測定方法及び測定装置
【課題】所要の測定範囲内の多数の測定点を簡便に、而も自動、高速で測定可能な測定方法及び測定装置を提供する。
【解決手段】測距光を照射し、測定点からの反射測距光を受光して測定点の測距を行う測距部８と、測定範囲のデジタル画像を取得する撮像部７と、測距光の測距光軸を偏向する測距光軸偏向部１６と、測距光軸の測角を行う測角部９と、前記デジタル画像を画像処理して測定点を抽出する画像処理部１４と、制御演算部２１とを具備し、該制御演算部は前記デジタル画像上から測定点の角度を検出し、検出した角度に基づき前記測距光軸偏向部を制御して前記測距光軸を順次測定点に向け、該測定点の測距を行う様構成した。
【解決手段】測距光を照射し、測定点からの反射測距光を受光して測定点の測距を行う測距部８と、測定範囲のデジタル画像を取得する撮像部７と、測距光の測距光軸を偏向する測距光軸偏向部１６と、測距光軸の測角を行う測角部９と、前記デジタル画像を画像処理して測定点を抽出する画像処理部１４と、制御演算部２１とを具備し、該制御演算部は前記デジタル画像上から測定点の角度を検出し、検出した角度に基づき前記測距光軸偏向部を制御して前記測距光軸を順次測定点に向け、該測定点の測距を行う様構成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所要の測定範囲の画像を取得すると共に測定範囲内の多数の測定点について簡便に測定可能な測定方法及び測定装置を提供する。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定対象物の３次元データを取得する場合、レーザスキャナ或はトータルステーションを用いて測定を行っている。レーザスキャナは、高速で多数の測定点を測定可能であるが、高価である。又、トータルステーションによる測定は、測定作業者が測定点を一点一点確認しつつ、実行されており、測定には測定作業者を必要とすると共に時間が掛るという問題を有していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２６８００４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は斯かる実情に鑑み、所要の測定範囲内の多数の測定点を簡便に、而も自動、高速で測定可能な測定方法及び測定装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、測距光を照射し、測定点からの反射測距光を受光して測定点の測距を行う測距部と、測定範囲のデジタル画像を取得する撮像部と、測距光の測距光軸を偏向する測距光軸偏向部と、前記デジタル画像を画像処理して測定点を抽出する画像処理部とを具備する測定装置に於いて、測定範囲のデジタル画像を取得し、取得したデジタル画像を画像処理して測定点を抽出すると共に画像上から各測定点の測角を行い、測角の結果に基づき測距光軸を順次測定点に向け、測定点の測距を行う測定方法に係るものである。
【０００６】
又本発明は、前記撮像部は基準光軸を有し、前記測距光軸は前記基準光軸に対して偏向され、前記基準光軸を固定した状態で、前記測定範囲の測定点の測定を行う測定方法に係るものである。
【０００７】
又本発明は、測定点を中心に前記測距光軸を微小スキャンしつつ測距を行う測定方法に係るものである。
【０００８】
又本発明は、測距光を照射し、測定点からの反射測距光を受光して測定点の測距を行う測距部と、測定範囲のデジタル画像を取得する撮像部と、測距光の測距光軸を偏向する測距光軸偏向部と、測距光軸の測角を行う測角部と、前記デジタル画像を画像処理して測定点を抽出する画像処理部と、制御演算部とを具備し、該制御演算部は前記デジタル画像上から測定点の角度を検出し、検出した角度に基づき前記測距光軸偏向部を制御して前記測距光軸を順次測定点に向け、該測定点の測距を行う様構成した測定装置に係るものである。
【０００９】
又本発明は、前記撮像部は基準光軸を有し、前記測距光軸偏向部は前記測距光軸を前記基準光軸に対して偏向する測定装置に係るものである。
【００１０】
又本発明は、前記測距光軸偏向部は、前記測距光軸上に相対向して設けられた一対のＭＥＭＳミラーであり、一対のＭＥＭＳミラーは傾斜の傾斜方向が９０°ずれている測定装置に係るものである。
【００１１】
又本発明は、前記測角部は、測距光軸上に設けられた光束分割手段と、分割された光束を受光する２次元位置検出素子とを具備し、該２次元位置検出素子は前記測距光軸に対応する点を原点とする座標系を有し、該座標系に於ける前記分割された光束の位置を検出することで、前記測距光軸の偏向角、偏向の方向を検出する測定装置に係るものである。
【００１２】
又本発明は、表示部を更に有し、該表示部に前記測定範囲のデジタル画像が表示されると共に該デジタル画像上に抽出された測定点が重ねて表示され、未測定測定点と測定完了済測定点とが識別表示される測定装置に係るものである。
【００１３】
又本発明は、表示部を更に有し、前記測距光は可視光であり、前記表示部に前記測定範囲のデジタル画像が表示されると共に該デジタル画像上に測定点を照射する測距光が表示される測定装置に係るものである。
【００１４】
又本発明は、前記測距部は測距光軸を有し、前記撮像部は基準光軸を有し、前記測距光軸と前記基準光軸は固定的な関係で設けられ、前記測距光軸と前記基準光軸は一体的に偏向されて前記測距光軸が測定点に向けられる測定装置に係るものである。
【００１５】
又本発明は、前記撮像部の光軸は測距光軸を共有しており、共有光軸部分に偏向ミラーが設けられ、該偏向ミラーが水平回転、鉛直回転されることで、前記測距光軸が偏向される測定装置に係るものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、測距光を照射し、測定点からの反射測距光を受光して測定点の測距を行う測距部と、測定範囲のデジタル画像を取得する撮像部と、測距光の測距光軸を偏向する測距光軸偏向部と、前記デジタル画像を画像処理して測定点を抽出する画像処理部とを具備する測定装置に於いて、測定範囲のデジタル画像を取得し、取得したデジタル画像を画像処理して測定点を抽出すると共に画像上から各測定点の測角を行い、測角の結果に基づき測距光軸を順次測定点に向け、測定点の測距を行うので、測定点の設定、測定点の視準、測定を自動で行うことができ、測定時間の短縮、作業性向上、効率の向上が図れる。
【００１７】
又本発明によれば、前記撮像部は基準光軸を有し、前記測距光軸は前記基準光軸に対して偏向され、前記基準光軸を固定した状態で、前記測定範囲の測定点の測定を行うので、測定装置の向きを変更し、又測定装置を移動する必要がなく、多点の測定を簡便に行うことができる。
【００１８】
又本発明によれば、測定点を中心に前記測距光軸を微小スキャンしつつ測距を行うので、測定点が稜線、頂点に位置した場合でも稜線、頂点を高精度で測定できると共に測定対象物の形状を正確に測定できる。
【００１９】
又本発明によれば、測距光を照射し、測定点からの反射測距光を受光して測定点の測距を行う測距部と、測定範囲のデジタル画像を取得する撮像部と、測距光の測距光軸を偏向する測距光軸偏向部と、測距光軸の測角を行う測角部と、前記デジタル画像を画像処理して測定点を抽出する画像処理部と、制御演算部とを具備し、該制御演算部は前記デジタル画像上から測定点の角度を検出し、検出した角度に基づき前記測距光軸偏向部を制御して前記測距光軸を順次測定点に向け、該測定点の測距を行う様構成したので、測定点の設定、測定点の視準、測定を自動で行うことができ、測定時間の短縮、作業性向上、効率の向上が図れる。
【００２０】
又本発明によれば、前記撮像部は基準光軸を有し、前記測距光軸偏向部は前記測距光軸を前記基準光軸に対して偏向するので、測定装置の向きを変更し、又測定装置を移動することなく、多点の測定を簡便に行うことができる。
【００２１】
又本発明によれば、前記測距光軸偏向部は、前記測距光軸上に相対向して設けられた一対のＭＥＭＳミラーであり、一対のＭＥＭＳミラーは傾斜の傾斜方向が９０°ずれているので、測距光軸を任意の方向に偏向でき、又高速で偏向可能である。
【００２２】
又本発明によれば、前記測角部は、測距光軸上に設けられた光束分割手段と、分割された光束を受光する２次元位置検出素子とを具備し、該２次元位置検出素子は前記測距光軸に対応する点を原点とする座標系を有し、該座標系に於ける前記分割された光束の位置を検出することで、前記測距光軸の偏向角、偏向の方向を検出するので、２次元の測角を同時に行え、而も小型化が可能である。
【００２３】
又本発明によれば、表示部を更に有し、該表示部に前記測定範囲のデジタル画像が表示されると共に該デジタル画像上に抽出された測定点が重ねて表示され、未測定測定点と測定完了済測定点とが識別表示されるので、測定の進捗状態を視覚的に判断できる。
【００２４】
又本発明によれば、表示部を更に有し、前記測距光は可視光であり、前記表示部に前記測定範囲のデジタル画像が表示されると共に該デジタル画像上に測定点を照射する測距光が表示されるので、測定位置、測定の進捗状態を視覚的に判断できる等の優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例に係る測定装置の外観図である。
【図２】該測定装置の概略構成図である。
【図３】該測定装置に用いられる光学系の一例を示す概略構成図である。
【図４】本実施例に於ける作動を示すフローチャートである。
【図５】（Ａ）（Ｂ）は、撮像画像から測定点を抽出する場合の説明図である。
【図６】測距光が稜線によって分割される場合の説明図である。
【図７】（Ａ）は、測定点が稜線に存在する場合の稜線検出を行う場合の測定方法の一例を示す説明図、（Ｂ）は、測定点が頂点に存在する場合の頂点検出を行う場合の測定方法の一例を示す説明図である。
【図８】本発明の他の実施例に係る測定装置の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
【００２７】
先ず、図１に於いて、本発明が実施される測定装置について説明する。
【００２８】
測定装置１は、三脚２等の支持装置を介して既知点Ｐに設置される。又、前記測定装置１は、測定装置本体３、整準部４、回動部５を有し、前記整準部４は前記測定装置本体３を水平状態に整準し、前記回動部５は前記測定装置本体３を鉛直軸心を中心に３６０゜全周回転させることが可能である。
【００２９】
図２を参照して、前記測定装置本体３の概略構成を説明する。
【００３０】
図２中、７は測定範囲のデジタル画像を取得する撮像部、８は測定範囲内で設定された測定点を測定する測距部、９は前記測定点の方向を検出する測角部、１０は測定装置本体３の傾斜を検出する傾斜センサ、１１は測定装置本体３の方位を検出する方位センサ、１２は前記測定装置本体３の地上座標系の位置を測定するＧＰＳ装置を示す。又、図２中、１４は前記撮像部７で取得した画像を処理して、測定点を抽出する画像処理部、１６は測距光の光軸を前記測定点に向ける測距光軸偏向部、１７は測定範囲の画像、測定点が抽出された状態、或は測距結果、測定の進行状態等を表示する表示部、１８は、測定範囲の設定、測定条件の設定、検出結果の表示操作等を行う操作部を示す。尚、前記表示部１７はタッチパネルとして、表示部と操作部とを兼用させてもよい。
【００３１】
更に、図２中、１９は記憶部、２１は制御演算部を示し、前記記憶部１９はプログラム格納領域、データ格納領域を有し、前記プログラム格納領域には、前記測定装置本体３に一連の測定作動を実行させる為のシーケンスプログラム、前記撮像部７で撮像したデジタル画像を、画像処理し、測定点としての特徴点を抽出し、抽出した特徴点について順位付けを行う画像処理プログラム、更に画像上の任意の点の画角（水平角、鉛直角）を測定する測角プログラム等のプログラムが格納されている。
【００３２】
又、前記データ格納領域には、前記撮像部７で取得したデジタル画像が記憶され、更に、測定点についての３次元データ（測距、測角）が対応する特徴点に関連付けられて記憶されている。
【００３３】
前記制御演算部２１は、前記シーケンスプログラム、前記画像処理プログラム、測角プログラム等のプログラムに基づき、前記撮像部７を制御して撮像を実行し、前記測距部８、前記測角部９を制御して、測距、測角を実行し、前記画像処理部１４を制御して画像処理を行い、前記測距光軸偏向部１６を制御して測距光軸（後述）を所定の方向に向け、更に各測定点について得られた測距、測角に基づき３次元データを作製し、更に画像との関連付けを行う。
【００３４】
図３は、前記測定装置本体３に設けられる光学系２３の概略構成を示している。該光学系２３は、更に視準光学系２４、投光光学系２５、受光光学系２６、内部参照光学系２７を有している。
【００３５】
図３中、２８は前記光学系２３の基準光軸を示している。該基準光軸２８は、前記測定装置１が整準された状態では水平となっている。
【００３６】
以下、視準光学系２４について説明する。
【００３７】
前記基準光軸２８上に対物レンズ２９、偏向ミラー３０、反射プリズム３１が配設されている。該反射プリズム３１は、前記基準光軸２８に垂直な第１反射面３１ａ、前記基準光軸２８に傾斜した第２反射面３１ｂを有している。前記第１反射面３１ａは波長選択膜となっており、後述する反射測距光３７′を分離して反射する様になっている。又、前記第２反射面３１ｂは、前記基準光軸２８から反射光軸２７ａを分離し、該反射光軸２７ａ上には画像センサ３２が配設されている。
【００３８】
尚、測距光３７として可視光を使用した場合は、前記第１反射面３１ａをハーフミラーとして、反射測距光３７′の一部を反射する様にしてもよい。
【００３９】
前記画像センサ３２は、例えば画素の集合体であるＣＣＤ或はＣＭＯＳ等であり、受光する画素の受光面（撮像面）上での位置が特定できる様になっており、更に画像センサ３２の中心が前記反射光軸２７ａと合致している。前記画像センサ３２上での画素の位置に基づき、前記反射光軸２７ａとの偏差と偏差の方向を求めることで、画素の画角即ち、前記反射光軸２７ａに対する水平角、鉛直角が求められる様になっている。
【００４０】
前記対物レンズ２９、前記反射プリズム３１、前記画像センサ３２は、前記視準光学系２４を構成すると共に前記撮像部７を構成する。該撮像部７の画角は、例えば±２０°である。
【００４１】
前記投光光学系２５について説明する。
【００４２】
該投光光学系２５に於いて、３４は発光源であり、該発光源３４は可視光、又は不可視光、好ましくは不可視光のレーザ光線を測距光として発する。
【００４３】
前記発光源３４から発せられたレーザ光線は、ハーフミラー３５、ミラー３６によって測距光軸３７ａを有する測距光３７と、内部参照光軸３８ａを有する内部参照光３８（後述）とに２分割され、前記測距光３７の光路と前記内部参照光３８の光路とに掛渡って光路切替え器３９が設けられている。
【００４４】
該光路切替え器３９は、回転可能な光路選択円板４１を有し、該光路選択円板４１は円周方向にレーザ光線透過孔（図示せず）が所定のピッチで穿設され、測距光３７及び内部参照光３８の一方が前記レーザ光線透過孔を通過する時は、測距光３７及び内部参照光３８の他方は前記光路選択円板４１によって遮断される様になっており、前記光路選択円板４１を回転することで、前記測距光３７及び内部参照光３８が択一的に選択される様になっている。
【００４５】
前記測距光軸３７ａ上に１次元偏向ミラー４２、２次元偏向ミラー４３が対向する様に配置される。前記１次元偏向ミラー４２は、前記測距光軸３７ａに対して所定の一方向に傾斜し、その傾斜角を制御可能であり、前記２次元偏向ミラー４３は前記測距光軸３７ａに対して前記１次元偏向ミラー４２とは直角な方向に傾斜し、即ち９０°位相の異なる方向に傾斜し、その傾斜角を制御可能となっている。従って、前記１次元偏向ミラー４２と前記２次元偏向ミラー４３の傾斜を制御することで、測距光３７の射出方向を、前記視準光学系２４の画角の範囲内で、前記測距光軸３７ａに対し２次元の方向に自在且つ所望の傾斜角となる様に制御可能となっている。
【００４６】
尚、前記１次元偏向ミラー４２、前記２次元偏向ミラー４３は、測距光軸偏向部１６を構成し、前記１次元偏向ミラー４２、前記２次元偏向ミラー４３としては、例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）ミラーが用いられる。ＭＥＭＳミラーは、高周波電圧を印加することで、高速度で振動し、反射面が微小角度で往復回転するものである。
【００４７】
尚、前記１次元偏向ミラー４２、前記２次元偏向ミラー４３を傾斜させる手段としては、モータにより回転させてもよい。
【００４８】
前記測距光軸３７ａ上には、光束分割手段としてのハーフミラー４４、測距系偏向ミラー４５が設けられ、該測距系偏向ミラー４５によって前記偏向ミラー３０に向け測距光３７が反射され、前記偏向ミラー３０によって更に反射された測距光３７の測距光軸３７ａは前記基準光軸２８に合致する様になっている。
【００４９】
前記ハーフミラー４４によって分割された分割測距光の光軸上には集光レンズ４６及び２次元位置検出素子４７が配設され、前記集光レンズ４６は前記分割測距光を前記２次元位置検出素子４７上に集光する様に配置されている。
【００５０】
前記２次元位置検出素子４７は、前記分割測距光光軸を検出するものであり、前記２次元位置検出素子４７の中心、即ち該２次元位置検出素子４７上に形成される２次元座標軸の原点は、前記１次元偏向ミラー４２、前記２次元偏向ミラー４３が基準位置、即ち前記測距光軸３７ａを偏向していない状態で、前記分割測距光の光軸と合致する様になっている。
【００５１】
前記２次元位置検出素子４７は、例えば画素の集合体であるＣＣＤ或はＣＭＯＳ等であり、受光する画素の受光面（撮像面）上での位置が特定できる様になっており、受光位置で前記分割測距光の光軸の位置、即ち前記分割測距光の光軸の水平角、鉛直角が求められる様になっている。更に、前記ハーフミラー４４で反射された前記分割測距光の光軸の変位は、前記測距光軸３７ａの変位と一対一に対応するので、前記２次元位置検出素子４７により前記分割測距光の光軸の水平角、鉛直角を検出することで、前記測距光軸３７ａの水平角、鉛直角を検出できる様になっている。
【００５２】
前記２次元位置検出素子４７は、前記測角部９として機能する。
【００５３】
前記受光光学系２６について説明する。
【００５４】
前記測距光３７は前記偏向ミラー３０によって、前記基準光軸２８上に射出され、前記対物レンズ２９を介して測定対象物（図示せず）に照射される。該測定対象物で反射された測距光３７は、反射測距光３７′として前記対物レンズ２９に入射し、前記第１反射面３１ａによって一部が反射され、反射された反射測距光３７′は前記偏向ミラー３０によって反射され、前記受光光学系２６に入射する。
【００５５】
該受光光学系２６は、前記偏向ミラー３０に対向して設けられた、受光系偏向ミラー４８を有し、該受光系偏向ミラー４８の反射光軸上にハーフミラー４９、集光レンズ５０、光ファイバ５１の入射端面がそれぞれ配置されている。該光ファイバ５１は入射端面から入射した反射測距光３７′を受光素子５２に導く。
【００５６】
前記受光系偏向ミラー４８と前記ハーフミラー４９との間には光量調整器５４が配設されている。該光量調整器５４は、前記光ファイバ５１へ入射する前記反射測距光３７′の光量を調整するものである。前記光量調整器５４として、例えば円板状の光量調整フィルタ５５をモータにより回転させるものがある。前記光量調整フィルタ５５は、前記反射測距光３７′を横切って設けられ、該反射測距光３７′が透過する部分が、円周方向に光の透過率が連続的に或は段階的に増加、又は減少する様に作られており、前記光量調整フィルタ５５を回転させることで前記光ファイバ５１に入射する反射測距光３７′の光量が一定、或は略一定となる様に、具体的には前記内部参照光３８の光量と同一、或は略同一となる様に調整される。
【００５７】
前記内部参照光学系２７について説明する。
【００５８】
該内部参照光学系２７は、前記ハーフミラー３５、前記ミラー３６、内部参照光用光ファイバ５６、前記ハーフミラー４９、前記光ファイバ５１、前記受光素子５２等によって構成され、前記内部参照光学系２７の光路長は既知となっている。
【００５９】
前記ハーフミラー３５で分割された前記内部参照光３８は、前記ミラー３６で反射され、前記内部参照光用光ファイバ５６に入射され、該内部参照光用光ファイバ５６を介して前記ハーフミラー４９に入射され、更に前記光ファイバ５１を経て前記受光素子５２に受光される。
【００６０】
前記投光光学系２５、前記内部参照光学系２７等は、前記測距部８を構成する。
【００６１】
上記光学系に於ける測距の作用について説明する。
【００６２】
変調されたレーザ光線が前記発光源３４から射出され、前記ハーフミラー３５を透過したレーザ光線は、前記光路選択円板４１を経て測距光３７として射出される。該測距光３７は、前記測距光軸偏向部１６、前記測距系偏向ミラー４５、前記偏向ミラー３０、前記対物レンズ２９を経て測定対象物（測定点）に照射され、更に該測定対象物で反射された反射測距光３７′が前記対物レンズ２９を経て入射し、前記第１反射面３１ａで一部が反射され、前記偏向ミラー３０を経て前記受光光学系２６に入射し、前記光量調整器５４で光量調整されて前記受光素子５２に受光される。
【００６３】
前記光路切替え器３９により前記内部参照光３８が選択されると、該内部参照光３８は前記内部参照光用光ファイバ５６を介して前記ハーフミラー４９に導かれ、更に前記光ファイバ５１を経て前記受光素子５２に受光される。
【００６４】
該受光素子５２で受光した前記反射測距光３７′及び前記内部参照光３８との位相差を検出し、位相差に基づき測定点迄の距離が測定される。
【００６５】
本実施例では、異なる測定点を測定する場合、前記基準光軸２８は固定して行う。前記測距光軸偏向部１６により前記測距光軸３７ａを任意の方向に偏向することができるので、前記測距光軸３７ａが所望の測定点に向く様に前記測距光軸偏向部１６により偏向する。尚、前記測距光軸３７ａが所望の方向となったかどうか、又測距光軸３７ａの方向は、前記２次元位置検出素子４７によって検出される。
【００６６】
而して、前記光学系２３を具備する測定装置１では、一旦前記測定装置１を設置することで、該測定装置１を移動若しくは視準方向を変更することなく、前記視準光学系２４が画角の範囲内の任意な位置の測定点を測定することができる。
【００６７】
次に、図４、図５を参照して、本実施例の作動について説明する。
【００６８】
ＳＴＥＰ：０１ 前記測定装置１を設置し、既知点のデータ、例えば３次元座標を前記ＧＰＳ装置１２より取得する。尚、前記測定装置１を座標値が分っている既知点に設置する場合、或は他の測量機により設置位置を測定する場合等では、得られた位置データを前記操作部１８より設定入力する。尚、この場合は、前記ＧＰＳ装置１２を省略することができる。
【００６９】
ＳＴＥＰ：０２，ＳＴＥＰ：０３ 前記基準光軸２８を測定方向に向け、前記画像センサ３２で取得した測定範囲の画像を前記表示部１７に表示させ、測定範囲が適切かどうかを確認し、測定範囲が不適切であれば、視準方向を変更して適切な測定範囲を設定する。
【００７０】
測定範囲が設定されると自動測定が開始される。
【００７１】
ＳＴＥＰ：０４ 視準方向の画像（測定範囲の画像）が前記画像センサ３２より取得される（図５（Ａ））。
【００７２】
ＳＴＥＰ：０５ 取得された画像は、該画像センサ３２からデジタル画像信号として出力され、前記画像処理部１４に於いて、エッチング処理等の画像処理がなされ、特徴点Ａ1 ，Ａ2 ，Ａ3 …が抽出される（図５（Ｂ））。
【００７３】
ＳＴＥＰ：０６ 抽出された特徴点は、測定範囲の画像上に重ねて表示され、測定点の抽出状態が確認され、必要以上に多い場合、少ない場合等は、エッチング処理時のコントラストの調整等処理条件を変更し、抽出状態を調整する。
【００７４】
ＳＴＥＰ：０７，ＳＴＥＰ：０８ 特徴点の抽出が確定すると、抽出された特徴点は測定点として順位付けされる。更に、測定点は、前記画像センサ３２の画素の位置から画像に基づき水平角、鉛直角が測定（測角）される。測角結果は、各測定点と関連付けられて、前記記憶部１９に格納される。
【００７５】
ＳＴＥＰ：０９ 付けられた順位に従って測定点が順次測距される。測定点に関連付けられて格納された水平角、鉛直角が呼込まれ、該水平角、鉛直角と前記測距光軸３７ａが合致する様に、前記測距光軸偏向部１６により前記測距光軸３７ａが偏向される。偏向の状態、即ち前記測距光軸３７ａの水平角、鉛直角は前記２次元位置検出素子４７によって検出され、該２次元位置検出素子４７によって検出された前記測距光軸３７ａの水平角、鉛直角が、前記記憶部１９から呼込まれた水平角、鉛直角と合致した点で測距が実行される。測定点が測距されることで、前記測定装置１の設置点を基準とした３次元データが取得できる。更に、前記方位センサ１１からの基準光軸２８の方位角を取得し、更に設置点の３次元データに基づき前記測定点の絶対座標での３次元データが取得できる。得られた３次元データは、測定点に関連付けられて前記記憶部１９に格納される。
【００７６】
尚、測定が完了した測定点については、測定範囲の画像中に重ねて表示し、測定の進行状態が分る様にしてもよい。或は、全ての測定点を測定範囲の画像中に表示し、測定済の測定点については色分け、或は明度を変える等し、識別表示して測定の進行状態が分る様にしてもよい。又、測距光を可視光とすれば、測定中の測定点に照射されている測距光が測定範囲の画像に現れるので、やはり測定状態の状況、進行状態を確認することができる。
【００７７】
ＳＴＥＰ：１０ 測定点の測距が完了すると、次の順位の測定点が同様に測距され、全ての測定点の測定が完了すると、測定が完了する。而して、測定点の設定から、全ての測定点の測定迄、全自動で測定することができる。
【００７８】
更に、広範囲の測定を実行する場合は、前記回動部５により前記測定装置１を水平方向に回転し、上記した測定作動を行わせることで、全周の測定が自動で実行できる。尚、前記光学系２３が有する画角の範囲内での測定でよい場合は、前記回動部５は省略できる。更に、屋内での測定等の場合で、絶対座標が必要ない場合は、前記方位センサ１１、前記ＧＰＳ装置１２は省略できる。
【００７９】
エッジ処理等の画像処理で得られる測定点は、稜線、或は頂点である場合が多い。測定点が稜線上にある場合は、図６に示される様に測距光３７が稜線５８によって分割され、距離の異なる面で反射された反射測距光３７′が前記測定装置１に入射することになり、測定結果に誤差を生じる。従って、測定点５９を始点として往復の微小スキャンをしつつ測定を実行する（図７（Ａ））。尚、スキャンの振幅は、少なくとも前記測距光３７が稜線から完全に外れる値、例えばビーム径Ｄの２倍とする。
【００８０】
又、測定点５９が頂点であった場合、該測定点５９を始点として螺旋状にスキャンを実行して、所定間隔で測定を実行する（図７（Ｂ））。螺旋状にスキャンすることで、前記測定点５９を頂点とする３面のデータが取得でき、測定点５９近傍の詳細な形状の測定ができる。従って、微小スキャンを実行して測距を実行することで、正確に稜線、頂点の測定が可能となる。
【００８１】
上記実施例では、基準光軸２８に対して測距光軸３７ａが傾斜する測定装置１について説明したが、前記基準光軸２８と前記測距光軸３７ａが同一、或は平行等所定の関係にあり、基準光軸２８を傾斜させる機能を有する測定装置についても実施可能である。
【００８２】
例えば、トータルステーションは、視準望遠鏡と該視準望遠鏡とは別に広角望遠鏡を有し、前記視準望遠鏡は測距光軸を有し、前記広角望遠鏡は基準光軸を有し、該基準光軸と前記測距光軸とは所定の固定的な関係（例えば平行の関係）となっている。
【００８３】
トータルステーションでは、追尾機能を有し、前記視準望遠鏡と広角望遠鏡を一体に水平方向、鉛直方向に回転させ、前記視準望遠鏡を測定点に向けることができる。前記広角望遠鏡に撮像部７（図２参照）を設け、更に画像処理部１４（図２参照）等を設け、撮像部７により測定範囲を撮像し、画像から測定点を抽出し、測定点の測角を行う様にすれば、測定範囲を設定するだけで自動で多数の測定点について自動で測定を実行することができる。
【００８４】
図８は本発明が他の測定装置１に実施された他の実施例を示している。尚、図８中、図１〜図３中で示したものと同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。
【００８５】
発光源３４から発せられた測距光３７は反射プリズム３１で鉛直方向に偏向され、更に偏向ミラー６６により、水平方向に偏向され、射出される。測定点で反射された反射測距光３７′は、前記偏向ミラー６６によって鉛直方向に反射され、前記反射プリズム３１によって反射され、更に孔明き反射ミラー６７によって反射され、受光素子５２によって受光され、受光した反射測距光３７′によって測距が行われる。尚、図中、測距部８中の内部参照光学系２７は省略している。
【００８６】
又、測定範囲の画像は、前記偏向ミラー６６で反射され、前記反射プリズム３１を通過した可視光によって画像センサ３２によって撮像される。
【００８７】
前記偏向ミラー６６は鉛直軸心を中心に回転可能なミラーホルダ６１に設けられ、更に前記鉛直軸心と直交する水平軸６２を中心に回転可能となっている。尚、図８中、６３は前記ミラーホルダ６１を水平方向に回転するモータであり、前記水平軸６２を介して前記偏向ミラー６６を鉛直方向に回転するモータ（図示せず）が設けられている。
【００８８】
又、６４は、前記ミラーホルダ６１の水平回転角を検出するエンコーダである。尚、前記偏向ミラー６６の鉛直方向の回転角を検出するエンコーダも同様に設けられている。
【００８９】
上記他の実施例に於いて、測定範囲の画像は前記偏向ミラー６６を介して前記画像センサ３２によって取得され、測距光３７は前記偏向ミラー６６を介して照射され、又反射測距光３７′は前記偏向ミラー６６を介して入射する。該他の実施例は、基準光軸２８と測距光軸３７ａとが同一である。
【００９０】
又、該他の実施例に於いて、前記偏向ミラー６６、モータ６３が、測距光軸偏向部１６を構成し、前記エンコーダ６４及び前記水平軸６２の回転角を検出するエンコーダが測角部９を構成する。
【００９１】
制御演算部２１は、前記偏向ミラー６６の水平回転、鉛直回転を制御し、前記基準光軸２８を測定点に向けることができる。又、前記制御演算部２１は前記画像センサ３２が取得した画像から測定点を抽出する画像処理部１４を具備している。
【００９２】
尚、上記他の実施例では、前記偏向ミラー６６を全周回転可能であり、予め所定回転角度（撮像部７の画角より小さい角度）ピッチで画像を取得し、取得した画像を合成して全周画像を作成し、該全周画像から測定点を抽出し、抽出した測定点について順次測定を実行すれば、全周範囲について全自動で測定が実行できる。
【符号の説明】
【００９３】
１ 測定装置
２ 三脚
３ 測定装置本体
５ 回動部
７ 撮像部
８ 測距部
９ 測角部
１４ 画像処理部
１６ 測距光軸偏向部
１７ 表示部
１８ 操作部
１９ 記憶部
２１ 制御演算部
２３ 光学系
２５ 投光光学系
２６ 受光光学系
２７ 内部参照光学系
２８ 基準光軸
３１ 反射プリズム
３２ 画像センサ
３４ 発光源
３７ 測距光
３７ａ 測距光軸
３９ 光路切替え器
４２ １次元偏向ミラー
４３ ２次元偏向ミラー
４７ ２次元位置検出素子
５２ 受光素子
６３ モータ
６４ エンコーダ
６６ 偏向ミラー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所要の測定範囲の画像を取得すると共に測定範囲内の多数の測定点について簡便に測定可能な測定方法及び測定装置を提供する。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定対象物の３次元データを取得する場合、レーザスキャナ或はトータルステーションを用いて測定を行っている。レーザスキャナは、高速で多数の測定点を測定可能であるが、高価である。又、トータルステーションによる測定は、測定作業者が測定点を一点一点確認しつつ、実行されており、測定には測定作業者を必要とすると共に時間が掛るという問題を有していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２６８００４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は斯かる実情に鑑み、所要の測定範囲内の多数の測定点を簡便に、而も自動、高速で測定可能な測定方法及び測定装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、測距光を照射し、測定点からの反射測距光を受光して測定点の測距を行う測距部と、測定範囲のデジタル画像を取得する撮像部と、測距光の測距光軸を偏向する測距光軸偏向部と、前記デジタル画像を画像処理して測定点を抽出する画像処理部とを具備する測定装置に於いて、測定範囲のデジタル画像を取得し、取得したデジタル画像を画像処理して測定点を抽出すると共に画像上から各測定点の測角を行い、測角の結果に基づき測距光軸を順次測定点に向け、測定点の測距を行う測定方法に係るものである。
【０００６】
又本発明は、前記撮像部は基準光軸を有し、前記測距光軸は前記基準光軸に対して偏向され、前記基準光軸を固定した状態で、前記測定範囲の測定点の測定を行う測定方法に係るものである。
【０００７】
又本発明は、測定点を中心に前記測距光軸を微小スキャンしつつ測距を行う測定方法に係るものである。
【０００８】
又本発明は、測距光を照射し、測定点からの反射測距光を受光して測定点の測距を行う測距部と、測定範囲のデジタル画像を取得する撮像部と、測距光の測距光軸を偏向する測距光軸偏向部と、測距光軸の測角を行う測角部と、前記デジタル画像を画像処理して測定点を抽出する画像処理部と、制御演算部とを具備し、該制御演算部は前記デジタル画像上から測定点の角度を検出し、検出した角度に基づき前記測距光軸偏向部を制御して前記測距光軸を順次測定点に向け、該測定点の測距を行う様構成した測定装置に係るものである。
【０００９】
又本発明は、前記撮像部は基準光軸を有し、前記測距光軸偏向部は前記測距光軸を前記基準光軸に対して偏向する測定装置に係るものである。
【００１０】
又本発明は、前記測距光軸偏向部は、前記測距光軸上に相対向して設けられた一対のＭＥＭＳミラーであり、一対のＭＥＭＳミラーは傾斜の傾斜方向が９０°ずれている測定装置に係るものである。
【００１１】
又本発明は、前記測角部は、測距光軸上に設けられた光束分割手段と、分割された光束を受光する２次元位置検出素子とを具備し、該２次元位置検出素子は前記測距光軸に対応する点を原点とする座標系を有し、該座標系に於ける前記分割された光束の位置を検出することで、前記測距光軸の偏向角、偏向の方向を検出する測定装置に係るものである。
【００１２】
又本発明は、表示部を更に有し、該表示部に前記測定範囲のデジタル画像が表示されると共に該デジタル画像上に抽出された測定点が重ねて表示され、未測定測定点と測定完了済測定点とが識別表示される測定装置に係るものである。
【００１３】
又本発明は、表示部を更に有し、前記測距光は可視光であり、前記表示部に前記測定範囲のデジタル画像が表示されると共に該デジタル画像上に測定点を照射する測距光が表示される測定装置に係るものである。
【００１４】
又本発明は、前記測距部は測距光軸を有し、前記撮像部は基準光軸を有し、前記測距光軸と前記基準光軸は固定的な関係で設けられ、前記測距光軸と前記基準光軸は一体的に偏向されて前記測距光軸が測定点に向けられる測定装置に係るものである。
【００１５】
又本発明は、前記撮像部の光軸は測距光軸を共有しており、共有光軸部分に偏向ミラーが設けられ、該偏向ミラーが水平回転、鉛直回転されることで、前記測距光軸が偏向される測定装置に係るものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、測距光を照射し、測定点からの反射測距光を受光して測定点の測距を行う測距部と、測定範囲のデジタル画像を取得する撮像部と、測距光の測距光軸を偏向する測距光軸偏向部と、前記デジタル画像を画像処理して測定点を抽出する画像処理部とを具備する測定装置に於いて、測定範囲のデジタル画像を取得し、取得したデジタル画像を画像処理して測定点を抽出すると共に画像上から各測定点の測角を行い、測角の結果に基づき測距光軸を順次測定点に向け、測定点の測距を行うので、測定点の設定、測定点の視準、測定を自動で行うことができ、測定時間の短縮、作業性向上、効率の向上が図れる。
【００１７】
又本発明によれば、前記撮像部は基準光軸を有し、前記測距光軸は前記基準光軸に対して偏向され、前記基準光軸を固定した状態で、前記測定範囲の測定点の測定を行うので、測定装置の向きを変更し、又測定装置を移動する必要がなく、多点の測定を簡便に行うことができる。
【００１８】
又本発明によれば、測定点を中心に前記測距光軸を微小スキャンしつつ測距を行うので、測定点が稜線、頂点に位置した場合でも稜線、頂点を高精度で測定できると共に測定対象物の形状を正確に測定できる。
【００１９】
又本発明によれば、測距光を照射し、測定点からの反射測距光を受光して測定点の測距を行う測距部と、測定範囲のデジタル画像を取得する撮像部と、測距光の測距光軸を偏向する測距光軸偏向部と、測距光軸の測角を行う測角部と、前記デジタル画像を画像処理して測定点を抽出する画像処理部と、制御演算部とを具備し、該制御演算部は前記デジタル画像上から測定点の角度を検出し、検出した角度に基づき前記測距光軸偏向部を制御して前記測距光軸を順次測定点に向け、該測定点の測距を行う様構成したので、測定点の設定、測定点の視準、測定を自動で行うことができ、測定時間の短縮、作業性向上、効率の向上が図れる。
【００２０】
又本発明によれば、前記撮像部は基準光軸を有し、前記測距光軸偏向部は前記測距光軸を前記基準光軸に対して偏向するので、測定装置の向きを変更し、又測定装置を移動することなく、多点の測定を簡便に行うことができる。
【００２１】
又本発明によれば、前記測距光軸偏向部は、前記測距光軸上に相対向して設けられた一対のＭＥＭＳミラーであり、一対のＭＥＭＳミラーは傾斜の傾斜方向が９０°ずれているので、測距光軸を任意の方向に偏向でき、又高速で偏向可能である。
【００２２】
又本発明によれば、前記測角部は、測距光軸上に設けられた光束分割手段と、分割された光束を受光する２次元位置検出素子とを具備し、該２次元位置検出素子は前記測距光軸に対応する点を原点とする座標系を有し、該座標系に於ける前記分割された光束の位置を検出することで、前記測距光軸の偏向角、偏向の方向を検出するので、２次元の測角を同時に行え、而も小型化が可能である。
【００２３】
又本発明によれば、表示部を更に有し、該表示部に前記測定範囲のデジタル画像が表示されると共に該デジタル画像上に抽出された測定点が重ねて表示され、未測定測定点と測定完了済測定点とが識別表示されるので、測定の進捗状態を視覚的に判断できる。
【００２４】
又本発明によれば、表示部を更に有し、前記測距光は可視光であり、前記表示部に前記測定範囲のデジタル画像が表示されると共に該デジタル画像上に測定点を照射する測距光が表示されるので、測定位置、測定の進捗状態を視覚的に判断できる等の優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例に係る測定装置の外観図である。
【図２】該測定装置の概略構成図である。
【図３】該測定装置に用いられる光学系の一例を示す概略構成図である。
【図４】本実施例に於ける作動を示すフローチャートである。
【図５】（Ａ）（Ｂ）は、撮像画像から測定点を抽出する場合の説明図である。
【図６】測距光が稜線によって分割される場合の説明図である。
【図７】（Ａ）は、測定点が稜線に存在する場合の稜線検出を行う場合の測定方法の一例を示す説明図、（Ｂ）は、測定点が頂点に存在する場合の頂点検出を行う場合の測定方法の一例を示す説明図である。
【図８】本発明の他の実施例に係る測定装置の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
【００２７】
先ず、図１に於いて、本発明が実施される測定装置について説明する。
【００２８】
測定装置１は、三脚２等の支持装置を介して既知点Ｐに設置される。又、前記測定装置１は、測定装置本体３、整準部４、回動部５を有し、前記整準部４は前記測定装置本体３を水平状態に整準し、前記回動部５は前記測定装置本体３を鉛直軸心を中心に３６０゜全周回転させることが可能である。
【００２９】
図２を参照して、前記測定装置本体３の概略構成を説明する。
【００３０】
図２中、７は測定範囲のデジタル画像を取得する撮像部、８は測定範囲内で設定された測定点を測定する測距部、９は前記測定点の方向を検出する測角部、１０は測定装置本体３の傾斜を検出する傾斜センサ、１１は測定装置本体３の方位を検出する方位センサ、１２は前記測定装置本体３の地上座標系の位置を測定するＧＰＳ装置を示す。又、図２中、１４は前記撮像部７で取得した画像を処理して、測定点を抽出する画像処理部、１６は測距光の光軸を前記測定点に向ける測距光軸偏向部、１７は測定範囲の画像、測定点が抽出された状態、或は測距結果、測定の進行状態等を表示する表示部、１８は、測定範囲の設定、測定条件の設定、検出結果の表示操作等を行う操作部を示す。尚、前記表示部１７はタッチパネルとして、表示部と操作部とを兼用させてもよい。
【００３１】
更に、図２中、１９は記憶部、２１は制御演算部を示し、前記記憶部１９はプログラム格納領域、データ格納領域を有し、前記プログラム格納領域には、前記測定装置本体３に一連の測定作動を実行させる為のシーケンスプログラム、前記撮像部７で撮像したデジタル画像を、画像処理し、測定点としての特徴点を抽出し、抽出した特徴点について順位付けを行う画像処理プログラム、更に画像上の任意の点の画角（水平角、鉛直角）を測定する測角プログラム等のプログラムが格納されている。
【００３２】
又、前記データ格納領域には、前記撮像部７で取得したデジタル画像が記憶され、更に、測定点についての３次元データ（測距、測角）が対応する特徴点に関連付けられて記憶されている。
【００３３】
前記制御演算部２１は、前記シーケンスプログラム、前記画像処理プログラム、測角プログラム等のプログラムに基づき、前記撮像部７を制御して撮像を実行し、前記測距部８、前記測角部９を制御して、測距、測角を実行し、前記画像処理部１４を制御して画像処理を行い、前記測距光軸偏向部１６を制御して測距光軸（後述）を所定の方向に向け、更に各測定点について得られた測距、測角に基づき３次元データを作製し、更に画像との関連付けを行う。
【００３４】
図３は、前記測定装置本体３に設けられる光学系２３の概略構成を示している。該光学系２３は、更に視準光学系２４、投光光学系２５、受光光学系２６、内部参照光学系２７を有している。
【００３５】
図３中、２８は前記光学系２３の基準光軸を示している。該基準光軸２８は、前記測定装置１が整準された状態では水平となっている。
【００３６】
以下、視準光学系２４について説明する。
【００３７】
前記基準光軸２８上に対物レンズ２９、偏向ミラー３０、反射プリズム３１が配設されている。該反射プリズム３１は、前記基準光軸２８に垂直な第１反射面３１ａ、前記基準光軸２８に傾斜した第２反射面３１ｂを有している。前記第１反射面３１ａは波長選択膜となっており、後述する反射測距光３７′を分離して反射する様になっている。又、前記第２反射面３１ｂは、前記基準光軸２８から反射光軸２７ａを分離し、該反射光軸２７ａ上には画像センサ３２が配設されている。
【００３８】
尚、測距光３７として可視光を使用した場合は、前記第１反射面３１ａをハーフミラーとして、反射測距光３７′の一部を反射する様にしてもよい。
【００３９】
前記画像センサ３２は、例えば画素の集合体であるＣＣＤ或はＣＭＯＳ等であり、受光する画素の受光面（撮像面）上での位置が特定できる様になっており、更に画像センサ３２の中心が前記反射光軸２７ａと合致している。前記画像センサ３２上での画素の位置に基づき、前記反射光軸２７ａとの偏差と偏差の方向を求めることで、画素の画角即ち、前記反射光軸２７ａに対する水平角、鉛直角が求められる様になっている。
【００４０】
前記対物レンズ２９、前記反射プリズム３１、前記画像センサ３２は、前記視準光学系２４を構成すると共に前記撮像部７を構成する。該撮像部７の画角は、例えば±２０°である。
【００４１】
前記投光光学系２５について説明する。
【００４２】
該投光光学系２５に於いて、３４は発光源であり、該発光源３４は可視光、又は不可視光、好ましくは不可視光のレーザ光線を測距光として発する。
【００４３】
前記発光源３４から発せられたレーザ光線は、ハーフミラー３５、ミラー３６によって測距光軸３７ａを有する測距光３７と、内部参照光軸３８ａを有する内部参照光３８（後述）とに２分割され、前記測距光３７の光路と前記内部参照光３８の光路とに掛渡って光路切替え器３９が設けられている。
【００４４】
該光路切替え器３９は、回転可能な光路選択円板４１を有し、該光路選択円板４１は円周方向にレーザ光線透過孔（図示せず）が所定のピッチで穿設され、測距光３７及び内部参照光３８の一方が前記レーザ光線透過孔を通過する時は、測距光３７及び内部参照光３８の他方は前記光路選択円板４１によって遮断される様になっており、前記光路選択円板４１を回転することで、前記測距光３７及び内部参照光３８が択一的に選択される様になっている。
【００４５】
前記測距光軸３７ａ上に１次元偏向ミラー４２、２次元偏向ミラー４３が対向する様に配置される。前記１次元偏向ミラー４２は、前記測距光軸３７ａに対して所定の一方向に傾斜し、その傾斜角を制御可能であり、前記２次元偏向ミラー４３は前記測距光軸３７ａに対して前記１次元偏向ミラー４２とは直角な方向に傾斜し、即ち９０°位相の異なる方向に傾斜し、その傾斜角を制御可能となっている。従って、前記１次元偏向ミラー４２と前記２次元偏向ミラー４３の傾斜を制御することで、測距光３７の射出方向を、前記視準光学系２４の画角の範囲内で、前記測距光軸３７ａに対し２次元の方向に自在且つ所望の傾斜角となる様に制御可能となっている。
【００４６】
尚、前記１次元偏向ミラー４２、前記２次元偏向ミラー４３は、測距光軸偏向部１６を構成し、前記１次元偏向ミラー４２、前記２次元偏向ミラー４３としては、例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）ミラーが用いられる。ＭＥＭＳミラーは、高周波電圧を印加することで、高速度で振動し、反射面が微小角度で往復回転するものである。
【００４７】
尚、前記１次元偏向ミラー４２、前記２次元偏向ミラー４３を傾斜させる手段としては、モータにより回転させてもよい。
【００４８】
前記測距光軸３７ａ上には、光束分割手段としてのハーフミラー４４、測距系偏向ミラー４５が設けられ、該測距系偏向ミラー４５によって前記偏向ミラー３０に向け測距光３７が反射され、前記偏向ミラー３０によって更に反射された測距光３７の測距光軸３７ａは前記基準光軸２８に合致する様になっている。
【００４９】
前記ハーフミラー４４によって分割された分割測距光の光軸上には集光レンズ４６及び２次元位置検出素子４７が配設され、前記集光レンズ４６は前記分割測距光を前記２次元位置検出素子４７上に集光する様に配置されている。
【００５０】
前記２次元位置検出素子４７は、前記分割測距光光軸を検出するものであり、前記２次元位置検出素子４７の中心、即ち該２次元位置検出素子４７上に形成される２次元座標軸の原点は、前記１次元偏向ミラー４２、前記２次元偏向ミラー４３が基準位置、即ち前記測距光軸３７ａを偏向していない状態で、前記分割測距光の光軸と合致する様になっている。
【００５１】
前記２次元位置検出素子４７は、例えば画素の集合体であるＣＣＤ或はＣＭＯＳ等であり、受光する画素の受光面（撮像面）上での位置が特定できる様になっており、受光位置で前記分割測距光の光軸の位置、即ち前記分割測距光の光軸の水平角、鉛直角が求められる様になっている。更に、前記ハーフミラー４４で反射された前記分割測距光の光軸の変位は、前記測距光軸３７ａの変位と一対一に対応するので、前記２次元位置検出素子４７により前記分割測距光の光軸の水平角、鉛直角を検出することで、前記測距光軸３７ａの水平角、鉛直角を検出できる様になっている。
【００５２】
前記２次元位置検出素子４７は、前記測角部９として機能する。
【００５３】
前記受光光学系２６について説明する。
【００５４】
前記測距光３７は前記偏向ミラー３０によって、前記基準光軸２８上に射出され、前記対物レンズ２９を介して測定対象物（図示せず）に照射される。該測定対象物で反射された測距光３７は、反射測距光３７′として前記対物レンズ２９に入射し、前記第１反射面３１ａによって一部が反射され、反射された反射測距光３７′は前記偏向ミラー３０によって反射され、前記受光光学系２６に入射する。
【００５５】
該受光光学系２６は、前記偏向ミラー３０に対向して設けられた、受光系偏向ミラー４８を有し、該受光系偏向ミラー４８の反射光軸上にハーフミラー４９、集光レンズ５０、光ファイバ５１の入射端面がそれぞれ配置されている。該光ファイバ５１は入射端面から入射した反射測距光３７′を受光素子５２に導く。
【００５６】
前記受光系偏向ミラー４８と前記ハーフミラー４９との間には光量調整器５４が配設されている。該光量調整器５４は、前記光ファイバ５１へ入射する前記反射測距光３７′の光量を調整するものである。前記光量調整器５４として、例えば円板状の光量調整フィルタ５５をモータにより回転させるものがある。前記光量調整フィルタ５５は、前記反射測距光３７′を横切って設けられ、該反射測距光３７′が透過する部分が、円周方向に光の透過率が連続的に或は段階的に増加、又は減少する様に作られており、前記光量調整フィルタ５５を回転させることで前記光ファイバ５１に入射する反射測距光３７′の光量が一定、或は略一定となる様に、具体的には前記内部参照光３８の光量と同一、或は略同一となる様に調整される。
【００５７】
前記内部参照光学系２７について説明する。
【００５８】
該内部参照光学系２７は、前記ハーフミラー３５、前記ミラー３６、内部参照光用光ファイバ５６、前記ハーフミラー４９、前記光ファイバ５１、前記受光素子５２等によって構成され、前記内部参照光学系２７の光路長は既知となっている。
【００５９】
前記ハーフミラー３５で分割された前記内部参照光３８は、前記ミラー３６で反射され、前記内部参照光用光ファイバ５６に入射され、該内部参照光用光ファイバ５６を介して前記ハーフミラー４９に入射され、更に前記光ファイバ５１を経て前記受光素子５２に受光される。
【００６０】
前記投光光学系２５、前記内部参照光学系２７等は、前記測距部８を構成する。
【００６１】
上記光学系に於ける測距の作用について説明する。
【００６２】
変調されたレーザ光線が前記発光源３４から射出され、前記ハーフミラー３５を透過したレーザ光線は、前記光路選択円板４１を経て測距光３７として射出される。該測距光３７は、前記測距光軸偏向部１６、前記測距系偏向ミラー４５、前記偏向ミラー３０、前記対物レンズ２９を経て測定対象物（測定点）に照射され、更に該測定対象物で反射された反射測距光３７′が前記対物レンズ２９を経て入射し、前記第１反射面３１ａで一部が反射され、前記偏向ミラー３０を経て前記受光光学系２６に入射し、前記光量調整器５４で光量調整されて前記受光素子５２に受光される。
【００６３】
前記光路切替え器３９により前記内部参照光３８が選択されると、該内部参照光３８は前記内部参照光用光ファイバ５６を介して前記ハーフミラー４９に導かれ、更に前記光ファイバ５１を経て前記受光素子５２に受光される。
【００６４】
該受光素子５２で受光した前記反射測距光３７′及び前記内部参照光３８との位相差を検出し、位相差に基づき測定点迄の距離が測定される。
【００６５】
本実施例では、異なる測定点を測定する場合、前記基準光軸２８は固定して行う。前記測距光軸偏向部１６により前記測距光軸３７ａを任意の方向に偏向することができるので、前記測距光軸３７ａが所望の測定点に向く様に前記測距光軸偏向部１６により偏向する。尚、前記測距光軸３７ａが所望の方向となったかどうか、又測距光軸３７ａの方向は、前記２次元位置検出素子４７によって検出される。
【００６６】
而して、前記光学系２３を具備する測定装置１では、一旦前記測定装置１を設置することで、該測定装置１を移動若しくは視準方向を変更することなく、前記視準光学系２４が画角の範囲内の任意な位置の測定点を測定することができる。
【００６７】
次に、図４、図５を参照して、本実施例の作動について説明する。
【００６８】
ＳＴＥＰ：０１ 前記測定装置１を設置し、既知点のデータ、例えば３次元座標を前記ＧＰＳ装置１２より取得する。尚、前記測定装置１を座標値が分っている既知点に設置する場合、或は他の測量機により設置位置を測定する場合等では、得られた位置データを前記操作部１８より設定入力する。尚、この場合は、前記ＧＰＳ装置１２を省略することができる。
【００６９】
ＳＴＥＰ：０２，ＳＴＥＰ：０３ 前記基準光軸２８を測定方向に向け、前記画像センサ３２で取得した測定範囲の画像を前記表示部１７に表示させ、測定範囲が適切かどうかを確認し、測定範囲が不適切であれば、視準方向を変更して適切な測定範囲を設定する。
【００７０】
測定範囲が設定されると自動測定が開始される。
【００７１】
ＳＴＥＰ：０４ 視準方向の画像（測定範囲の画像）が前記画像センサ３２より取得される（図５（Ａ））。
【００７２】
ＳＴＥＰ：０５ 取得された画像は、該画像センサ３２からデジタル画像信号として出力され、前記画像処理部１４に於いて、エッチング処理等の画像処理がなされ、特徴点Ａ1 ，Ａ2 ，Ａ3 …が抽出される（図５（Ｂ））。
【００７３】
ＳＴＥＰ：０６ 抽出された特徴点は、測定範囲の画像上に重ねて表示され、測定点の抽出状態が確認され、必要以上に多い場合、少ない場合等は、エッチング処理時のコントラストの調整等処理条件を変更し、抽出状態を調整する。
【００７４】
ＳＴＥＰ：０７，ＳＴＥＰ：０８ 特徴点の抽出が確定すると、抽出された特徴点は測定点として順位付けされる。更に、測定点は、前記画像センサ３２の画素の位置から画像に基づき水平角、鉛直角が測定（測角）される。測角結果は、各測定点と関連付けられて、前記記憶部１９に格納される。
【００７５】
ＳＴＥＰ：０９ 付けられた順位に従って測定点が順次測距される。測定点に関連付けられて格納された水平角、鉛直角が呼込まれ、該水平角、鉛直角と前記測距光軸３７ａが合致する様に、前記測距光軸偏向部１６により前記測距光軸３７ａが偏向される。偏向の状態、即ち前記測距光軸３７ａの水平角、鉛直角は前記２次元位置検出素子４７によって検出され、該２次元位置検出素子４７によって検出された前記測距光軸３７ａの水平角、鉛直角が、前記記憶部１９から呼込まれた水平角、鉛直角と合致した点で測距が実行される。測定点が測距されることで、前記測定装置１の設置点を基準とした３次元データが取得できる。更に、前記方位センサ１１からの基準光軸２８の方位角を取得し、更に設置点の３次元データに基づき前記測定点の絶対座標での３次元データが取得できる。得られた３次元データは、測定点に関連付けられて前記記憶部１９に格納される。
【００７６】
尚、測定が完了した測定点については、測定範囲の画像中に重ねて表示し、測定の進行状態が分る様にしてもよい。或は、全ての測定点を測定範囲の画像中に表示し、測定済の測定点については色分け、或は明度を変える等し、識別表示して測定の進行状態が分る様にしてもよい。又、測距光を可視光とすれば、測定中の測定点に照射されている測距光が測定範囲の画像に現れるので、やはり測定状態の状況、進行状態を確認することができる。
【００７７】
ＳＴＥＰ：１０ 測定点の測距が完了すると、次の順位の測定点が同様に測距され、全ての測定点の測定が完了すると、測定が完了する。而して、測定点の設定から、全ての測定点の測定迄、全自動で測定することができる。
【００７８】
更に、広範囲の測定を実行する場合は、前記回動部５により前記測定装置１を水平方向に回転し、上記した測定作動を行わせることで、全周の測定が自動で実行できる。尚、前記光学系２３が有する画角の範囲内での測定でよい場合は、前記回動部５は省略できる。更に、屋内での測定等の場合で、絶対座標が必要ない場合は、前記方位センサ１１、前記ＧＰＳ装置１２は省略できる。
【００７９】
エッジ処理等の画像処理で得られる測定点は、稜線、或は頂点である場合が多い。測定点が稜線上にある場合は、図６に示される様に測距光３７が稜線５８によって分割され、距離の異なる面で反射された反射測距光３７′が前記測定装置１に入射することになり、測定結果に誤差を生じる。従って、測定点５９を始点として往復の微小スキャンをしつつ測定を実行する（図７（Ａ））。尚、スキャンの振幅は、少なくとも前記測距光３７が稜線から完全に外れる値、例えばビーム径Ｄの２倍とする。
【００８０】
又、測定点５９が頂点であった場合、該測定点５９を始点として螺旋状にスキャンを実行して、所定間隔で測定を実行する（図７（Ｂ））。螺旋状にスキャンすることで、前記測定点５９を頂点とする３面のデータが取得でき、測定点５９近傍の詳細な形状の測定ができる。従って、微小スキャンを実行して測距を実行することで、正確に稜線、頂点の測定が可能となる。
【００８１】
上記実施例では、基準光軸２８に対して測距光軸３７ａが傾斜する測定装置１について説明したが、前記基準光軸２８と前記測距光軸３７ａが同一、或は平行等所定の関係にあり、基準光軸２８を傾斜させる機能を有する測定装置についても実施可能である。
【００８２】
例えば、トータルステーションは、視準望遠鏡と該視準望遠鏡とは別に広角望遠鏡を有し、前記視準望遠鏡は測距光軸を有し、前記広角望遠鏡は基準光軸を有し、該基準光軸と前記測距光軸とは所定の固定的な関係（例えば平行の関係）となっている。
【００８３】
トータルステーションでは、追尾機能を有し、前記視準望遠鏡と広角望遠鏡を一体に水平方向、鉛直方向に回転させ、前記視準望遠鏡を測定点に向けることができる。前記広角望遠鏡に撮像部７（図２参照）を設け、更に画像処理部１４（図２参照）等を設け、撮像部７により測定範囲を撮像し、画像から測定点を抽出し、測定点の測角を行う様にすれば、測定範囲を設定するだけで自動で多数の測定点について自動で測定を実行することができる。
【００８４】
図８は本発明が他の測定装置１に実施された他の実施例を示している。尚、図８中、図１〜図３中で示したものと同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。
【００８５】
発光源３４から発せられた測距光３７は反射プリズム３１で鉛直方向に偏向され、更に偏向ミラー６６により、水平方向に偏向され、射出される。測定点で反射された反射測距光３７′は、前記偏向ミラー６６によって鉛直方向に反射され、前記反射プリズム３１によって反射され、更に孔明き反射ミラー６７によって反射され、受光素子５２によって受光され、受光した反射測距光３７′によって測距が行われる。尚、図中、測距部８中の内部参照光学系２７は省略している。
【００８６】
又、測定範囲の画像は、前記偏向ミラー６６で反射され、前記反射プリズム３１を通過した可視光によって画像センサ３２によって撮像される。
【００８７】
前記偏向ミラー６６は鉛直軸心を中心に回転可能なミラーホルダ６１に設けられ、更に前記鉛直軸心と直交する水平軸６２を中心に回転可能となっている。尚、図８中、６３は前記ミラーホルダ６１を水平方向に回転するモータであり、前記水平軸６２を介して前記偏向ミラー６６を鉛直方向に回転するモータ（図示せず）が設けられている。
【００８８】
又、６４は、前記ミラーホルダ６１の水平回転角を検出するエンコーダである。尚、前記偏向ミラー６６の鉛直方向の回転角を検出するエンコーダも同様に設けられている。
【００８９】
上記他の実施例に於いて、測定範囲の画像は前記偏向ミラー６６を介して前記画像センサ３２によって取得され、測距光３７は前記偏向ミラー６６を介して照射され、又反射測距光３７′は前記偏向ミラー６６を介して入射する。該他の実施例は、基準光軸２８と測距光軸３７ａとが同一である。
【００９０】
又、該他の実施例に於いて、前記偏向ミラー６６、モータ６３が、測距光軸偏向部１６を構成し、前記エンコーダ６４及び前記水平軸６２の回転角を検出するエンコーダが測角部９を構成する。
【００９１】
制御演算部２１は、前記偏向ミラー６６の水平回転、鉛直回転を制御し、前記基準光軸２８を測定点に向けることができる。又、前記制御演算部２１は前記画像センサ３２が取得した画像から測定点を抽出する画像処理部１４を具備している。
【００９２】
尚、上記他の実施例では、前記偏向ミラー６６を全周回転可能であり、予め所定回転角度（撮像部７の画角より小さい角度）ピッチで画像を取得し、取得した画像を合成して全周画像を作成し、該全周画像から測定点を抽出し、抽出した測定点について順次測定を実行すれば、全周範囲について全自動で測定が実行できる。
【符号の説明】
【００９３】
１ 測定装置
２ 三脚
３ 測定装置本体
５ 回動部
７ 撮像部
８ 測距部
９ 測角部
１４ 画像処理部
１６ 測距光軸偏向部
１７ 表示部
１８ 操作部
１９ 記憶部
２１ 制御演算部
２３ 光学系
２５ 投光光学系
２６ 受光光学系
２７ 内部参照光学系
２８ 基準光軸
３１ 反射プリズム
３２ 画像センサ
３４ 発光源
３７ 測距光
３７ａ 測距光軸
３９ 光路切替え器
４２ １次元偏向ミラー
４３ ２次元偏向ミラー
４７ ２次元位置検出素子
５２ 受光素子
６３ モータ
６４ エンコーダ
６６ 偏向ミラー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測距光を照射し、測定点からの反射測距光を受光して測定点の測距を行う測距部と、測定範囲のデジタル画像を取得する撮像部と、測距光の測距光軸を偏向する測距光軸偏向部と、前記デジタル画像を画像処理して測定点を抽出する画像処理部とを具備する測定装置に於いて、測定範囲のデジタル画像を取得し、取得したデジタル画像を画像処理して測定点を抽出すると共に画像上から各測定点の測角を行い、測角の結果に基づき測距光軸を順次測定点に向け、測定点の測距を行うことを特徴とする測定方法。
【請求項２】
前記撮像部は基準光軸を有し、前記測距光軸は前記基準光軸に対して偏向され、前記基準光軸を固定した状態で、前記測定範囲の測定点の測定を行う請求項１の測定方法。
【請求項３】
測定点を中心に前記測距光軸を微小スキャンしつつ測距を行う請求項１又は請求項２の測定方法。
【請求項４】
測距光を照射し、測定点からの反射測距光を受光して測定点の測距を行う測距部と、測定範囲のデジタル画像を取得する撮像部と、測距光の測距光軸を偏向する測距光軸偏向部と、測距光軸の測角を行う測角部と、前記デジタル画像を画像処理して測定点を抽出する画像処理部と、制御演算部とを具備し、該制御演算部は前記デジタル画像上から測定点の角度を検出し、検出した角度に基づき前記測距光軸偏向部を制御して前記測距光軸を順次測定点に向け、該測定点の測距を行う様構成したことを特徴とする測定装置。
【請求項５】
前記撮像部は基準光軸を有し、前記測距光軸偏向部は前記測距光軸を前記基準光軸に対して偏向する請求項４の測定装置。
【請求項６】
前記測距光軸偏向部は、前記測距光軸上に相対向して設けられた一対のＭＥＭＳミラーであり、一対のＭＥＭＳミラーは傾斜の傾斜方向が９０°ずれている請求項５の測定装置。
【請求項７】
前記測角部は、測距光軸上に設けられた光束分割手段と、分割された光束を受光する２次元位置検出素子とを具備し、該２次元位置検出素子は前記測距光軸に対応する点を原点とする座標系を有し、該座標系に於ける前記分割された光束の位置を検出することで、前記測距光軸の偏向角、偏向の方向を検出する請求項４の測定装置。
【請求項８】
表示部を更に有し、該表示部に前記測定範囲のデジタル画像が表示されると共に該デジタル画像上に抽出された測定点が重ねて表示され、未測定測定点と測定完了済測定点とが識別表示される請求項４の測定装置。
【請求項９】
表示部を更に有し、前記測距光は可視光であり、前記表示部に前記測定範囲のデジタル画像が表示されると共に該デジタル画像上に測定点を照射する測距光が表示される請求項４の測定装置。
【請求項１０】
前記測距部は測距光軸を有し、前記撮像部は基準光軸を有し、前記測距光軸と前記基準光軸は固定的な関係で設けられ、前記測距光軸と前記基準光軸は一体的に偏向されて前記測距光軸が測定点に向けられる請求項４の測定装置。
【請求項１１】
前記撮像部の光軸は測距光軸を共有しており、共有光軸部分に偏向ミラーが設けられ、該偏向ミラーが水平回転、鉛直回転されることで、前記測距光軸が偏向される請求項４の測定装置。
【請求項１】
測距光を照射し、測定点からの反射測距光を受光して測定点の測距を行う測距部と、測定範囲のデジタル画像を取得する撮像部と、測距光の測距光軸を偏向する測距光軸偏向部と、前記デジタル画像を画像処理して測定点を抽出する画像処理部とを具備する測定装置に於いて、測定範囲のデジタル画像を取得し、取得したデジタル画像を画像処理して測定点を抽出すると共に画像上から各測定点の測角を行い、測角の結果に基づき測距光軸を順次測定点に向け、測定点の測距を行うことを特徴とする測定方法。
【請求項２】
前記撮像部は基準光軸を有し、前記測距光軸は前記基準光軸に対して偏向され、前記基準光軸を固定した状態で、前記測定範囲の測定点の測定を行う請求項１の測定方法。
【請求項３】
測定点を中心に前記測距光軸を微小スキャンしつつ測距を行う請求項１又は請求項２の測定方法。
【請求項４】
測距光を照射し、測定点からの反射測距光を受光して測定点の測距を行う測距部と、測定範囲のデジタル画像を取得する撮像部と、測距光の測距光軸を偏向する測距光軸偏向部と、測距光軸の測角を行う測角部と、前記デジタル画像を画像処理して測定点を抽出する画像処理部と、制御演算部とを具備し、該制御演算部は前記デジタル画像上から測定点の角度を検出し、検出した角度に基づき前記測距光軸偏向部を制御して前記測距光軸を順次測定点に向け、該測定点の測距を行う様構成したことを特徴とする測定装置。
【請求項５】
前記撮像部は基準光軸を有し、前記測距光軸偏向部は前記測距光軸を前記基準光軸に対して偏向する請求項４の測定装置。
【請求項６】
前記測距光軸偏向部は、前記測距光軸上に相対向して設けられた一対のＭＥＭＳミラーであり、一対のＭＥＭＳミラーは傾斜の傾斜方向が９０°ずれている請求項５の測定装置。
【請求項７】
前記測角部は、測距光軸上に設けられた光束分割手段と、分割された光束を受光する２次元位置検出素子とを具備し、該２次元位置検出素子は前記測距光軸に対応する点を原点とする座標系を有し、該座標系に於ける前記分割された光束の位置を検出することで、前記測距光軸の偏向角、偏向の方向を検出する請求項４の測定装置。
【請求項８】
表示部を更に有し、該表示部に前記測定範囲のデジタル画像が表示されると共に該デジタル画像上に抽出された測定点が重ねて表示され、未測定測定点と測定完了済測定点とが識別表示される請求項４の測定装置。
【請求項９】
表示部を更に有し、前記測距光は可視光であり、前記表示部に前記測定範囲のデジタル画像が表示されると共に該デジタル画像上に測定点を照射する測距光が表示される請求項４の測定装置。
【請求項１０】
前記測距部は測距光軸を有し、前記撮像部は基準光軸を有し、前記測距光軸と前記基準光軸は固定的な関係で設けられ、前記測距光軸と前記基準光軸は一体的に偏向されて前記測距光軸が測定点に向けられる請求項４の測定装置。
【請求項１１】
前記撮像部の光軸は測距光軸を共有しており、共有光軸部分に偏向ミラーが設けられ、該偏向ミラーが水平回転、鉛直回転されることで、前記測距光軸が偏向される請求項４の測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−５２９４６（Ｐ２０１２−５２９４６Ａ）
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９６４８５（Ｐ２０１０−１９６４８５）
【出願日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【出願人】（０００２２０３４３）株式会社トプコン (904)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【出願人】（０００２２０３４３）株式会社トプコン (904)
【Ｆターム（参考）】
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