專利名稱：位置測量設(shè)備和設(shè)定傾斜的回轉(zhuǎn)激光設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用在激光束可以以相對于水平面傾斜的角度射出的激光測量儀中的設(shè)定傾斜的回轉(zhuǎn)激光設(shè)備。
諸如記載在第6-26861號的日本專利公開公報中的回轉(zhuǎn)激光設(shè)備可從市場上獲得。根據(jù)該專利

圖12中所示的回轉(zhuǎn)激光設(shè)備，一激光束可回轉(zhuǎn)地射出，以形成一激光基準面。此外，圖中所示的結(jié)構(gòu)允許激光基準面傾斜。
也就是說，一激光投射器10基本上設(shè)置在外殼5的中心，回轉(zhuǎn)掃描單元13設(shè)置在激光投射器10的上面。掃描電動機15通過齒輪使回轉(zhuǎn)掃描單元13在水平方向回轉(zhuǎn)。一五棱鏡18設(shè)置在回轉(zhuǎn)掃描單元13中，使得照射在回轉(zhuǎn)掃描單元13的回轉(zhuǎn)軸上的激光束偏振90度，以形成激光基準面。
激光投射器10和回轉(zhuǎn)掃描單元13設(shè)置成在兩個彼此垂直的方向上傾斜。激光投射器10設(shè)置有一第一傾斜傳感器20和第二傾斜傳感器21。第一傾斜傳感器20和第二傾斜傳感器設(shè)置成彼此以直角交叉。
此外，激光投射器10設(shè)置有一第一傾斜設(shè)定傳感器65和第二傾斜設(shè)定傳感器66。第一傾斜設(shè)定傳感器65和第二傾斜設(shè)定傳感器66的傾斜方向與第一傾斜傳感器20和第二傾斜傳感器21分別延伸的彼此垂直的兩個方向一致。因此，激光投射器10能相對于由第一傾斜設(shè)定傳感器65和第二傾斜設(shè)定傳感器66確定的位置傾斜。
第一傾斜設(shè)定傳感器65和第二傾斜設(shè)定傳感器66設(shè)置在一基板上，可借助第一任意角度設(shè)定單元52和第二任意角度設(shè)定單元53(未示出)任意設(shè)定傾斜角。
第一任意角設(shè)定單元52和第二任意角設(shè)定單元53由第一傾側(cè)電動機58和第二傾側(cè)電動機59(未示出)經(jīng)一齒輪驅(qū)動。
外殼5上設(shè)有一第一設(shè)定傾斜單元35和一第二設(shè)定傾斜單元36(未示出)。用第一設(shè)定傾斜單元35和第二設(shè)定傾斜單元36來使激光投射器10和回轉(zhuǎn)掃描單元13傾斜，以使第一傾斜傳感器20和第二傾斜傳感器21的方向彼此垂直。
第一設(shè)定傾斜單元35和第二設(shè)定傾斜單元36由第一傾斜調(diào)節(jié)電動機31和第二傾斜調(diào)節(jié)電動機32(未示出)經(jīng)一齒輪來驅(qū)動。
激光投射器10具有沿垂直于它的方向延伸的一第一臂25和一第二臂26(未示出)。第一臂25和第二臂26分別與第一設(shè)定傾斜單元35和第二設(shè)定傾斜單元36接合。
當(dāng)該設(shè)備設(shè)定傾斜時，激光基準面與設(shè)定基準位置的水平面一致。傾側(cè)機構(gòu)對應(yīng)于傾側(cè)裝置。
當(dāng)該設(shè)備設(shè)定水平面時，用第一傾斜傳感器20和第二傾斜傳感器21探測水平位置。同時，使回轉(zhuǎn)掃描單元13的回轉(zhuǎn)軸處于垂直，使第一傾斜設(shè)定傳感器65和第二傾斜設(shè)定傳感器66處于水平位置。
然后，第一任意角設(shè)定單元52和第二任意角設(shè)定單元53根據(jù)通過輸入裝置輸入的傾側(cè)角而被驅(qū)動，使第一傾斜設(shè)定傳感器65和第二傾斜設(shè)定傳感器66在相對于一預(yù)定傾斜角的負方向傾斜。
第一傾斜設(shè)定傳感器65和第二傾斜設(shè)定傳感器66在負方向傾斜之后，驅(qū)動第一設(shè)定傾斜單元35和第二設(shè)定傾斜單元36，直到第一傾斜設(shè)定傳感器65和第二傾斜設(shè)定傳感器66用它們的輸出信號指示水平狀態(tài)，由此激光投射器10和回轉(zhuǎn)掃描單元13傾斜。當(dāng)?shù)谝粌A斜設(shè)定傳感器65和第二傾斜設(shè)定傳感器66用它們的輸出信號指示水平狀態(tài)時，傾斜設(shè)定動作就告完成。
圖13是一示意圖，它示出了控制該設(shè)備的控制部分。
第一固定氣泡管20和第一任意角度設(shè)定氣泡管65經(jīng)一第一切換回路85向一第一角度探測回路87提供探測結(jié)果，而第二固定氣泡管21和第二任意角度設(shè)定氣泡管66經(jīng)一第二切換回路86向一第二角度探測回路88提供探測結(jié)果。
第一角度探測回路87和第二角度探測回路88分別設(shè)定一基準角度91和一基準角度92?；鶞式嵌?1和基準角度92在通常狀態(tài)下設(shè)置為零。
當(dāng)一來自第一固定氣泡管20的信號經(jīng)第一切換回路85輸入到第一角度探測回路87時，第一角度探測回路87探測一相對于基準角度91的偏離量。然后，第一角度探測回路87將一信號供應(yīng)到第一電動機控制器89，一第一水平調(diào)節(jié)電動機31由第一電動機控制器89控制。
當(dāng)來自第一固定氣泡管20和任意角設(shè)定氣泡管65的信號經(jīng)第一切換回路85輸入到第一角度探測回路87時，第一角度探測回路87產(chǎn)生一對應(yīng)于偏離量的信號。然后，指示偏離量的信號供應(yīng)到一第一傾斜驅(qū)動回路83，一第一驅(qū)動電動機58的驅(qū)動由第一傾斜驅(qū)動回路83控制。此外，當(dāng)來自第二任意角設(shè)定氣泡管66的信號經(jīng)第二切換回路86輸入到第二角度探測回路88時，第二角度探測回路88探測一相對于基準角度92的偏離量。然后，第二角度探測回路88將一信號供應(yīng)到第二電動機控制器90，一第二水平調(diào)節(jié)電動機32由第二電動機控制器90控制。
第二角度探測回路88的信號供應(yīng)到第二電動機控制器90，第二水平調(diào)節(jié)電動機32的驅(qū)動由第二電動機控制器90控制。然后，第二角度探測回路88的信號和一任意角設(shè)定回路82的信號供應(yīng)到一第二傾斜驅(qū)動回路84，一第二驅(qū)動電動機59的驅(qū)動由第二傾斜驅(qū)動回路84控制。
然后，第一角度探測回路87和第二角度探測回路88所產(chǎn)生的角度偏離量供應(yīng)到一鑒別器93。鑒別器93從第一角度探測回路87和第二角度探測回路88的角度偏離量中選擇一較大的角度偏離量，并將一對應(yīng)于所選定的角度偏離量變量的輸出供應(yīng)到一顯示器驅(qū)動器94。該顯示器驅(qū)動器94使顯示器95顯示對應(yīng)的偏離值。
根據(jù)此已有技術(shù)的實施例，由激光束形成的基準面可以設(shè)定為水平或傾斜一任意角度。下面首先描述形成水平基準面的激光測量儀的調(diào)平操作。
如果安裝一主機4而不進行調(diào)節(jié)，則激光投射器10的軸一般與垂直線不一致，因此第一固定氣泡管20和第二固定氣泡管21不是水平的。
第一切換回路85建立一從第一固定氣泡管20到第一角度探測回路87的信號線路，而第二切換回路86建立一從第二固定氣泡管21到第二角度探測回路88的信號線路。
如果基準角度91設(shè)定為零，第一角度探測回路87產(chǎn)生一角度偏離信號，而如果基準角度92設(shè)定為零，則第二角度探測回路88產(chǎn)生另一角度偏離信號。當(dāng)產(chǎn)生角度偏離信號時，第一電動機控制器89和第二電動機控制器90以一預(yù)定方向驅(qū)動第一水平調(diào)節(jié)電動機31和第二水平調(diào)節(jié)電動機32，使角度偏離信號變?yōu)榱恪?br> 要求由回轉(zhuǎn)激光設(shè)備形成的激光平面具有較高的傾斜精度，因為激光平面起到一基準平面的作用。鐘擺類傾斜探測設(shè)備能夠在一相當(dāng)寬的探測范圍內(nèi)探測傾斜角。但是，鐘擺類傾斜探測設(shè)備包括一機械驅(qū)動部分，因此，探測精度受到摩擦牽引的影響，難以探測以只有機秒大小的角度。
圖14所示的電氣類氣泡管10000是探測測量儀傾度的傳統(tǒng)元件。氣泡管10000具有一封閉在其內(nèi)的氣泡5000和形成在其上的電極6000和7000，從而能通過測量靜電電容的電氣方法來確定設(shè)備的傾斜度。
電氣類氣泡管10000由一空心玻璃管制成，其內(nèi)封閉有液體和氣泡5000。電極6000和7000形成在玻璃管的外側(cè)上，沒有機械驅(qū)動部分，從而能夠通過氣泡的移動來精確地探測靜電電容。
當(dāng)用氣泡管系統(tǒng)精確地探測傾度時，要求玻璃管有一大的彎曲半徑。但是，大彎曲半徑的玻璃管的氣泡管僅能提供小的探測范圍，而且代價很高。
此外，大彎曲半徑的玻璃管制成的氣泡管只能為探測靜電電容提供一窄的動態(tài)范圍，這樣就將探測范圍限制在水平面周圍。因此，為了用高精度確定傾度，就必須采用一固定傳感器和一設(shè)定傾斜的傳感器。此外，如果需要探測兩個方向的傾斜，就必須有四個傾斜傳感器。
此外，任意角設(shè)定單元的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，它帶來的不是磨損產(chǎn)生的誤差就是由磨擦產(chǎn)生運動誤差的嚴重問題。
而本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，激光投射器投射一激光束，傾側(cè)裝置以至少一個方向傾側(cè)激光投射器，傾斜探測裝置的一第一光學(xué)系統(tǒng)將光源的光送向具有自由表面的一液體部件，光接收裝置接收在液體部件上反射的光，一第二光學(xué)系統(tǒng)將液體部件上反射的光引導(dǎo)到光接收裝置，算術(shù)運算裝置根據(jù)光接收裝置接收到的信號計算傾斜，由此，就可以根據(jù)傾斜來驅(qū)動傾側(cè)裝置而使激光投射器傾斜。
下面是結(jié)合清楚地示出本發(fā)明較佳實施例的附圖而給出的說明，通過說明，本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點就一清二楚了。
附圖1至12示出了本發(fā)明的一個實施例，圖12至14示出了已有技術(shù)，在附圖中圖1是一示意圖，它示出了本發(fā)明一實施例的傾斜傳感器的結(jié)構(gòu)；圖2是一示意圖，用于說明實施例的一暗場圖案；圖3是另一示意圖，用于說明實施例的暗場圖案；圖4是一示意圖，用于說明實施例的液體部件；圖5是一示意圖，用于說明測量原理；圖6是另一示意圖，用于說明測量原理；圖7是又一示意圖，用于說明測量原理；圖8是一示意圖，它示出了本實施例算術(shù)運算裝置的結(jié)構(gòu)；圖9是另一示意圖，它示出了本實施例算術(shù)運算裝置的結(jié)構(gòu)；圖10是一示意圖，用于說明本實施例的一設(shè)定傾斜回轉(zhuǎn)激光設(shè)備；圖11是一示意圖，用于說明本實施例的設(shè)定傾斜回轉(zhuǎn)激光設(shè)備的電氣結(jié)構(gòu)；圖12是一示意圖，用于說明一已有技術(shù)；圖13是另一示意圖，用于說明一已有技術(shù)；圖14是又一示意圖，用于說明一已有技術(shù)；圖15是一示意圖，用于說明用于電子經(jīng)緯儀的本實施例；圖16是一示意圖，用于說明用于電子經(jīng)緯儀的本實施例。
下面將結(jié)合附圖描述本發(fā)明的一實施例。
首先描述本發(fā)明實施例的一設(shè)定傾斜回轉(zhuǎn)激光設(shè)備5000中所采用的傾斜傳感器1000。傾斜傳感器1000對應(yīng)于傾斜探測裝置，等效于一位置測量設(shè)備。
圖1是示意圖，它示出了本發(fā)明第一實施例中的傾斜傳感器1000的光學(xué)結(jié)構(gòu)。傾斜傳感器1000包括一光源100、一聚光鏡200、一暗場圖案(dark-fieldpattern)300、一第一圖案中繼透鏡410、一第一半透明反射鏡510、一具有自由表面的液體部件600、一第二圖案中繼透鏡420、一第二半透明反射鏡520、一第一圓柱透鏡710、一第二圓柱透鏡720、一第一光接收元件810、一第二光接收元件820和算術(shù)運算裝置16。
盡管第一實施例的光源100是由LED所形成的，但任何種類的光源都可使用。
用聚光鏡200使來自光源100的光線平行，聚光鏡200對應(yīng)于一第一光學(xué)系統(tǒng)。
暗場圖案300在第一光接收元件810和第二光接收元件820上形成一圖案映象。暗場圖案300對應(yīng)于一圖案。
圖2是一示意圖，它示出了本發(fā)明第一實施例中形成一兩維陣列的暗場圖案300。如圖2所示，暗場圖案300是由一黑色掩蔽部分和多個設(shè)置在黑色掩蔽部分中的透明圖案部分所形成。圖案也可由一透明的基底部分和多個形成在透明基底部分中的黑色圖案部分所形成。
圖3是第一實施例的暗場圖案300中的多個透明圖案部分的放大視圖。如圖3所示，圖案部分以彼此垂直的X軸向和Y軸向排成陣列。即，第一實施例的暗場圖案300是一種絕對圖案，在該圖案中，兩軸(X軸和Y軸)指示絕對位置，圖案在X軸向和Y軸向延伸。
在X軸向排列的縱列用i(i＝1至N)編號，而以Y軸向排列的行列以j(j＝1至K)編號，一具體的圖案元素用Pij(i＝1至N，j＝1至K)標記。在圖3所示的例子中，N＝9，K＝8。
下面將描述在第一行列(j＝1)中延伸的圖案的排列。
第一行列的圖案是由一第一圖案A、第二圖案B、第三圖案C和第四圖案R所形成，各圖案以一定的間隔(p)重復(fù)排列。即，一組圖案或者說由四類圖案組成的一圖案區(qū)連續(xù)形成。設(shè)置在最左側(cè)的圖案區(qū)稱為1-區(qū)，形成該區(qū)的每一圖案標記如下R、A(1)、B(1)、C(1)。按照符號，重復(fù)排列的下面的圖案可以標記如下R、A(2)、B(2)、R、A(3)、B(3)、C(3).....
即，形成下列對應(yīng)關(guān)系P11＝R、P21＝A1、P31＝B1、P41＝C1、P51＝R、P61＝A2、P71＝B2、P81＝C2、P91＝R。
下面將描述在第一縱列(i＝1)中延伸的圖案的排列。
第一縱列的圖案是由一第一圖案A、第二圖案B、第三圖案C和第四圖案R所形成，各圖案以一定的間隔(p)重復(fù)排列。即，一組圖案或者說由四類圖案組成的一圖案區(qū)連續(xù)形成。設(shè)置在最上側(cè)的圖案區(qū)稱為1-區(qū)，形成該區(qū)的每一圖案標記如下R、A(1)、B(1)、C(1)。按照符號，重復(fù)排列的下面的圖案標記如下R、A(2)、B(2)、R、A(3)、B(3)、C(3).....
即，形成下列對應(yīng)關(guān)系P11＝R、P12＝A1、P13＝B1、P14＝C1、P15＝R、P16＝A2、P17＝B2、P18＝C2。
用第一圖案中繼透鏡410將通過暗場圖案的光束引導(dǎo)到第一半透明反射鏡510。
本發(fā)明第一實施例的第一半透明反射鏡510是一具有半透明表面511的分光鏡。入射在第一半透明反射鏡510的光束朝上穿過半透明表面511，然后入射在具有一自由表面的液體部件600上，在具有一自由表面的液體部件600上反射的光束在第一半透明反射鏡510的半透明表面511上反射，并射向第二圖案中繼透鏡420。
第一半透明反射鏡510有一相對于來自光源100的反射光束傾斜的傾斜表面512。
這是因為從光源100入射在第一半透明反射鏡510上的光束朝上射過半透明表面511，但一部分光束在半透明表面511上被反射。如果在表面上反射的那部分光束在第一半透明反射鏡510的端部表面上被反射，然后沿相反的方向在同樣的光學(xué)路徑上傳播，那么光束將再通過半透明表面511射向第二圖案中繼透鏡420。
在半透明表面511上反射的反射光束可阻礙傾斜探測，從而引起誤差。因此，在本發(fā)明的第一實施例中，第一半透明反射鏡510的端部表面做成一傾斜表面512，它相對于從光源100通過半透明反射鏡的光束傾斜。
因此，盡管從光源100在半透明表面511上反射的光束再在傾斜表面512上反射，但再在傾斜表面512上反射的反射光束將不再沿相反的方向在同樣的光學(xué)路徑上通過。因此，反射光將不會經(jīng)第二圖案中繼透鏡420入射在第一光接收元件810和第二光接收元件820上。因此，可進行具有高精度的測量。
光源100和反射光源100光束的具有自由表面的液體部件600的表面可以設(shè)置成共軛關(guān)系。
這樣，液體部件600的反射區(qū)域變?yōu)樽钚?，其結(jié)果是表面張力引起的誤差也降到最小。此外，液體部件600的體積可以做得很小。
具有自由表面的液體部件600充注具有恰當(dāng)粘性諸如硅油的液體。由于液體部件600具有自由表面，所以該表面總是保持在一水平面上。
此外，本實施例的液體部件600可與第一半透明反射鏡510形成一體。
本實施例的第一半透明反射鏡510可以在接觸液體部件600的表面上設(shè)置一防止反射的薄膜。
本實施例的液體部件600和第一半透明反射鏡510可以做成具有一彼此相互類似的折射率。
第一半透明反射鏡510對應(yīng)于一半透明反射鏡。
在具有自由表面的液體部件600上、也在第一半透明反射鏡510上反射的光束通過第二圖案中繼透鏡420，從而在第一光接收元件810和第二光接收元件820上形成圖案映象。即，用第二圖案中繼透鏡420在第一光接收元件810和第二光接收元件820上形成暗場圖案300的映象。
第二圖案中繼透鏡420對應(yīng)于第二光學(xué)系統(tǒng)，并設(shè)置在離開第一光接收元件810和第二光接收元件820一段距離的位置上，此距離等于圖案中繼透鏡420的焦距f。
用第二半透明反射鏡520將暗場圖案300的映象光束分裂成第一光接收元件810和第二光接收元件820的光束。
用第一圓柱透鏡710將暗場圖案300的映象光束聚集在X軸方向。第一圓柱透鏡710對應(yīng)于第一光學(xué)元件。
例如，第一圓柱透鏡710將第一行列P11＝R、P21＝A1、P31＝B1、P41＝C1、P51＝R、P61＝A2、P71＝B2、P81＝C2、P91＝R的圖案的光束如圖所示聚集圖3的右角。
即，Pi1(i＝1至9)被聚集成如圖3的右角所示。
因此，對應(yīng)于所有行列圖案的光束聚集在X方向。
相應(yīng)地，對應(yīng)于Pi1(i＝1至9)的光束能夠聚集所有的行列J＝1至8。
結(jié)果，表示Y方向一位置的以p間隔聚集在X向的絕對圖案如圖3的右角所示那樣形成。
用第二圓柱透鏡720將暗場圖案300的映象光束聚集在Y軸方向。第二圓柱透鏡720對應(yīng)于第二光學(xué)元件。
同樣，對應(yīng)于所有縱列圖案的光束可以類似于X方向聚集在Y方向。
第一實施例的第一光接收元件810和第二光接收元件820采用一CCD(電荷耦合器件)線性傳感器。
算術(shù)運算裝置16是一包括CPU的算術(shù)運算單元。算術(shù)運算單元16控制設(shè)備的所有結(jié)構(gòu)并計算暗場圖案300的分裂映象(映象帶)的位置，還計算對應(yīng)的傾側(cè)角。
根據(jù)如上所述的第一實施例，當(dāng)傾斜傳感器1000傾斜時，由于液體部件600的自由表面保持水平位置，暗場圖案300的映象與傾斜角成比例地在第一光接收元件810和第二光接收元件820上移動。
這樣，如果傾斜傳感器1000如圖4所示傾斜θ角，如果液體部件600的折射率為n，從自由表面反射的光束傾斜2nθ。如果在線性傳感器或第一光接收元件810和第二光接收元件820上的距離是L，該距離可用如下的等式表示L＝f*tan(2nθ)……(等式1)因此，如果暗場圖案300映象的位置由第一光接收元件810和第二光接收元件820加以探測，計算出相對于基準位置的位置距離，算術(shù)運算裝置16計算傾斜角，那么就可測量出傾斜傳感器1000的傾斜角θ。
下面將詳細地描述由算術(shù)運算裝置16進行的、計算傾斜角的算術(shù)運算。
對于傾斜角，用某一具體或特定圖案的一位置作為基準，然后可以測量出由線性傳感器探測到的一圖案的相對于該具體圖案的距離dL。
此外，如果特定圖案與被探測圖案之間的距離小于節(jié)距間隔(pitch interval)，可以對第一光接收元件810和第二光接收元件820的輸出進行傅里葉變換，以計算相對于線性傳感器上基準位置的節(jié)距距離p的相差Φ。然后計算用下列等式表示的值。
Φ*p*m/(2π)……(等式2)其中m代表放大倍率。
這樣，就可高精度地測量小于節(jié)距間隔的距離。相應(yīng)地，如果小于節(jié)距間隔的距離的探測與大于節(jié)距間隔的距離的探測相結(jié)合，就能計算出整個距離。
為了簡化說明，形成在暗場圖案300的圖案簡化成如圖5所示，說明將在簡化圖案上進行。在說明中，為了容易理解，省略了圖案C。即以下的說明將在由R、A(0)、B(0)、R、A(1)、B(1)、R、A(2)、B(2)……的重復(fù)排列所構(gòu)成的圖案上進行。
形成在暗場圖案300的圖案如圖5所示，第一圖案A、第二圖案B和第三圖案R都以一定的間隔(p)重復(fù)排列。即以三個圖案為一組也就是說以一個區(qū)重復(fù)提供。如果把設(shè)置在最左側(cè)的一個區(qū)稱為0-區(qū)，那么形成在0-區(qū)的圖案用R(0)、A(0)、B(0)標記，于是下面的圖案可以用R(1)、A(1)、B(1)、R(2)、A(2)、B(2)……標記，這些符號可重復(fù)使用。由于所有的圖案以一定間隔p重復(fù)，所以對應(yīng)于該間隔的信號定義為基準信號。
例如，第三圖案R設(shè)置成具有寬度固定為50微米的黑色部分。第一圖案A設(shè)置成具有寬度以7個區(qū)為一周期進行調(diào)制的黑色部分。第二圖案B設(shè)置成具有寬度以5個區(qū)為一周期進行調(diào)制的黑色部分。
由于第一圖案A設(shè)置成具有寬度以7個區(qū)為一周期進行調(diào)制的黑色部分，如果被調(diào)制的寬度是20微米至80微米，則第一圖案的寬度DA由下列等式給出DA＝50+30*SIN(2*π*X/7)……(等式3)其中X＝(0，1，2，3……)類似地，由于第二圖案B設(shè)置成具有寬度以5個區(qū)為一周期進行調(diào)制的黑色部分，第二圖案的寬度DB由下列等式給出DB＝50+30*SIN(2*π*X/5)……(等式4)其中X＝(0，1，2，3……)由于第一圖案A和第二圖案B具有略微不同的周期，所以同一圖案將以對應(yīng)于兩周期的最小公倍數(shù)的距離重復(fù)出現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明，同樣的圖案將每隔35個區(qū)出現(xiàn)，35區(qū)是7區(qū)和5區(qū)的最小公倍數(shù)。
即，如果在包含水平位置的一個區(qū)中的第一圖案A的相號碼用ΦA(chǔ)(0至6)表示，在包含一水平位置的一個區(qū)中的第二圖案B的相號碼用ΦB(0至4)表示，暗場圖案300的位置H可以用下列等式將相號碼ΦA(chǔ)和ΦB組合起來來表示H＝ΦA(chǔ)B*p*m……(等式5)其中ΦA(chǔ)B是包含各相號碼的區(qū)號碼。
下面將具體地描述計算暗場圖案300的位置的方法。
對第一光接收元件810和第二光接收元件820輸出信號，在基準信號(對應(yīng)于一定間隔節(jié)距(p)的信號)的前一半和后一半節(jié)距量范圍內(nèi)計算圖案的寬度。如果圖案寬度每隔三個圖案元素(乘積檢波(product detection))取十分之一(decimated)，如圖6和7所示，就可獲得對應(yīng)于第一圖案A的信號1，對應(yīng)于第二圖案2的信號2，對應(yīng)于第三圖案R的信號3。但是，第三圖案R沒有被調(diào)制。此外，盡管第一圖案A和第二圖案B具有最大調(diào)制寬度80微米，但第三圖案R具有50微米的調(diào)制寬度。因此，對應(yīng)于第三圖案R的信號3的寬度基本恒定，其值約是信號1和信號2的50％。
由于第三圖案R、第一圖案A和第二圖案B根據(jù)預(yù)定順序重復(fù)排列，就可確定哪個圖案從第三圖案R、第一圖案A和第二圖案B中取十分之一。
于是，如果選擇一組包含線性傳感器810、820上的地址位置(第m位)的圖案A和B的信號作為一閱讀傾斜的基準位置，并計算圖案A和B的相號碼(phase number)，于是就有可能確定是第一圖案A和第二圖案B和第三圖案R組合的哪個位置。
這樣，圖案A信號的相號碼用Am表示，圖案B的相號碼用Bm表示。然后，將圖案A和圖案B的相號碼組合起來就可以獲得包含圖R、A和B的區(qū)號碼ΦA(chǔ)B。
包含基準位置(第m位)的圖案可表示如下在圖案R的情況下；……3*p*ΦA(chǔ)B……(等式6)在圖案A的情況下；……p*(3*ΦA(chǔ)B+1)……(等式7)在圖案B的情況下；……p*(3*ΦA(chǔ)B+2)……(等式8)其中p代表節(jié)距間隔。
如果將從等式6至8所獲得的數(shù)值和從等式2所獲得的數(shù)值組合在一起，就能獲得暗場圖案300的位置H。
如果用發(fā)散圖案的圓柱透鏡代替圓柱聚光鏡的話，暗場圖案300的位置也能獲得。
下面結(jié)合附圖8描述本實施例的算術(shù)運算裝置16。
用一放大器161來放大由一選擇器168選擇的來自第一光接收元件810或第二光接收元件820的電信號。一取樣保持電路162用來自鐘脈沖驅(qū)動器(clockdrive)165的定時信號來取樣保持被放大的電信號。用一模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器163把模擬信號或被取樣保持的電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。用一RAM存儲由模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器163轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號。此外，一微型計算機166進行各類算術(shù)運算。
下面結(jié)合圖9描述微型計算機166所完成的功能。算術(shù)運算裝置16包括一產(chǎn)生基準信號的單元1661、一產(chǎn)生圖案信號的單元1662和一計算單元1664。用產(chǎn)生基準信號的單元1661，借助快速傅里葉變換，從第一光接收元件810和第二光接收元件820得到的電氣信號生成對應(yīng)于具有一定間隔節(jié)距p的基準信號。
用產(chǎn)生圖案信號的單元1662計算在前半個節(jié)距量和后半個節(jié)距量范圍內(nèi)的基準信號的寬度，并通過每隔三個圖案元件(乘積檢波)取十分之一圖案寬度來形成一第一圖案信號和一第二圖案信號。
計算單元1664從第一圖案信號和第二圖案信號的相號碼中計算包含基準位置的區(qū)號碼(a block number)，確定以節(jié)距為單位的一位置，與通過快速傅里葉變換獲得的節(jié)距(等式2)內(nèi)的相取得數(shù)字的一致，高精度地確定暗場圖案300的位置，以及計算暗場圖案300的位移量。
用一顯示單元167顯示計算單元1664計算的傾斜角。顯示單元167可由任何顯示裝置諸如液晶顯示器所形成。此外，顯示單元167可設(shè)置成將圖象數(shù)據(jù)輸出到任何外界存儲裝置或類似裝置。
下面將描述一設(shè)定傾斜回轉(zhuǎn)激光設(shè)備5000。在下面的說明中，與已有技術(shù)例子共同的地方將不再描述。
如圖10所示，設(shè)定傾斜回轉(zhuǎn)激光設(shè)備5000有一激光投射器10，用于產(chǎn)生基本上位于外殼5中心的激光束。設(shè)定傾斜回轉(zhuǎn)激光設(shè)備5000在激光投射器10的上面設(shè)置回轉(zhuǎn)掃描單元13。回轉(zhuǎn)掃描單元13設(shè)置成用掃描電動機15經(jīng)一齒輪能在水平方向轉(zhuǎn)動?；剞D(zhuǎn)掃描單元13設(shè)置有五棱鏡18，使照射在回轉(zhuǎn)掃描單元13的回轉(zhuǎn)軸上的激光束偏振90度，從而形成一激光基準平面。
激光投射器10設(shè)置有傾斜傳感器1000，使傾斜傳感器1000進行探測的兩個方向與激光投射器10和回轉(zhuǎn)掃描單元13能被傾斜的、成直角的兩個方向一致。
用在本發(fā)明的傾斜傳感器1000原先是一探測位置誤差的傳感器，但通過將輸出值轉(zhuǎn)換為角度該傾斜傳感器1000可高精度地探測角度。本發(fā)明的傾斜傳感器1000為高精度探測傾斜的液體表面反射探測類型，它還設(shè)置成用以投射和探測編碼圖案的那一類。
此外，根據(jù)實施例，巧妙地設(shè)置圖案，使兩個方向上的傾度能等同地探測。另外，讀取的信號經(jīng)過快速傅里葉變換(FFT)能不受所產(chǎn)生的圖案誤差的影響而高精度地探測傾度。
有了這種結(jié)構(gòu)，就可在高精度和較寬的動態(tài)范圍下在兩個方向探測傾度，最大探測角度可達10度(22％)左右。因此，當(dāng)該實施例用在公共建設(shè)工程，諸如用在需要達到能對百分之幾的梯度(傾斜量)進行測量的排水系統(tǒng)或道路修復(fù)的工程中時，就有足夠的梯度(傾斜量)探測范圍。
本實施例的傾斜傳感器1000可用在傾斜設(shè)定回轉(zhuǎn)激光設(shè)備5000中，使它能直接確定傾斜角度。
因此，第一傾斜傳感器20、第二傾斜傳感器21、第一傾斜設(shè)定傳感器65、第二傾斜設(shè)定傳感器66、第一任意角設(shè)定單元52、第二任意角度設(shè)定單元53、第一驅(qū)動電動機58和第二驅(qū)動電動機59可由一單個的傾斜傳感器所替代。
下面，將結(jié)合圖11來描述傾斜傳感器1000是怎樣進行控制的。
在一傾斜算術(shù)運算單元2000中對由傾斜傳感器1000或傾斜探測裝置探測的輸出信號進行處理，以計算傾斜角度。
控制單元3000將一與輸入單元3100輸入的設(shè)定傾斜角與由傾斜算術(shù)運算單元2000提供的傾斜角信號之差相對應(yīng)的輸出供應(yīng)到一第一電動機控制單元4100和第二電動機控制單元4200，從而驅(qū)動第一傾斜調(diào)節(jié)電動機4300和第二傾斜調(diào)節(jié)電動機4400。當(dāng)傾斜傳感器1000的輸出信號與輸入單元3100輸入的信號之差異變?yōu)榱銜r，這就意味著激光投射器10已肯定有一所需的傾斜度。
一顯示驅(qū)動單元4500與一顯示單元4600相連，顯示單元4600能夠顯示輸入角度、梯度(傾斜量)、目前的傾斜度等等。
根據(jù)控制方法，實際上能實現(xiàn)的有兩種可能的動作。
可能的動作之一是傾斜設(shè)定回轉(zhuǎn)激光設(shè)備5000被直接驅(qū)動，從而通過當(dāng)前的傾斜狀態(tài)的輸入動作來設(shè)定傾斜，以使傾斜設(shè)定回轉(zhuǎn)激光設(shè)備5000具有預(yù)定的傾斜。此后，激光投射器10的激光束回轉(zhuǎn)照射，以形成一激光基準面。
另一動作是以類似于已有技術(shù)的方式進行水平調(diào)節(jié)動作，然后傾斜設(shè)定回轉(zhuǎn)激光設(shè)備5000傾斜使之具有所輸入的傾斜度。
第一電動機控制單元4100對應(yīng)于上述已有技術(shù)的第一電動機控制單元89，而第二電動機控制單元4200對應(yīng)于上述已有技術(shù)第二電動機控制單元90。
第一傾斜調(diào)節(jié)電動機4300對應(yīng)于第一水平調(diào)節(jié)電動機31，而第二傾斜調(diào)節(jié)電動機4400對應(yīng)于第二水平調(diào)節(jié)電動機32。
傾斜算術(shù)運算單元2000等同于算術(shù)運算單元16或上述實施例的微型計算機166。傾斜算術(shù)運算單元2000和控制單元3000由普通的硬件芯片來實現(xiàn)。
根據(jù)上述本發(fā)明的傾斜傳感器1000，暗場圖案形成為兩維圖案，兩維圖案中的圖案元素分別沿第一聚集元件和第二聚集元件的縱向以一定間隔排列，圖案元素排列成從垂直于圖案元素排列方向的方向看具有同樣的寬度。因此，傾斜傳感器1000具有較高的機械強度。所以，就可為緊湊的位置測量設(shè)備提供較高的精度。
根據(jù)本發(fā)明，如果光源和具有反射該光源光束的自由表面的液體部件的表面設(shè)置成共軛關(guān)系，液體部件的表面上的反射區(qū)域變?yōu)樽钚?，其結(jié)果是由于液體表面張力而引起的誤差也變得最小。此外，液體部件的體積也可以做得較小。
由于本發(fā)明的半透明反射鏡有一相對于從光源穿過它的光束傾斜的表面，被反射的光束將不會以在相反的方向經(jīng)過同一光程。因此無用的反射光將不會入射在光接收元件上，使它可能獲得高精度的測量。
此外，由于采用傾斜傳感器1000的設(shè)定傾斜回轉(zhuǎn)激光設(shè)備具有較強的機械強度，所以可提供一緊湊的位置測量設(shè)備。
盡管上面已描述了幾個實施例，但這些實施例僅僅是用作舉例說明之用，本發(fā)明不限于這些實施例。因此，在不脫離本發(fā)明的基本精神和范圍的情況下，還可對本發(fā)明的實施例進行種種改變和變化，而這對本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員而言是顯而易見的，因此，這些改變或變化應(yīng)包含在所附的權(quán)利要求書中所闡述的基本精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一位置測量設(shè)備，它包括一安排成能指示兩維位置的圖案；一能將從圖案傳送過來的光束分裂成指向兩個方向的兩個光束的第一光學(xué)系統(tǒng)；一將第一光學(xué)系統(tǒng)的光束聚集在第一方向的第一聚集元件；一將第一光學(xué)系統(tǒng)的光束聚集在不同于第一方向的第二方向的第二聚集元件；一接收由第一聚集元件聚集的圖案映象的第一光接收元件；一接收由第二聚集元件聚集的圖案映象的第二光接收元件；根據(jù)第一聚集元件和第二聚集元件接收的光信號計算圖案上的位置的計算裝置；其中圖案由分別沿第一聚集元件和第二聚集元件的縱向以一定間隔排列的兩維圖案所組成，排列在每一縱向上的兩維圖案設(shè)置成從垂直于縱向的方向看具有同樣的寬度。
2.一種如權(quán)利要求1所述的位置測量設(shè)備，其特征在于，圖案在第一方向和第二方向有恒定的寬度，并有序地以一定的間隔排列。
3.一種如權(quán)利要求1所述的位置測量設(shè)備，其特征在于，在第一和第二方向上，圖案至少由用第一周期調(diào)制的第一圖案和用不同于第一周期的第二周期調(diào)制的第二圖案所形成，第一圖案和第二圖案以一定的間隔有序排列。
4.一種如權(quán)利要求3所述的位置測量設(shè)備，其特征在于，第一圖案和第二圖案的調(diào)制是通過行寬可變的空間調(diào)制來進行的。
5.一種位置測量設(shè)備，它包括一光源；一使來自光源的光束平行的第一光學(xué)系統(tǒng)；一使來自第一光學(xué)系統(tǒng)的光束穿過自己和指出一兩維位置的圖案；一具有能反射圖案的自由表面的液體部件；一形成在液體部件上反射的圖案的映象的第二光學(xué)系統(tǒng)；一將第二光學(xué)系統(tǒng)的光束聚集在第一方向的第一聚集元件；一將第二光學(xué)系統(tǒng)的光束聚集在不同于第一方向的第二方向的第二聚集元件；一接收由第一聚集元件聚集的圖案的映象的第一光接收元件；一接收由第二聚集元件聚集的圖案的映象的第二光接收元件；根據(jù)第一聚集元件和第二聚集元件接收的光信號從圖案上的位置計算傾斜的計算裝置；其中圖案由絕對圖案所形成。
6.一種如權(quán)利要求5所述的位置測量設(shè)備，其特征在于，一半透明反射鏡設(shè)置在液體部件和第二光學(xué)系統(tǒng)的光程中。
7.一種如權(quán)利要求5或6所述的位置測量設(shè)備，其特征在于，光源和具有反射來自光源的光束的自由表面的液體部件的表面被設(shè)置成共軛關(guān)系。
8.一種如權(quán)利要求6或7所述的位置測量設(shè)備，其特征在于，液體部件與半透明反射鏡形成一體。
9.一種如權(quán)利要求5至8中的任何一項所述的位置測量設(shè)備，其特征在于，算術(shù)運算裝置根據(jù)絕對圖案計算比圖案的節(jié)距大的移動，同時，借助傅里葉變換計算圖案的相位來計算比節(jié)距小的移動，由此計算傾斜。
10.一種如權(quán)利要求5至9中的任何一項所述的位置測量設(shè)備，其特征在于，具有自由表面的液體部件用一可擺動的懸掛件替代。
11.一種如權(quán)利要求5至10中的任何一項所述的位置測量設(shè)備，其特征在于，圖案至少由用第一周期調(diào)制的第一圖案和用不同于第一周期的第二周期調(diào)制的第二圖案所形成，第一圖案和第二圖案以一定間隔有序排列。
12.一種如權(quán)利要求5至11中任何一項所述的位置測量設(shè)備，其特征在于，第一圖案和第二圖案的調(diào)制是通過行寬可變的空間調(diào)制來進行的。
13.一種如權(quán)利要求11或12所述的位置測量設(shè)備，其特征在于，圖案除第一圖案和第二圖案之外還有均勻的第三圖案，第一圖案、第二圖案和第三圖案以一定的間隔有序地排列。
14.一種如權(quán)利要求1至13中任何一項所述的位置測量設(shè)備，其特征在于，第一聚集元件和第二聚集元件以及第一光接收元件和第二光接收元件可用至少一個區(qū)域傳感器替代。
15.一種測量儀，它具有安裝在測量儀主體上的如權(quán)利要求1至14中任何一項所述的位置測量設(shè)備，由此，可探測測量儀的傾斜。
16.一種設(shè)定傾斜回轉(zhuǎn)激光設(shè)備，它具有一投射激光束的激光投射器、在至少一個方向傾側(cè)激光投射器的傾側(cè)裝置和傾斜探測裝置，其中傾斜探測裝置包括一具有自由表面的液體部件、一將光束從光源導(dǎo)向液體部件的第一光學(xué)系統(tǒng)、接收在液體部件上反射的光的光接收裝置和一將在液體部件上反射的光引導(dǎo)到光接收裝置的第二光學(xué)系統(tǒng)，根據(jù)光接收裝置接收的光信號計算傾斜的計算裝置，根據(jù)計算所算得的傾斜驅(qū)動傾側(cè)裝置，從而設(shè)定激光投射器的傾斜。
17.一種設(shè)定傾斜回轉(zhuǎn)激光設(shè)備，它具有一投射激光束的激光投射器、在至少一個方向傾側(cè)激光投射器的傾側(cè)裝置和傾斜探測裝置，其中傾斜探測裝置包括其排列能指出兩維位置的圖案；一能將從圖案過來的光束分裂成指向兩個方向的兩個光束的光束分裂(光學(xué))系統(tǒng)；一將來自光束分裂(光學(xué))系統(tǒng)的光束聚集在第一方向的第一光學(xué)元件；一將來自光束分裂(光學(xué))系統(tǒng)的光束聚集在不同于第一方向的第二方向的第二光學(xué)元件；一接收由第一光學(xué)元件聚集的圖案的映象的第一光接收元件；一接收由第二光學(xué)元件聚集的圖案的映象的第二光接收元件；根據(jù)第一光學(xué)元件和第二光學(xué)元件接收的光信號計算圖案上的位置；以及，計算傾斜的算術(shù)運算裝置，根據(jù)由其計算的傾斜驅(qū)動傾側(cè)裝置來設(shè)定激光投射器的傾斜。
18.一種如權(quán)利要求17所述的設(shè)定傾斜回轉(zhuǎn)激光設(shè)備，其特征在于，圖案由分別沿第一光學(xué)元件和第二光學(xué)元件的縱向以一定間隔排列的兩維圖案所組成，排列在每一縱向上的兩維圖案設(shè)置成從垂直于縱向的方向看具有同樣的寬度。
19.一種如權(quán)利要求17或18所述的設(shè)定傾斜回轉(zhuǎn)激光設(shè)備，其特征在于，圖案在第一方向和第二方向上有恒定的寬度，并有序地以一定的間隔排列。
20.一種如權(quán)利要求17或19所述的設(shè)定傾斜回轉(zhuǎn)激光設(shè)備，其特征在于，在第一和第二方向上，圖案至少由用第一周期調(diào)制的第一圖案和用不同于第一周期的第二周期調(diào)制的第二圖案所形成，第一圖案和第二圖案以一定的間隔有序排列。
21.一種如權(quán)利要求20所述的設(shè)定傾斜回轉(zhuǎn)激光設(shè)備，其特征在于，第一圖案和第二圖案的調(diào)制是通過行寬可變的空間調(diào)制來進行的。
22.一種如權(quán)利要求17至21中的任何一項所述的設(shè)定傾斜回轉(zhuǎn)激光設(shè)備，其特征在于，算術(shù)運算裝置根據(jù)圖案計算比圖案的節(jié)距大的移動，同時，借助傅里葉變換計算圖案的相位來計算比節(jié)距小的移動，由此計算傾斜。
23.一種如權(quán)利要求17至22中任何一項所述的設(shè)定傾斜回轉(zhuǎn)激光設(shè)備，其特征在于，第一光學(xué)元件和第二光學(xué)元件以及第一光接收元件和第二光接收元件可用至少一個區(qū)域傳感器替代。
24.一種如權(quán)利要求17至23中任何一項所述的設(shè)定傾斜回轉(zhuǎn)激光設(shè)備，其特征在于，第一光學(xué)元件的第二光學(xué)元件的聚集光學(xué)元件可用一發(fā)散光學(xué)元件來替代。
全文摘要
本發(fā)明的一個目的是提供一種用于激光測量儀的設(shè)定傾斜回轉(zhuǎn)激光設(shè)備。本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu),在這種結(jié)構(gòu)中,激光投射器投射一激光束,傾側(cè)裝置在至少一個方向上傾側(cè)激光投射器,傾斜探測裝置的一第一光學(xué)系統(tǒng)將光源來的光送向具有自由表面的一液體部件,光接收裝置接收在液體部件上反射的光,一第二光學(xué)系統(tǒng)將在液體部件上被反射的光引導(dǎo)到光接收裝置,算術(shù)運算裝置根據(jù)光接收裝置的接收到的信號計算傾斜,由此,根據(jù)傾斜來驅(qū)動傾側(cè)裝置,使激光投射器傾斜到所需的傾斜位置。
文檔編號G01C15/00GK1250870SQ9912106
公開日2000年4月19日 申請日期1999年9月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月29日
發(fā)明者熊谷薰, 大友文夫, 西正之 申請人:株式會社拓普康