JP6777987B2 - 測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、簡便に測定対象物のデータを取得可能な測定装置に関するものである。

測定対象物の３次元座標を測定する為の測定機として、例えばトータルステーションがある。従来のトータルステーションには、自動で視準を行う為のモータを有するものもあり、測定位置に設置した後、自動で測定対象物を視準し、測定を行える様になっている。

然し乍ら、従来のトータルステーションの場合、１点視準となっている為、複数ヶ所の測定対象物を測定する為には、測定毎に毎回視準位置を変えて測定対象物を視準し、測定を繰返す必要があった。又、１点毎に視準位置の変更が必要であることから、測定範囲が狭い場合であっても測定に時間が掛っていた。

本発明は、測定時間の短縮を図る測定装置を提供するものである。

本発明は、測距光を発する発光素子と、前記測距光を射出する測距光射出部と、反射測距光を受光する受光部と、前記反射測距光を受光し受光信号を発生する受光素子と、該受光素子からの受光信号に基づき測距を行う測距部と、前記測距光の射出光軸上に配設され、該測距光の光軸を所要の偏角で、所要の方向に偏向する第１光軸偏向部と、受光光軸上に配設され、前記第１光軸偏向部と同一の偏角、方向で前記反射測距光を偏向する第２光軸偏向部と、前記第１光軸偏向部による偏角、偏向方向を検出する射出方向検出部と、前記測距部による測距を制御し、前記測距光及び前記反射測距光の光軸の偏向を制御する制御部と、前記発光素子と前記測距光射出部と前記受光部と前記受光素子と前記測距部と前記第１光軸偏向部と前記第２光軸偏向部と前記射出方向検出部と前記制御部とを収納し、支持部に上下方向及び左右方向に回転可能に支持され、回転駆動部により上下方向及び左右方向に回転される様構成された測定装置本体とを具備し、前記測距光は前記第１光軸偏向部を透して射出され、前記反射測距光は前記第２光軸偏向部を透して前記受光素子に受光される様構成され、前記制御部は前記測距部の測距結果、前記射出方向検出部の検出結果に基づき測定点の３次元データを取得する測定装置に係るものである。

又本発明は、前記測距光射出部は、前記射出光軸を前記受光光軸に合致させる射出光軸偏向部を有し、前記第１光軸偏向部は前記第２光軸偏向部の中心部に設けられ、前記測距光は前記射出光軸偏向部により偏向され、前記第１光軸偏向部を通して射出される測定装置に係るものである。

又本発明は、前記支持部は、前記測定装置本体の上下方向の回転角、左右方向の回転角を検出する検出部を有し、前記制御部は前記検出部の検出結果に基づき、前記第１光軸偏向部の偏向範囲外の測定点を測距できる様前記回転駆動部の駆動を制御する測定装置に係るものである。

又本発明は、前記第１光軸偏向部と前記第２光軸偏向部は、それぞれ重なり合う一対の円形の光学プリズムで構成され、該光学プリズムのそれぞれは独立して回転可能である測定装置に係るものである。

又本発明は、前記第２光軸偏向部は、フレネルプリズムである測定装置に係るものである。

又本発明は、前記測距光の光軸と平行で既知の関係を有する撮像光軸を有する撮像部とを更に具備し、前記第１光軸偏向部により偏向される前記測距光の偏向範囲と、前記撮像部の画角とが一致又は略一致する様構成された測定装置に係るものである。

又本発明は、追尾光を射出する追尾光射出部と、反射追尾光を受光する追尾光受光部と、前記追尾光を受光し受光信号を発する追尾受光素子と、該追尾受光素子からの受光信号に基づき測定対象物を追尾させる追尾部とを更に具備する測定装置に係るものである。

更に又本発明は、前記第１光軸偏向部と前記第２光軸偏向部とをユニット化し、着脱可能とした測定装置に係るものである。

本発明によれば、測距光を発する発光素子と、前記測距光を射出する測距光射出部と、反射測距光を受光する受光部と、前記反射測距光を受光し受光信号を発生する受光素子と、該受光素子からの受光信号に基づき測距を行う測距部と、前記測距光の射出光軸上に配設され、該測距光の光軸を所要の偏角で、所要の方向に偏向する第１光軸偏向部と、受光光軸上に配設され、前記第１光軸偏向部と同一の偏角、方向で前記反射測距光を偏向する第２光軸偏向部と、前記第１光軸偏向部による偏角、偏向方向を検出する射出方向検出部と、前記測距部による測距を制御し、前記測距光及び前記反射測距光の光軸の偏向を制御する制御部と、前記発光素子と前記測距光射出部と前記受光部と前記受光素子と前記測距部と前記第１光軸偏向部と前記第２光軸偏向部と前記射出方向検出部と前記制御部とを収納し、支持部に上下方向及び左右方向に回転可能に支持され、回転駆動部により上下方向及び左右方向に回転される様構成された測定装置本体とを具備し、前記測距光は前記第１光軸偏向部を透して射出され、前記反射測距光は前記第２光軸偏向部を透して前記受光素子に受光される様構成され、前記制御部は前記測距部の測距結果、前記射出方向検出部の検出結果に基づき測定点の３次元データを取得するので、駆動モータを駆動させる必要がなく、測定時間の短縮が図れると共に簡便な構成で任意の位置の３次元データを取得することができるという優れた効果を発揮する。

本発明の第１の実施例に係る測定装置を示す正面図である。 本発明の第１の実施例に係る測定装置の光学系を示す概略図である。 前記光学系の光軸偏向部の拡大図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は前記光軸偏向部の作用を示す説明図である。 （Ａ）（Ｂ）は取得画像と走査軌跡の関係を示す説明図である。 本発明の第２の実施例に係る測定装置を示す正面図である。 本発明の第２の実施例に係る測定装置の光学系を示す概略図である。 本発明の第２の実施例に係る測定装置を示す斜視図である。 本発明の第１の実施例、第２の実施例の変形例を示す光学系の光軸偏向部の拡大図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１、図２に於いて、第１の実施例に係る測定装置１について説明する。

該測定装置１は、例えばトータルステーションであり、例えば水平面に設置される。前記測定装置１は、測定装置本体２、托架部３、台座部４を有している。

前記托架部３は凹部を有する凹字形状であり、凹部に前記測定装置本体２が収納されている。該測定装置本体２は上下回転軸５を介して前記托架部３に支持され、前記上下回転軸５を中心に上下方向に回転自在となっている。

前記上下回転軸５の端部には上下被動ギア６が嵌設されている。該上下被動ギア６は上下駆動ギア７と噛合し、該上下駆動ギア７は上下駆動モータ８の出力軸に固着されている。前記測定装置本体２は、前記上下駆動モータ８により上下方向に回転される様になっている。

又、前記上下回転軸５と前記測定装置本体２との間には、上下角（前記上下回転軸５を中心とした回転方向の角度）を検出する上下回転角検出器９（例えば、エンコーダ）が設けられ、該上下回転角検出器９により、前記測定装置本体２の前記托架部３に対する上下方向の相対回転角が検出される様になっている。

前記托架部３の下面からは、左右回転軸１１が突設され、該左右回転軸１１は軸受（図示せず）を介して前記台座部４に回転自在に嵌合している。前記托架部３は、前記左右回転軸１１を中心に左右方向に回転自在となっている。

該左右回転軸１１と同心に、左右被動ギア１２が前記台座部４に固着されている。前記托架部３には左右駆動モータ１４が設けられ、該左右駆動モータ１４の出力軸に左右駆動ギア１３が固着されている。該左右駆動ギア１３は前記左右被動ギア１２と噛合している。前記托架部３は、前記左右駆動モータ１４により左右方向に回転される様になっている。

又、前記左右回転軸１１と前記台座部４との間には、左右角（前記左右回転軸１１を中心とした回転方向の角度）を検出する左右回転角検出器１５（例えば、エンコーダ）が設けられ、該左右回転角検出器１５により、前記托架部３の前記台座部４に対する左右方向の相対回転角が検出される様になっている。

前記上下駆動モータ８と前記左右駆動モータ１４との協働により、前記測定装置本体２を所望の方向へと向けることができる。前記測定装置１が水平でない平面に設置される場合には、該測定装置１を水平に整準できる様、整準機構を別途設けてもよい。尚、前記托架部３と前記台座部４とにより前記測定装置本体２の支持部が構成される。又、前記上下駆動モータ８と前記左右駆動モータ１４とにより、前記測定装置本体２の回転駆動部が構成される。

前記測定装置本体２内には、測距光射出部１６、受光部１７、測距部１８、撮像部１９、射出方向検出部２１、モータドライバ２２、演算処理部２３、操作部２４、表示部２５が収納され、一体化されている。尚、前記表示部２５をタッチパネルとし、前記操作部２４と兼用させてもよい。

前記測距光射出部１６は射出光軸２６を有し、該射出光軸２６上に発光素子２７、例えばレーザダイオード（ＬＤ）が設けられている。又、前記射出光軸２６上に投光レンズ２８が設けられている。更に、前記射出光軸２６上に設けられた偏向光学部材としての第１反射鏡２９と、受光光軸３１（後述）上に設けられた偏向光学部材としての第２反射鏡３２とによって、前記射出光軸２６は、前記受光光軸３１と合致する様に偏向される。尚、前記第１反射鏡２９と前記第２反射鏡３２とで射出光軸偏向部が構成される。

次に、前記受光部１７について説明する。該受光部１７には、測定対象物からの反射測距光が入射する。前記受光部１７は、前記受光光軸３１を有し、該受光光軸３１には前記第１反射鏡２９、前記第２反射鏡３２によって偏向された前記射出光軸２６が合致する。

前記受光光軸３１上に受光素子３３、例えばフォトダイオード（ＰＤ）が設けられ、又結像レンズ３４が配設されている。該結像レンズ３４は、反射測距光を前記受光素子３３に結像する。該受光素子３３は反射測距光を受光し、受光信号を発生する。受光信号は、前記測距部１８に入力される。

更に、前記受光光軸３１（即ち、前記射出光軸２６）上で、前記結像レンズ３４の対物側には、光軸偏向部３５が配設されている。以下、図３に於いて、該光軸偏向部３５について説明する。

前記光軸偏向部３５は、一対の光学プリズム３６ａ，３６ｂから構成される。該光学プリズム３６ａ，３６ｂは、それぞれ円板状であり、前記受光光軸３１上に直交して配置され、重なり合い、平行に配置されている。前記光学プリズム３６ａ，３６ｂとしては、それぞれフレネルプリズムが用いられることが、装置を小型化する為に好ましい。

前記光軸偏向部３５の中央部は、測距光が透過する第１光軸偏向部である測距光軸偏向部３５ａとなっており、中央部を除く部分は反射測距光が透過する第２光軸偏向部である反射測距光軸偏向部３５ｂとなっている。

前記光学プリズム３６ａ，３６ｂとして用いられるフレネルプリズムは、それぞれ平行に形成されたプリズム要素３７ａ，３７ｂと多数のプリズム要素３８ａ，３８ｂによって構成され、板形状を有する。前記光学プリズム３６ａ，３６ｂ及び各プリズム要素３７ａ，３７ｂ及びプリズム要素３８ａ，３８ｂは同一の光学特性を有する。

前記プリズム要素３７ａ，３７ｂは、前記測距光軸偏向部３５ａを構成し、前記プリズム要素３８ａ，３８ｂは前記反射測距光軸偏向部３５ｂを構成する。

前記フレネルプリズムは光学ガラスから製作してもよいが、光学プラスチック材料でモールド成形したものでもよい。光学プラスチック材料でモールド成形することで、安価なフレネルプリズムを製作できる。

前記光学プリズム３６ａ，３６ｂはそれぞれ前記受光光軸３１を中心に独立して個別に回転可能に配設されている。前記光学プリズム３６ａ，３６ｂは、回転方向、回転量、回転速度を独立して制御されることで、射出される測距光の射出光軸２６を任意の方向に偏向し、受光される反射測距光の前記受光光軸３１を前記射出光軸２６と平行に偏向する。

前記光学プリズム３６ａ，３６ｂの外形形状は、それぞれ前記受光光軸３１を中心とする円形であり、反射測距光の広がりを考慮し、充分な光量を取得できる様、前記光学プリズム３６ａ，３６ｂの直径が設定されている。

前記光学プリズム３６ａの外周にはリングギア３９ａが嵌設され、前記光学プリズム３６ｂの外周にはリングギア３９ｂが嵌設されている。

前記リングギア３９ａには駆動ギア４１ａが噛合し、該駆動ギア４１ａはモータ４２ａの出力軸に固着されている。同様に、前記リングギア３９ｂには、駆動ギア４１ｂが噛合し、該駆動ギア４１ｂはモータ４２ｂの出力軸に固着されている。前記モータ４２ａ，４２ｂは、前記モータドライバ２２に電気的に接続されている。

前記モータ４２ａ，４２ｂは、回転角を検出することができるもの、或は駆動入力値に対応した回転をするもの、例えばパルスモータが用いられる。或は、モータの回転量（回転角）を検出する回転角検出器、例えばエンコーダ等を用いてモータの回転量を検出してもよい。前記モータ４２ａ，４２ｂの回転量がそれぞれ検出され、前記モータドライバ２２により前記モータ４２ａ，４２ｂが個別に制御される。

前記駆動ギア４１ａ，４１ｂ、前記モータ４２ａ，４２ｂは、前記測距光射出部１６と干渉しない位置、例えば前記リングギア３９ａ，３９ｂの下側に設けられている。

尚、前記投光レンズ２８、前記測距光軸偏向部３５ａ等は、投光光学系を構成し、前記反射測距光軸偏向部３５ｂ、前記結像レンズ３４等は受光光学系を構成する。

前記測距部１８は、前記発光素子２７を制御し、測距光としてレーザ光線を発光させる。該測距光は、前記プリズム要素３７ａ，３７ｂ（前記測距光軸偏向部３５ａ）により、測定点に向う様前記射出光軸２６が偏向される。

測定対象物から反射された反射測距光は、前記プリズム要素３８ａ，３８ｂ（前記反射測距光軸偏向部３５ｂ）、前記結像レンズ３４を介して入射し、前記受光素子３３に受光される。該受光素子３３は、受光信号を前記測距部１８に送出し、該測距部１８は前記受光素子３３からの受光信号に基づき測定点（測距光が照射された点）の測距を行う。

前記撮像部１９は、例えば５０°の画角を有するカメラであり、測定対象物を含む画像データを取得する。該撮像部１９は、前記測定装置本体２が水平姿勢で水平方向に延出する撮像光軸４３を有し、該撮像光軸４３と前記射出光軸２６とは平行となる様に設定されている。又、前記撮像光軸４３と前記射出光軸２６との距離も既知の値となっている。

前記撮像部１９の撮像素子４４は、画素の集合体であるＣＣＤ、或はＣＭＯＳセンサであり、各画素は画像素子上での位置が特定できる様になっている。例えば、各画素は、前記撮像光軸４３を原点とした座標系での位置が特定される。

前記射出方向検出部２１は、前記モータ４２ａ，４２ｂに入力する駆動パルスをカウントすることで、前記モータ４２ａ，４２ｂの回転角を検出する。或は、エンコーダからの信号に基づき、前記モータ４２ａ，４２ｂの回転角を検出する。又、前記射出方向検出部２１は、前記モータ４２ａ，４２ｂの回転角に基づき、前記光学プリズム３６ａ，３６ｂの回転位置を演算する。更に、前記射出方向検出部２１は、該光学プリズム３６ａ，３６ｂの屈折率と回転位置に基づき、測距光の偏角、射出方向を演算し、演算結果は前記演算処理部２３に入力される。

前記演算処理部２３は制御部であり、入出力制御部、演算器（ＣＰＵ）、記憶部等から構成されている。該記憶部には測距作動を制御する測距プログラム、前記モータドライバ２２に前記モータ４２ａ，４２ｂの駆動を制御させる為の制御プログラム、前記上下駆動モータ８と前記左右駆動モータ１４の駆動を制御する為の制御プログラム、前記射出方向検出部２１からの射出方向の演算結果、前記上下回転角検出器９と前記左右回転角検出器１５の検出結果に基づき前記射出光軸２６の方向角（水平角、鉛直角）を演算する方向角演算プログラム、前記表示部２５に画像データ、測距データ等を表示させる為の画像表示プログラム等のプログラムが格納されている。更に、前記記憶部には、測距データ、画像データ等の測定結果が格納される。

次に、前記測定装置１による測定作動について、図４（Ａ）、図４（Ｂ）を参照して説明する。尚、図４（Ａ）では説明を簡略化する為、前記光学プリズム３６ａ，３６ｂについて、前記プリズム要素３７ａ，３７ｂ、前記プリズム要素３８ａ，３８ｂを分離して示している。又、図４（Ａ）で示される前記プリズム要素３７ａ，３７ｂ、前記プリズム要素３８ａ，３８ｂは最大の偏角が得られる状態となっている。又、最小の偏角は、前記光学プリズム３６ａ，３６ｂのいずれか一方が１８０゜回転した位置であり、偏角は０゜となり、射出されるレーザ光線の光軸は前記射出光軸２６と平行となる。前記プリズム要素３８ａ，３８ｂは、例えば±２０°の範囲で測定対象物或は測定対象エリアを測距光で走査できる様になっている。

前記発光素子２７から測距光が発せられ、測距光は前記投光レンズ２８で平行光束とされ、前記測距光軸偏向部３５ａ（前記プリズム要素３７ａ，３７ｂ）を透して測定対象物或は測定対象エリアに向けて射出される。ここで、前記測距光軸偏向部３５ａを通過することで、測距光は前記プリズム要素３７ａ，３７ｂによって所要の方向に偏向されて射出される。

測定対象物或は測定対象エリアで反射された反射測距光は、前記反射測距光軸偏向部３５ｂ（前記プリズム要素３８ａ，３８ｂ）を透して入射され、前記結像レンズ３４により前記受光素子３３に集光される。

反射測距光が前記反射測距光軸偏向部３５ｂを通過することで、反射測距光の光軸は、前記受光光軸３１と合致する様に前記プリズム要素３８ａ，３８ｂによって偏向される（図４（Ａ））。

又、前記光学プリズム３６ａと前記光学プリズム３６ｂとの回転位置の組合わせにより、射出する測距光の偏向方向、偏向角を任意に変更することができる。

又、前記光学プリズム３６ａと前記光学プリズム３６ｂとの位置関係を固定した状態で（前記光学プリズム３６ａと前記光学プリズム３６ｂとで得られる偏角を固定した状態で）、前記モータ４２ａ，４２ｂにより、前記光学プリズム３６ａと前記光学プリズム３６ｂとを一体に回転することで、前記測距光軸偏向部３５ａを透過した測距光が描く軌跡は前記射出光軸２６を中心とした円となる。

従って、前記発光素子２７よりレーザ光線を発光させつつ、前記光軸偏向部３５を回転させれば、測距光を円の軌跡で走査させることができる。

尚、前記反射測距光軸偏向部３５ｂは、前記測距光軸偏向部３５ａと一体に回転していることは言う迄もない。

次に、図４（Ｂ）は前記光学プリズム３６ａと前記光学プリズム３６ｂとを相対回転させた場合を示している。前記光学プリズム３６ａにより偏向された光軸の偏向方向を偏向Ａとし、前記光学プリズム３６ｂにより偏向された光軸の偏向方向を偏向Ｂとすると、前記光学プリズム３６ａ，３６ｂによる光軸の偏向は、該光学プリズム３６ａ，３６ｂ間の角度差θとして、合成偏向Ｃとなる。

従って、角度差θを変化させる度に、前記光軸偏向部３５を１回転させれば、直線状に測距光を走査させることができる。

更に、図４（Ｃ）に示される様に、前記光学プリズム３６ａの回転速度に対して遅い回転速度で前記光学プリズム３６ｂを回転させれば、角度差θは漸次増大しつつ測距光が回転されるので、測距光の走査軌跡は、スパイラル状となる。

更に又、前記光学プリズム３６ａ、前記光学プリズム３６ｂの回転方向、回転速度を個々に制御することで、測距光の走査軌跡を前記射出光軸２６を中心とした放射方向（半径方向の走査）とし、或は水平、垂直方向とする等、種々の走査状態が得られる。

測定の態様としては、前記光軸偏向部３５を所要偏角毎に固定して測距を行うことで、特定の測定点についての測距を行うことができる。更に、前記光軸偏向部３５の偏角を偏向しつつ、測距を実行することで、即ち測距光を走査しつつ測距を実行することで走査軌跡上の測定点についての測距データを取得することができる。

又、各測距光の射出方向角は、前記モータ４２ａ，４２ｂの回転角及び前記上下回転角検出器９と前記左右回転角検出器１５の検出結果により検知でき、射出方向角と測距データとを関連付けることで、３次元の測距データを取得することができる。

上記した様に、前記測定装置１は前記撮像部１９を具備し、該撮像部１９で取得された画像は前記表示部２５に表示される。

ここで、前記撮像部１９の画角は例えば５０°であり、前記光学プリズム３６ａ，３６ｂによる走査範囲は例えば±２０°であるので、前記測距部１８の測定範囲は前記撮像部１９の撮像範囲と略一致している。従って、測定者は視覚によって容易に測定範囲を特定でき、前記表示部２５に表示された画像から、測定対象物を探し、或は測定対象物を選択することができるので、測定対象物を視準する必要がない。

尚、前記撮像部１９の画角、前記光学プリズム３６ａ，３６ｂによる走査範囲は上記したものに限られるものではなく、例えば前記測距部１８の測定範囲と前記撮像部１９の撮像範囲とが完全に一致する様にしてもよい。

測定対象物が選択されると、測定対象物に向って測距光が偏向される様、前記光学プリズム３６ａ，３６ｂを回転させる。尚、測定対象物が前記撮像部１９の撮像範囲外にある場合には、測定対象物が前記撮像部１９の撮像範囲内に位置する様、前記上下駆動モータ８と前記左右駆動モータ１４とを駆動させる。

前記射出光軸２６と前記撮像光軸４３は平行であり、且つ両光軸は既知の関係であるので、前記演算処理部２３は前記撮像部１９で取得した画像上で、画像中心と前記射出光軸２６とを一致させることができる。更に、前記演算処理部２３は、測距光の射出角を検出することで、射出角に基づき画像上に測定点を特定できる。従って、測定点の３次元データと前記撮像部１９で取得した画像の関連付けは容易に行え、該撮像部１９で取得した画像を３次元データ付きの画像とすることができる。

図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、前記撮像部１９で取得した画像と、測定点の取得軌跡との関係を示している。尚、図５（Ａ）では、測距光が同心多重円状に走査された場合を示している。図５（Ｂ）では、測距光が直線状に往復走査された場合を示している。図中、４５は走査軌跡を示しており、測定点は該走査軌跡４５上に位置する。

更に、広範囲の測定を実行する場合は、前記上下駆動モータ８と前記左右駆動モータ１４を駆動させて複数ヶ所の画像を作成し、複数の画像を合成してもよい。又、前記測距部１８の測定範囲よりも広角な画像を取得可能な広角カメラを別途設け、該広角カメラにより取得した広角画像に前記撮像部１９により取得した画像をパッチワークの様に嵌込んでいってもよい。上記の様にすることで、広範囲を測定する場合でも、無駄なく、或は未測定部分を残すことなく測定を実行することができる。

尚、上記説明では、前記測距光軸偏向部３５ａと前記反射測距光軸偏向部３５ｂとを同一の光学プリズム上に形成し、一体としたが、前記射出光軸２６と前記受光光軸３１とを分離してもよい。この場合、前記射出光軸２６と前記受光光軸３１とにそれぞれ個別に前記測距光軸偏向部３５ａと前記反射測距光軸偏向部３５ｂとを設け、前記測距光軸偏向部３５ａと前記反射測距光軸偏向部３５ｂとを同期回転させる様にしてもよい。

又、上記説明では、前記撮像部１９により取得された画像上で指定された測定対象物、即ち１点を測定する場合について説明したが、前記測定装置１は測定範囲の点群データも取得可能となっている。点群データを取得する場合、前記操作部２４を介して点群データの取得間隔を設定し、例えば図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示される様な前記走査軌跡４５を設定することで、測距光が前記光学プリズム３６ａ，３６ｂにより前記走査軌跡４５に沿って偏向され、該走査軌跡４５に沿った３次元の点群データを取得することができる。

上述の様に、第１の実施例では、前記光学プリズム３６ａ，３６ｂの回転により任意の位置に前記射出光軸２６を偏向可能であるので、前記上下駆動モータ８と前記左右駆動モータ１４を駆動させることなく、又質量の大きい前記測定装置本体２及び前記托架部３を回転させることなく測定点の変更が可能である。従って、高速で測定点の変更が行え、測定時間の短縮が図れると共に、簡便な構成で任意の位置の３次元データを取得することができる。

又、前記撮像部１９で取得された画像上から測定対象物を指定することで、測定対象物の測定を行う様になっているので、測定対象物の視準を行う必要がなく、測定位置の設定が高速に行え、測定時間の短縮を図ることができる。

又、前記測距部１８の測定範囲と前記撮像部１９の撮像範囲とを一致又は略一致させているので、画像上の測定対象物に前記射出光軸２６を偏向させる為に、前記上下駆動モータ８と前記左右駆動モータ１４とを駆動させる必要がない。従って、前記光学プリズム３６ａ，３６ｂを回転させるだけでよいので、迅速に測定が行え、測定時間の短縮を図ることができる。

又、狭い範囲に複数の測定対象物がある場合、即ち画像中に複数の測定対象物がある場合でも、画像上で複数の測定対象物を指定するだけでよいので、測定対象物毎に視準位置を変更する必要がなく、測定時間を大幅に短縮させることができる。

又、前記光学プリズム３６ａ，３６ｂを回転させることで、所定の前記走査軌跡４５上に測距光を走査することができるので、該走査軌跡４５上の点群データを取得することができる。従って、レーザスキャナを用いることなく点群データの取得が可能であるので、簡便に、又安価に点群データを取得することができる。

次に、図６〜図８に於いて、第２の実施例について説明する。尚、図６〜図８中、図１、図２中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。

第２の実施例に於ける測定装置１は、例えば追尾機能を有するトータルステーションであり、三脚４６上に設置される。

前記測定装置１は、台座部４が設けられる測量基盤４７を有している。該測量基盤４７は自動整準機構を有し、前記三脚４６上に設置された前記測定装置１の自動整準を行う機能を有している。又、追尾光射出部４８、追尾光受光部４９、追尾部５１が測定装置本体２内に収納されている。

前記追尾光射出部４８は追尾光軸５２を有し、該追尾光軸５２上に発光素子５３、例えば測距光とは異なる波長の追尾光を射出するレーザダイオード（ＬＤ）が設けられている。又、前記追尾光軸５２上に投光レンズ５４が設けられている。更に、前記追尾光軸５２上に偏向光学部材としての第１反射鏡２９が設けられている。

該第１反射鏡２９は波長選択機能を有し、例えば測距光を反射し、追尾光を透過させる光学特性を有するビームスプリッタである。前記第１反射鏡２９を透過した追尾光は前記第１反射鏡で反射された射出光軸２６と合致する。又、追尾光は偏向光学部材としての第２反射鏡３２に反射されることで、受光光軸３１と合致する。

次に、前記追尾光受光部４９について説明する。該追尾光受光部４９は、偏向光学部材であり波長選択機能を有する第３反射鏡５５、集光レンズ５７、偏向光学部材である第４反射鏡５６、追尾受光素子５８を有している。

前記第３反射鏡５５は前記受光光軸３１上に設けられ、反射追尾光を反射し、波長の異なる反射測距光を透過する光学特性を有している。又、前記追尾光受光部４９は追尾受光光軸５９を有し、前記第４反射鏡５６、前記追尾受光素子５８は前記追尾受光光軸５９上に設けられている。又、前記集光レンズ５７は前記第３反射鏡５５と前記第４反射鏡５６の間に配設されている。

追尾が行われる場合は、測定対象物として再帰反射性を有するプリズムが用いられる。プリズム（図示せず）で反射された反射追尾光は、前記第３反射鏡５５で反射され、前記集光レンズ５７で集光され、前記第４反射鏡５６により前記追尾受光光軸５９上に偏向され、前記追尾受光素子５８に受光される。該追尾受光素子５８は、画素の集合体であるＣＣＤ、或はＣＭＯＳセンサであり、各画素は画像素子上での位置が特定できる様になっている。該追尾受光素子５８は、反射追尾光を受光し、該追尾受光素子５８上での受光位置に基づく受光信号を発生する。受光信号は、前記追尾部５１に入力される。

該追尾部５１は、反射追尾光の前記追尾受光素子５８上での受光位置を基にプリズムの位置を検出し、前記追尾受光素子５８の中心とプリズムの位置との差を演算する。演算結果は演算処理部２３に入力される。

該演算処理部２３は、前記追尾部５１での演算結果を基に、上下駆動モータ８、左右駆動モータ１４、モータ４２ａ，４２ｂの駆動を制御し、プリズムからの反射追尾光が前記追尾受光素子５８の中心に受光される様、光学プリズム３６ａ，３６ｂを回転させると共に、前記測定装置本体２を上下方向及び左右方向に回転させる。

第２の実施例では、応答速度の速い前記光学プリズム３６ａ，３６ｂの回転による追尾と、測定対象物の大きな動きに対応できる前記測定装置本体２の回転との協働によりプリズムを追尾するので、広範囲での追尾が迅速に行え、測定時間の短縮を図ることができる。

又、追尾光を測距光と同軸で射出しているので、光学系を小型化でき、前記測定装置１を小型化することができる。

尚、第１の実施例、第２の実施例に於いて、図３に示される様な光軸偏向部３５（光学プリズム３６ａ，３６ｂ）、前記モータ４２ａ，４２ｂ等をユニット化し、光学系に対して着脱可能としてもよい。前記光軸偏向部３５や前記モータ４２ａ，４２ｂをユニット化することで、ユニットを既存のトータルステーション等の測定装置に対しても適用可能となる。従って、既存の測定装置に於ける測定時間の短縮が図れると共に、より安価に点群データを取得することができる。

図９は第１の実施例、第２の実施例の変形例を示している。

該変形例では、第１の実施例、第２の実施例に於ける光軸偏向部３５を、第１光軸偏向部６１、第２光軸偏向部６２とに分割したものである。尚、図９中、図２、図７中と同等のものには同符号を付してある。

射出光軸２６上に前記第１光軸偏向部６１が設けられ、該第１光軸偏向部６１は２個の第１光学プリズム６３ａ，６３ｂから構成される。該第１光学プリズム６３ａ，６３ｂはそれぞれ前記射出光軸２６を中心に独立して個別に回転可能であり、前記第１光学プリズム６３ａ，６３ｂの回転方向、回転量、回転速度を制御することで、測距光の光軸を任意の方向に偏向する。

該第１光学プリズム６３ａ，６３ｂの外形形状は、それぞれ前記射出光軸２６を中心とする円形であり、前記第１光学プリズム６３ａの外周には第１リングギア６４ａが嵌設され、前記第１光学プリズム６３ｂの外周には第１リングギア６４ｂが嵌設されている。

前記第１リングギア６４ａには第１駆動ギア６５ａが噛合し、該第１駆動ギア６５ａは第１モータ６６ａの出力軸に固着されている。又、前記第１リングギア６４ｂには第１駆動ギア６５ｂが噛合し、該第１駆動ギア６５ｂは第１モータ６６ｂの出力軸に固着されている。

前記第１モータ６６ａ，６６ｂは、回転角を検出することができるもの、或は駆動入力値に対応した回転をするもの、例えばパルスモータが用いられる。或は、モータの回転量（回転角）を検出する回転角検出器、例えばエンコーダ等を用いて、モータの回転量を検出してもよい。

尚、図９では、前記第１駆動ギア６５ａ、前記第１モータ６６ａは、前記第１リングギア６４ａの上側に示されているが、実際には、撮像部１９（図２、図７参照）の視野と干渉しない位置、例えば前記第１駆動ギア６５ａ，６５ｂは前記第１リングギア６４ａ，６４ｂの側方に設けられる。

又、受光光軸３１上に前記第２光軸偏向部６２が設けられ、該第２光軸偏向部６２は２個の第２光学プリズム６７ａ，６７ｂから構成される。該第２光学プリズム６７ａ，６７ｂとしては、それぞれフレネルプリズムが用いられることが、装置を小型化する為に好ましい。

前記第２光学プリズム６７ａ，６７ｂとして用いられるフレネルプリズムは、平行に形成された多数のプリズム要素６８によって構成され、板形状を有する。各プリズム要素６８は同一の光学特性を有し、各プリズム要素６８は前記第１光学プリズム６３ａ，６３ｂと同一の屈折率及び偏角を有する。

前記第２光学プリズム６７ａ，６７ｂはそれぞれ前記受光光軸３１を中心に独立して個別に回転可能であり、前記第２光学プリズム６７ａ，６７ｂの回転方向、回転量、回転速度を制御することで、入射される反射測距光の光軸を任意の方向に偏向する。

前記第２光学プリズム６７ａ，６７ｂの外形形状は、それぞれ前記受光光軸３１を中心とする円形であり、前記第２光学プリズム６７ａの外周には第２リングギア６９ａが嵌設され、前記第２光学プリズム６７ｂの外周には第２リングギア６９ｂが嵌設されている。

前記第２リングギア６９ａには第２駆動ギア７１ａが噛合し、該第２駆動ギア７１ａは第２モータ７２ａの出力軸に固着されている。又、前記第２リングギア６９ｂには第２駆動ギア７１ｂが噛合し、該第２駆動ギア７１ｂは第２モータ７２ｂの出力軸に固着されている。

前記第２モータ７２ａ，７２ｂは、前記第１モータ６６ａ，６６ｂと同様、回転角を検出することができるもの、或は駆動入力値に対応した回転をするもの、例えばパルスモータが用いられる。或は、モータの回転量（回転角）を検出する回転角検出器、例えばエンコーダ等を用いて、モータの回転量を検出してもよい。前記第２モータ７２ａ，７２ｂの回転量が検出され、演算処理部２３（図２、図７参照）により前記第１モータ６６ａ，６６ｂとの同期制御が行われる。

発光素子２７（図２、図７参照）から発せられた測距光は、前記第１光学プリズム６３ａ，６３ｂを通過することで、所要の方向、所要の角度に偏向されて射出される。

又、測定対象物に反射された反射測距光は、前記第２光学プリズム６７ａ，６７ｂを通過し、前記受光光軸３１と平行となる様に偏向され、受光素子３３（図２、図７参照）に受光され、該受光素子３３の受光結果に基づき測距が行われる。

上記変形例の場合も、前記第１光学プリズム６３ａ，６３ｂ、前記第２光学プリズム６７ａ，６７ｂの回転により任意の位置に前記射出光軸２６を偏向可能であるので、質量の大きい測定装置本体２（図１参照）及び托架部３（図１参照）を回転させることなく測定点の変更が可能である。従って、高速で測定点の変更が行え、測定時間の短縮が図れると共に、簡便な構成で任意の位置の３次元データを取得することができる。

１ 測定装置
２ 測定装置本体
３ 托架部
４ 台座部
８ 上下駆動モータ
９ 上下回転角検出器
１４ 左右駆動モータ
１５ 左右回転角検出器
１６ 測距光射出部
１７ 受光部
１８ 測距部
１９ 撮像部
２１ 射出方向検出部
２３ 演算処理部
２６ 射出光軸
２７ 発光素子
２９ 第１反射鏡
３１ 受光光軸
３２ 第２反射鏡
３３ 受光素子
３５ 光軸偏向部
３５ａ 測距光軸偏向部
３５ｂ 反射測距光軸偏向部
３６ａ 光学プリズム
３６ｂ 光学プリズム
４２ａ モータ
４２ｂ モータ
４８ 追尾光射出部
４９ 追尾光受光部
５１ 追尾部
５８ 追尾受光素子
６１ 第１光軸偏向部
６２ 第２光軸偏向部

Claims (7)

1. 測距光を発する発光素子と、前記測距光を射出する測距光射出部と、反射測距光を受光する受光部と、前記反射測距光を受光し受光信号を発生する受光素子と、該受光素子からの受光信号に基づき測距を行う測距部と、前記測距光の射出光軸上に配設され、該測距光の光軸を所要の偏角で、所要の方向に偏向する第１光軸偏向部と、受光光軸上に配設され、前記第１光軸偏向部と同一の偏角、同一の方向で前記反射測距光を偏向する第２光軸偏向部と、前記第１光軸偏向部による偏角、偏向方向を検出する射出方向検出部と、前記射出光軸と既知の関係にある撮像光軸を有し、測定対象物を含む画像データを取得する撮像部と、該撮像部で取得した画像を表示する表示部と、前記測距部による測距を制御し、前記測距光及び前記反射測距光の光軸の偏向を制御する制御部と、前記発光素子と前記測距光射出部と前記受光部と前記受光素子と前記測距部と前記第１光軸偏向部と前記第２光軸偏向部と前記射出方向検出部と前記撮像部と前記表示部と前記制御部とを収納し、支持部に上下方向及び左右方向に回転可能に支持され、回転駆動部により上下方向及び左右方向に回転される様構成された測定装置本体とを具備し、前記撮像部は前記第１光軸偏向部により偏向される前記測距光の偏向範囲よりも大きい画角を有する様構成され、前記画像上から前記測定対象物が指定され、前記測距光は前記第１光軸偏向部を透して射出され、前記反射測距光は前記第２光軸偏向部を透して前記受光素子に受光される様構成され、前記画像上から前記測定対象物が指定されることで、前記制御部は前記第１光軸偏向部により前記撮像光軸に対して前記射出光軸が前記撮像部の画角の範囲内で前記測定対象物に向かう様偏向される様制御し、或は前記制御部は前記第１光軸偏向部により前記撮像部の画角の範囲で前記測定対象物或は測定対象エリアを前記測距光で走査する様制御し、又前記制御部は前記測距部の測距結果、前記射出方向検出部の検出結果に基づき前記測定対象物或は前記測定対象エリアの３次元データを取得し、取得した該３次元データを前記表示部の画像上に表示する測定装置。
2. 前記測距光射出部は、前記射出光軸を前記受光光軸に合致させる射出光軸偏向部を有し、前記第１光軸偏向部は前記第２光軸偏向部の中心部に設けられ、前記測距光は前記射出光軸偏向部により偏向され、前記第１光軸偏向部を通して射出される請求項１に記載の測定装置。
3. 前記支持部は、前記測定装置本体の上下方向の回転角、左右方向の回転角を検出する検出部を有し、前記制御部は前記検出部の検出結果に基づき、前記第１光軸偏向部の偏向範囲外の測定点を測距できる様前記回転駆動部の駆動を制御する請求項１又は請求項２に記載の測定装置。
4. 前記第１光軸偏向部と前記第２光軸偏向部は、それぞれ重なり合う一対の円形の光学プリズムで構成され、該光学プリズムのそれぞれは独立して回転可能である請求項１に記載の測定装置。
5. 前記第２光軸偏向部は、フレネルプリズムである請求項１〜請求項４のうちいずれか１項に記載の測定装置。
6. 追尾光を射出する追尾光射出部と、反射追尾光を受光する追尾光受光部と、前記追尾光を受光し受光信号を発する追尾受光素子と、該追尾受光素子からの受光信号に基づき測定対象物を追尾させる追尾部とを更に具備する請求項１〜請求項５のうちいずれか１項に記載の測定装置。
7. 前記第１光軸偏向部と前記第２光軸偏向部とをユニット化し、着脱可能とした請求項１〜請求項６のうちいずれか１項に記載の測定装置。

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