不要光を除去して三次元座標を測定する三次元座標測定方法及び三次元座標測定装置
【目的】 窓ガラス等の反射体で反射された光による信号を除去することを目的とする。
【構成】 複数の平面光ｂ1・ｂ2を照射手段から照射して、測定点Ｑ上に配置されたスタッフｄが備える複数の返光手段ｅ1・ｅ2であるコーナープリズム３から返光された光を受光して、そのときの各平面光が基準方向と成す角度を検出して測定点Ｑの三次元座標を求める三次元座標測定方法において、前記複数の返光手段ｅ1・ｅ2から返光された光と他の反射面で反射された反射光の移動方向の相違に基いて、反射光による信号を除去することを特徴とする不要光を除去して三次元座標を測定する三次元座標測定方法及び三次元座標測定装置。
【構成】 複数の平面光ｂ1・ｂ2を照射手段から照射して、測定点Ｑ上に配置されたスタッフｄが備える複数の返光手段ｅ1・ｅ2であるコーナープリズム３から返光された光を受光して、そのときの各平面光が基準方向と成す角度を検出して測定点Ｑの三次元座標を求める三次元座標測定方法において、前記複数の返光手段ｅ1・ｅ2から返光された光と他の反射面で反射された反射光の移動方向の相違に基いて、反射光による信号を除去することを特徴とする不要光を除去して三次元座標を測定する三次元座標測定方法及び三次元座標測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は三次元座標測定装置及び三次元座標測定方法に関し、特に、複数の返光手段と複数の平面光を用い、幾何学的に測定点との距離を求めて三次元座標の値を算出するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、測定点の三次元の位置を測定するためには、基準点に測距儀及び測角儀を置き、該測定点の高度角と基準方向との水平角を測角儀で測定し、更に測距儀と反射板を使用して射出光と反射光との位相差から基準点と測定点との距離を求めていた。
【０００３】しかしながら近年では、光の位相差を測定して距離を求めるのではなく、複数の平面光を複数の反射手段で反射させ、受光素子が反射光を受光したときの平面光の方向が基準方向と成す角度を測定し、前記角度を変数とする方程式を連立させ、これを解いて測定点の三次元座標の値を求めている。これを簡単に説明するために、図４に測定方法の原理を示す。
【０００４】図４(ａ)を参照して、ａは測定装置本体であり、互いに交叉する２つの平面光ｂ1、ｂ2を照射する照射手段ｃを備えている。前記複数の平面光はスタッフｄの備える２つの返光手段ｅ1、ｅ2で返光され、前記測定装置本体ａが備える受光手段に入射する。
【０００５】前記測定装置本体ａは、基準位置Ｐに配置されており、測定中心Ｏを原点として、既知点等がある基準方向の水平成分をＸ軸にとり、これと水平面内で直角な方向をＹ軸にとり、Ｘ−Ｙ平面と垂直な方向をＺ軸にとって座標軸を定めている。
【０００６】なお、ここでは測定原理を簡単にするために、前記スタッフｄは測定点Ｑ上に鉛直に立てられており、前記２つの返光手段ｅ1、ｅ2は前記スタッフｄの該鉛直線上に配置されているものとする。又、座標原点Ｏは、前記互いに交叉する２つの平面光ｂ1、ｂ2の張る平面内にあるものとする。
【０００７】前記照射手段ｃが基準方向であるＸ軸方向を向いているとき、即ち前記照射手段ｃと基準方向との成す角度がゼロであるときの、前記２つの平面光ｂ1、ｂ2の張る平面の方程式をそれぞれ、 ｋ・ｘ＋ｍ・ｙ＋ｎ・ｚ ＝ ０ …… (１) ｐ・ｘ＋ｑ・ｙ＋ｒ・ｚ ＝ ０ …… (２)とする。なお、前記２つの平面光は互いに交叉するので、(１)式で表される平面の法線ベクトル（ｋ，ｍ，ｎ）と(２)式で表される平面の法線ベクトル（ｐ，ｑ，ｒ）とは相異なるものである。
【０００８】前記２つの平面光ｂ1、ｂ2は、測定装置本体ａの備える回転手段で図４(ａ)上では時計回りと反対方向に、Ｚ軸を一の回転軸として回転移動させられる。
【０００９】前記平面光ｂ1が基準方向から角度θ1回転移動して前記返光手段ｅ1に入射したときの該平面光ｂ1の張る平面の方程式を、 ｋ’・ｘ＋ｍ’・ｙ＋ｎ’・ｚ ＝ ０ …… (４)で表すと、該平面の法線ベクトル（ｋ’，ｍ’，ｎ’）は、(１)式で表される元の平面の法線ベクトル（ｋ，ｍ，ｎ）と次の関係がある。
【００１０】
【数１】
【００１１】又、前記平面光ｂ2が基準方向から角度θ2回転移動して前記返光手段ｅ1に入射したときの該平面光ｂ2の張る平面の方程式を、 ｐ’・ｘ＋ｑ’・ｙ＋ｒ’・ｚ ＝ ０ …… (７)で表すと、該平面の法線ベクトル（ｐ’，ｑ’，ｒ’）は、(２)式で表される元の平面の法線ベクトル（ｐ，ｑ，ｒ）と次の関係がある。
【００１２】
【数２】
【００１３】ところで、前記返光手段ｅ1は、(４)式の平面と(７)式の平面とのいずれの平面にも含まれるので、両平面の交線である直線ｓ上に位置することになる。又、２つの平面光ｂ1、ｂ2は原点を含むものとしたので、該直線ｓは原点Ｏを通り、その方程式は ｘ／Ａ ＝ ｙ／Ｂ ＝ ｚ／Ｃ ……(１１)で表すことができる。そして、該直線ｓの方向余弦（Ａ，Ｂ，Ｃ）と、前記(４)式と(７)式の平面の法線ベクトル（ｋ’，ｍ’，ｎ’）、（ｐ’，ｑ’，ｒ’）とには、 ｋ’・Ａ ＋ ｍ’・Ｂ ＋ｎ’・Ｃ ＝ ０ ……(１２) ｐ’・Ａ ＋ ｑ’・Ｂ ＋ｒ’・Ｃ ＝ ０ ……(１３)の関係があるので、前記２つの平面光ｂ1、ｂ2が返光手段ｅ1に入射したときに基準方向と成す角度θ1、θ2を測定し、元の２つの平面の方程式(１)、(２)を順次(５)式、(８)式、(１２)式、(１３)式を用いて変形すれば、(１１)式で表した直線ｓの方向余弦の値を得ることができる。
【００１４】次に、前記平面光ｂ1が基準方向から角度φ1回転移動して前記返光手段ｅ2に入射したときの該平面光ｂ1の張る平面の方程式を ｋ”・ｘ＋ｍ”・ｙ＋ｎ”・ｚ ＝ ０ ……(２１)で表すと、該平面の法線ベクトル（ｋ”，ｍ”，ｎ”）は、(１)式で表した元の平面の法線ベクトル（ｋ，ｍ，ｎ）と次の関係がある。
【００１５】
【数３】
【００１６】又、前記平面光ｂ2が基準方向から角度φ2回転移動して前記返光手段ｅ2に入射したときの該平面光ｂ2の張る平面の方程式を、 ｐ”・ｘ＋ｑ”・ｙ＋ｒ”・ｚ ＝ ０ ……(２３)で表すと、該平面の法線ベクトル（ｐ”，ｑ”，ｒ”）は、(２)式で表した元の平面の法線ベクトル（ｐ，ｑ，ｒ）と次の関係がある。
【００１７】
【数４】
【００１８】従って、(１１)式を導いたのと同様に、該返光手段ｅ2は、(２１)式の平面と(２３)式の平面の交線である次式で表せる直線ｔ上に位置する。
【００１９】
ｘ／Ｄ ＝ ｙ／Ｅ ＝ ｚ／Ｆ ……(２５)又、該直線ｔの方向余弦（Ｃ，Ｅ，Ｆ）と、(２１)式と(２２)式の平面の法線ベクトル（ｋ”，ｍ”，ｎ”）、（ｐ”，ｑ”，ｒ”）とは、 ｋ”・Ｄ ＋ ｍ”・Ｅ ＋ｎ”・Ｆ ＝ ０ ……(２６) ｐ”・Ｄ ＋ ｑ”・Ｅ ＋ｒ”・Ｆ ＝ ０ ……(２７）
の関係がある。従って、（１１)式で表した直線ｓの法線ベクトルの各要素を得るのと同様に、元の２つの平面の方程式(１)、(２)を、順次(２２)式、(２４)式、(２６)式、(２７)式を用いて変形すれば、(２５)式で表した直線ｔの方向余弦の値を得ることができる。
【００２０】なお、ここでは返光手段ｅ1と返光手段ｅ2とを結ぶ線分がＸ−Ｙ平面に垂直であるので、直線ｓと直線ｔの方向余弦のｘ軸要素の間で、 Ｄ ＝ ｖ・Ａ ……(２８)なるスカラー量ｖを導入すれば、ｙ軸要素とｚ軸要素との間には次の関係が成立する。
【００２１】
Ｅ ＝ ｖ・Ｂ 、 Ｆ ≠ ｖ・Ｃ ……(２９）
なお、２つの平面光が必ず一定の順序でスタッフに入射する様に、前記平面光ｂ1と平面光ｂ2をＶ字形に射出すれば、スタッフ上の上方に位置する返光手段から順に返光されるので、入射光がどの方程式に属するものであるかを特定することができる。そして、そのときの各平面光が基準方向と成す角度θ1、θ2、φ1とφ2を測定すれば、直線ｓの方程式(１１)式と直線ｔの方程式(２５)式を得ることができる。
【００２２】前記２つの直線ｓ、ｔと前記２つの返光手段ｅ1、ｅ2の位置関係を図４(ｂ)に示す。図４(ｂ)を参照して、Ｑ’は前記測定点ＱからＸ−Ｙ平面に降ろした垂線の足であり、前記返光手段ｅ1とｅ2とは予め定められた長さｈ1を隔てて両方ともこの垂線上に位置している。
【００２３】前記原点Ｏと前記垂線の足Ｑ’とを結ぶ線分をｕ、その長さをＬとすると、長さＬ及びｈ1と、直線ｓと線分ｕの成す角度α及び直線ｔと線分ｕの成す角度βとの間には次の関係が成り立つ。
【００２４】
Ｌ・ｔａｎ(α) − Ｌ・ｔａｎ(β) ＝ ｈ1 ……(３１）
従って、線分ｕの長さＬは、 Ｌ ＝ ｈ１／（ｔａｎ(α)−ｔａｎ(β)） ……(３２)と表すことができる。ここで、ベクトル（ｘ，ｙ，ｚ）の大きさを、‖(ｘ，ｙ，ｚ）‖で表すものとすると、(３２)式のｔａｎ(α)とｔａｎ(β)は、それぞれ、 ｔａｎ(α) ＝ ‖(Ａ，Ｂ，Ｃ)‖／‖(Ａ，Ｂ，0 )‖ ……(３３) ｔａｎ(β) ＝ ‖(Ｄ，Ｅ，Ｆ)‖／‖(Ｅ，Ｆ，0 )‖ ……(３４)で表せるので、前記２つの直線ｓ、ｔの方向余弦、(１１)式と(２５)式から、角度αと角度βを測定しなくてもその値を求めることができ、(３２)、(３３)、(３４)式から、線分ｕの長さＬを得ることができる。
【００２５】一方、測定点Ｑが基準方向であるＸ軸と成す水平角、即ち、前記線分ｕがＸ軸と成す角度をγとおくと、その正接は該線分ｕの方向余弦（Ａ，Ｂ， 0）より直ちに、 ｔａｎ(γ) ＝ Ａ／Ｂ ……(３５)として求めることができる。
【００２６】又、スタッフｄの下端部に位置する測定点Ｑとスタッフｄ上にある返光手段ｅ2との長さをｈ2が予め定められているものとすると、測定点Ｑの高度角ζの正接は、 ｔａｎ(ζ) ＝ （Ｌ・ｔａｎ(β)−ｈ2）／Ｌ ……(４１)により直ちに求めるられる。
【００２７】以上により、測定点Ｑの三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、 ｘ ＝ Ｌ・ｃｏｓ(γ) ……(４５) ｙ ＝ Ｌ・ｓｉｎ(γ) ……(４６) ｚ ＝ Ｌ・ｔａｎ(ζ) ……(４７)で求めることができる。
【００２８】以上概説した様に、２つの平面光ｂ1とｂ2が２つの返光手段により返光されたときの角度θ1、θ2、φ1、及びφ2を測定すれば、位相差測定等により直接測定点との水平距離を測定したり、測角儀等により直接水平角γや高度角ζを測定しなくても、測定点までの水平距離や水平角及び高度角の正接を算出することができ、これらの値により測定点Ｑの三次元座標の値を求めることができる。
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記測定点Ｑの周囲に窓ガラス等の光学的な反射面を有する建造物が存在する場合があり、前記測定装置本体から照射された各平面光が返光手段で返光された入射光だけではなく、窓ガラス等により反射された発生した入射光をも受光してしまい、かかる場合には三次元座標測定を行うことができなくなってしまう。
【００３０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、互いに交叉する複数の平面光を照射する照射手段と入射光を受光して信号を出力する受光手段とを備えた測定装置本体と、複数の返光手段を備えたスタッフとから成る三次元座標測定システムを用いる三次元座標測定方法であって、測定点上に前記スタッフを配置し、前記複数の平面光を一の回転軸を中心に回転移動させて前記スタッフの備える複数の返光手段に照射し、各々の返光手段が返光した光を前記受光手段により受光し、前記受光手段が受光したときの各平面の回転角度と各々の返光手段がスタッフ上の配置された位置とにより測定点の三次元座標を求める三次元座標測定方法において、前記複数の返光手段にコーナープリズムを用い、前記複数の平面の回転移動に伴い、コーナープリズムにより返光された光が移動する方向と、コーナープリズム以外の反射面により反射された光が移動する方向とを検出して両者を判別し、コーナープリズムにより返光された光が受光手段に入射したときの前記回転角度に基いて、測定点の三次元座標の値を算出することを特徴とし、請求項２記載の発明は、請求項１記載の三次元座標測定法方において前記受光手段は第１受光部と第２受光部とを有し、それぞれが前記一の回転軸を中心に周設して成り、前記第１受光部と前記第２受光部が光を受光した順番を検出して、受光したものが前記コーナープリズムにより返光された入射光か、コーナープリズム以外の面により反射された反射光かを検出することを特徴とし、請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の三次元座標測定方法に用いられる三次元座標測定装置であって、前記受光手段は、前記入射光を受光して第１検出信号を出力する第１受光部と、前記反射光を受光して第２受光信号を出力する第２受光部から成り、前記第１受光部と第２受光部は前記一の回転軸を中心にして前記回転手段の回転方向と同じ方向に配置され、前記測定装置本体は、前記第１受光信号から前記第２受光信号を差し引いた差信号を出力する減算手段と、前記第１受光信号と前記第２受光信号を加えた和信号を出力する加算手段と、第１閾値を基準として、該第１閾値よりも大きい場合をハイ状態とし、小さい場合をロー状態として前記差信号を２値化した２値化差信号を出力する差信号比較器と、第１閾値よりも大きい第２閾値を基準として、該第２閾値よりも大きい場合をハイ状態とし、小さい場合をロー状態として前記和信号を２値化した２値化和信号を出力する和信号比較器と、前記２値化差信号と前記２値化和信号とを受信して、前記２値化和信号がハイ状態であって前記２値化差信号がロー状態からハイ状態に変わったときにパルス信号を出力するパルス回路と、前記パルス信号を受信したときの前記回転手段の回転角度を記憶する角度記憶手段を備え前記角度記憶手段に記憶された角度に基いて測定点の三次元座標を算出する演算装置を備えたことを特徴とする。
【００３１】
【作用】スタッフの備える各返光手段をコーナープリズムとしたので、測定装置本体が照射し、回転移動させる平面光の移動方向と、該平面光がコーナープリズムで返光されて成る入射光との移動方向とは互いに逆方向となる。一方、平面光が窓ガラス等の反射面で反射された場合には、該反射光の移動方向と平面光の移動方向とは同じ方向になるので、受光手段が受光した光の移動方向を測定装置本体が照射した平面光の移動方向と比較することでいずれの光を受光したかを区別することができる。これにより、測定に不要な反射光を受光して生じた信号を除去することができる。
【００３２】又、特に受光手段に第１受光部と第２受光部とを設けこれを平面光の回転する一の回転軸を中心として回転方向と同じ方向に配置しておけば、コーナープリズムにより反射された光は先ず第２受光部に入射し、次いで第１受光部に入射するが、窓ガラス等の反射面により反射された光は、先ず第１受光部に入射し、次いで第２受光部に入射する。従って、第１受光部が入射光を受光して出力した第１受光信号から第２受光部が入射光を受光して出力した第２受光信号を減算した差信号は、コーナープリズムから返光された光による場合には、４１のように凹−凸になり、窓ガラス等の反射面が反射した光による場合には４１’のように凸−凹になる。
【００３３】一方、第１受光信号と第２受光信号とを加算した和信号はコーナープリズムで返光された光が入射した場合と、反射面で反射された光が入射した場合と同じ波形になるが、前記差信号と和信号とを２値化して２値化差信号と２値化和信号にする際に、差信号を２値化する閾値よりも和信号を２値化する閾値を大きくしておけば、２値化和信号と２値化差信号の立ち上がる順序は、コーナープリズムが返光した光による場合には２値化和信号の方が早く、反射面で反射された光による場合には２値化差信号の方が早くなる。
【００３４】そこで、２値化和信号が先にハイ状態になっており、２値化差信号がロー状態からハイ状態に変わったときにのみパルスを出力するパルス回路を用いれば、コーナープリズムが返光した光が入射したときにのみパルス出力が得られるので、これにより、窓ガラス等の反射面で反射された光により発生する信号を除去することができる。
【００３５】
【実施例】図１は本三次元座標測定方法の一手順を示すフローチャートであり、処理開始後、照射手段側ルーチン１と受光手段側ルーチン２とで並行して処理を進める。
【００３６】照射手段側ルーチン１はステップＳ1で回転手段や照射手段への電力供給を開始する等の初期化を行いＳ2に処理を移行させる。
【００３７】Ｓ2は回転照射ステップであり、測定装置本体の備える照射手段から、互いに交叉する複数の平面光を該測定装置本体の備える回転手段によって一の回転軸線を中心に回転させつつ測定装置外部に照射し、該回転照射ステップＳ2は、前記平面光を３６０°回転させたらステップＳ3に処理を移行させる。
【００３８】一方、測定点上にはスタッフが配置されており、該スタッフ上の予め定められた位置には複数の返光手段３が配置されている。そして、該スタッフに前記複数の平面光が照射されると前記複数の返光手段３が平面光を返光して測定装置本体の備える受光手段に入射させる。
【００３９】Ｓ3は回転回数が規定回数に達したか否かを判断する判断ステップであり、回転回数が規定回数未満であれば回転照射ステップＳ2に処理を戻し、規定回数に達していた場合には処理を終了させる。
【００４０】前記受光手段側ルーチン２は前記照射手段側ルーチン１の処理の開始と同時に初期化ステップＴ1から処理を開始する。該初期化ステップＴ1では、記憶装置内の諸変数の初期化の他、前記平面光の回転移動する方向を回転方向変数Ｒに記憶させておき、処理をＴ2に移行させる。
【００４１】Ｔ2は受光ステップであり、測定装置本体の備える受光手段が、前記複数の返光手段３が返光した光を受光するまで待機している。そして、何らかの入射光を受光した場合には、平面光が基準方向から回転移動した角度を一旦記憶バッファＭ内に記憶させ、処理をＴ3に移行させる。
【００４２】Ｔ3は入射光移動方向検出ステップであり、入射光の移動方向を検出し、入射光移動方向変数Ｇに検出した方向を記憶させてＴ4に処理を移行させる。
【００４３】Ｔ4は入射光判別ステップである。前記入射光には平面光が前記コーナープリズム３で返光されたものと、窓ガラス等の反射面で反射されたものとがあるので、回転方向変数Ｒに記憶された平面光が回転移動する方向と、前記入射光移動方向変数Ｇに記憶された入射光の移動方向を比較して、記憶バッファＭ内に記憶された角度を角度変数に記憶させるか否かを判断する。
【００４４】ここで、前記回転照射ステップＳ2で照射された平面光が、窓ガラス等の反射面で反射された場合に受光手段に入射する光の移動方向と、返光手段であるコーナープリズムで返光された場合に受光手段に入射する光の移動方向との相違を図２に示す。
【００４５】図２を参照して、(ａ)は測定装置本体の備える照射手段から照射された平面光が返光手段であるコーナープリズム３で返光された場合を示す図である。コーナープリズム３には平面光１１aが入射して１１bで示す光が返光されており、前記平面光１１aは矢印１６で示す図面右方向の１２aの位置に移動するものとすると、前記コーナープリズム３で返光される光は１１bの位置から矢印１７で示す図面左方向の１２bの位置に移動する。この様に、コーナープリズム３に入射する光は図面の右方向に移動するが、コーナープリズム３で返光される光は図面の左方向に移動する等、両者の移動方向は相異なるものとなる。
【００４６】これに対し、窓ガラス等の反射面で平面光が反射される場合を図２(ｂ)で示す。平面光１３aが窓ガラス等の反射体５に入射して１３bで示す光が反射されており、前記平面光１３aは矢印１８で示す図面右方向の１４aの位置に移動するものとすると、前記反射体５で反射された光は矢印１９で示す図面右方向の１４bの位置に移動する。この様に反射体５に入射する光の移動方向と該反射体５で反射された光の移動方向とは等しくなる。
【００４７】この様に、前記回転方向変数Ｒには平面光が回転移動する方向が記憶されており、入射光の移動方向は入射光移動方向変数Ｇに記憶されているので、両変数に記憶された内容を比較すれば、該入射光が窓ガラス等の反射面で反射されたものかコーナープリズムで返光されたものであるかを検出することができる。そして、入射光がコーナープリズムで返光されたものである場合には、処理はＴ5に移行して、記憶バッファＭ内に記憶された角度を記憶変数内に格納する。一方、入射光がコーナープリズム等で反射されたものであった場合には、処理をＴ2に戻して再度入射光を受光するまで待機する。
【００４８】ところで、ステップＴ2からステップＴ5の行う働きを電気回路で実現できれば処理速度が高速なので、測定時間の短縮等の面から好ましい。その様な電気回路として、コーナープリズムから返光された光を受光した場合にのみパルス出力を行って平面光が基準方向から回転移動した角度を記憶させるトリガ回路の一例を図３R>３(ａ)に示す。
【００４９】図３(ａ)を参照して、２１は測定装置本体の備える受光手段であり、入射光を受光して第１検出信号を出力する第１受光部２２aと、第２検出信号を出力する第２受光部２２bから成っており、前記第１受光部２２aと第２受光部２２bは一の回転軸を中心にして図示するように配置され、照射手段が照射する複数の平面光と共に方向２３へ回転移動する。
【００５０】前記第１受光部の出力する前記第１検出信号は増幅器２４aと検波器２５aを経て加算手段２６と減算手段２７に入力される。一方、前記第２検出信号は増幅器２４bと検波器２５bを経て前記加算手段２６と前記減算手段２７とに入力される。
【００５１】前記加算手段２６は、前記増幅器２４aと前記検波器２５aを経て入力された前記第１検出信号と、前記増幅器２４bと前記検波器２５bを経て入力された前記第２検出信号とを加算した和信号を和信号比較器２８に出力し、前記減算手段２７は、前記増幅器２４aと前記検波器２５aを経て入力された前記第１検出信号から、前記増幅器２４bと前記検波器２５bを経て入力された第２検出信号を差し引いた差信号を差信号比較器２９に出力する。
【００５２】図３(ｂ)はコーナープリズムで返光された光が前記受光手段２１に入射した場合に前記差信号と前記和信号の波形を示した図である。コーナープリズムで返光された光は照射手段が照射する複数の平面光が回転移動する方向２３とは逆向き方向３１の方向に移動するので、前記第１受光部２２aよりも第２受光部２２bが先に入射光を受光する。従って、時間を横軸に、信号強度を縦軸にとれば、前記差信号は曲線４１で示す特性となる。そして、差信号比較器２９は、第１閾値４２を基準として、該第１閾値よりも大きい場合をハイ状態とし、小さい場合をロー状態として前記曲線４１の特性を有する差信号を２値化して、図３(ｃ)の折線４３で示す特性の２値化差信号をパルス回路３０に出力する。
【００５３】一方、加算手段２６が出力する加算信号は、図３(ｂ)の曲線４５で示す特性となる。そして、和信号比較器２８は、前記第１閾値４２よりも大きい第２閾値４６を基準として、該第２閾値４６よりも大きい場合をハイ状態とし、小さい場合をロー状態として、前記曲線４５の特性を有する和信号を２値化して、図３(ｃ)の折線４７で示す特性の２値化和信号をパルス回路３０に出力する。
【００５４】そして、パルス回路３０は入力された前記２値化和信号がハイ状態であり、入力された前記２値化差信号がロー状態からハイ状態に変わったときにパルス信号を演算装置３２に出力し、該演算装置３２は、該パルス入力があったときの平面光の回転角度を記憶手段３３に記憶させれば、受光手段がコーナープリズムで返光された光を受光したときの平面光が基準方向と成す角度を検出することができる。
【００５５】一方、測定装置本体の備える照射手段が照射した平面光が窓ガラス等の反射面で反射された場合には、入射光の移動方向は平面光が回転移動する方向と同じになるので、第１受光部２２aが第２受光部２２bよりも先に入射光を受光する。この場合には、前記減算手段２７で作られる差信号は図３(ｄ)の曲線４１’で示す特性となり、前記差信号比較器２９が、第１閾値４２を基準として、該第１閾値よりも大きい場合をハイ状態とし、小さい場合をロー状態として、前記曲線４１’で示す特性の差信号を２値化するので、図３(ｅ)の折線４３’で示す特性の２値化差信号がパルス回路３０に出力される。又、前記加算手段２６は入力された信号を加算し曲線４５’で示す特性の和信号を和信号比較器２８に出力し、該和信号比較器２８は、前記第１閾値４２よりも大きい第２閾値４６を基準として、該第２閾値４６よりも大きい場合をハイ状態とし、小さい場合をロー状態として前記曲線４５’の特性の和信号を２値化して、図３R>３(ｅ)の折線４７’で示す特性の２値化和信号を前記パルス回路３０に出力する。
【００５６】そして、この場合には、２値化差信号４３’がロー状態からハイ状態に変わるときは２値化和信号４７’はロー状態であり、パルス回路３０はパルスを出力しないので、前記演算手段３２が平面光の回転角度を記憶手段３３に記憶させることはない。
【００５７】この場合、第１および第２受光部の配置順や、増巾器、検波器、減算手段、信号比較器などの極性により、図３（ｂ）、（ｄ）に示す波形は変わるが、どちらの場合でも選択的に動作させられることは言うまでもない。
【００５８】この様に、照射手段の照射する平面光が回転移動する方向と、受光手段が受光した光の移動方向とを比較して、コーナープリズムから返光された光か否かを検出して平面光が基準方向から回転移動した角度を記憶しても、コーナープリズムから返光された光を受光した場合に動作するトリガ回路の働きにより、コーナープリズムから返光された光を検出して平面光が基準方向から回転移動した角度を記憶しても良い。
【００５９】そして、前記平面光の回転移動した角度を記憶した後は処理はＴ6に移行する。
【００６０】Ｔ6は角度の測定が終了したか否かを判断する。前記角度変数の全てに角度が記憶されていなければ、測定は終了していないので処理をＴ2に戻し、前記角度変数の全てに角度が記憶されていれば処理をＴ7に移行させる。
【００６１】Ｔ7は三次元座標算出ステップであり、前記複数の返光手段のスタッフ上の位置と前記角度変数に記憶された移動手段の回転角度とにより測定点の三次元座標の値を算出する。
【００６２】ところで、測定原理を簡単に説明するため、図４(ａ)では返光手段を２つ用い、該２つの返光手段を測定点上に鉛直に配置したが、３つの返光手段をスタッフに設け、該３つの返光手段をスタッフ上に一の平面を張る様に配置すれば、スタッフを測定点上に鉛直に立てる必要はなくなるが、この場合でも本三次元座標測定法方及び三次元座標測定装置を用いることができることは言うまでもない。
【００６３】なお、該ステップＴ7では、三次元座標の計算結果を表示装置３３で表示して、処理をＴ8に移行させる。
【００６４】Ｔ8では、予め定められた回数の測定が行われたか否かを判断し、行われていなければ処理をＴ2に戻し、行われた場合には、処理を終了させる。
【００６５】
【発明の効果】コーナープリズムで返光された光か、反射面で反射された光かを検出することができるので、窓ガラス等の反射体が多数存在する市街地においても誤りなく三次元座標測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本三次元座標測定方法の一実施例の処理手順
【図２】 コーナープリズムで返光された光と反射面で反射された光の移動方向の相違を示す図
【図３】 (ａ) 本三次元座標測定装置に用いられるトリガ回路の一例
(ｂ)〜（ｅ）前記トリガ回路中の各ブロックの作る信号波形を示す図
【図４】 三次元座標測定の原理を示す図
【符号の説明】
ａ 測定装置本体 ｂ1・ｂ2 平面光 ｃ 照射手段
ｄ スタッフ ｅ1・ｅ2 返光手段
Ｑ 測定点
３ コーナープリズム ５ 反射体
２１ 受光手段 ２２a 第１受光部 ２２b 第２受光部
２６ 加算手段 ２７ 減算手段
２８ 和信号比較器 ２９ 差信号比較器
３０ パルス回路 ３３ 角度記憶手段
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は三次元座標測定装置及び三次元座標測定方法に関し、特に、複数の返光手段と複数の平面光を用い、幾何学的に測定点との距離を求めて三次元座標の値を算出するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、測定点の三次元の位置を測定するためには、基準点に測距儀及び測角儀を置き、該測定点の高度角と基準方向との水平角を測角儀で測定し、更に測距儀と反射板を使用して射出光と反射光との位相差から基準点と測定点との距離を求めていた。
【０００３】しかしながら近年では、光の位相差を測定して距離を求めるのではなく、複数の平面光を複数の反射手段で反射させ、受光素子が反射光を受光したときの平面光の方向が基準方向と成す角度を測定し、前記角度を変数とする方程式を連立させ、これを解いて測定点の三次元座標の値を求めている。これを簡単に説明するために、図４に測定方法の原理を示す。
【０００４】図４(ａ)を参照して、ａは測定装置本体であり、互いに交叉する２つの平面光ｂ1、ｂ2を照射する照射手段ｃを備えている。前記複数の平面光はスタッフｄの備える２つの返光手段ｅ1、ｅ2で返光され、前記測定装置本体ａが備える受光手段に入射する。
【０００５】前記測定装置本体ａは、基準位置Ｐに配置されており、測定中心Ｏを原点として、既知点等がある基準方向の水平成分をＸ軸にとり、これと水平面内で直角な方向をＹ軸にとり、Ｘ−Ｙ平面と垂直な方向をＺ軸にとって座標軸を定めている。
【０００６】なお、ここでは測定原理を簡単にするために、前記スタッフｄは測定点Ｑ上に鉛直に立てられており、前記２つの返光手段ｅ1、ｅ2は前記スタッフｄの該鉛直線上に配置されているものとする。又、座標原点Ｏは、前記互いに交叉する２つの平面光ｂ1、ｂ2の張る平面内にあるものとする。
【０００７】前記照射手段ｃが基準方向であるＸ軸方向を向いているとき、即ち前記照射手段ｃと基準方向との成す角度がゼロであるときの、前記２つの平面光ｂ1、ｂ2の張る平面の方程式をそれぞれ、 ｋ・ｘ＋ｍ・ｙ＋ｎ・ｚ ＝ ０ …… (１) ｐ・ｘ＋ｑ・ｙ＋ｒ・ｚ ＝ ０ …… (２)とする。なお、前記２つの平面光は互いに交叉するので、(１)式で表される平面の法線ベクトル（ｋ，ｍ，ｎ）と(２)式で表される平面の法線ベクトル（ｐ，ｑ，ｒ）とは相異なるものである。
【０００８】前記２つの平面光ｂ1、ｂ2は、測定装置本体ａの備える回転手段で図４(ａ)上では時計回りと反対方向に、Ｚ軸を一の回転軸として回転移動させられる。
【０００９】前記平面光ｂ1が基準方向から角度θ1回転移動して前記返光手段ｅ1に入射したときの該平面光ｂ1の張る平面の方程式を、 ｋ’・ｘ＋ｍ’・ｙ＋ｎ’・ｚ ＝ ０ …… (４)で表すと、該平面の法線ベクトル（ｋ’，ｍ’，ｎ’）は、(１)式で表される元の平面の法線ベクトル（ｋ，ｍ，ｎ）と次の関係がある。
【００１０】
【数１】
【００１１】又、前記平面光ｂ2が基準方向から角度θ2回転移動して前記返光手段ｅ1に入射したときの該平面光ｂ2の張る平面の方程式を、 ｐ’・ｘ＋ｑ’・ｙ＋ｒ’・ｚ ＝ ０ …… (７)で表すと、該平面の法線ベクトル（ｐ’，ｑ’，ｒ’）は、(２)式で表される元の平面の法線ベクトル（ｐ，ｑ，ｒ）と次の関係がある。
【００１２】
【数２】
【００１３】ところで、前記返光手段ｅ1は、(４)式の平面と(７)式の平面とのいずれの平面にも含まれるので、両平面の交線である直線ｓ上に位置することになる。又、２つの平面光ｂ1、ｂ2は原点を含むものとしたので、該直線ｓは原点Ｏを通り、その方程式は ｘ／Ａ ＝ ｙ／Ｂ ＝ ｚ／Ｃ ……(１１)で表すことができる。そして、該直線ｓの方向余弦（Ａ，Ｂ，Ｃ）と、前記(４)式と(７)式の平面の法線ベクトル（ｋ’，ｍ’，ｎ’）、（ｐ’，ｑ’，ｒ’）とには、 ｋ’・Ａ ＋ ｍ’・Ｂ ＋ｎ’・Ｃ ＝ ０ ……(１２) ｐ’・Ａ ＋ ｑ’・Ｂ ＋ｒ’・Ｃ ＝ ０ ……(１３)の関係があるので、前記２つの平面光ｂ1、ｂ2が返光手段ｅ1に入射したときに基準方向と成す角度θ1、θ2を測定し、元の２つの平面の方程式(１)、(２)を順次(５)式、(８)式、(１２)式、(１３)式を用いて変形すれば、(１１)式で表した直線ｓの方向余弦の値を得ることができる。
【００１４】次に、前記平面光ｂ1が基準方向から角度φ1回転移動して前記返光手段ｅ2に入射したときの該平面光ｂ1の張る平面の方程式を ｋ”・ｘ＋ｍ”・ｙ＋ｎ”・ｚ ＝ ０ ……(２１)で表すと、該平面の法線ベクトル（ｋ”，ｍ”，ｎ”）は、(１)式で表した元の平面の法線ベクトル（ｋ，ｍ，ｎ）と次の関係がある。
【００１５】
【数３】
【００１６】又、前記平面光ｂ2が基準方向から角度φ2回転移動して前記返光手段ｅ2に入射したときの該平面光ｂ2の張る平面の方程式を、 ｐ”・ｘ＋ｑ”・ｙ＋ｒ”・ｚ ＝ ０ ……(２３)で表すと、該平面の法線ベクトル（ｐ”，ｑ”，ｒ”）は、(２)式で表した元の平面の法線ベクトル（ｐ，ｑ，ｒ）と次の関係がある。
【００１７】
【数４】
【００１８】従って、(１１)式を導いたのと同様に、該返光手段ｅ2は、(２１)式の平面と(２３)式の平面の交線である次式で表せる直線ｔ上に位置する。
【００１９】
ｘ／Ｄ ＝ ｙ／Ｅ ＝ ｚ／Ｆ ……(２５)又、該直線ｔの方向余弦（Ｃ，Ｅ，Ｆ）と、(２１)式と(２２)式の平面の法線ベクトル（ｋ”，ｍ”，ｎ”）、（ｐ”，ｑ”，ｒ”）とは、 ｋ”・Ｄ ＋ ｍ”・Ｅ ＋ｎ”・Ｆ ＝ ０ ……(２６) ｐ”・Ｄ ＋ ｑ”・Ｅ ＋ｒ”・Ｆ ＝ ０ ……(２７）
の関係がある。従って、（１１)式で表した直線ｓの法線ベクトルの各要素を得るのと同様に、元の２つの平面の方程式(１)、(２)を、順次(２２)式、(２４)式、(２６)式、(２７)式を用いて変形すれば、(２５)式で表した直線ｔの方向余弦の値を得ることができる。
【００２０】なお、ここでは返光手段ｅ1と返光手段ｅ2とを結ぶ線分がＸ−Ｙ平面に垂直であるので、直線ｓと直線ｔの方向余弦のｘ軸要素の間で、 Ｄ ＝ ｖ・Ａ ……(２８)なるスカラー量ｖを導入すれば、ｙ軸要素とｚ軸要素との間には次の関係が成立する。
【００２１】
Ｅ ＝ ｖ・Ｂ 、 Ｆ ≠ ｖ・Ｃ ……(２９）
なお、２つの平面光が必ず一定の順序でスタッフに入射する様に、前記平面光ｂ1と平面光ｂ2をＶ字形に射出すれば、スタッフ上の上方に位置する返光手段から順に返光されるので、入射光がどの方程式に属するものであるかを特定することができる。そして、そのときの各平面光が基準方向と成す角度θ1、θ2、φ1とφ2を測定すれば、直線ｓの方程式(１１)式と直線ｔの方程式(２５)式を得ることができる。
【００２２】前記２つの直線ｓ、ｔと前記２つの返光手段ｅ1、ｅ2の位置関係を図４(ｂ)に示す。図４(ｂ)を参照して、Ｑ’は前記測定点ＱからＸ−Ｙ平面に降ろした垂線の足であり、前記返光手段ｅ1とｅ2とは予め定められた長さｈ1を隔てて両方ともこの垂線上に位置している。
【００２３】前記原点Ｏと前記垂線の足Ｑ’とを結ぶ線分をｕ、その長さをＬとすると、長さＬ及びｈ1と、直線ｓと線分ｕの成す角度α及び直線ｔと線分ｕの成す角度βとの間には次の関係が成り立つ。
【００２４】
Ｌ・ｔａｎ(α) − Ｌ・ｔａｎ(β) ＝ ｈ1 ……(３１）
従って、線分ｕの長さＬは、 Ｌ ＝ ｈ１／（ｔａｎ(α)−ｔａｎ(β)） ……(３２)と表すことができる。ここで、ベクトル（ｘ，ｙ，ｚ）の大きさを、‖(ｘ，ｙ，ｚ）‖で表すものとすると、(３２)式のｔａｎ(α)とｔａｎ(β)は、それぞれ、 ｔａｎ(α) ＝ ‖(Ａ，Ｂ，Ｃ)‖／‖(Ａ，Ｂ，0 )‖ ……(３３) ｔａｎ(β) ＝ ‖(Ｄ，Ｅ，Ｆ)‖／‖(Ｅ，Ｆ，0 )‖ ……(３４)で表せるので、前記２つの直線ｓ、ｔの方向余弦、(１１)式と(２５)式から、角度αと角度βを測定しなくてもその値を求めることができ、(３２)、(３３)、(３４)式から、線分ｕの長さＬを得ることができる。
【００２５】一方、測定点Ｑが基準方向であるＸ軸と成す水平角、即ち、前記線分ｕがＸ軸と成す角度をγとおくと、その正接は該線分ｕの方向余弦（Ａ，Ｂ， 0）より直ちに、 ｔａｎ(γ) ＝ Ａ／Ｂ ……(３５)として求めることができる。
【００２６】又、スタッフｄの下端部に位置する測定点Ｑとスタッフｄ上にある返光手段ｅ2との長さをｈ2が予め定められているものとすると、測定点Ｑの高度角ζの正接は、 ｔａｎ(ζ) ＝ （Ｌ・ｔａｎ(β)−ｈ2）／Ｌ ……(４１)により直ちに求めるられる。
【００２７】以上により、測定点Ｑの三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、 ｘ ＝ Ｌ・ｃｏｓ(γ) ……(４５) ｙ ＝ Ｌ・ｓｉｎ(γ) ……(４６) ｚ ＝ Ｌ・ｔａｎ(ζ) ……(４７)で求めることができる。
【００２８】以上概説した様に、２つの平面光ｂ1とｂ2が２つの返光手段により返光されたときの角度θ1、θ2、φ1、及びφ2を測定すれば、位相差測定等により直接測定点との水平距離を測定したり、測角儀等により直接水平角γや高度角ζを測定しなくても、測定点までの水平距離や水平角及び高度角の正接を算出することができ、これらの値により測定点Ｑの三次元座標の値を求めることができる。
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記測定点Ｑの周囲に窓ガラス等の光学的な反射面を有する建造物が存在する場合があり、前記測定装置本体から照射された各平面光が返光手段で返光された入射光だけではなく、窓ガラス等により反射された発生した入射光をも受光してしまい、かかる場合には三次元座標測定を行うことができなくなってしまう。
【００３０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、互いに交叉する複数の平面光を照射する照射手段と入射光を受光して信号を出力する受光手段とを備えた測定装置本体と、複数の返光手段を備えたスタッフとから成る三次元座標測定システムを用いる三次元座標測定方法であって、測定点上に前記スタッフを配置し、前記複数の平面光を一の回転軸を中心に回転移動させて前記スタッフの備える複数の返光手段に照射し、各々の返光手段が返光した光を前記受光手段により受光し、前記受光手段が受光したときの各平面の回転角度と各々の返光手段がスタッフ上の配置された位置とにより測定点の三次元座標を求める三次元座標測定方法において、前記複数の返光手段にコーナープリズムを用い、前記複数の平面の回転移動に伴い、コーナープリズムにより返光された光が移動する方向と、コーナープリズム以外の反射面により反射された光が移動する方向とを検出して両者を判別し、コーナープリズムにより返光された光が受光手段に入射したときの前記回転角度に基いて、測定点の三次元座標の値を算出することを特徴とし、請求項２記載の発明は、請求項１記載の三次元座標測定法方において前記受光手段は第１受光部と第２受光部とを有し、それぞれが前記一の回転軸を中心に周設して成り、前記第１受光部と前記第２受光部が光を受光した順番を検出して、受光したものが前記コーナープリズムにより返光された入射光か、コーナープリズム以外の面により反射された反射光かを検出することを特徴とし、請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の三次元座標測定方法に用いられる三次元座標測定装置であって、前記受光手段は、前記入射光を受光して第１検出信号を出力する第１受光部と、前記反射光を受光して第２受光信号を出力する第２受光部から成り、前記第１受光部と第２受光部は前記一の回転軸を中心にして前記回転手段の回転方向と同じ方向に配置され、前記測定装置本体は、前記第１受光信号から前記第２受光信号を差し引いた差信号を出力する減算手段と、前記第１受光信号と前記第２受光信号を加えた和信号を出力する加算手段と、第１閾値を基準として、該第１閾値よりも大きい場合をハイ状態とし、小さい場合をロー状態として前記差信号を２値化した２値化差信号を出力する差信号比較器と、第１閾値よりも大きい第２閾値を基準として、該第２閾値よりも大きい場合をハイ状態とし、小さい場合をロー状態として前記和信号を２値化した２値化和信号を出力する和信号比較器と、前記２値化差信号と前記２値化和信号とを受信して、前記２値化和信号がハイ状態であって前記２値化差信号がロー状態からハイ状態に変わったときにパルス信号を出力するパルス回路と、前記パルス信号を受信したときの前記回転手段の回転角度を記憶する角度記憶手段を備え前記角度記憶手段に記憶された角度に基いて測定点の三次元座標を算出する演算装置を備えたことを特徴とする。
【００３１】
【作用】スタッフの備える各返光手段をコーナープリズムとしたので、測定装置本体が照射し、回転移動させる平面光の移動方向と、該平面光がコーナープリズムで返光されて成る入射光との移動方向とは互いに逆方向となる。一方、平面光が窓ガラス等の反射面で反射された場合には、該反射光の移動方向と平面光の移動方向とは同じ方向になるので、受光手段が受光した光の移動方向を測定装置本体が照射した平面光の移動方向と比較することでいずれの光を受光したかを区別することができる。これにより、測定に不要な反射光を受光して生じた信号を除去することができる。
【００３２】又、特に受光手段に第１受光部と第２受光部とを設けこれを平面光の回転する一の回転軸を中心として回転方向と同じ方向に配置しておけば、コーナープリズムにより反射された光は先ず第２受光部に入射し、次いで第１受光部に入射するが、窓ガラス等の反射面により反射された光は、先ず第１受光部に入射し、次いで第２受光部に入射する。従って、第１受光部が入射光を受光して出力した第１受光信号から第２受光部が入射光を受光して出力した第２受光信号を減算した差信号は、コーナープリズムから返光された光による場合には、４１のように凹−凸になり、窓ガラス等の反射面が反射した光による場合には４１’のように凸−凹になる。
【００３３】一方、第１受光信号と第２受光信号とを加算した和信号はコーナープリズムで返光された光が入射した場合と、反射面で反射された光が入射した場合と同じ波形になるが、前記差信号と和信号とを２値化して２値化差信号と２値化和信号にする際に、差信号を２値化する閾値よりも和信号を２値化する閾値を大きくしておけば、２値化和信号と２値化差信号の立ち上がる順序は、コーナープリズムが返光した光による場合には２値化和信号の方が早く、反射面で反射された光による場合には２値化差信号の方が早くなる。
【００３４】そこで、２値化和信号が先にハイ状態になっており、２値化差信号がロー状態からハイ状態に変わったときにのみパルスを出力するパルス回路を用いれば、コーナープリズムが返光した光が入射したときにのみパルス出力が得られるので、これにより、窓ガラス等の反射面で反射された光により発生する信号を除去することができる。
【００３５】
【実施例】図１は本三次元座標測定方法の一手順を示すフローチャートであり、処理開始後、照射手段側ルーチン１と受光手段側ルーチン２とで並行して処理を進める。
【００３６】照射手段側ルーチン１はステップＳ1で回転手段や照射手段への電力供給を開始する等の初期化を行いＳ2に処理を移行させる。
【００３７】Ｓ2は回転照射ステップであり、測定装置本体の備える照射手段から、互いに交叉する複数の平面光を該測定装置本体の備える回転手段によって一の回転軸線を中心に回転させつつ測定装置外部に照射し、該回転照射ステップＳ2は、前記平面光を３６０°回転させたらステップＳ3に処理を移行させる。
【００３８】一方、測定点上にはスタッフが配置されており、該スタッフ上の予め定められた位置には複数の返光手段３が配置されている。そして、該スタッフに前記複数の平面光が照射されると前記複数の返光手段３が平面光を返光して測定装置本体の備える受光手段に入射させる。
【００３９】Ｓ3は回転回数が規定回数に達したか否かを判断する判断ステップであり、回転回数が規定回数未満であれば回転照射ステップＳ2に処理を戻し、規定回数に達していた場合には処理を終了させる。
【００４０】前記受光手段側ルーチン２は前記照射手段側ルーチン１の処理の開始と同時に初期化ステップＴ1から処理を開始する。該初期化ステップＴ1では、記憶装置内の諸変数の初期化の他、前記平面光の回転移動する方向を回転方向変数Ｒに記憶させておき、処理をＴ2に移行させる。
【００４１】Ｔ2は受光ステップであり、測定装置本体の備える受光手段が、前記複数の返光手段３が返光した光を受光するまで待機している。そして、何らかの入射光を受光した場合には、平面光が基準方向から回転移動した角度を一旦記憶バッファＭ内に記憶させ、処理をＴ3に移行させる。
【００４２】Ｔ3は入射光移動方向検出ステップであり、入射光の移動方向を検出し、入射光移動方向変数Ｇに検出した方向を記憶させてＴ4に処理を移行させる。
【００４３】Ｔ4は入射光判別ステップである。前記入射光には平面光が前記コーナープリズム３で返光されたものと、窓ガラス等の反射面で反射されたものとがあるので、回転方向変数Ｒに記憶された平面光が回転移動する方向と、前記入射光移動方向変数Ｇに記憶された入射光の移動方向を比較して、記憶バッファＭ内に記憶された角度を角度変数に記憶させるか否かを判断する。
【００４４】ここで、前記回転照射ステップＳ2で照射された平面光が、窓ガラス等の反射面で反射された場合に受光手段に入射する光の移動方向と、返光手段であるコーナープリズムで返光された場合に受光手段に入射する光の移動方向との相違を図２に示す。
【００４５】図２を参照して、(ａ)は測定装置本体の備える照射手段から照射された平面光が返光手段であるコーナープリズム３で返光された場合を示す図である。コーナープリズム３には平面光１１aが入射して１１bで示す光が返光されており、前記平面光１１aは矢印１６で示す図面右方向の１２aの位置に移動するものとすると、前記コーナープリズム３で返光される光は１１bの位置から矢印１７で示す図面左方向の１２bの位置に移動する。この様に、コーナープリズム３に入射する光は図面の右方向に移動するが、コーナープリズム３で返光される光は図面の左方向に移動する等、両者の移動方向は相異なるものとなる。
【００４６】これに対し、窓ガラス等の反射面で平面光が反射される場合を図２(ｂ)で示す。平面光１３aが窓ガラス等の反射体５に入射して１３bで示す光が反射されており、前記平面光１３aは矢印１８で示す図面右方向の１４aの位置に移動するものとすると、前記反射体５で反射された光は矢印１９で示す図面右方向の１４bの位置に移動する。この様に反射体５に入射する光の移動方向と該反射体５で反射された光の移動方向とは等しくなる。
【００４７】この様に、前記回転方向変数Ｒには平面光が回転移動する方向が記憶されており、入射光の移動方向は入射光移動方向変数Ｇに記憶されているので、両変数に記憶された内容を比較すれば、該入射光が窓ガラス等の反射面で反射されたものかコーナープリズムで返光されたものであるかを検出することができる。そして、入射光がコーナープリズムで返光されたものである場合には、処理はＴ5に移行して、記憶バッファＭ内に記憶された角度を記憶変数内に格納する。一方、入射光がコーナープリズム等で反射されたものであった場合には、処理をＴ2に戻して再度入射光を受光するまで待機する。
【００４８】ところで、ステップＴ2からステップＴ5の行う働きを電気回路で実現できれば処理速度が高速なので、測定時間の短縮等の面から好ましい。その様な電気回路として、コーナープリズムから返光された光を受光した場合にのみパルス出力を行って平面光が基準方向から回転移動した角度を記憶させるトリガ回路の一例を図３R>３(ａ)に示す。
【００４９】図３(ａ)を参照して、２１は測定装置本体の備える受光手段であり、入射光を受光して第１検出信号を出力する第１受光部２２aと、第２検出信号を出力する第２受光部２２bから成っており、前記第１受光部２２aと第２受光部２２bは一の回転軸を中心にして図示するように配置され、照射手段が照射する複数の平面光と共に方向２３へ回転移動する。
【００５０】前記第１受光部の出力する前記第１検出信号は増幅器２４aと検波器２５aを経て加算手段２６と減算手段２７に入力される。一方、前記第２検出信号は増幅器２４bと検波器２５bを経て前記加算手段２６と前記減算手段２７とに入力される。
【００５１】前記加算手段２６は、前記増幅器２４aと前記検波器２５aを経て入力された前記第１検出信号と、前記増幅器２４bと前記検波器２５bを経て入力された前記第２検出信号とを加算した和信号を和信号比較器２８に出力し、前記減算手段２７は、前記増幅器２４aと前記検波器２５aを経て入力された前記第１検出信号から、前記増幅器２４bと前記検波器２５bを経て入力された第２検出信号を差し引いた差信号を差信号比較器２９に出力する。
【００５２】図３(ｂ)はコーナープリズムで返光された光が前記受光手段２１に入射した場合に前記差信号と前記和信号の波形を示した図である。コーナープリズムで返光された光は照射手段が照射する複数の平面光が回転移動する方向２３とは逆向き方向３１の方向に移動するので、前記第１受光部２２aよりも第２受光部２２bが先に入射光を受光する。従って、時間を横軸に、信号強度を縦軸にとれば、前記差信号は曲線４１で示す特性となる。そして、差信号比較器２９は、第１閾値４２を基準として、該第１閾値よりも大きい場合をハイ状態とし、小さい場合をロー状態として前記曲線４１の特性を有する差信号を２値化して、図３(ｃ)の折線４３で示す特性の２値化差信号をパルス回路３０に出力する。
【００５３】一方、加算手段２６が出力する加算信号は、図３(ｂ)の曲線４５で示す特性となる。そして、和信号比較器２８は、前記第１閾値４２よりも大きい第２閾値４６を基準として、該第２閾値４６よりも大きい場合をハイ状態とし、小さい場合をロー状態として、前記曲線４５の特性を有する和信号を２値化して、図３(ｃ)の折線４７で示す特性の２値化和信号をパルス回路３０に出力する。
【００５４】そして、パルス回路３０は入力された前記２値化和信号がハイ状態であり、入力された前記２値化差信号がロー状態からハイ状態に変わったときにパルス信号を演算装置３２に出力し、該演算装置３２は、該パルス入力があったときの平面光の回転角度を記憶手段３３に記憶させれば、受光手段がコーナープリズムで返光された光を受光したときの平面光が基準方向と成す角度を検出することができる。
【００５５】一方、測定装置本体の備える照射手段が照射した平面光が窓ガラス等の反射面で反射された場合には、入射光の移動方向は平面光が回転移動する方向と同じになるので、第１受光部２２aが第２受光部２２bよりも先に入射光を受光する。この場合には、前記減算手段２７で作られる差信号は図３(ｄ)の曲線４１’で示す特性となり、前記差信号比較器２９が、第１閾値４２を基準として、該第１閾値よりも大きい場合をハイ状態とし、小さい場合をロー状態として、前記曲線４１’で示す特性の差信号を２値化するので、図３(ｅ)の折線４３’で示す特性の２値化差信号がパルス回路３０に出力される。又、前記加算手段２６は入力された信号を加算し曲線４５’で示す特性の和信号を和信号比較器２８に出力し、該和信号比較器２８は、前記第１閾値４２よりも大きい第２閾値４６を基準として、該第２閾値４６よりも大きい場合をハイ状態とし、小さい場合をロー状態として前記曲線４５’の特性の和信号を２値化して、図３R>３(ｅ)の折線４７’で示す特性の２値化和信号を前記パルス回路３０に出力する。
【００５６】そして、この場合には、２値化差信号４３’がロー状態からハイ状態に変わるときは２値化和信号４７’はロー状態であり、パルス回路３０はパルスを出力しないので、前記演算手段３２が平面光の回転角度を記憶手段３３に記憶させることはない。
【００５７】この場合、第１および第２受光部の配置順や、増巾器、検波器、減算手段、信号比較器などの極性により、図３（ｂ）、（ｄ）に示す波形は変わるが、どちらの場合でも選択的に動作させられることは言うまでもない。
【００５８】この様に、照射手段の照射する平面光が回転移動する方向と、受光手段が受光した光の移動方向とを比較して、コーナープリズムから返光された光か否かを検出して平面光が基準方向から回転移動した角度を記憶しても、コーナープリズムから返光された光を受光した場合に動作するトリガ回路の働きにより、コーナープリズムから返光された光を検出して平面光が基準方向から回転移動した角度を記憶しても良い。
【００５９】そして、前記平面光の回転移動した角度を記憶した後は処理はＴ6に移行する。
【００６０】Ｔ6は角度の測定が終了したか否かを判断する。前記角度変数の全てに角度が記憶されていなければ、測定は終了していないので処理をＴ2に戻し、前記角度変数の全てに角度が記憶されていれば処理をＴ7に移行させる。
【００６１】Ｔ7は三次元座標算出ステップであり、前記複数の返光手段のスタッフ上の位置と前記角度変数に記憶された移動手段の回転角度とにより測定点の三次元座標の値を算出する。
【００６２】ところで、測定原理を簡単に説明するため、図４(ａ)では返光手段を２つ用い、該２つの返光手段を測定点上に鉛直に配置したが、３つの返光手段をスタッフに設け、該３つの返光手段をスタッフ上に一の平面を張る様に配置すれば、スタッフを測定点上に鉛直に立てる必要はなくなるが、この場合でも本三次元座標測定法方及び三次元座標測定装置を用いることができることは言うまでもない。
【００６３】なお、該ステップＴ7では、三次元座標の計算結果を表示装置３３で表示して、処理をＴ8に移行させる。
【００６４】Ｔ8では、予め定められた回数の測定が行われたか否かを判断し、行われていなければ処理をＴ2に戻し、行われた場合には、処理を終了させる。
【００６５】
【発明の効果】コーナープリズムで返光された光か、反射面で反射された光かを検出することができるので、窓ガラス等の反射体が多数存在する市街地においても誤りなく三次元座標測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本三次元座標測定方法の一実施例の処理手順
【図２】 コーナープリズムで返光された光と反射面で反射された光の移動方向の相違を示す図
【図３】 (ａ) 本三次元座標測定装置に用いられるトリガ回路の一例
(ｂ)〜（ｅ）前記トリガ回路中の各ブロックの作る信号波形を示す図
【図４】 三次元座標測定の原理を示す図
【符号の説明】
ａ 測定装置本体 ｂ1・ｂ2 平面光 ｃ 照射手段
ｄ スタッフ ｅ1・ｅ2 返光手段
Ｑ 測定点
３ コーナープリズム ５ 反射体
２１ 受光手段 ２２a 第１受光部 ２２b 第２受光部
２６ 加算手段 ２７ 減算手段
２８ 和信号比較器 ２９ 差信号比較器
３０ パルス回路 ３３ 角度記憶手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】 互いに交叉する複数の平面光を照射する照射手段と入射光を受光して信号を出力する複数の受光手段とを備えた測定装置本体と、複数の返光手段を備えたスタッフとから成る三次元座標測定システムを用いる三次元座標測定方法であって、測定点上に前記スタッフを配置し、前記複数の平面光を一の回転軸を中心に回転移動させて前記スタッフの備える複数の返光手段に照射し、各々の返光手段が返光した光を前記受光手段により受光し、前記受光手段が受光したときの各平面光の回転角度と各々の返光手段がスタッフ上の配置された位置とにより測定点の三次元座標を求める三次元座標測定方法において、前記複数の返光手段にコーナープリズムを用い、前記複数の平面光の回転移動に伴い、コーナープリズムにより返光された光が移動する方向と、コーナープリズム以外の反射面により反射された光が移動する方向とを検出して両者を判別し、コーナープリズムにより返光された光が受光手段に入射したときの前記回転角度に基いて測定点の三次元座標の値を算出する、不要光を除去して三次元座標を測定する三次元座標測定方法。
【請求項２】 前記複数の受光手段はそれぞれ第１受光部と第２受光部とが前記一の回転軸を中心にして周設して成り、前記第１受光部と前記第２受光部が光を受光した順番を検出して、受光したものが前記コーナープリズムにより返光された入射光か、コーナープリズム以外の面により反射された反射光かを検出することを特徴とする請求項１記載の三次元座標測定方法。
【請求項３】 前記受光手段は、前記入射光を受光して第１検出信号を出力する第１受光部と、前記反射光を受光して第２受光信号を出力する第２受光部から成り、前記第１受光部と第２受光部は前記一の回転軸を中心にして前記平面光の回転方向と同じ方向に配置され、前記測定装置本体は、前記第１受光信号から前記第２受光信号を差し引いた差信号を出力する減算手段と、前記第１受光信号と前記第２受光信号を加えた和信号を出力する加算手段と、第１閾値を基準として、該第１閾値よりも大きい場合をハイ状態とし、小さい場合をロー状態として前記差信号を２値化した２値化差信号を出力する差信号比較器と、第１閾値よりも大きい第２閾値を基準として、該第２閾値よりも大きい場合をハイ状態とし、小さい場合をロー状態として前記和信号を２値化した２値化和信号を出力する和信号比較器と、前記２値化差信号と前記２値化和信号とを受信して、前記２値化和信号がハイ状態であって前記２値化差信号がロー状態からハイ状態に変わったときにパルス信号を出力するパルス回路と、前記パルス信号を受信したときの前記回転手段の回転角度を記憶する角度記憶手段を備え前記角度記憶手段に記憶された角度に基いて測定点の三次元座標を算出する演算装置を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の三次元座標測定方法に用いられる、不要光を除去して三次元座標を測定する三次元座標測定装置。
【請求項１】 互いに交叉する複数の平面光を照射する照射手段と入射光を受光して信号を出力する複数の受光手段とを備えた測定装置本体と、複数の返光手段を備えたスタッフとから成る三次元座標測定システムを用いる三次元座標測定方法であって、測定点上に前記スタッフを配置し、前記複数の平面光を一の回転軸を中心に回転移動させて前記スタッフの備える複数の返光手段に照射し、各々の返光手段が返光した光を前記受光手段により受光し、前記受光手段が受光したときの各平面光の回転角度と各々の返光手段がスタッフ上の配置された位置とにより測定点の三次元座標を求める三次元座標測定方法において、前記複数の返光手段にコーナープリズムを用い、前記複数の平面光の回転移動に伴い、コーナープリズムにより返光された光が移動する方向と、コーナープリズム以外の反射面により反射された光が移動する方向とを検出して両者を判別し、コーナープリズムにより返光された光が受光手段に入射したときの前記回転角度に基いて測定点の三次元座標の値を算出する、不要光を除去して三次元座標を測定する三次元座標測定方法。
【請求項２】 前記複数の受光手段はそれぞれ第１受光部と第２受光部とが前記一の回転軸を中心にして周設して成り、前記第１受光部と前記第２受光部が光を受光した順番を検出して、受光したものが前記コーナープリズムにより返光された入射光か、コーナープリズム以外の面により反射された反射光かを検出することを特徴とする請求項１記載の三次元座標測定方法。
【請求項３】 前記受光手段は、前記入射光を受光して第１検出信号を出力する第１受光部と、前記反射光を受光して第２受光信号を出力する第２受光部から成り、前記第１受光部と第２受光部は前記一の回転軸を中心にして前記平面光の回転方向と同じ方向に配置され、前記測定装置本体は、前記第１受光信号から前記第２受光信号を差し引いた差信号を出力する減算手段と、前記第１受光信号と前記第２受光信号を加えた和信号を出力する加算手段と、第１閾値を基準として、該第１閾値よりも大きい場合をハイ状態とし、小さい場合をロー状態として前記差信号を２値化した２値化差信号を出力する差信号比較器と、第１閾値よりも大きい第２閾値を基準として、該第２閾値よりも大きい場合をハイ状態とし、小さい場合をロー状態として前記和信号を２値化した２値化和信号を出力する和信号比較器と、前記２値化差信号と前記２値化和信号とを受信して、前記２値化和信号がハイ状態であって前記２値化差信号がロー状態からハイ状態に変わったときにパルス信号を出力するパルス回路と、前記パルス信号を受信したときの前記回転手段の回転角度を記憶する角度記憶手段を備え前記角度記憶手段に記憶された角度に基いて測定点の三次元座標を算出する演算装置を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の三次元座標測定方法に用いられる、不要光を除去して三次元座標を測定する三次元座標測定装置。
【図２】
【図１】
【図３】
【図４】
【図１】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開平７−２０８９９０
【公開日】平成７年（１９９５）８月１１日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平６−５８４
【出願日】平成６年（１９９４）１月７日
【出願人】（０００１４８６２３）株式会社ソキア (114)
【公開日】平成７年（１９９５）８月１１日
【国際特許分類】
【出願日】平成６年（１９９４）１月７日
【出願人】（０００１４８６２３）株式会社ソキア (114)
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