JP2012521572A

JP2012521572A - 環境を光学的に走査および測定するデバイス

Info

Publication number: JP2012521572A
Application number: JP2012501174A
Authority: JP
Inventors: フィリップシューマン; ラインハルトベッカー; マルティンオッシヒ; ユルゲンゲッティンガー
Original assignee: ファロテクノロジーズインコーポレーテッド
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2010-03-22
Publication date: 2012-09-13
Also published as: GB2482082A; CN102232174B; DE102009015920A1; WO2010108642A1; GB201118132D0; CN102232174A; US9074883B2; DE102009015920B4; GB2482082B; US20120069325A1

Abstract

本発明は、レーザスキャナ１０として設計される、環境を光学的に走査および測定するデバイスであって、発光ビーム１８を放射する発光器１７と、物体Ｏによってレーザスキャナの周囲で反射され、または他の形で散乱される受光ビーム２０を受け取る受光器２１と、多数の測定点Ｘに対して物体への距離を判定する制御および評価ユニット２２とを備え、発光ビームが、３次元の色空間を画定する異なる波長を有する３つのレーザビームＲ、Ｇ、Ｂの重ね合わせであることを特徴とするデバイスに関する。

Description

本発明は、請求項１の一般的な用語の特徴を有するデバイスに関する。

たとえば独国実用新案第２０２００６００５６４３号明細書から周知のものなど、レーザスキャナとして設計されるデバイスを用いて、レーザスキャナの環境を光学的に走査および測定することができる。追加の情報を入手するために、レーザスキャナ上には、ＲＧＢ信号を取り込む線走査カメラが取り付けられ、したがって色情報によって走査の測定点を完成させることができる。カメラホルダは回転可能である。視誤差を回避するために、その記録を取り込むカメラは、レーザスキャナの垂直回転軸上へ旋回し、レーザスキャナは、カメラが水平回転軸に到達するまで下降する。この方法には、高い精度の構成要素が必要である。

独国実用新案第２０２００６００５６４３号明細書米国特許第７，４３０，０６８号明細書

本発明は、導入で述べたタイプのデバイスに代わるデバイスを作るという目的に基づく。この目的は、本発明によれば、請求項１の特徴を含む方法を用いて実現される。従属請求項は、有利な構成に関する。

本発明によるデバイスは、「着色」発光ビームを生成することを可能にし、したがって受光ビームは、色情報をすでに得ている。走査を行った後、測定点のエンティティによって形成される走査と着色されたピクチャまたは多彩なピクチャとをリンクさせる必要はもうない。視誤差は自動的に回避される。

色および輝度情報を入手するには、３つすべてのレーザビームが必要とされる。しかし距離を判定するには、１つのレーザビームで十分であり、このレーザビームは変調されることが好ましい。距離を判定する働きをするレーザビームは、他の２つのレーザビームより高い強度を有することが好ましい。他の２つのレーザビームは、距離に関するさらなる情報を供給することができるが、その他については、誤り補正に使用できる主に冗長な情報を供給する。

特殊な用途または動作モードの場合、単一の単色レーザビームだけが利用可能であれば有利である。この目的のため、発光器は、３つのレーザビームのオンおよびオフを互いに独立して、すなわち個々に切り換えることができ、レーザビームの強度を制御することができ、および／または対応するレーザを取り付けたり取り外したりすることができるように設計されることが好ましい。

周囲のユーザおよび他の人間の眼を保護するために、好ましくは、波長が４００ｎｍ未満の青色レーザビームを使用することが有利であろう。他の２つのレーザビームは、この青色レーザビームの強度より低い強度を有すること、すなわち青色レーザビームが優勢であることが好ましい。本発明によらない方法において、レーザスキャナは、波長が４００ｎｍ未満の青色レーザビームを排他的に生成するように設計される。

本発明について、図面に示す例示的な実施形態に基づいて、より詳細に以下に説明する。

レーザスキャナの部分断面図である。レーザスキャナの概略図である。

レーザスキャナ１０が、レーザスキャナ１０の環境を光学的に走査および測定するデバイスとして提供される。レーザスキャナ１０は、測定ヘッド１２および基部１４を有する。測定ヘッド１２は、垂直軸の周りを回転できるユニットとして、基部１４上に取り付けられる。測定ヘッド１２は鏡１６を有し、鏡１６は水平軸の周りを回転することができる。２つの回転軸の交差点を、レーザスキャナ１０の中心Ｃ_１０と呼ぶ。

測定ヘッド１２は、発光ビーム１８を放射する発光器１７をさらに備える。発光ビーム１８は、３つのレーザビームＲ、Ｇ、およびＢの重ね合わせであり、異なる波長をもつ３つのレーザビームＲ、Ｇ、およびＢは、波長７９０ｎｍ、５５５ｎｍ、および３７５ｎｍなど、約３００〜１０００ｎｍの可視域内である。３つのレーザビームＲ、Ｇ、およびＢの波長は、３次元のＲＧＢ色空間を画定するように、すなわち可視域全体にわたってよく分散するように選択される。レーザ発光器１７は、３つのレーザダイオード１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂ（または他のレーザ）を有し、レーザダイオード１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂはそれぞれ、３つのレーザビームＲ、Ｇ、またはＢのうちの１つを生成する。重ね合わせは、３つの自由レーザビームＲ、Ｇ、およびＢを発光器１７のコリメータに送り込むことによって、または３つの自由レーザビームＲ、Ｇ、およびＢを共通の光ファイバに送り込み、次いでコリメータに送り込むことによって行うことができる。

発光ビーム１８内の３つのレーザビームＲ、Ｇ、Ｂのうちの少なくとも１つ、好ましくは３つすべてのレーザビームＲ、Ｇ、Ｂは、たとえば正弦波または矩形波の波形変調信号によって振幅変調される。発光ビーム１８は発光器１７によって鏡１６上へ放射され、鏡１６で偏向されて環境へ放射される。物体Ｏによって環境内で反射され、または他の形で散乱される受光ビーム２０は、鏡１６によって捕獲され、偏向され、かつ受光器２１へ誘導される。発光ビーム１８および受光ビーム２０の方向は鏡１６および測定ヘッド１２の角度位置に起因し、これらの角度位置は対応する回転駆動装置の位置に依存し、回転駆動装置はそれぞれ１つのエンコーダによって位置合わせされる。制御および評価ユニット２２は、測定ヘッド１２内の発光器１７および受光器２１へのデータ接続を有し、それによってそのようなユニットの部分は、測定ヘッド１２の外側に構成することもでき、たとえば基部１４に接続されたコンピュータとすることができる。制御および評価ユニット２２は、多数の測定点Ｘに対して、発光ビーム１８および受光ビーム２０の伝搬時間から、レーザスキャナ１０（すなわち、中心Ｃ_１０）と物体Ｏ（の照らされた点）の間の距離ｄを判定する。この目的のため、２つの光ビーム１８および２０間の位相シフトが判定および評価される。

走査は、鏡１６の（急速）回転を用いて円に沿って行われる。基部１４に対する測定ヘッド１２の（低速）回転によって、円を用いて空間全体がステップごとに走査される。そのような測定の測定点Ｘのエンティティを走査と呼ぶ。そのような走査ｓの場合、レーザスキャナ１０の中心Ｃ_１０は、レーザスキャナ１０の静止基準系を画定し、その中に基部１４が位置する。レーザスキャナ１０、特に測定ヘッド１２の設計に関するさらなる詳細は、たとえば米国特許第７，４３０，０６８Ｂ２号明細書および独国実用新案第２０２００６００５６４３号明細書に記載されている。それぞれの開示を引用して援用する。

位相シフトの評価を用いて測定点Ｘの距離ｄを判定するには、３つの波長、すなわち変調された３つのレーザビームＲ、Ｇ、およびＢのうちの１つだけを使用することで十分である。必要な場合、このビームは、他の２つのビームと比較すると幾分高い強度（すなわち、電磁波のパワー）を有することができる。基本的に、すべての波長が同じ程度に適している。しかし、人間の眼の受容体の挙動のため４００ｎｍ未満の波長でより良好に得られる眼の保護に関しては、青色レーザビームＢ（波長は４００ｎｍより短い）を使用して測定点Ｘの距離ｄを判定することが有利である。他の２つのレーザビームＲおよびＧも同様に変調される場合、これらのレーザビームの評価を使用して周囲光を除去することができ、または追加の距離情報を入手することができる。

レーザスキャナ１０の中心Ｃ_１０への距離ｄに加えて、各測定点Ｘは、制御および評価ユニット２２によって同様に判定される色および輝度情報、すなわちレーザビームＲ、Ｇ、およびＢの３つの色のいずれかに対する輝度値を含む。各輝度値は、たとえば、測定点Ｘに帰する測定期間、すなわち別個に３つのレーザビームＲ、Ｇ、およびＢのいずれかに対する測定期間にわたって、帯域通過フィルタにかけて増幅させた受光器２１の信号の積分によって判定されるグレートーン値に対応する。したがって、３つすべてのレーザビームＲ、Ｇ、およびＢが、色および輝度情報の入手に寄与する。

任意選択で、発光器１７は、３つのレーザビームＲ、Ｇ、およびＢのオンおよびオフを互いに独立して切り換えることができるように、そして好ましくは３つのレーザビームＲ、Ｇ、およびＢの強度も制御することができるように設計することができる。このとき発光ビーム１８の構成は、用途に適合させることができる。たとえば、距離ｄおよび輝度（グレートーン値）だけを測定する場合、たとえば青色レーザビームＢを使用し、他の２つのレーザビームＲおよびＧをオフに切り換えることで十分である。発光器１７に対してモジュラ設計も可能であり、したがって、３つのレーザビームＲ、Ｇ、およびＢを生成するレーザダイオードを互いに独立して取り付けたり取り外したりすることができ、たとえば、プラグイン式の構成要素などにすることができる。該当する場合、距離ｄを判定する働きをするレーザビームを生成するのに必要なレーザダイオードだけが永久的に取り付けられる。

１０レーザスキャナ、１２測定ヘッド、１４基部、１６鏡、１７発光器、１７Ｒ，１７Ｇ，１７Ｂレーザダイオード、１８発光ビーム、２０受光ビーム、２１受光器、２２制御および評価ユニット、ｄ距離、Ｃ_１０レーザスキャナの中心、Ｏ物体、Ｒ，Ｇ，Ｂレーザビーム、Ｘ測定点。

Claims

レーザスキャナ（１０）として設計される、環境を光学的に走査および測定するデバイスであって、発光ビーム（１８）を放射する発光器（１７）と、物体（Ｏ）によって前記レーザスキャナ（１０）の周囲で反射され、または他の形で散乱される受光ビーム（２０）を受け取る受光器（２１）と、多数の測定点（Ｘ）に対して物体（Ｏ）への距離を判定する制御および評価ユニット（２２）とを備え、発光ビーム（１８）が、３次元の色空間を画定する異なる波長を有する３つのレーザビーム（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の重ね合わせであることを特徴とするデバイス。
請求項１に記載のデバイスであって、前記発光器（１７）が、それぞれ３つのレーザビーム（Ｒ、Ｇ、Ｂ）のうちの１つを生成する３つのレーザダイオード（１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂ）または他のレーザを有することを特徴とするデバイス。
請求項１または２に記載のデバイスであって、前記３つのレーザビーム（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の前記重ね合わせが、前記３つの自由レーザビーム（Ｒ、Ｇ、Ｂ）を前記発光器（１７）のコリメータに送り込むことによって、または前記３つの自由レーザビーム（Ｒ、Ｇ、Ｂ）を共通の光ファイバに送り込み、次いで前記発光器（１７）の前記コリメータに送り込むことによって行われることを特徴とするデバイス。
前記請求項のいずれかに記載のデバイスであって、３つすべてのレーザビーム（Ｒ、Ｇ、Ｂ）がともに、測定点（Ｘ）に対する色および輝度情報を判定する働きをすることを特徴とするデバイス。
前記請求項のいずれかに記載のデバイスであって、前記３つのレーザビーム（Ｒ、Ｇ、Ｂ）のうちの１つが、前記距離（ｄ）を判定する働きをし、他の２つのレーザビーム（Ｒ、Ｇ、Ｂ）が、追加の距離情報および／または誤り補正の働きをすることを特徴とするデバイス。
請求項５に記載のデバイスであって、前記３つのレーザビーム（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の間で、前記距離（ｄ）を判定する働きをするレーザビームが、他の２つのレーザビーム（Ｒ、Ｇ、Ｂ）より高い強度を有することを特徴とするデバイス。
請求項５または６に記載のデバイスであって、前記３つのレーザビーム（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の間で、前記距離（ｄ）を判定する働きをするレーザビームが、４００ｎｍより短い波長を有することを特徴とするデバイス。
前記請求項のいずれかに記載のデバイスであって、前記発光器（１７）が、前記３つのレーザビーム（Ｒ、Ｇ、Ｂ）のオンおよびオフを互いに独立して切り換えることができるように、そして特に、前記３つのレーザビーム（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の強度を制御することができるように設計されることを特徴とするデバイス。
前記請求項のいずれかに記載のデバイスであって、前記発光器（１７）が、前記３つのレーザビーム（Ｒ、Ｇ、Ｂ）を生成する前記レーザダイオード（１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂ）または他のレーザを互いに独立して取り付けたり取り外したりすることができるように設計されることを特徴とするデバイス。
前記請求項のいずれかに記載のデバイスであって、前記レーザスキャナ（１０）が回転鏡（１６）を有し、前記回転鏡（１６）を用いて前記発光ビーム（１８）が放射され、前記受光ビーム（２０）が捕獲されることを特徴とするデバイス。
請求項１０に記載のデバイスであって、前記レーザスキャナ（１０）が測定ヘッド（１２）を有し、前記測定ヘッド（１２）が垂直軸の周りを回転し、それによって前記鏡（１６）が水平軸の周りを回転することを特徴とするデバイス。