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技術 回転凹面鏡及びビームステアリング装置の組み合わせを用いた、2D走査型高精度ライダー

出願人 イノビュージョンアイルランドリミテッド
発明者 バオ,ジュンウェイリー,イミンチャン,リュイ
出願日 2017年12月20日 (3年0ヶ月経過) 出願番号 2018-554580
公開日 2019年6月27日 (1年5ヶ月経過) 公開番号 2019-518204
状態 特許登録済
技術分野 機械的光走査系 光レーダ方式及びその細部 光学的距離測定
主要キーワード 同軸装置 光感知デバイス 小型コア 操作メカニズム 感応デバイス ビームステアリング装置 ライダーシステム マルチファセット
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題・解決手段

本開示は、同軸ライダー走査のためのシステム及び方法を説明する。このシステムは、第1光パルスを提供するように構成されている第1光源を含む。このシステムはまた、第1光源に光学的に結合される、1つ又は2つ以上のビームステアリング装置を含む。各ビームステアリング装置は、回転可能な凹面反射器と、少なくとも部分的に回転可能な凹面反射器内に配設された光ビームステアリングデバイスと、を備える。光ビームステアリングデバイスと回転可能な凹面反射器との組み合わせは、互いに対して移動するとき、1つ又は2つ以上の第1光パルスを垂直及び水平の両方向に操作して視野内の物体照射し、1つ又は2つ以上の第1戻り光パルスを得て(1つ又は2つ以上の第1戻り光パルスは、視野内の物体を照射する、操作された第1光パルスに基づいて生成される)、1つ又は2つ以上の第1戻り光パルスを方向転換する。

概要

背景

ライダーシステムのサイズを低減するために、オンチップ微小電気機械システムMEMS)を導入し、光パルスを操作して視野内の物体照射する試みが存在する。かかるオンチップソリューションは、ライダーシステムのサイズを低減する。しかしながら、これらのオンチップMEMS設計は、通常、数(5未満)ミリメートル以下の光学的開口断面をもたらす。これにより、より長い距離(例えば、100メートル)にある物体によって反射された光パルスと背景雑音信号とを区別することが困難になる。より大きい光学的開口断面は、光の信号雑音比を増加させることが判明している。しかしながら、典型的なライダーシステムは、そのシステム構成のために大型かつ高価であり得る。これらのシステムは、容易には車両と一体化され得ない、及び/又は車両との一体化すると非常にコスト高になり得る。したがって、寸法及びコストを低減した高精度のライダーシステムが所望される。高精度のライダーシステムの課題の一部は、断面集束光学的開口部を増加させつつ、ライダーシステムのサイズを低減することである。

概要

本開示は、同軸ライダー走査のためのシステム及び方法を説明する。このシステムは、第1光パルスを提供するように構成されている第1光源を含む。このシステムはまた、第1光源に光学的に結合される、1つ又は2つ以上のビームステアリング装置を含む。各ビームステアリング装置は、回転可能な凹面反射器と、少なくとも部分的に回転可能な凹面反射器内に配設された光ビームステアリングデバイスと、を備える。光ビームステアリングデバイスと回転可能な凹面反射器との組み合わせは、互いに対して移動するとき、1つ又は2つ以上の第1光パルスを垂直及び水平の両方向に操作して視野内の物体を照射し、1つ又は2つ以上の第1戻り光パルスを得て(1つ又は2つ以上の第1戻り光パルスは、視野内の物体を照射する、操作された第1光パルスに基づいて生成される)、1つ又は2つ以上の第1戻り光パルスを方向転換する。

目的

高精度のライダーシステムの課題の一部は、断面集束光学的開口部を増加させつつ、ライダーシステムのサイズを低減することである

効果

実績

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請求項1

光検出及び測距(ライダー走査システムであって、1つ又は2つ以上の第1光パルスを提供するように構成されている第1光源と、前記第1光源に光学的に結合される1つ又は2つ以上のビームステアリング装置であって、各ビームステアリング装置が、回転可能な凹面反射器と、光ビームステアリングデバイスと、を備え、前記光ビームステアリングデバイス及び前記回転可能な凹面反射器が、互いに対して移動するときに、前記1つ又は2つ以上の第1光パルスを垂直及び水平の両方向に操作して視野内の物体照射し、1つ又は2つ以上の第1戻り光パルスを得て、前記1つ又は2つ以上の第1戻り光パルスが前記視野内の物体を照射する前記操作された第1光パルスに基づいて生成され、前記1つ又は2つ以上の第1戻り光パルスを前記ライダー走査システム内に配設された1つ又は2つ以上の受光光学系へと方向転換するように構成されている1つ又は2つ以上のビームステアリング装置と、を備える、システム

請求項2

前記回転可能な凹面反射器が複数の多角形状の鏡を備え、前記多角形状の鏡が平面又は曲面を含む、請求項1に記載のシステム。

請求項3

前記多角形状の鏡が1つ又は2つ以上の縁部及び角部に関連する切欠部を備え、前記切欠部により、前記1つ又は2つ以上の第1光パルスを前記光ビームステアリングデバイスに送達できる、請求項2に記載のシステム。

請求項4

前記光ビームステアリングデバイスが、前記回転可能な凹面反射器の回転軸に対してある角度をなして軸に沿って回転可能である回転可能な多面体である、請求項1に記載のシステム。

請求項5

前記回転可能な多面体が沿って回転可能である軸と前記回転可能な凹面反射器の回転軸との角度が90°である、請求項4に記載のシステム。

請求項6

前記回転可能な多面体が、光パルスを反射できる又は方向転換できる複数のファセットを備える、請求項4に記載のシステム。

請求項7

前記光ビームステアリングデバイスが、前記回転可能な凹面反射器の回転軸に対してある角度をなして軸に沿って前後に振動できる1ファセット振動鏡又はマルチファセット振動鏡である、請求項1に記載のシステム。

請求項8

前記1ファセット振動鏡又はマルチファセット振動鏡が沿って前後に振動できる前記軸と前記回転可能な凹面反射器の回転軸との角度が90°である、請求項7に記載のシステム。

請求項9

前記1ファセット振動鏡又はマルチファセット振動鏡が、光パルスを反射できる又は方向転換できる1つ又は2つ以上のファセットを備える、請求項7に記載のシステム。

請求項10

前記光ビームステアリングデバイスが平面又は曲面を含む、請求項1に記載のシステム。

請求項11

前記回転可能な凹面反射器の代わりとなる振動鏡であって、前記振動鏡が第1軸の周りで振動し、前記光ビームステアリングデバイスが第2軸と同軸整合しているピボットを含み、前記第2軸が前記第1軸に対してある角度をなす、振動鏡と、前記振動鏡及び前記光ビームステアリングデバイスに動作可能に結合される1つ又は2つ以上のモータ又はアクチュエータであって、前記1つ又は2つ以上のモータ又はアクチュエータが、第1速度にて前記第1軸の周りで前記振動鏡を振動させ、第2速度にて前記第2軸の周りで光ビームステアリングデバイスを回転させる、ように構成されている1つ又は2つ以上のモータ又はアクチュエータと、を更に備える、請求項1に記載のシステム。

請求項12

前記第1軸と前記第2軸との角度が90°である、請求項11に記載のシステム。

請求項13

前記1つ又は2つ以上の第1戻り光パルスが、前記視野内の前記物体を照射する前記操作された第1光パルスと実質的に平行である、請求項1に記載のシステム。

請求項14

前記回転可能な凹状反射器が、方向転換された複数の第1戻り光パルスを生成し、前記方向転換された第1戻り光パルスを前記光ビームステアリングデバイスの1つ又は2つ以上のファセットへと方向転換する、ように構成されている1つ又は2つ以上の鏡を備える、請求項1に記載のシステム。

請求項15

前記光ビームステアリングデバイスが、前記光ビームステアリングデバイスの前記1つ又は2つ以上のファセットを用いて、前記方向転換された第1戻り光パルスに基づいて方向転換された複数の第2戻り光パルスを生成し、前記方向転換された複数の第2戻り光パルスを前記1つ又は2つ以上の受光光学系へと方向変換する、ように構成されている、請求項14に記載のシステム。

請求項16

前記方向転換された複数の第2戻り光パルスのうちの少なくとも1つが、前記第1光パルスを操作するファセットと同一の前記光ビームステアリングデバイスのファセットを用いて生成される、請求項15に記載のシステム。

請求項17

前記方向転換された複数の第2戻り光パルスのうちの少なくとも1つが、前記第1光パルスを操作するファセットとは異なる前記光ビームステアリングデバイスのファセットを用いて生成される、請求項15に記載のシステム。

請求項18

前記方向転換された複数の第2戻り光パルスを生成する前記光ビームステアリングデバイスの部分が、前記1つ又は2つ以上の第1光パルスを操作して視野内の物体を照射する部分とは異なる平坦性、異なる寸法、及び異なるファセット数のうちの1つ又は2つ以上を有する、請求項15に記載のシステム。

請求項19

光ファイバと、ビームコリメートデバイスと、を更に備え、前記第1光源が、光ファイバ及び前記ビームコリメートデバイスを用いて前記1つ又は2つ以上のビームステアリング装置に光学的に結合されて、前記1つ又は2つ以上の第1光パルスを前記光ビームステアリングデバイスに送達できる、請求項1に記載のシステム。

請求項20

前記第1光源が、前記ビームステアリング装置へと方向付けられた1つ又は2つ以上の第2光パルスを提供するように更に構成され、前記ビームステアリング装置が、第1光路に沿って垂直及び水平の両方向に前記第1光源を操作し、第2光路に沿って垂直及び水平の両方向に前記1つ又は2つ以上の第2光パルスを操作する、ように構成され、前記ビームステアリング装置が、前記第1戻り光パルスを得るのと同時に1つ又は2つ以上の第2戻り光パルスを得るように更に構成され、前記第2戻り光パルスが、前記第2光路で第2方向を照射する前記操作された第2光パルスに基づいて生成される、請求項1に記載のシステム。

請求項21

前記第1戻り光パルスに関連する開口部の断面積に従って前記第1光パルスのパワーを動的に制御するように構成されているパワーコントローラを更に備える、請求項20に記載のシステム。

請求項22

前記第1光源を用いて前記第2光パルスを生成するように構成されている部分反射鏡を更に備える、請求項20に記載のシステム。

請求項23

前記1つ又は2つ以上の受光光学系のそれぞれが、前記方向転換された戻り光パルスを焦点集束するように構成されている、請求項1に記載のシステム。

請求項24

前記受光光学系のそれぞれが、屈折光学レンズ放物面鏡凹面鏡、複数の光学素子を含む複合光学レンズ、放物面鏡と屈折光学レンズとを含む複合集束光学系、のうちの少なくとも1つを備える、請求項23に記載のシステム。

請求項25

前記1つ又は2つ以上の受光光学系のうちの少なくとも1つが、光学信号を検出し光学信号を電気信号に変換できる光感知デバイスを備える、請求項23に記載のシステム。

請求項26

前記光感知デバイスが、光学信号を電気信号に変換するように構成されている光検出デバイス、前記方向転換された戻り光パルスを光学信号を電気信号に変換する光検出デバイスへと方向転換するように構成されている光ファイバ、のうちの少なくとも1つを備える、請求項25に記載のシステム。

請求項27

前記光感知デバイスが前記1つ又は2つ以上の受光光学系の間で共有される、請求項25に記載のシステム。

請求項28

1つ又は2つ以上の集束光学系及び1つ又は2つ以上の鏡の第1組み合わせ、ファイバ束又はパワーコンバイナのうちの少なくとも1つの第2組み合わせ、のうちの少なくとも1つを更に備え、前記第1組み合わせ及び前記第2組み合わせの両方が、前記方向転換された戻り光パルスを前記光感知デバイスへと方向転換するように構成されている、請求項27に記載のシステム。

請求項29

前記光感知デバイスの表面に配設された屈折率整合材を更に備える、請求項25に記載のシステム。

請求項30

前記第1光源が電気トリガー信号に基づいて前記1つ又は2つ以上の第1光パルスを生成するように構成されており、前記電気トリガー信号により、前記ライダー走査システムから伝送された前記1つ又は2つ以上の操作された第1光パルスに関連する基準時間を測定できる、請求項23に記載のシステム。

請求項31

1つ又は2つ以上の基準光パルスを得るように構成されている基準パルス生成デバイスであって、前記1つ又は2つ以上の基準光パルスが前記1つ又は2つ以上の第1光パルスの一部を含む、基準パルス生成デバイスと、前記方向転換された基準光パルスを検出するように構成されている光感知デバイスであって、前記方向転換された基準光パルスにより、前記ライダー走査システムから伝送された、前記1つ又は2つ以上の操作された第1光パルスに関連する基準時間を測定できる、光感知デバイスと、を更に備える、請求項23に記載のシステム。

請求項32

前記基準パルス生成デバイスが、前記第1光パルスの一部を前記光感知デバイスに反射する部分反射デバイスである、請求項31に記載のシステム。

請求項33

前記基準パルス生成デバイスが、前記第1光パルスの一部を分割し前記第1光パルスの一部を前記光感知デバイスへと方向転換する光スプリッタである、請求項31に記載のシステム。

請求項34

前記光感知デバイスに電気的に結合される1つ又は2つ以上のプロセッサを更に備え、前記1つ又は2つ以上のプロセッサが、前記方向転換された基準光パルスと前記方向転換された戻り光パルスとの整合に基づいて飛行時間を測定するように構成されている、請求項31に記載のシステム。

請求項35

第2光源を更に備え、前記1つ又は2つ以上の受光光学系が第1受光光学系と第2受光光学系とを備え、前記第2光源及び前記第2受光光学系が、前記第1光源及び前記第1受光光学系の前記光ビームステアリングデバイスの側とは異なる側に配設されて、前記光ビームステアリングデバイスの振動又は回転が、前記第1光源によって生成された方向とは異なる前記視野内の方向で前記第2光源によって生成された第2光パルスの操作を容易にする、請求項1に記載のシステム。

請求項36

ライダー走査システムを用いてライダー走査を実行するための方法であって、第1光源によって、1つ又は2つ以上の第1光パルスを提供することと、前記第1光源に光学的に結合され、各ビームステアリング装置が、回転可能な凹面反射器と、前記回転可能な凹面反射器内に少なくとも部分的に配設された光ビームステアリングデバイスと、を備える、1つ又は2つ以上のビームステアリング装置によって、前記光ビームステアリングデバイス及び前記回転可能な凹面反射器の組み合わせが、互いに対して移動するとき、前記1つ又は2つ以上の第1光パルスを垂直及び水平の両方向に操作して視野内の物体を照射することと、1つ又は2つ以上の第1戻り光パルスを得ることであって、前記1つ又は2つ以上の第1戻り光パルスが、前記視野内の物体を照射する、前記操作された第1光パルスに基づいて生成される、ことと、前記1つ又は2つ以上の第1戻り光パルスを、前記ライダー走査システム内の受光光学デバイスへと方向転換することと、を実行することと、を含む、方法。

請求項37

水平角及び垂直角の1つ又は2つ以上の組み合わせにおいて、前記操作された第1光パルスを散乱又は反射する前記物体の距離を計算することに基づいて、ポイントクラウドの1つ又は2つ以上のポイントを形成することと、前記操作された第1光パルスに対応する前記1つ又は2つ以上のポイントを集計することに基づいてサブフレームを生成することであって、前記操作された第1光パルスが水平及び垂直の両方向で少なくとも1回操作される、生成することと、1つ又は2つ以上のサブフレームを組み合わせてフレームを形成することであって、前記フレームが、前記ライダー走査システムの移動及び前記物体の移動の両方の動き補正を表す、形成することと、を更に含む、請求項36に記載の方法。

技術分野

0001

(関連出願の相互参照
本願は、米国特許仮出願第62/441,280号(名称「COAXIAL INTERLACEDRASTERSCANNING SYSTEMFOR LiDAR」、2016年12月31日出願)に対する優先権を主張する米国特許非仮出願第15/721,127号(名称「2D SCANNING HIGHPRECISION LiDAR USING COMBINATION OF ROTATING CONCAVEMIRROR AND BEAM STEERING DEVICES」、2017年9月29日出願)及び米国特許仮出願第62/529,955号(名称「2D SCANNING HIGH PRECISION LiDAR USING COMBINATION OF ROTATING CONCAVE MIRROR AND BEAM STEERING DEVICES」、2017年7月7日出願)に対する優先権を主張する。全出願の内容は、あらゆる目的でその全体が参照によって本明細書に組み込まれる。

0002

本開示は、概ね光検出及び測距(ライダー)に関し、より具体的には、連続的な光パルス走査して視野内の物体照射し、視野内の物体を測距するために各光パルスからの散乱光同軸上に集束するためのシステムに関する。

背景技術

0003

ライダーシステムのサイズを低減するために、オンチップ微小電気機械システムMEMS)を導入し、光パルスを操作して視野内の物体を照射する試みが存在する。かかるオンチップソリューションは、ライダーシステムのサイズを低減する。しかしながら、これらのオンチップMEMS設計は、通常、数(5未満)ミリメートル以下の光学的開口断面をもたらす。これにより、より長い距離(例えば、100メートル)にある物体によって反射された光パルスと背景雑音信号とを区別することが困難になる。より大きい光学的開口断面は、光の信号雑音比を増加させることが判明している。しかしながら、典型的なライダーシステムは、そのシステム構成のために大型かつ高価であり得る。これらのシステムは、容易には車両と一体化され得ない、及び/又は車両との一体化すると非常にコスト高になり得る。したがって、寸法及びコストを低減した高精度のライダーシステムが所望される。高精度のライダーシステムの課題の一部は、断面集束光学的開口部を増加させつつ、ライダーシステムのサイズを低減することである。

0004

本開示の基本的な理解をもたらすために、以下に1つ又は2つ以上の例の簡易的な概要を示す。本概要は、企図されるすべての例を広範囲概説するものではなく、すべての例の主な、又は重要な要素を特定することも、いずれか、若しくはすべての例の範囲を説明することも意図しない。その目的は、以下で示すより詳細な説明の準備段階として、簡易的な形式で1つ又は2つ以上の例の一部の概念を示すことである。

0005

いくつかの実施形態によると、光検出及び測距(ライダー)走査システムが提供される。このシステムは、1つ又は2つ以上の第1光パルスを提供するように構成されている第1光源を含む。このシステムはまた、第1光源に光学的に結合される、1つ又は2つ以上のビームステアリング装置を含む。各ビームステアリング装置は、回転可能な凹面反射器又は光ビームステアリングデバイスによって方向付けられた光パルスが、光ビームステアリングデバイス又は回転可能な凹面反射器によって異なる方向に更に方向付けられ得るような位置に配設された、回転可能な凹面反射器と、光ビームステアリングデバイスと、を備える。光ビームステアリングデバイスと回転可能な凹面反射器との組み合わせは、互いに対して移動するとき、1つ又は2つ以上の第1光パルスを垂直及び水平の両方向に操作して視野内の物体を照射し、1つ又は2つ以上の第1戻り光パルスを得て(1つ又は2つ以上の第1戻り光パルスは、視野内の物体を照射する、操作された第1光パルスに基づいて生成される)、1つ又は2つ以上の第1戻り光パルスを1つ又は2つ以上の戻り光検出器へと方向転換する。

図面の簡単な説明

0006

記載した様々な態様の理解を促進するために、以下の図面と併せて以下の説明を参照されたい。これらの図面では、図面を通して同様の参照番号が対応する部分を指すものとする。

0007

車両に取り付けられた、複数の同軸ライダーシステムを示す。
凹面反射器内に位置する多面体を備える、例示的ビームステアリング装置を示す。
凹面反射器の代わりに振動鏡を備える、例示的ビームステアリング装置を示す。
両眼ライダーシステムを示す。
収束レンズを備える同軸ライダーシステムを示す。
集光鏡を備える同軸ライダーシステムを示す。
デュアル同軸ライダーシステムを示す。
伝送された光を正のx軸と正のz軸との間の方向に方向付け、その方向からの散乱光を集束する、例示的ビームステアリング装置を示す。
伝送された光を負のx軸と正のz軸との間の方向に方向付け、その方向からの散乱光を集束する、例示的ビームステアリング装置を示す。
伝送された光を更に視野の正の水平範囲の縁部に向かう方向に方向付け、その方向からの散乱光を集束する、例示的ビームステアリング装置を示す。
デュアル同軸ライダーシステムの水平方向及び垂直方向角度分布インターレースフレーム図を示す。
デュアル同軸ライダーシステムの水平方向及び垂直方向の角度分布のインターレースフレーム図を示す。
デュアル同軸ライダーシステムの水平方向及び垂直方向の、y=0におけるx−z面に沿った集束開口部の幅に対応するヒートマップを示す。
ライダー走査検出例示的プロセスを示す。
本開示の例による、ビームステアリング装置の別の実施形態の様々な図を示す。
本開示の例による、ビームステアリング装置の別の実施形態の様々な図を示す。
本開示の例による、ビームステアリング装置の別の実施形態の様々な図を示す。
本開示の例による、ビームステアリング装置の別の実施形態の様々な図を示す。
本開示の例による、コリメート照射レーザービームを生成するための様々な例示的構成を示す。
本開示の例による、コリメート照射レーザービームを生成するための様々な例示的構成を示す。
本開示の例による、受光開口部を増加させ、異なるファセットからの戻り光パルスを集束するためのビームステアリング装置の例示的構成を示す。
本開示の例による受光光学系の例示的構成を示す。
本開示の例による受光光学系の例示的構成を示す。
本開示の例による受光光学系の例示的構成を示す。
本開示の例による、光学的感応デバイスを用いた集光のための例示的検出素子を示す。
本開示の例による、光学的感応デバイスを用いた集光のための例示的検出素子を示す。
本開示の例による、自由空間光通信又はファイバ束及び/若しくはパワーコンバイナの組み合わせを用いた、異なるファセットからの光パルスを合成するための例示的構成を示す。
本開示の例による、自由空間光学通信又はファイバ束及び/若しくはパワーコンバイナの組み合わせを用いた、異なるファセットからの光パルスを合成するための例示的構成を示す。
本開示の例による、曲面及び平面を有する例示的多面体の複数のファセットの様々な構成を示す。
本開示の例による、曲面及び平面を有する例示的多面体の複数のファセットの様々な構成を示す。
本開示の例による、曲面及び平面を有する例示的多面体の複数のファセットの様々な構成を示す。
本開示の例による、曲面及び平面を有する例示的多面体の複数のファセットの様々な構成を示す。
本開示の例による、曲面及び平面を有する例示的多面体の複数のファセットの様々な構成を示す。
本開示の例による、光パルスの飛行時間を測定するためのライダーシステムの例示的構成を示す。
本開示の例による、基準パルス及び受光された戻り光パルスを示す。
本開示の例による、振動鏡を備えるビームステアリング装置の別の実施形態を示す。
本開示の例による、1つ又は2つ以上のレーザーパルスの飛行時間を測定する方法の例示的フローチャートを示す。

実施例

0008

添付の図面に関連する下記の詳細な説明は、様々な構成を説明することを意図し、本明細書に記載の概念がこれらの構成のみで実施され得ることを意図するものではない。詳細な説明は、様々な概念を十分に理解できるようにするために具体的な詳細を含む。しかしながら、これらの具体的な詳細がなくても、これらの概念が実施され得ることは、当業者に明白であろう。場合によっては、かかる概念を曖昧にさせないために、周知の構造及び構成要素をブロック図で示す。

0009

ここで、装置及び方法の様々な要素を参照しながら、ライダー走査システムの例を示す。これらの装置及び方法については、以下の詳細な説明で説明し、様々なブロック、構成要素、回路、工程、プロセス、アルゴニズムなど(「要素」と総称する)によって添付の図面で示す。これらの要素は、電子機器コンピュータソフトウェア、又はこれらの任意の組み合わせを用いて実装されてよい。かかる要素がハードウェアとして実装されるか、ソフトウェアとして実装されるかは、特定の用途及びシステム全体に課せられる制約に応じる。

0010

本開示は、回転可能な凹面反射器及び光ビームステアリングデバイスの組み合わせを用いた、2D走査型高精度ライダーシステムについて説明する。ライダーシステムは、中心軸整合している、凹面反射器内に位置する多面反射器を備えるビームステアリング装置を含む。凹面反射器は、中心軸の周りを回転するように構成されている。多面体は、中心軸に対してある角度(例えば、90度)をなす方向でピボットの周りを回転するように構成されている。凹面反射器及び多面体のそれぞれの瞬時位置は、光パルスを操作して視野内の物体を照射し、物体において散乱した光パルスから散乱光を集束する。伝送された各光パルスは、対応する光パルスから集束された散乱光と実質的に同軸である、又は平行である。ライダーシステムは、伝送された各光パルス間と、物体において散乱した対応する光パルスからの集束光との時間差に基づいて物体までの距離を計算するマイクロコントローラを含む。本開示は、より高解像度フレームを実現するためのサブフレームのインターレースについて更に説明する。この技術は、連続的な水平方向及び垂直方向にわたって、1つ又は2つ以上の物体に対するサンプリング範囲点を含んで、1つ又は2つ以上のサブフレームを形成する。連続して取得されたサブフレームのサンプルポイントの垂直及び/又は水平位置は若干オフセットしており、これらを合わせると、インターレースされた、より高密度のサンプルポイントが提供される。より高い密度のサンプルポイントは、ライダーシステムにより高い解像度をもたらす。

0011

本開示の例は、車両内での一体化のために説明するが、他の用途も企図される。例えば、集中型レーザー伝送システム及び複数のライダーシステムが、ロボットに配設され得る又は一体化され得る、セキュリティ監視目的で建物複数位置に設置され得る、又は交通監視のために交差点若しくは道路の特定の位置に設置され得るなどである。

0012

図1Aは、車両150に取り付けられた複数のライダー走査システム300A〜300Fを示す。ライダー走査システム300A〜300Fは、2D走査型ライダーシステムであり得る。各ライダー走査システム300A〜300Fは、車両150の位置及びその周辺に対応する、視野内の物体までの範囲を検出し、計算する。一例として、車両150の前側に配設されたライダー走査システム300Aは、対応の各光パルスと実質的に同軸、又は平行に集束される光パルスで隣接車両150'(及び/又は他の物体)を照射する。隣接車両150'までの範囲(例えば、距離)は、各光パルスが伝送されてから、対応する光パルスからの散乱光が検出されるまでの時間差から測定される。

0013

図1Aに示す例のように、複数のライダー走査システム300A〜300Fは車両150の周囲に分配されて、それぞれの個別同軸ライダーシステム間の視野を包含する。例えば、視野は、ライダー走査システム300Fが、車両150の片側でセンターライン154を検出でき、ライダー走査システム300Cが車両150の反対側で車線境界線152を検出できるように構成され得る。場合によっては、複数のライダー走査システム300A〜300Fのうちの1つ又は2つ以上の視野は重複してよい。例えば、ライダー走査システム300Bの視野は、ライダー走査システム300Aの視野と重複し得る。視野の重複は、より高いサンプリング密度をもたらし得る。同様に、ライダー走査システム300Aの視野は、ライダー走査システム300Fの視野と重複し得る。ライダー走査システム300A〜300Fのそれぞれは、光パルスを垂直及び水平の両方向で操作して視野へと伝送し、物体を走査できる、ビームステアリング装置を含み得る。光パルスの操作により、視野内の1つ又は2つ以上の物体からのポイントの連続サンプリングが可能になる。

0014

当然のことながら、図1Aに示すライダー走査システム300A〜300Fのサイズは比較的小型であり得る。つまり、各ライダー走査システム(例えば、システム300A〜300F)は、ある空間、例えば、1立方フィート以下又は1立方フィートの1/4を占めてよい。

0015

図1Bは、凹面反射器112内に配設された光ビームステアリングデバイス(例えば、多面体102)を備える、例示的ビームステアリング装置100を示す。図1Bに示すように、いくつかの実施形態では、凹面反射器112は、第1軸106と同軸に整合している(例えば、実質的に同心である)。凹面反射器112は、開口部118を囲む凹面側に1つ又は2つ以上の反射面(例えば、平面鏡)を含み得る。凹面反射器112の開口部118は、第1軸106と同軸に整合している(例えば、実質的に同心である)。図1Bに示す例では、鏡は内向きに斜めであって、凹面反射器112の6角形状のを形成する。図1Bに示す例では、凹面反射器112の6角形開口部118は、(例えば、6角形)開口部118の反対側にわたって1インチの幅を有し得、凹面反射器112の反射面(例えば、鏡)は、6角形開口部118から45°の角度をなし、(斜めの鏡に沿って)2.45インチの長さを有し得る。いくつかの実施形態では、凹面反射器112の反射面(例えば、鏡)は、0.2インチ〜4インチの範囲である。いくつかの実施形態では、凹面反射器112の反射面は湾曲状であり得る。いくつかの例では、曲面は外向きに突出して(例えば、凸状)、ビームステアリング装置100の視野を増加させるために用いられてよい。いくつかの例では、曲面は内向きに突出する(例えば、凹状)。

0016

図1Bに示すように、多面体102は凹面反射器112内に配設され得る。多面体102は、第1軸106と垂直である第2軸104と同軸に整合している(例えば、実質的に同心である)ピボット120を含む。多面体102は、多面体102の面に配設された少なくとも1つの反射面(例えば、鏡)を更に含んで、凹面反射器112の開口部118と凹面反射器112の少なくとも1つの反射面(例えば、鏡)との間で光を方向転換してよい。例えば、開口部118を通って多面体102の反射面に向けて伝送された光パルスは、凹面反射器112の反射面に向けて方向転換又は操作され得、視野へと更に方向転換又は操作されてよい。図1Bに示す例では、多面体102は、6つのファセットを備える立方体である。いくつかの例では、ピボット120を備える2つの対向するファセットは反射面(例えば、鏡)を有さず、残りの4つのファセットは、外向きの反射面(例えば、鏡)を有する。図1Bに示す例では、立方体は、約1.22インチの辺長を有する。

0017

当然のことながら、多面体102は、すべてが直交しているわけではない6つのファセットを有し得る。例えば、いくつかの実施形態では、多面体102は、サブフレーム間の垂直及び水平走査方向をオフセットし得る、及び/又はインターレースラスターパターンを変化させ得る、非対称のファセットを有し得る。いくつかの例では、多面体102は菱面体である。当然のことながら、多面体102は6未満のファセットを有し得る。例えば、いくつかの実施形態では、多面体102は5面体である。かかる実施形態では、多面体102は、2つの対向する3角形ファセットに位置するピボットと、矩形ファセットに位置する1つ又は2つ以上の反射面(例えば、鏡)と、を備える3角柱であり得る。当然のことながら、多面体102は6よりも多くのファセットを有し得る。例えば、多面体102は、6面体、7面体(septaheron)、8面体などであり得る。いくつかの実施形態では、多面体102のファセットは湾曲状であり得る。いくつかの例では、湾曲ファセットは外向きに突出して(例えば、凸状)、ビームステアリング装置100の視野を増加するために用いられてよい。いくつかの例では、湾曲ファセットは内向きに突出して(例えば、凹状)、視野を減少させ、出射するレーザービームプロファイル成形してよい。

0018

いくつかの実施形態では、ビームステアリング装置100は、凹面反射器112及び多面体102に動作可能に結合される、1つ又は2つ以上のモータ(図示なし)を含む。この例では、1つ又は2つ以上のモータは、図1Bに示すように、第1軸106の周りを(−z方向で見て)反時計方向に第1回転速度116で凹面反射器112を回転させるように構成され得る。1つ又は2つ以上のモータはまた、第2軸104を中心とするピボット120の周りを(+y方向で見て)反時計方向に第2回転速度114で多面体102を回転させるように構成されてよい。いくつかの実施形態では、回転コントローラは、凹面反射器112の第1回転速度116及び多面体102の第2回転速度114を制御するように構成されている。場合によっては、回転コントローラは1つ又は2つ以上のモータに電気的に結合されて、凹面反射器112の第1回転速度116及び多面体102の第2回転速度114を独立して制御する。いくつかの実施形態では、凹面反射器112の第1回転速度116は、多面体102の第2回転速度114と異なる。例えば、多面体102の第2回転速度114は、凹面反射器112の第1回転速度116よりも速くてよい。図1Bに示す例では、多面体102の第2回転速度114は毎秒500回転(rps)であり得、凹面反射器112の第1回転速度116は10rpsに設定され得る。いくつかの実施形態では、多面体102の第2回転速度114は、凹面反射器112の第1回転速度116よりも遅くてよい。

0019

いくつかの実施形態では、ビームステアリング装置100によって可能となる走査における各サンプルポイントについて、回転凹面反射器112に対する回転多面体102の瞬時位置は、ビームステアリング装置100が、光パルスを物体へと方向付け、又は操作し、実質的に類似の光路に沿って物体から戻り光パルスを集束する位置である。図1Bを参照すると、回転多面体102の瞬時位置は、正のz軸に対して測定され得る。y軸に沿って見て反時計回りから測定したとき、多面体102の角度は正である。回転凹面反射器112の瞬時位置は、負のy軸に対して測定され得る。z軸に沿って見て時計回りから測定したとき、凹面反射器112の角度は正である。

0020

当然のことながら、凹面反射器112を回転させる及び/又は多面体102を回転させるのと同じ効果をもたらす他のメカニズムを適用することができる。例えば、図1Cに示すように、凹面反射器112の代わりに、軸129に沿って振動する振動鏡112Aを使用できる。したがって、振動鏡112Aと結合される多面体102の回転は、連続的な光パルスを走査して視野内の物体を照射し、視野内の物体を測距するために照射光パルスと同軸に、又はこれと平行に各光パルスからの戻り光を集束するための類似の操作メカニズムを提供し得る。別の例では、多面体102は、軸に沿って前後に多面体を振動させるアクチュエータによって駆動され得る。いくつかの例では、図1Cに示すように、振動鏡112Aは第1軸の周りで振動し得、多面体102は振動鏡112Aに隣接して配設され得る。多面体102は、第2軸と同軸に整合しているピボットを含み得る。第2軸は、第1軸に対してある角度(例えば、90度又は75度)をなして配設され得る。少なくとも1つの鏡は、開口部と凹面反射器112との間で光パルスを反射するために多面体102のファセットに配設され得る。1つ又は2つ以上のモータ又はアクチュエータは、振動鏡112A及び多面体102に動作可能に結合され得る。1つ又は2つ以上のモータ又はアクチュエータは、第1周波数にて第1軸の周りで振動鏡112Aを回転させる(128Aとして示す)若しくは振動させる(128Bとして示す)、又は第2周波数にて第2軸の周りで回転可能な多面体を回転させる(125Aとして示す)若しくは振動させる(125Bとして示す)ように構成され得る。

0021

図1Bに示す例では、光源から得た光パルス307Aは、開口部118を通って多面体102に向けて方向付けられ、多面体102は、光パルス307Aを方向転換又は反射することによって方向転換された光パルス307Bを生成する。光パルス307Bは、凹面反射器112上の鏡に向けて方向付けられる。次に、凹面反射器112は、操作された光パルス307Bを方向転換又は反射することにより、操作された光パルス312Aを生成する。操作された光パルス312Aは視野に向けて方向付けられて、視野内の物体を照射する。操作された光パルス312Aは物体を照射し、物体は1つ又は2つ以上の方向に光パルスを散乱させる。散乱光のパルスの一部は、第1戻り光パルス207Aとしてビームステアリング装置100に戻る。図1Bに示すように、いくつかの例では、第1戻り光パルス207Aは、操作された光パルス312Aと実質的に類似の光路に沿って(同軸状に)ビームステアリング装置100に戻り得る。第1戻り光パルス207Aのそれぞれは、凹面反射器112によって方向転換又は反射されて、方向転換された戻り光パルス209を生成する。方向転換された戻り光パルス209は、多面体102に向けて方向付けられ、次に、多面体102はこの光パルスを方向転換し、反射して、方向転換された戻り光パルス214Aを生成する。方向転換された戻り光パルス214Aは、開口部118を通って光検出器へ戻るように方向付けられる。

0022

図2Aは、両眼ライダーシステム200を示す。いくつかの例では、両眼ライダーシステム200は、第1開口部210Aを通って照明光路210Cに沿って視野内の物体へと光源から生じた光パルスを伝送する。伝送された光パルスは物体に達し、散乱して、1つ又は2つ以上の方向に分散する。散乱した光パルスの一部は、検出光路210Dに沿って第2開口部210Bを通って光検出器に戻る。両眼ライダーシステム200の形状は、図2Aに示す例示的照明光路210Cと検出光路210Dとの重複領域によって決定される検出範囲を決定する。したがって、両眼ライダーシステム200の光路に沿った特定領域内の散乱した光パルスは、第2開口部210Bを通って戻らないことがある。いくつかの実施形態では、照明光路210C及び検出光路210Dは、実質的に平行である(例えば、小角度である)。結果として、検出範囲は広範であり得る。例えば、図2Aに示すように、検出範囲は、右側の境界線を有さないことがある。両眼ライダーシステムの利点は、照明光学系及び検出光学系がライダー走査システム内で物理的に分離しているので、照明光学系内での光散乱による検出モジュール内での光緩衝を回避することがより容易なことである。

0023

図2Bは、収束レンズ224を備える同軸ライダー走査システム250を示す。いくつかの実施形態では、同軸ライダー走査システム250は、光源220と、反射鏡222と、収束レンズ224と、開口部を備えるマスク226と、光検出器230と、ビームステアリング装置100と、を含む。図2Bに示すように、光源220から生成された入射光パルス212Aは、反射鏡222へと方向付けられ、反射器222は、入射光パルス212Aを方向転換又は反射して、方向転換された光パルス212Bを生成する。方向転換された光パルス212Bは、光軸211に沿ってビームステアリング装置100へと方向付けられる。次いで、ビームステアリング装置100は、上記に類似の方向転換された光パルス212Bを操作して操作された光パルス212Cを生成し得、視野内の物体を照射する(図2Bの212Cの方向は、操作方向が212Bの方向と平行の時点を示すだけである)。他の時点では、212Cの方向は、視野内の他の方向であり得る。図2Bに示す例では、反射鏡222は、光軸211に配設された、ほぼ100%の反射鏡であり、光軸211は、方向転換された光パルス212B及び方向転換された戻り光パルス214の両方の光路に沿っている。当然のことながら、反射鏡222は、方向転換された戻り光パルス214を妨げない、又はこれと干渉しないように十分に小型である必要がある。

0024

図2Bの例では、ビームステアリング装置100は、図1Bの同軸ビームステアリング装置100であり得る。いくつかの例では、ビームステアリング装置100は、視野内の1つ又は2つ以上の物体に方向付けられた2つの実質的に平行な光パルスを実施する、デュアル同軸装置であり得る。ビームステアリング装置100は、方向転換された光パルス212Bを垂直方向及び水平方向に操作して、操作された光パルス212Cを生成し、一方では、操作された光パルス212Cと実質的に同一の光路に沿って戻り光パルス212Dを集束するように構成され得る。ビームステアリング装置100は、戻り光パルス212Dを方向転換して、212Bの逆方向で方向転換された戻り光パルス214を生成する。したがって、方向転換された戻り光パルス214への戻り光パルス212Dの光路は、操作された光パルス212Cへの方向転換された光パルス212Bの照射光路と重複し、有効検出範囲を増加させる。

0025

図2Bを参照すると、同軸ライダー走査システム250の収束レンズ224は、光軸211に沿って方向転換された戻り光パルス214を集束し、方向転換された戻り光パルス214をマスク226の開口部通って光検出器230へと方向付けるように構成されている。収束レンズ224は、高屈折率ガラスプラスチックなど任意の透過材で作成され得る。図2Bに示すように、収束レンズ224は、光軸211と実質的に同心であり得る。当然のことながら、いくつかの実施形態では、収束レンズ224は、光軸210と同心ではないように配設される。

0026

図2Bに示すように、いくつかの例では、光検出器230は、光軸211と実質的に同心に配設される。光検出器230は、フォトダイオードアバランシェフォトダイオードなどであり得る。いくつかの実施形態では、図2Bに示す光検出器230の拡大図に示すように、光検出器230は、入光面232の反対側に面する反射面231(例えば、反射鏡)を含み得る。反射面231は、光を方向転換して(例えば、反射して)光検出器230の吸収領域に戻し得、それによって検出効率及び感度を増加させる。いくつかの実施形態では、マスク226は、光検出器230の一部であり得る。一般に、マスク226は、光路(例えば、光軸211に沿った光路)に対して斜めの光検出器230付近で、方向転換された戻り光パルス214をフィルタリングして、光軸211と実質的に平行である光パルスのみが光検出器230に到達できる。

0027

図2Bに示す例では、光源220はレーザー光源であり得る。いくつかの例では、光源220によって生成されたレーザー光は、可視スペクトル波長を有し得る。いくつかの例では、レーザー光は、赤外スペクトルの波長を有し得る。いくつかの例では、レーザー光は、紫外スペクトルの波長を有し得る。

0028

図2Cは、集光鏡221を備える同軸ライダー走査システム250'を示す。いくつかの実施形態では、同軸ライダー走査システム250'は、光源220と、集光鏡221と、開口部を備えるマスク226と、光検出器230と、ビームステアリング装置100と、を含む。図2Cに示すように、光源220から生成された入射光パルス212Aは、集光鏡221の開口部を通って光軸211に沿ってビームステアリング装置100へと方向付けられる。ビームステアリング装置100は、入射光パルス212Aを操作して(例えば、方向転換し、反射して)、操作された光パルス212Cを生成して物体を照射する。物体は、操作された光パルス212Cを散乱させてよい。散乱光のパルスの一部は、戻り光パルス212Dとしてビームステアリング装置100に戻る。戻り光パルス212Dは、操作された光パルス212Cの経路と実質的に類似である、又は平行である経路に沿って方向付けられる。次いで、ビームステアリング装置100は、集光鏡221に向かって光軸211と同軸の方向である、方向転換された戻り光パルス214を生成するように戻り光パルス212Dを方向付け得、集光鏡221は、方向転換された戻り光パルス214を光検出器230に向けてマスク226の開口部を通って方向転換する(例えば、反射する)。

0029

いくつかの実施形態では、記載したように、同軸ライダー走査システム250の集光鏡221は方向転換された戻り光パルス214を光軸211に沿って集束し、方向転換された戻り光パルス214をマスク226の開口部を通って光検出器230へと方向付けるように構成されている。図2Cに示す例では、集光鏡221は、光軸211に、又はその付近に配設されたほぼ100%の反射鏡であり得、光軸211は、操作された光パルス212C及び方向転換された戻り光パルス214の両方の光路に沿っている。集光鏡221は、方向転換された戻り光パルス214を光検出器230に集束する。当然のことながら、いくつかの実施形態では、集光鏡221は、光軸211と同心ではないように配設され得る。集光鏡221は任意の基材(例えば、ガラス、プラスチック、金属など)で作成され得、反射鏡面仕上げの層を有する。いくつかの例では、反射鏡面仕上げの層に酸化防止層が適用され、空気から反射層密閉分離する。これにより、酸素及び他の腐食剤(例えば、腐食性ガス又は腐食性液体)が集光鏡221の表面の反射部をらせないようにする。

0030

図2Cに示す例では、ビームステアリング装置100は、図1Bの同軸ビームステアリング装置100であり得る。いくつかの実施形態では、ビームステアリング装置100は、視野内の1つ又は2つ以上の物体に方向付けられた2つの実質的に平行の光パルスを実施する、デュアル同軸装置であり得る。ビームステアリング装置100は、入射光パルス212Aを垂直方向及び水平方向に方向付けて操作された光パルス212Cを生成し、一方では、操作された光パルス212Cと実質的に同一の光路に沿って戻り光パルス212Dを集束するように構成され得る。例えば、図2Cに示すように、戻り光パルス212Dの光路は、操作された光パルス212Cの光路の少なくとも一部と実質的に平行であってよい。したがって、戻り光パルス212Dの光路は、操作された光パルス212Cの光路と重複する。

0031

図2Cに示すように、いくつかの実施形態では、光検出器230は、反射光軸211'と実質的に同心に配設される。いくつかの実施形態では、反射光軸211'は、集光鏡221(例えば、集光鏡221の開口部の中心)から集光鏡221の焦点を通って延出する。反射光軸211'は光軸211と角度をなしてよく、光軸211は、操作された光パルス212C及び方向転換された戻り光パルス214の光路と実質的に平行である。光検出器230は、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオードなどであり得る。いくつかの実施形態では、図2Bに示す光検出器と同様に、光検出器230は、入光面の反対側に面する反射面(例えば、反射鏡)を含み得る。反射面は、光を方向転換(例えば、反射)して光検出器230の吸収領域に戻し得、それによって検出効率及び感度を増加させる。いくつかの実施形態では、マスク226は、光検出器230の一部であり得る。

0032

図2Cに示す例では、光源220はレーザー光源であり得る。いくつかの例では、光源220によって生成されたレーザー光は、可視スペクトルの波長を有し得る。いくつかの例では、レーザー光は、赤外スペクトルの波長を有し得る。いくつかの例では、レーザー光は、紫外スペクトルの波長を有し得る。

0033

図3は、デュアル同軸ライダー走査システム300を示す。図3に示すように、デュアル同軸ライダー走査システム300は、光源220と、反射鏡222と、部分反射鏡322と、第1収束レンズ224Aと、第2収束レンズ224Bと、開口部を備える第1マスク226Aと、開口部を備える第2マスク226Bと、第1光検出器230Aと、第2光検出器230Bと、デュアルビームステアリング装置100'と、を含み得る。図3に示すように、光源220から生成された入射光パルス212Aは、部分反射鏡322へと方向付けられ、部分反射鏡322は、入射光パルス212Aの第1部分を反射して方向転換された光パルス212Bを生成する。方向転換された光パルス212Bに基づいて、多面体102は方向転換された光パルス212Cを生成し、次に、方向転換された光パルス212Cは凹面反射器112によって方向転換されて、操作された光パルス312Aを生成する。操作された光パルス312Aは、ビームステアリング装置100'の開口部118を通って視野内の物体へと方向付けられ得る。図3に示す例では、部分反射鏡322は、第1光軸311Aに沿って配設された、50%反射鏡である。部分反射鏡322は、例えば、50%の入射光を第1光軸311Aに沿って反射するように構成され得る。いくつかの実施形態では、部分反射鏡322は、50%超の入射光を第1光軸311Aに沿って反射するように構成され得る。いくつかの実施形態では、部分反射鏡322は、50%未満の入射光を第1光軸311Aに沿って反射するように構成され得る。当然のことながら、部分反射鏡322は、第1戻り光パルス207Aの相当部分を遮断しないように十分に小型である必要がある。

0034

図3に示すように、入射光パルス212Aの別の部分は部分反射鏡322を通過し、入射光パルス212Aの第2部分になる。入射光パルス212Aの第2部分は、反射鏡222へと方向転換され得、反射鏡222は入射光パルス212Aの第2部分を方向転換して、方向転換された光パルス213Bを生成する。方向転換された光パルス213Bに基づいて、多面体102は方向転換された光パルス213Cを生成し、次に、方向転換された光パルス213Cは凹面反射器112によって方向転換されて、操作された光パルス312Bを生成する。操作された光パルス312Bは、ビームステアリング装置100の開口部118を通って第2光軸311Bに沿って方向付けられ得る。図3に示す例では、反射鏡222は、第2光軸311Bに配設された、ほぼ100%の反射鏡であり得る。当然のことながら、反射鏡222は、戻り光パルス207Bの相当部分を遮断しないように十分に小型である必要がある。当然のことながら、図3は、入射光パルス212Aの2つの部分が光源220から生成されることを示すが、2つの分離独立した光源を用いて、入射光パルス212Aの2つの部分を別個に生成することができる。

0035

図3に示すデュアルビームステアリング装置100'は、図1Bに示す同軸ビームステアリング装置100であり得る。この例の相違点は、視野内の1つ又は2つ以上の物体を照射するために、ビームステアリング装置100'が2つのビームの光パルス(例えば、操作された第1光パルス312A及び操作された第2光パルス312B)を方向付けるように構成されていることである。例えば、ビームステアリング装置100'は、操作された第1光パルス312A及び操作された第2光パルス312Bを垂直方向及び水平方向に方向付け、一方では、第1戻り光パルス207A及び第2戻り光パルス207Bを集束するように構成され得る。第1戻り光パルス207A及び第2戻り光パルス207Bは、操作された第1光パルス312A及び操作された第2光パルス312Bの光路とそれぞれ実質的に同一、又は平行である光路を有し得る。したがって、第1戻り光パルス207A及び第2戻り光パルス207Bの光路は、操作された第1光パルス312A及び操作された第2光パルス312Bの光路とそれぞれ重複する。いくつかの実施形態では、デュアル同軸ライダー走査システム300はまた、光源220のパワーを動的に制御するように構成されている、パワーコントローラ(図示なし)を含み得る。光源220のパワー制御は、戻り光パルス207A〜Bに関連する開口部の断面積に基づき得る。光源220のパワー制御は、視野内の開口のばらつきを補正し得る。

0036

図3に示す例では、デュアルビームステアリング装置100'は、x−z面上で概ね非対称であり得る。したがって、操作された第1光パルス312Aを生成するための光学素子の形状は、どの時点においても操作された第2光パルス312Bを生成するための光学素子と非対称であり得る。同様に、第1戻り光パルス207Aを方向付けるための光学素子の形状は、どの時点においても第2戻り光パルス207Bを方向付けるための光学素子と非対称であり得る。結果として、操作された第1光パルス312Aの光路は、操作された第2光パルス312Bとは異なる範囲及びパターンで走査できる。

0037

図3を参照すると、上記と同様に、第1戻り光パルス207A及び第2戻り光パルス207Bは、デュアルビームステアリング装置100'によって、開口部118を通って第1収束レンズ224A及び第2収束レンズ224Bに向けて方向付けられ得る。上記と同様に、第1戻り光パルス207A及び第2戻り光パルス207Bは、多面体102及び凹面反射器112によって方向転換されて、方向転換された第1戻り光パルス214A及び方向転換された第2戻り光パルス214Bをそれぞれ生成する。いくつかの実施形態では、同軸ライダー走査システム300の第1収束レンズ224Aは、第1光軸311Aに沿って方向転換された第1戻り光パルス214Aを集束し、第1マスク226Aの開口部を通って第1光検出器230Aへと方向転換された第1戻り光パルス214Aを方向付けるように構成されている。同様に、同軸ライダー走査システム300の第2収束レンズ224Bは、第2光軸311Bに沿って方向転換された第2戻り光パルス214Bを集束し、第2マスク226Bの開口部を通って第2光検出器230Bへと方向転換された第2戻り光パルス214Bを方向付けるように構成されている。第1収束レンズ224A及び第2収束レンズ224Bの両方は、高屈折率ガラス、プラスチックなど任意の透過材で作成され得る。図3に示す例では、第1収束レンズ224Aは第1光軸311Aと同心ではなく、第2収束レンズ224Bは第2光軸311Bと同心ではない。当然のことながら、いくつかの実施形態では、第1収束レンズ224A及び第2収束レンズ224Bの一方又は両方は、それぞれ第1光軸311A及び第2光軸311Bと同心であり得る。

0038

図3に示すように、いくつかの例では、第1光検出器230Aは、第1収束レンズ224Aの焦点領域に、又はその付近に配設され得る。同様に、第2光検出器230Bは、第2収束レンズ224Bの焦点領域に、又はその付近に配設され得る。結果として、方向転換された第1戻り光パルス214Aは第1光検出器230Aに集束され得、方向転換された第2戻り光パルス214Bは第2光検出器230Bに集束され得る。第1光検出器230A又は第2光検出器230Bの一方、又は両方は、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオードなどであり得る。いくつかの実施形態では、上記の光検出器230と同様に、第1光検出器230A又は第2光検出器230Bの一方又は両方は、入光面の反対側に面する反射面(例えば、反射鏡)を含み得る。入光面は、光を方向転換して(例えば、反射して)、第1光検出器230A又は第2光検出器230Bの吸収領域へとそれぞれ戻してよい。結果として、第1光検出器230A及び第2光検出器230Bの効率及び感度は向上し得る。いくつかの実施形態では、第1マスク226Aは、第1光検出器230Aの一部であり得る。いくつかの実施形態では、第2マスク226Bは、第2光検出器230Bの一部であり得る。

0039

図3に示す例では、光源220はレーザー光源であり得る。いくつかの例では、光源220によって生成されたレーザー光は、可視スペクトルの波長を有し得る。いくつかの例では、レーザー光は、赤外スペクトルの波長を有し得る。いくつかの例では、レーザー光は、紫外スペクトルの波長を有し得る。

0040

図3に示すように、いくつかの例では、デュアル同軸ライダー走査システム300は、コンピュータ可読媒体メモリ304に電気的に結合されるマイクロプロセッサ306と、光源220と、第1光検出器230Aと、第2光検出器230Bと、1つ又は2つ以上のモータ302と、を含む。デュアル同軸ライダー走査システム300内のマイクロプロセッサは、ソフトウェアを実行できる。ソフトウェアには、例えば、命令命令セット、コード、コードセグメントプログラムコードプログラムサブプログラムソフトウェアコンポーネントアプリケーションソフトウェアアプリケーションソフトウェアパッケージルーチンサブルーチンオブジェクト実行ファイル、実行のスレッドプロシージャ関数などを挙げることができ、ソフトウェア、ファームウェアミドルウェアマイクロコードハードウェア記述言語などと呼ばれる。

0041

いくつかの実施形態では、マイクロプロセッサ306は、視野内の1つ又は2つ以上の物体までの距離を測定するように構成され得る。図3に示すように、マイクロプロセッサ306は、タイマークロックモジュール308と、電卓310と、を含み、これらは、対応する光パルスごとに操作された光パルス312Aの伝送と第1戻り光パルス207Aの検出との時間差に基づいて1つ又は2つ以上の物体までの距離を計算するように構成されている。

0042

タイマー/クロックモジュール308は、タイムスタンプ付きで伝送又は受光された各光パルスにマークを付けるように構成されている。タイムスタンプは、コード化された日時である。タイムスタンプの例には、「month−day−year@hour:min:sec」、「month−day−year@hour:min:sec」、「year−dd−month@hour:min:sec」、「1234567890(Unix time)」などが挙げられる。いくつかの実施形態では、操作された光パルスの伝送がトリガーとなり、タイマー/クロックモジュール308は、操作された光パルスにタイムスタンプでマークを付ける。タイマー/クロックモジュール308は、更に操作された光パルスと対応する戻り光パルスとを一対にし、タイムスタンプに基づいて時間差を測定し得る。

0043

電卓310は、時間差から1つ又は2つ以上の物体までの距離を計算するように構成されている。いくつかの例では、電卓310は、時間差に光速度を乗じて2で除して(対称光路を想定)、物体までの距離を測定し得る。例えば、時間差が0.8マイクロ秒である場合、電卓310は物体までの距離を約120メートル離れていると計算する(例えば、(0.8×10−6)×(2.9979×108)/2)。距離を計算した後、電卓310は、値をコンピュータ可読媒体/メモリ304に記憶し得る。

0044

コンピュータ可読媒体/メモリ304はマイクロプロセッサ306に電気的に結合され、視野に伝送された、操作された光パルスに関連する識別子、戻り光パルスに関連する識別子、タイムスタンプ、距離測定値などに記憶域を提供し得る。いくつかの例では、各パルス(例えば、視野に伝送された、操作された光パルス及び/又は戻り光パルス)は、特定のパルスを一意に識別する識別子が割り当てられ得る)。パルスの識別により、対応する伝送された光パルスと戻り光パルスとの時間差を測定できる。

0045

いくつかの実施形態では、マイクロプロセッサ306は、回転コントローラ312を任意に含み得る。回転コントローラ312は、凹面反射器112の第1回転速度及び多面体102の第2回転速度を制御するように構成されている。回転コントローラ312は1つ又は2つ以上のモータ302に電気的に結合され、モータ302は、凹面反射器112及び多面体102に動作可能に結合される。いくつかの例では、回転コントローラ312は、1つ又は2つ以上のモータ302への駆動電流を変化させることにより、凹面反射器112の第1回転速度及び多面体102の第2回転速度を変化させ得る。

0046

いくつかの実施形態では、回転コントローラ312は、制御パラメータランダム摂動を重ね合わせて、ランダム摂動に比例して凹面反射器112の第1回転速度及び/又は多面体102の第2回転速度を増加させるように構成される。凹面反射器112の第1回転速度及び/又は多面体102の第2回転速度のランダム摂動は、ビームステアリング装置100'から伝送された光パルスが実質的に周期的(例えば、等間隔)であるとき、この光パルスに関連する水平及び垂直走査角度をランダムに分布させる。これにより、サブフレームでのよりランダムな包括域を促進する。いくつかの例では、回転コントローラ312は、凹面反射器112の第1回転速度を10rpsに設定し得、多面体102の第2回転速度を500rpsに設定し得る。回転コントローラ312は、凹面反射器112の第1回転速度及び多面体102の第2回転速度の一方又は両方に更に±1rpsの摂動を追加し得る。場合によっては、摂動は同一であり得、他方では、摂動は異なり得る。

0047

1つ又は2つ以上のモータは、凹面反射器112及び多面体102に動作可能に結合される。いくつかの例では、第1モータは凹面反射器112を回転させ得、第2モータは多面体102を回転させ得る。いくつかの例では、1つ又は2つ以上のギアに結合される単一モータは、凹面反射器112及び多面体102を回転させ得る。図3に示す例では、1つ又は2つ以上のモータ302は、第1軸106の周りで第1回転速度にて凹面反射器112を回転させ、第2軸104の周りで第2回転速度にて多面体102を回転させるように構成され得る。いくつかの実施形態では、第1回転速度及び第2回転速度は、互いから独立するように制御される。

0048

図3は、操作された第1光パルス312A及び操作された第2光パルス312Bが正のz軸の方向に沿って方向付けられることを示す。図3に示すように、正のz軸の方向に沿って方向付けられる、操作された第1光パルス312A及び操作された第2光パルス312Bを生成するための多面体102及び凹面反射器112の位置は、公称位置として定義され得る。多面体102及び凹面反射器112が特定の角度で回転するとき、ビームステアリング装置100は、操作された光パルスを視野内の任意の所望の方向に方向付け、これらの方向から戻り光パルスを集束することができる。図4Aは、正のx軸と正のz軸との間の方向に操作された光パルスを方向付け、この方向から戻り光パルスを集束する例示的ビームステアリング装置100を示す。いくつかの例では、図4Aに示すように、回転多面体102の瞬時位置は、公称位置に対して+15°の位置にあり、回転凹面反射器112の瞬時位置は公称位置にある。図4Aに示すように、光パルス307Aは、ビームステアリング装置100の開口部118を通って方向付けられ、多面体102によって方向転換されて(例えば、反射されて)、方向転換された光パルス307Bを生成する。この方向転換はポイント402で、又はその付近で生じ得、方向転換された光パルス307Bを凹面反射器112に向けて操作する。方向転換された光パルス307Bは、凹面反射器112の反射面(例えば、鏡)によって更に方向転換されて(例えば、反射されて)、操作された第1光パルス312Aを生成する。この方向転換はポイント404で、又はその付近で生じ得、1つ又は2つ以上の物体に向けて、視野内の正のx軸と正のz軸との間の方向に操作された第1光パルス312Aを方向付け得る。操作された第1光パルス312Aは物体を照射し、第1戻り光パルス207Aは、操作された第1光パルス312Aと実質的に同軸又は平行である光路に沿って戻る。図4Aに示す例では、第1戻り光パルス207Aは操作された第1光パルス312Aと重複する。例えば、操作された第1光パルス312Aは、水平方向に向かって約30°の角度(例えば、正のz軸と伝送された光パルス312Aの方向との30°の角度)で物体を照射し、例示的ビームステアリング装置100は、水平方向に向かって約30°の角度で第1戻り光パルス207Aを集束する。上記と同様に、第1戻り光パルス207Aは、多面体102及び凹面反射器112によって方向転換されて、方向転換された戻り光パルス214Aを生成し得る。

0049

図4Bは、操作された光パルスを視野へと方向付け、負のx軸と正のz軸の方向から戻り光パルスを集束する例示的ビームステアリング装置100を示す。いくつかの例では、図4Bに示すように、回転多面体102の瞬時位置は、公称位置に対して−5°(つまり、355°)の位置にあり、回転凹面反射器112の瞬時位置は公称位置にある。図4Bに示すように、光パルス307Aは、ビームステアリング装置100の開口部118を通って方向付けられ、多面体102によって方向転換されて(例えば、反射されて)、方向転換された光パルス307Bを生成する。この方向転換はポイント402で、又はその付近で生じ得、方向転換された光パルス307Bを凹面反射器112に向けて操作する。方向転換された光パルス307Bは、凹面反射器112の反射面(例えば、鏡)によって更に方向転換されて(例えば、反射されて)、操作された第1光パルス312Aを生成する。この方向転換はポイント404で、又はその付近で生じ得、1つ又は2つ以上の物体に向けて、操作された第1光パルス312Aを視野内の負のx軸と正のz軸との間の方向に方向付け得る。操作された第1光パルス312Aは物体を照射し、第1戻り光パルス207Aは、操作された第1光パルス312Aと実質的に同軸又は平行である光路に沿って戻る。図4Bに示す実施例では、第1戻り光パルス207Aは操作された第1光パルス312Aと重複しており、操作された第1光パルス312Aは、水平方向に向かって約−10°の角度(例えば、正のz軸と操作された第1光パルス312Aの方向との−10°の角度)で物体を照射し、例示的ビームステアリング装置100は、水平方向に向かって約−10°の角度で第1戻り光パルス207Aを集束する。上記と同様に、第1戻り光パルス207Aは、多面体102及び凹面反射器112によって方向転換されて、方向転換された戻り光パルス214Aを生成し得る。

0050

いくつかの実施形態では、ビームステアリング装置100は、光パルスを伝送し、更に視野の縁部に向かう方向から戻り光パルスを集束するように構成され得る。図5は、操作された光パルスを更に視野の正の水平範囲の縁部に向かう方向に方向付け、その方向から戻り光を集束する例示的ビームステアリング装置100を示す。図5に示すように、回転多面体102の瞬時位置は、公称位置に対して15°の位置にあり、回転凹面反射器112の瞬時位置は公称位置に対して30°の位置にある。図5に示すように、光パルス307Aは、ビームステアリング装置100の開口部118を通って方向付けられ、多面体102によって方向転換されて(例えば、反射されて)、ポイント402において、又はその付近で方向転換された光パルス307Bを生成する。この方向転換は、方向転換された光パルス307Bを凹面反射器112に向けて操作し得る。方向転換された光パルス307Bは、凹面反射器112の反射面(例えば、鏡)によって更に方向転換されて(例えば、反射されて)、ポイント404において、又はその付近で操作された第1光パルス312Aを生成する。方向転換は、操作された光パルス312Aを更に視野の縁部に向かう方向に、1つ又は2つ以上の物体に向けて方向付け得る。操作された第1光パルス312Aは物体を照射し、第1戻り光パルス207Aは、操作された第1光パルス312Aと実質的に同軸又は平行である光路に沿って戻る。図5に示す例では、第1戻り光パルス207Aは操作された第1光パルス312Aと重複する。例えば、操作された第1光パルス312Aは、正のx方向に向かって約40°の角度(例えば、正のz軸とX−Z面上への操作された光パルス312Aの投射との40°の角度)及びy方向に向かって約−7°(例えば、z軸とY−Z面への操作された光パルス312Aの投射との負のy方向での7°)で物体を照射し、例示的ビームステアリング装置100は、正のx方向に向かって約40°及びy方向に向かって約−7°で第1戻り光パルス207Aを集束する。上記と同様に、第1戻り光パルス207Aは、多面体102及び凹面反射器112によって方向転換されて、方向転換された戻り光パルス214Aを生成し得る。

0051

いくつかの実施形態では、走査範囲を更に拡張するために、凹状レンズ又は円柱レンズが、操作された光パルス312A及び/又は操作された第2光パルス312Bの光路に配設され得る。これは、これらがビームステアリング装置100から伝送されるためである。この構成は、水平及び/又は垂直走査範囲を更に拡張し得る。いくつかの例では、凸状レンズを含むことにより、光角度も拡張してよく、これにより解像度が低減してよい。

0052

図6A及び6Bは、デュアル同軸ライダー走査システム300(図3)の水平方向及び垂直方向の角度分布のインターレースフレーム図を示す。図6A〜6Bの図600A〜Bは、デュアル同軸ライダー走査システム300が約50ミリ秒でデータを収集するように構成されているシミュレーションの結果を示す。この図は、毎秒約20フレーム(fps)に対応する1つのフレームを形成する、3つの連続的なサブフレームの組み合わせを示す。第1サブフレーム604を形成するには、デュアル同軸ライダー走査システム300は、視野にわたって水平及び垂直の両方向で1つ又は2つ以上の物体を定期的かつ連続的にサンプリングする。こうすることにより、凹面反射器112(図4A〜4B、又は5に示すように)の反射面(例えば、鏡)によって方向転換された(例えば、反射された)レーザー光ビーム図4A〜4B及び5に示すように、ポイント404における、又はその付近の光ビームスポット)が、多面体102のファセットのうちの1つに位置する鏡を横切って移動して、光ビームスポットが鏡の一方の縁部から鏡の他方の縁部へと移動する。第2サブフレーム606を形成するために、デュアル同軸ライダー走査システム300は、視野にわたって1つ又は2つ以上の物体を定期的かつ連続的にサンプリングする。ただし今回は、水平方向及び垂直方向での走査は、第1サブフレーム604を生成するための走査から若干オフセットしている。この走査オフセットにより、光ビームは、多面体102のファセットうちの1つに位置する鏡を横切って移動して、光ビームスポットが鏡の一方の縁部から鏡の他方の縁部へと移動する。第3サブフレーム608を形成するために、デュアル同軸ライダー走査システム300は、視野にわたって1つ又は2つ以上の物体を定期的かつ連続的にサンプリングする。ただし今回は、水平方向及び垂直方向での走査は、第1サブフレーム604を生成するための走査及び第2サブフレーム606を生成するための走査から若干オフセットしている。第1サブフレーム604、第2サブフレーム606、及び第3サブフレーム608はインターレースされて、より高いサンプル密度を有する(より高い解像度に相当する)単一フレームを形成する。単一フレームはまた、ライダー走査システムの移動及び検出された物体の移動の両方の動き補正を表す。

0053

図6Aに示すように、操作された光パルス312Aによって生成されたフレームからラスタライズされたポイントは、x方向の約−10°〜40°及びy方向の−30°〜30°の範囲を含むパターンを形成する。同様に、操作された光パルス312Aによって生成されたフレームのラスタライズされたポイントは、x方向の約−40°〜10°及びy方向の−30°〜30°の範囲を包含するパターンを形成する。デュアル同軸ライダー走査システム300の範囲内では、操作された第1光パルス312Aと操作された第2光パルス312Bとの間に多少の重複領域602が存在する。重複は、視野の中心(例えば、x方向のおよそ−10°〜10°及びy方向の−30°〜30°)においてより密度の高いデータサンプリングを提供する。したがって、解像度は、重複領域602においてより高い。

0054

図6A及び6Bに示す、ラスタライズされたフレームパターンの形状は、デュアルビームステアリング装置100'の形状(例えば、多面体102及び凹面反射器112の形状)に基づいている。光路を妨害する要素は、図6A及び6Bに示すように、ラスタライズされたフレームパターン全体に寄与し得る。例えば、図4A〜4B、5、及び6A〜6Bを参照すると、場合によって、操作された第1光パルス312Aは、特定の角度において凹面反射器112に届かないことがあり、デュアルビームステアリング装置100'の走査範囲の端部を決定する。これらは、水平周辺範囲に相当してよい。概して、いくつかの実施形態では、デュアルビームステアリング装置100'の走査範囲は、操作された第1光パルス312Aをx方向におよそ−10°〜40°、y方向におよそ−30°〜30°に方向付けることができる。同様に、デュアルビームステアリング装置100'の走査範囲は、操作された第2光パルス312Aをx方向におよそ−40°〜10°、y方向におよそ−30°〜30°に方向付けることができる。

0055

図6Bは、デュアル同軸ライダー走査システム300の水平方向及び垂直方向の角度分布のフレーム図の拡大部を示す。したがって、図6Bは、3つの連続的なサブフレーム(例えば、第1サブフレーム604、第2サブフレーム606、及び第3サブフレーム608)の組み合わせをより明確に示す。上記のように、多面体102及び/又は凹面反射器112の回転速度に摂動が加えられると、水平方向及び垂直方向の角度分布はランダムになり得る。

0056

いくつかの例では、図6A及び6Bに示すサブフレーム及び/又はフレームは、3次元マップされて、「ポイントクラウド」を形成し得る。例えば、図6A及び6Bは、物体で散乱する光の2次元での位置を示す。いくつかの例では、マイクロプロセッサ306の電卓310(図3に示す)は、第3次元(例えば、対応する水平角度及び垂直角度における距離)を提供し得る。したがって、ライダー走査システム300の周囲の物体の形状は、再構築され得る(例えば、データ分析アルゴリズムを用いて「ポイントクラウド」を分析することによって)。

0057

いくつかの例では、視野内に位置付けられた物体は、フレーム又はサブフレームを形成するための走査中に移動してよい、又は位置を変えてよい。例えば、場合によっては、1フレーム内の光パルスの期間はかなり短くてよく(例えば、1ミリ秒未満)、つまり、デュアル同軸ライダー走査システム300A及び視野内の物体の両方を含む物体は、実質的に移動しない。かかる場合では、フレーム内のポイントクラウド内のサンプルポイントは、実質的に同時に収集される。しかしながら、場合によっては、期間が比較的長い(例えば、20〜50ミリ秒)ことがあり、これは、1つ又は2つ以上の物体が測定可能距離を移動するのに十分な時間である。例えば、毎時約65マイルで移動する物体は、20ミリ秒で約2フィート移動できる。したがって、フレームのポイントクラウド内の各ポイントは、ライダー自身の移動及び視野内の移動物体検出速度で補正され得る。

0058

物体のかかる移動に対応するために、デュアル同軸ライダー走査システム300は、1つ又は2つ以上のサブフレームのサンプリングレートを測定し、1つ又は2つ以上の物体の相対速度を測定し、集計距離の補正に基づいて3次元のポイントのポイントクラウドを形成するときに、サンプリングレート及び相対速度を補正できる。当然のことながら、あらゆる任意の時間間隔で収集したデータを集計して、ポイントクラウドの1フレームを形成できる。したがって、ポイントクラウドの密度は、上記よりも濃くも薄くもなり得る。

0059

図7は、特定のシステムパラメータ値を有するデュアル同軸ライダーシステムの集束開口部領域に対応するヒートマップ700を示し、図1、3、4A、4B、及び5に示した、方向転換された第1戻り光パルス214A及び方向転換された第2戻り光パルス214Bの集束断面積の両方を図7に示し、これらは視野の中央で重複する。したがって、集束開口部の面積は、多面体102の角度及び凹面反射器112の角度と共に変化する。例えば、図4Aに示す方向転換された第1戻り光パルス214Aの断面積は、図4Bに示す方向転換された第1戻り光パルス214Aの断面積よりも小さい。したがって、同一強度の操作された第1光パルス312A並びに視野内の物体からの同一の反射率及び距離では、図4Aに示す角度を有する多面体102及び凹面反射器112の構成に対応する集束光の強度は、図4Bに示す構成の強度よりも小さい。

0060

図7に示す例では、x方向の約−10°〜10°及びy方向の−30°〜30°に対応するヒートマップ700の中心領域は、高集束開口部を有する。この領域は、ほぼ同一領域で重複するデュアル光路から砂時計形状を形成する。x方向の約−35°〜−30°及びy方向の約−5°〜5°、並びにx方向の約30°〜35°及びy方向の約−5°〜5°に対応する領域は、凹面反射器112における斜角からの低集束開口部を有する。

0061

いくつかの実施形態では、光源220(図2B、2C、及び3に示す)からの入射光パルス212のパワーは、集束開口部に基づいて変動し得る。入射光パルス212のパワーの変動は、視野内の垂直方向及び水平方向での方向転換された第1戻り光パルス214A及び方向転換された第2戻り光パルス214Bの集束開口部サイズのばらつきを補正し得る。

0062

図8は、本開示の例による、ライダー走査検出の例示的プロセス800を示す。プロセス800は、以下で詳述するように、図1A〜1B、2A〜2C、3、4A〜4B、及び5などに示す様々なシステム、並びに図9A〜9D、10A〜10B、及び11に示すシステムなど車両に配設される、又は含まれるシステムによって実行され得る。図8に示すように、ブロック802において、ライダー走査システムの第1光源は、1つ又は2つ以上の第1光パルスを提供し得る。本明細書に記載の例では、第1光源はレーザー光源であり得る。当然のことながら、第1光源は、白熱灯蛍光灯などであり得る。更に、第1光源は可視スペクトルの1つ若しくは2つ以上の波長、赤外スペクトルの1つ若しくは2つ以上の波長、又は紫外スペクトルの1つ若しくは2つ以上の波長を有し得る。

0063

ブロック804において、ライダー走査システムのビームステアリング装置は、第1光パルスが光路に沿って物体を照射するように操作し得る。ビームステアリング装置は、シングルビームの光パルス(例えば、図1Bに示す光パルス312A)を伝送するように構成されている同軸ビームステアリング装置100又はデュアルビームの光パルス(例えば、図3に示す光パルス312A及び312B)を伝送するように構成されているデュアル同軸ビームステアリング装置100'であり得る。連続走査中、光ビームステアリングデバイス(例えば、多面体102)及び凹面反射器(例えば、凹面反射器112)の回転は、光パルスの光路内にある光ビームステアリングデバイスの反射ファセット及び凹面反射器を時間と共に変化させ得る。ビームステアリング装置による光パルスの操作角は、光ビームステアリングデバイス及び凹面反射器の回転位置を用いて計算され得る。当然のことながら、いくつかの実施形態では、光ビームステアリングデバイス及び凹面反射器の回転位置がトリガーとなり、光源が光パルスを伝送し得る。

0064

ブロック806において、いくつかの例では、ビームステアリング装置(例えば、ビームステアリング装置100又はデュアルビームステアリング装置100')は、戻り光パルス(例えば、物体を照射した、操作された第1光パルス312Aに基づいて生成された第1戻り光パルス207A)を集束し、方向転換し得る。集束された戻り光パルスは、光路と同軸に、又は平行に整合し得る。戻り光パルスは、凹面反射器及び光ビームステアリングデバイスによって受光光学系に向けて方向転換され得る。ビームステアリング装置を用いる場合、いくつかの例では、操作された光パルス及び戻り光パルスは同軸に整合し得る。更に、ビームステアリング装置は操作された光パルスを伝送し、その一方、平行して、又は実質的に同時に戻り光パルスを集束する。例えば、伝送された、操作された光パルスが進んで物体を照射し、同一光路に沿って戻る時間は、光ビームステアリングデバイス(例えば、多面体102)及び凹面反射器の位置に対してほぼ一瞬である。例えば、約150メートル離れた物体では、光パルスの飛行時間は約1マイクロ秒である。これは、光ビームステアリングデバイス(例えば、500rpsで回転する多面体102)の約0.18°回転に相当する。

0065

ブロック808において、集光装置を含む受光光学系は、方向転換された戻り光パルスを光検出器(例えば、図3に示す第1光検出器230A)へと更に方向付け得る(例えば、収束し得る又は集束し得る)。いくつかの例では、集光装置は収束レンズ224(図2B)又は集光鏡221(図2C)であり得る。

0066

ブロック810において、マイクロコントローラ/プロセッサは、操作された光パルスの伝送と対応する戻り光パルスの検出との時間差に基づいて、ライダー走査システムから物体までの距離を計算し得る(例えば、測定し得る)。光パルスが光路に沿って進む飛行時間は、光パルスが進んで物体を照射する距離に比例する。一般に、光パルスが物体を照射するこの飛行時間は、光パルスの検出にかかる時間のほぼ半分である。

0067

任意のブロック812において、マイクロコントローラは、連続的な(successive or consecutive)水平走査及び垂直走査での1つ又は2つ以上の物体までの距離の集計に基づいて、1つ又は2つ以上のサブフレーム(例えば、図6A及び6Bの第1サブフレーム604、第2サブフレーム606、第3サブフレーム608)を生成し得る。例えば、同軸ライダー走査システム又はデュアル同軸ライダーシステム(例えば、システム300)は、水平及び垂直の両方向で視野にわたって、同一の1つ又は2つ以上の物体を定期的かつ連続的にサンプリングし得る。サンプリングされる(例えば、走査される)視野は、図6A及び6Bに注記した第1サブフレーム604に類似の第1サブパターンに従って集計され得る。デュアル同軸ライダーシステムは、同一の視野にわたって一定間隔で、1つ又は2つ以上のサンプルを連続的に再度サンプリングし得る。ただし今回は、水平方向及び垂直方向が、第1サブフレーム604から若干オフセットしている。サンプリングされる(例えば、走査される)視野は、図6A及び6Bの第2サブフレーム606に類似の第2サブパターンに従って集計され得る。デュアル同軸ライダーシステムは、同一の視野、又は部分的に同一の視野にわたって一定間隔で、同一の1つ又は2つ以上のサンプルを連続的に再度サンプリングし得る。ただし今回は、水平方向及び垂直方向が、第1サブフレーム604及び第2サブフレーム606から若干オフセットしている。サンプリングされる(例えば、走査される)視野は、図6A及び6Bの第3サブフレーム608に類似の第3サブパターンに従って集計され得る。

0068

任意のブロック814において、マイクロコントローラは、1つ又は2つ以上のサブフレームをインターレースして、より高い解像度のフレームを形成できる。例えば、図6A及び6Bに示すように、ライダーシステムは、第1サブフレーム604、第2サブフレーム606、及び第3サブフレーム608をインターレースして、より高いサンプル密度を有するフレームを形成し得る。(重複しないサンプルポイントの)より高いサンプル密度は、より高い解像度に相当する。当然のことながら、デュアル同軸ライダーシステム(例えば、システム300)の重複領域602(図6A)内のサンプルポイントの多くは、より高い密度を有し得る。したがって、解像度は、図6Aに示す重複領域602においてより高い。

0069

ビームステアリング装置100及び100'は、図2A〜2B、3、4A〜4B及び5に示すように、6つのファセットを有する多面体102を含む。説明したように、多面体は、任意の数のファセット(例えば、6超又は6未満)を有し得る。図9A〜9Dは、ビームステアリング装置900の別の例示の実施形態の様々な図を示す。ビームステアリング装置900は、6を超える多数のファセットを備える多面体を有し得る。ビームステアリング装置900は、プロセス800及び/又は1900の1つ又は2つ以上の工程(例えば、図19に示すブロック1904及び1910での光パルスの操作)を実行するために用いられ得る。図9Aは、ビームステアリング装置900の斜視図を示す。図9Bは、正のy軸方向に沿った、ビームステアリング装置900の側面図を示す。図9Cは、正のz軸方向に沿った、ビームステアリング装置900の背面図を示し、図9Dは、正のx軸方向に沿ったビームステアリング装置900の側面図を示す。図9A〜9Dを参照すると、多面体910は、多面体910のy軸と平行である、複数の(例えば、18の)側方ファセットを含み得る。いくつかの実施形態では、多面体910は、y軸を中心としてよく、この軸の周りを、又はこの軸に沿って回転する。つまりy軸は、多面体910の回転軸であり得る。いくつかの実施形態では、複数の側方ファセットのそれぞれは研磨され得、レーザー光を伝送し、集束するために反射面(例えば、鏡面)と同様に動作し得る。

0070

図9A〜9Dを参照すると、ビームステアリング装置900はまた、凹面反射器920を含み得る。凹面反射器920は、複数の(例えば、4つの)平坦な又は湾曲した反射面(例えば、鏡)を含み得る。いくつかの実施形態では、凹面反射器920の平面鏡又は曲面鏡のそれぞれは、多角形状(例えば、台形状)又は任意の他の所望の形状を有し得る。いくつかの実施形態では、平面鏡又は曲面鏡のそれぞれは、入射レーザー光が凹面反射器920を通過するように、角部及び/又は底縁部が切断されている、又は整えられていることがある。例えば、図9A〜9Dに、凹面反射器920内で切断されている角部及び/又は底縁部を示す。いくつかの実施形態では、図1Bに示す凹面反射器112に類似して、凹面反射器920は、多面体910の回転速度とは独立した回転速度で、z軸の周りを、又はこの軸に沿って回転し得る。図9Bを参照すると、回転多面体910及び回転凹面反射器920の瞬時位置において、コリメートされた1つ又は2つ以上の光パルス930のビームは、x−z面内で角度935(例えば、コリメートされた1つ又は2つ以上の光パルス930のビームと負のz方向との角度)をなして、多面体910のファセット940に向けて方向付けられ得る。

0071

図10Aは、1つ又は2つ以上の光パルスを含むコリメートされた照射レーザービームを生成するための構成の一実施形態を示す。図10Aに示すように、光源1010は、光学レンズ1020に向けて1つ又は2つ以上の光パルスを方向付け得る。いくつかの実施形態では、光学レンズ1020及び光源1010は、所定の距離を有して、照射レーザービーム(例えば、ガウスビーム)が所定のビーム発散角で形成されるように構成され得る。照射レーザービームは、多面体910のファセットへと方向付けられ得る。光源1010は、ファイバレーザー半導体レーザー、又は他の種類のレーザー光源であり得る。あるいは、非球面レンズ複合レンズ反射球面、反射方物面など他のコリメート光学系を用いて、コリメートされたレーザービームを生成することができる。いくつかの実施形態では、凹面反射器920は、照射レーザービームが凹面反射器920の1つ又は2つ以上の反射面(例えば、鏡)によって遮断され得る、又は部分的に遮断され得るように、形状パラメータ値を有するように構成されてよい。上記のように、凹面反射器920では、図10Aに示すように、1つ又は2つ以上の台形状鏡の底縁部の一部(例えば、切欠部1030)は切断される、又は露出されて、光源からのレーザービームが通過できるようにされ得る。

0072

図10Bは、光パルスを含むコリメートされた照射レーザービームを生成するための構成の別の実施形態を示す。この構成では、1つ又は2つ以上の光パルスが、ファイバレーザー、半導体レーザー、又は他の種類のレーザー光源など光源(図10Bでは図示なし)によって生成され得る。1つ又は2つ以上の光パルスは、光ファイバ1042によって送達され、鏡1040によって、多面体910のファセットに向けて方向付けられ得る。図10Bに示す光送達構成により、光学系(例えば、ファイバ、鏡)を凹面反射器920の内側に配置することができ、したがって、凹面反射器920の縁部を切断する必要をなくす、又は低減する(例えば、図10Aに示すように切欠部1030をなくす、又は切欠部1030のサイズを低減する)。

0073

図9B及び10Bを参照すると、いくつかの実施形態では、多面体910の反射面(例えば、多面鏡)の回転軸に対する送達されたレーザービーム(例えば、光ファイバ1042及び鏡1040によって送達されたレーザービーム)の相対位置及び/又は角度は、有効ライダー走査範囲(例えば、水平及び垂直走査包括角)が所望の包括域値に達するように構成され得る。一例では、多面体910の多面鏡のファセットのうちの1つに達するレーザービームの位置及び/又は角度は、角度965(図9Bに示す)が垂直方向(例えば、図9Bの負のz方向)からおよそ59°であって、約100°の水平視野及び25°の垂直視野を得るように構成されている。

0074

光送達構成のいくつかの実施形態では、多面体910の側方ファセットに達するレーザービームは、y軸方向及びx−z面内方向で、異なるガウスビームパラメータビームウェスト幅、ビーム発散角など)を有してよい。異なるガウスビームパラメータは、レーザー光源と多面体910の側方ファセットとの間で1つ又は2つ以上の非球面レンズ又は円柱レンズを用いることにより得ることができる。いくつかの実施形態では、レーザービームが多面体910の側方ファセットに達する位置においてビームウェスト幅が非常に狭いように、レンズ又はライダーシステムの他の構成要素を構成することが所望され、有益である。典型的な一実施形態では、0.45mmのビームウェスト幅は、およそ0.06°の発散角で得ることができる。狭い、又は小さいレーザービームウェスト幅(例えば、0.2mm)は、光ビームの一部が、光ビームが達するすべての多面体回転位置に対して、2つの側方ファセットに同時に達する(例えば、レーザービームスポットは、共通縁部を共有する2つのファセットに達する)多面体回転位置の割合又はパーセンテージを低減できる。2つの側方ファセッに同時に達する光ビームは、信号の分析を困難にし得るため、望ましくないことがある。

0075

一方向のガウスビームのビームウェストが狭い場合、この方向でのそのビーム発散角はより大きくなり得るが、このことは、特定の実施形態にとって望ましくないことがある。例えば、0.2mmのウェスト幅を有するガウスビームの場合、発散角は約0.14°であり得る。ビーム発散角を低減するために、いくつかの例では、多面体910は、曲面を有する曲面ファセットを有し得る。いくつかの実施形態では、曲面は、図15Aに示すように、多面体910の側方ファセットに用いられ得る。

0076

図15Aは、曲面を有する例示的多面体910の複数のファセット1510A〜Cを示す。図15Aでは、実線は、平面が用いられる場合の多面体910の複数の側方ファセットのうちの3つを示す。破線は、ガウスビームを改変してビーム発散角を低減し得る曲面を示す。図15Aは曲面を凸状面として示すが、当業者は、凹状面もいくつかの実施形態に用いられる得ることを理解するであろう。別の実施形態では、凹面反射器920(図9A〜9D及び10A〜10Bに示す)の反射面(例えば、鏡)に曲面を用いて、ガウスビームを改変することもできる。

0077

いくつかの実施形態では、照射レーザービームを反射する多面体の部分は、あるパラメータセット(平面又は曲面、直径、ファセット数)を有するように構成され得、戻り光を集束する多面体の残りの部分は、異なるパラメータセットを有するように構成され得る。図15Bはかかる実施形態の上面図を示し、照射又は伝送レーザービームを反射する多面体910の部分は、曲面(例えば、ファセット1520A〜C)及びより大きい直径を有し、戻り光を集束する多面体の残りの部分は、より直径の小さい平面(例えば、ファセット1522A〜C)を有する。多面体910の両部分は、同数の(例えば、18の)ファセットを有し得る。図15Cは、多面体910のこの実施形態の側面図を示し、照射又は伝送レーザービームを反射するための曲面を有するファセット1520A〜Nを含み、戻り光を集束するための平面を有するファセット1522A〜Nを含む。

0078

図15Dは、多面体910の別の実施形態の上面図を示す。図15Dに示すように、照射レーザービームを反射する多面体の部分は、曲面及びより大きい直径を有する第1数の(例えば、18の)ファセット(例えば、ファセット1540A〜D)を有し得、戻り光を集束する部分は、平面及びより小さい直径を有する第2数の(例えば、6つの)ファセット(例えば、ファセット1542A〜B)を有し得る。図10Eは、多面体910のこの実施形態の側面図を示し、照射又は伝送レーザービームを反射するための曲面を有するファセット1540A〜Nを含み、戻り光を集束するための平面を有するファセット1542A〜Mを含む。

0079

戻って図9A及び9Bを参照すると、上記のように、コリメートされた1つ又は2つ以上の光パルス930のビームは、x−z平面内で角度935をなして多面体910のうちの1つのファセット940に向けて方向付けられ得る。角度935は、照射レーザービームの光パルス930の方向と戻り光検出器960に入射する戻り光の方向との角度が、多面体910の片側のスパニング角度(spanning angle)の2倍であるように構成され得る。スパニング角度は、多面体910の中心から2つの隣接するファセット縁部まで延在する2つの半径間の角度である。したがって、18ファセット多面体では、スパニング角度は20°である(すなわち、360°/18=20°である)。図9A〜9Dの例示的実施形態では、「N」は、1の値を有してよく、角度935は、20°のスパニング角度を有する18ファセット多面体に、40°の値を有してよい。図9Bに示すように、ファセット940から生成された(例えば、反射された)1つ又は2つ以上の方向転換された光パルス942は、凹面反射器920の鏡945へと方向付けられ、次に鏡945によって反射されて、操作された光パルス948として視野へと方向転換される。

0080

図9A〜9Bを参照すると、1つ又は2つ以上の操作された光パルス948が視野内の物体に達した後、複数の方向に反射又は散乱され得、戻り光パルス950の一部は反射して戻され、鏡945によって集束され得る。物体がライダーシステムから比較的遠い(例えば、1メートル超遠い)とき、戻り光パルス950はコリメートビームとして近似され得、実質的に平行方向であるが、操作された光パルス948の元の方向とは反対方向である。戻り光パルス950は鏡945によって方向転換され得、方向転換された光パルス942から多面体910に向かって反対方向に沿って伝播する。

0081

図11は、受光開口部を効率的に増加させ、異なるファセットからの戻り光パルスを集束するためのビームステアリング装置1100の例示的構成を示す。図9B及び11を参照すると、図9Bに示す1つ又は2つ以上の戻り光パルス950(例えば、視野内の物体によって散乱又は反射された光パルスからライダーシステムによって集束された光パルス)は、図11に示す戻り光パルス1110に相当し得る。戻り光パルス1110は、例えば、凹面反射器920の反射面(例えば、鏡1130)に達してよい。凹面反射器920の鏡1130による第1反射の後、戻り光パルス1110は、多面体910に向けて方向転換され得る。いくつかの実施形態では、1つ又は2つ以上の戻り光パルス1110は散乱されてよく、ビーム伝播と垂直方向に広範に広がり得る。結果として、鏡1130の相当部分又は全面は、1つ又は2つ以上の戻り光パルス1110を受光してよい(多面体910によって遮断され、その陰になる部分は除く)。したがって、1つ又は2つ以上の戻り光パルス1110は鏡1130によって反射されて、多面体910の異なるファセットへと方向付けられる光の複数部分のパルスを生成してよい。例えば、図11に示すように、多面体910に向かって伝播する戻り光パルス1120の一部は、ファセット1140(例えば、図9Bに示す同一のファセット940)に達してよく、ファセット1140によって光パルス1150として反射/方向転換されてよく、多面体910に向かって伝播する戻り光パルス1122の別の部分は、ファセット1142に達してよく、ファセット1142によって光パルス1152として反射/方向転換されてよく、多面体910に向かって伝播する戻り光パルス1124の更に別の部分は、異なるファセット1144に達してよく、ファセット1144によって光パルス1154として反射/方向転換されてよい。

0082

図11を参照すると、いくつかの実施形態では、多面体910の異なるファセットによって反射/方向転換されたビームは、異なる受光光学系(例えば、システム1160、1162、及び1164)によって集束され得る。例えば、第1受光光学系1160は光パルス1150の経路に配設され得、第2受光光学系1162は光パルス1152の経路に配設され得るなどである。

0083

図12A〜12Cは、受光光学系の例示的構成を示す。図12A、12B、及び12Cを参照すると、受光光学系は、1つの屈折光学レンズ1210(図12Aに示す)、又は複数の光学素子を備える1つの複合光学レンズ1220(図12Bに示す)、又は1つの方物面鏡若しくは球面鏡と、1つの屈折光学レンズと、を備える1つの複合集束光学系1230(図12Cに示す)を備え得る。図12A〜12Cに示す屈折光学レンズは、球面若しくは非球面レンズ、又は両方の組み合わせであり得る。図12A〜12Cに示す受光光学系のいずれかは、入射光のパルスが若干傾斜し、発散角を有するかどうかに関係なく、実質的に平行である入射光を検出素子1240に集束することができる。3つの例示的実施形態を図12A〜12Cに示すが、当然のことながら、他の構成の受光光学系を用いて同一目的を果たすことができる。

0084

図12A〜12Cに示す検出素子1240は、光信号を検出し、光信号を電気信号に変換できる、光感知デバイスを含み得る。図13Aは、光感知デバイス1320を用いた直接集光用検出素子1240の例示的実施形態を示す。図13Aに示すように、光パルスは光学窓1310を通って伝播し、光感知デバイス1320に達し得、光感知デバイス1320は、光信号を電気信号に変換する。電気信号は、電気回路基板1330上の電気回路素子によって更に処理され得、デジタルデータに変換されて更に処理され得る。いくつかの例では、光感知デバイス1320は、光感知デバイス1320の表面に配設された屈折率整合材を含み得る。例えば、光感知デバイス1320は、屈折率が空気と整合しないInGaAs材を含んでよい。したがって、屈折率整合材は光感知デバイス1320の表面に配設されて、不整合緩和する、又は排除する。

0085

図13Bは、光感知デバイス1350を用いた集光用検出素子1240の別の例示的実施形態を示す。図13Bに示すように、光感知デバイス1370によって受光された光パルスは、まず光学デバイス1340で光ファイバ1350の一端に集束され得る。光ファイバ1350は、マルチモードファイバ、又はシングルモードファイバ、又はファイバの内側クラッドに入る光が小型コアに吸収されるダブルクラッドファイバであり得る。一実施形態では、光ファイバ1350の他端から出射する光パルスは、光学デバイス1360によって光感知デバイス1370に収束され得、光感知デバイス1370は光学信号を電気信号に変換し得る。光ファイバ1350から伝送される光信号を収束する光学デバイス1360は、光学レンズ、球面若しくは非球面鏡、又は光感知デバイス1370への直接結合であり得、デバイス1370の表面に配設された任意の屈折率整合材は、光感知デバイス1370による受光量を増加させる。電気信号は、電気基板1380上の電気回路素子によって更に処理され得る。この実施形態では、電気デバイス(例えば、電気基板1380)及び/又は光感知デバイス1370は、図11に示すビームステアリング装置1100から(例えば、0.1メートル超、1メートル超、又は更には5メートル超)離れて配設され得るため、ビームステアリング装置1100のサイズを低減できる。例えば、光ファイバ1350の出射端を除いて、ビームステアリング装置1100は、小さい物理的寸法を有するように構成され得る。

0086

図11を参照すると、別の実施形態では、受光光学系1160は光パルス1150の経路に配設され得る。別の実施形態では、受光光学系1164は光パルス1154の経路に配設され得る。更に別の実施形態では、2つ又は3つ以上の受光光学系(例えば、1160及び162の両方、又は1160、1162、及び1164のすべて)がライダーシステム内で共存し得る。一実施形態では、これらの受光光学系のそれぞれは互いに独立しており、それぞれ独自の光感知デバイスを有し得る。別の実施形態では、これらの受光光学系の一部又はすべては、1つの光感知デバイスを共有し得る。

0087

図14A〜14Bは、自由空間光学通信又はファイバ束及び/若しくはパワーコンバイナの組み合わせを用いた、異なるファセットから方向転換された戻り光パルスを合成するための例示的構成を示す。図14Aに示すように、いくつかの実施形態では、1つの光感知デバイス(例えば、デバイス1420)は、複数の受光光学系間で共有され得る。かかる実施形態では、異なる方向からの光パルスのビームは、複数の鏡及び集束光学系(例えば、光学系1410、1412、及び1414)によって同一光感知デバイス1420へと方向転換され得る。例えば、光パルス1150は集束光学系1410によって集束され、次に集束光のパルス1450となり、光感知デバイス1420に達し得る。同様に、光パルス1152のパルスは、光学系1412によって方向転換されて集束され、次に集束光ビームのパルス1452となり、光感知デバイス1420に達し得る。1154のパルスは、光学系1414によって方向転換されて集束され、次に集束光ビーム1454となり、光感知デバイス1420に達し得る。

0088

図14Bは、1つの光感知デバイス1440が複数の受光光学系間で共有される、別の実施形態を示す。この実施形態では、それぞれ異なる方向からの各光パルスは、光集束デバイス(図14Bに図示なし)によって集束され得る。次に、集束光ビームのそれぞれは、3つの光ファイバチャネル1430、1432、及び1434のそれぞれの受光端にそれぞれ結合され得る。これらの3つの光ファイバチャネルは、例えば、3対1の光合成デバイス(例えば、逆ファンアウトファイバオプティクス束)を用いて、1つの光チャネルにまとめられ得る。次に、合成光チャネル伝送端から伝送された光パルスは、1つの共有光感知デバイス1440へと方向付けられ得る。いくつかの実施形態では、光合成デバイスは用いられなくてよく、光ファイバ束(例えば、3つの光ファイバの束)の伝送端から伝送された光パルスは、1つの共有光感知デバイスに直接集束され得る。

0089

図18は、振動鏡を備えるビームステアリング装置1800の別の実施形態を示す。図18に示すように、ビームステアリング装置1800は、多面体910(図9A〜9Dに示す)を有する代わりに、1ファセット又はマルチファセット振動鏡1810を含む。マルチファセット鏡の場合、隣接ファセットは、図11に示す多面体910の隣接ファセットの角度と同様の角度(例えば、20°)をなし得る。鏡1810は、y軸と平行である、又はそれに沿った軸1820に沿って前後に振動し得て、鏡1810の1つ又は2つ以上のファセットを照射する光ビームのパルスをx−z平面に沿って異なる方向で操作し得る。当然のことながら、多面体の場合の図15A〜15Eに記載の実施形態と同様に、照射光パルスを反射する振動鏡1810の部分は、曲面であり得る、及び/又は戻り光パルスを集束する振動鏡1810の部分とは別のサイズを有し得る。

0090

戻って図16を参照すると、いくつかの実施形態では、パルスの飛行時間(例えば、パルスがライダーシステムから伝送されて、視野内の物体によって散乱/反射され、ライダーシステムの検出器で受光されるまでにかかる時間)を正確に測定するためには、パルスがライダーシステムから伝送された時間を測定する必要がある。図16は、光ビームステアリング装置1610、光源1620、及び光感知デバイス1630を示す。光ビームステアリング装置1610は、図1B、4A、4B、又は5に示すビームステアリング装置100、図9A〜9Dに示す900に類似又は同一であり得、光源1620は、図2B、2C、又は3に示す光源220、図10A及び10Bに示す光源1010に類似又は同一であり得、光感知デバイス1630は、図12A〜12C、13A〜13B、及び14A〜14Bに示すものに類似又は同一であり得る。上記のように、光感知デバイスは光検出モジュールを含んで、受信した光信号を検出し、これを変換し得る。

0091

図16を参照すると、一実施形態では、光源1620は、外部の信号源又は内部生成された信号源から提供され得る電気トリガー信号に基づいて1つ、又は2つ以上の光パルスを生成する。いくつかの実施形態では、電気トリガー信号の生成から、光源1620からの1つ又は2つ以上の光パルスの伝送までにかかる時間は、パルス間で一定とみなされ得る(例えば、ごくわずかなばらつきがある)及び/又は較正され得る。この電気トリガー信号は、電気的接続(例えば、ケーブル)1640を介して光感知デバイス1630に伝送され、光パルスの基準時間の測定に用いられ得る。

0092

いくつかの実施形態では、光ファイバ1650を用いて、光源1620から伝送される1つ又は2つ以上の光パルスの一部を方向付けることができる。光スプリッタを用いて、光パルスを分割し、基準信号として光パルスの一部を得ることができる。この部分は、10%、1%、0.1%、若しくは0.0001%、又は任意の所望のパーセンテージなど全光パルスの任意のパーセンテージであり得る。光パルスのこの部分は、光ファイバ1650によって光感知デバイス1630へと方向付けられ、光源1620から伝送された光パルスの基準時間の測定に用いられ得る。

0093

いくつかの実施形態では、基準パルス生成デバイス1660には、光ビームステアリング装置1610が配設され、光パルスの一部を基準信号として得て、光パルスが光源1620から伝送された後に、その部分を光感知デバイス1630へと方向転換し得る。この部分は、10%、1%、0.1%、若しくは0.0001%、又は任意の所望のパーセンテージなど全光パルスの任意のパーセンテージであり得る。当業者は、図16に示す基準パルス生成デバイス1660は例示のみであり、1つ又は2つ以上の光パルスの一部を基準信号として得て、それを光感知デバイス1630へと方向転換できる任意の光学系を用いることができることを理解するであろう。例えば、基準パルス生成デバイス1660は、光パルスの一部を光感知デバイスへと反射する、部分反射デバイスであり得る。

0094

図16に関して記載した以前の実施形態では、基準信号(例えば、基準光パルス)は光感知デバイス1630によって検出され得る。図17を参照すると、基準信号は基準パルス1710として示される。図17はまた、戻り光パルス1720を示す。戻り光パルス(例えば、視野内の物体によって反射/散乱されるパルスは、光感知デバイス1630によって受光される)は、パルス1720として示される。パルス1720は、基準パルス1710とは異なる強度及びパルス幅を有してよい。いくつかの実施形態では、パルス1710及び1720は、類似の形状プロファイルを有してよい。一実施形態では、基準パルス1710は、受光した戻りパルス1720を整合するためのテンプレートとして用いられ、戻りパルスと基準パルスとの時間差(つまりTOF)として正確に測定し得る。TOFに基づいて、視野内の物体の距離を測定し得る。

0095

図19は、ライダー走査システム(例えば、図1A〜1B、2A〜2C、3、4A〜4B、5、9A〜9D、10A〜10B、及び11に示す様々なシステム)を用いて3D画像を生成するために1つ又は2つ以上の光パルスの飛行時間を測定するプロセスの例示的フローチャートを示す。図19を参照すると、ブロック1902において、1つ又は2つ以上の光パルス(例えば、約0.01ナノ秒〜5ナノ秒のパルス幅を有する短レーザー光パルス、又は5ナノ秒〜30ナノ秒以上のパルス幅を有する光パルス)がライダー走査システムの光源から生成され得る。ブロック1904において、ビームステアリング装置は、視野にわたって水平及び垂直の両方向で、1つ又は2つ以上の光パルスを操作又は走査できる。ブロック1906において、1つ又は2つ以上の光パルス又はその一部は、物体を照射する、又は物体に達し、1つ又は2つ以上の方向に散乱又は反射される。いくつかの実施形態では、散乱又は反射された光パルスの一部はライダー走査システムに戻り、ライダー走査システムの検出器の集束開口部に達し得る。

0096

ブロック1910において、1つ又は2つ以上の戻り光パルスは、ライダー走査システムから伝送された光パルスの操作方向と実質的に反対であり、この光パルスと実質的に平行である方向に操作され得る、又は方向転換され得る。ブロック1912において、1つ又は2つ以上の方向転換された戻り光パルスは、受光光学系の光検出器に集束され得る。ブロック1914において、光検出器は、光検出器に達する方向転換された戻り光パルスの光子を1つ又は2つ以上の電気信号に変換する。ブロック1916において、光検出器によって生成された1つ又は2つ以上の出力電気信号は、増幅回路又はデバイスを用いて所定の係数増幅され得る。ブロック1920において、増幅された1つ又は2つ以上の電気信号が、所定のサンプリングレートでサンプリングされ、デジタル値に変換され得る。いくつかの実施形態では、デジタル化された信号データは、視野内の最も遠い物体に相当する、予想最高TOFの期間内に収集され得る。ブロック1922において、デジタル化された信号データが分析されて、1つ又は2つ以上の戻り光パルスのTOFを測定し、ライダー走査システムから物体の反射又は散乱ポイントまでの距離を測定し得る。

0097

開示したプロセス及び/又はフローチャート内のブロックの特定の順序又は階層は、例示的アプローチの説明であることを理解されたい。設計上の優先度に基づいて、プロセス及び/又はフローチャート内のブロックの特定の順序又は階層が再編成され得ることを理解されたい。更に、一部のブロックは、統合又は省略されてよい。添付の方法に関する請求項は、見本の順序での様々なブロックの要素を示し、示した特定の順序又は階層に限定することを意味するものではない。

0098

これまでの説明は、当業者が本明細書に記載した様々な態様を実施できるようにするために提供される。当業者には、これらの態様に対する様々な修正が容易に明らかとなるであろう。また、本明細書で定義した一般的原則は、他の態様に適用されてよい。したがって、特許請求の範囲は、本明細書に示した態様に限定されるのではなく、言語による特許請求の範囲と一致する全範囲に与えられることを意図し、ここで、単数での要素への言及は、具体的にそう述べていない限り、「唯一」ではなく、むしろ「1つ又は2つ以上」を意味することを意図する。用語「例示的」は、「例又は実例(instance, or illustration)として機能すること」を意味するために本明細書で用いられる。「例示的」として本明細書に記載されるすべての態様は、必ずしも他の態様よりも好ましい、又は有利であるものとして解釈されるものではない。特に記載のない限り、用語「いくつか」は、1つ又は2つ以上を指す。「A、B、又はCのうちの少なくとも1つ」、「A、B、又はCのうちの1つ又は2つ以上」、「A、B、及びCのうちの少なくとも1つ」、「A、B、及びCのうちの1つ又は2つ以上」、並びに「A、B、C、又はそのいずれかの組み合わせ」などの組み合わせは、A、B、及び/又はCの任意の組み合わせを含み、複数のA、複数のB、又は複数のCを含んでよい。具体的には、「A、B、又はCのうちの少なくとも1つ」、「A、B、又はCのうちの1つ又は2つ以上」、「A、B、及びCのうちの少なくとも1つ」、「A、B、及びCのうちの1つ又は2つ以上」、並びに「A、B、C、又はそのいずれかの組み合わせ」などの組み合わせは、Aのみ、Bのみ、Cのみ、A及びB、A及びC、B及びC、又はA及びB及びCであってよく、任意のかかる組み合わせは、A、B、又はCのうちの1つ又は2つ以上のメンバーを含んでよい。当業者に既知である、又は後に知られることになる、本開示の全体を通して説明した様々な態様の要素の、すべての構造的及び機能的等価物は、参考により本明細書に明示的に組み込まれ、かつ特許請求の範囲によって包含されることが意図される。更に、本明細書に開示したものはいずれも、かかる開示が特許請求の範囲に明示的に述べられているか否かにかかわらず、公共に捧げることを意図するものではない。用語「モジュール」、「メカニズム」、「要素」、「デバイス」などは、用語「手段」に置き換えることができない。したがって、特許請求の範囲の要素は、表現「〜の手段(means for)」を用いて明確に述べられていない限り、米国特許法第112条第6項の規定の下では解釈されない。

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