JP2020204552A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターゲットの追尾状態を認識しやすくして、効率の良い測定を行うことができる測定装置を提供すること。【解決手段】本発明の一態様は、ターゲットに向けて光線を出射して捕捉追尾し、ターゲットの三次元座標を測定する測定装置であって、光線を出射する光源と、移動するターゲットを追尾するように光源から出射する光線の出射角度を制御する角度制御部と、測定者に装着可能なデバイスに設けられた表示部と、光線の出射角度とターゲットから戻る光とに基づきターゲットの三次元座標を演算する演算部と、演算部で演算した三次元座標に基づき表示部に表示する情報を制御する表示制御部と、を備え、表示制御部は、光線の光軸位置に光軸グラフィック画像を重畳表示する制御を行う測定装置である。【選択図】図１

Description

本発明は、ターゲットを光線で捕捉追尾して、ターゲットの三次元座標を測定する測定装置に関するものである。

対象物の三次元座標を測定する測定装置として、レーザ光などの光線をターゲットに向けて照射し、移動するターゲットを捕捉追尾して測定点の三次元座標を測定する三次元測定装置がある。この測定装置では、大型構造物のような対象物について、追尾状態にあるターゲットを対象物の表面に当てることで容易かつ正確に測定を行うことができる。

特許文献１には、追尾式レーザ干渉計が開示される。この追尾式レーザ干渉計では、被測定体であるレトロリフレクタに向けて照射し、レトロリフレクタによって戻り方向に反射されたレーザビームの干渉を利用してレトロリフレクタの変位を検出すると共に、レーザビームの光軸の角度変化を用いてトラッキングを行っている。

特許文献２には、簡単な構成で要求される性能を維持しつつ、測定が中断しても高精度な測定を行うことができ、使い勝手の良いレーザトラッカが開示される。このレーザトラッカでは、ターゲットに入射するレーザ光の光軸と直角方向にターゲットが移動すると、この移動量と移動する方向に応じた信号を出力する光位置検出手段を備えており、光位置検出手段から出力された信号を用いて、ターゲットを追尾するように２軸の回転機構を制御している。

特開２００７−０５７５２２号公報 特開２０１０−０５４４２９号公報

光線を照射してターゲットを追尾しながら測定を行う測定装置では、追尾している状態であるかどうかを容易に把握することができない。また、何らかの原因でターゲットを追尾できなくなる、いわゆるロストの状態に陥ることがあり、この場合、ターゲットを把持する測定者は、光線の受光範囲までターゲットを移動して追尾状態への復帰を行う必要がある。しかし、光線の軌跡が見えにくいため受光できる範囲を探すのは容易ではなく、勘を頼りにターゲットを移動させることになる。特に、この種の測定装置では、測定装置本体から対象物までの距離が数十メートルにおよぶこともあり、距離が離れるほど光線を受けられる位置を探すために多くの時間を要することになる。

本発明は、ターゲットの追尾状態を容易に把握できるようにして、効率の良い測定を行うことができる測定装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、ターゲットに向けて光線を出射して捕捉追尾し、ターゲットの三次元座標を測定する測定装置であって、光線を出射する光源と、移動するターゲットを追尾するように光源から出射する光線の出射角度を制御する角度制御部と、測定者に装着可能なデバイスに設けられた表示部と、光線の出射角度とターゲットから戻る光とに基づきターゲットの三次元座標を演算する演算部と、演算部で演算した三次元座標に基づき表示部に表示する情報を制御する表示制御部と、を備え、表示制御部は、表示部に光源の位置とターゲットの位置とを結ぶ線に沿って光軸グラフィック画像を重畳表示する制御を行う測定装置である。

このような構成によれば、ターゲットに向けて光線を出射して捕捉追尾する測定装置において、測定者が装着するデバイスの表示部に光源の位置とターゲットの位置とを結ぶ線に沿って光軸グラフィック画像が重畳表示される。すなわち、表示部の表示領域には、実際の光軸に対応した表示位置に光軸グラフィック画像が重畳表示される。これにより、見えにくい光線の軸を、光軸グラフィックを参照することで容易に把握できる。

上記測定装置において、角度制御部は、ターゲットの追尾が解除された段階で、光線の出射角度の変更を停止し、表示制御部は、ターゲットの追尾が解除された段階での光軸グラフィック画像の重畳表示を維持するようにしてもよい。これにより、ターゲットの追尾が解除された段階での光軸の位置を、光軸グラフィック画像を参照することで容易に把握できる。

上記測定装置において、表示制御部は、ターゲットを追尾している状態では光軸グラフィック画像を第１態様で表示し、ターゲットの追尾が解除された状態では光軸グラフィック画像を第１態様とは異なる第２態様で表示する制御を行うようにしてもよい。これにより、ターゲットの追尾状態と追尾解除状態とを光軸グラフィック画像の表示態様によって容易に判別することができる。

上記測定装置において、デバイスは、ターゲットのデバイスに対する相対位置を算出するためのセンシング情報を取得するセンサ部を備えるとよい。そして、表示制御部は、ターゲットの追尾が解除された状態において、センシング情報と、デバイスの三次元座標および方向から演算したターゲットの第２の三次元座標を用いて、ターゲットに対してターゲットが光線を受光可能な領域を示す仮想オブジェクトを重畳表示する制御を行うようにしてもよい。これにより、ターゲットの追尾が解除された際、前記仮想オブジェクトを参照して、この仮想オブジェクトの位置にターゲットを移動することで追尾状態へ容易に復帰できるようになる。なお、ターゲットのデバイスに対する相対位置を算出するための情報は、例えば撮像部で撮ったターゲットの画像、Time of Flight方式やStructured Light方式等の３Ｄセンサで取得した深度情報、磁気センサにてセンシングした情報等とするとよい。

上記測定装置において、角度制御部は、仮想オブジェクトまたは、前記ターゲットの位置に向けて光線が出射されるように光線の出射角度を制御するようにしてもよい。これにより、ターゲットの追尾が解除された際、仮想オブジェクトの位置にターゲットを移動させることで、光線の位置に適確にターゲットを移動させることができ、追尾状態へ容易に復帰できるようになる。

上記測定装置において、表示制御部は、予め設定された対象物に対して一定の相対位置関係にある仮想オブジェクトを表示部に表示する制御を行い、角度制御部は、ターゲットの追尾が解除された状態から、ターゲットの追尾を再開する際に、仮想オブジェクトの三次元座標に向けて光線を出射するように光線の出射角度を制御するようにしてもよい。これにより、ターゲットの追尾が解除された際、仮想オブジェクトに向けて光線が出射され、仮想オブジェクトの位置にターゲットを移動させることで、追尾状態へ容易に復帰できるようになる。

上記測定装置において、表示制御部は、ターゲットの近傍に、ターゲットの三次元座標を重畳表示する制御を行うようにしてもよい。すなわち、ビデオシースルー方式では、ターゲットは、撮像部によって撮像されて表示部に表示される。また、光学シースルー方式では、ターゲットは表示部を透過して作業者の視野に入る。一方、ターゲットの三次元座標は演算部によって演算され、この三次元座標が、ターゲットに重畳表示される。これにより、測定者はデバイスを装着して測定を行うことで、測定点の近傍に測定結果が表示され、測定を行いつつ測定結果を容易に確認することができる。

上記測定装置において、表示制御部は、ターゲットの近傍に、ターゲットを光線の位置に移動させるためのガイド画像を重畳表示する制御を行うようにしてもよい。これにより、測定者が装着している表示部にガイド画像が重畳表示されるため、ターゲットの追尾が解除された際、ガイド画像に沿ってターゲットを移動させることで追尾状態へ復帰できるようになる。

上記測定装置において、表示制御部は、ガイド画像としてターゲットの受光方向および受光領域を示すオブジェクト画像をターゲットに重畳表示する制御を行うようにしてもよい。これにより、ターゲットの追尾が解除された際、ターゲットに受光方向および受光領域が重畳表示され、これをガイドとしてターゲットを移動させることで追尾状態へ復帰できるようになる。

上記測定装置において、光線の出射角度とターゲットから戻る光とに基づくターゲットの第１の三次元座標の他に、デバイスは、ターゲットのデバイスに対する相対位置を算出するためのセンシング情報と、デバイスの三次元座標および方向とに基づきターゲットの第２の三次元座標を演算する座標演算部を備えていてもよい。また、この座標演算部は、前記第１の三次元座標と前記第２の三次元座標から第３の三次元座標を演算してもよい。これにより、ターゲットの追尾が解除された状態でも、デバイス側でターゲットの三次元座標を把握することができ、適確にガイド画像を表示できるようになる。

上記測定装置において、第１の三次元座標と第２の三次元座標との差に基づいて、前記デバイスの三次元座標を補正してもよい。

本実施形態に係る測定装置の構成を例示する模式図である。 本実施形態に係る測定装置の構成を例示するブロック図である。 本実施形態に係る測定装置の動作を例示するフローチャートである。 測定装置の動作を例示する模式図である。 光軸グラフィック画像の重畳表示の動作を例示するフローチャートである。 光軸グラフィック画像の重畳表示の例を示す模式図である。 他の動作を例示するフローチャートである。 他の重畳表示の一例を示す模式図である。 他の追尾復帰処理の動作を例示するフローチャートである。 （ａ）および（ｂ）は、仮想オブジェクトの表示例を示す模式図である。 ガイド動作の他の例を示すフローチャートである。 （ａ）および（ｂ）は、ガイド動作を例示する模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。

〔測定装置の構成〕
図１は、本実施形態に係る測定装置の構成を例示する模式図である。
本実施形態に係る測定装置１は、測定者Ｕが把持するターゲット２０に向けて光線を出射して捕捉追尾し、ターゲット２０の三次元座標を測定する装置である。ターゲット２０が追尾状態にあると、測定装置１はターゲット２０の三次元座標を測定することができる。したがって、追尾状態にあるターゲット２０を対象物Ｗの測定点に当てることで、ターゲット２０の三次元座標から対象物Ｗの測定点の三次元座標を求めることができる。なお、以下ではターゲット２０に照射した光線を利用して算出した三次元座標を他の方式で算出した三次元座標と区別して「第１の三次元画像」と呼ぶ場合がある。

測定装置１は、光干渉計を構成する装置本体１０を備える。装置本体１０には、光線を出射する光源１１と、光源１１から出射されターゲット２０で反射した光線を受光する受光部１２と、光源１１および受光部１２の角度を変更する駆動部１３と、が設けられる。ターゲット２０を追尾する際には、光源１１から出射される光線が常にターゲット２０に照射されるよう、駆動部１３によって光源１１および受光部１２の角度が変更される。

装置本体１０には測定制御部１５が接続される。測定制御部１５によって装置本体１０の各部が制御される。測定制御部１５はパーソナルコンピュータで構成されていてもよい。測定制御部１５の構成は後述する。

装置本体１０の光源１１から出射される光線としては、例えばレーザ光Ｌが用いられる。説明の便宜上、光源１１から出射されるレーザ光Ｌをレーザ光Ｌ１、ターゲット２０で反射したレーザ光Ｌをレーザ光Ｌ２ということにする。

ターゲット２０は、例えばレトロリフレクタである。光源１１から出射されたレーザ光Ｌ１がターゲット２０で反射すると、レーザ光Ｌ２はレーザ光Ｌ１と同一の光路で装置本体１０へ戻る。装置本体１０の受光部１２は、レーザ光Ｌ１とＬ２との干渉を利用して、装置本体１０とターゲット２０の距離を計測しながら、移動するターゲット２０を追尾するように駆動部１３を制御する。

駆動部１３は、第１軸を中心として光源１１および受光部１２の角度を変更する第１駆動部１３１と、第１軸と直交する第２軸を中心として光源１１および受光部１２の角度を変更する第２駆動部１３２とを有する。例えば、第１駆動部１３１は方位角を変更する方位角用エンコーダであり、第２駆動部１３２は仰角を変更する仰角用エンコーダである。ターゲット２０を追尾する際、第１駆動部１３１と第２駆動部１３２とを連動させて光源１１の出射角度（方位角および仰角）を調整し、レーザ光Ｌ１が常にターゲット２０に照射されるように光源１１の角度が調整される。

対象物Ｗの三次元座標を測定する場合、測定者Ｕはターゲット２０を把持して対象物Ｗの測定点に当てる。装置本体１０によってターゲット２０を追尾している状態で、所定のタイミングでターゲット２０の三次元座標を測定する。測定者Ｕは１つの測定点の測定が完了した後、次の測定点にターゲット２０を移動する。この移動の間、装置本体１０はターゲット２０を追尾しており、ターゲット２０が次の測定点に移動した状態で、ターゲット２０の三次元座標を測定する。これを繰り返すことで対象物Ｗの三次元座標を測定することができる。

さらに、本実施形態に係る測定装置１は、撮像部３０および表示部５１を備える。撮像部３０および表示部５１は、測定者Ｕに装着可能なデバイスの一例であるヘッドマウントディスプレイ５０に設けられる。ヘッドマウントディスプレイ５０の表示部５１には、撮像部３０で撮像して得た画像が表示される。測定者Ｕは、ヘッドマウントディスプレイ５０を装着した状態で、表示部５１に表示される画像を参照しながら測定を行う。

〔測定装置のブロック構成〕
次に、測定装置１のブロック構成について説明する。
図２は、本実施形態に係る測定装置の構成を例示するブロック図である。
測定装置１の測定制御部１５は、演算部１５１、通信部１５２、角度制御部１５３および光量制御部１５５を有する。演算部１５１は、レーザ光Ｌ２を受光した受光部１２から出力される信号に基づき三次元座標を演算する。また、演算部１５１は、レーザ光Ｌ１の出射角度とターゲット２０から戻るレーザ光Ｌ２とに基づきターゲット２０の三次元座標を演算する。通信部１５２は、外部機器との間で無線または有線によって情報通信を行う。通信部１５２は、例えばヘッドマウントディスプレイ５０との間で情報通信を行う。

角度制御部１５３は、駆動部１３を制御して光源１１の角度を制御する。角度制御部１５３は、演算部１５１から送られる信号に基づきターゲット２０を追尾するための光源１１の角度（レーザ光Ｌ１の出射角度）を調整するため、駆動部１３の第１駆動部１３１および第２駆動部１３２のそれぞれに角度設定の信号を与える。

光量制御部１５５は、光源１１から出射されるレーザ光Ｌ１の光量を制御する。すなわち、光量制御部１５５は、所定の条件に基づいて光量制御のための信号を光源１１へ送り、レーザ光Ｌ１の出射光量を制御する。

ヘッドマウントディスプレイ５０は、撮像部３０、表示部５１、表示制御部５２および通信部５３を備える。撮像部３０はヘッドマウントディスプレイ５０の前方に設けられ、測定者Ｕの頭の向いている方向の画像を取得する。表示部５１は、撮像部３０で撮像した画像や、測定制御部１５から送られる情報、その他の各種の情報を表示する。表示制御部５２は、表示部５１を制御する。すなわち、表示制御部５２は、表示部５１へ情報を送り、表示する内容を制御する。通信部５３は、外部機器との間で無線または有線によって情報通信を行う。通信部５３は、例えば測定制御部１５との間で情報通信を行う。

ヘッドマウントディスプレイ５０は、位置・姿勢取得部５４および座標演算部５５をさらに備える。位置・姿勢取得部５４は、ヘッドマウントディスプレイ５０の三次元座標および姿勢（方向）を取得する。位置・姿勢取得部５４は、いかなる方法でヘッドマウントディスプレイ５０の三次元座標や姿勢を取得してもよいが、例えば撮像部３０が撮像した画像やその他の情報（測距情報など）に基づきヘッドマウントディスプレイ５０の三次元座標を取得するとよい。また、位置・姿勢取得部５４は、例えば不図示の加速度センサ、ジャイロセンサ等によりヘッドマウントディスプレイ５０の姿勢を取得するとよい。

座標演算部５５は、撮像部３０が撮像して得たターゲット２０の画像とヘッドマウントディスプレイ５０の三次元座標および姿勢（方向）とに基づきターゲット２０の三次元座標を演算する。以下では、撮像部３０が撮像して得たターゲット２０の画像とヘッドマウントディスプレイ５０の三次元座標および姿勢（方向）とに基づき演算されたターゲット２０の三次元座標を、他の方式で得られた三次元座標と区別して「第２の三次元座標」と呼ぶ場合がある。第２の三次元座標は、レーザ光Ｌ２を受光した受光部１２から出力される信号に基づき演算部１５１が算出する第１の三次元座標と比較して精度が劣るものの、レーザ光Ｌ２がターゲットを追尾できていない場合であっても座標を算出することができる。座標演算部５５は、第１の三次元座標と第２の三次元座標を用いて第３の三次元座標を演算してもよい。例えば、追尾が途切れる直前の第１の三次元座標に、追尾が途切れた後も更新される第２の三次元座標を組み合わせることで、追尾が途切れた後に得られる三次元座標の精度を高めることができる。

測定装置１は、レーザ光Ｌ２がターゲットを追尾できている場合には精度の高い第１の三次元座標を用いて種々の処理（例えば、後述する追尾復帰制御、表示部５１に表示させる画像の表示位置制御等）を行い、レーザ光Ｌ２がターゲットを追尾できていない場合には第２の三次元座標または第３の三次元座標を用いて処理を行うとよい。なお、本例ではヘッドマウントディスプレイ５０が備える座標演算部５５により第２の三次元座標を演算したが、演算に必要な情報をヘッドマウントディスプレイ５０から測定制御部１５に送信し、測定制御部１５が備える演算部１５１で第２の三次元座標を演算してもよい。

第１の三次元座標と第２の三次元座標とは完全に一致すること理想的であるが、現実には両者の間にずれが生じる。上述のとおり第１の三次元座標は第２の三次元座標よりも高い精度でターゲットの三次元座標を求めることができる。第２の三次元座標の主な誤差要因は、第２の三次元座標の演算に用いるヘッドマウントディスプレイ５０の三次元座標に含まれる誤差である。このことを利用して、第２の三次元座標が第１の三次元座標に一致するよう、ヘッドマウントディスプレイ５０の三次元座標を補正する処理を行うとよい。

〔測定装置の動作〕
次に、本実施形態に係る測定装置１の動作について説明する。
図３は、本実施形態に係る測定装置の動作を例示するフローチャートである。
図４は、測定装置の動作を例示する模式図である。
先ず、図３のステップＳ１０１に示すように、追尾を開始する。すなわち、測定装置１の光源１１からレーザ光Ｌ１を出射し、ターゲット２０で反射するレーザ光Ｌ２を受光部１２で受光する。演算部１５１によって受光信号を処理し、演算部１５１から角度制御部１５３に指示を与え、ターゲット２０を追尾するよう光源１１および受光部１２の角度を連続的に制御する。

追尾状態では、測定者Ｕが把持しているターゲット２０を移動させても、その移動に追随して光源１１および受光部１２の角度が制御され、ターゲット２０に向けてレーザ光Ｌ１が照射され続ける。ターゲット２０を追尾できている状態では、ターゲット２０の三次元座標が常に演算されている。すなわち、ターゲット２０で反射したレーザ光Ｌ２を受光部１２で受けて、装置本体１０からターゲット２０までの距離と、光源１１および受光部１２の角度とに基づいてターゲット２０の三次元座標が演算される。この演算は演算部１５１によって行われる。

次に、図３のステップＳ１０２に示すように、追尾できているか否かを判断する。追尾を維持している場合、ステップＳ１０３に示すように、ターゲット２０が対象物Ｗの測定点にあるか否かを判断する。例えば、ターゲット２０の位置が所定時間停止したタイミングで測定点にあると判断する。また、所定のトリガー信号が出されたタイミングで測定にあると判断してもよい。

ターゲット２０が測定点にあると判断した場合、ステップＳ１０４に示すように、座標の決定を行う。すなわち、ターゲット２０を追尾している状態ではターゲット２０の三次元座標が常に演算されており、測定点にあると判断した場合、そのタイミングでの三次元座標が測定点の座標として決定される。

測定後、ステップＳ１０５に示すように、次の測定点があるか否かを判断する。次の測定点がある場合にはステップＳ１０２へ戻り、以降の処理を繰り返す。

ここで、このような測定を行っている間で、何らかの原因によってターゲット２０の追尾が解除された場合、ステップＳ１０２の判断でＮｏとなる。図４には、追尾が解除された状態が示される。この場合、レーザ光Ｌ１の出射方向はターゲット２０を追えず、光源１１および受光部１２の角度はその位置で止まったままとなる。これが、いわゆるロスト状態である。

追尾が解除された場合、ステップＳ１０６に示すように、追尾復帰処理を行う。追尾復帰処理は、レーザ光Ｌ１の照射位置とターゲット２０の位置とを合わせ、ターゲット２０で反射したレーザ光Ｌ２を受光部１２で受けられるようにする処理である。例えば、測定者Ｕが把持するターゲット２０を移動して、レーザ光Ｌ１の照射位置に合わせる。また、測定者Ｕやターゲット２０の位置を演算部１５１で認識し、その位置へレーザ光Ｌ１が照射されるように角度制御部１５３に指示を与え、駆動部１３によって光源１１および受光部１２の角度を調整してもよい。

次に、図３のステップＳ１０２に戻り、追尾できているか否かを判断する。追尾できている場合にはステップＳ１０３からステップＳ１０５の測定を行う。追尾できていない場合には、追尾状態が回復するまでステップＳ１０６の追尾復帰処理を繰り返す。このような動作によって、ターゲット２０をレーザ光Ｌで捕捉追尾しながらターゲット２０の三次元座標を測定する。

〔光軸グラフィック画像の表示動作〕
次に、光軸グラフィック画像の表示動作について説明する。
図５は、光軸グラフィック画像の重畳表示の動作を例示するフローチャートである。
図６は、光軸グラフィック画像の重畳表示の例を示す模式図である。
図５および図６に示す光軸グラフィック画像の重畳表示は、測定装置１による測定の間（図３のステップＳ１０１〜Ｓ１０５の間）、ターゲット２０を追尾している状態および追尾解除の状態にかかわらず表示してもよいし、追尾解除になった段階で表示するようにしてもよい。

先ず、図５のステップＳ２０１に示すように、画像の取得を行う。画像の取得はヘッドマウントディスプレイ５０に設けられた撮像部３０によって行われる。撮像部３０によってヘッドマウントディスプレイ５０の前方（測定者Ｕが見ている方向）の映像が画像として取り込まれる。

次に、ステップＳ２０２に示すように、座標の取得を行う。ここでは、ターゲット２０の三次元座標を取得する。ターゲット２０の追尾状態では、演算部１５１によってターゲット２０の三次元座標が演算されているため、ヘッドマウントディスプレイ５０は測定制御部１５の通信部１５２から送信される三次元座標のデータを通信部５３で受信する。一方、ターゲット２０の追尾が解除されている場合には、撮像部３０で取得した画像に基づく座標演算（すなわち、座標演算部５５による第２の三次元座標の演算）を行う。座標演算部５５は、撮像部３０で取得した画像や、その他の情報（測距情報など）に基づき、撮像部３０で撮像されたターゲット２０の第２の三次元座標を演算する。

次に、ステップＳ２０３に示すように、光軸グラフィック画像ＣＧ１を表示する。ヘッドマウントディスプレイ５０の表示制御部５２は、測定制御部１５の演算部１５１で演算され、通信部１５２および５３を介して送られたターゲット２０の第１の三次元座標または座標演算部５５で演算された第２の三次元座標の情報を用いて、表示部５１の表示領域におけるレーザ光Ｌの光軸と対応した位置に、光軸グラフィック画像ＣＧ１を重畳表示する制御を行う。

図６に示すように、光軸グラフィック画像ＣＧ１の重畳表示は、例えば拡張現実（ＡＲ：Augmented Reality）によって行われる。すなわち、ヘッドマウントディスプレイ５０の撮像部３０で撮像した現実空間の映像は表示部５１に表示される。また、演算部１５１は、角度制御部１５３による制御情報に基づいてレーザ光Ｌ１の出射方向の情報を把握しているとともに、ヘッドマウントディスプレイ５０の表示部５１に映し出される映像の座標情報および表示部５１に映し出されるターゲット２０の座標情報を得ている。これらの情報はヘッドマウントディスプレイ５０の表示制御部５２へ送られ、拡張現実による光軸グラフィック画像ＣＧ１の表示が行われる。

図６に示す例では、レーザ光Ｌ１の光軸に対応した光軸グラフィック画像ＣＧ１を、現実に映し出した映像に重ねて表示（重畳表示）する。測定者Ｕは、ヘッドマウントディスプレイ５０の表示部５１に表示される現実空間の映像に、レーザ光Ｌ１の光軸を示す光軸グラフィック画像ＣＧ１が重なった状態を参照することができる。波長や使用環境などによってレーザ光Ｌ１の軌跡が見えにくいこともある。しかし、測定者Ｕは表示部５１に表示される拡張現実によってレーザ光Ｌ１の光軸を光軸グラフィック画像ＣＧ１として参照することができる。光軸グラフィック画像ＣＧ１は、実際のレーザ光Ｌ１の光軸の位置と対応する表示部５１上の位置に表示される。

拡張現実による表示では、測定者Ｕがヘッドマウントディスプレイ５０の位置を移動（頭の向く方向を移動）させると、実際の映像の移動とともに、光軸グラフィック画像ＣＧ１の位置も連動する。ターゲット２０を追尾している状態で光軸グラフィック画像ＣＧ１を表示すると、光源１１とターゲット２０とを結ぶ線上に光軸グラフィック画像ＣＧ１が重畳表示され、ターゲット２０の移動とともに光軸グラフィック画像ＣＧ１がターゲット２０に追随するように表示される。

一方、ターゲット２０の追尾が解除された状態で光軸グラフィック画像ＣＧ１を表示すると、追尾が解除された際の光軸の位置に光軸グラフィック画像ＣＧ１が表示される。測定者Ｕは、実際には見えにくいレーザ光Ｌ１の光軸（軌跡）を、その位置に重畳表示される光軸グラフィック画像ＣＧ１を参照することで容易に把握できる。したがって、光軸グラフィック画像ＣＧ１に合わせるようターゲット２０を移動すれば、容易に追尾状態へ復帰できるようになる。

なお、上記では、測定制御部１５の演算部１５１によってターゲット２０の三次元座標を演算する例を説明したが、ヘッドマウントディスプレイ５０に座標演算部を設けておき、座標演算部でターゲット２０の三次元座標を演算するようにしてもよい。この場合、ヘッドマウントディスプレイ５０の撮像部３０で撮像して得たターゲット２０の画像と、ヘッドマウントディスプレイ５０の三次元座標および方向とに基づき、座標演算部によってターゲット２０の三次元座標を演算する。これにより、ターゲットの追尾が解除された状態でも、ヘッドマウントディスプレイ５０側でターゲット２０の三次元座標を把握することができ、適確にガイドを表示できるようになる。

〔他の動作の例〕
次に、本実施形態に係る測定装置１での他の動作の例について説明する。
図７は、他の動作を例示するフローチャートである。
先ず、ステップＳ３０１に示すように、追尾を開始する。すなわち、測定装置１の光源１１からレーザ光Ｌ１を出射し、ターゲット２０で反射するレーザ光Ｌ２を受光部１２で受光する。演算部１５１によって受光信号を処理し、演算部１５１から角度制御部１５３に指示を与え、ターゲット２０を追尾するよう光源１１および受光部１２の角度を連続的に制御する。ターゲット２０を追尾できている状態では、ターゲット２０の三次元座標が演算部１５１によって常に演算されている。

次に、ステップＳ３０２に示すように、追尾できているか否かを判断する。追尾を維持している場合、ステップＳ３０３に示すように、光軸グラフィック画像ＣＧ１を第１態様で表示する。光軸グラフィック画像ＣＧ１は、測定者Ｕが装着するヘッドマウントディスプレイ５０の表示部５１に拡張現実によって現実空間の映像に重畳表示される。追尾できている状態においては、光源１１とターゲット２０とを結ぶ線上に光軸グラフィック画像ＣＧ１が重畳表示される。すなわち、測定者Ｕは、ヘッドマウントディスプレイ５０の表示部５１に拡張現実で重畳表示される光軸グラフィック画像ＣＧ１を参照して、光軸の位置を把握することができる。

また、追尾状態での光軸グラフィック画像ＣＧ１は、第１態様で表示される。第１態様としては、例えば緑色での表示である。測定者Ｕは、光軸グラフィック画像ＣＧ１が第１態様で表示されていることで、追尾状態であることを把握することができる。

次に、ステップＳ３０４に示すように、ターゲット２０が対象物Ｗの測定点にあるか否かを判断する。例えば、ターゲット２０の位置が所定時間停止したタイミングで測定点にあると判断する。また、所定のトリガー信号が出されたタイミングで測定にあると判断してもよい。

ターゲット２０が測定点にあると判断した場合、ステップＳ３０５に示すように、座標の決定を行う。すなわち、ターゲット２０を追尾している状態ではターゲット２０の三次元座標が常に演算されており、測定点にあると判断した場合、そのタイミングでの三次元座標が測定点の座標として決定される。

測定後、ステップＳ３０６に示すように、次の測定点があるか否かを判断する。次の測定点がある場合にはステップＳ３０２へ戻り、以降の処理を繰り返す。

ここで、このような測定を行っている間で、何らかの原因によってターゲット２０の追尾が解除された場合、ステップＳ３０２の判断でＮｏとなる。追尾が解除されると、ステップＳ３０７に示すように、角度変更を停止する。これにより、光源１１および受光部１２の角度は、追尾が解除された際の角度のままとなる。

次に、ステップＳ３０８に示すように、光軸グラフィック画像ＣＧ１を第２態様で表示する。第２態様は、第１態様とは異なる表示形式である。第２態様としては、例えば赤色での表示である。測定者Ｕは、ヘッドマウントディスプレイ５０の表示部５１に表示される光軸グラフィック画像ＣＧ１が第２態様で表示されていることで、追尾が解除された状態であることを把握できる。

次に、ステップＳ３０９に示すように、追尾復帰処理を行う。追尾復帰処理は、図３のステップＳ１０６に示す追尾復帰処理と同じである。次に、ステップＳ３０２に戻り、追尾できているか否かを判断する。追尾できている場合には光軸グラフィック画像ＣＧ１を第１態様での表示に変更し（ステップＳ３０３）、ステップＳ３０４からステップＳ３０６の測定を行う。追尾できていない場合には、追尾状態が回復するまで追尾復帰処理を繰り返す。

このような動作では、ターゲット２０を追尾できている状態と、追尾できていない状態とで、光軸グラフィック画像ＣＧ１の表示態様が変化（例えば、色が変化）することになる。したがって、測定者Ｕは、光軸グラフィック画像ＣＧ１の表示態様によって追尾状態であるか、追尾解除状態であるかを容易に判別することができるようになる。

〔他の重畳表示の例〕
次に、本実施形態に係る測定装置１での他の重畳表示の例について説明する。
図８は、他の重畳表示の一例を示す模式図である。
図８には、対象物Ｗの測定結果を重畳表示する例が示される。例えば、ターゲット２０を対象物Ｗの測定点に接触させて三次元座標の演算を行った際、演算結果である三次元座標が示されたグラフィック画像ＣＧ２を、ターゲット２０の現実映像の近傍に拡張現実で重畳表示する。これにより、測定者Ｕは、ターゲット２０の近傍に表示される測定結果のグラフィック画像ＣＧ２を参照することで、ターゲット２０から目を離すことなく測定結果を確認することができる。

〔他の追尾復帰処理の例〕
次に、本実施形態に係る測定装置１での他の追尾復帰処理について説明する。
図９は、他の追尾復帰処理の動作を例示するフローチャートである。
図１０（ａ）および（ｂ）は、予め設定された対象物に対して一定の相対位置関係にある仮想オブジェクトの表示例を示す模式図である。なお、一般的に対象物は、被測定対象物に設定すると便利であるが、被測定対象物に限らず、空間内の任意の対象物に設定することも可能である。
図９に示す処理は、図３のステップＳ１０６または図７のステップＳ３０９に示す追尾復帰処理に含まれる。
先ず、ターゲット２０の追尾が解除された段階で、ステップＳ４０１に示すように対象物に対して一定の相対位置関係にある仮想オブジェクトの表示を行う。図１０（ａ）には仮想オブジェクトのグラフィック画像ＣＧ３の表示例が示される。仮想オブジェクトのグラフィック画像ＣＧ３はどのような態様でもよいが、追尾復帰を行う際にターゲット２０を位置合わせしやすい形状であるとよい。本実施形態では、一例として球体の仮想オブジェクトが用いられる。

仮想オブジェクトのグラフィック画像ＣＧ３は、ターゲット２０の追尾が解除された段階でのレーザ光Ｌ１の光軸上に表示される。すなわち、ヘッドマウントディスプレイ５０の表示部５１に仮想オブジェクトのグラフィック画像ＣＧ３が拡張現実で重畳表示される。

次に、図９のステップＳ４０２に示すように、仮想オブジェクトに向けて光線を出射する。図１０（ｂ）には仮想オブジェクトのグラフィック画像ＣＧ３に向けてレーザ光Ｌが出射された例が示される。角度制御部１５３は、演算部１５１から送られた仮想オブジェクトのグラフィック画像ＣＧ３の三次元座標の情報に基づき、仮想オブジェクトのグラフィック画像ＣＧ３の例えば中心に向けてレーザ光Ｌが照射されるよう、駆動部１３に指示を与える。これにより、光源１１の角度が調整され、光源１１から仮想オブジェクトのグラフィック画像ＣＧ３の位置に向けてレーザ光Ｌが照射される。

レーザ光Ｌを照射した際、光軸グラフィック画像ＣＧ１を重畳表示してもよい。この際、光軸グラフィック画像ＣＧ１は、追尾解除状態を示す表示態様（第２態様）で表示するとよい。

次に、図９のステップＳ４０３に示すように、ターゲット２０の位置合わせを行う。測定者Ｕは、表示部５１に拡張現実で重畳表示された仮想オブジェクトのグラフィック画像ＣＧ３をガイドとして、ターゲット２０を仮想オブジェクトのグラフィック画像ＣＧ３の位置に合わせるよう移動させる。仮想オブジェクトのグラフィック画像ＣＧ３に向けてレーザ光Ｌが出射されているため、ターゲット２０を仮想オブジェクトのグラフィック画像ＣＧ３の位置に合わせることで、レーザ光Ｌ１がターゲット２０に確実に照射され、ターゲット２０で反射するレーザ光Ｌ２を受光部１２に戻すことができる。これにより、ターゲット２０の追尾状態へ復帰できるようになる。

このように、ターゲット２０の追尾が解除された際、追尾復帰のためのガイドとなる仮想オブジェクトのグラフィック画像ＣＧ３を仮想現実で重畳表示することにより、追尾復帰のためにどの位置にターゲット２０を位置合わせすればよいかを容易に把握できるようになる。

〔他の追尾復帰処理の例〕
次に、本実施形態に係る測定装置１での他の追尾復帰処理について説明する。
他の追尾復帰処理は、ターゲット２０の追尾が解除された場合（図３に示すステップＳ１０２でＮｏ）に行われる。この場合、先ず、撮像部３０による撮像を行う。すなわち、測定者Ｕに装着されたヘッドマウントディスプレイ５０の撮像部３０によって、測定者Ｕは自らターゲット２０やターゲット２０の近傍の画像を撮像する。

次に、座標演算を行う。座標演算部５５は、撮像部３０で撮像して得た画像やその他の情報（測距情報など）と、位置・姿勢取得部５４が取得したヘッドマウントディスプレイ５０の三次元座標および姿勢（方向）とに基づき、ターゲット２０の三次元座標を演算する。

次に、光源１１の出射角度を調整する。すなわち、追尾が解除された状態で、所定の方向に光源１１の出射角度を調整し、レーザ光Ｌ１を出射する。ここで、先に演算したターゲット２０の三次元座標にレーザ光Ｌ１を出射するよう光源１１の角度を調整する。これにより、追尾が解除された場合でも、座標演算部５５がヘッドマウントディスプレイ５０の三次元座標と撮像部３０で撮像した画像等によってターゲット２０の三次元座標（第２の三次元座標）を求め、その三次元座標で示される位置に向けてレーザ光Ｌ１の出射角度が自動的に調整され、ターゲット２０の追尾を速やかに復帰できるようになる。

〔ガイド動作の他の例〕
次に、本実施形態に係る測定装置１でのガイド動作の他の例について説明する。
図１１は、ガイド動作の他の例を示すフローチャートである。
図１２（ａ）および（ｂ）は、ガイド動作を例示する模式図である。
図１１に示すステップＳ５０１からステップＳ５０５までの処理は、図３に示すステップＳ１０１からステップＳ１０５までの処理と同じのため、説明は省略する。

ターゲット２０の追尾が解除されると（ステップＳ５０２の判断でＮｏ）、ステップＳ５０６に示すように撮像部３０による撮像を行う。すなわち、測定者Ｕに装着されたヘッドマウントディスプレイ５０の撮像部３０によって、測定者Ｕは自らターゲット２０やターゲット２０の近傍の画像を撮像する。

次に、ステップＳ５０７に示すように、座標演算を行う。座標演算部５５は、撮像部３０で撮像して得た画像やその他の情報（測距情報など）に基づき、撮像部３０で撮像される物体の三次元座標を演算する。

次に、ステップＳ５０８に示すように、光源１１の出射角度を調整する。すなわち、追尾が解除された状態で、所定の方向に光源１１の出射角度を調整し、レーザ光Ｌ１を出射する。例えば、先のステップＳ５０７で演算した所定の物体の三次元座標にレーザ光Ｌ１を出射するよう光源１１の角度を調整する。レーザ光Ｌ１の照射対象とする物体は、撮像部３０で撮像して得た画像に基づき認識を行い、予め設定された認識の対象物であってもよい。例えば、ターゲット２０の画像を認識して、認識したターゲット２０またはその近傍に向けてレーザ光Ｌ１を出射する。なお、ステップＳ５０６からＳ５０８は省略されてもよい。

次に、ステップＳ５０９に示すガイド表示を行う。すなわち、表示制御部５２は、表示部５１に表示する画像に、レーザ光Ｌ１をターゲット２０に照射するためのガイド画像を重畳表示する制御を行う。ガイド画像の重畳表示の例は後述する。

次に、ステップＳ５１０に示すように、ターゲット２０の位置合わせを行う。測定者Ｕは、表示部５１に表示されたガイド画像を参考にしてターゲット２０をレーザ光Ｌ１の照射位置に合わせるよう移動させる。これにより、ターゲット２０の追尾状態へ復帰できることになる。

ここで、ステップＳ５０９に示すガイド画像の重畳表示の例について説明する。ガイド画像の重畳表示は、拡張現実によって行われる。ヘッドマウントディスプレイ５０には撮像部３０が設けられており、撮像部３０で撮像した現実空間の映像が表示部５１に表示される。また、測定制御部１５の演算部１５１は、レーザ光Ｌ１の出射方向の情報を得ており、この情報はヘッドマウントディスプレイ５０の表示制御部５２へ送られる。また、表示制御部５２は、ヘッドマウントディスプレイ５０の表示部５１に映し出される映像の座標情報および座標演算部５５が算出するターゲット２０の座標情報（すなわち、第２の三次元座標）を得ている。表示制御部５２は、これらの情報に基づいて、拡張現実によるガイド画像の表示を表示部５１に行わせる。

図１２（ａ）に示す例では、ターゲット２０の現実の映像にターゲット２０を移動させる方向、角度、距離のいずれか一つ以上をガイドするグラフィック画像ＣＧ４を重畳表示している。グラフィック画像ＣＧ４は、例えば矢印のような画像であり、ターゲット２０の現実の映像の近傍に重ねて表示される。測定者Ｕは、矢印による方向と距離の表示により、光軸グラフィック画像ＣＧ１が、表示部５１の表示範囲外にある場合でも、ターゲット２０を移動させる方向や、距離を知ることができる。

すなわち、ヘッドマウントディスプレイ５０の表示部５１にターゲット２０の映像が映し出されると、その映像の近傍にグラフィック画像ＣＧ４が重畳表示される。撮像部３０でターゲット２０の画像を撮像することで、演算部１５１はターゲット２０の向き（リフレクターの方向）を認識しており、どの方向にターゲット２０を向けるとレーザ光Ｌ１を受光できるかを把握している。

グラフィック画像ＣＧ４は、レーザ光Ｌ１を受光するために必要なターゲット２０の移動方向を示すように表示される。したがって、測定者Ｕは、グラフィック画像ＣＧ４に従ってターゲット２０を移動すれば、容易に追尾状態へ復帰できるようになる。

図１２（ｂ）に示す例では、ターゲット２０の現実の映像にターゲット２０の受光範囲を示すグラフィック画像ＣＧ５を重畳表示している。グラフィック画像ＣＧ５は、ターゲット２０の追尾を行うことが可能な受光範囲に対応した例えば円錐形の画像であり、ターゲット２０の現実の受光範囲に重ねて表示される。

図１２（ａ）に示す例と同様に、ヘッドマウントディスプレイ５０の表示部５１にターゲット２０の映像が映し出されると、その映像の近傍にグラフィック画像ＣＧ５が表示される。撮像部３０でターゲット２０の画像を撮像することで、演算部１５１はターゲット２０の向き（リフレクターの方向）を認識しており、認識したターゲット２０の向きに基づいて受光範囲を把握している。

グラフィック画像ＣＧ５は、レーザ光Ｌ１を受光するために必要なターゲット２０の受光範囲を示すように表示される。したがって、測定者Ｕは、グラフィック画像ＣＧ５に従ってターゲット２０を移動すれば、容易に追尾状態へ復帰できるようになる。

以上説明したように、実施形態によれば、ターゲット２０の追尾状態を容易に把握することができ、追尾が逸脱した際には測定者Ｕは簡単に追尾状態へ復帰させることが可能となる。これにより、対象物Ｗの三次元座標の測定の作業効率を向上させることが可能となる。

〔実施形態の変形〕
なお、上記に本実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、本実施形態ではターゲット２０を測定者Ｕが把持して測定を行う例を説明したが、ターゲット２０を多軸アームを持つ移動機構等の自走式ロボットに取り付けて測定を行う場合であっても適用可能である。また、ガイド表示におけるグラフィック画像の形状（図案）は上記説明の例に限定されない。

また、上記の実施形態では、撮像部３０が撮像した現実空間の画像に仮想オブジェクト等を重畳した画像を表示部５１に表示する、いわゆるビデオシースルー方式のヘッドマウントディスプレイ５０で拡張現実を実現したが、光学シースルー方式のヘッドマウントディスプレイを用いてもよい。

また、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。

１…測定装置
１０…装置本体
１１…光源
１２…受光部
１３…駆動部
１５…測定制御部
２０…ターゲット
３０…撮像部
５０…ヘッドマウントディスプレイ
５１…表示部
５２…表示制御部
５３…通信部
１３１…第１駆動部
１３２…第２駆動部
１５１…演算部
１５２…通信部
１５３…角度制御部
１５５…光量制御部
ＣＧ１…光軸グラフィック画像
ＣＧ２〜ＣＧ５…グラフィック画像
Ｌ，Ｌ１，Ｌ２…レーザ光
Ｕ…測定者
Ｗ…対象物

Claims (11)

1. ターゲットに向けて光線を出射して捕捉追尾し、前記ターゲットの三次元座標を測定する測定装置であって、
   光線を出射する光源と、
   移動する前記ターゲットを追尾するように前記光源から出射する前記光線の出射角度を制御する角度制御部と、
   測定者に装着可能なデバイスに設けられた表示部と、
   前記光線の出射角度と前記ターゲットから戻る光とに基づき前記ターゲットの三次元座標を演算する演算部と、
   前記演算部で演算した前記三次元座標に基づき前記表示部に表示する情報を制御する表示制御部と、を備え、
   前記表示制御部は、前記光線の光軸位置に光軸グラフィック画像を重畳表示する制御を行う、ことを特徴とする測定装置。
2. 前記角度制御部は、前記ターゲットの追尾が解除された段階で、前記光線の出射角度の変更を停止し、
   前記表示制御部は、前記ターゲットの追尾が解除された段階での前記光軸グラフィック画像の重畳表示を維持する、ことを特徴とする請求項１記載の測定装置。
3. 前記表示制御部は、前記ターゲットを追尾している状態では前記光軸グラフィック画像を第１態様で表示し、前記ターゲットの追尾が解除された状態では前記光軸グラフィック画像を前記第１態様とは異なる第２態様で表示する制御を行う、ことを特徴とする請求項１または２に記載の測定装置。
4. 前記デバイスは、前記ターゲットのデバイスに対する相対位置を算出するためのセンシング情報を取得するセンサ部を備え、センサ部が取得したセンシング情報と、前記デバイスの三次元座標および方向とに基づき前記ターゲットの第２の三次元座標を演算する座標演算部を備え、前記表示制御部は、前記ターゲットの追尾が解除された状態において、前記ターゲットの第２の三次元座標を用いて、前記ターゲットに対して前記ターゲットが光線を受光可能な領域を示す仮想オブジェクトを重畳表示する制御を行う、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の測定装置。
5. 前記角度制御部は、前記ターゲットの第２の三次元座標に基づく前記仮想オブジェクトまたは、前記ターゲットの位置に向けて前記光線が出射されるように前記光線の出射角度を制御する、ことを特徴とする請求項４記載の測定装置。
6. 前記表示制御部は、予め設定された対象物に対して一定の相対位置関係にある仮想オブジェクトを前記表示部に表示する制御を行い、
   前記角度制御部は、前記ターゲットの追尾が解除された状態から、前記ターゲットの追尾を再開する際に、前記仮想オブジェクトの三次元座標に向けて前記光線を出射するように前記光線の出射角度を制御する、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の測定装置。
7. 前記表示制御部は、前記ターゲットの近傍に、前記ターゲットの三次元座標を重畳表示する制御を行う、ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の測定装置。
8. 前記表示制御部は、前記表示部に表示される前記ターゲットの近傍に、前記ターゲットを前記光線の位置に移動させるための方向、角度、距離のいずれか一つ以上のガイド画像を重畳表示する制御を行う、ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の測定装置。
9. 前記表示制御部は、前記ガイド画像として前記ターゲットの受光方向および受光領域を示すオブジェクト画像を前記ターゲットに重畳表示する制御を行う、ことを特徴とする請求項８記載の測定装置。
10. 前記デバイスは、前記ターゲットのデバイスに対する相対位置を算出するためのセンシング情報と、前記デバイスの三次元座標および方向とに基づき前記ターゲットの第２の三次元座標を演算する座標演算部を備え、
    前記デバイスは、前記ターゲットの三次元座標として、第１の三次元座標、第２の三次元座標、および前記ターゲットの第１の三次元座標と前記第２の三次元座標に基づく第３の三次元座標のいずれかを用いる、ことを特徴とする請求項１から３及び、７から９のいずれか１項に記載の測定装置。
11. 前記第１の三次元座標と前記第２の三次元座標との差に基づいて、前記デバイスの三次元座標を補正することを特徴とする請求項１０に記載の測定装置。

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