JP5436725B2 - 周囲環境を光学的に走査および測定するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の包括的用語による特徴を有する装置に関連する。

例えば特許文献１などから周知であってレーザスキャナとして設計される装置により、レーザスキャナの周囲環境が光学的に走査および測定され得る。

独国実用新案第２０ ２００６ ００５ ６４３ Ｕ１号明細書

本発明は、導入部で言及されたタイプの装置を改良するという目的に基づいている。この目的は、請求項１の特徴を包含する装置により本発明において達成される。従属請求項は、好都合な形態に関連している。

レーザスキャナの構成要素は、測定ヘッドの二つの部分と、これらの部分を接続する保持構造の横材とに配設される。レーザスキャナの重量を軽減するため、好ましくは測定ヘッドの二つの部分の各々に一つのシェルというように、ハウジングの一部分としてシェルが設けられ、シェルは軽量の材料、例えばプラスチック材料で製作されて、対応するレーザスキャナ構成要素を保護するためこれらを被覆するとよい。一方、シェルを保護するために、好ましくはシェルの各々に一つのヨークというように、シェルの外側を部分的に被覆するとともに軽量の材料、例えばやはりアルミニウムで製作されるヨークが設けられる。

重量のため好ましくはやはりアルミニウムで製作される保持構造は、光学素子および回転ミラーを含む構成要素を固定する機能を持つ壁部を有することが好ましい。壁部はまた、半開シェルを閉じることができる。ヨークは、シェルの外縁部に沿って、および／または外面上で対角線上に延在し、２枚の壁の一方において好ましくは両端部で、必要な場合および時には中心でも保持構造に固定される。保護機能に加えて、さらなる機能がヨークに組み込まれてもよい。

レーザスキャナのパラメータ、特に温度は、動作中に変化し得る。修正のために相対的な測定が必要である。周知の幾何学形状とレーザスキャナの中心までの周知の距離とを有するプリズムに沿って発光ビームのスポットを一時的に移動させることが考えられる。異なる信号レベルの受光ビームを発生させるため、少なくとも二つの異なる輝度レベルおよび／またはカラーをプリズムが付加的に有する。異なる輝度レベルおよび／またはカラーは、発光ビームのスポットの移動方向に沿って交替することが好ましい。

ミラーの回転中には、転回のたびに発光ビームが保持構造の横材へ放射され、下方の周囲環境は測定されない。そのため、横材にプリズムが構成されることが好ましい。発光ビームのスポットの移動方向に垂直な（または移動方向における）特定の幾何学形状を、受光素子の結像特性を考慮したものにすることで、結果的に得られる信号品質を制御することができる。異なる輝度レベルおよび／またはカラーと周知のプリズム距離とにより、制御評価ユニットは距離修正値（の修正）を実行する。

レーザスキャナを組み立てるために、構成要素は機械的および電気的なインタフェースを有している。特に相互に回転可能である部分の間では、その際に高い精度が必要とされる。そのためレーザスキャナは、一方ではレーザスキャナの定常基準系に位置するベースを備えるとともに、他方ではベースに対して回転可能である測定ヘッドの保持構造に固定される部分を予備組立アセンブリとして備える旋回軸モジュールを備えている。相互に回転可能であるインタフェースは、その際にインタフェースモジュールの内部へ変位する。例えば保持構造の受容スロットへ旋回軸モジュールを挿入する時に挿入方向に閉じられるように、旋回軸モジュールと測定ヘッドの他の部分との間のインタフェースは、（より）単純な構成でよい。

レーザスキャナでは、測定ヘッドおよびミラーを回転させるためのモータが、制御評価ユニットおよび他の電子部品とともに、除去されなければならない熱を発生させる。この目的のため、レーザスキャナは通気に基づく一体的な冷却装置を備える。こうすることで、保持構造とハウジングとして機能するシェルとの間の空間へ空気入口によって空気が導入され、ここから、保持構造の内部に対して密封された吸入管を通って冷却装置の内部へ入る。ここから、保持構造の内部に対して密封された別の出口管を介して、空気出口を通って外側へ、ファンが加熱空気を送風する。こうして、中央の構成要素の密閉性を損なうことなく熱が除去されることが好ましい。空気入口および空気出口の各々の一つのフィルタは、この空間および冷却装置の管への粉塵および粗い粉塵粒子の侵入を回避する。空気入口および空気出口は、気流が相互に離間する、つまり交差せずにできる限り広がる方向となる配向を、例えばリブによって持つ。例えば矩形の輪郭を有する吸入管および出口管は、ファンのハウジングに密封状態で接続される。付加的に、必要であれば適当なプラグによって管が完全に密封されてもよい。好ましくは二つあるシェルの各々は、半開状態であって保持構造の壁部によって閉じられ、空気入口および空気出口は好ましくは二つのシェルの一方で正確に連通し、相互に、また空間に対して密封される。こうして、外側に配設されたシェルを保持構造に対して密封することで、レーザスキャナの完全密封を保証する。この通気に加えて、（保持構造の内部区分から）能動的冷却要素へ熱を伝達するため、受動的冷却要素、例えば冷却フィンおよび／またはヒートパイプを冷却装置が備えることが好ましい。これは、電子機器からの熱であるか、相互に密封される二つの半分に保持構造が細分される場合には、（能動的冷却要素を備えていない）保持構造の外側半分からの熱である。

レーザスキャナの斜視図である。 レーザスキャナの若干斜視図的な側面図である。 レーザスキャナの底面図である。 旋回軸モジュールのゾーンにおけるレーザスキャナの断面である。 シェルを伴わないレーザスキャナの部分的斜視図である。 図５の斜視図における冷却装置の部分図である。 動作中のレーザスキャナの概略図である。

図面に描かれた例示的実施形態に基づいて、本発明が以下でより詳細に説明される。レーザスキャナ１０は、レーザスキャナ１０の周囲環境を光学的に走査および測定するための装置として用意されるものである。レーザスキャナ１０は、測定ヘッド１２とベース１４とを有する。測定ヘッド１２は、垂直軸を中心として回転可能であるユニットとしてベース１４に取り付けられる。測定ヘッド１２は、水平軸を中心として回転可能である回転ミラー１６を有する。２本の回転軸の交点は、レーザスキャナ１０の中心Ｃ₁₀と称される。

測定ヘッド１２はさらに、発光ビーム１８を発するための発光部１７を備えている。発光ビーム１８は、およそ３００から１６００ｎｍの範囲、例えば原則として７９０ｎｍ、９０５ｎｍ、または４００ｎｍ未満の波長のレーザビームであることが好ましいが、例えば、より長い波長を有する他の電磁波の使用も可能である。発光ビーム１８は、例えば正弦波形または矩形波形の変調信号により振幅変調を受ける。発光ビーム１８は発光部１７により回転ミラー１６へ発せられ、ここで偏向され周囲環境へ発せられる。物体Ｏにより周囲環境で反射されるか、さもなければ拡散される受光ビーム２０は、回転ミラー１６により再び捕獲され、偏向を受けて受光部２１へ向けられる。発光ビーム１８および受光ビーム２０の方向は、各々が１台のエンコーダにより記録される対応の回転駆動装置の位置に左右される回転ミラー１６および測定ヘッド１２の角位置から生じるものである。

制御評価ユニット２２は、測定ヘッド１２の発光部１７および受光部２１へのデータ接続を有し、その一部分は測定ヘッド１２の外側、例えばベース１４に接続されたコンピュータに配設されるとよい。制御評価ユニット２２は、多数の測定点Ｘについて、発光ビーム１８および受光ビーム２０の伝播時間から、レーザスキャナ１０と物体Ｏ（の照射点）との間の距離ｄを判断する。この目的のために、２本の光線ビーム１８，２０の間の位相シフトの判断および評価が可能である。

走査は、回転ミラー１６の（高速）回転により円に沿って行われる。ベース１４に対する測定ヘッド１２の（低速）回転のため、円により空間全体が段階的に走査される。このような測定の測定点Ｘの総体が、走査と称される。このような走査について、レーザスキャナ１０の中心Ｃ₁₀は、局所定常基準系の起点を画定する。ベース１４は、この局所定常基準系に位置している。

レーザスキャナ１０の中心Ｃ₁₀までの距離ｄに加えて、各測定点Ｘは、やはり制御評価ユニット２２により判断される輝度情報を包含する。輝度値は、例えば、測定点Ｘに付与された測定期間にわたる受光部２１のバンドフィルタ処理増幅信号の集積により決定されるグレートーン値である。カラー（Ｒ，Ｇ，Ｂ）を数値として測定点に付与することのできるカラーカメラにより、任意で画像が作成されるとよい。

ディスプレイ装置２４は、制御評価ユニット２２に接続されている。ディスプレイ装置２４は、レーザスキャナ１０に、この事例では測定ヘッド１２に組み込まれている。ディスプレイ装置２４は走査のプレビューを示す。

レーザスキャナ１０は、測定ヘッド１２の「骨組」として機能するとともにレーザスキャナ１０の様々な構成要素が固定される保持構造３０を有する。この事例では、金属製の保持構造３０はアルミニウムから単体として製作される。ベース１４の上方で、外側から見ることができ、相互に平行であって横材３０ａから上方へ突出する２枚の壁部３０ｂを両端部で保持する横材３０ａを、保持構造３０が有する。二つのシェル３２は、片側に開口する好ましくはプラスチック製のハウジングとして構成されている。二つのシェル３２の各々は、保持構造３０に固定されたレーザスキャナ１０の構成要素の一部分を被覆し、シェルが固定された（シーリングで密封された）２枚の壁部３０ｂの一方に割り当てられている。こうして壁部３０ｂおよびシェル３２は、レーザスキャナ１０のハウジングとして機能する。

２個のシェル３２の各々の外側には―好ましくは金属製の―ヨーク３４が配設され、割り当てられたシェル３２を部分的に被覆し保護する。各ヨーク３４は、保持構造３０、より正確には横材３０ａの底部に固定されている。この事例では、各ヨーク３４はアルミニウムで製作され、ベース１４の側で横材３０ａにねじ結合されている。各ヨーク３４は、横材３０ａの底部の固定点から、割り当てられたシェル３２の次の外側角部へ斜方向に延出し、ここからシェル３２の外縁部に沿って、上方にあるシェル３２の外側角部へ、そしてシェル３２の上側を壁部３０ｂまでシェルに沿って短距離だけ（おそらくは追加固定点により）斜方向に、そしてシェル３２の上側で上述の経路と鏡像対称的に、他の外側角部まで斜方向に、そしてシェル３２の外縁部に沿って、下方にあるシェル３２の外側角部まで、そして横材３０ａの外側にある他の締結点まで斜方向に延在する。

二つのヨーク３４は、中に二つのシェル３２が完全に配設される（凸状）空間を一緒に画定する、つまり二つのヨーク３４はともに、シェル３２の外縁部および外面のすべてよりも突出している。上部および底部において、ヨーク３４の斜方向区分はシェル３２の上部および／または底部よりも突出し、他の四つの側面において、二つの区分の各々はシェル３２の外縁部に沿って延在している。シェル３２は、こうして広範囲で保護されている。ヨーク３４の各々は主として、特にシェル３２と下方に配設されるレーザスキャナ１０の構成要素にダメージを与える衝撃に対する保護機能を有するが、別の機能、例えばレーザスキャナ１０および／または照明を保持するための把持可能性が、ヨーク３４の一方または両方に組み込まれてもよい。

横材３０ａの上部には、壁部３０ｂと平行に延在するプリズム３６が設けられている。この事例では、プリズム３６は、保持構造３０の、一体形成された（つまり単体として設計された）構成要素であるが、別々に形成されて横材３０ａに締結されることも考えられる。ミラー１６は回転する時、回転ごとに、横材、より正確にはプリズム３６へ発光ビーム１８を向け、発光ビーム１８により発生されるスポットをプリズム３６に沿って移動させる。発光ビーム１８のスポットの移動方向に対して垂直に、横材３０ａの上部から見て、下向きの二つの台形が設計されてここから上向きの二等辺三角形が突出するように、プリズム３６の輪郭が設計される。通常は発光ビーム１８のスポットは非常に小さいため、三角形の上部に当たるが側面を部分的にのみ照射する。プリズム３６の表面は、発光ビーム１８のスポットの移動方向に沿って少なくとも二つの異なる輝度レベルおよび／またはカラーが得られるように設計される。例えば、最初に照明される半分は高い輝度レベル（「薄灰色」、「白色」）を有し、次に照明される半分が低い輝度レベル（「濃灰色」、「黒色」）を有するとよい。逆の順序、または輝度レベルがいくつか変化するストライプパターンも、やはり可能である。

電子部品、例えば受光部２１の非直線性のため、測定距離ｄは単一の強度、つまり輝度、温度、および別のパラメータに左右される。そのため輝度と相関して記憶されて非線形である距離修正値が必要である。プリズム３６は周知の距離ｄと周知の輝度レベルとを有するので、距離修正値の修正は、プリズム３６により、すなわちオンラインで実施される、つまり動作中に温度および他のパラメータの影響が補正されるとよい。プリズム３６の輝度レベルに対応する点では、周知の距離と測定距離との差が判断される。距離修正値の修正は、距離修正値の曲線を判断された差に適応させることにより実施される。この距離修正値の修正は、制御評価ユニット２２で行われることが好ましい。

横材３０ａは、底部で開口しており旋回軸モジュール４０が導入される収容スロットを有する。旋回軸モジュール４０は、一方では保持構造３０に固定される部分を、他方では―この部分に対して回転可能である―ベース１４とこれに固定される部分とを包含する予備組立アセンブリである。ベース１４は、上方に突出するドーム１４ａを備えている。ドーム１４ａと保持構造３０との間には、シーリング４１が配置される。垂直方向上方に突出する旋回軸４２は、ドーム１４ａに固定され、この事例ではねじ結合される。水平方向に配設されたウォーム歯車装置４４が、旋回軸４２に固定されている。旋回軸４２は、交差ころ軸受４７により外側ヘッド４８を支承する内側ヘッド４６を有している。水平方向に配設されたエンコーダディスク５０が内側ヘッド４６の上端部に固定され、その上方では、外側ヘッド４８がエンコーダ読取ヘッド５２を有する。そのほか、データおよび電源エネルギーの内部（つまり旋回軸モジュール４０内で行われる）伝達のためのスリップリング５４が、内側ヘッド４６と外側ヘッド４８との間に設けられている。外側ヘッド４８の上端部とベース１４の下端部には、測定ヘッド１２との間のデータおよびエネルギーの伝達のための電気プラグコネクタ５５が設けられている。

ウォーム歯車装置４４との相互作用のため、保持構造３０に支承されて、ウォーム歯車装置４４と係合するウォーム５８を駆動する遊星歯車５７を備えるモータ５６が設けられている。上述した旋回軸モジュール４０は横材３０ａに導入されるため、外側ヘッド４８のプラグコネクタ５５が適当な対応接点と一緒にプラグ接続され、ウォーム５８がウォーム歯車装置４４と係合し、外側ヘッド４８が保持構造３０に固定されて、ベース１４と保持構造３０との間にシーリング５９が位置する。旋回軸モジュール４０では、旋回軸４２、ウォーム歯車装置４４、内側ヘッド４６、およびエンコーダディスク５０がベース１４に固定され、一方、これに対して回転可能に、外側ヘッド４８およびエンコーダ読取ヘッド５２が保持構造３０に固定され、遊星歯車５７およびウォーム５８を備えるモータ５６が支承される。こうして、測定ヘッド１２は垂直軸を中心としてベース１４に対して回転可能である。

レーザスキャナ１０は、密封管を流れる空気によって冷却を行う一体型の冷却装置７０を有する。冷却装置７０は、矩形輪郭を持つ設計であることが好ましい吸入管７２と、ファン７４と、やはり矩形輪郭を持つ設計であることが好ましい出口管７６とを包含する。自身のハウジングを持つファン７４が、吸入管７２と出口管７６とに密封状態で接続されている。吸入管７２は、測定ヘッド１２の旋回動作のためのモータ５６と、上方に配設されたミラー１６の回転のためのモータとの間に配設される。出口管７６は、モータ５６と電子機器との間に配設される。

吸入管７２は、保持構造３０とシェル３２との間の（広い）密封空間Ｚに開口している。（保持構造３０の内部に対して）空間Ｚを密封することで、保持構造の内部への塵埃および粉塵の侵入を防止する。保持構造３０は、保持構造３０の内部から空間Ｚへ熱を伝達するモータ５６の近傍の冷却フィン７８を有する。外側から、空気は空気入口８０、好ましくはリブを備える通気グリルを通って空間Ｚへ入る。空気入口８０のフィルタ（例えばフィルタマット）は、粗い粉塵粒子および粉塵の空間Ｚへの侵入を防止する。

出口管７６は、―空間Ｚに対して密封状態の―空気出口８２、好ましくはリブを備える通気グリルを終端とする。空気入口８０および空気出口８２は相互に離間しており、この事例では、ヨーク３４によって分離されてシェル３２の底部に構成されている。通気グリルのリブは、空気入口８０への気流と空気出口８２からの気流とが相互に離間する、つまり加熱空気が吸入されないように整列されることが好ましい。付加的に、制御評価ユニット２２を備える測定ヘッド１２のエリアと吸入管７２との間にヒートパイプが延在し、このヒートパイプも冷却装置７０に熱を伝達する。ファン７４は、空気入口８０、空間Ｚ、および吸入管７２を介して吸気を吸入し、出口管７６および空気出口８２を介してレーザスキャナ１０から空気を再び送出する。こうして冷却が行われる。

好ましくは制御評価ユニット２２に接続される様々なセンサ、例えば温度計、傾斜計、高度計、コンパス、ジャイロコンパス、ＧＰＳなどをレーザスキャナ１０が有することが好ましい。このセンサにより、ある種のパラメータ、例えば幾何学的配向または温度により規定されるレーザスキャナ１０の動作条件が監視される。一つまたは幾つかのパラメータが変動する場合、これは、対応のセンサにより認識されて制御評価ユニット２２によって補正される。これらのセンサにより、動作条件の突然の変化、例えばレーザスキャナ１０の配向を変えてしまうレーザスキャナ１０への衝撃やレーザスキャナ１０の変位を認識することが可能である。この変化の程度が充分な精度で記録されない場合には、走査プロセスが中断されるか中止されなければならない。この動作条件の変化の程度が大まかに推定され得る場合には、測定ヘッド１２が（突然の変化の前に走査されていたエリアとの重複が見られるまで）数度の角度だけ戻され、走査プロセスが継続する。重複エリアの評価により、二つの異なる走査部分の結合が可能である。

１０ レーザスキャナ、１２ 測定ヘッド、１４ ベース、１４ａ ドーム、１６ ミラー、１７ 発光部、１８ 発光ビーム、２０ 受光ビーム、２１ 受光部、２２ 制御評価ユニット、２４ ディスプレイ装置、３０ 保持構造、３０ａ 横材、３０ｂ 壁部、３２ シェル、３４ ヨーク、３６ プリズム、４０ 旋回軸モジュール、４１ シーリング、４２ 旋回軸、４４ ウォーム歯車装置、４６ 内側ヘッド、４７ 交差ころ軸受、４８ 外側ヘッド、５０ エンコーダディスク、５２ エンコーダ読取ヘッド、５４ スリップリング、５５ プラグコネクタ、５６ モータ、５７ 遊星歯車、５８ ウォーム、７０ 冷却装置、７２ 吸入管、７４ ファン、７６ 出口管、７８ 冷却フィン、８０ 空気入口、８２ 空気出口、Ｃ₁₀ レーザスキャナの中心、ｄ 距離、Ｏ 物体、Ｘ 測定点、Ｚ 空間。

Claims (5)

1. 周囲環境を光学的に走査および測定するためにレーザスキャナとして設計された装置であって、
   発光ビームを発する発光部と、
   レーザスキャナの周囲環境にある物体から反射された前記発光ビームの一部である受光ビームを受ける受光部と、
   前記受光部に接続され、多数の測定点について前記物体までの距離を判断する制御評価ユニットと、
   を備え、
   保持構造と、外側ハウジングとして機能するシェルと、冷却装置とが、前記レーザスキャナに設けられ、
   前記冷却装置は、さらに、空気入口と、前記保持構造と前記シェルの間の空間と、前記保持構造と前記シェルの間の前記空間に対して開口された吸入管と、出口管と、前記吸入管および出口管に密閉状態で接続されたファンハウジングを有したファンと、前記空間に対して密閉された前記出口管の終端に位置する空気出口と、を備え、
   前記空間は、前記空気入口により前記周囲環境に対して開口し、その他は前記保持構造の内部に対して、また前記シェルに対して密閉され、
   前記ファンは、前記空気入口を介して空気を吸引し、前記空間および吸入管を介して空気を引き寄せ、前記出口管および空気出口を介して前記レーザスキャナの外部に空気を吐き出す、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記冷却装置の能動的冷却要素に接続されることで前記保持構造の内部区分を冷却する受動的冷却要素および／または熱導管が設けられることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記空気入口および前記空気出口は、空気入口への気流と空気出口からの気流とが相互に離間するように、相互に離れて整列される、および／または、リブを備える、ことを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記レーザスキャナの前記ハウジングの一部分として、保護部として機能する少なくとも一つのヨークにより外側が部分的に被覆される少なくとも一つのシェルが設けられること、および／または、前記発光ビームが前記レーザスキャナのプリズムに沿って一時的に移動して、少なくとも二つの異なる輝度レベルおよび／またはカラーを前記プリズムが有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか1項に記載の装置。
5. 一方では前記レーザスキャナの定常基準系に位置するベースを、他方では前記ベースに対して回転可能である測定ヘッドの前記保持構造に固定される部分を予備組立アセンブリとして備える旋回軸モジュールを前記レーザスキャナが備えることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
   

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