方向检测装置 本发明涉及能够给两个地点的方向定位的方向检测装置，特别是使隧道工事等的地面中心基线和基准点移动到地下的隧道坑内，以决定掘进方向用的方向检测装置。
向来，要决定两个地点的方向，需要决定相对于地面成水平的方向和对地面成垂直的方向、即上下方向。
对地面成水平的方向的决定，在地面上可以容易地用经纬仪(theodolite)等测量仪器进行。而与地面成垂直的上下方向的决定不得不使用旧的特殊器具。
亦即，连接地上和地下的方向的决定，用使上下各两点平行地移动的方法进行。
例如，在需要决定上下方向的隧道测量中，为了在特定的路线上掘进，高精度是必要的。特别是在隧道施工时，掘进后的修正工作极其困难，要求慎重测量。
也就是说，隧道测量的最初的工作是从地面测量开始的。在隧道施工之前，先进行中心线测量和横断测量，决定隧道地方向和水准。
接着，隧道测量的第2项工作是将地面的测量导入地下，进行求立坑的中心线和水准位置的测量。
隧道测量的第3项工作是设置挖掘的隧道的基准点和中心线。
而隧道测量的第4项工作是为使隧道掘进工程的掘进方向与地面上设定的路线一致而进行的测量。
在上述隧道测量的第1至第4项工作中，对地面或隧道内的推进方向，使用有激光测量装置等的比较先进的测量方法。但是，使地面上的测量路线和隧道掘进方向一致的立坑的测量，采用如图11所示的铅垂的测量方法。
使用该图11所示的铅垂的测量方法，从地面上的支持部件9100向立坑内垂下两根线9210、9220，使这两根线9210、9220的端部系着的重锤9310、9320插入利用油等具有的黏性的衰减装置9410、9420内。从而用配置在地面上的第1中星仪(transit)9500将地面测定的测量路线和基准点下放到隧道内，设定隧道掘进方向和基准点。
亦即，根据以第1中星仪9500设定的地面方向为依据的瞄准方向，通过两根线9210、9220，用隧道内装置的第2中星仪9600可以决定隧道的掘进方向。例如，可以用线9210决定基准点，用线9220决定隧道的掘进方向。
两根线9210、9220不限于细线，有使用钢琴线的。
然而，由于是在立坑内进行的测量，基线短，一点点摇动也会使精度下降。因此，为了防止两根线9210、9220的摇动，将系在两根线9210、9220端部的重锤9310、9320插入衰减装置9410、9420，以使两根线的摇动衰减。
如上构成的使用铅垂的测量方法，两根线9210、9220设置于大概的位置上，根据地面的测量，用第1中星仪9500核对两根线9210、9220的方向。
接着，在两根线9210、9220的摇动衰减之后，用第2中星仪9600观察两根线9210、9220，可以决定基准点和隧道的掘进方向。
但是，上述使用铅垂的测量方法，不但需要庞大的装置，还要从地面到立坑，从立坑到地下，反复更换测量场所，因此，存在误差积累变大的深刻问题。
而且，为了提高测定精度，有必要加大铅垂的间隔，就有必要加大立坑直径的问题。
本发明用偏振光照射装置对方向检测装置主体照射偏振光束；方向检测装置主体具备的方向差检测手段接收偏振光照射装置射来的偏振光束，检测出与规定方向的差；方向差检测手段的旋转起偏板使偏振光束透过；聚光透镜使透过旋转起偏板的偏振光束聚光；受光部接收聚光透镜聚集的偏振光束；编码装置检测旋转起偏板的规定位置和旋转。
附图表示本发明的实施例。
图1是说明本发明第1实施例的图。
图2(a)是说明导向光线和起偏板的偏振方向的图。
图2(b)是说明基准位置和旋转起偏板的偏振方向的图。
图3(a)是说明导向光线和起偏板的偏振方向的图。
图3(b)是说明基准位置和旋转起偏板的偏振方向的图。
图4是说明受光部2250的输出波形的图。
图5说明电气结构。
图6说明运算结果。
图7说明本发明第2实施例。
图8说明本发明第3实施例。
图9说明本发明第4实施例。
图10说明本发明的使用例。
图11对已有技术加以说明。
下面根据附图对本发明的实施例加以说明
第1实施例
图1表示本发明第1实施例的方向检测装置10000，由导向光线装置1000和方向检测装置主体2000构成。方向检测装置主体2000装备有经纬仪(theodolite)和中星仪(transit)等测量仪器。
导向光线装置1000用来对方向检测装置主体2000照射检测方向用的偏振光，由第1激光光源1100、第1准直透镜1200、起偏板1300、第2激光光源1400、和第2准直透镜1500构成。
第1激光光源1100、第1准直透镜1200、和起偏板1300构成偏振光照射装置，第2激光光源1400和第2准直透镜1500是用于在水平方向射出激光的激光导向形成装置。
第1激光光源1100是铅直光用的光源，光线在用第1准直透镜1200平行校正后，由起偏板变成偏振光束，作为铅直光向上照射。
这一向上照射的偏振光束由合适的倾斜角修正机构调整，准确地垂直向上照射。并且使垂直向上照射的偏振光束的光轴和用于调整照射方向的倾斜角修正机构的光轴完全一致、没有误差。
第2激光光源1400是激光导向形成装置的光源，其光线经第2准直透镜1500平行校正后，作为激光导向光在水平方向照射。
本实施例的导向光线装置1000，透过起偏板1300的垂直光的偏振方向如图2(a)所示，与第2准直透镜1500照射的导向光线的方向一致。该偏振方向不一定由导向光线的方向限定，也可以固定于特定的方向上。
方向检测装置主体2000由位置检测装置2100、方向差检测手段2200、望远镜装置2300和半透半反镜2400构成。位置检测装置2100是用于检测偏振光束的偏离的装置，望远镜装置2300具有测量机器的功能。
位置检测装置2100是用于检测导向光束装置1000照射的垂直向上的偏振光束的光轴和方向检测装置主体2000内的望远镜装置2300等构成的测量机器部分的旋转中心的偏离的装置。一旦从测量机器部分的旋转中心偏离，射入方向差检测手段2200的偏振光发生偏斜，造成方向检测误差。本第1实施例的位置检测装置2100采用分成4部分的光电二极管。只要能够检测出垂直向上的偏振光束的光轴和测量机器部分的旋转中心的偏离，采用哪一种传感器都行。
位置检测装置2100的输出信号在合适的显示装置上显示，能够用手动或自动方法对位置。
方向差检测手段2200由旋转偏振部2210、编码器2220、聚光透镜2230光圈2240和受光部2250构成。
旋转偏振部2210能够借助于电动机2212使旋转起偏板2211旋转。这一旋转偏振部2210安装有编码器2220，能够从与望远镜装置2300的瞄准方向有一定关系的编码器2220上设置的基准位置检测瞄准方向和导向光线装置1000的激光导向方向的偏离角度。
而且，编码器2220，不管是增量编码器还是绝对编码器，只要能够设定基准位置，得到从基准位置出发的旋转角，不管是哪一种方式的编码器都行。本第1实施例采用具有显示基准位置的指针(index)的增量编码器。
聚光透镜2230是将透过旋转偏振部2210的光束聚焦于受光部2250用的透镜。光圈2240用于档掉散射光、外部光线等不需要的光线。
受光部2250用于将透过旋转偏振部2210的光线加以光电变换，使用光电二极管等。
具有如上所述结构的方向检测装置主体2000用半透半反镜2400将导向光线装置1000射出的垂直向上的偏振光束加以分离，将一部分光束引向位置检测装置2100，透过半透半反镜2400的光束射入旋转偏振部2210。
这里，根据图2(b)、图3(a)和图3(b)对望远镜装置2300的瞄准方向和编码器2220的基准位置的关系加以说明。在这里，图3(a)和图3(b)是方向检测装置主体2000的瞄准方向和导向光线装置1000的激光导向光线的方向准确一致的状态。而图2(a)和图2(b)是方向检测装置主体2000的瞄准方向和导向光线装置1000的激光导向光线的方向之间存在偏离角度θ时的情况。
旋转偏振部2210的旋转起偏板2211的偏振方向，如图2(b)所示，设定于和编码器2220的基准位置相同的方向上。而望远镜装置2300的瞄准方向和编码器2220的基准位置一致的方向上配置基准位置检测用的第1光传感器2221。该第1光传感器2221的设置位置不一定和瞄准方向一致，也可以设定得偏离瞄准方向一定角度。
在具有这样的结构的情况下，如图3(b)所示，在望远镜装置2300的瞄准方向和旋转起偏板2211的偏振方向一致时，第1光传感器2221得到基准位置信号。
而且，如果导向光线装置1000的导向光的方向和方向检测装置主体2000的瞄准方向一致，在基准信号发生时受光部2250将检测出最大光量。
还有，在图3(a)和图3(b)，指针(index)的方向也一致，指针只要设置得有瞄准方向和旋转起偏板2211的方向一致的输出即可。基本上是，如果能够检测出偏振光照射装置的偏振方向和旋转起偏板2211的偏振方向的一致，对于方向检测装置主体2000，导向光装置1000的激光导向光的方向和瞄准方向只要按规定设定即可。
在受光部2250，透过旋转偏振部2210的光一旦被光电变换，如图4的a’所示，表示为正弦波。亦即，在导向光装置1000的起偏板1400的偏振方向(导向光的方向)和方向检测装置主体2000的旋转起偏板2211的偏振方向一致时，正弦波的波峰和箭头所示的基准位置的信号一致。
而如图2(a)和图2(b)所示，望远镜装置2300的瞄准方向和旋转起偏板2211的偏振方向之间存在偏角θ时，受光部2250的输出波形如图4的b’所示。而该偏角θ可以借助于检测正弦波与基准位置信号的相位差加以测定。
这里根据图5对受光部2250的输出波形的相位差的测定进行详细说明。
方向检测装置2200的电气结构由受光部2250、滤波器100、检波器200、A/D变换器300、加法器400、存储器500、地址计数器600、旋转数计数器700、门(gate)800、CPU900、显示器910和遥控器920构成。
而包含CPU900的电气线路用于控制装置。
滤波器100是在第1光源1100的调制频率中具有中心频率的滤波器，用于减少受光部2250来的信号中的噪声成分。
通过滤波器100的信号在检波器200经包络线检波。该包络线是由于旋转起偏板2211旋转着而表现出的现象，检波器200的输出信号为图6(c)那样的波形。由偏振光的特性可知，旋转起偏板2211每旋转一次，检波器200的输出信号表现为2个波形。而且该输出波形由于电气系统的噪声、旋转不均匀、旋转起偏板2211的偏振特性的不均匀、轴变动带来的信号变动等原因，成为含有噪声的波形。
而图6(a)是用于检测表示基准位置的指针的第1光传感器2221的输出信号，图6(b)是用于对表示从基准位置起的角度的角度检测用计数器进行检测的第2光传感器2222的输出信号。
第2光传感器2222的输出信号提供给A/D变换器300和地址计数器600。
而检波器200的输出信号根据第2光传感器2222的输出信号在A/D变换器300进行A/D变换后送到加法器400。
加法器400对存储器500和A/D变换器300的输出进行加法运算后提供给存储器500。这一加法动作是用于进行“叠加平均化”的累加运算。
编码器2220的旋转和地址计数器600的关系，从第2光传感器2222得到的脉冲数在编码器每一次旋转有N个脉冲的情况下，将地址计数器600构成N/2进计数器。因此存储器500在信号波形的每一周期被访问相同的地址。
第1光传感器2221的输出信号被送到转数计数器700，在转数计数器700的内容为零时，使门800处于禁止状态，存储器500内容不输入加法器400。
亦即，关于编码器2220的头一次旋转的A/D变换300的输出信号原封不动地存储于地址计数器600访问的存储器500；从第2次旋转起进行与存储器500的内容相加的运算动作。从而，从第2旋转以后的加法运算动作是相当于用于进行“叠加平均化”的累加动作的。
还有，旋转数计数器700一旦达到规定的转数，就会恢复零的状态。这一零的状态的最初的一周期意味着存储器500的输出达到规定次数的累加结果，因此，CPU900在旋转数计数器700为零的状态时，同时读取一周期份额的地址计数器600的内容和存储器500的内容。执行这一“叠加平均化”操作的运算结果如图6(d)所示。在该情况下，横轴为地址，纵轴为数据值。
然后，CPU900对读取的数据实施傅利叶变换，抽取信号的正弦成分和余弦成分。这里假定正弦成分为Ds，余弦成分为Dc，则相对于基准方向检测信号(第1光传感器2221的输出信号)的相位可由下示求出：
φ＝tan-1(Ds/Dc)
从而，如果将编码器2220的基准位置的方向和望远镜装置2300的瞄准方向设定于规定的关系下，则可以使相位φ对应于望远镜装置2300的瞄准方向和导向光装置1000的导向光的方向的“偏离角度θ”。
在本实施例，由于偏振特性，θ＝φ/2。这里，CPU900可根据θ＝φ/2的关系计算偏离角度θ，显示于显示器910。
将从该旋转起偏板2211得到的信号叠加、平均化，以此可得到畸变少的正弦波形，求得更高精度的相位。
而且，CPU900能够通过遥控器920向导向光装置1000发出使偏离角度θ为0所需的必要的移动方向信息，调整导向光装置1000的导向光方向，在CPU确认φ＝0时，使遥控器920的动作停止。
具有如上结构的本第1实施例可以使望远镜装置2300的瞄准方向和导向光装置1000的导向光的方向一致。
从而，只要在地面决定了望远镜2300的瞄准方向，即使在地下，也能够在和地面的瞄准方向相同的方向上照射导向光，进行定位。
第2实施例
下面根据图7对第2实施例的方向检测装置20000加以说明。本第2实施例的方向检测装置20000不同于第1实施例的方向检测装置10000，光源安装于方向检测装置主体2000的内部。
方向检测装置主体2000由方向差检测手段2200、望远镜装置2300、半反半透镜2400、第3光源装置2500、第3准直透镜2510、起偏板2520和1/4波长板2600构成。
这里，第3光源装置2500、第3准直透镜2510、反射镜2720、起偏板2730和1/4波长板2800相当于偏振光照射装置。
导向光装置1000由起偏板1300、反射镜1600、第2激光光源1400和第2准直透镜1500构成。
这里起偏板1300和反射镜1600相当于偏振光反射装置。
第3激光光源2500是铅直光的光源，在经第3准直透镜2510平行校正后，由起偏板2730变成线偏振光束，再使其通过1/4波长板2800，变成圆偏振光，经半反半透镜2400反射，成为向下照射的铅直光。
这里所谓1/4波长板，是在1/4波长板的双折射轴相对于线偏振的偏振方向倾斜45度的状态下入射时可以使线偏振光变成圆偏振光的装置。
而第3光源装置2500，当它是半导体激光时，由于已经是线偏振光，可以省略起偏板2700。
通过1/4波长板2600的圆偏振光通过半反半透镜2400垂直向下照射。
而向下照射的圆偏振光束借助于适当的调整机构，可以向上、下、左、右调整照射方向，在本实施例，调整为准确垂直向下照射。
导向光装置1000接收方向检测装置主体2000垂直向下照射的圆偏振光束，使其通过起偏板1300。通过起偏板1300的偏振光束和第1实施例一样，成为从导向光装置1000射出的导向光方向上规定的线偏振光。该线偏振光由反射镜1600反射，再通过起偏板1300后，朝方向检测装置主体2000垂直向上射出。
导向光装置1000反射的偏振光束通过方向检测装置主体2000的半反半透镜2400，到达方向差检测手段2200。
具有如上结构的第2实施例，和第1实施例相同，用方向差检测手段2200可以计算望远镜装置2300的瞄准方向和导向光装置1000的导向光方向的“偏离角度θ”。
而第2实施例的其他结构和作用和第1实施例相同，因此，省略其说明。
还有，在本第2实施例，导向光装置1000的起偏板1300和反射镜1600配置于圆偏振光束的大致垂直下方，由于只要求反射光，不需要严格对准位置。
第3实施例
下面根据图8对第3实施例的方向检测装置30000加以说明。该第3实施例的方向检测装置30000不同于第2实施例的方向检测装置20000，从方向检测装置主体2000垂直向下照射的偏振光束是线偏振光。
方向检测装置主体2000由方向差检测手段2200、望远镜装置2300、半反半透镜2400、第3光源装置2500、第3准直透镜2510和起偏板2520构成。
这里，第3光源装置2500、第3准直透镜2510和起偏板2520相当于偏振光照射装置。
导向光装置1000由起偏板1700、反射镜1600、第2激光光源1400和第2准直透镜1500构成。
此处起偏板1700和反射镜1600相当于偏振光反射装置。
本第3实施例的起偏板1700为1/2波长起偏板。1/2波长起偏板可使线偏振光的偏振面旋转，可使入射光和出射光的偏振方向的角度差为入射光的偏振方向和双折射部件的双折射轴所成的角度的2倍。换句话说，可以将望远镜装置2300的瞄准方向和导向光装置1000的导向光方向的“偏离角度θ”扩大到2倍。
第3激光光源2500是铅直光的光源，经第3准直透镜2510准直后，由起偏板2500变成线偏振光束，由半反半透镜2400反射，作为铅直光向下照射。而起偏板2520的偏振方向有必要和望远镜装置2300的瞄准方向一致。
通过起偏板2520的线偏振光束由半反半透镜2600反射垂直向下照射。
导向光装置1000接收从方向检测装置主体2000垂直向下照射的线偏振光束，使其通过起偏板1700。起偏板1700是1/2波长板，因此能够使望远镜装置2300的瞄准方向和导向光装置1000的导向光的方向的“偏离角度θ”扩大到2倍。
通过起偏板1700的线偏振光束由反射镜1600反射，再度通过起偏板1700后，朝方向检测装置主体2000垂直向上照射。
方向检测装置主体2000的半反半透镜2600将导向光装置1000反射的偏振光束引向方向差检测手段2200。
具有如上构成的第3实施例，和第2实施例相同，可以用方向差检测手段2200以2倍的误差角度计算望远镜装置2300的瞄准方向和激光导向装置1000的导向光方向的“偏离角度θ”。这里θ＝φ/4这一点和第2实施例不同。
而且，本第3实施例中，即使由于磁场的作用使光发生弯曲，借助于1/2波长板的起偏板1700，可以消除磁场的影响。而且，反射镜1600也可以选用直角棱镜。
本实施例的其他结构和作用与第2实施例相同，因此省略其说明。
第4实施例
下面根据图9对第4实施例的方向差检测手段2290加以说明。该第4实施例的方向差检测手段2290使用旋转1/2波长起偏板2211A代替旋转偏振部2210的旋转起偏板2211。
方向差检测手段2290由旋转偏振部2210、编码器2220、起偏板2212、聚光透镜2230、光圈2240和受光部2250构成。
使用旋转1/2波长起偏板2211A代替旋转偏振部2210的旋转起偏板2211，增加起偏板2212。
由于旋转偏振部是用1/2波长起偏板构成，所以可以使入射光和出射光的偏振方向的角度差为2倍，与旋转偏振部2210的旋转成为2倍一样，可以使得到的正弦波的频率为2倍。从而能够提高波形的相位测定精度。
还有，起偏板2212的偏振方向有必要与望远镜装置2300的瞄准方向取特定关系。
而地址计数器600为N/4进计数器。
于是，本实施例有可能适用于第1至第3实施例。
而且第4实施例的其他结构和作用等由于和第1至第3实施例相同，故省略其说明。
并且，上述各实施例虽然望远镜装置2300的瞄准方向为水平方向，但是也可以将瞄准方向定为铅直方向。
还有，本发明可以作为使望远镜装置2300的瞄准方向和导向光装置1000的导向光方向一致的方向检测装置，也可以作为测定望远镜装置2300的瞄准方向和导向光装置1000的导向光方向的“偏离角度θ”的装置。
而且本发明可以应用于设定规定方向的管状激光器和大楼建筑现场立柱的定位等。
特别是管状激光器作为下水管、离心制钢筋混凝土管(Hume管)等的设置作业的导向光得以使用，可以将导向光左右调整，也可以使其朝垂直方向倾斜。
图10是将管状激光器50000设置于隧道内的例子，将方向检测装置内藏于地面的中星仪(transit)60000而成。可以和中星仪60000的瞄准方向对方向，在隧道内进行管道的定位。
具有如上结构的本发明，导向光装置具备的偏振光照射装置对着方向检测装置在预定的方向上照射规定的偏振光束；方向检测装置主体具备的方向差检测手段接收来自偏振光照射装置的偏振光束，测定与规定方向的差；方向差检测手段的旋转起偏板使偏振光束透过；聚光透镜使透过旋转起偏板的偏振光束聚光；受光部接收聚光透镜聚集的偏振光束；编码装置检测旋转起偏板的预定位置和旋转，因此，不需要庞大的装置，能够连累积误差也不积累地、高精度地定位，而且可以将立坑的直径做得小。
而且本发明中，A/D变换装置将受光部接收的光信号加以A/D变换；存储装置在每一周期将经过A/D变换的数字信号相重叠存储；运算装置将存储装置存储的信号平均化，以此计算旋转起偏板的偏振方向和导向光装置照射的偏振光束的方向之间的相位差。
在本发明的方向检测装置主体的方向差检测手段也可以使用将偏振光照射装置照射的偏振光束的偏振方向作为波形观察用的、可旋转的偏振方向变换部件来取代旋转起偏板。
又，本发明中，导向光装置的偏振光反射装置使偏振光束反射；方向检测装置主体的偏振光照射装置对偏振光反射装置照射偏振光束；方向检测装置主体的方向差检测手段接收偏振光反射装置反射的偏振光束，检测与预定方向的差；方向差检测手段的旋转起偏板使偏振光束透过；聚光透镜将透过旋转起偏板的偏振光束加以聚光；受光部接收经聚光透镜聚光的偏振光束；编码装置检测旋转起偏板的预定位置和和旋转。
并且，本发明中，A/D变换装置将受光部接收的光信号加以A/D变换；存储装置在每一周期将经过A/D变换的数字信号互相重叠存储；运算装置将存储装置存储的信号平均化，以此计算旋转起偏板的偏振方向和导向光装置照射的偏振光束的方向的相位差。
本发明的方向检测装置主体的方向差检测手段也可以使用将导向光装置反射的偏振光束的偏振方向作为波形观察用的、可旋转的偏振方向变换部件代替旋转起偏板。
本发明也可以将来自偏振光照射装置的偏振光束选定为圆偏振光。