CN1250870A

CN1250870A - 位置测量设备和设定倾斜的回转激光设备

Info

Publication number: CN1250870A
Application number: CN99121064.6A
Authority: CN
Inventors: 熊谷薰; 大友文夫; 西正之
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 1998-09-29
Filing date: 1999-09-28
Publication date: 2000-04-19
Also published as: EP0989387B1; EP0989387A3; US6473714B1; DE69925688D1; DE69925688T2; EP0989387A2

Abstract

本发明的一个目的是提供一种用于激光测量仪的设定倾斜回转激光设备。本发明提供了一种结构,在这种结构中,激光投射器投射一激光束,倾侧装置在至少一个方向上倾侧激光投射器,倾斜探测装置的一第一光学系统将光源来的光送向具有自由表面的一液体部件,光接收装置接收在液体部件上反射的光,一第二光学系统将在液体部件上被反射的光引导到光接收装置,算术运算装置根据光接收装置的接收到的信号计算倾斜,由此,根据倾斜来驱动倾侧装置,使激光投射器倾斜到所需的倾斜位置。

Description

位置测量设备和设定倾斜的回转激光设备

本发明涉及一种用在激光束可以以相对于水平面倾斜的角度射出的激光测量仪中的设定倾斜的回转激光设备。

诸如记载在第6-26861号的日本专利公开公报中的回转激光设备可从市场上获得。根据该专利图12中所示的回转激光设备，一激光束可回转地射出，以形成一激光基准面。此外，图中所示的结构允许激光基准面倾斜。

也就是说，一激光投射器10基本上设置在外壳5的中心，回转扫描单元13设置在激光投射器10的上面。扫描电动机15通过齿轮使回转扫描单元13在水平方向回转。一五棱镜18设置在回转扫描单元13中，使得照射在回转扫描单元13的回转轴上的激光束偏振90度，以形成激光基准面。

激光投射器10和回转扫描单元13设置成在两个彼此垂直的方向上倾斜。激光投射器10设置有一第一倾斜传感器20和第二倾斜传感器21。第一倾斜传感器20和第二倾斜传感器设置成彼此以直角交叉。

此外，激光投射器10设置有一第一倾斜设定传感器65和第二倾斜设定传感器66。第一倾斜设定传感器65和第二倾斜设定传感器66的倾斜方向与第一倾斜传感器20和第二倾斜传感器21分别延伸的彼此垂直的两个方向一致。因此，激光投射器10能相对于由第一倾斜设定传感器65和第二倾斜设定传感器66确定的位置倾斜。

第一倾斜设定传感器65和第二倾斜设定传感器66设置在一基板上，可借助第一任意角度设定单元52和第二任意角度设定单元53(未示出)任意设定倾斜角。

第一任意角设定单元52和第二任意角设定单元53由第一倾侧电动机58和第二倾侧电动机59(未示出)经一齿轮驱动。

外壳5上设有一第一设定倾斜单元35和一第二设定倾斜单元36(未示出)。用第一设定倾斜单元35和第二设定倾斜单元36来使激光投射器10和回转扫描单元13倾斜，以使第一倾斜传感器20和第二倾斜传感器21的方向彼此垂直。

第一设定倾斜单元35和第二设定倾斜单元36由第一倾斜调节电动机31和第二倾斜调节电动机32(未示出)经一齿轮来驱动。

激光投射器10具有沿垂直于它的方向延伸的一第一臂25和一第二臂26(未示出)。第一臂25和第二臂26分别与第一设定倾斜单元35和第二设定倾斜单元36接合。

当该设备设定倾斜时，激光基准面与设定基准位置的水平面一致。倾侧机构对应于倾侧装置。

当该设备设定水平面时，用第一倾斜传感器20和第二倾斜传感器21探测水平位置。同时，使回转扫描单元13的回转轴处于垂直，使第一倾斜设定传感器65和第二倾斜设定传感器66处于水平位置。

然后，第一任意角设定单元52和第二任意角设定单元53根据通过输入装置输入的倾侧角而被驱动，使第一倾斜设定传感器65和第二倾斜设定传感器66在相对于一预定倾斜角的负方向倾斜。

第一倾斜设定传感器65和第二倾斜设定传感器66在负方向倾斜之后，驱动第一设定倾斜单元35和第二设定倾斜单元36，直到第一倾斜设定传感器65和第二倾斜设定传感器66用它们的输出信号指示水平状态，由此激光投射器10和回转扫描单元13倾斜。当第一倾斜设定传感器65和第二倾斜设定传感器66用它们的输出信号指示水平状态时，倾斜设定动作就告完成。

图13是一示意图，它示出了控制该设备的控制部分。

第一固定气泡管20和第一任意角度设定气泡管65经一第一切换回路85向一第一角度探测回路87提供探测结果，而第二固定气泡管21和第二任意角度设定气泡管66经一第二切换回路86向一第二角度探测回路88提供探测结果。

第一角度探测回路87和第二角度探测回路88分别设定一基准角度91和一基准角度92。基准角度91和基准角度92在通常状态下设置为零。

当一来自第一固定气泡管20的信号经第一切换回路85输入到第一角度探测回路87时，第一角度探测回路87探测一相对于基准角度91的偏离量。然后，第一角度探测回路87将一信号供应到第一电动机控制器89，一第一水平调节电动机31由第一电动机控制器89控制。

当来自第一固定气泡管20和任意角设定气泡管65的信号经第一切换回路85输入到第一角度探测回路87时，第一角度探测回路87产生一对应于偏离量的信号。然后，指示偏离量的信号供应到一第一倾斜驱动回路83，一第一驱动电动机58的驱动由第一倾斜驱动回路83控制。此外，当来自第二任意角设定气泡管66的信号经第二切换回路86输入到第二角度探测回路88时，第二角度探测回路88探测一相对于基准角度92的偏离量。然后，第二角度探测回路88将一信号供应到第二电动机控制器90，一第二水平调节电动机32由第二电动机控制器90控制。

第二角度探测回路88的信号供应到第二电动机控制器90，第二水平调节电动机32的驱动由第二电动机控制器90控制。然后，第二角度探测回路88的信号和一任意角设定回路82的信号供应到一第二倾斜驱动回路84，一第二驱动电动机59的驱动由第二倾斜驱动回路84控制。

然后，第一角度探测回路87和第二角度探测回路88所产生的角度偏离量供应到一鉴别器93。鉴别器93从第一角度探测回路87和第二角度探测回路88的角度偏离量中选择一较大的角度偏离量，并将一对应于所选定的角度偏离量变量的输出供应到一显示器驱动器94。该显示器驱动器94使显示器95显示对应的偏离值。

根据此已有技术的实施例，由激光束形成的基准面可以设定为水平或倾斜一任意角度。下面首先描述形成水平基准面的激光测量仪的调平操作。

如果安装一主机4而不进行调节，则激光投射器10的轴一般与垂直线不一致，因此第一固定气泡管20和第二固定气泡管21不是水平的。

第一切换回路85建立一从第一固定气泡管20到第一角度探测回路87的信号线路，而第二切换回路86建立一从第二固定气泡管21到第二角度探测回路88的信号线路。

如果基准角度91设定为零，第一角度探测回路87产生一角度偏离信号，而如果基准角度92设定为零，则第二角度探测回路88产生另一角度偏离信号。当产生角度偏离信号时，第一电动机控制器89和第二电动机控制器90以一预定方向驱动第一水平调节电动机31和第二水平调节电动机32，使角度偏离信号变为零。

要求由回转激光设备形成的激光平面具有较高的倾斜精度，因为激光平面起到一基准平面的作用。钟摆类倾斜探测设备能够在一相当宽的探测范围内探测倾斜角。但是，钟摆类倾斜探测设备包括一机械驱动部分，因此，探测精度受到摩擦牵引的影响，难以探测以只有机秒大小的角度。

图14所示的电气类气泡管10000是探测测量仪倾度的传统元件。气泡管10000具有一封闭在其内的气泡5000和形成在其上的电极6000和7000，从而能通过测量静电电容的电气方法来确定设备的倾斜度。

电气类气泡管10000由一空心玻璃管制成，其内封闭有液体和气泡5000。电极6000和7000形成在玻璃管的外侧上，没有机械驱动部分，从而能够通过气泡的移动来精确地探测静电电容。

当用气泡管系统精确地探测倾度时，要求玻璃管有一大的弯曲半径。但是，大弯曲半径的玻璃管的气泡管仅能提供小的探测范围，而且代价很高。

此外，大弯曲半径的玻璃管制成的气泡管只能为探测静电电容提供一窄的动态范围，这样就将探测范围限制在水平面周围。因此，为了用高精度确定倾度，就必须采用一固定传感器和一设定倾斜的传感器。此外，如果需要探测两个方向的倾斜，就必须有四个倾斜传感器。

此外，任意角设定单元的结构很复杂，它带来的不是磨损产生的误差就是由磨擦产生运动误差的严重问题。

而本发明提供一种结构，在这种结构中，激光投射器投射一激光束，倾侧装置以至少一个方向倾侧激光投射器，倾斜探测装置的一第一光学系统将光源的光送向具有自由表面的一液体部件，光接收装置接收在液体部件上反射的光，一第二光学系统将液体部件上反射的光引导到光接收装置，算术运算装置根据光接收装置接收到的信号计算倾斜，由此，就可以根据倾斜来驱动倾侧装置而使激光投射器倾斜。

下面是结合清楚地示出本发明较佳实施例的附图而给出的说明，通过说明，本发明的其它目的和优点就一清二楚了。

附图1至12示出了本发明的一个实施例，图12至14示出了已有技术，在附图中：

图1是一示意图，它示出了本发明一实施例的倾斜传感器的结构；

图2是一示意图，用于说明实施例的一暗场图案；

图3是另一示意图，用于说明实施例的暗场图案；

图4是一示意图，用于说明实施例的液体部件；

图5是一示意图，用于说明测量原理；

图6是另一示意图，用于说明测量原理；

图7是又一示意图，用于说明测量原理；

图8是一示意图，它示出了本实施例算术运算装置的结构；

图9是另一示意图，它示出了本实施例算术运算装置的结构；

图10是一示意图，用于说明本实施例的一设定倾斜回转激光设备；

图11是一示意图，用于说明本实施例的设定倾斜回转激光设备的电气结构；

图12是一示意图，用于说明一已有技术；

图13是另一示意图，用于说明一已有技术；

图14是又一示意图，用于说明一已有技术；

图15是一示意图，用于说明用于电子经纬仪的本实施例；

图16是一示意图，用于说明用于电子经纬仪的本实施例。

下面将结合附图描述本发明的一实施例。

首先描述本发明实施例的一设定倾斜回转激光设备5000中所采用的倾斜传感器1000。倾斜传感器1000对应于倾斜探测装置，等效于一位置测量设备。

图1是示意图，它示出了本发明第一实施例中的倾斜传感器1000的光学结构。倾斜传感器1000包括一光源100、一聚光镜200、一暗场图案(dark-fieldpattern)300、一第一图案中继透镜410、一第一半透明反射镜510、一具有自由表面的液体部件600、一第二图案中继透镜420、一第二半透明反射镜520、一第一圆柱透镜710、一第二圆柱透镜720、一第一光接收元件810、一第二光接收元件820和算术运算装置16。

尽管第一实施例的光源100是由LED所形成的，但任何种类的光源都可使用。

用聚光镜200使来自光源100的光线平行，聚光镜200对应于一第一光学系统。

暗场图案300在第一光接收元件810和第二光接收元件820上形成一图案映象。暗场图案300对应于一图案。

图2是一示意图，它示出了本发明第一实施例中形成一两维阵列的暗场图案300。如图2所示，暗场图案300是由一黑色掩蔽部分和多个设置在黑色掩蔽部分中的透明图案部分所形成。图案也可由一透明的基底部分和多个形成在透明基底部分中的黑色图案部分所形成。

图3是第一实施例的暗场图案300中的多个透明图案部分的放大视图。如图3所示，图案部分以彼此垂直的X轴向和Y轴向排成阵列。即，第一实施例的暗场图案300是一种绝对图案，在该图案中，两轴(X轴和Y轴)指示绝对位置，图案在X轴向和Y轴向延伸。

在X轴向排列的纵列用i(i＝1至N)编号，而以Y轴向排列的行列以j(j＝1至K)编号，一具体的图案元素用P_ij(i＝1至N，j＝1至K)标记。在图3所示的例子中，N＝9，K＝8。

下面将描述在第一行列(j＝1)中延伸的图案的排列。

第一行列的图案是由一第一图案A、第二图案B、第三图案C和第四图案R所形成，各图案以一定的间隔(p)重复排列。即，一组图案或者说由四类图案组成的一图案区连续形成。设置在最左侧的图案区称为1-区，形成该区的每一图案标记如下：R、A(1)、B(1)、C(1)。按照符号，重复排列的下面的图案可以标记如下：R、A(2)、B(2)、R、A(3)、B(3)、C(3).....

即，形成下列对应关系：P₁₁＝R、P₂₁＝A₁、P₃₁＝B₁、P₄₁＝C₁、P₅₁＝R、P₆₁＝A₂、P₇₁＝B₂、P₈₁＝C₂、P₉₁＝R。

下面将描述在第一纵列(i＝1)中延伸的图案的排列。

第一纵列的图案是由一第一图案A、第二图案B、第三图案C和第四图案R所形成，各图案以一定的间隔(p)重复排列。即，一组图案或者说由四类图案组成的一图案区连续形成。设置在最上侧的图案区称为1-区，形成该区的每一图案标记如下：R、A(1)、B(1)、C(1)。按照符号，重复排列的下面的图案标记如下：R、A(2)、B(2)、R、A(3)、B(3)、C(3).....

即，形成下列对应关系：P₁₁＝R、P₁₂＝A₁、P₁₃＝B₁、P₁₄＝C₁、P₁₅＝R、P₁₆＝A₂、P₁₇＝B₂、P₁₈＝C₂。

用第一图案中继透镜410将通过暗场图案的光束引导到第一半透明反射镜510。

本发明第一实施例的第一半透明反射镜510是一具有半透明表面511的分光镜。入射在第一半透明反射镜510的光束朝上穿过半透明表面511，然后入射在具有一自由表面的液体部件600上，在具有一自由表面的液体部件600上反射的光束在第一半透明反射镜510的半透明表面511上反射，并射向第二图案中继透镜420。

第一半透明反射镜510有一相对于来自光源100的反射光束倾斜的倾斜表面512。

这是因为从光源100入射在第一半透明反射镜510上的光束朝上射过半透明表面511，但一部分光束在半透明表面511上被反射。如果在表面上反射的那部分光束在第一半透明反射镜510的端部表面上被反射，然后沿相反的方向在同样的光学路径上传播，那么光束将再通过半透明表面511射向第二图案中继透镜420。

在半透明表面511上反射的反射光束可阻碍倾斜探测，从而引起误差。因此，在本发明的第一实施例中，第一半透明反射镜510的端部表面做成一倾斜表面512，它相对于从光源100通过半透明反射镜的光束倾斜。

因此，尽管从光源100在半透明表面511上反射的光束再在倾斜表面512上反射，但再在倾斜表面512上反射的反射光束将不再沿相反的方向在同样的光学路径上通过。因此，反射光将不会经第二图案中继透镜420入射在第一光接收元件810和第二光接收元件820上。因此，可进行具有高精度的测量。

光源100和反射光源100光束的具有自由表面的液体部件600的表面可以设置成共轭关系。

这样，液体部件600的反射区域变为最小，其结果是表面张力引起的误差也降到最小。此外，液体部件600的体积可以做得很小。

具有自由表面的液体部件600充注具有恰当粘性诸如硅油的液体。由于液体部件600具有自由表面，所以该表面总是保持在一水平面上。

此外，本实施例的液体部件600可与第一半透明反射镜510形成一体。

本实施例的第一半透明反射镜510可以在接触液体部件600的表面上设置一防止反射的薄膜。

本实施例的液体部件600和第一半透明反射镜510可以做成具有一彼此相互类似的折射率。

第一半透明反射镜510对应于一半透明反射镜。

在具有自由表面的液体部件600上、也在第一半透明反射镜510上反射的光束通过第二图案中继透镜420，从而在第一光接收元件810和第二光接收元件820上形成图案映象。即，用第二图案中继透镜420在第一光接收元件810和第二光接收元件820上形成暗场图案300的映象。

第二图案中继透镜420对应于第二光学系统，并设置在离开第一光接收元件810和第二光接收元件820一段距离的位置上，此距离等于图案中继透镜420的焦距f。

用第二半透明反射镜520将暗场图案300的映象光束分裂成第一光接收元件810和第二光接收元件820的光束。

用第一圆柱透镜710将暗场图案300的映象光束聚集在X轴方向。第一圆柱透镜710对应于第一光学元件。

例如，第一圆柱透镜710将第一行列P₁₁＝R、P₂₁＝A₁、P₃₁＝B₁、P₄₁＝C₁、P₅₁＝R、P₆₁＝A₂、P₇₁＝B₂、P₈₁＝C₂、P₉₁＝R的图案的光束如图所示聚集图3的右角。

即，P_i1(i＝1至9)被聚集成如图3的右角所示。

因此，对应于所有行列图案的光束聚集在X方向。

相应地，对应于P_i1(i＝1至9)的光束能够聚集所有的行列J＝1至8。

结果，表示Y方向一位置的以p间隔聚集在X向的绝对图案如图3的右角所示那样形成。

用第二圆柱透镜720将暗场图案300的映象光束聚集在Y轴方向。第二圆柱透镜720对应于第二光学元件。

同样，对应于所有纵列图案的光束可以类似于X方向聚集在Y方向。

第一实施例的第一光接收元件810和第二光接收元件820采用一CCD(电荷耦合器件)线性传感器。

算术运算装置16是一包括CPU的算术运算单元。算术运算单元16控制设备的所有结构并计算暗场图案300的分裂映象(映象带)的位置，还计算对应的倾侧角。

根据如上所述的第一实施例，当倾斜传感器1000倾斜时，由于液体部件600的自由表面保持水平位置，暗场图案300的映象与倾斜角成比例地在第一光接收元件810和第二光接收元件820上移动。

这样，如果倾斜传感器1000如图4所示倾斜θ角，如果液体部件600的折射率为n，从自由表面反射的光束倾斜2nθ。如果在线性传感器或第一光接收元件810和第二光接收元件820上的距离是L，该距离可用如下的等式表示：

L＝f*tan(2nθ) ……(等式1)

因此，如果暗场图案300映象的位置由第一光接收元件810和第二光接收元件820加以探测，计算出相对于基准位置的位置距离，算术运算装置16计算倾斜角，那么就可测量出倾斜传感器1000的倾斜角θ。

下面将详细地描述由算术运算装置16进行的、计算倾斜角的算术运算。

对于倾斜角，用某一具体或特定图案的一位置作为基准，然后可以测量出由线性传感器探测到的一图案的相对于该具体图案的距离dL。

此外，如果特定图案与被探测图案之间的距离小于节距间隔(pitch interval)，可以对第一光接收元件810和第二光接收元件820的输出进行傅里叶变换，以计算相对于线性传感器上基准位置的节距距离p的相差Φ。然后计算用下列等式表示的值。

Φ^*p^*m/(2π)……(等式2)

其中m代表放大倍率。

这样，就可高精度地测量小于节距间隔的距离。相应地，如果小于节距间隔的距离的探测与大于节距间隔的距离的探测相结合，就能计算出整个距离。

为了简化说明，形成在暗场图案300的图案简化成如图5所示，说明将在简化图案上进行。在说明中，为了容易理解，省略了图案C。即以下的说明将在由R、A(0)、B(0)、R、A(1)、B(1)、R、A(2)、B(2)……的重复排列所构成的图案上进行。

形成在暗场图案300的图案如图5所示，第一图案A、第二图案B和第三图案R都以一定的间隔(p)重复排列。即以三个图案为一组也就是说以一个区重复提供。如果把设置在最左侧的一个区称为0-区，那么形成在0-区的图案用R(0)、A(0)、B(0)标记，于是下面的图案可以用R(1)、A(1)、B(1)、R(2)、A(2)、B(2)……标记，这些符号可重复使用。由于所有的图案以一定间隔p重复，所以对应于该间隔的信号定义为基准信号。

例如，第三图案R设置成具有宽度固定为50微米的黑色部分。第一图案A设置成具有宽度以7个区为一周期进行调制的黑色部分。第二图案B设置成具有宽度以5个区为一周期进行调制的黑色部分。

由于第一图案A设置成具有宽度以7个区为一周期进行调制的黑色部分，如果被调制的宽度是20微米至80微米，则第一图案的宽度DA由下列等式给出：

D_A＝50+30^*SIN(2^*π^*X/7)……(等式3)

其中X＝(0，1，2，3……)

类似地，由于第二图案B设置成具有宽度以5个区为一周期进行调制的黑色部分，第二图案的宽度D_B由下列等式给出：

D_B＝50+30^*SIN(2^*π^*X/5)……(等式4)

其中X＝(0，1，2，3……)

由于第一图案A和第二图案B具有略微不同的周期，所以同一图案将以对应于两周期的最小公倍数的距离重复出现。根据本发明，同样的图案将每隔35个区出现，35区是7区和5区的最小公倍数。

即，如果在包含水平位置的一个区中的第一图案A的相号码用Φ_A(0至6)表示，在包含一水平位置的一个区中的第二图案B的相号码用Φ_B(0至4)表示，暗场图案300的位置H可以用下列等式将相号码Φ_A和Φ_B组合起来来表示：

H＝Φ_AB ^*p^*m ……(等式5)

其中Φ_AB是包含各相号码的区号码。

下面将具体地描述计算暗场图案300的位置的方法。

对第一光接收元件810和第二光接收元件820输出信号，在基准信号(对应于一定间隔节距(p)的信号)的前一半和后一半节距量范围内计算图案的宽度。如果图案宽度每隔三个图案元素(乘积检波(product detection))取十分之一(decimated)，如图6和7所示，就可获得对应于第一图案A的信号1，对应于第二图案2的信号2，对应于第三图案R的信号3。但是，第三图案R没有被调制。此外，尽管第一图案A和第二图案B具有最大调制宽度80微米，但第三图案R具有50微米的调制宽度。因此，对应于第三图案R的信号3的宽度基本恒定，其值约是信号1和信号2的50％。

由于第三图案R、第一图案A和第二图案B根据预定顺序重复排列，就可确定哪个图案从第三图案R、第一图案A和第二图案B中取十分之一。

于是，如果选择一组包含线性传感器810、820上的地址位置(第m位)的图案A和B的信号作为一阅读倾斜的基准位置，并计算图案A和B的相号码(phase number)，于是就有可能确定是第一图案A和第二图案B和第三图案R组合的哪个位置。

这样，图案A信号的相号码用Am表示，图案B的相号码用Bm表示。然后，将图案A和图案B的相号码组合起来就可以获得包含图R、A和B的区号码Φ_AB。

包含基准位置(第m位)的图案可表示如下：

在图案R的情况下；……3^*p^*Φ_AB…… (等式6)

在图案A的情况下；……p^*(3^*Φ_AB+1)……(等式7)

在图案B的情况下；……p^*(3^*Φ_AB+2)……(等式8)

其中p代表节距间隔。

如果将从等式6至8所获得的数值和从等式2所获得的数值组合在一起，就能获得暗场图案300的位置H。

如果用发散图案的圆柱透镜代替圆柱聚光镜的话，暗场图案300的位置也能获得。

下面结合附图8描述本实施例的算术运算装置16。

用一放大器161来放大由一选择器168选择的来自第一光接收元件810或第二光接收元件820的电信号。一取样保持电路162用来自钟脉冲驱动器(clockdrive)165的定时信号来取样保持被放大的电信号。用一模拟-数字转换器163把模拟信号或被取样保持的电信号转换成数字信号。用一RAM存储由模拟-数字转换器163转换的数字信号。此外，一微型计算机166进行各类算术运算。

下面结合图9描述微型计算机166所完成的功能。算术运算装置16包括一产生基准信号的单元1661、一产生图案信号的单元1662和一计算单元1664。用产生基准信号的单元1661，借助快速傅里叶变换，从第一光接收元件810和第二光接收元件820得到的电气信号生成对应于具有一定间隔节距p的基准信号。

用产生图案信号的单元1662计算在前半个节距量和后半个节距量范围内的基准信号的宽度，并通过每隔三个图案元件(乘积检波)取十分之一图案宽度来形成一第一图案信号和一第二图案信号。

计算单元1664从第一图案信号和第二图案信号的相号码中计算包含基准位置的区号码(a block number)，确定以节距为单位的一位置，与通过快速傅里叶变换获得的节距(等式2)内的相取得数字的一致，高精度地确定暗场图案300的位置，以及计算暗场图案300的位移量。

用一显示单元167显示计算单元1664计算的倾斜角。显示单元167可由任何显示装置诸如液晶显示器所形成。此外，显示单元167可设置成将图象数据输出到任何外界存储装置或类似装置。

下面将描述一设定倾斜回转激光设备5000。在下面的说明中，与已有技术例子共同的地方将不再描述。

如图10所示，设定倾斜回转激光设备5000有一激光投射器10，用于产生基本上位于外壳5中心的激光束。设定倾斜回转激光设备5000在激光投射器10的上面设置回转扫描单元13。回转扫描单元13设置成用扫描电动机15经一齿轮能在水平方向转动。回转扫描单元13设置有五棱镜18，使照射在回转扫描单元13的回转轴上的激光束偏振90度，从而形成一激光基准平面。

激光投射器10设置有倾斜传感器1000，使倾斜传感器1000进行探测的两个方向与激光投射器10和回转扫描单元13能被倾斜的、成直角的两个方向一致。

用在本发明的倾斜传感器1000原先是一探测位置误差的传感器，但通过将输出值转换为角度该倾斜传感器1000可高精度地探测角度。本发明的倾斜传感器1000为高精度探测倾斜的液体表面反射探测类型，它还设置成用以投射和探测编码图案的那一类。

此外，根据实施例，巧妙地设置图案，使两个方向上的倾度能等同地探测。另外，读取的信号经过快速傅里叶变换(FFT)能不受所产生的图案误差的影响而高精度地探测倾度。

有了这种结构，就可在高精度和较宽的动态范围下在两个方向探测倾度，最大探测角度可达10度(22％)左右。因此，当该实施例用在公共建设工程，诸如用在需要达到能对百分之几的梯度(倾斜量)进行测量的排水系统或道路修复的工程中时，就有足够的梯度(倾斜量)探测范围。

本实施例的倾斜传感器1000可用在倾斜设定回转激光设备5000中，使它能直接确定倾斜角度。

因此，第一倾斜传感器20、第二倾斜传感器21、第一倾斜设定传感器65、第二倾斜设定传感器66、第一任意角设定单元52、第二任意角度设定单元53、第一驱动电动机58和第二驱动电动机59可由一单个的倾斜传感器所替代。

下面，将结合图11来描述倾斜传感器1000是怎样进行控制的。

在一倾斜算术运算单元2000中对由倾斜传感器1000或倾斜探测装置探测的输出信号进行处理，以计算倾斜角度。

控制单元3000将一与输入单元3100输入的设定倾斜角与由倾斜算术运算单元2000提供的倾斜角信号之差相对应的输出供应到一第一电动机控制单元4100和第二电动机控制单元4200，从而驱动第一倾斜调节电动机4300和第二倾斜调节电动机4400。当倾斜传感器1000的输出信号与输入单元3100输入的信号之差异变为零时，这就意味着激光投射器10已肯定有一所需的倾斜度。

一显示驱动单元4500与一显示单元4600相连，显示单元4600能够显示输入角度、梯度(倾斜量)、目前的倾斜度等等。

根据控制方法，实际上能实现的有两种可能的动作。

可能的动作之一是倾斜设定回转激光设备5000被直接驱动，从而通过当前的倾斜状态的输入动作来设定倾斜，以使倾斜设定回转激光设备5000具有预定的倾斜。此后，激光投射器10的激光束回转照射，以形成一激光基准面。

另一动作是以类似于已有技术的方式进行水平调节动作，然后倾斜设定回转激光设备5000倾斜使之具有所输入的倾斜度。

第一电动机控制单元4100对应于上述已有技术的第一电动机控制单元89，而第二电动机控制单元4200对应于上述已有技术第二电动机控制单元90。

第一倾斜调节电动机4300对应于第一水平调节电动机31，而第二倾斜调节电动机4400对应于第二水平调节电动机32。

倾斜算术运算单元2000等同于算术运算单元16或上述实施例的微型计算机166。倾斜算术运算单元2000和控制单元3000由普通的硬件芯片来实现。

根据上述本发明的倾斜传感器1000，暗场图案形成为两维图案，两维图案中的图案元素分别沿第一聚集元件和第二聚集元件的纵向以一定间隔排列，图案元素排列成从垂直于图案元素排列方向的方向看具有同样的宽度。因此，倾斜传感器1000具有较高的机械强度。所以，就可为紧凑的位置测量设备提供较高的精度。

根据本发明，如果光源和具有反射该光源光束的自由表面的液体部件的表面设置成共轭关系，液体部件的表面上的反射区域变为最小，其结果是由于液体表面张力而引起的误差也变得最小。此外，液体部件的体积也可以做得较小。

由于本发明的半透明反射镜有一相对于从光源穿过它的光束倾斜的表面，被反射的光束将不会以在相反的方向经过同一光程。因此无用的反射光将不会入射在光接收元件上，使它可能获得高精度的测量。

此外，由于采用倾斜传感器1000的设定倾斜回转激光设备具有较强的机械强度，所以可提供一紧凑的位置测量设备。

尽管上面已描述了几个实施例，但这些实施例仅仅是用作举例说明之用，本发明不限于这些实施例。因此，在不脱离本发明的基本精神和范围的情况下，还可对本发明的实施例进行种种改变和变化，而这对本领域的熟练技术人员而言是显而易见的，因此，这些改变或变化应包含在所附的权利要求书中所阐述的基本精神和范围之内。

Claims

1.一位置测量设备，它包括：

一安排成能指示两维位置的图案；

一能将从图案传送过来的光束分裂成指向两个方向的两个光束的第一光学系统；

一将第一光学系统的光束聚集在第一方向的第一聚集元件；

一将第一光学系统的光束聚集在不同于第一方向的第二方向的第二聚集元件；

一接收由第一聚集元件聚集的图案映象的第一光接收元件；

一接收由第二聚集元件聚集的图案映象的第二光接收元件；

根据第一聚集元件和第二聚集元件接收的光信号计算图案上的位置的计算装置；其中

图案由分别沿第一聚集元件和第二聚集元件的纵向以一定间隔排列的两维图案所组成，排列在每一纵向上的两维图案设置成从垂直于纵向的方向看具有同样的宽度。

2.一种如权利要求1所述的位置测量设备，其特征在于，图案在第一方向和第二方向有恒定的宽度，并有序地以一定的间隔排列。

3.一种如权利要求1所述的位置测量设备，其特征在于，在第一和第二方向上，图案至少由用第一周期调制的第一图案和用不同于第一周期的第二周期调制的第二图案所形成，第一图案和第二图案以一定的间隔有序排列。

4.一种如权利要求3所述的位置测量设备，其特征在于，第一图案和第二图案的调制是通过行宽可变的空间调制来进行的。

5.一种位置测量设备，它包括：

一光源；

一使来自光源的光束平行的第一光学系统；

一使来自第一光学系统的光束穿过自己和指出一两维位置的图案；

一具有能反射图案的自由表面的液体部件；

一形成在液体部件上反射的图案的映象的第二光学系统；

一将第二光学系统的光束聚集在第一方向的第一聚集元件；

一将第二光学系统的光束聚集在不同于第一方向的第二方向的第二聚集元件；

一接收由第一聚集元件聚集的图案的映象的第一光接收元件；

一接收由第二聚集元件聚集的图案的映象的第二光接收元件；

根据第一聚集元件和第二聚集元件接收的光信号从图案上的位置计算倾斜的计算装置；其中

图案由绝对图案所形成。

6.一种如权利要求5所述的位置测量设备，其特征在于，一半透明反射镜设置在液体部件和第二光学系统的光程中。

7.一种如权利要求5或6所述的位置测量设备，其特征在于，光源和具有反射来自光源的光束的自由表面的液体部件的表面被设置成共轭关系。

8.一种如权利要求6或7所述的位置测量设备，其特征在于，液体部件与半透明反射镜形成一体。

9.一种如权利要求5至8中的任何一项所述的位置测量设备，其特征在于，算术运算装置根据绝对图案计算比图案的节距大的移动，同时，借助傅里叶变换计算图案的相位来计算比节距小的移动，由此计算倾斜。

10.一种如权利要求5至9中的任何一项所述的位置测量设备，其特征在于，具有自由表面的液体部件用一可摆动的悬挂件替代。

11.一种如权利要求5至10中的任何一项所述的位置测量设备，其特征在于，图案至少由用第一周期调制的第一图案和用不同于第一周期的第二周期调制的第二图案所形成，第一图案和第二图案以一定间隔有序排列。

12.一种如权利要求5至11中任何一项所述的位置测量设备，其特征在于，第一图案和第二图案的调制是通过行宽可变的空间调制来进行的。

13.一种如权利要求11或12所述的位置测量设备，其特征在于，图案除第一图案和第二图案之外还有均匀的第三图案，第一图案、第二图案和第三图案以一定的间隔有序地排列。

14.一种如权利要求1至13中任何一项所述的位置测量设备，其特征在于，第一聚集元件和第二聚集元件以及第一光接收元件和第二光接收元件可用至少一个区域传感器替代。

15.一种测量仪，它具有安装在测量仪主体上的如权利要求1至14中任何一项所述的位置测量设备，由此，可探测测量仪的倾斜。

16.一种设定倾斜回转激光设备，它具有一投射激光束的激光投射器、在至少一个方向倾侧激光投射器的倾侧装置和倾斜探测装置，其中

倾斜探测装置包括一具有自由表面的液体部件、一将光束从光源导向液体部件的第一光学系统、接收在液体部件上反射的光的光接收装置和一将在液体部件上反射的光引导到光接收装置的第二光学系统，根据光接收装置接收的光信号计算倾斜的计算装置，根据计算所算得的倾斜驱动倾侧装置，从而设定激光投射器的倾斜。

17.一种设定倾斜回转激光设备，它具有一投射激光束的激光投射器、在至少一个方向倾侧激光投射器的倾侧装置和倾斜探测装置，其中

倾斜探测装置包括其排列能指出两维位置的图案；一能将从图案过来的光束分裂成指向两个方向的两个光束的光束分裂(光学)系统；一将来自光束分裂(光学)系统的光束聚集在第一方向的第一光学元件；一将来自光束分裂(光学)系统的光束聚集在不同于第一方向的第二方向的第二光学元件；一接收由第一光学元件聚集的图案的映象的第一光接收元件；一接收由第二光学元件聚集的图案的映象的第二光接收元件；根据第一光学元件和第二光学元件接收的光信号计算图案上的位置；以及，计算倾斜的算术运算装置，根据由其计算的倾斜驱动倾侧装置来设定激光投射器的倾斜。

18.一种如权利要求17所述的设定倾斜回转激光设备，其特征在于，图案由分别沿第一光学元件和第二光学元件的纵向以一定间隔排列的两维图案所组成，排列在每一纵向上的两维图案设置成从垂直于纵向的方向看具有同样的宽度。

19.一种如权利要求17或18所述的设定倾斜回转激光设备，其特征在于，图案在第一方向和第二方向上有恒定的宽度，并有序地以一定的间隔排列。

20.一种如权利要求17或19所述的设定倾斜回转激光设备，其特征在于，在第一和第二方向上，图案至少由用第一周期调制的第一图案和用不同于第一周期的第二周期调制的第二图案所形成，第一图案和第二图案以一定的间隔有序排列。

21.一种如权利要求20所述的设定倾斜回转激光设备，其特征在于，第一图案和第二图案的调制是通过行宽可变的空间调制来进行的。

22.一种如权利要求17至21中的任何一项所述的设定倾斜回转激光设备，其特征在于，算术运算装置根据图案计算比图案的节距大的移动，同时，借助傅里叶变换计算图案的相位来计算比节距小的移动，由此计算倾斜。

23.一种如权利要求17至22中任何一项所述的设定倾斜回转激光设备，其特征在于，第一光学元件和第二光学元件以及第一光接收元件和第二光接收元件可用至少一个区域传感器替代。

24.一种如权利要求17至23中任何一项所述的设定倾斜回转激光设备，其特征在于，第一光学元件的第二光学元件的聚集光学元件可用一发散光学元件来替代。