JP4243695B2

JP4243695B2 - Position measuring device and surveying instrument using the same

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Publication number: JP4243695B2
Application number: JP29310498A
Authority: JP
Inventors: 薫熊谷; 文夫大友
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 1998-09-29
Filing date: 1998-09-29
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2018-09-29
Also published as: JP2000105119A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自由表面を有する液体部材を利用した位置測定装置に係わり、特に、測量機の傾斜センサに最適であり、ハーフミラーを、液体部材と受光光学系の光路上に配置することにより、コンパクトに構成することのできる位置測定装置及びこれを使用した測量機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から測量機の傾きを検出する素子として、図１２に示す気泡管１００００が使用されていた。この気泡管１００００は、内部に気泡５０００を封入すると共に、電極６０００、７０００を形成し、静電容量を電気的に計測することにより、傾きを測定することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記気泡管１００００は、外周部をガラスから構成しているため、衝撃に弱く、高い機械精度を要求されるので、コストが高いという問題点があった。
【０００４】
更に、Ｘ、Ｙ方向の傾きを計測するためには、２軸方向に２個の気泡管１００００を必要とし、コスト高の原因となっていた。
【０００５】
また、気泡管１００００は、周囲の温度変化にも影響を受け、温度変化に対する補正等を施さなければならないという問題点があった。
【０００６】
そして上記従来の気泡管１００００は、基準とする水平面を測定する場合には、高精度で測定することができるが、傾きを直接検出する場合には、応答特性が悪く直接傾きを検出することができないと共に、検出範囲も狭いという問題点があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑み案出されたもので、光源と、自由表面を有する液体部材と、該光源からの光を前記液体部材に向けるための光学系と、前記光源と前記液体部材の間に配設される暗視野パターンであって、暗視野パターンは、互いに直交するＸ方向とＹ方向のそれぞれに平行で、かつ、前記暗視野パターンは、複数のパターンが等間隔で繰り返し配列されて形成されると共に、該配列の交点に矩形状の透過部を有しており、前記暗視野パターンを通過し、前記液体部材の自由表面を反射した光を、パターンの像と共に、異なる方向に分割するための分割光学系と、この分割光学系から分割した一方のパターンの像のＸ方向或いはＹ方向の配列と平行な方向に集光させるための第１の集光素子と、前記分割光学系から分割した他方のパターンの像を、該第１の集光素子と異なる方向に集光させるための第２の集光素子と、前記第１の集光素子により集光された前記パターンの像を受光するための第１の受光素子と、前記第２の集光素子により集光された前記パターンの像を受光するための第２の受光素子と、この第１の受光素子と第２の受光素子との受光信号に基づき、前記繰り返し配列される内の特定のパターンの位置を基準位置として着目し、この基準位置からの暗視野パターンの像の位置を求めることで、傾き角を演算するための演算処理手段を有している。
【０００８】
また本発明の暗視野パターンが有する矩形状の透過部は、Ｘ方向或いはＹ方向の軸と直交する方向の辺の長さが、配列毎に等しくすることもできる。
【０００９】
そして本発明の暗視野パターンは、前記第１の集光素子が集光する方向に平行なＸ方向、該Ｘ方向に直交するＹ方向、のそれぞれが、少なくとも第１の周期で変調された第１パターンと、この第１のパターンと異なる第２の周期で変調された第２パターンとを有し、前記第１パターンと前記第２パターンとを等ピッチで順次配列されている構成にすることもできる。
【００１０】
更に本発明の前記第１パターン及び前記第２パターンの変調は、線幅を変化させる空間変調により行なう構成にすることもできる。
【００１１】
また本発明の暗視野パターンは、アブソリュートパターンから形成することもできる。
【００１２】
そして本発明は、前記分割光学系として、ハーフミラーを配置する構成にすることもできる。
【００１３】
また本発明は、前記光源と、この光源からの光を反射させるための自由表面を有する前記液体部材の表面とが、共役な関係に配置する構成にすることもできる。
【００１４】
更に本発明の前記液体部材と、前記分割光学系とが一体に構成することもできる。
【００１６】
そして本発明は、自由表面を有する液体部材に代えて、揺動自在な懸垂部材とすることもできる。
【００１７】
また本発明の暗視野パターンは、少なくとも、第１周期で変調された第１パターンと、該第１周期と異なる第２周期で変調された第２パターンとを有し、前記第１パターンと前記第２パターンとを等ピッチで順次配列することもできる。
【００１８】
更に本発明は、前記第１パターン及び前記第２パターンの変調は線幅を変化させる空間変調により行う構成にすることもできる。
【００１９】
そして本発明は、前記第１パターンと前記第２パターンの他に、一様な第３パターンを備えており、前記第１パターン、第２パターン及び第３パターンを等ピッチで順次配列することにより構成することもできる。
【００２０】
更に、第１の集光素子と第２の集光素子、及び、第１の受光素子と第２の受光素子に代えて、少なくとも１つのエリアセンサとすることもできる。
【００２１】
また本発明の測量機は、測量機本体に取り付けられ、該測量機本体の傾きを検出するものであってもよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以上の様に構成された本発明は、光学系が、光源からの光を液体部材に向け、暗視野パターンを、光源と液体部材の間に配設した暗視野パターンであって、暗視野パターンは、互いに直交するＸ方向とＹ方向のそれぞれに平行で、かつ、暗視野パターンは、複数のパターンを等間隔で繰り返し配列して形成し、配列の交点に矩形状の透過部を有しており、分割光学系が、暗視野パターンを通過し、液体部材の自由表面を反射した光を、パターンの像と共に、異なる方向に分割し、第１の集光素子が、分割光学系から分割した一方のパターンの像のＸ方向或いはＹ方向の配列と平行な方向に集光させ、第２の集光素子が、分割光学系から分割した他方のパターンの像を、第１の集光素子と異なる方向に集光させ、第１の受光素子が、第１の集光素子により集光されたパターンの像を受光し、第２の受光素子が、第２の集光素子により集光されたパターンの像を受光し、演算処理手段が、第１の受光素子と第２の受光素子との受光信号に基づき、繰り返し配列される内の特定のパターンの位置を基準位置として着目し、この基準位置からの暗視野パターンの像の位置を求めることで、傾き角を演算する様になっている。
【００２３】
また本発明の暗視野パターンが有する矩形状の透過部は、Ｘ方向或いはＹ方向の軸と直交する方向の辺の長さが、配列毎に等しくすることもできる。
【００２４】
そして本発明の暗視野パターンは、第１の集光素子が集光する方向に平行なＸ方向、Ｘ方向に直交するＹ方向、のそれぞれが、少なくとも第１の周期で変調された第１パターンと、この第１のパターンと異なる第２の周期で変調された第２パターンとを有し、第１パターンと第２パターンとを等ピッチで順次配列することもできる。
【００２５】
更に本発明の第１パターン及び第２パターンの変調は、線幅を変化させる空間変調により行なうこともできる。
【００２６】
また本発明の暗視野パターンは、アブソリュートパターンから形成することもできる。
【００２７】
そして本発明は、分割光学系として、ハーフミラーを配置することもできる。
【００２８】
また本発明は、光源と、この光源からの光を反射させるための自由表面を有する液体部材の表面とを、共役な関係に配置することもできる。
【００２９】
更に本発明の液体部材と、分割光学系とが一体にすることもできる。
【００３１】
そして本発明は、自由表面を有する液体部材に代えて、揺動自在な懸垂部材とすることもできる。
【００３２】
また本発明の暗視野パターンは、少なくとも、第１周期で変調された第１パターンと、第１周期と異なる第２周期で変調された第２パターンとを有し、第１パターンと第２パターンとを等ピッチで順次配列することもできる。
【００３３】
更に本発明は、第１パターン及び第２パターンの変調は線幅を変化させる空間変調により行うこともできる。
【００３４】
そして本発明は、第１パターンと第２パターンの他に、一様な第３パターンを備えており、第１パターン、第２パターン及び第３パターンを等ピッチで順次配列することもできる。
【００３５】
更に、第１の集光素子と第２の集光素子、及び、第１の受光素子と第２の受光素子に代えて、少なくとも１つのエリアセンサとすることもできる。
【００３６】
また本発明の測量機は、測量機本体に取り付けられ、測量機本体の傾きを検出するものであってもよい。
【００３７】
【実施例】
【００３８】
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００３９】
図１は、本第１実施例の傾斜センサ１０００の光学的構成を示すもので、光源１００と、コンデンサーレンズ２００と、暗視野パターン３００と、第１のパターンリレーレンズ４１０と、第１のハーフミラー５１０と、自由表面を有する液体部材６００と、第２のパターンリレーレンズ４２０と、第２のハーフミラー５２０と、第１のシリンドリカルレンズ７１０と、第２のシリンドリカルレンズ７２０と、第１の受光素子８１０と、第２の受光素子８２０と、演算処理手段１６とから構成されている。
【００４０】
本第１実施例の光源１００はＬＥＤであるが、何れの光源を使用することができる。
【００４１】
コンデンサーレンズ２００は、光源１００からの光を平行にするためのものであり、第１の光学系に該当するものである。
【００４２】
暗視野パターン３００は、第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０とにパターン像を形成するためのものである。
【００４３】
図２は、本第１実施例の２次元に配列された暗視野パターン３００を示すもので、黒マスク部に複数の透明なパターン部を形成して構成されている。
【００４４】
図３は、本第１実施例の暗視野パターン３００の複数の透明なパターン部を拡大して示したものであり、Ｘ軸方向とＹ軸方向に直交する方向にパターン部が配置されている。即ち、本第１実施例の暗視野パターン３００は、２軸方向（Ｘ軸方向とＹ軸方向）に絶対位置を示すアブソリュートパターンであり、Ｘ軸方向とＹ軸方向にクロスしたパターンとなっている。
【００４５】
ここで、Ｘ軸方向の列をｉとし（ｉ＝１〜Ｎ）、Ｙ軸の行をｊとし（ｊ＝１〜Ｋ）、特定のパターンをＰ_ij（ｉ＝１〜Ｎ、ｊ＝１〜Ｋ）と表すことにする。なお第３図の場合では、Ｎ＝９、Ｋ＝８である。
【００４６】
そこで、第１行（Ｊ＝１）について説明する。
【００４７】
第１行のパターンは、第１のパターンＡと第２のパターンＢと第３のパターンＣと第４のパターンＲとが、等間隔（ｐ）で繰り返し配置されている。即ち、４種のパターンを１組として各ブロックが連続して形成されており、最も左側に配置されたブロックを、１ブロックと定義し、Ｒ、Ａ（１）、Ｂ（１）、Ｃ（１）と記載すれば、Ｒ、Ａ（２）、Ｂ（２）、Ｃ（２）、Ｒ、Ａ（３）、Ｂ（３）、Ｃ（３）・・・・・・・・と繰り返し配置されている。
【００４８】
即ち、Ｐ₁₁＝Ｒ、Ｐ₂₁＝Ａ₁、Ｐ₃₁＝Ｂ₁、Ｐ₄₁＝Ｃ₁、Ｐ₅₁＝Ｒ、Ｐ₆₁＝Ａ₂、Ｐ₇₁＝Ｂ₂、Ｐ₈₁＝Ｃ₂、Ｐ₉₁＝Ｒとなる。
【００４９】
次に、第１列（ｉ＝１）について説明する。
【００５０】
第１列のパターンは、第１のパターンＡと第２のパターンＢと第３のパターンＣと第４のパターンＲとが、等間隔（ｐ）で繰り返し配置されている。即り、４種のパターンを１組として各ブロックが連続して形成されており、最も上側に配置されたブロックを、１ブロックと定義し、Ｒ、Ａ（１）、Ｂ（１）、Ｃ（１）と記載すれば、Ｒ、Ａ（２）、Ｂ（２）、Ｃ（２）、Ｒ、Ａ（３）、Ｂ（３）、Ｃ（３）・・・・・・・・と繰り返し配置されている。
【００５１】
即ち、Ｐ₁₁＝Ｒ、Ｐ₁₂＝Ａ₁、Ｐ₁₃＝Ｂ₁、Ｐ₁₄＝Ｃ₁、Ｐ₁₅＝Ｒ、Ｐ₁₆＝Ａ₂、Ｐ₁₇＝Ｂ₂、Ｐ₁₈＝Ｃ₂ となる。
【００５２】
第１のパターンリレーレンズ４１０は、暗視野パターン３００を通過した光を、第１のハーフミラー５１０に導くものである。
【００５３】
本第１実施例の第１のハーフミラー５１０は、半透過面５１１を備えたビームスプリッタである。第１のハーフミラー５１０に入射された光は、半透過面５１１を透過して上方に向かい、自由表面を有する液体部材６００に入射する。そして、自由表面を有する液体部材６００で反射された光は、第１のハーフミラー５１０の半透過面５１１を反射して、第２のパターンリレーレンズ４２０に向かう様になっている。
【００５４】
なお、第１のハーフミラー５１０は、光源１００からの反射光に対して傾斜する傾斜面５１２を有する構成となっている。
【００５５】
これは、光源１００から第１のハーフミラー５１０に入射された光は、半透過面５１１を透過して上方に向かうが、一部、半透過面５１１を反射する光がある。この反射光の一部は、第１のハーフミラー５１０の端面で反射された後、同一光路を反対方向に進むと、再び、半透過面５１１を透過し、第２のパターンリレーレンズ４２０に向かってしまう。
【００５６】
この半透過面５１１を反射する反射光は、傾斜検出を阻害したり、誤差を生じさせる可能性がある。そこで、本第１実施例では、第１のハーフミラー５１０の端面を、光源１００からの透過光に対して傾斜する傾斜面５１２とする様に構成されている。
【００５７】
この結果、半透過面５１１で反射される光源１００からの光は、傾斜面５１２で再び反射されるが、この再帰反射光は、同一光路を反対方向に進むことはないので、第２のパターンリレーレンズ４２０を介して、第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０とに入射されることはなく、高精度の測定を行うことができるという効果がある。
【００５８】
そして実施例の第１のハーフミラー５１０は、光源１００からの反射光に対して傾斜する面を有する構成にすることもできる。
【００５９】
なお、光源１００と、この光源１００からの光を反射させるための自由表面を有する液体部材６００の表面とが、共役な関係に配置することもできる。
【００６０】
この場合には、液体部材６００の表面上での反射面積が最小となり、液体の表面張力による誤差を最小にすることができるという効果がある。更に、液体部材６００の容積を少なくすることもできる。
【００６１】
自由表面を有する液体部材６００は、シリコンオイル等の適度の粘性を有する液体が充填されている。液体部材６００は、自由表面を有するので、表面は必ず水平を保つ様になっている。
【００６２】
更に本実施例の液体部材６００は、第１のハーフミラー５１０と一体に構成することもできる。
【００６３】
そして本実施例の第１のハーフミラー５１０は、液体部材６００と接する面に反射防止膜を施すこともできる。
【００６４】
また本実施例の液体部材６００の屈折率と、第１のハーフミラー５１０の屈折率とは、近似の値とする構成にすることもできる。
【００６５】
なお、第１のハーフミラー５１０は、ハーフミラーに該当するものである。
【００６６】
第２のパターンリレーレンズ４２０は、自由表面を有する液体部材６００で反射され、第１のハーフミラー５１０で反射された光を、第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０上に結像するためのものである。即ち、第２のパターンリレーレンズ４２０は、暗視野パターン３００の像を第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０上に形成するためのものである。
【００６７】
なお、第２のパターンリレーレンズ４２０は、第２の光学系に該当するものであり、第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０とから、第２のパターンリレーレンズ４２０の焦点距離ｆ離れた位置に配置されている。
【００６８】
第２のハーフミラー５２０は暗視野パターン３００の像を、第１の受光素子８１０と、第２の受光素子８２０とに、分離するためのものである。
【００６９】
第１のシリンドリカルレンズ７１０は、Ｘ軸方向に、暗視野パターン３００の像を集光させるものである。なお、第１のシリンドリカルレンズ７１０は、第１の集光素子に該当するものである。
【００７０】
例えば、第１行に対しては、Ｐ₁₁＝Ｒ、Ｐ₂₁＝Ａ₁、Ｐ₃₁＝Ｂ₁、Ｐ₄₁＝Ｃ₁、Ｐ₅₁＝Ｒ、Ｐ₆₁＝Ａ₂、Ｐ₇₁＝Ｂ₂、Ｐ₈₁＝Ｃ₂、Ｐ₉₁＝Ｒを図３の右隅の様に集光させるものである。
【００７１】
即ち、Ｐ_i1（ｉ＝１〜９）を右隅の様に集光させるものである。
【００７２】
従って、Ｘ方向に全ての行で集光を実施することができる。
【００７３】
よって、「Ｐ_i1（ｉ＝１〜９）の集光を、Ｊ＝１〜８行まで実行する」ことになる。
【００７４】
この結果、ピッチｐでＸ方向に集光されたＹ方向の位置を示すアブソリュートパターンが右隅の様に形成される。
【００７５】
第２のシリンドリカルレンズ７２０は、Ｙ軸方向に、暗視野パターン３００の像を集光させるものである。第２のシリンドリカルレンズ７２０は、第２の集光素子に該当するものである。
【００７６】
例えば、第１列に対しては、Ｐ₁₁＝Ｒ、Ｐ₁₂＝Ａ₁、Ｐ₁₃＝Ｂ₁、Ｐ₁₄＝Ｃ₁、Ｐ₁₅＝Ｒ、Ｐ₁₆＝Ａ₂、Ｐ₁₇＝Ｂ₂、Ｐ₁₈＝Ｃ₂ を図３の下隅の様に集光させるものである。
【００７７】
従って、Ｙ方向に全ての列で集光を実施することができる。
【００７８】
「Ｐ_1j（ｊ＝１〜８）の集光を、ｉ＝１〜９列まで実行する」
【００７９】
この結果、ピッチｐでＹ方向に集光されたＸ方向の位置を示すアブソリュートパターンが下隅の様に形成される。
【００８０】
第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０とは、暗視野パターン３００の像を受光し、電気信号に変換するためのものであり、本第１実施例では、ＣＣＤ（電荷結合素子）リニアセンサが採用されている。
【００８１】
第１の受光素子８１０は、第１のシリンドリカルレンズ７１０により、Ｘ軸方向に集光された像を受光するものであり、ピッチｐでＸ方向に集光されたＹ方向の位置を示すアブソリュートパターンを受光することができる。
【００８２】
第２の受光素子８２０は、第２のシリンドリカルレンズ７２０により、Ｙ軸方向に集光された像を受光するものであり、ピッチｐでＹ方向に集光されたＸ方向の位置を示すアブソリュートパターンを受光することができる。
【００８３】
演算処理手段１６は、ＣＰＵを含む演算処理装置であり、全体の制御を司ると共に、暗視野パターン３００のスリット像の位置を算出し、対応する傾き角を演算するためのものである。
【００８４】
以上の様に構成された本第１実施例では、傾斜センサ１０００が傾けば、液体部材６００の自由表面は水平を保つので、傾斜角度に比例して、第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０上の暗視野パターン３００の像が移動することになる。
【００８５】
ここで傾斜センサ１０００が角度θ傾いた場合には、図４に示す様に、液体部材６００の屈折率をｎとすると、自由表面からの反射光は２ｎθ傾くことになる。第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０であるリニアセンサ上の距離をＬとすると、
【００８６】
Ｌ＝ｆ＊ｔａｎ（２ｎθ）・・・・・第１式
【００８７】
となる。
【００８８】
従って、暗視野パターン３００の像の位置を、第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０で検出し、基準位置からの距離を求め、演算処理手段１６が傾き角に変換すれば、傾斜センサ１０００の傾きθを測定することができる。
【００８９】
次に、演算処理手段１６の傾き角の演算処理を詳細に説明する。
【００９０】
傾き角については、特定のパターンの位置を基準として着目し、リニアセンサ上における検出されたパターンの位置との距離ｄＬを測定すればよい。
【００９１】
またピッチ間隔以下の距離に関しては、第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０の出力のフーリエ変換を行うことにより、リニアセンサ上のピッチ間隔に対する基準位置との位相差φを計算し、
【００９２】
φ＊ｐ＊ｍ／（２π）・・・・・・第２式
【００９３】
を求めることにより、ピッチ間隔以下の距離を高精度に測定可能である。但し、ｍは倍率である。そして、上記特定パターンの距離から求めたピッチ間隔以上の距離と合わせることにより、全体の距離を演算することができる。
【００９４】
そして演算処理手段１６は、全体の距離から、対応する傾き角を演算することができる。
【００９５】
即ち、ピッチｐでＸ方向に集光されたＹ方向の位置を示すアブソリュートパターンを受光するための第１の受光素子８１０と、ピッチｐでＹ方向に集光されたＸ方向の位置を示すアブソリュートパターンを受光することができる第２の受光素子８２０とが備えられているので、それぞれの受光素子により、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の傾き角を、演算処理手段１６により算出することができる。
【００９６】
なお、第１の集光素子７１０と第２の集光素子７２０及び、第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０とを利用せず、エリアセンサを採用すれば、暗視野パターン３００を利用することにより、Ｘ方向及びＹ方向の２軸の傾きを検出することができる。
【００９７】
更に、自由表面を有する液体部材６００に代えて、揺動自在な懸垂部材とすることもできる。
【００９８】
まず説明を簡便化するために、暗視野パターン３００に形成されたパターンを、図５に示す様に簡略化して説明する。なお、この説明では、理解を容易とするために、パターンＣを省略して説明することにする。即ち、Ｒ、Ａ（０）、Ｂ（０）、Ｒ、Ａ（１）、Ｂ（１）、Ｒ、Ａ（２）、Ｂ（２）、・・・・・・・・と繰り返し配置されている場合で以下説明する。
【００９９】
暗視野パターン３００に形成されたパターンは、図５に示す様に、第１のパターンＡと第２のパターンＢと第３のパターンＲが等間隔（ｐ）で繰り返し配置されている。即ち、３種のパターンを１組として各ブロックが連続して形成されており、最も左側に配置されたブロックを、０ブロックと定義し、Ｒ（０）、Ａ（０）、Ｂ（０）と記載すれば、Ｒ（１）、Ａ（１）、Ｂ（１）、Ｒ（２）、Ａ（２）、Ｂ（２）、・・・・・・・・と繰り返し配置されている。なお、全てのパターンが等間隔ｐで繰り返されているので、この間隔に対応した信号を基準信号とする。
【０１００】
そして例えば第３のパターンＲは、黒幅５０μｍで固定幅となっており、第１のパターンＡは、７ブロックで１周期となる様に黒部分の幅を変調しており、第２のパターンＢは、５ブロックで１周期となる様に黒部分の幅を変調している。
【０１０１】
次に第１のパターンＡは、７ブロックで１周期となる様に黒部分の幅を変調しているので、変調幅を２０μｍ〜８０μｍとすれば、第１のパターンの幅Ｄ_Aは、以下の式で与えられる。
【０１０２】
Ｄ_A＝５０＋３０＊ＳＩＮ（２＊π＊Ｘ／７）・・・第３式
【０１０３】
となる。但し、Ｘ＝（０、１、２、３・・・・・・である）。
【０１０４】
同様に、第２のパターンＢは、５ブロックで１周期となる様に黒部分の幅を変調しているので、第２のパターンの幅Ｄ_Bは、以下の式で与えられる。
【０１０５】
Ｄ_B＝５０＋３０＊ＳＩＮ（２＊π＊Ｘ／５）・・・第４式
【０１０６】
となる。但し、Ｘ＝（０、１、２、３・・・・・・である）。
【０１０７】
そして第１のパターンＡと第２のパターンＢとは、周期が僅かに異なっているため、両者の最小公倍数である距離で同様のパターンが現れる。本実施例では７ブロックと５ブロックの最小公倍数である３５ブロックで同様のパターンが現れる。
【０１０８】
即ち、水平位置が含まれるブロックにおける第１のパターンＡの位相番号を φ_A（０〜６）とし、水平位置における第２のパターンＢの位相番号をφ_B（０〜４）とすれば、暗視野パターン３００の位置Ｈは、
【０１０９】
φ_Aとφ_Bの組み合わせより、それぞれの位相番号が含まれるブロック番号 φ_AB より、
【０１１０】
Ｈ＝φ_AB＊ｐ＊ｍ・・・・第５式
【０１１１】
となる。
【０１１２】
次に、暗視野パターン３００の位置算出方法を具体的に説明する。
【０１１３】
第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０の出力信号を、基準信号（等間隔ピッチｐに相当する信号）の前後半ピッチ分の範囲内でパターンの幅を求める。更にこのパターンの幅を３つ毎に間引けば（プロダクト検波）、図７に示す様に、第１のパターンＡに相当する信号１と、第２のパターンＢに相当する信号２と、第３のパターンＲに相当する信号３とが得られる。しかしながら第３のパターンＲは、幅が変調されていない上、第１のパターンＡと第２のパターンＢの最大変調幅が８０μｍに対して、第３のパターンＲは５０μｍしかないので、第３のパターンＲに相当する信号３は、幅は略一定であり、信号１や信号２に比較して約５０％の値となる。
【０１１４】
そして、第３のパターンＲと、第１のパターンＡと、第２のパターンＢとは、定められた順番に繰り返して配置されているので、間引かれた信号が、第３のパターンＲ、第１のパターンＡ、第２のパターンＢの何れであるか、決定することができる。
【０１１５】
次にＡ、Ｂの信号から、傾斜読み取りの基準位置にリニアセンサ８１０、８２０のアドレス位置（第ｍビット目）を含む、Ａ、Ｂの１組の信号を選択し、ＡとＢの位相番号を求めれば、何れの位置の第１のパターンＡ、第２のパターンＢ、第３のパターンＲの組合せであるかを求めることができる。
【０１１６】
ここで、Ａ信号の位相番号をＡｍとし、Ｂ信号の位相番号をＢｍとし、ＡとＢの位相番号の組み合わせより、Ｒ、Ａ、Ｂが含まれるブロック番号φ_AB を求めることができる。
【０１１７】
そして、基準位置（第ｍビット目）が含まれるパターンが、
【０１１８】
Ｒパターンの場合には・・・・・・３＊ｐ＊φ_AB ・・・・第６式
【０１１９】
Ａパターンの場合には・・・・・・ｐ＊（３＊φ_AB＋１）・・・・第７式
【０１２０】
Ｂパターンの場合には・・・・・・ｐ＊（３＊φ_AB＋２）・・・・第８式
【０１２１】
の様に求められる。なお、ｐはピッチである。
【０１２２】
そして第６式〜第８式の値と、第２式より得られた値を合わせることにより、暗視野パターン３００の位置Ｈを求めることができる。
【０１２３】
次に本実施例の演算処理手段１６を図８に基づいて詳細に説明する。
【０１２４】
アンプ１６１は、セレクタ１６８により選択された第１の受光素子８１０又は第２の受光素子８２０からの電気信号を増幅するものであり、サンプルホールド１６２は、増幅された電気信号をクロックドライバ１６５からのタイミング信号でサンプルホールドするものである。Ａ／Ｄ変換器１６３は、サンプルホールドされた電気信号をＡ／Ｄ変換するためのものである。そしてＲＡＭ１６４は、Ａ／Ｄ変換されたデジタル信号を記憶するためのものである。またマイクロコンピュータ１６６は、各種演算処理を行うものである。
【０１２５】
ここでマイクロコンピュータ１６６が果たす機能を図９に基づいて説明すると、演算処理手段１６は、基準信号形成部１６６１と、パターン信号形成部１６６２と、算出部１６６４とからなり、基準信号形成部１６６１は、第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０から得られた電気信号から、高速フーリエ変換により等間隔ピッチｐに相当する基準信号を形成するものである。
【０１２６】
パターン信号形成部１６６２は、基準信号の前後半ピッチ分の範囲内で幅を求め、このパターン幅を３つ毎に間引く（プロダクト検波）ことにより、第１のパターン信号と第２のパターン信号を形成するものである。
【０１２７】
算出部１６６４は、第１のパターン信号と第２のパターン信号の位相番号から、基準位置が含まれるブロック番号を算出し、更に、ピッチ単位の位置を求め、高速フーリエ変換により得られたピッチ内の位相（第２式）との桁合わせを行い、高精度に暗視野パターン３００の位置を求め、暗視野パターン３００の移動量Ｈを求めるものである。
【０１２８】
そして表示器１６７は、算出部１６６４で算出された傾き角を表示するもので、液晶表示等の表示手段を採用してもよく、更に、外部記憶手段等に出力させる構成としてもよい。
【０１２９】
また、図１０及び図１１に示す様な電子式セオドライト２００００等に傾斜センサを取り付ければ、測量装置本体のＸ方向及びＹ方向の傾きを検出することができる。
【０１３０】
【効果】
以上の様に構成された本発明は、光源と、自由表面を有する液体部材と、該光源からの光を前記液体部材に向けるための光学系と、前記光源と前記液体部材の間に配設される暗視野パターンであって、暗視野パターンは、互いに直交するＸ方向とＹ方向のそれぞれに平行で、かつ、前記暗視野パターンは、複数のパターンが等間隔で繰り返し配列されて形成されると共に、該配列の交点に矩形状の透過部を有しており、前記暗視野パターンを通過し、前記液体部材の自由表面を反射した光を、パターンの像と共に、異なる方向に分割するための分割光学系と、この分割光学系から分割した一方のパターンの像のＸ方向或いはＹ方向の配列と平行な方向に集光させるための第１の集光素子と、前記分割光学系から分割した他方のパターンの像を、該第１の集光素子と異なる方向に集光させるための第２の集光素子と、前記第１の集光素子により集光された前記パターンの像を受光するための第１の受光素子と、前記第２の集光素子により集光された前記パターンの像を受光するための第２の受光素子と、この第１の受光素子と第２の受光素子との受光信号に基づき、前記繰り返し配列される内の特定のパターンの位置を基準位置として着目し、この基準位置からの暗視野パターンの像の位置を求めることで、傾き角を演算するための演算処理手段を有するので、機械的強度が高く、高精度な位置測定装置を提供することができる上、コンパクトな位置測定装置を提供することができるという効果がある。
【０１３１】
また本発明は、光源と、この光源からの光を反射させるための自由表面を有する液体部材の表面とを、共役な関係に配置する構成とすれば、液体部材の表面上での反射面積が最小となり、液体の表面張力による誤差を最小にすることができるという効果がある。更に、液体部材の容積を少なくすることもできる。
【０１３２】
そして本発明のハーフミラーは、光源からの透過光に対して傾斜する面を有しているので、反射光は、同一光路を反対方向に進むことはないので、不要な反射光が受光手段に入射されることがなく、高精度の測定を行うことができるという効果がある。
【０１３３】
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の実施例の傾斜センサ１０００の構成を示す図である。
【図２】
本実施例の暗視野パターン３００を説明する図である。
【図３】
本実施例の暗視野パターン３００を説明する図である。
【図４】
本実施例の流体部材を説明する図である。
【図５】
測定の原理を説明する図である。
【図６】
測定の原理を説明する図である。
【図７】
測定の原理を説明する図である。
【図８】
本実施例の演算処理手段の構成を示す図である。
【図９】
本実施例の演算処理手段の構成を示す図である。
【図１０】
本実施例を電子式セオドライト２００００に応用した例を説明する図である。
【図１１】
本実施例を電子式セオドライト２００００に応用した例を説明する図である。
【図１２】
従来技術を説明する図である。
【符号の説明】
２００００電子式セオドライト
１０００傾斜センサ
１００光源
２００コンデンサーレンズ
３００暗視野パターン
４１０第１のパターンリレーレンズ
４２０第２のパターンリレーレンズ
５１０第１のハーフミラー
５２０第２のハーフミラー
５１１半透過面
５１２傾斜面
６００自由表面を有する液体部材
７１０第１のシリンドリカルレンズ
７２０第２のシリンドリカルレンズ
８１０第１の受光素子
８２０第２の受光素子
１６演算処理手段
１６６マイクロコンピュータ１
１６６１基準信号形成部
１６６２パターン信号形成部
１６６４算出部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a position measuring device using a liquid member having a free surface, and is particularly suitable for an inclination sensor of a surveying instrument, and by arranging a half mirror on an optical path of a liquid member and a light receiving optical system, The present invention relates to a position measuring device that can be configured compactly and a surveying instrument that uses the position measuring device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a bubble tube 10000 shown in FIG. 12 has been used as an element for detecting the inclination of a surveying instrument. The bubble tube 10000 can measure the inclination by enclosing the bubble 5000 therein, forming electrodes 6000 and 7000, and electrically measuring the capacitance.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the bubble tube 10000 has a problem in that the outer peripheral portion is made of glass and thus is vulnerable to impact and requires high mechanical accuracy, so that the cost is high.
[0004]
Furthermore, in order to measure the inclinations in the X and Y directions, two bubble tubes 10000 are required in the biaxial direction, resulting in high costs.
[0005]
In addition, the bubble tube 10000 is also affected by the ambient temperature change, and there is a problem that correction for the temperature change must be performed.
[0006]
The conventional bubble tube 10000 can measure with high accuracy when measuring a reference horizontal plane. However, when the inclination is directly detected, the response characteristic is poor and the inclination can be directly detected. In addition, there was a problem that the detection range was narrow.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been devised in view of the above problems, and includes a light source, a liquid member having a free surface, an optical system for directing light from the light source toward the liquid member, and between the light source and the liquid member. The dark field pattern is parallel to each of the X direction and the Y direction orthogonal to each other, and the dark field pattern includes a plurality of patterns repeatedly arranged at equal intervals. It is formed and has a rectangular transmissive part at the intersection of the array, and splits the light that has passed through the dark field pattern and reflected from the free surface of the liquid member in a different direction together with the pattern image A splitting optical system, a first condensing element for condensing the image of one pattern split from the splitting optical system in a direction parallel to the X-direction or Y-direction array, and the splitting optical system The other pattern divided from A second condensing element for condensing the image of the pattern in a direction different from that of the first condensing element, and for receiving an image of the pattern collected by the first condensing element. A first light receiving element; a second light receiving element for receiving an image of the pattern collected by the second light collecting element; and light reception by the first light receiving element and the second light receiving element. An arithmetic processing means for calculating a tilt angle by paying attention to a position of a specific pattern in the repeated arrangement as a reference position based on a signal and obtaining a position of an image of a dark field pattern from the reference position have.
[0008]
In addition, the rectangular transmissive portions of the dark field pattern of the present invention can have the same side length in the direction orthogonal to the X-direction or Y-direction axis for each arrangement.
[0009]
In the dark field pattern of the present invention, each of the X direction parallel to the direction in which the first light collecting element condenses and the Y direction orthogonal to the X direction is modulated with at least a first period. 1 pattern and a second pattern modulated with a second period different from the first pattern, and the first pattern and the second pattern are sequentially arranged at an equal pitch. You can also.
[0010]
Furthermore, the modulation of the first pattern and the second pattern of the present invention may be performed by spatial modulation that changes the line width.
[0011]
The dark field pattern of the present invention can also be formed from an absolute pattern.
[0012]
And this invention can also be set as the structure which arrange | positions a half mirror as said division | segmentation optical system.
[0013]
Moreover, this invention can also be set as the structure which arrange | positions the said light source and the surface of the said liquid member which has the free surface for reflecting the light from this light source in a conjugate relationship.
[0014]
Furthermore, the liquid member of the present invention and the split optical system can be configured integrally.
[0016]
And this invention can also be made into the swingable suspension member instead of the liquid member which has a free surface.
[0017]
The dark field pattern of the present invention includes at least a first pattern modulated in a first period and a second pattern modulated in a second period different from the first period, and the first pattern and the It is also possible to sequentially arrange the second pattern at an equal pitch.
[0018]
Furthermore, the present invention may be configured such that the modulation of the first pattern and the second pattern is performed by spatial modulation that changes the line width.
[0019]
According to the present invention, in addition to the first pattern and the second pattern, a uniform third pattern is provided, and the first pattern, the second pattern, and the third pattern are sequentially arranged at an equal pitch. It can also be configured.
[0020]
Further, at least one area sensor may be used instead of the first light collecting element and the second light collecting element, and the first light receiving element and the second light receiving element.
[0021]
Further, the surveying instrument of the present invention may be attached to the surveying instrument main body and detect the inclination of the surveying instrument main body.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention configured as described above is a dark field pattern in which an optical system directs light from a light source to a liquid member and a dark field pattern is disposed between the light source and the liquid member. Is parallel to the X and Y directions orthogonal to each other, and the dark field pattern is formed by repeatedly arranging a plurality of patterns at equal intervals, and has a rectangular transmission part at the intersection of the arrays. The splitting optical system splits the light that has passed through the dark field pattern and reflected from the free surface of the liquid member together with the pattern image in different directions, and the first light collecting element splits from the splitting optical system. One pattern image is condensed in a direction parallel to the X-direction or Y-direction arrangement, and the second light-condensing element converts the image of the other pattern divided from the divided optical system to the first light-condensing element. The light is condensed in different directions, and the first light receiving element receives the first light. The image of the pattern condensed by the child is received, the second light receiving element receives the image of the pattern condensed by the second light collecting element, and the arithmetic processing means is connected to the first light receiving element and the first light receiving element. Based on the light reception signal with 2 light receiving elements, pay attention to the position of a specific pattern in the repeated arrangement as a reference position, and calculate the tilt angle by calculating the position of the image of the dark field pattern from this reference position It is supposed to do.
[0023]
In addition, the rectangular transmissive portions of the dark field pattern of the present invention can have the same side length in the direction orthogonal to the X-direction or Y-direction axis for each arrangement.
[0024]
The dark field pattern of the present invention is a first pattern in which each of the X direction parallel to the direction in which the first light collecting element condenses and the Y direction orthogonal to the X direction are modulated at least in the first period. And a second pattern modulated at a second period different from the first pattern, and the first pattern and the second pattern can be sequentially arranged at an equal pitch.
[0025]
Further, the modulation of the first pattern and the second pattern of the present invention can also be performed by spatial modulation that changes the line width.
[0026]
The dark field pattern of the present invention can also be formed from an absolute pattern.
[0027]
In the present invention, a half mirror can also be arranged as a split optical system.
[0028]
In the present invention, the light source and the surface of the liquid member having a free surface for reflecting light from the light source can be arranged in a conjugate relationship.
[0029]
Furthermore, the liquid member of the present invention and the split optical system can be integrated.
[0031]
And this invention can also be made into the swingable suspension member instead of the liquid member which has a free surface.
[0032]
The dark field pattern of the present invention includes at least a first pattern modulated in a first period and a second pattern modulated in a second period different from the first period, and the first pattern and the second pattern Can be sequentially arranged at an equal pitch.
[0033]
Furthermore, in the present invention, the modulation of the first pattern and the second pattern can also be performed by spatial modulation that changes the line width.
[0034]
In addition to the first pattern and the second pattern, the present invention includes a uniform third pattern, and the first pattern, the second pattern, and the third pattern can be sequentially arranged at an equal pitch.
[0035]
Further, at least one area sensor may be used instead of the first light collecting element and the second light collecting element, and the first light receiving element and the second light receiving element.
[0036]
The surveying instrument of the present invention may be attached to the surveying instrument main body and detect the inclination of the surveying instrument main body.
[0037]
【Example】
[0038]
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0039]
FIG. 1 shows an optical configuration of the tilt sensor 1000 of the first embodiment. The light source 100, the condenser lens 200, the dark field pattern 300, the first pattern relay lens 410, and the first half. Mirror 510, liquid member 600 having a free surface, second pattern relay lens 420, second half mirror 520, first cylindrical lens 710, second cylindrical lens 720, and first light receiving The element 810, the second light receiving element 820, and the arithmetic processing means 16 are configured.
[0040]
The light source 100 of the first embodiment is an LED, but any light source can be used.
[0041]
The condenser lens 200 is for collimating the light from the light source 100, and corresponds to the first optical system.
[0042]
The dark field pattern 300 is for forming a pattern image on the first light receiving element 810 and the second light receiving element 820.
[0043]
FIG. 2 shows a dark field pattern 300 arranged two-dimensionally according to the first embodiment, and is configured by forming a plurality of transparent pattern portions on a black mask portion.
[0044]
FIG. 3 is an enlarged view of a plurality of transparent pattern portions of the dark field pattern 300 of the first embodiment, and the pattern portions are arranged in a direction orthogonal to the X-axis direction and the Y-axis direction. . That is, the dark field pattern 300 of the first embodiment is an absolute pattern indicating absolute positions in two axial directions (X-axis direction and Y-axis direction), and is a pattern that crosses the X-axis direction and the Y-axis direction. Yes.
[0045]
Here, the column in the X-axis direction is i (i = 1 to N), the Y-axis row is j (j = 1 to K), and a specific pattern is P _ij (I = 1 to N, j = 1 to K). In the case of FIG. 3, N = 9 and K = 8.
[0046]
Therefore, the first row (J = 1) will be described.
[0047]
In the first row pattern, the first pattern A, the second pattern B, the third pattern C, and the fourth pattern R are repeatedly arranged at equal intervals (p). That is, each block is continuously formed with a set of four types of patterns. The leftmost block is defined as one block, and R, A (1), B (1), C ( 1), R, A (2), B (2), C (2), R, A (3), B (3), C (3) ... Has been placed.
[0048]
That is, P ₁₁ = R, P _{twenty one} = A ₁ , P ₃₁ = B ₁ , P ₄₁ = C ₁ , P ₅₁ = R, P ₆₁ = A ₂ , P ₇₁ = B ₂ , P ₈₁ = C ₂ , P ₉₁ = R.
[0049]
Next, the first column (i = 1) will be described.
[0050]
In the first row pattern, the first pattern A, the second pattern B, the third pattern C, and the fourth pattern R are repeatedly arranged at equal intervals (p). That is, each block is continuously formed with four patterns as one set, and the uppermost block is defined as one block, and R, A (1), B (1), C (1), R, A (2), B (2), C (2), R, A (3), B (3), C (3) ... It is arranged repeatedly.
[0051]
That is, P ₁₁ = R, P ₁₂ = A ₁ , P ₁₃ = B ₁ , P ₁₄ = C ₁ , P ₁₅ = R, P ₁₆ = A ₂ , P ₁₇ = B ₂ , P ₁₈ = C ₂ It becomes.
[0052]
The first pattern relay lens 410 guides the light that has passed through the dark field pattern 300 to the first half mirror 510.
[0053]
The first half mirror 510 of the first embodiment is a beam splitter provided with a semi-transmissive surface 511. The light incident on the first half mirror 510 passes through the semi-transmissive surface 511, travels upward, and enters the liquid member 600 having a free surface. The light reflected by the liquid member 600 having a free surface is reflected by the semi-transmissive surface 511 of the first half mirror 510 and travels toward the second pattern relay lens 420.
[0054]
The first half mirror 510 has an inclined surface 512 that is inclined with respect to the reflected light from the light source 100.
[0055]
This is because light incident on the first half mirror 510 from the light source 100 passes through the semi-transmissive surface 511 and travels upward, but there is light that partially reflects the semi-transmissive surface 511. A part of the reflected light is reflected by the end face of the first half mirror 510 and then travels in the opposite direction along the same optical path. The reflected light is again transmitted through the semi-transmissive surface 511 and directed toward the second pattern relay lens 420. End up.
[0056]
The reflected light reflected from the semi-transmissive surface 511 may obstruct inclination detection or cause an error. Therefore, in the first embodiment, the end surface of the first half mirror 510 is configured to be an inclined surface 512 that is inclined with respect to the transmitted light from the light source 100.
[0057]
As a result, the light from the light source 100 reflected by the semi-transmissive surface 511 is reflected again by the inclined surface 512, but the retroreflected light does not travel in the opposite direction on the same optical path, so the second pattern The light does not enter the first light receiving element 810 and the second light receiving element 820 via the relay lens 420, and there is an effect that highly accurate measurement can be performed.
[0058]
The first half mirror 510 according to the embodiment can be configured to have a surface inclined with respect to the reflected light from the light source 100.
[0059]
The light source 100 and the surface of the liquid member 600 having a free surface for reflecting light from the light source 100 can be arranged in a conjugate relationship.
[0060]
In this case, there is an effect that the reflection area on the surface of the liquid member 600 is minimized, and an error due to the surface tension of the liquid can be minimized. Furthermore, the volume of the liquid member 600 can be reduced.
[0061]
The liquid member 600 having a free surface is filled with a liquid having an appropriate viscosity such as silicon oil. Since the liquid member 600 has a free surface, the surface is always kept horizontal.
[0062]
Furthermore, the liquid member 600 of the present embodiment can be configured integrally with the first half mirror 510.
[0063]
The first half mirror 510 of the present embodiment can also be provided with an antireflection film on the surface in contact with the liquid member 600.
[0064]
In addition, the refractive index of the liquid member 600 of this embodiment and the refractive index of the first half mirror 510 can be set to approximate values.
[0065]
The first half mirror 510 corresponds to a half mirror.
[0066]
The second pattern relay lens 420 forms an image of the light reflected by the liquid member 600 having a free surface and reflected by the first half mirror 510 on the first light receiving element 810 and the second light receiving element 820. Is to do. That is, the second pattern relay lens 420 is for forming an image of the dark field pattern 300 on the first light receiving element 810 and the second light receiving element 820.
[0067]
The second pattern relay lens 420 corresponds to the second optical system, and the focal length f of the second pattern relay lens 420 from the first light receiving element 810 and the second light receiving element 820. It is located at a distance.
[0068]
The second half mirror 520 is for separating the image of the dark field pattern 300 into the first light receiving element 810 and the second light receiving element 820.
[0069]
The first cylindrical lens 710 collects an image of the dark field pattern 300 in the X-axis direction. The first cylindrical lens 710 corresponds to the first light collecting element.
[0070]
For example, for the first row, P ₁₁ = R, P _{twenty one} = A ₁ , P ₃₁ = B ₁ , P ₄₁ = C ₁ , P ₅₁ = R, P ₆₁ = A ₂ , P ₇₁ = B ₂ , P ₈₁ = C ₂ , P ₉₁ = R is condensed like the right corner of FIG.
[0071]
That is, P _i1 (I = 1 to 9) is condensed like the right corner.
[0072]
Therefore, it is possible to collect light in all rows in the X direction.
[0073]
Therefore, “P _i1 Condensation of (i = 1 to 9) is executed from J = 1 to 8 ”.
[0074]
As a result, an absolute pattern indicating the position in the Y direction collected in the X direction at the pitch p is formed like the right corner.
[0075]
The second cylindrical lens 720 collects the image of the dark field pattern 300 in the Y-axis direction. The second cylindrical lens 720 corresponds to the second light collecting element.
[0076]
For example, for the first column, P ₁₁ = R, P ₁₂ = A ₁ , P ₁₃ = B ₁ , P ₁₄ = C ₁ , P ₁₅ = R, P ₁₆ = A ₂ , P ₁₇ = B ₂ , P ₁₈ = C ₂ As shown in the lower corner of FIG.
[0077]
Therefore, it is possible to collect light in all rows in the Y direction.
[0078]
“P _1j Condensing (j = 1 to 8) is performed from i = 1 to 9 ”
[0079]
As a result, an absolute pattern indicating the position in the X direction collected at the pitch p in the Y direction is formed like a lower corner.
[0080]
The first light receiving element 810 and the second light receiving element 820 are for receiving an image of the dark field pattern 300 and converting it into an electric signal. In the first embodiment, a CCD (charge coupled device) is used. A linear sensor is used.
[0081]
The first light receiving element 810 receives an image condensed in the X-axis direction by the first cylindrical lens 710, and shows an absolute pattern indicating the position in the Y direction condensed in the X direction at a pitch p. Can be received.
[0082]
The second light receiving element 820 receives an image condensed in the Y-axis direction by the second cylindrical lens 720, and shows an absolute pattern indicating the position in the X direction collected in the Y direction at a pitch p. Can be received.
[0083]
The arithmetic processing means 16 is an arithmetic processing unit including a CPU, which controls the whole and calculates the position of the slit image of the dark field pattern 300 and calculates the corresponding inclination angle.
[0084]
In the first embodiment configured as described above, if the tilt sensor 1000 is tilted, the free surface of the liquid member 600 is kept horizontal, so that the first light receiving element 810 and the second light receiving element 810 are proportional to the tilt angle. The image of the dark field pattern 300 on the light receiving element 820 moves.
[0085]
When the tilt sensor 1000 is tilted at an angle θ, the reflected light from the free surface is tilted by 2nθ, assuming that the refractive index of the liquid member 600 is n, as shown in FIG. When the distance on the linear sensor that is the first light receiving element 810 and the second light receiving element 820 is L,
[0086]
L = f * tan (2nθ) (1)
[0087]
It becomes.
[0088]
Therefore, if the position of the image of the dark field pattern 300 is detected by the first light receiving element 810 and the second light receiving element 820, the distance from the reference position is obtained, and the arithmetic processing means 16 converts it into an inclination angle, The inclination θ of the sensor 1000 can be measured.
[0089]
Next, the tilt angle calculation process of the calculation processing means 16 will be described in detail.
[0090]
With regard to the inclination angle, the distance dL from the position of the detected pattern on the linear sensor may be measured by focusing on the position of the specific pattern.
[0091]
For the distance less than or equal to the pitch interval, the phase difference φ from the reference position with respect to the pitch interval on the linear sensor is calculated by performing Fourier transform of the outputs of the first light receiving element 810 and the second light receiving element 820,
[0092]
φ * p * m / (2π) 2nd formula
[0093]
By obtaining the above, it is possible to measure a distance equal to or less than the pitch interval with high accuracy. However, m is a magnification. The total distance can be calculated by combining it with a distance equal to or greater than the pitch interval obtained from the distance of the specific pattern.
[0094]
And the arithmetic processing means 16 can calculate a corresponding inclination angle from the whole distance.
[0095]
That is, the first light receiving element 810 for receiving the absolute pattern indicating the position in the Y direction collected in the X direction at the pitch p, and the absolute indicating the position in the X direction collected in the Y direction at the pitch p. Since the second light receiving element 820 capable of receiving the pattern is provided, the inclination angle in the X-axis direction and the Y-axis direction can be calculated by the arithmetic processing unit 16 with each light-receiving element.
[0096]
If the area sensor is used without using the first light collecting element 710 and the second light collecting element 720 and the first light receiving element 810 and the second light receiving element 820, the dark field pattern 300 is changed. By using this, it is possible to detect the inclinations of the two axes in the X direction and the Y direction.
[0097]
Further, instead of the liquid member 600 having a free surface, a swingable suspension member may be used.
[0098]
First, in order to simplify the description, the pattern formed in the dark field pattern 300 will be described in a simplified manner as shown in FIG. In this description, the pattern C is omitted for easy understanding. That is, R, A (0), B (0), R, A (1), B (1), R, A (2), B (2), ... are repeatedly arranged. The case will be described below.
[0099]
In the pattern formed in the dark field pattern 300, as shown in FIG. 5, the first pattern A, the second pattern B, and the third pattern R are repeatedly arranged at equal intervals (p). That is, each block is formed continuously with one set of three types of patterns, and the leftmost block is defined as 0 block, and R (0), A (0), B (0) Are repeatedly arranged as R (1), A (1), B (1), R (2), A (2), B (2),. Since all patterns are repeated at equal intervals p, a signal corresponding to this interval is used as a reference signal.
[0100]
For example, the third pattern R has a black width of 50 μm and a fixed width, and the first pattern A modulates the width of the black portion so that one cycle is 7 blocks, and the second pattern R In B, the width of the black portion is modulated so that one cycle is formed by five blocks.
[0101]
Next, in the first pattern A, the width of the black portion is modulated so as to be one cycle in 7 blocks. Therefore, if the modulation width is set to 20 μm to 80 μm, the width D of the first pattern _A Is given by
[0102]
D _A = 50 + 30 * SIN (2 * π * X / 7) ... 3rd formula
[0103]
It becomes. However, X = (0, 1, 2, 3,...).
[0104]
Similarly, in the second pattern B, the width of the black portion is modulated so that one cycle is formed by 5 blocks, and therefore the width D of the second pattern _B Is given by the following equation.
[0105]
D _B = 50 + 30 * SIN (2 * π * X / 5) ... 4th formula
[0106]
It becomes. However, X = (0, 1, 2, 3,...).
[0107]
Since the first pattern A and the second pattern B are slightly different in period, the same pattern appears at a distance that is the least common multiple of both. In this embodiment, a similar pattern appears in 35 blocks, which is the least common multiple of 7 blocks and 5 blocks.
[0108]
That is, the phase number of the first pattern A in the block including the horizontal position is φ _A (0-6) and the phase number of the second pattern B at the horizontal position is φ _B If (0-4), the position H of the dark field pattern 300 is
[0109]
φ _A And φ _B Block number φ including each phase number from the combination of _AB Than,
[0110]
H = φ _AB * P * m ... 5th formula
[0111]
It becomes.
[0112]
Next, a method for calculating the position of the dark field pattern 300 will be specifically described.
[0113]
The width of the pattern is obtained within the range of the first and second half pitches of the reference signals (signals corresponding to the equally spaced pitch p) from the output signals of the first light receiving element 810 and the second light receiving element 820. Further, if the width of this pattern is thinned out every three (product detection), as shown in FIG. 7, the signal 1 corresponding to the first pattern A, the signal 2 corresponding to the second pattern B, and the first The signal 3 corresponding to the pattern R of 3 is obtained. However, since the width of the third pattern R is not modulated, and the maximum modulation width of the first pattern A and the second pattern B is 80 μm, the third pattern R has only 50 μm. The width of the signal 3 corresponding to the pattern R is approximately constant, and is about 50% of the value of the signal 1 and the signal 2.
[0114]
And since the 3rd pattern R, the 1st pattern A, and the 2nd pattern B are repeatedly arrange | positioned in the defined order, the thinned-out signal is the 3rd pattern R, It can be determined whether the pattern is the first pattern A or the second pattern B.
[0115]
Next, from A and B signals, one set of signals A and B including the address position (m-th bit) of linear sensors 810 and 820 at the reference position for tilt reading is selected, and the phase numbers of A and B are selected. It is possible to determine at which position the combination of the first pattern A, the second pattern B, and the third pattern R is obtained.
[0116]
Here, the phase number of the A signal is Am, the phase number of the B signal is Bm, and the block number φ including R, A, and B is determined from the combination of the phase numbers of A and B. _AB Can be requested.
[0117]
And the pattern including the reference position (the mth bit) is
[0118]
In case of R pattern ... 3 * p * φ _AB .... Sixth formula
[0119]
In the case of A pattern ... p * (3 * φ _AB +1) ... 7th formula
[0120]
In the case of the B pattern ... p * (3 * φ _AB +2) ... 8th formula
[0121]
Is required. Note that p is a pitch.
[0122]
And the position H of the dark field pattern 300 can be calculated | required by combining the value of 6th Formula-8th Formula, and the value obtained from 2nd Formula.
[0123]
Next, the arithmetic processing means 16 of the present embodiment will be described in detail with reference to FIG.
[0124]
The amplifier 161 amplifies the electric signal from the first light receiving element 810 or the second light receiving element 820 selected by the selector 168, and the sample hold 162 receives the amplified electric signal from the clock driver 165. The sample and hold is performed with a timing signal. The A / D converter 163 is for A / D conversion of the sampled and held electric signal. The RAM 164 is for storing A / D converted digital signals. The microcomputer 166 performs various arithmetic processes.
[0125]
Here, the functions performed by the microcomputer 166 will be described with reference to FIG. 9. The arithmetic processing means 16 includes a reference signal forming unit 1661, a pattern signal forming unit 1662, and a calculating unit 1664. From the electrical signals obtained from the first light receiving element 810 and the second light receiving element 820, a reference signal corresponding to the equally spaced pitch p is formed by fast Fourier transform.
[0126]
The pattern signal forming unit 1662 obtains the width within the range of the first and second half pitches of the reference signal and thins out the pattern width every three (product detection), thereby obtaining the first pattern signal and the second pattern signal. To form.
[0127]
The calculation unit 1664 calculates the block number including the reference position from the phase numbers of the first pattern signal and the second pattern signal, further obtains the position in pitch units, and within the pitch obtained by the fast Fourier transform The position of the dark field pattern 300 is obtained with high accuracy and the amount of movement H of the dark field pattern 300 is obtained.
[0128]
The display unit 167 displays the tilt angle calculated by the calculation unit 1664, and may employ a display unit such as a liquid crystal display, or may be configured to output to an external storage unit or the like.
[0129]
Moreover, if an inclination sensor is attached to an electronic theodolite 20000 or the like as shown in FIGS. 10 and 11, the inclination of the surveying instrument main body in the X direction and the Y direction can be detected.
[0130]
【effect】
The present invention configured as described above includes a light source, a liquid member having a free surface, an optical system for directing light from the light source to the liquid member, and disposed between the light source and the liquid member. The dark field pattern is parallel to each of the X direction and the Y direction orthogonal to each other, and the dark field pattern is formed by repeatedly arranging a plurality of patterns at equal intervals. In addition, a rectangular transmission part is provided at the intersection of the array, and the light that has passed through the dark field pattern and reflected from the free surface of the liquid member is divided into different directions together with the pattern image. Divided from the divided optical system, a first condensing element for condensing the image of one pattern divided from the divided optical system in a direction parallel to the arrangement in the X direction or the Y direction, and the divided optical system Image of the other pattern A second light collecting element for collecting light in a direction different from that of the first light collecting element, and a first light receiving element for receiving an image of the pattern collected by the first light collecting element. And a second light receiving element for receiving an image of the pattern collected by the second light collecting element, and a light receiving signal from the first light receiving element and the second light receiving element, Focusing on the position of a specific pattern in the repeated arrangement as a reference position, and having an arithmetic processing means for calculating the tilt angle by obtaining the position of the image of the dark field pattern from this reference position, the machine It is possible to provide a highly accurate position measuring device with high strength and to provide a compact position measuring device.
[0131]
Further, according to the present invention, when the light source and the surface of the liquid member having a free surface for reflecting light from the light source are arranged in a conjugate relationship, the reflection area on the surface of the liquid member is increased. There is an effect that the error due to the surface tension of the liquid can be minimized. Furthermore, the volume of the liquid member can be reduced.
[0132]
Since the half mirror of the present invention has a surface inclined with respect to the transmitted light from the light source, the reflected light does not travel in the opposite direction on the same optical path, so unnecessary reflected light is transmitted to the light receiving means. There is an effect that high-accuracy measurement can be performed without being incident.
[0133]
[Brief description of the drawings]
[Figure 1]
It is a figure which shows the structure of the inclination sensor 1000 of the Example of this invention.
[Figure 2]
It is a figure explaining the dark field pattern 300 of a present Example.
[Fig. 3]
It is a figure explaining the dark field pattern 300 of a present Example.
[Fig. 4]
It is a figure explaining the fluid member of a present Example.
[Figure 5]
It is a figure explaining the principle of a measurement.
[Fig. 6]
It is a figure explaining the principle of a measurement.
[Fig. 7]
It is a figure explaining the principle of a measurement.
[Fig. 8]
It is a figure which shows the structure of the arithmetic processing means of a present Example.
FIG. 9
It is a figure which shows the structure of the arithmetic processing means of a present Example.
FIG. 10
It is a figure explaining the example which applied the present Example to the electronic theodolite 20000.
FIG. 11
It is a figure explaining the example which applied the present Example to the electronic theodolite 20000.
FIG.
It is a figure explaining a prior art.
[Explanation of symbols]
20000 electronic theodolite
1000 Tilt sensor
100 light sources
200 condenser lens
300 Dark field pattern
410 First pattern relay lens
420 Second pattern relay lens
510 first half mirror
520 second half mirror
511 translucent surface
512 inclined surface
600 Liquid member having a free surface
710 First cylindrical lens
720 Second cylindrical lens
810 First light receiving element
820 Second light receiving element
16 Arithmetic processing means
166 Microcomputer 1
1661 Reference signal forming section
1662 pattern signal forming section
1664 calculation unit

Claims

A dark field pattern provided between a light source, a liquid member having a free surface, an optical system for directing light from the light source to the liquid member, and a dark field pattern disposed between the light source and the liquid member. The pattern is parallel to each of the X and Y directions orthogonal to each other, and the dark field pattern is formed by repeatedly arranging a plurality of patterns at equal intervals, and a rectangular transmission at the intersection of the arrays A splitting optical system for splitting light that has passed through the dark field pattern and reflected from the free surface of the liquid member, along with the pattern image, in different directions, and splitting from the splitting optical system. A first condensing element for condensing in the direction parallel to the X-direction or Y-direction arrangement of the image of the one pattern, and the image of the other pattern divided from the dividing optical system, Different direction from condensing element A second light collecting element for collecting light, a first light receiving element for receiving an image of the pattern collected by the first light collecting element, and a second light collecting element. Based on the second light receiving element for receiving the lighted image of the pattern, and the light receiving signals of the first light receiving element and the second light receiving element, the position of the specific pattern in the repeated arrangement A position measuring device having a calculation processing means for calculating a tilt angle by obtaining the position of the image of the dark field pattern from the reference position .

2. The position measuring device according to claim 1, wherein the rectangular transmission part of the dark field pattern has a side length in a direction orthogonal to an axis in the X direction or the Y direction equal to each array .

The dark field pattern includes a first pattern in which each of an X direction parallel to a direction in which the first light collecting element condenses and a Y direction orthogonal to the X direction are modulated with at least a first period , and a first pattern different from the second pattern modulated with a second period, according to claim 1 are successively arranged and said second pattern and said first pattern at a constant pitch or claim 2 The position measuring device described .

The position measurement apparatus according to claim 3, wherein the modulation of the first pattern and the second pattern is performed by spatial modulation that changes a line width.

The position measuring device according to claim 1, wherein the dark field pattern is formed from an absolute pattern .

The position measuring device according to claim 1, wherein a half mirror is arranged as the split optical system .

The position measurement device according to any one of claims 1 to 6, wherein the light source and the surface of the liquid member having a free surface for reflecting light from the light source are arranged in a conjugate relationship. .

The position measuring device according to claim 1, wherein the liquid member and the divided optical system are integrally configured .

The position measuring device according to any one of claims 5 to 8, wherein the position measuring device is a swingable suspension member instead of a liquid member having a free surface .

The dark field pattern includes at least a first pattern modulated in a first period and a second pattern modulated in a second period different from the first period, and the first pattern and the second pattern The position measuring device according to claim 5, which is sequentially arranged at an equal pitch .

The position measuring apparatus according to claim 5, wherein the modulation of the first pattern and the second pattern is performed by spatial modulation that changes a line width .

A uniform third pattern is provided in addition to the first pattern and the second pattern, and the first pattern, the second pattern, and the third pattern are sequentially arranged at an equal pitch. Item 10. The position measuring apparatus according to item 10 or item 11 .

It replaces with a 1st condensing element, a 2nd condensing element, and a 1st light receiving element and a 2nd light receiving element, It is set as at least 1 area sensor as described in any one of Claims 1-12. position measuring device.

A surveying instrument using the position measuring device according to any one of claims 1 to 13, which is attached to a surveying instrument main body and detects the inclination of the surveying instrument main body .