JP7417305B2 - ライダシステム用の走査装置および方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
[0001]本出願は、２０１６年１２月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／４３８，７３５号の利益を主張し、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。

[0002]以下の３つの米国特許出願（本出願を含む）は、同時に出願したものであり、他方の出願の開示全体があらゆる目的のために参照により本出願に組み込まれる：
２０１７年１２月１３日に出願された、「ＳＣＡＮＮＩＮＧ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳＥＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ Ａ ＬＩＤＡＲ ＳＹＳＴＥＭ」と題する出願番号第１５／＿号（代理人整理番号第１０１６５８－０００５１０ＵＳ－１０６６２２２号）、
２０１７年１２月１３日に出願された、「ＳＹＳＴＥＭＳ ＦＯＲ ＶＩＢＲＡＴＩＯＮ ＣＡＮＣＥＬＬＡＴＩＯＮ ＩＮ Ａ ＬＩＤＡＲ ＳＹＳＴＥＭ」と題する出願番号第１５／＿号（代理人整理番号第１０１６５８－０００５２０ＵＳ－１０６６２２４号）、および
２０１７年１２月１３日に出願された、「ＭＯＵＮＴＩＮＧ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳＥＳ ＦＯＲ ＯＰＴＩＣＡＬ ＣＯＭＰＯＮＥＮＴＳ ＩＮ Ａ ＳＣＡＮＮＩＮＧ ＬＩＤＡＲ ＳＹＳＴＥＭ」と題する出願番号第１５／＿号（代理人整理番号第１０１６５８－０００５３０ＵＳ－１０６６２４５号）。

[0003]三次元センサは、自律走行車両、無人機、ロボット工学、セキュリティ用途などに適用することができる。走査ライダセンサは、手頃なコストでそのような用途に適した高い角度分解能を達成することができる。しかしながら、走査ライダセンサは、内部振動源だけでなく外部振動源にも敏感であり得る。例えば、自律走行車両に適用されるとき、走査ライダセンサは、不均一な道路からの外部振動、道路騒音、およびエンジン騒音にさらされる可能性がある。走査機構からの内部騒音もまた、ライダを走査する動作を妨げる可能性がある。したがって、振動を軽減するためのシステムおよび能動的振動管理システムを走査ライダセンサに含めることが望ましい場合がある。

[0004]本発明のいくつかの実施形態によれば、走査ライダシステムは、固定フレームと、固定フレームに柔軟に取り付けられた第１のプラットフォームと、レンズアセンブリとを含む。レンズアセンブリは、第１のプラットフォームに装着された第１のレンズおよび第２のレンズを含む。第１のレンズは、第１の方向の第１の光軸と第１の焦点面とを画定する。第２のレンズは、第１の光軸に実質的に平行な第２の光軸と第２の焦点面とを画定する。第１のプラットフォームは、第１の方向に実質的に垂直な第１の平面内で並進するように構成される。走査ライダシステムは、固定フレームに柔軟に取り付けられ、第１の方向に沿って第１のプラットフォームから分離された第２のプラットフォームをさらに含む。走査ライダシステムは、第２のプラットフォームに装着された第１のレーザ源および第１の光検出器を含む電気光学アセンブリをさらに含む。第２のプラットフォームは、第１の方向に実質的に垂直な第２の平面内で並進するように構成される。第１のレーザ源は、第１のレンズの焦点面に実質的にあり、第１の光検出器は、第２のレンズの焦点面に実質的にある。第１のレーザ源と第１の光検出器とは、互いに対して光学的に共役になるように第２のプラットフォームで互いに離間している。走査ライダシステムは、第１のプラットフォームおよび第２のプラットフォームに機械的に結合され、第１のプラットフォームおよび第２のプラットフォームを固定フレームに対して並進させるように構成された駆動機構をさらに含む。走査ライダシステムは、駆動機構に結合されたコントローラをさらに含む。コントローラは、第２のプラットフォームの運動が第１のプラットフォームの運動と実質的に反対であるように、第１のプラットフォームを駆動機構を介して第１の平面内の複数の第１の位置に並進させ、第２のプラットフォームを駆動機構を介して第２の平面内の複数の第２の位置に並進させるように構成される。各それぞれの第２の位置は、それぞれの第１の位置に対応する。

[0005]本発明のいくつかの他の実施形態によれば、走査ライダシステムを使用する三次元撮像の方法は、レンズアセンブリを複数の第１の位置に並進させることを含む。レンズアセンブリは、第１の方向の第１の光軸と第１の焦点面とを画定する第１のレンズと、第１の光軸に実質的に平行な第２の光軸と第２の焦点面とを画定する第２のレンズとを含む。方法は、電気光学アセンブリを複数の第２の位置に並進させることをさらに含んでもよい。電気光学アセンブリは、レンズアセンブリの運動と実質的に反対の方向に移動する。各それぞれの第２の位置は、レンズアセンブリのそれぞれの第１の位置に対応する。電気光学アセンブリは、第１のレンズの第１の焦点面に実質的に配置された第１のレーザ源と、第２のレンズの第２の焦点面に実質的に配置された第１の光検出器とを含んでもよい。第１のレーザ源と第１の光検出器とは、互いに対して光学的に共役になるように互いに離間していてもよい。方法は、複数の第２の位置の各々において、第１のレーザ源を使用して、レーザパルスを発光することと、第１のレンズを使用して、レーザパルスを１つまたは複数の物体に向けてコリメートして向けることとをさらに含んでもよい。レーザパルスの一部は、１つまたは複数の物体から反射されてもよい。方法は、第２のレンズを使用して、１つまたは複数の物体から反射されたレーザパルスの一部を第１の光検出器に受光して集束することと、第１の光検出器を使用して、レーザパルスの一部を検出することと、プロセッサを使用して、レーザパルスを発光することとレーザパルスの一部を検出することとの間の飛行時間を決定することとをさらに含んでもよい。方法は、決定された飛行時間に基づいて１つまたは複数の物体の三次元画像を構築することをさらに含んでもよい。

[0006]本発明のいくつかの実施形態によれば、走査ライダシステムは、外部フレームと、防振マウントによって外部フレームに取り付けられた内部フレームと、内部フレームに移動可能に取り付けられ、走査ライダシステムの走査動作中に内部フレームに対して並進するように構成された電気光学アセンブリとを含む。

[0007]本発明のいくつかの他の実施形態によれば、走査ライダシステムは、外部フレームと、防振マウントによって外部フレームに取り付けられた内部フレームと、内部フレームに移動可能に取り付けられ、走査ライダシステムの走査動作中に内部フレームに対して並進するように構成された電気光学アセンブリと、内部フレームに移動可能に取り付けられたカウンタウェイトと、カウンタウェイトに機械的に結合された駆動機構と、内部フレームの運動量を測定するために内部フレームに結合された第１のセンサと、第１のセンサおよび駆動機構に結合されたコントローラとを含む。コントローラは、第１のセンサによって測定された内部フレームの運動量に基づいて内部フレームに対するカウンタウェイトの運動を引き起こすように構成される。

[0008]本発明のいくつかの実施形態によれば、走査ライダシステムは、外部フレームと、防振マウントによって外部フレームに取り付けられた内部フレームと、内部フレームに移動可能に取り付けられ、走査ライダシステムの走査動作中に内部フレームに対して並進するように構成された電気光学アセンブリと、内部フレームに移動可能に取り付けられたカウンタウェイトと、カウンタウェイトに機械的に結合された駆動機構と、外部フレームの運動量を測定するために外部フレームに結合された第１のセンサと、第１のセンサおよび駆動機構に結合されたコントローラとを含む。コントローラは、第１のセンサによって測定された外部フレームの運動量に基づいて内部フレームに対するカウンタウェイトの運動を引き起こすように構成される。

[0009]本発明のいくつかの実施形態によれば、走査ライダシステムは、第１のレンズ中心を有し、第１の光軸および第１の最良焦点面によって特徴付けられる第１のレンズと、第２のレンズ中心を有し、第１の光軸に実質的に平行な第２の光軸によって特徴付けられる第２のレンズとを含む。走査ライダシステムは、第１の光軸に沿って第１のレンズおよび第２のレンズから分離されたプラットフォームと、プラットフォームに装着されたレーザ源アレイとをさらに含む。レーザ源アレイの各レーザ源は、第１のレンズの第１の最良焦点面に実質的にあり、それぞれのレーザ位置に配置された発光面を有する。走査ライダシステムは、プラットフォームに装着された光検出器アレイをさらに含む。光検出器アレイの各光検出器は、対応するレーザ源のそれぞれのレーザ位置と光学的に共役であるそれぞれの光検出器位置に配置される。

[0010]本発明のいくつかの実施形態によれば、走査ライダシステムは、レンズ中心を有し、第１の光軸および第１の最良焦点面によって特徴付けられる第１のレンズと、第１の光軸に沿って第１のレンズから分離されたプラットフォームと、プラットフォームに装着されたレーザ源アレイとを含む。レーザ源アレイの各レーザ源は、第１のレンズの第１の最良焦点面に実質的にあり、それぞれのレーザ位置に配置された発光面を有する。走査ライダシステムは、プラットフォームに装着された光検出器アレイをさらに含む。光検出器アレイの各光検出器は、対応するレーザ源のそれぞれのレーザ位置と光学的に共役であるそれぞれの光検出器位置に配置される。

[0011]本発明のいくつかの実施形態によれば、走査ライダシステムは、レンズ中心および光軸によって特徴付けられるレンズと、光軸に沿ってレンズから分離されたプラットフォームと、プラットフォームに装着されたレーザ源アレイとを含む。レーザ源アレイの各レーザ源は、それぞれのレーザ位置に配置され、各レーザ源の発光面の法線は、レンズ中心を実質的に向く。走査ライダシステムは、プラットフォームに装着された光検出器アレイをさらに含む。光検出器アレイの各光検出器は、対応するレーザ源のそれぞれのレーザ位置と光学的に共役であるそれぞれの光検出器位置に配置される。

本発明のいくつかの実施形態による、三次元撮像用のライダセンサを概略的に示す図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ライダセンサの１つまたは複数のレーザ源および１つまたは複数の光検出器を走査するための撓み機構を概略的に示す図である。 本発明のいくつかの実施形態による、走査ライダシステムの概略断面図である。 本発明のいくつかの他の実施形態による、走査ライダシステムの概略断面図である。 本発明のいくつかのさらなる実施形態による、走査ライダシステムの概略断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、走査ライダシステムを使用した三次元撮像の方法を示す簡易フローチャートである。 本発明のいくつかの実施形態による、走査ライダセンサにおける振動管理のためのシステムを概略的に示す図である。 本発明のいくつかの他の実施形態による、走査ライダセンサにおける振動管理のためのシステムを概略的に示す図である。 本発明のいくつかの実施形態による、走査ライダセンサにおける振動管理のためのシステムを概略的に示す図である。 本発明のいくつかの他の実施形態による、走査ライダセンサにおける振動管理のためのシステムを概略的に示す図である。 本発明のいくつかの実施形態による、レンズ像面湾曲を考慮に入れることができる走査ライダシステムにおける光学部品の装着構成の概略断面図である。 本発明のいくつかの他の実施形態による、走査ライダシステムにおける光学部品の装着構成の概略断面図である。 本発明のいくつかの他の実施形態による、走査ライダシステムにおける光学部品の装着構成の概略断面図である。 本発明のいくつかのさらなる実施形態による、走査ライダシステムにおける光学部品の装着構成の概略断面図である。 本発明のいくつかの他の実施形態による、走査ライダシステムにおける光学部品の装着構成の概略断面図である。 本発明のいくつかの実施形態に従って利用することができる、レーザ源１６００の概略断面図である。 本発明のいくつかの他の実施形態による、走査ライダシステムにおける光学部品の装着構成の概略断面図である。 本発明のいくつかの実施形態に従って利用することができる、いくつかの例示的なレーザ源の概略断面図である。 本発明のいくつかの実施形態に従って利用することができる、いくつかの例示的なレーザ源の概略断面図である。 本発明のいくつかの他の実施形態による、走査ライダシステムにおける光学部品の装着構成の概略断面図である。 本発明のいくつかの他の実施形態による、走査ライダシステムにおける光学部品の装着構成の概略断面図である。 本発明のいくつかの他の実施形態による、走査ライダシステムにおける光学部品の装着構成の概略断面図である。 本発明のいくつかの他の実施形態による、走査ライダシステムにおける光学部品の装着構成の概略上面図である。 図２２に示すように、複数のレーザ源および複数の光検出器が装着されたプラットフォームの概略斜視図である。

[0035]図１は、本発明のいくつかの実施形態による、三次元撮像用のライダセンサ１００を概略的に示す図である。ライダセンサ１００は、共に固定された発光レンズ１３０および受光レンズ１４０を含む。ライダセンサ１００は、発光レンズ１３０の後焦点面に実質的に配置されたレーザ源１１０ａを含む。レーザ源１１０ａは、発光レンズ１３０の後焦点面内のそれぞれの発光場所からレーザパルス１２０を発光するように動作する。発光レンズ１３０は、レーザパルス１２０をライダセンサ１００の前方に位置する物体１５０に向けてコリメートして向ける。レーザ源１１０ａの所与の発光場所に対して、コリメートされたレーザパルス１２０’は、対応する角度で物体１５０に向けられる。

[0036]レーザパルス１２０の一部１２２は、物体１５０から受光レンズ１４０に向かって反射される。受光レンズ１４０は、物体１５０から反射されたレーザパルス１２０の一部１２２を受光レンズ１４０の焦点面内の対応する検出場所に集束させるように構成される。ライダセンサ１００は、受光レンズ１４０の焦点面に実質的に配置された光検出器１６０ａをさらに含む。光検出器１６０ａは、対応する検出場所において物体から反射されたレーザパルス１２０の一部１２２を受光して検出するように構成される。光検出器１６０ａの対応する検出場所は、レーザ源１１０ａのそれぞれの発光場所と共役である。

[0037]レーザパルス１２０は、持続時間が短くてもよく、例えば、１００ｎｓのパルス幅であってもよい。ライダセンサ１００は、レーザ源１１０ａおよび光検出器１６０ａに結合されたプロセッサ１９０をさらに含む。プロセッサ１９０は、発光から検出までのレーザパルス１２０の飛行時間（ＴＯＦ）を決定するように構成される。レーザパルス１２０は光速で進行するので、ライダセンサ１００と物体１５０との間の距離は、決定された飛行時間に基づいて決定されてもよい。

[0038]いくつかの実施形態によれば、レーザ源１１０ａは、発光レンズ１３０の後焦点面内の複数の発光場所にラスタ走査されてもよく、複数の発光場所で複数のレーザパルスを発光するように構成される。それぞれの発光場所で発光された各レーザパルスは、発光レンズ１３０によってコリメートされてそれぞれの角度で物体１５０に向けられ、物体１５０の面の対応する点に入射する。したがって、レーザ源１１０ａが発光レンズ１３０の後焦点面内の特定の領域内でラスタ走査されると、物体１５０の対応する物体領域が走査される。光検出器１６０ａは、受光レンズ１４０の焦点面内の複数の対応する検出場所にラスタ走査される。光検出器１６０ａの走査は、レーザ源１１０ａの走査と同期して行われるので、光検出器１６０ａとレーザ源１１０ａとは常に所与の時間に互いに共役である。

[0039]それぞれの発光場所で発光された各レーザパルスの飛行時間を決定することによって、ライダセンサ１００から物体１５０の面の各対応する点までの距離が決定され得る。いくつかの実施形態では、プロセッサ１９０は、各発光場所におけるレーザ源１１０ａの位置を検出する位置エンコーダと結合される。発光場所に基づいて、コリメートされたレーザパルス１２０’の角度を決定することができる。物体１５０の面の対応する点のＸ－Ｙ座標は、角度およびライダセンサ１００までの距離に基づいて決定されてもよい。したがって、物体１５０の三次元画像は、ライダセンサ１００から物体１５０の面の様々な点までの測定距離に基づいて構築することができる。いくつかの実施形態では、三次元画像は、点群、すなわち、物体１５０の面の点の一組のＸ、Ｙ、およびＺ座標として表すことができる。

[0040]いくつかの実施形態では、検出器の飽和を防ぎ、目の安全性を改善し、または全体の出力消費を減らすために、戻りレーザパルスの強度を測定し、同じ発光点からの後続のレーザパルスの出力を調整するために使用する。レーザパルスの出力は、レーザパルスの持続時間、レーザに適用される電圧もしくは電流、またはレーザに出力を供給するために使用されるコンデンサに蓄積された電荷を変えることによって変えることができる。後者の場合、コンデンサに蓄積された電荷は、コンデンサへの充電時間、充電電圧、または充電電流を変えることによって変えることができる。いくつかの実施形態では、強度はまた、別の寸法を画像に追加するために使用されてもよい。例えば、画像は、反射率（または明るさ）と同様に、Ｘ、Ｙ、およびＺ座標を含み得る。

[0041]ライダセンサ１００の視野角（ＡＦＯＶ）は、レーザ源１１０ａの走査範囲および発光レンズ１３０の焦点距離に基づいて、以下のように推定することができる、

式中、ｈは、レーザ源１１０ａのある方向に沿った走査範囲であり、ｆは、発光レンズ１３０の焦点距離である。所与の走査範囲ｈに対して、より短い焦点距離は、より広いＡＦＯＶをもたらす。所与の焦点距離ｆに対して、より広い走査範囲は、より広いＡＦＯＶをもたらす。いくつかの実施形態では、ライダセンサ１００は、発光レンズ１３０の後焦点面にアレイとして配置された複数のレーザ源を含むことができ、それによって各個々のレーザ源の走査範囲を比較的小さく保ちながらより大きい全ＡＦＯＶを達成することができる。したがって、ライダセンサ１００は、受光レンズ１４０の焦点面にアレイとして配置された複数の光検出器を含むことができ、各光検出器は、それぞれのレーザ源と共役である。例えば、ライダセンサ１００は、図１に示すように、第２のレーザ源１１０ｂと、第２の光検出器１６０ｂとを含むことができる。他の実施形態では、ライダセンサ１００は、４つのレーザ源と４つの光検出器、または８つのレーザ源と８つの光検出器を含んでもよい。一実施形態では、ライダセンサ１００は、４×２アレイとして配置された８つのレーザ源と、４×２アレイとして配置された８つの光検出器とを含むことができ、それによりライダセンサ１００は垂直方向のそのＡＦＯＶよりも広い水平方向のＡＦＯＶを有することができる。様々な実施形態によれば、ライダセンサ１００の全ＡＦＯＶは、発光レンズの焦点距離、各レーザ源の走査範囲、およびレーザ源の数に応じて、約５°～約１５°、または約１５°～約４５°、または約４５°～約９０°の範囲であり得る。

[0042]レーザ源１１０ａは、紫外、可視、または近赤外波長範囲のレーザパルスを発光するように構成されてもよい。各レーザパルスのエネルギーは、マイクロジュールのオーダーであり得、これは通常、ＫＨｚ範囲の繰り返し率に対して目に安全であると考えられる。約１５００ｎｍを超える波長で動作するレーザ源の場合、目がそれらの波長に焦点を合わせないので、エネルギーレベルはより高くなり得る。光検出器１６０ａは、シリコンアバランシェフォトダイオード、光電子増倍管、ＰＩＮダイオード、または他の半導体センサを備えてもよい。

[0043]ライダセンサ１００の角度分解能は、回折限界に効果的にすることができ、以下のように推定することができる、
θ＝１．２２λ／Ｄ、
式中、λは、レーザパルスの波長であり、Ｄは、レンズ口径である。角度分解能はまた、レーザ源１１０ａの発光領域のサイズならびにレンズ１３０および１４０の収差にも依存し得る。様々な実施形態によれば、ライダセンサ１００の角度分解能は、レンズの種類に応じて、約１ｍｒａｄ～約２０ｍｒａｄ（約０．０５～１．０°）の範囲であり得る。

[0044]いくつかの実施形態では、レーザ源および光検出器は、以下に説明するように、比較的低コストの撓み機構を使用して走査することができる。

[0045]図２は、本発明のいくつかの実施形態による、図１に示すライダセンサ１００の１つまたは複数のレーザ源１１０ａ～１１０ｄおよび１つまたは複数の光検出器１６０ａ～１６０ｄを走査するために使用することができる撓み機構２００を概略的に示す図である。この例では、４つのレーザ源１１０ａ～１１０ｄおよび４つの光検出器１６０ａ～１６０ｄは、同じ剛性プラットフォーム２３０に装着される。レーザ源１１０ａ～１１０ｄおよび光検出器１６０ａ～１６０ｄの位置は、各レーザ源１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、または１１０ｄが対応する光検出器１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ、または１６０ｄと空間的に共役になるように配置される。プラットフォーム２３０は、２つの撓み要素２２０ａおよび２２０ｂを備える第１の撓み部によって第１のベースプレート２１０に結合される。撓み要素２２０ａおよび２２０ｂは、図２に示すようなボイスコイル２５０および永久磁石２６０などの単一のアクチュエータを使用することによって、または圧電アクチュエータなどによって左または右に偏向させることができる。一実施形態では、第１のベースプレート２１０は、２つの撓み要素２７０ａおよび２７０ｂを備える第２の撓み部によって第２のベースプレート２１２に結合されてもよい。撓み要素２７０ａおよび２７０ｂは、図２に示すようなボイスコイル２５２および永久磁石２６２などの単一のアクチュエータを使用することによって、または圧電アクチュエータなどによって前方または後方に偏向させることができる。

[0046]したがって、レーザ源１１０ａ～１１０ｄおよび光検出器１６０ａ～１６０ｄは、撓み要素２２０ａおよび２２０ｂの左右の移動によって、ならびに撓み要素２７０ａおよび２７０ｂの前後の移動によってそれぞれ発光レンズ１３０および受光レンズ１４０の焦点面において二次元で走査され得る。レーザ源１１０ａ～１１０ｄおよび光検出器１６０ａ～１６０ｄが同じ剛性プラットフォーム２３０に装着されるので、各レーザ－光検出器対の間の共役空間の関係は、発光レンズ１３０および受光レンズ１４０のレンズ処方が本質的に同一である限りそれらが走査されても維持される。４つのレーザ源１１０ａ～１１０ｄおよび４つの光検出器１６０ａ～１６０ｄが図２に例として示されているが、より少ないまたはより多くのレーザ源およびより少ないまたはより多くの光検出器が単一のプラットフォーム２３０に装着されてもよいことを理解されたい。例えば、本発明の様々な実施形態に従って、１つのレーザ源および１つの光検出器、または２つのレーザ源および２つの光検出器、または８つのレーザ源および８つの光検出器を単一のプラットフォーム２３０に装着することができる。一実施形態では、８つのレーザ源を４×２アレイとして配置することができ、８つの光検出器を４×２アレイとして配置することができ、それらすべてが同じ剛性プラットフォーム２３０に装着される。

[0047]いくつかの実施形態では、第１の位置エンコーダ２４０は、左右方向におけるレーザ源１１０ａ～１１０ｄの座標（すなわち、ｘ座標）を検出するためにプラットフォーム２３０に隣接して配置することができ、第２の位置エンコーダ２４２は、前後方向におけるレーザ源１１０ａ～１１０ｄの座標（すなわち、ｙ座標）を検出するために第１のベースプレート２１０に隣接して配置することができる。第１の位置エンコーダ２４０および第２の位置エンコーダ２４２は、レーザ源１１０ａ～１１０ｄのｘ－ｙ座標をプロセッサ１９０に入力し、物体１５０の三次元画像を構築するために使用することができる。

[0048]他の実施形態では、他の種類の撓み機構を走査ライダセンサに使用することができる。走査ライダセンサに関するさらなる説明は、２０１６年９月１６日に出願された米国特許出願第１５／２６７，５５８号に提供されており、その開示全体があらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。いくつかの実施形態では、レーザパルスをコリメートおよび集束するために屈折レンズを使用する代わりに、レーザパルスをコリメートおよび集束するために反射レンズまたはミラーを使用することができる。当業者は、多くの変形、代替、および修正を認識するであろう。
Ｉ．ライダシステム用の走査装置および方法

[0049]図１および図２に関連して上述したような走査ライダは、走査機構によって引き起こされる振動に敏感であり得る。例えば、図２に示す走査ライダシステムでは、プラットフォーム２３０の左右方向または前後方向への往復走査運動によって、ライダシステム全体が振動することがある。このような振動は、ライダシステムの性能を損なう可能性がある。例えば、ライダシステムによって取得された三次元画像は、そのような振動のために不安定であり得る。したがって、本発明の実施形態は、振動を軽減するために走査ライダシステムにおいてカウンタバランス技術を用いることができる。

[0050]図３は、本発明のいくつかの実施形態による、走査ライダシステム３００の概略断面図である。ライダシステム３００は、固定フレーム３１０と、固定フレーム３１０に柔軟に取り付けられた第１のプラットフォーム３２０と、固定フレーム３１０に柔軟に取り付けられた第２のプラットフォーム３５０とを含むことができる。ライダシステム３００は、第１のプラットフォーム３２０に取り付けられたレンズアセンブリをさらに含んでもよい。レンズアセンブリは、レンズマウント３３０に装着された第１のレンズ３４２および第２のレンズ３４４を含むことができる。第１のレンズ３４２および第２のレンズ３４４の各々は、単一のレンズ要素、または図３に示すように複数のレンズ要素を含むことができる。第１のレンズ３４２は、第１の方向（例えば、Ｚ軸の方向）の第１の光軸と（例えば、Ｘ－Ｙ平面内の）第１の焦点面とを画定し得る。第２のレンズ３４４は、第１の光軸に実質的に平行な第２の光軸と（例えば、Ｘ－Ｙ平面内の）第２の焦点面とを画定し得る。いくつかの実施形態では、第１のレンズ３４２および第２のレンズ３４４は、実質的に同じ焦点距離を有することができ、それにより第１の焦点面および第２の焦点面が実質的に同一平面上にあってもよい。

[0051]ライダシステム３００は、第２のプラットフォーム３５０に取り付けられた電気光学アセンブリをさらに含んでもよい。電気光学アセンブリは、第２のプラットフォーム３５０に装着された１つまたは複数のレーザ源３６０および１つまたは複数の光検出器３７０を含むことができる。第２のプラットフォーム３５０は、例えば、１つまたは複数のレーザ源３６０および１つまたは複数の光検出器３７０を駆動するための電気回路を含むプリント回路基板とすることができる。第２のプラットフォーム３５０は、固定フレーム３１０に柔軟に取り付けられ、第１の光軸または第２の光軸の方向（例えば、Ｚ方向）に第１のプラットフォーム３２０から離れて配置されてもよく、それにより１つまたは複数のレーザ源３６０が第１のレンズ３４２の第１の焦点面に実質的にあり、１つまたは複数の光検出器３７０が第２のレンズ３４４の第２の焦点面に実質的にある。各光検出器３７０は、上述のように、互いに対して光学的に共役になるように第２のプラットフォーム３５０の対応するレーザ源３６０から離して配置することができる。

[0052]いくつかの実施形態では、第１のプラットフォーム３２０は、第１のアクチュエータ３８２を使用して第１のプラットフォーム３２０が第１の平面（例えば、Ｘ－Ｙ平面）内で並進することができるように、第１の撓み部３２２を介して固定フレーム３１０に柔軟に取り付けることができる。第２のプラットフォーム３５０は、第２のアクチュエータ３８４を使用して第２のプラットフォーム３５０が第２の平面（例えば、Ｘ－Ｙ平面）内で並進することができるように、第２の撓み部３５２を介して固定フレーム３１０に柔軟に取り付けることができる。第１のアクチュエータ３８２および第２のアクチュエータ３８４の各々は、ボイスコイルおよび磁石、ピエゾモータなどを備えることができる。

[0053]ライダシステム３００は、第１のアクチュエータ３８２および第２のアクチュエータ３８４に結合されたコントローラ３９０をさらに含んでもよい。コントローラは、第１のプラットフォーム３２０を第１のアクチュエータ３８２を介して第１の平面内の複数の第１の位置に並進させ、第２のプラットフォーム３５０を第２のアクチュエータ３８４を介して第２の平面内の複数の第２の位置に並進させるように構成することができる。第２のプラットフォーム３５０の各それぞれの第２の位置は、第１のプラットフォーム３２０のそれぞれの第１の位置に対応し得る。いくつかの実施形態では、第２のプラットフォーム３５０の運動は、図３の矢印によって示すように、第１のプラットフォーム３２０の運動と実質的に反対であり得る。このようにして、レンズアセンブリの運動によって引き起こされるあらゆる振動は、電気光学アセンブリの運動によって引き起こされるあらゆる振動をある程度相殺することができる。したがって、ライダシステム３００が外部フレームに与える正味の振動は、最小となり得る。

[0054]いくつかの実施形態では、第１のプラットフォーム３２０および第２のプラットフォーム３５０は、レンズアセンブリの惰力と電気光学アセンブリの惰力とが互いに実質的に相殺するように互いに対して並進する。例えば、第１のプラットフォーム３２０の運動量は、レンズアセンブリの質量に反比例し得、第２のプラットフォーム３５０の運動量は、電気光学アセンブリの質量に反比例し得る。このようにして、ライダシステム３００が外部フレームに与える正味の振動は、ごくわずかになり得る。

[0055]図４は、本発明のいくつかの他の実施形態による、走査ライダシステム４００の概略断面図である。ライダシステム４００は、図３に示すライダシステム３００と同様であるが、固定フレーム３１０に取り付けられたポスト４１０と、ポスト４１０に取り付けられた連結部材４２０とをさらに含んでもよい。連結部材４２０は、第１のプラットフォーム３２０と第２のプラットフォーム３５０との間の往復運動を容易にするように、第１の撓み部３２２と第２の撓み部３５２とを互いに機械的に結合することができる。いくつかの実施形態では、単一のアクチュエータ３８４は、第１のプラットフォーム３２０の運動と第２のプラットフォーム３５０の運動の両方を連結部材４２０を介して制御するために第１のプラットフォーム３２０または第２のプラットフォーム３５０に結合することができる。

[0056]連結部材４２０は、第１のプラットフォーム３２０および第２のプラットフォーム３５０を反対方向に移動させるように構成されてもよい。例えば、連結部材４２０は、図４に示すように、枢動点４２４でポスト４１０に取り付けられたアーム４２２を含むことができる。第２のプラットフォーム３５０がアクチュエータ３８４を使用して第２の撓み部３５２を介して並進すると、アーム４２２は、枢動点４２４を中心に回転することができ、それにより次に第１のプラットフォーム３２０を、第１の撓み部３２２を介して第２のプラットフォーム３５０の運動に対して反対方向に移動させることができる。連結部材４２０は、ベアリングまたは撓みアタッチメントによって枢動点４２４を中心に枢動することができ、摩擦損失を加えることなく枢動運動が可能となり得る。連結部材４２０のアーム４２２はまた、ベアリングまたは撓み部によって第１のプラットフォーム３２０および第２のプラットフォーム３５０に取り付けられてもよい。アクチュエータ３８４は、図４では第２のプラットフォーム３５０に取り付けられているように示されているが、アクチュエータ３８４は、いくつかの他の実施形態では、第１のプラットフォーム３２０の運動が連結部材４２０を介して第２のプラットフォーム３５０の往復運動を引き起こし得るように、第１のプラットフォーム３２０に取り付けられてもよいことに留意されたい。

[0057]いくつかの実施形態では、連結部材は、第１のプラットフォーム３２０の運動速度がレンズアセンブリの質量に実質的に反比例し、第２のプラットフォーム３５０の運動速度が電気光学アセンブリの質量に実質的に反比例するように構成され得、その結果、レンズアセンブリの惰力と電気光学アセンブリの惰力とは、互いに実質的に相殺する。したがって、ライダシステム３００が外部フレームに与える正味の振動は、ごくわずかになり得る。例えば、図４に示すように、枢動点４２４は、枢動点４２４から第１の撓み部３２２に取り付けられるアーム４２２の端部までの距離ａと、枢動点４２４から第２の撓み部３５２に取り付けられるアーム４２２の他の端部までの距離ｂとの比がレンズアセンブリの質量と電気光学アセンブリの質量との比に反比例し得るように配置され得る。

[0058]図５は、本発明のいくつかのさらなる実施形態による、走査ライダシステム５００の概略断面図である。ライダシステム５００は、図３に示すライダシステム３００と同様であるが、ここでは、第１のプラットフォーム３２０と第２のプラットフォーム３５０とは、アクチュエータ３８２を介して互いに結合される。アクチュエータ３８２は、第１のプラットフォーム３２０および第２のプラットフォーム３５０を反対方向に移動させるように構成されてもよい。例えば、アクチュエータ３８２は、ボイスコイルと、第１の撓み部３２２に取り付けられた第１の磁石と、第２の撓み部３５２に取り付けられた第２の磁石５１０とを含むことができる。ボイスコイルを作動させると、図５の矢印によって示すように、第１のプラットフォーム３２０を一方向に移動させ、第２のプラットフォーム３５０を反対方向に移動させることができる。

[0059]図６は、本発明のいくつかの実施形態による、走査ライダシステムを使用した三次元撮像の方法６００を示す簡易フローチャートである。方法６００は、６０２において、レンズアセンブリを複数の第１の位置に並進させることを含むことができる。レンズアセンブリは、第１の方向の第１の光軸と第１の焦点面とを画定する第１のレンズと、第１の光軸に実質的に平行な第２の光軸と第２の焦点面とを画定する第２のレンズとを含むことができる。

[0060]方法６００は、６０４において、電気光学アセンブリを複数の第２の位置に並進させることをさらに含んでもよく、電気光学アセンブリは、レンズアセンブリの運動と実質的に反対の方向に移動する。各それぞれの第２の位置は、レンズアセンブリのそれぞれの第１の位置に対応する。電気光学アセンブリは、第１のレンズの第１の焦点面に実質的に配置された第１のレーザ源と、第２のレンズの第２の焦点面に実質的に配置された第１の光検出器とを含んでもよい。第１のレーザ源と第１の光検出器とは、互いに対して光学的に共役になるように互いに離間している。

[0061]方法６００は、６０６において、複数の第２の位置の各々において、第１のレーザ源を使用して、レーザパルスを発光することと、６０８において、第１のレンズを使用して、レーザパルスを１つまたは複数の物体に向けてコリメートして向けることとをさらに含んでもよい。レーザパルスの一部は、１つまたは複数の物体から反射されてもよい。方法６００は、６１０において、方法は、第２のレンズを使用して、１つまたは複数の物体から反射されたレーザパルスの一部を第１の光検出器に受光して集束することと、６１２において、第１の光検出器を使用して、レーザパルスの一部を検出することと、６１４において、プロセッサを使用して、レーザパルスを発光することとレーザパルスの一部を検出することとの間の飛行時間を決定することとをさらに含む。方法６００は、６１６において、決定された飛行時間に基づいて１つまたは複数の物体の三次元画像を構築することをさらに含んでもよい。

[0062]いくつかの実施形態では、レンズアセンブリおよび電気光学アセンブリは、レンズアセンブリの惰力と電気光学アセンブリの惰力とが互いに実質的に相殺するように互いに対して並進することができる。いくつかの実施形態では、レンズアセンブリと電気光学アセンブリとは、レンズアセンブリと電気光学アセンブリとの間の往復運動を容易にするように連結部材を介して互いに機械的に結合することができ、レンズアセンブリを並進させることおよび電気光学アセンブリを並進させることは、レンズアセンブリまたは電気光学アセンブリのうちの１つに結合されたアクチュエータを介して行われる。いくつかの他の実施形態では、レンズアセンブリと電気光学アセンブリとは、アクチュエータを介して互いに機械的に結合することができ、レンズアセンブリを並進させることおよび電気光学アセンブリを並進させることは、アクチュエータを介して行われる。

[0063]いくつかの実施形態では、レンズアセンブリを並進させることは、レンズアセンブリを一次元でラスタ走査することを含むことができ、電気光学アセンブリを並進させることは、電気光学アセンブリを一次元でラスタ走査することを含むことができる。いくつかの他の実施形態では、レンズアセンブリを並進させることは、レンズアセンブリを二次元でラスタ走査することを含むことができ、電気光学アセンブリを並進させることは、電気光学アセンブリを二次元でラスタ走査することを含むことができる。

[0064]図６に示す特定のステップは、本発明の一実施形態によるライダシステムを使用して三次元撮像を行う特定の方法を提供することを理解されたい。他の一連のステップもまた、代替の実施形態に従って行われ得る。例えば、本発明の代替の実施形態は、上で概説したステップを異なる順番で行うことができる。さらに、図６に示す個々のステップは、個々のステップに適切であるように様々な順序で行われ得る複数のサブステップを含むことができる。さらに、特定の用途に応じて、追加のステップを追加することができ、いくつかのステップを削除することができる。当業者は、多くの変形、修正、および代替を認識するであろう。
ＩＩ．ライダシステムにおける振動相殺用のシステム

[0065]上述のように、走査ライダシステムは、内部振動だけでなく外部振動にも敏感であり得る。本発明のいくつかの実施形態によれば、ライダシステムは、振動の影響を軽減するために防振マウントおよび能動的振動管理システムを利用することができる。

[0066]図７は、本発明のいくつかの実施形態による、走査ライダセンサにおける振動管理のためのシステム７００を概略的に示す図である。システム７００は、外部フレーム７１０と、内部フレーム７２０とを含むことができる。ライダセンサ７３０は、内部フレーム７２０に取り付けられてもよい。ライダセンサ７３０は、走査用の移動部を含むことができる。例えば、ライダセンサ７３０は、レンズアセンブリと、電気光学アセンブリとを含むことができ、それらの一方または両方は、図１～図５に示すライダセンサと同様に、内部フレーム７２０に対して並進され得る。内部フレーム７２０は、ライダセンサ用のハウジングとなり得る。外部フレーム７１０は、ライダセンサが三次元検知に利用される車両、無人機などであり得る。例えば、自律走行車両では、外部フレーム７１０は、ライダセンサ７３０の内部フレーム７２０が装着される車両のフロントバンパであり得る。外部フレーム７１０は、内部フレーム７２０よりも大きいサイズのハウジングであってもよい。いくつかの実施形態では、内部フレーム７２０は、防振マウント７４２および７４４を使用して外部フレーム７１０に取り付けることができる。防振マウント７４２および７４４は、ゴム製ダンパ、ばね、または他の種類の衝撃吸収材を含むことができる。

[0067]システム７００は、能動的振動管理機構をさらに含んでもよい。いくつかの実施形態では、システム７００は、外部振動によって引き起こされる内部フレーム７２０の残留運動を測定するために内部フレーム７２０に結合された第１のセンサ７５２を含むことができる。第１のセンサ７５２はまた、ライダセンサ７３０の内部走査機構から生じる運動および振動を測定するために使用されてもよい。第１のセンサ７５２は、内部センサと呼ばれることがある。第１のセンサ７５２は、１軸、２軸、または３軸に沿って（例えば、Ｘ、Ｙ、および／またはＺ軸に沿って）運動を測定することができる加速度計を備えることができる。いくつかの他の実施形態では、第１のセンサ７５２は、エンコーダ、容量センサ、ホールセンサなどの変位センサを備えてもよい。

[0068]システム７００は、内部フレーム７２０を外部フレーム７１０に対して移動させるために内部フレーム７２０に結合された１つまたは複数のアクチュエータ７６２および７６４をさらに含んでもよい。例えば、図７に示すように、第１のアクチュエータ７６２は、内部フレーム７２０を外部フレーム７１０に対して上下に（例えば、Ｚ軸に沿って）移動させるように構成されてもよく、第２のアクチュエータ７６４は、内部フレーム７２０を外部フレーム７１０に対して前後に（例えば、Ｘ軸に沿って）移動させるように構成されてもよい。同様に、第３のアクチュエータ（図７には図示せず）は、内部フレーム７２０を外部フレーム７１０に対して左右に（例えば、Ｙ軸に沿って）移動させるように構成されてもよい。第１のアクチュエータ７６２および第２のアクチュエータ７６４の各々は、ボイスコイルモータ、ピエゾモータなどを備えることができる。

[0069]システム７００は、第１のセンサ７５２、第１のアクチュエータ７６２、および第２のアクチュエータ７６４に結合されたコントローラ７９０をさらに含んでもよい。コントローラ７９０は、外部または内部振動によって引き起こされる内部フレーム７２０の残留運動に対して「フィードバック」補償を行うように構成され得る。例えば、コントローラ７９０は、第１のセンサ７５２によって測定された内部フレーム７２０の運動量に基づいて、内部フレーム７２０を、第１のアクチュエータ７６２を介して上下に（例えば、Ｚ軸に沿って）並進させるか、または第２のアクチュエータ７６４を介して前後に（例えば、Ｘ軸に沿って）並進させることができる。

[0070]システム７００は、運動が防振マウント７４２および７４４によって減衰される前に外部フレーム７１０の振動運動を測定するように外部フレーム７１０に結合された第２のセンサ７５４をさらに含んでもよい。第２のセンサ７５４は、外部センサと呼ばれることがある。例えば、自律走行車両に適用されると、外部フレーム７１０の振動運動は、不均一な道路、道路騒音、エンジン騒音など、ならびにライダシステムの走査機構からの内部騒音に起因し得る。第２のセンサ７５４は、１軸、２軸、または３軸に沿って（例えば、Ｘ、Ｙ、および／またはＺ軸に沿って）運動を測定することができる加速度計を備えることができる。いくつかの他の実施形態では、第２のセンサ７５４は、エンコーダ、容量センサ、ホールセンサなどの変位センサを備えてもよい。

[0071]いくつかの実施形態では、コントローラ７９０はまた、第２のセンサ７５４に結合され、第２のセンサ７５４によって測定された外部フレーム７１０の運動量に基づいて「フィードフォワード」補償を行うように構成され得る。外部振動および共振に対するシステム応答のモデル化は、フィードフォワード補正を制御するために使用され得る。フィードフォワード補正は先を見越しているため、反応性のフィードバック補正と比較してより早く応答し得る。

[0072]場合によっては、内部フレーム７２０の並進運動は、外部フレーム７１０の振動によって引き起こされる大きな運動を適切に補償しないことがある。例えば、自動車が大きなポットホールにぶつかると、自動車は、そのピッチ内で大きな揺動運動（例えば、Ｙ軸を中心とした回転）を行うことがある。補償されないままでいると、この揺動運動により、ライダは自動車の前方を向くのではなく空に向かって上向きに、または地面に向かって下向きになり得る。したがって、いくつかの実施形態では、内部フレーム７２０は、外部フレーム７１０のそのような傾斜運動を補償するために上下（および／または左右）に傾斜させることができる。例えば、第１のアクチュエータ７６２が防振マウント７４２および７４４の間で偏心して配置される場合、内部フレーム７２０は、第１のアクチュエータ７６２を介してＹ軸を中心に上下に傾斜してもよい。

[0073]いくつかの実施形態では、第１のセンサ７５２および／または第２のセンサ７５４からの信号は、機械的にまたはデジタル的に、画像安定化のために使用され得る。大部分の機械的画像安定化は、上述したように振動相殺によって達成することができる。しかしながら、機械的振動モードの複雑さにより、コントローラ７９０は、画像安定化をより効果的に提供するためにそのフィードバック制御に対してモデルまたは経験的アプローチを利用し得る。さらに、第１のセンサ７５２（および利用可能であれば第２のセンサ７５４）からの信号は、ライダセンサ７３０用の画像処理ユニットに送信することができる。第１のセンサ７５２および／または第２のセンサ７５４によって検出された残留誤差は、画像をデジタル的にシフトさせるために画像処理ユニットによって使用することができ、したがってデジタル画像安定化機能を提供する。

[0074]図８は、本発明のいくつかの他の実施形態による、走査ライダセンサにおける振動管理のためのシステム８００を概略的に示す図である。システム８００は、図７に示すシステム７００と同様であるが、第１のアクチュエータ７６２から離れて配置された第３のアクチュエータ７６６をさらに含んでもよい。コントローラは、第３のアクチュエータ７６６にさらに結合され、第１のアクチュエータ７６２によって初めに内部フレーム７２０を押し、第３のアクチュエータ７６６によって内部フレーム７２０を引くことによって、またはその逆によって、外部フレーム７１０のピッチ運動（例えば、Ｙ軸を中心とした回転）を補償するように構成され得る。同様に、システム８００は、外部フレーム７１０のヨー運動（例えば、Ｚ軸を中心とした回転）を補償するために、第２のアクチュエータ７６４から（例えば、Ｙ軸に沿って）離れて配置された第４のアクチュエータ（図８には図示せず）をさらに含んでもよい。

[0075]本発明のいくつかの他の実施形態によれば、反対方向に移動する質量を能動的振動管理に使用することができる。図９は、本発明のいくつかの実施形態による、走査ライダセンサにおける振動管理のためのシステム９００を概略的に示す図である。システム９００は、内部フレーム７２０に移動可能に取り付けられたカウンタマス９１０を含むことができる。システム９００は、カウンタマス９１０をＺ軸に沿って（例えば、上下に）移動させるためにカウンタマス９１０に機械的に結合された第１のアクチュエータ９２２をさらに含んでもよい。第１のアクチュエータ９２２は、ボイスコイルモータ、ピエゾモータなどを備えることができる。

[0076]コントローラ９９０は、第１のセンサ７５２および第１のアクチュエータ９２２に結合され、第１のセンサ７５２によって測定された内部フレーム７２０の運動量に基づいて第１のアクチュエータ９２２を制御するように構成されてもよい。例えば、第１のセンサ７５２が内部フレーム７２０の（例えば、正のＺ方向に沿った）上向きの運動を検知したことに応答して、コントローラ９９０は、カウンタマス９１０を内部フレーム７２０に対して下向きに（例えば、負のＺ方向に沿って）移動させることができ、その結果、内部フレーム７２０の正味の移動が実質的にゼロになり得る。いくつかの実施形態では、カウンタマス９１０は、ライダセンサ７３０の質量および他の関連部分を含む内部フレーム７２０の質量中心付近に配置されるのが好ましい。

[0077]いくつかの実施形態では、システム９００はまた、カウンタマス９１０をＸ軸に沿って（例えば、前後に）移動させるためにカウンタマス９１０に機械的に結合された第２のアクチュエータ９２４をさらに含んでもよい。コントローラ９９０は、第２のアクチュエータ９２４にさらに結合され、第１のセンサ７５２によって測定された内部フレーム７２０のＸ軸に沿った運動量に基づいてカウンタマス９１０をＸ軸に沿って移動させるように構成され得、その結果、Ｘ軸に沿った内部フレーム７２０の正味の運動がほぼゼロになる。同様に、システム９００はまた、カウンタマス９１０をＹ軸に沿って移動させるための第３のアクチュエータ（図９には図示せず）を含むことができる。

[0078]いくつかの実施形態では、コントローラ９９０はまた、第２のセンサ７５４（すなわち、外部センサ）に結合され、したがって第２のセンサ７５４によって測定された外部フレーム７１０の運動量に基づいてカウンタマス９１０を移動させることによって外部振動の「フィードフォワード」補償を行うように構成されてもよい。上述したように、フィードフォワード補正は、フィードバック補正よりも早く応答し得る。

[0079]いくつかの実施形態では、能動的振動管理のために複数のカウンタマスを展開することができる。図１０は、本発明のいくつかの他の実施形態による、走査ライダセンサにおける振動管理のためのシステム１０００を概略的に示す図である。図９に示すシステム９００と同様に、システム１０００は、内部フレーム７２０に移動可能に取り付けられた第１のカウンタマス９１０と、第１のカウンタマス９１０をＺ軸に沿って移動させるために第１のカウンタマス９１０に機械的に結合された第１のアクチュエータ９２２と、第１のカウンタマス９１０をＸ軸に沿って移動させるために第１のカウンタマス９１０に機械的に結合された第２のアクチュエータ９２４とを含むことができる。加えて、システム１０００は、内部フレーム７２０に移動可能に取り付けられた第２のカウンタマス９１２と、第２のカウンタマス９１２をＺ軸に沿って移動させるために第２のカウンタマス９１２に機械的に結合された第３のアクチュエータ９３６と、第２のカウンタマス９１２をＸ軸に沿って移動させるために第２のカウンタマス９１２に機械的に結合された第４のアクチュエータ９３８とを含むことができる。システム１０００は、単一のアクチュエータが内部フレーム７２０の質量中心と一致して作動しないかもしれないという事実を考慮することが可能である。また、第１のカウンタマス９１０と第２のカウンタマス９１２の互いに対する相対移動は、ねじれ振動を補償するように、内部フレーム７２０のＹ軸を中心とした回転（すなわち、ピッチ運動）またはＸ軸を中心とした回転（すなわち、ロール運動）などの内部フレーム７２０のねじれ運動を引き起こし得る。
ＩＩＩ．走査ライダシステムにおける光学部品用の装着装置

[0080]本発明のいくつかの実施形態によれば、複数のレーザ源および／または複数の光検出器を、レンズの像面湾曲を考慮した構成でプラットフォームに装着することができる。「像面の湾曲」または「ペッツバールの像面湾曲」としても知られている像面湾曲は、光軸に垂直な平坦な物体を、平坦な像面上に適切に焦点を合わせることができない光学収差を表す。すべての平面波面がレンズから距離ｆの点に集束する単一要素レンズシステムを考える。ｆは、レンズの焦点距離である。このレンズを平坦な画像センサから距離ｆだけ離して載置すると、光軸近くの像点は完全に焦点が合っているかもしれないが、軸から外れる光線は画像センサの前に焦点が合ってくる可能性がある。撮像面が球面状であるとき、これはそれほど問題ではないかもしれない。現代のレンズ設計、例えば複数のレンズ要素を利用するレンズ設計はある程度像面湾曲を最小化する（または「視野を平坦化する」）ことができるかもしれないが、いくらかの残留像面湾曲が依然として存在する可能性がある。

[0081]レンズの像面湾曲が存在するとき、複数のレーザ源１１０ａ～１１０ｄが図２に示すように平面上に装着される場合、光軸から外れて配置されたレーザ源によって発光されたレーザパルスは、発光レンズ１３０の像面湾曲のために発光レンズ１３０によって完全にコリメートされない可能性がある。同様に、複数の光検出器１６０ａ～１６０ｄが図２に示すように平面上に装着される場合、物体から反射されたレーザパルスは、受光レンズ１４０の像面湾曲のために光軸から外れて配置された光検出器において、受光レンズ１４０によって完全に集束されない可能性がある。

[0082]図１１は、いくつかの実施形態による、レンズ像面湾曲を考慮に入れることができる走査ライダシステムにおける光学部品の装着構成の概略断面図である。レンズ１１１０は、レンズホルダ１１２０に装着することができる。レンズ１１１０は、レンズ中心１１１４を通過する光軸１１１２、およびレンズ１１１０からの距離ｆにおける最良焦点面１１１６によって特徴付けられ得、ｆは、レンズ１１１０の焦点距離である。最良焦点面１１１６は、上述したように像面湾曲により湾曲し得、レンズ１１１０の湾曲した「焦点面」と呼ばれることがある。複数のレーザ源１１３０は、光軸１１１２に沿ってレンズ１１１０からほぼ距離ｆのところに配置されたプラットフォーム１１４０の面１１４２に装着することができる。いくつかの実施形態では、プラットフォーム１１４０の面１１４２は、レンズ１１１０の最良焦点面１１１６と実質的に一致する湾曲形状を有することができ、その結果、複数のレーザ源１１３０の各々の発光面１１３２は、レンズ１１１０の最良焦点面１１１６にほぼあり得る。複数のレーザ源１１３０をこの構成に装着することによって、各レーザ源１１３０によって発光されたレーザパルスは、レーザ源１１３０が光軸１１１２から外れて配置されていてもレンズ１１１０によってほぼ完全にコリメートされ得る。

[0083]例えば、レンズ１１１０の最良焦点面１１１６が球面形状を有すると仮定すると、プラットフォーム１１４０の面１１４２は、球面形状を有するように構成されてもよく、その結果、各レーザ源１１３０の発光面１１３２は、レンズ１１１０の最良焦点面１１１６に実質的にあり得る。レンズ１１１０の最良焦点面１１１６が楕円形、円錐形、または波形状などの球面状以外の湾曲形状を有する場合、プラットフォーム１１４０の面１１４２は、それに応じて成形されてもよい。

[0084]同様に、図１１に示す複数のレーザ源１１３０は、複数の光検出器に置き換えてもよく、それにより複数の光検出器１１３０の各々の検出面１１３２は、レンズ１１１０の最良焦点面１１１６に実質的にあることができる。この構成では、物体から反射されたレーザパルスは、光検出器１１３０がレンズ１１１０の光軸１１１２から外れて配置されていても各光検出器１１３０の検出面１１３２でレンズ１１１０によってほぼ完全に集束され得る。

[0085]いくつかの実施形態では、複数のレーザ源と複数の光検出器が、同じレンズを共有してもよい。光検出器は、それらの対応するレーザにごく近接して載置されてもよく、その結果、いくらかの戻り光が光検出器によって遮られる。側面、レーザの前方、またはレーザの後方のいずれかの配置が可能である。レーザビームが典型的には狭い角度分布を有し、レンズの中心部分のみを利用するので、球面収差などの特定のレンズ収差は、出射するレーザビームの焦点特性を過度に乱すことなく、レンズの外側部分から光検出器にいくらかの戻り光を向けるために有利に用いることができる。代替の設計では、ビームスプリッタを利用して、出射するビームと入射するビームを分離することができる。これにより、レーザと検出器が空間において物理的に重ならずにレンズの共役点を共有することが可能になる。

[0086]図１２は、いくつかの他の実施形態による、走査ライダシステムにおける光学部品の装着構成の概略断面図である。ここで、プラットフォーム１２４０は、平面１２４２を有することができ、複数のレーザ源（または光検出器）１１３０は、プラットフォーム１２４０の平面１２４２に装着することができる。複数のレーザ源１１３０は、レンズ１１１０の光軸１１１２に対するそれらの位置に応じて様々な高さｈを有することができ、その結果、各それぞれのレーザ源１１３０の発光面１１３２は、レンズ１１１０の最良焦点面１１１６に実質的にあることができる。例えば、最良焦点面１１１６の球面形状に対して、光軸１１１２からより遠いレーザ源１１３０は、最良焦点面１１１６の曲率を考慮するように、図１２に示すように光軸１１１２に近いレーザ源１１３０よりも高い高さを有することができる。一例として、各レーザ源１１３０（または光検出器ダイ）は、ダイをパッケージの底部よりも上のそれぞれの高さｈに載置するそれぞれの面実装パッケージに載置することができる。それぞれの高さｈは、光軸１１１２に対するレーザ源１１３０（または光検出器ダイ）の位置に応じて変わり得る。パッケージはその後、各ダイがレンズ１１１０の像点に正しく位置するように載置および配置されたプリント回路基板にはんだ付けされる。

[0087]図１３は、いくつかの他の実施形態による、走査ライダシステムにおける光学部品の装着構成の概略断面図である。ここで、複数のレーザ源（または光検出器）１１３０は、実質的に同じ高さｈを有し得る。しかし、プラットフォーム１３４０は、各それぞれのレーザ源１１３０の発光面１１３２がレンズ１１１０の最良焦点面１１１６に実質的にあることができるように、段差状の輪郭を有する面１３４２を有することができる。

[0088]いくつかの実施形態では、レーザ源および光検出器は、レンズの起こり得る歪みおよび口径食も考慮に入れた構成で装着することができる。図１４は、いくつかのさらなる実施形態による、走査ライダシステムにおける光学部品の装着構成の概略断面図である。図１１に示す装着構成と同様に、複数のレーザ源（または光検出器）１１３０は、各レーザ源１１３０の発光面１１３２がレンズ１１１０の最良焦点面１１１６に実質的にあるようにプラットフォーム１１４０の湾曲面１１４２に装着されてもよい。加えて、複数のレーザ源１１３０は、各レーザ源１１３０の発光面１１３２の法線がレンズ中心１１１４を実質的に向くように、様々な角度で傾斜される。この構成では、光軸１１１２から外れて配置されたレーザ源１１３０によって発光されたレーザパルスは、最小限の歪みおよび口径食でレンズ１１１０によってコリメートされてもよい。「レンズ中心」という用語は、レンズ１１１０の光学中心を指すことがあることを理解されたい。レンズ中心１１１４は、レンズ１１１０が薄いレンズとして特徴付けられ得る場合にレンズ１１１０の幾何学的中心であり得る。一部の複合レンズは、部分的にテレセントリックであり得、その場合、レーザ発光または検出器面に対する法線の好ましい配向は、レンズの幾何学的中心ではなくレンズの光学中心を向くことがあり、典型的には、レンズの光軸により近い角度にある。

[0089]いくつかの実施形態では、複数の光検出器をプラットフォーム１１４０の平面上に装着することができる。いくつかの他の実施形態では、複数の光検出器は、各光検出器の検出面がレンズ中心１１１４を実質的に向くように、プラットフォーム１１４０の湾曲面１１４２に装着することができる。したがって、画像光線は、光検出器の検出面に実質的に垂直に光検出器に衝突することができ、それによって最適な検出効率が達成され得る。

[0090]図１５は、いくつかの他の実施形態による、走査ライダシステムにおける光学部品の装着構成の概略断面図である。ここで、プラットフォーム１５４０は、各ファセット１５４４の法線がレンズ１１１０のレンズ中心１１１４を実質的に向くように、配向が異なる複数のファセットを含む面１５４２を有することができる。複数のレーザ源の各々は、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などの面発光レーザ、またはその光がパッケージに対して垂直に発光されるような配向でパッケージに装着された側面発光レーザを含むことができる。

[0091]図１６は、いくつかの実施形態に従って利用することができる、レーザ源１６００の概略断面図である。レーザ源１６００は、平らな面１６２２を有するチップベース１６２０に装着された面発光レーザチップ１６１０を含むことができる。レーザ源１６００は、透明カバー１６０４で覆われてもよく、チップベース１６２０にはんだパッド１６０６および１６０８を含むことができる。レーザ源１６００は、例えば、プリント回路基板の面にはんだ付けされるように設計されたパッケージとすることができる。

[0092]図１７は、いくつかの他の実施形態による、走査ライダシステムにおける光学部品の装着構成の概略断面図である。ここで、複数のレーザ源１７３０は、平面１７４２を有するプラットフォーム１７４０に装着される。複数のレーザ源１７３０は、光軸１１１２に対する各それぞれのレーザ源１７３０の位置に応じて様々な高さｈおよび様々な面勾配角度を有することができ、それにより各それぞれのレーザ源１７３０の発光面１７３２の法線がレンズ中心１１１４を実質的に向く。

[0093]図１８Ａおよび図１８Ｂは、いくつかの実施形態に従って利用することができる、いくつかの例示的なレーザ源１８１０および１８２０の概略断面図である。レーザ源１８１０および１８２０の各々は、勾配面１８１４または１８２４を有するチップベース１８１２または１８２２に面実装された面発光レーザチップ１８０２を含むことができる。面勾配角度αおよびベース高さｈは、上述のように光軸に対するレーザ源の位置に応じて変わり得る。例えば、光軸１１１２の近くに配置されたレーザ源は、図１８Ａに示すように比較的小さい勾配角度αを有してもよく、光軸１１１２からより遠くに配置されたレーザ源は、図１８Ｂに示すように比較的大きい勾配角度αを有してもよい。レーザ源１８１０または１８２０は、透明カバー１８０４で覆われてもよく、チップベース１８１２または１８２２にはんだパッド１８０６および１８０８を含むことができる。レーザ源１８１０または１８２０は、例えば、プリント回路基板の面にはんだ付けされるように設計されたパッケージとすることができる。いくつかの他の実施形態では、側面発光レーザチップも使用することができ、その場合、レーザチップは、その光が面１８１４または１８２４に垂直に発光されるようにパッケージ内で配向することができる。

[0094]図１９は、いくつかの他の実施形態による、走査ライダシステムにおける光学部品の装着構成の概略断面図である。ここで、複数のレーザ源１９３０は、実質的な平面１９４２を有するプラットフォーム１９４０に装着される。複数のレーザ源１９３０は、実質的に同じ高さｈを有するが、レンズの光軸１１１２に対する各それぞれのレーザ源１９３０の位置に応じて様々な面勾配角度を有することができ、それにより各それぞれのレーザ源１９３０の発光面１１３２の法線がレンズ中心１１１４を実質的に向く。図示のように、各それぞれのレーザ源１９３０の発光面１９３２は、レンズ１１１０の焦点面１９１６に実質的にあり得る。

[0095]図２０は、いくつかの他の実施形態による、走査ライダシステムにおける光学部品の装着構成の概略断面図である。ここで、複数のレーザ源２０３０は、実質的な平面１９４２を有するプラットフォーム１９４０に装着される。複数のレーザ源２０３０の各々は、各それぞれのレーザ源２０３０の発光面２０３２の法線がレンズ中心１１１４を実質的に向くように、それぞれの傾斜角度で傾斜させることができる。図示のように、各それぞれのレーザ源２０３０の発光面２０３２は、レンズ１１１０の焦点面１９１６に実質的にあり得る。

[0096]図２１は、いくつかの他の実施形態による、走査ライダシステムにおける光学部品の装着構成の概略断面図である。ライダシステムは、第１のレンズ２１１０および第２のレンズ２１２０を含むことができる。第１のレンズ２１１０は、レンズ中心２１１４を有し、第１の方向に沿った第１の光軸２１１２および第１の最良焦点面２１１６によって特徴付けられる。第２のレンズ２１２０は、レンズ中心２１２４を有し、第１の光軸２１１２に実質的に平行な第２の光軸２１２２および第２の最良焦点面２１２６によって特徴付けられる。

[0097]ライダシステムは、プラットフォーム２１５０に装着された複数の面発光レーザ源２１３０および複数の光検出器２１４０をさらに含んでもよい。いくつかの実施形態では、プラットフォーム２１５０は、プリント回路基板である。プラットフォーム２１５０は、第１の方向に沿って第１のレンズ２１１０および第２のレンズ２１２０から離間している。いくつかの実施形態では、プラットフォーム２１５０は、複数の第１のファセット２１５４を含む面２１５２（用紙に垂直な方向、すなわち、Ｚ方向に実質的に延びる）を有することができる。各面発光レーザ源２１３０は、それぞれの第１のファセット２１５４に装着することができる。複数の第１のファセット２１５４は、各それぞれのレーザ源２１３０の発光面２１３２が第１のレンズ２１１０の第１の最良焦点面２１１６に実質的にあり、その法線が第１のレンズ２１１０のレンズ中心２１１４を実質的に向くように配置および配向されてもよい。プラットフォーム２１５０の面２１５２は、複数の第２のファセット２１５６をさらに含んでもよい。各光検出器２１４０は、それぞれの第２のファセット２１５６に装着することができる。複数の第２のファセット２１５６は、各それぞれの光検出器２１４０の検出面２１４２が、対応するレーザ源２１３０のそれぞれの位置と光学的に共役である第２のレンズ２１２０の第２の最良焦点面２１２６のそれぞれの位置にあるように配置されてもよい。複数の第２のファセット２１５６は、検出面２１４２の法線が第２のレンズ２１２０のレンズ中心２１２４を実質的に向くことができるように配向されてもよい。

[0098]図２２は、いくつかの他の実施形態による、走査ライダシステムにおける光学部品の装着構成の概略上面図である。ここで、プラットフォーム２２５０（例えば、プリント回路基板）は、Ｘ－Ｙ平面内（すなわち、用紙の平面内）の平面２２５２と、Ｚ方向（すなわち、用紙に垂直な方向）に延びる縁面２２５４とを有することができる。図２３は、図２２に示すように、複数のレーザ源２１３０および複数の光検出器２１４０が装着されたプラットフォーム２２５０の概略斜視図である。複数の縁発光レーザ源２２３０の各々は、縁発光レーザ源を備えることができる。複数のレーザ源２２３０は、円弧に沿ってアレイとしてプラットフォーム２２５０の平面２２５２上に配置することができ、それにより各それぞれのレーザ源２２３０の発光面２２３２が第１のレンズ２１１０の最良焦点面２１１６に実質的にあり、その法線が第１のレンズ２１１０のレンズ中心２１１４を実質的に向く。プラットフォーム２２５０の縁面２２５４は、複数のファセット２２５６を含むことができる。各光検出器２１４０は、縁面２２５４のそれぞれのファセット２２５６に装着することができる。複数のファセット２２５６は、各それぞれの光検出器２１４０の検出面２１４２が、対応するレーザ源２２３０のそれぞれの位置と共役である第２のレンズ２１２０の最良焦点面２１２６のそれぞれの位置にあるように配置されてもよい。複数の第２のファセット２２５６は、検出面２１４２の法線が第２のレンズ２１２０のレンズ中心２１２４を実質的に向くことができるように配向されてもよい。

[0099]本明細書に記載の例および実施形態は例示を目的としたものにすぎず、それを考慮した様々な修正または変更が当業者に示唆され、本出願の精神および範囲ならびに添付の特許請求の範囲内に含まれるべきであることもまた理解される。

Claims (21)

1. 第１のレンズ中心を有し、第１の光軸および第１の最良焦点面によって特徴付けられる第１のレンズと、
   第２のレンズ中心を有し、前記第１の光軸に平行な第２の光軸によって特徴付けられる第２のレンズと、
   前記第１の光軸に沿って前記第１のレンズおよび前記第２のレンズから分離されたプラットフォームと、
   前記プラットフォームに装着されたレーザ源アレイであって、
   前記レーザ源アレイが複数のチップベースを含み、前記レーザ源アレイの各レーザ源が前記複数のチップベースのそれぞれの上に配置され、
   前記複数のチップベースが様々な高さを有し、
   前記レーザ源アレイの各レーザ源は、前記第１のレンズの前記第１の最良焦点面にあり、それぞれのレーザ位置に配置された発光面を有し、
   前記第１の最良焦点面は湾曲している、レーザ源アレイと、
   前記プラットフォームに装着された光検出器アレイであって、前記光検出器アレイの各光検出器は、対応するレーザ源のそれぞれのレーザ位置と光学的に共役であるそれぞれの光検出器位置に配置される光検出器アレイと
   を備え、
   前記プラットフォームが、アクチュエータを使用して、撓み部を介して、前記第１の光軸に垂直な平面内において二次元で平行移動するように構成され、それにより、前記第１のレンズおよび前記第２のレンズに対して、前記レーザ源アレイおよび前記光検出器アレイをそれぞれ平行移動させる、走査ライダシステム。
2. 前記第２のレンズが、第２の最良焦点面によって特徴付けられ、前記光検出器アレイの各光検出器が、前記第２のレンズの前記第２の最良焦点面にある検出面を有する、請求項１に記載の走査ライダシステム。
3. 各それぞれのレーザ源の前記発光面の法線が、前記第１のレンズの前記第１のレンズ中心を向き、各それぞれの光検出器の検出面の法線が、前記第２のレンズの前記第２のレンズ中心を指す、請求項２に記載の走査ライダシステム。
4. 前記レーザ源アレイの各々が、面発光レーザ源を備え、前記レーザ源アレイが、各レーザ源の前記発光面が前記第１のレンズの前記第１の最良焦点面にあるように前記プラットフォームの湾曲面に装着される、請求項１に記載の走査ライダシステム。
5. 前記レーザ源アレイの各々が、縁発光レーザ源を備え、前記レーザ源アレイが、各レーザ源の前記発光面が前記第１のレンズの前記第１の最良焦点面にあるように前記プラットフォームの平面に装着される、請求項１に記載の走査ライダシステム。
6. 前記第２のレンズは、第２の最良焦点面によって特徴付けられ、
   前記光検出器アレイが、各光検出器の検出面が前記第２のレンズの前記第２の最良焦点面にあるように前記プラットフォームの湾曲縁面に装着される、請求項５に記載の走査ライダシステム。
7. 第１のレンズ中心を有し、第１の光軸および第１の最良焦点面によって特徴付けられる第１のレンズと、
   前記第１の光軸に沿って前記第１のレンズから分離されたプラットフォームと、
   前記プラットフォームに装着されたレーザ源アレイであって、
   前記レーザ源アレイが複数のチップベースを含み、前記レーザ源アレイの各レーザ源が前記複数のチップベースのそれぞれの上に配置され、
   前記複数のチップベースが様々な高さを有し、
   前記レーザ源アレイの各レーザ源は、前記第１のレンズの前記第１の最良焦点面にあり、それぞれのレーザ位置に配置された発光面を有し、
   前記第１の最良焦点面は湾曲している、レーザ源アレイと、
   前記プラットフォームに装着された光検出器アレイであって、前記光検出器アレイの各光検出器は、対応するレーザ源のそれぞれのレーザ位置と光学的に共役であるそれぞれの光検出器位置に配置される光検出器アレイと
   を備え、
   前記プラットフォームが、アクチュエータを使用して、撓み部を介して、前記第１の光軸に垂直な平面内において二次元で平行移動するように構成され、それにより、前記第１のレンズに対して、前記レーザ源アレイおよび前記光検出器アレイをそれぞれ平行移動させる、走査ライダシステム。
8. 各レーザ源の前記発光面の法線が、前記第１のレンズの前記第１のレンズ中心を指す、請求項７に記載の走査ライダシステム。
9. 前記光検出器アレイの各光検出器が、前記第１のレンズの前記第１の最良焦点面にある検出面を有する、請求項７に記載の走査ライダシステム。
10. 各光検出器の検出面の法線が、前記第１のレンズの前記第１のレンズ中心を指す、請求項９に記載の走査ライダシステム。
11. 前記レーザ源アレイの各レーザ源が、面発光レーザ源を備え、前記レーザ源アレイが、各レーザ源の前記発光面が前記第１のレンズの前記第１の最良焦点面にあるように前記プラットフォームの湾曲面に装着される、請求項７に記載の走査ライダシステム。
12. 前記光検出器アレイが、各光検出器の検出面が前記第１のレンズの前記第１の最良焦点面にあるように前記プラットフォームの前記湾曲面に装着される、請求項１１に記載の走査ライダシステム。
13. レンズ中心を有し、光軸によって特徴付けられる、レンズと、
    前記光軸に沿って前記レンズから分離されたプラットフォームと、
    前記プラットフォームに装着されたレーザ源アレイであって、
    前記レーザ源アレイが複数のチップベースを含み、前記レーザ源アレイの各レーザ源が前記複数のチップベースのそれぞれの上に配置され、
    前記複数のチップベースが様々な高さを有し、
    前記レーザ源アレイの各レーザ源は、発光面を有し、それぞれのレーザ位置に配置され、
    各レーザ源の前記発光面の法線は、前記レンズ中心を指す、レーザ源アレイと、
    前記プラットフォームに装着された光検出器アレイであって、前記光検出器アレイの各光検出器は、対応するレーザ源のそれぞれのレーザ位置と光学的に共役であるそれぞれの光検出器位置に配置される光検出器アレイと
    を備え、
    前記プラットフォームが、アクチュエータを使用して、撓み部を介して、前記光軸に垂直な平面内において二次元で平行移動するように構成され、それにより、前記レンズに対して、前記レーザ源アレイおよび前記光検出器アレイをそれぞれ平行移動させる、ライダシステム。
14. 前記レンズが、焦点面によって特徴付けられ、各レーザ源の前記発光面が、前記焦点面にある、請求項１３に記載のライダシステム。
15. 前記レンズが、最良焦点湾曲面によって特徴付けられ、各レーザ源の前記発光面が、前記最良焦点湾曲面にある、請求項１３に記載のライダシステム。
16. 前記光検出器アレイの各光検出器は検出面を有し、各光検出器の前記検出面の法線は前記レンズ中心を指す、請求項１３に記載のライダシステム。
17. 前記レンズが、焦点面によって特徴付けられ、各光検出器の前記検出面が、前記焦点面にある、請求項１６に記載のライダシステム。
18. 前記レンズが、最良焦点湾曲面によって特徴付けられ、各光検出器の前記検出面が、前記最良焦点湾曲面にある、請求項１６に記載のライダシステム。
19. 各レーザ源が、チップベースの面に面実装されたレーザチップを備え、各レーザ源の前記発光面の前記法線が前記レンズ中心を指すように、前記チップベースの前記面が、前記レンズの前記光軸に対する各レーザ源の前記それぞれのレーザ位置に依存する勾配角度を有する、請求項１３に記載のライダシステム。
20. 前記チップベースが、前記レンズの前記光軸に対する各レーザ源の前記それぞれのレーザ位置に依存する高さを有する、請求項１９に記載のライダシステム。
21. 前記プラットフォームが、前記レンズの前記光軸に垂直な平面内で平行移動するように構成され、それにより、前記レンズに対して、前記レーザ源アレイおよび前記光検出器アレイを平行移動させる、請求項１３に記載のライダシステム。