(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、この光源からの光を平行にするための第１の光学系と、この第１の光学系からの光を通過させる暗視野パターンと、この暗視野パターンを転向させるためのハーフミラーと、このハーフミラーにより転向されたパターンを反射させるための自由表面を有する第１の液体部材と、この第１の液体部材で反射されたパターンを結像させるための第２の光学系と、この第２の光学系で結像された像を受光するための受光手段と、この受光手段の受光信号に基づき、傾きを演算するための演算処理手段とからなり、前記暗視野パターンは、複数のスリットから形成されており、一方向にはパターンの中心線が等ピッチに配置され、かつ、直交する方向に沿ってはパターン幅が変化する様に配置されている傾斜センサ。
【請求項２】
光源と、この光源からの光を平行にするための第１の光学系と、この第１の光学系からの光を通過させる暗視野パターンと、この暗視野パターンを斜め方向から入射する様に配置され、自由表面を有する第１の液体部材と、この第１の液体部材で反射されたパターンを結像させるための第２の光学系と、この第２の光学系で結像されたパターンを受光するための受光手段と、この受光手段の受光信号に基づき、傾きを演算するための演算処理手段とからなり、前記暗視野パターンは、複数のスリットから形成されており、一方向にはパターンの中心線が等ピッチに配置され、かつ、直交する方向に沿ってはパターン幅が変化する様に配置されている傾斜センサ。
【請求項３】
光源と、この光源からの光を平行にするための第１の光学系と、この第１の光学系からの光を通過させる暗視野パターンと、この暗視野パターンを鉛直方向から入射する様に配置され、自由表面を有する第１の液体部材と、この第１の液体部材を透過した光を結像させるための第２の光学系と、この第２の光学系で結像された像を受光するための受光手段と、この受光手段の受光信号に基づき、傾きを演算するための演算処理手段とからなり、前記暗視野パターンは、複数のスリットから形成されており、一方向にはパターンの中心線が等ピッチに配置され、かつ、直交する方向に沿ってはパターン幅が変化する様に配置されている傾斜センサ。
【請求項４】
暗視野パターンを転向させるためのハーフミラーを透過した光を反射させ、第２の光学系を経由し、同一の受光手段に入射させるための自由表面を有する第２の液体部材とを備えており、２方向使用可能に構成されている請求項１記載の傾斜センサ。
【請求項５】
受光手段は、複数のスリット列の像と直交する方向（Ｘ方向）に配置されたリニアセンサであり、演算処理手段が、パターンのピッチ間隔以上の動きを、リニアセンサに対する移動量により求め、パターンのピッチ間隔以下の動きを、フーリエ変換によるパターンの位相を演算することにより求めることにより、Ｘ方向の傾きを求める様に構成されており、Ｙ方向に変化するスリット像の幅を利用することにより、Ｙ方向の傾きを求める様に構成されている請求項１〜４の何れか１項記載の傾斜センサ。
【請求項６】
自由表面を有する液体部材に代えて、揺動自在な懸垂部材となっている請求項１〜５の何れか１項記載の傾斜センサ。
【請求項７】
測量装置本体に取り付けられており、測量装置本体のＸ方向及びＹ方向の傾きを検出する請求項１〜６の何れか１項記載の傾斜センサを使用した測量機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自由表面を有する液体部材を利用した傾斜センサに係わり、特に、測量機の傾斜センサに最適であり、１個のリニアセンサのみで、Ｘ軸及びＹ軸の２軸方向の傾きを検出することのできる傾斜センサ及びこれを使用した測量機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から測量機の傾きを検出する素子として、図９に示す気泡管１００００が使用されていた。この気泡管１００００は、内部に気泡５０００を封入すると共に、電極６０００、７０００を形成し、静電容量を電気的に計測することにより、傾きを測定することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記気泡管１００００は、外周部をガラスから構成しているため、衝撃に弱く、高い機械精度を要求されるので、コストが高いという問題点があった。
【０００４】
更に、Ｘ、Ｙ方向の傾きを計測するためには、２軸方向に２個の気泡管１００００を必要とし、コスト高の原因となっていた。
【０００５】
また、気泡管１００００は、周囲の温度変化にも影響を受け、温度変化に対する補正等を施さなければならないという問題点があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑み案出されたもので、光源と、この光源からの光を平行にするための第１の光学系と、この第１の光学系からの光を通過させる暗視野パターンと、この暗視野パターンを転向させるためのハーフミラーと、このハーフミラーにより転向されたパターンを反射させるための自由表面を有する第１の液体部材と、この第１の液体部材で反射されたパターンを結像させるための第２の光学系と、この第２の光学系で結像された像を受光するための受光手段と、この受光手段の受光信号に基づき、傾きを演算するための演算処理手段とからなり、前記暗視野パターンは、複数のスリットから形成されており、一方向にはパターンの中心線が等ピッチに配置され、かつ、直交する方向に沿ってはパターン幅が変化する様に配置されて構成されている。
【０００７】
また本発明は、光源と、この光源からの光を平行にするための第１の光学系と、この第１の光学系からの光を通過させる暗視野パターンと、この暗視野パターンを斜め方向から入射する様に配置され、自由表面を有する第１の液体部材と、この第１の液体部材で反射されたパターンを結像させるための第２の光学系と、この第２の光学系で結像されたパターンを受光するための受光手段と、この受光手段の受光信号に基づき、傾きを演算するための演算処理手段とからなり、前記暗視野パターンは、複数のスリットから形成されており、一方向にはパターンの中心線が等ピッチに配置され、かつ、直交する方向に沿ってはパターン幅が変化する様に配置されて構成されている。
【０００８】
次に本発明は、光源と、この光源からの光を平行にするための第１の光学系と、この第１の光学系からの光を通過させる暗視野パターンと、この暗視野パターンを鉛直方向から入射する様に配置され、自由表面を有する第１の液体部材と、この第１の液体部材を透過した光を結像させるための第２の光学系と、この第２の光学系で結像された像を受光するための受光手段と、この受光手段の受光信号に基づき、傾きを演算するための演算処理手段とからなり、前記暗視野パターンは、複数のスリットから形成されており、一方向にはパターンの中心線が等ピッチに配置され、かつ、直交する方向に沿ってはパターン幅が変化する様に配置されて構成されている。
【０００９】
更に本発明は、暗視野パターンを転向させるためのハーフミラーを透過した光を反射させ、第２の光学系を経由し、同一の受光手段に入射させるための自由表面を有する第２の液体部材とを備えており、２方向使用可能に構成することもできる。
【００１０】
そして本発明の受光手段は、複数のスリット列の像と直交する方向（Ｘ方向）に配置されたリニアセンサであり、演算処理手段が、パターンのピッチ間隔以上の動きを、リニアセンサに対する移動量により求め、パターンのピッチ間隔以下の動きを、フーリエ変換によるパターンの位相を演算することにより求めることにより、Ｘ方向の傾きを求める様になっており、Ｙ方向に変化するスリット像の幅を利用することにより、Ｙ方向の傾きを求める様に構成することもできる。
【００１１】
また本発明は、自由表面を有する液体部材に代えて、揺動自在な懸垂部材とすることもできる。
【００１２】
更に本発明の傾斜センサを使用した測量機は、測量装置本体に取り付けられており、測量装置本体のＸ方向及びＹ方向の傾きを検出する構成にすることもできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以上の様に構成された本発明は、第１の光学系が、光源からの光を平行にし、暗視野パターンが、第１の光学系からの光を通過させ、ハーフミラーが暗視野パターンを転向させ、自由表面を有する第１の液体部材が、ハーフミラーにより転向されたパターンを反射させ、第２の光学系が、第１の液体部材で反射されたパターンを結像させ、受光手段が、第２の光学系で結像された像を受光し、演算処理手段が、受光手段の受光信号に基づき、傾きを演算する様になっており、暗視野パターンは、複数のスリットから形成されており、一方向にはパターンの中心線が等ピッチに配置され、かつ、直交する方向に沿ってはパターン幅が変化する様に配置されている。
【００１４】
また本発明は、第１の光学系が、光源からの光を平行にし、暗視野パターンが、第１の光学系からの光を通過させ、自由表面を有する第１の液体部材が、暗視野パターンを斜め方向から入射する様に配置されており、第２の光学系が、第１の液体部材で反射されたパターンを結像させ、受光手段が、第２の光学系で結像されたパターンを受光し、演算処理手段が、受光手段の受光信号に基づき、傾きを演算する様になっており、暗視野パターンは、複数のスリットから形成されており、一方向にはパターンの中心線が等ピッチに配置され、かつ、直交する方向に沿ってはパターン幅が変化する様に配置されている。
【００１５】
次に本発明は、第１の光学系が、光源からの光を平行にし、暗視野パターンが第１の光学系からの光を通過させ、自由表面を有する第１の液体部材が、暗視野パターンを鉛直方向から入射する様に配置されており、第２の光学系が、第１の液体部材を透過した光を結像させ、受光手段が、第２の光学系で結像された像を受光し、演算処理手段が、受光手段の受光信号に基づき、傾きを演算する様になっており、暗視野パターンは、複数のスリットから形成されており、一方向にはパターンの中心線が等ピッチに配置され、かつ、直交する方向に沿ってはパターン幅が変化する様に配置されている。
【００１６】
更に本発明は、自由表面を有する第２の液体部材が、暗視野パターンを転向させるためのハーフミラーを透過した光を反射させ、第２の光学系を経由し、同一の受光手段に入射させる様になっており、２方向使用可能にすることもできる。
【００１７】
そして本発明の受光手段は、リニアセンサを、複数のスリット列の像と直交する方向（Ｘ方向）に配置し、演算処理手段が、パターンのピッチ間隔以上の動きを、リニアセンサに対する移動量により求め、パターンのピッチ間隔以下の動きを、フーリエ変換によるパターンの位相を演算することにより求めることにより、Ｘ方向の傾きを求める様になっており、Ｙ方向に変化するスリット像の幅を利用することにより、Ｙ方向の傾きを求める様になっている。
【００１８】
また本発明は、自由表面を有する液体部材に代えて、揺動自在な懸垂部材とすることもできる。
【００１９】
更に本発明の傾斜センサを使用した測量機は、測量装置本体に取り付けられており、測量装置本体のＸ方向及びＹ方向の傾きを検出する様にすることもできる。
【００２０】
【実施例】
【００２１】
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００２２】
「第１実施例」
【００２３】
図１は、本第１実施例の傾斜センサ１０００の光学的構成を示すもので、光源１００と、コンデンサーレンズ２００と、暗視野パターン３００と、第１のパターンリレーレンズ４００と、ハーフミラー５００と、自由表面を有する第１の液体部材６００と、第２のパターンリレーレンズ７００と、受光手段８００と、演算処理手段９００とから構成されている。
【００２４】
本第１実施例の光源１００はＬＥＤであるが、何れの光源を使用することができる。
【００２５】
コンデンサーレンズ２００は、光源１００からの光を平行にするためのものであり、第１の光学系に該当するものである。
【００２６】
暗視野パターン３００は、受光手段８００にパターン像を形成するためのものである。
【００２７】
図２は、本第１実施例の暗視野パターン３００を示すもので、複数のスリット列３１０、３１０・・・・から構成されている。ここで、複数のスリット列３１０、３１０・・・・と直交する方向をＸ方向とし、スリット３１０の長手方向をＹ方向とする。
【００２８】
この複数のスリット列３１０、３１０・・・・は、各スリット３１０の中心点が間隔Ｐで等間隔に配置されており、かつ、直交する方向に沿ってはパターン幅が変化する様に配置されている。
【００２９】
第１のパターンリレーレンズ４００は、暗視野パターン３００を通過した光をハーフミラー５００に導くものである。
【００３０】
ハーフミラー５００で転向された光は上方に向かい、自由表面を有する第１の液体部材６００に入射する。そして、自由表面を有する第１の液体部材６００で反射された光は、ハーフミラー５００を透過して、下方の受光手段８００に向かう様になっている。
【００３１】
自由表面を有する第１の液体部材６００は、シリコンオイル等の適度の粘性を有する液体が充填されている。第１の液体部材６００は、自由表面を有するので、表面は必ず水平を保つ様になっている。
【００３２】
第２のパターンリレーレンズ７００は、自由表面を有する第１の液体部材６００で反射され、ハーフミラー５００を透過した光を、受光手段８００上に結像するためのものである。即ち、第２のパターンリレーレンズ７００は、暗視野パターン３００の像を受光手段８００上に形成するためのものである。
【００３３】
なお、第２のパターンリレーレンズ７００は、第２の光学系に該当するものであり、受光手段８００から、第２のパターンリレーレンズ７００の焦点距離ｆ離れた位置に配置されている。
【００３４】
受光手段８００は、暗視野パターン３００の像を受光し、電気信号に変換するためのものであり、本第１実施例では、ＣＣＤ（電荷結合素子）リニアセンサが採用されている。
【００３５】
演算処理手段９００は、ＣＰＵを含む演算処理装置であり、全体の制御を司ると共に、暗視野パターン３００のスリット像の移動距離を算出し、対応する傾き角を演算するためのものである。
【００３６】
以上の様に構成された本第１実施例では、傾斜センサ１０００が傾けば、第１の液体部材６００の自由表面は水平を保つので、傾斜角度に比例して、受光手段８００上の暗視野パターン３００の像が移動することになる。
【００３７】
ここで傾斜センサ１０００が角度θ傾いた場合には、図６に示す様に、第１の液体部材６００の屈折率をｎとすると、自由表面からの反射光は２ｎθ傾くことになる。受光手段８００であるリニアセンサ上の距離をＬとすると、
【００３８】
Ｌ＝ｆ＊ｔａｎ（２ｎθ）                ・・・・・第１式
【００３９】
となる。
【００４０】
従って、暗視野パターン３００のスリット３１０の移動量を受光手段８００が検出し、演算処理手段９００が傾き角に変換すれば、傾斜センサ１０００の傾きθを測定することができる。
【００４１】
「第２実施例」
【００４２】
図３は、本第２実施例の傾斜センサ２０００の光学的構成を示すもので、光源１００と、コンデンサーレンズ２００と、暗視野パターン３００と、第１のパターンリレーレンズ４００と、自由表面を有する第１の液体部材６００と、第２のパターンリレーレンズ７００と、受光手段８００と、演算処理手段９００とから構成されている。
【００４３】
本第２実施例の傾斜センサ２０００は、第１実施例の傾斜センサ１０００の
ハーフミラー５００が省略されており、第１のパターンリレーレンズ４００により、自由表面を有する第１の液体部材６００に対して、斜めの方向から光を入射させる構成となっており、自由表面を有する第１の液体部材６００で反射した光も、斜めの方向に出射し、第２のパターンリレーレンズ７００により、受光手段８００上に結像する様になっている。従って受光手段８００は、傾けて配置されている。
【００４４】
なお、その他の構成は、第１実施例と同様であるから、説明を省略する。
【００４５】
「第３実施例」
【００４６】
図４は、本第３実施例の傾斜センサ３０００の光学的構成を示すもので、光源１００と、コンデンサーレンズ２００と、暗視野パターン３００と、第１のパターンリレーレンズ４００と、自由表面を有する第１の液体部材６００と、第２のパターンリレーレンズ７００と、受光手段８００と、演算処理手段９００とから構成されている。
【００４７】
本第３実施例の傾斜センサ３０００は、第１実施例の傾斜センサ１０００の
ハーフミラー５００と第１のパターンリレーレンズ４００とが省略されており、自由表面を有する第１の液体部材６００に対して、鉛直上方の方向から光を入射させる構成となっており、自由表面を有する第１の液体部材６００を透過した光は、鉛直下方に出射し、第２のパターンリレーレンズ７００により、受光手段８００上に結像する様になっている。
【００４８】
なお、その他の構成は、第１実施例及び第２の実施例と同様であるから、説明を省略する。
【００４９】
次に、演算処理手段９００の傾き角の演算処理を詳細に説明する。
【００５０】
受光手段８００であるリニアセンサは、複数のスリット列３１０、３１０・・・・・の像と直交する方向（Ｘ方向）に配置されている。
【００５１】
従って、Ｘ方向の傾き角については、図７に示す様に、スリット３１０・・・・・の特定のパターンをスタートパターンとして着目し、予め設定しておく水平基準位置から距離ｄｘを測定すればよい。
【００５２】
またピッチ間隔以下の距離に関しては、リニアセンサの出力のフーリエ変換を行うことにより、ピッチ間隔に対する水平基準位置との位相差φを計算し、
【００５３】
φ＊ｐ／（２π）                    ・・・・・・第２式
【００５４】
を求めることにより、ピッチ間隔以下の距離を高精度に測定可能である。そして、上記スタートパターンの距離から求めたピッチ間隔以上の距離と合わせることにより、全体の距離を演算することができる。
【００５５】
そして演算処理手段９００は、全体の移動量から、対応するＸ方向の傾き角を演算することができる。
【００５６】
次にＹ方向の傾き角であるが、Ｙ方向の傾き角は、幅が変化する３角形のスリット３１０ｂより演算する。
【００５７】
即ち、Ｘ方向にリニアセンサが配置されているので、Ｙ方向に傾くと、３角形のスリット３１０ｂの受光幅が変化することになる。この変化量は、Ｙ方向の傾き角と比例するため、演算処理手段９００はＹ方向に傾き角を算出することができる。
【００５８】
Ｙ方向の幅の測定は、図７に示す様に、リニアセンサの出力を微分することにより、その立ち上がりと立ち下がりの距離を測定することができる。また、測定精度を上げるために、全ての信号について演算を行い、平均の幅ｄｙave を求め、フーリエ変換により得られたピッチ幅ｐ及び予め決められた比例関係ｋより、リニアセンサ上の距離Ｌを
【００５９】
Ｌ＝ｋ＊ｄｙave／ｐ                     ・・・・・第３式
【００６０】
と表すことができる。更に、第１式よりＹ方向の傾きを計算することができる。
【００６１】
なお、幅が変化するスリットは、３角形に限ることなく、幅が変化し、傾きとの対応が設定されるものであればよい。
【００６２】
以上の様に、１つのリニアセンサを利用するだけで、Ｘ方向及びＹ方向の２軸方向の傾きを検出することができる。
【００６３】
また、リニアセンサでなく、エリアセンサを採用すれば、等間隔に形成された複数のスリット３１０、３１０・・・を使用することで、Ｘ方向及びＹ方向の２軸の傾きを検出することができる。
【００６４】
更に、自由表面を有する第１の液体部材６００に代えて、揺動自在な懸垂部材とすることもできる。
【００６５】
「第４実施例」
【００６６】
図５は、本第４実施例の傾斜センサ４０００の光学的構成を示すもので、光源１００と、コンデンサーレンズ２００と、暗視野パターン３００と、第１のパターンリレーレンズ４００と、ハーフミラー５００と、自由表面を有する第１の液体部材６００と、自由表面を有する第２の液体部材６１０と、第２のパターンリレーレンズ７００と、受光手段８００と、演算処理手段９００とから構成されている。
【００６７】
上記第１の実施例と同様な方法にて実施する場合には、第１の液体部材６００は自由表面を形成し、第２の液体部材６１０は光路上より外れるため、第１の実施例と同様な構成となる。
【００６８】
図５に示す様に本第４実施例は、全体を左に９０度回転させると、第２の液体部材６１０が自由表面を形成し、第１の液体部材６００が光路から外れる様になる。即ち、第１実施例を９０度回転させても使用可能な様に、第２の液体部材６１０を配置したものである。
【００６９】
従って、傾斜センサ４０００が傾けば、第２の液体部材６１０の自由表面は水平を保つため、傾斜角度に比例して、受光手段８００上の暗視野パターン３００の像が移動することになる。
【００７０】
ハーフミラー５００を透過したパターン像は、第２の液体部材６１０で反射し、更に、ハーフミラー５００及び第２のパターンリレーレンズ７００を経由して、受光手段８００上に結像される。この場合、第１の液体部材６００に入射した光は、液体が光路上より外れるため、反射されることはない。
【００７１】
即ち、第２の液体部材６１０を追加するだけで、図５の傾斜センサ４０００は２方向で使用可能となる。
【００７２】
また、図１０及び図１１に示す様な電子式セオドライト２００００等に傾斜センサを取り付ければ、測量装置本体のＸ方向及びＹ方向の傾きを検出することができる。
【００７３】
【効果】
以上の様に構成された本発明は、光源と、この光源からの光を平行にするための第１の光学系と、この第１の光学系からの光を通過させる暗視野パターンと、この暗視野パターンを転向させるためのハーフミラーと、このハーフミラーにより転向されたパターンを反射させるための自由表面を有する第１の液体部材と、この第１の液体部材で反射されたパターンを結像させるための第２の光学系と、この第２の光学系で結像された像を受光するための受光手段と、この受光手段の受光信号に基づき、傾きを演算するための演算処理手段とからなり、前記暗視野パターンは、複数のスリットから形成されており、一方向にはパターンの中心線が等ピッチに配置され、かつ、直交する方向に沿ってはパターン幅が変化する様に配置されているので、機械的強度が高く、高精度な傾斜センサを提供することができるという効果がある。
【００７４】
そして本発明の受光手段は、受光手段は、複数のスリット列の像と直交する方向（Ｘ方向）に配置されたリニアセンサであり、演算処理手段が、パターンのピッチ間隔以上の動きを、リニアセンサに対する移動量により求め、パターンのピッチ間隔以下の動きを、フーリエ変換によるパターンの位相を演算することにより求めることにより、Ｘ方向の傾きを求める様に構成されており、Ｙ方向に変化するスリット像の幅を利用することにより、Ｙ方向の傾きを求める様に構成されているので、１つのリニアセンサで、Ｘ方向及びＹ方向の２軸の傾きを検出することができ、構造が簡便となって信頼性が向上し、コストも安価となるという卓越した効果がある。
【００７５】
更に本発明は、スリット像のピッチ間隔以下の移動量については、演算処理手段が、フーリエ変換によりスリットパターンの位相を演算することにより算出するので、暗視野パターンの精度を必要以上に高くする必要がなく、高精度な傾き角測定を行うことができる。特に、フーリエ変換を使用しているので、暗視野パターンのスリットの形状誤差及びピッチ誤差が、最終的な傾き角には軽減されて伝播するという卓越した効果がある。
【００７６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の傾斜センサ１０００の構成を示す図である。
【図２】本実施例の暗視野パターン３００を説明する図である。
【図３】第２実施例の傾斜センサ２０００の構成を示す図である。
【図４】第３実施例の傾斜センサ３０００の構成を示す図である。
【図５】第４実施例の傾斜センサ４０００の構成を示す図である。
【図６】第１実施例の第１の流体部材６００を説明する図である。
【図７】演算処理手段９００の傾き角の演算処理を説明する図である。
【図８】演算処理手段９００の傾き角の演算処理を説明する図である。
【図９】従来技術を説明する図である。
【図１０】本実施例を電子式セオドライト２００００に応用した例を説明する図である。
【図１１】本実施例を電子式セオドライト２００００に応用した例を説明する図である。
【符号の説明】
２００００  電子式セオドライト
１０００  第１実施例の傾斜センサ
２０００  第２実施例の傾斜センサ
３０００  第３実施例の傾斜センサ
４０００  第４実施例の傾斜センサ
１００  光源
２００  コンデンサーレンズ
３００  暗視野パターン
３１０  スリット
４００  第１のパターンリレーレンズ
５００  ハーフミラー
６００  自由表面を有する第１の液体部材
６１０  自由表面を有する第２の液体部材
７００  第２のパターンリレーレンズ
８００  受光手段
９００  演算処理手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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