(57)【要約】  一次光および物体（１１０）において反射される二次光を使用して物体（１１０）を測距するためのＬＩＤＡＲシステム（１００）は、送信ビーム（２１０）に沿って、ＬＩＤＡＲシステムの走査要素（８００）に向けて一次光を放出するように適合されているレーザ（２００）であって、走査要素に隣接する送信ビームの少なくとも一部分が中心線（３００）を規定する、レーザ（２００）と、受信ビーム（５００）に沿って二次光を検出するように適合されている検出器（４００）であって、受信ビームは、中心線と位置整合される第１の部分（５１０）と、中心線（３００）に対する傾き（５３０）を有する第２の部分（５２０）とを含み、受信ビームの第２の部分（５２０）は、受信ビームの第１の部分（５２０）と検出器（４００）との間にある、検出器（４００）と、受信ビームの第１の部分（５１０）と受信ビームの第２の部分（５２０）との間で中心線（３００）上に位置決めされているセグメント型レンズ（６００）であって、セグメント型レンズ（６００）は、送信ビームと関連付けられる送信レンズセグメント（６１０）と、受信ビームと関連付けられる受信レンズセグメント（６２０）とを含む、セグメント型レンズ（６００）とを含み、受信レンズセグメント（６２０）は、受信ビームを検出器に集束させるように設計されている。【選択図】図１Ａ
2021535996.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次光および物体（１１０）において反射される二次光を使用して前記物体（１１０）を測距するためのＬＩＤＡＲシステム（１００）であって、
送信ビーム（２１０）に沿って、前記ＬＩＤＡＲシステムの走査要素（８００）に向けて前記一次光を放出するように適合されているレーザ（２００）であって、前記走査要素に隣接する前記送信ビームの少なくとも一部分が中心線（３００）を規定する、レーザ（２００）と、
受信ビーム（５００）に沿って前記二次光を検出するように適合されている検出器（４００）であって、前記受信ビームは、前記中心線と位置整合される第１の部分（５１０）と、前記中心線（３００）に対する傾き（５３０）を有する第２の部分（５２０）とを含み、前記受信ビームの前記第２の部分（５２０）は、前記受信ビームの前記第１の部分（５１０）と前記検出器（４００）との間にある、検出器（４００）と、
前記受信ビームの前記第１の部分（５１０）と前記受信ビームの前記第２の部分（５２０）との間で前記中心線（３００）上に位置決めされているセグメント型レンズ（６００）であって、前記セグメント型レンズ（６００）は、前記送信ビームと関連付けられる送信セグメント（６１０）と、前記受信ビームと関連付けられる受信セグメント（６２０）とを含む、セグメント型レンズ（６００）と
を備え、
前記受信セグメントは、前記受信ビームを前記検出器に集束させるように適合されている、ＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項２】
前記セグメント型レンズ（６００）の運動を可能にするように構成されているレンズアクチュエータ（１０００）をさらに備える、請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項３】
前記検出器（４００）は、前記受信ビームの前記第２の部分（５２０）の前記傾き（５３０）を規定するために、前記レーザ（２００）に対して前記中心線（３００）に垂直な第２の軸（ｙ）に沿って距離（ｄ）をおいて配置され、
前記レンズアクチュエータ（１０００）は、第３の軸（１０１０、ｘ）に沿った前記セグメント型レンズ（６００）の前記運動を可能にするように構成されており、前記第３の軸は、前記中心線（３００）と前記第２の軸（ｙ）の両方に実質的に垂直である、請求項２に記載のＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項４】
前記ＬＩＤＡＲシステム（１００）は、前記走査要素（８００）の１つまたは複数のステアリングミラー（８００−１）に対して作用して、前記１つまたは複数のステアリングミラー（８００−１）に偏向を与えるように構成されている、前記走査要素（８００）のさらなるアクチュエータ（８００−３）をさらに備え、
前記運動の動作周波数は、前記偏向の動作周波数と比較した場合、５０％以下である、請求項２または３に記載のＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項５】
前記レンズアクチュエータの第１の並進自由度は、前記さらなるアクチュエータの第２の並進自由度に直交する成分を有する、請求項４に記載のＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項６】
前記レンズアクチュエータは、前記セグメント型レンズの前記運動を非共振的に可能にするように構成されており、
前記さらなるアクチュエータ（８００−３）は、前記１つまたは複数のステアリングミラーの前記偏向を共振的に可能にするように構成されている、請求項４または５に記載のＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項７】
マウントおよび前記１つまたは複数のステアリングミラーの質量は、前記セグメント型レンズの質量の２０％以下である、請求項４から６のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項８】
前記走査要素（８００）と前記物体（１１０）との間の前記送信ビームの少なくとも第２の部分は、前記ＬＩＤＡＲシステム（１００）と前記物体（１１０）との間の送受信方向（３５０Ａ、３５０Ｂ、３５０Ｃ）を規定し、前記受信ビーム（５００）は、前記送受信方向（３５０Ａ、３５０Ｂ、３５０Ｃ）と関連付けられる、請求項１から７のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項９】
前記第３の軸（ｘ）および中心軸（３００、ｚ）によって投影面（ｘｙ）が画定され、
前記投影面（ｘｙ）への前記送信セグメントの有効焦点距離の第１の投影長（ＰＬａｓｅｒＬｅｎｓ）と、
前記投影面（ｘｙ）内に投影される前記受信セグメントの焦点距離の第２の投影長（ＰＤｅｔｅｃｔｏｒＬｅｎｓ）と
は、実質的に同一である、請求項１から８のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項１０】
前記送信セグメント（６１０）および前記受信セグメント（６２０）は実効的に、少なくとも１つの投影面（ｘｙ）において光学的に共役である、請求項１から９のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項１１】
前記受信セグメント（６２０）の少なくとも１つのレンズ素子（６２１、６２２）の少なくとも１つの表面（６２３、６２４；６２５）は、前記中心線（３００）に対する回転対称性を保持しない、請求項１から１０のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項１２】
前記受信セグメントの前記少なくとも１つのレンズ素子（６２１、６２２）の前記少なくとも１つの表面（６２３、６２４；６２５）は、前記中心線（３００）に対する前記受信ビームの前記第２の部分（５２０）の傾き（５３０）を規定する、請求項１１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項１３】
前記送信セグメントは、前記送信ビームのスロー軸を少なくとも部分的にコリメートするように適合されている、請求項１から１２のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項１４】
前記レーザと前記セグメント型レンズとの間に位置決めされ、前記送信ビームの少なくとも前記スロー軸を拡大するように適合されているさらなるレンズ（６９０）をさらに備える、請求項１３に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項１５】
前記セグメント型レンズ（６００）の前記送信セグメント（６１０）および前記受信セグメント（６２０）が、一体的に形成され、または
前記送信セグメント（６１０）が、前記受信セグメント（６２０）に埋め込まれる、請求項１から１４のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項１６】
前記送信セグメント（６１０）および前記受信セグメント（６２０）の材料は、異なる屈折率を有する、請求項１から１５のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項１７】
前記送信セグメントは、円柱レンズ素子（６１１）または二焦点レンズ素子（６１１）を実装する、請求項１から１６のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項１８】
前記セグメント型レンズは、前記中心線に垂直に向けられた平坦な表面（６３０）を含む、請求項１から１７のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項１９】
前記送信セグメントは、第１の表面（６２１）を含み、前記受信セグメントは、少なくとも１つの第２の表面（６２３、６２４）を含み、前記第１の表面および前記少なくとも１つの第２の表面は、連続的な遷移（６５０）によって接続されている、請求項１から１８のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項２０】
前記受信セグメントは、異なる幾何学的レンズパラメータを有する第１のレンズ素子（６２１）および第２のレンズ素子（６２２）を備える、請求項１から１９のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項２１】
前記レーザ（２００、２０１）は、第１の平面（Ｐ１）に延在する第１の基板（２２０）を有し、前記検出器（４００）は、第２の平面（Ｐ２）に延在する第２の基板（４２０）を有し、前記第１の平面と前記第２の平面とは互いに平行である、請求項１から２０のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項２２】
前記第１の平面と前記第２の平面とは一致する、請求項２１の記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項２３】
前記レーザは、前記第１の平面（Ｐ１）に平行に前記一次光を放出するように構成されている端面放射型レーザダイオード（２０１）である、請求項２１または２２に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項２４】
前記レーザに隣接して前記第２の平面（Ｐ２）に位置し、前記一次光を前記中心線（３００）に向けて偏向させるように適合されているミラー（２３０）をさらに備える、請求項２１から２３のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項２５】
前記中心線（３００）は、前記走査要素（８００）に隣接する前記送信ビームおよび前記受信ビームの光軸（３５０）を形成する、請求項１から２４のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項２６】
一次光および物体（１１０）において反射される二次光を使用して前記物体を測距するためのＬＩＤＡＲシステム（１００）を制御する方法であって、
１つまたは複数のミラー（８００−１）と、１つまたは複数のばね要素を備える前記１つまたは複数のミラー（８００−２）の弾性マウント（８００−２）とを備える、前記ＬＩＤＡＲシステムの質量−ばね系を共振的に作動させることであって、前記１つまたは複数のミラー（８００−１）は、前記一次光の送信ビームおよび前記二次光の受信ビーム内に位置決めされる、前記ＬＩＤＡＲシステムの質量−ばね系を共振的に作動させることと、
前記送信ビームおよび前記受信ビーム内に位置決めされているレンズ（６００）を非共振的に作動させることと
を含む、方法。
【請求項２７】
前記方法は、請求項１から２５のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム（１００）の制御ユニットによって実行される、請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
様々な実施例は、一般に、光検出および測距、すなわち、ＬＩＤＡＲに関する。様々な実施例は、特に、ＬＩＤＡＲのための軸外同軸設定に関する。
【背景技術】
【０００２】
光検出および測距（ＬＩＤＡＲ、レーザ測距すなわちＬＡＤＡＲと呼ばれることもある）は、シーンの３Ｄ点群を提供することを可能にする。物体を正確に検出することができる。測距が可能である。パルスレーザ光または連続波レーザ光が送信ビームに沿って伝送され、物体における反射の後、受信ビームに沿って検出される。これによって、物体までの距離（ｚ位置）を決定することが可能になる。
【０００３】
物体を探査するために使用される一次光が、光源から発し、物体において反射される二次光が、検出器へと案内される。いわゆる同軸設定は、同軸に位置整合される、一次光のための送信ビームと、二次光のための受信ビームとを使用する。典型的には、これは、送信ビームおよび受信ビーム内に同じ走査要素が配置されることを意味する。同軸設定には、デバイスがコンパクトであることのような利点があるが、光学系の複雑度が増大する。このように複雑度が増大することによって、レーザシステム、検出器および光学機器のような構成要素の複雑度も大きくなり、それにより、ユニットコストが増大し、デバイス体積が増大することになり得る。
【０００４】
米国特許出願公開第２０１０１８０７２２（Ａ１）号から、レンズアセンブリおよび電気光学アセンブリを有する走査ＬＩＤＡＲシステムが知られている。レンズアセンブリは、複数の第１の位置へと並進することができ、電気光学アセンブリは、複数の第２の位置へと並進することができる。走査ＬＩＤＡＲシステムによって取得されるデータから、決定される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決定することができる。
【発明の概要】
【０００５】
ＬＩＤＡＲシステムのための改善された同軸設定が必要とされている。上記の制約および欠点のうちの少なくとも一部を克服または軽減する技法が必要とされている。
【０００６】
この必要は、独立請求項の特徴によって満たされる。従属請求項の特徴は、実施例を規定する。
【０００７】
一次光および物体において反射される二次光を使用して物体を測距するためのＬＩＤＡＲシステムは、送信ビームに沿って、ＬＩＤＡＲシステムの走査要素に向けて一次光を放出するように適合されているレーザであって、走査要素に隣接する送信ビームの少なくとも一部分が中心線を規定する、レーザを含む。ＬＩＤＡＲシステムは、受信ビームに沿って二次光を検出するように適合されている検出器をさらに含む。受信ビームは、中心線と位置整合される第１の部分と、中心線に対する傾きを有する第２の部分とを含む。受信ビームの第２の部分は、受信ビームの第１の部分と、検出器との間にある。ＬＩＤＡＲシステムはまた、受信ビームの第１の部分と受信ビームの第２の部分との間で中心線上に位置決めされる、セグメント型レンズをも含む。セグメント型レンズは、送信ビームと関連付けられる送信レンズセグメントと、受信ビームと関連付けられる受信レンズセグメントとを含む。受信レンズセグメントは、受信ビームを検出器に集束させるように適合される。
【０００８】
走査要素に隣接する送信ビームの部分は、走査要素とレーザとの間の送信ビームの部分であってもよい。
【０００９】
一次光および物体において反射される二次光を使用して物体を測距するためのＬＩＤＡＲシステムは、送信ビームに沿って、ＬＩＤＡＲシステムの走査要素に向けて一次光を放出するように適合されているレーザであって、走査要素に隣接する送信ビームの少なくとも一部分が中心線を規定する、レーザを含む。ＬＩＤＡＲシステムは、受信ビームに沿って二次光を検出するように適合されている検出器をさらに含む。送信ビームは、中心線と位置整合される第１の部分と、中心線に対する傾きを有する第２の部分とを含む。送信ビームの第２の部分は、送信ビームの第１の部分と、レーザとの間にある。ＬＩＤＡＲシステムはまた、送信ビームの第１の部分と送信ビームの第２の部分との間で中心線上に位置決めされる、セグメント型レンズをも含む。セグメント型レンズは、送信ビームと関連付けられる送信レンズセグメントと、受信ビームと関連付けられる受信レンズセグメントとを含む。受信レンズセグメントは、受信ビームを検出器に集束させるように適合される。
【００１０】
一次光および物体において反射される二次光を使用して物体を測距するためのＬＩＤＡＲシステムは、送信ビームに沿って、ＬＩＤＡＲシステムの走査要素に向けて一次光を放出するように適合されているレーザを含む。ＬＩＤＡＲシステムは、受信ビームに沿って二次光を検出するように適合されている検出器をさらに含む。レーザは、第１の平面内に延在する第１の基板を有する。検出器は、第２の平面内に延在する第２の基板を有し、第１の平面と第２の平面とは互いに平行である。
【００１１】
上述した様々な実施例は、組み合わされてさらなる実施例を形成することもできる。例えば、送信ビームと受信ビームの両方が、中心線に対する傾きを有することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】様々な実施例による軸外構成要素を有する光学系の同軸設定を含むＬＩＤＡＲシステムの概略図である。
【図１Ｂ】レンズアクチュエータをさらに備える、図１ＡのＬＩＤＡＲシステムの修正された実施例を示す図である。
【図２Ａ】様々な実施例による軸外構成要素を有する同軸設定の例示的な実装の概略図である。
【図２Ｂ】図２Ａに示す実施例の修正された実施例を示す図である。
【図３Ａ】一実施例によるセグメント型レンズの概略図である。
【図３Ｂ】一実施例によるセグメント型レンズの概略図である。
【図４Ａ】一実施例による例示のセグメント型レンズの概略図である。
【図４Ｂ】一実施例による例示のセグメント型レンズの概略図である。
【図４Ｃ】一実施例による例示のセグメント型レンズの概略図である。
【図５】様々な実施例によるレーザ／検出器設定の概略図である。
【図６Ａ】図１Ｂおよび図２Ｂの実施例のあるビューを示す図である。
【図６Ｂ】図１Ｂおよび図２Ｂの実施例のあるビューを示す図である。
【図６Ｃ】図１Ｂおよび図２Ｂの実施例のあるビューを示す図である。
【図７】様々な実施例による運動パターンを示す図である。
【図８】様々な実施例による方法を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下において、添付の図面を参照して実施例を詳細に説明する。以下の実施例の説明は、限定する意味において解釈されるべきではないことは理解されたい。本発明の範囲は、例示としてのみ解釈されるべきである、以降にまたは図面によって説明される実施例によって限定されるようには意図されていない。
【００１４】
図面は、概略表現であるものとして考えられるべきであり、図面に示す要素は、必ずしも原寸に比例するようには示されていない。むしろ、様々な要素は、それらの機能および一般的な目的が当業者に明らかになるように表されている。機能ブロック、デバイス、構成要素、または図面に示すかもしくは本明細書において説明されている他の物理もしくは機能ユニット間の任意の接続または結合はまた、間接接続または結合によって実施されてもよい。構成要素間の結合はまた、無線接続を介して確立されてもよい。機能ブロックは、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせにおいて実施することができる。
【００１５】
以降、ＬＩＤＡＲのための様々な技法が説明される。具体的には、それぞれの光学系の送信ビームおよび受信ビームの同軸設定を使用する、コンパクトでロバストなＬＩＤＡＲシステムを構築するのを容易にする技法が説明される。ＬＩＤＡＲは、物体までの距離を測るために使用される。例えば、パルスＬＩＤＡＲが使用されてもよく、または、連続波ＬＩＤＡＲが使用されてもよい。
【００１６】
様々な実施例によれば、ＬＩＤＡＲシステムは、セグメント型レンズを含む。セグメント型レンズは、例えば、送信レンズセグメントおよび受信レンズセグメントなどの、多数のセグメントを含む。送信レンズセグメントは送信ビームと関連付けられ、受信レンズセグメントは受信ビームと関連付けられる。例えば、受信レンズセグメントは、受信ビームを検出器に集束させるための集束レンズ素子を実装することができる。例えば、送信レンズセグメントは、送信ビームの少なくとも１つの軸をコリメートするためのコリメータレンズ素子を実装することができる。
【００１７】
本開示内で、光学系のレンズのレンズ素子は、一般的に、例えば、焦点距離および光軸など、それぞれの光学特性によって規定される。これらは、それぞれのレンズ素子の表面の幾何学形状と相関し得る。例としては、円柱レンズ素子および二焦点レンズ素子が挙げられる。レンズは、多数のレンズ素子を含み得る。異なるレンズ素子が、そのようなセグメント型レンズの異なるレンズセグメントによって形成される。異なるレンズセグメントは、次いで、例えば、送信ビームおよび受信ビームなど、異なるビームと関連付けられ得る（すなわち、異なるビームに対して作用する）。様々な実施例によれば、セグメント型レンズは、送信ビームと関連付けられる送信レンズセグメントと、受信ビームと関連付けられる受信レンズセグメントとを含む。
【００１８】
以下において、まず、セグメント型レンズの可能な構造を詳述する様々な実施例を説明する。次いで、セグメント型レンズを動かすために使用することができるレンズアクチュエータに関する様々な実施例を説明する。これらの節において論じる特徴は、組み合わされてもよいことは諒解されたい。例えば、セグメント型レンズに関する以下の節において説明する様々な実施例は、レンズアクチュエータの様々な実施例によって、後続の節において説明されるように作動することができる。さらに、セグメント型レンズおよびレンズアクチュエータを、同軸光学設定に適用することができることは諒解されたい。
【００１９】
セグメント型レンズの実施例
本明細書において説明されている様々な実施例によれば、受信レンズセグメントのレンズ素子の少なくとも１つの表面は、中心線に対する回転対称性を保持しない。それによって、受信ビームは、中心線から軸外に集束され得る（以降、軸外検出）。中心線は、例えば、例としてレンズを通り過ぎた、すなわち、物体に向かう送信ビームの中心軸など、送信ビームによって規定され得る。代替的にまたは付加的に、中心線は、例えば、レンズの上流、すなわち、物体に向かってなど、受信ビームに対して規定され得る。中心線は、例えば、送信ビームと受信ビームの共通の開口など、光学系の開口に対して規定され得る。開口は、送信ビームをステアリングするためのミラー（ステアリングミラー）によって形成することができる。それゆえ、一般的に、中心線は、ステアリングミラーを含む走査要素に隣接する送信ビームおよび／または受信ビームに対して規定され得る。中心線は、横方向において、セグメント型レンズのレンズ本体全体の幾何学的中心にまたはその近くに位置し得る。いくつかの実施例において、中心線は、走査要素に隣接する送信ビームの光軸と一致してもよい、すなわち、送信ビームに沿って進行する一次光の横方向光場分布の中心に位置してもよい。中心線は、一般的に、ＬＩＤＡＲシステムの座標系のｚ軸と位置整合され得る。
【００２０】
ステアリングミラー、またはより一般的に、走査要素は、例えば、圧電性駆動装置、磁気駆動装置、または静電駆動装置など、アクチュエータ要素によって作動することができる。
【００２１】
送信レンズセグメントのレンズ素子の少なくとも１つの表面は、例えば、１８０°の回転対称性など、回転対称性を保持することができる。
【００２２】
セグメント型レンズの受信レンズセグメントのレンズ素子の少なくとも１つの表面が中心線に対する回転対称性を保持しない、そのような軸外検出を用いることによって、送信ビームと受信ビームとを分離することが可能であり、具体的には、検出器とセグメント型レンズとの間の受信ビームの一部分の、中心線に対する傾きを達成することができる。他のシナリオにおいて、例えば、中心線に対する回転対称性を保持しないように送信レンズセグメントを作成することによって、レーザとセグメント型レンズとの間の送信ビームの一部分の傾きを実施することが可能となる。それゆえ、軸外検出を、軸外送信と組み合わせるか、または、置き換えることができる。
【００２３】
そのような軸外検出および／または軸外送信には、必要な構成要素および／または製造プロセスの機械的設定ならびにデバイスのサイズが単純化されるという効果があり得る。送信ビームと受信ビームとを分離するためのビームスプリッタは、必須でなくてもよい。検出器およびレーザは、傾きに起因して互いからオフセットされて置かれ得る。
【００２４】
いくつかの実施例において、送信レンズセグメントは、送信ビームのスロー軸を少なくとも部分的にコリメートするように設計される。
【００２５】
いくつかの実施例において、一次光はファスト軸ＦＡおよびスロー軸ＳＡを有することができ、ファスト軸は、レーザの隣にあるスロー軸よりも発散が大きい。典型的には、レーザの活性領域（レーザ共振器を形成するエミッタ領域）は、ＦＡおよびＳＡとは異なる。すなわち、活性領域は、長さの異なる２つの辺を有することができる。活性領域の長辺はＳＡに対応することができ、活性領域の短辺は、ＦＡに対応することができる。
【００２６】
スロー軸に沿った一次光のスロー軸場幅は、ステアリングミラーにおいて、送信ビームに垂直なステアリングミラーのそれぞれの幅の９０％以上であってもよい。
【００２７】
ＦＡおよびＳＡは、送信ビームに垂直に向けられてもよい。
【００２８】
送信レンズセグメントを使用して送信ビームのＳＡをコリメートすることによって、スロー軸コリメーションは、光源からさらに離間することができ、コリメーションの品質が向上する。
【００２９】
いくつかの実施例において、ＬＩＤＡＲシステムは、レーザとセグメント型レンズとの間に位置決めされ、送信ビームの少なくともＳＡを拡大するように適合されているさらなるレンズをさらに含む。したがって、言い換えれば、さらなるレンズおよびセグメント型レンズの送信レンズセグメントを用いることによって、２段階コリメーションを実施することができる。
【００３０】
これには、送信レンズセグメントおよびさらなるレンズの各々の公差要件が低減され、かつ／または、２つの光学素子を使用することによって例えば収差などの歪みを補償することができ、場合によってはシステム全体のコストが低減するという利点があり得る。代替的にまたは付加的に、これには、さらなるレンズおよびセグメント型レンズの送信レンズセグメントが、例えば、走査要素に隣接する送信ビームの一次光のコリメーション品質などの、一次光のコリメーション品質を維持しながら、一次光コリメーションのためのよりコンパクトな光学設定を可能にすることができる、ガリレオ式望遠鏡またはケプラー式望遠鏡としてともに作用することができるという利点があり得る。
【００３１】
いくつかの実施例において、セグメント型レンズの送信レンズセグメントおよび受信レンズセグメントは、一体的に形成される。
【００３２】
これには、送信レンズセグメントおよび受信レンズセグメントの高い光学的品質、ならびに、送信レンズセグメントの光学面と受信レンズセグメントの光学面との間の良好に位置整合された幾何学的関係を達成することができるという利点があり得る。
【００３３】
代替的な実施例において、送信レンズセグメントは、受信レンズセグメントに取り囲まれてもよく、または、その中に埋め込まれてもよい。
【００３４】
これには、各セグメントを独立して製造および選択することができ、これによって、コストを低減することができるという利点があり得る。
【００３５】
これらの実施例の一部において、送信レンズセグメントおよび受信レンズセグメントの材料は、異なる屈折率を有してもよい。これには、各セグメントの光学特性を独立して選定することができるという利点があり得る。しかしながら、これはまた、セグメント型レンズの送信レンズセグメントおよび受信レンズセグメントが、例えば、視力矯正のための多焦点レンズの分野など、当該技術分野において知られているガラス製造技法によって一体的に形成される場合にも可能であることに留意されたい。
【００３６】
いくつかの実施例において、送信レンズセグメントは、円柱レンズ素子または二焦点レンズ素子である。円柱レンズは、一般的に、円筒形の形状を有し得る。
【００３７】
いくつかの実施例において、セグメント型レンズは、中心線に垂直に向けられた平坦な表面を含む。
【００３８】
これには、セグメント型レンズの製造のコストを低減することができるという利点があり得る。これにはまた、セグメント型レンズの機械的位置整合を単純化することができ、とりわけ、例えば自動車またはロボット工学のような移動用途など、振動を伴う作業環境において、位置整合をよりロバストにすることができるという利点もあり得る。
【００３９】
いくつかの実施例において、セグメント型レンズは、送信レンズセグメントを形成する第１の表面と、受信レンズセグメントを形成する第２の表面とを含み、第１の表面および第２の表面は、連続的な遷移によって接続されている。連続的な遷移は、中心線に平行なレンズ本体の厚さの急激な変化が観察される段階的な遷移とは区別され得る。
【００４０】
これには、製造を単純化することができ、かつ／または、不連続面における反射に起因する迷光を低減もしくはさらには回避することができるという利点があり得る。
【００４１】
いくつかの実施例において、受信レンズセグメントは、第１のレンズ素子および第２のレンズ素子を含み、第１のレンズ素子および第２のレンズ素子は、異なる幾何学的レンズパラメータを有する。異なる幾何学的レンズパラメータを実施することによって、収差を低減することができる。
【００４２】
送信レンズセグメントは、受信レンズセグメントの第１のレンズ素子と受信レンズセグメントの第２のレンズ素子との間に位置決めすることができるレンズ素子を含むことができる。
【００４３】
いくつかの実施例において、レーザは、第１の平面内に延在する第１の基板を有し、検出器は、第２の平面内に延在する第２の基板を有し、第１の平面と第２の平面とは互いに平行である。
【００４４】
これには、光学設定の幾何形状が改善されるという利点があり得る。また、いくつかの実施例においては、単一の方向から両方の基板を製造、装着および／または設置することが可能であり得るため、製造のコストを低減することもできる。
【００４５】
いくつかの実施例において、第１の平面と第２の平面とは一致する。
【００４６】
これには、製造、設置、および／または装着プロセスをさらに単純化することができるという利点があり得る。
【００４７】
いくつかの実施例において、レーザは、第１の平面に平行に一次光を放出するように構成されている端面放射型レーザダイオードである。端面放射型レーザダイオードは、基板上に組み込まれ、ここで、光は、基板を破断または切断することによって取得される、基板に垂直な端面に沿って放出することができる。
【００４８】
いくつかの実施例において、ＬＩＤＡＲシステムは、レーザに隣接して第２の平面内に位置し、一次光を中心線に向けて偏向させるように適合されているミラーをさらに含む。
【００４９】
これには、コンパクトな設計が可能になるという利点があり得る。加えて、迷光を低減することができる。
【００５０】
いくつかの実施例において、レーザおよび検出器は、単一の回路基板上に設けられる。これによって、ＬＩＤＡＲデバイスの製造コストをさらに低減することができる。
【００５１】
いくつかの実施例において、中心線は、走査要素に隣接する送信ビームおよび受信ビームの光軸を形成する、すなわち、受信ビームに沿って進行する二次光の横方向光場分布の中心に配置される。
【００５２】
これには、走査要素を使用して送信ビームと受信ビームの両方を偏向させることができるという利点があり得る。
【００５３】
いくつかの実施例において、セグメント型レンズは、射出成形によって製造される。これには、セグメント型レンズの製造のコストを低減することができ、かつ／または、セグメント型レンズのための複雑な形状を使用することができるという利点があり得る。
【００５４】
以下において、セグメント型レンズを動かすために使用することができるレンズアクチュエータに関する様々な実施例を説明する。いくつかの実施例において、本明細書において説明されているように作動されるセグメント型レンズは、先に説明したおよび以下に説明する様々な実施例から選定することができる。他の実施例において、本明細書において説明されている作動方法およびデバイスは、本明細書において説明されているセグメント型レンズとは異なるセグメント型レンズに適用されてもよい。さらなる実施例において、セグメント型レンズの代わりに、例えば、例として市販の在庫品レンズから選定される、レンズの集合、自由形状レンズまたは１つもしくは複数の通常のレンズなど、非セグメント型レンズが、セグメント型レンズの代わりに使用されてもよい。言い換えれば、セグメント型レンズの作動に関して開示されている技法はまた、例えば、集束または非集束ミラー、回折素子など、一般に他の光学的対象またはシステムにも適用されてもよいことは諒解されたい。
【００５５】
アクチュエータは、例えば、マウントおよびアクチュエータ要素など、さらなる要素を備えることができる。そのような実施例において、アクチュエータ要素は、動きを与えることができ、マウントは、アクチュエータ要素の少なくとも可動部分をセグメント型レンズと接続することができる。アクチュエータ要素は、１つまたは複数の圧電アクチュエータを含んでもよい。アクチュエータ要素は、１Ｄ並進自由度を有することができる。マウントは、ボールベアリングなどを含んでもよい。
【００５６】
セグメント型レンズの作動に関する実施例
いくつかの実施例において、ＬＩＤＡＲシステムは、セグメント型レンズを動かすように構成されているレンズアクチュエータを備える。
【００５７】
セグメント型レンズを動かすことによって、一次光および／または二次光を方向付けるための少なくとも１自由度（追加の、すなわち、走査要素によって与えられる自由度を超える）を与える。同軸設定を有する実施例において、作動には、光学素子の他の側で、すなわち、レーザ／検出器と光学素子との間でビームのそれぞれの部分を実質的に動かさないようにしながら、作動が、光学素子と物体との間のビームのそれぞれの部分において、送信ビームおよび受信ビームに影響を及ぼすという効果があり得る。これは、光学的共役構成と呼ばれることがある。
【００５８】
いくつかの実施例において、検出器は、レーザに対して、中心線に垂直な第２の軸に沿って一定の距離をおいて配置され、結果、受信ビームの第２の部分の傾きを規定する。さらに、レンズアクチュエータは、第３の軸に沿ったセグメント型レンズの運動を可能にするように構成することができる。第３の軸は、中心線と第２の軸の両方に実質的に垂直であり得る。
【００５９】
第２の軸は、以降、ｙ軸として定義され、第３の軸は、以降、ｘ軸として定義される。中心線は、ｚ軸を規定する。
【００６０】
一般原則として、所与の軸とさらなる所与の軸との間に囲まれる角度が、
2021535996.tif 000003
任意選択的に
2021535996.tif 000004
任意選択的に
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任意選択的に
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任意選択的に
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任意選択的に
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である場合、所与の軸はさらなる所与の軸に実質的に垂直である。
【００６１】
いくつかの実施例において、ＬＩＤＡＲシステムは、走査要素のさらなるアクチュエータを備える。さらなるアクチュエータは、走査要素の１つまたは複数のステアリングミラーのマウントに対して作用して、１つまたは複数のステアリングミラーに偏向を与えるように構成することができるアクチュエータ要素を含み得る。さらなるアクチュエータのアクチュエータ要素は、１つもしくは複数の圧電アクチュエータ、または、具体的には曲げ圧電アクチュエータを含んでもよい。さらなるアクチュエータのアクチュエータ要素は、１Ｄ並進自由度を有することができる。
【００６２】
レンズアクチュエータによって与えられるレンズの運動の動作周波数は、さらなるアクチュエータによって与えられる１つまたは複数のステアリングミラーの偏向の動作周波数よりも小さくてもよい。いくつかの実施例において、運動の動作周波数は、偏向の動作周波数と比較した場合、５０％以下である。いくつかの実施例において、運動の動作周波数は、偏向の動作周波数と比較した場合、５％以下である。
【００６３】
レンズアクチュエータは、セグメント型レンズの運動を非共振的に可能にするように構成することができる。
【００６４】
これには、セグメント型レンズの作動に対するセグメント型レンズの質量の影響力を限定することができるという利点があり得る。
【００６５】
しかしながら、他の実施例において、レンズアクチュエータは、セグメント型レンズの運動を共振的に可能にするように構成することができる。これは、例えば、セグメント型レンズに取り付けられており、動作に適した共振周波数を与えるために、例えば、直接的または間接的に励起されるなど、アクチュエータによって励起される、例えば、フレクシャばね要素またはねじりばね要素などの、ばね要素によって達成することができる。
【００６６】
さらなるアクチュエータは、１つまたは複数のステアリングミラーの偏向を共振的に、すなわち、１つまたは複数のステアリングミラーおよびそれらのマウントによって形成される質量−ばね系の固有周波数において、または、それに近い周波数で与えるように構成することができる。
【００６７】
これには、ステアリングミラーの偏向の高い周波数を達成することができるという利点があり得る。共振偏向には、非共振偏向と比較して増大したエネルギー効率で偏向を実行することができるという利点があり得る。
【００６８】
マウントおよび１つまたは複数のステアリングミラーの質量は、セグメント型レンズの質量よりも小さくてもよい。例えば、マウントおよび１つまたは複数のステアリングミラー（質量−ばね系）の質量は、例えば、セグメント型レンズの質量の１％以下であってもよく、例えば２０％以下、例えば６０％以下であってもよい。
【００６９】
いくつかの実施例において、走査要素と物体との間の送信ビームの少なくとも第２の部分は、送受信方向を規定し、また、受信ビームは、送受信方向と関連付けられる。送受信方向は、受信ビームの第２の部分を規定することができる。
【００７０】
送受信方向は、一次光が、走査要素の最後の光学面を出射した後にＬＩＤＡＲシステムによって案内される方向として定義することができる。これに関連して最後の光学面は、典型的には、スキャナの後の光学機器が設けられない限り、一次光がＬＩＤＡＲシステム開口を出る前に相互作用する最後の光学的に活性な表面である。
【００７１】
一般原則として、送受信方向は、時間の関数として、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸によって規定される座標系内で動く。アクチュエータまたは走査要素が動いており、動作しているとき、送受信方向は時間の関数として変化し得る。
【００７２】
走査および受信方向の向きは、（ｉ）さらなるアクチュエータによる作動を受けた走査要素の偏向、および（ｉｉ）レンズアクチュエータによる作動を受けたセグメント型レンズの運動によって規定され得る。
【００７３】
そのような実施例において、セグメント型レンズの作動は、送受信方向についての少なくとも１つのさらなる自由度を与えることができる。言い換えれば、レンズアクチュエータを使用することによって、送受信方向に対する走査要素の影響を、反対にするかまたは増幅することができる。したがって、送受信方向の運動は、第１に、走査要素を偏向させるための走査要素の作動、および、第２に、セグメント型レンズを動かすためのセグメント型レンズのレンズ作動によって与えられる運動の重ね合わせであり得る。
【００７４】
そのような重ね合わせは、例えば、閉ループ制御設定において衝撃を補償するために使用することができる。
【００７５】
いくつかの実施例において、そのような重ね合わせは、走査要素の作動要素によって与えられる作動および／またはレンズ作動の振幅を増大させるために使用することができる。
【００７６】
いくつかの実施例において、レンズアクチュエータの第１の並進自由度は、さらなるアクチュエータの第２の並進自由度に直交する成分を有する。
【００７７】
いくつかの実施例において、レンズアクチュエータの第１の並進自由度は、さらなるアクチュエータの第２の並進自由度に直交する。
【００７８】
例えば、走査要素のアクチュエータのアクチュエータ要素は、作動振幅または作動され得る自由度に関して制限され得る（劣駆動系と呼ばれることがある）。例えば、作動要素は、Ｘ軸に沿って走査要素の運動を作動することのみが可能であり、Ｙ軸に沿っては可能でなくてもよい。このとき、そのような劣駆動は、セグメント型レンズの作動によって補償することができる。そのような実施例および他の実施例において、レンズアクチュエータの作動方向は、走査要素のさらなるアクチュエータのアクチュエータ要素の動作方向と位置整合されてもよく、または、当該動作方向からオフセットされてもよく、レンズアクチュエータの作動方向は、走査要素のさらなるアクチュエータのアクチュエータ要素の動作方向に実質的に垂直であってもよい。例えば、レンズアクチュエータの作動方向は、アクチュエータ要素の圧電曲げの向きと少なくとも部分的に位置整合されてもよく、または、当該方向からオフセットされてもよい。
【００７９】
一例として、セグメント型レンズのレンズアクチュエータ、ならびに、走査要素の１つまたは複数のミラーおよびマウントによって形成される質量−ばね系のさらなるアクチュエータは、各々、１Ｄ並進自由度を有する。この実施例において、レンズアクチュエータの第１の並進自由度は、さらなるアクチュエータの第２の並進自由度に直交する。この事例において、例えば、さらなるアクチュエータの第２の並進自由度に垂直な機械的衝撃事象が系において発生する場合、さらなるアクチュエータは、この衝撃を補償することが可能でない場合がある。しかしながら、レンズアクチュエータの第１の並進自由度は、さらなるアクチュエータの第２の並進自由度に直交するため、機械的衝撃事象の少なくとも部分的な補償は、レンズアクチュエータによって可能であり得る。
【００８０】
この実施例の論法は、レンズアクチュエータの第１の並進自由度が、さらなるアクチュエータの第２の並進自由度に直交する成分を有する、他の実施例にも同様に当てはまる。
【００８１】
また、例えば、例として車などのデバイスに設置した後に、ＬＩＤＡＲシステムの精細な位置整合のために低速アクチュエータが使用されてもよい。
【００８２】
いくつかの実施例において、ＬＩＤＡＲシステムは、ビームをステアリングするための、例えば第１の角度および第２の角度などの２自由度を有する。いくつかの実施例において、例えば、第１の角度などの１自由度は走査要素によって与えられ、例えば、第２の角度などの残りの自由度は、レンズアクチュエータによって与えられる。これには、２自由度を与えるように構成されている走査要素と比較して、走査要素を単純化することができるという利益があり得る。
【００８３】
いくつかの実施例において、２自由度を与える走査要素は、２つの作動ミラーを含んでもよく、１自由度を与える走査要素は、１つの作動ミラーを含んでもよく、または、１つの作動ミラーのみを有してもよい。それらの実施例において、１自由度を与える走査要素は、２自由度を与える走査要素よりも安価に製造することができる。
【００８４】
いくつかの実施例において、投影面は、ｘ軸および中心線によって規定される。投影面への送信レンズセグメントの有効焦点距離の第１の投影長、および、投影面内に投影される受信レンズセグメントの有効焦点距離の第２の投影長は、実質的に同一であってもよい。
【００８５】
ｌ２≧ｌ１が真である第１の長さｌ１および第２の長さｌ２は、例えばｌ１／ｌ２≧０．８、例えばｌ１／ｌ２≧０．９９が真である場合に、実質的に同一である。
【００８６】
送信レンズセグメントの有効焦点距離は、それ自体がとる送信レンズセグメントの焦点距離であり得る。他の実施例において、送信レンズセグメントの有効焦点距離は、例えば、ファスト軸および／またはスロー軸など、一次ビームプロファイルの軸上でのみ考慮され得る。さらなる実施例または以前の実施例と組み合わされる実施例において、送信レンズセグメントの有効焦点距離は、例えば、送信レンズセグメントとレーザとの間のさらなるレンズなど、さらなる光学素子と組み合わされた送信レンズセグメントの焦点距離として定義することができる。追加の光学素子を有するそのような実施例において、焦点距離はまた、スロー軸において異なり得る。
【００８７】
これには、送信レンズセグメントおよび受信レンズセグメントの焦点距離が、この投影面において実質的に同一であるという効果があり得る。これには、同軸設定において、レンズが動かされるとき、光学系の焦点が検出器上で位置整合されたままになり得るという効果があり得る。
【００８８】
例えば、レンズがスロー軸のみに沿って作動される場合、焦点距離は、スロー軸に対してのみ実質的に同一であり得る。したがって、光学的共役構成を達成することができる。いくつかの実施例において、ファスト軸に沿った運動中の受信レンズセグメントのフォーカスポイントの位置の変化は許容することができる。
【００８９】
図１Ａは、様々な実施例による軸外検出を利用する同軸設定を含むＬＩＤＡＲシステムを概略的に示す。
【００９０】
ＬＩＤＡＲシステム１００は、一次光および物体１１０において反射される二次光を使用して物体１１０を測距するために使用することができる。
【００９１】
例えばパルスレーザ光またはＣＷ（連続波）レーザ光などのレーザ光を使用することができる。
【００９２】
図１Ａの実施例において、座標系ｘ、ｙ、およびｚが規定され、ｚは二次光の伝播する方向にある。
【００９３】
ＬＩＤＡＲシステム１００は、送信ビーム２１０に沿って、ＬＩＤＡＲシステムの走査要素８００に向けて一次光を放出するように適合されているレーザ２００を含む。走査要素８００は、送信ビームをステアリングするための１つまたは複数のミラー８００−１を含むことができる。アクチュエータ８００−３が、１つまたは複数のステアリングミラー８００−１のマウント８００−２に作用して、ステアリングミラーを偏向させることができる。他の実施例において、１つまたは複数のステアリングミラーは、アクチュエータに直接的に取り付けることができる。マウントは、１つまたは複数のばね要素を備える弾性マウントであってもよい。１つまたは複数のばね要素は、弾性的に変形することができる。例えば、アクチュエータは、例えば、１つまたは複数のばね要素の屈曲またはねじりに対応する固有周波数において、またはそれに近い周波数において、マウントおよび１つまたは複数のステアリングミラーによって形成される質量−ばね系を操作することができる。
【００９４】
ＬＩＤＡＲシステム１００は、受信ビーム５００に沿って二次光を検出するように適合されている検出器４００をさらに含む。例えば、単一光子アバランシェ検出器アレイを、検出器４００として使用することができる。
【００９５】
図１Ａの実施例に示すような同軸設定において、物体１１０と走査要素８００のミラーとの間の受信ビーム５００の方向、ならびに、走査要素８００のミラーと物体１１０との間の送信ビーム２１０の方向は、送受信方向３５０Ａとして示され得る。図１Ａの実施例において、送受信方向３５０Ａは、座標系のｚ軸と位置整合される。ｚ軸を含む座標系は一般的に静止しており、一方、送受信方向は時間の関数として動き得る。それによって、走査ＬＩＤＡＲが実施される。
【００９６】
図１Ａの実施例において、レーザは第１の平面Ｐ１上に位置し、検出器は第２の平面Ｐ２上に位置し、図１Ａの実施例においては、Ｐ１とＰ２とは一致する。一般原則として、第１の平面Ｐ１および第２の平面Ｐ２は、互いに平行であってもよいが、互いからオフセットされてもよい。
【００９７】
図１Ａの実施例において、受信ビームは第１の部分５１０および第２の部分５２０を含み、受信ビーム５００の第２の部分５２０は、受信ビーム５００の第１の部分５１０と検出器４００との間にある。第２の部分５２０は、第１の部分５１０および中心線３００に対する傾き５３０を有する。
【００９８】
ＬＩＤＡＲシステム１００は、セグメント型レンズ６００をさらに含む。セグメント型レンズ６００は、受信ビーム５００の部分５１０と５２０との間に位置決めされる。セグメント型レンズ６００は、ビームスプリッタとして作用する。セグメント型レンズ６００は、受信ビーム５００を検出器４００に集束させる。これは、受信ビーム５００の第２の部分５２０を中心線３００に対して傾けることによって達成される。
【００９９】
セグメント型レンズ６００に関する詳細は、図２Ａ、図３Ａ〜図３Ｂ、および図４Ａ〜図４Ｃを参照して後述する。
【０１００】
セグメント型レンズ６００は、受信ビームの第１の部分５１０と受信ビームの第２の部分５２０との間で中心線３００上に位置決めされる。セグメント型レンズ６００は、送信ビームと関連付けられる送信レンズセグメント６１０と、受信ビームと関連付けられる受信レンズセグメント６２０とを含む。これらの実施例において、送信レンズセグメント６１０は、送信ビーム２１０のＳＡをコリメートするように適合されているレンズ素子６１１を実装し、受信レンズセグメントは、図１Ａに示すように、受信ビームを検出器４００に集束させるように設計されているレンズ素子６２１、６２２を実装する。
【０１０１】
図１Ｂは、レンズアクチュエータ１０００を有する、図１ＡのＬＩＤＡＲシステムの修正された実施例を示す。レンズアクチュエータ１０００は任意選択である。
【０１０２】
ＬＩＤＡＲシステム１００は、レンズアクチュエータ１０００を付加的に備える、図１ＡのＬＩＤＡＲシステム１００であってもよい。レンズアクチュエータ１０００は、セグメント型レンズ６００を動かすように構成することができる。セグメント型レンズ６００の運動は、１つ、２つ、または３つの方向における横方向並進として与えることができる。加えてまたは代替的に、セグメント型レンズの回転を、レンズアクチュエータ１０００によって与えることができる。
【０１０３】
したがって、ＬＩＤＡＲシステム１００の走査を、種々の方法によって達成することができる。走査は、走査要素８００のみを作動させること、レンズアクチュエータ１０００のみを作動させること、または、レンズアクチュエータ１０００と走査要素８００とを組み合わせて作動させることによって、達成されてもよい。
【０１０４】
走査には、送受信方向が時間の関数として修正され得るという効果があり得る。図１Ｂの実施例において、３つの異なる送受信方向３５０Ａ、３５０Ｂ、３５０Ｃが、例示を目的として概略的に示されている。例えば、第１の時点において、ＬＩＤＡＲシステムは、送受信方向３５０Ａを規定することができ、第２の時点において、ＬＩＤＡＲシステムは、送受信方向３５０Ｂを規定することができ、第３の時点において、ＬＩＤＡＲシステムは、送受信方向３５０Ｃを規定することができる。
【０１０５】
いくつかの実施例において、ＬＩＤＡＲシステム１００は、セグメント型レンズ６００とレーザ／検出器との間のそれぞれの区画において、走査が、送信ビーム２１０および受信ビーム５００（すなわち、受信ビームの第２の部分５２０）を実質的に変化しないままにするように設計されてもよい。
【０１０６】
図２Ａは、様々な実施例による軸外検出を利用する同軸設定の例示的な実装を概略的に示す。
【０１０７】
図２Ａは、レーザ２００から放出される一次光および物体１１０によって反射される二次光のレイトレーシングされた光線を示す概略側面図である。図２Ａの実施例において、送信ビーム２１０は、ＦＡコリメータを実装するレンズ６８８、および、ＳＡコリメータを形成するセグメント型レンズ６００の送信レンズセグメント６１０のレンズ素子６１１によって、ファスト軸においてコリメートされる。図２Ａの実施例において、光学設定の中心線３００は、送信ビーム２１０と一致する。
【０１０８】
いくつかの実施例において、ＦＡおよび／またはＳＡのコリメーションは、付加的に、任意選択のさらなるレンズ６９０を使用して行われる。これは、コリメートレンズついての光学的要件を緩和することができ、したがって、デバイスのコストを低減することができる。
【０１０９】
レーザは、物体（図示せず）と相互作用する一次光を放出し、一次光の一部分は、第１の部分５１０および第２の部分５２０を含む受信ビーム５００に沿って進行する。受信ビーム５００の第１の部分５１０は、セグメント型レンズ６００に衝突する。受信ビーム５００の第１の部分５１０は、特に逆平行アラインメントにおいて、送信ビームと位置整合される（同軸設定）。
【０１１０】
同軸設定は図２Ａに示されており、送信ビーム２１０と受信ビーム５００の両方が、例えば、走査要素８００の１つまたは複数のミラー８００−１によって実施される共通の開口９８０を通る。中心線３００は、開口９８０の中心に配置される。
【０１１１】
セグメント型レンズ６００のレンズ素子６１１は、送信レンズセグメント６１０を形成する第１の表面６１２を含み、レンズ素子６２１、６２２は、受信レンズセグメント６２０を形成する第２の表面６２３、６２４を含む。レンズ素子６２１、６２２は、受信ビームを検出器４００のピンホール４０１に集束させる。一点鎖線によって示すように、受信ビーム５００の第２の部分５２０は、中心線３００に対する傾き５３０を有する。
【０１１２】
送信レンズセグメント６１０のレンズ素子６１１は、二焦点レンズ素子または円柱レンズ素子であってもよい。
【０１１３】
図示されている実施例において、第１の表面６１２および第２の表面６２３、６２４は、連続的な遷移６５０によって接続されており、第１の表面６１２および第２の表面６２３、６２４の間の境界に、中心線３００に平行な段差またはオフセットまたはファセットは存在しない。これは、レーザからの迷光が検出器に入るのを回避するのに役立つことができ、レンズの製造を単純化することができる。
【０１１４】
図２Ａの実施例において、受信ビーム５００の第２の部分５２０の傾き５３０は、中心線３００に対する回転対称性を保持しない第２の表面６２３、６２４によって達成される。また、第２の表面６２４および第２の表面６２３は、異なる幾何学的レンズパラメータを有し、結果、非対称設計に起因する収差を回避することができる。
【０１１５】
セグメント型レンズ６００の裏面は平坦な表面６３０であり、結果、位置整合が簡単になり、システムが振動に対してよりロバストになる。
【０１１６】
図２Ｂは、図２Ａに示す実施例の修正された実施例を示す。
【０１１７】
可能な実施例を、図１Ｂおよび図２Ｂのビューによって説明する。
【０１１８】
いくつかの実施例において、検出器４００は、中心線３００に対して軸外に置かれる。図１Ｂおよび図２Ｂによる実施例において、検出器４００は、ｙ方向において距離ｄだけオフセットされる。他の実施例において、オフセットは、異なる軸または複数軸の組み合わせに沿ってもよく、例えば、ｘ方向またはｘ方向とｙ方向の両方に沿った方向にあってもよい。
【０１１９】
検出器４００は、受信ビームの傾き５３０を規定するために、レーザ４００に関して中心線３００に対して垂直なｙ軸に沿って距離ｄをおいて配置されてもよい。
【０１２０】
言い換えれば、レーザと検出器は両方とも、中心線に垂直な平面Ｐ１上に位置してもよい。
【０１２１】
いくつかの実施例において、図１Ｂに示すように、レンズアクチュエータ１００は、中心線３００とｙ軸の両方に実質的に垂直である作動方向１０１０に沿ってセグメント型レンズ６００を動かすように構成され、すなわち、作動方向１０１０はｘ軸と位置整合される。これは、下記において図６Ａ、図６Ｂ、および図６Ｃを参照してさらに示す。
【０１２２】
いくつかの実施例において、投影面は、ｘ軸および中心線３００によって規定され得る。図１Ｂおよび図２Ｂの実施例において、投影面はｘｚ平面である。
【０１２３】
図２Ｂ、図６Ａ〜図６Ｂの図において例示するように、第１の平面ｘｙへの送信レンズセグメントの有効焦点距離の第１の投影長ＰＬａｓｅｒＬｅｎｓ、および、第１の平面ｘｙ内に投影される受信レンズセグメントの焦点距離の第２の投影長ＰＤｅｔｅｃｔｏｒＬｅｎｓは、実質的に同一であってもよい。
【０１２４】
そのような構成には、セグメント型レンズ６００がレンズアクチュエータ１０００によって動かされた場合に、二次光が依然として検出器に到達することができるという利点があり得る。
【０１２５】
言い換えれば、ＬＩＤＡＲシステムは、受信レンズセグメントおよび送信レンズセグメントが光学設定の少なくとも１つの投影面において光学的に共役であるように構成することができる。
【０１２６】
いくつかの実施例において、作動方向１０１０に沿ってレンズアクチュエータ１０００によって作動されるセグメント型レンズ６００の運動は、実質的にｘｚ平面内で、一次光および二次光の送受信方向３５０Ａ、３５０Ｂ、３５０Ｃを動かすように作用することができる。いくつかの実施例において、走査要素８００は、１自由度のみを有し、ｘｙ平面内で送受信方向３５０Ａ、３５０Ｂ、３５０Ｃを修正するように作用する。セグメント型レンズ６００の運動が走査要素８００の１つまたは複数の走査ミラーの偏向を補完するため、これによって、設定を単純化することが可能になり得る。
【０１２７】
図３Ａおよび図３Ｂは、様々な実施例によるセグメント型レンズを概略的に示す。
【０１２８】
図３Ａは、セグメント型レンズ６００の一実施例の正面図を示す。
【０１２９】
図３Ｂは、図３Ａのセグメント型レンズ６００の側面図を示す。
【０１３０】
図４Ａ、図４Ｂ、および図４Ｃは、様々な実施例による例示のセグメント型レンズを概略的に示す。
【０１３１】
図４Ａ〜図４Ｃのセグメント型レンズ６００は、図２Ａおよび図３Ａ、図３Ｂと比較される代替的な実施例である。
【０１３２】
図６Ａ、図６Ｂ、および図６Ｃは、図１Ｂおよび図２Ｂの実施例のｘｚ平面のビューを示す。
【０１３３】
図４Ａ〜図４Ｃの実施例は、２つの異なるレンズから製造される。送信レンズセグメント６１０は、受信レンズセグメント６２０として作用するより大きい軸外レンズ内に製造される溝の中に設置される。受信レンズセグメント６２０の表面６２５は、中心線３００に対する傾きを規定せず、したがって、中心線３００に対する回転対称性を保持しない。
【０１３４】
中心線３００に対して傾いた受信ビーム５００の第２の部分５２０を設けることによって、いくつかの実施例において、必要な体積を低減し、検出器およびレーザの機械的設定を単純化することが可能である。さらに、検出器４００およびレーザ２００を相対的に適切に位置決めすることによって、必要な体積をさらに低減することができる。これは、図５を参照して以下に示す。
【０１３５】
図５は、様々な実施例によるレーザ／検出器構成の概略的に示す。この実施例において、レーザ２００は、第１の平面Ｐ１に延在する第１の基板２２０を有する。この実施例において、レーザは、第１の平面Ｐ１に平行に一次光を放出するように構成されている端面放射型レーザダイオード２０１である。レーザ光はファスト軸コリメータレンズ６８８を通過し、その後、ミラー２３０によって中心線へと案内されて、送信ビーム２１０を与える。
【０１３６】
検出器４００は、第２の平面Ｐ２に延在する第２の基板４２０を有する。図５の実施例において、第１の平面Ｐ１と第２の平面Ｐ２とは一致する。この実施例において、例えば、レーザ２００、検出器４００、および他の電気的構成要素９０１、９０２、９０３、９０４への基板の装着は、大幅に単純化される。いくつかの実施例において、Ｐ１およびＰ２は、例えば、光学設定を最適化するときに追加の自由度を可能にするために、分離される。迷光を回避するために、ハウジング９００を設けることができる。検出器４００は、いくつかの実施例において設けられてもよいピンホール開口を省いて示されていることに留意されたい。
【０１３７】
図５の実施例においては、座標系が示されている。図５の座標系は、図１Ａおよび／または図１Ｂの座標系に対応する。図１Ａおよび図１Ｂにおいて、送信ビーム２１０はレーザ２００とセグメント型レンズ６００との間で直線的に、したがって負のｚ方向において方向付けられているが、図５において、送信ビームはまずｙ軸に平行に伝播し、その後、ミラー２３０と相互作用することに留意されたい。次いで、ミラーが送信ビームを、図１Ａおよび図１Ｂの実施例に示す伝播方向に対応する、ｚ軸に平行な方向に偏向する。
【０１３８】
図６Ａ、図６Ｂ、および図６Ｃは、図１Ｂおよび図２Ｂの実施例のｘｚ平面のビューを示す。
【０１３９】
図６Ａは、第１の位置１６００にあるセグメント型レンズ６００を示す。図示されている実施例において、一次光および二次光は、実質的に中心線３００に沿って伝播する。したがって、送受信方向３５０Ａは、中心線３００と位置整合される。
【０１４０】
図６Ｂにおいて、セグメント型レンズは、第１の位置１６００に対して動かされる。そのような運動は、図１Ｂに示すレンズアクチュエータ１０００によって達成することができる。
【０１４１】
図６Ｂにおいて、第１の位置１６００におけるセグメント型レンズが、参照のために破線として示されている。図６Ｂの実施例において、セグメント型レンズは、第１の位置１６００と比較して正のｘ方向に変位され、第２の位置へと動かされている。結果として、セグメント型レンズ６００と物体１１０との間の一次光と二次光が両方とも偏向され、送受信方向３５０Ｂは中心線３００に対して傾く。
【０１４２】
図６Ｃは、セグメント型レンズ６００の変位が、第１の位置１６００と比較してｘ軸に沿って負の方向において実行される実施例を示している。送受信方向３５０Ｃも、中心線３００に対して傾いている。
【０１４３】
図１Ｂおよび図２Ｃに関連して説明されている実施例によれば、ｘｚ平面内の投影距離ＰＤｅｔｅｃｔｏｒＬｅｎｓおよびＰＬａｓｅｒＬｅｎｓは同一である。
【０１４４】
そのため、図６Ａ〜図６Ｃによる実施例において、レーザ２００と検出器４００の両方の位置は、セグメント型レンズ６００の位置にかかわらず固定されたままであり得る。
【０１４５】
図７は、第１の角度９０１および第２の角度９０２の関数としての運動パターン９００を示す。運動パターン９００は、送受信方向の方向を示す。運動パターン９００は、走査エリア９１５を画定する。
【０１４６】
例えば、図１Ａに示すような第１の実施例において、運動パターン９００は、走査要素８００のみによって与えることができる。走査要素８００は、本明細書において説明されているような走査要素のさらなるアクチュエータによって作動することができる。さらなるアクチュエータは、ねじりモードおよび／または横断モードを励起することができる。
【０１４７】
第２の実施例において、運動パターン９００は、走査要素８００によって与えることができ、レンズアクチュエータは、第１の角度９０１に沿った衝撃または外部干渉を補償する。
【０１４８】
第３の実施例において、例えば、図１Ｂのレンズアクチュエータ１０００などのレンズアクチュエータが、第１の角度９０１に沿った送受信方向の偏向を与えるために使用され、一方、走査要素８００は、第２の角度９０２に沿った送受信方向の偏向を与える。
【０１４９】
そのような運動パターン９００は、例えば、２自由度のうちの１つまたは２つが、例えば、ミラーの共振偏向および／または上述したようなセグメント型レンズの共振作動など、共振プロセスによって与えられる場合に使用され得る。
【０１５０】
図７の実施例における運動パターン９００のこの形状は、限定ではない。他の実施例において、例えば、走査形状、らせん状形状または蛇行形状のような異なる形状が使用されてもよい。特に、レンズアクチュエータ１０００は、第１の角度９０１に沿って段階的動きを与え、その結果として、蛇行形状がもたらすことができる。
【０１５１】
図８は、それぞれの方法を示す。図８は、様々な実施例による方法の流れ図である。図８の方法は、デバイスの制御回路機構によって実行することができる。図８の方法は、上述したようなＬＩＤＡＲシステム１００の、例えばＡＳＩＣまたはＦＰＧＡなどの、制御ユニットによって実行されてもよい。
【０１５２】
ボックス６００１において、１つまたは複数のミラー８００−１および弾性マウント８００−２を含む質量−ばね系が共振的に作動される。例えば、弾性マウント８００−２の１つまたは複数のばね要素のねじりまたは屈曲固有モードが作動され得る。
【０１５３】
ボックス６００２において、セグメント型レンズ６００（または送信ビーム２１０および／または受信ビーム５００内の別のレンズ）が、例えば、非共振的に作動される。
【０１５４】
例えば、作動は、直交する自由度に従い得る。
【０１５５】
レンズアクチュエータの第１の並進自由度は、質量−ばね系のさらなるアクチュエータの第２の並進自由度に直交する成分を有することができる。
【０１５６】
それによって、重ねられた走査パターン９００および／または衝撃吸収が可能にされ得る。
【０１５７】
本発明は、特定の好ましい実施例に関して図示および説明されてきたが、本明細書の読解および理解を受けて、均等物および修正形態が当業者には想起される。本発明は、すべてのそのような均等物および修正形態を含み、別添の特許請求項の範囲によってのみ限定される。
【０１５８】
例示のために、受信ビームが軸外成分、すなわち、中心線に対する傾きを有する第２の部分を含む上記のシナリオが説明されている。しかしながら、他の実施例においては、一次光と関連付けられる送信ビームが中心線に対する傾きを有すること、または、送信ビームおよび受信ビームの両方が軸外成分を含む、すなわち、中心線に対する傾きを有することも可能となる。言い換えれば、軸外検出の代替としてまたはそれに付加して、軸外放出を利用することが可能となる。軸外放出と軸外検出とを組み合わせることには、光学設定をよりコンパクトにすることができること、ならびに／または、例えば、限定ではないが、セグメント型レンズなどの、より薄くおよび／もしくは製造しやすいレンズを使用することができるというさらなる利点があり得る。
【０１５９】
さらなる例示のために、上記において、軸外検出および／または軸外送信が、レーザおよび検出器が搭載される平行な平面と組み合わされる様々なシナリオが説明されている。レーザおよび検出器を平行な平面上に搭載するそのような技法はまた、例えば、送信ビームおよび受信ビームを分離するために従来のビームスプリッタなどを使用して、軸外検出および／または軸外送信なしで実施することもできる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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