JP2001066138A - 計測システムおよびこの計測システムに用いられるプリズム式光路制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 視野を広げて目標を測定することができ、し
かも、視野を広げても高精度に目標を測定できる簡単な
構成の計測システムを提供する。 【解決手段】 回転自在に設けられた一対のウェッジプ
リズム７ａ，７ｂと、このウェッジプリズム７ａ，７ｂ
それぞれを個別に回転する一対のモータ８ａ，８ｂと、
前記ウェッジプリズム７ａ，７ｂそれぞれの回転角を検
出する一対のエンコーダ９ａ，９ｂとを備え、光路を屈
折して目標５を測定する。組み合わせたウェッジプリズ
ム７ａ，７ｂを回転することで、ウェッジプリズム７
ａ，７ｂのウェッジ角度に応じて光路が任意の方向に屈
折する。この光路の屈折角はウェッジプリズム７ａ，７
ｂの回転角を操作することで、精密に制御される。この
ように、光路を屈折して目標を測定すると、簡単な構成
で、視野を広げて目標を測定することができ、しかも、
視野を広げても高精度に目標を測定できる計測システム
が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、目標を測定する計
測システムに関し、特に限定された範囲内の視野で目標
の変位計測、自動追尾、若しくは動的計測をし、または
目標の監視をする計測システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の目標を測定する計測シス
テムとして、図１４に示すような自動的に目標を追尾す
るトータルステーションが知られている。このトータル
ステーションは、筒状の望遠鏡１を有する測量機であ
り、目標２の位置に応じて望遠鏡を水平方向および垂直
方向に回動し、目標２を自動的に視準する。そして、ト
ータルステーションは望遠鏡１の回転角、目標２との距
離に基づいて目標２の位置を演算する。このトータルス
テーションにより、目標２の３次元的な位置を測定する
ことができる。

【０００３】また、他の計測システムとして、目標の鉛
直方向変位を測定する電子スタッフも知られている。こ
の電子スタッフは、上下方向に複数の受光素子を並べた
もので、レーザーレベルから発光されたレーザー光をど
の高さの受光素子が受光したかを演算処理して、地盤沈
下等による目標の鉛直方向変位を測定する。

【０００４】さらに、他の計測システムとして、盗難防
止用監視カメラ等のＣＣＤカメラが知られている。この
ＣＣＤカメラは、目標をパターン認識して、目標の位置
を測定する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術には以下のような問題がある。

【０００６】トータルステーションは、望遠鏡１を水平
方向および垂直方向に回動させる機構を有するので、機
構が高度に複雑になり、高価になる。また、望遠鏡の回
動量に基づいて目標の位置を演算するので、測定精度が
不足する。さらに、限定された範囲内の目標を測定する
のには過剰設備となってしまう。

【０００７】電子スタッフは、鉛直方向の変位は測定で
きるが、目標の水平方向の変位、目標の距離等が測定で
きず、計測システムとしての機能が不十分である。

【０００８】また、トータルステーションおよび電子ス
タッフいずれでも、目標の動的挙動を測定する動的計測
ができない。

【０００９】ＣＣＤカメラは、トータルステーションと
電子スタッフとの中間的な能力を有するが、視野が狭
い。また、ＣＣＤカメラにおいて、ズームを変化させ、
視野を広げると目標を測定する精度が落ちてしまう。視
野を広げるために、カメラ自体が回転機構を有し、カメ
ラを回転させて広範囲を認識するものもあるが、カメラ
が回転するスペースが必要になり、しかもカメラが露出
するので不快感がある。

【００１０】そこで、本発明は、視野を広げて目標を測
定することができ、しかも、視野を広げても高精度に目
標を測定できる簡単な構成の計測システム、およびこの
計測システムに用いられるプリズム式光路制御装置を提
供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】以下、本発明について説
明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図
面の参照番号を括弧書きにて付記するが、それにより本
発明が図示の形態に限定されるものでない。

【００１２】請求項１の発明は、回転自在に設けられた
一対のウェッジプリズム（７ａ，７ｂ）と、この一対の
ウェッジプリズム（７ａ，７ｂ）それぞれを個別に回転
する一対の駆動手段（８ａ，８ｂ）と、前記一対のウェ
ッジプリズム（７ａ，７ｂ）それぞれの回転角を検出す
る一対の角度検出手段（９ａ，９ｂ）とを備え、光路を
屈折して目標（５）を測定する計測システムにより、上
述した課題を解決する。ここで、駆動手段（８ａ，８
ｂ）にはモータ等を用いることができ、角度検出手段
（９ａ，９ｂ）にはエンコーダ、ポテンションメータを
用いることができる。

【００１３】この発明によれば、組み合わせたウェッジ
プリズム（７ａ，７ｂ）を回転することで、ウェッジプ
リズム（７ａ，７ｂ）のウェッジ角度に応じて光路が任
意の方向に屈折する。この光路の屈折角はウェッジプリ
ズム（７ａ，７ｂ）の回転角を操作することで、精密に
制御される。このように、光路を屈折して目標を測定す
ると、簡単な構成で、視野を広げて目標を測定すること
ができ、しかも、視野を広げても高精度に目標を測定で
きる計測システムが得られる。

【００１４】請求項２の発明は、請求項１に記載の計測
システムにおいて、前記計測システムが、前記目標にレ
ーザー光を照射するレーザー発光手段（１６）と、前記
目標（５）に設けられ、屈折されたレーザー光が照射さ
れる受光器（１５）とを備えることを特徴とする。

【００１５】この発明によれば、レーザー光が受光器
（１５）を照射するようにウェッジプリズム（７ａ，７
ｂ）を回転すると、ウェッジプリズム（７ａ，７ｂ）の
回転角から目標（５）の位置を測定することができる。

【００１６】請求項３の発明は、請求項２に計測システ
ムにおいて、前記ウェッジプリズム（７ａ，７ｂ）の回
転角度を操作して、レーザー光が前記受光器（１５）を
照射するように前記受光器（１５）の出力値をフィード
バック制御することを特徴とする。

【００１７】この発明によれば、受光器（１５）の位置
が変化しても、自動的にレーザー光を受光器（１５）に
照射することができる。したがって、移動目標の変位が
測定でき、自動的追尾、動的計測が可能になる。

【００１８】請求項４の発明は、請求項２または３に記
載の計測システムにおいて、前記ウェッジプリズム（７
ａ，７ｂ）の回転角度の検出値に基づいて前記目標
（５）の位置を演算する計算機（１８）を設けたことを
特徴とする。

【００１９】この発明によれば、目標（５）の位置を自
動的に算出できる。

【００２０】請求項５の発明は、請求項２ないし４いず
れかに記載の計測システムにおいて、前記受光器（１
５）までの距離を測定する距離測定手段（２０，２７）
を備えることを特徴とする。ここで、距離測定手段（２
０，２７）には、レーザー光を発光する発光系と受光系
とからなるものや、波長の異なる複数のレーザー光を受
信したときの位相差から距離を検出するもの等の測距儀
を用いることができる。

【００２１】この発明によれば、目標の位置を３次元的
に測定できる。

【００２２】請求項６の発明は、目標の視覚情報を検出
する撮像素子（２４）と、前記目標（５）から発光され
る光を屈折するプリズム式光路制御装置（３）とを備え
ることを特徴とする計測システムにより、上述した課題
を解決する。

【００２３】この発明によれば、プリズム式光路制御装
置（３）によって光路が屈折され、撮影素子（２４）の
視野が移動するので、撮影素子（２４）の測定精度を保
ったまま、視野を広げることができる。

【００２４】請求項７の発明は、請求項６に記載の計測
システムにおいて、前記プリズム式光路制御装置（３）
が、回転自在に設けられた一対のウェッジプリズム（７
ａ，７ｂ）と、この一対のウェッジプリズム（７ａ，７
ｂ）それぞれを個別に回転する一対の駆動手段（８ａ，
８ｂ）と、前記一対のウェッジプリズム（７ａ，７ｂ）
それぞれの回転角を検出する一対の角度検出手段（９
ａ，９ｂ）と、を備えることを特徴とする。

【００２５】この発明によれば、組み合わせたウェッジ
プリズム（７ａ，７ｂ）を回転することで、ウェッジプ
リズム（７ａ，７ｂ）のウェッジ角度に応じて光路が任
意の方向に屈折する。この光路の屈折角は、ウェッジプ
リズム（７ａ，７ｂ）の回転角を操作することで精密に
制御される。

【００２６】請求項８の発明は、請求項６または７に記
載の計測システムにおいて、前記視覚情報および前記ウ
ェッジプリズム（７ａ，７ｂ）の回転角度の検出値に基
づいて前記目標の位置を演算する計算機（２６）を設け
たことを特徴とする。

【００２７】この発明によれば、目標（５）の位置を自
動的に算出できる。

【００２８】請求項９の発明は、請求項６ないし８のい
ずれかに記載の計測システムにおいて、前記撮影素子
（２４）は、ＣＣＤカメラ、またはＣＣＤビデオカメラ
であることを特徴とする。

【００２９】この発明によれば、被写画像を画素数に応
じて分解して、画像処理（パターンマッチング）を行
い、目標の位置を知ることができる。また、ＣＣＤビデ
オカメラを用いることで、３０乃至６０Ｈｚ程度の目標
の動的挙動を測定することができる。

【００３０】請求項１０の発明は、請求項６または７に
記載の計測システムにおいて、前記撮影素子（２４）
は、監視カメラであることを特徴とする。

【００３１】この発明によれば、ウェッジ角度の大きい
ウェッジプリズムを用いて光路を屈折させることで、監
視カメラを固定したままでも視野を広げることができ
る。

【００３２】請求項１１の発明は、回転自在に設けられ
た一対のウェッジプリズム（７ａ，７ｂ）と、この一対
のウェッジプリズム（７ａ，７ｂ）それぞれを個別に回
転する一対の駆動手段（８ａ，８ｂ）と、前記一対のウ
ェッジプリズム（７ａ，７ｂ）それぞれの回転角を検出
する一対の角度検出手段（９ａ，９ｂ）と、を備えるこ
とを特徴とするプリズム式光路制御装置により、上述し
た課題を解決する。

【００３３】この発明によれば、組み合わせたウェッジ
プリズム（７ａ，７ｂ）を回転することで、ウェッジプ
リズム（７ａ，７ｂ）のウェッジ角度に応じて光路が任
意の方向に屈折する。この光路の屈折角はウェッジプリ
ズム（７ａ，７ｂ）の回転角を操作することで、精密に
制御される。このように、光路を屈折して目標を測定す
ると、簡単な構成で、視野を広げて目標を測定すること
ができ、しかも、視野を広げても高精度に目標を測定で
きる。

【００３４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施形態にお
けるプリズム式光路制御装置を示したものである。この
プリズム式光路制御装置３は、レーザー照射機、ＣＣＤ
カメラ、ビデオ等の光学機器４に取り付けられ、レーザ
ー照射機から目標５に照射されるレーザー光、または目
標５から反射される自然光もしくは目標５としての点光
源から発光される光等を屈折するものである。プリズム
式光路制御装置３は、光学機器４にアダプター１４を介
して取付けられる円筒状のフード６と、このフード６内
に回転自在に設けられる一対のウェッジプリズム７ａ，
７ｂと、この一対のウェッジプリズム７ａ，７ｂそれぞ
れを個別に回転させる駆動手段としてのモータ８ａ，８
ｂと、ウェッジプリズム７ａ，７ｂの回転角をデジタル
式に検出する角度検出手段としてのエンコーダ９ａ，９
ｂとを備える。塵等が付着するのを防止するために、ウ
ェッジプリズム７ａ，７ｂは防塵フィルタ１０で覆われ
ている。ここで、角度検出手段はデジタル的に検出する
エンコーダ９ａ，９ｂに限られることなく、アナログ的
に検出するポテンションメータであってもよい。

【００３５】図２に示すように、ウェッジプリズム７
ａ，７ｂは、稜角σ（ウェッジ角）の小さなプリズムで
ある。図中（ａ）に示すように、ウェッジプリズム９ａ
に入射した光線は屈折角（偏角）εで屈折する。図中
（ｂ）は、２つのウェッジプリズム７ａ，７ｂを組み合
わせた場合を示す。２つのウェッジプリズム７ａ，７ｂ
は同じ材質で、しかも同じ稜角σを有する。図中（ｂ）
に示すように、２つのウェッジプリズム７ａ，７ｂを傾
斜面１１が平行になるように配置すると、２つのウェッ
ジプリズム７ａ，７ｂを通過した屈折光線１３は、平行
なガラスを通過するのと同様に直進する。すなわち、入
射光線１２と屈折光線１３は同一の光軸を有する。ただ
し、ここではウェッジプリズム７ａ，７ｂの細かい屈折
状態については図示を省略している。図中（ｃ）に示す
ように、（ｂ）の状態から一方のウェッジプリズム９ｂ
を１８０°回転すると、入射光線１２が最大に屈折さ
れ、入射光線１２は屈折角（合成偏角）２εで屈折す
る。したがって、一対のウェッジプリズム７ａ，７ｂそ
れぞれを相対的に所定角度回転させると、入射光線１２
が０〜２εまでの所定の屈折角が得られる。所定の屈折
角が得られた状態でウェッジプリズム７ａ，７ｂ全体を
回転することで、目標面上の２次元の任意の位置を照射
することができる。

【００３６】本発明のプリズム式光路制御装置３によれ
ば、光学機器４を回転、揺動することなく、フード６内
部の一対のウェッジプリズム７ａ，７ｂを回転すること
で、光学機器４を通して見ることができる領域、すなわ
ち視野を広げることができる。

【００３７】まず、視野の試算を行ってみる。例えば、
ウェッジプリズム７ａ，７ｂから目標５までの距離をＬ
＝１００ｍ，２枚のウェッジプリズム７ａ，７ｂによる
屈折角をθ＝３°に設定した場合、視野Ｄは、Ｄ＝θ×
Ｌ×２（π／１８０）＝１０．５ｍとなる。したがっ
て、直径１ｍの視野を目標上の直径１０ｍの円内で動か
すことで、直径１０ｍまで視野を広げることができる。

【００３８】光路の屈折角はウェッジプリズム７ａ，７
ｂの回転角を操作することで、精密に制御されている。
ここで、目標５を測定する精度の試算を行ってみる。エ
ンコーダの精度を３６００ハ゜ルス／回転とすると、精度ｅ
は、ｅ＝±（θ／（２×３６００））×（π／１８０）
×Ｌ＝±０．７ｍｍ≒１ｍｍとなる。これから、直径１
０ｍの視野で、目標５の位置（２次元）を±１ｍｍ程度
の高精度で測定できることが期待される。なお、実際の
精度はレーザービームの性状やＣＣＤカメラ・ビデオの
性能、望遠鏡の性能などによって変化し、特にＣＣＤカ
メラ・ビデオの場合は画素数・視野によって複雑に変化
する。

【００３９】図３は、本発明の第１実施形態における計
測システムのシステム構成図を示したものである。この
計測システムは、レーザー光を発光するレーザー発光手
段としてのレーザービーム発射機１６と、このレーザー
光を屈折するプリズム式光路制御装置３と、前記目標５
に設けられ、前記屈折されたレーザー光が照射される受
光器１５としての光量計と、レーザー光が受光器１５を
照射するようにプリズム式光路制御装置３を操作するソ
フトウェアサーボ１７と、目標５の位置を演算する計算
機１８と、で構成される。そして、プリズム式光路制御
装置３は、上述したように、一対のウェッジプリズム７
ａ，７ｂと、この一対のウェッジプリズム７ａ，７ｂを
回転させるモータ８ａ，８ｂと、ウェッジプリズム７
ａ，７ｂの回転角を検出するエンコーダ９ａ，９ｂとで
構成される。この計測システムは、例えばトンネル等の
夜間変位、あるいは沈下を測定するのに用いられ、目標
５に設けられた受光器１５にレーザー光を照射し、受光
器１５が変位してもレーザー光が追従するようにウェッ
ジプリズム７ａ，７ｂの回転角度を操作し、エンコーダ
９ａ，９ｂの検出値から目標５の相対的変位を測定す
る。エンコーダ９ａ，９ｂでは、ウェッジプリズム７
ａ，７ｂの一回転３６０度を例えば４０００〜８０００
分解し、しかも、ウェッジプリズム７ａ，７ｂが相対的
に１８０°回転することで、例えば３度程度の屈折角度
が得られとすると、きわめて高精度に光路の屈折角度を
制御することができる。

【００４０】図４は、受光器１５の出力値を制御量とし
たフィードバック制御系を示したものである。このフィ
ードバック制御系において、受光器１５がレーザー光の
受光量を検出し、この受光量の出力値を目標出力値と比
較して、ソフトウェアサーボ１７で差が零となるための
制御動作を自動的に決め、ウェッジプリズム７ａ，７ｂ
の回転角を操作する。このフィードバック制御系では、
目標５に設けられた受光器１５が変位しても、常に受光
器１５の中心にレーザー光のスポットが照射するように
ウェッジプリズム７ａ，７ｂの回転角度を操作してい
る。このように、受光器１５の出力値をフィードバック
制御することで、目標５が変位してもレーザー光が追従
して、目標５に常にレーザー光を照射することができ
る。また、本実施の形態では、複数の目標５ごとの位置
を測定するために、切換え手段１９を設け、制御対象と
なる受光器１５を切り換えている。

【００４１】図３に示したように、ウェッジプリズム７
ａ，７ｂの回転角度はエンコーダ９ａ，９ｂで検出され
る。この回転角度は計算機１８で演算処理され、回転角
度に基づいて目標５の位置が算出される。この位置は自
動的に計算機１８のモニタに表示される。

【００４２】２個のウェッジプリズム７ａ，７ｂそれぞ
れの回転角から、組み合わせた場合の目標５の合成変位
（Ｘ０，Ｙ０）、合成偏角δＴおよび合成偏向方向ψＴ
の算出方法について説明する。

【００４３】図５は、組み合わせたウェッジプリズム♯
１，２の主断面を示すものである。ウェッジプリズム
１，２は、頂角（ウェッジ角）ｗの小さな薄い略円筒状
のプリズムレンズである。ウェッジプリズム１のみでレ
ーザ光を偏向する場合、ウェッジプリズム１の第１面に
レーザ光が垂直に入射するとして、ウェッジプリズム１
の偏角δとウェッジ角ｗの関係は以下の一般式で表され
る。

【００４４】

【式１】

【００４５】ｗが微少であるとすると δ≒（ｎ−１）ｗ ここで、ｎは屈折率である。

【００４６】組み合わせた２つのウェッジプリズム１，
２は同じ材質で、しかも同じウェッジ頂角ｗを有する。
一対のウェッジプリズム１，２は中心線の回りをそれぞ
れ独立に回転し、レーザー光はこの中心線上から入射す
る。２つのウェッジプリズム１，２を傾斜面３７が平行
になるように近接配置すると、ウェッジプリズム１，２
を通過したレーザ光は、平行なガラスを通過するのと同
様に直進する。一方、ウェッジプリズム１，２を中心線
の回りに別々に回転することによって、所定の尖った円
錐体内部の任意の方向にレーザー光を偏向することがで
きる。

【００４７】図６は、ウェッジプリズム１，２によるレ
ーザ光の屈折を座標系で示したものである。ここで、入
射レーザ光の光路上、すなわちウェッジプリズム１，２
の中心線上にＺ軸をとり、ウェッジプリズム１，２の中
心線に直交する平面にＸＹ平面をとっている。また、Ｘ
Ｙ平面においては、水平方向にＸ軸をとり、垂直方向に
Ｙ軸をとっている。この図に示すように、ウェッジプリ
ズム１，２の中心線上にレーザ光を入射すると、ウェッ
ジプリズム１がレーザ光を偏向し、ウェッジプリズム２
がさらにレーザ光を偏向する。ここで、ウェッジプリズ
ム１の偏角をδ１，偏光方向をψ１、ウェッジプリズム
２の偏角をδ２、偏向方向をψ２とする。ウェッジプリ
ズム１，２の偏光方向ψ１，ψ２は、偏向方向がＸＺ平
面上に位置する場合を０度とし、この位置からの角度を
ψ１，ψ２で表している。この偏向方向ψ１，ψ２は、
ウェッジプリズム１，２それぞれの回転角ψ１，ψ２か
ら取得される。各ウェッジプリズム１，２の一番厚いと
ころと一番薄いところを結んだ線が水平となる場合（Ｘ
Ｚ平面に位置する場合）を０度とし、この位置からの角
度がψ１，ψ２で表される。

【００４８】ウェッジプリズム１，２それぞれの偏角δ
１，δ２、エンコーダにより取得されたウェッジプリズ
ム１，２それぞれの回転角ψ１，ψ２、角度測定手段か
ら測定された距離Ｌは、計算機１８に入力され、組み合
わせた場合の合成変位（Ｘ０，Ｙ０）は計算機１８で算
出される。

【００４９】ここで、ウェッジ頂角ｗが微少であること
から、計算を簡単にするためにδ１，δ２ともに微少と
し、しかも、ウェッジプリズム１とウェッジプリズム２
は接近しているものとする。そして、本実施形態におい
て、ウェッジプリズム１のみの場合の偏向ベクトル（偏
角δ１，偏向方向ψ１）、およびウェッジプリズム２の
みの場合の偏向ベクトル（偏角δ２，偏向方向ψ２）を
ＸＹ座標系でベクトル表示し、両者のベクトルを合算し
て、合成変位（Ｘ０，Ｙ０）、合成偏角δＴおよび合成
偏向方向ψＴを算出する。なお、異なる偏角のウェッジ
プリズム１，２を使用する場合は、計算機１８のメモリ
に複数の偏角が記憶される。

【００５０】図７（ａ）はウェッジプリズム１による偏
向ベクトルを示したもので、図７（ｂ）はウェッジプリ
ズム２による偏向ベクトルを示したものである。この図
（ａ）からウェッジプリズム１に関して以下の計算式が
成立する。

【００５１】

【式２】

【００５２】また、ウェッジプリズム２に関しても同様
に以下の計算式が成立する。

【００５３】

【式３】

【００５４】式２および式３からウェッジプリズム１と
ウェッジプリズム２を合算した場合の偏向ベクトルのＸ
方向の合成成分δＴＸは、以下の式４で表される。

【００５５】

【式４】

【００５６】同様に、Ｙ方向の合成成分δＴＹは、以下
の式５で表される。

【００５７】

【式５】

【００５８】プリズムユニットから距離Ｌの位置におけ
るＸＹ平面上でのビーム照射位置（Ｘ０，Ｙ０）は、Ｘ
０＝Ｌ×δＴＸ、Ｙ０＝Ｌ×δＴＹによって算出され
る。

【００５９】また、合成偏角δＴ、合成偏向方向ψＴは
以下の式６で表される。

【００６０】

【式６】

【００６１】ここで、ウェッジプリズム２個の差角Δψ
をΔψ＝ψ１−ψ２とすると、δTは以下の式７で表さ
れる。

【００６２】

【式７】

【００６３】式７から合成偏角δＴは差角のみの関数で
あることがわかる。また、これらの計算式を用いること
で、２個のウェッジプリズムそれぞれの回転角から、組
み合わせた場合の合成変位（Ｘ０，Ｙ０）、合成偏角δ
Ｔおよび合成偏向方向ψＴを簡単に算出することができ
る。

【００６４】ソフトウェアサーボ１７は、上述のよう
に、プリズム式光路制御装置３で偏向したレーザー光が
自動的に受光器１５の中心にくるようにウェッジプリズ
ム１，２の回転角度を操作している。

【００６５】ソフトウェアサーボ１７のアルゴリズムに
ついて説明する。このソフトウェアサーボ１７は、レー
ザー光が受光器１５の中心を照射するように受光器１５
の出力値をフィードバックし、ウェッジプリズム１，２
の回転角度を操作している。

【００６６】図８は、アルゴリズムのフローチャートを
示す。まず、受光器１５からの入力レベルがｅ１以上で
あるか否かを判断する（ステップＳ１）。受光器１５が
中心から＋Ｘ，−Ｘ，＋Ｙ，−Ｙの４方向に延びる４つ
の光電センサを組み合わせた２軸光電センサの場合、レ
ーザー光が中心にあれば出力値が０に近くなる。受光器
１５からの入力レベル＜ｅ１の場合は、レーザー光が受
光器１５の中心にあるとして、ウェッジプリズム１，２
の回転角を操作しない。受光器１５からの入力レベル≧
ｅ１の場合は、レーザー光が受光器１５の中心にないと
して、中心にくるように以下のようにウェッジプリズム
１，２の回転角を操作する。

【００６７】図９および図１０に示すように、まず、受
光器１５の中心Ｏを始点とし、照射位置Ｑを終点とする
第一の位置ベクトルとしてのｖ１ベクトルを検出する。
すなわち、中心Ｏを原点とした受光器座標系で、受光器
の出力値から変位（Ｘ１，Ｙ１）を検出する（ステップ
Ｓ２）。そして、計算式θ１＝ｔａｎ^-1（Ｙ１／Ｘ１）
からｖ１ベクトルの方向θ１を算出する。次に、一対の
ウェッジプリズムの中心線を延長した線と受光器との交
点Ｐを始点とし、照射位置Ｑを終点とする第二の位置ベ
クトルとしてのｖ０ベクトルを一対のウェッジプリズム
１，２の回転角から算出する（ステップＳ３）。プリズ
ム座標系のｖ０ベクトルのＸ方向成分、Ｙ方向成分それ
ぞれのＸ０，Ｙ０は、上述の式５から、Ｘ０＝δＴＸ×
Ｌ，Ｙ０＝δＴＹ×Ｌと算出される。そして、ｖ０ベク
トルの方向ψＴを上述の式６から算出する。ここで、プ
リズム座標系は、プリズムユニット６からプリズム中心
線を延長して受光器１５上の平面と交差する交点Ｐを原
点とした座標系をいい、受光器座標系は受光器１５の中
心Ｏを原点とした座標系をいう。

【００６８】レーザー光が受光器１５の中心Ｏを照射す
るためには、ｖ１ベクトルが０となればよい。受光器１
５の精度が高く、座標Ｘ１，Ｙ１が高精度に得られる
と、このＸ１，Ｙ１に基づいて、受光器１５の中心Ｏに
照射位置がくるようにウェッジプリズム１，２の回転角
度を決定すればよいが、一般に受光器１５の精度はそれ
ほど高くないので、以下のような段階的に受光器１５の
中心Ｏに照射位置Ｑを近づける処理が必要になる。近づ
け方としては、ｖ０ベクトルとｖ１ベクトルの平面極座
標での変位（ｒ，ψ）を比較し、まず方向ψを一致さ
せ、次にｖ１ベクトルの絶対値｜ｒ｜を０とする方法が
採られる。

【００６９】まず、ｖ０ベクトルの方向ψＴとｖ１ベク
トルの方向θ１を比較し、一致する方向に差角Δψを一
定に保ったままウェッジプリズム２枚を同時に回し、ψ
Ｔを変える（ステップＳ４）。図１１に示すように、２
つのウェッジプリズム１，２の差角Δψを一定に保った
まま２枚のウェッジプリズム１，２を同時に回すと、照
射位置Ｑは、ｖ０ベクトルの絶対値を一定にしたまま、
原点Ｐを中心とした円状の軌跡を描く。ψＴとθ１との
象限、および角度が等しくなるまで（図中２点鎖線の位
置から実線の位置まで）２枚のウェッジプリズム１，２
を同時に回すと、平面極座標での角度ψが一致し、ｖ１
ベクトルとｖ０ベクトルとが重なる。ここで、ウェッジ
プリズム１，２の１回の回転量は振動しないように、差
の例えば１／２とされる。

【００７０】次に、｜ｖ１｜と｜ｖ０｜を比較し、ψＴ
を一定に保ったまま、｜ｖ１｜が０となるように差角Δ
ψを変化する。図１２に示すように、２枚のウェッジプ
リズムを相反する方向へ同じ量回転すると、照射位置Ｑ
は交点Ｐを通る略直線状の軌跡を描き、ｖ０ベクトルは
ψＴを略一定に保ったまま絶対値を変化する。この図に
示すように、２枚のウェッジプリズムの差角Δψを｜ｖ
１｜が０となるように変化させると、ｖ０ベクトルの絶
対値が図中２点鎖線の位置から実線の位置まで変化し、
照射位置Ｑが受光器の中心Ｏに移動する。｜ｖ１｜と｜
ｖ０｜を比較することによって、｜ｖ１｜が０となるよ
うに、差角Δψを大きくするのか、小さくするのかを知
ることができる。ここで、｜ｖ１｜＝√（Ｘ１²＋Ｙ
１²），｜ｖ０｜＝Ｌ√（δＴＸ²＋δＴＹ²）で表され
る。なお、差角Δψの１回の変化量は、振動しないよう
に差の例えば１／２とされる。

【００７１】次に、図８に示すステップＳ５での差角Δ
ψの変化量が例えば１０″以下であるか否かを判断する
（ステップＳ６）。１０″以下であれば、レーザー光が
受光器１５の中心Ｏを照射しているとして、スタートに
戻る。１０″以下でなければ、ステップ２〜ステップ５
を繰り返し、再びｖ１ベクトルが０になるようにウェッ
ジプリズム１，２の回転角度を操作する。

【００７２】このように、ウェッジプリズムの回転角度
を操作することで、照射位置Ｑを受光器１５の中心Ｏに
もっていくことができる。また、このときのプリズム座
標系での照射位置９の変位（Ｘ０，Ｙ０）を、計算機１
８を用いてＸ０＝δＴＸ×Ｌ，Ｙ０＝δＴＹ×Ｌから算
出すれば受光器１５の中心Ｏの変位を知ることができ
る。

【００７３】また、測距儀等の距離測定手段２０を設
け、ウェッジプリズム７ａ，７ｂを設置したポイントと
目標５が設置されているポイント間の距離を測定しても
よい。距離測定手段２０を設けることで、目標５の３次
元的な位置を測定することができる。なお、この距離測
定手段２０を投光系と受光系とで構成し、受光系の出力
値を公知の計測回路に入力して目標５までの距離を検出
してもよいし、受光器で波長の異なる複数のレーザー光
を受信したときの位相差から距離してもよい。

【００７４】上述のように計測システムを構成すること
で、岩盤等に目標５としての受光器１５を設置し、この
目標５を追尾して、目標５の相対的な変位を３次元的に
測定することができる。また、プリズム式光路制御装置
３でレーザー光を屈折することで、視野を広げても目標
５を高精度に測定することができる。

【００７５】次に、レーザービーム発射機１６等の光学
機器４に取付けられたプリズム式光路制御装置３が微少
移動したときに、測定精度に与える影響について説明す
る。プリズム式光路制御装置３は、３次元の空間で移動
するので、Ｘ，Ｙ，Ｚ３軸方向へ平行移動する３自由度
と、回転系のローリング、ピッチング、ヨーイングの３
自由度とで、計６自由度有する。ここで、ローリング
は、ウェッジプリズム７ａ，７ｂを回転させることにな
り、屈折角度が変化し、測定精度に影響を与えるが、平
行移動やピッチング、ヨーイングは、レンズと異なり、
屈折角度がほとんど変化することがなく、測定精度に影
響を与えることがない。このため、レンズを用いた場合
に比べ、プリズム式光路制御装置３をラフに光学機器４
に取り付けることができる。

【００７６】図１３は、本発明の第２実施形態における
計測システムのシステム構成図を示したものである。こ
の計測システムは、目標５に設けられたペンシルライト
のような点光源２３と、目標５の視覚情報を検出する撮
影素子としてのＣＣＤカメラ２４と、目標５から発光さ
れる光を屈折するプリズム式光路制御装置３と、目標５
が視野に入るようにプリズム式光路制御装置３を操作す
るソフトウェアサーボ２５と、目標５の位置を演算する
計算機２６と、で構成される。プリズム式光路制御装置
３は、上述したように、一対のウェッジプリズム７ａ，
７ｂと、この一対のウェッジプリズム７ａ，７ｂそれぞ
れを回転させるモータ８ａ，８ｂと、ウェッジプリズム
７ａ，７ｂそれぞれの回転角を検出するエンコーダ９
ａ，９ｂとで構成される。計測システムは、例えばトン
ネル等の夜間変位、あるいは沈下を測定するのに用いら
れ、目標５としての点光源２３から発光する光をプリズ
ム式光路制御装置３で屈折し、撮影素子としてのＣＣＤ
カメラ２４でパターン認識し、この認識値およびエンコ
ーダ９ａ，９ｂの検出値から目標５の位置を算出する。

【００７７】一般に、１０００×１０００画素のＣＣＤ
カメラで１ｍの視野を検出すると、１ｍ／１０００＝１
ｍｍの精度で目標５を検出することができる。しかし、
視野を１０ｍと広げると、精度は１０ｍ／１０００＝１
ｃｍとなってしまう。これに対し、本発明のプリズム式
光路制御装置を用いることにより、直径１ｍの視野を動
かすことにより、精度は１ｍｍのままで視野を直径１０
ｍまで広げることができる。このように、プリズム式光
路制御装置３で視野を移動することによって、ＣＣＤカ
メラ２４の測定精度を保ったまま、視野を広げることが
できる。なお、この計測システムにおいて、あらかじめ
複数の目標５の概略位置がソフトウェアサーボ２５に入
力され、目標５が認識できるようにＣＣＤカメラ２４の
視野が移動している。また、必要に応じて、この計測シ
ステムに測距儀等の距離測定手段２７を設けることで目
標５の３次元的な位置も測定できる。

【００７８】また、この計測システムでは、夜間でも計
測できるように目標５に点光源２３を設けたが、点光源
２３に限られることなく、マーカーを設けてもよい。マ
ーカーから反射される自然光をＣＣＤカメラで認識する
ことで、目標５の位置を算出する。

【００７９】さらに、撮影素子としてのＣＣＤカメラ２
４の代わりに、ＣＣＤビデオカメラを設けることで、目
標５の動的変位も測定することができる。例えば、杭の
打撃試験において、杭にマーカーを取り付け、杭のリバ
ウンドを測定することで、杭が打ち込まれた地盤の支持
力を解析し、杭が所定の支持基盤まで打ち込まれたかど
うかを知ることができる。なお、ＣＣＤビデオカメラで
は最大３０Ｈｚ程度の動的測定が可能である。目標５に
マーカー等の標識を設けないで、ＣＣＤカメラやＣＣＤ
ビデオカメラで斜面や岩盤の変位を測定することもでき
る。

【００８０】また、撮影素子として盗難防止用監視カメ
ラを用いてもよい。屈折角の大きいウェッジプリズムを
用いると、プリズム式光路制御装置３が自然光を屈折し
て視野を広げるので、カメラ自体の回転機構を有するこ
となく、広範囲を監視することができる。

【００８１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
組み合わせた一対のウェッジプリズムを回転すること
で、プリズムのウェッジ角度に応じて光路が任意の方向
に屈折する。この光路の屈折角はウェッジプリズムの回
転角を操作することで、精密に制御される。このよう
に、光路を屈折して目標を測定すると、簡単な構成で、
視野を広げて目標を測定することができ、しかも、視野
を広げても測定精度が落ちることがない計測システムが
得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態におけるプリズム式光路制
御装置を示す断面図。

【図２】ウェッジプリズムを示す断面図（図中（ａ）は
ウェッジプリズムが１個の場合を示し、図中（ｂ）は入
射光線を直進するウェッジプリズムの組み合わせを示
し、図中（ｃ）は入射光線を最大に屈折させるウェッジ
プリズムの組み合わせを示す。）

【図３】本発明の第１の実施形態における計測システム
を示すシステム構成図。

【図４】図３のソフトウェアサーボのフィードバック制
御系を示した図。

【図５】組み合わせたウェッジプリズムを示す断面図。

【図６】ビームの偏向をＸＹＺ座標系で示す図。

【図７】偏向ベクトルを示す図（図中（ａ）はプリズム
１を示し、図中（ｂ）はプリズム２を示す。）

【図８】ソフトウェアサーボのアルゴリズムを示すフロ
ーチャート。

【図９】受光器上でのレーザー光の照射位置を示す図。

【図１０】プリズム座標系と受光器座標系を示す図。

【図１１】プリズム座標系と受光器座標系を示す図。

【図１２】プリズム座標系と受光器座標系を示す図。

【図１３】本発明の第２の実施形態における計測システ
ムを示すシステム構成図。

【図１４】従来のトータルステーションを示す概略図。

【符号の説明】

５ 目標 ７ａ，７ｂ ウェッジプリズム ８ａ，８ｂ モータ（駆動手段） ９ａ，９ｂ エンコーダ（角度検出手段） １５ 受光器 １６ レーザービーム発射機（レーザー発光手段） ２０，２７ 距離測定手段 ２４ ＣＣＤカメラ（撮像素子） １８，２６ 計算機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０３Ｂ 5/00 Ｇ０３Ｂ 5/00 Ｚ Ｈ０４Ｎ 5/225 Ｈ０４Ｎ 5/225 Ｃ Ｄ

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光路を屈折して目標を測定する計測シス
   テムであって、 回転自在に設けられた一対のウェッジプリズムと、この
   一対のウェッジプリズムそれぞれを個別に回転する一対
   の駆動手段と、前記一対のウェッジプリズムそれぞれの
   回転角を検出する一対の角度検出手段と、を備えること
   を特徴とする計測システム。
2. 【請求項２】 前記計測システムが、前記目標にレーザ
   ー光を照射するレーザー発光手段と、前記目標に設けら
   れ、屈折された前記レーザー光が照射される受光器とを
   備えることを特徴とする請求項１に記載の計測システ
   ム。
3. 【請求項３】 前記ウェッジプリズムの回転角度を操作
   して、前記レーザー光が前記受光器を照射するように前
   記受光器の出力値をフィードバック制御することを特徴
   とする請求項２に記載の計測システム。
4. 【請求項４】 前記角度検出手段の検出値に基づいて前
   記目標の位置を演算する計算機を設けたことを特徴とす
   る請求項２または３に記載の計測システム。
5. 【請求項５】 前記受光器までの距離を測定する距離測
   定手段を備えることを特徴とする２ないし４のいずれか
   に記載の計測システム。
6. 【請求項６】 目標の視覚情報を検出する撮像素子と、
   前記目標から発光される光を屈折するプリズム式光路制
   御装置とを備えることを特徴とする計測システム。
7. 【請求項７】 前記プリズム式光路制御装置が、回転自
   在に設けられた一対のウェッジプリズムと、この一対の
   ウェッジプリズムそれぞれを個別に回転する一対の駆動
   手段と、前記一対のウェッジプリズムそれぞれの回転角
   を検出する一対の角度検出手段と、を備えることを特徴
   とする請求項６に記載の計測システム。
8. 【請求項８】 前記視覚情報および前記角度検出手段の
   検出値に基づいて前記目標の位置を演算する計算機を設
   けたことを特徴とする請求項７に記載の計測システム。
9. 【請求項９】 前記撮影素子は、ＣＣＤカメラ、または
   ＣＣＤビデオカメラであることを特徴とする請求項６な
   いし８のいずれかに記載の計測システム。
10. 【請求項１０】 前記撮影素子は、監視カメラであるこ
    とを特徴とする請求項６または７に記載の計測システ
    ム。
11. 【請求項１１】 回転自在に設けられた一対のウェッジ
    プリズムと、この一対のウェッジプリズムそれぞれを個
    別に回転する一対の駆動手段と、前記一対のウェッジプ
    リズムそれぞれの回転角を検出する一対の角度検出手段
    と、を備えることを特徴とするプリズム式光路制御装
    置。