準直

名詞解釋：通常光線是發散的，即開始相鄰的兩條光線傳播後會相離越來越遠。準直通俗説就是保持光線之間是平行的。

動詞解釋：準直就是讓發散的光變成準直的光。

準直的原理如圖1所示，由激光器L發出一束單橫模的激光（一般為可見光，通常採用氦氖激光器的0.633μm波長的光），利用倒置的望遠鏡系統S，將光束形成直徑很細的（約為幾毫米）的平行光束，或者將光束在不同距離上聚焦成圓形小光斑。此平行光束中心的軌跡為一條直線，即可作為準直和測量的基準線。在需要準直的位置處用光電探測器接受準直光束。該光電探測器為四象限光電探測器D（即由4塊光電池組成），激光束照射到光電探測器上時，每塊光電池會產生電壓V₁，V₂，V₃，V₄。當激光束中心照射在光電探測器中心處，由於4塊光電池收到相同的光能量，產生的電壓值相等；而當激光束中心偏離光電探測器中心時，將有偏差電壓信號V_x和V_y；

由此偏差電壓即可知道接收點位置的偏移大小和方向。 ^[1] 

為了提高激光準直的精度，關鍵是使激光平行光束的方向穩定性高，不能有漂移，以及在接收平面上激光光斑的光強分佈有穩定的中心。因此激光準直技術的關鍵是控制激光器本身的變化和光束在傳播中空氣擾動的影響。

引起光束方向的漂移原因主要有以下兩點。

（1）激光器的諧振腔變形

這是由於激光器自身發熱或周圍環境温度變化，引起諧振腔變形所導致出射光束方向的漂移。為減少光束漂移，可對激光器採取熱穩定、隔熱等控温裝置；也可採用二次光源的方法，即將激光器發出的光耦合進一根單模光纖，再由光纖射出，以此作為準直光源，這可有效地隔離掉激光器自身變化帶來的影響。

（2）光束在傳輸中受到大氣的擾動影響

這是引起光束方向漂移的一個重要原因，尤其是在長距離和惡劣環境裏更為明顯。為此需要採取自動補償的方法反饋控制來彌補，如將探測器上接收到的準直信號偏移量，反饋到激光器控制出射方向；或對準直信號偏移量進行數據處理，以減少光束漂移的誤差影響。但由於大氣擾動的影響是隨機的，要完全補償灌輸的漂移是困難的。 ^[2] 

準直測量可分為以下三種方法：光學法；引張線法；激光準直法。

基準線（面）的提供通過經緯儀照準來實現，其中按照所使用的工具和作業方法的不同，又可以分為“測小角法”和“活動覘牌法”。

測小角法是利用經緯儀精確地測出基準線方向與置鏡點到觀測點的視線方向之間所夾的小角，從而計算出觀測點相對於基準線的偏離值。

活動覘牌法是利用活動覘牌上的標尺，直接測定偏離值。

（1）測小角法：

用測微器直接讀取偏移角度：（主要誤差來源之一是照準誤差）

①採用放大倍率不小於40倍的J1型以上的精密經緯儀；

②採用白色(或黃色)底面、黑色對稱標誌的覘牌，照準標誌的對稱軸應鉛垂，具備整平和照明裝置；

測小角法作業程序與要求：

①在基準線兩端點分別安置儀器和覘牌，待測點安置覘牌；

②用儀器分別照準兩個覘牌，測微器讀取角值，計算小角，完成上半測回；

③變換測微器位置，再用測微器分別讀取兩個覘牌對應的讀數，計算小角，完成一個測回；

④完成往測測回數的一半以後，將儀器和覘牌的強制對中軸旋轉180°，再進行往測另半數測回的觀測，完成往測；

⑤將基線端點上的儀器和覘牌對調，按同樣方法完成返測；

（2）活動覘牌法：

①活動覘牌零位置測定（零位置：照準標誌的對稱軸與對中裝置中心的線相重合時的覘牌讀數）：在相距一定距離的兩個觀測墩上，安置儀器與固定覘牌，定向後，取下固定覘牌，換上活動覘牌，將活動覘牌的照準標誌移到儀器十字絲上，讀取活動覘牌的讀數。

②在基準線兩端點分別安置儀器和固定覘牌，待測點安置活動覘牌；

③盤左時，由儀器觀測員指揮待測點上操作員，旋動覘牌使照準標誌的對稱軸與儀器十字絲重合，讀取覘牌上讀數；然後反方向導入活動覘牌，重新讀取覘牌上讀數，完成上半測回；

④盤右時，同樣操作，完成一個測回。

⑤測回間應重新整平儀器。

利用一根拉緊的不繡鋼絲（或尼龍絲）建立的基準線（面）來測定點的偏離值的方法，可以不受大氣折光的影響。

a.安置引張線，穩定後，依次在每一個待測點上安置顯微鏡觀測作為往測，每個測點讀數四次；

b．重新安置引張線，並把引張線縱向移動一段距離，逆序依次在每一個待測點上安置顯微鏡觀測作為返測，同樣每個測點讀數四次。完成一個測回；

c．測回間撥動浮船裝置，使引張線浮動，靜止後進行下一測回觀測。測回間互差應小於0.2mm。 ^[3] 

隨着激光技術的發展，出現了由激光束建立基準面的基準線法，根據其確定偏離值的原理，有以激光束替代經緯儀視線的“激光經緯儀準直”和利用光干涉原理的“波帶板激光準直”（三點準直）。

（1）激光經緯儀準直：

採用激光經緯儀準直時，活動覘牌法中的覘牌則由中心裝有兩個半圓的硅光電池組成的光電探測器替代。兩個硅光電池各接在檢流表上，如激光束通過覘牌中心時，硅光電池左右兩半圓上接收相同的激光能量，檢流表指針在零位。反之，檢流表指針就偏離零位。這時，移動光電探測器使檢流表指針指零，即可在讀數尺上讀取讀數。為了提高讀數精度，通常利用遊標尺可讀到0.1mm。當採用測微器時，可直接讀到0.0lmm。

（2）波帶板激光準直：

波帶板激光準直系統由三個部分組成：激光器點光源，波帶板裝置和光電探測器。

在基準線兩端點A、B上分別安置激光器點光源和探測器。在需要測定偏離值的觀測點C上安置波帶板。當激光管點燃後，激光器點光源就發射出一束激光，照滿波帶板，通過波帶板上不同透光孔的衍射光波之間的相互干涉，就會在光源和波帶板連線的延伸方向線上的某一位置形成一個亮點(對圓形波帶扳而言)或十字線(對方形波帶板而言)。