專利名稱：傾斜角自動補償裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及對所使用的測量儀器或計量儀器等的傾斜量變化的測定，或是為了使儀器的光軸保持垂直的傾斜角自動補償裝置。
用測量儀器或計量儀器進行各種測量時，須進行測量儀器或計量儀器基準面的補償或光軸垂直性的補償。
自動進行這樣的補償，歷來是用兩根或三根以上的懸吊線把透鏡或棱鏡等振動體懸吊起來使呈振動狀態(tài)，在測量儀器或計量儀器本身發(fā)生傾斜的情況下，通過電磁式等制動機構制動所述振動體，從而獲得光路的自動補償。
此外尚有利用自由液面上的反射作為測量儀器或計量儀器本身基準面傾斜的測量方法的。
這當中是使光束入射到自由液面上，由光檢測器檢測到該光束反射光光軸的變化。當使用水銀等作為具有自由液面的液體時，若使光束垂直地對著該自由液面入射，則可以得到相應于全部二維方向中液面傾斜的相同靈敏度的反射角，從而可檢測到基準面的傾斜。
但是，從費用以至于安全性上考慮，所述水銀等液體實際上是難以使用的，實用的是硅油等透明液體。使用透明液體時，是利用全反射。于是，由于存在有液體與空氣的臨界角，所以為了使光束在液面上全反射，就必須使向自由液面入射的光束形成對應于所述臨界角的入射角θ。而且，公知的采用自由液面的傾斜檢測裝置中，總是以規(guī)定角度使光束入射到自由液面上的。
如果使光束以規(guī)定的角度相對于所述自由液面入射，則反射光關于對著液面的傾斜度不同的兩根軸方向的反射角度的變化就不一樣。因此，在利用自由液面的傾斜檢測裝置中，必須對該兩軸方向的反射角變化不一致采取相應措施。為此，用光軸不同的兩束光以規(guī)定角度入射到所述自由液面上，由光檢測器接收各自的反射光，各檢測器只檢測到單一方向的受光位置，根據(jù)各個檢測器受光位置的變化，檢測出關于所述兩個光軸的傾斜，根據(jù)檢測到的該兩光軸的傾斜，通過計算求出測量儀器或計量儀器等的基準面相對于水平面的傾料度，再依該計算結果進行補償。
然而，所述的前種已有技術，因為懸吊振動體使得構造復雜，同時安裝裝置時懸吊所述振動體的工作也非易事，調整也很困難。而且，隨著時間變化吊線的長度會起變化，因此難以保持精度。另外，由于必須有特殊的制動裝置來制動振動體，也成為使裝置構造復雜的重要原因。特別是振動體的懸吊結構極微妙，而存在有所謂弱沖擊的問題。
對此，對于一種利用自由液面的全反射而言，具有安裝調整簡單，沒有吊線而不會因時間而變化，可對液體采用密閉結構因而有耐沖擊性，抵御環(huán)境影響等優(yōu)點。又且，由于使用液體，而可以利用液體的粘性進行制動，具有無需設制動裝置等優(yōu)點，從而消除了懸掛振動體的鉛直方向角度自動補償裝置的各種各樣的問題。
但是，由于要使對自由液面成不同光軸的兩束光以規(guī)定角度入射到所述自由液面上，所以要由兩個光學系統(tǒng)構成光束投射系統(tǒng)，從而使裝置的構造復雜，這是不適宜的。
因此，本發(fā)明在于利用自由液面全反射，只用單軸光學系統(tǒng)，檢測基準面的傾斜或進行鉛直線的自動補償。
本發(fā)明基本上是由以下部分構成的封有透明液體形成自由液面的液體容器，使光束以規(guī)定角度投射到該自由液面上，在所述自由液面上形成全反射的投光系統(tǒng)，以及使與光軸的入射角變化對應的光軸反射角度變化在所有方向都相等的光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)設置在通過液體容器后的所述全反射光束光路的所需位置上。
由于這種構成，使入射光束相對于自由液面傾斜到某個方向，且入射角度變化與反射角度變化相等而得到補正，因此可根據(jù)反射角度變化實現(xiàn)對所有傾斜角度進行自動補償，從而被用于測量儀器等的自動補償。
此外，由于其構成包括封裝了形成自由液面的透明液體的液體封裝容器;使光束以規(guī)定角度投射到該自由液面以便在所述自由液面上全反射的投光系統(tǒng);使經(jīng)所述自由液面反射的反射光束朝豎直方向反射的反射鏡;以及設置在所述反射光束光路必要位置上，使對應于光軸的入射角度變化的光軸反射角變化在所有方向相等，并使對應于光軸的入射角度變化的反射光軸的角度變化相抵消的光學系統(tǒng)，因此，即使光束相對于自由液面的入射角有相對地變化，反射光束的角度變化也在光學上相抵消，朝向豎直方向的光束總保持豎直;測量中利用豎直的光束作為基準。
另外，設置了使豎直光束沿水平方向射出的光路變換機構，轉動該光路變換機構，就可由水平光束形成水平基準線或水平基準面。
另外，由于在入射光束一邊設置望遠鏡系統(tǒng)，可用作垂直儀，而且把使反射光束朝豎直方向反射的反射鏡作成半透射鏡，用光檢測器檢測透過該透射鏡的光束的移動范圍，就可以判斷出整個測量儀的傾斜度是否是在一定限度之內。
另外，為了不使形成全反射面的液體隨著使用條件變化，以便不形成溫度分布，使液體保持偏平形狀，設置促進液體散熱的導熱板，而且為了抑制對外部的熱傳導還形成了絕熱層。這樣，防止在液體內產生折射率不均勻的因素，防止了光軸的彎曲。


圖1是說明自由液面傾斜時反射光束反射角的變化的說明圖;
圖2也是說明自由液面在傾斜時反射光束反射角變化的說明圖;
圖3是本發(fā)明第一實施例的基本結構圖;
圖4(A)和圖4(B)是表示在第一實施例中光束透過柱面透鏡系統(tǒng)光軸變化的說明圖;
圖5(A)和圖5(B)是表示光束透過柱面透鏡系統(tǒng)的光軸變化的說明圖;
圖6是本發(fā)明第二實施例說明圖;
圖7(A)和圖7(B)是表示在第二實施例中光束透過特技透鏡擴束器(ト-リッヮレンス“ェキスパンタ”)光軸變化的說明圖;
圖8是本發(fā)明應用舉例的說明圖;
圖9是本發(fā)明另一應用舉例的說明圖;
圖10是本發(fā)明又一應用舉例的說明圖;
圖11是在該又一應用舉例中射束點與針孔關系說明圖;
圖12是本發(fā)明第三實施例的基本結構圖;
圖13是第三實施例中光束透過變形棱鏡系統(tǒng)光軸變化的說明圖;
圖14(A)和圖14(B)是光束透過變形棱鏡系統(tǒng)光軸變化的說明圖;
圖15是有關本發(fā)明第三實施例應用舉例的說明圖;
圖16是有關本發(fā)明第三實施例的另一應用舉例的說明圖;
圖17是有關本發(fā)明第三實施例的又一應用舉例的說明圖;
圖18是在該又一應用舉例中射束點與針孔關系說明圖;
圖19是表示液體封裝容器具體實例的正剖面圖;
圖20是圖19沿A-A方向剖面圖;
圖21是液體封裝容器的另一具體實例正剖面圖。
以下，結合附圖對本發(fā)明作詳細說明首先，圖1和圖2說明，使光束以規(guī)定角度入射到自由液面上，光束在所述自由液面上全反射情況下，當自由液面相對光束傾斜時，反射角相對于液面的傾斜方向的變化的靈敏度不相同。
實際上是自由液面保持水平，而改變光束的入射方向，但在以下的說明中假定光束入射方向一定，而自由液面發(fā)生傾斜。
圖中1是自由液面，入射光線2以角度θ入射到該自由液面1上。所述自由液面1與座標軸X和Z形成的XZ座標平面基本一致;垂直于該座標平面的座標軸為Y。假定所述入射光束2的光軸處于所述座標軸Z和Y形成的座標平面內。由此出發(fā)，如果所述自由液面1關于座標軸X只傾斜角度α，反射光束3的光軸就會在所述YZ座標平面內移動，同時在YZ座標平面內反射角變化為ξ1x。這時，液面位移角α與反射位移角ξ1x的關系為ξ1x＝2α。這種情況下，并不產生在XY座標平面內的反射位移角ξ2x。圖中14表示反射鏡。
對此，如圖2所示，如果所述自由液面1關于座標軸Z只傾斜角度α，所述反射光束3就分別背離所述XY座標平面及YZ平面而移動，從而，分別在所述XY座標平面及YZ平面上呈現(xiàn)出反射位移角ξ1Z和ξ2Z，而且反射位移角ξ1Z與自由液面1的液面位移角α的關系為
ξ1Z＝Cos-1(Cos2θCos2α+Sin2θ)ξ2Z＝π/2-Cos-1[(1-Cos2α)SinθCosθ] (公式1)比如α＝10′、θ＝50°，則ξ2Z＝1.7″，而ξ2Z為精度上可忽視的值。另外，若液體的折射率為n，則透過液體后的光軸為ξ1X′＝2nαξ1Z′＝n·Cos-1(Cos2θCos2α+Sin2θ) (公式2)因此，所述反射位移角ξ1X′與反射位移角ξ1Z′相對于所述液面位移角α的靈敏度不相同。本發(fā)明以光學方法補正這種反射位移角ξ1X′與反射位移角ξ1Z′的位移角靈敏度的不同，使其靈敏度相同，從而得到對所有方向保持規(guī)定比例的角度變化的光軸。
圖3說明本發(fā)明的第一實施例。
圖4中是設置在計量儀器等儀器本體中的液體封裝容器，由封裝在該液體封裝容器4中的液體形成自由液面。自光源6發(fā)出的光束通過準直透鏡5，按規(guī)定角度投射到自由液面1上，以便在該自由液面1上全反射。該光束的光軸如前所述處于YZ座標平面內。
在所述自由液面1沒有傾斜的狀態(tài)下，沿著由該自由液面1全反射的反射光束3的光軸設置有一對柱面透鏡7和8的柱面透鏡系統(tǒng)9和反射鏡14。所述柱面透鏡7、8各自只有一個方向有曲率，所述柱面透鏡7是焦距為f1的凸柱面透鏡，柱面透鏡8是焦距為f2的凹柱面透鏡。
透過所說柱面透鏡系統(tǒng)9的光束由反射鏡14朝垂直方向反射，由該反射鏡14反射的光束透過由凸透鏡10、11構成的擴束器12。這里，設定凸透鏡10的焦距為f3，凸透鏡11的焦距為f4，凸透鏡10與凸透鏡11的間距為f3+f4。
此外，所述柱面透鏡系統(tǒng)也可以設置在經(jīng)反射鏡14反射后的光路中。
以下，說明動作過程。
首光如圖4(A)所示是，光束從柱面透鏡7的曲率半徑方向入射的情況，該反射光束3與柱面透鏡7的光軸所成的角度，即入射角α與從所說柱面透鏡8射出的角度α的關系為α′＝(f1/f2)α (公式3)而如圖4(B)所示是，光束從包含柱面透鏡7曲面母線的平面上入射時，反射光束3與柱面透鏡7的光軸所成夾角，即入射角α與從所述柱面透鏡8的出射角α′的關系為α＝α′(公式4)這里，對于所述自由液面1關于Z軸傾斜時的反射光束3的移動，將所述柱面透鏡系統(tǒng)9配置成如圖4(A)所示那樣;而對于所述自由液面1關于X軸傾斜時的反射光束3的移動，將所述柱面透鏡系統(tǒng)9配置成如圖4(B)所示那樣。
于是，如果設定在圖3中向液體的入射角θ＝50°，儀器的傾斜角即自由液面的傾斜角α＝10′，液體的折射率n＝1.4，則由公式2，自由液面1關于X軸傾斜時的反射位移角ξ1X′與自由液面1關于Z軸傾斜時的反射位移角ξ1Z′分別為ξ1X′＝28′，ξ1Z′＝18′。從而，所述反射位移角ξ1X′和反射位移角ξ1Z′有(ξ1X′/ξ1Z′)＝1.555倍的靈敏度差。因此，其條件為ξ1X′＝2nα，ξ1Z′＝1，286nα (公式5)有此，由公式2則有(f1/f2)＝2/1.286，通過所述柱面透鏡系統(tǒng)9的光軸位移角ξ1Z′變換成1，286nα×2/1.286＝2nα。透過柱面透鏡系統(tǒng)后，成為ξ1X′＝ξ1Z′。雖然自由液面1沿著各種方向傾斜，但對于這種傾斜通常可得到相同靈敏度的反射位移角。由此，根據(jù)反射位移角就可求出自由液面的傾斜，也即是整個裝置的傾斜。
另外，透過所述柱面透鏡系統(tǒng)9，由所述反射鏡14向上方反射的光束，在透過所述擴束器12時，若該擴束器12的角放大率為1/2n。則透過后的光軸只有(ξ1X′＝ξ1Z′＝2nα)×1/2n＝α (公式6)的傾斜。這樣，透過所述擴束器12之后的最終光軸與所述自由液面1總是保持正交，即維持鉛直。這里，設凸透鏡10的焦距為f3，凸透鏡11的焦距為f4，則擴束器12的角放大率為f3/f4，選擇f3和f4就可使角放大率為1/2n。
繼而，對圖3所示的實施例，也可使所述柱面透鏡系統(tǒng)9旋轉90°，使(f2/f1)＝1.555(f3/f4)＝1/1.286n。 (公式7)所述柱面透鏡系統(tǒng)9轉動90度時的反射光束3的入射與出射的關系由圖5(A)和(B)加以說明。
與前面說過的相同，相對自由液面1反射光束3的反射位移角，在自由液面1的傾斜角為α，光束的設定入射角為θ，液體折射率為n時，在自由液面1關于X軸傾斜時，反射位移角ξ1X′＝2nα，而在自由液面1關于Z軸傾斜時，則有反射位移角ξ1Z′＝1.286nα。而在透過柱面透鏡系統(tǒng)9之后，反射位移角ξ1X′變成ξ1X′＝2nα×1/1.555＝1.286nα (公式8)但在透過柱面透鏡系統(tǒng)9之后，反射位移角ξ1Z′保持原樣不變，即ξ1Z′＝1.286nα (公式9)而且如前所述，擴束器12的角放大率是f3/f4＝1/1.286n，因此
(ξ1X′＝ξ1Z′)×(f3/f4)＝1.286nα/1.286n＝α(公式10)與前面所述相同，光軸總能維持鉛直。
圖6說明本發(fā)明的第二實施例。
本實施例是將圖3所示的柱面透鏡系統(tǒng)9與擴束器12的組合換成一組由特技透鏡15，16組成的擴束器13。所述特技透鏡15和16是X方向的焦點與Z方向的焦點分別不同的透鏡，X方向的焦點分別為f1X，f2X，Z方向的焦點分別為f1Z，f2Z，而且f1X/f2X＝1/1.286nf1Z/f2Z＝1/2n (公式11)例如圖7(A)(B)所示者，自特技透鏡16的出射角可成為α，同樣可使光軸始終維持鉛直。
如上所述，采用本發(fā)明，即使反射面出現(xiàn)傾斜也能使出射光束的光軸總維持鉛直，而可將出射光束用作為豎直基準線。
以下，說明本發(fā)明的應用實例。
圖8是在從所述擴束器12射出光束的光軸上設置3轉動自如的折光棱鏡或折光反射鏡17。所述射出光束通過所述折光反射鏡17沿水平方向射出;進而使該折光反射鏡17轉動而可由出射光形成水平基準面，就是說，本發(fā)明可應用于水平儀。
圖9表示另一個應用實例。
本應用實例是在第3圖所示第一實施例的光源一側配置了望遠鏡系統(tǒng)18，這樣的構成可用作垂直儀。
實際使用時，在所述結構中整個結構的傾斜通常要受到限制。因此，使用時有必要檢測是否是處在要求的傾斜限制之內。用附加下面說明的構成可實現(xiàn)這樣的要求。
設置半透光鏡40來代替所述的反射鏡14，把由所述自由液面1來的反射光束分割成沿豎直方向的反射光束41和透射光束42。透過光束42透過凸透鏡43，穿過遮光板44上所穿的針孔45，被測光元件46所接收。所述針孔45配置在前述凸透鏡43的焦點處，而所述針孔45的直徑與限制范圍的大小相對應。
若整個結構傾斜，則自由液面1反射的光束就會發(fā)生光軸偏移。如前所述，該結構因為有柱面透鏡系統(tǒng)9，所以與整個結構相對應的反射光束對所有方向表現(xiàn)出相同的靈敏度。所述透過光束42通過所述凸透鏡43，針孔45在所述光檢測元件46被接收。但是，針孔45，所述光檢測元件46設置在凸透鏡43的焦點上，因此，若該凸透鏡43的焦距為fO，則相對于反射位移角ξ。來說，光軸在針孔45上的移動只為fO·tanξo。
若該移動量是在所要求的傾斜限制以上時，所述光檢測光件46的受光量就如所述針孔45的直徑?jīng)Q定的那樣，在規(guī)定的光量以下。
從而，通過監(jiān)測所述光檢測元件46的受光量，就可判斷整個結構的傾斜是否在限制角度之內。
例如，如果對自由液面1的入射角θ＝50°，整個結構的傾斜限定角α＝10′，液體折射率n＝1.4，凸透鏡43的焦距fo＝100mm，設針孔半徑為R，則透過前面所述那種柱面透鏡系統(tǒng)9之后的光軸偏移為ξo＝2nα。因此，在針孔45(凸透鏡43的焦點位置)處的光軸的移動量1為，l＝fo·tanξo＝100×tan(2×1.4×10/60)＝0.81(公式12)于是，若所述針孔45沿其半徑打通，則如圖11所述的，若透過光束42的束點移動0.81mm，就要落在針孔45的外徑上，就因所述遮光板44而使受光量減少。因此，在測得該光量減少的時候，就可通過停止所述光源6的發(fā)光，而只在要求范圍內才使用。
另外，省略針孔45，可用CCD等測光元件作為所述測光元件46，由這樣的測光元件46也可以檢測束點位置。
圖12說明本發(fā)明的第三實施例。圖12所示的實施例是用變形棱鏡系統(tǒng)33代替圖3所示的柱面透鏡系統(tǒng)9。
在所述自由液面1不傾斜的狀態(tài)下，沿著由該自由液面1全反射的反射光束3的光軸配設變形棱鏡系統(tǒng)33，它由一對楔形棱鏡34、35構成。
反射鏡14將透過變形棱鏡系統(tǒng)33的光束反射成鉛直方向。由該反射鏡14所反射的光束透過由凸透鏡10、11構成的擴束器12。這里，若凸透鏡10的焦距為f3，凸透鏡11的焦距為f4，則將凸透鏡10與凸透鏡11的間距設定為f3+f4。
另外，也可以將所述變形棱鏡系統(tǒng)33設置在經(jīng)反射鏡14反射后的光路中。
假如圖12中設定的對液體入射角θ＝50°，儀器的傾斜角也即自由液面的傾角α＝10′，液體的折射率n＝1.4，則參照圖1所得的前述公式2得到自由液面1關于X軸傾斜時的反射位移角ξ1X′與自由液面1關于Z軸傾斜時的反射位移角ξ1Z′分別為ξ1X′＝28′，ξ1Z′＝18′。因此，所述變位角ξ1X′與反射變位角ξ1Z′有(ξ1X′/ξ1Z′)＝1.555倍的靈敏度差。于是，這樣的條件ξ1X′＝2nα，ξ1Z′＝1.286nα (公式13)成立。
對所述變形棱鏡系統(tǒng)33的上述靈敏度差進行了光學上的補正。
這里，通過圖13，圖14說明變形棱鏡系統(tǒng)。
若設定構成變形棱鏡系統(tǒng)33的所述楔形棱鏡34，35的棱鏡頂角為α34、α35，楔形棱鏡34，35的相對角為b，折射率為ng，入射光束為Din，出射光束為Dout，則放大率M＝(Din/Dout)＝Cos2α/(1-n2g·Sin2α)(公式14)角放大率近似為1/M。因此，M＝2nα/1.286nα＝1.555(公式15)若選定所述棱鏡頂角為α34、α35，楔形棱鏡34，35的相對角為b，折射率為ng(例如當ng＝1.51時，α34、α35＝27.732°，b＝44，793°)，則透過所述變形棱鏡33后的ξ1X′變成2nα×1.286nα/2nα＝1.286nα，即透過變形棱鏡系統(tǒng)33后，ξ1X′＝ξ1Z′。
因而，透過變形棱鏡系統(tǒng)33后的反射光束3的光軸，對于所述自由液面1所有方向的傾斜，通常都有相同的反射位移角，縱使自由液面朝隨便哪一方向傾斜，對于該傾斜總是得到相同靈敏度的反射位移角。
此外，在透過所述變形棱鏡系統(tǒng)33并由反射鏡14朝上反射的光束，透過所述擴束器12的情況下，若該擴束器12的角放大率為1/1.286n，則透過后的光軸只有(ξ1X′＝ξ1Z′＝1.286nα)×1/1.286n＝α (公式16)的傾斜角。透過所述擴束器12后的最終光軸始終保持與所述自由液面1正交，即保持鉛直。這里，擴束器12的凸透鏡10的焦距為f3，凸透鏡11的焦距為f4，則擴束器12的角放大率為f3/f4。選擇好f3，f4，就可能使角放大率成為1/1.286n。
其次，對于圖12所示的實施例，使所述變形棱鏡系統(tǒng)33轉過90°，也可以適當選擇所述棱鏡34，35的棱鏡頂角為α34、α35，楔形棱鏡34，35的相對角為b，折射率為ng，使M＝1/1.555。
也可以利用所述光學系統(tǒng)中的變形棱鏡系統(tǒng)33將通常的橢圓狀光束變形為圓形光束。例如，在使用激光二極管做光源的情況下，可通過這個變形棱鏡系統(tǒng)33將光束的斷面形狀變成近似圓形的斷面(激光二極管的光束形狀是橢圓形的)。
通常，像這種儀器內使用激光二極管的裝置，在許多具有作為激光指示器、激光定標器功能的情況下，都希望光束所照射形狀近似為圓形。因此，本發(fā)明采用變形棱鏡系統(tǒng)33進行光軸修正，獲得這種圓形形狀的光束是很有效的。
如上所述，采用本發(fā)明可使出射光束的光軸總是保持鉛直。以下，說明有關圖12所述的實施例三的應用實例。
圖15是把折光棱鏡或折光反射鏡17轉動自如地設置在自所述擴束器12射出的光束的光軸上，所述射出光束通過所述折光反射鏡17沿水平方向射出，而且，轉動該折光反射鏡，可由出射光形成水平基準面。就是說，本發(fā)明可應用于水平儀。
圖16表示另一應用實例。
該應用實例是在圖12所示的第三實施例的光源一側設置望遠鏡系統(tǒng)18。這樣的構成與圖9所示應用實例相同，可用來構成垂直儀。
實際使用時，所述構成中整個結構的傾斜通常受到限制。因此，使用時有必要檢測是否處在所要求的傾斜限制之內。這樣的要求，可以采用與圖10所示的同樣措施，這可由圖17來說明。
設置半透射鏡40代替所述反射鏡14，將自所述自由液面反射的光束分割成沿豎直方向的反射光束41和透射光束42。該透射光束42通過凸透鏡43，穿過遮光板44上的針孔45被測光元件46所接收。所述的針孔45設在所述凸透鏡43的焦點上，而且，所述針孔45的直徑與限制范圍的大小相對應。
如果整個結構傾斜，則自自由液面1反射的光束就發(fā)生光軸角度偏移。如前所述，由于該結構有變形棱鏡系統(tǒng)33，相對于整個構成的傾斜角，反射光束對所有方向表現(xiàn)出相同的靈敏度。所述透射光束42通過所述凸透鏡43、針孔45，被所述測光元件46所接受。但是，由于針孔配置于凸透鏡43的焦點處，若該凸透鏡的焦距為fo，則對于反射位移角ξo，光軸在針孔45處的移動僅為fo·tanξo。
當此移動重量超出所要求的傾斜限制時，所述測光元件的受光量變?yōu)槿缜笆鲠樋?5直徑所決定的那樣低于規(guī)定的光量。
于是，監(jiān)視上述測光元件46的受光量，即可判斷整個結構的傾斜是否處于所限定的角度內。
例如，若對自由液面的入射角θ＝50°，整個結構的傾斜限定角α＝10′，液體折射率n＝1.4，凸透鏡43的焦距fo＝100mm，針孔半徑為R，則前述透過變形棱鏡系統(tǒng)33的光軸偏移為ξo＝1.286nα。因而，在針孔45(凸透鏡43的焦點位置)處的光軸移動量1為l＝fo·tanξo＝100×tan(1.286×1.4×10/60)＝0.52(公式17)于是，若所述針孔45像圖18那樣沿其半徑穿通，則一旦透過光束42的束點移動0.52mm，就會落在針孔的外徑上，即因所述遮光板42而致受光量減少。有此，當?shù)弥涔饬繙p少時，即可停止所述光源6發(fā)光，以便只在所要求的傾斜范圍內使用。
以下通過圖19和20說明所述液體封入容器4的具體實例。
將所述液體封裝容器4與其它透鏡系統(tǒng)一起固定在裝置本體中，或者構成裝置的一部分。這時，若在存在溫度差的環(huán)境下使用裝置，比如自室內運至室外，就會在液體封裝容器封入的液體內形成一個溫度分布。而若液體內部存在溫度分布，則折射率也會出現(xiàn)出與該溫度分布相對應的分布，光軸就會在液體內部發(fā)生折曲。圖19和20所示的液體封裝容器4便解決了這種不良情況。
以下進行詳細說明。
在倒置的臺形外罩20內部設置與該外罩形狀相似的內罩21。沿該內罩上側面形成平板狀空間22，與空間22連通形成光導入通道23與光導出通道24。使所述光導入通道23的軸心與入射光束的光軸一致，而使所述光導出通道24的軸心與前述自由液面1處于水平狀態(tài)時的反射光束3的光軸一致。
在上述空間22的底面固定有導熱板25。導熱板25中央設有能使入射光束與出射光束通過的窗孔26。所述光導入通道23與光導出通道24各自的上端裝有透明玻璃制的塞子27，由塞子27密閉封入透明液體28。按照使該透明液體28形成自由液面來決定其封入的量。
上述外罩20容納進所述內罩21的同時，在內罩21的周圍形成一定的環(huán)繞空間29。另外，在外罩20的前述光導入通道23及光導出通道24軸心通過的位置處分別設有透明的玻璃窗30和31。所述外罩20成氣密結構;所述環(huán)繞空間29抽成真空或封入氣體。
另外，為了抑制所述外罩20和內罩21對外部放熱或吸熱，其材質采用合成樹脂等導熱率小的材質。
如前所述，封裝有透明液體28的空間22成薄平板狀，又因為還在底面設有導熱板25，提高了熱傳導速度，在透明液體28的溫度變化狀態(tài)方面提高了溫度的均勻性。另外，所述環(huán)繞空間29形成對所述內罩21熱授受的隔熱層，抑制了透明液體28的溫度變化，或者抑制了溫度的變化速度。
從而，使透明液體28內部產生的溫度分布差等受的抑制，還可防止光束光軸的彎折，以及因折射率變化的斷面形狀的變化，也提高了對環(huán)境溫度變化的穩(wěn)定性，改善了測量的精度。
以下，圖21表示液體的封裝容器4的另一具體實例，在它的內罩21周圍沒有形成環(huán)繞空間29。由隔熱材料制成的外罩20覆蓋著所述內罩21，該外罩20在所述內罩21周圍形成絕熱層。
另外，液體封入容器4的形狀并不受上述具體實例所限定。
如上所述，本發(fā)明是傾斜角自動補償裝置。本發(fā)明的傾斜角自動補償裝置在測定裝置傾斜，或對要求水平或垂直的測量儀器或計量儀器的傾斜角進行自動補償，以及作為垂直儀，或由反射光束作基準線，并使反射光束掃描形成基準面作為水平儀等都是有用的。
權利要求
1.一種傾斜角自動補償裝置，其特征在于具有封入用以形成自由液面的透明液體的液體容器，把光束以規(guī)定角度投射到該自由液面，使在該自由液面上全反射的投光系統(tǒng)，和設置在通過所述液體容器之后的全反射光束光路上所需位置處，使與光軸入射角變化相對應的光軸反射角度變化在各方向均相等的光學系統(tǒng)。
2.一種如權利要求1所述的傾斜角自動補償裝置，其特征在于所述光學系統(tǒng)具有凸柱面透鏡和凹柱面透鏡。
3.一種如權利要求1所述的傾斜角自動補償裝置，其特征在于所述光學系統(tǒng)具有變形棱鏡系統(tǒng)。
4.一種傾斜角自動補償裝置，其特征在于具有封入透明液體以形成自由液面的液體封入容器，將光束以規(guī)定角度投射到該自由液面上，以便在自由液面上全反射的投光系統(tǒng)，使從所述自由液面反射的反射光束沿豎直方向反射的反射鏡，以及設在所述反射光束光路上所需位置處，使與光軸的入射角變化相對應的光軸反射角變化在各方向均相等，并使與光軸的入射角變化相對應的反射光軸的角度變化相消的光學系統(tǒng)。
5.一種如權利要求4所述的傾斜角自動補償裝置，其特征在于透鏡系統(tǒng)具有凸柱面透鏡、凹柱面透鏡和擴束器。
6.一種如權利要求4所述的傾斜角自動補償裝置，其特征在于透鏡系統(tǒng)具有一組特技透鏡。
7.一種如權利要求4所述的傾斜角自動補償裝置，其特征在于光學系統(tǒng)具有變形棱鏡系統(tǒng)和擴束器。
8.一種如權利要求1或4所述的傾斜角自動補償裝置，其特征在于光學系統(tǒng)設有能使透過的、沿鉛直方向光軸的光束變成水平向射出的光路變換機構，使該光路變換機構關于豎直軸自由轉動。
9.一種如權利要求1或4所述的傾斜角自動補償裝置，其特征在于向自由液面入射的光束一側設有望遠鏡系統(tǒng)。
10.一種如權利要求1或4所述的傾斜角自動補償裝置，其特征在于把令反射光束朝豎直方向反射的反射鏡做成半透鏡，以光檢測元件接收透過該半透鏡的光束，以便用該光檢測元件檢測透過光束的光軸移動。
11.一種如權利要求1或4所述的傾斜角自動補償裝置，其特征在于將透明液體封入板狀空間。
12.一種如權利要求11所述的傾斜角自動補償裝置，其特征在于板狀空間底面設有導熱板。
13.一種如權利要求1或4所述的傾斜角自動補償裝置，其特征在于封入了透明液體的內罩周圍形成絕熱層。
全文摘要
本申請是用于須保持豎直或者水平的儀器中的傾斜角仍自動補償裝置，具有封入了透明液體以形成自由液面1的液體封裝容器4，使光束按規(guī)定角度投射到該自由液面上，以便在所述自由液面上全反射的投光系統(tǒng)5和6，以及設在通過上述液體封裝容器后的全反射光束光路上所需位置處，使與光軸的入射角變化相對應的光軸的反射角變化在各方向均相等的光學系統(tǒng)。對由于封裝容器傾斜、光束對自由液面的入射角相對改變情況的下反射角變化方向具有不同靈敏度進行光學補正。
文檔編號G01C5/02GK1090641SQ93112908
公開日1994年8月10日 申請日期1993年11月12日 優(yōu)先權日1992年11月12日
發(fā)明者大友文夫, 營井博雄, 石鍋郁夫, 山崎貴章, 古平純一 申請人:株式會社拓普康