光学装置、及使用光学装置测量物体尺寸的方法

专利名称：光学装置、及使用光学装置测量物体尺寸的方法
技术领域：
本发明涉及一种光学装置，特别是涉及一种可较好地应用 于物体(例如，在混凝土结构物表面产生的裂紋)的尺寸测量 的光学装置。本发明还涉及使用上述那样的光学装置测量物体 尺寸的方法。
背景技术：
作为诊断混凝土结构物(例如桥梁、隧道、大楼)的老化 状态的方法之一，测量在混凝土表面产生的裂紋宽度(与裂紋 传播方向垂直的方向上的大小)。但是，以往采用的用于测量裂紋宽度的方法，是使普通的标尺(scale )或裂紋宽度测量用的 裂紋标尺与混凝土表面抵接、并通过目视测量裂紋宽度，因此， 测量部位被限定在测量者的手可够到的范围内。另外，专利文 献l中提出了 一种在细长杆的前端安装有标尺或裂紋标尺的裂 紋测量装置，但可用该装置测量的范围也限定于杆可够到的部 位，不能测量到存在于例如桥梁的横梁、隧道的官顶部的裂紋。专利文献l:日本特开平8—94752号公报由于这些原因，为了测量例如在混凝土结构物的高处部位 产生的裂紋，不得不使用高处作业车或梯子，因此，测量需要 很多时间。当然，存在即使使用高处作业车或梯子也够不到的 高处的裂紋就不能测量的问题。发明内容因此，本发明涉及一种用于对物体、例如像混凝土结构物 的裂紋那样，具有大约0.1~几毫米大小的物体，从远离该物体的地方(例如，远离几米 几百米的地方)进行测量的光学装 置、及使用该光学装置测量物体尺寸的方法。为了达到这样的目的，本发明的光学装置为包括具有焦点板(46)的望远镜(16)的光学装置(10)，在上述焦点板(46) 上设有多个参照标尺(52),该多个参照标尺(52)用于与投 影在上述焦点板(46)上的物体(C)的像(C，)的大小(W，)进行对比。在本发明的其他形式的光学装置中，上述多个参照标尺 (52)在与上述望远镜(16)的光轴(38)垂直的方向或以上 述光轴(38)为中心的圆周方向中的任意排列方向上隔开间隔 地排列。在本发明的其他形式的光学装置中，上述多个参照标尺 (52)分别为在上述焦点板(46)上在二维方向扩展的标记。在本发明的其他形式的光学装置中，上述多个参照标尺 (52)的标记在上述排列方向上分别具有与其他参照标尺的标 记不同的大小。在本发明的其他形式的光学装置中，上述标记呈四边形状 或圆的平面形状。本发明的其他形式的光学装置，在上述多个参照标尺(52) 的附近分别设有与上述多个参照标尺(52)的大小对应的标识 (54)。在本发明的其他形式的光学装置中，上述光学装置(io) 还具有测距部件(20),该测距部件(20)测量/人上述望远4竟 (16)的基准点(Po)到用上述望远镜(16)瞄准的物体(C) 之间的距离(Lo)。在本发明的其他形式的光学装置中，上述测距部件(20) 具有激光测距部或超声波测距部。本发明的其他形式的光学装置具有输入部(22)和运算部件(32),该输入部(22)输入与上述多个参照标尺(52)相 关的标识(54 ),该运算部件(32 )基于从上述输入部(22 ) 输入的上述标识(54)和由上述测距部件(20)测量出的距离(L0)来运算上述物体(C)的尺寸(W)。本发明的其他形式的光学装置具有输出由上述运算部件(32)运算出的上述物体(C)的尺寸(W)的输出部(26)。 在本发明的其他形式的光学装置中，上述物体(C)的像(C，)为在混凝土结构物上产生的裂紋。本发明的使用光学装置测量物体尺寸的方法包括准备光学 装置(10)的工序和运算工序；该光学装置(10)具有望远镜(16 )和测距部(20 ),该望远镜(16)包括设有多个参照标 尺(52 )的焦点板(46 )，该测距部(20 )测量从用上述望远 镜(16)瞄准的物体(C)到基准点(PQ)之间的距离(Lo); 在该运算工序中，将投影在上述望远镜(16)的焦点板(46) 上的物体(C)的像(C，)与上述多个参照标尺(52)中的一 个或多个参照标尺(52)进行比较，基于比较求得的值(54) 和由上述测距部(20 )测量出的距离(Lo)来运算上述物体(C ) 的尺寸(W)。在本发明的其他形式的测量方法中，其中，上述物体(C) 为在混凝土结构物的表面(Q)产生的裂紋，上述第2工序包括 基于上述距离(L。)求出从上述焦点板(46)到裂紋(C)的 距离(L)的副工序、使用上述值(W，)、距离(L)、角度(6 ) 求出上述裂紋(C)的宽度(W)的副工序。在本发明的其他形式的测量方法中，上述物体(C)为在 混凝土结构物的表面(Q)产生的裂紋，上述第2工序包括以下 副工序基于上述距离(Lo)求出从上述焦点板(46)到裂紋(C)之间的距离(L)的副工序；假想在上述表面(Q)上沿 与上述裂紋的宽度尺寸垂直的方向延伸的延长线(Li)的副工 序；求出上述延长线(Li)上的至少2点坐标〔P1(i)、 Pi(2)〕、 上述表面上的l点坐标〔Pi(3,〕的副工序；定义上述延长线(Li) 的副工序；定义上述表面(Q)的副工序；求出从上述基准点(Po)向上述表面(Q)引出的垂线(L3)与上述表面(Q) 交叉的第l交点坐标(Pq，)的副工序；求出从上述基准点(Po) 向上述延长线(L。引出的垂线(L2)与上述延长线(L。交 叉的第2交点坐标(Po")的副工序；求出将上述基准点(Po) 与第2交点坐标(Po")连结起来的线(L2)、和将上述第l交点 坐标(Pq，)与第2交点坐标(Pq")连结起来的线(L4)所成 的角度(6 )的副工序；使用上述值(W，)、距离(L)、角度(6 )求出上述裂紋(C)的宽度(W)的副工序。本发明的测量裂紋宽度的方法包括第l工序和第2工序；在 第l工序中，准备具有望远镜(16)和测距部(20)的光学装 置(10 ),该望远镜(16 )包括具有多个参照标尺(52 )的焦 点板(46),该测距部(20)测量从用上述望远镜(16)瞄准 的平面(Q)上的裂紋部分(d)到基准点(P。)之间的距离(Lo);在第2工序中，将投影在上述望远镜(16)的焦点板(46) 上的裂紋像(C，)与上述多个参照标尺(52)中的一个或多个 参照标尺(52)进行比较，利用比较求得的值(W，)和由上 述测距部(20)测量出的距离(Lo)来运算上述裂紋部分(d) 的宽度尺寸(W)。在本发明的其他形式的测量裂紋宽度的方法中，上述第2 工序包括基于上述距离(Lo)求出从上述焦点板(46)到裂紋(C )之间的距离(L)的副工序、使用上述值(W，)、距离(L)、 角度(6 )求出上述裂紋(C)的宽度(W)的副工序。在本发明的其他形式的测量裂紋宽度的方法中，上述第2工序包括以下副工序求出包含上述裂紋像(C，)的延长线(L。 和上述基准点(Po)的平面(Qo)与上述平面(Q)的交角(6 ) 的副工序；基于上述距离(LO)求出上述焦点板(46)与上述 裂紋部分(Cl )之间的距离(L)的副工序；使用上述值(W，)、 交角(6 )、距离(L)求出上述宽度尺寸(W)的副工序。采用这样的光学装置及方法，不使用高处作业车或梯子， 就可以测量远处的物体尺寸、例如混凝土的裂紋尺寸。


图l为作为本发明光学装置的实施方式的测量装置的立体图。图2为表示图l所示测量装置的结构与功能的框图。图3为表示图1所示测量装置的望远镜的概略结构的剖视图。图4为表示投影在图3所示的焦点板上的物体(裂紋)与参照标尺的图。图5为表示图2所示测距部的结构与功能的框图。图6为表示图l所示的输入部与表示部的详细的图。图7为说明测量物体宽度或裂紋宽度的原理的图。图8为放大投影在望远镜的焦点板上的裂紋而得的图。图9为表示裂紋宽度、裂紋像宽度、角度的关系的图。图IO为表示投影在望远镜的焦点板上的裂紋、延长线(假想线)、计测点的图。图ll为表示角度的计算方法的图。图12为表示求出裂紋宽度的步骤的流程图。图13为表示形成在焦点板上的参照标尺、尺寸标识的其他例子的图。图14为表示形成在焦点板上的参照标尺、尺寸标识的其他 例子的图。图15为表示形成在焦点板上的参照标尺、尺寸标识的其他 例子的图。图16为表示形成在焦点板上的参照标尺、尺寸标识的其他 例子的图。图17为表示形成在焦点板上的参照标尺、尺寸标识的其他 例子的图。图18为表示形成在焦点板上的参照标尺、尺寸标识的其他 例子的图。图19为表示形成在焦点板上的参照标尺、尺寸标识的其他 例子的图。图20为表示形成在焦点板上的参照标尺、尺寸标识的其他 例子的图。图21为表示形成在焦点板上的参照标尺、尺寸标识的其他 例子的图。附图标记i兌明10:激光测量装置(全站仪(total station)); 12:基台； 14:主体；16:望远镜；18:物体；20:测距部；22:输入部； 24:显示部；26:输出部；28:计算机；30:控制部；32:裂 紋宽度运算部；34:坐标运算部；35:存储部；36:镜筒；38: 光轴；40:物4竟；42:对焦透镜；44:正〗象棱镜；46:焦点斗反 (焦点板)；48:目镜；50:十字线；52:参照标尺；54:数 值标识；56:激光；58:发光部；60:受光部；62:运算部； 64:光学系统；66:棱镜；68:功能键；70: 0~9数字键； 72:光标移动键；74:回车(进入)键；76:液晶显示器；C，裂紋像。
具体实施方式
下面，参照

本发明的光学装置及使用该光学装置 测量物体尺寸的方法。另外，在本专利申请中，"光学装置"包括望远镜、含有望远镜的瞄准装置、具有瞄准功能和测距功能 的测量装置。另外，"物体"不必一定是有限尺寸的独立物体， 还包含物体的一部分或隶属于物体的有形物(例如，在混凝土 结构物上产生的裂紋的一部分)。其中，为了容易理解发明，在 以下说明中，说明将本发明组入测量装置的状态下使用该测量 装置测量在混凝土结构物上形成的裂紋大小(宽度)的方法。(1—1:测量装置)图l表示将本发明的光学装置具体化了的激光测量装置 (全站仪)IO。测量装置10与普通的测量装置相同，包括与未 图示的三角架自由装卸地连结固定的基台12、能以垂直轴(Z 轴)为中心旋转地与基台12连结的主体14、能以水平轴(X轴) 为中心旋转地与主体14连结的望远镜16。测量装置10具有测距 部件或测距部(在图2中用附图标记20表示)，该测距部件或测 距部用于测量3轴一垂直轴(Z轴)、水平轴(X轴)、及与望远 镜16的光轴38重合的Y轴相交叉的基准点(基准坐标或机械坐 标)Po、与用望远镜16瞄准的物体18之间的距离。在实施方式 中，测量装置10具有用于输入测量所需数据的输入部22、显示 测量结果等的显示部24、将从输入部22输入的数据、测量结果 数据输出到其他装置(例如计算机28)上的输出部26。图2为从功能方面表示测量装置10的结构的框图。如图示 所示，测量装置10具有控制部30。控制部30与测距部20、输入 部22、显示部24、输出部26电连接，如以后的详细说明，综合控制这些测距部20、输入部22、显示部24、输出部26。控制部 30具有裂紋宽度运算部32、坐标运算部34和存储部35;该裂紋 宽度运算部32用于运算物体的大小、例如在混凝土结构物上形 成的裂紋宽度；该坐标运算部34用于运算测量对象的空间坐 标、例如位于用望远镜16瞄准的位置的裂紋部分的三维坐标； 该存储部35用于存储坐标运算、裂紋宽度运算所需的程序、数 据。除此之外，虽然未图示，但测量装置10还具有测量所需的 构成元件、例如校准器、测角部等。 (l一2:望远镜)图3表示望远镜16的概略结构。如图示所示，望远镜16在 镜筒(在图l中用附图标记36表示)内，从物体侧朝向测量操 作员侧(图中的左侧到右侧)，沿光轴38依次具有物镜40、对 焦透镜42、正像棱镜44、焦点板46、目镜48,,皮瞄准的物体像 (例如，裂紋像)通过物镜40、对焦透镜42、正像棱镜44成像 到焦点板46上，由此，操作员通过目镜48放大观察物体像。 (l一3:焦点板及参照标尺)图4将 一皮画在焦点4反4 6上的瞄准标识十字线5 0和多个标记 或参照标尺52、与在焦点板46上成像并通过目镜48观察到的物 体像或裂紋像C， 一并表示。十字线50的交点位于光轴38上。 在实施方式中，多个(例如16个)参照标尺52形成在焦点板46 的周边区域。多个参照标尺52分别由具有较大的横向尺寸和较 小的纵向尺寸的四边形或带状的标记构成，在与光轴垂直的上 下方向上隔开间隔地排列成一排。如图示所示，多个带状参照 标尺的横向长度相同。另一方面，多个带状参照标尺的纵向尺 寸不同，使配置于最下段的参照标尺的纵向尺寸最短、配置于 最上段的参照标尺的纵向尺寸最长，并且越是位于上段的参照 标尺的纵向尺寸就越大。在实施方式中，从第2格到最上格的参照标尺52的纵向尺 寸为最下格的参照标尺52的纵向尺寸的整数倍。另外，在各参 照标尺5 2的横向侧方上标有与其参照标尺对应的尺寸标识5 4 的数值，在最上格的参照标尺52 ( 1 )的横向侧方标有尺寸标 识"1"、在最下格的参照标尺52( 16 )的旁边标有尺寸标识"16"。 尺寸标识54不必一定为数值，也可以为其他标记(例如字母)。 各尺寸标识54的数值与相对应的参照标尺52的实际纵向尺寸 相关，尺寸标识54与实际纵向尺寸的关系以图表或公式的形式 存储于存储部35。因此，操作员将投影在焦点板上的物体像与 参照标尺进行对比，当将具有与物体像大小相同的参照标尺或 具有最接近物体像大小的参照标尺的尺寸标识的数值，通过输 入部22输入到测量装置10时，测量装置IO可以计算投影在焦点 板46上的物体像的大小。 (l一4:观'J另巨告卩)参照图5，测距部20具有发光部(激光装置)58、受光部 60、运算部62、光学系统64,该发光部58为输出激光的、例如 激光二极管等；该受光部60接受来自物体(例如裂紋)的激光 反射光；该运算部62基于从激光发射到受光的时间、运算从物 体到基准点Po之间的距离；该光学系统64将从发光部58射出的 激光沿望远镜16的光轴38引导至物体，并且将沿光轴38从物体 返回的激光引导至受光部60。如图示所示，构成光学系统64的 一部分的棱镜66配置于望远镜16的内部，由此，激光56的路线 与望远镜16的光轴38重合。另外，激光测距部20的距离计算， 并不限定于利用从发光到受光的时间的方法，例如也可以根据 两者的相位差求出距离。 (l一5:输入部)如图6所示，输入部22具有多个键、例如功能键68、 0~9数字键70、光标移动键72、回车键(记入)74。在此，功能键 68用于指示执行后述的裂紋尺寸测量的处理。另外，0~9数字 键70用于输入标在焦点板46上的尺寸标识54的数值。 (l一6:显示部)如图6所示，显示部24具有液晶显示器76。在液晶显示器 76上显示由测距部20测量出的数值(例如距离、方位角)、通 过0 ~ 9数字键70输入的尺寸标识54的数值、由裂紋宽度运算部 32运算出的裂紋宽度、由坐标运算部34运算出的坐标值、测量 结果之外的操作上所需的信息。 (l一7:输出部)如图l所示，输出部26将显示于显示部24上的各种信息(测 量结果等)输出到与输出部26连接的计算机28。 (2—1:计算方法的基本思想)下面，说明计算在混凝土结构物表面产生的裂紋宽度的方 法的基本思想。其中，为了容易说明，首先，如图7所示，考 虑用设置于高处的测量装置10观察在位于其下方的水平面(例 如，混凝土结构物的表面)Q上产生的恒定宽度W的直线裂紋C 的状况。图中画着的裂紋C具有相当大的宽度，但这是为了容 易理解计算方法。在此，使裂紋C的沿长度方向延长的一缘线为LL,另一缘线为LR。使包含裂紋C的一缘线LL和测量装置的基准点Po的倾斜的平面(图中为包含由点Po、 Plo、 PL2形成的 三角形的面)为Qo。另外，使通过点Po的箭头Di方向的垂直平 面(图中为包含由点Po、 Po， 、 Plo形成的三角形的面)为Qi。 在此，如图示所示，点Po，为通过点Po的垂线与平面Q。的交叉点，点P l 0为倾斜平面Q 0与垂直平面Q1交叉的缘线L l上的点。 另外，点pro为通过点plo为垂直横切裂紋C的线与另 一 方缘线 Lr交叉的点。图8表示在该状况下投影在测量装置10的望远镜16的焦点板46上的图像。图中，附图标记C，表示裂紋C的投影像，附图标记W，表示投影出的裂紋像C，的宽度。附图标记PLO， 、 PR0，、Pri， 、 Pmi，分别表示与图7的点PL、 Pro、 Ppi、 Pm对应的投 影点。残Ll，、 Lr'分别表示与图7的缘线LL、 Ln对应的投影线。 附图标记Qo'、 Qi，分别为将图7的平面Qo、 Qi投影在焦点板 46上的线。如图示所示，在焦点板46上，平面Qi的投影像Qi' 倾斜地横穿过裂紋像C，。另外，与裂紋C的实际横向宽度W对应的、将点Plo、 PRO连结起来的线的投影线为通过投影点PLO，、PR0，倾斜地横穿过裂紋像W，的线。另外，图8所表示的多条 线中的线LL，、 Lr，以外的线(例如，投影线Qi'、将点Plo， 与Pro，连结起来的线、将点Pm，与点Pm，连结起来的线)， 实际上为不显示在焦点板46上的线。在焦点板46上与实际裂紋C的横向宽度W对应的线，为倾 斜地横穿过裂紋像C，的残(将点Plo，与Pro，连结起来的线)， 而不是垂直横切裂紋像C，的线(将点PiV Pri，连结起来的 线)。如图7所示，垂直横切该裂紋像C，的线为从另一方缘线 Lr上的任意点(例如，点Pri)向倾斜的平面Qo引出垂线时， 该垂线与倾斜的平面Q q交叉的点P m i与点P r i连结起来的垂线 的投影，在本发明中，使用在焦点板46上显示的裂紋像的宽度 求出实际的裂紋宽度，观察者从焦点板46读取的裂紋像的宽度 W，为该垂线的长度。如图7所示，考虑包含点Po、 Pq，、与裂紋c垂直交叉的三角形的垂直平面Q2。如图示所示，垂直平面Q2与缘线LL、 LR 交叉的点分别为点PL2、 PR2。另外，考虑包含缘线LR与垂线(将 点PlU、 PM1连结起来的线)的四边形的平面Q3。如图示所示， 平面Q2与平面Q3的交叉线为将点PM2与点PH2连结起来的线(垂线)。在此，将点PM2与点PR2连结起来的垂线与将点Pm和PlU 连结起来的垂线平行且具有相同长度。利用该关系，如从与缘幾Ll、 Lr平行的方向D2 (参照图7)看平面Qh Q2时的图9所示，可以基于裂紋像C，的宽度W，求出将点PM2与点PR2连结起来的垂线的长度w",根据该长度w"求出实际裂紋c的宽度 w。(2 — 2:裂紋宽度W的计算)垂线长W"与在焦点板46上成像的裂紋像C，的宽度W，、 和从焦点板46到裂紋C之间的距离L的积大致成比例，由以下的 公式1提供。[公式l ]W" = aL W'式中，系数a为由望远镜的光学系统确定的常数，例如为 由物镜的倍率等确定的值。从物体(裂紋)到焦点板之间的距 离l是基于由测距部得到的距离测量结果得到的。具体地说明， 在测量装置10中，从基准点Po到焦点板46之间的距离al为已 知。另外，从基准点Po到裂紋之间的距离Lo由测距部20求出。 裂紋宽度运算部32基于这些值计算从物体到焦点板之间的距离l ( = u+ a:l)。操作员基于通过输入部22输入的尺寸标识(例如，"1" ~ "16"的值)得到在焦点板46上成像的裂紋像C，的宽度W，。 具体地说明，如上述那样，标在焦点板46上的尺寸标识与其实 际纵向尺寸的关系以图表或公式的形式存储于存储部35中。因 此，操作员将投影在焦点板上的裂紋像C，的宽度W，与参照 标尺进行对比，当从输入部22输入具有与宽度W'相同大小(纵 向尺寸)的参照标尺或具有最接近于裂紋像的大小(纵向尺寸) 的参照标尺的尺寸标识时，裂紋宽度运算部3 2基于存储部3 5的图表或关系式来计算焦点板46上的裂紋像的宽度W，。例如，当操作员从输入部22输入尺寸标识"10"时，裂紋宽度运算部 32计算实际的裂紋像的宽度为"5Mm"。应该注意的是公式l为理想的式子，在式中，垂线长W"表' 示为与裂紋像C，的宽度W，和从焦点板46到裂紋之间的距离L 成比例，但实际的光学系统包含各种像差，因此，在实际计算 中优选使用将公式1变形而得的下述公式2，实验求出包含于该 公式2中的系凄史o; i 、 o; 2 的值。 [公式2]W" = ( aiL + a2) W，在此，如图9所示，垂线长W"与实际的裂紋C的宽度W具 有以下的公式3的关系。 [公式3 ] W" = Wsin 6例如，在图7中，角度6为将点Po与点PL2连结起来的线、 和将点Po，与点PL2连结起来的线交叉的角度、或平面Q与Qo的交角。角度e的求法以后说明。根据公式2、 3得到以下的公式4。 [公式4]sin夕系数o: l 、 a 2 例如可以通过以下的顺序求出。首先，在壁面标出不同大小(宽度)W，的多个(n个)标记(例如，长 方形的标记)，测量各标记的宽度W ( Wi Wn)。接着，设置 测量装置，测量从测量装置(基准点Po)到各标记之间的距离L(L! ...Ln)。并且，读取投影在焦点板上的各标记的大小(尺寸标识)W， ( Wl， ， . ' Wn，)。然后，求出各标记的角度6 。接着，对这4个值(L、 w、 w，、 e )进行统计处理(例如，最 小平方法)，求出系数 ai、 q;2。 或者, 系数ai、 a2 也可以如 下这样求出在壁面上标出一个规定大小(宽度)W的标记， 改变从壁面到测量装置之间的距离L (Li Ln),读取各距离 的尺寸标识W， ( W!， Wn，)，对上述值(L、 W、 W， 、 6 ) 进行统计处理。另外，也可以在壁面上的同 一个部位4仑流标出多个标记，即，将距离L和角度e保持为恒定，根据宽度w、 w，的关系求出系数ai、 a 2。像以上那样计算出的系数a i、 a 2 被存储于存储部35。也可以代替公式4，使用加入了考虑各个光学装置固有的 机械误差等的修正常数a 3的以下公式5 。 [公式5 ],= + "2)化3sin P(2—3:角度6的计算)如图l所示，在混凝土结构物的表面上产生的裂紋的行进 方向不受限定，为蜿蜒曲折的形状。因此，如图ll所示，在测 量实际的裂紋宽度时，假设一条投影在焦点板46上的裂紋上 的、欲测量的裂紋宽度的裂紋部分Ci的延长线Li。该延长线Li 为沿与测量对象的裂紋部分C!的宽度方向垂直的方向延伸的 线。具体地讲，可以通过特定认为存在于该延长线Li上的结构 物表面上的2点来计算延长线Li。图中，用Piu)、 Piu)表示被 特定的点。如后述说明，由于需要定义存在有裂紋部分Ci的混 凝土表面的函数，因此，此时， 一并特定裂紋部分Ci附近的第3点P"3)。在图10中，分别用P"1)，、 Pl(2)'、 Pl(3)'表示点Pi(1)、 P1(2)、 Pi(3)的投影点。接着，使用測量装置求出3点Pkd、 P1(2)、 Pk3)各自的坐才示(Xl、 yi、 Zl )、 ( X2、 y2、 Z2 )、 ( X3、 y3、 Z3 )。 jt匕曰于，观'J量装 置使用其基准点Pq、和从该基准点到各点之间的倾斜距离及方位角进行计算。使用计算出的2点Pi(n、 P1(2)的坐标(xi、 yi、 Zl )、 ( X2、y2、 z2)求出裂紋延长线Li的函数。例如，用以下的公式6定义该延长线Li。[公式6 ] <formula>formula see original document page 20</formula>使用3点Pl(1)、Pl(2)、Pl(3)的坐标(Xl、 yi、Zl)、 (X2、y2、 Z2 )、 ( X3、 y3、 Z3 )，例如用公式7定义混凝土表面的函数。 公式7 ]<formula>formula see original document page 20</formula>如图ll所示，求出从基准点Po ( x0、 y0、 z0)向延长线Li引出的垂线L2的函数、和延长线L与垂线L2的交点的坐标Po"(xo"、 yQ"、 z。")。坐标Po"在延长线Li上，是与基准点Po的距离最小的点，因此，可以计算与基准点Po的距离为最小的延长线Li上的点Po",可以求出将该点Po"与基准点Po连结起来的直线。例如，垂线L2用以下的公式8定义。[公式8]<formula>formula see original document page 20</formula>接着，求出从基准点P。 ( x0、 yo、 z0)向平面Q (或包含平 面的假想面)引出的垂线L3的函数、和平面Q与垂线L3的交点Po，的坐标Po， (xo，、 yo， 、 zq，)。坐标Po，在平面Q上，是与 基准点Po的距离最小的点，因此，可以计算与基准点Po的距离 为最小的平面上的点Po，，可以求出将该点Po，与基准点Po连 结起来的直线。例如，垂线L3用以下的公式9定义。 [公式9 ] x — x0 — y — y,] 一 ^ — z[,<formula>formula see original document page 21</formula>求出将点Po' (xo，、 yo， 、 zo，)与点Po" (xo"、 yo" 、 z。") 连结起来的垂线L4。例如，垂线L4用以下的公式10定义。 [公式IO ]<formula>formula see original document page 21</formula>求出垂线L2与u的交角e 。另外，由于交角e为将Po、 Po"、Po，这3点连结起来的角度，因此，也可根据这3个坐标进行计算。(2_2:裂紋宽度的测量)参照图12的流程图详细说明混凝土结构物的表面产生的 裂紋宽度的测量。步骤S101:接通输入部22的裂紋宽度测量模式键(功能 键)。由此，控制部30基于其接通信号开始裂紋宽度测量模式。步骤S102:用望远镜16瞄准测量对象的裂紋部分Ci(参照 图11 )。步骤S103:调整对焦透镜42,以使裂紋部分d的像清晰地 成像于焦点板46上。步骤S104:接通输入部22的测距键(功能键)。控制部30 基于其接通信号驱动测距部20,测量从基准点Po到裂紋部分Ci 之间的距离Lo。测量出的距离Lo被存储到存储部35。此时，优 选为，与距离U —起、或代替U，基于距离Lo与AL计算从焦 点板到裂紋之间的距离L,将该值L存储到存储部35。步骤S105:假想裂紋部分d的裂纹延长线Li在平面(混凝 土表面)Q上，瞄准该延长线L!上的2点Pi(1)、 Pi(2)和在裂紋 部分d附近的平面上的另 一点Pi (3)，求出各自的坐标(Xl、 yi、 Zl )、 ( X2、 y2、 Z2 )、 ( X3、 y3、 Z3 )。 将测量出的坐标存储到存 储部35。步骤S106:使望远镜16在水平方向及/或垂直方向上移 动，在裂紋像C，的附近配置参照标尺52,或者使参照标尺52 重叠在裂紋像C，上。步骤S107:读取与裂紋像C，的宽度相同或最接近于它的 大小的参照标尺52的尺寸标识。步骤S108:从输入部22输入读取到的尺寸标识54。步骤S109:控制部30的裂紋宽度运算部32基于输入来的尺 寸标识、存储部35的图表或关系式，计算投影在焦点板46上的 裂紋像C，的宽度尺寸W，。将计算出的宽度W'存储到存储部35。步骤S110:裂紋宽度运算部32还使用基准点Po、测点Pi(i)、 Pl(2)、 Pu3,的坐标，如上述那样计算角度e。步骤S111:裂紋宽度运算部32使用距离L、系数ai、 ct2、 裂紋像宽度W，来计算裂紋C的宽度W。步骤S112:将计算出的裂紋宽度W显示于显示部24的液晶 显示器上。在输出部26上连接有计算机28的情况下，将裂紋宽 度W发送到该计算机28。 (5:变形例)以上说明了本发明的尺寸测量装置，但可在权利要求书记 载的技术方案的范围内进行各种改变。例如，在以上说明中，对于测量装置10的光轴38与具有测 量裂紋的壁面倾斜交差的情况下，对正确地计算出其裂紋宽度 的方法进行了说明，但即使在光轴与壁面不垂直的情况下，也 可以简单地使用公式ll计算裂紋的宽度。 [公式ll ]W= (a1L+a2)W， + tt3另外，裂紋宽度运算部也可以设置在与测量装置10的输出 部26连接的外部装置、例如计算机28上，计算机28基于存储于 该计算机28的程序、基于上述计算程序来计算裂紋宽度。在该 情况下，从测量装置10将测距部20的测量结果(从基准点到物 体之间的距离)发送到计算机28。另外，参照标尺52的尺寸标 识(数值)也可以直接输入到计算机28。然后，计算机28基于 上述的计算程序、基于表示尺寸标识和物体像尺寸的关系的图 表或公式，根据尺寸标识计算物体像的大小。另外，根据物体 像的大小和距离计算物体的实际尺寸。参照标尺的形状、配置(部位、方向)并不限于上述图4 的形式。例如，在图13所示的实施方式中，在左右方向配置有 多个参照标尺，那些隶属于参照标尺的尺寸标识的数值被配置 于参照标尺的上方。在图14所示的实施方式中，沿以光轴为中 心的径向配置有多个参照标尺。在图15所示的实施方式中，各 参照标尺沿以光轴为中心的周向延伸。在此，各参照标尺为大致圆形，但也可以为在周向上伸展规定角度的圆弧状。在图16 所示的实施方式中，在焦点板的上部区域沿径向配置有横向宽 度较小的多个参照标尺，在焦点板的下部区域沿径向配置有横 向宽度较大的多个参照标尺。在图17所示的实施方式中，多个 参照标尺具有相同的横向宽度，例如在与光轴垂直的水平方向上设有刻度。在图18、图19所示的实施方式中，各参照标尺用 中实、中空的圆表示。这样，可以自由改变参照标尺的形状与 排列方向，从而可以更简单地读取投影在焦点板上的物体像的 大小。另外，通过设置多个参照标尺排列，可以将望远镜的移 动抑制在最小限。在图20、图21所示的实施方式中，优选为， 实心圆或中空心圆的参照标尺，以等间隔配置于以光轴为中心 的一个或多个圆周上。测距部件并不限于使用激光的测距部，也可以为使用超声 波的超声波测距部。在上述实施方式中，从输入部输入参照标尺的尺寸标识， 但也可以预先准备表示尺寸标识和物体像尺寸的关系的图表， 从输入部输入根据其图表得到的物体像尺寸。另外，在上述实施方式中，是在焦点板上设置参照标尺， 但只要是操作员通过目镜清晰地看见物体像和参照标尺，例如， 也可以在光轴方向上、在焦点板的前后、在焦点深度的范围内 配置玻璃等透明板(焦点板)，在该透明板上标出参照标尺。另外，以上说明了使用本发明的光学装置测量裂紋大小的 方法，但测量对象并不限于裂紋，所有物体都能作为测量对象。
权利要求
1.一种光学装置，其为包括具有焦点板(46)的望远镜(16)的光学装置(10)，其特征在于，在上述焦点板(46)上设有多个参照标尺(52)，该多个参照标尺(52)用于与投影在上述焦点板(46)上的物体(C)的像(C’)的大小(W’)进行对比。
2. 根据权利要求l所述的光学装置，其特征在于，上述多 个参照标尺(52)在与上述望远镜(16)的光轴(38)垂直的 方向或以上述光轴(38)为中心的圓周方向中的任意一个排列 方向上隔开间隔；也4非列。
3. 根据权利要求2所述的光学装置，其特征在于，上述多 个参照标尺(52 )分别为在上述焦点板(46 )上在二维方向扩 展的才示i己。
4. 根据权利要求2所述的光学装置，其特征在于，上述多 个参照标尺(52)的标记在上述排列方向上分别具有与其他参 照标尺的标记不同的大小。
5. 根据权利要求3所述的光学装置，其特征在于，上述标 记呈四边形状或圆的平面形状。
6. 根据权利要求4或5所述的光学装置，其特征在于，在上 述多个参照标尺(52)的附近分别设有与上述多个参照标尺(52)的大小对应的标识(54)。
7. 根据权利要求l ~ 6中任一项所述的光学装置，其特征在 于，上迷光学装置(10)还具有测距部件(20),该测距部件(20 )测量从上述望远镜(16 )的基准点(Po)到用上述望远 镜(16 )瞄准的物体(C )之间的距离(Lo)。
8. 根据权利要求7所述的光学装置，其特征在于，上述测 距部件(20)具有激光测距部或超声波测距部。
9. 根据权利要求7或8所述的光学装置，其特征在于，该光学装置具有输入部(22)和运算部件(32);该输入部(22) 输入与上述多个参照标尺(52 )相关的标识(54 );该运算部 件(32)基于从上述输入部(22)输入的上述标识(54)和由 上述测距部件(20)测量出的距离(L)来运算上述物体(C) 的尺寸(W)。
10. 根据权利要求9所述的光学装置，其特征在于，该光学 装置具有输出部(26)，该输出部(26)用于输出由上述运算 部件(32)运算出的上述物体(C)的尺寸(W)。
11. 根据权利要求l ~ IO中任一项所述的光学装置，其特 征在于，上述物体(C )的像(C，)为在混凝土结构物上产生 的裂紋的像。
12. —种使用光学装置测量物体尺寸的方法，其特征在于， 该方法包括第l工序和第2工序；在第l工序中，准备光学装置(IO),该光学装置(10)具 有望远镜(16)和测距部(20)，该望远镜(16)包括设有多 个参照标尺(52)的焦点板(46),该测距部(20)测量从用 上述望远镜(16)瞄准的物体(C)到基准点(Po)之间的距 离(U);在第2工序中，将投影在上述望远镜(16)的焦点板(46) 上的物体(C)的像(C，)与上述多个参照标尺(52)中的一 个或多个参照标尺(52)进行比较，利用比较求得的值(W，) 和由上述测距部(20)测量出的距离(Lo)来运算上述物体(C ) 的尺寸(W)。
13. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，上述物体 (C)为在混凝土结构物的表面(Q)产生的裂紋，上述第2工序包括以下副工序基于上述距离(Lo)求出从上述焦点板(46)到裂紋(C)之间的距离(L )的副工序，使用上述值(w，)、距离(l)、角度(e )求出上述裂紋 (c)的宽度(w)的副工序。
14. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，上述物体 (C)为在混凝土结构物的表面(Q)产生的裂紋，上述第2工序包括以下副工序基于上述距离(Lo)求出从上述焦点板(46)到裂紋(C) 之间的距离(L)的副工序，假想在上述表面(Q)上沿与上述裂紋的宽度尺寸垂直的 方向延伸的延长线(Li)的副工序，求出上述延长线(LO上的至少2点坐标〔P1(1)、 P1(2)〕、 上述表面上的l点坐标〔Pi(3)〕的副工序，使用上述坐标〔P1(1)、 Pi (2)〕定义上述延长线(的副 工序，使用上述坐标〔Pl(l)、 Pl(2)、PU3)〕定义上述表面(Q)的副工序，求出从上述基准点(Po)向上述表面(Q)引出的垂线(L3) 与上述表面(Q)交叉的第l交点坐标(Po，)的副工序，求出从上述基准点(Po)向上述延长线(LJ引出的垂线 (L2)与上述延长线(Li)交叉的第2交点坐标(Pq")的副工序，求出将上述基准点(Po)与第2交点坐标(Po")连结起来 的线(L2)、和将上述第l交点坐标(Pq，)与第2交点坐标(Po") 连结起来的线(L4)所成的角度(6 )的副工序，使用上述值(w，)、距离(l)、角度(e )求出上述裂紋 (c)的宽度(w)的副工序。
15. —种使用光学装置测量裂紋宽度的方法，其特征在于，该方法包括第l工序和第2工序，在第l工序中，准备光学装置(IO),该光学装置(10)具 有望远镜(16)和测距部(20)，该望远镜(16)包括设有多 个参照标尺(52)的焦点板(46),该测距部(20)测量从用 上述望远镜(16)瞄准的平面(Q)上的裂紋部分(Ci)到基 准点(Po)之间的距离(Lo);在第2工序中，将投影在上述望远镜(16)的焦点板(46) 上的裂紋像(C，)与上述多个参照标尺(52 )中的一个或多个 参照标尺(52)进行比较，利用比较求得的值(W，)和由上 述测距部(20 )测量出的距离(Lo)来运算上述裂紋部分(d ) 的宽度尺寸(W)。
16. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，上述第2 工序包括以下副工序基于上述距离(Lo)求出从上述焦点板(46)到裂紋(C) 之间的距离(L)的副工序，使用上述值(W，)、距离(L)、角度(6 )求出上述裂紋 (C)的宽度(W)的副工序。
17. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于， 上述第2工序包括以下副工序求出包含上述裂紋像(C，)的延长线(LO和上述基准点 (Po)的平面(Qo)、与上述平面(Q)的交角(6 )的副工序，基于上述距离(Lo)求出上述焦点板(46)与上述裂紋部 分(Ci)之间的距离(L )的副工序，使用上述值(W，)、交角(6 )、距离(L)求出上述宽度 尺寸(W)的副工序。
全文摘要
本发明提供一种光学装置及使用装置测量物体尺寸的方法。该光学装置不使用高处作业车或梯子就地可测量远处的物体尺寸、例如混凝土的裂纹尺寸。为此，光学装置(例如测量装置10)包括具有焦点板(46)的望远镜(16)。焦点板(46)设有多个用于与投影在上述焦点板(46)上的物体(C)的像(C’)的大小(W)进行对比的参照标尺(52)。可以使用由该参照标尺(52)计测出的物体像的大小、由光学装置的测距部(20)计测出的距离(从基准点P₀到物体之间的距离)来测量物体的大小。
文档编号G01B11/02GK101263362SQ200680033928
公开日2008年9月10日 申请日期2006年6月26日 优先权日2005年9月15日
发明者中庭和秀 申请人:关西工事测量株式会社;中庭和秀