JP5405671B2 - 環境を光学的に走査し測定する装置 - Google Patents

Description

本発明は、包括的な請求項１の特徴を有する装置に関する。

たとえばドイツ特許第２０２００６００５６４３Ｕ１号で知られているような、レーザスキャナとして構成された装置によって、レーザスキャナの環境を光学的に走査し測定することができる。回転し、金属製ロータの磨き板として構成される回転鏡は、発光光線と受光光線の両方を偏向させる。発光素子のコリメータは、受光レンズの中央に位置する。受光レンズは、光軸上の受光レンズの後方に配置された受光素子上に受光光線を再生する。さらに情報を得るために、ＲＧＢ信号を取り込むラインスキャンカメラがレーザスキャナ上に取り付けられ、それによって、走査の測定点を色情報で補完することができる。

ドイツ特許第２０２００６００５６４３Ｕ１号

本発明は、導入部で述べた種類の装置の代替装置を作製する目的に基づくものである。この目的は、本発明に従って、請求項１の特徴を有する方法によって実現される。従属クレームは有利な構成に関する。

受光レンズの光軸上の、回転鏡に対して受光レンズと同じ側にカラーカメラを配置すると、様々な視差がほぼ完全に回避されるという利点がある。これは、受光素子とカラーカメラが、同じ画角から回転鏡に対する同じ側で環境を取り込むからである。さらに、同じメカニズムを回転鏡に使用することができる。回転鏡の使用される側も同じである。回転鏡によって反射された受光光線は、受光レンズの光軸に平行に送られ、受光レンズに連続的に入射する。受光レンズは、シャドウイング効果が変化しないように受光素子の代わりをすることが好ましい。発光光線を再び送れるようにするには、発光光線に対しては反射性を示し、カラーカメラに対しては透過的である発光鏡をカラーカメラの前方に設けることが好ましい。

受光レンズによって屈折された受光光線を受光レンズの方へ反射する後部鏡が光軸上の受光レンズの後方に設けられているため、利用可能な空間をよりうまく利用することができる。「折れ曲がり光学系」を完成するには、受光光線を後部鏡の方へ反射する中央鏡を受光レンズと後部鏡との間に設けることが好ましい。各鏡を適切な形態にすると合焦の助けとなり、しかも非折り曲がり光学系に対する焦点距離を長くすることができる。中央鏡は、近接場からの強度を遠方場と比べて低下させることによって、追加的なマスクと同様に近接場補正に使用することが可能である。受光素子を（光軸によって画定される円筒座標系において）受光レンズの光軸の半径方向に配置することによって空間がさらに節約される。

ロータを様々な部材からハイブリッド構造、すなわち多部材構造として構成することによって、回転鏡が傾斜しているにもかかわらず平衡を維持する短い構成が可能になる。金属製ホルダと、被覆ガラスの回転鏡と、プラスチックハウジングを組み合わせるのが好ましいが、他の組み合わせも可能である。質量の大部分を占めるホルダは平衡を確保し、一方、ハウジングは、誤って接触が生じないようにする。ロータ構成部材同士を接着することによって、動的挙動を損なわずに様々な温度膨張係数同士を釣り合わせることができる。

本発明について、図面に示された例示的な実施形態に基づいて以下により詳しく説明する。

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。 ロータホルダの斜視図である。

レーザスキャナ１０は、レーザスキャナ１０の環境を光学的に走査し測定する装置として設けられている。レーザスキャナ１０は、測定ヘッド１２とベース１４とを有する。測定ヘッド１２は、垂直軸の周りで回転することができるユニットとしてベース１４上に取り付けられている。測定ヘッド１２は、水平軸の周りを回転することができる回転鏡１６を有する。２つの回転軸の交差点は、レーザスキャナ１０の中央Ｃ_１０と呼ばれる。

測定ヘッド１２は、発光光線１８を放出する発光素子１７をさらに備える。発光光線１８は、原則的には、約３４０ｎｍから１６００ｎｍの範囲の波長であり、たとえば、７９０ｎｍ、９０５ｎｍ、または４００ｎｍよりも短い波長を有するレーザ光線であることが好ましいが、たとえば、より長い波長を有する他の電磁波を使用してもよい。発光光線１８は、たとえば正弦波または矩形波形変調信号によって振幅変調される。発光光線１８は、発光素子１７によって回転鏡１６上に放出され、そこで偏向し環境に放出される。物体Ｏによって環境内で反射されるかあるいはその他の形で散乱した受光光線２０は、再び回転鏡１６によって取り込まれ、偏向し、受光素子２１上に送られる。発光光線１８および受光光線２０の方向は、各回転装置が１つのエンコーダによって位置合わせされる対応する回転装置の位置に応じた回転鏡１６および測定ヘッド１２の角位置によって決まる。

制御評価ユニット２２は、発光素子１７および測定ヘッド１２内の受光素子２１とのデータ接続を有し、制御評価ユニット２２の一部は、測定ヘッド１２の外側に配置されてもよく、たとえば、ベース１４に接続されたコンピュータであってよい。制御評価ユニット２２は、多数の測定点Ｘについて、発光光線１８および受光光線２０の伝搬時間からレーザスキャナ１０と物体Ｏ（の所の照明される点）との間の距離ｄを求める。このために、２条の光線、光線１８と光線２０との位相ずれが求められ評価される。

走査は、鏡１６が（高速に）回転することによって円に沿って行われる。測定ヘッド１２がベース１４に対して（低速）回転することによって、空間全体が円によって段階的に走査される。このような測定の測定点Ｘの実体を走査と呼ぶ。このような走査では、レーザスキャナ１０の中心Ｃ_１０が局所静止基準系の原点を画定する。ベース１４は、この局所静止基準系内に位置している。

各測定点Ｘは、レーザスキャナ１０の中心Ｃ_１０までの距離ｄだけでなく、制御評価ユニット２２によって求められる輝度情報も有する。輝度値は、たとえば、測定点Ｘによる測定期間にわたって受光素子２１の信号をバンドパスフィルタし増幅した信号を積分することによって求められるグレイトーン値である。ある種の用途では、グレイトーン値だけでなく色情報も有することが望ましい。したがって、レーザスキャナ１０は、制御評価ユニット２２に接続されたカラーカメラ２３も備える。カラーカメラ２３は、たとえばＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラとして構成され、実際の空間における二次元画像を表す色空間における三次元信号、好ましくはＲＧＢ信号を生成する。制御評価ユニット２２は、レーザスキャナ１０の走査（実際の空間では三次元）をカラーカメラ２３のカラー画像（実際の空間では二次元）と連係させる。このようなプロセスは「マッピング」と呼ばれる。連係は、最終結果として、走査の各測定点Ｘに（ＲＧＢ表現で）色付けし、すなわち走査をカラー走査にするために得られたカラー画像のうちの任意の画像について画像ごとに行われる。

以下に、測定ヘッド１２について詳しく説明する。

回転鏡１６によって反射された受光光線２０は、本発明ではほぼ半球形状を有する好ましくは平凸の球形受光レンズ３０に入射する。受光レンズ３０の光軸Ａはレーザスキャナの中心Ｃ_１０の方に向けられている。屈折率の高い受光レンズ３０の凸側は回転鏡１６の方に向けられている。カラーカメラ２３は、回転鏡１６に対して受光レンズ３０と同じ側の、受光レンズ３０の光軸上に配置され、本発明では、受光レンズ３０の、回転鏡１６に最も近い点上に配置されている。カラーカメラ２３は、受光レンズ３０の（処理されていない）表面上に固定し、たとえばこの表面上に接着するか、あるいは受光レンズ３０の適切なくぼみに配置することができる。

カラーカメラ２３の前方、すなわち、回転鏡１６のより近くに、二色性であり、本発明では可視光を透過し、（赤色）レーザ光を反射する発光鏡３２が配置されている。したがって、発光鏡３２は、カラーカメラ２３に対して透過的であり、すなわち回転鏡１６上に鮮明な像を形成する。通常、発光鏡３２は、受光レンズ３０の光軸に対して傾斜しており、したがって、発光素子１７は受光レンズ３０の横に配置することができる。発光素子１７は、レーザダイオードとコリメータとを備え、発光光線１８を発光鏡３２上に放出し、発光光線１８はそこから回転鏡１６上に投影される。回転鏡１６は、カラー画像を得る場合は低速で段階的に回転し、走査を行う場合は高速に（１００ｃｐｓ）連続的に回転する。回転鏡１６のメカニズムは変化しない。

カラーカメラ２３が受光レンズ３０の光軸Ａ上に配置されているため、走査とカラー画像との視差はほとんど生じない。周知のレーザスキャナでは、発光素子１７（およびその接続部）が、カラーカメラ２３（およびその接続部、たとえばフレキシブルプリント基板）の代わりに配置され、カラーカメラ２３（および発光鏡３２）による受光レンズ３０のシャドウイング効果の変化は、生じないかあるいはわずかにのみ生じる。

一方では、遠方の測定点Ｘも遠い焦点距離に合わせ、他方では必要な空間を少なくするために、レーザスキャナ１０は「折れ曲がり光学系」を有する。このために、光軸Ａ上の受光レンズ３０の後方に、光軸Ａと同軸に向けられたマスク４２が配置される。マスク４２は、半径方向内側（光軸Ａと呼ばれる）に、遠方の物体Ｏによって反射された受光光線２０を妨害されないように送るための（大きな）自由領域を有し、一方、半径方向外側に、近傍の物体Ｏによって反射された受光光線２０の強度を低下させるための（より小さな）陰影領域を有し、それによって、同等の強度が得られるようにする。

後部鏡４３は、光軸Ａ上のマスク４２の後方に配置されており、平面状であり、光軸Ａに垂直である。この後部鏡４３は、受光レンズ３０によって屈折されて中央鏡４４に入射した受光光線２０を反射する。中央鏡４４は、カラーカメラ２３（および発光鏡３２）の陰になる光軸Ａ上のマスク４２の中央に配置されている。中央鏡４４は、負レンズとして働き、すなわち焦点距離を長くするとともに、近接場補正レンズとして働き、すなわち、近傍の物体Ｏによって反射された受光光線２０の焦点をずらす非球面鏡である。また、中央鏡４４上に配置されたマスク４２を通過する受光光線２０のそのような部分によってのみ反射が生じる。中央鏡４４は、後部鏡４３の後部の中央オリフィスを通過した受光光線２０を反射する。

受光素子２１は、入射絞りと、フィルタを含むコリメータと、集光レンズと、検出器とを備え、後部鏡４３の後部に配置されてきる。空間を節約するために、受光素子２１を光軸Ａに対して半径方向に配置できるように受光光線２０を９０°偏向させる受光鏡４５が設けられることが好ましい。この折れ曲がり光学系では、焦点距離を周知のレーザスキャナに対して約２倍にすることができる。

二次元構造としての回転鏡１６は、対応する回転駆動装置によって三次元構造として旋回させることができ、かつ割り当てられたエンコーダによって角位置が測定されるロータ６１の部分である。ロータ６１が短い構成を有するため回転鏡１６に対しても空間を節約し、ロータ６１の平衡を維持するために、ロータ６１は、ホルダ６３と、ホルダ６３の所に取り付けられた回転鏡１６と、プラスチック材料で作られ、また回転鏡１６を保持するハウジング６５とを備えるハイブリッド構造として構成される。

金属製ホルダ６３は、４５°表面と様々なくぼみとを含む円筒形の基本形状を有する。各々がロータ６１の平衡を確保する働きをする材料部分、たとえば、ブレード、ショルダ、および突起は、これらのくぼみの間に残る。中央ボアには、割り当てられた回転駆動装置のモータ軸を取り付ける働きをする。回転鏡１６は、ガラスで作られ、被覆され、関連する波長範囲内の光を反射するガラスで作られている。回転鏡１６は、接着剤によってホルダ６３の４５°表面に固定されており、このために、ホルダ６３に特殊取り付け面６３ｂが設けられることが好ましい。

プラスチック材料で作られたハウジング６５は、４５°よりも小さい角度に切断されており、少なくともホルダ６３を囲む中空の円筒の形状を有する。ハウジング６５は、回転鏡１６に接着するかあるいは他の方法で固定することができる。ハウジング６５は、必要に応じてゴムシールなどを介在させることによって、周囲に好ましくはフォームロッキング状に回転鏡１６を把持することができる。ハウジング６５は、ホルダ６３に接着するかまたは他の方法で直接固定するか、あるいはロータ６１を取り付けることにより、ハウジング６５を好ましくは端板６７によってホルダ６３に連結し、たとえばホルダ６３にねじ留めすることができる。使用される接着剤は、一方では、使用される部材の様々な温度膨張係数を相殺しなければならず、他方では、動的な挙動が影響を受けないようにしなければならず、たとえば、速度に応じた不平衡を回避するために接着剤の弾性が高くなり過ぎないようにしなければならない。

ロータ６１は光軸Ａの周りを回転する。回転鏡１６は、その１つの面（すなわち、４５°表面）でホルダ６３を覆っている。ハウジング６５はホルダ６３の半径方向外側（光軸Ａに対して）を覆っている。したがって、怪我を防止するためにホルダ６３の鋭い縁部が覆われている。ホルダ６３は、ロータ６１の平衡を確保する。ホルダ６３は、金属の代わりに、慣性モーメントの大部分を担う他の重量材料で作ることができる。ハウジング６５は、プラスチックの代わりに、慣性モーメントに影響をほとんど与えない他の軽量材料で作ることができる。回転鏡１６は、被覆ガラスに代わる他の構成によって反射性（および透過性）を有してよい。回転鏡１６、ホルダ６３、およびハウジング６５は、ハイブリッド構造として構成され、互いに固定された別個に形成された部品である。

１０ レーザスキャナ、１２ 測定ヘッド、１４ ベース、１６ 回転鏡、１７ 発光素子、１８ 発光光線、２０ 受光光線、２１ 受光素子、２２ 制御評価ユニット、２３ カラーカメラ、３０ 受光レンズ、３２ 発光鏡、４２ マスク、４３ 後部鏡、４４ 中央鏡、４５ 受光鏡、６１ ロータ、６３ ホルダ、６３ｂ 取り付け面、６５ ハウジング、６７ 端板、Ａ （受光レンズの）光軸、Ｃ_１０ レーザスキャナの中心、ｄ 距離、Ｏ 物体、Ｘ 測定点。

Claims (9)

1. レーザスキャナ（１０）として構成された、環境を光学的に走査し測定する装置であって、回転鏡（１６）によって発光光線（１８）を放出する発光素子（１７）と、回転鏡（１６）および光軸（Ａ）を有する受光レンズ（３０）を通過した後に前記レーザスキャナ（１０）の前記環境内の物体（Ｏ）から反射されるかあるいはその他の形で散乱した受光光線（２０）を受け取る受光素子（２１）と、前記レーザスキャナ（１０）の前記環境のカラー画像を撮影するカラーカメラ（２３）と、多数の測定点（Ｘ）について、前記物体（Ｏ）までの距離を求め、前記距離をカラー画像と連係させる制御評価ユニット（２２）とを備える装置において、前記カラーカメラ（２３）は、前記受光レンズ（３０）の前記光軸（Ａ）上に配置され、前記カラーカメラ（２３）は、前記受光レンズ（３０）の表面上の、前記回転鏡（１６）に最も近い点に配置されることを特徴とする装置。
2. レーザスキャナ（１０）として構成された、環境を光学的に走査し測定する装置であって、回転鏡（１６）によって発光光線（１８）を放出する発光素子（１７）と、回転鏡（１６）および光軸（Ａ）を有する受光レンズ（３０）を通過した後に前記レーザスキャナ（１０）の前記環境内の物体（Ｏ）から反射されるかあるいはその他の形で散乱した受光光線（２０）を受け取る受光素子（２１）と、前記レーザスキャナ（１０）の前記環境のカラー画像を撮影するカラーカメラ（２３）と、多数の測定点（Ｘ）について、前記物体（Ｏ）までの距離を求め、前記距離をカラー画像と連係させる制御評価ユニット（２２）とを備える装置において、前記カラーカメラ（２３）は、前記受光レンズ（３０）の前記光軸（Ａ）上に配置され、前記カラーカメラ（２３）は、前記受光レンズ（３０）の表面に固定されるかあるいは前記受光レンズ（３０）のくぼみ内に配置されることを特徴とする装置。
3. 請求項１、２のいずれかに記載の装置であって、前記受光レンズ（３０）は、凸側が前記回転鏡（１６）の方へ向けられた平凸球面レンズとして構成されることを特徴とする装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の装置であって、発光鏡（３２）が前記カラーカメラ（２３）と前記回転鏡（１６）との間に配置され、前記発光鏡は、前記光軸（Ａ）に対して傾斜していることを特徴とする装置。
5. 請求項４に記載の装置であって、前記発光鏡（３２）は、前記発光光線（１８）に対しては反射性を示し、前記カラーカメラ（２３）に対しては透過的であることを特徴とする装置。
6. 請求項４または５に記載の装置であって、前記発光素子（１７）は、前記発光光線（１８）を前記発光鏡（３２）上に放出することを特徴とする装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の装置であって、前記発光素子（１７）は前記受光レンズ（３０）の光軸に垂直な方向に離間して配置されることを特徴とする装置。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の装置であって、前記回転鏡（１６）は、前記受光光線（２０）を取り込む場合には高速に連続的に回転し、前記カラー画像を撮影する場合には低速に段階的に回転することを特徴とする装置。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の装置であって、垂直軸の周りを回転し、前記発光素子（１７）、前記カラーカメラ（２３）を有する前記受光レンズ（３０）、前記受光素子（２１）、および前記回転鏡（１６）を支持する測定ヘッド（１２）が設けられ、前記回転鏡（１６）は、前記水平に配置された光軸（Ａ）の周りを回転することを特徴とする装置。

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