CN1095986C - 角度自动补偿装置 - Google Patents

Abstract

一种角度自动补偿装置，它包括封入有具有自由液面1的透明状液体的液体封入容器4，以确定角度投射在前述自由液面上的投射光系统21，22以及引导由自由液面反射的由前述液体封入容器射出光束的光学系统，由前述自由液面反射光束的光轴无论自由液面为0°或90°均能与光学系统的光轴相重合，即不论装置处于水平状态还是铅直状态，均能进行自动补偿。

Description

角度自动补偿装置

本发明涉及保持测试仪器的光轴铅直、或保持仪器的光轴水平、或形成水平光束照射面、或形成垂直光束照射面的角度自动补偿装置，该装置可用来对测试仪器倾斜量的变化进行测定。

用测试仪器进行各种测量时，必需对测试仪器的基准面进行补偿，或是对光轴的铅直性进行补偿。

以往，为能自动进行这种补偿，需用两根或三根以上的吊线悬挂摆锤状的透镜或棱镜式的摆体等，当测试仪器的主体倾斜时，利用例如磁力制动机构对前述摆体进行制动，以自动补偿光路，若采用利用透明液体的内表面反射的歪象光学棱镜等光学系统，也可以对照液面整体的倾斜方向变化，如同反射光束构成具有同一灵敏度的光轴那样对光路进行自动补偿。

然而对于前述的已有技术，只能在装置整体略呈水平、或略呈垂直安装状态下才能使用，而难于分别在略呈水平和略呈垂直这两种安装条件下通用。为了能通用，需安装使用另外准备的光学系统，使其可以替换原光学系统的一部分，为了在略呈水平的使用状态或在略呈垂直的使用状态下都能使用，必需重新组装前述光学系统的一部分。这样，在光学系统拆装时将由于缺乏再现性而使精度降低，而且会增加产品成本。

本发明的目的是要利用自由液面、在不需要特别准备用于替换光学系统或光学系统的一部分额外机构的条件下，装置既可以对略呈水平状态又可以对略呈垂直状态的光路进行自动补偿。为了实现这一目的，本发明所涉及的角度自动补偿装置包括：封入有用于形成自由液面的透明状液体的液体封入容器，使由前述自由液面反射的光束以确定的角度照射在该自由液面上的光束的第一投射光系统，使设置在夹着前述自由液面的并与前述第一投光系统的相对位置处的整个装置在转过90°时由该自由液面反射的光束以确定的角度照射在该自由液面上的第2投射光系统，以及用于引导由前述自由液面反射的光束投影的投影光学系统；或包括：封入有用于形成自由液面的透明状液体的液体封入容器，使由前述自由液面反射的光束以确定的角度照射在该自由液面上的投射光系统，用于反射时引导当装置倾斜为0°时由自由液面反射的光束的第1反射部件，和用于反射引导当整个装置倾斜为90°时由自由液面反射的光束的、并配置在与前述第1反射部件相对位置处的第2反射部件；或包括：封入有用于形成自由液面的透明状液体的液体封入容器，使由前述自由液面反射的光束以确定的角度照射在该自由液面上的投射光系统，用于使由前述自由液面反射的光束再次朝向自由液面反射的第1反射部件，配置在与前述第1反射部件相对位置处的和用于在整个装置转过90°时使自由液面反射的光束再次朝向自由液面反射的第2反射部件，以及用于引导由自由液面再次反射后的光束投影的投影光学系统。

图1为表示本发明第1实施例的说明图。

图2为表示本发明第1实施例处于倒转过90°时状态的说明图。

图3为表示本发明第2实施例的说明图。

图4为表示本发明第3实施例的说明图。

图5为表示本发明第4实施例的说明图。

图6为表示本发明第5实施例的说明图。

图7为表示本发明第6实施例的说明图。

图8为表示本发明第7实施例的说明图。

图9为本发明所使用的具有防止液体摇晃器具的液体封入容器的正面图。

图10为具有前述防止液体摇见器具的液体封入容器的侧剖视图。

图11为前述防止液体摇晃器具的斜视图。

图12为表示本发明应用实例的说明图。

图13为表示本发明应用实例中的光束光斑与针孔间关系的说明图。

图14为说明自由液面倾斜时反射光束的反射角变化的说明图。

图15为说明自由液面倾斜时反射光束的反射角变化的说明图。

图16为有关自由液面进行一次反射时的角度自动补偿的说明图。

图17为表示相对歪象光学棱镜系统的透射光束的光轴变化的说明图。

图18(A)、图18(B)为表示相对歪象光学棱镜系统的透射光束的光轴变化的说明图。

图19为说明自由液面进行两次反射时的反射光束的反射角变化的说明图。

图20为说明自由液面进行两次反射且自由液面倾斜时，反射光束反射角度变化的说明图。

下面参照附图，说明本发明的一个实施例。

当按预定角度向自由液面入射光束并由该自由液面对光束产生反射时，若自由液面相对于光束发生相对倾斜时，反射角变化的灵敏度将随液面倾斜方向的不同而不同。

通过在反射光轴的确定位置上设置对上述反射光轴的反射角变化灵敏度在所有方向都相同的光学系统和角倍率调节用的光束扩展器，能够对使反射光轴与装置的整体构成无关地保持为一定方向的补偿装置进行说明。

当按预定的角度向自由液面入射光束且由前述自由液面对光束发生全反射时，若自由液面对于光束相对倾斜时，由于液面倾斜方向的不同所产生的反射角变化的灵敏度也不同，现在参照图14至15说明这一点。

虽然，实际上是自由液面保持为水平而光束的入射方向有所变化，但是在以下的说明中，是假定光束的入射方向保持为一定而自由液面发生了倾斜。

图中1表示一自由液面，入射光束2按角度θ入射至该自由液面1。前述自由液面1与由座标轴x、座标轴z构成的xz座标平面大体一致，且该座标平面垂直于座标轴y。前述入射光束2的光轴位于由前述座标轴z、座标轴y构成的座标平面内。当前述自由液面1由这一状态以座标轴x为基线只倾斜角度α时，反射光束3的光轴将在前述yz座标平面内移动，在yz座标平面内只有反射角的变化为ξ1x。这时液面位移角α与反射位移角ξ1x间的关系为ξ1x＝2α，因而在此时不会产生xy座标平面内的反射位移角ξ2x。在图中，14为反射镜。

与此相对应的是，亦可如图15所示的那样，当前述自由液面1以座标轴z为基线只倾斜角度α时，前述反射光束3将分别沿背离前述xy座标平面和前述yz座标平面的方向移动。因此，在前述xy座标平面和前述yz座标平面上将分别产生反射位移角ξ1z和反射位移角ξ2z。而且反射位移角ξ1z与自由液面1的液面位移角α的关系为

ξ1z-cos^-1(cos²θ-cos2α+sin²θ)

ξ2z＝90°-cos^-1[(1-cos2α)sinθcosθ]                (1)

设α＝10′，θ-＝50℃，则ξ2z＝1.7即ξ2z是一个在精度范围内可以略去的值。设液体折射率为n时，液体透过后的光轴为

ξ1x′＝2nα

ξ2x′＝n·cos^-1(cos²θcos2α+sin²θ)                 (2)因此，前述反射位移角ξ1x′，反射位移角ξ1z′对前述液面位移角α的灵敏度不同。通过用光学组件对该反射位移角ξ1x′和反射位移角ξ1z′的位移角灵敏度之间的差进行补偿，便可以获得相同的灵敏度，进而可以获得能相对于全方位按某一固定比率产生角度偏移的光轴。

接着对图16进行说明。

在图4中，是在测试仪器主体上设置有液体封入容器，并由封入在该液体封入容器4中的液体形成自由液面。而且，由光源6发出的光束通过准直透镜5投射至该自由液面1，使其以相对于自由液面1形成全反射的预定的角度投射，该光束的光轴亦象前述的那样，位于yz座标平面内。

在前述自由液面1无倾斜的状态下，可沿由该自由液面1全反射的反射光束3的光轴，设置由一对楔状棱镜7，8构成的歪象光学棱镜系统9。

透过该歪象光学棱镜系统9的光束，由反射镜14沿铅直方向反射，且由该反射镜14反射后的光束，穿过由凸透镜10，11构成的光束扩展器12。在此设凸透镜10的焦点距离为f3，凸透镜11的焦点距离为f4，则凸透镜10和凸透镜11间的距离应为f3+f4。

而且，也可以将前述歪象光学棱镜系统9设置在由反射镜14反射后的光路中。

在图16中若将射向液体的入射角设定为θ＝45°，仪器的倾角，即自由液面的倾角α＝10′，液体折射率为n＝1.5，则用算式(2)计算自由液面1以x轴为轴线倾斜时的反射位移角ξ1x和自由液面1以z轴为轴线倾斜时的反射位移角ξ1z′，可分别有ξ1x′＝30′，ξ1z＝21.213′。因此，在前述反射位移角ξ1x′与前述反射位移角ξ1z′间，有(ξ1x′/ξ1z′)＝1.414倍的灵敏度差。因此，在此时有：

ξ1x′＝2nα，ξ1z′＝1.414nα

ξ1x′/ξ1z′＝1.414                                  (3)

下面，说明如何用前述歪象光学棱镜系统9对前述灵敏度差进行光学补偿。

利用图17，图18对歪象光学棱镜系统9进行说明。

设构成歪象光学棱镜系统9的前述楔状棱镜7，8的棱镜顶角为a7，a8，楔状棱镜7，8的相对角为b，折射率为ng，入射光束为Din，出射光束为Dout，当楔状棱镜7，8为同类棱镜时，其顶角为a＝a7＝a8，由于有

倍率Map＝(Din/Dout)＝cos²α/(1-ng²·sin²a)            (4)则角倍率近似为1/Map。因此若按公式

Map＝2nα/1.414nα＝1.414                             (5)选定前述棱镜顶角a，楔状棱镜7，8的相对角b，折射率ng(例如，当ng＝1.51时，取a＝25.559°，b＝40.653°)，便可以按2nα×1.414nα/2nα＝1.414nα，对透射过前述歪象光学棱镜系统9的ξ1x′进行变换，使光束3透射过歪象光学棱镜系统9后，有ξ1x′＝ξ1z′。

而且，透射过歪象光学棱镜系统9的反射光束3的光轴，在前述自由液面1向各方向倾斜时经常具有相同的反射位移角，因而，即使自由液面1向所有方向倾斜，对于这种倾斜也能经常获得相同的灵敏度的反射位移角。

而且，当透过前述歪象光学棱镜系统9，由前述反射镜14向上方反射的光束透过前述光束扩展器12时，若该光学扩展器12的角倍率为1/1.414n倍，则透射后的光轴的倾角为

(ξ1x′＝ξ1z′＝1.414nα)×1/1.414n＝α              (6)

即透过前述光束扩展器12后的最终光轴，仍能与前述自由液面大体正交，即保持为垂直方向。若光束扩展器12的凸透镜10的焦点距离为f3，凸透镜11的焦点距离为f4，则光束扩展器12的角倍率Mex为f3/f4，通过选择f3，f4的值，可使角倍率Mex为1/1.414n倍。

对于图16所示的实施例，为了在使前述歪象光学棱镜系统9转过90°时，M＝1/1.414，也可以通过适当地选择前述楔状棱镜7，8的棱镜顶角a7，a8，楔状棱镜7，8的相对角b和折射率n来实现。

采用前述光学系统中的歪象光学棱镜系统9的目的是把常规的椭圆形光束成形为圆形。例如当用激光二极管作光源时，可通过该歪象光学棱镜系统9使光束的剖面形状近似成圆形(激光二极管的光束形状为椭圆形)。

一般说来，组装使用有这种激光二极管的仪器，大多具有可作为激光指示器或激光标示器的功能，因而希望所照射的光束形状大体呈圆形。因此，按照本发明，利用歪象光学棱镜系统9进行光轴补偿，对能获得圆形形状的光束是非常有效的。

如上所述，通过用光学组件对相对于液面位移角的前述反射位移角ξ1x′和反射位移角ξ1z′的位移角灵敏度差进行补偿，使灵敏度相同，从而可以经常获得对各方向均按一定的比率产生角度偏转的光轴。

当向自由液面入射具有预定角度的光束、由前述自由液面对光束进行全反射、并用镜子等反射部件反射该入射光束、使其再次入射前述自由液面、并由前述自由液面对光束进行全反射，下面参照图19-图20就这种情况进行说明。当自由液面相对于液面倾斜时，对于液面的倾斜方向，由前述自由液面两次全反射后的光束其反射角变化的灵敏度是不同的。

在图19、图20中，与图14、图15中所示相同部件用相同的符号表示。

由光分束器15反射至前述自由液面1的入射光束2以角度θ入射，由前述自由液面1全反射，然后由反射镜16反射后再次入射至前述自由液面1，由前述自由液面1全反射，再透射过前述光分束器15，由前述反射镜14反射。下面就这种情形进行说明。

前述自由液面1与由座标轴x、座标轴y构成的x座标平面大体一致，且该座标平面垂直于座标轴y。前述入射光束z的光轴位于由前述座标轴z，座标轴y构成的座标平面内。前述自由液面1以座标轴x为基线从这一状态只倾斜角度α时，反射光束3的光轴将在前述yz座标平面内移动，只有反射角ξ1x在yz座标平面内有变化。这时的液面位移角α与反射位移角ξ1x间的关系为ξ1x＝4α，而不会在xy座标平面内产生反射位移角ξ2x。

与此相对应的是，若如图20所示，前述自由液面1以座标轴z为基线只倾斜角度α时，前述反射光束3将沿分别背离前述xy座标平面，前述yz座标平面的方向移动。因此，在前述xy座标平面和前述yz座标平面上将分别出现反射位移角ξ1z和ξ2z。而且，反射位移角ξ1z与自由液面1的液面位移角α间的关系为

ξ1z＝cos^-1{cos2α·sin²2θ-cos2θ-sin²θ-(sin²2α-

      cos²2α·cos2θ)cos²θ}

ξ2z＝90°-cos^-1 {[1/2(sin²2α-cos²2α·cos2θ-

      cos2θ)+cos2α·cos2θ]sin2θ}                  (7)

设α＝10′，θ＝45°，则ξ2z＝3.49″，因此ξ2z是一个在精度范围内可以略去的值。而且设液体折射率为n，则透过液体后的光轴为

ξ1x′＝nξ1x

ξ1z′＝nξ1z                                         (8)

设α＝10′，θ45°，n＝1.5，则

ξ1x′＝60′

ξ1z′＝ncos^-1{cos2α-1/2(sin²2α)}

      ＝42.426′

ξ1x′/ξ1z′＝1.414                                  (9)

因此，在θ＝45°时，前述反射位移角ξ1x′、ξ1z′间相对于前述液面位移角α的灵敏度差，与前述的由自由液面1进行一次反射时的情况相同。因此，可以利用歪象光学棱镜系统9经常获得相对于倾斜保持为相同的灵敏度的反射位移角。

这里，歪象光学棱镜系统9的角倍率Map为：

Map＝4nα/2.829nα＝1.414

1/Map＝γap＝1/1.414＝0.70721                        (10)

因此，透过歪象光学棱镜系统9时，就按

ξ1x′＝4nα×1/1.414＝2.829n

ξ1z′2.829n                                         (11)进行补偿。此外，为使透过歪象光学棱镜系统9的光束光轴保持为铅直，可在n＝1.5时，使设定的光束扩展器12的倍率Mex为：

Mex＝2.829nα/2＝2.829n＝4.244

γex＝1/Mex＝1/2.829n＝0.236                         (12)

如上所述，通过用光学组件对相应于液面位移角的前述反射位移角ξ1x′和反射位移角ξ1z′间的位移角灵敏度差进行补偿，以获得相同的灵敏度，从而可以经常获得对各方向都按一定比率产生角度偏转的光轴。

下面，对具有这种角度自动补偿机构的本发明的实施例进行说明。

图1示出了第一实施例，它设置有封入了透明液体20的前述液体封入容器4，具有使光束25对着前述透明液体20的自由液面1同水平方向或45°角入射的光轴的第一投射光系统21，以及沿着与该第一投射光系统21为同一光轴的、夹着前述液体封入容器4的、与该第一投射光系统21相对的第2投光系统22。

在前述液体封入容器4内部设置有防止液体摇晃器具23。该器具23具有一转动轴线，后者位于前述第一投光系统21的光轴与前述透明液体20的交叉点上。如后所述，该防止液体摇晃器具23具有一透明的防止液体摇晃板24，该板24位于比前述透明液体20的自由液面1低的和淹没于液体中的位置处，且一般呈水平状态并可自由转动。由前述第一投射光系统21发出的光束25，在入射液体封入容器4后，将透射过透明液体20、防止液体摇晃板24，由前述透明液体20的液面全反射，再透射过防止液体摇晃板24、透明液体20，发射至液体封入容器4之处。

由前述透明液体20的自由液面1反射后的反射光束26，由反射镜14沿垂直方向反射。在由该反射镜14反射后的反射光束26的光路上，配置有歪象光学棱镜系统9，光束扩展器12、五棱镜27，且该五棱镜27可自由转动，以使前述反射光束26沿水平方向射出。

按前述方式构成的歪象光学棱镜系统9在各方向具有相同的反射灵敏度，且光束扩展器12可进行最后的灵敏度调整。因此，透射过该光束扩展器12的光束的光轴，经常对铅直方向进行补偿，而与整个构成的倾斜无关。因此，通过转动前述的五棱镜27，便可以获得基本上不变的水平基准面，即本发明可用在水平显示器中。

图2示出了整个构成转动90℃时的构成方式。

由于前述防止液体摇晃板24呈水平状，当转过90°时，透明液体20的自由液面1仍相对于重心呈水平状，所以当全部构成转过90°时，前述防液体摇晃器具23也随之转过90°。

由前述第2投光系统22发出的光束，由前述透明液体20的自由液面1全反射，反射光束的光轴与转过90°之前的射出光轴为同一光轴。由于整个光学系统转过了90°，所以可使透射过前述光束扩展器12的光束光轴经常保持水平，进而可转动前述五棱镜27，将照射的基准面变换为铅直方向，从而获得与整体构成倾斜无关的、保持不变的垂直基准面。

封装入液体封入容器4中的透明液体20在由于外来振动产生摇晃时，前述防止液体摇晃器具23可用来抑制这一液体摇晃。

现参照图9-11，与液体封入容器4一起说明防止液体摇晃器具20。

在正八角形状液体封入容器4内封入透明液体，在该透明液体20的自由液面1内，通过摆轴28设置有具有转动中心的防止液体摇晃器具23。而且前述液体封入容器4由玻璃等透明材料构成，或至少使光束射入、射出处用透明部件构成。

该防止液体摇晃器具23具有突起设置在前述摆轴28上的剖面呈凹状的摇动框架29，以及一对挂在该摇动框架29下面的梯形锤。在前述摇动框架29的中央处，嵌装有可透过光束的透明板，特别是不会产生光衰减的象玻璃板那样的防止液体摇晃板24，该防止液体摇晃板24和前述摇动框架28的上表面在同一平面上，且该上表面呈相对于前述自由液面1埋没于水下的状态。

前述防止液体摇晃器具23的重心，位于前述防止液体摇晃板24的下方，所以不论前述液体封入容器4如何放置，前述防止液体摇晃板24的表面仍可保持为水平状态。

入射至液体封入容器4的光束，透射过前述透明液体20，前述防止液体摇晃板24，由前述自由液面1全反射，再透射过防止液体摇晃板24，透明液体20，从液体封入容器4射出。

如果将前述防止液体摇晃器具23的固有频率选择得比封入在前述液体容器4中的透明液体20的固有频率小，则通过液体的粘性和防止液体摇晃板24的阻尼作用，便可抑制自由液面1的摇晃。而且，通过使防止液面摇晃器具23的转动中心处在自由液面1上光束反射点上的方式，便可以在转过90°时，仍使前述液体封入容器4保持在同样的状态，当按前述方式从相对方向射入的光束入射时，就使光束沿同方向反射。

因此，可以对角度自动补偿装置的水平状态和铅直状态分别进行角度补偿。

由于前述第一投射光系统21、第2投射光系统22向自由液面1的入射角度大约为45°，所以为对光束全反射，需要使用折射率约为1.4以上的液体物质。而且，也可以不利用全反射而利用部分反射光。另外，前述防止液体摇晃板24和摇动框架29的上表面也不一定要在同一平面上，特别是前述锤30的形状并不仅限于梯形，也可以为矩形、圆形等等其它适用的形状。显然，反射镜14也可以用棱镜等其它的反射部件替换。

下面用图3说明第2实施例。

该装置包括：相对于封装入前述液体封入容器4内的前述透明液体20的自由液面1具有使光束25沿与水平面成45°角的方向入射光轴的第一投光系统21，在与该光束25的光轴相正交的光轴上，还设置有位于夹着前述液体封入容器4的对称位置上的第1反射镜31，第2反射镜32。

前述第1反射镜31将由液体封入容器4射出的反射光束26沿垂直方向反射，前述第2反射镜32将由液体封入容器4射出的反射光束26，沿与前述第1反射镜31的反射光轴相交叉的方向反射，且在由前述第2反射镜32反射的光束与由前述第1反射镜31反射的光束相交叉的位置处，设置有光分束器33。该光分束器33使来自前述第1反射镜31的光束透过，并使来自前述第2反射镜32的反射光束按与来自前述第1反射镜31的反射光束的光轴相重合的方式反射。在由前述光分束器33射出光束的光路上，依次设置有歪象光学棱镜系统9，光束扩展器12和五棱镜27。

当整个构成呈垂直状态时，如图3所示，由自由液面1反射后的光束26，由前述第1反射镜31沿垂直方向反射，由前述歪象光学棱镜系统9、光束扩展器12补偿至垂直方向，再由前述五棱镜27沿水平方向射出。通过转动五棱镜27，便可获得水平的转动照射面。

虽然没有特别用图示出，在使整个构成沿图3中的箭头方向倒转90°的状态下，自由液面30也转过90°，由自由液面1反射的光束26被前述第二反射镜32、光分束器33反射后透过前述歪象光学棱镜系统9、光束扩展器12而补偿为水平的光束。然后转动五棱镜27，便获得垂直回转照射面。

显然，前述第1反射镜31、第2反射镜32可用棱镜等其它反射组件替换。

若采用第2实施例，也可以对角度自动补偿装置的水平状态、垂直状态这两种状态分别进行补偿。

上述两个实施例中，不论光束转动照射面形成为水平面还是铅直面，均可在各方向上实现同样的倾斜补偿。然而，在形成为铅直面时，对水平方面角的角度补偿，在实际使用时不需十分精确，故转动使用这种构成时，并不会有实用上的障碍。

图4所示的第3实施例，是由图3所示的第2实施例除去了歪象光学棱镜系统9，而在第1反射镜31和光分束器33之间设置了圆柱形透镜34。即仅在反射光束26沿垂直方向射出的光路中，组装入圆柱形透镜34，以使前述自由液面1产生的反射灵敏度沿各方向都相同，并由前述光束扩展器12作最终的灵敏度调整，以获得相应于各方向补偿为铅直的光轴。这样，通过转动前述的五棱镜27，即可以使所照射的光束面经常保持为水平。

第3实施例被倒转90℃以呈图4所示的状态时，对于整体构成的倾斜，由自由液面1反射的光束仅由光束扩展器12通过倍率调整而进行水平补偿，所以对于水平方向角会显示有小角度的摇晃。而且，虽然转动五棱镜27，也可以使转动照射的光束面经常保持为铅直，但对该铅直面的水平方向的角度要作补偿。然而，即使有前述这种水平角方向的摇晃，也可以转动整体构成，这在实用上并不会产生障碍。因此若按第3实施例利用本发明，可以仅在一侧光轴上配置可使自由液面1产生的反射灵敏度沿各方向都相同的光学系统，从而可以缩小其构成的尺寸。

图5所示的第4实施例，是用可发出线偏振光的半导体激光器等光源作为光源的，在将由投射光系统21发出的光束设定为与纸面相平行的线偏振光的同时，还在前述第1反射镜31和光分束器33之间，或是在第2反射镜32与光分束器33之间(图5中是在第2反射镜32与光束扩展器33之间)，设置用于改变光束偏光方向的双折射部件，例如1/2波长板35，使第2反射镜32反射光束的偏光方向改变到与第一反射镜31光束方向或直角的方向。

前述光分束器33，是具有可反射与纸面相垂直的偏光光束且透射与纸面相平行的偏光光束的偏光特性的偏振光分束器。这样，通过使来自第1反射镜31的光束透过，且使由第2反射镜32反射并透射过1/2滤长板35的光束被反射的方式，光分束器33可将两个反射光束会聚在同一光轴上。

于是，通过改变彼此的偏振光方向，便可大大降低光分束器33产生的衰减，而将前述两个反射光束的光轴以高光传输效率地重合。

图6示出了第5实施例。

与前述液体封入容器4的自由液面相对设置使经过光分束器36同水平面成45°角并使光束25入射的第一投射光系统21，在同该光束25的光轴垂直的光轴上和在夹着前述液体封入容器4的对称位置上设置第一反射镜和第二反射镜32。

当整体构成处于如图6所示的状态时，来自前述第1投射系统21的反射光束26，由前述光束分离器36反射，以45°角入射至前述自由液面1，再进行全反射，由第1反射镜31反射，然后再由前述自由液面1全反射，透射过前述光分束器36。

由前述自由液面1两次全反射并透射过前述光分束器36的光束，由反射镜14沿垂直方向反射，在由该反射镜14反射后的光束光路上，配置有歪象光学棱镜系统9和光束扩展器12。

利用前述歪象光学棱镜系统9和光束扩展器12，可使前述自由液面1产生的反射灵敏度沿各方向都相同。而且，当由前述自由液面1进行两次反射且入射角为45°时，如前所述，可以形成与由自由液面1进行一次反射时大体相同的、沿各方向都一样的灵敏度。因此，可以获得与整体构成的倾斜无关的、垂直补偿过的光轴。

透射过前述光束扩展器12的光束，由五棱镜27沿水平方向射出，面且若转动五棱镜27，便可获得通常呈水平的转动照射面。

当沿图6中箭头A所示方向倒转90°时，来自前述第1投射光系统21的反射光束26由前述光分束器36反射，以45°角入射至转过了90°的前述自由液面1再进行全反射，由第2反射镜32反射，然后再由前述自由液面1全反射，透射过前述光分束器36，歪象光学棱镜系统9和光束扩展器12。

利用前述歪象光学棱镜系统9和光束扩展器12，可使前述自由液面1产生的反射灵敏度沿各方向都相同，且透射过光束扩展器12的光束通常保持为水平。利用前述五棱镜27，便可以使转动照射的转动照射面形成为与构成的倾斜无关的、通常保持为铅直的平面。

显然，图中的防止液体摇晃器具23，也可以如前述抑制自由液面1的摇晃。

第6实施例示于图7，该第6实施例是在前述第5实施例的构成基础上，在前述液体封入容器4和第1反射镜31之间，加设了用于改变光束偏振光方向的双折射部件，例如1/4波长板，且在前述液体封入容器4和第2反射镜32之间，加设了用于改变光束偏振光方向的双折射部件，例如1/4波长板38。而且在实施例中，是采用可发出线偏振光的半导体激光器等作为光源，并设定由投射光系统21发出的光束为与纸面相垂直的线偏振光，且光分束器36反射与纸面相垂直方向的偏振光，并成为具有能透过同纸面相平行方向的偏振光的偏光特性的偏振光分束器。

这样，由投射光系统21发出的、由光分束器36反射并照射在自由液面上的光束，变为与纸面垂直方向的线偏振光。由该自由液面1反射后的线偏振光，两次透射过1/4波长板37或1/4波长板38而变成与纸面平行的线偏振光，返回至光分束器36的光束，将透射过光分束器36，再投射至反射镜14。

通过使这样的光分束器作为偏振光光分束器可以大大降低在光分束器36中的衷减，从而可以高效率地使用。

第7实施例示于图8，它是在光分束器36与自由液面1之间的光路上配置了1/4波长板39，取代了第6实施例中的1/4波长板37、38，而光分束器36的偏光特性等均与第6实施例中的相同。

这样，由投射光系统21发出的与纸面垂直方向的线偏振光，透过1/4波长板，再透射过液体封入容器4，由前述第1反射镜31、第2反射镜32反射后再次透射过液体封入容器4的光束，将再次透射过1/4波长板39，变成与纸面平行方向的线偏振光，再透射过光分束36后投射至反射镜14。

对于第7实施例，通过用偏振光光分束器作为光分束器36的方式，也可以大大降低光分束器36中的光衰减，进而可高效率地使用。

图12示出了本发明的应用实例。

对于前述各实施例，在实际使用时整体构成的倾斜量通常会受到限制。因此在使用时，必需要检测倾斜是否处于所要求的倾斜限制范围内。为了满足这种要求可以按下述方法操作。

现对图1所示的前述第1实施例进行说明。配置半透镜40以取代前述的反射镜14，移动前述歪象光学棱镜系统9，将其设在该半透镜40和前述液体封入容器4之间。由前述自由液面1反射的光束分成沿垂直方向的反射光束41和透射光束42。该透射光束42透射过凸透镜43，穿过贯通设置在遮光板44上的针孔45，由光接收元件46接收。前述针孔45配置在前述凸透镜43的焦点处。使前述针孔45的直径与限制范围的大小相对应。

当整体构成倾斜时，来自自由液面1的反射光束的光轴角度将产生偏移。由于如前所述该构成具有歪象光学棱镜系统9，所以对于整体构成的倾斜角，反射光束将表现出对各方向都相同的灵敏度。前述透射光束42穿过前述凸透镜43、针孔45被前述光接收元件46接收。然而，由于针孔45配置在凸透镜43的焦点处，故聚光后的光束在针孔45上移动，当移动量大到一定程度时，光束将被前述遮光板44遮住。

按照在该移动量超过所要求的倾斜限制时应使前述光接收元件46的受光量低于预定光量的要求，决定前述针孔45的直径(见图3)。

这样，通过监测前述光接收元件46的受光量，即可判断出整体构成的倾斜量是否在限制的角度范围内。

若省去针孔45且用CCD等光接收元件作为前述光接收元件，也可以用该光接收元件46来检测光斑的位置。

根据上述的本发明，由于不需要特别准备用于再次安置光学系统或光学系统之一部分的多余的机构，装置中的共用光路即可分别对略呈水平状态或略呈铅直状态这两种状态进行自动补偿，所以装置简单，从而提高可操作性，并可提高其精度及可再现性。由于利用了通常保持为水平的自由液面的反射，所以不再需要原有摆锤式角度补偿装置那么高精度的组装技术，因此，组装简单；由于采用将液体注入液体封入容器的操作取代象原来摆锤式角度补偿装置那样吊挂光学部件的操作，使使用大为简化，即使由不同的操作者进行组装，也不会造成组装精度偏差；液体被完全密封，所以不会随时间产生变化，从而具有良好的抗环境影响性能；还可利用液体的粘度对外来振动、冲击进行制动，而不需要设置复杂的制动装置。

Claims (13)

1.一种角度自动补偿装置，包括：封入有用于形成自由液面的透明液体的液体封入容器；使要由前述自由液面反射的光束以确定的角度照射在该自由液面上的第1投射光系统；使设置在前述自由液面另一侧的与前述第1投光系统相对位置处的整个装置在转过90℃时将要由该自由液面反射的光束以确定的角度照射在该自由液面上的第2投射光系统；以及用于将要由前述自由前述自由液面反射的光束进行引导和投影的投影光学系统。

2.如权利要求1所述的角度自动补偿装置，其特征在于还具有可自由转动地设置在液体内、其转动轴线与自由液面大体一致的防止液体摇晃板。

3.一种角度自动补偿装置，它包括：封入有用于形成自由液面的透明液体的封入容器；使要由前述自由液面反射的光束以确定的角度照射在该液面上的投射光系统；在装置倾斜为0°时用于将由自由液面反射的光束进行引导的第1反射部件；以及用于将由前述自由表面反射的光束进行投影的投影光学系统，该投影光学系统具有配置在与前述第1反射部件相对位置处的在装置倾斜为90°时用于将由自由液面反射的光束进行引导的第2反射部件。

4.如权利要求3所述的角度自动补偿装置，其特征在于，它还包括有以可自由转动方式设置在液体内的、其转动轴线与自由液面大体一致的防止液体摇晃板。

5.如权利要求3或权利要求4所述的角度自动补偿装置，其特征在于投影光学系统还具有设置在来自第1反射部件的反射光束和来自第2反射部件的反射光束的交叉位置处的光分束器。

6.如权利要求5所述的角度自动补偿装置，其特征在于，投射光系统是照射具有确定偏光方向偏振光的系统，投影光学系统在包括第1反射部件的光路和包括第2反射部件的光路中的至少一个光路上还具有用于改变偏振光方向的双折射部件，且光分束器为偏振光分束器。

7.一种角度自动补偿装置，它包括封入有用于形成自由液面的透明状液体的液体封入容器，使由前述自由液面反射的光束以确定的角度照射在该自由液面上的投射光系统，用于使前述自由液面反射的光束再次朝向自由液面反射的第1反射部件，配置在与前述第1反射部件相对位置的、用于在装置整体转过90°时将由自由液面反射的光束再次朝向自由液面反射的第2反射部件，以及用于引导由自由液面再次反射后的光束投影的投影光学系统。

8.如权利要求7所述的角度自动补偿装置，其特征在于，它还包括有以可自由转动方式设置在液体内的、转动轴线与自由液面大体一致的防止液体摇晃板。

9.如权利要求7或权利要求8所述的角度自动补偿装置，其特征在于，它设置在用于分离来自投射光系统的光束和来自自由液面的反射光束的投光系统光路上，还设置有光分束器。

10.如权利要求9所述的角度自动补偿装置，其特征在于，其投射光系统为可照射具有确定偏光方向的偏振光系统，在自由液面与第1反射部件间设置有用于改变偏振光方向的双折射部件，在自由液面与第二反射部件间设置有用于改变偏振光方向的双折射部件，且光分束器为偏振光分束器。

11.如权利要求9所述的角度自动补偿装置，其特征在于，其投射光系统为可照射具有确定偏光方向的偏振光的系统，在自由液面与光分束器之间设置有用于改变偏振光方向的双折射部件，且光分束器为偏振光分束器。

12.如权利要求1，3或7所述的角度自动补偿装置，其特征在于，它还具有用于接收从自由液面反射的、穿过针孔的光束的光接收元件，并由光接收元件的光束受光状态来检测装置整体的倾斜是否在限制的范围内。

13.如权利要求2，4或8的角度自动补偿装置，其特征在于，防止液体摇晃板是透明的，并部分沉没在自由液面下，在该防止液体摇晃板上设置有保持水平用的锤。

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