JP3494576B2 - Optical declination measuring device - Google Patents

Optical declination measuring device

Info

Publication number
JP3494576B2
JP3494576B2 JP14154498A JP14154498A JP3494576B2 JP 3494576 B2 JP3494576 B2 JP 3494576B2 JP 14154498 A JP14154498 A JP 14154498A JP 14154498 A JP14154498 A JP 14154498A JP 3494576 B2 JP3494576 B2 JP 3494576B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
declination
light source
optical
value
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP14154498A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH11337334A (en
Inventor
義昭 下村
直毅 三柳
茂呂  隆
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Construction Machinery Co Ltd filed Critical Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority to JP14154498A priority Critical patent/JP3494576B2/en
Publication of JPH11337334A publication Critical patent/JPH11337334A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3494576B2 publication Critical patent/JP3494576B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、基点とこれと距離
を置いて基点の両側に設定した各地点とをそれぞれを結
ぶ二つの線分の偏角を光で測定する光学式偏角測定装置
に関し、特に、地上や地下で行う建設作業にとって有用
なものである。 【0002】 【従来の技術】地上や地下で建設作業を行う場合、基点
となる地点とこれと距離を置いてその両側にそれぞれ設
定した地点とをそれぞれを結ぶ二つの線分同士の角度関
係を知る必要が生じる。例えば、曲折した道路を施工す
るときには、施工路面の曲折部の角度を知ることが必要
になる。その場合には、曲折部の適所に基点となる計測
地点を設定するとともに、これと距離を置いてその両側
の路面施工区域にもそれぞれ計測地点を設定して、基点
となる計測地点とその両側の各計測地点を結ぶ各線分同
士の角度を測定する。また、地中掘進機でカーブした地
下坑を掘削するには、地中掘進機が計画路線(予め設定
された掘進経路)に沿って正しく掘進しているかどうか
を知るため、その掘進位置を確認しなければならない。
その場合にも、基点となる計測地点とその両側の各計測
地点を結ぶ各線分同士の角度関係を知ることが必要にな
る。このような基点を頂点とする両側の線分同士の角度
関係を知るには、両線分同士の内角及び外角の何れを測
定してもよく、その角度関係を一義的に特定できるよう
な角度に関する値が測定できればその目的が果たせる。
この明細書では、こうした二つの線分同士の角度関係を
特定し得るような角度に関する値を偏角と称している。 【0003】出願人は、先に、こうした偏角を光で測定
する光学式偏角測定装置の発明をして、特願平9ー29
7295号として特許出願をした。それまでは、偏角を
測定するのに、通常、トランシットを用いて測定する方
法が採られていたが、地中掘進機の掘進位置計測技術の
中には、例えば特開平5ー340186号公報に記載の
技術のように掘進位置の計測の際に偏角をレーザビーム
で光学的に測定する方法を採り入れたものがあった。こ
のレーザビームによる偏角測定技術は、トランシットに
よる方法のように人手を要して一回の測量時間が長くな
るといった問題は緩和されるが、収束度の高いレーザ光
であるレーザ照準機からのレーザビームをウエッジプリ
ズムの回動操作により常にターゲットの位置検出素子に
当てて測定するため、ウエッジプリズムを光軸回りに回
動できるようにするための回動機構を必要としていた。
そのため、トランシットによる方法と同様、回動機構に
よる機械的な測定誤差が生じやすく高い測定精度を確保
することが困難であった。また、レーザ照準機、ウエッ
ジプリズム又はターゲットにヨーイング方向やピッチン
グ方向に傾動させるような振動等の外力が作用すると、
外力による測定誤差が生じて偏角の測定結果に大きな影
響を及ぼすという問題もあった。 【0004】出願人の特許出願に係る前記特願平9ー2
97295号の発明の光学式偏角測定装置は、こうした
問題に対応して創作されたものであり、偏角を光学的に
測定する際に、光を位置検出素子に当てるための操作を
要さず、振動等の外力が作用しても測定結果にその影響
が及ばないようにして、偏角を精度よく測定できるよう
にした斬新的なものである。本発明は、こうした光学式
偏角測定装置について、更に精度よく偏角を測定できる
ように改良したものである。そこで、この特願平9ー2
97295号の発明の光学式偏角測定装置を従来の技術
として位置付け、以下に、図4乃至図7を用いてその技
術内容の要点を説明する。図4は、従来の技術に係る光
学式偏角測定装置における検出器を示す斜視図、図5
は、偏角を測定する原理を説明するための光学式偏角測
定装置の概念図、図6は、図1の検出器で光源の方向を
検出する原理を説明するための概念図、図7は、図1の
検出器における位置検出素子の画素の配置図である。 【0005】既に述べたように、光学式偏角測定装置
は、基点とこれと距離を置いて基点の両側に設定した各
地点とをそれぞれを結ぶ二つの線分の偏角を光で測定す
る装置である。ここで基点とは、測定しようとする角度
の頂点の個所に設定する計測点を意味する。この従来の
技術に係る光学式偏角測定装置4は、全体像が図5に図
示されており、大別すると、基点の両側に設定した地点
にそれぞれ設置される偏角測定用の各光源41,42
と、基点に設置され各光源41,42の方向を検出でき
る偏角測定用の検出器410とからなる。光源41,4
2には、例えば発光ダイオードのような拡散光を発する
いわゆる点光源のようなものを用いる。すなわち、レー
ザビームのような収束度の高い光線を発するものは用い
ることができないが、基本的には、微小なエリアから放
射状に拡がる拡散光を発するようなものであれば、設計
上、適宜選択して使用することができる。 【0006】偏角測定用の検出器410について説明す
ると、411は各光源41,42からの拡散光をそれぞ
れ集光する両光源41,42に共通の集光手段としての
レンズ、412−1はこのレンズ411で集められた光
源42からの拡散光を受光しその受光位置を検出するた
めの二次元光センサとしての位置検出素子、412−2
はレンズ411で集められた光源41からの拡散光を受
光しその受光位置を検出するための同様の位置検出素
子、413−1はレンズ411で集光する光源42から
の拡散光を位置検出素子412−1に導くように光の方
向を転換する光方向転換手段としての反射プリズム、4
13−2はレンズ411で集光する光源41からの拡散
光を位置検出素子412−2に導くように光の方向を転
換する同様の反射プリズムである。検出器410は、図
示していない演算処理装置を内蔵しており、位置検出素
子412−1,412−2の検出結果に基づいて偏角を
算出するための種々の演算を行う。検出器410は、大
別すると、これらレンズ411、位置検出素子412−
1,412−2、反射プリズム413−1,413−2
及び演算処理装置で構成される。 【0007】各位置検出素子412−1,412−2
は、各光源41,42からレンズ411に入射しようと
する拡散光を遮断しない位置に配置することとする。こ
の例では、位置検出素子412−1は、その受光面をレ
ンズ411の光軸Cと直交する方向に向けての側方に配
置し、位置検出素子412−2は、その受光面をレンズ
411の光軸Cと直交する方向に向けて上方に配置して
いる。反射プリズム413−1,413−2は、レンズ
411の前後に配置され、それぞれ、レンズ411で集
められる光源42,41の拡散光の一部を反射して位置
検出素子412−1,412−2の受光面に向けるが、
光源41,42から入射する拡散光の少なくとも一部を
透過させることができる。 【0008】光源41から発せられる拡散光は、手前の
反射プリズム413−1に入射後、その少なくとも一部
が同反射プリズム413−1を透過してレンズ411で
集光され、次いで、その背後の反射プリズム413−2
で反射されて方向転換をし、位置検出素子412−2上
に結像する。同様にして、光源42からの拡散光は、そ
の少なくとも一部が手前の反射プリズム413−2を透
過してレンズ411で集光され、次いで、その背後の反
射プリズム413−1で反射されて位置検出素子412
−1上に結像する。このように、反射プリズム413−
1,413−2を用いることにより、各光源41、42
からの拡散光がレンズ411に入射するのを阻止しない
位置に各位置検出素子412−1,412−2を配置す
ることが可能となるため、拡散光を集めるための集光レ
ンズを各光源41、42ごとに設けることは要せず共通
化することができる。各位置検出素子412−1,41
2−2は、後述するように、多数の画素を有して各受光
面上の多数の位置で受光した光の光量を検出し、これに
より、受光面上にレンズ411で集められる光の焦点に
相当する位置すなわち結像点の位置を後述する方法で検
出する。 【0009】次に、こうした結像点の位置に基づいて光
源41、42の方向を検出する原理につき、位置検出素
子412−1上の結像点の位置に基づいて光源42の方
向を検出する場合を例にとり、図6を用いて説明する。
光源42の方向は、検出器410の基準線に対して光源
42の光軸D(光源42とレンズ411の中心とを結ぶ
線)のなす角度で表し、ここでは、検出器410の基準
線としてレンズ411の光軸C(レンズ411の中心を
通りこれに直交する軸線)を選定している。光源42の
方向を検出する場合には、光源42の方向の水平方向の
成分(レンズ411の光軸Cと光源42の光軸Dを水平
面上へ正投影した線同士のなす角度)と垂直方向の成分
(これらの各光軸C,Dをレンズ411の光軸Cと平行
な垂直面上へ正投影した線同士のなす角度)とをそれぞ
れ検出するが、ここでは説明の便のため、垂直方向の成
分を検出する場合について述べる。位置検出素子412
−1には、レンズ411の中心を原点とし、水平方向
(左右方向)をX軸、垂直方向(上下方向)をY軸とす
るX−Y平面座標が設定されている。 【0010】いま、図6に示すように、レンズ411と
位置検出素子412−1とをFの間隔で平行に配置して
光源42から拡散光を発すると、光源42の拡散光がレ
ンズ411により集光されて位置検出素子412−1の
面上に結像する。そのときの光源42の結像点に関する
座標位置のY軸方向の成分をYG とし、光源42の方向
の垂直方向の成分を表す角度をψとすると、角度ψは、
次の(1)で求めることができる。 【0011】 【数1】 【0012】前式において、F,YG は何れも既知の値
であるから、光源42の方向に関する角度ψは、位置検
出素子412−1での受光位置の検出結果に基づいて一
義的に算定することができる。図6には、説明の便のた
め、図5の光学式偏角測定装置におけるレンズ411と
位置検出素子412−1との配置を模式化してこれらを
Fの間隔で平行に配置した状態を示したが、レンズ41
1と位置検出素子412−1とを図5のように配置した
状態において前(1)式により角度ψを求める場合に
は、Fの値は、レンズ411の光軸C上を通る光源42
の光軸Dがレンズ411に入射後、位置検出素子412
−1に到達するまでの過程にたどる距離の総和とみれば
よい。同様にして、光源41の方向の垂直方向の成分
も、位置検出素子412−2での検出結果に基づいて検
出することができる。 【0013】こうして、光源41,42の方向の垂直方
向の成分を検出すると、その検出結果に基づいて各光源
41,42の光軸D同士の偏角の垂直方向の成分(各光
源41,42の光軸Dをレンズ411の光軸Cと平行な
垂直面上へ正投影した線同士のなす角度)を算出する。
その算出方法を図5に基づいて説明する。いま、光源4
1の方向を表す角度の垂直方向の成分をφとし、各光源
41,42の光軸D同士の偏角の垂直方向の成分をΦと
する。そして、角度Φ,φ,ψには極性をもたせて、光
源41,42の光軸Dをレンズ411の光軸Cに重なる
ように最小の角度で回動させる方向が時計方向であると
きを正、反時計方向であるときを負としている。そうす
ると、偏角Φは、図5から明らかなように、次の(2)
式で求めることができる。 Φ=φ−ψ (2) こうした偏角Φの演算は、位置検出素子412−1,4
12−2での検出結果に基づいて演算処理装置で行われ
る。以上、各光源41,42の光軸D同士の偏角の垂直
方向の成分Φを求める方法について述べたが、各光源4
1,42の光軸D同士の偏角の水平方向の成分(各光源
41,42の光軸Dを水平面上へ正投影した線同士のな
す角度)についても、光源41,42の結像点に関する
X軸方向の成分に基づいて、以上述べたのと同様の手法
で求めることができる。 【0014】偏角Φの測定値は、図5の上下の図を対比
すればよく分かるように、検出器410が上下方向(ピ
ッチング方向)に任意の角度δだけ傾動して、各光源4
1,42の方向に関する角度がφ,ψからφ’,ψ’に
変動しても、その変動に影響されることなく常に一定に
保たれる。また、検出器410が左右方向(ヨーイング
方向)に傾動した場合についても同様である。したがっ
て、検出器410の姿勢が振動等の外力や取付姿勢の不
揃いによりピッチング方向及びヨーイング方向に変動し
ても、偏角の測定結果がその姿勢の変動に影響されるこ
とがない。また、光源41,42に特に拡散光を発する
光源を用いて、拡がりをもつ光で広い領域を照らせるよ
うにしているので、光源41,42の姿勢が同様の原因
で変動しても、それらの光を共通のレンズ411で集め
て、位置検出素子412−1,412−2に当てる操作
をすることなく正しい位置に結像させることができ、偏
角の測定結果が光源41,42の姿勢の変動に影響され
ることもない。 【0015】位置検出素子412−1,412−2は、
図7に示すように、レンズ411で集められた各光源4
2,41からの光をそれぞれ受光しその受光した光の光
量を検出するための多数の画素412eを有し、各画素
412eでの光量に関する検出値が出力されるようにな
っている。画素412eは、ここに示す例では、X軸方
向の画素ピッチがΔX、Y軸方向の画素ピッチがΔYの
方形をなしており、X軸方向にM個、Y軸方向にN個ほ
ど並べてマトリックス状に配置している。こうした多数
の画素412eからなる位置検出素子412−1,41
2−2は、レンズ411で集められた光を受光すると、
X−Y平面座標上の各位置の光量を各画素412eによ
り検出して、その各位置の検出値に関する電気信号すな
わち検出信号を所定の順序で演算処理装置に順次出力す
る。ここでは、各位置検出素子412−1,412−2
の受光面におけるX−Y平面座標上の任意の位置
(Xm ,Yn )に対応する光量(光の強度)に比例した
センサ出力値をI(Xm ,Yn )で表わす。 【0016】演算処理装置では、このセンサ出力値I
(Xm ,Yn )に基づいて、各位置検出素子412−
1,412−2の受光面における各光源42,41の光
の結像点の位置である結像位置(XG ,YG )を演算に
より求める。この結像位置(XG,YG )を求める場合、
通常、画素ピッチΔX,ΔY(例えば12ミクロン程
度)を考慮しながらセンサ出力値I(Xm ,Yn )の重
心座標位置を演算して求めており、その演算方式を数式
で表わすと、次式で表わすことができる。 【0017】 【数2】 【0018】なお、前式において、左辺の(XG
G )は、X−Y平面座標の或る基準座標点(XG 0,Y
G 0)から結像位置までのX軸方向及びY軸方向の距離を
表わし、右辺分子の(Xm ,Yn )は、X−Y平面座標
の原点から任意の画素412eまでのX軸方向及びY軸
方向の各距離を表わしており、これらの距離は、何れ
も、画素ピッチΔX,ΔYが加味された値である。 【0019】 【発明が解決しようとする課題】ところで、位置検出素
子412−1,412−2のような光センサで検出され
る検出値には、光源の光に起因して生じるセンサ出力I
S (Xm ,Yn )のほかに、光源の光に起因しないで生
じるセンサ出力IN (Xm ,Yn )を成分として含んで
いる。そうすると、センサ出力値I(Xm ,Yn )は、
次式で表わすことができる。 I(Xm ,Yn )=IS (Xm ,Yn )+IN (Xm ,Yn )‥‥‥(4) 前式中、光源の光に起因しないで生じるセンサ出力IN
(Xm ,Yn )の成分としては、外乱光(太陽光、照明
の光等の光源の光以外の光)に起因するセンサ出力や暗
電流に起因するセンサ出力(位置検出素子の電気回路に
起因するセンサ出力)を挙げることができる。 【0020】そうすると、レンズで集められた光源の光
が光センサの受光面に結像する正確な結像位置は、前記
(3)式中のIをIS で置き換えて得られる値であり、
次式に示すように(3)式で求めた結像位置(XG ,Y
G )とは一致しない。 【0021】 【数3】 【0022】前述したように、従来の技術は、偏角Φを
光学的に測定する際、振動等の外力に影響されることな
く偏角Φを精度よく測定できるものであるが、光源の光
の結像位置を(3)式で示したような通常の方式により
求める限り、偏角Φを精度よく測定できるにしても限界
がある。 【0023】本発明は、こうした問題も解消しようとす
るものであって、その技術課題は、偏角を光学的に測定
する際、偏角測定用の光源の光以外の要因により生じる
センサ出力の影響を受けないようにして偏角を高い精度
で測定することができる光学式偏角測定装置を提供する
ことにある。 【0024】 【課題を解決するための手段】本発明のこうした技術課
題は、「基点とこれと距離を置いて基点の両側に設定し
た各地点とをそれぞれを結ぶ二つの線分の偏角を光で測
定する光学式偏角測定装置」を構成する場合、「基点の
両側に設定した各地点にそれぞれ設置され拡散光を発す
る光源と、各光源からの拡散光の少なくとも一部をそれ
ぞれ集光する共通の集光手段と、集光手段でそれぞれ集
光した各光源からの光をそれぞれ受光して光量を検出す
るための多数の画素を有し各画素の検出値を出力する各
位置検出素子と、集光手段で集光する各光源からの光を
それぞれ各位置検出素子に導くように方向転換させる各
光方向転換手段と、光源の光に起因しないで生じる各位
置検出素子の出力についての設定値を各位置検出素子の
各画素の検出値から減算するオフセット手段と、このオ
フセット手段での減算結果が負の場合にその減算結果を
0に変換する変換手段と、オフセット手段での減算結果
及び変換手段での変換結果に基づいて各光源の光軸同士
の偏角を演算する偏角演算手段とを備えるようにした」
ことにより達成される。 【0025】本発明のベースとなる光学式偏角測定装置
は、基点両側に設定した各地点に設置される光源に特に
拡散光を発する光源を用いて、拡がりをもつ光で広い領
域を照らせるようにし、さらに、その拡がりをもつ各光
源の光を共通の集光手段で集めて各位置検出素子でそれ
ぞれ受光して受光位置を検出し、それぞれの検出結果に
基づいて各光源の光軸同士の偏角を求め得るようにして
いるため、偏角を光学的に測定する場合に、光源にレー
ザビームを用いる場合のように光を位置検出素子に当て
るための操作機構を要さず機械的な測定誤差を生じにく
くすること、集光手段、位置検出素子等の検出側部分や
光源の姿勢が振動等の外力や取付姿勢の不揃いによりピ
ッチング方向及びヨーイング方向に変動しても、その姿
勢の変動が偏角の測定結果に影響しないようにすること
が可能となって、偏角を精度よく測定することができ
る。 【0026】 本発明は、こうした測定精度の優れた光
学式偏角測定装置をベースにして、これにオフセット手
段を設けて、各位置検出素子の各画素の検出値から、光
源の光に起因しないで生じる各位置検出素子の出力につ
いての設定値を減算するようにしているで、その検出値
を、光源の光に起因して生じる検出値に近似した値に補
正することができる。そして、もし、このオフセット手
段での減算結果が負の場合には、その減算結果を変換手
段で0に変換するようにしているので、オフセット手段
での補正により人為的にもたらされる外乱を排除するこ
ともできる。偏角演算手段では、こうして得られる適正
な値に基づいて、各光源の光軸同士の偏角を演算するよ
うにしたので、偏角を光学的に測定する際、偏角測定用
の光源の光以外の要因により生じるセンサ出力の影響を
受けないようにして、偏角を一層高い精度で測定するこ
とができる。 【0027】 【発明の実施の形態】以下、本発明が実際上どのように
具体化されるのかを示す具体化例を図1乃至図3に基づ
いて説明することにより、本発明の実施の形態を明らか
にする。図1は、本発明の具体化例の光学式偏角測定装
置における演算処理装置を示すブロック図、図2は、図
4の検出器で検出される検出値の成分の中の光源の光に
起因しないで生じる成分を示す図、図3は、図4の検出
器で検出される図2の成分を含んだ検出値を示す図であ
る。 【0028】本発明の具体化例の光学式偏角測定装置
は、図4乃至図7に示した従来の技術に係る光学式偏角
測定装置と同様、基点とこれと距離を置いて基点の両側
に設定した各地点とをそれぞれを結ぶ二つの線分の偏角
Φを光で測定する装置である。そして、基点の両側に設
定した各地点にそれぞれ設置され拡散光を発する光学式
偏角測定用の光源41,42と、各光源41,42から
の拡散光の少なくとも一部をそれぞれ集光する共通の集
光手段としてのレンズ411と、集光手段411でそれ
ぞれ集光した各光源42,41からの光をそれぞれ受光
して光量を検出するための多数の画素412eを有し各
画素412eの検出値を出力する各位置検出素子412
−1,412−2と、レンズ411に入射しようとする
各光源41,42からの拡散光の少なくとも一部を透過
しかつレンズ411で集光する各光源42,41からの
光をそれぞれ各位置検出素子412−1,412−2に
導くように方向転換させる光方向転換手段としての各反
射プリズム413−1,413−2とを備え、レンズ4
11に入射しようとする各光源41,42からの拡散光
を遮断しない位置に各位置検出素子412−1,412
−2を配置しており、基本的な構造は、従来の技術に係
るものと変わらない。また、演算処理装置を備え、各光
源41,42の光軸D同士の偏角Φを演算処理装置で算
出できるようにしており、この点でも、従来の技術に係
る装置と変わらない。 【0029】本具体化例の装置が従来の技術に係る装置
と基本的に異なる点は、演算処理装置の内容にある。そ
こで、以下に、演算処理装置の内容を図1に基づいて説
明する。図1に示す演算処理装置10は、オフセット回
路1、アナログ−デジタル変換器2、画像メモリ3及び
重心位置・偏角演算回路4とを備え、これらのうち、オ
フセット回路1、アナログ−デジタル変換器2及び画像
メモリ3は、何れも光源41,42の数に対応した数だ
け設けている。まず、本発明の中心的な技術手段として
のオフセット手段に関係するオフセット回路1について
説明する。前述したように、位置検出素子412−1,
412−2の検出信号の出力値Iには、外乱光や暗電流
に起因するセンサ出力のような光源42,41の光に起
因しないで生じるノイズ信号に係るセンサ出力IN (X
m ,Yn )が成分として含まれている。図2は、こうし
たノイズ信号に係るセンサ出力IN (Xm ,Yn )の波
形のうち、同じ横列上に位置する各画素412eについ
ての実験上の波形を例示的に図示したものである。図2
では、図7に図示のX−Y平面座標の原点と各画素41
2eの間の距離(mm)をX軸(横軸)にとり、各画素
412eに対応するセンサ出力Iの相対値(使用するセ
ンサの種類により検出する物理量が変化するので、相対
値という用語を用いて単位は示していない。)をY軸
(縦軸)にとっている。図2の波形によれば、ノイズ信
号に係るセンサ出力IN (Xm ,Yn )の値は、X軸の
何れの点でも、0.12前後とほぼ一定している。 【0030】オフセット回路1には、位置検出素子41
2−1,412−2がそれぞれ有する多数の各画素41
2eの検出信号の出力値I(Xm ,Yn )が入力される
とともに、図示していない入力手段から予め設定された
オフセット設定値VOFF が入力される。このオフセット
設定値VOFF は、各光源42,41の光に起因しないで
生じる各位置検出素子412−1,412−2の出力I
N (Xm ,Yn )についての設定値すなわち前述の外乱
光、暗電流等のノイズに起因するセンサ出力の設定値を
意味し、計測する場所や光センサの規格等の条件や実験
等に基づいてほぼ正確に定めることができる。オフセッ
ト設定値VOFF は、基本的には、こうしたノイズ信号に
関するセンサ出力IN (Xm ,Yn )のうちの最も大き
いものを排除できるように設定する。このノイズ信号に
関する出力値IN (Xm ,Yn )は、場合によっては変
動するので、オフセット設定値VOFF は、前記の条件や
実験等に基づいて定められる基準の値に対して1.5倍
から2倍程度の余裕をもって設定するとよい。また、各
位置検出素子412−1,412−2に対して、一律に
設定してもよいし別々に設定してもよい。オフセット回
路1は、同回路1へ入力された各画素412eの検出信
号の出力値I(Xm ,Yn )からオフセット設定値V
OFF を減算してオフセット補正をする働きをする。 【0031】アナログ−デジタル変換器2は、各位置検
出素子412−1,412−2から出力されオフセット
回路1でオフセット補正されたアナログ信号をデジタル
信号に変換するとともに、オフセット回路1での減算結
果が負の場合にその減算結果を0に変換する働きをす
る。オフセット回路1での減算結果が負の場合にその減
算結果を0にするのは、オフセット補正により人為的に
もたらされる外乱を排除するためである。これらオフセ
ット回路1及びアナログ−デジタル変換器2を通じて演
算された演算結果が偏角演算用の出力値I’(Xm ,Y
n )として画像メモリ3に出力される。この出力値I’
(Xm ,Yn )の演算方法を数式で表わすと、次式で表
わすことができる。 I’(Xm ,Yn )=I(Xm ,Yn )−VOFF if I’≦0 then I’=0 (6) 前式中、I’は、位置検出素子412−1,412−2
の検出信号からノイズ信号を排除した信号の出力値であ
って、光源41,42の光に起因して生じるセンサ出力
S に近似する値である。 【0032】図3には、位置検出素子412−1,41
2−2の検出信号の出力値I(Xm,Yn )に対してオ
フセット補正をするときの様子を図2と同様の手法で例
示的に図示している。図3の座標上には、図2に図示の
ノイズ信号の出力値IN (Xm ,Yn )の混じった出力
値I(Xm ,Yn )に係る波形が描かれており、図3の
座標上の左寄りに切り立って描かれた波形は、光源4
1,42の光に起因して生じるセンサ出力IS (Xm
n )が顕著な個所である。図2に示したように、光源
41,42の光に起因しないで生じるセンサ出力の成分
N (Xm ,Yn)の値は、0.12前後とほぼ一定し
ているが、図3には、波形の変動を考慮して余裕を見込
み、オフセット設定値VOFF を0.2と大きめに設定し
た例を示している。したがって、図3に示す例では、こ
のオフセット設定値VOFF 0.2を出力値I(Xm ,Y
n )から減算してオフセット回路1でオフセット補正を
する。このようなオフセット設定値VOFF 0.2でオフ
セット補正をすると、図から明らかなようにオフセット
補正をした結果の補正値は、切り立って描かれた波形の
両側の個所で負になるが、アナログ−デジタル変換器2
では、前述したようにその補正値を0に変換する。した
がって、図3に描かれた波形中、VOFF の線よりより上
方の波形の波高値が前記(6)式で演算される値とな
る。 【0033】画像メモリ3は、前記(6)式で演算され
た偏角演算用の出力値I’(Xm ,Yn )に関するデー
タを記憶する働きをする。重心位置・偏角演算回路4で
は、まず、この画像メモリ3に記憶された偏角演算用の
出力値I’(Xm ,Yn )に関するデータを用い、位置
検出素子412−1,412−2の各受光面上の結像位
置(XG ,YG )’を前記(3)式に則って演算により
求める。その演算方式を数式で表わすと、次式で表わす
ことができる。 【0034】 【数4】【0035】重心位置・偏角演算回路4では、この結像
位置(XG ,YG )’の演算後、各光源41,42の光
軸D同士の偏角を演算により求める。この偏角は、結像
位置(XG ,YG )’が得られれば、「従来の技術」の
項ですでに述べた(1)式及び(2)式による偏角Φの
演算方法に則って算出することができる。 【0036】以上のように、演算処理装置10では、オ
フセット回路1を設けて、各位置検出素子412−1,
412−2の検出信号の出力値I(Xm ,Yn )から、
ノイズ信号の出力IN (Xm ,Yn )に関する設定値で
あるオフセット設定値VOFFを減算するようにしている
ので、その出力値I(Xm ,Yn )を、光源42,41
の光に起因して生じるセンサ出力IS (Xm ,Yn )に
近似した適正な値に補正することができる。そして、演
算処理装置10の重心位置・偏角演算回路4では、その
補正により得られる適正な出力値I’(Xm ,Yn )に
基づいて位置検出素子412−1,412−2の各受光
面上の結像位置(XG ,YG )’を求めて、各光源4
1,42の光軸D同士の偏角を演算するようにしたの
で、偏角を光学的に測定する際、光源41,42の光以
外の要因により生じるセンサ出力IN(Xm ,Yn )の
影響を受けないようにして、偏角を一層高い精度で測定
することができる。 【0037】加えて、こうした演算処理装置10を設け
るためのベースとなる光学式偏角測定装置は、「従来の
技術」の項で述べたように、基点両側の設定した各地点
に設置される光源41,42に特に拡散光を発する光源
を用いて、拡がりをもつ光で広い領域を照らせるように
し、さらに、その拡がりをもつ各光源41,42の光を
共通のレンズ411で集めて各位置検出素子412−
2,412−1でそれぞれ受光して受光位置を検出し、
それぞれの検出結果に基づいて各光源41,42の光軸
D同士の偏角を求め得るようにしているため、偏角を光
学的に測定する場合に、光源41,42にレーザビーム
を用いる場合のように光を位置検出素子に当てるための
操作機構を要さず機械的な測定誤差を生じにくくするこ
と、検出器410や光源41,42の姿勢が振動等の外
力や取付姿勢の不揃いによりピッチング方向及びヨーイ
ング方向に変動しても、その姿勢の変動が偏角の測定結
果に影響しないようにすることが可能となる。その結
果、このこと自体によっても偏角を精度よく測定するこ
とができるため、こうした効果も相俟って、偏角をきわ
めて高い精度で測定することができる。 【0038】本発明を具体化する場合、特に、各光源4
1,42からの拡散光を互いに振動方向の直交する直線
偏光の拡散光になるようにするとともに、反射プリズム
413−1,413−2として、レンズ411に入射し
ようとする一方の直線偏光の拡散光を透過させ、かつ、
レンズ411で集められる過程の他方の直線偏光の拡散
光を位置検出素子412−1,412−2に導くように
反射する偏光反射プリズムを用いるようにすれば、各光
源41,42からの拡散光を、それぞれ、その光量を損
失させることなく位置検出素子412−2,412−1
に導くことができて、偏角の測定精度の一層の向上に資
することができる。 【0039】ここに示す例では、演算処理装置10を特
に検出器410に内蔵させて、オフセット補正、結像位
置(XG ,YG )’の演算及び偏角の演算を全て同じ演
算処理装置10で演算するようにしているが、演算処理
装置10は、必ずしも検出器410に内蔵させる必要は
ない。また、オフセット補正、結像位置(XG
G)’の演算及び偏角の演算のうちの所望のものを別
個の装置で行うようにしてもよい。位置検出素子412
−1,412−2に使用する光センサとしては、フォト
ダイオードをマトリックス状に配置したMOS型撮像素
子やCCD(Charge−Coupled−Devi
ce)撮像素子等の二次元光センサを用いることができ
るほか、フォトダイオードの表面抵抗を利用して光スポ
ットの位置を知ることのできるPSD(Positio
n−Sensitive−Device)のようなもの
を用いてもよく、要は、レンズで集められた光を受光し
その受光した光の光量を検出する多数の検出部分すなわ
ち画素を有するものであればよく、その種類は限定され
ない。 【0040】 【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、「基点とこれと距離を置いて基点の両側に設定した
各地点とをそれぞれを結ぶ二つの線分の偏角を光で測定
する光学式偏角測定装置」を構成する場合、「基点の両
側に設定した各地点にそれぞれ設置され拡散光を発する
光源と、各光源からの拡散光の少なくとも一部をそれぞ
れ集光する共通の集光手段と、集光手段でそれぞれ集光
した各光源からの光をそれぞれ受光して光量を検出する
ための多数の画素を有し各画素の検出値を出力する各位
置検出素子と、集光手段で集光する各光源からの光をそ
れぞれ各位置検出素子に導くように方向転換させる各光
方向転換手段と、光源の光に起因しないで生じる各位置
検出素子の出力についての設定値を各位置検出素子の各
画素の検出値から減算するオフセット手段と、このオフ
セット手段での減算結果が負の場合にその減算結果を0
に変換する変換手段と、オフセット手段での減算結果
び変換手段での変換結果に基づいて各光源の光軸同士の
偏角を演算する偏角演算手段とを備えるようにした」の
で、本発明によれば、偏角を光学的に測定する際、偏角
測定用の光源の光以外の要因により生じるセンサ出力の
影響を受けないようにして偏角を高い精度で測定するこ
とができる光学式偏角測定装置が得られる。 【0041】加えて、オフセット手段や偏角演算手段を
設けるためのベースとなる光源、集光手段、位置検出素
子等で構成される光学式偏角測定装置は、偏角を光学的
に測定する場合に、光源にレーザビームを用いる場合の
ように光を位置検出素子に当てるための操作機構を要さ
ず機械的な測定誤差を生じにくくすること、集光手段、
位置検出素子等の検出側部分や光源の姿勢が振動等の外
力や取付姿勢の不揃いによりピッチング方向及びヨーイ
ング方向に変動しても、その姿勢の変動が偏角の測定結
果に影響しないようにすることが可能になり、このこと
自体によっても偏角を精度よく測定することができるた
め、本発明は、こうした効果も相俟って、偏角をきわめ
て高い精度で測定することができる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a base point and a distance between the base point and the base point.
To connect each point to the points set on both sides of the base point.
Optical declination measuring device that measures the declination of two line segments with light
Especially useful for construction work above ground and underground
It is something. [0002] 2. Description of the Related Art When performing construction work on the ground or underground,
At each point and at both sides
Angle relationship between two line segments connecting each
You need to know the person in charge. For example, constructing a curved road
Need to know the angle of the bend on the construction road
become. In that case, the measurement that becomes the base point in the right place of the bent part
Set a point and set a distance from this point on both sides
Measurement points are also set in the road construction area of
The same line segment connecting the measurement point and the measurement points on both sides
Measure the angle of the chief. In addition, the ground curved by the underground excavator
In order to excavate the lower shaft, the underground excavator must be
Along the excavated path)
In order to find out, you must check its excavation position.
In that case, the measurement point that is the base point and each measurement on both sides
It is necessary to know the angular relationship between the line segments connecting the points.
You. Angle between line segments on both sides with such a base point at the vertex
To know the relationship, measure either the inner angle or the outer angle between the two line segments.
So that the angular relationship can be uniquely identified.
If the values for the various angles can be measured, the purpose can be fulfilled.
In this specification, we describe the angular relationship between these two line segments.
A value relating to an angle that can be specified is called an argument. [0003] The applicant previously measured such declination with light.
Invented an optical declination measuring device,
A patent application was filed as No. 7295. Until then, the declination
When measuring, usually using a transit
The law had been adopted, but the technology of
Some of them are described in, for example, JP-A-5-340186.
Deflection angle is measured by laser beam when measuring excavation position like technology
Some have adopted a method of optical measurement. This
Deflection measurement technology using laser beam
The time required for one survey is long due to the labor
Laser light with high convergence
Laser beam from the laser sight
The target position detection element
Rotate the wedge prism around the optical axis to measure
It required a rotating mechanism to allow it to move.
Therefore, as with the transit method,
High measurement accuracy due to mechanical measurement errors
It was difficult to do. In addition, laser sighting machines,
Yaw direction and pitch on diprism or target
When an external force such as vibration that tilts in the
A measurement error due to external force occurs, and the measurement result of declination has a large influence.
There was also the problem of affecting the sound. [0004] The above-mentioned Japanese Patent Application No. 9-2, filed with the applicant's patent application
The optical declination measuring apparatus of the invention of No. 97295,
It was created in response to the problem
When measuring, perform an operation to shine light on the position detection element.
No need, even if external force such as vibration acts on the measurement result
To be able to measure declination accurately
It is a novel thing. The present invention relates to such an optical type
For declination measuring devices, declination can be measured more accurately
This is an improvement. Therefore, this Japanese Patent Application Hei 9-2
No. 97295, the optical declination measuring apparatus of the invention
The technique is described below with reference to FIGS.
The main points of the operation will be explained. FIG. 4 shows a conventional light source.
FIG. 5 is a perspective view showing a detector in a scientific declination measuring apparatus.
Is an optical declination measurement to explain the principle of declination measurement.
FIG. 6 is a conceptual diagram of a measuring device, and FIG.
FIG. 7 is a conceptual diagram for explaining the principle of detection, and FIG.
FIG. 3 is an arrangement diagram of pixels of a position detection element in the detector. As described above, the optical declination measuring device
Is the base point and each set on both sides of the base point at a distance from the base point
Measuring the declination of two line segments connecting a point with light
Device. Here, the base point is the angle to be measured
Means the measurement point to be set at the vertex. This conventional
The optical declination measuring device 4 according to the technology is shown in FIG.
It is shown, and roughly classified, the points set on both sides of the base point
The light sources 41 and 42 for declination measurement respectively installed in
And the direction of each light source 41, 42 installed at the base point can be detected.
And a detector 410 for measuring the deflection angle. Light sources 41, 4
2 emits diffused light such as a light emitting diode
What is called a point light source is used. That is,
Use those that emit light beams with high convergence such as the beam
Can not be released, but basically,
If it emits diffused light that spreads out,
Above, they can be appropriately selected and used. [0006] The detector 410 for measuring the declination will be described.
Then, 411 separates the diffused light from each of the light sources 41 and 42
As a common light condensing means for both light sources 41 and 42 for condensing and condensing light.
The lens 412-1 is the light collected by the lens 411.
For receiving the diffused light from the source 42 and detecting the position of the received light.
Detecting element as a two-dimensional optical sensor
Receives the diffused light from the light source 41 collected by the lens 411.
A similar position detection element for detecting the light receiving position
And 413-1 from the light source 42 condensed by the lens 411.
Of the light so as to guide the diffused light to the position detecting element 412-1.
Reflecting prism as light redirecting means for redirecting light, 4
13-2 is diffusion from the light source 41 condensed by the lens 411
The direction of the light is changed so as to guide the light to the position detecting element 412-2.
This is a similar reflecting prism to be replaced. The detector 410
A built-in arithmetic processing unit (not shown)
The declination based on the detection results of the elements 412-1 and 412-2.
Various calculations for calculation are performed. The detector 410 is
Apart from these, the lens 411 and the position detecting element 412-
1, 412-2, reflection prisms 413-1, 413-2
And an arithmetic processing unit. Each position detecting element 412-1, 412-2
Tries to enter the lens 411 from each of the light sources 41 and 42
It is arranged at a position where the diffused light is not blocked. This
In the example of (1), the position detecting element 412-1 changes its light receiving surface.
Lens 411 in the direction perpendicular to the optical axis C.
And the position detecting element 412-2 has a light receiving surface as a lens.
411 is arranged upward in the direction orthogonal to the optical axis C of
I have. The reflecting prisms 413-1 and 413-2 are lenses
411 are arranged before and after the lens 411, respectively.
Of the diffused light from the light sources 42 and 41
It is directed to the light receiving surface of the detection elements 412-1 and 412-2,
At least a part of the diffused light incident from the light sources 41 and 42
Can be transmitted. The diffused light emitted from the light source 41 is
After entering the reflection prism 413-1, at least a part thereof
Is transmitted through the reflecting prism 413-1 and passes through the lens 411.
The light is focused, and then the reflecting prism 413-2 behind it.
Is changed by turning on the position detecting element 412-2.
Image. Similarly, the diffused light from the light source 42 is
At least a part of the light passes through the reflection prism 413-2 on the front side.
And the light is focused by the lens 411,
Reflected by the projection prism 413-1 and the position detection element 412
-1. Thus, the reflection prism 413-
By using 1,413-2, each light source 41, 42
Does not prevent diffused light from entering the lens 411
The position detection elements 412-1 and 412-2 are arranged at positions.
To collect the diffused light.
It is not necessary to provide a lens for each light source 41, 42 and it is common
Can be Each position detecting element 412-1, 41
2-2 has a large number of pixels and receives each light as described later.
Detects the amount of light received at many positions on the surface
The focus of light collected by the lens 411 on the light receiving surface
The corresponding position, that is, the position of the imaging point is detected by the method described later.
Put out. Next, based on the position of the image forming point, the light
The principle of detecting the directions of the sources 41 and 42 is based on the position detection element.
Of the light source 42 based on the position of the imaging point on the
The case of detecting the direction will be described as an example with reference to FIG.
The direction of the light source 42 is relative to the reference line of the detector 410.
The optical axis D of 42 (connects the light source 42 to the center of the lens 411)
Line), where the reference of the detector 410 is
As a line, the optical axis C of the lens 411 (the center of the lens 411 is
(An axis perpendicular to this). Of light source 42
When detecting the direction, the horizontal direction of the direction of the light source 42 is
Component (the optical axis C of the lens 411 and the optical axis D of the light source 42 are
The angle between the lines orthogonally projected onto the surface) and the vertical component
(These optical axes C and D are parallel to the optical axis C of the lens 411.
Angle between lines orthogonally projected on a vertical surface)
However, for convenience of explanation, the vertical
The case of detecting the minute will be described. Position detection element 412
-1, the origin is at the center of the lens 411, and the horizontal direction
The (left-right direction) is the X-axis, and the vertical direction (up-down direction) is the Y-axis.
XY plane coordinates are set. Now, as shown in FIG.
The position detecting element 412-1 is arranged in parallel at the interval of F
When the diffused light is emitted from the light source 42, the diffused light from the light source 42 is reflected.
Of the position detecting element 412-1
An image is formed on a surface. The image forming point of the light source 42 at that time
The component of the coordinate position in the Y-axis direction is YGAnd the direction of the light source 42
Assuming that the angle representing the vertical component of is ψ, the angle ψ is
It can be obtained by the following (1). [0011] (Equation 1) In the above equation, F, YGAre known values
Therefore, the angle に 関 す る with respect to the direction of the light source 42 is
One based on the detection result of the light receiving position by the output element 412-1
It can be calculated unambiguously. FIG.
The lens 411 in the optical declination measuring apparatus of FIG.
The arrangement of the position detection element 412-1 is schematically illustrated and
The state in which the lenses are arranged in parallel at an interval of F is shown.
1 and the position detecting element 412-1 were arranged as shown in FIG.
When the angle ψ is obtained from the equation (1) in the state
Is the value of F, the light source 42 passing on the optical axis C of the lens 411.
After the optical axis D is incident on the lens 411, the position detecting element 412
In terms of the total distance traveled to reach -1
Good. Similarly, the component in the vertical direction of the direction of the light source 41
Is also detected based on the detection result of the position detection element 412-2.
Can be issued. Thus, the direction perpendicular to the direction of the light sources 41 and 42 is
Direction component, each light source is determined based on the detection result.
The vertical component of the declination between the optical axes D of 41 and 42 (each light
The optical axes D of the sources 41 and 42 are parallel to the optical axis C of the lens 411.
The angle between the lines orthogonally projected on the vertical plane is calculated.
The calculation method will be described with reference to FIG. Now, light source 4
The vertical component of the angle representing the direction of 1 is φ, and each light source
The vertical component of the declination between the optical axes D of 41 and 42 is Φ.
I do. The angles Φ, φ, and ψ have polarities,
The optical axis D of the sources 41 and 42 overlaps the optical axis C of the lens 411
If the direction of rotation at the minimum angle is clockwise
Is positive and negative when counterclockwise. To be so
Then, as is apparent from FIG. 5, the declination Φ becomes the following (2)
It can be obtained by the formula. Φ = φ-ψ (2) The calculation of the declination Φ is performed by the position detection elements 412-1 and 41-2.
The processing is performed by the arithmetic processing unit based on the detection result in 12-2.
You. As described above, the declination between the optical axes D of the light sources 41 and 42 is perpendicular.
The method of obtaining the component Φ in the direction has been described.
The horizontal component of the declination between the optical axes D of 1, 42 (each light source
The lines which are obtained by orthogonally projecting the optical axes D of 41 and 42 on the horizontal plane are used.
Angle) with respect to the image forming point of the light sources 41 and 42.
The same method as described above, based on the component in the X-axis direction
Can be obtained by The measured value of the argument Φ is compared with the upper and lower figures of FIG.
As can be clearly understood, the detector 410 is vertically
(Lighting direction), the light source 4
The angle in the direction of 1, 42 changes from φ, ψ to φ ', ψ'
Even if it fluctuates, it is always constant without being affected by the fluctuation
Will be kept. In addition, the detector 410 is moved in the left-right direction (yawing).
The same applies to the case of tilting in the direction. Accordingly
The posture of the detector 410 is not correct due to external force such as vibration or the mounting posture.
Fluctuates in pitching direction and yawing direction
Even if the measurement results of declination are affected by
There is no. In addition, the light sources 41 and 42 particularly emit diffused light.
Use a light source to illuminate a large area with a broadened light
The light sources 41 and 42 have similar causes
Even if it fluctuates, the light is collected by the common lens 411.
To apply to the position detecting elements 412-1 and 412-2
Image at the correct position without
The measurement result of the angle is affected by the variation of the posture of the light sources 41 and 42.
Never even. The position detecting elements 412-1 and 412-2 are:
As shown in FIG. 7, each light source 4 collected by the lens 411
Light from the light received from each of the light sources 2, 41
It has a number of pixels 412e for detecting the quantity, each pixel
The detection value regarding the light amount at 412e is output.
ing. In the example shown here, the pixel 412e is
Pixel pitch in the X-axis direction and ΔY in the Y-axis direction.
It has a rectangular shape, with about M pieces in the X-axis direction and about N pieces in the Y-axis direction.
They are arranged in a matrix. These many
Position detection elements 412-1 and 41 composed of pixels 412e
2-2 receives the light collected by the lens 411,
The amount of light at each position on the XY plane coordinates is determined by each pixel 412e.
The electrical signals related to the detected value of each position.
That is, the detection signals are sequentially output to the arithmetic processing unit in a predetermined order.
You. Here, each position detection element 412-1, 412-2
Any position on the XY plane coordinates on the light receiving surface of
(Xm, Yn) Is proportional to the amount of light (light intensity)
When the sensor output value is I (Xm, Yn). In the arithmetic processing unit, the sensor output value I
(Xm, Yn), Each position detecting element 412-
Light from each light source 42, 41 on the light receiving surface 1, 412-2
The imaging position (XG, YG) To the operation
Find more. This image forming position (XG, YG)
Usually, pixel pitches ΔX, ΔY (for example, about 12 microns)
The sensor output value I (Xm, Yn) Weight
The center coordinate position is calculated and calculated.
Can be expressed by the following equation. [0017] (Equation 2) In the above expression, (XG,
YG) Is a certain reference coordinate point (XG 0, Y
G 0) To the imaging position in the X-axis and Y-axis directions.
And (Xm, Yn) Is the XY plane coordinates
X-axis direction and Y-axis from the origin to arbitrary pixel 412e
Directional distances, and these distances
Is a value to which the pixel pitches ΔX and ΔY are added. [0019] The position detecting element
Are detected by an optical sensor such as
Detected value includes a sensor output I caused by light from the light source.
S(Xm, Yn) Besides, not due to the light of the light source
Sensor output IN(Xm, Yn) As an ingredient
I have. Then, the sensor output value I (Xm, Yn)
It can be expressed by the following equation.   I (Xm, Yn) = IS(Xm, Yn) + IN(Xm, Yn) ‥‥‥ (4) In the above equation, the sensor output I generated without being caused by the light of the light sourceN
(Xm, Yn) Includes ambient light (sunlight, lighting
Sensor output and darkness caused by light other than the light of the light source
Sensor output caused by current (in the electric circuit of the position detection element
Sensor output). Then, the light of the light source collected by the lens
The exact imaging position where the image forms on the light receiving surface of the optical sensor is
(3) I in the formula is ISIs the value obtained by replacing
As shown in the following equation, the image forming position (XG, Y
G) Does not match. [0021] (Equation 3) As described above, the prior art uses the declination Φ
When measuring optically, do not be affected by external force such as vibration.
Can accurately measure the deflection angle Φ, but the light of the light source
The imaging position of is calculated by the usual method as shown in equation (3).
As far as required, there is a limit even if declination Φ can be measured accurately
There is. The present invention seeks to eliminate these problems.
The technical challenge is to measure the declination optically
Caused by factors other than the light of the light source for declination measurement
High accuracy of declination without being affected by sensor output
To provide an optical declination measuring device that can be measured by
It is in. [0024] SUMMARY OF THE INVENTION The technical section of the present invention.
The title is "Set a distance from the base point and set it on both sides of the base point.
The declination of two line segments connecting each point with
Optical declination measuring device ''
It is installed at each point set on both sides and emits diffused light
And at least some of the diffused light from each light source.
The common light condensing means for condensing light and the light condensing means
Receives light from each light source and detects the amount of light
Each pixel has a large number of pixels to output the detection value of each pixel
The position detection element and the light from each light source focused by the focusing means
Turn each direction to lead to each position detection element
Light redirecting means and each point that is not caused by the light of the light source
The set value for the output of the position detection element
Offset means for subtracting from the detected value of each pixel;This o
If the result of the subtraction by the offset means is negative,
Conversion means for converting to 0;Result of subtraction by offset means
And the conversion result by the conversion meansBased on the optical axis of each light source
And declination calculating means for calculating the declination of
This is achieved by: The optical declination measuring device which is the base of the present invention
Is particularly suitable for light sources installed at each point set on both sides of the base point.
Using a light source that emits diffused light, a wide area
To illuminate the area, and each light with its spread
The light from the source is collected by a common light condensing means and
Each light is received and the light receiving position is detected.
To determine the declination between the optical axes of each light source based on
When measuring declination optically, the laser
Light is applied to the position detection element as in the case of using the beam.
And no mechanical measurement error is required.
And the light-condensing means,
If the posture of the light source is
Even if it fluctuates in the pitching and yawing directions,
Make sure that force fluctuations do not affect declination measurements
Can be measured accurately.
You. The present invention provides a light source having such excellent measurement accuracy.
Based on the eccentric angle measuring device, the offset
A step is provided to detect light from each pixel value of each position detection element.
The output of each position detection element that is not caused by the light of the source
The set value is subtracted from the
To the detection value caused by the light of the light source.ValueSupplement
Can be corrected.And if this offset hand
If the result of the subtraction at the stage is negative, the result of the
Since it is converted to 0 at the stage, offset means
To eliminate disturbances caused by artificial correction
Can also be.In the declination calculation means, the appropriate
Calculate the declination between the optical axes of each light source based on the
When measuring the declination optically,
Of the sensor output caused by factors other than the light from the light source
Measurement of declination with higher accuracy.
Can be. [0027] DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention
A concrete example showing whether it is embodied will be described with reference to FIGS.
The embodiments of the present invention are clarified by
To FIG. 1 shows an optical declination measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
And FIG. 2 is a block diagram showing an arithmetic processing unit in the device.
4 to the light of the light source in the components of the detection value detected by the detector
FIG. 3 is a diagram showing components that do not occur, and FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a detection value including the components of FIG.
You. An optical declination measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
Is an optical declination according to the prior art shown in FIGS.
As with the measuring device, the base point and both sides of the base point at a distance from the base point
Deflection of two line segments connecting each point set in
This is a device for measuring Φ with light. And set on both sides of the base point
Optical system that emits diffused light that is installed at each specified location
From the light sources 41 and 42 for measuring declination and the respective light sources 41 and 42
Common collection that collects at least part of the diffused light
The lens 411 as light means and the light condensing means 411
Receiving light from each of the light sources 42 and 41 condensed respectively
And has a large number of pixels 412e for detecting the amount of light.
Each position detection element 412 that outputs a detection value of the pixel 412e
-1, 412-2 and trying to enter the lens 411
Transmit at least a part of the diffused light from each light source 41, 42
From each light source 42 and 41 condensed by the lens 411
Light is applied to each of the position detecting elements 412-1 and 412-2.
Each countermeasure as a light turning means to turn to guide
Lens 4 having projection prisms 413-1 and 413-2.
Diffused light from each of the light sources 41 and 42 to be incident on the light source 11
Position detection elements 412-1 and 412 at positions where
-2, and the basic structure is related to the conventional technology.
It is not different from the one. It also has an arithmetic processing unit,
The declination Φ between the optical axes D of the sources 41 and 42 is calculated by an arithmetic processing unit.
In this regard, and also in this regard,
It is no different from a device that does. The apparatus of this embodiment is an apparatus according to the prior art.
The fundamental difference from the above lies in the contents of the arithmetic processing unit. So
Here, the contents of the arithmetic processing unit will be described below with reference to FIG.
I will tell. The arithmetic processing device 10 shown in FIG.
Path 1, analog-to-digital converter 2, image memory 3, and
A center-of-gravity position / deviation calculating circuit 4;
Offset circuit 1, analog-to-digital converter 2, and image
Memory 3 is a number corresponding to the number of light sources 41 and 42
Provided. First, as the main technical means of the present invention
Offset Circuit 1 Related to Offset Means
explain. As described above, the position detecting elements 412-1, 41-1,
The output value I of the detection signal 412-2 includes disturbance light and dark current.
Due to the light from the light sources 42 and 41 such as the sensor output caused by the
Sensor output I related to noise signal generatedN(X
m, Yn) Is included as an ingredient. Figure 2
Sensor output I related to the noise signalN(Xm, Yn) Wave
For each pixel 412e on the same row of the shape,
5 is a diagram illustratively showing waveforms in all experiments. FIG.
Then, the origin of the XY plane coordinates shown in FIG.
The distance (mm) between 2e is taken on the X axis (horizontal axis), and each pixel
The relative value of the sensor output I corresponding to the
Since the physical quantity to be detected changes depending on the type of sensor,
No units are shown using the term value. ) To the Y axis
(Vertical axis). According to the waveform of FIG.
Sensor output IN(Xm, Yn) Is the X-axis
At any point, it is almost constant at about 0.12. The offset circuit 1 includes a position detecting element 41
A large number of pixels 41 included in 2-1 and 412-2, respectively
2e output value I (Xm, Yn) Is entered
Together with a preset value from input means (not shown).
Offset setting value VOFF Is entered. This offset
Set value VOFF Is not due to the light of each light source 42, 41
The resulting output I of each position detecting element 412-1, 412-2
N(Xm, Yn), Ie the disturbance mentioned above
Set the sensor output set value caused by noise such as light and dark current.
Meaning, conditions such as measurement location, optical sensor standard, and experiment
And so on can be determined almost exactly. Offset
Set value VOFF Is basically a noise signal
Sensor output IN(Xm, YnThe largest of
Set up so that you can eliminate unwanted things. This noise signal
Output value IN(Xm, Yn) May be strange
The offset setting value VOFF Is the above condition or
1.5 times the standard value determined based on experiments, etc.
Should be set with a margin about twice as large as. Also, each
For the position detection elements 412-1 and 412-2, uniformly
They may be set or may be set separately. Offset times
The path 1 detects the detection signal of each pixel 412e input to the circuit 1.
Signal output value I (Xm, Yn) To offset set value V
OFF Is subtracted to perform offset correction. The analog-to-digital converter 2 detects each position.
Output from the output elements 412-1 and 412-2
The analog signal whose offset has been corrected by the circuit 1 is digital
Signal, and subtraction in the offset circuit 1
When the result is negative, it works to convert the subtraction result to 0.
You. If the subtraction result in the offset circuit 1 is negative, the
The reason why the calculation result is set to 0 is that
This is in order to eliminate the resulting disturbance. These offices
Through the reset circuit 1 and the analog-digital converter 2.
The calculated operation result is the output value I ′ (Xm, Y
n) Is output to the image memory 3. This output value I '
(Xm, YnWhen the calculation method of ()) is expressed by a mathematical expression, the following expression is obtained.
I can do it.   I '(Xm, Yn) = I (Xm, Yn) -VOFF      if I ′ ≦ 0 then I ′ = 0 (6) In the above formula, I 'is the position detection element 412-1, 412-2.
The output value of the signal excluding the noise signal from the detection signal
Therefore, the sensor output generated due to the light of the light sources 41 and 42
ISIs a value that approximates FIG. 3 shows position detecting elements 412-1 and 41-1.
The output value I (Xm, Yn) Against
Example when performing offset correction using the same method as in Fig. 2
FIG. The coordinates shown in FIG.
Output value I of noise signalN(Xm, Yn) Mixed output
Value I (Xm, Yn) Is drawn, and FIG.
The waveform drawn to the left on the coordinates is the light source 4
Sensor output I caused by 1,42 lightS(Xm,
Yn) Is a remarkable point. As shown in FIG.
Components of the sensor output that are not caused by the light of 41 and 42
IN(Xm, Yn) Is almost constant at around 0.12
However, in Fig. 3, allowance is given in consideration of waveform fluctuation.
Only, offset set value VOFF Is set to 0.2
An example is shown. Therefore, in the example shown in FIG.
Offset set value VOFF 0.2 as the output value I (Xm, Y
n) And offset correction by the offset circuit 1
I do. Such an offset set value VOFF Off at 0.2
When set correction is performed, the offset is clearly
The correction value resulting from the correction is the value of the sharply drawn waveform.
The analog-digital converter 2 becomes negative at both places.
Then, the correction value is converted to 0 as described above. did
Therefore, in the waveform drawn in FIG.OFF Above the line
The peak value of the other waveform becomes the value calculated by the above equation (6).
You. The image memory 3 is operated by the above equation (6).
Output value I ′ (Xm, Yn) Day
Works to memorize data. With the center of gravity position and declination calculation circuit 4
First, the argument for the declination calculation stored in the image memory 3 is
Output value I '(Xm, Yn), And use the data
Image formation position on each light receiving surface of detection elements 412-1 and 412-2
(XG, YG) 'Is calculated by the equation (3).
Ask. When the operation method is represented by a mathematical formula, it is represented by the following formula.
be able to. [0034] (Equation 4)In the center-of-gravity position / deviation calculating circuit 4, this image formation is performed.
Position (XG, YG) ', The light of each light source 41, 42
The declination between the axes D is obtained by calculation. This declination is
Position (XG, YG) ’, The“ conventional technology ”
Of the argument Φ by the equations (1) and (2) already described in the section
It can be calculated according to the calculation method. As described above, in the arithmetic processing unit 10,
The offset circuit 1 is provided, and each position detecting element 412-1,
The output value I (X of the detection signal of 412-2m, Yn),
Noise signal output IN(Xm, Yn)
A certain offset setting value VOFFIs to subtract
Therefore, the output value I (Xm, Yn) To light sources 42 and 41
Output I caused by the lightS(Xm, Yn)
It can be corrected to an approximate appropriate value. And the performance
In the center-of-gravity position and declination calculation circuit 4 of the arithmetic processing device 10,
Correct output value I '(Xm, Yn)
Each light reception of the position detecting elements 412-1 and 412-2 based on the
Image position (XG, YG) ', And each light source 4
The declination between the 1, 42 optical axes D is calculated.
When optically measuring the declination, the light from the light sources 41 and 42
Sensor output I caused by external factorsN(Xm, Yn)of
Measure declination with higher accuracy without being affected
can do. In addition, such an arithmetic processing unit 10 is provided.
The optical declination measuring device, which is the base for
As described in the “Technology” section, each point set on both sides of the base point
Light sources that emit diffused light particularly to the light sources 41 and 42 installed in the
To illuminate a large area with light with a spread
Further, the light of each of the light sources 41 and 42 having the spread is
Collected by a common lens 411, and each position detecting element 412-
2, 412-1 to detect the light receiving position, respectively,
Optical axis of each light source 41, 42 based on each detection result
Since the declination between D can be obtained, the declination is
When performing a biological measurement, a laser beam is applied to the light sources 41 and 42.
For directing light to the position detecting element as in the case of using
A mechanical measurement error is less likely to occur without an operation mechanism.
And the postures of the detector 410 and the light sources 41 and 42 are
Pitching direction and yaw
Even if it fluctuates in the shifting direction, the change in its attitude will result in the measurement of declination.
It is possible not to affect the result. The result
As a result, the declination can be measured with high accuracy by itself.
This effect is combined with
Measurement with high accuracy. When embodying the present invention, in particular, each light source 4
The diffused light from the light sources 1 and 42
Make it a diffused light of polarized light and a reflective prism
The light enters the lens 411 as 413-1 and 413-2.
To transmit the diffused light of one linearly polarized light, and
Diffusion of the other linearly polarized light in the process collected by the lens 411
To guide light to the position detection elements 412-1 and 412-2
By using a polarizing and reflecting prism that reflects light,
The diffused light from the sources 41 and 42 loses its light quantity, respectively.
Position detecting elements 412-2 and 412-1 without being lost
To improve the accuracy of declination measurement.
can do. In the example shown here, the arithmetic processing unit 10 is
Built-in the detector 410, offset correction, image position
(XG, YG) 'And the argument calculation are all the same.
Although the arithmetic processing device 10 performs the calculation,
The device 10 does not necessarily have to be built into the detector 410
Absent. In addition, offset correction, image formation position (XG,
YG) 'And the declination calculation
It may be performed by a single device. Position detection element 412
-1 and 412-2 are photo sensors
MOS type image sensor with diodes arranged in a matrix
And CCD (Charge-Coupled-Devi)
ce) A two-dimensional optical sensor such as an image sensor can be used.
In addition, light spots are utilized by utilizing the surface resistance of the photodiode.
PSD (Position)
Something like n-Sensitive-Device)
The key is to receive the light collected by the lens.
A large number of detection parts for detecting the amount of light received
It only has to have pixels, and the type is limited.
Absent. [0040] As is apparent from the above description, the present invention
Is set on the both sides of the base point at a distance from the base point
Measuring the declination of two line segments connecting each point with light
When configuring an optical declination measuring device that performs
It is installed at each point set on the side and emits diffused light
Each light source and at least part of the diffused light from each light source
Collected light by common light collecting means and light collecting means
Light from each light source
To output the detection value of each pixel.
And the light from each light source condensed by the
Each light that changes direction to lead to each position detecting element
Direction changing means and each position that is not caused by the light of the light source
The set value for the output of the detection element is
Offset means for subtracting from the detected value of the pixel,This off
When the subtraction result in the setting means is negative, the subtraction result is set to 0
Conversion means for converting toResult of subtraction by offset meansPassing
And conversion result by conversion meansBased on the optical axis of each light source
And an argument calculating means for calculating the argument. "
According to the present invention, when the declination is optically measured, the declination is
Sensor output caused by factors other than the light of the measurement light source
Measuring declination with high accuracy without being affected
Thus, an optical declination measuring device that can be obtained is obtained. In addition, the offset means and the declination calculating means are provided.
Light source, light condensing means, and position detection element as bases for installation
The optical declination measuring device composed of
When using a laser beam as the light source
Operation mechanism for directing light to the position detection element
To reduce mechanical measurement errors,
The position of the light source on the detection side such as the position detection element, etc.
Pitching direction and yaw
Even if it fluctuates in the shifting direction, the change in its attitude will result in the measurement of declination.
Results in a
The declination can be accurately measured by itself.
Therefore, the present invention makes it possible to determine the declination
Measurement with high accuracy.

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の具体化例の光学式偏角測定装置におけ
る演算処理装置を示すブロック図である。 【図2】図4の検出器で検出される検出値の成分の中の
光源の光に起因しないで生じる成分を示す図である。 【図3】図4の検出器で検出される図2の成分を含んだ
検出値を示す図である。 【図4】従来の技術に係る光学式偏角測定装置における
検出器を示す斜視図である。 【図5】偏角を測定する原理を説明するための光学式偏
角測定装置の概念図である。 【図6】図1の検出器で光源の方向を検出する原理を説
明するための概念図である。 【図7】図1の検出器における位置検出素子の画素の配
置図である。 【符号の説明】 1 オフセット回路 2 アナログ−デジタル変換器2 3 画像メモリ 4 重心位置・偏角演算回路 10 演算処理装置 41,42 光源 410 偏角測定用の検出器 411 レンズ 412−1,412−2 位置検出素子 412e 位置検出素子の画素 413−1,413−2 反射プリズム C レンズの光軸 D 光源の光軸 VOFF オフセット値 Φ 偏角
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram showing an arithmetic processing unit in an optical declination measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing components generated without being attributed to light of a light source among components of a detection value detected by the detector of FIG. 4; FIG. 3 is a diagram showing detected values including the components of FIG. 2 detected by the detector of FIG. 4; FIG. 4 is a perspective view showing a detector in an optical declination measuring apparatus according to a conventional technique. FIG. 5 is a conceptual diagram of an optical declination measuring device for explaining the principle of measuring declination. FIG. 6 is a conceptual diagram for explaining the principle of detecting the direction of a light source with the detector of FIG. FIG. 7 is a layout diagram of pixels of a position detecting element in the detector of FIG. 1; [Description of Signs] 1 Offset circuit 2 Analog-to-digital converter 2 3 Image memory 4 Center of gravity position / declination calculation circuit 10 Arithmetic processors 41 and 42 Light source 410 Detector 411 for measurement of declination lenses 412-1 and 412- 2 position the optical axis V OFF offset value Φ polarization angle of the light axis D source of the detector elements 412e position detection element of the pixel 413-1,413-2 reflecting prism C lens

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−129850(JP,A) 特開 平7−294248(JP,A) 特許3347035(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 11/00 G01B 11/26 G01C 15/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-6-129850 (JP, A) JP-A-7-294248 (JP, A) Patent 3340705 (JP, B2) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7, DB name) G01B 11/00 G01B 11/26 G01C 15/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 基点とこれと距離を置いて基点の両側に
設定した各地点とをそれぞれを結ぶ二つの線分の偏角を
光で測定する光学式偏角測定装置であって、基点の両側
に設定した各地点にそれぞれ設置され拡散光を発する光
源と、各光源からの拡散光の少なくとも一部をそれぞれ
集光する共通の集光手段と、集光手段でそれぞれ集光し
た各光源からの光をそれぞれ受光して光量を検出するた
めの多数の画素を有し各画素の検出値を出力する各位置
検出素子と、集光手段で集光する各光源からの光をそれ
ぞれ各位置検出素子に導くように方向転換させる各光方
向転換手段と、光源の光に起因しないで生じる各位置検
出素子の出力についての設定値を各位置検出素子の各画
素の検出値から減算するオフセット手段と、このオフセ
ット手段での減算結果が負の場合にその減算結果を0に
変換する変換手段と、オフセット手段での減算結果及び
変換手段での変換結果に基づいて各光源の光軸同士の偏
角を演算する偏角演算手段とを備えていることを特徴と
する光学式偏角測定装置。
(57) [Claims 1] An optical deflector for measuring the declination of two line segments connecting a base point and each point set on both sides of the base point at a distance from the base point using light. An angle measuring device, a light source that is installed at each of the points set on both sides of the base point and emits diffused light, a common light-collecting unit that collects at least a part of the diffused light from each light source, Each position detecting element having a number of pixels for receiving the light from each light source condensed by the respective means and detecting the amount of light and outputting the detection value of each pixel, Each light direction changing means for changing the direction so that light from the light source is guided to each position detection element, and a set value for the output of each position detection element generated without being caused by the light of the light source, for each pixel of each position detection element and offset means for subtracting from the detected values, the O Se
If the result of the subtraction by the
Conversion means for converting , a subtraction result by the offset means, and
An optical declination measuring device comprising: a declination calculating means for calculating a declination between optical axes of respective light sources based on a conversion result by the converting means .
JP14154498A 1998-05-22 1998-05-22 Optical declination measuring device Expired - Fee Related JP3494576B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP14154498A JP3494576B2 (en) 1998-05-22 1998-05-22 Optical declination measuring device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP14154498A JP3494576B2 (en) 1998-05-22 1998-05-22 Optical declination measuring device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH11337334A JPH11337334A (en) 1999-12-10
JP3494576B2 true JP3494576B2 (en) 2004-02-09

Family

ID=15294448

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP14154498A Expired - Fee Related JP3494576B2 (en) 1998-05-22 1998-05-22 Optical declination measuring device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3494576B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2654167T3 (en) * 2013-11-28 2018-02-12 Siemens Aktiengesellschaft Method for determining at least one oscillation angle and / or a rotation angle of a load housed in a crane by means of at least one cable fixing means, as well as a method to attenuate oscillation movements and / or rotational movements of the load

Also Published As

Publication number Publication date
JPH11337334A (en) 1999-12-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7319511B2 (en) Surveying instrument and electronic storage medium
CN104380137B (en) Come the method for indirect distance measuring and hand-held distance-measuring equipment by the angle-determining function that image assists
US7446863B2 (en) Automatic collimation device for surveying apparatus
US20060017938A1 (en) Three-dimensional surveying instrument and electronic storage medium
JP3347035B2 (en) Optical declination measuring device and underground excavator position measuring device
US7708204B2 (en) Laser alignment apparatus
CN103547939A (en) Calibration method for a device having a scan function
CN109458956B (en) Torsion angle measuring device and method using polarization principle
JP3494576B2 (en) Optical declination measuring device
JPH024843B2 (en)
JP2008157955A (en) Displacement measuring method, displacement measuring device, and target for displacement measuring
JPH03142316A (en) Position and attitude angle measuring instrument
JP2591978B2 (en) A method for measuring the verticality of a tower.
CN219694161U (en) Digital level gauge
JPH0645848Y2 (en) Light receiving device of a surveying device for detecting the position of a light beam forming a plane
JPH0798429A (en) Range finder
JP3039623U (en) Distance measuring device
JP2001146888A (en) Position measuring device for underground excavator
JP2885703B2 (en) Optical distance measuring device
JPH1037665A (en) Excavation azimuth detector and its detection method
JP2000298020A (en) Optical yawing angle measuring instrument and position measuring instrument for underground excavating machine
JP2749900B2 (en) Position detection method
JP4795191B2 (en) Position measuring sensor, three-dimensional position measuring apparatus, and three-dimensional position measuring method
JP2000292137A (en) Optical system deflection angle measuring apparatus and position measuring apparatus of underground excavator
JP2000298021A (en) Yawing angle measuring instrument and position measuring instrument for underground excavating machine

Legal Events

Date Code Title Description
LAPS Cancellation because of no payment of annual fees