(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由表面を有する液体部材に反射させた暗視野パターン像を受光素子に受光させて傾斜を検出する傾斜センサにおいて、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ための暗視野パターンと、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液体部材と、こ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、前記ハーフミラーはビームスプリッタであり、該ビームスプリッタの端面は、前記光源からの透過光に対して傾斜面である傾斜センサ。
【請求項２】
前記液体部材は、前記ビームスプリッタと一体に構成されている請求項１記載の傾斜センサ。
【請求項３】
前記ビームスプリッタは、前記液体部材と接する面に反射防止膜が施されている請求項２記載の傾斜センサ。
【請求項４】
自由表面を有する液体部材に反射させた暗視野パターン像を受光素子に受光させて傾斜を検出する傾斜センサにおいて、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ための暗視野パターンと、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液体部材と、こ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、前記光源と前記ハーフミラーの間には、第１の偏光手段を配置し、前記液体部材の光の透過面には、λ／４偏光手段を備えており、前記ハーフミラーと前記受光手段の間には、第２の偏光手段が配置され、前記液体部材からの反射光のみを透過させる傾斜センサ。
【請求項５】
第２の偏光手段に代えて、ハーフミラーに偏光反射面を備えた構成とする請求項４記載の傾斜センサ。
【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、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、自由表面を有する液体部材に反射させた暗視野パターン像を受光素子に受光させて傾斜を検出する傾斜センサにおいて、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ための暗視野パターンと、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液体部材と、こ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、前記ハーフミラーはビームスプリッタであり、該ビームスプリッタの端面は、前記光源からの透過光に対して傾斜面に構成されている。
【０００９】
更に本発明の前記液体部材は、前記ビームスプリッタと一体に構成することもできる。
【００１０】
そして本発明のビームスプリッタは、前記液体部材と接する面に反射防止膜を施すこともできる。
【００１２】
そして本発明は、自由表面を有する液体部材に反射させた暗視野パターン像を受光素子に受光させて傾斜を検出する傾斜センサにおいて、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ための暗視野パターンと、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液体部材と、こ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、前記光源と前記ハーフミラーの間には、第１の偏光手段を配置し、前記液体部材の光の透過面には、λ／４偏光手段を備えており、前記ハーフミラーと前記受光手段の間には、第２の偏光手段が配置され、前記液体部材からの反射光のみを透過させる構成にすることもできる。
【００１３】
更に本発明は、第２の偏光手段に代えて、ハーフミラーに偏光反射面を備えた構成とすることもできる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以上の様に構成された本発明は、自由表面を有する液体部材に反射させた暗視野パターン像を受光素子に受光させて傾斜を検出する傾斜センサであって、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、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、ハーフミラーはビームスプリッタであり、ビームスプリッタの端面は、光源からの透過光に対して傾斜面となっている。
【００１９】
更に本発明の液体部材は、ビームスプリッタと一体にすることもできる。
【００２０】
そして本発明のビームスプリッタは、液体部材と接する面に反射防止膜を施すこともできる。
【００２２】
そして本発明は、自由表面を有する液体部材に反射させた暗視野パターン像を受光素子に受光させて傾斜を検出する傾斜センサであって、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、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、光源とハーフミラーの間には、第１の偏光手段を配置し、液体部材の光の透過面には、λ／４偏光手段を備えており、ハーフミラーと受光手段の間には、第２の偏光手段が配置され、液体部材からの反射光のみを透過させることもできる。
【００２３】
更に本発明は、第２の偏光手段に代えて、ハーフミラーに偏光反射面を備えた構成とすることもできる。
【００２６】
【実施例】
【００２７】
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００２８】
「第１実施例」
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
本第１実施例のハーフミラー５００は、半透過面５１０を備えたビームスプリッタである。ハーフミラー５００に入射された光は、半透過面５１０で反射されて上方に向かい、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の半透過面５１０を透過して、下方の受光手段８００に向かう様になっている。
【００３７】
なお、ハーフミラー５００は、光源１００からの透過光に対して傾斜する傾斜面５２０を有する構成となっている。
【００３８】
これは、光源１００からハーフミラー５００に入射された光は、半透過面５１０で反射されて上方に向かうが、一部、半透過面５１０を透過して直進する光がある。この直進する光の一部は、ハーフミラー５００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５１０で反射され、下方の受光手段８００に向かってしまう。
【００３９】
この半透過面５１０を透過して直進する光は、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、ハーフミラー５００の端面を、光源１００からの透過光に対して傾斜する傾斜面５２０とする様に構成されている。
【００４０】
この結果、半透過面５１０を透過して直進する光源１００からの光は、傾斜面５２０で反射されるが、反射光は、同一光路を反対方向に進むことはないので、受光手段８００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。
【００４１】
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第１の液体部材６００の表面とが、共役な関係に配置することもできる。
【００４２】
この場合には、第１の液体部材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、第１の液体部材６００の容積を少なくすることもできる。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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、
【００５０】
Ｌ＝ｆ＊ｔａｎ（２ｎθ）                ・・・・・第１式
【００５１】
となる。
【００５２】
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。
【００５３】
「第２実施例」
【００５４】
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、封入容器５５０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。
【００５５】
封入容器５５０は、半透過面５５１と自由表面を有する第１の液体部材６００とを、一体化させるためのものである。即ち、封入容器５５０は、ハーフミラーと第１の液体部材６００とを、一体化させるためのものである。
【００５６】
本第２実施例は、光源１００から入射された光は、封入容器５５０内の半透過面５５１で反射されて上方に向かい、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、封入容器５５０内の半透過面５５１を透過して、下方の受光手段８００に向かう様になっている。
【００５７】
光源１００から半透過面５５１に入射された光は、封入容器５５０の入射面や、封入容器５５０と第１の液体部材６００境界面等でも反射光が発生し、この反射光が受光手段８００に入射して、傾斜検出を阻害したり、誤差を生じさせる可能性がある。
【００５８】
そこで封入容器５５０により、ハーフミラーと第１の液体部材６００とを、一体化させ、封入容器５５０と第１の液体部材６００と半透過面５５１の屈折率を同一又は、近似の値にすることにより、不要な反射光の発生を防止し、高精度の測定を実現させることができる。
【００５９】
また封入容器５５０が、第１の液体部材６００と接する面に、封入容器５５０の屈折率と第１の液体部材６００の屈折率との中間の媒質を用いた反射防止膜を設けることにより、この境界での反射光を減少させることができる。
【００６０】
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。
【００６１】
「第３実施例」
【００６２】
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、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。
【００６３】
自由表面を有する第１の液体部材６００は、容器６１０に封入されており、容器６１０の上面は傾斜して構成されている。
【００６４】
ハーフミラー５００で反射されて、自由表面を有する第１の液体部材６００に入射された光は、自由表面で数％反射され、ハーフミラー５００の半透過面５１０を透過して受光手段８００に入射されるが、９０％以上の入射光は、第１の液体部材６００を透過する。
【００６５】
この第１の液体部材６００を透過した光は、容器６１０の上面で反射される。この容器６１０の上面で反射された反射光は、同一光路を戻ると、ハーフミラー５００の半透過面５１０を透過して受光手段８００に入射され、かなりの確率で傾斜検出を阻害したり、誤差を生じさせる。
【００６６】
従って、容器６１０の上面を傾斜させることにより、反射光は、同一光路を反対方向に進むことはないので、受光手段８００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。
【００６７】
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。
【００６８】
「第４実施例」
【００６９】
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、第１の偏光手段２１０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、λ／４偏光手段２２０と、自由表面を有する第１の液体部材６００と、第２の偏光手段２３０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。
【００７０】
光源手段１００からの光は、コンデンサーレンズ２００を通過した後、第１の偏光手段２１０により直線偏光となる。そして、ハーフミラー５００の半透過面５１０で上方に反射された直線偏光は、λ／４偏光手段２２０に入射して、円偏光に変換される。
【００７１】
λ／４偏光手段２２０で円偏光に変換された光は、第１の液体部材６００に入射されて、自由表面で反射され、再び、λ／４偏光手段２２０に入射される。
【００７２】
λ／４偏光手段２２０では、第１の偏光手段２１０により直線偏光とされた光に対して、π／２だけ偏光方向が異なる光線とすることができる。
【００７３】
従って第２の偏光手段２３０を、第１の液体部材６００の自由表面で反射された反射光のみ透過する様に（λ／４偏光手段２２０を２回通過した光）配置すれば、第１の液体部材６００の自由表面で反射された反射光以外の不要な反射光が、受光手段８００に入射されるのを防止し、高精度の測定を行うことができるという効果がある。
【００７４】
なお、第２の偏光手段２３０に代えて、ハーフミラー５００には、偏光反射面を備えた偏光ビームスプリッタを使用することもでき、同様な効果を得ることができる。
【００７５】
なお、その他の構成は、第１実施例〜第３の実施例と同様であるから、説明を省略する。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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、
【００８０】
φ＊ｐ／（２π）                    ・・・・・・第２式
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
Ｙ方向の幅の測定は、図８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
【００８６】
Ｌ＝ｋ＊ｄｙave／ｐ                     ・・・・・第３式
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
そして、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。
【００９３】
【効果】
以上の様に構成された本発明は、自由表面を有する液体部材に反射させた暗視野パターン像を受光素子に受光させて傾斜を検出する傾斜センサであって、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ための暗視野パターンと、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液体部材と、こ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、前記ハーフミラーはビームスプリッタであり、該ビームスプリッタの端面は、前記光源からの透過光に対して傾斜面になっているので、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上、コンパクト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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
更に本発明は、前記光源と前記ハーフミラーの間の光路上には、第１の偏光手段を配置し、前記液体部材の光の透過面には、λ／４偏光手段を備えており、
前記ハーフミラーの透過光に対して、前記液体部材からの反射光のみを透過させる様にするための第２の偏光手段とを配置しているので、液体部材の自由表面で反射された反射光以外の不要な反射光が、受光手段に入射されるのを防止し、高精度の測定を行うことができるという効果がある。
【００９７】
【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
２１０  第１の偏光手段
２２０  λ／４偏光手段
２３０  第２の偏光手段
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
５１０  半透過面
６００  自由表面を有する第１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】
0003787736.tif 000002
【図３】
0003787736.tif 000003
【図２】
0003787736.tif 000004
【図６】
0003787736.tif 000005
【図４】
0003787736.tif 000006
【図５】
0003787736.tif 000007
【図７】
0003787736.tif 000008
【図８】
0003787736.tif 000009
【図９】
0003787736.tif 000010
【図１０】
0003787736.tif 000011
【図１１】
0003787736.tif 000012