プリエンファシス技術を用いた比例積分微分制御におけるガルバノメータミラーの正弦波をスキャンするためのゲイン補償方法論

本手順の全体的な目的は、正弦波パス追従における検流計ミラーのゲイン低下を補償する手法を実証することです。ここでは、モーションブラー補正に比例・積分・微分（PID）制御を用います。この手法は、光学工学の分野におけるターゲット追跡、スキャン制御、モーションブラー補正などの問題に適用することが可能です。

この手法の主な利点は、あらかじめ設定されたパラメータと入力対出力比に基づいているため、追加のアクティブ輪郭モデルやハードウェアを必要としないことです。光学ベンチで実験を行い、ベンチに取り付けるための検流計ミラーを準備してください。

振動中にミラーおよびその本体が動くのを防ぐため、ミラーは特製の治具に固定してください。治具とミラーを光学マウントに取り付けます。その後、光学ベンチにマウントを固定して次へ進みます。

A/D D/Aボードを搭載したコンピュータでミラーを制御します。ボードからミラーまで、適切に接続されたケーブルを伸ばします。そこで、ケーブルをガルバノメータミラーの入力ソケットおよびポジションソケットに接続します。

コンピュータ上で、正弦波関数発生器のグラフィカルユーザインタフェースを使用します。周波数（Frequency）と振幅（Amplitude）を変化させながら、複数回の試行を行うようにインタフェースをプログラムしてください。本実験では、周波数範囲にわたる外側ループを使用します。

最小周波数を100 Hertzに設定します。最大周波数を500 Hertzに設定します。周波数を100 Hertz刻みで増加させます。

内側のループは電圧振幅に対して行います。最小電圧には 10 millivolts を、最大電圧には 500 millivolts を使用してください。

電圧を10 millivoltsずつ増加させます。正弦波パス信号の時間を2000 samplingsに設定してください。コンピュータでミラーを駆動させ、同時にその位置信号を記録して、角度を決定します。

周波数ごと、および電圧振幅ごとに、データを個別のファイルに保存してください。すべてのデータの収集が完了したら、各周波数において、入力振幅の関数として出力振幅をプロットします。低周波数のデータは、高周波数のデータよりも、入力振幅に対する出力振幅が大きくなることに注意してください。

これは、本手法で補正を行う周波数の関数としてのゲインの減少を示しています。プリエンファシス係数を求めるには、非線形挙動を除外し、プロットのほぼ線形な部分に注目してください。この実験では、鏡に映る動画像が必要です。

これを実現するために、時速 30 kilometers per hour で移動可能なコンベアベルトを使用します。本実験の画像となる微細なテクスチャパターンは、テープに印刷してベルトに貼り付けてあります。次に、光学素子のセットアップに進みます。

望遠レンズを装着したカメラを配置し、ガルバノメータミラーを使用してコンベアベルトの動きを追跡できるようにします。ガルバノメータミラーがプリエンファシスソフトウェアを搭載した制御コンピュータに接続されていることを確認してください。良好な画像を撮影するために、適切な光源でコンベアベルトを照らします。

ベンチにて、コンピュータディスプレイに合わせてレンズの焦点を適切に設定します。次に、カメラのミラーと露光時間を同期させます。その後、想定される画像に合わせてカメラの設定を入力します。

この画像は、トリガーソフトウェアで使用されるタイミングを示しています。青色の正弦波曲線は、時間に対するミラー角度を表しています。赤色の三角形関数は、時間に対するスキャンの理想的なミラー角度を表しています。

角度が0度で正の角速度で移動している時に露光時間を中心に配置します。ここが2つの曲線の交点となります。ソフトウェアの設定を行い、カメラのトリガーを露光時間の半分だけ早く開始し、露光時間の半分だけ遅く終了するように設定します。

プリエンファシス・ソフトウェアを使用して、コンベアベルトの速度をkm/hで入力します。次に、カメラからベルトまでの距離をmで入力してください。ソフトウェアが必要な角速度を算出します。

次に、ミラーを駆動させる周波数を入力します。ソフトウェアが入力振幅を算出します。この振幅をプリエンファシス・ソフトウェアで使用してください。

すべてのパラメータを入力したら、コンベアベルトに戻ります。ソフトウェアで設定した速度でベルトを動作させ、動画像を撮影します。制御ソフトウェアを起動し、カメラによる画像記録を開始してください。

コントローラーは、画像のぼけを改善するためにガルバノメータミラーの慣性を補正します。プリエンファシス技術を適用する前は、入力信号に対する出力信号のプロットがこのようになっていました。技術適用後のプロットがこちらです。

出力プロットのほとんどすべてがy=xの直線上にあります。同様に、プリエンファシス技術を適用する前は、入力信号の関数としての利得のプロットがこのようになっていました。本技術を適用した後は、振幅プロットのほぼすべてがy=0 dBの直線上に位置しています。

これは、ベルトが静止している時にコンベアベルト上に配置された画像です。青い線は、右側に示されているプロファイルが抽出された箇所を示しています。こちらは、コンベアベルトが時速 30 kilometers per hour で移動しており、モーションブラー補正が有効になっていない時の同じ画像です。

ここではモーションブラー補正が行われていますが、プリエンファシスは無効です。この最終バージョンでは、モーションブラー補正とプリエンファシス手法の両方が有効になっています。これは、他の2つのオプションに比べて大幅な改善を示しています。

この手法を習得すれば、適切に実施することで1時間で完了させることができます。本手法の開発後、光学工学分野の研究者が高速スキャニングにおけるモーションブラー補正を探求する道が開かれました。