KR980010458A - 굴진방위 검출장치 및 그 검출방법 - Google Patents

Abstract

굴진기의 방위각을 고정밀도로 검출할 수 있는 굴진방위 검출장치 및 그 검출방법을 제공한다.

소정의 점으로부터 소정방향으로 조사된 빔형의 레이저광(15)을 집광하는 주렌즈(16)와, 이 주렌즈계(16)의 집광점 근방에 배치된 1차원 위치 검출 소자를 보유하는 수광기(11, 20)에 의해서, 상기한 1차원 위치 검출 소자에서의 상기한 레이저광(15)의 수광위치의 변위량에 의거하여, 상기한 조사된 레이저광(15)의 주렌즈계(16)로의 입사각도를 검출하므로써, 상기한 레이저광(15)을 방위기준으로서 수광기(11, 20)의 방위각을 검출하는 굴진기의 굴진방위 검출장치에 있어서, 상기한 주렌즈계(16)와 상기한 1차원 위치 검출 소자의 사이로, 주렌즈계(16)에 입사된 상기한 레이저광(15)을 상기한 1차원 위치 검출 소자에 안내하는 제2의 광학계를 배치하였다. 제2의 광학계는 아나모르피크광학계의 집광렌즈계, 소정의 곡률을 보유하는 미러, 또는 다면경(Poligon Mirror)에 의하여 구성되어도 좋다.

Description

굴진방위 검출장치 및 그 검출방법

본 발명은 굴진기 등의 자세계측방법에 관하여, 특히, 굴진기의 방위각을 1차원 위치 검출 소자로 검출 가능한 굴진방위 검출장치에 관한 것이다.

예컨대, 실드굴진기 등의 터널기계에 의하여 터널시공을 실시하는 경우에, 미리 결정된 터널계획선 대로의 시공을 실시하기 위하여 터널기계의 위치 및 방위각을 계측할 필요가 있다. 계측하는 위치데이터는 터널공간내에 설정된 적당한 3차원 좌표계에 있어서의 각 좌표로 나타내는 것이 보통이다. 보통은 터널계획선을 1개의 좌표축으로 하고, 터널계획선과 직교하는 수평선 및 연직선을 다른 2개의 좌표축으로서 설정하고 있다. 그리고, 계획선 방향으로 얻어지는 굴진거리와 계획선으로부터의 수평방향으로의 빗나감과 계획선에서의 연직방향으로의 빗나감에 의해서 터널기계의 위치를 나타내는 일이 많다. 한편, 터널기계의 방위각은 상기한 3차원 좌표계의 각 축주위의 회전각도로 나타내는 것이 보통이고, 예컨대, 터널기계의 수평면쪽의 방향(이후, 요잉각도라고 부름)과 터널기계의 전후방향의 경사(이후, 피칭각도라고 부름)와 터널기계의 중심축 주위의 회전(이후, 로울링각도라고 부름)등에 의하여 터널기계의 방위각을 나타내는 일이 많다.

그리고, 상기한 터널기계의 위치 및 방위각의 계측은 일반적으로 레이저광 등의 광빔을 사용하여 실시하고 있다. 이와같은 레이저광을 이용한 위치자세 계측장치가 본 발명자에 의하여 예컨대, 특개평 3-172710호 공보나 특원평5-344965호 공보에 명시되어 있다. 제5도 및 제6도에는 동 공보에 기재된 위치 방위각 계측장치의 1실시예를 표시하고 있으며, 이하 이들의 도면에 의거하여 설명한다.

도5에 있어서, 굴진기(1)에 의하여 굴삭된 터널구멍의 굴진방향 뒤쪽에는 소정의 길이의 세그먼트(2)가 소정간격마다 연결되어서 매설되어 있고, 세그먼트(2)의 굴진기(1)측 선단부에는 세그먼트(2)로부터 반력을 얻어서 굴진기(1)를 전진시키는 실드잭(3)이 연결되어 있다. 굴진기(1)에는 수광기(20) 및 로울링계(21)가 설치되며, 굴진기(1)의 뒤쪽의 소정위치에는 굴진기(1)의 위치자세 계측장치로서의 위치계측 투광장치(10)가 설치되어 있다. 위치계측 투광장치(10)는 수광기(11)와 발광기(12) 및 로울링계(13)를 구비하고 있다. 로울링계(13) 및 로울링계(21)는 각각 위치계측 투광장치(10) 및 수광기(20)의 로울링각도를 계측하는 것이고, 예컨대 중력을 이용한 경사계 등에 의하여 구성되어 있다. 또, 위치계측 투광장치(10)보다 뒤쪽에는 계측의 기준점으로 되는 소정위치에 레이저투광기(5)가 설치되어 있다. 이 기준점은 예컨대 굴진기(1)의 발진입갱이나 굴삭된 터널의 도중의 중계점 등에 설치되며, 기준점의 레이저투광기(5)의 위치는 보통의 측량 등에 의하여 정확히 구해진다.

그리고, 레이저투광기(5)로부터 발사된 레이저광(15)은 위치계측 투광장치(10)의 수광기(11)에 수광되며, 이 수광방향과 대략 반대측의 발광기(12)로부터 발광된 레이저광(15)은 수광기(20)에 수광된다. 이때, 위치계측 투광장치(10) 및 수광기(20)에 있어서 측정된 레이저광의 수광위치 및 수광방향에 의하여, 각 위치계측 투광장치(10) 및 수광기(20)의 위치 및 방위각이 계측된다. 이 계측데이터는 도시하지 않는 컨트롤러로 통신에 의하여 입력되며, 컨트롤러는 이들의 계측데이터에 의거하여 굴진기(1)의 위치 및 방위각을 연산하여 구하도록 되어 있다.

제6도는 상기한 수광기(11, 20)에 의한 위치 및 방위각의 계측방법을 설명하고 있다. 각 수광기(11, 20)에는 레이저광(15)을 소정위치로 집광하는 주렌즈계(16)와, 주렌즈계(16)를 통과한 빔형상인 레이저광(15)을 수광하는 제1의 수광면(17a) 및 제2의 수광면(17b)이 설치되어 있다. 주렌즈계(16)는 보통의 집광렌즈(16)만으로 구성하여도, 혹은, 보통의 집광렌즈 를 복수개 조합된 것으로 구성하여도 좋다. 제1의 수광면(17a) 및 제2의 수광면(17b)은 상기한 레이저광(15)이 수광된 2차원 평면위치를 상기신호로 변환하는 위치검정 검출센서에 의하여 구성되어 있다. 또, 제1의 수광면(17a)은 광투과성을 보유하는 검출소자를 구비하며, 레이저광(15)을 투과하여 제2의 수광면(17b)에 수광시킨다. 각 수광면(17a, 17b)상에는 각 수광기 (11, 20)의 연직방향 및 수평방향으로 좌표축을 보유하는 직교좌표계가 설치되어 있다. 주렌즈계(16)는, 광축(18)이 각 수광면(17a, 17b)과 직교하고, 또한, 각 수평면(17a, 17b)상의 상기한 직교좌표계의 원점(Oa, Ob)을 통과하도록 설치되어 있다. 그리고, 주렌즈계(16)는 제2의 수광면((17b)의 원점(Ob)에 집광점을 보유하며, 광축(18)에 평행하게 입사된 레이저광(15)은 이 원점(Ob)으로 집광되도록 되어 있다.

그리고, 각 수광면(17a, 17b)상에서의 레이저광(15)의 수광위치에 대응하는 좌표에 의거하여, 각 수광기(11, 20)의 위치 및 방위각이 계측된다. 즉, 레이저광(15)을 기준으로서 제1의 수광면((17a)에서의 수광위치에 의거하여 레이저광(15)으로부터의 변위 위치가 검출되고, 이것이 각 수광기의 위치로서 컨트롤러에 입력된다. 또, 주렌즈계(16)에 입사된 레이저광(15)이, 렌즈입사각도(수광기의 방위각도에 상당한다)의 함수로 나타내는 변위를 제2의 수광면(17b)상에서 발생하는 것을 이용하고, 제2의 수광면(17b)의 검출소자에 의하여 검출된 변위위치에 의거하여 각 수광기의 방위각도, 즉 요잉각도 및 피칭각도를 계측하고, 이것이 각 수광기의 방위각으로서 컨트롤러에 입력된다. 이때, 로울링계(13, 21)에 의하여 검출된 로울링각도에 의하여 상기한 각 수광면(17a, 17b)에서의 수광위치는 보정되며, 이 보정된 수광위치에 의거하여 각 수광기의 위치 및 방위각은 구해지도록 되어 있다. 또, 레이저투광기(5)와 수광기(11)의 거리 및 발광기(12)와 수광기(20)의 거리는, 도시하여 있지 않는 거리검출(예컨대, 광파거리계 등)에 의하여 계측하고 있다. 그리고, 컨트롤러는 각 수광기의 위치, 방위각 및 각 거리에 의거하여, 최종적으로 굴진기(1)의 위치 및 방위각을 연산하여 구하고 있다.

한편, 최근 수년의 시공사례에 의하면 터널기계의 굴진거리가 길어지는 경향으로 되어 있으므로, 터널기계의 위치검출정밀도도 그것에 따라서 고정밀도의 것이 요구되어 있다. 그런데, 터널기계의 상기와 같은 방위각검출의 오차가 굴진기(1)의 위치검출정밀도에 관계되어 있고 시공의 장거리화에 따라서 상기한 방위각검출의 오차가 누적되거나, 혹은 방위각검출의 연산오차가 증대되고, 따라서 위치검출정밀도가 저하된다고 하는 문제가 발생하고 있다. 전술한 공보에 기재된 장치에 의하면, 제2의 수광면(17b)의 검출소자에 의한 수광위치검출의 정밀도가 향상되면, 이 문제에 대처할 수 있다고 생각되며 수광위치의 검출정밀도를 약 100배 정도 올리는 것이 요구되어 있다(이것은 분해능(현미경, 망원경, 사진 렌즈 따위의 대상에 대한 최소의 식별 능력)을 예를 들면 0.1mm로부터 약 1㎛로 올리는 것에 상당한다). 이 수광위치 검출정밀도를 향상하는데는, 예컨대 검출소자의 분해능의 고정밀도화가 필요하게 된다. 그런데, 검출소자의 분해능에 대해서는, 실제로 사용할 수 있는 디바이스의 각 축방향의 분해능이 종래에 대하여 100배로 되는 것 같은 2차원 위치 검출 소자는 현실적으로는 없는 것이 현상이다(예컨대, 화소(텔레비젼이나 사진 전송에서, 화면을 전기적으로 분해한 명암의 최소단위)수가 분해능에 상당한다고 생각되는 촬상용의 CCD디바이스를 예로 들면, 현재의 41만 화소(약 700×600)에 대해서 42억 화소로 된 디바이스가 필요하게 되는 것을 의미하지만, 그와 같은 디바이스는 존재하지 않는다). 더우기, 굴진거리가 길어짐과 동시에 곡선시공의 사례도 증가하고 있으므로 방위각을 계측해야할 각도범위(전술한 공보에 기재되어 있는 장치에 의한 주렌즈계(16)에 입사하는 각도범위)도 확대하지 않으면 안된다는 등의 문제도 발생하고 있다. 주렌즈계(16)로의 입사각도범위의 확대화에 대해서 2차원 위치 검출 소자도 더 넓은 면적이 필요하게 되지만, 동시에 100배의 분해능을 만족시킬 필요도 있다.

그런데, 주렌즈계(16)의 구면수차(랜즈의 상이 선명하지 않게 비치는 것)가 커지는를 고려하면, 일정한 입사각도범위까지밖에 확대할 수 없고, 상기와 같은 100배의 분해능을 얻는 것을 더욱 실현곤란하게 하고 있다.

그러나, 예컨데 축소전사기술로 제작되는 CCD에 있어서는 1만화소에서 검출할 수 있는 1차원의 디바이스는 이미 존재하고 있다. 그래서, 2차원의 위치 검출 소자는 아니고, 1차원의 위치 검출 소자를 유용하여 정밀도향상하는 것을 쉽게 상상할 수 있다. 이 방법에 따라서 렌즈계와 1차원 위치검출디바이스를 조합해서 사용하는 경우, 종래에, 2차원의 위치 검출 소자로 검출할 수 있게 되었던 요잉각도 및 피칭각도 중 한쪽밖에 검출할 수 없게 된다. 이 경우에, 요잉각도 및 피칭각도 중의 피칭각도에 대해서는, 중력검출형의 경사계(로울링각도 검출에 이용하고 있던 것과 동일)를 검출방향을 변환하므로서 사용할 수 있다.

그런데, 1차원의 위치 검출 소자를 사용하여 요잉각도를 검출하도록 한 경우, 상하방향(수광기(11, 20)가 수평으로 설치되어 있는 경우의 상하방향)으로부터의 레이저광(15)의 입사각도(레이저광(15)이 수평으로 조사되어 있는 경우의 수광기(11, 20)의 피칭각도)에 대하여, 레이저광(15)이 1차원 위치 검출 소자의 검출면 폭보다 외측으로 집광할 때가 있어서 레이저광(15)이 1차원 위치 검출 소자의 검출범위를 초과해 버린다고 하는 문제를 발생한다. 또, 위치계측 투광장치(10)나 수광기(20)이 소정치 이상의 로울링각도로 기울어져 있는 경우에도 상기와 마찬가지로 레이저광(15)이 1차원 위치 검출 소자의 검출범위를 초과해 버린다고 하는문제가 발생한다. 이와같이, 1차원 위치 검출 소자를 사용하여 요잉각도를 검출하는 방법에 있어서 레이저광(15)을 올바르게 1차원 위치 검출 소자에 집광시키지 않으면 안된다고 하는 2차원 위치 검출 소자를 사용하고 있을 때에는 문제로 되지 않았던 새로운 문제가 발생하고 있다.

이 문제를 해결하기 위하여 위치계측 투광장치(10)나 수광기(20) 등의 수광방위각을 액추에이터를 보유하는 기구에 의하여 미리 결정된 소정의 범위로 조정하는 방법이 생각된다. 그러나, 보통의 1차원 위치검출디바이스에서는 그 검출면의 요잉각도 검출방향의 길이와 그 폭의 비가 10 : 1 이상이다. 따라서, 요잉각도의 검출범위를 크게 취하는 경우, 렌즈계를 통하여 상하방향에서의 입사각도도 마찬가지로 굴절한다고 말하며, 상하방향에서의 입사각도의 허용범위각도는 요잉각도의 검출범위의 10분의 1에도 만족시키지 않는 범위로밖에 검출할 수 없다. 이것은 로울링각도가 절대수평이라고(로울링각도가 제로에 대응) 하는 조건에서의 이야기이고 실제의 터널기계에 있어서는 당연히 로울링각도가 존재하고 있으므로 그 검출범위에서조차도 확보하는 것을 곤란하게 하고 있다. 더우기, 위치계측 투광장치(10)나 수광기(20) 등의 수평조정을 고정밀도로 실시하게 하여도 터널기계의 운전에서 발생하는 진동의 있을때에 조정되므로, 경사계 이외의 검출기를 부가하지 않으면 자동화를 촉진시키는 것도 곤란한다.

본 발명은, 상기한 문제점에 착안하여 이룩된 것이고, 굴진기의 방위각을 고정밀도로 검출할 수 있는 굴진방위 검출장치 및 그 검출장법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 청구 제1항에 기재된 발명은, 소정의 점으로부터 소정방향으로 조사된 빔형상인 레이저광(15)을 집광하는 주렌즈계(16)와 이 주렌즈계(16)의 집광점 근방에 설치된 1차원 위치검출 소자를 보유하는 수광기(11, 20)에 의해서 상기한 1차원 위치 검출 소자에서의 상기한 레이저광(15)의 수광위치의 변위량에 의거하여 상기 조사된 레이저광(15)의 주렌즈계(16)로의 입사각도를 검출하므로써 상기한 레이저광(15)을 방위기준으로서 수광기(11, 20)의 방위각을 검출하는 굴진기의 굴진방위 검출장치에 있어서, 상기한 주렌즈계(16)와 상기한 1차원 위치 검출 소자와의 사이로 굴진기의 상기한 방위각이 변화하여 레이저광(15)의 수광위치가 상기한 1차원 위치 검출 소자의 검출방향에 대하여 직교하는 방향으로 빗나간 경우라도, 주렌즈계(16)에 입사된 상기 레이저광(15)을 상기한 1차원 위치 검출 소자에 안내하는 제2의 광학계를 배치한 구성으로 하고 있다.

청구 제1항에 기재된 발명에 의하면, 1차원 위치 검출 소자의 검출면의 폭방향의 외측으로 레이저광이 집광되는 것 같은 큰 입사각으로 집광렌즈에 레이저광이 입사된 경우라도 제2의 광학계에 의해서 상기한 레이저광이 1차원 위치 검출 소자의 상기한 검출면의 폭내로 집광되도록 된다. 이때, 1차원 위치 검출 소자의 검출방향, 즉 긴쪽방향으로는, 레이저광의 경로는 변화하지 않는다(배율이 변하지 않는다). 따라서, 굴진기의 굴진방위 검출장치에 있어서, 한쪽방향의 방위각을 계측하는 1차원 위치 검출 소자를 사용할 수 있게 되고, 이 결과, 고분해능의 1차원 위치 검출 소자를 사용하여 방위각을 고정밀도로 계측할 수 있게 된다. 따라서, 터널시공의 장거리화에 따르는 위치정밀도의 오차를 작게할 수 있게 되고, 터널시공을 정밀도 양호하게 실시할 수 있게 된다.

또, 청구 제2항에 기재된 발명은, 청구 제1항에 기재된 굴진방위 검출장치에 있어서, 상기한 제2의 광학계가 아나모르피크 광학계의 집광렌즈인 것을 특징으로 한다.

청구 제2항에 기재된 발명에 의하면, 집광렌즈와 1차원 위치 검출 소자와의 사이에 설치된 상기한 제2의 광학계를 예컨대, 원기둥렌즈 등의 아나모르피크 광학계의 집광렌즈로 하였으므로, 1차원 위치 검출 소자의 검출면의 폭방향의 외측으로 레이저광이 집광되도록 한 큰 입사각으로 집광렌즈에 레이저광이 입사된 경우라도, 아나모르피크 광학계의 집광렌즈계에 의하여 상기 레이저광이 1차원 위치 검출 소자의 상기한 검출면의 폭내로 집광되도록 된다. 이 결과, 고분해능의 1차원 위치 검출 소자를 사용할 수 있게 되고, 방위각을 고정밀도로 계측할 수 있다. 따라서, 터널시공의 장거리화에 따르는 위치정밀도의 오차를 작게할 수 있게 되고, 터널시공을 정밀도로 양호하게 실시할 수 있게 된다.

청구 제3항에 기재된 발명은 청구 제1항에 기재된 굴진방위 검출장치에 있어서, 상기한 제2의 광학계가 소정의 곡률을 보유하는 미러에 의하여 구성되어 있다.

청구 제3항에 기재된 발명에 의하면, 상기한 제2의 광학계로서 소정의 곡률을 보유하는 미러를 사용하므로 1차원 위치 검출 소자의 검출면의 폭방향의 외측으로 레이저광이 집광되도록한 입사각으로 집광렌즈에 레이즈광이 입사된 경우라도, 상기한 미러의 집광작용에 의하여 상기한 레이저광이 1차원 위치 검출소자의 상기한 검출면의 폭내로 집광되도록 한다. 이 결과, 고분해능의 1차원 위치 검출 소자를 사용할 수 있게 되고, 방위각을 고정밀도로 계측할 수 있다. 따라서, 터널시공의 장거리화에 따르는 위치정밀도의 오차를 작게할 수 있게 되고, 터널시공을 정밀도 양호하게 실시할 수 있게 된다.

청구 제4항에 기재된 발명은 청구 제1항에 기재된 굴진방위 검출장치에 있어서 상기한 제2의 광학계가 폴리곤미러에 의하여 구성되어 있다.

청구 제4항에 기재된 발명에 의하면 상기한 제2의 광학계로서 폴리곤미러를 사용하므로, 1차원 위치 검출 소자의 검출면의 폭방향의 외측으로 레이저광이 집광되도록한 큰 입사각으로 집광렌즈에 레이저광이 입사된 경우라도, 상기한 폴리곤미러회전의 집광작용에 의하여 상기한 레이저광이 1차원 위치 검출 소자의 상기한 검출면의 폭내로 집광되도록 된다. 이 결과, 고분해능의 1차원 위치 검출 소자를 사용할 수 있게 되고, 방위각을 고정밀도로 계측할 수 있다. 따라서, 터널시공의 장거리화에 따르는 위치정밀도의 오차를 작게할 수 있게 되고, 터널시공을 양호한 정밀도로 실시할 수 있게 된다.

청구 제5항에 기재된 발명은 소정의 점으로부터 소정방향으로 조사된 빔형상인 레이저광을 주렌즈계를 경유하여 1차원 위치 검출 소자에 수광하며, 상기한 조사레이저광의 주렌즈계 입사각도를 상기한 1차원 위치 검출 소자에서의 변위량으로서 검출하고, 조사된 레이저광을 방위기준으로서 굴진방위각을 검출하는 굴진기계의 굴진방위검출방법에 있어서, 상기한 굴진방위각이 변화하여 레이저광의 수광위치가 상기한 1차원 위치 검출 소자의 검출방향에 대하여 직교하는 방향으로 빗나간 경우라도, 상기한 주렌즈계로의 입사레이저광을 제2의 광학계에 의하여 상기한 위치 검출 소자에 안내하는 방법으로 하고 있다.

청구 제5항에 기재된 발명에 의하면, 1차원 위치 검출 소자의 검출면의 폭방향의 외측으로 레이저광이 집광되도록한 큰 입사각으로 집광렌즈에 레이저광이 입사된 경우라도, 제2의 광학계에 의하여 상기한 레이저광이 1차원 위치 검출 소자의 상기한 검출면의 폭내로 집광되도록 된다. 이때, 1차원 위치 검출 소자의 검출방향, 즉 긴쪽방향으로는, 레이저광의 경로는 변화하지 않는다(배율이 변하지 않는다). 따라서, 굴진방위 검출장치에 있어서 한쪽방향의 방위각을 계측하는 1차원 위치 검출 소자를 사용할 수 있게 되고, 이 결과 고분해능의 1차원 위치 검출 소자를 사용하여 방위각을 고정밀도로 계측할 수 있게 된다. 따라서, 터널시공의 장거리화에 따르는 위치정밀도의 오차를 작게할 수 있게 되고, 터널시공을 양호한 정밀도로 실시할 수 있게 된다.

제1도는 본 발명에 관한 굴진방위 검출장치의 제1실시형태의 수광기의 측면도의 표시.

제2도는 본 발명에 관한 굴진방위 검출장치의 제1실시형태의 수광기의 평면도의 표시.

제3도는 본 발명에 관한 굴진방위 검출장치의 제2실시형태의 수광기의 측면도의 표시.

제4도는 본 발명에 관한 굴진방위 검출장치의 제2실시형태의 다른 수광기의 측면도의 표시.

제5도는 종래기술에 관한 위치자세 계측장치의 구성도의 표시.

제6도는 종래기술에 관하여 수광기에 의한 위치 및 방위각의 계측방법의 설명도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 굴전기 2 : 세그먼트

3 : 실드 잭 5 : 레이저투광기

10 : 위치계측 투광장치 11 : 수광기

12 : 발광기 13 : 로울링계

14 : 제2의 수광면 15 : 레이저광

16 : (주렌즈계)집광렌즈 17a : 제1의 수광면

17b : 제2의 수광면 18 : 광축

19 : 본체(광체) 20 : 수광기

21 : 로울링계 41 : 집광렌즈계

42 : 윈도우글라스 43 : 오목경

44 : 폴리경

아래에서, 도면을 참조하여 실시형태를 설명한다.

제1도 및 제2도는 제1실시형태를 나타내는 수광기의 측면도 및 평면도를 표시하고 있다.

동 도면에 있어서, 본 실시형태에 관한 수광기의 주렌즈계(16)는 복수의 렌즈를 조합해서 일체로 구성된 것이고, 수광기(11)의 본체(19)에 브래킷 등의 지지구에 의하여 고착되어 있다. 주렌즈계(16)는 상기한 마찬가지의 집광렌즈계로 구성되며 광축(18)과 평행하게 입사된 레이저광(15)을 집광점으로 집광하는 것이다. 이 주렌즈계(16)에서 레이저광(15)의 입사측의 앞쪽에는 2차원 위치 검출 소자로 구성된 굉투과성을 보유하는 제1의 수광면(17a)이 광축(18)과 직교하여 설치되어 있고 더우기, 제1의 수광면(17a)에서 앞쪽의 본체(19)의 측면에는 윈도우글라스(42)가 설치되어 있다. 이 윈도우글라스(42)는 본체 외부로부터의 때나 먼지, 습기가 본체(19)속으로 들어가지 않도록 설치하고 있다. 또한, 제1의 수광면(17a)과 주렌즈계(16)의 전후의 위치관계는 동 도면에 표시된 위치로 한정되지 않고 역이라도 좋다.

주렌즈계(16)의 후방에서 주렌즈계(16)의 집광점 또는 그 근방의 광학적으로 적절한 위치에 제2의 수광면(14)이 소정의 지지기구에 의해서 설치되어 있다.

또, 제2의 수광면(14)은 1차원만 감도를 유지하는 1차원 위치 검출 소자로 구성되어 있고 이 수광면은 광축(18)과 직교하며 1차원 위치 검출 소자의 긴쪽방향은 수광기(11)의 수평방향과 일치하고 있다. 또한, 1차원 위치 검출 소자 및 상기한 2차원 위치 검출 소자는 예를 들어 PSD 등으로 구성할 수가 있다.

또, 주렌즈계(16)와 제2의 수광면(14)(결국, 상기한 1차원 위치 검출 소자)과의 사이에는, 예컨대, 아나모르피크 광학계의 집광렌즈계(14)를 제2의 광학계로서 설치하고 있다. 이때에, 아나모르피크 광학계는 원통형렌즈의 특성을 이용하여 결상의 횡배율이 수직방향과 수평방향이 달라지게한 특성을 유지시킨 광학계인 것이다. 그리고, 이와같은 구성의 수광기에 있어서, 레이저광(15)의 주렌즈계(16)로의 입사각도가 수광기(11)의 본체(19)와 레이저광(15)이 이룩하는 각도를 표시하고 있다. 본 실시형태에서는 제2의 수광면(14)에서의 1차원 위치 검출 소자의 검출방향은 수광기(11)의 수평방향이므로 제2의 수광면(14)에 의하여 수광기(11)의 요잉각도가 검출되도록 되어 있다.

수광기(11)로 들어온 레이저광(15)은 주렌즈계(16)에 의하여 구부러지며, 또한, 집광렌즈계(41)에서 구부러져서 제2의 수광면(14)의 위치 검출 소자로 안내된다. 주렌즈계(16)는 레이저광(15)의 입사각도를 제2의 수광면(14)상에서의 변위위치로 변환하기 위하여 설치되어 있고, 그 변위위치는 주렌즈계(16)의 집광거리 위치로 된다. 또한, 광학적인 설계를 촉진시키면 주렌즈계(16)의 설계집점거리가 수광할 때의 적정한 위치로 되지 않는 일도 있고, 그 적정한 위치로부터 약간 빗나가도 문제로 되지 않는다. 또, 제2의 광학계로서 설치되어 있는 집광렌즈계(41)는 1차원 위치 검출 소자의 검출방향(수광기(11)의 수평방향)에 대해서는 굴절특성을 유지하지 않으며 상기 검출방향과 직교하는 방향(수광기(11)의 연직방향)에 대해서는 빛을 굴절시키는 특성을 유지시키고 있다. 이것에 의하여, 주렌즈계(16)에서의 굴절된 레이저광은 1차원 위치 검출 소자의 검출면으로 안내되지만 그 수평성분은 주렌즈계(16)에서 굴절에 의한 광선 그대로 1차원 위치 검출 소자에 도달하고, 연직성분은 제2의 광학계에 의하여 굴절해서 1차원 위치 검출 소자의 연직방향의 길이(폭)내로 안내된다. 이것은 주렌즈계(16)에서 본 경우, 제2의 광학계에 의해서 1차원 위치 검출 소자의 검출면의 폭(연직방향)이 확대한 것같이 보이는 것과 동등한 값이다. 따라서, 좌우의 검출범위를 그대로하고 제2의 광학계로서의 집광렌즈계(41)의 광학적 작용에 의하여 연직방향의 검출범위를 확대하고 있는 것으로 된다.

수광기(11)가 로울링각도를 보유하고 수평(좌우)방향각도가 검출범위 가득히 레이저광이 수평하게 입사되고 있고 또한, 수광기(11)가 피칭각도를 보유하고 있지 않다면, 제2의 광학계를 보유하고 있는 않는 경우는, 1차원 위치 검출 소자의 검출폭내로 빛이 입사되지 않는 일이 있다. 그러나, 이 경우에 제2의 광학계로서의 집광렌즈계(41)를 주렌즈계(16)와 1차원 위치 검출 소자의 사이로 배치하므로서 집광렌즈계(41)에서의 검출가능범위를 충분히 설계하여 두면, 1차원 위치 검출 소자로 레이저광을 안내할 수 있다.

다음에, 제2실시형태를 제3도 및 제4도에 의거하여 설명한다. 다음 실시형태는, 상기한 제2의 광학계로서, 미러를 사용하는 경우를 표시하고 있다.

제3도에 있어서, 주렌즈계(6)의 광축(18) 위에서, 또한, 주렌즈계(16)의 뒷쪽으로, 단면이 오목형상인 오목면미러(43)를 설치하고 있고, 이 미러(43)의 오목면은 소정의 곡률반경을 보유하는 원기둥면으로 구성되어 있다. 오목면미러(43)는 주렌즈계(16)를 통과한 레이저광(15)을 상기한 오목면에 의하여 집광시키는 것이고, 이 집광초점위치에 전술한 것과 마찬가지로 제2의 수광면(14)의 1차원 위치 검출 소자가 설치되어 있다. 오목면미러(43) 및 1차원 위치 검출 소자의 긴쪽방향은 광축(18)과 직교하며, 또한, 수광기(11)의 수평방향과 일치하고 있다. 그리고, 1차원 위치 검출 소자에서의 레이저광(15)의 수평방향 변위위치를 계측하므로써 수광기(11)의 요잉각도가 검출된다. 상기한 작용과 같이, 주렌즈계(16)와 상기한 위치 검출 소자는 일직선상으로 배치되어 있지는 않지만 상기 작용으로서 볼록형상인 렌즈를 통과한 거리로서 주렌즈계(16)의 초점거리에 상기한 위치 검출 소자가 배치되면 좋게 된다. 이때, 볼록형상인 미러가 주렌즈계(16)의 상,하방향에서 들어온 레이저광을 집광하는 작용에 의하여 피칭각도 및 로울링각도에 대처할 수 있도록 된다.

또, 폴리곤미러(44)를 제2의 광학계로서 사용하는 예를 제4도에 표시하고 있다. 제4도 있어서, 주렌즈계(16)의 광축(18)상에서, 또한, 주렌즈계(16)에서 뒤쪽으로 폴리곤미러(44)가 설치되어 있다. 이 폴리곤미러(44)의 회전축의 방향은 상기한 광축(18)과 직교하며, 또한, 수광기(11)의 수평방향을 향하도록 설치되어 있고 이 회전축은 소정방향으로 회전하고 있다. 즉, 폴리곤미러(44)의 회전에 의하여 각 미러에서 반사된 레이저광(15)은 소정위치에 설치된 제2의 수광면(14)의 1차원 위치 검출 소자를 통과하도록 되어 있다.

따라서, 폴리곤미러를 회전시키는 기구를 설치하고 이 기구를 회전시키므로써 위치 검출 소자에 입사하는 빛의 경로를 변화시켜, 상하방향으로 집광되지 않는 레이저광을 위한 검출 소자에 안내할 수 있게 된다.

1. 청구 제1항에 기재된 발명에 의하면, 1차원 위치 검출 소자의 검출면의 폭방향의 외측으로 레이저광이 집광되는 것 같은 큰 입사각으로 집광렌즈에 레이저광이 입사된 경우라도 제2의 광학계에 의해서 상기한 레이저광이 1차원 위치 검출 소자의 상기한 검출면의 폭내로 집광되도록 된다. 이때, 1차원 위치 검출 소자의 검출방향, 즉 긴쪽방향으로는, 레이저광의 경로는 변화하지 않는다(배율이 변하지 않는다). 따라서, 굴진기의 굴진방위 검출장치에 있어서, 한쪽방향의 방위각을 계측하는 1차원 위치 검출 소자를 사용할 수 있게 되고, 이 결과, 고분해능을 가진 1차원 위치 검출 소자를 사용하여 방위각을 고정밀도로 계측할 수 있게 된다. 따라서, 터널시공의 장거리화에 따르는 위치정밀도의 오차를 작게할 수 있게 되고, 터널시공을 정밀도 양호하게 실시할 수 있게 된다.

2. 청구 제2항에 기재된 발명의 의하면, 집광렌즈와 1차원 위치 검출 소자와의 사이에 설치된 상기한 제2의 광학계를 예컨대, 원기둥렌즈 등의 아나모르피크 광학계의 집광렌즈계로 하였으므로, 1차원 위치 검출 소자의 검출면의 폭방향의 외측으로 레이저광이 집광되도록 한 큰 입사각으로 집광렌즈에 레이저광이 입사된 경우라도, 아나모르피크 광학계의 집광렌즈계에 의하여 상기 레이저광이 1차원 위치 검출 소자의 상기한 검출면의 폭내로 집광되도록 된다. 이 결과, 고분해능의 1차원 위치 검출 소자를 사용할 수 있게 되고, 방위각을 고정밀도로 계측할 수 있다. 따라서, 터널시공의 장거리화에 따르는 위치정밀도의 오차를 작게할 수 있게 되고, 터널시공을 정밀도 양호하게 실시할 수 있게 된다.

3. 청구 제3항에 기재된 발명에 의하면, 상기한 제2의 광학계로서 소정의 곡률을 보유하는 미러를 사용하므로 1차원 위치 검출 소자의 검출면의 폭방향의 외측으로 레이저광이 집광되도록한 입사각으로 집광렌즈에 레이저광이 입사된 경우라도, 상기한 미러의 집광작용에 의하여 상기한 레이저광이 1차원 위치 검출 소자의 상기한 검출면의 폭내로 집광되도록 된다. 이 결과, 고분해능의 1차원 위치 검출 소자를 사용할 수 있게 되고, 방위각을 고정밀도로 계측할 수 있다. 따라서, 터널시공의 장거리화에 따르는 위치정밀도의 오차를 작게할 수 있게 되고, 터널시공을 정밀도 양호하게 실시할 수 있게 된다.

4. 청구 제4항에 기재된 발명에 의하면 상기한 제2의 광학계로서 폴리곤미러를 사용하므로, 1차원 위치 검출 소자의 검출면의 폭방향의 외측으로 레이저광이 집광되도록한 큰 입사각으로 집광렌즈에 레이저광이 입사된 경우라도, 상기한 폴리곤미러회전의 집광작용에 의하여 상기한 레이저광이 1차원 위치 검출 소자의 상기한 검출면의 폭내로 집광되도록 된다. 이 결과, 고분해능의 1차원 위치 검출 소자를 사용할 수 있게 되고, 방위각을 고정밀도로 계측할 수 있다. 따라서, 터널시공의 장거리화에 따르는 위치정밀도의 오차를 작게할 수 있게 되고, 터널시공을 양호한 정밀도로 실시할 수 있게 된다.

5. 청구 제5항에 기재된 발명에 의하면, 1차원 위치 검출 소자의 검출면의 폭방향의 외측으로 레이저광이 집광되도록한 큰 입사각으로 집광렌즈에 레이저광이 입사된 경우라도, 제2의 광학계에 의하여 상기한 레이저광이 1차원 위치 검출 소자의 상기한 검출면의 폭내로 집광되도록 된다. 이때, 1차원 위치 검출 소자의 검출방향, 즉 긴쪽방향으로는, 레이저광의 경로는 변화하지 않는다(배율이 변하지 않는다). 따라서, 굴진방위 검출장치에 있어서, 한쪽방향의 방위각을 계측하는 1차원 위치 검출 소자를 사용할 수 있게 되고, 이 결과 고분해능의 1차원 위치 검출 소자를 사용하여 방위각을 고정밀도로 계측할 수 있게 된다. 따라서, 터널시공의 장거리화에 따르는 위치정밀도의 오차를 작게할 수 있게 되고, 터널시공을 양호한 정밀도로 실시할 수 있게 된다.

Claims (5)

1. 소정의 점으로부터 소정방향으로 조사된 빔형상인 레이저광(15)을 집광하는 주렌즈(16)와, 이 주렌즈계(16)의 집광점 근방에 설치된 1차원 위치 검출 소자를 보유하는 수광기(11, 20)에 의하여, 상기한 1차원 위치 검출 소자에서의 상기한 레이저광(15)의 수광위치의 변위량에 의거하여 상기 조사된 레이저광(15)의 주렌즈계(16)로의 입사각도를 검출하므로서, 상기한 레이저광(15)을 방위기준으로서 수광기(11, 20)의 방위각을 검출하는 굴진기의 굴진방위 검출장치에 있어서, 상기한 주렌즈계(16)와 상기한 1차원 위치 검출소자의 사이로 굴진기의 상기한 방위각이 변화하여 레이저광(15)의 수광위치가 상기한 1차원 위치 검출 소자의 검출방향에 대하여 직교하는 방향으로 빗나간 경우라도, 주렌즈계(16)에 입사된 상기 레이저광(15)을 상기한 1차원 위치 검출 소자에 안내하는 제2의 광학계를 배치한 것을 특징으로 하는 굴진방위 검출장치.
2. 청구 제1항에 기재한 굴진방위 검출장치에 있어서, 상기한 제2의 광학계가 아나모르피크 광학계의 집광렌즈계인 것을 특징으로 하는 굴진방위 검출장치.
3. 청구 제1항에 기재한 굴진방위 검출장치에 있어서, 상기한 제2의 광학계가 소정의 곡률을 보유하는 미러에 의하여 구성된 것을 특징으로 하는 굴진방위 검출장치.
4. 청구 제1항에 기재한 굴진방위 검출장치에 있어서, 상기한 제2의 광학계가 다면경(폴리곤미러)에 의하여 구성된 것을 특징으로 하는 굴진방위 검출장치.
5. 소정의 점으로부터 소정방향으로 조사된 빔현상인 레이저광이 주렌즈계를 경유하여 1차원 위치 검출소자에 수광되며, 상기 조사된 레이저광을 주렌즈계 입사각도를 상기한 1차원 위치 검출 소자에서의 변위량으로서 검출하고, 조사된 레이저광을 방위기준으로서 굴진방위각을 검출하는 굴진기의 굴진방위검출방법에 있어서, 상기한 굴진방위각이 변화하여 레이저광의 수광위치가 상기한 1차원 위치 검출 소자의 검출 방향에 대하여 직교하는 방향으로 빗나간 경우라도, 상기한 주렌즈계로의 입사레이저광을 제2의 광학계에 의해서 상기한 위치 검출 소자에 안내하는 것을 특징으로 하는 굴진방위검출방법.

   ※ 참고사항 : 최초출원 내용에 의하여 공개하는 것임.