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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Neigungssensor, welcher ein
Flüssigkeitsbauteil
verwendet, welches eine freie Oberfläche aufweist. Insbesondere
betrifft die Erfindung einen Neigungssensor, der am besten geeignet
für ein
Vermessungsinstrument und in der Lage des Detektierens von Neigungen
in zwei X- und Y-Achsen-Richtungen ist, welcher nur einen einzigen
linearen Sensor verwendet, als auch ein Vermessungsinstrument, das
den Neigungssensor verwendet.
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Früher ist
als Vorrichtung zum Detektieren von Neigungen eines Vermessungsinstrumentes solch
eine Bläschenröhre 10000,
wie sie in 7 gezeigt ist, verwendet worden.
In dem Inneren der Bläschenröhre 10000 sind
Bläschen 5000 dicht
eingeschlossen und Elektroden 6000 und 7000 sind
gebildet, um eine Kapazität
elektrisch zu messen und dadurch eine Neigung zu bestimmen.
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Jedoch,
da der äußere periphere
Abschnitt der Bläschenröhre 10000 aus
Glas gebildet ist, ist sie schwach gegen Aufschläge und eine hohe mechanische
Genauigkeit ist erforderlich, wodurch das Problem auftaucht, dass
die Kosten hoch sind.
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Weiterhin,
zum Messen von Neigungen sowohl in X- als auch in Y-Achsen-Richtung, ist es
notwendig, zwei Bläschenröhren 10000 in
zwei Achsen-Richtungen
zu verwenden, was eine Erhöhung der
Kosten bewirkt.
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Zusätzlich wird
die Bläschenröhre 10000 auch
durch Änderungen
in der Umgebungstemperatur beeinflusst und daher war es bis jetzt
erforderlich, eine Korrektur der Temperaturänderungen durchzuführen.
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CH 677 403 A5 offenbart
einen Neigungssensor, der ein Flüssigkeitsbauteil
aufweist, einen Sensor und eine Scheibe mit einem Muster darauf, welches
durch das Flüssigkeitsbauteil
reflektiert wird und dann auf eine Apertur vor dem Sensor projiziert wird.
Während
der Messung dreht sich die Scheibe, so dass das projizierte Muster
sich konstant relativ zu der Apertur und dem Sensor bewegt.
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US-Patent Nr. 5,371,951 offenbart
einen Zweiachsenneigungsmesser, der eine neigungssensitivstrahlenablenkende
Vorrichtung aufweist, über welche
eine geometrische Figur, die zumindest einen Winkel aufweist, auf
eine lineare Anordnung projiziert wird. Zusätzlich zum Vorsehen einer hohen
Auflösung,
wird ein großer
Messbereich auch geöffnet durch
die spezielle Anordnung und Konfiguration der geometrischen Figur.
X-, Y- und überlappende
Neigungen können
simultan bestimmt werden unter Verwendung des beschriebenen Neigungsmessers.
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US-Patent Nr. 4,092,072 offenbart
einen Winkelpositionssensor, der ein Gehäuse mit einer Apertur in der
Form von zwei wechselseitig geneigten Schlitzen aufweist. Hinter
der Apertur ist eine lineare Anordnung von lichtsensitiven Elementen,
welche laminare Lichtstrahlen auffangen, die durch die Schlitze
von Licht von einer kleinen Lichtquelle entwickelt wurden. Die Positionen
der Schnittpunkte des Lichtes auf der Anordnung bilden ein Maß der Winkelposition
der Lichtquelle in Höhe
und Azimut.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Neigungssensor
mit einer verbesserten Genauigkeit vorzusehen, während er eine einfache Konstruktion
aufweist.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch
einen Neigungssensor, wie im unabhängigen Anspruch 1 definiert,
erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen dargestellt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
begleitenden Zeichnungen stellen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung dar, in welchen:
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1 ein
Diagramm ist, das die Konstruktion eines Neigungssensors gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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2 ein
Diagramm ist, das ein Dunkelfeldmuster erklärt, das in der ersten Ausführungsform verwendet
wird;
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3 ein
Diagramm ist, das die Konstruktion eines Neigungssensors gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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4 ein
Diagramm ist, das ein erstes Flüssigkeitsbauteil
erklärt;
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5 ein
Diagramm ist, das einen Neigungswinkelberechnungsprozess erklärt, der
durch eine Verarbeitungseinrichtung durchgeführt wird;
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6 ein
Diagramm ist, das einen Neigungswinkelberechnungsprozess erklärt, der
durch die Verarbeitungseinrichtung durchgeführt wird;
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7 ein
Diagramm ist, das den Stand der Technik erklärt;
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8 ein
Diagramm ist, das ein Beispiel zeigt, in welchem die Erfindung auf
einen elektronischen Theodolit angewendet wird; und
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9 ein
Diagramm ist, das ein Beispiel zeigt, in welchem die Erfindung auf
den elektronischen Theodolit angewendet wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die
Zeichnungen beschrieben werden.
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(Erste Ausführungsform)
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1 stellt
eine optische Konstruktion eines Neigungssensors 1000 gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung dar. Der Neigungssensor 1000 umfasst eine
Lichtquelle 100, eine Kondensorlinse 200, ein
Dunkelfeldmuster 300, eine erste Musterrelaislinse 400,
einen Halbspiegel 500, ein erstes Flüssigkeitsbauteil 600,
welches eine freie Oberfläche
aufweist, eine zweite Musterrelaislinse 700, eine lichtempfangende
Einrichtung 800 und eine Verarbeitungseinrichtung 900.
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Die
Lichtquelle 100, die in der ersten Ausführungsform verwendet wird,
ist eine lichtemittierende Diode (LED), vorausgesetzt, dass jegliche
andere Lichtquelle verwendet werden kann.
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Die
Kondensorlinse 200, welche dem Kollimieren des Lichtes
dient, das von der Lichtquelle 100 emittiert wird, entspricht
einem ersten optischen System.
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Das
Dunkelfeldmuster 300 dient dem Bilden eines Musterbildes
in der lichtempfangenden Einrichtung 800.
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2 stellt
ein Dunkelfeldmuster 300 dar, das in der ersten Ausführungsform
verwendet wird, wobei das Muster aus mehreren Schlitzen 310, 310, ...
zusammengesetzt ist. Es wird hier angenommen, dass die Richtung,
die orthogonal zu den mehreren Schlitzen 310, 310,
... ist, die X-Richtung ist, und dass die Längsrichtung eines jeden Schlitzes 310 die Y-Richtung
ist.
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Die
mehreren Schlitze 310, 310, ... sind auf solch
eine Art und Weise angeordnet, dass ihre zentralen Punkte voneinander
mit gleichen Intervallen P beabstandet sind, und dass die Schlitzbreite
in einer Richtung orthogonal zu der angeordneten Richtung der Schlitze
variiert.
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Die
erste Musterrelaislinse 400 ist zum Leiten des Lichtes,
welches durch das Dunkelfeldmuster 300 passiert ist, zu
dem Halbspiegel 500.
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Das
Licht ändert
seine Richtung durch den Halbspiegel 500, schreitet dann
nach oben fort und tritt in das erste Flüssigkeitsbauteil 600 ein,
welches eine freie Oberfläche
aufweist. Das Licht danach, das durch das erste Flüssigkeitsbauteil 600 reflektiert wird,
passiert durch den Halbspiegel 500 und wandert in Richtung
der lichtempfangenden Einrichtung 800, welche an einer
unteren Position platziert ist.
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Das
erste Flüssigkeitsbauteil 600,
welches eine freie Oberfläche
aufweist, ist mit einer Flüssigkeit
aufgefüllt,
welche eine mittlere Viskosität
aufweist, z.B. Silikonöl.
Da das erste Flüssigkeitsbauteil 600 eine
freie Oberfläche
aufweist, wird sichergestellt, dass die Oberfläche davon planar gehalten wird.
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Die
zweite Musterrelaislinse 700 dient dem Fokussieren des
Lichtes, welches durch das erste Flüssigkeitsbauteil 600 reflektiert
worden ist, welches eine freie Oberfläche aufweist, und welches durch den
Halbspiegel 500 passiert ist, auf die lichtempfangende
Einrichtung 800. Das heißt, die zweite Musterrelaislinse 700 dient
dem Bilden eines Bildes des Dunkelfeldmusters 300 auf der
lichtempfangenden Einrichtung 800.
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Die
zweite Musterrelaislinse 700, welche einem zweiten optischen
System entspricht, ist an einer Position angeordnet, die in einem
Brennpunktabstand, f, der Linse 700 von der lichtempfangenden Einrichtung 800 beabstandet
ist.
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Die
lichtempfangende Einrichtung 800 dient dem Empfangen eines
Lichtbildes des Dunkelfeldmusters 300 und Konvertieren
desselben in ein elektrisches Signal. Ein CCD (ladungsgekoppelte
Schaltung) linearer Sensor wird verwendet als lichtempfangenden
Einrichtung in dieser Ausführungsform.
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Die
Verarbeitungseinrichtung 900, eine CPU enthaltend, dient
dem Ausführen
einer vollständigen Steuerung
und Berechnen eines Veränderungsabstandes
des Schlitzbildes in dem Dunkelfeldmuster 300, um einen
entsprechenden Neigungswinkel zu bestimmen.
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Bei
dieser Ausführungsform,
welche wie oben konstruiert ist, wird, wenn der Neigungssensor 1000 geneigt
wird, die freie Oberfläche
des ersten Flüssigkeitsbauteils 600 planar
gehalten, so dass das Bild des Dunkelfeldmusters 300 auf
der lichtempfangenden Einrichtung 800 proportional zu dem
Winkel der Neigung verlagert wird.
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In
dem Fall, wo der Neigungssensor 1000 mit einem Winkel von θ geneigt
ist, falls der Brechungsindex des ersten Flüssigkeitsbauteils 600n ist,
folgt dann daraus, dass das Licht, das von der freien Oberfläche reflektiert
wird um 2nθ geneigt
ist. Vorausgesetzt, dass der entsprechende Abstand des linearen
Sensors als die lichtempfangende Einrichtung 800 L ist: L = f·tan
(2nθ) Formel 1
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Daher,
falls der Betrag der Veränderung
der Schlitze 310 in dem Dunkelfeldmuster 300 durch
die lichtempfangende Einrichtung 800 detektiert wird und in
einen Neigungswinkel durch die Verarbeitungseinheit 900 konvertiert
wird, ist es möglich,
die Neigung θ des
Neigungssensors 1000 zu bestimmen.
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Eine
detaillierte Beschreibung wird unten über einen Neigungswinkelberechnungsprozess
gegeben werden, der durch die Verarbeitungseinrichtung 900 durchgeführt wird.
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Ein
linearer Sensor, der als lichtempfangende Einrichtung 800 dient,
ist in einer Richtung (X-Richtung) orthogonal zu dem Bild der mehreren Schlitze 310, 310,
... angeordnet.
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Bezüglich des
Neigungswinkels, kann dieser daher bestimmt werden durch Bemerken
eines spezifischen Musters der Schlitze 310, ... als Startmuster und
Messen eines Abstandes, dx, von einer voreingestellten Niveauposition
als Referenzposition, die in 7 gezeigt
ist.
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Bezüglich eines
Abstandes, der kürzer
ist, als der Abstand eines jeden Neigungswinkels, kann er mit einer
hohen Genauigkeit durch Durchführen
einer Fourier-Transformation
für die
Ausgabe des linearen Sensors bestimmt werden, um eine Phasendifferenz Φ zwischen
der Neigung und der Niveauposition als die Bezugsposition zu berechnen
und durch Lösen
der folgenden Formel: Φ·p/(2π) Formel 2
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Dann,
durch Kombinieren des Abstandes, der somit bestimmt wurde, mit einem
Abstand, der länger
als der Abstand ist, der durch den vorhergehenden Abstand des Startmusters
erhalten wurde, ist es möglich,
den Gesamtabstand zu bestimmen.
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Auf
der Basis des Gesamtbetrags der Änderung
kann die Verarbeitungseinrichtung 900 einen entsprechenden
Neigungswinkel in der X-Richtung berechnen.
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Bezüglich des
Winkels der Neigung in der Y-Richtung, wird sie berechnet unter
Verwendung eines dreieckigen Schlitzes 310, welcher eine
variierende Breite aufweist.
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Noch
genauer, da der lineare Sensor in der X-Richtung angeordnet ist,
bewirkt eine Neigung davon in der Y-Richtung eine Änderung
der lichtempfangenden Breite des dreieckigen Schlitzes 310.
Die Verarbeitungseinrichtung 900 kann den Winkel der Neigung
in der Y-Richtung berechnen.
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Im
Messen der Breite in der Y-Richtung, wie in 8 gezeigt
ist, kann der Abstand zwischen der vorderen und der hinteren Kante
in der Ausgabe des linearen Sensors bestimmt werden durch Differenzieren
der Ausgabe. Weiterhin, zum Zwecke des Verbessers der Messgenauigkeit,
kann der Abstand L des linearen Sensors wie folgt durch Ausführen einer Berechnung
für alle
Signale ausgedrückt
werden, wobei eine Durchschnittsbreite dyave bestimmt
wird und eine Abstandsbreite p verwendet wird, die durch die Fourier-Transformation
erhalten wurde und auch durch Verwenden einer vorbestimmten proportionalen
Beziehung, k: L = k·dyave/p Formel
3
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Weiterhin
kann eine Neigung in der Y-Richtung aus der Formel 1 berechnet werden.
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Der
breitenvariierende Schlitz ist nicht auf eine dreieckige Form beschränkt. Er
kann jeglicher anderer Form sein, solange die Breite davon variiert und
eine Übereinstimmung
zu der Neigung eingestellt werden kann.
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Somit
ist es möglich,
nur durch Verwenden eines einzigen linearen Sensors, Neigungen in
zwei Achsen-Richtungen zu detektieren, d.h. X- und Y-Richtung.
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Der
Einsatz eines Bereichssensors, nicht eines linearen Sensors, und
die Verwendung von mehreren Schlitzen 310, 310,
..., die in gleichen Intervallen gebildet sind, erlauben eine Detektion
von Neigungen in zwei X- und Y-Achsen-Richtungen.
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Weiterhin
kann das erste Flüssigkeitsbauteil 600,
welches eine freie Oberfläche
aufweist, durch ein schwingendes aufgehängtes Element substituiert werden.
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(Zweite Ausführungsform)
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3 stellt
eine optische Konstruktion eines Neigungssensors 4000 gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar. Der Neigungssensor 4000 umfasst
eine Lichtquelle 100, eine Kondensorlinse 200,
ein Dunkelfeldmuster 300, eine erste Musterrelaislinse 400,
einen Halbspiegel 500, ein erstes Flüssigkeitsbauteil 600,
welches eine freie Oberfläche
aufweist, ein zweites Flüssigkeitsbauteil 610,
welches eine freie Oberfläche
aufweist, eine zweite Musterrelaislinse 700, eine lichtempfangende Einrichtung 800 und
eine Verarbeitungseinrichtung 900.
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Falls
diese zweite Ausführungsform
auf die gleiche Art und Weise wie die erste Ausführungsform praktiziert wird,
bildet das erste Flüssigkeitsbauteil 600 eine
freie Oberfläche,
während
das zweite Flüssigkeitsbauteil 610 von
dem optischen Pfad abgelenkt wird, und somit ist diese Konstruktion
die gleiche, wie diejenige der ersten Ausführungsform.
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In
dieser zweiten Ausführungsform,
wie in 3 gezeigt ist, falls das ganze um 90° nach links gedreht
wird, bildet das zweite Flüssigkeitsbauteil 610 eine
freie Oberfläche,
während
das erste Flüssigkeitsbauteil 600 aus
dem optischen Pfad abgelenkt wird. Somit ist das zweite Flüssigkeitsbauteil 610 derartig
angeordnet, dass es einsetzbar ist, sogar wenn der Neigungssensor
der ersten Ausführungsform
um 90° gedreht
wird.
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Daher,
wenn der Neigungssensor 4000 geneigt wird, wird die freie
Oberfläche
des zweiten Flüssigkeitsbauteils 610 eben
gehalten, so dass das Bild des Dunkelfeldmusters 300 auf
der lichtempfangenden Einrichtung 800 proportional zu dem
Neigungswinkel verschoben wird.
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Das
Musterbild, welches durch den Halbspiegel 500 passiert,
wird durch das zweite Flüssigkeitsbauteil 610 reflektiert,
passiert dann durch Halbspiegel 500 und die zweite Musterrelaislinse 700 und wird
auf der lichtempfangenden Einrichtung 800 fokussiert. In
diesem Fall wird das Licht, das auf das erste Flüssigkeits bauteil 600 einfällt, nicht
reflektiert, da die Flüssigkeit
aus dem optischen Pfad abgelenkt ist.
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Somit,
durch simples Hinzufügen
eines zweiten Flüssigkeitsbauteils 610,
wird es für
den Neigungssensor 4000, der in 3 gezeigt
ist, möglich, in
zwei Richtungen verwendet zu werden.
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Weiterhin,
falls der Neigungssensor gemäß der vorliegenden
Erfindung an solch einen elektronischen Theodolit 20000 angebracht
wird, wie er in 8 und 9 gezeigt
ist, ist es möglich,
Neigungen in beiden X- und Y-Richtungen des Körpers eines Vermessungsinstrumentes
zu detektieren.
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Bei
der vorliegenden Erfindung, die wie oben konstruiert ist, kollimiert
das erste optische System das Licht, das von der Lichtquelle emittiert
wird, das Dunkelfeldmuster erlaubt es dem Licht aus dem ersten optischen
System dadurch hindurch zu passieren, der Halbspiegel ändert die
Richtung des Lichtes, welches durch das Dunkelfeldmuster passiert
ist, das erste Flüssigkeitsbauteil,
welches eine freie Oberfläche
aufweist, reflektiert das Licht, welches seine Richtung durch den
Halbspiegel geändert
hat, das zweite optische System fokussiert das Licht, das durch
das erstes Flüssigkeitsbauteil
reflektiert wurde, die lichtempfangende Einrichtung empfängt das Lichtbild,
das durch das zweite optische System gebildet wurde und die Verarbeitungseinrichtung
berechnet eine Neigung auf der Basis des Empfangssignals, das von
der lichtempfangenden Einrichtung vorgesehen wird. Das Dunkelfeldmuster
ist durch eine Vielzahl von Schlitzen auf solch eine Art und Weise
aufgebaut, dass zentrale Linien der Schlitze in gleichen Abständen in
einer Richtung angeordnet sind, während die Musterbreite in einer
Richtung orthogonal zu derjenigen Richtung variiert. Demzufolge ist
es möglich,
einen Neigungssensor einer hohen Genauigkeit vorzusehen, der eine
hohe mechanische Festigkeit aufweist.
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Gemäß der lichtempfangenden
Einrichtung der vorliegenden Erfindung ist der lineare Sensor in einer
Richtung (X-Richtung) orthogonal zu dem Bild der mehreren Schlitze
angeordnet und die Verarbeitungseinrichtung bestimmt eine Bewegung,
die größer als
der Musterabstand ist auf der Basis eines Betrages der Änderung
relativ zu dem linearen Sensor und bestimmt eine Bewegung geringer
als der Musterabstand durch Berechnen einer Musterphase basierend
auf einer Fourier-Transformation,
um eine Neigung in X-Richtung zu bestimmen. Andererseits wird eine
Neigung in Y-Richtung bestimmt durch Verwenden der Breite eines
Schlitzbildes, welches in Y-Richtung variiert. Somit ist es mit
einem einzigen linearen Sensor möglich,
Neigungen in zwei X- und Y-Achsen-Richtungen zu detektieren. Solch
eine einfache Struktur verbessert die Zuverlässigkeit des Neigungssensors
und trägt
zur Reduzierung der Kosten bei. Diese exzellenten Effekte werden
durch die vorliegende Erfindung erreicht.
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird darüber hinaus, bezüglich eines
Betrages der Änderung
geringer als der Abstand des Schlitzbildes, dieser durch Durchführen einer
Fourier-Transformation berechnet, um die Phase des Schlitzmusters
zu berechnen. Daher ist es nicht notwendig, die Genauigkeit des Dunkelfeldmusters
höher einzustellen
als notwendig und es ist notwendig, eine Neigungsmessung mit einer
hohen Genauigkeit vorzunehmen. Insbesondere, da die Fourier-Transformation verwendet
wird, wird ein exzellenter Effekt erzielt, derartig, dass ein Formfehler
und ein Abstandsfehler in dem Dunkelfeldmuster fortgeführt werden,
um weniger in dem letztendlichen Neigungswinkel reflektiert zu werden.