JP2019124924A - ポリゴンスキャナ及び監視領域内の物体の検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ポリゴンスキャナを用いた検出を更に改善することである。【解決手段】監視領域２２内の物体２４を検出するためのポリゴンスキャナ１０であって、発光器１２と、受光器３０と、受光器３０の受信信号を評価するための評価部３２と、光線１６を周期的に方向転換させる回転可能な鏡ユニット２０とを備えるポリゴンスキャナを提供する。鏡ユニット２０は複数のファセット３４を有し、以て監視領域２２として角度部分を該鏡ユニット２０の１回転あたり複数回、それぞれのファセット３４で走査する。ファセット３４の少なくともいくつかが互いに異なる湾曲を有している。そして、ファセット３４の少なくとも１つが自由形状面として構成されており、該自由形状面の湾曲が、鏡ユニット２０の回転の間に変化する該ファセット３４への送出光線１６の入射角に適応化されている。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１又は１５のプレアンブルに記載のポリゴンスキャナ及び監視領域内の物体の検出方法に関する。

レーザスキャナは様々な監視及び測定の仕事に用いられる。そのために、回転鏡を用いて偏向される光線で監視平面が走査され、その反射光が評価される。ポリゴンスキャナでは回転鏡が複数の鏡状切り子面（以下、「ファセット」と呼ぶ）を備えている。そのため、監視平面の一部分しか捕らえられないが、当該部分はファセットの数に応じて１回転あたり複数回捕らえられる。この回転鏡は多面鏡ホイール（Polygonspiegelrad）又は短く多面ホイール（Polygonrad）と呼ばれることもある。

ポリゴンスキャナの仕事として単純な物体検出が考えられる。それに加えて物体の距離、輪郭又は側面図に関する情報を得るため、多くの場合、物体の有無だけでなくその距離も同時に測定される。そのためには光伝播時間が測定される。２種類の光伝播時間法が広く知られている。位相に基づく方法では、発光器が走査光線を変調し、基準光と受信した走査光線との間の位相差が算出される。パルスに基づく方法では、走査光線に有意なパターン（例えばわずか数ナノ秒の幅のパルス）が刻印され、このパターンの受信時点が特定される。パルス平均法と呼ばれる一般的な手法では複数又は一列のパルスが発射され、受信パルスが統計的に評価される。

ポリゴンスキャナの特殊な構成原理はバーコードスキャナにしばしば応用される。反射鏡面が１つしかないレーザスキャナは典型的には最大で３６０度という広い検出角度を有している。複数のファセットにより１回転あたりの走査数を多くするためにその広い検出角度を犠牲にすることは通例は不利であるが、バーコードスキャナの場合はさほど不利にならない。

多面鏡ホイールを有するバーコードスキャナは例えば特許文献１から公知である。そのスキャナでは更に、各ファセットによる走査の開始をそれぞれ開始センサで特定するとことにより同期をとることができるとされている。その開始センサは本来なら発射光線の領域においてファセットによるスキャン周期がその都度始まる位置に配置する必要がある。しかし、そこには設置スペースがほとんどないため、特許文献１では代わりに方向転換ユニットが配置され、これがあまり重大ではない場所にある開始センサへ光を導く。

バーコードはとうの昔からカメラで読み取ることができるものの、バーコードスキャナは今でも様々な形で用いられている。その利点の１つは、光学的な構成のコストを増大させずに読み取り領域を深くできるということである。読み取り領域はとりわけスポット径、つまり走査用レーザスポットの広がりにより制限される。もう少し正確に言うと、いわゆるレーザ光線の火面が被写界深度範囲、即ち、読み取り距離に依存したスポット径の関数を決める。バーコードの線をなお分解するためには、スポット径がその線の幅を少なくとも大きく超えてはならない。

ところで、固定型の発光光学系の読み取り領域ではもはや十分ではなく、被写界深度の理論的な限界を超えるような大きな深度の読み取り領域が望まれるような事例が、特に近接領域において存在する。それには、焦点位置を機械的に動かすこと、つまりアクチュエータ系を用いてコリメーションレンズをずらすことが考えられる。設置時に一度だけ適応化を行うのであれば装置のコストはまだ見通すことができるが、そうすると次に手動で位置が変更されるまで調整状態が固定されてしまう。動的な適応化は多大な構成上のコストを要する。それは、位置決めの精度が高く、それを極めて短い位置決め時間で実現しなければならないからであり、これがサイズと製造コストの両方で表れる。

従来技術において、ポリゴンスキャナの各ファセットに異なる焦点特性を与えることが提案されている。例えば特許文献２では少なくとも１つの反射鏡面が他の反射鏡面とは異なる焦点調節特性を備えている。評価電子系においては鮮明な受光スポットに由来する受信信号だけが評価される。曲率の異なるファセットを用いる類似の構想が特許文献３又は４からも知られている。しかしいずれも、湾曲したファセットがスキャン動作の間に光線に対して様々な影響を与えることが考慮されていない。

ファセット同士の間にどのようにして差異を設けることができるかについての考えはまだ他にもある。それらはそれぞれ異なる要求を満たすものの、被写界深度範囲を広げるものではない。例えば特許文献５では結像誤差を補償するために湾曲したファセットが用いられている。これは、他にも鏡を用いた面倒でノイズが生じやすい構造のため、ファセットの表面で様々な方向から二重反射が生じるという事情に基づいている。特許文献６では受信信号のレベル調整を改善するために様々なファセットが用いられている。また、様々な強度の信号を受信するためにファセット同士の間で反射率が様々に変えられている。特許文献７はその導入部で、ポリゴンスキャナのファセットを相互に傾けることができるということに触れている。このようにすれば繰り返し走査の際に高さ方向にずれが生じ、複数位置の走査が可能になる。特許文献８も同様にそのような複数位置の走査に関するものであって、傾きによる歪みを補償するための手段が追加されている。

EP 0 967 458 B1 DE 36 02 008 A1 US 5 179 271 US 4 560 862 US 4 624 528 DE 10 2015 104 021 A1 DE 10 2014 100 245 B3 DE 10 2014 111 138 A1

故に、本発明の課題はポリゴンスキャナを用いた検出を更に改善することである。

この課題は請求項１又は１５に記載のポリゴンスキャナ及び監視領域内の物体の検出方法により解決される。この種のポリゴンスキャナは、回転中に走査光線を次々に方向転換させる複数のファセットを有する回転可能な鏡ユニットを有している。これは特に外周に複数の反射鏡面又はファセットを持つ多面鏡ホイールのことであり、ポリゴンスキャナという呼称もこれに由来している。ファセットの少なくともいくつかは互いに異なる湾曲を有している。ポリゴンスキャナは鏡ユニットの１回転毎に監視領域のうち角度部分又は弓形部分を複数回、つまりファセット毎に１回ずつ走査するため、湾曲の様々な変化とともに、様々な焦点調節特性での多重走査乃至は様々な被写界深度範囲を持つ多重走査が行われる。

本発明の出発点となる基本的な考え方は、単なる集光型の湾曲を設けるだけでなく、各時点で作動中のファセットがその回転とともに送出光線に対する傾きを連続的に変えることを踏まえ、該ファセットへの送出光線の様々な入射角に対する湾曲をも考慮することにある。そのために、少なくとも１つのファセットが自由形状面として構成されている。自由形状により、所望の被写界深度範囲を得ながら、変化する入射角に対する適応化を行うという光学設計に必要な自由度が得られる。特に湾曲はファセットの周方向に変化し、しかも非対称であること、つまりファセットの開始領域から中心までの湾曲と中心から終了領域までの湾曲が異なっていることが好ましい。

本発明には、制御電子系を含むアクチュエータ駆動式の高価な焦点調整ユニットなしでも被写界深度範囲が広くなるという利点がある。これにより装置をより小型で安価にすることができる。樹脂製の鏡ユニットの場合は工具を適応させるだけで十分である。例えば射出成形の場合、従来は平坦である鋳型部分を自由形状と逆の凹凸を持つもので置き換えればよい。そうすれば、装置を１回だけ改造するコストを除き、本発明の鏡ユニットはコストにほとんど影響を与えずに製造できる。また、あるファセットから次のファセットへと焦点位置がほぼ即座に切り換わるため、極めて短時間で様々な作動距離のスキャンができるという利点もある。

自由形状面は、変化する入射角に対して同じ焦点位置がセットされるように湾曲していることが好ましい。この場合、単なる集光作用を超えて自由形状を追加的に湾曲させることにより回転運動を補償する。これにより、入射角の変化による被写界深度範囲の移動から生じるスキャンライン又は読み取りライン内での歪みが回避される。あるいは、自由形状を利用して走査中に焦点位置を様々に変えること、例えば光軸の左側の焦点位置が右側よりも近い非対称な形にすることも考えられる。特にこのような非対称性は別のファセット内ではちょうど逆になるように選ぶことができる。

自由形状面は光線の走査平面から傾いていることが好ましい。周方向ではファセットが必ず互いに傾いている。そうでなければ多面鏡ホイールにならない。この実施形態で述べているのはこの定義どおりの配置状態に対する傾きである。つまり、少なくともいくつかのファセットが自由形状の造型によりその光学的な作用の点で実質的に多面鏡ホイールの平面に対して傾斜している。このようにすれば多重走査のためにスキャンライン又は読み取りラインにずれが生じる。スキャンライン又は読み取りラインを両方の軸で実質的に傾けることも可能である。そうすれば、バーコードスキャナではバーコードが複数の方向から検出されるため、全ての読み取りラインがバーコードの線と偶然に平行に走ったり、バーコードを完全に横断しなかったりすることがなくなる。

自由形状面は送出光線の走査領域が真っ直ぐになるように湾曲していることが好ましい。ファセットは多面鏡ホイールの平面から傾斜していることがよくある。その角度は多重走査のためにファセット毎に異なっていることもあれば、装置内での方向転換のために共通であることもある。その場合、走査領域はもはや平面ではなく円錐側面であるため、スキャン及び読み取りラインが湾曲する。このような効果も自由形状により少なくとも部分的に補償することができる。

ポリゴンスキャナが鏡ユニットの回転位置を監視するための角度測定部を備えており、評価部が前記回転位置を利用して各時点で作動中のファセットを識別するように構成されていることが好ましい。このようにすれば、各時点の検出角度を特定することができるため、レーザスキャナの測定値が少なくとも粗い角度分解能を獲得する。ただし、バーコードスキャナの場合は具体的な角度は重要ではない。しかし、各時点で作動中のファセットを識別し、どの光学的パラメータ（特にどの被写界深度範囲）で各時点の信号が検出されるかが分かるようにすることは有利になり得る。角度測定部は決して角度を細かく分解する必要はない。１回転あたり１回又は複数回の同期があれば補完が可能である。そのためには２つの同期時点の間にある時間間隔をファセットの角度範囲に分割するか、さらに角度値にまで分割する。

好ましくは、本ポリゴンスキャナが各ファセットでの走査の開始の度に送出光線を検出する開始センサを備えており、少なくとも１つのファセットが改変を備えており、該改変が、送出光線が開始センサ内で生じさせる開始信号から該ファセットを識別することを可能にする。このような開始センサ自体は公知であるが、普通は同じパルスを生成する。そのようにすると、新たなファセットが回転して送出光線内に入り込んで新たな走査を開始するときしか検出できない。ファセットの改変は、開始信号を帰属させるため、つまり該信号に個別の特性を与えて他の開始信号から区別するために利用できる。このような改変は、１回転毎に１回だけ同期ができるように、１つのファセットだけに適用するものとすることができる。この場合、次の同期までは開始パルスが単に計数され、その数に従って帰属させられる。もっとも、互いに区別すべき複数又は全てのファセットに改変を設けることも考えられる。

ファセットは改変として、特に公差の差異により、異なる大きさを有している。この大きさとは周方向に関するものである。つまり鏡ユニットのポリゴンが正ｎ角形ではなく不規則である。好ましくは、意図的に大きさの異なるファセットを選択することを必要とせず、自然に生じる公差だけを利用する。

評価部は、開始信号の時間的な連続を基準として学習し、駆動時に開始信号の時間的な連続を該基準と比較することにより各時点で作動中のファセットを識別するように構成されていることが好ましい。鏡ユニットの回転数はほぼ一定とみなし得るため、理想的に大きさの揃ったファセットを持つ鏡ユニットは均一な時間パターンで開始信号を生成する。ファセットの大きさが異なっている場合、それが設計によるものか公差によるものかに関わらず、その時間パターンには指紋のように特徴的な変動が表れる。この時間パターンが分かっていれば、評価部は測定した開始パルスをそのパターンと比較して各時点で作動中のファセットを識別することができる。

ファセットは改変として、開始信号を生成する開始領域内において他のファセットとは異なる反射性及び／又は湾曲を有していることが好ましい。開始領域とはファセットのうち送出光線内へそれぞれ最初に入り込む部分である。ここで生成される信号は開始センサにより評価されるため、いずれにせよ測定にはまだ利用できない。あるファセットに対して、この開始領域において反射性を高め又は低めに選べば、それに応じて強め又は弱めの開始信号が生成され、それを用いてファセットが識別される。また、開始領域が収束作用又は発散作用を持つように該領域における湾曲を変えれば、送出光線が開始センサ上に形成する発光スポットが小さく又は大きくなるため、このような方法でも識別可能な開始信号が生じる。開始領域におけるこのような輪郭は自由形状に直接統合してもよい。開始領域を改変する代わりに該当のファセット全体を改変することもできる。これは、実施形態によっては製造技術上の利点があるが、その代わり１回転毎に１回のスキャンが失われるか、少なくともその改変により変化する。

開始領域には反射性の異なる複数の領域から成るパターンが設けられていることが特に好ましい。そうすれば、開始信号が１回だけ強く又は弱くなるだけでなく明暗のパターンが生じる。例えば反射性の高い縞と低い縞を交互に配置すれば開始信号に二重又は多重パルスが生じる。この信号はファセットを識別するために非常に容易に認識できる。

角度測定部には鏡ユニットを回転させるための駆動部のタコ信号が供給されることが好ましい。例えば、駆動部はタコ信号として１回転あたり複数のパルスを生成する。この場合、パルスの数とファセットの数を互いに素となるように選ぶことが好ましい。即ち、この数値関係ではタコパルスと開始センサの開始パルスの時間差がファセット毎に異なるため、その差からファセットを即座に認識できる。単純なタコ信号の代わりに、各時点での角度位置を例えば一緒に回転するコード板の走査により特定するエンコーダの使用も考えられる。

評価部は、検知された物体までの距離を受信信号から光伝播時間法で測定するように構成されていることが好ましい。そうすると本ポリゴンスキャナは距離測定型スキャナになる。これはバーコードスキャナにおいても、例えばどの被写界深度範囲が実際に必要かを認識してそれに適したファセットでのスキャンを選択する上で役に立つ可能性がある。光伝播時間法としては公知のどの方法でも考慮の対象となり得る。そのいくつかは冒頭で簡単に説明したとおりである。

評価部は、異なるファセットからの受信信号を互いに比較し、最も鮮明な受信信号を評価するように構成されていることが好ましい。この構成では、実際の物体距離に最も合ったファセットの測定値だけが利用される。そうすると、事実上、鮮明に記録された受信信号だけが更に評価される。鮮明さの決定にはある程度の評価コストがかかることになるから、バーコードスキャナの場合にはスキャン毎に復号を試みることも考えられる。これらの試みの１つは自ずと最も鮮明な信号に当たるが、どの受信信号で復号が成功するかは結局のところ重要ではない。回転位置の監視を行う場合は、予想、パラメータ設定又は他の方法で所望される焦点調節に対応する特定のファセットに目標を固定し、その受信信号のみを評価することも考えられる。

本ポリゴンスキャナはバーコードスキャナとして構成されていること、そしてその評価部はバーコード復号器を備えていることが好ましい。バーコードの読み取りの場合に本発明に係るポリゴンスキャナが持つ数多くの利点と構成上の可能性については既に論じたとおりである。

本発明に係る方法は、前記と同様のやり方で仕上げていくことが可能であり、それにより同様の効果を奏する。そのような効果をもたらす特徴は、例えば本願の独立請求項に続く従属請求項に模範的に記載されているが、それらに限られるものではない。

以下、本発明について、更なる特徴及び利点をも考慮しつつ、模範的な実施形態に基づき、添付の図面を参照しながら詳しく説明する。

ポリゴンスキャナの概略断面図。 多面鏡ホイールと走査光線の光路を示す概略立体図。 多面鏡ホイールのファセットの様々な回転位置における走査光線の光路を示す概略図。 ファセットのための模範的な自由形状面を示す図。 自由形状面を用いて直線化されるスキャンライン又は読み取りラインの概略説明図。 開始センサを有する別の実施形態のポリゴンスキャナの概略断面図。 多面鏡ホイールの駆動部のタコ信号と開始センサの開始信号の模範的な信号推移。 （ａ）〜（ｄ）識別可能な開始信号を生成するためにファセットの開始領域における反射性を改変した様々な例を示す図。 図８（ａ）〜（ｄ）に似た図であって、反射性を改変する代わりに湾曲を改変したものを示す図。

図１はポリゴンスキャナ１０のブロック図である。発光器１２（例えばレーザダイオードやＬＥＤ）が発光光学系１４を用いて光線１６を生成する。この光線は、固定された方向転換素子１８を経て最初の方向転換をした後、回転する多面鏡ホイール２０を経て２回目の方向転換をしてから監視領域２２内へ送出される。

監視領域２２内で光線１６が物体２４に当たると、反射光線２６がポリゴンスキャナ１０へ戻り、再び多面鏡ホイール２０の表面で方向転換してから受光光学系２８を通って受光器３０に入射する。なお、ここでは物体２４の表面での直反射とそれよりもはるかに頻繁に生じる拡散性の反射とを言葉の上で区別しない。固定された方向転換素子１８はビームスプリッタとして構成されているか、受光光学系２８のうち無視し得る程度の部分しか隠さないほどに小さいため、反射光線２６は方向転換素子１８を通過できる。ビームスプリッタ又は二軸型の実施形態も考えられる。その場合、送出光線１６と反射光線２６は例えば多面鏡ホイール２０の回転軸の方向にわずかな間隔を空けて互いにほぼ平行になる。即ち、図１に示したポリゴンスキャナ１０の基本構成は単なる模範例と理解すべきである。例えば、発光路及び受光路は、固定型の方向転換素子１８を用いた図のような交差型の配置とは異なる形で分離されてもよい。また多面鏡ホイール２０は発光路及び受光路に対して図とは異なる配置及び向きになっていてもよい。送出光線１６だけを多面鏡ホイール２０を経るように導き、受光側では例えば固定型の受光器配列を用いることも考えられる。

受光器３０により生成された受信信号は評価部３２に渡される。評価部では例えばそもそも物体２４が検知されたかどうかが認識される。測定型のポリゴンスキャナ１０の場合は光伝播時間法で物体の距離を求めることができる。その場合、多面鏡ホイール２０の角度位置を復号器（図示せず）で特定すること、又は後述のいずれかの方法で少なくとも粗めに若しくは補完により特定することが好ましい。そうすれば、全体として物体の位置又は輪郭を極座標で捕らえることができる。考えられる用途の１つは物体の計測、特にベルトコンベア上の荷物の計測である。バーコードスキャナとして構成された場合、ポリゴンスキャナ１０は評価部３２の復号器を用いて物体２４上のバーコードの識別と読み取りを試みる。これは、距離又は正確な角度位置を特定しなくても構わない好ましい実施形態の一例である。

多面鏡ホイール２０は図示せぬ駆動部により回転駆動されるものであって、外周に複数のファセット３４を有する回転可能な鏡ユニットの一例である。ファセット３４の数は監視領域２２のうち検出すべき角度範囲又は走査される弓形部分に対応しており、これが大きくなるほどファセット３４の数が少なくなる。従って、図中のファセット３４の数が８つであるのは単なる模範例に過ぎず、ファセット３４をそれより多く又は少なくすることもできる。底面も正多角形である必要はなく、長さの異なるファセット３４を設けることも原理的には可能である。図１と違って発光路と受光路が分かれる二軸構造の場合、構成が異なる専用の発光領域と受光領域をファセット３４に設けることが考えられる。

図２は多面鏡ホイール２０と送出光線１６の幾何学的な配置とを示す概略立体図である。ファセット３４のうち少なくとも１つが他のファセット３４とは異なる湾曲を有している。故に、送出光線１６が物体２４（図２ではバーコード３８）上に形成する光スポット３６は他の作動距離に集光される。

こうして、全体としてカバーすべき距離範囲が少なくとも２つの異なる被写界深度範囲に分割される。最小限の構成は、１つのファセット３４が湾曲を有し、他のファセット３４は平面のままというものである。また、その対極として、各ファセット３４に固有の湾曲を与えてできるだけ多くの異なる被写界深度範囲を作り出すことも考えられる。両者の間には、平らなもの、湾曲の仕方が同じもの、湾曲の仕方が異なるものという各クラスのファセット３４の数多くの組み合わせがあるが、それらも本発明に含まれる。これについては、距離範囲を複数の被写界深度範囲に細分化すると同じ被写界深度範囲における２回の繰り返しスキャンの間の実質的なスキャン周波数が低下するということを慎重に考慮すべきである。実際には、達成可能な被写界深度と利用可能なスキャン周波数の間で、湾曲の仕方が異なるファセット３４の各クラスに対応して２つ又は３つの異なる焦点位置がある、という状態が最適であろう。また、低下したスキャン周波数を多面鏡ホイール２０の回転数の増加で補うことも可能である。ただしその場合、駆動部がそれを実行できるだけでなく、電子系（特に評価部３２）の帯域幅と処理速度もそれに対応できなければならない。

ポリゴンスキャナ１０の駆動中、多面鏡ホイール２０の回転により監視領域２２が複数回、つまり完全な１回転の間に各ファセット３４で１回ずつ走査される。これは、短い回転周期の間は前景がほぼ不変であるとみなし得るとすれば、同じ前景の多重測定を意味する。もっとも、ファセット３４の湾曲が異なっているため、それは純然たる測定の繰り返しではない。むしろ、少なくともいくつかのファセット３４の間で焦点位置がある位置から次の位置へと跳ぶ。従って評価部３２は、測定情報そのものは同じであるが焦点調節が異なる複数の受信信号を受け取る。ファセット３４の湾曲を適切に設計すれば、物体２４を検出すべきどの距離に対しても、１回転毎に少なくとも１回のスキャンが被写界深度範囲内又は少なくともその近傍で行われる。

評価部３２は最も良く焦点の合ったスキャンを多様な処置を講じて利用することができる。まず、受信信号の鮮明さを例えばコントラストに基づいて決定して最良の受信信号を選ぶことが考えられる。あるいは、過去の測定で得た予備知識又は距離測定に基づき、例えば作動距離の調整により、最良の受信信号が得られることが期待される特定のファセット３４に固定することも考えられる。バーコードの読み取りの場合、最良の受信信号の選択は必須ではなく、むしろ全ての受信信号の復号を試みれば十分であり得る。復号が成功すれば、どのファセット３４がその受信信号を受け取ったかはもはや問題ではない。それでも、成功した復号に基づいてそのファセットを識別し、例えばその後の読み取りの試みに際してそれを優先したり、そこから少なくとも粗めの距離値を更に別の距離情報として導き出したりすることが可能である。

ファセット３４は単独でその湾曲により送出光線１６を生成しなければならないわけではない。むしろ、好ましく配置された発光光学系１４が多面鏡ホイール２０への光線１６の入射よりも前にまず先にその役目を果たしている。ファセット３４はその後で発光光学系２４による所定の焦点位置を変化させるだけである。また、例えば液体レンズを備える適応可能な発光光学系１４を用いることも考えられる。その場合、その光学系を通じて焦点位置の共通部分が調節され、以てファセット３４の全ての被写界深度範囲の位置が調節される。これによりポリゴンスキャナ１０の動作範囲全体を適応させることができる。

ファセット３４は、焦点調節に関係する特性に加えて他の観点からも様々に構成することができる。例えば、被写界深度範囲と同じようにダイナミックレンジを分割するために反射率に差をつけたり、複数位置での走査のために傾きに変化を加えたりする。

図３は多面鏡ホイール２０の様々な回転位置におけるファセット３４及び送出光線１６の幾何学的な配置を示す別の図である。ファセット３４への送出光線１６の入射角が走査の間に変化することが明らかに見て取れる。ファセット３４を単純に凸状又は凹状に造型するだけではこの様々な入射角に適応できず、むしろスキャンの間に焦点位置が制御されずに変化することになる。

そこで、少なくとも１つのファセット３４が、変化する入射角に適応した自由形状面として構成されている。好ましくは、ファセット３４を通過する回転の間に焦点位置が変化しないように、つまり作動距離が一定になるように自由形状を設計する。もっとも、例えばスキャンの開始から終了まで焦点位置を遠ざける又は逆に近づけるというように、自由形状によって焦点位置を意図的に変化させることも考えられる。その場合、自由形状面は非対称になり、焦点位置は光軸の一方の側より他方の側の方が近くなる。

図４は、入射角が変化しても焦点位置がスキャンの間一定に保たれるようなファセット３４の自由形状の一例を示している。この具体的な造型は曲率を連続的且つ微分可能に位置に従属するように適応させる光学的シミュレーションにより得たものである。図４は自由形状面を好ましくは１４個の項を用いる「拡張多項式」として表したものであるが、これは一例と理解すべきである。光スポット３６はスキャンの間にファセット３４上を周方向に（図４では上から下へ）移動する。それに垂直な高さ方向（図４では水平方向）では好ましくは中央に位置している。

スキャンの間に送出光線１６に作用するファセット３４の自由形状の湾曲は、入射角に応じて意図的に異ならせており、その変化は、等高線の密度と図４の右側にあるＹ方向の湾曲の推移に示したように、好ましくは光スポット３６の移動方向においては中心に対して非対称である。それどころか、自由形状は終端（図４では下側）に向かって傾きを増大させ、より深いレベルまで落ち込んでいる。換言すれば、自由形状は、回転に従って向きが決まった周方向において、立ち上がり側がより急峻で立ち下がり側がより平坦になっている。

図５はファセット３４の自由形状を用いて更に走査領域の直線化もできることを説明している。監視領域２２内では送出光線１６の光スポット３６が仮想的な又は現実の平面上において送出方向に垂直にスキャンライン又は読み取りライン４０ａ〜ｂを形成する。このような読み取りライン４０ａは、それを特に補償するような湾曲が自由形状内になければ曲がることが多い。これについては冒頭で簡単に述べるとともに、そこで引用した特許文献８に詳述されているとおりである。この読み取りライン４０ａを自由形状内での適合化により変化させて、特に真っ直ぐな読み取りライン４０ｂになるように直線化することができる。

図６はポリゴンスキャナ１０の別の実施形態の概略断面図である。ここではまず、例であることを改めて強調するために図１とは異なる構造にしている。図１について既に述べたように、本発明は図１及び図６のいずれの具体的な構造にも限定されない。図６の実施形態では発光光学系１４が追加の絞り１４ａを備えている。受光光学系２８は反射型になっている。発光器１２の光軸は受光光学系２８の光軸と一致しているため、図１に示した固定型の方向転換素子１８はなくてもよい。

加えて、開始センサ４２が発光路内に配置されている。その位置は、ファセット３４が回転して新たに光路内に入り込んで作動状態になる各スキャンの開始時に送出光線１６が通過する位置である。開始センサ４２自身の代わりに光方向転換素子をこの位置に配置することで、本来の開始センサ４２を別の箇所に収納できるようにしてもよい。図１の実施形態やそこで挙げた変形例でも開始センサ４２の使用は可能である。図を見やすくするため、開始センサ４２から評価部３２への接続は描かれていない。

各スキャンの開始時に開始センサ４２は送出光線１６又は該光線により形成される光スポット３６を記録し、電子的な開始信号を生成する。多面鏡ホイールの１回転毎にファセット３４の数に対応した数の開始信号が発生する。これを利用して他の検出を同期させることができる。ただし、この開始信号は互いにほぼ同一であるため特定のファセット３４への帰属はできない。しかし、各時点で作動中のファセット３４とその特性（特にそれに割り当てられた焦点位置）を識別してその後の評価、信号条件付けパラメータの最適な調整乃至はその他の駆動に利用できれば有利であろう。

図７は多面鏡ホイール２０の駆動部のタコ信号を利用して作動中のファセット３４を識別するための第１の実施形態を示している。図の上部にタコ信号のパルスが、そして下部に開始信号のパルスが描かれている。タコ信号は１回転あたり６つのパルスを生成する一方、多面鏡ホイール２０は７つのファセットを備えているため７つのパルスを生成する。これらの数値は単なる例であるが、互いに素であることが有利である。即ち、そうすればファセット３４毎に特徴的な時間差がタコ信号と開始信号の間に生じるため、その差からファセット３４を即座に且つ一義的に識別できる。

タコ信号の内挿乃至は外挿により、開始信号が利用できない休止時間を跨ぐこともできる。即ち、多くの用途では、発光器１２は例えば読み取りトリガによる要求があったときにだけスイッチが入る。故に、前記のような休止時間中もタコ信号を利用してファセット３４の割り当てを継続することは有意義である。そうすれば、次の読み取り要求を受けたときに作動中のファセット３４が即座に分かるから、初期のスキャンがファセット３４の再割り当てによって失われずに済む。

図８（ａ）〜（ｄ）は開始領域３４ａにおいて反射特性を変化させたファセット３４を有する多面鏡ホイール２０の様々な実施例を示している。ここで開始領域３４ａとは、ファセット３４のうち、送出光線１６内にそれぞれ最初に入り込んで該光線を開始センサ４２へ反射する部分である。光スポット３６が開始領域３４ａに比べて大きく描かれているが、これは好ましい事例である。なぜなら、そうでなければ開始領域３４ａがファセット３４の過度に大きな部分を占めて本来の測定を著しく妨げるからである。

図８（ａ）〜（ｄ）の実施形態では開始領域３４ａの反射率が変えられている。好ましくは、例えば黒塗りや艶消しにより反射率を低くする調整を行う。また、表面構造を変えることも可能である。これは自由形状と一緒に樹脂材料に直接取り込むことができる点で有利である。反射率を高くしても機能するが、技術的な難度が高くなる可能性がある。なぜなら、いずれにせよファセット３４は金属被膜面等の形で非常に高い反射率を有しているからである。

好ましくは、１つのファセット３４の開始領域３４ａだけを改変する。これにより１回転あたり１回の同期が可能になる。他のファセット３４は開始信号の計数により帰属可能である。一方、複数のファセット３４の開始領域３４ａを改変することも考えられる。更には、開始領域３４ａだけでなくファセット３４の全体を改変することも想像できる。これは、場合によっては製造技術的により簡単に実現し、より容易に評価できる。特に、このようにずっと強力な改変が可能なファセット３４は、場合によっては開始センサ４２がなくても受光器３０の受信信号から識別できる。その代償として、このファセット３４は本来の測定のために犠牲になるか、少なくとも該鏡面で生成される受信信号は質が下がる。

開始領域３４ａにおける反射率の変更による効果は、認識可能な形で開始信号が変化するということである。図８（ａ）〜（ｄ）はその様々な例を示しているが、例はこれらに限られない。図８（ａ）では反射率が開始領域３４ａ全体で均一に低め又は高めに設定されている。従って、このファセット３４の開始パルスは他の開始パルスよりも振幅が大きく又は小さくなるため区別できる。図８（ｂ）〜（ｄ）では、反射率を低め又は高めに設定した領域が、開始領域３４ａの利用可能な幅の一部だけを占めている。図ではこれが高さ方向において光スポット３６が存在する位置だけに該当している。あるいは、縞が別の高さ領域又は全ての高さ領域に延在するようにしてもよい。効果としては、図８（ｂ）の場合は開始パルスが細くなり、時間的にやや遅れる。図８（ｃ）の場合は開始パルスが同様に細くなり、早めに終わる。図８（ｄ）の場合、光スポット３６が開始領域３４ａ内で元の反射率の領域に２回当たるため、非常に容易に識別可能な二重パルスが生じる。即ち、図８（ａ）〜（ｄ）に基づいて説明した原理を用いて、開始信号内におけるパルスの振幅、幅、時間のずれ及び個数を変えることができる。これにより、該当するファセット３４の一義的な識別が可能になる。

図９は多面鏡ホイール２０の更に別の実施形態であって、開始領域３４ａ内において、反射性ではなく、例えば凸状又は凹状の輪郭により湾曲の仕方を変えたファセット３４を有するものを示している。凸状と凹状の輪郭を組み合わせることも考えられる。湾曲の仕方を変えることの利点は、それを容易に自由形状に直接統合できるため、コスト面にほとんど影響がないということである。この追加的な湾曲により開始センサ４２上の光スポット３６が縮小又は拡大し、それに応じて開始信号の幅が狭く又は広くなる。これによりこのファセット３４を認識することができる。

ファセット３４の改変をその周方向の長さに関して行うことも可能である。ファセット３４の長さが均一の場合に等間隔の時系列を成す開始パルスは、長さを様々に変えると変化する。また、ファセット３４の長さを意図的に変えて、結果として多面鏡ホイール３４の底面がもはや正ｎ角形ではないようにすることも考えられる。もっとも、それが単なる長さの製造公差であってもよい。また、中間的な解決策では公差が大きめになるようにする。長さを変えることだけでなく、自由形状によっても多面鏡ホイール２０に不平衡が生じるが、それは計算に入れて構造側で補償することができる。

変化した時系列は評価部３２において一種の指紋又は基準として学習させたりパラメータ化したりすることができる。そして駆動時には開始パルスの連続を基準と比較することでその都度作動中のファセット３４が特定される。

更に、例えば多面鏡ホイール２０上の既知の角度位置に取り付けられた一又は複数の磁石を検出するエンコーダ又は磁石センサのような、多面鏡ホイール２０の回転位置を監視する追加のセンサも考えられる。

Claims (15)

1. 監視領域（２２）内の物体（２４）を検出するためのポリゴンスキャナ（１０）であって、前記監視領域（２２）内へ光線（１６）を送出するための発光器（１２）と、前記監視領域（２２）内の物体（２４）により反射される光線（２６）を受光するための受光器（３０）と、前記受光器（３０）の受信信号を評価するための評価部（３２）と、前記光線（１６）を周期的に方向転換させる回転可能な鏡ユニット（２０）であって、複数のファセット（３４）を有し、以て前記監視領域（２２）として角度部分を該鏡ユニット（２０）の１回転あたり複数回、それぞれのファセット（３４）で走査する鏡ユニット（２０）とを備え、前記ファセット（３４）の少なくともいくつかが互いに異なる湾曲を有しているポリゴンスキャナ（１０）において、
   前記ファセット（３４）の少なくとも１つが自由形状面として構成されており、該自由形状面の湾曲が、前記鏡ユニット（２０）の回転の間に変化する該ファセット（３４）への前記送出光線（１６）の入射角に適応化されていることを特徴とするポリゴンスキャナ（１０）。
2. 前記自由形状面が、変化する入射角に対して同じ焦点位置がセットされるように湾曲していることを特徴とする請求項１に記載のポリゴンスキャナ（１０）。
3. 前記自由形状面が前記光線（１６）の走査平面から傾いていることを特徴とする請求項１又は２に記載のポリゴンスキャナ（１０）。
4. 前記自由形状面が、前記送出光線（１６）の走査領域（４０ａ〜ｂ）が真っ直ぐになるように湾曲していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のポリゴンスキャナ（１０）。
5. 鏡ユニット（２０）の回転位置を監視するための角度測定部（３２、３４ａ、４２）を備えており、前記評価部（３２）が前記回転位置を利用して各時点で作動中のファセット（３４）を識別するように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のポリゴンスキャナ（１０）。
6. 各ファセット（３４）での走査の開始の度に前記送出光線（１６）を検出する開始センサ（４２）を備えており、少なくとも１つのファセット（３４）が改変（３４ａ）を備えており、該改変が、前記送出光線（１６）が前記開始センサ（４２）内で生じさせる開始信号から該ファセット（３４）を識別することを可能にすることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のポリゴンスキャナ（１０）。
7. 前記ファセット（３４）が改変として、特に公差の差異により、異なる大きさを有していることを特徴とする請求項６に記載のポリゴンスキャナ（１０）。
8. 前記評価部（３２）が、前記開始信号の時間的な連続を基準として学習し、駆動時に前記開始信号の時間的な連続を該基準と比較することにより各時点で作動中のファセット（３４）を識別するように構成されていることを特徴とする請求項７に記載のポリゴンスキャナ（１０）。
9. 前記ファセット（３４）が改変として、前記開始信号を生成する開始領域（３４ａ）内において他のファセット（３４）とは異なる反射性及び／又は湾曲を有していることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載のポリゴンスキャナ（１０）。
10. 前記開始領域（３４ａ）に反射性の異なる複数の領域から成るパターンが設けられていることを特徴とする請求項９に記載のポリゴンスキャナ（１０）。
11. 前記角度測定部（３２）に前記鏡ユニット（２０）を回転させるための駆動部のタコ信号が供給されていることを特徴とする請求項５〜１０のいずれかに記載のポリゴンスキャナ（１０）。
12. 前記評価部（３２）が、検知された物体（２４）までの距離を前記受信信号から光伝播時間法で測定するように構成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のポリゴンスキャナ（１０）。
13. 前記評価部（３２）が、異なるファセット（３４）からの受信信号を互いに比較し、最も鮮明な受信信号を評価するように構成されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のポリゴンスキャナ（１０）。
14. バーコードスキャナとして構成されていること、及び、その評価部（３２）がバーコード復号器を備えていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のポリゴンスキャナ（１０）。
15. 監視領域（２２）内の物体（２４）を検出するための方法であって、光線（１６）が送出されて前記監視領域（２２）内の物体（２６）の表面で反射された後で再び受光されて評価され、前記監視領域（２２）の角度範囲が、複数のファセット（３４）を有する回転可能な鏡ユニット（２０）のファセット（３４）の表面で前記光線（１６）が方向転換されることにより周期的に走査され、前記光線（１６）が、走査の異なる周期において、前記ファセット（３４）の少なくともいくつかの異なる湾曲により、異なる態様で集光される、という方法において、
    前記光線（１６）が、或る走査周期内で、自由形状として形成された湾曲したファセット（３４）により、該ファセット（３４）の回転の間に変化する該ファセット（３４）への前記送出光線（１６）の入射角に適応化された方法で、集光されることを特徴とする方法。

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