JP2000266545A - 傾斜設定回転レーザー装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］ 本発明は、水平面に対して任意の傾斜角でレ
ーザ光を投光することができるレーザ測量機の傾斜設定
回転レーザー装置を提供することを目的とする。 ［構成］ 本発明は、レーザー投光器がレーザー光を投
光し、傾動手段が、レーザー投光器を少なくとも１方向
に傾動可能にし、傾斜検出手段の第１の光学系が、光源
からの光を自由表面を有する液体部材に向け、受光手段
が、液体部材で反射された光を受光し、第２の光学系
が、液体部材で反射された光を受光手段に導き、演算処
理手段が、受光手段の受光信号により傾きを演算し、こ
の傾きに基づき、前記傾動手段を駆動してレーザー投光
器の傾斜を設定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水平面に対して任
意の傾斜角でレーザ光を投光することができるレーザ測
量機の傾斜設定回転レーザー装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、例えば、特開平６−２６８６
１号公報に記載されている様な回転レーザ装置が存在し
ていた。この回転レーザ装置は、図１２に示す様に、レ
ーザ光を回転照射し、レーザ基準面を形成することがで
き、更に、レーザー基準面を傾斜することができる様に
構成されている。

【０００３】即ち、ケーシング（５）の略中央には、レ
ーザ光を発するレーザ投光器（１０）があり、前記レー
ザ投光器（１０）上には、回動走査部（１３）が設けら
れている。この回動走査部（１３）は、ギヤを介して、
走査モータ（１５）により水平方向に回転可能に構成さ
れている。そして回動走査部（１３）には、ペンタプリ
ズム（１８）が設けられており、回動走査部（１３）の
回転軸上に射出されたレーザ光を９０度偏向し、レーザ
基準面を形成する様になっている。

【０００４】レーザ投光器（１０）と回動走査部（１
３）は、直交する２方向に傾斜可能に構成されており、
レーザ投光器（１０）には、２方向の傾斜を検出するた
めの第１の傾斜センサ（２０）及び第２の（２１）とが
設けられている。なお、第１の傾斜センサ（２０）と第
２の傾斜センサ（２１）とは、直交する様に配置されて
いる。

【０００５】更にレーザ投光器（１０）には、傾斜可能
に構成された第１の設定用傾斜センサ（６５）と第２の
設定用傾斜センサ（６６）とが設けられている。なお、
第１の設定用傾斜センサ（６５）と第２の設定用傾斜セ
ンサ（６６）の傾斜方向は、第１の傾斜センサ（２０）
と第２の傾斜センサ（２１）の直交する２方向に一致し
ており、第１の設定用傾斜センサ（６５）と第２の設定
用傾斜センサ（６６）の位置を基準に傾斜する様になっ
ている。

【０００６】そして、第１の設定用傾斜センサ（６５）
と第２の設定用傾斜センサ（６６）は、べ一スプレート
上に設けられ、第１の任意角設定部（５２）、第２の任
意角設定部（５３）（共に図示せず）により任意の角度
に設定することができる。

【０００７】第１の任意角設定部（５２）と第２の任意
角設定部（５３）とは、ギヤを介して第１の傾動モータ
（５８）、第２１の傾動モータ（５９）（共に図示せ
ず）により作動される様に構成されている。

【０００８】ケーシング（５）には、第１の傾斜センサ
（２０）と第２の傾斜センサ（２１）との方向が直交す
る様に、レーザ投光器（１０）と回動走査部（１３）と
を、２方向に傾斜させるための第１の傾斜設定部（３
５）、第２の傾斜設定部（３６）（共に図示せず）が設
けられている。

【０００９】第１の傾斜設定部（３５）と第２の傾斜設
定部（３６）とは、ギヤを介して、第１の傾斜調整モー
タ（３１）及び第２の傾斜調整モータ（３２）（共に図
示せず）により作動される。

【００１０】レーザー投光器（１０）から、これと直交
する方向に向けて第１のアーム２５と第２のアーム２６
（共に図示せず）とが、第１の傾斜設定部（３５）、第
２の傾斜設定部（３６）に係合している。

【００１１】そして傾斜を設定する場合には、まず、基
準位置を設定するためにレーザ基準面を水平に合致させ
る。なお、これらの傾動機構は、傾動手段に該当するも
のである。

【００１２】更に水平の設定は、第１の傾斜センサ（２
０）及び第２の傾斜センサ（２１）の出力信号により検
出する。この時、回動走査部（１３）の回転軸は鉛直と
なり、第１の設定用傾斜センサ（６５）と第２の設定用
傾斜センサ（６６）とは、水平の状態となっている。

【００１３】次に、入力手段から入力した傾斜角に基づ
き、第１の任意角設定部（５２）と第２の任意角設定部
（５３）とを作動させ、第１の設定用傾斜センサ（６
５）と第２の設定用傾斜センサ（６６）とを、所定の傾
斜角に対してマイナスに傾斜させる。

【００１４】そして、第１の設定用傾斜センサ（６５）
と第２の設定用傾斜センサ（６６）とを、マイナスに傾
斜させた後、これらのセンサの出力信号が水平を指示す
るまで、第１の傾斜設定部（３５）と第２の傾斜設定部
（３６）とを作動させ、レーザー投光器（１０）及び回
動走査部（１３）とを傾斜させる。そして、第１の設定
用傾斜センサ（６５）と第２の設定用傾斜センサ（６
６）の出力信号が水平を指示すると傾斜設定作業は、完
了する。

【００１５】図１３は、装置を制御する制御ブロックを
示す図である。

【００１６】第１の固定気泡管（２０）と第１の任意角
設定気泡管（６５）の検出結果は、第１の切換え回路
（８５）を介して第１の角度検出回路（８７）に入力さ
れ、第２の固定気泡管（２１）と第２の任意角設定気泡
管（６６）の検出結果は、第２の切換え回路（８６）を
介して第２の角度検出回蕗（８８）に入力される。

【００１７】なお、第１の角度検出回路（８７）及び第
２の角度検出回路（８８）には、基準角度（９１）、基
準角度（９２）が設定されている。基準角度（９１）、
基準角度（９２）は、通常０である。

【００１８】第１の切換え回略（８５）により、第１の
角度検出回路（８７）に第１の固定気泡管（２０）から
の信号が入力されると、第１の角度検出回路（８７）
は、基準角度（９１）との偏差量を検出し、第１の角度
検出回路（８７）の信号は第１のモー夕制御器（８９）
に入力され、第１のモータ制御器（８９）によって第１
のレベル調整モータ（３１）を駆動制御する様になって
いる。

【００１９】そして第１の切換え回路（８５）により第
１の角度検出回路（８７）に、第１の固定気泡管（２
０）及び任意角設定気泡管（６５）からの両信号が入力
されると、第１の角度検出回路（８７）は、その偏差量
に対応した信号を出力し、この信号が第１の傾斜駆動回
路（８３）に入力され、この第１の傾斜駆動回路（８
３）によって第１の駆動モータ（５８）が駆動制御され
る。又、第１の切換え回路（８５）により、第１の角度
検出回路（８７）に第１の任意角設定気泡管（６５）か
らの信号が入力されると、第１の角度検出回路（８７）
は、基準角度（９１）との偏差量を検出し、第１の角度
検出回路（８７）の信号は第１のモータ制御部（８９）
に入力され、この第１のモータ制御器（８９）によって
第１のレベル調整モータ（３１）を駆動制御する。

【００２０】また第２の角度検出回路（８８）の信号
は、第２のモータ制御器（９０）に入力され、この第２
のモータ制御器（９０）によって、第２のレベル調整モ
ータ（３２）を駆動制御する。又、第２の角度検出回路
（８８）の信号及び第２の任意角設定器（８２）からの
信号が第２の傾斜駆動回路（８４）に入力され、この第
２の傾斜駆動回路（８４）によって第２の駆動モータ
（５９）が駆動制御される。

【００２１】そして、第１の角度検出回路（８７）と第
２の角度検出回路（８８）の角度偏差は、判別器（９
３）に入力され、この判別器（９３）は、第１の角度検
出回路（８７）と第２の角度検出回路（８８）の角度偏
差のうち大きな方の角度偏差を選択し、この選択した角
度偏差の変化に応じた出力を表示器駆動器（９４）に出
力し、表示器駆動器（９４）は、表示器（９５）に対し
て偏差の値に応じた表示をさせる様になっている。

【００２２】本実施例ではレーザ光により形成される基
準平面は水平、或いは任意の角度に設定可能であり、先
ず、水平基準面を形成するレーザ測量機の整準作動を説
明する。

【００２３】本体部（４）が設置され無調整の状態で
は、レーザ投光器（１０）の軸心は一般に鉛直線と合致
せず、第１の固定気泡管（２０）、第２の固定気泡管
（２１）は水平とはなっていない。

【００２４】第１の切換え回路（８５）は、第１の固定
気泡管（２０）からの信号が、第１の角度検出回路（８
７）に入力される様にし、第２の切換え回路（８６）
は、第２の固定気泡管（２１）からの信号が、第２の角
度検出回路（８８）に入力される様に構成されている。

【００２５】基準角度９１が０とすると、第１の角度検
出回路（８７）からは角度偏差信号が出力され、基準角
度９２が０とすると、第２の角度検出回路（８８）から
は角度偏差信号が出力される。この角度偏差信号が出力
されると、第１のモータ制御器（８９）、第２のモータ
制御器（９０）は、このこの角度偏差信号が０となる様
に、第１のレベル調整モータ（３１）と第２のレベル調
整モータ（３２）を所要の方向に駆動する。

【００２６】

【発明が解決しようとする課題】回転レーザ装置が形成
するレーザ平面は、基準面となるので高精度の傾斜精度
が要求される。振子式傾斜検出装置は、ある程度広い範
囲の傾斜角を検出できるが、機械可動部のあるので摩擦
抵抗が影響し、数秒単位の角度を検出することは非常に
困難である。

【００２７】従来から測量機の傾きを検出する素子とし
て、図１４に示す電気式気泡管１００００が使用されて
いた。この気泡管１００００は、内部に気泡５０００を
封入すると共に、電極６０００、７０００を形成し、静
電容量を電気的に計測することにより、傾きを測定する
ことができる。

【００２８】電気式気泡管１００００は中空ガラス管か
ら構成され、内部に液体と気泡５０００を封入してい
る。ガラス管の外側には電極６０００、７０００が構成
され、機械的可動部はなく、気泡の移動による静電容量
を精密に検出している。

【００２９】気泡管式で高精度の角度検出をする場合、
ガラス管の曲率半径が大きいことが要求されるが、曲率
半径が大きいものは検出転囲が小さい上、高価であると
いう問題点があった。

【００３０】更に、静電容量を検出するダイナミックレ
ンジは狭く、検出範囲は略水平の範囲となり、傾斜を精
度よく設定ためには、固定センサと設定用傾斜センサと
が必要となるという問題点があった。更に、２方向の場
合には、４本の傾斜センサが必要となる。

【００３１】更に任意角設定部は構造が複雑なことか
ら、将来的な摩耗誤差、摩擦による可動誤差を起こす要
因となるという深刻な問題点あった。

【００３２】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題に鑑み
案出されたもので、レーザー光を投光するためのレーザ
ー投光器を備え、このレーザー投光器を少なくとも１方
向に傾動可能にするための傾動手段と、傾斜検出手段と
を備えた回転レーザー装置であって、該傾斜検出手段
は、自由表面を有する液体部材と、光源からの光を該液
体部材に向けるための第１の光学系と、前記液体部材で
反射された光を受光するための受光手段と、前記液体部
材で反射された光を該受光手段に導くための第２の光学
系とからなっており、前記受光手段の受光信号により傾
きを演算するための演算処理手段が、この演算処理手段
で演算された傾きに基づき、前記傾動手段を駆動して前
記レーザー投光器の傾斜を設定することを特徴としてい
る。

【００３３】また本発明は、レーザー光を投光するため
のレーザー投光器を備え、このレーザー投光器を少なく
とも１方向に傾動可能にするための傾動手段と、傾斜検
出手段とを備えた回転レーザー装置であって、該傾斜検
出手段は、２次元の位置を示す様に配列されたパターン
と、このパターンからの光を２方向に分割するための分
割光学系と、この分割光学系からの光を第１の方向に向
けて集光させるための第１の光学素子と、前記分割光学
系からの光を、前記第１の方向と異なる第２の方向に向
けて集光させるための第２の光学素子と、前記第１の光
学素子により集光された前記パターン像を受光するため
の第１の受光素子と、前記第２の光学素子により集光さ
れた前記パターン像を受光するための第２の受光素子と
からなっており、この第１の光学素子と第２の光学素子
との受光信号により前記パターン上の位置を求め、傾き
を演算するための演算処理手段が、この演算処理手段で
演算された傾きに基づき、前記傾動手段を駆動して前記
レーザー投光器の傾きを設定することを特徴としてい
る。

【００３４】そして本発明のパターンは、前記第１の光
学素子及び前記第２の光学素子の長手方向に対して、そ
れぞれ等ピッチに配置され、かつ、直交する方向から見
たパターンの幅が同じとなる様に配置された２次元パタ
ーンから形成する構成にすることもできる。

【００３５】更に本発明のパターンは、前記第１の方
向、前記第２の方向のそれぞれが一定の幅を有し、等ピ
ッチで順次配列されている構成にすることもできる。

【００３６】また本発明のパターンは、前記第１の方
向、前記第２の方向、のそれぞれが、少なくとも第１の
周期で変調された第１パターンと、この第１のパターン
と異なる第２の周期で変調された第２パターンとを有
し、前記第１パターンと前記第２パターンとを等ピッチ
で順次配列されている構成にすることもできる。

【００３７】そして本発明の第１パターン及び第２パタ
ーンの変調は、線幅を変化させる空間変調により行われ
ている構成にすることもできる。

【００３８】更に本発明は、演算処理手段が、パターン
のピッチ間隔以上の動きを、該パターンにより求め、パ
ターンのピッチ間隔以下の動きを、フーリエ変換による
パターンの位相を演算することにより求めることによ
り、傾きを求める様に構成にすることもできる。

【００３９】また本発明の第１の光学素子と第２の光学
素子、及び、第１の受光素子と第２の受光素子に代え
て、少なくとも１つのエリアセンサとする構成にするこ
ともできる。

【００４０】そして本発明の第１の光学素子及び第２の
光学素子は、集光する光学素子に代えて、発散する光学
素子とする構成にすることもできる。

【００４１】

【発明の実施の形態】以上の様に構成された本発明は、
レーザー投光器がレーザー光を投光し、傾動手段が、レ
ーザー投光器を少なくとも１方向に傾動可能にし、傾斜
検出手段の第１の光学系が、光源からの光を自由表面を
有する液体部材に向け、受光手段が、液体部材で反射さ
れた光を受光し、第２の光学系が、液体部材で反射され
た光を受光手段に導き、演算処理手段が、受光手段の受
光信号により傾きを演算し、この傾きに基づき、前記傾
動手段を駆動してレーザー投光器の傾斜を設定すること
を特徴としている。

【００４２】また本発明は、レーザー投光器がレーザー
光を投光し、傾動手段が、レーザー投光器を少なくとも
１方向に傾動可能にする様になっており、傾斜検出手段
は、２次元の位置を示す様に配列してパターンを形成
し、分割光学系が、パターンからの光を２方向に分割
し、第１の光学素子が、第１の光学系からの光を第１の
方向に向けて集光させ、第２の光学素子が、分割光学系
からの光を、第１の方向と異なる第２の方向に向けて集
光させ、第１の受光素子が、第１の光学素子により集光
されたパターン像を受光し、第２の受光素子が、第２の
光学素子により集光されたパターン像を受光し、第１の
光学素子と第２の光学素子との受光信号に基づき、パタ
ーン上の位置を求め、傾きを演算するための演算処理手
段が、この傾きに基づいて傾動手段を駆動し、レーザー
投光器の傾斜を設定することができる。

【００４３】そして本発明のパターンは、第１の光学素
子及び第２の光学素子の長手方向に対して、それぞれ等
ピッチに配置され、かつ、直交する方向から見たパター
ンの幅が同じとなる様に配置された２次元パターンにす
ることもできる。

【００４４】更に本発明のパターンは、第１の方向、第
２の方向のそれぞれが一定の幅を有し、等ピッチで順次
配列することもできる。

【００４５】また本発明のパターンは、第１の方向、第
２の方向、のそれぞれが、少なくとも第１の周期で変調
された第１パターンと、この第１のパターンと異なる第
２の周期で変調された第２パターンとを有し、第１パタ
ーンと第２パターンとを等ピッチで順次配列することも
できる。

【００４６】そして本発明の第１パターン及び第２パタ
ーンの変調は、線幅を変化させる空間変調にすることも
できる。

【００４７】更に本発明は、演算処理手段が、パターン
のピッチ間隔以上の動きを、パターンにより求め、パタ
ーンのピッチ間隔以下の動きを、フーリエ変換によるパ
ターンの位相を演算することにより求めることにより、
傾きを求めることもできる。

【００４８】また本発明の第１の光学素子と第２の光学
素子、及び、第１の受光素子と第２の受光素子に代え
て、少なくとも１つのエリアセンサとすることもでき
る。

【００４９】そして本発明の第１の光学素子及び第２の
光学素子は、集光する光学素子に代えて、発散する光学
素子とすることもできる。

【００５０】

【実施例】

【００５１】本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。

【００５２】まず、本実施例の傾斜設定回転レーザー装
置５０００に使用される傾斜センサ１０００を説明す
る。なお傾斜センサ１０００は、傾斜検出手段に該当す
るものである。

【００５３】図１は、本第１実施例の傾斜センサ１００
０の光学的構成を示すもので、光源１００と、コンデン
サーレンズ２００と、暗視野パターン３００と、第１の
パターンリレーレンズ４１０と、第１のハーフミラー５
１０と、自由表面を有する液体部材６００と、第２のパ
ターンリレーレンズ４２０と、第２のハーフミラー５２
０と、第１のシリンドリカルレンズ７１０と、第２のシ
リンドリカルレンズ７２０と、第１の受光素子８１０
と、第２の受光素子８２０と、演算処理手段１６とから
構成されている。

【００５４】本第１実施例の光源１００はＬＥＤである
が、何れの光源を使用することができる。

【００５５】コンデンサーレンズ２００は、光源１００
からの光を平行にするためのものであり、第１の光学系
に該当するものである。

【００５６】暗視野パターン３００は、第１の受光素子
８１０と第２の受光素子８２０とにパターン像を形成す
るためのものである。暗視野パターン３００は、パター
ンに該当するものである。

【００５７】図２は、本第１実施例の２次元に配列され
た暗視野パターン３００を示すもので、黒マスク部に複
数の透明なパターン部を形成して構成されている。なお
パターンは、マスク部と透明を逆に構成してもよい。

【００５８】図３は、本第１実施例の暗視野パターン３
００の複数の透明なパターン部を拡大して示したもので
あり、Ｘ軸方向とＹ軸方向に直交する方向にパターン部
が配置されている。即ち、本第１実施例の暗視野パター
ン３００は、２軸方向（Ｘ軸方向とＹ軸方向）に絶対位
置を示すアブソリュートパターンであり、Ｘ軸方向とＹ
軸方向にクロスしたパターンとなっている。

【００５９】ここで、Ｘ軸方向の列をｉとし（ｉ＝１〜
Ｎ）、Ｙ軸の行をｊとし（ｊ＝１〜Ｋ）、特定のパター
ンをＰ_ｉｊ（ｉ＝１〜Ｎ、ｊ＝１〜Ｋ）と表すことにす
る。なお第３図の場合では、Ｎ＝９、Ｋ＝８である。

【００６０】そこで、第１行（Ｊ＝１）について説明す
る。

【００６１】第１行のパターンは、第１のパターンＡと
第２のパターンＢと第３のパターンＣと第４のパターン
Ｒとが、等間隔（ｐ）で繰り返し配置されている。即
ち、４種のパターンを１組として各ブロックが連続して
形成されており、最も左側に配置されたブロックを、１
ブロックと定義し、Ｒ、Ａ（１）、Ｂ（１）、Ｃ（１）
と記載すれば、Ｒ、Ａ（２）、Ｂ（２）、Ｃ（２）、
Ｒ、Ａ（３）、Ｂ（３）、Ｃ（３）・・・・・・・・と
繰り返し配置されている。

【００６２】即ち、Ｐ_１１＝Ｒ、Ｐ_２１＝Ａ_１、Ｐ_３１
＝Ｂ_１、Ｐ_４１＝Ｃ_１、Ｐ_５１＝Ｒ、Ｐ_６１＝Ａ_２、Ｐ
_７１＝Ｂ_２、Ｐ_８１＝Ｃ_２、Ｐ_９１＝Ｒ となる。

【００６３】次に、第１列（ｉ＝１）について説明す
る。

【００６４】第１列のパターンは、第１のパターンＡと
第２のパターンＢと第３のパターンＣと第４のパターン
Ｒとが、等間隔（ｐ）で繰り返し配置されている。即
り、４種のパターンを１組として各ブロックが連続して
形成されており、最も上側に配置されたブロックを、１
ブロックと定義し、Ｒ、Ａ（１）、Ｂ（１）、Ｃ（１）
と記載すれば、Ｒ、Ａ（２）、Ｂ（２）、Ｃ（２）、
Ｒ、Ａ（３）、Ｂ（３）、Ｃ（３）・・・・・・・・と
繰り返し配置されている。

【００６５】即ち、Ｐ_１１＝Ｒ、Ｐ_１２＝Ａ_１、Ｐ_１３
＝Ｂ_１、Ｐ_１４＝Ｃ_１、Ｐ_１５＝Ｒ、Ｐ_１６＝Ａ_２、Ｐ
_１７＝Ｂ_２、Ｐ_１８＝Ｃ_２ となる。

【００６６】第１のパターンリレーレンズ４１０は、暗
視野パターン３００を通過した光を、第１のハーフミラ
ー５１０に導くものである。

【００６７】本第１実施例の第１のハーフミラー５１０
は、半透過面５１１を備えたビームスプリッタである。
第１のハーフミラー５１０に入射された光は、半透過面
５１１を透過して上方に向かい、自由表面を有する液体
部材６００に入射する。そして、自由表面を有する液体
部材６００で反射された光は、第１のハーフミラー５１
０の半透過面５１１を反射して、第２のパターンリレー
レンズ４２０に向かう様になっている。

【００６８】なお、第１のハーフミラー５１０は、光源
１００からの反射光に対して傾斜する傾斜面５１２を有
する構成となっている。

【００６９】これは、光源１００から第１のハーフミラ
ー５１０に入射された光は、半透過面５１１を透過して
上方に向かうが、一部、半透過面５１１を反射する光が
ある。この反射光の一部は、第１のハーフミラー５１０
の端面で反射された後、同一光路を反対方向に進むと、
再び、半透過面５１１を透過し、第２のパターンリレー
レンズ４２０に向かってしまう。

【００７０】この半透過面５１１を反射する反射光は、
傾斜検出を阻害したり、誤差を生じさせる可能性があ
る。そこで、本第１実施例では、第１のハーフミラー５
１０の端面を、光源１００からの透過光に対して傾斜す
る傾斜面５１２とする様に構成されている。

【００７１】この結果、半透過面５１１で反射される光
源１００からの光は、傾斜面５１２で再び反射される
が、この再帰反射光は、同一光路を反対方向に進むこと
はないので、第２のパターンリレーレンズ４２０を介し
て、第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０とに
入射されることはなく、高精度の測定を行うことができ
るという効果がある。

【００７２】なお、光源１００と、この光源１００から
の光を反射させるための自由表面を有する液体部材６０
０の表面とが、共役な関係に配置することもできる。

【００７３】この場合には、液体部材６００の表面上で
の反射面積が最小となり、液体の表面張力による誤差を
最小にすることができるという効果がある。更に、液体
部材６００の容積を少なくすることもできる。

【００７４】自由表面を有する液体部材６００は、シリ
コンオイル等の適度の粘性を有する液体が充填されてい
る。液体部材６００は、自由表面を有するので、表面は
必ず水平を保つ様になっている。

【００７５】更に本実施例の液体部材６００は、第１の
ハーフミラー５１０と一体に構成することもできる。

【００７６】そして本実施例の第１のハーフミラー５１
０は、液体部材６００と接する面に反射防止膜を施すこ
ともできる。

【００７７】また本実施例の液体部材６００の屈折率
と、第１のハーフミラー５１０の屈折率とは、近似の値
とする構成にすることもできる。

【００７８】なお、第１のハーフミラー５１０は、ハー
フミラーに該当するものである。

【００７９】第２のパターンリレーレンズ４２０は、自
由表面を有する液体部材６００で反射され、第１のハー
フミラー５１０で反射された光を、第１の受光素子８１
０と第２の受光素子８２０上に結像するためのものであ
る。即ち、第２のパターンリレーレンズ４２０は、暗視
野パターン３００の像を第１の受光素子８１０と第２の
受光素子８２０上に形成するためのものである。

【００８０】なお、第２のパターンリレーレンズ４２０
は、第２の光学系に該当するものであり、第１の受光素
子８１０と第２の受光素子８２０とから、第２のパター
ンリレーレンズ４２０の焦点距離ｆ離れた位置に配置さ
れている。

【００８１】第２のハーフミラー５２０は暗視野パター
ン３００の像を、第１の受光素子８１０と、第２の受光
素子８２０とに、分離するためのものである。

【００８２】第１のシリンドリカルレンズ７１０は、Ｘ
軸方向に、暗視野パターン３００の像を集光させるもの
である。なお、第１のシリンドリカルレンズ７１０は、
第１の光学素子に該当するものである。

【００８３】例えば、第１行に対しては、Ｐ_１１＝Ｒ、
Ｐ_２１＝Ａ_１、Ｐ_３１＝Ｂ_１、Ｐ_{４ １}＝Ｃ_１、 Ｐ_５１
＝Ｒ、Ｐ_６１＝Ａ_２、Ｐ_７１＝Ｂ_２、Ｐ_８１＝Ｃ_２、Ｐ
_９１＝Ｒ を図３の右隅の様に 集光させるものであ
る。

【００８４】即ち、Ｐ_ｉ１（ｉ＝１〜９）を右隅の様に
集光させるものである。

【００８５】従って、Ｘ方向に全ての行で集光を実施す
ることができる。

【００８６】よって、「Ｐ_ｉ１（ｉ＝１〜９）の集光
を、Ｊ＝１〜８行まで実行する」ことになる。

【００８７】この結果、ピッチｐでＸ方向に集光された
Ｙ方向の位置を示すアブソリュートパターンが右隅の様
に形成される。

【００８８】第２のシリンドリカルレンズ７２０は、Ｙ
軸方向に、暗視野パターン３００の像を集光させるもの
である。第２のシリンドリカルレンズ７２０は、第２の
光学素子に該当するものである。

【００８９】従って、Ｘ方向と同様にＹ方向に全ての列
で集光を実施することができる。

【００９０】第１の受光素子８１０と第２の受光素子８
２０とは、本第１実施例では、ＣＣＤ（電荷結合素子）
リニアセンサが採用されている。

【００９１】演算処理手段１６は、ＣＰＵを含む演算処
理装置であり、全体の制御を司ると共に、暗視野パター
ン３００のスリット像の位置を算出し、対応する傾き角
を演算するためのものである。

【００９２】以上の様に構成された本第１実施例では、
傾斜センサ１０００が傾けば、液体部材６００の自由表
面は水平を保つので、傾斜角度に比例して、第１の受光
素子８１０と第２の受光素子８２０上の暗視野パターン
３００の像が移動することになる。

【００９３】ここで傾斜センサ１０００が角度θ傾いた
場合には、図４に示す様に、液体部材６００の屈折率を
ｎとすると、自由表面からの反射光は２ｎθ傾くことに
なる。第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０で
あるリニアセンサ上の距離をＬとすると、

【００９４】 Ｌ＝ｆ＊ｔａｎ（２ｎθ） ・・・・・第１式

【００９５】となる。

【００９６】従って、暗視野パターン３００の像の位置
を、第１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０で検
出し、基準位置からの距離を求め、演算処理手段１６が
傾き角に変換すれば、傾斜センサ１０００の傾きθを測
定することができる。

【００９７】次に、演算処理手段１６の傾き角の演算処
理を詳細に説明する。

【００９８】傾き角については、特定のパターンの位置
を基準として着目し、リニアセンサ上における検出され
たパターンの位置との距離ｄＬを測定すればよい。

【００９９】またピッチ間隔以下の距離に関しては、第
１の受光素子８１０と第２の受光素子８２０の出力のフ
ーリエ変換を行うことにより、リニアセンサ上のピッチ
間隔に対する基準位置との位相差φを計算し、

【０１００】 φ＊ｐ＊ｍ／（２π） ・・・・・・第２式

【０１０１】を求めることにより、ピッチ間隔以下の距
離を高精度に測定可能である。但し、ｍは倍率である。
そして、上記特定パターンの距離から求めたピッチ間隔
以上の距離と合わせることにより、全体の距離を演算す
ることができる。

【０１０２】まず説明を簡便化するために、暗視野パタ
ーン３００に形成されたパターンを、図５に示す様に簡
略化して説明する。なお、この説明では、理解を容易と
するために、パターンＣを省略して説明することにす
る。即ち、Ｒ、Ａ（０）、Ｂ（０）、Ｒ、Ａ（１）、Ｂ
（１）、Ｒ、Ａ（２）、Ｂ（２）、・・・・・・・・と
繰り返し配置されている場合で以下説明する。

【０１０３】暗視野パターン３００に形成されたパター
ンは、図５に示す様に、第１のパターンＡと第２のパタ
ーンＢと第３のパターンＲが等間隔（ｐ）で繰り返し配
置されている。即ち、３種のパターンを１組として各ブ
ロックが連続して形成されており、最も左側に配置され
たブロックを、０ブロックと定義し、Ｒ（０）、Ａ
（０）、Ｂ（０）と記載すれば、Ｒ（１）、Ａ（１）、
Ｂ（１）、Ｒ（２）、Ａ（２）、Ｂ（２）、・・・・・
・・・と繰り返し配置されている。なお、全てのパター
ンが等間隔ｐで繰り返されているので、この間隔に対応
した信号を基準信号とする。

【０１０４】そして例えば第３のパターンＲは、黒幅５
０μｍで固定幅となっており、第１のパターンＡは、７
ブロックで１周期となる様に黒部分の幅を変調してお
り、第２のパターンＢは、５ブロックで１周期となる様
に黒部分の幅を変調している。

【０１０５】次に第１のパターンＡは、７ブロックで１
周期となる様に黒部分の幅を変調しているので、変調幅
を２０μｍ〜８０μｍとすれば、第１のパターンの幅Ｄ
_Ａは、 以下の式で与えられる。

【０１０６】 Ｄ_Ａ＝５０＋３０＊ＳＩＮ（２＊π＊Ｘ／７） ・・・第３式

【０１０７】となる。但し、Ｘ＝（０、１、２、３・・
・・・・である）。

【０１０８】同様に、第２のパターンＢは、５ブロック
で１周期となる様に黒部分の幅を変調しているので、第
２のパターンの幅Ｄ_Ｂは、以下の式で 与えられる。

【０１０９】 Ｄ_Ｂ＝５０＋３０＊ＳＩＮ（２＊π＊Ｘ／５） ・・・第４式

【０１１０】となる。但し、Ｘ＝（０、１、２、３・・
・・・・である）。

【０１１１】そして第１のパターンＡと第２のパターン
Ｂとは、周期が僅かに異なっているため、両者の最小公
倍数である距離で同様のパターンが現れる。本実施例で
は７ブロックと５ブロックの最小公倍数である３５ブロ
ックで同様のパターンが現れる。

【０１１２】即ち、水平位置が含まれるブロックにおけ
る第１のパターンＡの位相番号をφ_Ａ（０〜６）とし、
水平位置における第２のパターンＢの位相番号をφ
_Ｂ（０〜４）とすれば、暗視野パターン３００の位置Ｈ
は、

【０１１３】φ_Ａとφ_Ｂの組み合わせより、それぞれの
位相番号が含まれるブロック番号φ_ＡＢ より、

【０１１４】 Ｈ＝φ_ＡＢ＊ｐ＊ｍ ・・・・第５式

【０１１５】となる。

【０１１６】次に、暗視野パターン３００の位置算出方
法を具体的に説明する。

【０１１７】第１の受光素子８１０と第２の受光素子８
２０の出力信号を、基準信号（等間隔ピッチｐに相当す
る信号）の前後半ピッチ分の範囲内でパターンの幅を求
める。更にこのパターンの幅を３つ毎に間引けば（プロ
ダクト検波）、図６と図７に示す様に、第１のパターン
Ａに相当する信号１と、第２のパターンＢに相当する信
号２と、第３のパターンＲに相当する信号３とが得られ
る。しかしながら第３のパターンＲは、幅が変調されて
いない上、第１のパターンＡと第２のパターンＢの最大
変調幅が８０μｍに対して、第３のパターンＲは５０μ
ｍしかないので、第３のパターンＲに相当する信号３
は、幅は略一定であり、信号１や信号２に比較して約５
０％の値となる。

【０１１８】そして、第３のパターンＲと、第１のパタ
ーンＡと、第２のパターンＢとは、定められた順番に繰
り返して配置されているので、間引かれた信号が、第３
のパターンＲ、第１のパターンＡ、第２のパターンＢの
何れであるか、決定することができる。

【０１１９】次にＡ、Ｂの信号から、傾斜読み取りの基
準位置にリニアセンサ８１０、８２０のアドレス位置
（第ｍビット目）を含む、Ａ、Ｂの１組の信号を選択
し、ＡとＢの位相番号を求めれば、何れの位置の第１の
パターンＡ、第２のパターンＢ、第３のパターンＲの組
合せであるかを求めることができる。

【０１２０】ここで、Ａ信号の位相番号をＡｍとし、Ｂ
信号の位相番号をＢｍとし、ＡとＢの位相番号の組み合
わせより、Ｒ、Ａ、Ｂが含まれるブロック番号φ_ＡＢ
を求め ることができる。

【０１２１】そして、基準位置（第ｍビット目）が含ま
れるパターンが、

【０１２２】 Ｒパターンの場合には・・・・・・３＊ｐ＊φ_ＡＢ ・・・・第６ 式

【０１２３】 Ａパターンの場合には・・・・・・ｐ＊（３＊φ_ＡＢ＋１） ・・・・第７ 式

【０１２４】 Ｂパターンの場合には・・・・・・ｐ＊（３＊φ_ＡＢ＋２） ・・・・第８ 式

【０１２５】の様に求められる。なお、ｐはピッチであ
る。

【０１２６】そして第６式〜第８式の値と、第２式より
得られた値を合わせることにより、暗視野パターン３０
０の位置Ｈを求めることができる。

【０１２７】なお、集光するシリンドリカルレンズに代
えて、パターンを発散拡大するシリンドリカルレンズを
用いても、同様に暗視野パターン３００の位置を求める
ことが可能である。

【０１２８】次に本実施例の演算処理手段１６を図８に
基づいて詳細に説明する。

【０１２９】アンプ１６１は、セレクタ１６８により選
択された第１の受光素子８１０又は第２の受光素子８２
０からの電気信号を増幅するものであり、サンプルホー
ルド１６２は、増幅された電気信号をクロックドライバ
１６５からのタイミング信号でサンプルホールドするも
のである。Ａ／Ｄ変換器１６３は、サンプルホールドさ
れた電気信号をＡ／Ｄ変換するためのものである。そし
てＲＡＭ１６４は、Ａ／Ｄ変換されたデジタル信号を記
憶するためのものである。またマイクロコンピュータ１
６６は、各種演算処理を行うものである。

【０１３０】ここでマイクロコンピュータ１６６が果た
す機能を図９に基づいて説明すると、演算処理手段１６
は、基準信号形成部１６６１と、パターン信号形成部１
６６２と、算出部１６６４とからなり、基準信号形成部
１６６１は、第１の受光素子８１０と第２の受光素子８
２０から得られた電気信号から、高速フーリエ変換によ
り等間隔ピッチｐに相当する基準信号を形成するもので
ある。

【０１３１】パターン信号形成部１６６２は、基準信号
の前後半ピッチ分の範囲内で幅を求め、このパターン幅
を３つ毎に間引く（プロダクト検波）ことにより、第１
のパターン信号と第２のパターン信号を形成するもので
ある。

【０１３２】算出部１６６４は、第１のパターン信号と
第２のパターン信号の位相番号から、基準位置が含まれ
るブロック番号を算出し、更に、ピッチ単位の位置を求
め、高速フーリエ変換により得られたピッチ内の位相
（第２式）との桁合わせを行い、高精度に暗視野パター
ン３００の位置を求め、暗視野パターン３００の移動量
Ｈを求めるものである。

【０１３３】そして表示器１６７は、算出部１６６４で
算出された傾き角を表示するもので、液晶表示等の表示
手段を採用してもよく、更に、外部記憶手段等に出力さ
せる構成としてもよい。

【０１３４】次に傾斜設定回転レーザー装置５０００を
説明するが、上記従来例と共通する構成の説明は省略す
ることにする。

【０１３５】図１０に示す様に傾斜設定回転レーザー装
置５０００は、ケーシング５の略中央には、レーザ光を
発するレーザ投光器１０があり、レーザ投光器１０上に
は、回動走査部１３が設けられている。この回動走査部
１３は、ギヤを介して、走査モータ１５により水平方向
に回転可能に構成されている。そして回動走査部１３に
は、ペンタプリズム１８が設けられており、回動走査部
１３の回転軸上に射出されたレーザ光を９０度偏向し、
レーザ基準面を形成する様になっている。

【０１３６】レーザ投光器１０には、傾斜センサ１００
０が設けられており、傾斜センサ１０００の検出する２
方向は、レーザ投光器１０と回動走査部１３とが傾斜す
る直交２方向に一致している。

【０１３７】本発明に用いる傾斜センサ１０００は、本
来位置誤差を検出するセンサであるが、出力値を角度に
換算することで高精度に角度を検出することが可能とな
っている。本傾斜センサ１０００は、傾斜を高精度に検
出するための液面反射検出タイプの、しかもコードパタ
ーンを投影し検出するタイプを使用している。

【０１３８】更に本実施例では、２方向の傾斜を同等に
検出する様にパターンを工夫すると共に、読み取った信
号にフーリエ変換（ＦＦＴ）を使用することにより、形
成されるパターン誤差に係らず高精度で傾斜を検出する
ことが可能である。

【０１３９】これらの構成により高精度で、ダイナミッ
クレンジが広く、最大検出角度１０度（２２％）程度ま
での２方向の検出が可能となる。そして本実施例では、
排水勾配、数％の道路勾配等の土木工事に用いるには十
分な勾配である。

【０１４０】傾斜設定回転レーザー装置５０００に対し
て、本傾斜センサ１０００を採用することにより、直接
的に傾斜角度の設定が可能となる。

【０１４１】従って、従来の第１の傾斜センサ（２０）
及び第２の傾斜センサ（２１）、第１の設定用傾斜セン
サ（６５）及び第２の設定用傾斜センサ（６６）、第１
の任意角設定部（５２）、第２の任意角設定部（５
３）、第１の駆動モータ（５８）及び第２の駆動モータ
（５９）を１つの傾斜センサに替えることが出来るとい
う効果がある。

【０１４２】次に傾斜センサ１０００による制御を図１
１に基づいて説明する。

【０１４３】傾斜検出手段である傾斜センサ１０００で
検出された出力信号は、傾斜演算処理部２０００で処理
され、傾斜角を算出する。

【０１４４】制御部３０００は、入力部３１００から入
力された設定傾斜角度と傾斜演算処理部２０００からの
傾斜角信号との差に相当する出力を、第１のモータ制御
部４１００と第２のモータ制御部４２００に出力する様
になっている。そして第１の傾斜調整モータ４３００と
第２の傾斜調整モータ４４００とを駆動し、傾斜センサ
１０００からの出力信号と、入力部３１００で入力され
た信号との差が０となった時、レーザ投光器１０は所望
の傾斜に設定されたことになる。

【０１４５】そして表示駆動部４５００には、表示部４
６００が接続されており、表示部４６００には、入力角
度又は勾配、及び現在の傾斜等が表示される様になって
いる。

【０１４６】なお、この制御方法の実際の動作は２通り
ある。

【０１４７】１つは、傾斜設定回転レーザー装置５００
０の現在の傾きから、直接、入力された傾斜に傾斜設定
して所定の傾斜に設定した後、レーザ投光器１０からレ
ーザー光を照射して回動させ、レーザー基準面を形成す
るものである。

【０１４８】そして、もう１つは、従来と同様に整準後
入力された傾斜に傾斜設定するものである。

【０１４９】なお、第１のモータ制御部４１００は、上
記従来技術の第１のモータ制御部（８９）に相当するも
のであり、第２のモータ制御部４２００は、上記従来技
術の第２のモータ制御部（９０）に相当するものであ
る。

【０１５０】そして、第１の傾斜調整モータ４３００
は、第１のレベル調整モータ（３１）に相当するもので
あり、第２の傾斜調整モータ４４００は、第２のレベル
調整モータ（３２）に相当するものである。

【０１５１】また傾斜演算処理部２０００は、上記実施
例のマイクロコンピュータ１６６である演算処理手段１
６と同等であり、傾斜演算処理部２０００と制御部３０
００とを共通のハードウェアで実現することもできる。

【０１５２】

【効果】以上の様に構成された本発明は、レーザー光を
投光するためのレーザー投光器を備え、このレーザー投
光器を少なくとも１方向に傾動可能にするための傾動手
段と、傾斜検出手段とを備えた回転レーザー装置であっ
て、該傾斜検出手段は、自由表面を有する液体部材と、
光源からの光を該液体部材に向けるための第１の光学系
と、前記液体部材で反射された光を受光するための受光
手段と、前記液体部材で反射された光を該受光手段に導
くための第２の光学系とからなっており、前記受光手段
の受光信号により傾きを演算するための演算処理手段
が、この演算処理手段で演算された傾きに基づき、前記
傾動手段を駆動して前記レーザー投光器の傾斜を設定す
る構成を有するので、機械的強度が高く、コンパクトな
傾斜設定回転レーザー装置を提供することができるとい
う効果がある。

【０１５３】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の傾斜センサ１０００の構成を
示す図である。

【図２】本実施例の暗視野パターン３００を説明する図
である。

【図３】本実施例の暗視野パターン３００を説明する図
である。

【図４】本実施例の流体部材を説明する図である。

【図５】測定の原理を説明する図である。

【図６】測定の原理を説明する図である。

【図７】測定の原理を説明する図である。

【図８】本実施例の演算処理手段の構成を示す図であ
る。

【図９】本実施例の演算処理手段の構成を示す図であ
る。

【図１０】本実施例の傾斜設定回転レーザー装置５００
０を説明する図である。

【図１１】本実施例の傾斜設定回転レーザー装置５００
０の電気的構成を説明する図である。

【図１２】従来技術を説明する図である。

【図１３】従来技術を説明する図である。

【図１４】従来技術を説明する図である。

【符号の説明】

１０００ 傾斜センサ ５０００ 傾斜設定回転レーザー装置 ５ ケーシング １０ レーザ投光器 １３ 回動走査部 １５ モータ １８ ペンタプリズム １００ 光源 ２００ コンデンサーレンズ ３００ 暗視野パターン ４１０ 第１のパターンリレーレンズ ４２０ 第２のパターンリレーレンズ ５１０ 第１のハーフミラー ５２０ 第２のハーフミラー ５１１ 半透過面 ５１２ 傾斜面 ６００ 自由表面を有する液体部材 ７１０ 第１のシリンドリカルレンズ ７２０ 第２のシリンドリカルレンズ ８１０ 第１の受光素子 ８２０ 第２の受光素子 １６ 演算処理手段 １６６ マイクロコンピュータ１ １６６１ 基準信号形成部 １６６２ パターン信号形成部 １６６４ 算出部 ２０００ 傾斜演算処理部 ３０００ 制御部 ３１００ 入力部 ４１００ 第１のモータ制御部 ４２００ 第２のモータ制御部 ４３００ 第１の傾斜調整モータ ４４００ 第２の傾斜調整モータ ４５００ 表示駆動部 ４６００ 表示部

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザー光を投光するためのレーザー投
   光器を備え、このレーザー投光器を少なくとも１方向に
   傾動可能にするための傾動手段と、傾斜検出手段とを備
   えた回転レーザー装置であって、該傾斜検出手段は、自
   由表面を有する液体部材と、光源からの光を該液体部材
   に向けるための第１の光学系と、前記液体部材で反射さ
   れた光を受光するための受光手段と、前記液体部材で反
   射された光を該受光手段に導くための第２の光学系とか
   らなっており、前記受光手段の受光信号により傾きを演
   算するための演算処理手段が、この演算処理手段で演算
   された傾きに基づき、前記傾動手段を駆動して前記レー
   ザー投光器の傾斜を設定することを特徴とする傾斜設定
   回転レーザー装置。
2. 【請求項２】 レーザー光を投光するためのレーザー投
   光器を備え、このレーザー投光器を少なくとも１方向に
   傾動可能にするための傾動手段と、傾斜検出手段とを備
   えた回転レーザー装置であって、該傾斜検出手段は、２
   次元の位置を示す様に配列されたパターンと、このパタ
   ーンからの光を２方向に分割するための分割光学系と、
   この分割光学系からの光を第１の方向に向けて集光させ
   るための第１の光学素子と、前記分割光学系からの光
   を、前記第１の方向と異なる第２の方向に向けて集光さ
   せるための第２の光学素子と、前記第１の光学素子によ
   り集光された前記パターン像を受光するための第１の受
   光素子と、前記第２の光学素子により集光された前記パ
   ターン像を受光するための第２の受光素子とからなって
   おり、この第１の光学素子と第２の光学素子との受光信
   号により、前記パターン上の位置を求め、傾きを演算す
   るための演算処理手段が、この演算処理手段で演算され
   た傾きに基づき、前記傾動手段を駆動して前記レーザー
   投光器の傾きを設定することを特徴とする傾斜設定回転
   レーザー装置。
3. 【請求項３】 前記パターンは、前記第１の光学素子及
   び前記第２の光学素子の長手方向に対して、それぞれ等
   ピッチに配置され、かつ、直交する方向から見たパター
   ンの幅が同じとなる様に配置された２次元パターンから
   形成されている請求項２記載の傾斜設定回転レーザー装
   置。
4. 【請求項４】 前記パターンは、前記第１の方向、前記
   第２の方向のそれぞれが一定の幅を有し、等ピッチで順
   次配列されている請求項２又は請求項３記載の傾斜設定
   回転レーザー装置。
5. 【請求項５】 前記パターンは、前記第１の方向、前記
   第２の方向、のそれぞれが、少なくとも第１の周期で変
   調された第１パターンと、この第１のパターンと異なる
   第２の周期で変調された第２パターンとを有し、前記第
   １パターンと前記第２パターンとを等ピッチで順次配列
   されている請求項２〜４何れか１項記載の傾斜設定回転
   レーザー装置。
6. 【請求項６】 前記第１パターン及び前記第２パターン
   の変調は、線幅を変化させる空間変調により行われてい
   る請求項５記載の位置測定装置。
7. 【請求項７】 演算処理手段が、パターンのピッチ間隔
   以上の動きを、該パターンにより求め、パターンのピッ
   チ間隔以下の動きを、フーリエ変換によるパターンの位
   相を演算することにより求めることにより、傾きを求め
   る様に構成されている請求項２〜６何れか１項記載の傾
   斜設定回転レーザー装置。
8. 【請求項８】 第１の光学素子と第２の光学素子、及
   び、第１の受光素子と第２の受光素子に代えて、少なく
   とも１つのエリアセンサとする請求項２〜７何れか１項
   記載の傾斜設定回転レーザー装置。
9. 【請求項９】 第１の光学素子及び第２の光学素子は、
   集光する光学素子に代えて、発散する光学素子である請
   求項２〜８何れか１項記載の傾斜設定回転レーザー装
   置。