JP2571694B2

JP2571694B2 - レベル測量用スタッフの光ファイバを利用した受光位置検出装置

Info

Publication number: JP2571694B2
Application number: JP62208748A
Authority: JP
Inventors: 正光内藤; 憲治和田
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 1987-08-21
Filing date: 1987-08-21
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2012-01-16
Also published as: JPS6450901A; US4926042A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、レーザ光によって水準測量を行う場合、
投射されたレーザ光を受光し、その投射スポットの位置
を検出する、いわゆるスタッフ（箱尺）に組み込む光フ
ァイバを利用したレーザ光の受光位置を検出する装置に
関するものである。

（従来の技術）レーザ光の直進性を利用して水準測量や、スミ出しを
行う技術は公知である。

例えば、第２図に示すように回転レーザ発振器11によ
り、ある距離をおいて設定した受光板12に、レーザ光13
を照射して、レーザ発振器11と受光板12との高低差を計
測することや、基準線を設定し、この基準線に基づく計
測を行うことなどがそれである。

なお、第３図は、受光板12aをX.Y軸方向に四分割にし
た受光位置検出器で、道路や滑走路の仕上作業を行うモ
ータグレーダや、ブルドーザの自動レベル検出装置等に
使用されるレーザ光位置検出の基本構成を示すものであ
る。

ところで、これら従来のレーザ光を受光する受光板な
いし照射板には、受光したレーザ光の強度を電気信号に
変換するための半導体ダイオード、すなわちホトダイオ
ードと呼ばれる光検出素子が光センサとして組み込まれ
ているのが普通である。

第４図は、従来のレベル計測等の一次元の計測に光検
出素子を用いた通称分割型と呼ばれる受光板（箱尺）の
一例を示すものである。

この分割型受光板には、垂直方向にミリメートルオー
ダの間隔で、複数個のホトダイオードを配列（図示の場
合は５個）し、その表面にそれぞれ受光面12aが形成し
てある。つまり、この受光面12aにレーザ光を投射し、
しかるべき受光位置を検出するように構成してあるのが
一般的である。

（発明が解決しようとする問題点）そのため、この従来の受光板を用いてレベル測量、す
なわちスタッフに構成したものは、その精度が高く、人
手が掛からないため高く評価されている。しかし、多数
の光検出素子を組み込む必要があり、相対に計測範囲が
狭く、限られたものとなり、レベル測量の省略化に結び
つくまでには至っていない。つまり、計測スパンの大き
な変位を精度よく計測したい場合は、必然的に光検出素
子の配列数を多くとる必要があった。

例えば、１メートルの長さのある位置に照射されたレ
ーザ光の位置を、１ミリメートルの精度で検出しようと
すれば、前記従来の分割型受光センサによると、1,000
個に分割した光検出素子を組込んだ受光板としなければ
ならない。すなわち、きわめて多数の光検出素子が必要
となる。

そこで、この分割型受光センサに代わるものとしてレ
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センサもある。しかし、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
ョンが繁雑となり、計測器として好ましくない。そのう
え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難点が
あった。

また、前記分割型受光センサは、１個当たりのサイズ
が数センチメートルしかなく、したがって長スパンの計
測用受光板となると、この分割型受光センサを数多く結
合して使用せざるを得ず非常に高価なものとなる欠点が
あった。

そこで、本発明者らは、先に複数本の光ファイバの端
面で受光面を形成し、この各光ファイバの出力側に光分
岐デバイスを接続させてホトダイオードの使用数を減少
させたレーザ光の受光位置を検出する方法を開発した
（特願昭62−082442号参照）。

第５図は、その基本構成を示すもので、１〜16は光フ
ァイバであり、17はこれらの光ファイバ１〜16の端面で
形成された受光面、1A〜16Aは、前記各光ファイバ１〜1
6に接続した光分岐デバイスであり、1a,1b〜16a,16b
は、各光分岐デバイス1A〜16Aの出力ポートを示す。な
お、A,B,C,Dは、それぞれ受光センサである。

この光分岐デバイス1A〜16Aを用いた方法は、入射光
を光分岐デバイスを介して分岐させ、同一の入射光を複
数のホトダイオードにより検出するため、つまり入射光
を複数個のホトダイオードで多重的に検出するため、レ
ーザ光のビーム直径が大きく、例えば、レーザ光の発振
源から受光面（箱尺）までの距離が長く、ためにレーザ
光の直径が拡大し、複数本の光ファイバの端面で捕捉さ
れたような場合、レーザ光の中心が判別することがで
き、計測精度の向上が可能となり、しかも光検出素子の
数を抑制でき、長尺のスパンの計測に対応できるという
効果が発揮された。

しかし、各光分岐デバイスが均等に光量を分岐させる
ことには難点があり、また光分岐デバイス1A〜16A自体
も比較的高価であるため、ホトダイオードの数を減少さ
せる割には、あまり安価にはならない欠点があった。

そこで、本発明者らは、さらに、このような欠点を解
消し長スパンの計測が可能で、しかも精度の高い、レー
ザ光の受光位置を検出することのできるスタッフ用の受
光板、すなわちレーザ光の受光位置検出装置を提供する
ことを目的として研究開発を行った。その結果、次のよ
うな受光位置検出装置を得た。

（問題点を解決するための手段）この受光位置検出装置の特徴とするところは、多数本
の光ファイバと複数の光検出素子とを次のように組み合
わせ、レベル測量用の光ファイバを利用した受光板、つ
まり受光位置検出装置に構成したことにある。

まず、多数本の光ファイバの端面を配列してレーザ光
の受光面を形成した。

すなわち、前記光ファイバの多数本を垂直方向に二
列、平行に配列して受光面を形成した。そして一列目の
光ファイバは、上から同数本づつを１単位群として複数
の単位群に群分けした。そして、この一列目の各単位群
の光ファイバは、単位群毎に集束し、集束した光ファイ
バに、それぞれ単一の受光検出素子を接続して第１単位
群とした。

ついで二列目は、前記一列目の各単位群に対応する光
ファイバの中の上から順番の同じ位置にある光ファイバ
の１本づつを引き出して集束し、集束した光ファイバに
それぞれ単一の受光検出素子を接続して第２単位群とし
た。そしてこの第２単位群と前記第１単位群との組み合
わせからなる受光面を形成した。

さらに、前記群分けした一列目における単位群の垂直
方向の幅は、投射するレーザ光の直径より広幅に設定し
た。

すなわち、一列目の各単位群に１個づつの光検出素子
を接続し、この一列目によってレーザ光の大まかな入射
位置を判別し、二列目の第２単位群に接続された複数の
光検出素子により、より細かな入射位置を判別すること
ができるように構成した。つまり、一列目の光検出素子
と二列目の光検出素子とによってレーザ光の中心が判別
できるように構成した。また前記群分けした一列目にお
ける単位群の垂直方向の幅を計測用に使用するレーザ光
のビーム直径より大きく設定しておくことにより、入射
光が各単位群にまたがって入射しても入射光の中心位置
を判別することができるように構成したことを特徴とす
るものである。

（作用）この発明は、以上のように構成したので、投射された
レーザ光は、まず、その入射位置を一列目によって大ま
かに捕捉し判別する。同時に二列目によって入射光の中
心部を捕捉する。その際、レーザ光が単位群と単位群と
にまたがって捕捉されても、単位群の垂直方向の幅は、
あらかじめ投射されるレーザ光のビーム直径よりも大き
く設定されているので、そのレーザ光の中心部を判別す
ることになんら支障はない。その結果、投射されたレー
ザ光の受光位置を正確に、しかも高精度をもってリアル
に検出することができる。もちろん、光検出素子の数も
著しく軽減させることができる。

（実施例）さらに、この点を実施例に基づいて具体的に説明す
る。なお、この実施例で、計測用のレーザ光としては、
水平回転するレーザ光を用いた。

まず、第１図は、16本の光ファイバ1a,2a〜16aの端面
を垂直方向に二列の光ファイバ端面による受光面17を形
成した実施例を示す。1b,2b〜16bは、その二列目の光フ
ァイバである。

そして、一列目の16本の光ファイバ1a,2a〜16aを上か
ら順に４本づつ一組みとした。つまりレーザ光の入射位
置を大まかに判別する４つの第１単位群に群分けした。
そして、それぞれの群をA,B,C,Dで示す４個の光検出素
子に接続した。

さらに、二列目の光ファイバ1b,2b,〜16bは、前記第
１単位群より細かな入射位置を判別する。つまりレーザ
光の中心部を判別するものであるから、上から４本おき
に１本づつ引き出し、一列目の場合と同様、４本を一
組、つまり第２単位群として群分けした。そして、それ
ぞれの第２単位群に、光検出素子（イ）（ロ）（ハ）
（ニ）を接続して受光板を構成した。

したがって、レーザ光が、図１で示す例えば、上方か
ら12番目の光ファイバで受光されたとすると、その入射
光は、一列目の光ファイバ12a,および二列目の光ファイ
バ12bの２本によって捕捉され、光検出素子（Ｃ）およ
び（ニ）の２個の検出素子で検出されることになる。そ
こで、この光検出素子（Ｃ）および（ニ）で検出された
信号を、図示のように、インターフェースを介して、演
算回路と中央処理装置CPUと計数出力回路からなる電算
機に入力させるように構成しておけば、そのレーザ光の
位置は、ディスプレーに表示させることができる。

また、第１図において、レーザ光が上端部の光ファイ
バ1aおよび2aの端面で捕捉されたとすると、その入射光
は第１単位群の光検出素子Ａおよび第２単位群、イ，ロ
の３つの光検出素子で多重的に検出される。すなわちレ
ーザ光の大まかな位置が一列目の１番上の第１単位群に
接続された光検出素子Ａで検出される。同時に、二列目
の光ファイバ1bおよび2bに接続された第２単位群の光検
出素子イおよびロによって検出される。その結果、レー
ザ光の中心は、二列目の光検出素子イおよびロの関係か
ら1aと2aとの中間にあることを判別することができる。

さらに、レーザ光の直径が大きく３本の光ファイバ1
a,2a,3aの端面で捕捉された場合は、一列目の第１単位
群の光検出素子A,および二列目の第２単位群のイ，ロ，
ハの４個の光検出素子により検出されることになり、レ
ーザ光の総ての入射位置は、1a,2a,3aであって、5a,6a,
7aでも9a,10a,11aでない。したがって、レーザ光の中心
は、2aの位置にあることを判別することができる。

つまり、第１単位群の光検出素子A,B,C,Dによって、
大まかな入射光位置が検出され、次に第２単位群のイ，
ロ，ハ，ニに接続された光検出素子のいずれか複数個に
よって多重的に検出される。その結果、最小単位の測定
が可能となった。また前記第２単位群は、少なくとも１
単位群の受光検出素子では、レーザ光を検出しないよう
に設定されているため、イ，ロ，ハ，ニの第２単位群で
検出した光検出素子と前記第１単位群で検出した光検出
素子との関係からレーザ光の中心位置を判別することが
でき、より精度の高い計測が可能となった。

（発明の効果）本発明による光ファイバおよび光検出素子からなる受
光位置検出装置は、以上説明したように多数本の光ファ
イバの端面を垂直線上に二列に配列して、受光面を形成
するとともに、一列目の各光ファイバで、レーザ光の大
まかな入射位置を判別できるように複数本づつ束ね、す
なわち比較的垂直幅の大きな第１単位群に群分けし（使
用するレーザ光の直径より大きい幅に設定し、）、二列
目の列は、レーザ光の中心部を判別できるように細かく
設定して、レーザ光の中心部が判別できるように構成し
ているので、従来の検出方法と比較して次のような利点
がある。

（１）光検出素子の数を著しく減少させることができ、
しかも計測範囲の高さを拡大することが容易である。つ
まり垂直方向に配列する光ファイバの本数を多くすれば
よい。そのため従来にないスパンの計測ができるスタッ
フを提供することができる。

（２）入射光が複数に群分けし、この群分けした各群に
接続した複数の光検出素子、すなわち第１単位群、第２
単位群と多重的に、しかも階段的に検出されるようにな
っているため、レーザ光の総ての入射光位置が検出で
き、その中心を判別することができ、計測精度の向上に
寄与することができる。

（３）群分けされた一列目の単位群は、使用されるレー
ザ光ビームの直径より大きい垂直幅に設定してあるた
め、計測距離が遠くなりレーザビームが広大しても精度
の高い計測ができる。

（４）付帯する電子回路が簡略化され、高速の計測処理
が可能である。

（５）高価な光分岐デバイスを使用しないため安価に製
作できる。

（６）光検出素子の数を少なくしたので、前記（１）
（２）（３）（４）の効果とあいまって、計測装置とし
ての機能性の向上と精度のレベルアップが促進され、し
かも廉価なスタッフを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光ファイバを利用した受光位置検
出装置の実施例を示すもので縦（垂直）方向に２列の光
ファイバ端面からなる受光面を形成した装置の概念図を
示す。第２図は、レーザ光による計測方法の基本原理を
示し、第３図は同じくＸ−Ｙ軸方向の変位を計測する場
合の基本構成を示す図である。また、第４図は一次元の
レベル計測に使用される分割型受光センサを示すもので
あり、第５図は受光センサとしてのホトダイオード数を
減少させるため光分岐デバイスを用いた従来例を示す基
本構成図である。１〜16……光ファイバ a,b,c……光ファイバ列 A,B,C,D……光検出素子（受光センサ）イ，ロ，ハ，ニ……光検出素子（受光センサ） 17……受光面

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】多数本の光ファイバの端面を配列してレー
ザ光の受光面を形成したレベル測量用スタッフの受光位
置検出装置であって、前記光ファイバの配列を垂直方向に二列、平行に配列し
た受光面とし、一列目の光ファイバを上から同数本づつ
を１単位群とする複数の群に群分けし、各単位群の光フ
ァイバは、単位群毎に集束し、集束した光ファイバに、
それぞれ単一の受光検出素子を接続し、上から何番目で
受光したかを検出する第１単位群とし、二列目は、一列目の単位群に対応する光ファイバの中の
上から順番の同じ位置にある光ファイバの１本づつを引
き出して集束し、集束した光ファイバに単一の受光検出
素子を接続し、第１単位群の全群の上から何番目で受光
したかを検出する第２単位群とし、この第２単位群と前記第１単位群との組み合わせからな
る受光面を形成したことを特徴とするレベル測量用スタ
ッフの光ファイバを利用した受光位置検出装置。
【請求項２】前記群分けした一列目における単位群の垂
直方向の幅は、投射するレーザ光の直径より広幅に設定
したことを特徴とする請求項１記載のレベル測量用スタ
ッフの光ファイバを利用した受光位置検出装置。