JP6653051B2 - 光走査装置 - Google Patents

Description

本発明は、光走査装置に関する。

三次元距離測定を行うためにレーザ光を用いた光走査装置が従来より提案されており、例えば特許文献１及び特許文献２のような構成が開示されている。

特許文献１に開示されている光走査装置は、水平回転軸及び鉛直回転軸の双方を中心に回転する平板反射鏡を設けている。
この平板反射鏡は、発光素子から放出された光を測定空間に正反射させ、その後測定空間の物体で反射されて戻ってくる反射光を再び正反射させて、受光素子に送る。
平板反射鏡は、水平回転軸を中心に回転するようにミラーマウントによって支持されている。ミラーマウントには、上下移動体の内壁面に形成されたガイドレール内に挿入される回転ガイド軸が設けられている。
また、平板反射鏡は、モータ（電動機）の回転力が加えられる回転部材によって鉛直回転軸を中心に回転するように設けられている。
このため、単一のモータの回転駆動によって、平板反射鏡は、水平回転軸を中心に搖動すると同時に鉛直回転軸を中心として回転する。

また、特許文献２に開示されている光走査装置は、単一のモータで平板反射鏡を鉛直回転軸及び水平回転軸を中心に回転させる機構を備えている。このモータの回転駆動力は、ギアボックスを回転させる平ギアに伝達され、ギアボックスは鉛直回転軸を中心に回転する。
鉛直回転軸の中心には回転しない中空のウォームギアが配置されている。
この中空のウォームギアに螺合するウォームホイールは、ギアボックス内に設けられており、ギアボックスの回転に伴ってウォームギアと螺合して回転する。
ウォームホイールの回転軸には平板反射鏡の水平回転軸に連結された平ギアが取り付けられている。ギアボックスと一体となって鉛直回転する水平回転軸を中心に平板反射鏡が回転する。
すなわち、単一のモータの回転駆動によって、平板反射鏡は、水平回転軸及び鉛直回転軸を中心として回転する。

特開２０１０−５２７０２４号公報 特許第５６２０６０３号公報

上述した特許文献１の光走査装置では、図２７又は図２９に示されるように、対象空間に対して走査線が斜めに形成され、斜めとなっている複数の走査線が交差して格子状の模様を描くように形成される。
また、特許文献２の光走査装置でも特許文献１と同様に、図５に示されるように、対象空間に対して走査線が斜めに形成され、斜めとなっている複数の走査線が交差してらせん状の模様を描くように形成される。

用途に応じて一部の光走査装置はレーザ計測ユニットを備えており、このレーザ計測ユニットは、測定対象に向かってレーザ光を発光し、測定対象で反射されたレーザ光を受光することでレーザ光の往復の時間を測定するなどして測定対象までの距離を算出している。このとき、レーザ計測ユニットでは、１つの点の距離測定を行うのに所定の時間（例えば２５μｓｅｃ）を必要とし、この間に測距方式に基づいた固有のレーザ光の照射を行う。
したがって、特許文献１や特許文献２に示されているような走査線は、距離測定のためのレーザ光を仮に連続して照射した場合の軌跡であり、この軌跡上に距離測定を行う点が存在するというだけで、このような密度で各点の距離測定を行い得るということではなく、現実には各測定点の間に実用上無視できない間隔が存在する。

上述した従来の光走査装置において、レーザ測距という観点（正しい距離を測定できるか否か）以外に、１回のレーザ測距を行うために必要な時間が存在することが光走査装置によってレーザ光を三次元空間へ照射した際のそれぞれの測定点の間隔に反映され、その間隔が三次元走査の結果得られる測定点のデータ群（点群データ）の空間解像度に直結するという観点がある。
三次元走査の結果得られる点群データの距離以外の精度を向上させるためには前述の空間解像度を向上しなくてはならないので前述の軌跡が高密度となるように設定する必要があり、三次元走査を一巡行うために必要な時間が大幅に増加してしまうという課題がある。
例えば、点の密度を１０倍にする場合、１本の走査線の中の点の間隔を１／１０にするとともに、走査線どうしの間隔を１／１０にするので、計測時間は１００倍に増加してしまう。

そこで、本発明は上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、測定時間を大幅に増加させることなく、前述の空間解像度を向上させることで構造物の検出精度を上げることができる光走査装置を提供することにある。

本発明にかかる光走査装置によれば、レーザ発光装置及びレーザ受光装置を含み、測定対象へ向けて照射したレーザ光である往路光が測定対象で反射して戻ってくるレーザ光である復路光に基づいて測定対象までの距離を測定するレーザ計測ユニットと、該レーザ計測ユニットからの往路光を対象区間に向けて照射し、測定対象で反射して戻ってくる復路光を前記レーザ計測ユニットへ戻す反射鏡と、該反射鏡を、水平方向を軸線として回転させる第１の電動機と、前記反射鏡を、鉛直方向を軸線として回転させる第２の電動機と、前記第１の電動機、前記第２の電動機及び前記レーザ計測ユニットの動作を制御する制御ユニットと、前記レーザ計測ユニットで測定された測定対象までの距離、前記第１の電動機及び前記第２の電動機の回転数及び位相に基づいて往路光が照射された測定対象上の点である測定点の三次元座標データを算出するデータ処理装置と、を具備し、前記反射鏡は、その反射面が、前記水平回転軸に対して直角又は平行な角度以外の所定角度を有しており、該制御ユニットは、前記第１の電動機及び前記第２の電動機の回転速度の比率を変更することにより、測定点どうしの間隔が短くなる方向が縦方向に延びる第１モードと、測定点どうしの間隔が短くなる方向が横方向に延びる第２モードとの間で切り替え、前記データ処理装置は、前記第１モードで測定した場合の測定対象の点群データと、前記第２モードで測定した場合の測定対象の点群データとを合成して測定対象の点群データを提供することを特徴としている。
すなわち、この構成では、反射鏡の複合した回転のうち、鉛直方向を軸線とした回転（公転）を第１の電動機で実行し、水平方向を軸線とした（自転）を第２の電動機で実行することによってそれぞれの回転数を別個に設定することを容易に行うことができる。また、測定点どうしの間隔が短くなる方向が縦方向に延びるときには、縦方向の点どうしの間隔が短いので、測定対象の形状のうち縦方向に変化のある箇所（例えば水平に伸びる梁の上辺）について精度よく検出でき、測定点どうしの間隔が短くなる方向が横方向に延びるときには、横方向の点どうしの間隔が短いので、測定形状のうち横方向に変化のある箇所（例えば垂直に立設された柱の縁）について精度よく検出できる。また、反射鏡は、反射面が水平回転軸に対して直角又は平行な角度以外の所定角度を有することで、走査装置が遮る最小限の範囲以外を走査光が全周囲にわたって走査できる。
したがって、この構成を採用することで、測定点の間隔を縦方向及び横方向同時に狭くしなくても、精度よく測定対象の形状を検出可能である。

本発明によれば、測定時間を大幅に増加させることなく、測定対象の形状の検出を精度よく行うことができる。

光走査装置の概略構成を示すブロック図である。 光走査装置の外観構成を示す斜視図である。 光走査装置の外観構成を示す側面図である。 縦方向に延びる走査線のイメージ図である。 縦方向に延びる走査線の拡大図である。 横方向に延びる走査線のイメージ図である。 横方向に延びる走査線の拡大図である。 第１モードと第２モードの走査線を合成した場合のイメージ図である。 室内空間の測定をした場合に算出されるイメージ図である。

図１に本実施形態の光走査装置の概略構成のブロック図を示す。
光走査装置３０は、レーザ光を光走査装置３０の周囲の測定対象に照射し、測定対象で反射した反射光によって測定対象までの距離を測定し、この測定した距離にレーザ光の照射方向情報を加えることで三次元座標系の座標値を算出し、この三次元座標値の算出を周囲の空間に対してレーザ光の照射方向を変えながら、複数回行って複数の座標値（点群データ）を取得し、この点群データによって周囲の空間の形状を測定するものである。光としては、主にレーザ光が用いられる。
なお、測定対象に到達するまでのレーザ光を往路光、測定対象で反射して戻るレーザ光を復路光と定義する。

光走査装置３０は、レーザ計測ユニット３１を備えている。レーザ計測ユニット３１は、レーザ発光装置５１及びレーザ受光装置５２を内部に有しており、レーザ発光装置５１から発光されたレーザ光が往路光として測定対象に照射され、測定対象で反射して戻ってきた復路光をレーザ受光装置５２が受光する。
レーザ計測ユニット３１では、レーザ光を測定対象へ照射してから測定対象で反射して戻ってくるまでの時間を計測し、この時間に光速度を乗算することにより測定対象までの往復距離を算出できる。なお、実際に往復時間の計測をせず、レーザ光の位相差などを利用して距離を算出するなどの方法もある。

レーザ計測ユニット３１から往復路としてのレーザ光は水平方向に照射される。レーザ計測ユニット３１から水平方向に照射されたレーザ光は、反射鏡３４に照射される。
反射鏡３４は、第１の電動機３２の回転軸に取り付けられており、第１の電動機３２の回転駆動によって水平回転軸Ｙを中心にして回転する。また、反射鏡３４の水平回転軸Ｙは、反射鏡３４の反射面の中心を通るように設けられている。

反射鏡３４と第１の電動機３２との間には第１のエンコーダ３７が設けられている。第１のエンコーダ３７は、反射鏡３４の水平回転軸Ｙを中心とした回転の回転数及び位相を検出し、後述する制御ユニット３６へ検出結果を送出する。

なお、反射鏡３４は、円柱状のロッドの先端をロッドの軸線方向に対して垂直又は平行以外の角度である所定角度に傾斜させた反射面を有するロッドミラーを採用している。ロッドミラーとは、ガラス等で形成されたロッドの先端を所定角度に切断し、この切断面に金属等の反射膜を蒸着させるなどして形成することで反射面としたものである。
本実施形態では、所定角度として４５°となるようにしているが、所定角度としては４５°に限定するものではない。

反射鏡３４、第１のエンコーダ３７及び第１の電動機３２は、図２〜図３で示す基台４０に設けられており、基台４０は第２の電動機４８によって鉛直回転軸Ｚを中心にして回転する。
第２の電動機４８と基台４０との間には、第２のエンコーダ３８が設けられている。第２のエンコーダ３８は、基台４０の鉛直回転軸Ｚを中心とした回転の回転数及び位相を検出し、検出結果を後述する制御ユニット３６へ送出する。
なお、第２のエンコーダ３８の取り付け位置は、図２におけるＺ軸であり、第２の電動機４８の出力軸から第１ギア４９及び第２ギア５０を介してＺ軸へ駆動力が伝達される。

制御ユニット３６は、レーザ計測ユニット３１の動作を制御するとともに、第１の電動機３２及び第２の電動機４８の回転動作を制御する。
また、制御ユニット３６は、レーザ計測ユニット３１で計測された測定対象までの距離と、第１のエンコーダ３７によって検出された水平回転軸Ｙの回転数及び位相と、第２のエンコーダ３８によって検出された鉛直回転軸Ｚの回転数及び位相をデータ処理装置５５に送出する。

データ処理装置５５は、制御ユニット３６から受信した測定対象までの距離と、水平回転軸Ｙ及び鉛直回転軸Ｚの回転数及び位相に基づいて、測定対象の三次元座標データを算出する。この三次元座標データの集合が点群データであり、計測対象の形状を離散化して表現している。
なお、データ処理装置５５としては通常のパーソナルコンピュータ等であってもよいし、データ処理用の専用機であってもよい。通常のパーソナルコンピュータの場合、測定対象の三次元座標データを算出するソフトウェアがこのパーソナルコンピュータに搭載されている。

図２〜図３に、光走査装置の具体的構造を示す。ただし、図２〜３ではデータ処理装置については省略している。
レーザ計測ユニット３１及び第１の電動機３２は基台４０に設けられている。
基台４０は、水平方向に延びてレーザ計測ユニット３１や第１の電動機３２が配置される上部水平面部４１と、上部水平面部４１の中心から下方に向けて延びる上下軸部４２と、上下軸部４２の下端部から水平方向に延びる下部水平面部４３とを有している。

基台４０は、第２の電動機４８の回転駆動により、鉛直回転軸Ｚを中心にして回転する。鉛直回転軸Ｚは、上下軸部４２の中心を通るように設けられている。

第２の電動機４８は、基台４０の下部水平面部４３に配置されている。第２の電動機４８の回転軸は、下部水平面部４３の下方に位置する第１ギア４９に接続されている。第１ギア４９は、上下軸部４２の下部と連結した第２ギア５０と噛合している。第２ギア５０は、その中心が鉛直回転軸Ｚと一致するように上下軸部４２に取り付けられている。
第２ギア５０の下部には台座６０が設けられており、光走査装置３０を床や机などの上に載置する際には台座６０の下面が床や机に当接する。
第２の電動機４８が動作することによって、第１ギア４９は第２ギア５０の周りを公転し、基台４０全体が鉛直回転軸Ｚを中心に回転する。第２のエンコーダ３８は、第２ギア５０と基台４０の間に設けられている。

上部水平面部４１には上方に向けて延びる取付部４４が設けられている。取付部４４の内側に第１の電動機３２が取り付けられ、第１の電動機３２の回転軸に反射鏡３４が取り付けられている。
また反射鏡３４の反射面の中心に鉛直回転軸Ｚが通るように、反射鏡３４の位置が設定されている。

レーザ計測ユニット３１が配置されている側の上部水平面部４１の下面には、制御ユニット３６が設けられている。
また、第１のエンコーダ３７、第２のエンコーダ３８、第１の電動機３２、第２の電動機４８と制御ユニット３６との間を接続する電気配線は、基台４０の内部を通って配線されている。

レーザ計測ユニット３１から照射されるレーザ光は反射鏡３４に直接入射され、反射鏡３４で反射される反射光はレーザ計測ユニット３１に直接入射される。
また、レーザ計測ユニット３１と反射鏡３４はともに上部水平面部４１の上面に配置されており、鉛直回転軸Ｚを中心として基台４０と共に回転する。

次に、本実施形態における計測動作について説明する。
本実施形態では、点群データの提供を、２つのモードで測定した結果を合わせて行うようにしている。ここで２つのモードとは、反射鏡３４から照射された走査光による走査線が縦方向に延びるように見えるモード（第１モード）と、走査線が横方向に延びるように見えるモード（第２モード）のことを指す。

図４に第１モードにおける測定点列のイメージを、図５に第１モードにおける測定点列の拡大図を示す。
第１モードでは、測定点列が縦方向に延びるようになるが、水平回転軸Ｙの回転速度が鉛直回転軸Ｚの回転速度の数十倍から数百倍となるように制御した場合にこのような測定点列となる。なお、縦方向と言っても反射鏡３４は鉛直回転軸Ｚを中心に公転しているので、走査線は完全に鉛直方向に沿っているわけではなく、鉛直方向に対して傾斜している。
また、反射鏡３４は、水平回転軸Ｙを中心に自転するため光走査装置３０が遮る最小限の範囲以外の全周囲を広範囲に走査することができる。

図５に示すように、実際には測定点の集合であり、点どうしの間隔が狭いため線状に見えているだけである。なお、図５では円形の点を図示したが、反射鏡３４は水平回転軸Ｙを中心に自転しているため、実際の測定領域は上下方向に長い長円である。
第１モードでは、走査光の各点が縦方向に沿って延びている。反射鏡３４の自転によって走査の方向は上下方向である。図５においては、左側の測定点列は上方向に上っていく順番で走査され、右側の測定点列は下方向に下っていく順番で測定されている。
このような第１モードにおける縦方向に延びているように見える測定点列は、縦方向に測定点が密集している。このため、第１モードでは、構造物の横方向に長い境界の検出を精度よく行うことができる。

図６に、第２モードにおける測定点列のイメージを、図７に第２モードにおける測定点列の拡大図を示す。
第２モードでは、測定点列が横方向に延びるように見えるが、図７に示すように、実際には測定の順番は縦方向である（反射鏡３４の自転に基づく）。ただし、測定点の間隔が縦方向には大きくなり、横方向には小さくなるように水平回転軸Ｙの回転速度と鉛直回転軸Ｚの回転速度の比と位相を調整するため、点の間隔が小さい横方向に測定点列が延びているように見えるのである。
なお、図７では円形の点を図示したが、反射鏡３４は水平回転軸Ｙを中心に自転しているため、実際の測定領域は上下方向に長い長円である。

第２モードでは、第１モードよりも水平回転軸Ｙの回転速度が速くなるように、制御ユニット３６が第１の電動機３２及び第２の電動機４８を制御する。
このような第２モードにおける横方向に延びているように見える測定点列は、横方向に測定点が密集している。このため、第２モードでは、構造物の縦方向に長い境界の検出を精度よく行うことができる。

制御ユニット３６は、第１モードによって反射鏡３４の全周囲を走査して測定対象までの距離と、各測定点における第１の電動機３２及び第２の電動機４８の回転数及び位相とを測定した後、第１の電動機３２と第２の電動機４８との回転速度の比を変更し、第２モードとする。
そして制御ユニット３６は、第２モードによって反射鏡３４の全周囲を走査して測定対象までの距離と、各測定点における第１の電動機３２及び第２の電動機４８の回転数及び位相とを測定する。
なお、第１モードと第２モードを実行する順番については、第２モードを先に実行し、その後第１モードを実行するようにしてもよい。

図８に、第１モードと第２モードの双方の測定結果を合わせた場合の測定点列のイメージを示す。
第１モードと第２モードの双方で測定した測定点列を合成して得られる点群データは、縦方向に延びる測定点列と、横方向に延びるように見える測定点列とが、反射鏡３４を中心にした全周囲を格子状に形成され、主に直線で構成されるような構造物の水平垂直方向の境界線の検出が精密に行える。

データ処理装置５５は、第１モードによる測定対象までの距離と、各測定点における第１の電動機３２及び第２の電動機４８の回転数及び位相とに基づいて、第１モードで計測した場合の測定対象点の三次元座標データを算出する。
データ処理装置５５は、さらに第２モードによる測定対象までの距離と、各測定点における第１の電動機３２及び第２の電動機４８の回転数及び位相とに基づいて、第２モードで計測した場合の測定対象点の三次元座標データを算出する。

データ処理装置５５は、第１モードで計測した測定対象の点群データと第２モードで計測した測定対象の点群データを合成し、最終的な測定対象の点群データを提供する。

図９に、室内空間を測定対象とした場合の測定対象の形状のイメージ図を示す。
室内空間には窓やドアのように水平方向及び鉛直方向に延び、且つその境界線の幅が狭い構造物が多く含まれる。そこで、第１モードで計測した測定対象の点群データと第２モードで計測した点群データを合成し、最終的な測定対象の点群データを解析することで、窓やドアのように水平方向及び鉛直方向に延びた構造物の境界を精度よく検出できる。

なお、本実施形態において測定対象とするのは室内空間に限定するものではない。

３０ 光走査装置
３１ レーザ計測ユニット
３２ 第１の電動機
３４ 反射鏡
３６ 制御ユニット
３７ 第１のエンコーダ
３８ 第２のエンコーダ
４０ 基台
４１ 上部水平面部
４２ 上下軸部
４３ 下部水平面部
４４ 取付部
４８ 第２の電動機
４９ 第１ギア
５０ 第２ギア
５１ レーザ発光装置
５２ レーザ受光装置
５５ データ処理装置
６０ 台座

Claims (1)

1. レーザ発光装置及びレーザ受光装置を含み、測定対象へ向けて照射したレーザ光である往路光が測定対象で反射して戻ってくるレーザ光である復路光に基づいて測定対象までの距離を測定するレーザ計測ユニットと、
   該レーザ計測ユニットからの往路光を対象区間に向けて照射し、測定対象で反射して戻ってくる復路光を前記レーザ計測ユニットへ戻す反射鏡と、
   該反射鏡を、水平方向を軸線として回転させる第１の電動機と、
   前記反射鏡を、鉛直方向を軸線として回転させる第２の電動機と、
   前記第１の電動機、前記第２の電動機及び前記レーザ計測ユニットの動作を制御する制御ユニットと、
   前記レーザ計測ユニットで測定された測定対象までの距離、前記第１の電動機及び前記第２の電動機の回転数及び位相に基づいて往路光が照射された測定対象上の点である測定点の三次元座標データを算出するデータ処理装置と、を具備し、
   前記反射鏡は、
   その反射面が、前記水平回転軸に対して直角又は平行な角度以外の所定角度を有しており、
   該制御ユニットは、
   前記第１の電動機及び前記第２の電動機の回転速度の比率を変更することにより、測定点どうしの間隔が短くなる方向が縦方向に延びる第１モードと、測定点どうしの間隔が短くなる方向が横方向に延びる第２モードとの間で切り替え、
   前記データ処理装置は、
   前記第１モードで測定した場合の測定対象の点群データと、前記第２モードで測定した場合の測定対象の点群データとを合成して測定対象の点群データを提供することを特徴とする光走査装置。