具体实施方式

以下，参照图1和图2对三维激光扫描装置的概略构成进行说明。图1是三维激光扫描装置的主视图，图2是该三维激光扫描装置的立体图。

在图1和图2中，激光计测单元1(激光测距装置)发出激光，照射至测距对象，接受从测距对象反射的激光，测定激光计测单元1与测距对象的直线距离。

具体而言，激光计测单元1发出的激光一旦抵达反射镜2(反射镜)，就会利用镜片表面的反射而朝向测距对象进行照射。作为反射镜2，优选使用将圆柱状的物质(玻璃等)倾斜地剖切，在其剖切平面蒸镀银等的柱状反射镜。除了蒸镀以外，也可以将镜片就这样粘贴于剖切平面。在本实施例中，圆柱的中心轴和剖切平面具有45度的倾斜角度。

反射镜2由镜片驱动马达3(第一驱动部)轴支承为能够以圆柱的中心轴(水平旋转轴)为中心进行旋转。由此，来自激光计测单元1的激光被镜片表面反射，从而向从圆柱的中心轴(水平旋转轴)离开90度的方向偏向。测距的激光通过该镜片2的旋转而朝向垂直方向的所有角度照射。镜片编码器4用于检测由镜片驱动马达3实现的镜片2的旋转的角度。

激光计测单元1和镜片驱动马达3被支承固定于旋转支承台5(旋转支承部)上。旋转支承台5具有被载置固定于设置面的支承脚5a和在支承脚5a上立起形成的固定轴5b。支承台主体5c经由轴承5c1可旋转地支承于固定轴5b。在支承台主体5c的上端部，上部支承板5d被设置为沿与固定轴5b正交的方向向比支承台主体5c靠外侧伸出。在上部支承板5d支承有激光计测单元1和控制单元6。在上部支承板5d上立起形成有立起板5e，在该立起板5e支承固定有镜片驱动马达3。

在支承台主体5c的下端部，下部支承板5f被设置为沿与固定轴5b正交的方向向比支承台主体5c靠外侧伸出。在下部支承板5f上，以马达轴7a朝下的方式支承固定有主轴驱动马达7(第二驱动部)。在马达轴7a一体地设有马达齿轮8a。此外，马达齿轮8a与一体地组装于固定轴5b的固定齿轮8b啮合。在固定轴5b设有主轴编码器9。主轴编码器9用于检测由主轴驱动马达7实现的支承台主体5c的旋转的角度。

控制单元6(控制部)总括地对激光计测单元1、镜片驱动马达3以及主轴驱动马达7的动作进行控制。在控制单元6从镜片编码器4获取镜片驱动马达3的旋转信息，从主轴编码器9获取主轴驱动马达7的旋转信息，控制它们的旋转驱动。

当对主轴驱动马达7进行旋转驱动时，设于马达轴7a的马达齿轮8a进行旋转。马达齿轮8a与设于固定轴5b的固定齿轮8b啮合并进行公转。由此，使支承台主体5c经由轴承5c1以固定轴5b为中心进行旋转。由此，旋转支承台5进行旋转，因此组装于旋转支承台5的激光计测单元1和反射镜3也会以固定轴5b为中心进行自转。

像这样，通过使激光计测单元1发出的激光通过反射镜2向与激光照射方向垂直的方向偏向并且以水平旋转轴为中心进行旋转，向垂直方向的整周照射，并且通过激光计测单元1和反射镜2与旋转支承台5一起以固定轴5b为中心进行自转，实现三维激光扫描。

需要说明的是，优选的是，在对旋转支承台5组装激光计测单元1、镜片驱动马达3、控制单元6以及主轴驱动马达7时，考虑以固定轴5b为中心的旋转支承台5的旋转平衡来进行组装。在本实施例中，由激光计测单元1和控制单元6以及镜片驱动马达3和主轴驱动马达7调整重量平衡。

图3概念性地举例示出假设在三维激光扫描装置的周围假想性地存在任意的半径的透明的球体的情况下，在该假想球体的表面(以下称为“假想球面10”)上测距用激光怎样进行照射。即，是表示反射镜2通过镜片驱动马达3与主轴驱动马达7的旋转的合成以一定的图案进行运动时反射面的方向如何变化，此外还表示作为激光计测单元1发出的激光由反射镜2反射后的结果，扫描线在假想球面10上描绘出何种图案的示意图。

在本实施例中，旋转支承台5的质量与反射镜2的质量相比较大，因此将镜片驱动马达3的旋转速度设为与主轴驱动马达7的旋转速度相比大幅变高。因此，在假想球面10上标示出的激光在纬度(上下)方向上变密，在经度(水平)方向上变粗。在该扫描图案中，在假想球面10的北极点附近，照射激光的点的密度变高。高密度照射区域相当于假想球面10的北极点附近。需要说明的是，理论上在假想球面10的南极点附近也同样会产生照射激光的点的密度变高的高密度照射区域，但如上所述，反射镜2的反射光会被旋转支承台5遮挡，因此主要以北极点附近为对象进行说明。

在此，以由激光计测单元1照射的激光在假想球面10上的扫描点的纬度θ1(0°≤θ1≤90°)和经度θ2(0°≤θ2≤360°)为参数，在规定扫描范围内以降低激光照射的频度的方式进行扫描。特别是，由于激光的扫描点的纬度越变为高纬度则越会成为高密度照射区域，因此需要以降低激光照射的频度的方式进行扫描。需要说明的是，若将经度θ2的变化设为恒定，则能仅以扫描点的纬度θ1为参数来照射激光。

以下，对降低激光计测单元1的激光照射的频度的扫描(以下称为“间隔增大扫描”)的一个例子进行说明。在激光照射假想球面10的北极点附近时，与由镜片编码器4检测出的纬度的增加相应地降低激光测距动作的频度，由此来实现。即，通过在纬度θ1在规定角度范围内时将激光照射的频度降低为每n次(n＝1/cosθ1：0°≤θ1＜90°)中1次的比率来进行扫描，能将高密度照射区域的激光照射能量密度降低为1/n。

对间隔增大扫描方法进行更详细的说明。

如图1和图2所示，三维激光扫描装置具有激光计测单元1。激光计测单元1以恒定的时间间隔连续地进行激光测距。因此，通过由镜片驱动马达3旋转驱动的反射镜2与由主轴驱动马达7旋转驱动的旋转支承台5的协作，激光向周围的三维空间照射。如图3所示，照射的激光在假想球面10上可看作一定的扫描点的集合。在图3中省略了周围的物体，实际上激光计测单元1测定从假想球面10的中心至物体的直线距离，控制单元6基于直线距离与镜片编码器4和主轴编码器9的输出计算极坐标值，多次进行该过程来制作点群数据。

如上所述，假想球面10的北极点附近成为高密度照射区域，因此通过随着进行激光测距的纬度变高(＝靠近北极点)而逐渐减少进行激光测距的比率，能降低能量密度。若将赤道面的上方设为北纬，则例如进行以下这样的控制：在北纬0度～60度中不进行间隔增大扫描，在北纬60度～75度中进行1/2的间隔增大扫描(以每2次中1次的比率进行激光测距)，在北纬75度～90度中进行1/4的间隔增大扫描(以每4次中1次的比率进行激光测距)。通过像这样做，极点附近的能量密度降低至4分之1。此外，由间隔增大扫描实现的点群密度的降低不会降低赤道附近的点群密度，因此能得到密度更均匀的点群。

作为不同的方法，也可以是，不对纬线(上下方向)的激光测距动作进行间隔增大，而是若达到一定的纬度则不进行纬线方向的激光测距本身。以当镜片驱动马达3旋转一周时激光扫描线的轨迹穿过假想球面10的北极点一次，但在此期间假想球面10的赤道的经度旋转相当于1度的方式对主轴驱动马达7进行旋转控制。因此，激光测距的纬线方向的点的轨迹严格来说不与纬线平行。为了便于说明，通过假想球面10以及扫描线的轨迹交叉时的纬度θ1和经度θ2进行表示。在假想球面10的赤道上的与东经0度交叉的纬线方向的轨迹中，在北纬0度～90度中进行激光测距(无间隔增大)。在假想球面的赤道上的与东经1度的经线交叉的纬线方向的轨迹中，在北纬0度～60度中进行激光测距(无间隔增大)，在北纬60度～90度中不进行激光测距(间隔增大)。在假想球面10的赤道上的与东经2度交叉的纬线方向的轨迹中，在北纬0度～75度中进行激光测距(无间隔增大)，在北纬75度～90度中不进行激光测距(间隔增大)。在假想球面10的赤道上的与东经3度交叉的纬线方向的轨迹中，在北纬0度～60度中进行激光测距(无间隔增大)，在北纬60度～90度中不进行激光测距(间隔增大)。每隔经度4度重复进行像这样的控制。由此，在北纬75度～90度中经线方向的激光测距被间隔增大1/4，在北纬60度～75度中经线方向的激光测距被间隔增大1/2。

以下，参照图4所示的扫描线的纬度经度展开图对间隔增大扫描的例子进行说明。在图4中纵轴表示纬度θ1，北极成为90度，赤道成为0度。此外，横轴表示经度θ2，每一定角度10度地示出东经0度～东经360度(一周)的量。设为激光计测单元1的水平光轴(表示激光照射方向)旋转旋转角A度(10度)时，垂直轴旋转180度(从南极向北极)。此外，虽未图示，但设为在扫描线上以B度间隔进行测距，得到点群数据。

例如，由图4的最靠左侧的斜线表示的扫描线从南极(南纬90度东经0度)穿过赤道(北纬0度东经5度)到达北极(北纬90度东经10度)。然后向相反侧继续扫描。若在此时的北极(北纬90度东经10度)到达相反侧，则成为北纬90度西经170度(＝东经190度)，经过赤道(北纬0度西经165度＝东经195度)成为南极(南纬90度西经160度＝东经200度)。整周的扫描便是重复进行以上扫描至旋转360度。需要说明的是，本来在南极侧也存在激光照射为高密度的区域，但如上所述，仅将北半球区域作为间隔增大扫描的对象。

此外，在图4中，在从北极点经过赤道到达南极的纬度的表示中表记为90度→0度→90度，但将θ1设为在0～90°的范围内(北极点＝90°，赤道上＝0°)。

激光计测单元1以某恒定周期(例如1次测距10μ秒)连续照射激光，进行测距。该周期基本上是固定的值，不是能动态变更的类型，而是在该系统中特定化的固有值。因此，若激光计测单元1在垂直方向和水平方向上的旋转是恒定的角速度，则进行测距的点会在假想球面10(参照图3)上描绘特定的图案。

在图4中，B度表示在以上述的周期连续进行测距时的某点与其下一点的纬度θ1的差。在假想球面10的北极点附近记载“θ1＝90°扫描线上的测定间隔4B”是表示，原本在通常情况下在纬度方向上以B度间隔进行测距，此时以4B度的间隔(＝间隔增大1/4)进行测距。

像这样随着纬度θ1越高(＝越靠近北极点)，即使在经线上(水平方向)为相同的A度，实际的距离也越缩短。根据该经线方向的缩短的程度，对纬线方向(垂直方向)的扫描线进行间隔增大。若将进行激光测距的假想球面10的纬度设为θ1(0°≤＜θ1＜90°)，则激光计测单元1在纬度θ1上每n次(n＝1/cosθ1)进行一次测距动作的间隔增大。

具体而言，相当于上述的A度的角度表示扫描线的轨迹与赤道交叉的经度(＝水平方向)的间隔，不改变该A度而使假想球面10中的经线上的距离与赤道上的情况的长度相比成为一半的是cos60°＝0.5，因此，将赤道上设为北纬0度，在北纬60度经线上的长度成为赤道处的一半。若以每n次中1次这样的表现来定义间隔增大，则n＝1/cos(θ1)＝1/cos60°＝2次。因此，在北纬60度处以每2次中1次的比率进行测距动作的间隔增大。

同样地，cos75.52°＝0.25，因此在北纬75.5度处经线上的长度成为赤道上的长度的1/4。因此，n＝1/cos(θ1)＝1/cos75.52°＝4次。因此，在北纬75.52度处，以每4次中1次的比率进行间隔增大扫描。需要说明的是，在假想球面10的北极点中，cos90°＝0，因此不代入这样的公式而仅进行整周的扫描中的N次(N为自然数)的间隔增大扫描。

接着，以图5为例对具体的间隔增大扫描的图像进行说明。

图5示出了假想球面10的北半球的一部分的间隔增大扫描的概念。θ1示出了假想球面10的纬线(南北)方向，θ2示出了假想球面10的经线(东西)方向。沿南北方向分成3个区域，从南开始依次是“无间隔增大”、“发光频度1/2”、“发光频度1/4”。

在无间隔增大区域中，不进行间隔增大扫描，相当于上述的θ1＝0～60°。在发光频度1/2区域中，相当于上述的θ1＝60～75.5°，若应用于上述的n＝1/cosθ1则n＝2，以每2次中1次的频度进行测距。在发光频度1/4区域中，相当于上述的θ1＝75.5～90°，若应用于前述的n＝1/cosθ1则n＝4，以每4次中1次的频度进行测距。

需要说明的是，图5是用于对间隔增大扫描的图像进行说明的概念图，实际上在各区域中进行较多的间隔增大扫描。

在图6中，以另一个例子对具体的间隔增大扫描的图像进行说明。

图6与图5相同，示出了假想球面10的北半球的一部分的间隔增大扫描的概念，但是与图5不同的间隔增大扫描的例子。

θ1示出了假想球面10的纬线(南北)方向，θ2示出了假想球面10的经线(东西)方向。沿南北方向分成3个区域，从南开始依次是“无间隔增大”、“发光频度1/2”、“发光频度1/4”。与图5不同，在图6中示出了东西方向的发光频度。

在无间隔增大区域中，不进行间隔增大扫描，相当于上述的θ1＝0～60°。在发光频度1/2区域中，相当于上述的θ1＝60～75.5°，若应用于前述的n＝1/cosθ1则n＝2，在东西方向上以频度成为每2次中1次的方式进行测距。在发光频度1/4区域中，相当于上述的θ1＝75.5～90°，若应用于上述的n＝1/cosθ1则n＝4，在东西方向上以频度成为每4次中1次的方式进行测距。

需要说明的是，图6是用于对间隔增大扫描的图像进行说明的概念图，实际上在各区域中进行较多的间隔增大扫描。

上述的北纬60°、北纬75.5°是一个例子，也可以将北极点附近的北纬75.5度以上的区域进一步细分化，求出cosθ1＝1/8、1/16的角度，使测定点的极点附近的间隔增大量增多，进一步使高能量照射密度区域的能量密度成为1/8、1/16。

以上对镜片驱动马达3的旋转较快，主轴驱动马达7旋转较慢的三维激光扫描装置进行了说明，但也可以使镜片驱动马达3与主轴驱动马达7的旋转速度的关系相反(镜片驱动马达3的旋转较慢，主轴驱动马达7旋转较快的情况)。在该情况下，在假想球面10的北极点附近也同样会产生高密度照射区域，因此应用上述的想法同样地进行间增大即可。

如果使用上述的三维激光扫描装置，则能降低激光照射密度变高的高密度区域中的能量密度，因此能在同样的安全标准内以更高的激光输出进行计测，因此能提供一种确保了激光测距的距离、精度等性能的三维激光扫描装置。因此，能在遵守三维激光扫描装置的安全标准的同时实现较高的实用性，进一步实现节能性。