特開 2023-62191 再結像器を有するＬａｄａｒ送信機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023062191

(43)【公開日】2023-05-02

(54)【発明の名称】再結像器を有するＬａｄａｒ送信機

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/481 20060101AFI20230425BHJP

   G02B 26/10 20060101ALN20230425BHJP

【ＦＩ】

G01S7/481 A

G02B26/10 C

【審査請求】有

【請求項の数】16

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023027714

(22)【出願日】2023-02-24

(62)【分割の表示】P 2020500635の分割

【原出願日】2018-07-06

(31)【優先権主張番号】15/644,242

(32)【優先日】2017-07-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】517052242

【氏名又は名称】エイアイ インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＡＥＹＥ， Ｉｎｃ．

【住所又は居所原語表記】１ Ｐａｒｋ Ｐｌａｃｅ，Ｓｕｉｔｅ ２００，Ｄｕｂｌｉｎ，ＣＡ ９４５６８，Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100134315

【弁理士】

【氏名又は名称】永島 秀郎

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】ルイス カルロス ダッサン

(72)【発明者】

【氏名】デイヴィッド アール． デマー

(72)【発明者】

【氏名】ジョン ストックトン

(72)【発明者】

【氏名】アラン スタインハート

(72)【発明者】

【氏名】デイヴィッド クック

(57)【要約】      （修正有）

【課題】共振ミラーベースのＬａｄａｒの不利な点を軽減しながら、共振走査ミラーの速度利点を失うことなく、歴史的に機械的ステップ技術でのみ入手可能であった明瞭度および特定性のうちの多くを達成することを可能にする技術を開示する。
【解決手段】楕円体共役リフレクタ再結像ミラーを含む小型ビーム走査器アセンブリを開示する。楕円体ミラーは、光学的に第１の走査可能ミラーと第２の走査可能ミラーとの間に配置され得る。レンズは、第１の走査可能ミラーの光学的上流に配置され得る。このような構成により、（数ある利点の中でも）２つの走査可能ミラーが等しいサイズを有し、アセンブリ内に密接に配置された小型ビーム走査器設計が提供され得る。さらに、再結像は、インバータレンズに必要なさらなるアップスコープの上部空間を制限するため、フィールド反転と組み合わせて使用する。
【選択図】図１５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

走査装置であって、
第１の走査可能ミラーと、
第２の走査可能ミラーと、
前記第１の走査可能ミラーの光学的上流に配置されたレンズと、
光学的に前記第１の走査可能ミラーと前記第２の走査可能ミラーとの間に配置された楕円体ミラーと、
を備える装置。

【請求項2】

前記楕円体ミラーは、オフセット楕円体再結像器として配置される、
請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記装置は、前記レンズの光学的上流に配置された光源をさらに備え、
前記光源は、前記レンズを通して光を前記第１の走査可能ミラーに送るように構成され、前記第１の走査可能ミラーは、前記光を前記楕円体ミラーに向けて反射し、前記楕円体ミラーは、前記光を前記第２の走査可能ミラーに向けて反射する、
請求項１または２に記載の装置。

【請求項4】

前記装置は、Ｌａｄａｒ送信機として配置され、前記装置は、
（１）第１の軸に沿って前記第１の走査可能ミラーを駆動し、（２）第２の軸に沿って前記第２の走査可能ミラーを走査して、走査領域内の走査パターンを定義するように、構成されたビーム走査器コントローラと、
前記光源および前記ビーム走査器コントローラと協働するプロセッサであって、前記第１の走査可能ミラー、前記楕円体ミラーおよび前記第２の走査可能ミラーを介した前記光源からの光で標的化する測距点の部分集合を、圧縮感知により知的に選択するように構成された前記プロセッサと、
をさらに備える、
請求項３に記載の装置。

【請求項5】

前記第１の走査可能ミラー、前記第２の走査可能ミラーおよび前記楕円体ミラーは、楕円体に対して、（１）前記第１の走査可能ミラーが、その中央領域が前記楕円体の第１の焦点に配置され、（２）前記第２の走査可能ミラーが、その中央領域が前記楕円体の第２の焦点に配置され、（３）前記楕円体ミラーが、光学的に前記第１の走査可能ミラーと前記第２の走査可能ミラーとの間の位置に、前記楕円体に沿って存在するように配置される、
請求項１または２に記載の装置。

【請求項6】

前記楕円体は、長軸と、前記長軸に沿った対称軸と、を有し、前記楕円体ミラーの位置は、前記対称軸から外れている、
請求項５に記載の装置。

【請求項7】

前記楕円体ミラーの位置は、前記第１の走査可能ミラーからの光線ファンが前記楕円体ミラーにより反射され、前記楕円体ミラーにより反射される前記光線ファン内の全ての光線の交点が前記第２の走査可能ミラーの中心領域を含む平面上に存在するように設定される、
請求項５または６に記載の装置。

【請求項8】

前記第１の走査可能ミラーおよび前記第２の走査可能ミラーには、ＭＥＭＳミラーが含まれる、
請求項１から７のいずれかに記載の装置。

【請求項9】

前記第１の走査可能ミラーおよび前記第２の走査可能ミラーは、サイズが等しい、
請求項１から８のいずれかに記載の装置。

【請求項10】

前記装置は、光学的に前記第１の走査可能ミラーと前記第２の走査可能ミラーとの間に存在する単一の再結像ミラーを含み、前記楕円体ミラーは、前記単一の再結像ミラーとして機能する、
請求項１から８のいずれかに記載の装置。

【請求項11】

前記レンズは、入射光の焦点を提供するように適合され配置され、前記焦点は、前記第１の走査可能ミラーと前記楕円体ミラーとの間に存在する、
請求項１から１０のいずれかに記載の装置。

【請求項12】

前記楕円体ミラーおよび前記レンズは、全体でアフォーカルレンズシステムとして機能するように適合され配置される、
請求項１から１０のいずれかに記載の装置。

【請求項13】

前記第２の走査可能ミラーは、中心チルト軸を有し、前記３Ｄ楕円体は、水平幅を示し、距離Ａは、前記水平幅の半分に該当し、距離Ｃは、前記楕円体の中心から前記第２の走査可能ミラーの前記中心チルト軸までの距離に該当し、
前記第１の走査可能ミラーの同一平面角度（ＣＰＡ）は、

【数1】

と定義される、
請求項１から１２のいずれかに記載の装置。

【請求項14】

前記第１の走査可能ミラーは、チルト角αを有し、前記第２の走査可能ミラーは、中心チルト軸を有し、前記３Ｄ楕円体は、水平幅を示し、距離Ａは、前記水平幅の半分に該当し、距離Ｃは、前記楕円体の中心から前記第２の走査可能ミラーの前記中心チルト軸までの距離に該当し、
前記第１の走査可能ミラーの同一平面角度（ＣＰＡ）は、

【数2】

と定義される、
請求項１から１３のいずれかに記載の装置。

【請求項15】

前記装置は、ビーム走査器コントローラをさらに備え
前記前記ビーム走査器コントローラは、（１）第１の軸に沿って前記第１の走査可能ミラーを駆動し、（２）第２の軸に沿って前記第２の走査可能ミラーを走査して、走査領域内の走査パターンを定義するように構成され、前記ビーム走査器コントローラは、前記第１の走査可能ミラーおよび前記第２の走査可能ミラーのうちの少なくとも１つが正弦波周波数で走査するように、前記第１および第２の走査可能ミラーを駆動するようにさらに構成される、
請求項１から１４のいずれかに記載の装置。

【請求項16】

前記装置は、光学フィールドスプリッタ／インバータをさらに備え、
前記光学フィールドスプリッタ／インバータは、前記第１および第２の走査可能ミラーの光学的下流に配置され、前記第１および第２の走査可能ミラーにより定義される走査領域を分割し反転する、
請求項１から１５のいずれかに記載の装置。

【請求項17】

前記第１および第２の走査可能ミラーは、並列構成で配置される、
請求項１から１６のいずれかに記載の装置。

【請求項18】

光ステアリング方法であって、
光をレンズに向けて送信するステップと、
前記レンズが、前記送信された光を、第１の走査ミラーへ通すステップと、
前記第１の走査ミラーが、前記送信された光を、楕円体ミラーに向けて反射するステップと、
前記楕円体ミラーが、前記送信された光を、第２の走査ミラーに向けて反射するステップと、
前記第２の走査ミラーが、前記送信された光を、反射するステップと、
を含む方法。

【請求項19】

前記楕円体ミラーは、オフセット楕円体再結像器として配置される、
請求項１８に記載の方法。

【請求項20】

前記方法は、前記Ｌａｄａｒ送信機により前記第１および第２の走査ミラーを介して標的化する測距点の部分集合を、プロセッサが、圧縮感知により知的に選択するステップをさらに含む、
請求項１８または１９に記載の方法。

【請求項21】

楕円体に対して、（１）前記第１の走査ミラーは、その中央領域が前記楕円体の第１の焦点に配置され、（２）前記第２の走査ミラーは、その中央領域が前記楕円体の第２の焦点に配置され、（３）前記楕円体ミラーは、光学的に前記第１の走査ミラーと前記第２の走査ミラーとの間の位置に、前記楕円体に沿って存在するように、前記第１の走査ミラー、前記第２の走査ミラーおよび前記楕円体ミラーが配置される、
請求項１８から２０のいずれかに記載の方法。

【請求項22】

前記楕円体は、長軸と、前記長軸に沿った対称軸と、を有し、前記楕円体ミラーの位置は、前記対称軸から外れている、
請求項２１に記載の方法。

【請求項23】

前記楕円体ミラーの位置は、前記第１の走査ミラーからの光線ファンが前記楕円体ミラーにより反射され、前記楕円体ミラーにより反射される前記光線ファン内の全ての光線の交点が前記第２の走査ミラーの中心領域を含む平面上に存在するように設定される、
請求項２１または２２に記載の方法。

【請求項24】

前記第１の走査ミラーおよび前記第２の走査ミラーには、ＭＥＭＳミラーが含まれる、
請求項１８から２３のいずれかに記載の方法。

【請求項25】

前記第１の走査ミラーおよび前記第２の走査ミラーは、サイズが等しい、
請求項１８から２４のいずれかに記載の方法。

【請求項26】

前記楕円体ミラーは、単一の再結像ミラーとして機能する、
請求項１８から２５のいずれかに記載の方法。

【請求項27】

前記レンズは、入射光の焦点を提供するように適合され配置され、前記焦点は、前記第１の走査ミラーと前記楕円体ミラーとの間に存在する、
請求項１８から２６のいずれかに記載の方法。

【請求項28】

前記楕円体ミラーおよび前記レンズは、全体でアフォーカルレンズシステムとして機能するように適合され配置される、
請求項１８から２６のいずれかに記載の方法。

【請求項29】

前記第２の走査ミラーは、中心チルト軸を有し、前記３Ｄ楕円体は、水平幅を示し、距離Ａは、前記水平幅の半分に該当し、距離Ｃは、前記楕円体の中心から前記第２の走査ミラーの前記中心チルト軸までの距離に該当し、
前記第１の走査ミラーの同一平面角度（ＣＰＡ）は、

【数3】

と定義される、
請求項１８から２８のいずれかに記載の方法。

【請求項30】

前記第１の走査ミラーは、チルト角αを有し、前記第２の走査ミラーは、中心チルト軸を有し、前記３Ｄ楕円体は、水平幅を示し、距離Ａは、前記水平幅の半分に該当し、距離Ｃは、前記楕円体の中心から前記第２の走査ミラーの前記中心チルト軸までの距離に該当し、
前記第１の走査ミラーの同一平面角度（ＣＰＡ）は、

【数4】

と定義される、
請求項１８から２９のいずれかに記載の方法。

【請求項31】

前記方法は、
第１の軸に沿って前記第１の走査ミラーを走査し、第２の軸に沿って前記第２の走査ミラーを走査して、走査領域内の走査パターンを定義するステップと、
前記第１の走査ミラーおよび前記第２の走査ミラーのうちの少なくとも１つが正弦波周波数で走査するように、前記第１および第２の走査ミラーのうちの少なくとも１つを駆動するステップと、
をさらに含む、
請求項１８から３０のいずれかに記載の方法。

【請求項32】

前記方法は、前記第１および第２の走査ミラーの光学的下流に配置された光学フィールドスプリッタ／インバータを介して、前記第１および第２の走査ミラーにより定義される走査領域を分割し反転するステップをさらに含む、
請求項１８から３１のいずれかに記載の方法。

【請求項33】

前記第１および第２の走査ミラーは、並列構成で配置される、
請求項１８から３２のいずれかに記載の方法。

【請求項34】

Ｌａｄａｒ送信機のビーム走査装置であって、
複数の走査位置を走査するように構成された第１の走査可能ミラーと、
前記第１の走査可能ミラーの光学的下流に配置された第２の走査可能ミラーであって、前記第２の走査可能ミラーは、複数の走査位置を走査するように構成され、前記第１および第２の走査可能ミラーの前記走査位置は、前記Ｌａｄａｒ送信機が走査領域内で標的化する場所を定義する第２の走査可能ミラーと、
前記第１および第２の走査可能ミラーにより定義される前記走査領域を分割し反転するために配置された光学フィールドスプリッタ／インバータと、
光学的に前記第１の走査可能ミラーと前記第２の走査可能ミラーとの間に配置された楕円体ミラーと、
を備える装置。

【請求項35】

前記第１の走査可能ミラーは、前記走査領域の第１の軸に関して、複数の走査位置を走査するようにさらに構成され、
前記第２の走査可能ミラーは、前記走査領域の第２の軸に関して、複数の走査位置を走査するようにさらに構成され、
前記装置は、ビーム走査器コントローラをさらに備え
前記ビーム走査器コントローラは、前記第１および第２の走査可能ミラーを駆動し、前記第１および第２の軸に沿って走査して、前記走査領域内で前記Ｌａｄａｒ送信機により標的化する走査パターンを定義するように構成され、前記ビーム走査器コントローラは、前記第１の走査可能ミラーおよび前記第２の走査可能ミラーのうちの少なくとも１つが正弦波周波数で走査するように、前記第１および第２の走査可能ミラーを駆動するようにさらに構成される、
請求項３４に記載の装置。

【請求項36】

前記光学フィールドスプリッタ／インバータは、前記第１および第２の走査可能ミラーの光学的下流に配置される、
請求項３４または３５に記載の装置。

【請求項37】

前記光学フィールドスプリッタ／インバータは、前記Ｌａｄａｒ送信機の前記標的化が、前記分割され反転された走査領域の外側部分よりも、前記分割され反転された走査領域の中央部分において、比較的遅く移動するように配置される、
請求項３４から３６のいずれかに記載の装置。

【請求項38】

前記光学フィールドスプリッタ／インバータは、三角プリズム形状を有する、
請求項３４から３７のいずれかに記載の装置。

【請求項39】

前記三角プリズム形状は、前記三角プリズム形状の両端に第１の三角面および第２の三角面を含み、前記三角プリズム形状はさらに、第１の側面、第２の側面および第３の側面を含み、前記第１の側面、前記第２の側面および前記第３の側面は、前記第１および第２の三角面に連結し、
前記第１の側面、前記第２の側面および前記第３の側面の内側の少なくとも一部は、ミラーを備え、
前記三角プリズム形状は、前記第１および第２の走査可能ミラーから光パルスを受け取り、前記受け取った光パルスを前記内部ミラーで反射して、前記分割され反転された走査領域を実現するように構成され配置される、
請求項３８に記載の装置。

【請求項40】

前記光学フィールドスプリッタ／インバータは、前記第１および第２の走査可能ミラーとして配置した共振ミラーと組み合わせてビームスプリッタを備え、（１）前記ビームスプリッタは、光源から入射するＬａｄａｒパルスを受け取り、前記受け取ったＬａｄａｒパルスを前記共振ミラーに分割するように配置され、（２）前記共振ミラーは、左右の角度間隔を走査するように構成される、
請求項３４から３９のいずれかに記載の装置。

【請求項41】

前記装置は、プロセッサをさらに含み、
前記プロセッサは、前記Ｌａｄａｒ送信機により前記第１および第２の走査可能ミラーを介して標的化する測距点の部分集合を、圧縮感知により知的に選択するように構成される、
請求項３４から４０のいずれかに記載の装置。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

序論
改良されたコンピュータビジョン技術に対する大きな技術的ニーズが、特に自動車コンピュータビジョンなどの領域において存在すると考えられている。しかし、これらのニーズは、自動車コンピュータビジョン市場に限られたものではなく、改良されたコンピュータビジョン技術の要望は、多種多様の分野にわたり広く普及し、これらの分野には、自律プラットフォームビジョン（例えば自律陸上車両、自律航空機などといった、空、陸（地中を含む）、水（水中を含む）および宇宙用の自律車両）、監視（例えば国境警備、空中ドローン監視など）、マッピング（例えば地下トンネルのマッピング、空中ドローンによるマッピングなど）、標的認識アプリケーション、遠隔感知および安全警告（例えばドライバに対する）などが含まれるが、これらに限定されない。

【0002】

本明細書で使用される用語「Ｌａｄａｒ」は、レーザレーダ（Ｌａｓｅｒ ｒａｄａｒ）、レーザ検出および測距、並びに光検出および測距（「ライダ」）の全てを指し、包含する。Ｌａｄａｒは、コンピュータビジョンに関連して、幅広く使用されている技術である。Ｌａｄａｒシステムは、パッシブ光センサの高解像度および直観的感覚を、レーダ（Ｒａｄａｒ）システムの奥行き情報（測距）と共に使用する。例示的なＬａｄａｒシステムでは、レーザ源を含む送信機が、Ｌａｄａｒパルスなどのレーザ出力を、近くの環境に送信する。次いで、Ｌａｄａｒ受信機が、近くの環境内の物体からこのレーザ出力の反射を受信し、Ｌａｄａｒ受信機は、受信した反射を処理して、このような物体までの距離（距離情報）を特定する。この距離情報に基づいて、ホストプロセッサにより、環境の幾何学的配置のより明確な理解を得ることができ、障害物回避シナリオでの経路計画、中間地点の決定などの計算処理が所望される。しかし、コンピュータビジョンの問題に対する従来のＬａｄａｒ解決策は、高コスト、サイズが大きい、重量が重い、および所要電力が大きい、並びにデータ帯域幅の利用が大きいという欠点を抱える。この最良の例が、車両の自律性である。これらの複雑な要因により、Ｌａｄａｒシステムの効果的な使用は、近距離ビジョン、狭視野および／または緩やかな再訪レートしか求めない高価な用途に、主に限定される。

【0003】

例えば、Ｌａｄａｒ送信機が多数の測距点を同時に照射するＬａｄａｒシステムが、技術的に知られている。フラッシュＬａｄａｒは、このようなシステムの一例である。しかしながら、これらの従来のシステムは、多くの欠点を抱えていると考えられている。例えば、フラッシュＬａｄａｒシステムは、パルスレーザごとに非常に高いエネルギーを必要とし、これは費用がかかるだけでなく、目に危険でもあり得る。さらに、フラッシュＬａｄａｒシステムの読み出し集積回路は通常、非常にノイズが多い。また、フラッシュＬａｄａｒシステムにおける広視野の信号対ノイズ比（ＳＮＲ）は、通常非常に低いため、近距離対応となり、これによりフラッシュＬａｄａｒシステムの有用性が損なわれている。

【0004】

改良されたＬａｄａｒベースのコンピュータビジョン技術に対する技術的ニーズを満たすために、発明者は、走査型Ｌａｄａｒ送信概念を新しく革新的に適用した方法およびシステムに関する多くの実施形態を開示しており、これらは、２０１４年８月１５日に出願された米国特許出願第６２／０３８，０６５号、並びに米国特許出願公開２０１６／００４７８９５、２０１６／００４７８９６、２０１６／００４７８９７、２０１６／００４７８９８、２０１６／００４７８９９、２０１６／００４７９０３および２０１６／００４７９００に記載され、それぞれの開示全体は、参照により本明細書に組み込まれるものとする。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

環境内の関心領域への走査型Ｌａｄａｒ送信機の視線を最適化するために、走査型Ｌａｄａｒ送信機をどのように設計できるかに関して、さらなる改良が技術的に求められていると、発明者は考える。レーダ（Ｒａｄａｒ）は、注視が必要な時に注視が必要な場所で滞留する（注視する）スケジューリング法により、高度に最適化されているが、従来のＬａｄａｒシステムは、現今ではこの滞留最適性を共有していない。その理由は、Ｌａｄａｒシステムは、Ｌａｄａｒシステムの魅力でもあるその解像度に問題があるからである。

【0006】

この理由は、世界最大のレーダ（Ｒａｄａｒ）でさえ、滞留に数千のビーム選択肢を有するが、掌に収まるほどの小さな自動車Ｌａｄａｒシステムでも、常に滞留に１００，０００以上または数百万もの選択肢を有するからである。これにより、Ｌａｄａｒエンジニアには、（ｉ）滞留から滞留へと機械的にステップを踏む、または（ｉｉ）情景を迅速に走査する共振ミラーを使用する、という２つの一般的な設計選択肢が与えられる。設計手法（ｉ）は、正確で順応性があるが、多数の問い合わせセルが存在する環境では、非常に低速である。設計手法（ｉｉ）は、歴史的に適応不可能であった。これらの従来の設計手法を改善するために、発明者は、共振ミラーベースのＬａｄａｒの不利な点を軽減しながら、共振走査ミラーの速度利点を失うことなく、歴史的に機械的ステップ技術でのみ入手可能であった明瞭度および特定性のうちの多くを達成することを可能にする技術を開示する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

例示的な実施形態では、発明者は、楕円体共役リフレクタ再結像ミラーを含む小型ビーム走査器アセンブリを開示する。楕円体ミラーは、光学的に第１の走査可能ミラーと第２の走査可能ミラーとの間に配置され得る。レンズは、第１の走査可能ミラーの光学的上流に配置され得る。このような構成により、（数ある利点の中でも）２つの走査可能ミラーが等しいサイズを有し、アセンブリ内に密接に配置された小型ビーム走査器設計が提供され得る。さらに、再結像は、インバータレンズに必要なさらなるアップスコープの上部空間を制限するため、フィールド反転と組み合わせて使用すると、特に有用であり得る。

【0008】

本発明のこれらの特徴および利点並びに他の特徴および利点が、当業者に対し以下に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１Ａおよび図１ＢはＬａｄａｒ送信機／受信機システムの例示的な実施形態を示す。

【図2A】Ｌａｄａｒ送信機の例示的な一実施形態を示す。

【図2B】例示的な走査型Ｌａｄａｒ送信機の２つの走査可能ミラーにより定義された走査領域を示す。

【図2C】図２Ｂで定義された走査構成の上面図を示す。

【図3】例示的な一実施形態による、フィールドスプリッタ／インバータを含むビーム走査器を示す。

【図4】図３で定義されたビーム走査器構成の上面図を示す。

【図5】フィールドスプリッタ／インバータが、走査領域にわたるミラーの走査パターンを分割し反転する動作方法を示す。

【図6A】別の例示的な実施形態による、フィールドスプリッタ／インバータの斜視図を示す。

【図6B】図６Ａのフィールドスプリッタ／インバータの追加の図を示す。

【図6C】図６Ａのフィールドスプリッタ／インバータの追加の図を示す。

【図6D】調整可能なミラーピッチ角を示すヒンジ付きフィールドスプリッタ／インバータの例示的な一実施形態を示す。

【図7】図６Ａ～図６Ｃのフィールドスプリッタ／インバータ内のビーム経路に関する例示的な光線軌跡を示す。

【図8】分割／反転された走査領域の可能な重複方法の一例を示す。

【図9】Ｌａｄａｒ送信機の様々な使用事例の性能結果を示す表である。

【図10A】標準のリサージュ走査パターンの一例を示す。

【図10B】分割／反転されたリサージュ走査パターンの一例を示す。

【図10C】図１０Ａのリサージュ走査パターンの再訪実績を示す。

【図10D】フィールドインバータを使用して仰角に沿って反転が行われた場合の分割／反転されたリサージュ走査再訪の一例の再訪実績のプロットを示す。

【図11】図１１Ａおよび図１１Ｂは、図１０Ａおよび図１０Ｂの走査パターンに関連して走査ギャップが存在する場所をそれぞれ示す。

【図12】リサージュ走査パターンに周期的位相ドリフトを誘導する例示的なプロセスフローを示す。

【図13】図１３Ａおよび図１３Ｂは非反転リサージュ走査および反転リサージュ走査の使用事例に関して、地平面に投射された走査ギャップをそれぞれ示す。

【図14】図１４Ａおよび図１４Ｂは位相ドリフトが誘導された例示的な反転リサージュ走査パターンと、位相ドリフトが誘導されていない例示的な反転リサージュ走査パターンをそれぞれ示す。

【図15】楕円体共役リフレクタ（ＥＣＲ）再結像システムの例示的な一実施形態を示す。

【図16】光線ファンが整合される再結像光学系なしで構成された従来の走査器の走査フィールドを表す。

【図17】開示される設計式に従って選択された幾何学的配置を有する再結像器の一実施形態を表す。再結像器から下へ向かう光線ファンは、第２の走査ミラーの中心を含む平面内に存在することに留意されたい。

【図18】例示的な一実施形態と一貫した方法で楕円体リフレクタを使用することにより可能となった走査出力フィールドにおける収差の除去を表す。

【図19】ＥＣＲ ２Ｄ走査器の例示的な一実施形態の側面視概略図である。

【図20】対の「キッシング」ミラーを、実質上の低コストのフィールド反転ソースとして使用することを示す。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１Ａは、Ｌａｄａｒ送信機／受信機システム１００の例示的な一実施形態を示す。システム１００は、Ｌａｄａｒ送信機１０２およびＬａｄａｒ受信機１０４を含み、それぞれが、システムインターフェースおよび制御１０６と通信する。Ｌａｄａｒ送信機１０２は、複数の測距点１１０に向かって、複数のＬａｄａｒパルス１０８を送信するように構成される（例示を簡潔にするために、図１Ａでは単一のこのような測距点１１０が示される）。Ｌａｄａｒ受信機１０４は、測距点１１０からこのＬａｄａｒパルスの反射１１２を受信する。Ｌａｄａｒ受信機１０４は、反射されたＬａｄａｒパルス１１２を受信し処理して、測距点距離［奥行き］および強度情報の特定を支援するように構成される。さらに受信機１０４は、（ｉ）パルス送信タイミングの事前知識、および、（ｉｉ）到来角を特定する複数の検出器、以上の任意の組み合わせにより、空間位置情報［送信面に対する水平および垂直配向］を特定する。

【0011】

例示的な実施形態では、Ｌａｄａｒ送信機１０２は、走査ミラーを含むＬａｄａｒ送信機の形態をとり得る。さらに、例示的な一実施形態では、図１Ｂに示されるように、Ｌａｄａｒ送信機１０２は、測距点絞り込みアルゴリズムを使用して、走査前圧縮（本明細書では「圧縮感知」と称され得る）に対応する。このような一実施形態は、環境感知システム１２０も含み得、これは、環境情景データをＬａｄａｒ送信機１０２に提供して、測距点絞り込みに対応する。具体的には、制御命令は、レーザ源に発射する時を命令し、送信機ミラーに配向を命令する。このようなＬａｄａｒ送信機設計の例示的な実施形態は、２０１４年８月１５日に出願された米国特許出願第６２／０３８，０６５号、並びに米国特許出願公開２０１６／００４７８９５、２０１６／００４７８９６、２０１６／００４７８９７、２０１６／００４７８９８、２０１６／００４７８９９、２０１６／００４７９０３および２０１６／００４７９００において知ることができ、それぞれの開示全体は、参照により本明細書に組み込まれるものとする。走査前圧縮の使用により、このようなＬａｄａｒ送信機は、インテリジェント測距点標的選択を通して、より良く帯域幅を管理することができる。Ｌａｄａｒ受信機１０４の例示的な実施形態は、２０１６年２月１８日に出願された米国特許出願第６２／２９７，１２６号、米国特許出願公開２０１７／０２４２１０２、２０１７／０２４２１０５、２０１７／０２４２１０６、２０１７／０２４２１０７および２０１７／０２４２１０９、並びに米国特許第９，９３３，５１３において知ることができ、それぞれの開示全体は、参照により本明細書に組み込まれるものとする。参照され組み込まれたこれらの特許出願は、Ｌａｄａｒ送信機１０２およびＬａｄａｒ受信機１０４の例示的な実施形態を説明するが、実践者は、参照され組み込まれたこれらの特許出願に開示されるものとは別様に、Ｌａｄａｒ送信機１０２および／またはＬａｄａｒ受信機１０４を実施するよう選択してもよいことを、理解されたい。

【0012】

図２Ａは、参照され組み込まれた上記の特許出願により開示されているようなＬａｄａｒ送信機１０２の例示的な一実施形態を示す。Ｌａｄａｒ送信機１０２は、レーザ光学系２０２と、光学的に整列されたレーザ源２００と、ビーム走査器２０４と、伝送光学系２０６と、を含み得る。これらの構成要素は、所望の用途での使用に好適な形状の設置面積を提供するパッケージに収容され得る。例えば、レーザ源２００がファイバレーザまたはファイバ結合レーザである実施形態では、レーザ光学系２０２、ビーム走査器２０４および任意の受信機構成要素は、レーザ源２００を含まない第１のパッケージに一緒に収容され得る。レーザ源２００は、第２のパッケージに収容され得、ファイバを使用して、第１のパッケージを第２のパッケージに接続することができる。このような構成により、第１のパッケージは、レーザ源２００がないことから、より小さく、より小型になることができる。さらに、レーザ源２００は、ファイバ接続により第１のパッケージから離して置くことができるため、このような構成により、システムの設置面積に関してより高い柔軟性が実践者に提供される。

【0013】

ビーム走査器コントローラ２０８は、システム制御１０６により生成されたショットリスト２１２などの制御情報送信機の制御命令に基づいて、ビーム走査器２０４により実行される走査の性質を制御し、並びにレーザ源２００の発射を制御するように構成され得る。参照され組み込まれた上記の特許出願で説明されるように、閉ループフィードバックシステム２１０は、ビーム走査器２０４およびビーム走査器コントローラ２０８に関して使用され得、これにより、ビーム走査器２０４の走査位置を細かに制御することができる。

【0014】

レーザ源２００は、本明細書に記載されるようなＬａｄａｒパルス送信に好適な多くのレーザタイプのうちのいずれかであり得る。

【0015】

例えば、レーザ源２００は、パルスファイバレーザであり得る。パルスファイバレーザは、約１～４ｎｓのパルス持続時間および約０．１～１００μＪ／パルスのエネルギー量を使用し得る。パルスファイバレーザの繰り返しレートは、ｋＨｚ範囲（例えば約１～５００ｋＨｚ）であり得る。さらに、パルスファイバレーザは、参照され組み込まれた上記の特許出願に記載されるように、単一パルス方式および／または多重パルス方式を採用し得る。しかしながら、これらのレーザ特性に関して、他の値を使用してもよいことを理解されたい。例えば、より低いまたはより高いエネルギーのパルスが使用されてもよい。別の例として、繰り返しレートは、数十ＭＨｚ範囲など、より高くてもよい（ただしこのような高い繰り返しレートには、現在の市場価格で比較的高価なレーザ源の使用が必要になると見込まれる）。

【0016】

別の例として、レーザ源２００は、パルスＩＲダイオードレーザ（ファイバ結合の有無問わず）であり得る。パルスＩＲダイオードレーザは、約１～４ｎｓのパルス持続時間および約０．０１～１０μＪ／パルスのエネルギー量を使用し得る。パルスＩＲダイオードレーザの繰り返しレートは、ｋＨｚ範囲またはＭＨｚ範囲（例えば約１ｋＨｚ～５ＭＨｚ）であり得る。さらに、パルスＩＲダイオードレーザは、参照され組み込まれた上記の特許出願に記載されるように、単一パルス方式および／または多重パルス方式を採用し得る。

【0017】

レーザ光学系２０２は、レーザ源２００により生成されたレーザビームをコリメートするように機能する望遠鏡を含み得る。レーザ光学系は、所望のビーム発散およびビーム品質を提供するように構成され得る。例として、実践者の所望に応じて、ダイオードとミラー結合光学系、ダイオードとファイバ結合光学系、および、ファイバとミラー結合光学系が採用され得る。

【0018】

ビーム走査器２０４は、所望の測距点をＬａｄａｒパルスにより標的にすることができるように、Ｌａｄａｒ送信機１０２に走査能力を提供する構成要素である。ビーム走査器は、レーザ源２００からの到来Ｌａｄａｒパルスを受け取り（レーザ光学系２０２を介して）、このＬａｄａｒパルスを、可動ミラーからの反射を介して、所望の射程に沿った位置（ショットリスト上の測距点など）に向ける。ミラーの動きは、ビーム走査器コントローラ２０８から受信される１つ以上の駆動電圧波形２１６により、制御され得る。多くの構成のうちのいずれかが、ビーム走査器２０４により採用され得る。例えば、ビーム走査器は、デュアル微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）ミラー、回転ポリゴンミラーと組み合わせたＭＥＭＳミラー、または他の配合を含み得る。好適なＭＥＭＳミラーの一例には、単一表面チップ／チルト／ピストンＭＥＭＳミラーが挙げられる。さらなる例として、例示的なデュアルＭＥＭＳミラーの一実施形態では、単一表面チップＭＥＭＳミラーおよび単一表面チルトＭＥＭＳミラーが使用され得る。ただし、これらのＭＥＭＳミラーのアレイも使用してもよいことを理解されたい。また、デュアルＭＥＭＳミラーは、多くの周波数のうちのいずれでも作動することができ、その例は、参照され組み込まれた上記の特許出願に記載されており、追加の例は下記に論述される。他の配合の別の例として、小型ガルバノミラーが、高速軸走査ミラーとして使用され得る。別の例として、音響光学偏向ミラーが、低速軸走査ミラーとして使用され得る。さらに、下記に論述されるスパイラル状動的走査パターンを採用する例示的な一実施形態では、ミラーは、共振型ガルバノミラーであり得る。このような代替的なミラーは、ニューヨーク州のＥｌｅｃｔｒｏ－Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎなどの多くの供給元のいずれかから入手することができる。別の例として、コロラド州のＶｅｓｃｅｎｔ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓから入手可能なようなフォトニックビームステアリングデバイスが、低速軸走査ミラーとして使用され得る。さらに別の例として、ＤＡＲＰＡ ＳＷＥＥＰＥＲプログラムにより開発されたようなフェーズドアレイデバイスが、高速軸および／または低速軸ミラーの代わりに使用され得る。ごく最近では、Ｂｏｕｌｄｅｒ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｂｅａｍｃｏが提供するような液晶空間光変調器の使用が検討され得る。

【0019】

また、ビーム走査器２０４がデュアルミラーを含む例示的な一実施形態では、ビーム走査器２０４は、第１のミラーと第２のミラーとの間に中継結像光学系を含み得、これにより、２つの小さな高速軸ミラー（例えば１つの小さな高速ミラーと１つの長い低速ミラーとは対照的に、２つの小さな高速ミラー）を使用することが可能となる。

【0020】

伝送光学系２０６は、ビーム走査器２０４により標的化されたＬａｄａｒパルスを、開口部を通して所望の位置に送信するように構成される。伝送光学系は、実践者の所望に応じて、多くの構成のうちのいずれかの構成を有し得る。例えば、環境感知システム１２０および送信機１０２は、伝送光学系２０６の一部としてダイクロイックビームスプリッタを使用して、光学的に１つの経路に組み合わせられ得る。別の例として、伝送光学系には、参照され組み込まれた上記の特許出願に記載される拡大光学系、またはデスコープ［例えば広角］光学系が含まれ得る。さらにまた、整合ピックオフビームスプリッタが、伝送光学系２０６の一部として含まれ得る。

【0021】

走査領域内の望ましい領域に対するＬａｄａｒ送信機の注視を最適化するためのフィールド分割および反転：
ビーム走査器コントローラ２０８は、ビーム走査器のミラーを所望の走査位置対形成（例えば走査角）に駆動する電圧波形２１６を、ビーム走査器２０４に提供し得る。電圧波形２１６は、走査領域内のＬａｄａｒ送信機１０２の標的化の走査パターンを定義する。Ｌａｄａｒ送信機１０２が走査領域内の所望の測距点に向かってＬａｄａｒパルスを発射するように、ビーム走査器コントローラ２０８により生成される発射命令２１４は、走査パターンと連携し得る。ビーム走査器コントローラ２０８の例示的な実施形態は、参照され組み込まれた上記の特許出願に記載されている。

【0022】

図２Ｂは、回転軸２５８および回転軸２６０をそれぞれ中心とするミラー２５０およびミラー２５２の位置決めにより、走査領域２５４内のビーム走査器の標的化が定義される、例示的なビーム走査器構成を示す。レーザ源２００から発射され方向２５６から到来する入射Ｌａｄａｒパルスは、走査ミラー２５０に衝突し、走査ミラー２５２に向かって反射され、走査領域２５４内の測距点に向かって反射される。走査ミラー２５０および２５２の位置決めにより、走査領域２５４内のどの水平および垂直位置を標的とするかが制御され、次いで、これらの位置の測距［奥行き］が、受信機内のパルス圧縮処理から抽出される。

【0023】

例示的な一実施形態では、ミラー２５０は、ビーム走査器が走査領域２５４の第１の軸２６２に沿って標的とする場所を制御することができ、ミラー２５２は、ビーム走査器が走査領域２５４の第２の軸２６４に沿って標的とする場所を制御することができる。第１および第２の軸は、互いに直交し得る（例えば水平Ｘ軸および垂直Ｙ軸）。この実施形態では、第２のミラー２５２は第１のミラー２５０より大きいことが示されていることに留意されたい。これは、第１のミラーが走査する時に角度掃引が生じるためであり、図には３つのそのような位置が示されている。小型化のためには、２５０と２５２の間に中継結像光学系を導入することが望ましく、これにより第２のミラーのサイズは縮小される。一方または両方のミラーが共振周波数で走査している場合、走査速度は、走査領域の中央部で高速となり、走査領域の端部ではより低速になる。この特性は図２Ｃに示され、ビーム走査器構成の上面図が提供される。図２Ｃの図では、ミラー２５０は共振で走査するため、走査領域２５４のＸ軸２６２に沿ったビーム走査器の標的化は、走査領域の端部よりも走査領域の中央部の方がより速く行われる。走査領域２５４のＹ軸２６４に関しても同じことが当てはまる（走査領域の端部よりも走査領域の中央部の方が標的化はより速く移動する）。実践者が、走査領域の中央部内に多数の測距点を含む、および／または走査領域の中央部におけるインターラインスキップ／迂回を含む、走査パターンの実践を望む場合、走査領域の中央部におけるこの高速度は、効率性において問題を生じ得る。Ｌａｄａｒ送信機に関連したインターラインスキップおよび迂回の説明は、参照され組み込まれた上記の特許出願において知ることができる。この「中央部で高速な」走査特性は、リサージュ走査パターンを実現するために両方のミラーが共振で走査される場合に、特に強く示される（この例示的な実施形態は下記に論述される）。リサージュ走査パターンにより、高速でミラーを走査することが可能となり、よって高速移動走査パターンが提供される。しかしながら、リサージュ走査パターンが最たる例である「中央部で高速な」走査特性では、Ｌａｄａｒ送信機が、少なくともレーザ発射レートを引き上げる（これによりパルスエネルギーは低減し得る）ことなく、または追加のライン繰り返しを走査パターンに含めることなく、走査領域の中央部内の測距点全てにＬａｄａｒパルスを発射するには、時間が足りない場合がある。

【0024】

この問題を解決するために、発明者は、走査の高速部分が走査領域の端部に存在し、走査の低速部分が走査領域の中央部に存在する方法で、走査領域が分割され反転されるように、ミラー２５０および２５２の光学的下流に配置され、かつミラーから出射されるＬａｄａｒパルスを受け取って方向を変えるように配置された光学フィールドスプリッタ／インバータ（以下「フィールドインバータ」）の使用を開示する。

【0025】

図３は、走査型Ｌａｄａｒ送信機のビーム走査器が、図２Ｂの走査領域２５４に対して走査領域を分割し反転するためにミラー２５０および２５２の光学的下流に配置されたフィールドスプリッタ／インバータ３００を含む例示的な一実施形態を示す。

【0026】

簡潔な説明のために、この例では、ビーム走査器は、デュアルＭＥＭＳミラーの形態をとり得るミラー２５０および２５２を含む。しかし、第１および／または第２のミラーに、他のミラー（例えばガルバノミラー）を使用してもよいことを理解されたい。第１のミラー２５０は、入射Ｌａｄａｒパルスを受け取るように配置される。ミラー２５０は、このＬａｄａｒパルスを第２の走査ミラー２５２に反射する。この反射は、直接反射であり得る、またはミラー２５０から反射されたビームがミラー２５２まで進む途中に、等倍望遠鏡などの中継結像光学系を通る間接反射であり得ることを、理解されたい。ミラー２５２は、ミラー２５０から反射されたレーザパルスを受け取り、このレーザパルスを、フィールドインバータミラー３００にさらに反射するように配置される。次いでこのミラーからの反射は、望遠鏡／デスコープを通って、出射レーザパルス１０８となり得、これは次に、ビーム走査器により標的化されているショットリスト内の測距点に対応する走査領域３０２内の指定された水平／垂直位置まで進む。

【0027】

第１および第２のミラー２５０および２５２は、上記で論述されたように、それぞれの回転軸２５８および２６０の周りを制御可能に回転することができる。よって、ミラー２５０は、走査領域３０２内のＬａｄａｒパルスの位置を、走査領域のＸ軸に沿って制御するように回転可能であり、一方ミラー２５２は、走査領域３０２内のＬａｄａｒパルスの位置を、走査領域のＹ軸に沿って制御するように回転可能である。従って、Ｌａｄａｒパルスが各ミラーに当たる時のミラー２５０および２５２の位置を、それぞれの軸に沿って組み合わせて決定することは、放たれたＬａｄａｒパルス１０８を走査領域３０２内の所望の位置に向けるのに効果的である。例示的な一実施形態では、Ｘ軸ミラー２５０は、共振で走査される。しかし、Ｙ軸ミラー２５２も、共振で走査され得ることを理解されたい。さらになお、ミラー２５０とミラー２５２の任意の組み合わせが、共振で走査され得る。

【0028】

軸のうちの一方が「高速軸」として機能し、もう一方が「低速軸」として機能することで、ミラー２５０および２５２の相対走査速度を反映し得ることも理解されたい。例えば、Ｘ軸は、高速軸として機能し得、Ｙ軸は低速軸として機能し得る。高速軸をＸ軸に、低速軸をＹ軸に指定することは、任意であり、システムの位置を９０度回転させると、Ｘ軸は低速軸となり、Ｙ軸は高速軸となることが、実践者には理解されよう。さらに、例示的な一実施形態では、高速軸ミラーは、ミラー面積に関して低速軸ミラーよりも小さく、また低速軸ミラーよりも上流に配置される（すなわち高速軸ミラーはＬａｄａｒパルスを受け取り、それを低速軸ミラーへ反射して、標的の測距点に送信する）。しかし、この構成は、他の実施形態では変更されてもよい。例えば、低速軸ミラーを高速軸ミラーよりも大きくすることで、より大きい走査領域が可能となるという利点はあるが、走査領域のサイズの縮小が許容される実施形態では、低速軸ミラーは、高速軸ミラーと同じサイズ、または高速軸ミラーよりさらに小さくてもよい。別の例として、高速軸ミラーが低速軸ミラーの下流にある場合、このような構成に対応するために、中継結像光学系などの再結像光学系が、２つのミラーの間で使用され得る。

【0029】

図３は、光学フィールドスプリッタ／インバータ３００が、ミラー２５２により反射されたＬａｄａｒパルスを受け取って方向を変えるように配置された一実施形態を示す。従って、フィールドスプリッタ／インバータ３００は、ミラー２５０および２５２の光学的下流に存在する。フィールドスプリッタ／インバータ３００は、送信機の視野を分割し、かつ分割された視野を反転させるように配置されたミラーまたはレンズを備え得る。図では、ミラー／リフレクタを使用することを想定しているため、結像された情景３０２は、ＭＥＭＳアセンブリの後ろ右端にあることに留意されたい。

【0030】

例示的な一実施形態では、フィールドインバータ３００は、図３に示されるようにＷ字形に配置されたリフレクタの形態をとり得る（図３の構成の上面図である図４も参照）。ここで、第２のミラーから放たれたレーザパルス１０７は、反転され、結像される情景３０２に沿って、速度が反転した状態で通過する。放たれたパルス１０８は、今度は、１０７が速い場所を低速で走査する（逆も同様）。

【0031】

図４は、図３のビーム走査器構成の上面図であり、結果として得られる視野／走査領域に対するフィールドインバータ３００の効果を示す。上記で説明されるように、図１の実施形態（ミラー２５０が共振で走査する間、ビーム走査器は走査領域全体を、中央部ではより高速に、端部ではより低速に走査する（ミラー２５２上部の図４が示す括弧内に反映））とは異なり、図３および図４の実施形態のビーム走査器は、フィールドインバータ３００が原因で、中央部ではより低速に、端部ではより高速に、走査領域全体を走査する。図３および図４のビーム走査器のビーム光線経路が、図４に矢印で示されており、走査領域の中央部に到達するはずであったビームは、フィールドインバータにより、代わりに、３０２の上面図である走査領域４００の端部へと方向が変換されていることがわかる。

【0032】

図５は、ビームフィールドに対するフィールドインバータ３００の効果を例示する。図５の一番上のフレームは、ミラー２５０が共振で走査している時のフィールド全体の走査速度のプロットを示す。図からわかるように、走査速度は、フィールドの中央部の方が端部より速い。フィールドインバータ３００は、分割効果および反転効果を提供する。図５の中央のフレームは、線５００での分割効果を示し、フィールドは二等分に分割されている。図５の一番下のフレームは、分割されたフィールドのそれぞれに対して作用する反転効果を示す（線５００により画定された各半分は反転される）。図３および図４の例示的な実施形態では、分割線５００は、フィールドインバータのＷ字形の中央ピークに該当する。フィールドインバータ３００は、分割線５００に該当するこの中央ピークが視野の中央に収まるように、光学的に配置され得る。フィールドインバータ３００により、各分割フィールド内のビーム走査経路は反転される。これにより、図５の一番下のフレームに示されるようなフィールド全体の走査速度のプロットが得られる。図からわかるように、走査速度は、今度は、フィールドの中央部よりも端部の方が速くなった。この走査特性により、フレームの中央部にある測距点の群に対応するための時間が、より多くＬａｄａｒ送信機に与えられる。さらに、ショットリストと、インターラインスキップおよび／または迂回を含む動的走査パターンとを使用するＬａｄａｒ送信機に、この走査特性が組み合わされることにより、フレームの中央部で行われ得るラインスキップおよび／またはライン迂回に対応するための時間が、より多くＬａｄａｒ送信機に与えられる。

【0033】

Ｌａｄａｒ送信機により使用されるショットリストは、ショットリスト上の測距点の再マッピングを使用して、分割され反転された視野に対応することを理解されたい。

【0034】

図６Ａに示されるようなに、別の例示的な実施形態では、フィールドインバータ３００は、三角プリズム６００の形態をとり得る。三角プリズム６００は、下記に論述されるように、光パルスの反射のために逆Ｖ字形を画定し得る。図６の例示的な三角プリズムは、斜視図で示されており、プリズム６００の両端に第１の三角面６０２および第２の三角面６０４を含む形状を示す。第１の側面６０６、第２の側面６０８および第３の側面６１０は、図６に示される三角プリズム６００の下側面、右側面および左側面としてそれぞれ機能し、これらの側面は、三角面６０２および６０４をつなぐ。図６Ａの例では、三角面６０２および６０４は、必ずしもそうである必要はないが、側面６０６、６０８および６１０に対し垂直に配向されている。三角プリズム６００は、入射レーザ波長のために透明な任意の材料で形成され得、反射材料で加工された、跳ね返り経路が生じ得る活性領域を有する。Ｌａｄａｒレーザ光に対して空の空間（空気または真空）は透明であるため、プリズムは、任意の所望の製造指示に従って空洞または高密度のどちらでもよい。

【0035】

図６Ａは、レーザフィード１０７の上方斜視図であり、部分的に透明なミラーにより、プリズム内部の可視化が可能となっている。図６Ｂは、図６Ａの三角プリズム６００の垂直断面図を提供し、図６Ｃは、図６Ａの三角プリズム６００の奥行き断面図を提供する。この例では、水平方向（方位角）に、反転予定の高速軸走査が行われ得、仰角は、ステップ走査または共振走査され得る。この選択に関して、図６に示されるプリズム６００のアーキテクチャは変わらない。

【0036】

図６Ａを参照すると、レーザパルス１０７は、注入領域６２０を通してプリズム６００に入る。正確な進入位置６２２は、ミラーによる走査結果として変化し、走査領域にわたる走査パターンを定義する。従って、注入領域６２０は、このような可能性のある進入ポイントの範囲を示すために、ボックス領域として図６Ａに示される。プリズム６００内へ進入後、パルス１０７は、下側面６０６の内部上のリフレクタミラー６２４に当たるまで直線的に進み、リフレクタミラー６２４では、プリズム６００内の奥行きはオフセットされる。図６Ａの中点記号は、プリズム６００内の反射（すなわち「跳ね返り」）位置を示し、ここで６００を通過するパルスは、新たな方向に反射される。各跳ね返り位置は、パルス１０７の跳ね返りの順序に基づいて、Ｉ、ＩＩ、またはＩＩＩとラベルが付けられている。従って、パルスは、リフレクタミラー６２４に当たった後、右側面６０８の内部上のリフレクタミラー（跳ね返り位置ＩＩ）に当たり、ここでパルス１０７は、左側面６１０の内部上のリフレクタミラー（跳ね返り位置ＩＩＩ）に当たるように、方向変換される。

【0037】

注入位置６２２におけるレーザ注入角は、垂直から水平へ部分的に斜めに選ばれ得る。これにより、パルス１０７は、右ミラー６０８（跳ね返り位置ＩＩ）および左ミラー６１０（跳ね返り位置ＩＩＩ）の両方で跳ね返り、最終的に出口切断部６２６を通ってプリズム６００を出て、オクルージョンを生じることなく外部レンズ６７０（図６Ｃ参照、例えばアップ／ダウンスコープ）へと進むことができる。ミラー６０８の側面ピッチ角は、ｚ＋と示される。図６Ｂを参照すると、走査ミラー２５０および２５２の方位角走査は、跳ね返り位置Ｉ～ＩＩＩを介して、図の右手側にある２本の点線の間に形成された角ｆ、６５４にマッピングされる。遠視野角Ｓ、６５５は、右側の垂直点線と、フィールド反転アセンブリを出るパルス１０８の「飛翔軌跡」との間の角で形成される。図形の合同の理論から、Ｓ＝ｆであることに注意されたい。図３および図４のＷ字形の実施形態のように、角度が相互に関連していることから、パルス１０７が低速の時にパルス１０８は高速であり、逆も同様である。ギャップ５００を避けたい場合、走査できる左端の角度が垂直となるようにＳを設定する、すなわちＳ（ｍｉｎ）＝０を設定することが目標となる。これにより、走査角は確実に垂直に始まり右へ移動することとなる。走査角が他の場所で始まる場合には、スリット５００は大きくなり、そうでない場合には、スリット５００は無視できるほど小さく、クリーピング波に限定される。代数は、

【数1】

であることを示す（６５４の文章を参照）。走査ミラーの方位角走査が、φ＝０［１０７の軌跡が最も速い］に設定された場合、放たれたパルス１０８は、

【数2】

へ送られることがわかる。同様に、走査がその角度で行われる場合、

【数3】

が得られる。従って、所望のミラーピッチ角として、

【数4】

が得られる。これで、事前反転走査角および情景方位角的位置決めに関わるフィールド反転プリズムの形状の外部６０２～６１０は、完結した。プリズムの内部構造および仰角走査に関する論述が残っている。

【0038】

図６Ｃを参照すると、注入角ｃ［走査ミラー出力パルス１０７の垂直角］、６７５の選択により、これと全く同じ値、すなわちｃ、６７５である所望の遠視野仰角走査の角が、光線６７０の俯角と等しくなることが、代数により示され得る。注入仰角ｃがｃ’からｃに変化すると、注入仰角は、走査鏡の仰角スワスである角ｅ、６７３を通して掃引する。その時、図６Ｃの跳ね返り位置Ｉは、プリズムの底部６２４に沿って移動する。この掃引の長さにより、ミラー内部が反射面で加工されなければならない範囲が特定されることは、明らかであろう。プリズム装置全体は、投射幾何学的配置を考慮した全体スケールファクタにより、スケーリングされ得る。具体的には、プリズムからのパルス発射は、ベクトルｔｓｉｎ（ｃ）［ｓｉｎ（４ｚ－φ），ｃｏｓ（４ｚ－φ），ｃｏｔ（ｃ）］に沿って進む。ｘ、ｈ分析が二次元問題として扱われ、その後ｓｉｎ（ｃ）のスケールファクタにより補正され得ることがわかる。実際この見解により、従来どおり、最初に問題を、ｘ、ｈ、次いでｙ、ｈに分解することが可能となった。

【0039】

また、水平な対称軸において注入位置６２２を横断する点線６６０が、図６Ｂに示される。この点線６６０は、レーザの移動ではないが、モデリングにおいて、第１の跳ね返り位置Ｉの実際の経路を置き換えることができる仮想経路である。そうすることの長所は、幾何学的数学が、非常に簡潔化されることである。走査ミラーから到来するレーザパルス１０７は、照射されたミラー２５２上の異なる点に基づいて異なる場所から来ることが、観察され得る。１０７が動き回るという事実は数学を複雑にするため、対称性を引き出し、レーザパルスが異なる到来角の点６５０から発生する「ふり」をする方が、はるかに容易である。

【0040】

ここでいくつかの表記法が紹介され得る。水平方向はｘ、仰角はｈ（高さ）、およびプリズムの奥行き、すなわち６０２と６０４をつなぐ線に沿った距離はｙとして、示され得る。この表記法により、図６Ａは、プリズム６００の側面６０２、６０４をｘ、ｈ平面で、下側面をｘ、ｙ平面で示す。次に、左側ミラー６１０および右側ミラー６０８をそれぞれ示すために、添え字ｌ、ｒが導入される。これは、ミラーピッチ角は、ｚと表され得、

【数5】

であることを意味する。

【0041】

この表記法は、プリズム６００の数学的表現を簡略化する。Ｖ字形のピッチ角は、ｚ^＋であり、Ｖ字形の内側の内角（ｚ^＋の補足角である）は、ｚ^－であることを、想起されたい。フィールド反転は、レーザ角度がこれらの角度に最後まで従うことで実践する数学的なパターンのある動きにより、定義される。表記ｆ、６５４は、遠視野での所望の水平方向の走査角を示し、またこれはＳ、６５５と等しくなることを想起されたい。表記ｃ’は、仰角走査で使用される最も急な下向きの注入角（パルス１０７が経路６７２を進む場合）を示す（図６Ａの垂直軸からの測定）。表記ｃは、水平面（図６Ｃの水平軸を参照）に対して測定された場合、ゼロからｅ、６７３までの範囲で調整可能な遠視野仰角であることを想起されたい（図６Ｃを参照）。第２の走査ミラー２５２の出力パルスがレーザ注入位置６２２に供給される時点での方位角走査の角の表記は、φであることは、紹介された。遠視野角ｆは

【数6】

と表され得るとわかることを、想起されたい。図６Ｂに示されるように左右を定義して、右と左の走査を開始した場合、対称性により、同じ作用が生じる。φは反転されているため、プリズム６００は、分割および反転を達成する。

【0042】

さらに、プリズム６００に障害物がないことを示すために、スケーリングが取り除かれ得る。図６Ｃは、入力／出力不変性を計算するための仲介として、ｙｒに関する奥行き式６７３を示す。この式を使用して、奥行きで測定された最後の跳ね返りＩＩＩより先の外部デスコープ／望遠鏡レンズ６７０の位置を決定することができる。

【0043】

実践者が所望するならば、位置センサ（図示せず、例えばクワッド位置センサ）を第２の走査ミラー２５２の近くに配置して、ミラー２５２の走査位置を正確に特定することができ、これにより、ｆに関する上記の式を超えて、材料欠陥を較正することが可能となる。この較正は、パルス１０８に二次波長を加え、注入位置６２２の近くに周波数／波長選択ミラー（例えばダイクロイックミラー６７４）を配置することにより、達成され得る。経時的にミラー２５２の走査位置を正確に検出するために、このミラーは、二次波長の光を選択的に位置センサに反射し得る。実践者が所望するならば、ダイクロイックミラーを使用して、ミラー２５０の走査を較正することもできる。

【0044】

また、遠視野角Ｓに適用されたテイラー級数により、全ての現実の用途では、

【数7】

であることが明らかとなる。この式を使用して、遠視野パターンのモーフィングを構築することができ、すなわち、ミラー２５２の走査およびミラーピッチ角ｚ＋を調整することにより、所望の補正角Ｓが得られる。この点より先のいずれの補正も、大半あるいは全ての回析限界市販システムの光学アセンブリで欠陥を較正することで、マスクされ得る。上記のように、このような較正は、ダイクロイックミラー６７４により達成され得る。正弦波走査ミラー制御信号を遠視野内の走査位置に関連付ける時間的歪み較正の範囲および精巧化は、時間的歪みを分析的に補正することにより、大いに簡潔化され得る。

【0045】

また、注入領域６２０も潜在的跳ね返り位置となることを可能にするために、右ミラー６０８および左ミラー６１０は、それら全体において、または注入領域６２０にわたり、一方向であるように選択され得ることを理解されたい。このように同一の物理的ミラー財産を別の目的で再利用することにより、より小型な設計を生み出すことができ、これにより実践者にとって、コスト、重量およびサイズが節約される。例示的な一実施形態の最低限として、図６ＢにおいてＶの底部から点６２２まで片側追跡されたプリズムのセグメントは、Ｖの反対側にミラー結像が必ず存在するように、双方向でなければならないことが、求められ得る。この理由は、φがゼロに近づく時、プレート６２４から６６０に向かって進む場合は、跳ね返りが求められるが、反対方向に進む場合は、Ｖの底部で跳ね返りがないことも求められるからである。

【0046】

さらに、光線軌跡を使用して、プリズム内部のどの領域が、動作中にレーザパルス１０８の跳ね返り位置として機能するかが特定され得る。図７の左半分は、走査ミラー間の間隔が１ｍｍであり、Ｖスロットベースからリフレクタまでの寸法が１ｍｍである場合に、走査空間をわたり出口窓６２６にレーザ照射されたｘｌ、ｙｌ（プロットの左側）およびｘｒ、ｙｒ（プロットの右側）の光線軌跡、並びに領域を、ｍｍ単位で示す。７０２のｘ軸を使用して、Ｌ－Ｒミラー（６１０、６０８）のｘ軸開始点が選択され、７０４のｘ軸を使用して、ミラー６１０、６０８のｙ軸開始点が選択され得る。７０６のｙ軸は、奥行きの終点として使用され得る。図７の右半分に示されるように、出口窓６２６の始まり（内部終点）となるように７０８のｘ、ｙ位置が使用され得、出口窓６２６の終わり（外部終点）として、７１０のｘ、ｙ位置が使用され得る。プリズムの底部６０６が出口窓６２６と同一平面上にあるように、ここでは出口窓の実施形態は一定の高さとなるように使用され、これはアップ／ダウンスコープに直接取り付けられる。しかし、小型化のために、アップスコープには傾斜した接触面が選ばれる必要があり得、プリズムの寸法および一方向ミラーの最小面積に関する要件を特定するために、光線軌跡が依然として採用され得ることに留意されたい。これまでのところ、ミラー６１０／６０８／６０６は、長方形の境界線に画定されている。跳ね返りＩ、ＩＩ、またはＩＩＩを決して受け取ることのないミラーキャビティ部分が、ここで取り除かれ得る。これは、７０２、７１２、７０６および７０４、７１０、７１４により描かれる輪郭を計算して、全ての角度集合を介して変化する付随凸包に、ミラー（すなわち反射コーティング）を割り当てることにより、達成され得る。ミラーはただ、走査角度を介した走査ミラー出力の光線軌跡ｘ、ｒにより特定される領域にわたり、一方向であればよい。このプロセスを通して、ミラーの小型化を達成することができ、これにより製造コストおよび原材料コストが削減され得る。

【0047】

重複した反転／分割：
フィールドインバータ３００はまた、重複した反転／分割視野を提供するように構成され得る。この構成は、ミラー反転を視野方向と切り離すだけでなく、単一軸走査内で視野方向ごとに複数のミラー反転を可能にする。この重複効果により、視野の中央領域または中心線などの所望の領域に沿ったより長い注視が可能となる。従って、フィールドインバータ３００は、視野を２つの非重複フィールドに分割する必要はないことを理解されたい。重複を達成するために、走査角φの極値で、パルス１０８の発射角、すなわち角Ｓが、負（すなわち垂直の左側）に揺動するように、ミラーピッチ角ｚ＋は修正され得る。

【0048】

重複を作ることにより、高仰角走査時間を、特定の陥凹ゾーンの二重再訪に取り替え、これにより深い観察が可能となり、これは付近の障害物を避けるのに有用であり得る。

【0049】

図８に、この配置の一例が示される。この例では、４５度の選択された走査空間と共に、方位角（水平軸）の走査をフィールド反転すること、

【数8】

が選択される。フィールド反転を行わない場合、ｘ軸、ミラー２５２の共振走査角と、垂直軸、遠視野走査角ｆとの関係は同一であり、すなわち＝Ａ_ａｚである。

【0050】

フィールド反転を行う場合、共振ミラー走査角が－２２．５度からゼロに進むと、遠視野走査角ｆの範囲は、ゼロから－２２．５度になることが観察される。この「フリップ」は、ｆの式で数学的に表され、垂直軸を水平軸に関連付けるシフト（４ｚ）および負の符号がある。ミラー走査が０－から０＋に移動するとすぐに、遠視野走査角ｆは、－２２．５度から２１度にフリップする。重複がない場合、このフリップは最後に、２１度ではなく、２２．５度になる。重複走査と非重複走査との違いは、下記で論述されるように、定義され、ヒンジによりリアルタイムに実現され得る。遠視野走査角は２１度で始まり、走査ミラーでは正味２２．５度で揺動する必要があるため、他の方向に－１．５度で終了する（重複なしの視野反転の場合はゼロであることとは対照的に）。この変更により、各走査区間（より多くの測距点検出が必要になると予期された場所）を水平線全体に２回走査するようになるため、重複の有益な効果が得られる。

【0051】

図８の水平軸は、走査ミラー（例えばＭＥＭＳミラー）が「見ている」角度である。走査ミラーは方向を変えると最も低速になるため、走査ミラーは中央（０度）で最も高速で移動していることが、図８の上部の曲線からわかる。また、走査の端部（この例では－２２．５度および２２．５度）でも最も低速で移動している。上記で論述されたように、中央領域は注視時間を最大化することが（中央領域で照射する測距点の数を増やすため）望ましい領域である場合、これは実践者には問題となり得る（例えば自動車用途の場合、中央領域は最も事故が起こりやすい場所である）。図８の縦軸は、Ｌａｄａｒ送信機が注視している遠視野内の位置、すなわち瞬間視野である。従来の非反転視野では、この注視位置は、水平軸と等しい。ズームまたはアップスコープがＬａｄａｒ送信機に追加される場合、関係性は、依然として直線的に比例する。これは、走査ミラーの「低質な」端部注視は、Ｌａｄａｒ送信機の情景注視に「引き継がれる」ことを意味する。走査ミラーの走査位置だけで、情景内の瞬間注視の位置が特定されることから、これらの２つの軸をつなぐ関係性を表す曲線がプロットされ得る。図８の例は、１つだけの共振走査ミラーに関して示されるが、同じ発想が２Ｄ共振ミラー走査にも有効ではあるが、連結に関してより複雑であることから、例示を簡潔にするために、単一の共振走査ミラーの例が示される。標準の非反転Ｌａｄａｒ送信機の場合、この関係曲線は、単に真っ直ぐな実線である。しかし、フィールド反転が行われる場合、図８に示されるように、曲線は、垂直軸の周りに「急上昇」が反映された２つの線分で表される。最終的結果は、図８の右端に描かれる情景内の瞬間視野の速度のプロットでわかる。図８の一番上のプロットに関連して、速度は水平のＭＥＭＳ軸に関して反転される。実際にここで、０度（低速の場所）では比較的長い時間凝視が行われ、情景の端部（高速の場所）では比較的短い時間が費やされる。

【0052】

反転視野の重複に関して、ミラー走査の一方または両方の端部にて、ゼロを超えて走査することが選択され得る。図８では、右手走査（この例では右手走査のみ）が重複のために選択された一例が示される。右手走査では情景が０度から－１．５度まで検査され、これにより、重複を介して０度の中心線およびその周囲を注視する時間量が増加されることがわかる。

【0053】

図６Ｄに示されるように、達成される重複の程度を制御し調整するために、１つ以上の制御されたヒンジ６２８を使用して、ミラーピッチ角ｚ＋が定義され得る。ヒンジ６２８により、プリズム６００のミラーピッチ角を調整することが可能となる。ミラーピッチ角調整機構（ミラー６０８および６１０をヒンジ６２８で旋回させてミラーピッチ角を調整するねじ式ノブ構成６３０および６３２など）を使用して、ミラー６０８および６１０は、ベース６０６に沿って摺動され得る。これにより、バック走査の程度および／またはリアルタイムの視野を、一秒未満の速度で動的に調整する能力が得られる。ミラーピッチ角ｚ＋を調整することにより、フィールドインバータの走査空間および重複は、動的に制御される。具体的には、リフレクタ６０６に対する平面を有する右のミラー６０８および左のミラー６１０の交差度を調整する機械式アクチュエータを使用して、中視野角および遠視野角Ｓおよびｆは、調整可能となる。

【0054】

フィールドインバータ３００のさらに別の実施形態が、実践者により使用されてもよいことを理解されたい。例えば、６０６の境界における非反射材料による潜在的なオクルージョンと引き換えに、リフレクタ６０６を走査ミラーと置き換えて、さらなる小型化が加えられ、図７に示される目盛りスパンが縮められてもよい。別の例は、潜在的な重複を有する左右の角度間隔を走査するように設計された２つの共振ミラーを使用することである。左のミラーの右手端部および右のミラーの左手端部はその時、フィールドインバータとして機能し得る。この一例が、図２０に示される。図２０は、走査ミラー２０１０および２０１２（例えばこの実施形態ではＭＥＭＳ走査器）のそれぞれに共通のレーザ２０００を示す。単一の走査軸が示されており、直交軸は、共通ミラー、または実践者が望ましいと考える別個のミラーを有するフィールドインバータ、標準走査により、走査される。レーザ出力２００２は、ビームスプリッタ２００４に供給される。例として、スプリッタ２００４は、ＷＤＭ（波長分割多重化装置）、ＭＥＭＳスイッチ、ポッケルススイッチなどであり得る。スプリッタ２００４の右側には、走査ミラー２０１０が存在し、真正面２０１４から始まり一番右手方向２０１８までの走査領域が点線で示される。スプリッタ２００４の左側には、別の走査ミラー２０１２が存在し、真正面２０１６から始まり一番左手方向２０２０までの走査領域が点線で示される。走査速度は走査の端部で最も低速になるため、図２０の構成は、フィールド反転を実施することは明らかである。

【0055】

図９は、フィールド反転（非重複）および重複フィールド反転により達成され得る注視時間の増加の効果を明示する表を示す。図９の表は、９０度の走査範囲に基づき、標準動作（フィールド反転なし）、フィールド反転動作（非重複）および重複フィールド反転（５ｍｒａｄビーム発散に対し１度の分割フィールドを有する）の各走査において、中心線付近（中心線から３度以内）で費やした時間の測定結果を示す。表からわかるように、フィールド反転および重複フィールド反転は、中心線付近の滞留時間が大幅に改善されている。

【0056】

周期的位相ドリフトが誘導されたリサージュ走査パターン：
２Ｄレーザ走査パターンは、２Ｄビームが各軸に沿って正弦的に（時間において）走査する場合にのみ、リサージュ走査パターンと呼ばれる。方位角および仰角の両方の位相は任意であり得るが、標準のリサージュ走査では、これらは固定される。可能な限り一番速い走査を望む場合は、一般にリサージュパターンが望ましい。これは、最速のミラーが共振ミラーであり、これは周期的かつ共振的に、ゆえに正弦的に、駆動される必要があるからである。従って、リサージュ走査パターンでは、ミラー２５０および２５２の両方が、正弦波信号により駆動される。これらの正弦波の両位相は自由であるが、これらの違いは、走査性能に影響を与える。実践者の間で通常選択される位相差ξは９０度であり、これは、隣接するビームが走査する場所の間にできる最大ギャップを極小化する。

【0057】

２Ｄ共振ビーム走査器のリサージュ走査パターンは、次のように表され得る。

【数9】

共振周波数ｆ、ｆ＋１は、多くの用途で１だけ異なり、これはギャップの発生回数を最小限にすることがよく知られているためである。しかし、路上走行状況におけるＬａｄａｒの場合、路面上の物体に対する方位角変化レートおよび仰角変化レートは異なるため、他の選択肢が所望され得る。

【0058】

図１０Ａは、フィールドインバータ３００が使用されない場合のＬａｄａｒ送信機のリサージュ走査パターンの一例を示す。図１０Ｃは、図１０Ａのリサージュ走査パターンの再訪実績を示す。図１０Ａおよび図１０Ｃの軸は、水平／方位角に対応するＸ軸および仰角に対応するＹ軸である。図１０Ｃでは、Ｚ軸は、リサージュサイクルごとの再訪数であり、全体リサージュサイクルが９９０に対し、周期性は９９、１０である。ここで選択される走査範囲は、各軸において４５度である。物理的忠実性のため、９ｍｒａｄのビーム発散の半分の均一位相ドリフトが追加された。さらに、３０ｍ／ｓのＬｉｄａｒ速度および４ｍの水平線断片を有する路面が追加された。実際の再訪では動きの変数を考慮する必要があるため、動きも含まれる。しかし、この成分の影響はわずかである。図１０Ａの線は、Ｌａｄａｒ送信機がミラー走査の対象とした場所を示す軌跡である。白い領域は、理論的には走査線全てに沿って発射されたビーム間に存在する間隔またはギャップである。図１０Ｃの表面メッシュは、方位角および仰角に応じて、再訪レートが変化する様子を示す。例えば、端部では、サイクルごとに点を再訪する機会が約８回得られる。図１０Ｃのこの態様は、Ｌａｄａｒの従来のリサージュ曲線の「欠点」を示す。それは、最も再訪の必要性が低い走査空間の端部において、最良の再訪が行われるということである。具体的には、図１０Ａおよび図１０Ｃのプロットは、標準のリサージュ走査が、走査領域の中央領域と比べて走査領域の端部において、より密な来訪をもたらす様子を示す。すなわち、図１０Ａおよび図１０Ｃは、プロットの端部よりも中央領域において、走査線の間および機会の間に、大きなギャップおよび遅延があることを示す。先と同様に、これは、中央領域においてより密な来訪が所望される最も求められている用途（大半の自動車用途など）と、矛盾する。

【0059】

上記のように、プリズム６００などのフィールドインバータ３００は、走査パターンを分割し反転するために使用され得、これが図１０Ａおよび１０Ｃのリサージュ走査パターンに適用されると、図１０Ｂの例が示すような中央領域付近の注視時間が増加した走査パターンが得られる。図１０Ｂは、フィールドインバータ３００を使用して水平線（すなわち仰角がゼロの時の水平軸）に沿って反転が行われた場合の分割／反転されたリサージュ走査パターンの一例を示し、図１０Ｂは、Ｌａｄａｒ送信機による中心線付近の来訪密度が、図１０Ａと比べて大幅に増加したことを示す。水平線に沿ったギャップが事実上排除されるため、この違いは劇的である。

【0060】

図１０Ｄは、フィールドインバータ３００を使用して仰角（すなわち水平線がゼロの時の垂直軸）に沿って反転が行われた場合の分割／反転されたリサージュ走査再訪の一例の再訪実績のプロット、さらに方位角方向のキッシングミラーパターンを示す。図１０Ｄは、Ｌａｄａｒ送信機による中心線付近の来訪密度が、図１０Ｃと比べて大幅に増加したことを示す。この違いも劇的であり、Ｌａｄａｒ搭載車両の真正面の水平線に対し、おおよそ２０倍のアクセスがある。

【0061】

これらのギャップの重要度を測定する別の方法は、定義された閾値を超えるギャップを特定することである。この閾値は、ビーム発散に基づいて定義され、標的測距点に関する想定距離でのレーザパルス１０８の断面／直径が考慮され得る。ギャップが閾値よりも大きい場合、これは、Ｌａｄａｒ送信機が標的化できない潜在的な盲点を表す。しかし、ギャップが閾値より小さい場合、このような小さいギャップは、その近くを標的とするレーザパルス１０８により包含され得る。図１１Ａは、周期性は４８、４９で、図１０Ａおよび図１０Ｃに示されるようなリサージュ走査パターン（フィールドインバータ３００なし）を使用した場合のＬａｄａｒ送信機の潜在的な盲点を表す一連の点を示す。図からわかるように、プロットの中央領域には、比較的大量の盲点が存在する。図１１Ｂは、周期性は４８、４９で、図１０Ｂのような反転されたリサージュ走査パターンの対応盲点プロットを示す（ここでも各点は潜在的な盲点を表す）。図１１Ｂからわかるように、フィールドインバータ３００とリサージュ走査パターンの組み合わせにより、Ｌａｄａｒ送信機は、中央領域に著しい盲点地帯を含まなくなる。

【0062】

しかしながら、図１１Ｂは、中央領域以外の領域の分割／反転されたリサージュ走査パターンに、盲点が存在することを示す。これにより、このような盲点の範囲を減らすために、理想的には、必ずしも中央領域の内側に存在するとは限らない注視の増加が所望される領域を、システムが知的に選択することを可能にするように、どのようにシステムを設計したらよいかという問題が提起される。

【0063】

この問題の解決策として、発明者は、リサージュ走査パターンにおける誘導された周期的位相ドリフトの使用を開示する。この手法により、リサージュ走査パターンで一般的な固定位相は、時間変動ドリフトに置き換えられる。走査ミラー２５０／２５２の一方（または両方）は、その位相を穏やかに変化させることにより、共振からわずかに外れる。従って、この実施形態では、リサージュ走査パターンの定式表現の式１により上記に示されるようなξではなく、ξ（ｔ）として位相を表すことができる。この位相ドリフトξ（ｔ）は、ビーム走査器コントローラが、対象の走査ミラーのドライバに与えるコマンド信号を徐々に変化させることにより（例えばドライバがＭＥＭＳミラーのステップ走査またはピストンのモータであり得る場合）、誘導される。このコマンド信号は、ミラーの走査方法に関して、ミラーを制御する。例示的な一実施形態では、位相ドリフトは、次のように表され得る。

【数10】

従って、両次元で誘導された周期的位相ドリフトを含むように修正されたリサージュ走査パターンは、次のように表され得る。

【数11】

この式では、Ｍは、両方のミラーにわたる位相周波数ドリフト成分の総数として示される。全てのＭドリフト成分が取得され、走査ミラーのうちの一方に適用され得る、または上記の式に示されるように、位相周波数ドリフト成分は、両方の走査ミラーにわたり分布され得る。この分布は、均等な分布、またはその他の分布であり得る。システムは、単一の共振ミラーでも、標的領域における注視時間の増加という点で誘導されたドリフトの恩恵をなおも受けることができるが、共振で走査する２つのミラーに関して例示的な実施形態が説明されることを理解されたい。小さな振幅Ａ_ｉを伴う式３の線形化近似の場合、次のとおりである。

【数12】

この例示的な論述では、説明を簡潔化するためにＭ＝４が設定され得、所望のドリフトを見つけるために総最小二乗手法が使用される例示的な実施形態では、位相ドリフト項μ_ｉは、最適化および作動中にドリフト周波数項Ｋ１、．．．と同様に作用するという理解から、位相ドリフト項μ_ｉは、無視される。

【0064】

また、位相ドリフトが、初期パターンの調和的部分期間で周期的であることは有利であり、すなわち

【数13】

は、有理数であり、１の位のモジュロ未満である。これにより、再訪時間が短縮されていないことが保証され、従って、より遅いパターン再訪時間を犠牲にしてギャップ削減が達成されていないことが保証される。

【0065】

周期的ドリフト周波数Ｋｉの選択に関しては、トレードオフが伴う。リサージュ周波数ｆに近すぎる周期的ドリフト周波数Ｋｉを選択した場合、位相変化レートは周波数に入り混じるため、パターンへの影響はほとんどない。また、ドリフト周波数が低すぎる場合、位相変化レートは、リサージュパターンの固定位相項に入り混じる。下記に提示される例では、ドリフト周波数が反復前の中間点にあるように設定される一実施形態が説明される。しかし、これらは例にすぎず、他の値が選択されてもよいことを理解されたい。

【0066】

例示的な一実施形態では、固定ドリフト周波数の最適位相は、総最小二乗問題の解として特定される。従属変数および独立変数の両方が自由である場合、総最小二乗（ＴＬＳ）はパラメータに適合し、これは、ＴＬＳの独立変数が時間である本事例に当てはまる。最小化には、コスト関数が使用される。一例として、ギャップを除去したい領域として地平面における領域を選択する場合の自動車用Ｌａｄａｒを検討する。

【0067】

図１２は、走査ミラーに周期的位相ドリフトを誘導する方法を制御する例示的なプロセスフローを開示する。走査ミラーのドライバ１２５０は、周波数ｆ、ｆ＋１を保持しながら、パラメータＡ_ａｚ、Ａ_ｈＡ_ｉＫ_ｉμ_ｉ、ｉ＝１、．．．、Ｍを使用して位相ξを定期的に変調することができるアクチュエータを含む。図１２のステップ１２０４は、総最小二乗を中心とした走査ミラーの走査パターンにおけるフレーム依存フィードバックを説明する。特異値分解（ＳＶＤ）の使用により、図１２のプロセスフローは、リアルタイムに、具体的にはミリ秒オーダで、実行され得ることが保証される。

【0068】

ステップ１２００にて、システムパラメータの選択を介して、プロセスフローが開始される。この一環として、最低許容地面ギャップが定義される。これは、角度またはメートル単位の距離として設定され得る。例示的な一実施形態では、メートル単位のギャップが選択される。走査ごとにパルスが発射され得る場所を調べて、距離が、ビーム発散の半値全幅を超える範囲として測定された量よりも大きいかを測定することにより、ギャップを計算する。ギャップが明らかにされ、１２０２～１２０４に示されるように、ギャップが（ｉ）１ｍより大きく、（ｉｉ）優先情景（注視領域）Ｑ内である場合、位相ドリフトを計算するのにそのギャップが使用される。この例が、図１３Ａ（非反転事例）および図１３Ｂ（反転事例）に示され、この時ｆ＝４９である。図１３Ａおよび図１３Ｂの黒い領域（例えば１３０２を参照）は、ｘ、ｙ軸内の領域であり、これらは、上記の式１における時間ｔの全ての値に関して、レーザパルスから１メートル×１メートルを越えて離れている。この例では、地平面を使用して、ギャップが特定される。しかし、別の実施形態では、ギャップを特定するために方位角仰角平面が使用されてもよく、この場合、図１３Ａおよび図１３Ｂではなく、図１１Ａおよび図１１Ｂの黒いクラスタが使用される。

【0069】

次に、ドリフト周波数が選択される（この例ではＭ＝４の場合、各走査軸に２つのドリフト周波数が使用される）。また、リサージュ周波数ｆ、ｆ＋１、視野（ＦＯＶ）、および許容ギャップサイズが選択される。リサージュ周波数は、送信機制御命令１０３により設定される。ＦＯＶは、ミラー走査の速度、並びにギャップを伴う、レーザで検査したい所望の領域により、特定される。例えば、最大走査周波数が１０Ｋｈｚであり、１マイクロ秒のパルス間隔で１００度にわたり走査が行われる場合、ギャップは約３度であり、１０マイクロ秒で２０度にわたり走査が行われる場合、ギャップは４度である。例えば、図１３Ａおよび図１３Ｂでは、ＦＯＶは方位角で＋／－４５度である（黒い三角形１３０４の傾斜から明らかである）。同様に、Ｌａｄａｒ送信機は２メートルの高さで監視していると仮定して、座標０、０近くの小さく黒い長方形１３０６から明らかなように、垂直ＦＯＶは、水平線から１２度下がった範囲である。

【0070】

位相ドリフトのために、ＦＯＶの唯一重要な部分は水平線より下の範囲であるため、ゼロを越える仰角ＦＯＶの上限は重要ではない（図１３Ａでは１６００フィートより上の黒い点は表示されておらず、図１３Ｂでは８００フィートより上の黒い点は表示されていないことから示される）。

【0071】

ステップ１２０２では、定義されたパラメータに従って、標準の固定位相リサージュパターンが生成される。図１３Ａは、ｆ、ｆ＋１が４９、５０であり、反転が行われない標準リサージュパターンのギャップを示し、図１３Ｂは、ｆ、ｆ＋１が４９、５０であり、１度の重複を含む反転が行われる標準リサージュパターンのギャップを示す。図１１Ａおよび図１１Ｂは、ビーム幅が３ｍｒａｄである場合の非反転空間および反転空間の垂直方向（レーザの照準線）のそれぞれのギャップを示し、図１３Ａおよび図１３Ｂは、１メートルのギャップ公差で地平面に投射されたこれらと同一のギャップを示す。領域１３１０は、ギャップ削減が所望される注視領域Ｑを示す。注視領域は、図１２の１２０２と表示された欄の処理ストリームに取り込まれる。この領域内のギャップのみが、後続のアルゴリズム段階で使用され、全ての他の領域は無視される。この例では、１３１０内の全てのギャップは、除去されたため、灰色のラベル付けが行われた。領域１３１０は、任意の形状を示すことができ、その形状は、環境情景に基づいて選択され得る（図１Ｂの１２０を参照）。例えば、方位角＝０に沿って交差点が存在する０～８００フィートを移動中のＬａｄａｒ送信機を搭載した車両により、交差点付近の走査が望まれる側道の事例を検討する。Ｑ選択は、データ適応型（領域１３１０に沿って移動する交通を観察して調査しようとする）であり得る、または先験的情報（道路ネットワークマップなど）から選択され得る。Ｍのサイズにより、リアルタイムで許容可能なＱ選択の変化レートが特定される。Ｍ＝４は非常にうまく機能し、容易に時間内に収束してミリ秒速度で更新を行うことが、予察作業で示されている。この例では、地平面に対し投射が行われているが、いずれの投射表面でもよく、これには地平面を他の位相多様体で置き換え得る地形高度または他の考察も包含されることを、理解されたい。

【0072】

定義された最低許容ギャップを越える検出ギャップは、Ｓとして点集合にグループ化される。従って、Ｓは、図１３Ａ（または図１３Ｂ）の黒い点１３０２を表す点の集合である。

【0073】

次に、式１を使用して、Ｓのうちの各点に最も近い座標を生じる時間ｔが見つけられる。これらの時間は、集合Ｔで示され得る。

【0074】

ステップ１２０４は、ステップ１２０２および１２０４からの主成分を使用して、ＴＬＳ解決法を解くことに進む。以下の説明では、実施形態は、フィールド反転および重複を伴った地平面注視に限定される。初めに、Ｔ内の要素に基づいて設定された時間ｔで式４を使用することで、線形化が行われる。ＴＬＳ解決法により、Ａ_ｉ、μ_ｉのペア、並びに線形化されたドリフトのテイラー級数表現に基づく更新されたタイムスタンプＴが選択される。ここで、これらの値を式３に代入し、これにより、Ｓ＿ｄｒｉｆｔと示される新たな集合を定義する新たな（通常さらに小さい）黒点集合が見つかり得る。次に、所望の性能レベルが達成されるまで、ＴＬＳを、タイムスタンプ、振幅、並びにドリフト位相および周波数により解いて、再び再帰処理を行う。

【0075】

ステップ１２１０に従って、任意の点でＳまたはＳ＿ｄｒｉｆｔがゼロである場合、そのＳまたはＳ＿ｄｒｉｆｔに対応する位相ドリフト制御を、ドライバ１２５０に投入する。この手順には、相互に排他的な結果と、包括的な結果の、２つの結果がある。１つ目は、Ｓ内の集合が縮小しなくなり（ステップ１２１２を参照）、この場合、リサージュパラメータ［Ｋ、ｆ］を更新して、性能が向上するか（Ｓ、Ｓ＿ｄｒｉｆｔが削減されるか）を試すことが繰り返され得る。あるいは、Ｓ、Ｓ＿ｄｒｉｆｔは、終了に値するとみなされるサイズにまで縮小する（または完全に消失する）。

【0076】

一実行例では、図１３Ｂの領域１３１０内の全ての黒い点は除去され得る（すなわちＳ＿ｄｒｉｆｔは空である）。実行例では、１Ｇフロップスのプロセッサにより１ｍｓで実行可能な１Ｍフロップスのみを使用し、これは単一フレームベースで更新を行うのに十分速い。フィールド反転され位相ドリフトされた重複パターンの拡大表示が、図１４Ａに示される。図１４Ｂは、対応する位相ドリフトされていないリサージュパターンを示す。主な活動は水平線付近で起こるため、図１４Ａおよび図１４Ｂは水平線付近を拡大表示し、図１４Ａおよび図１４Ｂを調べることで、誘導された位相ドリフトによる性能向上およびギャップ除去の方法に関する手掛かりが明らかになる。まず、図１０Ａおよび図１０Ｂの全体図プロットは洞察を得るには粗すぎるため、両事例とも、走査範囲領域が拡大表示されることに留意されたい。次に、水平線よりわずかに下で多くの走査が行われ、この領域ではレーザ走査間の間隔が非常に狭いことに留意されたい。これは、フィールド反転および重複到達範囲の両方の組み合わされた機能であり、両方の例に共通である。両事例では、２つのミラーフィールドインバータを調整して、約－０．３度～－１．２度の仰角に仰角走査の新たな重点を置くように選択が行われた。図１４Ａを調べると、密な走査領域および粗い走査領域（仰角－０．２度超過、仰角１．２度未満）では、菱形のギャップ領域は不規則であり、図１４Ｂよりもさらに不規則であることがわかる。これは、図１２のプロセスフローが、集合Ｓを削減するために位相をドリフトする最適な方法を決定することにより、与えられる恩恵である。また、図１４Ａの縦縞は、図１４Ｂよりも間隔が広いことに留意されたい。これは、位相ドリフトが、再訪パターンを分岐させ、菱形のギャップをより狭いギャップに置き換えた結果である。

【0077】

従って、誘導された位相ドリフトを使用して、走査領域から、より長い滞留注視を行う領域を知的に選択することができることを理解されたい。さらに、位相ドリフトが誘導されたリサージュパターンで走査するミラーの使用は、フィールドインバータ３００と組み合わせることで、顕著な性能向上をもたらし、フレームごとの走査領域内の所望の領域に対してより良い調査が可能になると、予期される。

【0078】

小型ビーム走査器アセンブリの楕円体再結像ミラー：
発明者は、小型ビーム走査器アセンブリに対する技術的要望が存在することも認識している。例えば、自動車および航空機搭載レーダ、生物医学的結像（すなわち内視鏡検査）、仮想現実および拡張現実、並びに共焦点能動的結像のための小型２Ｄ走査ミラーに関心が高まっていると、発明者は考える。走査ミラーは、ガルバノメータ、ＭＥＭＳ、または他のミラーとして実装されているか否かに関係なく、その関連高速走査速度および小型フォームファクタの結果、レーザ走査システムにおいてよく使用される。面内および面外単軸（二軸とは対照的に）のＭＥＭＳデバイスの対をカスケードのように配置することにより、最速の実走査速度およびチルト角が、通常得られる。光路内の第２のミラーは、ビーム発散に起因して、第１のミラーよりも大きなスポットサイズを有する。発明者は、第２のミラー上にスポットビームを再結像する装置を開示し、これにより、必要なミラーサイズが縮小される。これにより、走査器のフォームファクタが縮小されるだけでなく、ミラー面積はトルクおよび走査速度と比例することから走査速度および／または最大チルト角、従って走査視野も増す。

【0079】

例示的な一実施形態では、２つの走査ミラー（例えばＭＥＭＳミラー）が、楕円体リフレクタ／ミラーにより定義された楕円体の焦点に配置され得る。出力ビームがコリメートされた状態を維持することができるように、第１の走査ミラー上にビームを向ける前に入力ビームを調整するための集束レンズ（またはミラー）が配置され得る。これは、光学的に共役と知られている場所である第２の走査ミラーの位置に、第１の走査ミラーの結像を配置することと、光学的に同等である。このような理由から、リフレクタアセンブリは、楕円形共役リフレクタ（ＥＣＲ）アセンブリと称され得る。例示的な一実施形態では、第１の走査ミラーにおける光ビームの入射角により特定されるように、完全楕円体の比較的小さい部分のみが、第１の走査ミラーから反射された光を傍受する。これにより、楕円体の対応する部分のみを使用して、ＥＣＲを構築することが可能となる。これにより今度は、入射光ビームおよび出射光ビームの両方がアセンブリに出入りすることを可能にする、すぐに利用可能な機構が提供される。

【0080】

第１の走査ミラーから楕円体内部の反射面へ向かう反射光線ファンを、その後のファン内の光線全ての交点が、第２の走査ミラーの中心も含む平面内に存在するように、配向するために、第１の走査ミラーにおける入射角は選択され得ることが、楕円体の結像特性の分析により示される。走査器上のチルトオフセットの有無にかかわらず、この同一平面依存性を保証する設計式が開示される。チルトオフセットにより、アセンブリの長さ、高さおよび幅を柔軟に設定することが可能となり、実践者が利用可能な産業が増えるという利点がある。

【0081】

２Ｄ走査アプリケーションに加えて、本明細書に開示されるＥＣＲ技術により、あらゆるカスケードミラーアセンブリに改善がもたらされる。カスケードミラーにより、走査開口全体は増大し、さらに、本明細書で開示される再結像器により、これらのシステムもより小型化される。従来技術とは対照的に、本明細書で開示されるＥＣＲソリューションは、走査フィールドにアーチファクトを取り込むことなく、より小型のソリューションを提供する（例えば再結像に単一ミラーを使用する一実施形態を参照）。

【0082】

レーザは、一対の単軸ミラーで走査され得る。ミラーがソレノイドに取り付けられている場合、これは、ガルバノメトリック走査器として称される。多数の現代の小型レーザシステム（コピー機、バーコードリーダおよびＬａｄａｒシステムを含む）では、サイズ、重量およびコストを削減し、同時に走査速度を向上させるために、ＭＥＭＳ信号チップデバイスがチルトミラーとしてよく使用される。ミラーが自由に連結動作し、光円錐によるミラー間の通信が妨げられないことが望ましくあるため、連結動作するミラー間の距離がどれだけ近くなり得るかに関しては、厳しい制約がある。第２の走査ミラーは、第１の走査ミラーにより誘起される角の全範囲に対応するために十分大きくなくてはならないため、従来では、一般に第２の走査ミラーは、第１の走査ミラーよりも大きい。これにより今度は、達成可能な最大走査角、達成可能な最大走査周波数、またはその両方が低減される。両方とも、レーザ技術の実践者にとって重要な設計パラメータであるため、発明者は、例示的な一実施形態において、小さく同じサイズの２つの走査ミラー（ＭＥＭＳデバイスなど）をシステムに与えることで、走査空間を大幅に増加させることを可能にする設計を開示する。ミラーサイズの制限は、レーザビームウエストおよび走査空間の両方に依存する。再結像により、数ミリメートルオーダのＭＥＭＳデバイスが可能となる。この技術的問題を解決するために、発明者は、光学的に第１の走査ミラーと第２の走査ミラーとの間に配置された楕円体再結像リフレクタの使用を開示する。このような設計により、走査可能ミラーとして平面ＭＥＭＳミラーの簡潔さを維持しながら、向上した性能も提供することが可能となる。さらに、この楕円体リフレクタは、システムにより使用される単一の再結像ミラーとなり得る。

【0083】

図１５は、楕円体リフレクタ１５１０を使用する設計の例示的な一実施形態を示す。Ｈ．Ｒｅｈｎの「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓ」、光工学、４３（７）１４８０（２００４）を参照し、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれ、この参照により、楕円体リフレクタに関連する光学特性を含む追加の詳細が提供される。リフレクタ１５１０が楕円体リフレクタと称される場合、これは、リフレクタ１５１０が楕円体形状の少なくとも一部に対応する曲率を示すことを意味することを理解されたい。従って、楕円体リフレクタ１５１０は、中空楕円体の一区分に対応する形状および曲率を示すことが好ましい。図１５に示される例示的なシステムは、楕円体リフレクタ１５１０をオフセット構成で使用する。また、例示的な一実施形態では、リフレクタ１５１０に使用される特定の楕円体構造は、扁長回転楕円形状であり得る。このような楕円体は、長軸を中心に回転対称であり、この構造により、２つの走査ミラーを物理的に分離することが可能となる。

【0084】

式

【数14】

（この時ｒ^２＝ｘ^２＋ｙ^２）で定義される回転楕円体を検討する。平面に対するこれの投射は、水平長２Ａ（長さＡを特定する図１５の１５２０を参照）および垂直高さ２Ｂ（高さＢを特定する図１５の１５２６を参照）を有する楕円１５５０である。走査ミラー１５２２および１５２４はそれぞれ、楕円の中心１５２６から距離Ｃ（図１５の１５１８を参照）に設置される。これらの位置が楕円の焦点にあるように、Ｃの値は、

【数15】

と定義されなければならない。

【0085】

リフレクタ１５１０の上流に、光源１５００から放出された光を集束するレンズ１５０２が挿入される。下記に説明されるように、楕円体リフレクタ１５１０およびレンズ１５０２は、アフォーカルレンズシステムとして連帯的に機能し得る。焦点１５０６が、第１の走査ミラー１５２２と楕円体リフレクタ１５１０の反射面との間に存在するように、レンズ１５０２の形状および位置は選択される。定義により、焦点１５０６は、スポットサイズが最小になる場所を表すことを想起されたい。１５０６から、光源の投射先である楕円体ミラー上の位置までの距離は、Ｆ２（１５１２）と表される。走査ミラー１５２２の出力もコリメートされるように、第２の走査ミラーに入射する光ビームがコリメートされることが望ましい。よって、入力ビーム１５００および集束素子１５０２の特性により特定される焦点１５０６の最適位置は、楕円体リフレクタ１５１０からの反射点における楕円体リフレクタ１５１０の形状および曲率により定義される楕円１５５０に対応する楕円体の有効焦点距離Ｆ２と、距離１５１２が等しいという要件に順応するように、設定され得る。

【0086】

角度α、１５１６は、第１の走査ミラー１５２２のオフセットチルトである。第１の走査ミラー１５２２上でチルトが変化されると、入射角（ＡＯＩ）１５０４も変化することに留意されたい。これは、システムを使用するための要件を構築するものではないが、後で説明される幾何学的要件から、入力光の軌跡を切り離すことにより、システムを組み込むことを希望する実践者の自由度が増す。楕円体投射１５５０の中心１５２６から、楕円体リフレクタ１５１０の反射面の部分の中心までの距離は、オフセット１５０８で表される。

【0087】

点光源が扁長楕円球面の２つの焦点のうちの１つに配置されている場合には、光は全て収差なしで第２の焦点に到達し、全ての光線の総光路長は等しくなる。従って、原則として、第２の走査ミラー１５２４が楕円体の第２の焦点に配置されている限り、光ビームは、いずれの角度からでも第１の走査ミラー１５２２に向けられることができ、第２の走査ミラー１５２４で反射する。

【0088】

ビーム入力角度に影響を与えるより重要な要素は、出力ビームの走査パターンが対応するフィールドの特性を最適化したいという要望から生じる。これは、光学系の介在なしで、光線で作動する理想的な２つのミラー走査システムの動作を考慮することにより、理解されよう。このようなシステムでは、第１のミラーの様々なチルト角で反射される光線の蓄積により、本明細書で光線ファンと称される様々な角度の反射光線集合が生じる。このファン内の全ての光線が同じ平面上にあることが望ましい。この光線ファンは次いで、ファン内の全ての光線に対応できる十分な広さの第２のミラーに入射する。この第２のミラーが、第１のミラーに直交する方向に走査されると、結果得られる２Ｄ出力ファンは、中央光線に垂直な平面に投射されると、走査行が直線的で水平である走査パターンを形成するという特性がある。第１のミラーから発される光線ファンの各要素の入射面は、第２のミラーに入射する時には、Ｘミラーが与える走査角度の大きさにより特定される範囲まで、回転される。これにより、Ｘ方向にのみ小さな糸巻き型収差が生じ、これは、図１６では、長方形の境界で示される正確な直線パターンからの偏位として見える。この収差は、各Ｙ位置のＸミラー走査の振幅を調節することにより、またはＬａｄａｒシステム内のレーザパルスタイミングを調節することにより、簡単に調整され得る。

【0089】

第１の走査ミラー１５２２からの光線ファンが、楕円体リフレクタ１５１０の内側反射面に衝突し、第２の走査ミラー１５２４へ反射される事例を検討する。例示的な一実施形態では、走査器が前述の理想的なミラー対と同様の望ましい様式で作動するためには、楕円体リフレクタ１５１０からの反射後、第２の走査ミラー１５２４の中心に集束する光線ファンが、全て同一平面上に存在する必要がある。これは、ファンの中心光線の交点が、第２の走査ミラー１５２４の真上にある場合にのみ、生じ得る。

【0090】

図１７は、図１５に示された構成の３次元図を例示し、光線ファンの幾何学的配置に焦点を当てる。図１７では、図１５の様々な要素が再びラベル付けされ（１５００、１５０２、１５２２、１５２４、１５１０、１５１４）、３Ｄ楕円体は、ここではワイヤメッシュ１７００として描画される。図１７では、１７０４（環境情景に提示される結像平面）、１７０６（第２の走査ミラー１５２４からのファンビーム）、１７０８（楕円体リフレクタ１５１０により反射されるファンビーム）、以上のラベルも追加される。図１７は、ファンビーム１７０８を包含する平面１７０２も示す。任意の幾何学的配置の事例では、楕円体リフレクタ１５１０から第２の走査ミラー１５２４へ反射されるビームは、平面ではないファンビーム１７０８であることに留意することが有用である。

【0091】

例示的な一実施形態では、このファンビーム１７０８を平面にするために、第１の走査ミラー１５２２からの反射角に関して要件が課される。この角度は、同一平面角度としてＣＰＡ（図１５の１５１４を参照）と略される。ＣＰＡは、楕円体の対称軸と、第２の走査ミラー１５２４の中心を通る垂線および楕円体の交点との間の中心角である。ＣＰＡは、下記の式（図１５の１５２８に表示）を使用して、楕円体１５５０を定義する役割を果たすＡおよびＣの値から計算され得る。

【数16】

その後の設計におけるトレードを支援するために、チルト角αの任意のオフセットが、第１の走査ミラー１５２２に追加され得る。次いで、図１５の１５２８に示され、便宜上再作成されたＣＰＡの修正式が取得される。

【数17】

ＣＰＡ１５２８は、もはや数学的に正確ではないが（第１の式では任意のオフセットチルト角の追加が含まれていないため）、とはいえ実際の使用には十分な近似値であることに留意されたい。

【0092】

光は、第２の走査ミラー１５２４から反射された後、ＥＣＲと相互作用しないことから、オフセット角は第２の走査ミラー１５２４に付加され、性能を損なうことなく走査空間からの退出することが促進され得ることに留意されたい。

【0093】

コリメートされた入力１５００と、コリメートされた出射ビームとの比は（図１５）、比率Ｍ＝Ｆ２／Ｆ１で算出される。これは、カスケード光学システムに提供されるレンズ方程式の結果である。実際には、実践者は、この比率をほぼ１にして、両走査ミラー１５２２および１５２４を同等のサイズに維持することを所望し得る。

【0094】

図１６および図１７は、ＣＰＡの制約が、有用なＥＣＲの構築にどのように影響を与え得るかを示す。図１６は、確実にＣＰＡの制約がある状態でＥＣＲが構築され使用されることに注意を払わなかった場合のＸ角およびＹ角がそれぞれ２４度×２０度の（光学）走査から得られるフィールドの一例を示す。図１６は、Ｙ走査線とＸ走査線の両方で強い曲率を示しているため、このパターンを直線座標系と一致させることは難しく、特に、カメラの位置とパッシブ光学系との相互照準合わせに問題があることに留意されたい。図１８は、１５２８に従って動作するように制約されたＥＣＲによりもたらされた同じ走査フィールドを示す。図１６とは対照的に、走査行（一定のＹ角）は直線であり、Ｘ方向に沿った糸巻き型収差は、光学系が介在しない理想的なシステム（しかし再結像されず従って小型ではない）で見られる収差と、同等である。このパターンでは、第２の（垂直）走査角の収差は、α＝０の時に数学的に消滅することに留意されたい。第１の（水平）走査方向の残留収差には、１Ｄ糸巻き型収差と同様のわずかなオーバースキャンが含まれており、後処理で簡単に補正される。

【0095】

図１９は、例示的な一実施形態で取得することができる簡潔なフォームファクタ小型化を示す。側面から見た２つの走査ミラーには、１００ｕｍオーダの公称ビームウエストに極めて適したミリメートルの目盛りが密集されている。この例示的な一実施形態における第１のミラー走査の方向は、平面外、すなわち観察者に向かっているが、第２のミラーは、結像自体を含む平面内を走査することを想起されたい。簡潔および明瞭にするために、図１９ではラベルが省略されるが、ＣＰＡ角、走査ミラー入力光線および出力光線、入力光線ビーム源および入力レンズ、並びに楕円体リフレクタは表示される。このミラーの３Ｄ性質は、図１９にも表示される。

【0096】

本発明は、その例示的な実施形態に関連して上記に説明されてきたが、本発明の範囲内に依然として収まる様々な変更が、本発明に加えられてもよい。本発明に対するこのような変更は、本明細書の教示を検討することで、認識することができよう。例えば、リサージュ走査パターンは、フィールド反転および誘導された周期的位相ドリフトにより向上され得る走査パターンの主要例として開示されているが、スパイラル走査パターンも同様に向上され得ることを理解されたい。このようなパターンは、多くの場合、振幅がゆっくりと変調される減衰リサージュパターンとして実施される。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図10C】

【図10D】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【手続補正書】

【提出日】2023-03-17

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源と、
前記光源からの光を走査領域に走査する楕円体共役リフレクタ（ＥＣＲ）アセンブリと、
を備えるＬａｄａｒ走査システムであって、
前記ＥＣＲアセンブリは、第１のミラーと第２のミラーと第３のミラーとを備え、前記第３のミラーは、中空の楕円体の断面として形成される反射面を有し、前記中空の楕円体は、対称軸の周りで回転対称であり、前記中空の楕円体は、前記対称軸を含む面内の楕円を定義し、前記楕円は、前記対称軸上にある第１の焦点および第２の焦点を示し、
前記第１のミラーは、前記第１の焦点にある中央領域を有し、前記第１のミラーは、第１のミラー回転軸の周りで回転可能であり、前記第１のミラー回転軸は、前記第１の焦点を通り、
前記第２のミラーは、前記第２の焦点にある中央領域を有し、前記第２のミラーは、第２のミラー回転軸の周りで回転可能であり、前記第２のミラー回転軸は、前記第２の焦点を通り、
前記第１および第２のミラーがそれぞれ前記第１および第２のミラー回転軸の周りで回転することに応答して、前記第１および第２のミラー回転軸は、前記ＥＣＲアセンブリによって前記光源からの光を前記走査領域内の異なる方位角および仰角で走査するように配置され、
前記第３のミラーの前記反射面は、オフセット楕円体再結像器として配置されるので、前記第３のミラーの前記反射面は、（１）前記対称軸に垂直な線と交差し、前記第２の焦点を通過する前記中空の楕円体の位置に中心が置かれ、（２）前記第１のミラー回転軸に垂直な面内の前記中空の楕円体の一部に沿って延在し、（３）前記第１のミラーから走査された入射光を受信する、
システム。

【請求項2】

前記光源は、前記第１のミラーが前記第１のミラー回転軸の周りで回転するとき、光を前記第１のミラーに送信するように配置され、（１）前記第１のミラーに入射する前記光源からの前記光は、前記第１のミラーによって走査され、前記第３のミラーの前記反射面に入射する第１の光線ファンを生成し、（２）前記第１の光線ファン内の走査された光は、前記第３のミラーの前記反射面から前記第２のミラーに第２の光線ファンとして反射され、（３）前記第２のミラーが前記第２のミラー回転軸の周りで回転するとき、前記第２のミラーに入射する前記第２の光線ファン内の走査された光は、前記第２のミラーによって反射され走査され、
前記第１の光線ファンは、互いに同一平面上にある光線によって定義され、
前記第２の光線ファンは、互いに同一平面上にある光線によって定義される、
請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記ＥＣＲアセンブリは、実質的に直線の走査パターンに従って、前記走査領域内の異なる方位角および仰角で走査する、
請求項１または２に記載のシステム。

【請求項4】

前記第１および第２のミラー回転軸は、互いに垂直である、
請求項１から３のいずれかに記載のシステム。

【請求項5】

前記第１のミラー回転軸は、前記楕円がある面にあり、
前記第２のミラー回転軸は、前記楕円がある面に垂直である、
請求項１から４のいずれかに記載のシステム。

【請求項6】

前記楕円は、長軸および短軸を有し、前記対称軸は、前記楕円の長軸である、
請求項１から５のいずれかに記載のシステム。

【請求項7】

前記第１および第２のミラーの一方は、共振周波数で走査し、
前記第１および第２のミラーの他方は、ステップ走査される、
請求項１から６のいずれかに記載のシステム。

【請求項8】

前記システムは、プロセッサをさらに備え、前記プロセッサは、前記光源からのＬａｄｅｒパルスショットで標的化するための、前記走査領域内の測距点の部分集合の知的な選択に基づいて、前記システムのためのショットリストを定義するように構成され、
前記第１および第２のミラーが走査するとき、前記Ｌａｄｅｒパルスショットは、前記第１のミラーから前記第３のミラーまでおよび前記第３のミラーから前記第２のミラーまでの反射を介して前記測距点に標的化される、
請求項１から７のいずれかに記載のシステム。

【請求項9】

前記第１のミラーは、前記楕円がある面内の前記対称軸に対するオフセットチルト角αを示す反射面を有し、
前記第１のミラー回転軸もまた、前記楕円がある面内の前記対称軸に対する前記オフセットチルト角αで傾斜する、
請求項１から８のいずれかに記載のシステム。

【請求項10】

オフセット角は、前記第２のミラーに付加され、走査された光が前記ＥＣＲアセンブリから退出することを促進する、
請求項１から９のいずれかに記載のシステム。

【請求項11】

前記システムは、光学的に前記光源と前記第１のミラーとの間に配置されるレンズをさらに備え、前記レンズは、前記光源からの光を前記第１のミラーに集束する、
請求項１から１０のいずれかに記載のシステム。

【請求項12】

前記第１および第２のミラーは、並列構成で配置される、
請求項１から１１のいずれかに記載のシステム。

【請求項13】

前記第１および第２のミラーは、サイズが等しい、
請求項１から１２のいずれかに記載のシステム。

【請求項14】

前記第１および第２のミラーは、ＭＥＭＳミラーを含む、
請求項１から１３のいずれかに記載のシステム。

【請求項15】

前記システムは、Ｌａｄａｒ受信機をさらに備え、前記Ｌａｄａｒ受信機は、（１）前記走査領域内の物体から走査された光の反射を受信し、（２）受信した反射を処理し、前記物体までの距離を特定し、
前記ＥＣＲアセンブリは、前記Ｌａｄａｒ受信機からオフセットされるので、前記ＥＣＲアセンブリから前記物体までの走査された光の光路および前記物体から前記Ｌａｄａｒ受信機までの反射の光路は、異なる光路である、
請求項１から１４のいずれかに記載のシステム。

【請求項16】

前記システムは、光学フィールドスプリッタ／インバータをさらに備え、前記光学フィールドスプリッタ／インバータは、前記第１および第２のミラーの光学的下流に配置され、前記走査領域を分割し反転する、
請求項１から１５のいずれかに記載のシステム。

【外国語明細書】