JPH07190773A - 光学式３次元位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光学式３次元位置検出装置の高速化及び簡略
化を図る。 【構成】 光学式３次元位置検出装置は発光ダイオード
２を備えており、位置指示器１００に投光１を放射す
る。又集光レンズ６を有しており、反射プリズム１０１
から逆進反射された戻り光７を集光する。仰角検出部は
集光された戻り光７を受光する多分割撮像面を備えた撮
像素子９と、得られた撮像を画像解析して垂直仰角を算
出する仰角演算手段とを含んでいる。距離検出部は投光
１を所定の基準信号に基いて時間変調する変調手段と、
集光された戻り光７を受光して対応する電気信号を出力
する受光素子１１と、基準信号と電気信号を位相比較し
戻り時間を求める比較手段と、戻り時間に基いて直線距
離を算出する距離演算手段とを含んでいる。偏角検出部
は、位置指示器１００の反射プリズム１０１を横切る様
に投光１を水平方向に角走査する為のステッピングモー
タ１２と、角走査中逆進反射した戻り光７の受光タイミ
ングに基いて水平偏角を算出する偏角演算手段とを含ん
でいる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は主として土木現場や建築
現場等で使用される測量の為の光学式３次元位置検出装
置や、ロボット制御等に使用される光学式３次元位置検
出装置に関する。特に、被測定体の３次元位置を人手を
介する事なしに自動で検出する方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】３次元測定が可能な光学式位置検出装置
としては追尾式トータルステーションが従来から知られ
ている。トータルステーションは基本的に、光波測距儀
とトランシットを一体に組み込んだ構造を有している。
光波測距儀は遠隔の測定点に配置されたポール等の位置
指示器に設けられた反射鏡を標的として光学的に直線距
離を測定する。又、トランシットは同じく位置指示器の
垂直仰角及び水平偏角を測定する。直線距離、垂直仰
角、水平偏角により測定点の３次元位置情報が求められ
る。追尾式トータルステーションには、さらにスキャナ
とモータが組み込まれている。スキャナはトータルステ
ーション本体に組み込まれたレーザ光源からのビームを
垂直方向及び水平方向に沿って２次元的にスキャニング
し、自動的に位置指示器の反射鏡を検出する。この検出
結果に基いて一対の仰角モータ及び偏角モータを駆動し
位置指示器に対する追尾動作を行なう。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の追尾式トータル
ステーションはレーザスキャン機構と、一対の水平偏向
用及び垂直偏向用モータを含む為、大変複雑且つ高価な
構造となっており、極めて便利な位置検出装置でありな
がら、一般的に普及されていないのが現状である。又、
追尾式トータルステーションでは、標的を見失った時や
新たな標的を設定する場合にサーチ時間が長くかかると
いう問題がある。レーザビームを用いた標的のスキャニ
ングは水平方向及び垂直方向に沿って２次元的に行なわ
れる為、サーチには乗算的時間がかかり長時間を要す
る。さらに、従来の追尾式トータルステーションは単独
の位置指示器を追尾しながら位置計測を行なうものであ
り、複数の位置指示器を同時に測定する事ができないと
いう本質的な問題がある。

【０００４】上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明
の第一の目的は、構造が簡単で一般的な普及が可能な価
格帯の光学式３次元位置検出装置を提供する事である。
本発明の第二の目的は、任意に設定された標的に対して
高速サーチを可能とし、これによりロボットの制御等も
実現可能な光学式３次元位置検出装置を提供する事であ
る。本発明の第三の目的は、複数の位置指示器を同時に
測定可能な光学式３次元位置検出装置を提供し、単独の
操作者が同時に異なる場所の測量を行なったり、複数の
ロボットの位置検出を可能ならしめる事である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題を解決し本発明の目的を達成する為に以下の手段を講
じた。即ち、本発明にかかる光学式３次元位置検出装置
は発光手段とレンズ手段を備えている。発光手段は反射
面を有する被測定体に投光を放射する一方、レンズ手段
は該反射面から逆進反射された戻り光を集光する。又、
仰角検出部、偏角検出部及び距離検出部とを備えてお
り、集光された戻り光に基いて被測定体の垂直仰角、水
平偏角及び直線距離を夫々求める。本発明の特徴事項と
して、前記仰角検出部は該集光された戻り光を受光する
多分割撮像面を備えた撮像素子と、得られた撮像を画像
解析して垂直仰角を算出する仰角演算手段とを含んでい
る。又、前記距離検出部は該投光を所定の基準信号に基
いて時間変調する変調手段と、該集光された戻り光を受
光して対応する電気信号を出力する受光素子と、該基準
信号と該電気信号を位相比較し戻り時間を求める比較手
段と、該戻り時間に基いて直線距離を算出する距離演算
手段とを含んでいる。さらに、前記偏角検出部は被測定
体の反射面を横切る様に該投光を水平方向に角走査する
走査手段と、該角走査中逆進反射した戻り光の受光タイ
ミングに基いて水平偏角を算出する偏角演算手段とを含
んでいる。

【０００６】本発明にかかる光学式３次元位置検出装置
は、好ましくはビームスプリット手段を含んでおり、該
レンズ手段により集光された戻り光を二分割して該撮像
素子と該受光素子の両者に分配する。又、前記偏角演算
手段は該受光素子から出力された電気信号に応じて戻り
光の受光タイミングを検知し、該受光タイミングにおけ
る投光の角走査量を読み取って水平偏角を求める様にし
ている。この偏角演算手段は、投光の角走査中複数の被
測定体から逐次逆進反射した戻り光の受光タイミングに
基いて、個々の被測定体の水平偏角を算出する事ができ
る。本発明の一態様によれば、前記偏角検出部は角走査
により求められた水平偏角に基いて該投光を被測定体に
選択指向させる一方、前記仰角検出部及び距離検出部は
選択指向中に当該被測定体の垂直仰角及び直線距離を検
出する様にしている。この場合、仰角演算手段、距離演
算手段及び偏角演算手段はマイクロコンピュータにより
構成されており、所定のシーケンスプログラムに従って
３次元位置測定を実行する事が可能になる。なお、場合
によっては反射面を有する位置指示器を別途備えてお
り、被測定体として所望の測定点にセットされる。但
し、本発明はこれに限られるものではなく反射面を備え
たあらゆる種類の物体を被測定体として３次元位置検出
を行なう事が可能である。

【０００７】

【作用】本発明によれば、垂直仰角検出については多分
割撮像面を備えたＣＣＤ等の撮像素子を用いて電子的に
行ない、垂直方向のスキャニングを不要としている。
又、直線距離検出についてはＣＣＤ等の撮像素子とは別
に、フォトダイオード等の受光素子を用意している。Ｃ
ＣＤ等は蓄積型であり応答速度が遅いのに対し、フォト
ダイオード等の受光素子は高速応答性に優れているので
直線距離検出に用いられる。これら撮像素子と受光素子
は例えばビームスプリッタ等を用いて光学的に同じ位置
に配置し、集光レンズや受光路の共用化を図っている。
この２つの手段を講じて構造の簡素化と製品コストの低
減化を図っている。同時に従来の２次元スキャニングに
代えて水平方向のみの１次元スキャニングになる為高速
サーチが実現する。水平偏角検出については、水平方向
に沿って投光を角走査させ、その時の戻り光の受光タイ
ミングを応答時間の短い前記受光素子により検出してい
る。この検出動作を角走査中順に繰り返す事により複数
の位置指示器を同時計測する事が可能になる。

【０００８】

【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図１は本発明にかかる光学式３次元位
置検出装置の全体構成を示す模式図である。本装置は被
測定体の３次元位置検出を行なうものである。ここで
は、被測定体としてポール形状を有する位置指示器１０
０を対象にしている。この位置指示器１００は測量を行
なう場合所望の測定点に予め単独もしくは複数本セット
されるものである。位置指示器１００は反射面を備えて
おり、本例では反射プリズム１０１を埋込んでいる。

【０００９】一方、本装置の本体部は発光手段を備えて
おり、位置指示器１００に投光１を放射する。本例では
発光手段は発光ダイオード２から構成されており、本体
部の上側鏡筒３に収納されている。投光レンズ４を介し
て発光ダイオード２から放射される投光１は鉛直方向に
引き延ばされた縦長のスポット形状を有している。この
スポット形状は垂直方向の測定範囲をカバーできる様に
予め設定されており、投光１の一部は必ず反射プリズム
１０１により逆進反射される様になっている。本例では
縦長のスポット形状を有する投光１を放射する為、発光
ダイオード２は鉛直方向に配列したリニアアレイを用い
ている。なおこれに代えて投光レンズ４にシリンドリカ
ルレンズを組み合わせ、縦長のスポット形状を得る様に
しても良い。

【００１０】下側鏡筒５には集光レンズ６が組み込まれ
ており、反射プリズム１０１から逆進反射された戻り光
７を集光するレンズ手段を構成している。なお集光レン
ズ６の全面にはフィルタ８が装着されている。

【００１１】本装置はさらに仰角検出部、偏角検出部及
び距離検出部を備えおり、位置指示器１００の垂直仰
角、水平偏角及び直線距離を夫々求める事ができ光学的
に３次元位置検出が行なえる。仰角検出部は集光された
戻り光７を受光する撮像素子９と、得られた撮像を画像
解析して垂直仰角を算出する仰角演算手段とを含んでい
る。なお仰角演算手段はコントローラ１０に含まれてい
る。撮像素子９は少なくとも鉛直方向に沿って多分割撮
像面を備えており、本例ではＣＣＤリニアイメージセン
サを用いている。又、距離検出部は投光１を所定の基準
信号に基いて時間変調する変調手段と、集光された戻り
光７を受光して対応する電気信号を出力する受光素子１
１と、該基準信号と該電気信号を位相比較し戻り時間を
求める比較手段と、該戻り時間に基いて直線距離を算出
する距離演算手段とを有している。本例では受光素子１
１は高速応答性に優れたフォトダイオードを用いてい
る。なお上述した変調手段、比較手段及び距離演算手段
はコントローラ１０に含まれている。さらに前記偏角検
出部は、位置指示器１００の反射プリズム１０１を横切
る様に投光１を水平方向に角走査する走査手段と、角走
査中逆進反射した戻り光７の受光タイミングに基いて水
平偏角を算出する偏角演算手段とを有している。本例で
はこの走査手段はステッピングモータ１２からなりター
ンテーブル１３内に収納されている。このターンテーブ
ルは三脚台１４の上に回動可能に載置されている。ステ
ッピングモータ１２は垂直軸１５を中心として前述した
上側鏡筒３及び下側鏡筒５を一体的に回転駆動し、投光
１を水平方向に沿って角的に走査する。これにより戻り
光７も同時に受光する事が可能になる。本例ではステッ
ピングモータ１２を用いて機械的に投光１をスキャニン
グしているが、本発明はこれに限られるものではない。
例えばガルバノミラー等を用いて投光１を高速スキャニ
ングする事もできる。本発明では投光１を垂直方向及び
水平方向に沿って２次元的にスキャニングする必要はな
く、１個のステッピングモータ１２を用いて水平方向に
のみスキャニングすれば良い。これにより、位置指示器
１００のサーチ時間が短縮できる。なお偏角演算手段は
コントローラ１０に含まれている。

【００１２】本実施例では下側鏡筒５内にビームスプリ
ッタ１６が組み込まれており、レンズ６により集光され
た戻り光７を二分割して、撮像素子９と受光素子１１の
両者に分配している。又ビームスプリッタ１６と受光素
子１１の間にスリット板１７が介在している。ビームス
プリッタ１６を用いる事により距離検出部と仰角検出部
は集光レンズ６や下側鏡筒５を共有できる為部品点数の
削減につながる。さらに、コントローラ１０に含まれる
偏角演算手段は、受光素子１１から出力された電気信号
に応じて戻り光７の受光タイミングを検知し、受光タイ
ミングにおける投光１の角走査量（ステッピングモータ
１２の回転量）を読み取って水平偏角を求める。この偏
角演算手段は投光１の角走査中複数の位置指示器１００
から逐次逆進反射された戻り光７の受光タイミングに基
いて、個々の位置指示器１００の水平偏角を算出する事
ができる。この場合、偏角検出部は角走査により求めら
れた水平偏角に基いて投光１を位置指示器１００に選択
指向させる一方、前記仰角検出部及び距離検出部は選択
指向中に当該位置指示器１００の垂直仰角及び直線距離
を検出する事ができる。この様にして、複数の位置指示
器１００に対して逐次３次元位置を検出する事が可能に
なる。

【００１３】図２は、図１に示した光学式３次元位置検
出装置の光学構成を示す模式図である。下側鏡筒５を入
射口方向から見た状態を表わしている。ビームスプリッ
タ１６の背後には撮像素子９が配置しており、鉛直方向
に配列した多分割撮像面３１を備えている。レンズ６を
介して集光された戻り光７はこの多分割撮像面３１上に
スポット像を結ぶ。このスポット像を画像解析しその位
置を求める事により位置指示器１００の垂直偏角を検出
できる。即ち、鉛直方向に沿ったスポット像の座標位置
と垂直仰角は比例的な関係にある。この撮像素子９とし
ては前述した様にＣＣＤリニアイメージセンサが用いら
れる。一般に水平偏角範囲に比べ垂直仰角範囲は狭い
為、ＣＣＤリニアイメージセンサにより実用上十分な分
解能で垂直仰角を測定する事が可能である。

【００１４】ビームスプリッタ１６の下部にはスリット
板１７を介して受光素子１１が配置している。スリット
板１７に形成されたスリット３２は水平方向に関し多分
割撮像面３１と整合している。投光１を水平方向に沿っ
て角走査すると、集光された戻り光７のスポット像は多
分割撮像面３１を横切る様に移動する。丁度スポット像
が多分割撮像面３１に整合した時、スリット３２を通過
する分割戻り光の量がピークに達する。受光素子１１は
高速応答性のフォトダイオード等からなり、戻り光のピ
ークをリアルタイムで検出でき、角走査中における戻り
光の受光タイミングを特定できる。この受光タイミング
に応じて角走査量を読み取る事により水平偏角が求めら
れる。なおこの受光素子１１は直線距離検出にも用いら
れる。この様に、本発明では蓄積効果を有する撮像素子
９と高速応答性を有する受光素子１１を巧みに使い分け
る事により、簡便な構成で３次元位置測定を可能にして
いる。

【００１５】図３は、図１に示した光学式３次元位置検
出装置の電気的な構成を示すブロック図であり、特にコ
ントローラ１０の具体的な構成を表わしている。マイク
ロコンピュータ５１を備えており、前述した距離演算手
段５２、偏角演算手段５３、仰角演算手段５４をソフト
ウェア的に構成している。これら演算手段５２〜５４に
より算出された直線距離、水平偏角及び垂直仰角の各デ
ータはコンピュータインターフェース５５を介して外部
のコンピュータシステムに転送される。

【００１６】撮像素子９は集光された戻り光を受光する
多分割撮像面を備えており、得られた撮像を画像入力回
路５６及びＡ／Ｄコンバータ５７を介してマイクロコン
ピュータ５１に供給する。仰角演算手段５４は入力され
た撮像を画像解析して垂直仰角を算出する。

【００１７】コントローラ１０は基準発振器５８を備え
ており所定の基準信号ＳＴＤを発生する。発光ダイオー
ド２は駆動アンプ５９を介して基準発振器５８に接続さ
れており、該基準信号ＳＴＤに基いて時間変調された投
光を放射する。即ち基準発振器５８及び駆動アンプ５９
が変調手段を構成する。一方受光素子１１は集光された
戻り光を受光して対応する電気信号ＥＬＣをアンプ６０
を介し出力する。位相比較器６１は比較手段を構成して
おり、基準信号ＳＴＤと電気信号ＥＬＣを位相比較し戻
り時間を求める。この戻り時間はマイクロコンピュータ
５１に入力され、距離演算手段５２は入力された戻り時
間に基いて直線距離を算出する。即ち、戻り時間と直線
距離は比例関係にある。

【００１８】さらに受光素子１１から出力された電気信
号ＥＬＣはＡ／Ｄコンバータ６２を介してマイクロコン
ピュータ５１に入力される。偏角演算手段５３は入力さ
れた電気信号ＥＬＣに応じて戻り光の受光タイミングを
検出し、該受光タイミングにおける投光の角走査量を読
み取って水平偏角を求める。この際、マイクロコンピュ
ータ５１はモータ制御器６３を介してステッピングモー
タ１２を駆動し投光を角走査している。マイクロコンピ
ュータ５１はステッピングモータの回転量を記憶してお
り、偏角演算手段５３は検出した受光タイミングに応じ
て記憶された回転量を読み取り、水平偏角を求めてい
る。

【００１９】最後に図４のフローチャートを参照して、
図３に示したマイクロコンピュータ５１の動作を詳細に
説明する。装置を起動した後、先ず最初にステップＳ１
でステッピングモータを高速回転し、投光を水平方向に
沿って角走査する。次にステップＳ２で、フォトダイオ
ードから出力された電気信号のピーク値を検出したかど
うかを判断する。この判断はピーク値が検出されるまで
持続的に行なわれる。ピーク値が検出された場合にはス
テップＳ３に進む。このステップでは、ピーク値を検出
した時点におけるステッピングモータの回転角度θを読
み取り、水平偏角として記憶する。次にステップＳ４に
進みピーク値検出直後ステッピングモータの回転を停止
する。この時機構部の慣性等により停止位置は記憶され
た水平偏角を若干オーバーシュートする。そこでステッ
プＳ５に進み、ステッピングモータを逆回転制御し、投
光を水平偏角θに指向させる。次にステップＳ６に進
み、ＣＣＤリニアイメージセンサの画像を読み込み、撮
像されたスポットの位置から、反射プリズムへの垂直仰
角φを演算する。さらにステップＳ７で、位相比較器の
出力を処理し、直線距離Ｄを求める。最後にステップＳ
８において、コンピュータインターフェースを介し、演
算された水平偏角θ、垂直仰角φ、直線距離Ｄをコンピ
ュータシステムへ送出する。この後、再びステップＳ１
に戻り投光の角走査を再実行する。以上に説明した３次
元位置検出動作は、マイクロコンピュータ５１にローデ
ィングされたシーケンスプログラムに従って実行され
る。シーケンスプログラムを適宜選択する事により所望
の手順で３次元位置の測定を行なう事が可能である。例
えば、投光の角走査中複数の位置指示器から逐次逆進反
射した戻り光の受光タイミングに基いて、個々の位置指
示器の水平偏角を順次算出する事もできる。この場合、
複数の位置指示器の水平偏角を先に全て求めた後、次に
投光を各位置指示器に対して選択的に指向させ、距離検
出及び仰角検出を行なう様にする事ができる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、Ｃ
ＣＤリニアイメージセンサ等の撮像素子を用いて仰角検
出を電子的に行なう事により、光学式３次元位置検出装
置の構造が簡略化され、且つサーチ速度の高速化が図れ
るという効果がある。ビームスプリッタを用いて戻り光
を二分割し、仰角検出用の撮像素子と距離検出用の受光
素子の両者に分配している。これにより、集光レンズや
光学鏡筒の共有化が図れ、構造が簡素になるとともに製
造コストが低減化できるという効果がある。サーチ速度
の高速化により、測量分野以外にもロボット制御等の位
置検出に適用する事が可能になるという効果がある。投
光を水平方向に沿って角走査し、その時発生する戻り光
のピークを応答時間の短い受光素子で検出し、これを回
転方向に順に繰り返す事により複数の位置指示器の連続
計測が可能になるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる光学式３次元位置検出装置の全
体構成を示す模式図である。

【図２】図１に示した光学式３次元位置検出装置の光学
構成を示すブロック図である。

【図３】図１に示した光学式３次元位置検出装置の電気
的な構成を示すブロック図である。

【図４】図１に示した光学式３次元位置検出装置の動作
説明に供するフローチャートである。

【符号の説明】

１ 投光 ２ 発光ダイオード ３ 上側鏡筒 ５ 下側鏡筒 ６ 集光レンズ ７ 戻り光 ９ 撮像素子 １０ コントローラ １１ 受光素子 １２ ステッピングモータ １３ ターンテーブル １６ ビームスプリッタ １７ スリット板 ３１ 多分割撮像面 ３２ スリット ５１ マイクロコンピュータ ５２ 距離演算手段 ５３ 偏角演算手段 ５４ 仰角演算手段 ５８ 基準発振器 ６１ 位相比較器 ６３ モータ制御器

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反射面を有する被測定体に投光を放射す
   る発光手段と、該反射面から逆進反射された戻り光を集
   光するレンズ手段と、集光された該戻り光に基いて被測
   定体の垂直仰角、水平偏角及び直線距離を夫々求める仰
   角検出部、偏角検出部及び距離検出部とを備えた光学式
   ３次元位置検出装置であって、 前記仰角検出部は、該集光された戻り光を受光する多分
   割撮像面を備えた撮像素子と、得られた撮像を画像解析
   して垂直仰角を算出する仰角演算手段とを含んでおり、 前記距離検出部は、該投光を所定の基準信号に基いて時
   間変調する変調手段と、該集光された戻り光を受光して
   対応する電気信号を出力する受光素子と、該基準信号と
   該電気信号を位相比較し戻り時間を求める比較手段と、
   該戻り時間に基いて直線距離を算出する距離演算手段と
   を含んでおり、 前記偏角検出部は、被測定体の反射面を横切る様に該投
   光を水平方向に角走査する走査手段と、該角走査中逆進
   反射した戻り光の受光タイミングに基いて水平偏角を算
   出する偏角演算手段とを含んでいる事を特徴とする光学
   式３次元位置検出装置。
2. 【請求項２】 ビームスプリット手段を含んでおり、該
   レンズ手段により集光された該戻り光をに二分割して該
   撮像素子と該受光素子の両者に分配する事を特徴とする
   請求項１記載の光学式３次元位置検出装置。
3. 【請求項３】 前記偏角演算手段は、該受光素子から出
   力された電気信号に応じて戻り光の受光タイミングを検
   知し、該受光タイミングにおける該投光の角走査量を読
   み取って水平偏角を求める事を特徴とする請求項１記載
   の光学式３次元位置検出装置。
4. 【請求項４】 前記偏角演算手段は、投光の角走査中複
   数の被測定体から逐次逆進反射した戻り光の受光タイミ
   ングに基いて個々の被測定体の水平偏角を算出する事を
   特徴とする請求項１記載の光学式３次元位置検出装置。
5. 【請求項５】 前記偏角検出部は角走査により求められ
   た水平偏角に基いて該投光を被測定体に選択指向させる
   一方、前記仰角検出部及び前記距離検出部は選択指向中
   に当該被測定体の垂直仰角及び直線距離を検出する事を
   特徴とする請求項１又は４記載の光学式３次元位置検出
   装置。
6. 【請求項６】 前記仰角演算手段、距離演算手段及び偏
   角演算手段は、マイクロコンピュータにより構成されて
   いる事を特徴とする請求項１記載の光学式３次元位置検
   出装置。
7. 【請求項７】 反射面を有する位置指示器を別途備えて
   おり、被測定体として所望の測定点にセットされる事を
   特徴とする請求項１又は４記載の光学式３次元位置検出
   装置。