JP6850174B2 - 計測装置、測量システム - Google Patents

Description

本発明は測距可能であり且つターゲットにもなる計測装置及び当該計測装置をターゲットとした測量システムに関するものである。

トータルステーション等の測量機では、ポールにプリズム等の再帰反射体を設けたターゲット装置を立てて、当該プリズムまでの距離及び角度を測定することで測量を行っている。

一般的にターゲット装置は、気泡管等の水準器を用いて鉛直に立設（整準）されるように作業者又は治具により保持されるが、人間が設置するものであることから、ある程度の傾きが生じてしまう。ターゲット装置が傾いて設置されると、プリズムの位置が測定したい位置からずれてしまい、その分測量誤差が生じる。

そこで、全周プリズムの空洞部にレーザ発光器とレーザ光線を偏向するミラーを設け、傾斜センサにより全周プリズムの傾斜を検出し、ミラーによりレーザ光線を鉛直下方向に偏向することで測設点を指示する測設指示装置が開発されている（特許文献１）。

特開２０１５-０１０８６９号公報

しかしながら、特許文献１の測設指示装置では、杭打ちを行う際などの測設点を指し示すことはできるが、当該測設点から全周プリズムまでの距離（高さ）については外部の測量機で計測しなければならない。

そこで、本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、任意の方向に測距光を射出して測距を行うことができるとともに、当該測距光の射出位置を正確に測量させることができる計測装置及び測量システムを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明に係る計測装置では、測距光を射出して対象物までの距離を測定する計測装置であって、前記測距光を射出する光射出部と、前記測距光が前記対象物に当たって反射した反射測距光を受光する受光部と、前記受光部にて受光した反射測距光に基づき前記対象物までの距離を算出する測距部と、前記光射出部から射出される前記測距光の射出方向を検出可能な姿勢検出部と、前記測距光を偏向可能な光偏向部と、前記姿勢検出部により検出した前記測距光の射出方向を、前記光偏向部により任意の方向に偏向させる光偏向制御部と、当該光偏向部により偏向された偏向測距光が射出される偏向出口部分の周囲に複数配設された再帰反射部と、を備える。

また上記計測装置において、前記再帰反射部は、前記偏向測距光の偏向出口部分を中心として四方にそれぞれ等距離に配置されている。

また上記計測装置において、前記再帰反射部は、それぞれ直角三角錐のコーナーキューブプリズムであり、直角頂点が前記偏向出口部分側に配置されている。

また上記計測装置において、前記再帰反射部は、それぞれ直角三角錐のコーナーキューブプリズムであり、直角頂点が前記偏向出口部分から離れる側に配置されている。

また上記計測装置において、前記再帰反射部は、外周が再帰反射面をなす円筒体である。

また上記計測装置において、前記光偏向制御部は、前記偏向測距光が円を描くよう前記光偏向部を制御する。

また本発明に係る測量システムでは、上述の計測装置と、前記計測装置の前記再帰反射体をターゲットとして測量を行う測量機と、を備える。

上記手段を用いる発明によれば、任意の方向の測距を行うことができるとともに、当該測距光の射出位置を正確に測量させることができる。

本発明の一実施形態に係る計測装置を含む測量システムの全体構成図である。 本発明の一実施形態に係る計測装置の内部構造の概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る計測装置の正面図である。 プリズムの外観図である。 第１変形例の計測装置における再帰反射体を示す正面図である。 第２変形例の計測装置における再帰反射体を示す正面図である。 第３変形例の計測装置における指示パターンを示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。

図１には本発明の一実施形態に係る計測装置を含む測量システムの全体構成図が示されており、以下同図に基づき測量システム１全体について説明する。

図１に示す測量システム１は、トータルステーション等の測量機２と、当該測量機２に対するターゲットの機能を有するとともに自ら測距も可能な計測装置３を有している。このような測量システム１では、測量機２を既知点に設置し、測量機２により計測装置３の座標を測量しつつ、計測装置３により当該計測装置３から地面等の対象物までの距離を測定（測距）可能である。計測装置３は任意の方向の対象物までの測距が可能であり、本実施形態ではこの任意の方向を鉛直下方とし地表を対象物として、当該地表から計測装置３までの距離（高さ）を測定するものとして説明する。

測量機２については、ターゲットまでの水平角、鉛直角、斜距離から座標を測量できる公知の測量機であればよく、詳しい説明は省略する。

計測装置３は、本体部１０が支持体４に支持されている。支持体４は、棒状のポール部４ａと、当該ポール部４ａに沿って上下に移動可能であるとともに、上下に揺動可能な腕部４ｂからなる。ポール部４ａの一端は地面に対して立設可能に尖っており、腕部４ｂの一端は本体部１０と接続されている。このように支持体４に支持された計測装置３は腕部４ｂにより本体部１０の姿勢を自在に変更可能であり、腕部４ｂを固定することで本体部１０の姿勢を維持させることも可能である。

また、本体部１０には、一端面（正面）にプリズム群１１（再帰反射部）が設けられている。測量機２は当該プリズム群１１をターゲットとして測量を行う。

図２から図４を参照すると、図２には計測装置の内部構造の概略構成図、図３には計測装置の正面図、図４にはプリズムの外観図、がそれぞれ示されており、これらの図に基づき、計測装置３の構造について説明する。

図２、３に示すように、計測装置３は、本体部１０が直方体形状の筐体をなしている。本体部１０の背面には、液晶ディスプレイ等の表示部１２、及びスイッチ群からなる操作部１３が設けられている。なお、表示部１２はタッチパネルとして、操作部１３と兼用してもよい。

本体部１０の内部には、測距光を射出する光射出部２０と、当該測距光が対象物に当たって反射した反射測距光を受光する受光部３０と、測距光及び反射測距光の光軸を偏向可能な光偏向部４０とを有している。なお、図２では、測距光の射出光軸Ｌ１を一点鎖線、反射測距光の受光光軸Ｌ２を二点鎖線で示している。

詳しくは、光射出部２０は、発光素子２１、投光レンズ２２、第１反射鏡２３、及び第２反射鏡２４を有している。発光素子２１は、例えばレーザダイオードであり、測距光としての可視レーザ光を発光する素子である。投光レンズ２２は、当該発光素子２１から射出された測距光を平行化するレンズである。第１反射鏡２３及び第２反射鏡２４は、測距光の射出光軸Ｌ１を反射測距光の受光光軸Ｌ２と一致させるように配置されたミラーである。

受光部３０は、受光素子３１、及び結像レンズ３２を有している。受光素子３１は、例えばフォトダイオードであり、反射測距光を受光して、受光信号に変換する素子である。結像レンズ３２は、反射測距光を受光素子３１に結像するレンズである。なお、発光素子２１から射出される測距光の射出光軸Ｌ１と、受光素子３１に向かう反射測距光の受光光軸Ｌ２は平行をなしている。

光偏向部４０は、光射出部２０及び受光部３０よりも対物側に設けられており、一対のフレネルプリズム４１ａ、４１ｂを有している。当該フレネルプリズム４１ａ、４１ｂは、それぞれ受光光軸Ｌ２を中心軸Ｏとした同径の円板状をなしており、対物側と内部側にて平行に配置されている。

各フレネルプリズム４１ａ、４１ｂは、一面が凹凸面をなし、他面が平滑面をなしており、凹凸面を互いに対向させて配設されている。また、フレネルプリズム４１ａ、４１ｂは、中央部が測距光を偏向するための射出偏向部４２ａ、４２ｂとなっており、中央部より外周側が反射測距光を偏向するための受光偏向部４３ａ、４３ｂとなっている。なお、各フレネルプリズム４１ａ、４１ｂは、受光偏向部４３ａ、４３ｂにて反射測距光の広がりを考慮し、十分な光量を確保できるように直径が設定されている。

本実施形態では、射出偏向部４２ａ、４２ｂは１つのプリズム要素、例えば、ウェッジプリズム等であり、受光偏向部４３ａ、４３ｂは平行に並んだ複数のプリズム要素で構成されている。また、各プリズム要素は光軸の偏向度合い等について同一の光学特性を有している。このように構成された一対のフレネルプリズム４１ａ、４１ｂは、中心軸Ｏ周りに相対回転することで、測距光を任意の方向に偏向可能であり、且つ当該任意の方向から戻ってくる反射測距光を受光光軸Ｌ２と平行な方向に偏向可能である。なお、プリズム要素の構成はこれに限られるものではない。また各フレネルプリズム４１ａ、４１ｂは、光学ガラスから製作してもよいが、光学プラスチック材料でモールド成形したもので安価に製作してもよい。

また、フレネルプリズム４１ａ、４１ｂの外周にはそれぞれリングギア４４ａ、４４ｂが設けられ、当該リングギア４４ａ、４４ｂはそれぞれ対応する駆動ギア４５ａ、４５ｂと噛合されている。各駆動ギア４５ａ、４５ｂは、モータ４６ａ、４６ｂにより回転駆動し、リングギア４４ａ、４４ｂを介してフレネルプリズム４１ａ、４１ｂを、中心軸Ｏ周りに個別に回転可能である。

モータ４６ａ、４６ｂは、回転角を検出可能なもの、又は駆動入力値に対応した回転をするもの、例えばパルスモータが用いられる。又は、モータ４６ａ、４６ｂの回転量（回転角）を検出する回転検出器、例えばエンコーダ（図示せず）等を別途用いて、モータ４６ａ、４６ｂの回転量を検出してもよい。

さらに、対物側のフレネルプリズム４１ａの平滑面には、当該フレネルプリズム４１ａと同径のガラス板１４が当該フレネルプリズム４１ａと一体に回転可能に取り付けられている。このガラス板１４の表面は外部に臨んでおり、当該ガラス板１４の表面にプリズム群１１が設けられている。当該ガラス板１４は対物側のフレネルプリズム４１ａから取り外し可能であることが好ましく、これによりプリズム群１１の交換を容易に行うことができる。

プリズム群１１は、それぞれ再帰反射性を有する４つのコーナーキューブプリズム１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄからなる。１つのコーナーキューブプリズム１１ａは、図４に示すように、３枚の平面板を互いに直角に組み合わせた直角三角錐状を成しており、直角頂点Ｖに対して底面が入射面Ｉとなって、当該入射面Ｉから入った光を同じ方向に反射する。その他のコーナーキューブプリズム１１ａも同じ形状をなしている。

本実施形態におけるプリズム群１１は、各コーナーキューブプリズム１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄをフレネルプリズム４１ａの中心軸Ｏを中心として、射出偏向部４２ａを囲むように四方に配設されている。この各コーナーキューブプリズム１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、それぞれ直角頂点Ｖを中心軸Ｏ側に向けて、即ち入射面Ｉを中心軸Ｏから離れる方向に向けて、配設されている。

また、本体部１０の内部には、演算処理機能を有する各種制御部が搭載されており、例えば測距部５０、姿勢検出部５１、光偏向制御部５２が搭載されている。なお、これら各部は演算器（ＣＰＵ）、記憶部、入出力部を有した１又は複数のコンピュータからなり、記憶部に記憶された各種プログラムに基づき機能する。

測距部５０は、発光素子２１により測距光を射出させ、反射測距光を受光素子３１にて受光した信号に基づいて、対象物までの距離を算出（測距）する機能を有する。

なお、測距部５０は、測距光の射出から反射測距光の受光までから算出される実測距離に対し、本体部１０の内部における発光素子２１からの測距光がガラス板１４を抜けるまでの距離と、当該ガラス板１４からの反射測距光が受光素子３１まで到達するまでの距離分を補正して、ガラス板１４の中心部、即ち偏向された測距光（偏向測距光）の射出位置から対象物までの距離を本体部１０から対象物までの距離として算出する。

姿勢検出部５１は、発光素子２１から射出される測距光の射出方向、即ち射出光軸Ｌ１の水平に対する姿勢（傾斜角、傾斜方向）を検出する機能を有する。

詳しくは、光射出部２０において、発光素子２１から射出される測距光の射出光軸Ｌ１は本体部１０に対して固定されていることから、姿勢検出部５１は、本体部１０の姿勢を検出することで測距光の射出方向を検出する。当該姿勢検出部５１は、例えば２軸のジンバル機構によりチルトセンサ又は加速度センサを支持して、当該チルトセンサ又は加速度センサが水平を検出したとき２軸の角度から、本体部１０の姿勢を検出する（具体的な構成については、例えば特開２０１６−１５１４２３参照）。この他にも、姿勢検出部５１は、例えば加速度センサにより本体部１０の姿勢を検出してもよい。

また、光偏向制御部５２は、姿勢検出部５１により検出した測距光の射出方向を光偏向部４０により任意の方向に偏向させるよう、各フレネルプリズム４１ａ、４１ｂを回転させる各モータ４６ａ、４６ｂを駆動する機能を有する。

詳しくは、光偏向制御部５２は、各モータ４６ａ、４６ｂの回転角を取得し、各フレネルプリズム４１ａ、４１ｂの回転位置を演算し、射出偏向部４２ａ、４２ｂ及び受光偏向部４３ａ、４３ｂの屈折率と回転位置に基づき測距光の偏角（変更方向）及び偏向後の偏向測距光の射出方向を算出し、当該偏向測距光が予め定められた任意の方向となるように各モータ４６ａ、４６ｂの回転角を制御する。

次に、このように構成された計測装置３を含む測量システム１の作用について説明する。

計測装置３は、姿勢検出部５１が測距光の射出方向（射出光軸Ｌ１）を検出し、光偏向制御部５２が偏向測距光の射出方向を鉛直下方に偏向するよう光偏向部４０を制御する。

これにより、対物側のフレネルプリズム４１ａの射出偏向部４２ａから外部に射出される偏向測距光は、常に鉛直下方を指示することとなる。この偏向測距光が対象物である地表に当たって反射された反射測距光は、一対のフレネルプリズム４１ａ、４１ｂの受光偏向部４３ａ、４３ｂにて受光光軸Ｌ２と平行な方向に偏向され、結像レンズ３２を介して受光素子３１にて結像される。

そして、測距部５０が受光素子３１で受光された反射測距光の情報に基づき算出した測距結果が、対物側のフレネルプリズム４１ａにおける射出偏向部４２ａから地表までの距離（高さ）となり、これらの情報は表示部１２に表示されたり、図示しない記憶部に記憶されたり、図示しない通信部を介して外部装置に送信されたりする。

一方で、測量機２は計測装置３のプリズム群１１を追尾して、当該プリズム群１１のいずれか１つまたは複数のコーナーキューブプリズム１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄから反射された測量機２からの測距光を受光することで、計測装置３の本体部１０の座標、厳密には偏向測距光の射出位置（偏向出口部分）の座標を算出する。なお、測量機２は、予め各コーナーキューブプリズム１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄから、偏向測距光の射出位置となるフレネルプリズム４１ａの中心軸Ｏまでの距離情報を得ていることで、実測値からより正確な偏向測距光の射出位置に補正可能である。

具体的な作業例としては、測定点の位置を測定したい場合、まず作業者は測定点近くに計測装置３を持っていく。そして、計測装置３から鉛直下方に向けた偏向測距光を射出させて、この偏向測距光が指示している点を測定点と一致させることで、本体部１０を測設点の鉛直上方に配置する。また、同時に計測装置３は鉛直下までの距離(高さ)を測距する。このように計測装置３は、既知点に設置された測量機２によりプリズム群１１をターゲットとして測量することで、測定点の座標を検出することができる。

このように、本実施形態における計測装置３によれば、本体部１０の姿勢にかかわらず、任意の方向の対象物を指示できることで、煩雑な整準作業を不要とし、作業者の技量を問わず、容易且つ正確に対象物の位置を把握させることができる。また、計測装置３は指示とともに、その対象物までの測距を行うこともでき、この測距結果も用いることで、測量精度を向上させることができる。そして、計測装置３は、光偏向部４０により偏向された偏向測距光が射出される偏向出口部分の周囲にプリズム群１１が設けられていることで、偏向測距光が射出位置に対して偏りがないことから、本体部１０の指向方向にかかわらず、外部の測量機２により、容易に且つ正確に計測装置３の座標を測量させることができる。

特にこのプリズム群１１は、偏向出口部分となる対物側のフレネルプリズム４１ａの射出偏向部４２ａを中心として四方にそれぞれ等距離に配設されていることから、偏向測距光に対して偏りがなく、本体部１０の向きに関係なく偏向測距光の射出位置を測量させることができる。

そして、このような計測装置３を用いた測量システム１によれば、計測装置３により対象物を指示しつつ、測距を行うことができる上、当該計測装置３のプリズム群１１をターゲットとすることで、測量機２により計測装置３の座標を容易に且つ正確に測量することができる。

以上で本発明の実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。

上記の実施形態では、計測装置３に設けられる再帰反射体は、４つの直角三角錐のコーナーキューブプリズム１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄからなるプリズム群１１であり、各コーナーキューブプリズムの直角頂点Ｖが、偏向測距光の偏向出口部分となるフレネルプリズム４１ａ、４１ｂの中心軸Ｏ側に配置されているが、再帰反射体の構成や配置はこれに限られるものでない。

例えば、図５には第１変形例の計測装置における再帰反射体が示されている。なお、上記実施形態と同じ構成については、上記実施形態と同じ符号を付し説明を省略する。以下の変形例についても同じである。

当該第１変形例における再帰反射体は、上記実施形態と同じ４つの直角三角錐のコーナーキューブプリズムからなるが、各コーナーキューブプリズム１１ａ’、１１ｂ’、１１ｃ’、１１ｄ’の直角頂点Ｖが中心軸Ｏから離れる側に配置、即ち入射面Iが内向きに配設されている。上記実施形態のプリズム群の配置では、真横からの測距光もいずれかのコーナーキューブプリズム１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄにより反射することできるため好ましいが、当該第１変形例におけるプリズム群の配置としてもよい。この他にも、プリズムの形状を直角三角錐以外の形状としたり、プリズムの数や配置を変えてもよい。

また、再帰反射体はプリズムに限られない。例えば図６には第２変形例の計測装置における再帰反射体が示されている。

同図に示すように当該第２変形例における再帰反射体は、円筒体の外周面が再帰反射シートである円筒再帰反射体１５からなる。当該円筒再帰反射体１５は、内周円がフレネルプリズム４１ａの射出偏向部４２ａと略同径であり、当該射出偏向部４２ａと同心状に配置されている。このような円筒再帰反射体１５であれは上記第１実施形態及び第１変形例のプリズム群のような隙間なく、再帰反射体を配設することができる。

また、上記実施形態では、計測装置３は偏向測距光により鉛直下方を指示するように設定されていたが、例えば鉛直上方や水平方向等、偏向測距光の射出方向は任意の方向に設定可能である。これにより、建築物内の配管等、所定の位置を測定する事ができる。

さらに、図６には第３変形例における計測装置の指示パターンが示されている。同図に示すように、光偏向制御部５２の制御により、偏向測距光が指示位置を中心とした円形パターンを描くように各フレネルプリズム４１ａ、４１ｂを回転駆動してもよい。これにより、指示位置をより明確に示すことができる。なお指示パターンは円形に限られず、他の形状であってもよい。

また、上記実施形態における光偏向部４０は、一対のフレネルプリズム４１ａ、４１ｂにより光を偏向するものであるが、例えば、ガルバノミラー等の他の光偏向手段を用いてもよい。

１ 測量システム
２ 測量機
３ 計測装置
４ 支持体
１０ 本体部
１１ プリズム群
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ プリズム
１４ ガラス板
１５ 円筒再帰反射体
２０ 光射出部
２１ 発光素子
３０ 受光部
３１ 受光素子
４０ 光偏向部
４１ａ、４１ｂ フレネルプリズム
４２ａ、４２ｂ 射出偏向部
４３ａ、４３ｂ 受光偏向部
４４ａ、４４ｂ リングギア
４５ａ、４５ｂ 駆動ギア
４６ａ、４６ｂ モータ
５０ 測距部
５１ 姿勢検出部
５２ 光偏向制御部
Ｌ１ 射出光軸
Ｌ２ 受光光軸

Claims (7)

1. 測距光を射出して対象物までの距離を測定する計測装置であって、
   前記測距光を射出する光射出部と、
   前記測距光が前記対象物に当たって反射した反射測距光を受光する受光部と、
   前記受光部にて受光した反射測距光に基づき前記対象物までの距離を算出する測距部と、
   前記光射出部から射出される前記測距光の射出方向を検出可能な姿勢検出部と、
   前記測距光を偏向可能な光偏向部と、
   前記姿勢検出部により検出した前記測距光の射出方向を、前記光偏向部により任意の方向に偏向させる光偏向制御部と、
   当該光偏向部により偏向された偏向測距光が射出される偏向出口部分の周囲に複数配設された再帰反射部と、
   を備える計測装置。
2. 前記再帰反射部は、前記偏向測距光の偏向出口部分を中心として四方にそれぞれ等距離に配置されている請求項１記載の計測装置。
3. 前記再帰反射部は、それぞれ直角三角錐のコーナーキューブプリズムであり、直角頂点が前記偏向出口部分側に配置されている請求項１又は２記載の計測装置。
4. 前記再帰反射部は、それぞれ直角三角錐のコーナーキューブプリズムであり、直角頂点が前記偏向出口部分から離れる側に配置されている請求項１又は２記載の計測装置。
5. 前記再帰反射部は、外周が再帰反射面をなす円筒体である請求項１記載の計測装置。
6. 前記光偏向制御部は、前記偏向測距光が円を描くよう前記光偏向部を制御する請求項１から５のいずれか一項に記載の計測装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の計測装置と、
   前記計測装置の前記再帰反射部をターゲットとして測量を行う測量機と、
   を備える測量システム。
   

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