JPWO2019123722A1 - 光走査装置、光走査装置の制御方法、および光走査装置の制御プログラム - Google Patents

Abstract

本発明は、振動が加わってポリゴンミラーの走査角に誤差が生じた場合でも、即座にその誤差を補正することができる光走査装置を提供する。本発明は、パルス状のレーザー光を出射する半導体レーザー５１と、レーザー光を反射させて測定空間内で走査するためのミラー面を有するポリゴンミラー５３と、測定空間内の物体から反射した光を受光するフォトダイオード５５と、ポリゴンミラー５３を回転させるモーター５６と、モーター５６の回転角を検出するモーターエンコーダー６１と、ポリゴンミラー５３の回転角を検出するポリゴンミラー回転角検出部７１と、モーターエンコーダー６１とポリゴンミラー回転角検出部７１との信号から得られるモーター５６とポリゴンミラー５３の回転位相差に応じて、レーザー光の発光タイミングを制御する制御部１２と、を有する光走査装置１０である。【選択図】図１

Description

本発明は、光走査装置、光走査装置の制御方法、および光走査装置の制御プログラムに関する。

光走査装置は、レーザー光を測定空間へ向けて発射し、その発射から反射光の受光までの時間などから測定空間内の物体までの距離を測定する。

従来、このような光走査装置では、光走査手段としてポリゴンミラーを備え、回転するポリゴンミラーにレーザー光を反射させて測定空間を走査し、物体からの反射光をフォトダイオードなどの受光手段で受光している。

光走査装置はパルス発光の周期を一定にしているので、光走査装置内のポリゴンミラーを一定速度で回転させれば、基本的には、光ビームの走査開始の基準位置から走査角を求めることができる。

従来の光走査装置の中には、レーザー光を道路の路面に対して垂直な扇状の平面となるように走査して、路面および道路上の移動体からの反射を受光することで移動体を検知する装置がある。このような光走査装置では、レーザー光を照射開始してからレーザー光が路面に対して垂直になると想定される時間を基にして走査角を算出している。

光走査装置では、設置の際、あるいは設置後の経時変化等によって、光走査装置が傾いてしまうことがある。そうなると、本来レーザー光が路面に対して垂直になると想定される時間では、レーザー光が路面に対して垂直にならず、求められた走査角に誤差が生じてしまう。

従来、このような走査角の誤差を補正するために、光ビームの走査開始の基準位置を検出する走査開始検出手段を備える一方、路面上に光ビームの光走査方向に沿う一部が他の部分に比べて反射光量あるいは投受光時間が異なるように差別化する差別化手段を置いて、差別化手段からの反射光を受光手段で受光して得られる受光信号と、走査開始検出手段からの走査開始検出信号とに基づいて光ビームの走査角を補正している（特開平１０−２５３９１０号公報）。

ところで、光走査装置は、自動車などの移動体に設置した場合においては、突発的な振動が装置に加わることがある。このような場合、光走査装置は、加わった振動によってポリゴンミラーの回転が乱れて、走査角に誤差が生じ、レーザー光の発射方向にむらができてしまうことがある。

しかしながら、従来の技術は、走査角の補正を行っているものの、道路の路面上に反射光量を差別化する差別化手段を置いて、この差別化手段からの反射光を基に補正を行っている。このため従来の技術では、差別化手段からの反射光を検出しなければ補正ができないので、突発的に装置に加わる振動によって発生した走査角の誤差については即座に補正することができない。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、振動が加わって走査角に誤差が生じた場合でも、即座にその誤差を補正することができる光走査装置を提供することである。

また、本発明の他の目的は、振動が加わって走査角に誤差が生じた場合でも、即座にその誤差を補正することができる光走査装置の制御方法を提供することである。

さらに、本発明の他の目的は、振動が加わって走査角に誤差が生じた場合でも、即座にその誤差を補正することができる光走査装置の制御プログラムを提供することである。

本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。

（１）パルス状のレーザー光を出射するレーザー光源と、
前記レーザー光を反射させて測定空間内で走査するための少なくとも１つのミラー面を有するポリゴンミラーと、
前記測定空間内の物体から反射した光を受光するフォトダイオードと、
前記ポリゴンミラーを回転させるモーターと、
前記モーターの回転角を検出するモーターエンコーダーと、
前記ポリゴンミラーの回転角を検出するポリゴンミラー回転角検出部と、
前記モーターエンコーダーと前記ポリゴンミラー回転角検出部との信号から得られる前記モーターと前記ポリゴンミラーの回転位相差に応じて、前記レーザー光の発光タイミングを制御する制御部と、
を有する、光走査装置。

（２）前記制御部は、前記ミラー面に対応したレーザー光の発光開始時において、
前記ポリゴンミラー回転角検出部からの信号を受信してから所定期間経過後、前記モーターエンコーダーからの信号に同期させて前記レーザー光を発光させるように、前記レーザー光の発光タイミングを制御する、上記（１）に記載の光走査装置。

（３）前記制御部は、前記レーザー光を前記ミラー面に反射させて走査している間において、
前記ポリゴンミラー回転角検出部からの信号を受信すると同時に前記レーザー光を発光させるように、前記レーザー光の発光タイミングを制御する、上記（１）または（２）に記載の光走査装置。

（４）前記モーターエンコーダーの分解能は、前記ポリゴンミラーによって走査される前記レーザー光の走査分解能と同じか、または当該走査分解能より小さく、
前記ポリゴンミラー回転角検出部の分解能は前記モーターエンコーダーの分解能より小さい、上記（１）〜（３）のいずれか１つに記載の光走査装置。

（５）前記制御部は、前記レーザー光の発光間隔があらかじめ決められた所定間隔以下にならないようにする、上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の光走査装置。

（６）前記ポリゴンミラー回転角検出部は、
フォトインタラプターと、
前記ポリゴンミラーに設けられ、前記ポリゴンミラーの回転よって前記フォトインタラプターの光を遮光するピンと、を有する、上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の光走査装置。

（７）パルス状のレーザー光を出射するレーザー光源と、
前記レーザー光を反射させて測定空間内で走査するための少なくとも１つのミラー面を有するポリゴンミラーと、
前記測定空間内の物体から反射した光を受光するフォトダイオードと、
前記ポリゴンミラーを回転させるモーターと、
前記モーターの回転角を検出するモーターエンコーダーと、
前記ポリゴンミラーの回転角を検出するポリゴンミラー回転角検出部と、を有する光走査装置の制御方法であって、
前記モーターエンコーダーと前記ポリゴンミラー回転角検出部との信号から得られる前記モーターと前記ポリゴンミラーの回転位相差に応じて、前記レーザー光の発光タイミングを制御する、光走査装置の制御方法。

（８）前記ミラー面に対応したレーザー光の発光開始時においては、
前記ポリゴンミラー回転角検出部からの信号を受信後、所定期間経過後、前記モーターエンコーダーからの信号に同期させてレーザー光を発光させるように前記レーザー光の発光タイミングを制御する、上記（７）に記載の光走査装置の制御方法。

（９）前記レーザー光を前記ミラー面に反射させて走査している間においては、
前記ポリゴンミラー回転角検出部からの信号を受信すると同時にレーザー光を発光させるように、前記レーザー光の発光タイミングを制御する、上記（７）または（８）に記載の光走査装置の制御方法。

（１０）前記モーターエンコーダーの分解能は、前記ポリゴンミラーによって走査される前記レーザー光の走査分解能と同じか、または当該走査分解能より小さく、
前記ポリゴンミラー回転角検出部の分解能は前記モーターエンコーダーの分解能より小さい、上記（７）〜（９）のいずれか１つに記載の光走査装置の制御方法。

（１１）前記レーザー光の発光間隔があらかじめ決められた所定間隔以下にならないようにする、上記（７）〜（１０）のいずれか１つに記載の光走査装置の制御方法。

（１２）前記ポリゴンミラー回転角検出部は、
フォトインタラプターと、
前記ポリゴンミラーに設けられ、前記ポリゴンミラーの回転よって前記フォトインタラプターの光を遮光するピンを有する、上記（７）〜（１１）のいずれか１つに記載の光走査装置の制御方法。

（１３）上記（７）〜（１２）のいずれか１つに記載の光走査装置の制御方法をコンピューターに実行させるための、光走査装置の制御プログラム。

（１４）上記（１３）に記載の制御プログラムを記録したコンピューター読み取り可能な記録媒体。

本実施形態に係る光走査装置を示す断面図である。 制御部の構成を示すブロック図である。 ポリゴンミラーの正面図である。 ポリゴンミラーを底面方向から見た斜視図である。 ポリゴンミラーの断面図である。 物体検出原理について説明する説明図である。 モーターの回転速度制御を説明するための論理ブロック図である。 位相ＰＩ制御のタイミングチャートである。 各ミラー面における発光開始時の発光タイミングの制御方法を説明するためのタイミングチャートである。 パルス発光開始後における発光タイミングの制御方法を説明するためのタイミングチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

本実施形態の光走査装置は、ポリゴンミラーにレーザー光を反射させて測定空間内を二次元的に走査する一方、物体などからの反射光を再びポリゴンミラーに反射させてフォトダイオードへ導く。これにより、測定空間を向いた複数の方向に関する情報を得ることができる。得られた情報は距離画像と称し、レーザー光の送受部から見た物体の方向と、その物体までの距離という情報を有する。

図１は、本実施形態に係る光走査装置を示す断面図である。

光走査装置１０は、投受光ユニット１１、および制御部１２を備え、筐体５７に収容されている。

投受光ユニット１１は、半導体レーザー５１、コリメートレンズ５２、ポリゴンミラー５３、レンズ５４、フォトダイオード５５、およびモーター５６を有する。

後述するように（図２〜５参照）、モーター５６には、モーター５６の回転角度を検出するモーターエンコーダー６１が設けられている。ポリゴンミラー５３には、ポリゴンミラー５３の回転角度を検出するポリゴンミラー回転角検出部７１が設けられている。

制御部１２は、半導体レーザー５１の発光からフォトダイオード５５の受光までの時間差に応じて距離情報（距離値）を求める。得られた距離情報から、測定空間内の物体までの距離値の分布を示す複数の画素で構成される距離画像が生成される。距離画像は測距点群データまたは距離マップとも称される。また、制御部１２は、後述するように、投受光ユニット１１を構成するモーター５６の回転制御およびレーザー光の発光タイミングも制御している。

図２は、制御部１２の構成を示すブロック図である。

制御部１２は、コンピューターであり、演算装置であるＣＰＵ１２１、ワークエリアや一時記憶に用いられるＲＡＭ１２２、基本プログラムを記憶しているＲＯＭ１２３、および必要に応じて設けられ、プログラムやパラメーターデータなどを記憶する不揮発性メモリ１２４を有し、互いにバス１２０によって接続されている。制御部１２のこのような構成は、周知のコンピューターと同様であるので詳細な説明は省略するが、後述する制御方法を行うためのプログラムがＣＰＵ１２１により実行されることで、各制御が行われる。なお、コンピューターとしての制御部１２の構成は、たとえば、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）やＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などの回路によって構成されていてもよい。

制御部１２には、バス１２０を通じて（直接または外部機器接続のためのインターフェースを介して）投受光ユニット１１が接続されている。

また、制御部１２は、モーターエンコーダー６１およびポリゴンミラー回転角検出部７１からの信号によりモーター５６の回転速度を制御している。また、制御部１２は、モーターエンコーダー６１およびポリゴンミラー回転角検出部７１からの信号から得られるモーター５６とポリゴンミラー５３の回転位相差に応じて、半導体レーザー５１が発するレーザー光の発光タイミングを制御している（詳細後述）。

半導体レーザー５１は、レーザー光源であり、パルス状のレーザー光を出射する。コリメートレンズ５２は、半導体レーザー５１からの発散光を平行光に変換する。ポリゴンミラー５３は、コリメートレンズ５２で平行とされたレーザー光を、回転するミラー面（後述）により測定空間に向かって走査投光するとともに、物体からの反射光を反射させる。レンズ５４は、ポリゴンミラー５３で反射された物体からの反射光を集光する。フォトダイオード５５は、レンズ５４により集光された光を受光し、Ｚ方向に並んだ複数の画素を有する。モーター５６はポリゴンミラー５３を回転駆動する。

半導体レーザー５１とコリメートレンズ５２とで出射部５０１を構成し、レンズ５４とフォトダイオード５５とで受光部５０２を構成する。出射部５０１、受光部５０２の光軸は、ポリゴンミラー回転軸５３０に対して直交していることが好ましい。

ボックス状の筐体５７は、車両１００の一部に固定されている。筐体５７は、上壁５７ａと、これに対向する下壁５７ｂと、上壁５７ａと下壁５７ｂとを連結する側壁５７ｃとを有する。側壁５７ｃの一部に開口５７ｄが形成され、開口５７ｄには透明板５８が取り付けられている。

ポリゴンミラー５３は、少なくとも１つのミラー面を有する。本実施形態では８面のミラー面を有している。ポリゴンミラー５３は、筐体５７に固定されたモーター５６のモーター軸５６ａに連結され、回転駆動される。本実施形態では、たとえば、モーター軸５６ａの軸線（回転軸線）が鉛直方向であるＺ方向に延在しており、Ｚ方向に直交するＸ方向およびＹ方向よりなるＸＹ平面が水平面となっているが、モーター軸５６ａの軸線を鉛直方向に対して傾けても良い。

ポリゴンミラー５３およびモーター５６の詳細を説明する。図３はポリゴンミラー５３の正面図、図４はポリゴンミラー５３を底面方向から見た斜視図、および図５はポリゴンミラー５３の断面図である。

ポリゴンミラー５３は、２つの四角錐を逆向きに接合して一体化した形状を有している。したがって、対になって向き合う方向に傾いたミラー面を４対有している。一対のミラー面としては、第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２、第３ミラー面Ｍ３と第４ミラー面Ｍ４（図１で図示されない面）、第５ミラー面Ｍ５と第６ミラー面Ｍ６、第７ミラー面Ｍ７と第８ミラー面Ｍ８（図１で図示されない面）である。第１ミラー面Ｍ１、第３ミラー面Ｍ３、第５ミラー面Ｍ５、第７ミラー面Ｍ７は、互いにポリゴンミラー回転軸５３０に対する傾斜角αが異なる。同様に第２ミラー面Ｍ２、第４ミラー面Ｍ４、第６ミラー面Ｍ６、第８ミラー面Ｍ８は、互いにポリゴンミラー回転軸５３０に対する傾斜角βが異なる。傾斜角は各ミラー面の延長線と、この延長線がポリゴンミラー回転軸５３０と交わる部分のなす角αおよびβである。図１においては、第１ミラー面Ｍ１の傾斜角αと第２ミラー面Ｍ２の傾斜角βを示したが、他のミラー面においても同様である（ただし傾斜角そのものは既に説明したとおりミラー面ごとに異なる）。なお、各ミラー面を総称または区別しないで記す場合はミラー面Ｍとする。

これら各ミラー面Ｍは、ポリゴンミラー５３の形状をした樹脂素材（たとえばＰＣ（ポリカーボネート））の表面に、反射膜を蒸着することにより形成されている。

ポリゴンミラー５３の底面部分は、各ミラー面Ｍを保持するためのリング部材７５が設けられている。ポリゴンミラー５３の中央部（２つの四角錐の接合部分）にモーター軸５６ａと接続される支持部材７６が設けられている。ポリゴンミラー５３の内部は中空である。

リング部材７５には、一定間隔でピン７２が設けられている。一方、筐体５７内部にはピン７２が通過する位置にフォトインタラプター７３が固定されている。ピン７２とフォトインタラプター７３によりポリゴンミラー回転角検出部７１を構成している。ピン７２とフォトインタラプター７３は、ポリゴンミラー５３が回転することで、ピン７２がフォトインタラプター７３の切り欠き７４内を通過する位置関係にある。フォトインタラプター７３は、周知のように切り欠き７４内に発光器と受光器（不図示）を有していて、発光器からの光が受光器へ照射されている。フォトインタラプター７３は、ピン７２が切り欠き７４を通過して光が遮られることでパルス信号を出力する。このパルス信号は、制御部１２へ出力される。

このピン７２の位置は、図示するように、リング部材７５上であり、これはポリゴンミラー５３の底面の外周に相当する位置である。このようなポリゴンミラー５３の底面の外周にピン７２を設けたことで、回転軸の近くに取り付けるよりも、ポリゴンミラー５３の速度の変化をとらえやすくなる。

モーター５６には、モーターエンコーダー６１が取り付けられている。モーターエンコーダー６１は、パルスエンコーダー、ロータリーエンコーダーなどと称されており、モーター５６の回転に合わせて一定の回転角度ごとにパルス信号を出力する。このパルス信号は、制御部１２へ出力される。

ポリゴンミラー５３の回転によって走査される際に発射されるレーザー光の回数を走査分解能という。モーターエンコーダー６１の分解能は、走査分解能と同じか、またはそれより小さいことが好ましい。たとえば、走査分解能がミラー１面当たり９２３分割とした場合（ポリゴンミラー１回転では３６９２分割）、モーターエンコーダー６１を同じ分解能とするために、本実施形態ではモーターエンコーダー６１の１回転の分解能を５５３６分割とした。分解能は、すなわちパルス数と同じであり、走査分解能が９２３分割であればレーザー光を９２３パルス測定空間に走査投光するものとなり、エンコーダー６１の分解能が５５３６分割であれば１回転で５５３６パルス出力するものとなる。

上記の例では、モーターエンコーダー６１の分解能（５５３６パルス）が１回転当たり、ミラー４面分の走査分解能（３６９２パルス）より多いのは、回転方向に隣接するミラー面の接続部分では、レーザー光を発射しない一方、モーターエンコーダー６１ではその部分でも角度を示すためのパルスを出力するからである。

一方、ポリゴンミラー回転角検出部７１の分解能は、モーターエンコーダー６１の分解能より小さくてよい。ポリゴンミラー回転角検出部７１の分解能は、ピン７２の数によって決まる。つまりポリゴンミラー回転角検出部７１の分解能は、ポリゴンミラー５３が１回転する間に、ピン７２がフォトインタラプター７３を横切ることで出力されるパルス数となる。上記の走査分解能の場合、ポリゴンミラー回転角検出部７１の分解能は、たとえば、１６分割（１６パルス）とする。この場合、ピン７２の数は１６個である。もちろんこの値は、さらに多くてもよいが、あまり多くすると１回転当たりの補正処理（詳細後述）の回数が多くなりすぎて、処理が追い付かなくなる可能性があるので、補正処理ができる範囲の分解能（ピン７２の数）とする。

次に、光走査装置１０の物体検出原理について説明する。図６は物体検出原理について説明する説明図であり、ポリゴンミラー５３の回転に応じて、出射するレーザースポット光６００で光走査装置１０の測定空間内を走査する状態を示している。

図１において半導体レーザー５１からパルス状に間欠的に出射された発散光は、コリメートレンズ５２で平行光に変換され、回転するポリゴンミラー５３の第１ミラー面Ｍ１に入射する。その後、第１ミラー面Ｍ１で反射され、さらに第２ミラー面Ｍ２で反射した後、透明板５８を透過して外部の測定空間に向けて、たとえば、図６に示すように、縦長の矩形断面を持つレーザースポット光６００（ハッチングで示す）として走査投光される。なお、出射されたレーザースポット光６００が物体６０１や６０２で反射し、反射光として戻ってくる方向を投受光方向という。同一の投受光方向に進行するレーザースポット光は、同一の画素で検出される。図において物体６０１は車両であり、物体６０２は人である。もちろんこれら以外の建物や構造物なども物体として検知される。

ここで、ポリゴンミラー５３の各ミラー面は、既に説明したように、ポリゴンミラー回転軸５３０に対する傾斜角が異なっている。まず、１番対の第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２にて反射したレーザー光は、ポリゴンミラー５３の回転に応じて、測定空間の一番上の領域Ｌｎ１を水平方向に左から右へと走査される（図６の状態）。次に、２番対の第３ミラー面Ｍ３と第４ミラー面Ｍ４で反射したレーザー光は、ポリゴンミラー５３の回転に応じて、測定空間の上から２番目の領域Ｌｎ２を水平方向に左から右へと走査される。次に、３番対の第５ミラー面Ｍ５と第６ミラー面Ｍ６で反射したレーザー光は、ポリゴンミラー５３の回転に応じて、測定空間の上から１番目の領域Ｌｎ３を水平方向に左から右へと走査される。次に、４番対の第７ミラー面Ｍ７と第８ミラー面Ｍ８で反射したレーザー光は、ポリゴンミラー５３の回転に応じて、測定空間の最も下の領域Ｌｎ４を水平方向に左から右へと走査される。

このようにして光走査装置１０が測定可能な測定空間全体の１回の走査が完了する。この領域Ｌｎ１〜Ｌｎ４の走査により得られた画像を組み合わせて、１つのフレームＦＬが得られる。そして、ポリゴンミラー５３が１回転した後、再び１番対の第１ミラー面Ｍ１と第２ミラー面Ｍ２に戻り、以降は測定空間の一番上の領域Ｌｎ１から最も下の領域Ｌｎ４までの走査を繰り返し、次のフレームＦＬが得られる。

図１において、走査投光されたレーザー光のうち物体に当たって反射したレーザー光の一部は、再び透明板５８を透過して筐体５７内のポリゴンミラー５３の第２ミラー面Ｍ２に入射し、ここで反射され、さらに第１ミラー面Ｍ１で反射されて、レンズ５４により集光され、それぞれフォトダイオード５５の受光面で画素ごとに検知される。このとき、制御部１２が半導体レーザー５１の発光タイミングとフォトダイオード５５の受光タイミングとの時間差に応じて距離情報を求める。これにより測定空間内の全領域で物体の検出を行って、画素ごとに距離情報を持つ距離画像としてのフレームＦＬを得ることができる。なお、かかる距離画像は、不図示のネットワーク等を介して遠方のモニターに送信されて表示されたり、不揮発性メモリ１２４に記憶されたりする。また、得られた距離画像を背景差分法による物体検出のために背景画像データとして記憶してもよい。

次に、制御について説明する。

図７は、モーター５６の回転速度制御を説明するための論理ブロック図である。図８は、位相ＰＩ（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御のタイミングチャートである。

モーター５６の回転制御は、モーターエンコーダー６１からの信号（図中、エンコーダー信号と記した）で算出できるモーター回転速度を速度指令と比較して速度ＰＩ制御を行いつつ、図８に示すように、ポリゴンミラー回転角検出部７１の信号と、速度指令に合わせて制御部１２で生成される位相指令（基準信号）とを比較して位相ＰＩ制御を行う。これにより、低速でも回転安定性を高めることができる。

次に、レーザー光の発光制御を説明する。

ポリゴンミラー５３は、既に説明したようにポリカーボネートなどを用いた樹脂素材を使用していて、しかも内部が中空である。このようなポリゴンミラー５３は、軽量化に向いている。しかし、突発的な振動で、軸ブレやねじれ変形を起こしやすい。ポリゴンミラー５３は、軸ブレやねじれ変形を起こすと回転速度が変化して、レーザー光を測定空間に走査する際の走査角に誤差が生じてしまう。

ポリゴンミラー５３のような回転体の振動耐性を上げるためには、高速に回転させてフライホイール効果を大きく発生させることが考えられる。しかし、光走査装置１０ではポリゴンミラー５３を高速回転させると受光データの処理が追い付かない問題が発生したり、レーザー光のパルス発光間隔が目に障害を与えない光強度の安全基準を超えるほど短くなったりしてしまうおそれがある。このため、ポリゴンミラー５３の回転速度は３００〜３０００ｒｐｍ程度の低速回転にする必要がある。このようなことから、ポリゴンミラー５３を高速回転できないため、振動が加わると回転速度に変化が生じて走査角に誤差が生じやすいのである。

本実施形態では、このような振動起因の走査角の誤差を即座（リアルタイム）に補正するために、モーターエンコーダー６１とポリゴンミラー回転角検出部７１とからのパルス信号を用いて、パルス状のレーザー光の発光タイミングを制御することとした。

レーザー光の発光タイミングの制御は、各ミラー面における発光開始時と、パルス発光開始後レーザー光をミラー面に反射させて走査している間（以下パルス発光開始後という）で異なる。

各ミラー面における発光開始時の発光タイミングの制御方法を説明する。図９は、各ミラー面における発光開始時の発光タイミングの制御方法を説明するためのタイミングチャートである。図９においては、横軸をモーター軸の回転角度として、モーターエンコーダー６１の信号、ポリゴンミラー回転角検出部７１の信号、およびレーザー発光タイミングの信号について示した。レーザー発光タイミングの信号は、制御部１２から半導体レーザー５１へ出力され、半導体レーザー５１は、このタイミング信号に合わせて点消灯する。

また、図９においては、回転安定状態、ポリゴン遅延状態、およびポリゴン先行状態の３つの状態を示している。図示した発光開始パルスは、各ミラー面Ｍにおける発光開始時点を示すパルスである。この発光開始パルスは、モーターエンコーダー６１が出力している回転角基準を示すパルス（たとえば他のパルスよりパルス幅が広いパルス）から、各ミラー面Ｍごとに所定のパルス数をカウントした位置のパルスである。この所定のパルス数は、あらかじめ制御部１２に記憶しておいて使用する。上述した走査分解能９２３パルスの例では、モーターエンコーダー６１の分解能である５５３６パルスを４分割して各ミラー対ごとに指定することになる。そうすると所定のパルス数は、一対のミラー面Ｍ１およびＭ２に対する発光開始パルスを１パルス目とした場合、ミラー面Ｍ３およびＭ４に対する発光開始パルスは１３８５パルス目、ミラー面Ｍ５およびＭ６に対する発光開始パルスは２７６９パルス目、ミラー面Ｍ７およびＭ８に対する発光開始パルスは４１５３パルス目となる。一方、各ミラー面Ｍごとのレーザー発光の終了は、たとえばパルス状のレーザー光をあらかじめ決められた回数（上記の例では９２３パルス）となるまで発光させたら終了とする。なお、このようなパルス数はあくまでも例示であり、ミラー面の大きさや走査分解能などに応じて決定されるものであって、本発明はこれらパルス数を用いることに限定されるものではない。

図９を参照して説明する。回転安定状態は、モーターエンコーダー６１の発光開始パルスとポリゴンミラー回転角検出部７１のパルスが一致している状態である。この状態の場合、制御部１２は、発光開始パルス受信と同時にポリゴンミラー回転角検出部７１のパルスを受信する。そしてポリゴンミラー回転角検出部７１のパルスを受信から、モーターエンコーダー６１のパルスのカウントを開始して２パルス目をカウントすると同時に発光を開始させる。その後、制御部１２は、モーターエンコーダー６１のパルスに同期させて発光させる。この回転安定状態においては、ポリゴンミラー回転角検出部７１のパルスが検出された後からレーザー光発光までの回転角Ａ０は補正なし（回転位相差なし）となる。

なお、本明細書において、上記「同時」とは、制御部１２などの回路遅延分の差があっても同時と見做す。

ポリゴン遅延状態は、モーターエンコーダー６１の発光開始パルスに対して、ポリゴンミラー回転角検出部７１のパルスが回転位相差ｐｈ１分遅れている状態である。この状態では、制御部１２はモーターエンコーダー６１の回転開始パルスを受信後、ポリゴンミラー回転角検出部７１のパルスを受信することになり、その差を回転位相差ｐｈ１として検出する。そして、制御部１２は、ポリゴンミラー回転角検出部７１のパルスを受信してから、モーターエンコーダー６１のパルスのカウントを開始して２パルス目をカウントすると同時に発光を開始させる。その後、制御部１２は、レーザー光をモーターエンコーダー６１のパルスに同期させて発光させる。この場合、ポリゴンミラー回転角検出部７１のパルスが検出された後からレーザー光発光までの回転角がＡ１となって、回転位相差ｐｈ１が補正されることになる。

ポリゴン先行状態は、モーターエンコーダー６１の発光開始パルスに対して、ポリゴンミラー回転角検出部７１のパルスが回転位相差ｐｈ２分進んでいる状態である。この状態では、制御部１２は、レーザー光を発光させていない状態で（または回転方向のミラー面接合部に相当する間において）、モーターエンコーダー６１の回転開始パルスを検出する前に、ポリゴンミラー回転角検出部７１のパルスを受信する。その後、モーターエンコーダー６１の回転開始パルスを受信する。つまり、モーターエンコーダー６１の回転開始パルスを検出する前に、ミラー面は走査開始位置まで先行して回転しているのである。これらパルスの差が回転位相差ｐｈ２となる。このようなポリゴン先行状態においては、制御部１２は、ポリゴンミラー回転角検出部７１のパルスを受信してから、モーターエンコーダー６１のパルスのカウントを開始して２パルス目をカウントすると同時に発光を開始させる。その後、制御部１２は、モーターエンコーダー６１のパルスに同期させて発光させる。これにより、ポリゴンミラー回転角検出部７１のパルスが検出された後からレーザー光発光までの回転角がＡ２となって、回転位相差ｐｈ２に応じた補正が行われることになる。

このように各ミラー面におけるレーザー発光開始においては、レーザー光の発光タイミングは、ポリゴンミラー５３の回転がモーター５６の回転に対して遅延していても、先行していても、ポリゴンミラー回転角検出部７１のパルスを受信してから、モーターエンコーダー６１のパルスのカウントを開始して、２パルス目をカウントすると同時に発光させている。これにより、ポリゴンミラー５３の回転速度が振動によって変化したとしても、その分を補正してレーザー光の発光を開始させることができる。したがって、振動で起こるレーザー光の走査角の誤差をリアルタイムで補正することができる。しかも、回転安定状態、ポリゴン遅延状態、およびポリゴン先行状態のいずれの状態でも、同じ制御により各ミラー面Ｍごとのレーザー光の発光開始のタイミングを補正することができる。

ここでは、ポリゴンミラー回転角検出部７１からのパルスが検出された後の最初の発光を、モーターエンコーダー６１からのパルスをカウントして、２パルス目をカウントすると同時に発光させている（この２パルスカウントする期間を所定期間とする）。これは、１のミラー面から次のミラー面に移る期間後、最初の発光で確実に補正できるようにするためである。この所定期間は、２パルスに限定されず、１のミラー面から次のミラー面に移る期間で補正できるようなタイミングであればよく、ポリゴンミラー回転角検出部７１からのパルスが検出された後、最初に検出されたモーターエンコーダー６１のパルスから同期させてもよいし、２パルス以上カウントしてから同期させてもよい。ただし、所定期間が長すぎると、次のミラー面による走査開始が遅くなるので、そのような遅延が発生しないように設定する。

次に、パルス発光開始後、レーザー光を反射させて走査している間における発光タイミングの制御方法を説明する。図１０は、パルス発光開始後における発光タイミングの制御方法を説明するためのタイミングチャートである。図１０においても図９同様に、横軸をモーター軸の回転角度として、モーターエンコーダー６１の信号、ポリゴンミラー回転角検出部７１の信号、およびレーザー発光タイミングの信号について示した。また、ここでは回転安定状態、ポリゴン遅延状態Ａ、および別のタイミングとなるポリゴン遅延状態Ｂの３つの状態を示している。ここでパルス発光開始後の発光では、モーター５６の回転に対してポリゴンミラー５３の回転が先行している状態（ポリゴン先行状態）であっても、検出されるポリゴンミラー回転角検出部７１からのパルスは、その前に検出されたモーターエンコーダー６１のパルスの後に受信することになる。このためポリゴン先行状態は考慮する必要はなく、制御部１２がモーターエンコーダー６１のパルスを受信後、ポリゴンミラー回転角検出部７１のパルスを受信したなら、それら受信したモーターエンコーダー６１のパルスとポリゴンミラー回転角検出部７１のパルスの角度差が回転位相差ということになる。

また、ここで例示した処理においては、回転位相差として検出された角度の間には、さらに細かい角度を検出する信号がない。このため、位相差の間の細かい角度は対応する時間を用いて制御する。もちろん位相差として検出された角度の間に、さらに細かい角度を検出する信号がある場合は、それを利用してもよい。

パルス発光開始後における発光タイミングの制御は、基本的には、回転安定状態もポリゴン遅延状態ＡおよびＢのいずれでも同じである。すなわち、制御部１２は、ポリゴンミラー回転角検出部７１のパルスを受信すると同時にレーザーを発光させる。このとき、回転位相差が検出されれば制御部１２内で記憶される。その後は、モーターエンコーダー６１の各パルスと同期をとりつつ、各パルスから回転位相差分だけ遅らせて発光させる。モーターエンコーダー６１の各パルスと同期をとりつつ、各パルスから回転位相差分だけ遅らせて発光させるためには、たとえば、制御部１２内のＲＡＭ１２２などに、検出した回転位相差を時間として記憶しておき、その時間分、制御部１２の内部クロック（コンピューター動作ためのクロック）によりカウントして遅らせる。

したがって、回転安定状態の場合は、回転位相差は０であるので、そのままモーターエンコーダー６１の各パルスに合わせて発光させる。ポリゴン遅延状態Ａの場合は、モーターエンコーダー６１の各パルスと同期をとりつつ、各パルスから回転位相差ｐｈ３分遅らせて発光させる。

ポリゴン遅延状態Ｂにおいては、ポリゴンミラー回転角検出部７１のパルスを受信すると同時にレーザーを発光させると、その前の発光との時間間隔が極めて短いものとなる。このような場合、制御部１２は発光を禁止することとした。

この発光禁止は安全基準を考慮したもので、安全基準よりも時間間隔が短くなる場合に発光禁止としたのである。安全基準は、ＩＥＣ ６０８２５−１およびＪＩＳ Ｃ６８０２（国内規格、ＩＥＣ ６０８２５−１に準拠）により、人体（目や皮膚）への影響を考慮してレーザー製品の放出レベルをクラス分けした規格として決められている。これらの規格では、基準時間内の許容エネルギーが規定されていて、ある時間内に複数パルスが存在する場合はそれらを合わせて１つのパルスと見做して計算される。したがって、複数のパルスが極めて短い時間間隔で連続発光する場合、１パルスのエネルギーを少なくするか、パルスの発光間隔を長くする必要がある。本実施形態では連続発光により安全基準を満たさなくなるようなエネルギーとなる場合に、レーザーの発光間隔を開けることとした。このために、本実施形態は、発光時間間隔があらかじめ決められた所定間隔以下となる場合にレーザー発光を禁止する。この所定時間は既に説明したように、安全基準を満たすレーザー強度となるように決められるものである。

制御部１２は、ポリゴン遅延状態Ｂにおいては禁止された発光（すなわち、ポリゴンミラー回転角検出部７１のパルスが検出されると同時）の後は、モーターエンコーダー６１の各パルスと同期をとりつつ、各パルスから回転位相差ｐｈ４分遅らせて発光させる。

これによりパルス発光開始後においても、回転安定状態、ポリゴン遅延状態（ポリゴン先行状態も同じ）のいずれであっても、リアルタイムで走査角の補正が行われる。しかも、しかも、パルスの発光間隔を人体に障害を与えない安全基準以下にすることができる。

本実施形態によれば以下の効果を奏する。

モーター５６の回転制御を、モーターエンコーダー６１とポリゴンミラー５３の回転角を検出するポリゴンミラー回転角検出部７１の信号により制御することとした。特に、モーターエンコーダー６１は、モーター軸５６ａに直結しているため、ポリゴンミラー５３の軸ブレやねじれ変形の影響を受けずモーター５６の制御性が良い。一方、ポリゴンミラー回転角検出部７１はポリゴンミラー５３に配置するので、ポリゴンミラー５３の軸ブレやねじれ変形が起きた場合に、それらの変化を確実に検出することができる。

そして、制御部１２がモーターエンコーダー６１とポリゴンミラー回転角検出部７１の信号から得られるモーター５６とポリゴンミラー５３との回転位相差に応じてレーザー光の発光タイミングを制御することとした。このため、この回転位相差によって発生する走査角の誤差を即座に（リアルタイムで）補正することができる。

また、レーザー光の発光間隔が安全基準を満たさなくなるような場合には、その分の発光を禁止することとした。このため補正された発光タイミングであっても、安全にレーザー光を測定空間に走査投光することができる。

本実施形態の光走査装置１０は、たとえば、測定空間に存在する物体（対象物）までの距離を３次元測定するレーザーレーダーに好適である。レーザーレーダーは、ＬｉＤＥＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ、またはＬａｓｅｒ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）と称されることもある。

本発明に係る光走査装置の制御プログラムは、専用のハードウェア回路によって実現することも可能である。また、この制御プログラムは、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）メモリやＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）−ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）などのコンピューター読み取り可能な記録媒体によって提供したり、記録媒体によらず、インターネットなどのネットワークを介してオンラインで提供したりすることも可能である。この場合、この制御プログラムは、通常、記憶部を構成する磁気ディスク装置等に記憶される。また、この制御プログラムは、単独のアプリケーションソフトウェアとして提供したり、一機能として別のソフトウェアに組み込んで提供したりすることも可能である。

以上本発明を適用した実施形態を説明したが、本発明は、これら実施形態に限定されるものではない。本発明は特許請求の範囲に記載された構成に基づき様々な改変が可能であり、それらについても本発明の範疇である。

１０ 光走査装置、
１１ 投受光ユニット、
１２ 制御部、
５１ 半導体レーザー、
５３ ポリゴンミラー、
５５ フォトダイオード、
５６ モーター、
５６ａ モーター軸、
６１ モーターエンコーダー、
７１ ポリゴンミラー回転角検出部、
７２ ピン、
７３ フォトインタラプター、
７５ リング部材、
１２０ バス、
５３０ ポリゴンミラー回転軸。

Claims (14)

1. パルス状のレーザー光を出射するレーザー光源と、
   前記レーザー光を反射させて測定空間内で走査するための少なくとも１つのミラー面を有するポリゴンミラーと、
   前記測定空間内の物体から反射した光を受光するフォトダイオードと、
   前記ポリゴンミラーを回転させるモーターと、
   前記モーターの回転角を検出するモーターエンコーダーと、
   前記ポリゴンミラーの回転角を検出するポリゴンミラー回転角検出部と、
   前記モーターエンコーダーと前記ポリゴンミラー回転角検出部との信号から得られる前記モーターと前記ポリゴンミラーの回転位相差に応じて、前記レーザー光の発光タイミングを制御する制御部と、
   を有する、光走査装置。
2. 前記制御部は、前記ミラー面に対応したレーザー光の発光開始時において、
   前記ポリゴンミラー回転角検出部からの信号を受信してから所定期間経過後、前記モーターエンコーダーからの信号に同期させて前記レーザー光を発光させるように、前記レーザー光の発光タイミングを制御する、請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記制御部は、前記レーザー光を前記ミラー面に反射させて走査している間において、
   前記ポリゴンミラー回転角検出部からの信号を受信すると同時に前記レーザー光を発光させるように、前記レーザー光の発光タイミングを制御する、請求項１または２に記載の光走査装置。
4. 前記モーターエンコーダーの分解能は、前記ポリゴンミラーによって走査される前記レーザー光の走査分解能と同じか、または当該走査分解能より小さく、
   前記ポリゴンミラー回転角検出部の分解能は前記モーターエンコーダーの分解能より小さい、請求項１〜３のいずれか１つに記載の光走査装置。
5. 前記制御部は、前記レーザー光の発光間隔があらかじめ決められた所定間隔以下にならないようにする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の光走査装置。
6. 前記ポリゴンミラー回転角検出部は、
   フォトインタラプターと、
   前記ポリゴンミラーに設けられ、前記ポリゴンミラーの回転よって前記フォトインタラプターの光を遮光するピンと、を有する、請求項１〜５のいずれか１つに記載の光走査装置。
7. パルス状のレーザー光を出射するレーザー光源と、
   前記レーザー光を反射させて測定空間内で走査するための少なくとも１つのミラー面を有するポリゴンミラーと、
   前記測定空間内の物体から反射した光を受光するフォトダイオードと、
   前記ポリゴンミラーを回転させるモーターと、
   前記モーターの回転角を検出するモーターエンコーダーと、
   前記ポリゴンミラーの回転角を検出するポリゴンミラー回転角検出部と、を有する光走査装置の制御方法であって、
   前記モーターエンコーダーと前記ポリゴンミラー回転角検出部との信号から得られる前記モーターと前記ポリゴンミラーの回転位相差に応じて、前記レーザー光の発光タイミングを制御する、光走査装置の制御方法。
8. 前記ミラー面に対応したレーザー光の発光開始時においては、
   前記ポリゴンミラー回転角検出部からの信号を受信後、所定期間経過後、前記モーターエンコーダーからの信号に同期させてレーザー光を発光させるように前記レーザー光の発光タイミングを制御する、請求項７に記載の光走査装置の制御方法。
9. 前記レーザー光を前記ミラー面に反射させて走査している間においては、
   前記ポリゴンミラー回転角検出部からの信号を受信すると同時にレーザー光を発光させるように前記レーザー光の発光タイミングを制御する、請求項７または８に記載の光走査装置の制御方法。
10. 前記モーターエンコーダーの分解能は、前記ポリゴンミラーによって走査される前記レーザー光の走査分解能と同じか、または当該走査分解能より小さく、
    前記ポリゴンミラー回転角検出部の分解能は前記モーターエンコーダーの分解能より小さい、請求項７〜９のいずれか１つに記載の光走査装置の制御方法。
11. 前記レーザー光の発光間隔があらかじめ決められた所定間隔以下にならないようにする、請求項７〜１０のいずれか１つに記載の光走査装置の制御方法。
12. 前記ポリゴンミラー回転角検出部は、
    フォトインタラプターと、
    前記ポリゴンミラーに設けられ、前記ポリゴンミラーの回転よって前記フォトインタラプターの光を遮光するピンを有する、請求項７〜１１のいずれか１つに記載の光走査装置の制御方法。
13. 請求項７〜１２のいずれか１つに記載の光走査装置の制御方法をコンピューターに実行させるための、光走査装置の制御プログラム。
14. 請求項１３に記載の制御プログラムを記録したコンピューター読み取り可能な記録媒体。