JP4605419B2

JP4605419B2 - 光束位置検出装置

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Publication number: JP4605419B2
Application number: JP2000261796A
Authority: JP
Inventors: 貴章山崎; 健一郎吉野; 七郎大沼
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2000-08-30
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2020-08-30
Also published as: US6747266B2; US20020038845A1; JP2002076377A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査レーザ光用受光器に係わり、特に、フィルタ部材により、走査レーザ光を走査方向に拡大させると共に、拡散させることのできる走査レーザ光用受光器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回転レーザの受光器においては、そのレーザ光の位置を検出する際、十分な大きさのレーザ光を検出する場合は、従来のフィルターを使用することにより、必要波長を透過して、可能な限り不必要な波長をカットすることができる。
【０００３】
可視光線を採用した回転レーザは、目視でレーザ光を認識して作業を行なうので、レーザ光のスポット径は、できるだけ小さくして視認性を向上させる必要がある。
【０００４】
特に、高さの基準位置を決める回転レーザ装置は、回転レーザ装置本体と、回転レーザ装置からのレーザ光を受光し、基準とする高さ位置を決める光束位置検出装置とから構成されている。回転レーザ装置は最初、可視光のレーザ光源がなく、光源として不可視光のレーザ光を使用していた。
【０００５】
不可視光では直接見ることができないため光束位置検出装置を必要とした。光束位置検出装置の受光センサ部は複数の受光素子から横成され、その受光素子の出力信号の比からレーザ光の位置を検出している。出力信号比を検出することから、レーザ光がピンポイントの必要はなく、むしろ受光素子を跨ぐようにある程度の大きさがあったほうが有効である。
【０００６】
可視光レーザ光源が搭載できるようになると、レーザ光の当たる位置を直接見て位置決めすることができるようになった。しかし、レーザ光には目に対する障害を避けるため、射出パワーの制限がある。限られたパワーであるため、ピンポイントのスポット光にフオーカスし輝度を高め、視準を高める様になった。それでもやはり野外では視準しづらいことから光束位置検出装置を必要とした。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の回転レーザ装置は、スポット径の小さなレーザ光を光束位置検出装置で検出しようとした場合、特に、光束位置検出装置のフォトセンサー（ＰＤ）の分割された隙間（ギャップ）により、小さなスポット径のレーザ光の場合には、最悪、レーザ光を受光できなくなってしまうという問題点があった。
【０００８】
仮に、スポット径の大きさが受光できる限界程度である場合にも、満足のいく測定結果（分解能）を得ることができないという問題点があった。
【０００９】
即ち図６の（ａ）及び図６の（ｂ）に示す様に、光束位置検出装置のＰＤの分割方法の１例として、多く採用されているのが、レーザの走査方向に垂直方向に２分割されているものである。
【００１０】
この場合、上部の受光素子をＰＤ１とし、下部の受光素子をＰＤ２とすれば、それぞれの分割されたＰＤの中心（ＰＤ１とＰＤ２の出力が同じ場所）がレーザ光の位置と検出され、レーザ光の位置を決定することができる。
【００１１】
図６の（ａ）の様に、レーザ光が充分に大きければ、レーザ光を検出できるが、図６の（ｂ）の様に、レーザ光がＰＤ１とＰＤ２の隙間（ギャップ）より小さいと、レーザ光そのものを検出することができない。
【００１２】
更に図７に示す様に、受光素子を３角形状に分割した場合、走査方向に十分にレーザ光を大きくしないと、ＰＤ１の出力とＰＤ２の出力の差が検出されず、レーザ光の位置を決定することができない。
【００１３】
また図７に示す様に、受光素子を三角形状に分割した形状では、横切る位置の面積に比例したピーク電圧で、受光素子上の位置を検出する。そのため、走査方向に充分にレーザ光を大きくしないと、ＰＤ１の出力と、ＰＤ２の出力の差が検出されず、レーザの位置を決定することができない。
【００１４】
受光素子を横切るレーザ光が小さくスポット的である場合、面積に関係なくレーザ光のパワーで決定されてしまい、受光素子のどの位置においてもピーク電圧は同じとなる。従って、レーザ光▲１▼の走査位置であっても、レーザ光▲２▼の走査位置であっても検出されるピーク電圧は変わらないことになり、走査位置は決定できない。そして、受光素子間のギャップでは受光できない状態を作り出してしまう。
【００１５】
また図８の（ａ）及び図８の（ｂ）は、後述する２個の受光素子が、面積的に分割されて構成されたものであるが、図８の（ａ）は、レーザ光が充分に大きい場合であるが、図８の（ｂ）の様に、レーザ光が小さい場合には、ＰＤ１の出力とＰＤ２の出力の差が検出されず、レーザ光の位置を決定することができない。
【００１６】
図８の（ａ）及び図８の（ｂ）は、後述する２個の受光素子が、面積的に分割されて構成されたものである。基本的なレーザ光の検出状態は図７と同様である。図８の（ａ）は、レーザ光が受光素子に比べて充分に大きい場合で、ピーク電圧の大きさは位置によって異なることになる。図８の（ｂ）は、レーザ光がスポット的に小さい場合であって。図７と受光素子の同様にピーク電圧に変化がなくなり、ＰＤ１の出力とＰＤ２の出力の差が検出されず、走査位置が決定できない状態となる。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑み案出されたもので、第１受光素子と、第２受光素子とを有する受光部と、前記第１受光素子と、前記第２受光素子の出力素子の出力を検出し、比較判定することで前記受光部を走査するレーザ光の走査位置を検出するための比較判別回路と、前記受光部の前面に配置される第１のフィルタ部材と、前記受光部と該第１のフィルタ部材との間に配置される第２のフィルタ部材とで構成され、前記受光部は、レーザ光の走査方向と略同じ方向に伸びる水平分割線で分割され、前記第１受光素子と前記第２受光素子が、それぞれ前記水平分割線を底辺とし、かつ、前記水平分割線に対して対象に配置される少なくとも２つ以上の三角形を含む形状で構成され、前記第１のフィルタ部材には、前記走査レーザ光を走査方向に拡大させるためのレンチキュラーレンズ部が形成され、前記第２のフィルタ部材には、透過されたレーザ光を拡散させるための拡散面が形成されていることを特徴とする走査レーザ光用受光器を使用して構成されている。
【００１９】
更に本発明の拡散面に代えて、第２のフィルタ部材に蛍光材を含ませる構成にすることもできる。
【００２０】
そして本発明の第２のフィルタ部材は、該拡大されたレーザ光の形状を維持する様に拡散させる構成にすることもできる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明は上記課題に鑑み案出されたもので、受光部が、第１受光素子と、第２受光素子とを有し、比較判別回路が、第１受光素子と、第２受光素子の出力素子の出力を検出して比較判定することにより、受光部を走査するレーザ光の走査位置を検出し、第１のフィルタ部材を受光部の前面に配置し、第２のフィルタ部材を、受光部と第１のフィルタ部材との間に配置して構成し、受光部は、レーザ光の走査方向と略同じ方向に伸びる水平分割線で分割され、第１受光素子と第２受光素子が、それぞれ水平分割線を底辺とし、かつ、水平分割線に対して対象に配置される少なくとも２つ以上の三角形を含む形状で構成し、第１のフィルタ部材には、走査レーザ光を走査方向に拡大させるためのレンチキュラーレンズ部を形成し、第２のフィルタ部材には、透過されたレーザ光を拡散させるための拡散面を形成している。
【００２４】
更に本発明の拡散面に代えて、第２のフィルタ部材に蛍光材を含ませることもできる。
【００２５】
そして本発明の第２のフィルタ部材は、拡大されたレーザ光の形状を維持する様に拡散させることができる。
【００２７】
【実施例】
【００２８】
以下、本発明の実施例を図面により説明する。
【００２９】
図１（ａ）〜図１（ｅ）に示す様に、本実施例の回転レーザーの受光器１００００は、フィルタ部材５０００と、受光素子６０００とから構成されている。
【００３０】
図１（ａ）、図１（ｃ）、図１（ｃ）の断面図である図１（ｄ）に示す様に、フィルタ部材５０００は、レーザ光に向かって前面部にレンチキュラーレンズ部５１００が形成されており、フィルタ部材５０００の後面部には、拡散面５２００が形成されている。フィルタ部材５０００は、光学部材に該当するものである。
【００３１】
なお、受光素子６０００は、複数の受光素子からなる受光手段に該当し、受光器１００００は、走査レーザ光用受光器に該当するものである。受光素子６０００は、レーザ光の走査方向と略直交する方向に配置されている。フィルタ部材５０００は、受光素子６０００の前に配置され、配列された受光素子６０００を横切る方向にレーザ光を拡大させると共に、拡散面５２００が、拡大されたレーザ光の形状を維持する様に拡散させる様になっている。
【００３２】
レンチキュラーレンズ部５１００は、入射された回転レーザーの光を走査方向（水平方向）に扇型に拡大させるためのものである。拡散面５２００は、レンチキュラーレンズ部５１００で拡大された光を拡散させるためのものである。従ってフィルタ部材５０００は、回転レーザーの光の走査方向に扇形にレーザ光を拡大し、かつ拡大された光を拡散させる役割を有している。
【００３３】
この結果、フィルタ部材５０００に入射されたレーザ光は、レーザ光のエッジの影響もなく受光素子６０００を跨ぐ様な充分な大きさに拡大され、確実にレーザ光の認識を行うことができる。なおフィルタ部材５０００は、レーザ光の拡大、拡散するほかに、必要波長を透過させ不必要な波長をカットする本来の機能も兼ねている。
【００３４】
走査方向に扇状に拡大させる理由として、走査方向の場合そのレーザ光の位置は変化することなく、かつ十分にレーザ光を大きくすることができるからである。
もし、レーザ光を走査方向と垂直方向に扇状に拡大してしまうと、上下の位置は直接その拡大率が上下で、少しでも異なると位置検出に直接影響し、レーザ光の位置がずれて検出されてしまうからである。更に、垂直方向に拡大しているため、受光素子６０００の長さを長くする必要があり、実用的でないという問題点がある。
【００３５】
レンチキュラーレンズ部５１００は、図１（ｂ）に示す様に柱状レンズ５１１０、５１１０・・・・を使用することもでき、シリンドリカルレンズ、更に、ファイバー等を使用することもできる。また、図１（ｂ）に示す様に柱状レンズ５１１０、５１１０・・・・を使用する場合には、拡散面５２００に代えて拡散板５２１０を使用することもできる。
【００３６】
更に拡散面５２００に代えて、図１（ｅ）の断面図に示す様に拡散性を有する蛍光材を使用することもできる。
【００３７】
フィルタ部材５０００自体の基材は透明な材料、例えばアクリル樹脂等であり、
このアクリル基材に蛍光材を添加する。
【００３８】
蛍光材が発する蛍光色は、その補色となる色光を吸収して蛍光を発する。従って、使用するレーザ光線の色に応じて蛍光材を選択する。又、必要に応じ、２種類以上の蛍光材を配合し、使用されるレーザ光線に対し最も効果的に蛍光が発せられる様にする。
【００３９】
尚、蛍光材とは照射された光のエネルギを吸収蓄積し、蓄積されたエネルギが熱的に放出されて再結合の際に発光するものであり、硫化金属に微量の不純物（賦活剤、重金属）を添加したもので、例えば硫化カルシウムービスマス、硫化亜鉛一銅等が挙げられる。
【００４０】
フィルタ部材５０００に対して一方から入射したレーザ光線はそのまま透過せずに蛍光材に吸収され、再び蛍光色に発光される。蛍光は指向性がなく、四方に向けて発光される為、レーザ光線の透過光紬に対して上下左右の広い範囲に向かって拡散発光される。
【００４１】
フィルタ部材５０００自体の基材は基本的に透明である為、発光された蛍光はレーザ光線の透過方向に向けても多く発光される。
【００４２】
次に図２に基づいて、上述の受光器１００００を使用した光束位置検出装置２０００を説明する。本実施例の測量装置は、回転レーザ装置１０００と光束位置検出装置２０００とから構成されている。
【００４３】
まず、フィルタ部材５０００と受光部５０を使用する回転レーザ装置１０００を説明する。
【００４４】
回転レーザ装置１０００は、図示しない三脚等を介して設置される。回転レーザ装置１０００は、上部に回動部３０を有し、該回動部３０からレーザ光線４０が水平方向に照射されると共に全周回転される様になっている。前記回転レーザ装置１０００には整準作動、レーザ光束の走査速度、走査範囲等を設定し、回転レーザ装置１０００の操作を行う操作パネル９０が設けられている。
【００４５】
光束位置検出装置２０００は、レーザ光線を受光する受光部５０と受光した位置を表示する表示部６０とを具備し、前記光束位置検出装置２０００の両幅端部にはノッチ７０が刻設されている。
【００４６】
壁面等のレーザ光線４０の照射位置には、前記光束位置検出装置２０００が支持され、前記受光部５０はレーザ光線が通過すると通過位置を検知する。光束位置検出装置２０００の表示部６０は、前記受光部５０による検知結果を基に、光束位置検出装置２０００に対するレーザ光線４０の照射位置が適正である場合には、適正である旨を知らせる様になっている。そして表示部６０は、照射位置がずれている場合には、表示パターン８０によりずれている方向、或は修正する方向を知らせる様に構成されている。
【００４７】
光束位置検出装置２０００の位置が適正である場合には、前記ノッチ７０を利用して印を付ける。刻印された印は、基準位置の指標となる。
【００４８】
ここで光束位置検出装置２０００を、図２に基づいて詳細に説明する。
【００４９】
光束位置検出装置２０００は、レーザービーム４０を検出する方向に垂直に配置した受光部５０と、検出したレーザービーム４０の基準位置に対するシフト位置を示す表示部６０とを有する。
【００５０】
表示部６０は、例えば、液晶パネル又はＬＥＤにより構成されている。受光部５０は、例えば、ＰＤにより構成されており、上下に２分割された上部受光部分５０ａと下部受光部分５０ｂとからなる。回転レーザ装置１０００からのレーザービーム４０が、受光部５０の２分割された上部受光部分５０ａ及び下部受光部分５０ｂの中間を走査するとき基準位置となり、表示部６０の基準位置表示部分１２４が表示される。
【００５１】
回転レーザ装置１０００からのレーザービーム４０が上部受光部分５０ａを走査する場合には、光束位置検出装置２０００を上方に移動させ基準位置となる様に、表示部５０の上向き表示部分１２２が表示される。同様に、レーザービーム４０が下部受光部分５０ｂを走査する場合には、光束位置検出装置２０００を上方に移動し基準位置となる様に、表示部６０の下向き表示部分１２０が表示される。
【００５２】
受光部５０をＰＳＤ等の位置センサーや、特殊形状の受光素子によって形成した場合には、より高精度な基準位置の検出が可能である。この場合は受光部の所定位置を基準位置と定めることで、基準位置に対するレーザビーム４０の走査位置が決定される。
【００５３】
光束位置検出装置２０００には、電源スイッチ１５０、検出精度調整スイッチ１５２、ブザー音量調整スイッチ１２４、及びブザー１５６を備えている。
【００５４】
本実施例の光束位置検出装置２０００の電気的構成を図３に基づいて説明する。
光束位置検出装置２０００は、第１受光素子２３と、第２受光素子２４と、２つの帯域増幅回路２７０、２８０と、２つのピークホールド回路２３０、２４０と、比較判別回路３２０と、表示制御部３３０と、表示部６０とから構成されている。なお、第１受光素子２３と第２受光素子２４とは、受光素子６０００に該当するものであり、受光部５０にも対応するものである。
【００５５】
ここで、第１受光素子２３と第２受光素子２４とを、図４に基づいて詳細に説明する。
【００５６】
まず、上部受光部分５０ａの分割について説明する。受光部５０を上下に分割する水平分割線１５は４等分され、水平分割線１５の中央の２つの分割線分を底辺とし、受光部５０の上辺の中央を頂点とする正立３角形１６と、該正立３角形１６の左右に形成される倒立台形１７、１８とに３分割されている。
【００５７】
下部受光部分５０ｂについては、上部と対称であり、中央の２つの分割線分を底辺とし、受光部５０の下辺の中央を頂点とする倒立３角形１９と、該倒立３角形１９の左右に形成される正立台形２０、２１とに３分割されている。
【００５８】
正立３角形１６と前記正立台形２０、２１との３部分で、第１受光素子２３（図中ハッチ部分）が形成され、倒立３角形１９と倒立台形１７、１８との３部分で、第２受光素子２４（図中無ハッチ部分）が形成される。
【００５９】
ピークホールド回路２３０には、帯域増幅回路２７０を介して受光部５０の第２の受光素子２４が接続されており、このピークホールド回路２３０は比較判別回路３２０に接続されている。ピークホールド回路２４０には、帯域増幅回路２８０を介して受光部５０の第１の受光素子２３が接続されており、このピークホールド回路２４０は比較判別回路３２０に接続されている。
【００６０】
ピークホールド回路２３０、２４０は、それぞれ入射されるレーザービーム４０が受光部５０上を走査通過する時間より長い時間、帯域増幅回路２７０、２８０からの出力ピーク値をホールドする。
【００６１】
比較判別回路３２０は、受光部５０を構成する第２受光素子２４の出力値と第１受光素子２３の出力値とを比較し、その判定結果を表示制御部３３０に出力する。そして、第２受光素子２４の出力値と、第１受光素子２３の出力値とは、走査レーザービーム４０が、受光部５０の中央部を走査方向（水平方向）に走査された場合に等しくなり、走査レーザービーム４０が、鉛直方向上下に変位するとき、一方の加算出力値が他方に比して大きくなり、または他方の加算出力値が一方に比して大きくなる。
【００６２】
表示制御部３３０は、比較判別回路３２０の出力に応じて、表示部６０に表示すべき表示パターンを選択し、その選択結果を示す信号を該表示部６０に出力する。これにより表示部６０は、表示制御部３３０の出力に応じた表示パターンＡ、Ｂ、Ｃを表示する。
【００６３】
なお、第１受光素子２３と第２受光素子２４とは、図５に示す様に、縦分割線の形状を異ならせることもできる。上部受光部分５０ａを倒立台形３１、３３、３２と正立３角形３４、３５に分割する縦分割線を曲線とし、水平分割線１５の近傍となるに従い、傾斜が小さくなる様にしたものである。即ち、水平分割線１５に近くなる程、上下の変位に対し、前記倒立台形３１、３３、３２、正立３角形３４、３５水平方向に横切る線分の長さの変化率が大きくなる様にしたものである。水平分割線１５近傍で変化率が大きくなる様にすることで水平分割線１５の検出、即ち位置検出精度が高くなる。下部受光部分５０ｂについても同様であるので説明を省略する。
【００６４】
そして第１受光素子２３と第２受光素子２４とは、受光手段に該当するものである。第１受光素子２３と第２受光素子２４とは、走査方向に対して鉛直方向に配置された２個の受光素子であり、この２個の受光素子は、面積的に分割されて構成されている。
【００６５】
上記受光素子の形状と、横切るレーザ光の方向から判る様に、レーザ光の横切る方向に分割された受光素子が並んでいる。つまり、並んだ受光素子を横切る方向にレーザ光を拡大することで効果を発揮する。更に拡散することで、レーザ光を拡大して広げる光学部材の影響を緩和する。光学部材と光学部材の接合部は受光信号に影響を与える場合が多い。
【００６６】
【効果】
以上の様に構成された本発明は、第１受光素子と、第２受光素子とを有する受光部と、前記第１受光素子と、前記第２受光素子の出力素子の出力を検出し、比較判定することで前記受光部を走査するレーザ光の走査位置を検出するための比較判別回路と、前記受光部の前面に配置される第１のフィルタ部材と、前記受光部と該第１のフィルタ部材との間に配置される第２のフィルタ部材とで構成され、前記受光部は、レーザ光の走査方向と略同じ方向に伸びる水平分割線で分割され、前記第１受光素子と前記第２受光素子が、それぞれ前記水平分割線を底辺とし、かつ、前記水平分割線に対して対象に配置される少なくとも２つ以上の三角形を含む形状で構成され、前記第１のフィルタ部材には、前記走査レーザ光を走査方向に拡大させるためのレンチキュラーレンズ部が形成され、前記第２のフィルタ部材には、透過されたレーザ光を拡散させるための拡散面が形成されて構成されているので、光学系が単純で調整も容易となり、コスト安となるという卓越した効果がある。
【００６７】
【図面の簡単な説明】
【図１（ａ）】本発明の実施例の受光器１００００を説明する図である。
【図１（ｂ）】本発明の実施例の受光器１００００を説明する図である。
【図１（ｃ）】本発明の実施例の受光器１００００を説明する図である。
【図１（ｄ）】本発明の実施例の受光器１００００を説明する図である。
【図１（ｅ）】本発明の実施例の受光器１００００を説明する図である。
【図２】本発明の実施例の回転レーザ装置１０００と光束位置検出装置２０００を説明する示す図である。
【図３】本発明の実施例の光束位置検出装置２０００の電気的構成を説明する示す図である。
【図４】本実施例の第１受光素子２３と第２受光素子２４とを説明する示す図である。
【図５】本実施例の第１受光素子２３と第２受光素子２４とを説明する示す図である。
【図６】従来技術を説明する図である。
【図７】従来技術を説明する図である。
【図８】従来技術を説明する図である。
【符号の説明】
１００００受光器
１０００回転レーザ装置
２０００光束位置検出装置
５０００フィルタ部材
５１００レンチキュラーレンズ部
５２００拡散面
６０００受光素子
２３第１受光素子
２４第２受光素子

Claims

第１受光素子と、第２受光素子とを有する受光部と、前記第１受光素子と、前記第２受光素子の出力素子の出力を検出し、比較判定することで前記受光部を走査するレーザ光の走査位置を検出するための比較判別回路と、前記受光部の前面に配置される第１のフィルタ部材と、前記受光部と該第１のフィルタ部材との間に配置される第２のフィルタ部材とで構成され、前記受光部は、
レーザ光の走査方向と略同じ方向に伸びる水平分割線で分割され、前記第１受光素子と前記第２受光素子が、それぞれ前記水平分割線を底辺とし、かつ、前記水平分割線に対して対象に配置される少なくとも２つ以上の三角形を含む形状で構成され、前記第１のフィルタ部材には、前記走査レーザ光を走査方向に拡大させるためのレンチキュラーレンズ部が形成され、前記第２のフィルタ部材には、透過されたレーザ光を拡散させるための拡散面が形成されていることを特徴とする走査レーザ光用受光器を使用した光束位置検出装置。
拡散面に代えて、第２のフィルタ部材に蛍光材を含ませる請求項１の走査レーザ光用受光器を使用した光束位置検出装置。
前記第２のフィルタ部材が、該拡大されたレーザ光の形状を維持する様に拡散させる請求項１の走査レーザ光用受光器を使用した光束位置検出装置。