レーザビーム角度計測方法及び装置並びに光中継方法及び光中継装置
【課題】光の入射角度を計測する。これを応用して光中継する。
【解決手段】レーザビーム光を集光する凸レンズと、光センサが凸レンズの光軸とほぼ直角の平面上に配列し凸レンズにより集光されたレーザビーム光が平面上に照射した重心の二次元位置に応じて出力する二次元位置検出装置を備える。二次元位置検出装置の前方にレーザビーム光の広がりを制限して進行させる遮光孔を備えた遮光板を位置させた状態で、レーザビーム光を通過孔に通過させる。凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を検出する。当該検出した角度が所定の角度内のときにレーザ発振器を発振させて、光路を中継する。
【解決手段】レーザビーム光を集光する凸レンズと、光センサが凸レンズの光軸とほぼ直角の平面上に配列し凸レンズにより集光されたレーザビーム光が平面上に照射した重心の二次元位置に応じて出力する二次元位置検出装置を備える。二次元位置検出装置の前方にレーザビーム光の広がりを制限して進行させる遮光孔を備えた遮光板を位置させた状態で、レーザビーム光を通過孔に通過させる。凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を検出する。当該検出した角度が所定の角度内のときにレーザ発振器を発振させて、光路を中継する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射するレーザビーム光の曲がり角度を計測する方法及び光路中に光発振器を備えて中継する中継器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下水管あるいは通信ケーブルを地下に敷設するため設置する場所の地上の状況、例えば、コストダウンの観点で地上とのアクセス孔である立坑を減らしたい、川の下で立坑を掘れない場合などから一回に推進する孔の距離を長くしたいとの要望がある。
例えば、通信ケーブルを地下に敷設する場合、３００ｍｍ〜６００ｍｍ程度の小口径の管路内に配線する。管路を配設するには図６の側面図のように発進立坑６０１側から到達立坑６０２側までの計画線に沿って先導体６０３で掘削し、その孔に一定長さの推進管を計画線の始めから順次つなげるように推していく。このとき、管路が計画線からずれないように、計画線からのずれを測定しながら推進管を推す方向を決めている。なお、６０４はレーザ発振器、６０５は基準プリズムユニット、６０６は中間プリズムユニット、６０７はレーザ光線、６０８は地表である。
【０００３】
図７（ａ）は、計画線からのずれを測定する方法を示し、光学式プリズム計測システムを示す。図７（ａ）において、７０１は管路、７０２は管路７０１の発進立坑側に配置したレーザ発振器、７０３は管路７０１の発進立坑側に設けた基準プリズムユニット、７０４は管路７０１に沿って配設された一定長さの推進管、７０５は推進管７０４の１つ所定位置に設置された中間プリズムユニット、７０６は先端部に掘削機を備えた先導体、７０７は先導体７０６の掘削機の設置とは反対方向の面の受光部、７０８はこの計測システムを制御する制御部である。基準プリズムユニット６０５、中間プリズムユニット７０５及び先導体７０６は制御部７０８に接続し、信号の授受、機構部の制御等を受ける。
受光部７０７の上下左右の４個所例えば正四角形の各頂点位置に設けられる光電センサ７０７ａが設けられ、この例を図７（ｂ）に示す。
この明細書において、基準プリズムユニット７０３と中間プリズムユニット７０５とを総称してプリズムユニットということがある。これらプリズムユニットは、図８（ａ）の断面図のように、回転自在に設けられた一対のウェッジプリズム８０１ａ，８０１ｂ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手段８０２ａ，８０２ｂと、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手段８０３ａ，８０３ｂと、光電センサ８０４を備える。光電センサ８０４は、図８（ｂ）の側面図に示すように、ケース８０８の発振立坑側の面上の透過窓８０９の周囲上下左右４個所例えば正四角形の各頂点位置に設けられる。なお、基準プリズムユニット７０３に光電センサ８０４を備える必要はない。
各ウェッジプリズムの一方の面８０５ａ，８０５ｂと直角な軸８０６を中心に回転するように一対のウェッジプリズムを配置し、それぞれの傾斜面８０７ａ，８０７ｂのそれそれが平行にあるときにプリズムユニット７０５に入射する光と出る光とは平行となる。図７には一例としてウェッジプリズムの傾斜面８０７ａ、８０７ｂが対面する構成を示しているが、直角面８０５ａ、８０５ｂが対面する構成でも機能は変わらない。プリズムユニットに入射した光は各ウェッジプリズムの相対的な回転角に応じて軸８０６に対し所定の角度で屈折して透過窓８１０を通過する。
【０００４】
図７、図８において、先導体７０６が管路７０１をある程度掘削して進み、その後に推進管７０４を接続している。中間プリズムユニット７０５を一定間隔で推進管７０４ａ内の所定位置に配置する。
レーザ発振器７０２からのレーザ光７０２ａは、中間プリズムユニット７０５の光電センサ８０４で検知できるように、基準プリズムユニット７０３の一対のウェッジプリズムを回転させ、さらに中間プリズムユニット７０５を通過したレーザ光７０２ａが先導体７０６の受光部７０７で検知できるように、中間プリズムユニット７０５の一対のウェッジプリズム８０１ａ，８０１ｂを回転させる。このときの基準プリズムユニット７０３と中間プリズムユニット７０５との回転角からレーザ光の屈折角θ１，θ２を知ることができる。この角度θ１，θ２と距離Ｌ１，Ｌ２とから、先導体７０６の計画線からのずれを算定し、その位置を計算する。なお、Ｌ１は基準プリズムユニット７０３の一対のウェッジプリズムの中間部から中間プリズムユニット７０５の一対のウェッジプリズムの中間部までの距離、Ｌ２は中間プリズムユニット７０５から先導体７０６の受光面７０７までの距離である。
【０００５】
このような光学式プリズム計測システムによると、地中深くに敷設する場合でも、ウェッジプリズムの回転角を計測することで精密に光の屈折角を制御でき、位置を高精度に計測することができる。
しかしながら、レーザ光を用いているもののレーザ発振器７０２から先導体７０６までの距離が現状の１５０ｍ程度から３００ｍ以上になると拡散・減衰してしまい１５０ｍ程度が実用限度で精度よく計測できないものとなっていた。
また、このためレーザの角度情報を中継してさらに伸ばす手段（レーザ中継器）が必要となる。レーザ中継器として前後双方向にビームを出すレーザ発振管を用いた手段があるが、この手段では使用する双方向出力レーザという特殊なレーザの入手が困難であるという難点があった。
【特許文献１】特許第３６００７６３号公報
【特許文献２】特許第３６６３３２２号公報
【特許文献３】特開２００２−０９０１４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そして、より簡単に実現するものとして、発進立坑に設置されたレーザビームに対する２軸の角度計測手段として半導体レーザを一体に納めた光中継器を検討した。このレーザを用いた光中継器には機能として、発進立坑に設置されたレーザトランシットに対する中継器自体の２軸の角度を高精度に検出するとともに、指向安定度の高いレーザを発振することが要求される。この２軸角度検出装置としては円形状の孔を通して２軸のＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ：光センサが平面上に配列し、光が前記平面上に照射した重心の二次元位置に応じて出力する二次元位置検出装置）に当てて位置を検出する方法を検討した。これは、構造が簡単であるが、ＰＳＤセンサ面の大きさを、前記円形状の孔の直径に検出角度に相当するビームのセンサ上の移動量を加えた大きさ以上とする必要がある。小さいＰＳＤセンサが使えるように孔を小さくすると、光の利用効率が低下する。
【０００７】
発明が解決しようとする課題は、より小さい二次元位置検出装置を用いて光の入射角度を計測する方法及び装置を提供することにある。
【０００８】
また、本発明が解決しようとする他の課題は、より小さい二次元位置検出装置を用いて光の入射角度を計測する方法を応用した光中継方法を提供し、また、その光中継器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため請求項１に係るレーザビーム角度計測方法は、レーザビーム光を集光する凸レンズと、光センサが前記凸レンズの光軸とほぼ直角の平面上に配列し前記凸レンズにより集光されたレーザビーム光が前記平面上に照射した重心の二次元位置に応じて出力する二次元位置検出装置を備え、前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を検出するレーザビーム角度計測方法であって、前記二次元位置検出装置の前方にレーザビーム光の広がりを制限して進行させる通過孔を備えた遮光板を位置させた状態で、レーザビーム光を通過孔に通過させる過程と、前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を検出する過程からなることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項２に係るレーザビーム角度計測装置は、レーザビーム光を集光する凸レンズと、光センサが前記凸レンズの光軸とほぼ直角の平面上に配列し前記凸レンズにより集光されたレーザビーム光が前記平面上に照射した重心の二次元位置に応じて出力する二次元位置検出装置と、前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を算出するレーザビーム角度算出手段と、前記二次元位置検出装置へのレーザビーム光の広がりを制限して進行させる通過孔を備えた遮光板とからなることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項３に係る光中継方法は、レーザビーム光を集光する凸レンズと、光センサが前記凸レンズの光軸とほぼ直角の平面上に配列し前記凸レンズにより集光されたレーザビーム光が前記平面上に照射した重心の二次元位置に応じて出力する二次元位置検出装置を備え、前記二次元位置検出装置の前方にレーザビーム光の広がりを制限して進行させる遮光孔を備えた遮光板を位置させた状態で、レーザビーム光を通過孔に通過させる過程と、前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を検出する過程と、当該検出した角度が所定の角度内のときにレーザ発振器を発振させるか、または発振しているレーザ光を使用可とする過程とにより光路を中継することを特徴とするものである。
【００１２】
請求項４に係る光中継器は、外部からのレーザビーム光を集光する凸レンズと、光センサが前記凸レンズの光軸とほぼ直角の平面上に配列し前記凸レンズにより集光されたレーザビーム光が前記平面上に照射した重心の二次元位置に応じて出力する二次元位置検出装置と、前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を算出するレーザビーム角度算出手段と、前記二次元位置検出装置へのレーザビーム光の広がりを制限して進行させる遮光孔を備えた遮光板と、前記二次元位置検出装置の所定の位置へのレーザビーム光の入射により発振するか、または発振しているレーザ光を使用可とするようにしたレーザ発振器とを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係るレーザビーム角度計測方法によると、レーザビーム光を凸レンズで集光して二次元位置検出装置に入射させる際に、レーザビーム光の広がりを遮光板の通過孔により制限し、二次元位置検出装置に入射させて前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を検出するものであるが、凸レンズによりレーザビーム光を二次元位置検出装置に集光するから、小さい二次元位置検出装置を使えることができ、遮光板の通過光を通すからレーザビームの広がり制限され、空気の擾乱によりビームスポットの揺れ及びビーム外周部の干渉縞、散乱などによるビーム外周部の変形による重心計算の誤差を減らすことができる。
【００１４】
請求項２に係るレーザビーム角度計測装置によると、レーザビーム光を凸レンズで集光して二次元位置検出装置に入射させる際に、レーザビーム光の広がりを遮光板の通過孔により制限し、二次元位置検出装置に入射させて前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を検出するものであるが、凸レンズによりレーザビーム光を二次元位置検出装置に集光するから、小さい二次元位置検出装置を使えることができ、遮光板の通過光を通すからレーザビームの広がりが制限され、空気の擾乱によりビームスポットの揺れ及びビーム外周部の干渉縞、散乱などによるビーム外周部の変形による重心計算の誤差を減らすことができる。
【００１５】
請求項３に係る光中継方法によると、レーザビーム光を凸レンズで集光して二次元位置検出装置に入射させる際に、レーザビーム光の広がりを遮光板の通過孔により制限し、二次元位置検出装置に入射させて前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を検出し、検出した角度が所定の角度内のときにレーザ発振器を発振させるか、または発振しているレーザ光を使用可とさせるものであるが、凸レンズによりレーザビーム光を二次元位置検出装置に集光するから、小さい二次元位置検出装置を使えることができ、遮光板の通過光を通すからレーザビームの広がり制限され、空気の擾乱によるビームスポットの揺れ及びビーム外周部の干渉縞、散乱などによるビーム外周部の変形による重心計算の誤差を減らすことができ、正確な所定角度においてレーザ発振器を発振させるか、または発振しているレーザ光を使用可とすることができ、レーザビーム光を中継することができる。
【００１６】
請求項４に係る光中継器によると、レーザビーム光を凸レンズで集光して二次元位置検出装置に入射させる際に、レーザビーム光の広がりを遮光板の通過孔により制限し、二次元位置検出装置に入射させて前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を検出し、検出した角度が所定の角度内のときにレーザ発振器を発振させるか、または発振しているレーザ光を使用可とさせるものであるが、凸レンズによりレーザビーム光を二次元位置検出装置に集光するから、小さい二次元位置検出装置を使えることができ、遮光板の通過光を通すからレーザビームの広がり制限され、空気の擾乱によるビームスポットの揺れ及びビーム外周部の干渉縞、散乱などによるビーム外周部の変形による重心計算の誤差を減らすことができ、正確な所定角度においてレーザ発振器を発振させるか、または発振しているレーザ光を使用可とさせることができ、レーザビーム光を中継することができる。
【実施例１】
【００１７】
図１は、レーザビーム角度計測装置を適用した光中継器の一実施例の構成を示す図である。図２はレーザビーム角度計測方法を用いた光中継方法を説明するフロー図である。
図１において、１００は光中継器、１０１は例えば筒状に形成したケース、１０３は凸レンズ、１０４は二次元位置検出装置、１０５はレーザ発振器、１０６は遮光板、１０６ａは遮光板１０６に形成した通過孔、１０７はプリズムユニット、１０７ａ，１０７ｂはプリズムユニット１０７を構成する一対のウェッジプリズム、１０９ａ，１０９ｂは一対のウェッジプリズム１０７ａ，１０７ｂを回転駆動する駆動手段、１１１ａ，１１１ｂは、例えばロータリエンコーダで構成し、一対のウェッジプリズム１０７ａ，１０７ｂの回転角を検出する角度検出手段、１１２は光電センサ、１１３ａ，１１３ｂは防塵窓、１１４は傾斜計、１１５は制御部、１１６は基準軸である。また、１４０は、光中継器１００の外部に位置し、発進立坑側にある後方の中間プリズムユニット、１５０は到達立坑側にある前方の中間プリズムユニットであり、図８に示したプリズムユニットと同様のものである。
レーザビーム角度計測装置は、ケース１０１、凸レンズ１０３、二次元位置検出装置１０４、遮光板１０６、通過孔１０６ａ及び制御部１１５からなり、必要により防塵窓１１３ａ，１１３ｂを備える。
二次元位置検出装置１０４は、光センサを平面上に配列した装置であり、光が照射されたときその光スポットの重心に二次元位置に応じて出力することにより、その重心位置を知ることができる。
レーザ発振器１０５は、前記二次元位置検出装置１０４が凸レンズ１０３からのレーザビーム光を受けて、その重心が所定の位置を照射したとき、これを検知した制御部１１４の制御により、当該レーザ発振器１０５自身から新たにレーザ光を発振するか、または発振しているレーザ光を使用可とする。
遮光板１０６は、凸レンズ１０３の前方に位置してレーザビーム光の広がりを制限して凸レンズ１０３に入射させ、二次元位置検出装置１０４に進行させる通過孔１０６ａを備える。
プリズムユニット１０７が備える一対のウェッジプリズム１０７ａ，１０７ｂは、共通する軸を基準軸１１６として、その基準軸１１６を中心に回転自在に設けられ、この基準軸１１６は凸レンズ１０３の光軸と一致するとともに、二次元位置検出装置１０４のセンサ平面が凸レンズほぼ直角に位置し、レーザ発振器１０５のレーザ発光部とを結ぶ線とも一致する。凸レンズ１０３と二次元位置検出装置１０４とは距離Ｌの間隔で配置される。遮光板１０６の通過光１０６ａは基準軸１１６が通過するように形成する。レーザ発振器１０５が発振するレーザ光は前記基準軸１１６方向に発光する。
初期状態では、一対のウェッジプリズム１０７ａ，１０７ｂの２つのプリズムは、それらの一番厚い個所と一番薄い個所とを結ぶ線が水平となる位置としてこれをウェッジプリズムの基準位置とする。このとき、基準軸１１６に平行な光は屈折なしに基準軸１１６に平行な光が射出する。
傾斜計１１４は、ケース１０１の長さ方向をＸ軸、水平方向をＹ軸、下向きをＺ軸とすると、Ｘ軸回りのローリングを計測する。ローリングは一対のウェッジプリズム１０７ａ，１０７ｂを回転させることとなり、屈折角に影響し、その補正のためにローリングによる傾斜角を計測する。
制御部１１５は、当該光中継器１００の外部にあって、二次元位置検出装置１０４、角度検出手段１１１、光電センサ１１２及び傾斜計１１４の信号を受けて、駆動手段１０９及びレーザ発振器１０５を制御するとともに、計測計算をする。
【００１８】
図示しない推進管をつなげながら図示しない先導体で管路内をある程度屈折して進んだところ、先導体に続く一定長さの推進管の数により管路の長さが、３００ｍ以下の適当な長さになると、光中継器１００を搭載した推進管を管路に進入させる。発進立坑側に配置したレーザ発振器（図示しない）からのレーザ光は、中継器後方のプリズムユニット１４０により防塵窓１１３ａのほぼ中心に当たるように制御されて光中継器１００の基準軸１１６に沿って入射するから遮光板１０６の通過孔１０６ａを通過して（図２のステップＰ１０１）から、凸レンズ１０３により集光されて、二次元位置検出装置１０４に照射される。
二次元位置検出装置１０４はその面に仮定されるＸ，Ｙ軸の原点が基準軸１１６（二次元位置検出装置１０４の面に直交する）を通るようにする。レーザビーム光が二次元位置検出装置１０４の面を照射すると、照射面を検出し、その重心の二次元位置を検出する。制御部１１５では凸レンズ１０３までの距離Ｌと二次元位置検出装置１０４が測定したレーザビーム光のスポット重心の二次元位置とからレーザビーム光が二次元位置検出装置１０４に照射した角度θを検出する（図２のステップＰ１０２）。すなわち、二次元位置検出装置１０４の面に照射されるレーザビーム光のスポット重心の二次元位置を（ｘ，ｙ）として、それにより定まる原点からの距離をｄ（ｘ，ｙ）とすると、
θ＝ｔａｎ−１（ｄ／Ｌ）
で求められる（図３）。
このとき、二次元位置検出装置１０４の面に照射されるレーザビームは、前述のように、遮光板１０６の通過孔１０６ａを通過している。凸レンズ１０３によりビームを１点近くに集光することにより、空気の擾乱によるビームスポットのゆれ及びビーム外周部の干渉縞、散乱などによるビーム外周部の変形による重心計算の誤差を減らすことができる。また、凸レンズ１０３により二次元位置検出装置１０４の面上に集光させたレーザビームが凸レンズ１０３の収差により１点にはならず、わずかに残る光のむらにより、重心計算時に誤差となるのを減らすため、レーザビームの中心付近を使えるように凸レンズ１０３の入射側の前にレーザビームの直径より小さい円形状の孔すなわち通過孔１０６ａ（レーザ光の波長６３５ｎｍ程度で３〜５ｍｍ程度）を開けた遮光板１０６を入れてある。この遮光板１０６、通過孔１０６ａによる減衰については、レーザビームの光強度はビーム中心から２次元のガウス分布状になっており、中心部が残るようにすれば強度としては二次元位置検出装置１０４での検出は可能である。
制御部１１５は、二次元位置検出装置１０４の出力がその面に照射した角度θが所定の範囲例えばθ＝０±ε（εは所定の範囲）のときにレーザ発振器１０５を発振させるか、予め安定時間が必要なため発振させておいたレーザ発振器使用可の信号を出す。（図２のステップＰ１０３）。そのレーザ光はプリズムユニット１０７の一対のウェッジプリズム１０７ａ，１０７ｂ及び防塵窓１１３ｂを通過して、光中継器１００から射出する。射出されるレーザ光は、到達立坑側の図示しない先導体又はプリズムユニットに入射するように、プリズムユニット１０７の一対のウェッジプリズム１０７ａ，１０７ｂのそれぞれを駆動手段１０９ａ，１０９ｂにより回転してレーザ光の屈折角が変化するように制御される。この制御は、所定の方向に屈折角が変化するように振らせ、先導体の受光部（図７の受光部７０７に相当する。）又は前方の中間プリズムユニット１５０の光電センサ（図８の光電センサ８０４に相当する。）の何れの位置の受光部によって検出されたかと、レーザ光をどのような方向に振ったか、どの角度で検出されたかによって、レーザ光を向ける対象物である先導体又は前方の中間プリズムユニット１５０の中央部分からずれの角度を算定することにより行い、レーザ発振器１０５からのレーザ光が対象物に向かうように駆動手段１０９ａ，１０９ｂによりプリズムユニット１０７の一対のウェッジプリズム１０７ａ，１０７ｂの回転角度を調整する。
【００１９】
さらに、推進管をつなげながら先導体で管路内をある程度屈折して進んだところ、発進立坑側に後方の中間プリズムユニット１４０が配置される。後方の中間プリズムユニット１４０は、発進立坑側に設けた基準プリズムユニットを介して発進立坑からのレーザ光を屈折させ、図示しない駆動手段により一対のウェッジプリズムを回転し、屈折光の屈折角度を変えて、このレーザ光を振らして光中継器１００の光電センサ１１２により検出させる。プリズムユニット１４０の制御部（図示せず）は所定の方向に屈折角が変化するように振らせ、４つの光電センサ１１２について、何れの位置の光電センサ１１２によって検出されたかと、レーザ光をどのような方向に振ったか、どの角度で検出されたかによって、光中継器１００の防塵窓１１３ａのほぼ中央にレーザ光が当たるように調整する。このとき、傾斜計１１４の測定値が０すなわち光中継器１００が備えた一対のウェッジプリズム１０７ａ，１０７ｂの基準位置が水平面に一致している場合は、補正の必要はない。傾斜計１１４による傾斜角が測定される場合は、光中継器１００のプリズムユニット１０７の中央部分からずれの角度を算定する際にこの傾きを考慮して補正する。例えば、図４（ａ）のように、光中継器１００が水平面に対して傾きがない場合、光中継器１００の防塵窓１１３ａの上部の光電センサ１１２ａで検出されたとき、その下方の所定の距離が光中継器１００の防塵窓１１３ａの中央部分であるが、図４（ｂ）のように、ψだけ傾いている場合に光中継器１００の防塵窓１１３ａの中央部分は図において左下へψだけ傾いた方向の所定の距離の位置にあるものとして補正する。これらの結果、後方の中間プリズムユニット１４０からの射出光の入射角θ１が測定される。
レーザ発振器１０５は、二次元位置検出装置１０４が凸レンズ１０３からの光を受けて、新たなレーザ光を発振して、光路を中継することとなる。このレーザ光は前述のように、プリズムユニット１０７の一対のウェッジプリズム１０７ａ，１０７ｂ及び防塵窓１１３ｂを通過して、光中継器１００から射出する。射出されるレーザ光は、前述したように、到達立坑側の図示しない先導体又はプリズムユニットに入射するように、プリズムユニット１０７の一対のウェッジプリズム１０７ａ，１０７ｂのそれぞれを駆動手段１０９ａ，１０９ｂにより回転してレーザ光の屈折角が変化するように制御される。この結果、プリズムユニット１０７すなわち光中継器１００からの射出光の屈折角をθ２が測定される。
推進管の長さは、一定のものを用いているからそれらが配設されている管路の長さＬは既知であり、基準プリズムユニット、各中間プリズムユニット１４０，１５０等、及び光中継器１００のプリズムユニット１０７により屈折角θ２を得る。長さＬと屈折角θ２により計画線からのずれを計算することができる。また、本発明による光中継器１００を必要数用いることにより長い距離においても精度よく計画線からのずれを測定することができる。例えば、図５のように、５０１を計画線、５０２をレーザ光線として、後方の中間プリズムユニット１４０から光中継器１００までの計画線上の距離をＬ１、後方の中間プリズムユニット１４０における射出光に対する光中継器１００への入射角度θ１、光中継器１００から前方の中間プリズムユニット１５０間での計画線上の距離をＬ２、光中継器１００のプリズムユニットにおける射出光の屈折角がθ２であると、後方の中間プリズムユニット１４０から光中継器１００までのずれｘ１は、
ｘ１＝Ｌ１ｔａｎθ１
となり、光中継器１００から前方の中間プリズムユニットまでのずれｘ２は、
ｘ２＝Ｌ２ｔａｎθ２
となり、後方の中間プリズムユニット１４０から前方の中間プリズムユニットまでの計画線上からのずれｘは、
ｘ＝ｘ１＋ｘ２
となる。
【００２０】
また、プリズムユニットが進む距離を測定することにより、任意の位置間の距離を測定することができる。
【００２１】
光中継器は、その設置された場所において、光中継器と先導体との距離を発進立坑に設置されたレーザトランシットと光中継器との距離と同等の距離（例えば、１５０ｍ）とするため角度基準としての精度はレーザトランシット相当の２軸の角度検出精度プラスマイナス０．０１°以内である要望が実現できる。
【００２２】
図１では、遮光板１０６は、凸レンズ１０３の前方に位置したものを示した。遮光板１０６は、凸レンズ１０３の後方に位置させても、レーザビーム光の広がりを制限して、二次元位置検出装置１０４に進行させた通過孔１０６ａを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】レーザビーム角度計測装置を適用した光中継器の一実施例の構成を示す図である。
【図２】レーザビーム角度計測方法を用いた光中継方法を説明するフロー図である。
【図３】レーザビーム角度計測の計算を説明する図である。
【図４】光路制御中継器の傾きによる影響を説明する図である。
【図５】計画線からのずれを説明する図である。
【図６】地下管路工法を説明する図である。
【図７】光路の曲がり測定するシステムを説明する図である。
【図８】プリズムユニットの構成を説明する図である。
【符号の説明】
【００２４】
１００…光中継器、１０１…ケース、１０３…凸レンズ、１０４…二次元位置検出装置、１０５…レーザ発振器、１０６…遮光板、１０６ａ…通過孔、１０７…プリズムユニット、１０７ａ，１０７ｂ…ウェッジプリズム、１０９ａ，１０９ｂ…駆動手段、１１１ａ，１１１ｂ…角度検出手段、１１２…光電センサ、１１３ａ，１１３ｂ…防塵窓、１１４…傾斜計、１１５…制御部、１１６…基準軸、１４０…中間プリズムユニット、１５０…中間プリズムユニット。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射するレーザビーム光の曲がり角度を計測する方法及び光路中に光発振器を備えて中継する中継器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下水管あるいは通信ケーブルを地下に敷設するため設置する場所の地上の状況、例えば、コストダウンの観点で地上とのアクセス孔である立坑を減らしたい、川の下で立坑を掘れない場合などから一回に推進する孔の距離を長くしたいとの要望がある。
例えば、通信ケーブルを地下に敷設する場合、３００ｍｍ〜６００ｍｍ程度の小口径の管路内に配線する。管路を配設するには図６の側面図のように発進立坑６０１側から到達立坑６０２側までの計画線に沿って先導体６０３で掘削し、その孔に一定長さの推進管を計画線の始めから順次つなげるように推していく。このとき、管路が計画線からずれないように、計画線からのずれを測定しながら推進管を推す方向を決めている。なお、６０４はレーザ発振器、６０５は基準プリズムユニット、６０６は中間プリズムユニット、６０７はレーザ光線、６０８は地表である。
【０００３】
図７（ａ）は、計画線からのずれを測定する方法を示し、光学式プリズム計測システムを示す。図７（ａ）において、７０１は管路、７０２は管路７０１の発進立坑側に配置したレーザ発振器、７０３は管路７０１の発進立坑側に設けた基準プリズムユニット、７０４は管路７０１に沿って配設された一定長さの推進管、７０５は推進管７０４の１つ所定位置に設置された中間プリズムユニット、７０６は先端部に掘削機を備えた先導体、７０７は先導体７０６の掘削機の設置とは反対方向の面の受光部、７０８はこの計測システムを制御する制御部である。基準プリズムユニット６０５、中間プリズムユニット７０５及び先導体７０６は制御部７０８に接続し、信号の授受、機構部の制御等を受ける。
受光部７０７の上下左右の４個所例えば正四角形の各頂点位置に設けられる光電センサ７０７ａが設けられ、この例を図７（ｂ）に示す。
この明細書において、基準プリズムユニット７０３と中間プリズムユニット７０５とを総称してプリズムユニットということがある。これらプリズムユニットは、図８（ａ）の断面図のように、回転自在に設けられた一対のウェッジプリズム８０１ａ，８０１ｂ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手段８０２ａ，８０２ｂと、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手段８０３ａ，８０３ｂと、光電センサ８０４を備える。光電センサ８０４は、図８（ｂ）の側面図に示すように、ケース８０８の発振立坑側の面上の透過窓８０９の周囲上下左右４個所例えば正四角形の各頂点位置に設けられる。なお、基準プリズムユニット７０３に光電センサ８０４を備える必要はない。
各ウェッジプリズムの一方の面８０５ａ，８０５ｂと直角な軸８０６を中心に回転するように一対のウェッジプリズムを配置し、それぞれの傾斜面８０７ａ，８０７ｂのそれそれが平行にあるときにプリズムユニット７０５に入射する光と出る光とは平行となる。図７には一例としてウェッジプリズムの傾斜面８０７ａ、８０７ｂが対面する構成を示しているが、直角面８０５ａ、８０５ｂが対面する構成でも機能は変わらない。プリズムユニットに入射した光は各ウェッジプリズムの相対的な回転角に応じて軸８０６に対し所定の角度で屈折して透過窓８１０を通過する。
【０００４】
図７、図８において、先導体７０６が管路７０１をある程度掘削して進み、その後に推進管７０４を接続している。中間プリズムユニット７０５を一定間隔で推進管７０４ａ内の所定位置に配置する。
レーザ発振器７０２からのレーザ光７０２ａは、中間プリズムユニット７０５の光電センサ８０４で検知できるように、基準プリズムユニット７０３の一対のウェッジプリズムを回転させ、さらに中間プリズムユニット７０５を通過したレーザ光７０２ａが先導体７０６の受光部７０７で検知できるように、中間プリズムユニット７０５の一対のウェッジプリズム８０１ａ，８０１ｂを回転させる。このときの基準プリズムユニット７０３と中間プリズムユニット７０５との回転角からレーザ光の屈折角θ１，θ２を知ることができる。この角度θ１，θ２と距離Ｌ１，Ｌ２とから、先導体７０６の計画線からのずれを算定し、その位置を計算する。なお、Ｌ１は基準プリズムユニット７０３の一対のウェッジプリズムの中間部から中間プリズムユニット７０５の一対のウェッジプリズムの中間部までの距離、Ｌ２は中間プリズムユニット７０５から先導体７０６の受光面７０７までの距離である。
【０００５】
このような光学式プリズム計測システムによると、地中深くに敷設する場合でも、ウェッジプリズムの回転角を計測することで精密に光の屈折角を制御でき、位置を高精度に計測することができる。
しかしながら、レーザ光を用いているもののレーザ発振器７０２から先導体７０６までの距離が現状の１５０ｍ程度から３００ｍ以上になると拡散・減衰してしまい１５０ｍ程度が実用限度で精度よく計測できないものとなっていた。
また、このためレーザの角度情報を中継してさらに伸ばす手段（レーザ中継器）が必要となる。レーザ中継器として前後双方向にビームを出すレーザ発振管を用いた手段があるが、この手段では使用する双方向出力レーザという特殊なレーザの入手が困難であるという難点があった。
【特許文献１】特許第３６００７６３号公報
【特許文献２】特許第３６６３３２２号公報
【特許文献３】特開２００２−０９０１４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そして、より簡単に実現するものとして、発進立坑に設置されたレーザビームに対する２軸の角度計測手段として半導体レーザを一体に納めた光中継器を検討した。このレーザを用いた光中継器には機能として、発進立坑に設置されたレーザトランシットに対する中継器自体の２軸の角度を高精度に検出するとともに、指向安定度の高いレーザを発振することが要求される。この２軸角度検出装置としては円形状の孔を通して２軸のＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ：光センサが平面上に配列し、光が前記平面上に照射した重心の二次元位置に応じて出力する二次元位置検出装置）に当てて位置を検出する方法を検討した。これは、構造が簡単であるが、ＰＳＤセンサ面の大きさを、前記円形状の孔の直径に検出角度に相当するビームのセンサ上の移動量を加えた大きさ以上とする必要がある。小さいＰＳＤセンサが使えるように孔を小さくすると、光の利用効率が低下する。
【０００７】
発明が解決しようとする課題は、より小さい二次元位置検出装置を用いて光の入射角度を計測する方法及び装置を提供することにある。
【０００８】
また、本発明が解決しようとする他の課題は、より小さい二次元位置検出装置を用いて光の入射角度を計測する方法を応用した光中継方法を提供し、また、その光中継器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため請求項１に係るレーザビーム角度計測方法は、レーザビーム光を集光する凸レンズと、光センサが前記凸レンズの光軸とほぼ直角の平面上に配列し前記凸レンズにより集光されたレーザビーム光が前記平面上に照射した重心の二次元位置に応じて出力する二次元位置検出装置を備え、前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を検出するレーザビーム角度計測方法であって、前記二次元位置検出装置の前方にレーザビーム光の広がりを制限して進行させる通過孔を備えた遮光板を位置させた状態で、レーザビーム光を通過孔に通過させる過程と、前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を検出する過程からなることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項２に係るレーザビーム角度計測装置は、レーザビーム光を集光する凸レンズと、光センサが前記凸レンズの光軸とほぼ直角の平面上に配列し前記凸レンズにより集光されたレーザビーム光が前記平面上に照射した重心の二次元位置に応じて出力する二次元位置検出装置と、前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を算出するレーザビーム角度算出手段と、前記二次元位置検出装置へのレーザビーム光の広がりを制限して進行させる通過孔を備えた遮光板とからなることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項３に係る光中継方法は、レーザビーム光を集光する凸レンズと、光センサが前記凸レンズの光軸とほぼ直角の平面上に配列し前記凸レンズにより集光されたレーザビーム光が前記平面上に照射した重心の二次元位置に応じて出力する二次元位置検出装置を備え、前記二次元位置検出装置の前方にレーザビーム光の広がりを制限して進行させる遮光孔を備えた遮光板を位置させた状態で、レーザビーム光を通過孔に通過させる過程と、前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を検出する過程と、当該検出した角度が所定の角度内のときにレーザ発振器を発振させるか、または発振しているレーザ光を使用可とする過程とにより光路を中継することを特徴とするものである。
【００１２】
請求項４に係る光中継器は、外部からのレーザビーム光を集光する凸レンズと、光センサが前記凸レンズの光軸とほぼ直角の平面上に配列し前記凸レンズにより集光されたレーザビーム光が前記平面上に照射した重心の二次元位置に応じて出力する二次元位置検出装置と、前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を算出するレーザビーム角度算出手段と、前記二次元位置検出装置へのレーザビーム光の広がりを制限して進行させる遮光孔を備えた遮光板と、前記二次元位置検出装置の所定の位置へのレーザビーム光の入射により発振するか、または発振しているレーザ光を使用可とするようにしたレーザ発振器とを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係るレーザビーム角度計測方法によると、レーザビーム光を凸レンズで集光して二次元位置検出装置に入射させる際に、レーザビーム光の広がりを遮光板の通過孔により制限し、二次元位置検出装置に入射させて前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を検出するものであるが、凸レンズによりレーザビーム光を二次元位置検出装置に集光するから、小さい二次元位置検出装置を使えることができ、遮光板の通過光を通すからレーザビームの広がり制限され、空気の擾乱によりビームスポットの揺れ及びビーム外周部の干渉縞、散乱などによるビーム外周部の変形による重心計算の誤差を減らすことができる。
【００１４】
請求項２に係るレーザビーム角度計測装置によると、レーザビーム光を凸レンズで集光して二次元位置検出装置に入射させる際に、レーザビーム光の広がりを遮光板の通過孔により制限し、二次元位置検出装置に入射させて前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を検出するものであるが、凸レンズによりレーザビーム光を二次元位置検出装置に集光するから、小さい二次元位置検出装置を使えることができ、遮光板の通過光を通すからレーザビームの広がりが制限され、空気の擾乱によりビームスポットの揺れ及びビーム外周部の干渉縞、散乱などによるビーム外周部の変形による重心計算の誤差を減らすことができる。
【００１５】
請求項３に係る光中継方法によると、レーザビーム光を凸レンズで集光して二次元位置検出装置に入射させる際に、レーザビーム光の広がりを遮光板の通過孔により制限し、二次元位置検出装置に入射させて前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を検出し、検出した角度が所定の角度内のときにレーザ発振器を発振させるか、または発振しているレーザ光を使用可とさせるものであるが、凸レンズによりレーザビーム光を二次元位置検出装置に集光するから、小さい二次元位置検出装置を使えることができ、遮光板の通過光を通すからレーザビームの広がり制限され、空気の擾乱によるビームスポットの揺れ及びビーム外周部の干渉縞、散乱などによるビーム外周部の変形による重心計算の誤差を減らすことができ、正確な所定角度においてレーザ発振器を発振させるか、または発振しているレーザ光を使用可とすることができ、レーザビーム光を中継することができる。
【００１６】
請求項４に係る光中継器によると、レーザビーム光を凸レンズで集光して二次元位置検出装置に入射させる際に、レーザビーム光の広がりを遮光板の通過孔により制限し、二次元位置検出装置に入射させて前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を検出し、検出した角度が所定の角度内のときにレーザ発振器を発振させるか、または発振しているレーザ光を使用可とさせるものであるが、凸レンズによりレーザビーム光を二次元位置検出装置に集光するから、小さい二次元位置検出装置を使えることができ、遮光板の通過光を通すからレーザビームの広がり制限され、空気の擾乱によるビームスポットの揺れ及びビーム外周部の干渉縞、散乱などによるビーム外周部の変形による重心計算の誤差を減らすことができ、正確な所定角度においてレーザ発振器を発振させるか、または発振しているレーザ光を使用可とさせることができ、レーザビーム光を中継することができる。
【実施例１】
【００１７】
図１は、レーザビーム角度計測装置を適用した光中継器の一実施例の構成を示す図である。図２はレーザビーム角度計測方法を用いた光中継方法を説明するフロー図である。
図１において、１００は光中継器、１０１は例えば筒状に形成したケース、１０３は凸レンズ、１０４は二次元位置検出装置、１０５はレーザ発振器、１０６は遮光板、１０６ａは遮光板１０６に形成した通過孔、１０７はプリズムユニット、１０７ａ，１０７ｂはプリズムユニット１０７を構成する一対のウェッジプリズム、１０９ａ，１０９ｂは一対のウェッジプリズム１０７ａ，１０７ｂを回転駆動する駆動手段、１１１ａ，１１１ｂは、例えばロータリエンコーダで構成し、一対のウェッジプリズム１０７ａ，１０７ｂの回転角を検出する角度検出手段、１１２は光電センサ、１１３ａ，１１３ｂは防塵窓、１１４は傾斜計、１１５は制御部、１１６は基準軸である。また、１４０は、光中継器１００の外部に位置し、発進立坑側にある後方の中間プリズムユニット、１５０は到達立坑側にある前方の中間プリズムユニットであり、図８に示したプリズムユニットと同様のものである。
レーザビーム角度計測装置は、ケース１０１、凸レンズ１０３、二次元位置検出装置１０４、遮光板１０６、通過孔１０６ａ及び制御部１１５からなり、必要により防塵窓１１３ａ，１１３ｂを備える。
二次元位置検出装置１０４は、光センサを平面上に配列した装置であり、光が照射されたときその光スポットの重心に二次元位置に応じて出力することにより、その重心位置を知ることができる。
レーザ発振器１０５は、前記二次元位置検出装置１０４が凸レンズ１０３からのレーザビーム光を受けて、その重心が所定の位置を照射したとき、これを検知した制御部１１４の制御により、当該レーザ発振器１０５自身から新たにレーザ光を発振するか、または発振しているレーザ光を使用可とする。
遮光板１０６は、凸レンズ１０３の前方に位置してレーザビーム光の広がりを制限して凸レンズ１０３に入射させ、二次元位置検出装置１０４に進行させる通過孔１０６ａを備える。
プリズムユニット１０７が備える一対のウェッジプリズム１０７ａ，１０７ｂは、共通する軸を基準軸１１６として、その基準軸１１６を中心に回転自在に設けられ、この基準軸１１６は凸レンズ１０３の光軸と一致するとともに、二次元位置検出装置１０４のセンサ平面が凸レンズほぼ直角に位置し、レーザ発振器１０５のレーザ発光部とを結ぶ線とも一致する。凸レンズ１０３と二次元位置検出装置１０４とは距離Ｌの間隔で配置される。遮光板１０６の通過光１０６ａは基準軸１１６が通過するように形成する。レーザ発振器１０５が発振するレーザ光は前記基準軸１１６方向に発光する。
初期状態では、一対のウェッジプリズム１０７ａ，１０７ｂの２つのプリズムは、それらの一番厚い個所と一番薄い個所とを結ぶ線が水平となる位置としてこれをウェッジプリズムの基準位置とする。このとき、基準軸１１６に平行な光は屈折なしに基準軸１１６に平行な光が射出する。
傾斜計１１４は、ケース１０１の長さ方向をＸ軸、水平方向をＹ軸、下向きをＺ軸とすると、Ｘ軸回りのローリングを計測する。ローリングは一対のウェッジプリズム１０７ａ，１０７ｂを回転させることとなり、屈折角に影響し、その補正のためにローリングによる傾斜角を計測する。
制御部１１５は、当該光中継器１００の外部にあって、二次元位置検出装置１０４、角度検出手段１１１、光電センサ１１２及び傾斜計１１４の信号を受けて、駆動手段１０９及びレーザ発振器１０５を制御するとともに、計測計算をする。
【００１８】
図示しない推進管をつなげながら図示しない先導体で管路内をある程度屈折して進んだところ、先導体に続く一定長さの推進管の数により管路の長さが、３００ｍ以下の適当な長さになると、光中継器１００を搭載した推進管を管路に進入させる。発進立坑側に配置したレーザ発振器（図示しない）からのレーザ光は、中継器後方のプリズムユニット１４０により防塵窓１１３ａのほぼ中心に当たるように制御されて光中継器１００の基準軸１１６に沿って入射するから遮光板１０６の通過孔１０６ａを通過して（図２のステップＰ１０１）から、凸レンズ１０３により集光されて、二次元位置検出装置１０４に照射される。
二次元位置検出装置１０４はその面に仮定されるＸ，Ｙ軸の原点が基準軸１１６（二次元位置検出装置１０４の面に直交する）を通るようにする。レーザビーム光が二次元位置検出装置１０４の面を照射すると、照射面を検出し、その重心の二次元位置を検出する。制御部１１５では凸レンズ１０３までの距離Ｌと二次元位置検出装置１０４が測定したレーザビーム光のスポット重心の二次元位置とからレーザビーム光が二次元位置検出装置１０４に照射した角度θを検出する（図２のステップＰ１０２）。すなわち、二次元位置検出装置１０４の面に照射されるレーザビーム光のスポット重心の二次元位置を（ｘ，ｙ）として、それにより定まる原点からの距離をｄ（ｘ，ｙ）とすると、
θ＝ｔａｎ−１（ｄ／Ｌ）
で求められる（図３）。
このとき、二次元位置検出装置１０４の面に照射されるレーザビームは、前述のように、遮光板１０６の通過孔１０６ａを通過している。凸レンズ１０３によりビームを１点近くに集光することにより、空気の擾乱によるビームスポットのゆれ及びビーム外周部の干渉縞、散乱などによるビーム外周部の変形による重心計算の誤差を減らすことができる。また、凸レンズ１０３により二次元位置検出装置１０４の面上に集光させたレーザビームが凸レンズ１０３の収差により１点にはならず、わずかに残る光のむらにより、重心計算時に誤差となるのを減らすため、レーザビームの中心付近を使えるように凸レンズ１０３の入射側の前にレーザビームの直径より小さい円形状の孔すなわち通過孔１０６ａ（レーザ光の波長６３５ｎｍ程度で３〜５ｍｍ程度）を開けた遮光板１０６を入れてある。この遮光板１０６、通過孔１０６ａによる減衰については、レーザビームの光強度はビーム中心から２次元のガウス分布状になっており、中心部が残るようにすれば強度としては二次元位置検出装置１０４での検出は可能である。
制御部１１５は、二次元位置検出装置１０４の出力がその面に照射した角度θが所定の範囲例えばθ＝０±ε（εは所定の範囲）のときにレーザ発振器１０５を発振させるか、予め安定時間が必要なため発振させておいたレーザ発振器使用可の信号を出す。（図２のステップＰ１０３）。そのレーザ光はプリズムユニット１０７の一対のウェッジプリズム１０７ａ，１０７ｂ及び防塵窓１１３ｂを通過して、光中継器１００から射出する。射出されるレーザ光は、到達立坑側の図示しない先導体又はプリズムユニットに入射するように、プリズムユニット１０７の一対のウェッジプリズム１０７ａ，１０７ｂのそれぞれを駆動手段１０９ａ，１０９ｂにより回転してレーザ光の屈折角が変化するように制御される。この制御は、所定の方向に屈折角が変化するように振らせ、先導体の受光部（図７の受光部７０７に相当する。）又は前方の中間プリズムユニット１５０の光電センサ（図８の光電センサ８０４に相当する。）の何れの位置の受光部によって検出されたかと、レーザ光をどのような方向に振ったか、どの角度で検出されたかによって、レーザ光を向ける対象物である先導体又は前方の中間プリズムユニット１５０の中央部分からずれの角度を算定することにより行い、レーザ発振器１０５からのレーザ光が対象物に向かうように駆動手段１０９ａ，１０９ｂによりプリズムユニット１０７の一対のウェッジプリズム１０７ａ，１０７ｂの回転角度を調整する。
【００１９】
さらに、推進管をつなげながら先導体で管路内をある程度屈折して進んだところ、発進立坑側に後方の中間プリズムユニット１４０が配置される。後方の中間プリズムユニット１４０は、発進立坑側に設けた基準プリズムユニットを介して発進立坑からのレーザ光を屈折させ、図示しない駆動手段により一対のウェッジプリズムを回転し、屈折光の屈折角度を変えて、このレーザ光を振らして光中継器１００の光電センサ１１２により検出させる。プリズムユニット１４０の制御部（図示せず）は所定の方向に屈折角が変化するように振らせ、４つの光電センサ１１２について、何れの位置の光電センサ１１２によって検出されたかと、レーザ光をどのような方向に振ったか、どの角度で検出されたかによって、光中継器１００の防塵窓１１３ａのほぼ中央にレーザ光が当たるように調整する。このとき、傾斜計１１４の測定値が０すなわち光中継器１００が備えた一対のウェッジプリズム１０７ａ，１０７ｂの基準位置が水平面に一致している場合は、補正の必要はない。傾斜計１１４による傾斜角が測定される場合は、光中継器１００のプリズムユニット１０７の中央部分からずれの角度を算定する際にこの傾きを考慮して補正する。例えば、図４（ａ）のように、光中継器１００が水平面に対して傾きがない場合、光中継器１００の防塵窓１１３ａの上部の光電センサ１１２ａで検出されたとき、その下方の所定の距離が光中継器１００の防塵窓１１３ａの中央部分であるが、図４（ｂ）のように、ψだけ傾いている場合に光中継器１００の防塵窓１１３ａの中央部分は図において左下へψだけ傾いた方向の所定の距離の位置にあるものとして補正する。これらの結果、後方の中間プリズムユニット１４０からの射出光の入射角θ１が測定される。
レーザ発振器１０５は、二次元位置検出装置１０４が凸レンズ１０３からの光を受けて、新たなレーザ光を発振して、光路を中継することとなる。このレーザ光は前述のように、プリズムユニット１０７の一対のウェッジプリズム１０７ａ，１０７ｂ及び防塵窓１１３ｂを通過して、光中継器１００から射出する。射出されるレーザ光は、前述したように、到達立坑側の図示しない先導体又はプリズムユニットに入射するように、プリズムユニット１０７の一対のウェッジプリズム１０７ａ，１０７ｂのそれぞれを駆動手段１０９ａ，１０９ｂにより回転してレーザ光の屈折角が変化するように制御される。この結果、プリズムユニット１０７すなわち光中継器１００からの射出光の屈折角をθ２が測定される。
推進管の長さは、一定のものを用いているからそれらが配設されている管路の長さＬは既知であり、基準プリズムユニット、各中間プリズムユニット１４０，１５０等、及び光中継器１００のプリズムユニット１０７により屈折角θ２を得る。長さＬと屈折角θ２により計画線からのずれを計算することができる。また、本発明による光中継器１００を必要数用いることにより長い距離においても精度よく計画線からのずれを測定することができる。例えば、図５のように、５０１を計画線、５０２をレーザ光線として、後方の中間プリズムユニット１４０から光中継器１００までの計画線上の距離をＬ１、後方の中間プリズムユニット１４０における射出光に対する光中継器１００への入射角度θ１、光中継器１００から前方の中間プリズムユニット１５０間での計画線上の距離をＬ２、光中継器１００のプリズムユニットにおける射出光の屈折角がθ２であると、後方の中間プリズムユニット１４０から光中継器１００までのずれｘ１は、
ｘ１＝Ｌ１ｔａｎθ１
となり、光中継器１００から前方の中間プリズムユニットまでのずれｘ２は、
ｘ２＝Ｌ２ｔａｎθ２
となり、後方の中間プリズムユニット１４０から前方の中間プリズムユニットまでの計画線上からのずれｘは、
ｘ＝ｘ１＋ｘ２
となる。
【００２０】
また、プリズムユニットが進む距離を測定することにより、任意の位置間の距離を測定することができる。
【００２１】
光中継器は、その設置された場所において、光中継器と先導体との距離を発進立坑に設置されたレーザトランシットと光中継器との距離と同等の距離（例えば、１５０ｍ）とするため角度基準としての精度はレーザトランシット相当の２軸の角度検出精度プラスマイナス０．０１°以内である要望が実現できる。
【００２２】
図１では、遮光板１０６は、凸レンズ１０３の前方に位置したものを示した。遮光板１０６は、凸レンズ１０３の後方に位置させても、レーザビーム光の広がりを制限して、二次元位置検出装置１０４に進行させた通過孔１０６ａを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】レーザビーム角度計測装置を適用した光中継器の一実施例の構成を示す図である。
【図２】レーザビーム角度計測方法を用いた光中継方法を説明するフロー図である。
【図３】レーザビーム角度計測の計算を説明する図である。
【図４】光路制御中継器の傾きによる影響を説明する図である。
【図５】計画線からのずれを説明する図である。
【図６】地下管路工法を説明する図である。
【図７】光路の曲がり測定するシステムを説明する図である。
【図８】プリズムユニットの構成を説明する図である。
【符号の説明】
【００２４】
１００…光中継器、１０１…ケース、１０３…凸レンズ、１０４…二次元位置検出装置、１０５…レーザ発振器、１０６…遮光板、１０６ａ…通過孔、１０７…プリズムユニット、１０７ａ，１０７ｂ…ウェッジプリズム、１０９ａ，１０９ｂ…駆動手段、１１１ａ，１１１ｂ…角度検出手段、１１２…光電センサ、１１３ａ，１１３ｂ…防塵窓、１１４…傾斜計、１１５…制御部、１１６…基準軸、１４０…中間プリズムユニット、１５０…中間プリズムユニット。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビーム光を集光する凸レンズと、光センサが前記凸レンズの光軸とほぼ直角の平面上に配列し前記凸レンズにより集光されたレーザビーム光が前記平面上に照射した重心の二次元位置に応じて出力する二次元位置検出装置を備え、前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を検出するレーザビーム角度計測方法であって、前記二次元位置検出装置の前方にレーザビーム光の広がりを制限して進行させる通過孔を備えた遮光板を位置させた状態で、レーザビーム光を通過孔に通過させる過程と、前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を検出する過程からなることを特徴とするレーザビーム角度計測方法。
【請求項２】
レーザビーム光を集光する凸レンズと、
光センサが前記凸レンズの光軸とほぼ直角の平面上に配列し前記凸レンズにより集光されたレーザビーム光が前記平面上に照射した重心の二次元位置に応じて出力する二次元位置検出装置と、
前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を算出するレーザビーム角度算出手段と、
前記二次元位置検出装置へのレーザビーム光の広がりを制限して進行させる通過孔を備えた遮光板とからなることを特徴とするレーザビーム角度計測装置。
【請求項３】
レーザビーム光を集光する凸レンズと、光センサが前記凸レンズの光軸とほぼ直角の平面上に配列し前記凸レンズにより集光されたレーザビーム光が前記平面上に照射した重心の二次元位置に応じて出力する二次元位置検出装置を備え、前記二次元位置検出装置の前方にレーザビーム光の広がりを制限して進行させる遮光孔を備えた遮光板を位置させた状態で、レーザビーム光を通過孔に通過させる過程と、前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を検出する過程と、当該検出した角度が所定の角度内のときにレーザ発振器を発振させるか、または発振しているレーザ光を使用可とするようにした過程とにより光路を中継することを特徴とする光中継方法。
【請求項４】
外部からのレーザビーム光を集光する凸レンズと、光センサが前記凸レンズの光軸とほぼ直角の平面上に配列し前記凸レンズにより集光されたレーザビーム光が前記平面上に照射した重心の二次元位置に応じて出力する二次元位置検出装置と、前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を算出するレーザビーム角度算出手段と、
前記二次元位置検出装置へのレーザビーム光の広がりを制限して進行させる遮光孔を備えた遮光板と、
前記二次元位置検出装置の所定の位置へのレーザビーム光の入射により発振するか、または発振しているレーザ光を使用可とするようにしたレーザ発振器とを備えたことを特徴とする光中継器。
【請求項１】
レーザビーム光を集光する凸レンズと、光センサが前記凸レンズの光軸とほぼ直角の平面上に配列し前記凸レンズにより集光されたレーザビーム光が前記平面上に照射した重心の二次元位置に応じて出力する二次元位置検出装置を備え、前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を検出するレーザビーム角度計測方法であって、前記二次元位置検出装置の前方にレーザビーム光の広がりを制限して進行させる通過孔を備えた遮光板を位置させた状態で、レーザビーム光を通過孔に通過させる過程と、前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を検出する過程からなることを特徴とするレーザビーム角度計測方法。
【請求項２】
レーザビーム光を集光する凸レンズと、
光センサが前記凸レンズの光軸とほぼ直角の平面上に配列し前記凸レンズにより集光されたレーザビーム光が前記平面上に照射した重心の二次元位置に応じて出力する二次元位置検出装置と、
前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を算出するレーザビーム角度算出手段と、
前記二次元位置検出装置へのレーザビーム光の広がりを制限して進行させる通過孔を備えた遮光板とからなることを特徴とするレーザビーム角度計測装置。
【請求項３】
レーザビーム光を集光する凸レンズと、光センサが前記凸レンズの光軸とほぼ直角の平面上に配列し前記凸レンズにより集光されたレーザビーム光が前記平面上に照射した重心の二次元位置に応じて出力する二次元位置検出装置を備え、前記二次元位置検出装置の前方にレーザビーム光の広がりを制限して進行させる遮光孔を備えた遮光板を位置させた状態で、レーザビーム光を通過孔に通過させる過程と、前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を検出する過程と、当該検出した角度が所定の角度内のときにレーザ発振器を発振させるか、または発振しているレーザ光を使用可とするようにした過程とにより光路を中継することを特徴とする光中継方法。
【請求項４】
外部からのレーザビーム光を集光する凸レンズと、光センサが前記凸レンズの光軸とほぼ直角の平面上に配列し前記凸レンズにより集光されたレーザビーム光が前記平面上に照射した重心の二次元位置に応じて出力する二次元位置検出装置と、前記凸レンズ及び二次元位置検出装置間の距離と前記二次元位置検出装置の出力とによりレーザビーム光が二次元位置検出装置に照射した角度を算出するレーザビーム角度算出手段と、
前記二次元位置検出装置へのレーザビーム光の広がりを制限して進行させる遮光孔を備えた遮光板と、
前記二次元位置検出装置の所定の位置へのレーザビーム光の入射により発振するか、または発振しているレーザ光を使用可とするようにしたレーザ発振器とを備えたことを特徴とする光中継器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−２５６５７３（Ｐ２００８−２５６５７３Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２３日（２００８．１０．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１０００４１（Ｐ２００７−１０００４１）
【出願日】平成１９年４月６日（２００７．４．６）
【出願人】（０００１００９４２）アイレック技建株式会社 (45)
【出願人】（５９５１５８７６２）株式会社アトム技研 (8)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月２３日（２００８．１０．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月６日（２００７．４．６）
【出願人】（０００１００９４２）アイレック技建株式会社 (45)
【出願人】（５９５１５８７６２）株式会社アトム技研 (8)
【Ｆターム（参考）】
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