JP5135343B2 - レーザースキャナ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の特徴項の前文に係るレーザースキャナに関する。

空間的環境を検出するために、いわゆる三次元レーザースキャナが一般的に用いられる。これらは、設置されると、設置された位置から3次元シナリオ走査を始める。ここで、測定手順は2直交軸まわり、すなわち、垂直軸まわりと垂直軸まわりの水平軸まわりの回転を必要とする。垂直軸まわりの回転は、固定子まわりのローターの移動によって達成され、回転の第二軸はローターに存する。

特許文献EP１５６２０５５に記載された実施例において、全体的な送受信光学システムは固定されて設けられている。水平軸まわりに回転可能なようにローターに設けられた偏向ミラーが、送受信光学システムに対して垂直に設けられている。レーザー光は、送信光学システムを通って偏向ミラーに供給される。これら実施例の利用可能性は、制限された検出範囲によって、非常に限定される。この設計の場合に決定的なことは、相対的に大きさが大きいことと、ミラーの調整による光学ビーム経路がばらつくことであり、平行送信ビームからの光の散乱を有効に抑制することが非常に困難になる。事実上は、相対的に反射率の低い、散乱性の強い（低アルベドな）表面のみが、任意の三次元シナリオの測量において長距離にわたって測量されるので、散乱光の悪影響は過小評価されるべきでなく、測定すべき信号の大きさの桁に迅速に達する。

更なる欠点は、ミラーが光学構造の中で自由に動くことが必要であるという光学構造の開放性である。従って、埃や他の環境的影響からシステムを保護するためにカバーすることが一方で必要であって、他方でしかし、上記散乱光問題がビーム出口で発生する。

特許文献DE２９５１８７０８U１には、垂直軸まわりに回転自在で、水平軸まわりに枢動自在な望遠鏡を有するセオドライトが記載されている。このセオドライトはレーザー距離測定装置も備えており、距離測定のためのレーザービームは、セオドライトの望遠鏡のビーム経路に導入されている。この目的のために、レーザー源はしっかりとセオドライトの傾斜軸にある望遠鏡と接続されており、レーザービームは少なくとも1つの偏向部材によって望遠鏡のビーム経路の視軸に向かって反射する。距離の大きさを求めるために、評価用電子装置が望遠鏡に設けられている。

評価用電子装置は望遠鏡のサイズを大きくし、3次元レーザースキャナに対する望遠鏡自体が大きなスペースとかなりの重さを必要とする。望遠鏡に設けた評価用電子装置の更なる欠点は、評価用電子装置が望遠鏡の枢軸を通った電力供給ケーブルと信号線に接続される必要があることである。もし望遠鏡が水平軸まわりに回転自在であった場合、レーザー源の電力供給は回転式のリードスルーを経由しなければならないことになる。既知の電気的回転式リードスルーは、複雑であり、装置をタフな条件下で使用した場合に、不良が発生しやすい。

本発明の目的は、改良された３次元レーザースキャナを提供することである。

もう1つの目的は、特に非常に頑健で低消費電力の、作業現場により適した３次元スキャナを提供することである。

これらの目的は、請求項１又は従属項の特徴によって達成される。

独創的な解決策は、可能な限りシンプルでコンパクトに設計され、２つの直交軸まわりに回転自在であり、電気的回転式のリードスルー無しで閉じた状態になるように形成された、光学的回転体を備えたレーザースキャナの設計に基づいている。レーザー源とレーザー検出器と評価用電子装置は、光学的回転体の外側で、実質的に垂直軸まわりに回転するローターに収容される。

ローター内のレーザー源からのレーザー信号のみが、光学的回転体に導入される。もう一度、受信したレーザー光が光学的回転体からローターに送信される。この送信は、互いに対して相対的に移動し回転するコンポーネントと連携した、回転分離した光学送信部材を通して達成される。これらの２つのレーザー信号は、好ましくは光学回転体の回転軸に沿った両サイドに送信される。このように送信と受信された光は、回転自在の光学的測定ヘッドに結合して、そこからいわゆる光学的コネクション又はリンクを通って分岐していく。測定ヘッドは、このように完全に受動的であるので、電力供給や信号伝送を必要としない。

良好な距離測定装置であるために、実質的に回転対称のビーム品質と高出力を有した送信レーザービームが要求される。これらの要件に合致したレーザー源は、複雑で高価である。有利な広範囲ダイオードエミッタは、微小光学システムによって効率的に回転対称の導波路と結合できるので、エミッタの線焦点は、略四角焦点に変換される。

レーザー源由来のレーザー光は、導波路によってレーザー源からローターとローター本体の間にある光リンクに導かれる。例えば５０μｍのコア径で例えば０．１２の開口数を有するマルチモーダルファイバがこの目的に適している。経済的でパワフルな広範囲ダイオードレーザーが、シンプルな送信光学システムによって、効率的にこのようなファイバと結合することができる。

最もシンプルな形状において、光リンクは、数ミクロンの空気ギャップを有する二つのファイバフェルール（ファイバプラグ）からなり、一方のフェルールは回転体にしっかりと固定され共に回転し、他方のフェルールは回転軸に直接設けられるローターに保持される。適切な場合、光導波路が光リンクの一方の側にのみ設けられる。送信光を回転体に導入する際に、適切な場合、入射光は回転体の偏向部材に直接届き、光リンクに接続した内部導波路を省略することができる。回転体からの受信光の出現時に、適切な場合、出現した光はローターの検知器に直接届くことができ、光リンクに接続した外部導波路を省略することができる。

例えば回転ヘッドの側にある光導波路への光の入射角の変化が、ファイバ端でのビーム軸の位置に対して無視できる程度の影響しか与えない場合に、光リンクでの光導波路の使用は有利である。このような光学設計を用いて、回転の関連したメカニカルな軸の偏心が、この点における光軸の位置に影響を与えないことを保証することができる。

もし受信チャネルにおける光リンクが適切に実現された場合、回転ヘッド内の送信ビームから受信ビームまでの光軸の位置は、対応する回転軸の偏心による影響を受けないままである。このように、受信光学システムの開放角度の寸法決定において、この不確実性を考慮に入れる必要がなく、結局より小さく設計することができる。従って、受信した背景光を最小化でき、結局距離計の感度と精度を向上させることが出来る。

好ましき実施例において、結合効率を向上させ、干渉エタロン効果を抑制するために、フェルール表面のコーティングが用いられる。例えば回転運動を許容するために、より大きな空気ギャップが必要な場合に、光リンクは同様に非常に良好な結合効率を可能にする二つの小さなコリメーション光システムによって設計することができる。

測定ヘッドにおいて短いファイバー距離をカバーした後で、送信光は例えば２枚のミラーとシンプルなコリメーション光システムとを経由して、中央に沿って測定ヘッドの外へ導かれる。受信光システムは、特に光システムと２枚のミラーを備え、同じ軸に位置あわせされている。必要なより大きな受信開口のせいで、受信光システムは特に光システムの外側領域を用いる。

この設計を用いて、回転体をコンパクトで小さく作ることが可能であるので、例えば回転体の回転軸方向にわずかに５ｃｍの直径を有し、光システムと垂直方向にわずか４ｃｍの高さを有する回転体が実現可能である。レーザー源由来のレーザー光が、ミラーや光システムの中央領域を経由して対象領域に届く。後方散乱レーザー光は光システムの半径方向の外側領域と２枚のミラーとを通って、回転体とローター間に設けられた光出口リンクへと導く導波路に届く。

受信電子機器は、適切な場合、出口リンクに直接設けることができる。しかし好ましくは、導波路が出口リンクから評価用電子機器まで導く。もし検知器とレーザー源とが、ローター内の共通の評価用電子機器と接続されている場合、距離測定は効率的に実行可能である。

ローターと回転体が設けられた断面概略図である。 広範囲ダイオードエミッタと微小光システムと回転対称な導波路とを示す２枚の長手方向断面図である。 回転体の断面概略図である。 固定子を備えた図１に係る実施例の断面概略図である。 カメラを備えた実施例の断面概略図である。 励起固体レーザーを備えた実施例の断面概略図である。

図１に回転ベアリング３上に設けられて水平軸まわりに回転自在な回転体２を備えたローター１を示す。ローター１は、ここでは図示しない第一回転駆動部によって垂直軸まわりに回転可能であって、第一角度測定装置によって回転位置を求めることができる。第二回転駆動部２６によって、回転体２が回転する。回転体２の回転位置は、第二角度測定装置４によって求められる。ローター１内の評価用電子機器５は、レーザー源６（ｌａｓｅｒ）と距離測定装置のレーザー光検知器７（ＡＰＤ）と接続されている。

レーザー源６由来のレーザー光は、ローター内においてレーザー源６から導波路８を通ってローター１と回転体との間に設けられた光リンク９まで導かれる。例えばコア径５０μｍと例えば開口数０．１２を有するマルチモーダルファイバがこの目的に適切である。

光リンク９は2つのファイバフェルール１０（ファイバプラグ）を数ミクロンの空気ギャップを備え、一方のフェルールは第一光伝送部材として回転体２にしっかりと固定され、回転体２と共に回転し、他方のフェルールは第二光伝送部材としてローター１の回転軸に直接保持される。このように第一と第二光伝送部材が回転自在に互いと分離しており、それぞれ回転体２とローター１と連動している。図示例において、光リンク９はレーザー光を最適伝送するためのレンズ１１も備えている。

ファイバフェルールやファイバプラグの代替案として、は発散した放射光をファイバ端で平行光にしてファイバ内を伝送又はファイバと再結合させるための、ファイバ結合したコリメータ又はファイバコリメータを用いることができる。

空気ギャップの代わりに、例えばインデックスアダプテッド媒質で満たされたギャップのように、光伝送部材間に液体で満たされた接続部を適用することもできる。このような媒質は、例えばインデックスマッチングオイルの態様で利用可能であり、後方反射を抑制する効果がある。

回転体２において、導波路８は送信光を出口点１６まで送り込み、そこから二枚の第一ミラー１２と中央レンズ１３を介して回転体２の外に浮かび出る。二枚の第一ミラー１２は回転体２の通路境界３３に設けられている。送信光は、2枚の第一ミラーの間を、水平領域から中央レンズへとガイドされる。

対象領域で後方へ散乱されたレーザー光は、環状レンズ１４と2枚の第二ミラー１５を通って、導波路８の入口点１７へ届く。光リンク９と接続された導波路８とによって、受信光が検知器７に届く。レーザー源６と検知器７の信号から、評価用電子装置は、第二角度測定装置４の対応する回転配向と連携した距離の値を求める。固定子に対するローター１の方向は、図示しない第一角度測定装置によって検知される。検知された距離の値はそれぞれ二つの方向値によって求められる空間的方位と連携することができる。

回転体の図示例において、異なる焦点距離が送信光システムと受信光システムとで設けられている。焦点距離５０ｍｍの送信光システムには１２ｍｍ径の射出瞳が必要である。光システムは、マルチレンズシステム又は非球面の単一レンズからなる。受信光システムは焦点距離８０ｍｍで３０ｍｍ径を有し、実質的により大きく設計されており、中央領域に送信光システムを保持している。送信光システムが挿入された受信レンズを貫通する穴又は二つの異なる焦点距離を有する複合ガラスモールディング又は受信光システムと中央部の回折素子の組み合わせが、より大きな屈折力を得るために適している。

また、図３に示す光システムの設計が実現可能であり、そこでは、送信チャネルにおける追加のレンズ素子１３ｂと組み合わされて、同じ正面レンズ１３ａが送受信光システムのために用いられており、所望の短縮された焦点距離を得ている。

光システムの特性は、送信出力と、ファイバのコア径と、測定点までの最大距離と、対象物のアルベドと、検知器の感度と、測定原理とに一般的に大きく依存するので、光システムの他の実施例は、当業者が導き出すことが可能である。

受信光は２枚の第二ミラーからなる折り曲げられたビーム経路を経て、２００μｍのコア径を有する導波路８上にマッピングされる。設計をよりコンパクトにするために、第二ミラー１５はカーブしていてもよい。受信光は、ローター１内で送信チャネルの場合と同様に形成された光リンク９を通して検知器７上に導かれる。従って、すべての電子装置を回転体２の外側に設けることができる。

回転体２の内側では、送信チャネルと受信チャネルのビーム経路にオーバーラップが無く、実質的に散乱光が発生するリスクを減らしている。光システム全体が回転体２に封入されているので、環境的影響から光学的に保護されている。外側カバーは不要である。従来例とは対照的に、回転角とは独立に、送信光システムと受信光システムは常に互いに対して同一の方向を向いており、ミラーは他の光システムの部材に対して相対的に移動するので、絶えず変化するマッピング状況を生み出し、比較的調整やエラーに敏感である。

図２に、６０μｍの広さ（遅軸）と２μｍの狭さ（速軸）を有する広範囲ダイオードエミッタ１８を用いたレーザー源６を示す。このエミッタからのレーザー光は、微小光システムによって５０μｍ径の回転対称な導波路８に進入する。実施例の微小光システムは、円柱レンズ１９と球面レンズ２０とからなり、エミッタ１８の線焦点は、略正方形焦点に変換される。例えば、先行技術文献”Beam shaping of broad area diode laser: principles and benefits”、Proc. SPIE Vol. 4648, Test and Measurement Applications of Optoelectronic Devices に、セグメント化ビームの変換光システムが開示されている。これらの新しい光システムは、線焦点を積み重ねて正方形の焦点を与える。

別の実施例が、図４と５に示されている。ローター１が固定子２１上に設けられたシステム全体と、電力供給部２２と通信インターフェース２３が示されている。ローター１を固定子２１上に回転自在に設けるために、ベアリング２４が設けられている。ローター１は、第一回転駆動部２５によって回転される。

本発明に係るレーザースキャナは、固定子２１と、第一回転軸まわりに回転自在なように固定子２１上に設けられたローター１と、第二回転軸まわりに回転自在なようにローター１に設けられた回転体２と、評価用電子装置５と、レーザー源６と、レーザー光検知器７とを備える。送信光と受信光の経路のために、回転体２は、第二回転軸と平行な経路境界３３を備える。

所望のスキャニング動作が、第一回転駆動部２５と第二回転駆動部２６の適切な制御により行われる。回転体２の空間的方位は、二台の角度測定装置によって検出される。評価用電子装置５をレーザー源６、検知器７、角度測定装置４と接続することによって、検出された距離は、対応する方位と連携することが可能である。

図４の実施例において、検知器７は光リンク９に直接設けられている。これにより、受信光を光リンク９から検知器７まで伝送する導波路を省略することができる。

図５の実施例において、受信光システムの後部第二ミラー１５は、ハーフミラーになっている。このハーフミラーである第二ミラー１５の後ろで回転体２の中に、偏向ミラー２７とコンパクトなＣＣＤカメラ２８とが設けられている。カメラ２８は受信チャネルの工学的なチェックを可能にしている。カメラ２８を回転体２の中で動作させるために、回転式リードスルー２９が用いられる。しかし、色ビームスプリッタを介して独立した光源（１００ｍＷ）からの他の波長をファイバ又はレーザー源６とリンク９とに結合することによって、また同一のビームスプリッタを介して回転体２内で光起電力性コンポーネント又は太陽電池上で再結合させることによって、カメラ２８は光学的に電力供給を受けることもできる。また、ビームスプリッタによって変調された信号を用いて、出力ファイバへデータ伝送することもできる。例えば移動無線技術のような微弱電流コンポーネントが知られており、利用することができる。カメラの助けを借りて、スキャンされる対象物の構造を検知することができる。カメラの代わりに、又はカメラに加えて、シンプルな分光センサを用いることができる。もしスキャンされるものの全景をあらかじめ迅速に検知することを意図するなら、回転体２の側部のローター１に設けた適切なズーム機能を有するカメラを用いることもできる。

回転体２の下に、文献DE10216405にある実施例と類似の参照ユニット３０をローター１上に設けて、距離測定装置の完全な較正をすることができる。最もシンプルなケースでは、測定ヘッドの回転から垂直な距離を得るために、参照ユニット３０は既知の距離だけ離れた目標を有する。加えて、目標の反射率は、動的距離較正を可能にするために、変化させることができる。

図６の実施例において、ダイオード励起された固体レーザー３１を備えた変形例が示されている。固体レーザー３１は、例えば可飽和吸収体（Cr⁴⁺：YAG）を備えたQスイッチマイクロチップレーザー（Nd:YAG）である。ｋWレンジにおける大きなピーク出力のせいで、ファイバ伝送は破壊閾値によってクリティカルである。図示例において、励起レーザー６の励起光（８０８ｎｍ）が光リンク９を介して回転体２へ供給可能であり、そこで固体レーザー３１を励起させる。新たに生じたレーザー光は、レンズを通過する必要は無いが、出口穴３２を通って回転体２から出現することができる。

もちろん、記載されたすべての特徴は、本発明に鑑みて別の実施例を導出するために、当業者によって利用可能である。特に、記載した寸法は実現可能な実施例に関連しており、発明を限定するものではない。

もし、特別な実施例において、回転体２のコンパクトな設計が、所望の他のビーム経路、例えば隣り合う送信ビーム経路と受信ビーム経路を無しで済ますことができるなら、上述の折り返しビーム経路の代わりに用いることができる。

Claims (16)

1. 固定子（２１）と、
   前記固定子（２１）の上に設けられた第一回転軸まわりに回転自在なローター（１）と、
   前記ローター（１）に設けられた第二回転軸まわりに回転自在な回転体（２）であって、前記第二回転軸と平行で送信光と受信光の経路である経路境界（３３）を有する回転体（２）と、
   評価用電子装置（５）と、
   レーザー源（６）と、
   レーザー光検知器（７）と、
   前記ローター（１）が回転駆動される第一回転駆動部（２５）と、
   前記回転体（２）が回転駆動される第二回転駆動部（２６）と、
   前記回転体（２）の空間的方位が検出されるための2台の角度測定装置（４）と、
   を有するレーザースキャナであって、
   前記評価用電子装置（５）が前記レーザー源（６）と前記検知器（７）と前記角度測定装置（４）とに接続されて、検出距離が対応する方位と連携され、
   前記レーザー源（６）と前記検知器（７）とが前記ローター（１）内に設けられ、
   回転自在に互いと分離する第一光伝送部材及び第二光伝送部材をそれぞれ有する、第一光リンク（９）と第二光リンク（９）とが、前記回転体（２）の両側において前記第二回転軸上で前記ローター（１）と前記回転体（２）との間に設けられ、
   前記第一光リンク（９）を通して送信光が前記回転体（２）に導入されて、前記第二光リンク（９）を通して受信光が前記回転体（２）から外に取り出され、そして、
   前記第一光伝送部材が前記回転体（２）と連動されて、前記第二光伝送部材が前記ローター（１）と連動される
   ことを特徴とするレーザースキャナ。
2. 前記第一光リンク（９）及び／又は前記第二光リンク（９）には、前記第一光伝送部材と前記第二光伝送部材として、二つのファイバフェルール（１０）が設けられ、その一方のフェルールが前記回転体（２）にしっかりと固定されて、前記回転体（２）と共に回転され、そして、その他方のフェルールが前記ローター（１）の回転軸に保持されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザースキャナ。
3. 前記第一光リンク（９）及び／又は前記第二光リンク（９）が、前記第一光伝送部材と前記第二光伝送部材として、ファイバ結合コリメータを有していることを特徴とする請求項１に記載のレーザースキャナ。
4. 後方散乱を抑制するために前記第一光伝送部材と前記第二光伝送部材の屈折率に適合した媒質が、前記第一光伝送部材と前記第二光伝送部材とのに設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザースキャナ。
5. 前記レーザー源（６）が、導波路（８）を経由して前記第一光リンク（９）と接続していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーザースキャナ。
6. 前記第一光リンク（９）の入口での入射光の角度の変化が、前記第一光リンク（９）の出口での出射光の角度に変化を生じさせないように、前記第一光リンク（９）が形成されていることを特徴とする請求項５に記載のレーザースキャナ。
7. 前記回転体（２）において前記導波路（８）が前記第一光リンク（９）と前記第二光リンク（９）との両方に接続されて、前記送信光が前記第一光リンク（９）から出口点（１６）までガイドされ、そして、前記受信光が入口点（１７）から前記第二光リンク（９）までガイドされることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のレーザースキャナ。
8. 前記経路境界（３３）において２枚の第一ミラー（１２）と中央経路領域（１３，３２）が前記送信光をガイドするために用いられ、
   前記２枚の第一ミラー（１２）が前記回転体（２）に設けられ、そして、
   前記送信光が前記２枚の第一ミラー（１２）の間を通って横方向の領域から前記中央経路領域（１３，３２）まで達する
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のレーザースキャナ。
9. 前記中央経路領域（１３，３２）が、中央レンズ（１３）又は出口穴（３２）によって構成されることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のレーザースキャナ。
10. ２枚の第二ミラー（１５）と環状レンズ領域（１４）が前記受信光をガイドするために形成され、そして、
    前記環状レンズ領域（１４）が前記中央経路領域（１３、３２）のまわりに延在され、
    前記第二ミラー（１５）のその一方が経路領域（３３）に対向して設けられ、そして、その他方が中央領域において前記第一ミラー（１２）の背面に設けられている
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のレーザースキャナ。
11. 送信光システムと受信光システムとで焦点距離がそれぞれ異なり、
    前記送信光システムが約５０ｍｍの焦点距離と約１２ｍｍ径の射出瞳を有し、そして、
    前記受信光システムが約８０ｍｍの焦点距離と約３０ｍｍ径の射出瞳を有している
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のレーザースキャナ。
12. 広範囲ダイオード送信機が前記レーザー源として用いられて、微小光システムによって前記導波路（８）に接続され、そして、
    前記送信機の線焦点が、前記微小光システムによって、略正方形焦点に変換される
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のレーザースキャナ。
13. 前記広範囲送信器からの光が前記回転体（２）内の励起固体レーザー（３１）に供給され、そして、
    前記固体レーザー（３１）からのレーザー光が、前記送信光として用いられる
    ことを特徴とする請求項１２に記載のレーザースキャナ。
14. 前記回転体（２）に対する位置が周期的に検出可能な参照面（３）が、前記ローター（１）に形成されていることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載のレーザースキャナ。
15. 前記回転体（２）がコンパクトCCDカメラ（２８）を有し、前記受信光システムの背面第二ミラー（１５）がハーフミラーであり、そして、偏向ミラー（２７）と前記カメラ（２８）とが前記回転体（２）内の前記背面第二ミラーの後ろで用いられていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のレーザースキャナ。
16. 前記カメラ（２８）への電力供給が、クロマチックビームスプリッタを介した別なレーザー源からの光を用いた光起電力コンポーネントによる電力供給であることを特徴とする請求項１５に記載のレーザースキャナ。

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