JP2010508497A - ライダー用走査システム - Google Patents

Abstract

本発明は、ノッディング・ミラー、回転電磁式駆動装置、回転光学式エンコーダ、および制御回路構成体を含む、ライダーのために最適化された走査システムに関する。回転電磁式駆動装置は、永久磁石を組み込んだヨーク、およびアームの一端部にコイルを有するアームを含む。電流に応じてヨーク内でのコイルの運動がノッディング・ミラーを回転させるように、コイルはヨーク内に収容され、アームの反対側の端部はノッディング・ミラーに連結される。回転光学式エンコーダは、ノッディング・ミラーの回転に応じて出力信号を発生し、それは制御回路構成体へのフィードバックとして働く。ノッディング・ミラーが基準走査パターンで回転するように、制御回路構成体は出力信号に応じて回転電磁式駆動装置に供給される電流を調節する。

Description

関連出願の相互参照。本発明は２００６年１０月３０日に出願された米国特許出願第６０／８５５１４６号の優先権を主張し、その内容が参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は走査システムに関し、詳細にはライダー（ｌｉｄａｒ）のための走査システムに関する。

光検出と測距（ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｎｇｉｎｇ）（ｌｉｄａｒ）は、遠隔撮像のための技術であり、当該技術ではレーザ光を使用して目標の距離が測定される。典型的なライダー・システムは測距機、および走査システムを含む。測距機は通常、紫外（ＵＶ）から近赤外（ＮＩＲ）までの範囲の波長を有するレーザと、受信機とを含む。目標までの距離は、レーザ光パルスを発してから反射して受信機に戻ってくるまでに要する時間を測定するか、または送信および着信するレーザ光の変調ビームの間の位相ずれを測定することによって決定され得る。走査システムは通常、送信および着信するレーザ光の反射によって撮像される区域にわたるライダー・システムの視野を走査するためのミラー・システムを含む。

自律車両運転、衝突回避、および監視などへの適用において、ライダーによって静止および移動している目標を十分に撮像するためには、高繰返し率で正確な走査が必要である。例えば、比較的緩やかなフレーム率５Ｈｚで１４４ラインの分解能においてさえ、毎秒７２０ラインが達成されなければならない。したがって、高角速度で走査パターンを正確に実行可能なミラー・システムが望まれる。

従来、ライダーの走査システムには、ノッディング・ミラー（ｎｏｄｄｉｎｇ−ｍｉｒｒｏｒ）・システム、およびポリゴン・ミラー（ｐｏｌｙｇｏｎａｌ−ｍｉｒｒｏｒ）・システムの２つの主要なタイプのミラー・システムが適用されている。ノッディング・ミラー・システムはノッディング・ミラーを含み、通常それは、ある角度範囲にわたって時計回りおよび反時計回りに回転する平面ミラーである。ポリゴン・ミラー・システムはポリゴン・ミラーを含み、それは正多角形の形にカットされたミラーである。ポリゴン・ミラーは、３６０°にわたって時計回りおよび反時計回りに回転され得る。

ノッディング・ミラー・システムは、ノッディング・ミラーが十分大きい場合には、測距機内に反射された光をノッディング・ミラーが収集する効率、以後収集効率と称する、が全角度範囲にわたってほぼ完全である、という利点を発揮する。対照的に、ポリゴン・ミラーの収集効率は全角度位置にわたって均一ではない。測距機から発する光が、ポリゴン・ミラーのファセットの端部に近づくと、収集効率は５０％に落ちる。さらに製造誤差のために、ポリゴン・ミラーの寸法は正多角形の寸法からずれることがあり、像のひずみを起こす。

しかし、ポリゴン・ミラー・システムは、いったんポリゴン・ミラーが回転状態になれば、ポリゴン・ミラーの角速度は容易に維持され得るという利点を発揮する。対照的に、ノッディング・ミラーが角度範囲の端部に達すると、ノッディング・ミラーの回転は周期的に停止し、反転されなければならない。したがって、走査パターンにわたって回転可能なノッディング・ミラーの角速度は、通常、ポリゴン・ミラーの角速度より小さい。

従来の走査パターンでは、ノッディング・ミラーは、ある角度範囲にわたって一定の角速度で一方向に回転され、次にその角度範囲の開始点に向かって反対方向に可能な限り速く回転される。ノッディング・ミラーが角度範囲の開始点に向かって戻りつつある走査パターンの区間の間は、有用なデータが測距機内に収集されない。このような走査パターンを最適に実行するために、理想的にはノッディング・ミラーは高角速度で回転し、かつ急速な角加速度に耐えられなければならない。

様々な構成のノッディング・ミラー・システムがライダーの走査システムに適用されてきたが、それらの従来のノッディング・ミラー・システムには重要な制限事項がいくつかある。

それらのノッディング・ミラー・システムのノッディング・ミラーを回転させるために、様々なタイプの回転駆動装置が使用されてきた。ステップ・モータを含むノッディング・ミラー・システムは、例えばＫｒａｗｃｚｙｋらに付与された米国特許第５３３７１８９号、およびＳｕｌｌｉｖａｎらに付与された米国特許第６６５０４０２号に開示されている。しかしこれらのノッディング・ミラー・システムは、ステップ・モータの歯車機構がバックラッシュを起こし、ノッディング・ミラーの回転の精度、および角速度を限定するという不利な点がある。ガルバノメータ・モータを含むノッディング・ミラー・システムは、例えばＣａｍｅｒｏｎらに付与された米国特許第５００６７２１号、Ｌａｎｄに付与された米国特許第７１３５６７２号、およびＫａｃｙｒａらに付与された米国特許第７２１５４３０号に開示されている。しかしこれらのノッディング・ミラー・システムは、ガルバノメータ・モータが与えるトルクが比較的低く、回転できるノッディング・ミラーの大きさが限定されるという不利な点がある。

このようなノッディング・ミラー・システムは、ノッディング・ミラーの角度位置を確定するための様々なタイプの検出器も含み得る。角度位置センサを含むノッディング・ミラー・システムは、例えばＫａｒｎｉｎｇらに付与された米国特許第４８１００８８号、およびＭｉｎｏｒらに付与された米国特許第６２６２８００号に開示されている。ロータリー・エンコーダを含むノッディング・ミラー・システムは、例えばＫａｍａｎらに付与された米国特許第５２３１４０１号、Ｊａｃｋｓｏｎらに付与された米国特許第６１０７７７０号、およびＫａｃｙｒａらに付与された米国特許第７２１５４３０号に開示されている。これらの検出器の出力信号は通常、回転駆動装置を制御するための制御回路構成体へのフィードバックとして働く。閉ループ・フィードバック制御の有効性は、検出器の精度および分解能によって限定される。

米国特許第５３３７１８９号 米国特許第６６５０４０２号 米国特許第５００６７２１号 米国特許第７１３５６７２号 米国特許第７２１５４３０号 米国特許第４８１００８８号 米国特許第６２６２８００号 米国特許第５２３１４０１号 米国特許第６１０７７７０号 米国特許第７２１５４３０号

本発明の目的は、ライダー・システムのために最適化した走査システムを提供することにより、先行技術の短所を克服することである。このようなライダー用走査システムの一部として、ノッディング・ミラー、回転電磁式駆動装置、回転光学式エンコーダ、および制御回路構成体（ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）を含む、最適化されたノッディング・ミラー・システムが提供される。回転電磁式駆動装置は軽量であるが、ライダー・システムに好ましい大きさのノッディング・ミラーを高角速度で回転させるためには十分強力である。回転電磁式駆動装置の静止ヨークと、ノッディング・ミラーに連結された可動アームとの間に機械的連動機構がないことは、どのようなバックラッシュの可能性も排除し、ノッディング・ミラーに加えられたトルクの方向は本質的に即時に反転され得る。ノッディング・ミラー・システムの回転光学式エンコーダは、高い分解能と精度を有する。さらに、回転光学式エンコーダ、およびノッディング・ミラーに連結されたエンコーダ・ディスクには、機械的連動機構がないためバックラッシュが排除される。このような回転光学式エンコーダを使用することにより、制御回路構成体を介して、ノッディング・ミラーの走査パターンの閉ループ・フィードバック制御を非常に正確にすることができる。

これまでにはなかった有利な、ノッディング・ミラー・システム内の要素の組合せによって、ノッディング・ミラーによる様々な走査パターンが正確に実行できる。さらに、ライダー・システムの視野を増加するために、ある特定の走査システムの実施形態に追加のミラー・システムを含むことができる。

ポリゴン・ミラー、回転駆動装置、回転エンコーダ、および制御回路構成体を含む、最適化されたポリゴン・ミラー・システムもライダー用走査システムの一部として設けられる。ライダー・システムの分解能を増加するために、またはポリゴン・ミラー内の製造欠陥を補償するために、回転エンコーダの出力信号を修正するように、ポリゴン・ミラー・システムの制御回路構成体が構成されると有利である。

したがって本発明は、
ノッディング軸および中心位置を有するノッディング・ミラーと、
ノッディング・ミラーをノッディング軸周りで時計回りおよび反時計回りに回転させるように構成され、永久磁石を含むヨーク、およびアームの一端部にコイルを含むアームを備え、電流に応じてヨーク内でのコイルの運動がノッディング・ミラーを回転させるように、コイルはヨーク内に収容され、アームの反対側の端部はノッディング・ミラーに連結されている回転電磁式駆動装置と、
ノッディング・ミラーの回転に応じて出力信号を発生するように構成された回転光学式エンコーダと、
ノッディング・ミラーが基準走査パターンで回転するように、回転光学式エンコーダの出力信号に応じて回転電磁式駆動装置に供給される電流を調節するように構成された制御回路構成体とを備える、ライダー用走査システムに関する。

本発明は、それらの好ましい実施形態の例を示す添付図面を参照して、以下により詳細に説明される。

ノッディング・ミラー・システムを例示する分解斜視図である。 ノッディング・ミラー・システムを例示する斜視図である。 ノッディング・ミラー・システムのための回転電磁式駆動装置を例示する側面図である。 ノッディング・ミラー・システムのための回転電磁式駆動装置を例示する上面図である。 ノッディング・ミラー・システムのための閉ループ制御システムの線図である。 三角形状走査パターンで回転するノッディング・ミラー・システムのノッディング・ミラーの角速度を時間に対してプロットした図である。 三角形状走査パターンで回転するノッディング・ミラー・システムのノッディング・ミラーの角度位置を時間に対してプロットした図である。 測距機と組み合わされたノッディング／回転ミラー・システムを含む、走査システムを例示する図である。 測距機と組み合わされた、ノッディング・ミラー・システムおよび回転ミラー・システムを含む、走査システムを例示する図である。 測距機と組み合わされた、ノッディング・ミラー・システムおよび第２のノッディング・ミラー・システムを含む、走査システムを例示する図である。 ノッディング・ミラー・システムおよびポリゴン・ミラー・システムを含む走査システムを例示する部分分解斜視図である。 測距機と組み合わされた、ポリゴン・ミラー・システムのための閉ループ制御システムの線図である。 ポリゴン・ミラー・システムのためのマスクされたポリゴン・ミラーのファセットを例示する図である。

最適化ノッディング・ミラー・システムを含むライダー用走査システム
図１Ａおよび１Ｂを参照すると本発明は、最適化されたノッディング・ミラー・システム１００を含む、ライダー用走査システムを実現する。ノッディング・ミラー・システム１００は、ノッディング・ミラー１１０、回転電磁式駆動装置１２０、回転光学式エンコーダ１３０、および制御回路構成体（図示せず）を含む。ノッディング・ミラー１１０は、ノッディング軸１１３および中心位置を有する。図示された実施形態において、長さ約２００ｍｍおよび幅約６０ｍｍのノッディング・ミラー１１０は、ノッディング軸１１３と合致しノッディング・ミラー１１０がその回りを回転する軸１１２を含むミラー支持体１１１に装着されている。ノッディング・ミラー１１０は平板であることが好ましい。

ノッディング・ミラー１１０は軸１１２を介して、回転電磁式駆動装置１２０と回転光学式エンコーダ１３０の両方に連結されている。例示された実施形態に示すように、回転電磁式駆動装置１２０は、ノッディング・ミラー１１０の一端部で軸１１２に連結され、回転光学式エンコーダ１３０は、ノッディング・ミラー１１０の反対側の端部で軸１１２に連結されることが好ましい。このような構成によって、ノッディング・ミラー１１０と回転光学式エンコーダ１３０との間の軸１１２のねじれが最小限になり、回転光学式エンコーダ１３０の精度が向上する。この連結は剛的であることが好ましい。

例示された実施形態において、ノッディング・ミラー１１０、回転電磁式駆動装置１２０、および回転光学式エンコーダ１３０は、バンパ１４１、ならびに側方支持体１４２、１４３、および１４４を含む基板１４０によって支持される。

別の実施形態において、ノッディング・ミラー１１０、回転電磁式駆動装置１２０、および回転光学式エンコーダ１３０は、別途の構成で組み立てられてよい。例えば、回転電磁式駆動装置１２０および回転光学式エンコーダ１３０が両方とも、ノッディング・ミラー１１０の同じ端部で軸１１２に連結されてもよい。そのような構成は、以下で説明される閉ループ制御システムの共振周波数を最小にするであろう。さらに、ノッディング・ミラー１１０、回転電磁式駆動装置１２０、および回転光学式エンコーダ１３０の組立体は、別の適切な支持手段によって支持されてよい。

図２Ａおよび２Ｂを参照すると、回転電磁式駆動装置１２０は、永久磁石２２２を含むヨーク２２１、および一端部にコイル２２４を含むアーム２２３を備える。ヨーク２２１は円弧状に湾曲している。例示された実施形態に示すように、ヨーク２２１は、コア２２５、外殻２２６、および外殻２２６に装着された複数の永久磁石２２２を含むことが好ましい。永久磁石２２２は、それらの同じ磁極がコア２２５に面し、空気間隙２２７によってコア２２５から離隔されるように配置されている。磁場を最大にするために、図２Ｂにおいて矢印で示される空気間隙２２７は可能な限り小さく、コア２２５は強磁性材料から成ることが好ましい。

アーム２２３の一端部にあるコイル２２４はヨーク２２１内に収容されている。コイル２２４はコア２２５を取り巻き、空気間隙２２７をふさいでいる。コイル２２４と反対側のアーム２２３の端部は、ノッディング・ミラー１１０の一端部で軸１１２に連結されている。ノッディング・ミラー１１０は、ヨーク２２１の円弧の半径の距離だけコイル２２４から離れて、軸１１２を介してアーム２２３に連結されている。この連結は剛的であることが好ましい。

図２Ａおよび２Ｂに矢印で示される電流がコイル２２４を通して流されると、図２Ｂに矢印で示される電流の方向および磁場の方向に直角な方向の力が発生する。この力は、加えられた電流に応じてヨーク２２１内のコイル２２４を動かす。次いで、アーム２２３の一端部にあるコイル２２４が動くとアーム２２３の反対側の端部にある軸１１２にトルクを発生し、ノッディング軸１１３回りにノッディング・ミラー１１０を回転させる。ノッディング・ミラー１１０が回転する角度範囲は、少なくとも±１０°であることが好ましい。コイル２２４に加えられる電流の方向を反転することによって、ノッディング・ミラー１１０の回転方向は反転できる。コイル２２４に加えられる電流の大きさを変化させることによって、ノッディング・ミラー１１０の角速度は調節できる。一般に走査周波数は、１０〜２０Ｈｚが望ましい。

適切な回転電磁式駆動装置１２０の例は、ＢＥＩ Ｋｉｍｃｏ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓで製造されている、回転ボイス・コイル・アクチュエータＲＡ−２９−１１である。

回転光学式エンコーダ１３０は、ノッディング・ミラー１１０の回転に応じて出力信号を発生するように構成される。回転光学式エンコーダ１３０は、光源、エンコーダ・ディスク、および検出器を含む。エンコーダ・ディスクは、ノッディング・ミラー１１０の一端部で軸１１２に連結されている。ノッディング・ミラー１１０が回転すると、複数のラインの組でマークされたエンコーダ・ディスクは、光源と検出器との間で回転する。したがって、検出器はノッディング・ミラー１１０の角速度に比例する周波数を有する変調出力信号を発生する。回転光学式エンコーダ１３０は、正弦波出力信号を供給するように構成されることが好ましい。出力信号は、９０°位相のずれた２つの正弦波からなることが好ましい。

適切な回転光学式エンコーダ１３０の例は、Ｈｅｉｄｅｎｈａｉｎで製造されているＥＲＮ１０８０−３６００インクリメンタル回転エンコーダであり、これは直交する２組の３６００本のラインをエンコーダ・ディスク上に有する。

図３を参照すると、回転光学式エンコーダ１３０からの出力信号は制御回路構成体３５０へのフィードバックとして働く。制御回路構成体３５０は、閉ループ制御システム内で、回転光学式エンコーダ１３０の出力信号に応じて回転電磁式駆動装置１２０に供給される電流を調節して、ノッディング・ミラー１１０が基準走査パターンで確実に回転するようにする。

制御回路構成体３５０は、基準走査パターンでプログラムされ、基準角度範囲および基準角速度を含んでいることが好ましい。測距機としては通常、一定割合で範囲測定を行うので、基準角速度がライダー・システムで生成された像の分解能を決定する。基準角度範囲はライダー・システムの視野を決定する。制御回路構成体３５０は、複数の走査パターンを有するようにプログラムされ、走査システムは、基準走査パターンを選択するためのヒューマン・マシン・インターフェイスを含むことが好ましい。

例示された実施形態において、制御回路構成体３５０は位置計数回路３５１および速度制御回路３５２を含む。制御回路構成体３５０は改変回路も含むことが好ましい。

任意に選択できる改変回路（ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ）は、回転光学式エンコーダ１３０の出力信号を改変するように構成されて、回転光学式エンコーダ１３０の分解能が劇的に増加されるようにする。改変回路は、回転光学式エンコーダ１３０の角度位置を表す正弦波出力信号を、所望の数の増分に分割する。例えば、直交する２組の３６００本のラインを有するエンコーダ・ディスクを含む回転光学式エンコーダ１３０からの正弦波出力信号が、分解能を４０９６倍増加するように改変されると、ノッディング・ミラー１１０の角度位置は３６０□／（３６００ｘ４ｘ４０９６）、すなわち６マイクロ度の精度で決定できる。

ノッディング・ミラー１１０の角度位置を決定するために、位置計数回路３５１は、改変後に回転光学式エンコーダ１３０からの出力信号の増分を計数するように構成されることが好ましい。基準走査パターンに従って、基準角度範囲の端点に達したときに、基準角速度の符号が変えられて、ノッディング・ミラー１１０の回転方向が反転させられる。

速度制御回路３５２は、ノッディング・ミラー１１０の角速度を制御するように構成される。速度制御回路３５２は、ノッディング・ミラー１１０の角速度を決定し、この角速度を基準角速度と比較する。角速度と基準角速度との間の誤差に基づいて、速度制御回路３５２は、回転電磁式駆動装置１２０のコイル２２４に供給される電流を調節する。速度制御回路３５２は、比例積分（ＰＩ）制御回路であることが好ましく、両方とも誤差を計算し時間にわたる誤差を積分する。次いでコイル２２４に供給される電流は、短時間の角速度が適正であることを確保する比例誤差項と、平均的な角速度が適正であることを確保する積分誤差項と、に基づいて調節される。

適切な制御回路構成体３５０の例は、Ｅｌｍｏ Ｍｏｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌで製造されているＨＡＲ−Ａ２／１００Ｉモータ・コントローラである。

本発明の走査システムの一部として提供されるノッディング・ミラー・システム１００は、ノッディング・ミラー１１０が、基準角度範囲にわたって時計回りおよび反時計回りの両方に回転している間に、有効な情報を測距機内に収集する。したがって、好ましい走査システムの実施形態において、制御回路構成体３５０は、ノッディング・ミラー１１０が三角形状走査パターンで回転するように制御する。そのような走査パターンにおいて、基準角速度は基準角度範囲にわたって一定であり、角度範囲の端点で符号を反転する。そのような実施形態の性能を実証するために、三角形状走査パターンで回転しているノッディング・ミラー１１０に関する、角速度対時間、および角度位置対時間のプロット図を、それぞれ図４Ａおよび４Ｂに示す。

別の実施形態において制御回路構成体３５０は、ノッディング・ミラー１１０が、基準角速度の大きさが基準角度範囲にわたって変化して角度範囲の端点において符号を反転する、別のタイプの走査パターンを実行するように制御する構成にされてよい。そのような走査パターンは実質的に任意の波形を有してよい。例えば制御回路構成体３５０は、ノッディング・ミラー１１０を正弦波状の走査パターンで回転させるように制御する構成にされてよい。正弦波状走査パターンは、角度範囲の端点で角速度を反転するために必要とされる角加速度が、三角形状走査パターンの場合よりも小さいので、高い走査周波数を達成するために有利である。

代替として制御回路構成体３５０は、特定のライダー・システムへの適用に最適化された走査パターンで、ノッディング・ミラー１１０を回転するように制御する構成にされてよい。このように最適化された走査パターンにおいて、基準角速度の大きさは、低分解能が必要とされる角度範囲の区間にわたって大きく、高分解能が必要とされる別の角度範囲の区間にわたって小さい。例えば、道路を移動する車両に装着されたライダー・システムに対して最適化された走査パターンでは、ノッディング・ミラー１１０は、車両近くの道路を含み、目標を特定し易い視野の下部にわたって速く回転し、車両から遠くの景色を含み目標をより特定し難い、視野の上部にわたってゆっくり回転する。

本発明の走査システムの一部として提供されるノッディング・ミラー・システム１００は、基準走査パターンを容易に、かつ動的に変化させ得る。したがって、走査システムの作動中に、ライダー・システムの視野および分解能を調節可能である。好ましい実施形態において、走査システムは、ライダー・システムの視野を走査する最も効率的な方式を決定するためのプログラムを備えて構成されたコンピュータを含む。コンピュータは走査システムの作動中に、更新された基準走査パターンを選択し、制御回路構成体３５０を更新された走査パターンで再プログラムする。例えば、コンピュータは、広い視野を速く走査して低分解能の像を生成し、次いでいったん関心のある目標が特定されると、全体視野の中のより狭い区域をゆっくり走査して、より高い分解能でこれらの区域を撮像するように、ノッディング・ミラー・システム１１０に命令することができる。代替として走査システムは、走査システムの作動中に、制御回路構成体３５０を更新された基準走査パターンで再プログラムするための、ヒューマン・マシン・インターフェイスを含んでよい。そして使用者は、ライダー・システムからの像をリアル・タイムで評価しながら、更新された基準走査パターンの選択を行う。この走査方法は、我々が網膜中心窩的走査と称するものであり、高分解能の像形成能力のある網膜の区域である網膜中心窩上の像の関心のある部分に焦点を合わせる、人間の眼の挙動を模倣している。

走査システムの別の好ましい実施形態において、ノッディング・ミラー・システム１００の制御回路構成体３５０は、走査システムのピッチ角度に応じて出力信号を発生するピッチ角度検出器に接続される。適切なピッチ角度検出器は、全世界測位システム（ＧＰＳ）／慣性システム、および微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくセンサを含む。制御回路構成体３５０は、ピッチ角度検出器の出力信号に応じて基準角度範囲を変えることによって、ノッディング・ミラー１１０の基準走査パターンを調節し、走査システムのピッチ角度を補償する。このような実施形態は、例えば道路上の自動車、海洋にある船舶、または飛行中の航空機のような移動輸送手段に装着されるライダー・システムに対して特に有利である。本発明はこのようなライダー・システムの視野を調節して、目標の特定を容易にし、ピッチング運動を補償する。

図５を参照すると、別の好ましい走査システムの実施形態は、ノッディング／回転ミラー・システム５００を含む。ノッディング／回転ミラー・システム５００において、ノッディング・ミラー１１０は回転軸５１３を有し、その軸周りの３６０°にわたって時計回りまたは反時計回りに回転可能である。ノッディング／回転ミラー・システム５００は、ノッディング・ミラー１１０をノッディング軸１１３周りで時計回りおよび反時計回りに回転させるように構成された回転電磁式駆動装置１２０に加えて、ノッディング・ミラー１１０を回転軸５１３周りで回転させるように構成された回転駆動装置も含んでいる。

回転軸５１３は、ノッディング軸１１３に直交し、ノッディング・ミラー１１０の中心位置に対して４５°の角度にあることが好ましい。このような実施形態によって、水平面内で回転軸５１３周りの全３６０°回転にわたるデータを測距機５６０内に収集できるようになる。測距機５６０から放出された光の光路５６１は、ノッディング軸１１３周りの回転によってさらに制御可能であり、それは光の光路を鉛直方向に走査する。

より高い回転角速度を達成するために、回転体の質量は可能な限り小さいことが望ましい。したがって場合によっては、分離した回転ミラー・システムを３６０°走査用に使用すると有利なことがある。図６を参照すると本発明は、ノッディング・ミラー・システム１００に加えて回転ミラー・システム６００を含む、走査システムを提供する。回転ミラー・システム６００は、回転軸６１３を有する回転ミラー６１０と、回転ミラー６１０を回転軸６１３周りで回転させるように構成された回転駆動装置とを含む。

回転ミラー６１０は、ノッディング・ミラー１１０のノッディング軸１１３に直行する回転軸６１３周りの３６０°にわたって時計回りまたは反時計回りに回転できる。回転ミラー６１０は平板であることが好ましい。回転ミラー６１０の回転軸６１３は、回転ミラー６１０およびノッディング・ミラー１１０の中心位置に対して４５°の角度にあることが好ましい。図６に示すように、測距機５６０と組み合わされるとノッディング・ミラー１１０は測距機５６０から放出された光の光路６６１をずらし、回転ミラー６１０によって供給される３６０°の水平視野が、鉛直方向内で調節され得るようにする。

場合によっては、走査システム内に追加のノッディング・ミラー・システムを含むと有利なことがある。図７を参照すると本発明は、ノッディング・ミラー・システム１００に加えて、第２のノッディング・ミラー・システム７００を含む走査システムを提供する。第２のノッディング・ミラー・システム７００は、第２のノッディング軸７１３および第２の中心位置を有する第２のノッディング・ミラー７１０と、第２のノッディング軸７１３周りで時計回りおよび反時計回りに第２のノッディング・ミラー７１０を回転させるように構成された第２の回転駆動装置と、を含む。

第２のノッディング・ミラー７１０の第２のノッディング軸７１３は、ノッディング・ミラー１１０のノッディング軸１１３に直交している。第２のノッディング・ミラー７１０は平面であることが好ましい。ノッディング・ミラー１１０のノッディング軸１１３は、第２のノッディング・ミラー７１０の中心位置に対して４５°の角度であり、第２のノッディング・ミラー７１０の第２のノッディング軸７１３は、ノッディング・ミラー１１０の中心位置に対して４５°の角度であることが好ましい。したがって測距機５６０と組み合わせた場合、図７に示すように、ノッディング・ミラー・システム１００および第２のノッディング・ミラー・システム７００は、ライダー・システムの視野を２つの直交する方向にわたって走査する。参考のために記すと、ノッディング・ミラー１１０が中心位置にあって、第２のノッディング・ミラー７１０が第２の中心位置にあるとき、測距機５６０から発せられた光の光路７６１は図７のページの外に向かう。このような実施形態は、ライダー・システムの全視野をほぼ完全な収集効率で走査できるようになるため有利である。

第２のノッディング・ミラー・システム７００は、ノッディング・ミラー・システム１００と同様の有利な構成要素の組合せを有し、それぞれ前述の、ノッディング・ミラー１１０と、回転電磁式駆動装置１２０と、回転光学式エンコーダ１３０と、制御回路構成体３５０と、に本質的に同等な、第２のノッディング・ミラー７１０と、第２の回転電磁式駆動装置と、第２の回転光学式エンコーダと、第２の制御回路構成体とを含むことが好ましい。このように最適化された２つのノッディング・ミラー・システム１００と５００とが１つの走査システム内で組み合わせて使用されると、ノッディング・ミラー１１０と第２のノッディング・ミラー７１０は、共に種々の基準走査パターンで同様の平均角速度で回転され得る。第２のノッディング・ミラー７１０の第２の平均角速度は、ノッディング・ミラー１１０の平均角速度の±２０％以内であることが好ましい。これと対照的に従来のデュアル・ミラー（ｄｕａｌ−ｍｉｒｒｏｒ）走査システムでは、１つのミラーは通常他のミラーよりもかなり速い平均角速度で回転され、それによって１つの方向は非常に速く走査され、他の方向は比較的ゆっくり走査される。

例えば、ノッディング・ミラー・システム１００の基準走査パターンと、第２のノッディング・ミラー・システム７００の第２の基準走査パターンは、共に三角形状の走査パターンであってよい。代替として、基準走査パターンと第２の基準走査パターンは、共に正弦波状走査パターンであってよく、その結果、組み合わされた走査パターンはよく知られたリサージュ図の１つとなる。基準走査パターンと第２の基準走査パターンは、同様または同等の基準角速度を含むことが好ましい。場合によっては、基準走査パターンと第２の基準走査パターンは、同様または同等の基準角度範囲を含んでもよい。

ノッディング・ミラー・システム１００の制御回路構成体３５０と、第２のノッディング・ミラー・システム７００の第２の制御回路構成体は、それぞれ基準走査パターンと、第２の基準走査パターンでプログラムされることが好ましい。場合によっては、制御回路構成体３５０と第２の制御回路構成体は、走査システムの作動中に前述した網膜中心窩的走査法に従って、コンピュータまたは使用者によって、更新された基準走査パターンと更新された第２の基準走査パターンでそれぞれ再プログラムされ得る。

図８を参照すると、別の好ましい走査システムの実施形態は、ノッディング・ミラー・システム１００に加えてポリゴン・ミラー・システム８００を含む。ポリゴン・ミラー・システム８００は、回転軸８１３を有するポリゴン・ミラー８１０と、ポリゴン・ミラー８１０を回転軸８１３周りで回転させるように構成された回転駆動装置８２０と、を含む。ポリゴン・ミラー８１０は、ノッディング・ミラー１１０のノッディング軸１１３に直交する回転軸８１３周りで、時計回りおよび反時計回りに３６０°にわたって回転することができる。測距機５６０と組み合わされると、ノッディング・ミラー１１０は測距機５６０から放出された光の光路をずらし、回転ミラー８１０によって供給された３６０°の水平視野が、鉛直方向内で調節されるようにする。

最適化ポリゴン・ミラー・システムを含むライダーの走査システム
本発明は、最適化ポリゴン・ミラー・システムを含むライダー用走査システムも提供する。図９を参照すると、ポリゴン・ミラー・システム９００は、ポリゴン・ミラー９１０と、回転駆動装置９２０と、回転エンコーダ９３０と、制御回路構成体９５０とを含む。

ポリゴン・ミラー９１０は、互いに理想角度の方向に向いた理想長さの複数のファセットを有する正多角形の形をしている。ポリゴン・ミラー９１０は、互いに６０°の位置にある同じ長さの６つのファセットを有する六角形のミラーであることが好ましい。ポリゴン・ミラー９１０は、多角形の軸と一致している回転軸の周りで３６０°にわたって、時計回りおよび反時計回りに回転することができる。

上記で説明したように、従来のポリゴン・ミラーの収集効率は角度位置によって変化し、測距機５６０から放出された光がファセットの端部に近づくと５０％に減少する。したがって本発明で提供される好ましい走査システムの実施形態において、収集効率の均一性を改善するために、ポリゴン・ミラー９１０はマスクされる。図１０を参照すると、マスクされたポリゴン・ミラー９１０は、マスクされた反射率の低い領域１０１５とマスクされない反射率の高い領域１０１６とを有する、ファセット１０１４を含む。

マスクされた領域１０１５の最適な寸法と特性を決定するために、ポリゴン・ミラー９１０の角度位置の関数としての収集効率が、マスクする前に計算される。このような計算は、第一原理を用いて、または適切なソフトウェアを使用して、ファセット１０１４の寸法、ポリゴン・ミラー９１０の測距機５６０からの光の光路からのオフセット値、および測距機５６０の開口部の寸法、などの要因を考慮して実行され得る。このような計算結果に基づいて、高収集効率を有するポリゴン・ミラー９１０の領域は、測距機５６０のレーザの波長の光を吸収する材料の層でマスクされる。さらに、これらのマスクされた領域１０１５内の層の厚さは、計算された収集効率内の変動を補償するように変化させられる。表面に材料を塗るか、またはマスクを通して材料を堆積させることによって、ポリゴン・ミラー９１０のマスクされた領域１０１５内の層が塗布される。

回転駆動装置９２０は、ポリゴン・ミラー９１０を回転軸の周りで回転させるように構成され、回転エンコーダ９３０は、ポリゴン・ミラー９１０の回転に応じてパルス化出力信号を発生するように構成される。閉ループ制御システム内で、ポリゴン・ミラー９１０が基準走査パターンで回転することを確保するために、制御回路構成体９５０は、回転エンコーダ９３０のパルス化出力信号に応じて回転駆動装置９２０に供給される電流を調節する。

制御回路構成体９５０は基準走査パターンでプログラムされることが好ましい。場合によっては、制御回路構成体９５０は、走査システムの作動中に前述した網膜中心窩的走査法に従って、コンピュータまたは使用者によって、更新された基準走査パターンで再プログラムされ得る。

回転エンコーダ９３０のパルス化出力信号も、測距機５６０によるデータ取得をトリガーするために使用される。制御回路構成体９５０は測距機５６０と接続され、測距機５６０に修正されたパルス化出力信号を供給するように構成されると有利である。制御回路構成体９５０はパルス化出力信号の周波数を上げるように構成され、それによって測距機５６０によるデータ収集の頻度を増加することが好ましい。したがって、ライダー・システムの分解能は、回転エンコーダ９３０の分解能によって決定されるよりも、測距機５６０の応答時間によって決定される、上限値まで上げることが可能である。

別の好ましい実施形態において、制御回路構成体９５０は、パルス化出力信号を修正してポリゴン・ミラー９１０内の製造欠陥を補償するように構成される。例えば、理想角度からポリゴン・ミラー９１０のファセット１０１４までの間の角度のずれを補正するために、各ファセット１０１４のパルス列の前に可調整遅延が挿入され得る。測距機５６０によるデータ取得がトリガーされる時間は、ポリゴン・ミラー９１０をわずかに大きいか小さい角度にわたって回転させ得るように、わずかに変更される。このような構成は、ポリゴン・ミラー９１０の最も一般的なタイプの製造誤差の１つの効果を低減し、ライダー・システムによる撮像の明瞭度の改善につながる。

当然、本発明の精神と範囲から逸脱せずに多数の他の実施形態が想定され得る。

Claims (25)

1. ライダー用走査システムであって、
   ノッディング軸および中心位置を有するノッディング・ミラーと、
   前記ノッディング・ミラーを前記ノッディング軸周りで時計回りおよび反時計回りに回転させるように構成された回転電磁式駆動装置であって、
   永久磁石を含むヨーク、および
   アームの一端部にコイルを含む前記アームを備え、
   電流に応じて前記ヨーク内での前記コイルの運動が前記ノッディング・ミラーを回転させるように、前記コイルは前記ヨーク内に収容され、前記アームの反対側の端部は前記ノッディング・ミラーに連結されている前記回転電磁式駆動装置と、
   前記ノッディング・ミラーの回転に応じて出力信号を発生するように構成された回転光学式エンコーダと、
   前記ノッディング・ミラーが基準走査パターンで回転するように、前記回転光学式エンコーダの前記出力信号に応じて前記回転電磁式駆動装置に供給される前記電流を調節するように構成された制御回路構成体と
   を備える、前記走査システム。
2. 前記回転電磁式駆動装置の前記アームが前記ノッディング・ミラーの一端部に連結され、前記回転光学式エンコーダが前記ノッディング・ミラーの反対側の端部に連結された、請求項１に記載の走査システム。
3. 前記ヨークが円弧の形にされ、前記ノッディング・ミラーが前記円弧の半径の距離だけ前記コイルから離れて前記アームに連結されている、請求項１に記載の走査システム。
4. 前記ヨークがコアおよび外殻を含み、複数の永久磁石の同じ磁極が前記コアに面するように前記永久磁石が前記外殻に装着されている、請求項１に記載の走査システム。
5. 前記回転光学式エンコーダが正弦波状出力信号を発生する、請求項１に記載の走査システム。
6. 前記制御回路構成体が前記基準走査パターンでプログラムされている、請求項１に記載の走査システム。
7. 前記制御回路構成体が複数の走査パターンでプログラムされており、さらに前記基準走査パターンを選択するためのヒューマン・マシン・インターフェイスを備える、請求項１に記載の走査システム。
8. 前記制御回路構成体が、前記ノッディング・ミラーの角度位置を決定するように構成された位置計数回路と、前記ノッディング・ミラーの角速度を制御するように構成された速度制御回路とを備える、請求項１に記載の走査システム。
9. 前記制御回路構成体が、前記回転光学式エンコーダの前記出力信号を改変するように構成された改変回路を備える、請求項５に記載の走査システム。
10. 前記基準走査パターンが三角形状の走査パターンである、請求項１に記載の走査システム。
11. 前記基準走査パターンが基準角度範囲および基準角速度を含み、前記基準角速度の大きさが前記基準角度範囲にわたって変化する、請求項１に記載の走査システム。
12. 前記基準走査パターンが正弦波状の走査パターンである、請求項１に記載の走査システム。
13. 前記走査システムの作動中に、更新された基準走査パターンを選択し、前記更新された基準走査パターンで前記制御回路構成体を再プログラムするように構成されたコンピュータをさらに備える、請求項６に記載の走査システム。
14. 前記走査システムの作動中に、更新された基準走査パターンで前記制御回路構成体を再プログラムするためのヒューマン・マシン・インターフェイスをさらに備える、請求項６に記載の走査システム。
15. 前記走査システムのピッチ角度に応じて出力信号を発生するように構成されたピッチ角度検出器をさらに備え、前記制御回路構成体が前記ピッチ角度検出器の前記出力信号に応じて前記基準走査パターンを調節するようにさらに構成された、請求項１に記載の走査システム。
16. 前記ノッディング・ミラーが回転軸を有し、前記回転軸周りで前記ノッディング・ミラーを回転させるように構成された回転駆動装置をさらに備える、請求項１に記載の走査システム。
17. 前記回転軸が前記ノッディング軸に直交し前記中心位置に対し４５°の角度にある、請求項１６に記載の走査システム。
18. 回転軸を有する回転ミラーであって、前記回転ミラーの前記回転軸が前記ノッディング・ミラーの前記ノッディング軸に直交する回転ミラーと、前記回転ミラーを前記回転軸の周りで回転させるように構成された回転駆動装置とをさらに備える、請求項１に記載の走査システム。
19. 前記回転ミラーの前記回転軸が、前記回転ミラーに対しおよび前記ノッディング・ミラーの前記中心位置に対し４５°の角度にある、請求項１８に記載の走査システム。
20. 第２のノッディング軸および第２の中心位置を有し、前記第２のノッディング軸が前記ノッディング・ミラーの前記ノッディング軸に直交している、第２のノッディング・ミラーと、前記第２のノッディング・ミラーを前記第２のノッディング軸周りで時計回りおよび反時計回りに回転させるように構成された第２の回転駆動装置とをさらに備える、請求項１に記載の走査システム。
21. 前記ノッディング・ミラーの前記ノッディング軸が、前記第２のノッディング・ミラーの前記第２の中心位置に対し４５°の角度にあり、前記第２のノッディング・ミラーの前記第２のノッディング軸が、前記ノッディング・ミラーの前記中心位置に対し４５°の角度にある、請求項２０に記載の走査システム。
22. 前記第２の回転駆動装置が、
    第２の永久磁石を含む第２のヨーク、および
    第２のアームの一端部に第２のコイルを含む前記第２のアームを備え、
    第２の電流に応じて前記第２のヨーク内での前記第２のコイルの運動が前記第２のノッディング・ミラーを回転させるように、前記第２のコイルは前記第２のヨーク内に収容され、前記第２のアームの反対側の端部は前記第２のノッディング・ミラーに連結されている、第２の回転電磁式駆動装置であり、
    さらに、
    前記第２のノッディング・ミラーの回転に応じて第２の出力信号を発生するように構成された第２の回転光学式エンコーダと、
    前記第２のノッディング・ミラーが第２の基準走査パターンで回転するように、前記第２の回転光学式エンコーダの前記第２の出力信号に応じて前記第２の回転電磁式駆動装置に供給される前記第２の電流を調節するように構成された第２の制御回路構成体と
    を備える、請求項２０に記載の走査システム。
23. 前記基準走査パターンおよび前記第２の基準走査パターンが三角形状の走査パターンである、請求項２２に記載の走査システム。
24. 前記基準走査パターンおよび前記第２の基準走査パターンが正弦波状の走査パターンである、請求項２２に記載の走査システム。
25. ノッディング・ミラーの前記ノッディング軸に直交している回転軸を有するポリゴン・ミラーと、前記ポリゴン・ミラーを前記回転軸周りで回転させるように構成された回転駆動装置とをさらに備える、請求項１に記載の走査システム。

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