JP3816807B2 - 位置測定装置及びそれに使用する回転レーザ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光源を往復走査させながらレーザ光を照射し、又は、レーザ光源を回転させながらレーザ光を照射することにより、水平基準面に対して所定の角度傾斜した傾斜設定面を同時に形成可能な位置測定装置と、それに使用する回転レーザ装置とに関するものである。また、本発明による位置測定装置によって、基準点、基準線、測定基準平面も形成することができる。
【0002】
【従来の技術】
広範囲に亘る水平な基準レベルを作るために、光学式レベル装置に代わって回転レーザ装置が使用されるようになってきた。
近年、高さ方向の測定、特に基準高さに基づいてライン及び平面等を形成するために回転レーザ装置が使用されている。この回転レーザ装置はレーザ光線を水平方向に照射しながら回転し、往復走査し、又は停止することによって、回転基準面、部分的な基準ライン、基準面、基準線、又は基準点等を形成するものである。
【0003】
回転レーザ装置は、例えば、建築物の内装工事で窓枠の位置出し等の基準水平ラインを形成するものとして、更に土木工事に於いては盛土を行ない、切土面を形成する為の基準水平面を形成するものとして使用される。更に、回転レーザ装置は階段等の傾斜設定での基準点の設定等にも利用されており、1方向、或いは、2方向に傾斜させた基準平面を形成することができるものもある。
【0004】
傾斜基準面を形成することができる従来の回転レーザ装置として特開平6−26861号公報に開示されたものがあり、この従来の回転レーザ装置の構成及び作用を以下に略述する。
【0005】
図44を参照すると、回転レーザ装置951はケーシング901とレーザ投光器903とを有する。切頭円錐形の凹部902がケーシング901の上面中央に形成される。レーザ投光器903が凹部902の中央を上下方向に貫通する。レーザ投光器903はレーザ投光器903の中間部に設けられた球面座904を介して傾斜することができるように凹部902に支持される。ペンタプリズム909を取り付けた回転自在な回転部905がレーザ投光器903の上部に設けられる。回転部905は走査モータ906によって駆動ギア907、走査ギア908を介して回転駆動される。
【0006】
2組の傾斜機構(一方のみ図示する)がレーザ投光器903の周囲に設けられる。一方の傾斜機構910は傾斜用モータ911と、傾斜用スクリュー912と、傾斜ナット913とを備える。傾斜用スクリュー912は駆動ギア914、傾斜用ギア915を介して傾斜用モータ911によって回転駆動される。レーザ投光器903は傾斜用アーム916を介して傾斜ナット913に連結される。傾斜用スクリュー912の回転により傾斜ナット913が上下動し、それによりレーザ投光器903が傾斜する。
【0007】
2つの固定傾斜センサ918及び919が、レーザ投光器903の中間部において、回転部905の回転軸線と直交する平面上に取り付けられる。一方の固定傾斜センサ918は傾斜用アーム916と平行に設けられ、他方の固定傾斜センサ919は傾斜用アーム916と直角をなす方向に設けられる。ピボットピン921を設けたフランジ920がレーザ投光器903の下端に固着される。ピボットピン921の上端は、角度設定傾斜角センサ929及び角度設定傾斜角センサ930を設けたL字形の傾斜基板922を回動可能に一点支持する。角度設定傾斜角センサ929は固定傾斜角センサ918と同方向に取り付けられ、角度設定傾斜角センサ930は固定傾斜角センサ919と同方向に取り付けられる。傾斜基板922は2組の傾斜設定機構(一方のみ図示する)に連結される。
【0008】
一方の傾斜設定機構925は、傾斜角設定モータ926と、傾斜角設定モータ926により回転される傾斜設定スクリュー927と、傾斜設定スクリュー927に螺合するナットブロック928とを有する。傾斜基板922の一端がナットブロック928に係合している。傾斜角設定モータ926を駆動することによって傾斜設定スクリュー927を介してナットブロック928を上下させ、傾斜基板922を傾斜させることができる。
【0009】
レーザ光線投光器(図示せず)、及びレーザ光線投光器から発せられるレーザ光線を平行光線にするコリメートレンズ等を含む投光光学系(図示せず)が、レーザ投光器903の内部に内蔵されている。投光光学系からのレーザ光線はペンタプリズム909によって水平方向に偏向され、投光窓931から照射される。
【0010】
次に、この回転レーザ装置の作動について説明する。傾斜角の設定は傾斜設定機構925により行なう。最初に、傾斜機構910を作動させて固定傾斜センサ918、固定傾斜センサ919が水平を示すように調整する。次に、傾動角設定モータ926を駆動し、傾斜設定スクリュー927を回転させてナットブロック928を昇降させ、傾動基板922を所望の設定角θと逆の方向に、フランジ920に対して角度θだけ傾斜させる。この傾斜角θは、傾動角設定モータ926に連結したエンコーダ(図示せず)等により検出する。
【0011】
次に、傾斜機構910を駆動して傾動基板922が水平を検出するようにレーザ投光器903を傾斜させる。この状態でレーザ投光器903の光の射出方向は水平面に対して設定角θだけ傾斜する。レーザ光の射出方向の傾斜角を設定した後、ペンタプリズム909で回転部905の回転軸線に直交する方向に偏向されたレーザ光線をレーザ投光器903より照射し、回転部905を回転させ、或いは、回転部905を所定角度の範囲で往復走査させることにより、傾斜した基準面を形成することができる。
【0012】
一方、特開平11−94544号公報には、レーザビームを回転照射するレーザ装置と施工高さ表示装置とからなる、施工高さ表示装置及び施工高さ設定装置が開示されている。この施工高さ設定装置は、レーザ装置から照射されたレーザ光線を施工高さ表示装置で受けることによって、レーザ装置から表示装置までの距離、及び表示装置からレーザ光線が照射されている基準水平面までのずれを検出して、所望の施工高さを測量するものである。
【0013】
特開平11−118487号公報には、レーザ装置と組合せて使用される、傾き角センサを内蔵した基準照射光検出装置が開示されている。
特開平7−208990号公報には、複数の平面光を回転しながら照射する照射手段と、複数の返光手段とを有する三次元座標測定装置が開示されている。この三次元座標測定装置は、照射手段が照射した光を複数の返光手段によって反射させ、その反射光を前記照射手段によって受けることによって反射手段の三次元座標を測定する。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の回転レーザ装置では、傾斜基準面を形成するために、レーザ投光器903を自在に傾斜することができるように支持し、それを2方向に傾斜させるための2組の傾斜設定機構が必要である。2つの固定傾斜センサ918、919及び2つの角度設定傾斜センサ929、930を必要とし、加えて、2組の傾斜設定機構を駆動制御するための制御回路が必要になる等機構が複雑であり、その為、製作コストがかかるという課題がある。更に、上記従来の回転レーザ装置では、1つの基準面が形成されるだけであるので、水平基準面と傾斜基準面とを同時に形成することができず、及び水平基準面と傾斜基準面との相対関係を計測することができず、或いは、傾斜角度の異なる2つの傾斜基準面の相対関係を計測することができないという課題があった。
【0015】
また、特開平7−208990号公報に開示された三次元座標測定装置では、返光手段が反射した光が照射手段に確実に戻るように、返光手段の角度を正確に調整しなければならないという課題がある。更に、設定した基準面を形成するには返光手段を移動させる必要があり、また、測定値の読取りは照射手段において行わなければならないので、測定装置の操作を1人では行えないという不都合もある。
【0016】
本発明はかかる実情に鑑み、レーザ投光器を傾斜させることなく、また受光器を精密に位置決めすることなく、任意傾斜面及び任意の高さの水平基準面を同時に形成計測可能とした回転レーザ装置を提供しようとするものである。
【0017】
【発明の目的】
本発明の目的は、簡単な機構で水平基準面及び傾斜基準面を同時に形成することができる位置測定装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、1人でも容易に操作をすることができる位置測定装置を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、水平面を除く所定の面内に広がりを持つファンビームレーザ光を射出することができる回転レーザ装置を提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明は、水平面と交わる少なくとも2つのファンビームレーザ光を射出しながら所定の軸線を中心にファンビームレーザ光を回転させるように構成された回転レーザ装置と、ファンビームレーザ光を受光する少なくとも1つの受光部を有する受光センサ装置とを含み、ファンビームレーザ光のうちの少なくとも1つの傾斜角度は他のファンビームレーザ光の傾斜角度と異なり、ファンビームレーザ光を受光した受光部の受光状態に基づいて、受光センサ装置が回転レーザ装置に対する受光センサ装置の位置を測定するように構成され、回転レーザ装置は、ファンビームレーザ光を射出する角度を検出する射出方向検出手段と、この射出方向検出手段によって検出された角度を受光センサ装置に送信する角度信号送信機とを更に有し、受光センサ装置は、角度のデータを受信する角度信号受信部を更に有することを特徴とする位置測定装置である。また、少なくとも2つのファンビームレーザ光の交線が所定の水平基準面内にあるように構成するのが良く、受光部は2つのファンビームレーザ光を受光した時間間隔に基づいて回転レーザ装置に対する受光センサ装置の位置を測定するのが良く、更に、受光センサ装置は、ファンビームレーザ光を受光する少なくとも2つの受光部を有するように構成するのが良い。
【0019】
更に、本発明の位置測定装置では、回転レーザ装置を、2つのファンビームレーザ光の偏光方向が互いに異なるように構成しても良いし、2つのファンビームレーザ光が互いに異なる周波数で変調されるように構成しても良いし、或いは、2つのファンビームレーザ光が互いに異なる波長になるように構成しても良い。この構成により、2つのファンビームレーザ光を識別することが可能になり、レーザ光の受光時間間隔が短いときでも精度の良い測定を行うことができる。
【0020】
更に、本発明の位置測定装置は、受光センサ装置に対する回転レーザ装置の位置を示す位置センサを受光センサ装置に備えても良い。好ましくは、位置センサはGPSであるのが良い。この構成により、回転レーザ装置に対する受光センサ装置の水平面内の位置を測定することが可能になる。
好ましくは、回転レーザ装置は、レーザ光線を射出するレーザ投光器と、このレーザ投光器に回転可能に取り付けられた回転部と、を備え、回転部は、レーザ投光器から射出されたレーザ光線を偏向させる少なくとも2つのペンタプリズムと、これらのペンタプリズムによって偏向されたレーザ光線を夫々ファンビームにする少なくとも2つのシリンダーレンズと、を備えていても良い。
或いは、回転レーザ装置は、レーザ光線を射出するレーザ投光器と、このレーザ投光器に回転可能に取り付けられた回転部と、を備え、レーザ投光器は、直線偏光のレーザ光線を夫々発する第1及び第2のレーザ光線投光器と、これらのレーザ光線投光器から射出された各レーザ光線が同一の方向に向けられるように偏向させる第1の偏光ビームスプリッターと、この第1の偏光ビームスプリッターから射出された各レーザ光線を円偏光に変換する第1の1/4波長板と、を備え、回転部は、第1の1/4波長板により円偏光に変換された各レーザ光線を夫々直線偏光に変換する第2の1/4波長板と、この第2の1/4波長板によって夫々直線偏光に変換された各レーザ光線の一部を透過させ、一部を反射させる第2の偏光ビームスプリッターと、この第2の偏光ビームスプリッターによって反射されたレーザ光線を円偏光に変換する第3の1/4波長板と、この第3の1/4波長板によって円偏光に変換されたレーザ光線を第1のファンビームレーザ光として反射させる第1のシリンダーミラーと、第2の偏光ビームスプリッターを透過したレーザ光線を円偏光に変換する第4の1/4波長板と、この第4の1/4波長板によって円偏光に変換されたレーザ光線を、第1のファンビームレーザ光とは異なる角度に傾斜した第2のファンビームレーザ光として反射させる第2のシリンダーミラーと、を備えていても良い。
また、第3の1/4波長板と第1のシリンダーミラーの間に配置され、第1のシリンダーミラーによって反射されたファンビームレーザ光を2つに分割する偏角プリズムを備えていても良く、これにより、回転レーザ装置が3つのファンビームレーザ光を射出するように構成することもできる。
さらに、第1及び第2のレーザ光線投光器は、偏光方向が互いに90゜異なる直線偏光のレーザ光線を発生するように構成するのが良い。
【0021】
また、更に、ファンビームレーザ光の強度が、ファンビームレーザ光の各部分で異なるようにしても良い。さらに、回転レーザ装置は、ファンビームレーザ光を少なくとも3つ射出し、各ファンビームレーザ光と水平面との交線が等間隔になるようにするのが良い。このように構成された本発明によれば、回転レーザ装置の回転むら誤差の影響を最小にすることができる。
また、少なくとも3つのファンビームレーザ光は、それらが受光される範囲内で互いに交差しないように射出されるのが良い。この構成では、各ファンビームレーザ光が時間間隔をもって受光されるので、各ファンビームの干渉を回避することができる。従って、各ファンビームレーザ光を識別するために、各レーザ光に異なる偏光を与えたり、異なる周波数の変調を与えることなく、精度の高い測定を行うことができる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の位置測定装置を図面に基づいて説明する。
(1)第1の実施形態
(1.1)位置測定装置の全体構成
最初に、本発明による位置測定装置の概略構造を説明する。図1に示すように、本発明による位置測定装置100は回転レーザ装置151と受光センサ装置154とを含む。回転レーザ装置151は2つのファンビーム152及び153、即ち、扇形平面状に広がるレーザビームを射出ながら点Cを中心に回転する。図2に示すように、ファンビーム152は水平面に対して角度αをなして射出され、ファンビーム153は水平面に対して角度βをなして射出される。更に、ファンビーム152と水平面が交わる交線と、ファンビーム153と水平面が交わる交線のなす角度をδとする。2つファンビーム152、153はこのような関係を保ちながら回転するので、ファンビーム152、153は時間差をもって受光センサ装置154を横切る。本発明による位置測定装置はこの時間差を基に受光センサ装置154の水平面からの仰角を測定するように構成する。
【0023】
(1.2)回転レーザ装置
(1.2.1)2つのファンビームレーザ光を射出する回転レーザ装置
次に、水平面に対して傾斜した2つのファンビームレーザ光を発しながら鉛直軸線を中心に回転する回転レーザ装置を説明する。
図3に示すように、本発明による回転レーザ装置151はケーシング101と、レーザ投光器103とを有する。切頭円錐形の凹部102がケーシング101の上面中央に形成される。レーザ投光器103が凹部102の中央を上下方向に貫通する。レーザ投光器103は傾斜することができるように、球面座104を介して凹部102に支持される。ペンタプリズム109を有する回転自在な回転部105がレーザ投光器103の頭部に設けられる。回転部105は走査モータ106によって駆動ギア107、走査ギア108を介して回転駆動される。
【0024】
回転レーザ装置151は、レーザ投光器103の周囲に設けられた2組の傾斜機構を有する(一方のみ図示する)。一方の傾斜機構110は傾斜用モータ111と、傾斜用スクリュー112と、傾斜ナット113とを有する。傾斜用モータ111は駆動ギア114、傾斜用ギア115を介して傾斜用スクリュー112を回転させることができる。傾斜用スクリュー112の回転により傾斜ナット113を上下に移動させる。傾斜ナット113は傾斜用アーム116を介してレーザ投光器103と連結される。傾斜ナット113が上下動することによってレーザ投光器103が傾斜する。また、図示していないもう一組の傾斜機構は、傾斜機構110と同様の機構によって、上記の傾斜機構110が傾斜する方向に直交する方向に投光器103を傾斜させる。
【0025】
傾斜用アーム116に平行な固定傾斜センサ118と、傾斜用アーム116に対して直角方向の固定傾斜センサ119がレーザ投光器103の中間部に設けられる。傾斜機構110により傾斜用アーム116を傾斜させ、固定傾斜センサ118が常に水平になるように制御を行なうことができる。また、同時に、もう一組の傾斜機構によって固定傾斜センサ119が常に水平になるように制御を行なうことができる。
【0026】
レーザ投光器103及びそれに取付けられた回転部105について説明する。図4に示すように、レーザ光線投光器132、及びレーザ光線投光器132から発せられるレーザ光線を平行光線にするコリメートレンズ133等を含む投光光学系が、レーザ投光器103の内部に内蔵されている。投光光学系からのレーザ光線は回転部105の回折格子(BOE)134によって2つのファンビーム152、153に形成される。ファンビーム152、153は、ペンタプリズム109によって水平方向に偏向され、投光窓131から照射される。
【0027】
図5に示すように、レーザ光線がペンタプリズム109によって偏向された後に透過する位置に回折格子(BOE)134aを配置しても良い。なお、図5に示す構成では、回折格子134aの配置以外の構成は、全て図4に示す構成と同じである。
【0028】
図6に示すように、レーザ光線は回折格子(BOE)134を透過すると2つのファンビーム152、153に形成される。
以上説明したように、レーザ投光器103は、レーザ光線投光器132から発せられ、次いで回折格子(BOE)134によって2つのファンビーム152、153に形成されたレーザ光線を照射する。レーザ光線はペンタプリズム109によって水平方向に偏向され、回転部105を回転させる事により基準面を形成する。
【0029】
(1.2.2)異なる偏光の2つのファンビームレーザ光を射出する回転レーザ装置
次に、異なる偏光の2つのファンビームレーザ光を射出する回転レーザ装置について説明する。
後で詳細に述べるように、精度の高い位置測定を行うためには、互いに異なる偏光を有する2つのファンビームレーザ光を射出する回転レーザ装置を使用するのが有利である。図7に示すように、回転レーザ装置151aは2つのファンビーム152a、153aを射出する。2つのファンビーム152a、153aが異なる偏光を有することにより、受光センサ装置154aの受光部が2つのファンビーム152a、153aを区別することが可能になる。
【0030】
図8に示すように、回転レーザ装置151aに内蔵されたレーザ投光器103a及び及びそれに取付けられた回転部105a以外のレーザ投光器を傾斜させる機構は図3と同じである。ここでは、レーザ投光器103a及びその回転部105aについて説明する。
【0031】
図9を参照すると、異なる偏光のファンビーム152a、153aを射出する回転レーザ装置151aは、レーザ投光器103a及び回転部105aを有する。なお、図中の各光学素子を通るレーザ光線の方向は実線の矢印で図示し、レーザ光線の偏光方向は破線の矢印で模式的に図示されている。
【0032】
レーザ投光器103aに使用するレーザ光線投光器132aにレーザダイオードを用いると、レーザ光は直線偏光になる。この偏光方向をここではX方向とし、レーザ光の射出される方向をZ方向とし、XZ平面に直交する方向をY方向とする。レーザ光線投光器132aから発せられたレーザ光線は、コリメートレンズ133aにより平行光に形成され、1/4波長板140に入射する。1/4波長板140は、レーザ光線投光器132aが射出し、X方向に直線偏光されたレーザ光が円偏光になるような方向に配置される。1/4波長板140を通過したレーザ光は再度1/4波長板139を透過して、図9に示すような、X方向と45゜の角度をなす方向に直線偏光される。ここで、回転部105aは回動自在に保持されているので、1/4波長板140と1/4波長板139との相対位置は変化する。しかしながら、1/4波長板140を通過したレーザ光は円偏光であるので、再度1/4波長板139を透過した後の直線偏光の偏光方向は、相対位置の変化の影響を受けず、1/4波長板139により決定される。次に、レーザ光は偏光ビームスプリッター141を通過する。偏光ビームスプリッター141はY方向の偏光成分を反射させ、X方向の偏光成分を透過させるように構成される。したがって、1/4波長板139によってX方向と45゜の角度をなす方向に直線偏光されたレーザ光のY方向成分は偏光ビームスプリッター141によって反射されて90゜偏向される。一方、レーザ光のX方向成分は偏光ビームスプリッター141を通過する。
【0033】
偏光ビームスプリッター141によって反射したレーザ光は、再度1/4波長板138に入射して円偏光となり、次にシリンダーミラー136により反射される。シリンダーミラー136は、レーザ光が回転部105aより射出された際に水平面に対してαの角度になるような方向に配置される。シリンダーミラー136で反射されたレーザ光は、再度1/4波長板138を透過してZ方向の直線偏光になるため、今度は、偏光ビームスプリッター141を透過することができ、回転部105aより射出される。
【0034】
一方、偏光ビームスプリッター141を透過したレーザ光は、同様に再度1/4波長板137に入射して円偏光となり、次にシリンダーミラー135によって反射される。シリンダーミラー135は、レーザ光が回転部105aより射出された際に水平面に対しβの角度になるような方向に配置される。シリンダーミラー135で反射されたレーザ光は、再度1/4波長板137を透過してY方向の直線偏光になるため、今度は、入射時に透過した偏光ビームスプリッター141で反射され、回転部105aより射出される。
【0035】
シリンダーミラー135、136の代りに同様の効果を持つ回折格子を使用しても良い。回折格子を使用した場合には、必要に応じてファンビーム光の強度分布を変える事も可能になる。ファンビーム光の水平面付近の光は、遠くの位置にあってもファンビーム光を受光センサ装置154aによって受光できるように、より強い光量が必要となる。水平方向から大きく離れた部分の光は、回転レーザ装置151aから離れると地表面と干渉するか若しくは受光不可能な高さまで広がってしまう。従って、受光センサ装置154aでの受光は近距離に限られるので強い光量を必要としない。
【0036】
又、光学系は、次の様な特徴を持っている。回転部105aはレーザ投光器103aに対して回転可能であるため、それらの間に多少のガタが生じることは避けられない。レーザ光をミラーによって1回反射させて偏向させた場合、前記のガタがあると、レーザ光の偏向方向に誤差が生じる。本実施形態においては、レーザ投光器103aより射出したレーザ光は、どちらのファンビーム光も回転部105a内において、偏光ビームスプリッター141における反射と、シリンダーミラー135、136における反射の合計2回反射して射出される。そのため、射出されるレーザ光が偏向される角度は、ガタによって回転部105aが傾いたとしても、回転部105aの透過偏角にのみによって決定される。したがって、回転部105aのガタによって偏向方向に誤差が生じることはない。この構成は、一般的に使用されているペンタプリズムを使用したのと同様の効果がある。
【0037】
(1.2.3)回転レーザ装置に対する受光センサ装置の角度位置測定部
次に、回転レーザ装置151aに対する受光センサ装置154aの角度位置、即ち回転レーザ装置151aがレーザ光を射出する円周上のどの角度位置に受光センサ装置154aが配置されているかを測定する角度位置測定部について説明する。なお、ここで説明する角度位置測定部は前記の回転レーザ装置151にも全く同様に組合せることができる。
【0038】
回転レーザ装置151aは、図8に示すように、射出方向検出手段、即ち、射出レーザ光の射出角度を検出するエンコーダ117と、検出した射出角度を受光センサ装置154aへ送信する角度信号送信機123とを有する。エンコーダ117は回転部105aの射出角度を検出する。検出された射出角度データは角度信号送信機123によって連続的に受光センサ装置154aに送信される。
【0039】
また、図3に示した回転レーザ装置151のレーザ投光器103(図5参照)の場合には、図10に示す実施形態によって受光センサ装置154の角度位置を測定することもできる。この実施形態では、ファンビーム152、153とは異なる波長(色)のLED、若しくはレーザダイオードを変調して角度情報を受光センサ装置154に投光する角度信号投光器172を使用する。
【0040】
図10を参照すると、角度投光器172から射出されたレーザ光は、ダイクロックプリズム171で反射され、コリメートレンズ133で発散光線にされる。発散の度合いは、コリメートレンズ133と角度投光器172の相対関係で決定される。コリメートレンズ133を透過した光は、ペンタプリズム109を透過してミラー148で反射され、回転部105の回転軸線に直交する方向に射出される。この光を受光センサ装置で受光することにより角度位置を測定する。
【0041】
一方、レーザ光線投光器132から射出された光はダイクロックプリズム171を透過し、コリメートレンズ133で平行光にされる。この光はダイクロックミラー149で反射され、ペンタプリズム109で偏向される。偏向された光は回折格子134を透過して2つのファンビーム152、153に形成される。
【0042】
その他2つのファンビームを発生させる方法について、図11乃至図13に図示する。
図11は回転部105の他の実施形態である。図11を参照すると、1/4偏光板139に円偏光で入射されたレーザ光は偏光ビームスプリッター141を透過する。ビームスプリッター141を透過した光は1/4波長板138を透過する。透過したレーザ光の一部はシリンダーハーフミラー147で反射され、再び1/4波長板138を透過する。1/4波長板138を透過したレーザ光は今度はビームスプリッター141によって反射され、ファンビーム152として射出される。シリンダーハーフミラー147はファンビーム152の傾き角度がαになるような方向に配置される。
【0043】
一方、ハーフミラー147を透過した光は偏光ビームスプリッター141aを透過し、1/4波長板137に入射する。この光は1/4波長板137を透過してシリンダーミラー135に入射する。ミラー135に入射した光はミラー135によって反射されて、再び1/4波長板を透過する。この光は、今度はビームスプリッター141aによって反射され、ファンビーム153として射出される。ミラー135はファンビーム153の傾き角度がβになるような方向に配置される。
【0044】
図12は回転部105の更に別の実施形態である。図12を参照すれば、回転部105に入射した光は、ペンタプリズム109に入る。ペンタプリズム109に入った光の一部はペンタプリズム109の上面のハーフミラー146によって反射され、ペンタプリズム109によって偏向される。偏向された光はシリンダーレンズ145aによってファンビーム152に形成されて射出される。シリンダーレンズ145aはファンビーム152の傾き角度がαになるような方向に配置される。
【0045】
一方、ペンタプリズム109のハーフミラー146を透過した光はペンタプリズム109aに入射して偏向される。ペンタプリズム109aによって偏向された光はシリンダーレンズ145bによってファンビーム153に形成されて射出される。シリンダーレンズ145bはファンビーム153の傾き角度がβになるような方向に配置される。
【0046】
図13は2つのファンビーム152、153を形成する別の実施形態である。図13(a)に示すように、シリンダーレンズロッド144を切断し、切断されたシリンダーレンズ144a、144bを再度接合する(図13(b))。この接合されたシリンダーレンズを光が透過すると2つのファンビーム152、153が形成される(図13(c))。
【0047】
(1.3)受光センサ装置
(1.3.1)2つのファンビームレーザ光を射出する回転レーザ装置用の受光センサ装置
次に、回転レーザ装置151の射出したファンビーム152、153を受光するための受光センサ装置154について説明する。図14及び図15に示すように、受光センサ装置154の筐体164には、ファンビーム152、153を検出するための受光部155、156が固定される。筐体164は、表示部157と、警告部161、例えばブザーと、入力キー162と、指標163と、標尺159とを有する。更に筐体164は記憶部165、受光状態判断部166、標尺目盛読取部167及び角度信号受信部170を内蔵する。表示部157には、例えば、水平基準面から受光センサ装置154までの高さと、回転レーザ装置151と受光センサ装置154との間の距離と、回転レーザ装置151に対する受光センサ装置154の角度位置が表示される。
【0048】
(1.3.1.1)受光センサ装置による角度の測定原理
前述のように、回転レーザ装置151はファンビーム152、153を射出しながら点Cを中心に回転する。図2に示したように、ファンビーム152は水平面に対して角度αをなして射出され、ファンビーム153は水平面に対して角度βをなして出射される。更に、ファンビーム152と水平面が交わる交線と、ファンビーム153と水平面が交わる交線は角度δをなしている。2つファンビーム152、153はこのような関係を保ちながら回転するので、ファンビーム152、153は時間差をもって受光センサ装置154の受光部を横切る。
【0049】
受光センサ装置154の受光部が水平面内の位置Aにある場合には、受光センサ装置154が検出する光は図16(a)に示すようになる。これに対して、受光部がAの鉛直上方Bの位置にある場合には、検出されるファンビームは図16(b)に示すようになる。ここで、図16(a)に示すように、受光部がA点にある場合の2つのファンビームの検出時間間隔をt0とし、回転レーザ装置151の回転周期をTとすると2つビームの検出時間間隔は(数式1)で与えられる。
【数1】
【0050】
又、受光部が任意の高さBにある場合の検出時間間隔tは、受光部の位置Bとファンビームレーザ光の射出点Cとを結んだ直線と、水平面とのなす角度∠BCA=γに比例するので、γが大きくなると検出時間間隔tが長くなる。従って、Bにおける検出時間間隔tを測定することにより、回転レーザの射出点Cと受光部の位置Bとを結んだ直線が水平面となす角度γを下記の(数式2)又は(数式3)から算出することができる。
【数2】
【数3】
【0051】
2つのファンビーム152、153が受光センサ装置154の受光部を横切る時間間隔t及び、回転レーザ装置151の回転周期Tから角度γを算出する演算処理を、受光センサ装置154に内蔵された受光状態判断部166が行なうことによりγを測定することができ、この測定結果を表示部157が表示することができる。
【0052】
次に、回転レーザ装置151が、水平面内で交差する2つのファンビームを射出する場合、即ち図2の角度δを0゜とした場合について説明する。この状態を図17に示す。
受光センサ装置154が水平面内の位置Aにある場合、回転する2つのファンビーム152、153が受光センサ装置154を同時に通過するため、t0=0となる。従って、任意の高さの点Bと回転レーザ装置の回転中心Cとを結んだ直線と、水平面とのなす角度∠BCA=γは、(数式2)及び(数式3)にt0=0を代入することにより、(数式4)、(数式5)によって得られる。
【数4】
【数5】
【0053】
(数式4)又は(数式5)からわかるように、α、βは定数であるから、角度γは回転レーザ装置151の回転周期T及び2つファンビームの検出時間間隔tの関数として表される。回転レーザ装置151の回転にむらがあり、設定された回転周期Tに誤差がある場合、又は、設定回転周期Tに誤差がないとしても、1回転中に回転むらがある場合には検出時間間隔tに誤差が生じ、算出されるγにも誤差が生じることになる。水平基準面を測定する場合において、図17のように2つのファンビーム152、153が水平面内で交わる様に構成すれば、γ=0においてt=0となるため、この誤差の影響を受けない。
【0054】
実際の土木工事においては、水平面を基準平面とする場合が多く、水平面内でファンビーム152、153が交差しない図1の構成よりも、水平基準面において測定誤差が最小になる図17に示す構成が望ましい。
ここで説明した受光センサ装置154による角度の測定原理は、2つの異なる偏光を有するファンビーム152a、153aを受光するための受光センサ装置154aについても全く同様に成り立つ。
【0055】
(1.3.1.2)2つの受光部を用いた受光センサ装置による角度の測定原理次に、受光部を2つ有する受光センサ装置154による角度の測定原理について説明する。2つの受光部を使用して、回転レーザ装置151に対する受光センサ装置154の高さ、及びそれらの間の距離を求めることができる。図18に示すように、2つ受光部155、156が受光センサ装置154に鉛直方向に並べて設けられる。
【0056】
2つのファンビーム152、153は水平面内において交差するように配置され、ファンビーム152は水平面と角度αをなし、ファンビーム153は水平面と角度βをなして回転する。2つの受光部155、156は鉛直方向に距離Dを隔てて配置される。
2つファンビーム152、153は上記の関係を保ちながら回転しているので、ファンビーム152、153が受光センサ装置154を横切るとき、受光センサ装置154の受光部155、156に図19に示すような時間差が検出される。
【0057】
検出された、時間間隔t1、t2、t3、Tと定数α、β、Dより、受光部155の水平基準面からの高さd1は(数式6)で与えられ、受光部156の高さd2は(数式7)で与えられる。
【数6】
【数7】
【0058】
また、受光部155とファンレーザビームの射出点Cとを結んだ直線と、水平面とのなす角度をγ2とし、受光部156と点Cとを結んだ直線と、水平面とのなす角度をγ1とすると、(数式4)よりγ2、γ1はそれぞれ(数式8)、(数式9)のように求められる。
【数8】
【数9】
【0059】
一方、回転レーザ装置151から受光センサ装置154のまでの距離Lは、 γ2、γ1、d1、d2によって(数式10)及び(数式11)のように表わすことができる。
【数10】
【数11】
【0060】
(数式6)乃至(数式9)を(数式10)及び(数式11)に代入することにより(数式12)及び(数式13)が得られる。
【数12】
【数13】
(数式12)及び(数式13)何れの式でも、回転レーザ装置151と受光センサ装置154との間の距離を求めることができるが、t2―t1=0の時には(数式12)に0の除算が存在し、t3=0の時には(数式13)に0の除算が存在してしまうので、その場合は他方の式を使用する。
【0061】
次に、図20に示すように、受光センサ装置154が角度εだけ傾斜している場合について説明する。この場合においても、検出された時間間隔t1、t2、t3、及び回転周期Tより、傾斜の補正を行ない回転レーザ装置151に対する受光センサ装置154の高さ、及びそれらの間の距離を求めることができる。
【0062】
α+ε<90゜の場合には、ファンビームは、受光センサ装置154の受光部155、156において図19と同じ順序で検出される。検出された時間間隔t1、t2、t3、回転周期T、定数α、β、及び受光部155と受光部156との間の距離Dより、水平基準面から受光部155、156までのそれぞれの鉛直距離d1、d2は(数式14)及び(数式15)で与えられる。
【数14】
【数15】
又、受光センサ装置154の傾斜角εは、(数式16)で与えられる。
【数16】
距離Lは、(数式14)、(数式15)、(数式8)、(数式9)で求められたd1、 d2、 γ1、 γ2を(数式10)、(数式11)に代入する事により求めることができる。
【0063】
次に、図21及び図22を参照して、ファンビームを検出するための受光部155、156が水平方向に2つ並んだ場合について説明する。
2つのファンビーム152、153は水平面内において交差するように配置され、ファンビーム152は水平面と角度αをなし、ファンビーム153は水平面と角度βをなして回転する。受光センサ装置154にはファンビームを検出する2つの受光部155、156が距離Dを隔てて水平方向に並んで配置される。
【0064】
2つファンビームは上記の関係を保ちながら回転しているので、受光センサ装置154の受光部155、156をファンビームが横切ると、ファンビームが図22のように検出される。検出された時間間隔t1、t2、t3、Tと定数α、β、Dによって、回転レーザ装置151の回転中心Cから受光センサ装置154の受光部155、156までの水平距離が、(数式17)で与えられる。
【数17】
【0065】
水平基準面から受光部155までの鉛直距離d1、水平基準面から受光部156までの鉛直距離d2は、(数式10)、(数式11)を変形した(数式18)、(数式19)で与えられる。
【数18】
【数19】
【0066】
(数式18)、(数式19)に(数式8)、(数式9)、(数式17)を代入すると(数式20)、(数式21)が得られる。
【数20】
【数21】
【0067】
ここで、γ2、γ1≒0の場合、tan(γ)≒γの関係が成り立つので(数式22)及び(数式23)が成り立つ。
【数22】
【数23】
【0068】
d1、d2、εを計算する(数式14)、(数式15)、(数式16)、(数式22)、(数式23)をみると、計算式に回転周期Tが存在しないことがわかる。このことは、回転レーザ装置151の回転に回転むらがあり、設定された回転周期Tに誤差があったとしても誤差の影響を受けにくいということを表わしている。即ち、2つのファンビーム152、153が受光センサ装置154の受光部155、156を横切る際の短い時間内において、時間間隔t1、t2、t3に影響を与えるような回転むらが生じなければ、測定誤差が発生することはない。
【0069】
なお、ここで説明した測定原理は2つの異なる偏光を有するファンビーム152a、153aを受光する受光センサ装置154aについても全く同様に適用することができる。
【0070】
(1.3.1.3)受光センサ装置の位置の判別原理
受光センサ装置154の受光部が1つの場合、若しくは2つの受光部が水平方向に配置されている場合であって、なおかつ2つのファンビームが水平面上で交差する場合には、水平基準面から上方向、及び下方向に等距離離れた2つの位置では、両方とも同じ時間間隔でファンビームが検出され、時間間隔を測定しただけでは前記2つの位置を判別することができない。この場合、受光センサ装置154が水平基準面の上にあるか下にあるかを判別するために、受光センサ装置154を上下に動かし受光状態の変化を確認する必要があった。即ち、受光センサ装置154を上方に移動させたときに時間間隔が長くなったとすれば、受光センサ装置154は水平基準面の上側にあり、時間間隔が短くなったとすれば受光センサ装置154は水平基準面の下側にあるということがわかる。受光部が少なくとも2つ以上あり、かつ水平方向以外に配置された場合には、上記操作を行なう事なく、水平基準面の上であるか、下であるかを判別することが可能になる。また、偏光方向、波長等から2つのファンビーム152、153を識別することができる場合には、受光部が1つの場合、若しくは2つの受光部が水平方向に配置されている場合であっても、どちらのファンビームが先に検出されたかによって、水平基準面の上か下かを判別することができる。
【0071】
(1.3.1.4)ファンビームの検出時間間隔が短い場合の測定原理
前記の通り、受光センサ装置154は2つのファンビームが受光センサ装置154の受光部を横切る時間間隔tを計測し、それを演算する事により、回転レーザ装置151に対する受光センサ装置154の高さ、それらの間の距離、及び受光センサ装置154の傾斜角を算出する。受光部が受光した2つのファンビーム152、153の受光時間間隔が図23(a)のように長い場合には、正確な受光時間間隔tを計測することができる。しかし、図23(b)及び図23(c)のように、2つのファンビーム152、153の受光間隔が短く、受光信号がお互いに干渉している場合には正確な受光時間間隔を計測することができない。2つのファンビームによる信号を偏光により区別し、各々別の信号として認識する事により、受光間隔が短い場合でも正確な受光時間間隔の計測を行なう事が可能になる。
【0072】
(1.3.2)2つの異なる偏光を有するファンビームレーザ光を射出する回転レーザ装置用の受光センサ装置
上記の2つの異なる偏光を有するファンビームレーザ152a、153aを受光する受光センサ装置154aについて説明する。なお、ここでは、2つの異なる偏光を有するレーザ光を識別する部分の構成について説明する。その他の構成、及び回転レーザ装置に対する受光センサの高さ、及びそれらの間の距離等を求める測定原理は前記の受光センサ装置154と同一である。
【0073】
図24(a)は受光センサ装置154aの正面図、(b)はそのA−A断面図を示す。図24に示すように、この受光センサ装置154aの受光部155aは、受光素子155b、155cと、各受光素子の前に設けられた偏光ビームスプリッター168とを有し、受光部156aは、受光素子156b、156cと、各受光素子の前に設けられた偏光ビームスプリッター169とを有する。偏光ビームスプリッター168、169は入射レーザ光の偏光方向に応じて、レーザ光を透過又は反射する。反射光用に受光素子155b、156bが、透過光用に受光素子155c、156cが設けられており、入射レーザ光の偏光方向を判別できるようになっている。これにより、2つのファンビーム152a、153aが短い時間間隔で受光部155a、156aに入射されたとしても、例えば、受光素子155b、156bがファンビーム152aを、受光素子155c、156cがファンビーム153aを夫々検出するので、時間間隔を正確に検出することができる。
【0074】
別の実施形態として、回転レーザ装置151aの光路の最後に、さらに1/4波長板(図示せず)を設け円偏光でレーザ光を射出するように構成して、受光部155、156の偏光ビームスプリッター168、169の前に1/4波長板(図示せず)を設けると、受光センサ装置154が傾いていたとしてもビームスプリッター168、169によって正確に2つのファンビームを分離することができる。
【0075】
(1.3.3)回転レーザ装置に対する受光センサの角度位置の測定
受光センサ装置154は、回転レーザ装置151に設けられた角度信号送信機123(図3)から送信された射出角度データを角度信号受信部170(図15)によって連続的に受信する。受光センサ装置154がファンビーム152、153を受光した瞬間に受信された射出角度データによって回転レーザ装置151に対する受光センサ装置154の角度位置を測定することができる。角度信号受信部170による角度位置の測定は、2つの異なる偏光のファンビームを受光する受光センサ装置154a(図24)にも全く同様に適用することができる。
【0076】
又、回転レーザ装置151に対する受光センサ装置154の角度位置を測定するために、受光センサ装置154に、受光センサ装置154に対する回転レーザ装置151の位置を直接的に示す位置センサを設けても良い。例えば、位置センサとしてGPS(Global Positioning System)受信機があり、水平面内の角度位置に関しては、GPSによって回転レーザ装置151に対する受光センサ装置154の位置を求める。相対高さについては、GPSでは比較的精度が落ちるので、前述の本発明による方法を用いるのが有効となる。位置センサによる角度位置の測定は、2つの異なる偏光のファンビームを受光する受光センサ装置154aにも全く同様に適用することができる。
【0077】
次に、図10に示した、角度位置の信号をレーザ光で送信するタイプの実施形態について説明する。角度信号投光器172は、例えば、図25に示すようなパターンで点滅するレーザ光を射出することにより角度位置を送信する。図25に示す信号はリファレンス信号S1と、角度位置をデジタル符号化したパターンで点滅するデジタル信号S2とからなる。リファレンス信号S1は等間隔に射出され、デジタル信号S2は、リファレンス信号とリファレンス信号との間で、デジタル符号を表すパターンで点滅する。該デジタル符号はエンコーダ117(図3)によって測定された角度位置をデジタル符号化したものである。
【0078】
本実施形態の場合には、受光センサ装置154aに角度位置の信号を受光するための角度情報受光部を設ける。角度情報受光部には色フィルターを配置して、角度情報を表すレーザ光だけを受信し、ファンビーム152a、153aの影響を受けないようにする。受光センサ装置154aは、角度位置の信号を受光すると、そのデジタル信号に基づいて角度位置を求める。ただし、この角度位置は、デジタル信号S2が或る間隔をおいて送られてくるため、概略的な値しか示さない。そこで、次に、2つのファンビーム152a、153aを受光した時刻と、リファレンス信号S1を受光した時刻との時間差から、間隔のあいた角度位置情報を内挿してより正確な角度を測定する。
【0079】
また、ファンビーム152a、153aと、角度信号投光器172の発したレーザ光は、必ずしも同時に受光されるように構成しなくても良い。即ち、回転レーザ装置が、ファンビーム152a、153aと、角度信号投光器172の発するレーザ光とを異なる方向に射出するように構成しても良い。この場合には、ファンビーム152a、153aを受光した時刻と、角度情報を受光した時刻の時間差から角度を算出する。この構成においては、ファンビーム152a、153aと、角度信号投光器172の発するレーザ光が同じ波長(色)でも良く、ファンビーム152a、153a用の受光部と角度情報用の受光部とを兼用にすることができる。
更に、角度情報を送信するためのレーザ光は、ファンビーム152a、153aによる位置の測定が可能な範囲をすべてカバーできるような広がり角を有するように構成する必要がある。
【0080】
(1.3.4)単一の受光部を有する受光センサ装置
受光センサ装置154又は154aに設けられた受光部のうち1つを省略することができる。この場合には、単一の受光部を有する受光センサ装置によって測定を1回行った後、受光センサを距離Dだけ移動させて2回目の測定を行う。これら2回の測定データの組を前記の2つの受光部を有する受光センサ装置の各受光部が測定したデータとして使用して、同一の測定原理によって測定を行う。受光センサ装置154の移動距離Dは標尺159に設けられた目盛160と、筐体164に印された指標163とによって測定することができる。この移動距離Dは筐体164に内蔵された標尺目盛読取部167によって読み取られ、この距離Dの測定値が受光状態判断部166に送られ、他の測定値と共に演算される。受光センサ装置の他の構成は受光部が1つになる以外は全て同一である。
【0081】
(1.3.5)3つ以上の受光部を有する受光センサ装置
また、受光センサ装置154又は154aに設ける受光部を3つ以上にしても良い。受光部の数以外の構成は前記の受光センサ装置の構成と同一である。この場合には、図23で説明したような2つのファンビームによる信号の干渉が1つの受光部で起きたとしても、他の2つ以上の受光部で同時に干渉が起こることはない。従って、干渉が起った受光部の測定値を捨て、残りの2つの受光部によって受光された測定値を用いることにより、2つのファンビームを偏光によって識別できない場合においても正確な計測を行なうことができる。
【0082】
図26(a)乃至(f)に全方向受光可能な受光センサ装置154bの実施形態を図示する。図26(a)に示すように、全方向受光可能な受光センサ装置154は、支柱180と、3つの受光部155d、155e、155fと、受光センサ制御部177とを有する。3つの受光部155d、155e、155fは支柱180に等間隔に取付けられ、受光センサ制御部177は支柱の下部に取付けられる。図26(b)乃至(d)に示すように、各受光部155d、155e、155fはそれぞれ環状のシリンドリカルフレネルレンズ176と、環状のファイバーシート175と、環状に配置された複数の受光素子173とを有し、これらは同心円状に配列される。更に、環状に配置された受光素子173の内側には受光素子制御部174が設けられる。図26(e)及び(f)に示すように、受光センサ制御部177は表示部157と、警告部161、例えば、ブザーと、入力キー162と、記憶部165と、受光状態判断部166と、角度信号受信部170と、外部通信部178とを有する。更に、受光センサ制御部177は外部通信部178を介して外部コンピュータ179と接続することができる。外部コンピュータ179によってデータの入力、測定結果の表示、測定結果の後処理を行うことができる。
【0083】
ファンレーザビームが各受光部に照射されると、光はシリンドリカルフレネルレンズ176によって、ファイバーシート175を介して受光素子173に合焦される。受光素子173は光を受けると、受光信号を受光素子制御部174に送る。各受光部155d、155e、155fに内蔵された受光素子制御部174は受光信号を受光センサ制御部177に送る。受光センサ制御部177における信号の処理は、受光センサ装置154における信号の処理と同じである。
【0084】
(1.4)位置測定装置の作動
(1.4.1)回転レーザ装置及び受光センサ装置による位置測定手順
(1.4.1.1)2つの受光部を有する受光センサ装置による測定
回転レーザ装置151及び受光センサ装置154による三次元的な位置測定の手順を説明する。
図27に示す信号処理の手順を使用して三次元位置測定を行う。まず、受光部155、156が回転レーザ装置151の発するファンビーム152、153を受光する。受光部155、156はビームを受光すると図19に示すような信号を発生する。この信号は受光センサ装置154の受光状態判断部166に送られ、時間間隔t1、t2、t3が計算される。受光状態判断部166に信号を送ると同時に、ビームを受光したことを指示する信号が、角度信号受信部170に送られる。角度信号受信部170はこの信号を受けると、その瞬間に受信していた回転レーザ装置151からの角度信号を保持する。この保持された角度信号は回転レーザ装置151と受光センサ装置154との水平面上での相対角度Ψを表わす。
【0085】
一方、受光状態判断部166は(数式16)を使用して、記憶部165に記憶されているファンビーム152、153の傾き角α、β及び時間間隔t1、t2、t3から受光センサ装置154の傾斜角εを計算し、(数式8)、(数式9)を使用して、ファンビームの射出点Cと受光部155とを結ぶ直線と、水平基準面とのなす角γ1、点Cと受光部156とを結ぶ直線と、水平基準面とのなす角γ2を計算する。受光状態判断部166は更に、(数式14)、(数式15)を使用して、記憶部165に記憶されている受光部155と受光部156との間隔D、時間間隔t1、t2、t3、及び先に計算した傾斜角εから、水平基準面から受光部156までの鉛直距離d1、水平基準面から受光部155までの鉛直距離d2を計算する。最後に、(数式10)又は(数式11)を使用して、既に計算された角γ1、γ2及び鉛直距離d1、d2によって中心点Cから受光センサ装置154までの距離Lを計算する。
【0086】
このようにして得られた計算結果Ψ、d1、d2、Lを表示部157に送って表示することによって、回転レーザ装置151と受光センサ装置154との三次元的な相対位置を測定することができる。
【0087】
(1.4.1.2)単一の受光部を有する受光センサ装置による測定
受光部が1つだけの実施形態においては、所望の位置に受光センサ装置154を配置して1回目の測定を行い、次に、受光センサ装置154を標尺159上で距離Dだけ摺動させて2回目の測定を行う。
図14に示すように、受光センサ装置154の筐体164は固定ノブ158により標尺159に摺動可能に取付けることができる。筐体164に刻印若しくは印刷されている指標163及び標尺159によって、標尺159と筐体164との位置関係を知ることができる。受光センサ装置154の筐体164内に標尺目盛読取部167を設けることによって、標尺159と受光センサ装置154の位置関係を受光状態判断部166に取り込むことができる。
【0088】
1回目の測定と2回目の測定の間の移動距離Dは標尺目盛読取部167によって読み取られ、受光状態判断部166に送られる。1回目、2回目の受光データ及び、測定された距離Dを基に、同じ計算手順によって受光センサ装置154の位置を算出することができる。
【0089】
(1.4.1.3)3つ以上の受光部を有する受光センサ装置による測定
受光部が3つ以上の実施形態においては、3つ以上の受光部で同時にファンビームを受光する。次に、受光したデータの中から、ファンビームの時間間隔が十分に大きく、信号に干渉が起っていない任意の2組の受光データを選択する。2組の受光データを選択した後の計算は図27に示した計算手順と全く同じである。ただし、受光部の間隔Dには、選択した2つの受光部の間の間隔を使用して計算する。
【0090】
回転レーザ装置を、異なる偏光の2つのレーザビームを射出する回転レーザ装置151aとし、受光センサ装置を異なる偏光のファンビームを識別する受光センサ装置154aとすることによって、レーザービームの検出時間間隔が短い場合であっても精度の良い測定をすることができる。この場合においても、上記の測定手順と同一の測定手順で測定を行うことができる。
【0091】
(1.4.2)他の測定手順
位置測定装置の別の実施形態を図28によって説明する。位置測定装置の使用者は、形成したい所望の基準平面又は基準円錐面を入力キー162によって入力する。入力された基準面のデータを基に、所望の基準面上の三次元座標を受光状態判断部166で計算し、記憶部165に記憶する。次に、回転レーザ装置151を作動させ、ファンレーザビーム152、153を受光センサ装置154で受光する。受光センサ装置154の受光状態判断部166は受光したファンビームの時間間隔に基づいて上記の手順によって受光センサ装置154の三次元位置座標Ψ、d1、d2、Lを計算する。これらの計算結果は比較部に送られ、先に計算して記憶部165に記憶させておいた所望の基準面の座標と比較される。それらの座標が一致したならば警告部161、例えばブザーに信号を送り、その旨を指示する。使用者はこのようにして、受光センサ装置154が所望の基準面内にあるか否かを認識することができる。さらに、所望の基準面と受光センサ装置154の現在位置との差を表示部に表示するようにしておけば、容易に設定面を探し当てることができる。このようにして、回転レーザ装置を中心とした任意勾配の円錐基準面及び任意勾配の基準面、任意の高さの水平面を形成することができる。
【0092】
ここで説明した測定手順は、2つの異なる偏光を有するファンビームを受光する受光センサ装置154a、及び3つ以上の受光部を有する受光センサ装置においても全く同じ手順で実施することができる。
【0093】
(1.5)本発明による位置測定装置の他の利点
又、従来の回転レーザ装置では、レーザが照射されている設定した水平面、又は任意の傾斜平面内に受光器が配置されているか否かだけを判別していたので、1つのレーザ発光装置について、一度に2つ以上の平面を形成することはできなかった。これに対して、本発明による回転レーザ装置では、2つのファンビームレーザに対する高さを検出することができるため、受光センサ装置154を複数使用すれば、1回転中に複数の位置で任意の高さ設定が可能である。従って、1台の回転レーザ装置による複数位置での土木、建設作業が可能になり、複数の建設機械によってそれぞれ異なる整地作業を同時に行わせることができる。又同一の回転レーザ装置による各建設機械毎のレベル設定であるため、建設機械の誤動作がないという優れた効果を発揮する。
【0094】
(2)第2の実施形態
以下の説明は、主に本発明の第2の実施形態が本発明の第1の実施形態と異なる点について述べる。従って、以下に記載がない箇所は、前述した第1の実施形態についての説明をここに準用する。
【0095】
(2.1)位置測定装置の全体構成
本発明の第2の実施形態による位置測定装置の概略を説明する。図29に示すように、第2の実施形態による位置測定装置200は回転レーザ装置251と受光センサ装置254とを含む。回転レーザ装置251はファンビーム252及び253を射出しながら点Cを中心に回転し、受光センサ装置254はファンビーム252、253を受光する。ファンビームを射出する角度等はすべて第1の実施形態と同一である。
【0096】
(2.2)波長の異なる2つのファンビームレーザ光を射出する回転レーザ装置第2の実施形態による回転レーザ装置251を図30に示す。本発明の第2の実施形態においては、レーザ投光器203及びその回転部205以外の構成は第1の実施形態と同一である。第1の実施形態に対応するその他の図30に示す構成要素は、全て参照番号の百の位を2に換えて図示されている。
【0097】
本発明の第1の実施形態では異なる偏光を有する2つのファンビームを使用したが、本発明の第2の実施形態では異なる波長を有する2つのファンビームを使用する。
第2の実施形態では、回転レーザ装置251より射出される2つのファンビーム252、253を異なる波長にして、2つのファンビームを区別できるように構成する。このような構成によっても、2つのファンビームに異なる偏光を与えたのと同様の効果が得られる。
【0098】
第2の実施形態による回転レーザ装置251のレーザ投光器203及び回転部205を図31に示す。図31に示すように、レーザ投光器203には、2つのレーザ光線投光器232、243が内蔵されており、それらは各々異なる波長の光を射出する。レーザ光線投光器232及び243にレーザダイオードを使用した場合、各レーザ光は直線偏光になる。なお、図31では、レーザ光線投光器232が発したレーザ光の偏光方向を破線で指示し、レーザ光線投光器243の発したレーザ光の偏光方向を一点鎖線で指示している。各レーザ光は偏光ビームスプリッター242に入射される。偏光ビームスプリッター242はレーザ光線投光器232から射出されたX方向に偏光されたレーザ光を透過し、レーザ光線投光器243より射出されたX方向と直交するY方向に偏光されたレーザ光を反射するように構成される。偏光ビームスプリッター242を透過し、又は反射した各レーザ光は、共通のコリメートレンズ233によって平行光に形成され1/4波長板240に入射する。1/4波長板240は、レーザ投光器203から射出されるレーザ光がそれぞれ回転方向が異なる円偏光になるような方向に配置される。1/4波長板240を透過した各レーザ光は再び、回転部205に設けられた1/4波長板239に入射し、直線偏光になる。
【0099】
回転部205は回転自在に保持されているが、射出されたレーザ光が円偏光であるので回転の影響を受けることはなく、再度1/4波長板239を透過して直線偏光になった時の偏光方向は、前記1/4波長板239により決定される。1/4波長板239を透過した各レーザ光は偏光ビームスプリッター241に入射する。偏光ビームスプリッター241は、レーザ光線投光器232から射出されたレーザ光を反射し、レーザ光線投光器243から射出されたレーザ光を透過するように構成される。
【0100】
反射したレーザ光は、再度1/4波長板238に入射して円偏光となり、次にシリンダーミラー236により反射される。シリンダーミラー236は、レーザ光が回転部205より射出された際に水平面に対してαの角度になるように配置される。シリンダーミラー236から反射されたレーザ光は、再度1/4波長板238を透過して入射レーザ光に対し偏光方向が90°回転する。それにより、1/4波長板238を透過したレーザ光は、今度は、偏光ビームスプリッター241を透過することができ、回転部205より射出される。
【0101】
一方、偏光ビームスプリッター241を透過したレーザ光は、同様に再度1/4波長板237に入射して円偏光となり、次にシリンダーミラー235により反射される。シリンダーミラー235は、レーザ光が回転部205より射出した際に水平面に対しβの角度になるような方向に配置される。シリンダーミラー235によって反射されたレーザ光は、再度1/4波長板237を透過して入射レーザ光に対し偏光方向が90°回転する。それにより、1/4波長板237を透過したレーザ光は、今度は、偏光ビームスプリッター241によって反射され回転部205より射出される。
なお、偏光ビームスプリッター242には、ダイクロックミラーを使用することもできる。
【0102】
(2.3)受光センサ装置
本発明の第2の実施形態による受光センサ装置254の正面図を図32(a)に、そのA−A断面図を(b)に示す。波長の異なる光を識別する受光部以外の構成は本発明の第1の実施形態と同一である。本発明の第2の実施形態において、本発明の第1の実施形態に対応するその他の図32に示す構成要素は、全て参照番号の百の位を2に換えて図示されている。
図32に示すように、第2の実施形態による受光センサ装置254は、受光部255、256に入射したファンビーム252、253の波長を判別し、区別できるように構成される。受光部255、256は、入射レーザ光の波長に応じてレーザ光を透過し、又は反射するダイクロックミラー268、269を有する。ダイクロックミラー268、269を透過する光に対して受光部255c、256cを設け、反射する光に対して受光部255b、256bを設けて、入射レーザ光の波長を判別できるように構成する。
(2.4)第2の実施形態による位置測定装置の作動
本発明の第2の実施形態による位置測定装置200に対しても、本発明の第1の実施形態において説明した測定手順をそのまま適用することができる。
【0103】
(3)第3の実施形態
以下の説明は、主に本発明の第3の実施形態が本発明の第1の実施形態と異なる点について述べる。従って、以下に記載がない箇所は、前述した第1の実施形態についての説明をここに準用する。
(3.1)位置測定装置の全体構成
本発明の第3の実施形態による位置測定装置の概略を説明する。図33に示すように、第3の実施形態による位置測定装置300は回転レーザ装置351と受光センサ装置354とを含む。回転レーザ装置351はファンビーム352及び353を射出ながら点Cを中心に回転し、受光センサ装置354はファンビーム352、353を受光する。ファンビームを射出する角度等はすべて第1の実施形態と同一である。
【0104】
(3.2)異なる周波数で変調した2つのファンビームレーザ光を射出する回転レーザ装置
本発明の第3の実施形態による回転レーザ装置351を図34に示す。レーザ投光器303及び回転部305以外の構成は第1の実施形態と同一である。本発明の第3の実施形態において、本発明の第1の実施形態に対応するその他の図34に示す構成要素は、全て参照番号の百の位を3に換えて図示されている。
本発明の第1の実施形態では異なる偏光を有する2つのファンビームを使用したが、本発明の第3の実施形態では異なる周波数で変調した2つのファンビームを使用する。
【0105】
第3の実施形態では、回転レーザ装置351より射出される2つのファンビーム352、353に異なる周波数による変調を与え、2つのファンビームを区別できるように構成する。このような構成によっても、2つのファンビームに異なる偏光を与えたのと同様の効果が得られる。
【0106】
第3の実施形態による回転レーザ装置351のレーザ投光器303及び回転部305を図35に示す。図35に示すように、レーザ投光器303には、2つのレーザ光線投光器332、343が内蔵されており、それらは各々異なる周波数で変調された光を射出する。レーザ光線投光器332及び343にレーザダイオードを使用した場合、各レーザ光は直線偏光になる。なお、図35では、レーザ光線投光器332が発したレーザ光の偏光方向を破線で指示し、レーザ光線投光器343の発したレーザ光の偏光方向を一点鎖線で指示している。レーザ光線投光器332、343が発生したレーザ光を射出するための光学系は第2実施形態と同様である。
【0107】
(3.3)受光センサ装置
本発明の第3の実施形態による受光センサ装置354の正面図を図36(a)に、そのA−A断面図を(b)に示す。なお、異なる周波数により変調された光を識別する受光部以外の構成は第1の実施形態と同一である。本発明の第3の実施形態において、本発明の第1の実施形態に対応するその他の図36の構成要素は、全て参照番号の百の位を3に換えて図示されている。
図36に示すように、本発明の第3の実施形態による受光センサ装置354は、受光部355、356に入射したファンビーム352、353の変調周波数を受光状態判断部366で判別し、区別できるように構成される。受光部355、356は、入射レーザ光の変調周波数に応じてレーザ光を透過し、又は反射するビームスプリッター368、369を有する。ビームスプリッター368、369を透過した光に対して受光部355c、356cを設け、反射した光に対して受光部355b、356bを設けて、入射レーザ光の変調周波数を判別できるように構成する。
【0108】
(3.4)第3の実施形態による位置測定装置の作動
本発明の第3の実施形態による位置測定装置300に対しても、以下に説明する事項以外は、本発明の第1の実施形態において説明した測定手順をそのまま適用することができる。
(3.4.1)ファンビームの変調態様とその検出
2つのファンビーム352、353に与える変調について説明する。各ファンビームには、図37に示すように、異なる周期で点滅を繰り返すように変調を加えることができる。図38は、受光部で検出されるファンビーム352、353の一例を示したものである。各ファンビームの点滅周期には、各ファンビームを互いに区別できるように、十分な差を設けておく。また、点滅周期は、ファンビーム352、353が受光センサ装置354の受光部355、356を横切るのに要する時間taよりも十分に短くなるように設定する。受光部で検出されたファンビーム352、353の検出信号を、図38に破線で示したような周期の長い波として処理することにより、2つのファンビーム352、353の受光時間間隔t0を得ることができる。
【0109】
受光センサ装置には変調周波数判別回路を設けておき、ファンビーム352とファンビーム353とを区別して検出する。変調周波数判別回路では、所定の時間内に検出されるレーザビームのパルス数をカウントすることによって変調周波数を測定し、それにより2つのファンビームを区別する。2つのファンビーム352、353を区別して検出することができれば、受光センサ装置の受光部が1つだけの場合においても、受光センサ装置が水平基準面の上にあるのか、下にあるのかを一回の測定で判別することができる。
別の変調の与え方として、図39に示すように、ファンビーム352、353が交互に発光するように変調をかけても良い。このように変調をかけた場合には、図40に示すように受光時間間隔が短い場合でも、2つのファンビームを判別することができ、受光時間間隔t0を正確に検出することができる。
【0110】
更に別の変調の与え方として、図37の変調と図39の変調の特徴を併せ持つ変調を与えても良い。即ち、図41に示すように、ファンビーム352、353が交互に発光するように変調をかけ、さらに各ファンビームが点灯している周期の間に更に細かい周期で点滅を繰り返すように変調をかける。交互に点灯する周期の間に点滅を繰り返す細かい周期は、ファンビーム352と、ファンビーム353で異なる周期を持つように点滅周期を設定する。このような変調を与えると2つのファンビーム352、353を区別することができ、受光センサ装置が水平基準面の上にあるのか、下にあるのかを判別することができる。同時に、ファンビームの受光間隔が短い場合にも受光時間間隔t0を正確に検出することができる。
【0111】
(4)他の実施形態
(4.1)ファンビームの別の構成態様
以上の実施形態は全て、2つのファンビームを射出する回転レーザ装置について説明したが、3つ以上のファンビームレーザを同時に発生する回転レーザ装置を使用して位置測定装置を構成することもできる。その場合には、ファンビームの中から適当な2つのファンビームレーザ光を選択して、上記の実施形態と全く同様に測定を行うことができる。
【0112】
図42は、ファンビームの射出パターンの例である。図42(a)乃至(j)は受光センサ装置の方向から見たファンビームの断面であり、一点鎖線は水平基準面を表す。上記の実施形態では図42(a)は図1及び図2に示したファンビームの射出パターンであり、図42(b)は図17に示した射出パターンである。図42(c)乃至(j)は3つ以上のファンビームを射出する射出パターンの例である。各ファンビームは、ファンビームと水平基準面を表す一点鎖線との交点が等間隔になるように配置するのが良い。図42(a)及び図42(c)乃至(j)の射出パターンにおいては、受光センサ装置が水平面上にある場合にもファンビームが重ならないため、各ファンビームに異なる偏光等を与えなくても正確に受光時間間隔を計測することができる。
【0113】
また、図42(c)乃至(g)及び図42(i)(j)の射出パターンの場合には、3つのファンビームが順に検出されることによって生じる2つの時間間隔が水平面上において等しくなるため、水平基準面を容易に求めることができる。また、前記したようにファンビームの中から適当な2つのファンビームレーザ光を選択して、前記の実施形態と全く同様に測定を行うこともできるが、前記2つの時間間隔の比に対応する前記受光センサの水平面となす角度の組み合わせが1つであることから、2つの時間間隔の比により、直接時間比に対応する受光センサの水平面となす角度を求めることができる。2つのファンビームレーザ光だけでは、前記受光センサの水平面となす角度を求めるのに、必ず回転レーザ装置の回転周期Tが必要であったが、3つ以上のファンビームの場合には必要ない。これは、前記実施例が、回転レーザ装置の回転むら誤差に影響されず精度が良い測定が可能であることを示す。
【0114】
更に、図42(h)の射出パターンの場合には、4つのファンビームによって3つの受光時間間隔が形成されるため、それらを平均化することにより計測精度を向上させることができる。図42(i)(j)の射出パターンにおいては、水平面付近とそれ以外の部分で感度が変化する。即ち、水平面付近においては、受光センサ装置が水平面から少し外れると受光時間間隔が大きく変化するが、水平面から離れた所では、受光センサ装置を鉛直方向に移動させても受光時間間隔はあまり変化しない。これにより、受光時間間隔によって水平基準面を精度良く検出することが可能になる。なお、本明細書においては、図42(i)(j)の中央のレーザビームのような曲面又は折れ面状に広がるレーザビームもファンビームと呼ぶ。また、ファンビームレーザ光の傾斜角度は、曲面又は折れ面のファンビームにおいては面上の任意の点における接線の傾斜角度を言うものとする。
【0115】
受光したファンビームを基に水平基準面からの高さを求める計算は、図42(c)乃至(h)の射出パターンについては、任意の2つのファンビームに対して前記実施形態の計算手順を繰り返し適用することによって同様に行うことができる。図42(i)(j)の射出パターンについては計算手順を適宜変更して水平基準面からの高さを計算する。
【0116】
上記の射出パターンは全て、図6に示すように、ファンビームを射出する光学系の途中に適当な回折格子を配置することによって実現することができる。更に、回折格子を使用せずに上記の射出パターンを形成することもできる。図43は図42(c)のファンビームを形成する回転レーザ装置のレーザ投光器403及び回転部405の一実施形態である。図43は、第1の実施形態に対応する構成要素は全て百の位を4に換えて図示されている。レーザ光線はレーザ光線投光器432から射出され、コリメートレンズ433、1/4波長板440、439を通って偏光ビームスプリッター441に入射する。偏光ビームスプリッター441に入射したレーザ光の一部は透過し、1/4波長板437を通ってシリンダーミラー435によって反射され、再び1/4波長板437を通って、偏光ビームスプリッター441に入射する。入射したレーザ光は、今度はビームスプリッター441によって反射され、水平基準面に対してβ度傾斜したファンビーム453として射出される。
【0117】
一方、1/4波長板439を出て偏光ビームスプリッター441に入射したレーザ光の一部は、ビームスプリッター441によって反射され、1/4波長板438に入射する。1/4波長板438に入射したレーザ光はそれを通過し、偏角プリズム460を通ってシリンダーミラー436によって反射される。該シリンダーミラー436は鉛直方向に広がるファンビームを射出するような方向に配置される。シリンダーミラー436によって反射されたレーザ光は再び偏角プリズムに入射して、鉛直方向に広がる2つのファンビームに形成される。これらのファンビームは、更に1/4波長板438及びビームスプリッター441を通ってファンビーム452a、452bとして射出される。
【0118】
次に、図44を参照して、図42(c)の形状のファンビームを形成するための回転レーザ装置のレーザ投光器及び回転部の別の実施形態を説明する。本実施形態のレーザ投光器503は、レーザ光線投光器532と、コリメートレンズ533とを有する。また、本実施形態の回転部505は、3つの等倍ビームエキスパンダ562a、562b、562cと、3つのシリンドリカルレンズ564a、564b、564cと、3つのミラー566a、566b、566cと、を有する。
【0119】
レーザ光線投光器532から射出されたレーザ光は、コリメートレンズ533によって平行光にされる。コリメートレンズ533を透過したレーザ光は、回転部505の3つの等倍ビームエキスパンダ562a、562b、562cに入射する。各等倍ビームエキスパンダ562に入射した各レーザ光は、各々所定の偏角を与えられる。等倍ビームエキスパンダ562a、562b、562cを透過したレーザ光は、夫々、シリンドリカルレンズ564a、564b、564cによってファンビーム553、552b、552aに形成される。各シリンドリカルレンズ564a、564b、564cによってファンビームに形成されたレーザ光は、夫々、ミラー566a、566b、566cによって反射され、回転レーザ装置の回転軸と直交する方向に射出される。
【0120】
この際、レーザ光は、等倍ビームエキスパンダ562を透過し、ミラー566によって1回反射されるので、レーザ光が偏向される角度は、回転部505の透過偏角のみに依存する。従って、ファンビーム553、552b、552aの射出方向は、レーザ投光器503と回転部505との間のガタによる影響を受けることがない。適用によっては、レーザ投光器503から射出され、各等倍ビームエキスパンダ562に入射するレーザ光以外の光を遮断するために、等倍ビームエキスパンダ562の下方に遮光用のマスク(図示せず)を取付けても良い。或いは、レーザ光線投光器532から射出され、コリメートレンズ533に入射するレーザ光以外の光を遮断するために、レーザ光線投光器532とコリメートレンズ533との間に遮光用のマスク(図示せず)を取付けても良い。
【0121】
次に、図45及び図46を参照して、図42(c)の形状のファンビームを形成するための回転レーザ装置のレーザ投光器及び回転部の更に別の実施形態を説明する。本実施形態のレーザ投光器603は、レーザ光線投光器632と、コリメートレンズ633とを有する。また、本実施形態の回転部605は、3つの穴672a、672b、672cを有する遮光用のマスク672と、マスク672を通過したレーザ光を偏向させるためのペンタプリズム674と、ペンタプリズム674に取付けられ、ファンビームを形成するためのシリンドリカルレンズ675、676と、ペンタプリズム674に取付けられ、ペンタプリズム674から射出されたレーザ光を更に水平方向に偏向させるためのウエッジプリズム678と、を有する。
【0122】
レーザ光線投光器632から射出されたレーザ光は、コリメートレンズ633によって平行光にされる。コリメートレンズ633を透過したレーザ光は、回転部605の遮光用のマスク672に入射する。マスク672に設けられた穴672aを通過したレーザ光は、ペンタプリズム674に直接入射し、偏向される。図46に示すように、穴672aを通過し、ペンタプリズム674の底面に直接入射したレーザ光は、90゜偏向され、ペンタプリズム674の鉛直面から射出する。このレーザ光は、ペンタプリズム674の鉛直面に取付けられたシリンドリカルレンズ676に入射し、水平面に対して所定の角度傾斜したファンビーム653に形成される。一方、マスク672に設けられた穴672b、672cを通過したレーザ光は、ペンタプリズム674の底面に取付けられたシリンドリカルレンズ675に夫々入射してファンビームに形成され、ペンタプリズム674によって90゜偏向される。これらのレーザ光は、ペンタプリズム674の鉛直面のシリンドリカルレンズ676の下方に取付けられたウエッジプリズム678に入射して水平方向に偏向され、ファンビーム652a、652bとして射出される。
【0123】
この際、レーザ光は、ペンタプリズム674の中で夫々2回ずつ反射されるので、レーザ光が偏向される角度は、ペンタプリズム674の透過偏角のみに依存する。従って、ファンビーム653、652b、652aの射出方向は、レーザ投光器603と回転部605との間のガタによる影響を受けることがない。適用によっては、レーザ光線投光器632から射出され、コリメートレンズ633に入射するレーザ光以外の光を遮断するために、レーザ光線投光器632とコリメートレンズ633との間に遮光用のマスク(図示せず)を取付けても良い。
【0124】
(4.2)位置測定装置の他の構成
以上に、様々な実施形態の回転レーザ装置及び受光センサ装置を説明した。即ち、2つのファンビームが水平基準面上で交差する回転レーザ装置、水平面以外で交差する回転レーザ装置、3つ以上のファンビームを射出する回転レーザ装置、2つのファンビームに異なる偏光を持たせた回転レーザ装置、異なる周波数による変調若しくは異なる波長を持たせた回転レーザ装置、さらに、単一の受光部を有する受光センサ装置、2つ以上の受光部が鉛直方向若しくは水平方向並べられた受光センサ装置、異なる偏光のファンビームを識別することができる受光センサ装置、異なる周波数による変調若しくは異なる波長のファンビームを識別することができる受光センサ装置等である。当業者には明らかなように、本発明の示唆の範囲内で上記の実施形態を適宜組合せて位置測定装置を構成することができる。
【0125】
また、本発明による回転レーザ装置は、本発明による位置測定装置に含まれる受光センサ装置との組み合わせばかりでなく、単独で、或いは、従来技術の受光センサ装置と組み合わせる等して使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の位置測定装置の概略形態を示す斜視図である。
【図2】本発明による回転レーザ装置が射出するファンビームの広がりを示す三面図である。
【図3】本発明による回転レーザ装置の断面図である。
【図4】本発明による回転レーザ装置の他の実施形態である。
【図5】本発明による回転レーザ装置の更に別の実施形態である。
【図6】本発明の回転レーザ装置において、回折格子を通過したレーザビームがファンビームに形成される様子を表わす図である。
【図7】2つの異なる偏光を有するファンビームを使用する場合の本発明の位置測定装置の概略を示す斜視図である。
【図8】2つの異なる偏光を有するファンビームを使用する場合の本発明による回転レーザ装置の断面図である。
【図9】本発明による回転レーザ装置のレーザ投光器及び回転部の分解図である。
【図10】異なる波長のレーザ光を用いた角度信号投光器を有する本発明の回転レーザ装置の実施形態である。
【図11】2つのファンビームを発生させる本発明の回転レーザ装置の他の実施形態である。
【図12】2つのファンビームを発生させる本発明の回転レーザ装置の更に別の実施形態である。
【図13】本発明の回転レーザ装置の2つのファンビームを発生させるシリンダーレンズの実施形態である。
【図14】本発明の位置測定装置に含まれる受光センサ装置の正面図である。
【図15】本発明の位置測定装置に含まれる受光センサ装置の断面を表わす模式図である。
【図16】本発明の位置測定装置に含まれる受光センサ装置が検出する信号のグラフである。
【図17】本発明の回転レーザ装置の2つのファンビームが水平面内で交わる実施形態の斜視図である。
【図18】本発明の位置測定装置に含まれる2つの受光部と2つのファンビームとの位置関係を表わす図である。
【図19】図18の位置関係の場合に検出される信号のグラフである。
【図20】本発明の位置測定装置に含まれる受光センサ装置が傾斜した場合の2つの受光部と2つのファンビームとの位置関係を表わす図である。
【図21】本発明の位置測定装置に含まれる2つの受光部が水平方向に配置された場合の2つの受光部と2つのファンビームとの位置関係を表わす図である。
【図22】図21の位置関係の場合に検出される信号のグラフである。
【図23】本発明の回転レーザ装置の2つのファンビームの受光間隔が短い場合に受光部で検出される信号のグラフである。
【図24】本発明の位置測定装置に含まれる2つの異なる偏光のファンビームレーザを受光するための受光センサ装置の構成を示す図である。
【図25】角度位置送信用レーザ光の送信信号の一例を示す図である。
【図26】全方向受光可能な本発明の位置測定装置に含まれる受光センサ装置の実施形態である。
【図27】本発明の位置の測定手順を示すブロック図である。
【図28】本発明の他の位置の測定手順を示すブロック図である。
【図29】本発明の位置測定装置の第2の実施形態の概略を示す斜視図である。
【図30】本発明の第2の実施形態の回転レーザ装置の断面図である。
【図31】本発明の第2の実施形態の2つの波長のレーザ光線を使用する回転レーザ装置の分解図である。
【図32】第2の実施形態による回転レーザ装置を用いた場合に使用する受光器の受光部の構成を示す図である。
【図33】本発明の位置測定装置の第3の実施形態の概略を示す斜視図である。
【図34】本発明の第3の実施形態の回転レーザ装置の断面図である。
【図35】本発明の第3の実施形態の2つの異なる周波数で変調されたレーザ光線を使用する回転レーザ装置の分解図である。
【図36】本発明の第3の実施形態による回転レーザ装置を用いた場合に使用する受光器の受光部の構成を示す図である。
【図37】変調周波数の異なる2つのレーザ光の一例を示す図である。
【図38】受光部で検出された変調周波数の異なる2つのファンビームの一例を示す図である。
【図39】交互に発光するように変調された2つのレーザ光の一例を示す図である。
【図40】交互に発光するように変調された2つのレーザ光が、受光部で受光された際の信号の一例を示す図である。
【図41】交互に発光するように変調され、かつ変調周波数の異なる2つのレーザ光の一例を示す図である。
【図42】ファンビームレーザの射出パターンの例を示す図である。
【図43】3つのファンビームレーザ光を射出する投光器及び回転部を示す分解斜視図である。
【図44】3つのファンビームレーザ光を射出する投光器及び回転部の別の実施形態を示す分解斜視図である。
【図45】3つのファンビームレーザ光を射出する投光器及び回転部のまた別の実施形態を示す分解斜視図である。
【図46】ペンタプリズム内の光路を示す側面図である。
【図47】従来の回転レーザ装置の概略図である。
【符号の説明】
100:位置測定装置
101:ケーシング
102:凹部
103:レーザ投光器
104:球面座
105:回転部
106:走査モータ
107:駆動ギア
108:走査ギア
109:ペンタプリズム
110:傾斜機構
111:傾斜用モータ
112:傾斜用スクリュー
113: 傾斜ナット
114、115:駆動ギア
116:傾斜用アーム
117:エンコーダ
118、119:固定傾斜センサ
120:フランジ
121:ピポットピン
122:傾斜基板
123:角度信号送信機
125:傾斜設定機構
126:傾斜角設定モータ
127:傾斜設定スクリュー
128:ナットブロック
129、130:角度設定傾斜センサ
131:投光窓
132:レーザ光線投光器
133:コリメートレンズ
134:回折格子
135、136:シリンダーミラー
137、138、139、140: 1/4波長板
141、142:偏光ビームスプッリッター
143:レーザ光線投光器
144:シリンダーレンズロッド
144a、144b:シリンダーレンズ
145a、145b:シリンダーレンズ
146:ハーフミラー
147:シリンダーハーフミラー
148:ミラー
149:ダイクロックミラー
151:回転レーザ装置
152、153:ファンビーム
154:受光センサ装置
155:受光部
155a、 155b:受光部
156:受光部
156a、156b:受光部
157:表示部
158:固定ノブ
159:標尺
160:目盛
161:ブザー
162:入力キー
163:指標
164:筐体
165:記憶部
166: 受光状態判断部
167:標尺目盛読取部
168、169:偏光ビームスプッリッター
170:角度信号受信部
171:ダイクロックプリズム
172:角度信号投光器
173:受光素子
174:受光素子制御部
175:ファイバーシート
176:シリンドリカルフレネルレンズ
177:受光センサ制御部
178:外部通信部
179:外部コンピュータ
200:位置測定装置
251:回転レーザ装置
254:受光センサ装置
300:位置測定装置
351:回転レーザ装置
354:受光センサ装置
Claims (22)
- 水平面と交わる少なくとも2つのファンビームレーザ光を射出しながら所定の軸線を中心に前記ファンビームレーザ光を回転させるように構成された回転レーザ装置と、
前記ファンビームレーザ光を受光する少なくとも1つの受光部を有する受光センサ装置と、を含み、
前記ファンビームレーザ光のうちの少なくとも1つの傾斜角度は他のファンビームレーザ光の傾斜角度と異なり、前記ファンビームレーザ光を受光した前記受光部の受光状態に基づいて、前記受光センサ装置が前記回転レーザ装置に対する前記受光センサ装置の位置を測定するように構成され、
前記回転レーザ装置は、前記ファンビームレーザ光を射出する角度を検出する射出方向検出手段と、この射出方向検出手段によって検出された角度を前記受光センサ装置に送信する角度信号送信機とを更に有し、前記受光センサ装置は、前記角度のデータを受信する角度信号受信部を更に有することを特徴とする位置測定装置。 - 前記少なくとも2つのファンビームレーザ光の交線が所定の水平基準面内にあることを特徴とする、請求項1に記載の位置測定装置。
- 前記受光部が前記2つのファンビームレーザ光を受光した時間間隔に基づいて前記回転レーザ装置に対する前記受光センサ装置の位置を測定することを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載の位置測定装置。
- 前記回転レーザ装置は、偏光方向が互いに異なる少なくとも2つのファンビームレーザ光を射出することを特徴とする、請求項1から請求項3の何れか1項に記載の位置測定装置。
- 前記回転レーザ装置が、互いに異なる周波数で変調された少なくとも2つのファンビームレーザ光を射出することを特徴とする、請求項1から請求項3の何れか1項に記載の位置測定装置。
- 前記回転レーザ装置が、互いに異なる波長の少なくとも2つのファンビームレーザ光を射出することを特徴とする、請求項1から請求項3の何れか1項に記載の位置測定装置。
- 前記受光センサ装置が、前記ファンビームレーザ光を受光する2つの受光部を有することを特徴とする、請求項1から請求項6の何れか1項に記載の位置測定装置。
- 前記受光センサ装置が、前記ファンビームレーザ光を受光する3つ以上の受光部を有することを特徴とする、請求項1から請求項6の何れか1項に記載の位置測定装置。
- 前記受光センサ装置が、前記回転レーザ装置に対する前記受光センサ装置の位置を検出するための位置センサを更に有することを特徴とする、請求項1から請求項8の何れか1項に記載の位置測定装置。
- 前記位置センサが、GPS(Global Positioning System)であることを特徴とする、請求項9に記載の位置測定装置。
- 前記回転レーザ装置は、レーザ光線を射出するレーザ投光器と、このレーザ投光器に回転可能に取り付けられた回転部と、を備え、前記回転部は、前記レーザ投光器から射出されたレーザ光線を偏向させる少なくとも2つのペンタプリズムと、これらのペンタプリズムによって偏向されたレーザ光線を夫々ファンビームにする少なくとも2つのシリンダーレンズと、を備えることを特徴とする請求項1から請求項10の何れか1項に記載の位置測定装置。
- 前記回転レーザ装置は、レーザ光線を射出するレーザ投光器と、このレーザ投光器に回転可能に取り付けられた回転部と、を備え、前記レーザ投光器は、直線偏光のレーザ光線を夫々発する第1及び第2のレーザ光線投光器と、これらのレーザ光線投光器から射出された各レーザ光線が同一の方向に向けられるように偏向させる第1の偏光ビームスプリッターと、この第1の偏光ビームスプリッターから射出された各レーザ 光線を円偏光に変換する第1の1/4波長板と、を備え、前記回転部は、前記第1の1/4波長板により円偏光に変換された各レーザ光線を夫々直線偏光に変換する第2の1/4波長板と、この第2の1/4波長板によって夫々直線偏光に変換された各レーザ光線の一部を透過させ、一部を反射させる第2の偏光ビームスプリッターと、この第2の偏光ビームスプリッターによって反射されたレーザ光線を円偏光に変換する第3の1/4波長板と、この第3の1/4波長板によって円偏光に変換されたレーザ光線を第1のファンビームレーザ光として反射させる第1のシリンダーミラーと、前記第2の偏光ビームスプリッターを透過したレーザ光線を円偏光に変換する第4の1/4波長板と、この第4の1/4波長板によって円偏光に変換されたレーザ光線を、前記第1のファンビームレーザ光とは異なる角度に傾斜した第2のファンビームレーザ光として反射させる第2のシリンダーミラーと、を備えたことを特徴とする請求項1から請求項10の何れか1項に記載の位置測定装置。
- 更に、前記第3の1/4波長板と前記第1のシリンダーミラーの間に配置され、前記第1のシリンダーミラーによって反射されたファンビームレーザ光を2つに分割する偏角プリズムを備え、前記回転レーザ装置が3つのファンビームレーザ光を射出することを特徴とする請求項12に記載の位置測定装置。
- 前記第1及び第2のレーザ光線投光器は、偏光方向が互いに90゜異なる直線偏光のレーザ光線を発生することを特徴とする請求項12又は13に記載の位置測定装置。
- 水平面と交わる少なくとも2つのファンビームレーザ光を射出しながら所定の軸線を中心に前記ファンビームレーザ光を回転させる回転レーザ装置であって、
射出された前記ファンビームレーザ光のうちの少なくとも1つの傾斜角度は他のファンビームレーザ光の傾斜角度と異なり、
更に、ファンビームレーザ光を射出する角度を検出する射出方向検出手段と、この射出方向検出手段によって検出された角度を受光センサ装置に送信する角度信号送信機と、を有することを特徴とする回転レーザ装置。 - 前記少なくとも2つのファンビームレーザ光の交線が所定の水平基準面内にあることを特徴とする、請求項15に記載の回転レーザ装置。
- 偏光方向が互いに異なる少なくとも2つのファンビームレーザ光を射出することを特徴とする、請求項15に記載の回転レーザ装置。
- 互いに異なる周波数で変調された少なくとも2つのファンビームレーザ光を射出することを特徴とする、請求項15に記載の回転レーザ装置。
- 互いに異なる波長の少なくとも2つのファンビームレーザ光を射出することを特徴とする、請求項15に記載の回転レーザ装置。
- 前記ファンビームレーザ光の強度が、前記ファンビームレーザ光の各部分で異なっていることを特徴とする、請求項15に記載の回転レーザ装置。
- 前記ファンビームレーザ光を少なくとも3つ射出し、前記各ファンビームレーザ光と所定の水平基準面との交線が等間隔になっていることを特徴とする、請求項15に記載の回転レーザ装置。
- 前記少なくとも3つのファンビームレーザ光が、それらが受光される範囲内で互いに交差しないことを特徴とする、請求項21に記載の回転レーザ装置。
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