JP2015031648A - レーザトラッカ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータリエンコーダを使用した従来のレーザトラッカと比較して、測定方角精度を向上させることができるレーザトラッカを提供する。【解決手段】本発明のレーザトラッカ１０は、測定光Ｌ２の２つの角度を測定する手段として、面状の受光手段である２次元ＰＳＤ４６を使用している。すなわち、２次元ＰＳＤ４６の受光面で測定光Ｌ２を受光し、その受光面上のレーザスポットの位置を検出する。つまり、２次元ＰＳＤ４６を構成する多数の受光素子毎に角度データを予め割り当てておき、レーザスポットを受光した受光素子に基づき測定光Ｌ２の２つの角度を測定する。これにより、測定光Ｌ２の２つの角度を換算することなく直接測定できるので、ロータリエンコーダを使用した従来のレーザトラッカと比較して、測定光Ｌ２の測定方角精度が向上する。【選択図】図３

Description

本発明は、レーザトラッカに関する。

特許文献１、２、３には、本体から放射されるレーザ光を用いて測定対象物を追尾しながら、測定対象物の３次元座標を測定するレーザトラッカが開示されている。

レーザトラッカは、測定対象物に取り付けられたターゲットにレーザ光を放射し、ターゲットから反射されたレーザ光の反射光を本体が受光する。これによって、ターゲット（測定対象物）までの距離と反射光の２つの角度（仰角及び方位角）とが測定されて、測定対象物の３次元座標が測定される。以下、レーザトラッカの本体から放射されるレーザ光を「レーザ光」と称し、ターゲットから反射されたレーザ光の反射光を「測定光」と称する。

本体からターゲットまでの距離は、レーザ干渉計、光コム距離計、又は２色干渉計等の距離測定装置によって相対的又は絶対的に測定される。また、測定光の２つの角度は、ロータリエンコーダによって測定される。更に、レーザトラッカは、ジンバル式ビーム操作機構（特許文献３参照）を備え、このジンバル式ビーム操作機構が、レーザ光をターゲットに向ける。これによってレーザトラッカは、測定対象物を追尾しながら測定対象物の３次元座標を測定できる。

前記ターゲットとしては、再帰性反射可能な直角プリズムミラー又はコーナーキューブプリズムなどが用いられる。レーザ光は、ターゲットの直角に組み合わされた面に入射され、数回の反射によってレーザ光の一部が測定光として入射方向に反射される。

特開２０１０−５４４２９号公報 特開２０１２−１１２９１９号公報 特表２０１３−５０５４５２号公報

前述の如く、特許文献１〜３のレーザトラッカは、測定光の２つの角度を測定する手段としてロータリエンコーダを使用している。すなわち、従来のレーザトラッカは、測定光の方向を検出した後、ロータリエンコーダから出力される角度信号に基づいて、測定光の２つの角度を測定（換算）している。

したがって、従来のレーザトラッカによる測定光の方向測定精度（測定方角精度ともいう）は、ロータリエンコーダから出力される角度信号の精度、すなわち、機械的精度（分解能ともいう）に制限されるので、例えば、１００ｍの距離で５００μｍ程度の精度しか得られないという欠点があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ロータリエンコーダを使用した従来のレーザトラッカと比較して、測定方角精度を向上させることができるレーザトラッカを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、前記目的を達成するために、測定対象物に取り付けられるターゲットと、前記ターゲットにレーザ光を放射して前記ターゲットを追尾しながら本体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、前記レーザ光の放射角度を、直交する２軸回りに角度調整可能な角度調整手段と、前記ターゲットによって反射された前記レーザ光の測定光を、位置検出が可能な面状の受光手段によって受光して、前記測定光の２つの角度を測定する角度測定手段と、前記距離測定手段によって測定された距離と前記角度測定手段によって測定された２つの角度とに基づき、前記ターゲットの空間座標を演算する演算手段と、前記ターゲットによって反射された前記測定光の位置を検出し、かつ前記ターゲットの移動量と移動する方向に対応した信号を出力する光位置検出手段と、前記光位置検出手段からの信号に基づき、前記レーザ光の光軸と前記測定光の光軸とが一致するように前記角度調整手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とするレーザトラッカを提供する。

本発明の一態様によれば、測定光の２つの角度を測定する手段として、位置検出が可能な面状の受光手段を使用している。すなわち、位置検出が可能な面状の受光手段の受光面で測定光を受光し、その受光面上のレーザスポットの位置を検出する。つまり、多数の受光素子毎に角度データを予め割り当てておき、レーザスポットを受光した受光素子に基づき測定光の２つの角度を測定（検出）する。これにより、測定光の２つの角度を換算することなく直接測定できる。よって、本発明の一態様によれば、ロータリエンコーダを使用した従来のレーザトラッカと比較して、測定光の測定方角精度を向上させることができる。

本発明の一態様は、前記角度測定手段の前記受光手段は、半球型の有機撮像素子であることが好ましい。

本発明の一態様によれば、半球型の有機撮像素子によって、測定光の２つの角度を精度よく測定できる。

本発明の一態様は、前記角度調整手段は、前記レーザ光の一部を反射し、かつ前記測定光の一部を透過させるビームスプリッタと、前記ビームスプリッタを直交する２軸回りに回動させる駆動部と、を備え、前記角度測定手段の前記受光手段は、前記ビームスプリッタを透過した前記測定光の一部を受光することが好ましい。

本発明の一態様によれば、ビームスプリッタを使用することによって、レーザ光をターゲットに向けて反射でき、かつ測定光の一部を、測定方角検出用のツールとして有効利用できる。

本発明の一態様は、前記測定対象物には、ＧＰＳ受信機と、前記ＧＰＳ受信機によって受信された位置データを送信する送信機とが備えられ、前記制御手段には、前記送信機からの位置データを受信する受信機が備えられ、前記制御手段は、前記受信機で受信した前記位置データに基づき、前記角度調整手段による前記レーザ光の２軸回りの角度を制御することが好ましい。

本発明の一態様によれば、測定対象物の緯度、経度、高度の位置データはＧＰＳ受信機によって取得される。そして、測定対象物の前記位置データは、送信機から出力され、制御手段の受信機によって常時受信される。そして、制御手段は、受信機で受信した前記位置データに基づき、角度調整手段によるレーザ光の２軸回りの角度を制御する。これにより、レーザトラッカは、測定対象物を見失うことなく常に追尾できる。

本発明のレーザトラッカによれば、ロータリエンコーダを使用した従来のレーザトラッカと比較して、測定方角精度を向上させることができる。

第１の実施形態のレーザトラッカの構成を示した説明図 図１のレーザトラッカにおけるレーザ光の光路を示した説明図 図１のレーザトラッカにおける測定光の光路を示した説明図 第２の実施形態のレーザ光の要部の構成を拡大して示した説明図 レーザトラッカによる測定方法の手順を示したフローチャート

以下、添付図面に従って本発明に係るレーザトラッカの好ましい実施形態について詳説する。

〔レーザトラッカ１０の構成〕
図１は、第１の実施形態のレーザトラッカ１０の構成を示した説明図である。図２は、図１のレーザトラッカ１０におけるレーザ光Ｌ_１の光路を示した説明図であり、図３は、図１のレーザトラッカにおける測定光Ｌ_２の光路を示した説明図である。図２においてレーザ光Ｌ_１は、実線の矢印で示され、図３において測定光Ｌ_２は、破線の矢印で示されている。

図１の如く、レーザトラッカ１０は、三脚等の支持部材１２に支持された筒状の本体１４、本体１４の上部に搭載された角度回転量検出部１６、信号検出器１８を有する演算制御装置（演算手段、制御手段）２０、及び測定対象物２２に取り付けられるターゲットとしてのコーナーキューブプリズム（Corner Cube Prism：以下「ＣＣＰ」と記す）２４を備える。

本体１４の内部には、レーザ光源２５を備えた距離測定装置（距離測定手段）２６、ハーフミラー２８、及び２次元の半導体位置検出素子（Position Sensitive Detector：以下「２次元ＰＳＤ」と記す）３０が配置される。

距離測定装置２６は、レーザトラッカ１０の本体１４とＣＣＰ２４との距離を、レーザ光を用いて相対的又は絶対的に測定するレーザ干渉計、光コム距離計、又は２色干渉計等の既知の距離測定装置である。

ハーフミラー２８は、図２の如く距離測定装置２６から放射されるレーザ光Ｌ_１の光軸上に配置され、レーザ光Ｌ_１を透過する機能を有する。また、ハーフミラー２８は、図３の如くＣＣＰ２４によって反射され、かつビームスプリッタ（Beam Splitter：以下「ＢＳ」と記す）３２によって反射された測定光Ｌ_２を２次元ＰＳＤ３０に反射させる機能も備える。測定光Ｌ_２とは、レーザトラッカ１０の本体１４からＣＣＰ２４までの距離を、距離測定装置２６によって測定するためのプローブ光である。また、ＣＣＰ２４は、図２、図３の如く距離測定装置２６から放射されたレーザ光Ｌ_１の入射方向と平行に、測定光Ｌ_２を反対方向に反射する機能を備える。なお、ＢＳ３２については後述する。

２次元ＰＳＤ３０は、図３の如く測定光Ｌ_２の光軸の位置を読み取るための受光面を備える。２次元ＰＳＤ３０は、測定光Ｌ_２の位置データ、つまり測定光Ｌ_２の基準位置に対する位置ずれ量を認識するものである。ここで、測定光Ｌ_２の「位置データ」とは、２次元ＰＳＤ３０の受光面上での直交する２軸方向におけるレーザスポットの変位量を表す。

演算制御装置２０は、２次元ＰＳＤ３０の受光面に入射した測定光Ｌ_２のレーザスポットが２次元ＰＳＤ３０の受光面の中心に戻るように、すなわち、ＣＣＰ２４の測定光Ｌ_２の光軸に対して直交する２軸方向の移動量がゼロになるように、ＢＳ３２の直交する２軸モータ（駆動部）３４を制御する。

２軸モータ３４は、図２、図３の如く水平方向に回転軸を備えた仰角調整用の第１のモータ３６と、鉛直方向に回転軸を備えた方位角調整用の第２のモータ３８とからなる。第１のモータ３６と第２のモータ３８の回転量を演算制御装置２０が各々制御することによって、ＢＳ３２を所望の仰角及び方位角に向けることができる。

なお、２次元ＰＳＤ３０と２軸モータ３４とを使用したＢＳ３２の角度調整方法は公知なので、ここではその説明を省略する。また、２次元ＰＳＤ３０に代えて、４分割フォトダイオード等の撮像素子を適用してもよい。

図１に示した角度回転量検出部１６は、ケース４０を有している。また、ケース４０には、レーザ光Ｌ_１の放射用及び測定光Ｌ_２の入射用の窓４２が備えられている。そしてケース４０の内部に、前述したＢＳ３２、２軸モータ３４、ＢＳ３２の回転角度量を検出するための２次元ＰＳＤ４４、及び測定光Ｌ_２の仰角及び方位角を直接検出する２次元ＰＳＤ（面状の受光手段）４６が所定の位置に配置される。

ＢＳ３２は、図２の如くハーフミラー２８を透過した距離測定装置２６からのレーザ光Ｌ_１を、ある割合で反射、かつ透過させる機能を備える。ＢＳ３２によって反射されたレーザ光Ｌ_１は、窓４２を介してＣＣＰ２４に向けて放射される。そして、図３の如くＣＣＰ２４によって反射され、窓４２を介してＢＳ３２に入射した測定光Ｌ_２は、その一部がＢＳ３２を透過して２次元ＰＳＤ４６の受光面に入射される。そして、前記一部を除く残りの測定光Ｌ_２がハーフミラー２８に向けて反射される。

前記残りの測定光Ｌ_２は、その一部がハーフミラー２８で反射されて２次元ＰＳＤ３０の受光面に入射される。また、ハーフミラー２８を透過した測定光Ｌ_２は、距離測定装置２６に入射される。そして、距離測定装置２６は、放射したレーザ光Ｌ_１と入射した測定光Ｌ_２とに基づいて、本体１４からＣＣＰ２４までの距離を測定する。距離測定装置２６による距離測定方法も公知なので、ここではその説明を省略する。

図２の如く２次元ＰＳＤ４４は、ＢＳ３２の上方に配置され、その受光面にＢＳ３２を透過したレーザ光Ｌ_１が入射される。ＢＳ３２の回転角度量に応じて、２次元ＰＳＤ４４の受光面における、ＢＳ３２を透過したレーザ光Ｌ_１の入射位置（レーザスポットの位置）が異なる。その位置データを演算制御装置２０に出力することによって、ＢＳ３２の回転量が演算制御装置２０によって算出される。また、２次元ＰＳＤ４４に代えて、４分割フォトダイオード等の撮像素子を適用してもよい。

図３の如く２次元ＰＳＤ４６は、ＢＳ３２の背面側に配置され、その受光面にＢＳ３２を透過した測定光Ｌ_２が入射される。ＢＳ３２の２軸の回転角度量に応じて、２次元ＰＳＤ４６の受光面における、ＢＳ３２を透過した測定光Ｌ_２の入射位置（レーザスポットの位置）が異なるため、その位置データを演算制御装置２０に出力することによって、測定光Ｌ_２の仰角及び方位角が演算制御装置２０によって測定される。また、２次元ＰＳＤ４６に代えて、図４に示す半球型の薄膜の有機撮像素子４８を適用してもよく、４分割フォトダイオード等の撮像素子を適用してもよい。つまり、面状の受光手段であれば、仰角及び方位角の測定用受光手段として適用できる。

有機撮像素子４８を適用した実施形態を第２の実施形態とする。この場合、半球型の有機撮像素子４８の球の中心がＢＳ３２の中心に設定されている。

一方、測定対象物２２には、ＧＰＳ（Global Positioning System）受信機５０と、送信機５２が取り付けられている。

送信機５２は、ＧＰＳ受信機５０で受信した測定対象物２２の緯度、経度、高度の位置データを無線にて出力する。演算制御装置２０には、前記位置データを受信する受信機５４が備えられている。演算制御装置２０は、受信機５４で受信した前記位置データに基づき、レーザ光Ｌ_１が測定対象物２２に向けて常に放射されるように、ＢＳ３２の２軸モータ３４を制御する。これにより、レーザトラッカ１０は、測定対象物２２を見失うことなく常に追尾できる。

〔レーザトラッカ１０の作用〕
図２の如く、距離測定装置２６から放射されたレーザ光Ｌ_１は、ハーフミラー２８、及びＢＳ３２を介して、測定対象物に取り付けられたＣＣＰ２４に入射する。そして、図３の如く、ＣＣＰ２４によって反射された測定光Ｌ_２がレーザ光Ｌ_１と同じ経路を経て戻されて距離測定装置２６に入射する。これにより、本体１４とＣＣＰまでの距離が距離測定装置２６によって測定される。そして、その距離データは、距離測定装置２６から演算制御装置２０に送信される。

レーザ光Ｌ_１がＣＣＰ２４によって反射され、測定光Ｌ_２として距離測定装置２６に戻る際、ＢＳ３２によって測定光Ｌ_２の一部が反射され、測定光Ｌ_２がハーフミラー２８を介して２次元ＰＳＤ３０の受光面に入射する。ＣＣＰ２４に入射するレーザ光Ｌ_１の光軸と直角方向にＣＣＰ２４が移動すると、この移動量と移動する方向に応じて２次元ＰＳＤ３０の受光面に入射する測定光Ｌ_２の入射位置が変化する。この測定光Ｌ_２の入射位置の変化を、２次元ＰＳＤ３０を用いて検出し、この測定光Ｌ_２の入射位置が常に受光面の中心に位置するように演算制御装置２０が２軸モータ３４を制御してＢＳ３２の方向を制御する。これにより、レーザトラッカ１０は、レーザ光Ｌ_１を用いて測定対象物２２を追尾できる。

レーザトラッカ１０が測定対象物２２を追尾している際に、ＢＳ３２とＣＣＰ２４との相対的な２つの角度データ（仰角データ及び方位角データ）は、２次元ＰＳＤ４６によって直接検出される。これら２つの角度データは、演算制御装置２０に送信される。

演算制御装置２０は、これら２つの角度データと距離測定装置２６による距離データを用いて測定対象物２２の３次元座標を算出する。

以上がレーザトラッカ１０の作用である。

実施形態のレーザトラッカ１０の特徴は、２次元ＰＳＤ４６又は有機撮像素子４８によって、測定光Ｌ_２の仰角データ及び方位角データを直接得るようにしたことにある。これにより、実施形態のレーザトラッカ１０は、分解能に制限があるロータリエンコーダを用いた従来のレーザトラッカと比較して、測定方角精度が向上する。すなわち、より正確な角度測定ができる。

例えば、ＢＳ３２の中心から２次元ＰＳＤ４６までの距離が０．１ｍで、２次元ＰＳＤ４６の位置分解能（画素サイズ５μｍ＋１／１００サブピクセル法）が０．０５μｍの場合、実施形態のレーザトラッカ１０の仰角及び方位角の測定方角精度は、１００ｍの距離で５０μｍ程度におさめることができる。よって、従来のレーザトラッカと比較して精度が１０倍向上する。

図５は、レーザトラッカ１０による測定方法の手順を示したフローチャートである。

図５によれば、まず、２次元ＰＳＤ４６又は有機撮像素子４８による検出位置データと測定光Ｌ_２の光軸方向の較正データを作成する（ステップ１：Ｓ１）。

次に、測定対象物２２のＣＣＰ２４の位置を送信機５２からの位置データを受信することにより検出する（Ｓ２）。

次に、レーザ光Ｌ_１をＣＣＰ２４に向けて放射する（Ｓ３）。

次に、ＣＣＰ２４をセンタリングするための、センタリング用の２次元ＰＳＤ３０によって測定光Ｌ_２の光軸位置を検出する（Ｓ４）。

次に、ＣＣＰ２４をセンタリングするために、２軸モータ３４によってＢＳ３２を回動する（Ｓ５）。

次に、本体１４からＣＣＰ２４までの距離を距離測定装置２６によって測定する（Ｓ６）。

次に、２次元ＰＳＤ４６又は有機撮像素子４８による２つの角度データと距離測定装置２６からの距離データとから測定対象物２２の３次元座標位置を、演算制御装置２０が演算する（Ｓ７）。

そして、測定対象物２２を移動させてＳ２〜Ｓ７のステップを繰り返す。

これにより、実施形態のレーザトラッカ１０は、測定対象物２２を追尾しながら、測定対象物の正確な３次元座標を測定できる。

１０…レーザトラッカ、１２…支持部材、１４…本体、１６…角度回転量検出部、１８…信号検出器、２０…演算制御装置、２２…測定対象物、２４…ＣＣＰ、２５…レーザ光源、２６…距離測定装置、２８…ハーフミラー、３０…２次元ＰＳＤ、３２…ＢＳ、３４…２軸モータ、３６…第１のモータ，３８…第２のモータ、４０…ケース、４２…窓、４４…２次元ＰＳＤ、４６…２次元ＰＳＤ、４８…有機撮像素子、５０…ＧＰＳ受信機、５２…送信機、５４…受信機、Ｌ_１…レーザ光、Ｌ_２…測定光

Claims (4)

1. 測定対象物に取り付けられるターゲットと、
   前記ターゲットにレーザ光を放射して前記ターゲットを追尾しながら本体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、
   前記レーザ光の放射角度を、直交する２軸回りに角度調整可能な角度調整手段と、
   前記ターゲットによって反射された前記レーザ光の測定光を、位置検出が可能な面状の受光手段によって受光して、前記測定光の２つの角度を測定する角度測定手段と、
   前記距離測定手段によって測定された距離と前記角度測定手段によって測定された２つの角度とに基づき、前記ターゲットの空間座標を演算する演算手段と、
   前記ターゲットによって反射された前記測定光の位置を検出し、かつ前記ターゲットの移動量と移動する方向に対応した信号を出力する光位置検出手段と、
   前記光位置検出手段からの信号に基づき、前記レーザ光の光軸と前記測定光の光軸とが一致するように前記角度調整手段を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とするレーザトラッカ。
2. 前記角度測定手段の前記受光手段は、半球型の有機撮像素子である請求項１に記載のレーザトラッカ。
3. 前記角度調整手段は、前記レーザ光の一部を反射し、かつ前記測定光の一部を透過させるビームスプリッタと、前記ビームスプリッタを直交する２軸回りに回動させる駆動部と、を備え、
   前記角度測定手段の前記受光手段は、前記ビームスプリッタを透過した前記測定光の一部を受光する請求項１又は２に記載のレーザトラッカ。
4. 前記測定対象物には、ＧＰＳ受信機と、前記ＧＰＳ受信機によって受信された位置データを送信する送信機とが備えられ、
   前記制御手段には、前記送信機からの位置データを受信する受信機が備えられ、
   前記制御手段は、前記受信機で受信した前記位置データに基づき、前記角度調整手段による前記レーザ光の２軸回りの角度を制御する請求項１、２又は３に記載のレーザトラッカ。

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