(57)【要約】  スキャニングライダ（ＬｉＤＡＲ）システムは、基部フレーム、オプトエレクトロニクスアセンブリ、及びレンズアセンブリを含む。オプトエレクトロニクスアセンブリは、１つ以上のレーザ源及び１つ以上の光検出器を含み、かつ基部フレームに固定的に取り付けられている。レンズアセンブリは、１つ以上のレンズを含む。当該１つ以上のレンズは、焦平面を有する。スキャニングＬｉＤＡＲシステムは、レンズアセンブリを基部フレームにフレキシブルに結合する第１のフレクシャアセンブリをさらに含む。第１のフレクシャアセンブリは、当該１つ以上のレーザ源及び当該１つ以上の光検出器が、実質的に当該１つ以上のレンズの焦平面に位置付けられるように構成されている。第１のフレクシャアセンブリは、放射レンズの光軸に実質的に垂直な平面内でレンズアセンブリを横方向にスキャンするように、曲げられるようにさらに構成されている。【選択図】２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スキャニングライダシステムであって、
基部フレームと、
１つ以上のレーザ源および１つ以上の光検出器を含むオプトエレクトロニクスアセンブリであって、前記オプトエレクトロニクスアセンブリは前記基部フレームに固定的に取り付けられている、オプトエレクトロニクスアセンブリと、
１つ以上のレンズを含むレンズアセンブリであって、前記１つ以上のレンズは焦平面を有する、レンズアセンブリと、
前記レンズアセンブリを前記基部フレームにフレキシブルに結合している第１のフレクシャアセンブリであって、前記第１のフレクシャアセンブリは、前記１つ以上のレーザ源および前記１つ以上の光検出器が実質的に前記１つ以上のレンズの前記焦平面に位置付けられるように、構成されており、かつ、前記第１のフレクシャアセンブリは、前記スキャニングライダシステムの光軸に実質的に垂直な平面内で前記レンズアセンブリを横方向にスキャンするように、曲げられるようにさらに構成されている、第１のフレクシャアセンブリと、
を備える、スキャニングライダシステム。
【請求項２】
前記１つ以上のレンズは、放射レンズおよび受信レンズを含む、請求項１に記載のスキャニングライダシステム。
【請求項３】
第１の駆動機構であって、前記第１の駆動機構は、前記第１のフレクシャアセンブリに結合されており、かつ、前記第１の駆動機構は、前記スキャニングライダシステムの前記光軸に実質的に垂直な前記平面内で前記レンズアセンブリを横方向にスキャンするように、前記第１のフレクシャアセンブリが曲げられることを引き起こすように、構成されている、第１の駆動機構をさらに備える、
請求項１に記載のスキャニングライダシステム。
【請求項４】
前記第１のフレクシャアセンブリは、前記レンズアセンブリを一次元または二次元でスキャンするように、一次元または二次元でフレキシブルであるように、構成されている、請求項１に記載のスキャニングライダシステム。
【請求項５】
前記第１のフレクシャアセンブリは、二次元でフレキシブルであるように構成されており、前記スキャニングライダシステムは、
コントローラであって、前記コントローラは、第１の次元において第１の周波数で、かつ前記第１の次元に直交する第２の次元において第２の周波数で、前記レンズアセンブリが前記第１のフレクシャアセンブリを介してスキャンされることを引き起こすように構成されており、前記第２の周波数は、前記第１の周波数とは異なる、コントローラをさらに備える、請求項１に記載のスキャニングライダシステム。
【請求項６】
前記第２の周波数は、前記レンズアセンブリの軌道がリサージュパターンに従うように前記第１の周波数と相違する、請求項５に記載のスキャニングライダシステム。
【請求項７】
前記第１の周波数と前記第２の周波数との比は、約０．５〜約２．０の範囲である、請求項６に記載のスキャニングライダシステム。
【請求項８】
前記第１のフレクシャアセンブリは、一組のスプリングを含み、前記一組のスプリングのそれぞれの各スプリングは、前記第１の次元において第１の共鳴周波数を、かつ前記第２の次元において第２の共鳴周波数を有するように構成されており、前記第２の共鳴周波数は、前記第１の共鳴周波数とは異なる、請求項５に記載のスキャニングライダシステム。
【請求項９】
前記第１の周波数は、前記第１の共鳴周波数に実質的に等しく、前記第２の周波数は、前記第２の共鳴周波数に実質的に等しい、請求項８に記載のスキャニングライダシステム。
【請求項１０】
カウンタバランス構造と、
前記カウンタバランス構造を前記基部フレームにフレキシブルに結合している第２のフレクシャアセンブリと、
前記レンズアセンブリの動きが前記カウンタバランス構造の動きと反対であるように、前記レンズアセンブリおよび前記カウンタバランス構造が、それぞれ前記第１のフレクシャアセンブリおよび前記第２のフレクシャアセンブリを介してスキャンされることを引き起こすように、構成されたコントローラと、
をさらに備える、請求項１に記載のスキャニングライダシステム。
【請求項１１】
前記カウンタバランス構造および前記第２のフレクシャアセンブリは、前記カウンタバランス構造の重心が前記レンズアセンブリの重心と略一致するように、構成されている、請求項１０に記載のスキャニングライダシステム。
【請求項１２】
前記レンズアセンブリおよび前記カウンタバランス構造は、前記カウンタバランス構造の運動量が前記レンズアセンブリの運動量を実質的に相殺するように、スキャンされる、請求項１０に記載のスキャニングライダシステム。
【請求項１３】
スキャニングライダシステムを使用する三次元イメージングの方法であって、前記ライダシステムは、オプトエレクトロニクスアセンブリおよびレンズアセンブリを備え、前記方法は、
前記ライダシステムの光軸に実質的に垂直な平面内で前記レンズアセンブリをスキャンすることであって、前記スキャンすることの一方で、前記ライダシステムの前記オプトエレクトロニクスアセンブリは固定されており、前記レンズアセンブリは１つ以上のレンズを含み、前記１つ以上のレンズは焦平面を有し、前記オプトエレクトロニクスアセンブリは、少なくとも第１のレーザ源および少なくとも第１の光検出器を含み、前記レンズアセンブリは、前記第１のレーザ源および前記第１の光検出器が実質的に前記１つ以上のレンズの前記焦平面に位置付けられるように、前記光軸に沿った方向において前記オプトエレクトロニクスアセンブリに対して相対的に、位置付けられている、スキャンすることと、
前記レンズアセンブリが複数の位置へとそれぞれスキャンされているときに、複数のレーザパルスを、前記複数のレーザパルスが前記ライダシステムの前方の視野（ＦＯＶ）内の複数の角度に投射されるように、前記第１のレーザ源を使用して放射することであって、前記複数のレーザパルスは、前記ＦＯＶ内の１つ以上の物体から反射される、放射することと、
前記１つ以上の物体から反射された前記複数のレーザパルスを、前記第１の光検出器を使用して検出することと、
前記複数のレーザパルスの各レーザパルスについての飛行時間を、プロセッサを使用して決定することと、
前記複数のレーザパルスの前記飛行時間に基づいて、前記１つ以上の物体の三次元イメージを構築することと、
を含む、三次元イメージングの方法。
【請求項１４】
前記１つ以上のレンズは、放射レンズおよび受信レンズを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記平面内で前記レンズアセンブリをスキャンすることは、前記平面内で一次元または二次元で前記レンズアセンブリをスキャンすることを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記平面内で前記レンズアセンブリをスキャンすることは、
第１の次元において第１の周波数で、前記レンズアセンブリをスキャンすることと、
前記第１の次元に直交する第２の次元において前記第１の周波数とは異なる第２の周波数で、前記レンズアセンブリをスキャンすることと、
を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記第２の周波数は、前記レンズアセンブリの軌道がリサージュパターンに従うように前記第１の周波数と相違する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記スキャニングライダシステムは、カウンタバランス構造をさらに備え、前記方法は、
前記カウンタバランス構造の動きが前記レンズアセンブリの動きと反対であるように、前記レンズアセンブリを前記スキャンすることと同時に前記カウンタバランス構造をスキャンすること、をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記カウンタバランス構造の運動量は、前記レンズアセンブリの運動量を実質的に相殺する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
スキャニングライダシステムであって、
基部フレームと、
前記基部フレームに固定的に取り付けられたレンズフレームと、
前記レンズフレームに固定的に取り付けられたレンズアセンブリであって、前記レンズアセンブリは１つ以上のレンズを含み、前記１つ以上のレンズは焦平面を有する、レンズアセンブリと、
前記基部フレームに固定的に取り付けられたオプトエレクトロニクスアセンブリであって、前記オプトエレクトロニクスアセンブリは、１つ以上のレーザ源および１つ以上の光検出器を含む、オプトエレクトロニクスアセンブリと、
プラットフォームと、
１つ以上の放射用光ファイバおよび１つ以上の受信用光ファイバであって、
それぞれの各放射用光ファイバは、前記１つ以上のレーザ源のそれぞれのレーザ源に結合された第１の端部、および前記プラットフォームに取り付けられた第２の端部を有し、
それぞれの各受信用光ファイバは、前記１つ以上の光検出器のそれぞれの光検出器に結合された第１の端部、および前記プラットフォームに取り付けられた第２の端部を有し、
前記プラットフォームは、それぞれの各放射用光ファイバの前記第２の端部およびそれぞれの各受信用光ファイバの前記第２の端部が実質的に前記１つ以上のレンズの前記焦平面に位置付けられるように、前記レンズアセンブリに対して位置付けられている、１つ以上の放射用光ファイバおよび１つ以上の受信用光ファイバと、
前記プラットフォームを前記レンズフレームまたは前記基部フレームにフレキシブルに結合しているフレクシャアセンブリと、
前記フレクシャアセンブリに結合されており、かつ、前記スキャニングライダシステムの光軸に実質的に垂直な平面内で前記プラットフォームを横方向にスキャンし、それによって各放射用光ファイバの前記第２の端部および各受信用光ファイバの前記第２の端部を前記平面内で前記レンズアセンブリに対して相対的にスキャンするように、前記フレクシャアセンブリが曲がることを引き起こすように構成されている、駆動機構と、
を備える、スキャニングライダシステム。
【請求項２１】
前記１つ以上のレンズは、放射レンズおよび受信レンズを含む、請求項２０に記載のスキャニングライダシステム。
【請求項２２】
前記フレクシャアセンブリは、二次元でフレキシブルであるように構成されており、前記スキャニングライダシステムは、
前記駆動機構に結合されたコントローラであって、前記コントローラは、第１の次元において第１の周波数で、かつ前記第１の次元に直交する第２の次元において第２の周波数で、前記プラットフォームが前記フレクシャアセンブリを介してスキャンされることを引き起こすように、前記駆動機構を駆動するように構成されており、前記第２の周波数は前記第１の周波数とは異なる、コントローラをさらに備える、請求項２０に記載のスキャニングライダシステム。
【請求項２３】
前記第２の周波数は、前記レンズアセンブリの軌道がリサージュパターンに従うように前記第１の周波数と相違する、請求項２２に記載のスキャニングライダシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
[0001]本出願は、２０１８年７月１０日に出願された米国特許仮出願第６２／６９６，２４７号明細書、及び２０１９年７月８日に出願された仮出願ではない米国特許出願第１６／５０４，９８９号明細書の利益を主張し、その全内容は、参照によりここに組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
[0002]三次元センサは、自律型の乗り物、ドローン、ロボット工学、及びセキュリティ用途などに応用できる。ＬｉＤＡＲセンサは、このような応用のために適切な高い角度分解能を達成し得る。視野（ｆｉｅｌｄ  ｏｆ  ｖｉｅｗ：ＦＯＶ）全体にわたってＬｉＤＡＲセンサのレーザビームをスキャンするための既存の技術には、ＬｉＤＡＲセンサアセンブリ全体を回転させること、又はスキャンミラーを使用してレーザビームを様々な方向に偏向させることが含まれる。改良されたスキャニングＬｉＤＡＲシステムが、必要とされている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
[0003]いくつかの実施形態によれば、スキャニングライダ（ＬｉＤＡＲ）システムは、基部フレーム、オプトエレクトロニクスアセンブリ、及びレンズアセンブリを含む。オプトエレクトロニクスアセンブリは、１つ以上のレーザ源及び１つ以上の光検出器を含み、かつ基部フレームに固定的に取り付けられている。レンズアセンブリは、１つ以上のレンズを含む。当該１つ以上のレンズは、焦平面を有する。スキャニングＬｉＤＡＲシステムは、レンズアセンブリを基部フレームにフレキシブルに結合する第１のフレクシャアセンブリをさらに含む。第１のフレクシャアセンブリは、当該１つ以上のレーザ源及び当該１つ以上の光検出器が、実質的に当該１つ以上のレンズの焦平面に位置付けられるように構成されている。第１のフレクシャアセンブリは、放射レンズの光軸に実質的に垂直な平面内でレンズアセンブリを横方向にスキャンするように、曲げられるようにさらに構成されている。
【０００４】
[0004]いくつかの実施形態によれば、スキャニングＬｉＤＡＲシステムを使用する三次元イメージングの方法が提供される。ＬｉＤＡＲシステムには、オプトエレクトロニクスアセンブリ及びレンズアセンブリが含まれる。本方法は、ＬｉＤＡＲシステムのオプトエレクトロニクスアセンブリが固定されている間に、ＬｉＤＡＲシステムの光軸に実質的に垂直な平面内で、レンズアセンブリをスキャンすることを含む。レンズアセンブリは、１つ以上のレンズを含んでいてもよい。当該１つ以上のレンズは、焦平面を有する。オプトエレクトロニクスアセンブリは、少なくとも第１のレーザ源及び少なくとも第１の光検出器を含んでいてもよい。レンズアセンブリは、第１のレーザ源及び第１の光検出器が実質的に受信レンズの焦平面に位置付けられるように、光軸に沿った方向においてオプトエレクトロニクスアセンブリに対して相対的に、位置付けられている。本方法は、レンズアセンブリが複数の位置へとそれぞれスキャンされているときに、複数のレーザパルスを、当該複数のレーザパルスがＬｉＤＡＲシステムの前方の視野（ＦＯＶ）内の複数の角度に投射されるように、第１のレーザ源を使用して放射することをさらに含む。複数のレーザパルスは、ＦＯＶ内の１つ以上の物体から反射され得る。本方法は、１つ以上の物体から反射された複数のレーザパルスを、第１の光検出器を使用して検出することと、複数のレーザパルスの各レーザパルスについての飛行時間を、プロセッサを使用して求めることと、複数のレーザパルスの飛行時間に基づいて、１つ以上の物体の三次元イメージを構築することと、をさらに含む。
【０００５】
[0005]いくつかの実施形態によれば、スキャニングＬｉＤＡＲシステムは、基部フレーム、基部フレームに固定的に取り付けられたレンズフレーム、及びレンズフレームに固定的に取り付けられたレンズアセンブリを含む。レンズアセンブリは、１つ以上のレンズを含んでいてもよい。当該１つ以上のレンズは、焦平面を有する。スキャニングＬｉＤＡＲシステムは、基部フレームに固定的に取り付けられたオプトエレクトロニクスアセンブリをさらに含む。オプトエレクトロニクスアセンブリは、１つ以上のレーザ源及び１つ以上の光検出器を含む。スキャニングＬｉＤＡＲシステムは、プラットフォーム、１つ以上の放射用光ファイバ、及び１つ以上の受信用光ファイバをさらに含む。それぞれの各放射用光ファイバは、１つ以上のレーザ源のそれぞれのレーザ源に結合された第１の端部、及びプラットフォームに取り付けられた第２の端部を有する。それぞれの各受信用光ファイバは、１つ以上の光検出器のそれぞれの光検出器に結合された第１の端部、及びプラットフォームに取り付けられた第２の端部を有する。プラットフォームは、それぞれの各放射用光ファイバの第２の端部、及びそれぞれの各受信用光ファイバの第２の端部が、実質的に１つ以上のレンズの焦平面に位置付けられるように、レンズアセンブリに対して位置付けられている。スキャニングＬｉＤＡＲシステムは、プラットフォームをレンズフレーム又は基部フレームにフレキシブルに結合しているフレクシャアセンブリ、及びフレクシャアセンブリに結合された駆動機構をさらに含む。駆動機構は、スキャニングＬｉＤＡＲシステムの光軸に実質的に垂直な平面内でプラットフォームを横方向にスキャンし、それによって各放射用光ファイバの第２の端部及び各受信用光ファイバの第２の端部を平面内でレンズアセンブリに対して相対的にスキャンするように、フレクシャアセンブリが曲がることを引き起こすように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】いくつかの実施形態による、三次元イメージングのためのＬｉＤＡＲセンサを概略的に示す図である。
【図２】いくつかの実施形態による、レンズアセンブリがスキャンされるスキャニングＬｉＤＡＲシステムを概略的に示す図である。
【図３】いくつかの実施形態による、レンズアセンブリが二次元でスキャンされ得るスキャニングＬｉＤＡＲシステムを概略的に示す図である。
【図４Ａ】いくつかの他の実施形態による、ＬｉＤＡＲシステムをスキャンするための共鳴体構造を概略的に示す図である。
【図４Ｂ】いくつかの他の実施形態による、ＬｉＤＡＲシステムをスキャンするための共鳴体構造を概略的に示す図である。
【図５】いくつかの実施形態による、カウンタバランス構造を含むスキャニングＬｉＤＡＲシステムを概略的に示す図である。
【図６】いくつかの実施形態による、二次元でスキャンされることができる、カウンタバランス構造を含むスキャニングＬｉＤＡＲシステムを概略的に示す図である。
【図７】本発明のいくつかの実施形態による、スキャニングＬｉＤＡＲシステムを使用する三次元イメージングの方法を示す、簡略化されたフローチャートである。
【図８】いくつかの実施形態による、光ファイバのアレイを含むスキャニングＬｉＤＡＲシステムを概略的に示す図である。
【図９】いくつかの実施形態による、二次元でスキャンされ得る、光ファイバのアレイを含むスキャニングＬｉＤＡＲシステムを概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
[0015]本発明は、概して、三次元イメージングのためのスキャニングＬｉＤＡＲシステムに関する。単に例として、本発明の実施形態は、オプトエレクトロニクスアセンブリが固定されている一方でレンズアセンブリが移動される、スキャニングＬｉＤＡＲシステムのための装置及び方法を提供する。いくつかの他の実施形態では、レンズアセンブリとオプトエレクトロニクスアセンブリの両方が、固定されており、オプトエレクトロニクスアセンブリに結合された光ファイバのアレイの端部が、レンズアセンブリに対して相対的にスキャンされる。
【０００８】
[0016]図１は、いくつかの実施形態による、三次元イメージングのためのＬｉＤＡＲセンサ１００を概略的に示す。ＬｉＤＡＲセンサ１００は、放射レンズ１３０及び受信レンズ１４０を含む。ＬｉＤＡＲセンサ１００は、実質的に放射レンズ１３０の後焦平面に配置された、レーザ源１１０ａを含む。レーザ源１１０ａは、放射レンズ１３０の後焦平面のそれぞれの放射位置から、レーザパルス１２０を放射するように動作する。放射レンズ１３０は、ＬｉＤＡＲセンサ１００の前方に配置された物体１５０に向けて、レーザパルス１２０をコリメートして導くように構成されている。レーザ源１１０ａの所与の放射位置について、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に向けて導かれる。
【０００９】
[0017]コリメートされたレーザパルス１２０’の一部１２２は、物体１５０から受信レンズ１４０に向かって反射される。受信レンズ１４０は、物体１５０で反射されたレーザパルスの一部１２２’を、受信レンズ１４０の焦平面の対応する検出位置に集束させるように構成されている。ＬｉＤＡＲセンサ１００は、実質的に受信レンズ１４０の焦平面に配置された、光検出器１６０ａをさらに含む。光検出器１６０ａは、物体から反射されたレーザパルス１２０の一部１２２’を、対応する検出位置で受信及び検出するように構成されている。光検出器１６０ａの対応する検出位置は、レーザ源１１０ａのそれぞれの放射位置と光学的に共役である。
【００１０】
[0018]レーザパルス１２０は、短い持続時間、例えば１００ｎｓパルス幅であってもよい。ＬｉＤＡＲセンサ１００は、レーザ源１１０ａ及び光検出器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、放射から検出までのレーザパルス１２０の飛行時間（ｔｉｍｅ  ｏｆ  ｆｌｉｇｈｔ：ＴＯＦ）を求めるように構成されている。レーザパルス１２０は光速で伝わるため、ＬｉＤＡＲセンサ１００と物体１５０との間の距離が、求められた飛行時間に基づいて求められてもよい。
【００１１】
[0019]ＦＯＶ全体にわたってレーザビーム１２０’をスキャンする１つの方法は、レーザ源１１０ａを、放射レンズ１３０の後焦平面内で放射レンズ１３０に対して相対的に横方向に移動させることである。例えば、レーザ源１１０ａは、図１に示されるように、放射レンズ１３０の後焦平面内の複数の放射位置へとラスタスキャンされてもよい。レーザ源１１０ａは、複数の放射位置で複数のレーザパルスを放射してもよい。それぞれの放射位置で放射された各レーザパルスは、放射レンズ１３０によってコリメートされ、それぞれの角度で物体１５０に向けて導かれて、物体１５０の表面上の対応する点に当たる。したがって、レーザ源１１０ａが、放射レンズ１３０の後焦平面のある一定の領域内でラスタスキャンされるにつれて、物体１５０上の対応する物体領域が、スキャンされる。光検出器１６０ａは、図１に示されるように、受信レンズ１４０の焦平面内の、複数の対応する検出位置に位置付けられるように、ラスタスキャンされてもよい。光検出器１６０ａをスキャンすることは、典型的にはレーザ源１１０ａをスキャンすることと同期して実行され、そのため、光検出器１６０ａとレーザ源１１０ａは、任意の所与の時間において、常に互いと光学的に共役である。
【００１２】
[0020]それぞれの放射位置で放射される各レーザパルスについて飛行時間を求めることによって、ＬｉＤＡＲセンサ１００から物体１５０の表面上の対応する各点までの距離が求められてもよい。いくつかの実施形態では、プロセッサ１９０は、各放射位置におけるレーザ源１１０ａの位置を検出する、位置エンコーダと結合されている。放射位置に基づいて、コリメートされたレーザパルス１２０’の角度が、求められてもよい。物体１５０の表面上の対応する点のＸ−Ｙ座標は、ＬｉＤＡＲセンサ１００に対する角度、及びＬｉＤＡＲセンサ１００までの距離に基づいて求められてもよい。したがって、物体１５０の三次元イメージは、ＬｉＤＡＲセンサ１００から物体１５０の表面上の様々な点までの測定された距離に基づいて構築されてもよい。いくつかの実施形態では、三次元イメージは、点群、すなわち物体１５０の表面上の点のＸ、Ｙ及びＺ座標の集合として、表現されてもよい。
【００１３】
[0021]いくつかの実施形態では、戻りレーザパルス１２２’の強度が、測定されて、同じ放射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される。検出器の飽和を防止し、眼の安全を改善し、又は総消費電力を低減するためである。レーザパルスの出力は、レーザパルスの持続時間、レーザに印加される電圧若しくは電流、又はレーザに電力供給するために使用されるコンデンサに蓄積される電荷を多様にすることによって、多様にされてもよい。後者の場合では、コンデンサに蓄積される電荷は、コンデンサへの充電時間、充電電圧、又は充電電流を多様にすることによって、多様にされてもよい。いくつかの実施形態では、イメージにもう１つの次元を加えるために、強度も使用されてもよい。例えば、イメージには、Ｘ、Ｙ及びＺ座標、さらには反射率（又は明るさ）が含まれていてもよい。
【００１４】
[0022]ＬｉＤＡＲセンサ１００の画角（ａｎｇｕｌａｒ  ｆｉｅｌｄ  ｏｆ  ｖｉｅｗ：ＡＦＯＶ）は、レーザ源１１０ａのスキャン範囲、及び放射レンズ１３０の焦点距離に基づいて、次のように推定されてもよい。
【数１】
2021530687.tif 000003
、
式中、ｈは、レーザ源１１０ａのある一定の方向に沿ったスキャン範囲であり、ｆは、放射レンズ１３０の焦点距離である。所与のスキャン範囲ｈに対して、より短い焦点距離は、より広いＡＦＯＶをもたらすであろう。所与の焦点距離ｆに対して、より大きいスキャン範囲は、より広いＡＦＯＶをもたらすであろう。いくつかの実施形態では、ＬｉＤＡＲセンサ１００は、放射レンズ１３０の後焦平面にアレイとして配置された複数のレーザ源を含んでいてもよく、そのため、それぞれの個々のレーザ源のスキャン範囲を比較的小さく保ちながら、全部合わせたより大きなＡＦＯＶが実現され得る。したがって、ＬｉＤＡＲセンサ１００は、受信レンズ１４０の焦平面にアレイとして配置された複数の光検出器を含んでいてもよく、各光検出器は、それぞれのレーザ源と共役であり得る。例えば、ＬｉＤＡＲセンサ１００は、図１に示されるように、第２のレーザ源１１０ｂ及び第２の光検出器１６０ｂを含んでいてもよい。他の実施形態では、ＬｉＤＡＲセンサ１００は、４つのレーザ源及び４つの光検出器、又は８つのレーザ源及び８つの光検出器を含んでいてもよい。一実施形態では、ＬｉＤＡＲ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、及び４×２アレイとして配置された８つの光検出器を含んでいてもよく、そのため、ＬｉＤＡＲセンサ１００は、垂直方向におけるそのＡＦＯＶよりも、水平方向においてより広いＡＦＯＶを有し得る。様々な実施形態によれば、ＬｉＤＡＲセンサ１００の全部合わせたＡＦＯＶは、放射レンズの焦点距離、各レーザ源のスキャン範囲、及びレーザ源の数に応じて、約５度〜約１５度、又は約１５度〜約４５度、又は約４５度〜約９０度の範囲であってもよい。
【００１５】
[0023]レーザ源１１０ａは、紫外、可視、又は近赤外の波長範囲のレーザパルスを放射するように構成されていてもよい。各レーザパルスのエネルギーは、マイクロジュール程度であってもよく、これは、通常、ＫＨｚ範囲の繰返し率において眼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については、眼は、それらの波長では焦点が合わないため、エネルギーレベルは、より高いものであることができる。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、又は他の半導体センサを含んでいてもよい。
【００１６】
[0024]ＬｉＤＡＲセンサ１００の角度分解能は、実質的に回折限界であることができ、これは、次のように推定されてもよい。
θ＝１．２２λ／Ｄ、
式中、λは、レーザパルスの波長、Ｄは、レンズ開口の直径である。角度分解能はまた、レーザ源１１０ａの放射領域のサイズ、並びにレンズ１３０及び１４０の収差に依存してもよい。様々な実施形態によれば、ＬｉＤＡＲセンサ１００の角度分解能は、レンズのタイプに応じて、約１ｍｒａｄ〜約２０ｍｒａｄ（約０．０５〜１．０度）の範囲であってもよい。
【００１７】
Ｉ．移動レンズアセンブリを有するＬＩＤＡＲシステム
[0025]上記で論じたように、図１に示されるＬｉＤＡＲシステムについては、コリメートされたレーザビーム１２０’をシーン内のＦＯＶ全体にわたってスキャンする１つの方法は、放射レンズ１３０及び受信レンズ１４０が固定されるように保ち、放射レンズ１３０の焦平面内でレーザ源１１０ａを一次元又は二次元のいずれかで横方向に移動させることである。二次元スキャンの場合において、スキャンパターンは、（図１に示されるような）ラスタ・スキャン・パターン、又はリサージュパターンのいずれであることもできる。対応する光検出器１６０ａは、上記で論じたように、光学的共役関係を維持するように、レーザ源１１０ａの動きと同期して移動されてもよい。
【００１８】
[0026]レーザ源１１０ａ及び光検出器１６０ａは、普通、電源及び制御エレクトロニクスに電気ケーブルを介して接続されている。電源及び制御エレクトロニクスは、通常、静止しているため、レーザ源１１０ａ及び光検出器１６０ａを移動させることは、電気ケーブルのひずみを引き起こし得、ＬｉＤＡＲシステムの動作の堅牢性に潜在的に影響を及ぼす可能性がある。いくつかの実施形態によれば、レーザ源１１０ａ及び光検出器１６０ａは、固定されたままであり、ＦＯＶ全体にわたってレーザビーム１２０’をスキャンすることは、放射レンズ１３０を、その光軸に実質的に垂直な平面内（例えば、ページに垂直な平面内）で、一次元又は二次元のいずれかで横方向に移動させることによって達成される。したがって、受信レンズ１４０は、放射レンズ１３０の動きと同期して移動され、そのため、戻りレーザビーム１２２’が、光検出器１６０ａ上に集束される。このスキャン方法には、移動部品と静止部品との間に電気的接続が不要であるという利点がある。そのスキャン方法はまた、動作中にレーザ源１１０ａ及び光検出器１６０ａの位置合わせを調整することを、より容易にし得る。それらが移動していないからである。
【００１９】
[0027]図２は、いくつかの実施形態による、スキャニングＬｉＤＡＲシステム２００を概略的に示す。ＬｉＤＡＲシステム２００は、１つ以上のレーザ源２１０及び１つ以上の光検出器２６０（例えば、図２に示されるような４つのレーザ源２１０及び４つの光検出器２６０）を含んでいてもよい。レーザ源２１０及び光検出器２６０は、オプトエレクトロニクスボード２５０にマウントされていてもよい。オプトエレクトロニクスボード２５０は、基部フレーム２０２に固定的に取り付けられていてもよい。オプトエレクトロニクスボード２５０であって、その上にマウントされたレーザ源２１０及び光検出器２６０を有するものは、本明細書ではオプトエレクトロニクスアセンブリと呼ばれる場合がある。オプトエレクトロニクスボード２５０は、レーザ源２１０及び光検出器２６０の動作を制御するための、電子回路を含んでいてもよい。電気ケーブルは、電子回路を電源とコンピュータプロセッサとに接続していてもよく、これらは、基部フレーム２０２に取り付けられているか他の場所に配置されていてもよい。レーザ源２１０及び光検出器２６０は、一次元又は二次元アレイのいずれかとして配置されていてもよいことに留意されたい（例えば、二次元アレイの場合において、紙面に垂直な方向に互いからオフセットされた、１つ以上の列があってもよい）。
【００２０】
[0028]ＬｉＤＡＲシステム２００は、放射レンズ２３０及び受信レンズ２４０をさらに含んでいてもよい。放射レンズ２３０及び受信レンズ２４０のそれぞれは、複数のレンズ素子を含む、複合レンズであってもよい。放射レンズ２３０及び受信レンズ２４０は、レンズマウント２２０にマウントされていてもよい。レンズマウント２２０であって、それに取り付けられた放射レンズ２３０及び受信レンズ２４０を有するものは、本明細書ではレンズアセンブリと呼ばれる場合がある。
【００２１】
[0029]レンズアセンブリは、図２に示されるように、一対のフレクシャ２７０ａ及び２７０ｂを介して基部フレーム２０２にフレキシブルに取り付けられていてもよい。レンズアセンブリ２２０は、レーザ源２１０が実質的に放射レンズ２３０の焦平面に位置付けられ、かつ光検出器２６０が実質的に受信レンズ２４０の焦平面に位置付けられるように、オプトエレクトロニクスボード２５０の上方に位置付けられている。加えて、レーザ源２１０及び光検出器２６０は、それぞれの各レーザ源２１０の位置、及び対応する光検出器２６０の位置が、図１を参照して上記で説明したように互いに対して光学的に共役であるように、オプトエレクトロニクスボード２５０上に位置付けられている。
【００２２】
[0030]図２に示されるように、一対のフレクシャ２７０ａ及び２７０ｂのそれぞれについての、１つの端部は、基部フレーム２０２に取り付けられており、一方、他の端部は、レンズアセンブリ２２０に取り付けられている。一対のフレクシャ２７０ａ及び２７０ｂは、ボイス・コイル・モータなどの、アクチュエータ２０４（本明細書では駆動機構とも呼ばれる）に結合されていてもよい。アクチュエータ２０４は、コントローラ２０６によって制御されて一対のフレクシャ２７０ａ及び２７０ｂが平行四辺形のように左又は右にそらされることを引き起こしてもよく、そのようにして、図２における両側矢印によって示されるように、レンズアセンブリ２２０を左又は右に移動させてもよい。放射レンズ２３０の横方向の移動は、レーザ源２１０によって放射されたレーザビームが、ＬｉＤＡＲシステム２００の前方のＦＯＶ全体にわたってスキャンされることを引き起こしてもよい。放射レンズ２３０及び受信レンズ２４０を含むレンズアセンブリ２２０全体が、単一のユニットとして移動されるため、レンズアセンブリ２２０が、スキャンされるとき、レーザ源２１０と光検出器２６０との間の光学的共役関係が、維持される。
【００２３】
[0031]レンズアセンブリ２２０は、電力のための如何なる電気的接続も必要としない場合があるから、レンズアセンブリ２２０を移動させることは、オプトエレクトロニクスボード２５０が移動されている場合と比べて、電気的接続に関する潜在的な問題を引き起こさない場合がある。したがって、ＬｉＤＡＲシステム２００は、より堅牢な動作をもたらし得る。動作中にレーザ源２１０及び光検出器２６０の位置合わせを調整することもまた、より容易であり得る。それらが移動していないからである。
【００２４】
[0032]図２は、レンズアセンブリ２２０を移動させるための２つのロッド形状のフレクシャ２７０ａ及び２７０ｂを示しているが、他のフレクシャ機構又はステージが、使用されてもよい。例えば、スプリング及び空気軸受などが、使用されてもよい。いくつかの実施形態では、駆動機構２０４は、ボイス・コイル・モータ（ｖｏｉｃｅ  ｃｏｉｌ  ｍｏｔｏｒ：ＶＣＭ）及び圧電アクチュエータなどを含んでいてもよい。高いスキャン周波数では、一対のフレクシャ２７０ａ及び２７０ｂ、並びに駆動機構２０４は、電力要件を最小化するために、その共鳴周波数で、又はその共鳴周波数の近くで動作させられてもよい。
【００２５】
[0033]図３は、いくつかの実施形態による、レンズアセンブリ３２０が二次元でスキャンされ得るスキャニングＬｉＤＡＲシステム３００を概略的に示す。図２に示されるＬｉＤＡＲシステム２００と同様に、ＬｉＤＡＲシステム３００は、１つ以上のレーザ源３１０及び１つ以上の光検出器３６０（例えば、図３に示されるような、２×５アレイとして配置された１０のレーザ源２１０、及び２×５アレイとして配置された１０の光検出器２６０）を含んでいてもよく、それらは、オプトエレクトロニクスボード３５０にマウントされていてもよい。図３では、レーザ源３１０及び光検出器３６０は、二次元アレイに配置されたものとして示されている。いくつかの実施形態では、レーザ源３１０及び光検出器３６０は、一次元アレイに配置されていてもよい。オプトエレクトロニクスボード３５０は、基部フレーム３０２に固定的に取り付けられていてもよい。オプトエレクトロニクスボード３５０は、レーザ源３１０及び光検出器３６０の動作を制御するための、電子回路（図示せず）を含んでいてもよい。
【００２６】
[0034]ＬｉＤＡＲシステム３００は、放射レンズ３３０及び受信レンズ３４０をさらに含んでいてもよい。（放射レンズ３３０及び受信レンズ３４０のそれぞれは、複数のレンズ素子を含む複合レンズであってもよいことに留意されたい。）放射レンズ３３０及び受信レンズ３４０は、レンズフレーム３２０にマウントされていてもよい。レンズフレーム３２０であって、それに取り付けられた放射レンズ３３０及び受信レンズ３４０を有するものは、本明細書ではレンズアセンブリと呼ばれる場合がある。
【００２７】
[0035]レンズアセンブリ３２０は、４つのフレクシャ３７０ａ〜３７０ｄを介して基部フレーム３０２にフレキシブルに取り付けられていてもよい。各フレクシャ３７０ａ、３７０ｂ、３７０ｃ、又は３７０ｄの第１の端部は、レンズフレーム３２０のそれぞれの角に取り付けられている。図３に示すように、第１の端部とは反対の、各フレクシャ３７０ａ、３７０ｂ、３７０ｃ、又は３７０ｄの第２の端部は、基部フレーム３０２に取り付けられている。レンズアセンブリ３２０は、レーザ源３１０が実質的に放射レンズ３３０の焦平面に位置付けられ、かつ光検出器３６０が実質的に受信レンズ３４０の焦平面に位置付けられるように、オプトエレクトロニクスボード３５０の上方に位置付けられている。
【００２８】
[0036]いくつかの実施形態では、フレクシャ３７０ａ〜３７０ｄは、ピアノ線などのばね鋼で作られていてもよく、そのため、フレクシャ３７０ａ〜３７０ｄは、二次元でそらされることができる。１つ以上のアクチュエータ３０４ａ〜３０４ｄ（例えば、ボイス・コイル・モータ又は他のタイプのアクチュエータ）は、フレクシャ３７０ａ〜３７０ｄに結合されていてもよく、かつ各フレクシャの第１の端部がそらされることを引き起こすことができ、そのようにしてレンズアセンブリ３２０を、図３の２つの直交する両側矢印によって示されるように、放射レンズ３３０又は受信レンズ３４０の（例えばＺ方向に沿った）光軸に実質的に垂直な平面内で、二次元で移動させることができる。説明の便宜のために、２つの直交する方向のスキャンは、本明細書では、それぞれ水平スキャン及び垂直スキャンと呼ばれる場合がある。図２に示されるＬｉＤＡＲシステム２００と同様に、放射レンズ３３０の横方向の移動は、レーザ源３１０によって放射されたレーザビームが、ＬｉＤＡＲシステム３００の前方のＦＯＶ全体にわたってスキャンされることを引き起こしてもよい。
【００２９】
[0037]いくつかの実施形態では、レンズアセンブリを二次元でスキャンすることは、ラスタ・スキャン・パターンで実行されてもよい。例えば、レンズアセンブリは、水平方向（例えば、Ｘ方向）において、（例えば、百から数百Ｈｚ程度の）より高い周波数で、かつ、垂直方向（例えば、Ｙ方向）において、（例えば、数Ｈｚから数十Ｈｚ程度の）より低い周波数でスキャンされてもよい。水平方向の高い周波数のスキャンは、ラインスキャンに対応していてもよく、垂直方向の低い周波数のスキャンは、フレームレートに対応していてもよい。高い周波数は、フレクシャアセンブリ３０４の共鳴周波数であってもよい。低い周波数のスキャンは、共鳴周波数でなくてもよい。
【００３０】
[0038]いくつかの他の実施形態では、レンズアセンブリ３２０を二次元でスキャンすることは、リサージュパターンで実行されてもよい。リサージュ・スキャン・パターンは、類似しているがしかし同一ではない周波数で、水平方向及び垂直方向にレンズアセンブリをスキャンすることによって実現されてもよい。数学的には、リサージュ曲線は、次のパラメータ方程式のグラフである。
ｘ＝Ａ  ｓｉｎ（ａｔ＋δ）、ｙ＝Ｂ  ｓｉｎ（ｂｔ）、
式中、ａ及びｂは、それぞれｘ方向（例えば、水平方向）及びｙ方向（例えば、垂直方向）の周波数であり、ｔは、時間であり、δは、位相差である。
【００３１】
[0039]フレームレートは、２つの周波数ａとｂの差に関連していてもよい。いくつかの実施形態では、スキャン周波数ａ及びｂは、所望のフレームレートに基づいて選択され得る。例えば、毎秒１０フレームのフレームレートが、所望である場合、水平方向で２００Ｈｚ、及び垂直方向で２１０Ｈｚの周波数が、選択され得る。この例では、リサージュパターンは、フレームごとに正確に繰り返し得る。フレームレートよりも大幅に大きくなるように２つの周波数ａ及びｂを選択し、かつ位相差δを適切にセレクトすることにより、視野の比較的均一で密なカバレッジが、実現され得る。
【００３２】
[0040]いくつかの他の実施形態では、リサージュパターンが繰り返さないことが、所望である場合、異なる周波数比又は無理数の周波数比が、選択され得る。例えば、２つの方向でのスキャン周波数ａ及びｂは、それぞれ２００Ｈｚ及び２１０．１Ｈｚであるように選択され得る。この例では、フレームレートが、毎秒１０フレームである場合、リサージュパターンは、フレームごとに繰り返さない場合がある。別の例として、スキャン周波数ａ及びｂは、それぞれ２０１Ｈｚ及び２１１Ｈｚであるように選択され得、そのため、比ａ／ｂは、無理数であり得る。この例ではまた、リサージュパターンは、フレームごとに変化するであろう。いくつかの場合において、リサージュパターンがフレームごとに繰り返さないようにすることが、望ましいのであり得る。レーザ源又は光検出器の、後続のフレームによる軌道が、以前のフレームによる軌道のすき間を埋め得、それによって視野のより密なカバレッジを効果的に有し得るからである。
【００３３】
[0041]いくつかの実施形態では、所望のフレームレートの倍数である周波数分離も、使用され得る。例えば、２つの方向でのスキャン周波数ａ及びｂは、それぞれ２００Ｈｚ及び２２０Ｈｚであるように選択され得る。この場合、例えば、１０Ｈｚ又は２０Ｈｚのいずれかのフレームが、使用され得る。様々な実施形態によれば、スキャン周波数ａとｂとの間の比は、約０．５〜約２．０の範囲であり得る。
【００３４】
[0042]図３を参照すると、いくつかの実施形態では、ロッドスプリング３７０ａ〜３７０ｄは、水平方向及び垂直方向でわずかにそれぞれ異なる共鳴周波数を有するように作られていてもよい。いくつかの実施形態では、これは、ロッドスプリング３７０ａ〜３７０ｄを、垂直方向（例えば、Ｙ方向）よりも水平方向（例えば、Ｘ方向）で、又はその逆に、より堅くすることによって実現されてもよい。いくつかの他の実施形態では、これは、ロッドスプリング３７０ａ〜３７０ｄを、その一部又は全長にわたって長方形又は楕円形の断面を有するようにすることによって実現されてもよい。楕円形の断面を有するスプリングを使用すると、長方形の断面を有するスプリングと比較して、角における応力が低減され得る。代替的に、各ロッドスプリング３７０ａ〜３７０ｄは、応力を低減するために、丸い角を有する長方形の断面を有してもよい。いくつかの実施形態では、スキャン周波数ａ及びｂは、それぞれ水平方向及び垂直方向におけるロッドスプリング３７０ａ〜３７０ｄの共鳴周波数に対応するように、有利に選択されてもよい。
【００３５】
[0043]ロッドスプリングとは異なる、他のタイプの二次元フレクシャもまた使用されてもよい。図４Ａ及び図４Ｂは、いくつかの他の実施形態による、ＬｉＤＡＲシステムをスキャンするための共鳴体構造を概略的に示す。フレーム４１０は、一対のフレクシャ４２０ａ及び４２０ｂに対して、そのいずれかの側に取り付けられていてもよい。フレーム４１０は、図３に示されるＬｉＤＡＲシステム３００のレンズアセンブリ３２０などの、レンズアセンブリを支えてもよい。
【００３６】
[0044]一対のフレクシャ４２０ａ及び４２０ｂのそれぞれは、ばね材のプレートを切断することによって製造されてもよい。図４Ａ及び図４Ｂに示されるような巻込み構成が、スプリング部材の有効長を増加させるために使用されてもよい。一対のフレクシャ４２０ａ及び４２０ｂのそれぞれについての、１つの端部は、固定されたマウント点４３０ａ〜４３０ｄに取り付けられていてもよい。一対のフレクシャ４２０ａ及び４２０ｂは、それぞれ図４Ａ及び４Ｂの両側矢印によって示されるように、フレーム４１０を水平及び垂直に移動させるように、水平方向と垂直方向の両方で曲げられてもよい。ＬｉＤＡＲシステムのレンズアセンブリを水平及び垂直にスキャンするために、フレーム４１０は、水平方向と垂直方向の両方で、その共鳴周波数で、又はその共鳴周波数の近くで振動させられてもよい。
【００３７】
[0045]レンズアセンブリをスキャンすることによって引き起こされ得るあらゆる振動を軽減するために、カウンタバランスが、ＬｉＤＡＲシステムにおいて使用されてもよい。図５は、いくつかの実施形態による、カウンタバランス構造５８０を含むスキャニングＬｉＤＡＲシステム５００を概略的に示す。ＬｉＤＡＲシステム５００は、図２に示されるＬｉＤＡＲシステム２００に類似するが、しかし一対のフレクシャ５９０ａ及び５９０ｂを介して基部フレーム２０２にフレキシブルに取り付けられたカウンタバランス物体５８０も含む。一対のフレクシャ５９０ａ及び５９０ｂは、アクチュエータ（図示せず）に結合されていてもよく、当該アクチュエータは、図５の相対する矢印によって示されるように、コントローラ（図示せず）によって制御されてカウンタバランス物体５８０をレンズアセンブリ２２０とは反対の方向に移動させてもよい。
【００３８】
[0046]いくつかの実施形態では、カウンタバランス構造５８０は、音叉の一方のアームが、他方のアームのみが打たれた場合でも他方のアームとは逆に振動するのと同様に、能動駆動なしでレンズアセンブリ２２０に共鳴してスキャンするように配置されていてもよい。別の実施形態では、カウンタバランス構造５８０は、駆動されてもよく、レンズアセンブリ２２０が、共鳴してスキャンしてもよい。さらに別の実施形態では、駆動機構は、基部フレーム２０２への直接の関連なしに、レンズアセンブリ２２０とカウンタバランス構造５８０との間で作用するように配置されていてもよい。
【００３９】
[0047]いくつかの実施形態では、カウンタバランス物体５８０は、有利には、レンズアセンブリ２２０の重心に近い重心を有するように構成されていてもよい。いくつかの実施形態では、カウンタバランス物体５８０は、レンズアセンブリ２２０の質量と実質的に同じ質量を有してもよい。したがって、カウンタバランス物体５８０が、レンズアセンブリ２２０におけるのと等しい大きさで、しかし反対の方向にスキャンされるとき、カウンタバランス物体５８０の運動量は、レンズアセンブリ２２０の運動量を実質的に相殺し得、それによりＬｉＤＡＲシステム５００の振動を最小化し得る。いくつかの他の実施形態では、カウンタバランス物体５８０は、レンズアセンブリ２２０の質量より小さい（又はより大きい）質量を有してもよく、かつレンズアセンブリ２２０のものより大きい（又はより小さい）振幅でスキャンされてもよく、そのため、カウンタバランス物体５８０の運動量が、レンズアセンブリ２２０の運動量を実質的に相殺してもよい。
【００４０】
[0048]図６は、いくつかの実施形態による、二次元でスキャンされることができる、カウンタバランス構造を含むスキャニングＬｉＤＡＲシステム６００を概略的に示す。ＬｉＤＡＲシステム６００は、図３に示されるＬｉＤＡＲシステム３００に類似するが、しかし４つのフレクシャ６９０ａ〜６９０ｄを介して基部フレーム３０２にフレキシブルに取り付けられたカウンタバランス物体６８０も含む。４つのフレクシャ６９０ａ〜６９０ｄのそれぞれは、カウンタバランス物体６８０の、それぞれの角に取り付けられている。４つのフレクシャ６９０ａ〜６９０ｄは、コントローラであるアクチュエータ（図示せず）に結合されていてもよく、当該アクチュエータは、コントローラによって制御されてカウンタバランス物体６８０を水平（例えば、Ｘ方向）と垂直（例えば、Ｙ方向）の両方で反対の方向に移動させてもよい。カウンタバランス物体６８０の質量及びその動きの振幅は、カウンタバランス物体６８０の運動量がレンズアセンブリの運動量を実質的に相殺し、それによりＬｉＤＡＲシステム６００の振動を最小化するように、構成されていてもよい。
【００４１】
[0049]図７は、本発明のいくつかの実施形態による、スキャニングＬｉＤＡＲシステムを使用する三次元イメージングの方法７００を示す、簡略化されたフローチャートである。スキャニングＬｉＤＡＲシステムには、レンズアセンブリ及びオプトエレクトロニクスアセンブリが含まれる。
【００４２】
[0050]方法７００は、７０２において、ＬｉＤＡＲシステムのオプトエレクトロニクスアセンブリが固定されている間に、ＬｉＤＡＲシステムの光軸に実質的に垂直な平面内で、レンズアセンブリをスキャンすることを含む。レンズアセンブリは、放射レンズ及び受信レンズを含んでいてもよい。オプトエレクトロニクスアセンブリは、少なくとも第１のレーザ源、及び少なくとも第１の光検出器を含んでいてもよい。レンズアセンブリは、第１のレーザ源が実質的に放射レンズの焦平面に位置付けられ、かつ第１の光検出器が実質的に受信レンズの焦平面に位置付けられるように、光軸に沿った方向においてオプトエレクトロニクスアセンブリに対して相対的に、位置付けられている。
【００４３】
[0051]方法７００は、７０４において、レンズアセンブリが複数の位置へとそれぞれスキャンされているときに、複数のレーザパルスを、当該複数のレーザパルスがＬｉＤＡＲシステムの前方の視野（ＦＯＶ）内の複数の角度に投射されるように、第１のレーザ源を使用して放射することをさらに含む。複数のレーザパルスは、ＦＯＶ内の１つ以上の物体から反射されてもよい。
【００４４】
[0052]方法７００は、７０６において、１つ以上の物体から反射された複数のレーザパルスを、第１の光検出器を使用して検出することをさらに含む。
【００４５】
[0053]
方法７００は、７０８において、複数のレーザパルスの各レーザパルスについての飛行時間を、プロセッサを使用して求めることをさらに含む。
【００４６】
[0054]方法７００は、７１０において、複数のレーザパルスの飛行時間に基づいて、１つ以上の物体の三次元イメージを構築することをさらに含む。
【００４７】
[0055]図７に示される具体的なステップは、本発明のいくつかの実施形態による、スキャニングＬｉＤＡＲシステムを使用する三次元イメージングの具体的な方法を提供することが理解されるべきである。代替実施形態によれば、ステップの他のシーケンスも、実行されてもよい。例えば、本発明の代替実施形態は、上記で概説したステップを異なる順序で実行してもよい。さらにその上、図７に示される個々のステップは、個々のステップに対して適切に様々なシーケンスで実行され得る、複数のサブステップを含んでいてもよい。さらにまた、さらなるステップが、具体的な適用に応じて追加され又は削除されてもよい。当業者は、多くの変形、修正、及び代替を認識するであろう。
【００４８】
ＩＩ．光ファイバアレイを有するＬＩＤＡＲシステム
[0056]いくつかの実施形態によれば、スキャニングＬｉＤＡＲシステムは、レーザ源によって放射された光ビームを放射レンズの焦平面に結合するために、及び受信レンズの焦平面に集束された戻りレーザビームを光検出器に結合するために、光ファイバを使用してもよい。レンズアセンブリ又はレーザ源を移動させる代わりに、光ファイバの端部が、ＦＯＶ全体にわたってレーザビームをスキャンするように、レンズアセンブリに対して相対的に移動されるのである。
【００４９】
[0057]図８は、いくつかの実施形態による、光ファイバのアレイを使用するスキャニングＬｉＤＡＲシステム８００を概略的に示す。図２に示されるＬｉＤＡＲシステム２００と同様に、ＬｉＤＡＲシステム８００は、１つ以上のレーザ源２１０及び１つ以上の光検出器２６０を含み、それらは、オプトエレクトロニクスボード２５０にマウントされている。オプトエレクトロニクスボード２５０は、基部フレーム２０２に固定的に取り付けられている。ＬｉＤＡＲシステム８００は、レンズマウント２２０にマウントされた、放射レンズ２３０及び受信レンズ２４０も含む。レンズマウント２２０は、レンズフレーム８８０に固定的に取り付けられており、レンズフレーム８８０は、今度は支持ビーム８７０ａ及び８７０ｂによって基部フレームに固定的に取り付けられている。
【００５０】
[0058]ＬｉＤＡＲシステム８００は、１つ以上の放射用光ファイバ８１０も含む。各放射用光ファイバ８１０の第１の端部は、１つ以上のレーザ源２１０の、それぞれのレーザ源２１０に結合されている。各放射用光ファイバ８１０の第２の端部８１２は、実質的に放射レンズ２３０の焦平面に位置付けられている。したがって、それぞれのレーザ源２１０によって放射された光ビームは、それぞれの放射用光ファイバ８１０に結合されて、放射用光ファイバ８１０の第２の端部８１２から放射されて、放射レンズ２３０によってコリメートされる。
【００５１】
[0059]ＬｉＤＡＲシステム８００は、１つ以上の受信用光ファイバ８６０も含む。各受信用光ファイバ８６０の第１の端部は、１つ以上の光検出器２６０の、それぞれの光検出器２６０に結合されている。各受信用光ファイバ８６０の第２の端部８６２は、実質的に受信レンズ２４０の焦平面に位置付けられている。受信用光ファイバ８６０の第２の端部８６２の位置は、放射用光ファイバ８１０の第２の端部８１２の位置と光学的に共役であり、そのため、受信レンズ２４０によって集束された戻り光ビームは、受信用光ファイバ８６０に結合されてそれぞれの光検出器２６０に伝播され得る。
【００５２】
[0060]各放射用光ファイバ８１０の第２の端部８１２、及び各受信用光ファイバ８６０の第２の端部８６２は、プラットフォーム８２０に取り付けられている。プラットフォーム８２０は、一対のフレクシャ８９０ａ及び８９０ｂを介してレンズフレーム８８０にフレキシブルに取り付けられている。プラットフォーム８２０は、図８の両側矢印によって示されるように、アクチュエータ（図示せず）を使用して一対のフレクシャ８９０ａ及び８９０ｂをそらすことによって、レンズフレーム８８０に対して相対的に、横方向に左又は右に移動されてもよい。したがって、各放射用光ファイバ８１０の第２の端部８１２は、放射レンズ２３０の焦平面内で横方向にスキャンされ得、１つ以上のレーザ源８１０によって放射されたレーザビームが、放射レンズ２３０によってコリメートされた後でＦＯＶ全体にわたってスキャンされることを引き起こし得る。プラットフォーム８２０は、フレクシャ８９０ａ〜８９０ｄを介してレンズフレーム８８０に取り付けられているように示されているが、代替実施形態では、プラットフォーム８２０はまた、一組のフレクシャを介して基部フレーム２０２に取り付けられていてもよい。
【００５３】
[0061]ＬｉＤＡＲシステム８００では、レンズアセンブリ８８０とオプトエレクトロニクスアセンブリ２５０の両方が、固定されており、スキャンは、プラットフォーム８２０を移動させ、それによって放射用光ファイバ８１０の第２の端部８１２及び受信用光ファイバ８６０の第２の端部８６２を、レンズアセンブリ８８０に対して相対的に移動させることによって、成し遂げられる。比較的小さな直径を有する光ファイバは、非常にフレキシブルであることができるため、プラットフォーム８２０を移動させることが、放射用光ファイバ８１０及び受信用光ファイバ８６０に著しいひずみを引き起こさない場合がある。したがって、ＬｉＤＡＲシステム８００は、動作上、堅牢であり得る。
【００５４】
[0062]ＬｉＤＡＲシステム８００が複数のレーザ源２１０及び複数の光検出器２６０（例えば、図８に示されるような４つのレーザ源２１０及び４つの光検出器２６０）を含む、いくつかの実施形態では、放射用光ファイバ８１０の第２の端部８１２及び受信用光ファイバ８６０の第２の端部８６２は、放射レンズ２３０及び受信レンズ２４０の像面湾曲及び歪みを考慮に入れるように、位置付けられかつ向き付けられていてもよい。例えば、放射レンズ２３０のベストフォーカスの面が像面湾曲に起因して曲面であると想定して、放射用光ファイバ８１０の第２の端部８１２が、放射レンズ２３０のベストフォーカスの曲面上に位置付けられていてもよい。同様に、受信レンズ２４０のベストフォーカスの面が曲面であると想定して、受信用光ファイバ８６０の第２の端部８６２は、受信レンズ２４０のベストフォーカスの曲面上に位置付けられていてもよい。追加的又は代替的に、レンズ歪みを軽減するために、放射用光ファイバ８１０の第２の端部８１２は、そこから放射される光ビームが放射レンズ２３０の中心に向けて導かれるように、向き付けられていてもよい。受信用光ファイバ８６０の第２の端部８６２は、レンズ歪みを軽減するように、同様に向き付けられていてもよい。
【００５５】
[0063]図９は、いくつかの実施形態による、二次元でスキャンされ得る、光ファイバのアレイを使用するスキャニングＬｉＤＡＲシステム９００を概略的に示す。図３に示されるＬｉＤＡＲシステム３００と同様に、ＬｉＤＡＲシステム９００は、オプトエレクトロニクスボード３５０にマウントされた、１つ以上のレーザ源３１０及び１つ以上の光検出器３６０を含む。オプトエレクトロニクスボード３５０は、基部フレーム３０２に固定的に取り付けられている。ＬｉＤＡＲシステム９００は、レンズフレーム９８０に取り付けられた、放射レンズ３３０及び受信レンズ３４０も含む。レンズフレーム９８０は、２つの支持ビーム９７０ａ及び９７０ｂを介して基部フレーム３０２に固定的に取り付けられている。
【００５６】
[0064]ＬｉＤＡＲシステム９００は、１つ以上の放射用光ファイバ９１０、及び１つ以上の受信用光ファイバ９６０をさらに含む。各放射用光ファイバ９１０の第１の端部は、１つ以上のレーザ源３１０の、それぞれのレーザ源３１０に結合されている。各放射用光ファイバ９１０の第２の端部９１２は、プラットフォーム９２０に取り付けられている。各受信用光ファイバ９６０の第１の端部は、１つ以上の光検出器３６０の、それぞれの光検出器３６０に結合されている。各受信用光ファイバ９６０の第２の端部９６２は、プラットフォーム９２０に取り付けられている。
【００５７】
[0065]プラットフォーム９２０は、放射用光ファイバの第２の端部９１２が、実質的に放射レンズ３３０の焦平面に位置付けられ、かつ受信用光ファイバの第２の端部９６２が、実質的に受信レンズ３４０の焦平面に位置付けられるように、放射レンズ３３０及び受信レンズ３４０から離間されている。したがって、それぞれのレーザ源３１０によって放射された光ビームは、それぞれの放射用光ファイバ３１０に結合され得、当該光ビームは、その後、放射用光ファイバ９１０の第２の端部９１２から放射されて放射レンズ３３０によってコリメートされ得る。受信レンズ３４０によって集束された戻り光ビームは、それぞれの受信用光ファイバ９６０に、その第２の端部９６２を通して結合され得、それぞれの受信用光ファイバ９６０によって、それぞれの光検出器３６０上に伝播され得る。
【００５８】
[0066]プラットフォーム９２０は、４つのフレクシャ９９０ａ〜９９０ｄを介してレンズフレーム９８０にフレキシブルに取り付けられており、４つのフレクシャ９９０ａ〜９９０ｄは、１つ以上のアクチュエータ（図示せず）に結合されていてもよい。プラットフォーム９２０は、図９の２つの両側矢印によって示されるように、アクチュエータを介してフレクシャ９９０ａ〜９９０ｄをそらすことによって、放射レンズ３３０の光軸（例えば、Ｚ方向）及び受信レンズ３４０の光軸に実質的に垂直な平面内で、二次元で（例えば、Ｘ方向及びＹ方向で）横方向に移動されてもよい。放射用光ファイバ９１０の第２の端部９１２が、放射レンズ３３０の焦平面内でスキャンされるとき、放射用光ファイバ９１０の第２の端部９１２から放射されたレーザビームは、放射レンズ３３０によってコリメートされた後、ＦＯＶ全体にわたってスキャンされる。代替実施形態では、プラットフォーム９２０は、一組のフレクシャを介して基部フレーム３０２にフレキシブルに取り付けられていてもよい。
【００５９】
[0067]図７に示されるＬｉＤＡＲシステム７００と同様に、複数のレーザ源３１０及び複数の光検出器３６０（例えば、図９に示されるような、二次元アレイとして配置された１０のレーザ源３１０、及び二次元アレイとして配置された１０の光検出器３６０）の場合において、放射用光ファイバ９１０の第２の端部９１２及び受信用光ファイバ９６０の第２の端部９６２は、放射レンズ３３０及び受信レンズ３４０の像面湾曲及び歪みを考慮に入れるように、位置付けられかつ向き付けられていてもよい。
【００６０】
[0068]いくつかの実施形態では、プラットフォーム９２０を二次元でスキャンすることは、ラスタ・スキャン・パターンで実行されてもよい。例えば、プラットフォーム９２０は、水平方向（例えば、Ｘ方向）において、（例えば、百から数百Ｈｚ程度の）より高い周波数で、かつ、垂直方向（例えば、Ｙ方向）において、（例えば、数Ｈｚから数十Ｈｚ程度の）より低い周波数でスキャンされてもよい。水平方向の高い周波数のスキャンは、ラインスキャンに対応していてもよく、垂直方向の低い周波数のスキャンは、フレームレートに対応していてもよい。高い周波数は、フレクシャアセンブリの共鳴周波数であってもよい。低い周波数のスキャンは、共鳴周波数でなくてもよい。いくつかの他の実施形態では、プラットフォーム９２０を二次元でスキャンすることは、図３を参照して上記で論じたように、近いがしかし同一ではない比較的高い周波数で、両方の方向でスキャンすることによって、リサージュパターンで実行されてもよい。
【００６１】
[0069]本明細書に記載されている例及び実施形態は、例示の目的だけのためであることと、そのことに照らした様々な修正又は変更が、当業者に示唆されるであろうし、本出願の趣旨及び範囲並びに添付の特許請求の範囲に含まれることとなることも、理解される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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