(57)【要約】  本発明は、電磁放射線（ＥＳ）を放射する放射線源と、表面をスキャンするために放射線を該表面に導くスキャニングデバイスと、該表面で反射された放射線（ＲＳ）を受けるレシーバとを含むスキャナシステムを用いて、該表面を登録する方法に関する。本発明においては、放射線がスペクトル的に分離されて該表面の特性が解析されており、受け取られた放射線から同時に距離情報を引き出すために距離測定ユニットが用いられる。
2008503741.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面（２’，２’’）のトポグラフィーを登録及び測量するためのスキャナシステムであって、少なくとも、
電磁放射線、特にレーザー光又は白色光を放射する一つの放射線源と、
前記表面（２’，２’’）をスキャンするために、前記放射線を前記表面（２’，２’’）へ導く一つのスキャニングデバイス（１３，１３’，４３）と、
前記表面（２’，２’’）によって反射された放射線を受け取る一つのレシーバユニットと、
を備え、
前記レシーバユニットは、受け取られた放射線からパルス通過時間又は位相測定法に基づいて距離情報を引き出す距離測定デバイス（２０）を含み、前記放射線源と前記レシーバユニットは、前記放射線のスペクトル分離が行われるように、互いに調和し合うように形成されていることを特徴とするスキャナシステム。
【請求項２】
前記放射線源は、特に、
相異なる波長のレーザー光を放射する二つのレーザー放射源と、
一つのレーザー放射源と一つのテラヘルツ放射源、例えば光伝導性ダイポールアンテナ付きのモード結合チタン−サファイアレーザーと、
重複しない波長領域の二つのスペクトル的に広帯域の放射源と、
一つのレーザーと一つのスペクトル的に広帯域の放射源、例えば白色光源と、
からなる群から選ばれた少なくとも一つによって、
少なくとも二つの分離された波長領域において放射することを特徴とする請求項１記載のスキャナシステム。
【請求項３】
前記レシーバユニットは、スペクトル的に分離するセンサ、特に分光計又は可変フィルタを有することを特徴とする請求項１又は２記載のスキャナシステム。
【請求項４】
前記レシーバユニットは、前記距離測定デバイス（２０）と前記センサによる使用のために、受け取られた放射線をスプリットする第１ビームスプリッター（１６）を有することを特徴とする請求項３記載のスキャナシステム。
【請求項５】
前記分光計は、プリズム分光計、テラヘルツ分光計、格子分光計、フーリエ分光計からなる群から選ばれた一つであることを特徴とする請求項３又は４記載のスキャナシステム。
【請求項６】
前記フーリエ分光計はマイケルソン型であって、特に駆動デバイスとしての圧電素子又は静電櫛を備えたスキャニング干渉計の形態であるか、或いは、特に傾斜ミラー（３４，３４’）又はリトロー型回折格子を備えた空間的変調干渉計の形態であることを特徴とする請求項５記載のスキャナシステム。
【請求項７】
前記空間的変調干渉計が、一次元又は二次元のフォトダイオードアレイ、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラからなる群から選ばれた一つを備えたことを特徴とする請求項６記載のスキャナシステム。
【請求項８】
前記フーリエ分光計は、ビーム伝播において偏り依存性の光路差を発生させるための液晶を備えており、特に、四分の一波長板と偏光子を含む偏光分離器を液晶の上流側に配置していることを特徴とする請求項５記載のスキャナシステム。
【請求項９】
前記格子分光計は、時間の関数としてスキャンするように形成されており、特に層状格子干渉計又は湾曲した調節可能なミラーの上の回折格子として形成されていることを特徴とする請求項５記載のスキャナシステム。
【請求項１０】
前記プリズム分光計は、時間の関数としてスキャンするように形成されており、特に回転プリズム（１７）又は回転プリズム配備で形成されていることを特徴とする請求項５記載のスキャナシステム。
【請求項１１】
画像取得及び／又は画像処理のためのカメラ（１５）を備え、特に、前記受け取られた放射線の一部分を前記カメラ（１５）へ導くために前記レシーバユニット内に設けられた第２ビームスプリッター（１４）と組み合わせたことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のうちいずれか１項記載のスキャナシステム。
【請求項１２】
散乱光の抑制を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項１１のうちいずれか１項記載のスキャナシステム。
【請求項１３】
請求項１乃至請求項１２のうちいずれか１項記載のスキャナシステムを備えた測地装置（１’）、特に経緯儀。
【請求項１４】
請求項１乃至請求項１２のうちいずれか１項記載のスキャナシステムを備えた、建造物の登録用及び／又はモニタリング用の可動性スキャニングシステム（６）。
【請求項１５】
特に請求項１乃至請求項１２のうちいずれか１項記載のスキャナシステムによる、表面（２’，２’’）の登録方法であって、
電磁放射線の放射工程と、
前記表面（２’，２’’）によって反射された前記放射線を受け取る工程と、
受け取られた前記放射線を解析する工程と、
を含み、
前記三つの工程は前記表面のスキャニングと共に繰り返され、前記放射線の解析によって距離情報が引き出され、前記放射線の前記解析は前記放射線のスペクトル分離によって行われることを特徴とする表面の登録方法。
【請求項１６】
該放射線の受け取り時にスペクトル的に分解される、及び／又は、放射時にスペクトル的に選択的に放射されることを特徴とする請求項１５記載の表面の登録方法。
【請求項１７】
前記放射線は、該放射線の受け取り時に干渉分光法によってスペクトル的に分解されることを特徴とする請求項１５又は１６記載の表面の登録方法。
【請求項１８】
前記スペクトル分離から、前記表面（２’，２’’）の特性、例えば該表面の化学組成又は含水量に関して結論が引き出されることを特徴とする請求項１５乃至請求項１７のうちいずれか１項記載の表面の登録方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前文にあるように、表面を登録するためのスキャナシステムと、請求項１５の前文にあるように、表面を登録する方法と、測地装置と、可動性のスキャニングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば建造物などの構造物のトポグラフィーを連続的にスキャン（scan）して記録する方法が、表面を登録（register）するためにしばしば用いられる。そのようなトポグラフィーは、表面を記述する点が凝集・連続したものや、表面のモデルや描写などを表すものである。そのための通常のアプローチとしては、レーザースキャナを用いてスキャニングする方法がある。これは、レーザーを用いて目標とする表面上の点までの距離を測定して、この測定結果とレーザー放射の角度の情報とを組み合わせて、表面上の点の空間的な位置を登録する方法である。
【０００３】
上記の距離と角度の情報から、登録された点の空間的な位置が決定でき、該表面が連続的に測量（survey）できる。そのような表面に係わる純粋に幾何学的な登録と同時になされることとして、多くの場合、総体的な視覚的な眺めに加えて、例えば表面のテクスチャー（texture）に係わる情報を供給するためのカメラによる画像記録がある。
【０００４】
例えば、ＷＯ ９７／４０３４２には、固定された位置に向けられたスキャナシステムを用いてトポグラフィーを記録する、地面に基づいた方法（ground-based method）が記載されている。この方法においては、モーターにより実行されるスキャナプロセスの基礎となる固定された直立点が選ばれる。
【０００５】
測定点への距離と、測定時の角度位置と、スキャニングデバイスの既知位置から、表面上の各点の３次元的位置情報が導き出せる。スキャナシステムは、登録されるトポグラフィーの対象に合わせてデザインされ、スキャナシステムを動かすことによって、又はビームの進路を変えることによって、表面をスキャンする。
【０００６】
さらに、スキャニング機能は、付加的な機能を有する他の様々なデバイスと統合することができる。ＷＯ ２００４／０３６１４５には、例えば、距離の測定のために、登録領域内の位置からレーザービームを放射する測地装置が記載されている。そのような測地装置は、スキャニングによる表面の登録用に変更したり、あるいは、変更なしで操作することができる。モーターを付けた経緯儀、又はトータルステーションなどがそのようなものの例である。
【０００７】
その他の方法としては、スキャナシステムを動かすことにより登録すべき構造物をスキャンしたり、スキャニングを支持又は補足する可動性システムを用いる方法がある。そのようなシステムは、線形の構造物、あるいは、例えば軌道架設、道路、トンネルシステムや飛行場など、一次元方向に設けられた構造物を登録するのに適している。
【０００８】
上記のような従来技術における登録プロセスは、表面上の点の空間的な分布や相対的な配置に関する情報を実質的に表す画像又はトポグラフィカルなデータを提供する。オプションとして、付加的に記録された画像が、更なる情報をもたらしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、上記のような従来技術によれば、表面の構造や輪郭が、比較的容易に再構成できる。しかしながら、表面の種類や特性に関する質的なデータ、特に内部構造や組成に関する質的なデータが不足していることが不利な点である。スキャニングと並行して記録した画像が、通常、相異なる輝度値の識別を可能とする。そして、この画像は、表面の構造と組成や基礎的なプロセスに関連して解釈することができるが、そのような目的を達成するためには更なる情報が必要であり、あるいは、仮定や仮説を大幅に制限する必要がある。
【００１０】
例えば、並行して得られた画像においてトンネルシステムを記録する場合は、水のスポットと解釈できる暗いスポットを認識することが可能である。これと同じことが、表面の反射挙動を分離したり大きく変化させたりする有色層又は上層の認識にも応用できる。このような非常に単純化した解釈の前提条件というのは、勿論、解釈の自由度の制限のことであり、それまでにあった情報、この場合は水の流出又はスポットの生成に関する知識に基づいた制限のことである。
【００１１】
表面の登録と並行して、グレーステップ値（gray step values）の単純な考察を越える表面の解析的特徴付けを可能とするパラメータの記録は、従来技術の方法では実行できない。
【００１２】
本発明の目的は、表面の登録と並行して、少なくとも該表面の質的な解析（analysis）を可能とするスキャナシステムと方法を提供することである。
【００１３】
また、本発明の目的は、表面の質的なパラメータをチェック又は確認することである。
【００１４】
さらに、本発明の目的は、例えば、登録された構造物が質的に変化する場合に、警告する機能を備えるなど、単なる表面の登録よりも高度な機能を可能とするシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、表面を登録するためのスキャナシステムと方法、該システムを装備した測地装置、可動性のスキャニングシステムに関する。
【００１６】
本発明においては、スキャニングと並行して、表面がスペクトル的に探査される。すなわち、受け取られた放射線のスペクトル成分から、探査又は登録された表面の組成又は状態について結論が引き出せるように表面がスキャンされる。スペクトル的な探査が、特に、連続的に、又は部分的な区域に関して、総体的な表面トポグラフィーをもたらす。原則として、個々のスペクトル的放射又はスペクトル的解析（spectral analysis）が、放射線の受け取り後又は受け取り中において、実行される。上記二つのアプローチは、組み合わせることができる。
【００１７】
スペクトル的に分離された放射については、例えば、放射線は、互いに分離された二つのスペクトル領域、或いは部分的に重複した二つのスペクトル領域に、同時に或いは交互に放射することができる。従来技術におけるスキャナシステムにおいては、この目的のためには、既にスキャニングと距離測定用に用いられているレーザー放射線源に加えて、同一のやり方で表面がスキャンされるように放射が同じビーム進路へ導かれるような第２のレーザーを統合させることで十分である。
【００１８】
放射された放射線は、従来距離測定に用いられていたレーザーの長波側だけでなく短波側にもあってよい。短波側にあることにより、例えば、蛍光測定が可能になる。並行して、或いは追加として、マルチスペクトル光源、又は白色光源も使用することができる。
【００１９】
例えば、交互の放射の場合、時間の関数として相異なるスペクトル領域における反射を受け取る場合は、放射線の受け取りは単一のレシーバで行われる。同時の放射の場合、例えば、スペクトル的に選択的な二つのレシーバを用いることができる。該二つのレシーバの相対的な強度から、反射を生起させている材料に関して結論を引き出すことができる。例えば、コンクリートの表面上の錆を検出するようにシステムをデザインすることができ、該システムは赤及び青の領域において二つの補足的な放射線を放つことができる。
【００２０】
赤く、錆を含む表面区域は、単に湿った又は乾燥したコンクリート部分と比べて赤のスペクトル領域において増加した反射を有するので、純粋な明暗の評価とは対照的に、この方法によれば、湿った区域から錆を区別することができる。そのような簡単な方法又はスキャナシステムが、例えば建造物のモニタリングにおいて、既知のパターンを見分けるために使用することができる。
【００２１】
より高度なスペクトル分解度を提供し、したがってより広い用途を提供するスキャナシステム又は方法は、広範囲における使用を可能とする。本発明によれば、受け取られた放射線をスペクトル的に分解したり解析したりするために、分光計が用いられる。本発明によれば、原則として、例えば、プリズム、回折格子、テラヘルツ（terahertz）又はフーリエ変換分光計など、全ての種類の分光計が使用できる。
【００２２】
しかしながら、登録、測量すべき点に対するレーザービーム進路の芯合わせは非常に短時間で行われるので、殆どの表面スキャニングシステムは、解析（analysis）のために短時間だけが許される。解析のために比較的長時間を必要とする分光計は、例えば、操作が時間的に重なってしまう複数の分光計を使用することにより構造的な複雑さが顕著であるという場合や、スキャニングスピードが減少するような場合など、不利な条件が認められるような場合にのみ用いられる。
【００２３】
したがって、スキャニングスピード又は空間的復調の効果に関して十分に速い分光計が有利に使用される。ミラーの調節によってではなく、位置に依存して進路のちがいが生まれるように傾斜したミラーを備えた、マイケルソン原理に基づいたフーリエ分光計が、そのような分光計の一例である。
【００２４】
得られた干渉パターンが適切な装備、例えば、フォトダイオードアレイ、ＣＣＤカメラ、又はＣＭＯＳカメラにより記録され、変換又はスペクトル分解に供される。この目的のために、スキャニングプロセスに対してさえ、例えば、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）など、調和分解に関して十分速い変換が使用可能である。
【００２５】
小型化されたフーリエ分光計を製造するための適切なデザインと方法については、Omar Manzardoの論文"Micro-sized Fourier Spectrometers"（University of Neuchatel, Switzerland, January 2002）に記載されている。
【００２６】
本発明によれば、スペクトル分離は、スペクトル的に選択的な放射によって、放射線受け取り後又は受け取り中のスペクトル解析によって、或いは、それら二つのアプローチの組み合わせによって行われる。どの方法を選ぶかは、検出又は解析すべき表面の種類と表面の組成に依る。
【００２７】
更なる可能性として、特別の区域における向上された解析とともに、ある程度深い貫通、したがって材料表面下の部分とそのトポグラフィーの解析を可能とするテラヘルツ放射源による探査がある。従来から、例えば、天文学の分野において、適切なテラヘルツ技術が実現されており、原則としてスキャナ応用のために適切な、よりコンパクトなシステムも、現在使用可能となっている。
【００２８】
使用される放射線源としては、例えば、光伝導性ダイポールアンテナ付きのモード結合（mode-coupled）チタン−サファイアレーザーや、電気光学結晶付きのフェムト秒レーザーや、反射光学系と共によりコンパクトな配置を可能とする電子ガン／ブロッホ発振器（electronic Gunn/Bloch oscillators）などがある。レシーバ側には、例えば、ヒルベルト変換分光計（Hilbert Transform spectrometers）に基づいたコンパクトなテラヘルツ分光計を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下に、本発明のスキャナシステムと方法について、図面を用いて詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
【００３０】
図１は従来の測地装置１による外表面２のスキャニングの一例を示す図である。測地装置１は外表面２から十分離れた位置に配置され、異なる角度位置で外表面２をスキャンする。ここでは、電磁放射線ＥＳが距離測定のために放射される。
【００３１】
距離測定と調整された角度位置から、外表面２が再構成される。表面登録の望ましい分解能が、登録された区域の角度位置への細分化を決定する。距離測定と並行して、カメラによる画像を測地装置の中に記録することもできる。
【００３２】
図２は、従来の測地装置１によって、構造物の内表面２’をスキャニングする従来の方法を示す模式図である。例えば、トンネル、建物の地下道又は部屋などの構造物の内表面２’を、測地装置１によってスキャンすることができる。
【００３３】
電磁放射線ＥＳを用いて、内表面２’が渦巻状軌道３の形態でスキャンされて登録される。構造物の奥深い箇所に対しては登録面積が狭くなるので、測地装置１は、例えば転倒させるなど、たびたびその位置を変えて使用しなければならない。
【００３４】
これに対して、図３は、本発明の可動性スキャニングシステム６によって、同じトンネルの内表面２’をスキャニングする本発明の方法を示す模式図である。トンネルの内側で可動性スキャニングシステム６を線状に動かし、電磁放射線ＥＳにより内表面２’を渦巻状又はジグザグ状軌道３’に沿って連続的にスキャンする。
【００３５】
送受ユニット５を旋回させることにより放射方向を連続的に変え、可動性スキャニングシステム６の位置が固定された測地装置１’、例えば、可動性スキャニングシステム６に装着された逆反射器４に対する角度と距離を連続的に測定する自動標的トラッキング付きの電動式経緯儀により決定される。内表面２’により反射された放射線は送受ユニット５によって登録され、スペクトル解析されて、表面のトポグラフィックな外形に加えて、更なる情報を引き出すことが可能である。
【００３６】
図４は、本発明の可動性スキャニングシステムを示す模式図である。可動性スキャニングシステム６は、ローラー８により可動となるキャリッジ状本体を基礎としている。約１８０度にわたって旋回可能な送受ユニット５と逆反射器４が、演算制御ユニット７と共に、この本体上に配置される。
【００３７】
旋回可能な送受ユニット５は、距離測定とスペクトル解析の両方が送受ユニット５の各角度位置と経線位置に関して実行できるように選ばれたスピードで動く。電磁放射線ＥＳは送受ユニット５を介して放射され、受け取られる。放射源とセンサの両方を旋回可能な送受ユニット５自体の中に、又は他の箇所、例えば、可動性スキャニングシステム６の本体の中に配置することができる。
【００３８】
本発明の可動性スキャニングシステム６により、敏速かつ連続的なプロセスで、アクセス可能な構造物、とりわけ一次元方向に設けられた構造物をそれらの平面の形態と組成に関して、また、散乱光成分が少ないという利点をもつ内表面２’に関して、登録し解析することが可能である。
【００３９】
図５は、従来の測地装置１による構造物の内表面２’’のスキャニングを断面図で示している。ここでは、裏地のないトンネルを構造物の一例として挙げたが、その構造物の内表面２’’の形態のスキャニングは、測地装置１の電磁放射線ＥＳによって行われる。
【００４０】
登録は、内表面２’’の下にある構造と変化、又は距離測定の分解能より低い表面構造に関して、いかなる結論も与えない。並行して画像記録用のカメラを用いても、解析の範囲は広がるが、とりわけ、内表面２’’の化学組成の解析又はスペクトル反射率の解析を行うことはできない。
【００４１】
これに対して、図６に示されているように、本発明の測地装置１’’によれば、拡張された解析可能性を備えながら、同じ構造物の内表面のスキャニングが可能となる。測地装置１’’により放射された電磁放射線ＥＳが、スペクトル的情報を備えた反射放射線ＲＳとして、表面によって送り返され、再び測地装置１’’によって受け取られる。
【００４２】
表面の組成に依って、放射線と比較して反射放射線ＲＳのスペクトルに変化がある。このように、スペクトル分布又は調和成分に基づいて、表面の下にある構造を見分けることができる。この例では、トンネル内の目に見える表面のぬれから、水を運ぶ地層９の位置と広がりが認識可能となる。同様に、パイプ１０から出てくる液体１１が認識可能となる。
【００４３】
同様な仕方で、補強コンクリート中に埋め込まれた補強鋼鉄網目上の錆が認識され、位置確認され得る。本発明によれば、特別のスペクトル的感受性を有するマーキング物質と組み合わせて、すなわち、調査対象のパイプにマーキング物質を積み込んで、スキャナシステムによって漏れ物体の位置確認をすることにより、漏れのサーチを行うことができる。
【００４４】
図７は、確認可能な構造をもつトンネルの内表面２’’’のグレーステップ記録（gray step recording）の例を示している。この画像は、トンネルの底から天井までの殆ど１８０度の登録範囲に近い区域の記録に相当する。図中の連続した白線はオーバーヘッドラインの高圧電線を表している。このグレーステップ記録における黒いスポット１２は、例えば、湿った領域として解釈できる。しかしながら、或いは、この黒いスポット１２は、剥がれた表面付着物の領域である可能性もあり、したがって、グレーステップ表示を越える解析が有利である。
【００４５】
以下に、本発明のスキャナシステム又は本発明の測地装置の実施形態について、図８乃至図１３を参照しながら、実質的な構成要素とともに説明する。冗長を避けるため、レーザービームのガイダンスの詳細、例えば、送受用光学システムの種々の要素などは示さない。
【００４６】
同様に、レーザービームのガイダンスのための、又はスキャニングプロセスにより生じる効果やアーチファクトを補償するために用いられるスキャナ部品に関する詳細な説明も省略する。以下に述べる個々の実施例は、互いに置き換え可能な部品を用いて本発明を実施するための例である。特に、図８乃至図１３においては、各構成要素やそれらの配置などを互いに組み合わせることができる。
【００４７】
図８は、回転プリズム分光計１７を備えた本発明のスキャナシステムの第１実施例を示す模式図である。距離測定デバイス２０内に配置された放射線源としてのレーザーダイオードが、電磁放射線ＥＳを、偏向ミラー１９とスキャナホイール１３を経由してスキャン対象物の表面へ放射する。ここで示しているスキャナホイール１３は、従来から知られているスキャニングデバイスとして典型的なものである。
【００４８】
登録対象である表面により反射された後、放射線は反射放射線ＲＳとなり、スキャナホイール１３と偏向ミラー１９を経由して、距離測定デバイス２０内に配置されて反射放射線ＲＳから特にパルス通過時間又は位相測定法により距離情報を引き出す距離測定器へと導かれる。
【００４９】
レーザービーム進路内には、反射放射線ＲＳの一部分をプリズム分光計１７へ導く第１ビームスプリッター１６がある。このプリズム分光計１７は、例えば、回転可能な等辺プリズム、又は星状配置（star-like arrangement）のプリズム或いはプリズム表面を備えている。プリズムが回転することによって、幾何学的条件が連続的に変わり、スペクトル成分が連続的に下流の検出器１８へ伝達され、これにより、検出器１８が反射放射線ＲＳのスペクトルを登録し、下流の電子装置内でこのスペクトルを評価する。
【００５０】
プリズム分光計１７によるスペクトル解析が、登録対象の表面上の各点に対して実行できるように、スキャナホイール１３とプリズム分光計１７は、それらの回転が同期していなければならない。第２ビームスプリッター１４が、反射放射線ＲＳの別の部分を出力し、これがカメラ１５、例えば、画像取得と画像処理のためのＣＣＤカメラ又はＣＭＯＳカメラへ導かれる。
【００５１】
図９は、格子分光計を備えた本発明のスキャナシステムの第２実施例を示す模式図である。距離測定デバイス２０内に配置された放射線源が、偏向ミラー１９と、スキャニングデバイス１３’内の圧電素子２５により軸２６を中心に旋回可能なミラー面２４とを経由して、スキャン対象表面へ電磁放射線ＥＳを放射する。スキャニングのために旋回可能となっているミラー面２４は、従来から知られているスキャニングデバイスとして典型的なものである。
【００５２】
登録対象の表面により反射された後、放射線は反射放射線ＲＳとなり、旋回可能なミラー面２４と偏向ミラー１９を経由して、距離測定デバイス２０内に配置された距離測定器へと導かれる。第１ビームスプリッター１６が、レーザービーム進路から格子分光計へ光を出力する。この格子分光計は、軸２３を中心に旋回可能で、かつ反射機能をもつ回折格子２１、特にブレーズド回折格子を有する。圧電素子２２が調節デバイスとして用いられる。
【００５３】
旋回可能な回折格子２１の動きにより、様々な指令が連続して検出器１８へ伝えられ、スペクトル解析が実行される。カメラ１５のためのレーザービーム進路は、分光計の受け取りデバイスと距離測定デバイスの軸に対して平行に形成される。
【００５４】
感度と用途に依って、カメラ１５は、距離測定器の放射線源や、例えばＬＥＤなどの別個の光源や、日光などの光を記録用に使用できる。本発明においては、他の種類の格子分光計、例えば、層状格子干渉計や、湾曲した調節可能なミラーの上の回折格子などを用いることができる。
【００５５】
図１０は、本発明のスキャナシステムの第３実施例を示す模式図である。距離測定デバイス２０内に配置された放射線源が、二色性偏向ミラー１９’とスキャナホイール１３を経由して、スキャン対象表面へ電磁放射線ＥＳを放射する。これと並行して、別の電磁放射線が、二色性偏向ミラー１９’を経由して同じビーム進路へ入力される。この放射線は、第２の放射線源２７により生ずる。
【００５６】
この第２の放射線源２７は、例えば、レーザーダイオード、ＬＥＤ、又は熱放射源（thermal emitter）などである。登録対象の表面により反射された後、放射線は反射放射線ＲＳとなり、スキャナホイール１３と二色性偏向ミラー１９’を経由して、距離測定デバイス２０内に配置された距離測定器へと導かれる。
【００５７】
第１ビームスプリッター１６が、ビーム進路から、例えば、検出器３１と取り付けスペクトルフィルタ３０の組み合わせからなる第１のスペクトル選択レシーバへ光を出力する。これと同様に、第２ビームスプリッター１４’が、例えば、検出器２９と取り付けスペクトルフィルタ２８の組み合わせからなる第２のスペクトル選択レシーバへ光を出力する。両方のスペクトル選択レシーバは、相異なる波長領域がカバーされるようにデザインされている。
【００５８】
登録された強度の比率から、表面の特徴に関する推測又は簡単な同定が導き出せる。この実施例においては、距離測定デバイス２０内に配置された放射線源の赤外放射線が、第２の放射線源２７としての青レーザーダイオードの放射により補足される。二つのスペクトル選択レシーバは、それぞれのフィルタによって赤外と青の波長領域で敏感となるようにデザインされている。
【００５９】
カメラ１５のためのビーム進路は、スキャナホイール１３の受け取り方向に対して軸平行に形成される。或いは、それぞれのフィルタを取り付けた二つの検出器の代わりに、対象となっている波長領域において、スペクトル的に狭いバンドの感度を有するセンサを用いることができる。また、相異なる可変の複数フィルタによりスペクトル的に敏感となるようにデザインされた単一の検出器を用いることもできる。
【００６０】
図１１は、本発明のスキャナシステムの第４実施例を示す模式図である。距離測定デバイス２０内に配置されたレーザーダイオードが、偏向ミラー１９とスキャナホイール１３を経由して、スキャン対象表面へ電磁放射線ＥＳを放射する。登録対象の表面により反射された後、反射放射線ＲＳが、スキャナホイール１３と偏向ミラー１９を経由して距離測定デバイス２０の距離測定器内に受け取られる。
【００６１】
レーザービーム進路内には、反射放射線ＲＳの一部分をマイケルソン配置内のフーリエ分光計へ導く第１ビームスプリッター１６がある。このフーリエ分光計は、反射放射線ＲＳをコリメートするレンズ３２と、放射線を第１の干渉計ミラー３５へ導くスプリッター板３３と、第２の干渉計ミラー３４としての傾斜ミラーを有する。
【００６２】
放射線は、スプリッター板３３を経由して、例えば一次元又は二次元配置されたフォトダイオードなどのセンサ３６の上へ導かれる。センサ３６の信号は、下流にある演算ユニットにおいて、例えば離散的フーリエ変換によりスペクトル分解される。第２の干渉計ミラー３４としての傾斜ミラーの代わりに、圧電素子又は高精度なステップモーターによって動く回転可能なリトロー型回折格子（Littrow grating）を用いてもよい。
【００６３】
このような空間的変調の配置により、高速のスペクトル分解が可能となり、これにより、スキャナを高速で移動させる操作が可能となる。並行して画像を記録するために、反射放射線ＲＳの別の部分が、第２ビームスプリッター１４を経由してビーム進路から出力され、カメラ１５へ導かれる。
【００６４】
図１２は、本発明のスキャナシステムの第５実施例を示す模式図であり、フーリエ分光計のスキャニングが特殊である点以外は、図１１に示された実施例に相当するものである。この第５実施例においては、反射放射線ＲＳをコリメートするレンズ３２とスプリッター板３３を有するマイケルソン配置内のフーリエ分光計が第４実施例と同様に用いられる。
【００６５】
放射線が、第１の干渉計ミラー３５と第２の干渉計ミラー３８へ導かれる。干渉計ミラー３８は、干渉計の一つのアーム方向への駆動デバイスとしての圧電素子又は静電櫛（electrostatic comb）によって駆動される。スプリッター板３３によって、放射線は、例えば一次元又は二次元配置されたフォトダイオードなどのセンサ３６の上へ偏向される。センサ３６の信号は、下流にある演算ユニット３７において、スペクトル分解により解析される。
【００６６】
図１３は、本発明のスキャナシステムの測地用測定装置への統合の例としての、本発明の第６実施例を示す模式図である。スキャニングデバイスを有する経緯儀において、表面上の点までの距離測定は、固定されたレーザーダイオード３９とレシーバ４６により、経緯儀の視野の範囲内で行われる。
【００６７】
レーザーダイオード３９は、偏向ミラー４０を経由して両面偏向ミラー４１の第１傾斜面へ電磁放射線ＥＳを放射する。この両面偏向ミラー４１から、下流にスキャニングデバイスとして互いに回転可能なウェッジ４３を有する対物レンズ４２を経由して、該放射線が放射される。反射後に対物レンズ４２を経由して受け取られた放射線は、背面反射ミラー４４によって、偏向ミラー４１の第２傾斜面へ導かれ、そこから固定されたレシーバ４６へ導かれる。
【００６８】
放射線の一部分を、レンズ３２’とスプリッター板３３’と第１干渉計ミラー３５’と第２湾曲干渉計ミラー３４’とを含むフーリエ分光計へ出力する第１ビームスプリッター１６’が、レシーバ４６へのビーム進路中にある。図１１に示された配置に類似したプロセスで、干渉計の二つのアームの光が重ねられてセンサ３６’へ導かれる。
【００６９】
下流にある演算ユニット３７’がフーリエ変換を行う。この実施例においては、表面をスキャニングするためのレーザービームのスキャニング動作は、互いに回転可能な芯合わせ手段であるウェッジ４３によって行われる。画像の記録は、背面反射ミラー４４の後ろでレーザービーム進路内に配置されたカメラ１５’により実行可能である。カメラ１５’はその上流に合焦部材４５を有する。
【００７０】
図１１と図１３においては、フーリエ分光計中の空間的に可変な光路差が、ミラーを傾斜させることで生ずる。図１２においては、ミラーが縦方向に動かされ、この動きにより、時間の関数として変化する光路差が生ずる。
【００７１】
なお、本発明においては、フーリエ分光計を更に加えて用いることもできる。また、ビーム伝播において偏り依存性の光路差を発生させるための液晶を用いることもできる。その場合は、四分の一波長板と偏光子を含む偏光分離器（polarization separation）を液晶の上流側に配置する。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】従来の測地装置による外表面のスキャニングを示す図である。
【図２】従来の測地装置によって、トンネルの内表面をスキャニングする従来の方法を示す模式図である。
【図３】本発明の可動性スキャニングシステムによって、トンネルの内表面をスキャニングする本発明の方法を示す模式図である。
【図４】本発明の可動性スキャニングシステムを示す模式図である。
【図５】従来の測地装置による構造物の内表面のスキャニングを断面図で示している。
【図６】本発明の測地装置による構造物の内表面のスキャニングを示す図である。
【図７】確認可能な構造をもつトンネルの内側のグレーステップ記録の例である。
【図８】本発明のスキャナシステムの第１実施例を示す模式図である。
【図９】本発明のスキャナシステムの第２実施例を示す模式図である。
【図１０】本発明のスキャナシステムの第３実施例を示す模式図である。
【図１１】本発明のスキャナシステムの第４実施例を示す模式図である。
【図１２】本発明のスキャナシステムの第５実施例を示す模式図である。
【図１３】本発明のスキャナシステムの第６実施例を示し、測地用測定装置への統合を示す模式図である。
【符号の説明】
【００７３】
１，１’，１’’  測地装置
２，２’，２’’，２’’’  表面
３  渦巻状軌道
３’  ジグザグ状軌道
４  逆反射器
５  送受ユニット
６  可動性スキャニングシステム
７  演算制御ユニット７
８  ローラー
９  水を運ぶ地層
１０  パイプ
１１  液体
１２  黒いスポット
１３  スキャナホイール
１３’  スキャニングデバイス
１４，１４’  第２ビームスプリッター
１５，１５’  カメラ
１６  第１ビームスプリッター
１７  回転プリズム分光計
１８，２９，３１  検出器
１９  偏向ミラー
１９’  二色性偏向ミラー
２０  距離測定デバイス
２１  回折格子
２２，２５  圧電素子
２３，２６  軸
２４  ミラー面
２７  放射線源
２８，３０  取り付けスペクトルフィルタ
３２，３２’  レンズ
３３  スプリッター板
３４，３８第２の干渉計ミラー
３５，３５’  第１の干渉計ミラー
３６，３６’  センサ
３７，３７’  演算ユニット
３９  レーザーダイオード
４０  偏向ミラー
４１  両面偏向ミラー
４２  対物レンズ
４３  ウェッジ
４４  背面反射ミラー
４５  合焦部材
４６  レシーバ
ＥＳ  電磁放射線
ＲＳ  反射放射線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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