Blickfeld 社の点群にはいくつかの特徴がありますが、その中でも特に目を引くのは、センサー設計と Blickfeld 社がいわゆる「スキャニング LiDAR」を開発していることに関連して、眼の形であることです。Blickfeld社のLiDARセンサーの点群がなぜ楕円形なのかを理解するためには、センサー自体の内部といわゆるスキャンパターンを見てみる必要があります。
タイム・オブ・フライトによる距離測定
Blickfeld社のLiDARテクノロジーは、タイム・オブ・フライト原理に基づいています。レーザーパルスを照射し、それが物体で反射して再びセンサーに拾われるまでの時間から、物体の正確な距離を割り出すことができるのです。これを1秒間に何百万回と繰り返すことで、周囲の状況を詳細に画像化することができます。
Blickfeld社のLiDAR「Cube」では、単一のレーザー光源からレーザーパルスが放射されます。このレーザー光源と検出器だけでセンサーを構成し、ビーム偏向ユニットを持たないと、一方向の測定しかできません。そこで、環境全体を把握するために、スキャナーと呼ばれるビーム偏向ユニットも一緒に設計しています。この特殊なLiDARテクノロジーをスキャニングLiDARと呼ぶのは、これらの部品に由来しています。スキャナーは、レーザービームを環境上に偏向させ、一点だけでなく全体をとらえる役割を担っています。
2枚のミラーで視野角を確保
Blickfeld社のセンサーのビーム偏向ユニットは、2枚のマイクロエレクトロメカニカル（MEMS）ミラーで構成されています。この2枚のミラーは、自由に振動できるように取り付けられています。ミラーの1つは水平に、もう1つは垂直に動きます。レーザー光の経路が両方のミラーを通過するように配置されています。
水平方向のミラーは連続的でほぼ調和的なカーブを描いて振動します。最大開口角により水平視野角は制限されますが、常に焦点を合わせることができます。
一方、垂直ミラーは振幅が可変であり、連続的に変化させることができます。両ミラーの振動振幅を合わせることで、周囲をスキャンする視野角が形成されます。一旦動き出すと、ミラーは「固有振動数」で振動します。ミラーが大きくなると重量が増すため、一般的に固有振動数は低くなります。私たちのブログ記事「センサーの心臓部－LiDAR用MEMSテクノロジー」において、私たちがセンサーに比較的大きなミラーを使用している理由を説明しています。
ミラーが互いに近づくことで、楕円形のスキャンパターンが形成
では、なぜ固有周波数が高いことが望ましいのでしょうか？それは、「スキャンライン」をスキャンするのに必要な時間を決定するためです。スキャンラインとは、水平ミラーの振動の半分のことで、レーザー光はシーン上を右から左へ、または左から右へ1回ずつスキャンラインに照射されます。両鏡の固有振動数は互いに同調し、位相がずれているので、周囲を楕円形のスキャンパターンでスキャンします。
このパターンは次のように作られます。水平ミラーは左から右へ動き、垂直ミラーは小さな振幅で振動し始めます。このため、1本目のスキャンラインはほぼまっすぐな水平線となります。2本目のスキャンラインでは、水平ミラーは右から左へ、垂直ミラーは上から下へ移動します。従って、2本目のスキャンラインは1本目のスキャンラインの下に位置します。3番目のラインは1番目のラインの下を左から右へ走り、垂直方向の視野角が最大になるまで続きます。シーンが完全に取り込まれると、いわゆるフレームが完成します。
スキャンパターンの構成
Blickfeld社のミラーは、1秒間に最大約500本のスキャンラインを生成することができ、可変設定により、さまざまなアプリケーションや条件で使用することが可能です。例えば、1フレームに多くの垂直スキャンラインが必要な場合、走査線間の距離を小さくして垂直視野角を小さくするか、スキャンライン間の距離を大きくして垂直視野角を大きく設定することで目標を達成することができます。
しかし、1フレームに作成するスキャンラインが多くなると、全体をスキャンするのに時間がかかるようになります。最大500本程度のスキャンラインでは、1秒間に1回視野を走査する、つまり1画素を1回測定することになります。しかし、1秒間にセンサーの視野角は大きく変化するため、多くのアプリケーションではフレームレートを上げること、つまり1秒間に視野角全体をスキャンする回数を増やすことが理にかなっています。そのためには、1フレームあたりのスキャンラインの数、つまり解像度を下げなければなりません。
水平解像度も変更可能です。Blickfeld社のLiDARセンサーは、レーザーパルスで動作します。つまり、連続したビームではなく、短いレーザーパルスが特定の間隔で照射されます。これにより、点群に特徴的なデータ「点」が生成されます。水平解像度を上げるには、レーザーパルスの発光間隔を短くし、「パルス周波数」を高くする必要があります。パルス周波数はレーザーダイオードの過剰な発熱によって制限されるため、目の安全に関する厳格なプロトコルが要求されます。スキャンパターンの端は「カットオフ」されています。スキャンラインはここに収束するため、レーザーパルスは互いに非常に接近し、その結果、強度が高くなりすぎる可能性があります。人間の目を保護するために、水平開口角の最外縁にはパルスを照射せず、Blickfeld社のセンサーはアイセーフスキャン設定のみを許可しています。
多数のアプリケーションに対応する柔軟な構成
Blickfeld社のLiDARセンサーの特徴は、柔軟なスキャンライン数、カスタマイズ可能な視野角、調整可能な水平解像度など、これらすべての設定をユーザーインターフェースでリアルタイムに調整できることです。もちろん、API経由でも調整可能です。これらは、現在のアプリケーションとそれに対応する要件に応じて調整することができ、操作中に変更することも可能です。
これにより、Blickfeld社のセンサーを各アプリケーションに合わせて個別に設定することができます。例えば、より広い範囲を撮影するために非常に高い視野角が必要な場合や、小さな物体を検出するために高い解像度が必要な場合でも、問題なく設定することが可能です。さらに、同じセンサーを1つのアプリケーションのためだけに設定する必要はなく、LiDARセンサーはその柔軟性により、必要に応じて何度でも使用することができます。
