JP4086129B2 - 光学クリノメータ - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、装置、機械および製造品の傾斜を測定するための特許請求項１の序文による光学クリノメータ（傾斜計）に関する。光学クリノメータは、特に、測地装置内または測地装置上での用途に意図される。
【０００２】
振り子及び気泡水準器を備えるクリノメータに加えて、液体及び気体、または異なる光学特性もしくは電気特性を有する少なくとも２つの非混和性液体を含む１つ以上の液体容器を備える装置が公知である。
【０００３】
ドイツ特許第４１１０８５８号及び米国特許第５３９２１１２号は、傾斜検知型ビーム偏向センサを備えるクリノメータを開示している。前記クリノメータにより、幾何学的な図形、光学的な構造物、または光点もしくは光のスポットがＣＣＤ素子の直線配列上に結像される。図形または構造物の結像は、入力結合要素及び結像光学要素を通過し、液体水平線（液体−気体界面または液体−液体界面）を通過して行なわれるか、または液体水平線における反射の後の直線配列上で行なわれるかのどちらかである。装置が傾斜されると、照明ビーム束の方向は通常位置から以下のいずれかにより変化が生じる。すなわち、照明ビーム束の方向は、ビーム経路に対して傾斜する液体水平線での屈折により変化し、前記液体は光学くさびのように挙動する。あるいは、おける前記照明ビーム束の方向は、液体水平面における照明ビーム束の入射角及び反射ビーム束の反射角度が変化するという液体水平面における変更された反射条件により変化する。傾斜は、直線配列上に結像される画像の変化した位置から、２つの座標軸方向において決定される。
【０００４】
クリノメータは、二次元における傾斜角度を決定するための表面ＣＣＤセンサを用いる米国特許第５３９２１１２号にて公知である。
これら公知のクリノメータは、光の中心位置を決定するためのセンサとして、位置検出型表面センサもしくはストリップセンサを用いるか、あるいは、明度の構成を評価するＣＣＤラインセンサを用いる。差動センサ及びストリップセンサの直線性が制限されることと、リニアラインセンサ上で達成される情報量が限られること（画像エラーによる最小の構造物幅、画像フィールドサイズ及びピクセル長の制限）から、高解像度を達成するためには、光学系の焦点長を長くし、計測装置を増設し、測定領域を限定するか、または高画質での測定領域を限定することが必要とされる。傾斜が変化する間の光ビームの偏向は、反射の間の偏向のごく一部分にしか相当しないので、この効果は、特に気液界面または境界層を通過する際の光の屈折の原理に基づくクリノメータにおいて大きい。
【０００５】
ドイツ特許第１９６１０９４１号にて２軸線クリノメータが公知である。前記２軸線クリノメータは、自由表面を有する液体を含むハウジングと、液面上で反射され、結像要素により受信器配列上に結像される突起構造物とを備える。
【０００６】
これらのクリノメータは、ガラスまたは別の光透過物質で作られた容器を有し、同容器の底部は入力結合要素及び出力結合要素と、コリメーティング光学要素及び結像光学要素とが配置されている平行平面板である。コリメーティング要素及び結像要素は、プリズムとして構成されるそれぞれの結合要素からある特定の距離に配置される。これらの光学要素のすべては、その製造技術のために、かなり高価である。これらの光学要素の大きさは、クリノメータの大きさの決め手となる。
【０００７】
本発明の目的は、簡素な形状を有し、省スペースかつ強健に構成され、高い機械的安定性を有し、温度にかかわらず非常に正確な傾斜測定が広範囲に可能であり、また経済的に製造され得る光学クリノメータを提供することにある。
【０００８】
本発明によると、この目的は請求項１の序文に従った光学クリノメータにおいて、同項の特徴部分により満たされる。本発明によるクリノメータのさらなる構成及び詳細は、従属請求項に記載される。
【０００９】
非常に簡素な生産及び省スペース型の構成とする目的に対して、結像要素が単一の厚い平凸レンズの形態を有し、前記レンズの水平面の表面が液体に面している場合に特に有利である。光学要素は、球面、例えばハウジングまたは容器の下側に配置されるか、あるいはハウジングの構成部分である半球の表面を有する部分であり得る。本発明の別の構成によると、光学要素は光学活性球面を備え、同球面によりビーム経路が液体の中へ、そして液体の外へと結合される球台または層である。
【００１０】
さらに、光学要素がハウジングまたは容器の底部の一構成部分であり、前記光学要素の形状が切削によるか、または切削によらずに製造される場合、有利である。この種の構成は、製造に関して特に有利であり、そのうえ非常に強健である。さらに、ハウジングを光源側において閉鎖する底部の下側面に、光学要素を接合または接着することが可能である。また、この光学要素は、底部の凹部またはせん孔の中に接合または接着され得る。この連結は、液密的に行なわれなければならない。この配置においては、光学要素の水平面の表面は直接液体に隣接している。
【００１１】
光学要素自体は、例えば、光に対し透過性である物質、例えば光学プラスチックまたは光学ガラスで作成されなければならない。
本発明の別の実施形態においては、ハウジング及び結像光学要素は単一の構成部分を形成する。
【００１２】
本発明の別の実施形態において、ハウジング要素及び結像光学要素は単一の構成部分であり、光学要素はハウジングの底部においてカップ形状の隆起部により形成される。カップ形状の隆起部の容積は、ハウジングの容積の構成部分であり、ハウジングまたは容器の残部と同じ液体で満たされる。
【００１３】
複数の座標、例えば水平面の両座標において、軸線を中心としてクリノメータを回転させることなく、傾斜の測定を行うことを可能とするため、互いに角度をずらして配置された少なくとも２つの光源が有利に備えられ、関連するセンサ配列が備えられる。従って、平面の傾斜を迅速にかつ確実に決定することが可能である。
【００１４】
本発明は、実施態様の例を参照して以下により完全に説明される。
図１において概略を示される光学クリノメータは、液体２で部分的に充填されている容器またはハウジング１を備える。有利な方法として、気体量３または屈折率が液体２とは異なる別の液体が、液体２の上方に配置され、よって液体２を横切る光の全反射は、気体と液体２との間の分離面、すなわち液面４で行なわれ得る。透明材料、例えば光学プラスチックまたは光学グラスで形成される結像光学要素６は、ハウジング１の底部５内に挿入される。この光学要素６は、水平表面７が液体２に面しており、図に示されているように液体２に直接隣接している厚い平凸レンズの形状を有する。この光学要素６は球台として構成され得る。
【００１５】
同様に図１から分かるように、光源８は底部５の下かつ要素６の下に配置され、光源８がマークまたは構造物９を照らすか、あるいは光点もしくは光のスポットが光源８により生成される。構造物９または光点もしくは光のスポットは、要素６を通過し、液体を通過してセンサ配列１０上に結像され、光学要素６は同時に、コリメータ、入力および出力結合要素及び結像対物レンズとして機能する。構造物９の方向における表面領域は、コリメータによって結像され、センサ配列１０に面する要素６の表面領域は対物レンズによって結像される。光源８、構造物９およびセンサ配列１０は、ハウジング１に固定して連結される。そのため、クリノメータが傾けられると、センサ配列１０上の構造物９の画像が変位し、この変位は傾斜量の尺度となる。センサ配列１０は、直線、またはマトリックスの形態の領域に配置されるセンサ要素を有する。また、センサ配列は、位置検出型配列、例えば公知の象限受光器または差動受光器として構成され得る。
【００１６】
図２によるクリノメータにおいては、光学要素６はその水平面の表面により、光源に面しているハウジング１の底部５．１の側面に接合されるか、または接着され、少なくとも底部５．１の接合または接着領域は透明でなければならない。図１による配列のように、好ましくは、光学要素６は球台として構成される。しかしながら、要素６は、上述された目的を満たすのを助けるのに適する他の構成を有することも可能である。
【００１７】
本発明の別の構成（図面に示されていない）によると、光学要素６およびハウジングの底部は、光学プラスチックまたは光学ガラスの単一な構造構成部分を形成し、要素の形状は、例えば研削のような切削によるか、あるいは例えばプレスのような非切削法で作成される。
【００１８】
図３による光学クリノメータの実施例においては、ハウジング１の底部１１と、底部１１のカップ形状の隆起部１２として形成される光学要素は、同様に単一の構造構成部分を形成する。隆起部１２の容積は、ハウジングの容積の構成部分であり、かつ液体２で充填されている。この隆起部１２は、切削せずに、プレスまたは深絞りにより有利に作成されることが可能であり、つまり、光が通過して拡散される表面がその光学品質を維持すべきことは重要である。
【００１９】
図４は、本発明による光学クリノメータの構成を示しており、本構成において、ハウジング１または容器の底部１３はハウジング１の残部と共にカップ形状に構成され、かつ部分的に液体で満たさている容積を封入している。
【００２０】
図５は、球台または層として構成された光学要素１４を備えるクリノメータを示す。
図６は、互いに角度（この場合、９０°）をなして延びる２つの軸線において傾斜が測定され得るクリノメータを示す。この構成において、２つの光源１５及び光源１６、並びに２つの関連するセンサ配列１７及びセンサ配列１８が、各測定方向に１つずつ備えられている。このタイプの配列においては、本発明の利点は特に明らかである。複数のビーム経路１９，２０は、光学系に余分な経費をかけないで厚いレンズとして構成される光学要素６上に案内される。
【００２１】
本発明は、ごく少数の構造構成部材、特に異なる実施例においていくつかの機能を果し得る光学要素６，１４を備える非常に強健かつ信頼性の高いクリノメータを可能にする。一方では、前記光学要素は、コリメータの機能を呈して、他方では、対物レンズを形成する。複数のビーム経路は、この構造構成部分を通過して異なる方向に案内される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 容器底部に挿入された光学要素を備えるクリノメータを示す概略図。
【図２】 接合または接着された光学要素を備えるクリノメータを示す概略図。
【図３】 カップ形状の隆起部を有する容器底部を備えるクリノメータを示す概略図。
【図４】 半球の容器底部を備えるクリノメータを示す概略図。
【図５】 球体の層として構成される光学要素を備えるクリノメータを示す概略図。
【図６】 ９０°の角度をなしている２つの光源とセンサ配列とを備えるクリノメータを示す下面図。

Claims (11)

1. 液体水平線を形成し、少なくとも１つの光学ビーム束の方向を傾斜により変化させるのに適している透明な液体を備えるハウジングまたは容器と、少なくとも１つの構造物を照明するか、あるいは少なくとも１つの光点もしくは光のスポットを生成するための少なくとも１つの光源と、少なくとも１つの構造物または少なくとも１つの光点もしくは光のスポットについて、液体を介し、液体表面での全反射により、少なくとも１つの線状もしくは面状のセンサ配列の光電センサ要素上に写像する光学手段とを有し、構造物または光点もしくは光のスポットを写像するための光学手段が、ハウジングまたは容器の底部の下側面に配置されるか、またはこの底部の構成部分である光学クリノメータであって、これらの光学手段が光を結合して進入・退出させ、構造物または光点もしくは光のスポットを写像する単一の光学要素（６；１２；１３；１４）から形成されることを特徴とする光学クリノメータ。
2. 写像光学要素（６）が、水平面の表面（７）が液体（２）に面している厚い平凸レンズの形態を有することを特徴とする請求項１に記載の光学クリノメータ。
3. 光学要素（６）が球台であることを特徴とする請求項２に記載の光学クリノメータ。
4. 光学要素（１４）が球形状を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学クリノメータ。
5. 光学要素（６）が、底部の下側面（５．１）に接合または接着されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学クリノメータ。
6. 光学要素（６；１４）が、光学プラスチックまたは光学ガラスで作成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学クリノメータ。
7. ハウジング及び写像光学要素が、光学プラスチックまたは光学ガラスの単一の構成部分を形成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学クリノメータ。
8. 光学要素（６）の水平面の表面（７）が液体（２）に面していることを特徴とする請求項１乃至３、５及び７の１項に記載の光学クリノメータ。
9. ハウジング（１）または容器が帽子形状の底部（１３）を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光学クリノメータ。
10. ハウジング（１）及び写像光学要素が、単一の構成部分を形成し、光学要素はハウジング（１）の底部（１１）における帽子形状の隆起部（１２）により形成され、帽子形状の隆起部（１２）の容積はハウジング（１）の容積の構成部分であり、かつ液体（２）で充填されていることを特徴とする請求項１、６及び７のいずれか１項に記載の光学クリノメータ。
11. 複数の座標における傾斜の測定を行うために、互いに角度をなして配置される２つ以上の光源（１５；１６）及びセンサ配列（１７；１８）が備えられることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光学クリノメータ。

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