光学装置、包括在光学装置中的分划板和使用光学装置的勘测方法与流程

本发明涉及具有测距功能的光学装置。此外，本发明涉及包括在光学装置中的分划板。此外，本发明涉及使用光学装置的勘测方法。
背景技术：
：专利文献1(jp2009-092419a)公开了能够确定诸如电线杆等柱状体或柱状结构的中心坐标的光学装置。光学装置具有望远镜。在望远镜中，设置有分划板。在分划板上，具有多个圆圈或圆弧的同心刻度绘制在光轴周围。光学装置的使用目的不被特别限制。例如，当使用光学装置测量柱状体的中心坐标时，首先，将具有与投影在分划板上的圆柱体(图像)的直径最接近的直径的圆圈内切或大体上内切柱状体(图像)。然后，测量从光学装置到柱状体的距离和方向。然后，使用测量的距离和方向以及已知的信息(具体地，光学装置的机器坐标(参考坐标)和柱状体的半径)来确定柱状体的中心坐标。如上所述，为了使用专利文献1公开的光学装置来确定柱状体的中心坐标，需要将柱状体的左右边缘都投影在分划板上。然而，用于常见勘测仪(全站仪)的望远镜具有非常窄的视角(例如，约1度)。因此，当勘测仪接近于柱状体时，通过目镜看见柱状体的一部分(即，柱状体的一部分投影在分划板上以作为图像)，即，难以使柱状体的左右边缘同时被包括在一个图像中。为此，为了使勘测仪等满足上面的要求，需要柱状体具有相当小的直径，或需要勘测仪与柱状体保持足够的距离。然而，当测量桩(其是起到建筑物基础的作用的圆柱结构)的中心坐标以确定正在被打的桩的状况(即，确定桩是否正在被适当地打入适当的位置)时，需要勘测仪与桩保持约30米或以上的距离，这是因为桩通常具有约30厘米或以上的外直径。然而，在建筑物集中的建筑场地，存在勘测仪不能与桩保持足够的距离的情况。特别地，近年来，经常在建筑物集中的场地建筑高层建筑物。在这种情况下，基本上难以确定其直径大于一米的大直径桩的中心坐标。现有技术文献专利文献专利文献1：jp2009-092419a技术实现要素：发明要解决的技术问题在上面的情况下，需要即使装置不能与柱状体保持足够的距离也能够简单且容易地测量柱状体的中心坐标的装置和方法。用于解决技术问题的方法为了达到上面的目的，本发明针对一种具有测量从参考点(p0)到望远镜(16)的光轴(18)上看见的勘测点(p1)的距离(l)的功能的光学装置(10)，所述光学装置(10)包括：固定在所述望远镜(16)中的分划板(44)，所述分划板(44)具有设置在所述光轴(18)的两侧且位于在水平方向上远离所述光轴(18)预定距离的位置中的左右参考标记(56)；和使用以下的信息来计算圆柱结构(90)的中心坐标的计算部(32)：所述光学装置(10)的参考点p0的坐标(xa，ya)，在所述左右参考标记(56)中的仅一者与所述圆柱结构(90)的边缘(91)相一致且所述光轴(18)位于所述圆柱结构(90)的表面上的状态下在所述光轴(18)上看见的所述圆柱结构(90)上的点(p1)的坐标(xb，yb)，所述光轴(18)与所述参考标记(56)之间的张角(θ)，和所述圆柱结构(90)的半径(r)。本发明也针对一种固定在光学装置(10)的望远镜(16)中的分划板(44)，所述光学装置(10)具有测量从参考点(p0)到所述望远镜(16)的光轴(18)上看见的勘测点(p1)的距离(l)的功能，所述分划板(44)包括：设置在所述光轴(18)的两侧且位于在水平方向上远离所述光轴(18)预定距离的位置中的左右参考标记(56)，其中，所述光学装置(10)具有使用以下的信息来计算圆柱结构(90)的中心坐标的功能：所述光学装置(10)的参考点p0的坐标(xa，ya)，在所述左右参考标记(56)中的仅一者与所述圆柱结构(90)的边缘(91)相一致且所述光轴(18)位于所述圆柱结构(90)的表面上的状态下在所述光轴(18)上看见的所述圆柱结构(90)上的点(p1)的坐标(xb，yb)，所述光轴(18)与所述参考标记(56)之间的张角(θ)，和所述圆柱结构(90)的半径(r)。本发明也针对一种勘测方法，其包括以下的步骤：准备光学装置(10)，所述光学装置(10)具有测量从参考点(p0)到望远镜(16)的光轴(18)上看见的勘测点(p1)的距离(l)的功能且包括固定在所述望远镜(16)中的分划板(44)，所述分划板(44)包括：绘制在所述光轴(18)的两侧且位于在水平方向上远离所述光轴(18)预定距离的位置中的左右参考标记(56)；使所述左右参考标记(56)中的仅一者与圆柱结构(90)的边缘(91)相一致且将所述光轴(18)定位在所述圆柱结构(90)的表面上；及使用所述光学装置(10)的参考点p0的坐标(xa，ya)、所述光轴(18)上看见的所述圆柱结构(90)上的勘测点(p1)的坐标(xb，yb)、所述光轴(18)与所述参考标记(56)之间的张角(θ)和所述圆柱结构(90)的半径(r)来计算所述圆柱结构(90)的中心坐标。优选地，所述分划板(44)具有绘制在作为中心的所述光轴(18)周围的多个圆圈(55)。优选地，所述预定距离对应于约0.01弧度。优选地，所述圆圈(55)均具有是预定长度δ的n倍(n：整数)的半径。优选地，所述预定长度δ对应于约0.001弧度。优选地，所述圆圈(55)包括具有是所述预定长度δ的10倍的半径的参考圆圈，且所述参考标记(56)与所述参考圆圈相切。发明效果根据本发明，即使在分划板上绘制的任一圆圈不能内切圆柱结构的两个边缘的场所，也能够仅通过使左右参考标记中的一者与圆柱结构的边缘相一致且将光轴定位在圆柱结构的表面上来简单且容易地测量和快速地确定圆柱结构的中心坐标以必要时校正圆柱结构的倾斜。附图说明图1是作为根据本发明的光学装置的实施例的光学装置的立体图。图2是示意了图1所示的光学装置的结构和功能的框图。图3是图示性地示意了图1所示的光学装置的望远镜的结构的截面图。图4是图3所示的分划板的放大正视图。图5是图3所示的分划板的放大立体图。图6示意了测距部的结构。图7示意了图1所示的输入部和显示部的细节。图8示意了使用光学装置对准圆柱结构的状况。图9用于说明圆柱结构的中心坐标的确定过程。图10与图9一起用于说明圆柱结构的中心坐标的确定过程。图11与图9和图10一起用于说明圆柱结构的中心坐标的确定过程。图12与图9至图11一起用于说明圆柱结构的中心坐标的确定过程。图13是根据另一个实施例的分划板的放大主视图。图14是根据另一个实施例的分划板的放大立体图。图15是根据另一个实施例的分划板的放大主视图。图16用于说明矩形棱柱结构的中心坐标的确定方法。具体实施方式在下文中，将参照附图说明根据本发明的光学装置。需要注意的是，在说明书和权利要求书中，“光学装置”包括望远镜、具有望远镜的对准装置和具有对准功能、测距功能的光学装置。“圆柱结构”包括具有圆柱形外周面的结构(其可以具有或不具有内部中空部)，诸如建筑构架、设施或待被打入地面的桩等。圆柱结构不需要具有均匀的外直径，且包括各处外直径不同的圆柱结构(例如，具有圆锥形状、截锥形状或类葫芦形状的结构)。<<1-1：光学装置>>图1示意了作为根据本发明的光学装置的实施例的激光光学装置(全站仪)10。与常规的光学装置的情况一样，光学装置10包括：基座12，该基座12可拆卸地附接且固定至未示出的三脚架；主体14，该主体14以可围绕垂直轴(z轴)旋转的方式附接至基座12；和望远镜16，该望远镜16以可围绕与垂直轴(z轴)正交的水平轴(x轴)旋转的方式附接至主体14。望远镜16的光轴(y轴)18通过垂直轴(z轴)和水平轴(x轴)的交点。以下，将这三个轴，即垂直轴(z轴)、水平轴(x轴)和光轴(y轴)的交点称为参考点p0、参考坐标或机器坐标。光学装置10还包括测量工具或测量单元(由图2中的参考符号20表示)，其测量与望远镜16对准的物体(未示出)相距的距离和测距时望远镜16的仰角(即，在垂直平面内，水平轴x与光轴18之间的角度)。在实施例中，光学装置10包括：输入部22，该输入部22用于输入勘测所需的数据；显示部24，该显示部24显示勘测结果等；和输出部26，该输出部26将输入部22输入的数据和勘测结果的数据输出至其它装置(例如，计算机28)。图2是从功能的观点来示意了光学装置10的结构的框图。如图所示，光学装置10包括控制单元30。控制单元30电连接至测量单元20、输入部22、显示部24和输出部26。如将在后面详细说明，控制单元30综合控制测量单元20、输入部22、显示部24和输出部26。控制单元30具有计算部32和存储部34，计算部32计算圆柱结构的中心坐标且存储部34存储计算所需的程序和数据。尽管未示出，但是光学装置10包括勘测所需的其它部件，诸如水准仪和测角部等。<<1-2：望远镜>>图3示意了望远镜16的示意性结构。如图所示，望远镜16具有镜筒36，在镜筒36中，物镜40、正像棱镜42、分划板(投影板)44和目镜46从物体侧朝着勘测操作员侧(在图中，从左侧朝着右侧)沿着光轴18依次设置，使得被对准的物体的图像通过物镜40和正像棱镜42形成在分划板44上。这使操作员48通过目镜46观察到放大情况下的物体图像。<<1-3：分划板和量规>>图4和图5示意了分划板44。在实施例中，分划板44通过层叠透明石英基板50和51来形成。下层石英基板50的上表面或上层石英基板51的下表面具有刻度52，该刻度52通过已知的光刻来形成以具有将在后面说明的图案。刻度52的绘制方法不被特别限制。在实施例中，刻度52具有直角交叉在光轴18处的水平轴(线)53和垂直轴(线)54，和绘制在作为中心的光轴18周围的多个同心圆圈(以下，被称为“量规”)55。在实施例中，圆圈是完整圆圈，但可以是圆圈片段或圆弧这种形式的不完整圆圈。在实施例中，实线绘制的量规和虚线绘制的量规交替设置，但是所有量规可以以实线或虚线来绘制。各量规55的半径是预定参考长度δ的整数倍。在图示的实施例中，刻度52具有其半径是δ至14δ的十四个量规55。然而，未在图中示出具有最小半径(δ)的量规以避免使图复杂化。刻度52还具有参考标记，该参考标记以与垂直轴54平行且与具有半径为10δ的量规(参考圆圈)55a相切的方式设置在光轴18的左右两侧。在实施例中，参考标记是与垂直轴54平行地纵向延伸的垂直线56。在分划板44上，参考长度δ是0.226mm。该距离对应于约0.001弧度的张角(即，光轴与光轴交叉的线之间的角度)。例如，当观察到与光轴18相离10mm且在垂直平面上沿着光轴18与光学装置的参考点p0相离10m的点时，在具有最小半径δ的同心圆圈上看见该点。表1中示出了量规编号，各同心圆圈的半径，和将参考点与各同心圆圈连接的线(切线)与光轴之间的张角(以度和弧度表示)。[表1]量规编号同心圆圈的半径(mm)度分秒度弧度10.22603260.0572960.00100000020.45207530.1145910.00199999730.678010190.1718870.00299999140.904014450.2291820.00399997951.130017110.2864770.00499995861.356021380.3437710.00599992871.58202440.4010640.00699988681.808028300.4583560.00799982992.034031560.5156480.008999757102.260034230.5729390.009999667112.486038490.6302280.010999556122.712041150.6875160.011999424132.938045410.7448030.012999268143.16404880.8020890.013999085<<1-4：测量单元>>如图2所示，测量单元20具有测距部62和测角部64，测距部62测量望远镜16对准的物体与参考坐标p0之间的斜距，且测角部64测量望远镜16的方位角。在实际勘测中，测量望远镜16的仰角，且考虑仰角来计算距离。然而，为了便于说明，假设：在望远镜16的光轴18定向在水平方向上的状态下，进行下面的操作。此外，能够在望远镜是水平或几乎水平的状态下，进行下面的用于确定圆柱结构的中心坐标的操作。因此，认为上面的假设不存在问题。如图6所示，测距部62具有诸如激光二极管等光发射器(激光器)68、计算器72和光学系统74，光发射器68发射激光束57，计算器72根据从激光束57的发射到从物体反射的激光束的接收的时间来计算从物体100的勘测点(激光照射点)p1到参考点p0的距离l(见图3)，并且光学系统74将光发射器68发射的激光束57沿着望远镜16的光轴18引导至物体且将从物体反射的激光束57沿着光轴18引导至光接收器70。如图所示，组成光学系统74一部分的棱镜42设置在望远镜16的内部，使得激光束57的路径与望远镜16的光轴18相一致。需要注意的是，测距部62计算距离的方法不限于使用从光的发射到接收的时间的方法。例如，可以使用它们之间的相位差进行距离计算。<<1-5：输入部>>如图7所示，输入部22具有多个键，诸如功能键78、数字键盘键80、光标控制键82和输入键84。这里，功能键78用来给出应该开始将在后面说明的测量的指令。此外，数字键盘键80用来输入从分划板44的刻度52中读出的量规编号。<<1-6：显示部>>再次参照图1，显示部24具有液晶显示器。在液晶显示器上，显示诸如测量单元20测量的值(例如，距离、仰角和方位角)、通过数字键盘键80输入的量规编号和计算部32获得的计算结果等信息。<<1-7：输出部>>输出部26将显示部24上显示的各种信息(例如，测量结果)或显示部24上未显示的各种信息(例如，存储于光学装置中的勘测数据)输出到连接至输出部26的计算机28。<<2-1：中心坐标的计算>>将说明使用光学装置10进行大直径圆柱结构(例如，大直径圆柱桩)的中心坐标的确定过程。将基于这样的假设来说明该过程：如图8所示，圆柱结构90具有大直径，且因此圆柱结构90的全部宽度不能投影在分划板44上。在这种情况下，如图所示，在将光轴18定位在圆柱结构90的外周面上的状态下，操作员使分划板44的垂直线56中的一者(在图中，右手边的垂直线)与圆柱结构90的边缘91相一致。然后，在这种状态下，操作员适当地按压输入部22的键(距离勘测开始键)以测量从参考点p0到位于圆柱结构90的外周面上的光轴18上的勘测点p1(其对应于将在后面参照图9至图12说明的点b)的距离。将测量的距离输出到控制单元30中的计算部32。计算部32根据测量的距离l、参考点p0的坐标、望远镜16(光轴18)的方位角等确定勘测点p1的坐标。然后，操作员适当地按压输入部22的键(中心坐标计算键)。这使计算部32根据将在后面说明的使用参考点p0的坐标、勘测点p1的坐标、圆柱结构90的直径(已知)和光轴18与垂直线56之间的张角(10δ)进行的计算来计算圆柱结构90的中心坐标。如果有必要，那么将计算的中心坐标显示在显示部24上。可以只需要在分划板44的垂直线56与圆柱结构90的边缘91相一致的状态下按压距离勘测开始键而不需要按压中心坐标计算键(即，只需要按压一个键)地计算圆柱结构90的中心坐标。在下文中，将说明圆柱结构的中心坐标的计算方法。需要注意的是，为了便于说明，将基于这样的假设来说明该方法：参考点p0和勘测点p1位于同一水平面上。参照图9，将参考点定义为点a(xa，ya)、将勘测点定义为点b(xb，yb)且将待被确定的中心坐标定义为点o(xo，yo)。将具有作为其中心的点o(xo，yo)和半径r的圆圈定义为圆圈o。圆圈o对应于圆柱结构90的外周面且由下面的数学式1表示。[数学式1](x-x0)2((y-y0)2＝r2(1)将通过点a且与圆圈o相切的直线定义为直线ac，且将圆圈o与直线ac之间的接触点定义为点c。此外，将直线ac与将点a与点b连接的直线ab之间的交角定义为θ(其对应于10δ的张角)。如图10所示，当将通过使点b围绕点a旋转角度θ而获得的点定义为点d(xd，yd)时，点d的坐标由下面的数学式2和3表示。[数学式2]xd＝(xb-xa)cosθ-(yb-ya)sinθ+xa(2)[数学式3]yd＝(xb-xa)sinθ+(yb-ya)cosθ+ya(3)点d位于直线ac上，且因此直线ac由下面的使用点a和d的坐标的数学式4表示。[数学式4](xd-xa)(y-ya)＝(yd-ya)(x-xa)(4)直线ac的斜率(m)和直线ac的法线的单位向量(u)由下面的数学式5和6表示。[数学式5]斜率[数学式6]单位向量如图11所示，通过使点d在u方向上移动r的距离而获得的点e(xe，ye)由下面的数学式7、8和9表示。[数学式7][数学式8][数学式9]从数学式8和9中清晰可知，通过数学式获得两对xe，ye，但是使用两对xe，ye中的当被代入下面的数学式10中时得到较大值的一对。[数学式10]通过点e且与直线ac平行的直线eo(直线eo具有斜率m)由下面的数学式11表示。[数学式11]这里，α和β由下面的数学式表示。[数学式12][数学式13]因此，数学式11由下面的数学式14表示。[数学式14]y=ax+β(14)点d与点e之间的距离等于圆圈o的半径r，且因此通过点e且与直线ac平行的线通过点o。具有作为其中心的点b和半径r的圆圈b由下面的数学式15表示。[数学式15](x-xb)2+(y-yb)2＝r2(15)圆圈o的中心o(xo，yo)由下面的以数学式2、3、8、9、11、14和15为基础的数学式16和17给出。[数学式16][数学式17]y0＝αx0+β(17)从数学式16中清晰可知，通过数学式获得的xo具有两个值。然而，使用这两个值中的得到较大距离ao(由下面的数学式18给出)的一个作为真实的点o。[数学式18]上面已经说明了具有作为量规55的多个同心圆圈的分划板44，但是如图13和14所示，不具有量规的分划板144也在本发明的范围内。也能够以如上所述的方式通过这样的实施例确定圆柱结构的中心坐标。此外，上面已经将垂直线56说明为参考标记，但是诸如矩形标记、圆形标记或星形标记等任何标记都可以用作参考标记。例如，图15示意了分划板的另一个实施例，其具有作为参考标记的圆形标记156。<<3.矩形棱柱结构的中心坐标的确定方法>>上述的具有分划板的光学装置能够计算矩形棱柱的中心坐标。下面将参照图16说明矩形棱柱的中心坐标的确定方法。需要注意的是，为了便于说明，在下面的说明中，忽略垂直方向上的高度。在图16中，参考符号190标记矩形棱柱结构的横截面。光学装置10放置在远离矩形棱柱结构190的点a(xa，ya)处。矩形棱柱结构190具有边长为r的正方形横截面，且相对于光学装置10的光轴18旋转了角度θ。点b是矩形棱柱结构190上的位于光学装置10的光轴18上的点。能够根据机器坐标(即，点a的坐标)、点a与点b之间的距离和点b相对于点a的方位角(能够由光学装置10读出该距离和方位角)确定点b的坐标(xb，yb)。与上述的实施例不一样，假设：能够在分划板上视觉识别矩形棱柱结构190的左右两个垂直边缘上的点p和r。此外，假设：在图中，出现在光轴18左边的垂直边缘和出现在光轴18右边的垂直边缘与分划板44上的不同圆圈55相切。在这种状态下，根据与含有点p的垂直边缘相切的圆圈55的量规编号计算将点a与点b连接的线(光轴18)与将点a与点p连接的线之间的角度α。同样，根据与含有点r的垂直边缘相切的圆圈55的量规编号计算将点a与点b连接的线(光轴18)与将点a与点r连接的线之间的角度β。位于将点a与点p连接的线上且通过使点b围绕点a旋转角度α而获得的点(点c)的坐标(xc，yc)和位于将点a与点r连接的线上且通过使点b围绕点a旋转角度β而获得的点(点d)的坐标(xd，yd)由下面的使用上面的信息(即，点a和点b的坐标，和角度α和β)的数学式(19)至(22)表示。[数学式19]xc＝(xb-xa)cosα-(yb-ya)sinα+xa(19)[数学式20]yc＝(xb-xa)sinα-(yb-ya)cosα+ya(20)[数学式21]xd＝(xb-xa)cosβ-(yb-ya)sinβ+xa(21)[数学式22]yc＝(xb-xa)sinβ-(yb-ya)cosβ+ya(22)当将矩形棱柱结构的中心坐标定义为(xo，yo)时，点p的坐标(xp，yp)、点r的坐标(xr，yr)和点s的坐标(xs，ys)由下面的数学式(23)至(28)表示。点s是矩形棱柱结构的出现在点p与点r之间的拐角点。[数学式23][数学式24][数学式25][数学式26][数学式27][数学式28]将点a与点c连接的直线ac由下面的数学式29表示。[数学式29](xc-xa)(y-ya)＝(yc-ya)(x-xa)(29)点p位于直线ac的延长线上，且因此数学式29由下面的使用点p的坐标(xp，yp)的数学式30表示。[数学式30](xc-xa)(yp-ya)＝(yc-ya)(xp-xa)(30)将点a与点d连接的直线ad由下面的数学式31表示。[数学式31](xd-xa)(y-ya)＝(yd-ya)(x-xa)(31)点r位于直线ad的延长线上，且因此数学式31由下面的使用点r的坐标(xr，yr)的数学式32表示。[数学式32](xd-xa)(yr-ya)＝(yd-ya)(xr-xa)(32)将点r与点s连接的直线rs由下面的数学式33表示。[数学式33](xr-xs)(y-ys)＝(yr-ys)(x-xs)(33)将点p与点s连接的直线ps由下面的数学式34表示。[数学式34](xp-xs)(y-ys)＝(yp-ys)(x-xs)(34)点b位于直线rs或直线ps上。能够从视觉上或从量规编号中判断点b是位于直线rs上还是位于直线ps上。当点b位于直线rs上时，直线rs由下面的数学式35表示。[数学式35](xr-xs)(yb-ys)＝(yr-ys)(xb-xs)(35)当点b位于直线ps上时，直线ps由下面的数学式36表示。[数学式36](xp-xs)(yb-ys)＝(yp-ys)(xb-xs)(36)将点c、d、p、r和s的坐标值代入数学式30、32和35(或36)来整理数学式，使得获得下面的数学式37、38和39(或40)。[数学式37][数学式38][数学式39][数学式40]将已知的值r、(xa，ya)、(xb，yb)和(xc，yc)代入数学式37、38和39或数学式37、38和40来确定xo、yo和θ的值。此外，将确定的xo、yo和θ的值代入数学式23至26，使得确定点p和r的坐标和矩形棱柱结构的位于点p和r的中间点处的中心坐标(xo，yo)。附图标记的说明10光学装置16望远镜18光轴44分划板55圆圈56垂直线(参考标记)90圆柱结构91边缘当前第1页12