(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面光射出装置と、受光装置と、演算装置とを有し、前記平面光射出装置が配置される基準点の高さと測定点の高さの差を求める高さ測定装置であって、
前記平面光射出装置は、
所定角度で交差する２つの平面光を、該２つの平面光の交線が基準点を通る垂線と垂直に交わるように射出する発光手段と、
前記２つの平面光を前記垂線を回転軸線として所定速度で回転させる回転手段とを有し、
前記受光装置は所定位置に固定された２つの光検出手段を有し、
前記演算装置は、
前記光検出手段を結ぶ直線が測定点を通る鉛直線となるように前記受光装置を配置したときに、前記各光検出手段が前記２つの平面光を受光した受光時刻と、前記各光検出手段の測定点からの高さと、前記交線の基準点の高さとから、前記基準点と測定点との高さの差を算出することを特徴とする高さ測定装置。
【請求項２】
前記各光検出手段は、前記直線と垂直方向に密着配置された２つの受光素子を有することを特徴とする請求項１記載の高さ測定装置。
【請求項３】
所定角度で交差する２つの平面光を、該２つの平面光の交線が基準点を通る鉛直線と垂直に交わるように射出し、
前記２つの平面光を前記鉛直線を回転軸線として一定速度で回転させ、
測定点を通る鉛直線上の所定位置に配置された複数の受光点で前記２つの平面光を受光して受光時刻を検出し、
前記２つの平面光の前記交線の前記基準点からの高さと、前記受光時刻と、前記所定位置とから測定点と基準点の高さの差を求めることを特徴とする高さ測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水準測量の分野にかかり、特に、平面光を使用して測定点の高さを測定する測定点の高さ測定装置及び測定点の高さ測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来は、測定点の高さを測定するために、図５に示すようなレーザプレーナ１０２と、受光装置１０３が用いられていた。このレーザプレーナ１０２は、所定径の平行光線束１１１を、基準点１０１を通る鉛直線１１２と垂直に交差するように射出し、かつ該鉛直軸線１１２の回りに回転させて水準面を設定するものであり、前記平行光線束１１１を、測定点１１３上に配置された受光装置１０３の有する複数の受光素子１１５で受光するものであり、前記受光素子１１５を前記測定点１１３を通る鉛直線上に位置するように配置すれば、前記平行光線束１１１が照射された受光点１１６を検出し、測定点１１３からの高さを求めれば、その値と前記平行光線束１１１の前記基準点１０１からの高さとから、水準測量を行なえる。
【０００３】
しかし、このようなレーザプレーナによる水準測量では、測定できる高さの範囲は、受光装置上に受光素子が配置された範囲に限定されてしまう。一般の受光装置では、受光素子は高々数センチメートルの範囲にしか配置されておらず、平行光線束を検出できる範囲が非常に狭い。そのため、基準点と測定点との高さの差が大きく、測定点上に直接受光装置を置くと平行光線束が前記受光素子に照射されないような場合は、専用の微動装置の付いた架台を用い、その上にレーザプレーナや受光装置を置いたが、それでも平行光線束を受光素子に照射させるのは容易ではなかった。
【０００４】
この場合、受光装置にフォトダイオード等の受光素子を多数配置したり、長いリニアセンサを装着すれば、平行光線束を検出し得る範囲は大きくなるが、コスト高となることは避けられない(例えば実開平2-133608号参照)。
【０００５】
このような不都合を解消するために、三次元座標測定システムにより高さ測量を行なうことが考えられる。図６に、三次元座標測定システムの例を示す。このシステム２０１は、基準点２１０に２つの交差する平面光２０７1、２０７2を回転軸線２０８を中心に回転させつつ射出する射出装置２０２を配置し、測定点２０３上に反射装置２０４の先端を置き、該反射装置２０４に配置された反射プリズム２０９1、２０９2、２０９3で前記２つの平面光２０７1、２０７2を反射して、前記射出装置２０２の備える図示しない光検出手段により受光するものであり、光検出手段の受光した信号をコンピュータで解析すれば、前記測定点２０３の三次元座標の値が算出できるので、測定点２０３の高も求めることが可能である(例えば特願平5-308035号参照)。
【０００６】
しかし、このようなシステムでは、反射プリズム等の光学部品を必須とするため、受光装置が大型化せざるを得ず、取扱いに不便であるという欠点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述のような従来技術にみられる問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、システム構成が簡潔で、広い測定範囲を有し、極めて簡単に作業が行える測定点の高さ測定装置、及び高さ測定方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために請求項１記載の発明装置は、平面光射出装置と、受光装置と、演算装置とを有し、前記平面光射出装置が配置される基準点の高さと測定点の高さの差を求める高さ測定装置であって、前記平面光射出装置は、所定角度で交差する２つの平面光を、該２つの平面光の交線が基準点を通る垂線と垂直に交わるように射出する発光手段と、前記２つの平面光を前記垂線を回転軸線として所定速度で回転させる回転手段とを有し、前記受光装置は所定位置に固定された２つの光検出手段を有し、前記演算装置は、前記光検出手段を結ぶ直線が測定点を通る鉛直線となるように前記受光装置を配置したときに、前記各光検出手段が前記２つの平面光を受光した受光時刻と、前記各光検出手段の測定点からの高さと、前記交線の基準点の高さとから、前記基準点と測定点との高さの差を算出することを特徴とし、
請求項２記載の発明装置は、請求項１記載の高さ測定装置であって、前記各光検出手段は、前記直線と垂直方向に密着配置された２つの受光素子を有することを特徴とし、
請求項３記載の発明方法は、高さ測定方法であって、所定角度で交差する２つの平面光を、該２つの平面光の交線が基準点を通る鉛直線と垂直に交わるように射出し、前記２つの平面光を前記鉛直線を回転軸線として一定速度で回転させ、前記測定点を通る鉛直線上の所定位置に配置された複数の受光点で前記２つの平面光を受光して受光時刻を検出し、前記２つの平面光の前記交線の前記基準点からの高さと、前記受光時刻と、前記所定位置とから測定点と基準点の高さの差を求めることを特徴とする。
【０００９】
本発明の測定原理を図面を用いて説明する。
【００１０】
図３を参照し、Ａ1、Ａ2は、所定角度で交差する２つの平面光であり、一の交線で交わっている。該２つの平面光Ａ1、Ａ2の交線は、図示しない基準点を通る垂線と垂直に交わるようにされており、前記２つの平面光Ａ1、Ａ2は、図面右方向に一定の角速度ωで回転しているものとする。
【００１１】
２つの受光点ＰA、ＰBは、測定点Ｐ0を通る鉛直線Ｊ上に位置し、前記受光点ＰBは、前記測定点Ｐ0から高さｂの位置に固定され、前記受光点ＰAは、前記受光点ＰBから高さｄの位置に固定されている。
【００１２】
前記２つの平面光Ａ1、Ａ2が回転した場合、前記受光点ＰAは前記平面光Ａ1、Ａ2とそれぞれ点Ｓ1、Ｓ4で交わり、前記受光点ＰBはそれぞれ点Ｓ2、Ｓ3で交わるものとする。このとき、前記点Ｓ1、Ｓ2、Ｓ3、Ｓ4は一つの垂直面を張る。その垂直面と前記２つの平面光Ａ1、Ａ2の交線とが交わる点を点Ｓ0とする。
【００１３】
前記２つの平面光Ａ1、Ａ2が回転し、前記鉛直線Ｊと交差すると、受光点ＰAと時間間隔ｔAをおいて２回交わり、受光点ＰBと時間間隔ｔBをおいて２回交わる。この場合、基準点と測定点との距離をＬとすると、
Ｓ1Ｓ4 ＝ Ｌ・ω・ｔA                                        (１)
Ｓ3Ｓ2 ＝ Ｌ・ω・ｔB                                        (２)
が成立する。
【００１４】
ここで、三角形Ｓ1Ｓ0Ｓ4と三角形Ｓ3Ｓ0Ｓ2に着目すると、両三角形は相似形であることから、辺Ｓ1Ｓ4と辺Ｓ3Ｓ2の比は、該辺Ｓ1Ｓ4、辺Ｓ3Ｓ2を底辺としたときの高さの比に等しい。従って、前記(１)、(２)式により、次式、
Ｓ3Ｓ2／Ｓ1Ｓ4 ＝ ｔB／ｔA ＝ ａ／(ｄ−ａ)                   (３)
が成立する。
【００１５】
ところで、基準点の高さをｈ0、前記２つの平面光の交線の基準点からの高さをｈ1とすると、測定点Ｐ0の高さＨは、
Ｈ ＝ ｈ0 ＋ ｈ1 − ａ − ｂ                                 (４)
で表わされるから、(３)式を(４)式に用いてａを消去すると、
Ｈ ＝ ｈ0 ＋ ｈ1 −ｄ・ｔB／(ｔA＋ｔB) − ｂ                 (５)
が得られる。基準点からの前記交線の高さｈ1は巻尺等により測定可能であり、受光点ＰA、ＰBの位置ｂ、ｄは予め決まっている値であるから、結局、前記時間間隔ｔA、ｔBを測定すれば、測定点の高さＨを求めることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１に本発明装置の一実施の形態の高さ測定装置を示す。
【００１７】
この高さ測定装置２は、平面光射出装置１０と、受光装置２０と、信号処理装置２３を有しており、前記平面光射出装置１０は基準点３上に配置され、前記受光装置２０は測定点４上に配置され、前記信号処理装置２３は前記受光装置２０に取付けられている。
【００１８】
前記平面光射出装置１０内の回転板１３上には、図２に示す光学系４ａ、４ｂを有する発光手段が設けられており、該光学系４ａ、４ｂは、それぞれ発光素子６ａ、６ｂと、コリメータレンズ７ａ、７ｂと、シリンドリカルレンズ８ａ、８ｂとが設けられている。前記発光素子６ａ、６ｂからは強度変調がかけられた光が射出され、その光は、それぞれ前記コリメータレンズ７ａ、７ｂによって平行光にされ、更に前記シリンドリカルレンズ８ａ、８ｂによって、それぞれ適当な角度をもって一定平面内で扇状に広がる２つの平面光１２ａ、１２ｂにされて前記平面光射出装置１０から射出されるように構成されている。
【００１９】
このとき、前記コリメータレンズ７ａ、７ｂの光軸１１ａ、１１ｂは、前記回転板１３の回転軸線５と垂直に交差する平面内に位置し、互いに平行になるように配置されており、且つ前記光軸１１ａと前記回転軸線５との間隔と、前記光軸１１ｂと前記回転軸線５との間隔は等しくなるように配置されている。また、前記シリンドリカルレンズ８ａ、８ｂの円筒面の中心軸線は、前記光軸１１ａ、１１ｂとそれぞれ直角に交わるように配置され、且つ、前記回転軸線５と垂直に交わる平面に対して互いに逆向きに４５°の角度を成すように傾けられている。
【００２０】
従って、前記回転軸線５を前記基準点３を通る鉛直線となるように整準すると、前記２つの平面光１２ａ、１２ｂは、水準面に対して互いに逆向きに４５°傾くこととなる。この場合、前記平面光１２ａと前記平面光１２ｂとは互いに直角に交わり、両平面光が交差してできる交線１６は前記回転軸線５と直角に交差する。
【００２１】
なお、前記平面光１２ａと前記平面光１２ｂとは、必ずしも直角に交わる必要はないが、測定の分解能を上げるためには大きく広がっている方が好ましい。
【００２２】
また、前記平面光１２ａ、１２ｂは扇形状をしているが、その発散角は基準点と測定点の距離と、測定しなければならない高さに応じて決められる。例えば、距離が３ｍで５００mmの高さまで測定したい場合には、発散角は約２７°程でよい。
【００２３】
前記平面光射出装置１０には、モータを有する回転手段が設けられており、該回転手段により、前記回転板１３が一定の速度で前記回転軸線５を中心に回転し得るように構成されている。
【００２４】
測定点４上には、両端に光検出手段２１、２２が間隔ｄで固設された柱状の受光装置２０が置かれ、該光検出手段２１、２２の受光面を通る軸線２４が前記測定点４を通り、且つ、鉛直になるように、図示しない気泡管により整準されているので、前記回転手段の起動により、前記２つの平面光１２ａ、１２ｂは、回転軸線５を中心に一定速度で回転し始めると、該２つの平面光１２ａ、１２ｂが前記光検出手段２１、２２の受光面に照射される。
【００２５】
この受光装置２０の測定限界は、前記間隔ｄの大きさの半分になるので、例えば５００mmの範囲の測定を行ないたい場合は、前記間隔ｄは１ｍ以上必要となる。
【００２６】
前記光検出手段２１、２２は、２つの受光素子をそれぞれ有しており、該２つの受光素子は、前記平面光１２ａ、１２ｂの進行方向に密着配置されている。
【００２７】
この２つの受光素子を説明すると、図４を参照し、２１ａ、２１ｂは前記光検出手段２１の有する２つの受光素子であり、前記２つの平面光１２ａ、１２ｂの進行方向である図面下方向に、密着配置されている。
【００２８】
前記受光素子２１ａが出力する信号は増幅器３１の反転入力端子に入力され、前記受光素子２１ｂが出力する信号は前記増幅器３１の非反転入力端子に入力されるので、前記受光素子２１ａと前記受光素子２１ｂに入射する平面光の光量がほぼ等しくなったときに、前記増幅器３１はパルス回路３２にパルス信号を出力する。
【００２９】
前記パルス信号は演算装置３３に入力され、該演算装置３３には、クロック回路３４からクロック信号も入力されるので、前記演算装置３３は前記パルス信号が入力された時刻を検出でき、この時刻を記憶装置３５に記憶させる。
【００３０】
従って、前記記憶装置３５には、平面光が前記受光素子２１ａと前記受光素子２１ｂの中央に照射されたときの時刻が記憶されるので、精度よく照射時刻を記憶することができる。
【００３１】
前記光検出手段２２の有する２つの受光素子も図４で示したのと同様のブロック図で演算装置３３に接続されており、前記２つの平面光１２ａ、１２ｂが前記光検出手段２１、２２に照射される度にこれを行なえば、前記各光検出手段２１、２２に平面光が照射された時間間隔ｔA、ｔBを算出することができる。
【００３２】
該記憶装置３５には、基準点の高さｈ0と、前記光検出手段２１、２２の間隔ｄと、前記光検出手段２２の底面からの高さｂとが記憶されており、前記基準点３の高さｈ0と、基準点と平面光１２ａ、１２ｂの交線１６の高さｈ1を入力しておき、前記時間間隔ｔA、ｔBを算出すれば、測定点４の高さＨは、前記(５)式、
Ｈ ＝ ｈ0 ＋ ｈ1 −ｄ・ｔB／(ｔA＋ｔB) − ｂ
から求めることができる。
【００３３】
なお、前記演算装置３３、記憶装置３５は前記受光装置２０の中央に取付けられた信号処理装置２３中に配置されており、前記測定点の高さＨは、該信号処理装置２３に設けられた表示装置により表示されるように構成されており、該信号処理装置２３には、前記光検出手段２１、２２が配置された中央の位置にマーク１４が刻まれている。
【００３４】
以上は光検出手段が２個配置された実施の形態について説明したが、同一の直線上に光検出手段を３個以上配置し、測定誤差を少なくするようにしてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
測定可能な高さの範囲が従来よりも広くでき、測定作業の高能率化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明装置の一実施の形態を示す図
【図２】  本発明の平面光射出装置の光学系の配置の一例を示す図
【図３】  本発明の測定原理を説明するための図
【図４】  本発明の測定回路の一例を示すブロック図
【図５】  レーザプレーナを使用した従来技術の高さ測定装置
【図６】  平面光と反射光を使用した従来技術の座標測定装置
【符号の説明】
３  基準点
４  測定点
５  回転軸線
６ａ、６ｂ  発光手段
１０  平面光射出装置
１６  交線
１２ａ、１２ｂ  平面光
２０  受光装置
２１、２２  光検出手段
２１ａ、２１ｂ  受光素子
３３  演算装置
【図１】
0003705863.tif 000002
【図２】
0003705863.tif 000003
【図３】
0003705863.tif 000004
【図４】
0003705863.tif 000005
【図５】
0003705863.tif 000006
【図６】
0003705863.tif 000007