JP3672318B2 - 測定球体型反射器 - Google Patents

Description

本発明は、方向測定及び（または）距離測定用の測定球体型反射器に関するものである。
測地学及び工業上の座標測定のための目標点を立体的に実像化するため、しばしば測定球体が使用される。測定球体は通常金属球であり、鏡反射性の表面を備え、ピンに固定されている。ピンは土地の距離測定されるべき座標点に固定されるか、或いは測定対象物に固定される。
球体は例えば経緯儀の望遠照準器を用いて照準合わせされ、像面でのフォーカシングにより合焦結像される。目標マークまたは十字糸を測定球体に向けることにより、経緯儀の目標方向が座標的に決定される。表示精度を高めるため、経緯儀に特殊な照明装置が使用されることがあり、この場合球体の反射性表面における反射光束が目標点として利用される。
例えば他の経緯儀を使用するなどして、他の目標方向から同じ測定球体に照準を合わせることにより、両経緯儀の既知の距離を用いて測定球体の球体中心までの距離が演算される。測定球体の球体中心から保持ピンの基点までの距離が既知であるので、このようにして測定点の座標を決定することができる。対象物空間内の校正距離（校正バー）を同時に測定する標準的な方法では、経緯儀間の距離を検出する必要はない。使用される演算プログラムを簡潔にするため、測定球体型反射器のサイズ及び保持ピンの長さが規格化されている。これによれば測定球体の直径は１２．７ｍｍである。
二つの独立な方向測定とベース距離（三角測量）による座標測定のほかに、極心測定も可能である。即ち方向測定と距離測定とを組み合わせ、経緯儀を距離計と連結させることも可能である。光学的な絶対距離計は、測定対象物で反射した光パルスまたは変調光線の動作時間を評価する。測定点の正確な座標決定のため、この場合も目標点を立体的に実像化させる必要がある。距離測定の場合には、少なくとも、平行に指向している光束を用いて作業を行うので、目標反射器としてトリプルプリズムを使用するのが適当である。トリプルプリズムは、基面に入射した平行光束が平行に反射するという特性を持っており、光束の方向に対する基面の傾斜とは関係なく反射する。
ガラス体を垂直に透過入射した場合、距離は一定の付加定数だけ変化する。距離測定用の目標点はトリプルプリズムの頂点である。トリプルプリズムの頂点は比較的遠距離から光学的に照準合わせできないので、測地学における角度測定のために、トリプルプリズムは、経緯儀により照準合わせされる目標物と連結されている。トリプルプリズムと目標物との幾何学的形状の関係、及び測定点に対する目標物の保持態様に基づいて、測定点の座標を観察位置から決定することができる。
既に述べたように、トリプルプリズムの主要な特性は、反射光線が入射光線に対して平行であり、しかも光線の方向に対するトリプルプリズムの基面の傾斜とは関係なく平行なことである。しかし光路長は基面の傾斜に依存している。プリズムの頂点のまわりに傾斜している場合、光路長は傾斜角に比例して非線形的に大きくなる。同様に、トリプルプリズムの高さ線の基点のまわりに傾斜していても光路長が変化する。しかしこの場合には、頂点の位置が変化することにより全光路長は短くなる。このような光路長の変化が距離測定の精度に影響することは言うまでもない。このため、トリプルプリズムの高さ線上にある点（頂点から、頂点の高さのほぼ１／３だけ離れている）のまわりに傾斜させれば、傾斜依存性をある角度範囲にわたって最小にできることが知られている。
絶対距離測定と組み合わせて視覚的な方向測定を行う以外にも、スタート位置から出発して自動的な目標追従と距離変化の自動的な測定とを行うようにした装置が知られている。前面目標点は、実際には、互いに直角に配置されている複数の平面ミラーから構成されるトリプルミラーである。トリプルミラーは、反射器の頂点が球体中心上にあるように球体内部に配置されている。トリプルミラーの場合には、トリプルプリズムとは異なり、光線方向に依存するような方向調整誤差及び距離誤差は生じない。
測定光線としては平行レーザー光束が使用される。平行レーザー光束は、３軸制御可能なスキャンミラーを介してトリプルミラーに向けられる。距離測定及び方向測定により既知となったスタート位置で、反射光線はスキャンミラーを介して装置に戻され、装置内で位置検出器によって測定され、且つ干渉計にも供給される。球体がスタート位置から離れている場合には、測定光線がトリプルミラーのアパーチャーに入射するよう注意すればよい。１／ｅ²に低下する強度分布の限界における測定光線の径はほぼ４ｍｍであり、他方トリプルミラーはほぼ２０ｍｍの入射瞳を有しているので、測定光線をトリプルミラーのアパーチャーに入射させるのは容易である。その後位置検出器は、可動トリプルミラーが測定対象物の所望の測定点に固定されるまで、この可動トリプルミラーにしたがってスキャンミラーを制御する。その際に移動した距離は干渉計を用いて測定される。その後、スタート点に対して相対的に測定された方向変化及び距離変化から、測定点の座標が決定される。
作業空間内で自在に移動可能なロボットを位置決めする際に、作業空間内の所定の位置に逆反射体を参照点として設けることが知られている。ロボットの視界は、スタート位置を基点にして、レーザー光線を用いて３軸制御可能なスキャンミラーを介してスキャンされる。スキャンは、レーザー光線が逆反射体の一つに当たるまで行われる。逆反射体までの距離は、絶対距離測定計を用いて測定される。ロボットが移動すると、スキャンミラーが逆反射体の方向へ案内されるので、ロボットの方向の変化を決定することができる。逆反射体を見失うと、新たに目標方向を捕捉しなければならず、他の逆反射体に対する距離測定を新たにスタートさせねばならない。
ドイツ特許公開第４４１０２６７号からは、３座標軸で測定する測定機の校正装置が知られている。測定台のスタンドには、部分球面状の参照表面を備えた立方体状角付き反射器が配置される。スタンドは、測定機の座標軸に沿ってガイドで移動することができる。
校正は次のように行われる。立方体状の角付き反射器の参照表面を走査ピンで検出し、他方逆反射性の角付き反射器の縦方向の変位を干渉計を用いて測定する。逆反射器は節点を有しており、節点は干渉計の測定軸線上にあり、この節点のまわりに逆反射体は傾斜することができるが、距離測定を著しく損なわせることがない。参照表面は節点に対して正確に位置決めされている。参照表面は、球面状である場合、節点に対して心合わせされている。
節点は干渉測定用の参照測定点として用いられ、干渉測定軸線と球面状の参照表面との衝突点が走査ピン用の参照測定点として用いられる。即ちこらに二つの参照測定点は、測定方向に相前後して設けられる。さらに、スタンド用の案内軌道は干渉計の測定軸線に対して平行にずれている。案内軌道が正確でないと節点が横にずれ、逆反射体をスタンドの基点の回りに傾斜させるので、この場合も節点のずれが生じる。
節点が干渉式距離測定用の参照測定点として用いられるので、横ずれがあると測定機の校正されるべき座標方向に対して測定方向がずれてしまう。その結果生じる測定誤差を小さくするには、案内軌道をできるだけ精密に形成しなければならない。また、参照表面を三つの異なる位置で走査することにより横ずれが測定されることがあるので、補正演算でこれを考慮しなければならない。
トリプルミラーの場合には、機械的な理由から、装置のサイズは一定のサイズを下回ってはならない。なぜなら、ミラーはある程度の厚さがなければその安定性を維持できないからである。他の欠点は、反射器の開口頂点に塵等の不純物が付着することで、不純物を取り除くのが困難であり、取り除こうとするとミラーの金属層を損傷させる危険がある。ところでミラー頂点における光線反射は測定精度にとって重要である。また、３個の平面ミラー要素を接合するので、トリプルミラーの内側エッジのクォリティが問題になる点も考慮せねばならない。
本発明の課題は、視覚による方向測定にも、また自動的な方向測定にも適しており、絶対距離測定にも相対距離測定にも使用可能であるような測定球体型反射器を提供することである。さらに、公知の測定球体型反射器の規格サイズに対応したサイズに構成することをも課題とするものである。
この課題は、冒頭で述べた種類の測定球体型反射器において、測定球体内に逆反射性トリプルプリズムが挿着され、その基面が測定球体の表面の一部と交差し、トリプルプリズムの高さがほぼ測定球体の半径にほぼ等しく、しかも測定球体の中心がトリプルプリズムの高さ線上にあることによって解決される。
本発明の有利な構成は従属項の特徴部分から明らかである。
ミラーから成るトリプルミラーに比べてトリプルプリズムの利点は、サイズを任意に小さく選定できる点にある。特に、測定球体の規格径（１２．７ｍｍ）に最適に適合させることができる。同時に、基面の大きさを干渉計、角度測定機、及び絶対距離測定計用のレーザー光線の径に好適に適合できるばかりでなく、放射方向に対して十分な傾斜角を確保できる。
さらにトリプルプリズムの場合には、反射器頂点が汚染する際に生じる問題がない。また、トリプルプリズムのエッジも最適に鋭くさせることができる。
本発明にしたがって設定されるトリプルプリズムの高さにより、球体中心により与えられる回転点をトリプルプリズムの中へ設定することが可能である。これにより、傾斜によって生じる、トリプルプリズム内での光路差を最小にすることができる。
自動的な座標測定の場合にはトリプルプリズムの頂点が距離測定用の目標点を決定するばかりでなく、目標方向をも決定するので、頂点の下方にある点のまわりでトリプルプリズムが傾斜している場合にどの程度方向測定に誤差が出るかを調べてみたが、光路差が傾斜範囲にわたって均一に最小化されているような回転点であれば、トリプルプリズムの頂点の変位による角度ずれも最小になることが判明した。
トリプルプリズムの基面は測定球体の表面の一部分を占めているにすぎないので、残りの部分に鏡反射性を備えさせてよい。その結果視覚による照準合わせも可能になる。測定球体を金属材料から製造すれば、通常のシャフトに磁力で固定でき、その際載置部は三点支持であってよい。従って測定球体をあらゆる方向に回転させることができる。これにより、シャフトが測定点にしっかりと固定されている状態で、測定光線に対する方向調整が可能になるばかりでなく、二つの異なる測定器から鏡反射面を照準方向に最適に調整することが可能になる。また、相対距離測定型目標追従システムを使用すれば、測定球体を一つの測定点から他の測定点へ変位させることができる。
トリプルプリズムの三角形の底面とこれに接続しているプリズム領域を、高さ線に関して回転対称な筒体に縮減させることにより、測定球体内へプリズムを挿着するための取り付けが特に簡単になる。球体には、トリプルプリズムを挿着するための同心の穴を形成するだけでよい。この場合円形の基面は穴縁で閉鎖され、或いはこの穴縁のすぐ下に位置させてもよい。このように構成すると、測定球体を平らな土台に載置する際に基面を損傷させなくて済む。
次に、本発明による測定球体型反射器を図面に図示した実施形態を用いて詳細に説明する。
図１は 本発明による測定球体型反射器の断面図である。
図２は 測定球体型反射器の平面図である。
図３は トリプルプリズム全体の平面図である。
図４は ルーフエッジに沿ったトリプルプリズムの断面図である。
図１には測定球体１０が断面で示されている。測定球体１０は磁性金属からなっている。その表面１１は研磨されて鏡反射性を有している。測定球体本体には同心に穴１２が形成されている。１６は測定球体本体の中心である。穴１２にはねじ穴１３が通じている。ねじ穴１３は、後述するトリプルプリズムの頂点のほうへ向けられている。穴１３に垂直に他のねじ穴１４が設けられている。このねじ穴１４に対向するように、接合剤のための充填穴１５が設けられている。別の対１４／１５がそれぞれ６０°ずらして測定球体本体の外周に設けられている。
穴１２にはトリプルプリズム１７が挿着されている。トリプルプリズム１７は光学ガラスから成っている。そのルーフ面は金属で覆われ、保護塗料により保護されている。基面１８は円形であり、測定球体を平らな面においた時に損傷しないようにするため、穴１２のエッジよりもわずかに深くなっている。１９はトリプルプリズム１７の高さ線である。測定球体本体の中心１６は、頂点よりも下側のトリプルプリズムの高さのほぼ三分の一のところにある。
トリプルプリズム１７の基面１８を穴１２の軸線１２’に対して垂直に指向させるため、ねじ穴１３／１４にピンがねじ込まれる。この場合、トリプルプリズム内に異なった光路を発生させるようなトリプルプリズムの高さの製造公差も補償される。この補償は、回転点に対する頂点の位置を、ガラス内光路に対する一元的な付加定数（eine einheitliche Additionskonstante）に調整するようにして行う。このようにしてトリプルプリズム１７の基面１８を穴１２の軸線１２’に対して垂直に指向させた後、充填穴１５を介して適当な接合剤を穴１２に充填してトリプルプリズム１７を固定させ、熱応力及び振動から防護する。この場合、シリコーン接合剤が特に好ましい。
２０は、図示した測定球体型反射器によって受容される測定光束の径である。この測定光束に対してトリプルプリズム１７の基面１８を角度２１だけすべての方向に傾斜させることができ、その際反射した測定光束から得られる測定信号のクオリティが低下することはなく、また方向測定及び距離測定の精度が要求される誤差範囲から逸脱することもない。
実施例においては、標準径１２．７ｍｍ（０．５”）の測定球体に、ほぼ４．５ｍｍ径の測定光束を±１５°の傾斜範囲内で確実に反射させるトリプルプリズムを使用することができた。この場合の距離誤差はほぼ１．５μｍであった。その際の方角の角度誤差は、ほぼ±１０μｍの目標点のずれに相当していた。
図２は、トリプルプリズム１７の基面１８から見た測定球体型反射器の平面図であり、光線入射面が円形であることを示している。この平面図からわかるように、ルーフエッジ２２は頂点に向かって延びており、反射面２３はルーフエッジ２２に対向するルーフ面に設けられている。
図３はトリプルプリズム１７全体の平面図であり、高さ線の垂線の足に同心に、トリプルプリズムの頂点下方にある内円２４が図示されている。この内円２４は、トリプルプリズムの底面を縮減させる筒体の横断面を成している。
図４は、図３の切断線２５によるトリプルプリズムの横断面図である。底面領域を筒体に縮減させることにより、図１からもわかるように、側面２６と２７の高さが異なる。位置調整ピンは高いほうの側面２６に対してセットするのが合目的である。

Claims (8)

1. 測定球体が載置部に回転自在に保持される、無接触の方向測定及び（または）距離測定用の測定球体型反射器において、測定球体（１０）内に逆反射性トリプルプリズム（１７）が挿着され、その基面（１８）が測定球体の表面（１１）の一部と次のように交差していること、即ちトリプルプリズム（１７）の基面（１８）の周線が測定球体（１０）の表面（１１）の下にあり、且つトリプルプリズム（１７）の高さがほぼ測定球体（１０）の半径にほぼ等しいように、しかも測定球体（１０）の中心（１６）がトリプルプリズム（１７）の高さ線（１９）上にあるように交差していることを特徴とする測定球体型反射器。
2. トリプルプリズム（１７）の頂点と測定球体（１０）の中心（１６）との間隔が、トリプルプリズム（１７）の高さのほぼ三分の一であることを特徴とする、請求項１に記載の測定球体型反射器。
3. トリプルプリズム（１７）が、その基部領域において、高さ線（１９）に回転対称な筒体に縮減されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の測定球体型反射器。
4. 測定球体（１０）が穴（１２）を有し、この穴（１２）の中にトリプルプリズム（１７）が挿入されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一つに記載の測定球体型反射器。
5. 穴（１２）の中へ外部から接近可能な位置調整要素が突出しており、この位置調整要素にトリプルプリズム（１７）が載置されていることを特徴とする、請求項４に記載の測定球体型反射器。
6. トリプルプリズム（１７）が、穴（１２）内での位置調整後、永久弾性の接合剤によって固定されていることを特徴とする、請求項５に記載の測定球体型反射器。
7. 測定球体（１０）の表面（１１）が反射性を持っていることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一つに記載の測定球体型反射器。
8. 測定球体（１０）が磁性金属から成っていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一つに記載の測定球体型反射器。

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