JP6640541B2

JP6640541B2 - レーザスキャナ

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Description

本発明は、測距光を走査し、所定範囲或は測定対象物の点群データを取得するレーザスキャナに関するものである。

レーザスキャナに於いては、測距光としてパルス光を照射し、等速で鉛直方向に回転走査しつつ、水平方向に回転し、所定範囲或は測定対象物の点群データを取得する。レーザスキャナは、各パルス毎に、反射測距光を受光して測距を行うと共に、測距時の鉛直角、水平角を測定し、各照射点（測定点）の３次元データを取得する。

反射測距光の受光強度は、測距距離と共に測距光が照射される面の性状によって大きく影響される。又、受光強度は測定精度に影響し、受光の有無の検出には適正な閾値が要求される。

従来、受光を検知する閾値は、測定中固定であって、測定中に受光強度に変化があった場合、受光信号にノイズが含まれ精度が低下する場合があり、或は測定すべき測定対象物について受光信号が得られない場合があった。

特開昭６０−１５７０１４号公報特開２０１２−９３２４５号公報

本発明は、受光強度に対応した閾値が設定され、適正な受光信号が得られる様にしたものである。

本発明は、測距光をパルス発光し、照射する投光部と、反射測距光を受光して受光信号を発する受光部と、該受光部からの受光信号に基づき測距を行う測距部と、前記測距光を水平方向に偏向し、等速で水平方向、鉛直方向に回転され、前記測距光を回転照射する回転偏向部と、該回転偏向部の回転角を検出するエンコーダと、前記測距部、前記回転偏向部を制御し、前記測距光を走査し、前記受光部からの受光信号に基づき測定点の３次元データを演算する演算制御部とを具備し、該演算制御部は、受光強度判断部、閾値設定部を有し、該閾値設定部には前記受光強度判断部から、予め前記測距光が走査され、得られた受光強度が入力され、前記閾値設定部は、前記受光強度に対応した受光検出の閾値を設定し、前記演算制御部は、前記閾値に基づき受光信号を取得し、測距を行う様構成したレーザスキャナに係るものである。

又本発明は、前記回転偏向部の回転角、基準位置を検出するエンコーダと、該エンコーダからの信号を矩形波の角度信号、基準信号に変換する信号処理部と、クロック信号を発するクロック信号発生部と、前記基準信号からの前記矩形波をカウントする角度カウンタと、前記クロック信号をカウントするクロックカウンタとを有し、角度演算部は、前記基準信号を基準として前記矩形波と前記クロック信号をそれぞれカウントし、前記反射測距光の受光強度が前記閾値を超えた時点の前記矩形波のカウント数とカウントされる最後の矩形波を超えるクロック信号数を求め、前記矩形波の角度ピッチに前記矩形波のカウント数を乗じて主角度を求め、前記角度ピッチを前記クロック信号数に基づき案分して端数角度を求め、前記主角度と前記端数角度とを加算して前記回転偏向部の回転角を求めるレーザスキャナに係るものである。

本発明によれば、測距光をパルス発光し、照射する投光部と、反射測距光を受光して受光信号を発する受光部と、該受光部からの受光信号に基づき測距を行う測距部と、前記測距光を水平方向に偏向し、等速で水平方向、鉛直方向に回転され、前記測距光を回転照射する回転偏向部と、該回転偏向部の回転角を検出するエンコーダと、前記測距部、前記回転偏向部を制御し、前記測距光を走査し、前記受光部からの受光信号に基づき測定点の３次元データを演算する演算制御部とを具備し、該演算制御部は、受光強度判断部、閾値設定部を有し、該閾値設定部には前記受光強度判断部から、予め前記測距光が走査され、得られた受光強度が入力され、前記閾値設定部は、前記受光強度に対応した受光検出の閾値を設定し、前記演算制御部は、前記閾値に基づき受光信号を取得し、測距を行う様構成したので、測距光の受光検出の閾値が受光強度に対応して変更され、測定対象の反射面の性状が大きく変る測定環境下でも、確実に反射測距光の受光ができ、又適正な閾値とされることでノイズが軽減し、測定精度が向上する。

又本発明によれば、前記回転偏向部の回転角、基準位置を検出するエンコーダと、該エンコーダからの信号を矩形波の角度信号、基準信号に変換する信号処理部と、クロック信号を発するクロック信号発生部と、前記基準信号からの前記矩形波をカウントする角度カウンタと、前記クロック信号をカウントするクロックカウンタとを有し、角度演算部は、前記基準信号を基準として前記矩形波と前記クロック信号をそれぞれカウントし、前記反射測距光の受光強度が前記閾値を超えた時点の前記矩形波のカウント数とカウントされる最後の矩形波を超えるクロック信号数を求め、前記矩形波の角度ピッチに前記矩形波のカウント数を乗じて主角度を求め、前記角度ピッチを前記クロック信号数に基づき案分して端数角度を求め、前記主角度と前記端数角度とを加算して前記回転偏向部の回転角を求めるので、複雑な信号処理を行うことなく、パルス信号をカウントするだけの簡単な処理で高精度の回転角度検出を行うことができ、更に、複数の波形から位相を求める方式ではないので、高速化した場合の波形の劣化に影響されることなく高精度を維持できるという優れた効果を発揮する。

本発明の実施例に係るレーザスキャナの断面図である。該レーザスキャナの概略構成図である。該レーザスキャナに用いられる閾値設定部の概略構成図である。該レーザスキャナの角度測定部の概略構成図である。（Ａ）はエンコーダからの出力信号を矩形波に変換した場合の信号波形図、（Ｂ）はクロック信号の信号波形図である。角度信号、クロック信号、トリガ信号との関係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、レーザスキャナの一例について説明する。

レーザスキャナ１は、三脚（図示せず）の支持装置を介して既知点に設置される。又、前記レーザスキャナ１は、測定装置本体２、整準部３を有し、該整準部３は前記測定装置本体２を水平状態に整準することが可能である。

前記測定装置本体２は、本体ケース５と該本体ケース５の上部を覆う上ケース６を有している。該上ケース６は全周がガラス等の透明体となっており、該透明体を通して、測距光の照射が可能となっている。

前記本体ケース５の上面に凹部を形成する受座７が設けられ、該受座７を鉛直方向に貫通する鏡筒８が設けられる。該鏡筒８は水平方向に広がるフランジ９を有し、該フランジ９を介して前記受座７に固定される。

前記鏡筒８の上端部には軸受１１を介して回転部１２が設けられ、該回転部１２は前記鏡筒８の軸心１０を中心に回転自在となっている。前記回転部１２の上面には、ミラーホルダ（図示せず）を介して偏向ミラー１３が設けられている。該偏向ミラー１３は、前記軸心１０に対して傾斜しており、又前記回転部１２と一体に回転する様になっている。

前記回転部１２、前記偏向ミラー１３は、後述する測距光を偏向し、更に回転照射する回転偏向部を構成する。

前記回転部１２と前記受座７との間には水平回転角を検出する角度検出器としての水平角エンコーダ１４が設けられる。

該水平角エンコーダ１４は前記回転部１２に設けられたパターン円板１５と前記受座７の周壁面に設けられた検出部１６とを有し、前記パターン円板１５は透明円板に角度検出パターンが印刷等の方法で設けられたものであり、前記検出部１６は発光素子と受光素子とを有し、発光素子から発せられた検出光が前記パターン円板１５を透して受光素子に受光される様構成されている。前記パターン円板１５が回転することで、前記受光素子は前記角度検出パターンに対応して検出光を受光し、該角度検出パターンに対応した角度検出信号を発する。

この角度検出信号を処理することで、前記パターン円板１５の回転角度、即ち前記回転部１２の回転角度が検出される。尚、前記パターン円板１５に形成された、前記角度検出パターンは、基準位置（即ち０゜）を示す基準パターンを具備しており、前記検出部１６からは前記基準パターンを検出する基準信号が出力される。前記水平角エンコーダ１４はインクリメンタルエンコーダとなっている。

前記回転部１２の上端には前記本体ケース５の上面と対峙する回転円板１８が設けられ、該回転円板１８と前記本体ケース５上面間に、前記軸心１０を中心としたリング状の水平モータ１９が設けられ、該水平モータ１９によって前記回転部１２は等速で回転される様になっている。

前記偏向ミラー１３は水平軸（図示せず）を介して高低方向に回転可能に支持されている。又、前記偏向ミラー１３は水平軸を介して鉛直モータ２０（後述、図２参照）によって等速回転され、更に前記偏向ミラー１３の回転角は、水平軸の回転を介し鉛直角エンコーダ３３（後述、図２参照）によって検出される様になっている。該鉛直角エンコーダ３３は、前記水平角エンコーダ１４と同様、インクリメンタルエンコーダとなっている。

前記鏡筒８の内部に対物レンズ２１が設けられ、該対物レンズ２１の光軸２２は前記軸心１０と合致している。前記対物レンズ２１の下方で、前記光軸２２の光軸上に波長分離光学部材であるダイクロイックミラー２３が設けられる。該ダイクロイックミラー２３は、自然光を透過し、測距光（後述）を反射する反射面を有し、該ダイクロイックミラー２３の透過光軸上には撮像素子２４が設けられ、前記対物レンズ２１、前記ダイクロイックミラー２３、前記撮像素子２４は撮像部３０を構成する。

前記鏡筒８の側面に、又前記ダイクロイックミラー２３の反射光軸２９上に測距部２５が設けられる。該測距部２５について説明する。

前記反射光軸２９上に孔明きミラー２６が設けられ、該孔明きミラー２６を透過した光軸上に発光部２７が設けられ、前記孔明きミラー２６に対向して測距受光素子２８が設けられる。

前記発光部２７は、測距光として、可視光、又は不可視光、好ましくは不可視光のレーザ光線をパルス発光する。発せられたパルス光の測距光３１は、前記孔明きミラー２６の孔を通過し、前記ダイクロイックミラー２３によって反射され、前記光軸２２上に偏向される。前記測距光３１は、更に前記偏向ミラー１３によって水平方向に偏向され、測定対象物に照射される。

該測定対象物からの反射測距光３１ａは、前記偏向ミラー１３で前記光軸２２上に偏向され、更に前記ダイクロイックミラー２３、前記孔明きミラー２６で反射され、前記測距受光素子２８によって受光される。該測距受光素子２８が発する受光信号に基づき、各光パルス毎に測距が行われる。

前記偏向ミラー１３、前記対物レンズ２１、前記ダイクロイックミラー２３、前記孔明きミラー２６等は、光学系３２を構成する。更に、前記発光部２７、前記ダイクロイックミラー２３、前記対物レンズ２１、前記偏向ミラー１３は投光部を構成し、又該偏向ミラー１３、前記対物レンズ２１、前記ダイクロイックミラー２３、前記測距受光素子２８は受光部を構成する。

尚、図１中、３５は演算制御部を示している。

図２を参照して、前記測定装置本体２の概略構成を説明する。

該測定装置本体２は、主に前記水平モータ１９、前記撮像素子２４、前記測距部２５、前記発光部２７、前記演算制御部３５、角度測定部３６、記憶部３７、操作部３８等から構成されている。

更に、前記演算制御部３５は、クロック信号発生部４１、受光検出部４２、角度演算部４３、閾値設定部４４を含んでいる。前記角度測定部３６は、前記水平角エンコーダ１４、前記鉛直角エンコーダ３３を含み、前記測距光３１の照射方向（方向角）を検出する。

前記記憶部３７は、プログラム格納領域、データ格納領域を有し、前記プログラム格納領域には、前記測定装置本体２に一連の測距作動を実行させる為のシーケンスプログラム、受光信号の有無を検出する為の閾値設定プログラム、前記撮像素子２４から発せられる信号を画像信号に処理し、画像データとして前記記憶部３７に格納する画像処理プログラム、前記角度測定部３６から入力される角度信号に基づき回転角度を演算する測角プログラム等のプログラムが格納されている。

前記演算制御部３５は、前記シーケンスプログラム、前記閾値設定プログラム、前記測角プログラム等のプログラムに基づき、前記水平モータ１９の等速回転制御、前記鉛直モータ２０の等速回転制御、前記発光部２７のパルス発光制御を行い、前記測距受光素子２８の受光結果に基づき距離を演算し、前記撮像素子２４による撮像の制御、前記水平角エンコーダ１４、前記鉛直角エンコーダ３３からの信号による回転角の検出の制御、測角等を行う。

次に、上記レーザスキャナ１による測距作動について説明する。

先ず、測距作動の準備として、閾値設定作動が実行される。図３を参照して、前記閾値設定部４４及び閾値設定作動について説明する。

前記操作部３８により測定範囲を設定し、前記演算制御部３５より前記発光部２７に対してトリガ信号を発し、該発光部２７をパルス発光させ、パルス測距光を前記光学系３２、前記偏向ミラー１３を介して測定範囲を走査させる。

測定範囲を走査させる過程で、測定範囲に存在する測定対象物により測距光が反射され、反射測距光として、前記偏向ミラー１３、前記光学系３２を介して前記測距受光素子２８に受光される。該測距受光素子２８は、受光強度に応じた受光信号を発する。受光信号は前記閾値設定部４４に入力される。

受光強度判断部５３は、各反射測距光の受光強度のピーク値を検出し、検出結果を前記閾値設定部４４に入力する。反射測距光の受光強度は、測定対象物迄の距離と、反射面の性状によって影響を受ける。例えば、測定対象物が白壁であった場合は、受光強度は大きく、測定対象物が灰色、或は黒色の様な場合は、受光強度は小さい。

前記水平角エンコーダ１４からは、前記トリガ信号によって受光信号と同期して検出された水平角が、前記ピーク値と関連付けられて前記閾値設定部４４に入力される。

同様に、前記鉛直角エンコーダ３３からは、前記トリガ信号によって受光信号と同期して検出された鉛直角が、前記ピーク値と関連付けられて前記閾値設定部４４に入力される。

前記閾値設定部４４は、ピーク値に基づき閾値を算出する。例えば、ピーク値がＡ±５％の値の範囲に収まる場合、閾値をピーク値Ａの８０％とする。又、閾値は、走査範囲と関連付けられる。例えば、ピーク値Ａ±５％の値が得られる走査範囲が、例えば水平角ａ〜ｂ、鉛直角ｎ〜ｍであるとすると、水平角ａ〜ｂ、鉛直角ｎ〜ｍの範囲では、閾値が０．８Ａに設定される。

而して、測定範囲全域に対してピーク値が取得され、ピーク値に対応した閾値が設定される。閾値設定作動が完了後、測距作動が実行される。前記演算制御部３５により前記水平モータ１９、前記鉛直モータ２０がそれぞれ所定の速度で等速回転される。

前記演算制御部３５より前記発光部２７に対してトリガ信号を発し、該発光部２７をパルス発光させ、パルス測距光を前記光学系３２、前記偏向ミラー１３を介して測定範囲に走査する。

測定対象物で反射された反射測距光を、前記偏向ミラー１３、前記光学系３２を介して受光し、受光を検出して測定対象物迄の距離を算出する（測距）。又、受光検出時に於ける方向角（水平角、鉛直角）を前記角度測定部３６から取得する（測角）。

更に、測距、測角する際に受光信号として検出する場合の閾値は、受光強度に対応して決定される前記閾値である。受光強度に対応して受光信号の閾値が設定されるので、ノイズの少ない受光信号が得られる。更に、受光強度が小さい場合でも、確実に受光信号が得られる。

従って、算出した距離、照射方向の角度を測定することで測定点の３次元座標が取得できる。更に、パルス発光させつつ、前記水平モータ１９によって、前記偏向ミラー１３を等速で水平回転させ、更に、前記鉛直モータ２０によって、前記偏向ミラー１３を等速で鉛直方向に回転させる。パルス測距光を測定範囲に走査させることにより、該測定範囲の、距離のデータ、方向角のデータを有する点群データを取得できる。

次に、前記角度測定部３６について、図３、図４を参照して説明する。

該角度測定部３６は、前記水平角エンコーダ１４から出力される信号により水平角を検出し、前記鉛直角エンコーダ３３から出力される信号よって鉛直角を検出するが、前記水平角エンコーダ１４、前記鉛直角エンコーダ３３は同様の処理であるので、以下は前記鉛直角エンコーダ３３について説明する。

前記鉛直角エンコーダ３３の前記検出部１６から角度検出信号が信号処理部４５に出力され、該信号処理部４５は前記検出部１６からの信号を矩形波に信号処理し、角度信号４６として前記角度演算部４３に出力する。又前記検出部１６は前記基準パターンの検出信号も出力し、前記信号処理部４５は前記基準パターンの検出信号を矩形波に信号処理し、基準信号４７として前記角度演算部４３に出力する。

前記角度信号４６は、例えば３６０゜を１００００等分した信号となり、１つの信号で３６０゜／１００００を表す。

又、前記角度演算部４３には前記クロック信号発生部４１からのクロック信号４８が入力される。前記受光検出部４２は、受光信号が閾値を超えた時点を検出し、検出した時点を受光検出信号４９として前記角度演算部４３に発する。

該角度演算部４３は、角度カウンタ５１、クロックカウンタ５２を有する。前記角度カウンタ５１は、前記基準信号４７からの前記角度信号４６をカウントし、又前記基準信号４７が入力される度に（１回転する度に）０セットされる。前記クロックカウンタ５２は、前記角度信号４６をトリガとして前記クロック信号４８をカウントする。

前記角度信号４６は全周を１００００等分した信号であるので、１つの角度信号（角度信号間の角度ピッチ）が表す角度は一定である。又、３６０゜／１００００の角度分解能では、測定には不充分であるので、角度信号間の測定は、内挿方法で行われる。内挿方法による角度検出には、前記クロック信号４８が用いられる。

該クロック信号４８は、時間間隔に関する信号であるが、前記偏向ミラー１３が等速回転（走査速度が一定）していると、クロック信号間の回転角度は一定となる。従って、１クロック信号の時間は、角度に換算できる。同様に角度信号も時間に換算できる。

前記クロック信号４８は、一定時間間隔で発せられるので、前記角度信号４６間（角度信号間の時間間隔）をクロック信号４８の発生数周波数によって等分割することができ、１クロック信号当りの角度が得られ、高分解能化することができる。

更に、前記角度信号４６を前記基準信号４７から数えることで、基準位置からの回転角が検出でき、又角度信号間はクロック信号４８の数をカウントすることで、角度信号間の任意の位置での角度を高分解能で検出できる。従って、基準位置からの回転角は、前記角度信号４６で得られる回転角に前記クロック信号４８で得られる回転角を合算することで、全周任意の位置に於ける回転角を高精度で検出することができる。

次に、前記鉛直角エンコーダ３３を用いて、パルス測距光が発せられた時の、鉛直角を求める場合を説明する。

図５（Ａ）は、前記検出部１６から出力されたサイン波状の信号を変換して得られる矩形波を示し、該矩形波が前記角度信号４６となる。図５（Ｂ）は、前記クロック信号４８の信号列を示している。尚、矩形波の１サイクルは、前記サイン波状の信号の１サイクルと対応している。

又図６は、前記角度信号４６と前記クロック信号４８との関連付けを示している。尚、図６にはクロック信号４８は図示していない。又、前記角度信号４６、前記クロック信号４８、前記受光検出信号４９共に信号の立上がりでカウントしている。

前記角度信号４６、前記クロック信号４８間の関連付けは、例えば前記角度信号４６のカウント数がｉ番目である時に該ｉ番目の角度信号４６と合致するクロック信号４８をＴｉ番目として対応付ける。ここで、Ｔ＝角度信号４６の時間間隔の間に発せられるクロック信号数である。従って、角度信号４６がｉ番目に発せられた場合は、クロック信号は、Ｔｉ番目に発せられた信号となる。

角度カウント値、クロックカウント値に基づき、反射測距光を受光した時点の鉛直角が求められる。

反射測距光を受光した時点の判断は、受光信号が閾値Ｖｓを超えた時点ｔｓである。又、上記した様に、該閾値Ｖｓは受光強度に対応して最適な値に設定される。

図６に於いて、ｔｓが前記角度信号４６のｉ番目と（ｉ＋１）番目との間に発せられた（ｉ番目の前記角度信号４６の１サイクルの途中で発せられた）とすると、ｔｓが発せられた時の角度θは、ｉ番目の角度信号４６（カウントされる最後の角度信号）を超えた時間部分に相当するクロック信号数を求め、該クロック信号数に基づき、前記角度信号４６の角度ピッチを案分すればよい。即ち、
θ＝［ｉ＋（Ｔtr−Ｔi ）／（Ｔi+1 −Ｔi ）］×λで得られる。
ここで、λは前記角度信号４６の１ピッチ分の角度、即ち上記例示によれば３６０゜／１００００であり、（ｉ×λ）は前記角度信号４６で得られる主角度であり、［（Ｔtr−Ｔi ）／（Ｔi+1 −Ｔi ）×λ］は、カウントされた最後の前記角度信号４６を超える端数角度である。

而して、パルス光が照射され、測定対象物迄の距離が求められ、パルス照射方向が測定され、測定対象物の３次元データが得られる。

而して、本実施例では、測距光の受光検出の閾値が受光強度に対応して変更されるので、測定対象物の反射面の性状が大きく変る測定環境下でも、確実に反射測距光の受光ができ、又適正な閾値とされることでノイズが軽減し、測定精度が向上する。

更に又、本実施例では、複雑な信号処理を行うことなく、パルス信号をカウントするだけの簡単な処理で高精度の回転角度検出を行うことができる。更に、複数の波形から位相を求める方式ではないので、高速化した場合の波形の劣化に影響されることなく高精度を維持できる。

１レーザスキャナ
２測定装置本体
１２回転部
１３偏向ミラー
１４水平角エンコーダ
１６検出部
１９水平モータ
２４撮像素子
２５測距部
２７発光部
２８測距受光素子
３３鉛直角エンコーダ
３５演算制御部
３６角度測定部
４１クロック信号発生部
４２受光検出部
４３角度演算部
４４閾値設定部
４５信号処理部
４６角度信号
４７基準信号
４８クロック信号
４９受光検出信号
５１角度カウンタ
５２クロックカウンタ
５３受光強度判断部

Claims

測距光をパルス発光し、照射する投光部と、反射測距光を受光して受光信号を発する受光部と、該受光部からの受光信号に基づき測距を行う測距部と、前記測距光を水平方向に偏向し、等速で水平方向、鉛直方向に回転され、前記測距光を回転照射する回転偏向部と、該回転偏向部の回転角を検出するエンコーダと、操作部と、前記測距部、前記回転偏向部を制御し、前記測距光を走査し、前記受光部からの受光信号に基づき測定点の３次元データを演算する演算制御部とを具備し、
前記操作部により測定範囲が設定され、
前記演算制御部は、受光強度判断部、閾値設定部を有し、
前記演算制御部は
測距作動の準備としての閾値設定作動を実行し、該閾値設定作動完了後測距作動を実行する様構成され、
前記演算制御部は前記閾値設定作動として、
前記測距光を前記測定範囲に走査し、前記受光強度判断部は前記測定範囲全域に対して受光強度のピーク値を取得し、取得結果を前記閾値設定部に入力し、
前記閾値設定部は、ピーク値に基づき閾値を設定し、
前記演算制御部は前記測距作動として、
前記測距光を前記測定範囲に走査し、前記閾値に基づき受光信号を取得し、測距を行う様構成したレーザスキャナ。
前記閾値設定部は、ピーク値とピーク値のバラツキに基づき閾値を設定し、又ピーク値がバラツキの範囲内に収まる走査範囲を設定し、前記設定した閾値は該走査範囲に対する閾値とし、
前記演算制御部は前記測距作動として、
前記測定範囲を前記測距光で走査し、前記走査範囲では前記閾値に基づき受光信号を取得し、測距を行う様構成した請求項１に記載のレーザスキャナ。
前記ピーク値のバラツキは±５％であり、前記閾値はピーク値の８０％である請求項１に記載のレーザスキャナ。
前記回転偏向部の回転角、基準位置を検出するエンコーダと、該エンコーダからの信号を矩形波の角度信号、基準信号に変換する信号処理部と、クロック信号を発するクロック信号発生部と、前記基準信号からの前記矩形波をカウントする角度カウンタと、前記クロック信号をカウントするクロックカウンタとを有し、角度演算部は、前記基準信号を基準として前記矩形波と前記クロック信号をそれぞれカウントし、前記反射測距光の受光強度が前記閾値を超えた時点の前記矩形波のカウント数とカウントされる最後の矩形波を超えるクロック信号数を求め、前記矩形波の角度ピッチに前記矩形波のカウント数を乗じて主角度を求め、前記角度ピッチを前記クロック信号数に基づき案分して端数角度を求め、前記主角度と前記端数角度とを加算して前記回転偏向部の回転角を求める請求項１に記載のレーザスキャナ。