JP2009092419A5

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Publication number: JP2009092419A5
Application number: JP2007261052A
Authority: JP
Filing date: 2007-10-04
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2027-10-04

Description

光学装置

本発明は、光学装置、特に、円筒外周面を有する円筒構造物を好適に測量できる光学装置に関する。

近年、コンクリート製の電柱が折れるといった事故が報告されている。原因は、架けられている電線から電柱に大きな曲げ荷重が長年に亘って作用したことによるものと考えられる。そこで、曲げ歪の大きな電柱はこれを新たな電柱に交換する作業が行われているが、電柱の曲がり具合（すなわち、曲げ歪）を正確に計測することができないという問題があった。

そこで、本発明は、電柱などの円筒構造物の状態（曲がり具合）を適正に計測できる光学装置を提供するものである。

この目的を達成するため、本発明に係る光学装置は、
（ａ）本体（１４）と、
（ｂ）対物レンズ（４０）と、光軸（１８）に沿って順次配置された対物レンズ（４０）と、参照スケール（５０）が描かれた透明板からなる投影板（４６）と、接眼レンズ（４８）を備え、上記光軸（１８）に垂直な水平軸（Ｘ軸）を中心に上記本体（１４）に回転可能に支持されており、上記光軸（１８）で円筒構造物（１００）の表面中央（Ｐｓ）を視準することにより上記円筒構造物（１００）の両縁（１０２Ｌ，１０２Ｒ）が上記光軸（１８）から等しい距離に表れた状態で上記参照スケール（５０）を参照することにより上記距離に対応したスケール値（ｎ _α ）を読むことができる望遠鏡（１６）と、
（ｃ）上記光軸（１８）が上記水平軸（Ｘ軸）と交差する基準点（Ｐ _０）から上記表面中央（Ｐｓ）までの距離（Ｌ）と、上記光軸（１８）が上記表面中央（Ｐｓ）を視準しているときの水平面と上記光軸（１８）との間の仰角（θ）を測定する測定部（２０）と、
（ｄ）上記望遠鏡（１０）を通じて見える上記両縁（１０２Ｌ，１０２Ｒ）の間の視角（２α）と上記スケール値（ｎ _α ）との関係を記憶する記憶部（３６）と、
（ｅ）オペレータが読み取った上記スケール値（ｎ _α ）を入力するための入力部（２２）と、
（ｆ）上記入力部（２２）から入力された上記スケール値（ｎ _α ）から上記視角（２α）を計算し、上記表面中央（Ｐｓ）に視準された上記光軸（１８）上にある上記円筒構造物（１００）の中心（Ｐｃ）の座標を計算する演算部（３２）を備えたことを特徴とする。

本発明に係る光学装置の他の形態において、
上記記憶部（３６）は上記円筒構造物（１００）の複数の中心（Ｐｃ）の座標を記憶し、
上記演算部（３２）は上記円筒構造物（１００）の複数の中心（Ｐｃ）を繋ぐ曲線を求めることを特徴とする。

本発明に係る光学装置の他の形態において、
上記演算部（３２）は、円筒構造物（１００）の最も高い位置にある中心と最も低い位置にある中心を繋ぐ直線を求め、上記曲線と上記直線から上記円筒構造物（１００）の撓み量を求めることを特徴とする。

本発明に係る光学装置の他の形態において、上記演算部（３２）は、上記円筒構造物（１００）の撓み量を上記円筒構造物（１００）の許容撓み量と比較することを特徴とする。

このような光学装置によれば、電柱や円柱などの円筒（円柱）の状態（撓み等）を正確且つ迅速に計測できる。

以下、添付図面を参照して本発明に係る光学装置及びそれを用いた円筒構造物の測量方法を説明する。なお、本件特許出願において、「光学装置」は、望遠鏡、望遠鏡を含む視準装置、視準機能と測距機能を備えた測量装置を含む。「円筒構造物」は、円筒の外周面を有する構造物、例えば、電柱、建築物又は工作物の円柱を含む。円筒は、同一の外径を有する必要はなく、場所によって外径が異なる円筒構造（例えば、円錐形、円錐台形状、瓢箪形）も含む。また、円筒構造物は、通常の状態で鉛直方向に向けられている必要はなく、斜め又は水平方向に向けられている場合も有り得る。ただし、発明の理解を容易にするために、以下の説明では、円柱の一例として電柱を示し、その電柱の状態（曲がり具合）を測量する場合を説明する。

《１−１：測量装置》
図１は、本発明に係る光学装置を具体化したレーザ測量装置（トータルステーション）１０を示す。測量装置１０は、通常の測量装置と同様に、図示しない三脚に着脱自在に連結されて固定される基台１２と、垂直軸（Ｚ軸）を中心として回転可能に基台１２に連結された本体１４と、水平軸（Ｘ軸）を中心として回転可能に本体１４に連結された望遠鏡１６を備えている。測量装置１０は、３つの軸−垂直軸（Ｚ軸）、水平軸（Ｘ軸）、および望遠鏡１６の中心軸である光軸１８に一致するＹ軸−が交叉する基準点（基準座標又は機械座標）Ｐ_０と、望遠鏡１６によって視準された物体（図示せず）との距離を測定するとともにその測定時における望遠鏡１６の仰角（水平軸Ｘに対する光軸１８の角度）を測定する計測手段又は計測部（図２に符号２０で示されている。）を有する。実施の形態では、測量装置１０は、測量に必要なデータを入力するための入力部２２と、測量結果等を表示する表示部２４、入力部２２から入力されたデータや測量結果のデータを他の装置（例えば、コンピュータ２８）に出力する出力部２６を有する。

図２は、測量装置１０の構成を機能の観点から表したブロック図である。図示するように、測量装置１０は制御部３０を有する。制御部３０は、計測部２０、入力部２２、表示部２４、出力部２６と電気的に接続されており、後に詳細に説明するように、これら計測部２０、入力部２２、表示部２４、出力部２６を総合的に制御する。制御部３０は、電柱の中心座標を演算する演算部３２、電柱の曲げ破壊に対する危険度を判断する判定部３４、及びそれらの演算に必要なプログラムやデータを格納する記憶部３６を有する。その他、図示しないが、測量装置１０は、測量に必要な構成要素、例えば、整準器、測角部などを有する。

《１−２：望遠鏡》
図３は、望遠鏡１６の概略構成を示す。図示するように、望遠鏡１６は、鏡筒内に、物体側から測量オペレータ側（図の左側から右側）に向かって、光軸１８に沿って順番に、対物レンズ４０、合焦レンズ４２、正立プリズム４４、焦点板（投影板）４６、接眼レンズ４８を備えており、視準された物体像（例えば、クラック像）が対物レンズ４０、合焦レンズ４２、正立プリズム４４を介して焦点板４６に結像され、それにより物体像が接眼レンズ４８を介してオペレータによって拡大観察されるようになっている。

《１−３：焦点板および参照スケール》
図４は、焦点板４６に描かれている参照スケール５０を示す。参照スケール５０は、光軸１８を中心として描かれた複数の同心円５１を有する。以下の説明では、光軸１８からｎ番目にある円を符号５１（ｎ）で表す。本実施形態では、複数の同心円５１は、光軸１８から一定の間隔をあけて形成されているが、隣接する同心円５１の間の距離は一定である必要はない。また、実施形態では、５本ごとに円５１を描く線が太くしてあるが、すべての円の線幅は同一であってもよい。

本発明では、図５に示すように、焦点板４６に投影された電柱像１０２の左右両縁１０２Ｌ、１０２Ｒが光軸１８から等距離に現れるように望遠鏡１６を設定した状態で光軸１８から両縁１０２Ｌ、１０２Ｒに下ろした垂線の長さをスケール値ｎ_αとする。このスケール値ｎ_αは、図示するように、望遠鏡１６で電柱１００を視準したときの電柱１００の視角（２α）に対応している。

図５に示す例では、電柱像１０２の左右両縁１０２Ｌ、１０２Ｒが「７番目」の円５１（７）と完全に一致している。したがって、スケール値ｎ_αは「７」であり、そのスケール値は視角（２α）に対応している。しかし、電柱像１０２の左右両縁１０２Ｌ、１０２Ｒが完全に円５１と一致していることは稀である。例えば、左右両縁１０２Ｌ、１０２Ｒが「７番目」の円５１（７）と「８番目」の円５１（８）のちょうど中間に位置している場合、スケール値ｎ_αは「７．５」である。

図５は鉛直状態にある電柱１００の電柱像１０２を示しているが、電柱１００が傾いていれば、図６に示すように、焦点板４６に表れる電柱像１０２も傾いている。この場合、上述と同様に、傾いている電柱像１０２の左右両縁１０２Ｌ、１０２Ｒが光軸１８から等距離にあるように望遠鏡１６を調整した状態で光軸１８から左右両縁１０２Ｌ、１０２Ｒに下ろした垂線の長さをスケール値ｎ_αとする。図示する例では、左右両円縁１０２Ｌ、１０２Ｒは円５１（７）、５２（８）の間にあるため、これらの円を参照して読み取られるスケール値ｎ_αは「７．２」である。

スケール値ｎ_αと視角（２α）の関係は、関数又はテーブルの形で記憶部３６に記憶されている。したがって、例えば、入力部２２を通じてオペレータがスケール値ｎ_αを入力すると、演算部３２は記憶部３６に記憶されている関数又はテーブルを参照して視角（２α）を計算する。

《１−４：計測部》
図２に示すように、計測部２０は、望遠鏡１６で視準された物体と基準座標Ｐ_０との斜距離を計測する測距部５２と、望遠鏡１６の仰角（θ）〔光軸１８が水平面となす角度〕と方位角（β）〔光軸１８が特定方位又は特定の水平方向となす角度〕を計測する測角部５４を有する。図７に示すように、測距部５２は、レーザ光５６を出力する、例えばレーザダイオードなどの発光部（レーザ装置）５８と、物体からのレーザ反射光を受光する受光部６０と、レーザ光５６が発射されてから受光されるまでの時間をもとに、物体から基準点Ｐ_０までの距離を算出する演算部６２と、発光部５８から出射されたレーザ光５６を望遠鏡１６の光軸１８に沿って物体に案内すると共に光軸１８に沿って物体から帰ってくるレーザ光５６を受光部６０に案内する光学系６４を有する。図示するように、光学系６４の一部を構成するプリズム６６が望遠鏡１６の内部に配置されており、これによりレーザ光５６の進路が望遠鏡１６の光軸１８と一致させてある。なお、レーザ測距部２０における距離計算は、発光から受光までの時間を利用する方法に限るものでなく、例えば、両者の位相差から距離を求めることもできる。

《１−５：入力部》
図８に示すように、入力部２２は、複数のキー、例えばファンクションキー６８、テンキー７０、カーソル移動キー７２、エンターキー７４を有する。ここで、ファンクションキー６８は、後述する計測の実行を指示するために利用される。また、テンキー７０は、焦点板４６の参照スケール５０から読み取ったスケール値ｎ_αを入力するために利用される。

《１−６：表示部》
図１に戻り、表示部２４は液晶ディスプレイを有する。液晶ディスプレイには、計測部２０で測定された数値（例えば、距離、仰角、方位角）、テンキー７０を介して入力されたスケール値ｎ_α、演算部３２の演算結果等の情報が表示される。

《１−７：出力部》
出力部２６は、表示部２４に表示される種々の情報（測定結果等）、また表示部２４に表示されない種々の情報（例えば、測量装置が記憶している測量データ等）を、そこに接続されたコンピュータ２８に出力する。

《２−１：中心座標の演算》
図９に示すように、測量装置１０を用いて、電柱１００の各高さにおける中心点をつなぐ中心軸１１０の座標を得る方法について説明する。まず、座標演算の基本的な考えについて説明する。なお、以下の説明を簡単にするため、図１０に示すように、電柱１００の各断面中心はＺ軸上に存在するものと仮定する（すなわち、ｘ軸と直交するｙ軸に関する中心座標値ｙは「０」と仮定する。）。

図９に示すように、望遠鏡１６で電柱１００の上部を視準した場合を考える。このとき、図１１（a）に示すように、光軸１８が視準された電柱の表面中央点Ｐｓ（すなわち、図５，６に示すように、電柱１００の左右両縁１０２Ｌ，１０２Ｒが光軸１８から等距離の位置にあるように望遠鏡１６が調整されている状態で光軸１８上に現れる電柱１００の表面部）と、光軸１８の延長上にある電柱１００の中心点Ｐｃは、以下の数式１，２で示す座標を異なるｘ座標、ｚ座標を有する。

図９に示すように、電柱は上方に向かって次第に径が小さくなるように作られているが、中央点Ｐｓと中心点Ｐｃのｚ座標（高さ）の差は最大でも約十数センチメートルであると考えられるので、中央点Ｐｓを含む水平面上における電柱断面の径（半径ｒ）と中心点Ｐｃを含む水平面上における電柱断面の径（半径ｒ）は等しいものとする。

図１１（ｂ）は、光軸１８を含み水平面と仰角θをなす平面上に現れる電柱１００の横断面１０４と、中央点Ｐｓ又は中心点Ｐｃを含む水平面上に現れる電柱１００の横断面１０６を示す。図示するように、断面１０６は半径ｒの円形であるが、断面１０４は楕円（長軸長さ２ｒ’、短軸長さ２ｒ）である。

この場合、図１１（ｂ）を参照すると、楕円断面１０４の長軸の長さを表す長軸半径ｒ’と、基準点Ｐ_０と中央点Ｐｓまでの斜距離Ｌと、断面１０４、０６の短軸半径ｒと、焦点板４６に現れた電柱像１０２の視角αは、以下の数式３の関係を有する。

また、図１１（ａ）を参照すると、半径ｒ、ｒ’と仰角θは、以下の数式４の関係を有する。

これら数式３，４から、断面１０６の半径ｒは、数式５で与えられる。

したがって、数式５で得られる半径ｒを数式２に代入することにより、光軸１８上にある電柱１００の中心点Ｐｃの座標Ｐｃｉ（ｘｉ、ｚｉ）が求まる。

《２−２：制御部の処理》
図１２を参照して制御部３０の処理を説明する。

ステップＳ１０１：入力部２２の中心軸座標測定モードキー（ファンクションキー）をオンする。これにより、制御部３０は、そのオン信号に基づいて、中心軸座標測定モードを開始する。

ステップＳ１０２：電柱１００の測定位置を視準する（図９参照）。このとき、図５，６に示すように、電柱１００の中心点Ｐｃが光軸１８上に位置するように、すなわち、電柱１００の左右両縁１０２Ｌ，１０２Ｒが光軸１８から等距離に位置するように、望遠鏡１６を調整する。

ステップＳ１０３：入力部２２の測距キー（ファンクションキー）をオンする。制御部３０は、そのオン信号に基づいて測距部５２を駆動し、基準点Ｐ_０から光軸１８上にある電柱中央点Ｐｓまでの距離Ｌを測定する。測定された距離Ｌは記憶部３６に記憶される。また、制御部３０は、測角部５４を駆動し、仰角θと方位角βを測定する。測定された距離Ｌ、仰角θ、方位角βは、記憶部３６に記憶される。

ステップＳ１０４：オペレータがスケール値ｎ_αを読み取る。読み取ったスケール値ｎ_αは、入力部２２のテンキー７０を使って入力される。

ステップ１０５：演算部３２は、入力されたスケール値ｎ_αに対応する関数又はテーブルを参照して視角（２α）を計算する。計算された視角αは、記憶部３６に記憶される。

ステップ１０６：演算部３２は、記憶部３６から距離Ｌ、仰角θ、視角αを読み出すとともに、記憶部３６に記憶されている数式２を利用して、光軸１８上にある中心点Ｐｃの座標を計算する。計算された中心点Ｐｃの座標は記憶部３６に記憶される。

ステップＳ１０７：ステップ１０２〜１０６の処理を、電柱１００の複数の箇所（例えば、１０〜２０箇所）について実行する。

ステップＳ１０８：中心点座標の読取が終了すると、演算部３２は、記憶部３６に記憶されている電柱１００の複数の中心点座標を読み出し、これら複数の中心点座標をつなぐ曲線の関数（三次元の曲線関数）を求める。

ステップＳ１０９：演算部３２は、記憶部３６に記憶されている、最も高い位置の中心点座標と最も低い位置の中心点座標をつなぐ直線の関数を求める。

ステップＳ１１０：演算部は、ステップＳ１０８で求めた曲線関数とステップＳ１０９で求めた直線関数から、曲線（すなわち、電柱）の撓み量を求める。

ステップＳ１１１：判定部３４は、記憶部３６に記憶されている電柱の許容撓み量と、ステップＳ１１０で求めた撓み量を比較し、電柱が許容撓み量を超えて撓んでいるか否か判断する。電柱１００の撓み量が許容撓み量を超えている場合、必要な警告を電柱１００の固有データとして保存してもよい。

このように、本発明によれば、電柱の各高さにおける中心点の座標及びそれら中心点
の座標を繋いだ曲線及び電柱の撓み量を容易に得ることができる。また、電柱が傾いている場合でも、焦点板に形成されている参照スケールを用いて容易に、傾いた電柱の中心点を視準できる。そのため、極めて正確に電柱の撓み及び寿命を判定できる。

なお、以上の説明では、発明の理解を容易にするために、水平面上でｘ軸と直交するｙ軸方向の座標は無視したが、上述の数式に方位角βの要素を加えて変形した数式を用いることによって、任意の方向の変形を容易に求めることができる。

また、測距手段は、レーザを用いた測距部に限るものでなく、例えば超音波を利用した超音波測距部であってもよい。

さらに、上記実施形態では、焦点板に参照スケールを設けたが、オペレータが接眼レンズを介して物体像と参照スケールを鮮明に見ることができれば、例えば、光軸方向に関して焦点板の前後で焦点深度の範囲内にガラスなどの透明板（投影板）を配置し、この透明板に参照スケールを描いてもよい。

さらにまた、上記実施形態では、参照スケールは光軸を中心として同心的に配置された複数の円である必要はなく、図１３に示すように、望遠鏡１６の光軸１８を中心とする複数の円弧５１’を光軸１８に対して左右対称に有するものであってもよい。この場合、円弧５１’を設ける範囲（角度）Ｓは、３０〜９０度、好ましくは４５〜６０度である。

本発明の光学装置の実施形態である測量装置の斜視図。図１に示す測量装置の構成と機能を示すブロック図。図１に示す測量装置の望遠鏡の概略構成を示す断面図。図３に示す焦点板に投影された参照スケールを示す図。図４の焦点板に現れる像と望遠鏡の関係を示す図。傾斜した電柱を望遠鏡で視準した状態を示す図。測距部の構成を示す図。図１に示す入力部と表示部の詳細を示す図。光学装置を用いて電柱を視準する状況を示す図。基準座標と電柱との関係を示す図。測定原理を示す図。電柱の中心軸上にある中心点を求め、撓み量を求め、判定するまでのプロセスを示す図。参照スケールの他の形態を示す図。

１０：測量装置、１２：基台、１４：本体、１６：望遠鏡、１８：光軸、２０：計測部（計測手段）、２２：入力部、２４：表示部、２６：出力部、２８：コンピュータ、３０：制御部、３２：演算部、３４：判定部、３６：記憶部、４０：対物レンズ、４２：合焦レンズ、４４：正立プリズム、４６：焦点板（投影板）、４８：接眼レンズ、５０：参照スケール、５１：円、５１：円弧、１００：電柱、１０２：電柱像。

Claims

（ａ）本体（１４）と、
（ｂ）光軸（１８）に沿って順次配置された対物レンズ（４０）と、参照スケール（５０）が描かれた透明板からなる投影板（４６）と、接眼レンズ（４８）を備え、上記光軸（１８）に垂直な水平軸（Ｘ軸）を中心に上記本体（１４）に回転可能に支持されており、上記光軸（１８）で円筒構造物（１００）の表面中央（Ｐｓ）を視準することにより上記円筒構造物（１００）の両縁（１０２Ｌ，１０２Ｒ）が上記光軸（１８）から等しい距離に表れた状態で上記参照スケール（５０）を参照することにより上記距離に対応したスケール値（ｎ_α）を読むことができる望遠鏡（１６）と、
（ｃ）上記光軸（１８）が上記水平軸（Ｘ軸）と交差する基準点（Ｐ_０）から上記表面中央（Ｐｓ）までの距離（Ｌ）と、上記光軸（１８）が上記表面中央（Ｐｓ）を視準しているときの水平面と上記光軸（１８）との間の仰角（θ）を測定する測定部（２０）と、
（ｄ）上記望遠鏡（１０）を通じて見える上記両縁（１０２Ｌ，１０２Ｒ）の間の視角（２α）と上記スケール値（ｎ_α）との関係を記憶する記憶部（３６）と、
（ｅ）オペレータが読み取った上記スケール値（ｎ_α）を入力するための入力部（２２）と、
（ｆ）上記入力部（２２）から入力された上記スケール値（ｎ_α）から上記視角（２α）を計算し、上記表面中央（Ｐｓ）に視準された上記光軸（１８）上にある上記円筒構造物（１００）の中心（Ｐｃ）の座標を計算する演算部（３２）を備えたことを特徴とする光学装置。
上記記憶部（３６）は上記円筒構造物（１００）の複数の中心（Ｐｃ）の座標を記憶し、
上記演算部（３２）は上記円筒構造物（１００）の複数の中心（Ｐｃ）を繋ぐ曲線を求めることを特徴とする請求項１の光学装置。
上記演算部（３２）は、円筒構造物（１００）の最も高い位置にある中心と最も低い位置にある中心を繋ぐ直線を求め、上記曲線と上記直線から上記円筒構造物（１００）の撓み量を求めることを特徴とする請求項２の光学装置。
上記演算部（３２）は、上記円筒構造物（１００）の撓み量を上記円筒構造物（１００）の許容撓み量と比較することを特徴とする請求項３の光学装置。