(57)【要約】【課題】本発明は、ターゲットの外観を決定する方法および測地スキャナを提供する。【解決手続】本発明の方法および測地スキャナでは、初期スキャンが行われ、ターゲット（１５０）の表面における、多数の予め定めた位置（１５１〜１６６）のそれぞれについて、最適なゲイン値の組を算出または決定する。すべての予め定めた位置についてのゲイン値（ｇ１５１〜ｇ１６６）が決定されると、ゲイン値を用いて予め定めた位置のそれぞれとの距離が算出される。本発明は、測定速度および全体の効率が向上する点で、好都合である。
2011516829.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲットにおける多数の予め定めた位置（１５１−１６６）のそれぞれに向かって電磁放射ビーム（１１０ｅ）を発するステップ（２２１）と、
前記予め定めた位置のそれぞれについて、前記ターゲットで反射された前記電磁放射ビーム（１１０ｒ）の信号強度を測定するステップ（２２３）と、
前記予め定めた位置のそれぞれについて、前記測定された信号強度に基づいてゲイン値を決定するステップ（２２４）と、
前記予め定めた位置についてゲイン値（ｇ１５１〜ｇ１６６）が決定される（２２５）と、前記ゲイン値を用いて、前記予め定めた位置のそれぞれとの距離を測定するステップ（２４０）と、を備えることを特徴とする、測地スキャナ（１０）を用いてターゲット（１５０）の外観を決定する方法。
【請求項２】
前記信号強度を測定するステップは、
前記表面により反射された電磁放射ビームを検出するステップ（２２２）と、
前記検出された放射ビームに関連付けられた信号強度を測定するステップ（２２４）と、を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ゲイン値を決定するステップは、前記測定された前記反射放射ビームの信号強度を、所定の値と比較するステップを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記電磁放射ビームはレーザビームであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
水平方向または垂直方向に沿って前記表面をスキャンすることにより、前記電磁放射ビームは、前記予め定めた位置に向かって導かれることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記距離を測定するステップは、飛行時間測定手法および位相変調測定手法の少なくとも１つに基づくことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記予め定めた位置は、少なくとも前記ターゲットの領域をカバーする測定点のマトリクスを形成することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記マトリクスの水平方向に沿って列ごとに前記放射ビームを移動させることにより、前記ターゲットは、スキャンされることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記マトリクスの垂直方向に沿って行ごとに前記放射ビームを移動させることにより、前記ターゲットは、スキャンされることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記距離を測定するステップは、２つの前記予め定めた位置に関連付けられた、前記２つの決定されたゲイン値（ｇ１５５，ｇ１５６）から見積もられるゲイン値を用いて、少なくとも２つの予め定めた位置（１５５，１５６）の間に位置する少なくとも１つの中間の位置（１６７）との距離を測定するステップを含むことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記２つの予め定めた位置は隣接する位置であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記少なくとも２つの予め定めた位置（３２，３３）の間に位置する少なくとも１つの中間の位置（３５）との距離を測定するステップは、これら２つの予め定めた位置に関連付けられた信号強度が、所定の閾値より大きい係数だけ異なるときに行われることを特徴とする請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記少なくとも２つの予め定めた位置（３２，３３）の間に位置する少なくとも１つの中間の位置（３５）との距離を測定するステップは、測定されたこれら２つの位置の距離が、所定の閾値より大きい係数だけ異なるときに行われることを特徴とする請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記中間の位置の数は、前記係数の値に依存することを特徴とする請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
ターゲットに向かって電磁放射ビームを発する放射源（１２）と、
前記ターゲット上の予め定めた位置（１５５〜１６６）に前記放射線を導くスキャン装置（１３）と、
前記ターゲットにより反射された前記放射線を受信する受信器（１４）と、
前記反射された放射線の信号強度を測定するとともに、前記測定された信号強度に基づいて、予め定めた位置に関連付けられたゲイン値を算出するプロセッサ（１５）と、
前記予め定めた位置のそれぞれの前記算出されたゲイン値を記憶するメモリ（１６）と、
前記予め定めた位置のそれぞれとの距離を測定するとき、前記算出されたゲイン値を用いて、前記反射された放射ビームの信号強度を増幅する増幅器（１７）と、を備え、
ゲイン値（ｇ１５１〜ｇ１６６）を決定するためにターゲットをスキャンし、前記予め定めた位置について前記ゲイン値が決定されると、距離を測定するためにターゲットをスキャンすることを特徴とする、ターゲット（１５０）の外観を決定する測地スキャナ（１０）。
【請求項１６】
前記スキャン装置は、前記ターゲットを水平方向および垂直方向にそれぞれスキャンするために、水平偏向器（１３ａ）および垂直偏向器（１３ｂ）を備えることを特徴とする請求項１５に記載のスキャナ。
【請求項１７】
前記受信器は、レーザビームを検出するのに適合した光検出器であることを特徴とする請求項１５または１６に記載のスキャナ。
【請求項１８】
前記プロセッサは、前記測定された前記反射放射ビームの信号強度を、前記ゲイン値を算出するための所定の値と比較することを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれかに記載のスキャナ。
【請求項１９】
前記距離を測定する電子距離測定器をさらに備えることを特徴とする請求項１５乃至１８のいずれかに記載のスキャナ。
【請求項２０】
前記予め定めた位置は、少なくとも前記ターゲットの領域をカバーする測定点のマトリクスを形成することを特徴とする請求項１５乃至１９のいずれかに記載のスキャナ。
【請求項２１】
前記スキャン装置は、前記マトリクスの水平方向に沿って列ごとに前記電磁放射ビームを移動させることを特徴とする請求項２０に記載のスキャナ。
【請求項２２】
前記スキャン装置は、前記マトリクスの垂直方向に沿って行ごとに前記電磁放射ビームを移動させることを特徴とする請求項２０に記載のスキャナ。
【請求項２３】
前記プロセッサは、２つの前記予め定めた位置に関連付けられた、前記２つの決定されたゲイン値（ｇ１５５，ｇ１５６）に基づいて、少なくとも２つの予め定めた位置（１５５，１５６）の間に位置する少なくとも１つの中間の位置（１６７）についてのゲイン値（ｇ１６７）を見積もり、
前記スキャナは、前記見積もられたゲイン値を用いて、前記少なくとも1つの中間の位置との距離を測定することを特徴とする請求項１５乃至２２のいずれかに記載のスキャナ。
【請求項２４】
前記２つの予め定めた位置は隣接する位置であることを特徴とする請求項２３に記載のスキャナ。
【請求項２５】
２つの前記予め定めた位置に関連付けられた信号強度が、所定の閾値より大きい係数だけ異なるときに、少なくともこれら２つの予め定めた位置（３２，３３）の間に位置する少なくとも１つの中間の位置（３５）との距離を測定することを特徴とする請求項２３または２４に記載のスキャナ。
【請求項２６】
測定された２つの前記予め定めた位置についての距離が、所定の閾値より大きい係数だけ異なるときに、少なくともこれら２つの予め定めた位置（３２，３３）の間に位置する少なくとも１つの中間の位置（３５）との距離を測定することを特徴とする請求項２３または２４に記載のスキャナ。
【請求項２７】
前記中間の位置の数は、前記係数の値に依存することを特徴とする請求項２５または２６に記載のスキャナ。
【請求項２８】
測地スキャナ（１０）の内部メモリ（１６）にロード可能なコンピュータプログラム製品であって、
前記測地スキャナ（１０）の制御ユニット（１５）に請求項１乃至１４にしたがったステップを実行させるソフトウェアコード部を備えることを特徴とする、コンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、測量システムおよび測量方法に関し、より具体的には、ターゲットの外観を決定する方法およびスキャナに関する。特に、本発明は物体の表面または体積（volume）をスキャンする方法および測地装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
測量技術は、角度および距離の測定を用いて、物体の未知の位置、表面または体積を決定することを含む。これらの測定を行うために、多くの測量装置はいわゆるトータルステーションに搭載されうる電子距離測定器（Electronic Distance Measuring device：ＥＤＭ）を備えている。距離測定トータルステーションは、電子、光およびコンピュータ技術を組み合わせ、さらに、書き込み可能な情報を有し、行われる測量を制御するとともに測定中に得られたデータを記憶するためのコンピュータまたは制御ユニットを備えている。好ましくは、トータルステーションは、固定された地上座標系（fixed ground-based coordinate system）におけるターゲットの位置を算出する。例えば、同じ出願人による国際公開ＷＯ２００４／０５７２６９では、そのようなトータルステーションがより詳細に記載されている。
【０００３】
さらに、現場で距離測定トータルステーションを用いて距離測定または調査任務を行うとき、その現場に存在する物体の表面または体積を測定するのが好ましいことがよくある。このような現場では、例えば物体の表面、例えば壁の画像を取得するために建物の壁をスキャンするのが好ましいことがよくあるかもしれない。このようなアプリケーションでは、距離測定トータルステーションは、ターゲットの表面における興味（interest）の位置との距離の測定に基づいて、物体またはターゲットの外観を決定するための測地スキャナとして実現されうる。そのようなスキャナは、ターゲットの表面または体積を記録しうるか、１つのシーンでの変化を監視さえしうる。
【０００４】
従来のＥＤＭでは、光ビームが光パルスとしてターゲット（またはシーン）の表面に向かって発せられ、表面で反射された光ビームがＥＤＭで検出されることにより、信号を生成できる。検出された信号を処理することにより、表面との距離、すなわち、ＥＤＭとターゲットとの間の距離を決定することができる。従来の測地スキャナでは、光ビームは、ビームステアリングを用いて、ターゲットの表面における多数の興味の位置のそれぞれの上方に導かれる。光パルスは興味の位置のそれぞれに向かって発せられ、これらの位置のそれぞれから反射された光パルスは、これらの位置のそれぞれとの距離を決定するために検出される。しかしながら、反射された光ビーム（または光パルス）、すなわち、戻り信号を代表する検出された信号は、広いダイナミックレンジを有しうる。言い換えると、戻り信号の強度または電力は、ある位置と別の位置とで、著しく異なりうる。戻り信号のばらつきは、例えばターゲットの外観における異なる位置の間で反射率が異なること、および／または、ターゲットの地形（topography）における大きな違いにより、説明されうる。その結果、測定装置（スキャナ）で広いダイナミックレンジを扱うのは困難であるため、大きすぎる電力または低すぎる電力を有する戻り信号から決定される距離は正確ではない。検出された信号は、例えば飽和しているかもしれないし、大きすぎるノイズの影響を受けるかもしれない。
【０００５】
第１の選択肢として、戻り信号の強度が第１の閾値を上回るか、第２の閾値を下回ると、測定結果は無効とみなされ、削除されうる。しかしながら、限られた数の有効な測定結果のみからターゲット物体の外観が決定されるため、すなわち、解像度が低下するため、そのような選択肢は好ましくない。さらに、この方法は無効な測定結果の不要な処理を暗示する。
【０００６】
第２の選択肢として、従来の方法は、ターゲットの外観における興味のすべての位置において、スキャナのビームステアリング機能を停止することであり、興味の位置のそれぞれについて、２段階の測定を行うことである。第１のステップまたは測定期間で、第１の光パルスがターゲットに向かって送信され、反射光パルスが検出されるとともに処理されて、適切なゲインまたはゲイン値を算出する。典型的には、検出された光パルスを代表する電力が低いとみなされる場合、すなわち、所定の閾値を下回る場合、ゲインは１より大きい値に設定される。一方、検出された光パルスを代表する電力が高いとみなされる場合、すなわち、所定の閾値を上回る場合、ゲインは１より小さい値に設定される。そして、第２のステップまたは測定期間で、第２の光パルスがターゲットに向かって送信され、反射光パルスが検出されて算出されたゲインを用いて増幅される。増幅された信号はターゲットとの距離を決定するために処理される。その結果、興味の位置のそれぞれに対する適切なゲインを用いて、距離が測定される。しかしながら、そのような方法およびスキャナの欠点は測定速度が限られていることであり、そのために全体的な効率が悪い。
【０００７】
そのため、これらの問題点を克服する新たな方法およびシステムを提供する必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的の１つは、上述した従来技術の不都合および欠点の全部または一部を克服し、上述の技術および従来技術より効率がよい選択肢を提供することである。
【０００９】
より具体的には、本発明の目的は、測定速度が向上した方法および測地スキャナを提供し、ターゲットの外観決定時の効率を向上することである。
【００１０】
本発明の別の目的は、スキャナを回転させるために用いられる偏向モータの必要性を減らす方法および測地スキャナを提供することである。
【００１１】
本発明のさらなる目的は、消費電力を低減する方法および測地スキャナを提供することである。
【００１２】
本発明のこれらの目的および他の目的は、独立請求項で定義される特徴を有する方法、測地スキャナおよびコンピュータプログラム製品により達成される。本発明の好ましい実施形態は、従属請求項により特徴付けられる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
したがって、本発明の第１の態様によれば、ターゲットにおける多数の予め定めた位置のそれぞれに向かって電磁放射ビームを発するステップを有する方法が提供される。本方法はさらに、前記予め定めた位置のそれぞれについて、前記ターゲットで反射された前記電磁放射ビームの信号強度を測定するステップと、前記測定された信号強度に基づいてゲイン値を決定するステップと、を有する。前記予め定めた位置についてゲイン値が決定されると、前記ゲイン値を用いて、前記予め定めた位置のそれぞれとの距離を測定するステップが実行される。
【００１４】
本発明の第２の態様によれば、電磁放射ビームをターゲットに向かって発する放射源と、前記ターゲット上の予め定めた位置に前記放射線を導くスキャン装置と、前記ターゲットにより反射された前記放射線を受信する受信器と、を有する測地スキャナが提供される。本スキャナはさらに、前記予め定めた位置のそれぞれについて、前記反射された放射線の信号強度を測定するとともに、前記測定された信号強度に基づいて、予め定めた位置に関連付けられたゲイン値を算出するプロセッサを有する。本スキャナはさらに、前記予め定めた位置のそれぞれの前記算出されたゲイン値を記憶するメモリと、前記予め定めた位置のそれぞれとの距離を測定するとき、前記算出されたゲイン値を用いて、前記反射された放射ビームの信号強度を増幅する増幅器と、有する。本発明の測地スキャナは、ゲイン値を決定するためにターゲットをスキャンし、前記予め定めた位置について前記ゲイン値が決定されると、距離を測定するためにターゲットをスキャンするように構成される。
【００１５】
本発明の第３の態様によれば、本発明の第２の態様にしたがった測地スキャナの内部メモリにロード可能なコンピュータプログラム製品が提供される。本コンピュータプログラム製品は、前記測地スキャナの制御ユニットまたはプロセッサに、本発明の第１の態様にしたがったステップを実行させるソフトウェアコード部を備える。
【００１６】
本発明は、ターゲットの表面における多数の予め定めた位置について、最適なゲイン値の組を決定するために、ターゲットの表面をスキャンし、すべての予め定めた位置についてのゲイン値が決定されると、表面をスキャンし、決定されたゲイン値を用いて興味の位置のそれぞれとの距離を測定する、という着想に基づいている。
【００１７】
本発明では、連続してスキャナを移動させる間、対応する信号振幅（または強度または電力）の組を取得することにより、ターゲットの表面における多数の位置のそれぞれについて、最適なゲイン値の組が決定され、同じ位置へ戻ってスキャンするとき、決定された最適なゲイン値の組を用いてこれらの位置との距離が測定される。
【００１８】
本発明は多くの利点をもたらす。例えば、本発明のスキャナおよび方法は、連続してビームを移動状態に保持できる点で好都合である。例えば２段階の測定方法と比べると、全体の測定速度が向上する。
【００１９】
さらに、本発明では、連続してビームを移動状態に保持できるため、人間の目に対する時間間隔当たりの露光時間が減少する。一般的に、目が耐えうる光の量は、強度、波長および放射の継続時間に依存する。目の安全のためのレーザ規則に関しては、ある期間で目が晒されうるエネルギは所定値を超えてはならない。物体の表面における位置の同様な密度に対して、２段階の測定方法を用いた従来のスキャナと比較して、本発明に係るスキャナの場合、目は同じ量のエネルギに晒されうるが、本発明を用いると、露光時間はより長い時間に広がる。実際、２段階の測定方法のようにゲイン値の決定の後ごとではなく、すべてのゲイン値が決定されてから距離測定は行われる。言い換えると、ある特定の位置のゲイン値を決定するための露光と、同じ位置の距離を測定するための露光との間に、より長い時間が経過する。結果として、本発明を用いると、目が受け取る平均電力は減少する。
【００２０】
さらに、時間間隔当たりの人間の目の露光時間が減少するため、上述のレーザ規則に従いつつ、レーザの出力電力を増やすことができる。距離を算出するために用いられる信号のＳ／Ｎ比が大きくなり、より正確な測定を提供できるため、レーザの出力電力を増やすのは好都合である。
【００２１】
さらに、本発明は消費電力を減らせる点で好都合である。再び従来技術のスキャナを参照すると、必要とされる加速のために、スキャナがある位置から別の位置へ移動する必要があるそれぞれの時間で、高い消費電力が必要である。最悪のケースでは、従来のスキャナをある位置から他の位置へ回転させるのに必要な加速が非常に大きいため、供給される電力が高すぎて偏向モータが焼損するかもしれない。本発明では、測定中常に回転している。
【００２２】
一実施形態によると、２つの予め定めた位置に関連付けられた、２つの決定されたゲイン値から見積もられるゲイン値を用いて、少なくとも２つの予め定めた位置の間に位置する少なくとも１つの中間の位置について、スキャナからの距離が測定されてもよい。この実施形態は、距離が測定される位置のサブセットについてのみ、ゲイン値を算出するための初期スキャンが行われるため、好都合である。結果として、測定時間および全体の効率が向上する。
【００２３】
特有な実施形態では、２つの予め定めた位置は、中間の位置に対して最も近い２つの位置であってもよい。代わりに、２つの予め定めた位置は、初めは２つの隣接する位置であってもよい。さらに、任意の数の予め定めた位置を用いて、中間の位置のゲイン値を見積もってもよい。この数は２に限定される必要はない。
【００２４】
さらに別の実施形態によると、２つの予め定めた位置に関連付けられた信号強度または距離が所定の閾値より大きい係数だけ異なるときに、少なくともこれら２つの予め定めた位置の間に位置する少なくとも１つの中間の位置との距離が測定される。２つの隣接する予め定めた位置の測定された信号強度または距離が大きい場合、例えば鋭い遷移を有する領域であることを示唆している。このような領域が検出される場合、この領域をカバーする追加の中間の位置との距離を測定することは好都合である。特に不安がない平面の壁の場合、限られた数のみの測定が行われるであろう。しかしながら、壁に鋭い遷移を有する領域が検出される場合、この領域における測定数は増加する。中間の位置の数は、上記係数、すなわち、遷移がどれほど鋭いか、に依存するのが好ましい。本実施形態は、ターゲットの表面における有用な位置についてのみ測定が行われる点で、好都合である。
【００２５】
代わりに、あえてまばらな（sparse）初期スキャンを行い、興味の位置のいくつかのみについてゲイン値を算出することも可能でありうる。そして、残りの興味の位置についての距離測定は、見積もられたゲイン値を用いて行われる。この手続は、全体の測定速度が著しく向上しうる点で特に好都合である。さらに、本実施形態は初期スキャンがまばらに行われ、目が受け取りうる平均電力が減少する点で、レーザ規則に関しても好都合である。
【００２６】
一実施形態によると、初期スキャン中にゲイン値を決定するステップは、検出された反射放射ビームの信号強度を、所定の値と比較するステップを含む。検出された信号強度と所望の信号強度または所定値との間には比例関係が確立され、ゲイン値を算出できる。特有な実施形態では、ゲイン値はある係数と対応する。すなわち、測定された信号強度にこの係数を乗じると、所定値と一致する。
【００２７】
本発明を実現するためには必要とされないが、好ましくは、予め定めた位置は、少なくともターゲットの表面の領域をカバーする測定点または位置の仮想マトリクスを形成してもよい。このような構成は、スキャン手続を簡略化するため、好都合である。位置は、例えば水平方向および垂直方向にそれぞれ沿った行および列のマトリクスのように配置されうる。これにより、本発明のスキャナおよび方法はより高効率化される。
【００２８】
一実施形態によると、距離を測定するステップは飛行時間測定に基づく。代わりに、別の実施形態によると、距離は位相変調測定手法に基づいてもよい。
【００２９】
さらなる本発明の目的、特徴および有利な点は、後述する詳細な開示、図面および添付の特許請求の範囲を研究すると明らかになるだろう。当業者であれば、本発明の異なる特徴を組み合わせて以下に記載されていない実施形態を想到できることに気づく。
【００３０】
本出願において、位置とは、ターゲットの表面上の場所または点、すなわち、距離測定が望まれうる物体の表面における場所または点として定義される。
【００３１】
追加的な目的と同様に、上述した本発明の特徴および効果は、添付の図面を参照して後述する、説明のためおよび限定を目的としない本発明の好ましい実施形態の詳細な記載を通してより理解されるであろう。
【００３２】
すべての図面は概略図であり、必ずしも一定の縮尺ではない。また、一般的に、発明を説明するために必要は部分のみを示しており、他の部分は省略されているか、単に示唆されているのみかもしれない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態に係るスキャン手続および測地スキャナの概略図。
【図２】本発明の一実施形態に係るスキャン方法のフローチャート。
【図３】本発明の一実施形態にしたがって鋭い遷移を有するターゲット物体をスキャンした後に得られるプロファイルを説明するグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１を参照すると、本発明の一実施形態に係るスキャン手続を実行する測地スキャナ１０が記載されている。
【００３５】
本実施形態では、測地スキャナ１０は、予め定めた多数の位置１５１〜１６６をスキャンすることにより、ターゲット１５０、例えば壁の外観を決定する。
【００３６】
測定されるべき予め定めた位置の数は、ユーザが、例えば測地スキャナ１０のキーボード１８を介してデータを入力することにより、手動で選択されてもよい。例えば、ユーザは単位角度あたりの行われる測定の数を選択しうる。例えばすべてのグラッド（grad）につき１つの測定とする。別の例として、測地スキャナ１０は、ターゲットの画像をユーザに表示する、ＣＣＤまたはＣＭＯＳのようなカメラ（不図示）を備えてもよく、そのユーザはターゲットの外観における位置の数に対応するポイントの数を選択してもよい。代わりに、ユーザは画像内の興味の領域を選択し、所望の位置の数を入力してもよい。予め定めた位置の配置は、測地スキャナ１０のプロセッサ１５により自動的に算出されうる。
【００３７】
測地スキャナ１０はターゲット１５０に向かって電磁放射ビーム１１０ｅを放射する放射源１２を備えている。スキャン手続の間、光パルスは予め定めた位置１５１〜１６６のそれぞれ（図１では位置１６０）に向かって放射される。
【００３８】
予め定めた位置１５１〜１６６のそれぞれについて、ターゲット１５０（図１では位置１６０）で反射された電磁波ビーム（または光パルス）１１０ｒは、測地スキャナ１０の検出器１５０で検出される。反射光ビーム１１０ｒを代表する信号は検出器１４により生成され、検出器１４からプロセッサ１５に送信され、プロセッサ１５は検出された信号の強度を測定し、測定された信号強度に基づいて、ゲイン値ｇ１６０を算出する。
【００３９】
予め定めた位置についての反射光パルスを代表する検出された信号の強度は、予め定めた位置における反射特性、および、スキャナと予め定めた位置との距離に依存する。例えば、入射光線に対して垂直に指向性がある鏡面的な表面に反射された光パルスは大きな信号強度を提供するだろう。しかしながら、鏡面的な表面が入射線に対して垂直でなければ信号強度はより低くなるだろう。一般的に、これら構造的な側面のために、予め定めた位置のうちのいくつかに対応する表面または物体は、他の位置より明るく見える。結果として、ターゲットの表面において、２つの異なる予め定めた位置の間で、検出された信号の強度は著しく異なりうる。
【００４０】
最適なゲイン値ｇ１６０は、測定された反射放射ビーム（または光パルス）の信号強度を、所定の値と比較することにより算出されうる。特有な実施形態では、ゲイン値はある係数と対応する。すなわち、測定された信号強度にこの係数を乗じると、所定値を満たすまたは等しくなる。典型的には、反射された放射ビームに関連付けられる信号強度が所定値を下回る場合、すなわち、低いとみなされる場合、１より大きいゲイン値が決定され、予め定めた位置に関連付けられる。一方、反射された放射ビームに関連付けられる信号強度が所定値を上回る場合、すなわち、高いとみなされる場合、１より小さいゲイン値が決定され、予め定めた位置に関連付けられる。
【００４１】
算出されたゲイン値ｇ１６０は測地スキャナ１０のメモリ１６に記憶されてもよい。
【００４２】
ゲイン値が予め定めた位置１６０に対して算出されると、スキャナは、次の予め定めた位置、例えば位置１６１を向くよう、回転する。光パルスは次の予め定めた位置１６１の方向へ送信され、上述したのと同様の手続が行われ、予め定めた位置１６１に関連付けられた最適なゲイン値ｇ１６１を算出する。なお、スキャナは、ターゲットをスキャンするスキャナの構成に応じて、放射源が位置１６１ではなく位置１６４に向くよう回転してもよい（スキャンは水平方向または垂直方向に沿って行われる）。
【００４３】
ここで、スキャナからの光パルスの放射と、スキャナでの反射光パルスの検出との間の時間は無視できる。一般的に、光パルスの伝播速度は３ｎｓ／ｍのオーダーと考えられる。スキャナから１ｍの距離に置かれたターゲットの場合、測定は約６ｎｓかかるだろう。そのため、スキャン中に位置のそれぞれにおいて、スキャナを停止する必要はない。本発明によるスキャナの回転は連続的である。
【００４４】
すべての予め定めた位置１５１〜１６１に対してゲイン値ｇ１５１〜ｇ１６６が算出されると、予め定めた位置のそれぞれとの距離が、算出されたゲイン値を用いて測定される。
【００４５】
スキャナは、予め定めた位置、例えば位置１５１を向くよう回転する。光パルスは予め定めたターゲットの位置１５１に向かって放射され、位置１５１で反射された光パルスはスキャナにより受信される。受信された光パルスは、位置１５１に関連付けられたゲイン値ｇ１５１を用いて処理され、スキャナと位置１５１との距離が算出される。
【００４６】
一実施形態によると、距離を測定するステップは、飛行測定（またはパルス測定）、すなわち、測定装置つまりスキャナからターゲットへ、そして再び測定装置へ戻るレーザパルスの飛行時間の測定に基づく。
【００４７】
代わりに、別の実施形態によると、距離は位相変調測定手法に基づいて測定されてもよい。この手法では、スキャナの放射源からターゲットへの光パルスの放射は、例えばプロセッサ１５により生成されるベース信号により制御される。光検出器１４は反射光パルスを検出し、検出された光パルスを代表する電気信号をプロセッサ１５に送信し、プロセッサ１５は電気信号とベース信号との位相差に基づいて、距離を算出する。
【００４８】
ここで、放射源１２の電力は常に一定に保たれる。このことは、レーザ規則に関して重要である。算出されたゲイン値は、増幅器１７を介して、反射光パルスを代表する検出された信号の増幅を制御するために用いられる。ゲイン値は、好ましくは、増幅器１７を介して、検出された信号の強度を電気的に制御するために用いられる。しかしながら、算出されたゲイン値を用いて、反射光パルスの強度を光的に制御することも可能であるが、この場合、高度かつ高価な光部品を必要とするだろう。
【００４９】
さらに図１を参照して、以下に測地スキャナの構造上の部材をより詳細に説明する。
【００５０】
ターゲットの外観を決定する測地スキャナは、電磁放射ビームをターゲットに向かって発する放射源１２を備えている。放射源１２は、特定の波長でレーザビームを発してもよいし、特定範囲の波長のレーザビームを発してもよい。従来の測地スキャナでは、放射源は伝統的に５３２ｎｍで発する。今日の測地スキャナの放射源は、赤または赤外線の範囲、すなわち、８５０ｎｍおよびそれ以上の波長で発する。好ましくは、放射源は１５００ｎｍで発してもよい。このような放射は、目の網膜よりもレンズで吸収されるため、目にとって安全な波長である。しかしながら、本発明にしたがって実現される測地スキャナのレーザ源は特定の波長に限定されない。
【００５１】
さらに、測地スキャナ１０は、放射を予め定めた位置１５１〜１６６上に導くスキャン装置１３を備えている。スキャン装置１３は、ターゲットを水平方向または垂直方向にそれぞれスキャンするために、水平偏向ユニット１３ａおよび垂直偏向ユニット１３ｂを備えていてもよい。これらのユニットのそれぞれは偏向モータを備えている。上述したように、本発明では、偏向モータの必要性は軽減される。
【００５２】
測地スキャナ１０は、さらに、ターゲット１５０により反射される放射ビームまたは光パルスを受信する受信器１４を備えている。受信器１４はレーザビームを検出するのに適合した光検出器でもよい。例えば、受信器１４は、アバランシェフォトダイオード（Avalanche Photodiode：ＡＰＤ）やＰＩＮダイオードのような半導体ベースの光検出器でもよい。光検出器は放射源が発する波長に敏感であるのが好ましい。
【００５３】
さらに、測地スキャナ１０は、反射光パルスの信号強度を測定するとともに、測定された信号強度に基づいて、予め定めた位置に関連付けてゲイン値を算出するプロセッサ１５を備えている。特有な実施形態では、プロセッサ１５は、従来のＥＤＭのように、距離を算出する論理またはソフトウェアも備えうる。別の実施形態では、プロセッサ１５により算出されたゲイン値を用いて動作するＥＤＭを備えていてもよい。
【００５４】
測地スキャナは、予め定めた位置のそれぞれに関連付けられて算出されたゲイン値を記憶するメモリ１６を備えていてもよい。さらに、測地スキャナは、予め定めた位置のそれぞれとの距離を測定するとき、算出されたゲイン値を用いて反射光パルスの信号強度を増幅する増幅器１７を備えている。
【００５５】
一実施形態では、増幅器は非線形（対数）の増幅器である。非線形（対数）の増幅器は、高いダイナミックレンジを提供するため、好都合である。
【００５６】
上述したように、測地スキャナ１０は、ターゲットの表面における予め定めた位置に関連付けられたゲイン値を決定するために、ターゲットの初期スキャンを行い、すべての予め定めた位置についてゲイン値が決定されると、予め定めた位置のそれぞれとの距離を測定するために、ターゲットをスキャンするように構成される。一実施形態では、プロセッサ１５はスキャン装置１３を制御するために実現されてもよい。代わりに、測地スキャナ１０はスキャン装置１３を具体的に制御するのに適合した別個の制御ユニットを備えていてもよい。別の選択肢によると、そのような機能はスキャン装置１３内に直接実現されていてもよい。
【００５７】
図２を参照して、本発明の一実施形態に係るスキャンニング手法２００を説明する。
【００５８】
手法２００は、ターゲットの表面における予め定めた位置の数に関連付けられたゲイン値の組を算出する処理２２０と、処理２２０で算出されたゲイン値を用いて予め定めた位置のそれぞれについて、予め定めた位置からスキャナへの距離を算出する処理２４０とを備えている。
【００５９】
最適なゲイン値の組を算出する処理２２０では、測地スキャナは予め定めた位置のうちの１つに向かって光パルスを発し（２２１）、予め定めた位置で反射された光パルスを受信する（２２２）。受信した光パルスを代表する信号の強度が測定され（２２３）、測定された信号強度に基づいて予め定めた位置に関連付けられたゲイン値を算出する（２２４）。そして、ステップ２２５で、他にゲイン値を算出されるべきターゲットの表面における他の位置があるか否か、判定する。少なくとも１つの算出されるべきゲイン値が残っていれば、手法はステップ２２１に戻り、残りの位置についてステップ２２２〜２２５が繰り返される。処理２２０はすべての予め定めた位置についてゲイン値が決定されるまで繰り返される。
【００６０】
すべての予め定めた位置についてゲイン値が決定されると、処理２２０で算出されたゲイン値を用いて、処理２４０で、予め定めた位置のそれぞれとの距離が測定される。測地スキャナは予め定めた位置のうちの１つに向かって光パルスを発し（２４１）、予め定めた位置で反射される光パルスを受信する（２４２）。受信された光パルスを代表する信号は、予め定めた位置に関連付けられる、算出されたゲイン値を用いて増幅される（２４３）。増幅された信号は、予め定めた位置との距離を算出するために処理される（２４４）。そして、ステップ２４５で、距離が測定されるべきターゲットの表面における他の位置があるか否か、判定する。少なくとも１つの距離が測定されるべき位置が残っていれば、処理はステップ２４１に戻り、ステップ２４２〜２４４が繰り返される。すべての予め定めた位置について距離が算出されるまで、処理２４０は繰り返される。
【００６１】
結果として、ターゲットの表面における予め定めた位置と、スキャナとの距離が測定される。そして、これらの測定値は、スキャンされた物体の外観（表面または体積）を判定するために処理される。
【００６２】
再び図１を参照して、以下に本発明の別の実施形態を説明する。
【００６３】
本実施形態では、２つの予め定めた位置１５５，１５６とそれぞれ関連付けられる、２つの決定されたゲイン値ｇ１５５，ｇ１５６から見積もられるゲイン値ｇ１６７を用いて、２つの予め定めた位置１５５，１５６の間に位置する、少なくとも１つの中間の位置１６７についても、スキャナからの距離が測定される。本実施形態は、予め定めた位置１６７に関連付けられるゲイン値は初期スキャン中には算出される必要がないため、好都合である。そのため、測定速度およびスキャナの全体の効率は向上する。例えば、最適なゲイン値が初期スキャンで１０番目の位置ごとに算出される場合、すわなち、１０個の位置のうちの１つのみについて距離が算出される場合、全体の効率は９０％であり、測定速度が大幅に向上する。距離が算出されるすべての位置について、ゲイン値が算出される場合、全体の効率は５０％になるであろう。
【００６４】
特有な実施形態では、２つの予め定めた位置は、中間の位置に対して最も近い点でもよい。代わりに、２つの予め定めた点は、初めは２つの隣接する位置であってもよい。さらに、中間の位置のゲイン値を見積もるためにいくつの位置を用いてもよく、その数は２つの位置に限定する必要はない。例えば、図１を参照すると、中間の位置１６８に関連付けられるゲイン値ｇ１６８は、位置１５７，１５８，１６１，１６２とそれぞれ関連付けられるゲイン値ｇ１５７，ｇ１５８，ｇ１６１，ｇ１６２から見積もってもよい。
【００６５】
一実施形態によると、中間の位置に関連付けられるゲイン値は、隣接する予め定めた位置についての算出されたゲイン値を平均することにより見積もってもよい。
【００６６】
図３を参照して、本発明の別の実施形態について説明する。本実施形態では、２つの予め定めた位置に関連付けられる信号強度または距離が、所定の閾値より大きい係数だけ異なる場合に、２つの予め定めた位置の間に位置する少なくとも１つの中間の位置との距離が測定される。例として、ターゲットの物体またはシーンが家の壁の前のフェンスである場合（フェンスと家の壁との間には大きな距離がある）、フェンスで反射された光パルスを代表する信号の強度は、家の壁で反射された光パルスを代表する信号の強度と大きく異なるかもしれない。別の例として、ターゲットの物体が垂れ下がった魚網である場合、光パルスが魚網の糸で反射されたか否かに応じて、測定された信号強度または測定された距離には大きな差異があるかもしれない。
【００６７】
図３は、鋭い遷移３９を有するターゲットの物体３０をスキャンした後に得られるプロファイルを説明するグラフ３００を示している。グラフはスキャナの回転角度φの関数として、信号強度または距離を示している。この例では、反射光パルスの強度は、ターゲット３０の表面における４つの位置３１，３２，３３，３４について測定される。これらの位置はスキャナの４つの回転角度φ1，φ2，φ3，φ4にそれぞれ対応する。得られた信号強度は、２つの隣接する位置の間に大きな変化があるか否かを確認するために解析されうる。同様に、測定された距離は、スキャン方向に沿ってターゲットの物体のプロファイルを再構成または判別するために処理されうる。図３の点線で示されるように、第１の外観のプロファイルａｐｐ１が判別されうる。
【００６８】
本実施形態では、測地スキャナは、位置３２の信号強度と位置３３の信号強度との間の差が大きい、すなわち、所定の閾値を上回ることを検出する。その結果、距離を測定するステップの間、予め定めた位置３２と位置３３との間に位置する中間の位置３５との距離も測定される。
【００６９】
一実施形態によると、中間の位置３５との距離を測定する前に、中間の位置３５に関連付けられるゲイン値ｇ３５を算出してもよい。しかしながら、既に算出された、隣接する位置３２，３３のゲイン値ｇ３２，ｇ３３に基づいて、中間の位置３５に関連付けられるゲイン値ｇ３５を見積もることも可能である。
【００７０】
図３のグラフの実線に示すように、中間の位置３５との距離を判定することにより、位置３２と位置３３との間に位置する領域におけるターゲットの物体３０のプロファイルをより正確に決定できる。位置３２と位置３３との間の中間の位置の距離を１つ以上測定すれば、ターゲットの物体３０の外観ａｐｐ２の決定はさらに改善する。
【００７１】
好ましくは、中間の位置の数は、測定された、位置３２の信号強度と位置３３の信号強度との差異を表す係数の値に依存する。本実施形態では、ターゲットの表面における有用な位置についてのみ測定が行われる点で、好都合である。
【００７２】
本発明は、スキャン装置またはスキャン機能を有する種々のタイプの測地スキャナ、レーザレーダ、電子測定装置、測定装置および／またはトータルステーションに適用可能である。
【００７３】
上述した発明は本発明の好ましい実施形態に関連して説明したが、当業者であれば、後述の特許請求の範囲により定義される発明の範囲から逸脱することなく、種々の変形が可能であることは明らかであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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