JP2017519188A - ダイクロイックビームスプリッタを有する各種信号捕捉用の三次元スキャナ - Google Patents

Abstract

周囲環境を光学的に走査及び計測する装置たるレーザスキャナであり、ロータリミラーを用い発光ビームを発する発光器と、ロータリミラーと光軸を有する受光レンズとを通った後にレーザスキャナの周囲環境中にある物体で反射された受光ビームを受け取る受光器と、を備える。本レーザスキャナは、受光レンズの光軸上に配されており自レーザスキャナの周囲環境のカラー画像を捉えるカラーカメラをも備え、更にはダイクロイックビームスプリッタと熱エネルギ、紫外輻射、ミリ波輻射又はＸ線輻射を検知するエネルギ検知器とで構成されるシステムを備える。本装置は、更に、多数の計測点に関し物体までの距離を導出しそれをカラー画像とエネルギ検知器で感知されたデータとにリンクさせる制御兼評価ユニットを備える。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１０年１月２８日付米国暫定特許出願第６１／２９９１６６号及び２００９年１１月２０日付独国特許出願第１０ ２００９ ０５５９８８．４号に基づく優先権主張を伴う２０１０年１１月１１日付国際特許出願第ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／００６８６７号の国内段階出願であるところの、２０１２年６月１５日付米国特許出願第１３／５１００２０号に基づく優先権主張を伴うものであり、この参照を以てそれら出願全てが本願に繰り入れられるものとする。

本発明は、周囲環境を光学的に走査及び計測する装置に関する。

例えば特許文献１により既知でレーザスキャナを備える装置によれば、そのレーザスキャナの周囲環境を光学的に走査及び計測することができる。回動するロータリミラーは、金属製ロータの被研磨プレート（研磨されたプレート）で構成されていて、発光ビーム及び受光ビーム双方を方向転換させる。発光器のコリメータは受光レンズの中央に座している。受光レンズは、その受光レンズより後方にあり光軸上に配されている受光器上に、受光ビームを供給する。更なる情報を獲得すべく、ＲＧＢ信号を捉えるラインスキャンカメラがレーザスキャナ上に搭載されているので、そのスキャンを構成する諸計測点を色情報で補完することができる。

米国特許出願公開第２０１０／０１３４５９６号明細書 米国特許第７３６８２９２号明細書

本発明の諸実施形態の根底には、上述したタイプの装置に代わるものを創造する、という目的がある。

受光器及びカラーカメラが同じ視角から且つロータリミラーの同じ側面で周囲環境を捉えるので、カラーカメラを受光レンズの光軸上に配し、ロータリミラーから見てそれらを同じ側にすることには、視差をほぼ完全に排除できるという利点がある。ロータリミラーについては同じ機構を使用可能である。ロータリミラーの使用側面もやはり同じである。ロータリミラーにより反射された受光ビームは受光レンズの光軸に対し平行に伝わり、受光レンズ上に連続的に入射する。受光レンズが受光器に代わるのでシャドウイング効果に変化はない。発光ビームを再び送れるようにするため、発光ビームに関しては反射性でカラーカメラに関しては透明な発射ミラー（送出ミラー）を、カラーカメラの前方に設ける。

受光レンズによる屈折を受けた受光ビームを受光レンズ方向に反射するリアミラーが光軸上、受光レンズより後方に備わるという事実により、利用可能な空間をより好適に利用可能となる。この“屈曲光学系”を補完すべく、受光ビームをリアミラー方向に反射する中央ミラーを受光レンズ・リアミラー間に設ける。このミラーの好適形態は合焦をサポートする形態であり、この形態では非屈曲光学系に係る焦点距離をなお延長（増加）可能である。中央ミラーは、近視野からの強度を遠視野に比べ低減させるので、付加的なマスクと同じく近視野補正に使用可能である。光軸で規定される円筒座標系にて受光レンズの光軸に対し径方向に沿い受光器を配すると空間が更に節約される。

ロータの構成をハイブリッド構造、即ち様々な素材からなる複数要素構造とすると比較的短い構成、即ちロータリミラーの傾斜にもかかわらずバランスが保たれる構成となりうる。金属製ホルダ、被覆付ガラスで形成されたロータリミラー、並びにプラスチック製のハウジング、の組合せを使用可能だが、他の組合せも遜色なく使用可能である。質量に関し支配的なホルダでバランス取りを可能にする一方、ハウジングには、不意の接触に対する保護を果たさせる。ロータ構成要素間の糊により、動的挙動を損なうことなく膨張の温度係数差をバランスさせうる。

受光器への帰還光経路上にダイクロイックビームスプリッタを設けることで、エネルギ信号例えば電磁輻射を分岐させ、例えば相応の検知器で受光させることが可能となる。

以下、図面に描出されている例示的実施形態をもとに本発明につきより詳細に説明する。

レーザスキャナの部分断面図である。 レーザスキャナの模式図である。 ロータホルダの斜視図である。 レーザスキャナの部分断面図である。 レーザスキャナの部分断面図である。 レーザスキャナの部分断面図である。

図１及び図２に、自レーザスキャナ１０の周囲環境を光学的に走査及び計測する装置たるレーザスキャナ１０を示す。このレーザスキャナ１０は計測ヘッド１２及びベース１４を有している。計測ヘッド１２はベース１４上に搭載されており、鉛直軸周りで回動させうるユニットとなっている。計測ヘッド１２はロータリミラー１６を有しており、そのミラー１６は水平軸周りで回動させることができる。それら２本の回動軸の交差点のことをレーザスキャナ１０の中心Ｃ_１０と呼ぶ。

計測ヘッド１２には、更に、発光ビーム１８を発する発光器１７が設けられている。発光ビーム１８は約３４０〜１６００ｎｍの波長域に属するレーザビーム、例えば７９０ｎｍ、９０５ｎｍ、或いは４００ｎｍ未満のレーザビームにするとよい。別の電磁波、例えばより長い波長を有する電磁波を用いることもできる。発光ビーム１８は、例えば正弦波又は方形波の変調信号で以て、振幅変調されている。発光ビーム１８は発光器１７によりロータリミラー１６上に向けて輻射され、そこで方向転換されて周囲環境に発射される。受光ビーム２０は周囲環境中で物体Ｏにより反射され又は他の何らかの形態で散乱されたビームであり、ロータリミラー１６により再び捉えられて方向転換され受光器２１側に向かわされる。それら発光ビーム１８及び受光ビーム２０の方向はロータリミラー１６及び計測ヘッド１２の角度位置に由来しており、それら角度位置は、各１個のエンコーダで位置合わせされるところの、対応する回動ドライブのポジションに依存している。

制御兼評価ユニット２２は計測ヘッド１２内の発光器１７や受光器２１に対するデータ接続手段を有しており、同ユニット２２の構成部分は、それを利用し、計測ヘッド１２外に配すること、例えばベース１４に接続されたコンピュータとすることもできる。制御兼評価ユニット２２は、多数の計測点Ｘに関し、発光ビーム１８及び受光ビーム２０の伝搬時間からレーザスキャナ１０・物体Ｏ側被照明点間の距離ｄを導出する。この目的の下、それら２本の光ビーム１８・２０間の位相シフトが導出及び評価される。

走査は、ミラー１６の比較的迅速な回動により、１個の円に沿い実行される。ベース１４に対し計測ヘッド１２が比較的緩慢に回動されるので、空間全体は、複数個の円によりステップバイステップで走査される。こうした計測を構成する計測点Ｘの集合のことをスキャンと呼ぶ。そうしたスキャンに関しては、レーザスキャナ１０の中心Ｃ_１０により局所静止基準系の原点が規定される。ベース１４はこの局所静止基準系内で静止している。

各計測点Ｘは、レーザスキャナ１０の中心Ｃ_１０までの距離ｄに加え、同じく制御兼評価ユニット２２により導出される輝度情報等で構成される。この輝度値はグレイトーン値であり、例えば、帯域通過濾波及び増幅が施された受光器２１の信号を、その計測点Ｘに割り振られた計測周期に亘り積分することにより導出される。用途によっては、このグレイトーン値に加え色情報を有することが望まれる。そのため、本レーザスキャナ１０にはカラーカメラ２３も設けられており、これもまた制御兼評価ユニット２２に接続されている。このカラーカメラ２３、例えばＣＣＤカメラ又はＣＭＯＳカメラを以て構成することが可能なカメラ２３は、色空間内で三次元的な信号例えばＲＧＢ信号を、実空間内で二次元的な画像に関し発生させる。制御兼評価ユニット２２は、実空間にて三次元的な、レーザスキャナ１０によるスキャンを、実空間にて二次元的な、カラーカメラ２３によるカラー画像とリンクさせるユニットであり、このプロセスのことを“マッピング”と呼んでいる。リンク付けは、そのスキャンを構成する計測点Ｘそれぞれに最終結果としてＲＧＢシェア内の色を与えるべく、即ちそのスキャンに着色すべく、捕捉済のあらゆるカラー画像に関し画像毎に実行される。

以下、計測ヘッド１２の詳細を説明する。

ロータリミラー１６により反射された受光ビーム２０は平凸球面受光レンズ３０、本発明の諸実施形態では略半球形状を有するそれに入射する。その受光レンズ３０の光軸Ａはレーザスキャナの中心Ｃ_１０を指向している。高屈折なその受光レンズ３０の凸側はロータリミラー１６側を向いている。カラーカメラ２３は、ロータリミラー１６から見て受光レンズ３０と同じ側でその光軸Ａ上に配されている。本発明の諸実施形態では、このカラーカメラ２３が、受光レンズ３０のうちロータリミラー１６に最も近い点に配される。カラーカメラ２３を受光レンズ３０の未処置面上に固定すること、例えばその面上に糊付けすること或いは受光レンズ３０に備わる適当な窪み内に配することも可能である。

カラーカメラ２３の前方即ちロータリミラー１６寄りにはダイクロイックな発射ミラー３２、即ち本発明の諸実施形態にて可視光を透過させ且つ赤色レーザ光を反射するミラー３２が配されている。従って発射ミラー３２はカラーカメラ２３にとり透明であり、曰く、ロータリミラー１６上に向かう明澄なビューがこのミラー３２により提供される。発射ミラー３２が受光レンズ３０の光軸Ａに対しある角度をなしているのは、発光器１７を受光レンズ３０の横に配置できるようにするためである。レーザダイオード及びコリメータを備えるこの発光器１７は発光ビーム１８を発射ミラー３２上へと輻射し、次いでそのミラー３２からロータリミラー１６上へとその発光ビーム１８が投射される。カラー画像を捉えるに当たっては、このロータリミラー１６を比較的低速で且つステップバイステップ的に回動させる。逆に、スキャンを捉えるに当たっては、ロータリミラー１６を比較的迅速に（例えば１００ｃｐｓ）で且つ連続的に回動させる。ロータリミラー１６の機構は同じまま保たれる。

カラーカメラ２３が受光レンズ３０の光軸Ａ上に配されているため、事実上、スキャン・カラー画像間に視差はない。既知のレーザスキャナでは、カラーカメラ２３及びその接続手段例えばフレキシブル印刷回路基板の代わりに発光器１７及びその接続手段が配されていたのであるから、カラーカメラ２３及び発射ミラー３２に起因する受光レンズ３０のシャドウイング効果は変化しないか或いは取るに足らないほどの変化に留まる。

また、一方では、比較的長い焦点距離を有する遠くの計測点Ｘを定位するため、他方では、比較的狭い空間で足りるようにするため、このレーザスキャナ１０は“屈曲光学系”を備えている。この目的の下、マスク４２が光軸Ａ上、受光レンズ３０より後方に配され、光軸Ａに対し同軸方向にそのマスクが向けられている。マスク４２が径方向内方（即ち光軸Ａで示されている側）に配されていて、そこには遠くの物体Ｏによって反射された受光ビーム２０を阻害なく通過させる比較的広い開放領域があるのに対し、径方向外側に配されているマスク４２には比較的狭い陰影領域があり、近くの物体Ｏで反射された受光ビーム２０の強度がそこで低減されるため、強度が互いに比肩しうるものとなる。

リアミラー４３は光軸Ａ上、マスク４２より後方に配されており、このミラーは平坦であると共に光軸Ａに対し直交している。リアミラー４３は、受光レンズ３０が屈折させた受光ビーム２０を反射し中央ミラー４４に入射させる。その中央ミラー４４はマスク４２の中央、光軸Ａ上に配されており、カラーカメラ２３及び発射ミラー３２によるシャドウイングを受けている。中央ミラー４４は非球面ミラーであり、負レンズ即ち焦点距離を延ばすレンズとしても、また近視野補正レンズ即ち近くの物体Ｏで反射された受光ビーム２０の焦点をシフトさせるレンズとしても振る舞う。加えて、受光ビーム２０のうちそうした部分のみにより反射光がもたらされ、中央ミラー４４側に配されているマスク４２をその反射光が通過する。中央ミラー４４はその受光ビーム２０を反射させ、そのビーム２０がリアミラー４３の後方にある中央オリフィス内に入射する。

受光器２１は入射ダイアフラム、フィルタ付のコリメータ、集光レンズ、並びに検知器を備えており、リアミラー４３の後方に配されている。空間を節約するには、受光ビーム２０を９０°方向転換させる受光ミラー４５を設けるとよく、そうすることで、受光器２１を光軸Ａから見て半径方向に配することが可能になる。この屈曲光学系により、既知のレーザスキャナに比べ焦点距離をほぼ倍加することができる。

また、図３に示すように、二次元構造たるロータリミラー１６は、対応する回動ドライブにより三次元構造として回動可能なロータ６１の一部であり、そのドライブの角度位置は、付随するエンコーダにより計測される。更に、ロータ６１を比較的短い構成にしてロータリミラー１６に係る空間を節約するため、並びにロータ６１をバランスがとれた状態に保つため、このロータ６１は、ホルダ６３、そのホルダ６３に搭載されたロータリミラー１６並びにプラスチック素材製のハウジング６５を備えるハイブリッド構造として構成されており、更にそのハウジングによりロータリミラー１６が保持されている。

この金属製ホルダ６３は円筒状の基本形状を呈しており、４５°面及び種々の窪みを有している。それぞれロータ６１のバランス取りに寄与する諸部分、例えばブレード、ショルダ及び突起の素材は、それらの窪み間で同じである。中央にある孔は、付随する回動ドライブのモータシャフトを実装するのに役立っている。ロータリミラー１６は被覆付のガラスで形成されており、関与する波長域内で反射を呈する。このロータリミラー１６はホルダ６３の４５°面に糊で固定されており、ホルダ６３にはそのための特殊取付面６３ｂが設けられている。

プラスチック素材製のハウジング６５は、４５°未満でカットされた中空円筒形状を有しており、少なくともホルダ６３がその中に封ぜられている。ハウジング６５は、ロータリミラー１６に糊付けしてもよいしその他の形態で固定してもよい。ハウジング６５によりロータリミラー１６をその周縁で締め付けること、例えばフォームロッキング形態で締め付けることが可能であり、必要ならラバーシーリング等を介在させてもよい。また、ホルダ６３への糊付け等でハウジング６５をホルダ６３に直接固定してもよいし、ロータ６１を装着するとエンドプレート６７の働きでハウジング６５がホルダ６３に連結、例えば螺入されるようにしてもよい。糊を使用することで、一方では使用素材膨張の温度係数差がオフセットされ、他方では、相対的に強すぎない弾性が示される等、動的挙動が無影響で保持されて速度依存アンバランスが排除される。

ロータ６１は光軸Ａ周りで回動する。ロータリミラー１６はホルダ６３の面のうち一つ（即ち４５°面）を覆っている。ハウジング６５はホルダ６３を光軸Ａから見て径方向外方から覆っている。従って、ホルダ６３の鋭利辺が覆われるので怪我が生じにくい。ホルダ６３はロータ６１をバランスさせる。ホルダ６３は、金属に代え、慣性モーメントを支配しうる他の比較的重量な素材で形成してもよい。ハウジング６５は、プラスチックに代え、慣性モーメントにほとんど影響しない他の比較的軽量な素材で形成してもよい。ロータリミラー１６は、被覆付ガラスに代え、他の反射性（及び透過性）のものとしてもよい。ハイブリッド構造を構成するロータリミラー１６、ホルダ６３及びハウジング６５は個別形成部品であり互いに固定されている。

図４にその部分断面を示すレーザスキャナは、図１の構成とほぼ同じ構成であるが、ダイクロイックビームスプリッタ１１６、付加的なレンズ１１８及びエネルギ検知器１１９が存する点で相違している。このダイクロイックビームスプリッタに備わる被覆は、受光器２１に至る経路１２１上を伝搬するようある波長の電磁エネルギ（即ち光）を分岐させる一方で、付加的なレンズ１１８及びエネルギ検知器１１９に至る経路１２０を伝搬するよう他の波長の電磁エネルギを分岐させる。

エネルギ検知器１１９で検知されうる電磁エネルギの例としては熱エネルギ、紫外輻射、ミリ波輻射及びＸ線輻射がある。熱エネルギを検知するエネルギ検知器１１９にあってはその電磁輻射が電磁スペクトラムの近赤外又は中赤外域に属するものとなろう。

多くの場合、ダイクロイックビームスプリッタ１１６・エネルギ検知器１１９間にはレンズ１１８が置かれる。場合によっては、経路１２０を辿る電磁輻射をこのレンズによりエネルギ検知器１１９上の小スポット上へと合焦させうる。この場合、走査手順中の距離情報収集と並行してそのエネルギ検知器によりその電磁輻射が収集される。言い換えれば、この例では、その検知器によってエネルギ情報が点毎に収集される。

場合によっては、或いは、周囲環境の一領域の像が形成されるようにレンズ１１８を配置しうる。この場合、レンズ１１８には複数個の検知器要素（即ち画素）が設けられる。この種の検知器にあっては、スキャナによる情報の収集が、大概は、そのレンズ系の視野に整合するよう選定されたステップサイズの離散ステップに従いそのスキャナを動かすことで行われる。

図１中でミラーが占めていた位置にダイクロイックビームスプリッタが描かれているが、このダイクロイックビームスプリッタは他の様々な位置に配置することができる。例えば、図４に示した位置にダイクロイックビームスプリッタ１１６があるときに得られるであろう視野より広い視野が得られるよう、ダイクロイックビームスプリッタ１１６をダイクロイック発射ミラー３２のそばに配置するとよい。

また、ある波長が反射され第２の波長が伝搬されるよう、直角ミラーを被覆することでビームスプリッタを別様形成することも可能である。図５に示す直角プリズムミラー１２２は、光源２８の波長が受光器２１上へと反射されるよう面１２３上に被覆されている。他の波長の電磁エネルギは、このプリズム１２２を通りビーム１２４の態でエネルギ検知器１２５へと伝搬する。

複数個のダイクロイックビームスプリッタ例えば要素３２及び１１６を使用することで、単一の３Ｄスキャナにて種々の放射に関し情報を取得する手段が提供される。例えば、周囲環境中の諸物体の３Ｄ座標及び色を知ることに加え、それら物体の温度を知ることが重要となりうる。簡便な例の一つは、その家屋の諸エリアの温度を示す、家屋の内部又は外部のスキャンであろう。熱漏れ源を特定することで、補修行動例えば絶縁材付加や隙間充填を勧めることができる。

ダイクロイックビームスプリッタは、また、複数波長を取得し診断用化学情報を提供すること、例えばエネルギ検知器を分光型エネルギ検知器にすることでそうすることにも使用することができる。ここでいう分光型エネルギ検知器は、電磁信号をそのスペクトル成分に分解する能力で特徴付けられる検知器である。多くの場合、光ビームは物体上に投射される。その反射光を受光及び分析することで、存在するスペクトル成分を判別できる。今日では、格子その他、分光型エネルギ検知器内の諸要素が、微小電気機械チップの使用を通じ小型化されている。例えば、今日では、食品の栄養成分を分析可能な小型デバイスに幾つかの企業が取り組んでいる。例えばＦｒａｕｎｈｏｆｅｒは、９．５×５．３×０．５ｍｍほどの寸法しかない同用途用の分光計への取り組みを報告している。スキャナ１０がとりわけ相応たりうる装置の例は、スペクトル放射を以て爆発物の存在を示す能のある装置である。そうした手法が、Ｒｉｅｇｌ ｅｔ ａｌ．に付与された特許文献２に記載されている。

図６に、スキャナ１０に組み込まれた分光システムの諸要素を示す。電磁エネルギ源に発する光はビームスプリッタ１３０で反射される。ある実施形態では、ビームスプリッタ１３０を非偏向ビームスプリッタとする。別の実施形態では、ビームスプリッタ１３０を偏光ビームスプリッタとし、損失が抑制されるよう光源１３１を基準にしてその偏波面を定める。エネルギ検知器１１９は、入射電磁エネルギの波長を判別可能な分光型エネルギ検知器である。エネルギ検知器により検知された反射電磁エネルギの波長は、場合によっては、周囲環境中の走査対象物体の素材特性を判別するのに使用することができる。実施形態によっては、電磁エネルギ源１３１及びビームスプリッタ１３０が図６中のビームスプリッタ１１６より下方に動かされる。

例示的諸実施形態を参照し本発明について説明してきたが、本件技術分野に習熟した者（いわゆる当業者）にはご理解頂けるように、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、種々の変更を施すこと及び諸要素をその代替物に置換することが可能である。加えて、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく、特定の状況又は素材を本発明の教示に適合させるための多様な修正を施すことができる。このように、そもそもの意図は、本発明を実施するに相応しい最良形態として開示されている特定の実施形態に本発明が限定されず、別紙特許請求の範囲に係る技術的範囲に帰属するあらゆる実施形態を本発明が包含する、という点にある。更に、「第１」「第２」等々の語の使用は何らかの順序又は重要度を示しておらず、寧ろ、個々の要素を他の要素から区別するために「第１」「第２」等々の語が使用されている。更に、「ある」「一」等々の語の使用は量を限定しておらず、寧ろ、被参照事物が少なくとも１個存在していることを表している。

Claims (8)

1. 周囲環境を光学的に走査及び計測するレーザスキャナであって、
   発光器、ロータリミラー、受光レンズ及び受光器であり、発光ビームを発するよう発光器が構成されており、受光ビームを受け取るよう受光器が構成されており、発光ビームがロータリミラーにより周囲環境中の物体へと反射され、その発光ビームのうちその物体により反射された部分が受光ビームとなり、その受光ビームがロータリミラーにより反射されある光軸を有する受光レンズ中を通過する、発光器、ロータリミラー、受光レンズ及び受光器と、
   周囲環境のカラー画像を捉えるカラーカメラと、
   ダイクロイックビームスプリッタ及びエネルギ検知器であり、第１波長の電磁エネルギをエネルギ検知器へと通すよう且つ受光ビームを上記受光器へと通すようダイクロイックビームスプリッタが構成されており、その受光ビームが、第１波長とは異なる第２波長を有する、ダイクロイックビームスプリッタ及びエネルギ検知器と、
   多数の計測点に関し、少なくとも部分的に受光ビームに依拠して上記物体までの距離を導出するよう構成された制御兼評価ユニットであり、更にその距離を上記カラー画像と上記エネルギ検知器が受け取った電磁エネルギとにリンクさせるよう構成されている制御兼評価ユニットと、
   を備えるレーザスキャナ。
2. 請求項１記載のレーザスキャナであって、上記カラーカメラが上記受光レンズの光軸上に配されているレーザスキャナ。
3. 請求項１記載のレーザスキャナであって、上記エネルギ検知器が、赤外エネルギ、紫外エネルギ、Ｘ線エネルギ及びミリ波エネルギを元とする集合の中から選択されたエネルギを検知するレーザスキャナ。
4. 請求項１記載のレーザスキャナであって、上記ダイクロイックビームスプリッタが、入射面及び出射面を有するプレート状ビームスプリッタであり、その出射面が入射面に対し平行なレーザスキャナ。
5. 請求項１記載のレーザスキャナであって、上記ダイクロイックビームスプリッタが直角プリズムであるレーザスキャナ。
6. 請求項１記載のレーザスキャナであって、更に第２レンズを備え、その第２レンズが、上記ダイクロイックビームスプリッタと上記エネルギ検知器との間に配されているレーザスキャナ。
7. 請求項６記載のレーザスキャナであって、上記第２レンズが、第１波長の電磁エネルギを上記エネルギ検知器上に合焦させるよう構成されているレーザスキャナ。
8. 請求項６記載のレーザスキャナであって、上記エネルギ検知器が画素のアレイを有し、上記第２レンズが、第１波長の電磁エネルギをそれら画素のアレイ上に結像させるよう構成されているレーザスキャナ。

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