JP3623885B2 - レーザ測量装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームによる基準線を所定の面に対して水平方向または垂直方向に投射するレーザ測量装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、土木、建築などの分野では、水平線や垂直線の墨出しを行うためのレーザ測量装置（いわゆるレーザプレーナ）が使用されている。このレーザ装置はレーザ光を出射する投光部を回転させてこのレーザ光を周方向に走査し、レーザ光の軌跡によって壁面などの被投射面に垂直または水平方向の基準線を投射するものである。
【０００３】
図１１は、従来のレーザ測量装置の構成を示す断面図である。この図１１は、水平方向へのレーザ光走査を行うためにレーザ測量装置を鉛直方向に立てた状態を示している。ハウジング８１内に納めされた鏡筒８２は、レーザ測量装置の中心軸に沿ってその全体を貫通する中空のレーザ光光路８２ｂとこのレーザ光光路８２ｂから直角に分岐した中空のレーザ光光路８２ａとから構成されている。レーザ光光路８２ａ内には、その端面側からレーザダイオード８３，アナモプリズム８４が固定されている。そして、レーザ光光路８２ａおよび８２ｂの交点には、直角プリズム８５が固定されている。
【０００４】
レーザ光光路８２ｂ内には、図１１において直角プリズム８５から上方に向かって、前群レンズ８６および後群レンズ８７が固定されている。
【０００５】
鏡筒８２の上端部には、ペンタプリズム８９が納められた略円筒状の回転投光部８８が、レーザ光光路８２ｂに直交する面内で回転自在に固定されている。この回転投光部８８の上端面および側方には、それぞれ開口部が形成されている。
【０００６】
このような構成のレーザ測量装置において、レーザ光光路８２ａ端面に固定されたレーザダイオード８３からレーザビームＬ１０が出射されると、そのレーザビームＬ１０は直角プリズム８５において回転投光部８８側に９０゜屈曲され、前群レンズ８６および後群レンズ８７を透過してペンタプリズム８９に入射する。ペンタプリズム８９に入射したレーザビームＬ１０は、第１反射面８９ａおよびこの第１反射面に対して４５゜傾いた第２反射面８９ｂによって漸次反射される。そして、第１反射面８９ａおよび第２反射面８９ｂで反射されたレーザビームＬ１１は、光入射面８９ｄに対して直角をなしている光出射面８９ｃから出射される。
【０００７】
また、第１反射面８９ａには部分反射膜が形成されている。従って、一部のレーザビームＬ１２がこの第１反射面８９ａを透過し、この第１反射面８９ａ上に固定された楔形プリズム９０を透過して回転投光部８８上端面の開口部から出射される。
【０００８】
そして、回転投光部８８がレーザ光光路８２ｂに直交する面内で回転されることにより、レーザビームＬ１１は、回転投光部８８の回転軸を中心に回転する。従って、この回転軸に直交する基準平面がレーザビームＬ１１により形成される。また、回転投光部８８の上端から出射されるレーザビームＬ１２は天井などに測量基準点などを示すための基準スポットを形成する。
【０００９】
このように、レーザ測量装置から出射されたレーザビームＬ１１は、壁面などに基準平面を形成するため、正確に水平に出射される必要がある。同様に、天井等に基準スポットを形成するレーザビームＬ１２も正確に鉛直に出射される必要がある。よって、レーザ測量装置の使用時には、レーザビームＬ１１が正確に水平方向に出射されるように、整準作業を行う必要がある。
【００１０】
以下、レーザビームＬ１１が正確に水平に出射されるための整準機構を説明する。鏡筒８２の上端側には、半球面形状を有する膨出部９１が形成されており、ハウジング８１内に形成された摺動孔８１ａ内に当接した状態で保持されている。鏡筒８２のハウジング８１に対する保持は、この部分の接触によってのみなされているので、摺動孔８１ａ内で膨出部９１の半球面部分を回転させることにより、鏡筒８２全体をあらゆる方向に傾動させることができる。
【００１１】
また、ハウジング８１内には、レベル調整用モータ９８によって回転されるスクリュー９７が設けられている。このスクリュー９７には、ナット９９が螺合されている。このナット９９はスクリュー９７の回転に伴って上下動される。ナット９９の外面には、作動ピン１０１が突出形成されている。作動ピン１０１には膨出部９１に形成された駆動アーム９６と連通するピン１００が接触しており、これにより、膨出部９１のＸ方向（紙面内での回転方向）の回転が規制されている。
【００１２】
さらに、鏡筒８２内において直角プリズム８５の下方には、鏡筒８２のＸ方向の傾きを検出するＸ方向のチルトセンサ１０３が固定されている。このチルトセンサ１０３によって検知された傾きに応じてレベル調整用モータ９８の回転制御が行われ、これによって、スクリュー９７が回転される。するとこのスクリュー９７の回転に伴ってナット９９が上下動され、作動ピン１０１およびピン１００を介して連通された膨出部９１がＸ方向に回転される。なお、Ｘ方向のチルトセンサの側方には、Ｙ方向（図面中鉛直方向に沿って紙面に直交する面内での回転方向）の傾きを検出するＹ方向のチルトセンサ１０２が固定されている。また、図面中には示されていないが、ハウジング８１内には、チルトセンサ１０２によって検出されるＹ方向の傾きの大きさに応じて、膨出部９１のＹ方向の回転を規制するための機構もＸ方向と同様に設けられている。このようにして、鏡筒８２が常に鉛直方向を向くように、すなわち、レーザビームＬ１１が常に水平に出射されるように調整される。従って、レーザビームＬ１１は常に正確な基準面を形成することができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来のレーザ測量装置の構造では、レーザビームＬ１１を水平に出射させるための整準作業は、レベル調整用モータ９８やスクリュー９７，ナット９９等を用いて鏡筒８２を傾けることにより行われている。このために、レーザ測量装置の構造が複雑になってしまうという問題があった。
【００１４】
また、鏡筒の傾きが変化すると、チルトセンサ１０２，１０３の測定値は計測可能に安定するまで一定の時間がかかる。このため、従来のように鏡筒８２を傾けることによる調整を行った場合、鏡筒８２の傾きが変化する度にチルトセンサ１０２，１０３の測定値が安定するのを待たなければならない。このため、整準作業を行うために長時間を要していた。
【００１５】
そこで、整準のための構造を簡単にすることができ、しかも整準作業を短時間で行うことができるレーザ測量装置を提供することを、本発明の課題とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のレーザ測量装置の第１の態様は、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームを平行ビームにするコリメータレンズと、前記コリメータレンズを保持する鏡筒と、前記レーザ光源を前記レーザービームのビーム軸に直交する面内で移動させるために前記鏡筒に取り付けられたレーザ光源移動手段と、前記鏡筒の水平面に対する傾斜角を前記水平面上における直交する二方向において夫々検出する水平センサと、前記水平センサによって検出された各方向における前記傾斜角の大きさに応じて、前記コリメータレンズを透過したレーザビームのビーム軸を所定方向に向けるために必要な前記レーザ光源の移動量を、前記レーザビームのビーム軸に直交する面内における直交する二方向において夫々算出し、算出された各方向における移動量に応じて前記レーザ光源移動手段を駆動制御する制御手段とを備える。
【００１７】
すなわち、第１態様のレーザ測量装置は、水平センサによって検出された鏡筒の水平からの傾きの大きさに応じてレーザ光源の位置を変化させている。すると、コリメータレンズを透過した平行ビームのビーム軸の向きを変化させることができる。従って、従来のように、鏡筒を傾ける複雑な整準機構を設ける必要がないため、レーザ測量装置の構造を簡素化することができる。また、第１態様のレーザ測量装置では、レーザ光源の位置を移動させることによってのみビーム軸の向きを調節しているので、レーザ測量装置全体の向きを変える必要がない。よって、水平センサの測定値は常に一定であるので、従来のように、水平センサの測定値が安定するまでの時間を要しない。よって、整準作業の時間を短縮することができる。
【００１８】
また、上記課題を解決するための本発明のレーザ測量装置の第２の態様は、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームを平行ビームにするコリメータレンズと、前記コリメータレンズを保持する鏡筒と、前記コリメータレンズを前記レーザビームのビーム軸に直交する面内で移動させるために前記鏡筒に取り付けられたコリメータレンズ移動手段と、前記鏡筒の水平面に対する傾斜角を前記水平面上における直交する二方向において夫々検出する水平センサと、前記水平センサによって検出された各方向における前記傾斜角の大きさに応じて、前記コリメータレンズを透過したレーザビームのビーム軸を所定方向に向けるために必要な前記コリメータレンズの移動量を、前記レーザビームのビーム軸に直交する面内における直交する二方向において夫々算出し、算出された各方向における移動量に応じて前記コリメータレンズ移動手段を駆動制御する制御手段とを備える。
【００１９】
すなわち、第２態様のレーザ測量装置では、コリメータレンズの位置をレーザ光源に対して移動させることによりビーム軸の向きの調整を行っている。これにより、第１態様と同様、レーザ測量装置の構造を簡素化することができ、しかも整準作業の時間を短縮することができる。
【００２０】
上記各態様のレーザ測量装置は、前記コリメータレンズを透過したレーザビームを９０゜偏向する反射部材と、前記反射部材を回転させることによりこの反射部材によって偏向されたレーザビームの出射方向を一定平面内で回転させる回転手段とをさらに備えるものであってもよい。このとき、前記反射部材はペンタプリズムであってもよい。
【００２１】
また、上記態様のレーザ測量装置は、前記レーザ光源から出射されたレーザビームを２以上の分離したレーザビームに分割するビーム分割手段と、前記ビーム分割手段によって分割されたレーザビームのうちの１つを集光する集光レンズと、前記集光レンズの焦点面上に配置され、前記集光レンズによって集光されたレーザビームの入射位置を検知する光位置検出手段とをさらに備え、前記制御手段は前記レーザ光源またはコリメータレンズの移動量を前記光位置検出手段に入射した前記レーザビームの入射位置の変化量から算出するものであってもよい。
【００２２】
このような構成のレーザ測量装置を採用すれば、レーザ光源またはコリメータレンズの移動量を、ビーム分割手段により分割されたビームの光位置検出素子への入射位置の変化量に対応させて検出することができる。よって、ビーム軸の向きをより精密に調整することができる。このとき、前記ビーム分割手段は入射光の一部を透過するとともに残りを反射するビームスプリッタであってもよいし、前記光位置検出手段は２次元ポジション・センシティブ・ディテクタ（ＰＳＤ）であってもよい。
【００２３】
上記構成のレーザ測量装置は、前記ビーム分割手段によって分割されたレーザビームの他の１つを９０゜偏向する反射部材と、前記反射部材を回転させることによりこの反射部材によって偏向されたレーザビームの出射方向を一定平面内で回転させる回転手段とをさらに備えるものであってもよい。このとき、前記反射部材はペンタプリズムであってもよい。また、このとき、前記水平センサによって検出される傾斜角は前記ビーム分割手段によって分割され前記反射部材に入射するレーザビームのビーム軸の鉛直に対する傾きに対応するものであってもよい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。
【００２５】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態によるレーザ測量装置を構成する投光装置の構成を示す断面図である。この図１は、水平方向へのレーザ光走査を行うためにレーザ測量装置を鉛直方向に立てたときの投光装置の状態を示している。
【００２６】
投光装置１１は、レーザ測量装置のハウジング（図示せず）内に固定された鏡筒１４と、ベアリング１９を介して鏡筒１４に回転自在かつ同軸に保持された回転投光部１５とから構成されている。鏡筒１４には、その機械軸ｌｚ（回転投光部１５の回転軸に一致）に沿ったレーザ光光路１４ｂと、このレーザ光光路１４ｂに直交するレーザ光光路１４ａとが、形成されている。また、回転投光部１５には、レーザ光光路１４ｂに連通するとともにその回転軸と同軸に形成された中空のレーザ光光路１５ａ，およびこのレーザ光光路１５ａに連通するとともに端面方向および側方に開口を有するペンタプリズム収納部１５ｂが、形成されている。
【００２７】
（レーザ出射光学系）
鏡筒１４内のレーザ光光路１４ａおよび１４ｂの交点には、ビーム分割手段としてのビームスプリッタ２４が固定されている。また、このレーザ光光路１４ａの一方の端部には、レーザ光源移動手段としてのＬＤアクチュエータ３４が固定されている。このＬＤアクチュエータ３４は、レーザ光光路１４ａに対して垂直な面内で２次元的に移動されるように構成されたＸＹステージである。このＬＤアクチュエータ３４には、レーザダイオード２１が固定されているため、このレーザダイオード２１は、レーザ光光路１４ａに直交する面内で２次元的に移動可能となっている。
【００２８】
また、このレーザダイオード２１とビームスプリッタ２４との間には、コリメータレンズ２２およびアナモプリズム２３が固定されている。さらに、回転投光部１５のペンタプリズム収容部１５ｂには、ペンタプリズム２７および楔形プリズム３０が固定されている。
【００２９】
レーザ光源としてのレーザダイオード２１は、レーザビームＬ０を出射する。コリメータレンズ２２は、レーザダイオード２１から出射されたレーザビームＬ０を平行光にするレンズである。また、アナモプリズム２３は、コリメータレンズ２２を透過したレーザビームＬ０の断面形状を真円形に修正するための光学素子である。
【００３０】
ビームスプリッタ２４内には、レーザビームＬ０のビーム軸に対してペンタプリズム２７側に４５゜傾いた、部分透過膜２４ａが形成されている。この部分透過膜２４ａは、７０〜８０％の反射率を有するため、レーザビームＬ０の２０〜３０％を透過させるとともに残りのレーザ光を反射する特性を有している。従って、アナモプリズム２３を透過したレーザビームＬ０の７０〜８０％がペンタプリズム２７側へ反射される。
【００３１】
このビームスプリッタ２４を反射したレーザビームＬ１は、レーザ光光路１４ｂ内に固定された前群レンズ２５および後群レンズ２６に入射する。これら前群レンズ２５および後群レンズ２６は、入射されたレーザビームＬ１のビーム径を拡大するビームエキスパンダを構成する。
【００３２】
後群レンズ２６を透過したレーザビームＬ１が入射するペンタプリズム２７は、回転投光部１５のペンタプリズム収容部１５ｂ内に、この回転投光部１５と一体に回転するように固定されている。このペンタプリズム２７は、レーザビームＬ１が入射する光入射面２７ｃと、この光入射面２７ｃに対して２２．５゜傾いているとともにこの光入射面２７ｃから入射したレーザ光を反射する第１反射面２７ａと、この第１反射面２７ａに対して４５゜傾いているとともにこの第１反射面２７ａで反射されたレーザ光を再度反射する第２反射面２７ｂと、光入射面２７ｃに対して直角をなしているとともに第２反射面２７ｂで反射されたレーザビームＬ３を出射する光出射面２７ｄとを有している。なお、第２反射面２７ｂには、図示せぬ増反射膜がアルミニウム蒸着によって形成されているので、この第２反射面２７ｂにおいてレーザ光は１００％内面反射する。一方、第１反射面２７ａには、反射率が７０〜８０％の部分透過膜が形成されている。従って、２０〜３０％のレーザビームＬ２がこの第１反射面２７ａを透過し、楔形プリズム３０を通って投光装置１２の上端から出射される。
【００３３】
ペンタプリズム２７の光出射面２７ｄから出射されたレーザビームＬ３は、ペンタプリズム収容部１５ｂの側方に開口した投光用窓１５ｃ，および図示せぬハウジングの窓を透過して出射される。このようにして出射されたレーザビームＬ３は、回転投光部１５ごとペンタプリズム２７がレーザビームＬ１に直交する面内で回転することにより、壁面などに垂直または水平方向の基準線を投射する。
【００３４】
（回転機構）
次に、回転投光部１５を鏡筒１４に対して回転させるための機構を説明する。ベアリング１９を介して鏡筒１４に対して回転自在に接続された回転投光部１５の外周面には、ギア３５が固定されている。一方、鏡筒１４の上端面には、外方に向けて突出させたブラケット３６が設けられている。このブラケット３６には、投光部回転用モータ３７が固定されており、この投光部回転用モータ３７の回転軸に取り付けられたピニオン３８が回転投光部１５のギア３５に噛み合っている。この投光部回転用モータ３７を回転させることにより、投光用窓１５ｃから出射されるレーザ光Ｌ３の出射方向が回転投光部１５の回転軸を中心に回転するので、この回転軸に直交する基準平面が形成される。
【００３５】
（整準機構）
図２は、図１のレーザ測量装置１０における整準機構を説明するための、鏡筒１４内に固定された各部材の一部を示す図である。上述のように、レーザビームＬ３によって壁面などに垂直または水平方向の基準線を投射するためには、レーザビームＬ３の出射方向が正確に調整されている必要がある。例えば、図１の状態においては、水平方向の基準線を投射するレーザビームＬ３が正確に水平に投射されなければならない。以下、このようなレーザビームＬ３の出射方向を調整するための整準機構を、図１および図２を用いて説明する。
【００３６】
鏡筒１４のレーザ光光路１４ａのレーザダイオード２１に対向する端面には、光位置検出手段としての２次元ポジション・センシティブ・ディテクタ（以下、「ＰＳＤ」という）２９が、その受光面をビームスプリッタ２４側に向けて固定されている。また、レーザ光光路１４ａ内の２次元ＰＳＤ２９とビームスプリッタ２４との間には、集光レンズ２８が固定されている。この集光レンズ２８と２次元ＰＳＤ２９との間の距離は、集光レンズ２８の焦点距離ｆ２に等しい。よって、レーザダイオード２１から出射され、ビームスプリッタ２４に入射したレーザビームＬ０のうち、部分透過膜２４ａを透過した２０〜３０％のレーザビームＬ４は、集光レンズ２８を透過して２次元ＰＳＤ２９上に集光される。２次元ＰＳＤ２９は、光の入射位置を検出する機器である。２次元ＰＳＤへのレーザビームＬ４の入射位置は、この２次元ＰＳＤ２９の各出力端子から出力される電流比に基づいて算出される。なお、この２次元ＰＳＤ２９の各出力端子は制御部３３に接続されている。
【００３７】
また、鏡筒１４のレーザ光光路１４ｂの下端部には、ｘ方向（図２の紙面内での回転方向）における水平からの傾きを検出するチルトセンサ３１（水平センサ）が固定されている。そして、チルトセンサ３１の側方には、ｙ方向（鉛直方向ｌ０に沿って紙面に直交する面内での回転方向）の水平からの傾きを検出するチルトセンサ３２が固定されている。チルトセンサ３１，３２は気泡管内の気泡の位置変化を電気抵抗変化としてとらえて電気信号に変換することにより水平からの傾きを検出するものである。すなわち、チルトセンサ３１，３２の上面には、それぞれ２個の電極（図示せず）がｘ方向またはｙ方向に対象な位置関係で設けられているとともに、その下面全域には共通の電極が受けられている。従って、各チルトセンサ３１，３２内で気泡の位置が変化するとこれら上面上の各電極と共通電極との間の静電容量の比が変化する。各チルトセンサ３１，３２はこれら各電極を介して制御部３３に接続されており、各電極に生じる静電容量同士の比の変化から鏡筒１４の傾きの変化量が算出される。さらに、レーザダイオード２１の位置を移動させるためのＬＤアクチュエータ３４も制御部３３に接続されている。
【００３８】
図２の状態では、図示せぬ測定装置が用いられることにより、レーザビームＬ３が正確に水平に出射され、レーザビームＬ１が鉛直方向ｌ０に出射されるように、鏡筒１４の向きが調整されているものとする。なお、このとき、レーザビームＬ１のビーム軸と、鏡筒１４の機械軸ｌｚは完全に一致しているものとする。このときのチルトセンサ３１，３２の測定値，およびレーザビームＬ４の２次元ＰＳＤ２９への入射位置は、初期値として制御部３３へ記憶される。このときの、レーザビームＬ４の２次元ＰＳＤ２９への入射位置のＰＳＤ中心座標ａ０からのｘ方向における距離をａ１とする。ここで、鏡筒機械軸ｌｚと鉛直方向ｌ０とは完全に一致した状態であるので、各チルトセンサ３１，３２による測定値は、鏡筒１４の機械軸ｌｚが鉛直であるときの値を示すが、鏡筒機械軸ｌｚとレーザビームＬ１のビーム軸との位置関係によっては、この測定値が必ずしも鉛直時の値を示す必要はない。
【００３９】
図３は、図２の状態からペンタプリズム２７の光出射面２７ｄから出射されたレーザビームＬ３のビーム軸が水平からｘ方向に＋Δω゜傾いたとき、すなわちレーザビームＬ１のビーム軸が鉛直から＋Δω゜傾いた状態を示している（図３のｘ方向において、時計方向の向きを＋としている）。このとき、鏡筒１４の機械軸ｌｚも同様に図２の状態から鉛直方向ｌ０に対して＋Δω゜傾いた状態となっているため、チルトセンサ３１の測定値も初期値から＋Δω゜の傾きに相当する値だけ変化する。
【００４０】
すると、制御部３３によりチルトセンサ３１の測定値が読み込まれる。制御部３３は、チルトセンサ３１の測定値からレーザビームＬ１のビーム軸の傾斜量＋Δω゜を算出する。それに応じて、ＬＤアクチュエータ３４が駆動制御され、レーザビームＬ１のビーム軸が鉛直になるように、レーザダイオード２１が、ｘ方向（すなわち図面の上下方向）に１次元的に移動される。図４に、レーザダイオード２１が移動されることによって、レーザビームＬ１のビーム軸が鉛直になるように調整された様子を示す。レーザビームＬ１が鉛直方向ｌ０に出射されるよう調整するためには、レーザダイオード２１から出射されるレーザビームＬ０のビーム軸を、コリメータレンズ２２の光軸に対して＋Δω゜だけ傾斜させる必要がある。レーザビームＬ０のビーム軸が、コリメータレンズ２２の光軸に対して＋Δω゜傾斜されたとき、ｘ方向におけるレーザビームＬ４の２次元ＰＳＤ２９への入射位置の初期値ａ１からのズレ量ｂは、ｂ＝ｆ２ｔａｎ（＋Δω゜）となる。従って、制御部３３は、２次元ＰＳＤ２９によって測定されたレーザビームＬ４の入射位置を常にモニタしながらＬＤアクチュエータ３４を駆動制御し、２次元ＰＳＤ２９に入射するレーザビームＬ４の入射位置の中心座標ａ０からのｘ方向のズレがａ１＋ｂ＝ａ１＋ｆ２ｔａｎ（＋Δω゜）となるように、レーザダイオード２１の位置を移動させるのである。このときのレーザダイオードの移動量ｃ１は、ｃ１＝ｆ１ｔａｎ（＋Δω）（但し、ｆ１はコリメータレンズの焦点距離）で表される。これにより、レーザビームＬ１のビーム軸は、図３の状態から−Δω゜だけ傾斜されて鉛直方向ｌ０を向くようになる。従って、回転投光部１３から出射されるレーザビームＬ３のビーム軸が水平になるよう調整される。
【００４１】
なお、ここでは、チルトセンサ３１によって検出される、レーザビームＬ１のビーム軸の傾きのｘ方向の調整のみについて説明したが、チルトセンサ３２によって検出されるｙ方向のビーム軸の調整も、同様にして行われる。
【００４２】
すなわち、本実施形態のレーザ測量装置では、レーザビームＬ３によって形成される基準平面の水平からの傾きに応じてレーザダイオード２１の位置を調整することによりレーザビームＬ３の出射方向を調整している。また、レーザダイオード２１の位置を移動させたときの各ビーム軸の向きの変化を、コリメータレンズ２２の光軸上に設置した２次元ＰＳＤ２９へのレーザビームＬ４の入射位置によって監視している。このため、レーザダイオード２１の僅かな移動量を高精度に調整することができる。
【００４３】
このように、本実施形態のレーザ測量装置は、レーザダイオード２１を同一平面内で移動させることにより整準を行っているので、従来のように鏡筒全体を傾けるための複雑な構造を必要としない。このため、レーザ測量装置の構造を簡単にすることができる。また、本実施形態のレーザ測量装置は、整準の際に鏡筒１１をハウジングに対して傾ける必要がないため、整準作業の途中でチルトセンサ３１，３２の測定値が変化することもない。よって、従来のように、チルトセンサの測定値が安定するための時間を必要としないので、整準作業を短時間に行うことができる。
【００４４】
＜第２実施形態＞
本実施形態のレーザ測量装置は、レーザダイオード２１の位置を移動させる代わりにコリメータレンズ２２の位置を移動させることによってレーザビームＬ１のビーム軸の向きを調整して整準を行うことを特徴とし、他の部分を第１実施形態と同一とする。
【００４５】
図５に、第２実施形態のレーザ測量装置における整準機構およびレーザ出射光学系の一部を示す。この図５は、図示せぬ測定装置が用いられることにより、ペンタプリズム２７の光出射面２７ｄから出射されるレーザビームＬ３のビーム軸が水平となるように調整されている状態、すなわちレーザビームＬ１のビーム軸が鉛直方向ｌ０を向くように調整されている状態を示す。レーザ光源としてのレーザダイオード４１は、レーザ光光路１４ａの端部に固定されている。レーザダイオード４１とビームスプリッタ２４との間には、コリメータレンズ移動手段としてのコリメータレンズアクチュエータ４４が固定されている。コリメータレンズアクチュエータ４４はレーザ光光路１４ａに対して垂直な面内で移動されるＸＹステージである。このコリメータレンズアクチュエータ４４には、コリメータレンズ４２が固定されているため、このコリメータレンズ４２は、レーザ光光路１４ａに直交する面内で２次元的に移動可能となっている。
【００４６】
制御部４３は、チルトセンサ３１，３２，２次元ＰＳＤ２９，およびコリメータレンズアクチュエータ４４に接続されており、チルトセンサ３１，３２から出力された信号からレーザビームＬ１のビーム軸の鉛直方向ｌ０からの傾きを計算し、この傾きの量に応じてコリメータレンズアクチュエータ４４を駆動制御してコリメータレンズ４２の位置を移動させる。このとき、制御部４３は、レーザビームＬ４の２次元ＰＳＤ２９への入射位置を監視し、この入射位置の移動量がコリメータレンズ４２の移動されるべき量に相当するように、コリメータレンズアクチュエータ４４の駆動制御を行っている。
【００４７】
以下、本実施形態のレーザ測量装置の整準機構の動作を説明する。まず、図５の状態ではレーザビームＬ１のビーム軸は鉛直方向ｌ０を向くように調整されている。第１実施形態と同様、このとき、レーザビームＬ１のビーム軸と鏡筒１４の機械軸ｌｚとは完全に一致しているものとする。このときのチルトセンサ３１，３２の測定値，およびレーザビームＬ４の２次元ＰＳＤ２９への入射位置は、初期値として制御部４３へ記憶される。このときの、レーザビームＬ４の２次元ＰＳＤ２９への入射位置のＰＳＤ中心ａ０からのｘ方向の距離をａ２とする。図６は、ペンタプリズム２７から出射されるレーザビームＬ３のビーム軸が図５の状態からｘ方向に＋Δω゜傾いたとき、すなわち、レーザビームＬ１のビーム軸が鉛直方向ｌ０に対してｘ方向に＋Δω゜傾いた状態を示している。このとき、鏡筒１４の機械軸ｌｚも同様に、鉛直方向ｌ０に対してｘ方向に＋Δω゜傾いた状態であるため、チルトセンサ３１の測定値も＋Δω゜相当変化する。
【００４８】
すると、制御部４３によりチルトセンサ３１の測定値が読み込まれる。制御部４３は、チルトセンサ３１の測定値からレーザビームＬ１の鉛直方向ｌ０に対する傾斜量（＋Δω゜）を算出する。それに応じて、コリメータレンズアクチュエータ４４が駆動制御される。すなわち、ビームスプリッタ２４の部分透過膜２４ａへのレーザビームＬ０の入射角が図６の状態に対して＋Δω゜だけ小さくなるように、コリメータレンズ４２の位置が移動される。
【００４９】
図７に、コリメータレンズアクチュエータ４４によってコリメータレンズ４２の位置が移動された様子を示す。レーザビームＬ１が鉛直方向に出射されるためには、部分透過膜２４ａに入射するレーザビームＬ０のビーム軸の向きを、集光レンズ２８の光軸に対して＋Δω゜だけ傾斜させる必要がある。レーザビームＬ０のビーム軸の向きが＋Δω゜傾斜されると、部分透過膜２４ａを透過して２次元ＰＳＤ２９に入射するレーザビームＬ４のビーム軸も＋Δω゜だけ傾斜される。このとき、集光レンズ２８によって集光されたレーザビームＬ４の２次元ＰＳＤ２９への入射位置の初期値ａ２からの変化量ｂは、ｂ＝ｆ２ｔａｎ（＋Δω゜）となる。従って、制御部４３は、２次元ＰＳＤ２９から出力されたレーザビームＬ４の入射位置を常に監視しながらコリメータレンズアクチュエータ４４を駆動制御する。これにより、２次元ＰＳＤ２９に入射するレーザビームＬ４の入射位置のｘ方向の座標のＰＳＤ中心ａ０からのズレ量がａ２＋ｂ＝ａ２＋ｆ２ｔａｎ（＋Δω゜）となるように、コリメータレンズ４２の位置がｘ方向に沿って移動されるのである。このときの、コリメータレンズ４２の移動量ｃ２は、ｃ２＝ｆ１ｔａｎ（＋Δω゜）で表される。このようにして、レーザビームＬ１のビーム軸が鉛直方向ｌ０となり、回転投光部１５から出射されるレーザビームＬ３のビーム軸が水平となるように調整される。
【００５０】
このように、本実施形態では、ビームスプリッタ２４を透過するレーザビームＬ４の２次元ＰＳＤ２９への入射位置を常に監視しながら、コリメータレンズ４２の位置を移動させることにより、整準作業を行っている。従って、第１実施形態と同様、レーザ測量装置の構造を従来よりも簡単にすることができる。また、本実施形態のレーザ測量装置は、第１実施形態と同様、整準作業を従来よりも短時間で行うことができる。
【００５１】
＜第３実施形態＞
図８に本発明の第３実施形態におけるレーザ測量装置の整準機構およびレーザ出射光学系の一部を示す。本第３実施形態は、鉛直方向にレーザ走査するために、鏡筒１４を図１の状態に対して９０゜回転させて用いられる場合に適用される。
【００５２】
ｘ方向（紙面内での回転方向）のチルトセンサ５１は、レーザビームＬ１のビーム軸方向が水平方向となるように、図１の状態に対してｘ軸方向に９０゜回転された状態で固定されている。そして、第１実施形態と同様、チルトセンサ５１は、ＬＤアクチュエータ３３や２次元ＰＳＤ２９とともに制御部５３に接続されている。
【００５３】
以下、本実施形態のレーザ測量装置の整準機構の動作を説明する。まず、制御部５３は、図８のように、レーザ光Ｌ１のビーム軸が水平方向ｌ０’となるように調整されているときの、チルトセンサ５１の測定値と２次元ＰＳＤ２９へのレーザビームＬ４の入射位置を記憶する。なお、このとき、レーザビームＬ１のビーム軸と鏡筒１４の機械軸ｌｚ’とは完全に一致しているものとする。このとき、レーザビームＬ４の２次元ＰＳＤ２９への入射位置のＰＳＤ中心ａ０からのｘ方向における距離をａ３とする。そして、図９に示すように、レーザビームＬ１のビーム軸が水平方向ｌ０’から＋Δω゜ずれた場合には、２次元ＰＳＤ２９へのレーザビームＬ４のｘ方向の入射位置のＰＳＤ中心ａ０からの距離がａ３＋ｆ２ｔａｎ（＋Δω）となるように、ＬＤアクチュエータ３３を駆動させてレーザダイオード２１の位置を移動させる。このようにして、レーザビームＬ１のビーム軸が図９の状態より−Δω゜移動されて水平方向ｌ０’を向くように調節することができる（図１０参照）。
【００５４】
このように、本実施形態では、鉛直方向のレーザ走査を行うために、レーザ測量装置を水平方向に向けて使用する場合でも、第１実施形態と同様にレーザダイオード２１の位置を移動させることにより、レーザビームＬ０のビーム軸の向きを傾斜させて、レーザビームＬ１のビーム軸が水平になるように調整することができる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、複雑な整準機構を必要とせず、レーザ測量装置の構造を簡素化することができる。また、整準作業を短時間で行うことができるレーザ測量装置を提供することができる。
【００５６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態によるレーザ測量装置の構造を示す断面図
【図２】本発明の第１実施形態によるレーザ測量装置の整準機構を説明するための図
【図３】図２においてレーザビームＬ１のビーム軸が＋Δω゜傾いた状態を示す図
【図４】図３の状態において整準作業が行われた状態を示す図
【図５】本発明の第２実施形態によるレーザ測量装置の整準機構を説明するための図
【図６】図５においてレーザビームＬ１のビーム軸が＋Δω゜傾いた状態を示す図
【図７】図６の状態において整準作業が行われた状態を示す図
【図８】本発明の第３実施形態によるレーザ測量装置の整準機構を説明するための図
【図９】図８においてレーザビームＬ１のビーム軸が＋Δω゜傾いた状態を示す図
【図１０】図９の状態において整準作業が行われた状態を示す図
【図１１】従来技術のレーザ測量装置の構造を示す断面図
【符号の説明】
２１，４１ レーザダイオード
２２，４２ コリメータレンズ
２４ ビームスプリッタ
２７ ペンタプリズム
２８ 集光レンズ
２９ ２次元ＰＳＤ
３１，３２，５１，５２ チルトセンサ
３３，４３，５３ 制御部
３４ ＬＤアクチュエータ
４４ コリメータレンズアクチュエータ
Ｌ０，Ｌ１，Ｌ３，Ｌ４ レーザ光
ｌ０ 鉛直方向
ｌ０’ 水平方向
ｌｚ 鏡筒機械軸
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームによる基準線を所定の面に対して水平方向または垂直方向に投射するレーザ測量装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、土木、建築などの分野では、水平線や垂直線の墨出しを行うためのレーザ測量装置（いわゆるレーザプレーナ）が使用されている。このレーザ装置はレーザ光を出射する投光部を回転させてこのレーザ光を周方向に走査し、レーザ光の軌跡によって壁面などの被投射面に垂直または水平方向の基準線を投射するものである。
【０００３】
図１１は、従来のレーザ測量装置の構成を示す断面図である。この図１１は、水平方向へのレーザ光走査を行うためにレーザ測量装置を鉛直方向に立てた状態を示している。ハウジング８１内に納めされた鏡筒８２は、レーザ測量装置の中心軸に沿ってその全体を貫通する中空のレーザ光光路８２ｂとこのレーザ光光路８２ｂから直角に分岐した中空のレーザ光光路８２ａとから構成されている。レーザ光光路８２ａ内には、その端面側からレーザダイオード８３，アナモプリズム８４が固定されている。そして、レーザ光光路８２ａおよび８２ｂの交点には、直角プリズム８５が固定されている。
【０００４】
レーザ光光路８２ｂ内には、図１１において直角プリズム８５から上方に向かって、前群レンズ８６および後群レンズ８７が固定されている。
【０００５】
鏡筒８２の上端部には、ペンタプリズム８９が納められた略円筒状の回転投光部８８が、レーザ光光路８２ｂに直交する面内で回転自在に固定されている。この回転投光部８８の上端面および側方には、それぞれ開口部が形成されている。
【０００６】
このような構成のレーザ測量装置において、レーザ光光路８２ａ端面に固定されたレーザダイオード８３からレーザビームＬ１０が出射されると、そのレーザビームＬ１０は直角プリズム８５において回転投光部８８側に９０゜屈曲され、前群レンズ８６および後群レンズ８７を透過してペンタプリズム８９に入射する。ペンタプリズム８９に入射したレーザビームＬ１０は、第１反射面８９ａおよびこの第１反射面に対して４５゜傾いた第２反射面８９ｂによって漸次反射される。そして、第１反射面８９ａおよび第２反射面８９ｂで反射されたレーザビームＬ１１は、光入射面８９ｄに対して直角をなしている光出射面８９ｃから出射される。
【０００７】
また、第１反射面８９ａには部分反射膜が形成されている。従って、一部のレーザビームＬ１２がこの第１反射面８９ａを透過し、この第１反射面８９ａ上に固定された楔形プリズム９０を透過して回転投光部８８上端面の開口部から出射される。
【０００８】
そして、回転投光部８８がレーザ光光路８２ｂに直交する面内で回転されることにより、レーザビームＬ１１は、回転投光部８８の回転軸を中心に回転する。従って、この回転軸に直交する基準平面がレーザビームＬ１１により形成される。また、回転投光部８８の上端から出射されるレーザビームＬ１２は天井などに測量基準点などを示すための基準スポットを形成する。
【０００９】
このように、レーザ測量装置から出射されたレーザビームＬ１１は、壁面などに基準平面を形成するため、正確に水平に出射される必要がある。同様に、天井等に基準スポットを形成するレーザビームＬ１２も正確に鉛直に出射される必要がある。よって、レーザ測量装置の使用時には、レーザビームＬ１１が正確に水平方向に出射されるように、整準作業を行う必要がある。
【００１０】
以下、レーザビームＬ１１が正確に水平に出射されるための整準機構を説明する。鏡筒８２の上端側には、半球面形状を有する膨出部９１が形成されており、ハウジング８１内に形成された摺動孔８１ａ内に当接した状態で保持されている。鏡筒８２のハウジング８１に対する保持は、この部分の接触によってのみなされているので、摺動孔８１ａ内で膨出部９１の半球面部分を回転させることにより、鏡筒８２全体をあらゆる方向に傾動させることができる。
【００１１】
また、ハウジング８１内には、レベル調整用モータ９８によって回転されるスクリュー９７が設けられている。このスクリュー９７には、ナット９９が螺合されている。このナット９９はスクリュー９７の回転に伴って上下動される。ナット９９の外面には、作動ピン１０１が突出形成されている。作動ピン１０１には膨出部９１に形成された駆動アーム９６と連通するピン１００が接触しており、これにより、膨出部９１のＸ方向（紙面内での回転方向）の回転が規制されている。
【００１２】
さらに、鏡筒８２内において直角プリズム８５の下方には、鏡筒８２のＸ方向の傾きを検出するＸ方向のチルトセンサ１０３が固定されている。このチルトセンサ１０３によって検知された傾きに応じてレベル調整用モータ９８の回転制御が行われ、これによって、スクリュー９７が回転される。するとこのスクリュー９７の回転に伴ってナット９９が上下動され、作動ピン１０１およびピン１００を介して連通された膨出部９１がＸ方向に回転される。なお、Ｘ方向のチルトセンサの側方には、Ｙ方向（図面中鉛直方向に沿って紙面に直交する面内での回転方向）の傾きを検出するＹ方向のチルトセンサ１０２が固定されている。また、図面中には示されていないが、ハウジング８１内には、チルトセンサ１０２によって検出されるＹ方向の傾きの大きさに応じて、膨出部９１のＹ方向の回転を規制するための機構もＸ方向と同様に設けられている。このようにして、鏡筒８２が常に鉛直方向を向くように、すなわち、レーザビームＬ１１が常に水平に出射されるように調整される。従って、レーザビームＬ１１は常に正確な基準面を形成することができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来のレーザ測量装置の構造では、レーザビームＬ１１を水平に出射させるための整準作業は、レベル調整用モータ９８やスクリュー９７，ナット９９等を用いて鏡筒８２を傾けることにより行われている。このために、レーザ測量装置の構造が複雑になってしまうという問題があった。
【００１４】
また、鏡筒の傾きが変化すると、チルトセンサ１０２，１０３の測定値は計測可能に安定するまで一定の時間がかかる。このため、従来のように鏡筒８２を傾けることによる調整を行った場合、鏡筒８２の傾きが変化する度にチルトセンサ１０２，１０３の測定値が安定するのを待たなければならない。このため、整準作業を行うために長時間を要していた。
【００１５】
そこで、整準のための構造を簡単にすることができ、しかも整準作業を短時間で行うことができるレーザ測量装置を提供することを、本発明の課題とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のレーザ測量装置の第１の態様は、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームを平行ビームにするコリメータレンズと、前記コリメータレンズを保持する鏡筒と、前記レーザ光源を前記レーザービームのビーム軸に直交する面内で移動させるために前記鏡筒に取り付けられたレーザ光源移動手段と、前記鏡筒の水平面に対する傾斜角を前記水平面上における直交する二方向において夫々検出する水平センサと、前記水平センサによって検出された各方向における前記傾斜角の大きさに応じて、前記コリメータレンズを透過したレーザビームのビーム軸を所定方向に向けるために必要な前記レーザ光源の移動量を、前記レーザビームのビーム軸に直交する面内における直交する二方向において夫々算出し、算出された各方向における移動量に応じて前記レーザ光源移動手段を駆動制御する制御手段とを備える。
【００１７】
すなわち、第１態様のレーザ測量装置は、水平センサによって検出された鏡筒の水平からの傾きの大きさに応じてレーザ光源の位置を変化させている。すると、コリメータレンズを透過した平行ビームのビーム軸の向きを変化させることができる。従って、従来のように、鏡筒を傾ける複雑な整準機構を設ける必要がないため、レーザ測量装置の構造を簡素化することができる。また、第１態様のレーザ測量装置では、レーザ光源の位置を移動させることによってのみビーム軸の向きを調節しているので、レーザ測量装置全体の向きを変える必要がない。よって、水平センサの測定値は常に一定であるので、従来のように、水平センサの測定値が安定するまでの時間を要しない。よって、整準作業の時間を短縮することができる。
【００１８】
また、上記課題を解決するための本発明のレーザ測量装置の第２の態様は、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームを平行ビームにするコリメータレンズと、前記コリメータレンズを保持する鏡筒と、前記コリメータレンズを前記レーザビームのビーム軸に直交する面内で移動させるために前記鏡筒に取り付けられたコリメータレンズ移動手段と、前記鏡筒の水平面に対する傾斜角を前記水平面上における直交する二方向において夫々検出する水平センサと、前記水平センサによって検出された各方向における前記傾斜角の大きさに応じて、前記コリメータレンズを透過したレーザビームのビーム軸を所定方向に向けるために必要な前記コリメータレンズの移動量を、前記レーザビームのビーム軸に直交する面内における直交する二方向において夫々算出し、算出された各方向における移動量に応じて前記コリメータレンズ移動手段を駆動制御する制御手段とを備える。
【００１９】
すなわち、第２態様のレーザ測量装置では、コリメータレンズの位置をレーザ光源に対して移動させることによりビーム軸の向きの調整を行っている。これにより、第１態様と同様、レーザ測量装置の構造を簡素化することができ、しかも整準作業の時間を短縮することができる。
【００２０】
上記各態様のレーザ測量装置は、前記コリメータレンズを透過したレーザビームを９０゜偏向する反射部材と、前記反射部材を回転させることによりこの反射部材によって偏向されたレーザビームの出射方向を一定平面内で回転させる回転手段とをさらに備えるものであってもよい。このとき、前記反射部材はペンタプリズムであってもよい。
【００２１】
また、上記態様のレーザ測量装置は、前記レーザ光源から出射されたレーザビームを２以上の分離したレーザビームに分割するビーム分割手段と、前記ビーム分割手段によって分割されたレーザビームのうちの１つを集光する集光レンズと、前記集光レンズの焦点面上に配置され、前記集光レンズによって集光されたレーザビームの入射位置を検知する光位置検出手段とをさらに備え、前記制御手段は前記レーザ光源またはコリメータレンズの移動量を前記光位置検出手段に入射した前記レーザビームの入射位置の変化量から算出するものであってもよい。
【００２２】
このような構成のレーザ測量装置を採用すれば、レーザ光源またはコリメータレンズの移動量を、ビーム分割手段により分割されたビームの光位置検出素子への入射位置の変化量に対応させて検出することができる。よって、ビーム軸の向きをより精密に調整することができる。このとき、前記ビーム分割手段は入射光の一部を透過するとともに残りを反射するビームスプリッタであってもよいし、前記光位置検出手段は２次元ポジション・センシティブ・ディテクタ（ＰＳＤ）であってもよい。
【００２３】
上記構成のレーザ測量装置は、前記ビーム分割手段によって分割されたレーザビームの他の１つを９０゜偏向する反射部材と、前記反射部材を回転させることによりこの反射部材によって偏向されたレーザビームの出射方向を一定平面内で回転させる回転手段とをさらに備えるものであってもよい。このとき、前記反射部材はペンタプリズムであってもよい。また、このとき、前記水平センサによって検出される傾斜角は前記ビーム分割手段によって分割され前記反射部材に入射するレーザビームのビーム軸の鉛直に対する傾きに対応するものであってもよい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。
【００２５】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態によるレーザ測量装置を構成する投光装置の構成を示す断面図である。この図１は、水平方向へのレーザ光走査を行うためにレーザ測量装置を鉛直方向に立てたときの投光装置の状態を示している。
【００２６】
投光装置１１は、レーザ測量装置のハウジング（図示せず）内に固定された鏡筒１４と、ベアリング１９を介して鏡筒１４に回転自在かつ同軸に保持された回転投光部１５とから構成されている。鏡筒１４には、その機械軸ｌｚ（回転投光部１５の回転軸に一致）に沿ったレーザ光光路１４ｂと、このレーザ光光路１４ｂに直交するレーザ光光路１４ａとが、形成されている。また、回転投光部１５には、レーザ光光路１４ｂに連通するとともにその回転軸と同軸に形成された中空のレーザ光光路１５ａ，およびこのレーザ光光路１５ａに連通するとともに端面方向および側方に開口を有するペンタプリズム収納部１５ｂが、形成されている。
【００２７】
（レーザ出射光学系）
鏡筒１４内のレーザ光光路１４ａおよび１４ｂの交点には、ビーム分割手段としてのビームスプリッタ２４が固定されている。また、このレーザ光光路１４ａの一方の端部には、レーザ光源移動手段としてのＬＤアクチュエータ３４が固定されている。このＬＤアクチュエータ３４は、レーザ光光路１４ａに対して垂直な面内で２次元的に移動されるように構成されたＸＹステージである。このＬＤアクチュエータ３４には、レーザダイオード２１が固定されているため、このレーザダイオード２１は、レーザ光光路１４ａに直交する面内で２次元的に移動可能となっている。
【００２８】
また、このレーザダイオード２１とビームスプリッタ２４との間には、コリメータレンズ２２およびアナモプリズム２３が固定されている。さらに、回転投光部１５のペンタプリズム収容部１５ｂには、ペンタプリズム２７および楔形プリズム３０が固定されている。
【００２９】
レーザ光源としてのレーザダイオード２１は、レーザビームＬ０を出射する。コリメータレンズ２２は、レーザダイオード２１から出射されたレーザビームＬ０を平行光にするレンズである。また、アナモプリズム２３は、コリメータレンズ２２を透過したレーザビームＬ０の断面形状を真円形に修正するための光学素子である。
【００３０】
ビームスプリッタ２４内には、レーザビームＬ０のビーム軸に対してペンタプリズム２７側に４５゜傾いた、部分透過膜２４ａが形成されている。この部分透過膜２４ａは、７０〜８０％の反射率を有するため、レーザビームＬ０の２０〜３０％を透過させるとともに残りのレーザ光を反射する特性を有している。従って、アナモプリズム２３を透過したレーザビームＬ０の７０〜８０％がペンタプリズム２７側へ反射される。
【００３１】
このビームスプリッタ２４を反射したレーザビームＬ１は、レーザ光光路１４ｂ内に固定された前群レンズ２５および後群レンズ２６に入射する。これら前群レンズ２５および後群レンズ２６は、入射されたレーザビームＬ１のビーム径を拡大するビームエキスパンダを構成する。
【００３２】
後群レンズ２６を透過したレーザビームＬ１が入射するペンタプリズム２７は、回転投光部１５のペンタプリズム収容部１５ｂ内に、この回転投光部１５と一体に回転するように固定されている。このペンタプリズム２７は、レーザビームＬ１が入射する光入射面２７ｃと、この光入射面２７ｃに対して２２．５゜傾いているとともにこの光入射面２７ｃから入射したレーザ光を反射する第１反射面２７ａと、この第１反射面２７ａに対して４５゜傾いているとともにこの第１反射面２７ａで反射されたレーザ光を再度反射する第２反射面２７ｂと、光入射面２７ｃに対して直角をなしているとともに第２反射面２７ｂで反射されたレーザビームＬ３を出射する光出射面２７ｄとを有している。なお、第２反射面２７ｂには、図示せぬ増反射膜がアルミニウム蒸着によって形成されているので、この第２反射面２７ｂにおいてレーザ光は１００％内面反射する。一方、第１反射面２７ａには、反射率が７０〜８０％の部分透過膜が形成されている。従って、２０〜３０％のレーザビームＬ２がこの第１反射面２７ａを透過し、楔形プリズム３０を通って投光装置１２の上端から出射される。
【００３３】
ペンタプリズム２７の光出射面２７ｄから出射されたレーザビームＬ３は、ペンタプリズム収容部１５ｂの側方に開口した投光用窓１５ｃ，および図示せぬハウジングの窓を透過して出射される。このようにして出射されたレーザビームＬ３は、回転投光部１５ごとペンタプリズム２７がレーザビームＬ１に直交する面内で回転することにより、壁面などに垂直または水平方向の基準線を投射する。
【００３４】
（回転機構）
次に、回転投光部１５を鏡筒１４に対して回転させるための機構を説明する。ベアリング１９を介して鏡筒１４に対して回転自在に接続された回転投光部１５の外周面には、ギア３５が固定されている。一方、鏡筒１４の上端面には、外方に向けて突出させたブラケット３６が設けられている。このブラケット３６には、投光部回転用モータ３７が固定されており、この投光部回転用モータ３７の回転軸に取り付けられたピニオン３８が回転投光部１５のギア３５に噛み合っている。この投光部回転用モータ３７を回転させることにより、投光用窓１５ｃから出射されるレーザ光Ｌ３の出射方向が回転投光部１５の回転軸を中心に回転するので、この回転軸に直交する基準平面が形成される。
【００３５】
（整準機構）
図２は、図１のレーザ測量装置１０における整準機構を説明するための、鏡筒１４内に固定された各部材の一部を示す図である。上述のように、レーザビームＬ３によって壁面などに垂直または水平方向の基準線を投射するためには、レーザビームＬ３の出射方向が正確に調整されている必要がある。例えば、図１の状態においては、水平方向の基準線を投射するレーザビームＬ３が正確に水平に投射されなければならない。以下、このようなレーザビームＬ３の出射方向を調整するための整準機構を、図１および図２を用いて説明する。
【００３６】
鏡筒１４のレーザ光光路１４ａのレーザダイオード２１に対向する端面には、光位置検出手段としての２次元ポジション・センシティブ・ディテクタ（以下、「ＰＳＤ」という）２９が、その受光面をビームスプリッタ２４側に向けて固定されている。また、レーザ光光路１４ａ内の２次元ＰＳＤ２９とビームスプリッタ２４との間には、集光レンズ２８が固定されている。この集光レンズ２８と２次元ＰＳＤ２９との間の距離は、集光レンズ２８の焦点距離ｆ２に等しい。よって、レーザダイオード２１から出射され、ビームスプリッタ２４に入射したレーザビームＬ０のうち、部分透過膜２４ａを透過した２０〜３０％のレーザビームＬ４は、集光レンズ２８を透過して２次元ＰＳＤ２９上に集光される。２次元ＰＳＤ２９は、光の入射位置を検出する機器である。２次元ＰＳＤへのレーザビームＬ４の入射位置は、この２次元ＰＳＤ２９の各出力端子から出力される電流比に基づいて算出される。なお、この２次元ＰＳＤ２９の各出力端子は制御部３３に接続されている。
【００３７】
また、鏡筒１４のレーザ光光路１４ｂの下端部には、ｘ方向（図２の紙面内での回転方向）における水平からの傾きを検出するチルトセンサ３１（水平センサ）が固定されている。そして、チルトセンサ３１の側方には、ｙ方向（鉛直方向ｌ０に沿って紙面に直交する面内での回転方向）の水平からの傾きを検出するチルトセンサ３２が固定されている。チルトセンサ３１，３２は気泡管内の気泡の位置変化を電気抵抗変化としてとらえて電気信号に変換することにより水平からの傾きを検出するものである。すなわち、チルトセンサ３１，３２の上面には、それぞれ２個の電極（図示せず）がｘ方向またはｙ方向に対象な位置関係で設けられているとともに、その下面全域には共通の電極が受けられている。従って、各チルトセンサ３１，３２内で気泡の位置が変化するとこれら上面上の各電極と共通電極との間の静電容量の比が変化する。各チルトセンサ３１，３２はこれら各電極を介して制御部３３に接続されており、各電極に生じる静電容量同士の比の変化から鏡筒１４の傾きの変化量が算出される。さらに、レーザダイオード２１の位置を移動させるためのＬＤアクチュエータ３４も制御部３３に接続されている。
【００３８】
図２の状態では、図示せぬ測定装置が用いられることにより、レーザビームＬ３が正確に水平に出射され、レーザビームＬ１が鉛直方向ｌ０に出射されるように、鏡筒１４の向きが調整されているものとする。なお、このとき、レーザビームＬ１のビーム軸と、鏡筒１４の機械軸ｌｚは完全に一致しているものとする。このときのチルトセンサ３１，３２の測定値，およびレーザビームＬ４の２次元ＰＳＤ２９への入射位置は、初期値として制御部３３へ記憶される。このときの、レーザビームＬ４の２次元ＰＳＤ２９への入射位置のＰＳＤ中心座標ａ０からのｘ方向における距離をａ１とする。ここで、鏡筒機械軸ｌｚと鉛直方向ｌ０とは完全に一致した状態であるので、各チルトセンサ３１，３２による測定値は、鏡筒１４の機械軸ｌｚが鉛直であるときの値を示すが、鏡筒機械軸ｌｚとレーザビームＬ１のビーム軸との位置関係によっては、この測定値が必ずしも鉛直時の値を示す必要はない。
【００３９】
図３は、図２の状態からペンタプリズム２７の光出射面２７ｄから出射されたレーザビームＬ３のビーム軸が水平からｘ方向に＋Δω゜傾いたとき、すなわちレーザビームＬ１のビーム軸が鉛直から＋Δω゜傾いた状態を示している（図３のｘ方向において、時計方向の向きを＋としている）。このとき、鏡筒１４の機械軸ｌｚも同様に図２の状態から鉛直方向ｌ０に対して＋Δω゜傾いた状態となっているため、チルトセンサ３１の測定値も初期値から＋Δω゜の傾きに相当する値だけ変化する。
【００４０】
すると、制御部３３によりチルトセンサ３１の測定値が読み込まれる。制御部３３は、チルトセンサ３１の測定値からレーザビームＬ１のビーム軸の傾斜量＋Δω゜を算出する。それに応じて、ＬＤアクチュエータ３４が駆動制御され、レーザビームＬ１のビーム軸が鉛直になるように、レーザダイオード２１が、ｘ方向（すなわち図面の上下方向）に１次元的に移動される。図４に、レーザダイオード２１が移動されることによって、レーザビームＬ１のビーム軸が鉛直になるように調整された様子を示す。レーザビームＬ１が鉛直方向ｌ０に出射されるよう調整するためには、レーザダイオード２１から出射されるレーザビームＬ０のビーム軸を、コリメータレンズ２２の光軸に対して＋Δω゜だけ傾斜させる必要がある。レーザビームＬ０のビーム軸が、コリメータレンズ２２の光軸に対して＋Δω゜傾斜されたとき、ｘ方向におけるレーザビームＬ４の２次元ＰＳＤ２９への入射位置の初期値ａ１からのズレ量ｂは、ｂ＝ｆ２ｔａｎ（＋Δω゜）となる。従って、制御部３３は、２次元ＰＳＤ２９によって測定されたレーザビームＬ４の入射位置を常にモニタしながらＬＤアクチュエータ３４を駆動制御し、２次元ＰＳＤ２９に入射するレーザビームＬ４の入射位置の中心座標ａ０からのｘ方向のズレがａ１＋ｂ＝ａ１＋ｆ２ｔａｎ（＋Δω゜）となるように、レーザダイオード２１の位置を移動させるのである。このときのレーザダイオードの移動量ｃ１は、ｃ１＝ｆ１ｔａｎ（＋Δω）（但し、ｆ１はコリメータレンズの焦点距離）で表される。これにより、レーザビームＬ１のビーム軸は、図３の状態から−Δω゜だけ傾斜されて鉛直方向ｌ０を向くようになる。従って、回転投光部１３から出射されるレーザビームＬ３のビーム軸が水平になるよう調整される。
【００４１】
なお、ここでは、チルトセンサ３１によって検出される、レーザビームＬ１のビーム軸の傾きのｘ方向の調整のみについて説明したが、チルトセンサ３２によって検出されるｙ方向のビーム軸の調整も、同様にして行われる。
【００４２】
すなわち、本実施形態のレーザ測量装置では、レーザビームＬ３によって形成される基準平面の水平からの傾きに応じてレーザダイオード２１の位置を調整することによりレーザビームＬ３の出射方向を調整している。また、レーザダイオード２１の位置を移動させたときの各ビーム軸の向きの変化を、コリメータレンズ２２の光軸上に設置した２次元ＰＳＤ２９へのレーザビームＬ４の入射位置によって監視している。このため、レーザダイオード２１の僅かな移動量を高精度に調整することができる。
【００４３】
このように、本実施形態のレーザ測量装置は、レーザダイオード２１を同一平面内で移動させることにより整準を行っているので、従来のように鏡筒全体を傾けるための複雑な構造を必要としない。このため、レーザ測量装置の構造を簡単にすることができる。また、本実施形態のレーザ測量装置は、整準の際に鏡筒１１をハウジングに対して傾ける必要がないため、整準作業の途中でチルトセンサ３１，３２の測定値が変化することもない。よって、従来のように、チルトセンサの測定値が安定するための時間を必要としないので、整準作業を短時間に行うことができる。
【００４４】
＜第２実施形態＞
本実施形態のレーザ測量装置は、レーザダイオード２１の位置を移動させる代わりにコリメータレンズ２２の位置を移動させることによってレーザビームＬ１のビーム軸の向きを調整して整準を行うことを特徴とし、他の部分を第１実施形態と同一とする。
【００４５】
図５に、第２実施形態のレーザ測量装置における整準機構およびレーザ出射光学系の一部を示す。この図５は、図示せぬ測定装置が用いられることにより、ペンタプリズム２７の光出射面２７ｄから出射されるレーザビームＬ３のビーム軸が水平となるように調整されている状態、すなわちレーザビームＬ１のビーム軸が鉛直方向ｌ０を向くように調整されている状態を示す。レーザ光源としてのレーザダイオード４１は、レーザ光光路１４ａの端部に固定されている。レーザダイオード４１とビームスプリッタ２４との間には、コリメータレンズ移動手段としてのコリメータレンズアクチュエータ４４が固定されている。コリメータレンズアクチュエータ４４はレーザ光光路１４ａに対して垂直な面内で移動されるＸＹステージである。このコリメータレンズアクチュエータ４４には、コリメータレンズ４２が固定されているため、このコリメータレンズ４２は、レーザ光光路１４ａに直交する面内で２次元的に移動可能となっている。
【００４６】
制御部４３は、チルトセンサ３１，３２，２次元ＰＳＤ２９，およびコリメータレンズアクチュエータ４４に接続されており、チルトセンサ３１，３２から出力された信号からレーザビームＬ１のビーム軸の鉛直方向ｌ０からの傾きを計算し、この傾きの量に応じてコリメータレンズアクチュエータ４４を駆動制御してコリメータレンズ４２の位置を移動させる。このとき、制御部４３は、レーザビームＬ４の２次元ＰＳＤ２９への入射位置を監視し、この入射位置の移動量がコリメータレンズ４２の移動されるべき量に相当するように、コリメータレンズアクチュエータ４４の駆動制御を行っている。
【００４７】
以下、本実施形態のレーザ測量装置の整準機構の動作を説明する。まず、図５の状態ではレーザビームＬ１のビーム軸は鉛直方向ｌ０を向くように調整されている。第１実施形態と同様、このとき、レーザビームＬ１のビーム軸と鏡筒１４の機械軸ｌｚとは完全に一致しているものとする。このときのチルトセンサ３１，３２の測定値，およびレーザビームＬ４の２次元ＰＳＤ２９への入射位置は、初期値として制御部４３へ記憶される。このときの、レーザビームＬ４の２次元ＰＳＤ２９への入射位置のＰＳＤ中心ａ０からのｘ方向の距離をａ２とする。図６は、ペンタプリズム２７から出射されるレーザビームＬ３のビーム軸が図５の状態からｘ方向に＋Δω゜傾いたとき、すなわち、レーザビームＬ１のビーム軸が鉛直方向ｌ０に対してｘ方向に＋Δω゜傾いた状態を示している。このとき、鏡筒１４の機械軸ｌｚも同様に、鉛直方向ｌ０に対してｘ方向に＋Δω゜傾いた状態であるため、チルトセンサ３１の測定値も＋Δω゜相当変化する。
【００４８】
すると、制御部４３によりチルトセンサ３１の測定値が読み込まれる。制御部４３は、チルトセンサ３１の測定値からレーザビームＬ１の鉛直方向ｌ０に対する傾斜量（＋Δω゜）を算出する。それに応じて、コリメータレンズアクチュエータ４４が駆動制御される。すなわち、ビームスプリッタ２４の部分透過膜２４ａへのレーザビームＬ０の入射角が図６の状態に対して＋Δω゜だけ小さくなるように、コリメータレンズ４２の位置が移動される。
【００４９】
図７に、コリメータレンズアクチュエータ４４によってコリメータレンズ４２の位置が移動された様子を示す。レーザビームＬ１が鉛直方向に出射されるためには、部分透過膜２４ａに入射するレーザビームＬ０のビーム軸の向きを、集光レンズ２８の光軸に対して＋Δω゜だけ傾斜させる必要がある。レーザビームＬ０のビーム軸の向きが＋Δω゜傾斜されると、部分透過膜２４ａを透過して２次元ＰＳＤ２９に入射するレーザビームＬ４のビーム軸も＋Δω゜だけ傾斜される。このとき、集光レンズ２８によって集光されたレーザビームＬ４の２次元ＰＳＤ２９への入射位置の初期値ａ２からの変化量ｂは、ｂ＝ｆ２ｔａｎ（＋Δω゜）となる。従って、制御部４３は、２次元ＰＳＤ２９から出力されたレーザビームＬ４の入射位置を常に監視しながらコリメータレンズアクチュエータ４４を駆動制御する。これにより、２次元ＰＳＤ２９に入射するレーザビームＬ４の入射位置のｘ方向の座標のＰＳＤ中心ａ０からのズレ量がａ２＋ｂ＝ａ２＋ｆ２ｔａｎ（＋Δω゜）となるように、コリメータレンズ４２の位置がｘ方向に沿って移動されるのである。このときの、コリメータレンズ４２の移動量ｃ２は、ｃ２＝ｆ１ｔａｎ（＋Δω゜）で表される。このようにして、レーザビームＬ１のビーム軸が鉛直方向ｌ０となり、回転投光部１５から出射されるレーザビームＬ３のビーム軸が水平となるように調整される。
【００５０】
このように、本実施形態では、ビームスプリッタ２４を透過するレーザビームＬ４の２次元ＰＳＤ２９への入射位置を常に監視しながら、コリメータレンズ４２の位置を移動させることにより、整準作業を行っている。従って、第１実施形態と同様、レーザ測量装置の構造を従来よりも簡単にすることができる。また、本実施形態のレーザ測量装置は、第１実施形態と同様、整準作業を従来よりも短時間で行うことができる。
【００５１】
＜第３実施形態＞
図８に本発明の第３実施形態におけるレーザ測量装置の整準機構およびレーザ出射光学系の一部を示す。本第３実施形態は、鉛直方向にレーザ走査するために、鏡筒１４を図１の状態に対して９０゜回転させて用いられる場合に適用される。
【００５２】
ｘ方向（紙面内での回転方向）のチルトセンサ５１は、レーザビームＬ１のビーム軸方向が水平方向となるように、図１の状態に対してｘ軸方向に９０゜回転された状態で固定されている。そして、第１実施形態と同様、チルトセンサ５１は、ＬＤアクチュエータ３３や２次元ＰＳＤ２９とともに制御部５３に接続されている。
【００５３】
以下、本実施形態のレーザ測量装置の整準機構の動作を説明する。まず、制御部５３は、図８のように、レーザ光Ｌ１のビーム軸が水平方向ｌ０’となるように調整されているときの、チルトセンサ５１の測定値と２次元ＰＳＤ２９へのレーザビームＬ４の入射位置を記憶する。なお、このとき、レーザビームＬ１のビーム軸と鏡筒１４の機械軸ｌｚ’とは完全に一致しているものとする。このとき、レーザビームＬ４の２次元ＰＳＤ２９への入射位置のＰＳＤ中心ａ０からのｘ方向における距離をａ３とする。そして、図９に示すように、レーザビームＬ１のビーム軸が水平方向ｌ０’から＋Δω゜ずれた場合には、２次元ＰＳＤ２９へのレーザビームＬ４のｘ方向の入射位置のＰＳＤ中心ａ０からの距離がａ３＋ｆ２ｔａｎ（＋Δω）となるように、ＬＤアクチュエータ３３を駆動させてレーザダイオード２１の位置を移動させる。このようにして、レーザビームＬ１のビーム軸が図９の状態より−Δω゜移動されて水平方向ｌ０’を向くように調節することができる（図１０参照）。
【００５４】
このように、本実施形態では、鉛直方向のレーザ走査を行うために、レーザ測量装置を水平方向に向けて使用する場合でも、第１実施形態と同様にレーザダイオード２１の位置を移動させることにより、レーザビームＬ０のビーム軸の向きを傾斜させて、レーザビームＬ１のビーム軸が水平になるように調整することができる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、複雑な整準機構を必要とせず、レーザ測量装置の構造を簡素化することができる。また、整準作業を短時間で行うことができるレーザ測量装置を提供することができる。
【００５６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態によるレーザ測量装置の構造を示す断面図
【図２】本発明の第１実施形態によるレーザ測量装置の整準機構を説明するための図
【図３】図２においてレーザビームＬ１のビーム軸が＋Δω゜傾いた状態を示す図
【図４】図３の状態において整準作業が行われた状態を示す図
【図５】本発明の第２実施形態によるレーザ測量装置の整準機構を説明するための図
【図６】図５においてレーザビームＬ１のビーム軸が＋Δω゜傾いた状態を示す図
【図７】図６の状態において整準作業が行われた状態を示す図
【図８】本発明の第３実施形態によるレーザ測量装置の整準機構を説明するための図
【図９】図８においてレーザビームＬ１のビーム軸が＋Δω゜傾いた状態を示す図
【図１０】図９の状態において整準作業が行われた状態を示す図
【図１１】従来技術のレーザ測量装置の構造を示す断面図
【符号の説明】
２１，４１ レーザダイオード
２２，４２ コリメータレンズ
２４ ビームスプリッタ
２７ ペンタプリズム
２８ 集光レンズ
２９ ２次元ＰＳＤ
３１，３２，５１，５２ チルトセンサ
３３，４３，５３ 制御部
３４ ＬＤアクチュエータ
４４ コリメータレンズアクチュエータ
Ｌ０，Ｌ１，Ｌ３，Ｌ４ レーザ光
ｌ０ 鉛直方向
ｌ０’ 水平方向
ｌｚ 鏡筒機械軸
Claims (10)
- レーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザビームを平行ビームにするコリメータレンズと、
前記コリメータレンズを保持する鏡筒と、
前記レーザ光源を前記レーザービームのビーム軸に直交する面内で移動させるために前記鏡筒に取り付けられたレーザ光源移動手段と、
前記鏡筒の水平面に対する傾斜角を前記水平面上における直交する二方向において夫々検出する水平センサと、
前記水平センサによって検出された各方向における前記傾斜角の大きさに応じて、前記コリメータレンズを透過したレーザビームのビーム軸を所定方向に向けるために必要な前記レーザ光源の移動量を、前記レーザビームのビーム軸に直交する面内における直交する二方向において夫々算出し、算出された各方向における移動量に応じて前記レーザ光源移動手段を駆動制御する制御手段と
を備えるレーザ測量装置。 - レーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザビームを平行ビームにするコリメータレンズと、
前記コリメータレンズを保持する鏡筒と、前記コリメータレンズを前記レーザビームのビーム軸に直交する面内で移動させるために前記鏡筒に取り付けられたコリメータレンズ移動手段と、
前記鏡筒の水平面に対する傾斜角を前記水平面上における直交する二方向において夫々検出する水平センサと、
前記水平センサによって検出された各方向における前記傾斜角の大きさに応じて、前記コリメータレンズを透過したレーザビームのビーム軸を所定方向に向けるために必要な前記コリメータレンズの移動量を、前記レーザビームのビーム軸に直交する面内における直交する二方向において夫々算出し、算出された各方向における移動量に応じて前記コリメータレンズ移動手段を駆動制御する制御手段と
を備えるレーザ測量装置。 - 前記コリメータレンズを透過したレーザビームを９０゜偏向する反射部材と、
前記反射部材を回転させることによりこの反射部材によって偏向されたレーザビームの出射方向を一定平面内で回転させる回転手段と
をさらに備える請求項１または請求項２に記載のレーザ測量装置。 - 前記反射部材はペンタプリズムである
請求項３記載のレーザ測量装置。 - 前記レーザ光源から出射されたレーザビームを２以上の分離したレーザビームに分割するビーム分割手段と、前記ビーム分割手段によって分割されたレーザビームのうちの１つを集光する集光レンズと、前記集光レンズの焦点面上に配置され、前記集光レンズによって集光されたレーザビームの入射位置を検知する光位置検出手段とをさらに備え、
前記制御手段は前記レーザ光源またはコリメータレンズの移動量を前記光位置検出手段に入射した前記レーザビームの入射位置の変化量から算出する
請求項１または請求項２に記載のレーザ測量装置。 - 前記ビーム分割手段は入射光の一部を透過するとともに残りを反射するビームスプリッタである
請求項５記載のレーザ測量装置。 - 前記光位置検出手段は２次元ポジション・センシティブ・ディテクタ（ＰＳＤ）である
請求項５記載のレーザ測量装置。 - 前記ビーム分割手段によって分割されたレーザビームの他の１つを９０゜偏向する反射部材と、
前記反射部材を回転させることによりこの反射部材によって偏向されたレーザビームの出射方向を一定平面内で回転させる回転手段と
をさらに備える請求項５記載のレーザ測量装置。 - 前記反射部材はペンタプリズムである
請求項８記載のレーザ測量装置。 - 前記水平センサによって検出される傾斜角は前記ビーム分割手段によって分割され前記反射部材に入射するレーザビームのビーム軸の鉛直に対する傾きに対応する
請求項８または請求項９に記載のレーザ測量装置。
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