CN1945208A - 位置检测装置、测量机的倾斜传感器装置及位置测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种位置检测装置，可以实现投影光学系统的光学结构小型化。本发明的位置检测装置包括：液体(7)，形成有自由表面(7a)；光源(2)，朝向自由表面(7a)照射光束；暗视场图案(4)，存在于光源(2)与液体(7)之间，在光束中形成图案；受光传感器(9)，检测由自由表面(7a)所反射的光束的图案；以及运算单元(11)，由受光传感器(9)的检测结果而计算图案的位置，并且，运算单元(11)在X方向与Y方向上将受光传感器(9)的检测结果相加，且根据在X方向与上述Y方向上相加的图案的排列来计算图案的位置。

Description

位置检测装置、测量机的倾斜传感器装置及位置测定方法

技术领域

本发明是关于一种利用具有自由表面的液体的位置检测装置，尤其是关于一种最适合于测量机的倾斜传感器装置，且可以小型化的位置检测装置及使用其的测量机的倾斜传感器装置及位置测定方法。

背景技术

先前以来，已知位置检测装置及使用其的测量机具备：射出光学系统，使来自光源的光束平行射出；暗视场图案，具有使来自该射出光学系统的光束通过的呈二维图案排列的通过部，并且使该光束具有图案；液体，具有使该具有图案的光束反射的自由表面；投影光学系统，投影由该液体的自由表面所反射的具有图案的光束；第1聚光元件，构成该投影光学系统的一部分，且使具有图案的光束向第1方向聚光；第2聚光元件，构成该投影光学系统的一部分，且使具有图案的光束向与第1方向不同的第2方向聚光；第1受光传感器，接收由第1聚光元件所聚光的投影像；以及第2受光传感器，接收由第2聚光元件所聚光的投影像，并且，根据第1受光传感器的受光信号与第2受光传感器的受光信号，进行X-Y方向的位置检测，从而求得偏离基准位置的移动量。而且，已知有将所求得的移动量换算为倾斜角的装置(例如，参照专利文献1)。

继而，也已知有使用了该位置检测装置的测量机的倾斜传感器装置。

[专利文献1]日本专利特开2000-105119号公报

但是，在这种位置检测装置及使用其的测量机的倾斜传感器装置中，使用作为构成投影光学系统一部分的第1聚光元件、第2聚光元件的柱面透镜(cylindrical lens)而使由液体的自由表面所反射的图案形成光束向互不相同的方向聚光，从而以第1受光传感器、第2受光传感器分别接收聚光光束，因此该投影光学系统的结构略为复杂，且存在难以实现小型化的问题。

发明内容

鉴于上述情况，本发明的目的在于，提供一种可以实现投影光学系统的光学结构小型化的位置检测装置及使用其的测量机的倾斜传感器装置。

本发明的第一发明的位置检测装置包括：液体，其形成有自由表面；光源，其朝向所述自由表面照射光束；暗视场图案，其存在于所述光源与液体之间，在光束中形成图案；受光传感器，其检测由上述自由表面所反射的光束的图案；以及运算单元，其根据所述受光传感器的检测结果而计算图案的位置，其特征在于：

上述受光传感器中受光元件在X方向与Y方向上呈矩阵状配置，上述运算单元将上述受光传感器的检测结果在X方向与Y方向上相加，且根据在X方向与Y方向上相加所获得的输出，计算图案的位置。

本发明的第二发明的位置检测装置的特征在于，上述图案在X方向与Y方向以宽度不同的方式配置，且上述运算单元根据在X方向与Y方向上相加所获得的输出，计算相对于基准位置的图案的位置。

本发明的第三发明的位置检测装置的特征在于，上述图案在X方向与Y方向，以宽度不同的方式周期性配置，且对在X方向与Y方向上相加所获得的输出结果进行傅立叶转换，并根据相位差来计算相对于基准位置的图案的位置。

本发明的第四发明的位置检测装置的特征在于，上述图案在X方向与Y方向，以宽度不同的多个图案交替的方式配置。

本发明的第五发明的位置检测装置的特征在于，在形成上述自由表面的液体、与将上述自由表面所反射的光束进行反射和偏向的半反射镜之间的光路中，设置有1/4波长板；且在上述半反射镜、与上述暗视场图案之间的光路中，设置有偏光板。

本发明的第六发明的位置检测装置的特征在于，在上述暗视场图案与上述液体之间设置有偏光镜，其将由上述自由表面所反射的光束进行反射和偏向。

本发明的第七发明的位置检测装置的特征在于，上述受光传感器具有垂直寄存器与水平寄存器；上述运算单元依次记忆通过所述垂直寄存器与所述水平寄存器输出的各受光元件的检测结果，将所记忆的检测结果在X方向与Y方向上相加，且根据在X方向与Y方向上相加所获得的输出，计算上述图案的位置。

本发明的第八发明的位置检测装置的特征在于，上述受光传感器可将排列在X方向与Y方向上的受光元件的检出结果进行相加并输出；上述运算单元根据在X方向与Y方向上相加所获得的输出，计算上述图案的位置。

本发明的第九发明的位置检测装置的特征在于，上述运算单元根据所计算出的图案的位置，将上述图案的位置换算为倾斜度。

本发明的第十发明的测量机的倾斜传感器装置，其特征在于该测量机的倾斜传感器装置使用了第九发明所述的位置检测装置。

本发明的第十一发明的位置测定方法包括：在使来自光源的光束平行射出的光学系统的中途设置暗视场图案，其包含使来自前述光源的光束通过的通过部，该通过部在X方向与Y方向上以二维方式排列；使通过上述通过部后具有图案的光束经由液体所形成的自由表面反射；在上述液体与暗视场图案之间设置半反射镜，其反射由上述自由表面所反射的具有图案的光束；设置将由该半反射镜所反射的具有图案的光束作为投影像而进行投影的投影透镜；设置接收由该投影透镜所投影的投影像的影像接收传感器；以及设置根据被投影至该影像接收传感器的投影像的读取输出而运算该投影像的位置的运算单元，其特征在于：

上述影像接收传感器具有在X方向与Y方向上呈矩阵状排列的受光元件；上述运算单元在X方向上将排列在X方向上的各受光元件的检出结果相加并输出为Y方向读取输出，在Y方向上将排列在Y方向上的各受光元件的检出结果相加并输出为X方向读取输出。

依照本发明，可以达成投影光学系统的光学结构的小型化。

而且，由于可以精简构成投影光学系统的光学元件，因此可以相应地降低误差主要原因。

附图说明

图1是表示本发明的位置检测装置的光学系统的图，(a)为其详细的光学图，(b)为其模式图。

图2是表示暗视场图案之一例的图。

图3是图2所示暗视场图案的放大图。

图4是表示呈投影有暗视场图案的状态的区域传感器的图。

图5是图4所示区域传感器的读取输出的说明图。

图6是用以说明本发明的位置检测装置的测定原理的说明图。

图7是使用影像传感器代替区域传感器时的电路图。

具体实施方式

以下，参照图式说明本发明的位置检测装置及使用其的测量机的倾斜传感器装置的发明实施形态。

[实施例]

图1表示构成本发明的位置检测装置主要部分的倾斜传感器装置1的光学性结构，倾斜传感器装置1具有光源2、聚光透镜(condenser lens)3、暗视场图案(dark-field pattern)4、中继透镜(relay lens)5、半透明反射镜(half mirror)6、具有自由表面7a的液体7、投影透镜8、受光传感器9。

此处，光源2使用的是发光二极管(LED，light-emitting diode)，但也可以使用任一种光源。聚光透镜3具有作为使来自光源2的光束平行射出的射出光学系统的功能。

在暗视场图案4与中继透镜5之间设置有偏光板12，且在半透明反射镜6与液体7之间设置有λ/4波长板(1/4波长板)13。

另外，也可以去除偏光板12、λ/4波长板13，并设置偏光镜代替半透明反射镜6。

暗视场图案4是用于在受光传感器9中形成后述的投影像。暗视场图案4如图2所示呈如下形状，即在黑遮罩部4a上排列配置有多个通过部(狭缝)4b。

图3是该暗视场图案4的放大图。该通过部4b是由互相直交的X轴方向上的排列图案与Y轴方向上的排列图案所组成的绝对图案(absolutepattern)。

此处，用符号i(i为从1到N的整数)表示X轴方向的行，用符号j(j为从1到K的整数)表示Y轴方向的列，用符号Pij表示特定图案。另外，该图3所示的例中，N＝9、K＝8。

第1列的列图案中，将基准图案R、第1图案A、第2图案B及第3图案C以等间隔(P)重复配置。即，以此4种图案定义一组的区块，且此区块被连续形成。如果将配置于最左侧的区块记作R、A(1)、B(1)、C(1)，例如是第1列的图案，各区块重复配置为R、A(1)、B(1)、C(1)；R、A(2)、B(2)、C(2)；R、A(3)、B(3)、C(3)；…。

即，图3中，P11＝R、P21＝A1、P31＝B1、P41＝C1、P51＝R、P61＝A2、P71＝B2、P81＝C2、P91＝R。

同样，第1行的行图案中，将基准图案R、第1图案A、第2图案B及第3图案C以等间隔(P)重复配置。即，与第1列的图案同样以此4种图案定义一组的区块，且此区块被连续形成，且如果将配置于最上侧的区块记作R、A(1)、B(1)、C(1)，例如是第1行的图案，各区块重复配置为R、A(1)、B(1)、C(1)；R、A(2)、B(2)、C(2)；R、A(3)、B(3)、C(3)；…。

即，图3中，P11＝R、P12＝A1、P13＝B1、P14＝C1、P15＝R、P16＝A2、P17＝B2、P18＝C2。

中继透镜5是使通过暗视场图案4的图案形成光束透过半反射镜6而引导至液体7。

半透明反射镜6在此处是由具有半透过面6a的分束器(beam splitter)所构成。入射至半透明反射镜6的具有图案的光束，通过半透过面6a被引导向上方而入射至液体7，并射向自由表面7a。由该自由表面7a所反射的具有图案的光束，再次返回至半透明反射镜6，并由其半透过面6a反射，从而被导向投影透镜8。

液体7是使用硅油(silicon oil)等具有适度粘性的液体。由于该液体7具有自由表面7a，因此相对于倾斜传感器装置1的倾斜，自由表面7a维持水平。

投影透镜8具有如下功能，即，使由自由表面7a所反射，且被导向半透过面6a而反射的具有图案的光束在受光传感器9中成像。受光传感器9在此处使用图4所示能够输出在X方向与Y方向上经相加的检测输出的二维区域传感器。

该区域传感器9具有在X方向上n个，在Y方向m个呈矩阵状排列的受光元件9a。该区域传感器9的受光元件9a中，如图4所示，投影有作为暗视场图案像的投影像4’。

此处，(i，j)表示处在i行、j列上的受光元件9a的输出，(1，1)是指区域传感器9的左上角的受光元件9a的输出，(m，n)是指区域传感器9的右下角的受光元件9a的输出。

该区域传感器9的X方向上的资料的读取输出，是以图5所示的算式来表示。

X1＝(1，1)+(2，1)+(3，1)+…+(m，1)…(A1)

X2＝(1，2)+(2，2)+(3，2)+…+(m，2)…(A2)

X3＝(1，3)+(2，3)+(3，3)+…+(m，3)…(A3)

…

Xn＝(1，n)+(2，n)+(3，n)+…+(m，n)…(An)

继而，该区域传感器9的Y方向上的资料的读取输出，同样是以图5所示的算式来表示。

Y1＝(1，1)+(1，2)+(1，3)+…+(1，n)…(B1)

Y2＝(2，1)+(2，2)+(2，3)+…+(2，n)…(B2)

Y3＝(3，1)+(3，2)+(3，3)+…+(3，n)…(B3)

…

Ym＝(m，1)+(m，2)+(m，3)+…+(m，n)…(Bm)

对该区域传感器9的X方向进行的资料的读取输出、对该区域传感器9的Y方向进行的资料的读取输出，如图5的下侧、右侧所示，与表示以间距P的间隔在X方向上聚光的Y方向的位置的投影像4’、以间距P的间隔在Y方向上聚光的X方向的位置的投影像4’等价。

这是因为，对区域传感器9的X方向所进行的资料的读取输出，是与根据使用柱面透镜使以间距P的间隔而分布的暗视场图案4在X方向上聚光，并投影至向Y方向延伸的线型传感器的绝对图案的投影像的光电转换输出等价。

并且，对区域传感器9的Y方向所进行的资料的读取输出，是与根据使用柱状透镜使以间距P的间隔而分布的暗视场图案4在Y方向上聚光，并投影至向X方向延伸的线型传感器的绝对图案的投影像的光电转换输出等价。另外，使用该柱面透镜的投影光学系统的结构公开在日本专利特开2000-105119号公报中。

即，该区域传感器9具有：X方向投影资料输出功能，在X方向上将排列在X方向上的各受光元件的输出相加并输出为Y方向读取输出；以及Y方向投影资料输出功能，在Y方向上将排列在Y方向上的各受光元件的输出相加并输出为X方向读取输出。

该区域传感器9的读取输出被输入至图1(a)所示运算单元11。运算单元11具有CPU，负责整体控制的同时，检测暗视场图案4的各投影像4’在受光传感器9上的位置，例如以特定图案像Pij位于受光传感器9的中心O(参照图4)时的投影像4’的位置作为基准位置，求得此基准位置与实际投影的投影像4’的位置之差。以此计算对应的倾斜角。

即使倾斜传感器装置1倾斜，液体7的自由表面7a也可保持水平，因此区域传感器9的各投影像4’与倾斜的角度成比例移动。

如果将液体7的折射率设为n，当倾斜传感器装置1倾斜角度θ时，由自由表面7a所反射的具有图案的光束则倾斜2nθ。此处如果将投影透镜8的焦点距离(此处与由自由表面7a至受光传感器9的光轴距离相等)如图1(b)所示设为f，并将特定图案Pij距离受光传感器9的中心O的偏移量设为dL，则

dL＝f×tan(2nθ)…(1)。

因此，通过区域传感器9检测暗视场图案4的X方向、Y方向的投影像4’的位置，求得其相对基准位置的偏移量dL，并通过运算单元11将偏移量dL转换為角度θ，则可测定出倾斜传感器装置1的倾斜度。

以下，对运算单元11的倾斜角的运算处理进行详细说明。

对于角度θ的求取，如上所述，以特定图案像Pij作为基准位置，测定从区域传感器9上所检测出的投影像4’的位置相对基准位置的偏移量dL即可。

而且，对于小于等于间距P的间隔的偏移量，可以将间距P的图案对应的空间频率通过傅立叶转换而得的正弦波或余弦波作为基准信号使用。

倾斜传感器装置1为水平(角度θ＝0)，即特定图案Pij与受光传感器9的中心O一致时，所得的区域传感器9的读取输出Xi、Yj通过傅立叶转换求得的信号，相对于基准信号的相位差为「0」。

当倾斜传感器装置1倾斜角度θ时，由于特定图案Pij从受光传感器9的中心O偏移，区域传感器9的读取输出Xi、Yj通过傅立叶转换求得的信号的相位，相对于基准信号的相位产生偏移。

此信号的相位相对于基准信号的相位的差，亦即是相位差为Φ，在小于等于间距P时的偏移量通过下述式而求得。

Φ×P×m/(2π)…(2)

其中，符号m为倍率。

此倍率m为从光源2到自由表面7a的距离与从自由表面7a到受光传感器9的距离的比率。

因此，可以高精度地测定小于等于间距P的间隔的偏移量。

特定图案Pij距离受光传感器9的中心O的偏移量dL，通过将后述的间距P为单位的偏移量与小于等于间距P的偏移量相加而求得。

因此，运算单元11可以根据整体的偏移量dL计算出对应的倾斜角。即，使用区域传感器9，获得X方向上的资料的读取输出Xi、Y方向上的资料的读取输出Yj，根据X方向、Y方向的各读取输出，并通过运算单元11而获得X轴方向、Y轴方向的倾斜角。

其次，对于间距P为单位的偏移量的求取方法进行说明。

为了简化说明，以下，如图6所示，将形成于受光元件9a上的投影像4’省略图案C，而仅对由R、A(1)、B(1)，R、A(2)、B(2)，R、A(3)、B(3)，…的重复配置所构成的投影像进行说明。

即，以3种图案为1组连续形成各区块，且所有图案以等间隔P进行重复配置。由于所有图案以等间隔P进行重复，所以将对应该间隔P的信号作为基准信号。

基准图案R以黑宽度50μm作为固定宽度，第1图案A调变黑部分的宽度而以7区块作为1周期，第2图案B调变黑部分的宽度而以5区块作为1周期。

第1图案A是调变黑部分的宽度而以7区块作为1周期，因此如果将调变宽度设为20μm～80μm，则第1图案宽度DA可以通过下述式而求得。

DA＝50+30×SIN(2×π×*X/7)…(3)

其中，X＝(0、1、2、3、4、5、6、或7)的整数。

同样，第2图案B是调变黑部分的宽度而以5区块作为1周期，因此第2图案宽度DB可以通过下述式而求得。

DB＝50+30×SIN(2×π×X/5)…(4)

其中，X＝(0、1、2、3、4、或5)的整数。

另外，由于第1图案A与第2图案B仅周期稍不相同，因此在两者的最小公倍数上出现与最初相同的图案。本发明的实施形态中，在7区块与5区块的最小公倍数即35区块上出现与最初相同的图案。

即，如果将第1图案A的相位序号设为ΦA(1～7)，第2图案B的相位序号设为ΦB(1～5)，暗视场图案的投影像4’的间距P为单位距离受光传感器9的中心的偏移量H，可由下式求得：

H＝ΦAB×P×m…(5)

其中，ΦAB为ΦA与ΦB组合的区块序号。

因此，偏移量dL可由下式求得：

dL＝H+Φ×P×m/(2π)

该运算单元11具有省略图示的放大器(amplifier)，由放大器放大的读取输出(A1～An、B1～Bm)经数字转换，而输入至省略图示的运算部。

该运算部根据与第1图案相关的信号和与第2图案相关的信号的相位序号，计算出包含基准位置的区块序号，且进一步求得间距单位的偏移量，并与根据通过高速傅立叶转换所获得的小于等于间距单位的相位(第2式)的偏移量的数值结合，而求得暗视场图案4的偏移量dL。

继而，将以该运算部所计算出的倾斜角显示在省略图示的显示器上。

而且，如果将倾斜传感器装置1安装在电子经纬仪(electronictheodolite)等上，则可以检测测量装置本体的X方向及Y方向的倾斜度。

以上，发明的实施形态中，对可以输出经X方向与Y方向上相加的检测输出的二维区域传感器进行了说明，但如图7所示，使用作为通常所用的受光传感器的影像传感器14也可以构成本发明。

例如，如图7所示，通过垂直寄存器15将蓄积在各受光元件14a中的电荷即检测信号SK依次传送至水平寄存器16。继而，从水平寄存器16依次传送至输出部17，并使从各受光元件14a输出的各检测信号SK按照该各受光元件14a的排列而依次记忆到记忆单元18中。

此时，运算单元将记忆单元18所记忆的检测信号SK在影像传感器14的X方向与Y方向上相加后获得图案的排列，再根据图案的排列来计算出图案的位置。

采用这样的构成，即使使用一般的影像传感器14，也可以发挥与先前的柱面透镜与线型传感器的组合同样的功能，并且可以实现投影光学系统光学结构的小型化。

以上，参照附图通过实施例对本发明进行了详细的说明。

然而，实施例仅为说明本发明的示例而已，并不对本发明产生任何限定。因此，在没有脱离本发明要旨的前提下，对于本发明所进行的任何修正或变更，均属于本发明的包含范围。

Claims (11)

1.一种位置检测装置，包括：

液体，其形成有自由表面；

光源，其朝向所述自由表面照射光束；

暗视场图案，其存在于所述光源与液体之间，在光束中形成图案；

受光传感器，其检测由上述自由表面所反射的光束的图案；以及

运算单元，其根据所述受光传感器的检测结果而计算图案的位置，

其特征在于：

上述受光传感器中受光元件在X方向与Y方向上呈矩阵状配置，以及

上述运算单元将上述受光传感器的检测结果在X方向与Y方向上相加，且根据在X方向与Y方向上相加所获得的输出，计算图案的位置。

2.如权利要求1所述的位置检测装置，其特征在于：上述图案在X方向与Y方向以宽度不同的方式配置，且上述运算单元根据在X方向与Y方向上相加所获得的输出，计算相对于基准位置的图案的位置。

3.如权利要求1所述的位置检测装置，其特征在于：上述图案在X方向与Y方向，以宽度不同的方式周期性配置，且对在X方向与Y方向上相加所获得的输出结果进行傅立叶转换，并根据相位差来计算相对于基准位置的图案的位置。

4.如权利要求3所述的位置检测装置，其特征在于：上述图案在X方向与Y方向，以宽度不同的多个图案交替的方式周期性配置。

5.如权利要求1所述的位置检测装置，其特征在于：在形成上述自由表面的液体、与将上述自由表面所反射的光束进行反射和偏向的半反射镜之间的光路中，设置有1/4波长板；且在上述半反射镜、与上述暗视场图案之间的光路中，设置有偏光板。

6.如权利要求1所述的位置检测装置，其特征在于：在上述暗视场图案与上述液体之间设置有偏光镜，其将由上述自由表面所反射的光束进行反射和偏向。

7.如权利要求1所述的位置检测装置，其特征在于：上述受光传感器具有垂直寄存器与水平寄存器；上述运算单元依次记忆通过所述垂直寄存器与所述水平寄存器输出的各受光元件的检测结果，将所记忆的检测结果在X方向与Y方向上相加，且根据在X方向与Y方向上相加所获得的输出，计算上述图案的位置。

8.如权利要求1所述的位置检测装置，其特征在于：上述受光传感器可将排列在X方向与Y方向上的受光元件的检出结果进行相加并输出；上述运算单元根据在X方向与Y方向上相加所获得的输出，计算上述图案的位置。

9.如权利要求1至8中任一项所述的位置检测装置，其特征在于：上述运算单元根据所计算出的图案的位置，将上述图案的位置换算为倾斜度。

10.一种测量机的倾斜传感器装置，其特征在于：该测量机的倾斜传感器装置使用了权利要求9所述的位置检测装置。

11.一种位置测定方法，包括：

在使来自光源的光束平行射出的光学系统的中途设置暗视场图案，其包含使来自前述光源的光束通过的通过部，该通过部在X方向与Y方向上以二维方式排列；

使通过上述通过部后具有图案的光束经由液体所形成的自由表面反射；

在上述液体与暗视场图案之间设置半反射镜，其反射由上述自由表面所反射的具有图案的光束；

设置将由该半反射镜所反射的具有图案的光束作为投影像而进行投影的投影透镜；

设置接收由该投影透镜所投影的投影像的影像接收传感器；以及

设置根据被投影至该影像接收传感器的投影像的读取输出而运算该投影像的位置的运算单元，

其特征在于：

上述影像接收传感器具有在X方向与Y方向上呈矩阵状排列的受光元件；上述运算单元在X方向上将排列在X方向上的各受光元件的检出结果相加并输出为Y方向读取输出，在Y方向上将排列在Y方向上的各受光元件的检出结果相加并输出为X方向读取输出。

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