JP6857979B2 - レーザスキャナの光学系及び測量装置 - Google Patents

Description

本発明は、点群データを取得するレーザスキャナに用いられる光学系及びレーザスキャナの機能、トータルステーションの機能を具備する測量装置に関するものである。

レーザスキャナは、測距光を所定の測定範囲で走査させ、反射光を受光して点群データを取得するものである。

レーザスキャナは、一軸を中心に回転する走査ミラーを有し、測距光源から発せられる測距光を走査ミラーで反射し、測定範囲に向けて照射し、更に走査ミラーの回転により走査させる様になっている。

走査ミラーは通常高速で全周回転する構造であり、保護の為、密閉された容器に収納されている。容器は、円筒状の透明部材からなる透光窓を有し、測距光は透光窓を通して射出され、又透光窓を通して受光される様になっている。

透光窓が円筒状であることから、測距光が透光窓を透過する際に、透光窓から光学作用を受け、測距光が発散し、光束断面が大きく拡大する。この為、照射点での測距光の照射スポット径が大きくなり、高い角度分解能での測定ができなくなる。更に、受光する反射測距光も広がってしまう為、小さな受光素子を使用することができず、受光光量のダイナミックレンジが大きくなってしまい、測定精度が悪化するという問題がある。

特開平１０−２１３６６１号公報

本発明は、測距光が透過窓を通して照射される構造のレーザスキャナに於いて、測距光の光束の拡大を防止し、高品質の測距光を射出するレーザスキャナの光学系を提供し、又レーザスキャナの機能、トータルステーションの機能を具備する測量装置を提供するものである。

本発明は、測距光を射出する投光系と、該投光系からの前記測距光を一軸を中心に回転照射し、測定対象物からの反射測距光を受光系に入射させる走査ミラーと、該走査ミラーを収納し、前記測距光及び前記反射測距光が透過する透過窓とを具備するレーザスキャナの光学系であって、少なくとも前記測距光が照射される光路途中に、前記透過窓の光学作用を相殺する矯正光学部材が設けられたレーザスキャナの光学系に係るものである。

又本発明は、前記測距光が前記矯正光学部材を透過して前記走査ミラーに入射する様、前記矯正光学部材が設けられたレーザスキャナの光学系に係るものである。

又本発明は、前記透過窓は円筒曲面又は円錐曲面で形成され、曲面の周方向に光束を発散する光学作用を有し、前記矯正光学部材は前記発散する方向に光束を収束、又は前記発散する方向と直交する方向に光束を発散する光学作用を有するレーザスキャナの光学系に係るものである。

又本発明は、前記透過窓は円筒曲面又は円錐曲面で形成された円筒体であり、前記走査ミラーの反射面は前記透過窓の周方向に凹面に形成され、或は反射面に垂直方向に凸面に形成され、前記走査ミラーが前記矯正光学部材として作用する様構成されたレーザスキャナの光学系に係るものである。

又本発明は、前記透過窓は、外面又は内面のいずれか一方、又は、両面を円筒形状の母線方向に凹面とし、母線方向に光束が発散されるトロイダル面とし、前記透過窓が前記矯正光学部材として作用する様構成されたレーザスキャナの光学系に係るものである。

更に又本発明は、整準部と、該整準部に水平方向に回転可能に設けられた托架部と、該托架部に鉛直方向に回転可能に設けられ、測距部を内蔵する望遠鏡部とを具備するトータルステーションの前記托架部の上面に前記走査ミラーが水平軸心を中心に回転する様、上記いずれかのレーザスキャナの光学系を具備するレーザスキャナが設けられた測量装置に係るものである。

本発明によれば、測距光を射出する投光系と、該投光系からの前記測距光を一軸を中心に回転照射し、測定対象物からの反射測距光を受光系に入射させる走査ミラーと、該走査ミラーを収納し、前記測距光及び前記反射測距光が透過する透過窓とを具備するレーザスキャナの光学系であって、少なくとも前記測距光が照射される光路途中に、前記透過窓の光学作用を相殺する矯正光学部材が設けられたので、前記測距光が前記透過窓を透過する際に該透過窓から受ける光学作用が前記矯正光学部材で相殺され、前記測距光の品質の劣化が防止され、測定精度の向上が図れる。

更に又本発明によれば、整準部と、該整準部に水平方向に回転可能に設けられた托架部と、該托架部に鉛直方向に回転可能に設けられ、測距部を内蔵する望遠鏡部とを具備するトータルステーションの前記托架部の上面に前記走査ミラーが水平軸心を中心に回転する様、上記レーザスキャナの光学系を具備するレーザスキャナが設けられたので、トータルステーション、レーザスキャナを個別に用意することなく、トータルステーションによる測定、レーザスキャナによる点群データの取得が行え、更に搭載するレーザスキャナは一軸レーザスキャナでよいので、装置コストを低く抑えることが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トータルステーションの外観図である。 本発明の第１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。 第１の実施例の光学作用が示された概略構成図である。 （Ａ）（Ｂ）は矯正をしなかった場合の測距光の遠方での光束断面のプロファイルのコンターマップを示し、（Ａ）は走査ミラーの回転角が０゜の状態、（Ｂ）は（Ａ）で示される状態から走査ミラーが９０゜回転した場合の遠方での光束断面のプロファイルのコンターマップを示している。 （Ａ）（Ｂ）は矯正光学部材により矯正した場合の測距光の遠方での光束断面のプロファイルのコンターマップを示し、（Ａ）は走査ミラーの回転角が０゜の遠方での光束断面のプロファイルのコンターマップ、（Ｂ）は（Ａ）で示される状態から走査ミラーが９０゜回転した場合の遠方での光束断面のプロファイルのコンターマップを示している。 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。 本発明の第３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。

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を参照して、本発明に係るレーザスキャナを具備したトータルステーションの概略を説明する。

図１中、１はトータルステーション、２はレーザスキャナを示している。

前記トータルステーション１は、該トータルステーション１の整準を行う整準部４、該整準部４に設置され、水平回転可能な托架部５、該托架部５に上下方向に回転可能に設けられた望遠鏡部６、前記托架部５に設けられた表示部を兼ねる操作部７を具備している。

前記托架部５には、該托架部５を水平方向に回転させる為の水平回転駆動部（図示せず）、前記托架部５の水平角を検出する水平角検出器（図示せず）、前記望遠鏡部６を鉛直方向に回転させる為の鉛直回転駆動部（図示せず）、前記望遠鏡部６の鉛直角を検出する鉛直角検出器（図示せず）、及び制御装置（図示せず）が収納されている。

前記望遠鏡部６には、測距光学部（図示せず）及び該測距光学部を介して測距光を射出し、又測定対象物からの反射測距光を前記測距光学部を介して受光し、測定対象物の測距を行う測距部が内蔵されている。前記制御装置は、前記托架部５の回転の制御、前記望遠鏡部６の回転の制御、前記測距部の制御を行い、測定対象物の３次元測定を実行する。

前記レーザスキャナ２は、取付け具８を介して前記托架部５に取付けられている。尚、該取付け具８は、前記托架部５に着脱可能であってもよく、或は固定的に設けられてもよい。

前記レーザスキャナ２は一軸レーザスキャナであり、円筒形状の透過窓９を有し、該透過窓９の内部には走査ミラー（後述）が収納され、該走査ミラーは水平軸心（後述）を中心に全周回転する。

前記走査ミラーで偏向された測距光は、前記透過窓９を通して射出され、前記走査ミラーの回転で鉛直面内を全周走査される。

前記レーザスキャナ２は、測距光として、例えば、パルス光が使用され、１パルス毎に測距と、鉛直角が測定され、２次元の点群データを取得する様に構成されている。

又、前記レーザスキャナ２により、一軸の点群データを取得しつつ、前記托架部５が水平回転し、１パルス毎の水平角を取得し、該水平角と前記レーザスキャナ２で取得した測距結果とを関連付けることで、３次元の点群データが取得できる。

而して、トータルステーションとしての測定が可能であると共に前記トータルステーション１と前記レーザスキャナ２の協働により、３次元点群データを取得するレーザスキャナとしての測定が可能である。

更に、一般的にレーザスキャナの測距結果は、トータルステーションよりも精度が悪いが、トータルステーションの測距結果で、レーザスキャナの測距結果を補正することで、レーザスキャナの測定精度を向上させることができる。

上記した様に、前記レーザスキャナ２では、測距光が前記透過窓９を通して射出される為、測距光が前記透過窓９の光学作用を受ける。

本実施例に係るレーザスキャナ２では、前記透過窓９の光学作用を抑制し、光束の拡大を防止している。

図２は、第１の実施例に係るレーザスキャナの光学系１１を示している。

該レーザスキャナの光学系１１は、主に投光系１２、受光系１３、回転照射部１９を有している。図２中、該回転照射部１９は走査ミラー１５、該走査ミラー１５を保持するミラーホルダ１４を有し、水平軸心１６を中心に回転可能に支持されている。

又、図２中、９は略円筒形状の透過窓であり、該透過窓９の断面が示されている。該透過窓９は、該透過窓９での反射が考慮され、測距光軸２１（後述）に対して傾斜し、切頭円錐曲面で構成されている。尚、ここで円筒形状とは、円筒曲面、円錐曲面等によって、中空の円筒体を形成するものを含むものとする。

前記投光系１２は投光光軸１７を有し、該投光光軸１７は第１偏向部材である投光ミラー１８、第２偏向部材である前記走査ミラー１５によってそれぞれ９０゜偏向される。該走査ミラー１５は前記投光光軸１７を前記水平軸心１６に対して直角に偏向し、前記走査ミラー１５で偏向された前記投光光軸１７は、前記測距光軸２１として前記透過窓９を透過し、測定対象物に向って延出する。

前記走査ミラー１５は回転によって、測距光２２を走査する回転照射部として機能すると共に、前記測距光２２を測定対象物の方向に偏向し、又、反射測距光２２′を前記受光系１３に入射する様偏向する偏向部として機能する。

前記投光光軸１７上には、可視光又は不可視光の前記測距光２２を発する発光素子２３、例えばレーザダイオード等、該発光素子２３から発せられた前記測距光２２を平行光束にするコリメートレンズ２４、前記投光ミラー１８と前記走査ミラー１５との間に配置された矯正光学部材２５が設けられている。

前記投光系１２は前記発光素子２３で発せられた前記測距光２２を、前記走査ミラー１５に入射させる。

前記受光系１３は受光光軸２７を有し、該受光光軸２７は前記投光ミラー１８を通過し、該投光ミラー１８で偏向された前記投光光軸１７と合致し、前記走査ミラー１５で偏向され、前記測距光軸２１と合致する。

前記受光光軸２７上には、物側から前記走査ミラー１５、前記矯正光学部材２５、結像レンズ２８、受光素子２９が配置される。前記受光系１３は、前記走査ミラー１５で偏向された前記反射測距光２２′を前記受光素子２９へ導き結像させる。

前記透過窓９は、湾曲した面を有することから、光学作用を有する。前記矯正光学部材２５は前記透過窓９の光学作用に対して、この光学作用を相殺する、逆の光学作用が発揮される様形成されている。

前記走査ミラー１５と、前記矯正光学部材２５は、前記投光系１２と前記受光系１３との共通の光学部材となっている。又、前記受光素子２９として使用される受光素子としては、例えば、フォトダイオード、アバランシフォトダイオード（ＡＰＤ）が用いられる。

尚、前記走査ミラー１５は、偏向光学部材としての機能を有するもの、例えば反射直角プリズム、ペンタプリズム等であってもよい。又、前記矯正光学部材２５が設けられる位置は、測距光、反射測距光の光路中、前記透過窓９の光学作用が相殺される位置であればよく、例えば、前記透過窓９と前記走査ミラー１５の間に設けられてもよい。

該走査ミラー１５及び前記ミラーホルダ１４の回転と干渉しない位置で、前記走査ミラー１５の所要回転位置で、該走査ミラー１５の反射面と対峙する様に、参照ミラー３１が設けられる。該参照ミラー３１は、前記受光光軸２７と平行に配置される。又、前記参照ミラー３１は、反射シートや散乱体、反射プリズムシート等でもよい。

前記参照ミラー３１の設置位置は、点群データの取得に影響ない位置とする。例えば、図１に於いて、前記レーザスキャナ２の下方には、前記トータルステーション１が位置し、該トータルステーション１によって影となる範囲は、点群データの取得ができない。前記参照ミラー３１は、前記トータルステーション１によって影となる部分に設けられる。

前記走査ミラー１５が回転し、該走査ミラー１５の反射面と前記参照ミラー３１とが正対した時に、前記走査ミラー１５で反射された前記測距光２２が前記参照ミラー３１に入射し、該参照ミラー３１で反射され、更に、前記走査ミラー１５で反射され、前記結像レンズ２８により前記受光素子２９に結像される。

この場合、前記投光ミラー１８、前記走査ミラー１５、前記参照ミラー３１、前記矯正光学部材２５、前記結像レンズ２８は、内部参照光学系を構成する。

前記走査ミラー１５（前記ミラーホルダ１４）の回転、前記発光素子２３の発光は制御演算部３０によって制御され、前記受光素子２９の受光信号は、前記制御演算部３０に入力され、距離が演算される。又、測距時の鉛直角も検出され、前記制御演算部３０では測距結果と鉛直角とが関連付けられる。而して、前記レーザスキャナ２により２次元の点群データが取得される。更に、２次元点群データは、前記トータルステーション１の制御装置に送出される。

前記レーザスキャナの光学系１１の作用について説明する。

前記発光素子２３から発せられた前記測距光２２は、前記コリメートレンズ２４により平行光束とされた後、前記投光ミラー１８で反射され、前記矯正光学部材２５を透過し、前記走査ミラー１５で反射され、前記透過窓９を通って射出される。

前記測距光２２が前記透過窓９を透過することで、前記測距光２２は前記透過窓９から光学作用を受け、光束形状が一方向に拡大する等劣化するが、前記矯正光学部材２５は前記透過窓９の光学作用を相殺する。従って、該透過窓９を透過した前記測距光２２は、前記コリメートレンズ２４で平行光束とされた状態のままで、射出される。

測定対象物から反射された、前記反射測距光２２′は、前記透過窓９を通って入射し、前記走査ミラー１５で反射され、前記矯正光学部材２５を透過し、前記結像レンズ２８で前記受光素子２９に結像される。

前記走査ミラー１５を全周回転させることで、前記測距光２２が走査され、一軸の点群データが取得される。

前記測距光２２の走査過程で、該測距光２２が内部参照光として前記参照ミラー３１に入射し、該参照ミラー３１によって前記内部参照光が反射され、更に前記走査ミラー１５で反射され、前記矯正光学部材２５を透過し、前記結像レンズ２８により前記受光素子２９に結像される。

尚、前記内部参照光も、前記矯正光学部材２５を透過するが、前記内部参照光の光束の一部を受光すれば十分であり、前記矯正光学部材２５の影響が現れることはない。

前記反射測距光２２′の受光タイミングと前記内部参照光の受光タイミングの時間差が、測定対象物迄の前記測距光２２の往復の時間となるので、この時間差と光速とで測定対象物迄の距離が測定できる。又、前記反射測距光２２′の受光タイミングと前記内部参照光の受光タイミングの時間差を求めることで、測距回路（図示せず）のドリフト等の誤差要因が相殺され、高精度の距離測定が可能となる。

又、前記矯正光学部材２５により、前記測距光２２の光束形状の劣化が抑制されるので、更に、高精度の距離測定が可能になる。

図３を参照して、前記矯正光学部材２５、前記透過窓９の光学作用について説明する。

尚、図３中、図２中で示したものと同一のものには同符号を付しその説明を省略する。

図３に於いて、前記投光光軸１７（前記測距光軸２１）に直交する２つの直交軸の内、図３の紙面に対して垂直な方向の軸をｘ軸とし、紙面に対して平行な方向の軸をｙ軸とする。

前記透過窓９はｘ軸方向に対して、光束を発散させる光学作用をし、非点隔差が生じる。

従って、前記矯正光学部材２５は、ｘ軸方向に（円筒曲面の周方向に）光束を収束させるか、ｙ軸方向に（円筒曲面の母線方向に）光束を発散させる光学作用を発揮し、非点隔差を解消させればよい。

前記矯正光学部材２５には、斯かる光学作用を有するものとしてアナモルフィック光学素子（シリンドリカルレンズ）が用いられる。

例えば、シリンドリカルレンズのｘ軸方向を凸面にする、或はｙ軸方向を凹面にするのどちらかで、前記透過窓９の光学作用を相殺する光学作用が実現できる。

尚、シリンドリカルレンズの表裏面のどちらの面に曲率をつけてもよい。又、両面に曲率を付けて総合的に補正してもよい。

図４（Ａ）、図４（Ｂ）は、いずれも前記矯正光学部材２５がない場合を示しており、前記透過窓９を透過し、光学作用を受けた前記測距光２２の遠方での光束断面形状のプロファイルのコンターマップを示している。

又、図４（Ａ）は、光源の形状の長手方向と前記透過窓９の発散方向が９０°の関係にある場合（θ＝０゜）の遠方での光束断面形状のプロファイルのコンターマップを示し、図４（Ｂ）は、光源の形状の長手方向と前記透過窓９の発散方向が０°の関係にある場合（θ＝９０゜）の遠方での光束断面形状のプロファイルのコンターマップを示している。

図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、いずれも前記矯正光学部材２５を設けた場合を示しており、前記透過窓９の光学作用を相殺した後の前記測距光２２の遠方での光束断面形状のプロファイルのコンターマップを示している。

又、図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、それぞれ図４（Ａ）、図４（Ｂ）と対応しており、遠方での光束断面形状のプロファイルのコンターマップを示し、前記矯正光学部材２５を設けたことで光束の断面形状が大きく改善されたことが分る。

図６は、第２の実施例に係るレーザスキャナの光学系１１を示している。

尚、図６中、図２中で示したものと同等のものには同符号を付しその説明を省略する。

第２の実施例では、第１の実施例に用いられた矯正光学部材２５を省略し、矯正光学作用が付加された走査ミラー３５が用いられている。

該走査ミラー３５は、アナモルフィック反射光学素子、例えば、シリンドリカルミラーである。

透過窓９、及び前記走査ミラー３５の光学作用について説明する。

前記透過窓９については測距光軸２１と直交する２つの直交軸の内、紙面に対して垂直な軸をｘ軸とし、紙面と平行な軸をｙ軸とする。

又前記走査ミラー３５については、前記測距光軸２１と直交する２つの直交軸の内、紙面に対して垂直な軸をｘ軸とし、前記走査ミラー３５の反射面に対して垂直な軸をｙ軸とする。

前記透過窓９はｘ軸方向に（円筒曲面の周方向に）、光束を発散させる作用をし、非点隔差が生じる。前記走査ミラー３５は、ｘ軸方向に光束を収束させるか、ｙ軸方向に光束を発散させる光学作用を有し、前記透過窓９の光学作用を相殺し、非点隔差を解消する。

従って、前記走査ミラー３５の反射面は、ｘ軸方向を凹面にするか、或はｙ軸方向を凸面にする。

図７は、第３の実施例に係るレーザスキャナの光学系１１を示している。

尚、図７中、図２中で示したものと同等のものには同符号を付しその説明を省略する。

第３の実施例では、第１の実施例に用いられた矯正光学部材２５を省略し、矯正光学作用を透過窓３６に付加した構成としている。

該透過窓３６に関し、測距光軸２１と直交する２つの直交軸の内、紙面に対して垂直な軸をｘ軸、紙面に対して平行な軸をｙ軸とする。

前記透過窓３６が円筒曲面又は円錐曲面であったとすると、前記透過窓３６はｘ軸方向に（周方向に）、光束を発散させる作用をし、非点隔差が生じる。

該透過窓３６を、円筒曲面又は円錐曲面であった場合の光学作用を相殺する様な曲面に形成する。

例えば、前記透過窓３６をｙ軸方向に光束を発散させる作用を持つトロイダル面にして非点隔差を解消する。

具体的には、前記透過窓３６の表裏面のどちらか一方をｙ軸方向に凹面のトロイダル面とする。或は、該透過窓３６の表裏面が総合的にｙ軸方向に光束を発散させる様なｙ軸方向に負のパワーを持つ面に形成する。

而して、該透過窓３６は、測距光２２に対して非点隔差を生じさせず、該測距光２２が前記透過窓３６を通って射出された場合に、該透過窓３６により発散されることなく、又、反射測距光２２′が前記透過窓３６を通って入射した場合にも、該透過窓３６に発散されることなく受光され、測定精度の向上が図れる。

尚、レーザスキャナの光学系１１に於いて、上記実施例では、投光系１２と受光系１３とで測距光軸２１を共通する様に構成したが、受光光軸２７を前記測距光軸２１と分離させ、反射測距光２２′を前記投光系１２から分離した前記受光系１３で受光する様にしてもよい。

この場合、矯正光学部材は、前記投光系１２、前記受光系１３に対応した回転部にそれぞれ設けてもよく、或は前記投光系１２に対応した回転部に、或は前記受光系１３に対応した回転部に設けてもよい。

又、前記レーザスキャナの光学系１１の前記矯正光学部材２５は、前記投光系１２と前記受光系１３で共通する一つの光学部材ではなく、前記投光系１２に対応して最適化された光学部材と前記受光系１３に対応して最適化された光学部材を組合わせた光学部材であってもよい。

１ トータルステーション
２ レーザスキャナ
５ 托架部
６ 望遠鏡部
９ 透過窓
１１ レーザスキャナの光学系
１２ 投光系
１３ 受光系
１４ ミラーホルダ
１５ 走査ミラー
１６ 水平軸心
１７ 投光光軸
２１ 測距光軸
２２ 測距光
２３ 発光素子
２７ 受光光軸
２９ 受光素子
３１ 参照ミラー
３５ 走査ミラー
３６ 透過窓

Claims (2)

1. 測距光を射出する投光系と、該投光系からの前記測距光を一軸を中心に回転照射し、測定対象物からの反射測距光を受光系に入射させる走査ミラーと、該走査ミラーを収納し、前記測距光及び前記反射測距光が透過する透過窓とを具備するレーザスキャナの光学系であって、前記測距光が照射され、前記反射測距光が入射する共通光路に、前記透過窓の光学作用を相殺する矯正光学部材が設けられ、
   前記透過窓は円筒曲面又は円錐曲面で形成され、曲面の周方向に光束を発散する光学作用を有し、前記矯正光学部材は前記発散する方向に光束を収束、又は前記発散する方向と直交する方向に光束を発散する光学作用を有し、
   前記矯正光学部材は前記走査ミラーの反射面に対峙する位置に設けられ、且つ前記走査ミラーと一体に回転する様設けられ、前記透過窓の光学作用を相殺する光学作用を発揮する様形成され、
   前記測距光が前記矯正光学部材を透過して前記走査ミラーに入射し、前記反射測距光が前記走査ミラーで反射され前記矯正光学部材を透過して受光系に入射する様構成されたレーザスキャナの光学系。
2. 整準部と、該整準部に水平方向に回転可能に設けられた托架部と、該托架部に鉛直方向に回転可能に設けられ、測距部を内蔵する望遠鏡部とを具備するトータルステーションの前記托架部の上面に前記走査ミラーが水平軸心を中心に回転する様、請求項１のレーザスキャナの光学系を具備するレーザスキャナが設けられた測量装置。

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