси коллимирующего устройства. 2. Лазерный нивелир по п. 1, в котором система регулировки интенсивности излучения выполнена в виде электронной системы, размещенной в отдельном корпусе совместно с энергонезависимой системой питания лазерного источника, снабженной электронным устройством отключения источника питания при понижении напряжения питания ниже допустимого уровня.