特開 2024-135220 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

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024135220

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】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

(51)【国際特許分類】

   G01C 15/00 20060101AFI20240927BHJP

【ＦＩ】

G01C15/00 103E

G01C15/00 104Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023045795

(22)【出願日】2023-03-22

(71)【出願人】

【識別番号】000220343

【氏名又は名称】株式会社トプコン

(74)【代理人】

【識別番号】100096884

【弁理士】

【氏名又は名称】末成 幹生

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 陽

(57)【要約】

【課題】レーザースキャン装置に正対していない面に対するレーザースキャンを効率化する。
【解決手段】水平回転する水平回転部と、前記水平回転部に配置され、鉛直回転する光学系とを備えたレーザースキャン装置１００であって、前記光学系において、パルス状のレーザースキャン光の発光および該レーザースキャン光の反射光の受光が行われ、前記水平回転の回転速度と前記鉛直回転の回転速度は、特定の値に初期設定され、前記レーザースキャン装置１００を用いて路面２００面のレーザースキャンを行う場合において、前記水平回転部は、前記初期設定された値よりも速く水平回転する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水平回転する水平回転部と、
前記水平回転部に配置され、鉛直回転する光学系と
を備えたレーザースキャン装置であって、
前記光学系において、パルス状のレーザースキャン光の発光および該レーザースキャン光の反射光の受光が行われ、
前記水平回転の回転速度と前記鉛直回転の回転速度は、特定の値に初期設定され、
前記レーザースキャン装置を用いて水平面のレーザースキャンを行う場合において、
前記水平回転部は、前記初期設定された値よりも速く水平回転するレーザースキャン装置。

【請求項2】

当該レーザースキャン装置から水平方向で離れた前記水平面上の位置を位置Ｐ、
当該レーザースキャン装置から前記位置Ｐまでの水平距離をＬ、
当該レーザースキャン装置の前記水平面との鉛直方向における離間距離をｈ、
Ｌ＞ｈとして、
前記水平面に対するレーザースキャンにおいて、
前記水平回転部の回転速度が（Ｌ／ｈ）倍に調整される請求項１に記載のレーザースキャン装置。

【請求項3】

前記初期設定は、水平方向で正対する鉛直面において、当該レーザースキャン装置から見た水平な位置における前記水平回転の回転角の方向における前記パルス状のレーザースキャン光の反射点の間隔と、前記鉛直回転の回転角の方向における前記パルス状のレーザースキャン光の反射点の間隔とが均等になるように設定されている請求項２に記載のレーザースキャン装置。

【請求項4】

前記初期設定は、水平方向で正対する鉛直面において、当該レーザースキャン装置から見た水平な位置における前記水平回転の回転角の方向における前記パルス状のレーザースキャン光の反射点の間隔と、前記鉛直回転の回転角の方向における前記パルス状のレーザースキャン光の反射点の間隔との差が３０％以内となるように設定されている請求項３に記載のレーザースキャン装置。

【請求項5】

水平回転する水平回転部と、
前記水平回転部に配置され、鉛直回転する光学系と
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、
前記光学系９において、パルス状のレーザースキャン光の発光および該レーザースキャン光の反射光の受光が行われ、
前記水平回転の回転速度と前記鉛直回転の回転速度は、特定の値に初期設定され、
前記レーザースキャン装置を用いて水平面のレーザースキャンを行う場合において、
前記水平回転部を前記初期設定された値よりも速く水平回転させるレーザースキャン方法。

【請求項6】

水平回転する水平回転部と、
前記水平回転部に配置され、鉛直回転する光学系と
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コンピュータに実行させるためのプログラムであって、
前記光学系において、パルス状のレーザースキャン光の発光および該レーザースキャン光の反射光の受光が行われ、
前記水平回転の回転速度と前記鉛直回転の回転速度は、特定の値に初期設定され、
前記レーザースキャン装置を用いて水平面のレーザースキャンを行う場合において、
コンピュータに前記水平回転部を前記初期設定された値よりも速く水平回転させる制御を実行させるレーザースキャン用プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザースキャンの技術に関する。

【背景技術】

【0002】

水平回転部と鉛直回転部を組み合わせたレーザースキャン装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－０５６０６９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

例えば、地上設置型の測量用のレーザースキャン装置において、水平方向の正対面（鉛直に立てた面）上で縦横比が１の格子状にスキャン点（スキャン光の反射点）が分布しているとする。上記正対面を対象とした場合、正対面までの距離が変化すると、スキャン点の縦横の間隔の比率は変わらず、間隔の値が変化する（近くでは狭く、遠くでは広くなる）。

【0005】

ところで、例えば、道路の測量において、水平面である路面のレーザースキャンを行う場合がある。この場合、鉛直スキャン方向におけるスキャン点の間隔は、距離が同じであっても正対面を対象に設定された値よりも大きくなる（この点の詳細な説明は、図１を参照して後述する）。他方において、当該路面上における鉛直スキャン方向に直交する方向のスキャン点の間隔は距離が同じであれば正対面を対象に設定された値とほぼ同じである。

【0006】

この結果、路面上におけるスキャン点の縦横の間隔のバランスが崩れ、路面上におけるスキャン点の密度は、鉛直スキャン方向において相対的に粗、鉛直スキャン方向に直交する方向（レーザースキャン装置から見て左右の方向：水平方向）において相対的に密となる。

【0007】

例えば、路面のレーザースキャンを行うに当たり、行政が定めた基準として、特定の寸法の正方区画に最低１点のスキャン点が必要といったものがある。この基準を満たすように鉛直スキャンの条件を定めた場合、鉛直スキャン方向に直交する方向におけるスキャン点の数が過剰になる。

【0008】

これは、無駄なデータを扱うことによるハードウェアの負担の増大、記憶領域の無駄な利用、消費電力の増大、処理時間の増大等を招き、作業の効率化の点で好ましくない。

【0009】

このような背景において、本発明は、レーザースキャン装置に正対していない面に対するレーザースキャンを効率化できる技術の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、水平回転する水平回転部と、前記水平回転部に配置され、鉛直回転する光学系とを備えたレーザースキャン装置であって、前記光学系において、パルス状のレーザースキャン光の発光および該レーザースキャン光の反射光の受光が行われ、前記水平回転の回転速度と前記鉛直回転の回転速度は、特定の値に初期設定され、前記レーザースキャン装置を用いて水平面のレーザースキャンを行う場合において、前記水平回転部は、前記初期設定された値よりも速く水平回転するレーザースキャン装置である。

【0011】

本発明において、当該レーザースキャン装置から水平方向で離れた前記水平面上の位置を位置Ｐ、当該レーザースキャン装置から前記位置Ｐまでの水平距離をＬ、当該レーザースキャン装置の前記水平面との鉛直方向における離間距離をｈ、Ｌ＞ｈとして、前記水平面に対するレーザースキャンにおいて、前記水平回転部の回転速度が（Ｌ／ｈ）倍に調整される態様が挙げられる。

【0012】

本発明において、前記初期設定は、水平方向で正対する鉛直面において、当該レーザースキャン装置から見た水平な位置における前記水平回転の回転角の方向における前記パルス状のレーザースキャン光の反射点の間隔と、前記鉛直回転の回転角の方向における前記パルス状のレーザースキャン光の反射点の間隔とが均等になるように設定されている態様が挙げられる。本発明において、前記初期設定は、水平方向で正対する鉛直面において、当該レーザースキャン装置から見た水平な位置における前記水平回転の回転角の方向における前記パルス状のレーザースキャン光の反射点の間隔と、前記鉛直回転の回転角の方向における前記パルス状のレーザースキャン光の反射点の間隔との差が３０％以内となるように設定されている態様が挙げられる。

【0013】

本発明は、水平回転する水平回転部と、前記水平回転部に配置され、鉛直回転する光学系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、前記光学系において、パルス状のレーザースキャン光の発光および該レーザースキャン光の反射光の受光が行われ、前記水平回転の回転速度と前記鉛直回転の回転速度は、特定の値に初期設定され、前記レーザースキャン装置を用いて水平面のレーザースキャンを行う場合において、前記水平回転部を前記初期設定された値よりも速く水平回転させるレーザースキャン方法である。

【0014】

水平回転する水平回転部と、前記水平回転部に配置され、鉛直回転する光学系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コンピュータに実行させるためのプログラムであって、前記光学系において、パルス状のレーザースキャン光の発光および該レーザースキャン光の反射光の受光が行われ、前記水平回転の回転速度と前記鉛直回転の回転速度は、特定の値に初期設定され、前記レーザースキャン装置を用いて水平面のレーザースキャンを行う場合において、コンピュータに前記水平回転部を前記初期設定された値よりも速く水平回転させる制御を実行させるプログラムである。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、レーザースキャン装置に正対していない面に対するレーザースキャンを効率化できる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】路面のレーザースキャンを行う状態を示す概念図（Ａ）とその部分拡大図（Ｂ）である。

【図2】路面のレーザースキャンを行う状態を示す斜視図である。

【図3】レーザースキャン装置の斜視図である。

【図4】路面におけるスキャン点の分布を示す図である。

【図5】路面におけるスキャン点の分布を示す図である。

【図6】レーザースキャン装置のブロック図である。

【図7】処理の手順の一例を示すフローチャートである。

【図8】初期設定がされる状態の概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

１．第１の実施形態
図１（Ａ）および図２には、レーザースキャン装置１００を路面２００の上に設置し、路面２００のレーザースキャンを行う場合が示されている。ここで、路面２００は水平で、レーザースキャン装置１００は水平に設置されているとする。また、レーザースキャン装置の位置と姿勢の情報が既知であるとする。

【0018】

図３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１０１、三脚１０１の上部に固定されたベース部１０２、ベース部１０２上で水平回転が可能な回転体である水平回転部１０３、水平回転部１０３に対して鉛直回転が可能な回転体である鉛直回転部１０４を備えている。また、水平回転部１０３の背面には、図示しない操作パネルが配置されている。

【0019】

鉛直回転部１０４は、レーザースキャン光の放射と受光を行う光学系である光学部１０５を備えている。鉛直回転部１０４が鉛直回転することで、光学部１０５は鉛直回転する。光学部１０５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１０４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（鉛直面）に沿って行われる。この場合、光学部１０５から鉛直角の方向（仰角および俯角の角度方向）に沿ってレーザースキャン光がパルス発光される。

【0020】

鉛直回転部１０４を回転させながら上記のレーザースキャン光のパルス発光が行われることで、鉛直スキャンが行われる。図２に示すように、路面２００を対象に鉛直スキャンを行うと、レーザースキャン装置１００から離れる方向（図１，２のＹ軸の方向）の沿って点々とスキャン点が分布する状態となる。以下、鉛直スキャンの方向を鉛直スキャン方向という。

【0021】

水平回転部１０３を水平回転させ、且つ、鉛直回転部１０４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、対象物からのその反射光を光学部１０５で受光することで、周囲に対するレーザースキャンが行われる。

【0022】

上記の鉛直スキャンと同時に水平回転部１０３が水平回転することで、鉛直スキャンのラインが水平角方向（水平方向）に沿ってずれるようにして移動する。

【0023】

なお、鉛直回転時に水平回転も同時に行った場合、鉛直スキャンは完全に鉛直角の方向（図２の場合はＹ軸の方向）に沿っておらず、僅かであるが少し斜めの線となる。なお、水平回転部１０３が回転しなければ、鉛直スキャンは鉛直角の方向（図２の場合はＹ軸に方向）に沿ったものとなる。

【0024】

水平回転部１０３と鉛直回転部１０４の回転は、モータにより行われる。水平回転部１０３の水平回転角と、鉛直回転部１０４の鉛直回転角は、エンコーダにより精密に計測される。

【0025】

各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照射方向から、レーザースキャン装置１００に対するスキャン点（レーザースキャン光の反射点）の位置が算出される。

【0026】

多数のスキャン点の位置データにより点群データが構成される。点群データの形態としては、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、レーザースキャンにより得られた点群のデータには、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。

【0027】

図１（Ａ）において、Ｌはレーザースキャン装置１００の光学原点（測距の原点）からスキャン点Ｐ１までの水平距離であり、ｈは路面２００からレーザースキャン装置１００の光学原点までの高さである。図１（Ａ）において、Ｌ，ｈ，θには、三角関数の定義からｔａｎθ＝ｈ／Ｌの関係が成り立つ。

【0028】

図１（Ｂ）は、スキャン点（スキャン光の反射点）Ｐ１の付近を拡大した概念図である。図１（Ｂ）において、θが十分に小さければ、鉛直スキャン方向で隣接するスキャン光を平行光と近似でき、近似的にｔａｎθ＝Δｚ／Δｙの関係が成り立つと見なせる。ここで、Δｙは、路面２００上における鉛直スキャン方向における隣接するスキャン点Ｐ１とＰ２の間の距離である。なお、スキャン点の位置は、反射面におけるスキャン光のビーム断面の幾何中心の位置として把握される。

【0029】

Δｚは、レーザースキャン装置１００から水平距離Ｌ離れた路面２００の位置（Ｐ１の位置）における鉛直方向における隣接する２本のスキャン光の光軸間の離間距離である。Δｚは、レーザースキャン装置１００に正対する鉛直面における鉛直方向におけるスキャン点の間隔に対応する（厳密には、両者は同一ではないが、θが小さければ、近似的にそう見なせる）。上記の関係式から、ｔａｎθ＝ｈ／Ｌ＝Δｚ／Δｙが得られ、Δｙ＝（Ｌ／ｈ）Δｚとなる。

【0030】

レーザースキャン装置１００は、レーザースキャン装置１００に正対する鉛直面において、レーザースキャン装置１００から見た水平な位置におけるスキャン点の分布が、水平方向（水平角方向）におけるスキャン点の間隔（水平間隔）と、鉛直スキャン方向（鉛直角方向）におけるスキャン点の間隔（鉛直間隔）が均等になるように初期設定されている。図８は、初期設定がされる状態の概念図である。Ｐ０は、レーザースキャン装置１００の光学原点から水平な方向におけるレーザースキャン装置１００に正対する鉛直面上の位置である。Ｐ０の位置において、レーザースキャン装置１００から見た水平方向（水平角方向）におけるスキャン点の間隔（水平間隔）と、鉛直スキャン方向（鉛直角方向）におけるスキャン点の間隔（鉛直間隔）が均等になるように初期設定されている。これは、レーザースキャン装置における通常の仕様である。

【0031】

均等の程度としては、両間隔が同一である場合が理想であるが、両間隔の差が３０％以下、好ましくは２０％以下、更に好ましくは１０％以下となるように初期設定される。具体的には、（水平間隔）／（鉛直間隔）の値を０．７～１．３、好ましくは０．８～１．２、より好ましくは０．９～１．１となるように初期設定が行われる。

【0032】

ここで、図１の路面２００上の点Ｐ１における鉛直スキャン方向に直交する水平な方向（図２のＸ軸の方向（水平回転部１０３の水平角の方向））でのスキャン点の間隔をΔｘ（図示せず）とする。この例では、レーザースキャン装置１００に水平方向で正対する鉛直面の正対位置（図８のＰ０の位置）において、Δｘ（水平間隔）＝Δｚ（鉛直間隔）となるようにレーザースキャン装置１００は初期設定されている。

【0033】

点Ｐ１位置は、レーザースキャン装置１００から見て水平な方向ではなく、やや斜め下の方向になる。よって、路面２００上の点Ｐ１の位置における上記Δｘの値はΔｚの値と同じではなく多少のずれを生じる。しかしながら、そのずれは僅かであり、Ｐ１の位置において、近似的にΔｘ＝Δｚと見なすことができる。

【0034】

ここで、Δｙ＝（Ｌ／ｈ）Δｚであるから、Δｘ＝Δｚから、Δｙ＝（Ｌ／ｈ）ΔｘあるいはΔｘ＝（ｈ／Ｌ）Δｙとなる。

【0035】

通常、Ｌは数ｍ～数十ｍであり、ｈは１ｍ～１．５ｍ程度であるので、Ｌ＞ｈであり、Δｘは、Δｙよりも小さくなる。つまり、路面２００上におけるスキャン光の光軸に直交する水平な方向（図２のＸ軸方向（レーザースキャン装置１００から見た水平角の方向））におけるスキャン点の間隔は、路面２００上の鉛直スキャン方向（Ｙ軸方向）におけるスキャン点の間隔よりも狭く（小さく）なる。

【0036】

逆にいうと、ΔｙはΔｘより大きく、路面２００上の鉛直スキャン方向におけるスキャン点の間隔は、スキャン光の光軸に直交する水平な方向におけるスキャン点の間隔よりも広く（大きく）なる。

【0037】

ここで、路面２００上でスキャン点を正方格子状（上下左右（縦横）で均等）に分布させることを考える。すなわち、路面２００上におけるスキャン点の間隔が、鉛直スキャン方向（図１，図２のＹ軸方向）と、それに直交する水平方向（図２のＸ軸方向）とで同じとなるようにすることを考える。

【0038】

これには、Δｘ＝Δｙとなるように、Δｘを大きくすればよい。具体的には、路面２００上における図２のＸ軸の方向（水平角の方向）におけるスキャン点の間隔が（Ｌ／ｈ）倍となるようにスキャンの条件を調整する。

【0039】

ここでは、上記の調整を実現するために、レーザースキャン装置１００の水平回転部１０３の水平回転速度を上記の初期設定値の（Ｌ／ｈ）倍とする。

【0040】

この場合、距離ＬにおけるＸ軸方向におけるスキャン点の間隔がΔｘ＝（ｈ／Ｌ）Δｙの（Ｌ／ｈ）倍となり、Δｘ＝Δｙを実現できる。厳密には、いくつかに誤差要因により、正確にΔｘ＝Δｙとはならない場合もあるが、路面２００上における鉛直スキャン方向に直交する方向（図２のＸ軸の方向）におけるスキャン点の間隔と鉛直スキャン方向（図１，図２のＹ軸の方向）のスキャン点の間隔の差を是正することができる。すなわち、路面２００上での鉛直角の方向と水平角の方向におけるスキャン点の間隔の差を是正できる。

【0041】

この方法によれば、特定の水平距離Ｌにおいて、水平面上（この場合は路面２００上）における鉛直角の方向におけるスキャン点の間隔と、レーザースキャン装置１００から見た水平角の方向におけるスキャン点の間隔の差を是正できる。

【0042】

しかしながら、レーザースキャン装置１００からの水平距離がＬから遠い、あるいは近い距離では、両者に差が生じる。例えば、Ｌ＝２０ｍにおいて、路面２００上における鉛直角の方向と水平角の方向におけるスキャン点の間隔の差が最小（理想的には同一）となるように、レーザースキャン装置１００の水平回転部１０３の水平回転速度を初期設定時の（Ｌ／ｈ）倍としたとする。

【0043】

この場合、レーザースキャン装置１００からの距離が１５ｍと２５ｍの位置において、路面２００上におけるＸ軸方向におけるスキャン点の間隔とＹ軸方向のスキャン点の間隔に差が生じる。具体的には、路面２００において、距離２０ｍの位置で正方格子状にスキャン点が分布し、そこから距離が遠くなると、相対的にＹ軸方向よりもＸ軸方向におけるスキャン点の密度が高くなり、２０ｍよりも距離が短くなると、逆の傾向となる。しかしながら、距離１５ｍ～２５ｍの範囲において、路面２００上におけるＹ軸方向とＸ軸方向におけるスキャン点の間隔の差をある程度の範囲に抑えることができる。

【0044】

図４は、レーザースキャン装置１００から見て正対する鉛直面の正対位置（図８のＰ０）において、水平角方向におけるスキャン点の間隔と鉛直角方向のスキャン点の間隔が同じとなるように初期設定されたレーザースキャン装置１００を用いて、２０ｍ先（つまり、Ｌ＝２０ｍ）の路面２００に対するレーザースキャンを行った場合の路面２００上におけるスキャン点の分布を示す図である。図４は、路面２００を鉛直上方から見た場合のスキャン点の分布となる。なお、ｈ＝１．２５ｍである。また、図４における格子の間隔は１０ｃｍ（単位四角形の一辺は１０ｃｍ）である。

【0045】

図４の縦軸は、図１、図２のＹ軸の方向であり、横軸は図２のＸ軸の方向である。この場合、図１を用いて説明した原理により、路面２００上におけるＹ軸方向のスキャン点の間隔がＸ軸方向におけるスキャン点の間隔に比較して大きくなる。なお、Ｘ軸方向におけるスキャン点が一直線上に並んでいないのは、発光時刻の揺らぎ、路面の凹凸の影響、スキャン光のビームの広がり、演算誤差等の影響による誤差があるからである。また、厳密には、Ｘ軸方向におけるスキャン点は円弧上に分布するが、距離２０ｍでは、その傾向は極小さく、４０ｃｍ程度の範囲では直線上に分布すると見なせる。

【0046】

図４の場合、Ｙ軸方向（縦軸）におけるスキャン点は、およそ１０ｃｍ間隔で分布している。また、Ｘ軸方向（横軸）におけるスキャン点の密度は、Ｙ軸方向におけるスキャン点の密度の約１６倍である。ここで、Ｘ軸方向がレーザースキャン装置１００の水平回転角の方向に対応することを考えると、スキャン時における水平回転部１０３の速度を１６倍にすると、スキャン点の分布が１区画に１点となることが分かる。

【0047】

具体的には、Ｌ＝２０ｍ、ｈ＝１．２５ｍであるから、（Ｌ／ｈ）＝１６となり、スキャン時における水平回転部の速度を初期設定時の１６倍とする。この結果、Ｘ軸方向におけるスキャン点の間隔が１６倍となる（Ｘ軸方向におけるスキャン点の密度は１／１６となる）。この結果、Ｘ軸方向におけるスキャン点の間隔が広がり、路面２００上におけるスキャン点の分布が図５のようになる。図５の場合、１０ｃｍ四方に１点のスキャン点の分布を実現できる。

【0048】

以上述べた技術によれば、ｈが既知であり、Ｌを決めれば、回転速度を初期設定時の（Ｌ／ｈ）倍にすることで、距離Ｌにおける路面上におけるスキャン点の分布を略格子状に揃えることができる。

【0049】

（具体例）
例えば、路面上におけるスキャン点の密度が１０ｃｍ×１０ｃｍの範囲に１点以上といった条件を満たすレーザースキャンが必要であるとする。この場合、図５の条件によりレーザースキャンを行うことで、距離２０ｍ以下において、上記の条件を満たす路面へのレーザースキャンが可能となる。

【0050】

（ブロック図）
図６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、操作内容受付部１１１、発光部１１２、受光部１１３、測距部１１４、方向取得部１１５、点群データ生成部１１６、水平回転駆動制御部１１７、鉛直回転駆動制御部１１８、発光タイミング制御部１１９、水平回転速度算出部１２０、鉛直回転速度算出部１２１、データ記憶部１２２、通信装置１２３、スキャン条件算出部１２４を備える。

【0051】

測距部１１４、方向取得部１１５、点群データ生成部１１６、水平回転駆動制御部１１７、鉛直回転駆動制御部１１８、発光タイミング制御部１１９、水平回転速度算出部１２０、鉛直回転速度算出部１２１、データ記憶部１２２およびスキャン条件算出部１２４により、処理部１２５が構成されている。処理部１２５は、プログラムにより図示する各機能を実現するコンピュータにより実現されている。処理部１２５の一部または全部を専用のハードウェアで構成することも可能である。処理部１２５の一部または全部をレーザースキャン装置１００の外部に用意する形態も可能である。

【0052】

操作内容受付部１１１は、ユーザーインターフェースであり、例えばタッチパネルディスプレイにより構成される。ユーザは、操作内容受付部１１１を操作し、レーザースキャン装置１００の操作や各種の設定を行う。端末やスマートフォンを用いて操作内容の受付が行われる形態も可能である。

【0053】

発光部１１２は、レーザースキャン光の発光を行うための発光素子、光学系、発光素子の駆動系を有している。受光部１１３は、対象から反射して戻ってきたレーザースキャン光を受光する受光素子、光学系、受光素子から出力される検出信号を扱う回路を有している。

【0054】

測距部１１４は、光波測距の原理により、レーザースキャン装置１００の光学原点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。これは、通常のレーザー距離計の原理と同じである。方向取得部１１５は、水平回転部１０３の水平回転角と鉛直回転部１０４の鉛直回転角から、各レーザースキャン光の光軸の方向を取得する。

【0055】

点群データ生成部１１６は、各スキャン点に係り、レーザースキャン装置１００の位置を原点とする座標系における位置を記述したデータである点群データを生成する。例えば、各スキャン点に係るレーザースキャン装置１００からの方向と距離のデータの群により点群データが構成される。点群データでは、各スキャン点からの反射光の強度も関連付けされている。

【0056】

水平回転駆動制御部１１７は、水平回転部１０３の水平回転の駆動制御を行う。鉛直回転駆動制御部１１８は、鉛直回転部１０４の鉛直回転の駆動制御を行う。発光タイミング制御部１１９は、発光部１１２の発光素子の発光タイミングの制御を行う。水平回転速度算出部１２０は、水平回転部１０３の回転速度を算出する。鉛直回転速度算出部１２１は、鉛直回転部１０４の回転速度を算出する。

【0057】

データ記憶部１２２は、レーザースキャン装置１００の動作において扱う各種データや動作プログラムを記憶する。通信装置１２３は、他の機器との通信を行う。通信は、有線や無線（無線ＬＡＮや携帯電話回線）を利用して行われる。スキャン条件算出部１２４は、スキャン点の間隔を調整する際の条件に係る各種の計算を行う。本実施形態では、スキャン条件算出部１２４は利用されない。

【0058】

（動作の一例）
以下、レーザースキャン装置１００を用いた路面２００に対するレーザースキャンを行う場合の処理の手順の一例を説明する。図７は、当該処理の手順の一例を示すフローチャートである。このフローチャートを実行するためのプログラムは、データ記憶部１２２に記憶され、図６の処理部１２４を構成するコンピュータのＣＰＵにより実行される。

【0059】

ここでは、図１，図２に示すように、路面２００上に設置されたレーザースキャン装置１００により、路面２００表面のレーザースキャンを行い、路面２００表面のレーザースキャン点群を得る場合を説明する。ここで、路面２００の表面は略水平であり、レーザースキャン装置１００は、路面２００上で水平に設置されているとする。また、レーザースキャン装置１００は、レーザースキャン装置１００から水平距離Ｌで離れた鉛直面において、レーザースキャン装置１００から見た水平な位置（図８のＰ０）におけるスキャン点の分布が、水平方向（水平角方向）におけるスキャン点の間隔（水平間隔）と、鉛直スキャン方向（鉛直角方向）におけるスキャン点の間隔（鉛直間隔）が均等になるように初期設定されている。また、レーザースキャン装置１００の位置と姿勢の情報も既知であるとする。

【0060】

まず、設置位置におけるレーザースキャン装置１００の路面２００からの高さｈの値を受け付ける（ステップＳ１０１）。なお、レーザースキャン装置１００の位置は、レーザースキャン装置１００の光学原点（測距を行う起点）の位置とする。ｈの値の取得の方法としては、ユーザの入力を受け付ける形態やセンサの計測値を受け付ける形態が挙げられる。

【0061】

次に、路面２００上でスキャン点を正方格子状に得たい水平距離Ｌ（レーザースキャン装置２００からの水平距離Ｌ）の値を受け付ける（ステップＳ１０２）。Ｌはユーザが入力する、また、予め数種類のＬの値を図示しない操作パネル上に表示しておき、そこからユーザが希望するＬの値を選択する形態も可能である。

【0062】

次に、ステップＳ１０１において得たｈの値、およびステップＳ１０２において得たＬの値に基づき、水平回転部１０２の水平回転速度の算出を行う（ステップＳ１０３）。具体的には、図１を用いて説明した方法を用い、初期設定の水平回転速度を（Ｌ／ｈ）倍した値を新たな水平回転速度として求める。この処理は、水平回転速度算出部１２０において行われる。

【0063】

次に、ステップＳ１０３において算出した水平回転速度を用いた路面２００に対するレーザースキャンを行い（ステップＳ１０４）、路面２００表面の点群データを生成する（ステップＳ１０５）。

【0064】

以上の方法によれば、路面２００上のレーザースキャン装置１００から水平距離Ｌの位置において、正方格子状に分布したスキャン点の点群データを得ることができる。

【0065】

２．第２の実施形態
例えば、レーザースキャン装置１００から水平距離Ｌの路面２００上における正方格子状に分布したスキャン点の間隔の具体的な値（例えば、１５ｍ先で１０ｃｍ間隔等）が指定されているとする。この場合に対応できる例を以下に説明する。

【0066】

（初めに）
発光周波数をｆ（発光回数／秒）、鉛直回転部１０４の回転速度をＶ（回／秒）とすると、鉛直回転部１０４が１回転するのに必要な時間Ｔは、Ｔ＝１／Ｖであり、１秒にｆ回発光するので、鉛直回転部１０４が１回転する際の発光回数はＴｆ＝（ｆ／Ｖ）回となる。半径Ｌの円周の長さは、２πＬであり、この円周の長さにおいて、Ｔｆ＝（ｆ／Ｖ）回の発光が行われる。よって、水平方向において、レーザースキャン装置１００に距離Ｌで正対した鉛直面におけるレーザースキャン装置１００から見た水平な位置における鉛直スキャン点の間隔Ｄｖは、Ｄｖ＝２πＬ／Ｔｆ＝２πＬ／（ｆ／Ｖ）＝２πＬ（Ｖ／ｆ）となる。

【0067】

例えば、Ｌ＝１０ｍ、Ｖ＝１６（回転／秒）、ｆ＝１００ｋＨｚとすると、Ｄｖ≒１ｃｍとなる。ここで、Ｌ＝１０ｍにおいて、Ｄｖ≒０．５ｃｍを実現したいのであれば、（Ｖ／ｆ）の値を（１／２）倍とすればよい。例えば、鉛直回転部１０４の回転速度Ｖを半分にする、あるいは発光周波数ｆを２倍にすればよい。もちろん、鉛直回転部１０４の回転速度Ｖと発光周波数ｆの両方を調整してもよい。このように、（Ｖ／ｆ）の値により、鉛直方向におけるスキャン点の間隔を調整することができる。

【0068】

鉛直回転部１０４の回転速度Ｖは、鉛直回転駆動制御部１１８により調整が可能である。スキャン光の発光周波数ｆは、発光タイミング制御部１１９により調整が可能である。具体的には、スキャン光の発光間隔を決めるクロック周波数を可変することで、ｆの調整が行われる。

【0069】

（前提条件）
ここでは、図１および図２に示すモデルにおいて、路面２００を対象にレーザースキャンを行うとする。また、レーザースキャン装置１００の発光周波数の初期設定値をｆ0、鉛直回転部１０４の回転速度（回／秒）の初期設定値をＶ0、水平回転部１０３の回転速度（回／秒）の初期設定値をＨV0（回／秒）とする。初期設定値の条件は図８に関連して先に述べた通りである。また、ｈは既知であるとする。また、レーザースキャン装置１００の位置と姿勢も既知であるとする。

【0070】

（処理の手順の一例）
まず、路面２００上におけるレーザースキャン装置１００から見た鉛直スキャン方向と水平角の方向におけるスキャン点の間隔を同じとする距離Ｌ（レーザースキャン装置１００からの水平離間距離）と、路面２００上の距離Ｌにおける上記各方向におけるスキャン点の離間距離Ｄがユーザにより指定される。

【0071】

上記の指定を受け、以下の演算が行われる。この演算は、スキャン条件算出部１２４において行われる。まず、初期設定状態のレーザースキャン装置１００を用いて、距離Ｌ離れた鉛直面でのレーザースキャン装置１００から見た水平な位置における鉛直スキャン点の間隔Ｄｖを求める。Ｄｖは、Ｄｖ＝２πＬ（Ｖ0／ｆ0）から算出される。

【0072】

ここで、ＤとＤｖを比較するために、Ｄをレーザースキャン装置１００に正対する鉛直面でのレーザースキャン装置１００から見た水平な位置における鉛直スキャン点の間隔Ｄ’に変換する。まず、図１の幾何関係から、Ｄ’／Ｄ＝ｈ／Ｌ、Ｄ’＝ｈＤ／Ｌが成り立つ。

【0073】

ここで両者の比（Ｄ’／Ｄｖ）を考える。仮にＤ’／Ｄｖ＝１であれば（あえて意図しなければ、これは希な場合である）、初期設定値の（Ｖ0／ｆ0）の変更は必要ない。Ｄ’／Ｄｖ＝１でない場合、ＤとＤｖ’が同じになるように（Ｖ0／ｆ0）を変更する。すなわち、Ｄｖ＝２πＬ（Ｖ0／ｆ0）であるので、（Ｖ0／ｆ0）を変更すれば、Ｄｖを目標とするＤ’に合わせることができる。

【0074】

例えば、（Ｄ’／Ｄｖ）＝０．５であれば、Ｄｖを半分にすることで、Ｄｖを目標とするＤ’に合わせることができる。この場合、（Ｖ0／ｆ0）を１／２にすればよい。具体的には、鉛直回転部１０４の回転速度Ｖ0を（１／２）倍あるいは発光周波数ｆ0を２倍にすることで、鉛直スキャン点の間隔を半分に狭める。

【0075】

一般化すると、（Ｖ／ｆ）＝（Ｄ’／Ｄｖ）×（Ｖ0／ｆ0）となるように（Ｖ／ｆ）の値を決定する。ここで、Ｄ’＝ｈＤ／Ｌであり、Ｄｖ＝２πＬＶ0／ｆ0である。

【0076】

この新たな（Ｖ／ｆ）を求める処理がスキャン条件算出部１２４において行われる。ここで求めた（Ｖ／ｆ）の実現は、Ｖまたはｆ、あるいはその両方を調整することで行われる。ここで、Ｖの算出は、鉛直回転速度算出部１２１において行われ、ｆの算出は、発光タイミング制御部１１９で行われる。

【0077】

上記（Ｖ／ｆ）の変更により、距離Ｌの路面２００上において鉛直スキャンの希望する間隔Ｄが得られる。次に、レーザースキャン装置１００から見た水平回転角の方向（鉛直スキャン方向に直交する方向）での距離Ｌにおける路面２００上のスキャン点の間隔をＤに調整する方法を説明する。この場合、水平回転部１０３の回転速度を調整することで上記水平回転角の方向におけるスキャン点の間隔を調整する。

【0078】

水平回転部１０３の回転速度の調整については、以下のようにする。まず、（Ｄ’／Ｄｖ）＝１である場合は、第１の実施形態で説明した方法により、距離Ｌの路面２００上での水平回転に関係するスキャン点の間隔の調整を行う。なお、Ｄｖ＝２πＬ（Ｖ0／ｆ0）、Ｄ’＝ｈＤ／Ｌである。

【0079】

（Ｄ’／Ｄｖ）≠１である場合、水平回転部１０３の回転速度を以下のように変更する。この場合、まず水平回転部１０３の回転速度ＨV0（回／秒）を（Ｄ’／Ｄｖ）倍する。例えば、Ｄ’＜Ｄｖであれば、ＨV0を小さくし、距離Ｌにおける図２のＸ軸方向におけるスキャン点の間隔（水平回転角の方向におけるスキャン点の間隔）が小さくなるようにする。Ｄ’＞Ｄｖであれば、逆の傾向の変更を行う。この変更された水平回転部１０３の回転速度をＨV0’とする。

【0080】

この変更された水平回転部１０３の回転速度ＨV0’を基準に、更に第１の実施形態において説明した水平回転速度の変更を行い、最終的な水平回転部１０３の回転速度ＨV0’’を得る。以上の水平回転速度を決める演算は、水平回転速度算出部１２０において行われる。

【0081】

そして、鉛直回転部１０４の回転速度Ｖと光学部１０５からの発光周波数ｆを（Ｖ／ｆ）＝（Ｄ’／Ｄｖ）×（Ｖ0／ｆ0）の条件とし、また水平回転部１０３の回転速度をＨV0’’としたレーザースキャンを行う。

【0082】

これにより、路面２００上のレーザースキャン装置１００からの距離Ｌの位置における鉛直スキャン方向のスキャン点の間隔と鉛直スキャン方向に直交する方向（水平回転部１０３の水平回転角の方向）におけるスキャン点の間隔を、共にユーザが指定した値Ｄに設定したレーザースキャンを行える。

【0083】

３．第３の実施形態
本発明は、路面２００が傾斜している場合にも利用できる。ここでの傾斜は、図１の左側から右側に向かって上り坂、あるいは下り坂の場合である。路面２００が傾斜していると、図１の場合に比較して誤差が発生する。

【0084】

例えば、図１の左側から右側に向かって上り坂の場合、路面２００上における鉛直スキャン方向での隣接するスキャン点の間隔は、路面２００に傾きがない場合に比較して小さくなる。傾斜が逆の場合は逆の傾向となる。この点を考慮に入れて計算を行うことで、上記の路面２００の傾斜に起因する誤差を抑えることができる。もちろん、誤差が許容できる程度に坂の傾斜が緩い場合は、路面２００が水平と仮定して処理を行えばよい。

【0085】

４．その他
レーザースキャンの対象としては、路面以外に地面、建物の床面、建物やトンネルの天井面が挙げられる。鉛直スキャンをミラーの回転により行う方法も可能である。この場合、回転するミラーが鉛直回転し、鉛直角方向に対するスキャン光の放射（出射）と受光が行われる。レーザースキャン装置１００を台車のような移動体の上に乗せ、移動し易い構成とすることも可能である。

【0086】

５．変形例
以下、任意の水平距離Ｌにおけるレーザースキャン装置１００に正対する鉛直面において、レーザースキャン装置１００から水平な方向におけるスキャン点が所望の間隔Ｄの正方格子状に分布したレーザースキャンを行う場合を説明する。

【0087】

まず、ユーザが指定する水平距離Ｌにおけるスキャン点の間隔Ｄを受け付ける。ここでは、レーザースキャン装置１００から水平距離Ｌで離れた鉛直面において、レーザースキャン装置１００から見た水平な位置におけるスキャン点の分布が間隔Ｄの正方格子状となる条件が指定されるとする。

【0088】

次に、初期設定の状態のレーザースキャン装置１００を用いた場合に得られる距離Ｌにおける鉛直スキャン方向における隣接するスキャン点の間隔Ｄｖを求める。Ｄｖは、Ｄｖ＝２πＬ（Ｖ0／ｆ0）から算出される。初期設定は、図８に関連して説明した設定である。

【0089】

次に、鉛直回転部１０４の回転速度Ｖと光学部１０５からの発光周波数ｆを（Ｖ／ｆ）＝（Ｄ／Ｄｖ）×（Ｖ0／ｆ0）とし、また水平回転部１０３の回転速度を初期設定値の（Ｄ／Ｄｖ）とする。これにより、レーザースキャン装置１００に水平距離Ｌで正対する鉛直面におけるレーザースキャン装置１００から見た水平な位置におけるスキャン点の分布が間隔Ｄの正方格子状となるレーザースキャンが可能となる。

【符号の説明】

【0090】

１００…レーザースキャン装置、１０１…三脚、１０２…ベース部、１０３…水平回転部、１０４…鉛直回転部、１０５…光学部、２００…路面。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】