(57)【要約】【課題】  構造物の水平出しを効率よく行うことができる位置計測システムを提供する。【解決手段】  本位置計測システムは、光源２と、光源２からの光で球面収差により光リングを形成する半球レンズ１１およびこれにより形成される光リング１４を検出する受光素子１３を有するカメラ１と、受光素子１３による光リング１４の検出情報を演算処理するＰＣ（演算処理装置）４とを備え、ＰＣ４により半球レンズ１１の光軸に対する光源２の鉛直方向座標値に係る情報を算出し、この情報に基づいて光源２およびカメラ１の少なくとも一方の高さ方向の調整を行うための指示を出力する。この指示は、ディスプレイ装置で行うことができ、また音または音声で行うことができる。上記高さ方向の調整はモータで行うこともできる。【選択図】  図１
2006234597.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの光源と、前記光源からの光で球面収差により光リングを形成するレンズおよび前記レンズにより形成される光リングを検出する受光素子を有する撮像手段と、前記受光素子による光リングの検出情報を演算処理する演算処理装置とを備え、前記演算処理装置により前記レンズの光軸に対する前記光源の鉛直方向座標値に係る情報を算出し、前記情報に基づいて前記光源および撮像手段の少なくとも一方の高さ方向の調整を行うための指示を出力することを特徴とする位置計測システム。
【請求項２】
前記高さ方向の調整を行うための指示が、ディスプレイ装置で行われることを特徴とする請求項１記載の位置計測システム。
【請求項３】
前記高さ方向の調整を行うための指示が、音または音声で行われることを特徴とする請求項１記載の位置計測システム。
【請求項４】
前記高さ方向の調整が、モータにより行われることを特徴とする請求項１記載の位置計測システム。
【請求項５】
前記高さ方向の調整を行うための指示が、前記モータへの制御信号であることを特徴とする請求項４記載の位置計測システム。
【請求項６】
前記高さ方向の調整を行うための指示が、前記光源の鉛直方向座標値が予め設定された範囲内にない場合に出力されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項７】
前記光源が発光ダイオードであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項８】
前記光源が透明ガラスグローブ付の電球であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項９】
前記光源が照明光を反射する反射部材で構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項１０】
少なくとも１つの光源と、前記光源からの光で球面収差により光リングを形成するレンズおよび前記レンズにより形成される光リングを検出する受光素子を有する撮像手段と、前記受光素子による光リングの検出情報を演算処理する演算処理装置とを備え、前記光源および前記撮像手段の少なくとも一方を高さ調整が可能な調整部材を介して設置し、前記演算処理装置により前記レンズの光軸に対する前記光源の鉛直方向座標値に係る情報を算出し、前記情報に基づいて前記調整部材の高さ調整を行うようにしたことを特徴とする位置計測システム。
【請求項１１】
光源からの光で球面収差により光リングを形成するレンズおよび前記レンズにより形成される光リングを検出する受光素子を有する撮像手段と、前記受光素子による光リングの検出情報を演算処理する演算処理装置とを備え、前記演算処理装置により前記レンズの光軸に対する前記光源の鉛直方向座標値に係る情報を算出し、前記情報に基づいて前記光源および撮像手段の少なくとも一方の高さ方向の調整を行うための指示を出力することを特徴とする位置計測システム。
【請求項１２】
前記撮像手段が、３６０度のパノラマ画像を撮影することができる光学系を備えたパノラマカメラであることを特徴とする請求項１１記載の位置計測システム。
【請求項１３】
前記光学系が、カメラ全周から光を取り込んで前記レンズ方向に反射するミラーを有することを特徴とする請求項１２記載の位置計測システム。
【請求項１４】
前記レンズの光軸が水平方向を維持するように前記撮像手段を保持する台座を備えたことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項１５】
前記レンズが半球レンズであることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項１６】
高さ調整可能な複数の調整部材を介してフレーム上に設置された複数の光源と、前記各光源からの光で球面収差により光リングをそれぞれ形成するレンズおよび前記レンズにより形成される各光リングを検出する受光素子を有する撮像手段と、前記受光素子による各光リングの検出情報を演算処理する演算処理装置と、前記演算処理装置により算出された前記レンズの光軸に対する前記各光源の鉛直方向座標値に係る情報を表示するディスプレイ装置とを備えたことを特徴とする位置計測システム。
【請求項１７】
高さ調整可能な複数の調整部材を介してフレーム上に設置された複数の光源と、前記各光源からの光で球面収差により光リングをそれぞれ形成するレンズおよび前記レンズにより形成される各光リングを検出する受光素子を有する撮像手段と、前記受光素子による各光リングの検出情報を演算処理する演算処理装置と、前記演算処理装置により算出された前記レンズの光軸に対する前記各光源の鉛直方向座標値に係る情報に基づいて選択された前記調整部材へのフィードバック量を算出するフィードバック量算出装置と、前記フィードバック量に基づいて前記選択された調整部材に対して作業を指示する作業指示装置とを備えたことを特徴とする位置計測システム。
【請求項１８】
高さ調整可能な複数の調整部材を介してフレーム上に設置された複数の光源と、前記各光源からの光で球面収差により光リングをそれぞれ形成するレンズおよび前記レンズにより形成される各光リングを検出する受光素子を有する撮像手段と、前記受光素子による各光リングの検出情報を演算処理する演算処理装置と、前記演算処理装置により算出された前記レンズの光軸に対する前記各光源の鉛直方向座標値に係る情報に基づいて選択された前記調整部材へのフィードバック量を算出するフィードバック量算出装置と、前記フィードバック量に基づいて前記選択された調整部材の高さを変えるモータを制御するモータ制御装置とを備えたことを特徴とする位置計測システム。
【請求項１９】
前記各光源に給電するための光源用電源線が、前記フレームに沿って配置されていることを特徴とする請求項１６〜１８のいずれかに記載の位置計測システム。
【請求項２０】
前記光源用電源線が、前記撮像手段経由で前記演算処理装置に接続されることを特徴とする請求項１９記載の位置計測システム。
【請求項２１】
前記光源用電源線が、前記各光源に共通の電源供給部に接続されることを特徴とする請求項１９記載の位置計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源の３次元（１次元、２次元を含む）位置を光学レンズを利用して計測する位置計測システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の位置計測システムは、例えば特許文献１に記載されている。従来、発光体（あるいは輝度の高い対象物）の３次元位置を高精度、高分解能で計測するには、自動焦点機構を持ったカメラが２台必要でコストが高い、あるいは焦点合わせに時間がかかるために計測の高速化が困難、あるいはレーザを利用するために、安全面での注意が必要である等の問題があった。特許文献１に記載の位置計測システムは、このような問題を解決するものであり、光を用いて位置計測を単純かつ低コストで行うものである。そのため、この位置計測システムは、光源と、前記光源からの光を透過して球面収差により光集中領域を形成する光学レンズ系と、前記光学レンズ系により形成された光集中領域を検出する受光素子と、前記受光素子により検出された光集中領域の検出情報に基づいて前記光源の位置を計測する演算装置とを備えて構成されている。
【０００３】
一方、従来から、水平出しが必要な構造物の設置組立作業においては水準器が利用されている。一般の水準器は、いわゆる気泡水準器である。これは、やや湾曲したガラス管にアルコールかエーテルを入れ、気泡を残しておいて、水平になったとき気泡が中央に来るようにしたものである。この水準器は次のようにして用いられる。例えば、ユニットバスの防水パンの施工などでは、正常な排水のために防水パンのフレームのレベル調整が重要な工程である。この工程は、図１６に示すように、フレーム１７１上に気泡水準器１７２を複数置いて、その気泡位置を観察しながら、高さ調整用の調整部材（例えばナット）１７３を適宜締め付け調整するものである。本図では、調整部材１７３は６箇所あり、それらを個々に調整しながら、排水がうまくいくように施工を行う。しかしながら、この工程を１人で行うには、高さ調整用の調整部材を締めては水準器を確認するという作業の繰り返しとなり効率が悪い。短時間で済ませるには２人で行うことになるが、コスト的に不利である。
これに関連して、例えば、特許文献２には、特に熟練を必要とせずに床用据付枠の水平出しを短時間で簡単に行えるようにした床用据付枠の水平出し治具が提案されている。この治具は、棒状の本体と、該本体の両端部に螺着された一対のねじ式レベル調節脚と、該本体に枠を取り付けるため該本体に所定の間隔をあけて設けられた一対のフックボルトとを備えて構成されている。
【特許文献１】特開２００４−２１２３２８号公報
【特許文献２】特開２００１−２４１１９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のように、従来、構造物の水平出しは、一般の気泡水準器を用い、あるいは専用の水平出し治具を用いて作業を行っていた。しかしながら、これらの方法では作業効率としては不十分であった。そこで、さらに作業効率を上げてコスト削減をするため、構造物の水平出しに係る作業効率を一層向上できる技術が望まれている。
【０００５】
従って本発明の目的は、構造物の水平出しを効率よく行うことができる位置計測システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的は、少なくとも１つの光源と、前記光源からの光で球面収差により光リングを形成するレンズおよび前記レンズにより形成される光リングを検出する受光素子を有する撮像手段と、前記受光素子による光リングの検出情報を演算処理する演算処理装置とを備え、前記演算処理装置により前記レンズの光軸に対する前記光源の鉛直方向座標値に係る情報を算出し、前記情報に基づいて前記光源および撮像手段の少なくとも一方の高さ方向の調整を行うための指示を出力する位置計測システムにより、達成される。
ここで、前記高さ方向の調整を行うための指示は、ディスプレイ装置で例えば図や数値を画面に表示し、光の点滅や色の変化等を用いて行うことができ、また、音または音声で行うことができる。前記高さ方向の調整は、モータにより行うことができ、この場合、前記高さ方向の調整を行うための指示は、前記モータへの制御信号とされる。また、前記高さ方向の調整を行うための指示は、前記光源の鉛直方向座標値が予め設定された範囲内にない場合に出力することができる。さらに、前記光源は、発光ダイオードまたは透明ガラスグローブ付の電球とすることができ、また、照明光を反射する反射部材で構成することもできる。
【０００７】
本発明に係る位置計測システムは、少なくとも１つの光源と、前記光源からの光で球面収差により光リングを形成するレンズおよび前記レンズにより形成される光リングを検出する受光素子を有する撮像手段と、前記受光素子による光リングの検出情報を演算処理する演算処理装置とを備え、前記光源および前記撮像手段の少なくとも一方を高さ調整が可能な調整部材を介して設置し、前記演算処理装置により前記レンズの光軸に対する前記光源の鉛直方向座標値に係る情報を算出し、前記情報に基づいて前記調整部材の高さ調整を行うようにしたものである。
【０００８】
また、本発明に係る位置計測システムは、光源からの光で球面収差により光リングを形成するレンズおよび前記レンズにより形成される光リングを検出する受光素子を有する撮像手段と、前記受光素子による光リングの検出情報を演算処理する演算処理装置とを備え、前記演算処理装置により前記レンズの光軸に対する前記光源の鉛直方向座標値に係る情報を算出し、前記情報に基づいて前記光源および撮像手段の少なくとも一方の高さ方向の調整を行うための指示を出力するものである。
ここで、前記撮像手段は、３６０度のパノラマ画像を撮影することができる光学系を備えたパノラマカメラとすることができ、この場合、前記光学系は、カメラ全周から光を取り込んで前記レンズ方向に反射するミラーを有することができる。また、前記レンズの光軸が水平方向を維持するように前記撮像手段を保持する台座を備えることができる。前記レンズは半球レンズとすることができる。
【０００９】
さらに、本発明に係る位置計測システムは、高さ調整可能な複数の調整部材を介してフレーム上に設置された複数の光源と、前記各光源からの光で球面収差により光リングをそれぞれ形成するレンズおよび前記レンズにより形成される各光リングを検出する受光素子を有する撮像手段と、前記受光素子による各光リングの検出情報を演算処理する演算処理装置と、前記演算処理装置により算出された前記レンズの光軸に対する前記各光源の鉛直方向座標値に係る情報を表示するディスプレイ装置とを備えるものである。
【００１０】
また、本発明に係る位置計測システムは、高さ調整可能な複数の調整部材を介してフレーム上に設置された複数の光源と、前記各光源からの光で球面収差により光リングをそれぞれ形成するレンズおよび前記レンズにより形成される各光リングを検出する受光素子を有する撮像手段と、前記受光素子による各光リングの検出情報を演算処理する演算処理装置と、前記演算処理装置により算出された前記レンズの光軸に対する前記各光源の鉛直方向座標値に係る情報に基づいて選択された前記調整部材へのフィードバック量を算出するフィードバック量算出装置と、前記フィードバック量に基づいて前記選択された調整部材に対して作業を指示する作業指示装置とを備えるものである。
【００１１】
また、本発明に係る位置計測システムは、高さ調整可能な複数の調整部材を介してフレーム上に設置された複数の光源と、前記各光源からの光で球面収差により光リングをそれぞれ形成するレンズおよび前記レンズにより形成される各光リングを検出する受光素子を有する撮像手段と、前記受光素子による各光リングの検出情報を演算処理する演算処理装置と、前記演算処理装置により算出された前記レンズの光軸に対する前記各光源の鉛直方向座標値に係る情報に基づいて選択された前記調整部材へのフィードバック量を算出するフィードバック量算出装置と、前記フィードバック量に基づいて前記選択された調整部材の高さを変えるモータを制御するモータ制御装置とを備えるものである。
【００１２】
ここで、前記各光源に給電するための光源用電源線は、前記フレームに沿って配置することができる。前記光源用電源線は、前記撮像手段経由で前記演算処理装置に接続することができ、あるいは前記各光源に共通の電源供給部に接続することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、従来複数人で試行錯誤の繰り返しで行うような水平出しの作業を、１人で短時間で精度良く行うことができる位置計測システムを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明に係る位置計測システムは、要するに、構造物上に配置された複数の光源の位置座標を計測することにより、その構造物の水平出しを行うものである。すなわち、詳細は後述するが、例えば光源（点光源）からの光により半球レンズで生成された光リング（光集中領域）を検出する撮像手段によって、レンズ光軸に垂直な方向の光源の位置計測を行う。光源は１つでも複数でもよい。撮像手段は鉛直に設置される。撮像手段は、測定する点が形成する多角形の端部に配置される。また、撮像手段は、測定する点が形成する多角形の内部に配置することができ、この場合、パノラマ画像が得られる光学系を搭載する。光源の位置座標から点光源と撮像手段との位置関係を判定する。判定した結果をディスプレイ装置や音声によって表示する。また、判定した結果から、どの光源をどれだけ上下させればよいかのフィードバック情報を算出し、これをディスプレイ装置や音声によって表示する。光源の高さ調整用の調整部材はモータ駆動とすることができ、この場合、光源の座標の計測結果をフィードバック情報としてモータ制御装置へ送出する。各光源用の電源線は構造物を構成するフレームに沿って配置または埋め込まれており、各光源への電源供給を１箇所から行うことができるように構成するか、または電源供給を撮像手段経由でパソコン等から行うように構成する。以下、この撮像手段をカメラとして説明する。
【００１５】
以下、本発明に係る位置計測システムの実施例を説明する。
図１は、本発明に係る位置計測システムの一実施例を示す図である。本発明は、図示のように、半球レンズ１１とＣＣＤセンサー等の受光素子１３を有するカメラ１と、発光ダイオード（ＬＥＤ）や豆電球などの好ましくは点光源となりうる光源２と、光源２から発せられた光線により半球レンズ１１により受光素子１３上に形成される後述の光リングを検出し、その検出信号に基づいて光源２の位置（座標）を計測する演算処理装置としてのパソコン（ＰＣ）４とを備える。ＰＣ４は接続線８によりカメラ１に接続される。位置計測のための演算処理方法については後述する。
【００１６】
図１において、カメラ１の設置されたフレーム３ａ（水平だし台座）と光源２を保持する保持部材５の設置されたフレーム３ｂ（水平だし台座）とは、水平の床７に対して上下に高さが調整できるように、例えばボルトやナットなどの回転により手動またはモータ駆動で高さが変わる調整部材６ａ、６ｂによってそれぞれ支持されている。これにより、当初、半球レンズ１１の光軸１０のフレーム３ａからの高さと、光源２の光軸のフレーム３ｂからの高さとが異なっている場合でも、例えばＰＣ４により光リングを後述するように出力画像としてディスプレイに映し出し、これに基づいて調整部材６ａおよび６ｂの少なくとも一方を調整することにより、図１のように、半球レンズ１１の光軸１０のフレーム３ａからの高さと、光源２の光軸のフレーム３ｂからの高さを、ともに等しくｈ１とすることができる。
【００１７】
図２（ａ）、（ｂ）は、半球レンズと受光素子を有するカメラで光源の位置を検出するための原理を示す図である。図２（ａ）において、点光源１２から発せられた光線は半球レンズ１１によって集光され、受光素子１３上に図２（ｂ）に示すような光リング１４を形成する。その原理は前述の特許文献１に記載のとおりである。
【００１８】
すなわち、図２（ａ）において、点光源１２から放射された光は、光線の軌跡に示すように半球レンズ１１の第１面である平面に入射する。ここで光はスネルの法則に従って屈折する。次に光は球面形状のレンズ第２面に到達し、屈折する。第２面が球面であるため、光は光軸上に集光されるが、レンズの球面収差が大きいために１点には集光されず、光軸上のある広がりを持った範囲に集光される。光線を追跡すると、光軸に近いレンズ領域を通過した光線はレンズから離れた光軸上に集光するが、光軸から遠いレンズ領域を通過した光線はレンズに近い光軸上に集光することが分かる。従って、図２（ａ）に示すような光軸上の位置に受光素子（ＣＣＤセンサー）１３の受光面を設置すると、光がレンズの光軸付近から離れるに従い、最初は、受光面上の光位置も同様に光軸から離れていくが、しかし、光がさらにレンズの光軸から遠ざかると、今度はレンズによる屈折の効果が大きくなり、逆に光軸に近づき始める。つまり、レンズを通過する光が光軸から離れるに従い、受光面上では光は最初光軸から離れていき、途中で折り返して光軸に近づき始め、そしてさらに光軸を通過して反対側に広がっていく挙動を示す。受光面の２次元平面で考えると、この折り返し点は光軸を中心とした円となり、さらにその折り返し点では光密度が高い光集中領域となるために、図２（ｂ）のような光リング１４が形成される。
【００１９】
光リング１４は、光源が光軸上にある時は真円形をしており、光源がレンズから離れるに従い直径が小さくなり、光源がレンズに近づくと直径が大きくなる。また、光源が光軸に垂直な方向に移動した場合には、光リング全体が光源の移動方向と反対の方向に移動する。従って、光源位置と光リングの形状や座標との関係を数式化することにより、光リングの形状や座標の信号から光源の座標を測定することができる。光源の座標は、例えば次のようにして求めることができる。
【００２０】
ここでは２個の光源位置を、１個の半球レンズを用いて同時に計測した例を図３を用いて説明する。図３に示すように、光源２ａ、２ｂには波長９００ｎｍのＬＥＤ素子を用いた。この光源２ａ，２ｂから放射した光は赤外線透過フィルタ３１を通過し、半球レンズ１１に入射する。半球レンズ１１は屈折率１．５１で、曲率半径１０ｍｍの形状のものを利用した。半球レンズ１１はその平坦面を前面とした。また、余分な光を除去する目的で、Φ６ｍｍのアパーチャ３２をレンズ前面に設置した。半球レンズ１１はレンズホルダ３３で支持されている。
【００２１】
この半球レンズ１１の無限遠光源に対する近軸光線の焦点位置は半球レンズ出射面の後ろ１９．５ｍｍにあるが、この半球レンズ１１をこれよりレンズ側に設置することにより、大きい球面収差の効果により外周部の光強度が大きいリング像（光リング）を形成することができる。ここでは受光素子（イメージセンサ）１３を半球レンズ１１の後ろ６ｍｍのところに設置し、光リングを検出した。イメージセンサ１３で得られた光リングの検出情報は、ＰＣ（演算処理装置）４で演算処理され、その結果をディスプレイ装置３４に表示する。
【００２２】
この場合に形成されるリング像の一例を図４に示す。図４はシミュレーション結果であるが、実際に撮影した画像も本結果と一致することが確認できている。光源２ａは位置座標（１０００，０，０）に配置し、光源２ｂは座標（１０００，２００，１００）に配置した。図４に示されているように、二つの光リングはオーバーラップしているが、外周部の光強度が強い光リングであるために、各々を簡単に識別することができる。各々の光リングの外径と中心位置から、各々の光源２ａ，２ｂの３次元位置を計測することができる。
【００２３】
図５は、光源の位置算出を説明するための光源の３次元座標と光リングとの関係を示す概略図である。光源（ＬＥＤ）の３次元座標を（ｘ，ｙ，ｚ）とすると、ｘ，ｙ，ｚは近似的に次のようにあらわされる。ここで、θはレンズ平坦面での光軸と光源との角度、ｓはセンサ面での光軸点に対する鉛直線と光リングの中心との角度である。
ｘ＝Ｌ＊ｃｏｓ（θ）    （式１）
ｙ＝Ｌ＊ｓｉｎ（θ）＊ｃｏｓ（ｓ）    （式２）
ｚ＝Ｌ＊ｓｉｎ（θ）＊ｃｏｓ（ｓ）    （式３）
【００２４】
光リングの直径Ｄは、レンズ平坦面での光軸点から光源までの距離Ｌとレンズ特性値ａおよびｂとから近似的に次のように表される。レンズ特性値ａおよびｂはレンズの曲率や屈折率から求められる値である。
Ｄ＝ａ／Ｌ＋ｂ    （式４）
【００２５】
この式４にカメラ画像から得られる直径を代入して光源の距離Ｌを求め、上述の式１〜式３に代入することで光源の３次元座標が求められる。
【００２６】
このように本位置計測システムは、光源と、光源からの光で球面収差により光リング（光集中領域）を形成する半球レンズ等の光学レンズと、光学レンズにより形成される光集中領域を検出する受光素子と、受光素子により検出された光リングの検出情報に基づいて光源の位置（座標）を計測するＰＣ等の演算処理装置とを備えて構成される。
【００２７】
光リング１４は、点光源１２が光軸１０上にある場合は受光素子１３の中央に形成されるが、光軸１０からずれると受光素子１３面の相当する位置に形成されるので、受光素子１３からの検出信号を演算処理することにより、光源の光軸に垂直な面における座標が求められる。これにより点光源１２と受光素子１３の位置関係を、受光素子１３の出力画像としてディスプレイに表示することができる。また上述のとおり、点光源１２と半球レンズ１１との距離によって光リング１４の径が変化するので、その距離が求められる。
【００２８】
図６（ａ）、（ｂ）は、それぞれ受光素子１３の出力画像の例を示す図である。図において、光軸１０を通るライン２０はカメラ１に対して水平な面を示している。すなわち、ライン２０は受光素子面における光軸を通過する水平基準線である。図６（ａ）は光リングの中心１４ｃ（光源）が光軸１０から水平方向にのみずれている様子を示している。図６（ｂ）は光リングの中心１４ｃ（光源）が光軸１０から水平および垂直方向にずれている様子を示している。先の図１において、フレーム３ａ、３ｂの設置当初は、２つのフレームを水平な位置関係に設置することは困難で、カメラ１の画像は、図６（ｂ）に示すように、例えば、カメラ１を設置したフレーム３ａに比べて光源１を設置したフレーム３ｂのほうが高くなっている。この画像を見ながらフレーム３ａおよび３ｂの少なくとも一方の高さを調整することができ、この調整により図６（ａ）に示すような画像を得ることができる。これで、フレーム３ａとフレーム３ｂの水平調整が完了したことになる。
【００２９】
本発明に係る位置計測システムにおいて、半球レンズを用いたカメラによる位置計測は、レンズ光軸に平行な方向（カメラからの距離方向）の精度よりも、レンズ光軸に垂直な方向（カメラと相対する面上の座標）のほうが精度がよい。従って、本システムを例えば水準器として利用する場合には十分その機能を発揮できる。これについて図７を用いて説明する。水準器の鉛直方向の分解能Ｒは、レンズの光軸方向即ち距離方向の分解能Ｒｔと光軸に垂直な方向の分解能Ｒｈにより決定される。光軸の近傍で水準位置を合わせる場合には距離はまったく考慮する必要がないので、その位置分解能は
Ｒ＝Ｒｈ    （式５）
で表される。しかし、図７に示すように、点光源１２の位置が光軸１０から高さｈ離れた場合、即ち、光軸１０から角度θに位置する場合には、位置分解能Ｒは
Ｒ＝Ｒｈ＊ｃｏｓθ＋Ｒｔ＊ｓｉｎθ    （式６）
で表される。
【００３０】
Ｒｔはリング像を構成する多数の画素情報から決定でき分解能は極めて高いことが実験から確認できている。しかし、距離方向の分解能はリング像の半径から決定されるが、距離が１ｍ以上離れるとリング像の半径変化がほとんどなくなり、その位置分解能は急速に低下することが確認されている。例えば、１ｍ離れたＬＥＤ光源をＣマウント半球レンズを搭載したカメラで位置計測した場合、Ｒｈは０．１ｍｍ以下であったが、Ｒｔは１ｍｍ程度であった。このように、Ｒｔの分解能が低いことから、高い分可能が求められる場合には、式６から分かるようにθを小さく設定する必要がある。
【００３１】
上記の実験結果のようにＲｔがＲｈの１０程度大きいならば、Ｒに対するＲｔの寄与がＲｈの１／１０程度であれば、分解能Ｒは低下しない。従って、
ｓｉｎθ＜＝１／１０    （式７）
の条件が得られる。即ち、
θ＜＝６度    （式８）
の場合には鉛直方向の位置分解能Ｒはほとんど低下しない。θ＝１２度の場合においても、ｓｉｎθ＝０．２なので、Ｒ＝Ｒｈ＊０．８＋Ｒｔ＊０．２＝０．３ｍｍとなり、水準器として利用する場合には十分その機能を発揮できる。このように、点光源１２の水準方向の位置はレンズの光軸１０となす角度をθとした場合、１２度以下が望ましく、さらには６度以下が適切である。
【００３２】
以上の説明では、光学レンズとして半球レンズの例を上げたが、必ずしも半球レンズである必要はなく、球面収差の大きいレンズまたはレンズ系であればよい。たとえば、球体レンズは半球レンズよりも球面収差が大きい効果をもつので、このレンズを用いても光リングを形成できる条件があることは自明のことである。また、半球レンズを用いた場合でも、完全な半球レンズである必要はない。たとえば、半球レンズの平面側を完全な平面から凹レンズとすることで、光源の距離を見かけ上近づけたようにすることができ、光源の光軸方向の移動に対して光リングの変化量が大きくなるという効果がある。
【００３３】
図８は、本発明に係る位置計測システムの他の実施例を示す模式図である。本実施例は、図１の場合と同様の配置構成であるが、光源が複数設置されている点で異なる。すなわち、本実施例では、カメラ１の設置されたフレーム３ａと、光源２−１を保持する保持部材５−１の設置されたフレーム３ｂ−１と、光源２−２を保持する保持部材５−２の設置されたフレーム３ｂ−２とが、水平の床に対して上下に高さが調整できるように図示しない調整部材を介して設置されている。本例のように水平度を測る個所や調整個所が増えるほど調整作業は困難となるので、本例の場合は図１のような例よりも本発明による効果が大きい。
【００３４】
図９は、光源が複数設置された場合のカメラによる受光素子の出力画像の一例を示す図である。光源が複数設置される場合、一方の高さ調整でもう一方の高さが変化してしまうこともあるので、２つの光リングの中心１４ｃ−１と１４ｃ−２とが水平面ライン２０に同時に重なった場合を画像処理や座標の処理によって検出し、音などを発して作業者に知らせるようにする。複数の光源の水平度を判定する際には、例えば、複数の光源間の高低差／距離（レンズと光源間距離）＜＝１／１００となるリング像が得られた場合は水平と判断するなどといった基準を設けても良い。
【００３５】
以上の例においては、カメラ１のレンズ光軸１０の水平度が精度に大きく影響してくる。そこで、カメラ１が常に鉛直に設置されるような装置を設けることが好ましい。例えば、図１０に示す例では、カメラ１は筐体７０からひも７１で吊り下げられて設置されている。筐体７０は台座７２によりフレーム３ａに保持される。このような装置では、カメラ１は自重により常に鉛直に設置されるので、たとえフレーム３ａの上面が傾いていたとしても、カメラ１のレンズ光軸１０を水平に保つことができる。カメラ１を鉛直に保つ方法は、これに限定されず各種の手法を用いることができる。
【００３６】
図１１は、本発明に係る位置計測システムに用いることができるパノラマカメラの一例を示す図である。パノラマカメラ８０は、図示のように、放物面ミラー１６をロートの外側に作りこんだ光学系を利用したものである。この放物面ミラー１６は支持部材１７により半球レンズ１１またはその支持部材に固定される。点光源１２から入射した光は、放物面ミラー１６により曲げられ、半球レンズ１１によって受光素子１３に光リング像を形成する。半球レンズ１１の近軸光線の焦点位置２１より、放物面ミラー１６に近いところに受光素子（ＣＣＤセンサー）１３を設置することで、リング像を形成することができる。放物面ミラー１６は、点光源１２がカメラの周りのどの位置にあっても、３６０度のパノラマ画像を半球レンズ１１の方に反射してリング像を形成する。ここでは全周から光を取り込む光学系を放物面ミラーとしているが、円錐状のミラー面や球面ミラーのような反射光学系を用いてもよい。
【００３７】
図１２は、本発明に係る位置計測システムの他の実施例を示す模式図である。本実施例は、図１の場合と同様の配置構成であるが、光源が複数設置されていること、および、カメラとして図１１に示すパノラマカメラ８０が用いられる点で異なる。すなわち、本実施例では、パノラマカメラ８０の設置されたフレーム３ａと、光源２−１を保持する保持部材５−１の設置されたフレーム３ｂ−１と、光源２−２を保持する保持部材５−２の設置されたフレーム３ｂ−２と、光源２−３を保持する保持部材５−３の設置されたフレーム３ｂ−３と、光源２−４を保持する保持部材５−４の設置されたフレーム３ｂ−４とが、水平の床に対して上下に高さ調整ができるように図示しない調整部材によってそれぞれ支持されている。
【００３８】
図１３は、光源が複数設置された場合のパノラマカメラによる受光素子の出力画像の一例を示す図である。パノラマカメラを用いた場合、カメラ全周の画像を得ることになるので、受光素子画像において、カメラに水平な面はライン２０のように円となり、各光リング１４は歪んだ形状となる。各光源がそれぞれカメラに水平な面にある場合は、図示のように、各光リング１４の中心は、それぞれ画像下端位置１５−１と画像上端位置１５−２の間のライン２０上に位置することになる。
【００３９】
図１３の受光素子の出力画像を展開すると、図１４のような光リング１４が円となる画像を得ることができる。この画像上で、各光リング１４の中心１４ｃ−１〜１４ｃ−４がいずれもライン２０上にある場合は各点光源が所定の水平面に位置すると判断でき、また、それらのいずれかがライン２０上にない場合はその点光源が所定の水平面に位置しないと判断することが可能となる。また、図１５のように各光源の位置すべき水平面をカメラの水平面であるライン２０からシフトさせた場合も、図１４の場合と同様に判断することができる。これは複数の光源があり、カメラの高さだけが光源と同じレベルに配置できない場合などに有効である。
【００４０】
図１７（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る位置計測システムの他の実施例を示す図である。本実施例は、本システムをユニットバスのフレーム施工時の水準器として適用した例である。図１７（ａ）のように、防水パンが設置される１段高い部分のフレーム１８１ａ〜ｄと浴槽が設置される低い部分のフレーム１８２ａ〜ｃとで構成される。カメラ１は、フレーム１８１ａ〜ｄと１８２ａ〜ｃの段差分ｈ２の高さを有するカメラ台１８３上に設置され、水平に９０度以上の画角を持ち、５個の点光源Ａ〜Ｅを一度に撮影できるようになっている。このような状態で、６箇所の調整部材１８４ａ〜ｆを調整して水平だしを行う。図１７（ｂ）にカメラ画像を示す。光リングの直径は光源が近いほど大きくなり、遠くなると小さくなるので、図１７（ａ）の５点の光源は図１７（ｂ）のカメラ画像のように現れる。この状態は、光源Ａ、Ｃ、Ｄはカメラ１と同レベル（閾値レベル範囲Ｔｈ１）に位置し、また光源Ｅはカメラ１から−ｈ２のレベル（閾値レベル範囲Ｔｈ２）に位置しているが、光源Ｂは閾値レベル範囲Ｔｈ１外にある。この場合、上記カメラ画像を見ながら、調整部材１８４ａ〜ｆの１つまたは複数を調節することにより、全光源を所定の閾値レベル範囲に収まるようにすることができる。このカメラ画像は、カメラ自体に搭載されたディスプレイに表示してもよいし、またカメラに接続されたＰＣ４のディスプレイに表示してもよい。
【００４１】
フレーム１８１ａ〜ｄおよび１８２ａ〜ｃに点光源を設置する場合、予めフレームを製作する段階で厳密に高さ方向の位置決めが行われている必要がある。また光源としてＬＥＤなどを用いる場合はその電源供給源が必要となる。フレームを工場で作成する過程でフレームにＬＥＤを組み込むことができるが、その場合にＬＥＤの電源としてボタン電池と共に組み込むこともできる。しかし、ボタン電池などは使い捨てになり環境によくない構成になりかねない。そこでＬＥＤへの光源用電源線１９１をフレームに沿って配置する。具体的には、図１８に示すようにフレーム１９２内に作りこんでおき、これをカメラ１を設置する部分に引き出し、端子などを設けておく。カメラ電源線１９４あるいはＵＳＢやＩＥＥＥ１３９４などでＰＣ４に接続されたカメラ１をカメラ接続部１９３に置いたときに、上記端子にカメラ経由で電源が供給されるように配線と端子をカメラ側にも設けておく。また、図１９に示すように、フレーム２０１内に作りこんだ光源用電源線２０２を１箇所の電源供給部２０３に接続するようにすることができる。この電源供給部２０３には電池を設置することができる。この場合、工事の時だけ電池を入れておけばよい。パノラマカメラ８０は、カメラ電源線２０４などでＰＣ４に接続される。また、この電源供給部２０３に端子を設けてカメラ接続などのＵＳＢ線から給電してもよい。点光源の代わりに、球状もしくは半球状の全反射物体とし、それに強い光を当て、その反射光を光源として利用してもよい。この場合にもフレームを製作する段階で厳密に位置決めが行われている必要がある。
【００４２】
図２０（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る位置計測システムの他の実施例を示すブロック図である。本実施例は、半球レンズを用いたカメラによる水準器システムの構成図である。最も単純な構成は、図２０（ａ）に示すように、カメラ２１１と、光源の位置座標を演算し判定するための演算処理装置２１２と、演算処理装置２１２による処理結果を表示するディスプレイ装置２１３とから構成される。カメラ２１１は半球レンズを用いたＣＣＤカメラであり、ＵＳＢやＩＥＥＥ１３９４やカメラリンクなどのインターフェースを有する。演算処理装置２１２は、具体的にはＰＣ等のＣＰＵを持つコンピュータで実現可能あり、カメラからの画像を得て、画像上のリング像から座標算出処理、および座標値と基準値または閾値との比較判定処理を行う。ディスプレイ装置２１３は演算処理装置２１２に接続され、光源の座標値や判定結果を数字や図によって示すものである。
【００４３】
図２０（ｂ）は、図２０（ａ）の演算処理装置２１２に、フィードバック量算出装置２１４と作業指示装置２１５を接続したものである。これにより作業者に作業量を指示することが可能になる。フィードバック量算出装置２１４は、具体的には演算処理装置２１２と同じコンピュータで実現可能あり、算出座標値と判定結果からどの光源をどれだけ上下させれば、各光源の水平レベルが閾値の範囲内に収まるかを推定処理する。その結果に基づいて、作業指示装置２１５は、音（信号）または音声（信号）による指示、あるいはディスプレイ装置２１３に指示内容を画像表示する。ディスプレイ装置２１３による指示は、例えば指示内容を図や数値で画面に表示し、光の点滅や色の変化等を用いて行うことができる。
【００４４】
図２０（ｃ）は、図２０（ｂ）の作業指示装置２１５に代えて、モータ制御装置２１６とモータ２１７を接続したものである。モータ２１７は、図１で説明したような例えばモータ駆動で高さが変わる調整部材６ａ、６ｂに接続される。これにより自動的に各光源の水平出しの作業を行うことができる。
【００４５】
図２１は、上記図２０（ｂ）の実施例を実行するための処理フローの一例を示す図である。複数の光源（それが設置されたフレーム）を所望の水平面に調節するために、各光源の水準判定処理を開始する（ステップ２２０）。最初にカメラ１から各光源からの光により形成された光リングのカメラ撮像画像を取得する（ステップ２２１）。次に、各光源の位置計測演算処理を行う。すなわち、取得画像に対してエッジ検出処理を行い（ステップ２２２）、光リングの円部分を抽出する。このとき画像を２値化して処理しても良い。抽出された各円に対し、その半径と中心座標を求める。具体的には各円のエッジ座標群のＸ、Ｙ座標それぞれの最大値、最小値が円の上下端と左右端の座標となるので、これらから算出できる。これらカメラ画像の画素単位で表わされる中心座標（Ｘ、Ｙ）と半径から、光源までの距離すなわち座標（ｘ、ｙ、ｚ）が算出できる（ステップ２２３）。
【００４６】
次に、算出座標のレベル判定処理を行う。上記で求めた各円の中心座標のｙ座標値が、予め設定された範囲（閾値の範囲）内になっているかを判定する（ステップ２２４、２２５）。例えばカメラ１と全ての光源（ＬＥＤ）が同じ面内に水平に設置されるべきとすると、設定値を０とし０±０．０１の範囲内ならば可とする。また各光源にそれぞれ設定値があるとすれば、例えば（ｘ、ｙ、ｚ）座標のセンチメートル程度の精度の値からどこの場所に設置された光源かを判定することができ、その場所にある光源の設定値が予め入力されており、その値と比較することも可能である。全ての光源が設定された範囲内であれば、その旨をディスプレイ装置などに表示して（ステップ２２６）、水準判定処理を終了する（ステップ２２７）。一方、設定された範囲外の光源があれば、その光源が範囲内になるように上下させるべき駆動軸（調整部材）を選択し、その駆動量を設定値と測定値から逆算して決定する（ステップ２２８）。そして、作業員の便宜のために、調整部材の場所とその駆動量（ナットの回転数など）を音声などで指示する（ステップ２２９）。
【００４７】
図２２は、上記図２０（ｃ）の実施例を実行するための処理フローの一例を示す図である。複数の光源（それが設置されたフレーム）を所望の水平面に調節するために、各光源の水準判定処理を開始する（ステップ２３０）。最初にカメラ１から各光源からの光により形成された光リングのカメラ撮像画像を取得する（ステップ２３１）。次に、各光源の位置計測演算処理を行う。すなわち、取得画像に対してエッジ検出処理を行い（ステップ２３２）、光リングの円部分を抽出する。このとき画像を２値化して処理しても良い。抽出された各円に対し、その半径と中心座標を求める。具体的には各円のエッジ座標群のＸ、Ｙ座標それぞれの最大値、最小値が円の上下端と左右端の座標となるので、これらから算出できる。これらカメラ画像の画素単位で表わされる中心座標（Ｘ、Ｙ）と半径から、光源までの距離すなわち座標（ｘ、ｙ、ｚ）が算出できる（ステップ２３３）。
【００４８】
次に、算出座標のレベル判定処理を行う。上記で求めた各円の中心座標のｙ座標値が、予め設定された範囲（閾値の範囲）内になっているかを判定する（ステップ２３４、２３５）。例えばカメラ１と全ての光源（ＬＥＤ）が同じ面内に水平に設置されるべきとすると、設定値を０とし０±０．０１の範囲内ならば可とする。また各光源にそれぞれ設定値があるとすれば、例えば（ｘ、ｙ、ｚ）座標のセンチメートル程度の精度の値からどこの場所に設置された光源かを判定することができ、その場所にある光源の設定値が予め入力されており、その値と比較することも可能である。全ての光源が設定された範囲内であれば、その旨をディスプレイ装置などに表示して（ステップ２３６）、水準判定処理を終了する（ステップ２３７）。一方、設定された範囲外の光源があれば、その光源が範囲内になるように上下させるべき駆動軸（調整部材）を駆動するモータを選択し、その駆動量を設定値と測定値から逆算して決定する（ステップ２３８）。そして、モータにより自動的に高さ調整が行われるように、調整部材の場所とその駆動量を含んだ制御コマンドをモータ制御装置に送出する（ステップ２３９）。
【００４９】
また、図１７（ａ）のように、カメラのレンズ面と光軸の交点を原点にして、設置座標が図に描かれているように光源をフレームに取り付け、その座標をＰＣ（演算処理装置）に記憶させておく。このようにしておくと図２１や図２２で説明したレベル判定に利用することができる。光源Ａから光源Ｅまでの判別はｘ座標の値で判別可能である。光源Ａから光源Ｄまではカメラと水平の位置にあるべきなので、ｚ＝０に対して閾値の範囲に入っているかを判定する。また光源Ｅはカメラよりｈ２だけマイナス方向にあるべきなので、ｙ＝−ｈ２に対して閾値の範囲に入っているかを判定する。図１７（ｂ）では、光源Ｂがプラス方向に範囲外にあるので、調整部材を調節して光源Ｂの高さを下げるようにする。それに伴って他の光源の座標が範囲外となるときは必要に応じて他の光源に係る調整部材を調節し、該当する光源の高さを下げるようにする。これにより、全光源を所定の閾値レベル範囲に収まるようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、光源の３次元（１次元、２次元を含む）位置を光学レンズを利用して計測する位置計測システムに関するものであり、産業上の利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る位置計測システムの一実施例を示す図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は半球レンズと受光素子を有するカメラで光源の位置を検出するための原理を示す図である。
【図３】２個の光源位置を１個の半球レンズを用いて同時に計測する例を説明するための図である。
【図４】図３の場合に形成されるリング像の一例を示す図である。
【図５】光源の位置算出を説明するための光源の３次元座標と光リングとの関係を示す概略図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ受光素子１３の出力画像の例を示す図である。
【図７】本発明に係る位置計測システムの分解能を説明するための図である。
【図８】本発明に係る位置計測システムの他の実施例を示す模式図である。
【図９】光源が複数設置された場合のカメラによる受光素子の出力画像の一例を示す図である。
【図１０】カメラが常に鉛直に設置されるような装置の一例を示す図である。
【図１１】本発明に係る位置計測システムに用いることができるパノラマカメラの一例を示す図である。
【図１２】本発明に係る位置計測システムの他の実施例を示す模式図である。
【図１３】光源が複数設置された場合のパノラマカメラによる受光素子の出力画像の一例を示す図である。
【図１４】図１３に示す出力画像を展開した場合の画像の一例を示す図である。
【図１５】図１３に示す出力画像を展開した場合の画像の他の例を示す図である。
【図１６】一般の気泡水準器を用いたフレームの水平出しを説明するための図である。
【図１７】（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る位置計測システムの他の実施例を示す図である。
【図１８】光源用電源線の接続の一例を説明するための図である。
【図１９】光源用電源線の接続の他の例を説明するための図である。
【図２０】（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る位置計測システムの他の実施例を示すブロック図である。
【図２１】図２０（ｂ）の実施例を実行するための処理フローの一例を示す図である。
【図２２】図２０（ｃ）の実施例を実行するための処理フローの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  カメラ
２  光源
３ａ、３ｂ  フレーム（水平だし台座）
４  パソコン（ＰＣ）
５  保持部材
６ａ、６ｂ  調整部材
７  床
８  接続線
１０  レンズ光軸
１１  半球レンズ
１２  点光源
１３  受光素子（イメージセンサー）
１４  光リング
１４ｃ  光リングの中心点
２０  受光素子面における光軸を通過する水平基準線
【図１】
2006234597.tif 000003
【図２】
2006234597.tif 000004
【図３】
2006234597.tif 000005
【図４】
2006234597.tif 000006
【図５】
2006234597.tif 000007
【図６】
2006234597.tif 000008
【図７】
2006234597.tif 000009
【図８】
2006234597.tif 000010
【図９】
2006234597.tif 000011
【図１０】
2006234597.tif 000012
【図１１】
2006234597.tif 000013
【図１２】
2006234597.tif 000014
【図１３】
2006234597.tif 000015
【図１４】
2006234597.tif 000016
【図１５】
2006234597.tif 000017
【図１６】
2006234597.tif 000018
【図１７】
2006234597.tif 000019
【図１８】
2006234597.tif 000020
【図１９】
2006234597.tif 000021
【図２０】
2006234597.tif 000022
【図２１】
2006234597.tif 000023
【図２２】
2006234597.tif 000024