JP2014119366A - 空間座標測定装置および空間座標測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 空気の揺らぎがある環境において、高精度な空間座標の測定が可能で、さらに、ターゲットの組み付け誤差による測定精度への影響が少ない空間座標測定装置および空間座標測定方法を提供する。
【解決手段】 この空間座標測定装置１は、レーザー光源２と、照射角度変更手段３と、受光部５と、制御手段７と、距離測定手段６と、演算手段８とを備える。さらにターゲットＴｇを撮像する撮像手段９と、撮像手段９で撮像した画像を画像処理してターゲットＴｇの位置を検出する画像処理手段１０と、画像処理手段１０で検出されたターゲットＴｇの位置を演算手段８で演算するターゲットＴｇの空間座標の演算結果に反映させる画像処理結果反映手段１１とを設けた。
【選択図】 図１

Description

この発明は、例えば、産業、計測分野において、生産物や建築物、自然物等の物体の空間的座標を測定する空間座標測定装置および空間座標測定方法に関する。

ガイドとなるレーザ光の方向を、２軸のモータで制御し、移動するターゲットに追従させ、ターゲットの空間座標（３次元位置情報）を得るレーザトラッキング技術は古くから知られている。このトラッキング装置（以下「レーザトラッカー」と言う）では、モータにそれぞれ取り付けられた２軸のエンコーダを用いて、移動するターゲットの空間的な方向（角度）を知ることができる。
ターゲットはレトロリフレクタあるいは単にリフレクタと呼ばれるそれぞれ直交する３枚の鏡を使用した反射鏡を用いるのが一般的である。このリフレクタは、どのような場合でも入射した方向に光を返すことができる。また、レーザで距離を測る技術は確立されており、例えば、レーザー干渉計では、数メートルの距離を、ナノメートル単位の分解能で測定することができる。

これらの二つの技術を組み合わせた装置であるレーザートラッカーは、その装置からターゲットまでの距離と空間的な角度を測定し、その装置を基準とした、ターゲットの空間位置を特定することができる。測定は、以下の手順で行う。
(1) 測定対象物の近傍にレーザトラッカーを設置する。
(2) ターゲットを測定対象物に接触させる。
(3) レーザトラッカーからレーザ光をターゲットに向け出射し、ターゲットで反射した光を再び装置で受け取る。このときのエンコーダ値と、レーザ干渉計の値からターゲットの空間座標（３次元位置情報）を得る。

特開平８−８２５０９号公報 特開平１０−８２６１０号公報

前記のように３次元空間内の位置情報を容易に測定できるレーザトラッカーであるが、測定場の作業環境から大きな悪影響をうける場合がある。特にエアーコンディショナー等の空気の流れ（以後、「空気の揺らぎ」と表現する）がある環境では、レーザ光の出射方向が曲げられ、測定精度を悪化させる。この問題は従来から知られており、様々な試みが実施されてきた。

従来例を以下に列記する。
(1) レーザ光軸方向に伸縮可能なカバーを設けたり、２枚の平行平板で光路を挟んだりして、外部から光路内への気体の流入を防ぎ、カバー内の空気の流れを停止する（特許文献１）。この例は空気の揺らぎの影響を受けにくい対策ではあるが、測定毎にカバーの位置を変更する必要があり、現実性に欠ける。
(2) 光路近傍に空気流（層流）を送る導風手段を配置し、所定の角度から光路に、温度や湿度を一定に保った空気を送風して、光路内の気体の安定化を図る（特許文献２）。この例では、空気の流れを作るための装置が別途必要であり、高価で、安定性にも不安がある。
(3) 同一のレーザトラッカーを３台用意して、それぞれの装置からターゲットまでの距離のみを測定し、その３点の距離データから三角測量法にて空間位置を特定する。この場合、角度データを使用しないため、空気の揺らぎの影響を受けにくいが、装置が３台必要であるため非常に高価になる。
このように従来技術では、安価で、高精度な測定が望める手法が確立されていない。

また、ターゲットとして用いているレトロリフレクタは、互いに直交する３枚の鏡を、球の中に埋め込むことで製作されており、入射したレーザ光が、球の中心から反射したと見なせるような構成となっている。実際には、金属球に３枚のミラーが埋め込まれており、金属球の中心とミラー中心に組み込み誤差があり、測定時のレトロリフレクタの回転位置によって、角度測定結果にも誤差が生じる。

この発明の目的は、空気の揺らぎがある環境において、高精度な空間座標の測定が可能で、さらに、ターゲットの組み付け誤差による測定精度への影響が少ない空間座標測定装置および空間座標測定方法を提供することである。

この発明の空間座標測定装置１は、測定物Ｗ上に設けられたターゲットＴｇの空間座標を求める空間座標測定装置であって、
レーザー光Ｌｂを発するレーザー光源２と、このレーザー光源２から発せられたレーザー光Ｌｂの照射角度を変更可能な照射角度変更手段３と、移動する前記ターゲットＴｇに前記照射角度変更手段３でレーザー光Ｌｂが照射されて前記ターゲットＴｇで反射されたレーザー光の反射光の位置情報を認識する受光部５と、この受光部５で認識された位置情報に基づき、前記照射角度変更手段３のレーザー光Ｌｂの照射角度を変更させて前記ターゲットＴｇを追尾可能な制御手段７と、前記ターゲットＴｇで反射されたレーザー光の反射光を受光し、前記レーザー光源２の発するレーザー光Ｌｂと受光した反射光とから前記ターゲットＴｇまでの距離を測定する距離測定手段６と、この距離測定手段６で測定された距離とレーザー光Ｌｂの照射角度とから、前記ターゲットＴｇの空間座標を演算する演算手段８とを備え、
前記ターゲットＴｇを撮像する撮像手段９と、
この撮像手段９で撮像した画像を画像処理して前記ターゲットＴｇの位置を検出する画像処理手段１０と、
この画像処理手段１０で検出された前記ターゲットＴｇの位置を前記演算手段８で演算する前記ターゲットＴｇの空間座標の演算結果に反映させる画像処理結果反映手段１１と、
を設けたことを特徴とする。

この構成によると、レーザー光源２から発せられたレーザー光Ｌｂは、照射角度変更手段３を経由してターゲットＴｇに到達する。このターゲットＴｇで反射された反射光は、略同じ経路を通り発光元の空間座標測定装置１に戻る。受光部５は、反射光の位置情報を認識する。制御手段７は、受光部５からの位置情報に基づき、照射角度変更手段３のレーザー光Ｌｂの照射角度を変更させてターゲットＴｇを追尾する。演算手段８は、距離測定手段６で測定された距離とレーザー光Ｌｂの照射角度とから、ターゲットＴｇの空間座標を演算する。

前記のように、ターゲットＴｇの空間座標を演算するが、空気の流れが激しく変動する使用環境では、照射角度の測定値に大きな誤差が発生する。空気の流れ（空気の揺らぎ）が変動すると、空気中に圧力分布が発生し、空気の屈折率が変化して、そこを通過するレーザー光の進行方向が曲げられ、反射してきたレーザ光の受光部５での位置が変動し（図８参照）、水平、垂直方向の角度測定値に影響するためである。

そこで、この発明では、撮像手段９と画像処理手段１０と画像処理結果反映手段１１とを設けている。撮像手段９はターゲットＴｇを撮像する。画像処理手段１０は、空気の揺らぎの影響度合いを検出するため、撮像手段９で撮像した画像を画像処理して前記ターゲットＴｇの位置を検出する。画像処理結果反映手段１１は、画像処理手段１０で検出されたターゲットＴｇの位置を、演算手段８で演算する前記ターゲットＴｇの空間座標の演算結果に反映させる。これにより、空気の揺らぎの影響を回避または補正すると共に、ターゲットＴｇの製作誤差の影響も回避することが可能となる。したがって、カバー等を設けた従来技術のものより、空間座標の測定を安価に且つ高精度に行うことが可能となる。

前記撮像手段９の撮像用レンズにズームレンズ９ｂを用いるものとしても良い。このズームレンズ９ｂを用いてターゲットＴｇを拡大して撮像し、この撮像した画像を画像処理手段１０で画像処理してターゲットＴｇの位置を検出することができる。このため、ターゲット位置が遠くなっても高精度の３次元空間座標の測定が可能である。

前記照射角度変更手段３は、前記ターゲットＴｇに対し、レーザー光Ｌｂを直交する２軸回りにそれぞれ角度調整可能な第１および第２の駆動手段１４，１５を有し、前記撮像手段９を前記照射角度変更手段３に取付け、前記第１，第２の駆動手段１４，１５で角度調整されて前記ターゲットＴｇに向かうレーザー光Ｌｂの光軸と、前記撮像手段９の光軸とを一致させる光学機器２１を設けたものとしても良い。このようにターゲットＴｇに向かうレーザー光Ｌｂの光軸と撮像手段９の光軸とを一致させる光学機器２１を設けたため、撮像手段９をターゲットＴｇの移動に追従させることができる。したがって、ターゲットＴｇの移動にかかわらず前記ターゲットＴｇを撮像手段９で簡単に撮像することができる。

前記画像処理結果反映手段１１は、前記制御手段７による前記追尾を停止させこの停止した状態で、前記撮像手段９で前記ターゲットＴｇを撮像させ、撮像した画像を前記画像処理手段１０で画像処理して前記ターゲットＴｇの位置を検出し、前記制御手段７により、前記画像処理手段１０で検出された前記ターゲットＴｇの位置に基づき、前記照射角度変更手段３のレーザー光Ｌｂの照射角度を変更させ、且つ、
前記演算手段８は、この変更した照射角度と前記距離測定手段６で測定された距離とから、前記ターゲットＴｇの空間座標を演算するものとしても良い。

この構成によると、ターゲットＴｇに照射角度変更手段３でレーザー光Ｌｂが照射されて、距離測定手段６により前記ターゲットＴｇまでの距離が測定可能な状態で、画像処理結果反映手段１１は、制御手段７による前記追尾を停止させる。レーザー光Ｌｂでの追尾は、前述のように空気の揺らぎの影響を受けるため、この時点で追尾制御をオフにする。その後、画像処理結果反映手段１１は、制御手段７により、画像処理手段１０で検出されたターゲットＴｇの位置に基づき、照射角度変更手段３のレーザー光Ｌｂの照射角度を変更させる。これによりターゲットＴｇの位置と撮像手段９の光軸中心とを一致させることができる。演算手段８は、前記変更した照射角度と距離測定手段６で測定された距離とから、前記ターゲットＴｇの空間座標を高精度に演算し得る。

画像処理結果反映手段１１は、前記撮像手段９で前記ターゲットＴｇを撮像させ、撮像した画像を前記画像処理手段１０で画像処理して前記ターゲットＴｇの位置を検出し、前記制御手段７により、前記画像処理手段１０で検出された前記ターゲットＴｇの位置に基づき、前記照射角度変更手段３のレーザー光の照射角度を変更させ、且つ、
前記演算手段８は、この変更した照射角度と前記距離測定手段６で測定された距離とから、前記ターゲットＴｇの空間座標を演算するものとしても良い。

この構成によると、画像処理結果反映手段１１は、撮像手段９でターゲットＴｇを撮像させ、この撮像したターゲットＴｇの画像を画像処理手段１０で画像処理することで、ターゲットＴｇの位置を検出する。画像処理結果反映手段１１は、制御手段７により、この検出されたターゲットＴｇの位置に基づき追尾制御を行わせる。この時点で距離測定手段６により前記ターゲットＴｇまでの距離が測定可能な状態となっている。その後、演算手段８は、変更した照射角度と距離測定手段６で測定された距離とから、ターゲットＴｇの空間座標を高精度に演算し得る。

前記画像処理手段１０は、前記撮像手段９で撮像した画像の輪郭を抽出する輪郭抽出手段３０と、この輪郭抽出手段３０で抽出された輪郭から前記ターゲットＴｇの中心位置ＴｇＯを算出するターゲット中心位置算出手段３１とを有するものとしても良い。このようにターゲットＴｇの輪郭画像を用いてターゲットＴｇの中心位置ＴｇＯを算出しているため、ターゲットＴｇの組み付け誤差による測定精度への影響を軽減することができる。

前記輪郭抽出手段３０は、前記画像の輪郭を抽出するとき、空気の揺らぎによる影響があるか否かを判定する判定部３０ａと、この判定部３０ａで空気の揺らぎによる影響があると判定されたとき空気の揺らぎによる影響がなくなるかまたは定められた範囲まで低減するまで待って輪郭を抽出する抽出部３０ｂとを有するものとしても良い。抽出部３０ｂは、空気の揺らぎによる影響がなくなるかまたは定められた範囲まで低減するまで待って輪郭を抽出する。空気の揺らぎがある環境であっても、空気の揺らぎによる影響が低減するときに輪郭を抽出するという、きめ細かな制御を行うことで、ターゲットＴｇの空間座標を高精度に演算し得る。

前記輪郭抽出手段３０により前記画像の輪郭を抽出するとき、空気の揺らぎによる影響が定められた時間以上続くか否かを判定する判定手段３４と、この判定手段３４により空気の揺らぎによる影響が定められた時間以上続くと判定されたときその旨測定者に報知する報知手段３５とを設けても良い。この場合、測定者は、報知手段３５による報知を受けて、例えば、空気の揺らぎの影響を緩和する措置を施すことができる。
前記「定められた時間」は、空間座標を測定する際の許容限度となる時間であり、測定物の種類や測定場所等の条件に応じて適宜に定められる。
前記輪郭抽出手段３０により前記画像の輪郭を複数抽出し、前記ターゲット中心位置算出手段３１は、これら複数抽出した測定結果を平均化したデータから前記ターゲットＴｇの中心位置ＴｇＯを算出するものとしても良い。例えば、揺らぎの影響が長く続く場合に、ターゲットＴｇを撮像手段９で繰り返し撮像し、撮像した画像を輪郭抽出手段３０で平均化処理する。ターゲット中心位置算出手段３１は、平均化処理した画像からターゲットＴｇの中心位置ＴｇＯを高精度に算出することができる。このように揺らぎの影響がある場合でも、高精度な３次元空間座標の測定を行うことができる。

この発明の空間座標測定方法は、測定物上に設けられたターゲットの空間座標を求める空間座標測定方法であって、
レーザー光を発するレーザー光源と、このレーザー光源から発せられたレーザー光の照射角度を変更可能な照射角度変更手段と、移動する前記ターゲットに前記照射角度変更手段でレーザー光が照射されて前記ターゲットで反射されたレーザー光の反射光の位置情報を認識する受光部と、この受光部で認識された位置情報に基づき、前記照射角度変更手段のレーザー光の照射角度を変更させて前記ターゲットを追尾可能な制御手段と、前記ターゲットで反射されたレーザー光の反射光を受光し、前記レーザー光源の発するレーザー光と受光した反射光とから前記ターゲットまでの距離を測定する距離測定手段と、この距離測定手段で測定された距離とレーザー光の照射角度とから、前記ターゲットの空間座標を演算する演算手段とを備え、
前記ターゲットを撮像する撮像過程と、
この撮像過程で撮像した画像を画像処理して前記ターゲットの位置を検出する画像処理過程と、
この画像処理過程で検出された前記ターゲットの位置を前記演算手段で演算する前記ターゲットの空間座標の演算結果に反映させる画像処理結果反映過程と、
を設けたことを特徴とする。

この構成によると、撮像過程にてターゲットを撮像する。画像処理過程では、空気の揺らぎの影響度合いを検出するため、撮像過程で撮像した画像を画像処理して前記ターゲットの位置を検出する。画像処理結果反映過程では、画像処理過程で検出されたターゲットの位置を、演算手段で演算する前記ターゲットの空間座標の演算結果に反映させる。これにより、空気の揺らぎの影響を回避または補正すると共に、ターゲットの製作誤差の影響も回避することが可能となる。したがって、カバー等を設けた従来技術のものより、空間座標の測定を安価に且つ高精度に行うことが可能となる。

この発明の空間座標測定装置は、測定物上に設けられたターゲットの空間座標を求める空間座標測定装置であって、レーザー光を発するレーザー光源と、このレーザー光源から発せられたレーザー光の照射角度を変更可能な照射角度変更手段と、移動する前記ターゲットに前記照射角度変更手段でレーザー光が照射されて前記ターゲットで反射されたレーザー光の反射光の位置情報を認識する受光部と、この受光部で認識された位置情報に基づき、前記照射角度変更手段のレーザー光の照射角度を変更させて前記ターゲットを追尾可能な制御手段と、前記ターゲットで反射されたレーザー光の反射光を受光し、前記レーザー光源の発するレーザー光と受光した反射光とから前記ターゲットまでの距離を測定する距離測定手段と、この距離測定手段で測定された距離とレーザー光の照射角度とから、前記ターゲットの空間座標を演算する演算手段とを備え、
前記ターゲットを撮像する撮像手段と、この撮像手段で撮像した画像を画像処理して前記ターゲットの位置を検出する画像処理手段と、この画像処理手段で検出された前記ターゲットの位置を前記演算手段で演算する前記ターゲットの空間座標の演算結果に反映させる画像処理結果反映手段とを設けた。このため、空気の揺らぎがある環境において、高精度な空間座標の測定が可能で、さらに、ターゲットの組み付け誤差による測定精度への影響を低減することができる。

この発明の空間座標測定方法は、測定物上に設けられたターゲットの空間座標を求める空間座標測定方法であって、レーザー光を発するレーザー光源と、このレーザー光源から発せられたレーザー光の照射角度を変更可能な照射角度変更手段と、移動する前記ターゲットに前記照射角度変更手段でレーザー光が照射されて前記ターゲットで反射されたレーザー光の反射光の位置情報を認識する受光部と、この受光部で認識された位置情報に基づき、前記照射角度変更手段のレーザー光の照射角度を変更させて前記ターゲットを追尾可能な制御手段と、前記ターゲットで反射されたレーザー光の反射光を受光し、前記レーザー光源の発するレーザー光と受光した反射光とから前記ターゲットまでの距離を測定する距離測定手段と、この距離測定手段で測定された距離とレーザー光の照射角度とから、前記ターゲットの空間座標を演算する演算手段とを備え、
前記ターゲットを撮像する撮像過程と、この撮像過程で撮像した画像を画像処理して前記ターゲットの位置を検出する画像処理過程と、この画像処理過程で検出された前記ターゲットの位置を前記演算手段で演算する前記ターゲットの空間座標の演算結果に反映させる画像処理結果反映過程とを設けた。このため、空気の揺らぎがある環境において、高精度な空間座標の測定が可能で、さらに、ターゲットの組み付け誤差による測定精度への影響を低減することができる。

この発明の第１の実施形態に係る空間座標測定装置の構成を概略示す斜視図である。 同空間座標測定装置の受光部の概略構成を示す図である。 同空間座標測定装置の制御系のブロック図である。 同空間座標測定装置の空間座標の説明図である。 （Ａ）は同空間座標測定装置における位置検出部の平面図、（Ｂ）は図５（Ａ）のＡ−Ａ線端面図である。 ターゲット画像検出時の空気の揺らぎの影響を説明する図である。 （Ａ）は、ターゲット画像検出時の空気の揺らぎの影響が大となる場合を説明する図、（Ｂ）は、ターゲット画像検出時の空気の揺らぎの影響が無い場合を説明する図である。 空気の揺らぎによる影響を示し、経過時間と受光部出力との関係を示す図である。

この発明の第１の実施形態に係る空間座標測定装置を図１ないし図７と共に説明する。
この実施形態に係る空間座標測定装置は、測定物上に設けられたターゲットの動きに追従し、空間座標を求めるものである。以下の説明は、空間座標測定方法についての説明をも含む。図１に示すように、この例では、ターゲットＴｇは、測定物Ｗ上の一箇所に静止した状態で取り付けられるものである。ターゲットＴｇとして、例えば、球状のレトロリフレクタが用いられる。

空間座標測定装置１は、主に、レーザー光源２、照射角度変更手段３、角度検出手段４、受光部５、距離測定手段６、制御手段７、演算手段８、撮像手段９、画像処理手段１０、および画像処理結果反映手段１１を有する。レーザー光源２は、定められた波長のレーザー光を発するものであり、距離測定手段は、前記ターゲットで反射したレーザー光Ｌｂを用いて前記ターゲットＴｇまでの距離を測定するものである。距離測定手段６として、例えば、干渉計または絶対距離計等から成る測長器が使用される。レーザー光源２および前記測長器は、一体化した機器であるレーザー測長器を構成して例えば筒状のケーシング１２の内部に収容される。

照射角度変更手段３は、レーザー光源２から発せられたレーザー光Ｌｂの照射角度を変更可能なものであり、回転体１３、第１の駆動手段であるθ軸モータ１４、第２の駆動手段であるψ軸モータ１５、ハーフミラー１６、およびミラー１７を有する。θ軸モータ１４，ψ軸モータ１５におけるθ軸，ψ軸は直交する２軸であり、θ軸が有底円筒状のケーシング１２の軸心と同心に配置される。回転体１３は、ケーシング１２の上端部において軸受等を介してこのケーシング１２に対し相対的にθ軸回りに角変位可能に構成されている。回転体１３は、θ軸モータ１４によりケーシング１２に対し相対的に回転駆動可能に構成される。例えば、θ軸モータ１４のモータ本体が、ケーシング１２の上端部に固定され、θ軸モータ１４のモータ軸が、図示外の駆動力伝達手段等を介して回転体１３に連結される。

回転体１３の上端部に、凹形状のフレーム１８を介してψ軸モータ１５が支持されている。ψ軸モータ１５は、その軸心がψ軸に沿って配置される。この例では、θ軸は鉛直方向に延び、ψ軸は前記θ軸に直交して水平方向に配置される。ミラー１７は、このψ軸モータ１５のモータ軸に角変位可能に取り付けられている。回転体１３およびフレーム１８には、レーザー光Ｌｂおよび反射光を通す孔が形成されている。

角度検出手段４は、照射角度変更手段３で変更した照射角度を検出して出力するものであり、θ軸エンコーダ１９およびψ軸エンコーダ２０を有する。θ軸エンコーダ１９は、ターゲットＴｇにおける測定原点からのθ軸回りの検出角度を出力する。ψ軸エンコーダ２０は、ターゲットＴｇにおける測定原点からのψ軸回りの検出角度を出力する。またこの例では、θ軸エンコーダ１９はθ軸モータ１４に一体に設けられ、ψ軸エンコーダ２０はψ軸モータ１５に一体に設けられている。

レーザー光源２から発せられたレーザー光Ｌｂは、ハーフミラー１６を透過し、ミラー１７で反射した後、光学機器２１を経由してターゲットＴｇに到達する。このターゲットＴｇで反射した反射光は、同じ経路を通り発光元の空間座標測定装置１に戻り、ハーフミラー１６で反射され、ケーシング１２内の受光部５に到達する。この受光部５は、反射光の位置情報を認識するものであり、例えば、半導体位置検出素子（略称ＰＳＤ）または４分割フォトダイオード等により構成される。前記反射光の「位置情報」とは、受光部５上での直交するＸ軸，Ｙ軸の２軸方向におけるレーザースポットの原点Ｏに対するＸ，Ｙ座標を言う。制御手段７は、受光部５からの信号に基づき、受光部５に到達した反射光が同受光部５の中心に戻るように、照射角度変更手段３のθ軸モータ１４、ψ軸モータ１５を制御する。

受光部５が、例えば、二次元の半導体位置検出素子から成る場合、受光部表面に到達したレーザースポットにおける受光部表面上の中心位置等の基準位置Ｏに対する直交２軸方向（Ｘ，Ｙ軸方向）の変位量として、座標（ｘ，ｙ）にて表される電流が得られる。座標（ｘ，ｙ）のｘは、受光部表面上のレーザースポットのうちＸ軸方向の変位量のみを示し、座標（ｘ，ｙ）のｙは、受光部表面上のレーザースポットのうちＹ軸方向の変位量のみを示す。この電流は電圧に変換されて例えばθ軸制御部２２（図３）、ψ軸制御部２３（図３）に入力される。レーザー光ＬｂがターゲットＴｇの中心から外れると、受光部表面に到達するレーザースポットは、半導体位置検出素子から外れエラー信号が発生される。多数の空間座標を求めるために測定物Ｗ上でターゲットＴｇを手動または自動的に移動させ、空間座標測定装置１でターゲットＴｇの動きを追尾させる場合に、前記受光部５からの位置情報により、各ターゲットＴｇの中心をレーザー光Ｌｂで追尾し得る。追尾制御オフの状態では、ターゲットＴｇを移動させないものとする。

図２に示すように、受光部５が、例えば、４分割フォトダイオードから成る場合、受光部表面に到達したレーザースポットの投影像の重心位置の変化を計測する。つまり４分割の各領域のフォトダイオードの差動出力から変位を電圧として計測する。フォトダイオードの４分割の各領域の出力（電流値）を受光部表面上の時計回りにＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとすると、受光部表面上の基準位置Ｏに対する直交２軸方向の変位量のうち、Ｘ軸方向の変位が（Ｂ＋Ｃ）−（Ｄ＋Ａ）として表され、Ｙ軸方向の変位が（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）として表される。これらＸ，Ｙ軸方向の変位は、前記二次元の半導体位置検出素子の場合と同様に、電圧に変換されて例えばθ軸制御部２２（図３）、ψ軸制御部２３（図３）に入力される。

図１に示すように、空間座標測定装置１に戻った反射光の一部は、ハーフミラー１６で反射されずに距離測定手段６に入り、この距離測定手段６は、受光した反射光と、レーザー光源２の投光するレーザー光とからターゲットＴｇまでの距離を測定したこの測定距離を演算手段８に出力する。

制御手段７は、追尾制御部７ａと、画像処理結果反映手段１１とを有する。追尾制御部７ａは、受光部５または画像処理手段１０からの位置情報に基づき、照射角度変更手段３のレーザー光Ｌｂの照射角度を変更させてターゲットＴｇを追尾する制御を行う。追尾制御部７ａは、図３に示すように、例えば、θ軸制御部２２と、ψ軸制御部２３と、θ軸ドライバ２４と、ψ軸ドライバ２５とを有する。θ軸制御部２２、ψ軸制御部２３は、例えばマイクロコンピュータやその他の電子機器で構成される。θ軸制御部２２、ψ軸制御部２３は、それぞれ受光部５からの前記位置情報の信号に基づいて、θ軸ドライバ２４，ψ軸ドライバ２５に、常に、反射光が受光部中心に戻るように指令する。θ軸モータ１４，ψ軸モータ１５は、それぞれ指令値に基づいてミラー１７（図１）を直交するθ軸，ψ軸回りに角変位させる。

これによりミラー１７を常に適切な方向に向けてターゲットＴｇを追尾する。例えば、
θ軸制御部２２、ψ軸制御部２３には、それぞれ、所定のゲインΚ_θ、Κ_ψが設定されている。制御手段７は、受光部表面に到達したレーザースポットの位置情報に、Κ_θ、Κ_ψを用いて、照射角度変更手段３（図１）による照射角度を制御する。
図１に示すように、演算手段８は、距離測定手段６により測定された距離の測定値と、θ軸エンコーダ１９，ψ軸エンコーダ２０の角度測定値より、ターゲットＴｇの空間座標（３次元位置情報）を求める。

前記のように、空間座標測定装置１では、水平方向、鉛直方向の角度測定値と、距離測定手段６とから、空間座標を演算により求めるが、空気の流れが激しく変動する使用環境では、角度測定値に大きな誤差が発生する。ここで図８は、空気の揺らぎによる影響を示し、経過時間と受光部出力との関係を示す図である。空気の流れ（空気の揺らぎ）が変動すると、空気中に圧力分布が発生し、空気の屈折率が変化して、そこを通過するレーザー光の進行方向が曲げられる。そうすると、反射してきたレーザー光の受光部での位置、つまり受光部出力が、同図８に示すように変動し、水平方向、鉛直方向の角度測定値に影響するためである。

この実施形態ではこの問題を解決するため、空間座標測定装置１に、撮像手段９と画像処理手段１０と前記画像処理結果反映手段１１と光学機器２１とを設ける。つまり空間座標測定装置１の角度位置検出部に、ズームレンズ９ｂとＣＣＤカメラ９ａを用いた観察光学系である撮像手段９を組み込み、空気の揺らぎの影響度合いを検出し、空気の揺らぎの影響を回避または補正すると共に、レトロリフレクタの製作誤差の影響も回避することを可能としている。画像処理結果反映手段１１は、画像処理手段１０で検出されたターゲットＴｇの位置を演算手段８で演算するターゲットＴｇの空間座標の演算結果に反映させる一連の制御および処理を行う手段である。

図５（Ａ）はこの空間座標測定装置における位置検出部の平面図、（Ｂ）は図５（Ａ）のＡ−Ａ線端面図である。図１も参照しつつ説明する。図５（Ａ）に示すように、撮像手段９は、ターゲットＴｇを撮像する例えばＣＣＤカメラ９ａと、撮像用レンズであるズームレンズ９ｂとを有する。この例では、画像処理結果反映手段１１は、追尾制御部７ａによる追尾制御を停止させた状態で、撮像手段９でターゲットＴｇを撮像させ、撮像したターゲット画像から画像処理手段１０でターゲット位置を検出させる。
前記ＣＣＤカメラ９ａおよびズームレンズ９ｂは、ミラー１７とターゲットＴｇとの間の光路途中で、且つ、前記ミラー１７に、このミラー１７と一緒に角度変更するように一体に設けられている。ＣＣＤカメラ９ａおよびズームレンズ９ｂは、図５（Ｂ）に示すように、ψ軸モータ１５（図１）を駆動させることで、ミラー１７と共にψ軸回りに角変位可能に構成される。またＣＣＤカメラ９ａおよびズームレンズ９ｂは、図５（Ａ）に示すように、θ軸モータ１４（図１）を駆動させることで、θ軸回りに角変位可能に構成される。

光学機器２１は、ミラー１７で反射されてターゲットＴｇに向かうレーザー光Ｌｂの光軸と、撮像手段９の光軸とを一致させるものであり、光路に沿って順次、第１乃至第３のミラー２６，２７，２８と、ダイクロイックミラー２９とを有する。これら第１乃至第３のミラー２６，２７，２８、およびダイクロイックミラー２９もミラー１７に、このミラー１７と一緒に角度変更するように一体に設けられる。よって、図１に示すように、第１乃至第３のミラー２６，２７，２８、ダイクロイックミラー２９、ＣＣＤカメラ９ａ、ズームレンズ９ｂ、およびミラー１７は、ψ軸モータ１５を駆動させることでψ軸回りに角変位可能に構成され、θ軸モータ１４を駆動させることでθ軸回りに角変位可能に構成される。レーザー光源２から発せられミラー１７で反射したレーザー光Ｌｂを、第１乃至第３のミラー２６，２７，２８で折り曲げ、再度ダイクロイックミラー２９で折り曲げることで、ターゲットＴｇに向かうレーザー光Ｌｂの光軸と、撮像手段９の光軸とを一致させている。

画像処理手段１０は、撮像手段９で撮像された画像を画像処理してターゲットＴｇの位置（この例ではターゲットＴｇの中心位置ＴｇＯ）を検出する。この画像処理手段１０は、輪郭抽出手段３０と、ターゲット中心位置算出手段３１とを有する。輪郭抽出手段３０は、撮像手段９で撮像した画像の輪郭を抽出する。ターゲット中心位置算出手段３１は、輪郭抽出手段３０で抽出された輪郭から前記ターゲットＴｇの中心位置ＴｇＯを算出する。

ここで図６は、ターゲット画像検出時の空気の揺らぎの影響を説明する図である。図１も参照しつつ説明する。図６に示すように、輪郭抽出手段３０で抽出した輪郭画像の一部に、空気の揺らぎの影響がある場合は、前記輪郭画像のうち空気の揺らぎの影響がない部分３２を使用してターゲットＴｇの中心位置ＴｇＯを算出する。図１に示すように、輪郭抽出手段３０は、画像の輪郭を抽出するとき、空気の揺らぎの影響があるか否かを判定する判定部３０ａと、この判定部３０ａで空気の揺らぎによる影響があると判定されたとき空気の揺らぎによる影響がなくなるかまたは定められた範囲まで低減するまで待って輪郭を抽出する抽出部３０ｂとを有する。前記「定められた範囲」は、実験やシミュレーション等により、例えば、空気の揺らぎによる影響がある部分が輪郭画像全体の１／３以下と定められている。

図６に示すように、輪郭画像のうち、例えば、空気の揺らぎの影響がある部分３３が、ターゲット外周の１／３以下ならば、前記輪郭画像における空気の揺らぎの影響がない残りの２／３以上の輪郭データを用いてターゲットＴｇの中心位置を算出する。
図７（Ａ）は、ターゲット画像検出時の空気の揺らぎの影響が大となる場合を説明する図であり、図７（Ｂ）は、ターゲット画像検出時の空気の揺らぎの影響が無い場合を説明する図である。図１も参照しつつ説明する。図７（Ａ）に示すように、空気の揺らぎの影響がある部分３３が輪郭画像全体に及ぶ場合、判定部３０ａは空気の揺らぎの影響があると判定し、抽出部３０ｂは画像の輪郭を抽出しない。図７（Ｂ）に示すように、空気の揺らぎによる影響がなくなったとき、抽出部３０ｂはこの揺らぎによる影響がなくなったときの輪郭を抽出する。

ターゲット中心位置算出手段３１は、抽出された輪郭からターゲットＴｇの中心位置ＴｇＯを算出する。画像処理結果反映手段１１は、前記のように算出したターゲットＴｇの中心位置ＴｇＯを前記演算手段８で演算する演算結果に反映させる。つまり演算手段８は、揺らぎによる影響がないか、または、揺らぎによる影響が定められた範囲まで低減したときの、θ軸エンコーダ１９，ψ軸エンコーダ２０の角度測定値と距離測定値とから、ターゲットＴｇの３次元空間座標を求める。
前記のように輪郭抽出手段３０により画像の輪郭を抽出するとき、空気の揺らぎによる影響が定められた時間以上続くか否かを判定する判定手段３４と、この判定手段３４により空気の揺らぎによる影響が定められた時間以上続くと判定されたときその旨測定者に報知する報知手段３５とをこの空間座標測定装置に設けても良い。前記輪郭抽出手段３０における判定部３０ａに、前記判定手段３４が接続されている。

作用効果について説明する。
(1) 制御手段７による追尾制御をオンにしてレーザー光ＬｂがターゲットＴｇに到達している状態で、ターゲットＴｇを測定物Ｗ上の測定したい位置まで移動し設置すると、以下のように、追尾制御部７ａによりターゲットＴｇの中心をレーザー光Ｌｂが追尾する。
レーザー光源２から発せられたレーザー光Ｌｂは、照射角度変更手段３、第１乃至第３のミラー２６，２７，２８、およびダイクロイックミラー２９を順次経由してターゲットＴｇに到達する。このターゲットＴｇで反射された反射光は、略同じ経路を通り空間座標測定装置１に戻る。受光部５は、反射光の位置情報を認識する。制御手段７は、受光部５からの位置情報に基づき、照射角度変更手段３のレーザー光Ｌｂの照射角度を変更させてターゲットＴｇを追尾する。すなわち制御手段７は、受光部表面上のレーザースポットが基準位置Ｏに戻るように、ミラー１７を角変位させることで、ターゲットＴｇの中心をレーザー光が自動的に追尾する（受光部５で検出する追尾制御）。この時点で距離測定手段６によりターゲットＴｇまでの距離を測定可能である。

(2) 追尾制御部７ａによる受光部５で検出する追尾制御をオフとする。レーザー光Ｌｂでの追尾は、前述のように空気の揺らぎの影響を受けるため、この時点で追尾制御をオフにする。
(3) 次に、画像処理結果反映手段１１は、撮像手段９でターゲットＴｇを撮像させ（撮像過程）、画像処理手段１０によりターゲットＴｇの中心と撮像手段９の光軸中心とのずれ量を検出させる。
(4) 画像処理結果反映手段１１は、追尾制御部７ａにより、ずれ量分、θ軸モータ１４、ψ軸モータ１５を駆動させることで、ターゲットＴｇの中心と撮像手段９の光軸中心とを一致させる。

(5) 撮像手段９で撮像されたターゲットＴｇの画像において、輪郭抽出手段３０の判定部３０ａは、画像の輪郭を抽出するとき、空気の揺らぎの影響があるか否かを判定する。この判定部３０ａで空気の揺らぎによる影響があると判定されたとき、空気の揺らぎによる影響がなくなるかまたは定められた範囲まで低減するまで待って抽出部３０ｂで画像の輪郭を抽出する。
ターゲット中心位置算出手段３１は、この抽出された輪郭、および、この輪郭抽出時におけるθ軸エンコーダ１９，ψ軸エンコーダ２０の角度測定値からターゲットＴｇの中心位置ＴｇＯを算出する（画像処理過程）。
(6) 演算手段８は、揺らぎの影響がないか、または、揺らぎの影響が定められた範囲まで低減したときの、θ軸エンコーダ１９，ψ軸エンコーダ２０の角度測定値と距離測定値とから、ターゲットＴｇの３次元空間座標を求める（画像処理結果反映過程）。

この実施形態に係る空間座標測定装置１および空間座標測定方法によれば、前述のようにターゲットＴｇの撮像画像の状態を画像処理手段１０で解析することで、座標測定時の揺らぎの状態を確認できるため、輪郭画像のうち空気の揺らぎの影響のない部分３２の情報だけを用いてターゲットＴｇの中心位置ＴｇＯを求めるか、または空気の揺らぎの影響がなくなった時点でターゲットＴｇの中心位置ＴｇＯを求めることができる。このため、カバー等を設けた従来技術のものより、３次元空間座標の測定を高精度に且つ安価に行うことが可能となる。

また撮像手段９を用いて撮像したターゲットＴｇの輪郭画像を用いてターゲットＴｇの位置を検出しているため、レトロリフレクタへのミラーの組み付け誤差の影響もなく測定を行うことができ、高精度な３次元空間座標の測定が可能となる。ターゲットＴｇまでの距離の測定には、レトロリフレクタへのミラーから反射した反射光を用いているが、レトロリフレクタへのミラーの組み付け誤差による影響は、非常に小さいため問題はない。

ターゲットＴｇをズームレンズ９ｂで拡大してＣＣＤカメラ９ａで撮像しているため、ターゲット位置が遠くなっても高精度の３次元空間座標の測定が可能である。
撮像手段９および光学機器２１をミラー１７に一体に設けたため、ψ軸モータ１５を駆動させることで、撮像手段９、光学機器２１、およびミラー１７をψ軸回りに一体に角変位することができ、θ軸モータ１４を駆動させることで、撮像手段９、光学機器２１、およびミラー１７をθ軸回りに一体に角変位することができる。

輪郭抽出手段３０の抽出部３０ｂは、空気の揺らぎによる影響がなくなるかまたは定められた範囲まで低減するまで待って輪郭を抽出する。このように空気の揺らぎがある環境であっても、空気の揺らぎによる影響が低減するときに輪郭を抽出するという、きめ細かな制御を行うことで、ターゲットＴｇの空間座標を高精度に演算し得る。
輪郭抽出手段３０により画像の輪郭を抽出するとき、空気の揺らぎによる影響が定められた時間以上続くか否かを判定する判定手段３４と、この判定手段３４により空気の揺らぎによる影響が定められた時間以上続くと判定されたときその旨測定者に報知する報知手段３５とをこの空間座標測定装置１に設けた場合、測定者は、報知手段３５による報知を受けて、例えば、空気の揺らぎの影響を緩和する措置を施すことができる。

他の実施形態について説明する。
(1) 画像処理結果反映手段１１は、ターゲットＴｇを撮像手段９で撮像させ、撮像した画像を画像処理手段１０で画像処理して前記ターゲットＴｇの位置を検出する。画像処理結果反映手段１１は、追尾制御部７ａにより、検出されたターゲットＴｇの位置に基づき、θ軸モータ１４、ψ軸モータ１５を駆動制御してレーザー光Ｌｂをターゲット方向に位置決めする追尾制御を行わせる。この制御手段７による追尾制御を行っている状態で、ターゲットＴｇを測定物Ｗ上の測定したい位置まで移動し設置する。この時点で、空間座標測定装置１から発せられたレーザー光Ｌｂはターゲット方向に向き、距離測定手段６によりターゲットＴｇまでの距離を測定可能である。

(2) 撮像されたターゲットＴｇの画像において、判定部３０ａは、画像の輪郭を抽出するとき、空気の揺らぎの影響があるか否かを判定する。この判定部３０ａで空気の揺らぎによる影響があると判定されたとき、空気の揺らぎによる影響がなくなるかまたは定められた範囲まで低減するまで待って抽出部３０ｂで画像の輪郭を抽出する。ターゲット中心位置算出手段３１は、この抽出された輪郭、および、この輪郭抽出時におけるθ軸エンコーダ１９，ψ軸エンコーダ２０の角度測定値からターゲットＴｇの中心位置ＴｇＯを算出する。
なお前記実施形態と同様に、画像の輪郭を抽出するとき、空気の揺らぎによる影響が定められた時間以上続く場合に、その旨測定者に報知する報知手段を設けても良い。

(3) 演算手段８は、揺らぎの影響がないか、または、揺らぎの影響が定められた範囲まで低減したときの、θ軸エンコーダ１９，ψ軸エンコーダ２０の角度測定値と距離測定値とから、ターゲットＴｇの３次元空間座標を求める。
ところで、レーザー光の戻り光の位置を受光部５で検出して追尾する追尾制御は、高速な追尾が可能であるが、受光部５の検出範囲の制約等があり、ターゲットＴｇを移動させるときに常にターゲットＴｇのミラーを空間座標測定装置側に正確に向けて移動させる必要があり、測定の作業性が若干悪い。

これに対して、この実施形態のように画像処理手段１０で検出されたターゲットＴｇの位置に基づく追尾制御では、干渉計による測長が途切れないように、ターゲットＴｇのミラーを空間座標測定装置側に向けながら移動させる必要はあるが、受光部５で検出する追尾制御よりも作業性が良くなる。また、ターゲットＴｇの撮像画像の状態を画像処理手段１０で解析することで、座標測定時の揺らぎの状態を確認できるため、輪郭画像のうち空気の揺らぎの影響のない部分３２の情報だけを用いてターゲットＴｇの中心位置ＴｇＯを求めるか、または空気の揺らぎの影響がなくなった時点でターゲットＴｇの中心位置ＴｇＯを求めることができる。このため、カバー等を設けた従来技術のものより、３次元空間座標の測定を高精度に且つ安価に行うことが可能となる。

空気の揺らぎの影響が長く続く場合は、輪郭抽出手段３０によりターゲット画像の輪郭を複数抽出し、ターゲット中心位置算出手段３１が、これら複数抽出した測定結果を平均化したデータからターゲットＴｇの中心位置ＴｇＯを算出するものとしても良い。ターゲット中心位置算出手段３１は、平均化したデータからターゲットＴｇの中心位置ＴｇＯを高精度に算出することができる。このように揺らぎの影響がある場合でも、高精度な３次元空間座標の測定を行うことができる。

１…空間座標測定装置
２…レーザー光源
３…照射角度変更手段
５…受光部
６…距離測定手段
７…制御手段
８…演算手段
９…撮像手段
９ｂ…ズームレンズ
１０…画像処理手段
１１…画像処理結果反映手段
１４…θ軸モータ（第１の駆動手段）
１５…ψ軸モータ（第２の駆動手段）
２１…光学機器
３０…輪郭抽出手段
３０ａ…判定部
３０ｂ…抽出部
３１…ターゲット中心位置算出手段
３４…判定手段
３５…報知手段
Ｌｂ…レーザー光
Ｔｇ…ターゲット
Ｗ…測定物

Claims (10)

1. 測定物上に設けられたターゲットの空間座標を求める空間座標測定装置であって、
   レーザー光を発するレーザー光源と、このレーザー光源から発せられたレーザー光の照射角度を変更可能な照射角度変更手段と、移動する前記ターゲットに前記照射角度変更手段でレーザー光が照射されて前記ターゲットで反射されたレーザー光の反射光の位置情報を認識する受光部と、この受光部で認識された位置情報に基づき、前記照射角度変更手段のレーザー光の照射角度を変更させて前記ターゲットを追尾可能な制御手段と、前記ターゲットで反射されたレーザー光の反射光を受光し、前記レーザー光源の発するレーザー光と受光した反射光とから前記ターゲットまでの距離を測定する距離測定手段と、この距離測定手段で測定された距離とレーザー光の照射角度とから、前記ターゲットの空間座標を演算する演算手段とを備え、
   前記ターゲットを撮像する撮像手段と、
   この撮像手段で撮像した画像を画像処理して前記ターゲットの位置を検出する画像処理手段と、
   この画像処理手段で検出された前記ターゲットの位置を前記演算手段で演算する前記ターゲットの空間座標の演算結果に反映させる画像処理結果反映手段と、
   を設けたことを特徴とする空間座標測定装置。
2. 請求項１記載の空間座標測定装置において、前記撮像手段の撮像用レンズにズームレンズを用いる空間座標測定装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の空間座標測定装置において、前記照射角度変更手段は、前記ターゲットに対し、レーザー光を直交する２軸回りにそれぞれ角度調整可能な第１および第２の駆動手段を有し、前記撮像手段を前記照射角度変更手段に取付け、前記第１，第２の駆動手段で角度調整されて前記ターゲットに向かうレーザー光の光軸と、前記撮像手段の光軸とを一致させる光学機器を設けた空間座標測定装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の空間座標測定装置において、
   前記画像処理結果反映手段は、前記制御手段による前記追尾を停止させこの停止した状態で、前記撮像手段で前記ターゲットを撮像させ、撮像した画像を前記画像処理手段で画像処理して前記ターゲットの位置を検出し、前記制御手段により、前記画像処理手段で検出された前記ターゲットの位置に基づき、前記照射角度変更手段のレーザー光の照射角度を変更させ、且つ、
   前記演算手段は、この変更した照射角度と前記距離測定手段で測定された距離とから、前記ターゲットの空間座標を演算する空間座標測定装置。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の空間座標測定装置において、
   前記画像処理結果反映手段は、前記撮像手段で前記ターゲットを撮像させ、撮像した画像を前記画像処理手段で画像処理して前記ターゲットの位置を検出し、前記制御手段により、前記画像処理手段で検出された前記ターゲットの位置に基づき、前記照射角度変更手段のレーザー光の照射角度を変更させ、且つ、
   前記演算手段は、この変更した照射角度と前記距離測定手段で測定された距離とから、前記ターゲットの空間座標を演算する空間座標測定装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の空間座標測定装置において、
   前記画像処理手段は、前記撮像手段で撮像した画像の輪郭を抽出する輪郭抽出手段と、この輪郭抽出手段で抽出された輪郭から前記ターゲットの中心位置を算出するターゲット中心位置算出手段と、を有する空間座標測定装置。
7. 請求項６に記載の空間座標測定装置において、
   前記輪郭抽出手段は、前記画像の輪郭を抽出するとき、空気の揺らぎによる影響があるか否かを判定する判定部と、この判定部で空気の揺らぎによる影響があると判定されたとき空気の揺らぎによる影響がなくなるかまたは定められた範囲まで低減するまで待って輪郭を抽出する抽出部と、を有する空間座標測定装置。
8. 請求項６または請求項７に記載の空間座標測定装置において、前記輪郭抽出手段により前記画像の輪郭を抽出するとき、空気の揺らぎによる影響が定められた時間以上続くか否かを判定する判定手段と、この判定手段により空気の揺らぎによる影響が定められた時間以上続くと判定されたときその旨測定者に報知する報知手段と、を設けた空間座標測定装置。
9. 請求項６ないし請求項８のいずれか１項に記載の空間座標測定装置において、前記輪郭抽出手段により前記画像の輪郭を複数抽出し、前記ターゲット中心位置算出手段は、これら複数抽出した測定結果を平均化したデータから前記ターゲットの中心位置を算出する空間座標測定装置。
10. 測定物上に設けられたターゲットの空間座標を求める空間座標測定方法であって、
    レーザー光を発するレーザー光源と、このレーザー光源から発せられたレーザー光の照射角度を変更可能な照射角度変更手段と、移動する前記ターゲットに前記照射角度変更手段でレーザー光が照射されて前記ターゲットで反射されたレーザー光の反射光の位置情報を認識する受光部と、この受光部で認識された位置情報に基づき、前記照射角度変更手段のレーザー光の照射角度を変更させて前記ターゲットを追尾可能な制御手段と、前記ターゲットで反射されたレーザー光の反射光を受光し、前記レーザー光源の発するレーザー光と受光した反射光とから前記ターゲットまでの距離を測定する距離測定手段と、この距離測定手段で測定された距離とレーザー光の照射角度とから、前記ターゲットの空間座標を演算する演算手段とを備え、
    前記ターゲットを撮像する撮像過程と、
    この撮像過程で撮像した画像を画像処理して前記ターゲットの位置を検出する画像処理過程と、
    この画像処理過程で検出された前記ターゲットの位置を前記演算手段で演算する前記ターゲットの空間座標の演算結果に反映させる画像処理結果反映過程と、
    を設けたことを特徴とする空間座標測定方法。

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