(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基点に設けられた集光レンズと、該集光レンズの光軸の前後方向の所定の位置にそれぞれ配置された拡散光源から射出された拡散光束を前記集光レンズで集光して撮像板上に結像させ、その撮像板上の結像位置に配置された撮像素子からの受光信号に基づいて、前記基点と双方の前記拡散光源に設定された基準点との間をそれぞれ結ぶ２つの線分が成す偏角を測定する偏角測定装置において、双方の前記拡散光源はほぼ前記２つの線分を含む１平面方向に他の方向より広く拡散する強度方向異方性を有した拡散光束を射出するものであることを特徴とする偏角測定装置。
【請求項２】
偏角測定装置は前記光軸の前後方向に向けてそれぞれ拡散光束を射出する２つの拡散光源を具えており、集光レンズは光軸の前後方向の所定の位置にそれぞれ配置された同形の前記偏角測定装置の前記拡散光源から射出された拡散光束の少なくとも一部を集光して撮像板上に結像させるようにしたことを特徴とする請求項１記載の偏角測定装置。
【請求項３】
集光レンズを挟んで一対の偏光反射プリズムを集光レンズの光軸上に対峙させ、２つの拡散光源は強度方向異方性を有して、それぞれ光軸に垂直な方向に射出された偏光拡散光束を、前記偏光反射プリズムの反射面で反射させて光軸の前後方向に向けてそれぞれ射出すると共に、前記光軸の前後方向の所定の位置に配置された拡散光源から射出されて一方の前記偏光反射プリズムに入射した偏光拡散光束はその反射面を透過して前記集光レンズで集光され、他方の前記偏光反射プリズムの反射面で反射されて撮像板上に結像されるように構成したことを特徴とする請求項２記載の偏角測定装置。
【請求項４】
一方の拡散光源と一方の偏光反射プリズムとの間にλ／２波長板を配置し、該λ／２波長板は該λ／２波長板を透過する前記拡散光源からの偏光拡散光束の強度方向異方性を維持しながら、その偏光面のみを９０°回転させたことを特徴とする請求項３記載の偏角測定装置。
【請求項５】
半導体レーザー発光素子を拡散光源として用いたことを特徴とする請求項１，３または４記載の偏角測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光軸の前後方向の近傍にそれぞれ配置された拡散光源から光軸に沿って射出された拡散光束を撮像板上に結像させて得られた受光信号に基づいて、双方の拡散光源に設定された基準点との間をそれぞれ結ぶ２つの線分が成す偏角を測定する、地下坑内を掘進する掘進機の地中位置測定等に使用される偏角測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地上または地下で建設作業を行う際に設計通りに工事が進んでいるかどうかを確認するために、基準となる基点と、その両側に所定の距離を置いて設定した計測点とをそれぞれ結ぶ二つの線分の成す角度（偏角）を測定することが必要になる場合が少なくない。例えば、屈曲した道路の工事を施工する場合には施工路面の屈曲部の角度を知ることが必要になる。この場合に、屈曲部の適所に基準となる基点を設定すると共に、これと距離を置いてその両側の路面施工区域にそれぞれ計測点を設定し、基点とその両側の計測点をそれぞれ結ぶ二つの線分の成す角度を測定する。
【０００３】
また、地中掘進機で緩やかに曲がった地下坑を掘削するには地中掘進機が計画路線に沿って正しく掘進しているかどうかを知るために、時々、地中掘進機の掘進位置を確認しなければならない。この場合にも地中掘進機に設けられた計測点とその後方の曲がった地下坑内にそれぞれ所定距離隔てて設けられた基点と計測点をそれぞれ結ぶ二つの線分の成す角度を測定する必要がある。なお、上記二つの線分の成す角度、即ち、偏角は内角または外角の何れを取っても良い。
【０００４】
建設作業において上記偏角を測定するには一般的に転鏡儀が用いられる。転鏡儀を用いて偏角を測定する時には、基点で望遠鏡を覗く作業者が他の作業者によって計測点に立てられた測量棒に焦点を合わせて、視野内の目盛りと測量棒に付された色目盛りとを合わせるという精密作業が必要となるので、熟練技術者等の限られた能力を有した人手を要するばかりでなく、上述のように精密で手間の掛かる作業なので一回の測定時間が長くなる。曲線経路の曲率半径が小さくなると、転鏡儀と測量棒の設置位置を頻繁に変更しなければならず、測量の作業効率が低下して作業時間が余計掛かってしまう。
【０００５】
さらに、望遠鏡を水平方向や垂直方向に回動させて焦点合わせをしなければならないので、回動機構に起因する僅かな機械的誤差が測定誤差に大きく影響してしまい、高い測定制度を得るのが難しい。特に、望遠鏡を水平方向や垂直方向に回動させるような振動等の偶発的外力が作用すると、上述の理由により大きな測定誤差が生じてしまう。
【０００６】
また、地中掘削において転鏡儀を用いた地中掘進機の地中位置を計測する作業を行う場合でも上述の事情は同様であり、しかも、地上における作業に較べてより計測作業が難しくなる。さらに、転鏡儀を用いた計測作業は作業者が坑内に入って作業することができる大口径管推進機には適用できるが、中口径管以下の口径の推進機には適用することができない。
【０００７】
一方、測角機能と測距機能とを具えて、坑内および掘進機に配置した標的を自動追尾することにより、掘進機の地中位置を自動測量するトータルステーションと称される自動測量装置が知られている。しかし、この装置は高度で複雑な測量機能を有しているため、高価で装置が大型化してしまい、工事費が高額になるばかりでなく、口径が小さい坑道掘削の測量には適用できない。さらに、曲線経路の曲率半径が小さな施工部分の掘進位置計測を行うには、坑内に複数台の自動測量装置を配置しなければならず、工事費が一層高額になってしまう。そこで、かかる問題認識の下に様々な技術開発が為されている。
【０００８】
例えば、特開平５−３４０１８６号公報には、見通しの利かないトンネル坑内に設定された後方基準点の前方に、測角機能を有するレーザー照準器を設置し、レーザー照準器から掘進機側に離れた位置に、レーザー照準器から照射されたレーザー光を屈折させて、その方向転角を測定できるウエッジプリズムを設けると共に、掘進機にレーザー光の標的を設けて、ウエッジプリズムの回転角に応じた偏角に関するデータと、レーザー照準器、ウエッジプリズムおよび掘進機に設けた標的の間の距離データとにより掘進機の地中位置を測定するようにした坑内測量方式の発明が開示されている。
【０００９】
この坑内測量方式では、収束度が高い光束であるレーザービームを掘進機に設けた標的の所定の位置を照射するように常にウエッジプリズムを回転制御しながら、検知したウエッジプリズムの回転角度に基づいて掘進機の計画線からのずれ量を計算機で算出している。このように、上記方式では掘進機の地中掘進位置を計測する際に、レーザー照準器から照射されたレーザー光が掘進機に設けた標的の所定の位置に的確に当たるように、ウエッジプリズムを精密に回転制御する回転制御機構が設けられている。このような回転制御機構の精密な制御を行っても、回転系の僅かな機械的誤差が大きな光学的誤差を生むことになり、レーザー照準器自体に水平または垂直方向の振動的外力が作用すると、光路が大きく振れるため、高い計測精度を得ることは実際上困難であった。
【００１０】
そこで、本出願人は特願平９−２９７２９５号（特開平１１−１３２７４６号公報）において、拡散光を照射する偏角計測用の光源と、照射された拡散光を集光した結像位置を検出する結像位置検出器とを光軸上に対を成して配置した偏角測定装置を坑内に複数配列して、それぞれに設けた基準点をそれぞれ結ぶ線分が成す偏角を計測することにより、レーザー光を標的の所定の位置に的確に当てるための追尾機構を不要にでき、駆動機構部の機械的誤差および偏角測定装置の取付け方向の誤差による偏角計測誤差、および装置が水平または垂直方向の外力を受けた時の偏角計測誤差の発生を無くし、掘進機の地中掘進位置を高精度に直ちに計測できるようにした偏角測定装置の発明を提案した。
【００１１】
図６は上述の従来例に係る偏角測定装置の内部構成を模式的に示す斜視図である。偏角測定装置１は集光レンズ４と、一対の発光ダイオード等の拡散光を発する拡散光源２１ａ，２１ｂと、集光レンズ４の光軸Ｃ上に集光レンズ４を挟んで対峙して設けられ、拡散光源２１ａ，２１ｂから射出された、それぞれ鉛直方向と水平方向に偏光面ｐｄ１，ｐｄ２を有した、即ち、Ｓ偏光の偏光拡散光束Ｌ１  ′，Ｌ２  ′を直角方向に反射可能な一対の偏光反射プリズム３ａ，３ｂと、前後方向に隣合う偏角測定装置１の拡散光源から射出された偏光拡散光束を受光したそれぞれの偏光拡散光束が偏光反射プリズム３ｂ，３ａをそれぞれ透過した後、集光レンズ４で集光され偏光反射プリズム３ａ，３ｂで直角方向に反射された拡散光束の結像位置にそれぞれ配置され、多数の固体電荷結合素子（ＣＣＤ）群で構成された撮像板５ａ，５ｂとから成っている。
【００１２】
拡散光源２１ａ，２１ｂはそれぞれ図示視鉛直方向および水平で光軸Ｃに垂直な方向の偏光面ｐｄ１，ｐｄ２を有した偏光拡散光を射出し、偏光面ｐｄ１，ｐｄ２に平行な反射面をそれぞれ有した偏光反射プリズム３ｂ，３ａは入射した偏光拡散光をそれぞれほぼ全量反射して光軸Ｃに沿って互いに反対方向（前後方向）に偏光拡散光束Ｌ１  ′，Ｌ２  ′として伝播させる。一方、基点における偏角測定装置１が前後方向に隣合う偏角測定装置１からそれぞれの光軸Ｃに沿って伝播した拡散光束Ｌ１  ′，Ｌ２  ′の中、少なくともその一部を受光すると、それぞれ偏光面ｐｄ１，ｐｄ２と垂直な偏光面を有した偏光拡散光束のみが偏光反射プリズム３ａ，３ｂの反射面を透過する。そして、集光レンズ４で集光された後、それぞれ偏光反射プリズム３ｂ，３ａに入射して、偏光面と平行な反射面で垂直に反射されて撮像板５ｂ，５ａ上に結像する。こうして、遠方に配置された光源の像が撮像板５ｂ，５ａ上に結像すると、結像位置にあるＣＣＤから受光量に比例した強度の受光信号が出力される。
【００１３】
なお、集光レンズ４の中心点と、これを挟んで対峙させた左右の偏光反射プリズム３ｂ，３ａの反射面と光軸Ｃとのそれぞれの交点との間の距離は、それらの交点と拡散光源２１ｂ，２１ａの射出口との距離に一致させてある。また、集光レンズ４の中心点と偏光反射プリズム３ｂ，３ａの反射面と光軸Ｃとの交点との間の距離と、該交点から撮像板５ｂ，５ａまでの距離との和は集光レンズ４の焦点距離にほぼ等しくなるように設定されている。そして、本実施例では集光レンズ４の中心点を偏角測定装置１の基準点に設定している。このように設定することにより、拡散光源２１ａ，２１ｂから射出された偏光拡散光束Ｌ１  ′，Ｌ２  ′は恰も基準点から射出された偏光拡散光束のように光軸Ｃに沿って前後方向に伝播して行く。また、遠距離から到達した拡散光は撮像板５ａ，５ｂ上に明瞭な像を結ぶ。
【００１４】
図７は地山を掘削して推進する掘進機の地中掘進位置を上述の偏角測定装置１で計測する計測方法を説明するための説明図である。ここでは、掘進機７が発進立坑１０から発進して、水平方向に湾曲する曲線経路に沿って推進する曲線施工する場合について説明する。この例では坑内に５台の偏角測定装置１１  〜１５  が離間配置されると共に通信ラインを介してそれぞれ位置演算装置８に接続されている。そして、位置演算装置８にはそれぞれの偏角測定装置１１  〜１５  の地中位置座標がグラフと表で表示される表示装置９が接続されている。第５の偏角測定装置１５  は掘進機７に取り付けられ、その後方の地下坑１１内にそれぞれほぼ所定の間隔を隔てて第２〜第４の偏角測定装置１２  〜１４  が配置され、発進立坑１０内に第１の偏角測定装置１１  が配置される。偏角測定装置１ｉ  （ｉ＝１〜５）にはそれぞれ図示しないレーザー距離測定器が取り付けられていて、このレーザー距離測定器で測定された隣合う偏角測定装置１ｉ＋１  との間の距離データもそれぞれ位置演算装置８に転送されていて、それらに基づいて各偏角測定装置１ｉ  の地中位置座標が測定されている。
【００１５】
偏角測定装置１ｉ  にはそれぞれ２つずつの拡散光源２１ａ，２１ｂが設けられており、中間の３つの偏角測定装置１２  〜１４  では２つ拡散光源２１ａ，２１ｂが共に点灯されるが、両端に位置する偏角測定装置１１  ，１５  ではその中の隣合う偏角測定装置１が存在する側の拡散光源２１（ａ，ｂ）のみが点灯される。例えば、真ん中の偏角測定装置１３  に注目すると、偏角測定装置１３  の撮像板５ｂ，５ａは両側の偏角測定装置１２  ，１４  から射出された偏光拡散光束ＬＡ  ，ＬＢ  を受光し、それらの結像位置にあるＣＣＤから位置演算装置８に受光信号が出力される。位置演算装置８は上述した受光信号に基づいて偏角測定装置１３  の基準点と偏角測定装置１２  ，１４  の基準点とを結ぶ線分ｍＡ  ，ｍＢ  が成す偏角Φを演算すると共に、別途それぞれレーザー距離測定器で測定された偏角測定装置１２  ，１４  との間の距離、即ち、線分ｍＡ  ，ｍＢ  の長さが演算され、両者の演算結果に従って偏角測定装置１４  の基準点の地中位置座標が決定される。同様にして、他の偏角測定装置１ｉ  （ｉ≠４）の基準点の地中位置座標が決定される。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
このようにして、それぞれ隣合う他の偏角測定装置１ｉ  の拡散光源２１ａ，２１ｂから射出された偏光拡散光束ＬＡ  ，ＬＢ  を撮像板５ｂ，５ａが受光することにより、水平方向に湾曲する曲線経路に沿って推進する掘進機７の地中位置座標を多くの人手を煩わせたり、追尾機構等を具えた複雑で高価な装置を用いることなく、小口径の坑道内であっても容易に測定することができる。
【００１７】
上記従来技術に係る偏角測定装置１では拡散光源２１ａ，２１ｂからの拡散光束ＬＡ  ，ＬＢ  の結像位置を検出することにより、照射光を追尾するための機構を不要にしているが、拡散光束ＬＡ  ，ＬＢ  の強度は距離の二乗に比例して減少するため、隣合う偏角測定装置１ｉ−１  ，１ｉ＋１  との間の距離をあまり大きくすることができず、従って、長い坑道内の掘進機７の地中位置の測定を行うには多数の偏角測定装置１を坑道内に配置しなければならないという問題点があった。特に、掘進機７が推進する水平坑道の曲線経路の曲率が大きい時は拡散角が大きい拡散光束ＬＡ  ，ＬＢ  を射出する拡散光源２１ａ，２１ｂを具えた偏角測定装置１を用いなければならず、このような場合には隣合う偏角測定装置１ｉ−１  ，１ｉ＋１  との間の距離が長くなると、拡散光束ＬＡ  ，ＬＢ  の強度の低下が著しく、測定精度の低下を招いていた。
【００１８】
本発明は従来技術におけるかかる課題を解決すべく為されたものであり、一平面に平行に沿って湾曲する曲線経路内の偏角を測定するのに、拡散光源からの距離が長くても著しい受光光量の低下を来さず、拡散光束のエネルギーを有効に利用できる偏角測定装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、集光レンズの光軸の前後方向の所定の位置にそれぞれ配置された双方の拡散光源は、基点と双方の拡散光源に設定された基準点との間をそれぞれ結ぶ２つの線分を含む１平面方向に他の方向より広く拡散する強度方向異方性を有した拡散光束を射出するようにしたものであり、好ましくは、偏角測定装置は光軸の前後方向に向けてそれぞれ拡散光束を射出する２つの拡散光源を具えており、集光レンズは光軸の前後方向の所定の位置にそれぞれ配置された同形の偏角測定装置の拡散光源から射出された拡散光束の少なくとも一部を集光して撮像板上に結像させるようにし、集光レンズを挟んで一対の偏光反射プリズムを集光レンズの光軸上に対峙させ、２つの拡散光源は強度方向異方性を有して、それぞれ光軸に垂直な方向に射出された偏光拡散光束を、偏光反射プリズムの反射面で反射させて光軸の前後方向に向けてそれぞれ射出すると共に、光軸の前後方向の所定の位置に配置された拡散光源から射出されて一方の偏光反射プリズムに入射した偏光拡散光束はその反射面を透過して集光レンズで集光され、他方の偏光反射プリズムの反射面で反射されて撮像板上に結像されるように構成したものである。また、一方の拡散光源と一方の偏光反射プリズムとの間にλ／２波長板を配置し、該λ／２波長板は該λ／２波長板を透過する拡散光源からの偏光拡散光束の強度方向異方性を維持しながら、その偏光面のみを９０°回転させるようにしても良い。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。図３は本実施例に係る光源から射出される拡散光束の強度方向異方性を示す模式図である。本実施例において用いられる拡散光源２には、射出される拡散光束Ｌの方向強度分布が方向異方性を有した半導体レーザー発光素子が用いられる。同図に示すように、拡散光源２から射出される拡散光束Ｌの等強度分布曲線は長軸方向の大きな拡散角ｗｌ  と短軸方向の小さな拡散角ｗｓ  とを有した長楕円形を成している。そして、拡散光束Ｌの偏光面は長楕円形の長軸方向に平行な偏光面ｐｄまたは短軸方向に平行な偏光面ｐｄ′となっている。
【００２１】
このように、拡散光源２として２軸方向に大きな強度方向異方性を有したものを用いることにより、拡散光束Ｌは短軸方向にはあまり拡散せず、長軸方向には広く拡散する拡散特性を有し、従って、受光距離に対する強度減衰特性は距離の二乗ではなく、殆ど距離に比例して減衰する特性を有したものとなる。つまり、本実施例では半導体レーザー発光素子から射出される拡散光束Ｌが２軸方向に大きな強度方向異方性を有しているのを利用して、拡散光束Ｌが受光距離に対して緩やかな強度減衰特性を有した拡散光源２とすることができるから、測定精度の低下を来すことなく、配置される偏角測定装置相互の間隔を相対的に大きく取ることができる。
【００２２】
図１は本発明の第１の実施例に係る偏角測定装置の内部構成を模式的に示す斜視図である。同図において、２ａ，２ｂは光軸Ｃに垂直な方向にそれぞれ所定距離離間し、光軸Ｃの回りに９０°異なる取付け角を有して配置された半導体レーザー発光素子から成る拡散光源、６は拡散光源２ａの拡散光束Ｌ１  の射出口に対向する位置に配置されたλ／２波長板である。なお、従来例と同一または同一と見做せる個所には同一の符号を付し、その重複する説明を省略する。拡散光源２ａ，２ｂの偏光面は水平面内でそれぞれ光軸Ｃに平行および垂直になるように、そして、拡散光束Ｌ１  ，Ｌ２  の強度方向異方性はその長軸方向が共に水平面と平行になるように設定されている。また、λ／２波長板６はその主断面が拡散光源２ａの拡散光束Ｌ１  の偏光面に対して４５°傾いた向きとなるように配置される。
【００２３】
拡散光源２ａから射出された拡散光束Ｌ１  は上述のように、強度方向異方性はその長軸方向が水平面と平行になるように、偏光面は水平面内で光軸Ｃに平行になるように設定されているが、λ／２波長板６に入射して透過する過程で、周知のように偏光面が９０°回転する。従って、拡散光束Ｌ１  が偏光反射プリズム３ａに入射する際には、偏光面は同図で鉛直な方向、即ち、Ｓ偏光の偏光面ｐｄ１を有し、強度方向異方性はその長軸方向が水平面と平行な状態となっている。このように、偏光反射プリズム３ａに入射した拡散光束Ｌ１  の偏光面ｐｄ１は鉛直方向になっているから、偏光反射プリズム３ａの反射面に入射した拡散光束Ｌ１  はほぼ全量が９０°反射され、光軸Ｃに沿って伝播する。拡散光束Ｌ１  の強度方向異方性はその長軸方向が水平面と平行な方向になっているから、鉛直な方向にはあまり拡散せず、ほぼ水平な方向には広く拡散して伝播し、その強度はほぼ距離に比例して減衰する。
【００２４】
このようにして、同図で光軸Ｃに沿って、その左側に隣接する同形の偏角測定装置１から射出された拡散光束Ｌ１  が水平方向に拡散しながら当該偏角測定装置１に向かって伝播する。拡散光束Ｌ１  は水平方向に拡散しているから、左側に隣接する偏角測定装置１が光軸Ｃから少し離れた位置にあってもさ程減衰することなく到達して、その偏光反射プリズム３ｂに入射する。この入射した拡散光束Ｌ１  の偏光面ｐｄ１は鉛直方向になっているから、水平面に対して４５°傾いた向きの反射面で反射されることなく、殆ど全量が透過し、集光レンズ４で集光された後、偏光反射プリズム３ａに入射する。偏光反射プリズム３ａの反射面は鉛直方向を向いているから、拡散光束Ｌ１  は集光しつつ、この反射面でほぼ全量が９０°反射されて撮像板５ａ上に結像する。結像位置にあるＣＣＤから出力された受光信号は従来例で述べた位置演算装置８に転送され、そこで拡散光束Ｌ１  を発した偏角測定装置１と当該偏角測定装置１の基準点とを結ぶ線分ｍＡ  と光軸Ｃとが成すずれ角が演算される。
【００２５】
一方、同図で光軸Ｃに沿って、その右側に隣接する同形の偏角測定装置１の拡散光源２ｂから射出された拡散光束Ｌ２  は上述のように、強度方向異方性はその長軸方向が水平面と平行に、偏光面は水平面内で光軸Ｃに垂直になるようにそれぞれ設定されているから、拡散光束Ｌ２  は偏光反射プリズム３ｂに入射して、水平面に対して４５°傾いた向きの反射面でほぼ全量が９０°反射され、光軸Ｃに沿って左側に水平な方向に広く拡散して伝播する。右側に隣接する同形の偏角測定装置１から伝播した拡散光束Ｌ２  は水平方向に拡散しているから、その偏角測定装置１が光軸Ｃから少し離れた位置にあってもさ程減衰することなく到達して、偏光反射プリズム３ａに入射する。偏光反射プリズム３ａの反射面は鉛直方向を向いているから、水平方向の偏光面ｐｄ２を有した拡散光束Ｌ２  はこの反射面で反射されることなく、殆ど全量が透過し、集光レンズ４で集光された後、偏光反射プリズム３ｂに入射する。
【００２６】
偏光反射プリズム３ｂの反射面は水平面に対して４５°傾いた向きに設定されているから、拡散光束Ｌ２  は集光しつつ、この反射面でほぼ全量が９０°反射されて撮像板５ｂ上に結像する。結像位置にあるＣＣＤから出力された受光信号は上述のように、位置演算装置８に転送され、そこで拡散光束Ｌ２  を発した偏角測定装置１と当該偏角測定装置１の基準点とを結ぶ線分ｍＢ  と光軸Ｃとが成すずれ角が演算される。そして、光軸Ｃの左側に隣接する偏角測定装置１と当該偏角測定装置１の基準点とを結ぶ線分ｍＡ  と光軸Ｃとが成すずれ角と、光軸Ｃの右側に隣接する偏角測定装置１と当該偏角測定装置１の基準点とを結ぶ線分ｍＢ  と光軸Ｃとが成すずれ角とから線分ｍＡ  と線分ｍＢ  とが成す偏角Φが演算される。こうして、光軸Ｃの絶対的な向きとは関わりなく偏角Φを求めることができる。
【００２７】
次に、図示しないレーザー距離測定器で測定された光軸Ｃの右側に隣接する偏角測定装置１と当該偏角測定装置１の基準点とを結ぶ線分ｍＢ  の長さを参照して、光軸Ｃの右側に隣接する偏角測定装置１の基準点の当該偏角測定装置１の基準点に対する相対位置が決定される。以下、同様にして隣接する偏角測定装置１の基準点の相対位置が次々に決められるから、最初に予め座標位置が確定している、例えば、発進立抗内に設置された偏角測定装置１の基準点に対する地下坑内の先端部に位置する掘進機の基準点の絶対位置が決定される。
【００２８】
このように、本実施例では拡散光源２ａ，２ｂとして、強度方向異方性を有し、その長軸方向と偏光面が平行となるような半導体レーザー発光素子を用い、構造を簡素に、かつ、小型化するために、λ／２波長板６を用いて一方の拡散光源２ａから射出された拡散光束Ｌ１  のみの偏光面を９０°回転させることにより、拡散光源２ａ，２ｂから射出された拡散光束Ｌ１  ，Ｌ２  を共にそれぞれ偏光反射プリズム３ａ，３ｂの反射面でほぼ全量を９０°反射させ、かつ、偏光面は鉛直方向と水平方向とにそれぞれ異なる向きを有しながら、共に水平方向に広く拡散して伝播するようにでき、しかも、隣接する偏角測定装置１から受光した拡散光束Ｌ１  ，Ｌ２  が最初に入射する偏光反射プリズム３ｂ，３ａの反射面を共に透過させて集光レンズ４に導き、集光させるようにできる。
【００２９】
図４および図５はこの辺の事情を説明するための図であり、図４はλ／２波長板６を用いなかった場合の偏角測定装置の内部構成を模式的に示す斜視図、図５は地下坑道内に配置されたｋ番目の偏角測定装置の受光状態を示す模式図である。光源から射出された照射光を光軸Ｃに沿って伝播させると共に、他の偏角測定装置１から照射された照射光の少なくとも一部を受光することにより、光軸Ｃの延長線の近傍に配置された両側に隣合う偏角測定装置１の基準点との間を結ぶ２つの線分が成す偏角Φを精度良く計測するには、光源として偏光光源２ａ，２ｂを用い、光軸Ｃ上に集光レンズ４を挟んで一対の偏光反射プリズム３ａ，３ｂを対峙させ、偏光光源２ａと撮像板５ａおよび偏光光源２ｂと撮像板５ｂをそれぞれ光軸Ｃと直交する９０°取付け角度が異なる方向にそれぞれ偏光反射プリズム３ａ，３ｂを挟んで対峙させ、偏光反射プリズム３ａ，３ｂの反射面がそれぞれ偏光光源２ａ，２ｂから射出された拡散光束Ｌ１  ″，Ｌ２  の偏光面と平行になるように配置した構成が必然的な構成となる。
【００３０】
この構成を具体的に図示したのが図４であって、この場合は、光軸Ｃに沿って伝播する拡散光束Ｌ１  ″，Ｌ２  は同図に示すように、偏光反射プリズム３ｂの反射面で反射される拡散光束Ｌ２  は水平方向に広く拡散する光束となるものの、偏光反射プリズム３ａの反射面で反射される拡散光束Ｌ１  ″は鉛直方向に広く拡散する光束となる。従って、このような偏角測定装置１を地下坑内に間隔を隔てて配置して、地下坑内の先端部に位置する掘進機の位置測定を行おうとすると、図５に示すように、ｋ番目の偏角測定装置１ｋ  の前方に隣合う偏角測定装置１ｋ＋１  から偏角測定装置１ｋ  に向けて射出された拡散光束Ｌｋ＋１  は水平方向に広く拡散する光束となっているため、偏角測定装置１ｋ  に容易に受光されるが、偏角測定装置１ｋ  の後方に隣合う偏角測定装置１ｋ−１  から偏角測定装置１ｋ  に向けて射出された拡散光束Ｌｋ−１  は鉛直方向に広く拡散する光束となっているため、偏角測定装置１ｋ  には殆ど届かず、受光され難い。
【００３１】
このように、一方向に射出される拡散光束Ｌ１  ″が鉛直方向に広く拡散する光束とした複数の偏角測定装置１を地下坑内に間隔を隔てて配置して、地下坑内の先端部に位置する掘進機の位置測定を行おうとすると、隣合う偏角測定装置１が光軸Ｃ上から僅かずれた位置に配置されただけでも、その偏角測定装置１から射出された拡散光束（例えば、図５の拡散光束Ｌｋ−１  ）を受光することができず、従って、掘進機の位置測定を行うことができなくなってしまう。
【００３２】
そこで、本実施例では一方の偏光光源２ａの取付け向きを９０°回転させて、拡散光束Ｌ１  が水平方向に広く拡散する光束となるようにすると共に、その偏光面をλ／２波長板６で９０°回転させて鉛直方向に向くようにし、偏光反射プリズム３ａの反射面に平行に入射してほぼ全量が９０°反射されるようにしたものである。こうして、偏角測定装置１から射出された拡散光束Ｌ１  ，Ｌ２  を共に水平方向に他の方向より広く拡散する光束とすることができ、水平方向に湾曲する曲線経路に沿って推進する曲線施工工事における掘進機の位置測定を行う場合に、拡散光束Ｌ１  ，Ｌ２  のエネルギーを有効に利用して、隣合う偏角測定装置１が光軸Ｃ上からややずれた位置に配置されていても容易に受光することができるから、少ない数の偏角測定装置１を地下坑内に配置するだけで精度の良い掘進機の位置測定を行うことができる。
【００３３】
本実施例では射出された拡散光束Ｌ１  ，Ｌ２  の拡散方向と偏光面とが同じ向きの半導体レーザー発光素子から成る拡散光源２ａ，２ｂを用いたので、その一方の拡散光源２ａの前方にλ／２波長板６を配置して、偏光面を９０°回転させなければならなかったが、一方の拡散光源２ａに、拡散方向と偏光面の向きとが９０°異なる半導体レーザー発光素子を用いれば上記λ／２波長板６を配置する必要はない。図２は本発明の第２の実施例に係る偏角測定装置の内部構成を模式的に示す斜視図であり、偏角測定装置１の構成は従来例のものと殆ど変わらない。ただし、一方の拡散光源２ａは上述のように、拡散方向と偏光面の向きとが９０°異なる半導体レーザー発光素子が用いられている。これにより、一対の偏光反射プリズム３ａ，３ｂから第１の実施例と同様の、光軸Ｃに沿って前後方向に、水平な方向に他の方向よりも広く拡散する拡散光束Ｌ１  ，Ｌ２  を伝播させることができる。なお、鉛直方向に湾曲する曲線経路内の偏角を測定する場合は、勿論、拡散光源から射出される拡散光束の広がり方向を鉛直方向に他の方向よりも広く拡散するように設定すれば良い。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１記載の発明によれば、光軸の前後方向の所定の位置にそれぞれ配置された双方の拡散光源は、それらに設定された基準点と基点との間をそれぞれ結ぶ２つの線分を含む１平面方向に他の方向より広く拡散する強度方向異方性を有した拡散光束を射出するようにしたので、一平面に平行に沿って湾曲する曲線経路内の偏角を測定するのに、拡散光源からの距離が長くても著しい受光光量の低下を来さず、拡散光束のエネルギーを有効に利用することができる。
請求項２記載の発明によれば、偏角測定装置は光軸の前後方向に向けてそれぞれ拡散光束を射出する２つの拡散光源を具えており、集光レンズは光軸の前後方向の所定の位置にそれぞれ配置された同形の偏角測定装置の拡散光源から射出された拡散光束の少なくとも一部を集光して撮像板上に結像させるようにしたので、曲線経路に沿った複数箇所での偏角を測定する場合に、当該測定箇所に同形の偏角測定装置をそれぞれ配置するだけでそれぞれの偏角を測定することができるから、偏角測定作業を極めて容易に行うことができる。
【００３５】
請求項３記載の発明によれば、２つの拡散光源は強度方向異方性を有して、それぞれ集光レンズの光軸に垂直な方向に射出された偏光拡散光束を、偏光反射プリズムの反射面で反射させて光軸の前後方向に向けてそれぞれ射出すると共に、光軸の前後方向の所定の位置に配置された拡散光源から射出されて一方の偏光反射プリズムに入射した偏光拡散光束はその反射面を透過して集光レンズで集光され、他方の偏光反射プリズムの反射面で反射されて撮像板上に結像されるように構成したので、１枚の集光レンズだけで両方向から伝播した偏光拡散光束を集光して撮像板上に結像させることができると共に、光軸に対して集光レンズが設けられた基点から前後方向に隣合う他の偏角測定装置の基点を見込むずれ角の偏差として、偏角を正確に測定することができる。
【００３６】
請求項４記載の発明によれば、一方の拡散光源と一方の偏光反射プリズムとの間に配置したλ／２波長板はそれを透過する拡散光源からの偏光拡散光束の強度方向異方性を維持しながら、その拡散光源から光軸に垂直な方向に射出された偏光拡散光束の偏光面のみを９０°回転させるようにしたので、偏光拡散光束の拡散方向と偏光面の方向が共通の２つの拡散光源を用いて、１平面方向にのみほぼ拡散する強度方向異方性を有した拡散光束をそれぞれ射出するようにできる。
【００３７】
請求項５記載の発明によれば、半導体レーザー発光素子を拡散光源として用いたので、比較的汎用性の高い電子部品で拡散光源を構成できるから、主要部品の入手が容易で、装置の精度バラ付きを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る偏角測定装置の内部構成を模式的に示す斜視図
【図２】本発明の第２の実施例に係る偏角測定装置の内部構成を模式的に示す斜視図
【図３】本実施例に係る光源から射出される拡散光束の強度方向異方性を示す模式図
【図４】本発明の第１の実施例で、λ／２波長板を用いなかった場合の偏角測定装置の内部構成を模式的に示す斜視図
【図５】同じく、地下坑道内に配置されたｋ番目の偏角測定装置の受光状態を示す模式図
【図６】従来例に係る偏角測定装置の内部構成を模式的に示す斜視図
【図７】従来例に係る偏角測定装置で掘進機の地中掘進位置を計測する計測方法を説明するための説明図
【符号の説明】
１  偏角測定装置
２，２１（ａ，ｂ）  拡散光源
３（ａ，ｂ）  偏光反射プリズム
４  集光レンズ
５（ａ，ｂ）  撮像板
６  λ／２波長板
７  掘進機
８  位置演算装置
９  表示装置
１１  地下坑
Ｌ１  ，Ｌ２    拡散光束
ｐｄ１，ｐｄ２  偏光面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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