JP5041813B2 - レーザスキャナ、ならびに光学式スキャンおよびレーザスキャナ環境の測定のための方法 - Google Patents

Description

本発明は光学的にレーザスキャナの環境（雰囲気）をスキャンして測定するためのレーザスキャナに関する。本レーザスキャナは、測定ヘッドであって、光ビームを放出するための予め定められた伝送力を有する光トランスミッタを有し、かつ少なくとも１つの軸の回りに回転可能である測定ヘッドを備えている。放出された光ビームは、前記環境内の目標物の測定位置で反射され、かつこの反射光ビームが、前記測定ヘッドに含まれているレシーバによって、ある強度で受光される。

本発明は、さらに、レーザスキャナを用いて光学的に環境をスキャンして測定するための方法に関する。本方法では、予め定められた伝送力を有する光ビームが放出され、かつこの場合においては、少なくとも１つの軸の回りに回転され、この放出された光ビームが、この環境内の目標物で反射され、かつこの反射光ビームが受光される。

前述のタイプの装置および方法は公知である。このタイプの装置は、たとえば出願人により製造販売されている。上述の方法は、これらの装置で実行できる。
序論において言及したタイプのレーザスキャナを使用して、多種多様な内外空間をスキャンしかつ測定できる。この多種多様な内外空間とは、たとえばある特定の設備が計画されている建物等を建てる場合である。この場合、このレーザスキャナを、スタンド上で、測定する空間の中に配置し、この測定ヘッドが、垂直軸の回りをゆっくり回転するが、このとき測定ヘッドの中に配置されたローターは光トランスミッタを有しており、水平軸の回りをきわめて高い回転速度で回転する。このようにして、この速い回転によって、垂直面での光の扇状形ができることになり、最終的にすべての環境をスキャンするように前記光の扇状形が、たとえば、３６０度ゆっくり回転する。放出された光ビームは、この環境の前記ポイントから反射され、この反射光ビームは、再び測定ヘッドが受光する。この場合、この環境のそれぞれ測定された測定ポイントの距離および前記ポイントの反射率を決定し、最終的に、理想的に３６０度の立体角を有する忠実なイメージングができる。

本発明による装置の他の用途では、細長い空隙、特にトンネルの測定を行う。この場合、水平軸の回りを回転する光トランスミッタのみを測定ヘッドに設けるが、この光トランスミッタは、この場合にはさらに垂直軸の回りをゆっくり回転せず、測定するトンネルに沿って移動する。このようにすれば、たとえばトンネルの状態をモニタしたり、このトンネルのいかなるポイントでも、そのクリアランスを決定したりすることが可能になる。

上述のタイプのレーザスキャナは、通常は、特定の距離範囲用に指定されるものである。これによって、使用する構成部分の品質のレベルに依存して、目標物を遠距離または近距離でさらに検出かつ測定できることになる。この場合、反射光ビームの強度は、測定ポイントの距離に依存するが、もちろんその反射率にも依存する。これがいわゆるグレースケール値である。

遠距離の範囲でレーザスキャナを使用する用途、すなわち対象物が比較的遠距離に位置しており、それをより信頼性高く認識しかつ測定する用途、および、グレースケール値範囲が大きい用途、すなわち、反射率が比較的小さい測定ポイントをも確実に識別しなくてはならない用途ではレシーバのダイナミックレンジはすぐに限界に達する。この場合、反射光ビームの強度は、距離に比例する以上に、すでに低下していることを考慮しなくてはならない。このような場合、５０ｍ離れたところの対象物から反射された光量は、０．１ｍ離れたところの対象物から反射される光量のほぼ４×１０^-6になってしまう。グレースケール値の差の範囲は、付加的な要因になってしまう。現在の先行技術では、このような広いダイナミックレンジをカバーする利用可能なレシーバはない。

下記特許文献１では、距離測定のためのある方法および装置を開示している。この方法では、まず、特定の測定ポイントまでの距離、および必要に応じて測定ポイントの反射率を決定する。この場合、距離は、放射する光線パルスと測定ポイントから反射される光パルスとの間の伝搬時間を測定して決定する。このケースにおいて、伝搬時間測定が終了し、この受信信号すなわち反射光パルスから発生する信号パルスが、特定のトリガーレベルに達するが、この信号パルスが未定義の最大振幅を有する場合にはエラーが発生する可能性がある。このエラーを排除するためには、レギュレーション（調整）を実行してこの信号パルスを低い初期値から上昇させて、それが定義済みのレベルに達するようにする方法で調整をする。このレギュレーションは、この信号パルスの生成の前に、伝送力かまたは受信ゲインを調整することによって働く。信号パルスの振幅を定義済みのレベルに上昇する前に検出することによって、かつそれを予め定めた伝送力と比較することによって、反射率を決定する。この場合、さらに測定した距離から、測定ポイントの距離に対する反射光パルスの振幅の依存性を算出するために重みづけを付加的に実施する。
独国特許発明第２２１６７６５号明細書

したがって、いずれの場合においても、伝送力および／または受信ゲインを調整することによって、測定ポイントを固有に最適化しなければならないので、公知の装置および方法は、単一の測定ポイントでの測定に適しているのみである。このことによって、ある環境の２Ｄ（二次元）または３Ｄ（三次元）の測定をスキャンすることができないことになる。

さらにまた、この公知の手段においては、いまだ調整されていないシステムの絶対的な伝送力が既知のときにのみ、その測定ポイントの反射率を測定できる。最終的に測定される距離、およびこの距離を有する反射値の重みづけがあれば、最終的に、測定ポイントの位置の反射率の絶対値が得られる。詳しくは、ある環境が写真という方法で表示されている場合には、各ポイントは、観察装置から見れば、そのポイントが観察装置からどれくらい遠方にあるかについて無関係な反射率を有することになる。したがって、公知の手順によって環境の画像記録を行うことはできない。

したがって、本発明は、序論で述べた種々の短所を回避できるタイプのレーザスキャナおよび方法を提供することを目的とする。特に、本発明の意図するところは、長距離および広いグレースケール値の範囲にわたって測定が可能となるレーザスキャナおよび方法を提供することである。

序論において述べたタイプのレーザスキャナの場合、本発明によれば、反射光ビームの強度に応じて伝送力を設定するための第１の手段を提供することと、測定ポイントのグレースケール値を決定するための第２の手段をレシーバに割り当てることと、第２の手段が、伝送力に応じて調節可能であることにより、本目的は達成される。
序論において述べたタイプの方法の場合、本発明によれば、伝送力を反射光ビームの強度に応じて設定することと、さらに、測定ポイントのグレースケール値をこの強度から決定することと、このグレースケール値の決定を伝送力に応じて修正することとにより、本目的は達成される。

本発明が基づいている目的は、このような方法で完全に達成される。
本発明によって、一般に伝送力の減衰と連動して、ハーフトーン表現でのレーザスキャナの環境の高品質の再現が可能となる。この場合、測定ポイントの距離が変動し、かつ／または反射率が変動する場合において、伝送力が、前述のようにして増加するかまたは減衰するならば、イメージングエラー（結像誤差）は回避される。その理由は、グレースケール値の形成において伝送力が考慮されるので、伝送力の調整によって、系統的に生成する計測誤差は、再び正確に算出され、そのためその環境の忠実なイメージが変更されずにハーフトーン表示として生成されるからである。

本発明によれば、より遠方にありかつ／または反射が弱い測定ポイントのためには、レシーバのダイナミックレンジに過度な負荷をかけないように、その反射信号が充分な大きさになるように、伝送力をそれに見合うように増加させる。逆に、非常に近くかつ／または反射が強い測定ポイントの場合には、伝送力をそれに見合うように減少させることができる。したがって、この仕組みは、比較的単純な方法によって、遠距離でありかつ／またはグレースケール値範囲を有していても、レシーバに過度の経費をかけることなしに、または市販のレシーバの能力に対して実際に過負荷をかけることなしに、信頼性が高い測定が可能となる。さらにまた、伝送力を制限することによって、エネルギー消費の削減が可能になり、かつ、スキャナの近傍にいる操作者が損傷、特に眼の損傷から確実に保護されることができるようになる。

本発明によるレーザスキャナの好適な改良例においては、反射光ビームの強度が、少なくともほぼ一定に保たれるように、伝送力を調節可能である。
この測定法は、ダイナミックレンジが非常に小さく、したがって非常に低コストのレシーバでも使用可能であるという利点がある。
本発明の実用的な例示的実施形態においては、調節可能な供給源ユニットが、光源に割り当てられ、レシーバは第１の特性曲線ステージを介して供給源ユニットに接続されている。

この測定は、単純な回路手段を使用して、反射された測定光線の強度の変動に対して伝送力を設定することが可能になり、この場合には、特性曲線ステージの特性曲線は、物理的諸条件に依存して、反射された測定光線の強度に対する放出された光ビームの強度または出力の関数は、少なくともほぼ一定にならないとしても、ほぼ線形になるように割り当てることができるという利点を有している。

この例示的実施形態の実際的な実施形態においては、第２の手段が、調節可能なアンプとして形成されるが、その制御入力は第２の特性曲線ステージを介して供給源ユニットに接続されている。
これはまた、比較的単純な回路手段を有するこの例示的実施形態を実現させることができ、ここでもまたその物理的諸条件に依存して、この第２の特性曲線ステージによって、反射光ビームの強度の関数として、伝送力の調整を完全に補償できるようになるという利点がある。

さらなる利点について、添付の図面を用いて説明する。
言うまでもなく、前述の特徴およびこれから説明する特徴は、それぞれ指定する組合せだけにおいてのみならず、他の組合せでも、またはそれ自体でも、本発明の範囲から逸脱することなく使用できる。

本発明の例示的実施形態を、図面で例示し、下記の記述でさらに詳細に説明する。図を参照する。
図１において、参照符号１０は、レーザスキャナ１０の環境（雰囲気）の光学式スキャンおよび測定のためのレーザスキャナを示す。図１に例示する例示的実施形態の場合、理想的には３６０度の立体角を有する環境のイメージを、ある静的ポイントから生成することを目的とする。

このために、レーザスキャナ１０は、ある空間に固定したスタンド１４に位置している測定ヘッド１２を含む。この場合、矢印１８によって、示すように、測定ヘッド１２は垂直軸１６の回りを比較的ゆっくり全体が回転可能となっている。
測定ヘッド１２は、その一部が、矢印２４によって示されているように、きわめて速く、すなわち、水平軸２２の回りをきわめて高い回転速度で回転可能なローター２０を含む。

ローター２０は、光ビーム２６を放出する。図１において、ローター２０により放出されるビームは、Ｌｓで示し、一方、環境の対象物３０から反射されるビームは、Ｌｒで示す。
図１において、例示する状況においては、対象物３０は、測定ヘッド１２から距離ｄを隔てた位置にあり、その対象物上で測定ポイント３２が光ビーム２６により照射されている。この測定ポイント３２が、グレースケール値ＧＷを有するものとする。

図２は、測定ヘッド１２の中にある回路装置４０を示す。
回路装置４０は、ローター２０とともに回転する光源４２、たとえばレーザーダイオードを含み、光源４２は、伝送力Ｐｓを有する光ビームＬｓを放出する。光源４２には、調節可能な供給源（電源）ユニット４４によって、電源電圧Ｕ_vを供給する。このような方法で光源４２の伝送力Ｐｓを設定できる。

伝送力Ｐｓに影響を与えるために、この供給源ユニット４４は、一方では、変調電圧Ｕ_Modを有する変調発振器４６に、かつ他方では出力レギュレーション電圧Ｕ_Rを有する第１の特性曲線ステージ４８に接続されており、この機能は以下に説明することとする。
入力側においては、この回路装置４０は５０で示すレシーバを含み、これが強度Ｉｒを有する反射光ビームＬｒを受信する。このレシーバ５０は、光源４２の直近に位置させることが好ましいが、この放出されたビームＬｓもまた反射ビームＬｒの直近に存在するか、または後者と同一空間を占めることもあるからである。この最後のケースにおいては、半透過性の鏡等を使用して光線ＬｓおよびＬｒを分離できる。これらの問題は、レーザスキャナの当業者に公知であり、したがって、それ以上ここで説明する必要はない。

レシーバ５０は、出力側で見かけのグレースケール値ＧＷｓに対応する信号を出力する。出力側では、レシーバ５０は、調節可能なアンプ５２に接続されている。アンプ５２は、出力端子５４を有し、これによって、純粋なグレースケール値ＧＷｅに対応する信号を分離できる。
調節可能なアンプ５２の利得係数は、第２の特性曲線ステージ５６により制御され、それは、入力側において、たとえば、第１の特性曲線ステージ４８の出力に接続される。この場合、伝送力Ｐｓを再現している信号が入力側上の第２の特性曲線ステージ５６に印加されることが重要である。例示の実施形態において、これは、第１の特性曲線ステージ４８の出力信号であってもよいが、前記信号である必要はない。

回路装置４０は、以下の通りに作動する。
変調発振器４６によって、放出されたビームＬｓ、すなわち伝送力Ｐｓの振幅は、それ自体公知の方法で、変調電圧Ｕ_Modにより変調される。この変調信号は、ついで、反射ビームＬｒに現れ、レシーバ５０（図示せず）によって距離信号として評価される。
レシーバ５０の出力信号は、反射光ビームＬｒの強度Ｉｒの尺度である。この信号は第１の特性曲線ステージ４８に供給され、それは漸減プロファイルを有する。この漸減プロファイルは、距離ｄおよびグレースケール値ＧＷに依存する強度Ｉｒの変化を考慮に入れている。したがって第１の特性曲線ステージ４８の出力において、レギュレーション電圧Ｕ_Rがすべて高ければ高いほど、距離ｄがより大きいかまたはグレースケール値ＧＷが大きいことによって、強度Ｉｒがより小さくなる。このレギュレーション電圧Ｕ_Rは、供給源ユニット４４に影響を与え、電源電圧Ｕｖは強度Ｉｒの逆依存で増加して、正確にいえば比例的であったり指数関数的な増加よりも好ましい。その結果、伝送力Ｐｓも増加して、反射ビームＬｒの強度Ｉｒは、距離ｄまたはグレースケール値ＧＷが増加するにつれて、このレギュレーションのないケースよりも大幅に小さい程度減少するという結果を招く。極端なケースにおいて、少なくともほぼ一定のままとなる。このために、目標値の事前定義を、回路４２、４４、４８、５０にさらに負荷できる（図示せず）。

この測定は距離ｄの評価に影響しないが、それは距離ｄが変調によって、すなわち変調電圧Ｕ_Modおよび反射ビームＬｒの変調したコンポーネント間の位相ずれによって得られるからである。反射光ビームＬｒの強度Ｉｒに依存するように伝送力Ｐｓを調整すると、グレースケール値信号のシステムが破壊される、すなわち反射光ビームＬｒの強度Ｉｒから一義的に測定ポイント３２のグレースケール値を決定することができなくなるが、これはシステムが反射ビームＬｒの強度Ｉｒに直接依存しているからである。この理由によって、レシーバ５０の出力信号を「見かけの」グレースケール値ＧＷｓと称することにした。

再びこれらのシステムの破壊を修正するために、第２の特性曲線ステージ５６によって、訂正信号を、第１の特性曲線ステージ４８の出力信号Ｕ_Rから生成するか、または伝送力Ｐｓを再現する他の信号から生成し、この訂正信号が、調節可能なアンプ５２を調整して上述の修正をもたらす。このようにして、前記アンプの出力端子５４に「純粋な」グレースケール値ＧＷｅが出力される。

この場合、第２の特性曲線ステージ５６の特性曲線は、第１の特性曲線ステージ４８と同様に減少するプロファイルを有するが、それは遠い距離ｄおよび高いグレースケール値ＧＷの伝送力Ｐｓによる調整（遠い距離ｄや高いグレースケール値の場合に強度Ｉｒが小さいため第１の特性曲線ステージ４８により強度Ｉｒに逆依存して電源電圧Ｕｖを増大させる）があるために、伝送力Ｐｓが調整されないとした場合よりも測定された強度Ｉｒは大きいからである。

実際に本発明による装置を使用している状態を極めて概略的に示す斜視図である。 本発明による装置の例示的実施形態を示す概略ブロック図である。

Claims (6)

1. 光学的にレーザスキャナ（１０）の環境をスキャンし、かつ測定するためのレーザスキャナであって、
   前記レーザスキャナが測定ヘッド（１２）を備え、前記測定ヘッドが、光ビーム（Ｌｓ）を放出するための予め定められた伝送力（Ｐｓ）を有する光源（４２）を有し、かつ少なくとも１つの軸（１６、２２）の回りを回転可能であり、
   放出された光ビーム（Ｌｓ）が、前記環境の対象物（３０）の測定ポイント（３２）で反射され、反射光ビーム（Ｌｒ）が、前記測定ヘッド（１２）に含まれているレシーバ（５０）によって、強度（Ｉｒ）を伴って受光され、
   前記反射光ビーム（Ｌｒ）の前記強度（Ｉｒ）の関数として、前記伝送力（Ｐｓ）を設定するための第１の手段（４４、４８）と、
   さらに、前記レシーバ（５０）に割り当てられている前記測定ポイント（３２）の反射率である純粋なグレースケール値（ＧＷｅ）を決定するための第２の手段（５２）であって、前記伝送力（Ｐｓ）の関数として前記反射光ビーム（Ｌｒ）を前記レシーバ（５０）で受光したときの前記反射光ビーム（Ｌｒ）の強度（Ｉｒ）である見かけのグレースケール値（ＧＷｓ）を調節可能な第２の手段（５２）と
   を特徴とするレーザスキャナ。
2. 前記反射光ビーム（Ｌｒ）の前記強度（Ｉｒ）が少なくともほぼ一定に保たれるように、前記伝送力（Ｐｓ）を調節可能である請求項１に記載のレーザスキャナ。
3. 調節可能な供給源ユニット（４４）が前記光源（４２）に割り当てられており、かつ前記レシーバ（５０）が、第１の特性曲線ステージ（４８）を介して前記供給源ユニット（４４）に接続されており、前記供給源ユニット（４４）及び前記第１の特性曲線ステージ（４８）が前記第１の手段を構成し、前記第１の特性曲線は、反射光ビームの強度に応じて前記供給源ユニットを調整する曲線であって前記供給源ユニットの電源電圧を反射光ビームの強度に逆依存して増加させる曲線である請求項１又は２に記載のレーザスキャナ。
4. 前記第２の手段が調節可能なアンプ（５２）として形成され、その制御入力は、前記第１の手段としての第１の特性曲線ステージから前記第１の手段としての供給源ユニットに供給される出力が第２の特性曲線ステージを介して供給されるものであり、前記第２の特性曲線は、前記調整可能なアンプのゲインを決定する曲線であって前記第１の特性曲線から前記供給源ユニットに供給される出力信号を用いてゲインを決定する曲線である請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザスキャナ。
5. レーザスキャナ（１０）によって、光学的に環境をスキャンしかつ測定する方法であって、
   予め定められた伝送力（Ｐｓ）を有する光ビーム（Ｌｓ）を、放出し、この場合、少なくとも１つの軸（１６、２２）の回りに回転し、前記放出された光ビーム（Ｌｓ）が前記環境中の対象物（３０）で反射され、かつ前記反射光ビーム（Ｌｒ）が強度（Ｉｒ）で受光され、
   前記伝送力（Ｐｓ）が、前記反射光ビーム（Ｌｒ）の前記強度（Ｉｒ）の関数として設定され、さらに測定ポイント（３２）の反射率である純粋なグレースケール値（ＧＷｅ）が前記強度（Ｉｒ）から決定され、かつ前記純粋なグレースケール値（ＧＷｅ）の決定が前記伝送力（Ｐｓ）の関数として前記反射光ビーム（Ｌｒ）の前記強度（Ｉｒ）である見かけ上のグレースケール値（ＧＷｓ）を修正することで実行される方法。
6. 前記反射光ビーム（Ｌｒ）の前記強度（Ｉｒ）が少なくともほぼ一定に保たれるように、前記伝送力（Ｐｓ）が増加される請求項５に記載の方法。

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