JPH0345322B2

JPH0345322B2 -

Info

Publication number: JPH0345322B2
Application number: JP56198800A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yokokura; Tsuneo Sasaki; Masayuki Kondo
Original assignee: TOPUKON KK
Current assignee: TOPUKON KK
Priority date: 1981-12-09
Filing date: 1981-12-09
Publication date: 1991-07-10
Also published as: JPS5899712A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は傾斜角測定装置、さらに詳しくは重力
方向を基準とした傾斜角測定装置に関する。

従来の重力方向を基準とする傾斜角測定装置の
例として、自由振子を用い、自由振子の傾斜角、
変位量等を光学的あるいは電気磁気的に測定する
装置が知られている。しかし、この装置は振子の
安定性、複元性に問題があり、これを改善するに
は機械的に複雑で大型にならざるを得ない。従来
の重力方向を基準とする傾斜角測定装置の他の例
として、水銀の自由液面を用い、水銀液面による
反射光のずれ角を測定する装置が知られている。
しかし、この装置は水銀の毒性や水銀が高価であ
る問題があり、また、水銀は表面張力が大きく平
らな反射面を得るためには大きな表面積を要し、
さらに、粘性が低いため振動に敏感過ぎて安定性
に欠ける。そのため傾斜角測定装置として水銀よ
りも粘性の高い液体の自由液面を用い、該液面に
よる反射光のずれ角を光学的に測定する装置が米
国特許第4136955号により提案されている。この
装置のさらに詳しい構成は、発光素子からの光束
を該液体の容器底部に取付けられたプリズムの入
射面に入射させ、該入射光束を上記液体の自由表
面で全反射させ、さらに、該反射光束を上記プリ
ズムの入射面と反対側に設けた射出面から射出さ
せて受光位置検出素子によつて射出光のずれ量を
測定するものである。この装置は、粘性の高い液
体の自由表面の全反射を使用しているため、外来
振動に敏感でなく、又複元性もよく、極めて簡易
な構造で比較的精度の高い測定が可能である利点
がある反面、さらに測定精度を上げるためには、
液体の自由表面から受光位置検出素子までの距離
を長くする必要があり、装置全体が大型化するこ
とが避けられない。特に、この装置の大型化の問
題は、該傾斜角測定装置を光電読取式経緯儀に組
込み経緯儀本体の傾斜角を測定する場合等に致命
的欠点となる。

本発明は上記従来の問題を解決した傾斜角測定
装置を提供することを目的とするものであつて、
その構成上の特徴とするところは、発光部と、受
光部と、液面反射系と、上記発光部からの光束を
略平行光束として上記液面反射系に入射させかつ
該液面反射系による反射光束を上記受光部に入射
させるレンズ系とから構成され、上記液面反射系
はその入射光及び反射光が透過する固定透過面
と、該固定透過面を透過した入射光を反射する自
由液面と、該自由液面からの反射光を反射して再
び該自由液面に向けて反射し該自由液面により再
度反射された反射光を上記固定透過面から出射さ
せるための固定反射面とからなることである。本
発明は、以上のように、固定反射面を設けること
により入射光及び反射光の透過面を共通にし、発
光部、受光部を液面反射等の一方に設けることが
でき、さらに測定光束を自由液面で複数回反射さ
せることにより、小型で測定精度が高く、光電読
取式経緯儀にも組込み可能な傾斜角測定装置を得
ることができる。さらに、本発明では液面反射系
の透過面に断面積の大きい光束を入射・射出させ
るから、該透過面の汚れやちり、ほこりの影響を
受けることが少ない。

以下本発明の原理及び実施例を図について説明
する。本発明の構成原理は、第１図に示すよう
に、発光部２、受光素子４、液面反射系６、発光
部２からの光束８を略平行光束として液面反射系
６に入射させかつ液面反射系６による反射光束１
０を受光素子４に入射させるレンズ系１２からな
る。液面反射系６はプリズム部１４と容積の一部
に液体１６を満たした液体部１８とからなる。液
体１６はプリズム部１４の上に直接入れられてお
り、プリズム部１４の側面には、光束８，１０が
通過する固定透過面２０及び液体部１８からの光
束８を反射して反射光束１０とする固定反射面２
２が設けられている。以上の構成において、装置
が傾斜しても液体１６の自由液面は水平を維持す
るから、結果的に、装置が傾斜すると反射光束１
０の受光素子４への入射位置が変化し、この変化
量を検出することにより装置の傾斜角を計算する
ことができる。本発明の第１実施例を第２図、第
３図に示す。発光部２４は発光素子３０、コンデ
ンサレンズ３２、指標３４より構成される。発光
素子３０からの光はコンデンサレンズ３２により
集光され指標３４を照明する。指標３４からの光
束は、反射鏡３８を介して、コリメートレンズ４
０により略平行光束にされ液面反射部材４２の透
過面４４に入射される。反射部材４２は、透過面
４４と反射面４６とを有し、屈折率1.52のガラス
で作られたプリズム部４８と、反射率1.4のシリ
コンオイル５０をプリズム４８の上部に封じこん
だ液体部５２によつて形成される。液面反射部材
４２の透過面４４に入射した光束はシリコンオイ
ル５０の自由液面を通過し、反射面４６により反
射され、再びシリコンオイル５０の自由液面で反
射された後透過面４４から射出される。前記透過
面４４から射出された光束は前述のコリメートレ
ンズ４０により集光されCCD検知器（蓄積効果
型センサー）３６上に指標像が形成される。指標
３４及びCCD検知器３６はコリメートレンズ４
０の焦点位置に配置されテレセントリツク光学系
が成立している。テレセントリツク光学系をとる
ことにより、デフオーカス誤差は測定精度に影響
しないという利点がある。

以上の構成において、装置の傾斜角θ、CCD
検知器３６上の指標像の移動量をｌ、コリメート
レンズ群の焦点距離をｆ、傾斜係数をｋとする
と、 θ＝ｋ・tan^-1（ｌ／ｆ）の関係がある。−θ＝1″、ｌ＝1.2μｍ、ｆ＝50mm
のときｋ＝1/488となり、検出した移動量ｌから
傾斜角θを求めることができる。なお、この場
合、ｋ値は、自由液面に入射する角度を50°、プ
リズムの屈折率を1.52、シリコンオイルの屈折率
を1.4とした場合の値である。

指標３４と検知器３６の選択には種々の方式の
ものが考えられ、第４図ないし第６図にもとづい
て述べる。１２１は検知器３６上に結像された指
標像である。第４図は指標をスリツトで構成し、
検知器３６を１次元のラインセンサーで構成した
場合を示す。ｙ平面は第２図における入射・反射
光軸を含む面であり、ｘ平面はｙ平面と直交する
面を示す。ｙ平面での傾斜により指標像１２１は
ｙ方向に移動する。ライイセンサーである検知器
３６上の指標像位置l₁を検出し、傾斜角に換算
し、測定結果を得る。この場合ｘ平面での傾斜で
では指標像はｘ方向へ移動するだけでｙ平面での
傾斜角測定結果に影響を与えない。

第５図は、指標像位置をさらに高精度に検出可
能にする構成を示す。この場合指標は基準スリツ
トパターンと格子状パターンから構成される。

１２２，１２３は前二者のパターン像である。
検知器３６は１次元のラインセンサーである。格
子状パターン像の１ピツチはラインセンサの１ピ
ツチとわずかな差をもたせ、互いにバーニア関係
にする。このように構成して基準スリツトパター
ンの結像位置l₂をラインセンサーの１ピツチの精
度で第２の測定結果を得、さらに格子状パターン
像４２３とラインセンサーとのバーニア関係によ
りさらに１ピツチ内を内挿し第１の測定結果と組
合わせて最終結果を得るものである。指標像４２
４はｘ方向傾斜角制限パターンの像であり、ｘ方
向の傾斜角度が大きくなると、パターンはライン
センサー上でｘ方向に移動し、パターンがライン
センサーからはなれこれを検出することによりラ
ンプあるいは音にて要調整の指定を出すようにす
ることが可能である。

以上の実施例においては、１平面での傾斜角を
測定しているが、指標、検出器の選択により２次
元の傾斜角度を測定することができる。以下第６
図に従つて述べる。指標４２は互いに直交する二
つのスリツトから構成される。４２₅，４２₆は前
二者の指持像であり、３６は１次元のラインセン
サーである受光器である。ｘ平面での傾斜により
指標はｘ方向に移動しl₄が変化し、ｙ平面での傾
斜によりl₃が変化する。このl₃、l₄を検出し、傾
斜角に変換することにより２方向での傾斜角度を
独立に検出することが可能である。また、それぞ
れのスリツトを第５図で述べたように格子状パタ
ーンとすることにより、さらに高精度を測定を得
ることが可能であることは云うまでもない。ま
た、この場合ラインセンサーの傾斜角度の傾きを
変えることによりそれぞれの傾斜角度の感度を任
意に選択できる。

以上の実施例は、発光素子３０とCCD検知器
３６とをコリメートレンズ群４０光軸を中心に対
称位置に配置したOFF−AXIS型であるが、ハー
フミラー等によつて入射光束と反射光束とを分離
するON−AXIS型であつてもよい。特にOFF−
AXIS型においては、入射光束と反射光束とが光
軸を共用しかつ発光面と受光面は同一平面内にあ
るため、発光部と受光部とを１体にしてピント調
整をすれば結像倍率１×を容易に得ることがで
き、装置の組立・調整が容易である。

本発明の第２実施例は、第７図に示すように、
液面反射系５０を透過面５２と反射面５４とを有
する液体容器に液体５６を封入して構成するもの
である。

本発明の第３実施例は、第８図に示すように、
液面反射系６０、透過面６２、一部反射面６４を
含むプリズム上面６６、反射側面６８からなるプ
リズム部７０と、液体部７２とから構成され、光
束７４は自由液面で合計４回反射され、測定精度
が高い特徴を有する。

本発明の第４実施例は傾斜角の二次元検出を行
なう場合の一実施例である。第５図で述べたよう
に、指標を選択し二次元検出を行なうことができ
るが、第２図における入射・反射光軸を含む面内
での傾斜角度に対し、それと直交する平面での傾
斜角度検出の感度は入射角度に比例して落ちる。
そのため２次元的な傾斜角度を測定するには、１
つの液面反射部材に対し２方向に２つの受発光系
を設置し、各々の受発光系により各々の傾斜角度
を測定することが望ましい場合もある。すなわち
液面反射部材８０に、第９図に示すように、透過
面８２と反射面８４との組を２つ設け、各組につ
いて傾斜角測定装置を構成する。

以上説明したように、本発明は自由液面で複数
回反射された光束によつて傾斜角を測定するから
測定精度が高くかつ発光光束と受光光束とを共通
な光路を用いることにより小型で簡易な構成であ
る特徴を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、第２図は第１実
施例の光学図、第３図は第２図の線−に沿つ
た光学図、第４図ないし第６図は本発明に用いる
指標、検出器の説明図、第７図は第２実施例の断
面図、第８図は第３実施例の断面図、第９図は第
４実施例の説明図である。２……光源、４……受光素子、６……液面反射
系、１４……プリズム部、１６……液体、１８…
…液体部、２０……固定透過面、２２……固定反
射面、３０……発光素子、３２……コンデンサー
レンズ、３４……指標、３６……CCD検知器。

Claims

【特許請求の範囲】

１発光部と、受光部と、液面反射系と、上記発
光部からの光束を略平行光束として上記液面反射
系に入射させかつ該液面反射系による反射光束を
上記受光部に入射させるレンズ系とから構成さ
れ、上記液面反射系はその入射光及び反射光が透
過する固定透過面と、該固定透過面を透過した入
射光を反射する自由液面と、該自由液面からの反
射光を反射して再び該自由液面に向けて反射し該
自由液面により再度反射された反射光を上記固定
透過面から出射させるための固定反射面とからな
ることを特徴とする傾斜角測定装置。