JP2021530687A - 移動レンズアセンブリを有するスキャニングライダ(LiDAR)システム - Google Patents
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Abstract
Description
[0001]本出願は、2018年7月10日に出願された米国特許仮出願第62/696,247号明細書、及び2019年7月8日に出願された仮出願ではない米国特許出願第16/504,989号明細書の利益を主張し、その全内容は、参照によりここに組み込まれる。
式中、hは、レーザ源110aのある一定の方向に沿ったスキャン範囲であり、fは、放射レンズ130の焦点距離である。所与のスキャン範囲hに対して、より短い焦点距離は、より広いAFOVをもたらすであろう。所与の焦点距離fに対して、より大きいスキャン範囲は、より広いAFOVをもたらすであろう。いくつかの実施形態では、LiDARセンサ100は、放射レンズ130の後焦平面にアレイとして配置された複数のレーザ源を含んでいてもよく、そのため、それぞれの個々のレーザ源のスキャン範囲を比較的小さく保ちながら、全部合わせたより大きなAFOVが実現され得る。したがって、LiDARセンサ100は、受信レンズ140の焦平面にアレイとして配置された複数の光検出器を含んでいてもよく、各光検出器は、それぞれのレーザ源と共役であり得る。例えば、LiDARセンサ100は、図1に示されるように、第2のレーザ源110b及び第2の光検出器160bを含んでいてもよい。他の実施形態では、LiDARセンサ100は、4つのレーザ源及び4つの光検出器、又は8つのレーザ源及び8つの光検出器を含んでいてもよい。一実施形態では、LiDARセンサ100は、4×2アレイとして配置された8つのレーザ源、及び4×2アレイとして配置された8つの光検出器を含んでいてもよく、そのため、LiDARセンサ100は、垂直方向におけるそのAFOVよりも、水平方向においてより広いAFOVを有し得る。様々な実施形態によれば、LiDARセンサ100の全部合わせたAFOVは、放射レンズの焦点距離、各レーザ源のスキャン範囲、及びレーザ源の数に応じて、約5度〜約15度、又は約15度〜約45度、又は約45度〜約90度の範囲であってもよい。
θ=1.22λ/D、
式中、λは、レーザパルスの波長、Dは、レンズ開口の直径である。角度分解能はまた、レーザ源110aの放射領域のサイズ、並びにレンズ130及び140の収差に依存してもよい。様々な実施形態によれば、LiDARセンサ100の角度分解能は、レンズのタイプに応じて、約1mrad〜約20mrad(約0.05〜1.0度)の範囲であってもよい。
[0025]上記で論じたように、図1に示されるLiDARシステムについては、コリメートされたレーザビーム120’をシーン内のFOV全体にわたってスキャンする1つの方法は、放射レンズ130及び受信レンズ140が固定されるように保ち、放射レンズ130の焦平面内でレーザ源110aを一次元又は二次元のいずれかで横方向に移動させることである。二次元スキャンの場合において、スキャンパターンは、(図1に示されるような)ラスタ・スキャン・パターン、又はリサージュパターンのいずれであることもできる。対応する光検出器160aは、上記で論じたように、光学的共役関係を維持するように、レーザ源110aの動きと同期して移動されてもよい。
x=A sin(at+δ)、y=B sin(bt)、
式中、a及びbは、それぞれx方向(例えば、水平方向)及びy方向(例えば、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。
方法700は、708において、複数のレーザパルスの各レーザパルスについての飛行時間を、プロセッサを使用して求めることをさらに含む。
[0056]いくつかの実施形態によれば、スキャニングLiDARシステムは、レーザ源によって放射された光ビームを放射レンズの焦平面に結合するために、及び受信レンズの焦平面に集束された戻りレーザビームを光検出器に結合するために、光ファイバを使用してもよい。レンズアセンブリ又はレーザ源を移動させる代わりに、光ファイバの端部が、FOV全体にわたってレーザビームをスキャンするように、レンズアセンブリに対して相対的に移動されるのである。
Claims (23)
- スキャニングライダシステムであって、
基部フレームと、
1つ以上のレーザ源および1つ以上の光検出器を含むオプトエレクトロニクスアセンブリであって、前記オプトエレクトロニクスアセンブリは前記基部フレームに固定的に取り付けられている、オプトエレクトロニクスアセンブリと、
1つ以上のレンズを含むレンズアセンブリであって、前記1つ以上のレンズは焦平面を有する、レンズアセンブリと、
前記レンズアセンブリを前記基部フレームにフレキシブルに結合している第1のフレクシャアセンブリであって、前記第1のフレクシャアセンブリは、前記1つ以上のレーザ源および前記1つ以上の光検出器が実質的に前記1つ以上のレンズの前記焦平面に位置付けられるように、構成されており、かつ、前記第1のフレクシャアセンブリは、前記スキャニングライダシステムの光軸に実質的に垂直な平面内で前記レンズアセンブリを横方向にスキャンするように、曲げられるようにさらに構成されている、第1のフレクシャアセンブリと、
を備える、スキャニングライダシステム。 - 前記1つ以上のレンズは、放射レンズおよび受信レンズを含む、請求項1に記載のスキャニングライダシステム。
- 第1の駆動機構であって、前記第1の駆動機構は、前記第1のフレクシャアセンブリに結合されており、かつ、前記第1の駆動機構は、前記スキャニングライダシステムの前記光軸に実質的に垂直な前記平面内で前記レンズアセンブリを横方向にスキャンするように、前記第1のフレクシャアセンブリが曲げられることを引き起こすように、構成されている、第1の駆動機構をさらに備える、
請求項1に記載のスキャニングライダシステム。 - 前記第1のフレクシャアセンブリは、前記レンズアセンブリを一次元または二次元でスキャンするように、一次元または二次元でフレキシブルであるように、構成されている、請求項1に記載のスキャニングライダシステム。
- 前記第1のフレクシャアセンブリは、二次元でフレキシブルであるように構成されており、前記スキャニングライダシステムは、
コントローラであって、前記コントローラは、第1の次元において第1の周波数で、かつ前記第1の次元に直交する第2の次元において第2の周波数で、前記レンズアセンブリが前記第1のフレクシャアセンブリを介してスキャンされることを引き起こすように構成されており、前記第2の周波数は、前記第1の周波数とは異なる、コントローラをさらに備える、請求項1に記載のスキャニングライダシステム。 - 前記第2の周波数は、前記レンズアセンブリの軌道がリサージュパターンに従うように前記第1の周波数と相違する、請求項5に記載のスキャニングライダシステム。
- 前記第1の周波数と前記第2の周波数との比は、約0.5〜約2.0の範囲である、請求項6に記載のスキャニングライダシステム。
- 前記第1のフレクシャアセンブリは、一組のスプリングを含み、前記一組のスプリングのそれぞれの各スプリングは、前記第1の次元において第1の共鳴周波数を、かつ前記第2の次元において第2の共鳴周波数を有するように構成されており、前記第2の共鳴周波数は、前記第1の共鳴周波数とは異なる、請求項5に記載のスキャニングライダシステム。
- 前記第1の周波数は、前記第1の共鳴周波数に実質的に等しく、前記第2の周波数は、前記第2の共鳴周波数に実質的に等しい、請求項8に記載のスキャニングライダシステム。
- カウンタバランス構造と、
前記カウンタバランス構造を前記基部フレームにフレキシブルに結合している第2のフレクシャアセンブリと、
前記レンズアセンブリの動きが前記カウンタバランス構造の動きと反対であるように、前記レンズアセンブリおよび前記カウンタバランス構造が、それぞれ前記第1のフレクシャアセンブリおよび前記第2のフレクシャアセンブリを介してスキャンされることを引き起こすように、構成されたコントローラと、
をさらに備える、請求項1に記載のスキャニングライダシステム。 - 前記カウンタバランス構造および前記第2のフレクシャアセンブリは、前記カウンタバランス構造の重心が前記レンズアセンブリの重心と略一致するように、構成されている、請求項10に記載のスキャニングライダシステム。
- 前記レンズアセンブリおよび前記カウンタバランス構造は、前記カウンタバランス構造の運動量が前記レンズアセンブリの運動量を実質的に相殺するように、スキャンされる、請求項10に記載のスキャニングライダシステム。
- スキャニングライダシステムを使用する三次元イメージングの方法であって、前記ライダシステムは、オプトエレクトロニクスアセンブリおよびレンズアセンブリを備え、前記方法は、
前記ライダシステムの光軸に実質的に垂直な平面内で前記レンズアセンブリをスキャンすることであって、前記スキャンすることの一方で、前記ライダシステムの前記オプトエレクトロニクスアセンブリは固定されており、前記レンズアセンブリは1つ以上のレンズを含み、前記1つ以上のレンズは焦平面を有し、前記オプトエレクトロニクスアセンブリは、少なくとも第1のレーザ源および少なくとも第1の光検出器を含み、前記レンズアセンブリは、前記第1のレーザ源および前記第1の光検出器が実質的に前記1つ以上のレンズの前記焦平面に位置付けられるように、前記光軸に沿った方向において前記オプトエレクトロニクスアセンブリに対して相対的に、位置付けられている、スキャンすることと、
前記レンズアセンブリが複数の位置へとそれぞれスキャンされているときに、複数のレーザパルスを、前記複数のレーザパルスが前記ライダシステムの前方の視野(FOV)内の複数の角度に投射されるように、前記第1のレーザ源を使用して放射することであって、前記複数のレーザパルスは、前記FOV内の1つ以上の物体から反射される、放射することと、
前記1つ以上の物体から反射された前記複数のレーザパルスを、前記第1の光検出器を使用して検出することと、
前記複数のレーザパルスの各レーザパルスについての飛行時間を、プロセッサを使用して決定することと、
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つ以上の物体の三次元イメージを構築することと、
を含む、三次元イメージングの方法。 - 前記1つ以上のレンズは、放射レンズおよび受信レンズを含む、請求項13に記載の方法。
- 前記平面内で前記レンズアセンブリをスキャンすることは、前記平面内で一次元または二次元で前記レンズアセンブリをスキャンすることを含む、請求項13に記載の方法。
- 前記平面内で前記レンズアセンブリをスキャンすることは、
第1の次元において第1の周波数で、前記レンズアセンブリをスキャンすることと、
前記第1の次元に直交する第2の次元において前記第1の周波数とは異なる第2の周波数で、前記レンズアセンブリをスキャンすることと、
を含む、請求項13に記載の方法。 - 前記第2の周波数は、前記レンズアセンブリの軌道がリサージュパターンに従うように前記第1の周波数と相違する、請求項16に記載の方法。
- 前記スキャニングライダシステムは、カウンタバランス構造をさらに備え、前記方法は、
前記カウンタバランス構造の動きが前記レンズアセンブリの動きと反対であるように、前記レンズアセンブリを前記スキャンすることと同時に前記カウンタバランス構造をスキャンすること、をさらに含む、請求項13に記載の方法。 - 前記カウンタバランス構造の運動量は、前記レンズアセンブリの運動量を実質的に相殺する、請求項18に記載の方法。
- スキャニングライダシステムであって、
基部フレームと、
前記基部フレームに固定的に取り付けられたレンズフレームと、
前記レンズフレームに固定的に取り付けられたレンズアセンブリであって、前記レンズアセンブリは1つ以上のレンズを含み、前記1つ以上のレンズは焦平面を有する、レンズアセンブリと、
前記基部フレームに固定的に取り付けられたオプトエレクトロニクスアセンブリであって、前記オプトエレクトロニクスアセンブリは、1つ以上のレーザ源および1つ以上の光検出器を含む、オプトエレクトロニクスアセンブリと、
プラットフォームと、
1つ以上の放射用光ファイバおよび1つ以上の受信用光ファイバであって、
それぞれの各放射用光ファイバは、前記1つ以上のレーザ源のそれぞれのレーザ源に結合された第1の端部、および前記プラットフォームに取り付けられた第2の端部を有し、
それぞれの各受信用光ファイバは、前記1つ以上の光検出器のそれぞれの光検出器に結合された第1の端部、および前記プラットフォームに取り付けられた第2の端部を有し、
前記プラットフォームは、それぞれの各放射用光ファイバの前記第2の端部およびそれぞれの各受信用光ファイバの前記第2の端部が実質的に前記1つ以上のレンズの前記焦平面に位置付けられるように、前記レンズアセンブリに対して位置付けられている、1つ以上の放射用光ファイバおよび1つ以上の受信用光ファイバと、
前記プラットフォームを前記レンズフレームまたは前記基部フレームにフレキシブルに結合しているフレクシャアセンブリと、
前記フレクシャアセンブリに結合されており、かつ、前記スキャニングライダシステムの光軸に実質的に垂直な平面内で前記プラットフォームを横方向にスキャンし、それによって各放射用光ファイバの前記第2の端部および各受信用光ファイバの前記第2の端部を前記平面内で前記レンズアセンブリに対して相対的にスキャンするように、前記フレクシャアセンブリが曲がることを引き起こすように構成されている、駆動機構と、
を備える、スキャニングライダシステム。 - 前記1つ以上のレンズは、放射レンズおよび受信レンズを含む、請求項20に記載のスキャニングライダシステム。
- 前記フレクシャアセンブリは、二次元でフレキシブルであるように構成されており、前記スキャニングライダシステムは、
前記駆動機構に結合されたコントローラであって、前記コントローラは、第1の次元において第1の周波数で、かつ前記第1の次元に直交する第2の次元において第2の周波数で、前記プラットフォームが前記フレクシャアセンブリを介してスキャンされることを引き起こすように、前記駆動機構を駆動するように構成されており、前記第2の周波数は前記第1の周波数とは異なる、コントローラをさらに備える、請求項20に記載のスキャニングライダシステム。 - 前記第2の周波数は、前記レンズアセンブリの軌道がリサージュパターンに従うように前記第1の周波数と相違する、請求項22に記載のスキャニングライダシステム。
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