JP4098950B2 - 光中継装置並びにこの光中継装置を用いた計測装置及び計測方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を利用して測量点の位置を計測する計測装置に用いられ、基準点から射出されたレーザ光を中継して測量点まで届くようにする光中継装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
通信用ケーブル、電線、上下水道管、ガス管等を地中に埋設する管路の敷設工事には、近年開削工法ではなく推進工法が通常採用される。この推進工法では、管路の一端となる位置に発進立坑が堀られ、管路の他端となる位置に到達立坑が掘られる。発進立坑内には先導体及び元押装置が設置される。元押装置で先導体を地中内の水平方向に押し出すと、先導体が推進される。先導体が所定のストロークだけ前進したときに、先導体の後部に推進管が連結され、その後再び元押装置により推進管と共に先導体が前進させられる。このような工程の繰り返しで順次推進管が繋げられる。先導体を到達立坑まで前進させることによって管路が構築される。
【0003】
推進工法の施工に当たっては、先導体を計画線に沿って掘進させるために、地中を掘進する先導体の水平及び垂直方向の位置が計測装置によって逐次計測される。
【0004】
先導体の位置を計測する方法として、従来からレーザターゲット法等が知られている。レーザターゲット法では、発進立坑(基準点)にレーザ光を射出するレーザ発振器が設けられ、先導体(測量点)に受光器としてのターゲットが設けられる。レーザ発振器は、計画線上に直線のレーザ光を射出する。ターゲット上に照射されたレーザ光の位置に基づいて計画線からの先導体のずれ量が計測される。
【0005】
最近コストを低減するために、立坑の数を減らし、立坑間の長さを800m〜900m程度に長くするという要請がある。特に市街地にトンネルが掘進される場合、立坑の位置が市街地の道路に限定されるのでこの要請が強い。ところで、レーザ光は、細いビームになって一直線に進むが、約300mを超えると回析により徐々に広がり、あるいは塵、水蒸気などによりレーザ光の強さが減る。このため、ターゲット上のレーザ光の正確な位置が図れなくなる。したがって、このような長距離を推進する先導体の位置を計測する場合、レーザ法と電磁法またはジャイロ法との併用が採られていた。すなわち、レーザ光が届く発進立坑から300mぐらいまではレーザ法で先導体の位置を計測し、300mを超えると電磁法で先導体の位置を計測する。電磁法では、先導体に磁場を発生する発振器が設置され、地上に発振器から発生する磁場を受信する受信器が設置され、磁場の強さから先導体の位置が計測される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電磁法、ジャイロ法では先導体の位置を高精度に測定することができない。先導体の位置を高精度に測定するためには、距離、角度等を計測するのに最も精度が高いレーザ光を応用した計測が望まれるが、現状の光応用計測では、基準点から測量点まで300mを超えるとレーザ光が届かないのでレーザ光を一回中継する必要がある。
【0007】
そこで、本発明は、基準点から射出される光を中継し、長距離の計測に使用することができる光中継装置並びにこの光中継装置を用いた計測方法及び装置をを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
以下、本発明について説明する。
【0009】
上記課題を解決するために、本発明者は、双方向にレーザを射出する双方向レーザ発振器を中継装置として使用し、基準点から射出されたレーザ光とは逆の経路を経由して、中継装置から射出されたレーザ光を屈折して基準点に戻るようにし、レーザ光の屈折角から中継装置の光軸と基準点から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を測定した。具体的には、本発明は、基準点と測量点との間に設けられ、基準点から射出されたレーザ光を中継する光中継装置であって、光軸を合わせて双方向にレーザを射出する双方向レーザ発振器と、前記双方向レーザ発振器の両側に設けられた、複数のウェッジプリズムを組み合わせてレーザ光を屈折する一対の中継点光路屈折器と、前記中継点光路屈折器でのレーザ光の屈折を制御する制御装置とを備え、前記中継点光路屈折器は、回転自在に設けられた一対のウェッジプリズムと、この一対のウェッジプリズムそれぞれを個別に回転する一対の駆動部と、前記一対のウェッジプリズムそれぞれの回転角を検出する一対の角度検出部とを有し、前記中継点光路屈折器の一方は、前記基準点から射出されたレーザ光及び前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光を屈折し、前記中継点光路屈折器の他方は、前記双方向レーザ発振器の他方から射出されたレーザ光を屈折し、前記制御装置は、前記中継点光路屈折器の前記一対のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が前記基準点に設けられた基準点受光器を照射するように前記基準点受光器の出力値をフィードバック制御することを特徴とする光中継装置により上述した課題を解決した。
【0010】
この発明によれば、中継点光路屈折器は、双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光を屈折し、基準点から射出されたレーザ光とは逆の経路を経由して基準点に戻す。そして、この中継点光路屈折器の屈折角に基づいて、双方向レーザ発振器の光軸と基準点から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を検知することができるので、中継点から測量点に向かってレーザ光を射出する双方向レーザ発振器の位置、レーザ光の方向を測定することができる。この結果、基準点から測量点までの距離が長距離であっても、基準点から射出される光を中継し、測量点の位置を高精度に計測できる。また、基準点から射出されたレーザ光を確実に中継装置まで届かせることができる。また、中継装置の双方向レーザ発振器の一方から射出されるレーザ光を基準点に届かせることができると共に、中継装置の双方向レーザ発振器の他方から射出されるレーザ光を測量点に届かせることができる。また、任意の方向にレーザ光を屈折することができる。また、中継点から射出されたレーザ光が自動的に基準点を照射するようにすることができる。
【0019】
さらに、本発明は、前記一対の角度検出部それぞれの検出値に基づいて前記光路屈折器での屈折角を算出すると共に、この屈折角に基づいて前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸と基準点から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を算出する演算装置が設けられることを特徴とする。
【0020】
この発明によれば、双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸と基準点から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を自動的に算出することができる。
【0021】
また、本発明は、基準点から射出されるレーザ光を中継点で中継して測量点まで届くようにし、測量点の位置を計測する計測方法であって、基準点には、レーザ光を射出する基準点レーザ発振器と、この基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光を複数のウェッジプリズムを組み合わせて屈折する基準点光路屈折器とが設けられ、中継点には、光軸を略合わせて双方向にレーザ光を射出する双方向レーザ発振器と、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光を、複数のウェッジプリズムを組み合わせて屈折する中継点光路屈折器とが設けられ、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光を前記基準点光路屈折器で屈折し、前記中継点まで届くようにし、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されるレーザ光を前記中継点光路屈折器で屈折し、前記基準点まで届くようにし、前記基準点光路屈折器及び前記中継点光路屈折器でのレーザ光の屈折角に基づいて、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸と前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を算出することを特徴とする計測方法としても構成することができる。
【0022】
この発明によれば、基準点に設けられた基準点レーザ発振器の光軸と中継点に設けられた双方向レーザ発振器の光軸との間の相対角が算出されるので、中継点から測量点に向かってレーザ光を射出する双方向レーザ発振器の位置、レーザ光の方向を測定することができる。この結果、基準点から測量点までの距離が長距離であっても、基準点から射出される光を中継し、測量点の位置を高精度に計測できる。
【0023】
また、本発明は、基準点には、前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光が照射される基準点受光器が設けられ、中継点には、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光が照射される中継点受光器が設けられ、前記基準点光路屈折器における前記複数のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記基準点レーザ発振器から射出されたレーザ光が前記中継点受光器を照射するように前記中継点受光器の出力値をフィードバック制御すると共に、前記中継点光路屈折器における前記複数のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が前記基準点受光器を照射するように前記基準点受光器の出力値をフィードバック制御することを特徴とする。
【0024】
この発明によれば、基準点から射出されたレーザ光が自動的に中継点を照射するようにすることができると共に、中継点から射出されたレーザ光が自動的に基準点を照射するようにすることができる。
【0025】
さらに、本発明は、基準点と中継点との間に、複数のウェッジプリズムを組み合わせて光路を屈折する複数個の光路屈折器が設けられ、前記光路屈折器には、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光が照射される基準側受光器、並びに前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光が照射される中継側受光器が設けられ、前記光路屈折器の前記複数のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記基準点レーザ発振器から射出されたレーザ光が前記基準側受光器を照射するように前記基準側受光器の出力値をフィードバック制御し、前記基準点レーザ発振器から射出されたレーザ光が自動的に前記中継点受光器に届くようにすると共に、前記光路屈折器の前記複数のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が前記中継側受光器を照射するように前記中継側受光器の出力値をフィードバック制御し、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が自動的に前記基準点受光器に届くようにし、前記基準点光路屈折器、前記中継点光路屈折器及び前記光路屈折器でのレーザ光の屈折角に基づいて、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸と前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を算出することを特徴とする。
【0026】
この発明によれば、基準点から中継点までの経路がどのように屈曲していても、基準点に設けられた基準点レーザ発振器の光軸と中継点に設けられた双方向レーザ発振器の光軸との間の相対角を算出することができる。
【0027】
さらに、本発明は、前記複数のウェッジプリズムそれぞれの回転角度に基づいて前記基準点光路屈折器、前記中継点光路屈折器及び前記光路屈折器の屈折角を算出することを特徴とする。
【0028】
この発明によれば、上記屈折器の屈折角を容易に算出することができる。
【0029】
また、本発明は、基準点から射出されるレーザ光を中継点で中継して測量点まで届くようにし、測量点の位置を計測する計測装置であって、基準点には、レーザ光を射出する基準点レーザ発振器と、この基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光を屈折する基準点光路屈折器と、中継点から射出されるレーザ光が照射される基準点受光器が設けられ、中継点には、光軸を略合わせて双方向にレーザ光を射出する双方向レーザ発振器と、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光を屈折する中継点光路屈折器と、基準点から照射されるレーザ光が照射される中継点受光器が設けられ、前記基準点光路屈折器及び前記中継点光路屈折器それぞれは、回転自在に設けられた一対のウェッジプリズムと、この一対のウェッジプリズムそれぞれを個別に回転する一対の駆動部と、前記一対のウェッジプリズムそれぞれの回転角を検出する一対の角度検出部と、を有し、前記基準点光路屈折器における前記一対のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記基準点レーザ発振器から射出されたレーザ光が前記中継点受光器を照射するように前記中継点受光器の出力値をフィードバック制御すると共に、前記中継点光路屈折器における前記一対のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が前記基準点受光器を照射するように前記基準点受光器の出力値をフィードバック制御する制御装置と、前記基準点光路屈折器及び前記中継点光路屈折器でのレーザ光の屈折角に基づいて、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸と前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を算出する演算装置と、が設けられることを特徴とする計測装置としても構成することができる。また、基準点と中継点との間に、光路を屈折する少なくとも一つの光路屈折器が設けられ、前記光路屈折器は、回転自在に設けられた一対のウェッジプリズムと、この一対のウェッジプリズムのそれぞれを個別に回転する一対の駆動部と、前記一対のウェッジプリズムそれぞれの回転角を検出する一対の角度検出部とを有し、前記光路屈折器には、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光が照射される基準側受光器、並びに前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光が照射される中継側受光器が設けられ、前記制御装置は、前記光路屈折器の前記一対のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記基準点レーザ発振器から射出されたレーザ光が前記基準側受光器を照射するように前記基準側受光器の出力値をフィードバック制御し、前記基準点レーザ発振器から射出されたレーザ光が自動的に前記中継点受光器に届くようにすると共に、前記光路屈折器の前記一対のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が前記中継側受光器を照射するように前記中継側受光器の出力値をフィードバック制御し、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が自動的に前記基準点受光器に届くようにし、前記演算装置は、前記基準点光路屈折器、前記中継点光路屈折器及び前記光路屈折器でのレーザ光の屈折角に基づいて、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸と前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を算出することを特徴とする計測装置として構成することができる。また、前記演算装置は、前記一対のウェッジプリズムそれぞれの回転角度に基づいて前記基準点光路屈折器、前記中継点光路屈折器及び前記光路屈折器の屈折角を算出することを特徴とする計測装置として構成することができる。
【0030】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の一実施形態における計測装置が適用される推進工法を示す。先導体1は発進立坑2から到達立坑3に向かって所定の計画線4に沿ってトンネルを掘進する。ジャッキ等の元押装置により発進立坑2から先導体1が一定のストロークずつ押される。先導体1が元押装置によって一定のストロークを前進する都度、先導体1の後部に順次推進管が継ぎ足される。本発明の計測装置は、発進立坑2(基準点)からの先導体1の推進位置5(測量点)を計測し、例えば初期設定基準線6に対する先導体の距離▲2▼を計測する。図2に示すように、この距離▲2▼と初期設定基準線6から計画線4までの距離▲1▼とが比較され、▲2▼−▲1▼が先導体の計画線4からのずれ量▲3▼とされる。ずれ量▲3▼が0となるように先導体1の掘削が制御されている。
【0031】
図3は、本発明の計測装置の全体システム構成図を示す。この計測装置は、基準点21から射出されるレーザ光を中継点22で中継して測量点23まで届くようにし、測量点23までの位置を計測する。測量点23の位置を計測するためには、レーザ光を中継する双方向レーザ発振器25の光軸25aの方向を測定する必要がある。本発明の計測装置は、双方向レーザ発振器25の光軸25aと、基準点21に設けられた基準点レーザ発振器26の光軸26aとの間の相対角を測定できることにその特徴を有する。
【0032】
基準点21には、レーザ光を射出する基準点レーザ発振器26と、この基準点レーザ発振器26に固定され、基準点レーザ発振器26から射出されるレーザ光を一対のウェッジプリズムを組み合わせて屈折する基準点光路屈折器27と、中継点22から射出されるレーザ光が照射される基準点受光器28が設けられる。基準点光路屈折器27及び基準点受光器28の構成については後述する。
【0033】
基準点21と中継点22との間には、一対のウェッジプリズムを組み合わせて光路を屈折する2つの光路屈折器31,31が設けられる。この光路屈折器31,31は、上記基準点光路屈折器27と同様な構成を有する。光路屈折器31,31の両側には、基準点レーザ発振器26から射出されるレーザ光が照射される基準側受光器32,32、並びに双方向レーザ発振器25から射出されるレーザ光が照射される中継側受光器33,33が設けられる。これら基準側受光器32,32及び中継側受光器33,33は、上述の基準点受光器28と同様な構成を有する。
【0034】
中継点22には、光中継装置35が設けられる。光中継装置35は、光軸を略合わせて双方向にレーザ光を射出する双方向レーザ発振器25と、双方向レーザ発振器25の両側に設けられた一対の中継点光路屈折器36a,36bを備える。双方向レーザ発振器25は、その両側から一直線上に180度方向をずらしてレーザ光を射出する。この双方向レーザ発振器25は、例えば2枚の反射鏡の間にレーザ媒質を入れた周知のレーザ発振器を、双方向から射出されるレーザ光の光軸が一致するように背中合わせに組み合わせて構成される。また、これ以外にも2枚の反射鏡で共振周波数の光を閉じ込め、その一部を双方向から外部に取り出すように構成されてもよい。すなわち、双方向レーザ発振器25は、双方向にレーザ光を射出するようにした一個のレーザ発振器から構成されてもよいし、片方向のみしかレーザ光を射出しないレーザ発振器2個を固定し、双方向にレーザ光を射出するようにしたものから構成されてもよい。なお、レーザ発振器の媒質にはHe−Ne、炭酸ガス等の気体、固体、半導体等が用いられる。
【0035】
双方向レーザ発振器25の両側には、一対のウェッジプリズムを組み合わせてレーザ光を屈折する中継点光路屈折器36a,36bが設けられる。この中継点光路屈折器36a,36bは上述の基準点光路屈折器27と同様な構成を有する。中継点光路屈折器の一方36aが、基準点21から射出されたレーザ光及び双方向レーザ発振器25の一方から射出されたレーザ光を屈折し、中継点光路屈折器の他方36bが、双方向レーザ発振器25の他方から射出されたレーザ光を屈折する。基準点側に位置する中継点光路屈折器36aには、基準点21から照射されるレーザ光が照射される中継点受光器37が設けられる。中継点受光器37は上記基準点受光器28と同様な構成を有する。
【0036】
測量点23には、測量点受光器38が設けられる。この測量点受光器38は例えばトンネルを掘進する先導体に固定されている。測量点受光器38も上述の基準点受光器28と同様な構成を有する。
【0037】
中継点22と測量点23との間には、一対のウェッジプリズムを組み合わせて光路を屈折する2つの光路屈折器39,39が設けられる。この光路屈折器39,39は、上記基準点光路屈折器27と同様な構成を有する。この光路屈折器39,39それぞれの中継点側には、双方向レーザ発振器25から射出されるレーザ光が照射される中継側受光器40,40が設けられる。この中継側受光器40,40は、上述の基準点受光器28と同様な構成を有する。
【0038】
本発明の計測装置は、基準点レーザ発振器26から射出されるレーザ光を基準点光路屈折器27及び光路屈折器31,31で順次屈折し、中継点22まで届くようにし、これとは逆に双方向レーザ発振器25から射出されたレーザ光を中継点光路屈折器36a及び光路屈折器31,31で順次屈折し、基準点21まで届くようにしている。
【0039】
すなわち、制御装置50aは、基準点光路屈折器27におけるウェッジプリズムの回転角度を操作して、基準点レーザ発振器26から射出されたレーザ光が光路屈折器31(図中左側)の基準側受光器32を照射するように、この基準側受光器32の出力値をフィードバック制御する。同様に、制御装置50bは、光路屈折器31におけるウェッジプリズムの回転角を操作して、基準点レーザ発振器26から射出されたレーザ光が光路屈折器31(図中右側)の基準側受光器32を照射するように、この基準側受光器32の出力値をフィードバック制御する。また、制御装置50cは、光路屈折器31におけるウェッジプリズムの回転角を操作して、基準点レーザ発振器26から射出されたレーザ光が中継点受光器37を照射するように中継点受光器37の出力値をフィードバック制御する。このようにして基準点レーザ発振器26から射出されるレーザ光を基準点光路屈折器27及び光路屈折器31、31で順次屈折し、中継点22まで届くようにしている。
【0040】
また、これとは逆に制御装置50dは、中継点光路屈折器36aにおけるウェッジプリズムの回転角度を操作して、双方向レーザ発振器25から射出されたレーザ光が光路屈折器31(図中右側)の中継側受光器33を照射するように、この中継側受光器33の出力値をフィードバック制御する。同様に、制御装置50cは、光路屈折器31におけるウェッジプリズムの回転角を操作して、双方向レーザ発振器25から射出されたレーザ光が光路屈折器31(図中左側)の中継側受光器33を照射するように、この中継側受光器33の出力値をフィードバック制御する。また、制御装置50bは、光路屈折器31におけるウェッジプリズムの回転角を操作して、双方向レーザ発振器25から射出されたレーザ光が基準点受光器28を照射するように基準点受光器28の出力値をフィードバック制御する。このようにして双方向レーザ発振器25から射出されるレーザ光を中継点光路屈折器36及び光路屈折器31、31で順次屈折し、基準点21まで届くようにしている。当然のことながら、行きと戻りとで光路屈折器31、31のウェッジプリズムは殆ど動かす必要がない。
【0041】
演算装置51は、基準点光路屈折器27、光路屈折器31、31及び中継点光路屈折器36aでのレーザ光の屈折角θ1〜θ4に基づいて、基準点レーザ発振器26から射出されるレーザ光の光軸26aと、双方向レーザ発振器25から射出されるレーザ光の光軸25aとの間の相対角θを算出する。相対角θは例えば以下の計算式から求められる。
【0042】
【式1】
θ=θ1+θ2+θ3+θ4
また、各光路屈折器間の距離L1〜L3を測定すると、中継点22の位置も計測することができる。
【0043】
制御装置50e,50f,50gは、上記制御装置50a,50b,50cと同様に中継点光路屈折器36b又は光路屈折器39,39のウェッジプリズムの回転角度を操作して、測量点受光器38又は中継側受光器40,40の出力値をフィードバック制御し、双方向レーザ発振器25から射出されるレーザ光が自動的に測量点受光器38まで届くようにしている。そして、演算装置51は、各光路屈折器の屈折角θ1〜θ7及び光路屈折器間の距離L1〜L7に基づいて測量点23の位置を算出する。
【0044】
このように本発明によれば、基準点21に設けられた基準点レーザ発振器26の光軸26aと中継点22に設けられた双方向レーザ発振器25の光軸25aとの間の相対角が算出されるので、中継点22から測量点23に向かってレーザ光を射出する双方向レーザ発振器25の位置、レーザ光の方向を測定することができる。この結果、基準点21から測量点23までの距離が長距離であっても、基準点21から射出される光を中継し、測量点23を高精度に計測することができる。
【0045】
なお、上記受光器28,32,33,37の中心位置と光路屈折器27,31,31,36aの中心位置とが異なるため、光路屈折器27,31,31,36a間の距離が近い場合、行きと戻りとで僅かな光路の相違が生じる。相対角を高精度に測定したいときは、行きと戻りそれぞれでの光路屈折器27,31,31,36aの屈折角が測定される。
【0046】
図4は基準点光路屈折器27を示す。上述のように基準点光路屈折器27、中継点光路屈折器36,36及び光路屈折器31,31,39,39は全て同様な構成を有し、基準点受光器28、中継点受光器37、測量点受光器38、基準側受光器32,32及び中継側受光器33,33,40,40は全て同様な構成を有するので、基準点光路屈折器(以下単にプリズムユニット27という)及び基準点受光器28(以下単に受光器28という)の構成を代表して説明する。図中(A)はプリズムユニット27の正面図を示し、図中(B)は側面図を示す。各プリズムユニット27は内部に一対のウェッジプリズム13a,13bを有する。各プリズムユニット27には受光器28が設けられる。この受光器28はウェッジプリズム13a,13bの周囲にその中心から一定間隔を開けて配置された3個ないし4個の光電センサ28a,28b,28c,28dから構成される。なお、受光器28には4つの光電センサを組合せた2軸光電センサの他、CCDカメラ等の撮影素子が用いられても良い。
【0047】
図5は、プリズムユニット27の断面図を示す。プリズムユニット27は、円筒状のケース12と、このケース12内に回転自在に設けられる一対のウェッジプリズム13a,13bと、この一対のウェッジプリズム13a,13bそれぞれを個別に回転させる駆動部としてのモータ14a,14bと、ウェッジプリズム13a,13bの回転角をデジタル式に検出する角度検出部としてのエンコーダ15a,15bとを備える。モータ14a,14bとエンコーダ15a,15bとは一体になっている。また、塵等が付着するのを防止するために、ウェッジプリズムは保護ガラス16で覆われている。なお、角度検出部はデジタル的に検出するエンコーダ15a,15bに限られることなく、アナログ的に検出するポテンションメータであってもよい。
【0048】
図6に示すように、ウェッジプリズム13a,13bは、円筒状のレンズの第2面17にテーパをつけたプリズムである。このウェッジプリズム13a,13bの第1面18にビームが垂直に入射すると、入射した光線は屈折角δで屈折する。ここで、屈折角δとウェッジ頂角wの関係は、以下の式で表される。
【0049】
【式2】
ここで、nは屈折率である。
【0050】
図7は、2つのウェッジプリズム13a,13bを組み合わせた場合を示す。2つのウェッジプリズム13a,13bは同じ材質で、しかも同じウェッジ頂角wを有する。この図に示すように、2つのウェッジプリズム13a,13bを傾斜面19が平行になるように近接配置すると、ウェッジプリズム13a,13bを通過したビームは、平行なガラスを通過するのと同様に直進する。一方、図12に示すように、ウェッジプリズム13a,13bを第1面18の法線と平行な軸の回りに別々に回転することによって、所定の尖った円錐体内部の任意の方向にレーザー光を屈折(偏向)することができる。このときの最大屈折角は、ウェッジ頂角wが小さい場合は2つのウェッジプリズムの屈折角δを合算した2δになる。したがってレーザー光は直径4δの円内を照射する。
【0051】
2個のウェッジプリズム13a,13bそれぞれの回転角から、組み合わせた場合の屈折角および屈折方向の算出方法について説明する。ウェッジプリズム13a,13bのそれぞれの回転角はエンコーダ15a,15bで検出され、組み合わせた場合の屈折角度は演算装置51(図3参照)で算出される。演算装置51はCPU等を有する計算機からなり、ウェッジプリズム13a,13bの回転角から各プリズムユニット27の屈折角を算出しする。
【0052】
図9に示すように、ウェッジプリズム13a,13b(以下ウェッジプリズム13aをプリズム1といい、ウェッジプリズム13bをプリズム2という)の中心線上にレーザー光を入射すると、プリズム1がレーザー光を屈折角δ1で屈折し、プリズム2がさらにレーザー光を屈折角δ2で屈折する。この屈折角δ1,δ2が得られるプリズム1の回転角をψ1,プリズム2の回転角をψ2とする。プリズム1,2の一番厚いところと一番薄いところを結んだ線が水平となる位置を基準とし、回転角ψ1,ψ2はこの位置からの角度を表している。
【0053】
ここで、ウェッジ頂角wが微少であることから、計算を簡単にするためにδ1,δ2ともに微少とし、ウェッジプリズム2の第1面にもレーザー光が垂直に入射すると仮定する。図10は、レーザー光に対して直交する面にX軸,Y軸をとり、プリズム1の屈折角δ1(図中(a))およびプリズム2の屈折角δ2(図中(b))をベクトル表示したものである。この図からプリズム1に関して以下の計算式が成立する。
【0054】
【式3】
また、プリズム2に関しても同様に以下の計算式が成立する。
【0055】
【式4】
式2および式3からプリズム1とプリズム2を合算した場合のX方向の合成成分δTXは、以下の式5で表される。
【0056】
【式5】
同様に、Y方向の合成成分は、以下の式6で表される。
【0057】
【式6】
したがって、合成屈折角δT、合成屈折方向ψTは以下の式7で表される。
【0058】
【式7】
ここで、プリズム2個の差角ΔψをΔψ=ψ1−ψ2とすると、δTは以下の式8で表される。
【0059】
【式8】
【0060】
これらの計算式を用いることで、2個のプリズム1,2それぞれの回転角から、組み合わせた場合の合成屈折角δTおよび合成屈折方向ψTを簡単に算出することができる。なお、プリズム1,2の屈折角δ1,δ2はプリズムによって一定の値を保ち、この屈折角は計算機のメモリに記憶されている。異なる屈折角のプリズム1,2を使用する場合は、メモリに複数の屈折角が記憶される。
【0061】
上述のように、制御装置50a〜50gは、プリズムユニット27における一対のプリズム1,2それぞれの回転角度を操作して、最終的には基準点レーザ発振器26から射出されるレーザー光が自動的に測量点受光器38まで届くようにしている。各制御装置50a〜50gは、レーザー光が受光器28,32,33,37,38,40の中心にないときは、あらかじめ定めたアルゴリズムでプリズム1,2それぞれを回転し、レーザ光が受光器28…の中心にくるようにプリズム1,2を操作する。このときのプリズム1,2の回転角ψ1,ψ2から上述の計算式を用いて合成屈折角δT(図1のθ1〜θ7)、合成屈折方向ψTが算出される。
【0062】
レーザー光を受光器28…の中心にもっていくように制御装置で実行されるソフトウェアサーボのアルゴリズムについて説明する。このソフトウェアサーボは、プリズム1,2の回転角度を操作して、レーザー光が受光器28…の中心を照射するように受光器28…の出力値をフィードバック制御している。
【0063】
図11は、アルゴリズムのフローチャートを示す。まず、受光器28…からの入力レベルがe1以上であるか否かを判断する(ステップS1)。受光器28…が中心から+X,−X,+Y,−Yの4方向に延びる4つの光電センサを組み合わせた2軸光電センサの場合、レーザー光が中心にあれば出力値が0になる。受光器28…からの入力レベル<e1の場合は、レーザー光が受光器28…の中心にあるとして、プリズム1,2の回転角を操作しない。受光器28…からの入力レベル≧e1の場合は、レーザー光が受光器28…の中心にないので、レーザー光が受光器28…の中心にくるように以下の処理を行う。
【0064】
まずプリズム座標系で、X0,Y0,ψTを算出する(ステップS2)。次に、受光器座標系でX1,Y1を検出する(ステップS3)。プリズム座標系は、図12および図13に示すように、プリズムユニット27からプリズム中心線を延長して受光器上の平面と交差する点Pを原点とした座標系をいい、受光器座標系は受光器28…の中心を原点とした座標系をいう。この図12および図13で、レーザー光の受光器28…上の照射位置をプリズム座標系で示したものがv0ベクトルで、受光器座標系で示したものがv1ベクトルである。レーザー光が受光器28…の中心を照射するためには、v1ベクトルが0となればよい。プリズム座標系のv0ベクトルのX方向成分、Y方向成分それぞれをX0,Y0とすると、上述のプリズムの合成屈折角δTから、X0=δTX×L1,Y0=δTY×L1と算出される。ここで、L1はプリズムから受光器までの距離である。そして、ψTは上述の合成屈折方向から算出される(ステップS2)。また、受光器座標系において、受光器28…の検出値からX1,Y1が検出され、計算式θ1=tan-1(Y1/X1)からθ1が算出される(ステップS3)。受光器28…の精度が高く、座標X1,Y1が高精度に得られると、このX1,Y1に基づいてプリズムを操作して受光器28…の中心を照射するように合成屈折角δTを変化させればよいが、一般に受光器28…の精度はそれほど高くないので以下のような処理が必要になる。
【0065】
ψTとθ1を比較し、一致する方向に差角Δψを一定に保ったままプリズム2枚を同時に回し、ψTを変える(ステップS4)。図14に示すように、2つのプリズムの差角Δψを一定に保ったままプリズム2枚を同時に回すと、プリズム座標系でのv0ベクトルは、絶対値を保ったまま、原点Pを中心として回転する。ψTとθ1とが等しくなるまで(図中2点鎖線の位置から実線の位置まで)回転すると、v1ベクトルとv0ベクトルとは重なる。このステップS4では、v0ベクトルとv1ベクトルとの方向を合わせている。なお、プリズムの1回の回転量は振動しないように差の1/2とされる。
【0066】
次に、|v1|と|v0|を比較し、ψTを一定に保ったまま、|v1|が0となるように差角Δψを変化する。図15に示すように、2枚のプリズムを相反する方向へ同じ量回転すると、プリズム座標系でのv0ベクトルは、ψTを一定に保ったまま、絶対値|v0|を変化する。この図に示すように、2枚のプリズムの差角Δψを|v1|が0となるように変化すると、v0ベクトルの絶対値が図中2点鎖線の位置から実線の位置まで変化する。すなわち、ステップS5では、v1ベクトルの絶対値を0となるようにしている。ここで、|v1|=√(X12+Y12),|v0|=L1√(δTX2+δTY2)で表される。なお、差角Δψの1回の変化量は、振動しないように差の1/2とされる。
【0067】
次に、ステップS5での差角Δψの変化量が例えば10″以下であるか否かを判断する(ステップS6)。10″以下であれば、レーザー光が受光器28・・・の中心を照射しているとして、スタートに戻る。10″以下でなければ、ステップ2〜ステップ5を繰り返し、再びv1ベクトルが0になるようにプリズムの回転角を操作する。
【0068】
なお、本発明は上述の実施態様に限られず、種々の変更が可能である。例えば双方向レーザには、あらかじめ双方での光軸のずれがわかっていれば光軸を一致させなくてもよい。また、制御装置は、複数のプリズムユニットに対応して複数設けられているが、複数のプリズムユニットに対して一つ設けられても良い。
【0069】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、双方向にレーザを射出する双方向レーザ発振器を中継装置として使用し、基準点から射出されたレーザ光とは逆の経路を経由して、中継装置から射出されたレーザ光を屈折して基準点に戻るようにし、レーザ光の屈折角から中継装置の光軸と基準点から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を測定したので、基準点から測量点までの距離が長距離であっても、基準点から射出される光を中継し、測量点の位置を高精度に計測できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態における計測装置が適用される推進工法を示す平面図。
【図2】先導体の計画線からのずれを示す概略図。
【図3】計測装置の全体システム構成図。
【図4】プリズムユニットを示す図(図中(A)は正面図を示し、図中(B)は側面図を示す)。
【図5】プリズムユニットを示す断面図。
【図6】ウェッジプリズムを示す断面図。
【図7】組み合わせたウェッジプリズムを示す断面図。
【図8】入射光線を屈折するウェッジプリズムを示す斜視図。
【図9】入射光線の屈折を座標系で示す図。
【図10】屈折角をベクトルで示す図(図中(a)はプリズム1を示し、図中(b)はプリズム2を示す。)
【図11】ソフトウェアサーボのアルゴリズムを示すフローチャート。
【図12】受光器上でのレーザー光の照射位置を示す図。
【図13】プリズム座標系と受光器座標系を示すグラフ。
【図14】プリズム座標系と受光器座標系を示すグラフ。
【図15】プリズム座標系と受光器座標系を示すグラフ。
【符号の説明】
13a,13b ウェッジプリズム
14a,14b モータ(駆動部)
15a,15b エンコーダ(角度検出部)
21 基準点
22 中継点
23 測量点
25a 双方向レーザ発振器の光軸
25 双方向レーザ発振器
26 基準点レーザ発振器
26a 基準点レーザ発振器の光軸
27 基準点光路屈折器
28 基準点受光器
31,31 光路屈折器
32,32 基準側受光器
33,33 中継側受光器
35 光中継装置
36a,36b 中継点光路屈折器
37 中継点受光器
50a〜50d 制御装置
51 演算装置
Claims (9)
- 基準点と測量点との間に設けられ、基準点から射出されたレーザ光を中継する光中継装置であって、
光軸を合わせて双方向にレーザを射出する双方向レーザ発振器と、
前記双方向レーザ発振器の両側に設けられた、複数のウェッジプリズムを組み合わせてレーザ光を屈折する一対の中継点光路屈折器と、
前記中継点光路屈折器でのレーザ光の屈折を制御する制御装置と
を備え、
前記中継点光路屈折器は、回転自在に設けられた一対のウェッジプリズムと、この一対のウェッジプリズムそれぞれを個別に回転する一対の駆動部と、前記一対のウェッジプリズムそれぞれの回転角を検出する一対の角度検出部とを有し、
前記中継点光路屈折器の一方は、前記基準点から射出されたレーザ光及び前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光を屈折し、前記中継点光路屈折器の他方は、前記双方向レーザ発振器の他方から射出されたレーザ光を屈折し、
前記制御装置は、前記中継点光路屈折器の前記一対のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が前記基準点に設けられた基準点受光器を照射するように前記基準点受光器の出力値をフィードバック制御することを特徴とする光中継装置。 - 前記一対の角度検出部のそれぞれの検出値に基づいて前記中継点光路屈折器での屈折角を算出すると共に、この屈折角に基づいて前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸と前記基準点から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を算出する演算装置が設けられることを特徴とする、請求項1に記載の光中継装置。
- 基準点から射出されるレーザ光を中継点で中継して測量点まで届くようにし、前記測量点の位置を計測する計測方法であって、
前記基準点には、レーザ光を射出する基準点レーザ発振器と、この基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光を複数のウェッジプリズムを組み合わせて屈折する基準点光路屈折器とが設けられ、
前記中継点には、光軸を略合わせて双方向にレーザ光を射出する双方向レーザ発振器と、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光を、複数のウェッジプリズムを組み合わせて屈折する中継点光路屈折器とが設けられ、
前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光を前記基準点光路屈折器で屈折して、前記中継点まで届くようにし、
前記双方向レーザ発振器の一方から射出されるレーザ光を前記中継点光路屈折器で屈折して、前記基準点まで届くようにし、
前記基準点光路屈折器及び前記中継点光路屈折器でのレーザ光の屈折角に基づいて、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸と前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を算出することを特徴とする計測方法。 - 前記基準点には、前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光が照射される基準点受光器が設けられ、
前記中継点には、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光が照射される中継点受光器が設けられ、
前記基準点光路屈折器における前記複数のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記基準点レーザ発振器から射出されたレーザ光が前記中継点受光器を照射するように前記中継点受光器の出力値をフィードバック制御すると共に、
前記中継点光路屈折器における前記複数のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が前記基準点受光器を照射するように前記基準点受光器の出力値をフィードバック制御することを特徴とする、請求項3に記載の計測方法。 - 前記基準点と前記中継点との間に、複数のウェッジプリズムを組み合わせて光路を屈折する複数個の光路屈折器が設けられ、
前記光路屈折器には、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光が照射される基準側受光器、並びに前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光が照射される中継側受光器が設けられ、
前記光路屈折器の前記複数のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記基準点レーザ発振器から射出されたレーザ光が前記基準側受光器を照射するように前記基準側受光器の出力値をフィードバック制御し、前記基準点レーザ発振器から射出されたレーザ光が自動的に前記中継点受光器に届くようにすると共に、
前記光路屈折器の前記複数のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が前記中継側受光器を照射するように前記中継側受光器の出力値をフィードバック制御し、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が自動的に前記基準点受光器に届くようにし、
前記基準点光路屈折器、前記中継点光路屈折器及び前記光路屈折器でのレーザ光の屈折角に基づいて、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸と前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を算出することを特徴とする、請求項4に記載の計測方法。 - 前記複数のウェッジプリズムそれぞれの回転角度に基づいて前記基準点光路屈折器、前記中継点光路屈折器及び前記光路屈折器の屈折角を算出することを特徴とする、請求項5に記載の計測方法。
- 基準点から射出されるレーザ光を中継点で中継して測量点まで届くようにし、前記測量点の位置を計測する計測装置であって、
前記基準点には、レーザ光を射出する基準点レーザ発振器と、この基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光を屈折する基準点光路屈折器と、前記中継点から射出されるレーザ光が照射される基準点受光器が設けられ、
前記中継点には、光軸を略合わせて双方向にレーザ光を射出する双方向レーザ発振器と、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光を屈折する中継点光路屈折器と、基準点から照射されるレーザ光が照射される中継点受光器とが設けられ、
前記基準点光路屈折器及び前記中継点光路屈折器のそれぞれは、回転自在に設けられた一対のウェッジプリズムと、この一対のウェッジプリズムそれぞれを個別に回転する一対の駆動部と、前記一対のウェッジプリズムそれぞれの回転角を検出する一対の角度検出部とを有し、
前記基準点光路屈折器における前記一対のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記基準点レーザ発振器から射出されたレーザ光が前記中継点受光器を照射するように前記中継点受光器の出力値をフィードバック制御すると共に、前記中継点光路屈折器における前記一対のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が前記基準点受光器を照射するように前記基準点受光器の出力値をフィードバック制御する制御装置と、
前記基準点光路屈折器及び前記中継点光路屈折器でのレーザ光の屈折角に基づいて、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸と前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を算出する演算装置と
が設けられることを特徴とする計測装置。 - 基準点と中継点との間に、光路を屈折する複数個の光路屈折器が設けられ、前記光路屈折器は、回転自在に設けられた一対のウェッジプリズムと、この一対のウェッジプリズムのそれぞれを個別に回転する一対の駆動部と、前記一対のウェッジプリズムそれぞれの回転角を検出する一対の角度検出部とを有し、
前記光路屈折器には、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光が照射される基準側受光器、並びに前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光が照射される中継側受光器が設けられ、
前記制御装置は、前記光路屈折器の前記一対のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記基準点レーザ発振器から射出されたレーザ光が前記基準側受光器を照射するように前記基準側受光器の出力値をフィードバック制御し、前記基準点レーザ発振器から射出されたレーザ光が自動的に前記中継点受光器に届くようにすると共に、前記光路屈折器の前記一対のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が前記中継側受光器を照射するように前記中継側受光器の出力値をフィードバック制御し、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が自動的に前記基準点受光器に届くようにし、
前記演算装置は、前記基準点光路屈折器、前記中継点光路屈折器及び前記光路屈折器でのレーザ光の屈折角に基づいて、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸と前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を算出することを特徴とする請求項7に記載の計測装置。 - 前記演算装置は、前記一対のウェッジプリズムそれぞれの回転角度に基づいて前記基準点光路屈折器、前記中継点光路屈折器及び前記光路屈折器の屈折角を算出することを特徴とする、請求項8に記載の計測装置。
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