Лазерные нивелиры, как и лазерные визиры, в последние годы все шире внедряются в инженерно-геодезические работы. В конструктивном отношении этот класс геодезических приборов значительно сложнее лазерных визиров, так как эффективность их использования на практике в первую очередь определяется требованиями автоматизации измерений, повышением точности измерений, расширением диапазонов измеряемых превышений и увеличением расстояний визирования.

При создании лазерных нивелиров приходится одновременно решать несколько основных задач: обеспечить стабильное во времени горизонтальное положение лазерного луча, создать видимую светящуюся плоскость, повысить точность измерения, автоматизировать процесс отыскания центра лазерного луча и сохранить равноточность измерений при различных длинах визирного луча.

Обеспечить указанные требования, одновременно сохраняя малые габариты прибора, является весьма сложной задачей как для науки, так и для практики. Известно, что стабильность пространственного положения лазерного луча определяется температурными деформациями резонатора лазера и самого лазерного нивелира, конструктивной схемой прибора, тщательностью изготовления и сборки его узлов и др.

Если влияние температурных деформаций резонатора лазера можно в ряде случаев скомпенсировать, применяя специальные фотоэлектрические автоматические стабилизаторы положения луча, то самопроизвольный уход с горизонта лазерного луча из-за нестабильности конструкции самого прибора является сложной технической задачей. Поэтому конструктивная схема лазерного нивелира должна быть тщательно отработана.

Сократить время и упростить процесс измерений при нивелировании можно, если лазерным лучом сформировать светящуюся плоскость в пределах 360°.

Однако, учитывая инерционные свойства человеческого зрения, чтобы обеспечить непрерывно светящейся плоскость, развертку лазерного луча вокруг вертикальной оси прибора необходимо выполнять с частотой около 25 об/с.

При такой скорости развертки сколлимированного лазерного луча, если применить для регистрации фотоэлектрические детекторы, время пребывания лазерного луча на фотоприемнике весьма мало, к тому же изменяется оно в широких пределах в зависимости от длины визирного луча при нивелировании. Это обстоятельство требует применения высокочувствительных и широкополосных электронных схем детекторов. Увеличение же углового раствора лазерного луча с целью повышения времени пребывания его на фотоприемнике детектора при помощи специальных оптических систем, например цилиндрической оптики, ухудшает энергетические соотношения в фотоэлектрическом детекторе. Это вызывает в свою очередь снижение точности измерений, поэтому при создании лазерных нивелиров с фотоэлектрической регистрацией необходимо искать пути преодоления указанных трудностей.
Известные в настоящее время конструкции лазерных нивелиров пока не в состоянии в полной мере удовлетворить изложенным требованиям.

Однако в ряде случаев их применение оказывается весьма эффективным на производстве, особенно при выполнении нивелирных работ среднего и низкого классов точности.

Рассмотрим принципы построения конструктивных схем известных лазерных нивелиров. Лазерный инструмент «Гейоплейн-300» фирмы AGA (Швеция) предназначен для нивелирования при производстве различных строительных работ. Нивелирование основано на принципе вращающегося лазерного луча, задающего горизонтальную плоскость на известной высоте.

Способ задания опорной плоскости световым лучом у данного прибора отличен от нивелиров других марок. Лазер конструктивно расположен вертикально и его излучение направляется на грань прямоугольной призмы с зеркальными поверхностями.

Призмой луч света разделяется на два луча, расходящихся в противоположных направлениях. Призма вращается относительно оси, совпадающей с осевой линией пучка лучей лазера, однако сама призма наклонена к оси светового пучка на небольшой угол s. Поэтому отраженные лучи также соответственно наклонены к горизонту на углу -j-2e и -2е.

При вращении призмы световые лучи описывают в пространстве две конические поверхности, плоскость симметрии которых является опорной геодезической плоскостью.

В любой точке, лежащей на указанной геодезической плоскости на некотором расстоянии от инструмента, будут наблюдаться последовательные вспышки света одинаковой интенсивности, причем частота этих вспышек в два раза выше числа оборотов призмы.

Если глаз наблюдателя точно располагается на геодезической плоскости, то уже при скорости вращения призмы 10 об/с вследствие инерции зрительного восприятия свет в этой точке будет казаться непрерывным. В точках, лежащих выше или ниже геодезической плоскости, свет при визуальном наблюдении кажется мерцающим. Распределение интенсивности света на геодезической плоскости и в ее окрестности. Методика выполнения нивелировочных работ с применением прибора «Гейоплейн-300» предусматривает как визуальную регистрацию превышений с использованием нивелирной рейки специальной конструкции, так и фотоэлектрическую индикацию.

В последнем случае реечник передвигает фотодетектор по рейке в поисках минимального отсчета по индикатору прибора между двумя максимумами.
Контроль рабочего положения нивелира осуществляется по высокоточному уровню. Лазерный нивелир, предложенный Л. Джонсоном, представляет собой прибор, состоящий из двух блоков — лазерного визира с устройством круговой развертки луча и отсчетной рейки с фотоэлектрическим детектором. Газовый оптический квантовый генератор в нивелире Джонса и телескопическая коллимирующая оптическая система вмонтированы в полую жесткую трубу геодезического штатива вертикально и укреплены. Нивелир снабжен тремя установочными винтами, при помощи которых по накладному уровню его устанавливают в отвесное положение с точностью 5″. При помощи микрометренного винта и дополнительного цилиндрического уровня можно задавать в небольших пределах (до 10%) наклоны лазерного луча. Для развертки лазерного луча в плоскость в нивелире применена вращающаяся со скоростью 2 об/с от электропривода пентапризма. Нивелир оборудован командным постом. Выдвижная несущая колонка позволяет регулировать по высоте положение геодезической световой плоскости. Изменение высоты выдвижения колонки осуществляется рукояткой кремальерного механизма. Конструкция нивелира предусматривает надежную фиксацию выдвижной колонки в штативе.

Отсчетная рейка с фотоэлектрическим детектором содержит поисковую головку, которая приводится в движение вдоль рейки при помощи командного устройства. При вхождении детектора в зону лазерной плоскости командное устройство подает звуковые сигналы. Для определения отсчета по рейке необходимо определить два положения детектора (снизу и сверху от плоскости), при которых сигналы прекращаются. В этот момент центральный отсчетный индекс детектора автоматически устанавливается в положение, соответствующее центру выделенного лазерного луча. Командное устройство обеспечивает быстрое перемещение детектора по рейке при поиске лазерного луча и медленное микрометренное перемещение при вхождении его в зону лазерной световой плоскости.

Отсчеты снимают по положению центрального индекса на шкале рейки. Для расширения диапазона измеряемых превышений рейка оборудована перемещающейся оцифрованной замкнутой лентой.

Такой лазерный нивелир предназначен для съемки местности и обеспечивает точность определения превышений около 2 см на расстояниях от 300 до 1000 м в зависимости от внешних условий.