WO2023223994A1 - 測定装置、測定システム及び測定方法 - Google Patents

測定装置、測定システム及び測定方法 Download PDF

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WO2023223994A1
WO2023223994A1 PCT/JP2023/018058 JP2023018058W WO2023223994A1 WO 2023223994 A1 WO2023223994 A1 WO 2023223994A1 JP 2023018058 W JP2023018058 W JP 2023018058W WO 2023223994 A1 WO2023223994 A1 WO 2023223994A1
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WO
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light
section
measuring device
optical axis
reflective element
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Application number
PCT/JP2023/018058
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English (en)
French (fr)
Inventor
陽 河野
Original Assignee
株式会社トプコン
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C15/00—Surveying instruments or accessories not provided for in groups G01C1/00 - G01C13/00
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements

Definitions

  • the present disclosure relates to a measuring device, a measuring system, and a measuring method that can be applied to measuring the spatial position of an object.
  • measurement devices have been proposed that emit a beam of light into the surrounding environment and receive the reflected light to detect the position of an object within a detection area.
  • a transmission system that transmits an emitted light signal and a reception system that receives a reflected light signal are rotated by a rotating component, and detects an object in the entire upper hemisphere. It is possible.
  • the transmitting system also includes an optical transmitter array, and the receiving system includes an optical receiver array.
  • the measuring device disclosed in Patent Document 1 rotates rotating parts in order to move the scanning direction of the beam light in the horizontal direction. Further, this measuring device uses an optical transmitter array to change the scanning direction of the beam light to the vertical direction. Therefore, the configuration for driving the measuring device becomes complicated and large.
  • An object of the present disclosure is to provide a measuring device, a measuring system, and a measuring method that can measure the spatial position of objects located over a wide range with a simple configuration.
  • a measuring device includes: a detection section including a light source and a light receiving section; a reflection element that reflects light emitted from the light source around an optical axis of the detection section; a deflection section that is arranged around an optical axis and deflects the light reflected by the reflection element toward the irradiated object by reflection; and a deflection section that receives the light reflected from the irradiation object through the deflection section and the reflection element. and a control section that detects the spatial position of the irradiated object based on the round trip time and emission direction of the light.
  • a measurement system includes: a detection section including a light source and a light receiving section; a reflection element that reflects light emitted from the light source around an optical axis of the detection section; a deflection section that is arranged in an annular shape around an optical axis and deflects the light reflected by the reflection element toward the irradiated object by reflection; and a deflection section that deflects the light reflected from the irradiation object through the deflection section and the reflection element. and a control unit configured to detect the spatial position of the irradiated object from the round trip time and emission direction of the light by causing the light receiving unit to receive the light.
  • a measurement method includes a detection section including a light source and a light receiving section, a reflection element, a deflection section arranged annularly around the optical axis of the detection section, and a control section.
  • a measurement method in a measurement system comprising: the reflection element reflects light emitted from the light source around the optical axis; and the deflection section directs the light reflected by the reflection element to a side of an irradiated object.
  • the control section causes the light reflected from the irradiated object to be received by the light receiving section via the deflection section and the reflective element, and the control section causes the light reflected from the irradiated object to be received by the light receiving section to determine the irradiated object based on the round trip time and the emission direction of the light. Detecting the spatial position of the body.
  • the spatial position of an object located over a wide range can be detected with a simple configuration.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of a measurement system according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a control block diagram of a surveying device and a measuring device according to a first embodiment
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a measuring device of Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a longitudinal aberration diagram of the free-form surface of Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a scanning range by the measuring device of Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 2 is a configuration diagram of a measuring device according to a second embodiment.
  • FIG. 6 is a longitudinal aberration diagram of a free-form surface in Embodiment 2.
  • 7 is a diagram illustrating an example of a scanning range by the measuring device of Embodiment 2.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of a measuring device according to a third embodiment.
  • FIG. 7 is a longitudinal aberration diagram of a free-form surface in Embodiment 3. 7 is a diagram illustrating an example of a scanning range by the measuring device of Embodiment 3.
  • FIG. 4 is a configuration diagram of a measuring device according to a fourth embodiment.
  • FIG. 7 is a configuration diagram of a projection system using the measurement system of Embodiment 5.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of a projected image when the directivity imparting section of Embodiment 5 is a light source.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of a projected image when the directivity imparting section of Embodiment 5 is a light source.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of a projected image when the directivity imparting section of Embodiment 5 is a light source.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of a projected image when the directivity imparting section of Embodiment 5
  • FIG. 12 is a diagram showing an example in which a projection image is projected onto a wall surface when the directivity imparting unit of Embodiment 5 is a light source.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of a projected image when the directivity imparting unit of Embodiment 5 is a measurement control unit.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of a system 1 according to the first embodiment.
  • the system 1 is a measurement system that includes a measurement device 100A (100), a surveying device 200, and a target 300 that is a known point set as a reference coordinate.
  • a measurement device 100A 100
  • a surveying device 200 200
  • a target 300 that is a known point set as a reference coordinate.
  • each device and its arrangement relationship are shown schematically for convenience of explanation, and may differ from the actual scale.
  • FIG. 1 shows an example in which a structure 4, which is a building under construction, is measured outdoors.
  • the system 1 measures the coordinates of a target 300 using a surveying device 200.
  • the measurement device 100A measures the structure 4 and the land around it in a group of points, and converts the coordinates of each point into absolute coordinates using the coordinates of the target 300 as reference coordinates.
  • the structure 4 in FIG. 1 includes a building floor 41 and columns 42 . Since the measuring device 100A is easy to move and install, even if it is installed indoors in a building, the measuring device 100A can be easily moved and installed. Alternatively, each point in the interior can be determined in absolute coordinates based on the reference coordinates by performing point group measurement of installed objects such as electrical equipment or air conditioning equipment in the structure 4.
  • the surveying device 200 is, for example, a total station, is supported by legs such as a tripod, and has a function of measuring the angle and distance to the target 300 to perform surveying. Although details are not shown, the surveying device 200 includes a leveling section that is removably attached to the leg section and performs leveling, and a main body section that is leveled by the leveling section and is rotatable around a vertical axis. and a telescope section that is rotatably provided on the main body section around a horizontal axis. Therefore, the telescope section is provided so as to be rotatable around the horizontal and vertical axes with respect to the leveling section. Leveling may be performed manually by a worker (or operator) by adjusting a leveling section, or may be performed automatically.
  • the surveying device 200 also includes a computer (not shown) for controlling the surveying device 2.
  • FIG. 2 is a control block diagram of the measuring device 100A and the surveying device 200.
  • the surveying device 200 includes a surveying section 201, a surveying storage section 202, a surveying communication section 203, a surveying control section 204, and a display section 205.
  • the surveying device 200 measures the distance from the instrument station of the surveying device 200 to the object to be measured (in this embodiment, the target 300) and the angle with respect to the reference direction to determine the spatial coordinates of the object to be measured.
  • the surveying section 201 includes a distance measuring section 201a and an angle measuring section 201b.
  • the distance measuring section 201a includes a light transmitting section that emits distance measuring light, and a light receiving section that receives reflected light that is irradiated with the distance measuring light from the light transmitting section and reflected by the target 300.
  • the distance measuring unit 201a measures the distance (oblique distance) from the surveying device 200 to the target 300 by emitting distance measuring light, which is, for example, a pulsed laser beam, and receiving reflected light reflected by the target 300.
  • distance measuring light which is, for example, a pulsed laser beam
  • the distance measuring method is not limited to such a pulse method, and it is also possible to apply a well-known method such as a so-called phase difference method that measures distance based on the number of waves of a laser beam, for example.
  • the angle measurement unit 201b includes a horizontal angle detection unit (horizontal encoder) that detects the rotation angle in the horizontal direction (i.e., rotation angle around the vertical axis) of the main body of the surveying device 200, and a rotation angle in the vertical direction of the telescope unit. (that is, the rotation angle around the horizontal axis).
  • the telescope section includes a telescope including an optical system capable of collimating the target 300. Further, the target 300 reflects the light emitted from the surveying device 200.
  • the distance measuring unit 201a receives the light reflected by the target 300 and guided along the collimation axis of the telescope.
  • the surveying storage unit 202 stores various programs such as surveying programs, design information 202a, surveying information 202b (survey results with corresponding survey points and coordinates, etc.), GPS time, and the size of the surveying device 200 (height, width, depth, etc.). etc.), and is configured to be able to store various types of data.
  • the survey communication unit 203 is configured to be able to communicate with external devices such as the measuring device 100A, and is, for example, a wireless communication means such as Bluetooth (registered trademark). Note that the survey communication section 203 may function as a wired communication means via a connection terminal.
  • a wireless communication means such as Bluetooth (registered trademark).
  • the surveying control unit 204 has a function of controlling the main body of the surveying device 200 so as to be rotatable in the horizontal direction around a vertical axis, and a function of controlling the telescope portion of the surveying device 200 so as to be rotatable in the vertical direction around the horizontal axis.
  • the survey control unit 204 acquires various information such as angles (horizontal angle and vertical angle) detected by a horizontal angle detection unit and a vertical angle detection unit (not shown), a distance (oblique distance) measured by the distance measurement unit 201a, It performs storage, calculation, etc., and displays the obtained results and calculation results on the display unit 205, for example.
  • the surveying control unit 204 performs drive control of each unit, etc. in accordance with operations on the operating unit or in accordance with calculation results.
  • the display unit 205 is provided, for example, at the rear of the main body of the surveying device 200. Additionally, the surveying device 200 has an operation section (not shown).
  • the operation unit is an operation means that can input various operation instructions and settings.
  • the operation instructions can include, for example, switching the power on or off, triggering to start surveying, switching the surveying mode, setting the surveying cycle, and the like.
  • the operation section may include any operation device or input device such as a switch, button, or dial.
  • the display section 205 is a touch panel, the display section 205 and the operation section may be formed integrally.
  • the target 300 shown in FIG. 1 is, for example, a corner cube prism that is removably attached to the pillar 42 of the structure 4.
  • the target 300 has retroreflection characteristics and reflects the light irradiated from the surveying device 200 in the direction of the surveying device 200 in the direction opposite to the direction of incidence.
  • the target 300 reflects the light emitted from the measuring device 100A in the direction of the measuring device 100A, which is opposite to the direction of incidence.
  • the target 300 may use other retroreflective members.
  • the target 300 may reflect light emitted from the surveying device 200 or the measuring device 100A and cause the surveying device 200 or the measuring device 100A to detect the reflected light.
  • Other reflective members for example, a reflective sheet or a target plate
  • the target 300 may be a part of the structure 4 (for example, the floor 41 or the pillar 42) instead of a member such as a prism.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of the measuring device 100A. Note that the measuring device 100A in FIG. 3 is schematically shown in a vertical cross section cut along the upper and lower central axes, and a part of the measuring device 100A is shown as an end surface.
  • the measuring device 100A includes a short cylindrical main body 12 and a cover member 13 connected to the main body 12.
  • the cover member 13 has translucency and is formed in a hemispherical shape.
  • the main body section 12 includes a detection section 14, a reflection mirror 15A (15) having a free-form surface 151A (151) serving as a deflection section, and a measurement control section 104 (control section).
  • the detection unit 14 includes a light source 141 (light transmitting unit) and a light receiving unit 142 inside.
  • the detection unit 14 has a function of emitting light from the light source 141 to the outside and receiving light reflected from the irradiated object.
  • the cover member 13 has a reflective element 16 supported via a base 161 on the optical axis A of the light emitted from the detection unit 14.
  • the reflective element 16 is arranged on the optical axis A of the detection section 14.
  • the measurement control unit 104 controls the reflective surface of the reflective element 16 so that the inclination angle with respect to the optical axis A can be changed (or tilted) in two axial directions. In other words, the measurement control unit 104 tilts the reflective surface of the reflective element 16 around a first axis perpendicular to the optical axis A, and tilts the reflective surface of the reflective element 16 around a second axis perpendicular to the optical axis A and the first axis. Tilt control around the axis.
  • the reflective element 16 is configured to be tiltable in the two axial directions using, for example, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), or a motor and MEMS or a galvano scanner.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • the reflective element 16 is rotated by the motor around the optical axis A to scan a first surface parallel to a plane (for example, a horizontal plane) perpendicular to the optical axis A.
  • the second surface includes the optical axis A and is perpendicular to the first surface by rotating around an axis perpendicular to the first surface by a MEMS or galvano scanner.
  • the reflective element 16 can reflect the light emitted from the light source 141 and guided through the opening 152 around the optical axis A of the detection section 14 .
  • the free-form surface 151A is axially symmetrical with respect to the optical axis A and has a convex curved shape when viewed in cross section as shown in FIG.
  • the free-form surface 151A has, for example, a spherical shape, an ellipsoidal shape, or another convex curved shape.
  • the free-form surface 151A has an opening 152 extending vertically through the optical axis A, and is arranged annularly around the optical axis A.
  • the reflective mirror 15A has a free-form surface 151A between the detection section 14 and the reflective element 16.
  • the free-form surface 151A of the reflecting mirror 15A reflects the light reflected by the reflecting element 16 toward the irradiated object (for example, the structure 4 shown in FIG. 1 or objects around the structure 4).
  • the measuring device 100A since the free-form surface 151A is formed in a convex curved shape toward the reflective element 16 side, the measuring device 100A directs the light emitted from the light source 141 to the reflective element 16, the free-form surface 151A, and the cover member 13. The light is emitted to the outside to a substantially hemispherical radial region below the measuring device 100A.
  • the measurement device 100A includes a measurement section 101, a measurement storage section 102, a measurement communication section 103, a measurement control section 104, a detection section 14, and a reflection element 16.
  • the measuring device 100A measures the distance from the instrument station of the measuring device 100A to the irradiated object (for example, the target 300 or the structure 4, etc.) and the angle with respect to the reference direction to determine the spatial coordinates of the irradiated object.
  • the measuring section 101 includes a distance measuring section 101a and an angle measuring section 101b.
  • the distance measuring section 101a receives distance measuring light, which is a pulsed laser beam emitted by the light source 141, from the object to be irradiated, for example, by reflecting the reflected light from the object to be irradiated and receiving the reflected light by the light receiving section 142. Measure the distance to (slope distance).
  • the distance measuring method is not limited to such a pulse method, and it is also possible to apply a well-known method such as a so-called phase difference method that measures distance based on the number of waves of a laser beam, for example.
  • the angle measurement unit 101b detects the emission angle of the light emitted to the outside from the measurement device 100A (for example, the vertical angle ⁇ , which will be described later) with respect to the optical axis A, from the inclination angle of the reflection element 16.
  • the measuring device 100A guides the reflected light reflected by the irradiated object along the optical path of the emitted light in a direction opposite to that at the time of emission, and makes the light enter the light receiving section 142.
  • the angle measuring section 101b determines the emission angle of the light emitted from the measuring device 100A corresponding to the inclination angle of the reflective element 16 when the light receiving section 142 receives the light.
  • the measurement storage unit 102 stores various programs such as measurement programs, measurement information 102a (measurement results that correspond to measurement points and coordinates, etc.), GPS time, the size of the measurement device 100A (height, width, depth, etc.), etc. It is configured to be able to store various data.
  • the measurement communication unit 103 is configured to be able to communicate with external equipment such as the surveying device 200, and is, for example, a wireless communication means such as Bluetooth (registered trademark). Note that the measurement communication section 103 may function as a wired communication means via a connection terminal.
  • the measurement control unit 104 has a function of tilting the reflective element 16 of the measuring device 100A in two axial directions with respect to the optical axis A, and a function of determining the spatial coordinates of the irradiated object.
  • the measurement control unit 104 acquires, stores, and calculates various information such as the angle (horizontal angle and vertical angle) detected by the angle measurement unit 101b and the distance (oblique distance) measured by the distance measurement unit 101a. For example, the obtained results and calculation results are displayed on the measurement storage unit 102.
  • the measurement control unit 104 receives an operation instruction from a terminal (not shown) via the measurement communication unit 103, and controls drive control of each part of the measurement device 100A in response to the operation instruction or in accordance with the calculation result. conduct.
  • FIG. 4 is a longitudinal aberration diagram of the free-form surface 151A.
  • the vertical axis indicates the pupil diameter, which is the radial direction of the pupil.
  • the origin of the vertical axis corresponds to the optical axis A of the free-form surface 151A in FIG. 3, and the positive and negative directions of the vertical axis are from the optical axis A of the free-form surface 151A to the right and left directions in FIG. Corresponds to each.
  • the horizontal axis indicates the image plane axis (optical axis that is the principal ray axis).
  • the origin of the horizontal axis corresponds to a reference plane perpendicular to the optical axis A (for example, a plane including the intersection of the free-form surface 151A and the optical axis A, or a plane at a position between the free-form surface 151A and the reflective element 16).
  • the positive direction of the horizontal axis corresponds to the direction of the optical axis A from the reflective element 16 toward the light source 141 (upward in FIG. 3).
  • the light emitted from the optical axis A side of the free-form surface 151A has a large aberration, it is irradiated onto the irradiated object at a position on the optical axis A side, and is emitted from a position radially outward from the optical axis A of the free-form surface 151A.
  • the light has small aberrations and is irradiated onto the irradiated object at a position radially outward from the optical axis A.
  • the light ray imaging relationship is schematically expressed and shown using a longitudinal aberration diagram, but the shape of the free-form surface 151A is set appropriately and other measurement devices different from the measurement device 100A can be used. may be configured.
  • the free-form surface 151A may have a shape that has a uniform angle conversion rate over the entire pupil (the entire reflective surface), or a shape that has a uniform pitch (for example, the surface of the floor 41 shown in FIG. 1) on the projection surface (for example, the surface of the floor 41 shown in FIG.
  • the angle conversion efficiency it is possible to freely set the angle conversion efficiency according to the use and purpose, such as changing the angle conversion efficiency so that Therefore, even if the tilting control of the reflective element 16 (for example, MEMS) is performed uniformly, the angle conversion rate (or angle conversion direction) of the light beam emitted from the measuring device 100A can be set arbitrarily. can.
  • the measurement control unit 104 causes the light source 141 of the measurement device 100A shown in FIG. 1 to emit light (scanning light).
  • the measuring device 100A guides the light emitted from the light source 141 along the optical axis A from the detection unit 14 through the opening 152 and toward the reflective element 16.
  • the reflective element 16 reflects the light emitted from the light source 141 around the optical axis A
  • the free-form surface 151A reflects the light reflected by the reflective element 16 to the irradiated object side via the cover member 13.
  • the measurement control unit 104 causes the light receiving unit 142 to receive the light reflected from the irradiated object (return light) via the free-form surface 151A and the reflection element 16, and determines the space of the irradiated object from the round trip time and the emission direction of the light. Detect location. Furthermore, the measurement control unit 104 detects the reference coordinates of the target 300 by measuring the target 300, which is a known point provided as an irradiation object, and stores it in the measurement storage unit 102 as measurement information 102a. The measurement control unit 104 has a function of calculating the relative position between the reference coordinates and other irradiated objects to obtain the spatial coordinates of the other irradiated objects.
  • the measurement control unit 104 calculates relative coordinates (or position vectors) from the reference coordinates to measurement points of other irradiated objects, and calculates the absolute coordinates of any measurement point by adding the relative coordinates to the reference coordinates. be able to.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a scanning range by the measuring device 100A.
  • the floor 41 of the structure 4 is irradiated with light emitted from the measuring device 100A.
  • the light emitted from the measuring device 100A is directed to a non-scannable area of a predetermined solid angle ⁇ (corresponding to double the inclination angle of the emitted light with respect to the optical axis A) centered on the optical axis A corresponding to directly below the measuring device 100A.
  • FIG. 5 shows an irradiated area 412a that is irradiated with scanning light around a predetermined vertical angle ⁇ and an unirradiated area 412b that is not irradiated with light.
  • the measurement control unit 104 scans the irradiation area 412a around the optical axis A (clockwise in a plan view of the floor 41 in FIG. 5) with the emitted light, while scanning the emitted light with respect to the optical axis A. It scans in the far and near directions.
  • the direction in which the light emitted by the measuring device 100A is emitted is controlled so that it scans from the minimum value of the vertical angle ⁇ to the maximum value, and when the vertical angle ⁇ reaches the maximum value, returns to the minimum value and repeats the process. .
  • the free-form surface 151A is formed in a convex curved shape, even when the tilt angle of the reflective element 16 is small, the light emitted from the measuring device 100A can be emitted at a wide angle and the irradiated object can be illuminated. can be scanned. Since the free-form surface 151A has a convex reflective surface, the measuring device 100A cannot cover the optical axis A (that is, as shown in FIG. 5, the scannable area 412 including the unscannable area 411 is (formed in a donut shape), the scannable angular range (Scan range) is expanded. Therefore, the measuring device 100A can be easily configured and is useful even when measurement performance is not important. Therefore, the measuring device 100A can detect the spatial position of objects located over a wide range with a simple configuration.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of the measuring device 100B.
  • the measuring device 100B in FIG. 6 schematically shows a vertical cross section cut along the upper and lower central axes, with some end faces shown.
  • the measuring device 100B can also be applied to the system 1 shown in FIG.
  • the same components as the measuring device 100A are given the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified.
  • the measuring device 100B includes a reflecting mirror 15B (15) having a free-form surface 151B (151), which is a deflection section, instead of the above-mentioned reflecting mirror 15A having the free-form surface 151A.
  • the free-form surface 151B is axially symmetrical with respect to the optical axis A and has a concave curved shape when viewed in cross section as shown in FIG.
  • the free-form surface 151B has an ellipsoidal shape.
  • the free-form surface 151B has an opening 152 extending vertically through the optical axis A, and is arranged annularly around the optical axis A.
  • the reflective mirror 15B has a free-form surface 151B between the detection section 14 and the reflective element 16, as shown in FIG.
  • the free-form surface 151B of the reflecting mirror 15B reflects the light reflected by the reflecting element 16 toward the irradiated object (for example, the structure 4 shown in FIG. 1 or objects around the structure 4).
  • the measuring device 100B since the free-form surface 151B is formed in a concave curved shape on the reflective element 16 side, the measuring device 100B transmits the light emitted from the light source 141 to the reflective element 16, the free-form surface 151B, and the cover member 13. The light is emitted to the outside toward the lower side of the measuring device 100B.
  • FIG. 7 is a longitudinal aberration diagram of the free-form surface 151B.
  • the vertical axis indicates the pupil diameter, which is the radial direction of the pupil.
  • the origin of the vertical axis corresponds to the optical axis A of the free-form surface 151B in FIG. 6, and the positive and negative directions of the vertical axis are from the optical axis A of the free-form surface 151B to the right and left directions in FIG. Corresponds to each.
  • the horizontal axis indicates the image plane axis (optical axis that is the principal ray axis).
  • the origin of the horizontal axis corresponds to a reference plane perpendicular to the optical axis A (for example, a plane including the intersection of the free-form surface 151B and the optical axis A, or a plane at a position between the free-form surface 151B and the reflective element 16).
  • the positive direction of the horizontal axis corresponds to the direction of the optical axis A from the reflective element 16 toward the light source 141 (upward in FIG. 7).
  • the free-form surface 151B of the measuring device 100B has an ellipsoidal concave curved shape.
  • the reflective element 16 is located at one focal point f1 of the free-form surface 151B, the light guided from the reflective element 16 and reflected at any position on the free-form surface 151B is not limited to the elliptical sphere.
  • the light is focused on one focal point f2 (see FIG. 8). Therefore, as shown in FIG. 7, the aberration characteristic of the measuring device 100B is that the light is focused at a position -F2 corresponding to the focal point f2, regardless of the position of the pupil axis.
  • the measuring device 100B condenses the light emitted from the measuring device 100B at the focal point f2 and then widens it (see FIG. 8). Even if the object is located within a predetermined solid angle ⁇ range, it is possible to irradiate the object with light.
  • the system 1 using the measuring device 100B of the second embodiment has the concave curved free-form surface 151B. Therefore, the measuring device 100B can emit light to a region around the optical axis A including on the optical axis A, and can detect the spatial position of an object located in a wide range with a simple configuration.
  • FIG. 9 is a configuration diagram of the measuring device 100C.
  • the measuring device 100C in FIG. 9 schematically shows a vertical cross section cut along the upper and lower central axes, with some end faces shown.
  • the measuring device 100C can also be applied to the system 1 shown in FIG.
  • the same components as the measuring device 100A are given the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified.
  • the measuring device 100C includes a reflecting mirror 15C (15) having a free-form surface 151C (151), which is a deflection section, instead of the above-mentioned reflecting mirror 15A having the free-form surface 151A.
  • the free-form surface 151C is axially symmetrical with respect to the optical axis A and has a concave curved shape when viewed in cross section as shown in FIG. Furthermore, the free-form surface 151C has an opening 152 extending vertically through the optical axis A, and is arranged in an annular shape around the optical axis A.
  • the free-form surface 151C has a first reflection area 151-1 located on the optical axis A side with its normal line directed outward in the radial direction of the optical axis A, and a first reflection area 151-1 located on the radial outside of the optical axis A (first reflection area 151C).
  • a second reflective region 151-2 (located outside the region 151-1) has a normal line directed inward in the radial direction of the optical axis.
  • the measuring device 100C has a free-form surface 151C between the detection section 14 and the reflective element 16, as shown in FIG.
  • the free-form surface 151C of the reflecting mirror 15C reflects the light reflected by the reflecting element 16 toward the irradiated object (for example, the structure 4 shown in FIG. 1 or objects around the structure 4).
  • the free-form surface 151C is formed in a donut shape with a concave curved annular concave toward the reflective element 16 side, so that the measuring device 100C transmits the light emitted from the light source 141 to the reflective element 16, The light is emitted to the outside via the free-form surface 151C and the cover member 13 toward the lower side of the measuring device 100C.
  • FIG. 10 is a longitudinal aberration diagram of the free-form surface 151C.
  • the vertical axis indicates the pupil diameter, which is the radial direction of the pupil.
  • the origin of the vertical axis corresponds to the optical axis A of the free-form surface 151C in FIG. 9, and the positive and negative directions of the vertical axis are from the optical axis A of the free-form surface 151C to the right and left directions in FIG. Corresponds to each.
  • the horizontal axis indicates the image plane axis (optical axis that is the principal ray axis).
  • the origin of the horizontal axis corresponds to a reference plane perpendicular to the optical axis A (for example, a plane including the intersection of the free-form surface 151C and the optical axis A, or a plane at a position between the free-form surface 151C and the reflective element 16).
  • the positive direction of the horizontal axis corresponds to the direction of the optical axis A from the reflective element 16 toward the light source 141 (upward in FIG. 9).
  • the free-form surface 151C of the measuring device 100C is formed into an annular concave curved surface.
  • the first reflective area 151-1 reflects the light from the reflective element 16 in the radial direction outward from the optical axis A in the diffusive direction
  • the second reflective area 151-2 reflects the light from the reflective element 16. The light is reflected from the optical axis A in the radially inner condensing direction.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of the scanning range by the measuring device 100C.
  • the measuring device 100C transmits light within a scannable region 412c having a predetermined solid angle ⁇ 1 or more and less than a solid angle ⁇ 2 centered on the optical axis A, and within a scannable region 412d having a solid angle less than ⁇ 1 and a solid angle ⁇ 2 or more.
  • the reflection element 16 converts the light L1 (see FIG. 9) incident from the light source 141 from the first reflection area 151-1 on the optical axis A side to the second reflection area 151-2 spaced apart from the optical axis A.
  • the irradiation position moves in the first radial direction D1 from the outside in the radial direction to the inside with respect to the optical axis A, as shown in FIG.
  • the light L1 passes over the optical axis A from a position spaced apart from the optical axis A along the first radial direction D1, and then moves away from the optical axis A again.
  • the light L2 passes along the second radial direction D2 from a position away from the optical axis A, passes over the optical axis A, and then moves away from the optical axis A again. Therefore, when the irradiation position of the light emitted from the measurement device 100C moves from the first reflection area 151-1 to the second reflection area 151-2 on the free-form surface 151C, it is emitted axially symmetrically with the light L2 in FIG. The light L2 overlaps the irradiation position of the light L2 in a dotted manner on the optical axis A, and then moves away from the optical axis A again in the second radial direction D2.
  • the measurement control unit 104 scans the irradiation area 412a around the optical axis A (clockwise in plan view of the floor 41 in FIG. 5) with the emitted light, and scans the emitted light in the far and near direction with respect to the optical axis A. is being scanned.
  • the system 1 using the measuring device 100C of Embodiment 3 has a donut-shaped free-form surface 151C that is concavely curved and annularly depressed. Therefore, the measuring device 100C can scan on and around the optical axis A, and can also scan a wider range. Therefore, the measuring device 100C can detect the spatial position of objects located over a wide range with a simple configuration. Furthermore, since the measuring device 100C has a condensing effect on the light flux (signal light) that is scattered and returned by the object to be measured, it is possible to measure a wide area while maintaining signal quality (or signal quality). Can be done.
  • FIG. 12 is a configuration diagram of the measuring device 100D.
  • the measuring device 100D in FIG. 12 schematically shows a vertical cross section cut along the upper and lower central axes, with some end faces shown.
  • the measuring device 100D can also be applied to the system 1 shown in FIG.
  • the same components as the measuring device 100A are given the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified.
  • the measuring device 100D includes an optical fiber light guiding section 17 having a plurality of optical fibers 171 and a microlens array 18 instead of the reflecting mirror 15A having the free-form surface 151A described above.
  • the optical fiber light guide section 17 functions as a deflection section that deflects the traveling direction of light in an arbitrary direction. Note that in FIG. 12, the optical fiber 171 is schematically shown.
  • the optical fiber light guide section 17 is arranged so as to bundle a plurality of optical fibers 171.
  • the optical fiber 171 of this embodiment allows the light emitted from the reflective element 16 to enter from one end 171a and exit from the other end 171b, thereby guiding the light to the microlens array 18 side.
  • Light emitted from the lens array 18 side is made to enter from one end 171b and emitted from the other end 171a, thereby being guided to the reflective element 16 side.
  • One end 171a (input/output end) of the optical fiber 171 on the side of the reflective element 16 is arranged in a one-dimensional direction (for example, in the left-right direction in FIG.
  • the other end 171b (input/output end) of the optical fiber 171 on the microlens array 18 side is arranged in a spherical shape in a two-dimensional direction.
  • the microlens array 18 has a positive lens power that guides the light emitted from the optical fiber light guide section 17 to the outside of the measurement device 100D, or guides the light incident from the outside to the optical fiber light guide section 17.
  • a plurality of microlenses 181 are included.
  • Each microlens 181 is formed into a circular shape when viewed in the optical axis direction, as shown in an enlarged view of section P when the cover member 13 of the measuring device 100D is viewed from the outside.
  • each microlens 181 is not limited to a circular shape when viewed in the optical axis direction, but may have another shape, for example, is formed in a honeycomb shape.
  • the end 171b of the optical fiber 171 on the microlens array 18 side and the microlens array 18 are arranged in a spherical shape.
  • the measurement control unit 104 emits light (scan light) from the light source 141 of the measurement device 100D shown in FIG.
  • Light emitted from the light source 141 is guided along the optical axis A from the detection unit 14 toward the reflective element 16 above.
  • the reflective element 16 reflects the light emitted from the light source 141 around the optical axis A.
  • the reflective element 16 reflects the light guided from the detection unit 14 so that the light is sequentially incident on the end portions 171a of the optical fibers 171 arranged in a line in a one-dimensional direction.
  • the end portions 171a of the optical fiber 171 are oriented (arranged) in a circumferential manner, and the reflective element 16 can emit light around the optical axis A so that the light is sequentially incident on these end portions 171a.
  • the end portions 171a of the optical fibers 171 may be arranged in a two-dimensional direction (for example, in a spherical shape).
  • the optical fiber 171 emits the light incident from the end 171a toward the microlens array 18 from the opposite end 171b.
  • the microlens array 18 emits the light incident on each microlens 181 to the outside of the measuring device 100D.
  • the microlens array 18 irradiates the light emitted to the outside onto an irradiated object (not shown).
  • the measurement control unit 104 also directs the light reflected from the irradiated object (return light) to the light receiving unit 142 through the microlens array 18, the optical fiber 171, and the reflective element 16 along the opposite direction to the optical path at the time of emission.
  • the spatial position of the object to be irradiated is detected from the round trip time and the direction of emission of the light.
  • the return light reflected by the irradiated object is condensed by each microlens 181 and enters the end portion 171b of the optical fiber. Therefore, the measuring device 100D can efficiently collect (combine) the returned light and guide it to the light receiving section 142.
  • the measurement control unit 104 detects the reference coordinates of the target 300, which is a known point provided as an irradiated object.
  • the measuring device 100A can perform other operations for acquiring point cloud data in the same manner as the measuring device 100A described in the first embodiment.
  • the measuring device 100D of the fourth embodiment can guide the light emitted from the light source 141 side by the optical fiber light guiding section 17 so as to have a wider angle than the output angle by the reflective element 16. Therefore, the measuring device 100D can detect the spatial position of objects located over a wide range with a simple configuration.
  • the measurement devices 100A to 100D have been described as having a control section that detects the spatial position of the irradiated object from the round trip time and the emission direction of the light.
  • a device or device may include a control unit.
  • the detection section 14 including the light source 141 and the light receiving section 142, the reflection element 16 that reflects the light emitted from the light source 141 around the optical axis A of the detection section 14, and the A deflection unit (151, 17) is arranged to deflect the light reflected by the reflection element 16 toward the irradiated object by reflection, and a deflection unit (151, 17) and the reflection element
  • the system 1 and the measuring device 100 have been described, which include a control unit (104) that receives light by the light receiving unit 142 via the light receiving unit 16 and detects the spatial position of the irradiated object from the round trip time and emission direction of the light.
  • the detection section 14 including the light source 141 and the light receiving section 142, the reflection element 16, the deflection section (151, 17) arranged in an annular shape around the optical axis A of the detection section 14, and the control section (104) are provided.
  • a measuring method in a system 1 comprising: a reflective element 16 reflects light emitted from a light source 141 around an optical axis A, and a deflection section (151, 17) directs the light reflected by the reflective element 16 to the side of an irradiated object.
  • the control unit (104) causes the light receiving unit 142 to receive the light reflected from the irradiated object via the deflection unit (151, 17) and the reflective element 16, and determines the round trip time and emission direction of the light.
  • a measurement method for detecting the spatial position of an irradiated object has been explained.
  • the measuring devices 100A to 100D can emit light at an angle different from the angle at which the light is reflected by the reflective element 16 to perform point group measurements of the surrounding space. Therefore, according to the measuring devices 100A to 100D (100), system 1 (measuring system), and measuring method, by appropriately setting the configuration of the deflection section, the spatial position of an object located in a wide range in any direction can be determined with a simple configuration. can be detected with
  • the light emitted from one light source 141 is emitted in a single stroke around the object to be measured in a substantially hemispherical scanning range. Therefore, the measuring device 100 can be configured simply and compactly.
  • Embodiment 5 Next, Embodiment 5 will be described.
  • the measuring device 100A (100) described in Embodiment 1 functions as a projection device having a function of guiding a worker or the like.
  • the same reference numerals are given to the same components as in other embodiments, and the description thereof will be omitted or simplified.
  • any of the other measuring devices 100B to 100D (100) may be provided with the configuration having the above-mentioned guidance function.
  • FIG. 13 is a configuration diagram of a projection system using system 1.
  • the measuring device 100A includes a directivity imparting section that imparts directivity to the light L3 projected onto the irradiated object.
  • the directivity imparting unit has a configuration that imparts directivity to the cross-sectional shape of the light beam emitted from the light source 141 (the cross-sectional shape may include a pattern or color of the light beam in addition to the contour shape), or , a configuration in which the measurement control unit 104 projects a directional projection image (also referred to as a "projection pattern") by multiple projections, or a combination thereof.
  • the light source 141 configured as a directivity imparting section forms the beam cross-sectional shape of the emitted light asymmetrically.
  • Asymmetry refers to a state in which the projected image 413 has directionality when the light L3 is projected onto the projection target, and includes axial symmetry and point symmetry (n-fold symmetry that is visible to the operator) (n is an integer greater than 1)) may be included.
  • the cross-sectional shape of the light L3 emitted from the light source 141 is an optical member such as a shutter, slit, filter, mesh, liquid crystal shutter, DMD (digital micromirror lens), etc.
  • This light adjusting section may be configured to be arbitrarily disposed on the optical path, or may not be disposed when performing the point cloud measurements described in Embodiments 1 to 4. Note that in a configuration in which the directivity imparting section imparts directivity to the cross-sectional shape of the light beam emitted from the light source 141, the projection Since the azimuth of the image always points in the radial direction and cannot be used to determine the azimuth or direction, the detection unit 14 is fixedly arranged in the space in which the measuring device 100A is installed.
  • the cross-sectional shape of the light is, for example, two-fold symmetrical so that two orthogonal axes can be visually distinguished.
  • the light L3 emitted by the measuring device 100A shown in FIG. A projected image 413a (413) (also referred to as a "footprint") is projected (see also the projected image 413a in FIG. 14).
  • FIG. 13 shows an example in which the projected image 413a moves on a circular scanning path 414 around the optical axis A, and the measuring device 100A intermittently emits the light L3 to intermittently move the projected image 413a. can be displayed.
  • the projected image 413a Since the projected image 413a has a long axis and a short axis, a worker etc. can visually distinguish between the two directions. Therefore, one direction (for example, the long axis direction) of the projected image 413a is set to face the north-south direction of the land, and the other direction (for example, the short axis direction) of the projected image 413a is set to face the east-west direction of the land. By setting this to , it is possible for workers etc. to easily grasp the direction.
  • the projected image 413a is not limited to intermittent projection, and may be projected annularly so as to be connected along the scanning path 414 (not shown). Even in this case, since the projected image 413a is projected onto the floor 41, which is the projection target, in a directional shape having an approximately elliptical outer diameter and inner diameter as a whole, it is easy for the operator etc. to direction).
  • the projected image 413b (413) shown in FIG. 14 is an example in which a plurality of shapes in which a circular shape and an equilateral triangular shape are adjacent are combined to give directivity to the projected image 413b as a whole.
  • the projected image 413c (413) shown in FIG. 15 is an example in which a plurality of adjacent circular shapes (or ellipsoidal shapes) of different sizes are combined to impart directivity to the projected image 413c as a whole.
  • the projected image 413b and the projected image 413c are both point-symmetric.
  • the operator or the like is directed to the direction in which the operator or the like is directed (for example, in the case of the projected image 413b, the upper direction in FIG. 14 where the top of the equilateral triangle is located, or In the case of the projected image 413c, the azimuth (or direction) can be easily grasped by using the reference direction (slightly lower right direction in FIG. 14) where the large to small circular shapes are arranged.
  • the projected image 413d (413) shown in FIG. 15 shows an example in which characters (hiragana characters in this embodiment) are arranged within the frame of a regular rectangular figure to give directionality to the whole.
  • the projected image 413d is asymmetrical. Therefore, a worker or the like can easily grasp the direction (or direction) using the direction in which the figure is oriented (for example, above the characters) as a reference direction.
  • the type of characters displayed on the projected image 413d may be other types than hiragana, or may be a combination of multiple types or the same type of characters. Further, a plurality of characters may be displayed on the projected image 413d.
  • FIG. 16 is a diagram showing an example in which the projection image 413d is projected onto the wall surface 415 when the directivity imparting section is the light source 141.
  • FIG. 16 shows in what direction the projected image 413d is projected onto the wall surface 415 when the measuring device 100A is located in a space surrounded by walls, such as indoors of a building. Furthermore, an example is shown in which the wall surface 415 is formed in a cylindrical shape.
  • the projected image 413d is vertically and horizontally reversed (in other words, rotated by 180 degrees) at opposing positions in a first direction D3 centered on the optical axis A and a second direction D4 perpendicular to the first direction D3. ) is projected.
  • FIG. 16 shows in what direction the projected image 413d is projected onto the wall surface 415 when the measuring device 100A is located in a space surrounded by walls, such as indoors of a building.
  • the wall surface 415 is formed in a cylindrical shape.
  • the projected image 413d is vertically
  • the back in the first direction D3, which is the reference direction, is made to match the direction of the upper position of the character. Therefore, a worker or the like in the space of the wall surface 415 can easily grasp the direction (or direction) by checking the direction of any of the projected images 413d projected on the wall surface 415.
  • the measurement control unit 104 configured as a directivity imparting unit controls the measurement device 100A to emit light L3 around the optical axis A in a plan view of the floor 41 in FIG. While scanning also in the radial direction, a directional projection image 413e is projected by multiple projections.
  • the projected image 413e of this embodiment is, for example, formed by a straight arrow and has directivity, as shown in FIG.
  • the measuring device 100A (100) of this embodiment scans the light L3 multiple times to form a projected image, so that the projected image 413e can be formed into an arbitrary size or shape regardless of the cross-sectional width or shape of the light L3. Can be projected.
  • the measurement device 100 functions as a projection device
  • the measurement device 100 may be configured as a projection device without the point cloud measurement function of the first to fourth embodiments.
  • the shapes of the projected images 413a to 411d are not limited to the modes described in this embodiment.
  • the projected image 413 may have directionality in color or pattern.
  • the projected image 413 preferably has a shape that is asymmetrical with respect to two axes, the up-down direction and the left-right direction, but may be configured asymmetrically with respect to one axis in the up-down direction and the left-right direction.
  • the light source 141 As described above, in the fifth embodiment, the light source 141, the reflective element 16 that reflects the light emitted from the light source 141 around the optical axis A of the light source 141, and the reflective element 16 arranged around the optical axis A and reflected by the reflective element 16.
  • a projection device (measuring device) comprising a deflecting section (151, 17) that deflects light toward the irradiated object by reflection, and a directivity imparting section (141, 104) that gives directionality to the light projected onto the irradiated object.
  • the apparatus 100 has been described.
  • the light source 141, the reflective element 16, the deflection section (151, 17) arranged annularly around the optical axis A of the light emitted from the light source 141, and the directivity imparting section (141, 104) A projection method in a projection device (measuring device 100) comprising However, a projection method has been described in which the light reflected by the reflective element 16 is reflected toward the irradiated object, and the directivity imparting section (141, 104) imparts directionality to the light projected onto the irradiated object.
  • the projection device (100) and the projection method can guide the worker to specific coordinates. Since the worker can easily visually confirm the approximate direction, the worker can grasp the current position or the direction to a specific work place, and can improve work efficiency. Further, the position or coordinates of piling may be displayed by transferring the drawing information alone or together with the projected image 413 to the space to be constructed.

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Abstract

測定装置は、光源及び受光部を含む検出部と、光源から出射された光を検出部の光軸回りに反射させる反射素子と、光軸回りに配置されて、反射素子により反射された光を被照射体側に反射によって偏向させる偏向部と、被照射体から反射された光を偏向部及び反射素子を介して前記受光部により受光させて、光の往復時間と出射方向から被照射体の空間位置を検出する制御部と、を備える。

Description

測定装置、測定システム及び測定方法
　本開示は、物体の空間位置の測定に適用できる測定装置、測定システム及び測定方法に関する。
　従来から、ビーム光を周囲環境に出射して反射された光を受光し検出領域内の物体の位置を検出する測定装置が提案されている。例えば、特許文献１の測定装置（ＬｉＤＡＲ装置）は、出射光信号を送信する送信システムと、反射光信号を受信する受信システムとが回転構成要素により回転して、上部半球全体における物体の検出を可能としている。また、送信システムは光送信器アレイを有し、受信システムは光受光器アレイを有する。
米国特許出願公開第２０２１／０２１５８０４号明細書
　特許文献１の測定装置は、ビーム光の走査方向を水平方向に移動させるために回転部品を回転させている。また、この測定装置は、ビーム光の走査方向を鉛直方向に変更するために光送信器アレイを用いている。従って、測定装置の駆動のための構成が複雑であり且つ大きくなってしまう。
　本開示は、広範囲に位置する物体の空間位置を簡易な構成で測定可能な測定装置、測定システム及び測定方法を提供することを目的とする。
　上記した目的を達成するために、本開示に係る測定装置は、光源及び受光部を含む検出部と、前記光源から出射された光を前記検出部の光軸回りに反射させる反射素子と、前記光軸回りに配置されて、前記反射素子により反射された光を被照射体側に反射によって偏向させる偏向部と、被照射体から反射された光を前記偏向部及び前記反射素子を介して前記受光部により受光させて、光の往復時間と出射方向から被照射体の空間位置を検出する制御部と、を備える。
　上記した目的を達成するために、本開示に係る測定システムは、光源及び受光部を含む検出部と、前記光源から出射された光を前記検出部の光軸回りに反射させる反射素子と、前記光軸回りに環状に配置されて、前記反射素子により反射された光を被照射体側に反射によって偏向させる偏向部と、前記被照射体から反射された光を前記偏向部及び前記反射素子を介して前記受光部により受光させて、光の往復時間と出射方向から前記被照射体の空間位置を検出する制御部と、を備える。
　上記した目的を達成するために、本開示に係る測定方法は、光源及び受光部を含む検出部と、反射素子と、前記検出部の光軸回りに環状に配置される偏向部と、制御部とを備える測定システムにおける測定方法であって、前記反射素子が、前記光源から出射された光を前記光軸回りに反射し、前記偏向部が、前記反射素子により反射された光を被照射体側に反射によって偏向させ、前記制御部が、前記被照射体から反射された光を前記偏向部及び前記反射素子を介して前記受光部により受光させて、光の往復時間と出射方向から前記被照射体の空間位置を検出する。
　上記手段を用いる本開示に係る測定装置、測定システム及び測定方法によれば、広範囲に位置する物体の空間位置を簡易な構成で検出することができる。
実施形態１に係る測定システムの全体構成図である。 実施形態１の測量装置及び測定装置の制御ブロック図である。 実施形態１の測定装置の構成図である。 実施形態１の自由曲面の縦収差図である。 実施形態１の測定装置による走査範囲の例を示す図である。 実施形態２の測定装置の構成図である。 実施形態２の自由曲面の縦収差図である。 実施形態２の測定装置による走査範囲の例を示す図である。 実施形態３の測定装置の構成図である。 実施形態３の自由曲面の縦収差図である。 実施形態３の測定装置による走査範囲の例を示す図である。 実施形態４の測定装置の構成図である。 実施形態５の測定システムを用いた投影システムの構成図である。 実施形態５の指向性付与部が光源である場合の投影像の例を示す図である。 実施形態５の指向性付与部が光源である場合の投影像の例を示す図である。 実施形態５の指向性付与部が光源である場合に投影像を壁面に投影した例を示す図である。 実施形態５の指向性付与部が測定制御部である場合の投影像の例を示す図である。
　（実施形態１）
　以下、本開示の実施形態１を図面に基づき説明する。図１は、実施形態１に係るシステム１の全体構成図である。システム１は、測定装置１００Ａ（１００）と、測量装置２００と、基準座標として設定される既知点であるターゲット３００とを含む測定システムである。なお、以下の説明において、各装置や配置関係は、説明の便宜上模式的に示しており、実際の縮尺と異なってもよい。
　システム１は、屋外又は屋内において使用可能である。図１では、建設中の建物である構造物４の測定を屋外で行う例を示している。システム１は、測量装置２００によりターゲット３００の座標を測定する。測定装置１００Ａは、構造物４及びその周辺の土地等を点群測定し、ターゲット３００の座標を基準座標とした各点の座標を絶対座標に変換する等として求める。図１の構造物４は、建物の床４１と柱４２を含む。測定装置１００Ａは、移動及び設置が容易であるため、建物の屋内に設置される場合であっても、構造物４の内装（壁、柱、床、窓若しくは天井等の構造物４の内部構造、又は、構造物４内の電気設備若しくは空調機器等の設置物）の点群測定を行って内装の各点についても基準座標を基にした絶対座標で求めることができる。
　測量装置２００は、例えば、トータルステーションであり、三脚等の脚部に支持され、ターゲット３００までの角度と距離とを測定して測量を行う機能を有する。測量装置２００は、詳細は図示しないが、上記脚部に着脱可能であって整準を行う整準部と、整準部によって整準されて鉛直軸周りに回動可能に設けられた本体部と、本体部に水平軸周りに回動可能に設けられた望遠鏡部とを備える。従って、望遠鏡部は整準部に対して水平軸及び鉛直軸周りに対して回動可能に設けられる。整準は整準部を調整して作業者（又は操作者）による手作業で行ってもよいし、自動整準であってもよい。また、測量装置２００は、測量装置２を制御するためのコンピュータ（不図示）を備える。
　図２は、測定装置１００Ａ及び測量装置２００の制御ブロック図である。測量装置２００は、測量部２０１、測量記憶部２０２、測量通信部２０３、測量制御部２０４、及び表示部２０５を備える。
　測量装置２００は、測量装置２００の器械点から測定対象物（本実施形態では、ターゲット３００）までの距離及び基準方向に対する角度を測定して、測定対象物の空間座標を求める。測量部２０１は、測距部２０１ａと測角部２０１ｂとを有する。測距部２０１ａは、測距光を出射する送光部と、送光部からの測距光が照射されてターゲット３００により反射された反射光を受光する受光部とを含む。測距部２０１ａは、例えば、パルスレーザ光である測距光を出射すると共にターゲット３００により反射された反射光を受光することで測量装置２００からターゲット３００までの距離（斜距離）を測定する。なお、測距方式はこのようなパルス方式に限られず、例えばレーザ光の波の数に基づき測距するいわゆる位相差方式等の周知の方式を適用することも可能である。
　測角部２０１ｂは、測量装置２００の本体部の水平方向の回動角（即ち鉛直軸周りの回転角）を検出する水平角検出部（水平エンコーダ）と、望遠鏡部の鉛直方向の回動角（即ち水平軸周りの回転角）を検出する鉛直角検出部（鉛直エンコーダ）とを有する。望遠鏡部は、ターゲット３００を視準可能な光学系を含む望遠鏡を内部に有する。また、ターゲット３００は、測量装置２００から出射された光を反射する。測距部２０１ａは、ターゲット３００により反射されて、望遠鏡の視準軸に沿って導光された光を、受光する。
　測量記憶部２０２は、測量プログラム等の各種プログラム、設計情報２０２ａ、測量情報２０２ｂ（測点及び座標を対応させた測量結果等）、ＧＰＳ時刻、測量装置２００の大きさ（高さ、幅、奥行き等）等の各種データを記憶可能に構成される。
　測量通信部２０３は、測定装置１００Ａ等の外部機器と通信可能に構成され、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の無線通信手段である。なお、測量通信部２０３は、接続端子を介して有線通信手段として機能してもよい。
　測量制御部２０４は、測量装置２００の本体部を鉛直軸周りの水平方向に回動可能に制御する機能、及び、測量装置２００の望遠鏡部を水平軸周りの鉛直方向に回動可能に制御する機能を有する。測量制御部２０４は、図示しない水平角検出部及び鉛直角検出部により検出された角度（水平角及び鉛直角）、測距部２０１ａにより測定された距離（斜距離）等の各種情報の取得、記憶、演算等を行い、例えば表示部２０５にその取得結果、演算結果を表示する。また、測量制御部２０４は、操作部に対する操作に応じて、又は演算結果に応じて、各部の駆動制御等を行う。
　表示部２０５は、例えば測量装置２００の本体部の後方部に設けられる。また、測量装置２００は、図示しない操作部を有する。操作部は、各種の動作指示や設定を入力可能な操作手段である。動作指示は、例えば、電源のオン、オフの切替、測量を開始するトリガ、測量モードの切替、測量周期の設定等を含むことができる。また操作部は、スイッチ、ボタン、ダイアルなど、任意の操作デバイスや入力デバイスを含んでもよい。表示部２０５がタッチパネルである場合は、表示部２０５と操作部とは一体に形成されていてもよい。
　図１に示すターゲット３００は、例えば構造物４の柱４２に着脱可能に設けられたコーナーキューブプリズムである。ターゲット３００は、再帰反射特性を有し、測量装置２００から照射される光を入射方向とは反対方向の測量装置２００の方向に反射する。同様に、ターゲット３００は、測定装置１００Ａから照射される光を入射方向とは反対方向の測定装置１００Ａの方向に反射する。
　なお、ターゲット３００は、その他の再帰反射部材を用いてもよく、例えば、測量装置２００又は測定装置１００Ａから照射された光を反射して測量装置２００又は測定装置１００Ａに反射光を検出させることが可能な程度の強度で反射可能なその他の反射部材（例えば、反射シート又はターゲット板等）であってもよい。また、ターゲット３００は、プリズム等の部材ではなく、構造物４の一部（例えば、床４１又は柱４２等）であってもよい。
　測定装置１００Ａについて説明する。図３は、測定装置１００Ａの構成図である。なお、図３の測定装置１００Ａは、上下の中心軸に沿って切断した縦断面を模式的に示しており、一部は端面により図示している。
　測定装置１００Ａは、短円柱状の本体部１２と、本体部１２に接続されたカバー部材１３とを備える。カバー部材１３は、透光性を有し半球面状に形成される。本体部１２は、検出部１４と、偏向部である自由曲面１５１Ａ（１５１）を有する反射ミラー１５Ａ（１５）と、測定制御部１０４（制御部）とを有する。検出部１４は、内部に、光源１４１（送光部）と受光部１４２とを含む。検出部１４は、光源１４１から光を外部に出射し、被照射体から反射された光を受光する機能を有する。
　カバー部材１３は、検出部１４から出射される光の光軸Ａ上に、基台１６１を介して支持された反射素子１６を有する。反射素子１６は、検出部１４の光軸Ａ上に配置される。測定制御部１０４は、反射素子１６の反射面を、光軸Ａに対する傾斜角度を二軸方向に変更（又は傾動）可能に制御する。換言すると、測定制御部１０４は、反射素子１６の反射面を、光軸Ａに直交する第一の軸周りに傾動制御するとともに、光軸Ａ及び第一の軸に対して直交する第二の軸周りに傾動制御する。また、反射素子１６は、例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）を用いて、又は、モータとＭＥＭＳ若しくはガルバノスキャナと用いて、上記二軸方向の傾動を可能に構成される。モータを用いる構成について例示すると、反射素子１６は、モータにより光軸Ａ周りに回動して光軸Ａと直交する平面（例えば水平面）と平行な第一の面上を走査させ、光軸Ａと直交する軸の周りにＭＥＭＳ又はガルバノスキャナにより回動して光軸Ａを含み第一の面と直交する第二の面上を走査させるように構成される。反射素子１６は、光源１４１から出射されて開口部１５２を介して導光された光を検出部１４の光軸Ａ回りに反射することができる。
　自由曲面１５１Ａは、光軸Ａに対して軸対称且つ図３の断面視凸湾曲状の形状を有する。自由曲面１５１Ａは、例えば、球面状、楕円球状又はその他の凸湾曲状の形状を有する。また、自由曲面１５１Ａは、光軸Ａ上に上下に貫通した開口部１５２を有し、光軸Ａ回りに環状に配置される。図３に示すように、反射ミラー１５Ａは、自由曲面１５１Ａを、検出部１４と反射素子１６との間に有する。
　また、反射ミラー１５Ａの自由曲面１５１Ａは、反射素子１６により反射された光を被照射体（例えば、図１に示す構造物４又は構造物４の周辺の物体等）側に反射する。本実施形態では、自由曲面１５１Ａが、反射素子１６側に凸湾曲状に形成されているため、測定装置１００Ａは、光源１４１から出射された光を、反射素子１６、自由曲面１５１Ａ及びカバー部材１３を介して測定装置１００Ａの下方側の略半球放射状の領域に外部に出射する。
　図２を参照して、測定装置１００Ａの制御ブロックについて説明する。測定装置１００Ａは、測定部１０１、測定記憶部１０２、測定通信部１０３、測定制御部１０４、検出部１４、及び反射素子１６を備える。
　測定装置１００Ａは、測定装置１００Ａの器械点から被照射体（例えば、ターゲット３００又は構造物４、等）までの距離及び基準方向に対する角度を測定して、被照射体の空間座標を求める。測定部１０１は、測距部１０１ａと測角部１０１ｂとを有する。測距部１０１ａは、例えば、光源１４１によって出射されたパルスレーザ光である測距光が被照射体により反射されて、その反射光を受光部１４２により受光することで測定装置１００から被照射体までの距離（斜距離）を測定する。なお、測距方式はこのようなパルス方式に限られず、例えばレーザ光の波の数に基づき測距するいわゆる位相差方式等の周知の方式を適用することも可能である。
　測角部１０１ｂは、反射素子１６の傾斜角度から、測定装置１００Ａから外部に出射された光の出射角度（例えば、光軸Ａに対する後述の鉛直角θ）を検出する。測定装置１００Ａは、被照射体により反射された反射光を、出射光の光路に沿って出射時とは反対方向に導光して受光部１４２に入射する。測角部１０１ｂは、受光部１４２が受光したときに反射素子１６の傾斜角度に対応する測定装置１００Ａから出射される光の出射角度を求める。
　測定記憶部１０２は、測定プログラム等の各種プログラム、測定情報１０２ａ（測点及び座標を対応させた測定結果等）、ＧＰＳ時刻、測定装置１００Ａの大きさ（高さ、幅、奥行き等）等の各種データを記憶可能に構成される。
　測定通信部１０３は、測量装置２００等の外部機器と通信可能に構成され、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の無線通信手段である。なお、測定通信部１０３は、接続端子を介して有線通信手段として機能してもよい。
　測定制御部１０４は、測定装置１００Ａの反射素子１６を光軸Ａに対して二軸方向に傾動させる機能、及び、被照射体の空間座標を求める機能を有する。測定制御部１０４は、測角部１０１ｂにより検出された角度（水平角及び鉛直角）、測距部１０１ａにより測定された距離（斜距離）等の各種情報の取得、記憶、演算等を行い、例えば測定記憶部１０２にその取得結果、演算結果を表示する。また、測定制御部１０４は、図示しない端末から測定通信部１０３を介して操作指示を受信することにより当該操作指示に応じて、又は演算結果に応じて、測定装置１００Ａの各部の駆動制御等を行う。
　図４は、自由曲面１５１Ａの縦収差図である。縦軸は瞳半径方向である瞳径を示している。縦軸の原点は図３の自由曲面１５１Ａの光軸Ａ上に対応し、縦軸の正方向及び負方向は自由曲面１５１Ａの光軸Ａから外周方向である図３の右方向及び左方向にそれぞれ対応する。また、横軸は像面軸（主光線軸である光軸）を示している。横軸の原点は光軸Ａと直交する基準面（例えば、自由曲面１５１Ａと光軸Ａとの交点を含む面、又は、自由曲面１５１Ａと反射素子１６との間の位置における面）に対応し、横軸の正方向は光軸Ａの反射素子１６から光源１４１側へ向かう方向（図３の上方）に対応する。
　自由曲面１５１Ａの光軸Ａ側から出射される光は収差が大きいため光軸Ａ側の位置の被照射体に照射され、自由曲面１５１Ａの光軸Ａから径方向外側に離れた位置から出射される光は収差が小さくなり光軸Ａから径方向外側に離れた位置の被照射体に照射される。
　なお、本実施形態では、縦収差図を用いて光線結像関係を模式的に表現して示したが、自由曲面１５１Ａの形状を適宜設定して、測定装置１００Ａとは異なる他の測定装置を構成してもよい。例えば、自由曲面１５１Ａは、瞳全面（反射面の全体）に亘り均一な角度変換率を有する形状であったり、投影面（例えば、図１に示した床４１の表面）にて均等なピッチ（間隔）となるように角度変換効率を変化させる等、用途や目的に応じて自由に設定可能である。従って、反射素子１６（例えば、ＭＥＭＳ）に対する傾動制御は一律に行われた場合であっても、測定装置１００Ａから出射される光線の角度変換率（又は角度変換方向）は任意に設定することができる。
　次に、光源１４１及び受光部１４２を含む検出部１４と、反射素子１６と、検出部１４の光軸Ａ回りに環状に配置される自由曲面１５１Ａと、測定制御部１０４とを備えるシステム１における測定方法の例（動作例）について説明する。
　測定制御部１０４は、図１に示す測定装置１００Ａの光源１４１から光（スキャン光）を出射させる。測定装置１００Ａは、光源１４１から出射された光を、光軸Ａに沿って検出部１４から開口部１５２を通過させて反射素子１６に向けて導光する。反射素子１６は光源１４１から出射された光を光軸Ａ回りに反射すると、自由曲面１５１Ａは反射素子１６により反射された光をカバー部材１３を介して被照射体側に反射する。
　測定制御部１０４は、被照射体から反射された光（戻り光）を自由曲面１５１Ａ及び反射素子１６を介して受光部１４２により受光させて、光の往復時間と出射方向から被照射体の空間位置を検出する。また、測定制御部１０４は、被照射体として設けられた既知点であるターゲット３００を測定する等してターゲット３００の基準座標を検出し、測定記憶部１０２に測定情報１０２ａとして記憶する。測定制御部１０４は、基準座標と他の被照射体との相対位置を算出して他の被照射体の空間座標を求める機能を有する。例えば、測定制御部１０４は、基準座標から他の被照射体の測点までの相対座標（又は位置ベクトル）を求め、基準座標に相対座標を加算することで任意の測点の絶対座標を求めることができる。
　図５は、測定装置１００Ａによる走査範囲の例を示す図である。図５では、測定装置１００Ａから出射された光を構造物４の床４１に照射している。測定装置１００Ａから出射される光は、測定装置１００Ａの真下に相当する光軸Ａを中心とする所定の立体角φ（光軸Ａに対する出射光の傾斜角度の倍角に相当する）の走査不可領域４１１内には照射されないが、立体角φ以上、且つ、光軸Ａからの鉛直角θ＝９０度程度以下の走査可能領域４１２に照射可能である。図５では、所定の鉛直角θ前後において走査用の光が照射された照射領域４１２ａと光が照射されていない未照射領域４１２ｂとが示されている。
　また、測定装置１００Ａにおいて、測定制御部１０４は、出射される光を、光軸Ａ周り（図５では床４１の平面視時計回り）に照射領域４１２ａを走査しながら、光軸Ａに対して遠近方向に走査させている。例えば、測定装置１００Ａが出射する光の出射方向は、鉛直角θの最小値から最大値の方向に走査させ、鉛直角θが最大値となったら最小値に戻って繰り返されるように制御される。
　以上、実施形態１のシステム１では、自由曲面１５１Ａを凸湾曲状に形成したため、反射素子１６の傾動角度が小さい場合であっても測定装置１００Ａから出射される光を広角に出射し被照射体を走査することができる。測定装置１００Ａは、自由曲面１５１Ａは凸反射面を有する為、光軸Ａ上はカバーできない（即ち、図５に示したように光軸Ａ上に走査不可領域４１１が含まれる走査可能領域４１２がドーナツ状に形成される）が、走査可能な角度範囲（Ｓｃａｎ範囲）が拡大する。そのため、測定装置１００Ａは、簡便に構成することができ計測性能を重視しない場合等にも有用である。したがって、測定装置１００Ａは、広範囲に位置する物体の空間位置を簡易な構成で検出することができる。
　（実施形態２）
　次に実施形態２について説明する。本実施形態では、実施形態１の測定装置１００Ａの代わりに測定装置１００Ｂ（１００）を用いる例について説明する。図６は、測定装置１００Ｂの構成図である。図６の測定装置１００Ｂは、上下の中心軸に沿って切断した縦断面を模式的に示しており、一部は端面を示している。測定装置１００Ｂも、図１に示したシステム１に適用することができる。なお、測定装置１００Ｂの説明において、測定装置１００Ａと同様の構成については、同一の符号を付す等して、その説明を省略又は簡略化する。
　測定装置１００Ｂは、前述の自由曲面１５１Ａを有する反射ミラー１５Ａの代わりに、偏向部である自由曲面１５１Ｂ（１５１）を有する反射ミラー１５Ｂ（１５）を備える。
　自由曲面１５１Ｂは、光軸Ａに対して軸対称且つ図６の断面視凹湾曲状の形状を有する。自由曲面１５１Ｂは、楕円球面状の形状を有する。また、自由曲面１５１Ｂは、光軸Ａ上に上下に貫通した開口部１５２を有し、光軸Ａ回りに環状に配置される。反射ミラー１５Ｂは、自由曲面１５１Ｂを、図６に示すように、検出部１４と反射素子１６との間に有する。
　また、反射ミラー１５Ｂの自由曲面１５１Ｂは、反射素子１６により反射された光を被照射体（例えば、図１に示す構造物４又は構造物４の周辺の物体等）側に反射する。本実施形態では、自由曲面１５１Ｂが、反射素子１６側に凹湾曲状に形成されているため、測定装置１００Ｂは、光源１４１から出射された光を、反射素子１６、自由曲面１５１Ｂ及びカバー部材１３を介して測定装置１００Ｂの下方側へ向けて外部に出射する。
　図７は、自由曲面１５１Ｂの縦収差図である。縦軸は瞳半径方向である瞳径を示している。縦軸の原点は図６の自由曲面１５１Ｂの光軸Ａ上に対応し、縦軸の正方向及び負方向は自由曲面１５１Ｂの光軸Ａから外周方向である図７の右方向及び左方向にそれぞれ対応する。また、横軸は像面軸（主光線軸である光軸）を示している。横軸の原点は光軸Ａと直交する基準面（例えば、自由曲面１５１Ｂと光軸Ａとの交点を含む面、又は、自由曲面１５１Ｂと反射素子１６との間の位置における面）に対応し、横軸の正方向は光軸Ａの反射素子１６から光源１４１側へ向かう方向（図７の上方）に対応する。
　測定装置１００Ｂの自由曲面１５１Ｂは楕円球面の凹湾曲面状の形状を有する。本実施形態では、反射素子１６が自由曲面１５１Ｂの一方の焦点ｆ１に位置しているため、反射素子１６から導光されて自由曲面１５１Ｂの任意の位置で反射された光は、楕円球の他の一方の焦点ｆ２（図８参照）に集光する。そのため、測定装置１００Ｂの収差特性は、図７に示すように、瞳軸の位置に関わらず、焦点ｆ２に対応する位置－Ｆ２で集光する。
　なお、測定装置１００Ｂは、測定装置１００Ｂから出射された光を、焦点ｆ２で集光した後に拡幅するため（図８参照）、測定装置１００Ｂは自由曲面１５１Ｂを凹湾曲状に形成した場合であっても、所定の立体角φ範囲に位置する被照射体に光を照射することができる。
　以上、実施形態２の測定装置１００Ｂを使用したシステム１は、凹湾曲状の自由曲面１５１Ｂを有する。したがって、測定装置１００Ｂは、光軸Ａ上を含む光軸Ａ周辺の領域に対して光を出射することができ、広範囲に位置する物体の空間位置を簡易な構成で検出することができる。
　（実施形態３）
　次に実施形態３について説明する。本実施形態では、実施形態１の測定装置１００Ａの代わりに測定装置１００Ｃ（１００）を用いる例について説明する。図９は、測定装置１００Ｃの構成図である。図９の測定装置１００Ｃは、上下の中心軸に沿って切断した縦断面を模式的に示しており、一部は端面を示している。測定装置１００Ｃも、図１に示したシステム１に適用することができる。なお、測定装置１００Ｃの説明において、測定装置１００Ａと同様の構成については、同一の符号を付す等して、その説明を省略又は簡略化する。
　測定装置１００Ｃは、前述の自由曲面１５１Ａを有する反射ミラー１５Ａの代わりに、偏向部である自由曲面１５１Ｃ（１５１）を有する反射ミラー１５Ｃ（１５）を備える。
　自由曲面１５１Ｃは、光軸Ａに対して軸対称に、図９の断面視凹湾曲状の形状を有する。また、自由曲面１５１Ｃは、光軸Ａ上に上下に貫通した開口部１５２を有し、光軸Ａ回りに円環状に配置される。自由曲面１５１Ｃは、光軸Ａ側に位置して法線を光軸Ａの径方向外側に向けた第一反射領域１５１－１と、光軸Ａの径方向外側に位置して（第一反射領域１５１－１よりも外側に位置して）法線を光軸の径方向内側に向けた第二反射領域１５１－２とを有する。測定装置１００Ｃは、自由曲面１５１Ｃを、図９に示すように、検出部１４と反射素子１６との間に有する。
　また、反射ミラー１５Ｃの自由曲面１５１Ｃは、反射素子１６により反射された光を被照射体（例えば、図１に示す構造物４又は構造物４の周辺の物体等）側に反射する。本実施形態では、自由曲面１５１Ｃが、反射素子１６側に凹湾曲状の環状に窪んだドーナツ状に形成されているため、測定装置１００Ｃは、光源１４１から出射された光を、反射素子１６、自由曲面１５１Ｃ及びカバー部材１３を介して測定装置１００Ｃの下方側へ向けて外部に出射する。
　図１０は、自由曲面１５１Ｃの縦収差図である。縦軸は瞳半径方向である瞳径を示している。縦軸の原点は図９の自由曲面１５１Ｃの光軸Ａ上に対応し、縦軸の正方向及び負方向は自由曲面１５１Ｃの光軸Ａから外周方向である図９の右方向及び左方向にそれぞれ対応する。また、横軸は像面軸（主光線軸である光軸）を示している。横軸の原点は光軸Ａと直交する基準面（例えば、自由曲面１５１Ｃと光軸Ａとの交点を含む面、又は、自由曲面１５１Ｃと反射素子１６との間の位置における面）に対応し、横軸の正方向は光軸Ａの反射素子１６から光源１４１側へ向かう方向（図９の上方）に対応する。
　測定装置１００Ｃの自由曲面１５１Ｃは環状に凹湾曲面状に形成されている。本実施形態の自由曲面１５１Ｃは、第一反射領域１５１－１が反射素子１６からの光を光軸Ａから径方向外側に拡散方向に反射し、第二反射領域１５１－２が反射素子１６からの光を光軸Ａから径方向内側の集光方向に反射する。
　図１１は、測定装置１００Ｃによる走査範囲の例を示す図である。測定装置１００Ｃは、光を、光軸Ａを中心とする所定の立体角φ１以上、且つ立体角φ２未満の走査可能領域４１２ｃ内、並びに、立体角φ１未満の走査可能領域４１２ｄ及び立体角φ２以上且つ光軸Ａからの鉛直角θが所定の角度以下（例えば、９０度程度以下）の走査可能領域４１２ｄ及び走査可能領域４１２ｅに照射可能である。すなわち、図１１において、測定装置１００Ｃは、光軸Ａ周辺を含む走査可能領域４１２ｄ、４１２ｃ及び４１２ｅの広範囲に連続的に走査することができる。
　測定装置１００Ｃにおいて、反射素子１６が光源１４１から入射された光Ｌ１（図９参照）を光軸Ａ側の第一反射領域１５１－１から光軸Ａから離間する第二反射領域１５１－２に移動させると、図１１に示すように光軸Ａに対して径方向外側から内側へ向かう第一径方向Ｄ１へ照射位置が移動する。光Ｌ１は、第一径方向Ｄ１に沿って、光軸Ａに対して離間した位置から光軸Ａ上を通過した後に、再び光軸Ａから離間するように移動する。光Ｌ２も同様に、第二径方向Ｄ２に沿って、光軸Ａに対して離間した位置から光軸Ａ上を通過した後に、再び光軸Ａから離間するように移動する。従って、測定装置１００Ｃから出射された光の照射位置は、第一反射領域１５１－１から第二反射領域１５１－２に自由曲面１５１Ｃ上を移動すると、図９の光Ｌ２と軸対称に出射された光Ｌ２の照射位置と光軸Ａ上で点状に重なった後に再び光軸Ａから離間する第二径方向Ｄ２へ移動する。
　測定装置１００Ｃにおいて、測定制御部１０４は、出射される光を、光軸Ａ周り（図５では床４１の平面視時計回り）に照射領域４１２ａを走査しながら、光軸Ａに対して遠近方向に走査させている。
　以上、実施形態３の測定装置１００Ｃを使用したシステム１は、凹湾曲状の環状に窪んだドーナツ状の自由曲面１５１Ｃを有する。そのため、測定装置１００Ｃは、光軸Ａ上及び光軸Ａ周辺の走査を可能としつつ、より広角な範囲も走査することができる。したがって、測定装置１００Ｃは、広範囲に位置する物体の空間位置を簡易な構成で検出することができる。また、測定装置１００Ｃは、被測定対象により散乱されて戻される光束（信号光）に対しては集光作用を有するため、信号品位（又は信号品質）を維持しつつ広範囲な領域を測定することができる。
　（実施形態４）
　次に実施形態４について説明する。本実施形態では、実施形態１の測定装置１００Ａの代わりに測定装置１００Ｄ（１００）を用いる例について説明する。図１２は、測定装置１００Ｄの構成図である。図１２の測定装置１００Ｄは、上下の中心軸に沿って切断した縦断面を模式的に示しており、一部は端面を示している。測定装置１００Ｄも、図１に示したシステム１に適用することができる。なお、測定装置１００Ｄの説明において、測定装置１００Ａと同様の構成については、同一の符号を付す等して、その説明を省略又は簡略化する。
　測定装置１００Ｄは、前述の自由曲面１５１Ａを有する反射ミラー１５Ａの代わりに、複数の光ファイバー１７１を有する光ファイバー導光部１７、及びマイクロレンズアレイ１８を備える。光ファイバー導光部１７は光の進行方向を任意の方向に偏向させる偏向部として機能する。なお、図１２では、光ファイバー１７１を模式的に示している。
　光ファイバー導光部１７は、複数の光ファイバー１７１を束ねるように配置されている。本実施形態の光ファイバー１７１は、反射素子１６から出射された光を一方の端部１７１ａから入射させて他の一方の端部１７１ｂから出射させることでマイクロレンズアレイ１８側へ導光するとともに、マイクロレンズアレイ１８側から出射された光を一方の端部１７１ｂから入射させて他の一方の端部１７１ａから出射させることで反射素子１６側へ導光する。光ファイバー１７１の反射素子１６側の一方の端部１７１ａ（入出力端）は一次元方向（例えば、図１２の左右方向、又は、光軸Ａ周りの円周状（ドーナツ状又は円環状））に配列されている。また、光ファイバー１７１のマイクロレンズアレイ１８側の他の一方の端部１７１ｂ（入出力端）は二次元方向に球面状に配列している。
　マイクロレンズアレイ１８は、光ファイバー導光部１７から出射された光を測定装置１００Ｄの外部へ導光する、又は、外部から入射する光を光ファイバー導光部１７へ導光する、正のレンズパワーを有する複数のマイクロレンズ１８１を含む。各マイクロレンズ１８１は、測定装置１００Ｄのカバー部材１３を外部から見たＰ部拡大図に示すように、光軸方向に見て円形状に形成されている。なお、各マイクロレンズ１８１は、光軸方向に見た円形状に限らず他の形状としてもよく、例えば、ハニカム状に形成される。光ファイバー１７１のマイクロレンズアレイ１８側の端部１７１ｂ及びマイクロレンズアレイ１８は、球面状に配置されている。
　ここで、測定装置１００Ｄの光路について説明する。測定制御部１０４は、図１２に示す測定装置１００Ｄの光源１４１から光（スキャン光）を出射する。光源１４１から出射された光は、光軸Ａに沿って検出部１４から上方の反射素子１６に向けて導光される。反射素子１６は光源１４１から出射された光を光軸Ａ回りに反射する。反射素子１６は、一次元方向に一列に配列された光ファイバー１７１の端部１７１ａに、光が順次入射されるように、検出部１４から導光された光を反射する。例えば、光ファイバー１７１の端部１７１ａは円周状に配向（配列）しており、反射素子１６は光軸Ａ周りに光を出射させることでこれら端部１７１ａに順次入射させることができる。なお、光ファイバー１７１の端部１７１ａは、二次元方向に（例えば球面状に）配列されていてもよい。
　光ファイバー１７１は、端部１７１ａから入射した光を、反対側の端部１７１ｂからマイクロレンズアレイ１８に向けて出射する。マイクロレンズアレイ１８は、各マイクロレンズ１８１に入射した光を、測定装置１００Ｄの外部に出射する。マイクロレンズアレイ１８は、外部に出射した光を、図示しない被照射体側に照射する。
　また、測定制御部１０４は、出射時の光路とは逆方向に沿って、被照射体から反射された光（戻り光）をマイクロレンズアレイ１８、光ファイバー１７１及び反射素子１６を介して受光部１４２により受光させて、光の往復時間と出射方向から被照射体の空間位置を検出する。マイクロレンズアレイ１８は、被照射体により反射された戻り光は、各マイクロレンズ１８１によって集光して、光ファイバーの端部１７１ｂに入射する。したがって、測定装置１００Ｄは、戻り光を効率よく集光（結合）させて受光部１４２まで導光させることが出来る。また、測定制御部１０４は、被照射体として設けられた既知点であるターゲット３００の基準座標を検出する。測定装置１００Ａは、点群データを取得するためのその他の動作については、実施形態１で説明した測定装置１００Ａと同様に行うことができる。
　以上実施形態４の測定装置１００Ｄは、光ファイバー導光部１７により、光源１４１側から出射された光を反射素子１６による出射角度よりも広角となるように導光することができる。したがって、測定装置１００Ｄは、広範囲に位置する物体の空間位置を簡易な構成で検出することができる。
　なお、実施形態１～４では、測定装置１００Ａ～１００Ｄ（１００）が光の往復時間と出射方向から被照射体の空間位置を検出する制御部を備える構成について説明したが、システム１の何れかの装置又は機器（例えば、測量装置２００又は測定装置１００若しくは測量装置２００と通信可能に接続された図示しない装置又は機器）が制御部を備えてもよい。
　以上、実施形態１～４では、光源１４１及び受光部１４２を含む検出部１４と、光源１４１から出射された光を検出部１４の光軸Ａ回りに反射させる反射素子１６と、光軸Ａ回りに配置されて、反射素子１６により反射された光を被照射体側に反射によって偏向させる偏向部（１５１，１７）と、被照射体から反射された光を偏向部（１５１，１７）及び反射素子１６を介して受光部１４２により受光させて、光の往復時間と出射方向から被照射体の空間位置を検出する制御部（１０４）と、を備えるシステム１及び測定装置１００について説明した。
　また、光源１４１及び受光部１４２を含む検出部１４と、反射素子１６と、検出部１４の光軸Ａ回りに環状に配置される偏向部（１５１，１７）と、制御部（１０４）とを備えるシステム１における測定方法であって、反射素子１６が光源１４１から出射された光を光軸Ａ回りに反射し、偏向部（１５１，１７）が反射素子１６により反射された光を被照射体側に反射によって偏向させ、制御部（１０４）が被照射体から反射された光を偏向部（１５１，１７）及び反射素子１６を介して受光部１４２により受光させて、光の往復時間と出射方向から被照射体の空間位置を検出する、測定方法について説明した。
　測定装置１００Ａ～１００Ｄは、反射素子１６による光の反射角度とは異なる角度で光を出射して周辺空間の点群測定を行うことができる。したがって、測定装置１００Ａ～１００Ｄ（１００）、システム１（測定システム）及び測定方法によれば、偏向部の構成を適宜設定することで任意の方向の広範囲に位置する物体の空間位置を簡易な構成で検出することができる
　また、実施形態１～４では、一つの光源１４１から出射された光を周囲に一筆書き状に出射して、略半球状に走査範囲に被測定対象を測定することができる。そのため、測定装置１００の簡易且つコンパクトに構成することができる。
　（実施形態５）
　次に実施形態５について説明する。本実施形態では、実施形態１で説明した測定装置１００Ａ（１００）が作業者等の誘導機能を有する投影装置として機能する構成について説明する。なお、本実施形態の説明において、他の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付す等して、その説明を省略又は簡略化する。また、上記の誘導機能を有する構成は、その他の測定装置１００Ｂ～１００Ｄ（１００）のいずれかが備えてもよい。
　図１３は、システム１を用いた投影システムの構成図である。測定装置１００Ａは、被照射体に投影される光Ｌ３に指向性を付与する指向性付与部を有する。指向性付与部は、光源１４１から出射される光の光線の横断面形状（横断面形状には、輪郭形状の他、光線の模様又は色彩を含んでもよい）に指向性を付与する構成、若しくは、測定制御部１０４が複数回の投影により指向性を有する投影像（「投影パターン」ともいう。）を投影する構成、又はこれらの組み合わせとすることができる。
　まず、指向性付与部を光源１４１により構成する場合について説明する。指向性付与部として構成される光源１４１は、出射する光の光線横断面形状を非対称に形成する。ここでいう非対称とは、光Ｌ３が被投影対象に投影された場合の投影像４１３が指向性を有している態様をいい、軸対称及び点対称（作業者が視別可能なｎ回対称（ｎは１より大きな整数））の一部の形状が含まれていてもよい。光源１４１から出射される光Ｌ３の横断面形状は、光源１４１内部又は検出部１４の光路に設けたシャッター、スリット、フィルタ、メッシュ、液晶シャッター、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーレンズ）等の光学部材である光調整部により光の一部を遮光して形成することができる。この光調整部は、光路に任意に配置可能に構成されていてもよく、実施形態１～実施形態４で説明した点群測定を行う場合は配置しない構成としてもよい。なお、指向性付与部が、光源１４１から出射される光の光線の横断面形状に指向性を付与する構成では、投光／受光系である検出部１４がモータ駆動等により回転する系では投影像の方位が常に放射状方向を向くこととなり方位又は方角の判別に使用できないため、検出部１４は測定装置１００Ａが設置される空間に対して固定的に配置される。
　光の横断面形状は、例えば、直交する二軸方向を視別可能な２回対称である。図１３に示される測定装置１００Ａが出射する光Ｌ３は、楕円の横断面形状を有し、被投影対象（前述の被測定対象と同様の対象であってもよい。）である床４１に楕円の投影像４１３ａ（４１３）（「フットプリント」ともいう。）を投影する（図１４の投影像４１３ａも参照）。なお、図１３には、光軸Ａ周りに円形の走査経路４１４上を投影像４１３ａが移動する例を示しており、測定装置１００Ａが光Ｌ３を間欠的に出射することで投影像４１３ａを間欠的に表示することができる。
　投影像４１３ａは、長軸及び短軸を有するため、作業者等が二方向を視別することができる。そのため、投影像４１３ａの一方向（例えば、長軸方向）を土地の南北方向を向くように設定し、投影像４１３ａの他の一方向（例えば、短軸方向）を土地の東西方向を向くように設定することで、作業者等が容易に方角を把握することができる。
　なお投影像４１３ａは、間欠的な投影に限らず、走査経路４１４に沿って繋がるように環状に投影されてもよい（不図示）。この場合であっても、投影像４１３ａが被投影対象である床４１に全体として略楕円の外径及び内径を有する指向性を持った形状で投影されるため作業者等が容易に方位（又は方角）を把握することができる。
　また、図１４に示す投影像４１３ｂ（４１３）は、円形状と正三角形状とを隣接させた複数の図形を組み合わせて投影像４１３ｂ全体として指向性を付与した例を示している。また、図１５に示す投影像４１３ｃ（４１３）は、大きさの異なる円形状（若しくは楕円形状）を隣接させた複数の図形を組み合わせて投影像４１３ｃ全体として指向性を付与した例を示している。投影像４１３ｂ及び投影像４１３ｃは、いずれも非点対称である。投影像４１３ｂ及び投影像４１３ｃは、非点対称であるため、作業者等は、指向される方向（例えば、投影像４１３ｂの場合は正三角形状の頂部が位置する図１４の上方向、又は、投影像４１３ｃの場合は大きい円形状から小さい円形状が配置される図１４の右方やや下方向）を基準方向として、容易に方位（又は方角）を把握することができる。
　また、図１５に示す投影像４１３ｄ（４１３）は、正四角形の図形の枠内に文字（本実施形態では平仮名文字）を配置して全体として指向性を付与した例を示している。投影像４１３ｄは、非点対称である。そのため、作業者等は、図形の指向する方向（例えば、文字の上方）を基準方向として、容易に方位（又は方角）を把握することができる。なお、投影像４１３ｄに表示させる文字種類は、平仮名以外のその他の種類としてもよいし、複数の種類又は同一の種類の文字を組み合わせてもよい。また、投影像４１３ｄに表示させる文字は複数であってもよい。
　図１６は、指向性付与部が光源１４１である場合に投影像４１３ｄを壁面４１５に投影した例を示す図である。図１６では、測定装置１００Ａが建物の屋内等の壁に囲われた空間に位置する場合に、投影像４１３ｄが壁面４１５にどのような向きで投影されるかを示している。また、壁面４１５は円筒状に形成されている例を示している。投影像４１３ｄは、光軸Ａを中心とした第一方向Ｄ３と、第一方向Ｄ３に直交する第二方向Ｄ４の対向位置では、互いに上下左右が反転して（換言すれば１８０度回転して）投影される。図１６の例では、基準方向である第一方向Ｄ３の奥方と、文字の上部位置の向きとを一致させている。したがって、壁面４１５の空間内にいる作業者等は、壁面４１５に投影されたいずれかの投影像４１３ｄの向きを確認することで容易に方位（又は方角）を把握させることができる。
　なお、図１３～１６の投影像４１３ａ～４１１ｄは、説明の便宜のため拡大して図示しているが、実際の大きさ又は形状の比率はこれらとは異なっていてもよい。
　次に、指向性付与部が測定制御部１０４により構成する場合について説明する。指向性付与部として構成される測定制御部１０４は、測定装置１００Ａから図１３の床４１の平面視における光軸Ａ周りに光Ｌ３が照射されるように制御しながら、光軸Ａを中心とする径方向にも走査しながら、複数回の投影により指向性を有する投影像４１３ｅを投影させる。本実施形態の投影像４１３ｅは、例えば、図１７に示すように直線状の矢印により形成されて指向性を有する。
　本実施形態の測定装置１００Ａ（１００）は、光Ｌ３を複数回走査して投影像を形成することで、投影像４１３ｅを光Ｌ３の断面幅や形状に寄らず、任意の大きさ又は形状で投影することができる。
　実施形態５では、測定装置１００が投影装置として機能する例について説明したが、測定装置１００は実施形態１～４の点群測定機能を備えない投影装置として構成されていてもよい。
　また、投影像４１３ａ～４１１ｄの形状は本実施形態で説明した態様に限らない。例えば、投影像４１３は、色彩又は模様に指向性を持たせてもよい。投影像４１３は、上下方向及び左右方向の二軸に対して非対称である形状が望ましいが、上下方向及び左右方向の一方向の軸に対して非対称に構成されていてもよい。
　以上、実施形態５では、光源１４１と、光源１４１から出射された光を光源１４１の光軸Ａ回りに反射させる反射素子１６と、光軸Ａ回りに配置されて、反射素子１６により反射された光を被照射体側に反射によって偏向させる偏向部（１５１，１７）と、被照射体に投影される光に指向性を持たせる指向性付与部（１４１，１０４）と、を備える投影装置（測定装置１００）について説明した。
　また、実施形態５では、光源１４１と、反射素子１６と、光源１４１から出射される光の光軸Ａ回りに環状に配置された偏向部（１５１，１７）と、指向性付与部（１４１，１０４）とを備える投影装置（測定装置１００）における投影方法であって、反射素子１６が、光源１４１から出射された光を光源１４１の光軸Ａ回りに反射し、偏向部（１５１，１７）が、反射素子１６により反射された光を被照射体側に反射し、指向性付与部（１４１，１０４）が、被照射体に投影される光に指向性を持たせる投影方法について説明した。
　これにより、投影装置（１００）及び投影方法は、作業者を特定の座標へ誘導することができる。作業者は、おおよその方位を容易に視認することができるため、現在位置の把握又は特定の作業場所までの方位を把握し、作業効率を向上させることができる。また、施工対象の空間に図面情報を単独で又は投影像４１３と共に転写して、杭打ちの位置又は座標を表示してもよい。
　以上で本開示の実施形態の説明を終えるが、本開示の態様はこの実施形態に限定されるものではない。
１　　　　　システム
２　　　　　測量装置
４　　　　　構造物
１２　　　　本体部
１３　　　　カバー部材
１４　　　　検出部
１５（１５Ａ～１５Ｃ）　反射ミラー
１６　　　　反射素子
１７　　　　光ファイバー導光部
１８　　　　マイクロレンズアレイ
４１　　　　床
４２　　　　柱
１００（１００Ａ～１００Ｄ）　測定装置
１０１　　　測定部
１０１ａ　　測距部
１０１ｂ　　測角部
１０２　　　測定記憶部
１０２ａ　　測定情報
１０３　　　測定通信部
１０４　　　測定制御部
１４１　　　光源
１４２　　　受光部
１５１（１５１Ａ～１５１Ｃ）　自由曲面
１５１－１　第一反射領域
１５１－２　第二反射領域
１５２　　　開口部
１６１　　　基台
１７１　　　光ファイバー
１７１ａ　　端部
１７１ｂ　　端部
１８１　　　マイクロレンズ
２００　　　測量装置
２０１　　　測量部
２０１ａ　　測距部
２０１ｂ　　測角部
２０２　　　測量記憶部
２０２ａ　　設計情報
２０２ｂ　　測量情報
２０３　　　測量通信部
２０４　　　測量制御部
２０５　　　表示部
３００　　　ターゲット
４１１　　　走査不可領域
４１２　　　走査可能領域
４１２ａ　　照射領域
４１２ｂ　　未照射領域
４１２ｃ～４１２ｅ　走査可能領域
４１３（４１３ａ～４１３ｅ）　投影像
４１４　　　走査経路
４１５　　　壁面
Ａ　　　　　光軸
Ｄ１　　　　第一径方向
Ｄ２　　　　第二径方向
Ｄ３　　　　第一方向
Ｄ４　　　　第二方向
Ｌ１～Ｌ３　光
ｆ１　　　　焦点
ｆ２　　　　焦点
θ　　　　　鉛直角
φ，φ１，φ２　立体角
 

Claims (17)

  1. 　光源及び受光部を含む検出部と、
    　前記光源から出射された光を前記検出部の光軸回りに反射させる反射素子と、
    　前記光軸回りに配置されて、前記反射素子により反射された光を被照射体側に反射によって偏向させる偏向部と、
    　被照射体から反射された光を前記偏向部及び前記反射素子を介して前記受光部により受光させて、光の往復時間と出射方向から被照射体の空間位置を検出する制御部と、
    　を備える測定装置。
  2. 　前記検出部と、前記偏向部である自由曲面を有する反射ミラーと、前記制御部とが設けられる本体部と、
    　前記反射素子を前記検出部から出射される光の光軸上に支持し、前記本体部に接続される透光性カバー部材と、
    　を備える請求項１に記載の測定装置。
  3. 　前記制御部は、被照射体として設けられた既知点の基準座標を検出して、他の被照射体の空間座標を求める機能を有する請求項１に記載の測定装置。
  4. 　前記偏向部は、前記検出部と前記反射素子との間に配置される請求項１に記載の測定装置。
  5. 　前記偏向部である自由曲面は、光軸に対して軸対称に形成される請求項１に記載の測定装置。
  6. 　前記偏向部は、断面視凸湾曲状に形成される自由曲面である請求項１に記載の測定装置。
  7. 　前記偏向部は、断面視凹湾曲状に形成される自由曲面である請求項１に記載の測定装置。
  8. 　前記自由曲面は、
    　前記反射素子からの光を前記光軸から径方向外側に反射する第一反射領域を有し、
    　前記反射素子からの光を前記光軸から径方向内側に反射する第二反射領域を前記第一反射領域よりも外側に有する、
    　請求項７に記載の測定装置。
  9. 　複数の光ファイバーを有し、前記反射素子から出射された光を導光する光ファイバー導光部と、
    　光ファイバー導光部から出射された光を導光する正のレンズパワーを有するマイクロレンズを複数含むマイクロレンズアレイと、
    　を備え、
    　前記光ファイバーの前記マイクロレンズアレイ側の端部及び該端部に対向する前記マイクロレンズアレイは、球面状に配置される、
    　請求項１に記載の測定装置。
  10. 　複数の前記光ファイバーは、前記反射素子側の一方の入出力端が一次元方向に配列しており、前記自由曲面側の他の一方の入出力端が二次元方向に配列している、請求項９に記載の測定装置。
  11. 　前記検出部と、前記偏向部である自由曲面を有する反射ミラーと、前記制御部とが設けられる本体部と、
    　前記反射素子を前記検出部から出射される光の光軸上に支持し、前記本体部に接続される透光性カバー部材と、
    　を備え、
    　前記制御部は、被照射体として設けられた既知点の基準座標を検出して、他の被照射体の空間座標を求める機能を有し、
    　前記自由曲面は、前記検出部と前記反射素子との間に配置されて、前記光軸に対して軸対称に形成される、
    　請求項１に記載の測定装置。
  12. 　前記自由曲面は、断面視凸湾曲状に形成される請求項１１に記載の測定装置。
  13. 　前記自由曲面は、断面視凹湾曲状に形成される請求項１１に記載の測定装置。
  14. 　前記自由曲面は、
    　前記反射素子からの光を前記光軸から径方向外側に反射する第一反射領域を有し、
    　前記反射素子からの光を前記光軸から径方向内側に反射する第二反射領域を前記第一反射領域よりも外側に有する、
    　請求項１１に記載の測定装置。
  15. 　複数の光ファイバーを有し、前記反射素子から出射された光を導光する光ファイバー導光部と、
    　光ファイバー導光部から出射された光を導光する正のレンズパワーを有するマイクロレンズを複数含むマイクロレンズアレイと、
    　を備え、
    　前記光ファイバーの前記マイクロレンズアレイ側の端部及び該端部に対向する前記マイクロレンズアレイは、球面状に配置される、
    　請求項１１に記載の測定装置。
  16. 　光源及び受光部を含む検出部と、
    　前記光源から出射された光を前記検出部の光軸回りに反射させる反射素子と、
    　前記光軸回りに環状に配置されて、前記反射素子により反射された光を被照射体側に反射によって偏向させる偏向部と、
    　前記被照射体から反射された光を前記偏向部及び前記反射素子を介して前記受光部により受光させて、光の往復時間と出射方向から前記被照射体の空間位置を検出する制御部と、
    　を備える測定システム。
  17. 　光源及び受光部を含む検出部と、反射素子と、前記検出部の光軸回りに環状に配置される偏向部と、制御部とを備える測定システムにおける測定方法であって、
    　前記反射素子が、前記光源から出射された光を前記光軸回りに反射し、
    　前記偏向部が、前記反射素子により反射された光を被照射体側に反射によって偏向させ、
    　前記制御部が、前記被照射体から反射された光を前記偏向部及び前記反射素子を介して前記受光部により受光させて、光の往復時間と出射方向から前記被照射体の空間位置を検出する、
    　測定方法。
     
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