JP6867947B2 - ホログラフィック導波路ライダー - Google Patents

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優先権主張
この出願は、２０１５年１月２０日出願の「ホログラフィック導波路ライダー」と称する米国仮特許出願第６２／１２５，３５１号明細書から優先権を主張し、この明細書を全体として参照により取り込む。

関連出願の相互参照
下記の特許出願を、ここに全体として参照により取り込む。下記の特許出願は、「コンパクトエッジ照明回折ディスプレイ」と称する米国特許出願第１３／５０６，３８９号明細書、「光ディスプレイ」と称する米国特許第８，２３３，２０４号明細書、「透明ディスプレイを提供する方法及び装置」と称するＰＣＴ特許出願第ＵＳ２００６／０４３９３８号明細書、「ウェアラブルデータディスプレイ」と称するＰＣＴ特許出願第ＧＢ２０１２／０００６７７号明細書、「コンパクトエッジ照明眼鏡ディスプレイ」と称する米国特許出願第１３／３１７，４６８号明細書、「ホログラフィック広角ディスプレイ」と称する米国特許出願第１３／８６９，８６６号明細書、及び「透明導波路ディスプレイ」と称する米国特許出願第１３／８４４，４５６号明細書、「レーザー照明デバイス」と称する米国特許第ＵＳ８，２２４，１３３号明細書、「レーザー照明デバイス」と称する米国特許第ＵＳ８，５６５，５６０号明細書、「ホログラフィック照明システム」と称する米国特許第６，１１５，１５２号明細書、「切り替え可能ブラッグ格子を用いた密着イメージセンサー」と称するＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１３／０００００５号明細書、「ホログラフィック重合体分散液晶材料及びデバイスの改良」と称するＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０００６８０号明細書、「ホログラフィック導波路視標追跡装置」と称するＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１４／０００１９７号明細書、「三次元空間で物体を追跡するホログラフィック導波路」と称する米国仮特許出願第６２／０７１，５３４号明細書、「視標追跡用装置」と称するＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１３／０００２１０号明細書、「視標追跡用装置」と称するＰＣＴ特許出願第ＧＢ２０１３／０００２１０号明細書である。

この発明は、センサーに関し、より詳細には、切り替え可能格子を用いたライダー（ＬＩＤＡＲ）に関する。

ライダーは、パルス角度走査レーザーで対象を照明して、反射された「ポイントクラウド」を解析することによって、環境の三次元地図を生成するリモートセンシング技術である。カメラより優れたライダーの利点は、周知である。ライダーは放出光を使用するので、ライダーは、周辺光からの干渉に対して堅固であり、レーダーよりもはるかに高い解像度を有する。夜間動作に対して人工光源を必要とする。現在のコンピュータビジョンは、複雑なシーンの表現に対して不十分であり、照明変動の影響を受けやすい。現在、自動車（衝突防止及び走行制御システムなどの用途）、ロボット車両、無人航空機、及び暗視用ウェアラブルディスプレイを含む様々なプラットフォームに対してライダーシステムに関心が高まっている。手術における栓孔処置の増大している使用では、医療用途もシミュレートしている。例示的な自動車ライダーの仕様（Ｖｅｌｏｄｙｎｅ ＨＤＬ６４Ｅに基づく）では、方位における３６０度のＦＯＶ、２６．５度（＋２度〜−２４．５度）の仰角、１５Ｈｚのリフレッシュ速度、１秒当たり百万ポイントのポイントクラウド速度、１２０メートルの最大距離、０．０５度の水平解像度、１インチ未満の距離誤差、５ナノ秒のレーザーパルス持続時間、及び典型的に６０ワットの電力出力を有する。しかし、この仕様を満たすライダー機器は、非常に嵩張って高価である。約１．５５ミクロンで動作するライダーは、より長距離の性能を持ち、目に安全であるという利点を有するが、更に一層高価である。最新のライダー機器は、嵩張る回転光学部品類の技術に頼る。撮像アレイ技術に基づくライダーシステムは、開発されているが、現在非常に高価である。大きさ及びコストの問題を克服する手掛かりは、切り替え可能格子技術に基づく導波路光学部品類であると、発明者は考える。

切り替え可能格子の１つの重要な種類は、切り替え可能ブラッグ格子（ＳＢＧｓ）をベースとする。ＳＢＧｓは、まず、平行なガラス板間に光重合可能単量体及び液晶材料の混合物の薄膜を置くことによって製造される。片方又は両方のガラス板は、膜間に電場をかける電極、典型的に、透明インジウムスズ酸化膜を支持する。次に、傾斜縞格子構造を形成するのに干渉する２つの相互コヒーレントレーザービームで液状材料（シロップと呼ばれることが多い）を照明することによって、体積位相格子を記録する。記録工程の間、単量体は重合し、混合物は位相分離されて、透明重合体の領域が点在された液晶微小液滴によって密度の高い領域を生成する。液晶が豊富な部分と液晶が乏しい部分が交互している領域は、格子の縞面を形成する。得られる体積位相格子は、非常に高い回折効率を示すことができるが、膜間にかけられた電場の大きさによって制御されることもある。透明電極を介して電場を格子にかけた場合、ＬＣ液滴の自然方位が変わり、縞の屈折率変調が減少して、ホログラム回折効率が非常に低いレベルまで低下する。典型的に、ＳＢＧ要素は、３０μｓで明瞭に切り替わる。より長い緩和時間で、オンに切り替わる。連続範囲にわたって、印加電圧によって、デバイスの回折効率を調整することができることに留意されたい。デバイスは、電圧を印加しない状態で略１００％の効率を示し、十分高い電圧を印加した状態で実質的にゼロの効率を示す。ある種類のＨＰＤＬＣデバイスでは、磁場を使用して、ＬＣ方位を制御してもよい。ある種類のＨＰＤＬＣでは、認識できる液滴構造体が生じない程度まで、重合体からのＬＣ材料の位相分離を行ってもよい。

自由空間用途に透過又は反射格子を提供するのに、ＳＢＧｓを使用してもよい。導波路の近傍でエバネッセント結合層又は導波路コアのいずれかをＨＰＤＬＣが形成する導波路デバイスとして、ＳＢＧｓを実現してもよい。ＨＰＤＬＣセルを形成するのに使用される平行ガラス板は、全反射（ＴＩＲ）光誘導構造体を提供する。切り替え可能格子がＴＩＲ条件を超える角度で光を回折させる場合、光をＳＢＧから「結合」する。導波路は、現在、様々なディスプレイ及びセンサーの用途に関心がもたれている。ＨＰＤＬＣへの以前の作業の大部分は、反射ホログラムに向けられているが、透過デバイスは、光学システム構成ブロックとして更に一層融通がきくことを実証している。典型的に、ＳＢＧｓで使用されるＨＰＤＬＣは、液晶（ＬＣ）、単量体、光開始剤色素、及び相互開始剤を含む。混合物は、界面活性剤を含むことが多い。特許及び科学文献は、ＳＢＧｓを製造するのに使用できる材料システム及び工程の多くの例を含む。２つの基本的な特許は、サザ−ランド（Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄ）による米国特許第５，９４２，１５７号明細書、及び田中らによる米国特許第５，７５１，４５２号明細書である。両方の出願には、ＳＢＧデバイスを製造するのに適した単量体及び液晶材料の組み合わせが記載されている。透過ＳＢＧの既知の特性の１つは、ＬＣ分子が格子縞面と直角に整列しやすいことである。ＬＣ分子整列の効果は、透過ＳＢＧｓは、Ｐ偏光（即ち、入射面に偏光ベクトルを有する光）を効率的に回折させるが、Ｓ偏光（即ち、入射面と直角に偏光ベクトルを有する光に対して略ゼロの回折効率を有することである。入射光と反射光との間の角度が小さい場合、Ｐ偏光に対する任意の格子の回折効率はゼロに低下するので、透過ＳＢＧｓを、近かすめ入射で使用できない可能性がある。

広角、高解像度、長距離動作を提供できる、コンパクト、軽量、低コストのライダーが、必要である。

本発明の第１の目的は、広角、高解像度、長距離動作を提供できる、コンパクト、軽量、低コストのライダーを提供することにある。

本発明の目的は、第１の波長光の源と、光を走査する少なくとも１つのビーム偏向器と、送信機導波路と、受信機導波路と、受信機導波路と光学的に結合されている検出器とを含む導波路センサーを提供する、本発明の一実施形態で達成される。ビーム偏向器は、送信機導波路と光学的に結合されており、送信機導波路に結合されている走査光が格子要素の主回折方向を中心として角度掃引を実行するように構成されている。送信機導波路は、少なくとも１つの格子層に配置されている多数の格子要素を含む。各格子要素は、所定の範囲の出力方向に光を回折させるように動作する。受信機導波路は、少なくとも１つの格子層に配置されている多数の格子要素を含む。各格子要素は、外部点から反射され、所定の角度範囲内でＴＩＲ経路に入射した光を、検出器に回折させる。

幾つかの実施形態において、送信機導波路又は受信機導波路のうち少なくとも１つにおける格子要素は、二次元アレイの要素である。

幾つかの実施形態において、送信機導波路又は受信機導波路のうち少なくとも１つにおける格子要素は、一次元アレイの要素である。

幾つかの実施形態において、送信機導波路又は受信機導波路のうち少なくとも１つにおける格子要素は、導波路の伝搬方向と直角に整列されたより長い寸法を有する長形要素である。

幾つかの実施形態において、送信機導波路又は受信機導波路のうち少なくとも１つにおける格子要素は、電気的に切り替え可能である。

幾つかの実施形態において、送信機導波路又は受信機導波路のうち少なくとも１つにおける格子要素は、導波路によって変化する表面積又はアスペクト比のうち少なくとも１つを有する。

幾つかの実施形態において、受信機導波路及び送信機導波路は、実質的に重複する。

幾つかの実施形態において、送信機導波路及び受信機導波路は各々、少なくとも２つの異なる格子ベクトルを有する格子要素を含む。

幾つかの実施形態において、送信機導波路又は受信機導波路のうち少なくとも１つは、異なる角度範囲にわたって動作する格子層を含む。

幾つかの実施形態において、送信機導波路又は受信機導波路のうち少なくとも１つは、折り畳み式格子を含む少なくとも１つの格子層を含む。

幾つかの実施形態において、送信機導波路及び受信機導波路は、少なくとも１つの格子層に配置されている多数の格子要素を含む単一の導波路に組み合わせられている。各格子要素は、所定の範囲の出力方向に光を回折させるように動作する。各格子要素は、外部点から反射され、所定の角度範囲内でＴＩＲ経路に入射した光を、検出器に回折させる。

幾つかの実施形態において、装置は、三次元ポイントクラウドを検出するように構成されている。

幾つかの実施形態において、プリズム、格子、切り替え可能格子のうちの１つによって、又はエッジ結合を介して、スキャナーと送信機導波路との間の結合を行う。

幾つかの実施形態において、ビーム偏向器は、微小電気機械システムである。

幾つかの実施形態において、源は、赤外発光ダイオード又は赤外レーザーである。幾つかの実施形態において、第１の波長は、約１５５０ｎｍである。

幾つかの実施形態において、格子は、ＨＰＤＬＣ材料、均一変調ＨＰＤＬＣ材料又は反転モードＨＰＤＬＣ材料に記録されているブラッグ格子、表面レリーフ格子又は切り替え可能ブラッグ格子のうちの１つである。

幾つかの実施形態において、本発明の原理による導波路ライダーは、導波路ＨＭＤ又は導波路視標追跡装置のうち少なくとも１つを更に含むスタックにおける層を形成する。

幾つかの実施形態において、装置は、源と送信機導波路との間、及び検出器と受信機導波路との間に光学経路を与えるビーム分割器を更に含む。

幾つかの実施形態において、検出器は、ヘテロダイン検出デバイスである。

同じ符号が同じ部品を示す添付図面と併せて下記の詳細な説明を考察することによって、本発明をより完全に理解することができる。明瞭さの目的で、本発明に関連した技術分野で知られている技術材料に関する詳細は、詳しく説明されていない。

図１は、一実施形態におけるライダー受信機導波路の略側面図である。 図２は、一実施形態におけるライダー送信機導波路の略側面図である。 図３は、一実施形態における送信機導波路及び受信機導波路を含むライダーの略側面図である。 図４は、一実施形態における多数の送受信機導波路層を含むライダーの略図である。 図５Ａは、一実施形態におけるライダー送信機導波路及びレーザースキャナーモジュールの略平面図である。 図５Ｂは、一実施形態におけるライダー受信機導波路及び検出器モジュールの略平面図である。 図５Ｃは、一実施形態におけるライダー受信機導波路の詳細の略平面図である。 図６は、一実施形態におけるライダーの走査形状の例示である。 図７は、一実施形態におけるライダー信号プロセッサのブロック図である。 図８Ａは、一実施形態におけるライダー送受信機導波路及びビームスキャナー及び検出器モジュールの略平面図である。 図８Ｂは、図８Ａの実施形態で使用されるビーム操縦モジュールの略平面図である。 図９は、一実施形態におけるライダー受信機導波路で使用されるＳＢＧアレイの形状を示す平面図である。 図１０は、一実施形態において送受信機導波路をビームスキャナーモジュール及び検出器モジュールにファイバー結合するライダーの略図である。 図１１は、一実施形態において不動格子を用いたライダー送信機導波路の略側面図である。 図１２は、送受信機導波路を互いに隣接して配置するライダー導波路の略側面図である。 図１３は、ライダー導波路層を含む視標追跡ウェアラブル導波路ディスプレイの略図である。 図１４は、異なる視野にわたって動作する２つの導波路を含むライダー受信機導波路スタックの略図である。

ここで、本発明を、添付図面に例をとって更に説明する。下記の説明に開示されるような本発明の一部又は全部を用いて本発明を実施してもよいことは、当業者に明白になるであろう。本発明を説明する目的で、光学設計及び視覚表示の当業者に知られている光学技術の周知の特徴は、本発明の基本原理を曖昧にしないように、省略又は単純化されている。特に明記しない限り、光線又はビーム方向に関する「軸上」という用語は、本発明に関して記載された光学部品の表面に直角な軸に平行な伝搬を意味する。下記の説明では、光、光線、ビーム及び方向という用語を、交換可能に使用してもよく、互いに関連して、直線軌道に沿った光エネルギーの伝搬方向を意味する。光学設計の当業者がよく使用する専門用語を用いて、下記の説明の一部を与える。本発明の下記の説明では、「一実施形態において」という表現の反復使用は同じ実施形態を必ずしも意味するのではないことにも留意すべきである。

ライダーは、短赤外レーザーパルスを送出することによって作動する。戻り信号は、パルス戻り時間を計ることによって環境の三次元地図を構成するのに使用されることができる。ライダーシステムの基本的な光学部品は、パルスレーザー、広い角度にわたってレーザービームを走査する手段、光学部品類を含む受信機手段、及び戻り信号を記録する検出器である。本発明は、光学組立体を回転させる必要性を無くす受動広角送受信機を提供する問題を扱う。その代わりに、所定の視野範囲にわたって信号を収集するのに各々が最適化されている切り替え可能格子のアレイを含む導波路を使用する。導波路を回転させる必要はない。レーザーは、各視野範囲を横切って走査されて、所要の角度解像度を与える。レーザー走査サイクルを最適化して各格子の回折状態の持続時間と一致することによって、高い（角度）解像度で広い視野を構成することができる。導波路の方法により、透明性、軽量化、及び非常に薄い形状因子の利益も得られる。更に、導波路ライダーを、薄いスタックにおける視標追跡装置及びディスプレイなどの他の導波路デバイスと一体化することができる。有利なことに、ライダーは、目に安全であり、現在の暗視技術では見えないという利点を有する１５５０で動作する。しかし、本発明を、紫外線から赤外線までのスペクトルにおける任意の波長で適用してもよい。ここで、本発明の一連の例示的な実施形態について説明する。

図１に示す一実施形態において、ライダー受信機導波路２０は、光検出モジュール２１と、対向面に貼られた電極を有する導波路２２とを含み、その電極は、共通電極２３及び電極２４Ａ〜２４Ｄのアレイを含み、２つの電極層が格子領域２５Ａ〜２４Ｃを挟んで切り替え可能格子アレイを形成する。一実施形態において、格子アレイは二次元である。一実施形態において、アレイは、柱状要素の一次元アレイを含む。検出器モジュールは、レンズ及び赤外（ＩＲ）検出器を典型的に含む。有利なことに、赤外検出器は、高速、高感度デバイス、例えば、アバランシェフォトダイオードである。多くの用途において、好ましい波長は、目に安全であり、現在の暗視デバイスでは見えない１５５０ｎｍである。各格子領域は、１１７０〜１１７２で示されるように、固有のｋベクトル（ブラッグ縞に垂直なベクトル）を有する。それらの回折状態における格子は、導波路内でＴＩＲ経路に信号光を結合する。典型的に、格子又はプリズムによって、誘導ビームを検出器モジュールに結合する。一実施形態において、赤外検出器を導波路の端部に結合する。各格子は、格子の回折効率帯域幅で決まる検出視野角を有する。格子要素２５Ａ〜２５Ｃの視野の主光線を１１７５〜１１７７で示す。典型的に、単一要素の視野は、１０〜１５度の範囲にある。格子をそれらの活性状態に順次切り替えることによって、視野全体を含む。例えば、電極２４Ａ及び共通電極によって挟まれたｋベクトル１１７０を有する格子領域２５Ａを考えると、格子がその活性状態にある場合、検出器モジュールに結合されている光線１１７３〜１１７４で示すＴＩＲ経路に光１１７５を結合する。図１（及び後述の実施形態）では、２つ以上の格子を回折状態で示しているが、実際には、僅か１つの格子領域がいつでも回折していることに留意されたい。

幾つかの実施形態において、均一変調液晶重合体材料システム、例えば、Ｃａｐｕｔｏらによる米国特許出願公開第ＵＳ２００７／００１９１５２号明細書、及びＳｔｕｍｐｅらによるＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＥＰ２００５／００６９５０号明細書（両方の明細書をここに全体として参照により取り込む）に開示されているシステムに、格子を記録する。均一変調格子は、高屈折率変調（ひいては高回折効率）及び低散乱を特徴とする。幾つかの実施形態において、格子を、反転モードＨＰＤＬＣ材料に記録する。反転モードＨＰＤＬＣは、電場をかけない場合に格子が不動であり、電場が存在する状態で格子が回折状態になるという点で従来のＨＰＤＬＣと異なる。反転モードＨＰＤＬＣは、「ホログラフィック重合体分散液晶材料及びデバイスの改良」と称するＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０００６８０号明細書に開示されている方策及び工程の何れかに基づいてもよい。

図２に示す一実施形態において、ライダー送信機導波路３０は、走査モジュール（ビーム偏向器）３１と、対向面に貼られた電極を有する導波路３２とを含み、その電極は、共通電極３３及び電極３４Ａ〜３４Ｄのアレイを含む。電極層は、格子領域３５Ａ〜３４Ｃを挟む。本発明は、任意の特定のビーム走査技術を想定しない。この用途を記載する際に、好ましい技術は、微小電気機械システム（ＭＥＭｓ）に基づく。例示的なＭＥＭｓスキャナーは、Ｌｅｍｏｐｔｉｘ Ｉｎｃ．によって製造されている。これらのデバイスは、６０度を超える走査角度を有する６０Ｈｚで７２０画素（１２８０×７２０画素）の解像度を与えることができる。再度図２を参照する。格子又はプリズムの結合器によって、走査ビームを導波路に結合する。一実施形態において、ビームを、導波路の端部を介して結合してもよい。各格子領域は、１１７０〜１１７２で示されるように、固有のｋベクトル（ブラッグ縞に垂直なベクトル）を有する。それらの回折状態における格子は、導波路内でＴＩＲ経路に信号光を結合する。各格子は、回折効率帯域幅で決まる検出視野角を有する。格子要素３５Ａ〜３５Ｃの視野の主光線を１１８５〜１１８７で示す。典型的に、単一要素の視野は、１０〜１５度の範囲にある。格子をそれらの活性状態に順次切り替えることによって、視野全体を含む。例えば、ｋベクトル１１８０を有する切り替え格子領域３５Ａを電極３４Ａ及び共通電極によって挟み、光線１１８３〜１１８４で示すＴＩＲ経路から光１１８５を結合するように格子領域３５Ａを回折状態と非回折状態との間で切り替える。

図３の略側面図に示す一実施形態において、完全ライダー４０は、図１及び図２の実施形態に基づく受信機及び送信機導波路を含む。送信機部品は、スキャナーモジュール４１と、格子の回折状態にある場合に主光線１１９０〜１１９２を有する走査ビーム範囲にＴＩＲ経路から光を偏向させる切り替え可能格子要素４５Ａ〜４５Ｃを含む導波路４２とを含む。受信機部品は、検出器モジュール４６と、格子の回折状態にある場合に検出器モジュールにＴＩＲ経路へのＦＯＶ１１９０〜１１９５における信号光を結合する切り替え可能格子要素４８Ａ〜４８Ｃを含む導波路４７とを含む。受信機及び送信機導波路における切り替えエレクターは示されていない。

図４に示す一実施形態において、５４〜５６などのＳＢＧ柱を各々が含む導波路５１〜５３のスタックを含むライダーシステム５０が提供されている。導波路における柱の数は、ライダーの全視野のサイズ及び格子の角度帯域幅に左右される。次に、格子又はプリズムなどの結合手段を介して、走査レーザービームを各導波路層に結合する。代わりに、レーザービームを導波路にエッジ結合してもよい。各導波路層は、所定の角度範囲で入力ビームを受け入れるように設計された別々の結合器を有してもよい。結合器は、少なくとも１つの切り替え格子を使用してもよい。単一結合器を使用して、多数の層を扱ってもよい。一実施形態において、ライダーは、単一の導波路層を含んでもよい。ＳＢＧ柱５４〜５６は、１２０２〜１２０４などの主光線方向で固有の角度範囲に走査レーザービームを偏向させる固有のｋベクトルを有する。上述の実施形態の原理に従って、走査レーザービーム１２００を、導波路５１におけるＴＩＲ経路１２０１へのプリズム５７を介して導波路に結合し、活性（即ち、回折）ＳＢＧ柱５６によって導波路５１から固有の方向１２０４に偏向させる。走査レーザービームは、遠隔の反射面の領域１２０５に照射される。反射面から反射された戻り信号１２０６を、同じ活性ＳＢＧ柱によって導波路５１に結合して、ＴＩＲ経路１２０７及び入力ビーム経路１２０７と実質的に平行な外部経路１２０８に沿ってビームスキャナー及び検出器モジュール５８に中継する。レーザーセンサーの文献に十分に文書化されているビーム分割技法を用いて、送信及び受信レーザービームを分離する。偏光又は角度選択性を用いて、ビームを分離してもよい。検出システムは、ヘテロダイン検出を使用してもよい。図４の実施形態は、「ホログラフィック導波路視標追跡装置」と称するＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１４／０００１９７号明細書、「三次元空間で物体を追跡するホログラフィック導波路」と称する米国仮特許出願第６２／０７１，５３４号明細書、「視標追跡用装置」と称するＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１３／０００２１０号明細書、及び「視標追跡用装置」と称するＰＣＴ特許出願第ＧＢ２０１３／０００２１０号明細書（これらの明細書をここに全体として参照により取り込む）に開示されている手段に基づいてもよい。前記出願は、赤外視標追跡用ＳＢＧ柱アレイ導波路を用いた視標追跡装置を扱う。当業者に明らかである幾つかの実装形態の変更を用いて、ここに開示の実施形態は、ライダーシステムに同様に適用可能である。各送受信機（Ｒ／Ｔ）ＳＢＧ要素は、ＭＥＭｓスキャナー掃引と一緒に固有のＦＯＶタイルを定義する固有のＫベクトルを有する。これにより、複雑で嵩張る高価な回転光学部品類の必要が無くなる。対象面は典型的に遠距離にあるので、受信機導波路に入るビームは、実質的に視準されて、全角度でＲ／Ｔチャンネルの最適整合が可能になる。送信機要素の開口はビームスキャナーからレーザービーム掃引に対応するのに十分大きい必要がある一方、受信要素開口を出来るだけ大きくするように、格子要素を設計することが望ましい。ビーム幅は、非常に狭く、典型的にミリメートルのオーダーである。

ビームスキャナー及び検出器モジュールを、光ファイバーによって送信及び受信機導波路に結合してもよい。より広い視野を与えたり、定義された波長帯域内で動作する各導波路を有するハイパースペクトルライダーを実現したりするのに、多数の導波路を積み重ねてもよい。

図５に示す本発明の別の実施形態において、ライダーシステムは、送信機部品７０と受信機部品８０とを含む。受信機部品は、７２Ｄで示す活性格子を有する１列の切り替え可能格子要素７２Ａ〜７２Ｆを含む導波路７１を含む。各格子は、固有のビーム回折方向に対応する固有のｋベクトルを有する。送信機部品は、ビーム１２１０を放出するパルスレーザーと、ビーム１２１１を形成する、７６で概略的に示す視準及びビーム拡大光学部品類と、直交する２つの方向にビーム１２１２を走査するビームスキャナーモジュール７７とを更に含む。走査ビームは、結合要素７８（典型的に、格子又はプリズム）を介して導波路に入る。簡単にするために、導波路のＸ方向１２１３における走査ビームの部品を示す。活性格子要素７４は、方向１２１４にビーム１２１３を偏向させる。格子要素７２Ａ〜７２Ｃの活性状態に対応する主ビーム方向１２１５〜１２１７を示す。ここで、図５Ｂを参照する。検出器導波路８０は、８１及び８３などの要素を含むＳＢＧアレイ８１と折り畳み式格子８０とを含む。折り畳み式格子の機能をよりよく理解するために、前述の実施形態における導波路格子を、導波路面上にある軸を中心として傾斜させることに留意されたい。折り畳み式格子は、より一般化された傾斜を有する。折り畳み式格子の最も単純な実装形態では、本発明で使用されているように、格子が導波路面上でビームを偏向させるように導波路面に垂直な軸を中心として格子を傾斜させる。より一般的には、例えば、光を、導波路に結合して、一体化されたステップにおいて導波路内で直交する方向に偏向させることができるように、２つの回転角によって定義された傾斜を格子は有してもよい。本発明のために特に重要なのは、格子が、９０度回転して単一層で２軸ビーム拡大を行って、直交する重畳格子層を回避できることである。図５Ｃは、折り畳み式格子８２の平面図である。光線１２２５が格子に出会うと、光線は、９０度だけ伝搬方向を変えるように回折する。従来の垂直抽出格子と違って、光は導波路を離れない。光線が格子に出会うと、光線が上又は下から格子と交差するかどうかに関係なく、光線のほんの一部が方向を変え、残りが邪魔されていない状態を続けることに留意されたい。典型的な光線は、縦に（Ｙ方向に）何回も相互作用する一方、一部の光は、横に（Ｘ方向に）移動している。設計の見地から、格子の出力端から出る光１２２８の量を均一に横に分布されるように設計し、格子の側端から出る光１２２７の量を出来るだけ少なくするように設計することが望ましい。図面でデカルトＸＹ基準座標系を参照する。折り畳み式格子は、Ｙ方向に９０度までＴＩＲ光１２２５を回転させる。折り畳み式格子から出る光１２２６を、導波路（プリズム、格子又はエッジ）から結合して、レンズ８７によって赤外検出器８６に集束させる。検出器を、電気通信リンク８５によって信号プロセッサ８４に接続する。活性状態に示されている要素８３は、走査経路１２２５に沿って領域１２２１〜１２２４から信号を結合する。例えば、瞬時ビーム１２２４、１２２５によって走査された領域１２２１、１２２２からの光を、方向１２２５（Ｘ軸）に光をＴＩＲ経路に偏向させる活性要素８３によって結合する。典型的な用途において、レーザーは、５ｎｓのパルス持続時間を有する。レーザー電力は、用途に左右される。典型的な自動車の用途において、６０Ｗの範囲のライダー出力電力を必要とすることもある。ＭＥＭＳスキャナーは典型的に、単一要素スキャナーである。デバイス（レーザーを有する）は、６０Ｈｚで視野を横切る１２００×６００の解像度のセルを可能にするべきである。一実施形態において、ライダーは、６０度×３０度の全視野を与える１０度×１０度の視野を各々が有する６×３のＳＢＧ格子のアレイに基づく。検出器要素の活性期間の間、２００×２００の要素を、１０度×１０度を超えて掃引して、０．０５度の角度解像度になる。

図６は、１２３０〜１２３５でラベル表示された送信機によって形成される走査視野領域を示す走査形状をより詳細に例示する。反射面９０からの後方散乱信号を、光線１２３６〜１２３７によって境界となる角度範囲にわたって、受信機によって収集する。ビームスキャナー及びパルスレーザーは、１２３６〜１２３９などの個別の角度解像度要素に視野を分割する。図７は、信号プロセッサ９２のブロック図である。受信機部品からのデータ通信リンクは、受信信号をアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）９３に送信する。デジタル化信号を、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）モジュール９４に送信する。最後に、イーサネットリンク９５(イーサネットは登録商標)を介して信号を周辺機器に通信する。モジュールは、監視プログラム９６の制御下で動作する。

図８の実施形態は、送信機部品がＳＢＧ要素の二次元アレイを使用し、受信機部品における折り畳み式格子を大きい開口検出器レンズと置換するという点を除いて、図５の実施形態と同様である。更なる違いは、図８の実施形態において、送信機及び受信機部品を１つの導波路に一体化するという点である。ライダー１００は、導波路１０１、ビーム１２４０を放出するパルスレーザー１０２、ビーム１２４１を供給するビーム拡大／視準器レンズシステム１０３、１２４２で示す走査ビームを生成するビームスキャナー１０４、及び多数のビーム経路（経路の１つ、即ちビーム１２４４を、１０９でラベル表示されたＳＢＧ要素列に沿って導波路に注入するように示す）を送信機導波路に与えるビーム操縦モジュール１０５を含む。ビーム操縦モジュールを、より詳細に図８Ｂに例示する。一実施形態において、ビーム操縦モジュールは、３つの切り替え可能折り畳み式格子要素１０５Ａ〜１０５Ｃのセットと、図８Ａの走査ビーム１２４３を縦（Ｙ）方向に操縦する非切り替え折り畳み式格子１０５Ｄとを含む。次に、縦ビーム１２４３Ａは、各切り替え折り畳み式格子要素を横切る。各要素は、Ｘ方向への走査ビームを送信機導波路に切り替えるように動作する。図８Ｂでは、要素１０５Ａは、回折状態であり、出力方向１２４４にビームを切り替える。点線で示す方向１２４３Ｂ、１２４３Ｃにビームを別の方法で切り替える要素１０５Ｂ、１０５Ｃを、不動態で示す。図８Ｂに図示してないが、走査ビーム１２４３をビーム操縦モジュールに結合し、ビーム操縦モジュールからの出ビームを送信機導波路に結合する手段がある。前述のように、結合手段は、プリズム又は格子を含んでもよい。代わりに、ビームを、導波路のエッジに注入してもよい。送信機部分は、１０６〜１０８などのＳＢＧ要素の二次元アレイを含む。列を、１０９〜１１１でラベル表示する。各要素は、個別の水平及び垂直視野領域を定義する固有のｋベクトルを有する。活性ＳＢＧ要素１０８によって導波路から抽出された活性要素走査ビーム部分を、光線１２４５のセットで示す。受信機導波路は、１１３〜１１５でラベル表示された要素で始まる列を有するＳＢＧ要素１１２の二次元アレイを含む。活性要素１１６への入射光線１２４６のセットで示す戻り信号は、要素列１１３に沿ってＴＩＲ経路１２４７で回折され、大開口レンズ１１８及び赤外検出器１１９を含む検出器モジュール１１７に結合される。レンズは、誘導ビームを検出器に集束させて、破線の光線１２４８Ａ、１２４８Ｂで示すように要素１１６によって検出された角度の範囲で決まるサイズの焦点を形成する。（全ＳＢＧ要素列に対して）検出された角度の全範囲を、破線１２４９で示す。一実施形態において、ミラー又はプリズムによって受信機導波路にわたって検出器モジュール１１７を折り返して、よりコンパクトな構成を提供する。一実施形態において、レンズ１１８を等価のミラーと置換する。別の実施形態において、レンズ１１８をホログラフィック光学素子と置換してもよい。

図９に示す一実施形態において、受信機部品ＳＢＧアレイ１２０におけるＳＢＧ要素の幅は、全角度で固定検出開口を維持するために、アレイの中心（１２２）からエッジ（１２１）に向かって増大する。

図１０に示す一実施形態では、送信機及び受信機導波路を光ファイバーによってスキャナーモジュール及び検出器モジュールに結合する光ファイバーライダー１３０を提供する。光ファイバーは、ＧＲＩＮ技術に基づいてもよい。装置は、角度範囲１２６２にわたって光を受信する格子要素（例えば１３２）を含む受信機導波路１３１と、所定の角度範囲にわたって光をビーム走査する格子要素（例えば１３４）を含む送信機導波路１３３とを含む。光ファイバーは、ビームスキャナー１３８及び検出器モジュール１３９を含む遠隔送受信機モジュールと、送受信機モジュールとファイバーとの間で送信ビーム１２６０及び受信ビーム１２６５を結合する結合器とに、送信機導波路への入力１２６４及び受信機導波路からの出力１２６１を結合する。導波路及び送受信機モジュールは、上述の実施形態の何れかに基づいてもよい。信号をファイバーに結合する技法は、当業者に周知である。

これまで、切り替え格子要素を使用する送信機及び受信機導波路を考察してきた。図１１は、格子要素が不動であるが、異なるＴＩＲ角度範囲内で動作するように設計されている、実施形態を示す。装置１４０は、格子要素１４２〜１４５を含む送信機導波路１４１を含む。ライダーの各ＦＯＶ範囲は、固有のＳＢＧ要素及びＴＩＲ範囲に対応する。３つの異なるＴＩＲビーム１２７０〜１２７２の主光線、及び格子１４２、１４３、１４５（それらの回折状態で）によるＴＩＲビームの送信機ビーム１２７３〜１２７５への回折を示す。この作動方式に対してＴＩＲ角度が十分よく分離されていることを確実にする１つの方法は、より厚い厚さ、その結果としてより狭い角度帯域幅を有するように格子を設計することである。厚い格子は、通常、切り替えるのがより困難であり、より高い切り替え電圧を必要とする。不動格子は、医療用内視鏡で非常に望ましい。図１１は、不動送信機導波路又は不動受信機導波路（光線ベクトルを逆にする）を例示するのにも役立つことに留意されたい。

図１２に示す一実施形態において、ライダー１５０は、端と端を接した送信機１５１及び受信機１５２の導波路を含む。導波路は、上述の実施形態の何れかに基づいてもよい。送信及び受信ビームの方向を、１２８０、１２８１で全体として示す。

図１３に示す一実施形態において、本発明の原理によるライダー１６０と、導波路ディスプレイ１６１と、導波路視標追跡装置１６２とを含む装置を提供する。ライダーにおける送信及び受信ビームを、１３００、１３０１で示す。ディスプレイが与える視野を、光線１３０２、１３０３で示す。視標追跡装置は、１３０６で示す赤外ビームで目１６３を照明し、１３０５で示す後方散乱信号を検出する。導波路ディスプレイは、「コンパクトエッジ照明回折ディスプレイ」と称する米国特許出願第１３／５０６，３８９号明細書、「光ディスプレイ」と称する米国特許第８，２３３，２０４号明細書、「透明ディスプレイを提供する方法及び装置」と称するＰＣＴ特許出願第ＵＳ２００６／０４３９３８号明細書、「ウェアラブルデータディスプレイ」と称するＰＣＴ特許出願第ＧＢ２０１２／０００６７７号明細書、「コンパクトエッジ照明眼鏡ディスプレイ」と称する米国特許出願第１３／３１７，４６８号明細書、「ホログラフィック広角ディスプレイ」と称する米国特許出願第１３／８６９，８６６号明細書、及び「透明導波路ディスプレイ」と称する米国特許出願第１３／８４４，４５６号明細書に開示されている実施形態の何れかに基づいてもよい。視標追跡装置は、「ホログラフィック導波路視標追跡装置」と称するＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１４／０００１９７号明細書、「三次元空間で物体を追跡するホログラフィック導波路」と称する米国仮特許出願第６２／０７１，５３４号明細書、「視標追跡用装置」と称するＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１３／０００２１０号明細書、及び「視標追跡用装置」と称するＰＣＴ特許出願第ＧＢ２０１３／０００２１０号明細書に開示されている実施形態の何れかに基づいてもよい。

図１４に示す一実施形態において、ライダー受信機部品１７０は、主光線１３１０のセットで示す第１の視野から光を受信する第１の導波路１７２と、主光線１３１１のセットで示す第２の視野から光を受信する第２の導波路１７１とを含む。ライダー送信機部品（光線の方向を逆にした状態）を例示するのに図１４を使用してもよいことが、図面から分かるはずである。

本発明は、単一のレーザー／検出器を用いた透明の薄いアーキテクチャを提供する。ライダーは、単一の広角撮像光学システムを使用した場合よりも一層効率的に検出することができる、小さい選択切り替え視野領域に受信機及び送信機の視野を分割するＳＢＧアレイを使用する。

一次元又は二次元格子アレイを用いて、本発明の実施形態の何れかを実現してもよい。上述の実施形態の何れかにおいて、導波路を、平面又は湾曲のファセットのモザイクから湾曲又は形成してもよい。図面は例示的であり、寸法は誇張されていることを強調すべきである。例えば、ＳＢＧ層の厚さは、大いに誇張されている。

「ホログラフィック重合体分散液晶材料及びデバイスの改良」と称するＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０００６８０号明細書に開示されている材料及び工程を用いたプラスチック基板を用いて、上述の実施形態の何れかに基づく導波路デバイスを実現してもよい。有利なことに、電極間に電場をかけた場合にＳＢＧの回折状態が生じる反転モードＨＰＤＬＣ材料にＳＢＧｓを記録する。上述のＰＣＴ特許出願に開示されている反転モード材料及び工程を用いて、上述の実施形態の何れかに基づく視標追跡装置を実現してもよい。表面レリーフ格子、又はブラッグ（体積）ホログラムに基づく切り替え又は非切り替え格子を含む任意のタイプの格子を用いて、本発明を適用してもよいが、好ましい格子技術は、高速切り替え、高い光学効率及び透明性、及び高い屈折率変調の利点を提供するＳＢＧである。上述の実施形態で使用される格子は、必ずしも全て切り替え格子でないことにも留意すべきである。不動格子技術と組み合わせて、切り替え格子を使用してもよい。説明及び図面で示されているように、２つ以上の格子層（薄層）を使用してもよい。上述の格子層は、内部導波路面の間に配置された（又は換言すれば、導波路を形成するのに組み合わせる透明基板の間に挟まれた）ＳＢＧｓである。しかし、均等な実施形態において、格子層の一部を外部導波路面に貼ることができる。このことは、表面レリーフ格子の場合に当てはまる。本発明の上述の実施形態の何れかに使用されるＳＢＧ画素要素及びＩＴＯ電極を製造する方法は、「透明ディスプレイを提供する方法及び装置」と称するＰＣＴ特許出願第ＵＳ２００６／０４３９３８号明細書に開示されている工程に基づいてもよい。

本発明は例示的な実施形態を参照して説明されているが、本発明は開示の例示的な実施形態に限定されないことは、当業者によって理解されるはずである。添付の特許請求の範囲又はこの特許請求の範囲の均等物の範囲内にある限りにおいて、設計要件及び他の要因によって、様々な修正、組み合わせ、小さい組み合わせ及び変更が行われてもよい。

Claims (20)

1. 第１の波長光の源と、
   前記光を走査する少なくとも１つのビーム偏向器と、
   少なくとも１つの格子層に配置されている多数の切り替え可能ブラッグ格子要素を含み、各前記切り替え可能ブラッグ格子要素はそれぞれ所定の範囲の出力方向に光を回折させるように動作する、送信機導波路と、
   受信機導波路と、
   前記受信機導波路と光学的に結合されている検出器と
   を含む導波路センサーであって、
   前記ビーム偏向器は、前記送信機導波路と光学的に結合されており、前記送信機導波路に結合されている走査光が前記切り替え可能ブラッグ格子要素の前記所定の範囲の出力方向を中心として角度掃引を実行するように構成されており、
   前記受信機導波路は、少なくとも１つの格子層に配置されている多数の切り替え可能ブラッグ格子要素を含み、各前記切り替え可能ブラッグ格子要素は、外部点から反射され、それぞれ所定の角度範囲内で全反射（ＴＩＲ）経路に入射した光を、前記検出器に回折させ、
   前記送信機導波路の前記多数の切り替え可能ブラッグ格子要素と、前記受信機導波路の前記多数の切り替え可能ブラッグ格子要素とは、順次、活性状態に切り替わる、
   導波路センサー。
2. 前記送信機導波路又は前記受信機導波路のうち少なくとも１つにおける前記切り替え可能ブラッグ格子要素は、二次元アレイの要素である、請求項１に記載の装置。
3. 前記送信機導波路又は前記受信機導波路のうち少なくとも１つにおける前記切り替え可能ブラッグ格子要素は、一次元アレイの要素である、請求項１に記載の装置。
4. 前記送信機導波路又は前記受信機導波路のうち少なくとも１つにおける前記切り替え可能ブラッグ格子要素は、前記導波路の伝搬方向と直角に整列されたより長い寸法を有する長形要素である、請求項１に記載の装置。
5. 前記送信機導波路又は前記受信機導波路のうち少なくとも１つにおける前記切り替え可能ブラッグ格子要素は、回折状態と非回折状態とを電気的に切り替え可能である、請求項１に記載の装置。
6. 前記送信機導波路又は前記受信機導波路のうち少なくとも１つにおける前記切り替え可能ブラッグ格子要素は、前記導波路によって変化する表面積又はアスペクト比のうち少なくとも１つを有する、請求項１に記載の装置。
7. 前記受信機導波路及び前記送信機導波路は重複する、請求項１に記載の装置。
8. 前記送信機導波路及び前記受信機導波路は各々、少なくとも２つの異なる、格子ベクトルを有する格子要素を含み、前記格子ベクトルは、ブラッグ縞に垂直なベクトルである、請求項１に記載の装置。
9. 前記送信機導波路又は前記受信機導波路のうち少なくとも１つは、第1角度範囲で動作する第1格子層と、前記第1角度範囲とは異なる第２角度範囲で動作する第２格子層と、を少なくとも含む、請求項１に記載の装置。
10. 前記送信機導波路又は前記受信機導波路のうち少なくとも１つは、導波路面上でビームを偏向させる折り畳み式格子を含む少なくとも１つの格子層を含む、請求項１に記載の装置。
11. 前記送信機導波路及び前記受信機導波路は、少なくとも１つの格子層に配置されている多数の格子要素を含む単一の導波路に組み合わせられており、前記各要素は、所定の範囲の出力方向に前記光を回折させるように動作しており、前記各要素は、外部点から反射され、所定の角度範囲内でＴＩＲ経路に入射した光を、前記検出器に回折させる、請求項１に記載の装置。
12. 三次元ポイントクラウドを検出するように構成されている、請求項１に記載の装置。
13. プリズム、格子、切り替え可能格子のうちの１つによって、又はエッジ結合を介して、前記ビーム偏向器と前記送信機導波路との間の結合を行う、請求項１に記載の装置。
14. 前記ビーム偏向器は、微小電気機械システムである、請求項１に記載の装置。
15. 前記源は、赤外発光ダイオード又は赤外レーザーである、請求項１に記載の装置。
16. 前記第１の波長は、約１５５０ｎｍである、請求項１に記載の装置。
17. 前記切り替え可能ブラッグ格子は、ホログラフィック高分子分散型液晶（ＨＰＤＬＣ）材料、均一変調ＨＰＤＬＣ材料又は反転モードＨＰＤＬＣ材料に記録されている切り替え可能ブラッグ格子である、請求項１に記載の装置。
18. 導波路ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）又は導波路視標追跡装置のうち少なくとも１つを形成するスタック内に層を形成する、請求項１に記載の装置。
19. 前記源と前記送信機導波路との間、及び前記検出器と前記受信機導波路との間に光学経路を与えるビーム分割器を更に含む、請求項１２に記載の装置。
20. 前記検出器は、ヘテロダイン検出デバイスである、請求項１に記載の装置。

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