JPH10501890A - 反射性目標マークの位置を決定する光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、目標マークへの方向を高精度で測定できる光学装置に関する。このため、目標マークを投光器で照明し、目標マークで反射された光をセオドライト望遠鏡および位置解像検知器で受光する。これまで慣用の金属製球形目標マークの代わりに、到達距離の増大および測定制度の改善のため、２の平方根よりも大きく２よりも小さい屈折率ｎを有する透明材料からなる球を使用する。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の名称］反射性目標マークの位置を決定する光学装置 ［技術分野］ 本発明は、目標マーク（ないし視準マーク）を照明する投光器と、位置解像検 知装置上に目標マークを結像する結像系と、目標マーク像の位置座標を決定する 評価装置とを有し反射性目標マークの位置を決定するための光学装置に関する。 ［背景技術］ 目標マークとして中心にマーキングした透明な球は、米国特許第３１８８７３ ９号から公知である。マーキングは、球の半径線に沿って球中心まで穿孔するこ とによって行う。更に、穿孔ボアの照明によって、球中心のマーキングを強調で きる。別のマーキング方式の場合は、蛍光材料を球中心に溶融注入する。このよ うにマーキングした球を使用して、セオドライト（経緯儀）による三角測量法に よって公知の態様で、空間内の２点の間の距離を測定できる。 ドイツ特許公開第４０１３５７６号には、光学的照準器で測定点を定めるため の目標マークとして使用する乳白ガラス球が開示されている。透光性で散乱性の 球材料によって、大きい角度範囲から視準できるよう球表面に均一の明るさを達 成する。 米国特許第５２０７００３号には、ターゲットの三次元位置および角度位置を 測定するための少なくとも４つの従来のレトロレフレクタ（再帰反射器）と１つ の球面鏡とを有するターゲットが記載されている。この場合、ターゲットは、半 透明の散乱性ハーフミラーを介して光源により照明される。球面鏡および４つの レトロレフレクタから反射された光は、光学系を介して写真検知器に達する。こ の場合、球面鏡の曲率中心およびレトロレフレクタは、光点として結像される。 検知器上の上記光点の座標から、ターゲットおよびターゲットと結合された対象 の三次元位置および角度位置を計算で求める。上述の種類のその他の光学装置が 知られており、Ｗ．Ｈｕｅｐらの“工業的、測地的測定のためのセオドライトシ ステム”、“Ｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ Ｒｕｎｄｓｃｈａｆｔ”誌、Ｎｏ．３９， １９８８，ｐ１４−１８および“セオドライト−工業的測定のためのセンサ”、 ライカ社の“Ｏｐｔｉｃｕｓ”誌、Ｎｏ．１／９４，ｐ８−９に詳述されている 。 上記刊行物に記載のセオドライトシステムは、表面（例えば、航空機または車 体部品のライニング）の非接触測定に使用される。使用されるセオドライトシス テムは、結像系としてのセオドライト望遠鏡と、上記 望遠鏡と同軸に配置された目標マーク照明用投光器と、ＣＣＤアレイを含むビデ オカメラと、画像処理コンピュータおよび対応するソフトウエアを含むこともで きる電子的評価装置とを備えたコンパクトな構造を有する。更に、セオドライト システムには、距離測定装置を装備することもできる。 セオドライトシステムは、電子的円検知（測定）機構（Kreisabgriffe）と、 望遠鏡の水平・垂直変位のための電動（モータ）駆動装置とを装備しているので 、自動的な遠隔制御測定推移が可能である。水平角度および垂直角度は、所定の 座標系における目標マークの方向を示す。 客観的で正確な方向測定を達成するため、画像処理アルゴリズムを組込んだビ デオカメラを使用する。カメラのＣＣＤアレイ上に形成された目標マーク像を適 切なアルゴリズムによって評価し、目標マーク像の中心点を求める。次いで、Ｃ ＣＤアレイ上の上記中心点の座標をソフトウエアによって偏向角度（Ablagewink el）に変換し、この角度と電子的円読取値（Kreisablesungen）とから目標マー クの方向を求める。 方向測定によって、補足情報の際には、再度三次元の目標マーク座標を求める 。極座標法の場合、角度測定に加えて、距離測定を行う。他方、三角測量法の場 合は、位置が既知の第２セオドライトシステムを使用 し、純粋な角度測定にもとづき三角法で目標マークの位置を求める。 投光器の光源としては、近赤外において高い放射密度で放射を行う発光ダイオ ード（いわゆる、高放射ダイオード）を使用する。 対象測定のための目標マークとしては、当該のセオドライトの観察方向とは関 係なく同一の目標マーク像を提示するという所要の性質を有し表面反射を行う球 （例えば、研磨しクロムメツキした鋼球）を使用する。この表面反射球には、上 記目標マークを被測表面上の所定位置に再現性よく置くための調心固定要素が設 けてある。球を載せる棒状ホルダを使用することもできる。 使用する反射球は、通常、約１２ｍｍの径を有し、ほぼ球表面の焦面に、即ち 、球表面の頂点の後に球径のほぼ１／４だけ離れた箇所に、セオドライトの投光 器ひとみの見かけ上球内部にある虚像を形成する。この像は、セオドライトの望 遠鏡で観察するか、ビデオカメラで撮影してＣＣＤアレイに表示する。 球径が約１２ｍｍの場合、表面反射球の焦点距離は小さく約３ｍｍであるので 、球内のひとみ像は、約１．５ｍの距離において既に、回折に起因して小さく、 従って、ＣＣＤアレイの受光素子よりも小さい。それにも拘わらず、評価を行い 得るよう、セオドライト望 遠鏡は、目標マーク像がカメラの複数の画素に分配されるよう、デフォーカシン グ（焦点ぼけ）させなければならない。かくして得られた光点の中心点は、重心 決定または輪郭評価によって求めることができる。もちろん、光点内およびその ぼけた縁の異なる光の強度分布に起因して、球の正確な方向測定が制約される。 更に、球が僅かに汚れていると、光点内の光の強度分布が変化し、従って、測定 誤差が生ずる。 反射球面による結像のさらなる問題は、上記球から望遠鏡対物レンズへ逆行す る放射出力が、投光器の限界距離以遠では、距離の４乗で減少するという点にあ る。その結果として、この測定法は、約１０ｍの距離まで使用できるに過ぎない 。距離が増加すると、より大きい球を使用しても、受光信号は、方向測定のため に、従って、最終的に三次元位置測定のために不十分である。 ［発明の開示］ 本発明の課題は、上記先行技術から出発して、位置に敏感な検知器上の目標マ ーク像の位置を測定するための光学装置および方法であって、上記位置測定およ び目標マークに対する測定が、より大きい距離に亘って可能であり、より高い精 度で実施でき、汚れに対して不感であり、固定要素によって制限される目標マー クの結像状態に不感である形式のものを提供すること にある。 この課題は、冒頭に述べた種類の装置において、本発明にもとづき、√２〜２ の屈折率ｎを有し投光器の照明に関して透明な球を目標マークとして設け、目標 マーク像が、円環面の少なくとも一部をなし、像評価によって求めた上記円環面 の中心点が目標マーク位置を表わすことによって、解決される。特別な方法の本 質は、結像系をデフォーカシングさせ、かくして生ずる多重円環面を検知装置に よって撮像ないし受光（Aufnehmen）し、目標マーク中心点の決定のために数学 的手段で評価することにある。 本発明の有利な展開形態および改良は従属請求項２〜１５の特徴から明らかと なる。 本発明の利点は、１つには、投光器の照明光に対して透明で、上記光について √２よりも大きく２よりも小さい屈折率を有する球形の目標マークを使用するこ とによって検知装置の位置の放射出力がドラスティックに増大されるという点に ある。この種の球は、入射光の大部分が、屈折によって球材料内に入射し、球の 通過後、特定の割合の光が、球背面、即ち、球材料と外部媒体（即ち、空気）と の界面において反射されるという光学的性質を有する。この反射光の大部分は、 球を更に通過した後、屈折して球から出る。 球に平行に入射する光束を考察する。上記光束の各 光は、上記の態様で球を通過し、球への入射箇所に応じて、異なる射出角度で且 つ異なる射出箇所において球から出る。さて、本発明は、光は、射出箇所の範囲 内で、即ち、特定の球ゾーン内で、結像系に受光されるような射出角度で球から 出るという知見を利用する。結像系として、例えば、セオドライトの望遠鏡対物 レンズを設ける。この場合、このような球ゾーンから望遠鏡対物レンズへ逆反射 される放射出力は、距離の３乗でのみ低下するに過ぎない。 屈折率ｎ＝√２の球は、限界例をなす。球表面に接線方向へぶつかり屈折して 球内に入射する周縁光は、球背面において部分的に反射され、球の対向側から入 射光に対して平行に接線方向へ出る。上記光もセオドライト軸線および球中心の 近傍を通る軸線近傍の光も、セオドライトの結像系によって受光される。別のす べての入射光は、発散状態で反射され、望遠鏡対物レンズには達しえない。 屈折率が√２よりも僅かに大きい場合には既に、望遠鏡対物レンズへ光を送る 対応する球ゾーンが存在し、かくして、検知される信号は、なお、距離の３乗で 低下するに過ぎない。球ゾーンの幅および径は、球の屈折率に応じて異なる。上 記球ゾーンの径は、ｎ＝√２の場合、球径と同一であり、屈折率の増加とともに 減少して、屈折率がｎ＝２の他方の限界例においてゼ ロとなる。上記屈折率範囲外には、上記球ゾーンは存在しない。 このような透明の球を使用した場合に受光能が極めて効果的に増大される態様 を下記の実施例に示した。この場合、望遠鏡開口径が４２ｍｍのセオドライトを 使用した。 １０ｍの距離において、屈折率ｎ＝１．８３および径２ｍｍの市販のガラス球 を使用して、径１０ｍｍのクロムメッキ鋼球を使用する場合よりも５０倍だけ高 い放射出力が受光される。 クロムメッキ鋼球の約６０％に比して、透明な球の通過後の反射係数は約８％ であるに過ぎないにも拘わらず、２０ｍの距離において、改善倍率は、既に１０ ０である。 さて、反射光束の強度がこのような倍率で増大されることにもとづき、セオド ライトから対応してより遠い距離においての対象測定が可能である。 本発明の第２の利点は、セオドライト望遠鏡に受光される光を出射する球ゾー ンが環（リング）形状を有するという点にある。この環状出射ゾーンは、球中心 および投光器照明の射出ひとみの中心の軸線に同軸であり、セオドライト望遠鏡 のフォーカシング（合焦）によって像面にシャープに描かれる、即ち、検知装置 の箇所に結像される。かくて、ビデオカメラを使用し た場合、目標マーク像は、鋼球の目標マーク像とは異なり、望遠鏡フォーカシン グ時においても、ＣＣＤアレイの多数の画素を照明する。更に、環状の光分布に よって、有利なことには、円適合（Kreisfit）アルゴリズム（円をリング状構造 に適合させる数学的手段、即ち両者の中心も定める）を使用でき、これにより目 標マークの球中心を、かくて距離測定と組合せて３次元空間における位置を高精 度で定めることができる。このような評価の精度は、従来の方法に関して既に冒 頭で説明した如き重心測定または輪郭評価による不鮮明な光点の中心の測定より も遙かに高い。 照明光をセオドライト内において光軸上の小さいミラーを介して投射した場合 、セオドライト望遠鏡がデフォーカシング状態にあれば、受光対物レンズがその 中心範囲において小さいミラーによって遮蔽されることによって、２つの同軸の 環状放射範囲が誘起される。これらの環状ゾーンも、目標マーク中心点を求める ために数学的手段によって評価でき、この場合、平均値形成によって中心点測定 の精度がさらに向上される。 環状光分布およびかくして可能な円適合アルゴリズムの使用によって、更に大 きい利点が得られる。多くの実験において、球表面が汚れていてもまたは球ホル ダにより輪郭が一部マスクされても、目標マークの球 中心の位置を不変の高精度で求めることができるということが判った。この効果 は、円環面の多分に余剰な情報から得られ、従って、円環の局部的中断または不 整を見つけることができまたは評価から排除することができる。これに対し、デ フォーカシング状態での反射を行う金属球を使用した場合は、常に、汚れた表面 にもとづき、除去できない測定エラーが現れるという危険性がある。 一般に、表面を研磨した球を使用する。なぜならば、さもないと、粗い表面に 生ずる散乱光が、有効な光の強度を低下するからである。更に、反射増大被覆層 によって、球で反射される光の強度を増大できる。被覆は、全球表面にわたって 行うことができる。なぜならば、屈折率の異なる媒体への移行時の光の反射成分 は、パーセントの範囲にあるに過ぎないからである。従って、球からセオドライ ト望遠鏡へ反射される光の強度は、主として、球の“背面”における反射によっ て決定される。 上記範囲において、小面積の鏡化（鍍銀）によって反射を著しく増大できる。 上記利点が得られる反面、もちろん、球は、部分的鍍銀によって優先方向を有す ることとなり、従って、配向せずに簡単にホルダに設置することは不可能になる という問題を伴う。目標マークとしての球の方向測定のために２つ以上のセオド ライトを使用する三角測量法の場合は特に、セオドライトのための有効角度範囲 が、鏡化（鍍銀）面の寸法によって制限される。鏡化（鍍銀）のない場合は、球 は、全ての側（方向）から測定できる。 球内の異なる材料によって、球で反射される光の強度を増大することもできる 。段階的または連続的に異なる屈折率を有する材料を使用した場合、光は、球内 を、もはや真っすぐには伝播せず、湾曲した経路に沿って伝播する。かくして、 光の射出角度が影響され、従って、屈折率の経過（分布）が適切であれば、光の 大半をセオドライトで受光できる。 図面を参照して、以下に、本発明の２つの実施例を詳細に説明する。 図面の簡単な説明 図１は、目標マーク照明系を外部に設けた発明対象の略図であり、 図２は、目標マーク照明系をセオドライトに組込んだ発明対象の略図であり、 図３は、透明な球を介する光の伝播を示す略図であり、 図４は、ビデオセオドライトの同軸の投光器によって照明される透明球のカメ ラ映像である。 図１に、ハーフミラー２０を介して光軸１５と同軸に球形の目標マーク２を照 明する投光器１と、目標マ ーク２の受けとしてロッド状ホルダ４と、フォーカシング装置６を有する結像系 ５と、位置解像を行う検知装置７と、評価装置９と、画像処理コンピュータ１０ と、距離測定装置１１とを有する光学装置を模式的に示す。図１に示した寸法比 は、実尺度とは異なる。 光路は、相互に平行な２つの選択した光Ｂ，Ｃについて模式的に示してある。 この場合、球２に入射して球背面で反射されて結像系５に受光されるよう球２か ら出る、本発明に重要な光経路のみを示した。球２の材料は、投光器１の照明光 に関して透明であり、屈折率の数値は、√２〜２の範囲にある。上記条件下で、 双方の光Ｂ，Ｃは、結像装置５のアパーチャに受光され上記結像系によって位置 に敏感な検知装置７上に結像させ得る光束を形成する。検知装置７上の円環面８ は、例として示した光束Ｂ−Ｃについて光軸１５に関して回転対称であるすべて の光束の総計によって生ずる。 部分的鏡化（鍍銀）３によって、球形目標マーク２の後部における反射を増大 できる。この場合、目標マーク２は、もちろん、ホルダ４上に任意の角度ではも はや設置できず、図１に示した如く、鍍銀面３に配向させなければならない。 ハーフミラー２０の機能を以下に説明する。一般に、ハーフミラーは、入射光 の特定部分を反射し、残余 の部分を透過するという性質を有する。図１には、投光器１から来てハーフミラ ー２０で反射される光および目標マーク２から来てハーフミラー２０を透過する 光のみを示した。上記光に対して補完の光成分（図示してない）は、消失し、目 標マークの結像には寄与しない。即ち、ハーフミラー２０を介する照明光の投射 は、常に、ある程度の光ロスを意味する。しかしながら、かくして、他方では、 照明系を組込んでないセオドライトに対し、後から照明系を簡単に装備できる。 本発明にもとづき、目標マークの反射された球ゾーンの結像を実施し、利用する には、セオドライト望遠鏡の対物レンズの前にハーフミラー２０を設置し、目標 マークを投光器１で同軸に照明すればよい。 図２に、図１と同様であるが、目標マーク照明系を結像系５に組込んだ光学装 置を示す。投光器３０は、結像系５の光軸１５上に配置されたミラー３１を介し て目標マーク２を照明する。照明は、同じく、光軸１５に同軸に行われる。ミラ ー３１は、結像光路の小さい中心範囲を遮蔽し、かくして、結像のための光の若 干が、喪失される。この装置は、冒頭に述べたセオドライトシステムに対応する 。 この場合、目標マーク２は、鏡化（鍍銀）部分を有していないので、全ての側 （方向）から制限なく照明でき、反射光は、常に、位置に敏感な検知器７上に円 環面８を与える。セオドライトの照明方向とは無関係な上記目標マーク像の提示 は、複数のセオドライトから目標マーク２に対する角度を測定する三角測量法へ の適用に特に好適である。 図３に、√２〜２の屈折率を有する透明な目標マーク２の球中心点を含む平面 に沿う若干の光経路の略断面図を示した。判り易いよう、光軸１５の上方に平行 に入射する光Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのみを記入してある。光軸１５までの距離に応じて 、光は、球の透過後、最終的に球から異なる角度で出る。この場合、光Ａ，Ｄは 、光学式結像装置５（図２）の際を（外れて）通過するような射出角度で反射さ れる。光Ｂ，Ｃによって限定された斜線で示した範囲内にある光のみが、結像装 置５を介して、位置解像を行う検知器７に達する。 反射された光と光軸１５との間の角度が、射出角度と理解される。例えば、光 Ｄについて、その射出角度δを記入する。 光軸１５のまわりに回転すれば、立体的な３次元光経路が生ずる。かくして、 球表面上には、検知器７に円環面８として受光される環状光ゾーンＺが生ずる。 図４は、冒頭に述べたセオドライトシステムによって撮影した透明な反射球の カメラ映像である。同図には、球の環状出射ゾーンＺが示してある。上記ゾーン は、目標マークの中心点を求めるための数学的評価に 利用される。中心には、軸線近傍の光の反射も認められる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年５月２０日 【補正内容】 補正書 Ｉ．請求の範囲の補正（別紙の通り） II．原テキスト第６頁第１５行（明細書翻訳文第９頁第１２行「照明光を」の前 に次文を挿入する。「本発明に係る目標マークは、セオドライト望遠鏡のフォー カシング状態においても、望遠鏡のデフォーカシング状態においても、極めて良 好に評価できる目標マーク像を与える。」 請求項１６の差替 １６．目標マーク（２）を照明する投光器（１；３０）と、位置解像検知装置（ ７）上に目標マーク（２）結像する結像系（５）と、目標マーク像（８）の位置 座標を決定する評価装置（９）とを使用して反射性目標マーク（２）の位置を決 定する方法において、 目標マークとして、√２〜２の屈折率ｎを有し投光器の照明に関して透明な球 を使用し、光学式結像系（５）をデフォーカシングし、かくして現れる多重円環 面を検知装置（７）で撮像ないし受光し、目標中心点を決定するため数学的手段 によって評価することを特徴とする方法。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．目標マーク（２）を照明する投光器（１；３０）と、位置解像検知装置（７ ）上に目標マーク（２）を結像する結像系（５）と、目標マーク像（８）の位置 座標を決定する評価装置（９）とを有し、反射性目標マーク（２）の位置を決定 するための光学装置において、 目標マークとして、√２〜２の屈折率ｎを有し投光器の照明に関して透明な球 が設けてあり、検知装置（７）上の目標マーク像（８）が、円環面の少なくとも 一部をなし、像評価によって求めた上記円環面の中心点が、目標マーク（２）の 位置を表わすことを特徴とする位置決定用光学装置。 ２．球（２）を全ての側（方向）から視準するため、ロッド状ホルダ（４）が球 受けとして設けてあることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。 ３．球（２）が、１．８３の屈折率ｎを有するガラスからなることを特徴とする 請求項１または２に記載の光学装置。 ４．球（２）が、表面研磨されていることを特徴とする請求項１〜３の１つに記 載の光学装置。 ５．球（２）が、反射を増大する被覆層を有することを特徴とする請求項１〜４ の１つに記載の光学装置。 ６．球（２）が、屈折率の異なる材料を有することを 特徴とする請求項１，２，４または５に記載の光学装置。 ７．球（２）が、部分的に鏡化（鍍銀）されていることを特徴とする請求項１〜 ６の１つに記載の光学装置。 ８．目標マーク（２）への照明光路が、結像系（５）の光軸（１５）に関して軸 線対称に延びることを特徴とする請求項１〜７の１つに記載の光学装置。 ９．結像系（５）が、フォーカシング装置（６）を有することを特徴とする請求 項１〜８の１つに記載の光学装置。 １０．結像系（５）が、セオドライトの望遠鏡であることを特徴とする請求項１ 〜９の１つに記載の光学装置。 １１．検知装置（７）が、ＣＣＤアレイまたはビデオカメラであることを特徴と する請求項１〜１０の１つに記載の光学装置。 １２．評価装置（９）が、画像処理コンピュータ（１０）を含むことを特徴とす る請求項１〜１１の１つに記載の光学装置。 １３．投光器（１；３０）と結像系（５）と検知装置（７）と評価装置（９）と が、コンパクトな構造の装置として構成されていることを特徴とする請求項１〜 １２の１つに記載の光学装置。 １４．距離測定装置が、補足して設けてあることを特徴とする請求項１〜１３の １つに記載の光学装置。 １５．環中心点を求める画像評価のために、目標マーク像（８）に環を最善には め合わせるための円適合アルゴリズムが定めてあることを特徴とする請求項１〜 １４の１つに記載の光学装置。 １６．目標マーク（２）を照明する投光器（１；３０）と、位置解像検知装置（ ７）上に目標マーク（２）を結像する結像系（５）と、目標マーク像（８）の位 置座標を決定する評価装置（９）とを使用して反射性目標マーク（２）の位置を 決定する方法において、 光学式結像系（５）をデフォーカシングし、かくして現れる多重円環面を検知 装置（７）で撮像ないし受光し、目標マーク中心点を決定するため数学的手段に よって評価することを特徴とする方法。