專利名稱：位置檢測(cè)裝置、測(cè)量機(jī)的傾斜傳感器裝置及位置測(cè)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種利用具有自由表面的液體的位置檢測(cè)裝置，尤其是關(guān)于一種最適合于測(cè)量機(jī)的傾斜傳感器裝置，且可以小型化的位置檢測(cè)裝置及使用其的測(cè)量機(jī)的傾斜傳感器裝置及位置測(cè)定方法。
背景技術(shù)：
先前以來，已知位置檢測(cè)裝置及使用其的測(cè)量機(jī)具備射出光學(xué)系統(tǒng)，使來自光源的光束平行射出；暗視場(chǎng)圖案，具有使來自該射出光學(xué)系統(tǒng)的光束通過的呈二維圖案排列的通過部，并且使該光束具有圖案；液體，具有使該具有圖案的光束反射的自由表面；投影光學(xué)系統(tǒng)，投影由該液體的自由表面所反射的具有圖案的光束；第1聚光元件，構(gòu)成該投影光學(xué)系統(tǒng)的一部分，且使具有圖案的光束向第1方向聚光；第2聚光元件，構(gòu)成該投影光學(xué)系統(tǒng)的一部分，且使具有圖案的光束向與第1方向不同的第2方向聚光；第1受光傳感器，接收由第1聚光元件所聚光的投影像；以及第2受光傳感器，接收由第2聚光元件所聚光的投影像，并且，根據(jù)第1受光傳感器的受光信號(hào)與第2受光傳感器的受光信號(hào)，進(jìn)行X-Y方向的位置檢測(cè)，從而求得偏離基準(zhǔn)位置的移動(dòng)量。而且，已知有將所求得的移動(dòng)量換算為傾斜角的裝置(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。
繼而，也已知有使用了該位置檢測(cè)裝置的測(cè)量機(jī)的傾斜傳感器裝置。
日本專利特開2000-105119號(hào)公報(bào)但是，在這種位置檢測(cè)裝置及使用其的測(cè)量機(jī)的傾斜傳感器裝置中，使用作為構(gòu)成投影光學(xué)系統(tǒng)一部分的第1聚光元件、第2聚光元件的柱面透鏡(cylindrical lens)而使由液體的自由表面所反射的圖案形成光束向互不相同的方向聚光，從而以第1受光傳感器、第2受光傳感器分別接收聚光光束，因此該投影光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)略為復(fù)雜，且存在難以實(shí)現(xiàn)小型化的問題。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述情況，本發(fā)明的目的在于，提供一種可以實(shí)現(xiàn)投影光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)小型化的位置檢測(cè)裝置及使用其的測(cè)量機(jī)的傾斜傳感器裝置。
本發(fā)明的第一發(fā)明的位置檢測(cè)裝置包括液體，其形成有自由表面；光源，其朝向所述自由表面照射光束；暗視場(chǎng)圖案，其存在于所述光源與液體之間，在光束中形成圖案；受光傳感器，其檢測(cè)由上述自由表面所反射的光束的圖案；以及運(yùn)算單元，其根據(jù)所述受光傳感器的檢測(cè)結(jié)果而計(jì)算圖案的位置，其特征在于上述受光傳感器中受光元件在X方向與Y方向上呈矩陣狀配置，上述運(yùn)算單元將上述受光傳感器的檢測(cè)結(jié)果在X方向與Y方向上相加，且根據(jù)在X方向與Y方向上相加所獲得的輸出，計(jì)算圖案的位置。
本發(fā)明的第二發(fā)明的位置檢測(cè)裝置的特征在于，上述圖案在X方向與Y方向以寬度不同的方式配置，且上述運(yùn)算單元根據(jù)在X方向與Y方向上相加所獲得的輸出，計(jì)算相對(duì)于基準(zhǔn)位置的圖案的位置。
本發(fā)明的第三發(fā)明的位置檢測(cè)裝置的特征在于，上述圖案在X方向與Y方向，以寬度不同的方式周期性配置，且對(duì)在X方向與Y方向上相加所獲得的輸出結(jié)果進(jìn)行傅立葉轉(zhuǎn)換，并根據(jù)相位差來計(jì)算相對(duì)于基準(zhǔn)位置的圖案的位置。
本發(fā)明的第四發(fā)明的位置檢測(cè)裝置的特征在于，上述圖案在X方向與Y方向，以寬度不同的多個(gè)圖案交替的方式配置。
本發(fā)明的第五發(fā)明的位置檢測(cè)裝置的特征在于，在形成上述自由表面的液體、與將上述自由表面所反射的光束進(jìn)行反射和偏向的半反射鏡之間的光路中，設(shè)置有1/4波長板；且在上述半反射鏡、與上述暗視場(chǎng)圖案之間的光路中，設(shè)置有偏光板。
本發(fā)明的第六發(fā)明的位置檢測(cè)裝置的特征在于，在上述暗視場(chǎng)圖案與上述液體之間設(shè)置有偏光鏡，其將由上述自由表面所反射的光束進(jìn)行反射和偏向。
本發(fā)明的第七發(fā)明的位置檢測(cè)裝置的特征在于，上述受光傳感器具有垂直寄存器與水平寄存器；上述運(yùn)算單元依次記憶通過所述垂直寄存器與所述水平寄存器輸出的各受光元件的檢測(cè)結(jié)果，將所記憶的檢測(cè)結(jié)果在X方向與Y方向上相加，且根據(jù)在X方向與Y方向上相加所獲得的輸出，計(jì)算上述圖案的位置。
本發(fā)明的第八發(fā)明的位置檢測(cè)裝置的特征在于，上述受光傳感器可將排列在X方向與Y方向上的受光元件的檢出結(jié)果進(jìn)行相加并輸出；上述運(yùn)算單元根據(jù)在X方向與Y方向上相加所獲得的輸出，計(jì)算上述圖案的位置。
本發(fā)明的第九發(fā)明的位置檢測(cè)裝置的特征在于，上述運(yùn)算單元根據(jù)所計(jì)算出的圖案的位置，將上述圖案的位置換算為傾斜度。
本發(fā)明的第十發(fā)明的測(cè)量機(jī)的傾斜傳感器裝置，其特征在于該測(cè)量機(jī)的傾斜傳感器裝置使用了第九發(fā)明所述的位置檢測(cè)裝置。
本發(fā)明的第十一發(fā)明的位置測(cè)定方法包括在使來自光源的光束平行射出的光學(xué)系統(tǒng)的中途設(shè)置暗視場(chǎng)圖案，其包含使來自前述光源的光束通過的通過部，該通過部在X方向與Y方向上以二維方式排列；使通過上述通過部后具有圖案的光束經(jīng)由液體所形成的自由表面反射；在上述液體與暗視場(chǎng)圖案之間設(shè)置半反射鏡，其反射由上述自由表面所反射的具有圖案的光束；設(shè)置將由該半反射鏡所反射的具有圖案的光束作為投影像而進(jìn)行投影的投影透鏡；設(shè)置接收由該投影透鏡所投影的投影像的影像接收傳感器；以及設(shè)置根據(jù)被投影至該影像接收傳感器的投影像的讀取輸出而運(yùn)算該投影像的位置的運(yùn)算單元，其特征在于上述影像接收傳感器具有在X方向與Y方向上呈矩陣狀排列的受光元件；上述運(yùn)算單元在X方向上將排列在X方向上的各受光元件的檢出結(jié)果相加并輸出為Y方向讀取輸出，在Y方向上將排列在Y方向上的各受光元件的檢出結(jié)果相加并輸出為X方向讀取輸出。
依照本發(fā)明，可以達(dá)成投影光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的小型化。
而且，由于可以精簡構(gòu)成投影光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)元件，因此可以相應(yīng)地降低誤差主要原因。


圖1是表示本發(fā)明的位置檢測(cè)裝置的光學(xué)系統(tǒng)的圖，(a)為其詳細(xì)的光學(xué)圖，(b)為其模式圖。
圖2是表示暗視場(chǎng)圖案之一例的圖。
圖3是圖2所示暗視場(chǎng)圖案的放大圖。
圖4是表示呈投影有暗視場(chǎng)圖案的狀態(tài)的區(qū)域傳感器的圖。
圖5是圖4所示區(qū)域傳感器的讀取輸出的說明圖。
圖6是用以說明本發(fā)明的位置檢測(cè)裝置的測(cè)定原理的說明圖。
圖7是使用影像傳感器代替區(qū)域傳感器時(shí)的電路圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照?qǐng)D式說明本發(fā)明的位置檢測(cè)裝置及使用其的測(cè)量機(jī)的傾斜傳感器裝置的發(fā)明實(shí)施形態(tài)。
圖1表示構(gòu)成本發(fā)明的位置檢測(cè)裝置主要部分的傾斜傳感器裝置1的光學(xué)性結(jié)構(gòu)，傾斜傳感器裝置1具有光源2、聚光透鏡(condenser lens)3、暗視場(chǎng)圖案(dark-field pattern)4、中繼透鏡(relay lens)5、半透明反射鏡(half mirror)6、具有自由表面7a的液體7、投影透鏡8、受光傳感器9。
此處，光源2使用的是發(fā)光二極管(LED，light-emitting diode)，但也可以使用任一種光源。聚光透鏡3具有作為使來自光源2的光束平行射出的射出光學(xué)系統(tǒng)的功能。
在暗視場(chǎng)圖案4與中繼透鏡5之間設(shè)置有偏光板12，且在半透明反射鏡6與液體7之間設(shè)置有λ/4波長板(1/4波長板)13。
另外，也可以去除偏光板12、λ/4波長板13，并設(shè)置偏光鏡代替半透明反射鏡6。
暗視場(chǎng)圖案4是用于在受光傳感器9中形成后述的投影像。暗視場(chǎng)圖案4如圖2所示呈如下形狀，即在黑遮罩部4a上排列配置有多個(gè)通過部(狹縫)4b。
圖3是該暗視場(chǎng)圖案4的放大圖。該通過部4b是由互相直交的X軸方向上的排列圖案與Y軸方向上的排列圖案所組成的絕對(duì)圖案(absolutepattern)。
此處，用符號(hào)i(i為從1到N的整數(shù))表示X軸方向的行，用符號(hào)j(j為從1到K的整數(shù))表示Y軸方向的列，用符號(hào)Pij表示特定圖案。另外，該圖3所示的例中，N＝9、K＝8。
第1列的列圖案中，將基準(zhǔn)圖案R、第1圖案A、第2圖案B及第3圖案C以等間隔(P)重復(fù)配置。即，以此4種圖案定義一組的區(qū)塊，且此區(qū)塊被連續(xù)形成。如果將配置于最左側(cè)的區(qū)塊記作R、A(1)、B(1)、C(1)，例如是第1列的圖案，各區(qū)塊重復(fù)配置為R、A(1)、B(1)、C(1)；R、A(2)、B(2)、C(2)；R、A(3)、B(3)、C(3)；…。
即，圖3中，P11＝R、P21＝A1、P31＝B1、P41＝C1、P51＝R、P61＝A2、P71＝B2、P81＝C2、P91＝R。
同樣，第1行的行圖案中，將基準(zhǔn)圖案R、第1圖案A、第2圖案B及第3圖案C以等間隔(P)重復(fù)配置。即，與第1列的圖案同樣以此4種圖案定義一組的區(qū)塊，且此區(qū)塊被連續(xù)形成，且如果將配置于最上側(cè)的區(qū)塊記作R、A(1)、B(1)、C(1)，例如是第1行的圖案，各區(qū)塊重復(fù)配置為R、A(1)、B(1)、C(1)；R、A(2)、B(2)、C(2)；R、A(3)、B(3)、C(3)；…。
即，圖3中，P11＝R、P12＝A1、P13＝B1、P14＝C1、P15＝R、P16＝A2、P17＝B2、P18＝C2。
中繼透鏡5是使通過暗視場(chǎng)圖案4的圖案形成光束透過半反射鏡6而引導(dǎo)至液體7。
半透明反射鏡6在此處是由具有半透過面6a的分束器(beam splitter)所構(gòu)成。入射至半透明反射鏡6的具有圖案的光束，通過半透過面6a被引導(dǎo)向上方而入射至液體7，并射向自由表面7a。由該自由表面7a所反射的具有圖案的光束，再次返回至半透明反射鏡6，并由其半透過面6a反射，從而被導(dǎo)向投影透鏡8。
液體7是使用硅油(silicon oil)等具有適度粘性的液體。由于該液體7具有自由表面7a，因此相對(duì)于傾斜傳感器裝置1的傾斜，自由表面7a維持水平。
投影透鏡8具有如下功能，即，使由自由表面7a所反射，且被導(dǎo)向半透過面6a而反射的具有圖案的光束在受光傳感器9中成像。受光傳感器9在此處使用圖4所示能夠輸出在X方向與Y方向上經(jīng)相加的檢測(cè)輸出的二維區(qū)域傳感器。
該區(qū)域傳感器9具有在X方向上n個(gè)，在Y方向m個(gè)呈矩陣狀排列的受光元件9a。該區(qū)域傳感器9的受光元件9a中，如圖4所示，投影有作為暗視場(chǎng)圖案像的投影像4’。
此處，(i，j)表示處在i行、j列上的受光元件9a的輸出，(1，1)是指區(qū)域傳感器9的左上角的受光元件9a的輸出，(m，n)是指區(qū)域傳感器9的右下角的受光元件9a的輸出。
該區(qū)域傳感器9的X方向上的資料的讀取輸出，是以圖5所示的算式來表示。
X1＝(1，1)+(2，1)+(3，1)+…+(m，1)…(A1)X2＝(1，2)+(2，2)+(3，2)+…+(m，2)…(A2)X3＝(1，3)+(2，3)+(3，3)+…+(m，3)…(A3)…Xn＝(1，n)+(2，n)+(3，n)+…+(m，n)…(An)繼而，該區(qū)域傳感器9的Y方向上的資料的讀取輸出，同樣是以圖5所示的算式來表示。
Y1＝(1，1)+(1，2)+(1，3)+…+(1，n)…(B1)Y2＝(2，1)+(2，2)+(2，3)+…+(2，n)…(B2)Y3＝(3，1)+(3，2)+(3，3)+…+(3，n)…(B3)…Ym＝(m，1)+(m，2)+(m，3)+…+(m，n)…(Bm)對(duì)該區(qū)域傳感器9的X方向進(jìn)行的資料的讀取輸出、對(duì)該區(qū)域傳感器9的Y方向進(jìn)行的資料的讀取輸出，如圖5的下側(cè)、右側(cè)所示，與表示以間距P的間隔在X方向上聚光的Y方向的位置的投影像4’、以間距P的間隔在Y方向上聚光的X方向的位置的投影像4’等價(jià)。
這是因?yàn)?，?duì)區(qū)域傳感器9的X方向所進(jìn)行的資料的讀取輸出，是與根據(jù)使用柱面透鏡使以間距P的間隔而分布的暗視場(chǎng)圖案4在X方向上聚光，并投影至向Y方向延伸的線型傳感器的絕對(duì)圖案的投影像的光電轉(zhuǎn)換輸出等價(jià)。
并且，對(duì)區(qū)域傳感器9的Y方向所進(jìn)行的資料的讀取輸出，是與根據(jù)使用柱狀透鏡使以間距P的間隔而分布的暗視場(chǎng)圖案4在Y方向上聚光，并投影至向X方向延伸的線型傳感器的絕對(duì)圖案的投影像的光電轉(zhuǎn)換輸出等價(jià)。另外，使用該柱面透鏡的投影光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)公開在日本專利特開2000-105119號(hào)公報(bào)中。
即，該區(qū)域傳感器9具有X方向投影資料輸出功能，在X方向上將排列在X方向上的各受光元件的輸出相加并輸出為Y方向讀取輸出；以及Y方向投影資料輸出功能，在Y方向上將排列在Y方向上的各受光元件的輸出相加并輸出為X方向讀取輸出。
該區(qū)域傳感器9的讀取輸出被輸入至圖1(a)所示運(yùn)算單元11。運(yùn)算單元11具有CPU，負(fù)責(zé)整體控制的同時(shí)，檢測(cè)暗視場(chǎng)圖案4的各投影像4’在受光傳感器9上的位置，例如以特定圖案像Pij位于受光傳感器9的中心O(參照?qǐng)D4)時(shí)的投影像4’的位置作為基準(zhǔn)位置，求得此基準(zhǔn)位置與實(shí)際投影的投影像4’的位置之差。以此計(jì)算對(duì)應(yīng)的傾斜角。
即使傾斜傳感器裝置1傾斜，液體7的自由表面7a也可保持水平，因此區(qū)域傳感器9的各投影像4’與傾斜的角度成比例移動(dòng)。
如果將液體7的折射率設(shè)為n，當(dāng)傾斜傳感器裝置1傾斜角度θ時(shí)，由自由表面7a所反射的具有圖案的光束則傾斜2nθ。此處如果將投影透鏡8的焦點(diǎn)距離(此處與由自由表面7a至受光傳感器9的光軸距離相等)如圖1(b)所示設(shè)為f，并將特定圖案Pij距離受光傳感器9的中心O的偏移量設(shè)為dL，則dL＝f×tan(2nθ)…(1)。
因此，通過區(qū)域傳感器9檢測(cè)暗視場(chǎng)圖案4的X方向、Y方向的投影像4’的位置，求得其相對(duì)基準(zhǔn)位置的偏移量dL，并通過運(yùn)算單元11將偏移量dL轉(zhuǎn)換為角度θ，則可測(cè)定出傾斜傳感器裝置1的傾斜度。
以下，對(duì)運(yùn)算單元11的傾斜角的運(yùn)算處理進(jìn)行詳細(xì)說明。
對(duì)于角度θ的求取，如上所述，以特定圖案像Pij作為基準(zhǔn)位置，測(cè)定從區(qū)域傳感器9上所檢測(cè)出的投影像4’的位置相對(duì)基準(zhǔn)位置的偏移量dL即可。
而且，對(duì)于小于等于間距P的間隔的偏移量，可以將間距P的圖案對(duì)應(yīng)的空間頻率通過傅立葉轉(zhuǎn)換而得的正弦波或余弦波作為基準(zhǔn)信號(hào)使用。
傾斜傳感器裝置1為水平(角度θ＝0)，即特定圖案Pij與受光傳感器9的中心O一致時(shí)，所得的區(qū)域傳感器9的讀取輸出Xi、Yj通過傅立葉轉(zhuǎn)換求得的信號(hào)，相對(duì)于基準(zhǔn)信號(hào)的相位差為「0」。
當(dāng)傾斜傳感器裝置1傾斜角度θ時(shí)，由于特定圖案Pij從受光傳感器9的中心O偏移，區(qū)域傳感器9的讀取輸出Xi、Yj通過傅立葉轉(zhuǎn)換求得的信號(hào)的相位，相對(duì)于基準(zhǔn)信號(hào)的相位產(chǎn)生偏移。
此信號(hào)的相位相對(duì)于基準(zhǔn)信號(hào)的相位的差，亦即是相位差為Φ，在小于等于間距P時(shí)的偏移量通過下述式而求得。
Φ×P×m/(2π)…(2)其中，符號(hào)m為倍率。
此倍率m為從光源2到自由表面7a的距離與從自由表面7a到受光傳感器9的距離的比率。
因此，可以高精度地測(cè)定小于等于間距P的間隔的偏移量。
特定圖案Pij距離受光傳感器9的中心O的偏移量dL，通過將后述的間距P為單位的偏移量與小于等于間距P的偏移量相加而求得。
因此，運(yùn)算單元11可以根據(jù)整體的偏移量dL計(jì)算出對(duì)應(yīng)的傾斜角。即，使用區(qū)域傳感器9，獲得X方向上的資料的讀取輸出Xi、Y方向上的資料的讀取輸出Yj，根據(jù)X方向、Y方向的各讀取輸出，并通過運(yùn)算單元11而獲得X軸方向、Y軸方向的傾斜角。
其次，對(duì)于間距P為單位的偏移量的求取方法進(jìn)行說明。
為了簡化說明，以下，如圖6所示，將形成于受光元件9a上的投影像4’省略圖案C，而僅對(duì)由R、A(1)、B(1)，R、A(2)、B(2)，R、A(3)、B(3)，…的重復(fù)配置所構(gòu)成的投影像進(jìn)行說明。
即，以3種圖案為1組連續(xù)形成各區(qū)塊，且所有圖案以等間隔P進(jìn)行重復(fù)配置。由于所有圖案以等間隔P進(jìn)行重復(fù)，所以將對(duì)應(yīng)該間隔P的信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)。
基準(zhǔn)圖案R以黑寬度50μm作為固定寬度，第1圖案A調(diào)變黑部分的寬度而以7區(qū)塊作為1周期，第2圖案B調(diào)變黑部分的寬度而以5區(qū)塊作為1周期。
第1圖案A是調(diào)變黑部分的寬度而以7區(qū)塊作為1周期，因此如果將調(diào)變寬度設(shè)為20μm～80μm，則第1圖案寬度DA可以通過下述式而求得。
DA＝50+30×SIN(2×π×*X/7)…(3)其中，X＝(0、1、2、3、4、5、6、或7)的整數(shù)。
同樣，第2圖案B是調(diào)變黑部分的寬度而以5區(qū)塊作為1周期，因此第2圖案寬度DB可以通過下述式而求得。
DB＝50+30×SIN(2×π×X/5)…(4)其中，X＝(0、1、2、3、4、或5)的整數(shù)。
另外，由于第1圖案A與第2圖案B僅周期稍不相同，因此在兩者的最小公倍數(shù)上出現(xiàn)與最初相同的圖案。本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)中，在7區(qū)塊與5區(qū)塊的最小公倍數(shù)即35區(qū)塊上出現(xiàn)與最初相同的圖案。
即，如果將第1圖案A的相位序號(hào)設(shè)為ΦA(chǔ)(1～7)，第2圖案B的相位序號(hào)設(shè)為ΦB(1～5)，暗視場(chǎng)圖案的投影像4’的間距P為單位距離受光傳感器9的中心的偏移量H，可由下式求得H＝ΦA(chǔ)B×P×m…(5)其中，ΦA(chǔ)B為ΦA(chǔ)與ΦB組合的區(qū)塊序號(hào)。
因此，偏移量dL可由下式求得dL＝H+Φ×P×m/(2π)該運(yùn)算單元11具有省略圖示的放大器(amplifier)，由放大器放大的讀取輸出(A1～An、B1～Bm)經(jīng)數(shù)字轉(zhuǎn)換，而輸入至省略圖示的運(yùn)算部。
該運(yùn)算部根據(jù)與第1圖案相關(guān)的信號(hào)和與第2圖案相關(guān)的信號(hào)的相位序號(hào)，計(jì)算出包含基準(zhǔn)位置的區(qū)塊序號(hào)，且進(jìn)一步求得間距單位的偏移量，并與根據(jù)通過高速傅立葉轉(zhuǎn)換所獲得的小于等于間距單位的相位(第2式)的偏移量的數(shù)值結(jié)合，而求得暗視場(chǎng)圖案4的偏移量dL。
繼而，將以該運(yùn)算部所計(jì)算出的傾斜角顯示在省略圖示的顯示器上。
而且，如果將傾斜傳感器裝置1安裝在電子經(jīng)緯儀(electronictheodolite)等上，則可以檢測(cè)測(cè)量裝置本體的X方向及Y方向的傾斜度。
以上，發(fā)明的實(shí)施形態(tài)中，對(duì)可以輸出經(jīng)X方向與Y方向上相加的檢測(cè)輸出的二維區(qū)域傳感器進(jìn)行了說明，但如圖7所示，使用作為通常所用的受光傳感器的影像傳感器14也可以構(gòu)成本發(fā)明。
例如，如圖7所示，通過垂直寄存器15將蓄積在各受光元件14a中的電荷即檢測(cè)信號(hào)SK依次傳送至水平寄存器16。繼而，從水平寄存器16依次傳送至輸出部17，并使從各受光元件14a輸出的各檢測(cè)信號(hào)SK按照該各受光元件14a的排列而依次記憶到記憶單元18中。
此時(shí)，運(yùn)算單元將記憶單元18所記憶的檢測(cè)信號(hào)SK在影像傳感器14的X方向與Y方向上相加后獲得圖案的排列，再根據(jù)圖案的排列來計(jì)算出圖案的位置。
采用這樣的構(gòu)成，即使使用一般的影像傳感器14，也可以發(fā)揮與先前的柱面透鏡與線型傳感器的組合同樣的功能，并且可以實(shí)現(xiàn)投影光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)的小型化。
以上，參照附圖通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明。
然而，實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的示例而已，并不對(duì)本發(fā)明產(chǎn)生任何限定。因此，在沒有脫離本發(fā)明要旨的前提下，對(duì)于本發(fā)明所進(jìn)行的任何修正或變更，均屬于本發(fā)明的包含范圍。
權(quán)利要求
1.一種位置檢測(cè)裝置，包括液體，其形成有自由表面；光源，其朝向所述自由表面照射光束；暗視場(chǎng)圖案，其存在于所述光源與液體之間，在光束中形成圖案；受光傳感器，其檢測(cè)由上述自由表面所反射的光束的圖案；以及運(yùn)算單元，其根據(jù)所述受光傳感器的檢測(cè)結(jié)果而計(jì)算圖案的位置，其特征在于上述受光傳感器中受光元件在X方向與Y方向上呈矩陣狀配置，以及上述運(yùn)算單元將上述受光傳感器的檢測(cè)結(jié)果在X方向與Y方向上相加，且根據(jù)在X方向與Y方向上相加所獲得的輸出，計(jì)算圖案的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的位置檢測(cè)裝置，其特征在于上述圖案在X方向與Y方向以寬度不同的方式配置，且上述運(yùn)算單元根據(jù)在X方向與Y方向上相加所獲得的輸出，計(jì)算相對(duì)于基準(zhǔn)位置的圖案的位置。
3.如權(quán)利要求1所述的位置檢測(cè)裝置，其特征在于上述圖案在X方向與Y方向，以寬度不同的方式周期性配置，且對(duì)在X方向與Y方向上相加所獲得的輸出結(jié)果進(jìn)行傅立葉轉(zhuǎn)換，并根據(jù)相位差來計(jì)算相對(duì)于基準(zhǔn)位置的圖案的位置。
4.如權(quán)利要求3所述的位置檢測(cè)裝置，其特征在于上述圖案在X方向與Y方向，以寬度不同的多個(gè)圖案交替的方式周期性配置。
5.如權(quán)利要求1所述的位置檢測(cè)裝置，其特征在于在形成上述自由表面的液體、與將上述自由表面所反射的光束進(jìn)行反射和偏向的半反射鏡之間的光路中，設(shè)置有1/4波長板；且在上述半反射鏡、與上述暗視場(chǎng)圖案之間的光路中，設(shè)置有偏光板。
6.如權(quán)利要求1所述的位置檢測(cè)裝置，其特征在于在上述暗視場(chǎng)圖案與上述液體之間設(shè)置有偏光鏡，其將由上述自由表面所反射的光束進(jìn)行反射和偏向。
7.如權(quán)利要求1所述的位置檢測(cè)裝置，其特征在于上述受光傳感器具有垂直寄存器與水平寄存器；上述運(yùn)算單元依次記憶通過所述垂直寄存器與所述水平寄存器輸出的各受光元件的檢測(cè)結(jié)果，將所記憶的檢測(cè)結(jié)果在X方向與Y方向上相加，且根據(jù)在X方向與Y方向上相加所獲得的輸出，計(jì)算上述圖案的位置。
8.如權(quán)利要求1所述的位置檢測(cè)裝置，其特征在于上述受光傳感器可將排列在X方向與Y方向上的受光元件的檢出結(jié)果進(jìn)行相加并輸出；上述運(yùn)算單元根據(jù)在X方向與Y方向上相加所獲得的輸出，計(jì)算上述圖案的位置。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的位置檢測(cè)裝置，其特征在于上述運(yùn)算單元根據(jù)所計(jì)算出的圖案的位置，將上述圖案的位置換算為傾斜度。
10.一種測(cè)量機(jī)的傾斜傳感器裝置，其特征在于該測(cè)量機(jī)的傾斜傳感器裝置使用了權(quán)利要求9所述的位置檢測(cè)裝置。
11.一種位置測(cè)定方法，包括在使來自光源的光束平行射出的光學(xué)系統(tǒng)的中途設(shè)置暗視場(chǎng)圖案，其包含使來自前述光源的光束通過的通過部，該通過部在X方向與Y方向上以二維方式排列；使通過上述通過部后具有圖案的光束經(jīng)由液體所形成的自由表面反射；在上述液體與暗視場(chǎng)圖案之間設(shè)置半反射鏡，其反射由上述自由表面所反射的具有圖案的光束；設(shè)置將由該半反射鏡所反射的具有圖案的光束作為投影像而進(jìn)行投影的投影透鏡；設(shè)置接收由該投影透鏡所投影的投影像的影像接收傳感器；以及設(shè)置根據(jù)被投影至該影像接收傳感器的投影像的讀取輸出而運(yùn)算該投影像的位置的運(yùn)算單元，其特征在于上述影像接收傳感器具有在X方向與Y方向上呈矩陣狀排列的受光元件；上述運(yùn)算單元在X方向上將排列在X方向上的各受光元件的檢出結(jié)果相加并輸出為Y方向讀取輸出，在Y方向上將排列在Y方向上的各受光元件的檢出結(jié)果相加并輸出為X方向讀取輸出。
全文摘要
本發(fā)明提供一種位置檢測(cè)裝置，可以實(shí)現(xiàn)投影光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)小型化。本發(fā)明的位置檢測(cè)裝置包括液體(7)，形成有自由表面(7a)；光源(2)，朝向自由表面(7a)照射光束；暗視場(chǎng)圖案(4)，存在于光源(2)與液體(7)之間，在光束中形成圖案；受光傳感器(9)，檢測(cè)由自由表面(7a)所反射的光束的圖案；以及運(yùn)算單元(11)，由受光傳感器(9)的檢測(cè)結(jié)果而計(jì)算圖案的位置，并且，運(yùn)算單元(11)在X方向與Y方向上將受光傳感器(9)的檢測(cè)結(jié)果相加，且根據(jù)在X方向與上述Y方向上相加的圖案的排列來計(jì)算圖案的位置。
文檔編號(hào)G01C15/00GK1945208SQ200610152410
公開日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2006年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月7日
發(fā)明者熊谷薫, 山口伸二 申請(qǐng)人:株式會(huì)社拓普康