JP2003177014A - ３−ｄレーザ計測装置 - Google Patents

３−ｄレーザ計測装置

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JP2003177014A
JP2003177014A JP2002294230A JP2002294230A JP2003177014A JP 2003177014 A JP2003177014 A JP 2003177014A JP 2002294230 A JP2002294230 A JP 2002294230A JP 2002294230 A JP2002294230 A JP 2002294230A JP 2003177014 A JP2003177014 A JP 2003177014A
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Christoph Froehlich
フレーリッヒ クリストフ
Markus Mettenleiter
メッテンライター マルクス
Martin Zebandt
ツェバント マルティン
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Z & F Zzoller & Froehlich GmbH
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 デバイス技術に関して低廉な費用で、計測す
べき対象物の三次元走査を行う３−Ｄレーザ計測装置を
提供する。 【解決手段】 開示したものは、回転軸線を中心に連続
的に回転可能なミラーを有する３−Ｄレーザ計測装置で
あり、回転軸線は、例えば、光エミッターによって放射
されてミラーに当たる計測ビームと平行に又は同軸に延
長されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、請求項１の前置き
による３−Ｄレーザ計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】この種の計測装置は、光エミッターによ
って放射されたレーザ計測用ビームが、機械的ビーム偏
向装置によって偏向され、この結果、周囲の、全表面、
三次元空間の走査又は計測を可能とするものである。デ
ジタル化された計測データは、更なる処理、及び計測中
の対象物の視覚化に利用できるように、コンピュータシ
ステムに記憶される。
【０００３】３−Ｄ計測は、変調されたレーザ光を計測
すべき環境を通過させることによって行われ、空間内の
いろいろな方向に対し、距離値及び反射率値の両方の地
点計測が可能である。距離イメージ及び反射率イメージ
は、空間内で全方向に計測し組織化することで求められ
る。反射率イメージが、ビデオカメラのハーフトーン画
像と類似した可視画像を再現する一方、距離イメージ
は、周囲の幾何図形的配置を再現する。両方のイメージ
は、画素ごとに対応し、かつ、レーザ光を用いた自立的
なアクティブ照明により、周囲環境の影響を受けること
はない。
【０００４】この種の装置において空間的なビーム偏向
又は走査は、機械的偏向ユニットによって行われ、例え
ば米国特許第６０３４８０３Ａ１号で公知のものとして
知られる。このビーム偏向装置はミラーを有し、それに
よって、エミッターによって放射されたレーザ計測用ビ
ームが対象物に向けられる。ミラーは、エミッターの計
測用ビーム軸線と同軸又は平行に配列した回転軸線を中
心に３６０°に亘って回転可能なように取り付けられ
る。計測用ビームの射出角度は、ミラーの傾斜角度を計
測用ビーム軸線に対して変えることができる回動機構に
より調節できる。公知の解決策では、ミラーの回転軸線
は、ヨークに取り付けられ、端部分で歯付きラックと噛
み合うギアを支え、ラックは、カムの従動車輪を介して
カムで支持される。このカムは、周囲の空間を走査する
ために、前述のミラーの回転中に傾斜角度が変えられる
ように設計される。回転中、歯付きラックのカム従動車
輪がカムで確実に支持される手段を講ずるため、回転軸
線は釣り合い重りの作用を受け、それ故、歯付きラック
はカムの方へ偏る。
【０００５】この種の偏向ユニットは、非常に多数の動
く要素（カム従動車輪、釣り合い重り、歯付きラック、
ギア）により、重く、大変複雑な機構構造を有する。さ
らなる欠点は、可視範囲が垂直方向に制限されることで
ある。
【０００６】欧州特許第１００１２５１Ａ１号によりレ
ーザ位置決め装置が公知であり、そこでは、機械的偏向
ユニットは、回転自在に取り付けられた二つのミラーか
らなっており、各々付随したモータ作動部を有する。こ
れらのミラーを適当に駆動することによって、３−Ｄ計
測を行うことも可能である。計測ビームを空間的に偏向
するには、この変形例でも、デバイス技術に関して相当
な費用が必要である。
【０００７】
【発明の解決しようとする課題】上記の説明に鑑みて、
本発明は、デバイス技術に関して低廉な費用で、計測す
べき対象物の三次元走査を行う３−Ｄレーザ計測装置を
提供する目的に基づく。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この目的は、請求項１の
特徴を有する３−Ｄレーザ計測装置によって達成され
る。
【０００９】本発明の計測装置は、回転可能なミラーを
有し、このミラーは、ミラーに当たる計測ビームのビー
ム軸線と、例えば平行又は同軸に配置した回転軸線を有
する。ミラーの台座は、レーザが連続的に回転自在であ
り、かつ、ミラーの回転軸線を中心にミラーが一回転す
る間に、全円周（３６０°）を走査することができるよ
うに選択可能である。米国特許第６０３４８０３Ａ号に
よる公知の解決策では、走査が直線状に行われるのに対
して、この発明では、走査が円柱状に、例えば垂直方向
に行われる。ミラーの連続的な回転は、米国特許第６０
３４８０４Ａ号による公知の解決方法の往復運動より
も、はるか容易に制御可能である。欧州特許第１００１
２５１Ａ１号による公知の解決策では、かなり大きな費
用を必要とする制御部を備えた駆動機構を各々有する少
なくとも二つのミラーが必要である。
【００１０】ミラー及び付随した駆動機構を有する回転
ヘッドは、計測ヘッド内に取り付けられ、計測ヘッドも
また、好ましくは、回転ヘッドの回転軸線に対して垂直
に延びる回転軸線を中心に回動可能である。計測ヘッド
の回転角度又は回動角度は、１８０°に制限され、それ
故、ミラーの回転及び１８０°に亘る計測ヘッドの回動
の結果、完全な３−Ｄ走査（３６０°）が可能である。
引用した先行技術では、本発明の装置とほぼ同じ範囲を
走査するためには、３６０°に亘る計測ヘッドの回転が
必要である。
【００１１】三次元対象物を計測するための計測装置の
特に好適な変形例では、ミラーは、回転ヘッド内に取り
付けられ、回転ヘッドの角度位置は、エンコーダによっ
て検出される。ミラーを収容する回転ヘッドは、専用回
転駆動機構によって、連続的に回転可能である。回転ヘ
ッドの駆動機構とミラーの駆動機構とは、互いに独立に
制御可能であり、したがって、重要性のより低い領域で
データ密度を減少させながら、重要な領域でデータ密度
を増加させることが、適切な制御を通じて可能である。
【００１２】もし、この実施形態で、回転ヘッドの回転
射出窓が、反射を回避するようにコートされたディスク
によって形成されれば、特に有利である。乱反射を回避
するために、このディスクは、対応する光学インサート
を備えるのがよい。もし、ディスクを、反射が最小にな
るように傾ければ、特別の利点があることが見出されて
いる。
【００１３】もし、計測ヘッドを、回転ヘッドを間に配
置する二つの支持脚を含むように設計すれば、回転ヘッ
ドの台は、特に簡単である。それにより、回転ヘッドの
軸受要素及び駆動機構、光エミッター、受光器及び付随
機構を、一方又は両方の支持脚内に設けることが可能で
ある。
【００１４】本発明の更に有利な展開は、更なる従属項
で述べる主題である。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明の好適な実施形態を、図面
を参照することによって、下により詳細に説明する。
【００１６】図１は、計測ヘッド４を有する３−Ｄレー
ザ計測装置の概略表示であり、計測ヘッド４は、垂直な
回転軸線２を中心に回動自在である。この計測ヘッド４
は、図１による表示において、二つの支持脚８、１０を
備えたハウジング６を有し、支持脚８、１０には、回転
ヘッド１２が取り付けられており、回転ヘッド１２は、
水平方向を有する回転軸線１４を中心に連続的に回転自
在である。その上、回転ヘッド１２は、以下により詳し
く説明する光学系を含み、その光学系を介して、レーザ
計測用ビームが対象物に向けられる。
【００１７】回転ヘッド１２を回転自在に取り付けた結
果、この計測ビーム１６は回転軸線１４を中心に回転
し、そのため、実質的に垂直面が走査される。次いで、
対象物によって反射されたレーザ光は、回転ヘッド１２
を通して入れられ、偏向され、そして、受光器を含む評
価ユニットによって評価され、受光器では、レーザ光の
伝搬遅延を演算することができ、かくして、検出された
散乱光の振幅が、強度値に対応し、かつ計測されている
対象物の反射率及び距離によるものであるのに対し、計
測ヘッド４から対象物までの距離は、送られた信号（計
測ビーム１６）と受光器によって検出された散乱光との
間の位相のずれに基づく。かくして、距離イメージを、
各距離値に割り当てられているハーフトーンに対応させ
て、ハーフトーン画像として表示することができる。強
度イメージも、暗い（低反射率）面は黒く表し、かつ、
明るい（高反射率）面は白く表して、ハーフトーン画と
して表示することができる。この種のハーフトーン符号
化は、人間の目にとって大変馴染んでおり、かつ、記録
されたレーザデータの現場での評価を、いかなる複雑な
データ処理もすることなしに、比較的単純化する。距離
値とは異なって、対象物の強度値は、例えば、表面の反
射率（後方散乱したレーザエネルギーの割合）、対象物
までの距離、及びレーザビームの入射角のような多くの
要因に依存する。対象物によって反射されて計測ヘッド
によって検出された信号の非常に複雑な処理に関して
は、本出願人のドイツ国特許第１９８５１３０７Ａ１号
を援用する。
【００１８】図２は、計測ヘッド４の断面図を示す。既
に先に述べたように、ハウジング４は、回転ヘッド１２
が取り付けられた支持脚８及び支持脚１０で形成され
る。二つの支持脚８、１０は、回転フランジ２０に固着
されたベース１８に、下向きに連接している（図２参
照）。この回転フランジ２０は、ここに表示しない回動
駆動装置に連結されるようになっており、そのため、表
示した計測ヘッド４は、回転軸２を中心に回動自在であ
る。回転ヘッド１２は、斜めに傾けたミラー２６を収容
するほぼ円筒形の内部キャビティ２４を取り囲むハウジ
ングジャケット２２を含む。
【００１９】特に、図２の表示の右からの側方図を示す
図３から読みとれるように、ハウジングジャケット２２
は、軸３０が配置された内部キャビティ２４を取り囲む
ほぼ円筒形の部分２８を有する。軸３０は、非反射ディ
スク３２が部分２８に対して接線方向に延びるように、
軸３０の幾何学的形態を選択して、非反射ディスク３２
を支持する。非反射ディスク３２は、好ましくは、図２
の図面の平面上にある垂直線に対して特定の角度で傾け
られる。この角度は、例えば、１０°である。
【００２０】望ましくない乱反射を回避するために、か
かる乱反射を防ぐインサートをディスク３２に形成する
のがよい。
【００２１】回転ヘッド１２のハウジングジャケット２
２に、二つのフランジ型突出部３４、３６が形成され、
それらの間にディスク３２と軸３０が延びている。左突
出部３４の外端面に（図２）、駆動軸３８が形成され、
駆動軸３８は、支持脚８内のマウント４０を介して取り
付けられる。このマウント４０は、半径方向及び軸線方
向軸受の形態を有する。軸線方向のガイドは、原理的
に、突出部３４、３６を、支持脚８、１０の隣接した側
壁で支持することによって均等になされる筈である。
【００２２】駆動軸３８から遠く離れた突出部３６上
に、ハウジング６の支持脚１０内に軸受４４を介して取
り付けられたハブ４２が形成される。
【００２３】駆動軸３８の突出する自由端部分上には、
回転駆動機構の出力ピニオン５０とベルト手段によって
連結された駆動ピニオン４６が固着される。この回転駆
動機構は、出力ピニオンを支え、かつハウジング６のベ
ース１８に軸受５６を介して取り付けられた出力軸５４
を有する。回転ヘッド１２の回転角位置は、駆動軸３８
に設けられたロータリーエンコーダ５４によって検出さ
れる。回転駆動機構５２の制御は、ハウジング６のベー
ス１８に受け入れられた制御ユニット５６により行われ
る。図２による表示から読みとれるように、駆動モータ
ーを備えた比較的重い回転駆動機構５２は、ほぼ回転軸
線２上に位置決めされ、そのため、回転軸線２に対する
計測ヘッド４全体の慣性質量モーメント及び偏心可能性
は最小である。計測ヘッド４の回転駆動部、及び回転ヘ
ッド１２の回転駆動機構５２の回転駆動部は、互いに独
立に制御可能である。
【００２４】図２に右側に示した支持脚１０の内部に、
光エミッター５８が受け入れられ、それによって、数百
ワットの比較的低出力のレーザ光が放射される。光エミ
ッター５８によって放射されたレーザビームは、回転軸
１４と実質的に同軸であり、検出した散乱光にだけ作用
する偏向手段６０を通って、回転ヘッド１２の一方のみ
開口した内部キャビティ２４内へ射出され、ミラー２６
に当たって、それによってディスク３２の方に反射さ
れ、その結果、計測ビームは、回転ヘッド１２から射出
される。回転軸線２に対するこの計測ビームの射出角度
は、ミラー２６の回転角位置によって予め定められる。
【００２５】本実施形態では、固定した偏向手段６０
は、孔を有するミラーによって形成され、孔により、光
エミッターによって放射された計測ビームを、回転自在
に取り付けたミラー２６の方向へ通過させる。
【００２６】対象物によって反射されたビームは、ディ
スク３２を通って内部キャビティ２４に入射し、ミラー
２６によって９０°偏向されて、偏向手段６０に向けら
れる。次いで、偏向手段６０によって反射されたビーム
６２は、受光器（ＡＰＤ）６４により検出され、電子制
御部及び評価ユニット５６により評価され、そして、最
初に説明した距離値及び強度値が、強度イメージの視覚
化のために決定されかつ処理される。回転ヘッド１２の
一回転の間に、計測すべき対象物の垂直に配向した平面
（図２による視界）が、回転するレーザビームによって
走査される。次いで、完全な３−Ｄ走査が、回転軸線２
を中心とした計測ヘッド全体の回動により成し遂げら
れ、その結果、例えば、内部に３−Ｄレーザ計測装置が
置かれたトンネル又は空間の、対象物のほぼ完全なイメ
ージが、１８０°までの計測ヘッドの回転の結果として
入手できる。上述の装置において走査できないものは、
図３の角度αに示す、計測ヘッド４によって遮蔽された
範囲である。
【００２７】回転軸線２を中心とした計測ヘッド４の回
動運動、並びに、回転軸１４を中心としたミラー２６を
有する回転ヘッド１２の回転を包含する計測原理によ
り、最大のデータ密度は、ミラー２６の回転により走査
された平面の交点、すなわち、回転軸線２と計測すべき
対象物との交点のゾーンの中に存在する。計測ヘッド及
び回転ヘッド用の駆動機構は、互いに独立に駆動するこ
とができるので、本発明の装置を用いて特定領域を走査
することができ、その上、分離した駆動により、重要な
範囲内のデータ密度を制御することができる。
【００２８】図２及び図３に表示した変形例を、身体、
自由な造形品、建造物、遺跡、運河の計測のために、又
は、原子力発電所等の近づきがたい区域内の無人搬送装
置を導くために使用することができる。簡略化した構成
では、計測ヘッド４を回転軸線１４と平行にずらせるキ
ャリッジ又はワゴンに配置する場合に、回転軸線２を省
略することができる。回転軸線２なしで設計された回転
ヘッド４を有するかかる解決策は、例えばトンネルの空
間を計測するのに使用され、その場合、計測ヘッド４
は、トンネルを通過する計測キャリッジに取り付けられ
る。この場合、計測キャリッジの移動速度に依存して、
トンネルをほぼ螺旋状に走査する結果となる。
【００２９】
【発明の効果】本発明による解決策は、大変簡単な構造
で極めてコンパクトな形状を有することを特徴とし、ミ
ラー２６を収容した回転ヘッド１２の連続回転は、非常
に正確に、かつ、計測ヘッドの駆動とは独立に、適当な
モーター作動部により制御することができるので、最も
高い計測精度に対する要求がされてもこれを満足するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の３−Ｄレーザ計測装置の概略表示であ
る。
【図２】図１に表示した３−Ｄレーザ計測装置の断面図
である。
【図３】図１の３−Ｄレーザ計測装置の側方断面図であ
る。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１４年１０月３０日（２００２．１０．
３０）
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２】
フロントページの続き (72)発明者 マルクス メッテンライター ドイツ連邦共和国 88260 アイゼンハル ツ アム ヴァッサーベルク (72)発明者 マルティン ツェバント ドイツ連邦共和国 88167 レーテンバッ ハ アム ルール ８ Ｆターム(参考） 2F065 AA06 AA19 AA51 BB05 CC40 FF13 FF17 FF65 GG04 HH04 JJ01 LL12 MM08 PP05 5J084 AA04 AA05 AA13 AD01 AD02 AD03 BA03 BA11 BA50 BB21 DA01 DA02 EA31

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 計測ビーム、特にレーザビームを放射す
    るエミッター（５８）と、 対象物によって反射されたビームを処理するための受光
    器（６４）と、 前記対象物を走査するための、前記エミッター（５８）
    によって放射された前記計測ビームを偏向する偏向手段
    （２６、６０）と、を有し、 前記偏向手段（６０、２６）は、射出する計測ビーム
    （１６）を向けるための、回転自在又は回動自在に取り
    付けられたミラー（２６）を有し、前記ミラー（２６）
    は、該ミラー（２６）に当たる前記計測ビーム（１６）
    の軸線と平行に又は同軸の延長上の回転軸線（１４）を
    中心に、連続的に回転可能であるように取り付けられて
    いる３−Ｄレーザ計測装置であって、 前記エミッター（５８）、前記受光器（６４）及び前記
    偏向手段（２６、６０）は、前記計測ビーム（１６）の
    前記回転軸線（１４）に対して垂直に回動自在である回
    転の軸線（２）を中心に回転可能な計測ヘッド（４）の
    中に取り付けられる、ことを特徴とする３−Ｄレーザ計
    測装置。
  2. 【請求項２】 前記ミラー（２６）は、回転駆動機構
    （５２）によって回転するようになっている回転ヘッド
    （１２）の中に取り付けられる、ことを特徴とする請求
    項１記載の３−Ｄレーザ計測装置。
  3. 【請求項３】 前記回転ヘッド（１２）の角度位置は、
    ロータリーエンコーダ（５４）を介して検出される、こ
    とを特徴とする請求項２記載の３−Ｄレーザ計測装置。
  4. 【請求項４】 前記回転ヘッド（１２）は、射出窓を構
    成する非反射ディスク（３２）を有する、ことを特徴と
    する請求項２又は３記載の３−Ｄレーザ計測装置。
  5. 【請求項５】 前記ディスク（３２）は、乱反射を防ぐ
    インサートを有する、ことを特徴とする請求項４記載の
    ３−Ｄレーザ計測装置。
  6. 【請求項６】 前記回転軸（１４）は、水平方向に配置
    される、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項
    に記載の３−Ｄレーザ計測装置。
  7. 【請求項７】 二つの支持脚（８、１０）を備えたハウ
    ジング（８）を有し、それらの間に、前記回転可能に取
    り付けられた回転ヘッド（１２）が延びる、ことを特徴
    とする請求項２〜６のいずれか一項に記載の３−Ｄレー
    ザ計測装置。
  8. 【請求項８】 前記計測ヘッド（４）は、約１８０°回
    動可能である、ことを特徴とする請求項１記載の３−Ｄ
    レーザ計測装置。
  9. 【請求項９】 前記回転駆動機構（５２）、及び前記計
    測ヘッド（４）の回動駆動部は、互いに独立に駆動する
    ようになっている、ことを特徴とする請求項１又は２記
    載の３−Ｄレーザ計測装置。
  10. 【請求項１０】 前記ディスク（３２）は、特定の角
    度、好ましくは約１０°だけ傾けられる、ことを特徴と
    する請求項４記載の３−Ｄレーザ計測装置。
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DE10142313 2001-08-30
DE10142313.6 2001-08-30
DE10150436.5 2001-10-12
DE10150436A DE10150436B4 (de) 2001-08-30 2001-10-12 Laser-Meßsystem
DE20208077U DE20208077U1 (de) 2001-08-30 2002-05-23 Laser-Meßsystem
DE20208077.3 2002-05-23

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Cited By (11)

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