JP2001066138A - Measurement system and prism type optical path control device used for this measurement system - Google Patents
Measurement system and prism type optical path control device used for this measurement systemInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 視野を広げて目標を測定することができ、し
かも、視野を広げても高精度に目標を測定できる簡単な
構成の計測システムを提供する。
【解決手段】 回転自在に設けられた一対のウェッジプ
リズム7a,7bと、このウェッジプリズム7a,7b
それぞれを個別に回転する一対のモータ8a,8bと、
前記ウェッジプリズム7a,7bそれぞれの回転角を検
出する一対のエンコーダ9a,9bとを備え、光路を屈
折して目標5を測定する。組み合わせたウェッジプリズ
ム7a,7bを回転することで、ウェッジプリズム7
a,7bのウェッジ角度に応じて光路が任意の方向に屈
折する。この光路の屈折角はウェッジプリズム7a,7
bの回転角を操作することで、精密に制御される。この
ように、光路を屈折して目標を測定すると、簡単な構成
で、視野を広げて目標を測定することができ、しかも、
視野を広げても高精度に目標を測定できる計測システム
が得られる。
(57) [Summary] [PROBLEMS] To provide a measurement system with a simple configuration that can measure a target with a wide field of view and can measure the target with high accuracy even with a wide field of view. SOLUTION: A pair of rotatably provided wedge prisms 7a and 7b, and the wedge prisms 7a and 7b are provided.
A pair of motors 8a and 8b each rotating individually;
It includes a pair of encoders 9a and 9b for detecting the rotation angles of the wedge prisms 7a and 7b, and measures the target 5 by refracting the optical path. By rotating the combined wedge prisms 7a and 7b, the wedge prism 7 is rotated.
The optical path is refracted in an arbitrary direction according to the wedge angles a and 7b. The refraction angle of this optical path is determined by wedge prisms 7a, 7
By controlling the rotation angle of b, it is precisely controlled. In this way, if the target is measured by refracting the optical path, the target can be measured with a simple configuration and the field of view can be expanded.
A measurement system that can measure a target with high accuracy even when the field of view is expanded can be obtained.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、目標を測定する計
測システムに関し、特に限定された範囲内の視野で目標
の変位計測、自動追尾、若しくは動的計測をし、または
目標の監視をする計測システムに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a measurement system for measuring a target, and more particularly to a measurement system for measuring displacement, automatic tracking, or dynamic measurement of a target within a limited field of view, or monitoring a target. About the system.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、この種の目標を測定する計測シス
テムとして、図14に示すような自動的に目標を追尾す
るトータルステーションが知られている。このトータル
ステーションは、筒状の望遠鏡1を有する測量機であ
り、目標2の位置に応じて望遠鏡を水平方向および垂直
方向に回動し、目標2を自動的に視準する。そして、ト
ータルステーションは望遠鏡1の回転角、目標2との距
離に基づいて目標2の位置を演算する。このトータルス
テーションにより、目標2の3次元的な位置を測定する
ことができる。2. Description of the Related Art Conventionally, a total station for automatically tracking a target as shown in FIG. 14 has been known as a measurement system for measuring such a target. This total station is a surveying instrument having a cylindrical telescope 1, and turns the telescope horizontally and vertically according to the position of the target 2 to automatically collimate the target 2. Then, the total station calculates the position of the target 2 based on the rotation angle of the telescope 1 and the distance from the target 2. With this total station, the three-dimensional position of the target 2 can be measured.
【0003】また、他の計測システムとして、目標の鉛
直方向変位を測定する電子スタッフも知られている。こ
の電子スタッフは、上下方向に複数の受光素子を並べた
もので、レーザーレベルから発光されたレーザー光をど
の高さの受光素子が受光したかを演算処理して、地盤沈
下等による目標の鉛直方向変位を測定する。As another measurement system, an electronic staff for measuring a target vertical displacement is also known. The electronic staff arranges a plurality of light-receiving elements in the vertical direction. The electronic staff calculates the height of the light-receiving elements that receive the laser light emitted from the laser level, and calculates the target vertical position due to land subsidence. Measure the directional displacement.
【0004】さらに、他の計測システムとして、盗難防
止用監視カメラ等のCCDカメラが知られている。この
CCDカメラは、目標をパターン認識して、目標の位置
を測定する。Further, as another measurement system, a CCD camera such as an anti-theft surveillance camera is known. This CCD camera performs pattern recognition of the target and measures the position of the target.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術には以下のような問題がある。However, the above prior art has the following problems.
【0006】トータルステーションは、望遠鏡1を水平
方向および垂直方向に回動させる機構を有するので、機
構が高度に複雑になり、高価になる。また、望遠鏡の回
動量に基づいて目標の位置を演算するので、測定精度が
不足する。さらに、限定された範囲内の目標を測定する
のには過剰設備となってしまう。[0006] Since the total station has a mechanism for rotating the telescope 1 in the horizontal and vertical directions, the mechanism becomes highly complicated and expensive. In addition, since the target position is calculated based on the amount of rotation of the telescope, measurement accuracy is insufficient. Moreover, measuring targets within a limited range would be overkill.
【0007】電子スタッフは、鉛直方向の変位は測定で
きるが、目標の水平方向の変位、目標の距離等が測定で
きず、計測システムとしての機能が不十分である。The electronic staff can measure the displacement in the vertical direction, but cannot measure the displacement of the target in the horizontal direction, the distance of the target, and the like, and the function as a measurement system is insufficient.
【0008】また、トータルステーションおよび電子ス
タッフいずれでも、目標の動的挙動を測定する動的計測
ができない。Further, neither the total station nor the electronic staff can perform dynamic measurement for measuring the target dynamic behavior.
【0009】CCDカメラは、トータルステーションと
電子スタッフとの中間的な能力を有するが、視野が狭
い。また、CCDカメラにおいて、ズームを変化させ、
視野を広げると目標を測定する精度が落ちてしまう。視
野を広げるために、カメラ自体が回転機構を有し、カメ
ラを回転させて広範囲を認識するものもあるが、カメラ
が回転するスペースが必要になり、しかもカメラが露出
するので不快感がある。[0009] CCD cameras have intermediate capabilities between the total station and the electronic staff, but have a narrow field of view. Also, in the CCD camera, changing the zoom,
If you expand your field of view, the accuracy of target measurement will decrease. In order to widen the field of view, the camera itself has a rotation mechanism, and some cameras rotate the camera to recognize a wide range. However, a space for rotating the camera is required, and since the camera is exposed, it is uncomfortable.
【0010】そこで、本発明は、視野を広げて目標を測
定することができ、しかも、視野を広げても高精度に目
標を測定できる簡単な構成の計測システム、およびこの
計測システムに用いられるプリズム式光路制御装置を提
供することを目的とする。Accordingly, the present invention provides a measurement system having a simple configuration capable of measuring a target with a wide field of view and measuring the target with high accuracy even with a wide field of view, and a prism used in this measurement system. It is an object of the present invention to provide an optical path control device.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】以下、本発明について説
明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図
面の参照番号を括弧書きにて付記するが、それにより本
発明が図示の形態に限定されるものでない。Hereinafter, the present invention will be described. In addition, in order to facilitate understanding of the present invention, reference numerals in the accompanying drawings are added in parentheses, but the present invention is not limited to the illustrated embodiment.
【0012】請求項1の発明は、回転自在に設けられた
一対のウェッジプリズム(7a,7b)と、この一対の
ウェッジプリズム(7a,7b)それぞれを個別に回転
する一対の駆動手段(8a,8b)と、前記一対のウェ
ッジプリズム(7a,7b)それぞれの回転角を検出す
る一対の角度検出手段(9a,9b)とを備え、光路を
屈折して目標(5)を測定する計測システムにより、上
述した課題を解決する。ここで、駆動手段(8a,8
b)にはモータ等を用いることができ、角度検出手段
(9a,9b)にはエンコーダ、ポテンションメータを
用いることができる。According to the first aspect of the present invention, a pair of rotatable wedge prisms (7a, 7b) and a pair of drive means (8a, 7a, 7b) for individually rotating the pair of wedge prisms (7a, 7b) are provided. 8b) and a pair of angle detecting means (9a, 9b) for detecting the rotation angle of each of the pair of wedge prisms (7a, 7b), and a measuring system for refracting the optical path to measure the target (5). To solve the above-mentioned problem. Here, the driving means (8a, 8
A motor or the like can be used for b), and an encoder and a potentiometer can be used for the angle detecting means (9a, 9b).
【0013】この発明によれば、組み合わせたウェッジ
プリズム(7a,7b)を回転することで、ウェッジプ
リズム(7a,7b)のウェッジ角度に応じて光路が任
意の方向に屈折する。この光路の屈折角はウェッジプリ
ズム(7a,7b)の回転角を操作することで、精密に
制御される。このように、光路を屈折して目標を測定す
ると、簡単な構成で、視野を広げて目標を測定すること
ができ、しかも、視野を広げても高精度に目標を測定で
きる計測システムが得られる。According to the present invention, by rotating the combined wedge prisms (7a, 7b), the optical path is refracted in an arbitrary direction according to the wedge angles of the wedge prisms (7a, 7b). The refraction angle of this optical path is precisely controlled by manipulating the rotation angle of the wedge prisms (7a, 7b). Thus, by measuring the target by refracting the optical path, it is possible to measure the target with a simple configuration by expanding the field of view, and to obtain a measurement system capable of measuring the target with high accuracy even when the field of view is expanded. .
【0014】請求項2の発明は、請求項1に記載の計測
システムにおいて、前記計測システムが、前記目標にレ
ーザー光を照射するレーザー発光手段(16)と、前記
目標(5)に設けられ、屈折されたレーザー光が照射さ
れる受光器(15)とを備えることを特徴とする。According to a second aspect of the present invention, in the measuring system according to the first aspect, the measuring system is provided on the target (5) and a laser emitting means (16) for irradiating the target with laser light, A light receiver (15) to which the refracted laser light is applied.
【0015】この発明によれば、レーザー光が受光器
(15)を照射するようにウェッジプリズム(7a,7
b)を回転すると、ウェッジプリズム(7a,7b)の
回転角から目標(5)の位置を測定することができる。According to the present invention, the wedge prisms (7a, 7a) are irradiated so that the laser beam irradiates the light receiver (15).
By rotating b), the position of the target (5) can be measured from the rotation angle of the wedge prisms (7a, 7b).
【0016】請求項3の発明は、請求項2に計測システ
ムにおいて、前記ウェッジプリズム(7a,7b)の回
転角度を操作して、レーザー光が前記受光器(15)を
照射するように前記受光器(15)の出力値をフィード
バック制御することを特徴とする。According to a third aspect of the present invention, in the measurement system according to the second aspect, the rotation angle of the wedge prisms (7a, 7b) is manipulated so that the laser light is irradiated onto the light receiver (15). The output value of the device (15) is feedback-controlled.
【0017】この発明によれば、受光器(15)の位置
が変化しても、自動的にレーザー光を受光器(15)に
照射することができる。したがって、移動目標の変位が
測定でき、自動的追尾、動的計測が可能になる。According to the present invention, even if the position of the light receiver (15) changes, the laser light can be automatically applied to the light receiver (15). Therefore, the displacement of the moving target can be measured, and automatic tracking and dynamic measurement can be performed.
【0018】請求項4の発明は、請求項2または3に記
載の計測システムにおいて、前記ウェッジプリズム(7
a,7b)の回転角度の検出値に基づいて前記目標
(5)の位置を演算する計算機(18)を設けたことを
特徴とする。According to a fourth aspect of the present invention, in the measuring system according to the second or third aspect, the wedge prism (7
A computer (18) for calculating the position of the target (5) based on the detected value of the rotation angle of a, 7b) is provided.
【0019】この発明によれば、目標(5)の位置を自
動的に算出できる。According to the present invention, the position of the target (5) can be automatically calculated.
【0020】請求項5の発明は、請求項2ないし4いず
れかに記載の計測システムにおいて、前記受光器(1
5)までの距離を測定する距離測定手段(20,27)
を備えることを特徴とする。ここで、距離測定手段(2
0,27)には、レーザー光を発光する発光系と受光系
とからなるものや、波長の異なる複数のレーザー光を受
信したときの位相差から距離を検出するもの等の測距儀
を用いることができる。According to a fifth aspect of the present invention, in the measurement system according to any one of the second to fourth aspects, the light receiving device (1)
Distance measuring means (20, 27) for measuring the distance to 5)
It is characterized by having. Here, the distance measuring means (2
For 0, 27), a distance measuring device such as one comprising a light emitting system for emitting laser light and a light receiving system, or one for detecting a distance from a phase difference when a plurality of laser lights having different wavelengths are received is used. be able to.
【0021】この発明によれば、目標の位置を3次元的
に測定できる。According to the present invention, the position of the target can be measured three-dimensionally.
【0022】請求項6の発明は、目標の視覚情報を検出
する撮像素子(24)と、前記目標(5)から発光され
る光を屈折するプリズム式光路制御装置(3)とを備え
ることを特徴とする計測システムにより、上述した課題
を解決する。According to a sixth aspect of the present invention, there is provided an image pickup device (24) for detecting visual information of a target, and a prism type optical path control device (3) for refracting light emitted from the target (5). The above-mentioned problem is solved by a characteristic measurement system.
【0023】この発明によれば、プリズム式光路制御装
置(3)によって光路が屈折され、撮影素子(24)の
視野が移動するので、撮影素子(24)の測定精度を保
ったまま、視野を広げることができる。According to the present invention, since the optical path is refracted by the prism type optical path control device (3) and the field of view of the imaging element (24) moves, the field of view can be maintained while maintaining the measurement accuracy of the imaging element (24). Can be spread.
【0024】請求項7の発明は、請求項6に記載の計測
システムにおいて、前記プリズム式光路制御装置(3)
が、回転自在に設けられた一対のウェッジプリズム(7
a,7b)と、この一対のウェッジプリズム(7a,7
b)それぞれを個別に回転する一対の駆動手段(8a,
8b)と、前記一対のウェッジプリズム(7a,7b)
それぞれの回転角を検出する一対の角度検出手段(9
a,9b)と、を備えることを特徴とする。According to a seventh aspect of the present invention, in the measurement system according to the sixth aspect, the prism type optical path control device (3).
Is a pair of rotatable wedge prisms (7
a, 7b) and this pair of wedge prisms (7a, 7b).
b) a pair of drive means (8a,
8b) and the pair of wedge prisms (7a, 7b)
A pair of angle detection means (9) for detecting each rotation angle
a, 9b).
【0025】この発明によれば、組み合わせたウェッジ
プリズム(7a,7b)を回転することで、ウェッジプ
リズム(7a,7b)のウェッジ角度に応じて光路が任
意の方向に屈折する。この光路の屈折角は、ウェッジプ
リズム(7a,7b)の回転角を操作することで精密に
制御される。According to the present invention, by rotating the combined wedge prisms (7a, 7b), the optical path is refracted in an arbitrary direction according to the wedge angle of the wedge prisms (7a, 7b). The refraction angle of this optical path is precisely controlled by manipulating the rotation angle of the wedge prisms (7a, 7b).
【0026】請求項8の発明は、請求項6または7に記
載の計測システムにおいて、前記視覚情報および前記ウ
ェッジプリズム(7a,7b)の回転角度の検出値に基
づいて前記目標の位置を演算する計算機(26)を設け
たことを特徴とする。According to an eighth aspect of the present invention, in the measurement system according to the sixth or seventh aspect, the position of the target is calculated based on the visual information and a detected value of a rotation angle of the wedge prism (7a, 7b). A computer (26) is provided.
【0027】この発明によれば、目標(5)の位置を自
動的に算出できる。According to the present invention, the position of the target (5) can be automatically calculated.
【0028】請求項9の発明は、請求項6ないし8のい
ずれかに記載の計測システムにおいて、前記撮影素子
(24)は、CCDカメラ、またはCCDビデオカメラ
であることを特徴とする。According to a ninth aspect of the present invention, in the measurement system according to any one of the sixth to eighth aspects, the imaging element (24) is a CCD camera or a CCD video camera.
【0029】この発明によれば、被写画像を画素数に応
じて分解して、画像処理(パターンマッチング)を行
い、目標の位置を知ることができる。また、CCDビデ
オカメラを用いることで、30乃至60Hz程度の目標
の動的挙動を測定することができる。According to the present invention, it is possible to decompose a subject image in accordance with the number of pixels, perform image processing (pattern matching), and know a target position. Further, by using a CCD video camera, a target dynamic behavior of about 30 to 60 Hz can be measured.
【0030】請求項10の発明は、請求項6または7に
記載の計測システムにおいて、前記撮影素子(24)
は、監視カメラであることを特徴とする。According to a tenth aspect of the present invention, in the measurement system according to the sixth or seventh aspect, the imaging element (24) is provided.
Is a surveillance camera.
【0031】この発明によれば、ウェッジ角度の大きい
ウェッジプリズムを用いて光路を屈折させることで、監
視カメラを固定したままでも視野を広げることができ
る。According to the present invention, by refracting the optical path using the wedge prism having a large wedge angle, the field of view can be expanded even with the surveillance camera fixed.
【0032】請求項11の発明は、回転自在に設けられ
た一対のウェッジプリズム(7a,7b)と、この一対
のウェッジプリズム(7a,7b)それぞれを個別に回
転する一対の駆動手段(8a,8b)と、前記一対のウ
ェッジプリズム(7a,7b)それぞれの回転角を検出
する一対の角度検出手段(9a,9b)と、を備えるこ
とを特徴とするプリズム式光路制御装置により、上述し
た課題を解決する。According to an eleventh aspect of the present invention, a pair of wedge prisms (7a, 7b) rotatably provided and a pair of drive means (8a, 7a, 7b) for individually rotating the pair of wedge prisms (7a, 7b) are provided. 8b) and a pair of angle detecting means (9a, 9b) for detecting the rotation angle of each of the pair of wedge prisms (7a, 7b). Solve.
【0033】この発明によれば、組み合わせたウェッジ
プリズム(7a,7b)を回転することで、ウェッジプ
リズム(7a,7b)のウェッジ角度に応じて光路が任
意の方向に屈折する。この光路の屈折角はウェッジプリ
ズム(7a,7b)の回転角を操作することで、精密に
制御される。このように、光路を屈折して目標を測定す
ると、簡単な構成で、視野を広げて目標を測定すること
ができ、しかも、視野を広げても高精度に目標を測定で
きる。According to the present invention, by rotating the combined wedge prisms (7a, 7b), the optical path is refracted in an arbitrary direction according to the wedge angles of the wedge prisms (7a, 7b). The refraction angle of this optical path is precisely controlled by manipulating the rotation angle of the wedge prisms (7a, 7b). As described above, when the target is measured by refracting the optical path, the target can be measured with a simple configuration while widening the field of view, and the target can be measured with high accuracy even when the field of view is widened.
【0034】[0034]
【発明の実施の形態】図1は、本発明の一実施形態にお
けるプリズム式光路制御装置を示したものである。この
プリズム式光路制御装置3は、レーザー照射機、CCD
カメラ、ビデオ等の光学機器4に取り付けられ、レーザ
ー照射機から目標5に照射されるレーザー光、または目
標5から反射される自然光もしくは目標5としての点光
源から発光される光等を屈折するものである。プリズム
式光路制御装置3は、光学機器4にアダプター14を介
して取付けられる円筒状のフード6と、このフード6内
に回転自在に設けられる一対のウェッジプリズム7a,
7bと、この一対のウェッジプリズム7a,7bそれぞ
れを個別に回転させる駆動手段としてのモータ8a,8
bと、ウェッジプリズム7a,7bの回転角をデジタル
式に検出する角度検出手段としてのエンコーダ9a,9
bとを備える。塵等が付着するのを防止するために、ウ
ェッジプリズム7a,7bは防塵フィルタ10で覆われ
ている。ここで、角度検出手段はデジタル的に検出する
エンコーダ9a,9bに限られることなく、アナログ的
に検出するポテンションメータであってもよい。FIG. 1 shows a prism type optical path control device according to an embodiment of the present invention. The prism type optical path control device 3 includes a laser irradiator, a CCD
Attached to an optical device 4 such as a camera or a video, and refracts laser light emitted from a laser irradiator to a target 5, natural light reflected from the target 5, or light emitted from a point light source as the target 5. It is. The prism type optical path control device 3 includes a cylindrical hood 6 attached to the optical device 4 via an adapter 14, and a pair of wedge prisms 7a rotatably provided in the hood 6.
7b and motors 8a, 8 as driving means for individually rotating the pair of wedge prisms 7a, 7b.
b and encoders 9a and 9 as angle detecting means for digitally detecting the rotation angles of the wedge prisms 7a and 7b.
b. The wedge prisms 7a and 7b are covered with a dust filter 10 to prevent dust and the like from adhering. Here, the angle detecting means is not limited to the encoders 9a and 9b that detect digitally, but may be a potentiometer that detects analogly.
【0035】図2に示すように、ウェッジプリズム7
a,7bは、稜角σ(ウェッジ角)の小さなプリズムで
ある。図中(a)に示すように、ウェッジプリズム9a
に入射した光線は屈折角(偏角)εで屈折する。図中
(b)は、2つのウェッジプリズム7a,7bを組み合
わせた場合を示す。2つのウェッジプリズム7a,7b
は同じ材質で、しかも同じ稜角σを有する。図中(b)
に示すように、2つのウェッジプリズム7a,7bを傾
斜面11が平行になるように配置すると、2つのウェッ
ジプリズム7a,7bを通過した屈折光線13は、平行
なガラスを通過するのと同様に直進する。すなわち、入
射光線12と屈折光線13は同一の光軸を有する。ただ
し、ここではウェッジプリズム7a,7bの細かい屈折
状態については図示を省略している。図中(c)に示す
ように、(b)の状態から一方のウェッジプリズム9b
を180°回転すると、入射光線12が最大に屈折さ
れ、入射光線12は屈折角(合成偏角)2εで屈折す
る。したがって、一対のウェッジプリズム7a,7bそ
れぞれを相対的に所定角度回転させると、入射光線12
が0〜2εまでの所定の屈折角が得られる。所定の屈折
角が得られた状態でウェッジプリズム7a,7b全体を
回転することで、目標面上の2次元の任意の位置を照射
することができる。As shown in FIG. 2, the wedge prism 7
a and 7b are prisms having a small ridge angle σ (wedge angle). As shown in FIG.
Are refracted at a refraction angle (declination) ε. (B) in the figure shows a case where two wedge prisms 7a and 7b are combined. Two wedge prisms 7a, 7b
Are the same material and have the same ridge angle σ. (B) in the figure
When the two wedge prisms 7a and 7b are arranged so that the inclined surfaces 11 are parallel as shown in FIG. Go straight. That is, the incident light beam 12 and the refracted light beam 13 have the same optical axis. However, here, illustration of the fine refraction state of the wedge prisms 7a and 7b is omitted. As shown in FIG. 3C, one wedge prism 9b is shifted from the state shown in FIG.
Is rotated 180 °, the incident light beam 12 is refracted to the maximum, and the incident light beam 12 is refracted at a refraction angle (combined deflection angle) of 2ε. Therefore, when the pair of wedge prisms 7a and 7b are relatively rotated by a predetermined angle, the incident light 12
Is a predetermined refraction angle from 0 to 2ε. By rotating the entire wedge prisms 7a and 7b in a state where a predetermined refraction angle is obtained, an arbitrary two-dimensional position on the target surface can be irradiated.
【0036】本発明のプリズム式光路制御装置3によれ
ば、光学機器4を回転、揺動することなく、フード6内
部の一対のウェッジプリズム7a,7bを回転すること
で、光学機器4を通して見ることができる領域、すなわ
ち視野を広げることができる。According to the prism type optical path control device 3 of the present invention, the pair of wedge prisms 7a and 7b inside the hood 6 are rotated without rotating and swinging the optical device 4, so that the optical device 4 is viewed through the optical device 4. It is possible to widen the area where it can be performed, that is, the field of view.
【0037】まず、視野の試算を行ってみる。例えば、
ウェッジプリズム7a,7bから目標5までの距離をL
=100m,2枚のウェッジプリズム7a,7bによる
屈折角をθ=3°に設定した場合、視野Dは、D=θ×
L×2(π/180)=10.5mとなる。したがっ
て、直径1mの視野を目標上の直径10mの円内で動か
すことで、直径10mまで視野を広げることができる。First, a trial calculation of the visual field will be performed. For example,
The distance from the wedge prisms 7a, 7b to the target 5 is L
= 100 m, and the refraction angles by the two wedge prisms 7a and 7b are set to θ = 3 °, the field of view D becomes D = θ ×
L × 2 (π / 180) = 10.5 m. Therefore, by moving the field of view having a diameter of 1 m within a circle having a diameter of 10 m on the target, the field of view can be expanded to a diameter of 10 m.
【0038】光路の屈折角はウェッジプリズム7a,7
bの回転角を操作することで、精密に制御されている。
ここで、目標5を測定する精度の試算を行ってみる。エ
ンコーダの精度を3600ハ゜ルス/回転とすると、精度e
は、e=±(θ/(2×3600))×(π/180)
×L=±0.7mm≒1mmとなる。これから、直径1
0mの視野で、目標5の位置(2次元)を±1mm程度
の高精度で測定できることが期待される。なお、実際の
精度はレーザービームの性状やCCDカメラ・ビデオの
性能、望遠鏡の性能などによって変化し、特にCCDカ
メラ・ビデオの場合は画素数・視野によって複雑に変化
する。The refraction angle of the optical path is determined by the wedge prisms 7a and 7a.
It is precisely controlled by manipulating the rotation angle of b.
Here, a trial calculation of the accuracy of measuring the target 5 will be performed. Assuming that the accuracy of the encoder is 3600 pulses / revolution, the accuracy e
Is e = ± (θ / (2 × 3600)) × (π / 180)
× L = ± 0.7 mm ≒ 1 mm. From now on, diameter 1
It is expected that the position (two-dimensional) of the target 5 can be measured with a high accuracy of about ± 1 mm in a field of view of 0 m. The actual accuracy varies depending on the properties of the laser beam, the performance of the CCD camera / video, the performance of the telescope, and the like, and particularly in the case of the CCD camera / video, varies in a complicated manner depending on the number of pixels and the field of view.
【0039】図3は、本発明の第1実施形態における計
測システムのシステム構成図を示したものである。この
計測システムは、レーザー光を発光するレーザー発光手
段としてのレーザービーム発射機16と、このレーザー
光を屈折するプリズム式光路制御装置3と、前記目標5
に設けられ、前記屈折されたレーザー光が照射される受
光器15としての光量計と、レーザー光が受光器15を
照射するようにプリズム式光路制御装置3を操作するソ
フトウェアサーボ17と、目標5の位置を演算する計算
機18と、で構成される。そして、プリズム式光路制御
装置3は、上述したように、一対のウェッジプリズム7
a,7bと、この一対のウェッジプリズム7a,7bを
回転させるモータ8a,8bと、ウェッジプリズム7
a,7bの回転角を検出するエンコーダ9a,9bとで
構成される。この計測システムは、例えばトンネル等の
夜間変位、あるいは沈下を測定するのに用いられ、目標
5に設けられた受光器15にレーザー光を照射し、受光
器15が変位してもレーザー光が追従するようにウェッ
ジプリズム7a,7bの回転角度を操作し、エンコーダ
9a,9bの検出値から目標5の相対的変位を測定す
る。エンコーダ9a,9bでは、ウェッジプリズム7
a,7bの一回転360度を例えば4000〜8000
分解し、しかも、ウェッジプリズム7a,7bが相対的
に180°回転することで、例えば3度程度の屈折角度
が得られとすると、きわめて高精度に光路の屈折角度を
制御することができる。FIG. 3 shows a system configuration diagram of the measurement system according to the first embodiment of the present invention. This measuring system includes a laser beam emitting device 16 as a laser emitting means for emitting laser light, a prism type optical path control device 3 for refracting the laser light,
A light meter as a light receiver 15 to which the refracted laser light is irradiated; a software servo 17 for operating the prism type optical path control device 3 so that the laser light is irradiated to the light receiver 15; And a calculator 18 for calculating the position of Then, as described above, the prism type optical path control device 3 includes a pair of wedge prisms 7.
a, 7b; motors 8a, 8b for rotating the pair of wedge prisms 7a, 7b;
and encoders 9a and 9b for detecting the rotation angles of a and 7b. This measurement system is used to measure, for example, nighttime displacement or subsidence of a tunnel or the like, and irradiates a laser beam to a photodetector 15 provided on a target 5 so that the laser beam follows even when the photodetector 15 is displaced. By operating the rotation angles of the wedge prisms 7a and 7b, the relative displacement of the target 5 is measured from the detected values of the encoders 9a and 9b. In the encoders 9a and 9b, the wedge prism 7
360 degrees of one rotation of a and 7b are, for example, 4000 to 8000
If the wedge prisms 7a and 7b are disassembled and the wedge prisms 7a and 7b are relatively rotated by 180 degrees to obtain a refraction angle of, for example, about 3 degrees, the refraction angle of the optical path can be controlled with extremely high accuracy.
【0040】図4は、受光器15の出力値を制御量とし
たフィードバック制御系を示したものである。このフィ
ードバック制御系において、受光器15がレーザー光の
受光量を検出し、この受光量の出力値を目標出力値と比
較して、ソフトウェアサーボ17で差が零となるための
制御動作を自動的に決め、ウェッジプリズム7a,7b
の回転角を操作する。このフィードバック制御系では、
目標5に設けられた受光器15が変位しても、常に受光
器15の中心にレーザー光のスポットが照射するように
ウェッジプリズム7a,7bの回転角度を操作してい
る。このように、受光器15の出力値をフィードバック
制御することで、目標5が変位してもレーザー光が追従
して、目標5に常にレーザー光を照射することができ
る。また、本実施の形態では、複数の目標5ごとの位置
を測定するために、切換え手段19を設け、制御対象と
なる受光器15を切り換えている。FIG. 4 shows a feedback control system using the output value of the light receiver 15 as a control amount. In this feedback control system, the light receiver 15 detects the amount of laser light received, compares the output value of the received light amount with the target output value, and automatically controls the software servo 17 so that the difference becomes zero. And the wedge prisms 7a and 7b
Operate the rotation angle of. In this feedback control system,
The rotation angles of the wedge prisms 7a and 7b are controlled so that the spot of the laser beam always irradiates the center of the light receiver 15 even if the light receiver 15 provided on the target 5 is displaced. In this way, by performing feedback control of the output value of the light receiver 15, even if the target 5 is displaced, the laser light follows and the target 5 can be constantly irradiated with the laser light. Further, in the present embodiment, in order to measure the position of each of the plurality of targets 5, switching means 19 is provided, and the light receiver 15 to be controlled is switched.
【0041】図3に示したように、ウェッジプリズム7
a,7bの回転角度はエンコーダ9a,9bで検出され
る。この回転角度は計算機18で演算処理され、回転角
度に基づいて目標5の位置が算出される。この位置は自
動的に計算機18のモニタに表示される。As shown in FIG. 3, the wedge prism 7
The rotation angles of a and 7b are detected by encoders 9a and 9b. This rotation angle is calculated by the computer 18, and the position of the target 5 is calculated based on the rotation angle. This position is automatically displayed on the monitor of the computer 18.
【0042】2個のウェッジプリズム7a,7bそれぞ
れの回転角から、組み合わせた場合の目標5の合成変位
(X0,Y0)、合成偏角δTおよび合成偏向方向ψT
の算出方法について説明する。From the rotation angles of the two wedge prisms 7a and 7b, the combined displacement (X0, Y0), combined deflection angle δT, and combined deflection direction ΔT of the target 5 when combined are obtained.
The calculation method of will be described.
【0043】図5は、組み合わせたウェッジプリズム♯
1,2の主断面を示すものである。ウェッジプリズム
1,2は、頂角(ウェッジ角)wの小さな薄い略円筒状
のプリズムレンズである。ウェッジプリズム1のみでレ
ーザ光を偏向する場合、ウェッジプリズム1の第1面に
レーザ光が垂直に入射するとして、ウェッジプリズム1
の偏角δとウェッジ角wの関係は以下の一般式で表され
る。FIG. 5 shows the combined wedge prism ♯.
1 shows a main cross section of Nos. 1 and 2. The wedge prisms 1 and 2 are thin, substantially cylindrical prism lenses having a small apex angle (wedge angle) w. When the laser light is deflected only by the wedge prism 1, it is assumed that the laser light is vertically incident on the first surface of the wedge prism 1.
Is represented by the following general formula.
【0044】[0044]
【式1】 (Equation 1)
【0045】wが微少であるとすると δ≒(n−1)w ここで、nは屈折率である。Assuming that w is minute, δ ≒ (n−1) w where n is the refractive index.
【0046】組み合わせた2つのウェッジプリズム1,
2は同じ材質で、しかも同じウェッジ頂角wを有する。
一対のウェッジプリズム1,2は中心線の回りをそれぞ
れ独立に回転し、レーザー光はこの中心線上から入射す
る。2つのウェッジプリズム1,2を傾斜面37が平行
になるように近接配置すると、ウェッジプリズム1,2
を通過したレーザ光は、平行なガラスを通過するのと同
様に直進する。一方、ウェッジプリズム1,2を中心線
の回りに別々に回転することによって、所定の尖った円
錐体内部の任意の方向にレーザー光を偏向することがで
きる。The two combined wedge prisms 1,
2 are of the same material and have the same wedge apex angle w.
The pair of wedge prisms 1 and 2 independently rotate around the center line, and the laser beam enters from the center line. When the two wedge prisms 1 and 2 are arranged close to each other so that the inclined surface 37 is parallel, the wedge prisms 1 and 2 are
The laser beam that has passed through goes straight as if it passes through parallel glass. On the other hand, by separately rotating the wedge prisms 1 and 2 around the center line, the laser light can be deflected in an arbitrary direction inside a predetermined sharp cone.
【0047】図6は、ウェッジプリズム1,2によるレ
ーザ光の屈折を座標系で示したものである。ここで、入
射レーザ光の光路上、すなわちウェッジプリズム1,2
の中心線上にZ軸をとり、ウェッジプリズム1,2の中
心線に直交する平面にXY平面をとっている。また、X
Y平面においては、水平方向にX軸をとり、垂直方向に
Y軸をとっている。この図に示すように、ウェッジプリ
ズム1,2の中心線上にレーザ光を入射すると、ウェッ
ジプリズム1がレーザ光を偏向し、ウェッジプリズム2
がさらにレーザ光を偏向する。ここで、ウェッジプリズ
ム1の偏角をδ1,偏光方向をψ1、ウェッジプリズム
2の偏角をδ2、偏向方向をψ2とする。ウェッジプリ
ズム1,2の偏光方向ψ1,ψ2は、偏向方向がXZ平
面上に位置する場合を0度とし、この位置からの角度を
ψ1,ψ2で表している。この偏向方向ψ1,ψ2は、
ウェッジプリズム1,2それぞれの回転角ψ1,ψ2か
ら取得される。各ウェッジプリズム1,2の一番厚いと
ころと一番薄いところを結んだ線が水平となる場合(X
Z平面に位置する場合)を0度とし、この位置からの角
度がψ1,ψ2で表される。FIG. 6 shows the refraction of laser light by the wedge prisms 1 and 2 in a coordinate system. Here, on the optical path of the incident laser light, that is, the wedge prisms 1 and 2
Are taken on the Z axis, and the XY plane is taken on a plane orthogonal to the center lines of the wedge prisms 1 and 2. Also, X
In the Y plane, the X axis is taken in the horizontal direction and the Y axis is taken in the vertical direction. As shown in this figure, when laser light is incident on the center line of the wedge prisms 1 and 2, the wedge prism 1 deflects the laser light and the wedge prism 2
Further deflects the laser light. Here, the declination of the wedge prism 1 is δ1, the polarization direction is ψ1, the declination of the wedge prism 2 is δ2, and the deflection direction is ψ2. The polarization directions ψ1 and ψ2 of the wedge prisms 1 and 2 are 0 degrees when the deflection direction is located on the XZ plane, and the angles from this position are represented by ψ1 and ψ2. The deflection directions ψ1 and ψ2 are
It is obtained from the rotation angles ψ1 and ψ2 of the wedge prisms 1 and 2, respectively. When the line connecting the thickest part and the thinnest part of each wedge prism 1 and 2 is horizontal (X
Is set to 0 degrees, and angles from this position are represented by ψ1 and ψ2.
【0048】ウェッジプリズム1,2それぞれの偏角δ
1,δ2、エンコーダにより取得されたウェッジプリズ
ム1,2それぞれの回転角ψ1,ψ2、角度測定手段か
ら測定された距離Lは、計算機18に入力され、組み合
わせた場合の合成変位(X0,Y0)は計算機18で算
出される。The deflection angle δ of each of the wedge prisms 1 and 2
1, δ2, the rotation angles ψ1, ψ2 of each of the wedge prisms 1 and 2 obtained by the encoder, and the distance L measured by the angle measuring means are input to the computer 18 and combined displacement (X0, Y0) when combined. Is calculated by the computer 18.
【0049】ここで、ウェッジ頂角wが微少であること
から、計算を簡単にするためにδ1,δ2ともに微少と
し、しかも、ウェッジプリズム1とウェッジプリズム2
は接近しているものとする。そして、本実施形態におい
て、ウェッジプリズム1のみの場合の偏向ベクトル(偏
角δ1,偏向方向ψ1)、およびウェッジプリズム2の
みの場合の偏向ベクトル(偏角δ2,偏向方向ψ2)を
XY座標系でベクトル表示し、両者のベクトルを合算し
て、合成変位(X0,Y0)、合成偏角δTおよび合成
偏向方向ψTを算出する。なお、異なる偏角のウェッジ
プリズム1,2を使用する場合は、計算機18のメモリ
に複数の偏角が記憶される。Here, since the wedge apex angle w is very small, both δ1 and δ2 are made small to simplify the calculation, and the wedge prism 1 and the wedge prism 2
Shall be approaching. In the present embodiment, the deflection vector (deflection angle δ1, deflection direction ψ1) when only the wedge prism 1 is used and the deflection vector (deflection angle δ2, deflection direction ψ2) when only the wedge prism 2 is used are expressed in the XY coordinate system. Vectors are displayed, and the two vectors are added to calculate a combined displacement (X0, Y0), a combined deflection angle δT, and a combined deflection direction ΔT. When the wedge prisms 1 and 2 having different declinations are used, a plurality of declinations are stored in the memory of the computer 18.
【0050】図7(a)はウェッジプリズム1による偏
向ベクトルを示したもので、図7(b)はウェッジプリ
ズム2による偏向ベクトルを示したものである。この図
(a)からウェッジプリズム1に関して以下の計算式が
成立する。FIG. 7A shows a deflection vector by the wedge prism 1 and FIG. 7B shows a deflection vector by the wedge prism 2. From this figure (a), the following formula is established for the wedge prism 1.
【0051】[0051]
【式2】 (Equation 2)
【0052】また、ウェッジプリズム2に関しても同様
に以下の計算式が成立する。The following formula is similarly established for the wedge prism 2 as well.
【0053】[0053]
【式3】 (Equation 3)
【0054】式2および式3からウェッジプリズム1と
ウェッジプリズム2を合算した場合の偏向ベクトルのX
方向の合成成分δTXは、以下の式4で表される。From Expressions 2 and 3, X of the deflection vector when wedge prism 1 and wedge prism 2 are summed up
The combined component δTX in the direction is represented by the following Expression 4.
【0055】[0055]
【式4】 (Equation 4)
【0056】同様に、Y方向の合成成分δTYは、以下
の式5で表される。Similarly, the combined component δTY in the Y direction is represented by the following equation (5).
【0057】[0057]
【式5】 (Equation 5)
【0058】プリズムユニットから距離Lの位置におけ
るXY平面上でのビーム照射位置(X0,Y0)は、X
0=L×δTX、Y0=L×δTYによって算出され
る。The beam irradiation position (X0, Y0) on the XY plane at a distance L from the prism unit is X
0 = L × δTX, Y0 = L × δTY.
【0059】また、合成偏角δT、合成偏向方向ψTは
以下の式6で表される。The combined deflection angle δT and the combined deflection direction ΔT are expressed by the following equation (6).
【0060】[0060]
【式6】 (Equation 6)
【0061】ここで、ウェッジプリズム2個の差角Δψ
をΔψ=ψ1−ψ2とすると、δTは以下の式7で表さ
れる。Here, the difference angle Δψ between the two wedge prisms
Is Δψ = ψ1-ψ2, δT is expressed by the following equation 7.
【0062】[0062]
【式7】 Equation 7
【0063】式7から合成偏角δTは差角のみの関数で
あることがわかる。また、これらの計算式を用いること
で、2個のウェッジプリズムそれぞれの回転角から、組
み合わせた場合の合成変位(X0,Y0)、合成偏角δ
Tおよび合成偏向方向ψTを簡単に算出することができ
る。From Equation 7, it can be seen that the composite argument δT is a function of only the difference angle. Further, by using these formulas, the combined displacement (X0, Y0) and the combined declination δ when combined from the rotation angles of the two wedge prisms.
T and the combined deflection direction ΔT can be easily calculated.
【0064】ソフトウェアサーボ17は、上述のよう
に、プリズム式光路制御装置3で偏向したレーザー光が
自動的に受光器15の中心にくるようにウェッジプリズ
ム1,2の回転角度を操作している。The software servo 17 controls the rotation angles of the wedge prisms 1 and 2 so that the laser beam deflected by the prism type optical path control device 3 automatically comes to the center of the light receiver 15 as described above. .
【0065】ソフトウェアサーボ17のアルゴリズムに
ついて説明する。このソフトウェアサーボ17は、レー
ザー光が受光器15の中心を照射するように受光器15
の出力値をフィードバックし、ウェッジプリズム1,2
の回転角度を操作している。The algorithm of the software servo 17 will be described. The software servo 17 controls the laser receiver 15 so that the laser beam irradiates the center of the receiver 15.
Of the wedge prisms 1, 2
Is operating the rotation angle of.
【0066】図8は、アルゴリズムのフローチャートを
示す。まず、受光器15からの入力レベルがe1以上で
あるか否かを判断する(ステップS1)。受光器15が
中心から+X,−X,+Y,−Yの4方向に延びる4つ
の光電センサを組み合わせた2軸光電センサの場合、レ
ーザー光が中心にあれば出力値が0に近くなる。受光器
15からの入力レベル<e1の場合は、レーザー光が受
光器15の中心にあるとして、ウェッジプリズム1,2
の回転角を操作しない。受光器15からの入力レベル≧
e1の場合は、レーザー光が受光器15の中心にないと
して、中心にくるように以下のようにウェッジプリズム
1,2の回転角を操作する。FIG. 8 shows a flowchart of the algorithm. First, it is determined whether or not the input level from the light receiver 15 is equal to or higher than e1 (step S1). In the case where the photodetector 15 is a two-axis photoelectric sensor combining four photoelectric sensors extending in four directions of + X, -X, + Y, and -Y from the center, the output value is close to 0 when the laser beam is at the center. If the input level from the light receiver 15 <e1, it is determined that the laser beam is at the center of the light receiver 15 and the wedge prisms 1 and 2
Do not change the rotation angle of. Input level from light receiver 15 ≧
In the case of e1, assuming that the laser beam is not at the center of the light receiver 15, the rotation angles of the wedge prisms 1 and 2 are manipulated so as to be centered as follows.
【0067】図9および図10に示すように、まず、受
光器15の中心Oを始点とし、照射位置Qを終点とする
第一の位置ベクトルとしてのv1ベクトルを検出する。
すなわち、中心Oを原点とした受光器座標系で、受光器
の出力値から変位(X1,Y1)を検出する(ステップ
S2)。そして、計算式θ1=tan-1(Y1/X1)
からv1ベクトルの方向θ1を算出する。次に、一対の
ウェッジプリズムの中心線を延長した線と受光器との交
点Pを始点とし、照射位置Qを終点とする第二の位置ベ
クトルとしてのv0ベクトルを一対のウェッジプリズム
1,2の回転角から算出する(ステップS3)。プリズ
ム座標系のv0ベクトルのX方向成分、Y方向成分それ
ぞれのX0,Y0は、上述の式5から、X0=δTX×
L,Y0=δTY×Lと算出される。そして、v0ベク
トルの方向ψTを上述の式6から算出する。ここで、プ
リズム座標系は、プリズムユニット6からプリズム中心
線を延長して受光器15上の平面と交差する交点Pを原
点とした座標系をいい、受光器座標系は受光器15の中
心Oを原点とした座標系をいう。As shown in FIGS. 9 and 10, first, a v1 vector is detected as a first position vector starting from the center O of the light receiver 15 and ending at the irradiation position Q.
That is, the displacement (X1, Y1) is detected from the output value of the light receiver in the light receiver coordinate system with the center O as the origin (step S2). Then, the calculation formula θ1 = tan −1 (Y1 / X1)
, The direction θ1 of the v1 vector is calculated. Next, a v0 vector as a second position vector having a point of intersection P between the line extending the center line of the pair of wedge prisms and the light receiver as a start point and an irradiation position Q as an end point is used as a pair of wedge prisms 1 and 2. It is calculated from the rotation angle (step S3). X0 and Y0 of the X-direction component and the Y-direction component of the v0 vector of the prism coordinate system are given by X0 = δTX ×
L, Y0 = δTY × L is calculated. Then, the direction ΔT of the v0 vector is calculated from Expression 6 described above. Here, the prism coordinate system refers to a coordinate system having the origin at the intersection P intersecting the plane on the light receiver 15 by extending the prism center line from the prism unit 6, and the light receiver coordinate system is the center O of the light receiver 15. Means a coordinate system with the origin as.
【0068】レーザー光が受光器15の中心Oを照射す
るためには、v1ベクトルが0となればよい。受光器1
5の精度が高く、座標X1,Y1が高精度に得られる
と、このX1,Y1に基づいて、受光器15の中心Oに
照射位置がくるようにウェッジプリズム1,2の回転角
度を決定すればよいが、一般に受光器15の精度はそれ
ほど高くないので、以下のような段階的に受光器15の
中心Oに照射位置Qを近づける処理が必要になる。近づ
け方としては、v0ベクトルとv1ベクトルの平面極座
標での変位(r,ψ)を比較し、まず方向ψを一致さ
せ、次にv1ベクトルの絶対値|r|を0とする方法が
採られる。In order for the laser light to irradiate the center O of the light receiver 15, the v1 vector only needs to be 0. Receiver 1
5 and the coordinates X1 and Y1 are obtained with high precision, the rotation angles of the wedge prisms 1 and 2 are determined based on the coordinates X1 and Y1 so that the irradiation position is located at the center O of the light receiver 15. However, since the accuracy of the light receiver 15 is generally not so high, it is necessary to perform a process for bringing the irradiation position Q closer to the center O of the light receiver 15 in the following steps. As a method of approach, a method of comparing displacements (r, ψ) of the v0 vector and the v1 vector in plane polar coordinates, first matching the direction ψ, and then setting the absolute value | r | of the v1 vector to 0 is adopted. .
【0069】まず、v0ベクトルの方向ψTとv1ベク
トルの方向θ1を比較し、一致する方向に差角Δψを一
定に保ったままウェッジプリズム2枚を同時に回し、ψ
Tを変える(ステップS4)。図11に示すように、2
つのウェッジプリズム1,2の差角Δψを一定に保った
まま2枚のウェッジプリズム1,2を同時に回すと、照
射位置Qは、v0ベクトルの絶対値を一定にしたまま、
原点Pを中心とした円状の軌跡を描く。ψTとθ1との
象限、および角度が等しくなるまで(図中2点鎖線の位
置から実線の位置まで)2枚のウェッジプリズム1,2
を同時に回すと、平面極座標での角度ψが一致し、v1
ベクトルとv0ベクトルとが重なる。ここで、ウェッジ
プリズム1,2の1回の回転量は振動しないように、差
の例えば1/2とされる。First, the direction ΔT of the v0 vector is compared with the direction θ1 of the v1 vector, and two wedge prisms are simultaneously rotated while keeping the difference angle Δψ constant in the matching direction.
T is changed (step S4). As shown in FIG.
When the two wedge prisms 1 and 2 are simultaneously turned while the difference angle Δψ between the two wedge prisms 1 and 2 is kept constant, the irradiation position Q becomes constant with the absolute value of the v0 vector kept constant.
Draw a circular locus about the origin P. Two wedge prisms 1 and 2 until the quadrants and angles of ψT and θ1 become equal (from the position indicated by the two-dot chain line to the position indicated by the solid line in the figure)
Are simultaneously turned, the angles ψ in the plane polar coordinates match, and v1
The vector and the v0 vector overlap. Here, the amount of one rotation of the wedge prisms 1 and 2 is set to, for example, の of the difference so as not to vibrate.
【0070】次に、|v1|と|v0|を比較し、ψT
を一定に保ったまま、|v1|が0となるように差角Δ
ψを変化する。図12に示すように、2枚のウェッジプ
リズムを相反する方向へ同じ量回転すると、照射位置Q
は交点Pを通る略直線状の軌跡を描き、v0ベクトルは
ψTを略一定に保ったまま絶対値を変化する。この図に
示すように、2枚のウェッジプリズムの差角Δψを|v
1|が0となるように変化させると、v0ベクトルの絶
対値が図中2点鎖線の位置から実線の位置まで変化し、
照射位置Qが受光器の中心Oに移動する。|v1|と|
v0|を比較することによって、|v1|が0となるよ
うに、差角Δψを大きくするのか、小さくするのかを知
ることができる。ここで、|v1|=√(X12+Y
12),|v0|=L√(δTX2+δTY2)で表され
る。なお、差角Δψの1回の変化量は、振動しないよう
に差の例えば1/2とされる。Next, | v1 | is compared with | v0 |
With the angle kept constant, the difference angle Δ is set so that | v1 |
ψ changes. As shown in FIG. 12, when the two wedge prisms are rotated by the same amount in opposite directions, the irradiation position Q
Draws a substantially linear trajectory passing through the intersection P, and the v0 vector changes its absolute value while keeping ΔT substantially constant. As shown in this figure, the difference angle Δψ between two wedge prisms is | v
When 1 | is changed to 0, the absolute value of the v0 vector changes from the position indicated by the two-dot chain line to the position indicated by the solid line in FIG.
The irradiation position Q moves to the center O of the light receiver. | V1 | and |
By comparing v0 |, it is possible to know whether to increase or decrease the difference angle Δψ so that | v1 | Here, | v1 | = √ (X1 2 + Y
1 2 ), | v0 | = L√ (δTX 2 + δTY 2 ). The amount of change of the difference angle Δψ at one time is set to, for example, の of the difference so as not to vibrate.
【0071】次に、図8に示すステップS5での差角Δ
ψの変化量が例えば10″以下であるか否かを判断する
(ステップS6)。10″以下であれば、レーザー光が
受光器15の中心Oを照射しているとして、スタートに
戻る。10″以下でなければ、ステップ2〜ステップ5
を繰り返し、再びv1ベクトルが0になるようにウェッ
ジプリズム1,2の回転角度を操作する。Next, at step S5 shown in FIG.
It is determined whether or not the change amount of ψ is, for example, 10 ″ or less (step S6). If it is 10 ″ or less, it is determined that the laser beam is irradiating the center O of the light receiver 15 and the process returns to the start. If not less than 10 ″, step 2 to step 5
Are repeated, and the rotation angles of the wedge prisms 1 and 2 are operated so that the v1 vector becomes 0 again.
【0072】このように、ウェッジプリズムの回転角度
を操作することで、照射位置Qを受光器15の中心Oに
もっていくことができる。また、このときのプリズム座
標系での照射位置9の変位(X0,Y0)を、計算機1
8を用いてX0=δTX×L,Y0=δTY×Lから算
出すれば受光器15の中心Oの変位を知ることができ
る。As described above, the irradiation position Q can be brought to the center O of the light receiver 15 by operating the rotation angle of the wedge prism. The displacement (X0, Y0) of the irradiation position 9 in the prism coordinate system at this time is calculated by the computer 1.
8, the displacement of the center O of the light receiver 15 can be known by calculating from X0 = δTX × L and Y0 = δTY × L.
【0073】また、測距儀等の距離測定手段20を設
け、ウェッジプリズム7a,7bを設置したポイントと
目標5が設置されているポイント間の距離を測定しても
よい。距離測定手段20を設けることで、目標5の3次
元的な位置を測定することができる。なお、この距離測
定手段20を投光系と受光系とで構成し、受光系の出力
値を公知の計測回路に入力して目標5までの距離を検出
してもよいし、受光器で波長の異なる複数のレーザー光
を受信したときの位相差から距離してもよい。Further, a distance measuring means 20 such as a range finder may be provided to measure the distance between the point where the wedge prisms 7a and 7b are installed and the point where the target 5 is installed. By providing the distance measuring means 20, a three-dimensional position of the target 5 can be measured. The distance measuring means 20 may be composed of a light projecting system and a light receiving system, and the output value of the light receiving system may be input to a known measuring circuit to detect the distance to the target 5, or the wavelength of the wavelength may be detected by the light receiving device. The distance may be based on the phase difference when a plurality of different laser beams are received.
【0074】上述のように計測システムを構成すること
で、岩盤等に目標5としての受光器15を設置し、この
目標5を追尾して、目標5の相対的な変位を3次元的に
測定することができる。また、プリズム式光路制御装置
3でレーザー光を屈折することで、視野を広げても目標
5を高精度に測定することができる。By configuring the measurement system as described above, the light receiver 15 as the target 5 is installed on the rock or the like, and the target 5 is tracked, and the relative displacement of the target 5 is measured three-dimensionally. can do. Further, by refracting the laser beam by the prism type optical path control device 3, the target 5 can be measured with high accuracy even if the field of view is widened.
【0075】次に、レーザービーム発射機16等の光学
機器4に取付けられたプリズム式光路制御装置3が微少
移動したときに、測定精度に与える影響について説明す
る。プリズム式光路制御装置3は、3次元の空間で移動
するので、X,Y,Z3軸方向へ平行移動する3自由度
と、回転系のローリング、ピッチング、ヨーイングの3
自由度とで、計6自由度有する。ここで、ローリング
は、ウェッジプリズム7a,7bを回転させることにな
り、屈折角度が変化し、測定精度に影響を与えるが、平
行移動やピッチング、ヨーイングは、レンズと異なり、
屈折角度がほとんど変化することがなく、測定精度に影
響を与えることがない。このため、レンズを用いた場合
に比べ、プリズム式光路制御装置3をラフに光学機器4
に取り付けることができる。Next, the effect on the measurement accuracy when the prism type optical path control device 3 attached to the optical device 4 such as the laser beam emitting device 16 moves slightly will be described. Since the prism-type optical path control device 3 moves in a three-dimensional space, it has three degrees of freedom to translate in the X, Y, and Z axes, and three types of rolling, pitching, and yawing of a rotating system.
It has a total of 6 degrees of freedom. Here, the rolling causes the wedge prisms 7a and 7b to rotate, which changes the refraction angle and affects the measurement accuracy. However, the translation, pitching, and yawing are different from the lens.
The refraction angle hardly changes and does not affect the measurement accuracy. For this reason, the prism type optical path control device 3 is roughly
Can be attached to
【0076】図13は、本発明の第2実施形態における
計測システムのシステム構成図を示したものである。こ
の計測システムは、目標5に設けられたペンシルライト
のような点光源23と、目標5の視覚情報を検出する撮
影素子としてのCCDカメラ24と、目標5から発光さ
れる光を屈折するプリズム式光路制御装置3と、目標5
が視野に入るようにプリズム式光路制御装置3を操作す
るソフトウェアサーボ25と、目標5の位置を演算する
計算機26と、で構成される。プリズム式光路制御装置
3は、上述したように、一対のウェッジプリズム7a,
7bと、この一対のウェッジプリズム7a,7bそれぞ
れを回転させるモータ8a,8bと、ウェッジプリズム
7a,7bそれぞれの回転角を検出するエンコーダ9
a,9bとで構成される。計測システムは、例えばトン
ネル等の夜間変位、あるいは沈下を測定するのに用いら
れ、目標5としての点光源23から発光する光をプリズ
ム式光路制御装置3で屈折し、撮影素子としてのCCD
カメラ24でパターン認識し、この認識値およびエンコ
ーダ9a,9bの検出値から目標5の位置を算出する。FIG. 13 shows a system configuration diagram of a measurement system according to the second embodiment of the present invention. This measuring system includes a point light source 23 such as a pencil light provided on the target 5, a CCD camera 24 as a photographing element for detecting visual information of the target 5, and a prism type for refracting light emitted from the target 5. Optical path control device 3 and target 5
A software servo 25 that operates the prism type optical path control device 3 so that the target enters the field of view, and a computer 26 that calculates the position of the target 5. As described above, the prism type optical path control device 3 includes a pair of wedge prisms 7a,
7b, motors 8a and 8b for rotating the pair of wedge prisms 7a and 7b, and an encoder 9 for detecting the rotation angle of each of the wedge prisms 7a and 7b.
a, 9b. The measurement system is used for measuring, for example, nighttime displacement or subsidence of a tunnel or the like. Light emitted from a point light source 23 as a target 5 is refracted by a prism type optical path control device 3, and a CCD as a photographing element is used.
The pattern recognition is performed by the camera 24, and the position of the target 5 is calculated from the recognition value and the detection values of the encoders 9a and 9b.
【0077】一般に、1000×1000画素のCCD
カメラで1mの視野を検出すると、1m/1000=1
mmの精度で目標5を検出することができる。しかし、
視野を10mと広げると、精度は10m/1000=1
cmとなってしまう。これに対し、本発明のプリズム式
光路制御装置を用いることにより、直径1mの視野を動
かすことにより、精度は1mmのままで視野を直径10
mまで広げることができる。このように、プリズム式光
路制御装置3で視野を移動することによって、CCDカ
メラ24の測定精度を保ったまま、視野を広げることが
できる。なお、この計測システムにおいて、あらかじめ
複数の目標5の概略位置がソフトウェアサーボ25に入
力され、目標5が認識できるようにCCDカメラ24の
視野が移動している。また、必要に応じて、この計測シ
ステムに測距儀等の距離測定手段27を設けることで目
標5の3次元的な位置も測定できる。Generally, a CCD of 1000 × 1000 pixels
When the camera detects a field of view of 1m, 1m / 1000 = 1
The target 5 can be detected with an accuracy of mm. But,
If the field of view is expanded to 10m, the accuracy will be 10m / 1000 = 1
cm. On the other hand, by using the prism type optical path control device of the present invention, by moving the field of view of 1 m in diameter, the field of view of 10 mm in diameter can be maintained while maintaining the accuracy of 1 mm.
m. As described above, by moving the field of view by the prism type optical path control device 3, it is possible to widen the field of view while maintaining the measurement accuracy of the CCD camera 24. In this measurement system, the approximate positions of a plurality of targets 5 are input to the software servo 25 in advance, and the field of view of the CCD camera 24 moves so that the targets 5 can be recognized. Also, if necessary, a three-dimensional position of the target 5 can be measured by providing a distance measuring means 27 such as a range finder to the measuring system.
【0078】また、この計測システムでは、夜間でも計
測できるように目標5に点光源23を設けたが、点光源
23に限られることなく、マーカーを設けてもよい。マ
ーカーから反射される自然光をCCDカメラで認識する
ことで、目標5の位置を算出する。In this measurement system, the point light source 23 is provided on the target 5 so that measurement can be performed even at night. However, the present invention is not limited to the point light source 23, and a marker may be provided. The position of the target 5 is calculated by recognizing the natural light reflected from the marker with the CCD camera.
【0079】さらに、撮影素子としてのCCDカメラ2
4の代わりに、CCDビデオカメラを設けることで、目
標5の動的変位も測定することができる。例えば、杭の
打撃試験において、杭にマーカーを取り付け、杭のリバ
ウンドを測定することで、杭が打ち込まれた地盤の支持
力を解析し、杭が所定の支持基盤まで打ち込まれたかど
うかを知ることができる。なお、CCDビデオカメラで
は最大30Hz程度の動的測定が可能である。目標5に
マーカー等の標識を設けないで、CCDカメラやCCD
ビデオカメラで斜面や岩盤の変位を測定することもでき
る。Further, a CCD camera 2 as a photographing element
By providing a CCD video camera instead of 4, the dynamic displacement of the target 5 can also be measured. For example, in a pile impact test, attach a marker to the pile and measure the rebound of the pile, analyze the bearing capacity of the ground where the pile was driven, and find out whether the pile was driven to the specified support base Can be. Note that a CCD video camera can perform dynamic measurement at a maximum of about 30 Hz. A target such as a CCD camera or CCD without a marker
Video cameras can also measure slope and rock displacement.
【0080】また、撮影素子として盗難防止用監視カメ
ラを用いてもよい。屈折角の大きいウェッジプリズムを
用いると、プリズム式光路制御装置3が自然光を屈折し
て視野を広げるので、カメラ自体の回転機構を有するこ
となく、広範囲を監視することができる。Further, a surveillance camera for preventing theft may be used as a photographing element. When a wedge prism having a large refraction angle is used, the prism type optical path control device 3 refracts natural light to widen the field of view, so that a wide range can be monitored without having a rotation mechanism of the camera itself.
【0081】[0081]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
組み合わせた一対のウェッジプリズムを回転すること
で、プリズムのウェッジ角度に応じて光路が任意の方向
に屈折する。この光路の屈折角はウェッジプリズムの回
転角を操作することで、精密に制御される。このよう
に、光路を屈折して目標を測定すると、簡単な構成で、
視野を広げて目標を測定することができ、しかも、視野
を広げても測定精度が落ちることがない計測システムが
得られる。As described above, according to the present invention,
By rotating the paired wedge prisms, the optical path is refracted in an arbitrary direction according to the wedge angle of the prisms. The refraction angle of this optical path is precisely controlled by manipulating the rotation angle of the wedge prism. In this way, refracting the optical path and measuring the target, with a simple configuration,
It is possible to obtain a measurement system in which a target can be measured with a wide field of view and the measurement accuracy does not decrease even if the field of view is widened.
【図1】本発明の一実施形態におけるプリズム式光路制
御装置を示す断面図。FIG. 1 is a sectional view showing a prism type optical path control device according to an embodiment of the present invention.
【図2】ウェッジプリズムを示す断面図(図中(a)は
ウェッジプリズムが1個の場合を示し、図中(b)は入
射光線を直進するウェッジプリズムの組み合わせを示
し、図中(c)は入射光線を最大に屈折させるウェッジ
プリズムの組み合わせを示す。)FIG. 2 is a cross-sectional view showing a wedge prism ((a) in the figure shows a case where there is one wedge prism, (b) in the figure shows a combination of wedge prisms that travel incident light straight, and (c) in the figure) Indicates a combination of wedge prisms that refract incident light rays to the maximum.)
【図3】本発明の第1の実施形態における計測システム
を示すシステム構成図。FIG. 3 is a system configuration diagram showing a measurement system according to the first embodiment of the present invention.
【図4】図3のソフトウェアサーボのフィードバック制
御系を示した図。FIG. 4 is a diagram showing a feedback control system of the software servo shown in FIG. 3;
【図5】組み合わせたウェッジプリズムを示す断面図。FIG. 5 is a sectional view showing a combined wedge prism.
【図6】ビームの偏向をXYZ座標系で示す図。FIG. 6 is a diagram illustrating deflection of a beam in an XYZ coordinate system.
【図7】偏向ベクトルを示す図(図中(a)はプリズム
1を示し、図中(b)はプリズム2を示す。)FIG. 7 is a view showing a deflection vector ((a) in the figure shows a prism 1, and (b) in the figure shows a prism 2).
【図8】ソフトウェアサーボのアルゴリズムを示すフロ
ーチャート。FIG. 8 is a flowchart showing an algorithm of software servo.
【図9】受光器上でのレーザー光の照射位置を示す図。FIG. 9 is a diagram showing an irradiation position of laser light on a light receiver.
【図10】プリズム座標系と受光器座標系を示す図。FIG. 10 is a diagram showing a prism coordinate system and a light receiver coordinate system.
【図11】プリズム座標系と受光器座標系を示す図。FIG. 11 is a diagram showing a prism coordinate system and a light receiver coordinate system.
【図12】プリズム座標系と受光器座標系を示す図。FIG. 12 is a diagram showing a prism coordinate system and a light receiver coordinate system.
【図13】本発明の第2の実施形態における計測システ
ムを示すシステム構成図。FIG. 13 is a system configuration diagram showing a measurement system according to a second embodiment of the present invention.
【図14】従来のトータルステーションを示す概略図。FIG. 14 is a schematic view showing a conventional total station.
5 目標 7a,7b ウェッジプリズム 8a,8b モータ(駆動手段) 9a,9b エンコーダ(角度検出手段) 15 受光器 16 レーザービーム発射機(レーザー発光手段) 20,27 距離測定手段 24 CCDカメラ(撮像素子) 18,26 計算機 5 Target 7a, 7b Wedge prism 8a, 8b Motor (driving means) 9a, 9b Encoder (angle detecting means) 15 Light receiver 16 Laser beam emitting device (laser emitting means) 20, 27 Distance measuring means 24 CCD camera (imaging element) 18,26 Computer
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G03B 5/00 G03B 5/00 Z H04N 5/225 H04N 5/225 C D ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI Theme coat ゛ (Reference) G03B 5/00 G03B 5/00 Z H04N 5/225 H04N 5/225 CD
Claims (11)
テムであって、 回転自在に設けられた一対のウェッジプリズムと、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
の駆動手段と、前記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と、を備えること
を特徴とする計測システム。1. A measurement system for measuring a target by refracting an optical path, comprising: a pair of rotatably provided wedge prisms; a pair of driving means for individually rotating each of the pair of wedge prisms; A measurement system comprising: a pair of angle detection means for detecting a rotation angle of each of a pair of wedge prisms.
ー光を照射するレーザー発光手段と、前記目標に設けら
れ、屈折された前記レーザー光が照射される受光器とを
備えることを特徴とする請求項1に記載の計測システ
ム。2. The system according to claim 1, wherein the measurement system includes a laser light emitting unit that irradiates the target with laser light, and a light receiver provided on the target and irradiated with the refracted laser light. Item 2. The measurement system according to Item 1.
して、前記レーザー光が前記受光器を照射するように前
記受光器の出力値をフィードバック制御することを特徴
とする請求項2に記載の計測システム。3. The measurement according to claim 2, wherein an output value of the light receiver is feedback-controlled by operating a rotation angle of the wedge prism so that the laser light irradiates the light receiver. system.
記目標の位置を演算する計算機を設けたことを特徴とす
る請求項2または3に記載の計測システム。4. The measurement system according to claim 2, further comprising a calculator that calculates the position of the target based on a value detected by the angle detection unit.
定手段を備えることを特徴とする2ないし4のいずれか
に記載の計測システム。5. The measurement system according to claim 2, further comprising a distance measurement unit that measures a distance to the light receiver.
前記目標から発光される光を屈折するプリズム式光路制
御装置とを備えることを特徴とする計測システム。6. An image sensor for detecting visual information of a target,
A measurement system, comprising: a prism type optical path control device that refracts light emitted from the target.
在に設けられた一対のウェッジプリズムと、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
手段と、前記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と、を備えることを特徴
とする請求項6に記載の計測システム。7. A pair of wedge prisms rotatably provided, a pair of driving means for individually rotating each of the pair of wedge prisms, and a rotation of each of the pair of wedge prisms. The measuring system according to claim 6, further comprising a pair of angle detecting means for detecting an angle.
検出値に基づいて前記目標の位置を演算する計算機を設
けたことを特徴とする請求項7に記載の計測システム。8. The measurement system according to claim 7, further comprising a calculator that calculates the position of the target based on the visual information and a detection value of the angle detection unit.
CCDビデオカメラであることを特徴とする請求項6な
いし8のいずれかに記載の計測システム。9. The measuring system according to claim 6, wherein the photographing element is a CCD camera or a CCD video camera.
とを特徴とする請求項6または7に記載の計測システ
ム。10. The measurement system according to claim 6, wherein the imaging element is a monitoring camera.
プリズムと、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と、前記一対のウェッジプ
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
と、を備えることを特徴とするプリズム式光路制御装
置。11. A pair of rotatably provided wedge prisms, a pair of driving means for individually rotating the pair of wedge prisms, and a pair of angle detection for detecting a rotation angle of each of the pair of wedge prisms. Means, comprising: a prism-type optical path control device;
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