(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由液面を形成する様透明液体を封入した液体封入容器と、射出光束が前記自由液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、前記透明液体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する構成を有し、前記入射窓と前記射出窓の前記透明液体が付着する面を該封入液体より表面エネルギが低くなる様に表面処理し、前記構成を９０°倒した時、液面が９０°回転し、前記９０°回転する前と同様に透明液体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】
自由液面を形成する様透明液体を封入した液体封入容器と、射出光束が前記自由液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、前記透明液体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する構成を有し、前記入射窓と前記射出窓の前記透明液体が付着する面を該封入液体より表面エネルギが高くなる様に表面処理し、前記構成を９０°倒した時、液面が９０°回転し、前記９０°回転する前と同様に透明液体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。
【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、垂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、透過窓を透過する光束が散乱してしまうという問題が生じていた。
【０００４】
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水平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。
【０００５】
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、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という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の自動補償をする傾斜角自動補償装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、自由液面を形成する様透明液体を封入した液体封入容器と、射出光束が前記自由液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、前記透明液体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する構成を有し、前記入射窓と前記射出窓の前記透明液体が付着する面を該封入液体より表面エネルギが低くなる様に表面処理し、前記構成を９０°倒した時、液面が９０°回転し、前記９０°回転する前と同様に透明液体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、又自由液面を形成する様透明液体を封入した液体封入容器と、射出光束が前記自由液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、前記透明液体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する構成を有し、前記入射窓と前記射出窓の前記透明液体が付着する面を該封入液体より表面エネルギが高くなる様に表面処理し、前記構成を９０°倒した時、液面が９０°回転し、前記９０°回転する前と同様に透明液体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るものである。
【０００７】
入射光束が封入容器を透過する時点で、透明液体を透過することで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に表面処理を施すことで光束の拡散を抑制でき、装置の安定性、精度の維持が可能となる。
【０００８】
【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。
【０００９】
本発明では前述した様な透明部材に液体が付着した場合の、透過光束の拡散を防止する為、前記透明部材に液体の残留を抑止する様表面処理を施したものである。
【００１０】
具体的な表面処理の１つとして、前記光学部材の表面が低エネルギ状態となる表面処理をする。斯かる表面処理をすることで表面に付着した液体は表面張力により弾かれ、液体の残留が抑止される。
【００１１】
前記透明部材の表面を低エネルギに改質するものとして、例えばフロロアルキルシランが挙げられる。該フロロアルキルシランはフッ素置換率の高いものを選択することでより効果を増大させる事ができる。これらの手法は、通常の分子間力による結合状態の塗布に比べ共有結合である為、耐久性が高く又信頼性も高い。
【００１２】
更に透明部材の表面を低エネルギに改質する他のものとして、フッ素樹脂原料やフッ素ピッチが挙げられる。
【００１３】
具体的な表面処理の他の例としては、光学部材の表面を高い表面エネルギ状態に改質する。この改質により光学部材の表面に前記液体を常に同一の厚さで付着させ、光束の拡散を抑制する。
【００１４】
光学部材の表面を高い表面エネルギ状態に改質する表面処理の１つとして、液体と同一の屈折率を有する材質により光学部材を形成し、エッチング、腐食、光エネルギによる表面分子の解裂等により表面を粗くする処理があり、このことで液体を均一に付着させるのである。又、他の表面処理としてＩＴＯ等の電気伝導性の薄膜を表面に形成する方法がある。
【００１５】
次に、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。
【００１６】
封入容器１内に自由液面３を形成する様透明液体２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４を設け、前記反射壁１ｃには反射部材５を設け、前記垂直壁１ｂには射出窓６を設ける。前記反射部材５、射出窓６は前記自由液面３より露出した状態とする。前記反射部材５、入射窓４、射出窓６の内面には前記した表面処理を施している。前記入射窓４に対向させて投光系８を設け、該投光系８から照射された光束が前記入射窓を透過して前記透明液体２に入射する様にする。
【００１７】
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。
【００１８】
ここで、自由液面３は常に水平なので、本体が傾いた状態の光軸変化について理解し易い様に、前記封入容器１の姿勢は変らず前記自由液面３が傾いたと想定する。
【００１９】
図１の様に液面がα傾くと液体透過後の光軸変化量ａ（偏角）は、
【００２０】
【数１】
ａ＝β−α
β＝ｎα
ａ＝ｎα−α＝α（ｎ−１）
ｎ：液体の屈折率
【００２１】
前記射出窓６に平行平面ガラスを使用することにより透過時の偏角は生じないので、射出光軸Ｏ′はそのまま保存されて封入容器から射出する。
【００２２】
前記光軸変化量ａが液面傾き角αと等しくなった時、前記射出光軸Ｏ′は液面と平行になり構成全体の傾きに関係なく前記自由液面ａと常に平行な光軸を得ることが可能となる。
【００２３】
従って、射出光軸上に１／（ｎ−１）の角倍率を有するビームエキスパンダを配置することにより、前記数式１は
【００２４】
【数２】
ａ＝α（ｎ−１）・１／（ｎ−１）＝α
【００２５】
となり、前記自由液面と常に平行な光軸を得ることができる。又、図２にある様に構成全体を９０°回転すると、前記透明液体２は重力中心に９０°回転し、前記投光系８からの光束は前記反射部材５で反射後前記透明液体２を透過する。
【００２６】
この時の偏角ａは、
【００２７】
【数３】
ａ＝α−β
β＝（１／ｎ）α
【００２８】
射出窓屈折率をｎ′とすると、前記光軸Ｏ′の前記射出窓６での偏角θは、
【００２９】
【数４】
θ＝（ｎ／ｎ′）・（α−β）
【００３０】
前記射出窓６を透過し、前記封入容器１外に射出される光軸Ｏ′の偏角θ′は、
【００３１】
【数５】
θ′＝ｎ′θ
＝ｎ′・（ｎ／ｎ′）・（α−β）
＝ｎ（α−β）
＝ｎ（α−（１／ｎ）・α）
＝ｎα−α
＝α（ｎ−１）
【００３２】
となる。従って、前記数式１と同様なので１／（ｎ−１）の角倍率を有するビームエキスパンダにより、前記９０°回転する前と同様に光軸補正され、構成全体の傾きに関係なく液面と常に平行な光軸を得ることが可能となる。
【００３３】
前記構成全体を移動又は回転した時、前記透明液体２は前記封入容器１内で自由に移動する為、前記入射窓４、反射部材５、射出窓６の各光学部材が前記透明液体２に浸漬或は露出する。各光学部材に液体が残留した場合は、前述した様にその液体により光束の拡散を引起こす。従って、前記反射部材は約４５°の角度を持たせ、入射窓又は射出窓を垂直に立て前記液体が付着しても流落ち易い様に光学系を構成し、又光学部材の表面を表面処理してあるので光束の拡散を防ぐことができる。
【００３４】
前記透明液体２の表面は表面張力により側面に接する部分が上方に吸上がる。この為前記透明液体２の面で面精度の高い部分は限定されてくる。前記自由液面３の面精度の高い部分が限定されると、光束径を限定するか、或は自由液面３の面積を大きくとる必要性があり、前記封入容器１が大型化する。
【００３５】
前記した様に表面処理をすることで表面張力により液面が上方に吸上がるのを抑える為、液体の接する側面を前記液体の残留防止策同様、低表面エネルギ状態にすることにより、液体と側面材との接触角を大きくし、上記液面が上方に吸上がる現象を抑えることができる。この効果として前記自由液面３を極力小さくすることが可能となる。
【００３６】
又前記液体の接する側面を、液体と側面部材の接触角と同等の傾斜を持たせることにより、前記液体が吸上がる現象を抑えることが可能となり、前記同様の効果を持たせることが可能である。
【００３７】
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。
【００３８】
射出窓６に対向し、反射部材５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。この場合に於いても入射窓４、前記反射部材５、射出窓６には前述した表面処理を施されていることは言う迄もない。
【００３９】
投光系８より前記封入容器１に入射した所要の光束、例えばレーザ光線は、透明液体２を透過し、前記反射部材５により反射され、前記射出窓６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該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。
【００４０】
全構成が傾き自由液面３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６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液面３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。
【００４１】
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、前記投光系８より水平方向から入射した光束は前記反射部材５で反射され、前記透明液体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で補正され、前記回転ペンタプリズム１２に鉛直方向から入射され、該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。該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前記自由液面３の前記封入容器１に対する変化、光束の光軸の変化を示している。
【００４２】
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、面受光素子１５を射出窓６に対峙させ配設したものである。前述した様に、透明液体２を透過し、反射部材５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液面３の傾斜に対応して変化する。従って、前記面受光素子１５の照射位置を検出することで全構成の傾きを検出することができる。
【００４３】
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軸は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。
【００４４】
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。
【００４５】
この場合に於いても前記入射窓４、前記反射部材５、射出窓６には前述した表面処理を施されていることは言う迄もない。
【００４６】
【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に表面処理を施すことで光の拡散を抑制でき、装置の安定性、精度の維持が可能に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          透明液体
３          自由液面
４          入射窓
５          反射部材
６          射出窓
８          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】
0003713341.tif 000002
【図２】
0003713341.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003713341.tif 000005
【図５】
0003713341.tif 000006
【図６】
0003713341.tif 000007