DE60318946T2

DE60318946T2 - Positionsdetektor

Info

Publication number: DE60318946T2
Application number: DE60318946T
Authority: DE
Inventors: Kaoru Itabashi-Ku Kumagai; Fumio Itabashi-ku Ohtomo
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2003-06-27
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2023-06-28
Also published as: CN100464159C; EP1519146B1; JP2004037127A; US20040246498A1; DE60318946D1; WO2004003474A1; JP3937154B2; EP1519146A4; EP1519146A1; CN1545610A

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Positionsmessinstrument, das ein Ziel abtastet und detektiert, um es auszumessen und dabei die Richtung und die Entfernung zu messen, und insbesondere handelt es sich um ein Positionsdetektionsinstrument, das ein Entfernungsmesslicht und ein Messlicht aussendet, um eine dreidimensionale Messung bewerkstelligen zu können von einer Zielposition, und das die Bilddaten aufzeichnet in seiner Strahlungsrichtung oder in Richtungen, die abweichend sind von der Strahlungsrichtung.
Grundlagen der Technik
Zurückliegend wurde eine Totalstation für dreidimensionale Positionsmessungen und Einstellungen gebraucht. Die Totalstation hat die Funktionen, um eine Entfernung zu messen und einen Winkel und um dann die gemessenen Werte in elektrische Daten umzusetzen. Wenn die Messung ausgeführt wird, wird die Totalstation zuerst an einer Referenzposition aufgestellt, bevor ein Ziel an dem Punkt der Ausmessung aufgestellt wird. Danach wird das Ziel kollimiert durch die Totalstation, um einen Horizontalwinkel und eine Winkelhöhe zu messen. Dann wird eine Entfernung zu einem Reflexionsprisma (Winkelreflektor) durch das bereitgestellte Ziel gemessen, und dabei können Entfernungsdaten erhalten werden.
Entfernungs- und Winkeldaten, welche gemessen wurden, werden in einem internen Speicher der Totalstation gespeichert. Darüber hinaus werden die Entfernungs- und Winkeldaten, die gemessen wurden, an eine externe Speichereinheit oder einen Computer ausgegeben als Daten der Vermessungsarbeit, sobald das Bedürfnis hierfür besteht. 7 zeigt in einem Diagramm anschaulich die Ver messungsarbeit unter Benutzung einer Totalstation. Die Totalstation (1000) wird aufgestellt an einer Bezugsposition. Ein Ziel (2000a) ist an einer Stange (3000a) angebracht. Die Stange (3000a) ist aufgestellt an einem Punkt der Ausmessung durch einen Operator (4000).
Die Totalstation (1000) umfasst das Folgende: eine Teleskopeinheit; ein Stativ für eine ungehinderte hoch und herunter gehende Führung bzw. Rotation der Teleskopeinheit; eine Basis für die ungehinderte Führung der Horizontalrotation des Gestells; und eine Niveauausgleichseinheit, die vorgesehen ist auf dem unteren Teil der Basis und die benutzt wird, um eine Neigung eines Hauptkörpers der Totalstation (1000) auszugleichen, bevor sie an der Spitze eines Dreibeins befestigt wird. Es ist zu erwähnen, dass Schaltkreise und dergleichen, die für die Entfernungsmessung und die Winkelmessung benötigt werden, in der Totalstation (1000) untergebracht sind.
Der Operator an der Seite der Totalstation (1000) dreht die Teleskopeinheit hoch und nieder und rechts und links, um das Ziel (2000a) zu finden bei einem Kollimationszentrum, und erhält dann einen Horizontalwinkel, eine Winkelhöhe und eine Entfernung relativ zur Referenzposition.
Jedoch in der Vermessungsarbeit, bei der die konventionelle Totalstation (1000) benutzt wird, werden wenigstens zwei Operateure, d.h. ein Operateur an der Seite der Totalstation (1000) und ein Operateur, um das Ziel (2000a) aufzustellen, benötigt. Die Anzahl der Operateure wächst mit der Anzahl der Nummern von Zielen (2000a). Jedoch ist es schwierig, viele Ziele (2000a) in einem Augenblick auszumessen. Es ist praktisch unmöglich. Um es noch genauer anzugeben, wird also Messzeit benötigt in Abhängigkeit der Anzahl der Ziele (2000a), und zwar für den Operator, um das Ziel (2000a) zu kollimieren durch Gebrauch der Teleskopeinheit, und weiterhin, um die Messung auszuführen. Im Ergebnis kann die Arbeitseffizienz nicht in einem großen Umfang verbessert werden, was ein Problem darstellt.
Ein Positionsmessinstrument wie bezeichnet im Oberbegriff des Anspruchs 1 ist bekannt aus US-6,249,743 B1 .
Bei diesem bekannten Instrument werden die Koordinaten von einem Reflektor bestimmt auf der Basis der Abweichung des reflektierten Bildes relativ zur Zentralachse in dem Ausgang des Bildsensors.
Offenbarung der Erfindung
Das vorstehende Problem wird gelöst nach der Erfindung durch ein Instrument, wie es in Anspruch 1 bezeichnet ist. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind definiert in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7.
In der vorliegenden Erfindung sendet eine Lichtquelle Messlicht aus, und ein Bildsensor empfängt dann sein reflektiertes Licht. Ein emittierendes Mittel emittiert Messlicht und führt dann sein reflektiertes Licht zu einem Bildsensor. Ein Schwungmechanismus schwingt das emittierende Mittel, und ein Winkeldetektor detektiert in einer Strahlungsrichtung des ausstrahlenden Mittels dementsprechend. Die Lichtquelle und der Bildsensor sind so vorgesehen, dass sie fixiert sind. Eine Operationsverarbeitungseinheit kann Koordinaten eines Reflektors als eine Abweichung relativ zur Zentralachse auf der Basis eines Ausgangs eines Bildsensors und eines Ausgangs eines Winkeldetektors zu einer Zeit des Empfangs des Lichtes umwandeln.
Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung auch umfassen eine Entfernungsmesseinheit, die Messlicht und Entfernungsmesslicht aussendet, um eine Entfernung zu dem Reflektor zu bestimmen und dabei eine Position des Reflektors aus der Entfernung und einer Richtung zu bestimmen.
Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung auch eine Speichereinheit umfassen, um Bilddaten zu speichern, die von einem Bildsensor erhalten werden.
Darüber hinaus, entsprechend der Erfindung, können, wenn Bilddaten von einem Bildsensor erhalten werden, auch die Koordinaten der Bilddaten konvertiert werden auf der Basis des Ausgangs des Winkeldetektors zu einer Zeit des Empfangs von Licht, das erhalten wird von dem Bildsensor.
Darüber hinaus kann die Lichtempfangseinheit entsprechend der vorliegenden Erfindung auch so ausgedacht sein, dass der erste Lichtempfangssensor eine Abweichung relativ zu einem optischen Achsenzentrum detektiert und dass der zweite Lichtempfangssensor einen Empfangsbereich umfasst, der unterschiedlich ist von dem des ersten Lichtempfangssensors.
Darüber hinaus, entsprechend der vorliegenden Erfindung, werden Bilddaten aufgezeichnet in Intervallen eines vorbestimmten Schwingwinkels, so dass die Bilddaten einander überlappen. Im Ergebnis können die aufgezeichneten Bilddaten auch in ein kontinuierlich angeordnetes Bild geformt werden.
Darüber hinaus werden nach der vorliegenden Erfindung Bilddaten erhalten von dem ersten Lichtempfangssensor und können so auch zugeordnet werden mit Bilddaten, die von einem zweiten Bildsensor erhalten werden unter Bezug auf ihre Positionen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, das ein Positionserfassungsinstrument 1000 entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist ein Diagramm, das eine elektrische Konfiguration des Positionserfassungsinstruments 10000 zeigt entsprechend dieser Ausführungsform;
3 ist ein Diagramm, das Prinzipien dieser Ausführungsform zeigt;
4 ist ein Diagramm, das Prinzipien der vorliegenden Ausführungsform zeigt;
5 ist ein Diagramm, das Prinzipien der vorliegenden Ausführungsform zeigt;
6 ist ein Diagramm, das Prinzipien der vorliegenden Ausführungsform zeigt; und
7 ist ein Diagramm, das den Stand der Technik zeigt.
Beste Art und Weise, um die vorliegende Erfindung auszuführen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungen beschrieben.
Ein Positionsdetektionsinstrument 10000 entsprechend dieser Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben.
Das Positionsdetektionsinstrument 10000 umfasst einen Hauptkörper 2000 und eine Ausgleichseinheit 3000.
Der Hauptkörper 2000 umfasst eine Dreheinheit 2100, eine feststehende Einheit 2200 und eine Neigungsmesseinheit 2300.
Der Hauptkörper 2000 besteht aus einem schwingenden Teil und einem festen Teil. Das schwingende Teil hat rotierende Achsen in Horizontalrichtung und Vertikalrichtung, wobei jedes von denen in der Lage ist, sich um 360 Grad zu drehen unter Verwendung eines Rotationsmotors.
Die Rotationseinheit 2100 entspricht dem schwingenden Teil. Die Rotationseinheit 2100 umfasst ein rotierendes Teil in einer vertikalen Richtung (vertikale Schwingungseinheit) und ein rotierendes Teil in der horizontalen Richtung (horizontale Schwingungseinheit).
Das rotierende Teil in der vertikalen Richtung (vertikale Schwingungseinheit) wird benutzt, um einen rotierenden Spiegel 2110 in der vertikalen Richtung (Winkelhöhe) zu drehen. Horizontale Achsen 2111 sind vorgesehen an beiden Enden des rotierenden Spiegels 2110. Ein rotierender Drehgeber 2120 wird benutzt, um eine Winkelhöhe auszumessen, die vorgegeben ist durch eine horizontale Achse 2111; und ein Vertikalantriebsmotor 2140 ist verbunden mit der anderen horizontalen Achse 2111 durch ein erstes Antriebszahnrad 2130. Weil der Vertikalantriebsmotor 2140 befestigt ist an einem Support 2150, rotiert das rotierende Teil in der vertikalen Richtung wie ein einziger Körper mit einer Antriebskraft des vertikalen Antriebsmotors 2140.
Das rotierende Teil in der horizontalen Richtung (horizontale Schwingungseinheit) wird benutzt, um den rotierenden Spiegel 2110 in der horizontalen Richtung zu rotieren. Das rotierende Teil in der horizontalen Richtung umfasst das Folgende: eine horizontale Dreheinheit 2170; einen Support 2150, ausgebildet an der horizontalen Dreheinheit 2170; und eine horizontale Achse 2111, ausgebildet an dem Drehspiegel 2110, der angebracht ist an dem Support 2150. Das rotierende Teil in der Horizontalrichtung ist ausgebildet, um sich zu drehen wie ein einziger Körper.
Darüber hinaus ist ein Drehgeber 2180, der benutzt wird, um den Horizontalwinkel zu messen, montiert auf der horizontalen Dreheinheit 2170. Außerdem ist ein horizontaler Antriebsmotor 2190 verbunden mit der horizontalen Dreheinheit 2170 durch ein zweites Antriebszahnrad 2185. Weil der horizontale Antriebsmotor 2190 befestigt ist an einem Gehäuse, verursachen Antriebskräfte des horizontalen Antriebsmotors 2190 die Dreheinheit 2100, welche einschließt die horizontale Dreheinheit 2170, in der horizontalen Richtung sich zu drehen.
Es ist zu erwähnen, dass der Drehgeber 2120, der gebraucht wird, um eine Winkelhöhe zu messen, und der Drehgeber 2180, der gebraucht wird, um einen horizontalen Winkel zu messen, einem Winkeldetektor entsprechen.
Die Ausgleichseinheit 3000 hat eine Struktur, dass sie grundsätzlich den Hauptkörper 2000 trägt, wobei drei Beine benötigt werden. Eines der drei Beine wird von einer sphärischen Oberfläche getragen, zum Beispiel so, dass das Bein frei schwingen kann mit kreisenden Bewegungen. Die verbleibenden zwei Beine können sich auf und nieder bewegen durch Antriebskräfte des Ausgleichsantriebsmotors. Es ist so ausgedacht, dass der Hauptkörper 2000 ausgerichtet wird durch Justieren der auf und nieder gehenden Bewegung entsprechend einem Neigungssignal der Neigungsmesseinheit 2300.
Als nächstes wird die elektrische Anordnung des Positionserfassungsinstruments 10000 entsprechend dieser Ausführungsform beschrieben unter Bezugnahme auf 2.
Das Positionserfassungsinstruments 10000 umfasst eine Entfernungsmesseinheit 1100, eine Reflexionserfassungseinheit 1200, eine Winkelmesseinheit 1400, eine Neigungsmesseinheit 2300, eine Speichereinheit 4200, eine Anzeigeeinheit 4300, einen Antriebsschaltkreis 4400, einen Motor 4500, ein arithmetisches Verarbeitungsmittel 4000 und eine Operationseinheit 5000.
Des Weiteren detektiert die Neigungsmesseinheit 2300 einen Rotationsnachlauf und eine Neigung der Rotationseinheit 2100, verursacht durch die Genauigkeit der Rotation der Lager; und die arithmetischen Verarbeitungsmittel 4000 korrigieren eine Lichtempfangsposition des Zieles, das gemessen wird, bei dem die Empfangseinheit Licht empfängt. Im Ergebnis können der Einfluss des Rotationsnachlaufs und die Neigung eliminiert werden. Es soll hervorgehoben werden, dass die Entfernungsmesseinheit 1100, die Reflexionserfassungseinheit 1200, ein ausgangsseitiges optisches System und ein eingangsseitiges optisches System als auch die oben erwähnten Komponenten zu dem festen Teil gehören.
Die Neigungsmesseinheit 2300 erfasst eine Neigung des Hauptkörpers des Positionserfassungsinstruments 10000. Darüber hinaus, ausgehend von einem horizontalen Winkeldrehgeber 1410 relativ zu seiner horizontalen Referenz, stellt die Neigungsmesseinheit 2300 Daten bereit, um Werte einer Entfernung, eines Winkels und Bilddaten zu korrigieren.
Die Neigungswinkelmesseinheit 2300 wird benötigt, um eine korrekte Position von einem Ziel 2000a zuerst durch Sicherstellen einer Ausgleichsoberfläche und zweitens durch Erfassen einer Abweichung in der Drehung von der Dreheinheit 2100, welches ein mechanischer Fehler ist, und dann durch Verwenden der Abweichung in der Drehung für eine Korrektur auf der Basis eines Winkels zu detektieren.
Bei der Entfernungsmesseinheit 1100 ist vorgesehen, dass Entfernungsmesslicht, das emittiert wird von einer Entfernungsdetektionslichtausstrahlungseinheit 2211, durch einen dreieckigen Spiegel 2215 reflektiert wird. Dann geht das Entfernungsmesslicht durch ein dichromatisches Prisma 2212 und geht weiter durch eine Linse eines Objektivs 2213, bevor das Distanzmesslicht reflektiert wird durch den drehenden Spiegel 2110. Nachdem dies erfolgt ist, wird das Entfernungsmesslicht emittiert in einer Richtung zu dem auszumessenden Ziel, was hier nicht gezeigt ist. Das reflektierte Licht, das von dem Ziel kommt, wird gemessen durch einen zurückkommenden Weg und wird empfangen durch ein Lichtempfangselement einer Entfernungslichterfassungsempfangseinheit 2214.
Eine Entfernung von dem Positionserfassungsinstrument 10000 zu dem Ziel 2000a wird berechnet aus dem Zeitunterschied der Zeit, wenn die Distanzdetektionslichtausstrahlungseinheit 2211 Pulse von Licht ausstrahlt, bis das Entfernungsdetektionslicht durch die Einheit 2214 empfangen wird durch empfangene Pulse von Licht. Es ist hervorzuheben, dass diese arithmetische Operation ausgeführt wird durch einen eine arithmetische Operation ausführenden Entfernungsschaltkreis 1120. Zusätzlich enthält die Entfernungseinheit 1110 die Entfernungs detektionslichtausstrahlungseinheit 2211, die Entfernungsdetektionslichtempfangseinheit 2214, einen Lichtempfangsschaltkreis und einen Lichtausstrahlungsschaltkreis. Darüber hinaus, anstatt dieser Entfernungsmessmethode, können andere Phasendifferenzmessmethoden auch angepasst werden.
Die Reflektordetektionseinheit 1200 umfasst eine Reflektordetektionslichtausstrahlungseinheit 1210, eine erste Bildeinheit 1320, eine zweite Bildeinheit 1330 und einen Reflektorerfassungsschaltkreis 1340.
Die erste Bildeinheit 1320 und die zweite Bildeinheit 1330 empfangen Licht, um ein Bild zu erhalten. Im Übrigen wird das empfangene Licht von einer Reflexionsdetektionslichtausstrahlungseinheit 1210 ausgestrahlt und wird dann reflektiert durch einen Reflektor 2000b an dem Ziel 2000a, bevor es empfangen wird durch die erste Bildeinheit 1320 und durch die zweite Bildeinheit 1330.
In dieser Ausführungsform verwenden die erste Bildeinheit 1320 und die zweite Bildeinheit 1330 eine Halbleiterbilderfassungsvorrichtung wie eine CCD. Die erste Bildeinheit 1320 entspricht einem ersten Bildsensor, und die zweite Bildeinheit 1330 gehört zu einem zweiten Bildsensor.
Beim Betrieb der Reflektordetektionslichtausstrahlungseinheit 1210 zum Beispiel wird die gepulste Laserdiode 1211 im Hauptkörper untergebracht und sendet Licht aus. Das Licht wird dann kollimiert durch eine Kollimationslinse 1212 und wird weiter ausgestrahlt durch den Spiegel 2110.
In diesem Zustand, wenn die Reflektordetektionslichtausstrahlungseinheit 1210 beleuchtet bleibt, beinhaltet ein Videosignal der ersten Bildeinheit 1320 und das von der zweiten Bildeinheit 1330 reflektiertes Licht von der Reflektordetektionslichtausstrahlungseinheit 1210, welches reflektiert wird durch den Reflektor 2000b auf dem Ziel 2000a. Zum anderen, in einem Zustand, in welchem die Re flektordetektionslichtausstrahlungseinheit 1210 ausgeschaltet ist, enthalten die Videosignale kein reflektiertes Licht von dem Reflektor 2000b.
Daher, wenn eine Differenz zwischen dem Videosignal im angeschalteten Zustand der Reflektorlichtemittiereinheit 1210 und dem Videosignal im ausgeschalteten Zustand bestimmt ist, welche ausgegeben wird von einer ersten Bildeinheit 1320 und einer zweiten Bildeinheit 1330, bleibt nur reflektiertes Licht vom Reflektor 2000b als Videosignal übrig.
Dementsprechend wird es beim Bestimmen einer Position des reflektierten Lichtes in einem Bild möglich, eine zentrale Position von einem Reflektor auf der ersten Bildeinheit 1320 und der zweiten Bildeinheit 1330 zu detektieren.
Außerdem ist es möglich, bei Verwendung des Ergebnisses der Detektion, eine Abweichung des Kollimationszentrums O gegenüber einer Zentralposition auf dem Ziel 2000a zu bestimmen.
3(A) veranschaulicht ein peripheres Bild einschließend den Reflektor 2000b auf dem Ziel 2000a, angebracht an einer Stange 3000. Wenn die Reflektordetektionslichtaustrahlungseinheit 1210 Licht emittiert, wird nicht nur sichtbares Licht, sondern auch ein Bild eines zurückkehrenden Lichtes von dem Reflektor 2000b des Ziels 2000a wiederkehrend erhalten. Wenn dementsprechend eine Differenz gebildet wird zwischen einem Bild, das gebildet wird, wenn das Reflexionslicht der lichtausstrahlenden Einheit 1210 angeschaltet ist, und einem Bild, das gebildet wird, wenn das Reflexionslicht der Lichtausstrahlungseinheit 1210 ausgeschaltet ist, wird es möglich, wie in 3(B) gezeigt, ein Bild zu erhalten, das ausschließlich gebildet wird durch reflektierendes Licht (zurückkehrendes Licht) 12 mit einer Größe, die fast die gleiche ist wie die des Reflektors 2000b des Zieles 2000a. Unter der Annahme, dass das Zentrum eines Fensters übereinstimmt mit dem Kollimationszentrum O, ist es leicht möglich, von einem Bild eine Horizon talrichtungsabweichung H und eine Vertikalrichtungsabweichung V von dem zurückkehrenden Licht 12 zu berechnen.
Zusätzlich, wie in 4 gezeigt, unter der Annahme, dass ein Bildsensor 40000 an einer Stelle angebracht ist, die der Brennweite f einer Linse entspricht, und dass ein Winkel des zurückkehrenden Lichtes, das eintritt in den Bildsensor 40000, θ ist, ist eine Abweichung x von einer optischen Achse 0 eines Bildsensors 40000 f·tan θ. Dementsprechend, beim Bestimmen einer Abweichung x erlaubt ein Winkel, der benötigt wird für eine Korrektur, eindeutig bestimmt zu werden. Dementsprechend, ungeachtet von Entfernungen zu einem Zielprisma 1a, 1b, 1c, ist es möglich, die Horizontalrichtungsabweichung H und die Vertikalrichtungsabweichung V zu berechnen.
Um es noch genauer anzugeben, weil die Reflektordetektionslichtausstrahlungseinheit 1210, die erste Bildeinheit 1320 und die zweite Bildeinheit 1330 in einer solchen Weise vorgesehen sind, dass sie fest sind, rotiert das Bild in Bezug auf eine Position der Schwingeinheit um eine Position, welche zusammenfällt mit dem Kollimationszentrum O.
Wenn die Beschreibung gemacht wird unter Bezugnahme auf 3(C), z.B. wenn man von einer Position aus betrachtet, an welcher das Positionserfassungsinstrument 10000 platziert ist, kann eine horizontale Richtung als x-Achse und eine vertikale Richtung als y-Achse betrachtet werden. Hier, wenn dort existiert ein Reflektor 2000b auf dem Ziel 2000a an einer Position, die abweicht in der y-Richtung durch einen konstanten Winkel, variiert die Position auf der ersten Bildeinheit 1320 und auf der zweiten Bildeinheit 1330 wie in 3(C) gezeigt in Abhängigkeit zu einer platzierten Position relativ zu dem Positionserfassungsinstrument 10000, wie gezeigt durch ➀ bis ➃. Deshalb, wenn eine Abweichung von der ersten Bildeinheit 1320 und der zweiten Bildeinheit 1330 erfasst ist, um das Kollimationszentrum O zu bewegen zu einem Zentrum des Reflektors 2000b, und zusätzlich dazu, wenn Abweichungswinkel in horizontalen und vertikalen Richtungen von dem Reflektor 2000b auf dem Ziel 2000a bestimmt werden, ist es notwendig, Koordinaten zu konvertieren im Bildsensor 40000 in Horizontal- und Vertikalkoordinaten für das Drehen des Hauptkörpers 2000. Eine Gleichung des Vorstehenden ist gegeben als erste Gleichung, welche ausdrückt die Rotation von Koordinaten. Der Konvertierungsprozess wird ausgeführt in einer Operationsprozesseinheit 4000.
Die Reflektordetektionseinheit 1200 umfasst eine Reflektordetektionslichtausstrahlungseinheit 1210, die erste Bildeinheit 1320, die zweite Bildeinheit 1330 und den Reflektordetektierungsschaltkreis 1340.
Ein optisches System der Reflektordetektierungseinheit 1200 umfasst die Kollimatorlinsen 1212, vorgesehen an der festen Einheit 2200, das dichromatische Prisma 2212, den Halbspiegel 2217, die Relais-Linse 2216, die erste Bildeinheit 1320, die zweite Bildeinheit 1330, einen Spiegel 1213 und den Spiegel 2110 der Schwingungseinheit.
Licht von der ersten Bildeinheit 1320 wird reflektiert an einem Strahlungssplitter 2212, welcher an einer Brennpunktposition von einer Objektlinse 2213 vorgesehen ist.
Die erste Bildeinheit 1320 hat ein breites visuelles Feld entlang der Umkreisrichtung wegen der Kollimationsrichtung, die umgelenkt werden kann in vertikale und horizontale Richtungen durch den Spiegel wegen der Schwingeinheit. Ein horizontaler Winkel und eine Winkelhöhe, welche benötigt werden für die Kollimation von dem Positionserfassungsinstrument 10000 zu dem Reflektor 2000b, können bestimmt werden durch Information über eine Bildformationsposition eines Photoempfangsbildes (im Wesentlichen ein Bild eines Winkelreflektors), gebildet auf der ersten Bildeinheit 1320, und durch einen horizontalen Winkel und einen vertikalen Winkel, die berechnet werden in einer Winkeloperationseinheit, um den Spiegel auszurichten.
Zusätzlich werden ein Auflösungswinkel auf einer CCD bestimmt durch die Anzahl der Bildelemente und ein Bildwinkel auf der CCD. Der Auflösungswinkel nimmt ab mit der Zunahme der Anzahl der Bildelemente und der Abnahme des Sichtwinkels.
Aus diesem Grund ist die zweite Bildeinheit 1330 platziert an einer Position gegenüber der Relais-Linse 2216, so dass die zweite Bildeinheit 1330 benutzt werden kann in Kombination mit der ersten Bildeinheit 1320.
Weil der Sichtwinkel der zweiten Bildeinheit 1330 verengt wird durch die Relais-Linse 2216, wird ein Auflösungswinkel schmaler als verglichen mit dem der ersten Bildeinheit 1330, was es möglich macht, die Abweichung mit einem hohen Grad an Genauigkeit zu bestimmen.
Darüber hinaus, wenn ein Breitwinkelsensor benutzt wird, um den Reflektor 2000b zu erfassen, und wenn dann die Bewegung ausgeführt wird, um innerhalb der Begrenzung eines schmalen Winkels zu verbleiben, kann die Detektion durch den Reflektor erreicht werden mit einer hohen Geschwindigkeit und einer hohen Genauigkeit.
Die Speichereinheit 4200 speichert Zeichnungsdaten zu denjenigen Bilddaten, die erhalten werden von dem damit verbundenen Bildsensor. Nicht nur gemessene Bilddaten oder Zeichnungsdaten, sondern auch dreidimensionale Positionsinformation, welche basiert auf gemessenen Daten, wird angezeigt auf der Anzeigeeinheit 4300. Darüber hinaus, wenn eine Anwendungs-Software benutzt wird für die Konvertierung der Bilddaten, können die Daten und die Information auch konvertiert werden in ein Bild, wie ein Panorama, bevor sie angezeigt oder gespeichert wird.
Hier wird nun darauf eingegangen, wie ein Bild, wie ein Panorama, gebildet wird, und dies wird beschrieben unter Bezugnahme auf 5. Wie gezeigt in 5(a), können Bilder aufgegriffen werden in Intervallen entlang der 360-Grad-Umfangsrichtung, und dann können die Bilder verbunden werden, während sie rotiert werden, und das kann zu einem Bild wie einem Panorama, wie es in 5(b) gezeigt ist, führen.
Wie in 3(c) gezeigt, unter der Annahme, dass Koordinaten eines Bildes auf dem CCD sind (X', Y'), ein Winkel der Drehung θ ist, und die konvertierten Koordinaten (X, Y) sind, wird eine arithmetische Operation mit diesen Koordinaten ausgeführt, welche ausgedrückt wird durch eine erste Gleichung. Gleichung 1
Im Übrigen zeigt 3(c), dass das Bild rotiert in einer Reihe von ➀, ➁, ➂, ➃.
Darüber hinaus hat die erste Bildeinheit 1320 ein breites visuelles Feld; und noch spezieller kann die erste Bildeinheit 1320 ein Breitwinkelbild (mit geringer Genauigkeit) ausgeben. Die zweite Bildeinheit 1330 hat ein enges visuelles Feld; und noch spezieller kann die zweite Bildeinheit 1330 ein Schmalwinkelbild (mit hoher Genauigkeit) ausgeben. Zwei Bilder können übereinander gelagert werden. Weiter können das Breitwinkelbild und das Schmalwinkelbild, die miteinander in Beziehung stehen, gespeichert werden.
Nachfolgend wird die Zeitgebung der Reflektordetektionslichtausstrahlungseinheit 1210 in Bezug auf die erste Bildeinheit 1320 und die zweite Bildeinheit 1330 beschrieben werden mit Bezug auf 6. Dabei wird ein Feld CCD beschrieben werden als ein Bildsensor.
Die Reflektordetektionseinheit 1200 umfasst eine erste Bildeinheit 1320, einen CCD-Treiber 1351, eine Signalprozesseinheit 1352, einen A/D-Umsetzer 1353, einen äußeren Speicher 1354, einen Zeiterzeugungsschaltkreis 1355, einen Treiber 1356 für ein Beleuchtungselement, die Reflektordetektionslichtausstrahlungseinheit 1210 und eine CPU 4000.
Wie in 6 gezeigt, benutzt die CCD ein vertikal synchronisierendes Signal VD für getrennte Felder und ein horizontal synchronisierendes Signal HD. In dieser Ausführung ist ein elektronischer Verschluss ausgewählt. Dieser elektronische Verschluss wird intermittierend geschaltet zwischen einer Akkumulationszeit von den elektrischen Ladungen der CCD und Entladezeit von den elektrischen Ladungen der CCD.
In dieser Ausführung ist es so angedacht, dass während der Akkumulierungszeit von elektrischen Ladungen der CCD der Beleuchtungselementtreiber 1356 so angesteuert wird, um optische Pulse von der Reflexionsdetektionslichtausstrahlungseinheit 1210 zu emittieren. Dies ermöglicht ein effizientes Nachführen und eine effiziente Detektion.
Zusätzlich ist es so vorgesehen, dass das Lesen der ersten Bildeinheit 1320 synchronisiert ist mit der Lichtausstrahlung eines optischen Pulses durch die Reflektordetektionslichtausstrahlungseinheit 1210 und mit einer Detektion durch die Winkelmesseinheit 1400. In diesem Zusammenhang wird die Beschreibung der zweiten Bildeinheit 1330 ausgelassen, zumal sie entsprechend ist der ersten Bildeinheit 1320.
Eine Winkelmesseinheit 1400 detektiert einen Winkel der Schwingungseinheit relativ zu der festen Einheit durch Benutzung eines Rotors, der auf der Schwin gungseinheit montiert ist, und durch Benutzung einer Detektionseinheit, die auf der festen Einheit gebildet ist. Um es noch genauer anzugeben, ist es also so vorgesehen, dass die Ausgangssignale eines horizontalen Winkels und eines vertikalen Winkelgebers 1410 zu einer Winkelmesseinheit 1400 übermittelt werden, die damit einen Winkel misst.
Eine Detektionsroutine des Positionsdetektionsinstruments 10000, welche benutzt wird, um einen Photoempfänger 20000 zu detektieren, wird nachfolgend beschrieben.
Beim Start wird die Reflektordetektionslichtausstrahlungseinheit 1210 angeschaltet, und dann bringt eine Antriebseinheit den Reflexionsspiegel 2110 zu einer Schwingbewegung. Der Reflektor 2000b wird detektiert durch Beobachten des Ausgangs von einem Breitwinkelbildsensor. Wenn der Reflektor 2000b detektiert ist, bevor ein Bild in den Schmalwinkelbildsensor eintritt, führt die Operationsprozesseinheit 4000 eine Berechnung durch, wobei Daten von einer Winkeldetektionseinheit und einer Position eines Bildsensors benutzt werden, und die Antriebseinheit bewegt den Reflexionsspiegel 2110.
Wenn das Bild des Reflektors 2000b eintritt in den Schmalwinkelbildsensor, bewegt die Antriebseinheit den Reflexionsspiegel 2110 weiter in ein Gebiet ungefähr um die Zentralachse O, oder die Prozessverarbeitungseinheit 4000 bestimmt einen Horizontalwinkel und einen Vertikalwinkel von dem Reflektor 2000b in dieser Position, wobei Daten von einer Winkelerfassungseinheit und einer Position eines Bildsensors verwendet werden. In solch einem Fall können das Schmalwinkelbild und das Breitwinkelbild gespeichert werden. Darüber hinaus können Bilddaten, welche einschließen einen Horizontalwinkel und einen Vertikalwinkel, und eine gemessene Distanz als Daten ebenso gespeichert werden.
Die zuerst erfolgende Detektierung mit dem Reflektor 2000b durch einen Breitwinkelbildsensor ermöglicht die Ausführung mit einer hohen Geschwindigkeit.
Obwohl das Linsensystem Verzerrungen beinhaltet, können solche Verzerrungen eliminiert werden durch Schaffung einer im Voraus zu berücksichtigenden Referenzposition, dem Kalibrieren von Daten für ein optisches System, einschließend eine erste Bildeinheit 1320 und eine zweite Bildeinheit 1330, und wobei dann ein Fehler in diesem Stadium durch Subtraktion berücksichtigt wird durch eine arithmetische Verarbeitung, welche erfasst eine Position an einem Winkelreflektor 21000.
Diese Ausführungsform bezieht sich auf ein Positionsdetektionsinstrument, das emittiert Entfernungsmesslicht und Messlicht unter Benutzung eines rotierenden Spiegels in solch einer Weise, dass Richtungen und die Entfernung des Messlichtes und der Wechsel des Messlichts horizontal oder vertikal erfasst werden und dass der Reflektor 2000b detektiert innerhalb des Bereichs der Ausstrahlung und dann seine Position misst.
Das Positionserfassungsinstrument umschließt einen Bildsensor als eine Lichtempfangseinheit. Der Bildsensor ist kein lichtempfangender Sensor, der nur Licht im Besonderen empfängt. Die Verarbeitbarkeit von Bilddaten, welche ausgegeben werden von einem Bildsensor, können verbessert werden durch Hinzuaddieren von Bilddaten mit einer konventionellen Methode, in welcher numerische Werte gespeichert sind.
Darüber hinaus kann für das Positionsdetektionsinstrument 10000 in dieser Ausführungsform die rotierende Einheit 2100, welche in verschiedenen Richtungen dreht und die Entfernungsmesslicht und Messlicht vor der Emission erzeugt, auch bestehen aus einem horizontalen Drehmechanismus. In diesem Fall wird der horizontale Winkel durch einen Winkelgeber 1410 erzeugt auf der rotierenden Einheit 2100 und ist ausgelegt, um ungefähr zu detektieren eine horizontale Position an dem Winkelreflektor 21000 als ein Ziel, das zu messen ist. Ein horizontaler Winkelwert relativ zu dem Kollimationszentrum, welcher ausgegeben wird von dem horizontalen Drehwinkelgeber 1410, wird korrigiert unter Benutzung von Video einer ersten Bildeinheit 1320 und der zweiten Bildeinheit 1330, und dabei kann eine Winkelhöhe berechnet werden. Wenn unterbrochenes Licht benutzt wird, kann das Entfernungsmesslicht auch umschließen einen Winkelhöhendistanzmessbereich.
Die erste Bildeinheit 1320 und die zweite Bildeinheit 1330 werden hier benutzt als Bildsensoren, die fähig sind, um Bilder zu erfassen. Die erfassten Bilddaten durch die Bildsensoren werden benutzt, um eine Position des Winkelreflektors 21000 zu detektieren und werden auch gespeichert als Bilddaten innerhalb eines messbaren Bereichs.
Der Bildsensor für das Sammeln von Bilddaten entsprechend dieser Ausführungsform detektiert Messlicht, welches emittiert ist von einer Distanzdetektionslichtaussendeeinheit 2211 und das dann reflektiert ist durch einen Reflektor 2000b. Der Bildsensor erfasst auch ein Bild des Ziels 2000a und speichert dann das Bild. Weiterhin erfasst und speichert der Bildsensor Umrissbilder innerhalb eines schwingenden Bereichs einschließend den Winkelreflektor 21000 des Ziels 2000a. Darüber hinaus ist der Bildsensor aufgebaut aus zwei Bildsensoren (der ersten Bildeinheit 1320 und der zweiten Bildeinheit 1330) und wobei Bereich von Winkeln eingeschlossen werden, die jeweils voneinander abweichen. Bilder, die erhalten werden durch die zwei Bildsensoren, werden benutzt als fern und nah oder vergrößerte Bilddaten.
In dieser Ausführungsform wird eine Addition des Schwingens in der horizontalen Richtung und des Schwingens in einer hinauf und hinab gehenden vertikalen Richtung auch ausgeführt. Jede von der horizontalen Schwingung und der vertikalen Schwingung wird detektiert durch den dazu bestimmten Drehgeber. Wenn eine Richtung und eine Position von dem Winkelreflektor 2100b von dem Ziel 2000a detektiert sind in ungefähren Bilddaten, werden ein horizontaler Winkel wert und ein Winkelhöhenwert korrigiert durch einen Wert von Bilddaten, und dabei wird eine korrekte Richtung des Winkelreflektors 2100b bestimmt.
Die Winkelmesseinheit 1400 erfasst einen Winkel der Dreheinheit 2100 relativ zu der festen Einheit 2200 durch Benutzung eines Rotors, der montiert ist auf der Rotoreinheit 2100, und durch Benutzung einer Detektionseinheit, die mit der festen Einheit 2200 verbunden ist.
Die Entfernungsdetektionslichtausstrahlungseinheit 2211 entspricht einer Lichtquelleneinheit. Die Entfernungsdetektionslichterfassungseinheit 2214 entspricht einer Lichtempfangseinheit. Die Relais-Linse 1212, der Spiegel 1213 und der Spiegel 2110 der Schwingungseinheit entsprechen den emittierenden Mitteln. Die Winkelmesseinheit 1400 entspricht dem Winkeldetektor. Die erste Bildeinheit 1320 und die zweite Bildeinheit 1330 entsprechen dem Bildsensor. Der Winkelreflektor 21000 auf dem Ziel 2000a entspricht dem Reflektor.
Der horizontale Antriebsmotor 2190 und dergleichen entspricht dem schwingenden Mechanismus.
Entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt ein Positionsmessinstrument, das einen Reflektor mit Messlicht bestrahlt und das eine Richtung durch das reflektierte Licht bestimmt, wobei das Positionsmessinstrument folgendes aufweist: eine Lichtquelleneinheit zum Aussenden von Messlicht; einen Bildsensor, um reflektiertes Licht zu empfangen; aussendende Mittel zum Aussenden von Messlicht und dann zum Führen des reflektierten Lichtes zu dem Bildsensor; einen Schwungmechanismus zum Schwingen einer Aussendeeinrichtung; und einen Winkeldetektor, um eine Aussenderichtung der Aussendeeinrichtung zu erfassen; wobei diese Lichtquelleneinheit und dieser Bildsensor ausgestattet sind in einer solchen Weise, dass sie fixiert sind; und das Positionsmessinstrument weiterhin umfasst eine Operationsprozesseinheit für das Umwandeln von Koordinaten von dem Reflektor als eine Abweichung relativ zu einer Zentralachse auf der Basis eines Ausgangs des Bildsensors und eines Ausgangs des Winkeldetektors zum Zeitpunkt des Empfangens des Lichtes.
Das Positionsmessinstrument entsprechend der vorliegenden Erfindung ermöglicht deshalb eine Verbesserung der Arbeitseffektivität in einem großen Umfang, was sich als ergebender Effekt herausstellt.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Positionsdetektionsinstrument und spezieller auf ein Positionsdetektionsinstrument, das fähig ist, Entfernungsmesslicht und Messlicht zu emittieren, um eine dreidimensionale Messung einer Zielposition zu ermöglichen, und das weiterhin fähig ist, Bilddaten aufzuzeichnen in der Emissionsrichtung oder in Richtungen, die anders sind als die Emissionsrichtungen.

Claims

Ein Positionsmessinstrument (10000), welches ausgebildet ist, um einen Reflektor (2000b) mit Messlicht zu bestrahlen, um eine Richtung auf der Grundlage seines reflektierten Lichtes zu bestimmen, wobei das Positionsmessinstrument (100000) aufweist: eine Lichtquelleneinheit (1210) zum Aussenden von Messlicht; einen Bildsensor (1320, 1330) zum Empfangen seines reflektierten Lichtes; eine Aussendeeinrichtung (2110) zum Aussenden von Messlicht und dann zum Führen seines reflektierten Lichtes zu dem Bildsensor (1320, 1330); und einen Schwungmechanismus (2100) zum Schwingen der Aussendeeinrichtung (2110); wobei die Lichtquelleneinheit (1210) und der Bildsensor (1320, 1330) derart ausgebildet sind, dass sie bei Benutzung stationär sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkeldetektor (2120, 2180) zum Erfassen einer Aussenderichtung der Aussendeeinrichtung (2110) vorgesehen ist und dass das Positionsmessinstrument (10000) weiter aufweist eine Operationsverarbeitungseinheit (4000) zum Umwandeln der Koordinaten des Zielreflektors (2000b) als eine Abweichung relativ zu der Kollimationszentralachse (θ) des Messlichtes auf der Grundlage einer Ausgabe des Bildsensors (1320, 1330) und einer Ausgabe des Winkeldetektors (2120, 2180) zum Zeitpunkt des Lichtempfangs.
Positionsmessinstrument nach Anspruch, weiter aufweisend: eine Entfernungsmesseinheit (1100), welche Messlicht und Entfernungsmesslicht aussendet, um eine Entfernung zu dem Zielreflektor (2000b) zu bestimmen und hierdurch eine Position des Zielreflektors (2000b) aus der Entfernung und einer Richtung zu bestimmen.
Positionsmessinstrument nach Anspruch 1, weiter aufweisend: eine Speichereinheit (4200) zum Speichern von Bilddaten, erhalten von dem Bildsensor.
Positionsmessinstrument nach Anspruch 3, bei welchem, wenn Bilddaten von dem Bildsensor (1320, 1330) erhalten werden, Koordinaten der Bilddaten umgewandelt werden auf der Grundlage einer Ausgabe des Winkeldetektors (2120, 2180) zu der Zeit des Lichtempfangs durch den Bildsensor (1320, 1330).
Positionsmessinstrument nach Anspruch 3, bei welchem der Bildsensor (1320, 1330) einen ersten Lichtempfangssensor (1320) zum Erfassen einer Abweichung relativ zu einem optischen Achsenzentrum und einen zweiten Lichtempfangssensor (1330) aufweist, welcher einen Erfassungsbereich verschieden von demjenigen des ersten Lichtempfangssensors (1320) abdeckt.
Positionsmessinstrument nach Anspruch 5, bei welchem Bilddaten aufgezeichnet werden in Intervallen eines vorbestimmten Schwingwinkels, so dass die Bilddaten einander überlappen, und dann die aufgezeichneten Bilddaten in ein kontinuierlich angeordnetes Bild geformt werden.
Positionsmessinstrument nach Anspruch 5, bei welchem Bilddaten, erhalten von dem ersten Bildsensor (1320), Bilddaten zugeordnet werden, erhalten von dem zweiten Bildsensor (1330), in Bezug zu ihren Positionen.