JPH07109364B2

JPH07109364B2 - 光検出および表示装置

Info

Publication number: JPH07109364B2
Application number: JP2281704A
Authority: JP
Inventors: デュウェイン・キース・エイク
Original assignee: スペクトラ―フィジックス・レーザープレーン・インコーポレーテッド
Priority date: 1989-10-30
Filing date: 1990-10-19
Publication date: 1995-11-22
Anticipated expiration: 2010-11-22
Also published as: DE69008483D1; EP0426287A1; DE69008483T2; JPH03255306A; EP0426287B1; US4976538A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は、測量及び建設において使用される形式の装置
に関し、特に回転レーザ光線により画定され、あるいは
レーザ光の静止面により画定される基準面の位置あるい
は高さを検出するための光検出手段を改善した用途のた
めの検出装置に関する。

（背景技術）レーザ・システムは、レーザ光線が水平面あるいは勾配
面のいずれかにおいて回転される測量及び建設において
使用されてきた。1977年12月13日発行のRandoの米国特
許第4,062,634号は、このような回転基準光線を提供す
るレーザ投射装置を示している。回転光線が１つの面を
画定し、この面を基準として用いて種々の計測を行うこ
とができる。例えば、レーザ光線投射装置から遠く離れ
た地点の高さは、レーザ光線検出器が取付けられるロッ
ドにより計測することができる。このロッドの底部は、
計測が行われるべき地点における地面に静置し、オペレ
ータが検出器をロッドに沿って検出装置上の計器あるい
は他の表示装置により示される如きレーザ光線を遮る位
置まで移動させる。このような検出装置の１つは、1987
年６月30日発行のPetersenの米国特許第4,240,208号に
おいて示されている。

同様の測量システムが、1988年３月22日発行のCain等の
米国特許第4,732,471号において示されている。このCai
n等のシステムにおいては、回転光線を使用しない。そ
の代わり、レーザ送信機は、レーザ・エネルギを平坦で
ない静止基準円錐状に投射することによりアライメント
・フィールドを生じる。送信機が水平である時、この基
準円錐形は、地球の曲率の故に生じる位置の誤差に対し
てある補償を行うように、水平からある充分な量だけ傾
斜する。Cain等の米国特許は、表示装置および光検出モ
ジュールを含む小型の手に持てる装置を開示している。

Cain等およびPetersenの米国特許に示される両方の検出
装置は、１対の隣接した三角形状の光検出要素を含む。
この光検出要素の方向は、光の運動により生じる要素か
らの信号出力における変化が反対の関係をなす如きもの
である。基準光が上方へ運動すると、要素の１つからの
信号出力は増加するが、他の要素からの信号出力は減少
する。基準光の位置が下方へ運動する時、反対の信号変
化が生じる。当然、信号レベルもまた光源の強さおよび
光源からの光検出要素の距離により影響を受ける。しか
し、この２つの光検出要素からの相対的な信号出力レベ
ルを比較することにより、光の絶対強さとは無関係に基
準光の位置の表示を得ることが可能である。

このような検出装置は変動する条件下で正確な動作を行
うが、検出装置が不適性に指向される場合に誤差を生じ
ることが判った。光検出要素は、この検出装置のケース
の開口の後方に置かれている。検出装置が垂直軸の周囲
の回転により不整合状態にあって光が通常の入射におい
て要素に当たらなければ、開口の縁部においてケースに
よる要素の影が生じ得る。入射角度が大きければ、光検
出要素は完全に影となり、装置は機能しないことにな
る。このことはオペレータにとって不都合であるが、装
置の再整合によって簡単に補正される。しかし、光検出
要素が単に部分的に影になる場合は更に深刻である。こ
の場合、２つの要素が等しく影にならず、これにより要
素からの相対的信号レベルに変化を生じ、基準光の検出
された位置に対応する誤差を生じる。装置は光の位置の
表示を行うため、オペレータは装置の不整合に気が付か
ず、その操作に誤差を招く結果となる。

部分的な射影が生じる場合でさえ略々水平な光の基準面
の相対的位置の改善された検出および表示の１つの試み
が、本願の原出願である1988年８月５日出願のAkeの米
国特許出願第228,465号に開示されている。この原出願
は、装置上で相互に隣接して配置された第１および第２
の交互に配置された光検出要素と、検出要素により生じ
る検出信号の相対的レベルを判定する回路と、ディスプ
レイとを備えた光検出装置を含む検出および表示装置を
開示している。光検出要素はそれぞれ、略々垂直方向に
向いた列状に配置される複数の部分からなっている。こ
の要素の１つの各部の高さは前記列の底部から列の頂部
に向けて逓増するが、他の要素の各部の高さは列の底部
から列の頂部に向かって逓減する。このような配置によ
り、開口の垂直縁部に沿った要素の射影は、光線により
照らされる要素の相互領域に影響を及ぼすことがない。

この検出装置は、部分的な射影の如何に拘わらず種々の
ヘリウム−ネオン発光器を用いて正確に応答することが
判ったが、これはヘリウム−ネオン発光器により典型的
に生じる光線が断面が円くなってガウス・エネルギ分布
を有する故である。しかし、もし光線が狭く光を受ける
要素の部分が少なすぎるならば、不均一な応答が生じる
おそれがある。この状態は、結果として得る光線が略々
楕円形状となろうとするレーザ・ダイオード・トランス
ミッタの場合に最もしばしば起生する。略々楕円状の光
線が、セルに当たる光の点の主軸が垂直となる方向をと
る場合、第１および第２の両方の交互に配置された光検
出要素の充分な部分の垂直の充分な照射が生じる。しか
し、略々楕円形状の点が、その主軸が水平である方向を
とり、この場合光線の垂直寸法が非常に小さく、照射さ
れるセルの数が少くなる時、問題が生じる。

原出願に開示された交互配置の光検出要素のこのような
形態と関連する別の問題は、光線が広い場合でさえ一定
のエネルギ分布を持つ光線から生じる非線形出力の可能
性である。光線が上方へシフトしながら一定の幅を維持
する時、光線の底部が一方の要素から外れ、光線の頂部
が他方の要素の領域に転移するまで、相対出力は一定の
状態を維持する。この結果、所要の線形応答の代わり
に、階段状のセル出力比率をもたらすことになる。

従って、線形応答が点の大きさおよびエネルギ分布とは
独立的な基準光の相対位置を検出して表示するための改
善された装置に対する必要性が存在する。

（発明の概要）このような必要性は、略々水平な光の基準面の相対位置
を検出し表示するための本発明による装置によって満た
され、これにおいては装置の応答は線形的でありかつ点
（スポット）の大きさおよびエネルギ分布とは実質的に
独立している。

本発明の一特質によれば、本装置は、装置上に相互に隣
接して配置された第１および第２の交互配置の光検出要
素を含む光検出手段を含み、第１及び第２の交互配置の
光検出要素はそれぞれ第１および第２の検出信号を生じ
る。この第１および第２の交互配置の光検出要素は、略
々垂直方向に指向された列状に配置された複数の部分を
有し、各部分は列に対して傾斜した少なくとも１つの脚
部を有する。本装置は、検出装置に対して光の基準面の
位置が決定されるように、光検出手段に応答して第１お
よび第２の検出信号の相対レベルを決定する回路手段を
含む。最後に、本装置は、回路手段に応答して検出装置
に対する光の基準面の位置の表示を行う表示手段を含
む。

本発明の望ましい実施態様においては、第１および第２
の交互配置の光検出要素の各部分は３つの脚部を持ち、
この各脚部は前記列に対して傾斜している。更に、各脚
部は、列の長手方向に対して交互の方向に傾斜してい
る。最後に、各脚部は、列に対して平行な方向に大きさ
が変化する。

従って、本発明の目的は、光の面の位置を検出して表示
する改善された装置を提供し、その応答が点の大きさお
よびエネルギ分布と独立する装置を提供し、かつ光検出
手段が複数の部分からなり、各部分が交互に傾斜した脚
部を有する１対の交互配置の光検出要素を含む如き装置
を提供することにある。

本発明の他の目的および利点については、以降の記述、
添付図面および頭書の特許請求の範囲から明らかになる
であろう。

（実施例）第１図および第４図は本発明による検出および表示装置
10を全体的に示している。本装置は、基準光を検出し
て、装置に対する基準光の位置の表示を行う。装置10
は、静止面あるいは光フィールドのいずれかを提供する
トランスミッタと使用できることを理解すべきである。
更に、この光は、基準点を定義するため真の面内、また
は円錐形状あるいは他の形状で投射される。基準光は、
例えば、共に先に述べた1977年12月13日発行のRando等
の米国特許第4,062,634号に示される如き装置により、
あるいは1988年３月22日発行のCain等の米国特許第4,73
2,471号に示した如き装置により生成することができ
る。

検出装置10は、ディスプレイ12と、ケース18により定義
される窓部即ち開口16に配置された光検出装置14とを含
む。検出装置10は、制御つまみ20によりオンにされ、次
いで基準光のおよその高さに置かれる。光は、光検出装
置14に当たり、検出回路22を含む回路装置が、検出装置
に関する光の基準面の位置のディスプレイ12上の表示を
与える。特に、ディスプレイ12は、光が光検出装置14の
頂部と底部間に中心がある基準バンドの上方、下方ある
いはそのバンド内にあるかを表示する。（ここで、本装
置あるいは構成要素の頂部または底部、あるいは水平方
向あるいは垂直方向という表現を使用するが、これらの
用語は説明ならびに理解を容易にするため用いられるこ
と、また絶対的な姿勢に限定することを意図するもので
はないことが理解されよう。）検出回路22は、光検出装置14に応答して、それぞれ線2
3、24上の第１および第２の検出信号の相対的レベルを
決定して、基準光の位置を決定することができるように
する。例えばLCDディスプレイでよいディスプレイ12
は、１対の矢印25、26、および横棒28を含む。矢印25お
よび矢印26は、もし光線が基準バンドの下方あるいは上
方にあるならば表示される。横棒28は、光線がバンド内
になるならば表示される。更にまた、このディスプレイ
は、光が第１の基準バンドに対して整合される第２の更
に大きな基準バンドの上方、下方あるいはその内にある
かどうかについての表示を行うことができる。検出回路
22が達成できるこの回路の詳細については、前掲のCain
等の米国特許において記述されている。

先に述べたように、従来技術の検出装置は、各々が三角
形状の形態を持ち基準光の垂直方向の運動が検出要素の
１つからの出力信号における増加を生じると同時に、他
方の検出要素からの出力信号における増加を生じるよう
に配置された１対の検出要素を使用している。この構成
が第２図に示される。

要素30、32は、１つの光の面34を遮るように配置され
る。１つの要素からの出力信号のレベルは照射される要
素の面積と直接関連することが理解されよう。その結
果、光34の上方への運動が線23′上の要素30からの出力
信号を増加させ、線24′上の要素32からの出力信号を減
少させるが、光34の下方への運動は要素30からの出力信
号を減少させかつ要素32からの出力信号を増加させる。

検出装置がその垂直軸心周囲の回転によって不整合状態
になると、光検出要素の位置は開口16の側面におけるケ
ース18によって光34から影を生じることがある。その結
果、光がハッチを施した領域36から遮断されることにな
る。要素30が要素32よりもこのような状況においては比
較的高いレベルの出力信号を生じることになるが、これ
は要素30のより大きな面積が照射されたままである故で
ある。その結果、光34が実際にそうであるよりも高いレ
ベルとして示されることになる。しかし、本装置が、出
力を生じるため、オペレータはこの誤差に気が付かない
こともある。

この問題は、本発明の光検出装置14により除去され、そ
の態様を第５図に示す。第３図は、前述した本願に関連
の米国特許出願第228,465号に開示される光検出装置の
構成を示す。第３図および第５図における同じ参照番号
は、対応する構造を示す。まず第３図において、光検出
装置14は、装置上で相互に隣接して配置された第１およ
び第２の交互に配置された光検出要素38、40を含む。こ
の第１および第２の交互配置の光検出要素38および40
は、それぞれ線23、24上に第１および第２の検出信号を
与える。第１の光検出要素38は、略々垂直方向に向いた
列状に配置され電気的に線23と接続される複数の個別の
部分からなっている。同様に、第２の光検出要素40は、
線24と第２の光検出要素40の各部は、第１の光検出要素
38の隣接部分間に位置される。

第３図から明らかなように、第１の光検出要素38の部分
の高さは、列の底部から頂部に向けて増加し、第２の光
検出要素40の部分の高さは列の底部から頂部に向けて減
少する。この配置は、第１の光検出要素38の１つの部分
の高さと、その真下の第２の光検出要素40の部分の高さ
との和ｈが列に沿って一定の状態を維持するようにされ
る。

その結果、線23、24上の出力信号の相対的なレベルが要
素の各部の列に沿って照射される領域の表示を行うこと
が判るであろう。もし光が列の中間付近で光検出要素に
当たるならば、線23、24上の２つの信号列は略々等しく
なる。列の上方部分における要素の照射は線23上に比較
的高レベルの信号を生じるが、列の下方部分における要
素の照射は線24上に比較的高レベルの信号を生じる。も
し本装置が第２図に示されるタイプの射影を生じるに充
分な角度まで垂直軸心の周囲の回転によって不整合とな
るならば、線23、24上の第１および第２の両方の検出信
号は振幅が減少させられる。しかし、これら信号間の関
係は同じままであるが、これは２つの交互配置の光検出
要素の照射された面積間の関係が変化しないためであ
る。

第１の光検出要素38の１つの部分の高さと、その真下の
第２の光検出要素40の部分の高さの和ｈは、光の基準面
の垂直方向の厚さの約半分より大きくないことが望まし
い。このことが、両方の要素の各部が第１および第２の
検出信号間の所要の関係が得られるように充分に照射さ
れることを保証することが理解されよう。

ヘリウム−ネオン・レーザ・トランスミッタにより典型
的に生じる光線は、第３図の光検出要素形態により均一
な応答を生じるが、これはこのような光線が断面が丸く
ガウス・エネルギ分布を有する故である。この丸い断面
の光線は通常、第３図における両方の要素38、40の充分
な部分を照射して、第１および第２の検出信号間の所要
の関係を得る。しかし、もし両方の要素の部分のあまり
にも少ない部分が照射されるならば、不均一な応答が生
じるおそれがある。このことは、結果として生じる光線
が略々楕円形状となろうとするレーザ・ダイオード・ト
ランスミッタの場合に最も頻度の高いケースである。略
々楕円形状の光線がセルに当たる光の点の主軸が垂直方
向である姿勢をとる場合、両方の要素38、40の充分な部
分の垂直方向の充分な照射が起生する。しかし、略々楕
円形状の点がその主軸が水平となる姿勢をとる時に、問
題が生じる。このような姿勢においては、光線は非常に
狭く、平均セル数が少くなる。

別の問題もまた、第３図に示された形態の場合に遭遇し
得る。第１に、もし光線が充分に狭ければ、要素38ある
いは40の唯１つのみが照射され、他の要素は照射されな
い。このことは、光線が照射される特定の要素の部分を
当たることを示すのみで、列に沿ったどの部分であるか
は表示しない。第２に、幅の広い光線の場合でも、不明
瞭な結果を生じ得る。例えば、光線が垂直方向に転移さ
れると、要素38の出力信号は、光線が要素38の一部の底
部を横切るまでは一定のままである。その結果、段階状
の効果が生じて、これは幅の広い光線の場合でも非線形
性を生じる結果となる。

第５図に示す本発明の一実施例は、各部が各列の長手方
向に対して３つの交互に傾斜する脚部を持つことが望ま
しい交互配置の光検出要素38および40を提供することに
より、これらの問題を解決する。第５図においては、第
１および第２の交互配置の光検出要素38および40が本装
置上に相互に隣接して配置され、それぞれ線23、24上に
第１および第２の検出信号を与える。第１の光検出要素
38は、略々垂直方向に指向された列状に配置され線23に
電気的に接続された複数の個々の部分からなっている。
同時に、第２の光検出要素40は、線24に電気的に接続さ
れた複数の部分からなっている。第２の光検出要素40の
各部分は、第１の光検出要素38の隣接部分間に配置され
ている。

第３図から明らかなように、装置の線形応答は光線の幅
あるいは点の大きさとは独立的である。光線がどれほど
狭くても、光検出要素38および40の各々の少なくとも１
つの部分の一部を常に横切ることになる。更に、第５図
に示した形態によれば、線形応答は光線のエネルギ分布
とは独立しているが、これは光線が光検出要素14を上方
向あるいは下方向に転移する時各部の照射された部分が
変化するためである。その結果、第３図の形態において
存在する不鮮明さが補正される。

本発明の一実施例においては、各部分の脚部は徐々にテ
ーパが付けられる。即ち、各部の高さは、脚部が更に均
一なセル比出力を生じるように傾斜するに従って変化す
る。光検出要素列の長手方向に沿う部分の高さは、点の
大きさおよびエネルギ分布とは独立して線形応答の生成
を容易にするよう変化する。

本発明についてはその望ましい実施態様に関して詳細に
記述したが、頭書の特許請求の範囲に記載される本発明
の範囲から逸脱することなく他の変更および修正が可能
であることが明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による検出装置を示す斜視図、第２図は
従来技術の光検出要素の形態を示す図、第３図は本発明
に関連する光検出装置による交互配置の光検出要素の部
分破断拡大図、第４図は本発明の検出装置の回路を示す
回路図、および第５図は本発明による交互配置の光検出
要素を示す本発明の望ましい実施例の部分破断拡大図で
ある。 10……検出／表示装置、12……ディスプレイ、14……光
検出装置、16……開口、18……ケース、20……制御つま
み、22……検出回路、25、26……矢印28……横棒、30、
32……検出要素、34……光面、38、40……光検出要素。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エネルギ分布を有する光線を生じるトラン
スミッタと共に使用される、略々水平な光の基準面の相
対位置を検出して表示することが可能な装置であって、
光線のサイズ及びエネルギ分布とは独立して線形応答を
生じる装置において、前記装置上に相互に隣接して配置された第１及び第２の
交互に配置される光検出要素を含む光検出手段を設け、
該第１及び第２の交互配置の光検出要素はそれぞれ第１
及び第２の検出信号を生じ、前記第１及び第２の交互配
置の光検出要素は略々垂直方向に向いて列状に配置され
た複数の部分を有し、各部分は前記列に対して傾斜する
少なくとも１つの脚部を有し、その各脚部が列に沿って
高さが変化し、前記光検出手段に応答して、前記検出装置に対する前記
光の基準面の位置が決定されるように前記第１及び第２
の検出信号の相対的レベルを決定する回路手段と、前記回路手段に応答して、前記検出装置に対する前記光
の基準面の位置の表示を生じる表示手段と、を設けてなる装置。
【請求項２】前記第１及び第２の交互配置の光検出要素
の各部が３つの脚部を有し、該各脚部が前記列に対して
傾斜している、略々水平な光の基準面の相対的位置を検
出して表示するための請求項１記載の装置。
【請求項３】前記各脚部が前記列の長手方向に対して交
互の方向に傾斜する、略々水平な光の基準面の相対的位
置を検出して表示するための請求項２記載の装置。
【請求項４】前記各部が略々山形状を呈する、略々水平
な光の基準面の相対的位置を検出して表示するための請
求項１記載の装置。