JP2015535337A - 角度スキャン速度の動的調整を伴うレーザスキャナ - Google Patents

Abstract

表面の三次元（３Ｄ）座標の測定時にスキャナにより放出される光ビームの角速度を動的に調整する方法、又は表面の３Ｄ座標の取得レートを動的に調整する方法である。

Description

本明細書に開示した主題は、レーザスキャナに関し、詳細には、表面形状の特性に基づいて表面点における測定密度を変えることができるレーザスキャナに関する。

レーザスキャナは、コヒーレント光源を利用して対象上の点の三次元座標点を測定し決定する装置の一種である。レーザスキャナは、典型的には、建物、産業設備、及びトンネルの内部領域などの閉鎖空間又は開放空間をスキャンするのに使用される。レーザスキャナは、産業上の応用及び事故再現応用などを含む多くの目的に使用される。レーザスキャナは光学的にスキャンのために用いられ、スキャナ周囲のボリューム内に位置する対象を表す複数の表面点を取得することによって当該対象を測定する。レーザスキャナは、光ビームを対象上へ送り、反射光又は散乱光を集めて、距離、２つの角度（すなわち、方位角及び天頂角）、及び適宜グレースケール値を決定することによって、このような表面点を得る。この生スキャンデータを収集し、記憶し、１つ以上のプロセッサに送信して、スキャンした領域又は対象を表す三次元座標及び画像を生成する。この画像を生成するために、表面点ごとに少なくとも３つの値が収集される。これらの３つの値には、距離及び２つの角度が含まれ得て、又はこれらの３つの値は、ｘ，ｙ，ｚ座標などの変換値であり得る。

現代のいくつかのレーザスキャナには、レーザスキャナ周囲のカメラデジタル画像を収集しそれをオペレータに示すために、カメラが装備されあるいは組み込まれている。オペレータは、カメラ画像を見ることにより、測定されるボリュームの範囲を決定し、より大きい又はより小さい空間領域にわたって測定するためにレーザスキャナの設定を調整することができる。加えて、カメラデジタル画像は、プロセッサへ送られて、スキャナ画像に色を加えることができる。カラースキャナ画像を生成するために、表面点ごとに少なくとも６つの値（ｘ，ｙ，ｚなどの３つの位置値、並びに赤、緑、及び青の値などの色値、すなわち「ＲＧＢ」）が収集される。

レーザスキャナにより表面点の三次元座標が取得されると、何百万個の表面点を含む大容量のデータになり得ることを理解されたい。スキャンしたボリューム内の対象又は表面を十分に示すために、このような多くの表面点が必要とされないことがある。一部の無関係のデータは、後処理中に削除することができる。しかし、スキャナのローカル記憶装置内で、動作中に取得された無関係なデータにより記憶領域の大部分が使用される可能性がある。

加えて、スキャン速度と収集した３Ｄ測定値の分解能との間はトレードオフの関係にある。分解能が低いほどより短い時間に所定の空間領域を測定することが可能であり、又は分解能が高いほどより長い時間で同じ空間領域を測定し得る。時間対分解能の決定は、測定対象のディテール、表面プロファイルの相対的な変化の割合、スキャナデータのノイズ量及び対応する所望のフィルタリング量、並びに測定対象の特性及びサイズに依存して行われる。今日、レーザスキャナは、テスト下で、スキャナから対象へ送られるビームが一定の角速度でデータを収集することにより動作する。データは事後的に収集され、さらなる分解能が必要とされる場合は追加のスキャンが行われる。

したがって、既存のレーザスキャナはそれらの意図した目的に適しているが、スキャンボリューム内で測定される幾何学的特徴の特性などの考慮に基づいてスキャン速度及び表面点取得の密度を動的に適合させ得るレーザスキャナが必要とされている。

本発明の一態様によれば、表面の三次元（３Ｄ）座標の測定時にスキャナにより放出される光ビームの角速度を動的に調整する方法が提供される。この方法は、光源、ミラー、第１のモータ、第２のモータ、第１の角度測定装置、第２の角度測定装置、距離計、及びプロセッサを有するスキャナを用意するステップであって、光源は光ビームを放出し、第１のモータは第１の軸まわりにミラーを回転させ、第２のモータは第２の軸まわりにミラーを回転させ、ミラーは鏡面を有し、第１の軸及び第２の軸は鏡面にある第１の座標系の原点で交差し、光ビームは光源から原点に向けて送られ、光ビームは鏡面から表面へ反射され、表面に反射して鏡面にある原点に向けて戻され、鏡面から受信器へ反射され、第１の角度測定装置は第１の軸まわりの回転の第１の角度を測定し、第２の角度測定装置は第２の軸まわりの回転の第２の角度を測定し、距離計は空気中の光ビームの速度に少なくとも一部基づいて距離を測定する、ステップと、第１の軸の選択した第１の角速度及び第２の軸の選択した第２の角速度を、プロセッサを用いて設定するステップであって、選択した第１の角速度が初期の第１の角速度に等しく、選択した第２の角速度が初期の第２の角速度に等しく、ステップと、光源を用いて、光ビームを放つステップと、表面上の複数の第１の点に対応する複数の３Ｄ座標を得るステップであって、第１のモータ及び第２のモータを用いて、光ビームを、選択した第１の角速度及び選択した第２の角速度で移動させ、それに応じて、複数の第１の点の１つで表面と光ビームとを交差させることと、第１の角度測定装置を用いて、回転の第１の角度を測定することと、第２の角度測定装置を用いて、回転の第２の角度を測定することと、距離計を用いて、第１の距離を測定することと、プロセッサを用いて、第１の角度、第２の角度、及び第１の距離に少なくとも一部基づいて、複数の第１の点のうちの１つの３Ｄ座標を決定することと、プロセッサを用いて、測定した第１の距離の一部に少なくとも一部基づいて品質尺度を計算することと、プロセッサを用いて、品質尺度に少なくとも一部基づいて選択した第１の角速度及び選択した第２の角速度を設定することとを含むステップを、複数の第１の点ごとに一度実行することによって複数の３Ｄ座標を得るステップと、複数の第１の点の３Ｄ座標を記憶するステップとを含む。

本発明の別の態様によれば、表面の三次元（３Ｄ）座標の測定時にスキャナにより放出される光ビームの角速度を動的に調整する方法であって、光源、第１のモータ、第２のモータ、第１の角度測定装置、第２の角度測定装置、距離計、及びプロセッサを有するスキャナを用意するステップであって、光源は光ビームを放出し、第１のモータは第１の軸まわりに光ビームを回転させ、第２のモータは第２の軸まわりに光ビームを回転させ、第１の角度測定装置は第１の軸まわりの回転の第１の角度を測定し、第２の角度測定装置は第２の軸まわりの回転の第２の角度を測定し、距離計は空気中の光ビームの速度に少なくとも一部基づいて距離を測定する、ステップと、選択した測定経路を選択するステップであって、選択した測定経路は、開始角度対、終了角度対、及び複数の中間角度対を含む角度対の集まりであり、各角度対は、第１の角度及び第２の角度を含み、第１の望ましい角度は回転の第１の角度に対応し、第２の望ましい角度は回転の第２の角度に対応する、ステップと、プロセッサを用いて、初期の角速度に等しい選択した角速度を設定するステップと、表面上の複数の第１の点に対応する複数の３Ｄ座標を得るステップであって、光源を用いて、光ビームを放つことと、第１のモータ及び第２のモータを用いて、光ビームを、選択した角速度で選択した測定経路に沿って光ビームを移動させ、それに応じて、複数の第１の点の１つで表面と光ビームとを交差させることと、第１の角度測定装置を用いて、回転の第１の角度を測定することと、第２の角度測定装置を用いて、回転の第２の角度を測定することと、距離計を用いて、第１の距離を測定することと、プロセッサを用いて、第１の角度、第２の角度、及び第１の距離に少なくとも一部基づいて、複数の第１の点のうちの１つの３Ｄ座標を決定することと、プロセッサを用いて、測定した第１の距離の一部に少なくとも一部基づいて品質尺度を計算することと、プロセッサを用いて、品質尺度に少なくとも一部基づいて選択した角速度を設定することとを含むステップを、選択した測定経路内の複数の第１の点ごとに一度実行することによって複数の３Ｄ座標を得るステップと、複数の第１の点の３Ｄ座標を記憶するステップとを含む方法が提供される。

本発明の別の態様によれば、スキャナにより表面の三次元（３Ｄ）座標を得るための取得レートを動的に調整する方法が提供される。この方法は、光源、第１のモータ、第２のモータ、第１の角度測定装置、第２の角度測定装置、距離計、及びプロセッサを有するスキャナを用意するステップであって、光源は光ビームを放出し、第１のモータは第１の軸まわりに光ビームを回転させ、第２のモータは第２の軸まわりに光ビームを回転させ、第１の角度測定装置は第１の軸まわりの回転の第１の角度を測定し、第２の角度測定装置は第２の軸まわりの回転の第２の角度を測定し、距離計は空気中の光ビームの速度に少なくとも一部基づいて距離を測定する、ステップと、選択した測定経路を選択するステップであって、選択した測定経路は、開始角度対、終了角度対、及び複数の中間角度対を含む角度対の集まりであり、各角度対は、第１の望ましい角度及び第２の望ましい角度を含み、第１の望ましい角度は回転の第１の角度に対応し、第２の望ましい角度は回転の第２の角度に対応する、ステップと、プロセッサを用いて、選択した３Ｄ座標取得レートを初期３Ｄ座標取得レートに設定するステップと、表面上の複数の第１の点に対応する複数の３Ｄ座標を得るステップであって、光源を用いて、光ビームを放つことと、第１のモータ及び第２のモータを用いて、選択した測定経路に沿って光ビームを移動させ、それに応じて、複数の第１の点の１つで表面と光ビームとを交差させることと、第１の角度測定装置を用いて、回転の第１の角度を測定することと、第２の角度測定装置を用いて、回転の第２の角度を測定することと、距離計を用いて、第１の距離を測定することと、プロセッサを用いて、第１の角度、第２の角度、及び第１の距離に少なくとも一部基づいて、複数の第１の点のうちの１つの３Ｄ座標を決定することであって、選択した３Ｄ座標取得レートに対応する時間で実行されることと、プロセッサを用いて、測定した第１の距離の一部に少なくとも一部基づいて品質尺度を計算することと、プロセッサを用いて、品質尺度に少なくとも一部基づいて選択した３Ｄ座標取得レートを設定することとを含むステップを、選択した測定経路内の複数の第１の点ごとに一度実行することによって複数の３Ｄ座標を得るステップと、複数の第１の点の３Ｄ座標を記憶するステップとを含む。

これら及び他の利点及び特徴は、以下の説明及び図面によってより明らかになろう。

本発明とみなされる主題は、明細書の終わりにある特許請求の範囲において特に指摘されると共に明確に権利主張されている。本発明の前述及び他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び図面を参照することによってより明らかである。

本発明の一実施形態によるレーザスキャナの斜視図である。 図１のレーザスキャナの側面の斜視図である。 図１のレーザスキャナの底面図である。 ボリュームを光学的にスキャン及び測定している図１のレーザスキャナの概略図である。 図１のレーザスキャナ制御システムのブロック図である。 本発明の一実施形態によるオペレータによる利用されるタッチスクリーンを備えた図１のレーザスキャナ用のユーザインターフェース画面の図である。 本発明の一実施形態による可変の表面点密度を用いてボリュームを測定するプロセスの流れ図である。 本発明の一実施形態による可変の表面点密度を用いてボリュームを測定するプロセスの流れ図である。 本発明の一実施形態による可変の表面点密度を用いてボリュームを測定する別のプロセスの流れ図である。 高い情報内容プロファイルを有する領域と低い情報内容を有する領域とを有するスキャンしたボリュームの図である。 方位軸まわりに可変速度を有する図１のレーザスキャナの概略上面図である。 天頂軸まわりに可変ミラー速度を有する図１のレーザスキャナの概略側面図である。 本発明の一実施形態によるガルバノミラー構成を有する非接触式距離測定装置の概略図である。 本発明の一実施形態による微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーを有する非接触式距離測定装置の概略図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例をその利点及び特徴と共に、例示として詳細に説明する。

本発明の実施形態は、スキャンしたボリューム内の表面点の三次元（３Ｄ）座標に関すると共に、可変の表面点密度もしくは可変のスキャン速度又は両方を有するデータを取得することができるレーザスキャナ装置を提供する。本発明の各実施形態は、表面点の３Ｄ座標データを取得する間に必要とされるローカルストレージの量を減少させることにおける利点をもたらす。本発明の各実施形態は、測定を完了するまでの時間、取得したデータの画像をグラフィック表示する時間、３Ｄデータを記憶するために使用されるメモリを減少させることにおける利点をもたらす。一実施形態では、３Ｄ測定のために表面へ送られる光ビームの角速度は、品質因子により収集した距離の評価に従って動的に変化させられる。ここで、この品質因子は、本明細書に述べる様々な因子に依存し得る。一実施形態では、スキャナは、第１の軸及び第２の軸まわりに回転するミラーを備え、第１の軸及び第２の軸まわりのスキャンレートは、品質因子により測定した距離に少なくとも基づいて動的に調整される。

別の実施形態では、選択した測定経路がスキャナに与えられると共に、この経路に沿った移動の角速度が、測定中にスキャナによってこの経路に沿って収集された距離測定値に少なくとも部分的に基づいて品質因子に従って動的に調整される。別の実施形態では、選択した測定経路がスキャナに与えられると共に、表面上の３Ｄ座標を決定するレートが、測定中にスキャナによってこの経路に沿って収集された距離測定値に少なくとも部分的に基づいて品質因子に従って動的に調整される。一実施形態では、幾何学的形状の３Ｄ座標の変化のレートの決定は、第１の複数の表面点に関するデータを迅速に取得し、次いで可変速度でより高い分解能のスキャンを行って第２の複数の表面点に関するデータを取得することによって決定される。別の実施形態では、幾何学的形状の３Ｄ座標の変化のレートの決定は、スキャン装置により取得された少なくとも１つの画像から決定される。

レーザスキャナ２０などのレーザスキャン装置は、例えば、周囲に位置する表面などの幾何学的形状のデータを取得するために使用される。これらの装置は、コヒーレント光源を使用してこの環境を光学的にスキャンし、反射したビーム光を受信する。光ビームを送受信するのにかかる時間内の光ビームの方向及び向きを知ることにより、このスキャン装置は、光を反射した表面点の３Ｄ座標を決定することができる。周囲の非常に詳細なスキャンを得るために、スキャナは、何百万個もの表面点の座標を得なければならない可能性がある。現代のスキャナのデータレートは、しばしば、毎秒百万個の３Ｄ点以上となる。これは、スキャン装置自体の内部か、ローカルに取り付けられた記憶装置内か、又は遠隔のデータ記憶サーバ上のいずれかに記憶され得る非常に大容量のデータになることを理解されたい。いくつかの実施形態では、データは、有線通信システム又は無線通信システムを介して送られ、遠隔で記憶することができる。いずれの実施形態でも、この大容量のデータは、スキャナの動作に制限を課し得る。

一部のシステムでは、データは、圧縮され、又は後処理中に削除された表面点を有する。典型的には、データは、複数の表面点（時として、「データクラウド」又は「ポイントクラウド」と呼ばれる）を受信し、操作し、表示するように構成されたソフトウェアを有するコンピュータに転送される。このプロセスは、データセットのサイズを減少させるのに役立つが、当該処理は事後的に行われ、表面点取得動作中に使用されるローカルストレージ又は通信帯域幅を減少させることはない。

加えて、空間の所定の領域を測定する動作時間は、選択した測定速度に従って一桁超変わり得る。しかし、これは、多くの場合、高い分解能の３Ｄ値が望まれる詳細な特徴を有する領域と、低い分解能が望まれる他の領域とが存在し得るので、あまり効率的でない可能性がある。

次に、図１〜図４を参照すると、レーザスキャナ２０の周囲を光学的にスキャンし測定するレーザスキャナ２０が示されている。本明細書中でより詳細に述べられるように、レーザスキャナ２０は、低い情報内容プロファイルを有する領域内の表面点の個数を減少させるように構成されている。本明細書に使用されるとき、用語「低い情報内容プロファイル」は、減少した量の表面点を用いて細部が許容レベルに至るまで説明され得る幾何学的形状を指す。減少した量の表面点を用いて説明され得る幾何学的形状の例は、平坦な表面や滑らかな湾曲表面である。対照的に、一部の領域は、表面点の相対的に高い密度を必要とし得る。用語「高い情報内容プロファイル」は、所望の精度レベルを実現するためにより高い密度の表面点を必要とする幾何学的特徴の変化のレートが大きい領域を指す。スキャンされる領域が、高い情報内容を有するか、低い情報内容を有するか特定し、次いで適切な密度の表面点を収集することにより、データ記憶の必要を減少させ又は最小化することができる。高情報内容の概念については、本明細書の以下でさらに説明されるように、品質因子の概念と、品質基準の関連概念とを含むようにさらに一般化することができる。

レーザスキャナ２０は、測定ヘッド２２と、基部２４とを有する。この測定ヘッド２２は、レーザスキャナ２０が垂直軸２３まわりに回転できるように基部２４上に取り付けられている。一実施形態では、測定ヘッド２２は、垂直軸２３及び水平軸２５を中心とする回転中心であるジンバル点２７を含む。一実施形態では、測定ヘッド２２は、水平軸２５まわりに回転できる回転ミラー２６を有する。垂直軸まわりの回転は、基部２４の中心まわりとすることができる。一実施形態では、垂直（方位）軸２３及び水平（天頂）軸２５は、ジンバル点２７において交差し、このジンバル点２７は、座標系の原点とすることができる。

測定ヘッド２２は、例えば放出光ビーム３０を放出する発光体２８などの電磁放射放出体をさらに備える。一実施形態では、放出光ビーム３０は、例えばレーザビームなどのコヒーレント光である。このレーザビームは、約３００ナノメートルから約１６００ナノメートルの波長範囲を有することができ、例えば、７９０ナノメートル、９０５ナノメートル、１５５０ｎｍ、又は４００ナノメートル未満とすることができる。より長い波長又はより短い波長を有する他の電磁放射ビームを使用することもできることを理解されたい。放出光ビーム３０は、例えば、正弦波形又は方形波形で振幅変調又は強度変調することができる。放出光ビーム３０は、発光体２８により回転ミラー２６上へ放出され、そこで放出光ビーム３０は、環境へ偏向させられる。反射光ビーム３２は、対象３４により環境から反射される。反射光又は散乱光は、回転ミラー２６により遮られ、光受信器３６に向けられる。放出光ビーム３０及び反射光ビーム３２の方向は、それぞれ、軸２５まわりの回転ミラー２６の角度位置及び軸２３まわりの測定ヘッド２２の角度位置に起因する。これらの角度位置は、軸２５及び軸２３まわりにそれぞれ回転ミラー２６及び測定ヘッド２２を回転させる回転駆動装置により決まる。各軸２５、２３は、測定角度用の少なくとも１つの角変換器を備える。通常、この角変換器は、角度エンコーダである。

発光体２８及び光受信器３６には、コントローラ３８が結合されている。コントローラ３８は、多数の表面点Ｘについて、レーザスキャナ２０と対象３４上の表面点Ｘとの間の対応する数の距離ｄを決定する。特定の表面点Ｘへの距離は、電磁放射が装置から表面点Ｘまで伝搬する空気中の光速に少なくとも部分的に基づいて決定される。一実施形態では、レーザスキャナ２０と表面点Ｘとの間の位相シフトが、測定距離ｄを得るために決定及び評価される。別の実施形態では、パルスレーザ間の経過時間が、測定距離ｄを決定するために直接測定される。

空気中の光速は、気温、気圧、相対湿度、及び二酸化炭素濃度などの空気の特性に依存する。そのような空気の特性は、空気の屈折率ｎに影響を及ぼす。空気中の光速は、真空中の光速ｃを屈折率で割ったものに等しい。言い換えれば、ｃ_ａｉｒ＝ｃ／ｎである。本明細書に述べるタイプのレーザスキャナは、空気中の光の飛行時間（ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）（装置から対象まで進んで装置へ戻る光の往復時間）に基づいている。光（又は任意の種類の電磁放射）の飛行時間に基づいて距離を測定する方法は、空気中の光速に依存し、したがって、三角測量に基づいて距離を測定する方法と容易に区別される。三角測量に基づく方法は、特定の方向に沿って光源から光を投射し、次いで特定の方向に沿ったカメラの画素で光を遮ることを含む。カメラと投射機の間の距離を知ると共に投射角と受信角を整合させることにより、三角測量法は、対象までの距離を、既知の１つの辺の長さと三角形の既知の２つの角を用いて決定することができる。三角形の辺のうち既知の１つの長さは、三角測量システムにおける光投射機とカメラ上の基準点の間の知られた距離とすることができるので、三角測量法は、空気中の光速には直接は依存していない。

一実施形態では、レーザスキャナ２０の周囲のボリュームのスキャンは、軸２５まわりに回転ミラー２６を素早く回転させる一方、軸２３まわりに測定ヘッド２２をゆっくり回転させ、それにより組立体を螺旋パターンで移動させることにより行われる。そのようなスキャンシステムについては、ジンバル点２７が、ローカル静止基準系の原点を定める。基部２４は、ローカル静止座標系にある。

ジンバル点２７から表面点Ｘまでの距離ｄを測定することに加えて、スキャナ２０は、受信した光パワーに関連したグレースケール情報を収集することもできる。グレースケール値は、例えば、表面点Ｘによる測定期間にわたっての光受信器２１におけるバンドパスフィルタ処理され増幅された信号を積分することにより求めることができる。

測定ヘッド２２は、レーザスキャナ２０に組み込まれた表示装置４０を備えることができる。表示装置４０は、図６に示されるように、グラフィカルタッチスクリーン４１を備えることができる。このグラフィカルタッチスクリーン４１は、オペレータが、パラメータを設定し又はレーザスキャナ２０の動作を開始することを可能にする。例えば、このスクリーン４１は、オペレータがスキャン変数を変更することを可能にするパラメータアイコン４３などのアイコンを有することができる。スクリーン４１は、「ビュースキャン」アイコン４５をさらに有することができる。スクリーン４１は、例えば、プロジェクト名、装置にログインしたオペレータ、周囲温度、及び時間などの追加の情報をオペレータに与えることができる部分４７をさらに備えることができる。組み込まれた表示装置４０を有することは、例えばラップトップコンピュータなどの追加の装備を運搬及び接続する必要なくデータを取得しスキャンした画像を見る動作の全部をオペレータが実行することを可能にするという利点をもたらすことを理解されたい。

レーザスキャナ２０は、測定ヘッド２２用のフレーム及びレーザスキャナ２０の構成要素を取り付けためのプラットフォームを与えるキャリヤ構造４２を備えている。一実施形態では、キャリヤ構造４２は、アルミニウムなどの金属製である。このキャリヤ構造４２は、両端に一対の壁４６、４８を有する横断部材４４を備えている。壁４６、４８は、互いに平行であり、基部２４と反対の方向に延びている。一対のシェル５０、５２は、壁４６、４８に結合され、レーザスキャナ２０の構成要素を覆う。例示的な実施形態では、シェル５０、５２は、例えば、ポリカーボネート又はポリエチレンなどのプラスチック材料製である。シェル５０、５２は、壁４６、４８と協働してレーザスキャナ２０のハウジングを形成する。

壁４６、４８とは反対側のシェル５０、５２の端部には、一対のヨーク５４、５６が、それぞれのシェル５０、５２を一部覆うように配置されている。例示的な実施形態では、ヨーク５４、５６は、運搬中及び動作中にシェル５０、５２を保護するのに役立つ例えばアルミニウムなどの適切に耐久性のある材料で作製されている。ヨーク５４、５６は、例えば留め具などを用いて、基部２４に隣接した横断部４２に結合されている第１のアーム部５８をそれぞれ備えている。各ヨーク５４、５６のアーム部は、横断部４４からそれぞれのシェル５０、５２の外周コーナに斜めに延びている。このシェル５０、５２の外周コーナから、ヨーク５４、５６は、シェルの側縁３２に沿ってシェル５０、５２の反対の外周コーナまで延びている。各ヨーク５４、５６は、壁４６、４８に斜めに延びている第２のアーム部をさらに備えている。ヨーク５４、５６は、複数の位置で、横断部４２、壁４６、４８、及びシェル５０、５２に結合できることを理解されたい。

一対のヨーク５４、５６は、２つのシェル５０、５２を内部に配置した凸空間を取り囲むように協働する。例示的な実施形態では、ヨーク５４、５６は、シェル５０、５２の外縁の全部を覆うように協働し、上アーム部及び下アーム部は、シェル５０、５２の上縁及び下縁の少なくとも一部を覆うように突出している。これは、シェル５０、５２及び測定ヘッド２２を運搬中及び動作中の損傷から保護することにおける利点をもたらす。他の実施形態では、ヨーク５４、５６は、例えば、レーザスキャナ２０を運ぶのを容易にするハンドル又はアクセサリ用の取付け点などの追加の特徴を含むことができる。

横断部４４の上部には、プリズム６０が設けられている。このプリズムは、壁４６、４８に平行に延びている。例示的な実施形態では、プリズム６０は、キャリヤ構造４２の一部として一体形成される。他の実施形態では、プリズム６０は、横断部４４に結合される別個の構成要素である。ミラー２６が回転するとき、各回転中、ミラー２６は、放出光ビーム３０を横断部４４及びプリズム６０の上へ向ける。電子部品の非線形性により、例えば光受信器３６では、測定距離ｄは、輝度に依存する。ここで、輝度は、例えば、バンドパスフィルタ処理され増幅された光受信器３６の信号を測定中の特定の点による測定期間にわたって積分することにより求められたグレートーン値として定義される。各距離ｄの非線形の距離補正は、輝度の関数として記憶される。ミラー２６の各回転中にプリズム５０から返されコントローラ３８により測定される強度を使用して、放出強度の指標を与えることができ、それにより距離ｄの決定時に精度を改善する。他のタイプの非線形と線形の両方の補正が可能であることを理解されよう。

基部２４は、自在軸受組立体３７に結合されている。この自在軸受組立体３７は、キャリヤ構造４２に結合され、軸２３まわりに測定ヘッド２２を回転させるように構成された回転駆動装置又はモータ２９を備える。モータ２９は、スタンド３１に着座している。スタンド３１は、高さ調整可能であり、再現可能な高さ設定を行うことを可能にするためにスケール３３を有する。角度エンコーダ３５は、モータ２９の回転位置を決定するのに役立つようにモータ２９に結合することができる。エンコーダ３５からの出力信号は、コントローラ３０を用いて通信される。

レーザスキャナ２０は、気流がレーザスキャナを通過することを可能にする換気孔をさらに備えることができ、それによりレーザスキャナ２０内で温度が望ましくないレベルにまで上昇するのを防いで、内部構成要素を保護する。

いくつかの応用では、表面点の３Ｄ座標及びグレースケール値に加えて、スキャンしたボリュームについての追加の情報を得ることが望ましい場合がある。例示的な実施形態では、レーザスキャナ２０は、例えばデジタルカラーカメラなどの画像取得装置６４を備えている。この画像取得装置６４は、非同期式であり、コントローラ３８と双方向通信する。

例示的な実施形態では、この画像取得装置６４は、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどのセンサを有するカラーカメラである。このセンサは、実空間内の二次元画像６８に対する色空間内で３次元である信号、例えばＲＧＢ信号などを供給する。

画像取得装置６４は、ホルダ又はブラケット７６により測定ヘッド２２に取り付けられている。ブラケット７６は、上記装置６４が軸２３まわりに回転できるようにこの装置６４を測定ヘッド２２に固定する。このようにして、上記装置６４は、測定ヘッド２２が軸２３まわりに回転し、したがって角度範囲全体をカバーするときに、１つ以上の画像７２を取得することができる。画像７２の撮像方向は、エンコーダにより位置合わせすることができる。一実施形態では、ブラケットは、取り付けられる装置を関連付ける機構を含む。

他の実施形態では、収集した３Ｄ表面点で積分するために、２Ｄカラー画像を取得するための他のタイプのカメラ装置が使用され得る。一実施形態では、このカメラは、３Ｄスキャンシステムの光軸と一直線をなす光軸を有する内部カメラである。この直線は、スキャナモータを用いて垂直軸２３及び水平軸２５まわりに任意の所望の方向へのカメラの調節を可能にする。加えて、２つの光軸からなる直線のため、視差が減少又は最小化される。

別の実施形態では、カメラは、調整可能なブラケットに取り付けられた外部カメラである。スキャナが表面点の３Ｄ座標の取得を完了した後、オペレータは、デジタルカラーカメラを垂直軸２３に対して一直線をなすようにブラケットを調整することができる。次いで、オペレータは、スタンドの調整前にデジタルカメラセンサーをジンバル点２７の適切な位置に移動させるように、スケール３３の表示度数を用いてスタンドの高さを調整することができる。この調整を行うことにより、視差は減少する。

図５は、スキャン中に取得した表面点の３Ｄ座標データの量をスキャナ２０が減少させることを可能にする幾何学ルールモジュール１００を含むコントローラ３８の概略図である。コントローラ３８は、距離センサ光電子工学モジュール１０４と、画像取得装置６４と、垂直エンコーダ１０６と、水平エンコーダ１０８とからスキャンデータを収集する（例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイすなわち「ＦＰＧＡ」により実装される）幾何学処理ユニット１０２を備えている。一実施形態では、距離センサ光電子工学モジュール１０４は、スキャン中のボリューム内の目標の表面点（例えば、目標対象）までの距離を決定し、目標対象から反射して戻る光量に対応するグレースケール値を生成し、これらの値を幾何学処理ユニット１０２に伝達する。水平エンコーダ１０８は、水平角度を幾何学処理ユニット１０２に伝達する。垂直エンコーダは、垂直角度を幾何学処理ユニット１０２に伝達する。

一実施形態では、幾何学処理ユニット１０２は、収集したスキャンデータをプロセッサ１１０へ送信する。このプロセッサ１１０は、スキャンデータをデータ記憶装置１１２（例えば、ＳＤカード又はハードドライブ）へ送ることができる。一実施形態では、コンピュータプロセッサ１１０は、コンピュータプロセッサ１１０により処理された計算値のサブセットをグラフィック表示装置４２に送り、このグラフィック表示装置４２が、計算した３Ｄ座標値のサブセットを用いてスキャンした画像の表示を行う。プロセッサ１１０は、ユーザインターフェース４１でもあり得るタッチコントローラ１１４（タッチスクリーン）から入力を受信することができる。

グラフィック表示装置上に表示される画像は、プラナー形式（ｐｌａｎａｒ ｆｏｒｍａｔ）、パノラマ形式、又は３Ｄ形式などの様々な形式とすることができる。各タイプの形式は、異なるコンピュータ処理量を必要とし、異なる情報を与える。本明細書中でプラナー表示と呼ばれる最も単純なタイプの表示では、データは、矩形領域に単に形式変更される。プラナービューでは、物理的世界における直線は、曲線のように見える。パノラマビューでは、測定ボリュームの対象が、球、立方体、又は円柱などの幾何学的形状に写され、それによりプラナービューで見られる歪みを取り除いている。パノラマビューでは、使用者は、ビューを回転させることができるが、ビューの中心を残すことはできない。３Ｄビューでは、使用者は、ビューの中心を残し、任意の所望の位置及び向きから歪みのない３Ｄ画像を観察することができる。３Ｄビューは、使用者が、測定したボリュームの３Ｄ画像を通じて「飛ぶ（ｆｌｙ）」ことさえも可能にし、それにより使用者が様々なビューから測定したボリュームを見ることを可能にする。上記のプラナービュー、パノラマビュー、及び３Ｄビューは、２Ｄ画像を提供するカメラのデジタル画像とは対照的であり得る。そのような２Ｄ画像は、パノラマ画像及び３Ｄ画像用のカラーオーバーレイを与えるのに役立ち得る。

一実施形態では、コントローラ３８は、ローカルコンピュータ１１６（例えば、スキャナ２０に隣接して配置されるコンピュータ）又はリモートコンピュータ１１８（例えば、ローカルエリアネットワーク又は広域ネットワークを介して接続されるコンピュータ）に接続することができる。外部のコンピュータ１１６、１１８は、スキャンデータを受信し処理して、例えばプラナー画像、パノラマ画像、又は３Ｄ画像であり得る画像を生成することができる。外部のコンピュータ１１６、１１８は、１つ以上の物理的接続、無線接続、又は他の通信手段によってコントローラ３８に接続することができる。

スキャンデータからの３Ｄ点値の計算又は３Ｄ点値のサブセットの計算は、幾何学処理ユニット１０２、プロセッサ１１０、ローカルコンピュータ１１６、又はリモートコンピュータ１１８により実行することができることを理解されたい。

例示的な実施形態では、幾何学処理ユニット１０２は、幾何学ルールモジュール１００からの入力に基づいて収集したスキャンデータを処理する。この幾何学ルールモジュール１００は、所定の表面又は特性のタイプに対して測定される表面点の個数を増やすべきか減らすべきか決定する所定のルールのセットを含む。本明細書で使用されるとき、表面点は、対象の表面上の三次元座標を指す。１つの三次元座標を決定するために、複数の測定値が収集され得ることを理解されたい。次いで、これらの測定値を使用して、最終的な３Ｄ座標値を決定する。

典型的なレーザスキャナでは、表面点は、一貫して互いに対して一定の間隔で取得される。表面が、表面又は特徴が少量のデータを用いて記述できることを意味する低い情報内容プロファイルを含むとき、スキャナ２０は、より複雑な幾何学的形状に必要とされるものと同じ個数の表面点Ｘを取得する必要はないことを理解されたい。例えば、平らな壁は、４つの点（コーナごとに１つ）で説明することができる。同様に、連続した滑らかな曲面は、湾曲を説明するのにあまり多くのデータを必要としなくてもよい。言い換えれば、いくつかの幾何学的タイプは、より低い表面点密度を可能にすることができる。以下により詳細に説明するように、一実施形態では、レーザスキャナ２０は、スキャンされるボリュームの初期のパスを作製し、次いで幾何学ルールモジュール１００を適用して、初期のパスを問い合わせし、低い情報内容プロファイルを有する領域と高い情報内容プロファイルを有する領域とを決定する。この場合、初期のパスは、レーザスキャナにより、又はレーザスキャナに取り付けられたもしくはレーザスキャナと別個の画像取得装置を用いて実行することができる。

一実施形態では、初期のパスは、レーザスキャナ２０を用いて実行される。本実施形態では、レーザスキャナ２０が高速で初期スキャンを実行する。高速は、低表面点密度に対応することを理解されたい。幾何学ルールモジュール１００は、表面点についてのこの第１の複数の３Ｄ座標を使用して、当技術において周知である方法を用いて表面の表示を生成する。表面表示の特性は、異なるスキャン領域について適切な表面の詳細（スキャン密度）を決定するために使用される。スキャン領域ごとに表面の詳細のレベルを決定する方法は、一般に、測定した範囲にわたって画像中の表面点の３Ｄ座標の変化のレートを決定することを含む。例えば、高い情報内容プロファイルを有する領域の場合、測定した点までの距離は、比較的小さいスキャン領域内において一貫性のない形で大きな量で変わり得る。例えば、ある点までの距離は、短い距離の間に急速に増加し、次いで、次のスキャン間隔の間に急速に減少又はフラットなままになる。これを別な形で述べると、大情報内容プロファイルを有する領域の場合、表面点までの測定距離に急速又は大きな変動が存在し得るということである。測定距離の大きい変動は、比較的低い情報内容プロファイルを有する領域の特性であり得る測定距離の大きい変化とは同じではないことに留意されたい。例えば、平らな床は、低い情報内容プロファイルを有するが、スキャナは、次から次へ大きな距離の変化を示す可能性がある。方法は、距離の変動の概念を適切に定量化するように選択することができる。市販のビジョンソフトウェアのツールを使用して、距離変動の評価を助けることができる。そのようなツールには、エッジ検出、ブロブ検出、形状検出、及びパターン認識が含まれ得る。

幾何学的形状が短い距離の間に変化するエッジ又は場所などの領域、例えば、図９の窓１２０又は石領域１２２などは、比較的高い情報内容プロファイルを有する領域とみなされる。対照的に、平坦表面又は連続した滑らかな湾曲部などのより均一な領域、例えば壁部１２４などは、比較的低い情報内容プロファイルを有するものと分類される。

高い情報内容プロファイルを有する領域及び低い情報内容プロファイルを有する領域を決定すると、次いで幾何学ルールエンジンが、これらの領域の角度位置又は境界を決定することができる。例示的な実施形態では、モータ２９又はミラー２６の回転速度を変えることにより、取得中の表面点の密度を変えることができる。レーザスキャナは、エッジに沿って単に表面点を取得できず、むしろエッジに隣接した領域内でより多くの表面点を取得すると共にこの領域の中心においてより少ない表面点を取得することを理解されたい。

別の実施形態では、大量のデータが、所望の領域の高密度スキャンを使用して収集される。この高密度スキャンの結果は、幾何学ルールモジュール１００に転送され、この幾何学ルールモジュール１００は、予め定められた基準を適用して、低い情報内容及び高い情報内容の領域を特定する。低い情報内容を有すると決定された領域の場合、データの一部が処分されて、減少したデータ記憶量を用いつつ所望のレベルの分解能を与えるスキャンデータのサブセットのデータセットを生成する。

別の実施形態では、レーザスキャナは、データが収集されたときにデータを評価し、それに応じて、スキャナから投射される光ビームの角速度、又は３Ｄ点を取得するレートを調整する。加えて、角速度又は３Ｄ取得レートを調整するのに使用されるデータは、スキャナがデータを収集しながらその間に動的に決定することができる。

さらに、一実施形態では、この方法は、品質因子に基づいて角速度又は３Ｄ点取得レートを選択することを含むことができ、これは、高い情報内容の評価対低い情報内容の評価の一般化とみなすことができる。例えば、関心の領域は、ある範囲内の距離に含まれ得ることが知られ得る。したがって、スキャナは、測定距離が所望の範囲内にない領域を通じて迅速に移動することができ、又はスキャナは、これらの領域を通じて一定の角速度で移動するがより頻繁にデータを収集することができる。別の例として、品質因子は、戻った光の統計的尺度を含むことができる。例えば、測定中の表面又は背景環境（例えば、明るい外灯）に依存し得る難しい測定材料の下では、スキャナの距離データのノイズが、それ以外の方法でこの場合になるものより大きいものとなり得る。この例では、よりゆっくり測定して、より高い密度の測定３Ｄ座標を得て、ノイズを減少させるためにフィルタ処理（例えば、近くの点について平均化）を実行できるようにすることが望ましいものであり得る。品質因子は、上述したようなグレースケール値に関連している戻りパワーの指標に少なくとも部分的に基づくこともできる。低い戻りパワーは、より高いノイズを生成することが予期され、これによってより高い解像度及び精度を得るために平均化される必要があり得、それによってより遅いスキャンが必要とされる可能性がある。品質因子は、前もって知られ得る対象の特性、例えば、対象の温度、又は材料の反射率などの他の特性に関連していることもできる。

測定値又は知られた状態に由来する品質因子は、角速度又は３Ｄ点取得レートを変更すべきか決定するために品質基準と比較することができる。品質基準の例には、望ましい最大誤差又は望ましい最大ノイズが含まれる。例えば、使用者は、３ｍｍを超えない３Ｄ測定値の誤差、又は１ｍｍ以内の二乗平均平方根（ＲＭＳ）ノイズを望み得る。品質因子は、所望のレベルの分解能、例えば、所定の距離で横分解能０．５ｍｍ又は半径方向分解能０．５ｍｍを示すこともできる。

図７は、レーザスキャナを用いて初期スキャンを行う例示的なプロセスの流れ１２６を示す。まず、ブロック１２８で、プロセス１２６は、軸２３まわりに、モータ２９を一定の速度にして、スキャナ２０を迅速に回転させることにより初期スキャンを行う。モータ２９の回転速度を変更することにより、方位軸のまわりの点密度を増減させることができる。いくつかの実施形態では、天頂軸２５まわりのミラー２６の回転速度を増減させることができる。他のタイプのスキャナでは、他の機構を使用して、観察下の領域に当たる光ビームの移動速度を変更することができる。例えば、一部のスキャナは、機械的にミラーを回転させて光ビームを向けるのではなく、機械的に回転するヘッドを使用する。他のタイプの装置は、光ビームを所望の位置に向けるために、一対のガルバノメータのミラーを使用することができる。

ブロック１３０で、第１のスキャンから得られた表面点を処理して、表面点の３Ｄ座標を決定する。この３Ｄ座標が決定されると、ブロック１３２で、幾何学ルールモジュールを使用して高い及び低い情報内容プロファイルを有する領域を決定する。一実施形態では、これらの領域の決定は、これらの領域の境界の水平角度位置及び垂直角度位置の決定を含む。

図１１に示されるように、レーザスキャナ２０が３６０°の円１３４のまわりを回転するとき、円１３４は、複数の弧部分に分割することができる。（場合によっては、レーザスキャナは、１８０°にわたってのみ回転することができ、というのもこれによりレーザビームは完全な円で周回できるからである。）レーザスキャナは、その領域の情報内容プロファイルに応じて各弧部分内で異なる速度で垂直軸まわりに回転することができる。例えば、レーザスキャナは、弧部分１３６において速度Ｖ_１で回転することができると共に、弧部分１３８において速度Ｖ_２で回転することができる。この例では、速度Ｖ_２は速度Ｖ_１より大きい。回転速度が低いほど、スキャン密度は高くなることに理解されたい。弧１３４は、各弧部分が異なる回転速度となる任意の個数の弧部分に分割することができることをさらに理解されたい。

同様に、図１２に示されるように、レーザスキャナ２０により放出されるレーザビーム３０は、ミラーが回転するときに、弧１４０において扇形に広げられる。一実施形態では、ミラー２６の速度は、弧１４０を複数の部分に分割するように変更することができる。ミラー２６の回転速度を変更することにより、各弧部分は、異なる回転速度、したがって異なる表面の点密度を有することができる。例えば、このミラーは、弧部分１４２において回転速度Ｖ_１で回転することができると共に、弧部分１４４において回転速度Ｖ_２で回転することができる。回転速度Ｖ_２が回転速度Ｖ_１未満であるとき、弧部分１４４における表面点密度は、弧部分１４２における表面点密度より高い。レーザスキャナシステムの構成に応じて、ミラー２６などの回転ミラーに比較的急速な変化を起こすことを可能としてもよく、又はそれを可能としなくてもよい。しかし、多くのタイプのレーザスキャナ機構が存在し、本明細書中に教示された本発明は、回転ミラーの場合に限定されず、任意のタイプのビーム操縦機構（例えば、ガルバノミラー構成）を含むことができる。これらの機構の一部は、水平軸まわりの回転の急速な変化を可能にする。

一実施形態では、所定の弧部分内の回転速度は、ほぼ一定で保持される。別の実施形態では、弧１３４、１４０は、別個の弧部分に分割されているのではなく、むしろモータ２９又はミラー２６の速度は、それぞれの弧の範囲にわたって連続的に変化している。

境界が決定されると、コントローラ３８は、モータ２９又はミラー２６の速度を変更して、それぞれの領域について所望の表面点密度を実現することができる。次いで、ブロック１３３で、プロセス１２６は、最終的な光学スキャンを実行する。この最終的なスキャンは、スキャンヘッド２２が軸２３まわりに回転すると共にミラー２６が軸２５まわりに回転ときに可変のモータ速度を使用して、高い情報内容プロファイルの領域内の表面点密度を増大させる。

別の実施形態では、表面点の処理及び幾何学ルールの適用は、動作中に実行され、表面点の密度は、幾何学的形状の変化に対応するように変更できる。これにより、スキャナ２０の１回の回転時にスキャンデータの取得を可能にするという利点をもたらすと共に、より高い情報内容を有する領域内の追加の表面点を取得するための最終的なスキャンの必要性をなくすことを理解されたい。図８に示すこのプロセス１３５は、スキャンのハードウェアを作動させて連続スキャンを実行するブロック１３７を含む。ブロック１３９では、スキャンデータを処理して、測定したボリューム内の表面点の３Ｄ座標を決定する。ブロック１４１で、幾何学ルールを適用して、情報内容のレベル（例えば、情報内容が、高いか、低いか、又は中間か）を決定する。ブロック１４５で、現在のスキャン領域内の情報内容のレベルを適切に示すように、回転速度が決定される。回転速度の変化は、方位軸まわり、天頂軸まわり、又はそれらの組み合わせとすることができることを理解されたい。

一実施形態では、スキャナ２０は、追加の表面点を取得するために直ちに方位軸まわりに逆方向に回転するように構成されている。別の実施形態では、二次元画像が、画像取得装置６４により取り込まれ、高い情報内容プロファイルを有する領域及び低い情報内容プロファイルを有する領域を決定するために使用される。これは、高い情報内容プロファイルを有する領域及び低い情報内容プロファイルを有する領域の決定が測定データに基づいているところで上述の実施形態とは異なっている。二次元画像の使用は、典型的には、高い情報内容プロファイルを有する領域及び低い情報内容プロファイルを有する領域を決定するための三次元データを与えることにならないが、二次元画像は、エッジ、コーナ、及び隆起部などの特徴の特定を可能にすることを理解されたい。これらの領域は、表面の次元の急な変化の領域を示す傾向があるので、プロセス１３６は、高い情報内容プロファイル及び低い情報内容プロファイルの領域を近づけるために二次元画像からの情報を使用することができる。

次に、図９を参照すると、可変の表面点密度のスキャンを実行するプロセス１３６が示されている。このプロセスは、少なくとも１つ以上の画像が画像取得装置６４により取り込まれるブロック１３８で始まる。これは、例えばモータ２９を用いて測定ヘッド２２を軸２３まわりに段階的なやり方で回転させ、関心の領域が取得完了するまで定期的に画像を取り込むことを伴い得る。

次に、プロセス１３６は、画像が処理されるブロック１４０へ移る。画像の処理は、関心の領域内の表面点ごとに、所定のタイプの画像の特徴がその点に位置するのか位置しないのかを判定する方法及びアルゴリズムを含む。一般に、特徴の認識は、まず、例えばガウシアン平滑化などの画像の平滑化プロセスを含み得る。次いで、この方法は、例えば、エッジ、コーナ、ブロブ、及び隆起部などの特徴タイプの特定を試みる。エッジは、２つの画像領域の間の境界である。エッジは、画像の輝度の鋭い変化又は不連続性を検出することにより見つけることができる。そのような画像の輝度の不連続性は、深さ、表面配向、又は材料特性の変化を示すことが分かっている。使用できるエッジを検出する技法の１つは、キャニーエッジ検出器である。

コーナ検出は、方向の急な変化又は高レベルの曲率を判定する解析を伴う。使用できるコーナ検出技法の１つは、例えば、ＳＵＳＡＮ（Ｓｍａｌｌｅｓｔ Ｕｎｉｖａｌｕｅ Ｓｅｇｍｅｎｔ Ａｓｓｙｍｉｌａｔｉｎｇ Ｎｕｃｌｅｕｓ）コーナ検出器である。ブロブは、周囲の領域と比較すると異なる特性又は色を有する関心の領域である。ブロブ検出器は、以下の２つの主な分類に分かれ、すなわち、１）導関数表現に基づいた微分法、及び２）強度特性の極値に基づいた方法である。使用できるブロブ検出技法の１つは、ラプラシアンオブガウシアン（ＬｏＧ）ブロブフィルタである。

隆起部検出及び谷検出は、画像中の内部の細長い対象が極大値又は極小値を示すか判定する。隆起部は、このシークエンスに隣接したものよりかなり高い又は低い強度値を有する一連の画素が存在するときに生じる。検出プロセスは、隆起部を横切る方向が第２の方向導関数から得られ、ピークが第１の方向導関数から求められるような方向導関数を算出することを含む。

次に、プロセス１３６は、幾何学ルールを画像に適用して、高い情報内容プロファイルを有する領域及び低い情報内容プロファイルを有する領域を決定するブロック１４２に進む。次いで、ブロック１４４で、プロセス１３６は、レーザスキャンの表面点密度が増加する、例えば、弧部分１３６又は１４２の境界などの高い情報内容プロファイルの領域を決定する。次いで、プロセス１３６は、低い情報内容プロファイルの領域（例えば、弧部分の境界）が決定され、レーザスキャンの表面点密度が減少するブロック１４６に進む。密度変化の領域の境界が定められると、プロセス１３６は、レーザスキャナ２０が、スキャンしたボリュームの可変の表面点密度を有する光学スキャンを実行するブロック１４８に進む。

例示的な実施形態は、軸２３まわりにモータにより回転させられる回転ミラーを有する測定ヘッドを有するものとしてレーザスキャナを説明するが、これは、例示のためのものであり、クレームされた発明は、そのように限定されるべきではないことを理解されたい。次に、図１３を参照すると、測定ヘッド２２に配置されたガルバノミラー構成を有する別の実施形態が示されている。一般にガルバノと呼ばれるガルバノメータ１５０Ａ、１５０Ｂは、電流に応じて移動する装置である。第１のガルバノ１５０Ａを第２のガルバノ１５０Ｂに直交するように配置することにより、ガルバノ１５０Ａ、１５０Ｂは、それぞれ２つの軸１５４、１５６まわりにミラー１５２Ａ、１５２Ｂを移動させることができる。一実施形態では、軸１５４、１５６は相互に直交すると共に、ミラー１５２Ａ、１５２Ｂは相互に直交する。結果として、測定ビームＬｓは、半径方向の扇形に広げられた線ではなく対象上の領域１５８の上の点を照明するように向けることができる。一実施形態では、ガルバノ１５０Ａ、１５０Ｂは、コントローラ３８に電気的に結合される。一実施形態では、距離及び強度の情報を個々の測定点と相関させるために、各ガルバノは、関連したガルバノ１５０の位置を測定するために、角度エンコーダ１６０Ａ、１６０Ｂなどの角度変換器を含む。別の実施形態では、角度は、各ガルバノに加えられた電流に基づいて決定される。

一実施形態では、コントローラ３８は、対象点までの距離を決定し、これをエンコーダ１６０のデータと相関させて、装置１４９から三次元座標データ（例えば、Ｘ，Ｙ，Ｚ）を決定する。一実施形態では、単一のガルバノ１５０Ａが、ガルバノ１５０Ｂなしで使用され、光ビームが２つの次元でなく単一の次元に沿って移動させられるようになっている。この場合には、両次元に沿った三次元座標を得るためのオペレータによる非接触式測定装置１４９の移動となる。

いくつかの実施形態では、ガルバノミラー構成は、狭い視野、例えば、＋／−２０°などにわたって２次元でスキャンすることができる。これらの実施形態では、測定ヘッド２２は、自在軸受組立体３７、モータ２９、及びエンコーダ３５を備えることができる。モータ２９は、軸まわりに測定ヘッドを回転させ、一方、エンコーダ３５は、コントローラ３８へ信号を供給する。これにより、コントローラ３８は、三次元座標を決定するために、測定ヘッド２２の角度向きを決定することが可能となる。ガルバノミラー構成の使用は、測定レーザビームの方向付けが可能となるので、さらなる利点をもたらすことができることを理解されたい。したがって、コントローラ３８は、光学スキャン中に幾何学的形状の変化を検出することにより、表面点密度を変えることが可能であり得る。本実施形態では、幾何学ルールモジュール１００は、光学スキャン中に動作させられる。幾何学的変化が検出されると、コントローラは、幾何学的変化の領域に向ってレーザビームを戻すように向け、それによりこの領域について表面点密度を増大させることができる。このようにして、上記の初期スキャンを省略し、時間を節約し、さらにデータ記憶の必要を減少させることができる。

非接触式測定装置１６２の別の実施形態が、図１４に示されている。本実施形態では、ミラーは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置１６４である。一実施形態では、ＭＥＭＳ装置１６４は、半導体デバイス１６８に取り付けられたミラー１６６を含む。一実施形態では、ＭＥＭＳ装置１６４は、２４ピンのチップに装着されたＭｉｒｒｏｒｃｌｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃ．のデュアル軸のスキャンミラーである。ＭＥＭＳ装置１６４は、２つの直交軸１７０、１７２まわりにミラー１６６を動かすために、容量性のプレート間に大きい電位を使用する。例示的な実施形態では、ＭＥＭＳ装置１６４は、軸ごとに−１０°から＋１０°のスキャン角度でミラー１６６を回転させることができる。上述のガルバノミラーシステムと同様に、ＭＥＭＳ装置１６４は、線ではなく領域１７４の上の表面点の照明を可能にする。

例示的な実施形態では、ミラー１６６の向きは、印加した電圧に正比例する。一実施形態では、自在軸受組立体３７、エンコーダ３５、及びモータ２９は、測定ヘッド２２に結合されて、装置１６２が一軸まわりに回転することを可能にする。これは、測定した対象点の座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を決定するために、コントローラ３８が、印加電圧及びミラー２９の位置に基づいて距離及び強度データをミラー１６６の角度に相関させることができるので、エンコーダをなくすことができるという点において利点をもたらす。別の実施形態では、ＭＥＭＳ装置１６４は、所望の方向に回転できる小型のミラー要素のアレイを含む。

ＭＥＭＳ装置１６４の使用は、領域の上に光ビームを向けることができるので、光学スキャン中に表面点の密度を変えることができるというさらなる利点をもたらすことができることを理解されたい。幾何学的形状の変化が検出されると、コントローラ３８は、幾何学的変化の領域の上へレーザビームを戻すように向け、この領域内の表面点の密度を増大させるようにすることができる。

図１〜図４に示したタイプのスキャナは、両角度方向のいずれかの速度を調整することができる軸２３、２５用の独立した回転ドライブを有する。両軸の角速度が比例的に変更される場合、螺旋パターンの一般的な経路は同じままであるが、この経路に沿って収集される生データ点の個数は遅い場合及び速い場合によって異なる。各３Ｄ座標を決定するために使用される生データ点の個数に応じて、３Ｄ座標の個数は変化する可能性があり、又は速度の変化前と同じ個数をとどめることができる。異なる比率により軸２３、２５の速度を変更することもでき、結果として光ビームにとって異なる経路になる。

例えば、図１３、図１４に示すような、異なるビーム操縦法を用いたスキャナの場合、２つの直交軸における角運動と同様の原理の適用は、比例又は非比例の量だけ変更され得る。

技術的な効果及び利点には、可変の表面点密度でボリュームの三次元光学スキャンを可能にする能力が含まれる。これにより、関心の領域においてより高い分解能を有するより高速なスキャンをもたらすことができる。さらなる技術的な効果及び利点には、スキャンデータに用いられるコンピュータ記憶の量の減少が含まれる。

当業者により理解されるように、本発明の各態様は、システム、方法、又はコンピュータプログラム製品として具体化することができる。したがって、本発明の態様は、完全にハードウェアの実施形態、（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどが含まれる）完全にソフトウェアの実施形態、又は「回路」、「モジュール」、「ユニット」、及び「システム」と本明細書において全て一般的に呼ばれ得るソフトウェアとハードウェアの態様を組み合わせた実施形態の形をとることができる。さらに、本発明の態様は、そこに具体化されるコンピュータ可読プログラムコードを有する１以上のコンピュータ可読媒体に具体化されるコンピュータプログラム製品の形をとることができる。

１以上のコンピュータ可読媒体の任意の組み合わせを利用することができる。このコンピュータ可読媒体は、コンピュータ可読信号媒体又はコンピュータ可読記憶媒体とすることができる。コンピュータ可読記憶媒体は、例えば、電子的、磁気的、光学的、電磁的、赤外線的、又は半導体のシステム、機器、又は装置、あるいは前述のものの任意の適切な組み合わせとすることができるが、それらに限定されない。コンピュータ可読媒体のより具体的な例（網羅的でないリスト）には、以下のものが含まれる；１以上の配線を有する電気接続、ポータブルコンピュータディスク、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラマブルＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ又はフラッシュメモリ）、光ファイバ、ポータブルコンパクトディスクＲＯＭ（ＣＤ−ＲＯＭ）、光記憶装置、磁気記憶装置、又は前述の任意の適切な組み合わせ。本明細書の文脈では、コンピュータ可読記憶媒体は、命令実行システム、機器、又は装置により又はこれらと共に用いられるプログラムを含む又は記憶することができる任意の有形の媒体とすることができる。

コンピュータ可読信号媒体は、例えば、ベースバンドに又は搬送波の部分としてコンピュータ可読プログラムコードが埋め込まれた伝播データ信号を含み得る。そのような伝播信号は、限定はされるものではないが、電磁的、光学的又はこれらの任意の適切な組み合わせを含む任意の様々な形態を取り得る。コンピュータ可読信号媒体は、コンピュータ可読記憶媒体ではなく、命令実行システム、機器、又は装置により使用される、あるいはこれらと共に使用されるプログラムを通信、伝搬、又は伝送させることができる任意のコンピュータ可読媒体であり得る。

コンピュータ可読媒体に埋め込まれたプログラムコードは、限定はされるものではないが、無線、有線、光ファイバーケーブル、ＲＦ等、又はこれらの任意の適切な組合を含む任意の適切な媒体を用いて伝送され得る。

本発明の各態様のための動作を実行するためのコンピュータプログラムコードは、Ｊａｖａ（登録商標）、Ｓｍａｌｌｔａｌｋ、Ｃ＋＋などのオブジェクト指向プログラム言語、及びＣプログラミング言語又は類似のプログラミング言語などの従来の手続きプログラミング言語を含む１以上のプログラミング言語の任意の組み合わせで書かれ得る。プログラムコードは、全体的にレーザスキャナ上で、部分的にレーザスキャナ上で、スタンドアロンのソフトウェアパッケージとして、部分的にレーザスキャナ上かつ部分的に接続されたコンピュータ上で、部分的レーザスキャナ上かつ部分的にリモートコンピュータ上で、又は全体的にリモートのコンピュータ又はサーバ上で実行できる。後者の場合は、リモートコンピュータは、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）又は広域ネットワーク（ＷＡＮ）を含む任意のタイプのネットワークを介してレーザスキャナに接続することができ、接続は、外部のレーザスキャナに（例えば、インターネットサービスプロバイダーを用いてインターネットを介して）行われ得る。

本発明の各態様は、本発明の実施形態による方法、機器（システム）及びコンピュータプログラム製品の流れ図及び／又はブロック図を参照して説明されている。流れ図及び／又はブロック図の各ブロック、ならびに流れ図及び／又はブロック図のブロックの組み合わせは、コンピュータプログラム命令により実行することができることが理解されよう。

これらのコンピュータプログラム命令は、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、又は機械を作り出す他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサに与えることができ、それによりコンピュータ又は他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサを介して実行する命令が、流れ図及び／又はブロック図のブロックで特定される機能／動作を実施する手段を生成するようになっている。これらのコンピュータプログラム命令は、コンピュータ可読媒体に記憶することもでき、これは、コンピュータ、他のプログラム可能データ処理装置、又は他の装置に特定のやり方で機能するように指令することができ、コンピュータ可読媒体に記憶される命令が、流れ図及び／又はブロック図のブロックで特定される機能／動作を実施する命令を含む製造物を生成するようになっている。

コンピュータプログラム命令を、コンピュータ、他のプログラム可能データ処理装置、又は他の装置にロードし、コンピュータ又は他のプログラム可能装置上で実行される命令が流れ図及び／又はブロック図のブロックで特定される機能／動作を実施するためのプロセスを実現するように、一連の動作ステップをこのコンピュータ、他のプログラム可能機器、又は他の装置上で実行させてコンピュータ実行プロセスを生成することもできる。

図中の流れ図及びブロック図は、本発明の様々な実施形態によるシステム、方法、コンピュータプログラム製品の可能な実施に係るアーキテクチャ、機能、及び動作を示す。この点において、流れ図又はブロック図の各ブロックは、特定された論理機能を実現するための１以上の実行可能な命令を含むモジュール、セグメント、又はコードの一部を表すことができる。いくつかの代替実施形態では、ブロックに示された機能は、図に示した順序以外で行うことができることにも留意されたい。例えば、連続して示された２つのブロックは、実際には、ほぼ同時に実行することができ、又は場合によっては、ブロックは、含まれる機能次第では逆の順序で実行することができる。ブロック図及び／又は流れ図の各ブロック、ならびにブロック図及び／又は流れ図のブロックの組み合わせは、特定された機能又は動作、あるいは特定目的のハードウェア及びコンピュータの命令の組み合わせを実行する特定目的のハードウェアベースのシステムにより実施することもできることにも留意されよう。

本発明を限られた数だけの実施形態をと共に詳細に説明してきたが、本発明は、そのような開示した実施形態に限定されないことが容易に理解されよう。むしろ、本発明は、これまでに記載されていない任意の数の変形物、代替物、置換物、又は均等な構成を組み込むように修正可能であり、しかし、これらは、本発明の精神及び範囲と同等である。さらに、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の各態様は、記載した実施形態のほんの一部を含むことができることを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明により限定されると理解されるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (17)

1. 表面の三次元（３Ｄ）座標の測定時にスキャナにより放出される光ビームの角速度を動的に調整する方法であって、
   前記光ビームを放出する光源、鏡面を有するミラー、第１軸を中心に前記ミラーを回転させる第１モータ、第２軸を中心に前記ミラーを回転させる第２モータ、前記第１軸を中心とした前記ミラーの回転の第１角度を測定する第１角度測定装置、前記第２軸を中心とした前記ミラーの回転の第２角度を測定する第２角度測定装置、空気中の前記光ビームの速度に少なくとも部分的に基づいて距離を測定する距離計、及びプロセッサを有する前記スキャナであって、前記第１軸及び前記第２軸は前記鏡面上の第１座標系の原点において交差し、前記光ビームは、前記光源から前記原点に向けて送られ、前記鏡面において反射して前記表面へ向けて送られ、前記表面において反射して前記鏡面上の前記原点に向けて戻され、戻された前記光ビームは前記鏡面において反射し受信器へ送られるスキャナを用意するステップと、
   前記プロセッサを用いて、初期第１角速度としての前記第１軸に関して選択された第１角速度、及び初期第２角速度としての前記第２軸に関して選択された第２角速度を設定するステップと、
   前記光源を用いて前記光ビームを放出するステップと、
   前記表面上の複数の第１点に対応する複数の３Ｄ座標を得るステップと、
   前記複数の第１点の前記３Ｄ座標を記憶するステップと、
   を含み、
   前記複数の３Ｄ座標を得るステップは、
   前記第１モータ及び前記第２モータを用いて、前記選択した第１角速度及び前記選択した第２角速度において前記光ビームを移動させ、それに応じて、前記複数の第１点の１つにおいて前記表面と前記光ビームとを交差させるステップと、
   前記第１角度測定装置を用いて、前記回転の第１角度を測定するステップと、
   前記第２角度測定装置を用いて、前記回転の第２角度を測定するステップと、
   前記距離計を用いて、第１距離を測定するステップと、
   前記プロセッサを用いて、前記第１角度、前記第２角度、及び前記第１距離に少なくとも部分的に基づいて、前記複数の第１点の１つの前記３Ｄ座標を決定するステップと、
   前記プロセッサを用いて、先立って測定された第１距離の一部に少なくとも部分的に基づいて、品質尺度を計算するステップと、
   前記プロセッサを用いて、前記品質尺度に少なくとも部分的に基づいて、前記選択された第１角速度及び前記選択された第２角速度を設定するステップ、
   を前記複数の第１点毎に一度実行する、
   ことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   前記品質尺度を計算するステップにおいて、前記複数の第１点の少なくとも一部について、前記品質尺度は、さらに前記第１距離の変化に少なくとも部分的に基づいて計算される、
   ことを特徴とする方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、
   前記品質尺度を計算するステップにおいて、前記複数の第１点の少なくとも一部について、前記品質尺度は、さらに前記第１距離の変動の統計的尺度に少なくとも部分的に基づいて計算される、
   ことを特徴とする方法。
4. 請求項１に記載の方法であって、
   前記品質尺度を計算するステップにおいて、前記品質尺度は、さらに前記複数の第１点の少なくとも一部の前記測定したグレースケール値に少なくとも部分的に基づいて計算される、
   ことを特徴とする方法。
5. 請求項１に記載の方法であって、
   前記品質尺度を計算するステップにおいて、前記品質尺度は、さらに前記複数の第１点の少なくとも一部の前記３Ｄ座標に少なくとも部分的に基づいて計算される、
   ことを特徴とする方法。
6. 請求項１に記載の方法であって、
   前記プロセッサを用いて、選択された第１角速度及び選択された第２角速度を設定するステップにおいて、前記選択した第１角速度及び選択した第２角速度の少なくとも１つは、品質基準に基づいて設定される、
   ことを特徴とする方法。
7. 請求項６に記載の方法であって、
   前記プロセッサを用いて、選択された第１角速度及び選択された第２角速度を設定するステップにおいて、前記品質基準は、前記スキャナにより取得されたデータの公称ノイズに少なくとも部分的に基づいている、
   ことを特徴とする方法。
8. 請求項６に記載の方法であって、
   前記プロセッサを用いて、選択された第１角速度及び選択された第２角速度を設定するステップにおいて、前記品質基準は、前記表面の公称特性に少なくとも部分的に基づいている、
   ことを特徴とする方法。
9. 請求項８に記載の方法であって、
   前記プロセッサを用いて、選択された第１角速度及び選択された第２角速度を設定するステップにおいて、前記品質基準は、さらに前記表面のＣＡＤモデルに少なくとも部分的に基づいている、
   ことを特徴とする方法。
10. 請求項８に記載の方法であって、
    前記プロセッサを用いて、選択された第１角速度及び選択された第２角速度を設定するステップにおいて、前記品質基準は、さらに前記表面の入射の角度に少なくとも部分的に基づいている、
    ことを特徴とする方法。
11. 請求項６に記載の方法であって、
    前記プロセッサを用いて、選択された第１角速度及び選択された第２角速度を設定するステップにおいて、前記品質基準は、使用者が選択した分解能に少なくとも部分的に基づいている、
    ことを特徴とする方法。
12. 請求項６に記載の方法であって、
    前記プロセッサを用いて、選択された第１角速度及び選択された第２角速度を設定するステップにおいて、前記品質基準は、使用者が選択した精度に少なくとも部分的に基づいている、
    ことを特徴とする方法。
13. 請求項６に記載の方法であって、
    前記プロセッサを用いて、選択された第１角速度及び選択された第２角速度を設定するステップにおいて、前記品質基準は、距離値の範囲に少なくとも部分的に基づいている、
    ことを特徴とする方法。
14. 請求項１に記載の方法であって、
    前記複数の３Ｄ座標を得るステップにおいて、一定の時間間隔において、前記複数の第１点内の連続する第１点についての測定が行われる、
    ことを特徴とする方法。
15. 請求項１に記載の方法であって、
    前記複数の３Ｄ座標を得るステップにおいて、品質基準に少なくとも部分的に基づいた時間間隔において、前記複数の第１点内の連続する第１点についての測定が行われる、
    ことを特徴とする方法。
16. 表面の三次元（３Ｄ）座標の測定時にスキャナにより放出される光ビームの角速度を動的に調整する方法であって、
    前記光ビームを放出する光源、第１軸を中心に前記光ビームを回転させる第１モータ、第２軸を中心に前記光ビームを回転させる第２モータ、前記第１軸を中心とした前記光ビームの回転の第１角度を測定する第１角度測定装置、前記第２軸を中心とした前記光ビームの回転の第２角度を測定する第２角度測定装置、空気中の前記光ビームの速度に少なくとも部分的に基づいて距離を測定する距離計、及びプロセッサを有するスキャナを用意するステップと、
    前記回転の第１角度に対応する第１角度及び前記回転の第２角度に対応する第２角度を含む角度対の集合であって、開始角度対、終了角度対、及び複数の中間角度対を含む集合である測定経路を選択するステップと、
    前記プロセッサを用いて、初期角速度に等しい選択された角速度を設定するステップと、
    前記表面上の複数の第１点に対応する複数の３Ｄ座標を得るステップと、
    前記複数の第１点の前記３Ｄ座標を記憶するステップと、
    を含み、
    前記複数の３Ｄ座標を得るステップは、
    前記光源を用いて前記光ビームを放出するステップと、
    前記第１モータ及び前記第２モータを用いて、前記選択された角速度において、前記選択された測定経路に沿って前記光ビームを移動させ、それに応じて、前記複数の第１点の１つにおいて前記表面と前記光ビームとを交差させるステップと、
    前記第１角度測定装置を用いて、前記回転の第１角度を測定するステップと、
    前記第２角度測定装置を用いて、前記回転の第２角度を測定するステップと、
    前記距離計を用いて、第１距離を測定するステップと、
    前記プロセッサを用いて、前記第１角度、前記第２角度、及び前記第１距離に少なくとも部分的に基づいて、前記複数の第１点の１つの前記３Ｄ座標を決定するステップと、
    前記プロセッサを用いて、先立って測定された第１距離の一部に少なくとも部分的に基づいて、品質尺度を計算するステップと、
    前記プロセッサを用いて、前記品質尺度に少なくとも部分的に基づいて、前記選択された角速度を設定するステップ、
    を前記選択された測定経路内の前記複数の第１点毎に一度実行する、
    ことを特徴とする方法。
17. スキャナにより表面の三次元（３Ｄ）座標を得るための取得レートを動的に調整する方法であって、
    光ビームを放出する光源、第１軸を中心に前記光ビームを回転させる第１モータ、第２軸を中心に前記光ビームを回転させる第２モータ、前記第１軸を中心とした前記光ビームの回転の第１角度を測定する第１角度測定装置、前記第２軸を中心とした前記光ビームの回転の第２角度を測定する第２角度測定装置、空気中の前記光ビームの速度に少なくとも部分的に基づいて距離を測定する距離計、及びプロセッサを有するスキャナを用意するステップと、
    前記回転の第１角度に対応する第１角度及び前記回転の第２角度に対応する第２角度を含む角度対の集合であって、開始角度対、終了角度対、及び複数の中間角度対を含む集合である測定経路を選択するステップと、
    前記プロセッサを用いて、選択された３Ｄ座標取得レートを初期３Ｄ座標取得レートに設定するステップと、
    前記表面上の複数の第１点に対応する複数の３Ｄ座標を得るステップと、
    前記複数の第１点の前記３Ｄ座標を記憶するステップと、
    を含み、
    前記複数の３Ｄ座標を得るステップは、
    前記光源を用いて前記光ビームを放出するステップと、
    前記第１モータ及び前記第２モータを用いて、前記選択された測定経路に沿って前記光ビームを移動させ、それに応じて、前記複数の第１点の１つにおいて前記表面と前記光ビームとを交差させるステップと、
    前記第１角度測定装置を用いて、前記回転の第１角度を測定するステップと、
    前記第２角度測定装置を用いて、前記回転の第２角度を測定するステップと、
    前記距離計を用いて、第１距離を測定するステップと、
    前記プロセッサを用いて、前記第１角度、前記第２角度、及び前記第１距離に少なくとも部分的に基づいて、前記選択された３Ｄ座標取得レートに応じた頻度で前記複数の第１点の１つの前記３Ｄ座標を決定するステップと、
    前記プロセッサを用いて、先立って測定された第１距離の一部に少なくとも部分的に基づいて、品質尺度を計算するステップと、
    前記プロセッサを用いて、前記品質尺度に少なくとも部分的に基づいて、前記選択された３Ｄ座標取得レートを設定するステップ、
    を前記選択された測定経路内の前記複数の第１点毎に一度実行する、
    ことを特徴とする方法。

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