(57)【要約】  表面、たとえば鉄道線路軌道の昼間の検査のためのシステムおよび方法が開示されている。開示されるシステムはレーザ、カメラ、およびプロセッサを含む。レーザは表面に隣接して配置される。レーザは、表面の幅の１インチあたりの強度が少なくとも０．１５ワットの合成強度で表面全体に光のビームを放出し、カメラは、表面上に放出される光のビームを有する表面の画像を取り込む。カメラは、日射内のディップ（ｄｉｐ）に対応する光の帯域だけを通過させる帯域フィルタを含む。レーザはディップでの日射より強い、放出される光ビームを提供するように選択される。プロセッサは、画像が表面の様々な測定できる様態を決定するために分析されることができるように、画像をフォーマットする。システムおよび方法は、表面のそれらの測定できる様態を決定するための１つまたは複数のアルゴリズムを含む。
2012526988.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面を検査するシステムであって、
光のビームの幅の１インチあたりの強度が総計で少なくとも０．１５ワットの光のビームを表面全体に投射するように適合される、表面に隣接して配置される少なくとも１つの光発生器と、
表面から反射される光の少なくとも一部を受け取るため、および表面の少なくとも一部のプロファイルを表す少なくとも１つの画像を生成するために表面に隣接して配置される少なくとも１つのカメラであり、日射内のディップに対応する、光発生器により投射される光のビームの帯域を通過させるように適合される帯域フィルタを含む少なくとも１つのカメラと、
少なくとも１つの画像を分析し、表面の一部の１つまたは複数の物理的特性を決定するように適合される少なくとも１つのプロセッサと
を含むシステム。
【請求項２】
発生器により投射される光のビームの角度広がりが４５°である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
光発生器が、
中央のレーザと、
１０°の角度で中央のレーザから外側にそれぞれ傾けられる、中央のレーザの両側に配置される２つの外側のレーザと
を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
光発生器が８０８ｎｍレーザである、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
カメラが、
レンズと、
レンズに隣接して配置されるスペーサと、
電荷結合デバイスとをさらに含み、帯域フィルタが電荷結合デバイスとスペーサとの間に結合される、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
帯域フィルタがカメラのレンズの背後に配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
表面が鉄道線路道床であり、プロセッサが、鉄道線路道床の枕木間の距離を決定するアルゴリズムを含み、アルゴリズムが、
（ａ）最初および末端のフレームが枕木を含むが、１つまたは複数の中間フレームには枕木がない、少なくとも１つの画像の最初のフレーム、１つまたは複数の中間フレーム、および末端フレームを分析するステップと、
（ｂ）枕木がない１つまたは複数の中間フレームの数を決定するステップと、
（ｃ）フレーム間の知られている間隔を決定するステップと、
（ｄ）枕木がない１つまたは複数の中間フレームの数、およびフレーム間の知られている間隔に基づき、最初および終端のフレームの枕木間の距離を決定するステップと
を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
表面が鉄道線路道床であり、プロセッサが、鉄道線路道床の位置ずれしているまたは沈下しているタイプレートを検出するアルゴリズムを含み、アルゴリズムが、
（ａ）関心領域を含む、少なくとも１つの画像のフレームを分析するステップと、
（ｂ）関心領域がタイプレートを含むかどうかを決定するステップと、
（ｃ）タイプレートが存在する場合、枕木の輪郭およびタイプレートの輪郭を決定するステップと、
（ｄ）枕木の輪郭の向きおよびタイプレートの輪郭の向きを比較するステップと、
（ｅ）比較に基づき、タイプレートが位置ずれしているまたは沈下しているかどうかを決定するステップと
を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
表面が鉄道線路道床であり、プロセッサが、鉄道線路道床のレール内の割目を識別するためのアルゴリズムを含み、アルゴリズムが、
（ａ）最初および末端のフレームがレールを含むが、１つまたは複数の中間フレームにはレールがない、少なくとも１つの画像の最初のフレーム、１つまたは複数の中間フレーム、および末端フレームを分析するステップと、
（ｂ）レールがない１つまたは複数の中間フレームの数を決定するステップと、
（ｃ）フレーム間の知られている間隔を決定するステップと、
（ｄ）レールがない１つまたは複数の中間フレームの数、およびフレーム間の知られている間隔に基づき、レール内の割目を識別するステップと
を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
表面が道路、植物、建築基礎、自動車橋梁、または歩道の１つまたは複数を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
表面を検査する方法であって、
（ａ）光の幅の１インチあたりの強度が総計で少なくとも０．１５ワットの合成強度になる光を表面の範囲全体に照射するステップと、
（ｂ）日射内のディップに対応する、反射される光の帯域だけを通過させるように適合される帯域フィルタを含む１つまたは複数のカメラを使用して、表面から反射される光の少なくとも一部を受け取るステップと、
（ｃ）表面の少なくとも一部のプロファイルを表す少なくとも１つの画像を生成するステップと、
（ｄ）少なくとも１つの画像を分析するステップと、
（ｅ）表面の一部の１つまたは複数の物理的特性を決定するステップと、
（ｆ）表面の一部の決定された物理的特性を出力するステップと
を含む方法。
【請求項１２】
ステップ（ａ）が、角度広がり４５°をそれぞれ有する光の複数のビームを投射して、表面全体に照射される光を形成するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
光の複数のビームが、中央のビーム、および中央のビームの両側の２つの外側のビームを含み、ステップ（ａ）が、１０°の角度で中央のビームから外側に２つの外側のビームを投射するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
表面の範囲全体に照射される光が８０８ｎｍレーザを使用して生成される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
表面が鉄道線路道床であり、方法が、鉄道線路道床の枕木間の距離を決定するステップをさらに含み、距離を決定するステップが、
（ａ）最初および末端のフレームが枕木を含むが、１つまたは複数の中間フレームには枕木がない、少なくとも１つの画像の最初のフレーム、１つまたは複数の中間フレーム、および末端フレームを分析するステップと、
（ｂ）枕木がない１つまたは複数の中間フレームの数を決定するステップと、
（ｃ）フレーム間の知られている間隔を決定するステップと、
（ｄ）枕木がない１つまたは複数の中間フレームの数、およびフレーム間の知られている間隔に基づき、最初および末端のフレームの枕木間の距離を決定するステップと
を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
表面が鉄道線路道床であり、方法が、鉄道線路道床のレール内の割目を識別するステップをさらに含み、識別するステップが、
（ａ）最初および末端のフレームがレールを含むが、１つまたは複数の中間フレームにはレールがない、少なくとも１つの画像の最初のフレーム、１つまたは複数の中間フレーム、および末端フレームを分析するステップと、
（ｂ）レールがない１つまたは複数の中間フレームの数を決定するステップと、
（ｃ）フレーム間の知られている間隔を決定するステップと、
（ｄ）レールがない１つまたは複数の中間フレームの数、およびフレーム間の知られている間隔に基づき、レール内の割目を識別するステップと
を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
表面が鉄道線路道床であり、方法が、鉄道線路道床の位置ずれしているまたは沈下しているタイプレートを検出するステップをさらに含み、検出するステップが、
（ａ）関心領域を含む、少なくとも１つの画像のフレームを分析するステップと、
（ｂ）関心領域がタイプレートを含むかどうかを決定するステップと、
（ｃ）タイプレートが存在する場合、枕木の輪郭およびタイプレートの輪郭を決定するステップと、
（ｄ）枕木の輪郭の向きおよびタイプレートの輪郭の向きを比較するステップと、
（ｅ）比較に基づき、タイプレートが位置ずれしているまたは沈下しているかどうかを決定するステップと
を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
表面を検査する方法であって、
（ａ）光の幅の１インチあたりの強度が少なくとも０．１５ワットの強度を有する光を表面上に投射するステップと、
（ｂ）表面から反射される光の少なくとも一部を受信機の中で受け取るステップと、
（ｃ）受信機の帯域フィルタを利用するステップであり、反射される光がディップでの日射より強くなるように適合される、日射内のディップに対応する反射される光の帯域を通過させる、ステップと、
（ｄ）反射される光の通過させられる帯域を利用するステップであり、表面の少なくとも一部のプロファイルを表す１つまたは複数の画像を生成する、ステップと、
（ｅ）表面の一部の１つまたは複数の特性を決定するステップと、
（ｆ）表面の一部の決定された特性を出力するステップと
を含む方法。
【請求項１９】
ステップ（ａ）が、角度広がり４５°をそれぞれ有する光の複数のビームを投射して、表面上に投射される光を形成するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
光の複数のビームが中央のビーム、および中央のビームの両側の２つの外側のビームを含み、ステップ（ａ）が、１０°の角度で中央のビームから外側に２つの外側のビームを投射するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
表面が鉄道線路道床であり、方法が、鉄道線路道床の枕木間の距離を決定するステップをさらに含み、距離を決定するステップが、
（ａ）最初および末端のフレームが枕木を含むが、１つまたは複数の中間フレームには枕木がない、１つまたは複数の画像の最初のフレーム、１つまたは複数の中間フレーム、および末端フレームを分析するステップと、
（ｂ）枕木がない１つまたは複数の中間フレームの数を決定するステップと、
（ｃ）フレーム間の知られている間隔を決定するステップと、
（ｄ）枕木がない１つまたは複数の中間フレームの数、およびフレーム間の知られている間隔に基づき、最初および末端のフレームの枕木間の距離を決定するステップと
を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
表面が鉄道線路道床であり、方法が、鉄道線路道床のレール内の割目を識別するステップをさらに含み、識別するステップが、
（ａ）最初および末端のフレームがレールを含むが、１つまたは複数の中間フレームにはレールがない、１つまたは複数の画像の最初のフレーム、１つまたは複数の中間フレーム、および末端フレームを分析するステップと、
（ｂ）レールがない１つまたは複数の中間フレームの数を決定するステップと、
（ｃ）フレーム間の知られている間隔を決定するステップと、
（ｄ）レールがない１つまたは複数の中間フレームの数、およびフレーム間の知られている間隔に基づき、レール内の割目を識別するステップと
を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
表面が鉄道線路道床であり、方法が、鉄道線路道床の位置ずれしているまたは沈下しているタイプレートを検出するステップをさらに含み、検出するステップが、
（ａ）関心領域を含む、１つまたは複数の画像のフレームを分析するステップと、
（ｂ）関心領域がタイプレートを含むかどうかを決定するステップと、
（ｃ）タイプレートが存在する場合、枕木の輪郭およびタイプレートの輪郭を決定するステップと、
（ｄ）枕木の輪郭の向きおよびタイプレートの輪郭の向きを比較するステップと、
（ｅ）比較に基づき、タイプレートが位置ずれしているまたは沈下しているかどうかを決定するステップと
を含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、全体が参照により本明細書にそれぞれ組み入れられる、２００４年６月３０日に出願され、発明者としてＪｏｈｎ  ＮａｇｌｅおよびＳｔｅｖｅｎ  Ｃ．  Ｏｒｒｅｌｌの名前を挙げる、「ＳＹＳＴＥＭ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＩＮＳＰＥＣＴＩＮＧ  ＲＡＩＬＲＯＡＤ  ＴＲＡＣＫ」とさらに題する米国特許仮出願第６０／５８４，７６９号明細書の利益を主張する仮でない特許出願である、２００５年６月３０日に出願され、発明者としてＪｏｈｎ  Ｎａｇｌｅ、Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ  Ｖｉｌｌａｒ、およびＳｔｅｖｅｎ  Ｏｒｒｅｌｌの名前を挙げる、「ＳＹＳＴＥＭ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＩＮＳＰＥＣＴＩＮＧ  ＲＡＩＬＲＯＡＤ  ＴＲＡＣＫ」と題する米国特許出願第１１／１７２，６１８号明細書の一部継続出願である。
【０００２】
本発明は、一般に表面を検査するシステムおよび方法に関し、より詳細にはたとえば波長フィルタリングを使用して表面、たとえば鉄道線路表面または道路の昼間の検査のシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
鉄道線路は、一般に固められた砕石材料の基層の上に構築される。砂利バラスの層がこの石の層の最上部に載っている。枕木がこのバラス層内およびバラス層上に置かれ、２本の平行な鋼鉄レールが締め具で枕木に取り付けられる。使用されている枕木の大多数は木材から作られる。枕木の製造では、様々な他の材料、たとえばコンクリート、鋼鉄、および複合材料または再生材料が使用される。これらの代替材料の枕木はすべての枕木の比較的少ない割合を構成する。枕木はレールの軌間または横方向の間隔を維持する。枕木は軸重を列車から枕木の下のバラス層に分散させて、全軌道構造のクッション効果に寄与する。時間がたつにつれ、枕木が取り替えられなければならなくなるまで、環境要因が枕木を劣化させ得る。毎年、北米の鉄道線路は、すべての木製枕木の２％以上まで取り替えられる。これが数１００万本の枕木を構成する。
【０００４】
枕木交換のロジスティクスを管理するため、および新しい枕木の必要性を定量化するために、鉄道線路検査官が枕木の状態および締め具機構を定期的に等級分けしようとする。この等級分けは、枕木および締め具の使用可能な寿命がその終わりとなる程度まで腐った、割れた、裂けた、または摩耗した枕木および締め具を識別するために外観検査によってたいてい行われる。外観検査の手順はかなり多くの時間を必要とする。実際には、軌道の検査は、検査官が軌道に沿って歩いて、軌道に沿ってほぼ２０インチおきに間隔を置かれる枕木および／または締め具の状態を検査し、記録することにより行われる。ある特定の北米の鉄道線路が、３名または４名の男性のチームが１日あたり約５マイルから７マイルの軌道しか等級分けすることができないと報告している。
【０００５】
レールを検査する装置が当技術分野で知られており、そのような装置を使って得られるデータを分析し系統立てるソフトウェアが当技術分野で知られている。たとえばＮｅｗ  ＪｅｒｓｅｙのＺＥＴＡ−ＴＥＣＨ  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ，Ｉｎｃ．社によるＴｉｅＩｎｓｐｅｃｔ（Ｒ）が、携帯型装置およびソフトウェアを有するコンピュータ化された枕木検査システムである。携帯型装置は軌道に沿って歩いて軌道を調査するときに検査官により使用され、ソフトウェアは装置を使って得られるデータを分析し系統立てるために使用される。
【０００６】
枕木の等級分けに加えて、他の軌道構成要素が摩耗および劣化を求めて定期的に検査されなければならない。これらは、レールの載る面での摩耗、固定具および締め具の完全性、タイプレートの位置合わせ、バラスの状態、およびレールの軌間を含む。枕木の等級分けと同様に、レールのこれらの様態を検査することも多くの時間を必要とし得る。レールを検査するためのシステムは当技術分野で知られている。たとえば、英国のＯｍｎｉｃｏｍ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ社のＯｍｎｉＳｕｒｖｅｙｏｒ３Ｄ（Ｒ）が線路上のインフラストラクチャを検査するためのシステムである。また、ＭｉｎｎｅｓｏｔａのＥＮＳＣＯ，Ｉｎｃ．社がレーザを使用してレールの軌間を測定するためのＬａｓｅｒ  Ｇａｇｅ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｓｙｓｔｅｍを提供している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
レーザ測定システムに付随する問題の１つが、レーザは昼間に検出するのが困難なことである。レーザ光は他の競合する光源がほとんどない夜に検出するのは容易だが、様々な表面のデータ収集の目的で昼間にレーザを動作させるために介入が必要とされる。
【０００８】
本発明は、上述の問題の１つまたは複数の影響を克服する、または少なくとも低減し、それにより夜間も昼間も表面を検査することができるシステムを提供することに向けられている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
表面、たとえば鉄道線路軌道の昼間の検査のための例示的システムおよび方法が開示される。開示されるシステムはレーザ、カメラ、およびプロセッサを含む。例示的実施形態では、中央および２つの外側のレーザが表面に隣接して配置される。２つの外側のレーザは１０°の角度で中央レーザから外側に傾けられる。レーザは表面の幅の１インチあたりの強度が少なくとも０．１５ワットの合成強度で表面全体に光のビームを放出し、カメラは表面上に放出される光のビームを有する表面の画像を取り込む。カメラは日射のディップ（ｄｉｐ）に対応する光の帯域だけを通過させる帯域フィルタを含む。レーザは、その同じ波長で日射より強い、ディップの波長で放出される光ビームを提供するように選択される。プロセッサは、画像が表面の様々な測定できる様態を決定するために分析されることができるように画像をフォーマットする。例示的システムおよび方法は、表面のこれらの測定できる様態を決定するための１つまたは複数のアルゴリズムを含む。
【００１０】
前述の要約は、本開示の主題のそれぞれの可能な実施形態またはあらゆる様態を要約することが意図されていない。
【００１１】
本開示の主題の前述の要約、好ましい実施形態、および他の様態が、添付図面と併せて読まれたとき、以下に続く具体的実施形態の詳細な説明を参照して最もよく理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】開示される検査システムの一実施形態を概略的に示す図である。
【図２】本開示のある種の教示による鉄道線路軌道を検査するシステムの一実施形態の一部を示す図である。
【図３】開示される検査システムを使って得られる鉄道線路軌道の一部の一例のフレームを示す図である。
【図４Ａ】枕木間の間隔を決定するために、開示される検査システムを使って得られる鉄道線路軌道の例示的フレームを示す図である。
【図４Ｂ】枕木間の間隔を決定するために、開示される検査システムを使って得られる鉄道線路軌道の例示的フレームを示す図である。
【図４Ｃ】枕木間の間隔を決定するために、開示される検査システムを使って得られる鉄道線路軌道の例示的フレームを示す図である。
【図５】レールに対する枕木の角度を決定するために、開示される検査システムを使って得られる鉄道線路軌道の一例のフレームを示す図である。
【図６Ａ】レール内の割目または分離を決定するために、開示される検査システムを使って得られる鉄道線路軌道の例示的フレームを示す図である。
【図６Ｂ】レール内の割目または分離を決定するために、開示される検査システムを使って得られる鉄道線路軌道の例示的フレームを示す図である。
【図６Ｃ】レール内の割目または分離を決定するために、開示される検査システムを使って得られる鉄道線路軌道の例示的フレームを示す図である。
【図７Ａ】レールの摩耗を決定するために、開示される検査システムを使って得られる鉄道線路軌道の例示的フレームを示す図である。
【図７Ｂ】レールの摩耗を決定するために、開示される検査システムを使って得られる鉄道線路軌道の例示的フレームを示す図である。
【図８】枕木内の欠陥、レールの間隔、枕木のサイズ、および枕木に対するバラスの高さを決定するために、開示される検査システムを使って得られる鉄道線路軌道の一例のフレームを示す図である。
【図９】持ち上がった犬釘を決定するために、開示される検査システムを使って得られる鉄道線路軌道の一例のフレームを示す図である。
【図１０】欠けているタイプレートを決定するために、開示される検査システムを使って得られる鉄道線路軌道の一例のフレームを示す図である。
【図１１】開示される検査システムを使って得られる画像データの３次元編集を示す図である。
【図１２】開示される検査システムを使って得られる画像データの３次元編集を示す図である。
【図１３】本発明の代替の例示的実施形態を示す図である。
【図１４】本発明の代替の例示的実施形態を示す図である。
【図１５】本発明によるカメラの例示的実施形態を示す図である。
【図１６】本発明の例示的実施形態による、特定波長での太陽の日射のエネルギーを記すグラフを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
開示される検査システムおよび関連する方法は、様々な修正形態および代替形態を受け入れることができるが、その具体的実施形態が図で例によって示されており、本明細書で詳細に説明される。図および記述される説明は、いかなる方法でも開示される発明の概念の範囲を限定することを意図されていない。むしろ、図および記述される説明は、米国特許法１１２条により必要とされるような、特定の実施形態を参照して当業者に開示される発明の概念を例示するために提供される。
【００１４】
図１および図２を参照すると、本開示のある種の教示に従って鉄道線路軌道を検査するシステム３０の例示的実施形態が図示される。図１では、開示される検査システム３０が、鉄道線路軌道に対して概略的に図示される。図２では、開示される検査システム３０の一部が、鉄道線路軌道に対する斜視図で図示される。
【００１５】
図１に最もよく示されるように、例示的な開示される検査システム３０は、光発生器たとえばレーザ４０、検査される領域から反射される光を受け取る装置たとえばカメラ５０、および処理装置６０を含む。図１で示される実装形態では、開示される検査システム３０は鉄道線路軌道の道床を調査するために使用される。開示される検査システムおよび関連する方法は鉄道線路軌道を検査する際に使用するためのものとして説明されるが、開示されるシステムおよび方法は他の領域、および表面または構成要素が検査を必要とする産業で使用されることができることが本開示の利益と共に理解される。たとえば、開示される検査システムおよび方法は道路、電線、配管、あるいは別のネットワークまたはシステムを検査するために使用されることができる。
【００１６】
道床は枕木１０、レール１２、タイプレート１４、犬釘１６、およびバラス１８を含む。簡潔に言えば、レーザ４０はレーザ光のビーム４２を道床に投射する。ビーム４２は、道床の表面および構成要素の輪郭に従う道床上の、図２に示される投射ラインＬを生成する。光受信機、すなわちカメラ５０は、道床上に投射されるレーザ光４２のラインＬの画像を取り込む。カメラ５０は、以下でより詳細に説明される処理および分析のために、取り込まれた画像を処理装置６０に送信する。
【００１７】
図２の例示的実施形態で最もよく示されるように、対を成すレーザ４０とカメラ５０が軌道のレール１２のそれぞれの１つの上方に配置される。レーザ４０およびカメラ５０は、検査車両（図示せず）、または検査システム３０を適切な位置に維持するように軌道に沿って動く他の装置の上に搭載されることができる固定した骨組み３２の上に組み立てられることができる。簡略化のために骨組み３２の一部だけが図２に示される。しかし、骨組み３２のための他の知られている構成要素が、レーザ４０およびカメラ５０を検査車両上に搭載するために必要とされることがあることが理解される。
【００１８】
一般に、検査車両は鉄道線路軌道に沿って移動するための任意の適切な車両とすることができる。たとえば、当技術分野での慣例が、車両のフレームに搭載される「ハイレール（ｈｉ−ｒａｉｌ）」ギヤを通常の公道車両、たとえばピックアップトラックに装備することである。ハイレールギヤは、典型的には公道車両がレールに沿って載るようにすることができる１組の普通より小さい鉄道線路車両の車輪を含む。一実施形態では、次に、開示される検査システム３０の骨組み３２は「ハイレール」ギヤを有するピックアップトラックの架台内に搭載されることができる。あるいは、検査車両は、鉄道線路軌道に沿って作業するために特別に設計された保線（ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ  ｏｆ  ｗａｙ）（ＭｏＷ）装置とすることができる。さらに、開示される検査システム３０は、車両により牽引される車台上に搭載されることができる、あるいは機関車または貨車の上に搭載されることができる。
【００１９】
図２に最もよく示されるように、レーザ４０は所定の角度広がりβを有する光のビーム４２を投射する。２つのレーザ４０の角度広がりβが実質的に道床の全表面をカバーする。この方法では、レーザ４０は、実質的に直線であり実質的に道床全体に広がる投射ラインＬを生成する。各レーザ４０は、好ましくは約６０°の角度広がりβを有するビーム４２を生成し、道床のほぼ半分をカバーする。好ましくは、レーザ４０は軌道の表面と実質的に直角にビーム４２を投射する。あるいは、たとえば投射ラインＬを道床全体に生成するように配置される単一レーザが使用されることができる。
【００２０】
さらに、レーザ４０は、好ましくは４ワットの光出力を有し赤外波長約８１０ｎｍで光を生成する赤外レーザである。レーザ４０の比較的高い光出力が、遮蔽が必要ないように周辺光の影響を低減するのに役立つ。開示される検査システム３０に適したレーザが、Ｓｔｏｃｋｅｒ  Ｙａｌｅ社により製造されるＭａｇｎｕｍレーザを含む。レーザ４０について上記で説明されるパラメータは、鉄道線路軌道の表面を検査するのに好ましい。しかし、本開示の利益を受ける当業者は、本発明が様々な他の表面を検査するために利用されることができることを理解している。開示される検査システム３０の他の実装形態が、代替のいくつかの光源だけでなく異なる波長、光出力、および角度広がりを使用することができる。
【００２１】
図２で最もよく示されるように、カメラ５０はレーザ４０に隣接して配置される。図１で一番よく見られるように、カメラ５０はレーザ４０から投射される光のビーム４２に対して角度θで搭載される。一実施形態では、カメラは約６０°の角度θで配置される。開示される検査システム３０は軌道に沿って動かされるので、カメラ５０は小さな一定の増分で道床の画像またはフレームを取り込む。好ましくは、カメラ５０はかなり高いフレームレートを、たとえば毎秒約５４０５フレームの能力がある。
【００２２】
次に、カメラ５０により取り込まれるそれぞれの静止画像またはフレームが、道床上に投射される輪郭を描かれたレーザラインＬを分離するためにフィルタにかけられ処理される。カメラ５０は、実質的にレーザ４０の好ましい赤外波長での放射エネルギーだけが通過することができるようにする帯域フィルタ５２を備え付けられる。レーザ４０の波長は約８１０ｎｍであるので、カメラ５０がレーザ４０からの光の投射ラインＬの十分明瞭な静止画像を獲得するように、カメラ５０の帯域フィルタ５２は実質的にすべての周辺光を取り除くことができる。
【００２３】
２つのカメラ５０のそれぞれが、有線または無線の伝送線を介して処理装置またはコンピュータ６０に直接画像データを送信する。好ましくは、カメラ５０は、投射ラインＬの取り込まれた画像を処理装置またはコンピュータ６０に直接送信される１次元プロファイルに変換するまたはフォーマットすることができるプロセッサ５４を含む。取り込まれた画像をカメラ５０がこの方法で処理するまたはフォーマットする能力は、高価なポストプロセッサまたは高速フレーム取込装置（ｇｒａｂｂｅｒ）の必要性を取り除くことができる。そのような処理能力を有する、開示される検査システム３０のための適切なカメラがＩＶＰ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｖｉｓｉｏｎ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｉｎｃ．社により製造されるＲａｎｇｅｒ  Ｍ５０を含む。
【００２４】
他の一般的構成要素の中でも、処理装置またはコンピュータ６０はマイクロプロセッサ、入力、出力、およびデータ記憶装置６２を含む。データ記憶装置６２はハードドライブ、不揮発性記憶媒体、フラッシュメモリ、テープ、またはＣＤ−ＲＯＭを含むことができる。処理装置６０は、軌道検査官がデータを入力し再検討するため、および開示される検査システム３０を動作させるための入力／表示装置６８をさらに含むことができる。処理装置６０は、開示される検査システム３０を使って得られる様々なデータを記憶し分析するための適切なソフトウェアプログラムで動作する。たとえば、処理装置６０は任意の適切な画像処理ソフトウェア、たとえばＭａｔｒｏｘ  ＭＩＬ、Ｃｏｍｍｏｎ  ＶｉｓｉｏｎＢｌｏｘ、Ｌａｂｖｉｅｗ、ｅＶｉｓｉｏｎ、Ｈａｌｃｏｎ、およびＩＶＰ  Ｒａｎｇｅｒを有することができる。たとえば、処理装置６０はカメラ５０からの画像データを分析するための、当技術分野で知られている画像処理ツール、たとえば関心領域（Ｒｅｇｉｏｎ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）（ＲＯＩ）ツール、フィルタリングツール、ブロブ（ｂｌｏｂ）ツール、エッジ探知機、ヒストグラムツール、および他を有することができる。
【００２５】
開示される検査システム３０を使って得られるデータのすべてを効果的に処理するために、好ましい実施形態での処理装置６０は、高速プロセッサ、たとえば２．８ＧＨｚで動作することができるＩｎｔｅｌ社のＰｅｎｔｉｕｍ（登録商標）４を有するコンピュータを含む。開示される検査システム３０を使って得られるデータのすべてを効果的に記憶するために、記憶装置６２は、好ましくはＲｅｄｕｎｄａｎｔ  Ａｒｒａｙ  ｏｆ  Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  Ｄｉｓｋｓ（ＲＡＩＤ）システムとしても知られる、１つのドライブとして同時に読出し／書込みの両方の機構を使用するように構成される２つの大容量ハードドライブを含む。処理装置６０の高速プロセッサおよび記憶装置６２の２つのハードドライブは、開示される検査システム３０を使って得られるデータの維持されたリアルタイム記憶を考慮する。好ましい実施形態では、開示される検査システム３０の電力が、検査車両のエンジンから離れて直接動作しているベルト駆動発電機から交流１１０Ｖ電力により供給されることができる。
【００２６】
軌道の不規則な表面上に投射され、ある角度で見られるビーム４２を使って、図２に示される投射ラインＬは道床の表面および構成要素の輪郭に従う。道床の投射ラインＬを示す一例の画像またはフレームが図３に示される。画像データまたはフレームはＸ−Ｙ座標を与えられる複数の画素を含み、カメラ５０により取り込まれる道床の輪郭を示す。フィルタリング、および当技術分野で知られている他の画像処理技法により、画像は、濃い画素が道床の輪郭を表す２つの画素値を含む。所与の画像データのすべての画素が、画像データが取り込まれた軌道の長さに沿った特定の位置を表す同じＺ座標を与えられる。この方法では、複数の取り込まれた画像が、スキャンの各画像が道床の輪郭を示すＸ−Ｙ座標を有し、レールの長さに沿った輪郭の特定の位置を表すＺ座標を有する、道床の３次元スキャンを生成する。
【００２７】
画像が取り込まれる速さは、スキャンされる領域の幅および高さ、個々の静止画像間の距離、静止画像の解像度、カメラ５０の最大フレームレート、コンピュータ６０の処理速度、ならびにデータ記憶装置６２の書込速度により制限される。開示される検査システム３０の鉄道線路応用では、１つの好ましい例が、カメラ５０により取り込まれる静止画像またはフレーム間の間隔約０．１インチ、検査車両の好ましい速度約３０ｍｐｈ、スキャンされる領域の好ましい高さほぼ１０インチ、および道床の幅全体のスキャンされる領域約１０フィートである。これらの好ましいパラメータを満足させるために、毎秒約５４０５フレームの能力があるカメラシステム、および約８．３ＭＰＳで処理し記録することができるコンピュータシステムが好ましい。図３に示されるような各フレームまたは画像は、約１、５３６バイトの記憶領域を必要とすることがある。軌道の長さに沿って約０．１インチごとにフレームが取り込まれると、約６３３，６００フレームが軌道の１マイルごとに取り込まれ、０．９７３ギガバイトの記憶空間を必要とする。
【００２８】
別の実施形態では図１に示されるように、開示される検査システム３０は、鉄道線路軌道を検査するとき、検査車両の地理的位置を得るための全地球測位システム（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ）（ＧＰＳ）受信機６４をさらに含むことがある。ＧＰＳ受信機６４は、地理的位置を得るために、当技術分野で知られている任意の適切なＧＰＳ受信機を含むことができる。たとえば、ＧＰＳ受信機６４は、検査車両上に搭載され、かつ適切なケーブル接続および入出力インタフェースを使って処理装置６０に接続される独立した市販のユニットとすることができる。ＧＰＳ受信機６４は差分ＧＰＳ（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ＧＰＳ）システムまたは非差分ＧＰＳ（ｎｏｎ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ＧＰＳ）システムを使用して地理的位置を得ることができる。ＧＰＳ受信機６４を使って実質的に正確な位置および時間データを得るための技法が当技術分野で知られているため、これ以上説明しない。地理的位置は処理装置６０に送信され、道床の画像データと共に編集されることができる。
【００２９】
カメラ５０から画像データが記録されるとき、フレームの地理的位置も記録されることができる。地理的位置データの連続ストリームをＧＰＳ受信機６４からコンピュータ６０に取り除くことは、処理装置６０を使って画像データを取り込むために利用できる処理時間を解放することができる。したがって、ＧＰＳ受信機６４は好ましくはデータを補助モジュール６５に送り込む。補助モジュール６５はこのデータをパッケージ化し、問い合わせられたとき、データを処理装置またはコンピュータ６０に送信する。地理的位置データを得ることに加えて、ＧＰＳ受信機６４は時間データを得ることができる。さらに、ＧＰＳ受信機６４を使って得られる位置および時間のデータは、他の変数、たとえば本明細書で開示される様々な目的のために使用されることができる検査車両の速度を決定するために使用されることができる。したがって、開示される検査システム３０は、ＧＰＳ受信機６４からのデータを使用して、カメラ５０をトリガしてレールに沿って約０．１インチごとに道床の静止画像を取り込むことができる。
【００３０】
代替の例示的実施形態では図１に示されるように、開示される検査システム３０はレールを検査しているときに検査車両の地理的位置を得るために距離装置６６を含むことができる。距離装置６６は、検査車両がレールに沿って動くときの車輪の回転または部分的回転をカウントするエンコーダとすることができる、または検査車両上の既存の走行距離計センサとすることができる。距離装置６６は位置データを処理装置６０に提供することができる。距離装置６６を使用して、開示される検査システム３０は、カメラ５０をトリガして、レールに沿って約０．１インチおきに道床の静止画像を取り込むことができる。
【００３１】
別の例示的実施形態では、開示される検査システム３０は、ＧＰＳ受信機６４または距離装置６６によりトリガされることなくカメラ５０の最大フレームレートで、またはほぼ最大フレームレートで道床の静止画像を取り込むことができる。たとえば、カメラ５０および処理装置６０は、検査車両が軌道に沿って移動する間、最大フレームレートで、またはほぼ最大フレームレートで動作することができる。枕木１０またはタイプレート１４の知られている平均幅を使用して、開示される検査システム３０は検査車両の速度を計算することができる。次に、開示されるシステムは、保持されるフレームがほぼ０．１インチの間隔を有するように、任意の余分なフレームを削除してデータ記憶領域を低減することができる。正確な間隔０．１インチが常に可能でないことがあるが、間隔は知られており、０．０５インチおよび０．１インチの間とすることができることが理解される。この実施形態では、フレーム間隔が一様なままとなるように、所与の枕木に対してそれぞれの保持されるフレーム間で同数のフレームが捨てられなければならない。たとえば、タイプレートが８インチ幅であることが知られており、かつ２４４フレームが特定のタイプレートに対して取り込まれる場合、それぞれの保持されるフレーム間で２つのフレームが捨てられることができる。全組のフレームが１から２４４まで番号をつけられる場合、保持されるフレームは、１、４、７、１０、…、２４１、２４４と番号をつけられるフレームとなる。保持される８２フレームは計算される間隔０．０９８インチを有する。
【００３２】
あるいは、開示されるシステムは、任意の２つの取り込まれたフレーム間に内挿して、軌道に沿って任意の所望の位置で新しい第３のフレームを生成することができる。このとき、所望の正確なフレーム間隔を達成するために、一部のフレームが捨てられることができる。
【００３３】
開示される検査システム３０が鉄道線路軌道の調査を完了した後、画像データのコンピュータ分析が行われる。コンピュータ分析は、検査車両内に配置される処理装置またはコンピュータ６０により行われることができる。あるいは、コンピュータ分析は、当技術分野で知られている画像処理ソフトウェアを有する別のコンピュータシステムにより行われることができる。コンピュータ分析は画像データを検索し、欠陥が発生している、または鉄道線路軌道の許容できる公差が維持されていない、軌道に沿った位置を決定するまたは検出する。特定の実施形態では、コンピュータ分析はカスタマイズまたは変更されることができる。適切な修理が行われることができる、または保守作業が予定されることができるように、欠陥、または許容されない公差の地理的位置が提供されることができる。
【００３４】
開示される検査システムおよび関連する方法を使って得られる道床の画像データから、鉄道線路軌道のいくつかの測定できる様態が決定される、または検出されることができる。以下の例では、いくつかのそのような測定できる様態が説明され、測定できる様態を分析するための様々な技法が開示される。開示される検査システムを使って得られる道床の画像データから、鉄道線路軌道のこれらおよび他の測定できる様態が決定される、または検出されることができることが理解されよう。さらに、画像データを分析するための、当技術分野で知られている他の技法が、開示される検査システムおよび関連する方法と共に使用されることができること、ならびに鉄道線路構成要素以外の表面が検査されるができることが理解されよう。したがって、開示される検査システムおよび関連する方法は、鉄道線路検査または測定できる様態、および本明細書で説明される特定の技法に限定されることが意図されていない。
【００３５】
明確にするために、図１１および図１２は、開示される検査システムおよび関連する方法を使って得られる画像データの例示的編集を図示する。図１１は、枕木、タイプレート、およびレールの一部を斜視図で示す複数の編集された画像データを有する。図１２はより詳細な斜視図を示す複数の編集された画像データを有する。図１１から図１２で理解されることができるように、編集された画像データは道床の領域の３次元表現（Ｘ、Ｙ、およびＺ）を形成する。表現は相当の詳細を有し、道床の構成要素の様々な様態が測定されることができる。図１１から図１２では、たとえば、枕木１０の亀裂または裂け目が見える。また、バラス層１８に対する枕木１０の高さが見える。タイプレート１４およびレール１２の向きおよび高さが見える。これらおよび他の詳細が、以下でより詳細に説明されるような開示される検査システムおよび関連する方法を使って得られることができる。
【００３６】
一例では、枕木間の間隔が複数の画像データから決定されることができる。図４Ａから図４Ｃを参照すると、枕木１０間の間隔を決定するために使用されることができる、開示される検査システム３０を使って得られる道床の例示的フレームが図示される。図４Ａは、軌道に沿って位置Ｚ１にある第１の枕木１０の輪郭を有する末端フレームＦ１を示す。この末端フレームＦ１はこの枕木１０を示す最後のフレームを指定することができる。図４Ｂは、末端フレームＦ１の後のあるときに、軌道に沿ってもっと先の位置Ｚ２で取り込まれた中間フレームＦ２を示す。この中間フレームＦ２は、軌道の枕木間の位置を指定するので、枕木がない。複数のそのような中間フレームが図４Ａの末端フレームＦ１に続くことが理解される。図４Ｃは、軌道に沿ってもっと先の位置Ｚ３にある別の枕木１０’を有する末端フレームＦ３を示す。コンピュータ分析は、たとえばまず枕木がないそのような中間フレームＦ２の数をカウントすることにより、枕木１０と１０’の間の間隔を決定することができる。次に、中間フレームＦ２の数は、枕木１０と１０’の間の距離を計算するためにフレーム間の知られている間隔（たとえば０．１インチ）により乗ずることができる。この方法では、道床の枕木間の実質的に正確な測定結果が、軌道検査官が枕木を物理的に検査することなく得られることができる。その代わり、道床の３次元スキャンを形成する画像データが使用される。
【００３７】
フレームが枕木を有するか有しないかを決定することは、当技術分野で知られているイメージング技法により行われることができる。たとえば、図４Ａから図４Ｃに示されるように、枕木１０の輪郭はフレームＦ１〜Ｆ３の関心領域Ｒ内に期待される。コンピュータ分析は、枕木の存在を示す画素を求めてフレームの関心領域Ｒを探索することができる。これは、たとえば、関心領域Ｒの画素の値を平均するまたは合計することにより行われることができる。枕木の輪郭は濃い画素から作り出されるので、枕木１０を有するフレームＦ１の関心領域Ｒは、枕木がない中間フレームＦ２内の領域Ｒよりも大きい平均または合計を有する。
【００３８】
別の例では、レールに対する枕木の角度が画像データから決定されることができる。図５を参照すると、開示される検査システムを使って得られる鉄道線路軌道の例示的フレームが図示される。レール１２の上部の角度の向きが線Ｌ１により表されることができる。線Ｌ１は、たとえば当技術分野で知られているベストフィットまたは曲線の当てはめの技法により推定されることができる。同様に、枕木１０の角度の向きが線Ｌ２により表されることができる。線Ｌ２も同様に、たとえば当技術分野で知られているベストフィットまたは曲線の当てはめの技法により推定されることができる。これらの線Ｌ１およびＬ２は、枕木１０近くのＺ軸に沿ったフレームのいくつかから平均されることができる。次に、コンピュータ分析は、これらの線Ｌ１〜Ｌ２間の角度関係を決定して、レールに対する枕木の角度を決定することができる。この状態は、摩耗したレール、または木製枕木上のプレート切断状態のいずれかを示す。
【００３９】
別の例では、レール内の割目が画像データから決定されることができる。図６Ａから図６Ｃを参照すると、開示される検査システムを使って得られ、かつレール１２の分離を決定するために使用されることができる、鉄道線路軌道の例示的フレームＦ１〜Ｆ３が図示される。図６Ａは、軌道に沿って位置Ｚ１にある第１のレール１２の末端を有する末端フレームＦ１を示す。この末端フレームＦ１はこのレール１２を示す最終フレームを指定する。図６Ｂは、末端フレームＦ１の後のあるときに、軌道に沿ってさらなる位置Ｚ２で取り込まれた中間フレームＦ２を示す。この中間フレームＦ２は、軌道のレール間の位置を表すのでレールを有しない。複数のそのような中間フレームＦ２が図６Ａの末端フレームＦ１に続くことがあることが理解される。図６Ｃは軌道に沿ってさらなる位置Ｚ３にある、別のレール１２’を有する別の末端フレームＦ３を示す。コンピュータ分析は、たとえば、レールがない中間フレームＦ２の数をまずカウントすることによりレール１２と１２’の間の間隔を決定することができる。次に、中間フレームＦ２のこの数は、レール１２と１２’の間の距離を計算するためにフレーム間の知られている間隔（たとえば０．１インチ）により乗ずることができる。
【００４０】
フレームがレール１２を有するか有しないかを決定することは、当技術分野で知られているイメージング技法により行われることができる。たとえば、図６Ａから図６Ｃに示されるように、レール１２の輪郭がフレームＦ１〜Ｆ３の関心領域Ｒ内に期待される。コンピュータ分析は、レールの輪郭の存在を示す画素を求めてフレームの関心領域Ｒを探索することができる。これは、たとえば関心領域内の画素の値を平均するまたは合計することにより行われることができる。レールの輪郭は濃い画素から作り出されるので、レール１２を有するフレームＦ１内の関心領域Ｒは、枕木がないフレームＦ２内の領域Ｒより大きな平均または合計を有する。
【００４１】
別の例では、レールの摩耗が画像データから決定されることができる。図７Ａから図７Ｂを参照すると、開示される検査システムを使って得られる鉄道線路軌道の例示的フレームＦ１〜Ｆ２が図示され、レール１２の摩耗を決定するために使用されることができる。コンピュータ分析は、たとえばレール１２の輪郭とフレームの基準点との間の距離が前のフレームの同じ距離より小さいかどうかを決定することにより、レール１２に摩耗があるかどうかを決定することができる。図７Ａは、軌道に沿って位置Ｚ１にあるレール１２を有するフレームＦ１を示す。レール１２の輪郭は、関心領域Ｒ内部にあり、フレームＦ１のＹ軸に沿ってレベルＬにある。レール１２の輪郭は、タイプレートの高さでもよい基準レベルＬ２、すなわち測定できる距離ＬＤの上にある。本開示の利益を受ける当業者に明白なように、基準Ｌ２は、いくつかの基準点、たとえばタイプレート１４、犬釘１６、または枕木１０などに配置されることができる。図７Ｂは、軌道に沿って別の位置Ｚ２にある別のフレームＦ２を示す。位置Ｚ２では、距離ＬＤは位置Ｚ１よりもレール１２の輪郭とレベルＬ２との間で短い。したがって、フレームＦ２は軌道に沿って位置Ｚ２にあるレール１２の摩耗を示すことができる。本開示の利益を受ける当業者に明白なように、レール摩耗はまた、道床に沿って異なる時間であるが同じ位置で得られるフレームを比較して決定されることができる。
【００４２】
別の例では、枕木１０内の欠陥が画像データから決定されることができる。図８に示されるように、開示される検査システムを使って得られる鉄道線路軌道の例示的フレームが示されている。枕木１０内に欠陥ＤおよびＤ’が示されている。コンピュータ分析は、たとえば、枕木の輪郭の部分Ｄが関心領域Ｒの外側にあるかどうか、または輪郭の部分Ｄ’が領域Ｒ内部に存在しないかどうかを決定することにより、枕木１０に欠陥があるかどうかを検出することができる。知られているように、枕木内の欠陥は、枕木内の亀裂、裂け目、または割目を含むことができる。そのような欠陥近くの複数の画像データを使用して、コンピュータ分析は欠陥の幅および長さを決定することができる。たとえば、図１１から図１２で理解されるように、複数の画像データが枕木のエッジ内に示される亀裂の幅Ｗおよび長さＬを推定するために使用されることができる。一部の例では、たとえば、欠陥の向きが、レーザからの光が欠陥内部に投射されカメラにより取り込まれることができるようにするとき、コンピュータ分析が欠陥の深さを決定することができる。一実施形態では、引っ込んだ欠陥の中に投射する光が、レーザ光のビームとほぼ並行に配置されるカメラにより依然として取り込まれることができるように、レーザとカメラとの間の角度が比較的小さくなることができる。
【００４３】
別の例では、レールの間隔または軌間、あるいは枕木の長さが画像データから決定されることができる。図８では、当技術分野で知られているエッジ検出技法が、フレーム内のレールの輪郭１２のエッジを見つけ出すために使用されることができ、エッジ間の距離Ｗ１が、レール１２間の間隔を推定するために計算されることができる。同様に、当技術分野で知られているエッジ検出技法が、フレーム内の枕木の輪郭１０のエッジを見つけ出すために使用されることができ、エッジ間の距離Ｗ１が、枕木１０の幅Ｗ２を推定するために計算されることができる。
【００４４】
別の例では、枕木１０に対するバラス１８の高さが画像データから決定されることができる。図８では、直線適合（ｌｉｎｅ  ｆｉｔｔｉｎｇ）技法がバラス１８のレベルおよび枕木１０のレベルを決定することができ、これらのレベル間の差が枕木１０に対するバラス１８の高さＨＢを推定することができる。別の例では、鉄道線路軌道のスキャンがバラス１８内の石のサイズを決定するために使用されることができる。これは、バラス１８を有する関心領域を分析し、バラス１８の輪郭の曲率を使用してバラスの石のサイズを推定することにより行われることができる。
【００４５】
他の例では、持ち上がった犬釘が画像データから検出されることができる。図９を参照すると、開示される検査システムを使って得られる鉄道線路軌道の例示的フレームが図示される。持ち上がった犬釘があるかどうか決定するために、持ち上がった犬釘１６を表す輪郭の一部が領域Ｒ内部に発生しているかどうかを決定するために、関心領域Ｒが分析されることができる。
【００４６】
別の例では、欠けているタイプレート、位置ずれしているタイプレート、または沈下したタイプレートが画像データから検出されることができる。図１０を参照すると、開示される検査システムを使って得られる鉄道線路軌道の例示的フレームが図示される。欠けているまたは沈下したタイプレートは、たとえば、関心領域Ｒを分析し、タイプレートを表す輪郭の一部が領域Ｒ内部に発生しているか発生していないかを決定することにより検出されることができる。位置ずれしているタイプレートは、たとえば、タイプレートの輪郭の一部を直線適合して、線の向きを枕木の線の向きと比較することにより決定されることができる。
【００４７】
ここで、図１３に関連して、検査システム３０の代替の例示的実施形態が説明される。この実施形態では、検査システム３０は、前の実施形態に対して説明されるのと同じ方法で構築され、動作させられることができる。しかし、この実施形態では、本発明がより効果的な昼間の動作を可能にするように適合された。検査システム３０は、検査される表面の上方に搭載される３つのライン生成レーザ（ｌｉｎｅ−ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ  ｌａｓｅｒ）を利用する。中央のレーザ４０が骨組み３２の中央に搭載され、レーザの角度広がりβ以内の表面領域をスキャンするが、外側の２つのレーザ４０は、その角度広がりβ以内にある、検査される表面の外側の周辺をスキャンする。たとえば、鉄道線路軌道が検査されている場合、中央のレーザ４０は９フィートの枕木を完全にスキャンすることができるが、外側のレーザはレールをスキャンする。
【００４８】
この例示的実施形態では、２つの外側のレーザ４０は、ほぼ１０°の角度γで中央のレーザから離れて外側に傾けられる。検査システム３０がたとえばトラックの架台の中に収容されることができるようにするために、２つの外側のレーザ４０はこの実施形態では傾けられるが、依然として鉄道線路道床の９フィートの枕木をスキャンすることができる。レーザ４０を外側に傾けることにより、本発明は枕木を検査するために必要とされるスキャン幅を達成するが、依然としてトラックの範囲内に物理的に合う。しかし、本発明はまた他の表面を検査するために使用されることができるので、２つのレーザ４０は、その応用の実際の要件に応じてどちらにも傾けられることができない。
【００４９】
図１３の例示的実施形態をさらに参照すると、レーザ４０は４５°の角度広がりβをそれぞれ有する７ワットレーザである。しかし、角度広がりβは、本開示の利益を受ける当業者により理解されるように、レーザ４０と検査される表面との間の距離に多かれ少なかれ依存し得る。検査される表面上にレーザ４０により投射されるレーザラインＬ（すなわちレーザビームＬ）の強度は、表面上に投射されるレーザラインＬの幅の１インチあたり少なくとも０．１５ワットである。最も好ましい実施形態では、強度は表面上に投射されるレーザラインＬの幅の１インチあたり０．１８ワットである。利用されるレーザ４０の数は、利用される数がレーザラインＬの１インチあたりに必要なワット数を供給することができるかぎり、３つより多くても、３つより少なくてもよい。したがって、本開示の利益を受ける当業者は、この最小ワット数を供給することができる様々なレーザの組合せがあることを理解している。
【００５０】
図１３の例示的実施形態をさらに参照すると、３つのレーザ４０を組み合わせて使用することが、より高い光強度を供給し、それにより、同じ波長で日射より高い強度になる特定の波長で光線を生成する。この例示的実施形態では、レーザ４０はそれぞれ当技術分野で理解されるような８０８ｎｍ±２ｎｍの波長のレーザである。レーザ波長のこの選択は、図１６のグラフに示されるように、地球の大気を通り抜ける太陽光線により引き起こされるほぼ８０８ｎｍでの太陽スペクトルでのディップに対応する。この場合、太陽スペクトルは、ＵＶ、可視、および赤外線の波長を含むおおまかに言って４００ｎｍから２４００ｎｍを超える範囲で、海抜レベルで示される。ほぼ８０８ｎｍでは、太陽の太陽エネルギーに急激なディップがある。したがって、ほぼ８０８ｎｍでの８０８ｎｍレーザの波長は同じ波長で日射より強く、したがって、８０８ｎｍレーザの放射光がカメラ５０を介して昼間に検出されることができるようになるので、本発明で利用される８０８ｎｍレーザが特に選択された。本開示の利益を受ける当業者は、他のレーザ波長が、本発明に従って、日射での他のディップを活用するために利用されることができることを理解している。
【００５１】
図１４および図１５を参照すると、ここで、本発明のカメラ５０の例示的代替実施形態が説明される。前に説明されたように、カメラ５０は骨組み３２に搭載され、検査される表面（この例では鉄道線路軌道）の画像データを有線または無線の伝送線を介して処理装置またはコンピュータ６０に送信する。しかし、この例示的実施形態では、カメラ５０は、それぞれレンズ７２を有するハウジング７０を含む。ハウジング７０の内部には、クロック信号により制御される連続ステージを通してアナログ信号の伝送を可能にするアナログシフトレジスタである電荷結合デバイス７４、すなわちＣＣＤがある。ＣＣＤ７４は、当技術分野で理解されるように、１つの形態のメモリとして、またはアナログ信号のサンプルを遅延させるために使用されることができる。しかし、代替形態では、当技術分野で理解されるようなＣＭＯＳセンサが、同様に画像を取り込むために利用されることができる。本開示の利益を受ける当業者は、本発明と共に利用されることができる様々なカメラがあることを理解している。
【００５２】
図１５に図示されるように、ＣＣＤ７４は、光帯域フィルタ７６に隣接して配置される。この例示的実施形態では、帯域フィルタ７６は、本開示の利益を受ける当業者により理解されるように、レーザ４０の波長−２ｎｍおよび＋１ｎｍの帯域を通過させるが、カメラ５０の応答範囲３００ｎｍから１１００ｎｍまでの残りに対して少なくともＯＤ４のフィルタにかけて、帯域通過領域近くに存在する上昇領域および下降領域を除外するように選択された。したがって、８０８ｎｍレーザを利用することにより、帯域フィルタ７６は波長ほぼ８０６ｎｍから８１０ｎｍを通過させるが、残りの日射をフィルタにかけて取り除く。この波長では日射にディップがあるので、レーザ４０により生成されるラインは昼間に容易に検出できる。
【００５３】
ある角度でフィルタを通過する光に関連するブルーシフトを低減するために、レンズ７２とＣＣＤ７４との間に帯域フィルタ７６が搭載される。典型的には、光がフィルタを極端な角度で通過するとき、多くの異なる角度で同じ波長の光を得るために、広い通過帯域を伴うフィルタを有しなければならない。フィルタがレンズの外側に配置される場合、光は極端な角度で入ってくる。しかし、フィルタをレンズの背後に移動させることにより、光ははるかにより平行になり、ブルーシフト効果が劇的に低減される。ブルーシフトのこの低減が、できるだけ多くの日射をフィルタにかけて取り除くために必要であるはるかによりタイトなフィルタ帯域通過をもたらす。したがって、帯域フィルタ７６はレンズ７２の背後に搭載される。
【００５４】
ＣＣＤ７４と向かい合って帯域フィルタ７６の反対側にスペーサ７８が配置される。スペーサ７６は、画像データがレンズ７２から収集されることができるようにする開口８０を含む。この実施形態では、帯域フィルタ７６はできるだけ多くのレーザ以外により生成される光をふるい落とし、それにより、昼間の検査を可能にする。また、この実施形態は、フィルタ７６を通過する光により、焦点距離のわずかな増加をもたらす。この現象は、レンズ７２とカメラハウジング７０との間に配置されるスペーサ７８の使用によりレンズ７２から少し遠くにＣＣＤ７４を搭載することにより補償される。スペーサ７８はＣＣＤ７４に対するレンズ７２の向きを変える。スペーサ７８はたとえば精密シムワッシャでもよい。しかし、代替形態では、スペーサ７８は十分広い焦点範囲を有するカメラレンズを利用する実施形態では必要ではない。したがって、本開示の利益を受ける当業者は、本発明と共に利用されることができる様々なスペーサがあること、およびスペーサ７８の必要性がレンズ選択を通して否定されることができることを理解している。
【００５５】
例示的実施形態によれば、本発明は表面を検査するためのシステムを含み、システムは、光のビームの幅の１インチあたりの強度が総計で少なくとも０．１５ワットの光のビームを表面全体に投射するように適合される、表面に隣接して配置される少なくとも１つの光発生器と、表面から反射される光の少なくとも一部を受け取るため、および表面の少なくとも一部のプロファイルを表す少なくとも１つの画像を生成するために、表面に隣接して配置される少なくとも１つのカメラであって、日射内のディップに対応する、光発生器により投射される光のビームの帯域を通過させるように適合される帯域フィルタを含む少なくとも１つのカメラと、少なくとも１つの画像を分析して表面の一部の１つまたは複数の物理的特性を決定するように適合される少なくとも１つのプロセッサとを含む。例示的実施形態では、発生器により投射される光のビームの角度広がりは４５°である。
【００５６】
このシステムの代替実施形態では、光発生器は、中央のレーザと、１０°の角度で中央のレーザから外側にそれぞれ傾けられる、中央のレーザの両側に配置される２つの外側のレーザとを含む。代替形態では、光発生器は８０８ｎｍレーザである。さらに別の実施形態では、カメラはレンズと、レンズに隣接して配置されるスペーサと、電荷結合デバイスとを含み、帯域フィルタは電荷結合デバイスとスペーサとの間に結合される。帯域フィルタはカメラのレンズの背後に配置される。
【００５７】
このシステムのさらに別の実施形態では、表面は鉄道線路道床であり、プロセッサは鉄道線路道床の枕木間の距離を決定するアルゴリズムを含み、アルゴリズムは、（ａ）最初および末端のフレームが枕木を含むが、１つまたは複数の中間フレームには枕木がない、少なくとも１つの画像の最初のフレーム、１つまたは複数の中間フレーム、および末端フレームを分析するステップと、（ｂ）枕木がない１つまたは複数の中間フレームの数を決定するステップと、（ｃ）フレーム間の知られている間隔を決定するステップと、（ｄ）枕木がない１つまたは複数の中間フレームの数、およびフレーム間の知られている間隔に基づき、最初と末端のフレームの枕木間の距離を決定するステップとを含む。
【００５８】
このシステムの代替実施形態では、表面は鉄道線路道床であり、プロセッサは鉄道線路道床の位置ずれしているまたは沈下しているタイプレートを検出するためのアルゴリズムを含み、アルゴリズムは、（ａ）関心領域を含む、少なくとも１つの画像のフレームを分析するステップと、（ｂ）関心領域がタイプレートを含むかどうかを決定するステップと、（ｃ）タイプレートが存在する場合、枕木の輪郭およびタイプレートの輪郭を決定するステップと、（ｄ）枕木の輪郭の向き、およびタイプレートの輪郭の向きを比較するステップと、（ｅ）比較に基づき、タイプレートが位置ずれしているまたは沈下しているかどうかを決定するステップとを含む。
【００５９】
このシステムのさらに別の代替実施形態では、表面は鉄道線路道床であり、プロセッサは鉄道線路道床のレールの割目を識別するためのアルゴリズムを含み、アルゴリズムは、（ａ）最初および末端のフレームがレールを含むが、１つまたは複数の中間フレームにはレールがない、少なくとも１つの画像の最初のフレーム、１つまたは複数の中間フレーム、および末端フレームを分析するステップと、（ｂ）レールがない１つまたは複数の中間フレームの数を決定するステップと、（ｃ）フレーム間の知られている間隔を決定するステップと、（ｄ）レールのない１つまたは複数の中間フレームの数、およびフレーム間の知られている間隔に基づき、レール内の割目を識別するステップとを含む。さらに別の実施形態では、表面は道路、植物、建築基礎、自動車橋梁、または歩道を含む。
【００６０】
本発明の例示的方法が、（ａ）総計で光の幅の１インチあたりの強度が少なくとも０．１５ワットの合成強度になる光を表面の範囲全体に照射するステップと、（ｂ）日射内のディップに対応する、反射される光の帯域だけを通過させるように適合される帯域フィルタを含む１つまたは複数のカメラを使用して、表面から反射される光の少なくとも一部を受け取るステップと、（ｃ）表面の少なくとも一部のプロファイルを表す少なくとも１つの画像を生成するステップと、（ｄ）少なくとも１つの画像を分析するステップと、（ｅ）表面の一部の１つまたは複数の物理的特性を決定するステップと、（ｆ）表面の一部の決定された物理的特性を出力するステップとを含む。さらに別の例示的方法では、ステップ（ａ）は、角度広がり４５°をそれぞれ有する光の複数のビームを投射して、表面全体に照射される光を形成するステップを含む。
【００６１】
代替方法では、光の複数のビームは、中央のビーム、および中央のビームの両側の２つの外側のビームを含み、ステップ（ａ）は、１０°の角度で中央のビームから外側に２つの外側のビームを投射するステップをさらに含む。別の方法では、表面の範囲全体に照射される光は８０８ｎｍレーザを使用して生成される。
【００６２】
さらに別の例示的方法では、表面は鉄道線路道床でもよく、方法は、鉄道線路道床の枕木間の距離を決定するステップをさらに含み、距離を決定するステップは、（ａ）最初および末端のフレームが枕木を含むが、１つまたは複数の中間フレームには枕木がない、少なくとも１つの画像の最初のフレーム、１つまたは複数の中間フレーム、および末端フレームを分析するステップと、（ｂ）枕木がない１つまたは複数の中間フレームの数を決定するステップと、（ｃ）フレーム間の知られている間隔を決定するステップと、（ｄ）枕木がない１つまたは複数の中間フレームの数、およびフレーム間の知られている間隔に基づき、最初および末端のフレームの枕木間の距離を決定するステップとを含む。
【００６３】
さらに別の方法では、表面は鉄道線路道床であり、方法は、鉄道線路道床のレール内の割目を識別するステップをさらに含み、識別するステップは、（ａ）最初および末端のフレームがレールを含むが、１つまたは複数の中間フレームにはレールがない、少なくとも１つの画像の最初のフレーム、１つまたは複数の中間フレーム、および末端フレームを分析するステップと、（ｂ）レールがない１つまたは複数の中間フレームの数を決定するステップと、（ｃ）フレーム間の知られている間隔を決定するステップと、（ｄ）レールがない１つまたは複数の中間フレームの数、およびフレーム間の知られている間隔に基づき、レール内の割目を識別するステップとを含む。
【００６４】
この例示的方法では、表面は鉄道線路道床でもよく、方法は、鉄道線路道床の位置ずれしているまたは沈下しているタイプレートを検出するステップをさらに含み、検出するステップは、（ａ）関心領域を含む、少なくとも１つの画像のフレームを分析するステップと、（ｂ）関心領域がタイプレートを含むかどうかを決定するステップと、（ｃ）タイプレートが存在する場合、枕木の輪郭およびタイプレートの輪郭を決定するステップと、（ｄ）枕木の輪郭の向きおよびタイプレートの輪郭の向きを比較するステップと、（ｅ）比較に基づき、タイプレートが位置ずれしているまたは沈下しているかどうかを決定するステップとをさらに含む。
【００６５】
本発明のさらに別の代替方法が、（ａ）光の幅の１インチあたりの強度が少なくとも０．１５ワットの強度を有する光を表面上に投射するステップと、（ｂ）表面から反射される光の少なくとも一部を受信機の中で受け取るステップと、（ｃ）受信機の帯域フィルタを利用して、ディップで日射より強くなるように適合される、日射でのディップに対応する反射される光の帯域を通過させるステップと、（ｄ）反射される光の通過させられる帯域を利用して、表面の少なくとも一部のプロファイルを表す１つまたは複数の画像を生成するステップと、（ｅ）表面の一部の１つまたは複数の特性を決定するステップと、（ｆ）表面の一部の決定された特性を出力するステップとを含む。代替方法では、ステップ（ａ）は、角度広がり４５°をそれぞれ有する光の複数のビームを投射して、表面上に投射される光を形成するステップをさらに含む。さらに別の例示的方法では、光の複数のビームは、中央のビーム、および中央のビームの両側の２つの外側のビームを含み、ステップ（ａ）は、１０°の角度で中央のビームから外側に２つの外側のビームを投射するステップをさらに含む。
【００６６】
代替形態では、表面は鉄道線路道床でもよく、方法は鉄道線路道床の枕木間の距離を決定するステップをさらに含み、距離を決定するステップは、（ａ）最初および末端のフレームが枕木を含むが、１つまたは複数の中間フレームには枕木がない、１つまたは複数の画像の最初のフレーム、１つまたは複数の中間フレーム、および末端フレームを分析するステップと、（ｂ）枕木がない１つまたは複数の中間フレームの数を決定するステップと、（ｃ）フレーム間の知られている間隔を決定するステップと、（ｄ）枕木がない１つまたは複数の中間フレームの数、およびフレーム間の知られている間隔に基づき、最初および末端のフレームの枕木間の距離を決定するステップとを含む。
【００６７】
さらに別の代替方法では、表面は鉄道線路道床でもよく、方法は鉄道線路道床のレール内の割目を識別するステップをさらに含み、識別するステップは、（ａ）最初および末端のフレームがレールを含むが、１つまたは複数の中間フレームにはレールがない、１つまたは複数の画像の最初のフレーム、１つまたは複数の中間フレーム、および末端フレームを分析するステップと、（ｂ）レールがない１つまたは複数の中間フレームの数を決定するステップと、（ｃ）フレーム間の知られている間隔を決定するステップと、（ｄ）レールがない１つまたは複数の中間フレームの数、およびフレーム間の知られている間隔に基づき、レール内の割目を識別するステップとを含む。
【００６８】
さらに別の方法では、表面は鉄道線路道床でもよく、方法は、鉄道線路道床の位置ずれしているまたは沈下しているタイプレートを検出するステップをさらに含み、検出するステップは、（ａ）関心領域を含む、１つまたは複数の画像のフレームを分析するステップと、（ｂ）関心領域がタイプレートを含むかどうかを決定するステップと、（ｃ）タイプレートが存在する場合、枕木の輪郭およびタイプレートの輪郭を決定するステップと、（ｄ）枕木の輪郭の向きおよびタイプレートの輪郭の向きを比較するステップと、（ｅ）比較に基づき、タイプレートが位置ずれしているまたは沈下しているかどうかを決定するステップとを含む。
【００６９】
様々な実施形態が示され、説明されたが、本発明はそのように限定されず、当業者に明白であるような修正形態および変形形態をすべて含むものとして理解される。たとえば、本明細書で開示される実施形態は鉄道線路道床に適用されたが、本発明はまた、様々な他の表面、たとえば道路、歩道、樹木／森、作物、橋、建築基礎、検査システムの下の公道を移動する車、または検査および／または測定したいと思われることがあり得る任意の様々な３−Ｄ形状を検査するために利用されることができる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその均等物を考慮する以外に制限されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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