DE69830116T2

DE69830116T2 - Neigungssensor und diesen verwendendes Vermessungsinstrument

Info

Publication number: DE69830116T2
Application number: DE69830116T
Authority: DE
Inventors: Kaoru Kumagai; Fumio Ohtomo
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 1997-10-08
Filing date: 1998-10-08
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2018-10-09
Also published as: EP0908699B1; EP0908699A3; JPH11118482A; US6204498B1; DE69830116D1; EP0908699A2; JP3787736B2

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Neigungssensor, welcher ein flüssiges Element mit einer freien Oberfläche benutzt. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Neigungssensor, der am besten für ein Überwachungsgerät geeignet ist und in einer kompakten Form ausgebildet sein kann durch Anordnen eines Halbspiegels in einem Strahlengang sowohl des flüssigen Elementes wie eines Lichtaufnahmesystems, sowie ein Überwachungsgerät, welches den Neigungssensor verwendet.
Bisher ist als Vorrichtung zum Erfassen von Neigungen eines Überwachungsgerätes ein Blasenrohr 10000 verwendet worden, wie in 9 gezeigt. Im Inneren des Blasenrohres 10000 sind Blasen 5000 eingeschlossen und Elektroden 6000 und 7000 geformt, um elektrisch eine Kapazität zu messen und hierdurch eine Neigung zu bestimmen.
Da jedoch der äußere Umfangsabschnitt des Blasenrohres 10000 aus Glas gebildet ist, ist es stoßempfindlich, und es ist eine hohe mechanische Genauigkeit erforderlich, wodurch das Problem hoher Kosten entsteht.
Darüber hinaus ist es zum Messen von Neigungen sowohl in X- als auch in Y-Achsenrichtung erforderlich, zwei Blasenrohre 10000 in zwei Achsenrichtungen zu verwenden, wodurch sich die Kosten erhöhen.
Zusätzlich wird das Blasenrohr 10000 durch Veränderungen der Umgebungstemperatur beeinträchtigt, und es ist daher bisher erforderlich gewesen, Korrekturen von Temperaturveränderungen vorzunehmen.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Neigungssensor, welcher ein flüssiges Element mit einer freien Oberfläche verwendet, wobei ein erstes optisches System von einer Lichtquelle ausgesandtes Licht kollimiert, ein Skalenmuster dem Licht vom ersten optischen System erlaubt, hier hindurch zu passieren, ein Halbspiegel die Richtung des Lichtes, welches das Dunkelfeldmuster passiert hat, verändert, ein erstes flüssiges Element mit einer freien Oberfläche das Musterlicht reflektiert, wodurch seine Richtung durch den Halbspiegel verändert wird, ein zweites optisches System das durch das erste flüssige Element reflektierte Musterlicht fokussiert, eine Lichtaufnahmeeinrichtung das durch das zweite optische System geformte Lichtbild aufnimmt, und eine Verarbeitungseinrichtung eine Neigung auf der Grundlage eines Aufnahmesignals, geliefert von der Lichtaufnahmeeinrichtung, berechnet. Das Skalenmuster wird von einer Vielzahl von Schlitzen gebildet, und der Halbspiegel ist im Strahlengang sowohl des flüssigen Elementes als auch des zweiten optischen Systems angeordnet.
Der Halbspiegel ist als Strahlenteiler ausgebildet mit einer Kantenfläche, die in Bezug zu der Richtung des von der Lichtquelle übertragenen Lichtes geneigt ist, oder es sind verschiedene Polarisierungseinrichtungen in den einzelnen Strahlengängen des Neigungssensors angeordnet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die begleitenden Zeichnungen illustrieren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wobei:
1 ein Diagramm ist, welches den Aufbau eines Neigungssensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 ein Skalenmuster ist mit einer geometrischen Form, ausgebildet als Dreiecksmuster, in der ersten Ausführungsform;
3 ein Diagramm ist, welches den Aufbau eines Neigungssensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
4 ein Diagramm ist, welches den Aufbau eines Neigungssensors gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
5 ein Diagramm ist, welches den Aufbau eines Neigungssensors gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
6 ein Diagramm ist, welches ein erstes flüssiges Element erläutert;
7 ein Diagramm ist, welches einen Berechnungsvorgang eines Neigungswinkels erläutert, der von einer Verarbeitungseinrichtung durchgeführt wird;
8 ein Diagramm ist, welches einen Berechnungsvorgang eines Neigungswinkels erläutert, der von der Verarbeitungseinrichtung durchgeführt wird;
9 ein Diagramm ist, welches den Stand der Technik erläutert;
10 ein Diagramm ist, welches ein Beispiel zeigt, in welchem die Erfindung auf einen elektronischen Theodoliten angewendet wird; und
11 ein Diagramm ist, welches ein Beispiel zeigt, in welchem die Erfindung auf den elektronischen Theodoliten angewendet wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Nachfolgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
[Erste Ausführungsform]
1 illustriert einen optischen Aufbau eines Neigungssensors 1000 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Neigungssensor 1000 weist eine Lichtquelle 100, eine Kondensorlinse 200, ein Skalenmuster (ein Dunkelfeldmuster) 300, eine erste Musterübertragungslinse 400, einen Halbspiegel 500, ein erstes flüssiges Element 600 mit einer freien Oberfläche, eine zweite Muster übertragungslinse 700, eine Lichtaufnahmeeinrichtung 800 und eine Verarbeitungseinrichtung 900 auf.
Die Lichtquelle 100, die in der ersten Ausführungsform verwendet wird, ist eine lichtaussendende Diode (LED), wobei auch jede andere Lichtquelle verwendet werden kann.
Die Kondensorlinse 200, welche das von der Lichtquelle 100 ausgesandte Licht kollimiert, entspricht einem ersten optischen System.
Das Skalenmuster 300 ist vorgesehen, um ein Musterbild in der Lichtaufnahmeeinrichtung 800 zu bilden.
2 illustriert ein Skalenmuster 300, welches in der ersten Ausführungsform verwendet wird und aus vielen Schlitzen 310, 310, ... besteht. Es wird hier angenommen, dass die Richtung orthogonal zu den vielen Schlitzen 310, 310, ... die X-Richtung und dass die Längsrichtung jedes Schlitzes 310 die Y-Richtung ist.
Die vielen Schlitze 310, 310, ... sind derart angeordnet, dass ihre zentralen Punkte in gleichen Abständen P voneinander angeordnet sind und dass die Schlitzbreite in einer Richtung orthogonal zu der angeordneten Richtung der Schlitze variiert.
Die erste Musterübertragungslinse 400 ist vorgesehen, um das Licht, welches das Skalenmuster 300 passiert hat, zu dem Halbspiegel 500 zu leiten.
Ein Halbspiegel 500, der in dieser ersten Ausführungsform verwendet wird, ist ein Strahlungsteiler mit einer halbdurchlässigen Oberfläche 510. Das auf den Halbspiegel 500 auftreffende Licht wird durch die halbdurchlässige Oberfläche 510 reflektiert, schreitet dann nach oben fort und tritt in ein erstes flüssiges Element 600 mit einer freien Oberfläche ein. Das Licht wird von dem ersten flüssigen Element 600 mit einer freien Oberfläche reflektiert, passiert dann die halbdurchläs sige Oberfläche 510 des Halbspiegels 500 und schreitet zu einer Lichtaufnahmeeinrichtung 800 fort, die an einer unteren Position angeordnet ist.
Der Halbspiegel 500 hat eine schräge Oberfläche 520, welche relativ zu dem von einer Lichtquelle 100 übertragenen Licht geneigt ist.
Das von der Lichtquelle 100 ausgesandte und auf den Halbspiegel 500 auftreffende Licht wird durch die halbdurchlässige Oberfläche 510 reflektiert und schreitet nach oben fort, aber ein Teil passiert die halbdurchlässige Oberfläche 510 und verläuft geradeaus. Wenn ein Teil des geradeaus verlaufenden Lichtes durch eine Endseite des Halbspiegels 500 reflektiert wird und dann in entgegengesetzte Richtung auf dem gleichen Strahlengang verläuft, wird es wiederum durch die halbdurchlässige Oberfläche 510 reflektiert und zu der an einer unteren Position angeordneten Lichtaufnahmeeinrichtung 800 fortschreiten.
Das die halbdurchlässige Oberfläche 510 passierende und geradeaus verlaufende Licht kann die Neigungserfassung stören oder einen Fehler verursachen. Um eine solche Unzulänglichkeit in dieser ersten Ausführungsform zu vermeiden, ist die obige Endseite des Halbspiegels 500 als schräge Oberfläche 520 ausgebildet, welche relativ zu dem von der Lichtquelle übertragenen Licht geneigt ist.
Demzufolge wird das Licht von der Lichtquelle 100, welches nach Passieren der halbdurchlässigen Oberfläche 510 geradeaus verläuft, durch die schräge Oberfläche 520 reflektiert, aber das reflektierte Licht verläuft nicht in entgegengesetzter Richtung auf demselben Strahlengang und ist daher nicht zu der Lichtaufnahmeeinrichtung 800 ausgerichtet, wodurch es möglich ist, eine Messung mit hoher Genauigkeit zu bewirken.
Die Lichtquelle 100 und die Oberfläche des ersten flüssigen Elementes 600 mit einer freien Oberfläche zum Reflektieren des Lichtes von der Lichtquelle können in einer zugeordneten Beziehung zueinander angeordnet sein.
In diesem Fall wird der Reflexionsbereich auf der Oberfläche des ersten flüssigen Elementes 600 minimal, und es ist daher möglich, den Fehler zu minimieren, der auf der Oberflächenspannung der Flüssigkeit beruht. Darüber hinaus ist es auch möglich, das Volumen des ersten flüssigen Elementes 600 zu verringern.
Das erste flüssige Element 600 mit einer freien Oberfläche ist mit einer Flüssigkeit mit einer moderaten Viskosität, z.B. Silikonöl, gefüllt. Da das erste flüssige Element 600 eine freie Oberfläche hat, wird deren Oberfläche mit Sicherheit auf Niveau gehalten.
Die zweite Musterübertragungslinse 700 ist vorgesehen, um das Licht, welches durch das erste flüssige Element 600 mit einer freien Oberfläche reflektiert worden ist und den Halbspiegel 500 passiert hat, auf die Lichtaufnahmeeinrichtung 800 zu fokussieren. Anders ausgedrückt, die zweite Musterübertragungslinse 700 ist vorgesehen, um ein Bild des Skalenmusters 300 auf der Lichtaufnahmeeinrichtung 800 zu bilden.
Die zweite Musterübertragungslinse 700, welche einem zweiten optischen System entspricht, ist an einer Position im Brennweitenabstand f der Linse 700 von der Lichtaufnahmeeinrichtung 800 angeordnet.
Die Lichtaufnahmeeinrichtung 800 ist vorgesehen, um ein Lichtbild des Skalenmusters 300 aufzunehmen und es in ein elektrisches Signal zu verwandeln. Ein CCD (ladungsgekoppelte Vorrichtung) linearer Sensor wird als Lichtaufnahmeeinrichtung in dieser Ausführungsform verwendet.
Die Verarbeitungseinrichtung 900, welche eine CPU aufweist, ist vorgesehen, um eine gesamte Steuerung vorzunehmen und um einen Verschiebeabstand des Schlitzbildes in dem Skalenmuster 300 zu berechnen, um einen entsprechenden Neigungswinkel zu bestimmen.
In dieser ersten, wie oben aufgebauten Ausführungsform hält die freie Oberfläche des ersten flüssigen Elements 600 Niveau, wenn der Neigungssensor 1000 geneigt ist, so dass das Bild des Skalenmusters 300 auf der Lichtaufnahmeeinrichtung 800 sich im Verhältnis zum Neigungswinkel verschiebt.
Wenn sich der Neigungssensor 1000 um einen Winkel θ, wie in 6 beschrieben, neigt, folgt, wenn der Brechungsindex des ersten flüssigen Elementes 600 n ist, dass das von der freien Oberfläche reflektierte Licht um 2nθ geneigt ist. Wenn die entsprechende Entfernung auf dem linearen Sensor als Lichtaufnahmeeinrichtung 800 L ist, ergibt sich: L = fxtan(2nθ) Formel 1
Wenn daher der Verschiebebetrag der Schlitze 310 in dem Skalenmuster 300 durch die Lichtaufnahmeeinrichtung 800 erfasst wird und durch die Verarbeitungseinrichtung 900 in einen Neigungswinkel umgewandelt worden ist, ist es möglich, die Neigung θ des Neigungssensors 1000 zu bestimmen.
[Zweite Ausführungsform]
3 illustriert einen optischen Aufbau eines Neigungssensors 2000 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Neigungssensor 2000 weist eine Lichtquelle 100, eine Kondensorlinse 200, ein Skalenmuster 300, eine erste Musterübertragungslinse 400, ein Dichtungsgefäß 550, ein erstes flüssiges Element 600 mit einer freien Oberfläche, eine zweite Musterübertragungslinse 700, eine Lichtaufnahmeeinrichtung 800 und eine Verarbeitungseinrichtung 900 auf.
Das Dichtungsgefäß 550 ist vorgesehen, um eine halbdurchlässige Oberfläche 551 auszubilden und das flüssige Element 600 mit einer freien Oberfläche integral mit ihm zu machen. Das Dichtungsgefäß 550 ist vorgesehen, um einen Halbspiegel zu bilden und um das erste flüssige Element integral mit ihm zu machen.
Bei dieser zweiten Ausführungsform wird das von der Lichtquelle 100 ausgesandte Licht durch die halbdurchlässige Oberfläche 551 in dem Dichtungsgefäß 550 reflektiert und verläuft aufwärts, und tritt dann in das erste flüssige Element 600 mit einer freien Oberfläche ein. Das Licht wird dann durch das erste flüssige Element 600 reflektiert, passiert die halbdurchlässige Oberfläche 551 in dem Dichtungsgefäß 550 und verläuft zu der an einer unteren Position angeordneten Lichtaufnahmeeinrichtung 800.
Im Hinblick auf das von der Lichtquelle 100 auf die halbdurchlässige Oberfläche 551 auftreffende Licht trifft ein reflektiertes Licht nicht nur auf die einfallende Oberfläche des Dichtungsgefäßes 550, sondern auch auf die Grenzoberfläche zwischen dem Dichtungsgefäß und dem ersten flüssigen Element 600 auf. Dieses reflektierte Licht kann die Neigungserfassung stören oder Anlass zu einem Fehler geben.
Im Hinblick hierauf sind der Halbspiegel und das erste flüssige Element 600 integral miteinander ausgebildet durch das Dichtungsgefäß 550 und die Brechungsindices des Dichtungsgefäßes 550, des ersten flüssigen Elementes 600 und der halbdurchlässigen Oberfläche 551 sind gleich oder ungefähr gleich gemacht, wodurch es möglich ist, das Auftreten unnötigen reflektierten Lichtes zu verhindern und eine Messung hoher Genauigkeit zu erzielen.
Wenn eine reflexionsverhindernde Schicht unter Verwendung eines Materials, dessen Brechungsindex zwischen dem Brechungsindex des Dichtungsgefäßes 550 und demjenigen des ersten flüssigen Elementes 600 ist, auf der Kontaktoberfläche des Dichtungsgefäßes in Kontakt mit dem ersten flüssigen Element gebildet wird, ist es möglich, das Auftreten von reflektiertem Licht an dieser Grenze zu verringern.
Andere Konstruktionspunkte sind die gleichen wie in der ersten Ausführungsform und deren Erläuterungen werden daher weggelassen.
[Dritte Ausführungsform]
4 illustriert einen optischen Aufbau eines Neigungssensors 3000 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Neigungssensor 300 weist eine Lichtquelle 100, eine Kondensorlinse 200, ein Skalenmuster 300, eine erste Musterübertragungslinse 400, einen Halbspiegel 500, ein erstes flüssiges Element 600 mit einer freien Oberfläche, eine zweite Musterübertragungslinse 700, eine Lichtaufnahmeeinrichtung 800 und eine Verarbeitungseinrichtung 900 auf.
Das erste flüssige Element 600 mit einer freien Oberfläche ist in einem Gefäß 610 eingeschlossen, dessen obere Oberfläche geneigt ist.
Licht, das durch den Halbspiegel 500 reflektiert worden ist und in das erste flüssige Element 600 mit einer freien Oberfläche eingetreten ist, wird einige Prozent durch die freie Oberfläche reflektiert, passiert dann eine halbdurchlässige Oberfläche 510 des Halbspiegels 500 und fällt auf die Lichtaufnahmeeinrichtung 800. 90% oder mehr des auf das erste flüssige Element 600 auftreffenden Lichtes passiert jedoch das erste flüssige Element.
Das Licht, welches das erste flüssige Element 600 passiert hat, wird durch die obere Oberfläche des Gefäßes 610 reflektiert. Wenn das durch die obere Oberfläche des Gefäßes reflektierte Licht längs desselben Strahlengangs zurückkehrt, passiert es die halbdurchlässige Oberfläche 510 des Halbspiegels 500 und trifft auf die Lichtaufnahmeeinrichtung 800, woraus sich ergibt, dass die Neigungserfassung gestört wird oder mit einer ziemlich hohen Wahrscheinlichkeit ein Fehler auftritt.
Da die obere Oberfläche des Gefäßes 610 jedoch geneigt ist, verläuft das reflektierte Licht nicht in entgegengesetzter Richtung auf dem gleichen Strahlengang und trifft daher nicht auf die Lichtaufnahmeeinrichtung 800, wodurch es möglich ist, eine Messung mit hoher Genauigkeit zu bewirken.
Andere Konstruktionspunkte sind die gleichen wie in der ersten und zweiten Ausführungsform, und deren Erläuterungen werden daher unterlassen.
[Vierte Ausführungsform]
5 illustriert einen optischen Aufbau eines Neigungssensors 4000 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Neigungssensor 4000 weist eine Lichtquelle 100, eine Kondensorlinse 200, eine erste Polarisierungseinrichtung 210, ein Skalenmuster 300, eine erste Musterübertragungslinse 400, einen Halbspiegel 500, eine λ/4-Polarisierungseinrichtung 220, ein erstes flüssiges Element 600 mit einer freien Oberfläche, eine zweite Polarisierungseinrichtung 230, eine zweite Musterübertragungslinse 700, eine Lichtaufnahmeeinrichtung 800 und eine Verarbeitungseinrichtung 900 auf.
Das von der Lichtquelle 100 ausgesandte Licht passiert die Kondensorlinse 200 und wird dann linear durch die erste Polarisierungseinrichtung 210 polarisiert. Das linear polarisierte Licht wird dann durch eine halbdurchlässige Oberfläche 510 des Halbspiegels 500 nach oben reflektiert und tritt in die λ/4-Polarisierungseinrichtung ein, in welcher es in ein kreisförmig polarisiertes Licht umgewandelt wird.
Das so durch die λ/4-Polarisierungseinrichtung 220 kreisförmig polarisierte Licht ist zu dem ersten flüssigen Element 600 gerichtet und wird durch die freie Oberfläche reflektiert und tritt dann wieder in die λ/4-Polarisierungseinrichtung 220 ein.
In der λ/4-Polarisierungseinrichtung kann das Licht, welches linear durch die erste Polarisierungseinrichtung 210 polarisiert worden ist, in Licht verwandelt werden, welches in der Polarisierungsrichtung nur um π/2 verschieden ist.
Wenn daher die zweite Polarisierungseinrichtung 230 derart angeordnet ist, dass nur das Licht, welches durch die freie Oberfläche des ersten flüssigen Elementes 600 reflektiert worden ist (das Licht, welches zwei Mal die λ/4-Polarisierungseinrichtung 220 passiert hat), passiert, wird unnötiges reflektiertes Licht verschieden von dem durch die freie Oberfläche des ersten flüssigen Elementes 600 reflektierten Lichtes daran gehindert, auf die Lichtaufnahmeeinrichtung 800 zu treffen, und es ist möglich, eine Messung hoher Genauigkeit zu bewirken.
Anstelle der zweiten Polarisierungseinrichtung 230 kann ein Polarisierungsstrahlungsteiler mit einer polarisierenden reflektierenden Oberfläche als Halbspiegel 500 verwendet werden, wodurch der gleiche Effekt wie oben erzielt werden kann.
Andere Konstruktionspunkte sind die gleichen wie in den ersten bis dritten Ausführungsformen und deren Erläuterungen werden daher unterlassen.
Im Weiteren erfolgt eine detaillierte Beschreibung des Berechnungsvorganges des Neigungswinkels durch die Verarbeitungseinrichtung 900.
Ein linearer Sensor, der als Lichtaufnahmeeinrichtung 800 dient, ist in einer Richtung (X-Richtung) orthogonal zu dem Bild der vielen Schlitze 310, 310, ... angeordnet.
Der Neigungswinkel kann daher bestimmt werden unter Berücksichtigung eines speziellen Musters der Schlitze 310, ... als Startmuster und Messung einer Entfer nung dx von einer vorbestimmten Niveauposition als Bezugsposition, wie in 7 gezeigt.
Bei einer Entfernung kleiner als die Entfernung jeder Teilung, kann sie mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden mit Hilfe einer Fourier-Transformation für das Ausgangssignal des linearen Sensors, um eine Phasendifferenz Φ zwischen der Teilung und der Niveauposition als Bezugsposition zu berechnen und durch Lösen der nachfolgenden Formel: Φxp/(2π) Formel 2
Durch Kombinieren der so bestimmten Entfernung mit einer Entfernung länger als die Teilung, erhalten aus der vorausgehenden Entfernung des Startmusters, ist es möglich, die gesamte Entfernung zu bestimmen.
Auf der Grundlage des gesamten Verschiebebetrages kann die Verarbeitungseinrichtung 900 einen entsprechenden Neigungswinkel in X-Richtung berechnen.
Der Neigungswinkel in Y-Richtung wird berechnet unter Verwendung eines dreieckförmigen Schlitzes 310b mit sich verändernder Breite.
Da der lineare Sensor in der X-Richtung angeordnet ist, verursacht seine Neigung in Y-Richtung eine Veränderung in der Lichtempfangsbreite des dreieckförmigen Schlitzes 310b. Die Verarbeitungseinrichtung 900 kann den Neigungswinkel in der Y-Richtung berechnen.
Durch Messen der Breite in der Y-Richtung, wie in 8 gezeigt, kann der Abstand zwischen den führenden und nacheilenden Flanken im Ausgangssignal des linearen Sensors durch Differenzierung des Ausgangssignals bestimmt werden. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit kann die Entfernung L auf dem linearen Sensor wie folgt ausgedrückt werden durch Berechnen aller Signale, Bestimmen einer durchschnittlichen Breite dy_ave und Verwenden einer Teilungsbreite p, erhalten durch Fourier-Transformation, und auch Verwenden einer vorbestimmten proportionalen Beziehung k: L = kxdyave/p Formel 3
Die Neigung in der Y-Richtung kann durch die Formel 1 berechnet werden.
Der sich in seiner Breite verändernde Schlitz ist nicht auf eine dreieckförmige Form beschränkt. Er kann jede andere Form aufweisen, soweit sich seine Breite verändert und eine Entsprechung zur Neigung gesetzt werden kann.
Lediglich durch Verwenden eines einzelnen linearen Sensors ist es möglich, Neigungen in zwei Achsenrichtungen, d.h. der X- und der Y-Richtung, zu erfassen.
Das Vorsehen eines Bereichssensors, nicht eines linearen Sensors, und die Verwendung von vielen Schlitzen 310, 310, ..., gebildet in gleichen Abständen, erlaubt die Erfassung von Neigungen in zwei X- und Y-Achsenrichtungen.
Darüber hinaus kann das erste flüssige Element 600 mit einer freien Oberfläche ersetzt werden durch ein schwenkbares aufgehängtes Element.
Wenn der Neigungssensor z.B. an einem Theodoliten 20000 elektronischer Bauart befestigt wird, wie in den 10 und 11 gezeigt, ist es möglich, Neigungen in beiden X- und Y-Richtungen des Gehäuses des Überwachungsgerätes zu erfassen.
Gemäß der vorliegenden wie oben ausgebildeten Erfindung kollimiert das erste optische System das von der Lichtquelle ausgesandte Licht, erlaubt das Dunkelfeldmuster dem von dem ersten optischen System gelieferten Licht, es zu passieren, verändert der Halbspiegel die Richtung des Lichtes, welches das Dunkelfeldmuster passiert hat, reflektiert das erste flüssige Element mit einer freien O berfläche das durch den Halbspiegel in seiner Richtung veränderte Musterlicht, fokussiert das zweite optische System das durch das erste flüssige Element reflektierte Musterlicht, empfängt die Lichtaufnahmeeinrichtung das durch das zweite optische System gebildete Lichtbild und berechnet die Verarbeitungseinrichtung einen Neigungswinkel auf der Grundlage eines von der Lichtaufnahmeeinrichtung gelieferten Aufnahmesignals. Das Dunkelfeldmuster wird von einer Vielzahl von Schlitzen gebildet und der Halbspiegel ist auf dem Strahlengang sowohl des flüssigen Elementes als auch des zweiten optischen Systems angeordnet, so dass es möglich ist, einen Neigungssensor zu schaffen, der nicht nur mechanische Festigkeit und Genauigkeit aufweist, sondern auch größenmäßig kompakt ist.
Wenn die Lichtquelle und die Oberfläche des flüssigen Elementes mit einer freien Oberfläche zum Reflektieren des von der Lichtquelle kommenden Lichtes in zugeordneter Beziehung zueinander angeordnet sind, wird gemäß der vorliegenden Erfindung der Reflexionsbereich auf der Oberfläche des flüssigen Elementes minimal, und es ist daher möglich, den auf der Oberflächenspannung der Flüssigkeit beruhenden Fehler zu minimieren. Es ist auch möglich, das Volumen des flüssigen Elementes zu verringern.
Da der Halbspiegel, der in der vorliegenden Erfindung benutzt wird, eine Oberfläche haben kann, welche relativ zu dem von der Lichtquelle übertragenen Licht geneigt ist, verläuft das reflektierende Licht niemals in entgegengesetzter Richtung auf dem gleichen Strahlengang, und demzufolge wird das Auftreffen von unnötigem reflektiertem Licht auf die Lichtaufnahmeeinrichtung verhindert, wodurch es möglich ist, eine Messung hoher Genauigkeit zu bewirken.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die erste Polarisierungseinrichtung auf dem Strahlengang zwischen der Lichtquelle und dem Halbspiegel angeordnet, eine λ/4-Polarisierungseinrichtung auf der lichtübertragenden Seite des flüssigen Elementes vorgesehen, und für das von dem Halbspiegel übertragene Licht erlaubt die zweite Polarisierungseinrichtung nur das Passieren des reflektierten Lichtes von dem flüssigen Element aus. Daher wird unnötiges reflektiertes Licht verschieden von dem durch die freie Oberfläche des flüssigen Elementes reflektierten Lichtes vom Auftreffen auf die Lichtaufnahmeeinrichtung vermieden, und die Messung erfolgt daher mit einer hohen Genauigkeit.

Claims

Ein Neigungssensor, aufweisend: eine Lichtquelle (100); ein erstes optisches System (200) zum Kollimieren des von der Lichtquelle (100) ausgesandten Lichtes; ein Skalenmuster (300), um dem Licht vom ersten optischen System (200) zu erlauben, hier hindurch zu passieren; einen Halbspiegel (500) zum Verändern der Richtung des Lichtes, welches das Skalenmuster (300) passiert hat; ein flüssiges Element (600) mit einer freien Oberfläche zum Reflektieren des Musterlichtes, wodurch seine Richtung durch den Halbspiegel (500) verändert wird; ein zweites optisches System (700) zum Fokussieren des durch das flüssige Element (600) reflektierten Musterlichtes; eine Lichtaufnahmeeinrichtung (800) zum Aufnehmen eines durch das zweite optische System (700) geformten Lichtbildes; und eine Verarbeitungseinrichtung (900) zum Berechnen einer Neigung auf der Grundlage eines Aufnahmesignals, geliefert von der Lichtaufnahmeeinrichtung (800), wobei das Skalenmuster (300) aus einer Vielzahl von Schlitzen (310) besteht und der Halbspiegel (500) im Strahlengang sowohl des flüssigen Elementes (600) als auch des zweiten optischen Systems (700) angeordnet ist, wobei der Halbspiegel (500) als Strahlungsteiler ausgebildet ist und eine Kantenfläche (520) des Strahlungsteilers in Bezug zu dem von der Lichtquelle (100) übertragenen Licht geneigt ist.
Neigungssensor nach Anspruch 1, wobei das flüssige Element (600) integral mit dem Halbspiegel (500) ausgebildet ist.
Neigungssensor nach Anspruch 2, wobei der Halbspiegel (500) eine reflexionsverhindernde Schicht hat, ausgebildet auf seiner Oberfläche (551), welche in Kontakt mit dem flüssigen Element (600) ist.
Ein Neigungssensor, aufweisend: eine Lichtquelle (100); ein erstes optisches System (200) zum Kollimieren des von der Lichtquelle (100) ausgesandten Lichtes; ein Skalenmuster (300), um dem Licht vom ersten optischen System (200) zu erlauben, hier hindurch zu passieren; einen Halbspiegel (500) zum Verändern der Richtung des Lichtes, welches das Skalenmuster (300) passiert hat; ein flüssiges Element (600) mit einer freien Oberfläche zum Reflektieren des Musterlichtes, wodurch seine Richtung durch den Halbspiegel (500) verändert wird; ein zweites optisches System (700) zum Fokussieren des durch das flüssige Element (600) reflektierten Musterlichtes; eine Lichtaufnahmeeinrichtung (800) zum Aufnehmen eines durch das zweite optische System (700) geformten Lichtbildes; und eine Verarbeitungseinrichtung (900) zum Berechnen einer Neigung auf der Grundlage eines Aufnahmesignals, geliefert von der Lichtaufnahmeeinrichtung (800), wobei das Skalenmuster (300) aus einer Vielzahl von Schlitzen (310) besteht und der Halbspiegel (500) im Strahlengang sowohl des flüssigen E lementes (600) als auch des zweiten optischen Systems (700) angeordnet ist, wobei eine erste Polarisierungseinrichtung (210) im Strahlengang zwischen der Lichtquelle (100) und dem Halbspiegel (500), eine λ/4 Polarisierungseinrichtung (220) auf der lichtübertragenden Seite des flüssigen Elementes (600) und eine zweite Polarisierungseinrichtung (230) zwischen dem Halbspiegel (500) und dem zweiten optischen System (700) angeordnet ist.
Neigungssensor nach Anspruch 4, wobei anstelle der zweiten Polarisierungseinrichtung (230) der Halbspiegel (500) mit einer polarisierenden reflektierenden Oberfläche versehen ist.
Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die obere Oberfläche eines Behälters (610), welcher das flüssige Element (600) enthält, relativ zu dem von der Lichtquelle (100) übertragenen Licht geneigt ist.
Ein Überwachungsgerät mit einem Neigungssensor wie in einem der Ansprüche 1 bis 6 beschrieben, wobei der Neigungssensor (1000, 2000; 3000; 4000) am Gehäuse des Überwachungsgerätes (20000) befestigt ist, um eine Neigung des Gehäuses des Überwachungsgerätes zu erfassen.