JP6985793B2 - 可変分解能光レーダーシステム - Google Patents

Description

本開示は、概して、測定システムに関し、特に、光を用いる測定システムに関する。より具体的には、本開示は、光レーダー（Ｌｉｄａｒ）システムを用いて測定情報を生成するレーダーシステムのための方法及び装置に関する。

Ｌｉｄａｒは、対象物にレーザーを照射して、対象物の照射に対する応答を分析することにより距離を測定するセンシング技術である。「Ｌｉｄａｒ」は、頭字語ではなく、「laser（レーザー）」と「radar（レーダー）」とを組み合わせてなる混成語である。

Ｌｉｄａｒシステムは、多くの様々な用途に用いられる。例えば、Ｌｉｄａｒシステムは、地震学、ポイントクラウド生成（point cloud generation）、マッピング、等高線マッピング（contour mapping）、画像生成、ナビゲーションなどの用途に用いられる。

ナビゲーションに関しては、Ｌｉｄａｒシステムは、ある環境において可動プラットフォームをナビゲートする際の障害物の検出及び回避に用いることができる。例えば、Ｌｉｄａｒシステムは、障害物が存在する場所を特定するための情報である、環境のポイントクラウドを生成することができる。可動式プラットフォームは、例えば、ロボット、自動運転車、又は、他の種類のビークルである。

現在用いられているＬｉｄａｒシステムは、レーザービームを用いて対象領域におけるパターンを生成するが、このレーザービームは、当該対象領域において実質的に均一なビーム発散度（beam divergence）を有する。すなわち、レーザービームは、Ｌｉｄａｒシステムからの距離が同じであれば同じ直径を有する。

しかしながら、これらのタイプのＬｉｄａｒシステムは、走査全体に亘って１つの分解能しか提供することができない。また、対象領域は、Ｌｉｄａｒシステムのパルスレート及び出力により制限される場合がある。対象領域のサイズを大きくすると、分解能が低下してしまう。結果として、所望のサイズの対象領域に対して、所望の分解能を用いることができない可能性がある。

したがって、上述した問題のうちの少なくともいくつかと、その他の考えられる問題を考慮にいれた方法及び装置を有することが望ましい。例えば、所望の分解能を用いて対象領域の情報を取得することについての技術的課題を克服する方法及び装置を有することが望ましい。

本開示の実施形態においては、光源と、走査システムと、焦点システムとを含む装置が提供される。光源は、当該光源の動作中にレーザービームを出射する。走査システムは、レーザービームを対象領域へ誘導するとともに、対象領域の走査中、レーザービームの走査角を設定する。焦点システムは、対象領域の走査中、レーザービームの発散度を設定する。対象領域の走査中、走査角の変化量又はレーザービームの発散度のうちの少なくとも一方を変化させると、対象領域内での分解能が変化する。

本開示のさらなる例示的な実施形態においては、対象領域を走査する方法が提供される。対象領域の走査中において、レーザービームの発散度が設定される。レーザービームは、ある走査角で、対象領域において互いに異なる部位に誘導される。レーザービームが互いに異なる部位に誘導される際、レーザービームの走査角が設定される。対象領域の走査中、発散度又は走査角の変化量のうちの少なくとも一方を変化させると、対象領域に対する分解能が変化する。

本開示のさらなる例示的な実施形態においては、光源と、走査システムと、焦点システムとを含む測定システムが提供される。光源は、実質的にコヒーレントな光ビームを出射する。走査システムは、実質的にコヒーレントな光ビームを対象領域に誘導するとともに、実質的にコヒーレントな光ビームの走査角を設定する。焦点システムは、対象領域の走査中、実質的にコヒーレントな光ビームの発散度を調節する。対象領域の走査中、走査角の変化量又はコヒーレントな光ビームの発散度のうちの少なくとも一方を変化させると、対象領域内での分解能が変化する。

上記特徴及び機能は、本開示の様々な実施形態において個別に達成可能であり、また、他の実施形態との組み合わせも可能である。この詳細については、以下の記載と図面から明らかになるであろう。

例示的な実施形態に特有のものと考えられる新規な特徴は、添付の特許請求の範囲に記載されている。しかしながら、例示的な実施形態、並びに、好ましい使用形態、更にその目的及び特徴は、添付の図面と共に、以下に示す本開示の例示的な実施形態の詳細な説明を参照することにより最もよく理解されるであろう。

例示的な実施形態による、測定環境を示す図である。 例示的な実施形態による、測定環境を示すブロック図である。 例示的な実施形態による、焦点システムを示すブロック図である。 例示的な実施形態による、走査システムを示すブロック図である。 例示的な実施形態による測定システムを示す図である。 例示的な実施形態による測定システムを示す図である。 例示的な実施形態による測定システムを示す図である。 例示的な実施形態による測定システムを示す図である。 例示的な実施形態による、対象領域を走査するためのプロセスを示すフローチャートである。 例示的な実施形態による、対象領域の走査から情報を生成するためのプロセスを示すフローチャートである。 例示的な実施形態による、プラットフォームを操作するためのプロセスを示すフローチャートである。 例示的な実施形態による、測定システムのコンポーネントを選択するためのプロセスを示すフローチャートである。 例示的な実施形態による、測定システムのコンポーネントを選択するためのプロセスを示すフローチャートである。 例示的な実施形態による、レンズについて所望の入射角度と出射角度との関係をプロットしたグラフである。

例示的な実施形態においては、１つ又は複数の異なる事項が認識及び考慮されている。例えば、例示的な実施形態においては、用途によって、走査の対象領域の異なる部分に対して、異なる分解能が望まれることが認識及び考慮されている。

例えば、ロボットなどの自律移動プラットフォームをナビゲートする場合、経路上におけるロボットの移動方向については高い分解能が望ましい一方で、経路の周辺については低い分解能が適切である。したがって、第１のＬｉｄａｒシステムを高い分解能で用いる一方で、第２のＬｉｄａｒシステムを低い分解能で用いてもよい。

例示的な実施形態においては、分解能のために複数のＬｉｄａｒシステムが必要であり、この場合、１つのＬｉｄａｒシステムと比べて、電力の増大、コスト高、及び、複雑性の増大の可能性があることが認識及び考慮されている。例えば、例示的な実施形態においては、自律移動ロボットを用いる場合、電力は、節約すべき貴重な資源であることが認識及び考慮されている。自律移動ロボットは、バッテリシステムの形態の電源を含みうる。バッテリシステムを用いると、自律移動ロボットを操作するために使用可能な電力量が制限される。したがって、複数のＬｉｄａｒシステム、又は、毎分より多くのパルスを出射可能な１つのＬｉｄａｒシステムを用いることにより電力の消費が大きくなると、自律移動ロボットの動作時間が短くなってしまう。

例示的な実施形態においては、さらに、フレームレートを変えずに、対象領域において異なる分解能を提供可能なＬｉｄａｒシステムを有するのが望ましいことが認識及び考慮されている。フレームレートとは、ある期間に行われる対象領域の走査回数である。例えば、フレームレートは、毎秒３０フレーム、毎秒６０フレーム、又は、これら以外のレートであってもよい。

Ｌｉｄａｒシステムのフレームレートは、当該Ｌｉｄａｒシステムのレーザーがどれだけ速くパルスを生成できるかにより制限されうる。分解能が高くなると、より多くの部位が走査されるが、これは、同じフレームレートで対象領域を走査するには、同じ時間内により多くのパルスを出射する必要があるということを意味する。

例示的な実施形態においては、いくつかの領域では低い分解能を用いる一方で、他の領域では高い分解能を用いることにより、高い分解能のみを用いて対象領域を走査する場合と比べて、少ないレーザー出射回数で対象領域を走査できることが認識及び考慮されている。さらに、例示的な実施形態においては、均一の分解能を用いた走査が、対象領域において物体を見落とす可能性があることも認識及び考慮されている。すなわち、レーザービームの発散によって、対象領域においてレーザーでカバーされる部位間に間隙が生じる場合には、均一な分解能では死角が生じることがある。したがって、例示的な実施形態においては、死角を減らすために、対象領域の異なる部分において分解能を異ならせることが望ましいことが認識及び考慮されている。

したがって、例示的な実施形態では、対象領域の走査中、走査角の変化量又はレーザービームの発散度のうちの少なくともいずれか一方を変化させる方法及び装置が提供される。対象領域の走査により、フレームが得られる。

本明細書において、「少なくとも１つの」という語句がアイテムのリストについて用いられる時は、リストアップされたアイテムの１つ又は複数の様々な組み合わせを使用してもよいということであり、リストのアイテムの１つだけを必要とする場合もあることを意味する。すなわち、「少なくとも１つの」とは、あらゆる組み合わせのアイテム及びあらゆる数のアイテムをリストから使用してもよいが、リスト上の全てのアイテムを必要とするわけではないということを意味する。アイテムとは、ある特定の対象、物、又はカテゴリーであってもよい。

例えば、限定するものではないが、「アイテムＡ、アイテムＢ、又はアイテムＣのうちの少なくとも１つ」は、アイテムＡ、アイテムＡとアイテムＢ、又はアイテムＢを含みうる。また、この例では、アイテムＡとアイテムＢとアイテムＣ、又は、アイテムＢとアイテムＣを含む場合もある。勿論、これらのアイテムのあらゆる組み合わせが存在する。いくつかの例において、「少なくとも１つ」は、例えば、限定するものではないが、２個のアイテムＡと、１個のアイテムＢと、１０個のアイテムＣ；４個のアイテムＢと７個のアイテムＣ；又は、他の適切な組み合わせであってもよい。

例示的な実施形態においては、異なる分解能を用いて対象領域を走査する方法及び装置が提供される。例えば、同一の走査において、対象領域内の１つ又は複数の走査部位では高い分解能が用いられ、同対象領域内の他の部位では低い分解能が用いられる。一例において、測定システムは、コヒーレントな光源と、走査システムと、焦点システムとを含む。

走査システムは、レーザービームを対象領域へ誘導するとともに、対象領域の走査中、レーザービームの走査角を設定する。焦点システムは、対象領域の走査中、レーザービームの発散度を設定する。対象領域の走査中、走査角の変化量又はレーザービームの発散度のうちの少なくとも一方を変化させると、対象領域内での分解能が変化する。

図面、特に、図１を参照すると、例示的な実施形態による測定環境を示す説明図が示されている。この図示例において、測定環境１００は、自律移動ロボット１０４が動作する製造設備１０２を含む。この例において、自律移動ロボット１０４は、経路１０６に沿って移動する。経路１０６は、製造設備１０２のフロア１１２上のストライプ１０８及びストライプ１１０によって画定される。ストライプ１０８及びストライプ１１０は、ペイント、テープ又は他の材料を用いて形成され、製造設備１０２を通るようにナビゲートするために自律移動ロボット１０４により利用される。

図示のように、自律移動ロボット１０４は、移動プラットフォーム１１４と、ロボットアーム１１６と、Ｌｉｄａｒシステム１１８と、コントローラ１２０とを含む。移動プラットフォーム１１４は、自律移動ロボット１０４を移動させる。ロボットアーム１１６は、製造設備１０２において製造作業を実行するために用いられる。Ｌｉｄａｒシステム１１８は、自律移動ロボット１０４の周囲の環境についての情報を生成する。コントローラ１２０は、自律移動ロボット１０４の動作を制御する。

この例においては、Ｌｉｄａｒシステム１１８は、対象領域１２２を走査する。図示のように、対象領域１２２の中央部分１２４は、自律移動ロボット１０４のちょうど前方にあって、自律移動ロボット１０４の移動方向にある。周囲部分１２６は、中央部分１２４の外側の部位を含む。中央部分１２４は、対象領域１２２の周囲部分１２６と比較すると、分解能が高い。

中央部分１２４の分解能が高いため、コントローラ１２０は、経路１０６を塞ぐ物体１２８を特定することができる。周囲部分１２６における分解能は低いが、自律移動ロボット１０４の真正面以外に存在しうる物体を検出するには十分である。このようにして、コントローラ１２０は、経路１０６上の物体１２８などの障害物を避けて自律移動ロボット１０４をナビゲートする。

次に、図２を参照すると、例示的な実施形態による、測定環境のブロック図が示されている。測定環境１００は、図２のブロック図に示す測定環境２００の一実施例である。

この例において、測定環境２００は、測定システム２０２を含む。図示のように、測定システム２０２は、光源２０４と、走査システム２０６と、焦点システム２０８と、ディテクタ２１０と、コントローラ２１２とを含む。

光源２０４は、実質的にコヒーレントな光ビーム２１４を出射する。この例において、光源２０４は、当該光源２０４の動作中、レーザービーム２１６の形態で、実質的にコヒーレントな光ビーム２１４を出射する。

一例において、レーザービーム２１６は、約１０ｎｍから約７００ｎｍの範囲から選択された波長を有する。実施形態に応じて、他の波長範囲も用いることができる。例えば、波長は、いくつかの実施態様においては、約２５０ｎｍから約１０００ｎｍの範囲であってもよい。

また、光源２０４は、レーザービーム２１６を、連続レーザービーム及びパルスレーザービームのいずれか一方の形態で出射する。レーザービーム２１６が連続レーザービームである場合、レーザービーム２１６は、周波数変調連続波（frequency modulated continuous wave:ＦＭＣＷ）レーザービームなどのように、変調される。

図示のように、走査システム２０６は、レーザービーム２１６を対象領域２１８に誘導する。具体的には、走査システム２０６は、レーザービーム２１６を、対象領域２１８における部位２２０に誘導する。

対象領域２１８とは、情報２２２が求められる領域のことである。対象領域は、様々な形状を有しうる。例えば、対象領域２１８は、円形、方形、矩形、台形、楕円形、多角形、五角形、六角形、ひし形、正多角形、不規則多角形、規則的形状、不規則形状、又は他の適切な形状から選択された形状を有する。

図示のように、走査システム２０６は、対象領域２１８の走査中、レーザービーム２１６の走査角２２６を設定するように動作する。走査角２２６は、レーザービームの角度測定に用いられる基準に対するレーザービーム２１６の角度である。レーザービーム２１６の走査角２２６は、走査システム２０６から対象領域２１８へ向かって測定される。

レーザービーム２１６が到達する複数の部位２２０の各々は、複数の部位２２０における他の部位の走査角に対する相対的な走査角を有する。レーザービーム２１６の走査角２２６は、レーザービーム２１６が複数の部位２２０のある部位から他の部位に移動すると変化する。

例えば、走査角２２６は、レーザービーム２１６を第１の部位から第２の部位に移動させるために、１度だけ増やすことができる。走査角２２６の１度の増加は、走査角２２６の変化量である。

ある部位から他の部位への走査角２２６の変化量が変化すると、結果として、対象領域２１８に関する情報２２２についての角度分解能２２８が変化する。角度分解能２２８は、異なる物体を見分ける能力に対する角度についての尺度である。例えば、角度分解能２２８は、同じ領域にある２つの均等な対象物が互いに識別できる最小の分離角度である。

走査角２２６の変化量が増加すると、角度分解能２２８は低下する。走査角２２６の変化量が低減すると、角度分解能２２８は向上する。

例えば、０．５度だけ走査角が大きくなるように、走査角２２６を変化させてもよい。また、走査角が１度大きくなるように、走査角２２６を変化させてもよい。走査角２２６が１度変化すると、走査角２２６が０．５度変化した場合に比べて、角度分解能は低下する。

図示例において、焦点システム２０８は、対象領域２１８の走査中、レーザービーム２１６の発散度を設定する。レーザービーム２１６の発散度２３０を変化させると、情報２２２の空間分解能２３２が変化する。発散度２３０が増加すると、空間分解能２３２が低下し、発散度２３０が低下すると、空間分解能２３２が向上する。

空間分解能２２８は、細密度（measure of detail）であり、対象領域２１８の情報２２２を表すものとして存在する画素２３３の数として表すことができる。この尺度は、１ライン当たりの画素数、１インチ当たりのドット数、又は、他の尺度であってもよい。図示のように、発散度２３０は、１ライン当たりの画素数及び１インチ当たりのドット数に影響を与える。

ディテクタ２１０は、対象領域２１８の部位２２０に誘導されるレーザービーム２１６に対する応答２３４を検出する。対象領域２１８の部位２２０に対する距離２３６は、応答２３４を用いて特定されるものであって、情報２２２の一部である。

この図示例において、コントローラ２１２は、光源２０４、走査システム２０６、焦点システム２０８、及びディテクタ２１０などの、測定システム２０２の動作コンポーネントを制御する。例えば、コントローラ２１２は、レーザービーム２１６の走査角２２６又は発散度２３０のうちの少なくとも一方を設定するために、走査システム２０６及び焦点システム２０８を制御する。

図示のように、コントローラ２１２は、ディテクタ２１０と通信している。コントローラ２１２は、ディテクタ２１０によって検出された応答２３４に基づいて、対象領域２１８についての情報２２２を特定する。

例えば、コントローラ２１２は、部位２２０までの距離２３６を特定する。また、対象領域２１８における部位２２０までの距離２３６は、飛行時間（time-of-flight：TOS）、応答２３４の強度、又は応答２３４を用いた他の情報のうちの少なくとも１つを用いることによって特定するこができる。

対象領域２１８の走査から得られる距離２３６は、画像２３８を生成するために用いることができる。画像２３８における画素２３３は、部位２２０に対応する。

図示のように、対象領域２１８の走査により画像２３８が生成される速度は、フレームレートとして測定される。フレームレートは、１秒当たりのフレーム数（ＦＰＳ）である。

対象領域２１８の走査中の走査角２２６の変化量又は発散度２３０が変化すると、対象領域２１８内の分解能２４０が変化する。分解能２４０は、角度分解能２２８又は空間分解能２３２のうちの少なくとも一方を含む。走査角２２６の変化量及び角度分解能２２８のうちの少なくとも一方を変化させることにより、対象領域２１８に異なる分解能が存在する状態になる。この結果、異なる分解能が、画像２３８に存在することになる。

レーザービーム２１６の出射速度により対象領域２１８のフレームレートが制限される場合、所望のフレームレートを維持するために、対象領域２１８内において、高い分解能と低い分解能とが選択される。例えば、光源２０４は、最大で毎秒１０００パルスしか出射できない場合もある。この出射率の場合、光源２０４は、毎秒１フレームのフレームレートを用いた対象領域２１８の走査において、１０００の部位を含むことができる。

対象領域２１８に対して１０００の部位が、選択された発散度及び走査角２２６の変化量で所望の範囲をカバーするには不十分である場合、他の部位を部位２２０に追加してもよい。しかしながら、部位２２０への追加は、フレームレートを低減させることになる。

測定システム２０２において、走査システム２０６は、レーザービーム２１６の走査角２２６及び焦点システム２０８を制御して、対象領域２１８の走査中、走査角２２６の変化量又はレーザービーム２１６の発散度２３０のうちの少なくとも一方を変化させる。対象領域２１８の走査中、走査角２２６の変化量又はレーザービーム２１６の発散度２３０のうちの少なくとも一方を変化させると、分解能２４０が変化する。図示のように、分解能２４０は、角度分解能２２８又は空間分解能２３２のうちの少なくともいずれか一方を含む。

対象領域２１８の走査中の分解能２４０の変化により、部位２２０の数を増やすことなく、レーザービーム２１６を部位２２０に誘導することができる。上記変化により、フレームレートを低減させることなく、部位２２０の走査を行うこともできる。

コントローラ２１２は、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、又は、これらの組み合わせにより実現可能である。ソフトウェアを用いる場合、コントローラ２１２により実行される動作は、プロセッサユニットなどの、ハードウェア上で実行されるプログラムコードで実現可能である。ファームウェアを用いる場合、コントローラ２１２により実行される動作は、プログラムコード及びデータで実現可能であり、永続性メモリに保存されて、プロセッサユニット上で実行される。ハードウェアを用いる場合、ハードウェアは、制御部２１２の動作を実行するように機能する回路を含みうる。

実施例では、ハードウェアは、回路システム、集積回路、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルロジックデバイス、又は、所定数の処理を行うように構成された他の適切なタイプのハードウェアの形態であってもよい。プログラマブルロジックデバイスを用いる場合、当該デバイスは、所定数の処理を行うように構成してもよい。このデバイスは、後に構成を変更してもよいし、所定数の処理を行うように恒久的な構成としてもよい。プログラマブルロジックデバイスの例としては、プログラマブルロジックアレイ、プログラマブルアレイロジック、フィールドプログラマブルロジックアレイ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、及び、他の適切なハードウェアデバイスが挙げられる。また、プロセスは、無機要素と組み合わされた有機要素によって実施してもよいし、人間を除く有機要素によって全体を構成してもよい。例えば、プロセスは、有機半導体の回路として実現してもよい。

したがって、測定システム２０２は、可変分解能光レーダー（Ｌｉｄａｒ）システムとして動作する。図示例において、測定システム２０２は、プラットフォーム２４２と関連付けられている。１つのコンポーネントが他のコンポーネントと「物理的に関連付けられている」場合、この関連付けは、物理的関連付けである。例えば、第１コンポーネントである測定システム２０２は、第２コンポーネントであるプラットフォーム２４２に対する固定、接合、搭載、溶接、締結、及び／又は、他の適切な方法での接続のうちの少なくとも１つにより、当該第２コンポーネントに物理的に関連付けられていると看做すことができる。また、第１コンポーネントは、第３コンポーネントを用いて、第２コンポーネントに接続されてもよい。また、第１コンポーネントは、第２コンポーネントの一部、第２コンポーネントの延長部、又は、これら両方として形成することにより、第２コンポーネントと物理的に関連付けられると看做してもよい。

図示のように、プラットフォーム２４２は、様々な形態をとることができる。例えば、プラットフォーム２４２は、可動式プラットフォーム、固定プラットフォーム、陸上ベースの構造体、水上ベースの構造体、宇宙ベースの構造体、自律移動ロボット、輸送機、自動運転車、航空機、無人航空機、水上艦、戦車、軍用人員運搬車、宇宙船、宇宙ステーション、携帯用デバイス、ウェアラブルデバイス、衛星、又は、他の適切なプラットフォームのうちから選択された１つであってもよい。

プラットフォーム２４２が移動ロボットである場合、対象領域２１８は、当該移動ロボットの移動方向にあってもよい。図示のように、コントローラ２１２は、さらに、プラットフォーム２４２の動作を制御する。情報２２２は、コントローラ２１２が、移動ロボットの移動を制御して障害物を回避しながら目的地に到達するために、当該コントローラにより用いられる。

他の例において、対象領域２１８は、ワークピースが存在する領域であってもよい。情報２２２は、移動ロボットが、穿孔、シーラントの塗布、留め具の設置、又は他の適切な動作などの、ワークピースに対する製造作業を行うために用いられる。

さらに他の例において、プラットフォーム２４２は、自動運転車であってもよく、対象領域２１８は、自動運転車の前方の道路であってもよい。情報２２２は、例えば、道路上の他の車などの障害物や、道路の脇の出口、標識、及び他の物体の位置を特定するために用いられる。距離についての情報２２２を用いて、自動運転車は、目的地までのナビゲート、道路の車線における当該自動運転車の位置の維持、又は、これら以外の作業を行う。

したがって、実施例では、所望の分解能で対象領域についての情報を取得するという技術課題に対する１つ又は複数の技術的解決法が提供される。対象領域内で分解能を変化させることにより、対象領域における１つ又は複数の関心部分では高い分解能を得ることができる。対象領域の他の部分では低い分解能を用いることができる。したがって、１つ又は複数の技術的解決法の技術的効果は、対象領域の全体が高い分解能で走査される際に光源によりレートが制限される場合に、対象領域の走査を行うレートを維持することができるということである。

次に、図３を参照すると、例示的な実施形態による、焦点システムのブロック図が示されている。実施例においては、複数の図面で同じ参照符号が用いられる場合がある。異なる図面において再度用いられている参照符号は、異なる図面における同一の要素を示している。実施例において、焦点システム２０８は、所定数の異なる構成を有する。

例えば、焦点システム２０８は、光軸３０４上に整列した第１レンズ３００及び第２レンズ３０２を含む。第１レンズ３００及び第２レンズ３０２は、可変焦点レンズシステムを形成する。光軸３０４は、第１レンズ３００及び第２レンズ３０２の中央を通っている。

図示のように、第２レンズ３０２は、光軸３０４上で、第１レンズ３００に対して可動である。この図示例においては、第２レンズ３０２として、集束レンズ及び発散レンズのうちの一方が選択される。

レーザービーム２１６は、光軸３０４に沿って第１レンズ３００を通過する。レーザービーム２１６は、第１レンズ３００を通った後、第２レンズ３０２を通過する。レーザービーム２１６の発散度２３０は、第２レンズ３０２を、光軸３０４に沿って、第１レンズ３００に対して動かすことにより変化させることができる。

他の例においては、焦点システム２０８は、第１レンズ３００及び第２レンズ３０２に加えて、又はこれらに代えて、発散レンズ３０６を含んでもよい。図示のように、発散レンズ３０６は、当該発散レンズ３０６の異なる部分３１０において、異なるレベルの発散度３０８を有する。

対象領域２１８における部位に対するレーザービーム２１６の発散度２３０は、レーザービーム２１６が、発散レンズ３０６の異なる部分３１０のうちのどの部分を通過するかに基づいて、設定される。例えば、走査システム２０６は、レーザービーム２１６を、発散レンズ３０６の異なる部分３１０に誘導することにより、レーザービーム２１６が、図２に示す対象領域２１８の部位２２０に誘導されるとともに、レーザービーム２１６の発散度２３０が変化するようにする。すなわち、レーザービーム２１６は発散レンズ３０６の異なる部分３１０を通り、その際、レーザービーム２１６が発散レンズ３０６のどの部分を通るかに基づいて、レーザービーム２１６の発散度２３０が変化するようにする。

発散レンズ３０６は、様々なタイプのレンズを用いて実現することができる。例えば、発散レンズ３０６は、球面レンズ、円柱レンズ、非球面レンズ、又は、他の適切なタイプから選択された１つのレンズである。

次に、図４を参照すると、例示的な実施形態による、走査システムのブロック図が示されている。実施例において、走査システム２０６は、所定数の異なる要素を有する。

一例において、走査システム２０６は、所定数の軸４０２を中心として可動である所定数のミラー４００を含む。本明細書において、「所定数の」アイテムは、１つ又は複数のアイテムを意味する。例えば、所定数のミラー４００は、１つ又は複数のミラー４００である。

一例において、所定数のミラー４００は、第１軸４０６及び第２軸４０８を中心として回転するミラー４０４であってもよい。このように、レーザービーム２１６は、対象領域２１８の部位２２０を走査するように誘導される。

他の実施例において、ミラー４０４は、第１ミラー４１０であり、走査システム２０６は、第２ミラー４１２を含む。第１ミラー４１０は、第１軸４０６を中心として回転し、第２ミラーは、第２軸４０８を中心として回転する。

さらに他の例において、走査システム２０６は、ドーブプリズム（dove prism）４１４を含む。ドーブプリズム４１４は、第２ミラー４１２の代わりに用いることができ、当該ドーブプリズムは、レーザービーム２１６を誘導するために第２軸４０８を中心として回転する。

測定環境２００の説明及び図２〜図４に示す様々なコンポーネントは、例示的な実施形態を実施する態様に対して物理的又は構造的な限定を加えるものではない。図示のコンポーネントに加えて、又はこれらに代えて、他のコンポーネントを用いることもできる。いくつかのコンポーネントは、必要としない場合もある。また、図中のブロックは、機能コンポーネントを示す。これらのブロックのうち１つ又は複数は、例示的な実施形態において実施する際には、組み合わせたり、分割したり、組み合わせてから異なるブロックに分割したりすることができる。

例えば、測定システム２０２は、さらに、電力供給源、又は、電源に対する接続部を含みうる。他の例として、コントローラ２１２は、測定システム２０２とは別個のコンポーネントとして示される。

いくつかの例において、コントローラ２１２は、測定システム２０２の一部であってもよい。さらに、コントローラ２１２は、複数の物理的な部位に分散されてもよい。例えば、コントローラ２１２の第１部分は、測定システム２０２内に設けられて当該測定システム２０２を制御する一方で、コントローラ２１２の第２部分は、測定システム２０２及びプラットフォーム２４２の外部に設けられてもよい。例えば、コントローラ２１２の第２部分は、プラットフォーム２４２と関連付けられてもよいし、測定システム２０２及びプラットフォーム２４２に対して遠隔な位置に設けられてもよい。

他の例として、図３に示す焦点システム２０８は、さらに、光軸３０４に沿って第２レンズ３０２を動かすためのモータシステム又はアクチュエータシステムを含んでもよい。これに加えて、図４に示すような走査システム２０６は、さらに、第１ミラー４１０、第２ミラー４１２、及びドーブプリズム４１８を回転させるモータシステムを含んでもよい。

次に図５を参照すると、例示的な実施形態による、測定システムが示されている。この例において、測定システム５００は、図２にブロック形式で示す測定システム２０２の一実施例である。

図示のように、測定システム５００は、レーザー５０２と、焦点システム５０４と、走査システム５０６と、ディテクタ５０８とを含む。レーザー５０２は、光源２０４の例であり、焦点システム５０４は、焦点システム２０８の例であり、走査システム５０６は、走査システム２０６の例であり、ディテクタ５０８は、ディテクタ２１０の例である。

この図示例において、焦点システム５０４は、第１レンズ５１０と第２レンズ５１２とを含む。第１レンズ５１０及び第２レンズ５１２は、光軸５１４上に配置されている。図示のように、第１レンズ５１０は固定されており、第２レンズ５１２は、光軸５１４に沿って矢印５１５の方向に可動である。

図示のように、走査システム５０６は、走査ミラー５１６を含む。この図示例において、走査ミラー５１６は、２つの軸を中心として回転可能である。

ディテクタ５０８は、所定数の異なるコンポーネントを含む。図示のように、ディテクタ５０８は、マジックミラー５１８と光検出ユニット５２０とを含む。

動作中、レーザー５０２は、パルス状にレーザービーム５２２を出射する。レーザービーム５２２のパルスは、マジックミラー５１８を通った後、経路５１９上の第１レンズ５１０及び第２レンズ５１２を通る。第２レンズ５１２は、レーザービーム５２２の発散度を変化させるように動かすことができる。

その後、レーザービーム５２２は、走査ミラー５１６に到達する。走査ミラー５１６は、回転して、レーザービーム５２２を経路５１９上の対象領域５２４に誘導する。図示のように、対象領域５２４は、矩形状である。走査ミラー５１６を回転させてレーザービーム５２２の走査角を変化させることにより、レーザービーム５２２が、対象領域５２４の複数の部位５２６における互いに異なる部位に到達する。

レーザー５０２を制御してパルスのタイミングを合わせることにより、レーザービーム５２２の各パルスが、複数の部位５２６における異なる部位に到達するようにする。レーザービーム５２２の走査角を変化させることにより、対象領域５２４の走査中、複数の部位５２６における互いに異なる部位に到達するように経路５１９が変更される。

この例において、複数の領域５２６及び対象領域５２４がレーザービーム５２２により走査されると、応答（不図示）が、走査ミラー５１６に戻り、経路５１９に沿って第１レンズ５１０及び第２レンズ５１２を通り、マジックミラー５１８へ誘導される。マジックミラー５１８は、当該応答を光検出ユニット５２０へ誘導する。

図示のように、対象領域５２４の一回の走査により、対象領域５２４についての距離情報が得られる。さらに、対象領域５２４の走査中、走査ミラー５１６により、各部位間における角度の変化量が変更される。

この変更により、対象領域５２４への経路５１９を変更する角度分解能が変化する。対象領域５２４の一回の走査から得られる情報は、画像を形成するために用いられる。この画像は、対象領域５２４の一回の走査から得られる１フレームである。

さらに、対象領域５２４の走査中、レーザービーム５２２の発散度を変化させる。この変化は、第１レンズ５１０に対して第２レンズ５１２を動かすことにより実行される。レーザービーム５２２の発散度の変化により、焦点システム５０４からの特定の距離において、レーザービーム５０２の直径が変更される。発散度の変化により、空間分解能が変化する。この例において、レーザービーム５２２の走査角の変化又は発散度のうちの少なくとも一方の設定は、対象領域５２４における複数の部位５２６のうち、ある部位から他の部位への走査角の度数の変化が、発散度の度数とほぼ等しくなるように行われる。

図示のように、対象領域５２４の複数の部位５２６における各部位は、測定システム５００からの特定の距離におけるビーム径を表している。ビーム径は、焦点システム５０４により制御されるレーザービーム５２２の発散度により設定される。この例に示すように、走査角の変化が増大すると、レーザービーム５２２の発散度も増大し、レーザービーム５２２の直径も大きくなる。すなわち、発散度の変化は、走査角の変化に基づいている。

このように、レーザービーム５２２の直径を制御して、対象物が、対象領域５２４においてビーム径間の死角に存在する確率を減らすように、対象領域５２４をカバーする。対象領域５２４における部位５２６についての分解能は、対象領域５２４の同一の走査過程において変化しうる。

図示のように、対象領域５２４における部位５２６は、対象領域５２４の区画５２８内で最も高い走査密度を有する。すなわち、この区画において、部位５２６の密度は最も高く、レーザービーム５２２の直径は最も小さい。区画５２８は、対象領域５２４において最も高い分解能を有する。レーザービーム５２２の走査角の変化量及び発散度は、対象領域５２４における区画５２８の部位５２６が、当該領域の他の部分と比べて最も小さい。

区画５３０及び区画５３２における部位５２６は、レーザービーム５２２について、その次に小さい走査角の変化量、及び、その次に小さい発散量を有する。区画５３０及び区画５３２における部位５２６の密度は、区画５２８よりも低い。また、区画５３０及び区画５３２の分解能は、区画５２８に比べて低い。

この例において、区画５３４及び区画５３６における部位５２６は、区画５３０及び区画５３２における部位５２６に比べて、走査角の変化及び発散度が大きい。区画５３４及び区画５３６は、区画５３０及び区画５３２に比べて分解能が低い。

図示のように、区画５３８及び区画５４０における部位５２６は、レーザービーム５２２の走査角の変化が最も大きく、発散度も最も大きい。結果として、区画５３８及び区画５４０は、対象領域５２４において最も低い分解能を有する。

このように、部位５２６からのレーザービーム５２２に対する応答は、区画５２８に示す走査角及び発散度を用いた走査に比べてより少ない数の部位５２６を用いることにより、対象領域５２４を所望レベルでカバーすることができる。すなわち、部位５２６の密度が対象領域５２４の全域に亘って区画５２８と同じである場合は比較的多い出射回数でレーザービーム５２２を用いるのに比べて、より少ない出射回数でレーザービーム５２２を用いて実質的に対象領域５２４をカバーすることができる。

対象領域５２４の全域に亘って高密度の走査を用いれば、高分解能の情報を得ることができる。しかしながら、レーザー５０２がレーザービーム５２２のパルスを出射可能な速度によっては、フレームレートが下がるおそれがある。

区画５２８の外側の領域において、レーザービーム５２２の発散度を高くしてより低い密度で走査を行うことにより、対象領域５２４を走査するために必要なレーザー５０２によるレーザービーム５２２の出射回数を低くしつつ、対象領域５２４を所望の態様でカバーすることができる。結果として、対象領域５２４の全域に亘って高い分解能を維持する場合に比べて、フレームレートの低下を回避することができる。

対象領域５２４において高い分解能を有する区画及び低い分解能を有する区画は、対象領域５２４を走査する特定の理由に基づいて選択される。例えば、対象物として地球の水平線を走査する場合、区画５２８は、水平線に位置させる。高い分解能であれば、対象物の検出及び特定の両方が可能である。区画５２８から遠く離れて分解能が低い場合、対象領域５２４において対象物の存在又は動きを特定することはできても、対象物が何であるかの特定はできないかもしれない。他の例として、高分解能に選択される対象領域５２４の区画は、道路又は経路であってもよい。

図６を参照すると、例示的な実施形態による測定システムが示されている。この例において、測定システム５００は、図２にブロック形式で示す測定システム２０２の他の一実施例である。

この例においては、走査システム５０４は、さらにレンズ６００を含む。図示のように、レンズ６００は、この例においては、走査ミラー５１６によるレーザービーム５２２の偏向を増大又は低減するために用いられる。

この例において、レーザービーム５２２は、対象領域６０３における部位６０２に誘導される。図示のように、対象領域６０３は、図５に示す矩形状の対象領域５２４と比較して、円形状を有している。この例において、走査密度は、対象領域６０３の中心６０４から離れるにつれて低くなる。

図示のように、区画６０５は、最も高い走査密度を有しており、部位６０２の密度が高い。レーザービーム５２２の走査角の変化及び発散度は、区画６０５において最も小さい。この区画は、対象領域６０３において最も高い分解能を有する。

区画６０６は、区画６０５と比べて、部位６０２の密度が低い。この区画の分解能は、対象領域６０３において次に高い分解能を有する。区画６０８は、区画６０６と比べて、部位６０２の密度が低い。すなわち、走査角の変化及び発散度は、区画６０６と比べて大きい。

区画６１０は、区画６０８と比べて、走査密度が低い。区画６１０における分解能は、区画６０８よりも低い。区画６１０は、対象領域６０３において、走査密度及び部位６０２の密度が最も低い。

次に図７を参照すると、例示的な実施形態による測定システムが示されている。この例において、測定システム５００は、図２にブロック形式で示す測定システム２０２のさらに他の一実施例である。

この例においては、走査システム５０４は、さらにドーブプリズム７００を含む。ドーブプリズム７００は、１つの軸を中心として回転する。図示のように、走査ミラー５１６は、２つの軸ではなく、１つの軸を中心として回転する。この例においては、ドーブプリズム７００は、走査ミラー５１６とは異なる軸を中心として回転する。

ドーブプリズム７００の回転により、レーザービーム５２２が対象領域６０３に円形パターンに出射される。走査ミラー５１６の回転の変化により、レーザービーム５２２の走査角が、対象領域６０３の中心６０４から径方向に変化する。

図８を参照すると、例示的な実施形態による測定システムが示されている。この例において、測定システム５００は、図２にブロック形式で示す測定システム２０２の他の一実施例である。

この例において、レンズ８００及び発散レンズ８０２は、走査システム５０６の一部である。また、レンズ８００及び発散レンズ８０２は、焦点システム５０４の一部でもある。

走査ミラー５１６は、２つの軸を中心として回転することにより、レーザービーム５２２が発散レンズ８０２の異なる部分を通るように当該レーザービームを誘導する。発散レンズ８０２は、当該発散レンズの異なる部分において、異なるレベルの発散度を有する。

結果として、レーザービーム５２２の発散は、レーザービーム５２２が、発散レンズ８０２を通過する際に通る特定の部分に基づいて設定される。さらに、発散レンズ８０２の異なる部分は、レーザービーム５２２を偏向させて、当該レーザービーム５２２を、対象領域６０３における複数の部位６０２のうちの１つの部位に誘導する。

したがって、図示のような、対象領域６０３の複数の部位６０２のための異なる走査密度は、レーザービーム５２２が発散レンズ８０２を通過する際に通る特定の部分に基づいて決まる。例えば、発散レンズ８０２の中心は、発散レンズ８０２の周縁部と比べて、発散度が低い。

図５〜図８に示す測定システム５００のための様々な構成は、図２にブロック形式で示す測定システム２０２の実施例であるが、測定システム５００の他の例における実施態様を制限するものではない。例えば、測定システム５００の他の例ではレンズ８００を省いてもよい。さらに他の例においては、対象領域は、対象領域５２４の矩形状および対象領域６０３の円形状以外の形状を有していてもよい。対象領域の形状は、例えば、不規則形状、四辺形、五角形、又は他の適切な形状であってもよい。

これに加えて、異なる分解能についての複数の区画の他の構成を、対象領域５２４及び対象領域６０３のために図示された構成に加えて、又はこれらに代えて用いてもよい。例えば、対象領域は、レーザービーム５２２の走査角の変化及び発散度が最も小さい２つの別々のエリアを有していてもよい。例えば、対象領域には、最も高い分解能を有する２つの不連続領域が存在していてもよい。

さらに他の例において、所定の分解能を有する形状、大きさ、及び区画は、走査過程毎に異なっていてもよい。例えば、分解能が最も高い部分は、円形の対象領域における中央部であってもよい。対象物の動きが対象領域の周縁部において特定された場合、走査角の変化及び発散度は、対象物の動きが検出された周縁部において最も小さくなるようにしてもよい。

このようにして、分解能は、対象領域の走査過程毎に、動的に変化してもよい。さらに、対象領域自体が、異なる形状又は異なる大きさのうちの少なくとも一方を有するように変更されてもよい。

次に図９を参照すると、例示的な実施形態による、対象領域を走査するためのプロセスが示されている。図９に示すプロセスは、図２に示される測定環境２００において実施することができる。例えば、上記プロセスは、図２に示す対象領域２１８を走査するために、測定システム２０２において実施されてもよい。

プロセスは、対象領域の走査中、レーザービームの発散度を設定することにより開始される（工程９００）。工程９００における発散度の設定は、無発散（no divergence）、正の発散（positive divergence）、又は負の発散（negative divergence）を含む。このようにして、レーザービームが対象領域に到達する際の当該レーザービームの直径が制御される。この例において、対象領域は、測定システムから所定の距離だけ離れた領域である。

当該プロセスにおいては、ある走査角で、対象領域において互いに異なる部位にレーザービームを誘導する（工程９０２）。また、当該プロセスにおいて、レーザービームが互いに異なる部位に誘導される際、レーザービームの走査角を設定する（工程９０４）。工程９０４において、走査角は、レーザービームのパルス毎に変更される。

対象領域の走査中、走査角の変化量又は発散度のうちの少なくとも一方を変化させると、対象領域に対する分解能が変化する。走査角の変化量及び発散度の設定は、発散度が、走査角の変化量に基づくか、或いは、走査角の変化量が発散度に基づくように行われる。この例において、走査角の変化量又は発散度のうちの少なくとも一方の設定は、走査角の度数の変化が、発散度の度数とほぼ等しくなるように行われる。

この例において、工程９００、工程９０２、及び工程９０４は、特定の順序を表すものではない。これらの動作は、実質的に同時に行われてもよい。さらに、これらの動作のうちいくつかは同時に行い、この前後に他の動作を行ってもよいし、これ以外の順序で動作を行ってもよい。

当該プロセスにおいて、対象領域において互いに異なる部位に誘導されたレーザービームに対する応答を検出し（工程９０６）、その後プロセスを終了する。これらの工程は、対象領域の一回の走査を構成している。これらの工程を繰り返すことにより、さらに追加して対象領域の走査を行うことができる。

工程９０６で検出された応答は、所定数の工程を行うために用いられる。所定数の工程としては、対象領域の画像を生成すること、対象領域における対象物までの距離を特定すること、対象領域における対象物を特定すること、プラットフォームの動きを制御すること、対象物を移動させること、対象領域で検出された対象物を操作すること、又は、これら以外の適切な工程のうちの少なくとも１つが選択される。

次に図１０を参照すると、例示的な実施形態による、対象領域の走査から情報を生成するためのプロセスのフローチャートが示されている。図１０に示すプロセスは、測定環境２００において実施することができる。例えば、様々な工程は、コントローラ２１２で実施することができる。他の例においては、コンピュータ又は他のデータ処理システムが、測定システムから情報を受信して、当該情報を処理してもよい。

プロセスは、対象領域を走査することにより開始される（工程１０００）。工程１０００は、対象領域についての情報を生成するために、図９に示す様々な工程を用いて実行される。この例において、工程１０００は、対象領域の画像に用いられる情報を生成するために実行される。

次に、当該プロセスにおいて、測定システムのディテクタが受信した応答から、対象領域の部位までの距離を特定する（工程１００２）。工程１００２において、応答が生成されるレーザービームを出射した時点から応答を受信した時点に基づく飛行時間（ＴＯＦ）を特定してもよい。また、距離を特定するために、応答の強度をさらに用いてもよい。これらの距離は、応答から得られる対象領域に関する情報である。

次に、距離情報を用いて、所定数の画像のための画像を生成し（工程１００４）、その後、プロセスは、工程１０００に戻る。工程１００４において、特定された各距離は、対象領域における部位に対応する画素を形成する。画像は、当該画像の異なる部分においては、異なる分解能を有しうる。この画像もまた、応答から生成される情報と看做される。

次に図１１を参照すると、例示的な実施形態による、プラットフォームを操作するためのプロセスのフローチャートが示されている。図１１に示すプロセスは、測定環境２００において実施することができる。例えば、当該プロセスは、測定システム２０２を用いるプラットフォーム２４２において実施することができる。コントローラ２１２は、プラットフォーム２４２の操作を制御してもよいし、このフローチャートに示される様々な工程を行ってもよい。他の例においては、別個のコントローラ、又はプラットフォームの操作を制御するために存在する他の種類の装置が、これらの工程を行ってもよい。

プロセスは、対象領域の画像において１つ又は複数の対象物を特定することにより開始される（工程１１００）。次に、画像において特定された１つ又は複数の対象物と、当該１つ又は複数の対象物までの距離とに基づいて、プラットフォームの操作を制御し（工程１１０２）、その後プロセスを終了する。

例えば、プラットフォームが、製造施設の移動ロボットである場合、上記工程は、目的地までロボットのナビゲーションを制御すること、ワークピースに穿孔すること、留め具を取り付けること、部品を検査すること、又は、他の適切な動作を行うことである。他の例として、プラットフォームが自動運転車である場合、上記工程は、他の車との車間距離を保つこと、車線を変更すること、又は、他の適切な動作を行うことである。

図１２を参照すると、例示的な実施形態による、測定システムのコンポーネントを選択するためのプロセスのフローチャートが示されている。図１２に示すプロセスは、図２〜図４に示す走査システム２０６及び焦点システム２０８におけるコンポーネントのパラメータを特定するために用いられてもよい。例えば、このプロセスは、球面レンズが焦点システム２０８で用いられる場合にパラメータを特定するために用いられてもよい。より具体的には、このプロセスは、球面レンズを用いて実施される第１レンズ３００及び第２レンズ３０２を含む焦点システム２０８において用いられてもよい。

プロセスは、測定システムの出力に必要な２次元の角度パターンを特定することにより開始される（工程１２００）。この２次元の角度パターンは、対象領域における平面上の部位のパターンである。例えば、図５に示す対象領域５２４における部位５２６のパターン、及び、図６に示す対象領域６０３における部位６０２のパターンは、２次元の角度パターンの例である。

次に、対象領域における部位毎に、対象領域の平面から走査ミラーに戻る経路を特定する（工程１２０２）。この経路は、さらに、対象領域の部位と走査ミラーとの間に設置可能なレンズなどの、任意の要素を含んでもよい。一例においては、走査ミラーは、１軸又は２軸においてレーザービームを偏向する第１要素である。走査ミラーに向かってレーザービームを通過させるレンズは、レーザービームの発散度を変化させるが、この例においては、レーザービームを偏向するために用いられていない。偏向により、所望の方向にレーザービームが誘導される。

光軸からレーザービームを偏向させるのに、回転ドーブプリズムをさらに用いてもよい。この偏向は、例えば、ドーブプリズムを傾斜させるか、或いはレーザービームがドーブプリズムに到達する前に走査ミラーを用いてビームを偏向させるかの何れかを行って実現させることができる。走査ミラー及びドーブプリズムは、その両方が回転することにより、走査に必要な回転軸が１つだけとなるようにしてもよい。

当該プロセスでは、次に、レーザービームが対象領域における平面上の各部位に到達するために必要な走査角を特定する（工程１２０４）。次に、対象領域における平面上の部位に必要な走査角の各々について、走査ミラーの位置を特定する（工程１２０６）。

当該プロセスでは、対象領域における対象平面上の部位の各々について、所望の直径を得るために必要なレーザービームの発散度を特定する（工程１２０８）。工程１２０８においては、所望の直径を得るために必要とされるレーザービームの発散度に対する変化を特定する。次に、各部位における所望の直径に対して所望の発散度を得るために、可変焦点レンズシステムの設定を特定し（工程１２１０）、その後プロセスを終了する。

このプロセスにより、走査角及び発散度のためのパラメータが特定される。これらのパラメータは、図２に示す測定システム２０２を走査して、対象領域２１８における部位２２０の所望のパターンを得るために用いられてもよい。このパターンは、さらに、対象領域２１８における平面に到達するレーザービームの所望の直径を含む。例えば、これらのパラメータは、図３にブロック形式で示す焦点システム２０８における第２レンズ３０２などのレンズの動きを制御するために用いられてもよい。

図１３を参照すると、例示的な実施形態による、測定システムのコンポーネントを選択するためのプロセスのフローチャートが示されている。図１３に示すプロセスは、図２〜図４に示す走査システム２０６及び焦点システム２０８におけるコンポーネントのパラメータを特定するために用いられてもよい。このプロセスは、さらに、任意のレンズが用いられた場合にパラメータを特定するために用いられてもよい。任意のレンズは、より複雑なパターン又は非円形パターンが望まれる場合に用いられる。

プロセスは、走査ミラーにより生成された各入射角についての、所望の出射走査角を特定することにより開始される（工程１３００）。所望の出射走査角は、レーザービームを対象領域における部位に誘導するために用いられる角度である。

次に、プロセスにおいて、所望の出射走査角を得るために必要なレンズ表面の「局部傾斜」を特定する（工程１３０２）。「局部傾斜」とは、光ビームの中央光線と、光線が光学素子から出射する「局部」ポイントにおける光学素子の接線面（tangential surface）との間の角度である。工程１３０２は、スネルの法則（Snell's Law）などの現時点で公知の光線追跡技術を用いて行ってもよい。

当該プロセスにおいて、レンズの２つの表面を特定するために表面ステッチング技術（surface stitching techniques）を用いる（工程１３０４）。２つの表面とは、レンズの各側面である。表面ステッチング技術は、例えば、バイキュービックスプライン近似（bi-cubic spline approximations）であってもよい。

当該プロセスにおいて、対象領域における部位の各々について、レンズにより出射されるレーザービームの発散度を特定する（工程１３０６）。当該プロセスにおいては、対象領域における対象平面上の部位の各々について、所望の直径を得るために必要なレーザービームの発散度を特定する（工程１３０８）。

次に、所望の発散度に対するレンズ設計の発散度の比較に基づいて各部位における所望の直径に対する所望の発散度を得るために、可変焦点レンズシステムの設定を特定し（工程１３１０）、その後プロセスを終了する。これらのパラメータは、図３にブロック形式で示す焦点システム２０８における第２レンズ３０２などのレンズの動きを設定するために用いられてもよい。

図示された様々な実施形態のフローチャート及びブロック図は、例示的な実施形態における装置及び方法のいくつかの考えられる実施態様の構造、機能、及び動作を示すものである。この点では、フローチャート又はブロック図における各ブロックは、モジュール、セグメント、機能、又は、動作若しくはステップの一部のうちの少なくとも１つを表す。例えば、これらのブロックのうち１つ又は複数は、プログラムコードとして実現されてもよいし、ハードウェアで実現されてもよいし、プログラムコード及びハードウェアの組み合わせで実現されてもよい。ハードウェアにおいて実現する場合、当該ハードウェアは、例えば、フローチャート又はブロック図における１つ又は複数の工程を実行するように製造又は構成された集積回路の形態をとりうる。プログラムコードとハードウェアの組み合わせとして実現する場合、ファームウェアの形態で実現されうる。

例示的な実施形態のいくつかの代替の態様において、ブロックで述べられている１つ又は複数の機能は、図で述べられている順序とは異なる順序で実行してもよい。例えば、いくつかのケースにおいては、関連する機能に応じて、連続して示されている２つのブロックは実質的に同時に実行されてもよいし、逆の順序で実行されてもよい。また、フローチャート又はブロック図に示されたブロックに対して、さらに他のブロックを追加してもよい。

次に、図１４を参照すると、例示的な実施形態による、レンズについて所望の入射角度と出射角度との関係をプロットしたグラフが示されている。この例においては、グラフ１４００において、ｘ軸１４０２は、レンズに入射する入射レーザービーム角を度数で表し、ｙ軸１４０４は、レンズから出射する出射レーザービーム角を度数で表す。出射レーザービーム角は、レーザービームの走査角である。

ライン１４０６は、負レンズと正レンズとの間の区切りを表す。セクション１４０８は、負レンズを示し、セクション１４１０は、正レンズを示し、セクション１４１２は、負レンズを示し、セクション１４１４は、正レンズを示す。正レンズ又は負レンズの指標は、特定の入射レーザービーム及び出射レーザービームに必要なタイプのレンズの指標である。レンズの配置については、ビーム角が光軸に対して大きくなるにつれて、ビームの発散が大きくなるように配置される。この例において説明されているレンズには、光学望遠鏡の一般的な説明が当てはまり、その機能が得られるようにレンズが選択される。レーザー走査パターン、パルス間の間隔は、当該間隔が、ビームの可変発散度に合致するように選択される。

レンズの形状を計算する際、現在知られている標準の光線追跡プログラムを用いて、レンズの表面を生成してもよい。当該プログラムは、例えば、Synopsis社から入手可能なCode V（登録商標）であってもよい。「Code V」は、Synopsis社の登録商標である。使用可能な光線追跡プログラムの別の例としては、Zemax社から入手可能なZemax Optical Studioがある。入力には、供給源の位置からの角度、光学素子の配置、及び、各入射角に依存する出射角などがある。これに加えて、ＡＢＣＤ行列解析（ABCD matrix analysis）やスネルの法則を用いて、基本の光学的原理からレンズの表面形状をさらに計算してもよい。

図示のように、ライン１４１６は、入射レーザービーム角および出射レーザービーム角に基づく走査パターンである。ライン１４１６は、必要とされるレンズの種類および必要とされる出射角を示す。

したがって、例示的な実施形態においては、対象領域についての情報を取得するための方法および装置が提供される。一例においては、レーザービームの形態でのコヒーレントな光ビームは、対象領域の走査を行うために当該対象領域において互いに異なる部位に誘導される。

走査に対する応答は、対象領域についての情報を取得するために用いられる。例えば、２つの異なる部位の距離を用いて、対象領域に対象物が存在するか否かを特定することができる。様々な対象物の存在は、製造施設における移動ロボット、街の自動運転車、陸地を調査する無人航空機などのプラットフォーム、又は他のプラットフォームの動作を管理するために用いられる。

レーザーの走査角の変化量又は発散度のうちの少なくとも一方を変化させることにより、対象領域に対して異なる分解能を得ることができる。異なる分解能を用いて対象領域を走査するので、対象領域の全域を高い分解能で走査する現行のＬｉｄａｒシステムと比べて、フレームレートの維持が可能となる。また、異なる分解能を用いるので、処理する情報量が低減する。結果として、画像生成の高速化、対象物の特定、及びこれら以外の処理が可能となる。

様々な例において、動作や作業を行うコンポーネントが説明されている。例示的な実施形態において、コンポーネントは、説明されている動作や作業を行うように構成されていてもよい。例えば、コンポーネントは、実施例において当該コンポーネントにより実行されると説明されている動作や作業を行うことができるような構成又は設計を有している。

様々な例示的な実施形態の説明は、例示及び説明のために提示したものであり、全てを網羅することや、開示した形態での実施に限定することを意図するものではない。多くの改変又は変形が当業者には明らかであろう。

さらに、本開示は、以下の付記に基づく実施形態を含む。

付記１．動作中に、レーザービームを出射する光源と、
前記レーザービームを前記対象領域へ誘導するとともに、対象領域の走査中、前記レーザービームの走査角を設定する走査システムと、
前記対象領域の走査中、前記レーザービームの発散度を設定する焦点システムと、を含み、前記対象領域の走査中、前記走査角の変化量又は前記レーザービームの発散度のうちの少なくとも一方を変化させることにより、前記対象領域内での分解能が変化する、装置。

付記２．前記走査角の変化量及び前記発散度の設定は、前記発散度が、前記走査角の変化量に基づくか、或いは、前記走査角の変化量が前記発散度に基づくように行われる、付記１に記載の装置。

付記３．前記走査角の変化量又は前記発散度のうちの少なくとも一方の設定は、前記対象領域におけるある部位から他の部位への前記走査角の度数の変化が、前記発散度の度数とほぼ等しくなるように行われる、付記１又は２に記載の装置。

付記４．前記走査システムは、前記対象領域内における部位に前記レーザービームを誘導し、前記装置は、さらに、
前記対象領域内の前記部位に誘導された前記レーザービームに対する応答を検出するディテクタを含み、前記対象領域内の前記部位までの距離は、前記応答を用いて特定される、付記１〜３のいずれかに記載の装置。

付記５．前記焦点システムは、
光軸上に設けられ、前記光軸に沿って前記レーザービームを通過させる第１レンズと、
前記光軸上で可動である第２レンズと、を含み、前記レーザービームは、前記第１レンズを通過した後に前記第２レンズを通過し、前記対象領域に誘導される前記レーザービームの発散度は、前記光軸に沿って前記第２レンズを動かすことにより変更される、付記１〜４のいずれかに記載の装置。

付記６．前記第２レンズは、集束レンズ及び発散レンズから選択された一方のレンズである、付記５に記載の装置。

付記７．前記焦点システムは、
異なる部分において異なるレベルの発散度を有する発散レンズを含み、前記対象領域における部位に到達する前記レーザービームの発散度は、前記レーザービームが、前記発散レンズの異なる部分のうちのどの部分を通過するかに基づいて、設定される、付記１〜６のいずれかに記載の装置。

付記８．前記走査システムは、前記発散レンズの前記異なる部分に前記レーザービームを誘導する、付記７に記載の装置。

付記９．前記走査システムは、所定数の軸を中心として可動な所定数のミラーを含む、付記１〜８のいずれかに記載の装置。

付記１０．前記走査システムは、軸を中心として回転可能なドーブプリズムを含む、付記１〜９のいずれかに記載の装置。

付記１１．前記レーザービームは、約１０ｎｍから約７００ｎｍの範囲から選択された波長を有する、付記１〜１０のいずれかに記載の装置。

付記１２．前記光源、前記走査システム、及び前記焦点システムは、測定システムを形成し、前記装置は、
プラットフォームをさらに含み、前記測定システムは、前記プラットフォームと関連付けられており、前記プラットフォームは、可動式プラットフォーム、固定プラットフォーム、陸上ベースの構造体、水上ベースの構造体、宇宙ベースの構造体、移動ロボット、輸送機、自動運転車、航空機、無人航空機、水上艦、戦車、軍用人員運搬車、宇宙船、宇宙ステーション、携帯用デバイス、ウェアラブルデバイス、及び衛星のうちから選択された１つである、付記１〜１１のいずれかに記載の装置。

付記１３．対象領域を走査するための方法であって、
前記対象領域の走査中、レーザービームの発散度を設定し、
ある走査角で、前記対象領域において互いに異なる部位に前記レーザービームを誘導し、
前記レーザービームが前記互いに異なる部位に誘導される際、前記レーザービームの前記走査角を設定する、ことを含み、前記対象領域の走査中、前記発散度又は前記走査角の変化量のうちの少なくとも一方を変化させると、前記対象領域に対する分解能が変化する、方法。

付記１４．さらに、前記対象領域において前記互いに異なる部位に誘導された前記レーザービームに対する応答を検出することを含む、付記１３に記載の方法。

付記１５．前記応答は、前記対象領域の画像を生成すること、前記対象領域における対象物までの距離を特定すること、前記対象領域における対象物を特定すること、又はプラットフォームの動きを制御すること、のうちから選択される所定数の工程を実行するために用いられる、付記１４に記載の方法。

付記１６．前記対象領域の走査中、前記レーザーの発散度を設定するに際して、
光軸に沿って第１レンズを通った後に前記光軸上の第２レンズを通るように前記レーザービームを送出し、
前記光軸に沿って前記第２レンズを動かして、前記対象領域に誘導された前記レーザービームの発散度を変化させる、付記１３〜１５のいずかに記載の方法。

付記１７．前記対象領域の走査中、前記レーザーの発散度を設定するに際して、
発散レンズの異なる部分を通るように前記レーザービームを誘導することにより、前記レーザービームが前記発散レンズのどの部分を通るかに基づいて前記レーザービームの発散度が変化するようにする、付記１３〜１６のいずれかに記載の方法。

付記１８．発散レンズは、球面レンズ、円柱レンズ、及び非球面レンズから選択された１つである、付記１６又は１７に記載の方法。

付記１９．光は、所定数の軸を中心として可動な所定数のミラー、又は、ドーブプリズムのうちの少なくとも一方を含む走査システムにより前記対象領域に誘導される、付記１３〜１８のいずれかに記載の方法。

付記２０．前記レーザービームは、約１０ｎｍから約７００ｎｍの範囲から選択された波長を有する、付記１３〜１９のいずれかに記載の方法。

付記２１．実質的にコヒーレントな光ビームを出射する光源と、
実質的にコヒーレントな前記光ビームを対象領域に誘導するとともに、実質的にコヒーレントな前記光ビームの走査角を設定する走査システムと、
前記対象領域の走査中、実質的にコヒーレントな前記光ビームの発散度を調節する焦点システムと、を含み、前記対象領域の走査中、前記走査角の変化量又はコヒーレントな前記光ビームの発散度のうちの少なくとも一方を変化させることにより、前記対象領域内での分解能が変化する、測定システム。

付記２２．さらに、前記対象領域内の部位に誘導された実質的にコヒーレントな前記光ビームに対する応答を検出するディテクタを含み、前記対象領域内の部位までの距離は、前記応答を用いて特定される、付記２１に記載の測定システム。

付記２３．前記走査角又は前記発散度のうちの少なくとも一方の設定は、前記対象領域におけるある部位から他の部位への前記走査角の度数の変化が、前記発散度の度数とほぼ等しくなるように行われる、付記２１又は２２に記載の測定システム。

付記２４．さらに、前記応答を用いて、前記対象領域の前記部位までの前記距離を特定するとともに、前記対象領域の画像を生成すること、前記対象領域における対象物までの距離を特定すること、前記対象領域における対象物を特定すること、又は前記対象領域に対するプラットフォームの動きを指示すること、のうちから選択される所定数の工程を実行するコントローラを含む、付記２２又は２３に記載の測定システム。

さらに、様々な例示的な実施形態は、他の望ましい実施形態とは異なる特徴をもたらす場合がある。選択した実施形態は、実施形態の原理及び実際の用途を最も的確に説明するために、且つ、当業者が、想定した特定の用途に適した種々の改変を加えた様々な実施形態のための開示を理解できるようにするために、選択且つ記載したものである。

Claims (15)

1. 動作中に、レーザービームを出射する光源と、
   前記レーザービームを対象領域へ誘導するとともに、前記対象領域の走査中、前記レーザービームの走査角を設定する走査システムと、
   前記対象領域の走査中、前記レーザービームの発散度を設定する焦点システムと、を含む装置であって、
   前記焦点システムは、
   光軸上に設けられ、前記光軸に沿って前記レーザービームを通過させる第１レンズと、
   前記光軸上で可動である第２レンズと、を含み、前記レーザービームは、前記第１レンズを通過した後に前記第２レンズを通過し、前記対象領域に誘導される前記レーザービームの発散度は、前記光軸に沿って前記第２レンズを動かすことにより変更されるものであり、
   前記対象領域の走査中、前記走査角の変化量及び前記レーザービームの発散度の両方を変化させることにより、前記対象領域内での分解能が変化するようになっており、
   前記走査システム及び前記焦点システムは、前記対象領域に対する１回の走査において、前記対象領域内における異なる部位を異なる分解能にて走査するともに、前記レーザービームの走査角の変化量及び発散度が減少すると前記対象領域内の中央部分における分解能が向上し、前記レーザービームの走査角の変化量及び発散度が増加すると前記対象領域内の周囲部分における分解能が低下するように構成されている、装置。
2. 前記走査システムは、前記対象領域内における部位に前記レーザービームを誘導し、前記装置は、さらに、
   前記対象領域内の前記部位に誘導された前記レーザービームに対する応答を検出するディテクタを含み、前記対象領域内の前記部位までの距離は、前記応答を用いて特定される、請求項１に記載の装置。
3. 前記第２レンズは、集束レンズ及び発散レンズから選択される、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記焦点システムは、
   異なる部分において異なるレベルの発散度を有する発散レンズを含み、前記対象領域における部位に到達する前記レーザービームの発散度は、前記レーザービームが、前記発散レンズの異なる部分のうちのどの部分を通過するかに基づいて、設定される、請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
5. 前記走査システムは、所定数の軸を中心として可動な所定数のミラーを含む、請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
6. 前記走査システムは、軸を中心として回転可能なドーブプリズムを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
7. 前記レーザービームは、約１０ｎｍから約７００ｎｍの範囲から選択された波長を有する、請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
8. 前記光源、前記走査システム、及び前記焦点システムは、測定システムを形成し、前記装置は、
   プラットフォームをさらに含み、前記測定システムは、前記プラットフォームと関連付けられており、前記プラットフォームは、可動式プラットフォーム、固定プラットフォー
   ム、陸上ベースの構造体、水上ベースの構造体、宇宙ベースの構造体、移動ロボット、輸送機、自動運転車、航空機、無人航空機、水上艦、戦車、軍用人員運搬車、宇宙船、宇宙ステーション、携帯用デバイス、ウェアラブルデバイス、及び衛星のうちから選択された１つである、請求項１〜７のいずれかに記載の装置。
9. 対象領域を走査するための方法であって、
   光軸に沿ってレーザービームを、光軸上にある第１レンズに続いて第２レンズに通過させるとともに、前記光軸に沿って前記第２レンズを動かして、前記対象領域に誘導される前記レーザービームの発散度を変更することにより、前記対象領域の走査中に前記レーザービームの発散度を設定することと、
   所与の走査角で、前記対象領域において互いに異なる部位に前記レーザービームを誘導することと、
   前記レーザービームが前記互いに異なる部位に誘導される際、前記レーザービームの前記走査角を設定するにあたり、前記対象領域の走査中、前記発散度及び前記走査角の変化量の両方を変化させて、前記対象領域に対する分解能を変化させることと、
   前記対象領域に対する１回の走査において、前記対象領域内における異なる部位を異なる分解能にて走査することと、を含み、前記レーザービームの走査角の変化量及び発散度が減少すると前記対象領域内の中央部分における分解能が向上し、前記レーザービームの走査角の変化量及び発散度が増加すると前記対象領域内の周囲部分における分解能が低下するようにした、方法。
10. さらに、前記対象領域において前記互いに異なる部位に誘導された前記レーザービームに対する応答を検出することを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記応答は、前記対象領域の画像を生成すること、前記対象領域における対象物までの距離を特定すること、前記対象領域における対象物を特定すること、又はプラットフォームの動きを制御すること、のうちから選択される所定数の工程を実行するために用いられる、請求項１０に記載の方法。
12. 前記レーザービームは、所定数の軸を中心として可動な所定数のミラー、又は、ドーブプリズムのうちの少なくとも一方を含む走査システムにより前記対象領域に誘導される、請求項９〜１１のいずかに記載の方法。
13. 前記対象領域の走査中、前記レーザービームの発散度を設定するに際して、
    発散レンズの異なる部分を通るように前記レーザービームを誘導することにより、前記レーザービームが前記発散レンズのどの部分を通るかに基づいて前記レーザービームの発散度が変化するようにする、請求項９〜１２のいずれかに記載の方法。
14. 実質的にコヒーレントな光ビームを出射する光源と、
    前記光ビームを対象領域に誘導するとともに、前記光ビームの走査角を設定する走査システムと、
    前記対象領域の走査中、前記光ビームの発散度を設定する焦点システムと、を含む測定システムであって、
    前記焦点システムは、
    光軸上に設けられ、前記光軸に沿って前記光ビームを通過させる第１レンズと、
    前記光軸上で可動である第２レンズと、を含み、前記光ビームは、前記第１レンズを通過した後に前記第２レンズを通過し、前記対象領域に誘導される前記光ビームの発散度は、前記光軸に沿って前記第２レンズを動かすことにより変更されるものであり、
    前記対象領域の走査中、前記走査角の変化量及び前記光ビームの発散度の両方を変化させることにより、前記対象領域内での分解能が変化するようになっており、
    前記走査システム及び前記焦点システムは、前記対象領域に対する１回の走査において、前記対象領域内における異なる部位を異なる分解能にて走査するともに、前記光ビームの走査角の変化量及び発散度が減少すると前記対象領域内の中央部分における分解能が向上し、前記光ビームの走査角の変化量及び発散度が増加すると前記対象領域内の周囲部分における分解能が低下するように構成されている、測定システム。
15. 動作中に、レーザービームを出射する光源と、
    前記レーザービームを対象領域へ誘導するとともに、前記対象領域の走査中、前記レーザービームの走査角を設定する走査システムと、
    前記対象領域の走査中、前記レーザービームの発散度を設定する焦点システムと、を含む装置であって、
    前記焦点システムは、
    光軸上に設けられ、前記光軸に沿って前記レーザービームを通過させる第１レンズと、
    前記光軸上で可動である第２レンズと、を含み、前記レーザービームは、前記第１レンズを通過した後に前記第２レンズを通過し、前記対象領域に誘導される前記レーザービームの発散度は、前記光軸に沿って前記第２レンズを動かすことにより変更されるものであり、
    前記対象領域の走査中、前記走査角の変化量又は前記レーザービームの発散度のうちの少なくとも一方を変化させることにより、前記対象領域内での分解能が変化するようになっており、
    前記走査システム及び前記焦点システムは、前記対象領域に対する１回の走査において、前記対象領域内における異なる部位を異なる分解能にて走査するともに、前記レーザービームの走査角の変化量及び発散度が減少すると分解能が向上し、前記レーザービームの走査角の変化量及び発散度が増加すると分解能が低下するように構成されており、
    前記焦点システムは、
    異なる部分において異なるレベルの発散度を有する発散レンズを含み、前記対象領域における部位に到達する前記レーザービームの発散度は、前記レーザービームが、前記発散レンズの異なる部分のうちのどの部分を通過するかに基づいて、設定される、装置。
    

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