(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由界面を形成する様少なくとも２種類の液体を封入した液体封入容器と、前記自由界面を透過する様に配置された投光系と、該投光系からの光束を入射させる為の入射窓と、前記自由界面を透過した光束を反射させる反射手段と、光束を前記封入容器から射出する射出窓とを具備した構成を有し、前記入射窓と反射手段と射出窓が常に前記液体に接触しており、前記構成を９０°倒した時、自由界面が９０°回転し、９０°回転する前と同様に前記入射窓と反射手段と射出窓が常に前記液体に接触し、自由界面を透過した光束が前記射出窓から射出されることを特徴とする傾斜角自動補償装置。
【請求項２】
前記自由界面が、極性溶媒と非極性溶媒の組合わせにより形成される請求項１の傾斜角自動補償装置。
【請求項３】
前記封入容器は前記光束以外の部分に空間を維持する請求項１の傾斜角自動補償装置。
【請求項４】
前記封入容器は、可撓性を有する面を構成する請求項１の傾斜角自動補償装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測量機、測定器等に用いられ、傾き量の変化の測定をし、或は機器の光軸を鉛直に保持し、或は機器の光軸を水平に保持し、或は水平、鉛直な光束の照射面を形成する傾斜角自動補償装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
透明な液体を密閉な封入容器に封入し、該封入容器内に気体と液体の２層が形成される様にした光学部材を構成し、該光学部材を含む構成に傾きを持たせた場合前記液体は楔形状となる。該楔形状は前記構成の傾きに対して一定の割合で変形する。この楔形状の液体に光束を透過させた場合、前記構成の傾きに対して一定の割合で変化する液体がプリズムと同様の作用をする為、透過後の前記光束の光軸は傾きに対して一定の割合で偏角を生ずる。これを利用した光軸の補償装置が特開平８−７５４６６号、特開平７−１９８７１号に於いて示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した封入容器は光束を透過させる為の透明部材を有し、上述した傾斜角自動補償装置では光学部材の透明部材が傾斜角自動補償装置の状態により封入液体に浸漬し、或は露出する構造である。この為、透明部材が液体から露出した場合でも前記液体が透明部材に残留し、液体の滴が付着したり、或は膜状に付着したりしていた。この為、透明部材を透過する光束が散乱してしまうという問題が生じた。
【０００４】
又、前記楔形状に形成された液体による光軸の変化は、環境温度が変化し液体の温度に変化が生じた場合でも、前記液体の屈折率の変化により構成の傾きに対する光軸の変化が温度条件により異なってしまう。
【０００５】
又、従来の傾斜角自動補償装置は構成全体を略水平又は略垂直に設置した場合の使用に限られ、略水平或は略垂直の両状態で共用することは困難であり、共用する為には別途用意した光学系を取付けて使用するか、封入容器を予め可動にし略若しくは略垂直の使用状態に合わせて組立てる必要があった。これらの場合、光学系の取外し、又は組立て時の再現性が乏しく精度がよくない。又部品のコストが蒿むという問題があった。
【０００６】
本発明は斯かる実情に鑑み、光学部材を透過する光束の散乱を抑制し、高い安定性と精度を維持する光軸の補償装置を提供するものであり、又環境温度が変化した場合でも光軸の温度変化に対応する誤差を減少させる光軸の補償装置を提供するものであり、更に特別な光学系を用意する必要なく、又光学系の一部を組直すことを可能とする余分な機構を必要とせずに、略水平状態若しくは略垂直状態の両状態に共用して光軸を自動補償する傾斜角自動補償装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、自由界面を形成する様少なくとも２種類の液体を封入した液体封入容器と、前記自由界面を透過する様に配置された投光系と、該投光系からの光束を入射させる為の入射窓と、前記自由界面を透過した光束を反射させる反射手段と、光束を前記封入容器から射出する射出窓とを具備した構成を有し、前記入射窓と反射手段と射出窓が常に前記液体に接触しており、前記構成を９０°倒した時、自由界面が９０°回転し、９０°回転する前と同様に前記入射窓と反射手段と射出窓が常に前記液体に接触し、自由界面を透過した光束が前記射出窓から射出される傾斜角自動補償装置に係り、又前記自由界面が極性溶媒と非極性溶媒の組合わせにより形成される傾斜角自動補償装置に係り、又前記封入容器は前記光束以外の部分に空間を維持する傾斜角自動補償装置に係り、更に又前記封入容器は、可撓性を有する面を構成する傾斜角自動補償装置に係るものである。
【０００８】
封入容器を透過する時点で、楔状の透明液体を透過させることで射出光束は全構成の傾きに対応した角度変化を示し、又入射光束を封入容器内面で反射させ射出させる構成とすることで、光学部材を含む全構成を９０°回転させた場合にも入射光束を透明液体に透過させることができ、従って射出光束は全構成を９０°回転させた場合にもやはり全構成の傾斜に対応した角度変位を示す。又、入射窓、反射部材、射出窓等の光学構成物は常時液体に浸漬しているので、光の拡散を抑止でき、装置の安定性、精度の維持が可能となり、更に封入容器内部の空間、或は封入容器に形成される可撓性部分が液体の熱膨張、熱収縮を吸収する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
【００１０】
本発明が実施される傾斜角自動補償装置の要部について図１、図２に於いて説明する。
【００１１】
封入容器１内に自由界面４を形成し、封入容器１の上部に空間５が残置される様下層透明液体２、上層上層透明液体３を封入する。前記封入容器１は水平な底部１ａと、該底部１ａに対して垂直な垂直壁１ｂと、該垂直壁１ｂ、底部１ａに対して４５°傾斜した反射壁１ｃを有し、前記底部１ａに入射窓６を設け、前記反射壁１ｃには反射部材７を設け、前記垂直壁１ｂには射出窓８を設ける。前記入射窓６は下層透明液体２に浸漬し、前記反射部材７、射出窓８は前記上層透明液体３に浸漬する。前記入射窓６に対向させ、投光系９を配設し、該投光系９から照射される光束が前記入射窓６を透過して前記下層透明液体２に入射される様構成する。
【００１２】
前記下層透明液体２、上層透明液体３は極性溶媒と非極性溶媒との組合わせ、例えばフッ素系不活性溶液に対し、非極性プロトン溶媒であるアセトニトリル又はＮ−メチルホルムアミド又はピリジン又はジメチルスルホキシドの組合わせであり、これらの物質はヨウ化カリウム或は塩化カリウム等の電解質を溶かして屈折率を変化させることが可能である。
【００１３】
又、環境温度が変化した場合、前記液体の屈折率は変化するが、前記２種類の液体の屈折率変化の温度依存が同等なもの、若しくは接近したものを選択することにより、全構成の傾きに対する光軸の変化を、環境温度変化時に於いて常に同様か又は近似した状態に維持することが可能である。
【００１４】
又、温度変化時の液体収縮時に備えて前記空間５を光軸外の位置に設けておくことにより、液体の膨張収縮による内圧変化を減少させ、液体の粘性変化を抑制し、又容器の耐久性を維持することが可能であり、前記空間５を設ける代わり、自由界面４に接しない容器の一部に可撓性を持たせ、該一部の変形により液体の膨張、収縮による内圧変化を吸収させることにより、前記空間５を設けたのと同様、液体の粘性変化を抑制し、又容器の耐久性を維持することが可能である。
【００１５】
以下、傾斜角自動補償装置の光軸を水平方向に保持する為の自動補償について説明する。
【００１６】
ここで、原理について本体が傾いた状態の光軸変化について、理解し易い様に自由界面が傾いたと想定して説明する。
【００１７】
図１の様に、液面がα傾くと自由界面透過後の光軸変化量（光軸の偏角）ａは、
【００１８】
【数１】
ａ＝β−α
β＝ｎ／ｎ′・α
ｎ：上層透明液体の屈折率
ｎ′：下層透明液体の屈折率
【００１９】
射出窓に向かう光軸は、ａの偏角を有するので、射出窓８内部では光軸の偏角θは、
【００２０】
【数２】
0003706211.tif 000002
【００２１】
射出窓透過後の光軸の偏角θ′は、
【００２２】
【数３】
0003706211.tif 000003
【００２３】
ここで、θ″＝αとなった時射出光軸Ｏ′は本体の傾きに関係なく常に自由界面と平行を維持する。
【００２４】
従って、射出光軸Ｏ′上に１／（ｎ−ｎ′）の角倍率を有するビームエキスパンダ（図示せず）を配置することにより、本体の傾きに関係なく常に水平を維持する光軸を得ることができる。
【００２５】
図２は構成全体を９０°回転した状態を示しており、両透明液体２，３も９０°回転し、同様に自由界面４も重力中心に９０°回転する。投光系９からの光軸は前記反射部材７で反射後前記自由界面４を透過する。この時の光軸変化量ａは、
【００２６】
【数４】
ａ＝α−β
β＝（ｎ′／ｎ）・α
【００２７】
射出窓に向かう光軸は、ａの偏角を有するので、射出窓８内部での光軸の偏角θは、
【００２８】
【数５】
0003706211.tif 000004
【００２９】
射出窓透過後の光軸の偏角θ′は、
【００３０】
【数６】
0003706211.tif 000005
【００３１】
従って、数式３と同様となり、射出光軸はビームエキスパンダにより光軸補正され本体の傾きに関係なく常に鉛直を維持する光軸を得ることができる。
【００３２】
上記した様に、環境温度が変化すると前記下層透明液体２、上層透明液体３の屈折率は変化するが、それぞれの屈折率の温度依存度が同等なもの、若しくは近接したものを選択することで、温度変化による誤差を抑制することができる。
【００３３】
又、前記空間５は下層透明液体２、上層透明液体３の熱変化による膨脹、収縮を吸収する。
【００３４】
図３は本傾斜角自動補償装置を回転レーザ照射装置に応用した例を示している。
【００３５】
射出窓８に対向し、前記反射部材７の反射光軸上にビームエキスパンダ１０を配設する。該ビームエキスパンダ１０は前記封入容器１と一体的に形成されたハウジング１１に組込まれている。又前記ビームエキスパンダ１０に対向して回転ペンタプリズム１２が前記ビームエキスパンダ１０の光軸上に回転自在に配設され、該回転ペンタプリズム１２は図示しないモータ等の回転駆動機により回転される様になっている。
【００３６】
前記投光系９より封入容器１に入射した所要の光束、例えばレーザ光線は、下層透明液体２を透過し、前記自由界面４を通過し、前記上層透明液体３中で前記反射部材７により反射され、射出窓８より射出される。更に前記ビームエキスパンダ１０より射出された反射レーザ光線は、前記回転ペンタプリズム１２に鉛直方向となる様直角方向に変向され照射される。図示しない回転駆動機により回転ペンタプリズム１２が回転されると照射レーザ光線により鉛直なレーザ光線照射面が形成される。
【００３７】
全構成が傾き前記自由界面４が図中２点鎖線の如くなると入射光束も図中２点鎖線の如くなる。前記射出窓８を透過した光束は前記ビームエキスパンダ１０により補正され、射出方向は前記自由界面４と平行になる。而して、前記回転ペンタプリズム１２で変向され、回転照射されるレーザ光線は鉛直面を形成する。
【００３８】
図４は上記した回転レーザ照射装置に於いて全構成を９０°回転させた場合であり、投光系９より水平方向から入射したレーザ光線は前記上層透明液体３に入射し、該上層透明液体３中で前記反射部材７により反射され、下層透明液体２、射出窓６を透過して射出され、前記ビームエキスパンダ１０により補正され、前記回転ペンタプリズム１２に鉛直方向から入射し、前記回転ペンタプリズム１２により水平方向に変向され、射出される。前記回転ペンタプリズム１２が回転することで水平照射面が形成される。図４中で２点鎖線で示すものは、図３の場合と同様、全構成が傾いた場合の自由界面４の封入容器１に対する変化、レーザ光線の光軸の変化を示している。
【００３９】
図５に示すものは、本傾斜角自動補償装置を角度検出器に応用したものである。前記したビームエキスパンダ１０を省略し、前記射出窓８に対峙させ、面受光素子１５を配設したものである。前述した様に、前記下層透明液体２を透過し、前記反射部材７で反射された光束の光軸Ｏ′の射出方向は、入射光軸に対する自由界面４の傾斜に対応して変化する。従って、前記面受光素子１５での射出光束の照射位置を検出することで、光軸の偏角、即ち全構成の傾きを検出することができる。
【００４０】
図６に示すものは、本傾斜角自動補償装置を９０°回転させたものであり、この状態に於いては射出光束が鉛直方向に射出され、前記面受光素子１５への照射位置を検出することで射出光軸Ｏ′の鉛直に対するずれを検出することができ、即ち全構成の傾きを検出することができる。
【００４１】
前記面受光素子１５としては図示される４分割光電素子、或はその他ＣＣＤ素子、ＰＳＤ素子が考えられる。
【００４２】
該応用例でも前記入射窓６、反射部材７、射出窓８は常時、下層透明液体２又は上層透明液体３に浸漬しているので、液体が透明部材に残留し、付着した液体に起因する光束の拡散が防止される。
【００４３】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、封入容器を透過した射出光束は全構成の傾きに対応した角度変位を示し、又入射光束を封入容器内で反射させ射出させることで全構成を９０°回転させた場合にも入射光束を透明液体に透過させることができ、やはり射出光束は全構成を９０°回転させた場合にも全構成の傾斜に対応した角度変位を示す。又、入射窓、反射部材、射出窓等の光学部材は常時液体浸漬しているので液の付着を考慮することなく光の拡散を抑止でき、装置の安定性、精度の維持が可能となるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の要部を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に於いて全構成を９０°回転させた場合の要部を示す断面図である。
【図３】本発明を回転レーザ照射装置に応用した場合の要部説明図である。
【図４】該回転レーザ照射装置に於いて全構成を９０°回転させた場合の要部説明図である。
【図５】本発明の他の実施の形態を示す断面図である。
【図６】該他の実施の形態に於いて全構成を９０°回転させた場合の要部を示す断面図である。
【符号の説明】
１          封入容器
２          下層透明液体
３          上層透明液体
４          自由界面
５          空間
６          入射窓
７          反射部材
８          射出窓
９          投光系
１０        ビームエキスパンダ
１１        ハウジング
１２        回転ペンタプリズム
１５        面受光素子
【図１】
0003706211.tif 000006
【図２】
0003706211.tif 000007
【図３】
0003706211.tif 000008
【図４】
0003706211.tif 000009
【図５】
0003706211.tif 000010
【図６】
0003706211.tif 000011