JP6709553B2 - 三次元レーザー光走査装置 - Google Patents
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Description
三次元レーザー光走査装置は、ビーム光を出力するレーザー光源、測定対象物から反射されて戻る戻り光を受光する受光器を備える光学ユニット、ビーム光を周囲環境の測定対象物に投射する走査装置として、レーザー光源からのビーム光を水平軸回りに回転するミラーによって周囲環境に投射するミラー回転駆動機構、このミラー回転駆動機構および光学ユニットを垂直軸回りに回転させて、水平方向に走査させる水平回転機構を備えている。そして、光学ユニット内に、出射するビーム光と測定対象物から反射して戻った戻り光との時間差や位相差から、測定対象物までの距離を算出し、測定対象物までの距離、ミラー回転駆動機構のミラー回転角度、水平回転機構の回転角度から測定対象物の三次元座標情報を得る制御部を備えている。
この制御部は、測定対象となる周囲環境の三次元座標情報を算出する演算装置とともに、レーザー光源、受光器、ミラーや装置の回転駆動を制御する制御機構を備え、また、算出した三次元座標情報を外部に出力する機能を有する。
不要光を抑止して取り除くために、従来は、フィルタを用いて、所望帯域以外の波長の光をカットしている。しかし、所望の波長帯域の光を透過し、所望帯域外の光を減衰させるフィルタとして、誘電体多層膜を用いた光学素子があるが、このような誘電体多層膜からなるフィルタには、光の入射角度によって波長選択性が変化するものがある。このため、所望の帯域の光を透過し、不要光を減衰させるには、波長選択性を補償するように集光レンズの前に大きなフィルタを設けるか、あるいは、入射角度による波長選択性を除くため、受光した戻り光をいったんコリメータレンズで平行光にした後、フィルタを透過させて所望帯域外の光を減衰させて、集光レンズで集光して受光センサに導く光学系を設けるようにしていた。
光学ユニット20、ミラー回転駆動機構30を垂直軸回りに回転させる水平回転機構は、基台10上で、光学ユニット20、ミラー回転駆動機構30が載置された載置台12の回転軸であるスピンドル13を回転駆動するモータ、減速機構を有する装置回転駆動機構11を有する。スピンドル13には、このスピンドル13の回転角度を検出するエンコーダ(ロータリーエンコーダ)14が設けられている。
原理は、フィルタの光の帯域による透過率を制御する原理と同様である。例えば、高屈折率の酸化チタン(TiO2)と低屈折率の酸化シリコン(SiO2)を交互に所望の波長のλ/4ずつ積層することで、それぞれの境界面で波長λの光だけが干渉し、強め合って高反射率となるように、誘電体層を形成する。誘電体多層膜は、ガラス基板の本体の表面に蒸着などによって形成する。
例えば、980nmを中心波長とする場合の誘電体多層膜による反射率のデータの例を図3に示す。ほぼ900nmから1100nmの帯域において、高い反射率を実現でき、それ以外の帯域、特に可視光域、870nm以下の波長の帯域では低い反射率にすることができる。
ミラー33に加えて、ミラー22においても、所望帯域の光を高反射率で反射する誘電体多層膜が施されることで、所望帯域外の光をカットする効果が大きくなる。
また、ミラー33はシリンダ32の端面に45度の角度で設けられることで一体で強固な構造となり、シリンダ32の回転に対して影響がなく変形しない利点がある。
さらに、装置回転機構は、光学ユニット、ミラー回転駆動機構を載置した載置台を垂直軸回りに回転させる構成としたが、ミラー回転駆動機構と装置回転駆動機構とが周囲環境にビーム光で三次元に走査できるものであればよい。例えば、別途、モータからギヤ機構により、垂直軸回りに回転駆動させる機構としてもよい。
11 装置回転駆動機構
12 載置台
13 スピンドル
14 エンコーダ
20 光学ユニット
21 レーザー光源
22 ミラー
23 集光レンズ
24 受光センサ
25 制御部
30 ミラー回転駆動機構
31 モータ
32 シリンダ
33 ミラー
34 エンコーダ
41 ビーム光
42 戻り光
Claims (5)
- ビーム光を周囲環境に出射して戻る反射光を受光し測定対象物までの距離、水平角度、垂直角度に基づいて周囲の測定対象物の三次元座標を求める三次元レーザー光走査装置であって、
ビーム光を発生させる光源および測定対象物から反射して戻った戻り光を受光する受光器を備える光学ユニットと、
前記ビーム光および前記戻り光を反射する第一のミラーを第一の軸回りに回転駆動させるミラー回転駆動機構と、
前記光学ユニットおよびミラー回転駆動機構を前記第一の軸と直交する軸回りに回転させる装置回転駆動機構と、
前記ミラー回転駆動機構および前記装置回転駆動機構を制御するとともに出射ビーム光の伝搬時間に基づいて測定対象物までの距離、水平角度、垂直角度を求めて測定対象物の三次元座標を演算する計測制御部と
を備え、
前記ミラー回転駆動機構は、前記第一のミラーが一端部に設けられたシリンダと、このシリンダを回転駆動するモータと、前記シリンダの回転角度を検出する第一のエンコーダとを備え、
前記光学ユニットは、前記光源と、前記光源からのビーム光を通過させ、前記戻り光を反射する第二のミラーと、前記第二のミラーで反射された戻り光を集光する集光光学系と、受光センサとを備え、
前記装置回転駆動機構は、第二のモータと、回転角度を検出する第二のエンコーダとを備え、
前記第二のミラーは、前記ビーム光の波長帯域に対する反射率が高くなるように波長選択性の第一の誘電体反射膜が形成されており、
前記第二のミラーは、前記光源で発生した前記ビーム光を通過させて前記第一のミラーに導く孔を有する、
ことを特徴とする三次元レーザー光走査装置。 - 前記第一の誘電体反射膜は、前記第二のミラーの前記第一のミラーに向かった表面に形成されている、ことを特徴とする請求項1に記載の三次元レーザー光走査装置。
- 前記第二のミラーの前記光源に向かった裏面には第一の反射防止膜が形成されている、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の三次元レーザー光走査装置。
- 前記第一のミラーの前記第二のミラーに向かった反射面には前記ビーム光の波長帯域の反射率が高くなるように波長選択性の第二の誘電体反射膜が形成されている、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の三次元レーザー光走査装置。
- 前記第一のミラーの前記第二のミラーに向かった前記反射面の反対側の裏面には第二の反射防止膜が形成されている、ことを特徴とする請求項4に記載の三次元レーザー光走査装置。
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