DE69313263T2

DE69313263T2 - Automatischer neigungswinkelkompensator

Info

Publication number: DE69313263T2
Application number: DE69313263T
Authority: DE
Inventors: Ikuo Ishinabe; Junichi Kodaira; Fumio Ohtomo; Hiroo Sugai; Takaaki Yamazaki
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 1992-11-12
Filing date: 1993-11-11
Publication date: 1998-03-19
Anticipated expiration: 2013-11-12
Also published as: EP0626561B1; CN1090641A; US5513001A; WO1994011704A1; EP0626561A4; DE69313263D1; EP0626561A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen automatischen Neigungswinkelkompensator, beispielsweise zum Einsatz in einem Feldmeßgerät, einem Meßinstrument oder ähnlichem; vorzugsweise, um Neigungsänderungen zu messen oder eine optische Achse des Instruments in einer vertikalen Richtung zu halten.
Wenn ein Feldmeßgerätv ein Meßgerät oder ähnliches für Vermeßzwecke verwendet Wird, ist es notwendigv eine Kompensation für die Bezugsebene des Feldmeß- oder Meßinstruments durchzuführen oder für die Vertikaleinstellung einer optischen Achse zu kompensieren.
In der Vergangenheit wurde eine Kompensation wie folgt automatisch durchgeführt: Ein Pendel mit einer Linse oder einem Prisma wird mittels zweier oder dreier Aufhängeleinen aufgehängt. Wenn eine Hauptgruppe des Feldmeß- oder Meßinstruments geneigt Wird, wird das Pendel durch eine Dämpfeinrichtung, wie einen magnetischen Dämpfmechanismus, gedämpft, um den optischen Weg automatisch zu kompensieren.
Als eines der Verfahrenu um die Neigung einer Bezugsebene von einer Hauptgruppe des Feldmeß- oder Meßinstruments zu detektierenu kann die Reflexion an einer freien Flüssigkeitsoberfläche verwendet werden.
Bei diesem Verfahren wird ein Lichtstrahl auf die freie Flüssigkeitsoberfläche gerichtet, und die Änderung einer optischen Achse des reflektierten Lichts wird durch einen Photodetektor detektiert. Wenn Quecksilber als Flüssigkeit mit der freien Flüssigkeitsoberfläche verwendet wird und der Lichtstrahl rechtwinklig auf die Oberfläche gerichtet wirdu ist es möglich, einen Reflexionswinkel zu erzielen, der dieselbe Neigungsempfindlichkeit der Flüssigkeitsoberfläche in allen zweidimensionalen Richtungen aufweist. Dementsprechend kann die Neigung der Bezugsebene in jeder Richtung detektiert werden.
Flüssigkeiten wie Quecksilber sind jedoch sowohl bezüglich Kosten als auch Sicherheit unpraktisch, und bei praktischen Anwendungen wird eine transparente Flüssigkeit wie Silikonöl eingesetzt. Bei Verwendung einer transparenten Flüssigkeit wird Totalreflexion zu diesem Zweck eingesetzt. Um Totalreflexion des Lichtstrahls auf der Flüssigkeitsoberfläche zu erreichen, ist es wegen des kritischen Winkels zwischen Flüssigkeit und Luft nötig, den Lichtstrahl mit einem Einfallswinkel θ auf die freie Flüssigkeitsoberfläche zu richten, der mit diesem kritischen Winkel übereinstimmt. Bei einer Detektionseinrichtung herkömmlicher Art, die eine freie Flüssigkeitsoberfläche verwendet, wird der Lichtstrahl bei einem vorgegebenen Winkel auf die freie Flüssigkeitsoberfläche gerichtet.
Wenn ein Lichtstrahl bei einem vorgegebenen Winkel auf die freie Flüssigkeitsoberfläche gerichtet wird, ist die Änderung des Reflexionswinkels in bezug auf verschiedene biaxiale Neigungsrichtungen bezüglich der Flüssigkeitsoberfläche nicht gleichförmig. Daher müssen bei einer derartigen Einrichtung Maßnahmen getroffen werden, um mit dieser nicht gleichmäßigen Änderung des Reflexionswinkels mit der Neigungsrichtung umgehen zu können. Aus diesem Grund werden Lichtstrahlen mit zwei verschiedenen optischen Achsen üblicherweise bei vorgegebenem Winkel auf die freie Flüssigkeitsoberfläche gerichtet und die reflektierten Lichtstrahlen von verschiedenen Photodetektoren empfangen. Die Lichtempfangsposition für nur eine Richtung wird durch jeden Photodetektor nachgewiesen, und durch die Änderung der Lichtempfangspositionen der Photodetektoren kann die Neigung bezüglich der beiden optischen Achsen nachgewiesen werden. Aus der so nachgewiesenen Neigung wird die Neigung der Bezugsebene des Feldmeß- oder Meßinstruments oder ähnlichem zur Horizontalen berechnet. Die Kompensation wird dann basierend auf den Ergebnissen der Berechnung ausgeführt.
In der herkömmlichen, vorhergehend beschriebenen Vorrichtung wird weiter ein Pendel aufgehängt, und dies führt zu einem komplizierteren Aufbau. Außerdem ist die Aufhängung des Pendels während des Zusammenbaus der Vorrichtung nicht leicht und eine Justierung nicht geradlinig. Weiter tendieren die Aufhängeleinen dazu, ihre Länge mit der Zeit zu ändem, weshalb es sehr schwierig Istv eine Genauigkeit aufrechtzuerhalten. Weil eine spezielle Dämpfeinrichtung für das Pendel erforderlich ist, wird die Struktur noch komplizierter. Schließlich ist die Aufhängestruktur des Pendels sehr anfällig und stoßempfindlich.
Bei dem anderen Beispiel einer oben beschriebenenv herkömmlichen Vorrichtung, die Totalreflexion auf einer freien Flüssigkeitsoberfläche verwendet, sind der Zusammenbau und die Justierung einfach, und es gibt keine Umstellzeit, weil keine Aufhängeleine verwendet wird. Weil die Flüssigkeit in einem geschlossenen Behälter eingeschlossen ist, hat die Vorrichtung eine hohe Stoßwiderstandsfähigkeit und ebenso eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen ungünstige Umgebungsbedingungen. Da eine Flüssigkeit verwendet wird, kann die Dämpfung automatisch ausgeführt werden, indem Gebrauch von der Viskosität der Flüssigkeit gemacht wird, und es ist keine separate Dämpfeinrichtung erforderlich. Deshalb wurden die oben genannten Schwierigkeiten, die ein Pendel verwendenden Vorrichtungen inhärent sind, im wesentlichen durch den Einsatz von Vorrichtungen mit einer freien Flüssigkeitsoberfläche behoben.
Weil jedoch Lichtstrahlen mit zwei verschiedenen optischen Achsen auf die freie Flüssigkeitsoberfläche bei verschiedenen vorgegebenen Winkeln gerichtet werden, müssen zwei getrennte optische Projektionssysteme vorgesehen werden, was zu einem komplexeren Aufbau führt.
Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist esu die Probleme der Vorrichtungen mit freien Flüssigkeitsoberflächen nach dem bekannten Stand der Technik wenigstens zu mindern.
Dementsprechend detektiert der erfindungsgemäße Kompensator die Neigung der Bezugsfläche oder führt automatisch die Kompensation der Vertikaleinstellung ausv indem nur von einachsigen optischen Systemen Gebrauch gemacht wird. Dies wird durch Nutzung der Totalreflexion von der freien Flüssigkeitsoberfläche erreicht.
Erfindungsgemäß ist ein automatischer Neigungswinkelkompensator mit einem Behälter vorgesehen, in dem eine transparente Flüssigkeit mit einer freien Flüssigkeitsoberfläche vorliegt, mit einer Lichtprojektionseinrichtung zum Projizieren eines einfallenden Lichtstrahls entlang einer einfallenden Achse zur freien Flüssigkeitsoberfläche, so daß der Lichtstrahl von dieser entlang einer reflektierten Achse totalreflektiert wird, und mit einem optischen System, das im optischen Weg des reflektierten Strahls angeordnet ist, wobei der Kompensator dadurch gekennzeichnet ist, daß das optische System auf den Reflexionsstrahl in zueinander senkrechten Richtungen unterschiedlich wirktv um die Empfindlichkeit des durch die Größe der Winkelabweichung von der reflektierten Achse gemessenenv reflektierten Strahls im wesentlichen auf eine kleine Winkelabweichung des einfallenden Lichtstrahls in beliebiger Richtung von der einfallenden Achse auszugleichen.
Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt ist ein automatischer Neigungswinkelkompensator mit einem Behälter vorgesehenu in dem eine transparente Flüssigkeit zur Ausbildung einer freien Flüssigkeitsoberfläche eingeschlossen ist, mit einem Lichtprojektionssystem, um einen Lichtstrahl zur freien Flüssigkeitsoberfläche bei einem vorgegebenen Winkel zu projizierenu so daß er an der freien Flüssigkeitsoberfiäche totalreflektiert wird&sub1; und mit einem optischen System, das an einer vorgegebenen Position entlang des optischen Wegs des totalreflektierten Lichtstrahls nach Durchlaufen des Behälters mit der eingeschlossenen Flüssigkeit angeordnet ist und eine Änderung des Reflexionswinkels von einer optischen Achse entsprechend einer Änderung des Einfallswinkels in beliebiger Richrtung ausgleicht.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung ist ein automatischer Neigungswinkelkompensator mit einen Behälter vorgesehen, in dem eine transparente Flüssigkeit zur Ausbildung einer freien Flüssigkeitsoberfiäche eingeschlossen ist, mit einem Lichtprojektionssystem zum Projizieren eines Lichtstrahls zur freien Flüssigkeitsoberfiäche unter einem vorgegebenen Winkel, so daß er an der freien Flüssigkeitsoberfläche totalreflektiert wird, mit einem Spiegel zum Reflektieren des an der freien Flüssigkeitsoberfläche reflektierten Lichtstrahls in vertikaler Richtung und mit einem optischen System, das an einer vorgegebenen Position entlang einem optischen Weg des reflektierten Lichtstrahls zur Kompensation einer Änderung des Reflexionswinkels der optischen Achse entsprechend der Änderung des Einfallswinkels der optischen Achse in allen Richtungen und zum Ausgleich der Winkeländerung der reflektierten optischen Achse bezüglich der Änderung des Einfallswinkels der optischen Achse angeordnet ist.
In den obigen Anordnungen wird, selbst wenn die freie Flüssigkeitsoberfiäche bezüglich des einfallenden Lichtstrahls (in beliebiger Richtung) geneigt ist, eine Kompensation durchgeführt, um die Änderung des Einfallswinkels und die Änderung des Reflexionswinkels anzugleichen. Dementsprechend kann der Neigungswinkel des gesamten Instruments automatisch bestimmt oder gemäß der Änderung des Reflexionswinkels kompensiert werden, und dies kann für die automatische Kompensation für Feldmeßgeräte oder für andere Instrumente oder Geräte, die eine horizontale oder vertikale Bezugslinie oder Bezugsfläche benötigen, eingesetzt werden.
Der Kompensator enthält vorzugsweise einen Behälter, in dem die transparente Flüssigkeit zur Ausbildung der freien Flüssigkeitsoberfläche eingeschlossen ist. Das Lichtprojektionssystem projiziert einen einfallenden Lichtstrahl auf die freie Flüssigkeitsoberfiäche von unten bei einem gegebenen Winkeiv so daß Totalreflexion (totale innere Reflexion) an der freien Flüssigkeitsoberfläche stattfindet. Vorzugsweise ist auch ein Spiegel zur weiteren Reflexion des Lichtstrahls vorgesehenu der von der freien Flüssigkeitsoberfläche in eine vertikale Richtung reflektiert wurde. Es kann auch ein optisches System an einer vorgegebenen Position innerhalb des optischen Wegs des reflektierten Lichtstrahls angeordnet sein, das die Änderung des Reflexionswinkels ausgleicht, so daß jede kleine Winkelabweichung vom einfallenden Lichtstrahl (in jede Richtung) von der einfallenden Achse immer dieselbe Winkelabweichung des reflektierten Strahls erzeugt. Außerdem können Mittel vorgesehen werden, um den reflektierten Lichtstrahl automatisch in vertikaler Richtung zu halten. Daher wird die Winkeländerung, selbst wenn sich der relative Winkel zwischen der freien Flüssigkeitsoberfläche und dem einfallenden Lichtstrahl ändertv im reflektierten Lichtstrahl optisch ausgeglichen, so daß der Lichtstrahl immer in einer vertikalen Richtung gehalten wird. Der vertikale Lichtstrahl kann dann als vertikale Bezugsgröße bei der Vermessung verwendet werden.
Es ist auch möglichu eine horizontale Bezugslmle oder eine horizontale Bezugsebene unter Verwendung eines horizontalen Lichtstrahls auszubilden. Es kann auch eine Einrichtung vorgesehen werden&sub1; um den vertikalen reflektierten Uchtstrahl in einen horizontalen Lichtstrahl (zum Beispiel durch Reflexion) umzuwandeln. Weiter können Einrichtungen vorgesehen werden, durch die der horizontale Lichtstrahl um eine vertikale Achse gedreht werden kann, um eine horizontale Bezugsfläche zu definieren.
Ein Teleskopsystem kann innerhalb des einfallenden Lichtstrahls angeordnet werden, so daß die gesamte Einrichtung zur Definition einer vertikalen Bezugsgröße verwendet werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Strahlteiler, wie ein halodurchlässiger Spiegel, innerhalb des reflektierten Lichtstrahls angeordnet, um den reflektierten Lichtstrahl in einen ersten und in einen zweiten Strahl aufzuspalten. Die Bewegung des ersten Strahles aufgrund einer Änderung des Einfallswinkels wird durch einen Photodetektor nachgewiesen. Auf diese Weise ist es möglich, zu entscheiden, ob die Neigung der gesamten Vorrichtung (zum Beispiel des Feldmeßgeräts) innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt. Der erste Strahl könnte entweder der Strahl seinu der durch den halodurchlässigen Spiegel gefallen Istv oder der Strahlv der vom halbdurchlässigen Spiegel reflektiert wurde.
Um einen Zuwachs von Temperaturänderungen im Flüssigkeitskörper zu vermeiden, kann die Flüssigkeit innerhalb einer allgemein flachen Gestaltung gehalten werden, beispielsweise in einem ebenen Raum. Die untere Oberfläche des Raums oder einer der anderen Oberflächen können eine Wärmeübertragungsplatte definierenv die thermische Dispersion innerhalb der Flüssigkeit und/oder thermische Übertragung zu der Flüssigkeit hin und von ihr weg bewirkt. Außerdem können Wärmeisolierungsmittel (zum Beispiel eine wärmeisolierende Schicht) um die Flüssigkeit vorgesehen seinv um Wärmeübertragung zu und von der Flüssigkeit zu unterdrücken. Daraus ergibt sichv daß Ungleichmäßgigkeiten des Brechungsindexes innerhalb des Flüssigkeitsvolumens im wesentlichen vermieden und ungewollte Beugungen des Lichtstrahls minimiert werden.
Die Erfindung kann auf vielfältige Weise verwirklicht werdenv und verschiedene spezifische Ausführungsbeispiele werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben, in der:
Fig. 1 zeigt, wie sich der Reflexionswinkel eines reflektierten Lichtstrahls beim Neigen einer freien Flüssigkeitsoberfläche ändert;
Fig. 2 ebenso zeigt, wie sich der Reflexionswinkel eines reflektierten Lichtstrahls ändert, wenn eine freie Flüssigkeitsoberfläche geneigt ist;
Fig. 3 den grundlegenden Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 4 (A) und Fig. 4(B) jeweils Änderungen gegenüber einer optischen Achse eines zu einem Zylinderlinsensystem im ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gesandten Lichtstrahls veranschaulichen;
Fig. 5 (A) und Fig. 5(B) Änderungen in der optischen Achse eines zu einem Zylinderlinsensystem gesandten Lichtstrahls darstellen;
Fig. 6 einen grundlegenden Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 7 (A) und Fig. 7(B) Änderungen in der optischen Achse eines zu einem Strahlexpander mit torischer Linse gesandten Lichtstrahls im zweiten Ausführungsbeispiel zeigen;
Fig. 8 eine typische Anwendung unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels veranschaulicht;
Fig. 9 eine andere Anwendung veranschaulicht;
Fig. 10 noch eine weitere Anwendung veranschaulicht;
Fig. 11 die Beziehung zwischen einem Strahlfleck und einem Nadelloch bei einer weiteren anderen Anwendung veranschaulicht;
Fig. 12 einen grundlegenden Aufbau eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt;
Fig. 13 Änderungen gegenüber der optischen Achse eines zu einem anamomhotischen Prismensystem im dritten Ausführungsbeispiel gesandten Lichtstrahls zeigt;
Fig. 14 (A) und Fig. 14(B) Änderungen zu der optischen Achse eines zu dem anamorphotischen Prismensystem gesandten Lichtstrahls zeigen;
Fig. 15 eine illustrative Anwendung für einen Einsatz mit dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 16 eine weitere Anwendung zeigt;
Fig. 17 noch eine andere Anwendung zeigt;
Fig. 18 die Beziehung zwischen einem Strahlfleck und einem Nadelloch in noch einer anderen Anwendung veranschaulicht;
Fig. 19 ein Querschnitt durch eine bevorzugte Form des Flüssigkeitsbehälters ist;
Fig. 20 eine entlang der Linie A-A genommene grafische Darstellung von Fig. 19 ist; und
Fig. 21 ein Querschnitt durch ein anderes bevorzugtes Beispiel des Flüssigkeitsbehälters ist.
Eine detaillierte Beschreibung der erfindungsgemäßen bevorzugten Ausführungsbeispiele wird nun in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung gegeben.
Erstens wird, bezugnehmend auf die Figuren 1 und 2 festgestellt, daß, wenn ein Lichtstrahl unter einem vorgegebenem Winkel auf eine freie Flüssigkeitsoberfiäche gerichtet wird und der Lichtstrahl von der Oberfläche totalreflektiert wirdu wenn die Oberfläche relativ zu dem Lichtstrahl geneigt wird, sich die Größe der Änderung des Reflexionswinkels entsprechend der Richtung, in der die Flüssigkeitsoberfläche geneigt ist, ändert.
In praktischen Ausführungsbeispielen wird die freie Flüssigkeitsoberfiäche normalerweise horizontal gehalten, und die Einfallsrichtung des Lichtstrahls wird geändert. In der folgenden Beschreibung wird jedoch aus Gründen der Klarheit angenommenu daß die Einfallsrichtung des Lichtstrahls konstant ist und es die freie Flüssigkeitsoberfläche ist&sub1; die geneigt wird. In Figur 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine freie Flüssigkeitsoberflächeu und es ist anzunehmen, daß ein einfallender Lichtstrahl 2 unter einem Winkel 0 in die freie Flüssigkeitsoberfiäche 1 eintritt. Es wird weiter angenommen, daß die freie Flüssigkeitsoberfiäche 1 ungefähr in einer x-z-Koordinatenebene ausgerichtet ist, wobei die Koordinatenachse y senkrecht zur Oberfläche liegt. Es wird weiter angenommen, daß die optische Achse des einfallenden Lichtstrahls 2 in der y-z-Koordinatenebene liegt. Wenn die freie Flüssigkeitsoberfiäche 1 um die Koordinatenachse x um einen Winkel α geneigt wird, bewegt sich die optische Achse des reflektierten Lichtstrahls 3 innerhalb der y-z- Koordinatenebene, wobei der Reflexionswinkel innerhalb dieser Ebene um eine Größe ξ&sub1;x innerhalb der y-z-Koordinatenebene geändert wird. In diesem Fall wird die Beziehung zwischen dem Versatzwinkel α der Flüssigkeitsoberfiäche und dem Reflexionsversatzwinkel ξ&sub1;x durch die Gleichung ξ&sub1; = 2α ausgedrückt; es gibt keinen Reflexionsversatzwinkel ξ&sub2;x innerhalb der x-y-Koordinatenebene. Wie erkennbar ist, bezeichnet das Bezugszeichen 14 in der Figur einen Spiegel.
Wenn dagegen die freie Flüssigkeitsoberfiäche 1 mit einem in Figur 2 gezeigten Winkel α um die Koordinatenachse z geneigt wird, liegt der reflektierte Lichtstrahl weder in der x-y- noch in der y-z-Koordinatenebene. Dementsprechend muß man sowohl den Reflexionsversatzwinkel ξ&sub1;z in der x-y-Ebene und den Winkel ξ&sub2;z in der y-z-Ebene berücksichtigen. Die Beziehung zwischen dem Reflexionsversatzwinkel ξ&sub1;z und dem Flüssigkeitsoberflächenwinkel α der freien Flüssigkeitsoberfläche list durch die folgenden Gleichungen gegeben:
ξ&sub1;z = cos&supmin;¹ (cos²θ cos2α + sin² θ)
ξ&sub2;z = π/2 - cos&supmin;¹ ((1 - cos2α) sin θ cos θ) (1)
Wenn zum Beispiel α = 10' und θ = 50º angenommen werden, ist ξ&sub2;z = 1,7", der Winkel ξ&sub2;z ist bezüglich der Genauigkeit vemachlässigbar. Wenn weiter angenommen wird, daß der Brechungsindex der Flüssigkeit n ist, ist der Winkel der optischen Achse, nachdem der Lichtstrahl durch die Flüssigkeit hindurchgefallen ist, durch die folgenden Gleichungen gegeben:
ξ1x' = snα
ξ&sub2;z' = n ' cos&supmin;¹ (cos² θ cos 2α + sin² θ) (2)
Entsprechend ändert sich die Empfindlichkeit bezüglich des Flüssigkeitsoberfiächenversatzwinkels α zwischen dem Reflexionsversatzwinkel ξ&sub1;x' und dem Reflexionsversatzwinkel ξ&sub1;z'. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Unterschied zwischen den Empfindlichkeiten zwischen den Reflexionsversatzwinkeln ξ&sub1;x' und ξ&sub1;z' durch optische Mittel kompensiert und ausgeglichen. Als Ergebnis erhält man eine optische Achse, die eine konstante Winkeländerungsrate bezüglich aller Richtungen zeigt.
Bezugnehmend auf Figur 3 wird nun ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 4 einen Behälter mit einer darin eingeschlossenen Flüssigkeit, der auf einer Hauptgruppe von einer Vorrichtung, wie von einem Feldmeßgerät, vorgesehen ist. Die im Behälter 4 eingeschlossene Flüssigkeit weist eine freie Flüssigkeitsoberfläche 1 auf. Ein Lichtstrahl wird von einer Lichtquelle 6 über eine Kollimatorlinse 5 auf die freie Flüssigkeitsoberfiäche 1 bei einem gegebenen Winkel gerichtet, so daß Totalreflexion auftritt. Die optische Achse des Lichtstrahls ist so gewählt, daß sie in der y-z-Koordinatenebene liegt.
Wenn die freie Flüssigkeitsoberfiäche 1 nicht geneigt ist, ist ein Zylinderlinsensystem 9 mit einem Paar Zylinderlinsen 7, 8 und einem Reflexionsspiegel 14 entlang der optischen Achse des reflektierten Lichtstrahls 3 seiner Totalreflexion von der freien Flüssigkeitsoberfläche 1 folgend angeordnet. Jede der Zylinderlinsen 7V 8 hat nur in einer Richtung eine Krümmung. Die Zylinderlinse 7 ist eine konvexe Zylinderlinse mit einer Brennweite f&sub1;, und die Zylinderlinse 8 ist eine konkave Zylinderlinse mit einer Brennweite f&sub2;.
Der durch das Zylinderlinsensystem 9 hindurchgehende Lichtstrahl wird von dem Spiegel 14 in einer vertikalen Richtung und durch einen konvexe Linsen 10, 11 aufweisenden Strahlexpander 12 reflektiert. Wenn hier als Brennweitö der konvexen Linse 10 f&sub3; und als Brennweite der konvexen Linse 11 f&sub4; angenommen wirdu wird der Abstand zwischen der konvexen Linse 10 und der konvexen Linse 11 gleich f&sub3; + f&sub4; gesetzt.
In einer (nicht gezeigten) altemativen Anordnung könnte das Zylinderlinsensystem 9 entlang dem optischen Weg nach Reflexion mittels des Spiegels 14 angeordnet werden.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 4(A) und 4(B) wird nun die Art, in der das Ausführungsbeispiel in der Praxis funktioniert, beschrieben.
In einem erstenu in Figur 4(A) gezeigten Fall tritt ein Lichtstrahl aus der Richtung des Krümmungsradius der Zylinderlinse 7 ein. In einem derartigen Fall ist die Beziehung zwischen dem Winkel, der durch den reflektierten Lichtstrahl 3 und die optische Achse der Zylinderlinse 7 gebildet ist (das heißt der Einfallswinkel a und Ausfallswinkel a' von der Zylinderlinse 8), durch die folgende Gleichung gegeben:
a' = (f&sub1;/f&sub2;) a (3)
Figur 4(B) zeigt den Fall, in dem der Lichtstrahl aus einer Ebene eintritt, die die Erzeugungslinie der gekrümmten Oberfläche der Zylinderlinse 7 enthält. In einem derartigen Fall ist die Beziehung zwischen den Winkeln, die durch den reflektierten Lichtstrahl 3 und die optische Achse der Zylinderlinse 7 gebildet werden (das heißt der Einfallswinkel a und der Achsenwinkel a' von der Zylinderlinse 8), durch die folgende Gleichung gegeben:
a=a' (4)
Demgemäß wird, wo die freie Flüssigkeitsoberfläche 1 um die z-Achse geneigt wird, das zylindrische Linsensystem 9 wie in Figur 4(A) gezeigt angeordnet; wo die freie Flüssigkeitsoberfläche 1 um die x-Achse geneigt wird, ist das zylindrische Linsensystem 9 wie in Figur 4(B) gezeigt angeordnet.
Für ein spezifisches Beispiel soll angenommen werdenv daß der Strahl auf die Flüssigkeitsoberfläche bei einem Einfallswinkel θ von 50º auftrifft, daß der Neigungswinkel der Einrichtung (das ist der Winkel α der freien Flüssigkeitsoberfläche 1) 10' ist und der Brechungsindex n der Flüssigkeit 1,4 ist. In dem Fall, daß die freie Flüssigkeitsoberfläche 1 um die x-Achse geneigt wird, kann der Reflexionsversatzwinkel ξ&sub1;x' durch Gleichung 2 als 28' bestimmt werden, und wenn die freie Flüssigkeitsoberfläche 1 um die z-Achse geneigt wird, wird der Versatzwinkel ξ&sub1;z' 18'. Entsprechend ist das Verhältnis der Empfindlichkeiten zwischen dem Reflexionsversatzwinkel ξ&sub1;x' und ξ&sub1;z' gegeben durch:
(ξ&sub1;x/ξ&sub1;z') = 1,555
Unter diesen Bedingungen kann man die folgenden Beziehungen herleiten:
ξ&sub1;x' = 2nα
ξ&sub1;z' = 1,286 nα (5)
Wenn (f1/f2) = 2/1,286 ist, ergibt sich daher aus Gleichung (2), daß der Versatzwinkel ξ&sub1;z' von der optischen Achse nach der Übertragung durch das Zylinderlinsensystem 9 folgendermaßen geändert ist: 1,286nα x 2/1,286 = 2 nα.
Nach Durchlauf durch das Zylinderlinsensystem 9 erhält man daher die Beziehung ξ&sub1;x' = ξ&sub1;z'. Daher ist die Empfindlichkeit des Reflexionsversatzwinkels unabhängig von der Richtung, in der die freie Flüssigkeitsoberfläche geneigt ist, immer die gleiche. Das heißt, daß die Größe der Neigung der freien Flüssigkeitsoberfläche einfach basierend auf einer Messung der Reflexionsversatzwinkel erhalten werden kann. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel neigt sich natürlich die gesamte Vorrichtung bezüglich der freien Flüssigkeitsoberfiäche. Daher kann unter Verwendung der oben angegebenen Gleichungen die Größe der Neigung der gesamten Vorrichtung einfach durch eine Messung der Reflexionsversatzwinkel erhalten werden.
Wenn der Lichtstrahl durch das Zylinderlinsensystem 9 hindurchgelaufen ist und danach mit dem Reflexionsspiegel 14 nach oben durch den Strahlexpander 12 reflektiert wird und wenn man die Winkelvergrößerung des Strahlexpandersv um die Analyse eine Stufe weiterzuführen, auf 1/2 n-fach setzt, ist die Größe der Neigung der optischen Achse nach Durchlauf durch den Strahlexpander durch die folgende Gleichung gegeben:
(ξ&sub1;x' = ξ&sub1;z' = 2 nα) n/2 = α (6)
Die endgültige optische Achse nach Durchlauf durch den Strahlexpander 12 verläuft immer senkrecht zu der freien Flüssigkeitsoberfläche 1, in anderen Worten, sie wird immer in vertikaler Richtung gehalten. Wenn die Brennweite der konvexen Linse 10 als f&sub3; angenommen wird und die Brennweite der konvexen Linse als f&sub4; angenommen wird, wird die Winkelvergrößerung des Expanders f&sub3;/f&sub4;. Durch geeignete Auswahl von f&sub3; und f&sub4; kann die Winkelvergrößerung auf 1/2 n gesetzt werden.
Als nächstes kann das Zylinderlinsensystem 9 unter Bezugnahme auf das in Figur 3 gezeigte Ausführungsbeispiel um 900 gedreht werden, um
(f&sub2;/f&sub1;) = 1,555
(f&sub3;/f&sub4;) = 1/1,186 n. (7)
zu erhalten.
Die Beziehung zwischen den einfallenden und ausfallenden Strahlen wird nun in dem Fall, in dem das Zylinderlinsensystem 9 um 90º gedreht ist, angegeben. Es soll auf die Figuren 5(A) und 5(B) Bezug genommen werden.
Wenn der Neigungswinkel der freien Flüssigkeitsoberfläche 1 α, der Einfallswinkel des Lichtstrahls θ und der Brechungsindex der Flüssigkeit n ist, ergeben sich die Reflexionsversatzwinkel der optischen Achse des reflektierten Lichtstrahls in bezug auf die freie Flüssigkeitsoberfläche, wie oben beschrieben, wie folgt:
ξ&sub1;x' = 2 nα, wenn die freie Flüssigkeitsoberfläche 1 um die x-Achse geneigt ist, und
ξ&sub1;z' = 1,286 nα, wenn die freie Flüssigkeitsoberfläche um die z-Achse geneigt ist.
Nachdem der Lichtstrahl durch das Zylinderlinsensystem 9 hindurchgegangen ist, ist der Reflexionsversatzwinkel ξ&sub1;x' gegeben durch:
ξ&sub1;x' = 2 nα × 1/1,555 = 1,286 nα (8)
und der Reflexionsversatzwinkel ξ&sub1;z' wird nach Durchgang durch das Zylinderlinsensystem 9 beibehalten als:
ξ&sub1;z' = 1,286 nα = ξ&sub1;x' (9)
Da weiter die Winkelvergrößerung des Expanders 12 durch f&sub3;/f&sub4; = 1/1 ,286n wie oben beschrieben gegeben ist, erhält man die folgende Beziehung:
(ξ&sub1;x' = ξ&sub1;z') × (f&sub3;/f&sub4;) = 1,286 nα/1,286 n = α (10)
Wie oben beschrieben wurde, kann die optische Achse immer in vertikaler Richtung beibehalten werden.
Eine Beschreibung eines zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels wird nun bezugnehmend auf Figur 6 gegeben.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kombination des Zylinderiinsensystems 9 und des in Figur 3 gezeigten Strahlexpanders 12 durch einen Expander 13 ersetzt, der einen Satz torischer Linsen 15, 16 aufweist. Diese Linsen weisen in x- und y-Richtung einen unterschiedlichen Brennpunkt auf. Es soll angenommen werden, daß die jeweiligen Brennpunkte in x-Richtung f&sub1;x und f&sub2;x sindu wobei die jeweiligen Brennpunkte in z-Richtung f&sub1;z und f&sub2;z sind. Weiter soll angenommen werden, daß:
f&sub1;x/f&sub2;x = 1/1,286 n
f&sub1;z/f&sub2;z = 1/2 n (11)
Der Ausfallswinkel α der torischen Linse 16 kann, wie in den Figuren 7(A) und 7(B) gezeigt ist, so gesetzt werden, daß die optische Achse immer in vertikaler Richtung beibehalten wird. Dies kann unabhängig von der Neigung der Bezugsebene durchgeführt werden, so daß der austretende Lichtstrahl als vertikale Bezugslinie benutzt werden kann. Weitere Beispiele werden nun unter Bezugnahme auf die Figuren 8 und 9 beschrieben.
Figur 8 zeigt ein Pentagonalprisma oder einen Pentagonalspiegel 17, der drehbar entlang einer optischen Ausgangsachse des von dem Strahlexpander 12 austretenden Lichtstrahls angeordnet ist. Der ausfallende Lichtstrahl wird durch den Pentagonalspiegel 17 in einen horizontalen Strahl umgewandelt, und eine horizontale Bezugsebene kann durch Drehung des Pentagonalspiegels 17 ausgebildet werden. Dies gestattet es&sub1; das Ausführungsbeispiel als Nivelliereinrichtung zu verwenden.
Figur 9 zeigt ein anderes Beispiel. In diesem Beispiel ist ein Teleskopsystem 18 an der Lichtquellenseite des ersten Ausführungsbeispiels angeordnet, wie vorhergehend durch Bezugnahme auf Figur 3 beschrieben wurde. Dies gestattet die Verwendung des Ausführungsbeispiels als vertikale Bezugseinrichtung.
In praktischen Ausführungsbeispielen ist die maximale Größe der Neigung der gesamten Vorrichtung gewöhnlich begrenzt. Dementsprechend ist es üblicherweise nötig, vor Gebrauch festzustellen, ob die Vorrichtung innerhalb der geforderten Neigungsgrenzen liegt. Dies kann durch Verwendung der in Figur 10 gezeigten Anordnung bewirkt werden.
Anstelle des oben beschriebenen Reflexionsspiegels 14 gibt es dort einen halbdurchlässigen Spiegel 40. Der reflektierte Lichtstrahl von der freien Flüssigkeitsoberfläche 1 wird in einen reflektierten Lichtstrahl 41 (der in eine vertikale Richtung gerichtet ist) und einen durchgehenden Lichtstrahl 42 aufgespalten. Der durchgehende Lichtstrahl 42 geht durch eine konvexe Linse 43 und durch ein Nadelloch 45 hindurch, das in einer Abschirmplatte 44 ausgebildet ist, wo er von einem Photodetektor 46 empfangen und nachgewiesen wird. Das Nadelloch 45 ist am Brennpunkt der konvexen Linse 43 angeordnet. Die Größe des Nadellochs entspricht dem zulässigen Bereich; dies wird unten beschrieben.
Wenn das Gesamtsystem geneigt ist, erfährt die optische Achse des von der freien Flüssigkeitsoberfläche 1 reflektierten Lichtstrahls eine Abweichung. Aufgrund des oben beschriebenen Zylinderlinsensystems 9 zeigt der reflektierte Lichtstrahl gleichmäßige Empfindlichkeit für den Neigungswinkel des Gesamtsystems in jede Richtung. Wenn die Brennweite der konvexen Linse 43 durch f&sub0; gegeben ist, dann bewegt sich die optische Achse um eine Größe f&sub0;tanξ&sub0; auf dem Nadelloch 45 bezüglich des Reflexionsversatzwinkels ξ&sub0;.
Wenn diese Bewegung die gewünschte Neigungsgrenze überschreitetu bewegt sich das Licht außerhalb der Kante des Nadellochs 45, so daß die von dem Photodetektor 46 empfangene Lichtmenge unter eine vorgegebene Größe fällt. Es ist möglichv die maximal erlaubte Größe der Neigung durch Änderung des Durchmessers des Nadellochs 45 zu ändern.
Durch Aufnahme der vom Photodetektor 46 empfangenen Lichtmenge ist es möglich, zu entscheiden, ob die Neigung des Gesamtsystems innerhalb des maximal erlaubten Wertes liegt. Als Beispiel soll angenommen werden, daß der Einfallswinkel θ, bei dem der Lichtstrahl auf die freie Flüssigkeitsoberfläche 1 fällt, 50º ist, daß der begrenzte Neigungswinkel α des Gesamtsystems 10' ist, daß der Brechungsindex n der Flüssigkeit 1,4 ist, daß die Brennweite f&sub0; der konvexen Linse 43 100 mm beträgt und daß der Durchmesser des Nadellochs R ist, dann ist die Abweichung der optischen Achse, nachdem der Lichtstrahl durch das Zylinderlinsensystem 9 hindurchgegangen ist, durch ξ&sub0; = 2nα gegeben. Das heißt, daß die Bewegung der optischen Achse an dem Nadelloch (mit anderen Worten am Brennpunkt der konvexen Linse 43) gegeben ist durch:
1 = f&sub0;tanξ&sub0; = 100 × tan × (2 × 1,4 × 10/60) = 0,81 (12)
Wenn das Nadelloch 45 eine Öffnung dieses Durchmessers hat und sich der Strahlfleck des durchgehenden Lichtstrahls 42 um diese Größe bewegt, dann wird, wie in Figur 11 gezeigt ist, die von dem Photodetektor 46 empfangene Lichtmenge abfallen. Durch automatisches Unterbrechen der Lichtemission von der Lichtquelle 6, wenn weniger als eine minimale Lichtmenge durch den Photodetektor 46 detektiert wird, kann der Benutzer dementsprechend sicher sein, daß die Vorrichtung nur innerhalb der geforderten Grenzen arbeitet.
Das Nadelloch 45 kann weggelassen werden, und ein Photodetektor wie eine CCD kann statt des Photodetektors 46 eingesetzt werden. Mit einer derartigen Anordnung kann die Position des Strahlflecks automatisch durch den Photodetektor nachgewiesen werden.
Wenden wir uns nun der Figur 12 zu, wo ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt ist. Das Ausführungsbeispiel von Figur 12 verwendet ein anamorphotisches Prismensystem 33 anstelle des Zylinderiinsensystems 9, welches in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel von Figur 3 verwendet wurde.
Das System von Figur 12 weist ein anamorphotisches Prisma 33 auf, das ein Paar keilähnlicher Prismen 34, 35, die so entlang der optischen Achse des reflektierten Lichtstrahls angeordnet sind, einschließt.
Sobald der Lichtstrahl durch das anamorphotisches Prismensystem 33 hindurchgegangen ist, wird er durch den Spiegel 14 in eine vertikale Richtung reflektiert. Der Lichtstrahl geht dann durch einen Strahlexpander 12 mit konvexen Linsen 10, 11 hindurch. Wenn die Brennweite der konvexen Linse 10 als f&sub3; und die Brennweite der konvexen Linse 11 als f&sub4; angenommen wird, dann ist der Abstand zwischen den konvexen Linsen 10, 11 gleich f&sub3; + f&sub4; gesetzt.
In einer anderen (nicht gezeigten) Anordnung kann das anamorphotische Prismensystem im optischen Weg, nachdem der Strahl vom Spiegel 14 reflektiert wurde, angeordnet werden.
Für ein spezifisches Beispiel soll angenommen werden, daß der Einfallswinkel θ des einfallenden Strahls 50º ist, daß der Neigungswinkel der Vorrichtung (das heißt der Winkel α) 10' beträgt und der Brechungsindex der Flüssigkeit 1,4 ist. Unter Verwendung von Gleichung (2), die durch Bezugnahme auf Figur 1 erhalten wurde, ist der Reflexionsversatzwinkel für die x-Achse ξ&sub1;x' 28' und der der z-Achse ξ&sub1;z' 18'. Das Verhältnis der Empfindlichkeiten der Reflexionsversatzwinkel ist dementsprechend (ξ&sub1;x'/ξ&sub1;z') = 1,555. Unter diesen Bedingungen erhält man somit:
ξ&sub1;x' = 2 nα
ξ&sub1;z' = 1,286 nα (13)
Das anamorphotische Prismensystem 33 kompensiert optisch die Unterschiede in der Empfindlichkeit, wie weiter unten unter Bezugnahme auf die Figuren 13 und 14 detaillierter beschrieben werden wird.
Es soll angenommen werden, daß die Scheitelwinkel der keilförmigen Prismen 34, 35 des anamomhotischen Prismensystems 33 a&sub3;&sub4; bzw. a&sub3;&sub5; sind. Weiter soll angenommen werden, daß der Winkel zwischen den keilförmigen Prismen 34, 35 b ist, daß der Brechungsindex ng ist und daß der einfallende und der ausfallende Strahl durch Din bzw. Dout gegeben sind. Wir erhalten dann:
Vergrößerung M = (Din/Dout) = cos² a/(1 - ng²sin² a) (14)
Die Winkelvergrößerung ist ungefähr 1/M.
Die Scheitelwinkel a&sub3;&sub4;, a&sub3;&sub5;, der Prismen, der Winkel b zwischen den Prismen und der Brechungsindex ng sind so gewähltv daß die folgende Gleichung gilt:
M=2 nα/1,286 nα = 1,555 (15)
Sobald dies stimmt, ist der Wert von ξ&sub1;x', nachdem der Strahl durch das anamorphotische Prismensystem 33 hindurchgefallen ist, geändert zu: 2nα × 1,286 nα/2nα = 1,286 nα. Ebenso ist hinter dem anamorphotischen Prismensystem 33 ξ&sub1;x' = ξ&sub1;z'.
Beispielswerte für den Brechungsindex, die Scheitelwinkel der Prismen und den Winkel zwischen den Prismen sind ng = 1,51, a&sub3;&sub4; = a&sub3;&sub5; = 27,732º, und b = 44,793º.
Die optische Achse des reflektierten Lichtstrahls 3, nachdem er durch das anamorphotische Prismensystem 33 hindurchgegangen ist, hat immer einen gleichen Reflexionsversatzwinkel bezüglich einer Neigung der freien Flüssigkeitsoberfläche 1 in jede Richtung. Folglich hat der Reflexionsversatzwinkel unabhängig von der Neigungsrichtung immer die gleiche Empfindlichkeit.
Der Lichtstrahl geht durch das anamorphotische Prismensystem 33 hindurch und wird durch den Spiegel 14 nach oben reflektiert, woraufhin er durch den Strahlexpander 12 läuft. Wenn die Winkelvergrößerung des Strahlexpanders 12 1/1,286n ist, ist die optische Achse, nachdem der Strahl durch den Strahlexpander hindurchgelaufen ist, geneigt mit:
(ξ&sub1;x' = ξ&sub1;z' = 1,286nα). 1/1,286n = α
Die endgültige optische Achse, nachdem der Strahl durch den Strahlexpander 12 hindurchgelaufen ist, verläuft immer senkrecht zu der freien Flüssigkeitsoberfläche 1, in anderen Worten, der Strahl ist immer vertikal. Unter der Annahme, daß die Brennweite der konvexen Linse 10 des Strahlexpanders 12 f&sub3; ist und die Brennweite der konvexen Linse 11 f&sub4; ist, ist die Winkelvergrößerung des Expanders 12 durch f&sub3;/f&sub4; gegeben. Durch Wahl der Werte von f&sub3; und f&sub4; kann die Winkelvergrößerung auf 1/1,286n gesetzt werden.
Als nächstes kann das anamomhotische Prismensystem 33 im Ausführungsbeispiel von Figur 12 um 90º gedreht werdenv und die Winkel a&sub3;&sub4;, a&sub3;&sub5;, b und der Brechungsindex ng können so ausgewählt werden, daß der Wert von M 1/1,555 ist.
Das anamorphotische Prismensystem 33 im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel kann verwendet werden, um einen Strahl mit elliptischem Querschnitt in einen Strahl kreisförmigen Querschnitts umzuwandeln. Wenn beispielsweise eine Laserdiode als Lichtquelle benutzt wird, kann der Querschnitt des Lichtstrahls durch das anamorphotische Prisma 33 der gewünschten kreisförmigen Form angenähert werden. Wie wohl bekannt ist, ist die natürlich Strahlform einer Laserdiode elliptisch.
Im allgemeinen haben Vorrichtungen, die in Kombination mit solchen Laserdioden verwendet werden, oft einen Einsatzbereich als Laserzeiger oder Lasermarkierer, bei denen es wünschenswert ist, daß die Form des Strahlquerschnitts einer Kreisform so nahe wie möglich kommt. Die Verwendung eines anamorphotischen Prismensystems 33 ist für diesen Zweck sehr effektiv.
Wie oben beschrieben wurde, ist es in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel möglich, die optische Achse des Ausgangslichtstrahls immer in vertikaler Richtung zu halten. Nun wird unter Bezugnahme auf Figur 15 ein Beispiel beschrieben, das die Art, in der das Ausführungsbeispiel von Figur 12 verwendet werden kann, zeigt.
Figur 15 zeigt ein Pentagonalprisma oder einen Pentagonalspiegel 17, das bzw. der entlang der optischen Achse des vom Strahlexpander 12 emittierten Lichtstrahls rotierbar angeordnet ist. Der ausfallende Lichtstrahl wird durch den Pentagonalspiegel 17 in einen horizontalen Strahl verwandelt, und durch Rotieren des Pentagonaispiegels 17 ist es möglich, eine horizontale Bezugsebene auszubilden. Dies kann insbesondere in Verbindung mit einer Nivelliereinrichtung eingesetzt werden.
Figur 16 zeigt noch ein anderes Beispiel. In diesem Beispiel ist ein Teleskop 18 an der Lichtquellenseite des Ausführungsbeispiels von Figur 12 angeordnet. Mit einer derartigen Anordnung kann das Ausführungsbeispiel als Vertikaleinrichtung verwendet werden, genau so, wie es vorhergehend bezugnehmend auf das Beispiel von Figur 9 beschrieben wurde.
Die maximale Größe der tolerierbaren Neigung ist in praktischen Systemen gewöhnlich begrenzt. Es ist demgemäß notwendig, sicherzustellen, daß das System während seiner Verwendung innerhalb der geforderten Neigungsgrenzen liegt. Um diese Forderung zu erfüllen, können dieselben Maßnahmen getroffen werden, die schon unter Bezugnahme auf Figur 10 beschrieben wurden. Dies wird nun insbesondere unter Bezugnahme auf Figur 17 beschrieben.
Anstelle des Spiegeis 14, wie oben beschrieben, wird ein halbdurchlässiger Spiegel 40 so eingesetzt, daß der reflektierte Lichtstrahl von der freien Flüssigkeitsoberfiäche 1 in einen vertikalen reflektierten Lichtstrahl und einen weiteren durchgehenden Lichtstrahl 42 aufgespalten wird. Der durchgehende Uchtstrahl 42 geht durch eine konvexe Linse 43 und durch ein Nadelloch 45 hindurch, das in einer Abschirmplatte 44 ausgebildet ist, wo er von einem Photodetektor 46 empfangen wird. Das Nadelloch 45 ist am Brennpunkt der konvexen Linse 43 angeordnet. Wie unten beschrieben wird, bestimmt die Größe des Nadellochs den zulässigen Neigungsbereich.
Wenn das Gesamtsystem geneigt wird, erfährt die optische Achse des Lichtstrahls, der von der freien Flüssigkeitsoberfläche 1 reflektiert wurde, eine Abweichung. Wegen dem in diesem System enthaltenen anamorphotischen System 33 zeigt der reflektierte Lichtstrahl, wie es oben beschrieben wurde, gleichmäßige Empfindlichkeit auf Neigungswinkel des Gesamtsystems in alle Richtungen. Wenn angenommen wird, daß die Brennweite der konvexen Linse 43 f&sub0; ist, dann ist die Größe der Bewegung auf dem Nadelloch bezüglich des Reflexionsversatzwinkels ξ&sub0; durch f&sub0;tanξ&sub0; gegeben.
Der Durchmesser des Nadellochs 45 ist so festgelegt, daß die Lichtmenge, die auf den Photodetektor 46 fällt, unter eine vorgegebene Größe abfällt, wenn die Neigungsgrenze erreicht ist. Dementsprechend ist es bei Aufnahme der vom Photodetektor 46 empfangenen Lichtmenge möglich, zu entscheiden, ob die Neigung des Gesamtsystems innerhalb der geforderten Grenzen liegt.
Als Beispiel soll angenommen werden, daß der Einfallswinkel θ in bezug auf die freie Flüssigkeitsoberfläche 1 50º beträgt, daß der begrenzte Neigungswinkel α des Gesamtsystems 10' ist, daß der Brechungsindex n der Flüssigkeit 1,4 ist, daß die Brennweite f&sub0; der konvexen Linse 43 bei 100 mm liegt und daß der Durchmesser des Nadellochs R ist. Dann ist die Abweichung von der optischen Achse, nachdem der Strahl durch das anamomhotische Prismensystem 33 hindurchgegangen ist, durch ξ&sub0; = 1,286 nα gegeben. Die Bewegung des Strahlflecks am Nadelloch 45 (der am Ort des Brennpunkts der konvexen Linse 43) ist gegeben durch:
1 = f&sub0;tanξ&sub0; = 100tan(1,286×1,4×10/60) = 0,52 (17)
Wenn das Nadelloch 45 eine Öffnung dieses Durchmessers hat, fällt der Strahlfleck des durchgehenden Lichtstrahls 42, wenn er sich um 0,52 mm bewegt, wie in Figur 18 gezeigt ist, außerhalb des Außendurchmessers des Nadellochs, und die auf der anderen Seite der Abschirmplatte 44 empfangene Lichtmenge verringert sich. Wenn ein Abfall in der Lichtintensität am Photodetektor 46 nachgewiesen wird, kann durch Unterbrechung der Lichtemission von der Lichtquelle 6, sichergestellt werden, daß das Ausführungsbeispiel nur innerhalb der geforderten Neigungsgrenzen verwendet werden kann.
Wenden wir uns nun den Figuren 19 und 20 zu, wo eine Beschreibung eines praktischen Ausführungsbeispiels des Behälters 4 mit der darin eingeschlossenen Flüssigkeit gegeben wird. Der Behälter kann entweder auf einer Hauptgruppe der Vorrichtung zusammen mit den optischen Systemen befestigt werden, oder er kann als integraler Teil der Vorrichtung hergestellt werden.
Wenn die Vorrichtung unter Umgebungsbedingungen verwendet wird, wo Temperaturänderungen erfolgen (zum Beispiel wenn die Vorrichtung nach draußen genommen wird, nachdem ihre Aufwärmung innerhalb eines Gebäudes zugelassen war), kann festgestellt werden, daß eine Temperaturverteilung innerhalb der Flüssigkeit auftreten kann, die innerhalb des Behälters eingeschlossen ist. Diese Temperaturverteilung bewirkt Änderungen des Brechungsindexes innerhalb der Flüssigkeit, was die Brechung der Strahlen beim Durchgang verursachen kann. Das spezifische Beispiel des in den Figuren 19 und 20 gezeigten Behälters 4 ist dafür bestimmt, derartige Schwierigkeiten wenigstens zu mindern.
Innerhalb eines Außengehäuses 20 von umgekehrter Trapezform gibt es ein inneres Gehäuse 21 mit einer dem äußeren Gehäuse ähnlichen Form. Entlang einer oberen Oberfläche des Inneren des Gehäuses 21 ist ein ebener Raum 22 zusammen mit einem Lichteintrittsweg 23 und einem Lichtaustrittsweg 24 ausgebildet, die beide mit dem Raum 22 in Verbindung stehen. Die Achse des Lichteinfallswegs 23 ist während des Gebrauchs mit der optischen Achse des einfallenden Lichtstrahls ausgerichtet, und die Achse des Lichtausgangswegs 24 ist mit der optischen Achse des reflektierten Lichtstrahls 3 ausgerichtet, wenn die freie Flüssigkeitsoberfläche 1 horizontal ist.
Die untere Oberfläche des Raums 22 ist durch eine Hitzeübertragungsplatte 25 festgelegt. Diese ist mit einem Fensterloch 26 in ihrem Zentrum versehen, wodurch sowohl dem einfallenden Lichtstrahl als auch dem reflektierten Lichtstrahl der Durchgang ermöglicht wird. An jedem der oberen Enden des Lichteingangswegs 23 und des Lichtausgangswegs 24 ist ein transparenter Glasstöpsel 27 vorgesehen. Eine transparente Flüssigkeit 28 ist durch diesen Stöpsel 27 eingeschlossen. Die Menge an transparenter Flüssigkeit innerhalb der Einrichtung ist so bemessenv daß eine freie Flüssigkeitsoberfläche ausgebildet ist.
Das innere Gehäuse 21 ist innerhalb des äußeren Gehäuses 20 untergebracht, und es gibt einen vorgegebenen umgebenden Raum 29, der um das innere Gehäuse 21 ausgebildet ist. Glasfenster 30, 31 sind im äußeren Gehäuse an den Positionen, die den Achsen des Lichteingangswegs 23 und des Lichteingangswegs 24 entsprechen, angeordnet. Das äußere Gehäuse hat eine luftdichte Konstruktion, und der umgebende Raum 29 ist entweder ein Vakuum, oder ansonsten kann auch ein Gas innerhalb dieses Raums 29 eingeschlossen sein. Weiter sind das äußere Gehäuse 20 und das innere Gehäuse 21 beide aus einem Material hergestellt, das eine geringe thermische Leitfähigkeit hat, wie beispielsweise Kunstharz, um Wärmestrahlung und Wärmeabsorption zu und von der Umgebung zu minimieren.
Wie oben beschrieben wurde, hat der Raum 22, in dem die transparente Flüssigkeit 28 eingeschlossen ist, eine dünne ebene Form, deren Boden durch eine Wärmeübertragungsplatte 25 festgelegt ist. Im Ergebnis ist die Wärmeübertragung gut und die Übertragungsplatte erlaubt der Flüssigkeit, eine im wesentlichen gleichförmige Temperatur aufrechtzuerhalten, selbst wenn Temperaturänderungen auftreten. Der umgebende Raum 29 dient als Wärmeisolierungsschicht, um Wärmeübertragung zu und von dem inneren Gehäuse weg zu verhindern. Dementsprechend wird die Flüssigkeit nur relativ langsam die Temperatur ändern, selbst wenn sich die Umgebungstemperatur schnell ändert.
Da Temperaturdifferenzen innerhalb der transparenten Flüssigkeit 28 unterdrückt sind, werden ungewollte Brechungen der Lichtstrahlen innerhalb der Flüssigkeit verhindert. Dies verhindert ebenfalls die Veränderung der Form des Querschnitts des Lichtstrahls innerhalb der Flüssigkeit aufgrund von Änderungen des Brechungsindexes. Als Ergebnis erhöhen sich sowohl die Meßgenauigkeit als auch die Stabilität im Hinblick auf Änderungen der Umgebungstemperatur.
Zum Schluß zeigt Figur 21 ein anderes Beispiel des Behälters 4 mit einer eingeschlossenen Flüssigkeit. In diesem Fall gibt es keinen getrennten umgebenden Raum 29 um das innere Gehäuse 21. Statt dessen ist das innere Gehäuse 21 direkt vom äußeren Gehäuse 20 umschlossen, das aus wärmeisolierendern Material hergestellt ist. Das Außengehäuse wirkt dementsprechend als Isolierschicht um das Innengehäuse.
Selbstverständlich ist die exakte Form des Behälters 4, der die eingeschlossene Flüssigkeit umschließt, nicht auf die obigen Beispiele begrenzt.
Wie oben beschrieben wurde, kann die automatische Neigungswinkelkompensation gemäß irgendeinem der beschriebenen Ausführungsbeispiele entweder als eine Nivelliereinrichtung oder als eine Einrichtung zur Bestimmung einer vertikalen Ausrichtung nützlich sein. Weiter kann sie zur Messung der Neigung einer Einrichtung nützlich seinv beispielsweise innerhalb eines Feldmeßgeräts. Sie kann auch zur Kompensation eines Neigungswinkels verwendet werden.

Claims

1. Automatischer Neigungswinkelkompensator mit einem Behälter (4), in dem eine transparente Flüssigkeit (1) mit einer freien Flüssigkeitsoberfläche vorliegt, mit einer Lichtprojektionseinrichtung (6) zum Projizieren eines einfallenden Lichtstrahls entlang einer einfallenden Achse zur freien Flüssigkeitsoberflächeu so daß der Lichtstrahl von dieser entlang einer reflektierten Achse totalreflektiert wirdu und mit einem optischen System (9, 12, 33), das im optischen Weg des reflektierten Strahls angeordnet ist, wobei der Kompensator dadurch gekennzeichnet ist, daß das optische System (9, 12, 33) auf den Reflexionsstrahl in zueinander senkrechten Richtungen unterschiedlich wirkt, um die Empfindlichkeit des durch die Größe der Winkelabweichung von der reflektierten Achse gemessenenv reflektierten Strahls im wesentlichen auf eine kleine Winkelabweichung des einfallenden Lichtstrahls in beliebiger Richtung von der einfallenden Achse auszugleichen.

2. Kompensator nach Anspruch 1 U bei dem das optische System eine konvexe Zylinderlinse (7) und eine konkave Zylinderlinse (8) aufweist.

3. Kompensator nach Anspruch 1, bei dem das optische System ein anamorphotisches Prismensystem (33) aufweist.

4. Kompensator nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Spiegel (14) zum Reflektieren des reflektierten Lichtstrahls in eine Bezugsrichtung und mit einer Einrichtung zum Anpassen der Richtung des reflektierten Strahls an die Bezugsachse, die einer Winkelabweichung des einfallenden Lichtstrahls von der einfallenden Achse folgt.

5. Kompensator nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche&sub1; sofern von Anspruch 2 abhängig, bei dem das optische System ferner einen Strahlexpander (10, 11) aufweist.

6. Kompensator nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das optische System einen Satz torischer Linsen aufweist.

7. Kompensator nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, sofern von Anspruch 3 abhängig, bei dem das optische System einen Strahlexpander (12) aufweist.

8. Kompensator nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Umwandeleinrichtung im optischen Weg des reflektierten Strahls aufweist, die zum Richten des Lichtstrahls in eine horizontale Richtung angeordnet ist.

9. Kompensator nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Teleskopsystem (18), das im einfallenden Lichtstrahl angeordnet ist.

10. Kompensator nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Strahlaufteileinrichtung, die zum Aufteilen des reflektierten Strahls in einen ersten Strahl, der von einem Photodetektor empfangen wird, und in einen zweiten Strahl eingerichtet ist, wobei eine Bewegung einer optischen Achse des ersten Strahls durch den Photodetektor erfaßt wird.

11. Kompensator nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die transparente Flüssigkeit in einem Raum ebener Gestaltung eingeschlossen ist.

12. Kompensator nach Anspruch 11, bei dem eine Fläche der ebenen Gestaltung durch eine Wärmeübertragungsplatte (25) bestimmt ist.

13. Kompensator nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche mit einer den Behälter (4) umgebenden Wärmeisoliereinrichtung.