JP7121862B2 - 屈折ファセットを有する回転型ポリゴン偏向器を備えたlidar装置 - Google Patents
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Description
本出願は、全開示の内容が本明細書に参照として含まれる2019年1月4日に出願した米国臨時出願番号第62/788、368号についての優先権およびその利益を主張する。
1.位相エンコーディング(Phase-Encoded)検出概要
ここで、cは、媒質内の光の速度であり、v0は、観察者の速度であり、vsは、ソースと受信機を連結するベクトルに従うソースの速度である。観察者とソースが2つの間のベクトル上で同じ方向に、同じ速度で動いている場合、2つの周波数は、同じであることに注目するべきである。2つの周波数の間の差(Δf=f’-f)は、距離測定について問題点を引き起こすドップラーシフト(ΔfD)であり、数式2によって与えられる。
誤差の大きさは、信号の周波数fに応じて増加することに注目するべきである。また、静止したLIDARシステム(v0=0)の場合、毎秒10メートル(vs=10)で移動するオブジェクトと約500THzの周波数を有する可視光線についてのドップラーシフトの大きさは、約16メガヘルツ(MHz、1MHz=106ヘルツ(Hz)、1Hz=毎秒1サイクル)であることに注目するべきである。以下に説明される様々な実施例において、距離計算のためのデータを処理するためにドップラーシフトの誤差が検出されて使用される。
2.チャープ検出概要(Chirped Detection Overview )
fRの値は、デチャーピング(De-chirping)と呼ばれる時間ドメインミキシング動作で送信された信号116とリターンされた信号166aとの間の周波数差によって測定されることができる。したがって、距離Rは、数式4bによって与えられる。
パルスが完全に送信された後にリターンされた信号が到着すると、すなわち、2R/cがτよりも大きければ、数式4aおよび4bは、有効ではない。この場合に、基準信号は、リターンされた信号が基準信号と重畳することを保証するように知られている量または定められた量だけ遅延し得る。基準信号の定められた遅延時間または知られている遅延時間は、数式4bから計算された距離に追加される追加距離を提供するために光の速度Cと乗じられる。媒質で光の速度の不確実性によって絶対距離は、不正確であり得るが、これは、ほとんど一定の誤差(Near-Constant Error)であり、周波数差を基盤とした相対的距離は、相変らず非常に正確である。
3.光検出ハードウェア概要
4.屈折ビーム-ステアリングのためのコヒーレントLIDARシステム
ここで、n1は、ポリゴン偏向器501の屈折率であり、θ1は、ファセット506a(の内部)における法線に対するビーム580’’’のファセット506aに対する入射角であり、n2は、ビーム512が屈折しているポリゴン偏向器501を囲む媒質の屈折率(例えば、空気=1)であり、θ2は、ファセット506a(の外部)における法線に対するビーム512aの屈折角度である。屈折角度は、回転軸542に直交する軸544に対する角度552aとして測定することができる。図5eに示すように、複数のビーム512aは、(軸544に対して)角度552aに屈折する。ポリゴン偏向器501が軸542を中心に、第1回転位置550aから第2回転位置550bに回転することにより、入射ビーム580’’’は、軸544に対してファセット506aの一側によって屈折するビーム(例えば、角度552aで屈折したビーム512a)でファセット506aの反対側によって屈折するビーム(例えば、角度552bで屈折したビーム512b)になって屈折したビーム512の視野510を定義することができる。一実施例において、視野510は、約50度(例えば、ポリゴン偏向器501の屈折率が約1.6である場合)と、約90度(例えば、シリコンのような高屈折率の屈折物質について屈折率がより高い場合)である。
ここで、yは、レンズアセンブリ505の焦点面外部のファイバー582の距離、例えば、平面543の外部のファイバー582の距離であり、焦点距離は、レンズアセンブリ505のレンズ582の焦点距離である。一部の実施例において、ファセット506は、ポリゴン偏向器501の上部または下部と非直交(Non-Orthogonal)角度574を形成する。一実施例において、非直交角度574は、90度以外の任意の角度および/または約75度ないし約105度の範囲の角度および/または約60度ないし約120度の範囲の角度である。さらに、図5fの非直交角度574は、90度未満であるが、例えば、図5aのファセット506bに対する非直交角度574のように、非直交角度574は、90度より大きいことがある。角度574は、ファセット506の一部または全部について直交し、および/または約90度であり得る。角度574は、各ファセット506について非直交であり得るが、1つ以上のファセットに対して変動できる(例えば、1つ以上のファセット506に対して、約90度未満であるが、1つ以上のファセット506に対して約90度より大きいことがある)。角度574が90度未満の1つ以上のファセット506および角度574が90度より大きい1つ以上のファセット506の配列の利点は、平面543(図5f)内の屈折したビーム512が(角度574が90度未満のファセット506に対して)水平軸544の上と(角度574が90度より大きいファセット506に対して)水平軸544の下の間を行き来する(Alternate)ことができるというものである。これは(例えば、種々の範囲内でオブジェクトからのリターンビームデータを取得するために)ビーム512が平面543内で種々の範囲にわたってスキャンされるように許容できる。
5.車両制御概要
6.コヒーレントLIDARシステムでスキャンパターンを最適化するための方法
7.コンピュータハードウェア概要
Claims (15)
- 複数のファセット(Facets)を含むポリゴン偏向器(Polygon Deflector)と、
前記ポリゴン偏向器に回転可能に結合され、第1平面に直交する第1軸を中心に前記ポリゴン偏向器を回転させるように構成されるモーターと、
前記ポリゴン偏向器の内部に位置し、前記複数のファセットのうち、特定のファセットに入射される第1ビームをコリメート(Collimate)するように構成される光学装置と、を含み、
前記複数のファセットのうち、第1ファセットは、前記第1平面に対して第1ファセット角度で配向し、
前記複数のファセットのうち第2のファセットは、前記第1平面に対して第2ファセット角度で配向し、
前記第1ファセット角度は、前記第2ファセット角度とは異なり、
前記複数のファセットのうち、前記特定のファセットは、前記ポリゴン偏向器が第2ビームを出力するために前記第1軸を中心に回転する際、前記第1ビームを前記第1平面内で第1角度と第2角度との間で屈折させるように構成され、
前記ポリゴン偏向器は、50%よりも大きいデューティサイクル(Duty Cycle)を有し、前記デューティサイクルは、前記ポリゴン偏向器が回転する持続時間に対する前記ポリゴン偏向器が前記第1ビームを屈折させる持続時間に基づくLIDAR装置。 - 前記複数のファセットは、前記複数のファセットのそれぞれが前記第1ビームを前記第1平面に直交する第2平面内で屈折させて構成されるように、前記ポリゴン偏向器の上部または下部のうちの1つと非直交(Non-Orthogonal)角度を形成する請求項1に記載のLIDAR装置。
- 前記第1平面内の複数の第1ビームは、前記第1ビームを含み、
前記LIDAR装置は、前記ポリゴン偏向器の内部で前記複数の第1ビームを送信するように構成された平面ファイバーアレイ(Planar Fiber Array)を含み、
前記光学装置は、前記第1平面に直交する第2平面内で角度拡散(Angular Spread)を有する前記複数のビームを成形するように構成された請求項1に記載のLIDAR装置。 - 前記平面ファイバーアレイは、前記光学装置の焦点面(Focal Plane)に取り付けられる請求項3に記載のLIDAR装置。
- 前記角度拡散は、前記ファイバーアレイ内のファイバーの横方向の間隔に基づく請求項3に記載のLIDAR装置。
- 前記光学装置は、前記第1ビームをコリメートするように構成される第1レンズおよび偏向した第1ビームを提供するために、前記コリメートされた第1ビームを偏向させるように構成された第2レンズを含み、
前記ポリゴン偏向器の内部表面は、前記ポリゴン偏向器内で前記偏向した第1ビームをコリメートするように構成された請求項3に記載のLIDAR装置。 - 前記第1レンズは、非球面レンズ(Aspheric Lens)であり、前記第2レンズは、前記内部表面と同じ曲率を有するポジティブ円筒レンズ(Positive Cylindrical Lens)である請求項6に記載のLIDAR装置。
- 前記光学装置は、一対のミラーをさらに含み、前記一対のミラーは、前記一対のミラーのうち、第1ミラーが前記第1ビームを前記平面ファイバーアレイから前記一対のミラーのうち、第2ミラーに反射して構成されるように互いに対して位置し、前記第2ミラーは、前記第1ビームを前記第1レンズに反射するように構成される請求項6に記載のLIDAR装置。
- 前記光学装置は、自由形状の円環体単一レンズ(Free form Toric Single Lens)である請求項3に記載のLIDAR装置。
- それぞれのファセットは、前記ポリゴン偏向器の屈折率対前記ポリゴン偏向器を囲む媒質の屈折率の割合に基づいて前記第2平面内の前記第1ビームの角度拡散を増加させるように構成された請求項3に記載のLIDAR装置。
- 前記モーターは、
前記内部を定義する前記ポリゴン偏向器の内部表面に回転可能に結合された複数のベヤリング(Bearing)と、
前記第1軸を中心に前記ポリゴン偏向器を回転させるためにコイルによって作動する回転子(rotor)と、
前記ポリゴン偏向器の前記内部に位置する固定子(Stator)と、を含むブラシレス(Brushless)DCモーターであり、
前記固定子は、前記光学装置が位置するキャビティ(Cavity)を定義する請求項1に記載のLIDAR装置。 - 前記ポリゴン偏向器は、前記第1ビームの波長で透過性(Transmissive)である請求項1に記載のLIDAR装置。
- 検出器アレイと、
プロセッシング回路をさらに含み
前記プロセッシング回路は、
前記ポリゴン偏向器が前記第1軸を中心に回転周波数で回転するようにし、
前記ポリゴン偏向器が前記第1ビームを前記第1軸に直交する第1平面内で第1角度と第2角度との間で屈折させるように、レーザーソース(Laser Source)が前記ポリゴン偏向器の内部で前記第1ビームを送信するようにし、
前記第1ビームに応答してオブジェクトから前記検出器アレイに受信された第2ビームに基づいて前記検出器アレイから信号を受信し、
前記検出器アレイから受信された前記信号に基づいて前記オブジェクトまでの距離を決定するように構成される請求項1ないし請求項12のいずれか一項に記載のLIDAR装置。 - 請求項1ないし請求項13のいずれか一項に記載のLIDAR装置を含む自律走行車。
- 請求項13に記載のLIDAR装置を備え、
前記プロセッシング回路は、ステアリングシステム(Steering System)または制動システム(Braking System)のうち、少なくとも1つに、1つ以上の信号を送信する請求項14に記載の自律走行車。
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