JP7066322B2 - 測量システム - Google Patents

Description

本発明は、ターゲット（又は測定対象物）スキャン機能を具備した測量機に関するものである。

既存のトータルステーション（ＴＳ）は、測定対象物として反射部材を備えたポールを測定位置に設定後、作業者がマニュアルで反射鏡等を視準後、測定を行う。トータルステーションは１点視準の為、測定位置が複数の場合、測定毎に毎回視準位置を変更し、測定の繰返しを行っている。特に、測定範囲が狭い場合でも、測定位置が変更され、反射部材の位置がわずかでも動いた場合、再視準を行わなければならない。その為、トータルの測定時間が掛かる不具合があった。

特開２０１６－１５１４２２号公報 特開２０１６－１５１４２３号公報

本発明は、容易に測定対象物の視準を可能とした測量機を提供するものである。

本発明は、測距光を発する発光素子と、前記測距光を射出する測距光射出部と、反射測距光を受光する受光部と、前記反射測距光を受光し、受光信号を発生する受光素子とを有し、該受光素子からの前記受光信号に基づき測定対象物の測距を行う測距部と、測距光軸上に設けられ、該測距光軸を偏向する光軸偏向部と、前記測距光軸の偏角を検出する射出方向検出部と、前記光軸偏向部の偏向作用及び前記測距部の測距作用を制御する演算制御部とを具備し、前記光軸偏向部は、前記測距光軸上を中心として回転可能な一対の光学プリズムと、該光学プリズムを個々に独立して回転するモータとを具備し、前記演算制御部は、前記一対の光学プリズムの回転方向、回転速度、回転比の制御により前記光軸偏向部による偏向を制御し、前記測距光を２次元スキャンし、該２次元スキャン中に前記受光信号を検出した時点の測距を行うと共に該受光信号を検出した時点の前記射出方向検出部が検出した偏角に基づき前記測定対象物の水平角、鉛直角を測定し、前記測距部からの距離値及び前記水平角、鉛直角から、前記測定対象物の３次元座標を求める様構成した測量機に係るものである。

又本発明は、前記演算制御部は、更に前記測距部の受光強度により前記測定対象物の位置を求める様構成された測量機に係るものである。

又本発明は、前記２次元スキャンは、所定のスキャンパターンに基づくスキャンであり、該スキャンパターンは往路復路が交差する交点を有し、往路復路で発せられる２つの受光信号のそれぞれの水平角、鉛直角が略一致する時点の測距、水平角、鉛直角測定を行う測量機に係るものである。

又本発明は、前記演算制御部は、前記スキャンパターンでスキャンを実行しつつ、該スキャンパターンを水平、鉛直の少なくとも一方に移動させ、前記測定対象物のサーチを行う測量機に係るものである。

又本発明は、前記測距光射出部に、ビーム形状拡大光学部材が設けられ、スキャンする前記測距光の光束断面が拡大された測量機に係るものである。

又本発明は、前記ビーム形状拡大光学部材はシリンダレンズであり、前記測距光の光束断面は一方向のみに拡大された測量機に係るものである。

又本発明は、傾斜角、傾斜方向を検出可能な姿勢検出部を更に具備し、前記演算制御部は、前記姿勢検出部の検出結果に基づき測距、水平角、鉛直角を補正する測量機に係るものである。

又本発明は、撮像部、タッチパネルを兼ねる表示部を更に有し、前記撮像部で取得した画像が前記表示部に表示され、該表示部にタッチした点が前記測距光の２次元スキャンの中心に設定される測量機に係るものである。

更に又本発明は、撮像部を更に有し、前記演算制御部は前記撮像部が取得した画像中で前記測定対象物の位置を検出し、検出した位置を中心に前記測距光の２次元スキャンを行う測量機に係るものである。

本発明によれば、測距光を発する発光素子と、前記測距光を射出する測距光射出部と、反射測距光を受光する受光部と、前記反射測距光を受光し、受光信号を発生する受光素子とを有し、該受光素子からの前記受光信号に基づき測定対象物の測距を行う測距部と、測距光軸上に設けられ、該測距光軸を偏向する光軸偏向部と、前記測距光軸の偏角を検出する射出方向検出部と、前記光軸偏向部の偏向作用及び前記測距部の測距作用を制御する演算制御部とを具備し、前記光軸偏向部は、前記測距光軸上を中心として回転可能な一対の光学プリズムと、該光学プリズムを個々に独立して回転するモータとを具備し、前記演算制御部は、前記一対の光学プリズムの回転方向、回転速度、回転比の制御により前記光軸偏向部による偏向を制御し、前記測距光を２次元スキャンし、該２次元スキャン中に前記受光信号を検出した時点の測距を行うと共に該受光信号を検出した時点の前記射出方向検出部が検出した偏角に基づき前記測定対象物の水平角、鉛直角を測定し、前記測距部からの距離値及び前記水平角、鉛直角から、前記測定対象物の３次元座標を求める様構成したので、容易に測定対象物の視準が行え、又作業者による視準作業が省略でき、測定作業の効率化が図れるという優れた効果を発揮する。

ターゲットスキャン機能を具備したトータルステーションの概略外観図である。 ターゲットスキャン機能を具備したトータルステーションの概略構成図である。 該トータルステーションに於ける光軸偏向部の概略図である。 （Ａ）～（Ｃ）は、該光軸偏向部の作用説明図である。 該光軸偏向部で得られるスキャンパターンの一例を示す図である。 本実施例の作用を示すフローチャートである。 スキャンパターンと測定対象物との関係を示す説明図である。 測定対象物を移動させた場合の、スキャンパターンと測定対象物との関係を示す説明図である。 他の実施例に係るターゲットスキャン機能を具備したトータルステーションの概略構成図である。 スキャンパターンと、ビーム形状と測定対象物との関係を示す説明図である。 他のスキャンパターンの一例を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、本発明が実施されるターゲット（又は測定対象物）スキャン機能を具備した測量機について、図１～図３を参照して説明する。尚、以下の説明では、測量機としてトータルステーションが用いられている。

図１は、本実施例に係るトータルステーション１が、支持装置としての三脚２を介して設置された状態を示している。図中、Ｏは前記トータルステーション１の光軸を示しており、更に光軸が偏向されていない状態（基準光軸）を示している。又、図１中、７はターゲット又は測定対象物としてのプリズムを示し、該プリズム７はポール８の指定位置（例えば、下端から既知の位置）に設けられている。

前記トータルステーション１は、回転台５を介して前記三脚２に取付けられている。前記回転台５は、レバー６を有し、該レバー６の操作により、前記トータルステーション１を上下方向（鉛直方向）、又は横方向（水平方向）に回転させることができ、又所要の姿勢で固定することも可能となっている。

図２、図３により前記トータルステーション１について説明する。

前記トータルステーション１は、測距光射出部１１、受光部１２、測距演算部１３、撮像部１４、射出方向検出部１５、モータドライバ１６、姿勢検出部１７、通信部１８、演算制御部１９、記憶部２０、撮像制御部２１、画像処理部２２、表示部２５を具備し、これらは筐体９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等は測距部を構成する。

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。

前記発光素子２７はパルスレーザ光線を発し、前記測距光射出部１１は、前記発光素子２７から発せられたパルスレーザ光線を測距光２３として射出する。

前記受光部１２について説明する。該受光部１２には、測定対象物（即ち測定点）からの反射測距光２４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、上記した様に、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４０とする（図１参照）。

偏向された前記射出光軸２６上に、即ち前記受光光軸３１上に光軸偏向部３５（後述）が配設される。該光軸偏向部３５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３５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と合致する。

前記光軸偏向部３５を透過し、入射した前記受光光軸３１上に結像レンズ３４が配設され、又受光素子３３、例えばフォトダイオード（ＰＤ）が設けられている。前記結像レンズ３４は、前記反射測距光２４を前記受光素子３３に結像する。該受光素子３３は前記反射測距光２４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に入力される。該測距演算部１３は、受光信号に基づき測定点迄の測距を行う。

図３を参照して、前記光軸偏向部３５について説明する。

該光軸偏向部３５は、一対の光学プリズム３６ａ，３６ｂから構成される。該光学プリズム３６ａ，３６ｂは、それぞれ円板状であり、前記受光光軸３１上に該受光光軸３１と直交して配置され、重なり合い、平行に配置されている。前記光学プリズム３６ａ，３６ｂとして、それぞれフレネルプリズムが用いられることが、プリズムの厚みを薄くでき、装置を小型化する為に好ましい。

前記光軸偏向部３５の中央部は、前記測距光２３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３５ａとなっており、中央部を除く部分は前記反射測距光２４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３５ｂとなっている。

前記光学プリズム３６ａ，３６ｂとして用いられるフレネルプリズムは、それぞれ平行に形成された各単一のプリズムから成るプリズム要素３７ａ，３７ｂと多数のプリズム要素３８ａ，３８ｂとによって構成され、円板形状を有する。前記光学プリズム３６ａ，３６ｂ及び各プリズム要素３７ａ，３７ｂ及びプリズム要素３８ａ，３８ｂは同一の光学特性を有する。

前記プリズム要素３７ａ，３７ｂは、前記測距光２３が透過するのに充分な大きさを有している。単一のプリズムから構成することで高精度の光学特性を得ることができる。前記プリズム要素３７ａ，３７ｂは、前記測距光偏向部３５ａを構成する。

前記多数のプリズム要素３８ａ，３８ｂによってフレネルプリズムが構成され、前記プリズム要素３８ａ，３８ｂは前記反射測距光偏向部３５ｂとして作用する。又、前記光軸偏向部３５から前記受光素子３３迄の距離は短いので、各プリズム要素３８ａ，３８ｂに高精度の光学特性は求められない。

前記フレネルプリズムは光学ガラスから製作してもよいが、光学プラスチック材料でモールド成形したものでもよい。光学プラスチック材料でモールド成形することで、より安価なフレネルプリズムを製作できる。尚、高精度が要求される前記プリズム要素３７ａ，３７ｂについてのみ光学ガラスから製作してもよい。

前記光学プリズム３６ａ，３６ｂ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３６ａ，３６ｂは、回転方向、回転量、回転速度を独立して制御されることで、射出される前記測距光２３の前記射出光軸２６を任意の方向に偏向し、受光される前記反射測距光２４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３６ａ，３６ｂの外形形状は、それぞれ前記受光光軸３１を中心とする円形であり、前記反射測距光２４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３６ａ，３６ｂの直径が設定されている。

前記光学プリズム３６ａの外周にはリングギア３９ａが嵌設され、前記光学プリズム３６ｂの外周にはリングギア３９ｂが嵌設されている。

前記リングギア３９ａには駆動ギア４１ａが噛合し、該駆動ギア４１ａはモータ４２ａの出力軸に固着されている。同様に、前記リングギア３９ｂには駆動ギア４１ｂが噛合し、該駆動ギア４１ｂはモータ４２ｂの出力軸に固着されている。前記モータ４２ａ，４２ｂは、前記モータドライバ１６に電気的に接続されている。

前記モータ４２ａ，４２ｂは、回転角を検出することができるもの、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モータの回転量を検出してもよい。前記モータ４２ａ，４２ｂの回転量がそれぞれ検出され、前記モータドライバ１６により前記モータ４２ａ，４２ｂが個別に制御される。尚、エンコーダを直接前記リングギア３９ａ，３９ｂにそれぞれ取付け、エンコーダにより前記リングギア３９ａ，３９ｂの回転角を直接検出する様にしてもよい。

前記駆動ギア４１ａ，４１ｂ、前記モータ４２ａ，４２ｂ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３９ａ，３９ｂ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３５ａ等は、投光光学系を構成し、前記反射測距光偏向部３５ｂ、前記結像レンズ３４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２３としてパルスレーザ光線を発光させる。該測距光２３が、前記プリズム要素３７ａ，３７ｂ（前記測距光偏向部３５ａ）により、測定点に向う様前記射出光軸２６が偏向される。前記測距光軸４０が測定対象物（前記プリズム７）を視準した状態で測距が行われる。

前記測定対象物７から反射された前記反射測距光２４は、前記プリズム要素３８ａ，３８ｂ（前記反射測距光偏向部３５ｂ）、前記結像レンズ３４を介して入射し、前記受光素子３３に受光される。該受光素子３３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３３からの受光信号に基づき、パルス光毎に測定点（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２０に格納される。

前記射出方向検出部１５は、前記モータ４２ａ，４２ｂ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４２ａ，４２ｂ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４２ａ，４２ｂの回転角を検出する。又、前記射出方向検出部１５は、前記モータ４２ａ，４２ｂの回転角に基づき、前記光学プリズム３６ａ，３６ｂの回転位置を演算する。更に、前記射出方向検出部１５は、前記光学プリズム３６ａ，３６ｂの屈折率と回転位置とに基づき、各パルス光毎の測距光の偏角、射出方向を演算し、演算結果は測距結果に関連付けられて前記演算制御部１９に入力される。

該演算制御部１９は、前記モータ４２ａ，４２ｂの回転方向、回転速度、前記モータ４２ａ，４２ｂ間の回転比を制御することで、前記光軸偏向部３５による偏向作用を制御する。又、前記測距光２３の偏角、射出方向から測定点の水平角、鉛直角を演算し、測定点について、水平角、鉛直角を前記測距データに関連付けることで、測定対象物の３次元データを求めることができる。

前記姿勢検出部１７について説明する。尚、該姿勢検出部１７としては、特許文献２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１７について、簡単に説明する。

該姿勢検出部１７は、フレーム４５を有し、該フレーム４５は前記筐体９に固定され、或は構造部材に固定され、前記トータルステーション１と一体となっている。

前記フレーム４５にジンバルを介してセンサブロック４６が取付けられている。該センサブロック４６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４６には、第１傾斜センサ４７、第２傾斜センサ４８が取付けられている。

前記第１傾斜センサ４７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４８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４６の前記フレーム４５に対する２軸についての相対回転角は、エンコーダ４９，５０によって検出される様になっている。

又、前記センサブロック４６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おり、該モータは、前記第１傾斜センサ４７、前記第２傾斜センサ４８からの検出結果に基づき前記センサブロック４６を水平に維持する様に、前記演算制御部１９によって制御される。

前記センサブロック４６が傾斜していた場合（前記トータルステーション１が傾斜していた場合）、前記センサブロック４６（水平）に対する前記フレーム４５の相対回転角が前記エンコーダ４９，５０によって検出され、該エンコーダ４９，５０の検出結果に基づき、前記トータルステーション１の傾斜角、傾斜方向が検出される。

前記センサブロック４６は、２軸について３６０゜回転自在であるので、前記姿勢検出部１７がどの様な姿勢となろうとも（例えば、該姿勢検出部１７の天地が逆になった場合でも）、全方向での姿勢検出が可能である。

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４８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４８は前記第１傾斜センサ４７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１７では、高精度の前記第１傾斜センサ４７と高応答性の前記第２傾斜センサ４８を具備することで、該第２傾斜センサ４８の検出結果に基づき姿勢制御を行い、前記第１傾斜センサ４７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４７の検出結果で、前記第２傾斜センサ４８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４７が水平を検出した時の前記エンコーダ４９，５０の値、即ち実際の傾斜角と前記第２傾斜センサ４８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４８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４８の検出傾斜角と、前記第１傾斜センサ４７による水平検出と前記エンコーダ４９，５０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４８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４８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。

前記演算制御部１９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４８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１９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４７が追従可能な状態では、該第１傾斜センサ４７からの信号に基づき、前記モータを制御する。

尚、前記記憶部２０には、前記第１傾斜センサ４７の検出結果と前記第２傾斜センサ４８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２傾斜センサ４８からの信号に基づき、該第２傾斜センサ４８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４８による検出結果を前記第１傾斜センサ４７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１７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。

前記撮像部１４は、前記トータルステーション１の前記基準光軸Ｏと平行な撮像光軸４３を有し、前記光学プリズム３６ａ，３６ｂによる最大偏角（例えば±２０゜）より大きい画角、例えば５０°の画角を有するカメラであり、前記トータルステーション１のスキャン範囲を含む画像データを取得する。前記撮像光軸４３と前記射出光軸２６及び前記基準光軸Ｏとの関係は既知となっている。又、前記撮像部１４は、動画像、又は連続画像が取得可能である。

前記撮像制御部２１は、前記撮像部１４の撮像を制御する。前記撮像制御部２１は、前記撮像部１４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トータルステーション１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１９は画像と測定データとの関連付けも実行する。

前記撮像部１４の撮像素子４４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、前記撮像光軸４３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。

前記画像処理部２２は、前記撮像部１４で取得した画像データについて、エッジ抽出処理、特徴点の抽出、画像トラッキング処理、画像マッチング等の画像処理を行い、又画像データから濃淡画像を作成する。

前記表示部２５は、前記撮像部１４により取得した画像を表示し、測定状況、測定データ等を表示する。尚、該表示部２５はタッチパネルとされ、操作部としても機能する。

前記光軸偏向部３５の偏向作用、スキャン作用について、図４（Ａ）、図４（Ｂ）、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３６ａ，３６ｂについて、前記プリズム要素３７ａ，３７ｂと前記プリズム要素３８ａ，３８ｂとを分離して示している。又、図４（Ａ）は、前記プリズム要素３７ａ，３７ｂ、前記プリズム要素３８ａ，３８ｂ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、±２０゜）が得られる。又、最小の偏角は、前記光学プリズム３６ａ，３６ｂ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３６ａ，３６ｂの相互の光学作用が相殺され、偏角は０゜となる。従って、該光学プリズム３６ａ，３６ｂを経て射出、受光されるパルスレーザ光線の光軸（前記測距光軸４０）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２３が発せられ、該測距光２３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３５ａ（前記プリズム要素３７ａ，３７ｂ）を透過して前記測定対象物７に向けて射出される。ここで、前記測距光偏向部３５ａを透過することで、前記測距光２３は前記プリズム要素３７ａ，３７ｂによって所要の方向に偏向されて射出される（図４（Ａ））。

前記測定対象物７で反射された前記反射測距光２４は、前記反射測距光偏向部３５ｂを透過して入射され、前記結像レンズ３４により前記受光素子３３に集光される。

前記反射測距光２４が前記反射測距光偏向部３５ｂを透過することで、前記反射測距光２４の光軸は、前記受光光軸３１と合致する様に前記プリズム要素３８ａ，３８ｂによって偏向される（図４（Ａ））。

前記光学プリズム３６ａと前記光学プリズム３６ｂとの回転位置の組合わせにより、射出する測距光の偏向方向、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３６ａと前記光学プリズム３６ｂとの位置関係を固定した状態で（前記光学プリズム３６ａと前記光学プリズム３６ｂとで得られる偏角を固定した状態で）、前記モータ４２ａ，４２ｂにより、前記光学プリズム３６ａと前記光学プリズム３６ｂとを一体に回転すると、前記測距光偏向部３５ａを透過した測距光が描く軌跡は前記測距光軸４０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３５を回転させれば、前記測距光２３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３５ｂは、前記測距光偏向部３５ａと一体に回転していることは言う迄もない。

次に、図４（Ｂ）は前記光学プリズム３６ａと前記光学プリズム３６ｂ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３６ａ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３６ｂ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３６ａ，３６ｂによる光軸の偏向は、該光学プリズム３６ａ，３６ｂ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３６ａと前記光学プリズム３６ｂ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３６ａ，３６ｂを透過した測距光は、直線状にスキャンされる。従って、前記光学プリズム３６ａと前記光学プリズム３６ｂ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、測距光を合成偏向Ｃ方向に直線の軌跡５２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３６ａの回転速度に対して遅い回転速度で前記光学プリズム３６ｂを回転させれば、角度差θは漸次増大しつつ測距光が回転されるので、測距光のスキャン軌跡は、スパイラル状となる。

又、前記光学プリズム３６ａ、前記光学プリズム３６ｂの回転方向、回転速度を個々に制御することで、測距光のスキャン軌跡を前記基準光軸Ｏを中心とした照射方向（半径方向のスキャン）とし、或は水平、垂直方向とする等、種々のスキャンパターンが得られる。

更に又、水平方向のスキャンと鉛直方向のスキャンとを合成し、２次元のスキャンを可能とする。更に、中心を有する２次元のスキャンパターンとすることができ、この場合、スキャンパターンの中心を測定点と合致させる。

図５は、前記測定対象物７（プリズム７）と前記測距光軸４０との位置合せに使用できる２次元のスキャンパターン５３の一例を示している。

前記光学プリズム３６ａと前記光学プリズム３６ｂの回転方向、回転速度、回転比の組合わせで、スキャン往路とスキャン復路がスキャンパターンの中心（交点５４）で交差する前記スキャンパターン５３を形成することができる。例えば、無限大マーク（∞）形状にスキャンさせることもできる。

図６を参照して、前記トータルステーション１の測定作動について説明する。

前記三脚２を既知点、又は所定点に設置する。この時の前記トータルステーション１の水平（即ち、該トータルステーション１の鉛直）に対する傾斜、即ち前記基準光軸Ｏの水平角に対する傾斜角、傾斜方向は、前記姿勢検出部１７によって検出される。従って、傾斜角、傾斜方向を既知とすることができるので、前記トータルステーション１自体を整準して水平とする必要がない。従って、該トータルステーション１は、既知の位置に設置された後、直ちに測定作業を実行できる。

ＳＴＥＰ：０１ 前記測距光軸４０を前記測定対象物７の中心に合致させる為に、前記トータルステーション１を測定対象物に概略向ける。

この時、前記撮像部１４で取得した画像を前記表示部２５に表示させ、画像中で前記測定対象物７が画像中心となる様に、作業者が目視で前記トータルステーション１の方向を設定してもよい。或は、画像中に前記測定対象物７が表示されていた場合、前記表示部２５上で前記測定対象物７をタッチし、測定対象の方向を設定してもよい。更に、前記表示部２５上で前記測定対象物７をタッチすることで、タッチした位置がスキャンの中心に設定され、タッチした位置を中心にスキャンが開始される様にしてもよい。

ＳＴＥＰ：０２ 前記演算制御部１９は、前記モータ４２ａ，４２ｂの駆動を制御し、前記光学プリズム３６ａの回転、前記光学プリズム３６ｂの回転の協働により、設定された前記測定対象物７の方向を中心に、前記測距光２３を前記スキャンパターン５３でスキャンする。又、スキャン動作は、前記光学プリズム３６ａ，３６ｂを回転させるだけの動作であるので、該光学プリズム３６ａ，３６ｂを高速で回転させることができ、高速でのスキャンが可能である。

更に、前記演算制御部１９は、前記測距光２３を前記スキャンパターン５３でスキャンさせつつ、該スキャンパターン５３を移動させる。例えば、該スキャンパターン５３を上下方向に所定角度（例えば、±２゜）の範囲で移動させれば、該スキャンパターン５３が有する水平幅（例えば、水平角±１゜）で、前記測定対象物７を上下方向にサーチすることができる。以下、前記スキャンパターン５３の移動で得られるスキャン範囲を、サーチ範囲とする。尚、前記スキャンパターン５３自体の水平幅、上下高さ等は任意に選択できることは言う迄もない。

ここで、前記測距光２３によるサーチの中心、サーチ範囲が、前記基準光軸Ｏを基準として、最大偏角（例えば、±２０゜）範囲内に含まれるとすると、前記光学プリズム３６ａと前記光学プリズム３６ｂの回転の協働で前記スキャンパターン５３の上下方向の移動が可能であり、前記トータルステーション１自体は固定したままでよい。

ＳＴＥＰ：０３ サーチの過程で、スキャン軌跡上で前記測定対象物７からの前記反射測距光２４を検出すると（前記測定対象物７を検出すると）、受光した時点の前記測距光２３の射出方向の水平角、鉛直角を前記射出方向検出部１５から検出する。尚、サーチの過程で前記測定対象物７以外の物からの反射測距光も入射するが、該測定対象物７からの反射測距光は中心程強度の高い反射光となる。従って、前記演算制御部１９が受光強度を監視することで、より高精度に前記測定対象物７の中心を検出することができる。

尚、前記スキャンパターン５３を上下方向に移動させても、前記測定対象物７を検出できない場合は、サーチ範囲を広げる為に、前記スキャンパターン５３を水平方向に移動させ、更に該スキャンパターン５３を上下方向に移動させてもよい。

ＳＴＥＰ：０４ 該スキャンパターン５３の前記交点５４で前記反射測距光２４が受光される様、前記演算制御部１９が前記光学プリズム３６ａと前記光学プリズム３６ｂの回転を制御し、前記スキャンパターン５３を移動させる（該スキャンパターン５３の中心合せ）。

ＳＴＥＰ：０５ 前記交点５４の方向が前記測定対象物７の方向に略一致すると、前記スキャンパターン５３の一サイクルの往路５３ａと復路５３ｂでそれぞれ前記測定対象物７からの前記反射測距光２４を受光し、前記受光素子３３から往路、復路の受光信号が検出される。

前記往路５３ａ、復路５３ｂでの受光信号の、水平角、鉛直角をそれぞれ検出し、両受光信号の水平角、鉛直角が略一致する様に前記スキャンパターン５３を移動させる。

両受光信号の水平角、鉛直角が略一致した点が、前記スキャンパターン５３の前記交点５４が前記測定対象物７と合致した状態であり、前記測距光軸４０が前記測定対象物７の中心に合致した状態である。

ＳＴＥＰ：０６ 前記測距光２３により前記測定対象物７を正確に視準した状態となり、該測定対象物７の測距が実行される。又、この時の該測定対象物７の水平角、鉛直角は、前記両受光信号の水平角、鉛直角が略一致した時の水平角、鉛直角であり、測定点の水平角、鉛直角として測定される。尚、前記トータルステーション１の設置姿勢は、前記姿勢検出部１７により検出されており、前記トータルステーション１の設置姿勢が、水平でない場合は、前記姿勢検出部１７が検出する傾斜角、傾斜方向に基づき、測定された水平角、鉛直角、測距結果が補正される。而して、前記測定対象物７の中心の３次元座標が測定できる。

更に、前記演算制御部１９が、前記両受光信号の水平角、鉛直角が略一致した時の測距結果を取得する様、前記測距演算部１３を制御し、或は、前記演算制御部１９が、前記両受光信号の水平角、鉛直角が略一致した時と同期して測距を実行する様、前記測距演算部１３を制御することで、自動で前記測定対象物７の視準、測定が行える。

而して、望遠鏡等を用いることなく、正確に、且つ作業者が操作することなく、前記測定対象物７の視準が行え、該測定対象物７の、測距、水平角、鉛直角の測定が行える。

ＳＴＥＰ：０７ 測定が続行される場合、該測定対象物７が次の測定点に移動され、測定が行われる。

図７は、前記測距光軸４０が前記測定対象物７の中心に合致した状態を示し、図８は、前記測定対象物７が移動した場合を示している。図７、図８中、５５はビーム断面形状を示しており、図中ではビーム径を拡大した状態を示している。尚、ビーム５５の拡大については後述する。

移動量が小さい場合、或は移動速度が小さい場合は、前記スキャンパターン５３でスキャンを実行することで、直ちに移動後、或は移動中の前記測定対象物７を検出することができる。従って、移動後の測定点の測定を再設定することなく視準が実行できる。又、前記測定対象物７の移動中の追尾が可能となる。

該測定対象物７を移動した場合で、移動量が前記測距光２３の前記スキャンパターン５３の範囲を超え、該スキャンパターン５３によるスキャンで前記測定対象物７を検出できなかった場合、再び前記スキャンパターン５３の移動を伴う、サーチが実行される。

更に、移動後の前記測定対象物７の位置が、最大サーチ範囲（最大偏角が前記基準光軸Ｏに対して±２０゜）以内であれば、再び前記測定対象物７が検出され、前記スキャンパターン５３の中心合せ作用（視準作用）が行われる。

尚、移動後の前記測定対象物７の位置を画像上から指定すれば、前記スキャンパターン５３のスキャン中心を指定した点とすることができ、サーチ範囲が限定され、サーチ時間が短縮する。

前記測定対象物７が、最大サーチ範囲を超えて移動した場合は、サーチの方向を再設定する必要があり、前記測定対象物７が画像で捉えられる様、前記トータルステーション１の向きを変える。

更に、前記測定対象物７を最大サーチ範囲に捉えることで、ＳＴＥＰ：０１～ＳＴＥＰ：０６が実行される。

図９は、他の実施例を示している。

尚、図９中、図２中で示したものと同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。

他の実施例では、投光レンズ２８と第１反射鏡２９との間に、ビーム形状拡大光学部材５７が設けられる。又、該ビーム形状拡大光学部材５７は射出光軸２６に挿脱可能となっている。図９は、前記ビーム形状拡大光学部材５７が前記射出光軸２６に挿入された状態を示している。

前記ビーム形状拡大光学部材５７としては、拡大レンズ、シリンダレンズ、拡散板、アキシコンレンズ等が挙げられる。

例えば、前記ビーム形状拡大光学部材５７として拡大レンズが用いられた場合、測距光２３は拡大される（図７参照）。ビーム径が拡大されることで、１回のスキャンパターン５３での、測定対象物７の検出範囲が広がり、該測定対象物７を検出することが容易となる。

又、ビーム径を拡大して、前記測定対象物７を検出できたら、前記ビーム形状拡大光学部材５７を前記射出光軸２６から外し、細径の前記測距光２３により前記スキャンパターン５３でスキャンを行い、該スキャンパターン５３と前記測定対象物７との中心合せ（視準）を行う。

ビーム径を拡大することで、時間を要する前記測定対象物７のサーチ時間を短縮でき、測定の効率化が図れる。

次に、図１０は、ビーム径を拡大する場合の変形例を示している。該変形例では前記ビーム形状拡大光学部材５７をシリンダレンズとしている。該シリンダレンズは、前記測距光２３を鉛直方向にのみ拡大する光学特性を有する。該変形例では、スキャン方向に対して直交する方向に拡大され、ビーム光束断面５８はスリット状になっている。

シリンダレンズを前記射出光軸２６に挿入した状態で前記スキャンパターン５３でスキャンすると、光束が上下に拡大されているので、拡大された幅でスキャンされ、サーチ範囲が拡大する。更に、光束は上下にのみ拡大されているので、拡大したことによる輝度の低下は少なく、前記測定対象物７からの反射測距光の光量低下も少ない。従って、遠距離のサーチが可能となる。

該変形例に於いても、前記測定対象物７を検出した後は、前記ビーム形状拡大光学部材５７を除去し、前記スキャンパターン５３と前記測定対象物７との中心合せを行う。

尚、前記スキャンパターン５３を用いた中心合せ（芯合せ）工程と、サーチ工程とを分離してもよい。

即ち、前記測定対象物７を検出する工程は、前記撮像部１４により取得した画像から画像処理により前記測定対象物７を抽出し、前記測定対象物７の位置（即ち、水平角、鉛直角）を検出し、前記演算制御部１９は該検出結果に基づき検出された水平角、鉛直角を中心に前記スキャンパターン５３を実行し、前記測定対象物７の中心と測距光の照射点とを一致させてもよい。

この場合、画像上から前記測定対象物７を検出する工程が、サーチ工程と等価になる。

又、ビーム径を拡大し、拡大した状態で水平方向の往復スキャンに鉛直方向の送り（送り量は拡大幅）を加えた２次元スキャンで、最大サーチ範囲をスキャンし、前記測定対象物７を検出する様にしてもよい。この場合、スキャンのパターンは特に限定されず、螺旋状にスキャンする等、最大サーチ範囲がスキャンできればよい。

尚、スキャンパターンは、２次元に走査し、スキャン範囲で前記ポール８を照射できるものであればよい。更に、スキャンパターンは、スキャンパターン中（好ましくは、パターンの中心）に交点を有しているのが好ましい。更に、パターン形状は、上記実施例に限らず、８の字形状、１サイクル分のサインカーブ或は図１１に示す様な花びら形パターン６０（例えば内トロコイド曲線）等任意のパターンを選択できる。

又、上記実施例では、測定対象物をプリズムとしたが、プリズムと同様再帰反射特性を有し、高光強度の反射光を反射する反射シートを前記ポール８に巻付け、反射シートを測定対象物としてもよい。

更に又、前記ビーム形状拡大光学部材５７として、ズーム機構を用い、前記測距光２３の光束のビームサイズを変更可能としてもよい。

又、上記した表示部、操作部をトータルステーション１に対して着脱可能な操作ユニット、例えば、携帯可能なスマートフォンとし、操作ユニットにより遠隔操作可能としてもよい。

又、上記実施例では、前記トータルステーション１が前記姿勢検出部１７を具備し、整準作業を不要としたが、前記姿勢検出部１７に変えて、整準装置を介して前記トータルステーション１を前記三脚２に設置してもよい。

１ トータルステーション
７ プリズム
１１ 測距光射出部
１２ 受光部
１３ 測距演算部
１４ 撮像部
１５ 射出方向検出部
１７ 姿勢検出部
１８ 通信部
１９ 演算制御部
２３ 測距光
２４ 反射測距光
２７ 発光素子
３３ 受光素子
３５ 光軸偏向部
３６ａ，３６ｂ 光学プリズム
４２ａ，４２ｂ モータ
５３ スキャンパターン
５４ 交点
５７ ビーム形状拡大光学部材

Claims (6)

1. 測定対象物としてのプリズムと測量機とを有する測量システムであって、
   前記プリズムはポールの指定位置に設けられ、
   前記測量機は、
   測距光を発する発光素子と、前記測距光を射出する測距光射出部と、反射測距光を受光する受光部と、前記反射測距光を受光し、受光信号を発生する受光素子とを有し、該受光素子からの前記受光信号に基づき測定対象物の測距を行う測距部と、測距光軸上に設けられ、該測距光軸を偏向する光軸偏向部と、前記測距光軸の偏角を検出する射出方向検出部と、前記光軸偏向部の偏向作用及び前記測距部の測距作用を制御する演算制御部とを具備し、
   前記光軸偏向部は、該光軸偏向部の中心を透過する真直な光軸を基準光軸として有し、前記測距光軸上を中心として回転可能な一対の光学プリズムと、該光学プリズムを個々に独立して回転するモータとを具備し、
   前記演算制御部は、前記一対の光学プリズムの回転方向、回転速度、回転比の制御により前記光軸偏向部による偏向を制御し、前記測距光を２次元スキャンし、該２次元スキャン中に前記受光信号を検出した時点の測距を行うと共に該受光信号を検出した時点の前記射出方向検出部が検出した偏角に基づき前記測定対象物の前記基準光軸に対する水平角、鉛直角を測定し、前記測距部からの距離値及び前記水平角、鉛直角から、前記測定対象物の３次元座標を求める様構成され、
   前記２次元スキャンは、所定のスキャンパターンに基づくスキャンであり、該スキャンパターンは往路復路が交差する交点を有し、
   前記演算制御部は、前記スキャンパターンでスキャンを実行しつつ、該スキャンパターンを水平、鉛直の少なくとも一方に移動させ、前記測定対象物のサーチを行い、
   サーチで検出された前記測定対象物からの前記反射測距光の受光結果に基づき前記交点を測定対象物に向け、
   往路復路で発せられる２つの受光信号のそれぞれの水平角、鉛直角が略一致する時点の測距、水平角、鉛直角測定を行い、
   前記測距光射出部の射出光軸に、ビーム形状拡大光学部材が挿脱可能に設けられ、前記測定対象物の検出時にはビーム形状拡大光学部材が前記射出光軸に挿入され、スキャンする前記測距光の光束断面が拡大され、前記測定対象物の検出後はビーム形状拡大光学部材が前記射出光軸から外される様構成された測量システム。
2. 前記演算制御部は、更に前記測距部の受光強度により前記測定対象物の位置を求める様構成された請求項１に記載の測量システム。
3. 前記ビーム形状拡大光学部材はシリンダレンズであり、前記測距光の光束断面は一方向のみに拡大された請求項１に記載の測量システム。
4. 傾斜角、傾斜方向を検出可能な姿勢検出部を更に具備し、前記演算制御部は、前記姿勢検出部の検出結果に基づき測距、水平角、鉛直角を補正する請求項１～請求項３の内いずれか１つに記載の測量システム。
5. 撮像部、タッチパネルを兼ねる表示部を更に有し、前記撮像部で取得した画像が前記表示部に表示され、該表示部にタッチした点が前記測距光の２次元スキャンの中心に設定される請求項１～請求項４の内いずれか１つに記載の測量システム。
6. 撮像部を更に有し、前記演算制御部は前記撮像部が取得した画像中で前記測定対象物の位置を検出し、検出した位置を中心に前記測距光の２次元スキャンを行う請求項１～請求項４の内いずれか１つに記載の測量システム。

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