專利名稱：光學(xué)測(cè)斜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及權(quán)利要求1的前序部分的光學(xué)測(cè)斜儀，權(quán)利要求13的前序部分的裝置傾斜度測(cè)量方法，以及具有這種測(cè)斜儀的大地測(cè)量裝置，補(bǔ)償振動(dòng)和/或統(tǒng)計(jì)波動(dòng)的方法以及權(quán)利要求20的前序部分的用于光學(xué)測(cè)斜儀的波前探測(cè)器。
背景技術(shù)：
長(zhǎng)期以來，不同結(jié)構(gòu)類型的測(cè)斜儀被應(yīng)用于必須考慮裝置的位置的各領(lǐng)域。它特別適合于在大地測(cè)量領(lǐng)域或建筑業(yè)進(jìn)行測(cè)量。
通常，在這種類型的現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)測(cè)斜儀中，將液體表面定位在光學(xué)子系統(tǒng)的光瞳中。通過作為介質(zhì)的液體產(chǎn)生從輻射源入射的輻射的相移，在反射或透射時(shí)輻射與介質(zhì)可以進(jìn)行相互作用，滿足以下關(guān)系式在反射時(shí)Φ＝2·P(x) (1)在透射時(shí)Φ＝(n-1)·P(x) (2)其中參數(shù)Φ表示相移，n表示液體的折射率，P(x)表示液體表面的形狀函數(shù)，其由下式限定P(x)＝2π/λ·x·cos(α) (3)其中λ表示入射輻射的波長(zhǎng)，x表示橫向光瞳坐標(biāo)，α表示相對(duì)于基準(zhǔn)線的傾斜角。
根據(jù)用儀器測(cè)得的相移Φ，通過式(3)，可以判斷液面相對(duì)于基準(zhǔn)線的角度。
專利文獻(xiàn)DE 196 10 941 C2和DE 198 19 610 C1描述了這種類型的光學(xué)測(cè)斜儀，其中光束的方向隨著在取決于傾斜的液面的反射而改變。使一結(jié)構(gòu)在一維或兩維探測(cè)件上成像。根據(jù)該結(jié)構(gòu)的像的位置的改變來判斷傾斜度。
公開文獻(xiàn)DE 4 110 858公開了一種兩軸測(cè)斜儀，其中通過對(duì)斜度敏感且使光束偏轉(zhuǎn)的探測(cè)器將一幾何圖形投射到一直線陣列上。所述探測(cè)器容納有液體，該液體相對(duì)于裝置的位置影響圖形在直線陣列上的投射或使其偏轉(zhuǎn)。
國(guó)際PCT專利申請(qǐng)No.PCT/EP03/05206描述了一種光學(xué)測(cè)斜儀，其中兩介質(zhì)之間的邊界層在攝像裝置上成像。根據(jù)該邊界層的參數(shù)(例如其位置和形狀)導(dǎo)出裝有這種測(cè)斜儀的裝置的傾斜度。
在這種類型的測(cè)斜儀中使用了液體，其中間接或直接地使用取決于傾斜度的液面位置來導(dǎo)出傾斜角度，然而其缺點(diǎn)是，使用液面具有主要由于液體的動(dòng)態(tài)特性而造成的許多問題。例如，由于振動(dòng)或?qū)α鞫沟闷浔砻媾c理想平面偏差，這會(huì)相應(yīng)地影響反射或透射的輻射。
由于這種影響，出現(xiàn)對(duì)波前的各種干擾。液面的統(tǒng)計(jì)不平整導(dǎo)致作為位置的函數(shù)而變化的表面角，并且不再允許接受對(duì)整個(gè)液面相等的傾斜角α。此外，在介質(zhì)加速或出現(xiàn)熱梯度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)表面的變形，原則上可以將其建模為高階的非球面像差，至今尚未考慮過這一因素。由于表面受到干擾，結(jié)構(gòu)在探測(cè)器上的像發(fā)生失真、模糊或?qū)Ρ榷冉档停瑥亩斐蓽y(cè)量困難。
至今的補(bǔ)償措施例如涉及直接減小其影響的操作方法，如在啟動(dòng)之后引入預(yù)熱測(cè)斜儀的死時(shí)間(dead time)，或者涉及裝置配置，如足夠大尺寸的液體容器。還可以例如針對(duì)許可的振動(dòng)或加速來限制測(cè)斜儀的可使用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的總體上在于改進(jìn)上述類型光學(xué)測(cè)斜儀。
具體地，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種改善了測(cè)量精度的測(cè)斜儀。
本發(fā)明的另一目的在于進(jìn)一步小型化上述類型的測(cè)斜儀并且在與簡(jiǎn)化其設(shè)計(jì)。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種測(cè)斜儀，其可以減小或避免尤其由于熱效應(yīng)而引起的時(shí)間上的使用限制。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種測(cè)斜儀，其相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)使用范圍更寬，尤其對(duì)于由于振動(dòng)而產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力的情況。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種方法，其使得可以通過算法或電子方式考慮測(cè)斜儀中的波前的干擾。
本發(fā)明的另一目的在于確保大地測(cè)量裝置或用于建筑行業(yè)的裝置的結(jié)構(gòu)集成性。具體地，這涉及使用現(xiàn)有的電子部件作為評(píng)估裝置。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于測(cè)斜儀的波前探測(cè)器，它可以在更大角度范圍進(jìn)行測(cè)量和/或具有更高的分辨率和/或更大的動(dòng)態(tài)范圍。
根據(jù)本發(fā)明，這些目的分別通過權(quán)利要求1、13和20特征部分的特征或通過從屬權(quán)利要求特征部分的特征實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明涉及一種光學(xué)測(cè)斜儀。輻射源產(chǎn)生輻射，使用該輻射，通過位置取決于傾斜度的介質(zhì)使得波前在探測(cè)器上成像，其中的探測(cè)器可以是一維或多維特別是攝像裝置。介質(zhì)由容器容納。其容器例如由容納液體的罐構(gòu)成。成像不必對(duì)應(yīng)于光學(xué)準(zhǔn)確意義上的成像。重要的是對(duì)具有其中存在的或由其容納的至少一種第一介質(zhì)的容器的透射、或者在該介質(zhì)的表面或邊界層對(duì)輻射的反射，之后，進(jìn)行對(duì)波前的探測(cè)，由此可以判斷出傾斜度。
結(jié)構(gòu)可以外部疊加在輻射上，例如通過光闌(shutter)或者透射條碼或反射條碼，或者可以包括輻射中固有的結(jié)構(gòu)。重要的是，在與取決于傾斜度的介質(zhì)互相作用之后輻射場(chǎng)的結(jié)構(gòu)在檢測(cè)器上的成像發(fā)生變化從而可以由此變化導(dǎo)出介質(zhì)的位置。相對(duì)于基準(zhǔn)線來確定傾斜度，該基準(zhǔn)線用為基準(zhǔn)并通常與裝置的基準(zhǔn)參數(shù)(例如標(biāo)度線或校準(zhǔn)緣)重合。
所使用的輻射可以在可見光譜范圍內(nèi)或者在非可見光譜范圍內(nèi)，并且通常由輻射源、檢測(cè)器以及介質(zhì)的技術(shù)和物理參數(shù)確定。除了常規(guī)的各種類型的燈外，還可以采用發(fā)光二極管或激光器特別是半導(dǎo)體激光器作為輻射源，其中可以通過光學(xué)元件(例如導(dǎo)光器)來引導(dǎo)輻射，該方式有利于裝置。根據(jù)實(shí)現(xiàn)形式，該輻射透射介質(zhì)，或介質(zhì)用于反射輻射。
適合作為介質(zhì)的液體例如是水銀、水或硅油。為了確定介質(zhì)的位置，可以采用在邊界面的反射和對(duì)介質(zhì)的穿透或者這二者的組合。
結(jié)構(gòu)的像在反射和/或透射之后投影到攝像裝置上并且在此被拾取并轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)。適合的攝像裝置例如可以是CCD攝像裝置或CMOS攝像裝置。這種攝像裝置例如可以是Agilent公司的CMOS-Monochrom-Bildsensor ADCS 2120，它具有640×480像素的場(chǎng)。
評(píng)估單元對(duì)攝像裝置產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行分析并針對(duì)裝置的傾斜度對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。對(duì)此，可以采用單獨(dú)的組成塊或單獨(dú)的部件。然而，另選地，也可以采用其它裝置的現(xiàn)有部件。例如，對(duì)于集成在測(cè)距儀中的測(cè)斜儀，評(píng)估單元的功能也可以由用于測(cè)距的電子件來進(jìn)行。同樣，也可以采用用于其它目的的源作為輻射源。因此，在測(cè)距儀的示例中，可以輸出在此可選地用于測(cè)距的激光的一部分，并且優(yōu)選地，在散射或光束擴(kuò)張之后用于成像。
根據(jù)本發(fā)明，通過對(duì)輻射的波前的信息進(jìn)行分析，將輻射場(chǎng)與介質(zhì)相互作用的干擾效應(yīng)納入考慮范圍，由此補(bǔ)償受到干擾的液面的影響。對(duì)此，可以獲得使用算法或電路技術(shù)的用于轉(zhuǎn)換的各種適當(dāng)方法。
對(duì)結(jié)構(gòu)的照射優(yōu)選地通過平面或略微球狀的波來實(shí)現(xiàn)，然而該波在與介質(zhì)相互作用后可能具有偏差，偏差可能是例如由于介質(zhì)表面的不平整而引起的，但也可能是由于例如由對(duì)流產(chǎn)生的介質(zhì)內(nèi)部的不均勻而引起的。介質(zhì)表面或內(nèi)部的這些干擾例如是由于裝置接通階段的溫度梯度而產(chǎn)生的或者是外界影響(例如振動(dòng))而疊加的。為了將這些影響保持在容許的范圍內(nèi)，在現(xiàn)有技術(shù)的測(cè)斜儀中，將容器尺寸選擇為足夠大，從而迄今小型化遇到了極限。附加或另選的措施是允許產(chǎn)生測(cè)斜儀的死時(shí)間，在死時(shí)間內(nèi)發(fā)生瞬變過程或補(bǔ)償過程，限制了測(cè)量精度。
本發(fā)明的測(cè)斜儀采用了以波前探測(cè)器的形式或者具有波前探測(cè)器以導(dǎo)出波前信息的檢測(cè)器。檢測(cè)器或波前探測(cè)器優(yōu)選地可以直接設(shè)置在介質(zhì)之后。為了避免影響成像質(zhì)量，附加優(yōu)選地，在透射介質(zhì)時(shí)選擇垂直于介質(zhì)表面并在離開介質(zhì)后直接投射到波前探測(cè)器的光路。
適當(dāng)?shù)牟ㄇ疤綔y(cè)器的示例是Shack-Hartmann波前探測(cè)器(SHS)，不過，根據(jù)本發(fā)明，原則上也可以采用其它類型的探測(cè)器。Shack-Hartmann波前探測(cè)器具有微透鏡陣列，通過該微透鏡陣列形成多個(gè)子孔徑。這些微透鏡可以完全按行的形式排列并由此呈線形排列，也可以按矩陣的形式排列并由此呈平面排列。通過適當(dāng)選擇微透鏡陣列的焦距，可以將角度分辨率調(diào)節(jié)到足夠高。根據(jù)對(duì)波前的足夠知識(shí)，可以通過校準(zhǔn)來除去波前的干擾像差。通常按二維橫向設(shè)置等距地使用透鏡，由此產(chǎn)生焦點(diǎn)矩陣。各焦點(diǎn)在透鏡軸上的偏移是對(duì)該透鏡孔徑內(nèi)的波前的傾斜的測(cè)度。通過合適的算法，可以通過焦點(diǎn)之和近似地重構(gòu)整個(gè)波前。由此，通過用多個(gè)子孔徑來檢測(cè)波前，可以大致地或完全地重構(gòu)油表面或波前的外形，或者可以僅僅使用一部分信息，例如按未失真成像選擇檢測(cè)器的像點(diǎn)。
為了探測(cè)焦點(diǎn)的位置，可以采用CCD或CMOS探測(cè)器，其中對(duì)于每個(gè)子孔徑使用至少2×2像素的陣列。在這種設(shè)計(jì)中，它對(duì)應(yīng)于象限探測(cè)器。根據(jù)分辨率的要求，也可以增大每個(gè)子孔徑的像素的數(shù)量。為了提高讀出速度并減小噪音，可以進(jìn)行給出像素的超結(jié)構(gòu)的組合。同樣，采用按行設(shè)置的純線形波前探測(cè)器也是適當(dāng)?shù)摹?br> 通過使用波前探測(cè)器，因?yàn)椴槐夭捎?f光學(xué)系統(tǒng)并且可以通過復(fù)制方法容易且經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)微透鏡陣列，所以可以減少裝置的費(fèi)用。
波前探測(cè)器提供波前參數(shù)或形狀的信息，可以通過算法或電路技術(shù)使用所述信息以用于補(bǔ)償像差。為此，完全或部分地分析波前的形狀函數(shù)。通常，可以通過高階多項(xiàng)式的和來逼近波前W(x，y)。例如，可以借助Zernike多項(xiàng)式進(jìn)行可能的推導(dǎo)。其中，波前W(x，y)由具有系數(shù)Cn的和表示W(wǎng)(x,y)=Σ0∞CnZn(x,y)---(4)]]>其中前10個(gè)多項(xiàng)式Zn(x，y)在笛卡爾坐標(biāo)中定義如下Z1(x，y)＝y(tǒng)Z2(x，y)＝xZ3(x，y)＝-x2+y2Z4(x，y)＝2xyZ5(x，y)＝-1+2x2+2y2(5)Z6(x，y)＝-3x2y+y3
Z7(x，y)＝-x3+3xy2Z8(x，y)＝-2y+3x2y+3y3Z9(x，y)＝-2x+3x3+3xy2Z10(x，y)＝x4-6x2y2+y4其中，還可以將對(duì)應(yīng)的系數(shù)指定到特定的光學(xué)誤差，例如Z5針對(duì)像散度。
除了對(duì)波前的重構(gòu)，還可以進(jìn)行對(duì)像素的直接識(shí)別，其對(duì)應(yīng)的孔徑獲得波前的平面部分或沒有傾斜或干擾的部分。由此，確保了僅僅將這些像素的內(nèi)容用于評(píng)估，近似于硬件地消除了干擾。
此外，還可以將關(guān)于波前形狀的局部信息相關(guān)聯(lián)。對(duì)此，還可以使用諸如小波變換(其例如使得可以減小噪聲)的適當(dāng)算法。
為了提高本發(fā)明光學(xué)測(cè)斜儀的性能特性，可以使用本發(fā)明的波前探測(cè)器。在本發(fā)明的波前探測(cè)器中，通過唯一指定波前部分而提高其分辨率和對(duì)波前的絕對(duì)測(cè)定。現(xiàn)有技術(shù)的Shack-Hartmann原理的波前探測(cè)器只采用在相應(yīng)子孔徑內(nèi)的焦點(diǎn)的位置測(cè)定。因此分辨率受到各微透鏡的焦距和微透鏡數(shù)量以及在各情況下對(duì)應(yīng)于微透鏡的像點(diǎn)的限制。此外，沒有對(duì)微透鏡陣列的改進(jìn)，由于黑點(diǎn)的影響，不能對(duì)波前進(jìn)行絕對(duì)測(cè)定。在本發(fā)明的波前探測(cè)器中，在微透鏡之前設(shè)置衍射元件，借助該衍射元件確保了將產(chǎn)生的衍射級(jí)的多個(gè)焦點(diǎn)或整個(gè)衍射圖像而不是該子孔徑內(nèi)的焦點(diǎn)用于確定精確的波前。對(duì)此，可以利用如下事實(shí)除了在各情況下對(duì)應(yīng)于微透鏡的像點(diǎn)外，檢測(cè)器的其它像點(diǎn)也被照射。照射的結(jié)構(gòu)與相應(yīng)子孔徑的分離和整合可以借助算法通過公知的方法實(shí)現(xiàn)。例如可以通過大強(qiáng)度改變來實(shí)現(xiàn)(像在條形碼的情況中那樣)的衍射結(jié)構(gòu)的可以容易地區(qū)分的形式是有利的，根據(jù)本發(fā)明還可以將特別適合于碼重構(gòu)的特性納入考慮范圍，例如采用M序列。
通過本發(fā)明的方法或裝置，縮短了裝置接通后的瞬變階段。還可以減小介質(zhì)所用容器的尺寸，從而使測(cè)斜儀進(jìn)一步小型化。


參照附圖示意性示出的工作示例下面僅僅通過示例更詳細(xì)地描述本發(fā)明的方法和裝置。在附圖中圖1a-b示出了現(xiàn)有技術(shù)的反射測(cè)斜儀的示意圖；圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)的透射測(cè)斜儀的示意圖；圖3a-b示出了本發(fā)明的波前探測(cè)器的設(shè)置和作用的示意圖；圖4示出了本發(fā)明的波前探測(cè)器的應(yīng)用的示意圖；圖5示出了本發(fā)明的測(cè)斜儀的第一實(shí)施方式的示意性側(cè)視圖；圖6示出了本發(fā)明的測(cè)斜儀的第二實(shí)施方式的示意性側(cè)視圖；圖7a-b示出了本發(fā)明的測(cè)斜儀的第三實(shí)施方式的示意性側(cè)視圖和俯視圖；圖8示出了本發(fā)明的方法的示意圖；以及圖9示出了本發(fā)明的波前探測(cè)器的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1a-b示出了現(xiàn)有技術(shù)的測(cè)斜儀，它根據(jù)反射原理工作。圖1a示出了在測(cè)斜儀水平定向時(shí)的使用情況，而圖1b示出了略微傾斜時(shí)的使用情況。在圖1a中，由輻射源發(fā)出的輻射S入射到作為結(jié)構(gòu)1的條形碼上以形成像并導(dǎo)入到棱鏡體2，在其內(nèi)表面發(fā)生反射并反射到位于棱鏡體2表面上的液體層4。在背對(duì)棱鏡體2的液體層4的表面上發(fā)生進(jìn)一步反射并隨后在檢測(cè)器3上成像，該檢測(cè)器3例如由線形陣列構(gòu)成。結(jié)構(gòu)1在檢測(cè)器3上成像為像B。像B的位置取決于背對(duì)棱鏡體2的液體層4的表面相對(duì)于棱鏡體2的角度。
圖1b示出了類似于圖1a的情況，其中液體層4由于傾斜而形成楔形橫截面。由此，液體層4面對(duì)和背對(duì)棱鏡體2的表面不再平行，而是以彼此存在一角度。在棱鏡體的內(nèi)表面反射的輻射S投射到與圖1a不同的傾斜的液體層4表面并由此以不同的角度投射到檢測(cè)器3上。由此，作為結(jié)構(gòu)1的條形碼的像B也發(fā)生偏移。根據(jù)像B的偏移程度可以推斷出傾斜度。
圖2示意性示出了現(xiàn)有技術(shù)的透射測(cè)斜儀。作為結(jié)構(gòu)1的條形碼經(jīng)由具有至少一個(gè)準(zhǔn)直透鏡5’的光學(xué)系統(tǒng)送過介質(zhì)6并通過具有至少一個(gè)聚焦透鏡5”的光學(xué)系統(tǒng)而成像在未明示出的檢測(cè)器上。穿過透射條形碼后仍然為平面或略微球形但未被干擾的波前WF1由于受干擾介質(zhì)6的表面不平整或者內(nèi)部不均勻而經(jīng)歷形狀改變，從而產(chǎn)生受干擾的波前WF2。未被干擾的波前WF1改變?yōu)槭艿礁蓴_的波前WF2導(dǎo)致探測(cè)器上的同樣受干擾的像B’。例如，這些影響可能減小結(jié)構(gòu)1中的對(duì)比度，從而使得對(duì)結(jié)構(gòu)1的各特征的區(qū)分變得復(fù)雜或受到不利影響。
圖3a-b示意性地示出了本發(fā)明的波前探測(cè)器的設(shè)置和作用，其中圖3a示出了未受干擾的介質(zhì)6’的情況，圖3b示出了受到干擾的介質(zhì)6的情況。
在圖3a中，輻射入射到未受干擾的介質(zhì)6’上并橫穿它，穿過是基本垂直于表面進(jìn)行的，以減小損失和像差。在穿過后，波前WF3未受干擾并基本是平面的。在輻射投射到包括具有相應(yīng)子孔徑的多個(gè)微透鏡7的波前探測(cè)器上時(shí)，各子孔徑的輻射在攝像裝置8上成像。由于波前WF3是平面的，因此其在各處都具有相同的平行分布并且由此相對(duì)于波前探測(cè)器的角度相等，從而在攝像裝置8上的焦點(diǎn)FP是等距的并產(chǎn)生于各微透鏡7的光軸上。
圖3b示出了受干擾波前WF4的情況，波前WF4穿過受干擾介質(zhì)6后產(chǎn)生偏差并由此具有不再平面的分布，微透鏡7再將由其相應(yīng)子孔徑獲得的輻射投射到檢測(cè)器8上。由于獲得的波前部分的角度針對(duì)各子孔徑局部地不同，所以相應(yīng)焦點(diǎn)FP的間距也不同。對(duì)于獲得不平行波前部分的子孔徑，焦點(diǎn)FP與光軸不再重合，由此，產(chǎn)生偏差。由于對(duì)應(yīng)于一個(gè)子孔徑的攝像裝置8的區(qū)域具有多個(gè)像素，所以可以分辨焦距FP的位置并由此判斷波前部分的角度。
在圖4中又一次示出這些情況，并且示意性地示出了使用本發(fā)明可導(dǎo)出的參數(shù)。各微透鏡7的子孔徑獲得的波前部分在攝像裝置8上成像，根據(jù)具體的分布，焦點(diǎn)FP與光軸OA可以重合或分開。例如，(在該示例中)焦點(diǎn)FP處于光軸OA的左側(cè)表示輻射從右側(cè)入射，從而可以導(dǎo)出各波前部分的相應(yīng)傾斜度。焦點(diǎn)FP與光軸OA分開的程度是波前部分的角度的函數(shù)。
圖5示出了本發(fā)明的光學(xué)測(cè)斜儀的第一實(shí)施方式。通過送入作為本地輻射源11的光導(dǎo)體的輻射S，照射本發(fā)明的測(cè)斜儀的殼體的傾斜反射面。檢測(cè)器3’包括具有攝像裝置8’和微透鏡7的前置陣列的波前探測(cè)器。在攝像裝置8’的與入射輻射相反的側(cè)設(shè)置有評(píng)估單元9’。通過這樣設(shè)置部件，使得測(cè)斜儀的設(shè)計(jì)特別平。
圖6示意性地示出了本發(fā)明的光學(xué)測(cè)斜儀的第二實(shí)施方式的側(cè)視圖，其所有部件集成到作為共同基件12的板上。輻射源11’垂直于基件12發(fā)射可見或不可見的輻射S。通過透鏡5將輻射S校準(zhǔn)，再通過第一轉(zhuǎn)向元件13’和第二轉(zhuǎn)向元件13”使其轉(zhuǎn)向，以使得其垂直于基件1地入射。在入射輻射的區(qū)域，在基件1上設(shè)置有介質(zhì)6’的容器，該容器具有相對(duì)于基件朝向的第一表面和相對(duì)于第二轉(zhuǎn)向元件13”朝向的第二表面。在基件12與容器或其第一表面之間設(shè)置有具有波前探測(cè)器的檢測(cè)器3”，所述波前探測(cè)器包括攝像裝置8”和微透鏡7的前置陣列。檢測(cè)器3”與評(píng)估單元9”連接。為了節(jié)省空間，將屬于輻射產(chǎn)生、光路以及輻射接收的部件設(shè)置在基件12的一側(cè)，而將評(píng)估單元9”設(shè)置在基件12的相反側(cè)，但原則上也可以選擇部件或評(píng)估裝置的其它設(shè)置方式。這種設(shè)置的優(yōu)點(diǎn)在于將所有電子元件都集成在共同的基件12上，基件12例如可以由印制電路板構(gòu)成。這使得可以獲得簡(jiǎn)單且機(jī)械不敏感的結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)向元件13’和13”例如可以由諸如棱鏡或反射鏡的反射部件構(gòu)成。然而，原則上，如果并不安裝在共同基件12上，則也可以直接將一個(gè)部件安裝在另一個(gè)的頂部，如在圖5的本發(fā)明第二實(shí)施方式或圖7a-b所示的那樣。
圖7a-b示出了本發(fā)明的光學(xué)測(cè)斜儀的第三實(shí)施方式，其中所有部件同軸設(shè)置?；?2’基本呈U形并在兩個(gè)側(cè)部之間承接有輻射源11”。輻射源發(fā)射輻射S，通過透鏡5將輻射S校準(zhǔn)。然后，經(jīng)校準(zhǔn)的輻射S穿過介質(zhì)6’，介質(zhì)6’安裝在間接或直接位于檢測(cè)器3上的容器中，檢測(cè)器3包括具有攝像裝置8和按平面設(shè)置的微透鏡7的波前探測(cè)器。在基件12’的與檢測(cè)器3相反的側(cè)設(shè)置有評(píng)估單元9。
圖7b示出了本發(fā)明的測(cè)斜儀的第三實(shí)施方式中的微透鏡7的設(shè)置的俯視圖，在該圖中省去了輻射源、透鏡和具有介質(zhì)的容器。輻射通過按平面設(shè)置的微透鏡7成像在檢測(cè)器的攝像裝置8上。
圖8示意性地示出了本發(fā)明的方法的可能形式。對(duì)于根據(jù)圖4所示原理的具有波前探測(cè)器的檢測(cè)器結(jié)構(gòu)，只有在焦點(diǎn)FP1與相應(yīng)微透鏡7的光軸OA重合或者其彼此的偏差在預(yù)先規(guī)定的容限內(nèi)時(shí)，才將攝像裝置8的各像素納入評(píng)估的范圍。然后，僅僅選擇或進(jìn)一步處理滿足該條件的像素以進(jìn)行評(píng)估，從而僅僅使用無偏差地接收的像部分。也可以將不同的像素彼此關(guān)聯(lián)，具體地，可以將像素組合以形成更大的超結(jié)構(gòu)。而后，可以向由此獲得的圖像使用公知的圖像處理方法，以改善光學(xué)參數(shù)。
圖9示意性地示出了本發(fā)明的波前探測(cè)器的實(shí)施方式。在微透鏡7的前面設(shè)置有衍射元件14，通過衍射元件14使得從波前WF4到達(dá)的輻射發(fā)生衍射。其衍射元件例如可以是全息圖、光柵特別是Dammann光柵或其它光學(xué)梯度結(jié)構(gòu)。除了直接位于微透鏡7上方之外，還可以安裝在光路的其它位置，例如在圖6的一個(gè)轉(zhuǎn)向鏡上或者在介質(zhì)的直接鄰接處(例如在容器的玻璃上)。通過衍射作用，替代或除了未受干擾的焦點(diǎn)FP2之外，在攝像裝置8上形成多個(gè)彼此相關(guān)聯(lián)的強(qiáng)度結(jié)構(gòu)15。根據(jù)衍射元件14的設(shè)計(jì)和波前WF4的形狀，這些結(jié)構(gòu)還可以在一些區(qū)域成像，在沒有衍射元件14的波前探測(cè)器的情況下這些區(qū)域在各種情況下排他地指定給另一子孔徑。除了較高的衍射級(jí)外，這些結(jié)構(gòu)還例如可以是衍射元件的擴(kuò)展傅立葉圖像。因此，對(duì)于各個(gè)子孔徑，可以利用攝像裝置8的較大區(qū)域來進(jìn)行檢測(cè)以實(shí)現(xiàn)更高的分辨率、更大的可檢測(cè)角度范圍和/或更大的動(dòng)態(tài)范圍。
所述實(shí)施方式僅僅表示實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的示例，并不能理解為限定性的和限制性的。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以推導(dǎo)出根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施方式，例如通過使用其它的光路或轉(zhuǎn)向元件(如棱鏡，散射面或光導(dǎo)體)，或者檢測(cè)器和波前探測(cè)器的另選形式。
在附圖中純屬示意性地示出了波前探測(cè)器的透鏡特別是其數(shù)量和尺寸。在實(shí)際實(shí)施方式中，透鏡的數(shù)量通常更大，從而可以實(shí)現(xiàn)位置或角度的更高分辨率。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)測(cè)斜儀，包括·用于產(chǎn)生輻射(S)的輻射源(11，11’，11”)，特別是半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管；·介質(zhì)(6，6’)，其光學(xué)界面取決于傾斜度；·檢測(cè)器(3’，3”，3)，優(yōu)選地具有CMOS或CCD微攝像裝置，用于接收像并將其轉(zhuǎn)換為信號(hào)；以及·用于確定傾斜度的評(píng)估單元(9’，9”，9)；其中輻射源(11，11’，11”)和檢測(cè)器(3’，3”，3)被設(shè)置為使得波前(WF2，WF3，WF4)至少通過介質(zhì)(6，6’)的一部分間接或直接地反射和/或透射到檢測(cè)器(3’，3”，3)上成像；其特征在于，檢測(cè)器(3’，3”，3)具有波前探測(cè)器或者檢測(cè)器(3’，3”，3)由波前探測(cè)器構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求1的光學(xué)測(cè)斜儀，其特征在于，介質(zhì)(6，6’)具有對(duì)傾斜度敏感的表面，特別是液體。
3.如權(quán)利要求1或2的光學(xué)測(cè)斜儀，其特征在于，輻射源(11，11’，11”)、介質(zhì)(6，6’)和檢測(cè)器(3’，3”，3)被設(shè)置為使得輻射(S)在穿過介質(zhì)(6，6’)時(shí)基本垂直于介質(zhì)(6，6’)的至少一個(gè)表面地送入。
4.如上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)的光學(xué)測(cè)斜儀，其特征在于，檢測(cè)器(3’，3”，3)具有至少一個(gè)衍射元件(14)，該衍射元件(14)設(shè)置在微透鏡(7)的陣列上。
5.如上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)的光學(xué)測(cè)斜儀，其特征在于，檢測(cè)器(3’，3”，3)由Shack-Hartmann波前探測(cè)器構(gòu)成或者具有Shack-Hartmann波前探測(cè)器。
6.如上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)的光學(xué)測(cè)斜儀，其特征在于，檢測(cè)器(3’，3”，3)間接或直接安裝在容納介質(zhì)(6，6’)的容器上。
7.如上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)的光學(xué)測(cè)斜儀，其特征在于，檢測(cè)器(3’，3”，3)具有兩維分辨的檢測(cè)器表面，特別是具有與介質(zhì)(6，6’)的表面平行的檢測(cè)器表面取向。
8.如上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)的光學(xué)測(cè)斜儀，其特征在于，輻射源(11，11’，11”)和檢測(cè)器(3’，3”，3)被設(shè)置在優(yōu)選為印刷電路板的共同基件(12，12’)上。
9.如權(quán)利要求8的光學(xué)測(cè)斜儀，其特征在于，輻射源(11，11’，11”)和檢測(cè)器(3’，3”，3)被設(shè)置為使得產(chǎn)生的輻射(S)垂直于基件(12，12’)的表面地發(fā)射并且檢測(cè)器(3’，3”，3)的接收方向取向?yàn)榕c基件(12，12’)的表面垂直。
10.如上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)的光學(xué)測(cè)斜儀，其特征在于，在從輻射源(11，11’，11”)到檢測(cè)器(3’，3”，3)的光路上設(shè)置有至少一個(gè)轉(zhuǎn)向元件(13’，13”)。
11.如上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)的光學(xué)測(cè)斜儀，其特征在于，在從輻射源(11，11’，11”)到檢測(cè)器(3’，3”，3)的光路上設(shè)置有至少一個(gè)衍射和/或光學(xué)梯度元件(10)，特別是菲涅耳透鏡。
12.大地測(cè)量裝置，特別是測(cè)距儀或垂準(zhǔn)桿，具有如權(quán)利要求1至11中的一項(xiàng)的測(cè)斜儀。
13.裝置特別是大地測(cè)量裝置的傾斜度測(cè)量方法，所述裝置包括·用于產(chǎn)生輻射(S)的輻射源(11，11’，11”)，特別是半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管；·介質(zhì)(6，6’)，其光學(xué)界面取決于傾斜度；·檢測(cè)器(3’，3”，3)，優(yōu)選地具有CMOS或CCD微攝像裝置，用于接收像并將其轉(zhuǎn)換為信號(hào)；以及·用于確定傾斜度的評(píng)估單元(9’，9”，9)；其中輻射源(11，11’，11”)和檢測(cè)器(3’，3”，3)被設(shè)置為使得波前(WF2，WF3，WF4)至少通過介質(zhì)(6，6’)的一部分間接或直接地反射和/或透射到檢測(cè)器(3’，3”，3)上成像；所述方法包括以下步驟——使得波前(WF2，WF3，WF4)在檢測(cè)器(3’，3”，3)上成像，——接收檢測(cè)器(3’，3”，3)的信號(hào)，——通過評(píng)估單元(9’，9”，9)評(píng)估信號(hào)并確定裝置的傾斜度，其特征在于，在評(píng)估信號(hào)時(shí)，推導(dǎo)出波前(WF2，WF3，WF4)特別是波前(WF2，WF3，WF4)的形狀函數(shù)的信息。
14.如權(quán)利要求13的方法，其特征在于，在評(píng)估信號(hào)時(shí)，對(duì)波前(WF2，WF3，WF4)與在與介質(zhì)相互作用之前的波前(WF1)的偏差進(jìn)行分析。
15.如權(quán)利要求13或14的方法，其特征在于，在接收信號(hào)和/或評(píng)估信號(hào)時(shí)，對(duì)與介質(zhì)(6，6’)互相作用之前的波前(WF1)進(jìn)行重構(gòu)。
16.如權(quán)利要求13至15中的一項(xiàng)的方法，其特征在于，在接收信號(hào)和/或評(píng)估信號(hào)時(shí)，對(duì)檢測(cè)器(3’，3”，3)的各像點(diǎn)進(jìn)行選擇，優(yōu)選地僅僅使用這些像點(diǎn)來確定裝置的傾斜度。
17.如權(quán)利要求13至16中的一項(xiàng)的方法，其特征在于，在評(píng)估信號(hào)時(shí)，通過多項(xiàng)式方法特別是使用Zernike多項(xiàng)式來推導(dǎo)出形狀函數(shù)。
18.如權(quán)利要求13至17中的一項(xiàng)的方法，其特征在于，在接收信號(hào)和/或評(píng)估信號(hào)時(shí)，將不同的孔徑相互關(guān)聯(lián)。
19.對(duì)如權(quán)利要求13至18中的一項(xiàng)的方法的應(yīng)用，用于對(duì)特別是由于對(duì)流過程而引起的介質(zhì)(6，6’)的至少一個(gè)表面的振動(dòng)和/或統(tǒng)計(jì)波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。
20.用于如權(quán)利要求1至12中的一項(xiàng)的光學(xué)測(cè)斜儀的波前探測(cè)器，包括·攝像裝置(8)，優(yōu)選地具有CMOS或CCD微攝像裝置，用于接收像并將其轉(zhuǎn)換為信號(hào)；以及·微透鏡(7)的陣列；其特征在于，微透鏡(7)的陣列配置有至少一個(gè)衍射元件(14)。
21.如權(quán)利要求20的波前探測(cè)器，其特征在于，衍射元件(14)是全息圖或者光柵，特別是Dammann光柵。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)測(cè)斜儀。根據(jù)本發(fā)明，諸如液體表面的取決于傾斜度的介質(zhì)(6)定位在光學(xué)子系統(tǒng)的光瞳中，可檢測(cè)的波前通過所述介質(zhì)(6)在檢測(cè)器(3’)上成像。所述介質(zhì)(6)引起從輻射源(11)發(fā)射的輻射(S)的相移；輻射(S)與介質(zhì)(6)進(jìn)行反射或透射相互作用。可以通過波前探測(cè)器來分析介質(zhì)(6)引起的波前的偏差并通過評(píng)估單元(9’)或檢測(cè)器(3’)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。在各子孔徑之前形成有衍射結(jié)構(gòu)的波前探測(cè)器是緊湊的，并且提高了測(cè)斜儀的分辨率和可檢測(cè)角度范圍。
文檔編號(hào)G02B26/06GK1809726SQ200480017565
公開日2006年7月26日 申請(qǐng)日期2004年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月23日
發(fā)明者伯恩哈德·布勞內(nèi)克, 彼得·基佩弗 申請(qǐng)人:萊卡地球系統(tǒng)公開股份有限公司