(57)【要約】  本発明は、光学傾斜計に関する。本発明によれば、傾斜度に従う媒質（６）、例えば液体表面が光学サブシステムの瞳孔に位置合わせされ、検出可能な波面が、前記媒質（６）によって検出器（３’）上に結像する。光源（１１）から出射された光線（ｓ）の位相は、前記媒質（６）によって変位し、反射又は透過中に、前記光線（ｓ）と媒質（６）との間に相互作用が生じる。前記媒質（６）によって生じる波面の狂いは、波面センサによって解析され、評価ユニット（９’）又は前記検出器（３’）によって補償される。各副開口部の上流に回折構造を有する波面センサはコンパクトであり、前記傾斜計の分解能を高め、検出可能な角度範囲を拡大する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に半導体レーザー又はLEDからなる光線（S）を発生させる光源（１１、１１’、１１’’）と、
傾斜度に依存して変化する光学的インターフェースである媒質（６、６’）と、
好ましくはＣＭＯＳ又はＣＣＤマイクロカメラを有し、画像を信号に変換して記録する検出器（３’、３’’、３’’’）と、
傾斜度を測定するための評価ユニット（９’、９’’、９’’’）とを備え、
波面（ＷＦ２、ＷＦ３、ＷＦ４）が前記媒質（６、６’）を少なくとも部分的に用いて間接的又は直接的に反射又は透過により前記検出器（３’、３’’、３’’’）上に焦点合わせされるように
前記光源（１１、１１’、１１’’’）と検出器（３’、３’’、３’’’）とが配置された光学傾斜計であって、
前記検出器（３’、３’’、３’’’）が波面センサを有するか、又は波面センサ自体であることを特徴とする光学傾斜計。
【請求項２】
前記媒質（６、６’）が傾斜に対し感度を有する表面を有し、特に液体であることを特徴とする請求項１記載の光学傾斜計。
【請求項３】
前記光線（Ｓ）が前記媒質（６、６'）を透過する際に前記媒質（６、６'）の少なくとも一つの表面に対し略垂直に入射するように、前記光源（１１、１１’、１１’’’）と媒質（6、6’）と検出器（３’、３’’、３’’’）とが配置されたことを特徴とする請求項１又は２記載の光学傾斜計。
【請求項４】
前記検出器（３’、３’’、３’’’）がマイクロレンズアレイ（７）上に配置された少なくとも一つの回折部材（１４）を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光学傾斜計。
【請求項５】
前記検出器（３’、３’’、３’’’）がシャック・ハートマン型波面センサ自体であるか、又はシャック・ハートマン型波面センサを有する検出器であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光学傾斜計。
【請求項６】
前記検出器（３’、３’’、３’’’）が、直接又は間接的に前記媒質（６、６’）を収容する容器に取り付けられたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の光学傾斜計。
【請求項７】
前記検出器（３’、３’’、３’’’）が２次元で分析する検出器表面、特に前記媒質（６、６’）の表面と平行な検出器表面を有することを特徴とする請求項１ないし６記載のいずれかに記載の光学傾斜計。
【請求項８】
前記光源（１１、１１’、１１’’’）と前記検出器（３’、３’’、３’’’）とが、共通基板（１２、１２’）、好ましくは回路基板上に配置されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の光学傾斜計。
【請求項９】
前記発生した光線（Ｓ）が前記基板（１２、１２’）の表面に対し垂直に出射され、前記検出器（３’、３’’、３’’’）の受光方向が前記基板（１２、１２’）の表面に対し垂直となるように、前記光源（１１、１１’、１１’’’）と検出器（３’、３’’、３’’’）とが配置されていることを特徴とする請求項８記載の光学傾斜計。
【請求項１０】
少なくとも一つの偏向部材（１３’、１３’’）が前記光源（１１、１１’、１１’’’）から前記検出器（３’、３’’、３’’’）までの光線経路中に配置されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の光学傾斜計。
【請求項１１】
少なくとも一つの前記回折部材及び／又は光学的傾斜部材（１０）、特にフレネルレンズが前記光源（１１、１１’、１１’’’）から前記検出器（３’、３’’、３’’’）までの光線経路中に配置されていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の光学傾斜計。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれかに記載の傾斜器を有する測地装置、特にテレメータ又は測深計。
【請求項１３】
特に半導体レーザー又はLEDからなる光線（S）を発生させる光源（１１、１１’、１１’’）と、
傾斜度に依存して変化する光学的インターフェースである媒質（６、６’）と、
好ましくはＣＭＯＳ又はＣＣＤマイクロカメラを有し、画像を信号に変換して記録する検出器（３’、３’’、３’’’）と、
傾斜度を測定する評価ユニット（９’、９’’、９’’’）とを備え、
波面（ＷＦ２、ＷＦ３、ＷＦ４）が前記媒質（６、６’）を用いて間接的又は直接的に反射又は透過により前記検出器（３’、３’’、３’’’）上に焦点合わせされるように
前記光源（１１、１１’、１１’’’）と前記検出器（３’、３’’、３’’’）とが配置された装置において、
前記波面（ＷＦ２、ＷＦ３、ＷＦ４）を前記検出器（３’、３’’、３’’’）上に焦点合わせし、
前記検出器（３’、３’’、３’’’）からの信号を記録し、
前記評価ユニット（９’、９’’、９’’’）によって前記信号を評価し、前記装置の傾斜度を測定するステップからなる傾斜度を測定する方法であって、
前記信号評価時に、前記波面（ＷＦ２、ＷＦ３、ＷＦ４）に関する情報、特に形状関数を導出することを特徴とする前記信号の評価ステップからなる、装置、特に測地装置の傾斜度を測定する方法。
【請求項１４】
信号の評価時に、前記媒質（６、６’）との相互作用の前の波面（ＷＦ１）から前記波面（ＷＦ２、ＷＦ３、ＷＦ４）の偏差を解析することを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記信号の記録時及び／又は評価時に、前記媒質（６、６’）との相互作用の前の波面（ＷＦ１）を再構築することを特徴とする請求項１３又は１４記載の方法。
【請求項１６】
前記信号の記録時及び／又は評価時に、前記検出器（３’、３’’、３’’’）の個々の像点が選択され、好ましくはこれら選択された像点のみを用いて前記装置の傾斜度が測定されることを特徴とする請求項１３ないし１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
前記信号の評価時に、多項式近似、特にゼルニケ多項式によって形状関数を導出することを特徴とする請求項１３ないし１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
前記信号の記録時及び／又は評価時に、異なる開口部が互いに相関関係にあることを特徴とする請求項１３ないし１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
特に対流過程が原因であるところの、前記媒質（６、６’）の少なくとも一つの表面における振動及び／又はランダムな変動を補償するための請求項１３ないし１８のいずれかに記載の方法の使用。
【請求項２０】
好ましくはＣＭＯＳ又はＣＣＤマイクロカメラからなり、画像を信号に変換して記録するカメラ８と、
マイクロレンズアレイ７とを備え、
少なくとも一つの回折部材１４を前記マイクロレンズアレイ７と組み合わせたことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の光学傾斜計で使用される波面センサ。
【請求項２１】
前記回折部材１４がホログラム又は回折格子、特にダンマン回折格子であることを特徴とする請求項２０記載の波面センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の特徴部前文に記載の光学傾斜計と、請求項１３の特徴部前文に記載の装置の傾斜を測定する方法と、前記傾斜計を有する測地装置と、振動及び／又はランダムな変動を補償する方法と、請求項２０の特徴部前文に記載の光学傾斜計で使用される波面センサとに関する。
【背景技術】
【０００２】
様々なデザインの傾斜計が、その装置の位置を考慮に入れることを前提に、すべての分野で長く用いられてきた。測地や建築業の分野における測定に関して、特にそうであった。
【０００３】
全体的に、一般的な従来の光学傾斜計は、光学物質の瞳孔に液面を位置合わせすることで成り立っている。この媒質としての液体は、光源から入射する光線の位相シフトを発生させるので、光線の反射や透過時に、以下の関係式で表すことのできる光線と媒質との間の相互作用が生じることがある。
反射時に
【０００４】
【数１】
2007506937.tif 000003
透過時に
【０００５】
【数２】
2007506937.tif 000004
このパラメータφは、上記位相シフト量を示し、ｎは液体の屈折率、Ｐ（ｘ）は液体表面の形状関数を表し、以下の式で定義される。
【０００６】
【数３】
2007506937.tif 000005
ここでλは入射光の波長を、ｘは横方向瞳孔座標を、αは参照線に対する入射角をそれぞれ示す。
【０００７】
参照線に対する前記液体表面の角度は、装置を用いて測定した前記位相シフト量φから式（３）によって推測することができる。
【０００８】
特許文献１と特許文献２には、液体の傾斜に従う表面の反射に応じて光線の方向に変化が生じる一般的な光学傾斜計が記載されている。あるパターンが１次元又は２次元センサ上に焦点合わせされる。前記傾斜度は、前記パターンの像位置の変化から推測される。
【０００９】
特許文献３には、傾斜感知兼ビーム偏向センサによってリニアアレイに幾何学的図形が投影される２軸の傾斜計が開示されている。前記センサは、その装置に対する位置が前記リニアアレイ上への投影に影響を与え、偏向させるところの液体を有している。
【００１０】
特許文献４には、２媒質間の境界層がカメラ上に焦点合わせするようになっている光学傾斜計が記載されている。前記傾斜計を備えた装置の傾斜角は、この境界層のパラメータ、例えばその位置と形状とから算出される。
【００１１】
これら一般的な傾斜計において液体は、傾斜角を導出するためにその液面の傾斜に従う位置を直接又は間接的に利用するように用いられる。しかし、液面を利用するため、液体の動的性質に特に起因する多数の問題が関係するという不利益がある。従って、例えば振動や対流によって、理想平面からの表面偏差が生じ、反射光線や透過光線にそれに応じた影響を与える。
【００１２】
これらの影響の結果、様々な波面の乱れが発生する。ランダムに不均一な液面が、位置の関数として変化する表面に角度を生じさせ、液面全体に対する理想的な傾斜角αとしてはもはや許容できなくなる。さらに、媒質が加速されたり温度勾配が発生した場合の、原理的に高次非球面収差としてモデル化することが可能な表面の歪みの効果は、今日に至るまで考慮されてこなかった。前記乱れた表面の効果として、センサ上のパターン像は、歪んでいるかぼやけており、あるいはコントラストが低下しており、測定には困難が伴う。
【００１３】
現在まで補償の試みは例えば試運転後の傾斜計がウォーミングアップする間の不感時間の導入又は例えば十分に大きな寸法の液体容器といった装置デザインといった、直接影響を減少させるための測定器の取扱いなどに関係するものである。さらに、傾斜計を使用可能な分野は、例えば許容される振動や加速度の範囲内に限定される。
【特許文献１】ドイツ国特許ＤＥ１９６１０９４１Ｃ２号
【特許文献２】ドイツ国特許ＤＥ１９８１９６１０Ｃ１号
【特許文献３】ドイツ国特許出願公開ＤＥ４１１０８５８号
【特許文献４】国際特許出願ＰＣＴ／ＥＰ０３／０５２０６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従って、全体的に一般的な光学傾斜計の改善が、本発明の目的である。
【００１５】
特に、測定の正確さを向上させた傾斜計を提供することが目的の一つである。
【００１６】
一般の傾斜計をシンプルなデザインでよりコンパクトにすることが更なる目的である。
【００１７】
特に熱の影響による使用時の時間的制限を低減又は回避した傾斜計を提供することが更なる目的である。
【００１８】
従来例に較べて拡張した分野、特に振動による機械的ストレスがある分野で使用する傾斜計を提供することが更なる目的である。
【００１９】
アルゴリズム又は電子的手段によって、傾斜計の波面の乱れを許容する方法を提供することが更なる目的である。
【００２０】
測地装置又は建設業で使用される装置として一体化した構造を保証することが更なる目的である。これは、特に評価装置として既存の電子部品を使用することに関係する。
【００２１】
より大きな角度範囲での測定を許容し、及び／又はより高分解能を有し、及び／又はより大きなダイナミックレンジを有する傾斜計用の波面センサを提供することが更なる目的である。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
請求項１、１３、２０の各記載で特徴付けられ、又は従属項の記載によって特徴付けられる本発明によって上記目的は達成される。
【００２３】
本発明は、光学傾斜計に関する。光線源からの光線は、その波面が媒質によって検出器上に焦点合わせされ、その位置は傾斜度に依存し、前記検出器は１次元又は多次元の検出器、特に広くカメラであることが可能である。この媒質は容器に収容される。この容器は、例えば液体を蓄えた缶でもよい。画像化は光学的に正確な意味での画像化である必要は無い。少なくとも一つの第一媒質が容器内に存在して、若しくは容器内に収容されて、照明が容器内を透過すること、又は光線が前記媒質の表面若しくは境界層で反射されることで、前記波面の検出後に傾斜量が推側できることが重要である。
【００２４】
前記パターンは、例えばシャッター、透過、又は反射コードによって光線上に外部から重ねることができ、又は光線に内在したパターンによって構成してもよい。傾斜度に依存した媒質との相互作用を起こした後の照射野の構造が、検出器上の画像化において変化することで、媒質の位置がこの変化から推測できることが重要である。この傾斜度は、例えばレンズ内の目盛線や位置合わせ端面といった参照として機能するものであって、通常装置の参照パラメーターと一致する参照線に対して測定される。
【００２５】
光線は、可視又は不可視のスペクトル域のものでよく、通常は光源、検出器、媒質の技術的及び物理的パラメーターを用いて測定される。様々な種類の従来のランプに加えて、発光ダイオードやレーザー、特に半導体レーザーも光源として用いることができ、例えば光ファイバといった光学部材で前記光線をガイドすることが可能であり、これは装置として有利な点である。現実の態様としては、前記媒質は前記光線を透過させるか、光線を反射する媒質である。
【００２６】
前記媒質として適当な液体としては、例えば水銀や、水、シリコンオイル等がある。境界層における反射も、媒質を透過する経路も、又はこの二つの組み合わせも、媒質の位置を固定するために用いることができる。
【００２７】
前記パターン像は、前記カメラ上への反射及び／又は透過により投影され、そこで取り出され、電気信号に変換される。例えばＣＣＤやＣＭＯＳカメラが前記カメラとして適している。前記カメラは、例えばアジレント社から６４０×４８０画素ＣＭＯＳ白黒イメージセンサＡＤＣＳ２１２０などが入手可能である。
【００２８】
前記カメラが生成した信号は、評価ユニットによって解析され、前記装置の傾斜度が評価される。独立したブロック又は独立したカメラ部品をこの目的で用いることができる。或いは、他の装置の既存部品によっても同様に可能である。テレメーターに一体化された傾斜器において、例えば前記評価ユニットは、距離測定のために用いられる電子回路技術によっても機能させることができる。同様に、他の目的で既に使われている光源を、前記光源としても用いることができる。このように、テレメーターの例において、距離測定に用いるレーザー光の一部を任意に出力して、好ましくは散乱又はビーム変換の後に、画像のために用いる。
【００２９】
本発明によれば、媒質との照射野の相互作用の面倒な影響は、光線の波面に関する情報を解析する段階で考慮され、乱れた液体表面の影響は補償される。補償に関するアルゴリズムや回路技術による様々な適切な試みが利用可能である。
【００３０】
平面波又は少し球面の波は、前記パターンを照明することに好ましい影響を与えるが、しかし媒質との相互作用によって、例えば媒質表面の不規則性や、また例えば対流により生じた媒質内部の不均質性によっても、狂いが生じるおそれがある。前記表面や媒質内部の乱れは、例えば装置が電源が入っている間の温度勾配や、例えば振動のような外部の影響との重ね合わせ等の結果によって生じる。前記影響を許容範囲内に保つために、従来の傾斜計においては容器の大きさは、装置の小型化が制限を受けるほど十分に大きなものが選ばれていた。一時的プロセス又は補償プロセス発生時の前記傾斜計の不感時間を、補助的又は代替的測定方法が受け入れているため、測定精度には限界があった。
【００３１】
本発明に係る傾斜計においては、波面センサ形式の検出器を採用し、又は波面からの情報を導出するための波面センサを所有している。検出器及び波面センサは、有利なように媒質の後ろに直接設けることができる。更に画質の機能的障害を回避するために、媒質を光線が透過する際には媒質表面と垂直に、媒質を抜けた後は波面センサを直接たたくように光線経路を選択することは更に有利に働く。
【００３２】
好適な波面センサの例としては、シャック・ハートマン波面センサ（ＳＨＳ）があるが、しかし本発明によれば、原理的に他の種類のセンサも採用することができる。シャック・ハートマン波面センサはマイクロレンズアレイを有し、多数の副開口が形成されている。前記マイクロレンズは、単に一列に直線に配することも、マトリックス状に広範に配することもできる。前記マイクロレンズアレイの焦点距離を適切に選ぶことによって、十分に高い角度分解能を得ることができる。波面に対する十分な知識によって、波面の困難な狂いも校正により除去することが可能である。全体的に、レンズは2次元水平配置において等距離で用いられ、焦点のマトリックスが形成される。レンズ軸上の各焦点のずれは、前記レンズの開口の範囲内で波面の傾きを測る指標となる。適切なアルゴリズムを用いて、波面全体を全焦点から近似的に再構築することができる。多数の副開口によって前記波面を走査することで、オイルの表面又は波面の形状の概略の又は完全な再構築をすることができるか、又は例えば歪みのない画像による検出器の像点の選択のために、前記情報の一部のみを利用することもできる。
【００３３】
ＣＣＤやＣＭＯＳセンサは、焦点位置の検出に利用することができ、各副開口に対し少なくとも２×２画素のアレイが用いられる。前記設計において、これは１／４（クアドラント）センサに相当する。要求される分解能に応じて、一つの副開口に対してより多くの画素を使用することも可能である。読み出し速度を向上し、ノイズを低減するために、画素に上部構造を組み合せることも可能である。また、単に１次元の波面センサを横に並べて使用することも可能である。
【００３４】
波面センサを用いることで、４ｆ光学システムを用いなくて済むため、装置の複雑化を低減することも可能であり、前記マイクロレンズアレイはレプリカ法によって容易に経済的に生産することができる。
【００３５】
波面センサは、各パラメータや波面の形状に関する情報を提供し、その情報は前記狂いを補償するためにアルゴリズム的に又は回路技術によって使用される。まず、前記波面はその形状関数に関し完全に又は部分的に解析される。全体的に、高次な多項式の合計は波面W（ｘ、ｙ）として近似することができる。例えば、ゼルニケ多項式を利用して導出可能である。波面W（ｘ、ｙ）は、係数Ｃnを用いて下記合計で表される。
【００３６】
【数４】
2007506937.tif 000006
ここで以下のデカルト座標で最初の１０個の多項式Ｚｎ（ｘ、ｙ）を定義することができる。
【００３７】
【数５】
2007506937.tif 000007
ここで、一致する係数は特有の光学エラー、例えばＺ5を非点収差に割り当てることもできる。
【００３８】
波面の再構築に加えて、画素の直接認識もまた可能であり、画素の調整された開口部で平坦部や傾きや乱れの無い波面の一部を検出することが可能である。従って、前記欠陥のない画素の内容のみを評価に用いて、欠陥部はハードウエア側で除去するようにすることも可能である。
【００３９】
さらに、波面形状の局所的情報もまた関係付けることができる。例えばノイズ除去のためのウェーブレット変換のための適切なアルゴリズムもまた利用可能である。
【発明の効果】
【００４０】
本発明に係る光学傾斜計の性能特性を向上させるために、本発明に係る波面センサを用いることができる。本発明に係る前記波面センサにおいては、その波面分解能と絶対値測定が、独自の波面区分を割り当てることによって向上する。従来のシャックハルトマンの原理に従う波面センサは、各副開口において焦点の位置測定をすることにのみ用いられる。従ってその分解能は、個々のマイクロレンズの焦点距離と、マイクロレンズの数と、各マイクロレンズのケース内で調整された像点とによって制限される。さらに、波面の絶対値測定は、ダークスポットのためにマイクロレンズの修正無しにはできなかった。本発明に係る波面センサでは、回折部材がマイクロレンズ前方に導入され、それにより副開口部の焦点に代わって、生成された各回折次数又は全回折像の複数の焦点が、正確な波面の測定のために用いられる。各マイクロレンズのケース内で調整された像点に加えて、検出器の像点も照明されるという事実を利用することが可能である。各副開口部の照明された構造の分離と調整とは、既知の方法のアルゴリズムによって実現することができる。例えば大きな強度の変化によるもの、例えばバーコードといった、実現可能な回折パターンの容易に区別できる形式は利点があり、本発明によれば、例えばＭ系列といったコードの再構築に特に適した特性を有する。本発明に係る方法又は装置によって、装置の電源投入後の非定常期間を短縮することができる。また、媒質用容器の大きさを小さくすることも可能であり、よって傾斜計をさらに小型化できる。
【００４１】
本発明に係る方法及び装置は、以下に実施例と概略図等によって、より詳細に記載される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
図１（ａ）と（ｂ）は、反射原理によって動作する従来技術に係る傾斜計を表す。図１（ａ）には、傾斜計が水平な場合の条件を示し、一方、図１（ｂ）には僅かに傾斜した場合を示す。図１（ａ）において、光源から出射された光線Ｓがパターン１のバーコード上に入射され、画像化されてプリズム本体２へ出射され、そこの内部表面で前記プリズム本体２の表面に接する液体層４に向かって反射される。光線Ｓは、さらに液体層４のプリズム本体２から遠い方の表面で反射され、例えば直線配列に形成された検出器３に集光される。前記パターン１は、検出器３の上に像Ｂとして結像される。像Ｂの位置は、プリズム本体２と対向した液体層４の表面の角度に依存する。
【００４３】
図１（ｂ）に、図１（ａ）と同様の状況において、液体層４が傾斜により楔状断面を有する場合を示す。この結果として、プリズム本体２と対向する液体層４の表面とプリズム本体から遠い方の液体層４表面とは、もはや平行ではなく、互いに一定の角度を有している。プリズム本体２内部表面で反射された前記光線Ｓは、今度は図１（ａ）と比較して傾いた液体層４表面に到達し、そこから異なる角度で検出器３へ投射される。パターン１のバーコードの像Ｂも、従ってシフトする。像Ｂのシフト量から、前記傾斜度が導出される。
【００４４】
図２には、従来技術に係る透過型傾斜計を概略的に示す。パターン１のバーコードが少なくとも一つのコリメータレンズ５’を備えた光学系によって媒質６を通して供給され、少なくとも一つのコリメータレンズ５’’を備えた光学系によって図示しない検出器上に集光される。平坦又は僅かに球形の波面であって、バーコード像の透過後も平静なＷＦ１は、表面の凹凸又は乱れた媒質６内の不均質によってその形状を変化させ、乱れた波面ＷＦ２となる。この平静な波面ＷＦ１から乱れた波面ＷＦ２への変化は、検出器上に同様に乱れた像Ｂ’を生じさせる。例えば、パターン１のコントラストがこれらの影響で減少し、前記パターン１の個々の特徴の区別が困難になったり、悪影響を受ける場合がある。
【００４５】
本発明に係る波面センサの配置と効果を、図３（ａ）と（ｂ）に概略的に示す。図３（ａ）は、平静な媒質６’での状況、図３（ｂ）には、乱された媒質６での状況が示されている。
【００４６】
図３（ａ）において、光線は平静な媒質６’に入射し、その中を通過しする。その経路は、損失と狂いを低減するために、前記表面に対し略垂直になっている。通過後の波面ＷＦ３は平静で、略平坦である。  調整された副開口部を有する多数のマイクロレンズ７を備えた波面センサに光線が達すると、各副開口部を通った光線は、カメラ８に集光される。波面ＷＦ３が平坦であるため、どの進路も同様に平行となり、波面センサに対し同一角度となって、カメラ８上の各焦点ＦＰは等距離となり、各マイクロレンズ７の光軸上に出現する。
【００４７】
図３（ｂ）に、乱れた媒質６を透過した後の、狂いを生じ、経路がもはや平坦では無くなった、乱れた波面ＷＦ４の場合を示す。前記マイクロレンズ７は、それぞれ検出器８上の各副開口部によって捕捉される光線を投射している。捕捉された波面の区画の角度は、今度は各副開口部ごとに局所的に異なるため、対応する焦点ＦＰの間隔もまた異なる。非平行な波面の区画を捕捉する副開口部の場合において、焦点ＦＰと光軸はもはや一致せず、偏向が生じる。副開口部に合わせたカメラ８の領域には、複数の画素を有するので、焦点FPの位置は解析可能であり、波面区画の角度は導出可能である。
【００４８】
これらの関係を、図４に再度示し、本発明で使用するために導出可能なパラメーターも概略的に示す。個々のマイクロレンズ７の副開口部に捕捉された波面区分はカメラ８上に集光され、焦点ＦＰと光軸ＯＡとは、経路に応じて一致したり分離することが可能となっている。例えば、この例における光軸ＯＡの左にある焦点ＦＰは、右からの光線を表し、対応した各波面区分の傾斜を導出できる。焦点ＦＰと光軸ＯＡとの分離距離は、波面区分の角度の関数となっている。
【実施例１】
【００４９】
図５に、本発明に係る光傾斜計の第一実施例を示す。本発明に係る傾斜計のハウジングの傾いた反射面は、局所光源１１としての光ファイバによって供給される光線Ｓによって照明されている。検出器３’はカメラ８’を備えた波面センサと、その上流にマイクロレンズアレイ７とを有する。評価ユニット９’がカメラ８’に対し入射光線と反対側に位置している。構成部品をこのように配置することで、かなり平坦なデザインの傾斜計を実現することができる。
【実施例２】
【００５０】
図６は、共通基板１２としての基板上にすべての構成部品を集積化した、本発明に係る光学傾斜計の第二実施例を概略的に示す側面図である。可視又は不可視光線Ｓが光源１１’から基板１２に対し垂直方向に放出される。前記光線Ｓは、レンズ５’’’によって平行光とされ、第一偏向部材１３’と第二偏向部材１３’’によって再び偏向され、前記基板１に対し垂直に入射する。入射光の範囲内で、基板１２側を向いた第一表面と第二偏向部材１３’’側を向いた第二表面とを有する媒質６の容器が基板１に設けられている。カメラ８’’とその上流にマイクロレンズアレイ７とを備えた波面センサを有する検出器３’’が基板１２と容器との間に、又は前記第一表面との間に存する。前記検出器３’’は、評価ユニット９’’と接続されている。空間を節約するために、光線の発生、光線経路、受光に関係する構成部品は、基板１２の片側に設けられ、前記評価ユニット９’’は、その反対側に設けられている。しかし原理的に、構成部品や評価ユニット９’’の配置変更も可能である。従って、この配置にはすべての構成部品を、例えば回路基板のような共通基板１２上に集積化できるというメリットがある。これにより、シンプルで機械的に感度の良い構成を実現することが可能である。偏向部材１３’と１３’’とは、反射部材であってもよい。原理的に、例えば本発明の第一実施例や、図５又は図７（ａ）、（ｂ）に示すように、例えば構成部品を他の部品の上に直接取り付けることで、共通基板１２を省略することも可能である。
【実施例３】
【００５１】
図７（ａ）と（ｂ）に、すべての構成部品を同軸上に配置する構成を採った本発明に係る光学傾斜計の第三実施例を示す。基板１２’は、略Ｕ字状で光源１１’’を２箇所の縁の間に保持する。前記光源１１’’は、光線Ｓを放射し、その光線Ｓはレンズ５’’’によって平行光線になる。前記平行光線Ｓは、カメラ８’’’と広範囲に配置された複数のマイクロレンズ７とを有する検出器３’’’上に直接又は間接的に設けられた容器内の媒質６’を通るように供給される。評価ユニット９’’’は、基板１２’’の検知器３’’’とは反対側に設けられる。
【００５２】
図７（ｂ）は、本発明の第三実施例に係る傾斜計の波面センサのマイクロレンズ７の配列を示す平面図であり、前記光源と、レンズと前記媒質の入った容器は図から省略している。ここで、前記光線は検知器のカメラ８’’’上に二次元に配列されたマイクロレンズ７によって焦点合わせされる。
【００５３】
本発明に係る実現可能な方法の説明図を図８に示す。検出器の構成に関し、図４で説明した波面センサの原理から、カメラ８の個々の画素は、各マイクロレンズ７において焦点ＦＰ１が光軸ＯＡと一致する場合、又は互いの偏差が一定の許容範囲内にある場合にのみ評価に加えられる。この条件を満たす画素のみが、読み出され、又は評価のため更に加工されて、画像の異常のない部分のみが受け入れられ利用される。異なる画素間の相関を取ることも可能であり、特に、より大きな上部構造を形成するために画素を組み合わせることもできる。さらに、それ自体が周知である画像処理方法を、良好な光学パラメータを得るために前記画像に対して応用することができる。
【００５４】
図９に本発明に係る前記波面センサの実施例を概略的に示す。前記マイクロレンズ７の前に回折部材を配置し、これにより波面ＷＦ４からの光線を回折している。前記回折部材は、例えばホログラムや、回折格子、特にダンマン格子や、他の光学的傾斜構造であっても良い。前記マイクロレンズ７上への直接位置合わせに加えて、光線経路上の別の位置、例えば図６の偏向ミラー１３’、１３’’上や媒質直近、例えば容器のガラス上に回折部材を設けることも可能である。前記回折の効果として、平静な焦点ＦＰ２の代わりに、或いはそれに加えて、カメラ８上に互いに相関関係にある複数の強度パターン１５を出現させる。回折部材１４の設計と、波面ＷＦ４の形状とに依存して、回折部材１４無しの波面センサの場合には排他的に他の副開口部に割り当てられた領域においても、前記パターンを画像化可能である。高次回折に加えて、これらのパターンも、回折部材のフーリエ画像に拡張できる。従って、各副開口部に対して、検出のためにカメラ８のより大きな領域を使用することや、より高分解能やより大きな検出可能角度範囲及び／又はより大きなダイナミック領域を得ることが可能である。
【００５５】
前記実施例は、本発明に従って実現される例を提示したに過ぎず、何ら発明を限定するものと理解してはならない。加えて、本発明に従って、当業者は更なる実施例を導出すること、例えば別の光線経路を用いたり、例えばプリズムや散乱面や光ファイバ等の他の偏向部材を使用したり、代替する形状の検知器や波面センサを用いる等ができる。
【００５６】
図面に示されたレンズや波面センサ、特にその数量やサイズ等は、純粋に概略的なものである。現実の実施においては、レンズの数を全体的に多くして、位置や角度の分解能を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】（ａ）と（ｂ）は、従来技術に係る反射型傾斜計の概略図である。
【図２】従来技術に係る透過型傾斜計の概略図である。
【図３】（ａ）と（ｂ）は、本発明に係る波面センサの配置と効果を示す概略図である。
【図４】本発明に係る波面センサの使用方法を示す概略図である。
【図５】本発明に係る傾斜計の第一実施例を示す概略側面図である。
【図６】本発明に係る傾斜計の第二実施例を示す概略側面図である。
【図７】（ａ）と（ｂ）は、本発明に係る傾斜計の第三実施例を示す概略側面図と正面図である。
【図８】本発明に係る方法を説明するための概略図である。
【図９】本発明に係る波面センサの概略図である。
【符号の説明】
【００５８】
２                              プリズム本体
３、３’、３’’、３’’’      検知器
５’、５’’、５’’’          コリメーターレンズ
６、６’                        媒質
７                              マイクロレンズアレイ
８、８’、８’’、８’’’      カメラ
９’、９’’、９’’’          評価ユニット
１１、１１’、１１’’          光源
１２、１２’                    共通基板
１３’、１３’’                偏向部材
１４                            回折部材
１５                            強度パターン
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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