JP5568363B2 - レーザスキャナ - Google Patents

Description

本発明は、パルスビームを全周走査し、多点を高速で測定し、多点の３次元位置データの取得をするレーザスキャナに関するものである。

従来、レーザスキャナとしては、１本のパルスビームを直線上に走査して、パルス毎に測距データを取得するラインスキャナがある。

又、近年、３６０°の全周方向を高速にデータ取得する要求が高まっており、全周方向でのデータを取得する必要がある場合は、ラインスキャナを複数台用いてデータの取得をしている。この場合、高価なラインスキャナが複数台必要となり、又取得後のデータの整理に多くの時間と労力が必要であった。

又、全周方向で多点のデータをより高速で取得できるものとして、複数のビーム（マルチビーム）を同時に走査しデータの取得をするものがある。斯かるレーザスキャナとしては特許文献４に示される。特許文献４のレーザスキャナは、複数のビームを直線状（例えば鉛直状）に配列して照射し、ビームの配列に対して直交する方向（例えば水平方向）に走査し、面状の多点データを取得するものである。

該レーザスキャナでは、測定系の全てが回転部に搭載されており、大きな重量の回転部を高速で回転させる構造であるので、構造が堅固で、高精度である必要があり、高価なものとなっていた。

特開平４−３１５０８５号公報 特開２００１−３１８１４８号公報 特開２００８−７６３０３号公報 国際公開第２００８／００８９７０号パンフレット

本発明は斯かる実情に鑑み、簡単、軽量な構造で、マルチビームを用いたレーザスキャンを可能としたレーザスキャナを提供するものである。

本発明は、パルスビームを全周走査して多点測定を行うレーザスキャナに於いて、該レーザスキャナが本体部と該本体部に回転可能に設けられた回動部とを有し、該回動部がパルスビームを該回動部の中心軸に対して垂直方向に偏向して照射する偏向部材を具備し、前記本体部は、２次元的に配置され、複数のパルスビームを発する複数の発光源と、パルスビームを投光、受光する光学系と、前記回動部の水平回転角を検出する回転角検出部と、対象物からの反射光を前記偏向部材を介して受光し、前記発光源とそれぞれ共役の位置にある複数の受光部と、該受光部からの受光信号に基づき測距を行う測距部と、前記発光源の配置位置、前記回転角検出部の検出結果に基づき前記偏向部材から照射されるパルスビームの照射方向を演算する制御演算部とを具備したレーザスキャナに係るものである。

又本発明は、前記発光源、前記受光部は円周上に配置されたレーザスキャナに係るものである。

又本発明は、前記光学系が集光レンズを有し、該集光レンズは各前記発光源からのパルスビームの光軸が前記偏向部材の回転中心に集る様に集光するレーザスキャナに係るものである。

又本発明は、前記回動部の傾きを検出する回転ブレ検出部を有し、前記制御演算部は前記回転ブレ検出部の検出結果に基づき前記パルスビームの照射方向の演算結果を補正するレーザスキャナに係るものである。

又本発明は、前記光学系が、パルスビームの光路を偏向する光路偏向手段を具備するレーザスキャナに係るものである。

本発明によれば、パルスビームを全周走査して多点測定を行うレーザスキャナに於いて、該レーザスキャナが本体部と該本体部に回転可能に設けられた回動部とを有し、該回動部がパルスビームを該回動部の中心軸に対して垂直方向に偏向して照射する偏向部材を具備し、前記本体部は、２次元的に配置され、複数のパルスビームを発する複数の発光源と、パルスビームを投光、受光する光学系と、前記回動部の水平回転角を検出する回転角検出部と、対象物からの反射光を前記偏向部材を介して受光し、前記発光源とそれぞれ共役の位置にある複数の受光部と、該受光部からの受光信号に基づき測距を行う測距部と、前記発光源の配置位置、前記回転角検出部の検出結果に基づき前記偏向部材から照射されるパルスビームの照射方向を演算する制御演算部とを具備したので、複数のパルスビームにより多点が測定でき、高速で多点の面状の測定データを取得でき、又回転走査する部分が、偏向部材に限られるので、回動部の軽量化が図れ、コストの低減が図れる。

又本発明によれば、前記発光源、前記受光部は円周上に配置されたので、面状の測定データが得られると共に測定密度の均一化が図れる。

又本発明によれば、前記光学系が集光レンズを有し、該集光レンズは各前記発光源からのパルスビームの光軸が前記偏向部材の回転中心に集る様に集光するので、偏向部材の小型化が図れ、回動部の軽量化が図れると共にレーザスキャナ全体の小型化が図れる。

又本発明によれば、前記回動部の傾きを検出する回転ブレ検出部を有し、前記制御演算部は前記回転ブレ検出部の検出結果に基づき前記パルスビームの照射方向の演算結果を補正するので、回動部に回転誤差があった場合でも精度の高い測定データが得られる。

又本発明によれば、前記光学系が、パルスビームの光路を偏向する光路偏向手段を具備するので、より測定密度が高められるという優れた効果を発揮する。

本発明の第１の実施例に係るレーザスキャナの概略構成図である。 該第１の実施例の制御ブロック図である。 （Ａ）は光学系の説明図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ矢視図である。 第２偏向部材を回転させた場合の、パルスレーザ光線の照射方向の変化を示す説明図である。 第２偏向部材を回転させた場合の、パルスレーザ光線の照射方向の変化（軌跡）を示す線図である。 第２偏向部材を回転させた場合の、全ての発光素子からのパルスレーザ光線の照射方向の変化（軌跡）を示す線図である。 本発明の第２の実施例に係るレーザスキャナの光学系の概略構成図である。 （Ａ）（Ｂ）は、第２の実施例に於ける、パルスレーザ光線の光路を偏向する回転プリズムの作用についての説明図である。 回転プリズムによるパルスレーザ光線の光路偏向の作用を示す説明図である。 （Ａ）（Ｂ）は、発光素子、受光素子の配置の他の例を示す説明図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に於いて、本発明に係るレーザスキャナの概略を説明する。

レーザスキャナ１は、整準部２、本体部３、回動部４を備えている。

前記本体部３は、前記整準部２を介して設置され、該整準部２は水平方向を基準にして前記本体部３の姿勢を調整する機能を有する。

前記回動部４は前記本体部３に対して鉛直軸心（回転中心線）を中心に回転自在に設けられ、前記回動部４は回動駆動部５により、定速で回転される様になっている。

前記本体部３は、投光−受光光学系６、発光部７、受光部８、測距部９、制御演算部１０を有し、前記投光−受光光学系６の光軸Ｏは鉛直方向に延出し、前記回動部４の回転中心線と合致している。

図２、図３を参照して前記投光−受光光学系６、前記発光部７、前記受光部８について説明する。

前記発光部７は所定の配列で配置された所定数の発光素子１１を具備している。例えば、該発光素子１１は前記光軸Ｏを中心とした円周上に所定角度ピッチ、例えば円周を２８等分した角度（１２．８６゜）で、２８個配設されている。

前記発光素子１１は、それぞれ前記光軸Ｏに向って水平方向に測距光としてのパルスビーム、例えばパルスレーザ光線１２を発する様になっている。

前記投光−受光光学系６は、前記発光素子１１から発せられたパルスレーザ光線１２を前記光軸Ｏと平行に偏向する第１偏向部材１３、集光レンズ１４及び前記回動部４に設けられ前記パルスレーザ光線１２を水平方向或は略水平方向に偏向する第２偏向部材１５を少なくとも有している。尚、該第２偏向部材１５は、反射鏡であってもプリズムであってよい。

前記第１偏向部材１３は、前記発光素子１１にそれぞれ対向する様に配設された反射鏡１６からなり、該反射鏡１６は前記光軸Ｏを中心とする円周上に前記所定角度ピッチで配置され、前記反射鏡１６が配設された円周は、前記発光素子１１が配設された円周より小さくなっている。前記反射鏡１６は、前記パルスレーザ光線１２の光軸が前記光軸Ｏと平行となる様に偏向する。

前記集光レンズ１４は、前記パルスレーザ光線１２の光軸を前記光軸Ｏと前記第２偏向部材１５とが交差する点に集光するものであり、又、前記集光レンズ１４は、前記第２偏向部材１５で水平方向に偏向され、対象物１７に照射され、該対象物１７で反射された反射光１２′を前記受光部８に集光させるものである。前記集光レンズ１４が、前記パルスレーザ光線１２の光軸を前記第２偏向部材１５上に集光させることで、前記第２偏向部材１５は小型化が図れる。

尚、前記受光部８と前記発光部７とは前記集光レンズ１４に対して共役な位置となっている。

前記受光部８は、前記発光部７に対して前記集光レンズ１４から離反する位置に設けられ、前記光軸Ｏを中心とした円周上に配設された所定数の受光素子１８から構成され、該受光素子１８は前記所定角度ピッチで配設され、各受光素子１８は前記発光素子１１に対して１対１で対応し、且つそれぞれ共役な位置となっている。

前記測距部９は、前記受光部８からの受光信号に基づき、前記パルスレーザ光線１２の各パルス毎に前記対象物１７迄の光波距離測定（測距）を行い、測距結果は前記制御演算部１０に格納される様になっている。

前記回動部４は、前記回動駆動部５によって所定の速度で定速回転される。前記第２偏向部材１５は前記回動部４と一体に回転し、前記パルスレーザ光線１２を水平方向に偏向し、又水平方向に全周走査する。前記回動部４は、回転角検出部、例えばロータリーエンコーダ部１９を具備し、該ロータリーエンコーダ部１９によって前記パルスレーザ光線１２の照射方向（水平角）が検出される。

又、前記本体部３内には、回転ブレ検出器２２が設けられ、前記ロータリーエンコーダ部１９には、周縁部に反射鏡部２１が設けられ、該反射鏡部２１に対向する様に、前記回転ブレ検出器２２が設けられている。具体的には、前記回転ブレ検出器２２は前記反射鏡部２１に傾斜検出光を照射し、該反射鏡部２１からの反射光の角度の変化で前記本体部３に対する前記ロータリーエンコーダ部１９の傾きを検出する様になっている。前記反射鏡部２１、前記回転ブレ検出器２２等は、回転ブレ検出部２３を構成し、前記ロータリーエンコーダ部１９の前記本体部３に対する傾き（傾斜変化）を検出することで、前記回動部４の回転中心軸の向きの変化を検出する。従って、前記回動部４の回転中心がぶれた場合の前記パルスレーザ光線１２の照射方向の変化を検出する。

図２は、前記レーザスキャナ１の制御ブロック図を示している。

図２中、２４は操作部、２５は記憶部、２６は表示部、２７は発光駆動部を示しており、前記制御演算部１０には、前記ロータリーエンコーダ部１９、前記回転ブレ検出部２３、前記操作部２４から信号が入力され、前記制御演算部１０は、前記回動駆動部５、前記測距部９、前記表示部２６、前記発光駆動部２７の駆動を制御する。

前記受光部８の各受光素子１８は、配設された位置と対応する様に、例えば受光素子１８−１〜受光素子１８−ｎの様に番地付される。又、前記発光素子１１についても配設された位置と対応する様に、例えば発光素子１１−１〜発光素子１１−ｎの様に番地付され、同一の番地の前記受光素子１８と前記発光素子１１とが対応する様に設定される。

上記した様に、前記発光素子１１と前記受光素子１８とは共役な位置にあり、又前記発光素子１１と前記受光素子１８とは物理的に固定した位置関係にあるので、前記第２偏向部材１５の回転に拘らず、同一の番地の発光素子１１からのパルスレーザ光線１２は同一の番地の受光素子１８によって受光される。

前記受光素子１８からの受光信号は、前記測距部９、前記制御演算部１０に入力され、前記測距部９では、前記受光信号に基づき測距が行われ、測距結果は前記制御演算部１０に入力される。又、該制御演算部１０には、前記ロータリーエンコーダ部１９からは前記パルスレーザ光線１２の照射方向の角度が入力され、前記回転ブレ検出部２３からは傾斜検出結果が入力される。

前記制御演算部１０は、前記測距部９からの測距結果を前記受光素子１８のそれぞれの番地と対応させ、又前記ロータリーエンコーダ部１９の角度検出結果と関連付けて、前記記憶部２５に格納する。又、前記回転ブレ検出部２３からの傾斜検出結果と前記ロータリーエンコーダ部１９の角度検出結果とを関連付けて前記記憶部２５に格納する。

該記憶部２５は、測距結果等のデータ、前記ロータリーエンコーダ部１９が検出した角度データ、前記回転ブレ検出部２３が検出した傾斜データ等のデータを格納するデータ格納領域と、プログラムを格納するプログラム格納領域とを有しており、該プログラム格納領域には前記レーザスキャナ１に測定作動を実行させる為のシーケンスプログラム、測距を実行し、距離を演算する測距プログラム、前記ロータリーエンコーダ部１９の角度検出結果に基づき、前記第２偏向部材１５で偏向され、照射される前記パルスレーザ光線１２の照射方向（水平角、鉛直角）を演算する照射方向演算プログラム、前記ロータリーエンコーダ部１９の角度検出結果に基づき前記パルスレーザ光線１２の照射方向の補正を行う補正プログラム等のプログラムが格納されている。

前記操作部２４からは、前記レーザスキャナ１に対して測定の開始、停止或は測定条件の設定等の入力を行う。

前記表示部２６には、前記レーザスキャナ１の状態、或は測定状態、測定手順のガイダンス、測定結果等が表示される。

上記実施例では、傾斜した前記第２偏向部材１５により前記パルスレーザ光線１２を水平方向に偏向し、前記第２偏向部材１５を回転するので、前記パルスレーザ光線１２は前記第２偏向部材１５の回転と共に該第２偏向部材１５に対して相対的に鉛直角、水平角が変位する。

鉛直角、水平角の変位の状態を図４、図５を参照して説明する。

図４中、Ｖａは照射されるパルスレーザ光線１２の実際の鉛直角であり、Ｖｃは設定鉛直角（最大鉛直角）であり、Ｈａは照射される前記パルスレーザ光線１２の実際の水平回転角であり、Ｈｒは第２偏向部材１５の水平回転角（前記ロータリーエンコーダ部１９が検出する回転角）である。

前記発光素子１１の位置が、前記第２偏向部材１５の傾斜方向と一致した位置にあり、前記発光素子１１の位置（矢印の像の先端で示す）は、直立の像の先端として投影され、最大鉛直角Ｖｃを有する。前記第２偏向部材１５がＨｒ回転すると、矢印は傾き、前記発光素子１１の位置はＶａ＝Ｖｃ・ｃｏｓ（−２πＨｒ／３６０）、Ｈａ＝Ｈｒ−Ｖｃ・ｓｉｎ（−２πＨｒ／３６０）となる。

１つの発光素子１１から発せられるパルスレーザ光線１２の水平回転角と、鉛直角の関係、即ち、前記パルスレーザ光線１２の照射位置の軌跡は、図５に示される。従って、前記ロータリーエンコーダ部１９からの角度検出結果に基づき、前記パルスレーザ光線１２の照射方向を決定することができる。尚、図５は最大設定鉛直角が２０゜と仮定した場合を示している。

前記発光素子１１は同一円周上に、所定角度ピッチ（本実施例では１２．８６゜）で配設されており、各発光素子１１からのパルスレーザ光線１２はそれぞれ第２偏向部材１５によって照射方向が変化し、且つ隣接する発光素子１１−ｈ，１１−（ｈ＋１）間で位相が１２．８６゜ずれたものとなる。全ての発光素子１１からのパルスレーザ光線１２の照射軌跡を示すと、図６の様になる。従って、全体としては、平面をメッシュ状の軌跡を描く様に測定することになる。一般的に、構築物等は鉛直と水平の組合わせで構成されているので、鉛直線、水平線は必ず、パルスレーザ光線１２が交差して走査するので、測定漏れがなくなる。

図７は、第２の実施例の光学系の概略を示している。

第２の実施例では、パルスレーザ光線１２の光路を偏向する手段として回転プリズム２９を設けたものである。該回転プリズム２９を光学系の所定の位置、図示では集光レンズ１４と第２偏向部材１５との間に設ける。又、図示していないが、前記回転プリズム２９の回転角度を検出する回転プリズム回転角検出器が設けられ、該回転プリズム回転角検出器により前記回転プリズム２９の回転角を検出し、該回転プリズム２９の回転位置と前記第２偏向部材１５の回転位置が対応して検出できる様になっている。

前記回転プリズム２９としては、例えば楔プリズムが用いられる。図８（Ａ）（Ｂ）に示される様に、楔プリズムでは、パルスレーザ光線１２のプリズムの回転による通過位置の変化で光路の偏向量が異なり、前記回転プリズム２９を回転することで、光路は最大偏向量から最小偏向量の間で偏向量が変化する。

図９は、前記回転プリズム２９を用いた場合の前記パルスレーザ光線１２の照射軌跡を示しており、図９中、実線が前記回転プリズム２９がない状態、即ち光路が偏向されていない状態、２点鎖線が前記回転プリズム２９によって光路が偏向された場合の軌跡を示している。従って、前記回転プリズム２９を用いて、光路の角度を偏向することで、より測定点の密度を上げて測定が可能となる。例えば、前記第２偏向部材１５の回転に対して前記回転プリズム２９を１／２の回転速度で回転させることで、２倍の測定密度で測定することが可能となる。尚、楔プリズムは、厚み方向が異なる２枚の楔プリズムを組合わせたものであってもよい。

而して、前記回動部４を回転して、多数のパルスレーザ光線１２を走査して測定することで、同時に多数の測定点のデータを取得でき、而も未測定部分を生じない、面状の測定データが取得できる。

上記実施例では、発光素子１１、受光素子１８を円状に配置したが、前記発光素子１１、前記受光素子１８の配置は円状に限らず、図１０（Ａ）に示される様に、同心多重に配設してもよい。同心多重とすることで、測定密度が増大する。或は、図１０（Ｂ）に示される様に、３角形状に配置してもよく、要は前記発光素子１１、前記受光素子１８を２次元に配置すればよい。

又、上記実施例では、発光素子１１、受光素子１８を円周上に配置し、前記発光素子１１を発光源とし、又前記受光素子１８自体を受光部としたが、前記発光素子１１、前記受光素子１８を前記発光部７、前記受光部８以外の位置に設け、光ファイバの発光面を前記発光部７に配置し、光ファイバにより発光素子１１からのパルスレーザ光線１２を導き、光ファイバの発光面を発光源とし、更に又、光ファイバの端面を受光面として、前記受光素子１８の位置に配設し、光ファイバにより反射光１２′を受光素子１８に導く様にしてもよい。

尚、本発明に係るレーザスキャナは、固定的に設けて対象物について面状に測定してもよく、或は移動体に設置して移動しながら沿道の対象物について面状に多点測定してもよい。

又、上記実施例では、回動部の回転中心軸が鉛直である場合を説明したが、回転中心軸が水平として、水平方向の回転軸を中心として全周走査し、多点測定を行う様にしてもよく、更に、レーザスキャナを鉛直、水平の２方向に設置可能とし、水平方向で全周走査する多点測定と鉛直方向に全周走査する多点測定が行える様にしてもよい。

１ レーザスキャナ
３ 本体部
４ 回動部
６ 投光−受光光学系
７ 発光部
８ 受光部
９ 測距部
１０ 制御演算部
１１ 発光素子
１２ パルスレーザ光線
１２′ 反射光
１３ 第１偏向部材
１４ 集光レンズ
１５ 第２偏向部材
１６ 反射鏡
１８ 受光素子
１９ ロータリーエンコーダ部
２２ 回転ブレ検出器
２３ 回転ブレ検出部
２５ 記憶部
２９ 回転プリズム

Claims (5)

1. パルスビームを全周走査して多点測定を行うレーザスキャナに於いて、該レーザスキャナが本体部と該本体部に回転可能に設けられた回動部とを有し、該回動部がパルスビームを該回動部の中心軸に対して垂直方向に偏向して照射する偏向部材を具備し、前記本体部は、２次元的に配置され、パルスビームを同時に発する複数の発光源と、パルスビームを投光、受光する光学系と、前記回動部の水平回転角を検出する回転角検出部と、対象物からの反射光を前記偏向部材を介して受光し、前記発光源とそれぞれ共役の位置にある複数の受光部と、該受光部からの受光信号に基づき測距を行う測距部と、前記発光源の配置位置、前記回転角検出部の検出結果に基づき前記偏向部材から照射されるパルスビームそれぞれの照射方向を演算する制御演算部とを具備し、
   前記回動部は、前記複数の発光源から発せられるパルスビームを同時に全周走査し、
   前記受光部はそれぞれ共役な発光素子から発せられたパルスビームの反射光を同時に受光し、
   前記測距部は前記受光部からのそれぞれの受光信号に基づき同時に多数点の測距データを取得する様構成されたことを特徴とするレーザスキャナ。
2. 前記発光源、前記受光部は円周上に配置された請求項１のレーザスキャナ。
3. 前記光学系が集光レンズを有し、該集光レンズは各前記発光源からのパルスビームの光軸が前記偏向部材の回転中心に集る様に集光する請求項１のレーザスキャナ。
4. 前記回動部の傾きを検出する回転ブレ検出部を有し、前記制御演算部は前記回転ブレ検出部の検出結果に基づき前記パルスビームの照射方向の演算結果を補正する請求項１のレーザスキャナ。
5. 前記光学系が、パルスビームの光路を偏向する光路偏向手段を具備する請求項１のレーザスキャナ。

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