JP7747475B2 - レーザースキャン装置、レーザースキャン方法およびレーザースキャン用プログラム - Google Patents

Description

本発明は、レーザースキャンの技術に関する。

レーザースキャン装置としては、回転体を回転させつつ、そこからレーザースキャン光を照射する構造が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０２１－４７０６８号公報

レーザースキャンは、放射状に行われるので、遠方に行くほどレーザースキャンピッチ（隣接するスキャン光の間隔）は広くなる。そのため、遠方ではスキャン密度が低下する。この問題を回避する方法として、スキャンの速度を遅くする方法（第１の方法）、あるいはスキャン光の発光間隔を短くする方法（第２の方法）が考えられる。

第１の方法として、光学系を回転させる形式において、スキャン光の発光間隔はそのままで、回転を遅くする方法が考えられる。ここで、回転はモータによって行われるが、モータの回転を遅くした場合、回転のムラが顕在化する。この回転のムラは、角度の計測精度に悪影響を与える。

モータの駆動方法やギア構造を工夫することで、上記の回転のムラを抑える方法も考えられるが、高コストとなる。第２の方法、すなわちスキャン光の発光間隔を短くする方法は、発光部分の高コスト化および大規模化が問題となる。

このような背景において、本発明は、低コストでレーザースキャンのスキャン密度を高める技術の提供を目的とする。

本発明は、レーザースキャンの範囲を決定する回転体と、前記回転体の回転軸と直交する方向の回転軸の回りを回転する他の回転体と、前記回転体の回転を制御する制御手段と、を備え、前記回転体は、水平回転し、前記他の回転体は鉛直回転し、前記他の回転体が鉛直回転しつつレーザースキャン光を鉛直角の方向にパルス発光することで、前記レーザースキャン光の走査が行われ、前記回転体を回転させながら前記レーザースキャンを行うことで、前記レーザースキャン光の走査が特定の間隔で行われ、前記制御手段は、重複するレーザースキャン範囲に対する複数回のレーザースキャンを行うために重複する角度範囲での複数回の繰り返しの回転を前記回転体に行わせ、前記複数回の回転における回転の開始位置は順次ずれており、前記ずれは、前記特定の間隔よりも短い距離に対応するレーザースキャン装置である。

本発明において、前記繰り返しの回数をＭ（Ｍは、２以上の自然数）、前記特定の間隔に対応する角度範囲をΔθとした場合に、前記ずれに対応する角度範囲がΔθ／Ｍである態様が挙げられる。

本発明は、レーザースキャンの範囲を決定する回転体と、前記回転体の回転軸と直交する方向の回転軸の回りを回転する他の回転体と、を備えたレーザースキャン装置を用いたレーザースキャン方法であって、前記回転体は、水平回転し、前記他の回転体は鉛直回転し、前記他の回転体が鉛直回転しつつレーザースキャン光を鉛直角の方向にパルス発光することで、前記レーザースキャン光の走査が行われ、前記回転体を回転させながら前記レーザースキャンを行うことで、前記レーザースキャン光の走査が特定の間隔で行われ、重複するレーザースキャン範囲に対する複数回のレーザースキャンを行うために重複する角度範囲での複数回の繰り返しの回転を前記回転体に行わせ、前記複数回の回転における回転の開始位置は順次ずれており、前記ずれは、前記特定の間隔よりも短い距離に対応するレーザースキャン方法として把握することもできる。

本発明は、レーザースキャンの範囲を決定する回転体と、前記回転体の回転軸と直交する方向の回転軸の回りを回転する他の回転体と、を備えたレーザースキャン装置を用いたレーザースキャンを制御するコンピュータに読み取らせて実行させるレーザースキャン用プログラムであって、 前記回転体は、水平回転し、前記他の回転体は鉛直回転し、前記他の回転体が鉛直回転しつつレーザースキャン光を鉛直角の方向にパルス発光することで、前記レーザースキャン光の走査が行われ、コンピュータに前記回転体を回転させながら前記レーザースキャンを行うことで、前記レーザースキャン光の走査を特定の間隔で行われせる制御を行わせ、前記制御では、重複するレーザースキャン範囲に対する複数回のレーザースキャンを行うために重複する角度範囲での複数回の繰り返しの回転を前記回転体に行わせ、前記複数回の回転における回転の開始位置は順次ずれており、前記ずれは、前記特定の間隔よりも短い距離に対応するレーザースキャン用プログラムとして把握することもできる。

本発明によれば、低コストでレーザースキャンのスキャン密度を高めることができる。

レーザースキャン装置の外観図である。 レーザースキャン装置のブロック図である。 レーザースキャンにおけるビームの配列の状態を示すイメージ図である。 レーザースキャンにおけるビームの配列の状態を示すイメージ図である。 スキャンのタイミングを制御する回路の回路ブロック図である。 レーザースキャンにおけるビームの配列の状態を示すイメージ図である。 水平回転の制御のタイミングを示す図である。 レーザースキャンにおけるビームの配列の状態を示すイメージ図である。 レーザースキャンにおけるビームの配列の状態を示すイメージ図である。 レーザースキャンの概要を示すイメージ図である。 処理の手順の一例を示すフローチャートである。

（概要）
図１には、レーザースキャン装置（レーザースキャナ）１００の外観が示されている。レーザースキャン装置１００は、三脚１１１、三脚１１１の上部に固定されたベース部１１２、ベース部１１２上で水平回転が可能な回転体である水平回転部１１３、水平回転部１１３に対して鉛直回転が可能な回転体である鉛直回転部１１４を備えている。

鉛直回転部１１４は、レーザースキャン光の放射と受光を行う光学部１１５を備えている。光学部１１５からレーザースキャン光がパルス発光される。このパルス発光は、鉛直回転部１１４が回転しながら、その回転軸（水平方向に延長する軸）に直交する方向（面）に沿って行われる。この場合、光学部１１５から鉛直角の方向に沿ってレーザースキャン光がパルス発光される。

水平回転部１１３を水平回転させ、且つ、鉛直回転部１１４を鉛直回転させながら、光学部１１５からレーザースキャン光をパルス発光させ、対象物からのその反射光を受光することで、レーザースキャンが行われる。この例では、鉛直回転が相対的に高速で行われ、水平回転が相対的に低速で行われる。

すなわち、鉛直回転部１１４を鉛直回転させながら、光学部１１５からレーザースキャン光をパルス発光させることで、鉛直角方向に沿ったスキャン（縦方向のスキャン）が行われ、同時に水平回転部１１３が水平回転することで、この鉛直角方向に沿ったスキャン線（走査線）が水平角方向に沿ってずれるようにして移動する。なお、鉛直回転時に水平回転も同時に行なわれるので、鉛直角方向に沿ったスキャンは完全に鉛直方向に沿っておらず、僅かであるが少し斜めの線に沿って行われる。なお、水平回転部１１３が回転しなければ、鉛直角方向に沿ったスキャンは鉛直方向に沿ったものとなる。

水平回転部１１３と鉛直回転部１１４の回転は、モータにより行われる。水平回転部１１３の水平回転角と、鉛直回転部１１４の鉛直回転角は、エンコーダにより精密に計測さる。

レーザースキャン光は、１条のパルス測距光であり、一つのレーザースキャン光により、当該レーザースキャン光が当たった反射点であるスキャン点の測距が行われる。この測距値とレーザースキャン光の方向から、レーザースキャン装置１００に対するスキャン点の位置が算出される。

ここで、絶対座標系におけるレーザー１００の外部標定要素（位置と姿勢）が既知であれば、絶対座標系におけるスキャン点の位置が判明する。絶対座標系は、地図やＧＮＳＳで利用される座標系である。絶対座標系では、例えば、緯度、経度、標高によって位置が記述される。

レーザースキャン装置１００から出力されるレーザースキャン点群の形態としては、各点（各スキャン点）に係る距離と方向のデータを出力する形態が挙げられる。レーザースキャン装置１００の内部において、特定の座標系における各点の位置を計算し、各点の３次元座標位置を点群データとして出力する形態も可能である。また、レーザースキャン点群のデータには、各スキャン点の輝度（反射光の強度）の情報も含まれている。

水平回転部１１３の前面には、カメラ１１０（図２参照）の光学系１１６が配置されている。このカメラ１１０により、レーザースキャンの対象を撮影できる。レーザースキャン装置１００におけるカメラ１１０の外部標定要素（位置と姿勢）は既知であり、カメラ１１０が撮影した画像とレーザースキャン点群を関連付けることができる。例えば、カメラ１１０が撮影した画像中にレーザースキャン点群を重ねて表示した点群画像を得ることができる。

水平回転と鉛直回転の回転速度、およびレーザースキャン光の発光間隔を調整することで、レーザースキャンの密度の設定および調整が行われる。なお、遠方になる程、レーザースキャン光の間隔（レーザースキャン点の中心位置の間隔）は広くなり、またレーザースキャン光のビーム断面積が大きくなる。

光学部１１５の光軸がレーザースキャン光の光軸となる。またこの光軸がレーザースキャン光のビームの中心の方向として把握される。またこの光軸の延長線上がレーザースキャン点、すなわちレーザースキャン光の反射中心の点となる。

図２は、レーザースキャン装置１００のブロック図である。レーザースキャン装置１００は、発光部１０１、受光部１０２、測距部１０３、方向取得部１０４、発光制御部１０５、駆動制御部１０６、スキャン条件設定部１０７、通信装置１０８、タッチパネルディスプレイ１０９、カメラ１１０、位置算出部１１１を備える。

レーザースキャン装置１００は、ＣＰＵを含むコンピュータを備え、このコンピュータにより、方向取得部１０４、発光制御部１０５、駆動制御部１０６、スキャン条件設定部１０７、位置算出部１１１の一部または全部が実現される。これら機能部の一部を専用の電子回路によって構成してもよい。なお後述するように、本実施形態では、駆動制御部１０６の一部は、図５に示す構成を有する専用の電子回路により構成されている。

発光部１０１は、レーザースキャン光の発光を行う発光素子、発光に関係する光学系と周辺回路を有する。受光部１０２は、レーザースキャン光の受光を行う受光素子、受光に関係する光学系と周辺回路を有する。

測距部１０３は、レーザースキャン装置１００からレーザースキャン光の反射点までの距離を算出する。この例では、レーザースキャン装置１００の内部に基準光路が設けられている。発光素子から出力されたレーザースキャン光は２分岐され、一方がレーザースキャン光として光学部１１５から対象に照射され、他方が参照光として上記基準光路に導かれる。

対象から反射され、光学部１１５から取り込まれたレーザースキャン光と上記基準光路を伝搬した参照光とが合成され、受光部１０２に入力される。レーザースキャン光と参照光は、伝搬距離が異なり、最初に参照光が受光素子で検出され、次いでレーザースキャン光が受光素子で検出される。

ここで、受光素子の出力波形を見ると、参照光の検出波形が最初に出力され、ついで時間差をおいてレーザースキャン光の検出波形が出力される。この２つの波形の位相差（時間差）からレーザースキャン光の反射点までの距離が算出される。なお、レーザースキャン光の飛翔時間から距離を算出する形態も可能である。

方向取得部１０４は、レーザースキャン光の光軸の方向を取得する。光軸の方向は、水平方向の角度と鉛直方向の角度を計測することで得る。方向取得部１０４は、水平角検出部１０４ａと鉛直角検出部１０４ｂを有する。

水平角検出部１０４ａは、水平回転部１１３の水平回転角を検出する。水平回転は、鉛直方向を回転軸とする回転である。角度の検出は、エンコーダにより行われる。ここで利用するエンコーダは、例えば検出精度が１０秒以下のものを用いる。例えば１７ｂｉｔの分解能のものであれば、角度分解能は約１０秒弱となる。なお、１０秒の角度分解能は、１００ｍ先における水平方向の距離で約５ｍｍとなる。

鉛直角検出部１０４ｂは、鉛直回転部１１４の鉛直回転角を検出する。鉛直回転は、水平方向を回転軸とする回転である。角度の検出は、エンコーダにより行われる。エンコーダの性能に関しては、水平回転角の場合と同じである。

水平回転部１１３の水平回転角と鉛直回転部１１５の鉛直回転角を計測することで、レーザースキャン装置１００から見たレーザースキャン光の光軸の方向、すなわちスキャン点の方向が判る。

発光制御部１０５は、発光部１０１におけるレーザースキャン光の発光タイミングの制御を行う。以下、この制御の詳細を説明する。レーザースキャンは、水平回転部１１３を水平回転させ、且つ、鉛直回転部１１４を鉛直回転させながら、光学部１０５からレーザースキャン光をパルス発光させ、その反射光を光学部１１５受光することで行われる。

図３は、従来技術におけるレーザースキャン光の配列の状態を示すイメージ図である。図３には、横長の楕円形のビーム断面形状のレーザー光が点々と照射される場合が示されている。図３の場合、鉛直方向に上から下、または下から上に向けて点々とレーザースキャン光が走査されつつ照射され、その走査列（スキャン線）がｎ列目⇒ｎ＋１列目⇒・・・・と水平方向に列がずれながら繰り返されることでレーザースキャンが行なわれる。ここで、ビームの有効範囲は、強度がピークから半分になる範囲として定義される。

なお、鉛直スキャンが行われているタイミングで水平回転部１１３は継続してゆっくりと回転している。よって、正確には、鉛直スキャンは少し斜めの線に沿って行われる。すなわち、鉛直スキャンの走査線は少し斜めになる。この少し斜めの鉛直スキャンが水平にずれながら行われる。

前述したように、距離が遠くなるとスキャン点の間隔が開いてくる。一例であるが、１５０ｍ先で鉛直方向（上下方向）におけるスキャン点の間隔は、約８０ｍｍとなる。もちろん、これはレーザースキャン装置の仕様によるが、低コストのレーザースキャン装置程、このスキャン点の間隔の問題は顕在化する。

ここで、例えば４０ｍｍ×４０ｍｍの大きさの反射プリズムを計測対象とする場合を考える。この場合、当該反射プリズムが鉛直方向で隣接するスキャン光の隙間に位置し、有効な反射が得られない可能性が生じる。また、ビームの広がりにより、反射が得られたとしても、鉛直方向における計測点の数が足りず、要求される測位の精度は得られない。これは、反射プリズムを対象にする場合に限定されず、精密な測位が要求される対象物について同様に指摘できる。

反射プリズムを対象とした精密な測位では、当該反射プリズムから５点×５点以上といった多数の計測点（スキャン点）を得、その平均や重心の位置を求める手法により測位の精度を出す必要がある。上記の場合、要求される精度は得られない。

そこで、本実施形態では、ｎ列目とｎ＋１列目とで、鉛直スキャンのタイミングをずらす。図４にその一例を示す。この場合、縦スキャンの間隔は同じであり、スキャン点の位置、すなわち発光のタイミングをｎ列目とｎ＋１列目とでずらす。なお、ｎは１から始まる自然数である。

すなわち、パルス発光されるレーザースキャン光のパルス間隔は同じであるが、ｎ列目とｎ＋１列目を比較すると、鉛直角の方向において点々と照射されるレーザースキャン光の位置（位相）をずらしている。このずれを調整することで、鉛直方向の並びで見た場合に、ｎ列目のレーザースキャン光の各ビームの隙間にｎ＋１列目のレーザースキャン光の各ビームが位置する状態を実現する。

見方を変えると、鉛直角の方向で見た場合に、ｎ列目のレーザースキャン光の各ビームの発光位置の隙間に、ｎ＋１列目のレーザースキャン光の各ビームの発光位置がくるようにする。これにより、ｎ列目とｎ＋１列目の２列で考えた場合、ｎ列目の発光位置の隙間がｎ＋１列目の発光により埋められ補間された状態となる。

例えば、１列目と２列目において、上記のズレをパルス間隔の半分（位相差半周期）とする。この場合、鉛直角の方向で考えて、１列目のレーザースキャン光の照射位置（スキャン点）の隙間の中間位置が、２列目のレーザースキャン光の照射位置によって埋められる。言い換えると、鉛直角の方向で考えて、１回転目のレーザースキャン光の発光位置の隙間が、２回転目のレーザースキャン光の発光位置によって補間される。

同様の考え方は、３列以上の場合にも適用できる。例えば、１列目と２列目と３列目において、上記のズレ（位相差）をパルス間隔の１／３とする。この場合、鉛直角の方向で考えて、１列目のレーザースキャン光の照射位置の隙間が、２列目および３列目のレーザースキャン光の照射位置によって補間される。言い換えると、鉛直角の方向で考えて、１回転目のレーザースキャン光の発光位置の隙間が、２回転目と３回転目のレーザースキャン光の発光位置によって補間される。

図５に上述した処理を行うための回路ブロック図を示す。図５の回路は、スキャン制御部１０５の一例である。この例では、鉛直回転部１１４の鉛直回転角を検出するエンコーダから、鉛直角の角度情報であるＶ角エンコーダデータと、縦回転１周毎に１回出力されるインデックスデータの２種類のデータが出力される。インデックスデータは、例えばレーザースキャン点群が得られない方向に光学部１１５が向いたタイミングで出力される。このレーザースキャン点群が得られない方向としては、鉛直下やレーザースキャン光の光軸が水平回転部１１３と干渉する方向が挙げられる。

図５の構成では、Ｖ角エンコーダデータがフリップフロップ（ＦＦ）回路に入力される。Ｖ角エンコーダは、図２の鉛直角検出部１０４ｂの一例であり、この場合は発光部１０１での発光を制御する周期信号を発生する手段でもある。ＦＦ回路は、多段に設けられ、複数の遅延したＶ角エンコーダデータを生成する。この多段に構成されたＦＦ回路により、位相が少しずつずれたＶ角エンコーダデータが得られる。各Ｖ角エンコーダデータは、同じ周波数で位相がずれた周期信号である。

これらＶ角エンコーダデータの内の一つがマルチプレサ（ＭＵＸ）において選択され、選択されたエンコーダデータに基づき、発光部１０１の発光素子であるレーザーダイオード（ＬＤ）への駆動電圧の供給のタイミングが決められる。Ｖ角エンコーダデータは、定速回転する鉛直回転部１１４の回転に従って得られる周期信号であり、この周期信号に従って発光素子が周期的に発光し、パルス発光が行われる。

また、Ｖ角エンコーダデータに基づき、レーザースキャン装置１００が備えるＣＰＵにより、鉛直角（Ｖ角）が計算される。

例えば、発光部１０２における発光の間隔（パルス発光の間隔）をΔｔとし、ＦＦ回路は４段であり、ＦＦ回路１段における遅延（位相差）をΔｔ／４とする。この場合、マルチプレサ（ＭＵＸ）において、インデックス信号が入力する毎に選択するＦＦ回路からの出力を１段ずつずらして選択する。

すなわち、鉛直回転部１１４の回転制御において、ｎ回転目は１段目のＦＦ回路の出力が選択され、それに基づく発光制御が行われ、ｎ＋１回転目は２段目のＦＦ回路の出力が選択され、それに基づく発光制御が行われ、ｎ＋２回転目は３段目のＦＦ回路の出力が選択され、それに基づく発光制御が行われ、ｎ＋３回転目は４段目のＦＦ回路の出力が選択され、それに基づく発光制御が行われ、ｎ＋４回転目は元に戻って１段目のＦＦ回路の出力が選択され、それに基づく発光制御が行われ、・・・・といった発光制御が行われる。

この場合、ｎ回転目とｎ＋１回転目では、同じパルス周波数で発光のタイミングがΔｔ／４ずれる。同様に、ｎ＋１回転目とｎ＋２回転目では、同じパルス周波数で発光のタイミングがΔｔ／４ずれる。つまり隣接する縦のスキャン点の並びが縦方向において（スキャン点の間隔）／４の距離でずれる。

また上記の例において、発光間隔をΔｔ、１段目と３段目のＦＦ回路の出力をインデックス毎に選択すると、ｎ回転目とｎ＋１回転目では、同じパルス周波数で発光のタイミングがΔｔ／２ずれる。この場合のスキャンパターンが図４に例示されている。

この方式によれば、一つの縦列（鉛直角方向に延長する列）で見た場合、スキャン点の間隔は狭くならない。しかしながら、隣接する２つの縦列を見ると、間隔は同じでスキャン点が縦方向（鉛直角の方向）でずれる。このため、複数の縦列で見た場合、縦方向（鉛直角方向）におけるスキャン密度を高めることができる。

なお、上記の場合、ｎ回転目とｎ＋１回転目において、発光タイミングのずれ以外は同じ条件でスキャンを行う必要がある。

以上を一般化すると下記のようになる。ｎとｍを１から始まる自然数とすると、ｎ回転目におけるパルス発光のタイミングは第１の周期信号により決められ、第１の周期信号～第（ｍ＋１）の周期信号のぞれぞれは、周波数が同じで位相がずれており、（ｎ＋ｍ）回転目におけるパルス発光のタイミングは第（ｍ＋１）の周期信号により決められ、パルス発光の周期（発光間隔）をＴとして、第ｍの周期信号と第（ｍ＋１）の周期信号との位相差は、Ｔ／（ｍ＋１）となる。

例えば、ｎ＝１、ｍ＝１であれば、１回転目におけるパルス発光のタイミングは第１の周期信号により決められ、第１の周期信号～前記第２の周期信号のぞれぞれは、周波数が同じで位相がずれており、２回転目におけるパルス発光のタイミングは第２の周期信号により決められ、パルス発光の周期をＴとして、第１の周期信号と第２の周期信号との位相差は、Ｔ／２となる。

また例えば、ｎ＝１、ｍ＝３であれば、１回転目におけるパルス発光のタイミングは第１の周期信号により決められ、第１の周期信号～前記第４の周期信号のぞれぞれは、周波数が同じで位相がずれており、４回転目におけるパルス発光のタイミングは第４の周期信号により決められ、パルス発光の周期をＴとして、第４の周期信号と第３の周期信号との位相差は、Ｔ／４となる。

例えば、上記の方法に加えて、水平方向のスキャン密度を高めることで、図６に例示するように２次元面内でのスキャン密度を高めることができる。水平方向のスキャン密度を高めるための制御は、後述の水平回転駆動制御部１０６ａにより実現される。

図５には、エンコーダが計測した角度のデータを基準に発光のタイミングを決める回路の例が示されている。他の発光のタイミングを決める方法として、発光制御用の基準クロック信号を用いる形態もある。この場合、発光が行われると、その時刻における角度データが取得される。この方法に図５の手法を適用することもできる。

この場合、発光制御用の基準クロック信号を多段のＦＦ回路に入力し、多段に位相がずれた基準クロック信号を得る。そして、図５の場合と同様に、Ｖ角エンコーダから１回転毎に出力されるインデックスデータに基づいてＦＦ回路の出力を選択する。この場合も上記と同様の効果が得られる。

駆動制御部１０６は、水平回転部１１３の水平回転と鉛直回転部１１４の鉛直回転を制御する。駆動制御部１０６は、水平回転駆動制御部１０６ａと鉛直回転駆動制御部１０６ｂを有する。水平回転駆動制御部１０６ａは、水平回転を行うためのモータの駆動制御を行う。鉛直回転駆動制御部１０６ｂは、鉛直回転部１１４の鉛直回転を行うためのモータの駆動制御を行う。

また、水平回転駆動制御部１０６ａは、以下の制御を行う。レーザースキャンでは、特定の範囲を繰り返しスキャンする場合がある。例えば、粗なスキャン密度のレーザースキャンにより反射プリズムを探索し、ついで当該反射プリズムに絞った高密度なレーザースキャンを行い、当該反射プリズムの精密な測位を行う場合がある。

この場合、当該反射プリズムに狙いを定めて、狭い範囲に対する複数回のレーザースキャンを行う。このような場合、水平回転駆動制御部１０６ａは以下の制御を行う。

いま、ある特定の範囲を２回スキャンする場合を想定する。例えば、水平角４０°～４５°の範囲を２回スキャンするとする。なお、水平角は鉛直上方から見て北を０°として時計回り方向に計測される角度とする。

まず、１回目のレーザースキャンを行う。すなわち、鉛直回転部１１４を鉛直回転させながら水平回転部を水平角４０°～４５°の範囲で回転させつつレーザースキャンを行う。この際、図５に関連して説明した鉛直角方向のスキャン密度の向上させる手法を併用してもよい。

次に２回目のレーザースキャンを行う。２回目のレーザースキャンでは、１回目のスキャンが開始された水平角の位置に戻り、そこから開始される。この際、本実施形態では、まったく同じ位置に戻らず、少しずれた位置に戻り、そこからレーザースキャンを開始する。なお、２回目のスキャン周波数は１回目と同じである。また、ずらした分全体のスキャン範囲が少しずれるが、ほとんど部分で１回目のレーザースキャンと２回目のレーザースキャンとは重複する。

この様子を図７に示す。図７には、１回目の水平方向におけるレーザースキャンの開始位置（水平角の位置）と２回目の水平方向におけるレーザースキャンの開始位置（水平角の位置）をずらした場合が示されている。１回目のレーザースキャンと２回目のレーザースキャンは重複するが、開始位置をずらすことで、１回目のスキャンにおいて隣接するレーザースキャン走査光の隙間が、２回目のスキャンにおけるレーザースキャン走査光によって埋められる。なお、開始位置以外に関しては。１回目のレーザースキャンと２回目のレーザースキャンは同じ条件で行われる。

図７には、１回目のレーザースキャンを開始する水平角の位置をθ１、２回目のレーザースキャンを開始する水平角の位置をθ２、水平方向におけるスキャンの間隔がΔθである場合に、θ１＜θ２として、θ２＝（θ１＋Δθ／２）とした場合が示されている。

この場合、１回目のレーザースキャン光の鉛直角方向の走査線の水平角の位置と、２回目のレーザースキャン光の鉛直角方向の走査線の水平角の位置は、Δθ／２ずれる。水平角の方向におけるレーザースキャン光（縦列のレーザースキャン走査光）の間隔は、Δθであるので、水平角の方向において、１回目のレーザースキャンの隙間を埋める形で２回目のレーザースキャンが行われる。

この結果、水平角の方向における１回目と２回目のレーザースキャンを重ねると、スキャン密度が１回のみのレーザースキャンを行った場合の２倍となる。

同様の原理により、１回目のレーザースキャンを開始する水平角の位置をθ１、２回目のレーザースキャンを開始する水平角の位置をθ２、３回目のレーザースキャンを開始する水平角の位置をθ３、水平方向におけるスキャンの間隔がΔθである場合に、θ１＜θ２＜θ３として、順次ずらす角度をΔθ／３とする。この場合、θ２＝（θ１＋Δθ／３）、θ３＝（θ２＋Δθ／３）として、１回目～３回目までの３回のレーザースキャンを行うことで、水平角の方向におけるスキャン密度が１回のみのレーザースキャンを行った場合の３倍となる。

一般化すると、水平角の方向で繰り返されるレーザースキャンの回数をＭ回、水平方向におけるスキャンの間隔がΔθである場合に、Δθ／Ｍの角度差でスタート位置を順次ずらしながら、同じ対象に対するＭ回のレーザースキャンを繰り返し行う。これにより、水平方向におけるスキャン密度をＭ倍にできる。なお、Ｍは、２以上の自然数である。また、Ｍ＞２なので、ずらす角度はΔθより小さくなる。

Ｍはレーザースキャン光のビームが最低限重なるように選択する。例えば、ある距離において、１回のレーザースキャンでは、水平方向におけるレーザースキャン光のビームが重ならず、隙間があるとする。この場合、Ｍはレーザースキャン光のビームが最低限重なるように選択する。こうすることで、上記Ｍ回のレーザースキャンにより、レーザースキャン光の隙間が生じない状態が得られる。

以下、この作用効果を別の観点から説明する。図８には、ある距離離れた位置における水平方向におけるレーザースキャン光のビームの分布状態が示されている。ここでは、視点の位置から見た見開き角によって水平方向における寸法が表示されている。なお、１００ｍ先において、１０秒の見開き角が約５ｍｍの距離に相当する。

図８の場合、レーザースキャン光のビーム断面形状は、水平方向に長軸を有する楕円形であり、着目している距離において、ビーム断面の水平方向の長さは４０秒である。そして、このレーザースキャン光のビームがΔθ＝８０秒の間隔で水平方向において並んでいる場合が示されている。この場合、水平方向で隣接するレーザースキャン光には隙間がある。なお、図８には、縦方向（鉛直角の方向）では、ビームが近接して位置している状態が示されている。

この場合、例えば上記のスキャン開始位置をずらす角度をΔθ／２＝４０秒に設定する。すると、図８が１回目のレーザースキャンであるとすると、図９に示すように、２回目のレーザースキャンの角度位置が４０秒ずれ、図９に示すように１回目のレーザースキャンにおける水平方向における隙間が埋まる。

同様の原理により、Δθを２０秒に設定し、３回目のレーザースキャンを行うと、更に水平方向における隙間が埋まったレーザースキャンが可能となる。なお、Δθの下限は、水平回転部１１３の水平角の位置決め精度によってきまる。θ１＞θ２とするパターンも可能である。

スキャン条件設定部１０７は、レーザースキャンに係る各種条件の設定を行う。例えば、上述した鉛直角方向におけるスキャン密度を上げるレーザースキャンモードへの設定、水平角方向におけるスキャン密度を上げるレーザースキャンモードへの設定、両手法を併用したレーザースキャンモードの設定がスキャン条件設定部１０７において行われる。

通信装置１０８は、外部の機器との間で通信を行う。通信は、例えば無線ＬＡＮの規格を用いて行われる。有線、携帯電話回線、光通信を用いる形態も可能である。タッチパネルディスプレイ１０９は、レーザースキャン装置１００のＵＩ（ユーザインターフェース）として機能する。タッチパネルディスプレイ１０９を用いてレーザースキャン装置１００の各種の操作や設定が行われる。また、タッチパネルディスプレイ１０９にレーザースキャン装置１００の動作に係る各種の情報が表示される。

カメラ１１０は、デジタルカメラである。カメラ１１０は、静止画と動画の撮影が可能である。位置算出部１１１は、各レーザースキャン点の位置を算出する。レーザースキャン点の位置は、レーザースキャン装置１００の光学原点から見た当該レーザースキャン点までの距離と当該レーザースキャン点の方向に基づいて算出される。レーザースキャン点の位置の算出は、外部のＰＣやサーバにおいて行ってもよい。各点の位置を記述する座標系は、例えば絶対座標系が利用される。この場合、絶対座標系におけるレーザースキャン装置１００の外部標定要素が既知である必要がある。

（処理の一例）
以下、レーザースキャン装置１００を用いたレーザースキャンの一例を説明する。図１０は、レーザースキャンが行われる現場の状況を示す概念図である。まず、処理に先立ち、レーザースキャン装置１００とターゲットとなる反射プリズム３００，３０１の設置を行う。

ここでは、レーザースキャン装置１００の位置が未知で、反射プリズム３００，３０１を既知の位置に設置し、後方交会法によりレーザースキャン装置１００の位置と姿勢を求める場合を説明する。反射プリズムの数は、２つに限定されず、３以上であってもよい。反射プリズムの代わりに、再帰反射ピーズや再帰反射体を用いた他の形式の反射ターゲットを用いることもできる。

レーザースキャン装置１００の位置と姿勢を求めた後、レーザースキャン装置１００を用いて、例えば建物４００等の測量対象に対するレーザースキャンを行う。これは、通常の作業であるので、ここでは説明を省略する。

上記の場合とは逆に、レーザースキャン装置１００の位置が既知で、反射プリズム３００，３０１の位置が未知であり、反射プリズム３００，３０１の測位を行うことも可能である。

図１１に処理の手順の一例を示す。図１１に示す処理を実行するプログラムは、適当な記憶媒体に記憶され、レーザースキャン装置１００が内蔵するコンピュータにより実行さえる。図１１の処理を外部のコンピュータで行い、レーザースキャン装置１００を外部から制御する形態も可能である。

処理が開始されると、まず第１のレーザースキャン条件の設定が行われる（ステップＳ１０１）。第１のレーザースキャンは、反射プリズム３００，３０１を含む広い範囲（例えば全周）を対象に行われる。

第１のレーザースキャンは、反射プリズム３００，３０１を捕捉できればよく、比較的粗いスキャン密度で行われる。例えば、第１のレーザースキャンでは、反射プリズム３００，３０１に４点程度の入射が見込まれる条件でスキャン密度を設定する。例えば、反射プリズム３００，３０１に対して、水平角方向で２点、鉛直角方向で２点の入射が見込まれるスキャンの条件が挙げられる。

やや余裕がなくなるが、水平角方向で１点、鉛直角方向で２点の入射が見込まれるスキャンの条件、水平角方向で２点、鉛直角方向で１点の入射が見込まれるスキャンの条件、といったものも可能である。

第１のレーザースキャンのスキャン密度を上げると、より確実に反射プリズム３００，３０１を捕捉できるが、スキャンに要する時間と電力が増大する。この点を鑑みて、第１のレーザースキャンの条件を設定する。

次に、レーザースキャン装置１００を用いて、第１のレーザースキャンを行う（ステップＳ１０２）。次に、第１のレーザースキャンによって得たレーザースキャン点群（レーザースキャンデータ）の中から、反射光の強度が予め定めた閾値以上の点を抽出する。これにより、反射プリズム３００，３０１からの反射光の検出が行われる（ステップＳ１０３）。プリズムからの反射光は極めて、受光の強度が強い為、極めて強い反射光を閾値にする事で、他の構造物との判別を行う事が出来る。こうして、レーザースキャン装置１００から見た反射プリズム３００，３０１の方向と距離を得る。

なお、反射光が強すぎ、受光部１０２の入力オーバーにより距離情報が正確に得られない場合は、誤差を含んだ凡その距離情報を得る。

また、第１のレーザースキャンにおいて、レーザースキャン光の出力を弱くする、減光フィルタを用いて入力光の強度を落とす、といった工夫を行い、反射プリズムからの強い反射光により受光部１０２が飽和しないようにする方法もある。

反射プリズム３００，３０１の反射面は鏡面であり、その反射率は高いので、その反射光は、他の対象物からの反射光よりも強度が高い。このことを利用して、反射プリズム３００，３０１からの反射を識別する。この際、カメラ１１０が撮影した画像を用い、画像認識から反射プリズム３００，３０１を識別する手法も可能である。

反射プリズム３０１，３０１を検出したら、反射プリズム３００，３０１の精密測位に特化した第２のレーザースキャンの条件を設定する（ステップＳ１０４）。この処理では、図４、図６に関連して説明した鉛直角方向におけるスキャン密度を高めるモード、および図８、図９に関連して説明した水平角方向におけるスキャン密度を高めるモードの一方または両方を用い、第１のレーザースキャンよりもスキャン密度を高めた第２のレーザースキャンの条件の設定が行われる。

以下、第２のレーザースキャンの条件の一例を説明する。ここでは、反射プリズム３００に対する第２のレーザースキャン条件について説明する。この場合、まずステップＳ１０３において得た反射プリズム３００のレーザースキャン装置１００からの距離からその位置で必要なレーザースキャン密度を計算する。

例えば、反射プリズム３００が５０ｍｍ角で、そこで１０×１０（計１００点）のスキャン点を確保したいとする。他方において、反射プリズム３００の位置における鉛直角方向（縦方向）におけるスキャン密度が２点／５０ｍｍであったとする。

この場合、縦方向のスキャン密度を５倍の１０点／５０ｍｍに増やすことで、上記の目的を達成する。そこで、鉛直角方向におけるスキャン点の密度を５倍にするための、図４に関連して説明した方法を用いる。

ここで、鉛直回転におけるスキャンの間隔がΔｔであるとする。この場合、図５のＦＦ回路を用いて、ｎ＋１周目の鉛直回転のスキャン開始時刻をｎ周目の開始時刻を基準としてΔｔ／５ずらす。

こうすることで、隣接する鉛直スキャン点の列が、スキャン間隔の１／５の距離で鉛直回転の方向（鉛直方向）でずれ、５列の縦列で見た場合における鉛直回転方向（鉛直方向）におけるスキャン密度が５倍となる。

他方において、水平方向におけるスキャン密度が２点／５０ｍｍ、すなわちスキャン点の間隔が２５ｍｍであるとする。この密度を５倍にするために、反射プリズム３００に狙いを定めた選択的（局所的）なレーザースキャンを５回行う。この際、図７～図９に関連して説明した方法により、最終的に得られる水平方向におけるスキャン点の間隔を５ｍｍとする。

すなわち、上記のスキャン間隔２５ｍｍを角度に換算した値をαとし、１回目の第２のレーザースキャンの開始水平角度位置をθとすると、２回目の第２のレーザースキャンの開始水平角度位置をθ＋α／５、３回目の第２のレーザースキャンの開始水平角度位置をθ＋２α／５、４回目の第２のレーザースキャンの開始水平角度位置をθ＋３α／５、５回目の第２のレーザースキャンの開始水平角度位置をθ＋４α／５とする。こうすることで、水平角方向における最終的なスキャン密度が１０点／５０ｍｍとなる。

実際には、鉛直角方向におけるスキャン密度は、縦１列（鉛直角方向の１列）で見た場合、増えていない。よって、その点を勘案して、水平角方向のスキャン密度を高めに設定し、最終的に目標とするスキャン密度が得られるように設定する。

以上述べた鉛直角方向におけるスキャン密度の設定、および水平角方向におけるスキャン密度の設定は、スキャン光の間隔、スキャン光のビームの形状、要求されるスキャン密度を勘案して決められる。

ここでは、反射プリズム３００に対する第２のレーザースキャンの条件を設定する例を説明したが。同様に反射プリズム３０１に対する第２のレーザースキャンの設定も行われる。

第２のレーザースキャンの条件を設定したら、第２のレーザースキャンを行う（ステップＳ１０５）。第２のレーザースキャンでは、第１のレーザースキャンに比較してより高密度なレーザースキャンが行われる。

第２のレーザースキャンを行ったら、その結果に基づく反射プリズム３００，３０１の精密な測位を行う。例えば、反射プリズムから１０×１０点のスキャン点を得たとする。この場合、計１００点の測位点の平均から当該反射プリズムの位置を求める。あるいは反射強度を加味した１００点の加重平均から当該反射プリズムの位置を求める。

（優位性）
例えば、図５の回路構成は、ＦＰＧＡを用いて低コストで実現できる。図９の制御は、ソフトウェアを用意すれば実現でき、新たなハードウェアは必要としない。総じて、レーザースキャン装置の基本スペックをそのまま生かし、低コストでスキャン密度を高めることができる。

（その他）
２軸の回転軸を有するレーザースキャン装置として、鉛直回転が相対的に低速で行われ、水平回転が相対的に高速で行われる態様も可能である。この場合、水平回転部の駆動に図４に関連して説明した方法を適用し、鉛直回転部の駆動に図７～９に関連して説明した方法を適用する形態も可能である。

レーザースキャン装置１００を９０°横に倒した構造のレーザースキャン装置への適用も可能である。この場合、水平回転部１１３が鉛直回転し、鉛直回転部１１４が水平回転する。例えば、移動体に搭載するレーザースキャン装置にこのような形式のものがある。この倒す角度は、９０°に限定されず、４５°や６０°の場合もあり得る。

本明細書で開示する発明は、図１に示す２軸で回転する回転部を備えるレーザースキャン装置以外の構造に適用することも可能である。例えば、鉛直回転部１１４が回転せず、鉛直回転部１１４の部分にポリゴンミラーやガルバノミラーによるスキャン光学系、あるいは半導体デバイスを用いた電子式のスキャン光学系を採用した構造が考えられる。この場合において、水平回転部１１３の駆動に本明細書において開示する発明を適用できる。

移動体に配置されるレーザースキャン装置において、１つの回転部のみを備えた構造がある。このレーザースキャン装置は、特定の面に沿ったレーザースキャンしか行わないが、移動体が移動することで、広範囲なレーザースキャンが行われる。このような構造のレーザースキャン装置の回転部の駆動に本明細書において開示する発明を適用できる。

図５に例示する第１のパルス発光のタイミングを決める信号から第２のパルス発光のタイミングを決める信号を生成する方法、更に第ｎのパルス発光のタイミングを決める信号を生成する方法は簡素であり有用であるが、他の方法を採用することもできる。

例えば、所定の位相差を付けて第１のパルス発光のタイミングを決める信号を生成する第１の信号発生回路、第２のパルス発光のタイミングを決める信号を生成する第２の信号発生回路、・・・第ｎのパルス発光のタイミングを決める信号を生成する第ｎの信号発生回路を用意する。そして、図５に関連して説明した場合と同様に１回転毎に所定の位相差でずれた信号を選択し、図４に例示するようなスキャンビームのパターンを得る。

レーザースキャン装置１００を用いた全周スキャンに図７～図９に関連して説明した手法を適用し、全周スキャンのスキャン密度を高めることもできる。この場合、通常の全周スキャンを２回以上繰り返す。この際、水平回転部１１３を複数回３６０°回転させるが、ｎ回目の回転の開始位置とｎ＋１回目の回転の開始位置をずらす。ずらす方法は、図７～図９に関連して説明した場合と同じである。

例えば、水平角方向のスキャン密度を２倍にするのであれば、水平回転部１１３を２回転させる。この際、１回目のスタート角度位置と２回目のスタート角度位置を水平角方向のスキャン点の間隔（発光位置の間隔）の半分に対応する角度でずらす。

例えば、水平角方向のスキャン密度を３倍にするのであれば、水平回転部１１３を３回転させる。この際、１回目のスタート角度位置と２回目のスタート角度位置を水平角方向のスキャン点の間隔の１／３に対応する角度でずらす。また、２回目のスタート角度位置と３回目のスタート角度位置を水平角方向のスキャン点の間隔の１／３に対応する角度でずらす。

この方法は、スキャンに要する時間は長くなるが、水平角方向のスキャン密度を高めることができる。

１００…レーザースキャン装置、１１１…三脚、１１２…ベース部、１１３…水平回転部、１１４…鉛直回転部、１１５…レーザースキャン光の放射と受光を行う光学部、１１６…カメラの光学系、３００…反射プリズム、３０１…反射プリズム、４００…レーザースキャンの対象となる建物。

Claims (4)

1. レーザースキャンの範囲を決定する回転体と、
   前記回転体の回転軸と直交する方向の回転軸の回りを回転する他の回転体と、
   前記回転体の回転を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記回転体は、水平回転し、
   前記他の回転体は鉛直回転し、
   前記他の回転体が鉛直回転しつつレーザースキャン光を鉛直角の方向にパルス発光することで、前記レーザースキャン光の走査が行われ、
   前記回転体を回転させながら前記レーザースキャンを行うことで、前記レーザースキャン光の走査が特定の間隔で行われ、
   前記制御手段は、重複するレーザースキャン範囲に対する複数回のレーザースキャンを行うために重複する角度範囲での複数回の繰り返しの回転を前記回転体に行わせ、
   前記複数回の回転における回転の開始位置は順次ずれており、
   前記ずれは、前記特定の間隔よりも短い距離に対応するレーザースキャン装置。
2. 前記繰り返しの回数をＭ（Ｍは、２以上の自然数）、
   前記特定の間隔に対応する角度範囲をΔθ
   とした場合に、
   前記ずれに対応する角度範囲がΔθ／Ｍである請求項１に記載のレーザースキャン装置。
3. レーザースキャンの範囲を決定する回転体と、
   前記回転体の回転軸と直交する方向の回転軸の回りを回転する他の回転体と、
   を備えたレーザースキャン装置を用いたレーザースキャン方法であって、
   前記回転体は、水平回転し、
   前記他の回転体は鉛直回転し、
   前記他の回転体が鉛直回転しつつレーザースキャン光を鉛直角の方向にパルス発光することで、前記レーザースキャン光の走査が行われ、
   前記回転体を回転させながら前記レーザースキャンを行うことで、前記レーザースキャン光の走査が特定の間隔で行われ、
   重複するレーザースキャン範囲に対する複数回のレーザースキャンを行うために重複する角度範囲での複数回の繰り返しの回転を前記回転体に行わせ、
   前記複数回の回転における回転の開始位置は順次ずれており、
   前記ずれは、前記特定の間隔よりも短い距離に対応するレーザースキャン方法。
4. レーザースキャンの範囲を決定する回転体と、
   前記回転体の回転軸と直交する方向の回転軸の回りを回転する他の回転体と、
   を備えたレーザースキャン装置を用いたレーザースキャンを制御するコンピュータに読み取らせて実行させるレーザースキャン用プログラムであって、
   前記回転体は、水平回転し、
   前記他の回転体は鉛直回転し、
   前記他の回転体が鉛直回転しつつレーザースキャン光を鉛直角の方向にパルス発光することで、前記レーザースキャン光の走査が行われ、
   コンピュータに
   前記回転体を回転させながら前記レーザースキャンを行うことで、前記レーザースキャン光の走査を特定の間隔で行われせる制御を行わせ、
   前記制御では、重複するレーザースキャン範囲に対する複数回のレーザースキャンを行うために重複する角度範囲での複数回の繰り返しの回転を前記回転体に行わせ、
   前記複数回の回転における回転の開始位置は順次ずれており、
   前記ずれは、前記特定の間隔よりも短い距離に対応するレーザースキャン用プログラム。