JP2013539531A

JP2013539531A - レーザ走査装置および使用方法

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Publication number: JP2013539531A
Application number: JP2013520202A
Authority: JP
Inventors: レスリーボールスティーブン
Original assignee: Renishaw PLC
Current assignee: Renishaw PLC
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2013-10-24
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Abstract

レーザーシステムは筐体およびレーザを備える。レーザは、筐体が回転するとき、レーザービームの経路が円錐を形成する角度でレーザービームが伝送されるように、筐体の中に配置され得る。このレーザーデバイスは２つ以上のレーザを含んでよく、それぞれのレーザの角度は同一でも別々でもよく、それぞれのレーザの角度位置は固定でも可変でもよい。このレーザーシステムは、据置き型でも可動式でもよく、対象またはトポグラフィを検出して３次元の画像を生成する様々な方法で使用され得る。この情報は、地図、地形データ、体積測定、着陸案内、障害物回避の警告、マイニングプロファイル（ｍｉｎｉｎｇｐｒｏｆｉｌｅ）および他の有用な資料を提供するためにさらに用いられ得る。

Description

本発明は、測定ビームの走査システムの分野に関し、より好ましくはレーザ走査システムに関する。

様々な測定ビームの走査システムが、検出用または測定用に利用可能である。例えば、可能性のある発掘作業のために、地下空洞など手の届かない空隙および空洞を測定するためのＣａｖｉｔｙＡｕｔｏｓｃａｎｎｉｎｇＬａｓｅｒＳｙｓｔｅｍ（Ｃ−ＡＬＳ）が、ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＤｅｖｉｃｅｓ社によって市販されている。Ｃ−ＡＬＳは、パンおよびチルト機構によって回転するレーザーヘッドを有する。レーザーヘッドは、伸縮ブームに取り付けられ、アクセスボアホール（ａｃｃｅｓｓｂｏｒｅｈｏｌｅ）を通って空洞に下降することができる。レーザは、パンおよびチルト機構によって回転され、かつ傾けられながら空洞を走査し、空洞の詳細な３Ｄ表現が生成される。

別のシステムは、周囲の対象またはトポグラフィをベクトル走査するのに、通常は電動手段によって垂直および水平に導かれる、連続的に測定するレーザを用いる。これによって、ｘ、ｙおよびｚデータのポイントのクラウド（ｃｌｏｕｄ）を生成することができ、これから、通常はコンピュータグラフィックスのモデリング技法により、対象またはトポグラフィの倍率付き複写が生成され得る。大きなまたは複雑な対象または領域は、この技法を用いて、複数の方向から、または複数のステーションから走査してｘ、ｙおよびｚのデータを数学的にスティッチング（ｓｔｉｔｃｈｉｎｇ）し、１つのモデルを形成することによって調査されてよい。この方法は、十分に確立されており、効果的であるが、比較的遅い。このような製品の一例には、ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＤｅｖｉｃｅｓ社のＱｕａｒｒｙｍａｎＳｙｓｔｅｍがある。

可動走査も、高精度ナビゲーションおよび姿勢測定システムの導入とともに可能になっている。可動システムでは、対象またはトポグラフィを車両が通過するときライン走査するのに、可動車両の軸に対してオフセットされた既知の関係を伴って平面を移動する単一または複数のスキャナが使用される。これを行なうには、無線、衛星またはレーザーの位置システムを使用して車両の位置および軌跡を正確に測定する必要がある。姿勢、すなわちピッチ、ロール、ヨー、ヒーブ、および向きを、通常は多軸ジャイロシステムによって求める必要がある。１つまたは複数の既知の平面で、車両位置および軌跡に関して、連続的なレーザ走査が行なわれる。この方法は、据置き型走査より高速かつ効率的であるが、精度が劣り、より高くつく可能性がある。進行方向に対して走査平面が一般に垂直であるので、もたらされる走査が、オクルージョン（ｏｃｃｌｕｓｉｏｎ）またはブラックエリア（ｂｌａｃｋａｒｅａ）を有する可能性がある。このような製品の実例の１つに、ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＤｅｖｉｃｅｓ社によって製造されているＤｙｎａｓｃａｎＳｙｓｔｅｍがある。

揺動鏡、回転多面鏡および回転レーザービームを含む、多数の走査機構が利用可能である。これらの機構は、ＴｏｐｃｏｎＧＬＳ−１０００（揺動鏡）、ＲｉｅｇｌＶ２４００（回転多面鏡）およびＯｐｔｅｃｈＬｙｎｘＳｙｓｔｅｍ（３６０度回転のプリズムレーザービーム）などの据置き型マッピングシステムおよび可動マッピングシステム用に利用される。これら３つの機構のそれぞれが、垂直走査および／または平面走査をもたらす。どの機構も、可変レーザ角度の走査能力をもたらすものではない。

好ましくは、可動で、簡単で、効率的で、作製するのが廉価で、頑健で、対象およびトポグラフィを正確に検出し、かつ測定することができる一方で、システムによって生成される３Ｄ画像のオクルージョンおよびシェーディング（ｓｈａｄｉｎｇ）を最小化するレーザ走査システムをさらに進化させる必要がある。

本発明は、改善されたビーム走査装置を提供するものであり、具体的には、本発明の第１の態様によれば、少なくとも１つのレーザを備えている筐体を備えるレーザ走査装置が提供され、この装置は、少なくとも第１のレーザービームおよび第２のレーザービームを筐体から放出するように構成されており、これら少なくとも第１のレーザービームおよび第２のレーザービームは、共通の回転軸のまわりで回転可能である。

これらのビームが共通の軸のまわりを回転するように構成されているので、ビームがもたらす走査からのデータを一緒に共通の座標系へと結合するのは非常に簡単なことである。したがって、このことにより、装置のあらゆる較正の複雑さが低減され得る。さらに、共通の回転軸のまわりで回転可能な少なくとも第１のビームおよび第２のビームを用意することにより、単一の走査ヘッドだけを使用して、複数の経路に沿った複数の走査を得ることができる。

この装置は、第１のレーザービームおよび第２のレーザービームの少なくとも１つが回転軸のまわりを移動するとき、その経路が円錐状になるように構成することができる。したがって、第１のレーザービームおよび第２のレーザービームのうち少なくとも１つを、共通の回転軸に対して非垂直の角度で投射することができる。例えば、第１のレーザービームおよび第２のレーザービームの少なくとも１つは、共通の回転軸に対して、８０°と５°の間、より好ましくは７０°と１０°の間、例えば６０°と２０°の間の鋭角で、投射することができる。

この装置は、レーザを１つしか備えなくてもよい。例えば、この１つのレーザによって放出されたビームから、少なくとも第１のレーザービームおよび第２のレーザービームを生成するのに、少なくとも１つの光学部品を使用してよい。この場合、少なくとも１つの光学部品のうち少なくとも１つは、少なくとも第１のレーザービームおよび第２のレーザービームを共通の軸のまわりで回転させるように回転するように構成されてよい。

筐体から放出される各レーザービームは、それ自体のレーザによって生成され得る。任意選択で、この装置は、少なくとも第１のレーザービームおよび第２のレーザービームを生成するための少なくとも第１のレーザおよび第２のレーザを備えることができる。少なくとも第１のレーザおよび第２のレーザは、レーザービームを共通の軸のまわりで回転させるように、共通の軸のまわりを回転するように構成することができる。

少なくとも第１のレーザおよび第２のレーザは、互いに対して回転固定され得る。例えば、第１のレーザービームおよび第２のレーザービームは、共通の回転軸のまわりで互いに対して回転することができないように構成され得る。少なくとも第１のレーザおよび第２のレーザは、互いに対して移動することができないように、互いに対して固定され得る。

筐体は、回転軸のまわりを回転可能である。このレーザ走査装置は、少なくとも第１のレーザービームおよび第２のレーザービームが筐体とともに回転するように構成されるように、構成され得る。したがって、少なくとも第１のレーザービームおよび第２のレーザービームは、筐体に対して回転固定され得る。少なくとも第１のレーザービームおよび第２のレーザービームは、筐体に対して固定され得る。第１のレーザおよび第２のレーザのうち少なくとも１つは、筐体がその回転軸のまわりを移動するとき、筐体の中で、そのレーザービームの経路が円錐状になるような角度に配置することができる。具体的には、第１のレーザおよび第２のレーザのうち少なくとも１つは、筐体の中で、共通の回転軸に対して非垂直の角度に配置することができる。少なくとも第１のレーザおよび第２のレーザは、筐体がその回転軸のまわりを移動するとき、筐体の中で、それらのレーザービームの経路がそれぞれ円錐状になるような角度に配置することができる。

第１のレーザービームおよび第２のレーザービームのうち少なくとも１つは、それが共通の軸のまわりで回転するとき、その経路が１つの平面内に含まれるように、共通の軸のまわりを回転するように構成され得る。したがって、第２のレーザービームは、その経路が共通の回転軸に対して垂直に延在するように、筐体から放出され得る。第１のレーザービームおよび第２のレーザービームのどちらも、共通の軸のまわりで回転するとき、それらの経路がそれぞれ１つの平面内に含まれるように、共通の軸のまわりを回転するように構成され得る。したがって、第１のレーザービームおよび第２のレーザービームは、共通の軸のまわりで回転するとき、平行な平面内に含まれるように構成され得る。任意選択で、第１のレーザービームは、回転軸のまわりを移動するとき、共通の回転軸のまわりを、その経路が円錐状になるように回転することができ、第２のレーザービームも、回転軸のまわりを移動するとき、共通の回転軸のまわりを、その経路が円錐状になるように回転することができる。好ましくは、第２のレーザービームの円錐は、第１のレーザービームのものと異なる。したがって、第１のレーザービームおよび第２のレーザービームは、共通の回転軸に対して非垂直の角度で投射され得る。したがって、筐体から放出されるレーザービームのうち少なくとも２つは、共通の軸のまわりを、それらの経路が円錐状になるように回転することができる。したがって、第１のレーザービームおよび／または第２のレーザービームは、共通の回転軸に対して、８０°と５°の間、より好ましくは７０°と１０°の間、例えば６０°と２０°の間の鋭角で、投射することができる。理解されるように、少なくとも第１のビームおよび第２のビームは、共通の軸に対して別々の角度で投射されてよい。任意選択で、少なくとも第１のビームおよび第２のビームを同一の角度で投射してよい。この場合、共通の軸の全長に沿った別々の点で、および／または別々の方向（例えば後方と前方）に投射されている第１のビームおよび第２のビームによって別々の円錐形の経路が得られる。

この装置は、少なくとも第１のビームおよび第２のビームの回転によって画定される少なくとも２つの円錐が、別々の方向に向かうように構成することができる。例えば、少なくとも２つの円錐は反対方向、例えば正反対に対向する方向に向かい得る。例えば、第１の円錐および第２の円錐（それぞれ第１のビームおよび第２のビームの共通の回転軸のまわりの回転によって画定されたもの）は、前方と後方（または上方と下方）に向いてよい。

少なくとも第１のビームおよび第２のビームは、同時に放出されてよい。少なくとも第１のビームおよび第２のビームは、連続的に放出されてよい。理解されるように、これは必ずしもそうであるわけではない。例えば、少なくとも第１のビームおよび第２のビームは、共通の回転軸のまわりを回転するとき交互に放出されてもよい。これは、例えば第１のレーザービームおよび第２のレーザービームが共通のレーザから生成されるときにあり得ることである。

少なくとも第１のビームおよび第２のビームの（例えば装置の近傍の対象からの）反射、例えば後方散乱は、筐体の中の単一の検出器によって検出され得る。任意選択で、複数の検出器が用意される。例えば、この装置は、任意選択で、少なくとも第１のレーザービームおよび第２のレーザービームのそれぞれについて、レーザービームの後方散乱を検出するように構成された少なくとも１つの関連する検出器を備える。任意選択で、少なくとも１つの検出器は、例えば共通の回転軸のまわりを回転するように構成されてよい。したがって、少なくとも１つの検出器は、少なくとも第１のビームおよび／または第２のビームが共通の軸のまわりを回転するのと同一の速度で、共通の回転軸のまわりを回転するように構成され得る。例えば、筐体が回転する実施形態では、少なくとも１つの検出器を筐体とともに回転するように構成してよい。したがって、この少なくとも１つの検出器が、筐体に対して回転固定されてよい。この少なくとも１つの検出器は、筐体に対して固定され得る。

少なくとも第１のビームおよび第２のビームのうち少なくとも１つが、少なくとも１つの共通の軸のまわりで回転するとき、共通の回転軸に対して安定した、すなわち一定の角度で投射され得る。任意選択で、少なくとも第１のビームおよび第２のビームの両方が、共通の回転軸のまわりで回転するとき、共通の回転軸に対して安定した、すなわち一定の角度で投射され得る。

好ましくは、少なくとも第１のビームおよび第２のビームのうち少なくとも１つの断面積は、その全長に沿って実質的に一定である。好ましくは、少なくとも第１のビームおよび第２のビームの断面積は、それらの全長に沿って実質的に一定である。換言すれば、好ましくは、少なくとも第１のビームおよび第２のビームのうち少なくとも１つは、その全長に沿って発散または収束することがない。好ましくは、少なくとも第１のビームおよび第２のビームは、それらの全長に沿って発散または収束することがない。

理解されるように、例えば少なくとも１つの第３のビームといった、少なくとも１つの追加のビームが、筐体から放出され得る。理解されるように、少なくとも第１のレーザービームおよび第２のレーザービームに関連する上記および以下の記述は、あらゆる追加のレーザービームにも当てはまる。例えば、少なくとも１つの追加のビームのうち少なくとも１つは、例えば共通の回転軸のまわりを回転するように構成されてよい。少なくとも１つの追加のビームのうち少なくとも１つは、その経路が平面内にとどまるように、共通の軸のまわりを回転するように構成され得る。任意選択で、少なくとも１つの追加のビームのうち少なくとも１つは、回転軸のまわりを移動するとき、共通の回転軸のまわりを、その経路も円錐状になるように回転することができるように構成され得る。

理解されるように、この装置には多くの適切な用途がある。例えば、この装置は、少なくとも１つの対象を検出する、および／または測定するのに使用され得る。具体的には、この装置は、少なくとも１つの対象と装置、特に筐体との間の距離を求めるのに使用することができる。例えば、この装置は、装置が配置された周囲を測定するように構成されてよい。例えば、この装置は、装置が配置された周囲のコンピュータで生成される３次元（３Ｄ）トポグラフィモデルを生成するのに使用され得る。したがって、この装置は、少なくとも１つの対象への距離を求めるために、検出された反射ビームを処理するように構成された少なくとも１つのプロセッサデバイス（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｄｅｖｉｃｅ）を備えてよい。プロセッサは、レーザービームが、少なくとも１つの対象に到達し、次いで反射されて再び検出器に戻るのにかかる時間を求めるように構成されてよい。したがって、この装置は、飛行時間型レーザ走査装置として一般に知られているものであり得る。少なくとも第１のビームおよび第２のビームは、連続的な一連のレーザーパルスを含み得る。この場合、この装置は、後方散乱されたパルスが筐体の中の少なくとも１つの検出器によって検出されるのにかかる時間を求めるように構成されてよい。したがって、この装置は、パルス式の飛行時間型レーザ走査装置として一般に知られているものであり得る。本発明とともに用いるのに適切なレーザには、紫外線から赤外線の範囲のレーザービームを放出するものが含まれる。例えば、少なくとも第１のレーザービームおよび第２のレーザービームを生成するためのレーザー（複数可）は、赤外線光、例えば近赤外領域、または短波長の赤外領域（例えば８５０ｎｍから１５５０ｎｍの範囲）の光を放出してよい。

この装置は、測定点のクラウドを生成するために、筐体と少なくとも１つの対象の間の距離の一連の測定値を、それぞれの測定値について、レーザービームの放出位置および方向に関する情報とともに用いるように構成されてよい。したがって、測定点のクラウドは、筐体が配置されている周囲のトポグラフィを表すことができる。例えばプロセッサといった装置は、少なくとも第１のビームおよび第２のビームのそれぞれの後方散乱の検出から得られた測定データを互いに結合するように構成されてよい。

理解されるように、この装置は、筐体（および例えば共通の回転軸）の位置を、少なくとも１つの次元で、好ましくは直交する少なくとも２つの次元で、より好ましくは直交する少なくとも３つの次元で求めることを可能にするために位置計測器を備えることができる。例えば、筐体は、三角測量によって筐体（および例えば共通の回転軸）の位置を求めるこができる三角測量の測位システムユニットを備えることができる。これは局所システムであり得て、例えば筐体との間で少なくとも３つの三角測量信号を送受する少なくとも３つの送信器／受信器ユニットが、筐体の近傍に配置されてよい。三角測量システムは、局地的システムであり得て、グローバルシステムでさえあり得る。例えば、筐体は、全地球測位システム（ＧＰＳ）ユニットなどを使用可能にするように衛星から信号を受け取る衛星測位システムユニットを備えてよい。位置計測器は、例えば運動センサ、慣性センサ、加速度計、ジャイロスコープ、高度計なども含むことができる。

この装置は、少なくとも１つの軸のまわりの、より好ましくは少なくとも２つの直交軸のまわりの、特に好ましくは少なくとも３つの直交軸のまわりの、筐体（および例えば共通の回転軸）の回転方向を求めるにするために、方位計測器を備えることができる。例えば、筐体は、コンパス、少なくとも１つの加速度計、少なくとも１つの傾斜計、および／または少なくとも１つのジャイロスコープを備えてよい。もちろん、筐体（および例えば共通の回転軸）の位置を求めるために、このような計測器も使用してよく、またはこのような計測器を代わりに使用してよい。筐体は、慣性計測ユニットを備えてよい。

したがって、この装置は、少なくとも第１のレーザービームおよび第２のレーザービームの放出の位置および／または方向を、任意の特定の瞬間において求めることができるように、このような計測器を備えることができる。さらに、例えば筐体といった装置は、少なくとも１つの回転エンコーダを備えてよい。回転エンコーダは、共通の回転軸のまわりのビームの回転位置を任意の瞬間において求めるのに使用され得る。

少なくとも第１のレーザービームおよび第２のレーザービームのそれぞれが、共通の軸受けのまわりを回転するように構成され得る。少なくとも第１のレーザービームおよび第２のレーザービームのそれぞれが、軸のまわりで回転する共通の回転デバイスにより、共通の回転軸のまわりで回転され得る。例えば、少なくとも第１のレーザービームおよび第２のレーザービームの生成部品（例えば第１のレーザおよび第２のレーザ、または第１のビームおよび第２のビームスプリッタ）が、回転軸のまわりで回転するように構成された共通の回転ユニットに実装されてよい。例えば、筐体が回転する実施形態では、共通の回転ユニットは筐体であり得る。

本発明により、少なくとも第１のビームおよび第２のビームが筐体から放出される筐体を備えたビーム走査装置を使用する、改善された走査の方法も提供され、この方法は、少なくとも第１のビームおよび第２のビームを共通の軸のまわりで回転させるステップを含む。例えば、この方法は、少なくとも第１のビームおよび第２のビームを、共通の軸のまわりで、それぞれのビームが別々の経路を描き、ビームのうち少なくとも１つが、共通の軸のまわりを回転するとき円錐形の経路を描くように回転させるステップを含んでよい。

本発明の第２の態様によれば、少なくとも第１のビームおよび第２のビームが筐体から（例えば別々の方向に）放出される筐体を備えたレーザ走査装置を使用する走査の方法が提供され、この方法は、少なくとも第１のビームおよび第２のビームを、共通の軸のまわりで、それぞれが別々の経路を描くように回転させるステップを含む。ビームのうち少なくとも１つは、それが共通の軸のまわりを回転するとき円錐形の経路を描くことができる。

理解されるように、本発明の装置に関連して上記で説明された特徴は、本発明のこの方法にも適用可能であるが、簡潔さのためにここでは繰り返さない。例えば、この方法は、少なくとも第１のビームおよび第２のビームを、共通の軸のまわりで、それぞれが別々の円錐形の経路を描くように回転させるステップを含むことができる。この方法は、少なくとも第１のビームおよび第２のビームが共通の軸のまわりで回転するように筐体を回転させるステップを含むことができる。第１および第２の円錐形の経路は、反対方向を向くことができる。

この方法は、筐体を、回転軸と平行な方向に直線的に移動させるステップをさらに含むことができる。レーザービームの少なくとも１つが、前方または後方に向かう円錐を描くことができ、例えば、円錐の中心線は、実質的に平行に延在することができ、例えば共通の回転軸と実質的に一致することができる。第１のレーザービームおよび第２のレーザービームのそれぞれが、軸のまわりを回転するとき円錐を描く実施形態では、第１のレーザービームおよび第２のレーザービームのうち一方が前向きの円錐を描くことができ、他方が後向きの円錐を描くことができる。任意選択で、レーザービームの少なくとも１つが、横向きの円錐を描くことができ、例えば、この円錐の中心線は、共通の回転軸に対して実質的に垂直に延在することができる。

本発明の装置に関連して詳述されたように、本発明のこの方法は、多くの適切な用途に用いることができる。例えば、この方法は、この装置を使用して、少なくとも１つの対象の存在／不在を判断するステップ、および／または少なくとも１つの対象を測定するステップを含むことができる。この方法は、この装置を使用して筐体（例えば共通の回転軸）と少なくとも１つの対象の間の距離の一連の測定値を得るステップを含むことができる。この方法は、この一連の測定値を用いて測定点のクラウドを生成するステップを含むことができる。測定点のクラウドは、筐体が配置された周囲のトポグラフィを表し得る。本発明の装置に関連して上記で詳述されたように、これは、少なくとも１つのレーザービームの放出の位置および方向に関するデータを用いることを伴い得る。この方法は、少なくとも第１のビームおよび第２のビームのそれぞれの後方散乱の検出から得られた測定データを互いに結合するステップを含むことができる。

本発明の第３の態様によれば、対象を通り過ぎてレーザ走査装置を移動させるステップを含む、対象を走査する方法が提供され、レーザ走査装置は、レーザ走査装置が対象を通り過ぎるとき、その進行方向に対して前方および後方の両方に延在するように、進行方向に対して角度をつけて少なくとも１つのレーザービームを投射する。

少なくとも１つのレーザービームをこのように配向すると、進行方向に対して垂直に延在するビームとは対照的に、レーザー走査装置が対象を通り過ぎるとき対象に関して得ることができるデータの量が増加する。例えば、この方法により、レーザー走査装置の移動が平面内に含まれて例えば対象を直線で通過したとしても、レーザー走査装置に面する対象の側面を走査するばかりでなく、対象の前面および後面も確実に走査することができる。

理解されるように、少なくとも１つのレーザービームは、運動の方向に対して、ある角度で、具体的には非垂直の角度で投射される。レーザ走査装置は、少なくとも２つのビームを、前方に１つ、後方に１つ投射してよい。少なくとも１つのビームは、扇形ビームであり得る。扇形ビームは、装置から離れて発散するビームによってもたらされ得る。任意選択で、扇形ビームは、断面の寸法がその全長に沿って一定の、平面内で振動するビームによってもたらされてよい。この少なくとも１つのビームは、その全長に沿って一定の断面の寸法を有し得る。この少なくとも１つのレーザービームは、軸のまわりを回転してよい。この少なくとも１つのレーザービームは、回転軸に対して、回転軸のまわりで回転するとき円錐を描く角度（例えば非垂直の角度）に配置されてよい。この少なくとも１つのレーザービームは、少なくとも１つの共通の軸のまわりを回転するとき、共通の回転軸に対して安定した、すなわち一定の角度で投射され得る。任意選択で、この少なくとも１つのレーザービームは、回転軸のまわりを回転するとき、これが描く円錐の中心線が、進行方向と平行になるように構成されてよい。この少なくとも１つのレーザービームは、回転軸のまわりを回転するとき、これが描く円錐の中心線が進行方向に対してある角度を成し、例えば進行方向に対して実質的に垂直になるように構成されてよい。

理解されるように、少なくとも１つの第２のレーザービームが、運動の方向に対して、ある角度で、具体的には非垂直の角度で投射され得る。任意選択で、少なくとも１つの第２のレーザービームは、回転軸のまわりを回転するとき円錐を描くように、回転軸に対して角を成すことができる。任意選択で、この少なくとも１つの第２のレーザービームは、回転軸のまわりを回転するとき、これが描く円錐の中心線が、進行方向と平行になるように構成されてよい。任意選択で、この少なくとも１つのレーザービームは、回転軸のまわりを回転するとき、これが描く円錐の中心線が、進行方向に対して角を成すようにさらに構成されてよい。この少なくとも１つのレーザービームは、回転軸のまわりを回転するとき、これが描く円錐の中心線が進行方向に対してある角度を成し、例えば進行方向に対して実質的に垂直になるように構成されてよい。

理解されるように、この装置および本発明の他の方法に関連して上記で説明された特徴は、本発明のこの方法にも適用可能であるが、簡潔さのためにここでは繰り返さない。

本出願は、斬新な円錐走査のレーザーシステムおよびその利用方法も説明する。「円錐走査」は、レーザー走査システムを動作させる方法を指すために本明細書で用いられる用語であり、これによって、レーザーは、筐体がその回転軸のまわりを移動するとき、回転する筐体の中でレーザービームの経路が円錐を形成するような角度に配置される。このシステムは、必ずしも傾斜機構を含んでおらず、それによって、その設計が簡単になり、可動部品の数が低減される。本明細書で説明される円錐走査のレーザーシステムおよび方法により、ユーザは、レーザ測定を行なうこと、例えば対象またはトポグラフィを３次元で検出して描写することが可能になる。

本明細書で用いられる用語「レーザーシステム」は、産業界では、一般に用語ＬｉＤＡＲ（光による検知と測距）によっても参照される。本発明によるシステムおよび方法では、円錐走査角の測定値は、光学エンコーダまたは放出および戻りがレーザーパルスによって起動される回転角を測定する他の類似の手段を使用して求められる。収集された円錐走査のレーザおよび角度のデータは、レーザーポイントのクラウドの３Ｄ座標を求めるために、ナビゲーションおよび姿勢のデータと一緒に記録されて時間タグを付けられ、レーザーポイントのクラウドは、３Ｄ画像またはマップを生成するように（リアルタイムで、または後処理によって）処理される。

本出願は、ａ）回転軸のまわりを移動する筐体と、ｂ）筐体がその回転軸のまわりを移動するとき、筐体の中で、そのレーザービームの経路が円錐状になるような角度に配置されたレーザとを備える円錐走査のレーザーシステムを説明する。例えば、本発明の一実施形態は、回転する筐体およびレーザを備える円錐走査のレーザーシステムであり、レーザは、筐体がその回転軸のまわりを移動するとき、レーザービームがある角度で伝送され、レーザービームの経路が円錐を形成するように、筐体の中に配置される。筐体の内部のレーザの位置は、固定されてよく、あるいは筐体の内部のレーザの位置は、レーザが様々な角度で伝送され得るように可変でもよい。

本発明の別の実施形態は、回転する筐体内に保持された２つ以上のレーザを備える円錐走査のレーザーシステムである。レーザのうち少なくとも１つは、ある角度で伝送されるように配置される。筐体が回転するとき、角を成すレーザービームの経路は円錐状になる。このような円錐走査のレーザーデバイスは、多数の様々な構成を有することができる。例えば、円錐走査のレーザーシステムは、回転筐体のデバイスの中に保持された３つのレーザを備えてよく、第１のレーザは上向きの角度に配置され、第２のレーザは水平の角度に配置され、第３のレーザは下向きの角度に配置されている。別の実例では、別々の角度で配置された２つ以上のレーザが、回転する筐体の中に保持されており、オペレータは、筐体がその回転軸のまわりを移動するとき、任意の、またはすべての角を成す１つまたは複数のレーザを走査させるように選択することができる。

本発明による円錐走査のレーザーシステムは、据置き型システムまたは可動システムの一部分であり得る。例えば、本発明の一実施形態は、対象またはトポグラフィを３次元で検出して描写するのに固定位置から動作する円錐走査のレーザーシステムである。この円錐走査のレーザーシステムは、固定位置で回転する筐体およびレーザを備え、レーザは、筐体がその回転軸のまわりを移動するとき、レーザービームがある角度で伝送され、レーザービームの経路が円錐を形成するように、筐体の中に配置される。

別の実例では、本発明による円錐走査のレーザーシステムは、回転またはパニングの機構に取り付けられてよい。例えば、この円錐走査のレーザーシステムは、三脚の頂部の回転するパンに取り付けられてよい。この円錐走査のレーザーシステムは、筐体がその回転軸のまわりで移動しながらレーザが回転するとき、パニング機構上でさらに回転してよい。

本発明による円錐走査のレーザーシステムのさらなる好ましい実施形態は、ＣＡＬ−Ｓシステムを改善する、または補完し得る走査システムである。Ｃ−ＡＬＳには多くの利点があるが、不規則な形の洞穴表面に対処する際の潜在的欠点もあり、レーザ走査システムに盲点が生じる可能性がある。さらに、Ｃ−ＡＬＳは、空洞に近づくには、伸縮ブームにより、遠距離にわたって、または扱いにくい角度で下降され、レーザーヘッドが動けなくなる可能性がある。可動部品がより少なく、軽量で、耐水性に優れ、より軽くてより頑健なレーザーヘッドを有する、より簡単なシステムを得ることも有利であろう。

本発明による円錐走査のレーザーシステムは、例えば、地下空洞に下降されるブームの終端に取り付けられた円錐走査のレーザーデバイスである。この円錐走査のレーザーシステムは、空洞のトポグラフィを求めて空洞の３Ｄマップを作成するように動作する。好ましくは、この実施形態による円錐走査のレーザーシステムは、空洞の全体にわたって不規則な形状の表面を含むデータを取得するために、筐体の内部で様々な角度に配置された複数のレーザを有する。

本発明の別の実施形態としては、対象またはトポグラフィを３次元で検出して描写する可動円錐走査のレーザーシステムがある。可動レーザー走査システムの特定の実例には、車両の経路の障害を検出する、車両に取り付けられた円錐走査のレーザーシステムがある。本発明の状況では、移動する乗り物は、飛行機、ヘリコプタ、自動車、オートバイ、軍用の車両またはボートを含むがこれらに限定されない、任意の陸、海または空の乗り物であり得る。好ましい実施形態では、円錐走査のレーザーシステムは、可能な着陸地を求めるためにデータを集めるように、乗り物に取り付けられている。別の実例には、移動する車両に付けられた可動円錐走査のレーザーシステムがあり、円錐走査システムは、対象およびトポグラフィに関する情報を３次元で集める。

円錐走査のレーザーデバイスまたはシステムに関する実施形態に加えて、本発明は、円錐走査の動作を行なう方法をさらに対象とする。例えば、好ましい実施形態には、本発明による円錐走査のレーザーシステムで対象またはトポグラフィを走査することにより、対象またはトポグラフィを３次元で描写する方法がある。

別の好ましい実施形態には、移動する車両の付近の領域を円錐走査のレーザーシステムで走査することにより、移動する車両の経路の障害を検出する方法がある。

さらなる好ましい実施形態には、ヘリコプタの適切な着地エリアを見つける方法があり、この方法は、ヘリコプタに取り付けられた円錐走査のレーザーシステムを動作させるステップを含み、ヘリコプタの下の、付近の着地エリアが、対象およびトポグラフィを検出して適切な着地エリアを求めるために、円錐走査される。

別の好ましい実施形態には、物質または有害物質を含んでいる可能性がある領域を、本発明による円錐走査のレーザーシステムで走査することにより、物質または有害物質の存在またはボリュームを検出する方法がある。

本発明による、任意の据置きまたは可動の円錐走査のレーザーシステムまたは方法から集められた情報は、位置情報、地図、地形データ、体積測定値、他のナビゲーションまたは道路案内を準備する、または提供するのにさらに用いられてよい。この情報は、建屋、構造体、地勢、地形、地理形成、水路、天然資源または他の対象の画像も提供し得る。この情報は、交通パターン、天候条件、境界、障害物、道路の事情または出来事を識別するのにさらに用いられてよい。この情報は、動いている対象、武器、車両、人、または動物の存在、接近または後退を識別するのにも用いられてよい。

本発明による据置きまたは可動のレーザ走査システムまたは方法の別の好ましい実施形態には、既存のレーザ走査システムに対して、より正確、高速、高信頼性、軽量、経済的、頑健および／または防水性のある円錐走査のレーザーシステムを提供することがある。好ましくは、この円錐走査のレーザーシステムは、例えばレーザ筐体については、より回転角の小さいものを用いて、より簡単な設計を有する。

次に、本発明の実施形態を、添付図面を参照しながら単なる実例として説明する。
単一のレーザを有する円錐走査のレーザーシステムの一実施形態の図である。回転軸に対して様々な角度に配置された複数のレーザを有する本発明によるレーザ走査システムの好ましい実施形態の図である。回転軸に対して上向き、水平および下向きといった角度に配置された３つのレーザを有する本発明によるレーザ走査システムの別の好ましい実施形態の図である。ロッドに取り付けられ、ボアホールを通って空洞に下降された、本発明による図３のレーザ走査システムの図である。この円錐走査のレーザーデバイスは、一旦空洞に入ると、空洞の円錐走査を遂行して空洞トポグラフィの３次元の画像を得る。筐体は、円錐走査中に、その回転軸のまわりを移動しながら空洞の下方へ下降される。実装されているセンサ（ナビゲーションシステム）は、レーザの、出発点に対するピッチ、ロールおよびヨーを監視して補正する。この図面は、３つの円錐走査のレーザの経路およびそれぞれのレーザによって走査された空洞の全領域のスナップショットを示す。本発明による可動円錐走査のレーザーシステムの好ましい実施形態の側面図である。円錐走査のレーザーシステムが、空気中に懸垂されたケーブルを検出する、ヘリコプタ上の本発明による可動レーザ走査システムの図である。航空機上の従来技術による通常のラインスキャナの図である。航空機上の本発明によるレーザ走査システムの図である。航空機上の、レーザを導くのに可変円錐角機構が使用され得る、本発明によるレーザ走査システムの図である。ヘリコプタ上の、様々な角度で使用される複数の円錐走査のレーザを有する本発明によるレーザ走査システムの図である。パニング範囲が３６０度の回転機構を有する三脚上に取り付けられた本発明によるレーザ走査システムの図である。２つのレーザが１つの回転軸のまわりで回転する、本発明によるマルチレーザーの円錐走査のレーザーシステムの図である。本発明によるマルチヘッドでマルチレーザーの円錐走査システムの図である。自動車に取り付けられた本発明によるマルチヘッドでマルチレーザーの円錐走査システムの図である。用意された１つのレーザから２つのレーザービームが生成されて筐体から放出される本発明による装置の図である。用意された１つのレーザ源から２つのレーザービームが生成されて筐体から放出され、筐体から放出された両ビームの後方散乱を検出するために検出器が１つ用意されている本発明による装置の図である。

本発明には、様々な変更形態および代替形態があり得るが、図面には特定の実施形態が実例として示されており、本明細書で詳細に説明されることになろう。しかし、本発明が開示された特定の形態に限定されるようには意図されていないことを理解されたい。むしろ、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨および範囲の中に入るすべての変更形態、等価物および代替形態を含むように意図されている。

斬新な円錐走査のレーザーシステムおよびその使用方法が提供される。「円錐走査」は、レーザ走査システムを動作させる方法を指すために本明細書で用いられる用語であり、これにより、いくつかの実施形態によって説明されるように、レーザは、（例えば）筐体がその回転軸のまわりを移動するとき、回転する筐体の中でレーザービームの経路が円錐を形成するような角度に配置される。このシステムは、必ずしも傾斜機構を含んでおらず、それによって、その設計が簡単になり、可動部品の数が低減される。本明細書で説明される円錐走査のレーザーシステムおよび方法により、ユーザは、レーザ測定を行なうこと、例えば対象またはトポグラフィを３次元で検出して描写することが可能になる。

本明細書で用いられる用語「レーザ走査システム」は、産業界では、一般に用語ＬｉＤＡＲ（光による検知と測距）によっても参照される。本発明によるシステムおよび方法の例示の実施形態では、円錐走査角の測定値は、光学エンコーダまたは放出および戻りがレーザーパルスによって起動される回転角を測定する他の類似の手段を使用して求められる。収集された円錐走査のレーザおよび角度のデータは、レーザーポイントのクラウドの３Ｄ座標を求めるために、ナビゲーションおよび姿勢のデータと一緒に記録して時間タグを付けられ得て、レーザーポイントのクラウドは、３Ｄ画像またはマップを生成するように（リアルタイムで、または後処理によって）処理される。

円錐走査のレーザーシステムの基本ユニットが図１に示されている。本明細書では回転軸とも称される軸２のまわりで回転することができる筐体ユニット１が設けられる。レーザ３は、筐体の中で、レーザービーム４の経路が円錐状になるような角度に配置されている。筐体１の内部のレーザ３の位置は、固定でも可変でもよい。可変レーザの場合には、レーザ３の位置は、レーザービーム５の角度を増減することができるように調節され得る。走査中に、筐体１の運動は、軸２のまわりの回転に限定される。換言すれば、この円錐走査のレーザーシステムは、傾斜機構を利用しない。傾斜機構を無くすことにより、円錐走査のレーザーシステムは、より簡単で、より頑健な設計になる。

本発明の別の実施形態は、回転する筐体内に保持された２つ以上のレーザを備える円錐走査のレーザーシステムである。レーザのうち少なくとも１つは、ある角度で伝送されるように配置される。筐体が回転するとき、角を成すレーザービームの経路は円錐状になる。このような円錐走査のレーザーデバイスは、多数の様々な構成を有することができる。マルチレーザーの円錐走査システムの実施形態が、図２に示されている。軸２のまわりで回転することができる筐体１の内部には、４つのレーザ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄが別々の位置に保持されている。レーザ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄが、それぞれレーザービーム４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄを、回転軸２に対して別々の角度αＡ、αＢ、αＣおよびαＤで投射する。レーザービーム４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄは、筐体が軸２のまわりで回転するとき、それぞれ別々の円錐形の経路を（空間に）描く。レーザービームのそれぞれが、筐体の回転によって回転し、したがって、すべてが、同一の回転軸のまわりを、すなわち共通の回転軸のまわりを回転する。レーザは同時に動作してよく、または、オペレータが、特定の時間に動作させる１つまたは複数のレーザを選択することができてよい。筐体の中のセンサは、円錐走査のレーザーシステムの近傍の対象によるレーザービーム４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄの後方散乱を検出する。各レーザービームについて、１つまたは複数のプロセッサは、レーザービームが対象で反射されて検出器へ戻る時間を求めることにより、対象への距離を計算することができる。これは、レーザービームが回転軸のまわりで走査されるとき連続的に行なわれる。いくつかの実施形態では、プロセッサは、レーザービームのすべてによって得られた測定データをすべて照合して、それらを互いに結合することができる。このデータは、レーザービームの放出の位置および方向に関する情報（例えば、筐体の中の位置および方向の計測器ならびに筐体の回転における角度方向を監視するロータリーエンコーダーからのもの）とともに、プロセッサが測定データポイントのクラウドを生成することを可能にし、このクラウドは、円錐走査のレーザーシステムの周囲のトポグラフィを表す。

本発明による、複数のレーザを有する円錐走査のレーザーシステムの別の実例が、図３に示されている。軸２のまわりで回転することができる筐体１の内部には、３つのレーザ３Ａ、３Ｂ、３Ｃが別々の位置に保持されている。レーザ３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、それぞれレーザービーム４Ａ、４Ｂ、４Ｃを別々の角度αＡ、αＢ、αＣで投射する。レーザは同時に動作してよく、または、オペレータが、特定の時間に動作させる１つまたは複数のレーザを選択することができてよい。図３では、回転の縦軸２に対して、第１のレーザ３Ａが上向きの角度αＡに配置され、第２のレーザ３Ｂが水平の角度αＢに配置され、第３のレーザ３Ｃが下向きの角度αＣに配置されている。好ましい実施形態では、回転の縦軸に対して、上向きの角度は約４５度であり、水平の角度は約９０度であり、下向きの角度は約１３０度である。したがって、筐体が軸２のまわりで回転するとき、レーザービーム３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、それぞれが別々の円錐形の経路を（空間に）描く。レーザービームのそれぞれが、筐体の回転によって回転し、したがって、すべてが、同一の回転軸のまわりを、すなわち共通の回転軸のまわりを回転する。図２に示された実施形態と同様に、筐体の中のセンサは、円錐走査のレーザーシステムの近傍の対象によるレーザービーム４Ａ、４Ｂ、４Ｃの後方散乱を検出し、このセンサからのデータは、円錐走査のレーザーシステムの周囲のトポグラフィを表す測定データポイントのクラウドを構築するのに用いられ得る。理解されるように、代替的実施形態では、レーザービーム４Ａ、４Ｂ、４Ｃのそれぞれが、回転軸のまわりを移動するとき、それぞれ１つの平面で回転するように、回転軸に対して垂直な角度で放出されてよい。

図４は、動作において地下空洞９のトポグラフィを検出して描写する、図３の円錐走査のレーザーシステムを示す。円錐走査のレーザーデバイス１０は、ブーム１１の終端に取り付けられ、ブーム１１はボアホール１２を通って地下空洞９に下降される。円錐走査のレーザーシステム１０は、開始位置１３から終端位置１４に下降されるとき、空洞９のトポグラフィを求めて空洞の３Ｄマップを作成するように動作する。３つのレーザ３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、筐体１の内部のそれらの角を成す位置に基づいて、その動作において、空洞の別々の部分を走査することができる。上部のレーザ３Ａは、上向きの角度（縦軸２からおおよそ４５度）で固定されており、そのレーザービーム４Ａの経路は、特に円錐走査のレーザーデバイスが空洞１４の底面に配置されたとき空洞６の頂部においてその領域を走査することができる円錐を形成する。中央のレーザ３Ｂは、回転する筐体１の軸２に対して垂直な角度（縦軸２からおおよそ９０度）で固定されており、そのレーザービーム４Ｂの経路が、空洞７の壁に沿った領域を走査することができる。下側のレーザ３Ｃは、下向きの角度（縦軸２からおおよそ１３５度）で固定されており、特に円錐走査のレーザーシステムが空洞１３の頂部に配置されたとき、そのレーザービーム４Ｃの経路が、空洞８の底面においてその領域を走査することができる円錐を形成する。３つの円錐走査のレーザ３Ａ、３Ｂ、３Ｃを使用することにより、優れた走査能力がもたらされ、走査システムに対する盲点が実質的に除去される。筐体は、１つまたは複数のＩＲイルミネータ１５および１つまたは複数のカメラ１６も含んでよい。筐体は、筐体１を回転させるための電動部組立体をさらに含む。

さらに、筐体が軸２のまわりを回転するのみで、その軸に対して旋回しない（すなわち傾斜機構はない）ので、ＣＡＬ−Ｓシステムなどのシステムより可動部品がより少ない。この円錐走査システムは、また、より軽く、より効率的で、より防水性があり、より頑健であり、より簡単な設計のために作製するのがより経済的である。この円錐走査システムがより軽いので、空洞にレーザーヘッドを下降するための機構は、例えばカーボン竿を使用することによってより軽くすることができ、したがって、任意の角度で空隙に下降する、または押し進めるのに適切である。ナビゲーションシステムは、Ｃ−ＡＬＳまたは当業者に既知のその他のこのようなシステム用に使用されるものと同一のナビゲーションシステムであり得る。ナビゲーションシステムは、レーザーヘッド１０が一旦空隙９に入ると、下降するロッドの何らかの曲がりまたは撓みを補償するために、方向、ピッチおよびロールを測定するべきである。

本発明の別の実施形態としては、対象またはトポグラフィを３次元で検出して描写する可動円錐走査のレーザーシステムがある。可動レーザ走査システムの特定の実例には、陸、海、または空の乗り物に取り付けられた円錐走査のレーザーシステムがある。本発明の状況では、移動する乗り物は、飛行機、ヘリコプタ、自動車、オートバイ、軍用の車両またはボートを含むがこれらに限定されない、任意の陸、海または空の乗り物であり得る。例えば、図５は、方向１７Ａに走行している自動車１７と、回転する筐体を有する円錐走査のレーザーシステム１０とを示す。対象２０は、可変ライン走査を生成する円錐の両側によって掃引される。表面はすべて、それぞれの通過において、２つの方向から、すなわち円錐１８の前縁から、また円錐１９の後縁から走査される。

本発明による可動円錐走査のレーザーシステムは、図６に示されるような好ましい実施形態においても使用されてよい。ヘリコプタ２１の本体の前面には、円錐走査のレーザーシステム１０が取り付けられている。レーザ走査システムから放出されたレーザービームの円錐状の経路が、空中２２に懸垂されたケーブルなどの障害物を検出することができる。低空飛行のヘリコプタ２１が位置Ａから位置Ｂまで移動してケーブル２２に近づくとき、それぞれの走査について２つの信号が受信され、円錐走査のそれぞれの側４Ａおよび４Ｂから１つ受信される。接近によって円錐が狭まるので、対象は互いに徐々に近づく。これにより、ランダム雑音とは全く異なって実際にケーブルがあるとパイロットに警告する。一連の点がパイロットのモニタに累進的に生成され、ケーブルをよけるための時間が与えられる。同時に、ケーブル２２への接近に対して地上プロファイルが生成され、縦方向の間隔および最低地上高の指標を示す。

本発明による円錐走査のレーザーシステムとは対照的に、従来型の航空機ラインスキャナが調査するのは、図７に示されるように直線状の／下向きのスワース（ｓｗａｔｈ）のみである。非円錐形のより低いビーム経路４からデータを得るには、２つ以上の通過が必要とされることになる。

図８に示されるような本発明による円錐走査のレーザーシステムは、航空機２１が位置２３から２４に移動するとき、円錐走査２５Ａの前縁が、垂直の側面を含む対象の物体３０をポイント２７からポイント２９まで調査し、後縁２６Ｂが、垂直の側面を含む対象の物体３０をポイント２９からポイント２８まで調査することを示す。

図９に示される本発明による別の実施形態では、航空機２１は、円錐角が可変の円錐走査のレーザーシステム１０を有する。円錐角５Ａ、５Ｂ、５Ｃを変化させることにより、円錐形のレーザ経路のサイズが４Ａ、４Ｂ、４Ｃと変化し、領域の狭い、または広いスワースが対象として含まれ得る。可変円錐角機構は、航空機の高さが地形の波状起伏のために変化するときに、一定のスワースを維持するのに使用されてもよい。

図１０に示される別の実施形態では、航空機２１は、それぞれが別々の回転軸２を有する複数の円錐走査のレーザを有する円錐走査のレーザーシステム１０を含んでいる。円錐走査３２Ａ、３２Ｂおよび３２Ｃの経路により、横方向、前方、および下向きの円錐走査の能力がもたらされる。このような複数のレーザを用いる円錐走査により、急峻な斜面、電力線の経路を含む困難な地形の、効率的で、高速で、正確な走査が可能になり、ケーブルとの衝突を回避することができる。

別の実施形態では、本発明による円錐走査のレーザーシステムは、３６０度までパンすることができる回転機構を有する支持体上に取り付けることができる。例えば、図１１は、３６０度のパン範囲３６を有する回転機構３５を含んでいる三脚３４に取り付けられた円錐走査のレーザーシステム３３の図である。円錐走査のレーザーシステム３３には、レーザ２を含んで軸２のまわりで回転する筐体１がある。三脚３４上の回転機構３５がその軸のまわりを移動するとき、円錐走査のレーザーシステム３３はさらに移動する。

図１２は、２つのレーザが１つの回転軸のまわりで回転する、マルチレーザーの円錐走査のレーザーシステムの図である。このシステムは、レーザ走査システムが本発明によるマルチレーザーの円錐走査のレーザーシステムであることを除けば、ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＤｅｖｉｃｅｓ社によって作製されているＤｙｎａｓｃａｎＳｙｓｔｅｍに類似である。そのレーザーシステムは、回転軸２のまわりを移動する筐体１を含んでいる。筐体の内部には、別々の角度に配置された２つのレーザ３Ａおよび３Ｂが含まれており、これらは、筐体がその回転軸のまわりを移動するとき、円錐の形状４Ａおよび４Ｂの別々の角度でレーザービームを投射する。レーザービーム４Ａ、４Ｂは、どちらも筐体１の回転によって回転し、したがって、両方が、同一の回転軸のまわりを、すなわち共通の回転軸のまわりを回転する。

本発明による図１３のシステムは、３つの円錐走査のレーザーユニット１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃおよび３つの一体化されたカメラユニット３９Ａ、３９Ｂ、３９Ｃを含んでいることを除けば、図１２のものと非常によく似たシステムである。円錐走査のレーザーユニットが円錐形のレーザービーム経路４Ａ、４Ｂ、４Ｃを投射し、カメラは、別々の位置４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃにおいて画像を取得することができる。このシステムは、内部に、ＧＰＳアンテナ３７Ａ、３７Ｂ、ＲＴＫ無線アンテナ３８、およびジャイロスコープなどの慣性計測ユニットをさらに含む。円錐走査のレーザーシステムのために、走査平面が進行の垂直方向（ｎｏｒｍａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｒａｖｅｌ）に限定されないので、走査からもたらされる３Ｄ画像には顕著なオクルージョンまたはブラックエリアがない。

図１４は、地上車４１に取り付けられた図１３によるシステム（４２）の図である。

図１５は、本発明の別の代替的実施形態を示す。この実施形態では、円錐走査の装置１００は、レーザ源１０４を備える筐体１０２、第１のビームスプリッタ１０８、第２のビームスプリッタ１１０ならびに第１の検出器１１２および第２の検出器１１４を備える。第１のビームスプリッタ１０８および第２のビームスプリッタ１１０は、筐体の中の回転ユニット１１６に取り付けられ、回転ユニット１１６は、筐体の中で軸１１８のまわりを回転することができる。したがって、第１のビームスプリッタ１０８および第２のビームスプリッタ１１０は、回転ユニット１１６とともに回転する。さらに、第１の検出器１１２および第２の検出器１１４は、それぞれ第１のビームスプリッタ１０８および第２のビームスプリッタ１１０に固定されており、したがってこれらも回転ユニット１１６とともに回転する。使用においては、レーザ源１０４は、ビーム１０６を、回転ユニットの１１６の回転軸１１８に沿って第１のビームスプリッタ１０８の方へ放出し、第１のビームスプリッタ１０８から、ビーム１０６の一部分が第２のビームスプリッタ１１０の方に続いて、一部分は分割され、第１の測定ビーム１２０を生成し、第１の測定ビーム１２０は、第１の回転ユニットのウィンドウ１２４および第１の環状筐体のウィンドウ１２６を通り、回転軸１１８に対して垂直に筐体１０２を出る。図１５に示されるように、第２のビームスプリッタ１１０は、ビーム１０６の進路を変え、第２の測定ビーム１２２を生成し、第２の測定ビーム１２２は、第２の回転ユニットのウィンドウ１２８および第２の環状筐体のウィンドウ１３０を通り、回転軸１１８に対して非垂直の角度で筐体１０２を出る。第１の測定ビームの方向に沿って戻る、対象による第１の測定ビーム１２０の反射（例えば第１の測定ビームからの後方散乱光）は、第１の検出器１１２によって（破線１３２によって部分的に示されるように）検出され、第２の測定ビームの方向に沿って戻る、対象による第２の測定ビーム１２２の反射（例えば第２の測定ビームからの後方散乱光）は、第２の検出器１１４によって（破線１３４によって部分的に示されるように）検出される。検出器の出力は、光ビームの後方散乱の原因となった対象上のポイントへの飛行時間を求め、したがって対象からの検出器の距離を求めるのに用いられる。例えば、検出器の出力は、プロセッサデバイス（図示せず）に渡され、プロセッサ装置が対象への飛行時間および／または距離を計算する。使用においては、電動機（図示せず）が、回転ユニット１１６をその回転軸１１８のまわりで連続的に回転させ、したがって、第１の測定ビーム１２０は、平面内で回転軸１１８のまわりを回転し、第２の測定ビーム１２２は回転軸１１８のまわりを回転する。したがって、第１の測定ビーム１２０は、平面内で回転軸１１８のまわりを掃引し、第２の測定ビーム１２２は、回転軸１１８のまわりを円錐状に掃引する。したがって、理解されるように、第１のレーザービーム１２０および第２のレーザービーム１２２のそれぞれが、回転ユニット１１６の回転によって回転し、したがって、どちらも、同一の回転軸１１８のまわりを、すなわち共通の回転軸のまわりを回転する。

理解されるように、前述の実施形態は、第１の測定ビーム１２０および第２の測定ビーム１２２のそれぞれが、回転軸１１８のまわりで回転するとき円錐を描くように変更され得る。あるいは、前述の実施形態は、第１の測定ビーム１２０および第２の測定ビーム１２２のそれぞれが、回転軸１１８のまわりで回転するとき平面内で（例えば平行な平面内で）回転するように変更され得る。さらに、単一のレーザ源ならびに第１のビームスプリッタおよび第２のビームスプリッタの代わりに、回転ユニット１１６に取り付けられた第１のレーザ源および第２のレーザ源が（例えば、それらのビームの少なくとも１つ、任意選択でそれらのビームの少なくとも両方が、回転軸に対して非垂直の角度で発するように）使用されてよい。さらには、筐体から放出されたビームの経路を制御するのに、ミラー、ハーフミラー（ｈａｌｆ−ｓｉｌｉｖｅｒｅｄｍｉｒｒｏｒ）、プリズム、コーナキューブ（ｃｏｒｎｅｒｃｕｂｅ）、光電の結晶など、追加および／または代替の光学部品が使用されてよい。この円錐レーザ走査装置は、適切に配置されたレーザおよび／または光学部品により、筐体から３つ以上のレーザを放出するように構成され得ることも理解されよう。

図１５の実施形態では、筐体から放出されたそれぞれレーザービームに、対象からのビームの反射を検出するための対応する検出器がある。図１６を参照すると、筐体３０２から放出されたそれぞれのレーザービームに対して共有の検出器がある円錐レーザ走査装置３００の実施形態が示されている。具体的には、単一のレーザ源および検出器のユニット３０４と、回転可能な屈折の光学部品３０５と、筐体３０２の中で回転可能な回転ユニット３１０の内部に取り付け、固定された（プリズム形式の）第１のミラー３０６および第２のミラー３０８とが存在する。使用においては、レーザ源および検出器のユニット３０４は、ビーム３０７を屈折の光学部品３０５の方へ放出する。屈折の光学部品３０５は、ビームの方向を屈折させ、したがって変化させる。屈折の光学部品３０５は、電動機（図示せず）により、回転軸３１１のまわりで連続的に回転され、また、ビームを第１プリズムの３０６と第２のプリズム３０８の方へ交互に導くように構成されており、第１のプリズム３０６および第２のプリズム３０８が、それぞれ、筐体からのビームを、第１の回転ユニットのウィンドウ３１２および第２の回転ユニットのウィンドウ３１６ならびに第１の環状筐体のウィンドウ３１４および第２の環状筐体のウィンドウ３１８を通して導く。これらの状態のそれぞれにおけるビームの経路が、図１６のライン３２０およびライン３２２によって示されている。回転ユニット３１０は、電動機（図示せず）により、屈折の光学部品３０５の回転速度とは別の、例えばより遅い速度で回転軸３１１のまわりを回転する。したがって、結果として、交互に放出されるビーム３２０および３２２は、それぞれが回転ユニット３１０により、同一の回転軸３１１、すなわち共通の回転軸のまわりで第１の円錐形の経路および第２の円錐形の経路を描くように回転される。これらの光ビームは、円錐レーザ走査装置３００の近傍の１つまたは複数の対象によって反射され、同一の経路に沿って戻ることになり、このような後方散乱光はレーザ源および検出器のユニット３０４によって検出されることになる。レーザ源および検出器のユニット３０４は、第１の回転ユニットのウィンドウ３１２および第１の環状筐体のウィンドウ３１４を通る経路を通って放出されるビームからの後方散乱光が、第２の回転ユニットウィンドウ３１６および第２の環状筐体のウィンドウ３１８を通って放出されるビームからの後方散乱光と識別され得るように、回転する屈折の光学部品３０５と同期される。検出器の出力は、上記で説明されたのと同様に、例えば対象への距離を求めて、例えば走査されたボリュームの３Ｄトポグラフィマップを生成するのに用いることができる。図１６の装置は、他の前述の実施形態と同様に、第１の測定ビーム３２０および第２の測定ビーム３２２が、回転軸１１８のまわりで回転するとき、それぞれ平面内に（例えば平行な平面内に）含まれるように構成されてよい。

この実施形態では、これら円錐状の経路が反対方向に示されているが、必ずしもこうである必要はないことが理解されよう。例えば、これらは、図２に示されているものと同様に、同一の方向に向くが、別々の円錐状の経路をとってよい。

円錐走査のレーザーシステムに関する上記の実施形態に加えて、本発明は、任意の対象またはトポグラフィの情報および３Ｄ画像を得るために、円錐走査の動作を行なう多くの方法でさらに利用されてよい。

別の好ましい実施形態には、何らかの物質を含んでいる可能性がある領域を、本発明による円錐走査のレーザーシステムで走査することにより、この物質の存在またはボリュームを求める安全な方法がある。好ましい実施形態では、この物質は、有害物質、未知の物質、放射性物質、放射性廃棄物、可燃物、爆発物、化学的反応物質、規制薬物または流体の漏洩である。

本発明による円錐走査のレーザーシステムを、開口またはボアホールに挿入して、空洞の内容を識別し、かつ３Ｄ画像を得るように使用することにより、対象の物質を安全に調査することができる。好ましい実施形態では、開口またはボアホールを通る物質または物質の副産物の漏洩を防止するために、開口またはボアホールは最小限のサイズである。

本発明による、任意の据置きまたは可動の円錐走査のレーザーシステムまたは方法から集められた情報は、位置情報、地図、地形データ、体積測定値、他のナビゲーションまたは道路案内を準備する、または提供するのにさらに用いられてよい。この情報は、建屋、構造体、地勢、地形、地理形成、水路、天然資源または他の対象の画像も提供し得る。この情報は、交通パターン、境界、障害物、道路の事情または出来事を識別するのにさらに用いられてよい。この情報は、動いている対象、武器、車両、人、または動物の存在、接近または後退を識別するのにも用いられてよい。

本発明による据置きまたは可動の円錐走査のレーザ走査システムまたは方法の他の利点には、既存のレーザ走査システムに対して、より正確、高速、高信頼性、軽量、経済的、頑健および／または防水性のある円錐走査のレーザーシステムを提供し得ることが含まれる。好ましくは、この円錐走査のレーザーシステムは、より簡単な設計を有し、例えばレーザ筐体については、より回転角の小さいものがよい。

本明細書に開示され、特許請求される本発明の実施形態のすべてが、本開示の観点から、不適当な実験なしで作製され実行され得る。本発明の実施形態を、好ましい実施形態に関して説明してきたが、本発明の概念、趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書で説明された構成および／または方法に対して、ならびに、ステップまたはこの方法の一連のステップにおいて、変形形態を適用し得ることが当業者には明らかであろう。

Claims

少なくとも１つのレーザを備えている筐体を備えるレーザ走査装置であって、前記装置は、少なくとも第１のレーザービームおよび第２のレーザービームを筐体から放出するように構成されており、前記少なくとも第１のレーザービームおよび第２のレーザービームは、共通の回転軸のまわりで回転可能であることを特徴とするレーザ走査装置。
前記第１のレーザービームおよび第２のレーザービームの少なくとも１つは前記回転軸のまわりを移動するとき、その経路が円錐状になるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記少なくとも第１のレーザービームおよび第２のレーザービームを生成するための少なくとも第１のレーザおよび第２のレーザを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
前記少なくとも第１のレーザおよび第２のレーザは、共通の軸のまわりで回転するように構成されることを特徴とする請求項３に記載の装置。
前記少なくとも第１のレーザおよび第２のレーザは、互いに対して回転固定されることを特徴とする請求項４に記載の装置。
前記筐体は回転軸のまわりで回転可能であり、前記装置は、前記少なくとも第１のレーザービームおよび第２のレーザービームが前記筐体とともに回転するように構成されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の装置。
前記第１のレーザおよび第２のレーザのうち少なくとも１つは、前記筐体がその回転軸のまわりを移動するとき、前記筐体の中で、そのレーザービームの経路が円錐状になるような角度に配置されることを特徴とする請求項６に記載の装置。
前記第１のレーザービームは、前記回転軸のまわりを移動するとき、前記共通の回転軸のまわりを、その経路が円錐状になるように回転することができ、前記第２のレーザービームは、前記回転軸のまわりで移動するとき、前記共通の回転軸のまわりを、その経路が、前記第１のレーザービームのものとは異なる円錐状になるように回転することができることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の装置。
前記少なくとも第１のレーザおよび第２のレーザは、前記筐体がその回転軸のまわりを移動するとき、前記筐体の中で、それらのレーザービームの前記経路がそれぞれ円錐状になるような角度に配置されることを特徴とする請求項６に記載の装置。
前記少なくとも２つの円錐は反対方向を向くように構成されることを特徴とする請求項８または９に記載の装置。
筐体を備えるレーザ走査装置を使用する走査の方法であって、少なくとも第１のビームおよび第２のビームが筐体から放出され、
前記少なくとも第１のビームおよび第２のビームを、共通の軸のまわりで、それぞれが別々の経路を描くように回転させるステップを含むことを特徴とする方法。
前記方法は、前記少なくとも第１のビームおよび第２のビームのうち少なくとも１つを、それが前記共通の軸のまわりで回転するとき円錐状の経路を描くように回転させるステップを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
前記方法は、前記少なくとも第１のビームおよび第２のビームを、前記共通の軸のまわりで、それぞれが別々の円錐状の経路を描くように回転させるステップを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
前記方法は、前記少なくとも第１のビームおよび第２のビームが前記共通の軸のまわりで回転するように前記筐体を回転させるステップを含むことを特徴とする請求項１１から１３のいずれかに記載の方法。
前記第１の円錐状の経路と前記第２の円錐状の経路は反対方向を向くことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
前記筐体を前記回転軸に対して平行な方向に直線的に移動させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１１から１５のいずれかに記載の方法。
対象を通り過ぎてレーザ走査装置を移動させるステップを含む、対象を走査する方法であって、前記レーザ走査装置は、前記レーザ走査装置が前記対象を通り過ぎるとき、その進行方向に対して前方および後方の両方に延在するように、進行方向に対して角度をつけて少なくとも１つのレーザービームを投射することを特徴とする方法。