JP6002275B2 - 計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、計測装置に関する。特に、光学パターン照射により三次元座標を測定する測量装置として利用できる計測装置に関する。

以前より、主に建設分野において種々の物理量を測定したいとする需要があった。この物理量としては、長さ・面積・角度・体積・水平度などがある。これらの物理量を測定する道具として、長さを測るものとしては物差・定規・巻尺・レーザー距離計などがあり、角度を測るものとしては分度器・三角定規・トランシットなどがあり、水平・垂直を測るものとしては指金・水平器・下げ振りなどがある。

しかし、これらの道具は、それぞれ特定の物理量を測定することに特化されている。巻尺で長さを測る場合を例にとると、特定の２点間の距離を測って数値として読み取ることは容易である。だが、「壁に対して垂直に２ｍ離れた点を求める場合」や「床に対して垂直に１ｍ離れた点を求める場合」などは巻尺単体で実行するのは困難である。これらの場合は巻尺以外に指金や下げ振りなどを組み合わせる必要があるが、複数の道具を同時に使用する作業は著しく煩雑である。この様な事例は他にも多数存在し、特定用途に特化された道具はその用途に対しては利便性が高いものの、他の道具と組み合わせて使用することは考慮されていないという問題があった。

また、同様に巻尺を例にとると、特定の２点間の距離を測るとき、その距離が人間の手の直接届く範囲を越えていた場合には、巻尺の原点を２点のうちの１点に固定した上で巻尺を他方の１点へ引っ張るという作業が必要になる。通常、巻尺の原点には固定を補助する部品が取りつけられてはいるものの万能では無く、原点の固定の為に何かしらの段取を必要とすることが多い。そして長さを測り終った後には固定していた巻尺の原点を解放しなくてはならない。その為、原点の固定と解除という２つの手間が必要となる。
更に、距離を測ろうとする測定者自身も２点間を最低でも１往復しなくてはならないため、２点間の距離が大きくなれば測定者の移動にかかる工数も無視できない。加えて、２点間に溝などが存在している場合には測定者の移動以外に巻尺を直線状に展開すること自体が困難となる。
特に、ＤＩＹ（Do It Yourself）のように、作業者が一人で現場においてこのような測定をしようとする場合には、上述の困難に遭遇する。
このように、測定作業以外の段取や測定者の移動といった無視できない工数が存在するという問題もあった。

上述のような物理量を専用の道具で直接的に測定することに伴う問題について、物理量算出の基準となる点の三次元座標値を測定しこの座標値に基づいて物理量を算出することも可能であることより、工数削減の観点から三次元座標測定技術を物理量算出に適用することが検討されてきた。
従来、三次元座標を測定するための技術としては、ステレオカメラ（光学式）・機械式・レーザー走査方式などが一般的な方法である。

ステレオカメラ（光学式）は、対象物を複数の異なる方向から同時に撮影することにより、カメラに対する縦横方向と奥行き方向の距離を測定できるようにしたカメラのことである。
機械式は、多関節形もしくは直行形の動作機構の先端に、接触式もしくは非接触式プローブを装備し、このプローブにより計測対象物を点測定もしくは線測定することで、多関節形ならば各関節軸の回転角度、直行形ならば各軸の直線位置を用いて三次元座標値を算出する。
レーザー走査方式は、レーザー光の往復した時間と照射方向により、計測対象点の距離と角度を割り出して三次元座標値を算出する。
その他にも、電波、超音波などをもちいた様々な方法がある。

発明者は数々の方法を検討し、精度と外乱に対する強さを要求される用途については光学パターン投射方式が優れていると判断した。光学パターンによって二次元座標値を測定する技術については特開２００２−０８２７６３などがある。

特開２００２−０８２７６３公報

特許文献１のような二次元座標測定技術の場合、二次元座標を測定する対象は光学ペンの先端部で指定するため使用者にとって直感的である。しかしながら、この技術を三次元座標測定に応用する場合、必ずしも光学ペンの軸線方向からパターン投射が行われる保証は無く、使用者は光学ペンの軸線方向を意識しながら座標測定を行う点を指定するという煩雑な作業を強いられることになる。また、三次元座標測定を行いたい領域の地面（或いは床）の上に光学パターンを有するスクリーンなどを展開する必要があり、建築・工事などの現場では非現実的な要件となる。更に、光学パターンを有するスクリーンなどを側面（壁など）に展開する場合、光学パターンを撮像する光学系には広いピント範囲が求められ、場合によってはピント調整機構を必要とする。
これらの事情により、光学パターン投射方式で三次元座標測定を行うことは困難であった。

そこで上述の課題を解決すべく本発明が成された。

本発明の第一の側面は、光学パターンを照射するパターン照射機と、照射された前記光学パターンを受像するパターン受像機とを有する計測装置であって、前記パターン受像機は、照射された前記光学パターンを撮像して撮像データに変換するパターン撮像部を有し、変換された前記撮像データに基づいて、前記パターン撮像部の位置または前記パターン撮像部から既知の位置の三次元座標値を算出する点座標値算出部を有する、ことを特徴としている。

この構成により、パターン照射機の照射する光学パターンをパターン受像機が直接受像して三次元座標値を算出することができるため、パターン照射機とパターン受像機とを使用環境に応じて効率の良い物理量測定を行うことができる。

また、本発明は、前記パターン受像機は、携帯可能であり、前記点座標値算出部と、算出したパターン撮像部の位置または前記パターン撮像部から既知の位置の三次元座標値を表示する表示部とを有する、ことが好ましい。

この構成により、パターン受像機を携帯して建築現場等で三次元座標値を算出表示することができるため、作業環境に応じた一人でも物理量測定ができる。

また、本発明は、前記照射される光学パターンは、複数の光点を含む要素で構成され、前記複数の要素それぞれには、識別情報がエンコードされており、前記点座標値算出部は、前記撮像データをデコードすることにより前記光学パターン内に含まれる要素の識別情報を導出し、前記撮像データの光点間隔に基づいて前記パターン照射機からの前記パターン撮像部までの距離と、前記光学パターンの光軸と前記パターン撮像部とがなす傾角とを導出し、前記識別情報と前記距離と前記傾角とを用いて前記パターン撮像部の位置または前記パターン撮像部から既知の位置の三次元座標値を算出する手段を有する、ことが好ましい。

この構成により、光学パターンに含まれる識別情報を用いて三次元座標値を算出することが可能となる。

また、本発明は、要素は複数の光点で構成され、識別情報は光点の明暗、波長、位置、時間変化の中からの任意の組み合わせでエンコードされていることが好ましい。

この構成により、光点に物理的解像度以上の情報をエンコードすることが可能となり、より精度の高い三次元座標値を測定することが可能となる。

本発明により、高精度な三次元座標測定が可能となる。また、本発明の三次元座標の計測装置を応用することにより任意の物理量を高精度で算出できるようになる。

本発明の測量装置に用いる三次元座標測定の概念を示す図である。 パターン照射機構の光学的構成を示す図である。 パターン受像機の構成を示す図である。 パターン撮像部の光学的構成を示す図である。 照射パターンの概要を例示する図である。 照射パターンの構造を示す図である。 照射パターンの詳細を示す図である。 本発明の計測装置に用いる三次元座標測定の一例を示す図である。 本発明の計測装置に用いる三次元座標測定の一例を示す図である。 本発明の計測装置に用いる三次元座標測定の一例を示す図である。 本発明の計測装置を用いて三次元座標測定を行う一例を示す図である。

以下、本発明にかかる計測装置について図面に基づいて説明する。

なお、本発明の詳細な説明の前に、先行技術文献（特許文献１）で公知となっている技術について簡単に触れる。

先行技術では、平面状（紙など）に投影される光学パターンに平面座標系の座標値情報を埋込みこの座標情報を読取装置で読取った際の当該箇所平面座標値を得ることにより読取装置の平面座標系における座標値を把握するものである。
また、オーバーヘッドプロジェクターなどで空間に投影された光学パターンを読取る構成についても同様である。
どちらも平面状に構成されている光学パターンを読取り、発光部からの光軸に対して垂直平面の二次元座標値を取得することを開示しているが、これを三次元座標系へ拡張する構想については開示も示唆も無い。

なお、上述の先行技術の詳細については特許文献１に記されているので、本発明においてこれ以降では触れない。

図１は本発明の計測装置に用いる三次元座標測定の概念を示す図である。この本件発明の技術の要諦は、パターン照射機１０より特定の光学パターンを空間に対して照射し、その光学パターンをパターン受像機のパターン撮像部２１が直接撮像し、その撮像結果を画像解析して受像機の撮像部の三次元座標値を求めるというものである。
従って、ここでいう三次元座標値とはパターン照射機１０を基準とした局所三次元座標系における座標値である。但し、パターン照射機１０の存在する位置が他の座標系（例えば地球の緯度経度）における座標値が判明している場合、その座標値に加算することにより座標系変換を行うことができる。例えば、パターン照射機１０が測位衛星システムの受信装置を備えていれば、パターン照射機１０の座標値にパターン受像機２０の座標値を加算して座標系変換ができ、用途によってはそのような座標系の表示が望ましい。

図２はパターン照射機１０での光学パターン照射機構の光学的構成を説明する図である。光学パターンの照射機構は、発光素子１１２と、光学パターンを形成する光学素子１１４とを備えており、発光素子１１２で発光した光１１３が光学素子１１４を通過し照射パターン３０となる。
発光素子１１２はＬＥＤ（発光ダイオード）やレーザー発振素子などである。光学素子１１４は光学フィルターの類であり、発光素子１１２で発せられた光１１３を特定の模様（パターン）として空間へ照射する機能を持つ。このような光学素子１１４としては、マイクロレンズアレイや回折格子や格子状に配列されたピンホールなどがあり、また、光学変調素子としてのＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用いることもできる。

ここで用語を詳細に定義する。
本発明において「光学パターン」とは、光学素子１１４において空間に照射されるよう意図された模様（パターン）そのものを意味する。
本発明において「照射パターン」とは、発光素子１１２から発光した光１１３が光学素子１１４を通過して実際に空間へ照射されたものを意味する。
本発明において「入射パターン」とは、空間へ照射された照射パターン３０のうち、パターン撮像部２１に入射したものを意味する。

図３は、パターン受像機２０の構成を示す図である。本発明実施の形態のパターン受像機２０は、パターン照射機１０から照射された照射パターン３０を受像して、その撮像データから三次元座標値を算出して表示するもので、光学パターンを受像して撮像データに変換するパターン撮像部２１と、受像した光学パターンに基づいて座標値を算出する点座標値算出部２２と、算出した座標値を表示する表示部２３と、これらの部署に電源を供給する電源２４とを有する。本実施の形態のパターン受像機２０は、携帯可能で移動して座標を測定できる装置としている。

図４は、このパターン受像機２０のパターン撮像部２１の光学的構造を説明する図である。パターン撮像部２１は、受像スクリーン２１２と、レンズ２１４と、撮像素子２１６とを備える。撮像素子２１６としては、ＣＭＯＳセンサやＣＣＤセンサ等のイメージセンサを用いる。

ここで、照射パターン３０のうち受像スクリーン２１２に入射したものが入射パターン２１５となる。実際には受像スクリーンに入射したものを、レンズ２１４を介して撮像素子２１６にて撮像し、撮像素子２１６は、入射パターンを撮像データに変換する。この結果、入射パターン２１５は撮像素子２１６で結像し、画像データとしての撮像データに変換されて点座標値算出部２２に取り込まれる。

図５は、照射パターン３０の具体的な例を示すものである。発光素子１１２が可視光線を発光する場合、パターン照射機１０より空間へ照射される照射パターン３０は、この図の様にスクリーンや壁などへ投射されると光学パターンがそのまま観測可能となる。照射パターン（拡大）３１は照射パターンの一部を拡大したものである。この例の場合、光点を特定の規則に従って配置しており、ある一定量以上の光点をパターン撮像部２１が撮像できればその光点が配置されている光学パターン空間における平面座標が判る。

図６は本発明における光学パターンについての一例を示す図である。パターン照射機１０より照射される照射パターン３０はパターン照射機１０よりの光軸に対して垂直平面に展開される模様として考えることができる。
この際、光学パターンはメジャードット３２とＩＤドットエリア（後述）とで構成されるＩＤブロック３４を複数持つ模様となる。
メジャードット３２は光学パターンを構成する光点（複数）で形成される一種の枠であり、複数のメジャードット３２で格子状の形状が作られる。点座標値算出部２２は、入射パターンを画像解析して座標値を演算する際にこのメジャードット３２によって作られる枠を検出する。
ＩＤドットエリアにはそれぞれのエリアを識別するためのＩＤがエンコードされているため、エリアごとにＩＤは異なり、結果として模様としてのＩＤドットエリアも異なる。

図７は一つのＩＤブロック３４を拡大したものである。
メジャードット３２で形成される枠の中にＩＤドットエリア３６がある。このＩＤドットエリア３６にはＩＤ原点ドット３７とＩＤドット３８（複数）がある。ＩＤ原点ドット３７はこのＩＤドットエリア３６にエンコードされた情報を表現する上での原点となり、通常は常にＯｎ（光点として存在する）状態である。ＩＤドット３８はＩＤ原点ドット３７を原点とした場合のエンコードされた情報を表現し、エンコードする情報によってドットごとにＯｎ（光点）とＯｆｆ（非光点）が自由に選択される。

一例として、図７のＩＤドット３８には０から１４までの番号が割当られている。これらのＩＤドット３８は２進数の乗数として意味する。ＩＤドット３８が１４から順に「１１１００１１１１００１０１０」の場合には１６進数の７３ＣＡという数値がエンコードされていることになる。

上述のエンコードされている数値と光学パターン空間の平面座標系の座標値とを紐付することにより平面座標値が導かれる。座標値そのものをエンコードしても良い。

ＩＤドットエリア３６において、メジャードット３２の間隔を基準に考えると５×５ドット分の空間があるが原点ドット３７およびＩＤドット３８としては４×４ドット分のみを使用し残りの空間は未使用（非点灯）としている。これはパターン撮像部２０を光軸に対して回転させる方向に傾けた場合に光学パターン空間の上下左右方向を識別するためである。
これらは外見上解かり易く説明するために空間効率を犠牲にしているが、実際には更に空間利用効率の良いエンコード方法を採用しても良い。

パターン撮像部２１の受像スクリーン２１２が照射パターン３０の光軸に対して垂直の平面と平行な状態で入射パターン２１５を撮像素子２１６へ導いた場合、メジャードット３２・ＩＤ原点ドット３７・ＩＤドット３８は間隔が等しい格子状となる。この間隔はパターン照射機１０から受像スクリーン２１２までの距離に応じて変化する。一般的な光学系であれば距離に応じて格子間隔が正比例関係で変化する。これにより格子間隔よりパターン照射機１０から受像スクリーン２１２までの距離を算出することができ、パターン照射機とパターン撮像部までの距離を測定できる。

更に、パターン撮像部２１の受像スクリーン２１２が照射パターン３０の光軸に対して垂直の平面より傾いた状態で入射パターン２１５を撮像素子２１６へ導いた場合、メジャードット３２・ＩＤ原点ドット３７・ＩＤドット３８の間隔は歪んだ格子状となる。この間隔の歪みに基づいて受像スクリーン２１２が照射パターン３０の光軸に対して垂直の平面よりどの程度傾いているかを算出することができる。

なお、図面による説明はしないが、上述の光学パターン（＝照射パターン３０）は平面方向にブロックＩＤをエンコードする旨の技術であるが、これに限定する必要は無い。ドット単位で発光波長を異なるように発光可能なパターン照射機１０を設けて波長エンコードとしたり、ドット単位で発光のＯｎ／Ｏｆｆ（あるいは光量）を任意に制御できるようなパターン照射機１０を設け、異なる種類のエンコードとしても良い。この場合には、上述（発光素子１１２にＬＥＤなどを用いたり、光学素子１１４にマイクロレンズアレイなどを用いる）のような構成では無く、発光素子１１２と光学素子１１４を一体にした物としてレンズを付けたマトリクス型ＬＥＤや複数波長が発光可能な光走査装置の光線をＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）のマトリクスミラーに照射するものを用いるなどとする。

これらの構成を採用することにより、光点一つ一つの光量・波長が任意に制御できるので、同じ情報量を少ない光点数で表現できることとなり、ＩＤブロック３４の空間利用密度を高め且つ座標測定の高精度化を図ることが可能となる。そして、前述の「光点一つ一つの光量・波長を任意に制御できる機能」を応用することにより、時間の経過によって各光点の光量・波長を変化させるように制御することも可能となる。

各光点を時間の経過によって変化させる方法としては、例えば、一定の時間単位で（各光点の光量・波長を個別に設定可能な）光学パターンの一部または全部を異なるものに入れ替える方法や、光点毎に異なる周期で光量および／または波長を変化させる方法がある。これらの方法は、特定の時間における光学パターンの各光点の光量・波長が計算により算出可能であるので、撮像素子２１６が撮像した入射パターン２１５に含まれる光点の光量・波長の変化に基づいて逆演算を行うことでＩＤブロック３４にエンコードされた情報を算出することができる。

加えてこれらの方法では、ＩＤブロック３４に本来エンコードしていない他の情報（以下「付加情報」）をメジャードット３２やＩＤ原点ドット３７にエンコードさせることもできる。例えば、同期式シリアル通信におけるＣＬＫ（クロック）信号のような時間変化の基準となる信号をエンコードすると、ＩＤブロック３４に含まれる各光点の光量・波長の変化を検出するタイミングが明確になり、１つの光点にエンコード可能な単位時間あたりの情報量が増大し、結果としてさらに少ない光点でＩＤブロック３４を構成することも可能となる。付加情報としてＣＬＫ信号のみを重畳させる場合には、メジャードット３２やＩＤ原点ドット３７といった概念を廃し、全ての光点をＩＤブロック３４に充当することも可能となる。この場合には、光点の光量成分にＣＬＫ信号をエンコードし波長成分に本来の情報をエンコードする。

点座標値算出部２２は、演算処理装置を備えており、パターン撮像部２１が撮像データに変換したこれらのパターンの画像処理を行うことで、パターン撮像部２１のパターン照射機１０に対する相対三次元座標値を算出する。また、パターン撮像部２１から所定の位置にある点を測定点として、たとえば、筆記具型のパターン受像機２０の鋭利な先端部分で算出すべき位置の点を指定することができ、この指定された点をパターン撮像部２１の座標値に加えて座標値を算出できる。さらに、パターン受像機２０が携帯型であって、点座標値算出部２２、表示部２３を有する場合は、測定した座標値を表示部２３で表示することが可能である。

図８は図１で説明した本発明の三次元計測装置の概念を更に具体的にしたものである。
この例では、パターン照射機１０は特定の箇所に設置され一連の測定作業中は移動させない。パターン撮像部２１を含む筆記具状の装置は三次元座標値測定用の移動端末としてのパターン受像機２０であり、鋭利な先端部分の座標値を測定する。
測定者はこのパターン受像機（移動端末）２０を手に握り、座標値を測定したい点を先端で指し示し、座標測定を行う旨の指示をするスイッチを押下する。この時、パターン撮像部２１に入射している入射パターン２１５を解析し、パターン照射機１０を基準とした相対的三次元座標値を取得することができる。
特に、先述の通り、パターン照射機１０からの距離やパターン撮像部２１の傾きが算出できるので、受像スクリーン２１２から既知の位置にある先端の座標は容易に導き出すことができる。

図９は、図８の装置を改良し、パターン照射機１０を２つ設けたものである。
これら２つのパターン照射機１０の相対的な位置は既知であるため、三次元座標値測定用の移動端末であるパターン受像機２０の座標測定精度は更に高まる。
なお、３つ以上の複数のパターン照射機１０としても良い。
複数のパターン照射機１０を運用する場合、それぞれのパターン照射を区別する目的で、短い時間毎にパターン照射するパターン照射機１０を切り換えたり、パターン照射機１０ごとに同じＤＵＴＹ比で発光タイミング周波数を異ならせて照射するようにしても良い。
また、複数のパターン照射機１０をそれぞれ別の波長の光とするなどとしても良い。

図１０は、図８の装置のパターン照射機１０とパターン撮像部２１を入れ替えたものである。パターン撮像部２１を大きくしたい場合には有効である。

図１１は、本発明のパターン照射機と移動端末としてのパターン受像機２０とを測量装置として用いる例を説明する図である。パターン照射機１０を基準点（原点）として、基礎土台５０と５１を所定の間隔で設けて測量を行う場合を説明する図である。この場合、基準土台５０を置いて、基準土台５０にパターン受像機２０を当てて、パターン照射機１０からの光学パターンを受像し、受像した光学パターンから、パターン照射機１０を基準とした基準土台５０の局所三次元座標値を得る。つぎに、基準土台５１を置き、パターン受像機２０を当てれば、基準土台５１の局所三次元座標値が得られる。その得られた（表示された）三次元座標値に基づいて基準土台５１の位置を設計図に基づいて調整すれば、巻尺等の測量用具を用いることなく、一人でも作業を行うことが可能である。

また、本発明の計測装置では、精度は、パターンを発生する光学素子の精度や撮像素子の分解能に依存するが、理論上μｍオーダーで位置精度を得ることが可能である。このため、工作機械等でワークの長さを測るなど、スケールの代用として用いることができる。特に固定された構造物にパターン受像機２０の先端を当てて構造物の座標値を得ることができるので、構造物の長さ、位置等を正確に、かつ容易に測定することができる。

以上、本発明について好適な実施例を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない限り多くの改変を施すことが可能であるのは勿論である。

量産可能な光学装置によって小型化・高精細化が可能な測量装置を提供することができ、この装置によって効率良く三次元座標測定作業を行うことができるなどの効果を有している。

１０ パターン照射機
１１２ 発光素子
１１３ 発光素子が発する光
１１４ 光学素子
２０ パターン受像機
２１ パターン撮像部
２１２ 受像スクリーン
２１４ レンズ
２１５ 入射パターン
２１６ 撮像素子
２２ 点座標値算出部
２３ 表示部
２４ 電源
３０ 照射パターン
３１ 照射パターン（拡大）
３２ メジャードット
３４ ＩＤブロック
３６ ＩＤドットエリア
３７ ＩＤ原点ドット
３８ ＩＤドット
５０、５１ 基礎土台

Claims (3)

1. 光学パターンを照射するパターン照射機と、照射された前記光学パターンを受像するパターン受像機とを有する計測装置であって、
   前記パターン受像機は、
   照射された前記光学パターンを撮像して撮像データに変換するパターン撮像部と、
   変換された前記撮像データに基づいて、前記パターン撮像部の位置または前記パターン撮像部から既知の位置の三次元座標値を算出する点座標値算出部と、
   算出したパターン撮像部の位置または前記パターン撮像部から既知の位置の三次元座標値を表示する表示部と
   を有し、携帯可能である
   ことを特徴とする計測装置。
2. 請求項１に記載の計測装置であって、
   前記照射される光学パターンは、複数の光点を含む要素で構成され、
   前記複数の要素それぞれには、識別情報がエンコードされており、
   前記点座標値算出部は、前記撮像データをデコードすることにより前記光学パターン内に含まれる要素の識別情報を導出し、前記撮像データの光点間隔に基づいて前記パターン照射機からの前記パターン撮像部までの距離と、前記光学パターンの光軸と前記パターン撮像部とがなす傾角とを導出し、
   前記識別情報と前記距離と前記傾角とを用いて前記パターン撮像部の位置または前記パターン撮像部から既知の位置の三次元座標値を算出する手段を有する、
   ことを特徴とする計測装置。
3. 請求項２に記載の計測装置であって、
   前記要素は、複数の光点で構成され、前記識別情報は、前記光点の明暗、波長、位置、時間変化の中からの任意の組み合わせでエンコードされている
   ことを特徴とする計測装置。