JP6764942B2 - 回転凹面鏡及びビームステアリング装置の組み合わせを用いた、２ｄ走査型高精度ライダー - Google Patents

回転凹面鏡及びビームステアリング装置の組み合わせを用いた、２ｄ走査型高精度ライダー Download PDF

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Description

（関連出願の相互参照）
本願は、米国特許仮出願第６２／４４１，２８０号（名称「COAXIAL INTERLACED RASTER SCANNING SYSTEM FOR LiDAR」、２０１６年１２月３１日出願）に対する優先権を主張する米国特許非仮出願第１５／７２１，１２７号（名称「2D SCANNING HIGH PRECISION LiDAR USING COMBINATION OF ROTATING CONCAVE MIRROR AND BEAM STEERING DEVICES」、２０１７年９月２９日出願）及び米国特許仮出願第６２／５２９，９５５号（名称「2D SCANNING HIGH PRECISION LiDAR USING COMBINATION OF ROTATING CONCAVE MIRROR AND BEAM STEERING DEVICES」、２０１７年７月７日出願）に対する優先権を主張する。全出願の内容は、あらゆる目的でその全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
本開示は、概ね光検出及び測距（ライダー）に関し、より具体的には、連続的な光パルスを走査して視野内の物体を照射し、視野内の物体を測距するために各光パルスからの散乱光を同軸上に集束するためのシステムに関する。
ライダーシステムのサイズを低減するために、オンチップ微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を導入し、光パルスを操作して視野内の物体を照射する試みが存在する。かかるオンチップソリューションは、ライダーシステムのサイズを低減する。しかしながら、これらのオンチップＭＥＭＳ設計は、通常、数（５未満）ミリメートル以下の光学的開口断面をもたらす。これにより、より長い距離（例えば、１００メートル）にある物体によって反射された光パルスと背景雑音信号とを区別することが困難になる。より大きい光学的開口断面は、光の信号雑音比を増加させることが判明している。しかしながら、典型的なライダーシステムは、そのシステム構成のために大型かつ高価であり得る。これらのシステムは、容易には車両と一体化され得ない、及び／又は車両との一体化すると非常にコスト高になり得る。したがって、寸法及びコストを低減した高精度のライダーシステムが所望される。高精度のライダーシステムの課題の一部は、断面集束光学的開口部を増加させつつ、ライダーシステムのサイズを低減することである。
本開示の基本的な理解をもたらすために、以下に１つ又は２つ以上の例の簡易的な概要を示す。本概要は、企図されるすべての例を広範囲に概説するものではなく、すべての例の主な、又は重要な要素を特定することも、いずれか、若しくはすべての例の範囲を説明することも意図しない。その目的は、以下で示すより詳細な説明の準備段階として、簡易的な形式で１つ又は２つ以上の例の一部の概念を示すことである。
いくつかの実施形態によると、光検出及び測距（ライダー）走査システムが提供される。このシステムは、１つ又は２つ以上の第１光パルスを提供するように構成されている第１光源を含む。このシステムはまた、第１光源に光学的に結合される、１つ又は２つ以上のビームステアリング装置を含む。各ビームステアリング装置は、回転可能な凹面反射器又は光ビームステアリングデバイスによって方向付けられた光パルスが、光ビームステアリングデバイス又は回転可能な凹面反射器によって異なる方向に更に方向付けられ得るような位置に配設された、回転可能な凹面反射器と、光ビームステアリングデバイスと、を備える。光ビームステアリングデバイスと回転可能な凹面反射器との組み合わせは、互いに対して移動するとき、１つ又は２つ以上の第１光パルスを垂直及び水平の両方向に操作して視野内の物体を照射し、１つ又は２つ以上の第１戻り光パルスを得て（１つ又は２つ以上の第１戻り光パルスは、視野内の物体を照射する、操作された第１光パルスに基づいて生成される）、１つ又は２つ以上の第１戻り光パルスを１つ又は２つ以上の戻り光検出器へと方向転換する。
記載した様々な態様の理解を促進するために、以下の図面と併せて以下の説明を参照されたい。これらの図面では、図面を通して同様の参照番号が対応する部分を指すものとする。
車両に取り付けられた、複数の同軸ライダーシステムを示す。 凹面反射器内に位置する多面体を備える、例示的ビームステアリング装置を示す。 凹面反射器の代わりに振動鏡を備える、例示的ビームステアリング装置を示す。 両眼ライダーシステムを示す。 収束レンズを備える同軸ライダーシステムを示す。 集光鏡を備える同軸ライダーシステムを示す。 デュアル同軸ライダーシステムを示す。 伝送された光を正のｘ軸と正のｚ軸との間の方向に方向付け、その方向からの散乱光を集束する、例示的ビームステアリング装置を示す。 伝送された光を負のｘ軸と正のｚ軸との間の方向に方向付け、その方向からの散乱光を集束する、例示的ビームステアリング装置を示す。 伝送された光を更に視野の正の水平範囲の縁部に向かう方向に方向付け、その方向からの散乱光を集束する、例示的ビームステアリング装置を示す。 デュアル同軸ライダーシステムの水平方向及び垂直方向の角度分布のインターレースフレーム図を示す。 デュアル同軸ライダーシステムの水平方向及び垂直方向の角度分布のインターレースフレーム図を示す。 デュアル同軸ライダーシステムの水平方向及び垂直方向の、ｙ＝０におけるｘ−ｚ面に沿った集束開口部の幅に対応するヒートマップを示す。 ライダー走査検出の例示的プロセスを示す。 本開示の例による、ビームステアリング装置の別の実施形態の様々な図を示す。 本開示の例による、ビームステアリング装置の別の実施形態の様々な図を示す。 本開示の例による、ビームステアリング装置の別の実施形態の様々な図を示す。 本開示の例による、ビームステアリング装置の別の実施形態の様々な図を示す。 本開示の例による、コリメート照射レーザービームを生成するための様々な例示的構成を示す。 本開示の例による、コリメート照射レーザービームを生成するための様々な例示的構成を示す。 本開示の例による、受光開口部を増加させ、異なるファセットからの戻り光パルスを集束するためのビームステアリング装置の例示的構成を示す。 本開示の例による受光光学系の例示的構成を示す。 本開示の例による受光光学系の例示的構成を示す。 本開示の例による受光光学系の例示的構成を示す。 本開示の例による、光学的感応デバイスを用いた集光のための例示的検出素子を示す。 本開示の例による、光学的感応デバイスを用いた集光のための例示的検出素子を示す。 本開示の例による、自由空間光学通信又はファイバ束及び／若しくはパワーコンバイナの組み合わせを用いた、異なるファセットからの光パルスを合成するための例示的構成を示す。 本開示の例による、自由空間光学通信又はファイバ束及び／若しくはパワーコンバイナの組み合わせを用いた、異なるファセットからの光パルスを合成するための例示的構成を示す。 本開示の例による、曲面及び平面を有する例示的多面体の複数のファセットの様々な構成を示す。 本開示の例による、曲面及び平面を有する例示的多面体の複数のファセットの様々な構成を示す。 本開示の例による、曲面及び平面を有する例示的多面体の複数のファセットの様々な構成を示す。 本開示の例による、曲面及び平面を有する例示的多面体の複数のファセットの様々な構成を示す。 本開示の例による、曲面及び平面を有する例示的多面体の複数のファセットの様々な構成を示す。 本開示の例による、光パルスの飛行時間を測定するためのライダーシステムの例示的構成を示す。 本開示の例による、基準パルス及び受光された戻り光パルスを示す。 本開示の例による、振動鏡を備えるビームステアリング装置の別の実施形態を示す。 本開示の例による、１つ又は２つ以上のレーザーパルスの飛行時間を測定する方法の例示的フローチャートを示す。
添付の図面に関連する下記の詳細な説明は、様々な構成を説明することを意図し、本明細書に記載の概念がこれらの構成のみで実施され得ることを意図するものではない。詳細な説明は、様々な概念を十分に理解できるようにするために具体的な詳細を含む。しかしながら、これらの具体的な詳細がなくても、これらの概念が実施され得ることは、当業者に明白であろう。場合によっては、かかる概念を曖昧にさせないために、周知の構造及び構成要素をブロック図で示す。
ここで、装置及び方法の様々な要素を参照しながら、ライダー走査システムの例を示す。これらの装置及び方法については、以下の詳細な説明で説明し、様々なブロック、構成要素、回路、工程、プロセス、アルゴニズムなど（「要素」と総称する）によって添付の図面で示す。これらの要素は、電子機器、コンピュータソフトウェア、又はこれらの任意の組み合わせを用いて実装されてよい。かかる要素がハードウェアとして実装されるか、ソフトウェアとして実装されるかは、特定の用途及びシステム全体に課せられる制約に応じる。
本開示は、回転可能な凹面反射器及び光ビームステアリングデバイスの組み合わせを用いた、２Ｄ走査型高精度ライダーシステムについて説明する。ライダーシステムは、中心軸に整合している、凹面反射器内に位置する多面反射器を備えるビームステアリング装置を含む。凹面反射器は、中心軸の周りを回転するように構成されている。多面体は、中心軸に対してある角度（例えば、９０度）をなす方向でピボットの周りを回転するように構成されている。凹面反射器及び多面体のそれぞれの瞬時位置は、光パルスを操作して視野内の物体を照射し、物体において散乱した光パルスから散乱光を集束する。伝送された各光パルスは、対応する光パルスから集束された散乱光と実質的に同軸である、又は平行である。ライダーシステムは、伝送された各光パルス間と、物体において散乱した対応する光パルスからの集束光との時間差に基づいて物体までの距離を計算するマイクロコントローラを含む。本開示は、より高解像度のフレームを実現するためのサブフレームのインターレースについて更に説明する。この技術は、連続的な水平方向及び垂直方向にわたって、１つ又は２つ以上の物体に対するサンプリング範囲点を含んで、１つ又は２つ以上のサブフレームを形成する。連続して取得されたサブフレームのサンプルポイントの垂直及び／又は水平位置は若干オフセットしており、これらを合わせると、インターレースされた、より高密度のサンプルポイントが提供される。より高い密度のサンプルポイントは、ライダーシステムにより高い解像度をもたらす。
本開示の例は、車両内での一体化のために説明するが、他の用途も企図される。例えば、集中型レーザー伝送システム及び複数のライダーシステムが、ロボットに配設され得る又は一体化され得る、セキュリティ監視目的で建物の複数位置に設置され得る、又は交通監視のために交差点若しくは道路の特定の位置に設置され得るなどである。
図１Ａは、車両１５０に取り付けられた複数のライダー走査システム３００Ａ〜３００Ｆを示す。ライダー走査システム３００Ａ〜３００Ｆは、２Ｄ走査型ライダーシステムであり得る。各ライダー走査システム３００Ａ〜３００Ｆは、車両１５０の位置及びその周辺に対応する、視野内の物体までの範囲を検出し、計算する。一例として、車両１５０の前側に配設されたライダー走査システム３００Ａは、対応の各光パルスと実質的に同軸、又は平行に集束される光パルスで隣接車両１５０'（及び／又は他の物体）を照射する。隣接車両１５０'までの範囲（例えば、距離）は、各光パルスが伝送されてから、対応する光パルスからの散乱光が検出されるまでの時間差から測定される。
図１Ａに示す例のように、複数のライダー走査システム３００Ａ〜３００Ｆは車両１５０の周囲に分配されて、それぞれの個別同軸ライダーシステム間の視野を包含する。例えば、視野は、ライダー走査システム３００Ｆが、車両１５０の片側でセンターライン１５４を検出でき、ライダー走査システム３００Ｃが車両１５０の反対側で車線境界線１５２を検出できるように構成され得る。場合によっては、複数のライダー走査システム３００Ａ〜３００Ｆのうちの１つ又は２つ以上の視野は重複してよい。例えば、ライダー走査システム３００Ｂの視野は、ライダー走査システム３００Ａの視野と重複し得る。視野の重複は、より高いサンプリング密度をもたらし得る。同様に、ライダー走査システム３００Ａの視野は、ライダー走査システム３００Ｆの視野と重複し得る。ライダー走査システム３００Ａ〜３００Ｆのそれぞれは、光パルスを垂直及び水平の両方向で操作して視野へと伝送し、物体を走査できる、ビームステアリング装置を含み得る。光パルスの操作により、視野内の１つ又は２つ以上の物体からのポイントの連続サンプリングが可能になる。
当然のことながら、図１Ａに示すライダー走査システム３００Ａ〜３００Ｆのサイズは比較的小型であり得る。つまり、各ライダー走査システム（例えば、システム３００Ａ〜３００Ｆ）は、ある空間、例えば、１立方フィート以下又は１立方フィートの１／４を占めてよい。
図１Ｂは、凹面反射器１１２内に配設された光ビームステアリングデバイス（例えば、多面体１０２）を備える、例示的ビームステアリング装置１００を示す。図１Ｂに示すように、いくつかの実施形態では、凹面反射器１１２は、第１軸１０６と同軸に整合している（例えば、実質的に同心である）。凹面反射器１１２は、開口部１１８を囲む凹面側に１つ又は２つ以上の反射面（例えば、平面鏡）を含み得る。凹面反射器１１２の開口部１１８は、第１軸１０６と同軸に整合している（例えば、実質的に同心である）。図１Ｂに示す例では、鏡は内向きに斜めであって、凹面反射器１１２の６角形状の鉢を形成する。図１Ｂに示す例では、凹面反射器１１２の６角形開口部１１８は、（例えば、６角形）開口部１１８の反対側にわたって１インチの幅を有し得、凹面反射器１１２の反射面（例えば、鏡）は、６角形開口部１１８から４５°の角度をなし、（斜めの鏡に沿って）２．４５インチの長さを有し得る。いくつかの実施形態では、凹面反射器１１２の反射面（例えば、鏡）は、０．２インチ〜４インチの範囲である。いくつかの実施形態では、凹面反射器１１２の反射面は湾曲状であり得る。いくつかの例では、曲面は外向きに突出して（例えば、凸状）、ビームステアリング装置１００の視野を増加させるために用いられてよい。いくつかの例では、曲面は内向きに突出する（例えば、凹状）。
図１Ｂに示すように、多面体１０２は凹面反射器１１２内に配設され得る。多面体１０２は、第１軸１０６と垂直である第２軸１０４と同軸に整合している（例えば、実質的に同心である）ピボット１２０を含む。多面体１０２は、多面体１０２の面に配設された少なくとも１つの反射面（例えば、鏡）を更に含んで、凹面反射器１１２の開口部１１８と凹面反射器１１２の少なくとも１つの反射面（例えば、鏡）との間で光を方向転換してよい。例えば、開口部１１８を通って多面体１０２の反射面に向けて伝送された光パルスは、凹面反射器１１２の反射面に向けて方向転換又は操作され得、視野へと更に方向転換又は操作されてよい。図１Ｂに示す例では、多面体１０２は、６つのファセットを備える立方体である。いくつかの例では、ピボット１２０を備える２つの対向するファセットは反射面（例えば、鏡）を有さず、残りの４つのファセットは、外向きの反射面（例えば、鏡）を有する。図１Ｂに示す例では、立方体は、約１．２２インチの辺長を有する。
当然のことながら、多面体１０２は、すべてが直交しているわけではない６つのファセットを有し得る。例えば、いくつかの実施形態では、多面体１０２は、サブフレーム間の垂直及び水平走査方向をオフセットし得る、及び／又はインターレースラスターパターンを変化させ得る、非対称のファセットを有し得る。いくつかの例では、多面体１０２は菱面体である。当然のことながら、多面体１０２は６未満のファセットを有し得る。例えば、いくつかの実施形態では、多面体１０２は５面体である。かかる実施形態では、多面体１０２は、２つの対向する３角形ファセットに位置するピボットと、矩形ファセットに位置する１つ又は２つ以上の反射面（例えば、鏡）と、を備える３角柱であり得る。当然のことながら、多面体１０２は６よりも多くのファセットを有し得る。例えば、多面体１０２は、６面体、７面体（septaheron）、８面体などであり得る。いくつかの実施形態では、多面体１０２のファセットは湾曲状であり得る。いくつかの例では、湾曲ファセットは外向きに突出して（例えば、凸状）、ビームステアリング装置１００の視野を増加するために用いられてよい。いくつかの例では、湾曲ファセットは内向きに突出して（例えば、凹状）、視野を減少させ、出射するレーザービームのプロファイルを成形してよい。
いくつかの実施形態では、ビームステアリング装置１００は、凹面反射器１１２及び多面体１０２に動作可能に結合される、１つ又は２つ以上のモータ（図示なし）を含む。この例では、１つ又は２つ以上のモータは、図１Ｂに示すように、第１軸１０６の周りを（−ｚ方向で見て）反時計方向に第１回転速度１１６で凹面反射器１１２を回転させるように構成され得る。１つ又は２つ以上のモータはまた、第２軸１０４を中心とするピボット１２０の周りを（＋ｙ方向で見て）反時計方向に第２回転速度１１４で多面体１０２を回転させるように構成されてよい。いくつかの実施形態では、回転コントローラは、凹面反射器１１２の第１回転速度１１６及び多面体１０２の第２回転速度１１４を制御するように構成されている。場合によっては、回転コントローラは１つ又は２つ以上のモータに電気的に結合されて、凹面反射器１１２の第１回転速度１１６及び多面体１０２の第２回転速度１１４を独立して制御する。いくつかの実施形態では、凹面反射器１１２の第１回転速度１１６は、多面体１０２の第２回転速度１１４と異なる。例えば、多面体１０２の第２回転速度１１４は、凹面反射器１１２の第１回転速度１１６よりも速くてよい。図１Ｂに示す例では、多面体１０２の第２回転速度１１４は毎秒５００回転（ｒｐｓ）であり得、凹面反射器１１２の第１回転速度１１６は１０ｒｐｓに設定され得る。いくつかの実施形態では、多面体１０２の第２回転速度１１４は、凹面反射器１１２の第１回転速度１１６よりも遅くてよい。
いくつかの実施形態では、ビームステアリング装置１００によって可能となる走査における各サンプルポイントについて、回転凹面反射器１１２に対する回転多面体１０２の瞬時位置は、ビームステアリング装置１００が、光パルスを物体へと方向付け、又は操作し、実質的に類似の光路に沿って物体から戻り光パルスを集束する位置である。図１Ｂを参照すると、回転多面体１０２の瞬時位置は、正のｚ軸に対して測定され得る。ｙ軸に沿って見て反時計回りから測定したとき、多面体１０２の角度は正である。回転凹面反射器１１２の瞬時位置は、負のｙ軸に対して測定され得る。ｚ軸に沿って見て時計回りから測定したとき、凹面反射器１１２の角度は正である。
当然のことながら、凹面反射器１１２を回転させる及び／又は多面体１０２を回転させるのと同じ効果をもたらす他のメカニズムを適用することができる。例えば、図１Ｃに示すように、凹面反射器１１２の代わりに、軸１２９に沿って振動する振動鏡１１２Ａを使用できる。したがって、振動鏡１１２Ａと結合される多面体１０２の回転は、連続的な光パルスを走査して視野内の物体を照射し、視野内の物体を測距するために照射光パルスと同軸に、又はこれと平行に各光パルスからの戻り光を集束するための類似の操作メカニズムを提供し得る。別の例では、多面体１０２は、軸に沿って前後に多面体を振動させるアクチュエータによって駆動され得る。いくつかの例では、図１Ｃに示すように、振動鏡１１２Ａは第１軸の周りで振動し得、多面体１０２は振動鏡１１２Ａに隣接して配設され得る。多面体１０２は、第２軸と同軸に整合しているピボットを含み得る。第２軸は、第１軸に対してある角度（例えば、９０度又は７５度）をなして配設され得る。少なくとも１つの鏡は、開口部と凹面反射器１１２との間で光パルスを反射するために多面体１０２のファセットに配設され得る。１つ又は２つ以上のモータ又はアクチュエータは、振動鏡１１２Ａ及び多面体１０２に動作可能に結合され得る。１つ又は２つ以上のモータ又はアクチュエータは、第１周波数にて第１軸の周りで振動鏡１１２Ａを回転させる（１２８Ａとして示す）若しくは振動させる（１２８Ｂとして示す）、又は第２周波数にて第２軸の周りで回転可能な多面体を回転させる（１２５Ａとして示す）若しくは振動させる（１２５Ｂとして示す）ように構成され得る。
図１Ｂに示す例では、光源から得た光パルス３０７Ａは、開口部１１８を通って多面体１０２に向けて方向付けられ、多面体１０２は、光パルス３０７Ａを方向転換又は反射することによって方向転換された光パルス３０７Ｂを生成する。光パルス３０７Ｂは、凹面反射器１１２上の鏡に向けて方向付けられる。次に、凹面反射器１１２は、操作された光パルス３０７Ｂを方向転換又は反射することにより、操作された光パルス３１２Ａを生成する。操作された光パルス３１２Ａは視野に向けて方向付けられて、視野内の物体を照射する。操作された光パルス３１２Ａは物体を照射し、物体は１つ又は２つ以上の方向に光パルスを散乱させる。散乱光のパルスの一部は、第１戻り光パルス２０７Ａとしてビームステアリング装置１００に戻る。図１Ｂに示すように、いくつかの例では、第１戻り光パルス２０７Ａは、操作された光パルス３１２Ａと実質的に類似の光路に沿って（同軸状に）ビームステアリング装置１００に戻り得る。第１戻り光パルス２０７Ａのそれぞれは、凹面反射器１１２によって方向転換又は反射されて、方向転換された戻り光パルス２０９を生成する。方向転換された戻り光パルス２０９は、多面体１０２に向けて方向付けられ、次に、多面体１０２はこの光パルスを方向転換し、反射して、方向転換された戻り光パルス２１４Ａを生成する。方向転換された戻り光パルス２１４Ａは、開口部１１８を通って光検出器へ戻るように方向付けられる。
図２Ａは、両眼ライダーシステム２００を示す。いくつかの例では、両眼ライダーシステム２００は、第１開口部２１０Ａを通って照明光路２１０Ｃに沿って視野内の物体へと光源から生じた光パルスを伝送する。伝送された光パルスは物体に達し、散乱して、１つ又は２つ以上の方向に分散する。散乱した光パルスの一部は、検出光路２１０Ｄに沿って第２開口部２１０Ｂを通って光検出器に戻る。両眼ライダーシステム２００の形状は、図２Ａに示す例示的照明光路２１０Ｃと検出光路２１０Ｄとの重複領域によって決定される検出範囲を決定する。したがって、両眼ライダーシステム２００の光路に沿った特定領域内の散乱した光パルスは、第２開口部２１０Ｂを通って戻らないことがある。いくつかの実施形態では、照明光路２１０Ｃ及び検出光路２１０Ｄは、実質的に平行である（例えば、小角度である）。結果として、検出範囲は広範であり得る。例えば、図２Ａに示すように、検出範囲は、右側の境界線を有さないことがある。両眼ライダーシステムの利点は、照明光学系及び検出光学系がライダー走査システム内で物理的に分離しているので、照明光学系内での光散乱による検出モジュール内での光緩衝を回避することがより容易なことである。
図２Ｂは、収束レンズ２２４を備える同軸ライダー走査システム２５０を示す。いくつかの実施形態では、同軸ライダー走査システム２５０は、光源２２０と、反射鏡２２２と、収束レンズ２２４と、開口部を備えるマスク２２６と、光検出器２３０と、ビームステアリング装置１００と、を含む。図２Ｂに示すように、光源２２０から生成された入射光パルス２１２Ａは、反射鏡２２２へと方向付けられ、反射器２２２は、入射光パルス２１２Ａを方向転換又は反射して、方向転換された光パルス２１２Ｂを生成する。方向転換された光パルス２１２Ｂは、光軸２１１に沿ってビームステアリング装置１００へと方向付けられる。次いで、ビームステアリング装置１００は、上記に類似の方向転換された光パルス２１２Ｂを操作して操作された光パルス２１２Ｃを生成し得、視野内の物体を照射する（図２Ｂの２１２Ｃの方向は、操作方向が２１２Ｂの方向と平行の時点を示すだけである）。他の時点では、２１２Ｃの方向は、視野内の他の方向であり得る。図２Ｂに示す例では、反射鏡２２２は、光軸２１１に配設された、ほぼ１００％の反射鏡であり、光軸２１１は、方向転換された光パルス２１２Ｂ及び方向転換された戻り光パルス２１４の両方の光路に沿っている。当然のことながら、反射鏡２２２は、方向転換された戻り光パルス２１４を妨げない、又はこれと干渉しないように十分に小型である必要がある。
図２Ｂの例では、ビームステアリング装置１００は、図１Ｂの同軸ビームステアリング装置１００であり得る。いくつかの例では、ビームステアリング装置１００は、視野内の１つ又は２つ以上の物体に方向付けられた２つの実質的に平行な光パルスを実施する、デュアル同軸装置であり得る。ビームステアリング装置１００は、方向転換された光パルス２１２Ｂを垂直方向及び水平方向に操作して、操作された光パルス２１２Ｃを生成し、一方では、操作された光パルス２１２Ｃと実質的に同一の光路に沿って戻り光パルス２１２Ｄを集束するように構成され得る。ビームステアリング装置１００は、戻り光パルス２１２Ｄを方向転換して、２１２Ｂの逆方向で方向転換された戻り光パルス２１４を生成する。したがって、方向転換された戻り光パルス２１４への戻り光パルス２１２Ｄの光路は、操作された光パルス２１２Ｃへの方向転換された光パルス２１２Ｂの照射光路と重複し、有効検出範囲を増加させる。
図２Ｂを参照すると、同軸ライダー走査システム２５０の収束レンズ２２４は、光軸２１１に沿って方向転換された戻り光パルス２１４を集束し、方向転換された戻り光パルス２１４をマスク２２６の開口部通って光検出器２３０へと方向付けるように構成されている。収束レンズ２２４は、高屈折率ガラス、プラスチックなど任意の透過材で作成され得る。図２Ｂに示すように、収束レンズ２２４は、光軸２１１と実質的に同心であり得る。当然のことながら、いくつかの実施形態では、収束レンズ２２４は、光軸２１０と同心ではないように配設される。
図２Ｂに示すように、いくつかの例では、光検出器２３０は、光軸２１１と実質的に同心に配設される。光検出器２３０は、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオードなどであり得る。いくつかの実施形態では、図２Ｂに示す光検出器２３０の拡大図に示すように、光検出器２３０は、入光面２３２の反対側に面する反射面２３１（例えば、反射鏡）を含み得る。反射面２３１は、光を方向転換して（例えば、反射して）光検出器２３０の吸収領域に戻し得、それによって検出効率及び感度を増加させる。いくつかの実施形態では、マスク２２６は、光検出器２３０の一部であり得る。一般に、マスク２２６は、光路（例えば、光軸２１１に沿った光路）に対して斜めの光検出器２３０付近で、方向転換された戻り光パルス２１４をフィルタリングして、光軸２１１と実質的に平行である光パルスのみが光検出器２３０に到達できる。
図２Ｂに示す例では、光源２２０はレーザー光源であり得る。いくつかの例では、光源２２０によって生成されたレーザー光は、可視スペクトルの波長を有し得る。いくつかの例では、レーザー光は、赤外スペクトルの波長を有し得る。いくつかの例では、レーザー光は、紫外スペクトルの波長を有し得る。
図２Ｃは、集光鏡２２１を備える同軸ライダー走査システム２５０'を示す。いくつかの実施形態では、同軸ライダー走査システム２５０'は、光源２２０と、集光鏡２２１と、開口部を備えるマスク２２６と、光検出器２３０と、ビームステアリング装置１００と、を含む。図２Ｃに示すように、光源２２０から生成された入射光パルス２１２Ａは、集光鏡２２１の開口部を通って光軸２１１に沿ってビームステアリング装置１００へと方向付けられる。ビームステアリング装置１００は、入射光パルス２１２Ａを操作して（例えば、方向転換し、反射して）、操作された光パルス２１２Ｃを生成して物体を照射する。物体は、操作された光パルス２１２Ｃを散乱させてよい。散乱光のパルスの一部は、戻り光パルス２１２Ｄとしてビームステアリング装置１００に戻る。戻り光パルス２１２Ｄは、操作された光パルス２１２Ｃの経路と実質的に類似である、又は平行である経路に沿って方向付けられる。次いで、ビームステアリング装置１００は、集光鏡２２１に向かって光軸２１１と同軸の方向である、方向転換された戻り光パルス２１４を生成するように戻り光パルス２１２Ｄを方向付け得、集光鏡２２１は、方向転換された戻り光パルス２１４を光検出器２３０に向けてマスク２２６の開口部を通って方向転換する（例えば、反射する）。
いくつかの実施形態では、記載したように、同軸ライダー走査システム２５０の集光鏡２２１は方向転換された戻り光パルス２１４を光軸２１１に沿って集束し、方向転換された戻り光パルス２１４をマスク２２６の開口部を通って光検出器２３０へと方向付けるように構成されている。図２Ｃに示す例では、集光鏡２２１は、光軸２１１に、又はその付近に配設されたほぼ１００％の反射鏡であり得、光軸２１１は、操作された光パルス２１２Ｃ及び方向転換された戻り光パルス２１４の両方の光路に沿っている。集光鏡２２１は、方向転換された戻り光パルス２１４を光検出器２３０に集束する。当然のことながら、いくつかの実施形態では、集光鏡２２１は、光軸２１１と同心ではないように配設され得る。集光鏡２２１は任意の基材（例えば、ガラス、プラスチック、金属など）で作成され得、反射鏡面仕上げの層を有する。いくつかの例では、反射鏡面仕上げの層に酸化防止層が適用され、空気から反射層を密閉分離する。これにより、酸素及び他の腐食剤（例えば、腐食性ガス又は腐食性液体）が集光鏡２２１の表面の反射部を曇らせないようにする。
図２Ｃに示す例では、ビームステアリング装置１００は、図１Ｂの同軸ビームステアリング装置１００であり得る。いくつかの実施形態では、ビームステアリング装置１００は、視野内の１つ又は２つ以上の物体に方向付けられた２つの実質的に平行の光パルスを実施する、デュアル同軸装置であり得る。ビームステアリング装置１００は、入射光パルス２１２Ａを垂直方向及び水平方向に方向付けて操作された光パルス２１２Ｃを生成し、一方では、操作された光パルス２１２Ｃと実質的に同一の光路に沿って戻り光パルス２１２Ｄを集束するように構成され得る。例えば、図２Ｃに示すように、戻り光パルス２１２Ｄの光路は、操作された光パルス２１２Ｃの光路の少なくとも一部と実質的に平行であってよい。したがって、戻り光パルス２１２Ｄの光路は、操作された光パルス２１２Ｃの光路と重複する。
図２Ｃに示すように、いくつかの実施形態では、光検出器２３０は、反射光軸２１１'と実質的に同心に配設される。いくつかの実施形態では、反射光軸２１１'は、集光鏡２２１（例えば、集光鏡２２１の開口部の中心）から集光鏡２２１の焦点を通って延出する。反射光軸２１１'は光軸２１１と角度をなしてよく、光軸２１１は、操作された光パルス２１２Ｃ及び方向転換された戻り光パルス２１４の光路と実質的に平行である。光検出器２３０は、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオードなどであり得る。いくつかの実施形態では、図２Ｂに示す光検出器と同様に、光検出器２３０は、入光面の反対側に面する反射面（例えば、反射鏡）を含み得る。反射面は、光を方向転換（例えば、反射）して光検出器２３０の吸収領域に戻し得、それによって検出効率及び感度を増加させる。いくつかの実施形態では、マスク２２６は、光検出器２３０の一部であり得る。
図２Ｃに示す例では、光源２２０はレーザー光源であり得る。いくつかの例では、光源２２０によって生成されたレーザー光は、可視スペクトルの波長を有し得る。いくつかの例では、レーザー光は、赤外スペクトルの波長を有し得る。いくつかの例では、レーザー光は、紫外スペクトルの波長を有し得る。
図３は、デュアル同軸ライダー走査システム３００を示す。図３に示すように、デュアル同軸ライダー走査システム３００は、光源２２０と、反射鏡２２２と、部分反射鏡３２２と、第１収束レンズ２２４Ａと、第２収束レンズ２２４Ｂと、開口部を備える第１マスク２２６Ａと、開口部を備える第２マスク２２６Ｂと、第１光検出器２３０Ａと、第２光検出器２３０Ｂと、デュアルビームステアリング装置１００'と、を含み得る。図３に示すように、光源２２０から生成された入射光パルス２１２Ａは、部分反射鏡３２２へと方向付けられ、部分反射鏡３２２は、入射光パルス２１２Ａの第１部分を反射して方向転換された光パルス２１２Ｂを生成する。方向転換された光パルス２１２Ｂに基づいて、多面体１０２は方向転換された光パルス２１２Ｃを生成し、次に、方向転換された光パルス２１２Ｃは凹面反射器１１２によって方向転換されて、操作された光パルス３１２Ａを生成する。操作された光パルス３１２Ａは、ビームステアリング装置１００'の開口部１１８を通って視野内の物体へと方向付けられ得る。図３に示す例では、部分反射鏡３２２は、第１光軸３１１Ａに沿って配設された、５０％反射鏡である。部分反射鏡３２２は、例えば、５０％の入射光を第１光軸３１１Ａに沿って反射するように構成され得る。いくつかの実施形態では、部分反射鏡３２２は、５０％超の入射光を第１光軸３１１Ａに沿って反射するように構成され得る。いくつかの実施形態では、部分反射鏡３２２は、５０％未満の入射光を第１光軸３１１Ａに沿って反射するように構成され得る。当然のことながら、部分反射鏡３２２は、第１戻り光パルス２０７Ａの相当部分を遮断しないように十分に小型である必要がある。
図３に示すように、入射光パルス２１２Ａの別の部分は部分反射鏡３２２を通過し、入射光パルス２１２Ａの第２部分になる。入射光パルス２１２Ａの第２部分は、反射鏡２２２へと方向転換され得、反射鏡２２２は入射光パルス２１２Ａの第２部分を方向転換して、方向転換された光パルス２１３Ｂを生成する。方向転換された光パルス２１３Ｂに基づいて、多面体１０２は方向転換された光パルス２１３Ｃを生成し、次に、方向転換された光パルス２１３Ｃは凹面反射器１１２によって方向転換されて、操作された光パルス３１２Ｂを生成する。操作された光パルス３１２Ｂは、ビームステアリング装置１００の開口部１１８を通って第２光軸３１１Ｂに沿って方向付けられ得る。図３に示す例では、反射鏡２２２は、第２光軸３１１Ｂに配設された、ほぼ１００％の反射鏡であり得る。当然のことながら、反射鏡２２２は、戻り光パルス２０７Ｂの相当部分を遮断しないように十分に小型である必要がある。当然のことながら、図３は、入射光パルス２１２Ａの２つの部分が光源２２０から生成されることを示すが、２つの分離独立した光源を用いて、入射光パルス２１２Ａの２つの部分を別個に生成することができる。
図３に示すデュアルビームステアリング装置１００'は、図１Ｂに示す同軸ビームステアリング装置１００であり得る。この例の相違点は、視野内の１つ又は２つ以上の物体を照射するために、ビームステアリング装置１００'が２つのビームの光パルス（例えば、操作された第１光パルス３１２Ａ及び操作された第２光パルス３１２Ｂ）を方向付けるように構成されていることである。例えば、ビームステアリング装置１００'は、操作された第１光パルス３１２Ａ及び操作された第２光パルス３１２Ｂを垂直方向及び水平方向に方向付け、一方では、第１戻り光パルス２０７Ａ及び第２戻り光パルス２０７Ｂを集束するように構成され得る。第１戻り光パルス２０７Ａ及び第２戻り光パルス２０７Ｂは、操作された第１光パルス３１２Ａ及び操作された第２光パルス３１２Ｂの光路とそれぞれ実質的に同一、又は平行である光路を有し得る。したがって、第１戻り光パルス２０７Ａ及び第２戻り光パルス２０７Ｂの光路は、操作された第１光パルス３１２Ａ及び操作された第２光パルス３１２Ｂの光路とそれぞれ重複する。いくつかの実施形態では、デュアル同軸ライダー走査システム３００はまた、光源２２０のパワーを動的に制御するように構成されている、パワーコントローラ（図示なし）を含み得る。光源２２０のパワー制御は、戻り光パルス２０７Ａ〜Ｂに関連する開口部の断面積に基づき得る。光源２２０のパワー制御は、視野内の開口のばらつきを補正し得る。
図３に示す例では、デュアルビームステアリング装置１００'は、ｘ−ｚ面上で概ね非対称であり得る。したがって、操作された第１光パルス３１２Ａを生成するための光学素子の形状は、どの時点においても操作された第２光パルス３１２Ｂを生成するための光学素子と非対称であり得る。同様に、第１戻り光パルス２０７Ａを方向付けるための光学素子の形状は、どの時点においても第２戻り光パルス２０７Ｂを方向付けるための光学素子と非対称であり得る。結果として、操作された第１光パルス３１２Ａの光路は、操作された第２光パルス３１２Ｂとは異なる範囲及びパターンで走査できる。
図３を参照すると、上記と同様に、第１戻り光パルス２０７Ａ及び第２戻り光パルス２０７Ｂは、デュアルビームステアリング装置１００'によって、開口部１１８を通って第１収束レンズ２２４Ａ及び第２収束レンズ２２４Ｂに向けて方向付けられ得る。上記と同様に、第１戻り光パルス２０７Ａ及び第２戻り光パルス２０７Ｂは、多面体１０２及び凹面反射器１１２によって方向転換されて、方向転換された第１戻り光パルス２１４Ａ及び方向転換された第２戻り光パルス２１４Ｂをそれぞれ生成する。いくつかの実施形態では、同軸ライダー走査システム３００の第１収束レンズ２２４Ａは、第１光軸３１１Ａに沿って方向転換された第１戻り光パルス２１４Ａを集束し、第１マスク２２６Ａの開口部を通って第１光検出器２３０Ａへと方向転換された第１戻り光パルス２１４Ａを方向付けるように構成されている。同様に、同軸ライダー走査システム３００の第２収束レンズ２２４Ｂは、第２光軸３１１Ｂに沿って方向転換された第２戻り光パルス２１４Ｂを集束し、第２マスク２２６Ｂの開口部を通って第２光検出器２３０Ｂへと方向転換された第２戻り光パルス２１４Ｂを方向付けるように構成されている。第１収束レンズ２２４Ａ及び第２収束レンズ２２４Ｂの両方は、高屈折率ガラス、プラスチックなど任意の透過材で作成され得る。図３に示す例では、第１収束レンズ２２４Ａは第１光軸３１１Ａと同心ではなく、第２収束レンズ２２４Ｂは第２光軸３１１Ｂと同心ではない。当然のことながら、いくつかの実施形態では、第１収束レンズ２２４Ａ及び第２収束レンズ２２４Ｂの一方又は両方は、それぞれ第１光軸３１１Ａ及び第２光軸３１１Ｂと同心であり得る。
図３に示すように、いくつかの例では、第１光検出器２３０Ａは、第１収束レンズ２２４Ａの焦点領域に、又はその付近に配設され得る。同様に、第２光検出器２３０Ｂは、第２収束レンズ２２４Ｂの焦点領域に、又はその付近に配設され得る。結果として、方向転換された第１戻り光パルス２１４Ａは第１光検出器２３０Ａに集束され得、方向転換された第２戻り光パルス２１４Ｂは第２光検出器２３０Ｂに集束され得る。第１光検出器２３０Ａ又は第２光検出器２３０Ｂの一方、又は両方は、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオードなどであり得る。いくつかの実施形態では、上記の光検出器２３０と同様に、第１光検出器２３０Ａ又は第２光検出器２３０Ｂの一方又は両方は、入光面の反対側に面する反射面（例えば、反射鏡）を含み得る。入光面は、光を方向転換して（例えば、反射して）、第１光検出器２３０Ａ又は第２光検出器２３０Ｂの吸収領域へとそれぞれ戻してよい。結果として、第１光検出器２３０Ａ及び第２光検出器２３０Ｂの効率及び感度は向上し得る。いくつかの実施形態では、第１マスク２２６Ａは、第１光検出器２３０Ａの一部であり得る。いくつかの実施形態では、第２マスク２２６Ｂは、第２光検出器２３０Ｂの一部であり得る。
図３に示す例では、光源２２０はレーザー光源であり得る。いくつかの例では、光源２２０によって生成されたレーザー光は、可視スペクトルの波長を有し得る。いくつかの例では、レーザー光は、赤外スペクトルの波長を有し得る。いくつかの例では、レーザー光は、紫外スペクトルの波長を有し得る。
図３に示すように、いくつかの例では、デュアル同軸ライダー走査システム３００は、コンピュータ可読媒体／メモリ３０４に電気的に結合されるマイクロプロセッサ３０６と、光源２２０と、第１光検出器２３０Ａと、第２光検出器２３０Ｂと、１つ又は２つ以上のモータ３０２と、を含む。デュアル同軸ライダー走査システム３００内のマイクロプロセッサは、ソフトウェアを実行できる。ソフトウェアには、例えば、命令、命令セット、コード、コードセグメント、プログラムコード、プログラム、サブプログラム、ソフトウェアコンポーネント、アプリケーション、ソフトウェアアプリケーション、ソフトウェアパッケージ、ルーチン、サブルーチン、オブジェクト、実行ファイル、実行のスレッド、プロシージャ、関数などを挙げることができ、ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、マイクロコード、ハードウェア記述言語などと呼ばれる。
いくつかの実施形態では、マイクロプロセッサ３０６は、視野内の１つ又は２つ以上の物体までの距離を測定するように構成され得る。図３に示すように、マイクロプロセッサ３０６は、タイマー／クロックモジュール３０８と、電卓３１０と、を含み、これらは、対応する光パルスごとに操作された光パルス３１２Ａの伝送と第１戻り光パルス２０７Ａの検出との時間差に基づいて１つ又は２つ以上の物体までの距離を計算するように構成されている。
タイマー／クロックモジュール３０８は、タイムスタンプ付きで伝送又は受光された各光パルスにマークを付けるように構成されている。タイムスタンプは、コード化された日時である。タイムスタンプの例には、「ｍｏｎｔｈ−ｄａｙ−ｙｅａｒ＠ｈｏｕｒ：ｍｉｎ：ｓｅｃ」、「ｍｏｎｔｈ−ｄａｙ−ｙｅａｒ＠ｈｏｕｒ：ｍｉｎ：ｓｅｃ」、「ｙｅａｒ−ｄｄ−ｍｏｎｔｈ＠ｈｏｕｒ：ｍｉｎ：ｓｅｃ」、「１２３４５６７８９０（Ｕｎｉｘ ｔｉｍｅ）」などが挙げられる。いくつかの実施形態では、操作された光パルスの伝送がトリガーとなり、タイマー／クロックモジュール３０８は、操作された光パルスにタイムスタンプでマークを付ける。タイマー／クロックモジュール３０８は、更に操作された光パルスと対応する戻り光パルスとを一対にし、タイムスタンプに基づいて時間差を測定し得る。
電卓３１０は、時間差から１つ又は２つ以上の物体までの距離を計算するように構成されている。いくつかの例では、電卓３１０は、時間差に光速度を乗じて２で除して（対称光路を想定）、物体までの距離を測定し得る。例えば、時間差が０．８マイクロ秒である場合、電卓３１０は物体までの距離を約１２０メートル離れていると計算する（例えば、（０．８×１０−６）×（２．９９７９×１０８）／２）。距離を計算した後、電卓３１０は、値をコンピュータ可読媒体／メモリ３０４に記憶し得る。
コンピュータ可読媒体／メモリ３０４はマイクロプロセッサ３０６に電気的に結合され、視野に伝送された、操作された光パルスに関連する識別子、戻り光パルスに関連する識別子、タイムスタンプ、距離測定値などに記憶域を提供し得る。いくつかの例では、各パルス（例えば、視野に伝送された、操作された光パルス及び／又は戻り光パルス）は、特定のパルスを一意に識別する識別子が割り当てられ得る）。パルスの識別により、対応する伝送された光パルスと戻り光パルスとの時間差を測定できる。
いくつかの実施形態では、マイクロプロセッサ３０６は、回転コントローラ３１２を任意に含み得る。回転コントローラ３１２は、凹面反射器１１２の第１回転速度及び多面体１０２の第２回転速度を制御するように構成されている。回転コントローラ３１２は１つ又は２つ以上のモータ３０２に電気的に結合され、モータ３０２は、凹面反射器１１２及び多面体１０２に動作可能に結合される。いくつかの例では、回転コントローラ３１２は、１つ又は２つ以上のモータ３０２への駆動電流を変化させることにより、凹面反射器１１２の第１回転速度及び多面体１０２の第２回転速度を変化させ得る。
いくつかの実施形態では、回転コントローラ３１２は、制御パラメータにランダム摂動を重ね合わせて、ランダム摂動に比例して凹面反射器１１２の第１回転速度及び／又は多面体１０２の第２回転速度を増加させるように構成される。凹面反射器１１２の第１回転速度及び／又は多面体１０２の第２回転速度のランダム摂動は、ビームステアリング装置１００'から伝送された光パルスが実質的に周期的（例えば、等間隔）であるとき、この光パルスに関連する水平及び垂直走査角度をランダムに分布させる。これにより、サブフレームでのよりランダムな包括域を促進する。いくつかの例では、回転コントローラ３１２は、凹面反射器１１２の第１回転速度を１０ｒｐｓに設定し得、多面体１０２の第２回転速度を５００ｒｐｓに設定し得る。回転コントローラ３１２は、凹面反射器１１２の第１回転速度及び多面体１０２の第２回転速度の一方又は両方に更に±１ｒｐｓの摂動を追加し得る。場合によっては、摂動は同一であり得、他方では、摂動は異なり得る。
１つ又は２つ以上のモータは、凹面反射器１１２及び多面体１０２に動作可能に結合される。いくつかの例では、第１モータは凹面反射器１１２を回転させ得、第２モータは多面体１０２を回転させ得る。いくつかの例では、１つ又は２つ以上のギアに結合される単一モータは、凹面反射器１１２及び多面体１０２を回転させ得る。図３に示す例では、１つ又は２つ以上のモータ３０２は、第１軸１０６の周りで第１回転速度にて凹面反射器１１２を回転させ、第２軸１０４の周りで第２回転速度にて多面体１０２を回転させるように構成され得る。いくつかの実施形態では、第１回転速度及び第２回転速度は、互いから独立するように制御される。
図３は、操作された第１光パルス３１２Ａ及び操作された第２光パルス３１２Ｂが正のｚ軸の方向に沿って方向付けられることを示す。図３に示すように、正のｚ軸の方向に沿って方向付けられる、操作された第１光パルス３１２Ａ及び操作された第２光パルス３１２Ｂを生成するための多面体１０２及び凹面反射器１１２の位置は、公称位置として定義され得る。多面体１０２及び凹面反射器１１２が特定の角度で回転するとき、ビームステアリング装置１００は、操作された光パルスを視野内の任意の所望の方向に方向付け、これらの方向から戻り光パルスを集束することができる。図４Ａは、正のｘ軸と正のｚ軸との間の方向に操作された光パルスを方向付け、この方向から戻り光パルスを集束する例示的ビームステアリング装置１００を示す。いくつかの例では、図４Ａに示すように、回転多面体１０２の瞬時位置は、公称位置に対して＋１５°の位置にあり、回転凹面反射器１１２の瞬時位置は公称位置にある。図４Ａに示すように、光パルス３０７Ａは、ビームステアリング装置１００の開口部１１８を通って方向付けられ、多面体１０２によって方向転換されて（例えば、反射されて）、方向転換された光パルス３０７Ｂを生成する。この方向転換はポイント４０２で、又はその付近で生じ得、方向転換された光パルス３０７Ｂを凹面反射器１１２に向けて操作する。方向転換された光パルス３０７Ｂは、凹面反射器１１２の反射面（例えば、鏡）によって更に方向転換されて（例えば、反射されて）、操作された第１光パルス３１２Ａを生成する。この方向転換はポイント４０４で、又はその付近で生じ得、１つ又は２つ以上の物体に向けて、視野内の正のｘ軸と正のｚ軸との間の方向に操作された第１光パルス３１２Ａを方向付け得る。操作された第１光パルス３１２Ａは物体を照射し、第１戻り光パルス２０７Ａは、操作された第１光パルス３１２Ａと実質的に同軸又は平行である光路に沿って戻る。図４Ａに示す例では、第１戻り光パルス２０７Ａは操作された第１光パルス３１２Ａと重複する。例えば、操作された第１光パルス３１２Ａは、水平方向に向かって約３０°の角度（例えば、正のｚ軸と伝送された光パルス３１２Ａの方向との３０°の角度）で物体を照射し、例示的ビームステアリング装置１００は、水平方向に向かって約３０°の角度で第１戻り光パルス２０７Ａを集束する。上記と同様に、第１戻り光パルス２０７Ａは、多面体１０２及び凹面反射器１１２によって方向転換されて、方向転換された戻り光パルス２１４Ａを生成し得る。
図４Ｂは、操作された光パルスを視野へと方向付け、負のｘ軸と正のｚ軸の方向から戻り光パルスを集束する例示的ビームステアリング装置１００を示す。いくつかの例では、図４Ｂに示すように、回転多面体１０２の瞬時位置は、公称位置に対して−５°（つまり、３５５°）の位置にあり、回転凹面反射器１１２の瞬時位置は公称位置にある。図４Ｂに示すように、光パルス３０７Ａは、ビームステアリング装置１００の開口部１１８を通って方向付けられ、多面体１０２によって方向転換されて（例えば、反射されて）、方向転換された光パルス３０７Ｂを生成する。この方向転換はポイント４０２で、又はその付近で生じ得、方向転換された光パルス３０７Ｂを凹面反射器１１２に向けて操作する。方向転換された光パルス３０７Ｂは、凹面反射器１１２の反射面（例えば、鏡）によって更に方向転換されて（例えば、反射されて）、操作された第１光パルス３１２Ａを生成する。この方向転換はポイント４０４で、又はその付近で生じ得、１つ又は２つ以上の物体に向けて、操作された第１光パルス３１２Ａを視野内の負のｘ軸と正のｚ軸との間の方向に方向付け得る。操作された第１光パルス３１２Ａは物体を照射し、第１戻り光パルス２０７Ａは、操作された第１光パルス３１２Ａと実質的に同軸又は平行である光路に沿って戻る。図４Ｂに示す実施例では、第１戻り光パルス２０７Ａは操作された第１光パルス３１２Ａと重複しており、操作された第１光パルス３１２Ａは、水平方向に向かって約−１０°の角度（例えば、正のｚ軸と操作された第１光パルス３１２Ａの方向との−１０°の角度）で物体を照射し、例示的ビームステアリング装置１００は、水平方向に向かって約−１０°の角度で第１戻り光パルス２０７Ａを集束する。上記と同様に、第１戻り光パルス２０７Ａは、多面体１０２及び凹面反射器１１２によって方向転換されて、方向転換された戻り光パルス２１４Ａを生成し得る。
いくつかの実施形態では、ビームステアリング装置１００は、光パルスを伝送し、更に視野の縁部に向かう方向から戻り光パルスを集束するように構成され得る。図５は、操作された光パルスを更に視野の正の水平範囲の縁部に向かう方向に方向付け、その方向から戻り光を集束する例示的ビームステアリング装置１００を示す。図５に示すように、回転多面体１０２の瞬時位置は、公称位置に対して１５°の位置にあり、回転凹面反射器１１２の瞬時位置は公称位置に対して３０°の位置にある。図５に示すように、光パルス３０７Ａは、ビームステアリング装置１００の開口部１１８を通って方向付けられ、多面体１０２によって方向転換されて（例えば、反射されて）、ポイント４０２において、又はその付近で方向転換された光パルス３０７Ｂを生成する。この方向転換は、方向転換された光パルス３０７Ｂを凹面反射器１１２に向けて操作し得る。方向転換された光パルス３０７Ｂは、凹面反射器１１２の反射面（例えば、鏡）によって更に方向転換されて（例えば、反射されて）、ポイント４０４において、又はその付近で操作された第１光パルス３１２Ａを生成する。方向転換は、操作された光パルス３１２Ａを更に視野の縁部に向かう方向に、１つ又は２つ以上の物体に向けて方向付け得る。操作された第１光パルス３１２Ａは物体を照射し、第１戻り光パルス２０７Ａは、操作された第１光パルス３１２Ａと実質的に同軸又は平行である光路に沿って戻る。図５に示す例では、第１戻り光パルス２０７Ａは操作された第１光パルス３１２Ａと重複する。例えば、操作された第１光パルス３１２Ａは、正のｘ方向に向かって約４０°の角度（例えば、正のｚ軸とＸ−Ｚ面上への操作された光パルス３１２Ａの投射との４０°の角度）及びｙ方向に向かって約−７°（例えば、ｚ軸とＹ−Ｚ面への操作された光パルス３１２Ａの投射との負のｙ方向での７°）で物体を照射し、例示的ビームステアリング装置１００は、正のｘ方向に向かって約４０°及びｙ方向に向かって約−７°で第１戻り光パルス２０７Ａを集束する。上記と同様に、第１戻り光パルス２０７Ａは、多面体１０２及び凹面反射器１１２によって方向転換されて、方向転換された戻り光パルス２１４Ａを生成し得る。
いくつかの実施形態では、走査範囲を更に拡張するために、凹状レンズ又は円柱レンズが、操作された光パルス３１２Ａ及び／又は操作された第２光パルス３１２Ｂの光路に配設され得る。これは、これらがビームステアリング装置１００から伝送されるためである。この構成は、水平及び／又は垂直走査範囲を更に拡張し得る。いくつかの例では、凸状レンズを含むことにより、光角度も拡張してよく、これにより解像度が低減してよい。
図６Ａ及び６Ｂは、デュアル同軸ライダー走査システム３００（図３）の水平方向及び垂直方向の角度分布のインターレースフレーム図を示す。図６Ａ〜６Ｂの図６００Ａ〜Ｂは、デュアル同軸ライダー走査システム３００が約５０ミリ秒でデータを収集するように構成されているシミュレーションの結果を示す。この図は、毎秒約２０フレーム（ｆｐｓ）に対応する１つのフレームを形成する、３つの連続的なサブフレームの組み合わせを示す。第１サブフレーム６０４を形成するには、デュアル同軸ライダー走査システム３００は、視野にわたって水平及び垂直の両方向で１つ又は２つ以上の物体を定期的かつ連続的にサンプリングする。こうすることにより、凹面反射器１１２（図４Ａ〜４Ｂ、又は５に示すように）の反射面（例えば、鏡）によって方向転換された（例えば、反射された）レーザー光ビーム（図４Ａ〜４Ｂ及び５に示すように、ポイント４０４における、又はその付近の光ビームスポット）が、多面体１０２のファセットのうちの１つに位置する鏡を横切って移動して、光ビームスポットが鏡の一方の縁部から鏡の他方の縁部へと移動する。第２サブフレーム６０６を形成するために、デュアル同軸ライダー走査システム３００は、視野にわたって１つ又は２つ以上の物体を定期的かつ連続的にサンプリングする。ただし今回は、水平方向及び垂直方向での走査は、第１サブフレーム６０４を生成するための走査から若干オフセットしている。この走査オフセットにより、光ビームは、多面体１０２のファセットうちの１つに位置する鏡を横切って移動して、光ビームスポットが鏡の一方の縁部から鏡の他方の縁部へと移動する。第３サブフレーム６０８を形成するために、デュアル同軸ライダー走査システム３００は、視野にわたって１つ又は２つ以上の物体を定期的かつ連続的にサンプリングする。ただし今回は、水平方向及び垂直方向での走査は、第１サブフレーム６０４を生成するための走査及び第２サブフレーム６０６を生成するための走査から若干オフセットしている。第１サブフレーム６０４、第２サブフレーム６０６、及び第３サブフレーム６０８はインターレースされて、より高いサンプル密度を有する（より高い解像度に相当する）単一フレームを形成する。単一フレームはまた、ライダー走査システムの移動及び検出された物体の移動の両方の動き補正を表す。
図６Ａに示すように、操作された光パルス３１２Ａによって生成されたフレームからラスタライズされたポイントは、ｘ方向の約−１０°〜４０°及びｙ方向の−３０°〜３０°の範囲を含むパターンを形成する。同様に、操作された光パルス３１２Ａによって生成されたフレームのラスタライズされたポイントは、ｘ方向の約−４０°〜１０°及びｙ方向の−３０°〜３０°の範囲を包含するパターンを形成する。デュアル同軸ライダー走査システム３００の範囲内では、操作された第１光パルス３１２Ａと操作された第２光パルス３１２Ｂとの間に多少の重複領域６０２が存在する。重複は、視野の中心（例えば、ｘ方向のおよそ−１０°〜１０°及びｙ方向の−３０°〜３０°）においてより密度の高いデータサンプリングを提供する。したがって、解像度は、重複領域６０２においてより高い。
図６Ａ及び６Ｂに示す、ラスタライズされたフレームパターンの形状は、デュアルビームステアリング装置１００'の形状（例えば、多面体１０２及び凹面反射器１１２の形状）に基づいている。光路を妨害する要素は、図６Ａ及び６Ｂに示すように、ラスタライズされたフレームパターン全体に寄与し得る。例えば、図４Ａ〜４Ｂ、５、及び６Ａ〜６Ｂを参照すると、場合によって、操作された第１光パルス３１２Ａは、特定の角度において凹面反射器１１２に届かないことがあり、デュアルビームステアリング装置１００'の走査範囲の端部を決定する。これらは、水平周辺範囲に相当してよい。概して、いくつかの実施形態では、デュアルビームステアリング装置１００'の走査範囲は、操作された第１光パルス３１２Ａをｘ方向におよそ−１０°〜４０°、ｙ方向におよそ−３０°〜３０°に方向付けることができる。同様に、デュアルビームステアリング装置１００'の走査範囲は、操作された第２光パルス３１２Ａをｘ方向におよそ−４０°〜１０°、ｙ方向におよそ−３０°〜３０°に方向付けることができる。
図６Ｂは、デュアル同軸ライダー走査システム３００の水平方向及び垂直方向の角度分布のフレーム図の拡大部を示す。したがって、図６Ｂは、３つの連続的なサブフレーム（例えば、第１サブフレーム６０４、第２サブフレーム６０６、及び第３サブフレーム６０８）の組み合わせをより明確に示す。上記のように、多面体１０２及び／又は凹面反射器１１２の回転速度に摂動が加えられると、水平方向及び垂直方向の角度分布はランダムになり得る。
いくつかの例では、図６Ａ及び６Ｂに示すサブフレーム及び／又はフレームは、３次元にマップされて、「ポイントクラウド」を形成し得る。例えば、図６Ａ及び６Ｂは、物体で散乱する光の２次元での位置を示す。いくつかの例では、マイクロプロセッサ３０６の電卓３１０（図３に示す）は、第３次元（例えば、対応する水平角度及び垂直角度における距離）を提供し得る。したがって、ライダー走査システム３００の周囲の物体の形状は、再構築され得る（例えば、データ分析アルゴリズムを用いて「ポイントクラウド」を分析することによって）。
いくつかの例では、視野内に位置付けられた物体は、フレーム又はサブフレームを形成するための走査中に移動してよい、又は位置を変えてよい。例えば、場合によっては、１フレーム内の光パルスの期間はかなり短くてよく（例えば、１ミリ秒未満）、つまり、デュアル同軸ライダー走査システム３００Ａ及び視野内の物体の両方を含む物体は、実質的に移動しない。かかる場合では、フレーム内のポイントクラウド内のサンプルポイントは、実質的に同時に収集される。しかしながら、場合によっては、期間が比較的長い（例えば、２０〜５０ミリ秒）ことがあり、これは、１つ又は２つ以上の物体が測定可能距離を移動するのに十分な時間である。例えば、毎時約６５マイルで移動する物体は、２０ミリ秒で約２フィート移動できる。したがって、フレームのポイントクラウド内の各ポイントは、ライダー自身の移動及び視野内の移動物体の検出速度で補正され得る。
物体のかかる移動に対応するために、デュアル同軸ライダー走査システム３００は、１つ又は２つ以上のサブフレームのサンプリングレートを測定し、１つ又は２つ以上の物体の相対速度を測定し、集計距離の補正に基づいて３次元のポイントのポイントクラウドを形成するときに、サンプリングレート及び相対速度を補正できる。当然のことながら、あらゆる任意の時間間隔で収集したデータを集計して、ポイントクラウドの１フレームを形成できる。したがって、ポイントクラウドの密度は、上記よりも濃くも薄くもなり得る。
図７は、特定のシステムパラメータ値を有するデュアル同軸ライダーシステムの集束開口部領域に対応するヒートマップ７００を示し、図１、３、４Ａ、４Ｂ、及び５に示した、方向転換された第１戻り光パルス２１４Ａ及び方向転換された第２戻り光パルス２１４Ｂの集束断面積の両方を図７に示し、これらは視野の中央で重複する。したがって、集束開口部の面積は、多面体１０２の角度及び凹面反射器１１２の角度と共に変化する。例えば、図４Ａに示す方向転換された第１戻り光パルス２１４Ａの断面積は、図４Ｂに示す方向転換された第１戻り光パルス２１４Ａの断面積よりも小さい。したがって、同一強度の操作された第１光パルス３１２Ａ並びに視野内の物体からの同一の反射率及び距離では、図４Ａに示す角度を有する多面体１０２及び凹面反射器１１２の構成に対応する集束光の強度は、図４Ｂに示す構成の強度よりも小さい。
図７に示す例では、ｘ方向の約−１０°〜１０°及びｙ方向の−３０°〜３０°に対応するヒートマップ７００の中心領域は、高集束開口部を有する。この領域は、ほぼ同一領域で重複するデュアル光路から砂時計形状を形成する。ｘ方向の約−３５°〜−３０°及びｙ方向の約−５°〜５°、並びにｘ方向の約３０°〜３５°及びｙ方向の約−５°〜５°に対応する領域は、凹面反射器１１２における斜角からの低集束開口部を有する。
いくつかの実施形態では、光源２２０（図２Ｂ、２Ｃ、及び３に示す）からの入射光パルス２１２のパワーは、集束開口部に基づいて変動し得る。入射光パルス２１２のパワーの変動は、視野内の垂直方向及び水平方向での方向転換された第１戻り光パルス２１４Ａ及び方向転換された第２戻り光パルス２１４Ｂの集束開口部サイズのばらつきを補正し得る。
図８は、本開示の例による、ライダー走査検出の例示的プロセス８００を示す。プロセス８００は、以下で詳述するように、図１Ａ〜１Ｂ、２Ａ〜２Ｃ、３、４Ａ〜４Ｂ、及び５などに示す様々なシステム、並びに図９Ａ〜９Ｄ、１０Ａ〜１０Ｂ、及び１１に示すシステムなど車両に配設される、又は含まれるシステムによって実行され得る。図８に示すように、ブロック８０２において、ライダー走査システムの第１光源は、１つ又は２つ以上の第１光パルスを提供し得る。本明細書に記載の例では、第１光源はレーザー光源であり得る。当然のことながら、第１光源は、白熱灯、蛍光灯などであり得る。更に、第１光源は可視スペクトルの１つ若しくは２つ以上の波長、赤外スペクトルの１つ若しくは２つ以上の波長、又は紫外スペクトルの１つ若しくは２つ以上の波長を有し得る。
ブロック８０４において、ライダー走査システムのビームステアリング装置は、第１光パルスが光路に沿って物体を照射するように操作し得る。ビームステアリング装置は、シングルビームの光パルス（例えば、図１Ｂに示す光パルス３１２Ａ）を伝送するように構成されている同軸ビームステアリング装置１００又はデュアルビームの光パルス（例えば、図３に示す光パルス３１２Ａ及び３１２Ｂ）を伝送するように構成されているデュアル同軸ビームステアリング装置１００'であり得る。連続走査中、光ビームステアリングデバイス（例えば、多面体１０２）及び凹面反射器（例えば、凹面反射器１１２）の回転は、光パルスの光路内にある光ビームステアリングデバイスの反射ファセット及び凹面反射器を時間と共に変化させ得る。ビームステアリング装置による光パルスの操作角は、光ビームステアリングデバイス及び凹面反射器の回転位置を用いて計算され得る。当然のことながら、いくつかの実施形態では、光ビームステアリングデバイス及び凹面反射器の回転位置がトリガーとなり、光源が光パルスを伝送し得る。
ブロック８０６において、いくつかの例では、ビームステアリング装置（例えば、ビームステアリング装置１００又はデュアルビームステアリング装置１００'）は、戻り光パルス（例えば、物体を照射した、操作された第１光パルス３１２Ａに基づいて生成された第１戻り光パルス２０７Ａ）を集束し、方向転換し得る。集束された戻り光パルスは、光路と同軸に、又は平行に整合し得る。戻り光パルスは、凹面反射器及び光ビームステアリングデバイスによって受光光学系に向けて方向転換され得る。ビームステアリング装置を用いる場合、いくつかの例では、操作された光パルス及び戻り光パルスは同軸に整合し得る。更に、ビームステアリング装置は操作された光パルスを伝送し、その一方、平行して、又は実質的に同時に戻り光パルスを集束する。例えば、伝送された、操作された光パルスが進んで物体を照射し、同一光路に沿って戻る時間は、光ビームステアリングデバイス（例えば、多面体１０２）及び凹面反射器の位置に対してほぼ一瞬である。例えば、約１５０メートル離れた物体では、光パルスの飛行時間は約１マイクロ秒である。これは、光ビームステアリングデバイス（例えば、５００ｒｐｓで回転する多面体１０２）の約０．１８°回転に相当する。
ブロック８０８において、集光装置を含む受光光学系は、方向転換された戻り光パルスを光検出器（例えば、図３に示す第１光検出器２３０Ａ）へと更に方向付け得る（例えば、収束し得る又は集束し得る）。いくつかの例では、集光装置は収束レンズ２２４（図２Ｂ）又は集光鏡２２１（図２Ｃ）であり得る。
ブロック８１０において、マイクロコントローラ／プロセッサは、操作された光パルスの伝送と対応する戻り光パルスの検出との時間差に基づいて、ライダー走査システムから物体までの距離を計算し得る（例えば、測定し得る）。光パルスが光路に沿って進む飛行時間は、光パルスが進んで物体を照射する距離に比例する。一般に、光パルスが物体を照射するこの飛行時間は、光パルスの検出にかかる時間のほぼ半分である。
任意のブロック８１２において、マイクロコントローラは、連続的な（successive or consecutive）水平走査及び垂直走査での１つ又は２つ以上の物体までの距離の集計に基づいて、１つ又は２つ以上のサブフレーム（例えば、図６Ａ及び６Ｂの第１サブフレーム６０４、第２サブフレーム６０６、第３サブフレーム６０８）を生成し得る。例えば、同軸ライダー走査システム又はデュアル同軸ライダーシステム（例えば、システム３００）は、水平及び垂直の両方向で視野にわたって、同一の１つ又は２つ以上の物体を定期的かつ連続的にサンプリングし得る。サンプリングされる（例えば、走査される）視野は、図６Ａ及び６Ｂに注記した第１サブフレーム６０４に類似の第１サブパターンに従って集計され得る。デュアル同軸ライダーシステムは、同一の視野にわたって一定間隔で、１つ又は２つ以上のサンプルを連続的に再度サンプリングし得る。ただし今回は、水平方向及び垂直方向が、第１サブフレーム６０４から若干オフセットしている。サンプリングされる（例えば、走査される）視野は、図６Ａ及び６Ｂの第２サブフレーム６０６に類似の第２サブパターンに従って集計され得る。デュアル同軸ライダーシステムは、同一の視野、又は部分的に同一の視野にわたって一定間隔で、同一の１つ又は２つ以上のサンプルを連続的に再度サンプリングし得る。ただし今回は、水平方向及び垂直方向が、第１サブフレーム６０４及び第２サブフレーム６０６から若干オフセットしている。サンプリングされる（例えば、走査される）視野は、図６Ａ及び６Ｂの第３サブフレーム６０８に類似の第３サブパターンに従って集計され得る。
任意のブロック８１４において、マイクロコントローラは、１つ又は２つ以上のサブフレームをインターレースして、より高い解像度のフレームを形成できる。例えば、図６Ａ及び６Ｂに示すように、ライダーシステムは、第１サブフレーム６０４、第２サブフレーム６０６、及び第３サブフレーム６０８をインターレースして、より高いサンプル密度を有するフレームを形成し得る。（重複しないサンプルポイントの）より高いサンプル密度は、より高い解像度に相当する。当然のことながら、デュアル同軸ライダーシステム（例えば、システム３００）の重複領域６０２（図６Ａ）内のサンプルポイントの多くは、より高い密度を有し得る。したがって、解像度は、図６Ａに示す重複領域６０２においてより高い。
ビームステアリング装置１００及び１００'は、図２Ａ〜２Ｂ、３、４Ａ〜４Ｂ及び５に示すように、６つのファセットを有する多面体１０２を含む。説明したように、多面体は、任意の数のファセット（例えば、６超又は６未満）を有し得る。図９Ａ〜９Ｄは、ビームステアリング装置９００の別の例示の実施形態の様々な図を示す。ビームステアリング装置９００は、６を超える多数のファセットを備える多面体を有し得る。ビームステアリング装置９００は、プロセス８００及び／又は１９００の１つ又は２つ以上の工程（例えば、図１９に示すブロック１９０４及び１９１０での光パルスの操作）を実行するために用いられ得る。図９Ａは、ビームステアリング装置９００の斜視図を示す。図９Ｂは、正のｙ軸方向に沿った、ビームステアリング装置９００の側面図を示す。図９Ｃは、正のｚ軸方向に沿った、ビームステアリング装置９００の背面図を示し、図９Ｄは、正のｘ軸方向に沿ったビームステアリング装置９００の側面図を示す。図９Ａ〜９Ｄを参照すると、多面体９１０は、多面体９１０のｙ軸と平行である、複数の（例えば、１８の）側方ファセットを含み得る。いくつかの実施形態では、多面体９１０は、ｙ軸を中心としてよく、この軸の周りを、又はこの軸に沿って回転する。つまりｙ軸は、多面体９１０の回転軸であり得る。いくつかの実施形態では、複数の側方ファセットのそれぞれは研磨され得、レーザー光を伝送し、集束するために反射面（例えば、鏡面）と同様に動作し得る。
図９Ａ〜９Ｄを参照すると、ビームステアリング装置９００はまた、凹面反射器９２０を含み得る。凹面反射器９２０は、複数の（例えば、４つの）平坦な又は湾曲した反射面（例えば、鏡）を含み得る。いくつかの実施形態では、凹面反射器９２０の平面鏡又は曲面鏡のそれぞれは、多角形状（例えば、台形状）又は任意の他の所望の形状を有し得る。いくつかの実施形態では、平面鏡又は曲面鏡のそれぞれは、入射レーザー光が凹面反射器９２０を通過するように、角部及び／又は底縁部が切断されている、又は整えられていることがある。例えば、図９Ａ〜９Ｄに、凹面反射器９２０内で切断されている角部及び／又は底縁部を示す。いくつかの実施形態では、図１Ｂに示す凹面反射器１１２に類似して、凹面反射器９２０は、多面体９１０の回転速度とは独立した回転速度で、ｚ軸の周りを、又はこの軸に沿って回転し得る。図９Ｂを参照すると、回転多面体９１０及び回転凹面反射器９２０の瞬時位置において、コリメートされた１つ又は２つ以上の光パルス９３０のビームは、ｘ−ｚ面内で角度９３５（例えば、コリメートされた１つ又は２つ以上の光パルス９３０のビームと負のｚ方向との角度）をなして、多面体９１０のファセット９４０に向けて方向付けられ得る。
図１０Ａは、１つ又は２つ以上の光パルスを含むコリメートされた照射レーザービームを生成するための構成の一実施形態を示す。図１０Ａに示すように、光源１０１０は、光学レンズ１０２０に向けて１つ又は２つ以上の光パルスを方向付け得る。いくつかの実施形態では、光学レンズ１０２０及び光源１０１０は、所定の距離を有して、照射レーザービーム（例えば、ガウスビーム）が所定のビーム発散角で形成されるように構成され得る。照射レーザービームは、多面体９１０のファセットへと方向付けられ得る。光源１０１０は、ファイバレーザー、半導体レーザー、又は他の種類のレーザー光源であり得る。あるいは、非球面レンズ、複合レンズ、反射球面、反射方物面など他のコリメート光学系を用いて、コリメートされたレーザービームを生成することができる。いくつかの実施形態では、凹面反射器９２０は、照射レーザービームが凹面反射器９２０の１つ又は２つ以上の反射面（例えば、鏡）によって遮断され得る、又は部分的に遮断され得るように、形状パラメータ値を有するように構成されてよい。上記のように、凹面反射器９２０では、図１０Ａに示すように、１つ又は２つ以上の台形状鏡の底縁部の一部（例えば、切欠部１０３０）は切断される、又は露出されて、光源からのレーザービームが通過できるようにされ得る。
図１０Ｂは、光パルスを含むコリメートされた照射レーザービームを生成するための構成の別の実施形態を示す。この構成では、１つ又は２つ以上の光パルスが、ファイバレーザー、半導体レーザー、又は他の種類のレーザー光源など光源（図１０Ｂでは図示なし）によって生成され得る。１つ又は２つ以上の光パルスは、光ファイバ１０４２によって送達され、鏡１０４０によって、多面体９１０のファセットに向けて方向付けられ得る。図１０Ｂに示す光送達構成により、光学系（例えば、ファイバ、鏡）を凹面反射器９２０の内側に配置することができ、したがって、凹面反射器９２０の縁部を切断する必要をなくす、又は低減する（例えば、図１０Ａに示すように切欠部１０３０をなくす、又は切欠部１０３０のサイズを低減する）。
図９Ｂ及び１０Ｂを参照すると、いくつかの実施形態では、多面体９１０の反射面（例えば、多面鏡）の回転軸に対する送達されたレーザービーム（例えば、光ファイバ１０４２及び鏡１０４０によって送達されたレーザービーム）の相対位置及び／又は角度は、有効ライダー走査範囲（例えば、水平及び垂直走査包括角）が所望の包括域値に達するように構成され得る。一例では、多面体９１０の多面鏡のファセットのうちの１つに達するレーザービームの位置及び／又は角度は、角度９６５（図９Ｂに示す）が垂直方向（例えば、図９Ｂの負のｚ方向）からおよそ５９°であって、約１００°の水平視野及び２５°の垂直視野を得るように構成されている。
光送達構成のいくつかの実施形態では、多面体９１０の側方ファセットに達するレーザービームは、ｙ軸方向及びｘ−ｚ面内方向で、異なるガウスビームパラメータ（ビームウェスト幅、ビーム発散角など）を有してよい。異なるガウスビームパラメータは、レーザー光源と多面体９１０の側方ファセットとの間で１つ又は２つ以上の非球面レンズ又は円柱レンズを用いることにより得ることができる。いくつかの実施形態では、レーザービームが多面体９１０の側方ファセットに達する位置においてビームウェスト幅が非常に狭いように、レンズ又はライダーシステムの他の構成要素を構成することが所望され、有益である。典型的な一実施形態では、０．４５ｍｍのビームウェスト幅は、およそ０．０６°の発散角で得ることができる。狭い、又は小さいレーザービームウェスト幅（例えば、０．２ｍｍ）は、光ビームの一部が、光ビームが達するすべての多面体回転位置に対して、２つの側方ファセットに同時に達する（例えば、レーザービームスポットは、共通縁部を共有する２つのファセットに達する）多面体回転位置の割合又はパーセンテージを低減できる。２つの側方ファセッに同時に達する光ビームは、信号の分析を困難にし得るため、望ましくないことがある。
一方向のガウスビームのビームウェストが狭い場合、この方向でのそのビーム発散角はより大きくなり得るが、このことは、特定の実施形態にとって望ましくないことがある。例えば、０．２ｍｍのウェスト幅を有するガウスビームの場合、発散角は約０．１４°であり得る。ビーム発散角を低減するために、いくつかの例では、多面体９１０は、曲面を有する曲面ファセットを有し得る。いくつかの実施形態では、曲面は、図１５Ａに示すように、多面体９１０の側方ファセットに用いられ得る。
図１５Ａは、曲面を有する例示的多面体９１０の複数のファセット１５１０Ａ〜Ｃを示す。図１５Ａでは、実線は、平面が用いられる場合の多面体９１０の複数の側方ファセットのうちの３つを示す。破線は、ガウスビームを改変してビーム発散角を低減し得る曲面を示す。図１５Ａは曲面を凸状面として示すが、当業者は、凹状面もいくつかの実施形態に用いられる得ることを理解するであろう。別の実施形態では、凹面反射器９２０（図９Ａ〜９Ｄ及び１０Ａ〜１０Ｂに示す）の反射面（例えば、鏡）に曲面を用いて、ガウスビームを改変することもできる。
いくつかの実施形態では、照射レーザービームを反射する多面体の部分は、あるパラメータセット（平面又は曲面、直径、ファセット数）を有するように構成され得、戻り光を集束する多面体の残りの部分は、異なるパラメータセットを有するように構成され得る。図１５Ｂはかかる実施形態の上面図を示し、照射又は伝送レーザービームを反射する多面体９１０の部分は、曲面（例えば、ファセット１５２０Ａ〜Ｃ）及びより大きい直径を有し、戻り光を集束する多面体の残りの部分は、より直径の小さい平面（例えば、ファセット１５２２Ａ〜Ｃ）を有する。多面体９１０の両部分は、同数の（例えば、１８の）ファセットを有し得る。図１５Ｃは、多面体９１０のこの実施形態の側面図を示し、照射又は伝送レーザービームを反射するための曲面を有するファセット１５２０Ａ〜Ｎを含み、戻り光を集束するための平面を有するファセット１５２２Ａ〜Ｎを含む。
図１５Ｄは、多面体９１０の別の実施形態の上面図を示す。図１５Ｄに示すように、照射レーザービームを反射する多面体の部分は、曲面及びより大きい直径を有する第１数の（例えば、１８の）ファセット（例えば、ファセット１５４０Ａ〜Ｄ）を有し得、戻り光を集束する部分は、平面及びより小さい直径を有する第２数の（例えば、６つの）ファセット（例えば、ファセット１５４２Ａ〜Ｂ）を有し得る。図１０Ｅは、多面体９１０のこの実施形態の側面図を示し、照射又は伝送レーザービームを反射するための曲面を有するファセット１５４０Ａ〜Ｎを含み、戻り光を集束するための平面を有するファセット１５４２Ａ〜Ｍを含む。
戻って図９Ａ及び９Ｂを参照すると、上記のように、コリメートされた１つ又は２つ以上の光パルス９３０のビームは、ｘ−ｚ平面内で角度９３５をなして多面体９１０のうちの１つのファセット９４０に向けて方向付けられ得る。角度９３５は、照射レーザービームの光パルス９３０の方向と戻り光検出器９６０に入射する戻り光の方向との角度が、多面体９１０の片側のスパニング角度（spanning angle）の２倍であるように構成され得る。スパニング角度は、多面体９１０の中心から２つの隣接するファセット縁部まで延在する２つの半径間の角度である。したがって、１８ファセット多面体では、スパニング角度は２０°である（すなわち、３６０°／１８＝２０°である）。図９Ａ〜９Ｄの例示的実施形態では、「Ｎ」は、１の値を有してよく、角度９３５は、２０°のスパニング角度を有する１８ファセット多面体に、４０°の値を有してよい。図９Ｂに示すように、ファセット９４０から生成された（例えば、反射された）１つ又は２つ以上の方向転換された光パルス９４２は、凹面反射器９２０の鏡９４５へと方向付けられ、次に鏡９４５によって反射されて、操作された光パルス９４８として視野へと方向転換される。
図９Ａ〜９Ｂを参照すると、１つ又は２つ以上の操作された光パルス９４８が視野内の物体に達した後、複数の方向に反射又は散乱され得、戻り光パルス９５０の一部は反射して戻され、鏡９４５によって集束され得る。物体がライダーシステムから比較的遠い（例えば、１メートル超遠い）とき、戻り光パルス９５０はコリメートビームとして近似され得、実質的に平行方向であるが、操作された光パルス９４８の元の方向とは反対方向である。戻り光パルス９５０は鏡９４５によって方向転換され得、方向転換された光パルス９４２から多面体９１０に向かって反対方向に沿って伝播する。
図１１は、受光開口部を効率的に増加させ、異なるファセットからの戻り光パルスを集束するためのビームステアリング装置１１００の例示的構成を示す。図９Ｂ及び１１を参照すると、図９Ｂに示す１つ又は２つ以上の戻り光パルス９５０（例えば、視野内の物体によって散乱又は反射された光パルスからライダーシステムによって集束された光パルス）は、図１１に示す戻り光パルス１１１０に相当し得る。戻り光パルス１１１０は、例えば、凹面反射器９２０の反射面（例えば、鏡１１３０）に達してよい。凹面反射器９２０の鏡１１３０による第１反射の後、戻り光パルス１１１０は、多面体９１０に向けて方向転換され得る。いくつかの実施形態では、１つ又は２つ以上の戻り光パルス１１１０は散乱されてよく、ビーム伝播と垂直方向に広範に広がり得る。結果として、鏡１１３０の相当部分又は全面は、１つ又は２つ以上の戻り光パルス１１１０を受光してよい（多面体９１０によって遮断され、その陰になる部分は除く）。したがって、１つ又は２つ以上の戻り光パルス１１１０は鏡１１３０によって反射されて、多面体９１０の異なるファセットへと方向付けられる光の複数部分のパルスを生成してよい。例えば、図１１に示すように、多面体９１０に向かって伝播する戻り光パルス１１２０の一部は、ファセット１１４０（例えば、図９Ｂに示す同一のファセット９４０）に達してよく、ファセット１１４０によって光パルス１１５０として反射／方向転換されてよく、多面体９１０に向かって伝播する戻り光パルス１１２２の別の部分は、ファセット１１４２に達してよく、ファセット１１４２によって光パルス１１５２として反射／方向転換されてよく、多面体９１０に向かって伝播する戻り光パルス１１２４の更に別の部分は、異なるファセット１１４４に達してよく、ファセット１１４４によって光パルス１１５４として反射／方向転換されてよい。
図１１を参照すると、いくつかの実施形態では、多面体９１０の異なるファセットによって反射／方向転換されたビームは、異なる受光光学系（例えば、システム１１６０、１１６２、及び１１６４）によって集束され得る。例えば、第１受光光学系１１６０は光パルス１１５０の経路に配設され得、第２受光光学系１１６２は光パルス１１５２の経路に配設され得るなどである。
図１２Ａ〜１２Ｃは、受光光学系の例示的構成を示す。図１２Ａ、１２Ｂ、及び１２Ｃを参照すると、受光光学系は、１つの屈折光学レンズ１２１０（図１２Ａに示す）、又は複数の光学素子を備える１つの複合光学レンズ１２２０（図１２Ｂに示す）、又は１つの方物面鏡若しくは球面鏡と、１つの屈折光学レンズと、を備える１つの複合集束光学系１２３０（図１２Ｃに示す）を備え得る。図１２Ａ〜１２Ｃに示す屈折光学レンズは、球面若しくは非球面レンズ、又は両方の組み合わせであり得る。図１２Ａ〜１２Ｃに示す受光光学系のいずれかは、入射光のパルスが若干傾斜し、発散角を有するかどうかに関係なく、実質的に平行である入射光を検出素子１２４０に集束することができる。３つの例示的実施形態を図１２Ａ〜１２Ｃに示すが、当然のことながら、他の構成の受光光学系を用いて同一目的を果たすことができる。
図１２Ａ〜１２Ｃに示す検出素子１２４０は、光信号を検出し、光信号を電気信号に変換できる、光感知デバイスを含み得る。図１３Ａは、光感知デバイス１３２０を用いた直接集光用検出素子１２４０の例示的実施形態を示す。図１３Ａに示すように、光パルスは光学窓１３１０を通って伝播し、光感知デバイス１３２０に達し得、光感知デバイス１３２０は、光信号を電気信号に変換する。電気信号は、電気回路基板１３３０上の電気回路素子によって更に処理され得、デジタルデータに変換されて更に処理され得る。いくつかの例では、光感知デバイス１３２０は、光感知デバイス１３２０の表面に配設された屈折率整合材を含み得る。例えば、光感知デバイス１３２０は、屈折率が空気と整合しないＩｎＧａＡｓ材を含んでよい。したがって、屈折率整合材は光感知デバイス１３２０の表面に配設されて、不整合を緩和する、又は排除する。
図１３Ｂは、光感知デバイス１３５０を用いた集光用検出素子１２４０の別の例示的実施形態を示す。図１３Ｂに示すように、光感知デバイス１３７０によって受光された光パルスは、まず光学デバイス１３４０で光ファイバ１３５０の一端に集束され得る。光ファイバ１３５０は、マルチモードファイバ、又はシングルモードファイバ、又はファイバの内側クラッドに入る光が小型コアに吸収されるダブルクラッドファイバであり得る。一実施形態では、光ファイバ１３５０の他端から出射する光パルスは、光学デバイス１３６０によって光感知デバイス１３７０に収束され得、光感知デバイス１３７０は光学信号を電気信号に変換し得る。光ファイバ１３５０から伝送される光信号を収束する光学デバイス１３６０は、光学レンズ、球面若しくは非球面鏡、又は光感知デバイス１３７０への直接結合であり得、デバイス１３７０の表面に配設された任意の屈折率整合材は、光感知デバイス１３７０による受光量を増加させる。電気信号は、電気基板１３８０上の電気回路素子によって更に処理され得る。この実施形態では、電気デバイス（例えば、電気基板１３８０）及び／又は光感知デバイス１３７０は、図１１に示すビームステアリング装置１１００から（例えば、０．１メートル超、１メートル超、又は更には５メートル超）離れて配設され得るため、ビームステアリング装置１１００のサイズを低減できる。例えば、光ファイバ１３５０の出射端を除いて、ビームステアリング装置１１００は、小さい物理的寸法を有するように構成され得る。
図１１を参照すると、別の実施形態では、受光光学系１１６０は光パルス１１５０の経路に配設され得る。別の実施形態では、受光光学系１１６４は光パルス１１５４の経路に配設され得る。更に別の実施形態では、２つ又は３つ以上の受光光学系（例えば、１１６０及び１６２の両方、又は１１６０、１１６２、及び１１６４のすべて）がライダーシステム内で共存し得る。一実施形態では、これらの受光光学系のそれぞれは互いに独立しており、それぞれ独自の光感知デバイスを有し得る。別の実施形態では、これらの受光光学系の一部又はすべては、１つの光感知デバイスを共有し得る。
図１４Ａ〜１４Ｂは、自由空間光学通信又はファイバ束及び／若しくはパワーコンバイナの組み合わせを用いた、異なるファセットから方向転換された戻り光パルスを合成するための例示的構成を示す。図１４Ａに示すように、いくつかの実施形態では、１つの光感知デバイス（例えば、デバイス１４２０）は、複数の受光光学系間で共有され得る。かかる実施形態では、異なる方向からの光パルスのビームは、複数の鏡及び集束光学系（例えば、光学系１４１０、１４１２、及び１４１４）によって同一光感知デバイス１４２０へと方向転換され得る。例えば、光パルス１１５０は集束光学系１４１０によって集束され、次に集束光のパルス１４５０となり、光感知デバイス１４２０に達し得る。同様に、光パルス１１５２のパルスは、光学系１４１２によって方向転換されて集束され、次に集束光ビームのパルス１４５２となり、光感知デバイス１４２０に達し得る。１１５４のパルスは、光学系１４１４によって方向転換されて集束され、次に集束光ビーム１４５４となり、光感知デバイス１４２０に達し得る。
図１４Ｂは、１つの光感知デバイス１４４０が複数の受光光学系間で共有される、別の実施形態を示す。この実施形態では、それぞれ異なる方向からの各光パルスは、光集束デバイス（図１４Ｂに図示なし）によって集束され得る。次に、集束光ビームのそれぞれは、３つの光ファイバチャネル１４３０、１４３２、及び１４３４のそれぞれの受光端にそれぞれ結合され得る。これらの３つの光ファイバチャネルは、例えば、３対１の光合成デバイス（例えば、逆ファンアウトファイバオプティクス束）を用いて、１つの光チャネルにまとめられ得る。次に、合成光チャネルの伝送端から伝送された光パルスは、１つの共有光感知デバイス１４４０へと方向付けられ得る。いくつかの実施形態では、光合成デバイスは用いられなくてよく、光ファイバ束（例えば、３つの光ファイバの束）の伝送端から伝送された光パルスは、１つの共有光感知デバイスに直接集束され得る。
図１８は、振動鏡を備えるビームステアリング装置１８００の別の実施形態を示す。図１８に示すように、ビームステアリング装置１８００は、多面体９１０（図９Ａ〜９Ｄに示す）を有する代わりに、１ファセット又はマルチファセット振動鏡１８１０を含む。マルチファセット鏡の場合、隣接ファセットは、図１１に示す多面体９１０の隣接ファセットの角度と同様の角度（例えば、２０°）をなし得る。鏡１８１０は、ｙ軸と平行である、又はそれに沿った軸１８２０に沿って前後に振動し得て、鏡１８１０の１つ又は２つ以上のファセットを照射する光ビームのパルスをｘ−ｚ平面に沿って異なる方向で操作し得る。当然のことながら、多面体の場合の図１５Ａ〜１５Ｅに記載の実施形態と同様に、照射光パルスを反射する振動鏡１８１０の部分は、曲面であり得る、及び／又は戻り光パルスを集束する振動鏡１８１０の部分とは別のサイズを有し得る。
戻って図１６を参照すると、いくつかの実施形態では、パルスの飛行時間（例えば、パルスがライダーシステムから伝送されて、視野内の物体によって散乱／反射され、ライダーシステムの検出器で受光されるまでにかかる時間）を正確に測定するためには、パルスがライダーシステムから伝送された時間を測定する必要がある。図１６は、光ビームステアリング装置１６１０、光源１６２０、及び光感知デバイス１６３０を示す。光ビームステアリング装置１６１０は、図１Ｂ、４Ａ、４Ｂ、又は５に示すビームステアリング装置１００、図９Ａ〜９Ｄに示す９００に類似又は同一であり得、光源１６２０は、図２Ｂ、２Ｃ、又は３に示す光源２２０、図１０Ａ及び１０Ｂに示す光源１０１０に類似又は同一であり得、光感知デバイス１６３０は、図１２Ａ〜１２Ｃ、１３Ａ〜１３Ｂ、及び１４Ａ〜１４Ｂに示すものに類似又は同一であり得る。上記のように、光感知デバイスは光検出モジュールを含んで、受信した光信号を検出し、これを変換し得る。
図１６を参照すると、一実施形態では、光源１６２０は、外部の信号源又は内部生成された信号源から提供され得る電気トリガー信号に基づいて１つ、又は２つ以上の光パルスを生成する。いくつかの実施形態では、電気トリガー信号の生成から、光源１６２０からの１つ又は２つ以上の光パルスの伝送までにかかる時間は、パルス間で一定とみなされ得る（例えば、ごくわずかなばらつきがある）及び／又は較正され得る。この電気トリガー信号は、電気的接続（例えば、ケーブル）１６４０を介して光感知デバイス１６３０に伝送され、光パルスの基準時間の測定に用いられ得る。
いくつかの実施形態では、光ファイバ１６５０を用いて、光源１６２０から伝送される１つ又は２つ以上の光パルスの一部を方向付けることができる。光スプリッタを用いて、光パルスを分割し、基準信号として光パルスの一部を得ることができる。この部分は、１０％、１％、０．１％、若しくは０．０００１％、又は任意の所望のパーセンテージなど全光パルスの任意のパーセンテージであり得る。光パルスのこの部分は、光ファイバ１６５０によって光感知デバイス１６３０へと方向付けられ、光源１６２０から伝送された光パルスの基準時間の測定に用いられ得る。
いくつかの実施形態では、基準パルス生成デバイス１６６０には、光ビームステアリング装置１６１０が配設され、光パルスの一部を基準信号として得て、光パルスが光源１６２０から伝送された後に、その部分を光感知デバイス１６３０へと方向転換し得る。この部分は、１０％、１％、０．１％、若しくは０．０００１％、又は任意の所望のパーセンテージなど全光パルスの任意のパーセンテージであり得る。当業者は、図１６に示す基準パルス生成デバイス１６６０は例示のみであり、１つ又は２つ以上の光パルスの一部を基準信号として得て、それを光感知デバイス１６３０へと方向転換できる任意の光学系を用いることができることを理解するであろう。例えば、基準パルス生成デバイス１６６０は、光パルスの一部を光感知デバイスへと反射する、部分反射デバイスであり得る。
図１６に関して記載した以前の実施形態では、基準信号（例えば、基準光パルス）は光感知デバイス１６３０によって検出され得る。図１７を参照すると、基準信号は基準パルス１７１０として示される。図１７はまた、戻り光パルス１７２０を示す。戻り光パルス（例えば、視野内の物体によって反射／散乱されるパルスは、光感知デバイス１６３０によって受光される）は、パルス１７２０として示される。パルス１７２０は、基準パルス１７１０とは異なる強度及びパルス幅を有してよい。いくつかの実施形態では、パルス１７１０及び１７２０は、類似の形状プロファイルを有してよい。一実施形態では、基準パルス１７１０は、受光した戻りパルス１７２０を整合するためのテンプレートとして用いられ、戻りパルスと基準パルスとの時間差（つまりＴＯＦ）として正確に測定し得る。ＴＯＦに基づいて、視野内の物体の距離を測定し得る。
図１９は、ライダー走査システム（例えば、図１Ａ〜１Ｂ、２Ａ〜２Ｃ、３、４Ａ〜４Ｂ、５、９Ａ〜９Ｄ、１０Ａ〜１０Ｂ、及び１１に示す様々なシステム）を用いて３Ｄ画像を生成するために１つ又は２つ以上の光パルスの飛行時間を測定するプロセスの例示的フローチャートを示す。図１９を参照すると、ブロック１９０２において、１つ又は２つ以上の光パルス（例えば、約０．０１ナノ秒〜５ナノ秒のパルス幅を有する短レーザー光パルス、又は５ナノ秒〜３０ナノ秒以上のパルス幅を有する光パルス）がライダー走査システムの光源から生成され得る。ブロック１９０４において、ビームステアリング装置は、視野にわたって水平及び垂直の両方向で、１つ又は２つ以上の光パルスを操作又は走査できる。ブロック１９０６において、１つ又は２つ以上の光パルス又はその一部は、物体を照射する、又は物体に達し、１つ又は２つ以上の方向に散乱又は反射される。いくつかの実施形態では、散乱又は反射された光パルスの一部はライダー走査システムに戻り、ライダー走査システムの検出器の集束開口部に達し得る。
ブロック１９１０において、１つ又は２つ以上の戻り光パルスは、ライダー走査システムから伝送された光パルスの操作方向と実質的に反対であり、この光パルスと実質的に平行である方向に操作され得る、又は方向転換され得る。ブロック１９１２において、１つ又は２つ以上の方向転換された戻り光パルスは、受光光学系の光検出器に集束され得る。ブロック１９１４において、光検出器は、光検出器に達する方向転換された戻り光パルスの光子を１つ又は２つ以上の電気信号に変換する。ブロック１９１６において、光検出器によって生成された１つ又は２つ以上の出力電気信号は、増幅回路又はデバイスを用いて所定の係数で増幅され得る。ブロック１９２０において、増幅された１つ又は２つ以上の電気信号が、所定のサンプリングレートでサンプリングされ、デジタル値に変換され得る。いくつかの実施形態では、デジタル化された信号データは、視野内の最も遠い物体に相当する、予想最高ＴＯＦの期間内に収集され得る。ブロック１９２２において、デジタル化された信号データが分析されて、１つ又は２つ以上の戻り光パルスのＴＯＦを測定し、ライダー走査システムから物体の反射又は散乱ポイントまでの距離を測定し得る。
開示したプロセス及び／又はフローチャート内のブロックの特定の順序又は階層は、例示的アプローチの説明であることを理解されたい。設計上の優先度に基づいて、プロセス及び／又はフローチャート内のブロックの特定の順序又は階層が再編成され得ることを理解されたい。更に、一部のブロックは、統合又は省略されてよい。添付の方法に関する請求項は、見本の順序での様々なブロックの要素を示し、示した特定の順序又は階層に限定することを意味するものではない。
これまでの説明は、当業者が本明細書に記載した様々な態様を実施できるようにするために提供される。当業者には、これらの態様に対する様々な修正が容易に明らかとなるであろう。また、本明細書で定義した一般的原則は、他の態様に適用されてよい。したがって、特許請求の範囲は、本明細書に示した態様に限定されるのではなく、言語による特許請求の範囲と一致する全範囲に与えられることを意図し、ここで、単数での要素への言及は、具体的にそう述べていない限り、「唯一」ではなく、むしろ「１つ又は２つ以上」を意味することを意図する。用語「例示的」は、「例又は実例（instance, or illustration）として機能すること」を意味するために本明細書で用いられる。「例示的」として本明細書に記載されるすべての態様は、必ずしも他の態様よりも好ましい、又は有利であるものとして解釈されるものではない。特に記載のない限り、用語「いくつか」は、１つ又は２つ以上を指す。「Ａ、Ｂ、又はＣのうちの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ、又はＣのうちの１つ又は２つ以上」、「Ａ、Ｂ、及びＣのうちの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ、及びＣのうちの１つ又は２つ以上」、並びに「Ａ、Ｂ、Ｃ、又はそのいずれかの組み合わせ」などの組み合わせは、Ａ、Ｂ、及び／又はＣの任意の組み合わせを含み、複数のＡ、複数のＢ、又は複数のＣを含んでよい。具体的には、「Ａ、Ｂ、又はＣのうちの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ、又はＣのうちの１つ又は２つ以上」、「Ａ、Ｂ、及びＣのうちの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ、及びＣのうちの１つ又は２つ以上」、並びに「Ａ、Ｂ、Ｃ、又はそのいずれかの組み合わせ」などの組み合わせは、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、Ａ及びＢ、Ａ及びＣ、Ｂ及びＣ、又はＡ及びＢ及びＣであってよく、任意のかかる組み合わせは、Ａ、Ｂ、又はＣのうちの１つ又は２つ以上のメンバーを含んでよい。当業者に既知である、又は後に知られることになる、本開示の全体を通して説明した様々な態様の要素の、すべての構造的及び機能的等価物は、参考により本明細書に明示的に組み込まれ、かつ特許請求の範囲によって包含されることが意図される。更に、本明細書に開示したものはいずれも、かかる開示が特許請求の範囲に明示的に述べられているか否かにかかわらず、公共に捧げることを意図するものではない。用語「モジュール」、「メカニズム」、「要素」、「デバイス」などは、用語「手段」に置き換えることができない。したがって、特許請求の範囲の要素は、表現「〜の手段（means for）」を用いて明確に述べられていない限り、米国特許法第１１２条第６項の規定の下では解釈されない。

Claims (34)

  1. 光検出及び測距（ライダー）走査システムであって、
    １つ又は２つ以上の第１光パルスと１つ又は２つ以上の第２光パルスとを提供するように構成されている第１光源と、
    前記第１光源に光学的に結合され、前記１つ又は２つ以上の第１光パルスと前記１つ又は２つ以上の第２光パルスとが向けられる１つ又は２つ以上のビームステアリング装置であって、各ビームステアリング装置が、回転可能な凹面反射器と、光ビームステアリングデバイスと、を備え、前記光ビームステアリングデバイス及び前記回転可能な凹面反射器が、互いに対して移動するときに、
    前記１つ又は２つ以上の第１光パルスを第１光路に沿って垂直及び水平の両方向に操作して視野内の第１方向を照射し、
    前記１つ又は２つ以上の第２光パルスを第２光路に沿って垂直及び水平の両方向に操作して第２方向を照射し、
    １つ又は２つ以上の第１戻り光パルスを得て、前記１つ又は２つ以上の第１戻り光パルスが前記視野内の物体を照射する前記操作された第１光パルスに基づいて生成され、
    前記１つ又は２つ以上の第１戻り光パルスを前記ライダー走査システム内に配設された１つ又は２つ以上の受光光学系へと方向転換し、
    前記第１戻り光パルスを得るのと同時に、前記第２光路で前記第２方向を照射する前記操作された第２光パルスに基づいて生成される１つ又は２つ以上の第２戻り光パルスを得る
    ように構成されている１つ又は２つ以上のビームステアリング装置と、
    を備える、システム。
  2. 前記回転可能な凹面反射器が複数の多角形状の鏡を備え、前記多角形状の鏡が平面又は曲面を含む、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記多角形状の鏡が１つ又は２つ以上の縁部及び角部に関連する切欠部を備え、前記切欠部により、前記１つ又は２つ以上の第１光パルスを前記光ビームステアリングデバイスに送達できる、請求項２に記載のシステム。
  4. 前記光ビームステアリングデバイスが、前記回転可能な凹面反射器の回転軸に対してある角度をなして軸に沿って回転可能である回転可能な多面体である、請求項１乃至３の何れか１項に記載のシステム。
  5. 前記回転可能な多面体が沿って回転可能である軸と前記回転可能な凹面反射器の回転軸との角度が９０°である、請求項４に記載のシステム。
  6. 前記回転可能な多面体が、光パルスを反射できる又は方向転換できる複数のファセットを備える、請求項４又は５に記載のシステム。
  7. 前記光ビームステアリングデバイスが、前記回転可能な凹面反射器の回転軸に対してある角度をなして軸に沿って前後に振動できる１ファセット振動鏡又はマルチファセット振動鏡である、請求項１乃至３の何れか１項に記載のシステム。
  8. 前記１ファセット振動鏡又はマルチファセット振動鏡が沿って前後に振動できる前記軸と前記回転可能な凹面反射器の回転軸との角度が９０°である、請求項７に記載のシステム。
  9. 前記１ファセット振動鏡又はマルチファセット振動鏡が、光パルスを反射できる又は方向転換できる１つ又は２つ以上のファセットを備える、請求項７又は８に記載のシステム。
  10. 前記光ビームステアリングデバイスが平面又は曲面を含む、請求項１乃至９の何れか１項に記載のシステム。
  11. 前記１つ又は２つ以上の第１戻り光パルスが、前記視野内の前記物体を照射する前記操作された第１光パルスと実質的に平行である、請求項１乃至１０の何れか１項に記載のシステム。
  12. 前記回転可能な凹状反射器が、
    方向転換された複数の第１戻り光パルスを生成し、
    前記方向転換された第１戻り光パルスを前記光ビームステアリングデバイスの１つ又は２つ以上のファセットへと方向転換する、
    ように構成されている１つ又は２つ以上の鏡を備える、請求項１乃至１１の何れか１項に記載のシステム。
  13. 前記光ビームステアリングデバイスが、
    前記光ビームステアリングデバイスの前記１つ又は２つ以上のファセットを用いて、前記方向転換された第１戻り光パルスに基づいて方向転換された複数の第２戻り光パルスを生成し、
    前記方向転換された複数の第２戻り光パルスを前記１つ又は２つ以上の受光光学系へと方向変換する、
    ように構成されている、請求項１２に記載のシステム。
  14. 前記方向転換された複数の第２戻り光パルスのうちの少なくとも１つが、前記第１光パルスを操作するファセットと同一の前記光ビームステアリングデバイスのファセットを用いて生成される、請求項１３に記載のシステム。
  15. 前記方向転換された複数の第２戻り光パルスのうちの少なくとも１つが、前記第１光パルスを操作するファセットとは異なる前記光ビームステアリングデバイスのファセットを用いて生成される、請求項１３に記載のシステム。
  16. 前記方向転換された複数の第２戻り光パルスを生成する前記光ビームステアリングデバイスの部分が、前記１つ又は２つ以上の第１光パルスを操作して視野内の物体を照射する部分とは異なる平坦性、異なる寸法、及び異なるファセット数のうちの１つ又は２つ以上を有する、請求項１３乃至１５の何れか１項に記載のシステム。
  17. 光ファイバと、ビームコリメートデバイスと、を更に備え、前記第１光源が、光ファイバ及び前記ビームコリメートデバイスを用いて前記１つ又は２つ以上のビームステアリング装置に光学的に結合されて、前記１つ又は２つ以上の第１光パルスを前記光ビームステアリングデバイスに送達できる、請求項１乃至１６の何れか１項に記載のシステム。
  18. 前記第１戻り光パルスに関連する開口部の断面積に従って前記第１光パルスのパワーを動的に制御するように構成されているパワーコントローラを更に備える、請求項１乃至１７の何れか１項に記載のシステム。
  19. 前記第１光源を用いて前記第２光パルスを生成するように構成されている部分反射鏡を更に備える、請求項１乃至１８の何れか１項に記載のシステム。
  20. 前記１つ又は２つ以上の受光光学系のそれぞれが、前記方向転換された戻り光パルスを焦点に集束するように構成されている、請求項１乃至１９の何れか１項に記載のシステム。
  21. 前記受光光学系のそれぞれが、
    屈折光学レンズ、
    放物面鏡、
    凹面鏡、
    複数の光学素子を含む複合光学レンズ、
    放物面鏡と屈折光学レンズとを含む複合集束光学系、
    のうちの少なくとも１つを備える、請求項２０に記載のシステム。
  22. 前記１つ又は２つ以上の受光光学系のうちの少なくとも１つが、光学信号を検出し光学信号を電気信号に変換できる光感知デバイスを備える、請求項２０又は２１に記載のシステム。
  23. 前記光感知デバイスが、
    光学信号を電気信号に変換するように構成されている光検出デバイス、
    前記方向転換された戻り光パルスを光学信号を電気信号に変換する光検出デバイスへと方向転換するように構成されている光ファイバ、
    のうちの少なくとも１つを備える、請求項２２に記載のシステム。
  24. 前記光感知デバイスが前記１つ又は２つ以上の受光光学系の間で共有される、請求項２２又は２３に記載のシステム。
  25. １つ又は２つ以上の集束光学系及び１つ又は２つ以上の鏡の第１組み合わせ、
    ファイバ束又はパワーコンバイナのうちの少なくとも１つの第２組み合わせ、
    のうちの少なくとも１つを更に備え、
    前記第１組み合わせ及び前記第２組み合わせの両方が、前記方向転換された戻り光パルスを前記光感知デバイスへと方向転換するように構成されている、請求項２４に記載のシステム。
  26. 前記光感知デバイスの表面に配設された屈折率整合材を更に備える、請求項２２乃至２５の何れか１項に記載のシステム。
  27. 前記第１光源が電気トリガー信号に基づいて前記１つ又は２つ以上の第１光パルスを生成するように構成されており、前記電気トリガー信号により、前記ライダー走査システムから伝送された前記１つ又は２つ以上の操作された第１光パルスに関連する基準時間を測定できる、請求項２０乃至２６の何れか１項に記載のシステム。
  28. １つ又は２つ以上の基準光パルスを得て方向転換するように構成されている基準パルス生成デバイスであって、前記１つ又は２つ以上の基準光パルスが前記１つ又は２つ以上の第１光パルスの一部を含む、基準パルス生成デバイスと、
    前記方向転換された基準光パルスを検出するように構成されている光感知デバイスであって、前記方向転換された基準光パルスにより、前記ライダー走査システムから伝送された、前記１つ又は２つ以上の操作された第１光パルスに関連する基準時間を測定できる、光感知デバイスと、
    を更に備える、請求項２０乃至２７の何れか１項に記載のシステム。
  29. 前記基準パルス生成デバイスが、前記第１光パルスの一部を前記光感知デバイスに反射する部分反射デバイスである、請求項２８に記載のシステム。
  30. 前記基準パルス生成デバイスが、前記第１光パルスの一部を分割し前記第１光パルスの一部を前記光感知デバイスへと方向転換する光スプリッタである、請求項２８に記載のシステム。
  31. 前記光感知デバイスに電気的に結合される１つ又は２つ以上のプロセッサを更に備え、前記１つ又は２つ以上のプロセッサが、前記方向転換された基準光パルスと前記方向転換された戻り光パルスとの整合に基づいて飛行時間を測定するように構成されている、請求項２８乃至３０の何れか１項に記載のシステム。
  32. 第２光源を更に備え、前記１つ又は２つ以上の受光光学系が第１受光光学系と第２受光光学系とを備え、前記第２光源及び前記第２受光光学系が、前記第１光源及び前記第１受光光学系の前記光ビームステアリングデバイスの側とは異なる側に配設されて、前記光ビームステアリングデバイスの振動又は回転が、前記第１光源によって生成された方向とは異なる前記視野内の方向で前記第２光源によって生成された第２光パルスの操作を容易にする、請求項１乃至３１の何れか１項に記載のシステム。
  33. ライダー走査システムを用いてライダー走査を実行するための方法であって、
    第１光源によって、１つ又は２つ以上の第１光パルスと１つ又は２つ以上の第２光パルスとを提供することと、
    前記第１光源に光学的に結合され、各ビームステアリング装置が、回転可能な凹面反射器と、前記回転可能な凹面反射器内に少なくとも部分的に配設された光ビームステアリングデバイスと、を備える、前記１つ又は２つ以上の第１光パルスと前記１つ又は２つ以上の第２光パルスとが向けられる１つ又は２つ以上のビームステアリング装置によって、前記光ビームステアリングデバイス及び前記回転可能な凹面反射器の組み合わせが、互いに対して移動するとき、
    前記１つ又は２つ以上の第１光パルスを第１光路に沿って垂直及び水平の両方向に操作して視野内の第１方向を照射することと、
    前記１つ又は２つ以上の第２光パルスを第２光路に沿って垂直及び水平の両方向に操作して第２方向を照射することと、
    １つ又は２つ以上の第１戻り光パルスを得ることであって、前記１つ又は２つ以上の第１戻り光パルスが、前記視野内の物体を照射する、前記操作された第１光パルスに基づいて生成される、ことと、
    前記１つ又は２つ以上の第１戻り光パルスを、前記ライダー走査システム内の受光光学デバイスへと方向転換することと、
    前記第１戻り光パルスを得るのと同時に、前記第２光路で前記第２方向を照射する前記操作された第２光パルスに基づいて生成される１つ又は２つ以上の第２戻り光パルスを得ることと、
    を実行することと、
    を含む、方法。
  34. 水平角及び垂直角の１つ又は２つ以上の組み合わせにおいて、前記操作された第１光パルスを散乱又は反射する前記物体の距離を計算することに基づいて、ポイントクラウドの１つ又は２つ以上のポイントを形成することと、
    前記操作された第１光パルスに対応する前記１つ又は２つ以上のポイントを集計することに基づいてサブフレームを生成することであって、前記操作された第１光パルスが水平及び垂直の両方向で少なくとも１回操作される、生成することと、
    １つ又は２つ以上のサブフレームを組み合わせてフレームを形成することであって、前記フレームが、前記ライダー走査システムの移動及び前記物体の移動の両方の動き補正を表す、形成することと、
    を更に含む、請求項３３に記載の方法。
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