(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標マーク（２）を照明する投光器（1;30）と、位置解像検知装置（７）上に目標マーク（２）を結像する結像系（５）と、目標マーク像（８）の位置座標を決定する評価装置（９）とを有し、反射性目標マーク（２）の位置を決定するための光学装置において、
目標マークとして、
0003631756.tif 000009
の屈折率ｎを有し投光器の照明に関して透明な球が設けてあり、検知装置（７）上の目標マーク像（８）が、円環面の少なくとも一部をなし、像評価によって求めた上記円環面の中心点が、目標マーク（２）の位置を表わすことを特徴とする位置決定用光学装置。
【請求項２】
球（２）を全ての側（方向）から視準するため、ロッド状ホルダ（４）が球受けとして設けてあることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
球（２）が、1.83の屈折率ｎを有するガラスからなることを特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。
【請求項４】
球（２）が、表面研磨されていることを特徴とする請求項１〜３の１つに記載の光学装置。
【請求項５】
球（２）が、反射を増大する被覆層を有することを特徴とする請求項１〜４の１つに記載の光学装置。
【請求項６】
球（２）が、屈折率の異なる材料を有することを特徴とする請求項1,2,4または５に記載の光学装置。
【請求項７】
球（２）が、部分的に鏡化（鍍銀）されていることを特徴とする請求項１〜６の１つに記載の光学装置。
【請求項８】
目標マーク（２）への照明光路が、結像系（５）の光軸（15）に関して軸線対称に延びることを特徴とする請求項１〜７の１つに記載の光学装置。
【請求項９】
結像系（５）が、フォーカシング装置（６）を有することを特徴とする請求項１〜８の１つに記載の光学装置。
【請求項１０】
結像系（５）が、セオドライトの望遠鏡であることを特徴とする請求項１〜９の１つに記載の光学装置。
【請求項１１】
検知装置（７）が、CCDアレイまたはビデオカメラであることを特徴とする請求項１〜10の１つに記載の光学装置。
【請求項１２】
評価装置（９）が、画像処理コンピュータ（10）を含むことを特徴とする請求項１〜11の１つに記載の光学装置。
【請求項１３】
投光器（1;30）と結像系（５）と検知装置（７）と評価装置（９）とが、コンパクトな構造の装置として構成されていることを特徴とする請求項１〜12の１つに記載の光学装置。
【請求項１４】
距離測定装置が、補足して設けてあることを特徴とする請求項１〜13の１つに記載の光学装置。
【請求項１５】
環中心点を求める画像評価のために、目標マーク像（８）に環を最善にはめ合わせるための円適合アルゴリズムが定めてあることを特徴とする請求項１〜14の１つに記載の光学装置。
【請求項１６】
目標マーク（２）を照明する投光器（1;30）と、位置解像検知装置（７）上に目標マーク（２）結像する結像系（５）と、目標マーク像（８）の位置座標を決定する評価装置（９）とを使用して反射性目標マーク（２）の位置を決定する方法において、
目標マークとして、
0003631756.tif 000010
の屈折率ｎを有し投光器の照明に関して透明な球を使用し、光学式結像系（５）をデフォーカシングし、かくして現れる多重円環面を検知装置（７）で撮像ないし受光し、目標中心点を決定するため数学的手段によって評価することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
［技術分野］
本発明は、目標マーク（ないし視準マーク）を照明する投光器と、位置解像検知装置上に目標マークを結像する結像系と、目標マーク像の位置座標を決定する評価装置とを有し反射性目標マークの位置を決定するための光学装置に関する。
［背景技術］
目標マークとして中心にマーキングした透明な球は、米国特許第3188739号から公知である。マーキングは、球の半径線に沿って球中心まで穿孔することによって行う。更に、穿孔ボアの照明によって、球中心のマーキングを強調できる。別のマーキング方式の場合は、蛍光材料を球中心に溶融注入する。このようにマーキングした球を使用して、セオドライト（経緯儀）による三角測量法によって公知の態様で、空間内の２点の間の距離を測定できる。
ドイツ特許公開第4013576号には、光学的照準器で測定点を定めるための目標マークとして使用する乳白ガラス球が開示されている。透光性で散乱性の球材料によって、大きい角度範囲から視準できるよう球表面に均一の明るさを達成する。
米国特許第5207003号には、ターゲットの三次元位置および角度位置を測定するための少なくとも４つの従来のレトロレフレクタ（再帰反射器）と１つの球面鏡とを有するターゲットが記載されている。この場合、ターゲットは、半透明の散乱性ハーフミラーを介して光源により照明される。球面鏡および４つのレトロレフレクタから反射された光は、光学系を介して写真検知器に達する。この場合、球面鏡の曲率中心およびレトロレフレクタは、光点として結像される。検知器上の上記光点の座標から、ターゲットおよびターゲットと結合された対象の三次元位置および角度位置を計算で求める。上述の種類のその他の光学装置が知られており、W.Huepらの“工業的、測地的測定のためのセオドライトシステム”、“Technische  Rundschaft"誌、No.39,1988,p14−18および“セオドライト−工業的測定のためのセンサ”、ライカ社の“Opticus"誌、No.1/94,p8−９に詳述されている。
上記刊行物に記載のセオドライトシステムは、表面（例えば、航空機または車体部品のライニング）の非接触測定に使用される。使用されるセオドライトシステムは、結像系としてのセオドライト望遠鏡と、上記望遠鏡と同軸に配置された目標マーク照明用投光器と、CCDアレイを含むビデオカメラと、画像処理コンピュータおよび対応するソフトウエアを含むこともできる電子的評価装置とを備えたコンパクトな構造を有する。更に、セオドライトシステムには、距離測定装置を装備することもできる。
セオドライトシステムは、電子的円検知（測定）機構（Kreisabgriffe）と、望遠鏡の水平・垂直変位のための電動（モータ）駆動装置とを装備しているので、自動的な遠隔制御測定推移が可能である。水平角度および垂直角度は、所定の座標系における目標マークの方向を示す。
客観的で正確な方向測定を達成するため、画像処理アルゴリズムを組込んだビデオカメラを使用する。カメラのCCDアレイ上に形成された目標マーク像を適切なアルゴリズムによって評価し、目標マーク像の中心点を求める。次いで、CCDアレイ上の上記中心点の座標をソフトウエアによって偏向角度（Ablagewinkel）に変換し、この角度と電子的円読取値（Kreisablesungen）とから目標マークの方向を求める。
方向測定によって、補足情報の際には、再度三次元の目標マーク座標を求める。極座標法の場合、角度測定に加えて、距離測定を行う。他方、三角測量法の場合は、位置が既知の第２セオドライトシステムを使用し、純粋な角度測定にもとづき三角法で目標マークの位置を求める。
投光器の光源としては、近赤外において高い放射密度で放射を行う発光ダイオード（いわゆる、高放射ダイオード）を使用する。
対象測定のための目標マークとしては、当該のセオドライトの観察方向とは関係なく同一の目標マーク像を提示するという所要の性質を有し表面反射を行う球（例えば、研磨しクロムメツキした鋼球）を使用する。この表面反射球には、上記目標マークを被測表面上の所定位置に再現性よく置くための調心固定要素が設けてある。球を載せる棒状ホルダを使用することもできる。
使用する反射球は、通常、約12mmの径を有し、ほぼ球表面の焦面に、即ち、球表面の頂点の後に球径のほぼ1/4だけ離れた箇所に、セオドライトの投光器ひとみの見かけ上球内部にある虚像を形成する。この像は、セオドライトの望遠鏡で観察するか、ビデオカメラで撮影してCCDアレイに表示する。
球径が約12mmの場合、表面反射球の焦点距離は小さく約3mmであるので、球内のひとみ像は、約1.5mの距離において既に、回折に起因して小さく、従って、CCDアレイの受光素子よりも小さい。それにも拘わらず、評価を行い得るよう、セオドライト望遠鏡は、目標マーク像がカメラの複数の画素に分配されるよう、デフォーカシング（焦点ぼけ）させなければならない。かくして得られた光点の中心点は、重心決定または輪郭評価によって求めることができる。もちろん、光点内およびそのぼけた縁の異なる光の強度分布に起因して、球の正確な方向測定が制約される。更に、球が僅かに汚れていると、光点内の光の強度分布が変化し、従って、測定誤差が生ずる。
反射球面による結像のさらなる問題は、上記球から望遠鏡対物レンズへ逆行する放射出力が、投光器の限界距離以遠では、距離の４乗で減少するという点にある。その結果として、この測定法は、約10mの距離まで使用できるに過ぎない。距離が増加すると、より大きい球を使用しても、受光信号は、方向測定のために、従って、最終的に三次元位置測定のために不十分である。
［発明の開示］
本発明の課題は、上記先行技術から出発して、位置に敏感な検知器上の目標マーク像の位置を測定するための光学装置および方法であって、上記位置測定および目標マークに対する測定が、より大きい距離に亘って可能であり、より高い精度で実施でき、汚れに対して不感であり、固定要素によって制限される目標マークの結像状態に不感である形式のものを提供することにある。
この課題は、冒頭に述べた種類の装置において、本発明にもとづき、
0003631756.tif 000002
の屈折率ｎを有し投光器の照明に関して透明な球を目標マークとして設け、目標マーク像が、円環面の少なくとも一部をなし、像評価によって求めた上記円環面の中心点が目標マーク位置を表わすことによって、解決される。特別な方法の本質は、結像系をデフォーカシングさせ、かくして生ずる多重円環面を検知装置によって撮像ないし受光（Aufnehmen）し、目標マーク中心点の決定のために数学的手段で評価することにある。
本発明の有利な展開形態および改良は従属請求項２〜15の特徴から明らかとなる。
本発明の利点は、１つには、投光器の照明光に対して透明で、上記光について
0003631756.tif 000003
よりも大きく２よりも小さい屈折率を有する球形の目標マークを使用することによって検知装置の位置の放射出力がドラスティックに増大されるという点にある。この種の球は、入射光の大部分が、屈折によって球材料内に入射し、球の通過後、特定の割合の光が、球背面、即ち、球材料と外部媒体（即ち、空気）との界面において反射されるという光学的性質を有する。この反射光の大部分は、球を更に通過した後、屈折して球から出る。
球に平行に入射する光束を考察する。上記光束の各光は、上記の態様で球を通過し、球への入射箇所に応じて、異なる射出角度で且つ異なる射出箇所において球から出る。さて、本発明は、光は、射出箇所の範囲内で、即ち、特定の球ゾーン内で、結像系に受光されるような射出角度で球から出るという知見を利用する。結像系として、例えば、セオドライトの望遠鏡対物レンズを設ける。この場合、このような球ゾーンから望遠鏡対物レンズへ逆反射される放射出力は、距離の３乗でのみ低下するに過ぎない。
屈折率
0003631756.tif 000004
の球は、限界例をなす。球表面に接線方向へぶつかり屈折して球内に入射する周縁光は、球背面において部分的に反射され、球の対向側から入射光に対して平行に接線方向へ出る。上記光もセオドライト軸線および球中心の近傍を通る軸線近傍の光も、セオドライトの結像系によって受光される。別のすべての入射光は、発散状態で反射され、望遠鏡対物レンズには達しえない。
屈折率が
0003631756.tif 000005
よりも僅かに大きい場合には既に、望遠鏡対物レンズへ光を送る対応する球ゾーンが存在し、かくして、検知される信号は、なお、距離の３乗で低下するに過ぎない。球ゾーンの幅および径は、球の屈折率に応じて異なる。上記球ゾーンの径は、
0003631756.tif 000006
の場合、球径と同一であり、屈折率の増加とともに減少して、屈折率がｎ＝２の他方の限界例においてゼロとなる。上記屈折率範囲外には、上記球ゾーンは存在しない。
このような透明の球を使用した場合に受光能が極めて効果的に増大される態様を下記の実施例に示した。この場合、望遠鏡開口径が42mmのセオドライトを使用した。
10mの距離において、屈折率ｎ＝1.83および径2mmの市販のガラス球を使用して、径10mmのクロムメッキ鋼球を使用する場合よりも50倍だけ高い放射出力が受光される。
クロムメッキ鋼球の約60％に比して、透明な球の通過後の反射係数は約８％であるに過ぎないにも拘わらず、20mの距離において、改善倍率は、既に100である。
さて、反射光束の強度がこのような倍率で増大されることにもとづき、セオドライトから対応してより遠い距離においての対象測定が可能である。
本発明の第２の利点は、セオドライト望遠鏡に受光される光を出射する球ゾーンが環（リング）形状を有するという点にある。この環状出射ゾーンは、球中心および投光器照明の射出ひとみの中心の軸線に同軸であり、セオドライト望遠鏡のフォーカシング（合焦）によって像面にシャープに描かれる、即ち、検知装置の箇所に結像される。かくて、ビデオカメラを使用した場合、目標マーク像は、鋼球の目標マーク像とは異なり、望遠鏡フォーカシング時においても、CCDアレイの多数の画素を照明する。更に、環状の光分布によって、有利なことには、円適合（Kreisfit）アルゴリズム（円をリング状構造に適合させる数学的手段、即ち両者の中心も定める）を使用でき、これにより目標マークの球中心を、かくて距離測定と組合せて３次元空間における位置を高精度で定めることができる。このような評価の精度は、従来の方法に関して既に冒頭で説明した如き重心測定または輪郭評価による不鮮明な光点の中心の測定よりも遙かに高い。
本発明に係る目標マークは、セオドライト望遠鏡のフォーカシング状態においても、望遠鏡のデフォーカシング状態においても、極めて良好に評価できる目標マーク像を与える。照明光をセオドライト内において光軸上の小さいミラーを介して投射した場合、セオドライト望遠鏡がデフォーカシング状態にあれば、受光対物レンズがその中心範囲においてミラーによって遮蔽されることによって、２つの同軸の環状放射範囲が誘起される。これらの環状ゾーンも、目標マーク中心点を求めるために数学的手段によって評価でき、この場合、平均値形成によって中心点測定の精度がさらに向上される。
環状光分布およびかくして可能な円適合アルゴリズムの使用によって、更に大きい利点が得られる。多くの実験において、球表面が汚れていてもまたは球ホルダにより輪郭が一部マスクされても、目標マークの球中心の位置を不変の高精度で求めることができるということが判った。この効果は、円環面の多分に余剰な情報から得られ、従って、円環の局部的中断または不整を見つけることができまたは評価から排除することができる。これに対し、デフォーカシング状態での反射を行う金属球を使用した場合は、常に、汚れた表面にもとづき、除去できない測定エラーが現れるという危険性がある。
一般に、表面を研磨した球を使用する。なぜならば、さもないと、粗い表面に生ずる散乱光が、有効な光の強度を低下するからである。更に、反射増大被覆層によって、球で反射される光の強度を増大できる。被覆は、全球表面にわたって行うことができる。なぜならば、屈折率の異なる媒体への移行時の光の反射成分は、パーセントの範囲にあるに過ぎないからである。従って、球からセオドライト望遠鏡へ反射される光の強度は、主として、球の“背面”における反射によって決定される。
上記範囲において、小面積の鏡化（鍍銀）によって反射を著しく増大できる。上記利点が得られる反面、もちろん、球は、部分的鍍銀によって優先方向を有することとなり、従って、配向せずに簡単にホルダに設置することは不可能になるという問題を伴う。目標マークとしての球の方向測定のために２つ以上のセオドライトを使用する三角測量法の場合は特に、セオドライトのための有効角度範囲が、鏡化（鍍銀）面の寸法によって制限される。鏡化（鍍銀）のない場合は、球は、全ての側（方向）から測定できる。
球内の異なる材料によって、球で反射される光の強度を増大することもできる。段階的または連続的に異なる屈折率を有する材料を使用した場合、光は、球内を、もはや真っすぐには伝播せず、湾曲した経路に沿って伝播する。かくして、光の射出角度が影響され、従って、屈折率の経過（分布）が適切であれば、光の大半をセオドライトで受光できる。
図面を参照して、以下に、本発明の２つの実施例を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
図１は、目標マーク照明系を外部に設けた発明対象の略図であり、
図２は、目標マーク照明系をセオドライトに組込んだ発明対象の略図であり、
図３は、透明な球を介する光の伝播を示す略図であり、
図４は、ビデオセオドライトの同軸の投光器によって照明される透明球のカメラ映像である。
図１に、ハーフミラー20を介して光軸15と同軸に球形の目標マーク２を照明する投光器１と、目標マーク２の受けとしてロッド状ホルダ４と、フォーカシング装置６を有する結像系５と、位置解像を行う検知装置７と、評価装置９と、画像処理コンピュータ10と、距離測定装置11とを有する光学装置を模式的に示す。図１に示した寸法比は、実尺度とは異なる。
光路は、相互に平行な２つの選択した光B,Cについて模式的に示してある。この場合、球２に入射して球背面で反射されて結像系５に受光されるよう球２から出る、本発明に重要な光経路のみを示した。球２の材料は、投光器１の照明光に関して透明であり、屈折率の数値は、
0003631756.tif 000007
の範囲にある。上記条件下で、双方の光B,Cは、結像装置５のアパーチャに受光され上記結像系によって位置に敏感な検知装置７上に結像させ得る光束を形成する。検知装置７上の円環面８は、例として示した光束Ｂ−Ｃについて光軸15に関して回転対称であるすべての光束の総計によって生ずる。
部分的鏡化（鍍銀）３によって、球形目標マーク２の後部における反射を増大できる。この場合、目標マーク２は、もちろん、ホルダ４上に任意の角度ではもはや設置できず、図１に示した如く、鍍銀面３に配向させなければならない。
ハーフミラー20の機能を以下に説明する。一般に、ハーフミラーは、入射光の特定部分を反射し、残余の部分を透過するという性質を有する。図１には、投光器１から来てハーフミラー20で反射される光および目標マーク２から来てハーフミラー20を透過する光のみを示した。上記光に対して補完の光成分（図示してない）は、消失し、目標マークの結像には寄与しない。即ち、ハーフミラー20を介する照明光の投射は、常に、ある程度の光ロスを意味する。しかしながら、かくして、他方では、照明系を組込んでないセオドライトに対し、後から照明系を簡単に装備できる。本発明にもとづき、目標マークの反射された球ゾーンの結像を実施し、利用するには、セオドライト望遠鏡の対物レンズの前にハーフミラー20を設置し、目標マークを投光器１で同軸に照明すればよい。
図２に、図１と同様であるが、目標マーク照明系を結像系５に組込んだ光学装置を示す。投光器30は、結像系５の光軸15上に配置されたミラー31を介して目標マーク２を照明する。照明は、同じく、光軸15に同軸に行われる。ミラー31は、結像光路の小さい中心範囲を遮蔽し、かくして、結像のための光の若干が、喪失される。この装置は、冒頭に述べたセオドライトシステムに対応する。
この場合、目標マーク２は、鏡化（鍍銀）部分を有していないので、全ての側（方向）から制限なく照明でき、反射光は、常に、位置に敏感な検知器７上に円環面８を与える。セオドライトの照明方向とは無関係な上記目標マーク像の提示は、複数のセオドライトから目標マーク２に対する角度を測定する三角測量法への適用に特に好適である。
図３に、
0003631756.tif 000008
の屈折率を有する透明な目標マーク２の球中心点を含む平面に沿う若干の光経路の略断面図を示した。判り易いよう、光軸15の上方に平行に入射する光A,B,C,Dのみを記入してある。光軸15までの距離に応じて、光は、球の透過後、最終的に球から異なる角度で出る。この場合、光A,Dは、光学式結像装置５（図２）の際を（外れて）通過するような射出角度で反射される。光B,Cによって限定された斜線で示した範囲内にある光のみが、結像装置５を介して、位置解像を行う検知器７に達する。
反射された光と光軸15との間の角度が、射出角度と理解される。例えば、光Ｄについて、その射出角度δを記入する。
光軸15のまわりに回転すれば、立体的な３次元光経路が生ずる。かくして、球表面上には、検知器７に円環面８として受光される環状光ゾーンＺが生ずる。
図４は、冒頭に述べたセオドライトシステムによって撮影した透明な反射球のカメラ映像である。同図には、球の環状出射ゾーンＺが示してある。上記ゾーンは、目標マークの中心点を求めるための数学的評価に利用される。中心には、軸線近傍の光の反射も認められる。
【図１】
0003631756.tif 000011
【図２】
0003631756.tif 000012
【図３】
0003631756.tif 000013
【図４】
0003631756.tif 000014