JPS61132819A - 光軸調整装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 し発明の技術分野］ この発明は、光軸を鉛直方向に沿うように調整するため
の光−調整装置に関する。

［発明の技術的背景及びその問題点］ 従来一般に、測量、工事などでは光の直線性を利用した
距離計、コリメータが使用されている。

このような分野では、鉛直方向の高さ、鉛直方向への光
軸合せをする必要がしばしばあり、その測定手段として
光を用いた高精度な計測が望まれている。しかし、光は
重力に対しては応用範囲のオーダーでは何ら相互作用を
もたないため、伝播方向と鉛直性を結びつけることがで
きず、光軸を鉛直方向に調整するためには機械的な調整
機構を用いなければならなかった。

従来このような光を利用した距離計として第１１図に示
すようなものがある。この距離計は光源１から発した光
が矢印にしたがって進み、液面上の反射面２にて反射さ
れ、受光器３に入射するまでの時間差を時差測定装置４
において測定し、液面までの距離交を測定するものであ
る。ところか、この装置の場合には、測定すべき距離又
は鉛直方向であることが必要で、そのための調整はすべ
て反射鏡５において行わな番ノればならず、その調整が
微妙であるため光軸調整が難しいといった問題があった
。また反射［５の調整角度のずれは液面と光軸の成す角
度αへ２倍の大きさでＩＩするため、アライメントの時
の基準の取りかたや経時変化などによりミスアライメン
トが大きくなるといった問題もあった。

そのため、従来第１２図に示すような光膜下装置を固定
部６からワイヤ７によって吊り下げるようにした距離計
も提案されている。この光膜下装置は光源からの出射光
を鉛直方向に自分で調整する装置であり、ＶｔＭの機軸
Ａ上に装置中心Ｇを配置し、機軸Ａ上の点Ｐでワイヤ７
により固定部６から吊り下げられ、吊下点Ｐと重心Ｇと
が鉛直線上に一致するように設定し、機軸Ａを鉛直方向
に一致させるようにしたものである。しかしながら、こ
のＩＩの場合にも、機軸Ａと光軸０とは予め調整する必
要があり、機軸を鉛直方向に向けると光軸も同時に鉛直
方向に一致することを保証するものではなかった。

「発明の目的」 この発明は、このような従来の問題に鑑みてなされても
のであって、装置の鉛直方向の機軸に対して光源からの
光の光軸が若干傾いた場合でも出射光の光軸がほぼ機軸
と一致する鉛直方向を向くように調整することができる
光軸調整装置を提供するものである。

［発明の概要」 この発明は、光屈折率が相異なり、互いに溶解性のない
複数種の液体を光学的に透明で平行な入射面と出射面と
をもつ容器に入れ、この容器の入射面側上方に光源を設
けて成る光軸１１整装置であり、鉛直方向を向く機軸に
対して光学系が若干傾き光源からの光の光軸がずれたよ
うな場合でも、出射孔の光軸を自分で鉛直方向に調整す
ることができるようにしたものである。

「発明の実施例」 以下、この発明の一実施例を図に基いて詳説する。第１
図はこの発明の一実施例を示す断面図であって、従来例
で示した第１２図の装置において、その内部構造の改良
を示している。容器１１は上下にそれぞれ透明板１２．
１３を平行に備えており、上側の透明板１２が入射面側
となり、下側の透明板１３が出射面側となっている。そ
してこの容器１１の内部には光学的屈折率が相異なる２
種類の液体Ｍ１．’Ｍ２が封入されている。

この液体Ｍ１．Ｍ２はそれぞれ屈折率１１１　、１１２
を有するものであり、またいつでもＭｌをＭｌよりも大
きいものとし、互に分離する性質を有している。このよ
うな条件を有する液体としてはＭ言としてメタノール、
Ｍｌとしてシリコーンオイルがある。メタノールの密度
は０．７９ＣＩ／ｃａ＋３、屈折率は１．３３、またシ
リコーンオイルの密度は０．９９アＱ　／ｃｍ３　、屈
折率は１．４３である。

この先軸調整装置に対して光Ｒ（図示せず）からは平行
光線が透明板１２にほぼ垂直に入射する。

またこの装置の機軸は透明板１２．１３に垂直な０＋−
Ａの方向にとられ、この機軸０＋　−Ａは第１２図のよ
うな吊り下げ機構によりほぼ鉛直に設定される。

上記構成の光軸調整装置の作用について次に説明する。

通常は、機軸０＋　−Ａが鉛直に設定されており、光学
系もそれとほぼ一致しており、光源からの光は透明板１
２・に垂直に入射し、容器１１内の液体Ｍ＋、Ｍｚを直
進し、透明板１３から出射し、鉛直方向に進む。

ところが、何かの原因により鉛直方向の機軸に対して光
学系の軸が傾く場合がある。その場合には、鉛Ｃ方向の
機軸はＯ＋　　ＡからＥ＋−Ｅ２となり、そのＥ＋−Ｅ
２に対して透明板１２．１３に垂直な軸０＋　−Ａはあ
る角度θ１を成して傾いた状態になる。

ところが、液体Ｍｌ　、Ｍｌについては重力の影響でそ
の境界面は常に水平面Ｈとなり、Ｍａ＠Ｅ＋−Ｅ２に対
して垂直である。

そこで光源からの平行光線は点Ｐ＋　ｔ−ｉ用板１２を
通って液体Ｍ１を直進し、水平面Ｈを作る液体Ｍ２に０
１の入射角をちって入射する。そして、屈折した光線Ｐ
２−Ｐ３は液体Ｍ２中を入射角θ２で進みＳ容器１１の
透明板１３に対して入射角θ３で入射し、再び屈折して
出射角θ４でＰ３−０２方向に出射する。

ここで、容器１１に入射するとき鉛直方向に対してθ１
だけずれていた光線が、容器１１を通過した後にはθ４
だけ鉛直方向に近付き、鉛直方向Ｅ＋−Ｅ２からのずれ
はθ１−θ４に小さくなっている。そしてθ１＝θ４の
条件を満足させるとき、完全に鉛直方向に光線が向いた
ことになる。

上記の作用を定性的に説明すると、装置の傾きにより形
成される液体Ｍ２の横型からようとプリズムと同じ・効
果を示し、光線を鉛直方向に近付くように屈折させると
いうことである。

次に、上記光軸間Ｉ装置の定量的な作用を説明する。尚
、透明板１２．１３は有限な長さをもった平行板で、そ
こにおける光線の入射角と出射角は等しいものであるた
め、以下の説明からは省かれる。

容器１１の置かれている下側の物質〜１３の屈折率は１
１３とする。１通常これは空気であり、その屈折率は１
である。そこで水平面Ｈ１底部の透明板１３での屈折の
スネルの法則及び液体Ｍ２中の出射角θ２と入射角θ３
と軸０＋　−Ａと８０直秦軸Ｅ、−Ｅ２の成す角θ１と
の関係は次のようになる。

ｎ　、　ｓｉｎθ＋−ｎ２Ｓｉｎθ２−−　（１）ｎ　
２　ｓｉｎθ−ｎ３ｓｉｎθ４　　・・−・−（２）θ
２十θ３＝ｍθ１　　　　　・・・・・・（３）上記３
式から０２と０３を消去してθ４についての方程式を導
くと、次のようになる。

５ｉｎ２θ４・（コ困　）１ りＵ 士２（−の誌ｌい−）ｓｉｎθ、　ａｏｓθ１ｓｉｎθ
４Ｉｎ。

十［（上）　２−１　ｊＳｉｎ　２０１＝Ｏ−・−＜４
＞亀 この方程式を解いて得られる解は、 ｓｉｎθ４　＝ｓｉｎθ＋Ｌｎ＋ＣＯ３θ１／′ｎ３　
　　　　　　　　　　　　　　・・・・・・（５）であ
る。

上記５式に０１＝１．３３で、ｌ’＋２＝１．６６．１
．８３の各場合について計算した結果が第２ｆ２１に示
されている。

ここで、液体Ｍ２としてその屈折率０２か所望の値をと
るものを得るためには、次の表に示すようなマツチング
オイルを適当に混合４る。

表−１ ここで第２図に示したように機軸Ｅ＋’−Ｅ２に対して
光軸が０１傾いても、それに対してθ１−θ４は約１／
２から１１５の値をとる。そのため、機軸は通常、機械
的操作によって約１°内外ずれることがあるが、その場
合でも約５０′から２０−のオーダで機軸に対して光軸
を調整することができる。

ざらにこの先軸を鉛直方向のＥ＋−Ｅ２に近付けるため
には上記第１実施例で示した光軸調整装置を多段に重ね
合せることができる。第３図はそのような実施例を示し
たものであり、固定部６に対してワイヤ７により装置本
体１４が吊り下げられており、こめ装置本体１４内に光
軸調整装置１５が取付けられている。光軸１！ｉ！！装
置１５は光源１６、レンズ１７、及び容器１１を２段に
組合わせた光軸調整部１８とから構成されている。

この実施例の光軸調Ｎ装ｆｆ１５の場合には、装置１５
が傾くことによりできる液体ＭＺの作る模型が２つある
ため屈折効果が大きくなり、鉛直方向により近付けるこ
とができる。（のときの作用を第４図及び第５図に示し
た２段目の液体Ｍ２による屈折の角度の記号を用いて説
明する。

１段目の容器１１からは第１図に示したようにその容器
の底面の透明板１３から出射角θ４の角度で２段目の容
器の上面の透明板１２に入射してくる。２段目の容器１
１の液体Ｍ２への入射角が０５、出射角がθ７．２段目
の容器１１の底面側の透明板１３への入射角が０８、出
射角がθ６とすると、１段目の出射角θ４と入射角θ５
の関係、及び屈折のスネルのａ　ＩＩＩＪ、またθ７と
０８と０１の関係は次のようになる。

θ５＝０１−０４　　　　　　　　　・旧・・（６）ｎ
　１　ｓｉｎθｓ　＝ｍ　２　ｓｉｎθ７・・・・・・
（７）ｎ　２　ｓｉｎθＢ＝ｎ３ｓｉｎθｅ　　　　　
＝　−（８）θ７＋θ８−θ１　　　　　　　　　　・
・・・・・（９）上記各式からθ７．θ８を消去してθ
６についての方程式を導くと次のようになる。

ｓｉｎ　２θｅ（ｎ３２ｃｏｓ２　θ１＋ｎ３２ｓｉｎ
２θ＋　）　＋２１１１　ｎ３　ＣＱＳθＨｓｉｎθ５
ｓｉｎθ６十ｎ＋２３！ｎ２θ５−ｎ２２ｓｉｎ２θ＋
　”　Ｏ・”　（１０）上記（幻）式を０６について解
くならば、ｓｉｎθｅ　”　（−ｎ　ｔ　＋１３　ｃｏ
ｓθＨｓｉｎθ５θ＋）／ｎ３２　　　　　　　　　　
°’−°−（Ｉり上記（１１）式から光軸調整装置１５
の傾きθ１と出射角θ６との関係をｎ＋　＝１．３３、
ｎ　２　＝　１　。

７８±０．０１の場合の計算値を第６図に示している。

この２段構造の場合には上記第１実施例の１段構造の場
合に比べて非常によく鉛直方向への補正がなされている
ことが解る。なお、各容器１１．１１の透明板１２．１
３の表面でのフレネル反射光については反射防止膜を施
すことにより減衰させることができる。

上記第２実施例の場合、装置全体の中心は装置本体１４
の機軸上に設計し、その機軸上の点でワイヤ７により装
置本体１４を固定すれば機軸は常に鉛直方向を向くはず
である。しかし、実際にはワイヤ７の固定部の摩擦や中
心のずれ、機軸と光軸のずれ等のためにレンズ１７を出
射する光８５１（よかならずしも鉛直方向を向くとはか
ぎらない。しかし、その下方に設けられている光軸調整
装置１５により光線はほとんど鉛直方向に修正されて出
射することができるのである。そして通常、機械的な調
整は角度にして約１°内外よりも＃密には行なえないも
のである。

ところが、この光軸調整装置１５を用いることにより、
光軸が１６傾いた場合でもその補正により鉛直方向に対
して０．０１”以内に保証することができ、距離測定や
コリメータに用いるのに有効なものとなるのである。

第７図はさらに他の実施例を示したものであり、容器１
１を３段に組合わせた実施例である。この３段重ねの実
施例の場合には、液体Ｍ２の屈折率１１２を１．６４±
０．０１と設定するとき、′ｆＳ８図に示すような特性
が得られ、より厳密な光軸調整が実現できる。

なお容器１１に液体Ｍ＋、Ｍ２を封じ込めた場合に熱膨
張によって容器１１に破損が生じる恐れがあり、その事
故を防ぐために第９図（ａ）。

（ｂ）に示したように容器１１の一部にべ［Ｊ−ズ１９
あるいはダイヤフラム２０を設けることにより、液体Ｍ
＋、〜１２の鯵張を吸収することができる。また第１０
図に示すようにＭ＋　、Ｍ２と共に若干の空間２１を容
器１１内に設けておき１通気穴２２によって外気と連通
させるようにしてもよい。

［発明の効果］ この発明は、屈折率の相異なる複数種の液体を容器内に
封入し、光源からの光をこの容器内の液体において屈折
させるようにしているため、鉛直方向（こ対して容器が
傾き光軸がずれた場合でも、液体がプリズムの作用をし
入射光を屈折させて鉛直方向に近付けることができ、光
軸の鉛直方向からのずれを自動的に調整することができ
るものである。従って距離計やコリメータ等の完投下部
にこの光軸調整装置を用いるならば機軸に対づる光軸の
ずれが生じても自動的に光軸の調整ができ、正確な測定
を実現することができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の断面図、第２図は同上の
特性図、＠３図は池の実施例の断面図、第４図は他の実
施例の拡大断面図、第５図は同上の第２段目の液体部分
における光の屈折状態を示す断面図、第６図は同上実施
例の特性図、第７図シよ他の実施例の断面図、第８図は
同上実施例の特性図、第９図および第１０図はさらに他
の実施例を示す断面図、第１１図及び第１２図は従来例
図である。　。 １１・・・容器、１２．１３・・・透明板、Ｍｌ、Ｍ２
・・・液体、１６・・・光線、１７・・・レンズ。 第１図 第２図 芭３図 ５４図 第５− 第６自 第７図 １：ｌｂ−１０＠ 第９図 （ｂ） 第１０図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光屈折が相異なり、互いに溶解性のない複数種の液体を
   光学的に透明で平行な入射面と出射面とを持つ容器に入
   れ、この容器の入射側上方に光源を設けて成る光軸調整
   装置。