JP2581555B2

JP2581555B2 - 光ファイバを利用した受光位置検出方法

Info

Publication number: JP2581555B2
Application number: JP62082442A
Authority: JP
Inventors: 正光内藤; 三千緒松本
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 1987-04-03
Filing date: 1987-04-03
Publication date: 1997-02-12
Anticipated expiration: 2012-02-12
Also published as: JPS63249003A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、レーザ光によって長さや高さ、距離その
他各種の計測を行う場合、投射されたレーザ光の位置を
検出する、いわゆる受光位置検出方法に関するものであ
る。

特にレベル測量に用いるスタップ（箱尺）に組み込ん
で使用する受光位置検出方法に関するものである。

（従来の技術）レーザの直進性を利用して長さや距離その他精密測定
を行う技術は公知である。例えば、第５図で示すよう
に、レーザ発振器11より、ある距離をおいて受光板12を
設定し、これにレーザ光13を照射し、レーザ発振器11と
受光板12との相対位置を計測することや、レベル測量に
みられるように基準線を設定し、この基準線に基づく計
測を行うことや、さらに第６図で示すように受光板12に
代わる照射板14に、レーザ光13を照射し、Ｘ軸,Y軸位置
の変位を計測し、例えばトンネル堀削工事における自動
堀削機の姿勢制御を行うことなどがそれである。

ところで、レベル測量に用いるスタッフには、レーザ
光およびその受光装置を利用したものはない。また、レ
ーザ光を利用した計測手段に受光板ないし照射板もある
が、在来の受光板ないし照射板は、計測領域が数cm以内
の比較的短い、しかも狭い領域を対象としたものに限ら
れている。

ちなみに第７図は、レベル測量に使用される受光セン
サを例示するものであるが、この受光センサは、受光面
12aに分割型と呼ばれる受光検出素子を、ミリメートル
オーダで垂直に配列したもので、計測範囲がきわめて限
られたものである。

また、前記第６図に例示した二次元のＸ軸,Y軸方向の
変位を検出するための照射板14の場合は、Ｘ軸,Y軸方向
マトリックスに受光検出素子を配列して受光面を形成し
たもので、その受光範囲は前記第７図の場合と同様数cm
程度の限られた領域を対象とするものである。

（発明が解決しようとする問題点）前記したように、従来の受光板ないし照射板において
は、それが一次元の計測、二次元の計測のいずれの計測
に利用するにしろ、計測のスパンやX,Y軸のより大きな
領域の計測を対象とするには、必然的に受光検出素子の
配列数を多くとることを余儀なくされていた。

例えば、10mの長さのある測標に、光レーザを照射
し、そのレーザ光の位置を、1mmの精度で検出しようと
すれば、10,000個に分割した受光検出素子を組み込んだ
受光板としなければならない。また二次元の場合におい
ても同様である。

そこで、受光検出素子の数を抑制する手段としてレー
ザ光の入射位置によって、変化する抵抗の違いを検出す
る非分割型の受光検出素子を利用することも考えられて
いるが、、これはレーザ光の強度や輝点にバラツキがあ
って、キャリブレーションが繁雑となる難点があった。
特に附帯する処理回路が複雑となり、しかもアナログ処
理回路となるため高精度を期待することができない欠点
があった。

さらに非分割型の受光検出素子一個の形状サイズは数
cmであるのが普通で、そのため、長スパンの計測となる
と、この非分割型受光検出素子を数多く結合して使用し
なければならず、形状寸法が大きくなり、コスト的にも
高価なものとなる欠点があった。

いずれにしても、従来の受光位置検出手段によって一
次元、二次元の計測範囲を拡大しようとすれば、それに
要する受光検出素子数が増大し、その結果、受光板ない
し照射板としてきわめて高価なものとなり、しかも処理
回路が複雑化してしまうという欠点があった。

本発明は、このような欠点の無いレーザ光の受光位置
を検出することのできる光位置検出方法を提供すること
を目的とするものである。

（問題点を解決するための手段）本発明の方法は、受光面の各受光位置に多数の受光検
出素子を配置するという従来の方法に代えて、複数本か
らなる光ファイバの端面を直線状に配列して受光面を形
成し、各光ファイバの反対側の端部に複数の出力ポート
を有する光分岐デバイスを接続すると共に、各分岐デバ
イスの出力ポートの出口側に光ファイバを介して複数個
の受光検出素子を接続し、これ等の受光検出素子の受光
状態にもとづいて受光面に入射した光の受光位置を検出
するようにしたもので、各分岐デバイスの出力ポートは
次の要領で受光検出素子に接続される。

いま、分岐デバイスの出力ポートの数をｎとし、各分
岐デバイスの１本目の出力ポートの出口側に接続される
光ファイバを上から順にＭ個の群に群分けするものと
し、更に、光ファイバの総数をMⁿ本と設定する。

この光ファイバの総数は必要とする測標、例えばスタ
ッフの全長に対応するものであるから、この点を考慮し
てＭ、ｎの値を設定する。

このように設定すると、各分岐デバイスの１本目の出
力ポートの出口側は、M^n-1本の光ファイバからなるＭ個
の群に群分けされるので、各群ごとにそれぞれ単一の受
光検出素子に接続する。

以上のように接続したＭ個の受光検出素子の受光状態
を判断すると、受光面をＭ分の１に細分した領域のうち
のどの領域に光が入射したかを判別することができる。

各分岐デバイスの二本目の出力ポートの出口側は、一
本目のそれと同様にＭ個の群に群分けされるが、各群の
中から数えて同順位にある光ファイバが、各群ごとにM
^n-2本づつ上から順にＭ回分けて取り出されて、各回ご
とにすべての群から取り出されたM^n-1本の光ファイバが
それぞれ単一の受光検出素子に接続される。

以上のように２本目の出力ポートの出口側に接続した
Ｍ個の受光検出素子の受光状態と、すでに述べた１本目
の出力ポートの出口側に接続したＭ個の受光検出素子の
受光状態の両者を考え合わせると、受光面をM²分の１に
細分した領域のうちのどの領域に光が入射したかを判別
したかを判別することができる。

更に、各分岐デバイスの３本目の出力ポートの出口側
は、上から順にM²個の群に群分けされると共に、各群の
中の上から数えて同順位にある光ファイバが、各群ごと
にM^n-3本づつ上から順にＭ回に分けて取り出されて、各
回ごとにすべての群から取り出されたM^n-1本の光ファイ
バがそれぞれ単一の受光検出素子に接続される。

以上のように３本目の出力ポートの出口側に接続した
Ｍ個の受光検出素子の受光状態と、１本目および２本目
のそれの受光状態とを考え合わせると、受光面をM³分の
１に細分した領域のうちのどの領域に光が入射したかを
反別することができる。

また更に、各分岐デバイスの４本目以降の出力ポート
の出口側は、上から順に、かつ順次、Ｍ倍に増大した個
数の群に群分けされると共に、各群から取り出される光
ファイバの本数が順次、Ｍ分の１に減少する態様で、各
群からＭ回に分けて光ファイバが取り出されてそれぞれ
単一の受光検出素子に接続される。

従って、ｎ本目の出力ポートの出口側は、上から順に
M^n-1個の群に群分けされると共に、各群の中の上から数
えて同順位にある光ファイバが１本づつ上から順にＭ回
に分けて取り出されて各回ごとにすべての群から取り出
されたM^n-1本の光ファイバがそれぞれ単一の受光検出素
子に接続される。

以上のようにｎ本目の出力ポートの出口側に接続した
Ｍ個の受光検出素子の受光状態と、先行する出力ポート
のそれの受光状態とを考え合わせると、Mⁿ分の１に細分
した受光面の領域、すなわち受光面を構成するすべての
光ファイバの中のどの光ファイバに光が入射したかを判
別することができる。

（作用）（１）すでに述べたように、各出力ポートの出口側に
接続した複数組の受光検出素子の受光状態を考え合わせ
ると、あたかも篩の目を細かくしてゆくように検出の網
の目が順次、細分化されていって、最終的に光ファイバ
を１本ごとに判別する。従って、従来のように受光位置
に対して１対１に受光検出素子を設ける必要がなくなっ
た。

（２）すなわち、本発明によれば、受光面を構成する
光ファイバの総数Mⁿに対して受光検出素子の総数はＭ×
ｎ個で済むので、従来に比べて受光検出素子の数を大幅
に削減することができる。

（３）前（１）項の結果、受光面を構成する複数本の
光ファイバに光ビームが同時に入射した場合、ビームの
径の両端に位置する光ファイバの中心位置を求めること
によってビームの中心位置を算出することができる。

（４）前（１）項の結果、受光面に多数の光ファイバ
をミリメートル単位で配置することが可能になり、計測
精度の向上と計測スパンの増大を図ることができる。

（５）各受光検出素子の受光の有無を識別すればよい
ので、複雑な電気回路を設ける必要がなく、高速処理が
可能である。

（実施例）さらに本発明方法を実施例に基づいて具体的に説明す
る。

まず、第１図は16本の光ファイバをその一方端面を垂
直方向に揃え、直線状に配列して受光面17を形成し、レ
ーザ光によるレベル計測用の受光板、すなわちスタッフ
に使用する目的で構成した受光板の原理構成図である。

まず、16本の光ファイバ1,2,3,4,…16の一方の端面を
1mmのピッチで垂直方向に、かつ直線状に配列して受光
面17を構成し、この受光面17を形成する光ファイバ1,2,
3,4,…16のそれぞれに、二つの出力ポート1a,1b,2a,2b,
…16a,16bを有する光分岐デバイス1A,2A,3A,…16Aを接
続した。ついで、それぞれの光分岐デバイス1A,2A,…16
Aを上から４個づつ群に群分けした。そして各群におけ
る1a,…16aの出力ポートを上から４個づつ、つまり４ポ
ートを一組みとして４群に群分けした。そして、それぞ
れの群に受光検出素子A,B,C,Dの４個の受光センサを接
続した。

次に、もう一方の出力ポート1b,2b…16b側は、上から
５ポートとびに、４群に群分けし、つまり４群の中から
１本づつ引き出して数群に群分け、実施例では図示のよ
うに４群に群分けした。そして各群に受光検出素子イ，
ロ，ハ，ニをそれぞれ接続して受光板に構成した。この
構成によると、以下に述べるように直径3mmのレーザ光
が複数本の光ファイバに入射した場合でも、そのレーザ
光の正確な中心位置を判別することが可能となった。

次に、この方法の作用について説明する。いま、受光
面17を形成する上方から12番目の光ファイバでレーザ光
を受光したとすると、そのレーザ光は分岐デバイス12A
を介して受光センサＣおよびニで検出されることにな
る。

すなわちこの実施例では、１本の光ファイバに、それ
ぞれ２つの出力ポートを有する光分岐デバイスを接続
し、さらに、その出力側を４本づつに群分けし、それぞ
れの群に受光検出素子A,B,C,Dおよびイ，ロ，ハ，ニを
接続した。そのため１本の光ファイバに入力した光は、
Ａ列およびイ列の２個の受光検出素子で検出される、ま
た、１番目および２番目の２本の光ファイバの端面でレ
ーザ光が受光された場合、つまりレーザ光の径が大きい
場合は、A,イ，ロの３個の光検出素子で検出される。そ
の結果、レーザ光の中心は、１番目と２番目の光ファイ
バの中間1.5に位置することが判別できるようになっ
た。さらに、1,2,3番目の光ファイバで受光された場合
は、A,イ，ロ，ハの４個の光検出素子で検出され、光の
中心は２番目の光ファイバにあることが判別でき、その
ため精度の高い位置検出ができるようになった。しか
も、従来は16個の受光検出素子を必要としていたのが、
総数８個の受光検出素子でレーザ光を検出することが可
能となった。

第２図は垂直方向（水平方向でも可）に10,000本の光
ファイバを1mmのピッチで直接状に配列して受光面17を
形成し、箱尺用の受光板を構成するとともに、光ファイ
バに第３図で示すような二つの出力ポート1a,1bを有す
る光分岐デバイス1Aを接続し、そと二つの出力ポート1
a,1bの片側1aを上から順に100本づつ束ねて100個の群に
群分けし、各群に１つの受光検出素子A,B…を接続し、
同じく、他方の出力ポート1b側の光ファイバを100本お
きに１本づつ取り出して、取り出した100本ごとに１個
当ての受光検出素子イ，ロ…を接続した実施例を示す。
この場合は、受光検出素子の総数は200個で良く、ま
た、この場合は、99mm以下のレーザ光の直径に対して、
その中心位置を判別することができるようになった。

すなわちA,B…で表示した受光検出素子に接続した１
列目と、イ，ロ…で表示さされた受光検出素子に接続し
た２列目とそれぞれの受光検出素子の総数200個で構成
される。入力光は１列目と２列目との複数の受光検出素
子で多重的に検出されることになり、かつ、光の中心を
判別することができるようになった。

さらに、例えば第４図で示すように、10,000本の光フ
ァイバに、それぞれ四つの出力ポート18a,18b,18c,18d
を有する光分岐デバイス18を接続し、各分岐デバイスの
最上位の出力ポート18a側の光ファイバを上から順に1,0
00本づつ束ねて、群分けし、それぞれの群毎に１個の受
光検出素子を接続する。すると受光検出素子は10個で構
成される。これにより、10mの中のどこのｍ単位で受光
しているかが検出可能である。

次に、２番目の出力ポート18b側の光ファイバを、上
から100本束ね、900本おいて100本束ね、順に繰り返し
て、それぞれ100本づつに束ねた光ファイバに１個当て
の受光検出素子を接続すると、前記同様10個の受光検出
素子で接続できる。この場合、ｍは単位の中のどこの10
0mm単位で受光しているかが検出される。

さらに、３番目の出力ポート18C側の光ファイバを10
本束ねて、90本おいて10本束ね、以下、前記同様順に繰
り返して、それぞれ10本づつに束ねたものに１個当ての
受光検出素子を接続すると10個の受光検出素子で結ぶこ
とができ、また100mm単位の中のどこの10mm単位で受光
しているかが検出できる。

そして最後に４番目の出力ポート18d側の光ファイバ
を10本おきに１本づつ取り出して、取り出した1000本の
光ファイバに１個当ての受光検出素子を接続すれば同じ
く10個の受光検出素子で接続でき、これにより、10mmの
単位の中のどこの1mm単位で検出しているかが検出され
る。すなわち、10,000本という、きわめて膨大な光ファ
イバからなる受光板ないし照射板であっても、直径9mm
以下の投射レーザ光に対し、総計40個の受光検出素子で
充分に対応でき、しかも複数の受光素子で検出されるた
め、光の中心が判別でき精度の高い位置検出が可能であ
る。

（発明の効果）本発明による光ファイバを利用した受光位置検出方法
は、複数本の光ファイバの端面を直線状に配列して、受
光面を形成するとともに、各光ファイバに複数の出力ポ
ートを有する光分岐デバイスを接続し、分岐した出力ポ
ート側をさらに多段的に複数の群に群分けして、この群
毎に単一の光検出素子を接続したので受光面で捕捉した
レーザ光は、複数の受光検出素子により多重的に検出さ
れることになり、従来の検出方法と比較して次のような
利点がある。

（１）計測をスパンを大きくとっても、受光検出素子の
個数は従来に比較して著るしく少なくて済む。

（２）受光検出素子が少なくてすむので、付帯する電子
回路も簡略化され、かつ処理時間も短縮され、高速の計
測処理が可能である。

（３）常に、複数の受光検出素子で入力光を多重的に捕
捉するため、レーザ光の中心位置を判別することがで
き、その結果、精度の高い受光位置の検出が可能であ
る。

（４）また、レーザ光の直径が大きく、複数本の光ファ
イバ端面で入力光が捕捉されるような場合でも、レーザ
光の中心位置を判別することができ、精度の高い受光位
置の検出ができる。

（５）受光面から光分岐デバイスを介して出力側の受光
検出素子に至るまでの光導路の長さ、つまり光ファイバ
を長くとる必要がなく、比較的短かくて充分である。し
たがってコストの安いプラッチックファイバを利用して
も機能的に支障のない検出方法となる。

以上説明したように本発明による光位置検出方法は、
受光検出素子が少なくてすむこと、しかも複数の受光検
出素子で位置検出ができること、その結果電子回路が簡
略化されるとともに、これらの相乗効果により従来にな
い、きわめて精度の高い経済的な光位置検出方法とし
て、この効用を発揮することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明方法を一次元の計測用受光板に適用し
た場合の実施例を示す原理構成図、第２図は、同じく一
次元の計測用として垂直方向に10,000本の光ファイバを
配列して受光位置を検出する場合の原理構成図、第３図
は二つの出力ポートを有する光分岐デバイスの構造略示
図、第４図は、10,000本の光ファイバを四つの出力ポー
トを備えた光分岐デバイスにそれぞれ接続し、各出力ポ
ート側の光ファイバを群分けし、受光検出素子に接続し
た場合の必要受光検出素子の個数を例示するものであ
る。第５図は、レーザ光を利用して基準線に基づく計測
をする場合の一般例を示す側面図、第６図は、同じくＸ
軸,Y軸方向の変位を検出するための従来の光位置検出の
基本構成図、第７図は、分割型受光センサを組み込んだ
従来レベルの測量用のスタッフの外観斜視図である。 1,2,3,…16……光ファイバ 1A,2A,3A,…16A……光分岐デバイス 1a,1b,2a,2b……出力ポート A,B,C,D……受光検出素子イ，ロ，ハ，ニ……受光検出素子 17……受光面 18……光分岐デバイス 18a,18b,18c,18d……出力ポート

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数本からなる光ファイバの端面を直線状
に配列して受光面を形成し、前記光ファイバの反対側の
端部にｎ本の出力ポート1a,1b,1c……1nを有す光分岐デ
バイスをそれぞれ接続すると共に、前記光分岐デバイス
の各出力ポートの出口側に光ファイバを介して受光検出
素子を接続し、前記受光検出素子の受光状態にもとづい
て前記受光面に入射した光の受光位置を検出する光ファ
イバを利用した受光検出方法であって、各分岐デバイスの１本目の出力ポート1aの出口側は、相
互に隣り合う同数の光ファイバからなるＭ個の群に群分
けされていて、各群を構成するM^n-1本の光ファイバが群
ごとに単一の受光検出素子に接続されており、各分岐デバイスの２本目の出力ポート1bの出口側は、１
本目の出口側と同数の、かつ相互に隣り合うM^n-1本の光
ファイバからなるＭ個の群に群分けされると共に、各群
の中の上から数えて同順位にある光ファイバが、各群ご
とにM^n-2本づつ上から順にＭ回に分けて取り出されてい
て、各回ごとにすべての群から取り出されたM^n-1本の光
ファイバがそれぞれ端一の受光検出素子に接続されてお
り、各分岐デバイスの３本目の出力ポート1cの出口側は、相
互に隣り合うM^n-2本の光ファイバからなるM²個の群に群
分けさせると共に、各群の中の上から数えて同順位にあ
る光ファイバが、各群ごとにM^n-3本づつ上から順にＭ回
に分けて取り出されていて、各回ごとにすべての群から
取り出されたM^n-1本の光ファイバがそれぞれ単一の受光
検出素子に接続されており、各分岐デバイスの４本目以降の出力ポートの出口側は、
いずれも相互に隣り合う同数の光ファイバからなりかつ
先行する出力ポートに比べて順次Ｍ倍に増大した個数の
群に群分けされると共に、各群から各回ごとに取り出さ
れる光ファイバの本数が順次Ｍ分の１に減少する態様
で、各群からＭ回に分けて光ファイバが取り出されてそ
れぞれ単一の受光検出素子に接続されており、ｎ本目の
出力ポートの出口側では、群分けする群の数がM^n-1個で
あって各群から各回ごとに取り出す光ファイバの本数が
１本であることを特徴とする光ファイバを利用した受光
位置検出方法。