KR102596018B1 - 리이미저를 구비한 레이더 송신기 - Google Patents

Abstract

타원체형 리이미징 거울을 포함하는 컴팩트 빔 스캐너 조립체가 개시된다.

Description

리이미저를 구비한 레이더 송신기

소개:

특히, 자동차 컴퓨터 비전 같은 분야에서, 개선된 컴퓨터 비전 기술에 대한 큰 필요성이 있다고 알려져 있다. 그러나, 이러한 필요성은 개선된 컴퓨터 비전 기법이 다양한 분야, 비제한적 예를 들면, 자율 플랫폼 비전(가령, 상공, 지상(지하를 포함), 수륙(수중을 포함), 우주를 위한 자율 차량, 가령, 지상 기반 차량, 자율 항공기 등), 감시(가령, 국경 보안, 항공 드론 모니터링 등), 매핑(가령, 지하 터널의 매핑, 항공 드론을 통한 매핑 등), 타깃 인식 응용 분야, 원격 감지, 안전 알림(가령, 운전자를 위한) 등)에서 편재해 있기 때문에 자동차 컴퓨터 비전 마켓에 한정되지 않는다.

본 명세서에서 사용될 때, 용어 "레이더(ladar)"는 임의의 레이저 레이더, 레이저 검출 및 레인징(ranging), 및 광 검출 및 레인징("라이다(lidar)")을 지칭한다. 레이더는 컴퓨터 비전과 관련하여 널리 사용되는 기법이다. 레이더 시스템은 수동 광학 센서의 높은 분해능 및 직관적 느낌을 레이더 시스템의 심도 정보(레인징)와 공유한다. 예시적 레이더 시스템에서, 레이저 광원을 포함하는 전송기가 레이저 출력, 가령, 레이더 펄스를 인근 환경으로 전송한다. 그런 다음, 레이더 수신기가 인근 환경 내 물체로부터의 자신의 레이저 출력의 반사를 수신할 것이고, 레이더 수신기는 수신된 반사를 처리하여 이러한 물체까지의 거리(레인지 정보)를 결정할 것이다. 이 레인지 정보를 기초로, 장애물 회피 시나리오에서의 경로 계획, 웨이 포인트 결정 등을 계산하기를 원하는 호스트 프로세서에 의해 환경의 지오메트리에 대한 더 명확한 이해가 얻어질 수 있다. 그러나 컴퓨터 비전 문제에 대한 종래의 레이더 솔루션은 높은 비용, 큰 크기, 큰 중량, 및 큰 전력 요건뿐 아니라 큰 데이터 대역폭 사용을 문제로 가진다. 이의 최상의 예시가 차량 자율이다. 이 복잡한 요인들은 단지 짧은 비전 거리, 좁은 시야 및/또는 느린 재방문율을 요구하는 비싼 응용분야로 효과적인 사용을 크게 제한한다.

예를 들어, 레이더 시스템은 레이더 전송기가 많은 수의 레인지 포인트를 동시에 조명하는 분야에서 알려져 있다. 플래시 레이더(Flash ladar)가 이러한 시스템의 예시이다. 그러나 이들 종래의 시스템은 많은 단점들을 가진다. 예를 들어, 플래시 레이더 시스템은 펄스 레이저 당 매우 높은 에너지를 필요로 하며, 이는 비쌀 뿐 아니라 눈에 해로울 수 있다. 또한, 플래시 레이더 시스템을 위한 판독 집적 회로는 꽤 소음이 심한 것이 일반적이다. 또한, 플래시 레이더 시스템을 위한 넓은 시야 신호대노이즈 비(SNR)는 일반적으로 매우 낮으며, 이는 짧은 레인지를 야기하고, 따라서 유용함에서 멀어진다.

해당 분야에서 개선된 레이더-기반 컴퓨터 비전 기법에 대한 필요성을 만족시키기 위해, 발명자는 스캐닝 레이더 전송 개념을 새롭고 혁신적인 방식으로 적용하는 방법 및 시스템에 대한 많은 실시예를, 2014년 08월 15일에 출원된 미국 특허 출원 번호 62/038,065 및 미국 특허 출원 공개 번호 2016/0047895, 2016/0047896, 2016/0047897, 2016/0047898, 2016/0047899, 2016/0047903, 및 2016/0047900에서 개시했으며, 이들 출원은 본 명세서에 참조로서 포함된다.

본 발명자는 해당 분야에 스캐닝 레이더 송신기가 주변에서 관심 영역 상에 자신의 응시(gaze)를 최적화하도록 설계될 수 있는 방식이 추가로 개선될 수 있다고 믿는다. 레이더가 시선이 필요한 때 시선이 필요한 곳을 드웰(응시)하기 위한 스케줄링 방법에 의해 고도로 최적화되었지만, 종래의 레이더 시스템은 이 드웰 최적화를 공유하지 않는다. 이는 레이더가 자신을 매력적으로 만드는 바로 그것: 분해능을 단점으로 갖기 때문이다.

이는, 세계에서 가장 큰 레이더라도 드웰할 수천 개의 빔 선택을 갖고, 손바닥 크기의 작은 자동차 레이더 시스템이라도 100,000+ 또는 수백만 개의 드웰 선택을 갖기 때문이다. 이는 레이더 엔지니어를 위한 두 개의 일반적인 설계 선택을 도출한다: (i) 드웰간에 기계적으로 스텝하는 것, 또는 (ii) 장면(scene) 전체를 빠르게 스캔하는 공진 거울(resonant mirror)을 이용하는 것. 설계 방식 (i)은 정밀하고 적응적이지만 많은 수의 문의 셀(interrogation cell)이 존재하는 환경에서 극도로 느리다. 설계 방식 (ii)은 역사적으로 적용 가능하지 않았다. 이러한 종래의 설계 접근법을 개선하기 위해, 본 발명자들은 공진 거울 기반 레이더의 단점을 감소시키면서, 공진 스캐닝 거울의 속도 이점을 놓치지 않으면서 역사적으로 기계적인 스테핑 기술에서만 가능했던 정밀성 및 특이성을 달성할 수 있는 기술을 개시한다.

실시예에서, 발명자는 타원형 공액 반사체 리이미징 거울을 포함하는 컴팩트 빔 스캐너 조립체를 개시한다. 타원형 거울이 광학적으로 제1 스캔형 거울과 제2 스캔형 거울 사이에 위치될 수 있다. 렌즈가 제1 스캔형 거울로부터 광학적으로 상류에 위치할 수 있다. 이러한 배열은 (그 밖의 다른 이점 외에도) 두 개의 스캔형 거울이 조립체 내에서 함께 동일한 크기를 갖고 서로 가까이 배치되는 컴팩트 빔 스캐너 설계를 제공할 수 있다. 또한, 리이미징은 특히, 필드 반전(field inversion)과 조합되어 사용될 때 유용할 수 있는데, 왜냐하면 인버터 렌즈를 위해 필요한 추가 업 스코프 윗공간을 제한하기 때문이다.

본 발명의 이들 및 그 밖의 다른 특징 및 이점이 이하에서 당업자에게 설명될 것이다.

도 1a 및 1b는 레이더 송신기/수신기의 실시예를 도시한다.
도 2a는 레이더 송신기의 실시예를 도시한다.
도 2b는 예시적 스캐닝 레이더 송신기에 대한 두 개의 스캔형 거울에 의해 형성된 스캔 영역을 도시한다.
도 2c는 도 2b에 의해 형성된 스캔 배열의 평면도를 도시한다.
도 3은 하나의 실시예에 따르는 필드 스플리터/인버터를 포함하는 빔 스캐너를 도시한다.
도 4는 도 3에 의해 형성된 빔 스캐너 배열의 평면도를 도시한다.
도 5는 필드 스플리터/인버터가 스캔 영역에 걸친 거울의 스캔 패턴을 분할하고 반전시키도록 동작하는 방식을 도시한다.
도 6a는 또 다른 실시예에 따른 필드 스플리터/인버터의 투시도를 도시한다.
도 6b 및 6c는 도 6a의 필드 스플리터/인버터의 추가 도면을 도시한다.
도 6d는 조절 가능한 거울 피치각을 보여주는 힌지된 필드 스플리터/인버터의 실시예를 도시한다.
도 7은 도 6a-c의 필드 스플리터/인버터에서 빔 경로에 대한 예시적 광선 추적을 도시한다.
도 8은 분할/반전된 스캔 영역이 겹칠 수 있는 방식의 예시를 도시한다.
도 9는 레이더 송신기의 상이한 사용예에 대한 성능 결과를 보여주는 표이다.
도 10a는 표준 리사주 스캔 패턴의 예시를 도시한다.
도 10b는 분할/반전된 리사주 스캔 패턴의 예시를 도시한다.
도 10c는 도 10a의 리사주 스캔 패턴의 재방문 성능을 도시한다.
도 10d는 필드 인버터가 고도를 따른 반전을 제공하도록 사용될 때의 분할/반전된 리사주 스캔 재방문의 예시에 따라 재방문 성능의 플롯을 도시한다.도 11a 및 11b는 각각 도 10a 및 10b의 스캔 패턴과 관련하여 스캔 갭이 존재하는 곳을 도시한다.
도 12는 주기적 위상 드리프트를 리사주 스캔 패턴에 도입하기 위한 예시적 프로세스 흐름을 도시한다.
도 13a 및 b는 비-반전된 리사주 스캔 및 반전된 리사주 스캔 각각의 사용예에 대해 지평면 상에도 투사되는 스캔 갭을 도시한다.
도 14a 및 14b는 위상 드리프트가 도입된 예시적 반전된 리사주 스캔 패턴과 위상 드리프트가 도입되지 않은 예시적 반전된 리사주 스캔 패턴을 각각 도시한다.
도 15는 타원형 공액 반사체(ECR) 리이미징 시스템의 실시예를 도시한다.
도 16은 광선 팬 정렬된 리이미징 광소자 없이 구성된 종래의 스캐너에 대한 스캔된 필드를 디스플레이한다.
도 17은 본 발명의 개시된 설계 공식에 따라 선택된 지오메트리를 갖는 리이미저의 실시예를 디스플레이한다. 리이미저로부터 하류를 지향하는 광선 팬이 제2 스캐닝 거울의 중심을 포함하는 평면으로 놓인다.
도 18은 하나의 실시예에 따라 타원형 반사체를 이용해 가능해지는 스캔된 출력 필드에서의 왜곡의 소거를 디스플레이한다.
도 19는 ECR 2D 스캐너의 실시예의 측방도이다.
도 20은 필드 반전의 가상의 저비용 소스로서 페어링된 "키싱(kissing)" 거울의 사용을 도시한다.

도 1a는 레이더 송신기/수신기 시스템(100)의 실시예를 도시한다. 시스템(100)은 시스템 인터페이스 및 제어부(106)와 각각 통신하는 레이더 송신기(102) 및 레이더 수신기(104)를 포함한다. 레이더 송신기(102)는 복수의 레인지 포인트(range point)(110)(설명의 편의상, 도 1a에 이러한 레인지 포인트(108)가 하나 도시되어 있음)를 향해 복수의 레이더 펄스(108)를 송신하도록 구성된다. 레이더 수신기(104)는 레인지 포인트(110)로부터의 이 레이더 펄스의 반사(112)를 수신한다. 레이더 수신기(104)는 반사된 레이더 펄스(112)를 수신하고 처리하여 레인지 포인트 거리[심도] 및 강도 정보의 결정을 보조할 수 있다. 또한 수신기(104)는 (i) 송신 펄스 타이밍에 대한 사전 지식, 및 (ii) 도래각을 결정하기 위한 복수의 검출기의 임의의 조합에 의해, [송신 평면에 비해 수평 및 수직 배향으로] 공간 위치 정보를 결정한다.

실시예에서, 레이더 송신기(102)는 스캐닝 거울을 포함하는 레이더 송신기의 형태를 가질 수 있다. 또한, 실시예에서, 레이더 송신기(102)는, 도 1b에 의해 도시된, (본 명세서에서 "압축 감지"라고 지칭될 수 있는) 사전-스캔 압축을 지원하기 위하여 레인지 포인트 하향 선택 알고리즘을 이용한다. 이러한 실시예는 레인지 포인트 하향 선택을 지원하기 위해 레이더 송신기(102)로 환경 장면 데이터(environmental scene data)를 제공하는 환경 감지 시스템 시스템(120)을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 제어 명령은 레이저 광원에게 언제 발사할지를 명령할 것이며, 송신기 거울에게 어디를 향할지를 명령할 것이다. 이러한 레이더 송신기 설계의 실시예가 2014년 08월 15일에 출원된 미국 특허 출원 번호 62/038,065 및 미국 특허 출원 공개 번호 2016/0047895, 2016/0047896, 2016/0047897, 2016/0047898, 2016/0047899, 2016/0047903, 및 2016/0047900에서 발견될 수 있으며, 이들 출원은 그 전체가 본 명세서에 참조로서 포함된다. 사전-스캔 압축을 사용함으로써, 이러한 레이더 송신기는 지능형 레인지 포인트 타깃 선택을 통해 대역폭을 더 잘 관리할 수 있다. 레이더 수신기(104)의 실시예가 2016년 02월 18일에 출원된 미국 특허 출원 번호 62/297,126 및 미국 특허 출원 공개 번호2017/0242102, 2017/0242105, 2017/0242106, 2017/0242107, 및 2017/0242109, 및 미국 특허 번호 9,933,513에서 발견될 수 있으며, 이들 출원은 그 전체가 본 명세서에 참조로서 포함된다. 이들 참조되고 포함된 특허 출원이 레이더 송신기(102) 및 레이더 수신기(104)에 대한 실시예를 기재하지만, 당업자라면 참조되고 포함되는 특허 출원에 개시된 것과 상이하게 레이더 송신기(102) 및/또는 레이더 수신기(104)를 구현하도록 선택할 수 있다.

도 2a는 앞서 참조되고 포함된 특허 출원에 의해 개시된 바와 같이 레이더 송신기(104)에 대한 실시예를 도시한다. 레이더 송신기(104)는 레이저 광소자(202), 빔 스캐너(204), 및 송신 광소자(206)와 광학 정렬된 레이저 광원(200)을 포함할 수 있다. 이들 구성요소는 원하는 응용분야에서 사용되기에 적절한 형태의 풋프린트를 제공하는 패키징에 하우징될 수 있다. 예를 들어, 레이저 광원(200)이 광섬유 레이저 또는 광섬유-연결 레이저인 실시예에서, 레이저 광소자(202), 빔 스캐너(204), 및 임의의 수신기 구성요소가 레이저 광원(200)을 포함하지 않는 제1 패키징에 함께 하우징될 수 있다. 레이저 광원(200)은 제2 패키징에 하우징될 수 있으며, 광섬유는 제1 패키징을 제2 패키징과 연결하도록 사용될 수 있다. 이러한 배열에 의해, 레이저 광원(200)의 부재로 인해 제1 패키징이 더 작아지고 더 컴팩트해질 수 있다. 또한, 레이저 광원(200)이 광섬유 연결을 통해 제1 패키징으로부터 원격지에 위치할 수 있기 때문에, 이러한 배열은 당업자에게 시스템의 풋프린트에 대해 더 큰 유연성을 제공한다.

제어 정보 송신기 제어 명령, 가령, 시스템 제어부(106)에 의해 생성된 샷 리스트(212)를 기초로, 빔 스캐너 제어기(208)가 빔 스캐너(204)에 의해 수행되는 스캐닝의 속성을 제어할 뿐 아니라 레이저 광원(200)의 발사까지 제어하도록 구성될 수 있다. 폐쇄 루프 피드백 시스템(210)이 빔 스캐너(204) 및 빔 스캐너 제어기(208)에 대해 채용되어, 앞서 참조되고 포함되는 특허 출원에서 설명된 바와 같이, 빔 스캐너(204)의 스캔 위치가 미세하게 제어될 수 있다.

레이저 광원(200)은 본 명세서에 기재된 바와 같이 레이저 펄스 전송에 적합한 복수의 레이저 유형 중 임의의 것일 수 있다.

예를 들어, 레이저 광원(200)은 펄스형 광섬유 레이저일 수 있다. 펄스형 광섬유 레이저는 약 1-4ns의 펄스 지속시간 및 약 0.1-100 μJ/펄스의 에너지 함량을 이용할 수 있다. 펄스형 레이저 광섬유에 대한 반복률은 kHz 범위(가령, 약 1-500 kHz)일 수 있다. 또한, 펄스형 광섬유 레이저는 앞서 참조 및 포함된 특허 출원에서 기재된 바와 같이 단일 펄스 스킴 및/또는 다중-펄스 스킴을 채용할 수 있다. 그러나, 이들 레이저 특성에 대한 그 밖의 다른 값이 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 더 낮거나 더 높은 에너지 펄스가 채용될 수 있다. 다른 예로서, 10의 MHz 범위에서와 같이, 반복률은 더 높을 수 있다 (그러나, 이러한 높은 반복률은 현재 시장 가격 하에서 비교적 비싼 레이저 광원의 사용을 필요로 할 것으로 예상된다).

또 다른 예를 들면, 레이저 광원(200)은 (광섬유 연결이 있거나 없거나) 펄스형 IR 다이오드 레이저일 수 있다. 펄스형 IR 다이오드 레이저는 약 1-4ns의 펄스 지속시간 및 약 0.01-10 μJ/펄스의 에너지 함량을 이용할 수 있다. 펄스형 IR 다이오드 광섬유에 대한 반복률이 kHz 또는 MHz 범위(가령, 약 1 kHz - 5 MHz)일 수 있다. 또한, 펄스형 IR 다이오드 레이저는 앞서 참조 및 포함된 특허 출원에서 기재된 바와 같이 단일 펄스 스킴 및/또는 다중-펄스 스킴을 채용할 수 있다.

레이저 광소자(202)는 레이저 광원(200)에 의해 생성된 레이저 빔을 시준하도록 기능하는 텔레스코프를 포함할 수 있다. 레이저 광소자는 희망 빔 확산도 및 빔 품질을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 다이오드와 거울 간 연결 광소자, 다이오드와 광섬유 간 연결 광소자, 및 광섬유와 거울 간 연결 광소자가 당업자의 필요에 따라 채용될 수 있다.

빔 스캐너(204)는 레이저 송신기(104)에게 레이저 펄스에 의해 희망 레인지 포인트가 타깃되도록 하는 스캐닝 능력을 제공하는 구성요소이다. 빔 스캐너는 (레이저 광소자(202)에 의해) 레이저 광원(200)으로부터 들어오는 레이더 펄스를 수신하고 이동형 거울로부터의 반사를 통해 이 레이더 펄스를 희망 하향레인지 위치(가령, 샷 리스트 상의 레인지 포인트)로 지향시킨다. 거울 이동은 빔 스캐너 제어기(208)로부터 수신된 하나 이상의 구동 전압 파형(216)에 의해 제어될 수 있다. 복수의 구성 중 임의의 것이 빔 스캐너(204)에 의해 채용될 수 있다. 예를 들어, 빔 스캐너는 이중 MEMS(microelectromechanical system) 거울, 회전하는 다각형 거울과 조합되는 MEMS 거울, 또는 그 밖의 다른 배열을 포함할 수 있다. 적절한 MEMS 거울의 예시로 단일 표면 팁/틸트/피스톤 MEMS 거울이 있다. 또 다른 예를 들면, 이중 MEMS 거울 실시예에서, 단일 표면 팁 MEMS 거울 및 단일 표면 틸트 MEMS 거울이 사용될 수 있다. 그러나 이들 MEMS 거울의 어레이가 또한 채용될 수 있음이 이해될 것이다. 또한, 이중 MEMS 거울이 다수의 주파수 중 임의의 것으로 동작될 수 있으며, 이들의 예시가 앞서 참조되고 포함되는 특허 출원에 기재되어 있으며, 추가 예시가 이하에서 언급된다. 그 밖의 다른 배열의 또 다른 예를 들면, 소형 검류계 거울이 고속-축 스캐닝 거울(fast-axis 스캐닝 거울)로서 사용될 수 있다. 또 다른 예로서, 음향-광학 편향기 거울이 저속-축 스캐닝 거울(slow-axis 스캐닝 거울)로서 사용될 수 있다. 또한, 이하에서 기재되는 나선 역학 스캔 패턴을 채용하는 실시예에서, 거울은 공진하는 검류계 거울일 수 있다. 이러한 대안적 거울이 많은 출처 중 임의의 것, 가령, New York의 Electro-Optical Products Corporation로부터 획득될 수 있다. 또 다른 예로서, 광자 빔 조향 장치, 가령, Colorado의 Vescent Photonics사에 의해 이용 가능한 것이 저속-축 스캐닝 거울로서 사용될 수 있다. 또 다른 예를 들면, 위상 어레이 디바이스, 가령, DARPA SWEEPER 프로그램에 의해 개발된 것이 고속 축 및/또는 저속 축 거울을 대신하여 사용될 수 있다. 더 최근에는, 액정 공간 광 변조기, 가령, Boulder Nonlinear Systems 및 Beamco에 의해 제안된 것이 사용되도록 고려될 수 있다.

또한, 빔 스캐너(204)가 이중 거울을 포함하는 실시예에서, 빔 스캐너(204)는 제1 거울과 제2 거울 간 릴레이 이미징 광소자를 포함할 수 있으며, 이로 인해, 두 개의 작은 고속 축 거울(가령, 하나의 작은 고속 거울 및 이보다 느린 하나의 긴 거울과 달리, 두 개의 고속 거울)이 사용될 수 있다.

송신 광소자(206)가 구경을 통해 빔 스캐너(204)에 의해 타깃된 대로 레이더 펄스를 희망 위치로 전송하도록 구성된다. 송신 광소자는 당업자가 원하는 대로 다수의 설정 중 임의의 것을 가질 수 있다. 예를 들어, 송신 광소자(206)의 일부로서 이색성 빔 스플리터를 이용해 환경 감지 시스템(106)과 송신기(104)가 하나의 경로로 광학적으로 조합될 수 있다. 또 다른 예를 들면, 송신 광소자가 앞서 참조되고 포함된 특허 출원에서 기재된 바와 같이 확대 광소자 또는 디스코핑[가령, 광각] 광소자를 포함할 수 있다. 또한, 정렬 픽오프 빔 스플리터가 송신 광소자(206)의 일부로서 포함될 수 있다.

스캔 영역 내 희망 영역 상의 레이더 송신기의 시선을 최적화하기 위한 필드 분할 및 반전 :

빔 스캐너 제어기(208)는 전압 파형(214)을 빔 스캐너의 거울을 희망 스캔 위치 페어링(가령, 스캔 각)으로 구동시킬 빔 스캐너(204)로 제공할 수 있다. 전압 파형(214)은 스캔 영역 내 레이더 송신기(102)의 타깃팅을 위한 스캔 패턴을 정의할 것이다. 빔 스캐너 제어기(208)에 의해 생성된 발사 명령어(214)가 스캔 패턴과 조화되어, 레이더 송신기(102)가 레이저 펄스를 스캔 영역 내 희망 레인지 포인트로 발사하게 할 수 있다. 빔 스캐너 제어기(208)에 대한 실시예가 앞서 참조되고 포함된 특허 출원에 기재되어 있다.

도 2b는 회전 축(258 및 260))에 대한 거울(250 및 252)의 각각의 위치설정이 스캔 영역(254) 내 빔 스캐너에 대한 타깃팅을 정의하는 예시적 빔 스캐너 배열을 도시한다. 방향(256)으로부터 레이저 광원(200)으로부터 시작되는 들어오는 입사 레이저 펄스가 스캐닝 거울(250)에 충돌할 것이며, 이로부터 스캐닝 거울(252)로 반사되고, 여기서 스캔 영역(254) 내 레인지 포인트를 향해 반사된다. 스캐닝 거울(250 및 252)의 위치설정이 스캔 영역(254) 내 어느 수평 및 수직 위치가 타깃되는지를 제어할 것이며, 그런 다음 이들 위치에 대한 레인지[심도]가 수신기 내 펄스 압축 처리로부터 추출될 것이다.

하나의 실시예에서, 거울(250)은 빔 스캐너가 스캔 영역(254)의 제1 축(262)을 따라 타깃되는 곳을 제어할 수 있고, 거울(252)이 빔 스캐너가 스캔 영역(104)의 제2 축(264)을 따라 타깃되는 곳을 제어할 수 있다. 제1 축과 제2 축은 서로 직교할 수 있다(가령, 수평 X-축 및 수직 Y-축). 이 실시예에서 제2 거울(252)이 제1 거울(250)보다 더 크게 보인다. 이는 제1 거울이 스캔함에 따라 각의 스윕(sweep)이 발생하기 때문이며, 이러한 세 가지 위치가 도면에 나타난다. 컴팩트화가 (250)과 (252) 사이에 릴레이 이미징 광소자를 도입시키는 것이 바람직하며, 이는 제2 거울의 크기를 감소시킨다. 하나 또는 둘 모두의 거울이 공진 주파수로 스캐닝할 때, 스캔 속도는 스캔 영역의 중앙에서 빠를 것이고 스캔 영역의 가장자리에서 느릴 것이다. 이 특성이 빔 스캐너 배열의 평면도를 제공하는 도 2c에 나타나 있다. 도 2c에서, 거울(250)이 공진하여 스캔할 때, 스캔 영역(254)의 X-축(262)을 따르는 빔 스캐너의 타깃팅이 스캔 영역의 가장자리에서보다 중앙에서 더 빠를 것이다. 스캔 영역(254)의 Y-축(264)과 관련하여서도 동일하게 적용된다(타깃팅이 스캔 영역의 가장자리에서보다 중앙에서 더 빠르게 이동할 것이다). 스캔 영역의 중앙에서의 이 높은 속도가 당업자가 스캔 영역의 중앙에 더 많은 수의 레인지 포인트를 포함 및/또는 스캔 영역의 중앙에 행간 스킵/우회로를 포함하는 스캔 패턴을 구현하기를 원할 때 효율성 문제를 제기할 수 있다. 레이더 송신기와 관련된 행간 스킵(interline skip) 및 우회로의 기술이 앞서 참조되고 포함된 특허 출원에서 발견될 수 있다. 이러한 "중앙에서 빠른" 스캔 특성은 리사주(Lissajous) 스캔 패턴을 달성하기 위해 두 개의 거울이 모두 공진하며 스캔될 때 특히 예리하다(이의 실시예는 이하에서 기재됨). 리사주 스캔 패턴에 의해 거울이 높은 속도로 스캔될 수 있으며, 따라서 고속 이동 스캔 패턴을 제공한다. 그러나, 리사주 스캔 패턴이 주요한 예인 "중앙에서 빠른"스캔 특성으로, 레이더 송신기는 적어도 레이저 발사 속도를 증가시키거나(이는 펄스 에너지를 감소시킬 수 있음) 스캔 패턴에 추가 라인 반복을 포함하지 않고, 스캔 영역의 중앙 내 모든 레인지 포인트에 레이더 펄스를 발사할 충분한 시간을 갖지 않을 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 발명자는 스캔 영역이 스캔의 고속 부분이 스캔 영역의 가장자리에 위치하고, 스캔의 저속 부분이 스캔 영역의 중앙에 위치하도록 하는 방식으로 분할되고 반전되도록, 거울(250 및 252)의 광학적으로 하류에 위치하고 거울로부터 나가는 레이더 펄스를 수신 및 방향전환시키도록 위치하는 광학 필드 스플리터/인버터(본 명세서에서 "필드 인버터(field inverter)")의 사용을 개시한다.

도 3은 스캐닝 레이더 송신기에 대한 빔 스캐너가 거울(250 및 252)의 광학적으로 하류에 위치하고 도 2b의 스캔 영역(254)에 대해 스캔 영역을 분할 및 반전하는 필드 스플리터/인버터(300)를 포함하는 실시예를 도시한다.

간략한 설명을 위해, 이 예시에서, 빔 스캐너는 이중 MEMS 거울의 형태를 가질 수 있는 거울(250 및 252)을 포함한다. 그러나, 그 밖의 다른 거울이 제1 및/또는 제2 거울을 위해 사용될 수 있음이 이해되어야 한다(가령, 갈보-미터 거울(galvo-meter mirror)). 제1 거울(250)은 입사 레이더 펄스를 수신하도록 위치설정된다. 거울(250)은 이 레이더 펄스를 제2 스캐닝 거울(252)로 반사할 것이다. 이 반사는 거울(250)로부터 반사된 빔이 거울(252)까지 가는 중에 릴레이 이미징 광소자, 가령, 단일 확대 텔레스코프를 통과하도록 직접 반사 또는 간접 반사일 수 있음이 이해되어야 한다. 거울(252)은 거울(250)로부터 반사된 레이저 펄스를 수신하고 이 레이저 펄스를 필드 인버터 거울(300) 상으로 더 반사시키도록 위치설정된다. 그런 다음 이 거울로부터의 반사가 텔레스코프/디스코프를 통과하여, 빔 스캐너에 의해 타깃팅되는 샷 리스트의 레인지 포인트에 대응하는 스캔 영역(302) 내 지정 수평/수직 위치로 이동하는 출력 레이저 펄스(108)를 생성할 수 있다.

제1 및 제2 거울(250 및 252)은 앞서 언급된 바와 같이 각자의 회전 축(258 및 260)을 중심으로 제어 가능하게 회전될 수 있다. 따라서, 거울(250)은 스캔 영역의 X-축을 따르는 스캔 영역(302) 내 레이더 펄스의 위치를 제어하도록 회전 가능할 것이며, 거울(252)은 스캔 영역의 Y-축을 따르는 스캔 영역(302) 내 레이더 펄스의 위치를 제어하도록 회전 가능할 것이다. 따라서 레이더 펄스가 각각의 거울에 충돌할 때 각자의 회전 축을 따르는 거울(250 및 252)의 조합된 위치가 시작된 레이더 펄스(108)를 스캔 영역(302) 내 희망 위치로 지향시키기에 효과적일 것이다. 하나의 실시예에서, X-축 거울(250)은 공진하여 스캔된다. 그러나 Y-축 거울(252)도 공진하여 스캔될 수 있음이 이해되어야 한다. 또한, 거울(250 및 252)의 임의의 조합이 공진하여 스캔될 수 있다.

축들 중 하나가 "고속 축"으로 역할 할 수 있으며 다른 한 축이 "저속 축"으로서 역할 하여 거울(250 및 252)의 상대적 스캔 속도를 반영할 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, X-축이 고속 축으로서 역할 할 수 있고, Y-축이 저속 축으로서 역할 할 수 있다. 시스템에서 90도 위치 회전이 X-축을 저속 축으로 만들고 Y-축을 고속 축으로 만들 것이기 때문에 고속 축을 X-축으로서 지정하고 저속 축을 Y-축으로서 지정하는 것은 임의적임을 당업자라면 이해할 것이다. 또한, 하나의 실시예에서, 거울 영역에서 고속 축 거울이 저속 축 거울보다 작고 저속 축 거울의 상류에 위치된다(즉, 고속 축 거울이 레이더 펄스를 수신하고 이를 저속 축 거울로 반사시켜 타깃 레인지 포인트로 전송되게 한다). 그러나 이 구성은 또 다른 실시예에 대해 변경될 수 있다. 예를 들어, 저속 축 거울을 고속 축 거울보다 크게 만드는 것이 더 큰 스캔 영역을 가능하게 하는 관점에서 유익함을 제공하지만, 스캔 영역의 크기의 감소가 허용될 수 있는 실시예의 경우, 저속 축 거울이 고속 축 거울보다 동일한 크기 또는 심지어 더 작은 크기를 가질 수 있다. 또 다른 예를 들면, 고속 축 거울이 저속 축 거울의 하류에 있는 경우, 리-이미징 광소자, 가령, 릴레이 이미징 광소자가 두 개의 거울 사이에서 사용되어 이러한 배열을 지원할 수 있다.

도 3은 광학 필드 스플리터/인버터(300)가 거울(252)에 의해 반사되는 레이더 펄스를 수신 및 방향 전환시키도록 위치되는 실시예를 도시한다. 따라서 필드 스플리터/인버터(300)가 거울(250 및 252)로부터 광적으로 하류에 위치한다. 필드 스플리터/인버터(300)는 송신기에 대한 시야(field of view)를 분할하고 분할된 시야를 반전시키는 거울 또는 렌즈를 포함할 수 있다. 도면은 거울/반사체가 사용되며 따라서 이미징된 장면(302)이 가장 오른쪽에 MEMS 조립체 너머에 있음을 가정한다.

하나의 실시예에서, 필드 인버터(300)는 도 3에 도시된 W-형태로 배열된 반사체의 형태를 가질 수 있다(도 3 배열의 평면도인 도 4를 또한 참조할 수 있다). 여기서, 제2 거울(107)로부터 시작된 레이저 펄스가 반전되고 속도 반전된 방식으로 이미징될 장면(302)까지 전달된다. 시작된 펄스(108)는 저속으로 스캐닝할 것이고 (107)은 고속으로 스캐닝할 것이다(그 반대도 가능).

도 4는 도 3의 빔 스캐너 배열의 평면도이며, 최종 시야/스캔 영역에 미치는 필드 인버터(300)의 영향을 도시한다. 앞서 설명된 바와 같이, 도 1 실시예(빔 스캐너가 중앙에서는 빠르고 가장자리에서는 느리게 스캔 영역을 스캔하고, (거울(102) 위에 도 4에 의해 도시된 삽입부에서 반영되듯이) 거울(250)은 공진하여 스캔함)와 다르게, 도 3 및 4의 실시예의 빔 스캐너는 필드 인버터(300) 때문에 중앙에서 느리고 가장자리에서 빠르게 스캔 영역을 스캔한다. 도 3 및 4의 빔 스캐너에 대한 빔 광선 경로가 도 4에 화살표로 나타나 있으며, 그 밖의 다른 방식으로 스캔 영역의 중앙에 도착한 빔이 필드 인버터를 통해 스캔 영역(400)의 가장자리로 방향전환됨을 (302)의 평면도로 알 수 있다.

도 5는 빔 필드에 미치는 필드 인버터(300)의 영향을 도시한다. 도 5의 상부 프레임이 거울(250)이 공진하여 스캐닝하는 중일 때 필드를 가로지르는 스캔 속도의 플롯을 도시한다. 나타나듯이, 스캔 속도는 필드의 가장자리에서보다 중앙에서 더 빠르다. 필드 인버터(300)는 분할 효과 및 반전 효과를 제공한다. 도 5의 중앙 프레임이 라인(500)에서 분할 효과를 보여주고, 여기서 필드는 두 개의 절반으로 분할된다. 도 5의 하부 프레임이 각각의 분할된 필드에 작용하는 반전 효과를 보여준다(여기서, 라인(500)에 의해 정의된 각각의 절반이 반전된다). 도 3 및 4의 실시예에서, 분할된 라인(500)이 필드 인버터의 W-형태의 중앙 피크에 대응한다. 분할된 라인(500)에 대응하는 이 중앙 피크가 시야의 중앙 내에 있도록 필드 인버터(300)는 광학적으로 위치설정될 수 있다. 필드 인버터(300) 때문에, 각각의 분할된 필드 내 빔 스캔 경로가 반전된다. 이는 도 5의 하부 프레임에 의해 도시된 필드를 가로지르는 스캔 속도의 플롯을 생성한다. 나타나듯이, 이제 스캔 속도는 필드의 중앙에서보다 가장자리에서 더 빠르게 된다. 이 스캔 특성이 레이더 송신기에게 프레임의 중앙에 레인지 포인트의 그룹을 수용하기 위한 더 많은 시간을 제공한다. 또한, 샷 리스트 및 행간 스킵 및/또는 우회를 포함하는 동적 스캔 패턴을 이용하는 레이더 송신기와 페어링될 때, 이 스캔 특성은 또한 레이더 송신기에게 프레임의 중앙에서 발생할 수 있는 행 스킵 및/또는 행 우회를 수용할 시간을 더 제공한다.

레이더 송신기에 의해 채용되는 샷 리스트는 샷 리스트 상으로의 레인지 포인트의 리-매핑을 이용해 분할 및 반전된 시야를 수용할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 필드 인버터(300)는 도 6a에서 도시된 바와 같이, 삼각 프리즘(600)의 형태를 취할 수 있다. 삼각 프리즘(600)은 이하에서 언급된 바와 같이 광 펄스의 반사를 위한 반전된 V-형태를 형성할 수 있다. 도 6의 예시적 삼각 프리즘이 투시도로 도시되고 프리즘(600)의 대향 단부에 제1 삼각면(602)과 제2 삼각면(604)을 포함하는 형태를 보여준다. 제1, 제2, 및 제3 면(606, 608, 및 610)이 각각 도 6에 도시된 삼각 프리즘(600)의 하부면, 우측면, 및 좌측면으로 역할 하고, 이들 면이 삼각면(602 및 604)을 연결한다. 도 6a의 예시에서, 삼각면(602 및 604)은 면(606, 608, 및 610)과 관련하여 수직으로 배향되지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 삼각 프리즘(600)은 반사성 물질로 처리되며 바운스 경로(bounce path)가 발생할 수 있는 활성 영역을 가지며 입사 레이저 파장에 투과성인 임의의 물질로 형성될 수 있다. 빈 공간(공기 또는 진공)이 레이더 레이저 광에 투과성이기 때문에, 원하는 제조에 따라 프리즘은 비어 있거나 치밀할 수 있다.

도 6a의 도면은 프리즘 내부의 시각화를 가능하게 하기 위해 부분적으로 투명한 거울을 갖는 레이저 피드 (107) 위의 사시도이다. 도 6b는 도 6a의 삼각 프리즘(600)의 수직 절단도를 제공하며, 도 6c는 도 6a의 삼각 프리즘(600)의 깊이 절단도를 제공한다. 이 예시에서, 우리는 수평 방향(방위각)을 고속 축 스캔으로 취하며 반전시키려 할 수 있으며, 고도가 스텝-스캔 또는 공진 스캔될 수 있다. 도 6에 도시된 프리즘(600)의 구조는 이 선택에 따라 변하지 않는다.

도 6a를 참조하면, 레이저 펄스(107)가 주입 영역(620)을 통해 프리즘(600)에 들어간다. 정확한 진입 위치(622)는 스캔 영역에 걸쳐 스캔 패턴을 정의하기 위해 거울에 의한 스캔의 결과로 변할 것이다. 따라서 주입 영역(620)이 이러한 가능한 진입점의 범위를 가리키기 위해 박스 영역으로서 도 6a에 도시되어 있다. 프리즘(600)으로 진입한 후, 펄스(107)는 하부면(606)의 내부 부분 상에서 반사체 거울(624)에 충돌할 때까지 선형으로 이동할 것이며, 여기서 반사체 거울(624)이 프리즘(600) 내에서 깊이로 오프셋되어 있다. 도 6a의 표시점(bullet point)은 프리즘(600) 내 반사(즉, "바운스") 지점을 나타내고, 이 지점에서 (600)을 통과하는 펄스가 새로운 방향으로 반사된다. 각각의 바운스 지점이 펄스(107)에 대한 바운스의 순서를 기초로 I, II, 또는 III로 라벨링된다. 따라서, 펄스가 반사체 거울(624)에 충돌한 후, 우측면(608)의 내부 부분(바운스 지점 II) 상에서 반사체 거울에 충돌하고, 그 후 펄스(107)는 방향 전환되어 좌측면(610)의 내부 부분(바운스 지점 III)에서 반사체 거울에 충돌한다.

주입 지점(622)에서의 레이저 주입각이 수직에서 수평으로 비스듬하게 선택된 부분일 수 있다. 이로 인해 펄스(107)가 오른쪽 거울(608)(바운스 지점 II) 및 왼쪽 거울(610)(바운스 지점 III) 모두에 대해 바운스할 수 있으며, 최종적으로 장애물 없이 출구 컷(626)을 통해 외부 렌즈(670)(가령, 도 6c 참조, 가령, 업/다운 스코프) 상으로 프리즘(600)을 빠져나올 수 있다. 거울(608)에 대한 측면 피치 각을 z+로 지정한다. 도 6b를 참조하면, 스캐닝 거울(250 및 252)의 방위각 스캔이 바운스 지점 I-III을 통해, 도면의 우측에 두 개의 점선들 사이에 형성된 각 f(654)로 매핑된다. 원거리 각(far field angle) S(655)는 우측의 수직 점선과 필드 반전 조립체를 빠져 나오는 펄스(108)의 "비행 궤적" 사이의 각으로부터 형성된다. 합동 인수로부터 S 임을 볼 수 있다. 도 3 및 4의 W 실시예에서와 같이, (107)이 저속일 때 펄스(108)는 고속이며 각도는 회전 관계이기 때문에 그 반대의 경우도 가능하다. 갭(500)을 피하려 할 때 우리의 목표는 스캔할 수 있는 가장 좌측 각도가 수직이도록, 즉 S(min)=0이도록 를 설정하는 것이다. 이는 스캔 각이 수직으로 시작하고 우측으로 이동함을 보장하며, 그 밖의 다른 곳에서 시작하는 경우 슬릿(500)이 클 것이며, 그렇지 않다면 무시할만한 수준으로 작고 크리핑 파(creeping wave)로 한정된다. 대수학에 따르면 임을 알 수 있다(654 텍스트 참조). 스캐닝 거울 방위각 스캔이 로 설정될 때[(107)의 궤적이 가장 빠름], 시작된 펄스(108)가 로 전송됨을 알 수 있다. 마찬가지로, 스캔이 이의 각도로 이뤄질 때, 를 획득할 수 있다. 따라서 우리는 희망 거울 피치 각으로서 를 획득한다. 이는 사전-반전 스캔 각 및 장면 방위각 위치설정과 관계될 때 필드 반전 프리즘 형태의 외부(602-610)를 완성한다. 프리즘 내부 구조 및 고도 스캔에 대한 논의가 남아 있다.

도 6c를 참조하면, 주입각 c[스캐닝 출력 펄스(107)에 대한 수직 각])(675)이 이러한 정확히 동일한 값의 희망 원거리 고도 스캔 각을 생성할 것이다, 즉, c(675)가 광선의 내림각(670)과 동일하다. 주입 고도 각 c가 c'에서 c로 변함에 따라, 각 e(673), 스캐닝 거울의 고도 스워스(elevation swath)을 스윕한다. 그런 다음 도 6c의 바운스 포인트 I가 프리즘 베이스(674)를 따라 이동할 것이다. 이 스윕의 길이가 거울 내부가 반사성 표면으로 처리되어야 하는 범위를 결정함이 자명할 것이다. 전체 프리즘 장치가 투영 지오메트리를 고려하기 위한 전체 스케일 팩터에 의해 스케일될 수 있다. 구체적으로, 프리즘으로부터 시작된 펄스가 벡터 를 따라 이동할 것이다. x,h 분석을 2 차원 문제로서 취급하고 그 후 sin(c)의 스케일 팩터에 의해 보정할 수 있음을 알 수 있다. 이 관측은 사실 우리가 이전에 했던 것처럼 문제를 x,h로, 그 후 y,h로 분해 할 수 있게 해주는 것이다.

또한 도 6b에는 수평 대칭축에서 주입 지점(622)을 가로지르는 점선 (660)이 도시되어있다. 이 점선(660)은 레이저에 의해 이동되지 않으며, 모델링에서 제1 바운스 지점 I에 대한 실제 경로를 대체할 수 있는 가상 경로이다. 이렇게 함으로써 기하 수학이 크게 단순화된다. 스캐닝 거울로부터 도착한 레이저 펄스(107)가 조명되는 거울(252) 상의 상이한 포인트로 인해 상이한 위치로부터 올 것임을 관찰할 수 있다. (107)이 이동한다는 사실이 수학을 복잡하게 만들며, 대칭을 적용하고 레이저 펄스가 다른 도래각으로 포인트(650)로부터 기원하는 것인 채 하는 것이 훨씬 더 쉽다.

우리는 지금부터 일부 표기를 소개할 수 있다. 수평 방향을 x로 지정하고, 고도를 h(높이)로 지정하며, 프리즘의 깊이, 즉, (602와 604)를 연결하는 라인을 따르는 거리를 y로 지정한다. 이 표기를 이용해, 도 6a는 x,h 평면에서 면(602, 604)을 갖고 하부면은 x,y 평면에 놓이는 프리즘(600)을 보여준다. 그 후, 우리는 아래첨자 l,r를 도입해 각각 좌측면 및 우측면 거울(610 및 608)을 지시할 수 있다. 이는 거울 피치 각이 z로 표현되고, 이때, 임을 의미한다.

이 표기법은 프리즘(600)의 수학적 표현을 단순화한다. V 형태의 피치 각이 z⁺이고, (z⁺의 각도 보완인) V 형태 내의 내부 각이 z^-이다. 필드 반전은 레이저 각이 이하에서와 같이 이들 각을 겪는 수학적 댄스를 통해 정의된다. 표기 f(654)는 우리가 원거리에서 원하는 수평 방향에서의 스캔 각을 지시하며, 또한 S(655)와 동일하다. 표기 c'는 (도 6a 상의 수직축으로부터 측정될 때) 고도 스캔에서 사용되는 (펄스(107)가 경로(672)를 따라 이동할 때) 가장 가파른 하향 주입 각을 지시한다. 표기 c는 수평에 대해 측정될 때(도 6c의 수평 축을 참조) 0에서 e(673)까지 변하는 조절 가능한 원거리 고도 각이다(도 6c 참조). 우리는 표기가 임을 도입했고, 제2 스캐닝 거울(252)이 펄스를 출력하는 하나의 시점에서의 방위각 스캔 각이 레이저 주입 지점(622)에서 제공된다. 원거리 각 f는 로 표현될 수 있다. 대칭적으로, 우리가 도 6b에 도시된 바와 같이 정의된 왼쪽 및 오른쪽을 이용해, 오른쪽 대 왼쪽 스캔을 시작할 때 동일한 거동이 발생할 것이다. 가 반전되었기 때문에, 프리즘(600)은 분할 및 반전을 달성한다.

덧붙여, 프리즘(600)이 막히는 부분이 없음을 보이기 위해, 스케일링을 올릴 수 있다. 도 6c는 입/출력 불변성(673)을 계산하기 위한 중간으로서 yr에 대한 깊이 공식을 보여준다. 이 공식은 깊이로 측정될 때 외부 디스코프/텔레스코프 렌즈(670)를 마지막 바운스 III 너머에 위치하도록 사용될 수 있다.

바람직한 경우, 위치 센서(도시되지 않음, 가령, 4 쿼드 위치 센서)가 제2 스캐닝 거울(252) 근처에 배치되어 거울(252)의 스캔 위치를 정밀하게 결정할 수 있고, 이로써, f에 대한 상기 공식을 벗어나 물질 결함을 교정하는 것이 가능하다. 이 교정은 2차 파장(secondary wavelength)을 펄스(108)에 추가하고 주파수/파장-선택적 거울(가령, 이색 거울(674))을 주입 지점(622) 근처에 배치함으로써 이뤄질 수 있다. 이 거울은 시간의 흐름에 따라 거울(252)에 대해 스캔 위치의 정확한 검출을 위해 2차 파장의 광을 선택적으로 위치 센서로 반사시킬 수 있다. 또한 이색 거울이 필요에 따라 거울(250)의 스캐닝을 교정하도록 사용될 수 있다.

또한, 원거리 각 S에 적용되는 테일러 급수가 모든 실용적 목적으로 임을 보일 것이다. 이 공식은 거울(252)의 스캐닝 및 거울 피치 각 z⁺을 조절함으로써 원거리 패턴의 변형, 즉, 수정된 원하는 각 S의 획득을 구성하는 데 사용될 수 있다. 이 점을 넘어선 수정은 대부분의 회절 제한 상용 시스템에 대한 광학 어셈블리의 결함을 교정하여 가려질 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이, 이러한 교정은 이색 거울(674)에 의해 달성될 수 있다. 시간 왜곡을 분석적으로 수정함으로써, 사인파형 스캔 거울 제어 신호를 원거리 상의 스캔 위치와 관련시키는 시간 왜곡 교정의 범위와 복잡도가 크게 단순화될 수 있다.

또한, 우측 및 좌측 거울(608 및 610)이 그 전체가 단방향으로 또는 주입 영역(620)에 걸쳐 선택되어 주입 영역(620)이 또한 가능한 바운스 지점이 될 수 있도록 함이 이해되어야 한다. 동일한 물리적 거울 재산의 이러한 용도 변경이 더 컴팩트한 설계를 야기할 수 있으며, 따라서 비용, 중량, 및 크기가 절약된다. 실시예에 대한 최소한으로서, 우리는 V의 다른 면 상의 거울 이미지가 그래야 하는 것처럼 V의 하부에 의해 도 6b의 포인트(622)까지 추적되는 프리즘 면의 세그먼트가 양방향이어야 함을 요구할 수 있다. 이에 대한 이유는 가 거의 0에 가까워짐에 따라, 우리는 플레이트(624)에서 (660)으로 이동할 때 뒤로 바운스를 원하며, 또한 반대 방향으로 이동할 때 V의 하부에서 바운스의 부재를 원하기 때문이다.

덧붙여, 광선 추적이 사용되어 프리즘 내부의 어느 영역이 동작 동안 레이저 펄스(108)에 대해 바운스 지점으로서 역할 하는지를 결정할 수 있다. 도 7의 왼쪽 절반부가 1 mm의 인터 스캐닝 거울 공간 및 1 mm의 반사체 치수까지의 V 슬롯 베이스에 대해, mm로 도시된 스캔 볼륨에 걸친 xl,yl(플롯의 좌측부) 및 xr,yr(플롯의 우측부) 광선 추적 및 출구 창(626)에서 레이징되는 영역을 보여준다. (702)의 x-축이 L-R 거울 x-축(610, 608) 시작을 선택하도록 사용되고 (704) x-축이 거울(610, 608) y-축 시작을 선택하도록 사용될 수 있다. (706)의 y-축이 깊이에서 종점으로서 사용될 수 있다. 도 7의 우측 절반에서 도시된 바와 같이, 우리는 출구 창(626)의 시작(내부 종점)이도록 (708)의 x,y 위치를 이용할 수 있고 (710)의 x,y 위치를 출구 창(626)의 종단부(외부 종점)이도록 이용할 수 있다. 우리는 일정한 높이이도록 출구 창 실시예를 이용하기 때문에 프리즘(606)의 하부가 업/다운스코프에 직접 부착되는 출구 창(626)과 동일 평면 상에 있다. 그러나 컴팩트화가 필요로 할 수 있기 때문에, 업-스코프와의 비스듬한 계면이 선택될 수 있고, 광선 추적이 여전히 사용되어 프리즘 치수에 대한 요건 및 단방향 거울 최소 면적을 결정할 수 있다. 지금까지 우리는 거울(610/608/606)의 사각형 경계면을 정의했다. 이제 바운스 I, II 또는 III을 수용하지 않는 거울 공동의 일부분이 제거될 수 있다. 이는 (702, 712, 706 및 704, 710, 714)에 의해 추적되는 윤곽을 계산하고 거울(즉, 반사성 코팅)을 모든 각 세트에 걸쳐 변하는 수반되는 볼록 껍질(convex hull)에 할당함으로써 이뤄질 수 있다. 거울은 각자의 스캔 각에 걸쳐 스캐닝 거울 출력의 x,r를 광선 추적함으로써 결정된 영역에 걸쳐 단방향일 필요만 있다. 이 프로세스를 통해, 제조 및 원재료 비용을 감소시킬 수 있는 거울 컴팩트화가 달성될 수 있다.

겹쳐진 반전/분할(Overlapped Inversion/Splitting):

필드 인버터(300)가 겹치는 반전/분할된 시야를 제공하도록 구성될 수 있다. 이 구성은 거울 반전을 필드 보기 방향과 분리할 뿐 아니라 단일 축 스캔 내 필드 보기 방향당 복수의 거울 반전을 가능하게 한다. 이 겹침 효과는 원하는 영역, 가령, 시야의 중앙 또는 중심선을 따라 더 긴 응시를 가능하게 한다. 따라서 필드 인버터(300)는 시야를 두 개의 겹치지 않는 필드로 분할할 필요가 없음이 이해되어야 한다. 겹침을 달성하기 위해, 펄스(108)의 시작 각, 즉, 각 S가 스캔 각 의 극 값에서 음(즉, 수직의 왼쪽)으로 스윙하도록 거울 피치 각 z⁺이 수정될 수 있다.

겹치는 부분을 생성함으로써, 우리는 특정된 포비에이션 구역(foviation zone)의 이중 재방문에 대해 높은 고도 스캔 시간을 교환하고, 이는 근처 장애물을 회피하는 데 유용할 수 있는 더 깊은 보기를 가능하게 한다.

이 배열의 예시가 도 8에 도시되어 있다. 이 예시에서, 우리는 방위각(수평축)에서 필드 반전하도록 선택하고, 이때 선택된 스캔 볼륨이 45도, 이다. 필드 반전 없이, 거울(252)에 대한 x-축, 공진 스캔 각과 수직 축, 원거리 스캔 각 f 간 관계가 동일할 것이다, 즉 = 이다.

필드 반전이 있으면, 우리는 공진 거울 스캔 각이 -22.5도에서 0도가 됨에 따라, 원거리 스캔 각 f 범위가 0에서 -22.5도가 됨을 관측한다. 이 "뒤집힘"은 수학적으로 f의 공식으로 표현되며, 여기서 편이(4z)가 있고 수직축을 수평축에 관련시키는 음의 부호가 존재한다. 거울 스캔이 0-에서 0+로 이동하는 순간, 원거리 스캔 각 f가 -22.5도에서 21도까지 뒤집힌다. 겹침이 없을 때, 이러한 플립이 21도보다는 22.5도에서 종료될 것이다. 겹치는 스캔과 겹치지 않는 스캔의 차이가 이하에서 기재되겠지만 힌지(hinge)에 의해 실시간으로 정의되고 획득될 수 있다. 원거리 스캔 각도를 21도에서 시작하고 스캐닝 거울에서 22.5도 순으로 스윙해야 하기 때문에, (겹치지 않은 필드 반전의 경우의 0과 다르게) 다른 방향으로 -1.5도에서 끝낸다. 이러한 변화가 (더 많은 레인지 포인트 검출에 대한 필요성이 있는 것으로 예상되는) 각각의 스캔 레그에 대해 수평선을 두 번 스캔하기 때문에 겹침의 유익한 효과를 제공한다.

도 8의 수평축이 스캐닝 거울(가령, MEMS 거울)이 "보는" 각이다. 스캐닝 거울이 자신의 방향을 변경할 때 가장 느리기 때문에, 도 8의 상부의 곡선으로부터, 스캐닝 거울이 중심(0도)에서 가장 빠르게 이동하는 중임을 알 수 있다. 이는 또한 (이 예시에서 -22.5도 및 22.5도에서) 스캔의 가장자리에서 가장 느리게 이동한다. 앞서 언급된 바와 같이, 이는 중앙 영역이 (중앙 영역에서 레이징되는 레인지 포인트의 수를 증가시키기 위해) 응시 시간(gaze time)을 최대화하는 것이 바람직한 영역일 때(가령, 자동차 응용분야에서, 중앙 영역이 대부분의 사고가 발생할 가능성이 높은 곳이다) 당업자에게 문제가 될 수 있다. 도 8의 수직 축이 레이더 송신기가 응시 중인 원거리 내 위치, 즉, 순간 시야이다. 전통적인 비-반전된 시야에서, 이 응시 위치가 수평 축과 동일할 것이다. 줌 또는 업스코프가 레이더 송신기에 추가되는 경우, 관계가 선형 비례 관계로 유지된다. 이는 스캐닝 거울의 "나쁜" 가장자리 응시가 장면으로의 레이더 송신기의 응시에 "상속"됨을 의미한다. 스캐닝 거울의 스캔 위치 홀로, 순간 응시가 위치하는 장면 내 위치를 결정하기 때문에, 이들 두 개의 축을 연결하는 관계를 나타내는 곡선이 존재한다. 도 8의 예는 단지 하나의 공진 거울에 대해서만 도시되어 있지만, 동일한 아이디어가 2D 공진 거울 스캐닝에 효과적이지만, 관절과 관련하여 더 복잡하므로, 설명의 편의를 위해 단일 공진 거울 예가 도시되어 있다. 표준 비-반전 레이더 송신기의 경우, 이 관계 곡선은 단순히 연속되는 직선이다. 그러나, 도 8에 도시 된 바와 같이, 필드 반전으로, 곡선은 수직 축 주위에 "점프 (jump)"가 반영된 두 개의 선분으로 제시된다. 최종 결과는 도 8의 가장 오른쪽에 이미징될 장면 내 순간 시야의 속도의 플롯에서 볼 수 있다. 도 8의 상단 플롯에 비해 속도는 수평의 MEMS 축에 대해 반전된다. 실제로, 우리는 이제 0도(속도가 느린 곳)에서 비교적 긴 시간 동안 응시하고 장면 가장자리(속도가 높은 곳)에서 비교적 적은 시간을 보낸다.

반전된 뷰를 겹치는 것과 관련하여, 우리는 거울 스캔의 하나 또는 둘 모두의 가장자리에서 0 너머까지 스캔하는 것을 선택할 수 있다. 도 8은 오른쪽 스캔이 겹침에 대해 선택되는 예시(이 예시의 경우 오른쪽 스캔만)를 도시한다. 오른쪽 스캔에서 0도에서 -1.5도까지 장면이 검사되어, 이는 겹침을 통해 0도의 중심선과 주변을 응시하는 시간을 증가시킨다.

달성되는 겹침의 크기를 제어 및 조절하기 위해, 하나 이상의 제어되는 힌지(628)가 사용되어, 도 6d에 도시되는 바와 같이, 거울 피치 각 z⁺를 정의할 수 있다. 힌지(628)는 프리즘(600)의 거울 피치 각이 조절될 수 있게 한다. 거울 피치 각 조절 수단(가령, 거울 피치 각을 조절하기 위해 힌지(628)에서 거울(608 및 610)이 피봇되게 하는 나사산 손잡이 배열(630 및 632))이 사용되어 베이스(606)를 따라 거울(608 및 610)을 슬라이딩할 수 있다. 이로 인해 백스캔(backscan) 및 또는 시야의 정도를 동적으로 실시간으로 초 미만 속도(sub-second rate)로 조절할 수 있다. 거울 피치 각 z⁺을 조절함으로써, 필드 인버터의 스캔 볼륨 및 겹침이 동적으로 제어된다. 특히, 기계적 액추에이터를 이용 반사체(606)와 대면하는 평면과 오른쪽과 왼쪽 거울(608 및 610)의 교차부를 조절함으로써, 중앙 필드 및 원거리 각 S 및 f가 튜닝 가능해진다.

필드 인버터(600)에 대한 또 다른 실시예가 당업자에 의해 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들어, 반사체(606)는 스캐닝 거울로 대체되어 (606)의 경계에서 비-반사성 물질로부터의 잠재적 가림과 교환하여 도 7에 도시된 바와 같이 더 컴팩트화시키고 스팬을 축소시킬 수 있다. 또 다른 예는 가능한 겹침을 갖고 왼쪽 및 오른쪽 각도 간격을 스캔하도록 설계된 두 개의 공진 거울을 사용하는 것이다. 왼쪽 거울의 오른쪽 가장자리와 오른쪽 거울의 왼쪽 가장자리가 필드 인버터 역할을 할 수 있다. 이에 대한 예시가 도 20에 도시되어 있다. 도 20은 각각의 스캐닝 거울(2010 및 2012)에 공통인 레이저(2000)(예를 들어, 본 실시예의 경우 MEMS 스캐너)를 도시한다. 단일 스캔 축이 도시되어 있으며, 직교 축은 당업자가 선호하는 것으로 간주되는 필드 인버터, 표준 스캔, 공통 거울 또는 독립 거울을 통해 스캔된다. 레이저 출력(2002)은 빔스플리터(2004)로 공급된다. 예를 들어, 스플리터(2004)는 WDM(wave division multiplexer), MEMS 스위치, Pockel 스위치 등일 수 있다. 스플리터(2004)의 오른쪽에, 점선으로 나타나며, (2014)에서 시작하며 원거리 오른쪽 방향(2018)까지 스캔 섹터를 갖는 스캔 거울(2010)이 있다. 스플리터(2004)의 왼쪽에는, (2016)에서 시작하여 원거리 왼쪽 방향(2020)까지 점선으로 나타나는 스캔 섹터를 갖는 또 다른 스캔 거울(2012)가 있다. 스캔 속도가 스캔의 가장자리에서 가장 느리기 때문에, 도 20의 배열은 반전된 필드를 구현함이 명백하다.

도 9는 필드 반전(비-겹침) 및 겹친 필드 반전을 통해 획득될 수 있는 증가된 응시 시간의 효과를 보여주는 표를 도시한다. 도 9의 표는 90도 스캔 범위를 기초로 하며, 표준 동작(어떠한 필드 반전도 없음), 필드 반전 동작(비-겹침), 및 겹침 필드 반전(5 mrad 빔 확산도에 대해 1도 분할된 필드를 가짐)에 대한 각각의 스캔 동안 중심선 근처에서(중심선으로부터 3도 내) 보낸 시간을 측정한 결과를 보여준다. 나타나듯이, 필드 반전 및 비-겹침 필드 반전이 중심선 근처에서의 드웰 시간의 상당한 개선을 보인다.

주기성 위상 드리프트가 도입된 리사주 스캔 패턴:

2D 빔이 각각의 축을 따라 (시간으로) 사인파 형태로 스캔하는 경우에만 2D 레이저 스캔 패턴이 리사주 스캔 패턴이라 지칭된다. 방위각 및 고도 모두의 위상이 임의적일 수 있지만, 표준 리사주 스캔에서는 고정된다. 가능한 가장 빠른 스캔을 원할 때 일반적으로 리사주 패턴이 바람직할 수 있다. 이는 가장 빠른 거울이 주기성 및 공진성을 갖고, 그리고 따라서 사인파 형태로 구동되어야 하는 공진 거울이기 때문이다. 따라서, 리사주 스캔 패턴에서, 거울(250 및 252) 모두 사인파 형태의 신호로 구동될 것이다. 이들 사인파의 위상 모두가 자유롭지만, 이들 간 차이가 스캔 성능에 영향을 미친다. 위상 차이 에 대한 일반적인 선택이 90도이며, 이는 인접 빔이 스캔하는 곳들 간 최대 갭을 최소화한다.

2D 공진 빔 스캐너에 대한 리사주 패턴은:

(수식 1)

와 같이 표현될 수 있다.

많은 경우에서, 공진 주파수 f,f+1는 1만큼만 차이나며, 이는 갭 시간을 최소화하는 것으로 잘 알려져 있다. 그러나 도로 운전 맥락에서의 레이더의 경우, 도로 표면 상의 물체에 대해 방위각 변화 속도 및 고도 변화 속도가 다르다는 사실 때문에, 그 밖의 다른 선택이 바람직할 수 있다.

도 10a는 어떠한 필드 인버터(300)도 채용되지 않을 때 레이더 송신기에 대한 리사주 스캔 패턴의 예시를 도시한다. 도 10c는 도 10a의 리사주 스캔 패턴의 재방문 성능을 도시한다. 도 10a 및 10c의 축은 수평선/방위각에 대응하는 X-축이며 고도에 대응하는 Y-축이다. 도 10c에서, Z 축이 (990)의 전체 리사주 사이클에 대해, 주기성(99,10)을 갖고, 리사주 사이클당 재방문 횟수이다. 여기서 선택된 스캔 범위는 각각의 축에서 45도이다. 물리적 충실성을 위해 9mrad의 빔 확산도의 절반의 균일 위상 드리프트가 추가되었다. 또한, 30m/s의 라이더 속력, 4m의 수평면 위 슬라이스를 갖는 도로 표면이 추가되었다. 진정한 재방문이 이 변수를 고려해야 하기 때문에 모션이 포함된다. 그러나 이 성분은 작은 효과만 가진다. 도 10a의 라인이 거울이 스캔함에 따라 레이더 송신기가 타깃되는 곳을 보여주는 자취이다. 백색 영역은 스캔 라인을 따라 모두 이론적으로 발사되는 빔들 사이에 존재할 공백 또는 갭이다. 도 10c의 표면 망이 방위각 및 고도의 함수로서 재방문율이 어떻게 달라지는지를 보여준다. 예를 들어, 가장자리에서 우리는 사이클당 한 포인트를 재방문할 약 8번의 기회를 획득한다. 도 10c의 이러한 양태는 레이더에 대한 종래의 리사주 곡선의 "단점(downside)"을 보여준다: 최상의 재방문은 스캔 볼륨의 가장자리에서이며, 이 곳에서 가장 적게 필요하다. 구체적으로, 도 10a 및 10c의 플롯이 스캔 영역의 중앙 영역에 비교해 스캔 영역의 가장자리에서의 더 치밀한 방문으로 표준 리사주 스캔 결과를 보여준다. 즉, 도 10a 및 10c는 플롯의 중앙 영역에서, 가장자리에서보다 스캔 라인 및 기회들 간 더 큰 갭 및 딜레이가 존재함을 보여준다. 다시 말하지만, 이는 중앙 영역에서 더 치밀한 방문이 희망되는 가장 희망되는 적용예(가령, 대부분의 자동차 적용예)와 모순된다.

앞서 언급된 바와 같이, 필드 인버터(300), 가령, 프리즘(600)이 스캔 패턴을 분할하고 반전하는 데 사용될 수 있고, 이는 도 10b의 예시로 나타나듯이, 도 10a 및 10c의 리사주 스캔 패턴에 적용될 때 중앙 영역 근처에서 증가된 응시 시간을 갖는 스캔 패턴을 산출한다. 도 10b는 수평선(즉, 고도가 0일 때의 수평축)을 따라 반전을 제공하기 위해 필드 인버터(300)가 채용될 때 분할/반전된 리사주 스캔 패턴의 예시를 도시하고, 도 10b는 도 10a의 것에 비교해서 중앙선 근처에서의 레이더 송신기에 의한 방문 밀도가 크게 증가됨을 보여준다. 이러한 차이는 수평선을 따르는 갭이 사실상 제거되기 때문에 상당한 것이다.

도 10d는 고도(즉, 수평선이 0일 때의 수직축)를 따르는 반전을 제공하도록 필드 인버터(300)가 채용될 때 분할/반전된 리사주 스캔 재방문의 예시에 대한 재방문 성능의 플롯 및 방위각 방향으로의 키싱 거울 패턴(kissing mirror pattern)을 도시한다. 도 10d는 중앙선 근처에서의 레이더 송신기에 의한 방문 밀도가 도 10c의 것에 비해 크게 증가함을 보여준다. 이 차이 또한 상당한 것인데, 레이더-구비 차량 바로 앞에서 수평선에 대략 20배 더 많은 접속이 있기 때문이다.

이들 갭의 중요성을 측정하기 위한 또 다른 방식이 지정 임계값을 초과하는 갭을 결정하는 것이다. 이 임계값은 타깃 레인지 포인트에 대한 가정된 거리에서 레이저 펄스(108)의 프로파일/지름을 고려하기 위해 빔 확산도를 기초로 정의될 수 있다. 갭이 임계값보다 큰 경우, 이는 레이더 송신기에 의해 타깃되지 않을 수 있는 가능한 맹점을 나타낼 것이다. 그러나 갭이 임계값보다 작은 경우, 이러한 작은 갭은 인근 타깃된 레이저 펄스(108)에 의해 포함될 수 있다. 도 11a는 리사주 스캔 패턴, 가령, 도 10a 및 10c에 의해 도시된 패턴(필드 인버터(300) 없음)이 채용될 때 레이더 송신기에 대한 가능한 맹점을 주기성(48,49)을 갖고 나타내는 일련의 점을 보여준다. 나타나듯이, 플롯의 중앙 영역에 비교적 많은 양의 맹점이 존재한다. 도 11b는 반전된 리사주 스캔 패턴, 가령, 도 10b(다시 말하자면, 각각의 점이 가능한 맹점을 나타냄)의 패턴에 대응하지만, 이제 주기성(48,49)을 갖는 맹점 플롯을 보여준다. 도 11b에 의해 나타나듯이, 필드 인버터(300)와 리사주 스캔 패턴의 조합은 중앙 영역에 상당한 맹점-없는 구역을 갖는 레이더 송신기를 산출한다.

그러나, 도 11b는 맹점이 중앙 영역 밖의 영역에서 분할/반전된 리사주 스캔 패턴에 존재함을 보여준다. 이는 이러한 맹점의 범위를 감소시키기 위해, 이상적으로는, 시스템이 반드시 중앙 영역 내부에 있을 필요는 없는 증가된 응시를 위한 희망 영역을 지능적으로 선택할 수 있게 하는 방식으로, 시스템이 어떻게 설계될 수 있을지에 대한 의문을 불러 일으킨다.

이 문제에 대한 해결책으로서, 본 발명자는 리사주 스캔 패턴에 도입되는 주기성 위상 드리프트의 사용을 개시한다. 이 접근법에 의해, 리사주 스캔 패턴에서 공통된 고정된 위상이 시변 드리프트(time-varying drift)로 대체된다. 스캐닝 거울(250/252) 중 하나(또는 둘 모두)가, 이의 위상을 부드럽게 변화시킴으로써, 공진 상태에서 약간 벗어나 구동된다. 따라서 이 실시예에서, 우리는 위상을, 리사주 스캔 패턴의 수식 표현인 수식(1)에서 나타난 바와 같은 대신 로 나타낼 수 있다. 이 위상 드리프트 는 빔 스캐너 제어기가 대상 스캐닝 거울에 대한 드라이버에 제공되는 명령어 신호를 천천히 변화시키게 함으로써 도입된다(가령, 드라이버는 스텝형 스캔을 위한 모터 또는 MEMs 거울을 위한 피스톤일 수 있다). 이 명령어 신호는 스캔하는 방식과 관련하여 거울을 제어한다. 하나의 실시예에서, 위상 드리프트는:

(수식2)

와 같이 표현될 수 있다.

따라서, 두 차원 모두에서 도입된 주기성 위상 드리프트를 포함하도록 수정된 리사주 스캔 패턴은:

(수식3)

와 같이 표현될 수 있다.

이 표현식에서, 우리는 M을 두 거울 모두를 가로지르는 위상 주파수 드리프트 성분의 총 수로 지정한다. 우리는 모든 M개의 드리프트 성분을 취하고 이들을 스캐닝 거울 중 하나에 적용할 수 있거나, 상기 공식에서 나타난 바와 같이, 위상 주파수 드리프트 성분을 두 스캐닝 거울 모두에 걸쳐 분배시킬 수 있다. 이 분배는 고른 분배이거나 그 밖의 다른 분배일 수 있다. 비록 우리가 공진하는 두 개의 거울 스캐닝의 관점에서 실시예를 기재할 것이지만, 단일 공진 거울을 이용하는 경우라도, 시스템은 여전히 타깃 영역에서의 응시 시간을 증가시키기 위한 드리프트 도입의 혜택을 얻을 수 있다. 수식3의 선형 근사를 위해, 작은 진폭 A_i와 연관하여:

(수식4)

와 같다.

이러한 예시적 설명을 위해, 우리는 M=4로 설정하여 설명을 단순화할 것이고 전체 최소 제곱 접근법이 원하는 드리프트를 찾는 데 사용되는 실시예의 경우, 최적화 및 작동 동안 위상 드리프트 항 는 드리프트 주파수 항 K1, ...과 동일하게 거동한다는 이해를 바탕으로, 항 을 무시할 것이다.

위상 드리프트가 초기 패턴의 고조파 부분-주기를 갖는 주기성인 것이 또한 바람직하다, 즉, , 가 합리적이고 단위 모듈로 미만이다. 이는 재방문 시간이 감소되지 않음을 보장하고, 따라서 갭 감소가 더 느린 패턴 재방문 시간을 댓가로 달성되지 않음을 보장한다.

주기성 드리프트 주파수 Ki를 선택하는 것과 관련하여, 관련된 상반관계(tradeoff)가 존재할 것이다. 리사주 주파수 f에 너무 가까운 주기성 드리프트 주파수 Ki를 선택하는 경우, 위상 변화 속도가 주파수로 흐려질 것이기 때문에 패턴에 미치는 영향이 거의 없을 것이다. 또한 드리프트 주파수 너무 낮은 경우, 위상 변화 속도가 리사주 패턴의 고정된 위상 항으로 흐려진다. 이하에서 제공된 예시에서, 우리는 드리프트 주파수가 반복 전에 중앙점에 놓이도록 설정된 실시예를 기술한다. 그러나 이들은 예시에 불과하며 그 밖의 다른 값이 선택될 수 있음이 이해되어야 한다.

실시예에서, 고정된 드리프트 주파수에 대한 최적 위상이 총 최소 제곱 문제의 해로서 결정된다. 종속 변수와 독립 변수 모두가 자유로울 때 총 최소 제곱(TLS: total least squares)은 파라미터를 적합화(fit)하며, 이는 TLS에 대한 독립 변수가 시간인 경우에 해당한다. 최소화는 비용 함수를 채용한다. 예를 들어 지평면 내 한 영역을 갭을 제거하기를 원하는 영역으로서 선택하는 자동차 레이더를 고려할 수 있다.

도 12는 스캐닝 거울에 주기성 위상 드리프트가 도입되는 방식을 제어하기 위한 예시적 프로세스 흐름을 개시한다. 스캐닝 거울에 대한 드라이버(1250)가 주파수 f,f+1를 유지하면서 파라미터 를 이용해 위상 을 주기적으로 변조할 수 있는 액추에이터를 포함한다. 도 12의 단계(1204)는 총 최소 제곱을 중심으로 갖는 스캐닝 거울에 대한 스캔 패턴에서 프레임-종속적 피드백을 기술한다. 특이 값 분해(SVD: singular value decomposition)의 사용이 도 12 프로세스 흐름이 실시간으로, 특히, 밀리초 수준으로 실행될 수 있음을 보장한다.

단계(1200)에서, 시스템 파라미터를 선택함으로써 프로세스 흐름이 개시된다. 이의 일부로서, 최소 허용 가능한 지면 갭이 정의된다. 이는 각도 또는 미터 단위의 거리로서 설정될 수 있다. 우리는 하나의 실시예로서 미터 단위의 갭을 선택한다. 우리는 스캔에서 스캔까지 펄스가 발생 될 수 있는 곳을 보고 거리가 이 양보다 큰지 측정하여 빔 확산도의 반치 전폭을 초과하는 범위로 측정함으로써, 갭을 계산한다. 우리는 갭을 선언하고, (1202-1204)에서 나타난 바와 같이, 갭이 (i) 1m보다 크고, (ii) 선호되는 장면(응시 영역)(Q) 내에 있을 때 위상 드리프트를 계산함에 이 갭을 이용한다. 이에 대한 예시가 도 13a(반전되지 않은 경우) 및 도 13b(반전된 경우)에 도시되어 있으며, 여기서 f=49이다. 도 13a 및 13b에서의 흑색 영역 (예를 들어, 1302 참조)은 x, y 축의 영역으로서, 상기 수식 1에서 시간 t의 모든 값에 대해 레이저 펄스로부터 1미터 곱하기 1미터 이상 떨어져 있다. 이 예시에서, 지면이 갭을 결정하는 데 사용된다. 그러나 또 다른 실시예에서, 갭을 식별하기 위해 방위각 고도 평면을 이용할 수 있으며, 이 경우, 도 13a 및 b에서보다 도 11a 및 b에 흑색 클러스터를 이용할 것이다.

그 후, 드리프트 주파수가 선택된다(여기서, 이 예시의 M=4에 대해, 2개의 드리프트 주파수가 각각의 스캔 축에 대해 사용된다). 리사주 주파수 f,f+1, FOV(시야), 및 허용 가능한 갭 크기를 선택한다. 리사주 주파수는 송신기 제어 명령(103)에 의해 설정될 것이다. FOV는 거울 스캔의 속도 및 레이저 검사를 원하며 갭과 연결된 희망 영역에 의해 결정될 것이다. 예를 들어, 최대 스캔 주파수가 10Khz이고 1마이크로초 펄스 공백을 갖고 100도에 걸쳐 스캔하는 경우, 갭은 약 3도일 것이며, 우리가 10마이크로초로 20도를 가로질러 스캔하는 경우 갭은 4도일 것이다. 예를 들어, 도 13a 및 b에서, (흑색 삼각형(1304)의 기울기에 의해 명백해지듯이) FOV가 방위각에서 +/-45도이다. 마찬가지로, 레이더 송신기의 2 미터 높이 모니터링을 가정할 때 0,0 근처에서 작은 흑색 사각형(1306)에 의해 명백해지듯이, 수직 FOV가 수평선으로부터 하향으로 12도까지 범위를 가진다.

위상 드리프트를 위해 중요한 FOV의 유일한 부분은 수평선 아래의 범위이므로, 0을 초과하는 고도 FOV의 상한은 중요하지 않다(도 13a에서 1600 피트 이상으로 검은 점이 나타나지 않고 도 13b에서 800 피트 위에 검은 점이 나타나지 않음으로 지시되듯이).

단계(1202)에서, 지정 파라미터에 따라 표준 고정 위상 리사주 패턴이 생성된다. 도 13a는 표준 리사주 패턴에 대한 갭을 보여주는데, 여기서 f,f+1은 49,50이며 어떠한 반전도 발생하지 않고, 도 13b는 표준 리사주 패턴에 대한 갭을 보여주는데, 여기서 f,f+1은 49,50이며 1도 겹침을 갖는 반전이 발생한다. 도 11a 및 b는 3mrad 빔 폭에 대해 반전되지 않은 공간 및 반전된 공간에 대한 각각의 갭을 보여주고, 도 13a 및 b는 1 미터 갭 공차를 갖고 지평면 상으로 투영되는 이들 동일한 갭을 보여준다. 영역(1310)은 응시 영역 Q를 보여주며, 여기서 갭 감소가 바람직하다. 응시 영역은 (1202)로 라벨링된 섹션에서 도 12의 처리 스트림에 돌입된다. 이 섹션 내 갭만 다음 알고리즘 스테이지에서 이용되며, 나머지 영역은 무시된다. 이 예시에서, 모든 갭은 (1310)에서 제거되며, 이는 이들이 회색으로 라벨링된 이유이다. 영역(1310)은 임의의 형태를 보일 수 있으며, 이는 환경 장면(도 1b의 (120) 참조)을 기초로 선택될 수 있다. 예를 들어, 교차로가 발생하는 0에서 800 피트까지 방위각=0을 따라 이동하는 레이더 송신기 장착 차량의 교차로 근처에서 스캔하려는 측면 도로가 있는 경우를 고려할 수 있다. Q의 선택은 데이터 적응적으로 이뤄지거나(영역(1310)을 따라 이동하는 트래픽을 관찰하고 조사를 시도함) 사전 정보(가령, 도로 네트워크 맵)로부터 선택될 수 있다. M의 크기는 실시간으로 허용될 수 있는 Q 선택에 대한 변화 속도를 결정할 것이다. 예비 작업에 따르면 M=4는 꽤 잘 동작하며 밀리초 속도로 업데이트하기 위해 쉽게 수렴한다. 이 예시에서 투영은 지평면에 대한 것이지만, 지평면을 그 밖의 다른 토폴로지 매니폴드로 대체할 수 있는 지형 높이 또는 그 밖의 다른 고려사항을 통합하여 임의의 투영된 표면이 가능함이 이해되어야 한다.

지정된 최소 허용된 갭을 초과하는 검출된 갭이 포인트의 세트 S로 그룹지어진다. 따라서 S는 도 13a(또는 13b)의 흑색 점(1302)을 나타내는 포인트의 집합일 것이다.

그 후, 수식1은 S의 각각의 포인트에 가장 가까운 산출 좌표인 시간 t를 찾도록 사용된다. 이들 시간은 세트 T로 지정될 수 있다.

단계(1202 및 1204)의 주요 구성요소를 사용하여 TLS 해를 푸는 단계(1204)가 뒤 따른다. 이하의 기재에서, 실시예는 필드 반전 및 겹침을 갖는 지평면 응시로 제한될 것이다. 먼저, T의 원소들을 기초로 시간 t 세트를 갖는 수식4를 이용해 선형화가 이뤄진다. TLS 해법은 드리프트의 선형화된 테일러 급수 표현을 기초로 쌍 및 업데이트된 시간 스탬프 T를 선택할 것이다. 이제 이 값들을 수식3에서 치환할 수 있으며, 이로부터 S_drift로 지정할 새로운 세트를 정의하는 새로운 (일반적으로 더 작은) 흑색 점 세트를 찾는다. 다음으로, 원하는 성능 수준에 도달 할 때까지 타임 스탬프, 진폭 및 드리프트 위상 및 주파수에 대해 TLS를 풀면서 다시 반복한다.

단계(1210)에 따라, 임의의 포인트에서 S 또는 S_drift가 0인 경우, 상기 S 또는 S_drift에 대응하는 위상 드리프트 제어를 드라이버(1250)에 주입한다. 이 절차의 두 개의 상호 배타적이며 전체적으로 포괄적인 결과가 존재한다. 첫째는 S의 세트가 더 이상 줄어들지 않는 것(단계(1212) 참조)이며, 이 경우 리사주 파라미터 [K,f]를 업데이트하고 성능이 향상되는지(S,S_drift가 감소되는지) 여부를 반복적으로 테스트한다. 또는 S,S_drift는 종료할 만한 크기로 감소된다(또는 완전히 사라짐).

예시적 실행을 위해, 도 13b의 영역(1310) 내 모든 흑색 점이 제거될 수 있다(즉, S_drift가 비워진다). 예시적 실행은 1Gflop 프로세서에 대해 1ms에서 실행 가능한 1Mflops만 걸렸으며, 이는 단일 프레임 단위로 업데이트할 수 있을 정도로 빠른 것이다. 필드 반전 및 위상 드리프트 겹침 패턴의 줌이 도 14a에 도시되어 있다. 도 14b는 대응하는 위상 드리프트가 적용되지 않은 리사주 패턴을 보여준다. 도 14a 및 b는 주요 활동이 발생하는 수평선 근처를 줌인하며, 도 14a와 b의 검사는 위상 드리프트 도입이 성능을 개선하고 갭을 제거하는 방법에 대한 단서를 보여준다. 먼저, 두 경우 모두 도 10a 및 b의 전체보기 플롯이 너무 조립적(coarse)이어서 통찰력을 얻지 못하므로 스캔 범위 영역이 확대된 보기로 표시된다. 다음으로, 수평선 약간 아래에서 많은 스캐닝이 있고, 이 영역은 레이저 스캔들 사이에 매우 좁은 공백을 가진다. 이는 필드 반전과 겹친 범위 모두의 조합된 특징이며, 두 예시에서 공통적이다. 두 경우 모두 약 -0.3도 내지 -1.2도의 고도 스캔에 중점을 두도록 두 개의 거울 필드 인버터를 조정하기로 선택했다. 도 14a의 검사는 치밀한 스캔 영역 및 조립한 스캔 영역(-0.2도 초과 및 1.2도 미만의 고도) 내에서, 다이아몬드형 갭 영역이 불규칙하고, 도 14b에서보다 불규칙함을 보여준다. 이는 도 12의 프로세스 흐름이 세트 S를 구동하기 위해 위상을 드리프트하는 가장 좋은 방법을 결정함으로써 부여되는 선물이다. 또한, 우리는 도 14a의 수직 줄무늬가 도 14b에서보다 더 이격되어 있음에 주목한다. 이는 위상 드리프트가 재방문 패턴을 분기시키고 다이아몬드 갭을 더 좁은 갭으로 대체한 결과이다.

따라서 위상 드리프트 도입이 사용되어 더 긴 응시 시간 동안 스캔 영역의 영역을 지능적으로 선택할 수 있음이 이해될 것이다. 또한, 필드 인버터(300)와 조합될 때, 위상 드리프트가 도입된 리사주 패턴 내 거울 스캐닝의 사용이 프레임별로 스캔 영역에서 희망 영역에 대한 더 나은 문의를 가능하게 하는 상당한 성능 개선을 제공하는 것으로 예상된다.

컴팩트 빔 스캐너 조립체를 위한 타원형 리이미징 거울:

본 발명자는 컴팩트 빔 스캐너 조립체에 대한 요구도 당업계에 있음을 인식하고 있다. 예를 들어, 본 발명자는 자동차 및 항공 레이더, 생체 의학 이미징 (즉, 내시경), 가상 및 증강 현실 및 공초점 능동 이미징을 위한 컴팩트 2D 스캔 거울에 대한 관심이 증가하고 있다고 생각한다. 검류계, MEMS 또는 기타 거울로 구현되는지에 무관하게 스캔 거울은 종종 높은 스캔 속도와 컴팩트 폼 팩터로 인해 레이저 스캐닝 시스템에 사용된다. 가장 빠른 실제 스캔 속도 및 틸트 각도는 일반적으로 한 쌍의 평면내(in-plane) 및 평면외(out-of-plane) (이중 축과 반대되는) 단일 축 MEMS 디바이스를 캐스케이딩함으로써 획득된다. 광 경로 내 제2 거울이 빔 확산도로 인해 제1 거울보다 스팟 크기가 더 크다. 본 발명자는 제2 거울 상으로 스팟 빔을 리이미징하여 필요한 거울 크기를 축소시키는 장치를 개시한다. 이것은 거울의 면적이 토크 및 스캔 속도에 비례하기 때문에 스캐너의 폼 팩터를 감소시킬뿐만 아니라 스캔 속도 및/또는 최대 틸트 각도도 증가시킨다.

하나의 실시예에서, 두 개의 스캔 거울(예를 들어, MEMS 거울)이 타원 반사체/거울에 의해 정의된 타원의 초점에 배치될 수 있다. 출력 빔이 시준된 상태로 유지될 수 있도록 빔을 제1 스캔 거울 상으로 지향시키기 전에 입력 빔을 컨디셔닝하도록 포커싱 렌즈(또는 거울)가 위치될 수 있다. 이는 제1 스캔 거울의 이미지를 제2 스캔 거울의 위치에 배치하는 것과 광학적으로 동일하며, 이는 광학적 공액(optically conjugate)으로 알려진 상황이다. 이러한 이유로, 반사 조립체는 타원형 공액 반사체(ECR) 조립체로 지칭될 수 있다. 하나의 실시예에서, 완전한 타원체의 비교적 작은 부분만이 제1 스캔 거울에서 광선의 입사각에 의해 결정될 때, 제1 스캔 거울로부터 반사된 광을 인터셉트할 것이다. 이를 통해 타원체의 해당 섹션만 사용하여 ECR을 구성할 수 있다. 이는 들어오는 광 빔과 나가는 광 빔이 모두 조립체에 들어오고 나갈 수 있도록 하는 준비된 메커니즘을 제공한다.

타원체의 이미징 특성을 분석하면, 후속 판의 모든 광선이 제2 스캔 거울의 중심도 포함하는 평면에 놓이도록 제1 스캔 거울로부터 타원체 내부의 반사 표면을 향해는 반사된 광선 팬이 배향되도록 제1 스캔 거울에서의 입사각이 선택될 수 있음을 보여준다. 스캐너에서 기울기 오프셋이 있거나 없거나 무관하게 이러한 동일 평면 의존성을 보장하는 설계 공식이 개시된다. 틸트 오프셋은 조립체의 길이, 높이 및 폭에 유연성을 허용하는데, 이는 당업자가 이용할 수 있는 거래를 증가시킨다는 이점을 가진다.

2D 스캔 적용예에 추가로, 본 명세서에 개시된 ECR 기술이 임의의 캐스케이딩된 거울 조립체의 개선을 제안한다. 캐스케이딩된 거울은 전체 스캔 구경을 증가시키고, 본 명세서에 개시된 리이미저(reimager)가 이들 시스템을 더 컴팩트하게 만든다. 종래 기술과 달리, 본 명세서에 개시된 ECR 솔루션은 스캔된 필드에 아티팩트를 도입시키기 않으면서 더 컴팩트한 솔루션을 제공한다(가령, 리이미징을 위해 단일 거울을 이용하는 실시예를 참조할 수 있다).

레이저는 한 쌍의 단일 축 거울로 스캔괼 수 있다. 거울이 솔레노이드에 부착된 경우 이를 검류계 스캐너라고 한다. 많은 현대의 컴팩트한 레이저 시스템(가령, 복사기, 바코드 판독기 및 레이더 시스템)에서 MEMS 단일 칩 디바이스가 종종 스캔 속도를 높이면서 크기, 중량 및 비용을 줄이기 위한 틸트 거울로 사용된다. 거울이 자유롭게 아티큘레이트되고 이들 사이에서 연통되는 광 콘(light cone)이 가려지지 않는 것이 바람직하기 때문에, 아티큘레이트된 거울들 간 거리가 얼마나 가까울 수 있는지에 대한 엄격한 제약이 있다. 제2 스캔 거울은 제1 스캔 거울에 의해 유도된 전체 각도 범위를 수용하기에 충분히 커야 하기 때문에, 일반적으로 제2 스캔 거울은 제1 스캔 거울보다 더 큰 것이 통상적이다. 이는 결과적으로 달성 가능한 최대 스캔 각도 또는 달성 가능한 최대 스캔 주파수 또는 둘 다를 감소시킨다. 둘 모두는 레이저 분야의 종사자에게 중요한 설계 파라미터이기 때문에, 본 발명자들은 실시예에서 작고 동일한 크기의 두 개의 스캐닝 거울(가령, MEMS 디바이스)을 갖는 시스템을 만듦으로써 스캔 볼륨을 크게 증가시킬 수 있는 설계를 개시한다. 거울 크기의 제한은 레이저 빔 웨이스트와 스캔 볼륨의 함수이다. 리이미징은 수 밀리미터 수준의 MEMS 디바이스를 가능하게 한다. 당해 분야의 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명자는 제1 스캔 거울과 제2 스캔 거울 사이에 광학적으로 위치된 타원형 리이미징 반사체의 사용을 개시한다. 이러한 설계는 평면 MEMS 거울의 단순성을 스캔 가능한 거울로 유지하면서 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 이 타원형 반사체는 시스템에 의해 사용되는 하나의 리이미징 거울일 수 있다.

도 15는 타원 반사체(1510)를 채용하는 설계의 하나의 실시예를 도시한다. 전체 내용이 본 명세서에 참조로서 포함되는 참조 문헌 H. Rehn, "Optical Properties of Elliptical Reflectors", Opt. Eng. 43(7) 1480 (2004)은 타원형 반사체와 관련된 광학적 특성을 포함하는 추가 세부사항을 제공한다. 반사체(1510)가 타원형 반사체로서 지칭될 때, 이는 반사체(1510)가 타원 형상의 적어도 일부에 대응하는 곡률을 보임을 의미한다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 타원형 반사체(1510)는 바람직하게는 중공 타원체의 단면에 대응하는 형상 및 곡률을 나타낸다. 도 15에 도시된 예시적인 시스템은 오프셋 구성으로 타원형 반사체(1510)를 사용한다. 또한, 하나의 실시예에서, 반사체(1510)를 위해 사용되는 특정 타원체 구조는 장축 타원체(prolate spheroidal) 형태일 수 있다. 이러한 타원체는 장축에 대해 회전 대칭을 가지며, 이 구조는 두 개의 스캔 거울을 물리적으로 분리할 수 있게 한다.

공식 , 여기서 로 정의된 회전 타원체를 고려할 수 있다. 이를 평면으로 투영하는 것은 수평 길이 2A(길이 A를 식별하는 도 15의 (1520) 참조) 및 수직 높이 2B (높이 B를 식별하는 도 15의 (1526) 참조)를 갖는 타원(1550)이다. 스캔 거울(1522, 1524)은 각각 타원 중심(1526)으로부터 거리 C (도 15의 (1518) 참조)로 설정된다. 이 위치가 타원의 초점이기 위해 C의 값은 로 정의되어야 한다.

반사체(1510)의 상류에 광원(1500)으로부터 발산된 광을 집속하는 렌즈(1502)가 위치된다. 이하에서 설명되겠지만, 타원 반사체(1510)와 렌즈(1502)는 공동으로 무한초점 렌즈 시스템(afocal lensing system)으로서 기능할 수 있다. 렌즈(1502)의 형상 및 위치는 초점(1506)이 제1 스캔 거울(1522)과 타원 반사체(1510)의 반사 표면 사이에 놓이도록 선택된다. 정의에 의해, 초점(1506)은 스팟 크기가 최소로 존재하는 위치를 나타낸다. (1506)에서부터 광원이 투영하는 타원 거울의 위치까지의 거리가 F2(1512)로 지정된다. 스캔 거울(1522)의 출력이 또한 시준되도록 제2 스캔 거울에 입사하는 광 빔이 시준되는 것이 바람직하다. 따라서, 입력 빔(1500) 및 포커싱 요소(1502)의 특성에 의해 결정된 초점(1506)의 최적 위치는, 거리(1512)가 (1510)으로부터의 반사점에서의 타원형 반사체(1510)의 형태 및 곡률에 의해 정의된 타원(1550)에 대응하는 타원체의 유효 초점 길이 F2와 동일하다는 요건에 부합하도록 만들어질 수 있다.

각 α(1516)는 제1 스캔 거울(1522)의 오프셋 틸트이다. 제1 스캔 거울(1522)에서 틸트가 변함에 따라, 입사각(AOI)(1504)도 또한 변한다. 이는 시스템을 사용하기 위한 요건은 아니지만, 입력 광의 궤적을 차후 설명되는 기하학적 요건으로부터 분리함으로써 시스템을 포함하고자 하는 당업자에게 추가적인 유연성을 제공한다. 타원체 투영(1550)의 중심(1526)으로부터 타원 반사체(1510)의 반사 표면 부분의 중심까지의 거리로서 오프셋(1508)이 지정된다.

포인트 소스가 장축 타원체의 두 초점 중 하나에 위치하면, 광이 수차 없이 두 번째 초점에 전부 도달할 것이며, 모든 광선의 총 경로 길이가 동일할 것이다. 따라서, 원칙적으로, 광 빔은 임의의 각도로부터 제1 스캔 거울(1522)로 지향될 수 있으며, 제2 스캔 거울(1524)이 타원의 두 번째 초점에 위치하는 한 제2 스캔 거울(1524) 상으로 반사될 것이다.

빔 입력 각도에 영향을 미치는 보다 중요한 요인은 출력 빔의 스캔 패턴에 의해 커버되는 필드의 특성을 최적화하려는 요구로부터 발생한다. 이는 어떠한 간섭 광소자도 없이 광선 상에서 동작하는 이상적인 2-거울 스캐닝 시스템의 동작을 고려함으로써 이해될 수 있다. 이러한 시스템에서, 제1 거울의 다양한 틸트 각에 대해 반사된 광선의 축적이 본 명세서에서 광선 팬으로 지칭되는 다양한 각도에서의 반사된 광선의 세트를 도출한다. 이 팬의 모든 광선이 같은 평면에 있는 것이 바람직하다. 그런 다음 이 광선 팬은 팬의 모든 광선이 수용될 수 있을 정도로 충분한 면적의 제2 거울에 입사된다. 이 제2 거울이 제1 거울과 직교하는 방향으로 스캔될 때, 결과적인 2D 출력 팬은 중심 광선에 수직인 평면 상에 투영될 때 2D 출력 팬이 스캔 행이 선형이고 수평인 스캔 패턴을 형성하는 특성을 가진다. 제1 거울로부터 나오는 광선 팬의 각각의 요소의 입사 평면은, 제2 거울에 입사할 때, X 거울에 의해 부여된 스캔 각도의 크기에 의해 결정되는 범위까지 회전될 것이다. 이는 X 방향에서만 작은 핀쿠션 왜곡을 야기하며, 이는 장방형 경계면에 의해 도시 된 정확한 직선 패턴과의 편차로서도 16에서 볼 수 있다. 이 왜곡은 각각의 Y 위치에 대한 X 거울 스캔의 진폭을 조정하거나, 레이더 시스템에서 레이저 펄스 타이밍을 조정함으로써, 쉽게 수용될 수 있다.

타원 반사체(1510)의 내부 반사 표면과 만나고 이로부터 제2 스캔 거울(1524)로 반사될 때 제1 스캔 거울(1522)로부터의 광선 팬을 고려할 수 있다. 하나의 실시예에서, 스캐너가 앞서 기재된 이상적인 거울 쌍으로서 동일한 바람직한 방식으로 동작하기 위해, 타원형 반사체(1510)로부터의 반사 후, 제2 스캔 거울 (1524)의 중심 상으로 수렴하는 광선의 팬이 모두 동일한 평면에 있어야 한다. 이는 팬의 중심선의 교차가 제2 스캔 거울(1524) 바로 위에 놓이는 경우에만 발생할 수 있다.

도 17은 광선 팬 지오메트리에 초점을 둔, 도 15에 도시 된 배열의 3차원 도시이다. 도 17에서,도 15의 다양한 요소들이 다시 (1500, 1502, 1522, 1524, 1510, 1514)로 라벨링되고, 3D 타원체는 이제 와이어 메쉬(1700)로서 그려진다. 도 17은 또한 다음의 라벨을 추가한다: 1704(환경 장면으로 제시된 이미지 평면), 1706(제2 스캔 거울(1524)로부터의 팬 빔, 1708(타원형 반사체(1510)에 의해 반사되는 팬 빔). 도 17은 또한 팬 빔(1708)을 포함하는 평면(1702)을 보여준다. 임의의 지오메트리의 경우, 타원형 반사체(1510)로부터 제2 스캔 거울(1524)로 반사되는 빔은 평면이 아닌 팬 빔(1708)을 가짐을 주목하는 것이 유용하다.

하나의 실시예에서,이 팬 빔(1708)을 평면으로 만드는 것은 제1 스캔 거울(1522)로부터의 반사 각에 대한 요건을 추가한다. 이 각은 동평면 각도에 대한 CPA(도 15의 (1514) 참조)로 약칭된다. CPA는 타원체의 대칭축과 제2 스캔 거울 (1524)의 중심을 통과하는 수직선과 타원체의 교차점 사이에 대면하는 각이다. CPA는 다음의 수식을 이용해 타원체를 정의하는 A 및 C의 값으로부터 계산 될 수 있다(도 15에서 (1528)로 나타남):

설계 거래를 지원하기 위해, 1차 스캔 거울(1522)에 대한 틸트 각 α로 오프셋을 추가할 수 있다. 그런 다음 도 15에서 (1528)로 나타난 바와 같이 CPA에 대한 수정된 공식을 획득할 수 있으며, 여기서 편의를 위해 다음과 같이 다시 생성한다:

CPA(1528)는 더 이상 수학적으로 정확하지 않지만 (첫 번째 공식에서처럼 선택적 오프셋 틸트 각을 포함하지 않기 때문) 실제 사용되기에 충분한 근사치이다.

제2 스캔 거울(1524)로부터의 반사 후에 광은 ECR과 상호작용하지 않으므로, 성능 감소 없이 스캔된 볼륨의 출구를 용이하게 하기 위해 오프셋 각도가 제2 스캔 거울(1524)에 부과 될 수 있음에 유의한다.

시준된 입력(1500)과 시준된 출구 빔(도 15) 간의 배율은 비 M=F2/F1로 주어진다. 이는 캐스케이딩된 광학 시스템에 적용되는 렌즈 수식의 결과이다. 실제로, 당업자는 스캐닝 거울(1522 및 1524) 모두의 크기를 동일하게 유지하기 위해 이 비율이 거의 1(unity)이도록 원할 수 있다.

도 16과 17은 CPA 제약 조건이 유용한 ECR 구성에 어떤 영향을 미칠 수 있는지를 보여준다. 도 16은 ECR이 CPA 제약 조건으로 구성되고 사용됨을 보장하기 위해 어떠한 주의도 기울여지지 않을 때, 각각 X 및 Y 각의 24도 x 20도 (광학) 스캔으로 도출되는 필드의 예를 보여준다. 도 16은 Y 및 X 스캔 라인 모두에서 강한 곡률을 보여주므로 이 패턴을 직선 좌표계와 매칭시키기가 어렵다, 특히 수동 광소자를 사용하는 코-보레시팅 카메라(co-boresiting camera) 정합에 문제가 된다. 도 18은 (1528)에 따라 작동하도록 제한된 ECR로 작동된 동일한 스캔 필드를 보여준다. 도 16과 달리 스캔 행(일정한 Y 각도)은 선형이며 X 방향을 따른 핀쿠션 왜곡은 개재 광소자가 없는 이상적인 (비록 비 리이미징되고 따라서 비-컴팩트화될지라도) 시스템에서 보이는 것과 동일하다. 이 패턴에서 제2(수직) 스캔 각의 왜곡이 알파(alpha)=0에 대해 수학적으로 사라진다. 제1 (수평) 스캔 방향에서의 잔류 왜곡은 1D 핀쿠션 왜곡과 유사한 작은 오버-스캔을 포함하고, 후 처리에서 쉽게 보상된다.

도 19는 하나의 실시예에서 얻을 수 있는 바람직한 폼 팩터 컴팩트화를 도시한다. 측방에서 볼 때 두 개의 스캔 거울은 100um 수준의 공칭 빔 웨이스트에 대해 실현 가능한 밀리미터 스케일로 조밀하게 패킹되어 있다. 이 실시예에서 제2 거울 스캔 자체는 이미지를 포함하는 펴면 내에 있지만, 제1 거울 스캔의 방향은, 즉, 뷰어를 향해, 평면을 벗어난 것이다. 도 19에서 간결성 및 명료성을 위해 라벨이 생략되었지만, CPA 각도, 스캔 거울 입력 및 출력 광선, 입력 광 빔원 및 입력 렌즈 및 타원 반사체가 나타난다. 이 거울의 3D 속성은 도 19에서도 볼 수 있다.

앞서 본 발명이 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 여전히 본 발명의 범위 내에 있는 다양한 수정들이 이루어질 수 있다. 본 발명의 이러한 수정은 본 명세서의 설명을 검토하면 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 리사주 스캔 패턴이 필드 반전 및 주기성 위상 드리프트 도입을 통해 향상될 수 있는 스캔 패턴의 주요한 예인 것으로 개시되어 있지만, 나선형 스캔 패턴이 유사하게 개선될 수 있음을 이해해야 한다. 이러한 패턴은 종종 진폭이 천천히 변조되는 감쇠 리사주 패턴으로서 구현된다.

Claims (41)

1. 스캐너 장치로서,
   제1 거울 ― 상기 제1 거울은 스캔 가능함 ― ,
   제2 거울 ― 상기 제2 거울은 스캔 가능함 ― ,
   제1 거울로부터 광학적으로 상류에 위치하는 렌즈,
   광학적으로 제1 거울과 제2 거울 사이에 위치하는 제3 거울 ― 상기 제3 거울은 3차원으로 타원체형으로 오목하며 상기 제1 거울로부터의 광을 제2 거울로 리이미징하는 반사면을 가짐 ― , 및
   렌즈로부터 광학적으로 상류에 위치하는 광원 ― 상기 광원은 광을 렌즈를 통과해 제1 거울로 전송하도록 구성되며, 그런 다음 제1 거울이 광을 제3 거울을 향해 반사시키고, 그 후 제3 거울은 광을 제2 거울을 향해 반사시킴 ― 을 포함하며,
   상기 제1 거울, 상기 제2 거울, 및 상기 제3 거울은, 타원체형으로 오목한 반사면에 의해 형성되는 타원체에 대해, (1) 상기 제1 거울이 상기 타원체의 제1 초점에 위치하는 중심 영역을 가지며, (2) 상기 제2 거울이 상기 타원체의 제2 초점에 위치하는 중심 영역을 가지며, (3) 상기 제3 거울이 광학적으로 상기 제1 거울과 제2 거울 사이에 있는 위치에서 상기 타원체를 따라 놓이도록, 위치설정되며,
   상기 제3 거울은 오프셋 타원체형 리이미저로서 위치하는, 스캐너 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 장치는 레이더 송신기로서 배열되며, 상기 장치는
   (1) 제1 축을 따라 제1 거울을 스캔하고, (2) 제2 축을 따라 제2 거울을 스캔하여 스캔 영역 내 스캔 패턴을 형성하도록 구성된 빔 스캐너 제어기, 및
   광원 및 빔 스캐너 제어기와 협업하는 프로세서 ― 상기 프로세서는, 압축 감지(compressive sensing)를 통해, 광원으로부터 제1 거울, 제3 거울, 및 제2 거울을 통과하는 광으로 타깃하기 위한 레인지 포인트(range point)의 서브세트를 지능적으로 선택하도록 구성됨 ― 를 더 포함하는, 스캐너 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 타원체는 장축 및 상기 장축을 따르는 대칭 축을 가지며, 상기 타원체형으로 오목한 반사면의 중심은 상기 대칭 축에서 벗어나는, 스캐너 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 거울 및 제2 거울은 MEMS 거울을 포함하는, 스캐너 장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 거울 및 제2 거울은 동일한 크기를 갖는, 스캐너 장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제3 거울은 단일 리이미징 거울로서 역할하는, 스캐너 장치.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 렌즈는 입사광에 대한 초점을 제공하도록 구성 및 위치되며, 상기 초점은 제1 거울과 제3 거울 사이에 놓이는, 스캐너 장치.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제3 거울과 렌즈는 함께 무한초점 렌즈 시스템으로서 기능하도록 구성 및 위치되는, 스캐너 장치.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제2 거울은 중앙 틸트 축을 가지며, 타원체는 수평 폭을 보이며, 거리 A가 수평 폭의 절반에 대응하며, 거리 C가 타원체의 중심에서부터 제2 거울의 중앙 틸트 축까지의 거리에 대응하고,
   제1 거울에 대한 동평면 각(CPA)은 CPA = 이도록 정의되는, 스캐너 장치.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 거울은 틸트 각 α를 가지며, 제2 거울은 중앙 틸트 축을 갖고, 타원체는 수평 폭을 보이며, 거리 A가 수평 폭의 절반에 대응하며, 거리 C가 타원체의 중심으로부터 제2 거울의 중앙 틸트 축까지의 거리에 대응하고,
    제1 거울에 대한 동평면 각(CPA)은 CPA = 이도록 정의되는, 스캐너 장치.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제1 거울 및 제2 거울에 의해 정의되는 스캔 영역을 분할 및 반전시키기 위해 제1 거울 및 제2 거울로부터 광학적으로 하류에 위치하는 광학 필드 스플리터/인버터를 더 포함하는, 스캐너 장치.
12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 거울과 제2 거울이 나란한 배열(side-by-side arrangement)로 위치하는, 스캐너 장치.
13. 제1 거울, 제2 거울, 및 제3 거울을 이용한 광 조향 방법으로서, 상기 방법은
    광을 렌즈를 향해 전송하는 단계,
    상기 렌즈가 전송된 광을 제1 거울로 전달하는 단계 ― 상기 제1 거울은 스캐닝 거울임 ― ,
    상기 제1 거울이 전송된 광을 제3 거울로 반사시키는 단계 ― 상기 제3 거울은 3차원으로 타원체형으로 오목한 반사면을 가짐 ― ,
    상기 타원체형으로 오목한 반사면이 전송된 광을 제2 거울 상으로 리이미징하는 단계, 및
    제2 거울이 전송된 광을 반사시키는 단계
    를 포함하며,
    상기 제1 거울, 상기 제2 거울, 및 상기 제3 거울은, 타원체형으로 오목한 반사면에 의해 형성되는 타원체에 대해, (1) 상기 제1 거울이 상기 타원체의 제1 초점에 위치하는 중심 영역을 가지며, (2) 상기 제2 거울이 상기 타원체의 제2 초점에 위치하는 중심 영역을 가지며, (3) 상기 제3 거울이 광학적으로 상기 제1 거울과 제2 거울 사이에 있는 위치에서 상기 타원체를 따라 놓이도록, 위치설정되며,
    상기 제3 거울은 오프셋 타원체형 리이미저로서 위치하는, 광 조향 방법.
14. 제13항에 있어서, 프로세서가, 압축 감지를 통해, 레이더 송신기에 의해 제1 거울 및 제2 거울을 통해 타깃되는 레인지 포인트의 서브세트를 지능적으로 선택하는 단계를 더 포함하는, 광 조향 방법.
15. 레이더 스캐닝 시스템으로서, 상기 시스템은
    광원, 및
    광원으로부터 광을 스캔 영역으로 스캔하는 타원형 공액 반사체(ECR: elliptical conjugate reflector) 조립체를 포함하고,
    상기 ECR 조립체는
    제1 스캔 가능 거울,
    제2 스캔 가능 거울, 및
    광학적으로 제1 스캔 가능 거울과 제2 스캔 가능 거울 사이에 위치하는 타원체형 거울을 포함하고,
    상기 타원체형 거울은 제1 스캔 가능 거울로부터 광을 제2 스캔 가능 거울 상으로 리이미징하며, 상기 타원체형 거울은 중공 타원체의 한 섹션으로서 형성되는 반사면을 가지며, 중공 타원체는 대칭 축을 중심으로 회전 대칭이며, 중공 타원체는 대칭 축을 포함하는 평면에 놓이는 타원체를 형성하며, 타원체는 대칭 축 상에 놓이는 제1 초점 및 제2 초점을 보이고,
    제1 스캔 가능 거울은 제1 초점에 위치하는 중심 영역을 가지며, 제1 스캔 가능 거울은 제1 거울 회전 축을 중심으로 회전 가능하며, 제1 거울 회전 축은 제1 초점을 통과하고,
    제2 스캔 가능 거울은 제2 초점에 위치하는 중심 영역을 가지며, 제2 스캔 가능 거울은 제2 거울 회전 축을 중심으로 회전 가능하며, 제2 거울 회전 축은 제2 초점을 통과하고,
    제1 거울 회전 축 및 제2 거울 회전 축은, 제1 거울 회전 축 및 제2 거울 회전 축을 중심으로 하는 1 스캔 가능 거울 및 제2 스캔 가능 거울의 회전에 응답하여, 스캔 영역에서 상이한 방위각 및 고도를 통한 광원으로부터의 광의 ECR 조립체에 의한 스캐닝을 생성하도록 배열되며,
    타원체형 거울의 반사면은 오프셋 타원체형 리이미저로서 위치되어서, (1) 타원체형 거울의 반사면은 대칭 축에 수직이며 제2 초점을 통과하는 선과 교차하는 중공 타원체 상의 위치에 그 중심이 놓이며, (2) 제1 거울 회전 축에 수직인 평면의 중공 타원체의 일부분을 따라 뻗어 있으며, (3) 제1 스캔 가능 거울로부터 스캔된 입사광을 수신하는, 시스템.
16. 제15항에 있어서,
    제1 스캔 가능 거울 및 제2 스캔 가능 거울 중 적어도 하나가 사인파 주파수로 스캔하도록, 스캔 영역 내 스캔 패턴을 형성하도록 제1 축과 제2 축을 각각 따라 스캔하도록 제1 스캔 가능 거울 및 제2 스캔 가능 거울을 구동하도록 구성된 빔 스캐너 제어기를 더 포함하는, 시스템.
17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 제1 스캔 가능 거울 및 제2 스캔 가능 거울로부터 광학적으로 하류에 위치하는 광학 필드 스플리터/인버터를 더 포함하며, 광학 필드 스플리터/인버터는 제1 스캔 가능 거울 및 제2 스캔 가능 거울에 의해 형성된 스캔 영역을 분할(split)하고 반전(invert)시키는, 시스템.
18. 제17항에 있어서, 시스템에 의한 광의 스캐닝은 분할되고 반전된 스캔 영역의 외부 섹션에서보다 분할되고 반전된 스캔 영역의 중앙 섹션에서 더 느리게 이동하도록 필드 스플리터/인버터가 위치하는, 시스템.
19. 제17항에 있어서, 필드 스플리터/인버터는 삼각 프리즘 형태를 포함하는, 시스템.
20. 제15항 또는 제16항에 있어서, 광원으로부터의 레이더 펄스 샷으로 타깃팅되기 위한 레인지 포인트의 서브세트의 지능적 선택에 기초하여 시스템에 대한 샷 리스트를 정의하도록 구성된 프로세서를 더 포함하며, 레이더 펄스 샷은 제1 스캔 가능 거울과 제2 스캔 가능 거울이 스캔함에 따라 제1 스캔 가능 거울로부터 타원체형 거울로의 반사 및 타원체형 거울로부터 제2 스캔 가능 거울로의 반사를 통해 레인지 포인트를 향해 타깃팅되는, 시스템.
21. 제15항에 있어서, 광원은 제1 스캔 가능 거울이 제1 거울 회전 축을 중심으로 회전할 때 제1 스캔 가능 가울 상으로 광을 전송하도록 위치되며, (1) 광원으로부터 제1 스캔 가능 거울 상에 입사되는 광은 제1 스캔 가능 거울에 의해 스캔되어 타원체형 거울의 반사면 상에 입사되는 제1 광선 팬을 생성하며, (2) 제1 광선 팬 내 스캔된 광이 타원체형 거울의 반사면으로부터 제2 스캔 가능 거울 상으로 제2 광선 팬으로서 반사되며, (3) 제2 스캔 가능 거울이 제2 거울 회전 축을 중심으로 회전함에 따라 제2 스캔 가능 거울 상으로 입사되는 제2 광선 팬 내 스캔된 광이 제2 스캔 가능 거울에 의해 반사되고 스캔되며,
    제1 광선 팬은 서로 동평면인 광선들에 의해 형성되고,
    제2 광선 팬은 서로 동평면인 광선들에 의해 형성되는, 시스템.
22. 제15항 또는 제21항에 있어서, ECR 조립체는 실질적으로 직선 스캔 패턴에 따르는 스캔 영역 내 방위각 및 고도를 통해 스캔하는, 시스템.
23. 제15항 또는 제21항에 있어서, 제1 거울 회전 축과 제2 거울 회전 축은 서로 수직인, 시스템.
24. 제15항 또는 제21항에 있어서, 제1 거울 회전 축은 타원체가 놓이는 평면에 놓이며, 제2 거울 회전 축은 타원체가 놓이는 평면에 법선인, 시스템.
25. 제15항 또는 제21항에 있어서, 타원체는 장축과 단축을 가지며, 대칭 축은 타원체의 장축인, 시스템.
26. 제15항 또는 제21항에 있어서, 제1 스캔 가능 거울 및 제2 스캔 가능 거울 중 하나가 공명 주파수에서 스캔하며, 제1 스캔 가능 거울 및 제2 스캔 가능 거울 중 나머지 하나가 스텝-스캔되는, 시스템.
27. 제15항 또는 제21항에 있어서, 제1 스캔 가능 거울은 타원체가 놓이는 평면에서 대칭 축에 대해 오프셋 틸트 각 α를 보이는 반사면을 가지며, 제1 거울 회전 축도 역시 타원체가 놓이는 평면에서 대칭 축에 대해 오프셋 틸트 각 α로 기울여지는, 시스템.
28. 제15항 또는 제21항에 있어서, ECR 조립체로부터의 스캔된 광의 탈출을 촉진시키기 위해 오프셋 각도가 제2 스캔 가능 거울 상에 부과되는, 시스템.
29. 제15항 또는 제21항에 있어서,
    광학적으로 광원과 제1 스캔 가능 거울 사이에 위치하는 렌즈를 더 포함하며, 상기 렌즈는 광원으로부터의 광을 제1 스캔 가능 거울 상으로 포커싱하는, 시스템.
30. 제15항 또는 제21항에 있어서,
    (1) 스캔 영역에서 객체로부터 스캔된 광의 반사를 수신하고, (2) 수신된 반사를 처리하여 상기 객체까지의 거리를 결정하는 레이더 수신기를 더 포함하고,
    ECR 조립체는 레이더 수신기로부터 오프셋되어, ECR 조립체로부터 객체까지의 스캔된 광의 광학 경로와 객체로부터 레이더 수신기까지의 반사의 광학 경로가 상이한 광학 경로인, 시스템.
31. 제15항 또는 제21항에 있어서, 제1 스캔 가능 거울 및 제2 스캔 가능 거울은 나란한 배열로 위치되는, 시스템.
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