JP2022535710A - 光学スイッチングを有するスキャニングライダー - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2019年5月21日に出願された米国仮特許出願第62/850,573号明細書の利益を主張するものであり、この特許出願の開示は、参照によりその全体が本明細書に援用される。
システムが検出するべき最小分解能Stと同程度に小さいターゲットサイズを仮定することにより、このターゲット物体からの反射信号は、以下の式によって与えられる。
最悪のシナリオでは、ターゲット物体からの反射信号は、トランスミッタユニットに向かってドームの半分にわたって均等に分散され、従って、レシーバ内の収集レンズは、ターゲット物体から以下のパワーの量を収集する。
上述のパラメータのそれぞれに値を挿入することにより、以下の式が得られる。
この信号レベルは、アバランシェフォトダイオード又は類似の光学検出器などの高感度フォトダイオードによって明瞭に検出することができる。
Claims (45)
- レーザーと、前記レーザーからレーザーパルスを受信するように構成された第1の光学スイッチとを含むトランスミッタと、
前記第1の光学スイッチの複数の出力の異なる1つにそれぞれ結合された第1の複数のファイバと、
前記第1の複数のファイバの少なくとも1つから前記レーザーパルスを受信し、視野の少なくとも一部を照射するために前記レーザーパルスをリダイレクトするように構成された第1の少なくとも1つの光学要素と、
第2の光学スイッチ及び少なくとも1つの検出器を含むレシーバと、
前記第2の光学スイッチの異なる入力にそれぞれ結合された第2の複数のファイバであって、前記第2の光学スイッチの出力は、前記少なくとも1つの検出器に結合される、第2の複数のファイバと、
前記視野から反射された前記レーザーパルスを受信し、受信された反射パルスを前記第2の複数のファイバの少なくとも1つにリダイレクトするように構成された第2の少なくとも1つの光学要素と、
前記レーザーパルスを前記第1の光学スイッチの入力から前記複数の出力のそれぞれに導くように前記第1の光学スイッチを制御し、前記第2の複数のファイバのそれぞれからの光を前記第2の光学スイッチの前記出力に導くように前記第2の光学スイッチを制御し、前記視野を表すデータを生成するために前記少なくとも1つの検出器からの信号を処理するように構成された少なくとも1つのコントローラと、
を含むスキャニングライダーシステム。 - 前記第1の光学スイッチ及び前記第2の光学スイッチは、それぞれ、前記入力から前記複数の出力の1つに、又は、前記複数の出力から前記入力に、光をスイッチングすることに関する可動部分を有さない、請求項1に記載のシステム。
- 前記第1及び第2の光学スイッチの少なくとも1つは、ファラデー回転子を含む、請求項1又は2に記載のシステム。
- 前記第1及び第2の光学スイッチの少なくとも1つは、光磁気スイッチを含む、請求項1~3のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つのコントローラは、前記第1の光学スイッチを制御するように構成された第1のマイクロプロセッサベースのコントローラと、前記第1のコントローラと通信し、前記第2の光学スイッチを制御するように構成された第2のマイクロプロセッサベースのコントローラと、を含む、請求項1~4のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記レーザーは、900ナノメートル(nm)~1700ナノメートル(nm)の波長を有するパルスを生成するように構成されたファイバレーザーを含む、請求項1~5のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記レーザーは、1550ナノメートル(nm)の公称波長を有するパルスを生成するように構成される、請求項1~6のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つの第1の光学要素は、楕円形断面を有する出力ビームを形成するように構成された非球面レンズを含む、請求項1~7のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つの第1の光学要素は、第1の軸に垂直な第2の軸に沿った角度発散の少なくとも20倍の前記第1の軸に沿った角度発散を有する出力ビームを形成するように成形される、請求項8に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つの第1の光学要素は、複数の光学要素を含み、前記複数の光学要素のそれぞれは、前記第1の複数のファイバの1つに関連付けられる、請求項8又は9に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つの第2の光学要素は、ビーム成形レンズの上流に配置された収集レンズを含み、前記ビーム成形レンズは、楕円形断面を有するビームを形成するように構成される、請求項1~10のいずれか一項に記載のシステム。
- 楕円形断面を有する前記ビームは、第2の軸に垂直な第1の軸に沿った角度発散の少なくとも20倍の前記第2の軸に沿った前記角度発散を有する、請求項11に記載のシステム。
- 前記第1の複数のファイバの出力は、第1の線形アレイ状に配置され、前記第2の複数のファイバの入力は、前記第1の線形アレイに直交する第2の線形アレイ状に配置される、請求項1~12のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つの検出器は、アバランシェフォトダイオードを含む、請求項1~13のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つの検出器は、並行して動作するように構成された複数の検出器を含む、請求項14に記載のシステム。
- 前記レーザーは、偏光されたパルスを送信するように構成され、前記検出器は、異なる偏光角を有する受信光を検出するようにそれぞれ構成された複数の検出器を含む、請求項1~15のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つのコントローラは、前記視野を表す偏光度又は偏光角データを生成するために前記複数の検出器からの信号を処理する、請求項16に記載のシステム。
- 前記第1の少なくとも1つの光学要素及び前記第2の少なくとも1つの光学要素は、前記少なくとも1つのコントローラ及び偏光位相マスクによって制御される偏向回転子をそれぞれ含む、請求項16に記載のシステム。
- 前記第1の少なくとも1つの光学要素及び前記第2の少なくとも1つの光学要素は、第1の直線偏光器、ファラデー回転子、半波リターダ位相マスク及び第2の直線偏光器をそれぞれ含む、請求項16に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つのコントローラは、100Hzで前記データをリフレッシュするように前記レーザー並びに前記第1及び第2の光学スイッチを動作させるように更に構成される、請求項1~19のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記トランスミッタ、前記レシーバ及び前記少なくとも1つのコントローラを収容するハウジングと、前記ハウジングの外側に配置され、前記第1の少なくとも1つの光学要素及び前記第2の少なくとも1つの光学要素を収容する少なくとも1つの光学ヘッドとを更に含み、前記第1の複数のファイバ及び前記第2の複数のファイバは、前記第1のハウジングと前記光学ヘッドとの間に延在する、請求項1~20のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記ハウジングは、関連付けられたファイバ束によってそれぞれ結合されている、複数の遠隔に配置された光学ヘッドのそれぞれに関連付けられたトランスミッタ及びレシーバを収容する、請求項21に記載のシステム。
- 請求項21又は22に記載のライダーシステムを含む車両。
- 前記光学ヘッドの少なくとも1つを回転させるように構成されたアクチュエータを更に含む、請求項23に記載の車両。
- レーザーパルスを生成するステップと、
視野を照射するために、第1の線形アレイ状に構成された第1の複数のファイバのそれぞれに前記レーザーパルスを光学的にスイッチングするステップと、
前記視野内で前記レーザーパルスを照射した物体から反射された光を、第2の線形アレイ状に構成された第2の複数のファイバに導くステップと、
前記第2の複数のファイバからの光を、前記光を少なくとも1つの検出器に導くために光学的にスイッチングするステップと、
前記視野を表すデータを生成するために前記検出器からの信号を処理するステップと、
を含む方法。 - レーザーパルスを生成するステップは、900nm~1700nmの出力波長を有するファイバレーザーを使用してレーザーパルスを生成するステップを含む、請求項25に記載の方法。
- 前記レーザーパルスを光学的にスイッチングするステップ及び前記第2の複数のファイバからの前記光を光学的にスイッチングするステップの少なくとも1つは、光磁気スイッチを制御するステップを含む、請求項25又は26に記載の方法。
- 第1の軸に垂直な第2の軸に沿った角度発散よりも少なくとも20倍大きい前記第1の軸に沿った角度発散を有する楕円形断面を有するパルス化ビームを形成するように、前記第1の複数のファイバから出力された前記レーザーパルスを成形するステップを更に含む、請求項25~27のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ファイバの第1の線形アレイは、前記ファイバの第2の線形アレイと直交して配置される、請求項25~28のいずれか一項に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの検出器は、1つのみの検出器であり、前記第2の複数のファイバからの前記光を光学的にスイッチングするステップは、前記検出器に結合された単一のファイバに前記光を光学的にスイッチングするステップを含む、請求項25~29のいずれか一項に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの検出器は、複数の検出器を含み、前記第2の複数のファイバからの前記光を光学的にスイッチングするステップは、ファイバの異なるグループからの光を、並行して動作する異なる検出器に光学的にスイッチングするステップを含む、請求項25~29のいずれか一項に記載の方法。
- 前記視野を照射する前記レーザーパルスを偏光させるステップと、
前記レーザーパルスを照射した前記物体から反射された前記光の偏光を検出するステップと、
前記物体から反射された前記光の前記偏光を検出することに基づいて、前記視野を表す偏光データを生成するステップと、
を更に含む、請求項25~31のいずれか一項に記載の方法。 - 前記第2の複数のファイバの選択された1つから検出される光強度を、前記選択されたファイバに隣接するファイバからの光強度に対して増大させるために、前記レーザーパルスの偏光を変更するステップを更に含む、請求項32に記載の方法。
- レーザービームを生成するステップと、
視野を照射するための送信レーザービームを生成するために、第1の方向に沿って前記レーザービームをスキャンするステップと、
少なくとも1つの検出器に提供される受信ビームを形成するために、前記第1の方向に直交する第2の方向に沿って、前記視野内で前記送信レーザービームを照射した物体から反射された光を導くステップと、
ピクセルの2次元アレイを生成するために前記少なくとも1つの検出器からの信号を処理するステップと、
前記送信レーザービームと、前記少なくとも1つの検出器に提供される前記受信ビームとの偏光を同期して変更することにより、選択されたピクセル内の強度プロファイルを、前記選択されたピクセル内において連続的な方式でピーク強度を移動させるように変更するステップと、
を含む方法。 - 前記レーザービームを生成するステップは、パルス化レーザービームを生成するステップを含む、請求項34に記載の方法。
- 前記強度プロファイルを変更するステップは、
ファラデー回転子及び位相マスクを通して、前記生成されたレーザービーム又は前記送信レーザービームを導くステップと、
前記送信レーザービームの前記偏光を変更するように前記ファラデー回転子を制御するステップと、
を含む、請求項34又は35に記載の方法。 - 前記強度プロファイルを変更するステップは、第2のファラデー回転子及び第2の位相マスクを通して前記受信ビームを導くステップを含み、前記第2のファラデー回転子は、前記第1のファラデー回転子と同期して制御される、請求項36に記載の方法。
- 前記位相マスクは、渦リターダを含む、請求項34~36のいずれか一項に記載の方法。
- 前記レーザービームをスキャンするステップは、第1の線形アレイ状に構成された複数のトランスミッタファイバを順次照射するように光を導くために前記レーザービームを光学的にスイッチングするステップを含む、請求項34に記載の方法。
- 前記物体から反射された光を導くステップは、前記物体から反射された前記光を、前記第1の線形アレイに対して直交して配置された第2の線形アレイ状に構成された複数のレシーバファイバに導くステップを含む、請求項39に記載の方法。
- レーザービームを生成するように構成されたレーザーと、
第1の半波リターダ位相マスクの上流に配置された第1のファラデー回転子であって、前記第1のファラデー回転子及び前記第1の位相マスクは、偏光制御信号に応答して出力ビームの偏光を選択的に変更する、第1のファラデー回転子と、
前記出力ビームを受信し、視野を照射するために第1の方向に沿って前記出力ビームをスキャンするために、送信スキャン制御信号に応答して複数の出力の1つに前記出力ビームを選択的にリダイレクトするように構成された第1の光磁気スイッチと、
前記第1の方向に直交する第2の方向に沿って、前記視野から反射された光を収集するように構成された少なくとも1つの光学要素と、
前記視野から反射された前記光を前記第2の方向に沿ってスキャンするために、受信スキャン制御信号に応答して複数の入力のそれぞれからの光を出力に選択的にリダイレクトするように構成された第2の光磁気スイッチと、
前記第2の光磁気スイッチの前記出力から光を受信するように配置され、第2の半波リターダ位相マスクの上流に配置された第2のファラデー回転子であって、前記第2のファラデー回転子及び前記第2の位相マスクは、前記偏光制御信号に応答して前記受信光の偏光を選択的に変更する、第2のファラデー回転子と、
前記第2の位相マスクから光を受信するように配置された少なくとも1つの検出器と、
前記第1及び第2の光磁気スイッチを制御するために前記送信及び受信スキャン信号を生成し、ピクセルの2次元アレイを生成するために前記少なくとも1つの検出器からの信号を処理し、前記送信レーザービームと、前記少なくとも1つの検出器に提供される前記受信光との偏光を変更するように前記第1及び第2のファラデー回転子を同期して制御するために前記偏光制御信号を生成することにより、選択されたピクセル内の強度プロファイルを、前記選択されたピクセル内においてピーク強度を移動させるように変更するように構成された少なくとも1つのコントローラと、
を含むシステム。 - レーザーと、複数のスプリッタ出力間で前記レーザーからの出力を分割するように構成された光学スプリッタとを含む中央モジュールと、
前記複数のスプリッタ出力の異なる1つにそれぞれ結合された第1の複数の接続ファイバと、
前記第1の複数の接続ファイバの1つによって前記中央モジュールにそれぞれ結合された複数の光学ヘッドであって、それぞれの光学ヘッドは、
前記第1の複数の接続ファイバの関連付けられた1つに結合された入力を有する第1の光学スイッチと、
前記第1の光学スイッチの関連付けられた出力に結合され、第1の方向に沿った線形アレイ状に構成された出力を有する複数の送信ファイバと、
前記複数の送信ファイバの少なくとも1つからレーザーパルスを受信し、視野の少なくとも一部を照射するために前記レーザーパルスをリダイレクトするように構成された少なくとも1つのトランスミッタ光学要素と、
第2の光学スイッチと、
前記第2の光学スイッチの異なる入力にそれぞれ結合された複数のレシーバファイバであって、前記第2の光学スイッチの出力は、少なくとも1つの検出器に結合される、複数のレシーバファイバと、
前記視野から反射された前記レーザーパルスを受信し、且つ受信された反射パルスを前記レシーバファイバの少なくとも1つにリダイレクトするように構成された少なくとも1つのレシーバ光学要素と、
を含む複数の光学ヘッドと、
前記第1の光学スイッチ及び前記第2の光学スイッチを制御し、前記視野を表すデータを生成するために前記少なくとも1つの検出器からの信号を処理するように構成された少なくとも1つのコントローラと、を含み、
前記少なくとも1つのコントローラ及び前記少なくとも1つの検出器は、前記中央モジュール又は前記光学ヘッドのいずれかの中に配設される、スキャニングライダーシステム。 - 中央モジュール内でレーザーパルスを生成するステップと、
複数の遠隔に配置された光学ヘッドのそれぞれに前記レーザーパルスを供給するために、前記中央モジュール内で前記レーザーパルスを分割するステップと、
遠隔に配置された複数の光学ヘッドのそれぞれにおいて、
視野を照射するために、第1の線形アレイ状に構成された第1の複数のファイバのそれぞれに前記レーザーパルスを光学的にスイッチングするステップと、
前記視野内で前記レーザーパルスを照射した物体から反射された光を、第2の線形アレイ状に構成された第2の複数のファイバに導くステップと、
前記第2の複数のファイバからの光を、前記光を少なくとも1つの検出器に導くために光学的にスイッチングするステップと、
前記視野を表すデータを生成するために前記検出器からの信号を処理するステップと、
を含む方法。 - パルス化レーザーと、第1の光磁気スイッチと、複数の光学スプリッタと、を含む中央モジュールであって、前記光磁気スイッチは、前記複数の光学スプリッタの1つにレーザー出力をスイッチングするように構成され、前記複数の光学スプリッタのそれぞれは、複数のスプリッタ出力間で前記レーザーからのパルスを分割するように構成される、中央モジュールと、
前記複数の光学スプリッタのそれぞれの各出力に結合された複数の接続ファイバと、
前記中央モジュールに対して遠隔に配置され、前記複数のスプリッタ出力に関連付けられた前記複数の接続ファイバの1つによって前記中央モジュールにそれぞれ結合された複数の光学ヘッドであって、それぞれの光学ヘッドは、
前記複数のファイバスプリッタのそれぞれに結合され、第1の方向に沿って線形アレイ状に構成された出力を有する複数の送信ファイバと、
前記複数の送信ファイバの少なくとも1つからレーザーパルスを受信し、視野の少なくとも一部を照射するために前記レーザーパルスをリダイレクトするように構成された少なくとも1つのトランスミッタ光学要素と、
第2の光磁気スイッチと、
前記第2の光磁気スイッチの異なる入力にそれぞれ結合された複数のレシーバファイバであって、前記第2の光磁気スイッチの出力は、少なくとも1つの検出器に結合される、複数のレシーバファイバと、
前記視野から反射された前記レーザーパルスを受信し、受信された反射パルスを前記レシーバファイバの少なくとも1つにリダイレクトするように構成された少なくとも1つのレシーバ光学要素と、
を含む、複数の光学ヘッドと、
前記第1の光磁気スイッチ及び前記第2の光磁気スイッチを制御し、前記視野を表すデータを生成するために前記少なくとも1つの検出器からの信号を処理するように構成された少なくとも1つのコントローラと、を含み、
前記少なくとも1つのコントローラ及び前記少なくとも1つの検出器は、前記中央モジュール又は前記光学ヘッドのいずれかの中に配設される、スキャニングライダーシステム。 - 中央モジュール内でレーザーパルスを生成するステップと、
前記中央モジュール内で複数のファイバスプリッタのそれぞれに前記レーザーパルスを光学的にスイッチングするステップと、
前記中央モジュールに対して遠隔に配置された複数の光学ヘッドのそれぞれに各レーザーパルスを供給するために、それぞれのファイバスプリッタによって前記レーザーパルスを分割するステップと、
前記複数の光学ヘッドのそれぞれにおいて、
視野を照射するために、第1の線形アレイ状に構成された複数の送信ファイバのそれぞれに前記複数のファイバスプリッタから前記レーザーパルスを導くステップと、
前記視野内で前記レーザーパルスを照射した物体から反射された光を、前記第1の線形アレイに直交して配置された第2の線形アレイ状に構成された複数のレシーバファイバに導くステップと、
前記レシーバファイバからの光を、前記光を少なくとも1つの検出器に導くために光学的にスイッチングするステップと、
前記視野を表すデータを生成するために前記検出器からの信号を処理するステップと、
を含む方法。
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