JP2024503309A - ズームレンズを用いたマルチビームｌｉｄａｒ - Google Patents

Abstract

1つの一般的な態様では、遠方の物体をモニタするように構成された装置は、電磁放射線の複数のビームを生成するように構成された少なくとも1つの電磁放射線の供給源と、電磁放射線の複数のビームの各々を遠方の標的物体に投影するように構成された光学系であって、可変焦点距離を有するズームレンズと、ズームレンズの可変焦点距離を制御するように構成されたコントローラとを含む光学系と、を含むことができる。【選択図】図３Ａ

Description

（関連出願）
本出願は、「ズームレンズを用いたマルチビームLIDAR（MULTI-BEAM LIDAR USING A ZOOM LENS）」と題された2021年12月30日出願の米国特許出願第17/646,536号に基づく優先権を主張し、かつその継続出願であり、この米国出願は、「ズームレンズを用いたマルチビームLIDAR（MULTIPLE-BEAM LIDAR USING A ZOOM LENS）」と題された2020年12月31日出願の米国仮特許出願第63/199,476号に基づく優先権を主張し、その開示内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本出願はまた、「ズームレンズを用いたマルチビームLIDAR（MULTIPLE-BEAM LIDAR USING A ZOOM LENS）」と題された2020年12月31日出願の米国仮特許出願第63/199,476号に基づく優先権も主張する。

（技術分野）
本説明は、ズームまたは可変焦点距離光学系を使用するマルチビームレーザ光検出及び測距（LIDAR：LIght Detection And Ranging）システムに関する。

いくつかの既知のLIDARシステムでは、物体を追跡するためにレーザが使用される場合がある。いくつかのLIDARシステムは、物体の振動速度を音声信号に変換するために使用される場合もある。しかしながら、物体追跡や音声信号変換に使用される既知のLIDARシステムは、比較的遅く、非効率であり、および／または不正確であることが多い。このため、現状の技術の課題に対応し、他の新規および革新的な特徴を提供するシステム、方法、および装置が必要とされている。

（概要）
1つの一般的な態様では、遠方の物体をモニタするように構成された装置は、電磁放射線の複数のビームを生成するように構成された少なくとも1つの電磁放射線の供給源；および電磁放射線の複数のビームの各々を遠方の標的物体に投影するように構成された光学系であって、可変焦点距離を有するズームレンズと、ズームレンズの可変焦点距離を制御するように構成されたコントローラとを含む光学系、を含むことができる。

別の一般的な態様では、遠方の物体をモニタするように構成されたシステムは、電磁放射線の複数のビームを遠方の標的物体に投影するように構成された伝送サブシステムであって、伝送サブシステムが可変焦点距離を有するズームレンズと、ズームレンズの可変焦点距離を制御するように構成されたコントローラとを含む伝送サブシステム；および遠方の物体上の振動速度場を決定するために、遠方の標的物体から反射された電磁放射線の該複数のビームに基づいて複数の速度を生成するように構成された分析器、を含むことができる。

別の一般的な態様では、方法は、可変焦点距離を有するズームレンズと、ズームレンズの可変焦点距離を制御するように構成されたコントローラとを含む光学系を介して、電磁放射線の第1の複数のビームを遠方の標的物体に投影すること；遠方の標的物体から反射された第1の複数のビームから生じる電磁放射線の第2の複数のビームを受信すること；および複数の速度を生成し、遠方の物体上の振動速度場を決定するために、電磁放射線の該第2の複数のビームを分析すること、を含むことができる。

1つ以上の実施形態の詳細が、添付の図面および以下の説明に記載されている。その他の特徴は、詳細な説明および図面、ならびに特許請求の範囲から明らかになるであろう。

（図面の簡単な説明）
図1Aは、レーザサブシステムを含むレーザシステムを例示する図である。

図1Bは、図1Aに示されている少なくとも1つのレーザサブシステムに含められる構成要素をより詳細に例示する図である。

図2Aは、図1に例示されている電子環境内で追跡される例示的な物体を例示する線図である。

図2Bは、図1に例示されている電子環境内で追跡される例示的な物体を例示する線図である。

図2Cは、図1に例示されている電子環境内で追跡される別の例示的な物体を例示する線図である。

図2Dは、図1に例示されている電子環境内で追跡される他の例示的な物体を例示する線図である。

図2Eは、図1に例示されている電子環境内でさらに追跡される他の例示的な物体を例示する線図である。

図3Aは、ズーム光学系の入射口に入力する複数のビームを生成する例示的なLIDARシステムを例示する図である。

図3Bは、ズーム光学系の光軸に沿って薄型レンズを移動させることによって焦点距離を変化させる例示的なズームレンズを例示する図である。

図3Cは、ズーム光学系内の絞りサイズおよび／または位置を変更することによって焦点距離を変化させる例示的なズームレンズを例示する図である。

図4Aは、LIDARシステムのズーム光学系への入力として、マルチコアファイバによって放射される複数のビームの例示的なパターンを例示する図である。

図4Bは、LIDARシステムによってモニタされる遠方の物体付近の例示的なパターンを例示する図である。

図5は、本明細書に記載される実施態様に関連したプロセスを例示している。

（詳細な説明）
マルチビームLIDARシステムは、標的上でビームが特定の間隔を有するように、特定の距離の標的上に複数のビームを生成するように構成されている。いくつかの実施形態では、マルチビームLIDARシステムの複数のビームは、複数のレーザサブシステムから生成される。いくつかの実施形態では、マルチビームLIDARシステムの複数のビームは、マルチコアファイバから生成される。

マルチビームLIDARシステムは、複数のビームポイントで同時に距離を測定できる。ポインティング情報とともに、これらの距離測定値を使用して、計測プロセスのために表面の(x,y,z)マップを提供することができる。測定ポイントの間隔は、計測プロセスにおける一般的な要件である。振動や音声収集のような他のLIDARプロセスでは、ビーム間隔はマルチチャネル信号収集または3D表面形状の検出に基づく標的追跡のために重要である。

マルチビームLIDARシステムの場合、効率的でシンプルなシステム設計のために、LIDARビーム供給源ポイントのアレイは一般的に固定されている。効率的な固定間隔のビーム供給源アレイを使用して、LIDARレンズは供給源ビームパターンを標的に投影する。標的までの距離をR、LIDARレンズの焦点距離をrf、ビーム間隔をdxとすると、標的表面上でのビーム間隔dXは、以下のようになる。

従来のLIDARシステムは、特に航空宇宙産業および自動車産業では一般的にシングルビームである。マルチビームシステムへの移行により、これらの産業およびその他の産業における生産プロセスの計測部分のスピードアップと精度を向上することができる。それでもなお、さらなる改善は可能である。例えば、ある計測アプリケーションに使用されるマルチビームLIDARシステムは、ビーム間隔要件が異なるため、他のアプリケーションでは役に立たないことがある。

異なるビーム間隔要件に適応できない従来のLIDARシステムとは対照的に、改良された技術では、可変焦点距離光学系（例えば、ズームレンズ）を使用して、ビーム間隔要件に従って複数のビームを標的に投影する。ズームマルチビームLIDARシステムは、様々な測定間隔要件に適応できる可能性がある。

例えば、同じシステムを使用して、マルチビーム振動測定と計測用マルチビーム3Dイメージングの両方を行うことができる。遠方の標的の速度場を決定するために複数の速度を測定するためのアプリケーションに加えて、改良された技術は、遠方の標的の3D形状を決定するために使用できる複数の距離を測定するためのアプリケーションを提供することができる。どちらのアプリケーションも、標的上のビーム間隔にわたって速度と精度が最適化されている。あるアプリケーションに最適なビーム間隔は、他のアプリケーションに最適なビーム間隔とは異なる可能性がある。

従来のLIDARシステムとは異なり、改良された技術では、ズームレンズの焦点距離を調整することによって、あらゆるアプリケーションにビーム間隔を最適化できる。一般に、速度／音声測定／検出に最適なビーム間隔は、3D測定に最適なビーム間隔とは異なる。焦点距離を調整可能なズームレンズを使用することで、単一の供給源ビームアレイを使用した振動測定アプリケーションと、3Dイメージング／3D計測の両方に最適な標的ビーム間隔を得ることができる。

図1Aは、レーザサブシステム105を使用して、レーザシステム100に対して静止または移動し得る物体5の距離および／または速度を生成または測定するように構成されたレーザシステム100（LIDAR（LIght Detection And Ranging）システムとも呼ばれる）を示す図である。いくつかの実施形態では、レーザシステム100は、1つ以上のレーザビームを送信するように構成することができる。したがって、レーザシステム100は、例えば、物体5の特性評価（例えば、測定）のために、ビームのアレイを生成するように構成することができる。いくつかの実施形態では、物体5は、標的または標的物体5と呼ばれることがある。レーザシステム100は、周波数変調連続波（FMCW）アプリケーションに使用することができる。このようなアプリケーションには、表面（例えば、製造環境における乗り物（例えば、飛行機、自動車など）の金属表面）の特性評価を含む計測アプリケーションが含まれ得る。

レーザシステム100は、例えば、FMCWアプリケーション内の距離測定の速度と精度を向上させることができるマルチビーム距離測定プロセスを実装することができる。具体的な例として、レーザシステム100からの複数のレーザを同時に使用する場合の単一のセトリング時間は、単一のレーザの各使用が複数のセトリング時間をもたらすセトリング時間に関連付けられる、単一のレーザを複数回使用するシステムよりも測定効率を向上させることができる。また、レーザシステム100は、特性評価の不正確さの原因となり得る物体5（剛体物体または非剛体物体であり得る）の振動に関連する様々な問題を考慮するように構成することもできる。

図1Aに示すように、LIDARシステム100は、レーザサブシステム105によって生成されたレーザビームに基づいてデータを分析するように構成された分析器170を含む。いくつかの実施形態では、分析には、1つ以上のレーザサブシステム105の距離および／または速度を推定することを含むことができる。

図1Aにも示すように、LIDARシステム100はズーム光学系180を含む。ズーム光学系180は、複数の焦点距離のうちのいずれか1つを有する光学系を介して、標的5に複数の間隔を空けたビームを生成するように構成されている。

図1Bは、図1Aに示されている少なくとも1つのレーザサブシステムに含められる構成要素をより詳細に例示する図である。レーザサブシステム105のレーザ源110は、例えば、コヒーレント発光（例えば、単色発光）またはビームとなり得る、1つ以上の周波数で電磁放射線を放射（例えば、生成、伝播）するように構成されている。簡単のため、レーザ源110からの放射は、電磁放射線放射（電磁放射線放射など）、放射レーザ信号10、または放射光と呼ばれる。

図1Bに示すように、レーザ信号10は、スプリッタ125によって、少なくともレーザ信号11-1および11-2のような複数のレーザ信号に分割することができる。いくつかの実施形態では、レーザ信号11は、分割されたレーザ信号から得ることができ、結合されたレーザ信号と呼ぶことができる。図1Bに示すように、干渉計を使用してレーザ信号11を生成することができ、このレーザ信号11は、図1Aに示す分析器170（復調器とも呼ばれる）によって1つ以上の補正のために分析され得る。このような実施形態では、レーザ信号10は、（例えば、スプリッタ125によって）レーザ信号11-1とレーザ信号11-2にさらに分割することができる。レーザ信号11-1は、レーザ信号11-4として物体5から反射され得る。レーザ信号11-2は、レーザ信号11-3に遅延142C（長さに相関させることができる）によって遅延させることができ、レーザ信号11-3は、コンバイナ140Cを介してレーザ信号11-4と結合することができる。干渉計からのレーザ信号11（干渉計信号とも呼ばれる）は、検出器150Cを使用してレーザ信号11に関する情報を収集するために使用することができる。以下のレーザ信号11に関する説明は、レーザ信号11を定義するために使用することができるコンポーネントレーザ信号11-1～11-4のいずれにも適用することができ、標的レーザ信号または分析器170による分析の対象となるレーザ信号とすることができる。スプリッタ125は、簡単のため単一部品として図示されている。いくつかの実施形態では、スプリッタ125は複数のスプリッタを含むことができる。同様に、図1Bに示されるコンバイナの1つ以上は、結合されてもよく、または追加のコンバイナを含んでもよい。

図1Bに示すように、レーザサブシステム105は、周波数掃引モジュール120（複数のレーザサブシステムで使用することができる）を含む。周波数掃引モジュール120は、例えば、レーザ源110の駆動電流を変調することにより、レーザ源110をトリガして、様々な光周波数（一般に周波数とも呼ばれる）を生成するように構成されている。具体的には、周波数掃引モジュール120は、レーザ源110をトリガして、光周波数のパターン（周波数パターンとも呼ばれる）を生成するように構成されている。例えば、周波数掃引モジュール120は、レーザ源110をトリガして、光周波数の正弦波パターン、光周波数の鋸歯状波パターンなどを生成するように構成することができる。いくつかの実施形態では、鋸歯状波パターンは、光周波数において連続的に増加する（例えば、単調増加、線形増加、非線形増加）部分（アップチャープとも呼ばれる）を有することができ、光周波数において連続的に減少する（例えば、単調減少、線形減少、非線形減少）部分（ダウンチャープとも呼ばれる）を有することができる。したがって、周波数パターンは、アップチャープとダウンチャープを含む周期を有することができる。

レーザサブシステム105は、レーザ源110から物体5に向かう放射レーザ信号11-1（レーザ信号10から分割された）に応答して物体5から反射されたレーザ信号11-4（反射レーザ信号または散乱レーザ信号とも呼ばれる）（図示せず）を受信するように構成されたコンバイナ140Cを含む。いくつかの実施形態では、物体5からの反射レーザ信号（戻り信号または戻り光と呼ばれる）は、放射レーザ信号10（例えば、遅延部142Cによって遅延されたレーザ信号11－3）の一部と混合し、次いで、（検出器150Cによって電気信号に変換された後に）分析器170によって分析され得る。

レーザサブシステム105の分析器170（複数のレーザサブシステムと共に使用することができ、および／または1つ以上のレーザサブシステム内に含めることができる）は、レーザ源110からの放射レーザ信号11-1とコンバイナ140Cによって受信された反射レーザ信号11-4との組み合わせを分析するように構成されている。放射レーザ信号11-1は、アップチャープに続くダウンチャープ（またはダウンチャープに続くアップチャープ）を含むパターンに従って放射され得る。レーザ源110から放射されたレーザ信号11-1の周波数と、コンバイナ140Cによって受信された反射レーザ信号11-4の周波数の組み合わせは、分析器170によって分析され、ビート周波数または信号を取得または定義することができる。換言すれば、ビート周波数は、物体5への往復（放射レーザ信号）と戻り（反射レーザ信号）にわたる信号周波数の変化の合計であり、レーザサブシステム105と物体5との間の相対的な距離の動きに起因する反射レーザ信号のドップラー周波数シフトを含み得る。いくつかの実施形態では、ビート信号は比較的一定の周波数または変化する周波数を有することができる。いくつかの実施形態では、放射レーザ信号11-1の周波数と反射レーザ信号11-4の周波数の組み合わせは、差周波数、ビート周波数、または往復周波数と呼ばれることがある。

分析器170は、レーザ信号10の放射から反射レーザ信号の戻りの受信までの時間である往復時間を計算するように構成することができる。放射レーザ信号11-1と反射レーザ信号11-4の組み合わせは、総称して往復レーザ信号と呼ぶことがある。分析器170は、放射レーザ信号11-1と反射レーザ信号11-4の組み合わせに基づいて、距離および／または速度を計算するように構成することもできる。

レーザ出力の光パワーは、例えばレーザ源110の駆動電流変調の結果として、周波数掃引やアップチャープ／ダウンチャープなどの周波数パターン中に大きく変化する可能性がある。周波数パターンは、例えば、周波数、および／または位相などに変化を引き起こし得る不完全な駆動電流信号および／またはレーザ源110の不可避の熱励起などのために、特定の周波数パターンから非理想的となり得る（例えば、逸脱し得る）。

リニアチャープFMCW LIDARは、標的（例えば、物体5）まで往復した遅延チャープの周波数を、LIDARシステム100内の局部発振器（LO）経路をたどったチャープの周波数と比較して決定することにより、距離を計算することができる。いくつかの実施形態では、LO経路は、スプリッタ125とコンバイナ140Cとの間の経路を含むことができ、これは、レーザ信号11-2、遅延142C、およびレーザ信号11-3を含むことができる。標的信号がLO信号と結合している（例えば、LO信号に対してビートされる）場合、ビート信号の周波数は、（距離-LO）遅延から生じる差周波数となる：

式中、F＝ビート周波数、2＊距離＝標的の往復経路の距離、LO＝局所発振器経路の長さ、HZPM=（Hz/sec lidarチャープレート）/c、およびc＝光の速度（m/sec）である。

図1Bに示すように、LO長さは、遅延142Cに相関する長さである。「距離 - LO」の項は、レーザー信号10から得られた干渉計信号に関連する長さの差を表すことができる。換言すれば、距離の項は、標的（例えば、物体5）までの距離を含むことができるレーザー信号10に関連する長さである場合があり、往復距離である場合があり、LOの項は、レーザ信号10の遅延バージョンに関連する長さとなり得る。したがって、「距離 - LO」は、レーザ信号10のビートとレーザー信号10の遅延バージョンから得られる長さを表すことができる。

標的が、増加する距離の方向に非ゼロ速度成分（線形運動または振動）vを有する場合、一般的なケースでは、式（2）は以下となる：

ここで、F0は、LIDARレーザのキャリア周波数 = c/λであり、λはレーザ波長である。いくつかの実施形態では、許容できる距離および／または速度の変動は、式（3）を用いて計算することができる。例えば、距離の変動は、式(3)を使用して、速度の変動に基づいて特定の閾値範囲内で計算することができる。従って、速度（例えば、直線運動または振動）変動の許容範囲は、所定の距離変動に対して決定することができる。同様に、距離変動の許容範囲は、所定の速度（例えば、直線運動または振動）変動に対して決定することができる。

標的が振動するためv＝v（t）である場合、ほぼ以下のようになることが分かった。

複数の同時距離測定が、ごく近接近した表面で行われる場合、ほぼ以下のようになることが分かった（LO経路が同じであり、かつ速度が、各位置で同じである場合）。

いくつかの実施形態では、近接近とは、例えば、それぞれの距離測定に関連した位置のそれぞれにおける振動による変位が同じである、または少なくとも線形に相関するように近接して十分に近づき得る。

図1Aおよび1Bに関して上述したレーザシステム100（およびレーザサブシステム105Aなど）は、様々な効率をもたらすことができる。例えば、いくつかの実施形態では、各時点での周波数は、距離方向（例えば、距離微分）の距離と速度（ノイズである可能性があり、ドップラー効果に関連する可能性がある）に比例する成分の合計である。この概念は、上記の式（3）～（5）で表されている。これらの成分は、アップチャープとダウンチャープのデータポイント間で交互に相対符号を切り替える。例えば、カウンターチャープLIDARアーキテクチャがない場合、複数の時間ポイントが処理されて距離と速度を決定する。

いくつかの実施形態では、微分方程式を解いて、距離と距離微分の時間履歴を決定することができる。計測アプリケーションのようないくつかの既知のアプリケーションでは、距離と速度を推定するために、または時間の経過とともに平均化して、距離が一定で速度の平均がゼロであると仮定するために、等速のような単純な近似を行うことができる。このアプローチは、振動が大きい環境では測定プロセスが遅くなることがある（振動の大きさまたは許容誤差は、例えば上記の式(4)を用いて求めることができる）。対照的に、複数のレーザ（例えば、間隔の狭いレーザビーム）を有するLIDARシステム100は、測定プロセスを大幅に加速することができ、同時に、相対的および絶対的な距離の推定値、並びに相対的な方位および仰角の推定値の大幅な改善をもたらす。

具体的には、LIDARシステム100のいくつかの実施形態では、振動速度場が位置の関数としてゆっくりと変化する可能性があるため、絶対的および相対的な距離精度の改善を実現できる。したがって、比較的密集したポイントでの速度値（例えば、大きさ）は、ほぼ同じになるか、最悪の場合、履歴および／または横方向の距離の関数として線形に値が変化するものとして近似することができる。いくつかの実施形態では、密集したポイントでの速度値はほぼ同じになるか、最悪の場合、zをLIDARビームの方向のデカルト座標としたときに、xとyの関数として線形に値が変化するものとして近似することができる。いくつかの実施形態では、剛体物体の場合、瞬間的なz速度は、xとyの関数として正確に線形に変化し得る。したがって、各ポイントにおける距離と速度の時間履歴について解くべき微分方程式は、互いにリンクさせることができる。距離場と速度場を同時に解くことで、誤差を減らすことができる。LIDARシステム100のいくつかの実施形態では、ポイントが同時に測定され、距離移動の可能性が排除されるため、ローカルポイント間の相対距離誤差の低減を実現することができる。いくつかの実施形態では、これらのポイントの相対的な方位と仰角は、LIDARシステム100のマルチビームアレイの剛性構造に起因するため、ローカルポイント間の相対的な方位誤差と仰角誤差の実質的な低減が存在し得る。いくつかの実施形態では、LIDARシステム100において複数の測定を同時に行うことができ、それによって時間または速度の効率を向上させることができる。多くの計測プロセスでは、比較的密集したポイントを測定することによって特徴を測定することができる。複数のポイントを同時に測定することによって、速度の利点を得ることができる。

いくつかの実施形態では、LIDARシステム100は、ズーム光学系180から発せられる複数のビームを有することができる。ここで、複数のビームを用いた同時測定により、各ビーム位置における距離および／または速度の両方が同時に推定され、様々なビーム位置は、実質的に同じ速度（ドップラー成分）を有するほど空間的に十分に近接している。換言すると、いくつかの実施形態では、LIDARシステム100は、ズーム光学系180から第1の位置で同時に送信される第1のレーザビームと、ズーム光学系180から第2の位置で同時に送信される第2のレーザビームとを有することができる。ここで、第1および第2のレーザビームを用いて計算される同時測定により、第1および第2のビーム位置の各々における距離および／または速度の両方が同時に推定され、第1および第2のレーザビームのドップラーシフトが実質的に同じであるか、または線形に関連し得るように、第1および第2のビーム位置は、空間的に十分に近接し得る。いくつかの実施形態では、LIDARシステム100からの測定値は、表面の一定または線形に変化する速度を推定するために、分析器170によって一緒に処理することができ、この推定された速度は、各ビーム位置における距離推定値を補正するために分析器170によって使用され得る。

ズーム光学系180は、複数の焦点距離のいずれかで構成することができる。例えば、第1の計測プロセスは、測定される物体がズーム光学系180の出射口から1mの位置にあるように構成され、第2の計測プロセスは、物体がズーム光学系180の出射口から10cmの位置にあるように構成され得る。この場合、単一の焦点距離を有する光学系を備える従来のLIDARシステムは、第1の計測プロセスについては正確な計測を行うことができるが、このような単一の焦点距離は、第2の計測プロセスについては正確な計測に適さない可能性がある。光学系を、より適切な焦点距離を持つ別の光学系に交換することは、コストがかかり、破損しやすくなる可能性がある。対照的に、複数の焦点距離を有するズーム光学系180を備えた改良型LIDARシステム100は、第1および第2の計測プロセスの両方に対して正確な計測を提供することができる。ズーム光学系180の更なる詳細は、図3A-Cに関して示される。

いくつかの実施形態では、距離（および速度）の推定値をさらに改善するために、距離および速度の時間履歴（例えば、発展）を推定するために、複数の時間における測定値が分析器170によって使用され得る。例えば、第1の時間における同時測定の第1のセットは、第2の時間における同時測定の第2のセットと共に分析器170によって使用され、距離および／または速度の時間履歴の少なくとも一部を生成することができる。同時測定のこれらの異なるセットは、距離および／または速度の推定値をさらに改善するために分析器170によって使用され得る。

いくつかの実施形態では、LIDARシステム100は、LIDARシステム100によって生成される特定の時間におけるポイントでの複数の同時測定値を分析器170が使用して、絶対距離の精度に関係なく特定の時間におけるポイント間の相対距離を向上させることができるように構成することができる。式2を再整理して、各ビームの結果を得ることができる。

各測定値の相対距離は、これらの測定値間の差であるため、vが各ビームで同じであるとすると、相対距離は速度に依存しない。

いくつかの実施形態では、LIDARシステム100は、剛性の物理的構造が、LIDARシステム100のレーザサブシステム105A～105Nによって生成されるマルチビームアレイの相対位置を画定するように構成することができる。この既知の相対位置のセットを分析器170が使用して、レーザサブシステム105A～105Nによって測定された各ポイントのx、y、および／またはz位置の改善された相対測定値を生成することができる。

いくつかの実施形態では、LIDARシステム100は、複数のポイントを同時に測定することができるため、高い有効データ速度を有することができ、各ポイントは、高い絶対精度を有することができ、および／または各ポイントは、上記のように高い相対精度を有することができる。

図2Aおよび図2Bは、追跡システム120によって観察することができる（例えば、標的とする）例示的な物体210を例示している。物体210は、任意の形状を有することができるが、図2Aおよび2Bでは円として表されている。図2Aでは、時間T1において、物体210上のポイント220が、追跡システム120によって観察されている。時間T1において、ポイント220は、（x、y）平面の（3、3）に位置する。図2Bに図示されているように、時間T2において、ポイント220は、（x、y）平面の（4、3）に位置する。ポイントの移動は、物体80の異なるタイプの運動の結果であり得る。例えば、物体220は、ある位置から別の位置に移動（並進運動）してもよいし、または物体220は、（例えば、x－y平面のy軸に平行な軸を中心に）回転してもよい。

図2C、図2D、および図2Eに図示されているように、個人の頭または顔290を、追跡システム120によって追跡または観察することができる。具体的には、頭または顔290のポイントまたは位置292を観察することができる。図2Cに図示されているように、時間T1において、ポイント292は、（x、y）平面の（3、2）に位置する。時間T2において、ポイント292は、（4、2）にあることを観察することができる。ポイントの移動は、異なるタイプの運動の結果であり得る。例えば、人または個人は、図2Dに図示されているように、（例えば、y軸に平行な軸を中心に）頭を回転させてもよい。あるいは、人または個人は、図2Eに図示されているように、（まったく回転しないで）頭を移動させてもよい。

一部のLIDARベースのモニタリングシステムは、振動の収集および音声レンダリングに単一ビームドウェルを使用している。それにもかかわらず、このようなLIDARベースのモニタリングシステムは、ノイズおよび標的の動きに過度に敏感になる可能性がある。ノイズの影響を低減するために、ビームのアレイを使用して標的のエリアからの振動を検出することができる。しかし、このようなアレイでは、振動のコヒーレンス長よりもビーム分離が大きいため、信号が劣化することがある。対照的に、改良されたLIDARベースのシステムは、ビームのアレイを生成するためにズーム光学系180を使用している。ズーム光学系180は、その分離がコヒーレンス長よりも遥かに小さいビームのアレイを生成することができ、従って、改善された信号対雑音比を有する振動信号を生成することができる。これらのビームは、ビームが様々な距離において正確なモニタリングおよび／または追跡を提供することができるように、異なる焦点距離で生成することができる。

図3Aは、ズームレンズ330の入射口に入力する複数のビームを生成する例示的なLIDARシステム300を例示する図である。図3に図示されているように、ズーム光学系180は、マルチコアファイバ310、カプラ（または第1の光学系）320、およびズームレンズ330を含む。いくつかの実施形態では、LIDARシステム300は、例えば、複数のレーザサブシステムを使用するなど、代替的な方法で複数のビームを生成することができる。

マルチコアファイバ310は、入射口314でカプラ320からの電磁放射線を受け入れ、電磁放射線を出射口316に伝導するように構成されている。マルチコアファイバ310は、複数のファイバコア312を含み、各ファイバコア312はマルチコアファイバ310の入射口314からその出射口316まで全内部反射によって電磁放射線を伝える。いくつかの実施形態では、各ファイバーコア312は、シングルモードファイバである。いくつかの実施形態では、ファイバーコアのそれぞれは、偏波保持である。

ズームレンズ330は、モニタおよび／または追跡される任意の数の標的物体の近傍で、様々な距離で複数のビームを結像するように構成されている。ズームレンズ330の更なる詳細は、図3B-Cに関して示される。

図3Bは、ズームレンズ330の光軸に沿って、絞り360付き薄型レンズ350を移動させることによって焦点距離を変化させる例示的なズームレンズを例示する図である。例えば、いくつかの実施形態では、ズームレンズ330の焦点距離が調整されるべきという指示に応答して、コントローラ326は、薄型レンズ350の位置を光軸に沿って移動させることによって、ズームレンズ330の焦点距離の調整を実行する。いくつかの実施形態では、コントローラ332は、それぞれの焦点距離に対応する、光軸に沿った固定数の離散位置のうちの1つに薄型レンズ350を移動させる。いくつかの実施形態では、薄型レンズ350は、圧電トランスデューサに取り付けられた可動マウントに取り付けられてもよい。

図3Bに示すように、光線束340はズームレンズに入射する。ズームレンズ330の有効入射口は物体側主平面342にあり、ズームレンズ330の有効出射口は像側主平面344にある。そして、像側光線束345は、位置346において像を形成する。標的が位置374の近傍にあるという指示に応答して、コントローラは、ズームレンズ330の焦点距離を調整することができる。ズームレンズ330の焦点距離を調整する際に、光学系の主平面はズームレンズ330の全てのパラメータ（例えば、レンズ要素表面の位置および半径）に依存するため、コントローラ326は、主平面342および344をそれぞれ新しい主平面376および372に変更することができる。

いくつかの実施形態では、コントローラ332は、薄型レンズ350の位置を連続的に位置355に調整することができる。すなわち、ズームレンズ330の焦点距離は、最小から最大まで連続的に変化させることができる。いくつかの実施形態では、位置355は、光軸に沿ったレンズ350の可能な位置の離散的なセットのうちの1つである。

いくつかの実施形態では、ズームレンズの焦点距離が離散的なセットである場合、コントローラ332は、測定基準に従ってズームレンズ330の焦点距離を調整する。いくつかの実施形態では、コントローラ332は、指定された距離と、焦点距離のセットのそれぞれにおける予測像位置との間の差に基づいて、焦点距離を選択することができる。いくつかの実施形態では、コントローラ332は、指定された焦点距離での予測像と、各焦点距離での予測像との間の差に基づいて、焦点距離を選択することができる。いくつかの実施形態では、差は、像面の領域にわたる像の複素振幅間の平均差であってもよい。

図3Cは、ズームレンズ330内の絞り360のサイズおよび／または位置を変更することによって焦点距離を変化させる例示的なズームレンズ330を例示する図である。図3Cに示すように、絞り360は抑えられる（すなわち、より小さな直径を有する）ことがある；いくつかの実施形態では、絞り360は拡大される（すなわち、より大きな直径を有する）ことがある。絞り360の直径を絞り365の直径に変更することにより、ズームレンズ330の焦点距離を変更することができる。しかしながら、いくつかの実施形態では、コントローラ332は、ズームレンズ330の焦点距離を調整する要求に応答して、絞り360の位置を光軸に沿った異なる位置に移動させる。いくつかの実施形態では、コントローラは、絞りの直径および／または位置を離散的なステップで変更することができる。

図4Aは、LIDARシステムのズーム光学系への入力として、マルチコアファイバ310によって放射される複数のビームの例示的なパターンを例示する図である。図 4Aに示すように、マルチコアファイバ310から放射されるビームはパターン状に配列されている。図4Aに示されるこのパターンは一例であり、本明細書に開示される改良型LIDARシステムはこのようなパターンに限定されるものではない。パターンは、振動コヒーレンス長内のビーム数が最大になるように設計されてもよい。パターンは、LIDAR信号に基づいて標的の動きを効果的に追跡できるように、標的上の十分に広いエリアをカバーするように設計することができる。

図4Aに示すように、マルチコアファイバ310から放射されるビームは、間隔420をあけて規則的な正多角形パターン、この場合は六角形パターンで配列されるが、他の形状（例えば、三角形、四角形、五角形、七角形、八角形など）も可能である。図4Aに示されるこのパターンは一例であり、本明細書に開示される改良型LIDARシステムはこのようなパターンに限定されるものではない。パターンは、振動コヒーレンス長内のビーム数が最大になるように設計されてもよい。パターンは、LIDAR信号に基づいて標的の動きを効果的に追跡できるように、標的上の十分に広いエリアをカバーするように設計することができる。

図4Bは、ズームレンズ330に入力されるビームのパターン420に基づき、LIDARシステムによってモニタされる遠方の物体付近の例示的なパターン430を例示する図である。図4Bに示すように、ビームは六角形のパターンのままであり、間隔440を有している。間隔440は、ズームレンズ330によって提供される像品質に依存する。いくつかの実施形態では、コントローラ332は、間隔420に対する間隔440を考慮することによって、ズームレンズ330の焦点距離を決定する。

いくつかの実施形態では、ズーム光学系300は、ビームのパターン（すなわち、パターン410）を標的表面上に結像するように構成される。例えば、モニタおよび／または追跡される物体の近傍の標的面は、ビームの像が最適化されるように（例えば、シャープネスが最適化されるように）選択され得る。

図3に戻って、カプラ（すなわち、第1の光学系）320は、マルチコアファイバ310の入射口314において、レーザシステム100からの光を各ファイバコア312に結合するように構成されている。いくつかの実施形態では、カプラ320は、各ファイバコア312の開口数とほぼ等しい発散角を有する電磁放射線のビームを出力する。

光学系（すなわち、第2の光学系）330は、マルチコアファイバ310の出射口316において、ファイバコア312のそれぞれから放射される電磁放射線を、標的5に向けられる実質的に平行なビームに導くように構成される。ビームは、マルチコアファイバ310内のファイバコア312からの電磁放射線の放射によって生じるため、ビームは、標的5でビームのグループを生成するために複数のレーザを使用する従来のLIDARシステムよりもかなり接近する（すなわち、相互のコヒーレンス距離が小さくなる）。

いくつかの実施形態では、光学系330は、マルチコアファイバ310の出射口316からの電磁放射線を、遠方の標的5に向かう軸に平行な方向に導くように構成されたコリメート光学系を含む。いくつかの実施形態では、軸は、標的5上の特定のポイントまたは領域に向けられている。いくつかの実施形態では、軸は、標的5が移動するのを追跡するように構成されている。いくつかの実施形態では、光学系330のコリメート光学系は、各ファイバコア312の開口数とほぼ等しい開口数を有する。

いくつかの実施形態では、光学系330は、マルチコアファイバ310の出射口316からの電磁放射線を遠方の標的5上に集束させる、すなわち、マルチコアファイバの端部が標的上に結像するように構成された光学系を含む。いくつかの実施形態では、光学系330は、標的5に像を形成するように構成されている。

図5は、本明細書に記載された実施形態に関連したプロセス500を例示している。図5に示すように、510において、レーザシステム100は、可変焦点距離を有するズームレンズ（例えば、ズームレンズ330）と、ズームレンズの可変焦点距離を制御するように構成されたコントローラ（例えば、コントローラ326）とを含む光学系（例えば、ズーム光学系300）を介して、電磁放射線の第1の複数のビーム（例えば、ビーム11-1）を遠方の標的物体（例えば、物体5）に投影する。

520において、遠方の標的物体から反射された第1の複数のビームから生じる電磁放射線の第2の複数のビーム（例えば、ビーム11-4）が、例えば、検出器150Cで受信される。

530において、電磁放射線の第2の複数のビームが、例えば、分析器170によって分析され、複数の速度を生成し、遠方の物体上の振動速度場を決定する。

いくつかの実施形態では、例えば、図1Aおよび１Bのレーザシステム100に示されている構成要素の1つ以上の部分は、ハードウェアベースのモジュール（例えば、デジタル信号プロセッサ（DSP）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）、メモリ）、ファームウェアモジュール、および／またはソフトウェアベースのモジュール（例えば、コンピュータコードのモジュール、コンピュータで実行することができる一連のコンピュータ可読命令）であってもよいし、またはこれらを含んでもよい。例えば、いくつかの実施形態では、レーザサブシステム105の1つ以上の部分は、少なくとも1つのプロセッサ（不図示）によって実行されるように構成されたソフトウェアモジュールであってもよいし、またはこれを含んでもよい。いくつかの実施形態では、構成要素の機能性は、図1Aおよび１Bに示されているものとは異なるモジュールおよび／または異なる構成要素に含めることができる。

いくつかの実施形態では、レーザサブシステム105の1つ以上の構成要素は、メモリに格納された命令を処理するように構成されたプロセッサであってもよいし、またはこれを含んでもよい。例えば、分析器170（および／またはその一部）は、1つ以上の機能を実施する処理に関する命令を実行するように構成されたプロセッサとメモリとの組み合わせであってもよい。

図示されていないが、いくつかの実施形態では、レーザサブシステム105（またはその一部）の構成要素は、例えば、データセンター（例えば、クラウドコンピューティング環境）、コンピュータシステム、および／または1つ以上のサーバ／ホスト装置などの内部で作動するように構成することができる。いくつかの実施形態では、レーザサブシステム105（またはその一部）の構成要素は、ネットワーク内で作動するように構成することができる。このため、レーザサブシステム105（またはその一部）は、1つ以上の装置および／または1つ以上のサーバ装置を含み得る様々な種類のネットワーク環境内で機能するように構成することができる。例えば、ネットワークは、ローカルエリアネットワーク（LAN）および／またはワイドエリアネットワーク（WAN）などであってもよいし、またはこれらを含んでもよい。ネットワークは、例えば、ゲートウェイ装置、ブリッジ、および／またはスイッチなどを用いて実施されるワイヤレスネットワーク、および／またはワイヤレスネットワークであってもよいし、またはこれらを含んでもよい。ネットワークは、インターネットプロトコル（IP）および／または専用プロトコルなどの様々なプロトコルに基づいて1つ以上のセグメントを含んでもよいし、および／または一部を有してもよい。ネットワークは、インターネットの少なくとも一部を含んでもよい。

いくつかの実施形態では、メモリは、ランダムアクセスメモリ、ディスクドライブメモリ、および／またはフラッシュメモリなどのいずれの種類のメモリであってもよい。いくつかの実施形態では、メモリは、レーザサブシステム105の構成要素に関連付けられた2つ以上のメモリ構成要素（例えば、2つ以上のRAM構成要素またはディスクドライブメモリ）として実施してもよい。

本明細書に記載の様々な技術の実装は、デジタル電子回路、またはコンピュータハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせで実施することができる。実装は、コンピュータプログラム製品として、すなわち、情報担体に、例えば、機械可読記憶装置（コンピュータ可読媒体、非一時的なコンピュータ可読記憶媒体、有形のコンピュータ可読記憶媒体）に、またはデータ処理装置、例えば、プログラマブルプロセッサ、コンピュータ、若しくは複数のコンピュータで処理するための、若しくは該データ処理装置の操作を制御するための伝播信号に具体的に具現されたコンピュータプログラムとして実施してもよい。上述のコンピュータプログラム（複数可）などのコンピュータプログラムは、コンパイラ型言語またはインタプリタ型言語を含む任意の形式のプログラミング言語で書き込んでもよく、かつスタンドアロンプログラムまたはモジュール、コンポーネント、サブルーチン、若しくはコンピューティング環境での使用に適した他のユニットを含む任意の形式で展開してもよい。コンピュータプログラムを展開して、1台のコンピュータで、または1つのサイトに配置された若しくは複数のサイトにわたって分散され、かつ通信ネットワークによって相互接続された複数台のコンピュータで処理することができる。

方法ステップは、コンピュータプログラムを実行して、入力データ上で動作させて出力を生成することにより機能を実行する1つ以上のプログラマブルプロセッサによって行うことができる。方法ステップはまた、特定用途論理回路、例えば、FPGA（フィールドプログラマブルゲートアレイ）またはASIC（特定用途向け集積回路）によって行うことができ、かつ装置を該特定用途論理回路として実現することもできる。

コンピュータプログラムを処理するのに適したプロセッサは、例として、汎用および特定用途マイクロプロセッサの両方、およびあらゆる種類のデジタルコンピュータのいずれか1つ以上のプロセッサを含む。一般に、プロセッサは、読み取り専用メモリまたはランダムアクセスメモリ、またはこれらの両方から命令およびデータを受信する。コンピュータの要素は、命令を実行する少なくとも1つのプロセッサ、並びに命令およびデータを格納する1つ以上のメモリ装置を含み得る。一般に、コンピュータはまた、データを格納する1つ以上の大容量記憶装置、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、または光ディスクを備えてもよいし、またはこれらにデータを受信するまたは送信する、または送受信するように動作可能に連結してもよい。コンピュータプログラム命令およびデータを具現するのに適した情報担体は、例として、半導体メモリ装置、例えば、EPROM、EEPROM、およびフラッシュメモリ装置；磁気ディスク、例えば、内部ハードディスクまたはリムーバブルディスク；光磁気ディスク；並びにCD-ROMおよびDVD-ROMディスクを含む、あらゆる形態の不揮発性メモリを含む。プロセッサおよびメモリは、特定用途論理回路によって補完してもよいし、またはその内部に設けてもよい。

ユーザとの対話を提供するために、実装は、ユーザに情報を提示する表示装置、例えば、液晶ディスプレイ（LCD）モニタ、並びにユーザがコンピュータに入力することができるキーボードおよびポインティングデバイス、例えば、マウスまたはトラックボールを備えるコンピュータ上で行うことができる。他の種類の装置を使用しても同様に、ユーザとの対話を提供することができ；例えば、ユーザに提供されるフィードバックは、感覚フィードバック、例えば、視覚フィードバック、聴覚フィードバック、または触覚フィードバックなどの任意の形態にすることができ；そしてユーザの入力は、音響入力、音声入力、または触覚入力を含む任意の形態で受信することができる。

実装は、コンピューティングシステムで行うことができ、該コンピューティングシステムは、例えば、データサーバのようなバックエンドコンポーネントを含む、またはミドルウェアコンポーネント、例えば、アプリケーションサーバを含む、またはフロントエンドコンポーネント、例えば、ユーザが実施と対話することができる、グラフィカルユーザインタフェース若しくはウェブブラウザを有するクライアントコンピュータを含む、またはそのようなバックエンドコンポーネント、ミドルウェアコンポーネント、若しくはフロントエンドコンポーネントの任意の組み合わせを含む。コンポーネントは、任意の形式または媒体のデジタルデータ通信、例えば、通信ネットワークによって相互接続してもよい。通信ネットワークの例としては、ローカルエリアネットワーク（LAN）およびワイドエリアネットワーク（WAN）、例えば、インターネットが挙げられる。

上記の実施形態のある特徴を本明細書に記載されるように例示してきたが、当業者であれば、多くの修正、置き換え、変更、および均等物に想到するであろう。従って、添付の特許請求の範囲は、実施形態の範囲内であるとしてそのような修正および変更の全てを網羅することを意図することを理解されたい。実施形態は、限定としてではなく単なる例として提示されたものであり、形態および詳細の様々な変更が可能であることを理解されたい。本明細書に記載された装置および／または方法のどの部分も、相互排他的な組み合わせを除いて、あらゆる組み合わせで組み合わせることができる。本明細書に記載された実施形態は、記載された異なる実施形態の機能、構成要素、および／または特徴の様々な組み合わせ、および／または部分的な組み合わせを含み得る。

Claims (20)

1. 遠方の物体をモニタするように構成された装置であって、
   電磁放射線の複数のビームを生成するように構成された少なくとも1つの電磁放射線の供給源；および
   該電磁放射線の該複数のビームの各々を該遠方の標的物体に投影するように構成された光学系であって、可変焦点距離を有するズームレンズと、該ズームレンズの可変焦点距離を制御するように構成されたコントローラとを含む、前記光学系、
   を備える、前記装置。
2. 前記複数のビームは、マルチコアファイバを用いて生成される、請求項1に記載の装置。
3. 前記複数のビームは、複数のレーザサブシステムを用いて生成される、請求項1に記載の装置。
4. 前記複数のビームは、固定された空間パターンに配置された複数の光ファイバを用いて生成される、請求項1に記載の装置。
5. 前記ズームレンズは、複数の離散的な焦点距離を有し、前記コントローラは、前記ズームレンズの前記可変焦点距離を該複数の離散的な焦点距離の1つに設定し、それ以外の焦点距離には設定しないように構成されている、請求項1に記載の装置。
6. 前記電磁放射線の前記複数のビームのうちの少なくとも1つが、光ファイバを介して前記ズームレンズに供給され、かつ
   前記光学系の開口数が、前記光ファイバの開口数に基づいている、請求項1に記載の装置。
7. 前記ズームレンズの前記可変焦点距離を制御するように構成された前記コントローラは、少なくとも1つの指定された基準に基づいて自動ズーム調整を実行するようにさらに構成されている、請求項1に記載の装置。
8. 前記少なくとも1つの基準は、前記遠方の標的の近傍で評価される、遠方の標的物体上への前記電磁放射線の前記複数のビームのシャープネス尺度を含む、請求項7に記載の装置。
9. 前記少なくとも1つの基準は、前記遠方の標的の近傍で評価される、遠方の標的物体上への前記電磁放射線の前記複数のビームの最小ビーム間隔からの偏差を含む、請求項7に記載の装置。
10. 前記少なくとも1つの基準は、前記遠方の標的上の前記電磁放射線の前記複数のビームの幾何学的配置の、指定された幾何学的配置からの偏差に基づく尺度を含む、請求項7に記載の装置。
11. 遠方の物体をモニタするように構成されたシステムであって、
    電磁放射線の複数のビームを該遠方の標的物体に投影するように構成された伝送サブシステムであって、該伝送サブシステムが、可変焦点距離を有するズームレンズと、該ズームレンズの可変焦点距離を制御するように構成されたコントローラとを含む、前記伝送サブシステム；および
    該遠方の物体上の振動速度場を決定するために、該遠方の標的物体から反射された電磁放射線の該複数のビームに基づいて複数の速度を生成するように構成された分析器、
    を備える、前記システム。
12. 前記複数のビームは、マルチコアファイバを用いて生成される、請求項11に記載のシステム。
13. 前記複数のビームは、複数のレーザサブシステムを用いて生成される、請求項11に記載のシステム。
14. 前記複数のビームは、固定された空間パターンに配置された複数の光ファイバを用いて生成される、請求項11に記載のシステム。
15. 前記ズームレンズは、複数の離散的な焦点距離を有し、前記コントローラは、前記ズームレンズの前記可変焦点距離を該複数の離散的な焦点距離の1つに設定し、それ以外の焦点距離には設定しないように構成されている、請求項11に記載のシステム。
16. 前記ズームレンズの前記可変焦点距離を制御するように構成された前記コントローラは、少なくとも1つの指定された基準に基づいて自動ズーム調整を実行するようにさらに構成されている、請求項11に記載のシステム。
17. 前記遠方の標的物体から反射された電磁放射線の前記複数のビームに基づいて複数の速度を生成するように構成された前記分析器が、前記遠方の標的物体から反射された電磁放射の前記複数のビームの指定されたサブセットに基づいて前記複数の速度を生成するようにさらに構成されている、請求項11に記載のシステム。
18. 可変焦点距離を有するズームレンズと、該ズームレンズの可変焦点距離を制御するように構成されたコントローラとを含む光学系を介して、該電磁放射線の第1の複数のビームを遠方の標的物体に投影すること；
    該遠方の標的物体から反射された前記第1の複数のビームから生じる電磁放射線の第2の複数のビームを受信すること；および
    複数の速度を生成し、該遠方の物体上の振動速度場を決定するために、電磁放射線の該第2の複数のビームを分析すること、
    を含む、方法。
19. 前記電磁放射線の前記第1の複数のビームを前記遠方の標的物体に投影することが、
    指定された基準に基づいて前記ズームレンズの前記可変焦点距離を調整することを含む、請求項18に記載の方法。
20. 前記基準は、前記遠方の標的の近傍で評価される、遠方の標的物体上への前記電磁放射線の前記複数のビームのシャープネス尺度を含む、請求項19に記載の方法。

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