JP4317631B2

JP4317631B2 - 測量機の自動焦点装置

Info

Publication number: JP4317631B2
Application number: JP33276199A
Authority: JP
Inventors: 薫熊谷; 一史定近
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 1999-11-24
Filing date: 1999-11-24
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2019-11-24
Also published as: JP2001153655A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動焦点合わせ機能を有する測量機に関し、特に自動焦点合わせでは調整し得ない個人差を調整できる様にした測量機の自動焦点装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の測量機は望遠鏡、測角の為の精度の高い光学部品から成る光学機器であった。又、従来の測量機では目標対象物迄直接距離測定を行える機能はなかった為、距離測定については伸びの少ないメタルテープを使用して実施していた。然し、最近の測量機は電子化が進み、測量機自体で距離測定が可能となっていると共に測角についても電子化されてきている。最近の電気的に測距測角を行う測量機はトータルステーションと呼ばれる。
【０００３】
測量機に用いられる望遠鏡は高倍率でありながら、非常に高い分解能が要求され、視準目標に対する焦点合わせは、微妙な調整を必要としていた。然し、最近の自動焦点合わせ技術の進歩は著しく、測量機に対しても充分な精度を得られる様になってきたことから、自動焦点装置を搭載するトータルステーションが多くなってきている。
【０００４】
図７、図８（Ａ）（Ｂ）はオートフォーカスを備えたトータルステーション１での測量を示したものである。
【０００５】
与点（既知点）に据付けられたトータルステーション１から求点（測量すべき点）に置かれたポール２及びプリズム３を視準し、測距測角により求点の座標を求める。尚、図示していないが、前記トータルステーション１及びポール２には通常作業者がおり、前記ポール２側の作業者は測量手順に応じて該ポール２を次の求点に移動し、前記トータルステーション１側の作業者は移動先の前記ポール２との距離及び方向角を求める。
【０００６】
該ポール２に前記トータルステーション１を向ける。自動焦点装置が作動し、前記ポール２に対して自動焦点合わせが行われ、前記プリズム３の中心を視準することで、移動後の求点との距離及び方向角が測定される。
【０００７】
自動焦点装置は、基本的に受光素子上に結像する像によって、光電変換した信号に基づいて焦点合わせの制御を行っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
自動焦点装置は自動的に測定対象物に合焦することが可能である為、便利であるが、その反面一律的に測定位置に合焦する為に問題がある。人間の目にはそれぞれ違いや個性があり、見やすい合焦位置がある。手動の合焦装置では、作業者の好みの位置に合焦することができるが、機械により行われる合焦では、個人差は反映されない為、人によっては見にくい、或は焦点合わせが不充分であると感じる場合がある。
【０００９】
従来の自動焦点装置では手動の焦点合わせ機構を具備しているものもあるが、従来のものは自動機械式であり、自動焦点装置と手動の焦点装置とが別機構となっており、２系統の焦点合わせ機構を必要とする。更に、自動焦点合わせと手動焦点合わせとでは機構の切換えが必要となり、切換えの為の複雑機構を必要とする等構造が複雑となり、製作コストが増大する。又、複雑な機構の為に故障が多くなる等の問題があった。
【００１０】
本発明は斯かる実情に鑑み、手動の焦点合わせが行える簡潔な測量機の自動焦点装置を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、焦点位置を調整可能な対物レンズ部と、該対物レンズ部の焦点位置を変更する駆動部と、該駆動部を制御する合焦制御部とを有し、該合焦制御部が自動合焦制御部と手動合焦制御部とを具備し、前記自動合焦制御部と手動合焦制御部のいずれかにより択一的に前記駆動部を駆動する様構成した測量機の自動焦点装置に係り、又光電変換部と、該光電変換部上に測定対象物からの入射光を導く結像光学系と、該結像光学系の集光状態を変更する駆動部と、手動合焦入力部と、前記光電変換部からの出力に基づいて前記駆動部を駆動して前記光電変換部上に測定対象物の像を結像させる自動合焦制御部と、前記手動合焦入力部からの信号により前記駆動部を駆動する手動合焦制御部とを具備する測量機の自動焦点装置に係り、又距離表示部を具備する表示部を具備し、測定目標物迄の概略の距離を表示可能な測量機の自動焦点装置に係り、又集光状態を検出する検出手段を具備し、該検出手段から求められる集光状態から、測定対象物迄の距離を演算し、演算結果が前記距離表示部に表示される測量機の自動焦点装置に係り、又前記検出手段が前記駆動部に設けられたエンコーダである測量機の自動焦点装置に係るものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
図１はトータルステーション１を示すものであり、三脚（図示せず）に基台部５を介して架台６が載設され、該架台６には視準望遠鏡部７が支持されている。前記基台部５は整準螺子８を有し、該整準螺子８により前記架台６が水平となる様に整準が行われる。又、前記架台６は鉛直軸心を中心に回転可能であり、前記視準望遠鏡部７は水平軸心を中心に回転可能である。前記架台６には手動の焦点合わせ摘み９が設けられ、又操作表示部２６が設けられている。該操作表示部２６は表示部２７、操作キー２８を有し、測距、測角で自動焦点合わせを行う場合、手動の焦点合わせを行う場合に、トータルステーション１に作業条件等を前記操作キー２８により入力し、更に測距、測角の測定結果等が前記表示部２７に表示される。
【００１４】
前記操作表示部２６を図２により、更に説明する。
【００１５】
前記表示部２７には測定対象物迄の距離の概略を表示する距離表示部２７ａが設けられ、該距離表示部２７ａは上下に長い棒状であり、下端が０、上端が∞の距離となっており、測定対象物の位置は前記距離表示部２７ａに表示される横線の位置によって表示される。前記操作キー２８はテンキー部２８ａ、機能選択キー部２８ｂを有し、該機能選択キー部２８ｂでは測距モード、或は自動焦点モード、手動焦点モード等の機能を選択する。
【００１６】
前記焦点合わせ摘み９について図３により説明する。
【００１７】
該焦点合わせ摘み９は粗調ダイアル摘み３１、微調ダイアル摘み３２が組合わされたものであり、前記粗調ダイアル摘み３１は焦点合わせ摘み９の外輪として回転自在に設けられ、前記微調ダイアル摘み３２は前記粗調ダイアル摘み３１の内側に回転自在に設けられている。前記粗調ダイアル摘み３１はポテンショメータ（後述）に連結され、前記微調ダイアル摘み３２はロータリエンコーダ（後述）に連結されている。
【００１８】
図４に於いて、前記トータルステーション１が具備する自動焦点装置について説明する。
【００１９】
対物レンズ部１１と、ビームスプリッタ１２と、焦点板１３と、接眼レンズ部１４とが同一光軸上に配設され、結像光学系を構成し、該結像光学系は前記視準望遠鏡部７に収納される。前記ビームスプリッタ１２の分割光軸上には前記焦点板１３と共役の位置にリニアセンサ１５が配置されている。該リニアセンサ１５には演算処理手段１６が電気的に接続され、前記対物レンズ部１１には自動焦点合わせの駆動部１７が連結されている。
【００２０】
前記対物レンズ部１１は、前記ポール２のパターンの像を形成する為のものであり、対物レンズ１８とインタナルレンズ１９とから構成されており、該インタナルレンズ１９を前記駆動部１７により光軸に沿って移動させることでポール２、プリズム３の像を前記焦点板１３、リニアセンサ１５に焦点を合わせることができる。
【００２１】
前記ビームスプリッタ１２は、光を前記接眼レンズ部１４方向と、前記リニアセンサ１５方向に分割させる為のものである。前記接眼レンズ部１４は、測量者が前記ポール２を目視する為のものである。前記焦点板１３には視準軸に対する十字線が描かれ、該焦点板１３に視準像が結像される。十字線の交点に像の中心を一致させることにより視準方向となる。更に、前記焦点板１３の前には図示しないが、反射ミラー又はプリズム構成される正立光学系が置かれている。
【００２２】
前記リニアセンサ１５はパターン検出部及び光電変換部に該当するもので、前記対物レンズ部１１によって形成された視準目標のパターン像を電気信号に変換する。検出信号に基づいてレベル検出及び自動焦点合わせを行う。前記リニアセンサ１５は、例えばＣＣＤリニアセンサであり、又フォトダイオード等の受光素子を一次元的に配置したリニアイメージセンサであれば、何れのセンサも採用することができる。尚、図４に於けるリニアセンサ１５は水平となる様に配置されている。
【００２３】
前記演算処理手段１６は、記憶部２１、画像取込み制御部２２、基準信号形成部２３、演算部２４、自動合焦制御部２５から主に構成され、前記演算部２４には前記操作表示部２６及び手動合焦制御部３３が接続されている。前記自動合焦制御部２５は前記演算部２４からの制御信号に基づき前記駆動部１７を駆動し、前記手動合焦制御部３３は前記焦点合わせ摘み９から入力される合焦信号を基に前記駆動部１７を駆動する。
【００２４】
前記演算部２４は前記操作表示部２６からの自動合焦モード、手動合焦モード選択信号により、前記自動合焦制御部２５からの信号を有効にするか、或は前記手動合焦制御部３３からの信号を有効にするかを決定する。或は、前記手動合焦制御部３３からの信号が入力された場合、該手動合焦制御部３３からの信号を有効とし、該手動合焦制御部３３からの信号が途絶えて所定時間経過後は前記自動合焦制御部２５からの信号が有効であるとする様にしてもよい。又、前記リニアセンサ１５からの信号は前記演算部２４に入力され、合焦作用のフィードバック信号として利用される。
【００２５】
前記駆動部１７は、前記演算処理手段１６の演算結果に基づき、インタナルレンズ１９を所定量移動させる為のものである。本実施の形態では、前記駆動部１７のモータとして円弧モータが採用されているが、超音波モータ等の様にインタナルレンズ１９を往復移動させることができるものであれば、何れの駆動手段も採用することができる。尚、前記駆動部１７にはエンコーダ２０が取付けられ、モータの回転量即ち前記インタナルレンズ１９の移動量が検出される様になっている。
【００２６】
前記演算処理手段１６の各機能を説明すると、前記演算部２４は前記リニアセンサ１５からの信号の取込みを制御し、取込んだ信号は前記記憶部２１に記憶させる。又、該記憶部２１に記憶された信号の内、焦点合わせに必要な範囲部分のみの信号が前記基準信号形成部２３に入力される様に前記画像取込み制御部２２を制御する。前記基準信号形成部２３は前記画像取込み制御部２２から入力された信号を基に合焦状態を示す基準信号を形成する。即ち、前記画像取込み制御部２２からの出力信号を微分し、立上がり、立下がりエッジから前記基準信号を形成する。
【００２７】
該基準信号を基に前記演算部２４は前記自動合焦制御部２５に合焦指令信号を発し、該自動合焦制御部２５は前記駆動部１７を駆動して、前記リニアセンサ１５上に像が結像する様に前記駆動部１７を介してインタナルレンズ１９を光軸に沿って前後に移動させる。又、前記演算部２４は前記基準信号形成部２３からの信号に基づき、前記リニアセンサ１５上の像のエッジ、コントラストが最も高い位置を検知して合焦させる様になっている。
【００２８】
尚、本実施の形態では、オートフォーカスにコントラスト方式を採用しているが、この方式に限定されることなく、他の方式でもよい。
【００２９】
更に、前記合焦状態、合焦途中のインタナルレンズ１９の位置は前記エンコーダ２０により検出され、該エンコーダ２０の検出信号は前記演算部２４に入力される。前記エンコーダ２０からの位置検出信号に基づき前記演算部２４は焦点合わせ範囲を決定し、決定された焦点合わせ範囲に対応させ前記画像取込み制御部２２に取込み範囲の指令信号を発する。而して、前記エンコーダ２０、演算部２４、画像取込み制御部２２は焦点合わせ範囲決定手段を構成する。
【００３０】
前記対物レンズ部１１から入射した入射光は、前記ビームスプリッタ１２で分割され、前記リニアセンサ１５に集光する。
【００３１】
前記ポール２迄の概算の距離を作業者が前記操作表示部２６より演算部２４に入力してもよいし、又該演算部２４が合焦作動開始時の前記エンコーダ２０からの位置信号を取込み、ポール２迄の距離を演算してもよい。この距離の演算結果は、前記距離表示部２７ａに表示される。
【００３２】
前記ポール２迄の距離に応じ、合焦開始時の前記リニアセンサ１５の焦点合わせ範囲を決定し、前記画像取込み制御部２２に取込み範囲の指令信号を発する。該画像取込み制御部２２は指令信号に基づき前記記憶部２１から所定範囲の画像信号を取込み前記基準信号形成部２３に出力する。
【００３３】
前記手動合焦制御部３３について図５により説明する。
【００３４】
前記粗調ダイアル摘み３１（図３参照）は、ポテンショメータ３５に連結され、＋Ｖボルト、−Ｖボルトの電源（図示せず）に接続される。前記ポテンショメータ３５の出力は前記粗調ダイアル摘み３１の回転角に比例して決定され、ポテンショメータ３５の出力は、比較器３６を介して、及びＶ／Ｆ変換器３７を介して正逆判定回路３８に接続される。
【００３５】
前記Ｖ／Ｆ変換器３７は、入力された電圧の絶対値に比例した周波数のパルスを出力する。前記比較器３６は、入力電圧が正か負であるかを判定し、Ｖ／Ｆ変換器３７の出力を正転パルスにするか負転パルスにするかの指示信号を正逆判定回路３８に出力する。該正逆判定回路３８の正転パルス出力及び負転パルス出力は、それぞれゲート回路３９，４１に接続される。該ゲート回路３９，４１の出力は、パルスモータドライバ４２に接続され、該パルスモータドライバ４２の出力は合焦パルスモータ４３に接続される。該合焦パルスモータ４３は減速器等所要の機構を介して前記インタナルレンズ１９に連結される。前記パルスモータドライバ４２、合焦パルスモータ４３により前記駆動部１７（図４参照）が構成される。
【００３６】
前記微調ダイアル摘み３２（図３参照）は、ロータリエンコーダ４４に連結され、該ロータリエンコーダ４４は９０°位相の異なった２相を出力するロータリエンコーダであり、前記ロータリエンコーダ４４からの２相の出力は正逆判定回路４５に入力される。該正逆判定回路４５の正転パルス出力及び負転パルス出力は、それぞれ前記ゲート回路３９，４１に入力される。
【００３７】
先ず、ポテンショメータ３５が回転されて、粗調整が行われる。
【００３８】
粗調ダイアル摘み３１が一定角度回転されると、前記ポテンショメータ３５はその回転方向、回転角度に比例した電圧を発生し、電圧は前記比較器３６、Ｖ／Ｆ変換器３７、正逆判定回路３８でパルス化され、正転パルス又は負転パルスが合焦パルスモータ４３に供給され、前記粗調ダイアル摘み３１の回転角度に比例した速度で前記合焦パルスモータ４３が回転し続ける。
【００３９】
粗調整が完了し、微調整を行うには前記微調ダイアル摘み３２を回転する。前記ロータリエンコーダ４４は微調ダイアル摘み３２の回転角に比例したパルス数を発し、回転方向に対応した位相のパルスを発し、前記パルスモータドライバ４２に与える。該パルスモータドライバ４２はパルス数分、位相で決定される方向に前記合焦パルスモータ４３を回転する。
【００４０】
上述した様に、手動で焦点合わせを行う場合は、前記機能選択キー部２８ｂにより、手動合焦モードを選択する。或は、演算部２４に自動／手動切替え機能を設定し、前記手動合焦制御部３３から信号が入力した時は手動合焦制御部３３からの信号を優先させる様にしてもよい。
【００４１】
尚、手動合焦モードから自動合焦モードへの復帰は、前記手動合焦制御部３３からの信号が所定時間前記演算部２４に入力しない場合に、自動的に自動合焦モードに切替る様になっている。又、自動合焦モードで焦点合わせ作動が完了した後所定時間経過後、自動合焦モードに切替る様にしてもよい。
【００４２】
上記手動合焦制御部３３では、粗調ダイアル摘み３１がポテンショメータであって、微調ダイアル摘み３２がロータリエンコーダであったが、粗調ダイアル摘み３１がロータリエンコーダであって、微調ダイアル摘み３２がポテンショメータであってもよい。尚、前記焦点合わせ摘み９を省略し、操作表示部２６に焦点合せ操作キー２８ｃを設け、該焦点合わせ操作キー２８ｃにより、手動の焦点合せを行ってもよい。
【００４３】
図６を参照して自動合焦作用について説明する。
【００４４】
ＳＴＥＰ１で前記画像取込み制御部２２からの画像信号に基づき、前記基準信号形成部２３がコントラストの演算を行う。演算結果は基準信号として前記演算部２４に出力される。
【００４５】
ＳＴＥＰ２では前記演算部２４がコントラストの値が一定の値（しきい値）以上であるかどうかが判断される。ＳＴＥＰ２でコントラストがしきい値に達していない場合には、ＳＴＥＰ３に進み、前記演算部２４が自動合焦制御部２５に合焦指令信号を発し、前記駆動部１７を駆動して前記インタナルレンズ１９を移動させる。ＳＴＥＰ３では該インタナルレンズ１９を無限遠から近距離の方向に向かって、スキャン（粗測定）を開始する。
【００４６】
ＳＴＥＰ４では前記演算部２４がコントラストのピーク値を検出する。これはコントラストの山の頂点を検出することにより、コントラストのピークを検出している（山登り法）。
【００４７】
更に、ＳＴＥＰ５では、演算部２４が前記ピーク値がしきい値以上であるか否かを判断する。そして、ＳＴＥＰ５で、一定の値に達していない場合には、ＳＴＥＰ６に進み、前記演算部２４がインタナルレンズ１９を更に近距離の方向に向かってスキャン（粗測定）を続行する。
【００４８】
ＳＴＥＰ７ではピーク値のレンズの位置が前記エンコーダ２０からの信号により求められる。レンズの位置により、前記ポール２迄の距離が前記演算部２４により演算され、演算された結果により、自動焦点合わせ範囲が決定され、前記画像取込み制御部２２は決定された取込み範囲の画像信号を前記基準信号形成部２３に出力する。又、前記ポール２迄の距離は前記距離表示部２７ａに表示される。
【００４９】
決定された取込み範囲については前記表示部２７に焦点合わせ範囲として表示する。又、前記焦点板１３に液晶表示板を使用し、該液晶表示板に焦点合わせ範囲を表示させても良い。尚、表示板には視準十字線が描かれている為、焦点合わせ範囲を同時に表示させると複雑となることから、前記操作キー２８の操作により必要がある時のみ表示する様にしてもよい。
【００５０】
尚、ＳＴＥＰ２で、コントラストの値がしきい値に達している場合には、スキャンの必要がないので、ＳＴＥＰ７に進む。同様にＳＴＥＰ５でコントラストの値がしきい値に達している場合にも、スキャンの必要がないので、ＳＴＥＰ７に進む様になっている。この結果、合焦動作に要する時間を飛躍的に短くすることができる。仮に、しきい値を標尺のコントラストの値に設定しておくと、標尺への合焦動作が短くなり作業時間が短縮される。
【００５１】
そしてＳＴＥＰ８では、粗測定で検出したコントラストのピークの位置迄、前記演算部２４が前記自動合焦制御部２５を介して前記駆動部１７を駆動し、前記インターナルレンズ１９を移動させる。この位置決めには、前記エンコーダ２０の検出信号が利用される。
【００５２】
ＳＴＥＰ９ではコントラストのピークの位置近傍で低速で緻密なスキャン（精測定）を行う。又、ＳＴＥＰ９では焦点合わせ範囲が視野中の対象物の大きさに適した大きさとなっているので、背景のノイズが少なくなり、コントラストも大きくなることも相俟って精度の高いピーク検出を行うことができる。
【００５３】
ＳＴＥＰ９のスキャン（精測定）が完了すると、ＳＴＥＰ１０に進み、コントラストのピークの位置を正確に検出することができる。
【００５４】
更にＳＴＥＰ１１では、ＳＴＥＰ１０で検出したコントラストのピークの位置に基づき、前記演算部２４が前記自動合焦制御部２５を介して前記駆動部１７を駆動し、前記インタナルレンズ１９を移動させ、自動合焦が完了する。尚、この位置決めにも前記エンコーダ２０の検出信号が利用される。
【００５５】
尚、対象物がプリズム３である場合で、対象物迄の測距が可能な場合は、測距結果を基に前記焦点合わせ範囲を決定する様にしてもよい。尚、この場合も測距結果は前記距離表示部２７ａに表示される。更に、焦点合わせ範囲は作業者が前記視準望遠鏡部７により、前記ポール２を視準し、望遠鏡視野中の像の大きさに応じて手動により選択してもよい。
【００５６】
更に、焦点合わせ範囲決定手段に於いて、前記エンコーダ２０からの信号を利用したが、画像信号をスキャンした場合、画像の両エッジでそれぞれピーク値が得られるので、ピーク値の間隔により対象物の大きさを判断し、対象物の大きさに応じて焦点合わせ範囲２９を決定してもよい。
【００５７】
尚、上記実施の形態では、自動焦点合わせと、手動焦点合わせとを独立して行う様にしたが、自動による焦点合わせ完了後続いて手動による焦点合わせを行った場合、自動と手動の偏差を前記演算処理手段１６が記憶する様にし、次回の自動合焦動作では前記偏差分を含む様にしてもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、自動焦点合わせ完了後作業者の目の状態に最適となる様に、手動により焦点合せが行えるので、快適な作業が行えると共に、焦点合わせ精度が向上し、更に焦点合わせ機構については自動／手動が共用となるので、構造が簡単になると共に製作コストが低減できるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る測量機の自動焦点装置の正面図である。
【図２】該測量機の自動焦点装置の操作表示部の正面図である。
【図３】手動で焦点合せを行う場合に使用される焦点合わせ摘みの斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態を示すブロック構成図である。
【図５】該実施の形態に於ける手動合焦制御部のブロック図である。
【図６】同前本発明の実施の形態の作用を示すフローチャートである。
【図７】トータルステーションによる求点測定の状態を示す説明図である。
【図８】（Ａ）（Ｂ）は望遠鏡視野と対象物の大きさとの関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１トータルステーション
２ポール
３プリズム
７視準望遠鏡部
９焦点合わせ摘み
１１対物レンズ部
１２ビームスプリッタ
１３焦点板
１５リニアセンサ
１６演算処理手段
１７駆動部
２０エンコーダ
２３基準信号形成部
２４演算部
２５自動合焦制御部
２６操作表示部
３３手動合焦制御部

Claims

光電変換部と、該光電変換部上に測定対象物からの入射光を導く結像光学系と、該結像光学系の集光状態を変更する駆動部と、手動合焦入力部と、自動合焦モードとして前記光電変換部からの出力に基づいて前記駆動部を駆動して前記光電変換部上に測定対象物の像を結像させる自動合焦制御部と、前記手動合焦入力部からの信号により前記駆動部を駆動する手動合焦制御部と、前記自動合焦モードの際に前記手動合焦入力部からの信号の入力が有った場合に手動合焦モードとする演算部とを具備することを特徴とする測量機の自動焦点装置。
距離表示部を具備する表示部を具備し、測定対象物迄の概略の距離を表示可能な請求項１の測量機の自動焦点装置。
集光状態を検出する検出手段を具備し、該検出手段から求められる集光状態から、測定対象物迄の距離を演算し、演算結果が前記距離表示部に表示される請求項２の測量機の自動焦点装置。
前記演算部は、前記手動合焦モードが有効となった後、前記手動合焦入力部からの信号が途絶えて所定時間経過後に前記自動合焦モードを有効とする請求項３の測量機の自動焦点装置。
前記演算部は、自動による焦点合わせ完了後続いて手動による焦点合わせを行った場合、自動と手動の偏差を記憶し、再度自動合焦モードが有効となった際に、前記偏差を含む様に自動合焦動作を制御し、自動合焦モードに作業者の個人差が反映される様にした請求項４の測量機の自動焦点装置。