JP2022527888A - モードフィールド拡大器を備えたｌｉｄａｒシステム - Google Patents

Abstract

標的に向けて光ビームを放出する光源を含む光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置が提供される。ＬＩＤＡＲ装置は、光ビームのモードエリアを拡大するために光源に作動的に結合されたモードフィールド拡大器をさらに含む。【選択図】図６

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下で２０１９年３月２０日出願の米国特許出願番号１６／３５９２１７の利益を主張するものであり、その内容全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。

（技術分野）
本開示は、一般に、２次元にわたる距離（及び一部のタイプについては速度の同時測定）を提供する光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）に関する。

高速走査ミラーは、多くの従来のＬＩＤＡＲシステムにおいてシーンを照らすために使用される主要な構成要素である。通常、１つのミラーは、Ｘ方向（方位角）に沿って高速で走査し、別のミラーはＹ方向（仰角）に沿って低速で走査する。通常、光の放出及び標的反射光の検出は、シングルモードファイバによって同軸的に行われる。収集された光は、測定遅延又は変化する周波数シグネチャを有し、これを用いて距離情報、潜在的には速度情報を抽出することができる。３Ｄ点群又は３Ｄポイントクラウドは、点別で検出された距離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ときに確立することができる。

より高いフレームレートを達成するために、ミラーの角速度が、特により高速な走査方向のスキャナ（この場合はＸスキャナ）の角速度が、高められる。高い角速度のミラーとシングルモードファイバに基づく検出とを使用する場合、遠くの物体からの標的信号は著しく劣化する。信号の劣化は、主として、光信号（パルス状の又は周波数掃引）の送出時間から、この信号の遠方の散乱標的からの収集時間までのスキャナミラーの角度位置の差に起因する。この僅かな角度変化により、ファイバ先端で標的信号のウォークオフが生じて、結合効率が低下し、これは弱い信号検出として現れる。このような劣化は、ファイバ径が小さくなると（例えば、直径～１０μｍのシングルモードファイバ）、又はミラーの角速度が大きくなるとより深刻になる。

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、標的に向けて光ビームを放出する光源と、光ビームのモードエリアを拡大するために光源に作動的に結合されたモードフィールド拡大器とを含む、光検知及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置を提供する。

一部の例示的な実施構成は、光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）システムの光源によって、標的に向かう光ビームを生成するステップと、光源に作動的に結合されたモードフィールド拡大器によって、光ビームに関連するモードエリアを変換するステップと、を含む方法を提供する。

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。

本開示の実施形態及び実施構成は、以下の詳細な説明、並びに本開示の様々な態様及び実施例の添付図面からより完全に理解することができる。これらの図面は、本開示を特定の実施形態又は実施例に限定するものと見なすべきではなく、単に説明及び理解のためのものである。

本開示の例示的な実施構成によるＬＩＤＡＲシステムを示す。 本開示の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムの態様を示す。 本開示の他の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムの態様を示す。 本開示の一部の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムの態様を示す。 本開示の実施形態による、出射光ビームのモードエリアを拡大するモードフィールド拡大器の実施例を示す。 本開示の実施形態による、入射標的信号のモードエリアを縮小するモードフィールド拡大器の実施例を示す。 本開示の実施構成による、ＬＩＤＡＲシステムの入射光及び出射光のモードエリアを変換するためにモードフィールド拡大器を利用する方法の流れ図である。

本開示の例示的な実施構成は、改良された走査型ＬＩＤＡＲシステムに関する。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システムの限界を解消するために、周波数変調（ＦＭ）及びコヒーレント検出を使用するタイプのＬＩＤＡＲに基づく。歴史的に、非常に嵩張ることの多いＦＭ ＬＩＤＡＲシステムは、ビームの復路での著しい損失に悩まされるので、このようなシステムは、飛行時間（ＴＯＦ）型ＬＩＤＡＲシステムと同等の距離を測定するために、より高い平均ビーム出力パワーを必要とする。しかしながら、その距離は、目に安全な出力パワー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、環境上で照明ビームを走査し、戻り光（以下で「標的信号」とも呼ぶ）を局部発振器（ＬＯ）信号と合成することによって、距離及び速度を同時に測定するように構成される。

上述のように、光信号の送出時間から標的信号の収集時間までのスキャナミラーの角度位置の差分（以下、ラグ角とも呼ぶ）に起因する信号の劣化は、ＦＭ ＬＩＤＡＲシステムのファイバ又は導波路の直径が小さくなると悪化する。直径が小さくなると、標的信号のモードエリアの検出部分も小さくなる。さらに、入射光のモードエリアがファイバ／導波路の直径によって制限されるため、ファイバ又は導波路の直径が小さくなると、遠方にある反射率の低い標的は、ＦＭ ＬＩＤＡＲシステムによって検出するのが難しくなる可能性がある。入射光のモードエリアがシングルモードファイバ／導波路よりも大きいので、入射光の主光線は、ファイバ先端の光軸に対して偏心して変位する。この変位により、ＬＩＤＡＲシステムの構成要素のシングルモードファイバ／導波路の中への入射光（例えば、標的信号）の結合効率が低下する結果となる。従って、これらの影響を補償するために、ＦＭ ＬＩＤＡＲシステムのファイバ／導波路の直径を大きくすることが望ましい場合がある。例えば、ＦＭ ＬＩＤＡＲシステムでは、シングルモードファイバ（マルチモードファイバよりも直径が小さい）ではなく、マルチモードファイバを使用することが望ましい場合がある。しかしながら、ＦＭ ＬＩＤＡＲシステムの従来の構成要素は、シングルモードファイバ／導波路を用いて製作されており、従来のＦＭ ＬＩＤＡＲシステムのファイバ／導波路の直径を制限している。さらに、ＬＯ信号と標的ビームとの間の最大の空間的重なり（例えば、最大の混合効率）は、ＬＯ信号及び標的ビームがシングルモードファイバの中で混合（例えば、合成）される場合に達成される。

本開示の例示的な実施構成は、モードフィールド拡大器を用いて標的信号のモードエリアを変換することで、ＦＭ ＬＩＤＡＲシステムによる上記及び他の不具合に対処する。ＦＭ ＬＩＤＡＲシステムの光源は、シングルモードファイバを介して標的に向かう光ビームを生成する。モードフィールド変換器は、シングルモードファイバ／導波路を介して光源に作動的に結合され、光ビームを受信する。モードフィールド拡大器は，光ビームが標的に向かってモードフィールド拡大器を通過する際に，光ビームのモードエリアを拡大する。より大きなモードエリアを有する光ビームは、標的に向かって進み、光ビームの一部は、標的によって標的信号としてＦＭ ＬＩＤＡＲシステムの方に反射される。

標的信号は、モードフィールド拡大器のより大きなモードエリア部分で受信される。モードフィールド拡大器は、標的信号のモードエリアを減少させてシングルモードファイバ／導波路のモードエリアに対応するようにし、標的信号とシングルモードファイバ／導波路との結合効率を高めて、標的信号の損失を低減させる。次に、標的信号はＬＯ信号と合成され、合成信号は分析のために光検出器に供給される。

従って、モードフィールド拡大器を用いて光ビーム及び標的信号のモードエリアを変換することで、ＦＭ ＬＩＤＡＲシステムの性能が向上する。モードフィールド変換器は、光ビームのモードエリアを拡大し、標的信号のより大きなモードエリアを受信するので、信号劣化の影響及び合成信号の収差が低減される。さらに、モードフィールド拡大器を利用することで、標的信号とシングルモードファイバ／導波路の結合効率の低下を解消しながら、ＦＭ ＬＩＤＡＲシステムにおける従来のシングルモードファイバ／導波路の構成要素の使用が可能となり、ＦＭ ＬＩＤＡＲシステムの生産能力及び性能を向上させることができる。

本開示の実施形態は、モードフィールド拡大器をＦＭ ＬＩＤＡＲシステムで利用することを説明しているが、本開示の態様は、飛行時間（ＴＯＦ）型ＬＩＤＡＲシステムなどの他のタイプのＬＩＤＡＲシステムでも利用することができる。

図１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うちの１又は２以上を含むが、図１に示すよりも少ない又は追加の構成要素を含むことができる。ＬＩＤＡＲシステム１００は、限定されるものではないが、輸送、製造、計測、医療、及びセキュリティシステムなどの何らかのセンシング市場で実施することができる。例えば、自動車産業では、記載されるビーム送出システムは、自動運転者支援システム又は自動運転車両のために空間認識を助けることができる周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）デバイスのフロントエンドとなる。図示のように、ＬＩＤＡＲシステム１００は、光回路１０１を含む。光回路１０１は、能動的光学部品と受動的光学部品の組み合わせを含むことができる。能動的光学部品は、光信号などを生成、増幅、又は検出することができる。一部の実施例では、能動的光回路は、異なる波長の光ビーム、１又は２以上の光増幅器、１又は２以上の光検出器などを含む。

受動的光回路は、光信号を伝送するための１又は２以上の光ファイバを含み、光信号を能動的光回路の適切な入力／出力ポートへ送って処理することができる。また、受動的光回路は、タップ、波長分割マルチプレクサ、スプリッタ／コンバイナ、偏光ビームスプリッタ、コリメータなどの、１又は２以上のファイバ部品を含むことができる。一部の実施形態では、以下でさらに説明するように、受動的光回路は、ＰＢＳを用いて偏光状態を転換し、受信した偏光光を光検出器に導く構成要素を含むことができる。

光スキャナ１０２は、光信号を操作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回転可能な１又は２以上の走査ミラーを含むことができる。例えば、走査ミラーは、１又は２以上のガルバノメータによって回転可能とすることができる。一部の実施形態では、音響光学、電気光学、共振、又は多角形スキャナなど、他のタイプの光スキャナを使用することができる。光スキャナ１０２は、環境内の何らかの物体に入射して回路１０１の受動的光回路部品に戻される戻り光ビームになる光を収集する。例えば、戻り光ビームは、偏光ビームスプリッタ又は光サーキュレータによって光検出器に導くことができる。ミラー及びガルバノメータに加えて、光走査システムは、１／４波長板、レンズ、反射防止被覆窓などの構成要素を含むことができる。

光回路１０１及び光スキャナ１０２を制御して支援するために、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を含むことができる。実施形態では、この処理デバイスは、マイクロプロセッサ、中央処理ユニットなどの１又は２以上の汎用処理デバイスとすることができる。より詳細には、処理デバイスは、複雑命令セット演算（ＣＩＳＣ）マイクロプロセッサ、縮小命令セット演算（ＲＩＳＣ）マイクロプロセッサ、超長命令語（ＶＬＩＷ）マイクロプロセッサ、又は他の命令セットを実行するプロセッサ、或いは命令セットの組み合わせを実行するプロセッサとすることができる。また、処理デバイスは、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレー（ＦＰＧＡ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、ネットワークプロセッサなどの１又は２以上の専用処理デバイスとすることもできる。

一部の実施形態では、ＬＩＤＡＲ制御システム１１０は、デジタル信号プロセッサなどの信号処理ユニット１１２を含むことができる。ＬＩＤＡＲ制御システム１１０は、デジタル制御信号を出力して光駆動装置１０３を制御するように構成される。一部の実施形態では、デジタル制御信号は、信号変換ユニット１０６を介し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、光駆動装置１０３は、光ビーム及び増幅器などの光源を駆動するために、光回路１０１の能動部品に駆動信号を供給することができる。一部の実施形態では、複数の光源を駆動するために複数の光駆動装置１０３及び信号変換ユニット１０６を設けることができる。

また、ＬＩＤＡＲ制御システム１１０は、デジタル制御信号を出力して光スキャナ１０２を制御するように構成される。モーション制御システム１０５は、ＬＩＤＡＲ制御システム１１０から受信した制御信号に基づいて、光スキャナ１０２のガルバノメータ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からの座標経路情報を、光スキャナ１０２内のガルバノメータで解釈可能な信号に変換することができる。一部の実施形態では、モーション制御システム１０５は、光スキャナ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、今度は、アナログ－デジタル変換器が、ガルバノメータの位置に関する情報をＬＩＤＡＲ制御システム１１０で解釈可能な信号に変換することができる。

ＬＩＤＡＲ制御システム１１０は、到来するデジタル信号を分析するようにさらに構成される。これに関して、ＬＩＤＡＲシステム１００は、光回路１０１が受信した１又は２以上のビームを測定するために光受信器１０４を含む。例えば、参照ビーム受信器は、能動的光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、参照ビーム受信器からの信号をＬＩＤＡＲ制御システム１１０で解釈可能な信号に変換する。標的受信器は、ビート周波数変調光信号の形で標的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、局部発振器からの第２の信号と混合することができる。光受信器１０４は、標的受信器からの信号をＬＩＤＡＲ制御システム１１０で解釈可能な信号に変換するために、高速アナログ－デジタル変換器を含むことができる。

一部の用途では、ＬＩＤＡＲシステム１００は、環境の画像を取り込むように構成された１又は２以上の撮像デバイス１０８、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システム１０９、又は他のセンサ入力をさらに含むことができる。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信し、その画像、及び位置又はそれに関連する情報をＬＩＤＡＲ制御システム１１０に、又はＬＩＤＡＲシステム１００に接続された他のシステムに送信するように構成することができる。

一部の実施例による動作では、ＬＩＤＡＲシステム１００は、非縮退光源を用いて、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。この能力により、周囲環境の距離、速度、方位角、及び仰角に関するリアルタイムの長距離測定が可能となる。一部の実施例では、このシステムは複数の変調光ビームを同じ標的に向ける。

一部の実施例では、走査プロセスは、光駆動装置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、１又は２以上の光ビームを独立して変調するように光駆動装置１０３に命令し、これらの変調信号は、受動的光回路を介してコリメータに伝わる。コリメータは、その光を、モーション制御サブシステムによって規定さ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走査システムに向ける。また、光回路は、光が光回路１０１から出る際に光の偏光を転換するための偏光波長板を含むことができる。実施形態では、偏光波長板は、１／４波長板又は１／２波長板とすることができる。また、偏光した光の一部を反射して光回路１０１に戻すこともできる。例えば、レンズ系又はコリメート系は、自然の反射特性又は反射コーティングを有し、光の一部を反射して光回路１０１に戻すことができる。

環境から反射して戻った光信号は、光回路１０１を通過して受信器に至る。光の偏光が転換されているので、これは、反射されて光回路１０１に戻った偏光の一部と共に、偏光ビームスプリッタで反射され得る。従って、反射光は、光源と同じファイバ又は導波路に戻るのではなく別個の光受信器へ反射される。これらの信号は、互いに干渉して合成信号を生成する。標的から戻った各ビーム信号は、時間シフトした波形を作り出す。２つの波形の間の時間的位相差は、光受信器（光検出器）で測定されるビート周波数を生成する。次に、合成信号は、光受信器１０４へ反射することができる。ビームを偏光させて光受信器１０４に導くための光回路１０１の構成については、以下でさらに説明する。

光受信器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、デジタル信号を受信してそれらを解釈することができる。一部の実施形態では、信号処理ユニット１１２は、モーション制御システム１０５及びガルバノメータ（図示せず）からの位置データと共に、画像処理システム１１４からの画像データも受信する。次に、信号処理ユニット１１２は、光スキャナ１０２が追加の点を走査する際に、環境内の点の距離及び速度に関する情報を有する３Ｄ点群又は３Ｄポイントクラウドを生成することができる。また、信号処理ユニット１１２は、３Ｄ点群データを画像データと重ね合わせて、周囲領域内の物体の速度及び距離を決定することができる。また、このシステムは、精密なグローバル位置を提供するために、衛星ベースのナビゲーション位置データを処理する。

図２は、本開示の実施形態によるＬＩＤＡＲシステム２００の態様を示す。実施形態では、ＬＩＤＡＲシステム２００の１又は２以上の構成要素は、フォトニックチップ２３０に実装することができる。図示のように、光源２０２は、光ビーム２１８を生成する。一部の実施形態では、複数の光源を用いて複数の光ビームを生成することができる。実施形態では、複数の光ビームは、互いに異なる波長を有することができる。例えば、第１の光源が、第１の波長を有する第１の光ビームを生成し、第２の光学源が、第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２の光ビームを生成することができる。光ビーム２１８は、光源２０２に作動的に結合されたビーム分離器２０４に供給される。ビーム分離器２０４は、光ビーム２１８の第１の部分を標的に向けて第１の方向に分離し、光ビームの第２の部分を局部発振器信号２２８として第２の方向に分離する。一部の実施形態では、ビーム分離器２０４は、９０／１０ビーム分離器とすることができる。実施形態では、ビーム分離器２０４は、５０／５０ビーム分離器とすることができる。

光ビーム２１８の第１の部分は、ビーム分離器２０４に作動的に結合された光増幅器２０６に供給される。光増幅器２０６は、光ビーム２１８の光信号を増幅する。ＬＩＤＡＲシステム２００は、光ビーム２１８をレンズ２１２に向かって送り、標的信号２２２を光検出器２２６に送る少なくとも１つの光学デバイスをさらに含むことができる。図示のように、１又は複数の光学デバイスは、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２０８及び偏光波長板（ＰＷＰ）２１４を含む。適切な１又は複数の光学デバイスの他の実施例は、光サーキュレータ又は光スプリッタ／コンバイナを含むことができる。

光ビーム２１８は、光増幅器２０６に作動的に結合された偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２０８を、非偏光光として通過することができる。光ビーム２１８は、ＰＢＳ２０８に作動的に結合されたモードフィールド拡大器２１０に入射することができる。モードフィールド拡大器２１０は、光ビームがモードフィールド拡大器２１０を通過する方向に基づいて、光ビーム２１８のモードエリアを変換することができる。例えば、光ビーム２１８がモードフィールド拡大器２１０を第１の方向に通過する場合、モードフィールド拡大器２１０は、光ビーム２１８のモードエリアを拡大することができ、光ビームがモードフィールド拡大器２１０を逆方向に通過する場合、モードフィールド拡大器２１０は、光ビーム２１８のモードエリアを縮小することができる。実施形態において、モードフィールド拡大器２１０は、アディアバティックモード拡大器とすることができる。一部の実施形態では、モードフィールド拡大器２１０は、光ビーム２１８のモードエリアを変換するように構成された何らかの構成要素とすることができる。図２を参照すると、標的２２０に向かって光ビーム２１８がモードフィールド拡大器２１０を通過する場合、モードフィールド拡大器２１０は、光ビーム２１８のモードエリアを拡大することができる。モードフィールド拡大器２１０の態様は、以下の図４Ａ及び図４Ｂでさらに詳細に説明する。

光ビーム２１８は、レンズ２１２に供給して、集束／コリメートすることができる。光ビーム２１８は、光ビーム２１８の偏光を転換する偏光波長板（ＰＷＰ）２１４に供給することができる。例えば、光ビーム２１８の偏光を円偏光に転換することができる。一部の実施形態では、ＰＷＰ及び／又はＰＢＳではなく、光アイソレータを利用して、光ビーム２１８の偏光を転換すること及び／又は光ビーム２１８の方向を変えることができる。

光の偏光を転換した状態で、光ビーム２１８は、スキャナ２１６（例えば、図１の光スキャナ１０２）を介して標的２２０に向かって伝送することができる。光ビーム２１８が標的２２０に当たると、ビームの一部が標的信号２２２としてＬＩＤＡＲシステム２００に戻る。標的信号２２２は、スキャナ２１６、ＰＷＰ２１４、及びレンズ２１２を通過し、標的信号はモードフィールド拡大器２１０によって受信される。標的信号２２２は、光ビーム２１８とは逆方向にモードフィールド拡大器２１０の中を移動しているので、モードフィールド拡大器２１０は、標的信号２２２のモードエリアを縮小することができる。実施形態では、モードフィールド拡大器２１０は、シングルモードファイバ／導波路のモードエリアに対応するように標的信号２２２のモードエリアを縮小することができる。

標的信号２２２は、モードフィールド拡大器２１０を通過した後、ＰＢＳ２０８によって受信される。標的信号２２２の偏光がＰＷＰ２１４によって転換されているので、標的信号２２２は、ＰＢＳ２０８を通過するのではなく、ＰＢＳ２０８によって反射される。標的信号２２２は、ＰＢＳ２０８によって反射され、ビームコンバイナ２２４に向かう。ビームコンバイナ２２４は、標的信号２２２及び局部発振器信号２２８を受信し、標的信号２２２及び局部発振器信号２２８の両方を含む合成信号を作り出す。実施形態では、ビームコンバイナ２２４は、５０／５０又は９０／１０のビームコンバイナとすることができる。次に、合成信号は、前述のように、後続の分析のために光検出器２２６によって受信される。

図３は、本開示の他の実施形態によるＬＩＤＡＲシステム３００の態様を示す。ＬＩＤＡＲシステム３００の構成要素は、ＬＩＤＡＲシステム２００の構成要素と類似することができる。しかしながら、ビーム分離器（例えば、ビーム分離器２０４）を利用して局部発振器信号２２８を作り出すのではなく、局部発振器信号２２８は、ＰＷＰ２１４の反射面で再現することができる。例えば、ＰＷＰ２１４は、光ビームの一部を光源２０２に向かう方向に反射することができる。一部の実施形態では、ＰＷＰ２１４上の別個のミラー、マイクロレンズアレイ、フィルタ、又は反射コーティングを使用することができる。光ビームの反射部分は、戻ってきた標的信号２２２と干渉するための局部発振器信号２２８となる。

図２の標的信号２２２と同様に、局部発振器信号２２８の偏光が転換されているので、ＰＢＳ２０８は、局部発振器信号２２８がＰＢＳ２０８を通過するのを可能にするのではなく、局部発振器信号２２８をビームコンバイナ２２４に向かう方向に反射する。

図４は、本開示の一部の実施形態によるＬＩＤＡＲシステム４００の態様を示す。ＬＩＤＡＲシステム４００の構成要素は、ＬＩＤＡＲシステム２００の構成要素と類似することができる。しかしながら、光ビーム２１８及び標的信号２２２の経路にモードフィールド拡大器２１０を備えるのではなく、フィールド拡大器２１０は、標的信号２２２がＰＢＳ２０８によって光検出器２２６に向けられた後の標的信号２２２の経路に配置される。

標的信号２２２がモードフィールド拡大器２１０を通過する際に、モードフィールド拡大器２１０は、標的信号２２２のモードエリアを拡大する。標的信号２２２は、ビームコンバイナ２２４に供給され、拡大されたモードエリアを有する標的信号２２２は、局部発振器信号２２８と合成される。合成信号は、後続の分析のために光検出器２２６に供給される。

図５Ａは、本開示の実施形態による、出射光ビームのモードエリアを拡大するモードフィールド拡大器の一実施例の説明図５００である。

図５Ａを参照すると、光ビーム２１８がモードフィールド拡大器２１０を通過する際に、光ビーム２１８のモードエリアは、より大きなモードエリアのファイバ／導波路の基本モードに変換される。実施形態では、モードフィールド拡大器２１０は、アディアバティックモード拡大器（ＡＭＥ）とすることができる。モードエリアの変換は、光ビーム２１８の低損失シングルモード特性を維持する。

図５Ｂは、本開示の実施形態による、入射標的信号のモードエリアを縮小するモードフィールド拡大器の一例の説明図５５０である。

図５Ｂを参照すると、標的信号２２２がモードフィールド拡大器２１０を通過する際に、標的信号２２２のモードエリアは、ＬＩＤＡＲシステム構成要素のシングルモードファイバ／導波路のモードエリアに縮小される。標的信号２２２のモードエリアをシングルモードファイバ／導波路のモードエリアを縮小することは、標的信号２２２の低損失を可能にしながら標的信号とシングルモードファイバ／導波路の結合効率を高くする。

図６は、本開示の例示的な実施構成による、ＬＩＤＡＲシステムの入射光及び出射光のモードエリアを変換するためにモードフィールド拡大器を利用する方法６００の流れ図を示す。実施形態では、方法６００の様々な部分は、図１、図２、図３及び図４のＬＩＤＡＲシステム１００、２００、３００及び／又は４００でそれぞれ実行することができる。

図６を参照すると、方法６００は、様々な実施形態で使用される例示的な機能を示す。方法６００には特定の機能ブロック（「ブロック」）が開示されるが、このようなブロックは例示である。すなわち、実施形態は、様々な他のブロック又は方法６００に列挙したブロックの変形例を実行するのに適している。方法６００の各ブロックは、提示されたものとは異なる順序で実行することができること、及び方法６００のブロックの全てが実行されるとは限らないことを理解されたい。

ブロック６０２において、光源は、標的に向かう光ビームを生成する。ブロック６０４において、モードフィールド拡大器は、光ビームが標的に向かって進む際に、光ビームに関連するモードエリアを拡大する。例えば、モードフィールド拡大器は、光ビームのモードエリアを、大きなモードエリアの導波路／ファイバの基本モードに拡大することができる。ブロック６０６において、モードフィールド拡大器は、標的による光ビームの反射に関連する標的信号を受信する。反射された標的信号は、モードフィールド拡大器の大きなモードエリア部分を用いて捕捉することができる。

ブロック６０８において、モードフィールド拡大器は、標的信号が標的から戻る際に、標的信号のモードエリアを縮小する。実施形態では、モードフィールド拡大器は、ＬＩＤＡＲシステムのシングルモードファイバ／導波路部品のモードエリアに対応するように、標的信号のモードエリアを縮小することができる。ブロック６１０において、ビームコンバイナは、標的信号及び局部発振器信号を含む合成信号を生成する。図３で説明した実施形態などの一部の実施形態に関して、局部発振器信号及び標的信号は、ＬＩＤＡＲシステムのレンズ光学系によって合成することができる。従って、そのような実施形態では、ブロック６１０は実行されない場合がある。ブロック６１２において、合成信号は分析のために光検出器に供給される。

上記の説明は、本開示のいくつかの実施形態の良好な理解を可能にするために、具体的なシステム、構成要素、方法ほかの実施例などの多くの具体的な詳細を説明する。しかしながら、当業者であれば本開示の少なくとも一部の実施形態がこれらの具体的な詳細なしで実施できることを理解できる。場合によっては、本開示が不明瞭になるのを避けるために、周知の構成要素又は方法は、詳細に説明されないか又は単純なブロック図で提示される。従って、記載される特定の詳細は、単なる例示に過ぎない。特定の実施形態は、これらの例示的な詳細とは異なる場合があるが、依然として本開示の範囲に入ることが想定される。

本明細書を通して「１つの実施形態」又は「一実施形態」への言及は、実施形態に関連して説明される具体的な特徴、構造、又は特性が少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書を通して様々な箇所での「１つの実施形態において」又は「一実施形態において」というフレーズの出現は、必ずしも全てが同じ実施形態を指している訳ではない。さらに、用語「又は」は、排他的な「又は」ではなく包括的な「又は」を意味することが意図されている。

本明細書では方法の動作が特定の順序で図示されて説明されるが、各方法の動作の順序は、特定の動作を逆の順序で実行できるように又は特定の動作を少なくとも部分的に他の動作と同時に実行できるように変更することができる。別の実施形態では、別個の動作の命令又はサブ動作は、間欠的又は交互的な様式で行うことができる。

要約に記載されるものを含む、本発明を示す実施構成に関する上記の説明は、網羅的であること又は本発明を開示された正確な形態に限定することが意図されていない。本明細書には、説明を目的として本発明の具体的な実施態様及び実施例が記載されるが、当業者であれば理解できるように、本発明の範囲内で様々な等価な変更が可能である。本明細書では、用語「実施例」又は「例示的な」は、実施例、事例、又は実例としての役割を果たすことを意味するために使用される。本明細書で「実施例」又は「例示的な」として記載される何らかの態様又はデザインは、必ずしも他の態様又はデザインよりも好ましいか又は好都合であると解釈するべきではない。むしろ、用語「実施例」又は「例示的な」の使用は、概念を具体的に提示することが意図されている。本出願で使用する場合、「又は」という用語は、排他的な「又は」ではなく、包括的な「又は」を意味することが意図されている。すなわち、特に指定がない限り又は文脈から明らかでない限り、「ＸはＡ又はＢを含む」は、自然な包括的順序のいずれかを意味することが意図されている。つまり、ＸがＡを含む、ＸがＢを含む、又はＸがＡとＢの両方を含む場合、「ＸはＡ又はＢを含む」は、前述のいずれの例も満たす。加えて、本出願及び添付の請求項で使用する冠詞「１つの（ａ）」及び「１つの（ａｎ）」は、一般に、特に指定がない限り又は文脈から単数形に向けられていることが明らかでない限り、「１又は２以上」を意味するように解釈すべきである。さらに、全体を通して「１つの実施形態」又は「一実施形態」又は「１つの実施例」又は「一実施例」という用語の使用は、そのように説明されない限り、同じ実施形態又は実施例を意味することが意図されていない。さらに、本明細書で使用する「第１の」、「第２の」、「第３の」、「第４の」などの用語は、異なる要素を区別するための表記を意味し、必ずしもその数値指定による順序的な意味をもたない。

１００、２００、３００、４００：ＬＩＤＡＲシステム
１０１：光回路
２０２：光源
２０４：ビーム分離器
２０８：偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
２１０：モードフィールド拡大器
２１８：光ビーム
２２２：標的信号
２２４：ビームコンバイナ
２２６：光検出器
２２８：局部発振器信号

Claims (20)

1. 光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置であって、
   標的に向けて光ビームを放出する光源と、
   前記光ビームのモードエリアを拡大するために前記光源に作動的に結合されたモードフィールド拡大器と、
   を備える、ＬＩＤＡＲ装置。
2. 前記光源と前記モードフィールド拡大器との間に作動的に結合された第１のビーム分離器をさらに備え、前記第１のビーム分離器は、前記光ビームの第１の部分を前記標的に向けて第１の方向に分離し、前記光ビームの第２の部分を局部発振器信号として第２の方向に分離する、請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
3. 前記局部発振器信号と前記光ビームに関連する標的信号とを有する合成信号を生成するためのビームコンバイナをさらに備える、請求項２に記載のＬＩＤＡＲ装置。
4. 前記ビームコンバイナから前記合成信号を受信するために前記ビームコンバイナに作動的に結合された光検出器をさらに備える、請求項３に記載のＬＩＤＡＲ装置。
5. 前記モードフィールド拡大器は、少なくとも１つの光学デバイスと前記ビームコンバイナとの間に作動的に結合され、前記モードフィールド拡大器は、前記少なくとも１つの光学デバイスから前記標的信号を受信し、前記標的信号の前記モードエリアを拡大し、前記標的信号を前記ビームコンバイナに供給する、請求項３に記載のＬＩＤＡＲ装置。
6. 前記光源と前記モードフィールド拡大器との間に作動的に結合された偏光ビームスプリッタをさらに備え、前記偏光ビームスプリッタは、前記偏光ビームスプリッタを通過して第１の偏光状態の光を第１の方向に通し、第２の偏光状態の光を前記第１の方向とは異なる第２の方向に反射する、請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
7. 前記光ビームの偏光を転換する偏光波長板をさらに備える、請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
8. 前記偏光波長板は、前記光の第２の部分を局部発振器信号として戻すために、反射板又はコーティングをさらに備える、請求項７に記載のＬＩＤＡＲ装置。
9. 前記標的に向けて第２の光ビームを放出する第２の光源をさらに備え、前記光ビームの第１の波長は、前記第２の光ビームの第２の波長とは異なる、請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
10. 前記光源と前記モードフィールド拡大器との間に作動的に結合された光増幅器をさらに備え、前記光増幅器は前記光ビームを増幅する、請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
11. 前記光源又は前記モードフィールド拡大器のうちの少なくとも一方は、フォトニックチップに実装される、請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
12. 光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）システムの光源によって、標的に向かう光ビームを生成するステップと、
    前記光源に作動的に結合されたモードフィールド拡大器によって、前記光ビームに関連するモードエリアを変換するステップと、
    を含む方法。
13. 前記光源と前記モードフィールド拡大器との間に作動的に結合されたビーム分離器によって、前記光ビームを受け取るステップと、
    第１のビーム分離器によって、前記光ビームの第１の部分を前記標的に向けて第１の方向に分離し、前記光ビームの第２の部分を局部発振器信号として第２の方向に分離するステップと、
    をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. ビームコンバイナによって、前記光ビームに関連する標的信号と前記局部発振器信号とを受信するステップと、
    前記ビームコンバイナによって、前記標的信号と前記局部発振器信号とを有する合成信号を生成するステップと、
    をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
15. 光検出器によって、第２のビーム分離器から前記合成信号を受信するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
16. 偏光波長板によって、前記光ビームの偏光を転換するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
17. 前記ＬＩＤＡＲシステムの第２の光源によって、前記標的に向かう第２の光ビームを生成するステップであって、前記第２の光ビームが前記光ビームとは異なる波長を有するステップと、
    前記モードフィールド拡大器によって、前記第２の光ビームに関連する第２のモードエリアを変換するステップと、
    をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
18. 前記モードフィールド拡大器は、アディアバティックモード拡大器を備える、請求項１２に記載の方法。
19. 前記モードフィールド拡大器によって、前記光ビームに関連する標的信号を受信するステップと、
    前記標的信号に関連する第２のモードエリアを変換するステップと、
    をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
20. 前記光源と前記モードフィールド拡大器との間に作動的に結合された光増幅器によって、前記光源が生成した前記光ビームを増幅するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。

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