JP2021536586A - 偏光エンコードされたビーム送出及び収集 - Google Patents

Abstract

光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置は、第１の方向（２０６）にレーザービームを放出するように構成された光源と、ターゲット環境の方に第１の方向に向かっているレーザービームの偏光状態を変えるように構成された偏光波長板（２１４）と、局所振動子信号として、レーザービームの一部を戻り経路（２１０）に沿って偏光波長板（２１４）を通って光源の方に戻すための反射光学系構成要素（２１６）とを備える。偏光選択構成要素（２０８）は、光学偏光に基づいて戻り経路（２１０）内の光を分離し、偏光選択構成要素（２０８）は、直交的に偏光された光を戻り経路（２１０）に沿って分岐経路に屈折させ、さらに偏光選択構成要素（２０８）は、局所振動子信号とターゲット信号との間の干渉を可能にして結合信号を生成する。光検出器は、第２の方向からの結合信号を受け取るように構成され、レンズ光学系（２１２）は、光検出器の焦点面に沿って屈折した偏光された光をコリメートするように構成される。シングルモード光ファイバー（２０２）上に中心を置く照明ビーム経路は、光をコリメートするためのレンズ（２１２）を通過する。システムは、ターゲットからのパルスレーザーを、偏光選択構成要素（２０８）の中で反射された局所光と結合することができる。次に、結合ビームは、平行レンズ（２１２）でマルチモードファイバー（２０４）に向かって集束することができる。偏光選択構成要素（２０８）は、収集経路から、システムの光軸に対して角度αである軸外経路へビームを屈折する。プリズムの複屈折特性で決まるこの角度は、レンズＬの焦点面上の収集光の垂直変位ｄをもたらす。偏光選択構成要素（２０８）は、照明及び収集光経路の偏光をエンコードするロションプリズムである。しかしながら、このような偏光選択構成要素（２０８）は、ウラストン又はセナルモンプリズムを含むことができる。ＬＩＤＡＲシステムは、光信号を誘導して走査パターンに従って環境を走査するために高速走査ミラーを含む。【選択図】図３

Description

（関連出願）
本出願は、米国特許法第１１９（ｅ）条の下で２０１８年９月６日出願の米国出願第１６／１２３，９３９号の利益を主張するものであり、その開示内容全体は引用により本明細書に組み込まれている。

（技術分野）
本開示は、一般に光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）に関し、詳細には、２次元にわたる距離及び速度の同時測定を可能にする多波長ＬＩＤＡＲに関する。

高速走査ミラーは、最も一般的なＬＩＤＡＲシステムにおいてシーンを照明するために使用される主要構成要素である。図１Ａに示すように、一般的に、１つのミラーはＸ方向（方位角）に沿って素早く走査するが、他のミラーはＹ方向（仰角）に沿ってゆっくり走査する。ターゲットから反射すると、光を放出したのと同じチャンネル、一般的にはシングルモードファイバーが光を検出する。収集された光は、距離、潜在的に速度、情報を取り出すのに用いられる測定遅延又は変化した周波数シグネチャを有する。３Ｄ点群は、点別の検出情報が走査ミラーからの角度位置フィードバックと組み合わされた場合に確立することができる。

高フレームレートを実現するために、ミラーの角速度、特にスキャナのより高速の走査方向における角速度が増大される。高速の角速度かつシングルモードファイバー型検出のミラーを使用する場合、遠隔物体からのターゲット信号は、著しく劣化する。信号劣化は、主としてレーザー信号（パルス状又は周波数掃引）の放出時間から、遠隔散乱ターゲットからのレーザー信号の収集時間までの、走査ミラーの角度位置の差に起因する。図１Ｂに示すように、僅かな角度変化は、ファイバー先端でのターゲット信号の離隔をもたらし結合効率が低下し、これ自体、弱い信号検出として現れる。このような劣化は、ファイバー径が小さくなった場合に（例えば、〜１０μｍ径のシングルモードファイバー）、又はミラーの角速度が大きくなった場合により厳しくなる。

本開示の例示的な実施構成は、コヒーレント検出を用いるＬＩＤＡＲシステムのための改善された走査装置に関する。本開示の例示的な実施構成は、従来のＬＩＤＡＲシステムの欠点及び従来のＦＭ−ＬＩＤＡＲシステムの制限を解消するために周波数変調（ＦＭ）及びコヒーレント検出を用いるタイプのＬＩＤＡＲに基づく。これまで、ＦＭ−ＬＩＤＡＲシステムはビームの戻り経路での著しい損失に悩まされることが多く、このようなかなり大きなシステムは、時間飛行型（ＴＯＦ）ＬＩＤＡＲシステムに匹敵する距離を測定するために高いビーム出力を必要とする。残念ながら、この距離は、目に安全な出力に関する作動距離によって制限される。

本開示の例示的な実施構成は、コヒーレント検出を用いて、距離及び速度を同時に測定するように構成され、他のＬＩＤＡＲシステムからのクロストークに対する耐性というという別の利点をもつ。他の実施構成は、距離、フレームレート、又は検出を改善するためにインコヒーレントシステムと一緒に使用することができる。例示的な実施構成は、ビームの戻り経路での光学的損失を最小にするので、システムの測定距離が長くなる。加えて、非縮退レーザー光源（nondegenerate laser sources）を用いることで、例示的な実施構成は、小型で様々な環境条件での総体的な安定性に起因して望ましいプラットフォームである、集積シリコンフォトニクスに使用される場合が多い、成熟した波長分割多重方式（ＷＤＭ）技術を活用することができる。

上述のように、ターゲット信号の戻り時のファイバー先端での偏心は、結合効率の低下の主たる原因である。本開示の例示的な実施構成は、光学的検出を一次供給源のファイバーから分離することで、ファイバー先端で偏心した戻り光の妨害作用を低減する。システムから出る光は非偏光の光であり、この光は、反射面（潜在的に１／４波長板（ＱＷＰ）上のコーティング）又はターゲット環境のいずれかで反射する前に１／４波長板（ＱＷＰ）で偏光される。反射面で反射した部分は、局所振動子として機能し、環境から戻る光と干渉する。局所振動子信号及びターゲット信号の両方が戻り経路を下って戻る際に、これらは、互いに干渉して偏光選択構成要素を通過する。偏光選択構成要素は、結合信号のための偏角をもたらし、光を光源経路から偏向(屈折)させる(deflect）。次に、レンズは、分岐戻り経路を光検出器の方に向けることができる。ビームが光検出器の前で干渉しており、さらに検出経路が光源経路から切り離されているので、光検出器は、結合信号を検出することができる、大きなコアファイバー又は導波路、シリコンベースの光検出器、又は他のタイプの光検出器とすることができる。

従って、本開示は、非限定的に以下の例示的な実施構成を含む。

一部の例示的な実施構成は、ＬＩＤＡＲ装置を提供し、ＬＩＤＡＲ装置は、第１の方向にレーザービームを放出するように構成された光源と、ターゲット環境の方に第１の方向に向かっているレーザービームの偏光状態を変えるように構成された偏光波長板と、局所振動子信号として、レーザービームの一部を戻り経路に沿って偏光波長板を通って光源の方に戻すための反射光学系構成要素と、光学偏光に基づいて戻り経路内の光を分離するための偏光選択構成要素であって、偏光選択構成要素は、直交的に偏光された光を戻り経路に沿って分岐経路に屈折させ、さらに偏光選択構成要素は、局所振動子信号とターゲット信号との間の干渉を可能にして結合信号を生成するように構成される、偏光選択構成要素と、第２の方向からの結合信号を受け取るように構成された光検出器と、光検出器の焦点面に沿って屈折した偏光された光をコリメートするように構成されたレンズ光学系と、を備える。

何らかの上記の例示的な実施構成の又は何らかの上記の例示的な実施構成の組み合わせのＬＩＤＡＲシステムの一部の例示的な実施構成は、第２の光源及び第２の光検出器をさらに備え、第２の光源及び第２の光検出器は、実質的に光源及び光検出器と同一平面上にある。

何らかの上記の例示的な実施構成の又は何らかの上記の例示的な実施構成の組み合わせのＬＩＤＡＲシステムの一部の例示的な実施構成において、光源及び第２の光源は、異なる波長の光を提供する。

何らかの上記の例示的な実施構成の又は何らかの上記の例示的な実施構成の組み合わせのＬＩＤＡＲシステムの一部の例示的な実施構成において、光源及び光検出器は、偏光選択構成要素の変位角の方向において垂直変位でもって配置される。

何らかの上記の例示的な実施構成の又は何らかの上記の例示的な実施構成の組み合わせのＬＩＤＡＲシステムの一部の例示的な実施構成において、反射光学系構成要素は、偏光波長板上の反射コーティングで構成される。

何らかの上記の例示的な実施構成の又は何らかの上記の例示的な実施構成の組み合わせのＬＩＤＡＲシステムの一部の例示的な実施構成において、光源は、シングルモード光ファイバーを備え、光検出器は、マルチモード光ファイバーを備える。

何らかの上記の例示的な実施構成の又は何らかの上記の例示的な実施構成の組み合わせのＬＩＤＡＲシステムの一部の例示的な実施構成において、第２の光源をさらに備え、光源及び第２の光源の各々は、多波長レーザービームを提供する。

何らかの上記の例示的な実施構成の又は何らかの上記の例示的な実施構成の組み合わせのＬＩＤＡＲシステムの一部の例示的な実施構成において、偏光選択構成要素は、ロションプリズム（Rochon prism）、ウラストンプリズム（Wollaston prism）、又はセナルモンプリズム（Senarmont prism）のうちの１又は２以上で構成される。

何らかの上記の例示的な実施構成の又は何らかの上記の例示的な実施構成の組み合わせのＬＩＤＡＲシステムの一部の例示的な実施構成において、検出器は、シリコンベースの検出器、マルチモードファイバー、又は大面積検出器のうちの１つである。

一部の例示的な実施構成は、光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置を提供し、ＬＩＤＡＲ装置は、第１の方向にレーザービームを放出するように構成された光源と、第１の方向に向かっているレーザービーム及びレンズ光学系を通って戻るターゲット信号の偏光状態を、これらが直交するよう変えるように構成されたＱＷＰと、局所振動子信号として、レーザービームの一部を戻り経路に沿って偏光波長板を通って光源の方に戻すための反射光学系構成要素と、光学偏光に基づいて戻り経路内の光を分離するための偏光選択構成要素であって、偏光選択構成要素は、直交的に偏光された光を戻り経路に沿って分岐経路に屈折させ、さらに偏光選択構成要素は、局所振動子信号とターゲット信号との間の干渉を可能にして結合信号を生成するように構成される、偏光選択構成要素と、第２の方向からの結合信号を受け取るように構成された光検出器と、光検出器の焦点面に沿って屈折した偏光された光をコリメートするように構成されたレンズ光学系と、を備える。

何らかの上記の例示的な実施構成の又は何らかの上記の例示的な実施構成の組み合わせのＬＩＤＡＲシステムの一部の例示的な実施構成は、第２の光源及び第２の光検出器をさらに備え、第２の光源及び第２の光検出器は、実質的に光源及び光検出器と同一平面上にある。

何らかの上記の例示的な実施構成の又は何らかの上記の例示的な実施構成の組み合わせのＬＩＤＡＲシステムの一部の例示的な実施構成において、光源及び第２の光源は、異なる波長の光を提供する。

何らかの上記の例示的な実施構成の又は何らかの上記の例示的な実施構成の組み合わせのＬＩＤＡＲシステムの一部の例示的な実施構成において、光源及び光検出器は、偏光選択構成要素の変位角の方向において垂直変位でもって配置される。

何らかの上記の例示的な実施構成の又は何らかの上記の例示的な実施構成の組み合わせのＬＩＤＡＲシステムの一部の例示的な実施構成において、光源は、シングルモード光ファイバーを備え、光検出器は、マルチモード光ファイバーを備える。

何らかの上記の例示的な実施構成の又は何らかの上記の例示的な実施構成の組み合わせのＬＩＤＡＲシステムの一部の例示的な実施構成において、偏光選択構成要素は、ロションプリズム、ウラストンプリズム、又はセナルモンプリズムのうちの１又は２以上で構成される。

何らかの上記の例示的な実施構成の又は何らかの上記の例示的な実施構成の組み合わせのＬＩＤＡＲシステムの一部の例示的な実施構成において、検出器は、シリコンベースの検出器、マルチモードファイバー、又は大面積検出器のうちの１つである。

何らかの上記の例示的な実施構成の又は何らかの上記の例示的な実施構成の組み合わせのＬＩＤＡＲシステムの一部の例示的な実施構成において、偏光ビーム分割器を通るレーザービームをコリメートするレンズをさらに備える。

何らかの上記の例示的な実施構成の又は何らかの上記の例示的な実施構成の組み合わせのＬＩＤＡＲシステムの一部の例示的な実施構成において、偏光波長板は、さらにターゲット又は反射光学系構成要素から戻る局所振動子信号及びターゲット信号の偏光状態を変える。

何らかの上記の例示的な実施構成の又は何らかの上記の例示的な実施構成の組み合わせのＬＩＤＡＲシステムの一部の例示的な実施構成において。第２の高速走査ミラーをさらに備え、第１の高速走査ミラーは、第１の軸を横切って走査を行い、第２の高速走査ミラーは、第２の軸に沿って走査を行う。

何らかの上記の例示的な実施構成の又は何らかの上記の例示的な実施構成の組み合わせのＬＩＤＡＲシステムの一部の例示的な実施構成において、制御システムをさらに備え、制御システムは、能動的光学回路の光ドライバーを制御し、高速走査ミラーの動作を制御し、及び、光検出器から受け取った信号を処理して、３次元空間の点群を生成する、ための処理デバイスを備える。

一部の例示的な実施構成におけるＬＩＤＡＲシステムを動作させる方法であって、本方法は、光源を用いて、照明経路に沿ってレーザービームを生成するステップと、１／４波長板を用いて円形偏光をもつようにレーザービームを偏光させるステップと、反射光学系構成要素を用いて、レーザービームの一部を反射して照明経路に沿って収集経路で戻して局所振動子信号を生成するステップと、環境内のオブジェクトからの反射に基づいて照明経路に沿って環境からのターゲット信号を受け取るステップと、偏光選択構成要素を用いて、局所振動子信号及びターゲット信号を光検出器の方に屈折させるステップと、を含む。

何らかの上記の例示的な実施構成又は何らかの上記の例示的な実施構成の組み合わせのＬＩＤＡＲ方法の一部の例示的な実施構成において、生成されたレーザービームの第２の直線偏光に対して直交する第１の直線偏光をもつように反射後に局所振動子信号及びターゲット信号を偏光させるステップをさらに含む。

何らかの上記の例示的な実施構成又は何らかの上記の例示的な実施構成の組み合わせのＬＩＤＡＲ方法の一部の例示的な実施構成において、レンズ光学系を用いて、照明経路に平行な収集経路上で局所振動子信号及びターゲット信号をコリメートして光検出器での収集を改善するステップをさらに含む。

本開示のこれら及び他の目的、特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことで明らかになるであろう。本開示は、このような特徴又は要素が明示的に組み合わされるか又は他の方法で本明細書に記載された特定の例示的な実施構成に説明されているかに関わらず、ここに記載された２，３，４，又はそれ以上の特徴又は要素の何らかの組み合わせを含む。本開示は、全体的に解釈されることが意図されているので、その何らかの態様及び例示的な実施構成における本開示の何らかの分離可能な特徴又は要素は、本開示の文脈で明確に他の方法で指示されない限り、組み合わせ可能と見なすべきである。

従って、この概要は、本開示の一部の態様の基本的な理解を可能にするように単に一部の例示的な実施構成を要約する目的で提示されることを理解されたい。従って、上述の例示的な実施構成は、単なる例示であり、決して本開示の範囲又は精神を狭めるように解釈すべきでないことを理解されたい。他の例示的な実施構成、態様、及び利点は、例示的に一部の記載された例示的な実施構成の本質を示す添付図面と併せて以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

以上、本発明についてその概要を説明したが、次に添付図面を参照して説明する。

レーザービームを誘導してシーンを走査するための一般的な光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）システムの光学走査システムを示す。 図１Ａの光学走査システムであって、ファイバー先端での戻りレーザービームの偏心を示す。 本開示の例示的な実施構成によるＬＩＤＡＲシステムを示す。 一部の例示的な実施構成による、ＬＩＤＡＲの光学回路及び光学走査システムの態様を示す。 一部の例示的な実施構成による、ＬＩＤＡＲの光学回路及び光学走査システムの態様を示す。 一部の例示的な実施構成による、ＬＩＤＡＲシステムを作動させるための方法のフローチャートを示す。

本開示の一部の実施構成は、添付図面を参照して本明細書に詳細に説明するが、図面には本開示の一部の、しかし全てではない実施構成が示されている。実際には、本開示の様々な実施構成は、多くの様々な形態で組み込むことができ、本明細書に記載する実施構成を限定すると見なすべきではなく、むしろこれらの例示的な実施構成は、この開示が詳細かつ網羅的であり、当業者に本開示の範囲を完全に伝えることができるように提示される。例えば、本明細書は、定量的尺度、値、関係などの（例えば、平面、同一平面、垂直）について参照する場合がある。特に明記しない限り、これらの全部ではないが何らかの１又は２以上は、工学的公差などに起因して起こり得る許容できるばらつき考慮するための絶対的なもの又は近似的なものとすることができる。全体を通して同じ参照番号は、同じ要素を指す。

図２は、本開示の例示的な実施構成によるＬＩＤＡＲシステム１００を示す。ＬＩＤＡＲシステム１００は、複数の構成要素の各々の１又は２以上を含むが、図２に示すものに比べてより少数の又は追加の構成要素を含むことができる。図示のように、ＬＩＤＡＲシステム１００は、光学回路１０１を含む。光学回路１０１は、能動的光学回路及び受動的光学回路を組み合わせたものを含むことができる。能動的光学回路は、光信号などを生成、増幅、及び検出することができる。一部の実施例において、能動的光学回路は、様々な波長のレーザー、１又は２以上の光増幅器、又は２以上の光検出器などを含む。

受動的光学回路は、光信号を伝送して、光信号を能動的光学回路の適切な入出力ポートに経路指定及び操作する、１又は２以上の光ファイバーを含むことができる。また、受動的光学回路は、タップ、波長分割マルチプレクサ、分割器／合成器、偏光ビーム分割器、コリメータ、複屈折偏光選択構成要素、マッハツェンダー干渉計、変調器、光減衰器、サーキュレータなどの１又は２以上の光学構成要素を含むことができる。一部の実施形態において、以下に詳細に示すように、受動的光学回路は、偏光選択構成要素を使用して、光の偏光を変えて、受け取った偏光された光を光検出器に送るための構成要素を含むことができる。

光走査装置１０２は、光信号を誘導して走査パターンに従って環境を走査するために、それぞれの直交軸に沿って検流計によって回転可能な１又は２以上の走査ミラーを含む。また、光走査装置１０２は、環境内の何らかの物体上に入射して戻りレーザービームになる光を収集し、この光は光学回路１０１の受動的光学回路構成要素に戻される。例えば、レーザービームは、偏光選択構成要素によって光検出器に送ることができる。ミラー及び検流計に加えて、光学走査システムは、偏光波長板、レンズ、反射防止被覆窓、反射被覆レンズ、マイクロレンズアレイなどの構成要素を含むことができる。

光学回路１０１及び光走査装置１０２を制御してサポートするために、ＬＩＤＡＲシステム１００は、ＬＩＤＡＲ制御システム１１０を含む。ＬＩＤＡＲ制御システム１１０は、ＬＩＤＡＲシステム１００のための処理デバイスとして機能することができる。一部の実施形態において、ＬＩＤＡＲ制御システム１１０は、デジタル信号プロセッサなどの単一の処理ユニット１１２を含むことができる。ＬＩＤＡＲ制御システム１１０は、光ドライバー１０３を制御するためのデジタル制御信号を出力するように構成されている。一部の実施形態において、デジタル制御信号は、信号変換ユニット１０６を用いてアナログ信号に変換することができる。例えば、信号変換ユニット１０６は、デジタル−アナログ変換器を含むことができる。次に、光ドライバー１０３は、光学回路１０１の能動的構成要素に駆動信号を供給して、レーザーなどの光源及び増幅器を駆動することができる。一部の実施形態において、複数の光ドライバー１０３及び信号変換ユニット１０６は、複数の光源を駆動するために設けることができる。

また、ＬＩＤＡＲ制御システム１１２は、光走査装置１０２のためのデジタル制御信号を出力するように構成される。運動制御システム１０５は、ＬＩＤＡＲ制御システム１１０から受け取った制御信号に基づいて、光走査装置１０２の検流計を制御することができる。例えば、デジタル−アナログ変換器は、ＬＩＤＡＲ制御システム１１０からの経路指定情報を光走査装置１０２内の検流計で解釈できる信号に変換することができる。一部の実施形態において、運動制御システム１０５は、光走査装置１０２の構成要素の位置又は動作に関する情報をＬＩＤＡＲ制御システム１１０に戻すこともできる。例えば、アナログ−デジタル変換器は、検流計の位置に関する情報をＬＩＤＡＲ制御システム１１０で解釈できる信号に変換することもできる。

さらに、ＬＩＤＡＲ制御システム１１０は、到来するデジタル信号を解析するように構成される。この関連で、ＬＩＤＡＲシステム１００は、光学回路１０１で受け取った１又は２以上のビームを測定する受光器１０４を含む。例えば、参照ビーム受光器は、能動的光学回路からの参照ビームの振幅を測定することができ、アナログ−デジタル変換器は、参照ビーム受光器からの信号をＬＩＤＡＲ制御システム１１０で解釈できる信号に変換する。ターゲット受光器は、うなり周波数又は変調光信号の形のターゲットの距離及び速度に関する情報を伝送する光信号を測定する。反射ビームは、局所振動子からの第２の信号と混ぜることができる。受光器１０４は、ターゲット受光器からの信号をＬＩＤＡＲ制御システム１１０で解釈できる信号に変換するための高速アナログ−デジタル変換器を含むことができる。

一部の用途において、ＬＩＤＡＲシステム１００は、追加的に、環境画像を取得するように構成された１又は２以上の撮像デバイス１０８と、システムの地理的位置を提供するように構成された全地球測位ステム１０９と、他のセンサ入力とを含むことができる。また、ＬＩＤＡＲシステム１００は、画像処理システム１１４を含むことができる。画像処理システム１１４は、画像及び地理的位置を受け取り、画像及び地理的位置又はこれらに関連する情報をＬＩＤＡＲ制御システム１１０又はＬＩＤＡＲシステム１００に接続する他のシステムに送るように構成することができる。

一部の実施例による作動において、ＬＩＤＡＲシステム１００は、非縮退レーザー光源を用いて２次元にわたる距離及び速度を同時に測定するように構成される。この可能性により、周囲環境のリアルタイムの、距離、速度、方位角、及び仰角の長距離測定が可能になる。一部の例示的な実施構成において、システムは、同じターゲットに多重変調レーザービームを向ける。

一部の実施例において、走査プロセスは、光ドライバー１０３及びＬＩＤＡＲ制御システム１１０から始まる。ＬＩＤＡＲ制御システム１１０は、光ドライバー１０３に１又は２以上のレーザーを独立して変調するように指示し、これらの変調信号は、受動的光学回路を通ってコリメータに伝わる。コリメータは、運動制御サブシステムによって定められた予めプログラムされたパターンで環境を走査する光学走査システムでの光を案内する。また、光学回路は、光学回路１０１を離れる際に光の偏光を変えるための偏光波長板を含む。例えば、１／４波長板又は１／２波長板のいずれかを光の偏光を変えるために使用することができる。円形に偏光された光の一部は、光学回路１０１のもとに反射することができる。例えば、レンズ又は視準システム（collimating systems）は、光学回路１０１の戻り経路上に戻る光の一部を反射するための固有の反射特性又は反射コーティングを有することができる。例えば、偏光波長板は、光源光の少なくとも一部を戻すようにコーティングすることができる。

環境から反射した光信号は、光学回路１０１を通過して受光器に移る。光は直交的に偏光されるので、光は、局所振動子の信号として光学回路１０１のもとに反射した他の直交的に偏光された光と一緒に偏光選択構成要素によって屈折される。従って、光源としての同じファイバー又は導波路に戻るのではなく、屈折光は、別個の受光器への分岐経路上に向けられる。これらの信号は、偏光選択構成要素の中で干渉して結合信号が生じる場合がある。ターゲットから戻る各ビーム信号は、時間シフト波形を発生させる。２つの波形の間の一時的な位相差は、受光器（光検出器）上で測定される、うなり周波数を生成する。次に、結合信号は、受光器１０４に向けることができる。例えば、レンズは、発散ビームをレーザー光源の近くの光検出器への並行経路に向けることができる。偏光及びビームを受光器１０４に向けるための光学回路１０１の構成は、以下に詳細に説明される。

受光器１０４からのアナログ信号は、ＡＤＣを用いてデジタル信号に変換される。次に、デジタル信号は、ＬＩＤＡＲ制御システム１１０に送られる。次に、信号処理ユニット１１２は、デジタル信号を受け取ってこれを解釈する。一部の実施形態において、信号処理ユニット１１２はまた、運動制御システム１０５及び検流計から位置データ並びに画像処理システム１１４から画像データを受け取る。次に、信号処理ユニット１１２は、光走査装置１０２がさらなる点を走査するときに環境内の各点の距離及び速度に関する情報を伴う３Ｄ点群を生成することができる。また、信号処理ユニット１１２は、画像データに３Ｄ点群データを重ね合わせて周辺領域のオブジェクトの速度及び距離を決定することができる。また、システムは、衛星を利用したナビゲーション位置データを処理してグローバル位置を提供することができる。

従来型ＬＩＤＡＲシステムは、シーンへの光フラッディング又はラスターパターンでのシーンの走査のいずれかを提供する。ラスターパターンを用いる場合、レーザーは、パルス化され、返されると解析されて距離、速度、及び他のデータを提供する。収集されたデータ点は、点群に統合されてシーンを生成することができる。シーンのために発生されるフレームレートは、少なくとも部分的にレーザーの走査速度の関数である。例えば、レーザーをより高速で走査できれば、所定の期間により多くの点を生成することができる。一般的に、シーンは、２つのミラーで生成することができ、一方のミラーは第１の軸を横切って走査を行い、他方のミラーは第２の軸を横切って走査を行う。しかしながら、これらのシステムは、走査ミラーが高速で回転する場合に劣化したターゲット信号を生じやすい。レーザーパルスがターゲットに到達して走査システムに戻るのにかかる時間では、ミラーは、その回転速度に起因してすでに動いており、高速走査ミラーのこの僅かな偏角は、ファイバー先端でのターゲット信号の離隔（ｗａｌｋ−ｏｆｆ）をもたらす。これはより小さなファイバー先端ではより大きな問題となり得る。例えば、シングルモードファイバー先端は、約１０μｍ（um）である可能性がある、従って、非常に小さな離隔は、このようなシステムに大きく影響する可能性がある。

本開示の例示的な実施構成は、収集効率を高めるために、照明の偏光エンコーディング及び収集ビーム経路を使用する。これにより、システムは、受光器としてマルチモードファイバーなどの大径ファイバーを用いることができる。例えば、マルチモード収集ファイバーは、シングルモードファイバーの１０μｍの代わりに約６０μｍとすることができる。加えて、他のタイプの光検出器を使用することができる。従って、システムは、偏光選択構成要素の中でターゲットからのパルスレーザー光を反射された局所光と結合することができる。局所的に戻された光及びターゲット戻り光の各々は、光源によって生成された後に直交的に偏光され得る。戻されると、直交的に偏光された光は、別個の戻り経路に屈折させて、別個の光検出器に向けることができる。局所振動子信号及びターゲット信号からの偏光された光は、偏光ビーム分割器の中で、さもなければ光検出器に到達する前にすでに干渉しているので、光検出器は、光源として機能するングルモードファイバーよりも大きな検出器とすることができる。例えば、光検出器は、シリコンベースの検出器、マルチモードファイバー、大面積検出器などとすることができる。

従って、偏光エンコーディング及び収集経路及び偏光識別光学系（ｏｐｔｉｃ）を用いて収集経路を分離することによって、検出された光子をマルチモードファイバーの中に結合することができ、これによってシステムの収集効率、従って信号対雑音比（ＳＮＲ）が向上する。加えて、このデザインは、何らかの走査装置と併用した場合に遠くのオブジェクトからの光子の収集を改善する。これらの光子は、「長距離」のための往復移動時間が、収集領域を横切る走査装置の移動よりも遅い場合、通常は失われることになる。

図３は、走査システムの光学回路２００の態様を示す。例えば、一部の例示的な実施構成によれば、図３の光学回路２００は、ＬＩＤＡＲシステム１００の上記の図２と共に示すＬＩＤＡＲシステム１００の光学回路１０１の一部とすることができる。図３の光学回路２００は、ビーム送出システムの側面図として示される。光学構成要素は、収集効率を高めるために、照明の偏光エンコーディング及び収集ビーム経路を使用する。

光学回路２００は、照明ビーム経路２０６及び収集ビーム経路２１０を分離するために偏光選択構成要素２０８を使用する。照明ビーム経路は、レーザービームを受動的光学システムに供給するシングルモード光ファイバー２０２上に中心にある。照明ビーム経路は、光をコリメートするためにレンズ２１２を通過する。例えば、シングルモード光ファイバー２０２は、レンズ２１２でコリメートされる直線的に偏光した発散光を提供し得る。次に、照明経路２０６は、偏光選択構成要素２０８を通過し、偏光状態は、偏光波長板２１４によって変えられる。例えば、偏光波長板２１４は、１／４波長板又は１／２波長板とすることができる。１／４波長板は、偏光を円形偏光状態に変えることができる。偏光波長板２１４に続く反射光学系２１６は、ビームの一部を照明経路に沿って戻す。一部の実施形態において、反射光学系２１６は、部分的反射光学系、偏光波長板２１４上のコーティング、又は他の反射光学系とすることができる。

ビームの残部は、環境に伝送され、パルスの一部は１又は２以上のオブジェクトから反射して戻ることができる。例えば、光は、図２に説明する１又は２以上の高速走査ミラーによってラスターパターンで環境に伝送され得る。反射光学系２１６及びターゲット環境から戻る光は、偏光波長板２１４によって直線的に偏光される。戻りビームの直線的偏光は、シングルモードファイバー２０２によって与えられる照明ビームによって与えられた偏光に対して直交する。従って、反射光及びターゲット環境からの光が偏光選択構成要素を通過すると、これらは偏光選択構成要素２０８の複屈折性に基づいて照明経路からオフセットした偏位経路上に屈折する。次に、この結合ビームは、マルチモードファイバー２０４に向かって平行レンズ２１２で集束することができる。一部の実施形態において、マルチモードファイバー以外の検出器を使用して戻り光を検出することができる。例えば、光検出器は、シリコンベースの検出器、マルチモードファイバー、大面積検出器などとすることができる。局所振動子信号及びターゲットからの信号は、干渉して結合信号を生成する。従って、シングルモードファイバーの中で２つの干渉を有する必要はない。次に、結合信号は、距離、速度、又はターゲット点での環境に関する他の要因を解釈するために用いることができる。

一部の実施形態において、戻り経路２１０が照明経路２０６に平行であることを保証するために、照明経路２０６の三つ叉交差点、レンズ２１２の後焦点面、及び偏光選択構成要素２０８の対角面は、構成要素の配列を定める。これは、戻り光がマルチモードファイバー２０４の中に結合するのを改善する。光軸に沿った反射光学系２１６の長手方向配列は、コヒーレンスゲート、従って、光経路長の不一致（ｍｉｓｍａｔｃｈ）測定のためのゼロ距離を定める。例えば、反射光学系２１６の配列は、測定を行うことができる最大距離を定めるために用いることができる。偏光選択構成要素２０８は、収集経路から軸外経路へビームを屈折する（システムの光軸に対して角度αである）。プリズムの複屈折特性で決まるこの角度は、レンズＬの焦点面上の収集光の垂直変位ｄをもたらす。大径コアを配置すると、照明導波路に平行なマルチモード導波路は、適宜、収集効率及び信号対雑音比の改善を可能にする。

一部の実施形態において、偏光選択構成要素２０８は、照明及び収集光経路の偏光をエンコードするロションプリズムである。しかしながら、偏光選択構成要素２０８は、他のタイプの偏光選択要素を含むことができる。例えば、このような偏光選択構成要素２０８は、ウラストン又はセナルモンプリズムを含むことができる。

反射光学系２１６は、照明ビームの一部をサンプリングしてこれをターゲットから戻る光と一緒に共通通路を下方に戻す、偏光波長板２１４の後の局所単一面反射器として示されている。この照明ビームの局所サンプルは、ターゲット空間を照明する光と同じ偏光回転を経験し、それによって、距離及び速度測定のために、より遠隔の物体からの光と干渉する。従って、局所（又は部分的）反射器２１６は、専用の局所振動子導波路光子回路の構築を避けることでシステムの全体的な複雑性を最小限にする。反射光学系２１６は、独立した光学系、偏光波長板２１４のターゲット側の側面のコーティング、又は偏光波長板２１４の後の制御された反射光学系とすることができる。

図４は、ビーム送出システムの光学回路３００の態様を示す。例えば、一部の例示的な実施構成によれば、図４の光学回路３００は、上記の図２に関して示されたＬＩＤＡＲシステム１００の光学回路１０１の一部とすることができる。図４の光学回路３００は、ビーム送出システムの上面図で示されている。光学構成要素は、収集効率を高めるために、照明の偏光エンコーディング及び収集ビーム経路を使用する。一部の実施形態において、図４の光学回路３００は、図３の光学回路２００と同じか又は類似している。例えば、図３の側面図は、単一セットの光源及び検出器を示す。しかしながら、一部の実施形態において、遠近法（ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ）によって見えない追加のセットが存在し得る。加えて、図４の上面図では、複数の光源を示すが遠近法によって検出器が見えない。

光学回路３００は、照明ビーム経路３０６と収集ビーム経路を分離するために偏光選択構成要素３０８を使用する。図示されていないが、収集ビーム経路は、照明ビーム経路３０６の真下に位置することができる。照明ビーム経路は、レーザービームを受動的光学システムに供給するシングルモード光ファイバー３０２上に中心がある。照明ビーム経路は、光をコリメートするためにレンズ３１２を通過する。例えば、シングルモード光ファイバー３０２は、レンズ３１２でコリメートされる直線的に偏光した発散光を提供し得る。次に、照明経路３０６は、偏光選択構成要素３０８を通過し、偏光状態は、１／４波長板３１４で円形偏光に変わる。１／４波長板３１４に続く反射光学系３１６は、ビームの一部を照明経路３０６に沿って戻す。１／４波長板として記載されるが、一部の実施形態において、１／４波長板３１４は他のタイプの偏光波長板とすることができる。例えば、１／４波長板は、代わりに１／２波長板とすることができる。

光学回路３００の構成要素の動作は、図３の光学回路２００に関して説明したものと類似し得る。例えば、ビームの非反射部分は環境に伝送され、パルスの一部分が１又は２以上のオブジェクトから反射して戻り得る。反射光学系３１６及びターゲット環境から戻る光は、１／４波長板３１４で直線的に偏光される。従って、反射光及びターゲット環境からの光が偏光選択構成要素を通過すると、これらは、偏光選択構成要素３０８の複屈折性に基づいて照明経路３０６からオフセットした偏位経路上に屈折する。次に、この結合ビームは、マルチモードファイバー２０４に向かって平行レンズ２１２で集束することができる。

光学回路３００の動作は、複数のシングルモード光ファイバー３０２を伴う。複数のシングルモード光ファイバー３０２を使用することで、システムは、ターゲットビームを角度操作する出力で横方向走査成分を加えることで３Ｄ光学センサになる。従って、環境を走査するために複数のビームを同時に使用することができる。一部の実施形態において、これらのシングルモード光ファイバー３０２は、異なる波長で作動することができる。しかしながら、マルチモードファイバー又は他の検出器の配列は、偏光選択構成要素３０８の複屈折特性に基づいて、シングルモード光ファイバー３０２に対して変更する必要がある。３つのシングルモード光ファイバーで示されているが、ファイバーのアレイは光学回路３００の物理的寸法の中に適合する任意の数を含むことができる。さらに、光学回路３００に示すように、レンズ３１２による照明ビームの視準(collimation)は、偏光選択デバイス３０８の必要寸法を低減する。偏光選択デバイス３０８、１／４導波路３１４、反射光学系３１６、及びレンズ３１２の各々は、図３に示される種々の実施形態に記載されるものとすることができる。

図５は、本開示の一部の態様による、ＬＩＤＡＲシステムを作動させるための方法５００の例示的なフローチャートを示す。一部の実施形態において、フォローチャート５００は、上記の図２〜４を参照して説明されるシステム及び装置の１又は２以上の構成要素で実行することができる。ブロック５１０で始まり、光源は、照明経路に沿ってレーザービームを生成する。光源は、レーザービーム自体を生成すること、又はシングルモード光ファイバーとすること、又は光源を光学回路の受動的光学構成要素に供給する他の導波路とすることができる。

ブロック５２０において、１／４波長板を使用してレーザービームの偏光を変える。偏光は、レーザービームに関する円形偏光を生成する。一部の実施形態において、１／４波長板ではなく１／２波長板又は他のタイプの偏光波長板を使用して光を変えることができる。偏光後、ブロック５３０において、反射光学系は、レーザービームの一部を反射して局所振動子として照明経路に沿って戻すことができる。次に、局所振動子は、１／４波長板によって、レーザービーム源に直交する直線的に偏光された光に変えられる。一部の実施形態において、反射光学系は、他の構成要素から分離した構成要素とすることができる。しかしながら、反射光学系は、１／４波長板上の反射コーティング、又は偏光後の他の光学系とすることもできる。

ブロック５４０において、１又は複数のオブジェクトを反射した後に環境から戻るターゲット信号を受け取る。ターゲット信号は、１／４波長板によってレーザー光源の偏光に直交する直線的に偏光された光に変えられる。ターゲット信号は、局所振動子に対して遅延する。この遅延によって、両者は干渉してビート信号を含む結合信号が生じる。

結合信号は、偏光に基づいて各ビームを分離する偏光選択構成要素によって屈折される。この偏光は、レーザー光源に直交し、収集のための異なる経路に沿って屈折する。次に、この収集経路は、光検出器による収集効率を高めるために、光源に平行な経路に対して平行にすることができる。光検出器から受け取った情報及び１又は２以上の走査ミラーの位置に基づいて、ＬＩＤＡＲシステムは、３次元点群内に点を作成するために信号を解析することができる。さらなる点は、ミラーの位置を変更してさらなる測定値を取得することで生成することができる。

上記の明細書及び関連図面で提示された教示の利点を有する本発明の関連する当業者であれば、本明細書で記載された本発明の多くの修正及び他の実施形態も想起されるであろう。従って、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されず、変更形態及び他の実施形態が添付の請求項の範囲内に含まれることが意図される点を理解されたい。さらに、上記の説明及び関連図面は、要素及び／又は機能の特定の例示的な組み合わせに関連して例示的な実施構成を記載するが、要素及び／又は機能の異なる組み合わせが、特許請求の範囲の範疇を逸脱することなく代替的な実施構成によって提示され得ることを理解されたい。この関連で、明示的に上述されたもの以外に要素及び／又は機能の異なる組み合わせは、同様に特許請求の範囲の一部に記載されているであろうことが想定される。本明細書では特定の用語が利用されているが、これらは、限定の目的ではなく、一般的及び説明的な意味でのみ用いられる。

２００ 光学回路
２０２ シングルモード光ファイバー
２０４ マルチモード光ファイバー
２０６ 照明ビーム経路
２０８ 偏光選択構成要素
２１０ 収集ビーム経路
２１２ レンズ
２１４ 偏光波長板
２１６ 反射光学系

Claims (20)

1. 光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置であって、
   第１の方向にレーザービームを放出するように構成された光源と、
   ターゲット環境の方に第１の方向に向かっている前記レーザービームの偏光状態を変えるように構成された偏光波長板と、
   局所振動子信号として、前記レーザービームの一部を戻り経路に沿って前記偏光波長板を通って前記光源の方に戻すための反射光学系構成要素と、
   前記光学偏光に基づいて前記戻り経路内の光を分離するための偏光選択構成要素であって、前記偏光選択構成要素は、直交的に偏光された光を前記戻り経路に沿って分岐経路に屈折させ、さらに前記偏光選択構成要素は、前記局所振動子信号と前記ターゲット信号との間の干渉を可能にして結合信号を生成するように構成される、偏光選択構成要素と、
   前記第２の方向からの前記結合信号を受け取るように構成された光検出器と、
   前記光検出器が位置する焦点面に沿って前記屈折光を集束させるように構成されたレンズ光学系と、
   を備える、ＬＩＤＡＲ装置。
2. 第２の光源及び第２の光検出器をさらに備え、前記第２の光源及び前記第２の光検出器は、実質的に前記光源及び前記光検出器と同一平面上にある、請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
3. 前記光源及び前記第２の光源は、異なる波長の光を提供する、請求項２に記載のＬＩＤＡＲ装置。
4. 前記光源及び前記光検出器は、前記偏光選択構成要素の変位角の方向において垂直変位でもって配置される、請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
5. 前記反射光学系構成要素は、前記偏光波長板上の反射コーティングで構成される、請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
6. 前記光源は、シングルモード光ファイバーを備え、前記光検出器は、マルチモード光ファイバーを備える、請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
7. 前記偏光選択構成要素は、ロションプリズム、ウラストンプリズム、又はセナルモンプリズムのうちの１又は２以上で構成される、請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
8. 前記検出器は、シリコンベースの検出器、マルチモードファイバー、又は大面積検出器のうちの１つである、請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
9. 第２の光源、第２の光検出器、第３の光源、及び第３の光検出器をさらに備える、請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
10. 環境を走査するためにレーザービームをラスターパターンで案内する高速走査ミラーと、
    前記レーザービームを発生しかつ受け取る光学回路と、
    を備える光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）システムであって、
    前記光学回路は、
    第１の方向にレーザービームを放出するように構成された光源と、
    ターゲット環境の方に第１の方向に向かっている前記レーザービームの偏光状態を変えるように構成された偏光波長板と、
    局所振動子信号として、前記レーザービームの一部を戻り経路に沿って前記偏光波長板を通って前記光源の方に戻すための反射光学系構成要素と、
    前記光学偏光に基づいて前記戻り経路内の光を分離するための偏光選択構成要素であって、前記偏光選択構成要素は、直交的に偏光された光を前記戻り経路に沿って分岐経路に屈折させ、さらに前記偏光選択構成要素は、前記局所振動子信号と前記ターゲット信号との間の干渉を可能にして結合信号を生成するように構成される、偏光選択構成要素と、
    前記第２の方向からの前記結合信号を受け取るように構成された光検出器と、
    前記光検出器が位置する焦点面に沿って前記屈折光を集束させるように構成されたレンズ光学系と、
    を備える、ＬＩＤＡＲシステム。
11. 第２の光源及び第２の光検出器をさらに備え、前記第２の光源及び前記第２の光検出器は、実質的に前記光源及び前記光検出器と同一平面上にある、請求項１０に記載のＬＩＤＡＲシステム。
12. 前記光源及び前記光検出器は、前記偏光選択構成要素の変位角の方向において垂直変位でもって配置される、請求項１０に記載のＬＩＤＡＲシステム。
13. 前記光源は、シングルモード光ファイバーを備え、前記光検出器は、マルチモード光ファイバーを備える、請求項１０に記載のＬＩＤＡＲシステム。
14. 前記偏光選択構成要素は、ロションプリズム、ウラストンプリズム、又はセナルモンプリズムのうちの１又は２以上で構成される、請求項１０に記載のＬＩＤＡＲシステム。
15. さらに１／４波長板は、前記ターゲット又は前記反射光学系構成要素から戻る前記局所振動子信号及び前記ターゲット信号の偏光状態を変える、請求項１０に記載のＬＩＤＡＲシステム。
16. 第２の高速走査ミラーをさらに備え、前記第１の高速走査ミラーは、第１の軸を横切って走査を行い、前記第２の高速走査ミラーは、第２の軸に沿って走査を行う、請求項１０に記載のＬＩＤＡＲシステム。
17. 制御システムをさらに備え、前記制御システムは、
    能動的光学回路の光ドライバーを制御し、
    前記高速走査ミラーの動作を制御し、及び、
    前記光検出器から受け取った信号を処理して、３次元空間の点群を生成する、
    ための処理デバイスを備える、請求項１０に記載のＬＩＤＡＲシステム。
18. 光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）システムを動作させる方法であって、
    光源を用いて、照明経路に沿ってレーザービームを生成するステップと、
    １／４波長板を用いて円形偏光をもつように前記レーザービームを偏光させるステップと、
    反射光学系構成要素を用いて、前記レーザービームの一部を反射して前記照明経路に沿って収集経路で戻して局所振動子信号を生成するステップと、
    環境内のオブジェクトからの反射に基づいて前記照明経路に沿って前記環境からのターゲット信号を受け取るステップと、
    偏光選択構成要素を用いて、前記局所振動子信号及び前記ターゲット信号を光検出器の方に屈折させるステップと、
    を含む方法。
19. 前記生成されたレーザービームの第２の直線偏光に対して直交する第１の直線偏光をもつように反射後に前記１／４波長板を用いて前記局所振動子信号及び前記ターゲット信号を偏光させるステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
20. レンズ光学系を用いて、前記照明経路に平行な収集経路上で前記局所振動子信号及び前記ターゲット信号をコリメートして光検出器での収集を改善するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。

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