特許 6544907 変位測定方法及び変位測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6544907

(24)【登録日】2019年6月28日

(45)【発行日】2019年7月17日

(54)【発明の名称】変位測定方法及び変位測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/347 20060101AFI20190705BHJP

   G01B 11/00 20060101ALI20190705BHJP

   G01B 11/26 20060101ALI20190705BHJP

【ＦＩ】

   G01D5/347 110S

   G01B11/00 H

   G01B11/26 H

【請求項の数】7

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2014-211844(P2014-211844)

(22)【出願日】2014年10月16日

(65)【公開番号】特開2016-80504(P2016-80504A)

(43)【公開日】2016年5月16日

【審査請求日】2017年8月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】000220343

【氏名又は名称】株式会社トプコン

(74)【代理人】

【識別番号】100083563

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 祥二

(72)【発明者】

【氏名】大友 文夫

(72)【発明者】

【氏名】熊谷 薫

(72)【発明者】

【氏名】籾内 正幸

(72)【発明者】

【氏名】大佛 一毅

【審査官】 吉田 久

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−６８９５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２２８３３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５２−３７０６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５２−３７０６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１０６０９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平６−１０９４３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３２１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平３−１８８３０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１３４２２０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｄ ５／００−５／３８

Ｇ０１Ｂ ５／００−７／３４、

１１／００−１１／３０、

２１／００−２１／３２

Ｇ０１Ｃ １／００−１／１４、

５／００−１５／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

相対変位可能な部位の一方の部位に変位検出パターンを表示する表示部を有するパターン投影部が設けられ、
他方の部位に基準線又は座標軸が設定された撮像センサを有するパターン撮像部が設けられた変位測定装置であって、
両部位が変位した状態で、パターン投影部から変位検出パターンが前記パターン撮像部に投影される工程と、
前記撮像センサで取得された変位検出パターンが前記パターン投影部に巡回される工程と、
該パターン投影部の変位検出パターンが巡回された変位検出パターンによって更新され、前記表示部に表示される工程と、
更新された変位検出パターンが前記パターン撮像部に投影される工程と、
巡回後前記パターン撮像部で取得した画像中の変位検出パターンの前記基準線又は座標軸に対する変位量を求め、該変位量を巡回数で除して両部位間の前記変位を得る工程とを有することを特徴とする変位測定方法。

【請求項2】

表示部を有するパターン投影部と、該パターン投影部に対して相対変位可能に設けられ、基準線又は座標軸が設定された撮像センサを有するパターン撮像部と、制御部とを具備し、
前記パターン投影部は前記表示部に表示された変位検出パターンを前記パターン撮像部に投影可能であり、
該パターン撮像部は前記撮像センサに投影された変位検出パターンを撮像可能であり、
前記制御部は、前記パターン撮像部が撮像した変位検出パターンの画像を前記パターン投影部に巡回させ、前記表示部の変位検出パターンを巡回した変位検出パターンに更新し、更新した変位検出パターンを更に前記パターン撮像部に投影する様構成され、
前記パターン投影部と前記パターン撮像部とが変位した状態で、
巡回させて得られた画像中での前記変位検出パターンの前記基準線又は座標軸に対する変位量を巡回させた数で除することで前記変位を測定することを特徴とする変位測定装置。

【請求項3】

前記変位は、回転変位である請求項２の変位測定装置。

【請求項4】

前記変位は、直線変位である請求項２の変位測定装置。

【請求項5】

前記変位は、回転変位と直線変位を含む複合変位である請求項２の変位測定装置。

【請求項6】

前記制御部は、巡回させる度に画像を３６０゜／巡回数回転させる請求項３又は請求項５の変位測定装置。

【請求項7】

前記変位検出パターンは、中心部に芯出しパターンとしての円パターン、角度検出用のパターンとして前記円パターンの周囲に、該円パターンと同心に配設された線分パターンを有する請求項３又は請求項５の変位測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、画像を用いて変位、偏角を測定する変位測定方法及び変位測定装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、変位や偏角の測定には所定のパターンを画像センサに投影して、その変化を検出することで測定していた。

【0003】

高精度に変位や偏角の測定を行うには基準となる所定パターンには高精度が要求され、電子ビーム描画を原版とするパターンが用いられていた。

【0004】

又、偏角の測定に於いては、投影系と撮像系の関係が回転するので、投影系と撮像系に歪があると回転に伴って画像の歪が変化するので、投影系と撮像系に用いられる画像（撮像、投影）デバイスと光学系には低歪が要求されていた。

【0005】

この為、高精度に変位、偏角の検出を可能とする装置は高価なものとなっていた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１３−２４６１１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は斯かる実情に鑑み、簡単な構成で高精度に変位を測定できる変位測定方法及び変位測定装置を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、相対変位可能な部位の一方の部位にパターン投影部が設けられ、他方の部位にパターン撮像部が設けられた変位測定装置であって、パターン投影部から変位検出パターンが前記パターン撮像部に投影される工程と、該パターン撮像部で取得された変位検出パターンが前記パターン投影部に巡回される工程と、該パターン投影部の変位検出パターンが巡回された変位検出パターンによって更新される工程と、更新された変位検出パターンが投影される工程と、巡回後前記パターン撮像部で取得した画像中の変位検出パターンの変位量を求め、該変位量を巡回数で除して両部位間の変位を得る工程とを有する変位測定方法に係るものである。

【0009】

又本発明は、パターン投影部と、該パターン投影部に対して相対変位可能に設けられたパターン撮像部と、制御部とを具備し、前記パターン投影部は変位検出パターンを前記パターン撮像部に投影可能であり、該パターン撮像部は投影された変位検出パターンを撮像可能であり、前記制御部は、前記パターン撮像部が撮像した変位検出パターンの画像を前記パターン投影部に巡回させ、該パターン投影部が投影する変位検出パターンを巡回した変位検出パターンに更新し、更新した変位検出パターンを更に前記パターン撮像部に投影する様構成され、前記パターン投影部と前記パターン撮像部間の相対変位は、巡回させて得られた画像中での前記変位検出パターンの変位量を巡回させた数で除することで測定する変位測定装置に係るものである。

【0010】

又本発明は、前記相対変位が、回転変位である変位測定装置に係るものである。

【0011】

又本発明は、前記相対変位が、直線変位である変位測定装置に係るものである。

【0012】

又本発明は、前記相対変位が、回転変位と直線変位を含む複合変位である変位測定装置に係るものである。

【0013】

又本発明は、前記制御部は、巡回させる度に画像を３６０゜／巡回数回転させる変位測定装置に係るものである。

【0014】

更に又本発明は、前記変位検出パターンは、中心部に芯出しパターンとしての円パターン、角度検出用のパターンとして前記円パターンの周囲に、該円パターンと同心に配設された線分パターンを有する変位測定装置に係るものである。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、相対変位可能な部位の一方の部位にパターン投影部が設けられ、他方の部位にパターン撮像部が設けられた変位測定装置であって、パターン投影部から変位検出パターンが前記パターン撮像部に投影される工程と、該パターン撮像部で取得された変位検出パターンが前記パターン投影部に巡回される工程と、該パターン投影部の変位検出パターンが巡回された変位検出パターンによって更新される工程と、更新された変位検出パターンが投影される工程と、巡回後前記パターン撮像部で取得した画像中の変位検出パターンの変位量を求め、該変位量を巡回数で除して両部位間の変位を得る工程とを有するので、簡単な構成で高精度に、又微小な変位を測定できる。

【0016】

又本発明によれば、パターン投影部と、該パターン投影部に対して相対変位可能に設けられたパターン撮像部と、制御部とを具備し、前記パターン投影部は変位検出パターンを前記パターン撮像部に投影可能であり、該パターン撮像部は投影された変位検出パターンを撮像可能であり、前記制御部は、前記パターン撮像部が撮像した変位検出パターンの画像を前記パターン投影部に巡回させ、該パターン投影部が投影する変位検出パターンを巡回した変位検出パターンに更新し、更新した変位検出パターンを更に前記パターン撮像部に投影する様構成され、前記パターン投影部と前記パターン撮像部間の相対変位は、巡回させて得られた画像中での前記変位検出パターンの変位量を巡回させた数で除することで測定するので、簡単な構成で高精度に、又微小な変位を測定できる。

【0017】

又本発明によれば、前記制御部は、巡回させる度に画像を３６０゜／巡回数回転させるので、画像に与える投影系と撮影系の歪の影響を軽減した回転変位測定ができる。

【0018】

更に又本発明によれば、前記変位検出パターンは、中心部に芯出しパターンとしての円パターン、角度検出用のパターンとして前記円パターンの周囲に、該円パターンと同心に配設された線分パターンを有するので、前記制御部が巡回させる度に画像を３６０°／巡回数回転させるに当たり、芯出しパターンを中心とした回転にすることで、芯出しパターンを中心とした投影系と撮影系の歪影響の軽減した回転変位測定ができ、又芯出しパターンの変化から直線変位測定もでき、複合変位が同時に測定できるという優れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の第１の実施例の概略構成図である。

【図2】第１の実施例の作用を説明する説明図である。

【図3】本発明の第２の実施例の概略構成図である。

【図4】第２の実施例の作用を説明する説明図である。

【図5】本発明の第３の実施例の概略構成図である。

【図6】第３の実施例の作用を説明する説明図である。

【図7】本発明に用いられる変位検出パターンを示す図である。

【図8】本発明が適用される装置の一例を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

【0021】

先ず、図１を参照して本発明の第１の実施例を説明する。

【0022】

図１中、１はパターン投影部、２はパターン撮像部を示す。

【0023】

前記パターン投影部１は更に、投影用のパターンを表示する表示器３、投影光学系４、前記表示器３に表示するパターンを格納する第１画像メモリ５を具備する。前記表示器３は、例えば液晶表示器、有機液晶表示器、プラズマ表示器、ブラウン管等が挙げられ、パターンを表示可能なものが、用途により選択されて用いられる。前記第１画像メモリ５には変位検出用のパターンが格納されている。

【0024】

前記パターン撮像部２は、投影されるパターンを撮像する撮像センサ７、該撮像センサ７に画像を導く受光光学系８、前記撮像センサ７で撮像した画像を格納する第２画像メモリ９を具備する。前記撮像センサ７としては、ＣＣＤ或はＣＭＯＳセンサ等が挙げられる。

【0025】

又、図中、１１は制御部であり、前記第１画像メモリ５への画像データの書込み、読出し、前記第２画像メモリ９への画像データの書込み、読出しを制御するものであり、更に、前記撮像センサ７で取得した画像に基づき偏角（前記パターン投影部１に対する前記パターン撮像部２の回転角）（以下、回転変位とする）を演算する。

【0026】

前記パターン投影部１、前記パターン撮像部２は同一光軸１２上に配設され、更に前記パターン撮像部２は前記光軸１２を中心に回転可能となっており、前記パターン撮像部２は被測定部（図示せず）に設けられる。

【0027】

前記パターン投影部１と前記パターン撮像部２間の信号の授受については、無線通信、光通信等の手段が用いられる。又、限定された角度を測定する場合は、有線通信を用いることも可能である。

【0028】

前記投影光学系４、前記受光光学系８で構成される光学系１３は、平行光の結像光学系（倍率が１：１）であり、更に該光学系１３は前記パターン投影部１と前記パターン撮像部２との位置関係が像に影響しない様に構成され、又前記光学系１３は前記パターン投影部１と前記パターン撮像部２とが正対している状態では、前記表示器３に表示される像が前記撮像センサ７上で倒立像とならない様に構成されている。構成の一例としては、以前に前記パターン投影部１を１８０゜回転させておく等である。

【0029】

又、前記撮像センサ７には基準線１７（又は座標軸）（図２参照）が設定され、前記制御部１１は該基準線１７及び投影された変位検出パターン１５（図２参照）に基づき前記パターン撮像部２の回転角を測定する。

【0030】

次に、図２を参照して第１の実施例の作用について説明する。

【0031】

以下の説明では、前記パターン撮像部２が前記パターン投影部１に対して所定角度回転した状態を示している。図２では、前記表示器３と前記撮像センサ７が示され、該撮像センサ７が前記パターン投影部１に対して１０゜左に回転変位している。

【0032】

前記第１画像メモリ５から変位検出パターンを読出し、変位検出パターン１５ａとして前記表示器３に表示させる。前記光学系１３により前記変位検出パターン１５ａは前記撮像センサ７に投影され、該撮像センサ７によって変位検出パターン１５ａの投影画像が取得される。

【0033】

前記撮像センサ７が１０゜左に回転変位しているので、該撮像センサ７に投影された前記変位検出パターン１５ａは、前記撮像センサ７（前記基準線１７）に対して１０゜右に（時計方向に）回転している。従って、前記撮像センサ７から取得した前記投影画像中の変位検出パターン１５ａは前記基準線１７に対して１０゜右に回転した画像となる（図２（Ａ））。

【0034】

前記制御部１１は取得した前記投影画像を前記第２画像メモリ９に格納し、更に前記第１画像メモリ５に転送して、該第１画像メモリ５に格納する。又、該第１画像メモリ５に格納した投影画像を前記表示器３に変位検出パターン１５ｂとして表示する。従って、前記表示器３に表示される変位検出パターンは、変位検出パターン１５ａから変位検出パターン１５ｂに更新される（図２（Ｂ））。

【0035】

前記制御部１１は、前記撮像センサ７に投影され、撮像された前記変位検出パターン１５ｂを前記第２画像メモリ９、前記第１画像メモリ５を経て前記表示器３に巡回させる。ここで、前記表示器３に表示した画像が、前記撮像センサ７に投影され、更に該撮像センサ７で取得された画像が前記第１画像メモリ５に格納され、再び前記表示器３に表示される迄を１度の巡回とする。

【0036】

巡回を経て前記表示器３に表示された前記変位検出パターン１５ｂは、前記表示器３の基準線１４に対して右に１０゜回転している（図２（Ｂ））。

【0037】

更に、前記変位検出パターン１５ｂが前記撮像センサ７に投影され、該撮像センサ７によって投影画像が変位検出パターン１５ｃとして取得される。前記撮像センサ７は１０゜回転変位しているので、該撮像センサ７に投影された前記変位検出パターン１５ｃは、前記撮像センサ７に対して１０゜更に回転している。即ち、前記撮像センサ７上で前記変位検出パターン１５ｃは、前記基準線１７に対して２０゜回転している（図２（Ｂ））。

【0038】

上記したと同様に、前記制御部１１は前記撮像センサ７で取得した投影画像により前記第２画像メモリ９に前記変位検出パターン１５ｃを上書きし、更に前記投影画像を前記第１画像メモリ５に転送して、該第１画像メモリ５の画像を前記変位検出パターン１５ｃによって上書きする。更に、該変位検出パターン１５ｃを前記表示器３に表示させる（図２（Ｃ））。

【0039】

２度目の巡回で前記表示器３に表示された前記変位検出パターン１５ｃは、前記表示器３の基準線１４に対して２０゜回転している。更に、前記表示器３の前記変位検出パターン１５ｃを前記撮像センサ７に投影することで、投影された変位検出パターン１５ｃは前記撮像センサ７の基準線１７に対して３０゜回転する（図２（Ｃ））。

【0040】

更に、前記制御部１１は前記撮像センサ７から投影画像を取得し、該投影画像を巡回させ、該投影画像を前記表示器３に変位検出パターン１５ｄとして表示させる。３度目の巡回で、前記表示器３に表示された該変位検出パターン１５ｄは、前記表示器３の基準線１４に対して３０゜回転している（図２（Ｄ））。

【0041】

前記変位検出パターン１５ｄが前記撮像センサ７に投影されると、投影された変位検出パターン１５ｄは前記撮像センサ７の前記基準線１７に対して４０゜回転している。

【0042】

而して、前記撮像センサ７に投影される変位検出パターン１５の前記基準線１７に対する回転角は、画像を巡回させる度に、前記撮像センサ７の回転変位だけ増大する。

【0043】

即ち、巡回の回数をｎ回とすると、前記撮像センサ７に投影された前記変位検出パターン１５の前記基準線１７に対する回転角ωは、前記パターン撮像部２の前記パターン投影部１に対する回転変位角度をθとして、ω＝ｎθとなる。

【0044】

図２の例では、画像データを８回巡回させており、最後に投影された変位検出パターン１５ｈの撮像センサ７の基準線に対する回転角は、８０゜＝１０゜×８となる（図２（Ｈ））。

【0045】

前記θを未知の値として該θを測定する場合は、前記撮像センサ７に対する前記変位検出パターン１５の回転角ωを画像上から測定し、該回転角ωを（巡回数ｎ）で除することで、θが測定できる。得られたθは、ｎ回測定して平均化したと同様の結果が得られ、測定精度が向上する。

【0046】

更に、理論的には巡回数の制限はなく、巡回数を数千回、数万回とすることもできる。例えば、前記撮像センサ７の回転変位角が０．００００１゜の微小角であった場合に、巡回数を１０万回とすると、最終的に得られる回転角ωは１゜となる。この回転角ωを１０万で除することで前記撮像センサ７の微小の回転角が測定できる。即ち、前記変位検出パターン１５では検出できない様な微小角であっても高精度に測定することができる。

【0047】

尚、前記変位検出パターン１５は例示であり、種々の変位検出パターン１５が採用可能である。

【0048】

更に、上記実施例では、前記撮像センサ７で取得した画像に基づき回転角ωを求めたが、前記第１画像メモリ５に転送された画像は、前記撮像センサ７で取得した画像と同じであるので、前記第１画像メモリ５に格納された画像に基づき回転角ω、更にθを測定してもよい。

【0049】

上記説明では、前記パターン撮像部２の前記パターン投影部１に対する回転変位であったが、前記パターン撮像部２の前記パターン投影部１に対する直線的な変位について同様に測定できる。

【0050】

又、上記説明では、前記パターン撮像部２が回転し、前記パターン投影部１が固定としたが、前記パターン撮像部２を固定、前記パターン投影部１が回転する構成でも実施可能である。本発明では、前記パターン投影部１と前記パターン撮像部２の相対回転変位を測定することができる。

【0051】

図３を参照して直線変位を測定する第２の実施例について説明する。

【0052】

図３中、図１中で示したものと同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。

【0053】

図３中、１はパターン投影部、２はパターン撮像部を示し、前記パターン投影部１は表示器３、光学系１３、第１画像メモリ５を具備し、前記パターン撮像部２は撮像センサ７、第２画像メモリ９を具備している。前記第１画像メモリ５には、変位検出用のパターンが格納されている。前記パターン撮像部２は前記パターン投影部１に対して直線変位可能となっている。

【0054】

前記パターン投影部１、前記パターン撮像部２が正対している状態（前記パターン投影部１、前記パターン撮像部２間で相対変位が無い状態）では、前記表示器３、前記パターン撮像部２は、前記光学系１３の光軸上に位置している。

【0055】

前記光学系１３は前記表示器３に表示された変位検出パターン１５（図４参照）を前記撮像センサ７上に投影する。又、前記撮像センサ７に投影される像が倒立像とならない様に構成されている。例えば、前記表示器３に表示される変位検出パターン１５を１８０゜回転させている。更に、前記パターン投影部１と前記パターン撮像部２との間の距離の変化が、測定に影響しない様に、前記光学系１３はテレセントリック光学系とするのが望ましい。

【0056】

図４に於いて、前記パターン撮像部２が前記パターン投影部１に対して水平方向（図示では右方）にΔ変位したとする。

【0057】

前記第１画像メモリ５に格納された前記変位検出パターン１５ａを、前記表示器３上に表示させる。又、前記変位検出パターン１５ａは前記表示器３の基準線１４上に位置する。

【0058】

前記変位検出パターン１５ａを前記光学系１３によって前記撮像センサ７に投影すると、前記撮像センサ７はΔだけ右に変位しているので、投影された変位検出パターン１５ａは、前記撮像センサ７の基準線１７よりΔだけ左に変位した位置となる（図４（Ａ））。

【0059】

前記撮像センサ７によって投影画像が撮像され、画像は前記第２画像メモリ９に格納される。前記制御部１１は前記第２画像メモリ９に格納した画像を、更に前記第１画像メモリ５に転送して、該第１画像メモリ５に格納する。又、該第１画像メモリ５に格納した画像を前記表示器３に変位検出パターン１５ｂとして表示する。前記表示器３に表示される変位検出パターンは、変位検出パターン１５ａから変位検出パターン１５ｂに更新されたことになる。又、該変位検出パターン１５ｂは、前記表示器３の前記基準線１４から左にΔ変位した位置に表示される（図４（Ｂ））。

【0060】

即ち、前記制御部１１は、前記撮像センサ７に投影され、撮像された前記変位検出パターン１５を前記第２画像メモリ９、前記第１画像メモリ５を経て前記表示器３に巡回させる。

【0061】

更に、前記変位検出パターン１５ｂが前記撮像センサ７に投影され、投影像として変位検出パターン１５ｂの画像が前記撮像センサ７によって取得される。前記撮像センサ７に投影された前記変位検出パターン１５ｂは、前記基準線１７に対して更にΔだけ左に変位している。即ち、前記撮像センサ７上で前記変位検出パターン１５ｂは、前記基準線１７に対して２×Δ変位している（図４（Ｂ））。

【0062】

従って、巡回させる度に、前記撮像センサ７に表示される変位検出パターン１５は前記撮像センサ７の前記基準線１７に対してΔずつ変位していく（図４（Ｃ）、（図４（Ｄ））。

【0063】

而して、ｎ回巡回させた後、前記撮像センサ７で取得した画像に基づき変位を測定する。図４では、４度巡回させているので、最終的に得られた変位は４Δであり、４Δを４で除することで、Δが測定できる。

【0064】

本実施例に於いても、変位Δをｎ回測定し、平均化したと同等であるので、測定精度が向上する。更に、前記撮像センサ７に投影される前記変位検出パターン１５が、前記撮像センサ７の撮像範囲を越えない限りは、巡回数を増大できる。従って、前記変位検出パターン１５自体では検出できない様な、微小な変位も測定が可能となる。

【0065】

尚、前記変位検出パターン１５は例示であり、種々の変位検出パターン１５が採用可能である。

【0066】

図５は第３の実施例を示している。図５中、図１中で示したものと同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。

【0067】

第３の実施例では、第１の実施例に対して画像変換部１９を更に具備している。

【0068】

該画像変換部１９は、３６０°をＮ（整数）等分した角度で、１巡回毎に画像を回転させる。制御部１１は、パターン投影部１による投影、パターン撮像部２による画像の撮像、第２画像メモリ９の画像の取込み、読出し、前記画像変換部１９による画像の回転、第１画像メモリ５への画像の送出、該第１画像メモリ５からの画像の読出し、表示器３への表示の制御を行い、これをＮ回巡回させる構成となっている。

【0069】

この回転による偏角はＮ回巡回によりＮ倍となって検出できると共に、画像に与える投影系と撮影系の歪の影響を軽減できる。更に、Ｎの値を大きくすることで実質的に除去できる。

【0070】

つまり、画像変換にて画像回転はＮ回で元の状態に戻るので、画像変換が角度検出に影響を与えることなく、画像が投影系と撮影系に対してＮ回回転することで、Ｎ回巡回した画像は投影系と撮影系の回転方向に関する歪が平均化され、歪の影響が巡回回数に応じて少なくなる。

【0071】

図６を参照して第３の実施例の作用について説明する。

【0072】

以下の説明では、前記パターン撮像部２が前記表示器３に対して所定角度（θ＝１０゜）回転した状態を示している。図示では、前記表示器３と前記撮像センサ７が示され、該撮像センサ７が前記パターン投影部１に対して１０゜左に回転変位している。又、８回巡回されるものとする。従って、１の巡回で画像が回転される角度は、（３６０゜／８＝４５゜）となる。

【0073】

前記表示器３に変位検出パターン１５ａが表示され、該変位検出パターン１５ａは前記撮像センサ７に投影される。前記撮像センサ７が１０゜左に回転変位しているので、該撮像センサ７に投影された前記変位検出パターン１５ａは、前記撮像センサ７（基準線１７）に対して１０゜右に（時計方向に）回転している。

【0074】

前記撮像センサ７によって前記変位検出パターン１５ａの投影画像が取得され、該投影画像は前記画像変換部１９を介して前記第１画像メモリ５に巡回される。巡回される過程で、前記投影画像は前記画像変換部１９で４５゜回転される。

【0075】

前記表示器３には回転された変位検出パターン１５ｂが表示され、該変位検出パターン１５ｂは表示器３の基準線１４に対して、（１０゜＋４５゜＝５５゜）回転している。

【0076】

同様にして、合計８回巡回され、巡回毎に前記表示器３に表示される変位検出パターン１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆ，１５ｇ，１５ｈ，１５ｉは前記基準線１４に対して、順次（２０゜＋９０゜）、（３０゜＋１３５゜）、（４０゜＋１８０゜）、（５０゜＋２２５゜）、（６０゜＋２７０゜）、（７０゜＋３１５゜）、（８０゜＋３６０゜）回転する。

【0077】

８回の巡回で画像が３６０゜回転することから、得られる角度ωは、回転変位θ×８となり、得られた角度ωを巡回数８で除することで前記パターン撮像部２の前記パターン投影部１に対する回転変位θが得られる。

【0078】

次に、図７により、上記実施例で使用される変位検出パターンの一例を説明する。

【0079】

尚、以下に説明する変位検出パターン２１は、本出願人が特開２０１３−２４６１１０号（特許文献１）に於いて提案したものである。

【0080】

該変位検出パターン２１の基本形状は円であり、該変位検出パターン２１の中心は光学系の光軸に略合致する様に構成されている。

【0081】

前記変位検出パターン２１は、中心部に芯出しパターンとしての円パターン２５、角度検出用のパターンとして前記円パターン２５の周囲に、該円パターン２５と同心に配設された線分パターン２６及び基準指示パターン２７から構成されている。前記円パターン２５は所定の線幅で描かれた複数の真円（図示では２つの同心多重円）である。尚、芯出しパターンは中心が求められるパターンであればよく、例えば十字線であってもよい。

【0082】

前記線分パターン２６は、半径方向に延びる所定長さの線分２６ａ（図中、黒く塗り潰した部分）が等角度ピッチで全周にｎ配置された構成であり、又該線分２６ａによって形成されたリング状のトラックである。各線分２６ａは楔形状となっており、３６０゜／２ｎの中心角αを有している。又、前記線分パターン２６の中心は、前記円パターン２５の中心と同一である。

【0083】

前記基準指示パターン２７は、前記線分パターン２６の内側に形成され、前記線分パターン２６と同心の円弧形状をしている。又前記基準指示パターン２７は、円周方向に複数のパターンに分割され、１つの位置指示パターン２７ａと、該位置指示パターン２７ａの両側に配置された方向指示パターン２７ｂとから構成されている。前記基準指示パターン２７は、前記変位検出パターン２１の回転の基準位置を示す機能を有する。

【0084】

尚、前記線分２６ａ、前記位置指示パターン２７ａ、前記方向指示パターン２７ｂは、、光を非反射とし、他の部分を反射としてもよく、或は前記線分２６ａ、前記位置指示パターン２７ａ、前記方向指示パターン２７ｂを反射、他の部分を非反射としてもよい。以下の説明では、前記線分２６ａ、前記位置指示パターン２７ａ、前記方向指示パターン２７ｂを非反射として説明している。

【0085】

前記変位検出パターン２１によれば、前記線分パターン２６の回転方向の変位を検出することで、回転変位を測定することができ、又、前記円パターン２５によって前記変位検出パターン２１の中心位置のずれを検出することで、即ち直線変位を測定することができる。

【0086】

図８は、本実施例に係る回転変位、直線変位測定装置が測量装置に使用された場合を示し、又測量装置の一例としてトータルステーション３０を示している。

【0087】

図８中、３１は整準部、３２は基台部、３３は架台、３４は望遠鏡部を示している。

【0088】

前記基台部３２に架台ベース３５が設けられ、該架台ベース３５からは中空軸３６が上方に突出し、該中空軸３６には前記架台３３の回転軸３７が軸受３８を介して回転自在に嵌合している。回転部としての前記架台ベース３５は前記回転軸３７を中心に水平方向に回転する。

【0089】

前記架台ベース３５の下面からは、軸部ホルダ４１が嵌合され、該軸部ホルダ４１は前記回転軸３７の下端部に対峙して設けられると共に前記回転軸３７とは同一軸心上に配置されている。

【0090】

前記回転軸３７の下端部には軸部空間４２が形成され、前記軸部ホルダ４１にはホルダ空間４３が形成される。

【0091】

前記軸部空間４２にパターン撮像部、即ち撮像センサ７、受光光学系８が設けられ、前記ホルダ空間４３にパターン投影部、即ち表示器３、投影光学系４が設けられる。

【0092】

前記撮像センサ７、前記受光光学系８、前記表示器３、前記投影光学系４は前記回転軸３７の軸心上に設けられ、前記投影光学系４、前記受光光学系８の光軸は、前記回転軸３７の軸心と合致している。

【0093】

前記撮像センサ７、前記受光光学系８、前記表示器３、前記投影光学系４によって第１の変位測定装置４０が構成される。

【0094】

前記中空軸３６には水平回転ギア４４が設けられ、前記架台３３には水平回転モータ４５が設けられる。該水平回転モータ４５の主力軸には水平駆動ギア４６が固着され、該水平駆動ギア４６は前記水平回転ギア４４と噛合する。

【0095】

前記水平回転モータ４５の駆動によって、前記架台３３が前記回転軸３７を中心に水平方向に回転する。

【0096】

前記望遠鏡部３４から水平方向に回転軸４８が延出し、該回転軸４８は軸受４９を介して前記架台３３に回転自在に支持されている。回転部としての前記望遠鏡部３４は前記回転軸４８を中心に鉛直方向に回転する。

【0097】

前記回転軸４８には鉛直回転ギア５１が固着され、該鉛直回転ギア５１には鉛直駆動ギア５２が噛合している。前記架台３３には鉛直回転モータ５３が設けられ、該鉛直回転モータ５３の出力軸には、前記鉛直駆動ギア５２が固着されている。

【0098】

前記鉛直回転モータ５３が回転駆動することで、前記鉛直駆動ギア５２、前記鉛直回転ギア５１を介して前記回転軸４８が回転され、該回転軸４８と一体に前記望遠鏡部３４が鉛直方向に回転する。

【0099】

前記回転軸４８の一端部には軸部空間５５が形成され、前記架台３３には前記一端部と同心に中空の軸支持部５６が設けられる。該軸支持部５６にホルダ５７が嵌合され、該ホルダ５７にホルダ空間５８が形成されている。前記ホルダ５７は前記回転軸４８の一端部と対峙し、前記ホルダ５７は前記回転軸４８の軸心上に位置する。

【0100】

前記軸部空間５５にはパターン撮像部、即ち撮像センサ６２、受光光学系６３が設けられ、前記ホルダ空間５８にはパターン投影部、即ち表示器６５、投影光学系６６が設けられる。前記受光光学系６３、前記投影光学系６６の光軸は、前記回転軸４８の軸心と合致している。

【0101】

前記撮像センサ６２、受光光学系６３、前記表示器６５、前記投影光学系６６によって第２の変位測定装置６７が構成される。

【0102】

前記第１の変位測定装置４０、前記第２の変位測定装置６７による回転、直線変位の測定については、前述した通りであるので説明を省略する。

【0103】

而して、前記架台３３の水平方向の回転、直線変位は前記第１の変位測定装置４０によって測定され、前記望遠鏡部３４の高低方向の回転、直線変位は前記第２の変位測定装置６７によって測定される。

【符号の説明】

【0104】

１ パターン投影部
２ パターン撮像部
３ 表示器
４ 投影光学系
５ 第１画像メモリ
７ 撮像センサ
８ 受光光学系
９ 第２画像メモリ
１１ 制御部
１３ 光学系
１５ 変位検出パターン
１７ 基準線
１９ 画像変換部
２１ 変位検出パターン
２５ 円パターン
２６ 線分パターン
２７ 基準指示パターン
６２ 撮像センサ
６３ 受光光学系
６５ 表示器
６６ 投影光学系

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】