JPH11337334A

JPH11337334A - 光学式偏角測定装置

Info

Publication number: JPH11337334A
Application number: JP14154498A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Shimomura; 義昭下村; Naoki Mitsuyanagi; 直毅三柳; Takashi Moro; 茂呂　　隆
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1998-05-22
Filing date: 1998-05-22
Publication date: 1999-12-10
Anticipated expiration: 2018-05-22
Also published as: JP3494576B2

Abstract

(57)【要約】【課題】偏角を測定する際、光源の光以外の要因によ
り生じるセンサ出力の影響を受けないで偏角を高い精度
で測定できる光学式偏角測定装置を提供する。【解決手段】基点とこれと距離を置いて基点の両側に
設定した各地点とをそれぞれを結ぶ二つの線分の偏角を
光で計測するため、前記各地点に設置され拡散光を発す
る各光源と、各光源からの拡散光を集光する共通のレン
ズと、集光した各光源からの光を受光して光量を検出す
る多数の画素を有し各画素の検出値を出力する光センサ
としての位置検出素子４１２−１，４１２−２と、レン
ズに入射する拡散光を透過しレンズで集光した光を位置
検出素子に導く反射プリズムと、外乱光や暗電流等の光
源の光に起因しない要因により生じるセンサ出力ついて
の設定値を各画素の検出値から減算するオフセット回路
１を有しその減算結果に基づいて各光源の光軸同士の偏
角を演算する演算処理装置１０とを設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基点とこれと距離
を置いて基点の両側に設定した各地点とをそれぞれを結
ぶ二つの線分の偏角を光で測定する光学式偏角測定装置
に関し、特に、地上や地下で行う建設作業にとって有用
なものである。

【０００２】

【従来の技術】地上や地下で建設作業を行う場合、基点
となる地点とこれと距離を置いてその両側にそれぞれ設
定した地点とをそれぞれを結ぶ二つの線分同士の角度関
係を知る必要が生じる。例えば、曲折した道路を施工す
るときには、施工路面の曲折部の角度を知ることが必要
になる。その場合には、曲折部の適所に基点となる計測
地点を設定するとともに、これと距離を置いてその両側
の路面施工区域にもそれぞれ計測地点を設定して、基点
となる計測地点とその両側の各計測地点を結ぶ各線分同
士の角度を測定する。また、地中掘進機でカーブした地
下坑を掘削するには、地中掘進機が計画路線（予め設定
された掘進経路）に沿って正しく掘進しているかどうか
を知るため、その掘進位置を確認しなければならない。
その場合にも、基点となる計測地点とその両側の各計測
地点を結ぶ各線分同士の角度関係を知ることが必要にな
る。このような基点を頂点とする両側の線分同士の角度
関係を知るには、両線分同士の内角及び外角の何れを測
定してもよく、その角度関係を一義的に特定できるよう
な角度に関する値が測定できればその目的が果たせる。
この明細書では、こうした二つの線分同士の角度関係を
特定し得るような角度に関する値を偏角と称している。

【０００３】出願人は、先に、こうした偏角を光で測定
する光学式偏角測定装置の発明をして、特願平９ー２９
７２９５号として特許出願をした。それまでは、偏角を
測定するのに、通常、トランシットを用いて測定する方
法が採られていたが、地中掘進機の掘進位置計測技術の
中には、例えば特開平５ー３４０１８６号公報に記載の
技術のように掘進位置の計測の際に偏角をレーザビーム
で光学的に測定する方法を採り入れたものがあった。こ
のレーザビームによる偏角測定技術は、トランシットに
よる方法のように人手を要して一回の測量時間が長くな
るといった問題は緩和されるが、収束度の高いレーザ光
であるレーザ照準機からのレーザビームをウエッジプリ
ズムの回動操作により常にターゲットの位置検出素子に
当てて測定するため、ウエッジプリズムを光軸回りに回
動できるようにするための回動機構を必要としていた。
そのため、トランシットによる方法と同様、回動機構に
よる機械的な測定誤差が生じやすく高い測定精度を確保
することが困難であった。また、レーザ照準機、ウエッ
ジプリズム又はターゲットにヨーイング方向やピッチン
グ方向に傾動させるような振動等の外力が作用すると、
外力による測定誤差が生じて偏角の測定結果に大きな影
響を及ぼすという問題もあった。

【０００４】出願人の特許出願に係る前記特願平９ー２
９７２９５号の発明の光学式偏角測定装置は、こうした
問題に対応して創作されたものであり、偏角を光学的に
測定する際に、光を位置検出素子に当てるための操作を
要さず、振動等の外力が作用しても測定結果にその影響
が及ばないようにして、偏角を精度よく測定できるよう
にした斬新的なものである。本発明は、こうした光学式
偏角測定装置について、更に精度よく偏角を測定できる
ように改良したものである。そこで、この特願平９ー２
９７２９５号の発明の光学式偏角測定装置を従来の技術
として位置付け、以下に、図４乃至図７を用いてその技
術内容の要点を説明する。図４は、従来の技術に係る光
学式偏角測定装置における検出器を示す斜視図、図５
は、偏角を測定する原理を説明するための光学式偏角測
定装置の概念図、図６は、図１の検出器で光源の方向を
検出する原理を説明するための概念図、図７は、図１の
検出器における位置検出素子の画素の配置図である。

【０００５】既に述べたように、光学式偏角測定装置
は、基点とこれと距離を置いて基点の両側に設定した各
地点とをそれぞれを結ぶ二つの線分の偏角を光で測定す
る装置である。ここで基点とは、測定しようとする角度
の頂点の個所に設定する計測点を意味する。この従来の
技術に係る光学式偏角測定装置４は、全体像が図５に図
示されており、大別すると、基点の両側に設定した地点
にそれぞれ設置される偏角測定用の各光源４１，４２
と、基点に設置され各光源４１，４２の方向を検出でき
る偏角測定用の検出器４１０とからなる。光源４１，４
２には、例えば発光ダイオードのような拡散光を発する
いわゆる点光源のようなものを用いる。すなわち、レー
ザビームのような収束度の高い光線を発するものは用い
ることができないが、基本的には、微小なエリアから放
射状に拡がる拡散光を発するようなものであれば、設計
上、適宜選択して使用することができる。

【０００６】偏角測定用の検出器４１０について説明す
ると、４１１は各光源４１，４２からの拡散光をそれぞ
れ集光する両光源４１，４２に共通の集光手段としての
レンズ、４１２−１はこのレンズ４１１で集められた光
源４２からの拡散光を受光しその受光位置を検出するた
めの二次元光センサとしての位置検出素子、４１２−２
はレンズ４１１で集められた光源４１からの拡散光を受
光しその受光位置を検出するための同様の位置検出素
子、４１３−１はレンズ４１１で集光する光源４２から
の拡散光を位置検出素子４１２−１に導くように光の方
向を転換する光方向転換手段としての反射プリズム、４
１３−２はレンズ４１１で集光する光源４１からの拡散
光を位置検出素子４１２−２に導くように光の方向を転
換する同様の反射プリズムである。検出器４１０は、図
示していない演算処理装置を内蔵しており、位置検出素
子４１２−１，４１２−２の検出結果に基づいて偏角を
算出するための種々の演算を行う。検出器４１０は、大
別すると、これらレンズ４１１、位置検出素子４１２−
１，４１２−２、反射プリズム４１３−１，４１３−２
及び演算処理装置で構成される。

【０００７】各位置検出素子４１２−１，４１２−２
は、各光源４１，４２からレンズ４１１に入射しようと
する拡散光を遮断しない位置に配置することとする。こ
の例では、位置検出素子４１２−１は、その受光面をレ
ンズ４１１の光軸Ｃと直交する方向に向けての側方に配
置し、位置検出素子４１２−２は、その受光面をレンズ
４１１の光軸Ｃと直交する方向に向けて上方に配置して
いる。反射プリズム４１３−１，４１３−２は、レンズ
４１１の前後に配置され、それぞれ、レンズ４１１で集
められる光源４２，４１の拡散光の一部を反射して位置
検出素子４１２−１，４１２−２の受光面に向けるが、
光源４１，４２から入射する拡散光の少なくとも一部を
透過させることができる。

【０００８】光源４１から発せられる拡散光は、手前の
反射プリズム４１３−１に入射後、その少なくとも一部
が同反射プリズム４１３−１を透過してレンズ４１１で
集光され、次いで、その背後の反射プリズム４１３−２
で反射されて方向転換をし、位置検出素子４１２−２上
に結像する。同様にして、光源４２からの拡散光は、そ
の少なくとも一部が手前の反射プリズム４１３−２を透
過してレンズ４１１で集光され、次いで、その背後の反
射プリズム４１３−１で反射されて位置検出素子４１２
−１上に結像する。このように、反射プリズム４１３−
１，４１３−２を用いることにより、各光源４１、４２
からの拡散光がレンズ４１１に入射するのを阻止しない
位置に各位置検出素子４１２−１，４１２−２を配置す
ることが可能となるため、拡散光を集めるための集光レ
ンズを各光源４１、４２ごとに設けることは要せず共通
化することができる。各位置検出素子４１２−１，４１
２−２は、後述するように、多数の画素を有して各受光
面上の多数の位置で受光した光の光量を検出し、これに
より、受光面上にレンズ４１１で集められる光の焦点に
相当する位置すなわち結像点の位置を後述する方法で検
出する。

【０００９】次に、こうした結像点の位置に基づいて光
源４１、４２の方向を検出する原理につき、位置検出素
子４１２−１上の結像点の位置に基づいて光源４２の方
向を検出する場合を例にとり、図６を用いて説明する。
光源４２の方向は、検出器４１０の基準線に対して光源
４２の光軸Ｄ（光源４２とレンズ４１１の中心とを結ぶ
線）のなす角度で表し、ここでは、検出器４１０の基準
線としてレンズ４１１の光軸Ｃ（レンズ４１１の中心を
通りこれに直交する軸線）を選定している。光源４２の
方向を検出する場合には、光源４２の方向の水平方向の
成分（レンズ４１１の光軸Ｃと光源４２の光軸Ｄを水平
面上へ正投影した線同士のなす角度）と垂直方向の成分
（これらの各光軸Ｃ，Ｄをレンズ４１１の光軸Ｃと平行
な垂直面上へ正投影した線同士のなす角度）とをそれぞ
れ検出するが、ここでは説明の便のため、垂直方向の成
分を検出する場合について述べる。位置検出素子４１２
−１には、レンズ４１１の中心を原点とし、水平方向
（左右方向）をＸ軸、垂直方向（上下方向）をＹ軸とす
るＸ−Ｙ平面座標が設定されている。

【００１０】いま、図６に示すように、レンズ４１１と
位置検出素子４１２−１とをＦの間隔で平行に配置して
光源４２から拡散光を発すると、光源４２の拡散光がレ
ンズ４１１により集光されて位置検出素子４１２−１の
面上に結像する。そのときの光源４２の結像点に関する
座標位置のＹ軸方向の成分をＹ_Gとし、光源４２の方向
の垂直方向の成分を表す角度をψとすると、角度ψは、
次の（１）で求めることができる。

【００１１】

【数１】

【００１２】前式において、Ｆ，Ｙ_Gは何れも既知の値
であるから、光源４２の方向に関する角度ψは、位置検
出素子４１２−１での受光位置の検出結果に基づいて一
義的に算定することができる。図６には、説明の便のた
め、図５の光学式偏角測定装置におけるレンズ４１１と
位置検出素子４１２−１との配置を模式化してこれらを
Ｆの間隔で平行に配置した状態を示したが、レンズ４１
１と位置検出素子４１２−１とを図５のように配置した
状態において前（１）式により角度ψを求める場合に
は、Ｆの値は、レンズ４１１の光軸Ｃ上を通る光源４２
の光軸Ｄがレンズ４１１に入射後、位置検出素子４１２
−１に到達するまでの過程にたどる距離の総和とみれば
よい。同様にして、光源４１の方向の垂直方向の成分
も、位置検出素子４１２−２での検出結果に基づいて検
出することができる。

【００１３】こうして、光源４１，４２の方向の垂直方
向の成分を検出すると、その検出結果に基づいて各光源
４１，４２の光軸Ｄ同士の偏角の垂直方向の成分（各光
源４１，４２の光軸Ｄをレンズ４１１の光軸Ｃと平行な
垂直面上へ正投影した線同士のなす角度）を算出する。
その算出方法を図５に基づいて説明する。いま、光源４
１の方向を表す角度の垂直方向の成分をφとし、各光源
４１，４２の光軸Ｄ同士の偏角の垂直方向の成分をΦと
する。そして、角度Φ，φ，ψには極性をもたせて、光
源４１，４２の光軸Ｄをレンズ４１１の光軸Ｃに重なる
ように最小の角度で回動させる方向が時計方向であると
きを正、反時計方向であるときを負としている。そうす
ると、偏角Φは、図５から明らかなように、次の（２）
式で求めることができる。 Φ＝φ−ψ （２）こうした偏角Φの演算は、位置検出素子４１２−１，４
１２−２での検出結果に基づいて演算処理装置で行われ
る。以上、各光源４１，４２の光軸Ｄ同士の偏角の垂直
方向の成分Φを求める方法について述べたが、各光源４
１，４２の光軸Ｄ同士の偏角の水平方向の成分（各光源
４１，４２の光軸Ｄを水平面上へ正投影した線同士のな
す角度）についても、光源４１，４２の結像点に関する
Ｘ軸方向の成分に基づいて、以上述べたのと同様の手法
で求めることができる。

【００１４】偏角Φの測定値は、図５の上下の図を対比
すればよく分かるように、検出器４１０が上下方向（ピ
ッチング方向）に任意の角度δだけ傾動して、各光源４
１，４２の方向に関する角度がφ，ψからφ’，ψ’に
変動しても、その変動に影響されることなく常に一定に
保たれる。また、検出器４１０が左右方向（ヨーイング
方向）に傾動した場合についても同様である。したがっ
て、検出器４１０の姿勢が振動等の外力や取付姿勢の不
揃いによりピッチング方向及びヨーイング方向に変動し
ても、偏角の測定結果がその姿勢の変動に影響されるこ
とがない。また、光源４１，４２に特に拡散光を発する
光源を用いて、拡がりをもつ光で広い領域を照らせるよ
うにしているので、光源４１，４２の姿勢が同様の原因
で変動しても、それらの光を共通のレンズ４１１で集め
て、位置検出素子４１２−１，４１２−２に当てる操作
をすることなく正しい位置に結像させることができ、偏
角の測定結果が光源４１，４２の姿勢の変動に影響され
ることもない。

【００１５】位置検出素子４１２−１，４１２−２は、
図７に示すように、レンズ４１１で集められた各光源４
２，４１からの光をそれぞれ受光しその受光した光の光
量を検出するための多数の画素４１２ｅを有し、各画素
４１２ｅでの光量に関する検出値が出力されるようにな
っている。画素４１２ｅは、ここに示す例では、Ｘ軸方
向の画素ピッチがΔＸ、Ｙ軸方向の画素ピッチがΔＹの
方形をなしており、Ｘ軸方向にＭ個、Ｙ軸方向にＮ個ほ
ど並べてマトリックス状に配置している。こうした多数
の画素４１２ｅからなる位置検出素子４１２−１，４１
２−２は、レンズ４１１で集められた光を受光すると、
Ｘ−Ｙ平面座標上の各位置の光量を各画素４１２ｅによ
り検出して、その各位置の検出値に関する電気信号すな
わち検出信号を所定の順序で演算処理装置に順次出力す
る。ここでは、各位置検出素子４１２−１，４１２−２
の受光面におけるＸ−Ｙ平面座標上の任意の位置
（Ｘ_m，Ｙ_n）に対応する光量（光の強度）に比例した
センサ出力値をＩ（Ｘ_m，Ｙ_n）で表わす。

【００１６】演算処理装置では、このセンサ出力値Ｉ
（Ｘ_m，Ｙ_n）に基づいて、各位置検出素子４１２−
１，４１２−２の受光面における各光源４２，４１の光
の結像点の位置である結像位置（Ｘ_G，Ｙ_G）を演算に
より求める。この結像位置（Ｘ_G,Y_G）を求める場合、
通常、画素ピッチΔＸ，ΔＹ（例えば１２ミクロン程
度）を考慮しながらセンサ出力値Ｉ（Ｘ_m，Ｙ_n）の重
心座標位置を演算して求めており、その演算方式を数式
で表わすと、次式で表わすことができる。

【００１７】

【数２】

【００１８】なお、前式において、左辺の（Ｘ_G，
Ｙ_G）は、Ｘ−Ｙ平面座標の或る基準座標点（Ｘ_G ⁰，Ｙ
_G ⁰）から結像位置までのＸ軸方向及びＹ軸方向の距離を
表わし、右辺分子の（Ｘ_m，Ｙ_n）は、Ｘ−Ｙ平面座標
の原点から任意の画素４１２ｅまでのＸ軸方向及びＹ軸
方向の各距離を表わしており、これらの距離は、何れ
も、画素ピッチΔＸ，ΔＹが加味された値である。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、位置検出素
子４１２−１，４１２−２のような光センサで検出され
る検出値には、光源の光に起因して生じるセンサ出力Ｉ
_S（Ｘ_m，Ｙ_n）のほかに、光源の光に起因しないで生
じるセンサ出力Ｉ_N（Ｘ_m，Ｙ_n）を成分として含んで
いる。そうすると、センサ出力値Ｉ（Ｘ_m，Ｙ_n）は、
次式で表わすことができる。Ｉ（Ｘ_m，Ｙ_n）＝Ｉ_S（Ｘ_m，Ｙ_n）＋Ｉ_N（Ｘ_m，Ｙ_n）‥‥‥（４）前式中、光源の光に起因しないで生じるセンサ出力Ｉ_N
（Ｘ_m，Ｙ_n）の成分としては、外乱光（太陽光、照明
の光等の光源の光以外の光）に起因するセンサ出力や暗
電流に起因するセンサ出力（位置検出素子の電気回路に
起因するセンサ出力）を挙げることができる。

【００２０】そうすると、レンズで集められた光源の光
が光センサの受光面に結像する正確な結像位置は、前記
（３）式中のＩをＩ_Sで置き換えて得られる値であり、
次式に示すように（３）式で求めた結像位置（Ｘ_G，Ｙ
_G）とは一致しない。

【００２１】

【数３】

【００２２】前述したように、従来の技術は、偏角Φを
光学的に測定する際、振動等の外力に影響されることな
く偏角Φを精度よく測定できるものであるが、光源の光
の結像位置を（３）式で示したような通常の方式により
求める限り、偏角Φを精度よく測定できるにしても限界
がある。

【００２３】本発明は、こうした問題も解消しようとす
るものであって、その技術課題は、偏角を光学的に測定
する際、偏角測定用の光源の光以外の要因により生じる
センサ出力の影響を受けないようにして偏角を高い精度
で測定することができる光学式偏角測定装置を提供する
ことにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明のこうした技術課
題は、「基点とこれと距離を置いて基点の両側に設定し
た各地点とをそれぞれを結ぶ二つの線分の偏角を光で測
定する光学式偏角測定装置」を構成する場合、「基点の
両側に設定した各地点にそれぞれ設置され拡散光を発す
る光源と、各光源からの拡散光の少なくとも一部をそれ
ぞれ集光する共通の集光手段と、集光手段でそれぞれ集
光した各光源からの光をそれぞれ受光して光量を検出す
るための多数の画素を有し各画素の検出値を出力する各
位置検出素子と、集光手段で集光する各光源からの光を
それぞれ各位置検出素子に導くように方向転換させる各
光方向転換手段と、光源の光に起因しないで生じる各位
置検出素子の出力についての設定値を各位置検出素子の
各画素の検出値から減算するオフセット手段と、オフセ
ット手段での減算結果に基づいて各光源の光軸同士の偏
角を演算する偏角演算手段とを備えるようにした」こと
により達成される。

【００２５】本発明のベースとなる光学式偏角測定装置
は、基点両側に設定した各地点に設置される光源に特に
拡散光を発する光源を用いて、拡がりをもつ光で広い領
域を照らせるようにし、さらに、その拡がりをもつ各光
源の光を共通の集光手段で集めて各位置検出素子でそれ
ぞれ受光して受光位置を検出し、それぞれの検出結果に
基づいて各光源の光軸同士の偏角を求め得るようにして
いるため、偏角を光学的に測定する場合に、光源にレー
ザビームを用いる場合のように光を位置検出素子に当て
るための操作機構を要さず機械的な測定誤差を生じにく
くすること、集光手段、位置検出素子等の検出側部分や
光源の姿勢が振動等の外力や取付姿勢の不揃いによりピ
ッチング方向及びヨーイング方向に変動しても、その姿
勢の変動が偏角の測定結果に影響しないようにすること
が可能となって、偏角を精度よく測定することができ
る。

【００２６】本発明は、こうした測定精度の優れた光学
式偏角測定装置をベースにして、これにオフセット手段
を設けて、各位置検出素子の各画素の検出値から、光源
の光に起因しないで生じる各位置検出素子の出力につい
ての設定値を減算するようにしているで、その検出値
を、光源の光に起因して生じる検出値に近似した適正な
値に補正することができる。偏角演算手段では、こうし
て得られる適正な値に基づいて、各光源の光軸同士の偏
角を演算するようにしたので、偏角を光学的に測定する
際、偏角測定用の光源の光以外の要因により生じるセン
サ出力の影響を受けないようにして、偏角を一層高い精
度で測定することができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明が実際上どのように
具体化されるのかを示す具体化例を図１乃至図３に基づ
いて説明することにより、本発明の実施の形態を明らか
にする。図１は、本発明の具体化例の光学式偏角測定装
置における演算処理装置を示すブロック図、図２は、図
４の検出器で検出される検出値の成分の中の光源の光に
起因しないで生じる成分を示す図、図３は、図４の検出
器で検出される図２の成分を含んだ検出値を示す図であ
る。

【００２８】本発明の具体化例の光学式偏角測定装置
は、図４乃至図７に示した従来の技術に係る光学式偏角
測定装置と同様、基点とこれと距離を置いて基点の両側
に設定した各地点とをそれぞれを結ぶ二つの線分の偏角
Φを光で測定する装置である。そして、基点の両側に設
定した各地点にそれぞれ設置され拡散光を発する光学式
偏角測定用の光源４１，４２と、各光源４１，４２から
の拡散光の少なくとも一部をそれぞれ集光する共通の集
光手段としてのレンズ４１１と、集光手段４１１でそれ
ぞれ集光した各光源４２，４１からの光をそれぞれ受光
して光量を検出するための多数の画素４１２ｅを有し各
画素４１２ｅの検出値を出力する各位置検出素子４１２
−１，４１２−２と、レンズ４１１に入射しようとする
各光源４１，４２からの拡散光の少なくとも一部を透過
しかつレンズ４１１で集光する各光源４２，４１からの
光をそれぞれ各位置検出素子４１２−１，４１２−２に
導くように方向転換させる光方向転換手段としての各反
射プリズム４１３−１，４１３−２とを備え、レンズ４
１１に入射しようとする各光源４１，４２からの拡散光
を遮断しない位置に各位置検出素子４１２−１，４１２
−２を配置しており、基本的な構造は、従来の技術に係
るものと変わらない。また、演算処理装置を備え、各光
源４１，４２の光軸Ｄ同士の偏角Φを演算処理装置で算
出できるようにしており、この点でも、従来の技術に係
る装置と変わらない。

【００２９】本具体化例の装置が従来の技術に係る装置
と基本的に異なる点は、演算処理装置の内容にある。そ
こで、以下に、演算処理装置の内容を図１に基づいて説
明する。図１に示す演算処理装置１０は、オフセット回
路１、アナログ−デジタル変換器２、画像メモリ３及び
重心位置・偏角演算回路４とを備え、これらのうち、オ
フセット回路１、アナログ−デジタル変換器２及び画像
メモリ３は、何れも光源４１，４２の数に対応した数だ
け設けている。まず、本発明の中心的な技術手段として
のオフセット手段に関係するオフセット回路１について
説明する。前述したように、位置検出素子４１２−１，
４１２−２の検出信号の出力値Ｉには、外乱光や暗電流
に起因するセンサ出力のような光源４２，４１の光に起
因しないで生じるノイズ信号に係るセンサ出力Ｉ_N（Ｘ
_m，Ｙ_n）が成分として含まれている。図２は、こうし
たノイズ信号に係るセンサ出力Ｉ_N（Ｘ_m，Ｙ_n）の波
形のうち、同じ横列上に位置する各画素４１２ｅについ
ての実験上の波形を例示的に図示したものである。図２
では、図７に図示のＸ−Ｙ平面座標の原点と各画素４１
２ｅの間の距離（ｍｍ）をＸ軸（横軸）にとり、各画素
４１２ｅに対応するセンサ出力Ｉの相対値（使用するセ
ンサの種類により検出する物理量が変化するので、相対
値という用語を用いて単位は示していない。）をＹ軸
（縦軸）にとっている。図２の波形によれば、ノイズ信
号に係るセンサ出力Ｉ_N（Ｘ_m，Ｙ_n）の値は、Ｘ軸の
何れの点でも、０．１２前後とほぼ一定している。

【００３０】オフセット回路１には、位置検出素子４１
２−１，４１２−２がそれぞれ有する多数の各画素４１
２ｅの検出信号の出力値Ｉ（Ｘ_m，Ｙ_n）が入力される
とともに、図示していない入力手段から予め設定された
オフセット設定値Ｖ_OFF が入力される。このオフセット
設定値Ｖ_OFF は、各光源４２，４１の光に起因しないで
生じる各位置検出素子４１２−１，４１２−２の出力Ｉ
_N（Ｘ_m，Ｙ_n）についての設定値すなわち前述の外乱
光、暗電流等のノイズに起因するセンサ出力の設定値を
意味し、計測する場所や光センサの規格等の条件や実験
等に基づいてほぼ正確に定めることができる。オフセッ
ト設定値Ｖ_OFF は、基本的には、こうしたノイズ信号に
関するセンサ出力Ｉ_N（Ｘ_m，Ｙ_n）のうちの最も大き
いものを排除できるように設定する。このノイズ信号に
関する出力値Ｉ_N（Ｘ_m，Ｙ_n）は、場合によっては変
動するので、オフセット設定値Ｖ_OFF は、前記の条件や
実験等に基づいて定められる基準の値に対して１．５倍
から２倍程度の余裕をもって設定するとよい。また、各
位置検出素子４１２−１，４１２−２に対して、一律に
設定してもよいし別々に設定してもよい。オフセット回
路１は、同回路１へ入力された各画素４１２ｅの検出信
号の出力値Ｉ（Ｘ_m，Ｙ_n）からオフセット設定値Ｖ
_OFF を減算してオフセット補正をする働きをする。

【００３１】アナログ−デジタル変換器２は、各位置検
出素子４１２−１，４１２−２から出力されオフセット
回路１でオフセット補正されたアナログ信号をデジタル
信号に変換するとともに、オフセット回路１での減算結
果が負の場合にその減算結果を０に変換する働きをす
る。オフセット回路１での減算結果が負の場合にその減
算結果を０にするのは、オフセット補正により人為的に
もたらされる外乱を排除するためである。これらオフセ
ット回路１及びアナログ−デジタル変換器２を通じて演
算された演算結果が偏角演算用の出力値Ｉ’（Ｘ_m，Ｙ
_n）として画像メモリ３に出力される。この出力値Ｉ’
（Ｘ_m，Ｙ_n）の演算方法を数式で表わすと、次式で表
わすことができる。Ｉ’（Ｘ_m，Ｙ_n）＝Ｉ（Ｘ_m，Ｙ_n）−Ｖ_OFF ｉｆＩ’≦０ｔｈｅｎＩ’＝０（６）前式中、Ｉ’は、位置検出素子４１２−１，４１２−２
の検出信号からノイズ信号を排除した信号の出力値であ
って、光源４１，４２の光に起因して生じるセンサ出力
Ｉ_Sに近似する値である。

【００３２】図３には、位置検出素子４１２−１，４１
２−２の検出信号の出力値Ｉ（Ｘ_m，Ｙ_n）に対してオ
フセット補正をするときの様子を図２と同様の手法で例
示的に図示している。図３の座標上には、図２に図示の
ノイズ信号の出力値Ｉ_N（Ｘ_m，Ｙ_n）の混じった出力
値Ｉ（Ｘ_m，Ｙ_n）に係る波形が描かれており、図３の
座標上の左寄りに切り立って描かれた波形は、光源４
１，４２の光に起因して生じるセンサ出力Ｉ_S（Ｘ_m，
Ｙ_n）が顕著な個所である。図２に示したように、光源
４１，４２の光に起因しないで生じるセンサ出力の成分
Ｉ_N（Ｘ_m，Ｙ_n）の値は、０．１２前後とほぼ一定し
ているが、図３には、波形の変動を考慮して余裕を見込
み、オフセット設定値Ｖ_OFF を０．２と大きめに設定し
た例を示している。したがって、図３に示す例では、こ
のオフセット設定値Ｖ_OFF ０．２を出力値Ｉ（Ｘ_m，Ｙ
_n）から減算してオフセット回路１でオフセット補正を
する。このようなオフセット設定値Ｖ_OFF ０．２でオフ
セット補正をすると、図から明らかなようにオフセット
補正をした結果の補正値は、切り立って描かれた波形の
両側の個所で負になるが、アナログ−デジタル変換器２
では、前述したようにその補正値を０に変換する。した
がって、図３に描かれた波形中、Ｖ_OFF の線よりより上
方の波形の波高値が前記（６）式で演算される値とな
る。

【００３３】画像メモリ３は、前記（６）式で演算され
た偏角演算用の出力値Ｉ’（Ｘ_m，Ｙ_n）に関するデー
タを記憶する働きをする。重心位置・偏角演算回路４で
は、まず、この画像メモリ３に記憶された偏角演算用の
出力値Ｉ’（Ｘ_m，Ｙ_n）に関するデータを用い、位置
検出素子４１２−１，４１２−２の各受光面上の結像位
置（Ｘ_G，Ｙ_G）’を前記（３）式に則って演算により
求める。その演算方式を数式で表わすと、次式で表わす
ことができる。

【００３４】

【数４】

【００３５】重心位置・偏角演算回路４では、この結像
位置（Ｘ_G，Ｙ_G）’の演算後、各光源４１，４２の光
軸Ｄ同士の偏角を演算により求める。この偏角は、結像
位置（Ｘ_G，Ｙ_G）’が得られれば、「従来の技術」の
項ですでに述べた（１）式及び（２）式による偏角Φの
演算方法に則って算出することができる。

【００３６】以上のように、演算処理装置１０では、オ
フセット回路１を設けて、各位置検出素子４１２−１，
４１２−２の検出信号の出力値Ｉ（Ｘ_m，Ｙ_n）から、
ノイズ信号の出力Ｉ_N（Ｘ_m，Ｙ_n）に関する設定値で
あるオフセット設定値Ｖ_OFFを減算するようにしている
ので、その出力値Ｉ（Ｘ_m，Ｙ_n）を、光源４２，４１
の光に起因して生じるセンサ出力Ｉ_S（Ｘ_m，Ｙ_n）に
近似した適正な値に補正することができる。そして、演
算処理装置１０の重心位置・偏角演算回路４では、その
補正により得られる適正な出力値Ｉ’（Ｘ_m，Ｙ_n）に
基づいて位置検出素子４１２−１，４１２−２の各受光
面上の結像位置（Ｘ_G，Ｙ_G）’を求めて、各光源４
１，４２の光軸Ｄ同士の偏角を演算するようにしたの
で、偏角を光学的に測定する際、光源４１，４２の光以
外の要因により生じるセンサ出力Ｉ_N（Ｘ_m，Ｙ_n）の
影響を受けないようにして、偏角を一層高い精度で測定
することができる。

【００３７】加えて、こうした演算処理装置１０を設け
るためのベースとなる光学式偏角測定装置は、「従来の
技術」の項で述べたように、基点両側の設定した各地点
に設置される光源４１，４２に特に拡散光を発する光源
を用いて、拡がりをもつ光で広い領域を照らせるように
し、さらに、その拡がりをもつ各光源４１，４２の光を
共通のレンズ４１１で集めて各位置検出素子４１２−
２，４１２−１でそれぞれ受光して受光位置を検出し、
それぞれの検出結果に基づいて各光源４１，４２の光軸
Ｄ同士の偏角を求め得るようにしているため、偏角を光
学的に測定する場合に、光源４１，４２にレーザビーム
を用いる場合のように光を位置検出素子に当てるための
操作機構を要さず機械的な測定誤差を生じにくくするこ
と、検出器４１０や光源４１，４２の姿勢が振動等の外
力や取付姿勢の不揃いによりピッチング方向及びヨーイ
ング方向に変動しても、その姿勢の変動が偏角の測定結
果に影響しないようにすることが可能となる。その結
果、このこと自体によっても偏角を精度よく測定するこ
とができるため、こうした効果も相俟って、偏角をきわ
めて高い精度で測定することができる。

【００３８】本発明を具体化する場合、特に、各光源４
１，４２からの拡散光を互いに振動方向の直交する直線
偏光の拡散光になるようにするとともに、反射プリズム
４１３−１，４１３−２として、レンズ４１１に入射し
ようとする一方の直線偏光の拡散光を透過させ、かつ、
レンズ４１１で集められる過程の他方の直線偏光の拡散
光を位置検出素子４１２−１，４１２−２に導くように
反射する偏光反射プリズムを用いるようにすれば、各光
源４１，４２からの拡散光を、それぞれ、その光量を損
失させることなく位置検出素子４１２−２，４１２−１
に導くことができて、偏角の測定精度の一層の向上に資
することができる。

【００３９】ここに示す例では、演算処理装置１０を特
に検出器４１０に内蔵させて、オフセット補正、結像位
置（Ｘ_G，Ｙ_G）’の演算及び偏角の演算を全て同じ演
算処理装置１０で演算するようにしているが、演算処理
装置１０は、必ずしも検出器４１０に内蔵させる必要は
ない。また、オフセット補正、結像位置（Ｘ_G，
Ｙ_G）’の演算及び偏角の演算のうちの所望のものを別
個の装置で行うようにしてもよい。位置検出素子４１２
−１，４１２−２に使用する光センサとしては、フォト
ダイオードをマトリックス状に配置したＭＯＳ型撮像素
子やＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ−Ｄｅｖｉ
ｃｅ）撮像素子等の二次元光センサを用いることができ
るほか、フォトダイオードの表面抵抗を利用して光スポ
ットの位置を知ることのできるＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ−Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ−Ｄｅｖｉｃｅ）のようなもの
を用いてもよく、要は、レンズで集められた光を受光し
その受光した光の光量を検出する多数の検出部分すなわ
ち画素を有するものであればよく、その種類は限定され
ない。

【００４０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、「基点とこれと距離を置いて基点の両側に設定した
各地点とをそれぞれを結ぶ二つの線分の偏角を光で測定
する光学式偏角測定装置」を構成する場合、「基点の両
側に設定した各地点にそれぞれ設置され拡散光を発する
光源と、各光源からの拡散光の少なくとも一部をそれぞ
れ集光する共通の集光手段と、集光手段でそれぞれ集光
した各光源からの光をそれぞれ受光して光量を検出する
ための多数の画素を有し各画素の検出値を出力する各位
置検出素子と、集光手段で集光する各光源からの光をそ
れぞれ各位置検出素子に導くように方向転換させる各光
方向転換手段と、光源の光に起因しないで生じる各位置
検出素子の出力についての設定値を各位置検出素子の各
画素の検出値から減算するオフセット手段と、オフセッ
ト手段での減算結果に基づいて各光源の光軸同士の偏角
を演算する偏角演算手段とを備えるようにした」ので、
本発明によれば、偏角を光学的に測定する際、偏角測定
用の光源の光以外の要因により生じるセンサ出力の影響
を受けないようにして偏角を高い精度で測定することが
できる光学式偏角測定装置が得られる。

【００４１】加えて、オフセット手段や偏角演算手段を
設けるためのベースとなる光源、集光手段、位置検出素
子等で構成される光学式偏角測定装置は、偏角を光学的
に測定する場合に、光源にレーザビームを用いる場合の
ように光を位置検出素子に当てるための操作機構を要さ
ず機械的な測定誤差を生じにくくすること、集光手段、
位置検出素子等の検出側部分や光源の姿勢が振動等の外
力や取付姿勢の不揃いによりピッチング方向及びヨーイ
ング方向に変動しても、その姿勢の変動が偏角の測定結
果に影響しないようにすることが可能になり、このこと
自体によっても偏角を精度よく測定することができるた
め、本発明は、こうした効果も相俟って、偏角をきわめ
て高い精度で測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の具体化例の光学式偏角測定装置におけ
る演算処理装置を示すブロック図である。

【図２】図４の検出器で検出される検出値の成分の中の
光源の光に起因しないで生じる成分を示す図である。

【図３】図４の検出器で検出される図２の成分を含んだ
検出値を示す図である。

【図４】従来の技術に係る光学式偏角測定装置における
検出器を示す斜視図である。

【図５】偏角を測定する原理を説明するための光学式偏
角測定装置の概念図である。

【図６】図１の検出器で光源の方向を検出する原理を説
明するための概念図である。

【図７】図１の検出器における位置検出素子の画素の配
置図である。

【符号の説明】

１オフセット回路２アナログ−デジタル変換器２３画像メモリ４重心位置・偏角演算回路１０演算処理装置４１，４２光源４１０偏角測定用の検出器４１１レンズ４１２−１，４１２−２位置検出素子４１２ｅ位置検出素子の画素４１３−１，４１３−２反射プリズムＣレンズの光軸Ｄ光源の光軸Ｖ_OFF オフセット値 Φ 偏角

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基点とこれと距離を置いて基点の両側に
設定した各地点とをそれぞれを結ぶ二つの線分の偏角を
光で測定する光学式偏角測定装置であって、基点の両側
に設定した各地点にそれぞれ設置され拡散光を発する光
源と、各光源からの拡散光の少なくとも一部をそれぞれ
集光する共通の集光手段と、集光手段でそれぞれ集光し
た各光源からの光をそれぞれ受光して光量を検出するた
めの多数の画素を有し各画素の検出値を出力する各位置
検出素子と、集光手段で集光する各光源からの光をそれ
ぞれ各位置検出素子に導くように方向転換させる各光方
向転換手段と、光源の光に起因しないで生じる各位置検
出素子の出力についての設定値を各位置検出素子の各画
素の検出値から減算するオフセット手段と、オフセット
手段での減算結果に基づいて各光源の光軸同士の偏角を
演算する偏角演算手段とを備えていることを特徴とする
光学式偏角測定装置。