JP3996946B2 - 光学装置、および光学装置を用いて物体の寸法を測定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学装置、特に、物体（例えばコンクリート構造物の表面に発生したクラック）の寸法測定に好適に利用できる光学装置に関する。本発明はまた、そのような光学装置を用いて、物体の寸法を測定する方法に関する。

コンクリート構造物（例えば橋梁、トンネル、ビル）の劣化状態を診断する方法の一つとして、コンクリート表面に発生したクラックの幅（クラックの伝播方向と直交する方向の大きさ）を測定することが行われている。ところが、クラックの幅を測定するために従来から採られている方法は、通常のスケールやクラック幅測定用のクラックスケールをコンクリート表面に当ててクラックの幅を目視によって測定するものであったことから、測定場所が測定者の手の届く範囲に限られていた。また、特許文献１には、細長いロッドの先端にスケールやクラックスケールを取り付けたクラック測定装置が提案されているが、この装置で測定できる範囲もロッドの届く場所に限られており、例えば橋梁の桁やトンネルの天頂部に存在するクラックまで測定できるものではなかった。
特開平８−９４７５２号公報

このような事情から、例えばコンクリート構造物の高所部分に発生したクラックを測定するためには、高所作業車や梯子を使用せざるを得ず、そのために測定に多大な時間を要していた。当然、高所作業車や梯子を使用しても届かない高所のクラックは、測定できないという問題があった。

そこで、本発明は、物体、例えばコンクリート構造物のクラックのように、約０．１〜数ミリメートルの大きさを有する物体を、該物体から離れた場所（例えば、数メートル〜数百メートル離れた場所）から測定するための光学装置、および該光学装置を用いて物体の寸法を測定する方法に関する。

このような目的を達成するため、本発明に係る光学装置は、投影板（４６）を有する望遠鏡（１６）を備えた光学装置（１０）であって、上記投影板（４６）に、上記投影板（４６）に投影された物体（Ｃ）の像（Ｃ’）の大きさ（Ｗ）と対比するための参照スケール（５２）が複数設けてある。

本発明の光学装置において、上記複数の参照スケール（５２）は、上記望遠鏡（１６）の光軸（３８）と直交する方向または上記光軸（３８）を中心とする円周方向のいずれかの配列方向に間隔をあけて配列されている。

本発明の光学装置において、上記複数の参照スケール（５２）のそれぞれは上記投影板（４６）上で二次元方向に広がりを有するマークである。

本発明の光学装置において、上記複数の参照スケール（５２）のマークはそれぞれ、上記配列方向に関して、他の参照スケールのマークとは異なる大きさを有する。

本発明の他の形態の光学装置において、上記マークが四角又は円の平面形状を有する。

本発明の他の形態の光学装置は、上記複数の参照スケール（５２）の近傍に、上記複数の参照スケール（５２）の大きさに対応する指標（５４）がそれぞれ設けてある。

本発明の他の形態の光学装置において、上記光学装置（１０）はまた、上記望遠鏡（１６）の基準点（Ｐ_０）から上記望遠鏡（１６）で視準された物体（Ｃ）までの距離（Ｌ_０）を測定する測距手段（２０）を有する。

本発明の他の形態の光学装置において、上記測距手段（２０）はレーザ測距部又は超音波測距部を備えている。

本発明の他の形態の光学装置は、上記複数の参照スケール（５２）に関連する指標（５４）が入力される入力部（２２）と、上記入力部（２２）から入力された上記指標（５４）と上記測距手段（２０）で測定された距離（Ｌ_０）に基づいて上記物体（Ｃ）の寸法（Ｗ）を演算する演算手段（３２）を有する。

本発明の他の形態の光学装置は、上記演算手段（３２）で演算された上記物体（Ｃ）の寸法（Ｗ）を出力する出力部（２６）を有する。

本発明の他の形態の光学装置において、上記物体（Ｃ）の像（Ｃ’）が、コンクリート構造物に発生したクラックである。

本発明に係る、光学装置を用いて物体の寸法を測定する方法は、複数の参照スケール（５２）が設けられている投影板（４６）を備えた望遠鏡（１６）と、上記望遠鏡（１６）で視準された物体（Ｃ）から基準点（Ｐ_０）までの距離（Ｌ）を測定する測距部（２０）を備えた光学装置（１０）を用意する工程と、上記望遠鏡（１６）の投影板（４６）に投影された物体（Ｃ）の像（Ｃ’）と上記複数の参照スケール（５２）のうちの一つ又は複数とを比べて求められた値（５４）と上記測距部（２０）で測定された距離（Ｌ）に基づいて、上記物体（Ｃ）の寸法（Ｗ）を演算する工程を有する。

本発明の他の形態の測定方法は、
上記物体（Ｃ）がコンクリート構造物の表面（Ｑ）に発生したクラックであって、
上記第２の工程は、
上記距離（Ｌ_０）をもとに上記投影板（４６）からクラック（Ｃ）までの距離（Ｌ）を求める副工程と、
上記値（Ｗ’）、距離（Ｌ）、角度（θ）を用いて上記クラック（Ｃ）の幅（Ｗ）を求める副工程を備えている。
ここで、角度（θ）は、基準点（Ｐ _０ ）とクラック（Ｃ）を結ぶ線分（Ｐ _０ Ｃ _１ ）と上記表面（Ｑ）上にあって上記クラックの幅寸法と直交する方向に伸びる延長線（Ｌ _１ ）とを含む平面（Ｑ _０ ）と上記表面（Ｑ）との交角である。

本発明の他の形態の測定方法は、
上記物体（Ｃ）がコンクリート構造物の表面（Ｑ）に発生したクラックであって、
上記第２の工程は、
上記距離（Ｌ_０）をもとに上記投影板（４６）からクラック（Ｃ）までの距離（Ｌ）を求める副工程と、
上記表面（Ｑ）上にあって上記クラックの幅寸法と直交する方向に伸びる延長線（Ｌ_１）を仮想する副工程と、
上記延長線（Ｌ_１）上の少なくとも２点の座標〔Ｐ_１（１），Ｐ_１（２）〕と、上記表面上にある１点の座標〔Ｐ_１（３）〕を求める副工程と、
上記延長線（Ｌ_１）を定義する副工程と、
上記表面（Ｑ）を定義する副工程と、
上記基準点（Ｐ_０）から上記表面（Ｑ）に下ろした垂線（Ｌ_３）と上記表面（Ｑ）が交叉する第１の交点座標（Ｐ_０’）を求める副工程と
上記基準点（Ｐ_０）から上記延長線（Ｌ_１）に下ろした垂線（Ｌ_２）と上記延長線（Ｌ_１）が交わる第２の交点座標（Ｐ_０”）を求める副工程と、
上記基準点（Ｐ_０）と第２の交点座標（Ｐ_０”）を結ぶ線（Ｌ_２）と上記第１の交点座標（Ｐ_０’）と第２の交点座標（Ｐ_０”）を結ぶ線（Ｌ_４）とのなす角度（θ）を求める副工程と、
上記値（Ｗ’）、距離（Ｌ）、角度（θ）を用いて上記クラック（Ｃ）の幅（Ｗ）を求める副工程を備えている。

本発明のクラックの幅を測定する方法は、
複数の参照スケール（５２）が設けられている投影板（４６）を備えた望遠鏡（１６）と、上記望遠鏡（１６）で視準された平面（Ｑ）上のクラック部分（Ｃ_１）から基準点（Ｐ_０）までの距離（Ｌ_０）を測定する測距部（２０）を備えた光学装置（１０）を用意する第１の工程と、
上記望遠鏡（１６）の投影板（４６）に投影されたクラック像（Ｃ’）と上記複数の参照スケール（５２）のうちの一つ又は複数とを比べて求められた値（Ｗ’）と、上記測距部（２０）で測定された距離（Ｌ_０）を利用して、上記クラック部分（Ｃ_１）の幅寸法（Ｗ）を演算する第２の工程を備えている。

本発明の他の形態のクラックの幅を測定する方法は、
上記第２の工程が、
上記距離（Ｌ_０）をもとに上記投影板（４６）からクラック（Ｃ）までの距離（Ｌ）を求める副工程と、
上記値（Ｗ’）、距離（Ｌ）、角度（θ）を用いて上記クラック（Ｃ）の幅（Ｗ）を求める副工程を備えている。

本発明の他の形態のクラックの幅を測定する方法は、
上記第２の工程が、
上記クラック像（Ｃ’）の延長線（Ｌ_１）と上記基準点（Ｐ_０）を含む平面（Ｑ_０）と上記平面（Ｑ）との交角（θ）を求める副工程と、
上記距離（Ｌ_０）をもとに、上記投影板（４６）と上記クラック部分（Ｃ_１）との距離（Ｌ）を求める副工程と、
上記値（Ｗ’）、交角（θ）、距離（Ｌ）を用いて上記幅寸法（Ｗ）を求める副工程を備えている。

このような光学装置及び方法によれば、高所作業車や梯子を用いることなく、遠くにある物体、例えばコンクリートのクラックの寸法を測定できる。

以下、添付図面を参照して本発明に係る光学装置及びそれを用いた物体の寸法を測定する方法について説明する。なお、本件特許出願において、「光学装置」は、望遠鏡、望遠鏡を含む視準装置、視準機能と測距機能を備えた測量装置を含む。また、「物体」は、有限寸法の独立した物である必要はなく、物の一部又はそれに付随する有形物（例えば、コンクリート構造物に発生したクラックの一部分）を含む。ただし、発明の理解を容易にするために、以下の説明では、本発明を測量装置に組み入れた態様、またその測量装置を用いてコンクリート構造物に形成されたクラックの大きさ（幅）を測定する方法について説明する。

《１−１：測量装置》
図１は、本発明に係る光学装置を具体化したレーザ測量装置（トータルステーション）１０を示す。測量装置１０は、通常の測量装置と同様に、図示しない三脚に着脱自在に連結されて固定される基台１２と、垂直軸（Ｚ軸）を中心として回転可能に基台１２に連結された本体１４と、水平軸（Ｘ軸）を中心として回転可能に本体１４に連結された望遠鏡１６を備えている。測量装置１０は、３つの軸−垂直軸（Ｚ軸）、水平軸（Ｘ軸）、および望遠鏡１６の光軸３８に一致するＹ軸−が交叉する基準点（基準座標又は機械座標）Ｐ_０と、望遠鏡１６によって視準された物体１８との距離を測定する測距手段又は測距部（図２に符号２０で示されている。）を有する。実施の形態では、測量装置１０は、測量に必要なデータを入力するための入力部２２と、測量結果等を表示する表示部２４、入力部２２から入力されたデータや測量結果のデータを他の装置（例えば、コンピュータ２８）に出力する出力部２６を有する。

図２は、測量装置１０の構成を機能の観点から表したブロック図である。図示するように、測量装置１０は制御部３０を有する。制御部３０は、測距部２０、入力部２２、表示部２４、出力部２６と電気的に接続されており、後に詳細に説明するように、これら測距部２０、入力部２２、表示部２４、出力部２６を総合的に制御する。制御部３０は、物体の大きさ、例えば、コンクリート構造物に形成されたクラックの幅を演算するクラック幅演算部３２と、測量対象の空間座標、例えば、望遠鏡１６で視準された位置にあるクラック部分の三次元座標を演算する座標演算部３４、座標演算やクラック幅演算に必要なプログラムやデータを格納する記憶部３５を有する。その他、図示しないが、測量装置１０は、測量に必要な構成要素、例えば、整準器、測角部などを有する。

《１−２：望遠鏡》
図３は、望遠鏡１６の概略構成を示す。図示するように、望遠鏡１６は、鏡筒（図１に符号３６で示す。）内に、物体側から測量オペレータ側（図の左側から右側）に向かって、光軸３８に沿って順番に、対物レンズ４０、合焦レンズ４２、正立プリズム４４、焦点板（投影板）４６、接眼レンズ４８を備えており、視準された物体像（例えば、クラック像）が対物レンズ４０、合焦レンズ４２、正立プリズム４４を介して焦点板４６に結像され、それにより物体像が接眼レンズ４８を介してオペレータによって拡大観察されるようになっている。

《１−３：焦点板および参照スケール》
図４は、焦点板４６に描かれている視準指標の十字線５０と複数のマーク又は参照スケール５２を、焦点板４６に結像されて接眼レンズ４８を介して観察された物体像又はクラック像Ｃ’と共に示す。十字線５０の交点は、光軸３８に一致している。実施の形態では、複数（例えば、１６個）の参照スケール５２が、焦点板４６の周辺領域に形成されている。複数の参照スケール５２は、それぞれが大きな横寸法と小さな縦寸法を有する四角形又はストリップ形状のマークからなり、光軸と直交する上下方向に間隔をあけて一列に配列されている。図示するように、複数の帯状参照スケールの横方向の長さは同一である。一方、複数の帯状参照スケールの縦方向の寸法は異なり、最下段に配置された参照スケールの縦方向寸法が最も短く、最上段に配置された参照スケールの縦方向寸法が最も大きくなるように、より上段に位置する参照スケールの縦方向寸法がより大きくしてある。

実施の形態では、２段目から最上段までの参照スケール５２の縦方向寸法が、最下段の参照スケール５２の縦方向寸法の整数倍としてある。また、各参照スケール５２の横に、その参照スケールに対応する寸法指標５４の数値が描かれており、最上段の参照スケール５２（１）の横に寸法指標「１」、最下段の参照スケール５２（１６）の横に寸法指標「１６」が描かれている。寸法指標５４は数値である必要はなく、他の記号（例えば、アルファベット）であってもよい。各寸法指標５４の数値は対応する参照スケール５２の実際の縦寸法に関連しており、寸法指標５４と実際の縦寸法の関係が、テーブル又は数式の形で記憶部３５に記憶されている。したがって、オペレータが焦点板に投影された物体像と参照スケールを対比し、物体像と同一の大きさを有する参照スケール又は物体像に最も近い大きさを有する参照スケールの寸法指標の数値を入力部２２を通じて測量装置１０に入力すると、測量装置１０は焦点板４６に投影された物体像の大きさを計算できる。

《１−４：測距部》
図５を参照すると、測距部２０は、レーザ光を出力する、例えばレーザダイオードなどの発光部（レーザ装置）５８と、物体（例えば、クラック）からのレーザ反射光を受光する受光部６０と、レーザ光が発射されてから受光されるまでの時間をもとに、物体から基準点Ｐ_０までの距離を算出する演算部６２と、発光部５８から出射されたレーザ光を望遠鏡１６の光軸３８に沿って物体に案内すると共に光軸３８に沿って物体から帰ってくるレーザ光を受光部６０に案内する光学系６４を有する。図示するように、光学系６４の一部を構成するプリズム６６が望遠鏡１６の内部に配置されており、これによりレーザ光５６の進路が望遠鏡１６の光軸３８と一致させてある。なお、レーザ測距部２０における距離計算は、発光から受光までの時間を利用する方法に限るものでなく、例えば、両者の位相差から距離を求めることもできる。

《１−５：入力部》
図６に示すように、入力部２２は、複数のキー、例えばファンクションキー６８、テンキー７０、カーソル移動キー７２、エンターキー７４を有する。ここで、ファンクションキー６８は、後述するクラックの寸法測定における処理の実行を指示するために利用される。また、テンキー７０は、焦点板４６に描かれた寸法指標５４の数値を入力するために利用される。

《１−６：表示部》
図６に示すように、表示部２４は液晶ディスプレイ７６を有する。液晶ディスプレイ７６には、測距部２０で測定された数値（例えば、距離、方位角）、テンキー７０を介して入力された寸法指標５４の数値、クラック幅演算部３２で演算されたクラック幅、座標演算部３４で演算された座標値、測定結果その他の操作上必要な情報が表示される。

《１−７：出力部》
図１に示すように、出力部２６は、表示部２４に表示される種々の情報（測定結果等）を、そこに接続されたコンピュータ２８に出力する。

《２−１：計算方法の基本的考え》
以下、コンクリート構造物の表面に発生したクラックの幅を計算する方法の基本的な考えについて説明する。ただし、説明を容易にするために、まず、図７に示すように、高所に設置された測量装置１０で、その下方にある水平面（例えば、コンクリトート構造物の表面）Ｑに生じた一定幅Ｗの直線クラックＣを観察する状況を考える。図面上、クラックＣは相当大きな幅を有するものとして描かされているが、これは計算方法の理解を容易にするためである。ここで、クラックＣの長手方向に伸びる一方の縁線をＬ_Ｌ、他方の縁線をＬ_Ｒとする。クラックＣの一方の縁線Ｌ_Ｌと測量装置の基準点Ｐ_０を含む斜めの平面（図上、点Ｐ_０、Ｐ_Ｌ０、Ｐ_Ｌ２で形成される三角形を含む面。）をＱ_０とする。また、点Ｐ_０を通る矢印Ｄ_１方向の垂直平面（図上、点Ｐ_０、Ｐ_０ ^’、Ｐ_Ｌ０で形成される三角形を含む面。）をＱ_１とする。ここで、図示するように、点Ｐ_０ ^’は点Ｐ_０を通る垂線が平面Ｑ_０と交叉する点、点Ｐ_Ｌ０は斜め平面Ｑ_０と垂直平面Ｑ_１が交叉する縁線Ｌ_Ｌ上の点である。また、点Ｐ_Ｒ０は、点Ｐ_Ｌ０を通り、クラックＣを直角に横断する線が、他方の縁線Ｌ_Ｒと交叉する点である。

図８は、この状況で測量装置１０の望遠鏡１６の焦点板４６に投影される画像を示す。図上、符号Ｃ’はクラックＣの投影像を示し、符号Ｗ’は投影されたクラック像Ｃ’の幅を示す。符号Ｐ_Ｌ０’，Ｐ_Ｒ０’，Ｐ_Ｐ１’，Ｐ_Ｍ１’はそれぞれ図７の点Ｐ_Ｌ，Ｐ_Ｒ０，Ｐ_Ｐ１，Ｐ_Ｍ１に対応する投影点を示す。線Ｌ_Ｌ’，Ｌ_Ｒ’はそれぞれ図７の縁線Ｌ_Ｌ，Ｌ_Ｒに対応する投影線を示す。符号Ｑ_０’、Ｑ_１’はそれぞれ図７の平面Ｑ_０，Ｑ_１を焦点板４６に投影した線である。図示するように、焦点板４６上において、平面Ｑ_１の投影像Ｑ_１’はクラック像Ｃ’を斜めに横切る。また、クラックＣの実際の横幅Ｗに対応した、点Ｐ_Ｌ０，Ｐ_Ｒ０を結ぶ線の投影線は、投影点Ｐ_Ｌ０’，Ｐ_Ｒ０’を通り、クラック像Ｗ’を斜めに横切る線である。なお、図８に表示された複数の線のうち、線Ｌ_Ｌ’，Ｌ_Ｒ’以外の線（例えば、投影線Ｑ_１’、点Ｐ_Ｌ０’とＰ_Ｒ０’を結ぶ線、点Ｐ_Ｍ１’と点Ｐ_Ｒ１’を結ぶ線）は、実際には焦点板４６に表れない線である。

焦点板４６上で、実際のクラックＣの横幅Ｗに対応する線は、クラック像Ｃ’を斜めに横断する線（点Ｐ_Ｌ０’と点Ｐ_Ｒ０’を結ぶ線）であって、クラック像Ｃ’を直角に横断する線（点Ｐ_Ｌ０’と点Ｐ_Ｒ１’を結ぶ線）ではない。このクラック像Ｃ’を直角に横断する線は、図７に示すように、他方の縁線Ｌ_Ｒ上の任意の点（例えば、点Ｐ_Ｒ１）から、斜めの平面Ｑ_０に垂線を下ろしたとき、この垂線が斜めの平面Ｑ_０に交叉する点Ｐ_Ｍ１と点Ｐ_Ｒ１とを結ぶ垂線を投影したものであり、焦点板４６に表れたクラック像の幅を用いて実際のクラックの幅を求める本発明では、観察者が焦点板４６から読み取るクラック像の幅Ｗ’はこの垂線の長さである。

図７に示すように、点Ｐ_０、Ｐ_０’を含み、クラックＣと直角に交叉する三角形の垂直平面Ｑ_２を考える。図示するように、垂直平面Ｑ_２と縁線Ｌ_Ｌ，Ｌ_Ｒが交叉する点がそれぞれ点Ｐ_Ｌ２，Ｐ_Ｒ２である。また、縁線Ｌ_Ｒと垂線（点Ｐ_Ｒ１、Ｐ_Ｍ１を結ぶ線）を含む四角形の平面Ｑ_３を考える。図示するように、平面Ｑ_２と平面Ｑ_３の交叉する線が点Ｐ_Ｍ２と点Ｐ_Ｒ２を結ぶ線（垂線）として与えられる。ここで、点Ｐ_Ｍ２と点Ｐ_Ｒ２を結ぶ垂線は、点Ｐ_Ｍ１と点Ｐ_Ｒ１を結ぶ垂線と平行で且つ同じ長さを有する。この関係を利用すると、縁線Ｌ_Ｌ、Ｌ_Ｒと平行な方向Ｄ_２（図７参照）から平面Ｑ_１，Ｑ_２を見た図９に示すように、クラック像Ｃ’の幅Ｗ’を基に点Ｐ_Ｍ２と点Ｐ_Ｒ２を結ぶ垂線の長さＷ”を求め、この長さＷ”から実際のクラックＣの幅Ｗを求めることができる。

《２−２：クラック幅Ｗの計算》
垂線長Ｗ”は、焦点板４６に結像されたクラック像Ｃ’の幅Ｗ’と、焦点板４６からクラックＣまでの距離Ｌとの積に略比例し、以下の数式１で与えられる。

式中、係数αは、望遠鏡の光学系によって定まる定数で、例えば対物レンズの倍率などによって定まる値である。物体（クラック）から焦点板までの距離Ｌは、測距部で得られる距離測量の結果をもとに得られる。具体的に説明すると、測量装置１０において、基準点Ｐ_０から焦点板４６までの距離ΔＬは既知である。また、基準点Ｐ_０からクラックまでの距離Ｌ_０は測距部２０で求められる。これらの値をもとに、クラック幅演算部３２は、物体から焦点板までの距離Ｌ（＝Ｌ_０＋ΔＬ）を計算する。

焦点板４６に結像したクラック像Ｃ’の幅Ｗ’は、入力部２２を通じてオペレータが入力する寸法指標（例えば、「１」〜「１６」の値）に基づいて得られる。具体的に説明すると、上述のように、焦点板４６に描かれた寸法指標とその実際の縦方向寸法の関係が、テーブル又は数式の形で記憶部３５に記憶されている。したがって、オペレータが焦点板に投影されたクラック像Ｃ’の幅Ｗ’と参照スケールを対比し、幅Ｗ’と同一の大きさ（縦寸法）を有する参照スケール又はクラック像に最も近い大きさ（縦寸法）を有する参照スケールの寸法指標を入力部２２から入力すると、クラック幅演算部３２は記憶部３５のテーブル又は関係式に基づいて焦点板４６上のクラック像の幅Ｗ’を計算する。例えば、オペレータが寸法指標「１０」を入力部２２から入力すると、クラック幅演算部３２は実際のクラック像の幅を「５μｍ」と計算する。

留意すべきことは、数式１は理想的な式で、そこでは垂線長Ｗ”はクラック像Ｃ’の幅Ｗ’と焦点板４６からクラックまでの距離Ｌに比例するものとして表されているが、現実の光学系は種々の収差を含むことから、実際の計算には数式１を変形した下記の数式２を用い、この数式２に含まれる係数α_１，α_２の値を実験的に求めることが好ましい。

ここで、図９に示すように、垂線長Ｗ”と実際のクラックＣの幅Ｗは以下の数式３の関係を有する。

角度θは、例えば、図７において、点Ｐ_０と点Ｐ_Ｌ２を結ぶ線と、点Ｐ_０’と点Ｐ_Ｌ２を結ぶ線とが交叉する角度、また平面ＱとＱ_０の交角である。角度θの求め方は後に説明する。

数式２，３から以下の数式４が得られる。

係数α_１，α_２は、例えば、次の手順によって求めることができる。まず、壁面に異なる大きさ（幅）Ｗ’の複数（ｎ個）のマーク（例えば、長方形のマーク）を描き、各マークの幅Ｗ（Ｗ_１・・・Ｗ_ｎ）を測定する。次に、測量装置を設置し、測量装置（基準点Ｐ_０）から各マークまでの距離Ｌ（Ｌ_１・・・Ｌ_ｎ）を測定する。また、焦点板に投影された各マークの大きさ（寸法指標）Ｗ’（Ｗ_１’・・・Ｗ_ｎ’）を読み取る。さらに、各マークについて角度θを求める。続いて、これら４つの値（Ｌ、Ｗ，Ｗ’，θ）を統計処理（例えば、最小二乗法）して、係数α_１，α_２を求める。または、係数α_１，α_２は、壁面に所定の大きさ（幅）Ｗのマークを一つ描き、壁面から測量装置までの距離Ｌ（Ｌ_１・・・Ｌ_ｎ）を変更し、各距離について寸法指標Ｗ’（Ｗ_１’・・・Ｗ_ｎ’）を読み取り、それらの値（Ｌ、Ｗ，Ｗ’，θ）を統計処理して求めることもできる。さらに、壁面上の同一箇所に複数のマークを代わる代わる描き、つまり、距離Ｌと角度θを一定に保ち、幅Ｗ，Ｗ’の関係から係数α_１，α_２を求めることもできる。以上のようにして計算された係数α_１，α_２は、記憶部３５に記憶されている。

数式４に代えて、個々の光学装置に固有の機械誤差等を考慮した補正定数α_３を加えた以下の数式５を用いることもできる。

《２−３：角度θの計算》
図１に示すように、コンクリート構造物の表面に発生するクラックの進行方向は不特定であり、曲がりくねった形をしている。したがって、実際のクラック幅の測定にあたっては、図１１に示すように、焦点板４６に投影されたクラックにおける、クラック幅を測定しようとするクラック部分Ｃ_１の延長線Ｌ_１を仮定する。この延長線Ｌ_１は、測定対象のクラック部分Ｃ_１の幅方向と直交する方向に伸びる線である。具体的に、延長線Ｌ_１は、その延長線Ｌ_１上に存在すると思われる構造物表面上の２点を特定することにより計算できる。図上、特定された点をＰ_１（１），Ｐ_１（２）で示す。後に説明するように、クラック部分Ｃ_１が存在しているコンクリート表面の関数を定義する必要から、このときクラック部分Ｃ_１の近傍にある第３の点Ｐ_１（３）を併せて特定する。図１０では、点Ｐ_１（１），Ｐ_１（２），Ｐ_１（３）の投影点がそれぞれＰ_１（１）’，Ｐ_１（２）’，Ｐ_１（３）’で示してある。

次に、測量装置を用いて、３つの点Ｐ_１（１），Ｐ_１（２），Ｐ_１（３）についてそれぞれの座標（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１），（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２），（ｘ_３，ｙ_３，ｚ_３）を求める。このとき、測量装置は、その基準点Ｐ_０と、該基準点から各点までの斜距離及び方位角とを用いて、計算する。

計算された２点Ｐ_１（１），Ｐ_１（２）の座標（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１），（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）を用いて、クラック延長線Ｌ_１の関数を求める。例えば、この延長線Ｌ_１は、以下の数式６で定義される。

コンクリート表面の関数は、３点Ｐ_１（１），Ｐ_１（２），Ｐ_１（３）の座標（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１），（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２），（ｘ_３，ｙ_３，ｚ_３）を用いて、例えば数式７で定義される。

図１１に示す、基準点Ｐ_０（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）から延長線Ｌ_１に下ろした垂線Ｌ_２の関数と、延長線Ｌ_１と垂線Ｌ_２との交点の座標Ｐ_０”（ｘ_０”，ｙ_０”，ｚ_０”）を求める。座標Ｐ_０”は、延長線Ｌ_１上にあって、基準点Ｐ_０との距離が最小となる点であるから、基準点Ｐ_０との距離が最小となる延長線Ｌ_１上の点Ｐ_０”を計算し、この点Ｐ_０”と基準点Ｐ_０を結ぶ直線として求めることができる。例えば、垂線Ｌ_２は、以下の数式８で定義される。

次に、基準点Ｐ_０（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）から平面Ｑ（または平面を含む仮想の平面）に下ろした垂線Ｌ_３の関数と、平面Ｑと垂線Ｌ_３との交点Ｐ_０’の座標Ｐ_０’（ｘ_０’，ｙ_０’，ｚ_０’）を求める。座標Ｐ_０’は、平面Ｑ上にあって、基準点Ｐ_０との距離が最小となる点であるから、基準点Ｐ_０との距離が最小となる平面上の点Ｐ_０’を計算し、この点Ｐ_０’と基準点Ｐ_０を結ぶ直線として求めることができる。例えば、垂線Ｌ_３は、以下の数式９で定義される。

点Ｐ_０’（ｘ_０’，ｙ_０’，ｚ_０’）と点Ｐ_０”（ｘ_０”，ｙ_０”，ｚ_０”）を結ぶ垂線Ｌ_４を求める。例えば、垂線Ｌ_４は、以下の数式１０で定義される。

垂線Ｌ_２とＬ_４の交角θを求める。なお、交角θは、３点Ｐ_０、Ｐ_０”、Ｐ_０’を結ぶ角度であるから、これら３つの座標から計算することも可能である。

《２−２：クラック幅の測定》
コンクリート構造物の表面に発生したクラックの幅の測定について、図１２のフローチャートを参照して詳細に説明する。

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

ステップＳ１０２：測定対象のクラック部分Ｃ_１（図１１参照）を望遠鏡１６で視準する。

ステップＳ１０３：焦点板４６上にクラック部分Ｃ_１の像が鮮明に結像されるように、合焦レンズ４２を調整する。

ステップＳ１０４：入力部２２の測距キー（ファンクションキー）をオンする。制御部３０は、そのオン信号に基づいて測距部２０を駆動し、基準点Ｐ_０からクラック部分Ｃ_１の距離Ｌ_０を測定する。測定された距離Ｌ_０は記憶部３５に記憶される。このとき、距離Ｌ_０と共に又は距離Ｌ_０に代えて、距離Ｌ_０とΔＬを基に焦点板からクラックまでの距離Ｌを計算し、この値Ｌを記憶部３５に記憶することが好ましい。

ステップＳ１０５：クラック部分Ｃ_１のクラック延長線Ｌ_１を平面（コンクリート表面）Ｑ上に仮想し、この延長線Ｌ_１上の２点Ｐ_１（１），Ｐ_１（２）とクラック部分Ｃ_１の近傍にある平面上の別の１点Ｐ_１（３）を視準してそれぞれの座標（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１），（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２），（ｘ_３，ｙ_３，ｚ_３）を求める。測定された座標は記憶部３５に記憶される。

ステップＳ１０６：望遠鏡１６を水平方向及び／又は垂直方向に動かし、クラック像Ｃ’の近傍に参照スケール５２を配置する、またはクラック像Ｃ’に参照スケール５２を重ねる。

ステップＳ１０７：クラック像Ｃ’の幅と同一又はそれに最も近い大きさの参照スケール５２の寸法指標を読み取る。

ステップＳ１０８：読み取った寸法指標５４を入力部２２から入力する。

ステップＳ１０９：制御部３０のクラック幅演算部３２は、入力された寸法指標と、記憶部３５のテーブル又は関係式をもとに、焦点板４６に投影されたクラック像Ｃ’の幅寸法Ｗ’を計算する。計算された幅Ｗ’は記憶部３５に記憶される。

ステップＳ１１０：クラック幅演算部３２はまた、基準点Ｐ_０、測点Ｐ_１（１），Ｐ_１（２），Ｐ_１（３）の座標を用いて、上述のようにして角度θを計算する。

ステップＳ１１１：クラック幅演算部３２は、距離Ｌ、係数α_１，α_２、クラック像幅Ｗ’を用いて、クラックＣの幅Ｗを計算する。

ステップＳ１１２：計算されたクラック幅Ｗを、表示部２４の液晶ディスプレイに表示する。出力部２６にコンピュータ２８が接続されている場合、このコンピュータ２８にクラック幅Ｗを送信する。

《５：変形例》
以上、本発明に係る寸法測定装置を説明したが、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々改変可能である。

例えば、以上の説明では、測定クラックを有する壁面に対して測量装置１０の光軸３８が斜めに交差する場合についてそのクラックの幅を正確に計算する方法を説明したが、壁面に対して光軸が直交しない場合であっても、簡易的に数式１１を用いてクラックの幅を計算してもよい。

また、クラック幅演算部は、測量装置１０の出力部２６に接続された外部装置、例えばコンピュータ２８に設け、このコンピュータ２８に格納されているプログラムに基づき、上述した計算プロセスに基づいてコンピュータ２８がクラック幅を計算してもよい。この場合、測距部２０の測定結果（基準点から物体までの距離）は測量装置１０からコンピュータ２８に送信される。また、参照スケール５２の寸法指標（数値）は、コンピュータ２８に直接入力してもよい。そして、コンピュータ２８は、上述した計算プロセスに基づいて、寸法指標と物体像寸法との関係を示すテーブル又は数式に基づいて、寸法指標から物体像の大きさを計算する。また、物体像の大きさと距離から物体の実寸法を計算する。

参照スケールの形、配置（場所、方向）は、上述した図４の形態に限るものでない。例えば、図１３に示す実施形態では、複数の参照スケールが左右方向に配置されており、それらに参照スケールに付随する寸法指標の数値が参照スケールの上に配置されている。図１４に示す実施形態では、複数の参照スケールが、光軸を中心とする径方向に配置されている。図１５に示す実施形態では、各参照スケールは、光軸を中心とする周方向に伸びている。ここで、各参照スケールは、ほぼ円の形をしているが、周方向に所定角度だけ伸びる、円弧状であってもよい。図１６に示す実施形態では、焦点板の上部領域に、横幅の小さな複数の参照スケールが配置され、焦点板の下部領域に、横幅がより大きな複数の参照スケールが、径方向に配置されている。図１７に示す実施形態では、複数の参照スケールは同一の横幅を有し、例えば光軸と直交する水平方向に目盛が設けてある。図１８、図１９に示す実施形態では、各参照スケールが、中実、中空の円で表されている。このように、参照スケールの形と配列方向は、焦点板に投影されている物体像の大きさの読み取りがより簡単にできるように、自由に変更することができる。また、複数の参照スケール配列を設けることにより、望遠鏡の移動を最小限に抑えることができる。図２０、図２１に示す実施形態では、中実円又は中空円の参照スケールが、光軸を中心とする一つ又は複数の円周上に、好ましくは等間隔に配置されている。

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

上記実施形態では、参照スケールの寸法指標を入力部から入力するものとしたが、寸法指標と物体像寸法との関係を示すテーブルを用意しておき、そのテーブルから得られた物体像寸法を入力部から入力するようにすることもできる。

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

さらに、以上、本発明に係る光学装置を用いてクラックの大きさを測定する方法を説明したが、測定対象はクラックに限るものでなく、あらゆる物が測定対象となり得る。

本発明の光学装置の実施形態である測量装置の斜視図。 図１に示す測量装置の構成と機能を示すブロック図。 図１に示す測量装置の望遠鏡の概略構成を示す断面図。 図３に示す焦点板に投影された物体（クラック）と参照スケールを示す図。 図２に示す測距部の構成と機能を示すブロック図。 図１に示す入力部と表示部の詳細を示す図。 物体幅又はクラック幅を測定する原理を説明する図。 望遠鏡の焦点板に投影されたクラックを拡大した図。 クラック幅、クラック像幅、角度の関係を示す図。 望遠鏡の焦点板に投影されたクラックと、延長線（仮想線）、計測点を示す図。 角度の計算方法を示す図。 クラック幅を求めるプロセスを示すフローチャート。 焦点板に形成された参照スケール、寸法指標の他の例を示す図。 焦点板に形成された参照スケール、寸法指標の他の例を示す図。 焦点板に形成された参照スケール、寸法指標の他の例を示す図。 焦点板に形成された参照スケール、寸法指標の他の例を示す図。 焦点板に形成された参照スケール、寸法指標の他の例を示す図。 焦点板に形成された参照スケール、寸法指標の他の例を示す図。 焦点板に形成された参照スケール、寸法指標の他の例を示す図。 焦点板に形成された参照スケール、寸法指標の他の例を示す図。 焦点板に形成された参照スケール、寸法指標の他の例を示す図。

符号の説明

１０：レーザ測量装置（トータルステーション）、１２：基台、１４：本体、１６：望遠鏡、１８：物体、２０：測距部、２２：入力部、２４：表示部、２６：出力部、２８：コンピュータ、３０：制御部、３２：クラック幅演算部、３４：座標演算部、３５：記憶部、３６：鏡筒、３８：光軸、４０：対物レンズ、４２：合焦レンズ、４４：正立プリズム、４６：焦点板（投影板）、４８：接眼レンズ、５０：十字線、５２：参照スケール、５４：数値指標、５６：レーザ光、５８：発光部、６０：受光部、６２：演算部、６４：光学系、６６：プリズム、６８：ファンクションキー、７０：テンキー、７２：カーソル移動キー、７４：エンターキー、７６：液晶ディスプレイ、Ｃ’：クラック像。

Claims (14)

1. 投影板（４６）を有する望遠鏡（１６）を備えた光学装置（１０）であって、
   上記投影板（４６）に、上記投影板（４６）に投影された物体（Ｃ）の像（Ｃ’）の大きさ（Ｗ’）と対比するための参照スケール（５２）が複数設けてあり、
   上記複数の参照スケール（５２）は、上記望遠鏡（１６）の光軸（３８）と直交する方向または上記光軸（３８）を中心とする円周方向のいずれかの配列方向に間隔をあけて配列されており、
   上記複数の参照スケール（５２）のそれぞれは、上記投影板（４６）上で二次元方向に広がりを有するマークであり、
   上記複数の参照スケール（５２）のマークはそれぞれ、上記配列方向に関して、他の参照スケールのマークとは異なる大きさを有することを特徴とする光学装置。
2. 上記マークが四角又は円の平面形状を有することを特徴とする請求項１の光学装置。
3. 上記複数の参照スケール（５２）の近傍に、上記複数の参照スケール（５２）の大きさに対応する指標（５４）がそれぞれ設けてあることを特徴とする請求項１または２の光学装置。
4. 上記光学装置（１０）はまた、上記望遠鏡（１６）の基準点（Ｐ_０）から上記望遠鏡（１６）で視準された物体（Ｃ）までの距離（Ｌ_０）を測定する測距手段（２０）を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかの光学装置。
5. 上記測距手段（２０）がレーザ測距部又は超音波測距部を備えていることを特徴とする請求項４の光学装置。
6. 上記複数の参照スケール（５２）に関連する指標（５４）が入力される入力部（２２）と、上記入力部（２２）から入力された上記指標（５４）と上記測距手段（２０）で測定された距離（Ｌ _０ ）に基づいて上記物体（Ｃ）の寸法（Ｗ）を演算する演算手段（３２）を備えたことを特徴とする請求項４または５の光学装置。
7. 上記演算手段（３２）で演算された上記物体（Ｃ）の寸法（Ｗ）を出力する出力部（２６）を備えたことを特徴とする請求項６の光学装置。
8. 上記物体（Ｃ）の像（Ｃ’）が、コンクリート構造物に発生したクラックであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかの光学装置。
9. 複数の参照スケール（５２）が設けられている投影板（４６）を備えた望遠鏡（１６）と、上記望遠鏡（１６）で視準された物体（Ｃ）から基準点（Ｐ_０）までの距離（Ｌ_０）を測定する測距部（２０）を備えた光学装置（１０）を用意する第１の工程と、
   上記望遠鏡（１６）の投影板（４６）に投影された物体（Ｃ）の像（Ｃ’）と上記複数の参照スケール（５２）のうちの一つ又は複数とを比べて求められた値（Ｗ’）と上記測距部（２０）で測定された距離（Ｌ_０）を利用して、上記物体（Ｃ）の寸法（Ｗ）を演算する第２の工程を備えたことを特徴とする、光学装置を用いて物体の寸法を測定する方法。
10. 上記物体（Ｃ）がコンクリート構造物の表面（Ｑ）に発生したクラックであって、
    上記第２の工程は、
    上記距離（Ｌ_０）をもとに上記投影板（４６）からクラック（Ｃ）までの距離（Ｌ）を求める副工程と、
    上記値（Ｗ’）、距離（Ｌ）、角度（θ）を用いて上記クラック（Ｃ）の幅（Ｗ）を求める副工程を備えており、
    上記角度（θ）が、基準点（Ｐ _０ ）とクラック（Ｃ）を結ぶ線分（Ｐ _０ Ｃ _１ ）と上記表面（Ｑ）上にあって上記クラックの幅寸法と直交する方向に伸びる延長線（Ｌ _１ ）とを含む平面（Ｑ _０ ）と上記表面（Ｑ）との交角であることを特徴とする請求項９の方法。
11. 上記物体（Ｃ）がコンクリート構造物の表面（Ｑ）に発生したクラックであって、
    上記第２の工程は、
    上記距離（Ｌ_０）をもとに上記投影板（４６）からクラック（Ｃ）までの距離（Ｌ）を求める副工程と、
    上記表面（Ｑ）上にあって上記クラックの幅寸法と直交する方向に伸びる延長線（Ｌ_１）を仮想する副工程と、
    上記延長線（Ｌ_１）上の少なくとも２点の座標〔Ｐ_１（１），Ｐ_１（２）〕と、上記表面上にある１点の座標〔Ｐ_１（３）〕を求める副工程と、
    上記座標〔Ｐ_１（１），Ｐ_１（２）〕を用いて上記延長線（Ｌ_１）を定義する副工程と、
    上記座標〔Ｐ_１（１），Ｐ_１（２），Ｐ_１（３）〕を用いて上記表面（Ｑ）を定義する副工程と、
    上記基準点（Ｐ_０）から上記表面（Ｑ）に下ろした垂線（Ｌ_３）と上記表面（Ｑ）が交叉する第１の交点座標（Ｐ_０’）を求める副工程と
    上記基準点（Ｐ_０）から上記延長線（Ｌ_１）に下ろした垂線（Ｌ_２）と上記延長線（Ｌ_１）が交わる第２の交点座標（Ｐ_０”）を求める副工程と、
    上記基準点（Ｐ_０）と第２の交点座標（Ｐ_０”）を結ぶ線（Ｌ_２）と上記第１の交点座標（Ｐ_０’）と第２の交点座標（Ｐ_０”）を結ぶ線（Ｌ_４）とのなす角度（θ）を求める副工程と、
    上記値（Ｗ’）、距離（Ｌ）、角度（θ）を用いて上記クラック（Ｃ）の幅（Ｗ）を求める副工程を備えていることを特徴とする請求項１０の方法。
12. 複数の参照スケール（５２）が設けられている投影板（４６）を備えた望遠鏡（１６）と、上記望遠鏡（１６）で視準された平面（Ｑ）上のクラック部分（Ｃ_１）から基準点（Ｐ_０）までの距離（Ｌ_０）を測定する測距部（２０）を備えた光学装置（１０）を用意する第１の工程と、
    上記望遠鏡（１６）の投影板（４６）に投影されたクラック像（Ｃ’）と上記複数の参照スケール（５２）のうちの一つ又は複数とを比べて求められた値（Ｗ’）と、上記測距部（２０）で測定された距離（Ｌ_０）を利用して、上記クラック部分（Ｃ_１）の幅寸法（Ｗ）を演算する第２の工程を備えたことを特徴とする、光学装置を用いてクラックの幅を測定する方法。
13. 上記第２の工程は、
    上記距離（Ｌ_０）をもとに上記投影板（４６）からクラック（Ｃ）までの距離（Ｌ）を求める副工程と、
    上記値（Ｗ’）、距離（Ｌ）、角度（θ）を用いて上記クラック（Ｃ）の幅（Ｗ）を求める副工程を備えており、
    上記角度（θ）が、基準点（Ｐ _０ ）とクラック（Ｃ）を結ぶ線分（Ｐ _０ Ｃ _１ ）と上記表面（Ｑ）上にあって上記クラックの幅寸法と直交する方向に伸びる延長線（Ｌ _１ ）とを含む平面（Ｑ _０ ）と上記表面（Ｑ）との交角であることを特徴とする請求項１２の方法。
14. 上記第２の工程は、
    上記クラック像（Ｃ’）の延長線（Ｌ_１）と上記基準点（Ｐ_０）を含む平面（Ｑ_０）と上記平面（Ｑ）との交角（θ）を求める副工程と、
    上記距離（Ｌ_０）をもとに、上記投影板（４６）と上記クラック部分（Ｃ_１）との距離（Ｌ）を求める副工程と、
    上記値（Ｗ’）、交角（θ）、距離（Ｌ）を用いて上記幅寸法（Ｗ）を求める副工程を備えたことを特徴とする請求項１２の方法。

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