(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準点と測量点との間に設けられ、基準点から射出されたレーザ光を中継する光中継装置であって、
光軸を合わせて双方向にレーザを射出する双方向レーザ発振器と、
前記双方向レーザ発振器の両側に設けられた、複数のウェッジプリズムを組み合わせてレーザ光を屈折する一対の中継点光路屈折器と、
前記中継点光路屈折器でのレーザ光の屈折を制御する制御装置と
を備え、
前記中継点光路屈折器は、回転自在に設けられた一対のウェッジプリズムと、この一対のウェッジプリズムそれぞれを個別に回転する一対の駆動部と、前記一対のウェッジプリズムそれぞれの回転角を検出する一対の角度検出部とを有し、
前記中継点光路屈折器の一方は、前記基準点から射出されたレーザ光及び前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光を屈折し、前記中継点光路屈折器の他方は、前記双方向レーザ発振器の他方から射出されたレーザ光を屈折し、
前記制御装置は、前記中継点光路屈折器の前記一対のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が前記基準点に設けられた基準点受光器を照射するように前記基準点受光器の出力値をフィードバック制御することを特徴とする光中継装置。
【請求項２】
前記一対の角度検出部のそれぞれの検出値に基づいて前記中継点光路屈折器での屈折角を算出すると共に、この屈折角に基づいて前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸と前記基準点から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を算出する演算装置が設けられることを特徴とする、請求項１に記載の光中継装置。
【請求項３】
基準点から射出されるレーザ光を中継点で中継して測量点まで届くようにし、前記測量点の位置を計測する計測方法であって、
前記基準点には、レーザ光を射出する基準点レーザ発振器と、この基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光を複数のウェッジプリズムを組み合わせて屈折する基準点光路屈折器とが設けられ、
前記中継点には、光軸を略合わせて双方向にレーザ光を射出する双方向レーザ発振器と、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光を、複数のウェッジプリズムを組み合わせて屈折する中継点光路屈折器とが設けられ、
前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光を前記基準点光路屈折器で屈折して、前記中継点まで届くようにし、
前記双方向レーザ発振器の一方から射出されるレーザ光を前記中継点光路屈折器で屈折して、前記基準点まで届くようにし、
前記基準点光路屈折器及び前記中継点光路屈折器でのレーザ光の屈折角に基づいて、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸と前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を算出することを特徴とする計測方法。
【請求項４】
前記基準点には、前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光が照射される基準点受光器が設けられ、
前記中継点には、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光が照射される中継点受光器が設けられ、
前記基準点光路屈折器における前記複数のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記基準点レーザ発振器から射出されたレーザ光が前記中継点受光器を照射するように前記中継点受光器の出力値をフィードバック制御すると共に、
前記中継点光路屈折器における前記複数のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が前記基準点受光器を照射するように前記基準点受光器の出力値をフィードバック制御することを特徴とする、請求項３に記載の計測方法。
【請求項５】
前記基準点と前記中継点との間に、複数のウェッジプリズムを組み合わせて光路を屈折する複数個の光路屈折器が設けられ、
前記光路屈折器には、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光が照射される基準側受光器、並びに前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光が照射される中継側受光器が設けられ、
前記光路屈折器の前記複数のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記基準点レーザ発振器から射出されたレーザ光が前記基準側受光器を照射するように前記基準側受光器の出力値をフィードバック制御し、前記基準点レーザ発振器から射出されたレーザ光が自動的に前記中継点受光器に届くようにすると共に、
前記光路屈折器の前記複数のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が前記中継側受光器を照射するように前記中継側受光器の出力値をフィードバック制御し、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が自動的に前記基準点受光器に届くようにし、
前記基準点光路屈折器、前記中継点光路屈折器及び前記光路屈折器でのレーザ光の屈折角に基づいて、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸と前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を算出することを特徴とする、請求項４に記載の計測方法。
【請求項６】
前記複数のウェッジプリズムそれぞれの回転角度に基づいて前記基準点光路屈折器、前記中継点光路屈折器及び前記光路屈折器の屈折角を算出することを特徴とする、請求項５に記載の計測方法。
【請求項７】
基準点から射出されるレーザ光を中継点で中継して測量点まで届くようにし、前記測量点の位置を計測する計測装置であって、
前記基準点には、レーザ光を射出する基準点レーザ発振器と、この基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光を屈折する基準点光路屈折器と、前記中継点から射出されるレーザ光が照射される基準点受光器が設けられ、
前記中継点には、光軸を略合わせて双方向にレーザ光を射出する双方向レーザ発振器と、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光を屈折する中継点光路屈折器と、基準点から照射されるレーザ光が照射される中継点受光器とが設けられ、
前記基準点光路屈折器及び前記中継点光路屈折器のそれぞれは、回転自在に設けられた一対のウェッジプリズムと、この一対のウェッジプリズムそれぞれを個別に回転する一対の駆動部と、前記一対のウェッジプリズムそれぞれの回転角を検出する一対の角度検出部とを有し、
前記基準点光路屈折器における前記一対のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記基準点レーザ発振器から射出されたレーザ光が前記中継点受光器を照射するように前記中継点受光器の出力値をフィードバック制御すると共に、前記中継点光路屈折器における前記一対のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が前記基準点受光器を照射するように前記基準点受光器の出力値をフィードバック制御する制御装置と、
前記基準点光路屈折器及び前記中継点光路屈折器でのレーザ光の屈折角に基づいて、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸と前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を算出する演算装置と
が設けられることを特徴とする計測装置。
【請求項８】
基準点と中継点との間に、光路を屈折する複数個の光路屈折器が設けられ、前記光路屈折器は、回転自在に設けられた一対のウェッジプリズムと、この一対のウェッジプリズムのそれぞれを個別に回転する一対の駆動部と、前記一対のウェッジプリズムそれぞれの回転角を検出する一対の角度検出部とを有し、
前記光路屈折器には、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光が照射される基準側受光器、並びに前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光が照射される中継側受光器が設けられ、
前記制御装置は、前記光路屈折器の前記一対のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記基準点レーザ発振器から射出されたレーザ光が前記基準側受光器を照射するように前記基準側受光器の出力値をフィードバック制御し、前記基準点レーザ発振器から射出されたレーザ光が自動的に前記中継点受光器に届くようにすると共に、前記光路屈折器の前記一対のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が前記中継側受光器を照射するように前記中継側受光器の出力値をフィードバック制御し、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が自動的に前記基準点受光器に届くようにし、
前記演算装置は、前記基準点光路屈折器、前記中継点光路屈折器及び前記光路屈折器でのレーザ光の屈折角に基づいて、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸と前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を算出することを特徴とする請求項７に記載の計測装置。
【請求項９】
前記演算装置は、前記一対のウェッジプリズムそれぞれの回転角度に基づいて前記基準点光路屈折器、前記中継点光路屈折器及び前記光路屈折器の屈折角を算出することを特徴とする、請求項８に記載の計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を利用して測量点の位置を計測する計測装置に用いられ、基準点から射出されたレーザ光を中継して測量点まで届くようにする光中継装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信用ケーブル、電線、上下水道管、ガス管等を地中に埋設する管路の敷設工事には、近年開削工法ではなく推進工法が通常採用される。この推進工法では、管路の一端となる位置に発進立坑が堀られ、管路の他端となる位置に到達立坑が掘られる。発進立坑内には先導体及び元押装置が設置される。元押装置で先導体を地中内の水平方向に押し出すと、先導体が推進される。先導体が所定のストロークだけ前進したときに、先導体の後部に推進管が連結され、その後再び元押装置により推進管と共に先導体が前進させられる。このような工程の繰り返しで順次推進管が繋げられる。先導体を到達立坑まで前進させることによって管路が構築される。
【０００３】
推進工法の施工に当たっては、先導体を計画線に沿って掘進させるために、地中を掘進する先導体の水平及び垂直方向の位置が計測装置によって逐次計測される。
【０００４】
先導体の位置を計測する方法として、従来からレーザターゲット法等が知られている。レーザターゲット法では、発進立坑（基準点）にレーザ光を射出するレーザ発振器が設けられ、先導体（測量点）に受光器としてのターゲットが設けられる。レーザ発振器は、計画線上に直線のレーザ光を射出する。ターゲット上に照射されたレーザ光の位置に基づいて計画線からの先導体のずれ量が計測される。
【０００５】
最近コストを低減するために、立坑の数を減らし、立坑間の長さを８００ｍ〜９００ｍ程度に長くするという要請がある。特に市街地にトンネルが掘進される場合、立坑の位置が市街地の道路に限定されるのでこの要請が強い。ところで、レーザ光は、細いビームになって一直線に進むが、約３００ｍを超えると回析により徐々に広がり、あるいは塵、水蒸気などによりレーザ光の強さが減る。このため、ターゲット上のレーザ光の正確な位置が図れなくなる。したがって、このような長距離を推進する先導体の位置を計測する場合、レーザ法と電磁法またはジャイロ法との併用が採られていた。すなわち、レーザ光が届く発進立坑から３００ｍぐらいまではレーザ法で先導体の位置を計測し、３００ｍを超えると電磁法で先導体の位置を計測する。電磁法では、先導体に磁場を発生する発振器が設置され、地上に発振器から発生する磁場を受信する受信器が設置され、磁場の強さから先導体の位置が計測される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電磁法、ジャイロ法では先導体の位置を高精度に測定することができない。先導体の位置を高精度に測定するためには、距離、角度等を計測するのに最も精度が高いレーザ光を応用した計測が望まれるが、現状の光応用計測では、基準点から測量点まで３００ｍを超えるとレーザ光が届かないのでレーザ光を一回中継する必要がある。
【０００７】
そこで、本発明は、基準点から射出される光を中継し、長距離の計測に使用することができる光中継装置並びにこの光中継装置を用いた計測方法及び装置をを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以下、本発明について説明する。
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明者は、双方向にレーザを射出する双方向レーザ発振器を中継装置として使用し、基準点から射出されたレーザ光とは逆の経路を経由して、中継装置から射出されたレーザ光を屈折して基準点に戻るようにし、レーザ光の屈折角から中継装置の光軸と基準点から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を測定した。具体的には、本発明は、基準点と測量点との間に設けられ、基準点から射出されたレーザ光を中継する光中継装置であって、光軸を合わせて双方向にレーザを射出する双方向レーザ発振器と、前記双方向レーザ発振器の両側に設けられた、複数のウェッジプリズムを組み合わせてレーザ光を屈折する一対の中継点光路屈折器と、前記中継点光路屈折器でのレーザ光の屈折を制御する制御装置とを備え、前記中継点光路屈折器は、回転自在に設けられた一対のウェッジプリズムと、この一対のウェッジプリズムそれぞれを個別に回転する一対の駆動部と、前記一対のウェッジプリズムそれぞれの回転角を検出する一対の角度検出部とを有し、前記中継点光路屈折器の一方は、前記基準点から射出されたレーザ光及び前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光を屈折し、前記中継点光路屈折器の他方は、前記双方向レーザ発振器の他方から射出されたレーザ光を屈折し、前記制御装置は、前記中継点光路屈折器の前記一対のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が前記基準点に設けられた基準点受光器を照射するように前記基準点受光器の出力値をフィードバック制御することを特徴とする光中継装置により上述した課題を解決した。
【００１０】
この発明によれば、中継点光路屈折器は、双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光を屈折し、基準点から射出されたレーザ光とは逆の経路を経由して基準点に戻す。そして、この中継点光路屈折器の屈折角に基づいて、双方向レーザ発振器の光軸と基準点から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を検知することができるので、中継点から測量点に向かってレーザ光を射出する双方向レーザ発振器の位置、レーザ光の方向を測定することができる。この結果、基準点から測量点までの距離が長距離であっても、基準点から射出される光を中継し、測量点の位置を高精度に計測できる。また、基準点から射出されたレーザ光を確実に中継装置まで届かせることができる。また、中継装置の双方向レーザ発振器の一方から射出されるレーザ光を基準点に届かせることができると共に、中継装置の双方向レーザ発振器の他方から射出されるレーザ光を測量点に届かせることができる。また、任意の方向にレーザ光を屈折することができる。また、中継点から射出されたレーザ光が自動的に基準点を照射するようにすることができる。
【００１９】
さらに、本発明は、前記一対の角度検出部それぞれの検出値に基づいて前記光路屈折器での屈折角を算出すると共に、この屈折角に基づいて前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸と基準点から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を算出する演算装置が設けられることを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸と基準点から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を自動的に算出することができる。
【００２１】
また、本発明は、基準点から射出されるレーザ光を中継点で中継して測量点まで届くようにし、測量点の位置を計測する計測方法であって、基準点には、レーザ光を射出する基準点レーザ発振器と、この基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光を複数のウェッジプリズムを組み合わせて屈折する基準点光路屈折器とが設けられ、中継点には、光軸を略合わせて双方向にレーザ光を射出する双方向レーザ発振器と、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光を、複数のウェッジプリズムを組み合わせて屈折する中継点光路屈折器とが設けられ、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光を前記基準点光路屈折器で屈折し、前記中継点まで届くようにし、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されるレーザ光を前記中継点光路屈折器で屈折し、前記基準点まで届くようにし、前記基準点光路屈折器及び前記中継点光路屈折器でのレーザ光の屈折角に基づいて、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸と前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を算出することを特徴とする計測方法としても構成することができる。
【００２２】
この発明によれば、基準点に設けられた基準点レーザ発振器の光軸と中継点に設けられた双方向レーザ発振器の光軸との間の相対角が算出されるので、中継点から測量点に向かってレーザ光を射出する双方向レーザ発振器の位置、レーザ光の方向を測定することができる。この結果、基準点から測量点までの距離が長距離であっても、基準点から射出される光を中継し、測量点の位置を高精度に計測できる。
【００２３】
また、本発明は、基準点には、前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光が照射される基準点受光器が設けられ、中継点には、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光が照射される中継点受光器が設けられ、前記基準点光路屈折器における前記複数のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記基準点レーザ発振器から射出されたレーザ光が前記中継点受光器を照射するように前記中継点受光器の出力値をフィードバック制御すると共に、前記中継点光路屈折器における前記複数のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が前記基準点受光器を照射するように前記基準点受光器の出力値をフィードバック制御することを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、基準点から射出されたレーザ光が自動的に中継点を照射するようにすることができると共に、中継点から射出されたレーザ光が自動的に基準点を照射するようにすることができる。
【００２５】
さらに、本発明は、基準点と中継点との間に、複数のウェッジプリズムを組み合わせて光路を屈折する複数個の光路屈折器が設けられ、前記光路屈折器には、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光が照射される基準側受光器、並びに前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光が照射される中継側受光器が設けられ、前記光路屈折器の前記複数のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記基準点レーザ発振器から射出されたレーザ光が前記基準側受光器を照射するように前記基準側受光器の出力値をフィードバック制御し、前記基準点レーザ発振器から射出されたレーザ光が自動的に前記中継点受光器に届くようにすると共に、前記光路屈折器の前記複数のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が前記中継側受光器を照射するように前記中継側受光器の出力値をフィードバック制御し、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が自動的に前記基準点受光器に届くようにし、前記基準点光路屈折器、前記中継点光路屈折器及び前記光路屈折器でのレーザ光の屈折角に基づいて、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸と前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を算出することを特徴とする。
【００２６】
この発明によれば、基準点から中継点までの経路がどのように屈曲していても、基準点に設けられた基準点レーザ発振器の光軸と中継点に設けられた双方向レーザ発振器の光軸との間の相対角を算出することができる。
【００２７】
さらに、本発明は、前記複数のウェッジプリズムそれぞれの回転角度に基づいて前記基準点光路屈折器、前記中継点光路屈折器及び前記光路屈折器の屈折角を算出することを特徴とする。
【００２８】
この発明によれば、上記屈折器の屈折角を容易に算出することができる。
【００２９】
また、本発明は、基準点から射出されるレーザ光を中継点で中継して測量点まで届くようにし、測量点の位置を計測する計測装置であって、基準点には、レーザ光を射出する基準点レーザ発振器と、この基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光を屈折する基準点光路屈折器と、中継点から射出されるレーザ光が照射される基準点受光器が設けられ、中継点には、光軸を略合わせて双方向にレーザ光を射出する双方向レーザ発振器と、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光を屈折する中継点光路屈折器と、基準点から照射されるレーザ光が照射される中継点受光器が設けられ、前記基準点光路屈折器及び前記中継点光路屈折器それぞれは、回転自在に設けられた一対のウェッジプリズムと、この一対のウェッジプリズムそれぞれを個別に回転する一対の駆動部と、前記一対のウェッジプリズムそれぞれの回転角を検出する一対の角度検出部と、を有し、前記基準点光路屈折器における前記一対のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記基準点レーザ発振器から射出されたレーザ光が前記中継点受光器を照射するように前記中継点受光器の出力値をフィードバック制御すると共に、前記中継点光路屈折器における前記一対のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が前記基準点受光器を照射するように前記基準点受光器の出力値をフィードバック制御する制御装置と、前記基準点光路屈折器及び前記中継点光路屈折器でのレーザ光の屈折角に基づいて、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸と前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を算出する演算装置と、が設けられることを特徴とする計測装置としても構成することができる。また、基準点と中継点との間に、光路を屈折する少なくとも一つの光路屈折器が設けられ、前記光路屈折器は、回転自在に設けられた一対のウェッジプリズムと、この一対のウェッジプリズムのそれぞれを個別に回転する一対の駆動部と、前記一対のウェッジプリズムそれぞれの回転角を検出する一対の角度検出部とを有し、前記光路屈折器には、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光が照射される基準側受光器、並びに前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光が照射される中継側受光器が設けられ、前記制御装置は、前記光路屈折器の前記一対のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記基準点レーザ発振器から射出されたレーザ光が前記基準側受光器を照射するように前記基準側受光器の出力値をフィードバック制御し、前記基準点レーザ発振器から射出されたレーザ光が自動的に前記中継点受光器に届くようにすると共に、前記光路屈折器の前記一対のウェッジプリズムの回転角度を操作して、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が前記中継側受光器を照射するように前記中継側受光器の出力値をフィードバック制御し、前記双方向レーザ発振器の一方から射出されたレーザ光が自動的に前記基準点受光器に届くようにし、前記演算装置は、前記基準点光路屈折器、前記中継点光路屈折器及び前記光路屈折器でのレーザ光の屈折角に基づいて、前記基準点レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸と前記双方向レーザ発振器から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を算出することを特徴とする計測装置として構成することができる。また、前記演算装置は、前記一対のウェッジプリズムそれぞれの回転角度に基づいて前記基準点光路屈折器、前記中継点光路屈折器及び前記光路屈折器の屈折角を算出することを特徴とする計測装置として構成することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態における計測装置が適用される推進工法を示す。先導体１は発進立坑２から到達立坑３に向かって所定の計画線４に沿ってトンネルを掘進する。ジャッキ等の元押装置により発進立坑２から先導体１が一定のストロークずつ押される。先導体１が元押装置によって一定のストロークを前進する都度、先導体１の後部に順次推進管が継ぎ足される。本発明の計測装置は、発進立坑２（基準点）からの先導体１の推進位置５（測量点）を計測し、例えば初期設定基準線６に対する先導体の距離▲２▼を計測する。図２に示すように、この距離▲２▼と初期設定基準線６から計画線４までの距離▲１▼とが比較され、▲２▼−▲１▼が先導体の計画線４からのずれ量▲３▼とされる。ずれ量▲３▼が０となるように先導体１の掘削が制御されている。
【００３１】
図３は、本発明の計測装置の全体システム構成図を示す。この計測装置は、基準点２１から射出されるレーザ光を中継点２２で中継して測量点２３まで届くようにし、測量点２３までの位置を計測する。測量点２３の位置を計測するためには、レーザ光を中継する双方向レーザ発振器２５の光軸２５ａの方向を測定する必要がある。本発明の計測装置は、双方向レーザ発振器２５の光軸２５ａと、基準点２１に設けられた基準点レーザ発振器２６の光軸２６ａとの間の相対角を測定できることにその特徴を有する。
【００３２】
基準点２１には、レーザ光を射出する基準点レーザ発振器２６と、この基準点レーザ発振器２６に固定され、基準点レーザ発振器２６から射出されるレーザ光を一対のウェッジプリズムを組み合わせて屈折する基準点光路屈折器２７と、中継点２２から射出されるレーザ光が照射される基準点受光器２８が設けられる。基準点光路屈折器２７及び基準点受光器２８の構成については後述する。
【００３３】
基準点２１と中継点２２との間には、一対のウェッジプリズムを組み合わせて光路を屈折する２つの光路屈折器３１，３１が設けられる。この光路屈折器３１，３１は、上記基準点光路屈折器２７と同様な構成を有する。光路屈折器３１，３１の両側には、基準点レーザ発振器２６から射出されるレーザ光が照射される基準側受光器３２，３２、並びに双方向レーザ発振器２５から射出されるレーザ光が照射される中継側受光器３３，３３が設けられる。これら基準側受光器３２，３２及び中継側受光器３３，３３は、上述の基準点受光器２８と同様な構成を有する。
【００３４】
中継点２２には、光中継装置３５が設けられる。光中継装置３５は、光軸を略合わせて双方向にレーザ光を射出する双方向レーザ発振器２５と、双方向レーザ発振器２５の両側に設けられた一対の中継点光路屈折器３６ａ，３６ｂを備える。双方向レーザ発振器２５は、その両側から一直線上に１８０度方向をずらしてレーザ光を射出する。この双方向レーザ発振器２５は、例えば２枚の反射鏡の間にレーザ媒質を入れた周知のレーザ発振器を、双方向から射出されるレーザ光の光軸が一致するように背中合わせに組み合わせて構成される。また、これ以外にも２枚の反射鏡で共振周波数の光を閉じ込め、その一部を双方向から外部に取り出すように構成されてもよい。すなわち、双方向レーザ発振器２５は、双方向にレーザ光を射出するようにした一個のレーザ発振器から構成されてもよいし、片方向のみしかレーザ光を射出しないレーザ発振器２個を固定し、双方向にレーザ光を射出するようにしたものから構成されてもよい。なお、レーザ発振器の媒質にはＨｅ−Ｎｅ、炭酸ガス等の気体、固体、半導体等が用いられる。
【００３５】
双方向レーザ発振器２５の両側には、一対のウェッジプリズムを組み合わせてレーザ光を屈折する中継点光路屈折器３６ａ，３６ｂが設けられる。この中継点光路屈折器３６ａ，３６ｂは上述の基準点光路屈折器２７と同様な構成を有する。中継点光路屈折器の一方３６ａが、基準点２１から射出されたレーザ光及び双方向レーザ発振器２５の一方から射出されたレーザ光を屈折し、中継点光路屈折器の他方３６ｂが、双方向レーザ発振器２５の他方から射出されたレーザ光を屈折する。基準点側に位置する中継点光路屈折器３６ａには、基準点２１から照射されるレーザ光が照射される中継点受光器３７が設けられる。中継点受光器３７は上記基準点受光器２８と同様な構成を有する。
【００３６】
測量点２３には、測量点受光器３８が設けられる。この測量点受光器３８は例えばトンネルを掘進する先導体に固定されている。測量点受光器３８も上述の基準点受光器２８と同様な構成を有する。
【００３７】
中継点２２と測量点２３との間には、一対のウェッジプリズムを組み合わせて光路を屈折する２つの光路屈折器３９，３９が設けられる。この光路屈折器３９，３９は、上記基準点光路屈折器２７と同様な構成を有する。この光路屈折器３９，３９それぞれの中継点側には、双方向レーザ発振器２５から射出されるレーザ光が照射される中継側受光器４０，４０が設けられる。この中継側受光器４０，４０は、上述の基準点受光器２８と同様な構成を有する。
【００３８】
本発明の計測装置は、基準点レーザ発振器２６から射出されるレーザ光を基準点光路屈折器２７及び光路屈折器３１，３１で順次屈折し、中継点２２まで届くようにし、これとは逆に双方向レーザ発振器２５から射出されたレーザ光を中継点光路屈折器３６ａ及び光路屈折器３１，３１で順次屈折し、基準点２１まで届くようにしている。
【００３９】
すなわち、制御装置５０ａは、基準点光路屈折器２７におけるウェッジプリズムの回転角度を操作して、基準点レーザ発振器２６から射出されたレーザ光が光路屈折器３１（図中左側）の基準側受光器３２を照射するように、この基準側受光器３２の出力値をフィードバック制御する。同様に、制御装置５０ｂは、光路屈折器３１におけるウェッジプリズムの回転角を操作して、基準点レーザ発振器２６から射出されたレーザ光が光路屈折器３１（図中右側）の基準側受光器３２を照射するように、この基準側受光器３２の出力値をフィードバック制御する。また、制御装置５０ｃは、光路屈折器３１におけるウェッジプリズムの回転角を操作して、基準点レーザ発振器２６から射出されたレーザ光が中継点受光器３７を照射するように中継点受光器３７の出力値をフィードバック制御する。このようにして基準点レーザ発振器２６から射出されるレーザ光を基準点光路屈折器２７及び光路屈折器３１、３１で順次屈折し、中継点２２まで届くようにしている。
【００４０】
また、これとは逆に制御装置５０ｄは、中継点光路屈折器３６ａにおけるウェッジプリズムの回転角度を操作して、双方向レーザ発振器２５から射出されたレーザ光が光路屈折器３１（図中右側）の中継側受光器３３を照射するように、この中継側受光器３３の出力値をフィードバック制御する。同様に、制御装置５０ｃは、光路屈折器３１におけるウェッジプリズムの回転角を操作して、双方向レーザ発振器２５から射出されたレーザ光が光路屈折器３１（図中左側）の中継側受光器３３を照射するように、この中継側受光器３３の出力値をフィードバック制御する。また、制御装置５０ｂは、光路屈折器３１におけるウェッジプリズムの回転角を操作して、双方向レーザ発振器２５から射出されたレーザ光が基準点受光器２８を照射するように基準点受光器２８の出力値をフィードバック制御する。このようにして双方向レーザ発振器２５から射出されるレーザ光を中継点光路屈折器３６及び光路屈折器３１、３１で順次屈折し、基準点２１まで届くようにしている。当然のことながら、行きと戻りとで光路屈折器３１、３１のウェッジプリズムは殆ど動かす必要がない。
【００４１】
演算装置５１は、基準点光路屈折器２７、光路屈折器３１、３１及び中継点光路屈折器３６ａでのレーザ光の屈折角θ１〜θ４に基づいて、基準点レーザ発振器２６から射出されるレーザ光の光軸２６ａと、双方向レーザ発振器２５から射出されるレーザ光の光軸２５ａとの間の相対角θを算出する。相対角θは例えば以下の計算式から求められる。
【００４２】
【式１】
θ＝θ１＋θ２＋θ３＋θ４
また、各光路屈折器間の距離Ｌ１〜Ｌ３を測定すると、中継点２２の位置も計測することができる。
【００４３】
制御装置５０ｅ，５０ｆ，５０ｇは、上記制御装置５０ａ，５０ｂ，５０ｃと同様に中継点光路屈折器３６ｂ又は光路屈折器３９，３９のウェッジプリズムの回転角度を操作して、測量点受光器３８又は中継側受光器４０，４０の出力値をフィードバック制御し、双方向レーザ発振器２５から射出されるレーザ光が自動的に測量点受光器３８まで届くようにしている。そして、演算装置５１は、各光路屈折器の屈折角θ１〜θ７及び光路屈折器間の距離Ｌ１〜Ｌ７に基づいて測量点２３の位置を算出する。
【００４４】
このように本発明によれば、基準点２１に設けられた基準点レーザ発振器２６の光軸２６ａと中継点２２に設けられた双方向レーザ発振器２５の光軸２５ａとの間の相対角が算出されるので、中継点２２から測量点２３に向かってレーザ光を射出する双方向レーザ発振器２５の位置、レーザ光の方向を測定することができる。この結果、基準点２１から測量点２３までの距離が長距離であっても、基準点２１から射出される光を中継し、測量点２３を高精度に計測することができる。
【００４５】
なお、上記受光器２８，３２，３３，３７の中心位置と光路屈折器２７，３１，３１，３６ａの中心位置とが異なるため、光路屈折器２７，３１，３１，３６ａ間の距離が近い場合、行きと戻りとで僅かな光路の相違が生じる。相対角を高精度に測定したいときは、行きと戻りそれぞれでの光路屈折器２７，３１，３１，３６ａの屈折角が測定される。
【００４６】
図４は基準点光路屈折器２７を示す。上述のように基準点光路屈折器２７、中継点光路屈折器３６，３６及び光路屈折器３１，３１，３９，３９は全て同様な構成を有し、基準点受光器２８、中継点受光器３７、測量点受光器３８、基準側受光器３２，３２及び中継側受光器３３，３３，４０，４０は全て同様な構成を有するので、基準点光路屈折器（以下単にプリズムユニット２７という）及び基準点受光器２８（以下単に受光器２８という）の構成を代表して説明する。図中（Ａ）はプリズムユニット２７の正面図を示し、図中（Ｂ）は側面図を示す。各プリズムユニット２７は内部に一対のウェッジプリズム１３ａ，１３ｂを有する。各プリズムユニット２７には受光器２８が設けられる。この受光器２８はウェッジプリズム１３ａ，１３ｂの周囲にその中心から一定間隔を開けて配置された３個ないし４個の光電センサ２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄから構成される。なお、受光器２８には４つの光電センサを組合せた２軸光電センサの他、ＣＣＤカメラ等の撮影素子が用いられても良い。
【００４７】
図５は、プリズムユニット２７の断面図を示す。プリズムユニット２７は、円筒状のケース１２と、このケース１２内に回転自在に設けられる一対のウェッジプリズム１３ａ，１３ｂと、この一対のウェッジプリズム１３ａ，１３ｂそれぞれを個別に回転させる駆動部としてのモータ１４ａ，１４ｂと、ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂの回転角をデジタル式に検出する角度検出部としてのエンコーダ１５ａ，１５ｂとを備える。モータ１４ａ，１４ｂとエンコーダ１５ａ，１５ｂとは一体になっている。また、塵等が付着するのを防止するために、ウェッジプリズムは保護ガラス１６で覆われている。なお、角度検出部はデジタル的に検出するエンコーダ１５ａ，１５ｂに限られることなく、アナログ的に検出するポテンションメータであってもよい。
【００４８】
図６に示すように、ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂは、円筒状のレンズの第２面１７にテーパをつけたプリズムである。このウェッジプリズム１３ａ，１３ｂの第１面１８にビームが垂直に入射すると、入射した光線は屈折角δで屈折する。ここで、屈折角δとウェッジ頂角ｗの関係は、以下の式で表される。
【００４９】
【式２】
0004098950.tif 000002
ここで、ｎは屈折率である。
【００５０】
図７は、２つのウェッジプリズム１３ａ，１３ｂを組み合わせた場合を示す。２つのウェッジプリズム１３ａ，１３ｂは同じ材質で、しかも同じウェッジ頂角ｗを有する。この図に示すように、２つのウェッジプリズム１３ａ，１３ｂを傾斜面１９が平行になるように近接配置すると、ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂを通過したビームは、平行なガラスを通過するのと同様に直進する。一方、図１２に示すように、ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂを第１面１８の法線と平行な軸の回りに別々に回転することによって、所定の尖った円錐体内部の任意の方向にレーザー光を屈折（偏向）することができる。このときの最大屈折角は、ウェッジ頂角ｗが小さい場合は２つのウェッジプリズムの屈折角δを合算した２δになる。したがってレーザー光は直径４δの円内を照射する。
【００５１】
２個のウェッジプリズム１３ａ，１３ｂそれぞれの回転角から、組み合わせた場合の屈折角および屈折方向の算出方法について説明する。ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂのそれぞれの回転角はエンコーダ１５ａ，１５ｂで検出され、組み合わせた場合の屈折角度は演算装置５１（図３参照）で算出される。演算装置５１はＣＰＵ等を有する計算機からなり、ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂの回転角から各プリズムユニット２７の屈折角を算出しする。
【００５２】
図９に示すように、ウェッジプリズム１３ａ，１３ｂ（以下ウェッジプリズム１３ａをプリズム１といい、ウェッジプリズム１３ｂをプリズム２という）の中心線上にレーザー光を入射すると、プリズム１がレーザー光を屈折角δ１で屈折し、プリズム２がさらにレーザー光を屈折角δ２で屈折する。この屈折角δ１，δ２が得られるプリズム１の回転角をψ１，プリズム２の回転角をψ２とする。プリズム１，２の一番厚いところと一番薄いところを結んだ線が水平となる位置を基準とし、回転角ψ１，ψ２はこの位置からの角度を表している。
【００５３】
ここで、ウェッジ頂角ｗが微少であることから、計算を簡単にするためにδ１，δ２ともに微少とし、ウェッジプリズム２の第1面にもレーザー光が垂直に入射すると仮定する。図１０は、レーザー光に対して直交する面にＸ軸，Ｙ軸をとり、プリズム１の屈折角δ１（図中（ａ））およびプリズム２の屈折角δ２（図中（ｂ））をベクトル表示したものである。この図からプリズム１に関して以下の計算式が成立する。
【００５４】
【式３】
0004098950.tif 000003
また、プリズム２に関しても同様に以下の計算式が成立する。
【００５５】
【式４】
0004098950.tif 000004
式２および式３からプリズム１とプリズム２を合算した場合のＸ方向の合成成分δTXは、以下の式５で表される。
【００５６】
【式５】
0004098950.tif 000005
同様に、Ｙ方向の合成成分は、以下の式６で表される。
【００５７】
【式６】
0004098950.tif 000006
したがって、合成屈折角δT、合成屈折方向ψTは以下の式７で表される。
【００５８】
【式７】
0004098950.tif 000007
ここで、プリズム２個の差角ΔψをΔψ＝ψ１−ψ２とすると、δTは以下の式８で表される。
【００５９】
【式８】
0004098950.tif 000008
【００６０】
これらの計算式を用いることで、２個のプリズム１，２それぞれの回転角から、組み合わせた場合の合成屈折角δＴおよび合成屈折方向ψＴを簡単に算出することができる。なお、プリズム１，２の屈折角δ1，δ2はプリズムによって一定の値を保ち、この屈折角は計算機のメモリに記憶されている。異なる屈折角のプリズム１，２を使用する場合は、メモリに複数の屈折角が記憶される。
【００６１】
上述のように、制御装置５０ａ〜５０ｇは、プリズムユニット２７における一対のプリズム１，２それぞれの回転角度を操作して、最終的には基準点レーザ発振器２６から射出されるレーザー光が自動的に測量点受光器３８まで届くようにしている。各制御装置５０ａ〜５０ｇは、レーザー光が受光器２８，３２，３３，３７，３８，４０の中心にないときは、あらかじめ定めたアルゴリズムでプリズム１，２それぞれを回転し、レーザ光が受光器２８…の中心にくるようにプリズム１，２を操作する。このときのプリズム１，２の回転角ψ１，ψ２から上述の計算式を用いて合成屈折角δT（図１のθ１〜θ７）、合成屈折方向ψTが算出される。
【００６２】
レーザー光を受光器２８…の中心にもっていくように制御装置で実行されるソフトウェアサーボのアルゴリズムについて説明する。このソフトウェアサーボは、プリズム１，２の回転角度を操作して、レーザー光が受光器２８…の中心を照射するように受光器２８…の出力値をフィードバック制御している。
【００６３】
図１１は、アルゴリズムのフローチャートを示す。まず、受光器２８…からの入力レベルがｅ１以上であるか否かを判断する（ステップＳ１）。受光器２８…が中心から＋Ｘ，−Ｘ，＋Ｙ，−Ｙの４方向に延びる４つの光電センサを組み合わせた２軸光電センサの場合、レーザー光が中心にあれば出力値が０になる。受光器２８…からの入力レベル＜ｅ１の場合は、レーザー光が受光器２８…の中心にあるとして、プリズム１，２の回転角を操作しない。受光器２８…からの入力レベル≧ｅ１の場合は、レーザー光が受光器２８…の中心にないので、レーザー光が受光器２８…の中心にくるように以下の処理を行う。
【００６４】
まずプリズム座標系で、Ｘ０，Ｙ０，ψＴを算出する（ステップＳ２）。次に、受光器座標系でＸ１，Ｙ１を検出する（ステップＳ３）。プリズム座標系は、図１２および図１３に示すように、プリズムユニット２７からプリズム中心線を延長して受光器上の平面と交差する点Ｐを原点とした座標系をいい、受光器座標系は受光器２８…の中心を原点とした座標系をいう。この図１２および図１３で、レーザー光の受光器２８…上の照射位置をプリズム座標系で示したものがｖ０ベクトルで、受光器座標系で示したものがｖ１ベクトルである。レーザー光が受光器２８…の中心を照射するためには、ｖ１ベクトルが０となればよい。プリズム座標系のｖ０ベクトルのＸ方向成分、Ｙ方向成分それぞれをＸ０，Ｙ０とすると、上述のプリズムの合成屈折角δTから、Ｘ０＝δＴＸ×Ｌ１，Ｙ０＝δＴＹ×Ｌ１と算出される。ここで、Ｌ１はプリズムから受光器までの距離である。そして、ψＴは上述の合成屈折方向から算出される（ステップＳ２）。また、受光器座標系において、受光器２８…の検出値からＸ１，Ｙ１が検出され、計算式θ１＝ｔａｎ-1（Ｙ１／Ｘ１）からθ１が算出される（ステップＳ３）。受光器２８…の精度が高く、座標Ｘ１，Ｙ１が高精度に得られると、このＸ１，Ｙ１に基づいてプリズムを操作して受光器２８…の中心を照射するように合成屈折角δＴを変化させればよいが、一般に受光器２８…の精度はそれほど高くないので以下のような処理が必要になる。
【００６５】
ψＴとθ１を比較し、一致する方向に差角Δψを一定に保ったままプリズム２枚を同時に回し、ψＴを変える（ステップＳ４）。図１４に示すように、２つのプリズムの差角Δψを一定に保ったままプリズム２枚を同時に回すと、プリズム座標系でのｖ０ベクトルは、絶対値を保ったまま、原点Ｐを中心として回転する。ψＴとθ１とが等しくなるまで（図中２点鎖線の位置から実線の位置まで）回転すると、ｖ１ベクトルとｖ０ベクトルとは重なる。このステップＳ４では、ｖ０ベクトルとｖ１ベクトルとの方向を合わせている。なお、プリズムの１回の回転量は振動しないように差の１／２とされる。
【００６６】
次に、｜ｖ１｜と｜ｖ０｜を比較し、ψＴを一定に保ったまま、｜ｖ１｜が０となるように差角Δψを変化する。図１５に示すように、２枚のプリズムを相反する方向へ同じ量回転すると、プリズム座標系でのｖ０ベクトルは、ψＴを一定に保ったまま、絶対値｜ｖ０｜を変化する。この図に示すように、２枚のプリズムの差角Δψを｜ｖ１｜が０となるように変化すると、ｖ０ベクトルの絶対値が図中２点鎖線の位置から実線の位置まで変化する。すなわち、ステップＳ５では、ｖ１ベクトルの絶対値を０となるようにしている。ここで、｜ｖ１｜＝√（Ｘ１2＋Ｙ１2），｜ｖ０｜＝Ｌ１√（δＴＸ2＋δＴＹ2）で表される。なお、差角Δψの１回の変化量は、振動しないように差の１／２とされる。
【００６７】
次に、ステップＳ５での差角Δψの変化量が例えば１０″以下であるか否かを判断する（ステップＳ６）。１０″以下であれば、レーザー光が受光器２８・・・の中心を照射しているとして、スタートに戻る。１０″以下でなければ、ステップ２〜ステップ５を繰り返し、再びｖ１ベクトルが０になるようにプリズムの回転角を操作する。
【００６８】
なお、本発明は上述の実施態様に限られず、種々の変更が可能である。例えば双方向レーザには、あらかじめ双方での光軸のずれがわかっていれば光軸を一致させなくてもよい。また、制御装置は、複数のプリズムユニットに対応して複数設けられているが、複数のプリズムユニットに対して一つ設けられても良い。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、双方向にレーザを射出する双方向レーザ発振器を中継装置として使用し、基準点から射出されたレーザ光とは逆の経路を経由して、中継装置から射出されたレーザ光を屈折して基準点に戻るようにし、レーザ光の屈折角から中継装置の光軸と基準点から射出されるレーザ光の光軸との間の相対角を測定したので、基準点から測量点までの距離が長距離であっても、基準点から射出される光を中継し、測量点の位置を高精度に計測できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における計測装置が適用される推進工法を示す平面図。
【図２】先導体の計画線からのずれを示す概略図。
【図３】計測装置の全体システム構成図。
【図４】プリズムユニットを示す図（図中（Ａ）は正面図を示し、図中（Ｂ）は側面図を示す）。
【図５】プリズムユニットを示す断面図。
【図６】ウェッジプリズムを示す断面図。
【図７】組み合わせたウェッジプリズムを示す断面図。
【図８】入射光線を屈折するウェッジプリズムを示す斜視図。
【図９】入射光線の屈折を座標系で示す図。
【図１０】屈折角をベクトルで示す図（図中（ａ）はプリズム１を示し、図中（ｂ）はプリズム２を示す。）
【図１１】ソフトウェアサーボのアルゴリズムを示すフローチャート。
【図１２】受光器上でのレーザー光の照射位置を示す図。
【図１３】プリズム座標系と受光器座標系を示すグラフ。
【図１４】プリズム座標系と受光器座標系を示すグラフ。
【図１５】プリズム座標系と受光器座標系を示すグラフ。
【符号の説明】
１３ａ，１３ｂ  ウェッジプリズム
１４ａ，１４ｂ  モータ（駆動部）
１５ａ，１５ｂ  エンコーダ（角度検出部）
２１  基準点
２２  中継点
２３  測量点
２５ａ  双方向レーザ発振器の光軸
２５  双方向レーザ発振器
２６  基準点レーザ発振器
２６ａ  基準点レーザ発振器の光軸
２７  基準点光路屈折器
２８  基準点受光器
３１，３１  光路屈折器
３２，３２  基準側受光器
３３，３３  中継側受光器
３５  光中継装置
３６ａ，３６ｂ  中継点光路屈折器
３７  中継点受光器
５０ａ〜５０ｄ  制御装置
５１  演算装置
【図１】
0004098950.tif 000009
【図２】
0004098950.tif 000010
【図３】
0004098950.tif 000011
【図４】
0004098950.tif 000012
【図５】
0004098950.tif 000013
【図６】
0004098950.tif 000014
【図７】
0004098950.tif 000015
【図８】
0004098950.tif 000016
【図９】
0004098950.tif 000017
【図１０】
0004098950.tif 000018
【図１１】
0004098950.tif 000019
【図１２】
0004098950.tif 000020
【図１３】
0004098950.tif 000021
【図１４】
0004098950.tif 000022
【図１５】
0004098950.tif 000023