CN1139752A - 倾斜角自动补偿装置 - Google Patents

Abstract

一种倾斜角自动补偿装置，装有：封入形成自由液面用的透明液体的液体封入容器，将自由液面反射用的光束以确定角度射向该自由液面的照明系统，分离照明系统光轴的光轴分离单元，使照明系统的光束透过封入容器内部的第一光入射部件，使由分离单元分离的光轴透过封入容器内部的第二光入射部件，使被自由液面反射的光束从封入容器中射出的第一光射出部件以及与该光射出部件相对配置的第二光射出部件。

Description

倾斜角自动补偿装置

本发明涉及保持测试仪器的光轴铅直或保持仪器的光轴水平或形成水平光束照射面，或形成垂直光束照射的角度自动补偿装置，该装置可用来对测量或测定仪器倾斜量的变化进行测定。

用测量或测定仪器进行各种测量时，必需对仪器的基准而进行补偿，或是对光轴的铅直性进行补偿。

以往，为能自动进行这种补偿，需用两根或三根以上的吊线悬挂摆锤状的透镜或棱镜式的摆体等，当测量或测定仪器的主体倾斜时，利用例如磁力制动机构对前述摆体进行制动，以便自动地对光路进行补偿，若采用利用透明液体的内表面反射的歪象光学棱镜等光学系统，也可以对照液面整体的倾斜方向变化，如同反射光束构成具有同一灵敏度的光轴那样对光路进行自动补偿。

然而，对于前述的已有技术，只能在装置整体略呈水平、或略呈垂直安装的状态下才能使用，而难于分别在略呈水平和略呈垂直这两种安装条件下通用。为了能通用，需安装使用另外准备的光学系统，使其可以替换原光学系统的一部分，为了在略呈水平的使用状态或在略呈垂直的使用状态下都能使用，必需对前述光学系统的一部分进行重新组装。这样，在光学系统拆装时将由于缺乏再现性而使精度降低，并且会增加装置的成本。

本发明鉴于这种情况，把对共用在略成水平状态或略成垂直状态的装置进行光路自动补偿作用目的，在该自动补偿方案中利用自由液面而不需要增加重新布置供个别目的用的光学系统或光学系统一部分的多余的机构，本发明还把检测装置的倾斜角作为目的，本发明的一种倾斜角补偿装置安装有：将形成自由液面用的透明液体封在其中的液体封入容器，将上述自由液面反射用的光束以确定的角度射向该自由液面的照明系统、分离上述照明系统光轴的光轴分离单元，使上述照明系统的光束透过上述容器内部的第一光入射部件、使由上述分离单元分离的光轴透过上述封入容器内部的第二光入射部件、使被上述自由液面反射的光束从上述封入容器中射出的第一光射出部件、与该光射出部件相对配置的第二光射出部件，当上述整个结构倾倒90°角，被上述分离单元分离的光束从第二入射部件射入液体封入容器后被转过了90°的自由液面反射，再从第二光射出部件射出，另外，第一光射出部件是用于当整个结构倾斜0°左右时自由液面反射光束再次向自由液面反射的第一反射部件，第二光射出部件是用于在整个结构成90°左右倾斜时从自由液面反射的光束再次向自由液面反射的第二反射部件，第一光射出的部件是设置在液体封入容器上的第一射出窗，第二光射出部件是设置在液体封入容器上的第二射出窗，由照明系统射出的光束是具有规定偏振方向的偏振光，在上述照明系统中还具有在整个结构倾斜0°左右时和倾斜90°左右时使具有不同偏振特性的光束射向光路分离单元用的偏振光变换单元，光路分离部件是由偏转分束镜构成的，在由照明系统射出的光束中，其偏振方向是规定的偏振光方向，而且上述分离单元是偏振光分束镜，利用可运动地配置在上述照明系统和上述偏振光分束镜之间的光轴上的第一双折射部件可以使该偏振光方向转动，当上述整个结构倾倒90°时，上述可运动地配置的双折射部件从光轴离开，上述照明系统的光轴借助上述偏振光分束镜同上述整个结构倾倒90°前的光轴分离，从上述自由液面反射的光束经第二光射出部件从液体封入容器射出，当偏振光变换单元根据整个结构的倾斜角以自由插入脱离方式配置在照明光路内，偏振光变换部件配置在光路内时，使光束的偏振光方向转动的是第一双折射部件，而第一双折射部件是入/2相位板，第二双折射部件是λ/4相位板。

图1是本发明的第一实施例的说明图。

图2是表示本发明的第一实施例倾倒90°状态下的说明图。

图3是表示本发明第一实施例的第一入/出射窗、第二入/出射窗的其它例子的局部放大图。

图4是在本发明中使用的液体摇晃防止器的正面图。

图5是上述的液体摇晃防止器的平面图。

图6是上述的液体摇晃防止器的侧剖视图。

图7是本发明第二实施例的说明图。

图8是表示第二实施例的第一入/出射窗，第二入/出射窗的其它例子的局部放大图。

图9是本发明第三实施例的说明图。

图10是第三实施例的平面图。

图11是第三实施例的倾倒90°后的说明图。

图12是第三实施例的倾倒90°后的平面图。

图13是实施本发明倾斜角检测装置的说明图。

图14是该倾斜角检测装置倾倒90°后的说明图。

图15是该倾斜角检测装置的角度检测部分的说明图。

图16是表示本发明第四实施例构成的说明图。

图17是表示第四实施例倾倒90°后的状态说明图。

图18是在本发明中使用的液体摇晃防止器的平面图。

图19是沿图18的A-A剖切的剖视图。

图20是沿图19的B-B剖切的剖视图。

图21是被自由液面一次反射情况下的角度自动补偿的说明图。

图22是说明自由液面倾斜场合下反射光束的反射角变化的说明图。

图23是说明自由液面倾斜场合下反射光束的反射角变化的说明图。

图24是表示对于歪象系统的透射光束的光轴变化的说明图。

图25(A)，图25(B)是表示歪象光学系统透射光束的光轴变化的说明图。

图26是说明被自由液面二次反射的场合下反射光束的反射角变化的说明图。

图27是说明被自由液面二次反射的场合下，当自由液面倾斜时反射光束的反射角变化的说明图。

下面参照图面说明本发明的一个实施例。

图1示出了本发明的第一实施例，配置有将透明液体1以形成自由液面3的状态封入的液体封入容器2。该液体封入容器2基本上呈短的八棱柱形。在形成八边形的面之内、邻接底面的一个面上配置第一入/出射窗4，邻接该第一入/出射窗4配置第二入/出射窗5。另外，在邻接上述底面的另一个面上配置反射部件即第一反射镜6，在该第一反射镜6的反射面上配置λ/4相位板7，在与上述第一反射镜6相对的位置上配置反射部件即第二反射镜8，在该第二反射镜8的反射面上配置双折射部件的λ/4相位板9。

液体摇晃防止器10以可以自由摇晃的方式配置在上述液体封入容器20的内部。该液体摇晃防止器10放置在上述自由液面3内并且具有同液体封入容器2的图形中心相对中的摇晃摇动轴。

该液体摇晃防止器10按照后述的方式具有从上述透明液体1的自由液面3到沉没在液体中若干位置上的透明液体摇晃防止板11，为了使该液体摇晃防止板11通常成水平状态，在摇动轴下方具有可以自由转动的重心。

为了从上述透明液体1的自由液面3反射，使由该自由液面3与水平面确定的角度最好是大于45°，以便配置具有使光束13入射的光轴的照明系统12。

照明系统12包括：光源部分14，该光源部分是发射具有垂直于纸面的偏振光方向的基本上为线偏振光的激光束的半导体激光器，使该光源部分14的光束成为平行光束的准直器15、可以自由转动地垂下，并由双折射材料制成的、变换偏振光方向的偏振光变换单元的λ/2相位板16和偏振光分束镜17。该偏振光束分光器17使平行于纸面的线偏振光成分透过，使垂直于纸面的直线偏振光成分反射。

使上述光束13朝向上述偏振片光分束镜17反射的第一反射镜18配置在上述偏振光分束镜17附近，并配置与上述第一反射镜18相对的第二反射镜19，反射镜18和19将偏振光分束镜夹在中间。该第二反射镜19使从上述偏振光分束镜17透过且从第一反射镜18反射的光沿图1中的铅直方向反射，在被第二反射镜19反射的光束的光轴上，从该第二反射镜19侧开始顺次配置歪象光学系统20、光速扩展器21、和以被第二反射镜19反射的光轴为中心转动的五棱镜23。

此外，偏振光分束镜17、第一反射镜18、第二反射19在下述方式下，构成分别使经第一反射镜6从上述第一入/出射窗口4射出的反射光束30、经上述第二反射镜8从上述第二入/出射窗5射出的反射光束30分别向铅直方向投影的投影光学系统。

下面说明其作用。

从光源14发出的光束13透射过λ/2相位板16之后变为平行于纸面的线偏振光光束。如上所述，偏振光分束镜17可以透过平行于纸面的直线偏振光，来自光源14的光束透过偏振光分束镜17后从上述第一入/出射窗4射向透明液体1，并且透过液体摇晃防止板11后由上述自由液面3朝向第一反射镜6反射。

光束由上述第一反射镜6反射后透过上述液体摇晃防止板11被自由液面3反射，并从上述第一入/出射窗4射出。另外，第一反射镜6具有作为使射入液体封入容器2内的光束再射出的第一光射出部件的功能。

由于上述λ/4相位板7配置在上述第一反射镜6的反射面上，所以上述光束13在被第一反射镜16反射的过程中两次透过λ/4相位板7。因此，被第一反射镜6反射的反射光束30的偏振方向变为垂直于纸面的直线偏振光。

反射光束30从上述第一入/出窗口4射出，并射入上述偏振光分束镜17上。由于上述反射光束30是垂直纸面的直线偏振光，所以它被上述偏振光分束镜17反射后再被上述第二反射镜19沿铅直方向反射。

上述自由液面3在本实施例的整个结构倾斜的场合下通常是水平的，因此光束13通常被水平面反射。因此，对着自由液面3的光束13的入射角随着本实施例的整个结构的倾斜而变化，并且由上述第二反射镜19反射的光束光轴也保持相对铅直方向的倾斜。上述歪象光学系统20、光束扩展器21补偿该倾斜，使入射在上述五棱镜23上的光束通常保持在铅直方向。另外，从上述五棱镜23射出的光束变为水平方向，由射出的光束获得水平基准线，通过使上述五棱镜23转动形成水平基准面。

下面参照图21至图27说明本实施例的自动补偿作用。图21是进一步简化的本实施例的结构，其表示被自由液面3一次反射的情况，该图中用相同的符号表示与图1中相同的结构。

在图22中，假设入射到该自由液面3上的光束13以角度θ入射。上述自由液面3同座标轴X、座标轴Z形成的XZ座标平面基本上一致，另外，垂直于该座标平面的座标轴为Y。假设上述入射光束13的光轴位于上述座标轴Z和座标轴Y形成的座标平面内，从这个状态开始，上述自由液面3以座标轴X为中心只倾斜角度α，则反射光束30的光轴在上述YZ座标平面内移动，在YZ座标平面内反射角只变化ξ1x成为反射光束30′。反射位移角ξ1x与该情况下液面的位移角α之间的关系为ξ1x＝2α，在这种场合下在XY座标平面内的没有产生反射位移角ξ2x。图中的19代表反射镜。

与此相对应的是，如图23所示的那样，当前述自由液面3以座标轴Z为基线只倾斜角度α时，上述反射光束30将分别沿背离上述XY座标平面和上述YZ座标平面的方向移动。因此，在上述XY座标平面和上述YZ座标平面上将分别产生反射位移角ξ1z和反射位移角ξ2z。而且反射位移角ξ1z与自由液面3的液面位移角α的关系为

[算式1]ξ1z＝cos^-1(cos²θ·cos2α＋sin²θ)

       ξ2z＝90°-cos^-1[(1-cos2α)sinθ·cosθ]

    设α＝10′，θ＝50°，则ξ2z＝1.7″即ξ2z是一个在精度范围内可以略去的值。设液体折射率为n时，液体透过后的光轴为

[算式2]

       ξ1x′＝2nα

       ξ1z′＝n·cos^-1(cos²θ·cos2α＋sin²θ)

因此，上述反射位移角ξ1x′，反射位移角ξ1z′对上述液面位移角α的灵敏度不同。通过用光学组件对该反射位移角ξ1x′和反射位移角ξ1z′的位移角灵敏度之间的差进行补偿，便可以获得相同的灵敏度，进而可以获得能相对于全方位按某一固定比率产生角度位移的光轴。

接着对图21进行说明。

在图2中，在测定机等机器主体上设置有液体封入容器，并由封入在该液体封入容器2中的液体形成自由液面3。而且，由光源14发出的光束通过准直透镜15投射至该自由液面3，使其以相对于自由液面3形成全反射的预定的角度投影，该光束的光轴象前述的那样，位于YZ座标平面内。

在上述自由液面3无倾斜状态下，使被该自由液面3全反射的反射光束30在偏光棱镜17以及第二反射镜19上沿垂直方向反射。沿反射光束30的光轴配置由一对楔状棱镜24、25构成的歪象光学系统20。透过该歪象光学棱镜系统20的光束，透过由凸透镜26，27构成的光束扩散器21。在此将凸透镜26的焦点距离设定为f3、凸透镜27的焦点距离为f4，则凸透镜26和凸透镜27之间的距离应为f3＋f4。

而且，也可以将上述歪象光学棱镜系统20设置在被反射镜19反射前的光路中。

在图21中，若将射向液体的入射角设定为θ＝50°，仪器的倾角，即自由液面的倾角α＝10′，液体折射率为n＝1.4，则用算式(2)计算自由液面3以X轴为轴线倾斜时的反射位移角ξ1x和自由液面3以Z轴为轴线倾斜时的反射位移角ξ1z′，可分别得到ξ1x′＝28′，ξ1z＝18′。因此，在上述反射位移角ξ1x′与上述反射位移角ξ1z′间，有(ξ1x′/ξ1z′)＝1.555倍的灵敏度差。因此，在此时有：

[算式3]ξ1x′＝2nα，ξ1z′＝1.286nα

       ξ1x′/ξ1z′＝1.555            (3)

下面，说明如何用上述歪象光学棱镜系统20对上述灵敏度差进行光学补偿。

利用图24，图25对歪象光学棱镜系统20进行说明。

假设构成歪象光学棱镜系统20的楔状棱镜24、25的棱镜顶角为α24，α25，楔状棱镜24，25的相对角为b，折射率为ng，入射光束为Din，出射光束为Dout，当楔状棱镜24、25为同类棱镜时，其顶角为α＝α24＝α25由于有

[算式4]

      倍率Map＝(Din/Dout)＝cos²α/(1-ng²·sin²α)

则角倍率近似为1/Map。

[算式5]

    Map＝2nα/1.286nα＝1.555

选定前述棱镜顶角α，楔状棱镜24、25的相对角b，折射率ng(例如，当ng＝1.51时；取α＝27.732°，b＝44.793°)，透过上述歪象光学系统20后的ξ1x变换为2nα×1.286nα/2nα＝1.286α，透过歪象光学系统20后，ξ1x′＝ξ1z′。

而且，透射过歪象光学棱镜系统20的反射光束30的光轴，相对上述自由液面3的各方向倾斜经常具有相同的反射位移角，因而，即使相对自由液面3的所有方向倾斜，对于这种倾斜也能经常获得相同的灵敏度的反射位移角。

而且当透过上述歪象光学棱镜系统20由前述反射镜19向上方反射的光束通过前述光束扩散器21时，若该光学扩散器21的角倍率为1/1.286n倍，则透射后的光轴只倾斜。

[算式6]

(ξ1x′＝ξ1z′＝1.286nα)×1/1.286n＝α

即透过前述光束扩散器21后的最终光轴，仍能与上述自由液面3大致正交，即保持为铅直方向。若构成光束扩展器21的凸透镜26的焦点距离为f3，凸透镜27的焦点距离为f4，则光束扩散展21的角倍率Mex为f3/f4，通过选择f3，f4的值，可使角倍率Mex为1/1.286n倍。

对于图21所示的实施例，使上述歪象光学棱镜系统20转过90°时，M＝1/1.555，也可以通过适当地选择前述楔状棱镜24、25的棱镜顶角α24、α25，楔状棱镜24，25的相对角b和折射率n来实现。

采用光学系统中的歪象光学棱镜系统20的目的是把常规的椭圆形光束成形为圆形。例如当用激光二极管作光源时，可通过该歪象光学棱镜系统20使光束的剖面形状近似成圆形(激光二极管的光束形状为椭圆形)。

一般来说，组装使用有这种激光二极管的仪器，大多具有可作为激光指示器或激光标示器的功能，因而希望所照射的光束形状大体呈圆形。因此，按照本发明，利用歪象光学棱镜系统20进行光轴补偿，对能获得圆形形状的光束是非常有效的。

如上所述，通过用光学组件对相对于液面位移角的上述反射位移角ξ1x′和反射位移角ξ1z′的位移角灵敏度差进行补偿，使灵敏度相同，从而可以获得对各方向均按通常一定的比率产生角度偏转的光轴。

在使光束向自由液面以预定角度入射、在上述自由液面上使光束进行全反射、并利用反光镜反射该射出光束、使其再入射到上述自由液面上、并由上述自由液面对光束进行全反射的场合下以及在自由液面相对于光束相对倾斜时，对于液面的倾斜方向使在上述自由液面上的光束两次全反射的场合下的两个反射角变化的灵敏度不同，下面参照图26-图27就这种情况进行说明。

由光分束器17射至上述自由液面3的入射光束以角度θ入射，由上述自由液面3全反射，然后由第一反射镜6反射后再次入射至上述自由液面3上，由上述自由液面3全反射，再透射过上述光分束器17，由前述反射镜19反射。下面就这种情形进行说明。

上述自由液面3与由座标轴X、座标轴Y构成的X座标平面大体一致，且该座标平面垂直于座标轴Y。上述入射光束Z的光轴位于由上述座标轴Z，座标轴Y构成的座标平面内。上述自由液面3以座标轴X为基线从这一状态倾斜角度α时，反射光束30的光轴将在上述YZ座标平面内移动，使反射角ξ1x在YZ座标平面内出现变化。这时的液面位移角α与反射位移角ξ1x间的关系为ξ1x＝4α，而不会在XY座标平面内产生反射位移角ξ2x。

与此相对应的是，若如图27所示，上述自由液面3以座标轴Z为基线倾斜角度α时，上述反射光束30将分别沿背离上述XY座标平面，上述YZ座标平面的方向移动。因此，在上述XY座标平面和上述YZ座标平面上将分别产生反射位移角ξ1z和ξ2z。而且，反射位移角ξ1z与自由液面3的液面位移角α间的关系为

[算式7]

ξ1Z＝cos^-1{cos2α·sin²2θ－cos2θ·sin²θ－(sin²2α－cos²2α·cos2θ)cos²θ}

ξ2Z＝π/2－cos^-1[{1/2(sin²2α-cos²2α·cos2θ－cos2θ)＋cos2α·cos2θ}sin2θ]

设α＝10′，θ＝50°，则ξ2z＝3.43″，因此ξ2z是一个在精度范围内可以略去不计的值。而且设液体折射率为n，则透过液体后的光轴为

[算式8]

ξ1x′＝nξ1x

ξ1z′＝nξ1z

设α＝10′，θ＝50°，n＝1.4则有

[算式9]

ξ1x′＝56′

ξ1z′＝35.994′

ξ1x′/ξ1z′＝1.555

因此，在θ＝50°时，上述反射位移角ξ1x′、ξ1z′间相对于前述液面位移角α的灵敏度差与前述的自由液面3进行一次反射时的情况相同。因此，可以利用歪象光学棱镜系统20获得通常相对于倾斜保持为相同灵敏度的反射位移角。

这里，歪象光学棱镜系统20的倍率Map为：

[算式10]

Map＝4nα/2.572nα＝1.555

1/Map＝rap＝1/1.555＝0.64309

因此，透过歪象光学棱镜系统20时，就按

[算式11]

ξ1x′＝4nα×1/1.555＝2.572nα

ξ1z′＝2.572nα进行补偿。

此外，为使透过歪象光学棱镜系统20的光束光轴保持为铅直，可在n＝1.4时，可将光束扩散器21的倍率Mex设定为：

[算式12]

Mex＝2.572nα/α＝2.572n＝3.601

rex＝1/Mex＝1/2.572n＝0.278

如上所述，通过用光学组件对相应于液面位移角的上述反射位移角ξ1x′和反射位移角ξ1z′间的位移角灵敏度差进行补偿，可获得相同的灵敏度，从而可以获得通常对各方向都按一定比率产生角度偏离的光轴。

如上所述，歪象光学系统20使反射灵敏度在各个方向相同，上述的光束扩展器21调整最后的灵敏度。因此透过该光束扩展器21的光束的光轴与整个结构的倾斜无关，因为其通常被补偿为沿铅直方向。由此可使从上述五棱镜23射出的光束为水平方向，且通过转动五棱镜23可以获得通常为固定的水平基准面。所以本发明可以用在水平发生器上。

图2示出了本实施例的整个结构倾倒90°时的情况。

上述液体摇晃防止器10在重力作用下使上述液体摇晃防止板11转动90°后成水平状态。相对重力中心通常处在水平状态下的透明液体1的自由液面3由于整个结构转动90°也随之转动90°。

此外，上述λ/2相位板16也转动90°，该λ/2相位板转过90°而偏离上述光束13。而入射到上述偏振光分束镜17上的光束含有垂直纸面的线偏振光，并被上述偏振光分束器17反射，再由上述第一反射镜18反射从上述第二入/出射窗5射入液体封入容器2内，透射过透明液体1和液体摇晃防止器10后由自由液面3反射，被该自由液面3反射的光束经上述第二反射镜8反射。该第二反射镜8上配置有λ/4相位板9，反射光束30两次透射过上述λ/4相位板9，使偏振方向改变为平行于纸面方向。被第二反射镜8反射的反射光束30由上述自由液面3反射后，透射过上述液体摇晃防止器10从第二入/出射窗5射出。另外，第二反射镜8具有使射入液体封入容器2的光束再射出的第二光射出部件功能。

以上述第二入/出射窗5射出的反射光束30由上述第一反射镜18反射，透射过上述偏振光分束镜17，被上述第二反射镜19向水平方向反射出。透射过上述歪象光学系统20，上述光束扩展器21后，从光束扩展器21射出的反射光束30保持水平方向，并且与整个结构的倾斜无关，从上述五棱镜23转动照射的光束面经常形成确定的铅直基准面。

于是，可以分别在角度自动补偿装置成水平姿势，垂直姿势的两种状态下进行角度补偿。

另外，虽然上述第一入/出射窗4，第二入/出射窗5是分开配置的，但是也可以按图3所示那样配置成一体。另外，上述偏振光分束镜17也可以是半透半反镜等其它的光路分离部件，在使用半透半反镜的场合下可以省略λ/2相位板。

虽然封入在液体封入容器2中的透明液体1在受到外来振动的影响时会产生摇晃，但是利用上述的液体摇晃防止器10可以抑制这种液体摇晃。

下面结合图4至图6说明液体摇晃防止器10。

该液体摇晃防止器10上具有带轴孔31的凸片32，该凸片32可自由摆动地嵌合配置在上述液体封入容器2侧面上的振子轴(图中未示出)上。上述振子轴配置在基本上与上述自由液面3的光束13的反射部分重合的位置上，从而可以使上述液体摇晃防止器以反射部分为中心产生摇动。

上述液体摇动防止器10被加工成平的半月形状，并加工成倒凹字形断面。把用于使光束透过的矩形透明板，特别是不能使光衰减的透明玻璃33嵌入上面的中央部分。上述液体摇晃防止器10的上面稍进入液面的下方，该液体摇晃防止器10的上面通常确定维持水平状态的重心位置。

如果将前述防止液体摇晃器具10的固有频率选择得比封入前述液体容器2中的透明液体1的固有频率小，则通过液体的粘性和防止液体摇晃板10的阻尼作用，便可抑制自由液面3的摇晃。而且，通过使防止液面摇晃器具10的转动中心处在自由液面3上光束反射点上的方式，便可以在使封入容器2转动90°时，仍使上述摇晃中心15保持在同样的状态下，当来自相对方向的光束按上述方式入射时，光束将沿相同方向反射。

通过使上述液体摇晃防止器10采用导热率高的材料，例如铜材并增加表面积，可以防止环境温度的急剧变化快速传递到液体内部，并防止折射率分布发生变化，从而可以提高光束的稳定性。

下面结合图7说明第二实施例。

在图7中，与图1和图2中所示的相同的零部件用相同的符号表示，并省略其说明。

在上述第一实施例中，λ/4相位板7λ/4相位板9分别设置在第一反射镜6，第二反射镜8的反射面上，而在第二实施例中，是使λ/4相位板7和λ/4相位板9分别重合在第一入/出射窗4和第二入/出射窗5上。

在该实施例中，入射到上述自由液面3上的光束和被该自由液面3反射的光束在图7所示的状态下或整个结构倾斜90°的场合下也分别二次透射过第一入出射窗4和第二入/出射窗5，即由于二次透射过λ/4相位板7、λ/4相位板9，所以使偏振方向改变90°。于是，在本实施例中，与上述第一实施例相同。利用不与整个结构倾斜相抵触的五棱柱23的射出光束可以制成水平基准面和垂直基准面，并可以在角度自动补偿装置的水平姿势和垂直姿势的两种状态下分别进行角度补偿。

另外，如图8所示，也可以使第一入/出射窗4和第二入/出射窗5分别同λ/4相位板7和λ/4相位板9重合成一体。

图9和图10示出了第三实施例。

在图9和图10中与图1和图2中所示的相同零部件用相同符号表示，并省略其说明。

在该实施例中，使光束在与图9中的纸面呈垂直的方向上以一定角度入射在上述自由液面3上，使入射光轴和反射光轴在与纸面垂直的方向上是错开的(见图10)。

在上述光源部分14的后方，在反射光轴上配置第四反射镜35，同时，在上述第一反射镜18的后方，在反射光轴上配置第五反射镜36。另外，图9和图10中的液体摇晃防止器10略去未示出，没有采用在第一实施例中使用的λ/4相位板7和λ/4相位板9的结构。

下面说明第三实施例的作用。

通过使从光源14发射的光束13透射过λ/2相位板16，将光束13变为同纸面平行的线偏振光光束。如上所述，由于偏振光分束镜17允许平行于纸面的线偏振光透过，所以来自光源部分14的光束透射过偏振光发束镜17并从上述第一入/出射窗4射到透明液体1上，由上述自由液面3朝向上述第一反射镜6反射。

反射光束30对着上述第一反射镜以所要求的角度入射后再反射出，通过与入射光束13不同的光轴被上述自由液面3反射。反射光束30从上述第一入/出射窗4射出，偏离上述偏振光分束镜17，到达上述第四反射镜35，被该第四反射镜35朝向铅直方向反射。被第四反射镜35反射的反射光束30透射过上述至歪象光学系统20和上述光束扩展器21经上述五棱镜23沿水平方向射出。

于是，从上述五棱镜23射出的光束变成水平光束，利用该射出的光束获得水平基准线，再使上述五棱镜22转动便形成由光束确定的水平基准面。

图11和图12示出整个结构转过90°的状态。

上述/2相位板16转动90°，该λ/2相位板16转过90°后偏离上述光束13。所以入射到上述偏振光分束镜17的光束含有垂直纸面向内传播的线偏振光，被上述偏振光分束镜17反射，经第一反射镜18反射后从上述第二入/出射窗5射入液体封入容器2内，透射过透明液体1被上述自由液面3反射出。由该自由液面3反射的光束又被上述第二反射镜8反射。

被第二反射镜8反射的反射光束30对着垂直纸面方向偏离入射光束的光轴后，被上述自由液面3反射，然后经上述第二入/出射窗5射出。从上述第二入/出射窗5射出的反射光束30偏离上述第一反射镜18到达上述第五反射镜36，被该第五反射镜36朝水平方向射出。

由于上述第四反射镜35和第五反射镜36在垂直于图11的纸面方向彼此分离，所以不会发生由上述第五反射镜36反射的反射光束被第四反射镜35遮住的现象。

在透射过上述歪象光学系统20、上述光束扩展器21之后，从光束扩展器21射出的反射光束30通常保持水平方向并且与整个结构的倾斜无关，利用上述五棱镜23转动照射的光束面通常形成一定的铅直基准面。

于是，在第三实施例中，在角度自动补偿装置的水平状态和垂直状态这两种状态下可以分别进行角度补偿。另外，在第三实施例中前进光程同返回光程不同，在返回光程没有透过偏振光分束镜17，其目的是为了防止光的衰减。

下面结合图13和14说明本发明的利用倾斜角自动补偿装置检测倾斜角的倾斜角检测装置。

另外，在本实施例中，凡与图1中所示的相同部件，都用相同的符号表示并省略其说明。

在本实施例中，省去了图1所示的倾斜角自动补偿装置的五棱镜23，而配置了代替它的光接收器38，同时配置用于在该光接收器38的受光面上成象的聚光透镜41，使得从歪象光学系统20射出的反射光束30被上述光接收器38接收。

该光接收器38按照图15所示的那样，将受光面以光轴为中心划分成四个受光区分面38a、38b、38c和38d，受光区分面38a、38c沿X轴方向配置，受光区分面38b、38d沿Z轴方向配置。

受光区分面38a、38c的输出作为比较放大器39的输入，受光区分面38b、38d的输出作为比较放大器40的输入。上述比较放大器39，比较放大器40的输出作为图中未示出的计算器的输入，根据这两个放大器的输出检测反射光束30的照射位置，计算上述自由液面3的液面倾斜角，即整个结构的倾角。

另外，也可以用CCD作为光接收元件，求出光接收器38上照射位置的座标轴再计算倾斜角。

下面结合图26说明在图13中上述自由液面3倾斜时的状态。用反射光束30的光轴来展现对应上述自由液面3倾斜的位移角，使光轴移动。上述歪象光学系统20对相应于上述自由液面3的所有方向倾斜的变异角的灵敏度进行修正。因此，在上述光接收器38受光面上的反射光束30的照射位置移动到对应上述自由液面3倾斜的位置上。不需要修正上述光接收器30的输出，就可以根据该光接收器38的输出进行整个结构倾斜角的检测。

另外，在使用CCD等作光接收元件求出光接收器38上的照射位置的座标轴再计算倾斜角的情况下，假设光接收器38同聚光透镜41间的距离为f，把射向该聚光透镜41的反射光束30的光轴同聚光透镜41的光轴的夹角设为θ，则光接收器38的受光面上的位移量为ftanθ，该位移量ftanθ可以根据光接收器38的信号检测出。因此起因于上述自由液面3的角度θ可以从位移量ftanθ进行逆运算计算出。

图14示出在本实施例的整个结构倾倒90°的状态。

关于图14所示的状态的作用，由于同图2所示的反射光束30射出到歪象光学系统20之前的情况相同，所以省略其说明。

因此，本倾斜角检测装置可以在0°或整个结构倾倒90°状态下检测0°，90°附近的整个结构的倾斜角。

另外还可以进行电气上的修正，以便使在省去歪象光学系统20后的光接收器38的输出灵敏度在所有的方向上都相同。另外，上述偏振光分束镜17也可以是半透半反镜等其它的光路分离部件，在用半透半反镜的情况下可以省去λ/2相位板16。

下面说明图16和图17中所示的第四实施例。

该第四实施例是被自由液面一次反射的情形。

把使光束从封入有用于形成自由液面3的透明液体1的容器2下侧面的外部引导通过透明液体1的第一光入射部件即第一入射窗51和第二光入射部件即第二入射窗52相邻配置，把使上述自由液面3反射的反射光束射出封入液体容器外部的第一光射出部件即第一射出窗53和第二光射出部件即第二射出窗54分别配置在上述液体封入容器2上，使第一射出窗53相对于上述第二入射窗52配置在侧面上，使第二射出窗54相对于上述第一入射窗51配置在侧面上。

另外，将液体摇晃防止器55可自由转动的放置在上述液体封入容器2内部，使其浸在上述透明液体1中，使该液体摇晃防止器55的转动轴同上述自由液3的液面重合或大至重合。该液体摇晃防止器55，象下述那样，浸没在上述透明液体1的自由液面3下面的多个位置上具有透明的液体摇晃防止板68，设定液体晃动防止器55的重心，以便使该液体摇晃防止板68通常处于水平状态下。

与上述第一入射窗51，第二入射窗52相对地配置照明系统56。该照明系统56在朝向上述第一入射窗51的方向上顺次配置准直透镜58，偏振光分束镜59，并在上述偏振光分束镜59和准直透镜58之间可以自由转动地配置双折射部件的1/2波长板60。该1/2波长板60如图16所示那样，在装置整个结构的Y轴朝向铅直方向的状态下，上述1/2波长板60横切来自光源57的光束，如图17所示，在整个结构的Z轴朝向铅直方向的状态下，重心位置由离开转动中心的偏心确定，以便使上述光束的光路偏离。

上述光源部分57的光源使用的是具有大至成线偏振光的半导体激光器，偏振光方向的设置应能成具有平行于图16所示的X轴振动的线偏振光，当来自上述光源部分57的入射光束13透过上述1/2波长板60时，轴的方向转过90°，接着能变成与Y轴平行的状态，从而确定上述1/2波长板60的偏振光面。

反射镜61面对着上述偏振光分束镜59配置，该反射镜61能使被偏振光分束镜59反射的光束朝向上述第二入射窗52反射。另外，该偏振光分束镜59允许透射过上述1/2波长板60的入射光束13即与Y轴平行振动的入射光束13透过，没有透过上述1/2波长板60的入射光束13即与X轴平行振动的入射光束13形成反射。

从上述第一入射窗51入射到透明液体1上的入射光束13透射过液体摇晃防止器55的液体摇晃防止板68，在图16的状态下相对上述自由液面3以所要求的角度(例如50°)入射，被上述自由液面3反射后，反射光束30透射过液体摇晃防止板68，从第一射出窗53射出。而从上述第二入射窗52入射到透明液体1中的入射光束13透射过上述液体摇晃防止器55的液体摇晃防止板68，在图17的状态下相对于上述自由液面3以所要求的角度50°入射，被上述自由液面3反射的反射光束30透射过液体摇晃防止板68，从第二射出窗54射出。

配置把从上述第一射出窗53射出的反射光束30反射到铅直方向的反射镜19，在上述第一射出窗53与上述反射镜19之间配置歪象光学系统20，在被反射镜19反射的反射光束30的光轴上顺次配置光束扩展器21、偏振光分束镜63、由电动机等所需要的旋转装置驱动旋转的转动五棱镜66。

面对上述第二射出窗54设置反射镜64，利用该反射镜64使从上述第二射出窗54射出的反射光束30射向上述偏振光分束镜63并在该偏振光分束镜63与上述反射镜64之间配置光束扩展器65，使被上述偏振光分束镜63反射的反射光束30的光轴与透过上述偏振光分束镜63的光束的光轴对准。将该偏振光分束镜63制作成能使与Z轴平行振动的光束透过并使与X轴平行振动的光束反射。

下面说明其操作。

从上述光源部分57射出、透过上述1/2波长板60且在Y轴方向上有振动的入射光束13透射过上述偏振光分束镜59，从上述第一入射窗51射入透明液体1内，再被上述自由液面3全反射。该透明液体1的反射点与上述液体摇晃防止器55的转动轴心重合或基本上重合。

被上述透明液体1的自由液面3反射的反射光束30从第一射出窗53射出，透射过歪象光学系统20后，由上述反射镜19朝向铅直方向反射，再透射过光束扩展器21和偏振光分束镜63、由上述转动五棱镜66使上述反射光束30从水平方向射出。

如上所述，歪象光学系统20使上述自由液面3上的反射灵敏度在所有的方向都相同，由光束扩展器21调整最终的灵敏度。从而使透过该光束扩展器21的光束的光轴通常在铅直方向获得补偿，并且不受整个结构倾斜的影响。因此，从上述转动五棱镜66射出的反射光束30形成水平基准线，再使转动五棱镜66转动便可获得通常保持恒定的水平基准面。即本发明可以用在水平发生器上。

图17示出了整个结构转过90°的状态。

上述液体摇晃防止器55转过90°时仍能保持上述液体摇晃防止板处在水平状态，由于透明液体1的自由液面3相对于重力中心通常是水平的，所以跟踪整个结构的的转动而转过90°。而且，由于上述1/2波长板60也转过90°，并从上述入射光束13的光路上离开。因此，具有X轴方向振动的入射光束13射入到偏振光分束器59上，该入射光束13被上述偏振光分束器59朝向上述反射镜61反射，被该反射镜61反射后，从上述第二入射窗52入射的入射光束13被上述自由液面3全反射。这时的入射光束13在透过液体1上的反射点同上述液体摇晃防止器55的转动轴心重合或大致重合。

被上述自由液面3反射的光束30从第二射出窗54射出后，由反射镜64反射，透射过光束扩展器65，再由偏振光分束器63朝向水平方向反射出，沿着与倾倒90°前反射光束的光轴相同的光轴前进。由于整个光学系统倾倒90°，所以被上述偏振光分束器63反射的反射光束30的光轴通常处在水平方向，把通过转动上述五棱镜照射形成的基准面变换到铅直方向，可以获得通常在ZY平面内保持铅直方向的旋转照射面，并与整个结构的倾斜无关。

就此，关于使如图17那样在整个结构转过90°时的光轴补偿是在ZY平面进行铅直补偿，关于XY平面没有进行补偿。这是为什么本装置在使用上，在使铅直照射面同基准点重合时，为了使结构转动建立在基准上，需使装置在设置时使照射面在转动方向上的动作不灵活为好的原因。

另外，第一入射窗和第二入射窗可以采用如图16中那样的一体结构，也可以把它们分开配置。因此，通过规定偏振光方向可以尽可能降低在分束镜中的光衰减。

虽然封入上述液体封入容器2中的透明液体1由于外来的振动而产生摇晃，但是利用上述液体摇晃防止器55可以抑制这种液体摇晃。

下面结合图18至图20对图4至图6所示的液体摇晃防止器10更具体的说是对液体摇晃防止器55进行说明。

该液体摇晃防止器55由上述液体摇晃防止板68和摇动板支持体69组成，在该摇动板支持体69的上面水平地安装有上述液体摇晃防止板68。

上述摇动支持体69具有多个通过上述液体摇晃防止板68上方的转动轴心，液体摇晃防止器55的重心位于与含有上述转动轴心的上述液体防止板68正交的面内，且按照使该重心处在液体摇晃防止板68下方的要求配置。在上述摇动板支持体69的上面加工有凹部70，在该凹部70上以搭接方式固定上述液体摇晃防止板68。该液体摇晃防止板68是由不衰减光的透明玻璃制成的。在上述摇动板支持体69以下面刻有平行于转动方向的沟槽并形成梳齿状，以便与透明液体1之间产生适当的阻力。另外，上述摇动板支持体69的材料是使用热导率高的材料例如铜，通过加工成梳齿状可以增加表面积，提高摇动板支持体69与透明液体1之间的热传导。

使在该透明液体1内的上述液体摇晃防止器55的固有频率比透明液体1的固有频率低，借助液体的粘性以及透明液1和摇动板支持体69之间的阻力可以抑制液体摇晃防止器55的振动，从而获得稳定的自由液面3。

另外，即使在环境温度急剧变化的条件下，由于上述摇动板支持体69向透明液体1内部的传热快，而基本上不产生温差，所以可防止出现折射率分布不同的现象，从而提高了光束的稳定性。

此外，显然，反射镜19可以用棱镜等其它反射部件代换。

根据上述的本发明，由于不需要特别准备用于再次安置光学系统或光学系统之一部分的多余的机构，装置中的共用光路可分别对略呈水平状态或略呈铅直状态这两种状态进行自动补偿，所以装置简单，从而提高了可操作性，并提高了精度及可再现性。由于利用了通常保持为水平的自由液面的反射，所以不再需要使用原有摆锤式角度补偿装置中那种高精度的组装技术，因此，组装简单；由于采用将液体注入容器的操作取代象原来摆锤式角度补偿装置那样吊挂光学部件的操作，使操作大为简化，即使由不同的操作者进行组装，也不会造成组装精度偏差；由于液体被完全封闭，所以不会随时间产生变化，从而具有良好的坑环境影响性能，还可利用液体的粘度对外来振动、冲击进行制动，而不需要安装复杂的制动装置。

Claims (17)

1.一种倾斜角自动补偿装置，其特征在于该装置装有：封入有形成自由液面用的透明液体的液体封入容器、将由上述自由液面反射用的光束以确定的角度射向该自由液面的照明系统、分离上述照明系统光轴的光轴分离单元，使上述照明系统的光束透过上述封入容器内部的第一光入射部件，使由上述分离单元分离的光轴透过上述封入容器内部的第二光入射部件，使被上述自由液面反射的光束从上述封入容器中射出的第一光射出部件、与该光射出部件相对配置的第二光射出部件；当上述整个结构倾倒90°时，被上述分离单元分离的光束从第二入射部件射入液体封入容器后，被转过了90°的自由液面反射，再从第二光射出部件射出。

2.如权利要求1所述的倾斜角自动补偿装置，其特征在于照射在自由液面上的光束入射角大于45°。

3.如权利要求1所述的倾斜角自动补偿装置，其特征在于，第一光射出部件是用于使在整个结构倾斜0°左右时由自由液面反射的光束再次朝向自由液面反射的第一反射部件，第二光射出部件是用于使在整个结构倾斜90°左右时由自由液面反射的光束再次朝向自由液面反射的第二反射部件。

4.如权利要求1所述的倾斜角自动补偿装置，其特征在于，第一光射出部件是配置在液体封入容器上的第一射出窗，第二光射出部件是配置在液体封入容器上的第二射出窗。

5.如权利要求1或2所述的倾斜角自动补偿装置，其特征在于，从照明系统射出的光束是具有规定偏振光方向的偏振光，在上述照明系统中配置有用于在整个结构倾斜0°左右或90°左右时使具有不同偏振光特性的光束朝向光路分离部件投射的光变换部件，光路分离部件由偏振光分束器构成。

6.如权利要求4所述的倾斜角自动补偿装置，其特征在于：偏振光变换部件是根据整个结构的倾斜可自由插入取出地配置在照明系统光路内并当其配置在光路内时可使光束的偏振方向转动的第一双折射部件。

7.如权利要求5所述的倾斜角自动补偿装置，其特征在于第一双折射件是λ/2相位板。

8.如权利要求6所述的倾斜角自动补偿装置，其特征在于用于使偏振光方向转动的第二双折射部件配置在自由液面同第一反射部件之间和自由液面同第二反射部件之间。

9.如权利要求6所述的倾斜角自动补偿装置，其特征在于：在分别沿第一光路的偏振光分束器与自由液面之间和沿第二光路的偏振光分束器与自由液面之间设置用于使偏振光方向转动的第二双折射部件。

10.如权利要求7或8所述的倾斜角自动补偿装置，其特征在于：第二双折射部件是λ/4相位板。

11.如权利要求1所述的倾斜角自动补偿装置，其特征在于：具有检测整个结构倾斜的光接收器，其将由自由液面再次反射、并使从液体封入容器射出的照明系统的光束导向上述光接收器。

12.一种如权利要求1所述的倾斜角自动补偿装置，其特征在于：在由照明系统中射出的光束中，其偏振光方向是规定的偏振光方向，上述分离单元是偏振光分离镜，利用可运动地配置在上述照明系统和上述偏振光分束镜之间的光轴上的第一双折射部件可以使该偏振光方向转动，当上述整个结构倾倒90°时，上述可运动地配置的双折射部件从光轴上离开，上述照明系统的光轴借助上述偏振光分束镜同上述整个结构倾倒90°前的光轴分离，由上述自动液面反射的光束经第二光射出部件从液体封入容器射出。

13.如权利要求11所述的倾斜角自动补偿装置，其特征在于：第一双折射部件是λ/2相位板。

14.如权利要求1、2或4所述的倾斜角自动补偿装置，其特征在于：从第一光射出部件和第二光射出部件射出的光束的光轴借助偏振光分束镜变为同一光轴。

15.如权利要求13所述的倾斜角自动补偿装置，其特征在于：偏振光分束镜与配置在照明系统中光路分离用的偏振光分束镜是分别设置的。

16.如权利要求1、2、3或11所述的倾斜角自动补偿装置，其特征在于：按照能使在自动液面上发生全反射的条件设定与液面的入射角。

17.如权利要求1、2、3或11所述的倾斜角自动补偿装置，其特征在于：在大约为转轴位置的液面内的反射位置上设有液体摇晃防止板。

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