JP6996961B2 - 測量装置 - Google Patents

Description

本発明は簡単な設置作業で測定が可能な、測量装置に関するものである。

測量装置を用いて測量を実施する場合、先ず測量装置を基準点上に設置する必要がある。

一般に測量装置を基準点上に設置する場合、三脚を用いて設置されるが、測量装置は三脚上で水平に整準され、又、測量装置の機械中心が前記基準点を通過する鉛直線上に正確に位置決めされなければならない。更に、基準点から前記機械中心迄の高さ（測量装置の器械高）も測定されなければならない。この為、測量装置の設置作業は、煩雑で時間と熟練が必要とされた。

特開２０１６－１５１４２３号公報 特開２０１６－１５１４２２号公報 特開２０００－２８３６２号公報 特開２０１６－１６１４１１号公報

本発明は、簡単で、容易な設置作業で、設置作業に熟練を必要としない測量装置を提供するものである。

本発明は、基準点に設置され、既知の形状の基準マーカを有する設置基準板と、操作ハンドルに設けられる測量装置本体で構成され、該測量装置本体は基準光軸を有し、該基準光軸と所定関係の第１撮像光軸に沿って測定対象を含む第１画像を取得する測定方向撮像部と、測定対象迄の距離を測定する測距部と、演算制御部と、表示部と、前記測量装置本体又は前記操作ハンドルに設けられ、前記基準光軸に対して所定の角度で下方に延出する第２撮像光軸に沿って前記設置基準板を含む第２画像を取得する下方撮像部とを具備し、前記演算制御部は、前記第２画像中の前記基準マーカの大きさに基づき前記測量装置本体と前記設置基準板との距離を演算し、又前記基準マーカの正対画像に対する形状変化から前記設置基準板の前記第２撮像光軸に対する傾斜、傾斜方向を演算し、又前記演算制御部は、前記測距部の結果と、前記設置基準板との距離、前記設置基準板に対する前記第２撮像光軸の傾斜、傾斜方向に基づき、前記基準点を基準とした前記測定対象を測定する様構成した測量装置に係るものである。

又本発明は、前記基準マーカは既知の直径を有する真円の外円線を含み、前記演算制御部は、画像中の前記外円線の長径の大きさより前記測量装置本体と前記設置基準板との距離を演算し、長径又は短径の方向から前記第２撮像光軸の傾斜方向を演算し、長径と短径との比に基づき傾斜角を演算する様構成した測量装置に係るものである。

又本発明は、前記測量装置本体は前記基準光軸の水平に対する２軸の傾斜を検出する姿勢検出部を有し、前記下方撮像部は、前記基準マーカの周囲を含む前記第２画像を取得し、前記演算制御部は、前記基準マーカの中心を中心とした回転に伴う前記第２画像間の変位から回転角を求め、前記姿勢検出部の結果に基づき前記基準点を基準とした前記測定対象の３次元座標を測定する様構成した測量装置に係るものである。

又本発明は、前記測距部は測距光光源と、前記基準光軸に設けられた光軸偏向部と、該光軸偏向部で偏向されない状態で前記基準光軸に合致する測距光軸と、射出方向検出部とを有し、前記光軸偏向部は１対の光学プリズムを有し、該１対の光学プリズムの相対回転で前記測距光軸を２次元に偏向可能であり、前記射出方向検出部は、前記光学プリズムのそれぞれの回転位置に基づき前記測距光軸の偏向方向を検出し、前記演算制御部は、前記光軸偏向部を制御して測距光を２次元に走査し、走査軌跡に沿って測定した測距結果と、前記基準光軸の水平回転角、前記基準光軸の水平に対する傾斜角、前記測距光軸の前記基準光軸に対する偏向方向に基づき３次元座標のデータを取得し、前記演算制御部は、前記走査軌跡に沿った前記３次元座標と前記第１画像とを関連付け、前記基準点を基準とした３次元座標付き画像を取得する様構成した測量装置に係るものである。

更に又本発明は、前記第１画像と前記第２画像はオーバラップ部分が形成される様に取得され、前記演算制御部は、前記第１画像と前記第２画像を合成し、前記基準点から前記測定対象迄を含む観察画像を作成する測量装置に係るものである。

本発明によれば、基準点に設置され、既知の形状の基準マーカを有する設置基準板と、操作ハンドルに設けられる測量装置本体で構成され、該測量装置本体は基準光軸を有し、該基準光軸と所定関係の第１撮像光軸に沿って測定対象を含む第１画像を取得する測定方向撮像部と、測定対象迄の距離を測定する測距部と、演算制御部と、表示部と、前記測量装置本体又は前記操作ハンドルに設けられ、前記基準光軸に対して所定の角度で下方に延出する第２撮像光軸に沿って前記設置基準板を含む第２画像を取得する下方撮像部とを具備し、前記演算制御部は、前記第２画像中の前記基準マーカの大きさに基づき前記測量装置本体と前記設置基準板との距離を演算し、又前記基準マーカの正対画像に対する形状変化から前記設置基準板の前記第２撮像光軸に対する傾斜、傾斜方向を演算し、又前記演算制御部は、前記測距部の結果と、前記設置基準板との距離、前記設置基準板に対する前記第２撮像光軸の傾斜、傾斜方向に基づき、前記基準点を基準とした前記測定対象を測定する様構成したので、整準作業は必要なく、前記設置基準板を基準点に設置するのみで測定が可能となるという優れた効果を発揮する。

第１の実施例を示す概略図である。 測量装置本体を示す概略ブロック図である。 光軸偏向部の要部説明図である。 （Ａ）～（Ｃ）は、前記光軸偏向部の作用説明図である。 基準マーカの説明図である。 測定方向撮像部、下方撮像部で取得した画像と測量装置本体によるスキャン軌跡との関係を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

図１は本発明の第１の実施例の概略を示す図であり、図１中、１は測量装置、２は測定対象を示す。

前記測量装置１は、主に、ハンドポール３、該ハンドポール３の上端に設けられた測量装置本体４、該測量装置本体４又は前記ハンドポール３に設けられた下方撮像部５、基準点Ｒ（測定の基準となる点）に設置される設置基準板６を有する。

前記ハンドポール３は、前記測量装置本体４、前記下方撮像部５の支持部材であると共に測定作業を行う為の操作ハンドルである。作業者が前記ハンドポール３を把持し、前記測量装置本体４により測定作業を実行する場合の、取扱い性、安定性が考慮され、前記ハンドポール３の長さ、太さ、重量等が設定されている。

尚、前記ハンドポール３は、棒状のものに限らず鉤状、或はリング状の取手等適宜な形状でよい。

前記測量装置本体４は、測定方向撮像部２１（後述）、測距部２４（後述）を有し、又前記測量装置本体４と前記下方撮像部５とは既知の位置関係となっている。

前記測距部２４の光学系は基準光軸Ｏを有している。前記測定方向撮像部２１の光学系の光軸（以下、第１撮像光軸６１）は前記基準光軸Ｏに対して所定角（例えば６°）上方に傾斜しており、又測定方向撮像部２１と前記測距部２４との距離及び位置関係は既知となっている。前記測距部２４と前記測定方向撮像部２１は前記測量装置本体４の筐体内部に収納されている。

該筐体の背面（作業者と対向する面）には、表示部７、操作部８（図２参照）が設けられる。尚、前記表示部７をタッチパネルとし、操作部と表示部とを兼用してもよい。以下は、前記表示部７をタッチパネルとし、該表示部７が操作部を兼用している場合を説明している。

前記下方撮像部５には、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の撮像素子を有し、デジタル画像を取得可能な撮像装置が用いられる。又、撮像素子中の画素の位置が前記下方撮像部５の光軸（以下第２撮像光軸１０）を基準として検出可能となっている。前記下方撮像部５として、例えば、市販のデジタルカメラが用いられてもよい。該下方撮像部５は、無線、有線等所要の手段により電気的に前記測量装置本体４と接続されており、前記撮像素子から出力される画像信号は撮像制御部１６を介して画像処理部１７（図２参照）に入力される。

又、前記下方撮像部５は、前記撮像制御部１６によって画像取得の制御が行われ、前記下方撮像部５による画像取得と前記測定方向撮像部２１による画像取得についての同期制御が行われる。

前記下方撮像部５は前記測量装置本体４の筐体に固定され、前記下方撮像部５（即ち、該下方撮像部５の像形成位置）は前記測量装置本体４の機械中心に対して既知の位置に設けられる。前記第２撮像光軸１０は、下方に向けられ、前記基準光軸Ｏに対して所定の既知の角度に設定され、前記第２撮像光軸１０と前記基準光軸Ｏとは既知の関係となっている。尚、前記基準光軸Ｏ、前記第１撮像光軸６１、前記第２撮像光軸１０は、所定の関係に設定されている。

前記測定方向撮像部２１の画角はθ１であり、前記下方撮像部５の画角はθ２であり、θ１とθ２とは等しくても良く又異なっていても良い。又、前記測定方向撮像部２１の画角と前記下方撮像部５の画角はオーバラップしていなくても良いが、所定量オーバラップすることが好ましい。又、前記下方撮像部５の画角、前記第２撮像光軸１０の方向は、前記設置基準板６が画像中に含まれる様設定される。

図２を参照して、前記測量装置本体４の概略構成を説明する。

該測量装置本体４は、測距光射出部１１、受光部１２、測距演算部１３、演算制御部１４、記憶部１５、前記撮像制御部１６、前記画像処理部１７、光軸偏向部１９、姿勢検出部２０、前記測定方向撮像部２１、射出方向検出部２２、モータドライバ２３を具備し、これらは筐体２５に収納され、一体化されている。尚、前記測距光射出部１１、前記受光部１２、前記測距演算部１３、前記光軸偏向部１９等は、測距部２４を構成する。

前記測距光射出部１１は、射出光軸２６を有し、該射出光軸２６上に発光素子２７、例えばレーザダイオード（ＬＤ）が設けられている。又、前記射出光軸２６上に投光レンズ２８が設けられている。更に、前記射出光軸２６上に設けられた偏向光学部材としての第１反射鏡２９と、受光光軸３１（後述）上に設けられた偏向光学部材としての第２反射鏡３２とによって、前記射出光軸２６は、前記受光光軸３１と合致する様に偏向される。前記第１反射鏡２９と前記第２反射鏡３２とで射出光軸偏向部が構成される。

前記測距演算部１３は前記発光素子２７を発光させ、前記発光素子２７はレーザ光線を発する。前記測距光射出部１１は、前記発光素子２７から発せられたレーザ光線を測距光３３として射出する。尚、測距光は連続光であってもよく、或はパルス光であってもよく、或は特許文献４に示した断続変調光であってもよい。

前記受光部１２について説明する。該受光部１２には、測定対象２からの反射測距光３４が入射する。前記受光部１２は、前記受光光軸３１を有し、該受光光軸３１には、前記第１反射鏡２９、前記第２反射鏡３２によって偏向された前記射出光軸２６が合致する。尚、該射出光軸２６と前記受光光軸３１とが合致した状態を測距光軸３５とする。

前記基準光軸Ｏ上に前記光軸偏向部１９が配設される。該光軸偏向部１９の中心を透過する真直な光軸は、前記基準光軸Ｏとなっている。該基準光軸Ｏは、前記光軸偏向部１９によって偏向されなかった時の前記射出光軸２６又は前記受光光軸３１又は前記測距光軸３５と合致する。

前記反射測距光３４が前記光軸偏向部１９を透過し、入射した前記受光光軸３１上に結像レンズ３８が配設される。又、前記受光光軸３１上に受光素子３９、例えばアバランシフォトダイオード（ＡＰＤ）が設けられている。前記結像レンズ３８は、前記反射測距光３４を前記受光素子３９に結像する。該受光素子３９は、前記反射測距光３４を受光し、受光信号を発生する。受光信号は、前記測距演算部１３に入力され、該測距演算部１３は受光信号に基づき測距光の往復時間を演算し、測定対象２迄の測距を行う。

前記記憶部１５には、撮像の制御プログラム、画像処理プログラム、測距プログラム、表示プログラム、通信プログラム、演算プログラム等の各種プログラムが格納される。又測定データ、画像データ等の各種データが格納される。

図３を参照して、前記光軸偏向部１９について説明する。

該光軸偏向部１９は、一対の光学プリズム４１，４２から構成される。該光学プリズム４１，４２は、それぞれ同径の円板形であり、前記測距光軸３５上に該測距光軸３５と直交して同心に配置され、所定間隔で平行に配置されている。前記光学プリズム４１は、光学ガラスにて成形され、平行に配置された３つの三角プリズム４３ａ，４３ｂ，４３ｃを有している。前記光学プリズム４２は、光学ガラスにて成形され、平行に配置された３つの三角プリズム４４ａ，４４ｂ，４４ｃを有している。尚、前記三角プリズム４３ａ，４３ｂ，４３ｃと前記三角プリズム４４ａ，４４ｂ，４４ｃは、全て同一偏角の光学特性を有している。

尚、中心に位置する前記三角プリズム４３ａ，４４ａの幅は、前記測距光３３のビーム径よりも大きくなっており、該測距光３３は前記三角プリズム４３ａ，４４ａのみを透過する様になっている。

前記光軸偏向部１９の中央部（前記三角プリズム４３ａ，４４ａ）は、前記測距光３３が透過し、射出される第１光軸偏向部である測距光偏向部となっている。前記光軸偏向部１９の中央部を除く部分（前記三角プリズム４３ａ，４４ａの両端部及び前記三角プリズム４３ｂ，４３ｃ、前記三角プリズム４４ｂ，４４ｃ）は、前記反射測距光３４が透過し、入射する第２光軸偏向部である反射測距光偏向部となっている。

前記光学プリズム４１，４２は、それぞれ前記受光光軸３１を中心に独立して個別に回転可能に配設されている。前記光学プリズム４１，４２は、回転方向、回転量、回転速度が独立して制御されることで、射出される前記測距光３３の前記射出光軸２６を任意の方向に偏向し、又受光される前記反射測距光３４の前記受光光軸３１を前記射出光軸２６と平行に偏向する。

前記光学プリズム４１，４２の外形形状は、それぞれ前記測距光軸３５（基準光軸Ｏ）を中心とする円形であり、前記反射測距光３４の広がりを考慮し、充分な光量を取得できる様、前記光学プリズム４１，４２の直径が設定されている。

前記光学プリズム４１の外周にはリングギア４５が嵌設され、前記光学プリズム４２の外周にはリングギア４６が嵌設されている。

前記リングギア４５には駆動ギア４７が噛合し、該駆動ギア４７はモータ４８の出力軸に固着されている。同様に、前記リングギア４６には駆動ギア４９が噛合し、該駆動ギア４９はモータ５０の出力軸に固着されている。前記モータ４８，５０は、前記モータドライバ２３に電気的に接続されている。

前記モータ４８，５０は、回転角を検出できるもの、或は駆動入力値に対応した回転をするもの、例えばパルスモータが用いられる。或は、モータの回転量（回転角）を検出する回転角検出器、例えばエンコーダ等を用いて前記モータ４８，５０の回転量を検出してもよい。該モータ４８，５０の回転量がそれぞれ検出され、前記モータドライバ２３により前記モータ４８，５０が個別に制御される。尚、エンコーダを直接リングギア４５，４６にそれぞれ取付け、エンコーダにより前記リングギア４５，４６の回転角を直接検出する様にしてもよい。

前記駆動ギア４７，４９、前記モータ４８，５０は、前記測距光射出部１１と干渉しない位置、例えば前記リングギア４５，４６の下側に設けられている。

前記投光レンズ２８、前記第１反射鏡２９、前記第２反射鏡３２、前記測距光偏向部等は、投光光学系を構成する。又、前記反射測距光偏向部、前記結像レンズ３８等は、受光光学系を構成する。

前記測距演算部１３は、前記発光素子２７を制御し、前記測距光３３としてレーザ光線を発光又はバースト発光（断続発光）させる。該測距光３３が前記三角プリズム４３ａ，４４ａ（測距光偏向部）により、測定対象２に向う様前記射出光軸２６（即ち、前記測距光軸３５）が偏向される。前記測距光軸３５が、測定対象２を視準した状態で測距が行われる。

前記測定対象２から反射された前記反射測距光３４は、前記三角プリズム４３ｂ，４３ｃ及び前記三角プリズム４４ｂ，４４ｃ（反射測距光偏向部）、前記結像レンズ３８を介して入射し、前記受光素子３９に受光される。該受光素子３９は、受光信号を前記測距演算部１３に送出し、該測距演算部１３は前記受光素子３９からの受光信号に基づき、測距光毎に測定点（測距光が照射された点）の測距を行い、測距データは前記記憶部１５に格納される。

前記射出方向検出部２２は、前記モータ４８，５０に入力する駆動パルスをカウントすることで、前記モータ４８，５０の回転角を検出する。或は、エンコーダからの信号に基づき、前記モータ４８，５０の回転角を検出する。又、前記射出方向検出部２２は、前記モータ４８，５０の回転角に基づき、前記光学プリズム４１，４２の回転位置を演算する。

更に、前記射出方向検出部２２は、前記光学プリズム４１，４２の屈折率と、該光学プリズム４１，４２を一体とした時の回転位置、両光学プリズム４１，４２間の相対回転角とに基づき、各測距光毎の前記測距光３３の偏角、射出方向を演算する。演算結果（測角結果）は、測距結果に関連付けられて前記演算制御部１４に入力される。尚、前記測距光３３がバースト発光される場合は、断続測距光毎に測距が実行される。

前記演算制御部１４は、前記モータ４８，５０の回転方向、回転速度、前記モータ４８，５０間の回転比を制御することで、前記光学プリズム４１，４２の相対回転、全体回転を制御し、前記光軸偏向部１９による偏向作用を制御する。又、前記測距光３３の偏角、射出方向から、前記測距光軸３５に対する測定点の水平角、鉛直角を演算する。更に、測定点についての水平角、鉛直角を前記測距データに関連付けることで、測定対象２の３次元データを求めることができる。而して、前記測量装置１は、トータルステーションとして機能する。

次に、前記姿勢検出部２０について説明する。尚、該姿勢検出部２０としては、特許文献１に開示された姿勢検出部を使用することができる。

該姿勢検出部２０について図２を参照して簡単に説明する。該姿勢検出部２０は、フレーム５４を有している。該フレーム５４は、前記筐体２５に固定され、或は構造部材に固定され、前記測量装置本体４と一体となっている。

前記フレーム５４にはジンバルを介してセンサブロック５５が取付けられている。該センサブロック５５は、直交する２軸を中心に２方向にそれぞれ３６０°回転自在となっている。

該センサブロック５５には、第１傾斜センサ５６、第２傾斜センサ５７が取付けられている。前記第１傾斜センサ５６は水平を高精度に検出するものであり、例えば水平液面に検出光を入射させ反射光の反射角度の変化で水平を検出する傾斜検出器、或は封入した気泡の位置変化で傾斜を検出する気泡管である。又、前記第２傾斜センサ５７は傾斜変化を高応答性で検出するものであり、例えば加速度センサである。

前記センサブロック５５の、前記フレーム５４に対する２軸についての各相対回転角は、エンコーダ５８，５９によってそれぞれ検出される様になっている。

又、前記センサブロック５５を回転させ、水平に維持するモータ（図示せず）が前記２軸に関してそれぞれ設けられている。該モータは、前記第１傾斜センサ５６、前記第２傾斜センサ５７からの検出結果に基づき、前記センサブロック５５を水平に維持する様に前記演算制御部１４によって制御される。

前記センサブロック５５が傾斜していた場合（前記測量装置本体４が傾斜していた場合）、前記センサブロック５５（水平）に対する前記フレーム５４の各軸方向の相対回転角が前記エンコーダ５８，５９によってそれぞれ検出される。該エンコーダ５８，５９の検出結果に基づき、前記測量装置本体４の２軸についての傾斜角、２軸の傾斜の合成によって傾斜方向が検出される。

前記センサブロック５５は、２軸について３６０°回転自在であるので、前記姿勢検出部２０がどの様な姿勢となろうとも、例えば該姿勢検出部２０の天地が逆になった場合でも、全方向での姿勢検出（水平に対する傾斜角、傾斜方向）が可能である。

姿勢検出に於いて、高応答性を要求する場合は、前記第２傾斜センサ５７の検出結果に基づき姿勢検出と姿勢制御が行われるが、該第２傾斜センサ５７は前記第１傾斜センサ５６に比べ検出精度が悪いのが一般的である。

前記姿勢検出部２０では、高精度の前記第１傾斜センサ５６と高応答性の前記第２傾斜センサ５７を具備することで、該第２傾斜センサ５７の検出結果に基づき姿勢制御を行い、更に前記第１傾斜センサ５６により高精度の姿勢検出を可能とする。

該第１傾斜センサ５６の検出結果で、前記第２傾斜センサ５７の検出結果を較正することができる。即ち、前記第１傾斜センサ５６が水平を検出した時の前記エンコーダ５８，５９の値、即ち実際の傾斜角と前記第２傾斜センサ５７が検出した傾斜角との間で偏差を生じれば、該偏差に基づき前記第２傾斜センサ５７の傾斜角を較正することができる。

従って、予め、該第２傾斜センサ５７の検出傾斜角と、前記第１傾斜センサ５６による水平検出と前記エンコーダ５８，５９の検出結果に基づき求めた傾斜角との関係を取得しておけば、前記第２傾斜センサ５７に検出された傾斜角の較正（キャリブレーション）をすることができ、該第２傾斜センサ５７による高応答性での姿勢検出の精度を向上させることができる。環境変化（温度等）の少ない状態では、傾斜検出は前記第２傾斜センサ５７の検出結果と補正値で求めてもよい。

前記演算制御部１４は、傾斜の変動が大きい時、傾斜の変化が速い時は、前記第２傾斜センサ５７からの信号に基づき、前記モータを制御する。又、前記演算制御部１４は、傾斜の変動が小さい時、傾斜の変化が緩やかな時、即ち前記第１傾斜センサ５６が追従可能な状態では、該第１傾斜センサ５６からの信号に基づき、前記モータを制御する。尚、常時、前記第２傾斜センサ５７に検出された傾斜角を較正することで、該第２傾斜センサ５７からの検出結果に基づき前記姿勢検出部２０による姿勢検出を行ってもよい。

尚、前記記憶部１５には、前記第１傾斜センサ５６の検出結果と前記第２傾斜センサ５７の検出結果との比較結果を示す対比データが格納されている。前記第１傾斜センサ５６からの信号に基づき、該第２傾斜センサ５７による検出結果を較正する。この較正により、該第２傾斜センサ５７による検出結果を前記第１傾斜センサ５６の検出精度迄高めることができる。よって、前記姿勢検出部２０による姿勢検出に於いて、高精度を維持しつつ高応答性を実現することができる。

前記測定方向撮像部２１は、前記測量装置本体４の前記基準光軸Ｏと平行な前記第１撮像光軸６１と、該第１撮像光軸６１に配置された撮像レンズ６２とを有している。前記測定方向撮像部２１は、前記光学プリズム４１，４２による最大偏角θ／２（例えば±３０°）と略等しい、例えば５０°～６０°の画角を有するカメラである。前記第１撮像光軸６１と前記射出光軸２６及び前記基準光軸Ｏとの関係は既知であり、前記第１撮像光軸６１と前記射出光軸２６及び前記基準光軸Ｏとは平行であり、又各光軸間の距離は既知の値となっている。

又、前記測定方向撮像部２１は、静止画像又は連続画像或は動画像が取得可能である。前記測定方向撮像部２１で取得された画像は、前記表示部７に表示され、作業者は該表示部７に表示された画像を観察して測定作業を実行できる。

前記撮像制御部１６は、前記測定方向撮像部２１の撮像を制御すると共に該測定方向撮像部２１と前記下方撮像部５との同期制御を行う。又、前記撮像制御部１６は、前記測定方向撮像部２１が前記動画像、又は連続画像を撮像する場合に、該動画像、又は連続画像を構成するフレーム画像を取得するタイミングと前記測量装置本体４でスキャンするタイミングとの同期を取っている。前記演算制御部１４は画像と測定データ（測距データ、測角データ）との関連付けも実行する。

前記測定方向撮像部２１の撮像素子６３は、画素の集合体であるＣＣＤ、或はＣＭＯＳセンサであり、各画素は画像素子上での位置が特定できる様になっている。例えば、各画素は、前記第１撮像光軸６１を原点とした座標系での画素座標を有し、該画素座標によって画像素子上での位置が特定される。又、前記第１撮像光軸６１と前記基準光軸Ｏとの関係が既知であるので、前記測距部２４による測定位置と前記撮像素子６３上での位置との相互関連付けが可能である。前記撮像素子６３から出力される画像信号は、前記撮像制御部１６を介して前記画像処理部１７に入力される。

前記光軸偏向部１９の偏向作用、スキャン作用について、図４（Ａ）～図４（Ｃ）を参照して説明する。

尚、図４（Ａ）では、説明を簡略化する為、前記光学プリズム４１，４２について、前記三角プリズム４３ａ，４４ａと、前記三角プリズム４３ｂ，４３ｃ，４４ｂ，４４ｃとを分離して示している。又、図４（Ａ）は、前記三角プリズム４３ａ，４４ａ、前記三角プリズム４３ｂ，４３ｃ，４４ｂ，４４ｃが同方向に位置した状態を示しており、この状態では最大の偏角（例えば、±３０°）が得られる。又、最少の偏角は、前記光学プリズム４１，４２のいずれか一方が１８０°回転した位置であり、該光学プリズム４１，４２の相互の光学作用が相殺され、偏角は０°となる。従って、前記光学プリズム４１，４２を経て射出、受光されるレーザ光線の光軸（前記測距光軸３５）は、前記基準光軸Ｏと合致する。

前記発光素子２７から前記測距光３３が発せられ、該測距光３３は前記投光レンズ２８で平行光束とされ、前記測距光偏向部（前記三角プリズム４３ａ，４４ａ）を透過して測定対象２に向けて射出される。ここで、前記測距光偏向部を透過することで、前記測距光３３は前記三角プリズム４３ａ，４４ａによって所要の方向に偏向されて射出される（図４（Ａ））。

前記測定対象２で反射された前記反射測距光３４は、前記反射測距光偏向部を透過して入射され、前記結像レンズ３８により前記受光素子３９に集光される。

前記反射測距光３４が前記反射測距光偏向部を透過することで、前記反射測距光３４の光軸は、前記受光光軸３１と合致する様に前記三角プリズム４３ｂ，４３ｃ及び前記三角プリズム４４ｂ，４４ｃによって偏向される（図４（Ａ））。

前記光学プリズム４１と前記光学プリズム４２との回転位置の組合わせにより、射出する前記測距光３３の偏向方向、偏角を任意に変更することができる。

又、前記光学プリズム４１と前記光学プリズム４２との位置関係を固定した状態で（前記光学プリズム４１と前記光学プリズム４２とで得られる偏角を固定した状態で）、前記モータ４８，５０により、前記光学プリズム４１と前記光学プリズム４２とを一体に回転すると、前記測距光偏向部を透過した前記測距光３３が描く軌跡は前記基準光軸Ｏ（図２参照）を中心とした円となる。

従って、前記発光素子２７よりレーザ光線を発光させつつ、前記光軸偏向部１９を回転させれば、前記測距光３３を円の軌跡でスキャンさせることができる。尚、前記反射測距光偏向部は、前記測距光偏向部と一体に回転していることは言う迄もない。

図４（Ｂ）は、前記光学プリズム４１と前記光学プリズム４２とを相対回転させた場合を示している。前記光学プリズム４１により偏向された光軸の偏向方向を偏向Ａとし、前記光学プリズム４２により偏向された光軸の偏向方向を偏向Ｂとすると、前記光学プリズム４１，４２による光軸の偏向は、該光学プリズム４１，４２間の角度差θとして、合成偏向Ｃとなる。

従って、前記光学プリズム４１と前記光学プリズム４２を逆向きに同期して等速度で往復回転させた場合、前記光学プリズム４１，４２を透過した前記測距光３３は、直線状にスキャンされる。従って、前記光学プリズム４１と前記光学プリズム４２とを逆向きに等速度で往復回転させることで、図４（Ｂ）に示される様に、前記測距光３３を合成偏向Ｃ方向に直線の軌跡６４で往復スキャンさせることができる。

更に、図４（Ｃ）に示される様に、前記光学プリズム４１の回転速度に対して遅い回転速度で前記光学プリズム４２を回転させれば、角度差θは漸次増大しつつ前記測距光３３が回転される。従って、該測距光３３のスキャン軌跡はスパイラル状となる。

又、前記光学プリズム４１、前記光学プリズム４２の回転方向、回転速度を個々に制御することで、前記測距光３３のスキャン軌跡を前記基準光軸Ｏを中心とした種々の２次元のスキャンパターンが得られる。

例えば、前記光学プリズム４１と前記光学プリズム４２の、一方の光学プリズム４１を２５回転、他方の光学プリズム４２を逆方向に５回転することで、図６に示される様な、花びら状の２次元の閉ループスキャンパターン（花びらパターン７４（内トロコイド曲線））が得られる。

前記下方撮像部５について説明する。

該下方撮像部５は、前記測量装置本体４と電気的に接続されており、前記撮像制御部１６によって画像の取得が制御され、前記下方撮像部５による撮像タイミングと前記測定方向撮像部２１による撮像タイミングとは、前記撮像制御部１６によって同期制御が実行されている。前記下方撮像部５で取得された画像データは前記測量装置本体４の撮像制御部１６を介して前記画像処理部１７に入力される。

前記下方撮像部５は、前記測量装置本体４の機械中心に対して既知の位置に設けられており、前記下方撮像部５と前記ハンドポール３下端との距離も既知となっている。

更に、前記下方撮像部５の前記第２撮像光軸１０は前記基準光軸Ｏと既知の関係にあり、前記下方撮像部５で取得した画像データは、前記演算制御部１４によって前記測定方向撮像部２１で取得した画像、前記測距部２４で測定した測距データと関連付けられて前記記憶部１５に格納される。

前記表示部７は、前記測量装置本体４の測定状態、測定結果等を表示し、又前記下方撮像部５、前記測定方向撮像部２１が取得した画像を表示する。前記表示部７から前記測量装置本体４に測定作業に関する指令等、各種指令を入力できる様になっている。

図５を参照して前記設置基準板６について説明する。

該設置基準板６自体の形状は、円板であっても矩形の板であっても、或は他の形状であってもよい。前記設置基準板６の上面に、基準マーカ６６が形成される。

該基準マーカ６６は、中心と水平方向の方向を示す形状を有している。前記基準マーカ６６は、該基準マーカ６６の中心と同心で、且つ既知の直径を有する真円の外円線６７、該外円線６７と同心で、且つ既知の直径を有する真円の内円線６８、更に前記基準マーカ６６の中心から放射状に延出し、前記外円線６７と前記内円線６８との間に形成された放射線から構成されている。該放射線は円周を等分割した位置に形成されている。例えば、放射線は円周が１６等分（２２．５゜間隔）された位置に設けられている。前記放射線の１つは、方向基準線６９ａであり、該方向基準線６９ａを基準として円周４等分した位置の放射線は副方向基準線６９ｂであり、残りの放射線は方向補助線６９ｃとなっている。又、前記方向基準線６９ａ、前記副方向基準線６９ｂ、前記方向補助線６９ｃは、識別可能な様に、前記方向基準線６９ａは太線、前記副方向基準線６９ｂは中太線、前記方向補助線６９ｃは細線となっている。

尚、識別の方法としては、前記下方撮像部５が取得する画像が色彩を有する場合は、前記方向基準線６９ａ、前記副方向基準線６９ｂ、前記方向補助線６９ｃは色分けしてもよい。又、形状で識別する場合は、前記の方向線（６９ａ，６９ｂ，６９ｃ）の代わりに方向基準を狭角とした二等辺三角形にしてもよい。

前記設置基準板６は、該設置基準板６の中心が前記基準点Ｒに合致する様に設置される。従って、該設置基準板６の中心と前記基準点Ｒとを合致し易い様に、前記設置基準板６が透明板であり、或は前記内円線６８の内部が刳貫れている。

図１～図６を参照して、前記測量装置１の測定作用について説明する。

以下の測定作用は、前記記憶部１５に格納されたプログラムを前記演算制御部１４が実行することでなされる。

測定を開始する準備として、前記設置基準板６の中心を基準点Ｒに位置決めし、前記方向基準線６９ａを所定或は任意の方向に向ける。

前記ハンドポール３を略垂直として作業者が保持する。又、前記下方撮像部５、前記測定方向撮像部２１は作動状態で前記測量装置１の設置は行われ、前記下方撮像部５で取得した第２画像、前記測定方向撮像部２１が取得した第１画像が前記表示部７に表示される。尚、所定の測定点を測定する場合は、前記光軸偏向部１９による偏向は休止し、前記測距光軸３５と前記基準光軸Ｏとは合致させておく。

作業者は、前記表示部７に表示された画像を観察し、前記設置基準板６が第２画像中に含まれていることを確認しつつ、前記測定対象２を前記測定方向撮像部２１で取得した第１画像の中心に捉える。

作業者が前記基準光軸Ｏ（即ち、前記測距光軸３５）が前記測定対象２に合致したと確認した時点で、作業者が前記表示部７より測定の指令を入力してもよく、或は所定時間間隔で測距を継続し、作業者が前記測量装置本体４を前記測定対象２に向ける作業をしている過程で、前記測定対象２と前記基準光軸Ｏとが合致したことを画像処理で確認し、前記測定対象２と前記基準光軸Ｏとが合致した時点の測距値を取得する様にしてもよい。尚、前記光軸偏向部１９の状態は前記射出方向検出部２２によって検出され、前記基準光軸Ｏと前記測距光３３の方向は前記光軸偏向部１９の状態に基づき関係付けられ、前記基準光軸Ｏと前記第１撮像光軸６１は既知の関係であるので、前記測距光３３の方向を第１画像中に例えば十字線で表示させ、前記測定対象２を十字線に捉える様にしてもよい。

測距値取得時の前記下方撮像部５による画像が取得され、画像処理で前記基準マーカ６６に基づき前記下方撮像部５（即ち、前記測量装置本体４）の前記基準点Ｒに対する斜距離、前記設置基準板６の面に対する傾斜角、傾斜方向が演算される。

図１に示される様に、前記下方撮像部５の第２撮像光軸１０は傾斜しており、前記下方撮像部５で取得される画像は、楕円形となっている。楕円の長径は、元の円の直径に等しいので、例えば前記外円線６７の像の長径を求めれば、該外円線６７の第２画像上での直径を求めることができる。第２画像上での前記外円線６７の大きさと前記基準マーカ６６と下方撮像部５間の距離の関係を予め求めておくことで、前記基準マーカ６６と前記下方撮像部５間の斜距離を演算することができる。

更に、前記外円線６７の長径と短径の比率を求めることで、前記第２撮像光軸１０の前記設置基準板６の面に対する傾斜角を演算することができ、更に、前記外円線６７の長径又は短径が前記基準マーカ６６のどの位置に現れるかを求めることで、前記第２撮像光軸１０が前記測定対象２に対してどの方向に傾斜しているかを演算することができる。

上記説明は、前記基準マーカ６６が真円を有する場合を説明したが、真円でなくても、既知の形状を有する基準マーカであればよい。正対している時の基準マーカの形状（画像）に対して基準マーカが傾斜した場合の形状（画像）の変化を求めれば、傾斜角、傾斜方向が求められる。尚、使用される基準マーカとしては、左右、上下対称であることが好ましい。

而して、演算により求められた、前記下方撮像部５（即ち、前記測量装置本体４）と前記基準点Ｒ間の斜距離、前記設置基準板６の面に対する傾斜角、傾斜方向、前記第２撮像光軸１０の前記測定対象２に対する傾斜方向に基づき、前記測量装置本体４により取得した前記測定対象２についての測距結果を補正することができる。該測距結果の補正により、該基準点Ｒを基準とした座標を測定することができる。

次に、前記基準マーカ６６の画像処理で、前記測量装置本体４の傾斜角、傾斜方向を演算したが、前記姿勢検出部２０による姿勢検出結果に基づき鉛直、水平を基準にした前記測量装置本体４の傾斜角、傾斜方向を検出できる。

前記測量装置１の水平に対する傾斜は、前記姿勢検出部２０によってリアルタイムで検出されるので、前記測定対象２の前記基準点Ｒを基準とした鉛直座標をリアルタイムで測定することができる。

次に、図６を参照して前記基準点Ｒの中心を通る鉛直線を中心とする水平回転角の検出について説明する。

尚、図６中、７１は前記測定方向撮像部２１の第１画像取得範囲、７２は前記下方撮像部５の第２画像取得範囲、７３は前記光軸偏向部１９による前記測距光軸３５の偏向範囲、７４は測距光を照射しつつ前記光軸偏向部１９により花びらパターンでスキャンした場合の軌跡を示している。前記花びらパターン７４に示されるドットは複数測距光の照射点を示す。又、７５は前記第１画像取得範囲７１の画像中心（該画像中心７５は前記基準光軸Ｏと合致する）、７６は前記第２画像取得範囲７２の画像中心（該画像中心７６は、前記第２撮像光軸１０と合致する）を示している。

又、図１に於いて、θ１は前記測定方向撮像部２１の画角、θ２は前記下方撮像部５の画角、θ３は前記測量装置本体４のスキャン範囲をそれぞれ示している。

更に、図６は、前記基準光軸Ｏと前記第２撮像光軸１０間の角度がθ４に設定され、前記測距光軸３５が前記基準光軸Ｏに対して６°下方に傾斜した状態を示している。

前記第２撮像光軸１０は下方に向けられ、前記第２画像取得範囲７２が前記基準マーカ６６を含む様に、前記下方撮像部５の方向が設定されている。従って、前記下方撮像部５が取得する画像には、前記基準点Ｒを含み、更に測定者側の範囲（図示では略８０°）の画像が含まれている。

この前記基準点Ｒを中心とした所定半径の画像を水平角検出用の水平角検出画像７７として設定し、リアルタイムで取得する。

測定開始時の前記水平角検出画像７７を取得し、該水平角検出画像７７を水平基準画像７７ａとして設定する。

測定開始以降の水平角を検出する場合は、前記水平基準画像７７ａに対する前記水平角検出画像７７の変位を検出し、変位に基づき水平回転角を演算する。

水平回転角の演算には、先ず前記水平基準画像７７ａの前記基準点Ｒ（前記基準マーカ６６の画像中心）と前記水平角検出画像７７の前記基準点Ｒ（前記基準マーカ６６の画像中心）を合致させ、前記水平角検出画像７７と前記水平基準画像７７ａ間の偏差を求める。

前記水平角検出画像７７と前記水平基準画像７７ａ間の偏差には、水平回転角と前記第２撮像光軸１０の倒れ角が含まれている。前記偏差の内、前記基準点Ｒを中心とする周方向の偏差成分は、水平回転角の変化に対応し、前記基準点Ｒを中心とする半径方向の偏差成分は、前記第２撮像光軸１０の倒れ角の変化に対応する。

前記第２撮像光軸１０の倒れ角の変化は前記基準マーカ６６の画像の変化と前記姿勢検出部２０によって検出でき、又前記基準点Ｒと前記下方撮像部５との距離は前記基準マーカ６６の画像によって演算できるので、演算距離と前記第２撮像光軸１０の倒れ角の検出結果とに基づき前記周方向の偏差成分から前記第２撮像光軸１０の倒れ角の影響を除去することができる。

而して、前記水平回転角を前記下方撮像部５の撮像素子の画素単位で、高精度、且つリアルタイムに検出することができる。

次に、図１に示される様に、前記測量装置本体４により前記測定対象２を測定すると、前記測定対象２迄の斜距離が測定され、更に前記第１撮像光軸６１に対する前記基準光軸Ｏの偏角（図６では６°）と前記基準光軸Ｏに対する前記測距光軸３５の偏角が前記射出方向検出部２２によって検出され、又前記測量装置本体４の水平に対する傾斜角が前記基準マーカ６６の図形から、或は前記姿勢検出部２０によって検出され、前記測距光軸３５の水平に対する傾斜角が演算され、前記測量装置本体４の水平回転変化が前記水平角検出画像７７の画像から検出される。

前記測距光軸３５の水平に対する傾斜角に基づき、前記斜距離が水平回転角に補正され、前記測距光軸３５の水平に対する傾斜角が演算され、検出された水平回転角に基づき方向角が演算され、前記基準点Ｒと前記測量装置本体４との斜距離が演算され、前記第２撮像光軸１０の倒れ角が演算され、前記基準点Ｒを基準とした前記測定対象２の３次元座標が求められる。

上記説明では、前記測距光軸３５を固定した状態で、即ち前記光軸偏向部１９を休止状態で測定したが、前記測量装置本体４をレーザスキャナとしても測定することができる。

図６に示される様に、前記光軸偏向部１９は前記偏向範囲７３の範囲で、前記測距光軸３５を自在に偏向できる。前記光学プリズム４１と前記光学プリズム４２の回転を制御することで、前記花びらパターン７４の軌跡でスキャンさせることができる。スキャン過程で測距光を照射することで、前記花びらパターン７４の軌跡に沿った測距データ（３次元座標を有する）を取得することができる。又、測距データ密度を上げる場合は、前記花びらパターン７４が１パターンスキャンされる度に前記花びらパターン７４を周方向に所定角度回転させればよい。又、スキャンと同期して前記第１画像と前記第２画像が取得される。

又、スキャン中心を変更する場合（スキャン範囲を変更する場合）は、前記ハンドポール３を軸心を中心に回転させるか、或は前記ハンドポール３の倒れ角を変更する。而して、所望の方向の、所望の範囲の点群データを容易に取得することができる。

又、前記測定方向撮像部２１で取得した第１画像と、前記下方撮像部５で取得した第２画像とを合成する場合は、両画像のオーバラップ部分を用いて行うことができる。或は、図６に示される様に、前記花びらパターン７４の一部が前記第２画像取得範囲７２に含まれる様にスキャンを実行し、前記第１画像中の軌跡に沿った測距データ、前記第２画像中の軌跡に沿った測距データを用いて直ちに前記第１画像と前記第２画像との合成が可能である。

尚、合成に用いられる軌跡に沿ったデータは、前記第１画像、前記第２画像に共通に含まれる軌跡に沿ったデータを用いてもよく、或は前記第１画像、前記第２画像に個別に含まれる軌跡に沿ったデータの座標値を用いて前記第１画像と前記第２画像とを合成してもよい。

前記第１画像と前記第２画像を合成することで、前記基準点Ｒから測定対象２迄を含む広範囲の観察画像が取得でき、測定範囲、測定位置の確認が容易になり、作業性が向上する。又、第１画像、或は合成画像と２次元スキャンで得られた軌跡に沿ったデータとを関連付けることで３次元データ付の画像が取得できる。

尚、上記実施例では、測量装置本体として光軸偏向部１９を有し、２次元スキャン可能な測量装置本体４を用いたが、測距機能のみを有する測量装置本体を設けてもよい。この場合、点群データは取得できないが、測量装置１の整準作業等の設置作業が不要で簡単に設置でき、所望の測定点の３次元座標の測定が可能である。

更に、この場合、市販のレーザ距離計を測量装置本体４として使用することができ、測量装置１を安価に構成することができる。

１ 測量装置
２ 測定対象
３ ハンドポール
４ 測量装置本体
５ 下方撮像部
６ 設置基準板
７ 表示部
８ 操作部
１０ 第２撮像光軸
１１ 測距光射出部
１２ 受光部
１３ 測距演算部
１４ 演算制御部
１５ 記憶部
１９ 光軸偏向部
２０ 姿勢検出部
２１ 測定方向撮像部
２２ 射出方向検出部
２４ 測距部
２７ 発光素子
３３ 測距光
３４ 反射測距光
３５ 測距光軸
４１，４２ 光学プリズム
６１ 第１撮像光軸
６６ 基準マーカ
６７ 外円線
７１ 第１画像取得範囲
７２ 第２画像取得範囲
７３ 偏向範囲

Claims (5)

1. 基準点に設置され、既知の形状の基準マーカを有する設置基準板と、操作ハンドルに設けられる測量装置本体で構成され、該測量装置本体は基準光軸を有し、該基準光軸と所定関係の第１撮像光軸に沿って測定対象を含む第１画像を取得する測定方向撮像部と、測定対象迄の距離を測定する測距部と、演算制御部と、表示部と、前記測量装置本体又は前記操作ハンドルに設けられ、前記基準光軸に対して所定の角度で下方に延出する第２撮像光軸に沿って前記設置基準板を含む第２画像を取得する下方撮像部とを具備し、前記演算制御部は、前記第２画像中の前記基準マーカの大きさに基づき前記測量装置本体と前記設置基準板との距離を演算し、又前記基準マーカの正対画像に対する形状変化から前記設置基準板の前記第２撮像光軸に対する傾斜、傾斜方向を演算し、又前記演算制御部は、前記測距部の結果と、前記設置基準板との距離、前記設置基準板に対する前記第２撮像光軸の傾斜、傾斜方向に基づき、前記基準点を基準とした前記測定対象を測定する様構成した測量装置。
2. 前記基準マーカは既知の直径を有する真円の外円線を含み、前記演算制御部は、画像中の前記外円線の長径の大きさより前記測量装置本体と前記設置基準板との距離を演算し、長径又は短径の方向から前記第２撮像光軸の傾斜方向を演算し、長径と短径との比に基づき傾斜角を演算する様構成した請求項１に記載の測量装置。
3. 前記測量装置本体は前記基準光軸の水平に対する２軸の傾斜を検出する姿勢検出部を有し、前記下方撮像部は、前記基準マーカの周囲を含む前記第２画像を取得し、前記演算制御部は、前記基準マーカの中心を中心とした回転に伴う前記第２画像間の変位から回転角を求め、前記姿勢検出部の結果に基づき前記基準点を基準とした前記測定対象の３次元座標を測定する様構成した請求項１に記載の測量装置。
4. 前記測距部は測距光光源と、前記基準光軸に設けられた光軸偏向部と、該光軸偏向部で偏向されない状態で前記基準光軸に合致する測距光軸と、射出方向検出部とを有し、前記光軸偏向部は１対の光学プリズムを有し、該１対の光学プリズムの相対回転で前記測距光軸を２次元に偏向可能であり、前記射出方向検出部は、前記光学プリズムのそれぞれの回転位置に基づき前記測距光軸の偏向方向を検出し、前記演算制御部は、前記光軸偏向部を制御して測距光を２次元に走査し、走査軌跡に沿って測定した測距結果と、前記基準光軸の水平回転角、前記基準光軸の水平に対する傾斜角、前記測距光軸の前記基準光軸に対する偏向方向に基づき３次元座標のデータを取得し、前記演算制御部は、前記走査軌跡に沿った前記３次元座標と前記第１画像とを関連付け、前記基準点を基準とした３次元座標付き画像を取得する様構成した請求項３に記載の測量装置。
5. 前記第１画像と前記第２画像はオーバラップ部分が形成される様に取得され、前記演算制御部は、前記第１画像と前記第２画像を合成し、前記基準点から前記測定対象迄を含む観察画像を作成する請求項１に記載の測量装置。

Images