JP2019537845A - レーザ走査方法及びレーザ走査装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、レーザ走査方法及びレーザ走査装置（２００）に関する。レーザ走査方法において、各サイクル内の複数の期間に互いに重ならない複数の波長を具備する定期的な輸入レーザ信号を生成するステップ（Ｓ１０１）と、前記輸入レーザ信号の重ならない複数の波長のそれぞれを、空間に分離した複数出力チャンネルに対応する出力チャンネルにカップリングするステップ（Ｓ１０３）と、各出力チャンネルからの光を互いに異なる出射角度で出射するステップ（Ｓ１０５）を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ走査分野に関し、特に、レーザ走査方法及びレーザ走査装置に関する。

レーザレーダーの走査は、レーザによる走査、測距、測位などに使用され、例えば、自動運転、ロボットナビゲーション、ポジショニング、３Ｄモデル構築、障害物検出、ヒューマンインタラクションなどのシーンに広く使用されています。従来のレーザービーム走査技術は、主に機械走査、ＭＥＭＳ （Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ）マイクロミラー走査、電気光学走査および音響光学走査などを含む。

従来の機械的走査は、モータによって光学ミラーの移動を駆動してレーザビームの方向を制御することによって走査の目的を達成し、大口径、広角度の走査を達成でき、且つ、ミラーは非常に高いレーザパワーに耐えることができる。

しかしながら、従来の機械走査は、走査周波数が低く、数百ヘルツレベルを突破することは困難であり、ビーム指向精度は低く、高速、高精度のレーザー走査の応用要求を満たすことは困難である。 ＭＥＭＳ走査型マイクロミラーとは、半導体プロセスを用いて製造されたＭＥＭＳシステムであり、当該ＭＥＭＳマイクロミラーは、キロヘルツ以上の走査周波数を達成でき、指向精度も非常に高いである。しかしながら、ＭＥＭＳのミラーサイズが小さいため、許容できるレーザパワーが限られており、高いパワーのレーザビーム走査の要求を満たすことは困難である。電気光学走査は、媒体の屈折率が電場の作用下で変化するという効果を利用して、ビーム指向の制御を達成することにより、非常に高い走査周波数（ＭＨｚ以上）を達成することができる。しかしながら、電気走査の走査範囲は限られ、一般にはメガラド（ｍｒａｄ）レベルであり、大規模レーザー走査の応用を満たすことが難しい。音響光学走査は音響光学回折効果を利用してビーム指向の制御を達成し、大角度、ＭＨｚ以上の走査周波数を達成することもできるが、音響光学スキャニングの回折効果は、ビームに対して複数のレベルの回折効果をもたらし、レーザーエネルギー損失を非常に大きくしてしまう。

上記問題を解決するために、本発明は、レーザ走査方法及びレーザ走査装置を提供する。

本発明の実施例は、レーザ走査方法を提供し、レーザ走査方法において、各サイクル内の複数の期間に互いに重ならない複数の波長を具備する定期的な輸入レーザ信号を生成するステップと、前記輸入レーザ信号の重ならない複数の波長のそれぞれを、空間に分離した複数出力チャンネルに対応する出力チャンネルにカップリングするステップと、各出力チャンネルからの光を互いに異なる出射角度で出射するステップを含む。

いくつかの実施例では、各出力チャンネルからの光を互いに異なる出射角度で出射するステップでは、一つ又は複数の光学レンズによって各出力チャンネルからの光を互いに異なる出射角度で出射することを含む。
いくつかの実施例では、複数出力チャンネルのそれぞれは、互いに平行していない。
いくつかの実施例では、複数の出力チャネルの出力端に配置された複数のレンズを用いて出射光をコリメートする。

本発明の他の実施例は、レーザ走査装置を提供し、レーザ走査装置において、各サイクル内の複数の期間に互いに重ならない複数の波長を具備する定期的な輸入レーザ信号を生成する定期レーザ生成手段と、前記輸入レーザ信号の重ならない複数の波長のそれぞれを、空間に分離した複数出力チャンネルに対応する出力チャンネルにカップリングし、各出力チャンネルからの光を互いに異なる出射角度で出射する逆多重化手段を含む。
いくつかの実施例では、前記逆多重化手段は、一つ又は複数の光学レンズによって各出力チャンネルからの光を互いに異なる出射角度で出射する部分を含む。
いくつかの実施例では、複数出力チャンネルのそれぞれは、互いに平行していない。
いくつかの実施例では、レーザ走査装置は、出射光をコリメートするように、複数の出力チャネルの出力端に配置された複数のレンズを更に含む。

本発明の実施例は、前記説明した従来技術でのいくつかの欠点を解決でき、波長を空間的に分離する手段を採用することにより、高速、広角度、ハイパワーのレーザ走査レーダを提供することができる。

本発明は、開示された内容のさらなる理解を容易にするために図面が提供された。図面は、本出願の一部を構成したが、発明の構想を具体化させる本発明のいくつかの非限定的な例を示したものだけであり、本発明を限定することを意図するものではない。
本発明のいくつかの実施例によるレーザ走査方法のフローチャートである。 本発明のいくつかの実施形態によるレーザ走査装置の概略図である。 本発明のいくつかの実施形態によるほかのレーザ走査装置の概略図である。 本発明のいくつかの実施形態によるもう一つのレーザ走査装置の概略図である。

本明細書の例示的な実施例の様々な態様については、当業者によって他の当業者へ仕事の本質を伝えるために一般的に使用される用語を使用して以下に説明される。しかしながら、当業者にとって明らかなように、記載した様々な態様のうちのいくつかのみを使用して候補の実施形態を実施することができる。解釈する目的を考慮して、本明細書は、例示的な実施形態をより理解しやすくするように、特定な数値、材料、および構成を説明した。しかしながら、当業者にとって明らかなように、特定な詳細を省略した場合でも本明細書の候補の実施形態を実施することができる。他の場合には、本明細書の実施形態を理解しやすくするように、よく知られている特徴を省略または単純化することがある。

さらに、本明細書では、例示的な実施例を理解するのに最も役立つ方法で、さまざまな動作が複数の個別の動作として説明されている。しかしながら、説明した順序は、そのような動作が説明された順序に依存しなければならないことを意図すると見なされるべきではない。特に、説明した順序でこれらの動作を実行する必要はない。

当業者は、第１、第２などの用語が本明細書で様々な要素を説明するために用いることが可能であるが、これらの要素はこのような用語によって限定されないことを理解することができる。これらの用語はただ、要素を互いに区別するために使用されている。例えば、本発明の範囲から逸脱することなく、第１の要素を第２の要素と呼んでもよく、同様に第２の要素を第１の要素と呼んでもよい。 本明細書で使用されたように、「および／または」という用語は、関連付けた、列挙された項目のうちの１つまたは複数のいずれかまたは全ての組合せを含む。当業者は、用語「含む」および／または「具備する」は、本明細書で使用されるとき、列挙された特徴、整体、ステップ、動作、要素、および／または部材の存在を意味することを意図しているが、一つ以上の他の特徴、整体、ステップ、動作、要素、部材および／またはそれらの組み合わせの存在または追加を除外しないことを更に理解できる。

さらに、「および／または」という用語は、「および」、「または」、「排他的な」、「１つ」、「一部ではあるが全部ではない」、「どちらでもない」およびまたは「両方とも」を意味することが可能である。しかしながら、主題の範囲はこれらの点において限定されない。 添付の明細書および／または特許請求の範囲において、「含む」および「具備する」という用語およびそれらの派生語が使用されることがあり、それらは互いに同義であると見なされる。 類似の図面符号は、以下では、類似の部材を指すためである。

図１は、本発明のいくつかの実施例によるレーザ走査方法のフローチャートを示している。まず、ステップＳ１０１において、各サイクル内の複数の期間に互いに重ならない複数の波長を具備する定期的な輸入レーザ信号を生成する。従来技術でのレーザ走査型レーダは、単色レーザを使用し、すなわち単一波長のレーザを出力し又は単波長レーザに近づいた狭帯域レーザを出力し、また、単色レーザを機械モータまたは電気光学材料で走査する。本発明の実施例は、従来技術でのレーザ走査型レーダとは逆に、各サイクルにおいて互いに重ならない複数の波長を有するレーザが選択された。このような多波長レーザは、多波長レーザーの出力信号を変調することによって得られる。多波長レーザーには、例えば、波長可変レーザー、多波長ファイバーレーザー、広域スペクトルレーザー、白色レーザー、スーパーコンティニュームレーザー、および／またはこれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。

説明を容易にするために、本明細書の実施例では、多波長レーザーはｎ個の波長λ_１、λ_２、λ_３、…λ_ｎ（ｎ＞１）を含む元のレーザ信号を出力すると仮定した。例えば駆動回路を用いて当業者にとって知られている振幅変調、周波数変調、位相変調、強度変調、パルス変調等を実行することにより、ｎ個の波長λ_１、λ_２、λ_３、…λｎを含む前記元のレーザを、１つの期間Ｔ内の複数の期間ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３、…ｔ_ｎのそれぞれにλ_１、λ_２、λ_３、…λｎを生成する入力レーザ信号に変調される。

なお、期間ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３、…ｔｎは互いに重ならず、波長λ_１、λ_２、λ_３、…λｎは互いに等しくない。いくつかの実施例では、λ_１、λ_２、λ_３、…λｎは、特定な波長範囲を有する互いに重ならない帯域を表してもよい。いくつかの実施形態では、周期Ｔは、例えば３６０度のレーザ走査期間を完了することなど、レーザ走査を完了するのに必要な時間に等しい。候補の実施形態では、期間Ｔは、ユーザの設定に応じて、１回のレーザ走査に必要な時間より長くても短くてもよい。

ステップＳ１０３において、入力レーザ信号の互いに重ならない複数の波長のそれぞれを、空間的に分離された複数の出力チャネルに対応する出力チャネルにカップリングする。このステップは、波長分割多重化技術の分野で一般的に使用されている光マルチプレクサおよび／またはデマルチプレクサによって実施することができる。波長分割多重（ＷＤＭ）とは、送信側で複数の波長を含む光搬送波信号をマルチプレクサによって集め、且つ受信側で、様々な波長の光搬送波をデマルチプレクサによって分離する技術である。ここで、マルチプレクサとデマルチプレクサは、マルチプレクサ、デマルチプレクサ、またはマルチプレクサとデマルチプレクサが同時に一体化されている組み合わせ装置を表すように、互いの代わりに使用されてもよい。異なる波長を分離する複数の出力チャネルを提供するための手段は、グレーティングマルチプレクサ、シンチレーショングレーティングマルチプレクサ、ブラッググレーティングマルチプレクサ、誘電体膜マルチプレクサ、薄膜干渉フィルタ、集積光導波路および／またはアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を含むが、これらに限定されない。上述の時刻ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３、…ｔ_ｎにおいて波長λ_１、λ_２、λ_３、…λ_ｎを有する入力レーザ信号を変調した後、ｎ（ｎ＞１）個の出力チャネルがあると仮定すると、時刻ｔ_１において、波長λ_１のレーザ信号をチャネル１から出力、時刻ｔ_２において、波長λ_２のレーザ信号をチャネル２から出力、時刻ｔ_３において、波長λ_３のレーザ信号をチャネル３から出力し…時刻ｔ_ｎにおいて、波長λ_ｎのレーザ信号をチャネルｎから出力する。上述のように、光源からの入力レーザ光を、異なる時間に波長のごとに空間的に分離することができる。空間的に分離された異なる波長のレーザーを使用して、機械的モーターまたは電気光学効果を必要とせずにレーザー走査を実行することができ、その結果、ただ入力レーザーを変調することによって走査を完成することができる。

ステップＳ１０５において、各出力チャネルからの光を互いに異なる出射角度で出射することによって、遠視野では各チャネルの光は空間的に分離される。いくつかの実施例では、各チャネルの光は、空間的に分離された後、走査範囲内の特定の角度または角度範囲を走査する。特定の用途のシナリオにおける走査範囲と一致するように、光導波路、ミラーなどの当業者に知られている光導波路を使用して各チャネルに光を出射する光路をさらに調整することができる。例示的な実施例では、走査範囲は３６０度であり、出力チャネルの数はｎ＝６であり、チャネル１の出射光の出射角度角は０度または３６０度に設定され、これに対応してチャネル２、３、４、５、および６の出射角度は、６０度、１２０度、１８０度、２４０度、および３００度に設定される。このため、時刻ｔ_１において、チャンネル１から出射された波長λ_１のレーザ光は、０度または３６０度方向の被写体を走査し、時刻ｔ_２において、チャンネル２から出射された波長λ_２のレーザ光は、６０度方向の被写体を走査し、…、時刻ｔ_６において、チャンネル６から出射された波長λ_６のレーザは、３００度方向の被写体を走査する。ここまで、走査範囲３６０度の走査期間Ｔが終了し、その後、別の走査期間を開始することができる。このような走査方法は、走査部材による機械的運動または屈折率変化の必要がないので、関わる機械的構造および電気的構造を省略した。入力レーザ信号を変調して走査を完成することは、走査周波数を高め、装置の組み立てのコストを下げ、走査レーザのパワーを高めることができる。 互いに異なる出射角度で各出力チャネルからの光を出射させるための装置および構造は、以下の例示的な実施例においてさらに説明される。

図２は、本発明のいくつかの実施例による例示的なレーザ走査装置２００を示している。レーザ走査装置２００は、上述したものと同様に、各サイクルにおいて複数の期間にわたって互いに重ならない複数の波長（例えばλ_１、λ_２、λ_３、…λ_ｎ）を有する周期的な入力レーザ信号を生成するための周期的レーザ生成ユニット２０１を含む。周期的レーザ発生ユニット２０１は、例えば波長可変レーザ、多波長ファイバレーザ、広域スペクトルレーザ、白色レーザ、スーパーコンティニュームレーザ、および／またはそれらの組み合わせを含む。レーザ走査装置２００は、逆多重化ユニット２０３をさらに含む。逆多重化ユニット２０３は、入力レーザ信号の互いに重ならない複数の波長λ_１、λ_２、λ_３…λ_ｎの各波長λ_ｉは、複数の出力チャネルのうちの対応する出力チャネルｉ（ｉ＝１、２、３、…、ｎ）にカップリングされるように、空間的に分離された複数の出力チャネル、例えばｎチャネルを含む。逆多重化ユニット２０３は、グレーティングマルチプレクサ、シンチレーショングレーティングマルチプレクサ、ブラッググレーティングマルチプレクサ、誘電体膜マルチプレクサ、薄膜干渉フィルタ、集積光導波路マルチプレクサ、および／またはアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を含むことができる。また、逆多重化ユニット２０３は、波長分割多重の分野で一般的に用いられている光パワーアンプ、光ラインアンプ、光プリアンプ、光インタフェース変換器、波長板等を含んでもよい。多重分離部２０３の複数のチャネルは、例えば、光導波路、光ファイバ、グレーティングなどを含むことができる。一般に、逆多重化ユニット２０３の各チャネルの出力は平行光であり、レーザ走査のために各波長の光を空間的に分離することには不利である。したがって、レーザ走査装置２００は、１つのレンズのみが示されているが、１つまたは複数の光学レンズを含む光学レンズ２０５を更に具備する。逆多重化ユニット２０３の出力チャネルの出力端は、光学レンズ２０５の焦点面位置に位置することができる。当業者に知られているように、複数の出力チャネルは空間的に分離されたので、光学レンズ２０５の焦点面上の異なる位置にあり、したがって、複数の出力チャネルから出力される様々な波長の光は、光学レンズ２０５を透過した後、異なる方向に偏向されることにより、空間波長分離によるレーザ走査を達成することができる。光学レンズ２０５はまた、平行光により近いレーザビームを提供するために特定の発散角を有する出射光をコリメートすることができる。このような空間内の波長の分離によるレーザ走査の周波数または速度は、レーザ信号の波長変調速度によって完全に決定されるので、ＭＨｚまたはさらにはＧＨｚレベルの走査周波数をより容易に達成することができる。チャンネル数とチャンネル間隔が固定されている逆多重化ユニット２０３については、その最大走査角度範囲が光学レンズ２０５の焦点距離によって決まり、焦点距離が短いほど走査角度範囲が広く、チャンネル間隔が小さいほど焦点距離が長く、隣接する２つの波長、例えばλ_ｉとλ_ｉ＋１との間のレーザビーム間隔が小さいほど、走査分解能が高い。

図３は、本発明のさらなる実施例による例示的なレーザ走査装置３００を示すしている。レーザ走査装置３００は、周期的レーザ発生部３０１と逆多重化ユニット３０３とを備える。周期的レーザ発生部３０１は、上述した周期的レーザ発生部２０１と同様のものである。逆多重化ユニット３０３の複数の出力チャネルは互いに一定の角度を有しており、異なるチャネルを介して出力されるレーザビームは異なる方向に偏向することによってレーザ走査を実現する。チャネル間の角度は、任意の適切な非ゼロ値をとることができ、複数の出力チャネルの各チャネルは、それらが互いに平行ではない限り空間的に分離することができる。

図４は、本開示のさらなる実施例による例示的なレーザ走査装置４００を示している。レーザ走査装置４００は、周期的レーザ発生部４０１と、逆多重化ユニット４０３と、光学レンズ４０５とを備える。逆多重化ユニット４０３の複数の出力チャネルの各々は互いに平行であるので、各チャネルの出射光は異なる方向に出射し、遠距離場において空間的に分離されることになる。逆多重化ユニット４０３が出力するレーザ光は所定の発散角を有するため、発散角の小さいレーザ光を得るためには、逆多重化ユニット４０３の各出力チャンネルの出力端に光学レンズ４０５を配置し、ビームをコリメートすることにより、小さな発散角でレーザービーム走査を達成することができる。

既存のレーザ走査レーダで使用されている機械的走査、電気光学的走査、および音響光学的走査は、使用されている物理的原理の制限のために、走査速度、走査角度、および走査レーザパワーを同時に保証できない。 本発明の実施例におけるレーザ走査方法および装置は、レーザ走査を達成するために入力光信号変調および波長分割多重化装置のみを利用し、走査速度は光信号変調の周波数に依存し、走査角度および耐えられる走査レーザパワーは波長分割マルチプレクサのチャネル数と光路構成に依存する。したがって、本発明の実施例におけるレーザ走査方法および装置は、従来技術に対して、走査速度、走査角度、および走査レーザ出力を同時に改善することができる。

本発明の上記の実施形態は、網羅的であることまたは本発明を限定することを意図するものではない。本発明の特定の実施例は説明の目的のために上記に記載されているが、当業者は本発明の範囲内で様々な同等の修正が可能であることと認識できる。本出願では様々なプロセスまたはブロック図をこの順序で列挙することができるが、これらのステップのルーチンは、代替の実施形態では異なる順序で行われ、または順序が異なるブロック図を有するシステムを実行することができる。 いくつかのプロセスまたはブロックは、代替または下位の組み合わせを提供するためには、削除、移動、追加、再分割、細分、および／または修正されてもよい。さらに、いくつかのプロセスまたはブロック図は連続的に実行されるように示されているが、これらのプロセスまたはブロック図は並列に実行または実施されてもよく、あるいは異なる時間に実行または実施されてもよい。さらに、本明細書に記載されている特定の数値はいずれも単なる例である。候補の実施形態では異なる値または範囲が採用されてもよいことを理解されたい。

上記で説明されたように、本発明の特定の特徴または態様を説明するために使用された特定の用語は、その用語が本発明の任意の特定の特徴、特徴または態様に限定されるように本明細書で再定義されるという制限として解釈されるべきではない。一般に、特許請求の範囲で使用されている用語は、上記の発明を実施するための形態の部分が当該用語を明確に定義した場合の以外、本発明を本明細書に開示されている特定の例に限定するものとして解釈されるべきではない。したがって、本発明の実際の範囲は、開示された実施例だけではなく、むしろ、特許請求の範囲に従って本発明を企図または実施した全ての均等物も含めれている。

Claims (8)

1. レーザ走査方法において、
   各サイクル内の複数の期間に互いに重ならない複数の波長を具備する定期的な輸入レーザ信号を生成するステップと、
   前記輸入レーザ信号の重ならない複数の波長のそれぞれを、空間に分離した複数出力チャンネルに対応する出力チャンネルにカップリングするステップと、
   各出力チャンネルからの光を互いに異なる出射角度で出射するステップと、
   を含む、レーザ走査方法。
2. 各出力チャンネルからの光を互いに異なる出射角度で出射するステップでは、一つ又は複数の光学レンズによって各出力チャンネルからの光を互いに異なる出射角度で出射することを含む、請求項１に記載のレーザ走査方法。
3. 複数出力チャンネルのそれぞれは、互いに平行していない請求項１に記載のレーザ走査方法。
4. 複数の出力チャネルの出力端に配置された複数のレンズを用いて出射光をコリメートする請求項３に記載のレーザ走査方法。
5. レーザ走査装置において、
   各サイクル内の複数の期間に互いに重ならない複数の波長を具備する定期的な輸入レーザ信号を生成する定期レーザ生成手段と、
   前記輸入レーザ信号の重ならない複数の波長のそれぞれを、空間に分離した複数出力チャンネルに対応する出力チャンネルにカップリングし、各出力チャンネルからの光を互いに異なる出射角度で出射する逆多重化手段と、
   を含む、レーザ走査装置。
6. 前記逆多重化手段は、一つ又は複数の光学レンズによって各出力チャンネルからの光を互いに異なる出射角度で出射する部分を含む請求項５に記載のレーザ走査装置。
7. 複数出力チャンネルのそれぞれは、互いに平行していない請求項５に記載のレーザ走査装置。
8. 出射光をコリメートするように、複数の出力チャネルの出力端に配置された複数のレンズを更に含む請求項７に記載のレーザ走査装置。