JP2019132662A

JP2019132662A - 三次元レーザー光走査装置

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Publication number: JP2019132662A
Application number: JP2018013899A
Authority: JP
Inventors: 幸男篠塚; Yukio Shinozuka; 正晴田島; Masaharu Tajima
Original assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Current assignee: Shinano Kenshi Co Ltd
Priority date: 2018-01-30
Filing date: 2018-01-30
Publication date: 2019-08-08
Anticipated expiration: 2038-01-30
Also published as: JP6709553B2

Abstract

【課題】レーザー光源からのビーム光を投射して、周囲環境から反射して戻る戻り光を受光して、測定対象物への距離、水平角度、垂直角度を測定し、周囲環境の三次元座標を求める三次元レーザー光走査装置での不要波長を除去する光学系を安価なものにして、装置の価格を安価にする。【解決手段】レーザー光源からのビーム光を反射して周囲に投射するミラー、受光した戻り光を受光センサに導く光学系のミラーの少なくとも一つを所望の波長帯域の反射率が高くなるように波長選択性の誘電体反射膜が形成されたミラーとする。【選択図】図１

Description

本発明は、三次元レーザー光走査装置に関する。

測定対象物にレーザー光を照射し、その反射光を受光して距離を測定するレーザー測距技術は、様々な分野で活用されている（例えば特許文献１、２）。特に、ファクトリーオートメーション（ＦＡ）の分野では従来から広く利用されており、さらに、最近では自動車の衝突安全回避用のレーザーレーダーが実用化され、さらなる需要の拡大が期待されている。

また、建設市場においても、ＩＣＴ施工（情報化施工）の普及が促進され、工事現場の施工前、施工後の三次元データの計測が必要になり、建設用途向け三次元レーザー光走査装置の需要が伸びている。三次元レーザー光走査装置は、また、土木建築・建設分野に限らずその活用は多岐にわたり、工場やプラント、文化財調査保存、製品検査、リバースエンジニアリング、犯罪・事故現場捜査解析、森林調査、農業、バーチャルリアリティー等、様々な分野で利用されている。

以下従来の三次元レーザー光走査装置を説明する。
三次元レーザー光走査装置は、ビーム光を出力するレーザー光源、測定対象物から反射されて戻る戻り光を受光する受光器を備える光学ユニット、ビーム光を周囲環境の測定対象物に投射する走査装置として、レーザー光源からのビーム光を水平軸回りに回転するミラーによって周囲環境に投射するミラー回転駆動機構、このミラー回転駆動機構および光学ユニットを垂直軸回りに回転させて、水平方向に走査させる水平回転機構を備えている。そして、光学ユニット内に、出射するビーム光と測定対象物から反射して戻った戻り光との時間差や位相差から、測定対象物までの距離を算出し、測定対象物までの距離、ミラー回転駆動機構のミラー回転角度、水平回転機構の回転角度から測定対象物の三次元座標情報を得る制御部を備えている。
この制御部は、測定対象となる周囲環境の三次元座標情報を算出する演算装置とともに、レーザー光源、受光器、ミラーや装置の回転駆動を制御する制御機構を備え、また、算出した三次元座標情報を外部に出力する機能を有する。

特表２０１１−５１１２８０号公報特表２０１１−５２２２１６号公報

このような、三次元レーザー光走査装置では、以下の問題がある。

屋外で三次元レーザー光走査装置を使用すると、太陽光を含む外部光が受光光学系に入り、ノイズとなるので、このようなノイズとなる外部光を不要光として極力抑止する必要がある。
不要光を抑止して取り除くために、従来は、フィルタを用いて、所望帯域以外の波長の光をカットしている。しかし、所望の波長帯域の光を透過し、所望帯域外の光を減衰させるフィルタとして、誘電体多層膜を用いた光学素子があるが、このような誘電体多層膜からなるフィルタには、光の入射角度によって波長選択性が変化するものがある。このため、所望の帯域の光を透過し、不要光を減衰させるには、波長選択性を補償するように集光レンズの前に大きなフィルタを設けるか、あるいは、入射角度による波長選択性を除くため、受光した戻り光をいったんコリメータレンズで平行光にした後、フィルタを透過させて所望帯域外の光を減衰させて、集光レンズで集光して受光センサに導く光学系を設けるようにしていた。

このような、従来技術であると、波長選択性のあるフィルタを別途設ける必要があり、また、コリメータレンズ−フィルタ−集光レンズという光学系を受光センサの前に設けると、不要光を減衰させるための光学系に費用がかかる問題がある。また、不要光をカットさせるためのフィルタを用いると、所望のビーム光の帯域の透過率は高いとしても計測に用いるビーム光の帯域光も少しであっても減衰して透過光は少なくなるので、受光センサに入る光量が少なくなる。このため、ビーム光の減衰を補償するために受光センサを高感度なものとする、あるいは、受光センサに入る光量を増加させるために、光源を高効率なものとする必要があり、その分、受光側、光源側も高効率で高価なものが要求され、コストに影響する問題がある。

本発明は、上述の課題を解決するためのもので、ミラーを所望帯域光を高反射率で反射する誘電体反射膜が形成されたミラーとすることで、安価な三次元レーザー光走査装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の側面の三次元レーザー光走査装置は、ビーム光を周囲環境に出射して戻る反射光を受光し測定対象物までの距離、水平角度、垂直角度に基づいて周囲の測定対象物の三次元座標を求める三次元レーザー光走査装置であって、ビーム光を発生させる光源および測定対象物から反射して戻った戻り光を受光する受光器を備える光学ユニットと、ビーム光および戻り光を反射する第一のミラーを第一の軸回りに回転駆動させるミラー回転駆動機構と、光学ユニットおよびミラー回転駆動機構を第一の軸と直交する軸回りに回転させる装置回転駆動機構と、ミラー回転駆動機構および装置回転駆動機構を制御するとともに出射ビーム光の伝搬時間に基づいて測定対象物までの距離、水平角度、垂直角度を求めて測定対象物の三次元座標を演算する制御部とを備え、ミラー回転駆動機構は、第一のミラーが一端部に設けられたシリンダと、このシリンダを回転駆動するモータと、シリンダの回転角度を検出する第一のエンコーダとを備え、光学ユニットは、光源と、光源からのビーム光を通過させ、戻り光を反射する第二のミラーと、第二のミラーで反射された戻り光を集光する集光光学系と、受光センサとを備え、装置回転駆動機構は、第二のモータと、回転角度を検出する第二のエンコーダとを備え、第一のミラーおよび第二のミラーの少なくとも一つは、所望の波長帯域の反射率が高くなるように波長選択性の誘電体反射膜が形成されたことを特徴とする。

なお、第一のミラーまたは第二のミラーの反射面の裏面には、反射防止膜が形成されていることが好ましい。

フィルタを用いることなく、所望の波長帯域のみを高反射率で受光でき、フィルタを用いることはないので、三次元レーザー光走査装置を安価にでき、かつ小型化が可能となる。

本発明の一実施形態である三次元レーザー光走査装置の構成を示す図である。ビーム光の走査に用いるミラーの構造を示す図である。９８０ｎｍを中心波長とする誘電体反射膜の反射率の例を示す図である。ビーム光を通過させ戻り光を受光センサに導くミラーの構造を示す図である。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る三次元レーザー光走査装置を示す図である。本実施の形態の三次元レーザー光走査装置は、ビーム光を周囲環境に投射して測定対象物から反射して戻った戻り光を受光して、測定対象物への距離、水平角度、垂直角度を検出して、測定対象物の三次元座標情報を得る測量装置として構成されたものである。

この三次元レーザー光走査装置は、三次元の走査装置として、水平面に対して４５度傾いたミラーを回転させてビーム光を垂直方向に投射するミラー回転駆動機構３０、ビーム光を出射するレーザー光源、反射して戻る戻り光を受光する受光器とを備える光学ユニット２０、これらのミラー回転駆動機構３０と光学ユニット２０とを水平方向に回転させる装置回転機構を備えている。また、投射したビーム光と測定対象物から反射して戻った戻り光の時間から測定対象物までの距離を算出し、垂直方向の角度、水平方向の回転角度から、測定対象物の三次元座標情報を得る演算装置を備える制御部２５を有している。この制御部２５は、装置の制御も行う。

以下装置の構成および動作を図１を参照して説明する。
光学ユニット２０、ミラー回転駆動機構３０を垂直軸回りに回転させる水平回転機構は、基台１０上で、光学ユニット２０、ミラー回転駆動機構３０が載置された載置台１２の回転軸であるスピンドル１３を回転駆動するモータ、減速機構を有する装置回転駆動機構１１を有する。スピンドル１３には、このスピンドル１３の回転角度を検出するエンコーダ（ロータリーエンコーダ）１４が設けられている。

光学ユニット２０には、ビーム光４１を出射するレーザー光源２１、測定対象物から反射して戻った戻り光を受光する受光器として、ミラー２２、集光レンズ２３、受光センサ２４を備えている。

レーザー光源２１は、赤外帯域の波長のレーザー光を出射できるレーザーダイオードがあり、レーザー光源２１からは、レーザーダイオードで発生するビーム光４１が出射される。ビーム光の波長は、例えば約９８０ｎｍの波長域のものである。レーザー光源２１から出射したビーム光４１は、ミラー２２の中心にある孔を通過して、ミラー回転駆動機構３０のミラー３３によって反射して周囲環境にある測定対象物へビーム光４１として出射される。

測定対象物から反射して戻った戻り光４２は、光学ユニット２０内のミラー２２によって反射され、集光レンズ２３によって集光されて、受光センサ２４に導かれる。受光センサ２４では、集光された戻り光４２は、受光センサ２４で電気信号に変換され、その信号は制御部２５へ送出される。

ミラー回転駆動機構３０は、光学ユニット２０に相対した位置に設けられており、レーザー光源２１からのビーム光４１を周囲環境の測定対象物に届くように、ミラー３３を回転してビーム光の偏向を行う。また、測定対象物から反射して戻った戻り光４２も光学ユニット２０の受光器に届くようにミラー３３で偏向する。

ミラー３３は、シリンダ（円筒）３２の先端に４５度の角度で取り付けられて、そのシリンダ３２は、ミラー駆動モータ３１により、水平軸回りに回転される。また、シリンダ３２には、エンコーダ（ロータリーエンコーダ）３４が取り付けられており、シリンダ２２の回転角度を検出できるようになっている。シリンダ３３は、水平軸回りに、例えば２０００ｒｐｍあるいは６０００ｒｐｍというような数千ｒｐｍの高速度で回転する。この回転によって、シリンダ３２の先端のミラー３３は高速で回転し、レーザー光源２１から出射したビーム光４１を水平軸回りに周囲環境に出射する。すなわち垂直方向に周囲環境を走査することになる。ただし、装置の下方については装置自身が障害となるために対象物との距離は測定できないので、垂直方向の走査空間は、扇形となる。

エンコーダ３４は、シリンダ３２の回転角度を検出して、このデータは制御部２５に送出されているので、制御部２５は、周囲環境への垂直方向の走査データを得ることができる。

装置は、基台１０に減速装置の付いたモータによって駆動する装置回転駆動機構１１が設けられており、装置回転駆動機構１１が光学ユニット２０、ミラー回転駆動機構３０を載置した載置台１２を垂直軸回りに回転させる。この装置回転駆動機構１１は、ミラー回転駆動機構とちがって、１回転が分単位となる程度の遅い回転角度で垂直軸回り、すなわち水平方向に回転する。この装置回駆動転機構の回転により、装置は、ミラーの回転による垂直方向の走査とともに、水平方向の走査を行い、垂直、水平の三次元の走査を行うことができる。装置回転駆動機構１１のスピンドル１３には、エンコーダ１４が取り付けられており、装置の垂直軸回りの回転角度を検出する。

制御部２５は、演算装置および記憶部を備えており、レーザー光源２１から出射したビーム光が測定対象物から反射して戻った時間をＴＯＦ方法あるいは位相検出方法等によって測定対象物までの距離を算出する。そして、エンコーダ３４からの水平軸回り回転角度、エンコーダ１４からの垂直軸回り回転角度に基づいて、測定対象物までの距離、水平角度、垂直角度から、測定対象物の三次元座標情報を得る。この三次元座標情報は制御部２５内の記憶部に記憶される。また、測定対象物の三次元座標情報は、インタフェースを介して、外部のパーソナルコンピュータなどに出力できる。同時に、制御部２５は、レーザー光源２１の変調発光制御、ミラー駆動モータ３１等、装置の駆動、測定の制御も行う。

水平軸回りに回転するミラー３３の構成について説明する。図２は、ミラー３３の構成を説明する概略図である。シリンダ３２の端部に設けられる垂直方向を走査するミラー３３は、本体３３１のガラスの表面には、ビーム光４１の帯域を高効率で反射する誘電体多層膜３３２が形成されている。他方、本体３３１の裏面には、光の反射防止膜３３３が形成されている。

誘電体多層膜３３１は、屈折率の異なる誘電体膜を多層に形成したものであり、光の帯域によって反射率、透過率を異なるものとしている。
原理は、フィルタの光の帯域による透過率を制御する原理と同様である。例えば、高屈折率の酸化チタン（ＴｉＯ_２）と低屈折率の酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を交互に所望の波長のλ／４ずつ積層することで、それぞれの境界面で波長λの光だけが干渉し、強め合って高反射率となるように、誘電体層を形成する。誘電体多層膜は、ガラス基板の本体の表面に蒸着などによって形成する。
例えば、９８０ｎｍを中心波長とする場合の誘電体多層膜による反射率のデータの例を図３に示す。ほぼ９００ｎｍから１１００ｎｍの帯域において、高い反射率を実現でき、それ以外の帯域、特に可視光域、８７０ｎｍ以下の波長の帯域では低い反射率にすることができる。

可視光域において、反射率が低いことは、受光センサ２４に入る可視光帯域の光を少なくすることを意味しており、フィルタによる太陽光のカットと同じ効果を奏することができる。これにより、特に屋外での三次元レーザー光走査装置を用いて測量を行うような場合に、太陽光による影響を少なくできる。

さらに、図２に示すミラー３３の反射面の裏面３３３には、反射防止膜を蒸着あるいは塗布などで形成する。この反射防止膜は、すべての帯域において入射した光がミラーの表面３３２側に戻らないようにするものである。このような反射防止膜としては、クロム、カーボンブラックのように、黒体として光を吸収する材料を塗布あるいは蒸着する。これにより、所望帯域以外の光が、ガラスの裏面で反射することを抑止し、不要帯域の光が受光センサに入るのを極力少なくすることができる。

図４は、光学ユニット２０のミラー２２の構成を示す。このミラー２２は、測定対象物から反射し、ミラー３３で反射されて戻った戻り光４２を受光センサ２４に導くものである。このミラー２２には、レーザー光源２１からのビーム光４１を通過させる孔２２４が設けられている。また、ミラー３３に向かった反射面２２２には、ミラー３３と同様に、レーザー発振波長に用いる９８０ｎｍの帯域を高反射率とした誘電体多層膜が形成されている。また、同様にその裏面２２３には、反射防止膜が形成されている。孔２２４は、ビーム光を減衰なくそのまま通過させる。
ミラー３３に加えて、ミラー２２においても、所望帯域の光を高反射率で反射する誘電体多層膜が施されることで、所望帯域外の光をカットする効果が大きくなる。
また、ミラー３３はシリンダ３２の端面に４５度の角度で設けられることで一体で強固な構造となり、シリンダ３２の回転に対して影響がなく変形しない利点がある。

ビーム光の波長として、上記実施の形態では、９８０ｎｍを用いた例で説明した。これは、赤外光で、太陽光の可視光域外であって、人の目に影響を及ぼすことが少ないためである。さらに太陽光によって受ける影響と周囲に存在する人の目に与える影響を小さくするために、レーザー光源としてより波長の長い１５５０ｎｍ帯域のものを用いてもよい。

また、上記実施の形態では、制御部は、光学ユニット内に設けて、装置回転駆動機構により水平面で回転をするものとしたが、必ずしも周囲環境の水平面の走査に連動させることなく、回転機構とは別途に設けて、基台上で回転しない構成としてもよい。
さらに、装置回転機構は、光学ユニット、ミラー回転駆動機構を載置した載置台を垂直軸回りに回転させる構成としたが、ミラー回転駆動機構と装置回転駆動機構とが周囲環境にビーム光で三次元に走査できるものであればよい。例えば、別途、モータからギヤ機構により、垂直軸回りに回転駆動させる機構としてもよい。

１０基台
１１装置回転駆動機構
１２載置台
１３スピンドル
１４エンコーダ
２０光学ユニット
２１レーザー光源
２２ミラー
２３集光レンズ
２４受光センサ
２５制御部
３０ミラー回転駆動機構
３１モータ
３２シリンダ
３３ミラー
３４エンコーダ
４１ビーム光
４２戻り光

Claims

ビーム光を周囲環境に出射して戻る反射光を受光し測定対象物までの距離、水平角度、垂直角度に基づいて周囲の測定対象物の三次元座標を求める三次元レーザー光走査装置であって、
ビーム光を発生させる光源および測定対象物から反射して戻った戻り光を受光する受光器を備える光学ユニットと、
前記ビーム光および前記戻り光を反射する第一のミラーを第一の軸回りに回転駆動させるミラー回転駆動機構と、
前記光学ユニットおよびミラー回転駆動機構を前記第一の軸と直交する軸回りに回転させる装置回転駆動機構と、
前記ミラー回転駆動機構および前記装置回転駆動機構を制御するとともに出射ビーム光の伝搬時間に基づいて測定対象物までの距離、水平角度、垂直角度を求めて測定対象物の三次元座標を演算する計測制御部と
を備え、
前記ミラー回転駆動機構は、前記第一のミラーが一端部に設けられたシリンダと、このシリンダを回転駆動するモータと、前記シリンダの回転角度を検出する第一のエンコーダとを備え、
前記光学ユニットは、前記光源と、前記光源からのビーム光を通過させ、前記戻り光を反射する第二のミラーと、前記第二のミラーで反射された戻り光を集光する集光光学系と、受光センサとを備え、
前記装置回転駆動機構は、第二のモータと、回転角度を検出する第二のエンコーダとを備え、
前記第一のミラーおよび第二のミラーの少なくとも一つは、所望の波長帯域の反射率が高くなるように波長選択性の誘電体反射膜が形成された
ことを特徴とする三次元レーザー光走査装置。
請求項１に記載の三次元レーザー光走査装置であって、
前記第一のミラーまたは前記第二のミラーの反射面の裏面には、反射防止膜が形成されている
ことを特徴とする三次元レーザー光走査装置。