專利名稱：位置檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及掃描檢測作為測定目標的目的物、測定方向及距離的位置檢測裝置，特別涉及照射測距光、測定光并進行目的物位置的3維計測，進而記錄其照射方法或其他方向的圖像數據的位置檢測裝置。
背景技術：
以往在3維位置測定和設定中，使用總測站(tatal station)?？倻y站具備測距測角的功能、是將測定值作為電氣數據輸出的裝置。測定時，將總測站設置于基準位置后，可將目的物設置于測定地點，用總測站對目的物進行平行校準，測定水平角、仰角，對設有目的物的反射棱鏡(直角棱鏡)進行測距，得到距離數據。
所測定的測距、測角數據，存儲到總測站的內裝存儲器。此外根據需要，對外部存儲器裝置和計算機輸出測距測角數據作為測量作業(yè)數據。圖7示出在總測站的測量作業(yè)。總測站(1000)置于基準位置。目的物(2000a)安裝于桿(3000a)上，桿(3000a)由作業(yè)人員(4000)設置于測定地點。
總測站(1000)由望遠鏡單元、自如地支持望鏡部的高低旋轉用的托架單元、自如地支持托架單元水平旋轉用的基盤單元、以及位于基盤單元的下部調準總測站(1000)本身的傾斜并固定三腳的腳頭用的調整單元所構成。又，測距及測角等用的電路內裝于總測站(1000)內。
總測站(1000)側的作業(yè)人員上下左右地轉動望遠鏡單元，將目的物(2000a)捕獲于平行校準中心上，根據基準位置得到水平角、仰角及距離。
然而，使用現(xiàn)有的總測點(1000)的作業(yè)中，至少需要總測站1000側1個作業(yè)人員、1個目的物(2000a)設置用的作業(yè)人員共2人。如果增加目的物(2000a)的數目，則相應的要增加作業(yè)人員。而且瞬時測定多個目的物(2000a)是困難的，現(xiàn)實中不可能的。即作業(yè)人員為了用望遠鏡單元進行平行校準目的物(2000a)，再作測定，需要與目的物(2000a)數目相應的測定時間。因此存在不可能實現(xiàn)大幅度的作業(yè)效率的改進那樣的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明中光源單元發(fā)生測定光，圖像傳感器接收反射光，出射裝置出射測定光同時將反射光導至圖像傳感器，轉動機構使出射裝置轉動，角度檢測器檢測出射裝置的出射方向、固定地設定光源單元與圖像傳感器，計算處理單元根據圖像傳感器的輸出及受光時刻的角度檢測器的輸出、變換反射體相對于中心軸的偏差的坐標。
又，本發(fā)明具有距離測定單元，可同時出射測定光和測距光以求出至反射體的距離，根據距離和方向求出反射體的位置。
又，本發(fā)明也可以構成得使具有記錄來自圖像傳感器的圖像數據用的存儲單元。
又，本發(fā)明也可以構成得在得到來自圖像傳感器的圖像數據，根據圖像傳感器的受光時刻的角度檢測器的輸出，變換圖像數據的坐標。
又，本發(fā)明的受光部第1受光傳感器可檢測與光軸中心的偏差，第2受光傳感器可檢測與第1受光傳感器不同的范圍。
又，本發(fā)明記錄的圖像數據以重復的預定的轉動角進行記錄，并將其圖像數據形成連續(xù)排列的圖像。
又，本發(fā)明得自第1受光傳感器的圖像數據與得自第2圖傳感器的圖像數據被加上位置上的關聯(lián)關系。


圖1為說明本發(fā)明的實施例的位置檢測裝置10000的圖。
圖2為說明本實施例的位置檢測裝置10000的電氣構成的圖。
圖3為說明本實施例的原理的圖。
圖4為說明本實施例的原理的圖。
圖5為說明本實施例的原理的圖。
圖6為說明本實施例的原理的圖。
圖7為說明現(xiàn)有技術的圖。
具體實施例方式
以下通過

本發(fā)明的實施例。
根據圖1和圖2說明本實施例的位置檢測裝置10000。
位置檢測裝置10000由本體2000與調平單元3000構成。
本體2000由旋轉單元2100、固定單元2200、傾斜測定單元2300構成。
本體2000分為轉動部分與固定部分，轉動部分在水平方向及垂直方向具有旋轉軸，用旋轉電機各自可作全周旋轉。
旋轉單元2100相當于轉動部分，具有垂直方向的旋轉部分(高低轉動單元)與水平方向的旋轉部分(水平轉動單元)。
垂直方向的旋轉部分(高低轉動單元)是使旋轉反射鏡2110沿垂直方向旋轉(高低角)的部分。水平軸2111設于旋轉反射鏡2110的兩端部，在水平軸2111的一方上安裝高低角測定用的轉動編碼器2120，水平軸2111的另一方經由第1驅動齒輪2130連接到垂直驅動用電機2140。垂直驅動用電機2140由于固定于支柱單元2150，故利用垂直驅動用電機2140的驅動力使垂直方向的旋轉部分一體地旋轉。
水平方向的旋轉部分(水平轉動單元)是使旋轉反射鏡2110沿水平方向旋轉的部分。水平方向的旋轉部分由水平旋轉單元2170、形成于其上的支柱單元2150、形成于其軸受支柱單元2150制動的旋轉反射鏡2110的水平軸2111構成，構成得使一體地旋轉。
又在水平旋轉單元2170上安裝水平角測定用轉動編碼器2180。再者，水平旋轉單元2170經由第2驅動齒輪2185連接到水平驅動用電機2190。水平驅動用電機2190由于固定于筐體上，故利用水平驅動用電機2190的驅動力使包含水平旋轉單元2170構成的旋轉單元2100在水平方向上旋轉。
高低角測定用的轉動編碼器2120與水平角測定用的轉動編碼器2180相當于角度檢測器。
調準單元3000基本上是用三條腳支持本體2000的構造。三條腳中的一腳轉動自如地例如用球面支持。其余2腳利用調準驅動電機的驅動力可上下移動。構造上使根據來自傾斜測定單元2300的傾斜信號，通過調整上下動作來調準本體2000。
以下根據圖2說明本實施例的位置檢測裝置10000的電氣構造。
位置檢測裝置10000由下述各部分構成測距單元1100，反射體檢測單元1200，角度檢測單元1400，傾斜測定單元2300，存儲單元4200，顯示單元4300，驅動電路4400，電機4500，計算處理裝置4000，以及操作單元5000。
傾斜測定單元2300檢測出因軸承的旋轉精度引起的旋轉單元2100的旋轉松動或傾斜，計算處理裝置4000修正受光單元受光的測定對象物的受光位置，可消除旋轉松動或傾斜的影響。再者，測距單元1100、反射體檢測單元1200、出射光學系統(tǒng)以及入射光學系統(tǒng)加起來相當于固定部分。
傾斜設定單元2300根據檢測出位置檢測裝置10000本體的傾斜與水平角編碼器1410相對于其水平基準的傾斜，提供修正距離、角度、圖像數據的值的數據。
傾斜設定單元2300在確保水平的同時，檢測作為機械誤差的旋轉單元2100的旋轉模糊，通過使用基于角度的修正，以檢測目的物2000a的正確的位置。
測距單元1100使從距離檢測發(fā)光單元2211發(fā)生的測距光由三角鏡2215反射、透過分光棱鏡2212，透過物鏡2213后，由旋轉反射鏡2110反射，向未圖示的測定對象物的方向出射。來自測定對象物的反射光沿相反的徑路返回，由距離檢測受光單元2214的受光元件所接收。
從位置檢測裝置10000至目的物2000a的距離，根據距離檢測發(fā)光單元2211發(fā)出脈沖光之后至距離檢測受光單元2214受光為止的時間差來計算。該計算由距離計算電路1120來實行。又，包含距離檢測發(fā)光單元2211、距離檢測受光單元2214及收發(fā)光電路一起相當于距離測定單元1110。此外，這一距離測定方式也可以是其他相位差測定方式。
反射體檢測單元1200由下述構成反射體檢測光發(fā)光單元1210，第1攝像單元1320，第2攝像單元1330，以及反射體檢測電路1340。
第1攝像單元1320與第2攝像單元1330接收由反射體檢測發(fā)光單元1210發(fā)光、由目的物2000a的反射體2000b所反射的反射光，同時取得圖像。
本實施例中，第1攝像單元1320與第2攝像單元1330使用CCD等的固體攝像元件。第1攝像單元1320相當于第1圖像傳感器，第2攝像單元1330相當于第2圖像傳感器。
反射體檢測光發(fā)光單元1210將從位于本體單元的例如脈沖激光器二極管1211發(fā)生的光通過準直透鏡1212準直，再通過反射鏡2110出射。
在反射體檢測光發(fā)光單元1210點亮的狀態(tài)下，第1攝像單元1320與第2攝像單元1330的視頻信號中包含了由目的物2000a的反射體2000b反射的來自反射體檢測光發(fā)光單元1210的反射光，在反射體檢測光發(fā)光單元1210熄滅的狀態(tài)下，不包含來自反射體2000b的反射光。
因此，當求出從第1攝像單元1320與第2攝像單元1330輸出的反射體檢測光發(fā)光單元1210的點亮狀態(tài)、熄滅狀態(tài)各自的視頻信號的差時，作為視頻信號僅為來自反射體2000b的反射光，通過求出圖像上反射光的位置，可檢測出第1攝像單元1320與第2攝像單元1330上的反射體中心位置。
又，利用該檢測結果可求出平行校準中心O與目的物2000a的中心位置的偏差。
圖3(A)示出包含設置于桿3000上的目的物2000a的反射體2000b的周圍的圖像，在反射體檢測光發(fā)光單元1210發(fā)光的情況下，重復地得到在可見光之外來自目的物2000a的反射體2000b的回程光的像。因此當求出在點亮反射體檢測光發(fā)光單元1210時與熄滅反射體檢測光發(fā)光單元1210時的圖像的差時，就得到僅與圖3(B)所示那樣的目的物2000a的反射體2000b大致相同大小的反射光(回程光)12的圖像。取畫面中心為與平行校準中心O一致的點，則能從圖像容易地計算所述回程光12的水平方向的偏差H、垂直方向的偏差V。
另外，設如圖4所示那樣，圖像傳感器40000配置于透鏡的焦距f的位置上，入射到圖像傳感器40000的回程光的角度為θ，則從圖像傳感器40000的光軸O的偏差x為f·tanθ，求出偏差x就唯一地決定要修正的角度。因此不管至目的物棱鏡的距離1a、1b和1c的大小，可計算圖像上的水平方向偏差角度H、垂直方向偏差角度V。
詳細地說，由于反射體檢測光發(fā)光單元1210及第1攝像單元1320、第2攝像單元1330被固定地設置，故利用轉動單元的位置以與平行校準中心O一致的位置為中心轉動圖像。
基于圖3(C)進行說明時，設例如從位置檢測裝置10000所置的位置看的水平方向為X軸，垂直方向為Y軸。這時，在Y方向上一角度偏移的位置上有目的物2000a的反射體2000b的情況下，根據相對于位置檢測裝置10000如①到④那樣放置的位置，第1攝像單元1320、第2攝像單元1330上的位置如圖3(C)那樣改變。因此，在檢測來自第1攝像單元1320、第2攝像單元1330的偏差并使平行校準中心O向反射體2000b的中心移動的情況，而且求目的物2000a的反射體2000b的水平、垂直方向的偏差角度的情況下，必須將圖像傳感器40000上的坐標變換到使本體2000旋轉的水平及垂直的坐標。該式用坐標的旋轉來表示，由式(1)所表示。這些變換處理由計算處理單元4000進行。
反射體檢測單元1200由反射體檢測光發(fā)光單元1210、第1攝像單元1320、第2攝像單元1330以及反射體檢測電路1340所構成。
反射體檢測單元1200的光學系統(tǒng)由下列單元構成設置于固定單元2200的準基透鏡1212，分光棱鏡2212，半反射鏡2217，轉換透鏡2216，第1攝像單元1320，第2攝像單元1330，反射鏡1213，以及轉動單元的反射鏡2110。
第1攝像單元1320通過分束器2212反射，被設置于物鏡2213的焦點位置上。
第1攝像單元1320由于利用轉動單元的反射鏡可使水平校準方向在垂直、水平方向內彎曲而具有全方向的大視野。利用第1攝像單元1320上成像的受光裝置的像(實質上直角棱鏡像)的成像位置信息與角度計算單元計算的反射鏡附加方向的水平角度及垂直角度，可以求出從位置檢測裝置10000向反射體2000b進行水平校準的水平角及仰角。
又，CCD的分辨角由CCD的像素數與視場角所決定。像素數越多，視場角越窄，分辨角就越小。
另外，第2攝像單元1330通過轉換透鏡2216位于與第1攝像單元1320共軛的位置上。
由于利用轉換透鏡2216縮小了第2攝像單元1330的視場角，故與第1攝像單元1320相比使分辨角減小，可能高精度地求出偏差。
另外，如果利用廣角的圖像傳感器進行反射體2000b的檢測并進行進入狹角范圍內的那樣地驅動，則可能作精度的高速的反射體檢測。
存儲單元4200中存儲得自圖像傳感器的圖像數據鏈接的設計數據，顯示單元4300中顯示根據測定圖像數據與設計數據同時的測定數據的3維位置信息。另外也可以用變換圖像數據的應用軟件變換成全景那樣的圖像進行顯示或存儲。
這里，基于圖5的全景圖像的形成進行說明。如圖5(a)所示那樣，如在360°方向上分割圖像并攝像，使圖像旋轉并連在一起，就可形成如圖5(b)那樣的全景樣圖像。
如圖3(C)所示，如設CCD上的圖像坐標為(X’，Y’)，旋轉角度為θ，變換的坐標為(X，Y)，則只要用下式進行所表示的坐標計算就可，[數學公式1]xy=cosθ-sinθsinθcosθx′y′······(1)]]>
又，在圖3(C)中表示以①、②、③、④的順序旋轉。
又，第1攝像單元1320可進行大視野即廣角的攝影(低精度)，第2攝像單元1330可進行小視野狹角的攝影(高精度)，可以重疊2個圖像。
以下根據圖6說明反射體檢測光發(fā)光單元1210、第1攝像單元1320、第2攝像單元1330的定時。這里作為圖像傳感器以面CCD為例來說明。
反射體檢測單元1200由下列單元構成第1攝像單元1320，CCD驅動器1351，信號處理單元1352，A/D轉換器1353，幀存儲器1354，定時發(fā)生電路1355，發(fā)光元件驅動器1356，反射檢測光發(fā)光單元1210，以及CPU4000。
CCD如圖6所示使用規(guī)定1場的垂直同步信號VD、水平同步信號HD。本例中采用電子開關，利用該電子開關間歇地分離CCD的電荷積累時間與電荷轉出時間。
本實施例被構成得使在CCD的電荷積累時間驅動發(fā)光元件驅動器1356、反射體檢測光發(fā)光單元1210發(fā)射光脈沖。因此效率高的跟蹤檢測成為可能。
又，當第1攝像單元1320的讀出時，使反射體檢測光發(fā)光單元1210產生的光脈沖的發(fā)光及角度測定單元1400的檢測同步。
由于第2攝像單元1330也同樣地工作，故省略其說明。
測角單元1400利用安裝于轉動單元的桿和形成于固定單元的檢測單元，檢測轉動單元相對于固定單元的角度。即構成得使水平角及垂直角編碼器1410的輸出信號送到角度測定單元1400，計算角度。
位置檢測裝置10000的受光裝置20000檢測程序如下。
起始，使反射體檢測光發(fā)光單元1210點亮，驅動單元使反射鏡2110轉動。一邊觀察廣角的圖像傳感器的輸出，一邊檢測反射體2000b。如果檢測出反射體2000b，則接通狹角的圖像傳感器，計算處理單元4000根據角度檢測單元的數據與圖像傳感器的位置進行計算，驅動單元轉動反射鏡2110。
如果在狹角的圖像傳感器包括反射體2000b的像，則進而驅動到中心軸O附近，或在該位置，計算處理單元4000根據角度檢測單元的數據與圖像傳感器的位置求出反射體2000b的水平角及垂直角。這時記錄狹角的圖像與廣角的圖像也是可能的。此外在圖像數據中包含并記錄水平角及垂直角、測定的圖像數據也可能。
通過用廣角的圖像傳感器進行最初的反射體2000b的檢測，從而可高速地實行。
在透鏡系統(tǒng)中存在畸變，第1攝像單元1320與第2攝像單元1330的光學系統(tǒng)也在預定作為基準的場所生成校正數據，也可以在進行直角棱鏡21000的位置檢測的計算處理階段減去誤差。
本實施例利用旋轉反射鏡在水平方向或垂直方向上旋轉照射測距光和測定光，是捕捉位于照射范圍的反射體2000b并進行位置測定的位置檢測裝置。
在受光單元不只是捕捉特定光的受光傳感器，而且具備圖像傳感器。圖像傳感器輸出的圖像數據，通過在存儲數值羅列的現(xiàn)有方法上加上圖像數值，從而可改善作業(yè)性。
此外，本實施例的位置檢測裝置10000，旋轉照射測距光及測定光的旋轉單元2100也可以只由水平旋轉機構構成。這種情況下使水平方向設置于旋轉單元2100的水平角編碼器1410能大致捕獲測定對象的直角棱鏡21000的位置?？筛鶕?攝像單元1320與第2攝像單元1330的視頻，修正從相對于水平校準中心的水平角編碼器1410輸出的水平角值，算出仰角。測距光通過使用扇形光可覆蓋仰角測距范圍。
這里使用的第1攝像單元1320與第2攝像單元1330是可攝入圖像的圖像傳感器。圖像傳感器攝入的圖像數據，用于直角棱鏡21000的位置檢出的同時，作為可測定范圍的圖像數據加以記錄。
又，收集本實施例的圖像數據的圖像傳感器，捕獲由距離檢測發(fā)光單元2211發(fā)光、由反射體2000b反射的測定光的同時，捕獲目的物2000a的圖像并記錄。而且在包含目的物2000a的直角棱鏡21000的轉動范圍記錄周圍的圖像。再者，圖像傳感器由視角范圍不同的2個圖像傳感器(第1攝像單元1320與第2攝像單元1330)構成，用作遠近或擴大的圖像數據。
本實施例在水平方向的轉動上加上進行高低方向的轉動，而且利用各自的編碼器檢測水平的轉動及高低的轉動。當目的物2000a的直角棱鏡2100b的方向位置捕捉于概略圖像中時，就利用圖像數據的值修正水平角與仰角值，確定正確的直角棱鏡2100b的方向。
角度測定單元1400利用安裝于旋轉單元2100的桿與固定單元2200的形成的檢測單元檢測旋轉單元2100相對于固定單元2200的角度。
距離檢測發(fā)光單元2211相當于光源單元。距離檢測受光單元2214相當于受光單元。轉換透鏡1212、反射鏡1213和轉動單元的反射鏡2110等相當于出射裝置。角度測定單元1400相當于角度檢測器。第1攝像單元1320與第2攝像單元1330相當于圖像傳感器。目的物2000a的直角棱鏡21000相當于反射體。
水平驅動用電機2190等相當于轉動機構。
如上構成的本發(fā)明，在向反射體照射測定光，根據其反射光求方向的位置測定裝置中，具備發(fā)生測定光用的光源單元、接收該反射光用的圖像傳感器、出射測定光并將反射光導至所述圖像傳感器用的出射裝置、以及使該出射裝置轉動用的轉動機構、檢測所述出射裝置的出射方向用的角度檢測器，所述光源部與所述圖像傳感器被固定地設置，根據所述圖像傳感器的輸出和受光時刻的所述角度檢測器的輸出，變換所述反射體相對于中心軸的偏差的坐標用的運算處理單元等構成，因此有能謀求大幅度改進作業(yè)效率那樣的效果。
工業(yè)上可用性本發(fā)明有關于位置檢測裝置，特別可照射測距光、測定光并進行目的物位置的3維計測，而且記錄其照射方向或其他方向的圖像數值。
權利要求
1.一種位置測定裝置，對反射體照射測定光并求出該反射光的方向，其特征在于，具備發(fā)生測定光用的光源單元，接收該反射光用的圖像傳感器，出射測定光并將反射光導至所述圖像傳感器用的出射裝置，使該出射裝置轉動用的轉動機構，檢測所述出射裝置的出射方向用的角度檢測器，所述光源部與所述圖像傳感器被固定地設置，以及根據所述圖像傳感器的輸出和受光時刻的所述角度檢測器的輸出、變換所述反射體相對于中心軸的偏差的坐標用的運算處理單元。
2.如權利要求1所述的位置檢定裝置，其特征在于，具有距離測定單元，同時出射測定光和測距光以求出至反射體的距離，根據距離和方向求出反射體的位置。
3.如權利要求1所述的位置檢定裝置，其特征在于，具有記錄來自圖像傳感器的圖像數據用的存儲單元。
4.如權利要求3所述的位置檢定裝置，其特征在于，在得到來自圖像傳感器的圖像數據時，根據所述圖像傳感器的受光時刻的所述角度檢測器的輸出，變換圖像數據的坐標。
5.如權利要求3所述的位置檢定裝置，其特征在于，圖像傳感器具有檢測與光軸中心的偏差的第1受光傳感器與檢測與該第1受光傳感器不同范圍的第2受光傳感器。
6.如權利要求5所述的位置檢定裝置，其特征在于，所記錄的圖像數據以重復的預定的轉動角進行記錄，將該圖像數據形成連續(xù)排列的圖像。
7.如權利要求5所述的位置檢定裝置，其特征在于，得自第1圖像傳感器的圖像數據與得自第2圖像傳感器的圖像數據被附加位置上的關連關系。
全文摘要
本發(fā)明涉及位置檢測裝置，特別是其目的在于提供照射測距光、測定光并進行目的物位置的3維計測，進而記錄該照射方向或其他方向的圖像數據的位置檢測裝置，光源單元發(fā)出測定光，圖像傳感器接收反射光，出射裝置出射測定光并將反射光導向圖像傳感器，轉動機構使出射裝置轉動，角度檢測器檢測出射裝置的出射方向，固定地設置光源單元與圖像傳感器，計算處理單元根據圖像傳感器的輸出及接收時刻的角度檢測器的輸出，變換反射體相對于中心軸的偏差的坐標。
文檔編號G01C15/00GK1545610SQ0380081
公開日2004年11月10日 申請日期2003年6月27日 優(yōu)先權日2002年6月28日
發(fā)明者熊谷薰, 大友文夫, 夫 申請人:株式會社拓普康