特許 7281214 ライダシステムを２次元的に走査するための方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-05-17

(45)【発行日】2023-05-25

(54)【発明の名称】ライダシステムを２次元的に走査するための方法

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/481 20060101AFI20230518BHJP

   G01S 17/89 20200101ALI20230518BHJP

   G01S 17/42 20060101ALI20230518BHJP

【ＦＩ】

G01S7/481 Z

G01S17/89

G01S17/42

【請求項の数】 6

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2021017320

(22)【出願日】2021-02-05

(62)【分割の表示】P 2020522035の分割

【原出願日】2018-10-11

(65)【公開番号】P2021073468

(43)【公開日】2021-05-13

【審査請求日】2021-10-08

(31)【優先権主張番号】62/574,549

(32)【優先日】2017-10-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】15/971,548

(32)【優先日】2018-05-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】518379544

【氏名又は名称】セプトン テクノロジーズ，インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100137969

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 憲昭

(74)【代理人】

【識別番号】100104824

【弁理士】

【氏名又は名称】穐場 仁

(74)【代理人】

【識別番号】100121463

【弁理士】

【氏名又は名称】矢口 哲也

(72)【発明者】

【氏名】ペイ，ジュン

(72)【発明者】

【氏名】マッコード，マーク エー．

(72)【発明者】

【氏名】キュランバー，ロジャー デイヴィッド

(72)【発明者】

【氏名】クイ，ユペン

(72)【発明者】

【氏名】リャオ，トンイ

【審査官】佐藤 宙子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－１４１２６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１５５５４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０５３１３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－７４３２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０２０－５２６７５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第５５２９２７７（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ ７／４８－ ７／５１

Ｇ０１Ｓ １７／００－１７／９５

Ｇ０１Ｃ ３／００－ ３／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ライダシステムを用いる３次元画像化方法であって、前記方法は、
前記ライダシステムを第１の周波数で第１の方向に、かつ、第２の周波数で前記第１の方向に直交する第２の方向に走査することであって、前記ライダシステムは、１つ以上のレーザ源および１つ以上の検出器を備える電気光学アセンブリを含み、前記検出器の各々は前記レーザ源の各々に対応し、前記第１の方向および前記第２の方向における前記ライダシステムの走査は、前記レーザ源の各々により、それぞれのサブ視野にわたって射出されるレーザビームを走査し、前記第２の周波数は、前記レーザ源の各々の軌跡がリサージュパターンに従うように前記第１の周波数とは異なり、前記ライダシステムの前記走査が、前記ライダシステムの光軸に略垂直な平面内で、前記電気光学アセンブリを前記第１の方向及び前記第２の方向に平行移動させることを含み、前記１つ以上のレーザ源および前記１つ以上の検出器が前記電気光学アセンブリに固定されている、ことと、
前記ライダシステムが前記第１の方向および前記第２の方向に走査されるときに、前記１つ以上のレーザ源の各々を用いて、複数のレーザパルスを射出することと、
前記１つ以上の検出器の各々を用いて、１つ以上のオブジェクトから反射される前記複数のレーザパルスのうちの各々のレーザパルスの一部分を検出することと、
プロセッサを用いて、前記レーザパルスの各々の射出から検出までの飛行時間を決定し、前記レーザ源の各々からの前記複数のレーザパルスの前記飛行時間に基づいて前記１つ以上のオブジェクトの点クラウドを取得することと
を含む、ライダシステムを用いる３次元画像化方法。

【請求項2】

前記第２の周波数と前記第１の周波数との間の差に等しいフレームレートで前記点クラウドを出力することをさらに含み、それにより、前記レーザ源の各々の前記軌跡が、各フレームにおいて完全なリサージュ走査パターンを完成させる、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第２の周波数と前記第１の周波数との間の差の１／２に等しいフレームレートで前記点クラウドを出力することをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

フレームレートで前記点クラウドを出力することをさらに含み、前記第２の周波数と前記第１の周波数との間の差は、前記フレームレートの倍数に等しい、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記電気光学アセンブリは、屈曲アセンブリを介して固定枠に柔軟に結合され、前記電気光学アセンブリを平行移動させることは、前記屈曲アセンブリを介して行われる、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記屈曲アセンブリは、前記第１の方向において第１の共振周波数を有し、前記第２の方向において第２の共振周波数を有し、
前記第１の周波数は、前記第１の共振周波数に実質的に等しく、前記第２の周波数は、前記第２の共振周波数に実質的に等しい、請求項５に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
[0001]本出願は、２０１８年５月４日に提出された「ライダシステムを２次元的に走査するための方法および装置」と題する米国通常特許出願第１５／９７１，５４８号明細書、および２０１７年１０月１９日に提出された「３次元システムを走査しかつ動作させるための方法」と題する米国暫定特許出願第６２／５７４，５４９号明細書の出願の利益を主張するものであり、上記出願の内容は、参照によりその全体が開示に含まれる。

【背景技術】

【0002】

[0002]３次元センサは、自律型車両、ドローン、ロボット工学、セキュリティといったアプリケーションに適用可能である。ＬＩＤＡＲセンサの走査は、こうしたアプリケーションに適する高い角度分解能を手頃なコストで実現し得る。しかしながら、改良された走査装置および方法が必要とされている。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0003】

[0003]本発明の幾つかの実施形態によれば、走査ライダシステムは、固定枠と、第１のプラットフォームと、第１の電気光学アセンブリとを含み得る。第１の電気光学アセンブリは、第１のレーザ源と、第１のプラットフォーム上へ搭載される第１の光検出器とを含み得る。走査ライダシステムは、第１のプラットフォームを固定枠へ柔軟に結合する第１の屈曲アセンブリと、ライダシステムの光軸に略垂直な平面において、第１のプラットフォームを固定枠に対して２次元的に走査するように構成される駆動機構とをさらに含み得る。走査ライダシステムは、駆動機構へ結合されるコントローラをさらに含み得る。コントローラは、駆動機構に第１のプラットフォームを第１の周波数で第１の方向へ、かつ第２の周波数で第２の方向へ走査させるように構成され得る。第２の周波数は、第１の周波数に類似するものであるが、同一ではない。実施形態によっては、第１の周波数と第２の周波数との比は、有理数である。他の幾つかの実施形態では、第１の周波数と第２の周波数との比は、無理数である。

【0004】

[0004]本発明の他の幾つかの実施形態によれば、二次元走査ライダシステムを動作させるための共振器構造体は、固定枠と、走査ライダシステムの第１の電気光学アセンブリを担持するための第１のプラットフォームとを含んでもよい。第１の電気光学アセンブリは、第１のレーザ源と、第１の光検出器とを含んでもよい。共振器構造体は、第１のプラットフォームを固定枠へ柔軟に結合する第１のばねセットをさらに含んでもよい。第１のばねセットは、第１のプラットフォームを走査ライダシステムの光軸に略垂直な平面において直交する２方向へ走査するために、直交する２方向へ屈曲されるように構成されてもよい。第１のばねセットは、直交する２方向のうちの第１の方向に第１の共振周波数を有し、かつ直交する２方向のうちの第２の方向に第２の共振周波数を有してもよい。第２の共振周波数は、第１の共振周波数に類似しているが、異なるものである。実施形態によっては、第１のばねセットは、４つの棒ばねを含み、４つの棒ばねは各々、第１のプラットフォームのそれぞれの角を固定枠へ連結する。実施形態によっては、４つの棒ばねは各々、柔軟部材を介して第１のプラットフォームへ連結されてもよい。柔軟部材は、第１の方向より第２の方向でより硬くてもよい。他の幾つかの実施形態において、第１のばねセットの各ばねは、板ばねを含んでもよい。板ばねは、回旋状であってもよい。実施形態によっては、共振器構造体は、第２のプラットフォームと、第２のプラットフォームを固定枠へ柔軟に結合する第２のばねセットとをさらに含んでもよい。第２のばねセットは、第２のプラットフォームを直交する２方向へ走査するために、直交する２方向へ屈曲されるように構成されてもよい。第２のプラットフォームの運動方向は、第１のプラットフォームの運動方向とは反対であってもよい。実施形態によっては、第２のプラットフォームは、走査ライダシステムの第２の電気光学アセンブリを担持してもよい。第２の電気光学アセンブリは、第２のレーザ源と、第２の光検出器とを含んでもよい。

【0005】

[0005]本発明のさらなる幾つかの実施形態によれば、走査ライダシステムを用いる３次元画像化方法は、ライダシステムの電気光学アセンブリを、ライダシステムの光軸に略垂直な平面において２次元的に走査することを含んでもよい。電気光学アセンブリは、第１のレーザと、第１の光検出器とを含んでもよい。電気光学アセンブリを走査することは、電気光学アセンブリを第１の周波数で第１の方向へ走査することと、電気光学アセンブリを第２の周波数で第１の方向に略直交する第２の方向へ走査すること、を含んでもよい。第２の周波数は、第１の周波数に類似するものであるが、同一ではない。本方法は、第１のレーザ源を用いて、電気光学アセンブリが２次元的に走査されるとき複数の位置で複数のレーザパルスを射出することと、第１の光検出器を用いて、１つまたは複数のオブジェクトで反射される複数のレーザパルスの個々のレーザパルスの一部分を検出することと、プロセッサを用いて、個々のレーザパルスの射出からそれぞれのレーザパルスの一部分の検出までの飛行時間を決定することと、決定された飛行時間に基づいて、１つまたは複数のオブジェクトの３次元画像を構築することとをさらに含んでもよい。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】本発明の幾つかの実施形態による、３次元画像化のためのライダセンサを示す略図である。

【図2A】部分的に完成したリサージュパターンを示す。

【図2B】完成したリサージュパターンを示す。

【図3A】本発明の幾つかの実施形態による、ライダシステムを走査するための屈曲機構を示す略図である。

【図3B】本発明の幾つかの実施形態による、ライダシステムを走査するための屈曲機構を示す略図である。

【図4A】本発明の他の幾つかの実施形態による、ライダシステムを走査するための屈曲機構を示す略図である。

【図4B】本発明の他の幾つかの実施形態による、ライダシステムを走査するための屈曲機構を示す略図である。

【図5】本発明のさらなる幾つかの実施形態による、ライダシステムを走査するための屈曲機構を示す略図である。

【図6】本発明の幾つかの実施形態による、２次元走査ライダシステムを示す略図である。

【図7】本発明の他の幾つかの実施形態による、２次元走査ライダシステムを示す略図である。

【図8】本発明のさらなる幾つかの実施形態による、２次元走査ライダシステムを示す略図である。

【図9】本発明の幾つかの実施形態による、２次元走査ライダシステム９００を示す斜視図である。

【図10】本発明の幾つかの実施形態による、２次元走査ライダシステム９００を示す平面図である。

【図11】本発明の幾つかの実施形態による、図９および図１０に示すライダシステムにおいて使用され得る屈曲構造体を示す平面図である。

【図12】本発明の幾つかの実施形態による、走査ライダシステムを用いる３次元画像化方法１２００を略示するフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0007】

[0017]本発明は、概して、３次元画像化のためのライダシステムに関する。より具体的には、本発明は、ライダシステムを２次元的に走査するための方法および装置に関する。単に例示として、本発明の実施形態は、水平方向および垂直方向の双方の走査が高速であって、２つの方向の走査周波数が類似しているものの同一ではない、走査装置および走査方法を提供する。

【0008】

[0018]図１は、本発明の幾つかの実施形態による、３次元画像化のためのライダセンサ１００を示す略図である。ライダセンサ１００は、共に固定式である射出レンズ１３０と、受光レンズ１４０とを含む。ライダセンサ１００は、射出レンズ１３０の後焦点面内に略配置されるレーザ源１１０ａを含む。レーザ源１１０ａは、射出レンズ１３０の後焦点面におけるそれぞれの射出場所からレーザパルス１２０を射出するように動作可能である。射出レンズ１３０は、レーザパルス１２０をコリメートしてライダセンサ１００の前に位置決めされるオブジェクト１５０へ向かって方向づけるように構成される。レーザ源１１０ａの所与の射出場所について、コリメートされたレーザパルス１２０’は、オブジェクト１５０へ向かって相応の角度で方向づけられる。

【0009】

[0019]レーザパルス１２０の一部分１２２は、オブジェクト１５０で反射されて受光レンズ１４０へ向かう。受光レンズ１４０は、オブジェクト１５０で反射されるレーザパルス１２０の一部分１２２を、受光レンズ１４０の焦点面における対応する検出位置上へ集束させるように構成される。ライダセンサ１００は、受光レンズ１４０の焦点面に略配置される光検出器１６０ａをさらに含む。光検出器１６０ａは、オブジェクトで反射されるレーザパルス１２０の一部分１２２を対応する検出位置で受信しかつ検出するように構成される。光検出器１６０ａの対応する検出位置は、レーザ源１１０ａのそれぞれの射出場所と共役である。

【0010】

[0020]レーザパルス１２０の持続時間は、短くてもよく、たとえば、１００ｎｓのパルス幅であってもよい。ライダセンサ１００は、レーザ源１１０ａおよび光検出器１６０ａへ結合されるプロセッサ１９０をさらに含む。プロセッサ１９０は、レーザパルス１２０の射出から検出までの飛行時間（ＴＯＦ）を決定するように構成される。レーザパルス１２０は、光速で進むことから、ライダセンサ１００とオブジェクト１５０との距離は、決定される飛行時間に基づいて決定されてもよい。

【0011】

[0021]幾つかの実施形態によれば、レーザ源１１０ａは、射出レンズ１３０の後焦点面における複数の射出場所までラスタ走査されてもよく、かつこれらの複数の射出場所で複数のレーザパルスを射出するように構成される。それぞれの射出場所で射出される各レーザパルスは、射出レンズ１３０によりコリメートされてそれぞれの角度でオブジェクト１５０へ向かって方向づけられ、オブジェクト１５０の表面上の対応する点で入射する。こうして、レーザ源１１０ａが射出レンズ１３０の後焦点面における所定の領域内でラスタ走査されるとき、オブジェクト１５０上の対応するオブジェクト領域が走査される。光検出器１６０ａは、受光レンズ１４０の焦点面における複数の対応する検出位置までラスタ走査される。光検出器１６０ａの走査は、レーザ源１１０ａの走査と同期的に実行され、よって、光検出器１６０ａおよびレーザ源１１０ａは、常に、所与の時間において互いと共役である。

【0012】

[0022]それぞれの射出場所で射出される各レーザパルスの飛行時間を決定することにより、ライダセンサ１００からオブジェクト１５０の表面上の対応する各点までの距離が決定されてもよい。実施形態によっては、プロセッサ１９０は、各射出場所におけるレーザ源１１０ａの位置を検出するポジションエンコーダと結合される。射出場所に基づいて、コリメートされるレーザパルス１２０’の角度が決定されてもよい。オブジェクト１５０の表面上の対応する点のＸ－Ｙ座標は、ライダセンサ１００に対する角度および距離に基づいて決定されてもよい。したがって、オブジェクト１５０の３次元画像は、ライダセンサ１００からオブジェクト１５０の表面上の様々な点までの測定された距離に基づいて構築されてもよい。実施形態によっては、３次元画像は、点クラウドとして、すなわち、オブジェクト１５０の表面上の点のＸ、ＹおよびＺ座標の集合として表されてもよい。

【0013】

[0023]実施形態によっては、検出器の飽和を防止し、目の安全性を高め、または全体的な電力消費を低減するために、戻りレーザパルスの強度が測定され、かつ同じ射出点からの後続のレーザパルスの出力を調整するために使用される。レーザパルスの出力は、レーザパルスの持続時間、レーザに印加される電圧または電流、またはレーザに給電するために使用されるキャパシタに蓄積される電荷を変えることによって変えられてもよい。電荷を変える場合、キャパシタに蓄えられる電荷は、キャパシタへの充電時間、充電電圧または充電電流を変えることによって変えられてもよい。実施形態によっては、強度は、画像に別の次元を追加するために使用されてもよい。たとえば、画像は、Ｘ、ＹおよびＺ座標だけでなく、反射率（または明るさ）を含んでもよい。

【0014】

[0024]ライダセンサ１００の画角（ＡＦＯＶ）は、次式のように、レーザ源１１０ａの走査範囲および射出レンズ１３０の焦点距離に基づいて推定されてもよい。

【数1】

ここで、ｈは、所定の方向に沿ったレーザ源１１０ａの走査範囲であり、ｆは、射出レンズ１３０の焦点距離である。所与の走査範囲ｈに対しては、焦点距離が短いほどＡＦＯＶが広くなる。所与の焦点距離ｆに対しては、走査範囲が大きいほどＡＦＯＶが広くなる。実施形態によっては、ライダセンサ１００は、射出レンズ１３０の後焦点面にアレイとして配置される複数のレーザ源を含んでもよく、よって、個々のレーザ源の走査範囲を比較的小さく保ちながら、より大きい総ＡＦＯＶが達成されてもよい。したがって、ライダセンサ１００は、受光レンズ１４０の焦点面にアレイとして配置される複数の光検出器を含んでもよく、各光検出器は、それぞれのレーザ源と共役である。たとえば、ライダセンサ１００は、図１に示すように、第２のレーザ源１１０ｂと、第２の光検出器１６０ｂとを含んでもよい。他の実施形態では、ライダセンサ１００は、４つのレーザ源および４つの光検出器、または８つのレーザ源および８つの光検出器を含んでもよい。ある実施形態において、ライダセンサ１００は、４ｘ２アレイとして配置される８つのレーザ源と、４ｘ２アレイとして配置される８つの光検出器とを含んでもよく、よって、ライダセンサ１００は、水平方向に、垂直方向におけるそのＡＦＯＶより広いＡＦＯＶを有してもよい。様々な実施形態によれば、ライダセンサ１００の総ＡＦＯＶは、射出レンズの焦点距離、各レーザ源の走査範囲およびレーザ源の数に依存して、約５度～約１５度、または約１５度～約４５度、または約４５度～約９０度の範囲であってもよい。

【0015】

[0025]レーザ源１１０ａは、紫外線、可視光線または近赤外線の波長範囲のレーザパルスを射出するように構成されてもよい。各レーザパルスのエネルギーは、マイクロジュール級であってもよく、通常これは、ＫＨｚ範囲の反復率で目に安全であるとされている。約１５００ｎｍを超える波長で動作するレーザ源の場合、こうした波長に目の焦点が合わないことから、エネルギーレベルが高くなる可能性もある。光検出器１６０ａは、シリコン・アバランシェフォトダイオード、光電子増倍管、ＰＩＮダイオードまたは他の半導体センサを備えてもよい。

【0016】

[0026]ライダセンサ１００の角度分解能は、実質上回折限界であり得、これは、次式のように推定され得る。
θ＝１．２２λ／Ｄ
ここで、λは、レーザパルスの波長であり、Ｄは、レンズ開口の直径である。角度分解能は、レーザ源１１０ａの射出領域の大きさ、およびレンズ１３０および１４０の収差にも依存し得る。様々な実施形態によれば、ライダセンサ１００の角度分解能は、レンズの種類に応じて約１ｍｒａｄ～約２０ｍｒａｄ（約０．０５度～１．０度）の範囲であってもよい。

【0017】

[0027]先に述べたように、ライダシステムにおけるレーザ源および光検出器は、所定の視野内にオブジェクトの３次元画像を形成するために、ライダシステムの光軸に略垂直な平面内で２次元的にラスタ走査されてもよい。従来、２次元走査は、一方向での比較的高速である走査（たとえば、ライン走査）と、直交方向での遙かに低速である走査（たとえば、スイープ走査またはフレーム走査）とを組み合わせて用いることにより実現され得る。説明の便宜上、本明細書では、高速走査を水平走査と称し、低速走査を垂直走査と称することがある。このような走査方法には、自律型車両に適用される場合、所定の欠点があり得る。たとえば、低速方向での走査周波数は、道路上の隆起に遭遇する頻度に対応し得るが、これは、ライダシステムによる３次元画像化の位置精度に影響を与えることがある。

【0018】

[0028]本発明の実施形態は、水平方向および垂直方向の双方の走査が高速であって、２つの方向の走査周波数が類似しているものの同一ではない、走査装置および走査方法を提供する。結果として生じるレーザ源または光検出器の軌跡は、リサージュパターン（リサージュ曲線またはリサージュ図形としても知られる）によって特徴付けられ得る。数学的には、リサージュ曲線は、パラメトリック方程式、
ｘ＝Ａｓｉｎ（ａｔ＋δ），ｙ＝Ｂｓｉｎ（ｂｔ）
のグラフであり、ここで、ａおよびｂは、それぞれｘ方向（たとえば、水平方向）およびｙ方向（たとえば、垂直方向）の周波数であり、ｔは、時間であり、δは、位相差である。

【0019】

[0029]図２Ａは、部分的に完成したリサージュパターンを示す。図２Ｂは、完成したリサージュパターンを示す。パターンの外観は、比ａ／ｂおよび位相差δに感応し得る。直交する２方向の周波数ａおよびｂを、互いに類似するものの、明確に異なるように選択することにより、リサージュパターンは、両方向に多くの「ローブ」を呈し得る。リサージュパターンは、比ａ／ｂが有理数である場合にのみ閉じられ得る。比ａ／ｂおよび位相差δは、共に、レーザ源または光検出器の軌跡が視野を一様にカバーし得るように選択することが効果的であり得る。

【0020】

[0030]フレームレートは、２つの周波数ａおよびｂの差に関連づけられ得る。実施形態によっては、走査周波数ａおよびｂは、所望されるフレームレートに基づいて選択されてもよい。たとえば、毎秒１０フレームのフレームレートが所望される場合、水平方向に２００Ｈｚおよび垂直方向に２１０Ｈｚの周波数が選択されてもよい。この例では、リサージュパターンが正確に１フレーム毎に反復されてもよい。２つの周波数ａおよびｂをフレームレートより大幅に大きくなるように選び、かつ位相差δを正しく選択することにより、視野の比較的一様かつ密なカバー範囲が実現され得る。

【0021】

[0031]他の幾つかの実施形態では、リサージュパターンが反復しないことを所望される場合、異なる周波数比または無理数の周波数比が選ばれてもよい。たとえば、２つの方向における走査周波数ａおよびｂは、それぞれ２００Ｈｚおよび２１０．１Ｈｚであるように選ばれてもよい。この例において、フレームレートが１秒当たり１０フレームであれば、リサージュパターンは、フレーム毎に反復しないことがある。別の例として、走査周波数ａおよびｂは、比ａ／ｂが無理数になるように、それぞれ２０１Ｈｚおよび２１１Ｈｚであるように選ばれてもよい。この例では、リサージュパターンも１フレーム毎にシフトする。事例によっては、レーザ源または光検出器の後続フレームからの軌跡が先のフレームからの軌跡の間隙を埋め、これにより、効果的には、より密なカバー範囲の視野を有し得るという理由で、リサージュパターンを１フレーム毎に反復させないようにすることが望ましい場合がある。

【0022】

[0032]実施形態によっては、所望されるフレームレートの倍数である周波数分離も使用され得る。たとえば、２つの方向における走査周波数ａおよびｂは、それぞれ２００Ｈｚおよび２２０Ｈｚであるように選ばれてもよい。この場合は、たとえば、フレーム１０Ｈｚまたは２０Ｈｚのいずれかが使用されてもよい。

【0023】

[0033]先に述べたようなライダシステムの２次元走査は、直交する２方向に曲げることができる屈曲部を用いて実装されてもよい。図３Ａおよび図３Ｂは、本発明の幾つかの実施形態による、ライダシステムを走査するための屈曲機構を示す略図である。外枠３１０は、２つの固定取付け点３０２ａおよび３０２ｂへ、第１の４つの板ばねセット３１２ａ～３１２ｄを介して取り付けられてもよい。取付け点３０２ａおよび３０２ｂは、固定枠へ取り付けられてもよく、かつ空間に固定される。外枠３１０は、ライダシステムの電気光学アセンブリを担持してもよく、これは、図１に関連して先に述べたように、１つまたは複数のレーザ源と、１つまたは複数の光検出器とを含んでもよい。

【0024】

[0034]第１の板ばねセット３１２ａ～３１２ｄは、各々、外枠３１０（および延ては、外枠３１０により担持される電気光学アセンブリ）を固定取付け点３０２ａおよび３０２ｂに対して水平および垂直に平行移動させるように、左右および上下に屈曲されてもよい。たとえば、図３Ａは、（矢印が示すように）外枠３１０が固定取付け点３０２ａおよび３０２ｂに対して左へ平行移動されることを示し、一方で図３Ｂは、（矢印が示すように）外枠３１０が固定取付け点３０２ａおよび３０２ｂに対して下へ平行移動されることを示している。実施形態によっては、第１の４つの板ばねセット３１２ａ～３１２ｄは、各々、構成をコンパクトにするために、図３Ａおよび３Ｂに示すように回旋状であってもよい。

【0025】

[0035]実施形態によっては、内枠３２０は、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、２つの固定取付け点３０２ａおよび３０２ｂへ、第２の４つの板ばねセット３２２ａ～３２２ｄを介して取り付けられてもよい。第１の４つの板ばねセット３１２ａ～３１２ｄと同様に、第２の板ばねセット３２２ａ～３２２ｄは、各々、内枠３２０を固定取付け点３０２ａおよび３０２ｂに対して水平および垂直に平行移動させるように、左右および上下に屈曲されてもよい。

【0026】

[0036]実際には、ライダシステムの電気光学アセンブリを水平および垂直にラスタ走査するために、外枠３１０および内枠３２０は、その共振周波数またはその付近で振動させてもよい。板ばね３１２ａ～３１２ｄおよび３２２ａ～３２２ｄの形状を正しく選択することにより、僅かに異なる共振周波数が水平方向および垂直方向に達成され得る。外枠３１０および内枠３２０は、音叉の２つのプロングがすることと同様に、反対方向へ、すなわち１８０度逆位相で動いてもよい。外枠３１０の重量および内枠３２０の重量が適正に平衡している場合、両者による反対の動きは、普通なら外部マウントへ伝達されると思われる振動を打ち消し得る。振動を最小限に抑えることに加えて、これは、システムの共振品質係数Ｑを高め、よって電力要件を低減し得る。

【0027】

[0037]実施形態によっては、内枠３２０は、カウンタウェイトを担持してもよい。あるいは、内枠３２０は、ライダシステムの電気光学アセンブリを担持してもよく、かつ外枠３１０がカウンタウェイトを担持してもよい。他の幾つかの実施形態では、内枠３２０は、１つまたは複数のレーザ源および１つまたは複数の光検出器を含むライダシステムの第２の電気光学アセンブリを担持してもよい。さらなる幾つかの実施形態では、内枠３２０は、ばね３１２ａ～３１２ｄおよび３２２ａ～３２２ｄを屈曲させるための機械的駆動を提供するボイス・コイル・モータ（ＶＣＭ）の磁石またはコイルを担持してもよい。

【0028】

[0038]図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の他の幾つかの実施形態による、ライダシステムを走査するための共振器構造体を示す略図である。枠４１０は、その両側で１対の屈曲部４２０ａおよび４２０ｂへ取り付けられ得る。枠４１０は、ライダシステムの電気光学アセンブリを担持してもよい。明確を期して、図４Ａおよび図４Ｂには、カウンタバランス枠および関連する屈曲部セットを示していない。

【0029】

[0039]屈曲部対４２０ａおよび４２０ｂは、各々、ばね材料のプレートを切断することによって製造されてもよい。図４Ａおよび図４Ｂに示すような回旋形状は、ばね部材の有効長さを増加させるために使用されてもよい。屈曲部対４２０ａおよび４２０ｂの各々の一端は、固定取付け点４３０ａ～４３０ｄへ取り付けられてもよい。屈曲部対４２０ａおよび４２０ｂは、それぞれ図４Ａおよび図４Ｂの矢印が示すように、枠４１０を水平および垂直に平行移動させるように水平方向および垂直方向の双方へ屈曲されてもよい。実際には、ライダシステムの電気光学アセンブリを水平および垂直にラスタ走査するために、枠４１０は、その共振周波数またはその付近で水平方向および垂直方向の双方へ振動させてもよい。

【0030】

[0040]図５は、本発明のさらなる幾つかの実施形態による、ライダシステムを走査するための共振器構造体を略示している。枠５１０は、固定ベース５２０へ、４つの棒ばね５３０ａ～５３０ｄのセットによって取り付けられてもよい。枠５１０は、ライダシステムの電気光学アセンブリを担持してもよい。明確を期して、図５には、カウンタバランス枠および関連する棒ばねセットを示していない。

【0031】

[0041]棒ばね５３０ａ～５３０ｄは、ミュージックワイヤなどのばね鋼で製造されてもよい。棒ばね５３０ａ～５３０ｄは、水平方向と垂直方向とで僅かに異なる共振周波数を有するように製造されてもよい。実施形態によっては、これは、棒ばね５３０ａ～５３０ｄを、垂直方向より水平方向に堅くする、またはその逆にすることによって達成されてもよい。他の幾つかの実施形態では、これは、棒ばね５３０ａ～５３０ｄを、その一部分または全長に渡って長方形または楕円形の断面を有するように製造することにより達成されてもよい。断面が楕円形のばねを用いると、断面が長方形のばねよりも角における応力を低減し得る。あるいは、各棒ばね５３０ａ～５３０ｄは、応力を低減するために角を丸めた長方形の断面を有してもよい。さらなる幾つかの実施形態では、枠５１０は、取り付けが一方向において他よりも堅く、よって棒ばねの断面が対称性である場合でも共振周波数の差が誘発されるように、溝５４０Ａおよび５４０Ｂなどの特徴部を含んでもよい。あるいは、このような取付け特徴部は、固定ベース５２０にも組み込まれてもよい。

【0032】

[0042]図４Ａ～４Ｂまたは図５に例示する共振器構造体のライダシステムにおける実装には、多くの変形例が可能である。たとえば、ライダシステムは、各々が１つまたは複数のレーザ源と１つまたは複数の光検出器とを有する２つの電気光学アセンブリを有してもよい。２つの電気光学アセンブリは、２つの別々の枠上へ取り付けられてもよい。２つの枠へ結合される共振器構造体は、２つの枠を反対方向へ動かすように構成されてもよい。

【0033】

[0043]実施形態によっては、ボイス・コイル・モータ（ＶＣＭ）は、単一の枠または双方の枠を駆動するように配置されてもよい。２つの共振器間の自然結合は、１つの枠しか駆動されない場合でも、双方がおおよそ等しい振幅で振動し得ることを保証し得る。ボイス・コイル・モータは、可動コイル設計または可動磁石設計を有してもよい。実施形態によっては、一方の枠上にコイルが取り付けられてもよく、他方の枠上に磁石が取り付けられてもよい。カウンタウェイトまたはＶＣＭの共振器の剛性は、一方の枠の運動量が他方の枠の運動量を略相殺するように、対応する振幅減少に伴って増大されてもよい。

【0034】

[0044]様々な実施形態によれば、直交する２つの軸に沿った運動用に別々のＶＣＭが使用されても、双方の軸に沿った運動の駆動装置を組み合わせる単一のＶＣＭが使用されてもよい。後者の場合は、単一のＶＣＭが２軸用に双方の周波数で駆動されるものの、枠は、主として個々の方向へそれぞれの共振周波数で動くことを保証するために、高Ｑの共振構造体が使用されてもよい。駆動機構としては、ＶＣＭに代えて、圧電トランスデューサまたは他の線形アクチュエータも使用されてもよい。

【0035】

[0045]図６は、本発明の幾つかの実施形態による、リサージュ走査機構を備える２次元走査ライダシステム６００を略示している。ライダシステム６００は、固定枠６１０と、固定枠６１０へ第１の屈曲部セット６７０ａおよび６７０ｂを介して可動式に取り付けられる第１のプラットフォーム６２０と、固定枠６１０へ第２の屈曲部セット６８０ａおよび６８０ｂを介して可動式に取り付けられる第２のプラットフォーム６３０とを含んでもよい。固定枠６１０上には、射出レンズ６１２および受光レンズ６１４が搭載される。ライダシステム６００は、１つまたは複数のレーザ源６４０と１つまたは複数の光検出器６５０とを含み得る電気光学アセンブリを含む。１つまたは複数のレーザ源６４０および１つまたは複数の光検出器６５０は、１つまたは複数のレーザ源６４０の射出面が射出レンズ６１２の焦点面内に略存在し、かつ１つまたは複数の光検出器６５０の検出面が受光レンズ６１４の焦点面内に略存在するように、第１のプラットフォーム上へ搭載される。

【0036】

[0046]第１の屈曲部セット６７０ａおよび６７０ｂは、第１のプラットフォーム６２０を固定枠６１０に対して左右に、かつページ内外へ動かすように構成されてもよい。１対のコイル６６０ａおよび６６０ｂと磁石６６２を備えるボイス・コイル・モータ（ＶＣＭ）は、第１のプラットフォーム６２０と第２のプラットフォーム６３０との間に搭載されてもよい。実施形態によっては、図６に示すように、磁石６６２は、第１のプラットフォーム６２０へ搭載されてもよく、コイル対６６０ａおよび６６０ｂは、第２のプラットフォーム６３０上へ搭載されてもよい。ＶＣＭは、第１のプラットフォーム６２０を左または右に動かし、かつ第２のプラットフォーム６３０を反対方向へ動かすように構成されてもよい。第２のプラットフォーム６３０は、第１のプラットフォーム６２０に対するカウンタウェイトとして機能してもよく、よって、第２のプラットフォーム６３０の運動量は、第１のプラットフォーム６２０の運動量を略相殺し得る。他の幾つかの実施形態では、コイル対６６０ａおよび６６０ｂと磁石６６２との位置決めが逆にされてもよく、すなわち、コイル対６６０ａおよび６６０ｂが第１のプラットフォーム６２０上へ搭載されてもよく、かつ磁石６６２が第２のプラットフォーム６３０上へ搭載されてもよい。第２のＶＣＭ（不図示）は、第１のプラットフォーム６２０および第２のプラットフォーム６３０をページの内外へ動かすために使用されてもよい。

【0037】

[0047]図７は、本発明の他の幾つかの実施形態による、リサージュ走査機構を備える２次元走査ライダシステム７００を略示している。ライダシステム７００は、図６に示したライダシステム６００に類似するものである。しかしながら、この場合、ＶＣＭは、固定枠６１０と第２のプラットフォーム６３０との間に搭載され、コイル対６６０ａおよび６６０ｂが固定枠上へ搭載され、かつ磁石６６２が第２のプラットフォーム６３０上へ搭載されている。ＶＣＭは、カウンタウェイトを担持し得る第２のプラットフォーム６３０を左または右へ動かすように構成される。電気光学アセンブリを担持する第１のプラットフォーム６２０は、第１のプラットフォームの共振周波数が第２のプラットフォーム６３０のそれと一致する場合、第２のプラットフォーム６３０の反対方向へ共振し得る。第２のコイルセットおよび第２の磁石（不図示）は、第２のプラットフォーム６３０をページの内外へ動かすために使用されてもよい。

【0038】

[0048]図８は、本発明のさらなる幾つかの実施形態による、リサージュ走査機構を備える２次元走査ライダシステム８００を略示している。ライダシステム８００は、図７に示したライダシステム７００に類似するものである。しかしながら、この場合は、コイル対６６０ａおよび６６０ｂと磁石６６２との位置決めが逆転されている。すなわち、コイル対６６０ａおよび６６０ｂが第２のプラットフォーム６３０上へ搭載され、かつ磁石６６２が固定枠６１０上へ搭載されている。

【0039】

[0049]図９および図１０は、各々、本発明の幾つかの実施形態による、２次元走査ライダシステム９００を示す斜視図および平面図である。ライダシステム９００は、固定ベース９１０へ取り付けられる射出レンズ９１２および受光レンズ９１４と、ライダシステム９００の電気光学アセンブリを担持し得る第１の枠９２０と、カウンタウェイトを担持し得る第２の枠９３０とを含む。第１の屈曲部セット９７０は、第１の枠９２０を固定ベース９１０へ、第１のフレキシブルヒンジセット９７２を介して柔軟に結合してもよい。第２の屈曲部セット９８０は、第２の枠９３０を固定ベース９１０へ、第２のフレキシブルヒンジセット９８２を介して柔軟に結合してもよい。第１のフレキシブルヒンジセット９７２および第２のフレキシブルヒンジセット９８２は、各々、Ｘ方向（たとえば、水平方向）よりもＹ方向（たとえば、垂直方向）においてより堅くなり得るように、リボンの形態であってもよい。

【0040】

[0050]図１１は、本発明の幾つかの実施形態による、図９および図１０に示すライダシステム９００において使用され得る屈曲構造体を示す平面図である。図示しているように、屈曲構造体は、固定ベース９１０を含む。固定ベース９１０は、固定外枠（図９および図１０には示していない）へ連結するための１つまたは複数の取付け穴９１２を含んでもよい。屈曲構造体は、第１の屈曲部セット９７０をさらに含んでもよい。第１の屈曲部９７０の各々の一端は、固定ベース９１０へ連結されてもよく、一方で、第１の屈曲部９７０の各々の他端は、図９および図１０に示すようなライダシステム９００の電気光学アセンブリを担持する第１の枠９２０へ連結するための取付け穴９７２を有してもよい。屈曲構造体は、第２の屈曲部セット９８０をさらに含む。第２の屈曲部９８０の各々の一端は、固定ベース９１０へ連結されてもよく、一方で、第２の屈曲部９８０の各々の他端は、カウンタウェイトを担持する第２の枠９３０へ連結するための取付け穴９８２を有してもよい。

【0041】

[0051]図１２は、本発明の幾つかの実施形態による、走査ライダシステムを用いる３次元画像化方法１２００を略示するフローチャートである。方法１２００は、１２０２において、ライダシステムの光軸に略垂直な平面においてライダシステムの電気光学アセンブリを２次元的に走査することを含んでもよい。電気光学アセンブリは、第１のレーザと、第１の光検出器とを含んでもよい。電気光学アセンブリを走査することは、電気光学アセンブリを第１の周波数で第１の方向へ走査することと、電気光学アセンブリを第２の周波数で第１の方向に略直交する第２の方向へ走査すること、を含んでもよい。第２の周波数は、第１の周波数に類似するものであるが、同一ではない。

【0042】

[0052]方法１２００は、１２０４において、電気光学アセンブリが２次元走査されるとき、第１のレーザ源を用いて複数の位置で複数のレーザパルスを射出することと、１２０６において、第１の光検出器を用いて、１つまたは複数のオブジェクトから反射される複数のレーザパルスのうちの個々のレーザパルスの一部分を検出することとをさらに含んでもよい。方法１２００は、１２０８において、プロセッサを用いて、個々のレーザパルスの射出からそれぞれのレーザパルスの一部分の検出までの飛行時間を決定することと、１２１０において、決定された飛行時間に基づいて、１つまたは複数のオブジェクトの３次元画像を構築することとをさらに含んでもよい。

【0043】

[0053]図１２に示す特定のステップが、本発明の幾つかの実施形態による走査ライダシステムを用いる特定の３次元画像化方法を提供していることが、認識されるべきである。代替実施形態に従って、他のステップ順序も実行され得る。たとえば、本発明の代替実施形態は、これまでに概説したステップを異なる順序で実行してもよい。さらに、図１２に例示する個々のステップは、個々のステップに適合するものとして様々なシーケンスで実行され得る複数のサブステップを含んでもよい。さらに、特定のアプリケーションに依存して、追加のステップが加えられても、取り除かれてもよい。当業者には、多くの変形、改変および代替案が認識されるであろう。

【0044】

[0054]また、本明細書に記載している例および実施形態が単に例示を目的とするものであること、および、これに照らした様々な改変または変更が当業者に示唆され、かつ本出願の精神および範囲、および添付の特許請求の範囲に含まれることも、理解される。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】