[发明专利]一种三轴光电自准直仪

权利要求书

1.一种三轴光电自准直仪，其特征在于，包括自准直仪器和隅角镜(6)，所述自准直仪器用于准直出射光并将反射光聚焦于光电传感器(4)，隅角镜(6)充当自准仪的反射镜，所述准直仪器包括：光源(2)、分光镜(3)、透镜(1)、光电传感器(4)及平面反射镜(5)，所述光源(2)位于分光镜(3)一侧，所述光源(2)与分光镜(3)的距离为透镜(1)的半焦距；所述分光镜(3)位于透镜(1)的半焦距前面且分光镜(3)和透镜(1)的距离等于半焦距；所述光电传感器(4)位于透镜(1)的半焦距位置；所述反射镜(5)被固定在透镜(1)右方，所述反射镜(5)用于将入射光原路返回到准直仪，所述光源(2)产生的光束通过分光镜(3)，进入透镜(1)，产生准直光束，准直光束照射在隅角镜(6)上，其中一部分光束被隅角镜(6)的表面所反射回原光路，该部分反射光束用于测量隅角镜(6)沿着OX、OY轴的偏转量；其中OX、OY轴是以隅角镜(6)的一个顶点为坐标系原点建立的坐标系的两个轴，剩余部分射入隅角镜(6)内，该剩余部分准直光束被隅角镜(6)的三个侧面分成了六束，根据光束沿隅角镜(6)的三个侧面a、b、c的反射顺序可以标记为a-b-c、a-c-b、b-a-c、b-c-a、c-b-a、c-a-b，分别成对的从隅角镜(6)的三面侧面反射出。

2.根据权利要求1所述的一种三轴光电自准直仪，其特征在于，所述透镜(1)中心到反射镜(5)中心的垂直距离为H＝L·tgΔ，其中L为隅角镜(6)d面中心沿入射光轴的方向到透镜(1)中心的距离，Δ为隅角镜(6)的入射光束向量与从隅角镜(6)反射到平面镜(5)的光束向量之间夹角，其中：δ表示微小倾斜角，n表示隅角镜(6)材料的折射率。

3.根据权利要求1所述的一种三轴光电自准直仪，其特征在于，所述隅角镜(6)的三个侧面(总共有四面)满足以下角度关系：δ₂＝δ₁＝90°±δ，δ₃＝90°。

4.根据权利要求1所述的一种三轴光电自准直仪，其特征在于，当隅角镜(6)的由c-b-a面反射顺序的反射光束(8)和由a-b-c面反射顺序的第一光束(7)，第一光束(7)在平面反射镜(5)上被反射，形成第二光束(9)返回隅角镜(6)，再经c-b-a的反射顺序形成第三光束(10)回射入透镜(1)，被透镜(1)聚焦到光电传感器(4)上形成光斑，该光束用于测量隅角镜(6)沿着OZ轴的偏转量。

5.根据权利要求4所述的一种三轴光电自准直仪，其特征在于，若隅角镜(6)若沿着OX、OY、OZ坐标轴转动，对应转动角标记为Ψ，K，那么此时在光电传感器上(4)光斑沿着光电传感器(4)的坐标轴OX、OY方向移动，该位移可表示为B'，其表达为：

B'＝M_r·M·M_r^-1M₃·M_r·M·M_r^-1·A (1)

其中A为入射光向量，M_r为隅角镜(6)的转动矩阵，可表示为：

其中K为沿着坐标OY轴转动的向左右旋转角，Ψ为沿着坐标向量OZ轴转动的旋转角，为沿着坐标向量OX轴转动的上下旋转角。M₃为反射镜片(5)在时的坐标矩阵，可表示为：

M为光束(10)所对应的隅角镜(6)矩阵，可表示为：

6.根据权利要求5所述的一种三轴光电自准直仪，其特征在于，把以公式(2)、(3)、(4)带入公式(1)可求得第三光束(10)的向量坐标为:

从公式(5)可以发现当隅角镜(6)绕着自身OZ轴转动时，光束(10)在光电传感器(4)坐标轴OX和OZ轴上几乎没有位移变化量，在坐标轴OY轴的变化量为:

y＝B′_y·f′＝-2Δ·Ψ·f′ (6)

这里隅角镜(6)沿OZ轴旋转角度可以表达为:

其中y表示光斑沿光电传感器(4)y轴的移动量，f'表示准直仪透镜(1)的焦距。

7.根据权利要求5所述的一种三轴光电自准直仪，其特征在于，对隅角镜(6)的d面的射光，用于隅角镜(6)沿OY、OX轴转动的信息分析：除了从隅角镜(6)内部按反射面顺序反射出的6束反射光束外，隅角镜(6)的前表面镜d也将部分光束反射回原光路，这个表面和二轴光电自准直仪的平面反光镜的作用一样，它的反射光束的矩阵可以写成:

A'＝M_r·M_ap·M_r^-1·A (8)

其中M_ap为隅角镜(6)前表面镜的标准矩阵，可表示为：

将公式(9)带入公式(8)中可得隅角镜(6)的前表面镜d的反射光束的矩阵：

隅角镜(6)在沿自身坐标轴OY、OX轴转动的角度可写为：