(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、自由表面を有する液体部材と、該光源からの光を前記液体部材に向けるための光学系と、前記光源と前記液体部材の間に配設される暗視野パターンであって、暗視野パターンは、互いに直交するＸ方向とＹ方向のそれぞれに平行で、かつ、前記暗視野パターンは、複数のパターンが等間隔で繰り返し配列されて形成されると共に、該配列の交点に矩形状の透過部を有しており、前記暗視野パターンを通過し、前記液体部材の自由表面を反射した光を、パターンの像と共に、異なる方向に分割するための分割光学系と、この分割光学系から分割した一方のパターンの像のＸ方向或いはＹ方向の配列と平行な方向に集光させるための第１の集光素子と、前記分割光学系から分割した他方のパターンの像を、該第１の集光素子と異なる方向に集光させるための第２の集光素子と、前記第１の集光素子により集光された前記パターンの像を受光するための第１の受光素子と、前記第２の集光素子により集光された前記パターンの像を受光するための第２の受光素子と、この第１の受光素子と第２の受光素子との受光信号に基づき、前記繰り返し配列される内の特定のパターンの位置を基準位置として着目し、この基準位置からの暗視野パターンの像の位置を求めることで、傾き角を演算するための演算処理手段を有する位置測定装置。
【請求項２】
前記暗視野パターンが有する矩形状の透過部は、Ｘ方向或いはＹ方向の軸と直交する方向の辺の長さが、配列毎に等しい請求項１記載の位置測定装置。
【請求項３】
前記暗視野パターンは、前記第１の集光素子が集光する方向に平行なＸ方向、該Ｘ方向に直交するＹ方向、のそれぞれが、少なくとも第１の周期で変調された第１パターンと、この第１のパターンと異なる第２の周期で変調された第２パターンとを有し、前記第１パターンと前記第２パターンとを等ピッチで順次配列されている請求項１又は請求項２記載の位置測定装置。
【請求項４】
前記第１パターン及び前記第２パターンの変調は、線幅を変化させる空間変調により行われている請求項３記載の位置測定装置。
【請求項５】
前記暗視野パターンは、アブソリュートパターンから形成されている請求項１又は請求項２記載の位置測定装置。
【請求項６】
前記分割光学系として、ハーフミラーを配置している請求項１〜５の何れか１つに記載の位置測定装置。
【請求項７】
前記光源と、この光源からの光を反射させるための自由表面を有する前記液体部材の表面とが、共役な関係に配置されている請求項１〜６の何れか１つに記載の位置測定装置。
【請求項８】
前記液体部材と、前記分割光学系とが一体に構成されている請求項１〜７の何れか１つに記載の位置測定装置。
【請求項９】
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５〜８の何れか１つに記載の位置測定装置。
【請求項１０】
暗視野パターンは、少なくとも、第１周期で変調された第１パターンと、該第１周期と異なる第２周期で変調された第２パターンとを有し、前記第１パターンと前記第２パターンとを等ピッチで順次配列している請求項５〜９の何れか１つに記載の位置測定装置。
【請求項１１】
前記第１パターン及び前記第２パターンの変調は線幅を変化させる空間変調により行われている請求項５〜１０の何れか１つに記載の位置測定装置。
【請求項１２】
前記第１パターンと前記第２パターンの他に、一様な第３パターンを備えており、前記第１パターン、第２パターン及び第３パターンを等ピッチで順次配列することにより構成されている請求項１０又は請求項１１記載の位置測定装置。
【請求項１３】
第１の集光素子と第２の集光素子、及び、第１の受光素子と第２の受光素子に代えて、少なくとも１つのエリアセンサとする請求項１〜１２の何れか１つに記載の位置測定装置。
【請求項１４】
測量機本体に取り付けられ、該測量機本体の傾きを検出する請求項１〜１３の何れか１つに記載の位置測定装置を使用した測量機。
【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位置測定装置に係わり、特に、測量機の傾斜センサに最適であり、ハーフミラーを、液体部材と受光光学系の光路上に配置することにより、コンパクトに構成することのできる位置測定装置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１２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】
そして上記従来の気泡管１００００は、基準とする水平面を測定する場合には、高精度で測定することができるが、傾きを直接検出する場合には、応答特性が悪く直接傾きを検出することができないと共に、検出範囲も狭いという問題点があった。
【０００７】
【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、自由表面を有する液体部材と、該光源からの光を前記液体部材に向けるための光学系と、前記光源と前記液体部材の間に配設される暗視野パターンであって、暗視野パターンは、互いに直交するＸ方向とＹ方向のそれぞれに平行で、かつ、前記暗視野パターンは、複数のパターンが等間隔で繰り返し配列されて形成されると共に、該配列の交点に矩形状の透過部を有しており、前記暗視野パターンを通過し、前記液体部材の自由表面を反射した光を、パターンの像と共に、異なる方向に分割するための分割光学系と、この分割光学系から分割した一方のパターンの像のＸ方向或いはＹ方向の配列と平行な方向に集光させるための第１の集光素子と、前記分割光学系から分割した他方のパターンの像を、該第１の集光素子と異なる方向に集光させるための第２の集光素子と、前記第１の集光素子により集光された前記パターンの像を受光するための第１の受光素子と、前記第２の集光素子により集光された前記パターンの像を受光するための第２の受光素子と、この第１の受光素子と第２の受光素子との受光信号に基づき、前記繰り返し配列される内の特定のパターンの位置を基準位置として着目し、この基準位置からの暗視野パターンの像の位置を求めることで、傾き角を演算するための演算処理手段を有している。
【０００８】
また本発明の暗視野パターンが有する矩形状の透過部は、Ｘ方向或いはＹ方向の軸と直交する方向の辺の長さが、配列毎に等しくすることもできる。
【０００９】
そして本発明の暗視野パターンは、前記第１の集光素子が集光する方向に平行なＸ方向、該Ｘ方向に直交するＹ方向、のそれぞれが、少なくとも第１の周期で変調された第１パターンと、この第１のパターンと異なる第２の周期で変調された第２パターンとを有し、前記第１パターンと前記第２パターンとを等ピッチで順次配列されている構成にすることもできる。
【００１０】
更に本発明の前記第１パターン及び前記第２パターンの変調は、線幅を変化させる空間変調により行なう構成にすることもできる。
【００１１】
また本発明の暗視野パターンは、アブソリュートパターンから形成することもできる。
【００１２】
そして本発明は、前記分割光学系として、ハーフミラーを配置する構成にすることもできる。
【００１３】
また本発明は、前記光源と、この光源からの光を反射させるための自由表面を有する前記液体部材の表面とが、共役な関係に配置する構成にすることもできる。
【００１４】
更に本発明の前記液体部材と、前記分割光学系とが一体に構成することもできる。
【００１６】
そして本発明は、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。
【００１７】
また本発明の暗視野パターンは、少なくとも、第１周期で変調された第１パターンと、該第１周期と異なる第２周期で変調された第２パターンとを有し、前記第１パターンと前記第２パターンとを等ピッチで順次配列することもできる。
【００１８】
更に本発明は、前記第１パターン及び前記第２パターンの変調は線幅を変化させる空間変調により行う構成にすることもできる。
【００１９】
そして本発明は、前記第１パターンと前記第２パターンの他に、一様な第３パターンを備えており、前記第１パターン、第２パターン及び第３パターンを等ピッチで順次配列することにより構成することもできる。
【００２０】
更に、第１の集光素子と第２の集光素子、及び、第１の受光素子と第２の受光素子に代えて、少なくとも１つのエリアセンサとすることもできる。
【００２１】
また本発明の測量機は、測量機本体に取り付けられ、該測量機本体の傾きを検出するものであってもよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以上の様に構成された本発明は、光学系が、光源からの光を液体部材に向け、暗視野パターンを、光源と液体部材の間に配設した暗視野パターンであって、暗視野パターンは、互いに直交するＸ方向とＹ方向のそれぞれに平行で、かつ、暗視野パターンは、複数のパターンを等間隔で繰り返し配列して形成し、配列の交点に矩形状の透過部を有しており、分割光学系が、暗視野パターンを通過し、液体部材の自由表面を反射した光を、パターンの像と共に、異なる方向に分割し、第１の集光素子が、分割光学系から分割した一方のパターンの像のＸ方向或いはＹ方向の配列と平行な方向に集光させ、第２の集光素子が、分割光学系から分割した他方のパターンの像を、第１の集光素子と異なる方向に集光させ、第１の受光素子が、第１の集光素子により集光されたパターンの像を受光し、第２の受光素子が、第２の集光素子により集光されたパターンの像を受光し、演算処理手段が、第１の受光素子と第２の受光素子との受光信号に基づき、繰り返し配列される内の特定のパターンの位置を基準位置として着目し、この基準位置からの暗視野パターンの像の位置を求めることで、傾き角を演算する様になっている。
【００２３】
また本発明の暗視野パターンが有する矩形状の透過部は、Ｘ方向或いはＹ方向の軸と直交する方向の辺の長さが、配列毎に等しくすることもできる。
【００２４】
そして本発明の暗視野パターンは、第１の集光素子が集光する方向に平行なＸ方向、Ｘ方向に直交するＹ方向、のそれぞれが、少なくとも第１の周期で変調された第１パターンと、この第１のパターンと異なる第２の周期で変調された第２パターンとを有し、第１パターンと第２パターンとを等ピッチで順次配列することもできる。
【００２５】
更に本発明の第１パターン及び第２パターンの変調は、線幅を変化させる空間変調により行なうこともできる。
【００２６】
また本発明の暗視野パターンは、アブソリュートパターンから形成することもできる。
【００２７】
そして本発明は、分割光学系として、ハーフミラーを配置することもできる。
【００２８】
また本発明は、光源と、この光源からの光を反射させるための自由表面を有する液体部材の表面とを、共役な関係に配置することもできる。
【００２９】
更に本発明の液体部材と、分割光学系とが一体にすることもできる。
【００３１】
そして本発明は、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。
【００３２】
また本発明の暗視野パターンは、少なくとも、第１周期で変調された第１パターンと、第１周期と異なる第２周期で変調された第２パターンとを有し、第１パターンと第２パターンとを等ピッチで順次配列することもできる。
【００３３】
更に本発明は、第１パターン及び第２パターンの変調は線幅を変化させる空間変調により行うこともできる。
【００３４】
そして本発明は、第１パターンと第２パターンの他に、一様な第３パターンを備えており、第１パターン、第２パターン及び第３パターンを等ピッチで順次配列することもできる。
【００３５】
更に、第１の集光素子と第２の集光素子、及び、第１の受光素子と第２の受光素子に代えて、少なくとも１つのエリアセンサとすることもできる。
【００３６】
また本発明の測量機は、測量機本体に取り付けられ、測量機本体の傾きを検出するものであってもよい。
【００３７】
【実施例】
【００３８】
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００３９】
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４１０と、第１のハーフミラー５１０と、自由表面を有する液体部材６００と、第２のパターンリレーレンズ４２０と、第２のハーフミラー５２０と、第１のシリンドリカルレンズ７１０と、第２のシリンドリカルレンズ７２０と、第１の受光素子８１０と、第２の受光素子８２０と、演算処理手段１６とから構成されている。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
暗視野パターン３００は、第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０とにパターン像を形成するためのものである。
【００４３】
図２は、本第１実施例の２次元に配列された暗視野パターン３００を示すもので、黒マスク部に複数の透明なパターン部を形成して構成されている。
【００４４】
図３は、本第１実施例の暗視野パターン３００の複数の透明なパターン部を拡大して示したものであり、Ｘ軸方向とＹ軸方向に直交する方向にパターン部が配置されている。即ち、本第１実施例の暗視野パターン３００は、２軸方向（Ｘ軸方向とＹ軸方向）に絶対位置を示すアブソリュートパターンであり、Ｘ軸方向とＹ軸方向にクロスしたパターンとなっている。
【００４５】
ここで、Ｘ軸方向の列をｉとし（ｉ＝１〜Ｎ）、Ｙ軸の行をｊとし（ｊ＝１〜Ｋ）、特定のパターンをＰij（ｉ＝１〜Ｎ、ｊ＝１〜Ｋ）と表すことにする。なお第３図の場合では、Ｎ＝９、Ｋ＝８である。
【００４６】
そこで、第１行（Ｊ＝１）について説明する。
【００４７】
第１行のパターンは、第１のパターンＡと第２のパターンＢと第３のパターンＣと第４のパターンＲとが、等間隔（ｐ）で繰り返し配置されている。即ち、４種のパターンを１組として各ブロックが連続して形成されており、最も左側に配置されたブロックを、１ブロックと定義し、Ｒ、Ａ（１）、Ｂ（１）、Ｃ（１）と記載すれば、Ｒ、Ａ（２）、Ｂ（２）、Ｃ（２）、Ｒ、Ａ（３）、Ｂ（３）、Ｃ（３）・・・・・・・・と繰り返し配置されている。
【００４８】
即ち、Ｐ11＝Ｒ、Ｐ21＝Ａ1、Ｐ31＝Ｂ1、Ｐ41＝Ｃ1、Ｐ51＝Ｒ、Ｐ61＝Ａ2、Ｐ71＝Ｂ2、Ｐ81＝Ｃ2、Ｐ91＝Ｒ  となる。
【００４９】
次に、第１列（ｉ＝１）について説明する。
【００５０】
第１列のパターンは、第１のパターンＡと第２のパターンＢと第３のパターンＣと第４のパターンＲとが、等間隔（ｐ）で繰り返し配置されている。即り、４種のパターンを１組として各ブロックが連続して形成されており、最も上側に配置されたブロックを、１ブロックと定義し、Ｒ、Ａ（１）、Ｂ（１）、Ｃ（１）と記載すれば、Ｒ、Ａ（２）、Ｂ（２）、Ｃ（２）、Ｒ、Ａ（３）、Ｂ（３）、Ｃ（３）・・・・・・・・と繰り返し配置されている。
【００５１】
即ち、Ｐ11＝Ｒ、Ｐ12＝Ａ1、Ｐ13＝Ｂ1、Ｐ14＝Ｃ1、Ｐ15＝Ｒ、Ｐ16＝Ａ2、Ｐ17＝Ｂ2、Ｐ18＝Ｃ2  となる。
【００５２】
第１のパターンリレーレンズ４１０は、暗視野パターン３００を通過した光を、第１のハーフミラー５１０に導くものである。
【００５３】
本第１実施例の第１のハーフミラー５１０は、半透過面５１１を備えたビームスプリッタである。第１のハーフミラー５１０に入射された光は、半透過面５１１を透過して上方に向かい、自由表面を有する液体部材６００に入射する。そして、自由表面を有する液体部材６００で反射された光は、第１のハーフミラー５１０の半透過面５１１を反射して、第２のパターンリレーレンズ４２０に向かう様になっている。
【００５４】
なお、第１のハーフミラー５１０は、光源１００からの反射光に対して傾斜する傾斜面５１２を有する構成となっている。
【００５５】
これは、光源１００から第１のハーフミラー５１０に入射された光は、半透過面５１１を透過して上方に向かうが、一部、半透過面５１１を反射する光がある。この反射光の一部は、第１のハーフミラー５１０の端面で反射された後、同一光路を反対方向に進むと、再び、半透過面５１１を透過し、第２のパターンリレーレンズ４２０に向かってしまう。
【００５６】
この半透過面５１１を反射する反射光は、傾斜検出を阻害したり、誤差を生じさせる可能性がある。そこで、本第１実施例では、第１のハーフミラー５１０の端面を、光源１００からの透過光に対して傾斜する傾斜面５１２とする様に構成されている。
【００５７】
この結果、半透過面５１１で反射される光源１００からの光は、傾斜面５１２で再び反射されるが、この再帰反射光は、同一光路を反対方向に進むことはないので、第２のパターンリレーレンズ４２０を介して、第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０とに入射されることはなく、高精度の測定を行うことができるという効果がある。
【００５８】
そして実施例の第１のハーフミラー５１０は、光源１００からの反射光に対して傾斜する面を有する構成にすることもできる。
【００５９】
なお、光源１００と、この光源１００からの光を反射させるための自由表面を有する液体部材６００の表面とが、共役な関係に配置することもできる。
【００６０】
この場合には、液体部材６００の表面上での反射面積が最小となり、液体の表面張力による誤差を最小にすることができるという効果がある。更に、液体部材６００の容積を少なくすることもできる。
【００６１】
自由表面を有する液体部材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。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。
【００６２】
更に本実施例の液体部材６００は、第１のハーフミラー５１０と一体に構成することもできる。
【００６３】
そして本実施例の第１のハーフミラー５１０は、液体部材６００と接する面に反射防止膜を施すこともできる。
【００６４】
また本実施例の液体部材６００の屈折率と、第１のハーフミラー５１０の屈折率とは、近似の値とする構成にすることもできる。
【００６５】
なお、第１のハーフミラー５１０は、ハーフミラーに該当するものである。
【００６６】
第２のパターンリレーレンズ４２０は、自由表面を有する液体部材６００で反射され、第１のハーフミラー５１０で反射された光を、第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０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４２０は、暗視野パターン３００の像を第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０上に形成するためのものである。
【００６７】
なお、第２のパターンリレーレンズ４２０は、第２の光学系に該当するものであり、第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０とから、第２のパターンリレーレンズ４２０の焦点距離ｆ離れた位置に配置されている。
【００６８】
第２のハーフミラー５２０は暗視野パターン３００の像を、第１の受光素子８１０と、第２の受光素子８２０とに、分離するためのものである。
【００６９】
第１のシリンドリカルレンズ７１０は、Ｘ軸方向に、暗視野パターン３００の像を集光させるものである。なお、第１のシリンドリカルレンズ７１０は、第１の集光素子に該当するものである。
【００７０】
例えば、第１行に対しては、Ｐ11＝Ｒ、Ｐ21＝Ａ1、Ｐ31＝Ｂ1、Ｐ41＝Ｃ1、Ｐ51＝Ｒ、Ｐ61＝Ａ2、Ｐ71＝Ｂ2、Ｐ81＝Ｃ2、Ｐ91＝Ｒ  を図３の右隅の様に集光させるものである。
【００７１】
即ち、Ｐi1（ｉ＝１〜９）を右隅の様に集光させるものである。
【００７２】
従って、Ｘ方向に全ての行で集光を実施することができる。
【００７３】
よって、「Ｐi1（ｉ＝１〜９）の集光を、Ｊ＝１〜８行まで実行する」ことになる。
【００７４】
この結果、ピッチｐでＸ方向に集光されたＹ方向の位置を示すアブソリュートパターンが右隅の様に形成される。
【００７５】
第２のシリンドリカルレンズ７２０は、Ｙ軸方向に、暗視野パターン３００の像を集光させるものである。第２のシリンドリカルレンズ７２０は、第２の集光素子に該当するものである。
【００７６】
例えば、第１列に対しては、Ｐ11＝Ｒ、Ｐ12＝Ａ1、Ｐ13＝Ｂ1、Ｐ14＝Ｃ1、Ｐ15＝Ｒ、Ｐ16＝Ａ2、Ｐ17＝Ｂ2、Ｐ18＝Ｃ2  を図３の下隅の様に集光させるものである。
【００７７】
従って、Ｙ方向に全ての列で集光を実施することができる。
【００７８】
「Ｐ1j（ｊ＝１〜８）の集光を、ｉ＝１〜９列まで実行する」
【００７９】
この結果、ピッチｐでＹ方向に集光されたＸ方向の位置を示すアブソリュートパターンが下隅の様に形成される。
【００８０】
第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０とは、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。
【００８１】
第１の受光素子８１０は、第１のシリンドリカルレンズ７１０により、Ｘ軸方向に集光された像を受光するものであり、ピッチｐでＸ方向に集光されたＹ方向の位置を示すアブソリュートパターンを受光することができる。
【００８２】
第２の受光素子８２０は、第２のシリンドリカルレンズ７２０により、Ｙ軸方向に集光された像を受光するものであり、ピッチｐでＹ方向に集光されたＸ方向の位置を示すアブソリュートパターンを受光することができる。
【００８３】
演算処理手段１６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のスリット像の位置を算出し、対応する傾き角を演算するためのものである。
【００８４】
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、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、第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０上の暗視野パターン３００の像が移動することになる。
【００８５】
ここで傾斜センサ１０００が角度θ傾いた場合には、図４に示す様に、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。第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０であるリニアセンサ上の距離をＬとすると、
【００８６】
Ｌ＝ｆ＊ｔａｎ（２ｎθ）                ・・・・・第１式
【００８７】
となる。
【００８８】
従って、暗視野パターン３００の像の位置を、第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０で検出し、基準位置からの距離を求め、演算処理手段１６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。
【００８９】
次に、演算処理手段１６の傾き角の演算処理を詳細に説明する。
【００９０】
傾き角については、特定のパターンの位置を基準として着目し、リニアセンサ上における検出されたパターンの位置との距離ｄＬを測定すればよい。
【００９１】
またピッチ間隔以下の距離に関しては、第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０の出力のフーリエ変換を行うことにより、リニアセンサ上のピッチ間隔に対する基準位置との位相差φを計算し、
【００９２】
φ＊ｐ＊ｍ／（２π）                    ・・・・・・第２式
【００９３】
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。但し、ｍは倍率である。そして、上記特定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。
【００９４】
そして演算処理手段１６は、全体の距離から、対応する傾き角を演算することができる。
【００９５】
即ち、ピッチｐでＸ方向に集光されたＹ方向の位置を示すアブソリュートパターンを受光するための第１の受光素子８１０と、ピッチｐでＹ方向に集光されたＸ方向の位置を示すアブソリュートパターンを受光することができる第２の受光素子８２０とが備えられているので、それぞれの受光素子により、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の傾き角を、演算処理手段１６により算出することができる。
【００９６】
なお、第１の集光素子７１０と第２の集光素子７２０及び、第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０とを利用せず、エリアセンサを採用すれば、暗視野パターン３００を利用することにより、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。
【００９７】
更に、自由表面を有する液体部材６００に代えて、揺動自在な懸垂部材とすることもできる。
【００９８】
まず説明を簡便化するために、暗視野パターン３００に形成されたパターンを、図５に示す様に簡略化して説明する。なお、この説明では、理解を容易とするために、パターンＣを省略して説明することにする。即ち、Ｒ、Ａ（０）、Ｂ（０）、Ｒ、Ａ（１）、Ｂ（１）、Ｒ、Ａ（２）、Ｂ（２）、・・・・・・・・と繰り返し配置されている場合で以下説明する。
【００９９】
暗視野パターン３００に形成されたパターンは、図５に示す様に、第１のパターンＡと第２のパターンＢと第３のパターンＲが等間隔（ｐ）で繰り返し配置されている。即ち、３種のパターンを１組として各ブロックが連続して形成されており、最も左側に配置されたブロックを、０ブロックと定義し、Ｒ（０）、Ａ（０）、Ｂ（０）と記載すれば、Ｒ（１）、Ａ（１）、Ｂ（１）、Ｒ（２）、Ａ（２）、Ｂ（２）、・・・・・・・・と繰り返し配置されている。なお、全てのパターンが等間隔ｐで繰り返されているので、この間隔に対応した信号を基準信号とする。
【０１００】
そして例えば第３のパターンＲは、黒幅５０μｍで固定幅となっており、第１のパターンＡは、７ブロックで１周期となる様に黒部分の幅を変調しており、第２のパターンＢは、５ブロックで１周期となる様に黒部分の幅を変調している。
【０１０１】
次に第１のパターンＡは、７ブロックで１周期となる様に黒部分の幅を変調しているので、変調幅を２０μｍ〜８０μｍとすれば、第１のパターンの幅ＤAは、 以下の式で与えられる。
【０１０２】
ＤA＝５０＋３０＊ＳＩＮ（２＊π＊Ｘ／７）      ・・・第３式
【０１０３】
となる。但し、Ｘ＝（０、１、２、３・・・・・・である）。
【０１０４】
同様に、第２のパターンＢは、５ブロックで１周期となる様に黒部分の幅を変調しているので、第２のパターンの幅ＤBは、以下の式で 与えられる。
【０１０５】
ＤB＝５０＋３０＊ＳＩＮ（２＊π＊Ｘ／５）      ・・・第４式
【０１０６】
となる。但し、Ｘ＝（０、１、２、３・・・・・・である）。
【０１０７】
そして第１のパターンＡと第２のパターンＢとは、周期が僅かに異なっているため、両者の最小公倍数である距離で同様のパターンが現れる。本実施例では７ブロックと５ブロックの最小公倍数である３５ブロックで同様のパターンが現れる。
【０１０８】
即ち、水平位置が含まれるブロックにおける第１のパターンＡの位相番号を  φA（０〜６）とし、水平位置における第２のパターンＢの位相番号をφB（０〜４）とすれば、暗視野パターン３００の位置Ｈは、
【０１０９】
φAとφBの組み合わせより、それぞれの位相番号が含まれるブロック番号    φAB より、
【０１１０】
Ｈ＝φAB＊ｐ＊ｍ                ・・・・第５式
【０１１１】
となる。
【０１１２】
次に、暗視野パターン３００の位置算出方法を具体的に説明する。
【０１１３】
第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０の出力信号を、基準信号（等間隔ピッチｐに相当する信号）の前後半ピッチ分の範囲内でパターンの幅を求める。更にこのパターンの幅を３つ毎に間引けば（プロダクト検波）、図７に示す様に、第１のパターンＡに相当する信号１と、第２のパターンＢに相当する信号２と、第３のパターンＲに相当する信号３とが得られる。しかしながら第３のパターンＲは、幅が変調されていない上、第１のパターンＡと第２のパターンＢの最大変調幅が８０μｍに対して、第３のパターンＲは５０μｍしかないので、第３のパターンＲに相当する信号３は、幅は略一定であり、信号１や信号２に比較して約５０％の値となる。
【０１１４】
そして、第３のパターンＲと、第１のパターンＡと、第２のパターンＢとは、定められた順番に繰り返して配置されているので、間引かれた信号が、第３のパターンＲ、第１のパターンＡ、第２のパターンＢの何れであるか、決定することができる。
【０１１５】
次にＡ、Ｂの信号から、傾斜読み取りの基準位置にリニアセンサ８１０、８２０のアドレス位置（第ｍビット目）を含む、Ａ、Ｂの１組の信号を選択し、ＡとＢの位相番号を求めれば、何れの位置の第１のパターンＡ、第２のパターンＢ、第３のパターンＲの組合せであるかを求めることができる。
【０１１６】
ここで、Ａ信号の位相番号をＡｍとし、Ｂ信号の位相番号をＢｍとし、ＡとＢの位相番号の組み合わせより、Ｒ、Ａ、Ｂが含まれるブロック番号φAB を求めることができる。
【０１１７】
そして、基準位置（第ｍビット目）が含まれるパターンが、
【０１１８】
Ｒパターンの場合には・・・・・・３＊ｐ＊φAB           ・・・・第６式
【０１１９】
Ａパターンの場合には・・・・・・ｐ＊（３＊φAB＋１）   ・・・・第７式
【０１２０】
Ｂパターンの場合には・・・・・・ｐ＊（３＊φAB＋２）   ・・・・第８式
【０１２１】
の様に求められる。なお、ｐはピッチである。
【０１２２】
そして第６式〜第８式の値と、第２式より得られた値を合わせることにより、暗視野パターン３００の位置Ｈを求めることができる。
【０１２３】
次に本実施例の演算処理手段１６を図８に基づいて詳細に説明する。
【０１２４】
アンプ１６１は、セレクタ１６８により選択された第１の受光素子８１０又は第２の受光素子８２０からの電気信号を増幅するものであり、サンプルホールド１６２は、増幅された電気信号をクロックドライバ１６５からのタイミング信号でサンプルホールドするものである。Ａ／Ｄ変換器１６３は、サンプルホールドされた電気信号をＡ／Ｄ変換するためのものである。そしてＲＡＭ１６４は、Ａ／Ｄ変換されたデジタル信号を記憶するためのものである。またマイクロコンピュータ１６６は、各種演算処理を行うものである。
【０１２５】
ここでマイクロコンピュータ１６６が果たす機能を図９に基づいて説明すると、演算処理手段１６は、基準信号形成部１６６１と、パターン信号形成部１６６２と、算出部１６６４とからなり、基準信号形成部１６６１は、第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０から得られた電気信号から、高速フーリエ変換により等間隔ピッチｐに相当する基準信号を形成するものである。
【０１２６】
パターン信号形成部１６６２は、基準信号の前後半ピッチ分の範囲内で幅を求め、このパターン幅を３つ毎に間引く（プロダクト検波）ことにより、第１のパターン信号と第２のパターン信号を形成するものである。
【０１２７】
算出部１６６４は、第１のパターン信号と第２のパターン信号の位相番号から、基準位置が含まれるブロック番号を算出し、更に、ピッチ単位の位置を求め、高速フーリエ変換により得られたピッチ内の位相（第２式）との桁合わせを行い、高精度に暗視野パターン３００の位置を求め、暗視野パターン３００の移動量Ｈを求めるものである。
【０１２８】
そして表示器１６７は、算出部１６６４で算出された傾き角を表示するもので、液晶表示等の表示手段を採用してもよく、更に、外部記憶手段等に出力させる構成としてもよい。
【０１２９】
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。
【０１３０】
【効果】
以上の様に構成された本発明は、光源と、自由表面を有する液体部材と、該光源からの光を前記液体部材に向けるための光学系と、前記光源と前記液体部材の間に配設される暗視野パターンであって、暗視野パターンは、互いに直交するＸ方向とＹ方向のそれぞれに平行で、かつ、前記暗視野パターンは、複数のパターンが等間隔で繰り返し配列されて形成されると共に、該配列の交点に矩形状の透過部を有しており、前記暗視野パターンを通過し、前記液体部材の自由表面を反射した光を、パターンの像と共に、異なる方向に分割するための分割光学系と、この分割光学系から分割した一方のパターンの像のＸ方向或いはＹ方向の配列と平行な方向に集光させるための第１の集光素子と、前記分割光学系から分割した他方のパターンの像を、該第１の集光素子と異なる方向に集光させるための第２の集光素子と、前記第１の集光素子により集光された前記パターンの像を受光するための第１の受光素子と、前記第２の集光素子により集光された前記パターンの像を受光するための第２の受光素子と、この第１の受光素子と第２の受光素子との受光信号に基づき、前記繰り返し配列される内の特定のパターンの位置を基準位置として着目し、この基準位置からの暗視野パターンの像の位置を求めることで、傾き角を演算するための演算処理手段を有するので、機械的強度が高く、高精度な位置測定装置を提供することができる上、コンパクトな位置測定装置を提供することができるという効果がある。
【０１３１】
また本発明は、光源と、この光源からの光を反射させるための自由表面を有する液体部材の表面とを、共役な関係に配置する構成とすれば、液体部材の表面上での反射面積が最小となり、液体の表面張力による誤差を最小にすることができるという効果がある。更に、液体部材の容積を少なくすることもできる。
【０１３２】
そして本発明のハーフミラーは、光源からの透過光に対して傾斜する面を有しているので、反射光は、同一光路を反対方向に進むことはないので、不要な反射光が受光手段に入射されることがなく、高精度の測定を行うことができるという効果がある。
【０１３３】
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の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】
本実施例の暗視野パターン３００を説明する図である。
【図４】
本実施例の流体部材を説明する図である。
【図５】
測定の原理を説明する図である。
【図６】
測定の原理を説明する図である。
【図７】
測定の原理を説明する図である。
【図８】
本実施例の演算処理手段の構成を示す図である。
【図９】
本実施例の演算処理手段の構成を示す図である。
【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。
【図１２】
従来技術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  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
４１０  第１のパターンリレーレンズ
４２０  第２のパターンリレーレンズ
５１０  第１のハーフミラー
５２０  第２のハーフミラー
５１１  半透過面
５１２  傾斜面
６００  自由表面を有する液体部材
７１０  第１のシリンドリカルレンズ
７２０  第２のシリンドリカルレンズ
８１０  第１の受光素子
８２０  第２の受光素子
１６  演算処理手段
１６６  マイクロコンピュータ１
１６６１  基準信号形成部
１６６２  パターン信号形成部
１６６４  算出部
【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１２】
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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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