(57)【要約】  光学システムは、第１の方向に第１の幅を有し、かつ第１の方向に直交する第２の方向に第１の高さを有する照射領域を有するレーザ源を備え、第１の幅が第１の高さより大きい。光学システムは、負の屈折率を有し、レーザ源の前方に配置された円柱レンズをさらに備える。円柱レンズは、円柱レンズのパワー軸が第１の方向に沿うように向けられる。円柱レンズは、レーザ源によって照射されたレーザビームの照射領域を仮想幅および仮想高さを有する仮想照射領域に変換するように構成され、仮想幅が第１の幅より小さい。光学システムは、円柱レンズの下流に配置され、レーザビームをコリメートして遠視野に向かって差し向けるように構成された回転対称レンズをさらに備える。【選択図】４Ａ
2021504707.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に第１の幅を有し、かつ前記第１の方向に直交する第２の方向に第１の高さを有し、前記第１の幅が前記第１の高さより大きい照射領域を有するレーザ源と、
負の屈折率を有し、前記レーザ源の前方に配置された円柱レンズであって、前記円柱レンズが、前記円柱レンズのパワー軸が実質的に前記第１の方向に沿うように向けられ、前記円柱レンズが、前記レーザ源によって照射されたレーザビームの前記照射領域を仮想幅および仮想高さを有する仮想照射領域に変換するように構成され、前記仮想幅が前記第１の幅より小さい、円柱レンズと、
前記円柱レンズの下流に配置された回転対称レンズであって、前記回転対称レンズが前記レーザビームをコリメートして、遠視野に向けて差し向けるように構成される、回転対称レンズと、
を備える、光学システム。
【請求項２】
前記レーザ源が固体レーザ源を含む、請求項１に記載の光学システム。
【請求項３】
前記円柱レンズが、前記レーザ源と単一のパッケージに一体化される、請求項２に記載の光学システム。
【請求項４】
前記レーザ源、前記円柱レンズ、および前記回転対称レンズが、ライダーシステムで使用される、請求項１に記載の光学システム。
【請求項５】
前記レーザ源および前記円柱レンズが、前記レーザビームを走査するために、前記回転対称レンズの焦点面において一緒に並進移動されるように構成される、請求項４に記載の光学システム。
【請求項６】
前記レーザ源と第２のレーザ源とがレーザアレイを形成するように、前記レーザ源の隣に配置された第２のレーザ源と、
前記第２のレーザ源の前方に配置され、前記第２のレーザ源によって照射された第２のレーザビームの第２の照射領域を第２の仮想照射領域に変換するように構成された、第２の円柱レンズであって、
前記回転対称レンズが、前記第２のレーザビームをコリメートして、前記遠視野に向けて差し向けるようにさらに構成される、第２の円柱レンズと、
をさらに備える、請求項４に記載の光学システム。
【請求項７】
三次元イメージングのためのライダーシステムであって、前記ライダーシステムが、
複数のレーザパルスを照射するように構成されたレーザ源であって、前記レーザ源が、第１の方向に第１の幅を有し、かつ前記第１の方向に直交する第２の方向に第１の高さを有し、前記第１の幅が前記第１の高さより大きい照射領域を有する、レーザ源と、
負の屈折率を有し、前記レーザ源の前方に配置された円柱レンズであって、前記円柱レンズが、前記円柱レンズのパワー軸が実質的に前記第１の方向に沿うように向けられ、前記円柱レンズが、前記照射領域を仮想幅および仮想高さを有する仮想照射領域に変換するように構成され、前記仮想幅が前記第１の幅より小さい、円柱レンズと、
前記円柱レンズの下流に配置された照射レンズであって、前記照射レンズが、回転対称であり、前記複数のレーザパルスをコリメートし、１つまたは複数の対象物に向けて差し向けるように構成され、前記１つまたは複数の対象物が、前記複数のレーザパルスを反射して、複数の戻りレーザパルスを生成する、照射レンズと、
回転対称であり、前記複数の戻りレーザパルスのそれぞれを受光し、受光レンズの焦点面で戻りビームスポットに集束させるように構成される受光レンズと、
前記受光レンズの前記焦点面に配置された検出面を有し、前記複数の戻りレーザパルスのそれぞれを受光および検出するように構成された検出器と、
前記レーザ源および前記検出器に接続されたプロセッサであって、前記プロセッサが、
前記複数の戻りレーザパルスのそれぞれの飛行時間を判定し、
前記複数の戻りレーザパルスのそれぞれの前記判定された飛行時間に基づいて前記１つまたは複数の対象物の三次元画像を構築する、
ように構成される、プロセッサと、
を備える、ライダーシステム。
【請求項８】
前記円柱レンズが、前記レーザ源と単一のパッケージに一体化される、請求項７に記載のライダーシステム。
【請求項９】
前記レーザ源が、前記円柱レンズと共に、前記ライダーシステムの光軸に実質的に垂直な少なくとも１つの方向に、複数の照射位置を通して並進移動されるように構成され、前記複数のレーザパルスのそれぞれが、前記複数の照射位置のそれぞれ１つにおいて照射され、
前記検出器が、前記受光レンズの前記焦点面における複数の検出位置を通して前記少なくとも１つの方向に並進移動されるように構成され、前記複数の検出位置の各それぞれの検出位置が、前記複数の照射位置のそれぞれの照射位置に対応し、前記レーザ源および前記検出器が、互いに対して同期して並進移動される、請求項７に記載のライダーシステム。
【請求項１０】
前記レーザ源および前記検出器のそれぞれが、２つの方向に並進移動されるように構成される、請求項９に記載のライダーシステム。
【請求項１１】
前記レーザ源および前記検出器のそれぞれが、リサージュパターンで並進移動されるように構成される、請求項１０に記載のライダーシステム。
【請求項１２】
前記照射レンズが、前記照射レンズの光軸に実質的に垂直な少なくとも１つの方向に前記レーザ源に対して並進移動されるように構成され、前記受光レンズが、前記少なくとも１つの方向に前記検出器に対して並進移動されるように構成され、前記照射レンズおよび前記受光レンズが、互いに同期して並進移動される、請求項７に記載のライダーシステム。
【請求項１３】
前記照射レンズおよび前記受光レンズのそれぞれが、２つの方向に並進移動される、請求項１２に記載のライダーシステム。
【請求項１４】
前記照射レンズおよび前記受光レンズのそれぞれが、リサージュパターンで並進移動される、請求項１３に記載のライダーシステム。
【請求項１５】
前記レーザ源および前記検出器が、前記ライダーシステムの光軸に実質的に垂直な少なくとも第１の方向に同期して並進移動されるように構成され、前記照射レンズおよび前記受光レンズが、前記ライダーシステムの前記光軸に実質的に垂直な少なくとも第２方向に同期して並進移動されるように構成される、請求項７に記載のライダーシステム。
【請求項１６】
三次元イメージングの方法であって、前記方法が、
レーザ源および円柱レンズを一緒に並進移動させるステップであって、前記レーザ源が、第１の高さを有し、かつ前記第１の高さより大きい第１の幅を有する照射領域を有し、前記円柱レンズが、負の屈折率を有し、前記レーザ源の前方に配置され、前記円柱レンズが、前記円柱レンズのパワー軸が実質的に幅方向になるように向けられ、前記レーザ源が、照射面内の複数の照射位置のそれぞれに並進移動される、ステップと、
前記レーザ源を使用して、複数のレーザパルスを照射するステップであって、前記複数のレーザパルスのそれぞれが、前記複数の照射位置のそれぞれ１つで照射される、ステップと、
照射レンズを使用して、前記複数のレーザパルスをコリメートし、１つまたは複数の対象物に向けて差し向けるステップであって、前記１つまたは複数の対象物が、前記複数のレーザパルスのそれぞれを反射して複数の戻りレーザパルスを生成する、ステップと、
受光レンズを使用して、前記複数の戻りレーザパルスのそれぞれを受光し、検出面内の複数の対応する検出位置に集束させる、ステップであって、各対応する検出位置がそれぞれの照射位置と共役である、ステップと、
前記検出面内の前記複数の対応する検出位置のそれぞれに検出器を並進移動させるステップと、
前記検出器を使用して、前記複数の検出位置の各それぞれの検出位置における前記複数の戻りレーザパルスの各それぞれの戻りレーザパルスを検出するステップと、
プロセッサを使用して、前記複数の戻りレーザパルスのそれぞれの飛行時間を判定するステップと、
前記プロセッサを使用して、前記複数の戻りレーザパルスのそれぞれの前記飛行時間に基づいて、前記１つまたは複数の対象物の三次元画像を構築するステップと、
を含む、三次元イメージングの方法。
【請求項１７】
前記受光レンズおよび前記照射レンズが同じレンズを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記円柱レンズが、前記レーザ源の前記照射領域を仮想幅および仮想高さを有する仮想照射領域に変換するように構成され、前記仮想幅が、前記照射領域の前記第１の幅より小さい、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記レーザ源および前記検出器が、前記照射レンズの光軸に実質的に垂直な少なくとも第１の方向に並進移動される、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記照射レンズおよび前記受光レンズを、前記照射レンズの前記光軸に実質的に垂直な少なくとも第２の方向に同期して並進移動させるステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記レーザ源および前記検出器のそれぞれが、二次元で並進移動される、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記レーザ源および前記検出器のそれぞれが、リサージュパターンで並進移動されるように構成される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記円柱レンズが、前記レーザ源と単一のパッケージに一体化される、請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
三次元イメージングのためのライダーシステムであって、前記ライダーシステムが、
電磁信号を運ぶレーザビームを照射するように構成されたレーザ源と、
前記レーザビームをコリメートして、前記レーザビームの視野内の１つまたは複数の対象物に向かって差し向けるように構成された照射レンズであって、前記１つまたは複数の対象物が、前記レーザビームを反射して戻りレーザビームを生成する、照射レンズと、
前記戻りレーザビームを受光して、前記受光レンズの焦点面における戻りビームスポットに集束させるように構成された受光レンズと、
前記受光レンズの前記焦点面にアレイとして配置された複数の光センサを備える検出器であって、各それぞれの光センサが、それぞれの感知領域を有し、前記レーザビームの前記視野のそれぞれのセクションに対応する前記戻りレーザビームのそれぞれの部分を受光および検出するように構成される、検出器と、
前記レーザ源および前記検出器に接続されたプロセッサであって、前記プロセッサが、
前記検出器の前記それぞれの光センサで検出された前記戻りレーザビームの各それぞれの部分のそれぞれの飛行時間を判定し、
前記戻りレーザビームの各それぞれの部分の前記それぞれの飛行時間に基づいて前記１つまたは複数の対象物の三次元画像を構築する、
ように構成される、プロセッサと、
を備える、ライダーシステム。
【請求項２５】
前記複数の光センサが、前記複数の光センサの全感知領域が前記戻りビームスポットに実質的に一致するように配置される、請求項２４に記載のライダーシステム。
【請求項２６】
前記複数の光センサが、一次元または二次元のアレイとして配置される、請求項２４に記載のライダーシステム。
【請求項２７】
前記複数の光センサが２つの光センサを含む、請求項２６に記載のライダーシステム。
【請求項２８】
前記照射レンズおよび前記受光レンズが同じレンズを含む、請求項２４に記載のライダーシステム。
【請求項２９】
第２の視野をカバーするために、前記レーザ源によって照射された前記レーザビームを走査するための走査機構をさらに備える、請求項２４に記載のライダーシステム。
【請求項３０】
前記走査機構が回転フレームを備え、前記レーザ源、前記照射レンズ、前記受光レンズ、および前記検出器が、前記回転フレームに取り付けられる、請求項２９に記載のライダーシステム。
【請求項３１】
前記走査機構が、前記レーザビームを反射するように構成された回転ミラーまたは微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーを備える、請求項２９に記載のライダーシステム。
【請求項３２】
前記走査機構が、前記ライダーシステムの光軸に実質的に垂直な平面内で前記照射レンズおよび前記受光レンズを同期して並進移動させるように構成される、請求項２９に記載のライダーシステム。
【請求項３３】
前記走査機構が、
前記ライダーシステムの光軸に実質的に垂直な平面内で前記照射レンズに対して前記レーザ源を並進移動させ、
前記レーザ源の前記並進移動と同期して、前記平面内で前記受光レンズに対して前記検出器を並進移動させる、
ように構成される、請求項２９に記載のライダーシステム。
【請求項３４】
前記走査機構が、
前記ライダーシステムの光軸に実質的に垂直な平面内の少なくとも第１の方向に前記レーザ源および前記検出器を同期して並進移動させ、
前記照射レンズおよび前記受光レンズを前記平面内で少なくとも第２の方向に同期して並進移動させる、
ように構成される、請求項２９に記載のライダーシステム。
【請求項３５】
前記レーザビームが、レーザパルスまたは周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）を含む、請求項２４に記載のライダーシステム。
【請求項３６】
三次元イメージングの方法であって、前記方法が、
レーザ源を使用して、レーザパルスを照射するステップと、
照射レンズを使用して、前記レーザパルスをコリメートし、前記レーザパルスの視野内の１つまたは複数の対象物に向けて差し向けるステップであって、前記１つまたは複数の対象物が、前記レーザパルスを反射して戻りレーザパルスを生成する、ステップと、
受光レンズを使用して、前記戻りレーザパルスを受光し、前記受光レンズの焦点面で戻りビームスポットに集束させるステップと、
前記受光レンズの前記焦点面にアレイとして配置された複数の光センサを備える検出器を使用して、各それぞれの光センサで受信された前記戻りレーザパルスのそれぞれの部分を検出するステップであって、前記戻りレーザパルスの前記それぞれの部分が、前記レーザパルスの前記視野のそれぞれのセクションに対応する、ステップと、
前記レーザ源および前記検出器に接続されたプロセッサを使用して、前記戻りレーザパルスの各それぞれの部分の飛行時間を判定するステップと、
前記プロセッサを使用して、前記戻りレーザパルスの各それぞれの部分の前記飛行時間に基づいて、前記１つまたは複数の対象物の三次元画像を構築するステップと、
を含む、方法。
【請求項３７】
各それぞれの光センサが、前記戻りレーザパルスの前記それぞれの部分を受光するためのそれぞれの感知領域を有し、前記複数の光センサが、前記複数の光センサの全感知領域が前記戻りビームスポットに実質的に一致するように配置される、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記戻りビームスポットが、第１の検出器方向に幅を有し、かつ前記第１の検出器方向に直交する第２の検出器方向に高さを有し、前記高さが前記幅とは異なる、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記複数の光センサが、一次元または二次元のアレイとして配置される、請求項３６に記載の方法。
【請求項４０】
前記照射レンズの光軸に実質的に垂直な少なくとも第１の方向に沿って複数の照射位置を通して前記レーザ源を並進移動させるステップと、
少なくとも前記第１の方向に沿って複数の検出位置を通して前記検出器を並進移動させるステップであって、前記複数の検出位置の各それぞれの検出位置が、前記複数の照射位置のそれぞれの照射位置に対応し、前記レーザ源および前記検出器が、互いに対して同期して並進移動される、ステップと、
をさらに含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項４１】
前記レーザ源および前記検出器のそれぞれが、２つの方向に沿って並進移動される、請求項３６に記載の方法。
【請求項４２】
前記照射レンズの光軸に実質的に垂直な少なくとも第１の方向に沿って前記レーザ源に対して前記照射レンズを並進移動させるステップと、
少なくとも前記第１の方向に沿って前記検出器に対して前記受光レンズを並進移動させるステップであって、前記照射レンズおよび前記受光レンズが、互いに対して同期して並進移動される、ステップと、
をさらに含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項４３】
前記照射レンズおよび前記受光レンズのそれぞれが２つの方向に沿って並進移動される、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記レーザ源および前記検出器を、前記照射レンズの光軸に実質的に垂直な少なくとも第１の方向に同期して並進移動させるステップと、
前記照射レンズおよび前記受光レンズを、前記照射レンズの前記光軸に実質的に垂直な少なくとも第２の方向に同期して並進移動させるステップと、
をさらに含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項４５】
三次元イメージングのためのライダーシステムであって、前記ライダーシステムが、
電磁信号を運ぶレーザビームを照射するように構成されたレーザ源と、
前記レーザビームをコリメートして、前記レーザビームの視野内の１つまたは複数の対象物に向かって差し向けるように構成されたレンズであって、前記１つまたは複数の対象物が、前記レーザビームを反射して戻りレーザビームを生成し、前記レンズが、前記戻りレーザビームを受光して、前記レンズの焦点面における戻りビームスポットに集束させるようにさらに構成される、レンズと、
前記レンズの前記焦点面にアレイとして配置された複数の光センサを備える検出器であって、各それぞれの光センサが、それぞれの感知領域を有し、前記レーザビームの前記視野のそれぞれのセクションに対応する前記戻りレーザビームのそれぞれの部分を受光および検出するように構成される、検出器と、
前記レーザ源および前記検出器に接続されたプロセッサであって、前記プロセッサが、
前記検出器の前記それぞれの光センサで検出された前記戻りレーザビームの各それぞれの部分のそれぞれの飛行時間を判定し、
前記戻りレーザビームの各それぞれの部分の前記それぞれの飛行時間に基づいて前記１つまたは複数の対象物の三次元画像を構築する、
ように構成される、プロセッサと、
を備える、ライダーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
[0001]本ＰＣＴ出願は、２０１７年１１月３０日に出願された米国仮特許出願第６２／５９３，１０５号の利益、ならびに２０１８年１１月２８日に出願された「ＯＰＴＩＣＡＬ  ＤＥＳＩＧＮＳ  ＵＳＩＮＧ  ＣＹＬＩＮＤＲＩＣＡＬ  ＬＥＮＳＥＳ  ＦＯＲ  ＩＭＰＲＯＶＥＤ  ＲＥＳＯＬＵＴＩＯＮ  ＩＮ  ＬＩＤＡＲ  ＳＹＳＴＥＭＳ」と題する米国特許出願第１６／２０３，４２２号、および２０１８年１１月２８日に出願された「ＤＥＴＥＣＴＯＲ  ＤＥＳＩＧＮＳ  ＦＯＲ  ＩＭＰＲＯＶＥＤ  ＲＥＳＯＬＵＴＩＯＮ  ＩＮ  ＬＩＤＡＲ  ＳＹＳＴＥＭＳ」と題する米国特許出願第１６／２０３，４３０号の優先権を主張するものであり、これらの内容の全体が本明細書において参照により組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
[0002]三次元センサは、自律車両、ドローン、ロボット工学、セキュリティアプリケーションなどに適用され得る。走査型ライダーセンサは、このようなアプリケーションに適した良好な角度分解能を手頃なコストで実現できる。しかしながら、より優れた分解能のライダーシステムおよび方法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、光学システムは、第１の方向に第１の幅を有し、かつ第１の方向に直交する第２の方向に第１の高さを有する照射領域を有するレーザ源を備える。第１の幅は第１の高さより大きい。光学システムは、負の屈折率を有し、レーザ源の前方に配置された円柱レンズをさらに備える。円柱レンズは、円柱レンズのパワー軸が実質的に第１の方向に沿うように向けられる。円柱レンズは、レーザ源によって照射されたレーザビームの照射領域を仮想幅および仮想高さを有する仮想照射領域に変換するように構成され、仮想幅が、レーザ源の照射領域の第１の幅より小さい。光学システムは、円柱レンズの下流に配置された回転対称レンズをさらに備える。回転対称レンズは、レーザビームをコリメートして、遠視野に向けて差し向けるように構成される。
【０００４】
[0004]いくつかの実施形態によれば、ライダーシステムは、複数のレーザパルスを照射するように構成されたレーザ源を備える。レーザ源は、第１の方向に第１の幅を有し、かつ第１の方向に直交する第２の方向に第１の高さを有する照射領域を有する。第１の幅は第１の高さより大きい。ライダーシステムは、負の屈折率を有し、レーザ源の前方に配置された円柱レンズをさらに備える。円柱レンズは、円柱レンズのパワー軸が実質的に第１の方向に沿うように向けられる。円柱レンズは、照射領域を仮想幅および仮想高さを有する仮想照射領域に変換するように構成され、仮想幅が、第１の幅より小さい。ライダーシステムは、円柱レンズの下流に配置された照射レンズをさらに備える。照射レンズは回転対称であり、複数のレーザパルスをコリメートし、１つまたは複数の対象物に向けて差し向けるように構成される。１つまたは複数の対象物は、複数のレーザパルスを反射して、複数の戻りレーザパルスを生成することができる。ライダーシステムは受光レンズをさらに備える。受光レンズは回転対称であり、複数の戻りレーザパルスのそれぞれを受光して、受光レンズの焦点面において戻りビームスポットに集束させるように構成される。ライダーシステムは検出器をさらに備える。検出器は、受光レンズの焦点面に配置された検出面を有し、複数の戻りレーザパルスのそれぞれを受光および検出するように構成される。ライダーシステムは、レーザ源および検出器に接続されたプロセッサをさらに備える。プロセッサは、複数の戻りレーザパルスのそれぞれの飛行時間を判定し、複数の戻りレーザパルスのそれぞれについて判定された飛行時間に基づいて、１つまたは複数の対象物の三次元画像を構築するように構成される。
【０００５】
[0005]いくつかの実施形態によれば、三次元イメージングの方法が、レーザ源および円柱レンズを一緒に並進移動させるステップを含む。レーザ源は、照射面内の複数の照射位置のそれぞれに並進移動される。レーザ源は、第１の高さを有し、かつ第１の高さより大きい第１の幅を有する照射領域を有する。円柱レンズは、負の屈折率を有し、レーザ源の前方に配置される。円柱レンズは、円柱レンズのパワー軸が実質的に幅の方向になるように向けられる。本方法は、レーザ源を使用して、複数のレーザパルスを照射するステップをさらに含む。複数のレーザパルスのそれぞれは、複数の照射位置のそれぞれ１つで照射される。本方法は、照射レンズを使用して、複数のレーザパルスをコリメートして、１つまたは複数の対象物に向けて差し向けるステップをさらに含む。１つまたは複数の対象物は、複数のレーザパルスのそれぞれを反射して、複数の戻りレーザパルスを生成することができる。本方法は、受光レンズを使用して、複数の戻りレーザパルスのそれぞれを受光し、検出面内の複数の対応する検出位置に集束させるステップをさらに含む。各対応する検出位置が、それぞれの照射位置と共役である。本方法は、検出面内の複数の対応する検出位置のそれぞれに検出器を並進移動させるステップと、検出器を使用して、複数の検出位置の各それぞれの検出位置における複数の戻りレーザパルスの各それぞれの戻りレーザパルスを検出するステップと、をさらに含む。本方法は、プロセッサを使用して、複数の戻りレーザパルスのそれぞれの飛行時間を判定するステップと、プロセッサを使用して、複数の戻りレーザパルスのそれぞれの飛行時間に基づいて、１つまたは複数の対象物の三次元画像を構築するステップと、をさらに含む。
【０００６】
[0006]いくつかの実施形態によれば、ライダーシステムは、電磁信号を運ぶレーザビームを照射するように構成されたレーザ源と、レーザビームをコリメートして、レーザビームの視野内の１つまたは複数の対象物に向けて差し向けるように構成された照射レンズと、を備える。１つまたは複数の対象物は、レーザビームを反射して、戻りレーザビームを生成することができる。ライダーシステムは、戻りレーザビームを受光し、受光レンズの焦点面において戻りビームスポットに集束させるように構成された受光レンズと、検出器と、をさらに備える。検出器は、受光レンズの焦点面にアレイとして配置された複数の光センサを備える。各それぞれの光センサは、それぞれの感知領域を有し、レーザビームの視野のそれぞれのセクションに対応する戻りレーザビームのそれぞれの部分を受光および検出するように構成される。ライダーシステムは、レーザ源および検出器に接続されたプロセッサをさらに備える。プロセッサは、検出器のそれぞれの光センサで検出された戻りレーザビームのそれぞれの部分のそれぞれの飛行時間を判定し、戻りレーザビームの各それぞれの部分のそれぞれの飛行時間に基づいて１つまたは複数の対象物の三次元画像を構築するように構成される。
【０００７】
[0007]いくつかの実施形態によれば、三次元イメージングの方法が、レーザ源を使用してレーザパルスを照射するステップと、照射レンズを使用して、レーザパルスをコリメートして、レーザパルスの視野内にある１つまたは複数の対象物に向けて差し向けるステップと、を含む。１つまたは複数の対象物は、レーザパルスを反射して、戻りレーザパルスを生成することができる。本方法は、受光レンズを使用して、戻りレーザパルスを受光し、受光レンズの焦点面において戻りビームスポットに集束させるステップをさらに含む。本方法は、受光レンズの焦点面においてアレイとして構成された複数の光センサを備える検出器を使用して、各それぞれの光センサにおいて受光された戻りレーザパルスのそれぞれの部分を検出するステップと、をさらに含む。戻りレーザパルスのそれぞれの部分は、レーザパルスの視野のそれぞれのセクションに対応する。本方法は、レーザ源および検出器に接続されたプロセッサを使用して、戻りレーザパルスの各それぞれの部分の飛行時間を判定するステップと、戻りレーザパルスの各それぞれの部分の飛行時間に基づいて１つまたは複数の対象物の三次元画像を構築するステップと、をさらに含む。
【０００８】
[0008]いくつかの実施形態によれば、ライダーシステムは、電磁信号を運ぶレーザビームを照射するように構成されたレーザ源と、レーザビームをコリメートして、レーザビームの視野内の１つまたは複数の対象物に向けて差し向けるように構成されたレンズと、を備える。１つまたは複数の対象物は、レーザビームを反射して、戻りレーザビームを生成することができる。レンズは、戻りレーザビームを受光し、レンズの焦点面において戻りビームスポットに集束させるようにさらに構成される。ライダーシステムは検出器をさらに備える。検出器は、レンズの焦点面にアレイとして配置された複数の光センサを備える。各それぞれの光センサは、それぞれの感知領域を有し、レーザビームの視野のそれぞれのセクションに対応する戻りレーザビームのそれぞれの部分を受光および検出するように構成される。ライダーシステムは、レーザ源および検出器に接続されたプロセッサをさらに備える。プロセッサは、検出器のそれぞれの光センサで検出された戻りレーザビームのそれぞれの部分のそれぞれの飛行時間を判定し、戻りレーザビームの各それぞれの部分のそれぞれの飛行時間に基づいて１つまたは複数の対象物の三次元画像を構築するように構成される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の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ライダーセンサを概略的に示す。
【図２】細長い照射領域と、水平方向と垂直方向とに異なる拡がり角とを有するレーザ源を概略的に示す。
【図３Ａ】ライダーシステムにおいてレーザビームをコリメートするための光学システムを概略的に示す。
【図３Ｂ】ライダーシステムにおいてレーザビームをコリメートするための光学システムを概略的に示す。
【図４Ａ】本発明のいくつかの実施形態による、ライダーシステムにおいてレーザビームをコリメートするための光学システムを概略的に示す。
【図４Ｂ】本発明のいくつかの実施形態による、ライダーシステムにおいてレーザビームをコリメートするための光学システムを概略的に示す。
【図５Ａ】本発明のいくつかの実施形態による、遠視野ビームスポット形状に対する円柱レンズの効果を概略的に示す。
【図５Ｂ】本発明のいくつかの実施形態による、遠視野ビームスポット形状に対する円柱レンズの効果を概略的に示す。
【図５Ｃ】本発明のいくつかの実施形態による、遠視野ビームスポット形状に対する円柱レンズの効果を概略的に示す。
【図５Ｄ】本発明のいくつかの実施形態による、遠視野ビームスポット形状に対する円柱レンズの効果を概略的に示す。
【図６Ａ】本発明のいくつかの実施形態による、ライダーシステムで使用され得るレーザ源および円柱レンズの例示的な構成を概略的に示す。
【図６Ｂ】本発明のいくつかの実施形態による、レーザ源および円柱レンズの別の例示的な構成を概略的に示す。
【図７Ａ】本発明のいくつかの実施形態による、ライダーシステムにおいてレーザビームをコリメートするための光学システムの断面図を示す。
【図７Ｂ】本発明のいくつかの実施形態による、２つのレーザ源を備えるライダーシステムにおいてレーザビームをコリメートするための光学システムの断面図を示す。
【図８】本発明のいくつかの実施形態によるライダーシステムを使用した三次元イメージングの方法を説明する簡略化した流れ図を示す。
【図９】本発明のいくつかの実施形態による、ライダーシステムを概略的に示す。
【図１０Ａ】本発明のいくつかの実施形態による検出器構成を示す。
【図１０Ｂ】単一の光センサを備える検出器を示す。
【図１１】図１１Ａ乃至Ｃに本発明のいくつかの実施形態による、図９および図１０に示される例におけるレーザパルスのタイミング図を概略的に示す。
【図１２Ａ】本発明のいくつかの実施形態による検出器の概略平面図を示す。
【図１２Ｂ】本発明のいくつかの実施形態による検出器の概略平面図を示す。
【図１３】本発明のいくつかの実施形態による、ライダーシステムを概略的に示す。
【図１４】本発明のいくつかの実施形態によるライダーシステムを使用した三次元イメージングの方法を説明する簡略化した流れ図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
[0027]本発明は、概して、三次元イメージングのためのライダーシステムおよび方法に関する。より具体的には、本発明は、ライダーシステムにおける分解能を改善するための光学設計および検出器設計ならびに方法に関する。単に例として、本発明の実施形態は、非対称の照射領域および非対称の拡がり角を有する、レーザ源によって照射されたレーザビームを投影するための光学システムを提供する。光学システムは、レーザ源の前方に配置された負の屈折率を有する円柱レンズ（例えば、平凹円柱レンズ）を備え得る。円柱レンズは、レーザ源の照射領域を実質的に対称であり、物理的照射領域より小さい仮想照射領域に変換するように構成され得る。回転対称の投影レンズ（例えば、球面レンズ）と組み合わせて、円柱レンズなしで実現されるものより小さい、対称的な遠視野ビームスポット（または戻りビームスポット）が実現され得る。ライダーシステムの分解能は遠視野ビームスポットサイズに依存し得るため、このような光学システムはライダーシステムの分解能を向上させ得る。本発明の実施形態はまた、光センサのアレイを備える検出器を提供する。アレイ内の各光センサは、戻りレーザビームの一部を受光および検出するように構成され得る。そのような検出器を備えたライダーシステムは、単一の光センサを備えた検出器と比較して、分解能を向上し得る。
【００１１】
[0028]図１は、本発明の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ライダーセンサ１００を概略的に示す。ライダーセンサ１００は、照射レンズ１３０と受光レンズ１４０とを備える。ライダーセンサ１００は、照射レンズ１３０の後焦点面に実質的に配置されたレーザ源１１０ａを備える。レーザ源１１０ａは、照射レンズ１３０の後焦点面内のそれぞれの照射位置からレーザパルス１２０を照射するように動作する。照射レンズ１３０は、レーザパルス１２０をコリメートして、ライダーセンサ１００の前方に位置する対象物１５０に向けて差し向けるように構成される。レーザ源１１０ａの所与の照射位置に対して、コリメートされたレーザパルス１２０’は、対象物１５０に向かって対応する角度で差し向けられる。
【００１２】
[0029]レーザパルス１２０は、対象物１５０から反射され、それにより、受光レンズ１４０に向かって差し向けられた戻りレーザパルス１２２を生成し得る。受光レンズ１４０は、戻りレーザパルス１２２を、受光レンズ１４０の焦点面内の対応する検出位置に集束させるように構成される。ライダーセンサ１００は、受光レンズ１４０の焦点面に実質的に配置された検出器１６０ａをさらに備える。検出器１６０ａは、対応する検出位置で、戻りレーザパルス１２２を受光および検出するように構成される。検出器１６０ａの対応する検出位置は、レーザ源１１０ａのそれぞれの照射位置と共役である。
【００１３】
[0030]レーザパルス１２０は、短い持続時間、例えば１００ｎｓのパルス幅とすることができる。ライダーセンサ１００は、レーザ源１１０ａおよび検出器１６０ａに接続されたプロセッサ１９０をさらに備える。プロセッサ１９０は、戻りレーザパルス１２２の飛行時間（ＴＯＦ）を判定するように構成される。戻りレーザパルス１２２は光の速さで伝播するため、ライダーセンサ１００と対象物１５０との間の距離は、判定された飛行時間に基づいて判定され得る。
【００１４】
[0031]いくつかの実施形態によれば、照射レンズ１３０と受光レンズ１４０とは固定され得る。レーザ源１１０ａは、照射レンズ１３０の後焦点面内の複数の照射位置に対してラスタ走査され、複数の照射位置で複数のレーザパルスを照射するように構成される。それぞれの照射位置で照射された各レーザパルスは、照射レンズ１３０によってコリメートされ、対象物１５０に向かってそれぞれの角度で差し向けられ、対象物１５０の表面上の対応する点に入射する。よって、レーザ源１１０ａが照射レンズ１３０の後焦点面内の特定の領域内でラスタ走査されると、対象物１５０上の対応する対象物領域が走査される。検出器１６０ａは、受光レンズ１４０の焦点面内の複数の対応する検出位置に対してラスタ走査される。検出器１６０ａの走査は、レーザ源１１０ａの走査と同期して行われるため、検出器１６０ａとレーザ源１１０ａとは、いかなる時も常に互いに共役である。
【００１５】
[0032]それぞれの照射位置で照射される各レーザパルスの飛行時間を判定することによって、ライダーセンサ１００から対象物１５０の表面上の対応する各点までの距離を判定することができる。いくつかの実施形態では、プロセッサ１９０は、各照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接続される。照射位置に基づいて、コリメートされたレーザパルス１２０’の角度を判定することができる。対象物１５０の表面上の対応する点のＸＹ座標は、ライダーセンサ１００に対する角度および距離に基づいて判定されてもよい。よって、対象物１５０の三次元画像が、ライダーセンサ１００から対象物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得る。いくつかの実施形態では、三次元画像は、点群、すなわち、対象物１５０の表面上の点のＸ、Ｙ、およびＺ座標の組として表すことができる。
【００１６】
[0033]代替的な実施形態では、レーザ源１１０ａと検出器１６０ａとは固定され得る。照射レンズ１３０は、レーザ源１１０ａに対して走査されてもよく、受光レンズ１４０は、照射レンズ１３０の走査と同期して検出器１６０ａに対して走査されてもよい。いくつかのさらなる実施形態では、レーザ源１１０ａおよび検出器１６０ａは、少なくとも第１の方向に走査されてもよく、照射レンズ１３０および受光レンズ１４０は、少なくとも第２の方向に走査される。例えば、レーザ源１１０ａおよび検出器１６０ａは水平方向に走査されてもよく、照射レンズ１３０および受光レンズ１４０は垂直方向に走査される。いくつかの実施形態では、レーザ源１１０ａおよび検出器１６０ａは２つの方向に走査され、照射レンズ１３０および受光レンズ１４０も２つの方向に走査される。いくつかの実施形態では、レーザ源１１０ａおよび検出器１６０ａは、リサージュパターンで２つの方向に走査され得る。照射レンズ１３０および受光レンズ１４０はまた、リサージュパターンで２つの方向に走査され得る。
【００１７】
[0034]いくつかの実施形態では、レーザ源１１０ａは、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）レーザビームを照射するように構成され得、プロセッサ１９０は、戻りレーザビームを復調することによって対象物１５０とライダーセンサ１００との間の距離を判定するように構成され得る。
【００１８】
[0035]いくつかの実施形態では、照射レンズ１３０および受光レンズ１４０は、同じレンズを含み得る、すなわち、単一のレンズが、レーザ源１１０ａによって照射されたレーザパルス１２０をコリメートして対象物１５０に向けて差し向けるように構成され、かつ戻りレーザパルス１２２を検出器１６０ａ上に集束させるように構成され得る。
【００１９】
[0036]いくつかの実施形態では、検出器の飽和を防止する、目の安全性を高める、または全体的な電力消費を低減するために、戻りレーザパルスの強度が測定され、同じ照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。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もしくは電流、またはレーザに給電するために使用されるコンデンサに蓄積された電荷を変えることによって変えることができる。後者の場合、コンデンサに蓄えられた電荷は、コンデンサに対する充電時間、充電電圧、または充電電流を変えることによって変えることができる。いくつかの実施形態では、強度を使用して、画像に別の次元を追加することもできる。例えば、画像は、Ｘ、Ｙ、およびＺ座標、ならびに反射率（または輝度）を含むことができる。
【００２０】
[0037]ライダーセンサ１００の角度視野（ＡＦＯＶ）は、レーザ源１１０ａの走査範囲および照射レンズ１３０の焦点距離に基づいて次式で推定することができる。
2021504707.tif 000003
ここで、ｈは、特定の方向に沿ったレーザ源１１０ａの走査範囲であり、ｆは、照射レンズ１３０の焦点距離である。所与の走査範囲ｈに対して、より短い焦点距離はより広いＡＦＯＶを生じる。所与の焦点距離ｆに対して、より広い走査範囲はより広いＡＦＯＶを生じる。
【００２１】
[0038]いくつかの実施形態では、ライダーセンサ１００は、照射レンズ１３０の後焦点面にアレイとして配置された複数のレーザ源を備えることができ、その結果、各個々のレーザ源の走査範囲を比較的小さく保ちながら、より大きな総ＡＦＯＶを達成できる。これに応じて、ライダーセンサ１００は、受光レンズ１４０の焦点面にアレイとして配置された複数の検出器を備えることができ、各検出器は、それぞれのレーザ源と共役である。例えば、ライダーセンサ１００は、図１に示すように、第２のレーザ源１１０ｂと第２の検出器１６０ｂとを備えることができる。他の実施形態では、ライダーセンサ１００は、４つのレーザ源と４つの検出器とを備えることができる、または８つのレーザ源と８つの検出器とを備えることができる。一実施形態では、ライダーセンサ１００は、４×２アレイとして構成された８つのレーザ源と、４×２アレイとして構成された８つの検出器と、を備えることができ、その結果、ライダーセンサ１００は、水平方向のＡＦＯＶを、垂直方向のＡＦＯＶより幅広にできる。様々な実施形態によれば、ライダーセンサ１００の総ＡＦＯＶは、照射レンズの焦点距離、各レーザ源の走査範囲、およびレーザ源の数に応じて、約５度から約１５度、または約１５度から約４５度、または約４５度から約９０度の範囲であり得る。
【００２２】
[0039]レーザ源１１０ａは、紫外線、可視光線、または近赤外線の波長範囲のレーザパルスを照射するように構成されてもよい。各レーザパルスのエネルギーは、通常、ＫＨｚ範囲の繰り返し率に対して「アイセーフ（ｅｙｅ−ｓａｆｅ）」であると考えられるマイクロジュールのオーダーであり得る。約１５００ｎｍより長い波長で動作するレーザ源の場合、目がそれらの波長で焦点を合わせないため、エネルギーレベルはより高くなり得る。検出器１６０ａは、シリコンアバランシェフォトセンサ、光電子増倍管、ＰＩＮダイオード、または他の半導体センサを備えることができる。
【００２３】
[0040]固体レーザなどのいくつかのレーザ源は、遠視野だけでなく近視野にも非対称の照射領域および非対称のビームプロファイルを有し得る。図２は、細長い照射領域２２０を有するレーザ源２１０、例えば、半導体レーザ源を概略的に示す。照射領域２２０は、垂直方向に高さｈを有し、かつ水平方向に高さｈよりも大きい幅ｗを有し得る。例えば、ライダーシステムで使用される固体レーザの場合、高さｈは約１０μｍであり、幅ｗは約２００μｍであり得る。照射領域２２０は、図２では長方形の形状を有するものとして示されているが、照射領域２２０は、丸い角を有する長方形の形状または楕円形の形状を有してもよい。
【００２４】
[0041]そのようなレーザ源によって照射されたレーザビームはまた、水平方向と垂直方向とで異なる拡がり角を有し得る。図２に示されるように、（例えば、接線平面における）水平照射扇２４０は、角度φ１（これは、本明細書では、拡がり角と呼ばれ得る）の範囲を定め得、（例えば、矢状面における）垂直照射扇２３０は、φ１より大きい角度φ２の範囲を定め得る。例えば、水平照射扇２４０の拡がり角φ１は、約１０度であってもよく、垂直照射扇２３０の拡がり角φ２は、約２５度であってもよい。換言すれば、光線は、水平方向における光源の寸法が大きく、拡がりが小さく、垂直方向における光源の寸法が小さく、拡がりが大きい。レーザビームは垂直方向により速く拡がるため、垂直方向は高速軸と呼ばれ、水平方向は遅軸と呼ばれ得る。
【００２５】
[0042]上述のようなレーザビームの非対称の照射領域および非対称の拡がり角は、球面レンズまたは非球面レンズなどの回転対称レンズを使用してレーザビームをコリメートすることを水平方向および垂直方向の両方でより困難にし得る。図３Ａおよび図３Ｂは、ライダーシステムにおいてレーザビームをコリメートするための光学システムを概略的に示す。光学システムは、レーザ源２１０の前方に配置された球面レンズ３１０を備える（球面レンズ３１０は、例えば、図１に示される照射レンズ１３０であり得る）。図３Ａは、水平照射扇の光路を示し、図３Ｂは、垂直照射扇の光路を示す。
【００２６】
[0043]図３Ｂに示すように、レーザ源２１０の照射面がレンズ３１０のほぼ後焦点面に配置されている場合、垂直照射扇の光線は、レンズ３１０によって実質的にコリメートされ得る、すなわち、光路に沿ったレンズ３１０の後の光線は、互いにほぼ平行であり得る。一方、図３Ａに示すように、垂直照射扇の拡がり角φ２より小さい拡がり角φ１を有する水平照射扇をコリメートするにはレンズ３１０の屈折率が大きすぎる場合があるため、水平照射扇の光線は、光路に沿ったレンズ３１０の後に集束し得る。換言すれば、水平照射扇をコリメートするために、レンズ３１０より小さい屈折率（したがって、より長い焦点距離）を有するレンズが必要とされ得る。
【００２７】
[0044]上述のようなレーザ源の非対称の照射領域および非対称の拡がり角のために、ライダーシステムの検出器上に結像される戻りビームスポットも非対称であり得る。例えば、図１に示されるライダーシステム１００において、球面照射レンズ１３０を用いると、対象物１５０における遠視野ビームスポットは非対称であり得、その結果、球面受光レンズ１４０によって検出器１６０ａ上に結像される戻りビームスポットも非対称であり得る。ライダーシステムの角度分解能は戻りビームのスポットサイズに依存し得るため、非対称の戻りビームスポットはライダーシステムの分解能を制限し得る。
【００２８】
Ｉ．分解能を向上させるための光学設計
[0045]
本発明のいくつかの実施形態によれば、負の屈折率を有する円柱レンズが回転対称照射レンズと組み合わせて使用されて、水平方向および垂直方向において比較的均一な角度分解能を達成し得る。図４Ａおよび図４Ｂは、いくつかの実施形態による、ライダーシステムにおいてレーザビームを投影するための光学システムを概略的に示す。光学システムは、レーザ源２１０の前方に配置された平凹円柱レンズ４１０を備える。円柱レンズ４１０のパワー軸は、実質的に水平方向に沿っていてもよい。すなわち、円柱レンズ４１０は、図４Ａに示すように、水平方向に非ゼロの屈折率を有することができ、図４Ｂに示すように、垂直方向にほとんど屈折率を持たない。
【００２９】
[0046]図４Ａに示すように、円柱レンズ４１０は、水平照射扇の拡がり角をφ１からφ１’に拡大するように構成され得る。拡大された水平照射扇は、実際の幅ｗより小さい仮想幅ｗ’を持つ仮想照射領域から照射されているように見え得る。いくつかの実施形態では、円柱レンズ４１０は、仮想幅ｗ’が垂直照射扇の高さｈに実質的に等しいように構成され得る。
【００３０】
[0047]図４Ｂに示すように、円柱レンズ４１０は垂直方向に屈折率を持たないため、垂直照射扇の拡がり角φ２は、円柱レンズ４１０による影響を受けない。いくつかの実施形態では、水平照射扇の拡大された拡がり角φ１’は、垂直照射扇の拡がり角φ２と実質的に等しくてもよい。よって、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、水平照射扇と垂直照射扇との両方をレンズ３１０によってコリメートすることができる。
【００３１】
[0048]図４Ａおよび図４Ｂは、円柱レンズ４１０が平凹形状を有する例示的な実施形態を示すが、いくつかの実施形態によれば、他のタイプの円柱レンズ（例えば、両凹円柱レンズまたはメニスカス円柱レンズ）が使用され得る。
【００３２】
[0049]図５Ａ〜図５Ｄは、円柱レンズ４１０が遠視野ビームスポット形状に対して有し得る効果を概略的に示す。図５Ａおよび図５Ｃに示すように、円柱レンズ４１０がなければ、遠視野ビームスポット５１０は、非対称の照射領域および非対称の拡がり角のために、水平方向に細長くなり得る。図５Ｂに示すように、レーザ源２１０と照射レンズ３１０との間に円柱レンズ４１０を挿入することにより、水平照射扇の光線と垂直照射扇（図示せず）の光線とがコリメートされ得る。その結果、遠視野ビームスポット５２０は、図５Ｄに示すように、水平方向および垂直方向において実質的に対称になり得る。
【００３３】
[0050]従来、正の屈折率を持つ円柱レンズ（例えば、平凸円柱レンズ）は、レーザと球面コリメートレンズとの間に配置されて、レーザビームを円形にする。例えば、正の屈折率を有する円柱レンズは、垂直照射扇の拡がり角を減少させるように、パワー軸が垂直方向と整列するように向けられ得る。その結果、図４Ａおよび図４Ｂに示される構成と比較して、焦点距離が増えたコリメートレンズが、レーザビームをコリメートするために必要とされ得る。コリメートレンズの焦点距離が長くなると、ライダーシステムの物理的なサイズが大きくなり、ひいてはライダーシステムの製造コストが増加し得る。
【００３４】
[0051]負の屈折率の円柱レンズを使用することは、走査型ライダーシステムで特に有利であり得る。例えば、図１に示される走査型ライダーシステムでは、照射レンズ１３０および受光レンズ１４０は固定され、レーザ源１１０ａおよび１１０ｂ、ならびに検出器１６０ａおよび１６０ｂがそれぞれ照射レンズ１３０および受光レンズ１４０の焦点面で走査される。走査距離は、所与の視野角（ＦＯＶ）を実現するために、照射レンズ１３０の焦点距離に比例し得る。よって、より短い焦点距離を有する照射レンズ１３０を使用することによって、同じＦＯＶを維持しながら走査距離を短くすることができる。
【００３５】
[0052]図６Ａは、ライダーシステムで使用され得るレーザ源６１０および円柱レンズ６４０の例示的な構成を概略的に示す。レーザ源６１０は、透明カバー６３０によって封入されたレーザダイ６２０を備え得る。いくつかの実施形態によれば、円柱レンズ６４０の焦点距離は、−約０．２ｍｍ〜−約５ｍｍの範囲であり得る。図６Ａに示すように、平凹形状の円柱レンズ６４０の場合、凹面の曲率半径は、−約０．１ｍｍ〜−約２ｍｍの範囲（例えば、−約０．５ｍｍ）であり得る。円柱レンズ６４０は、レーザダイ６２０の照射面から約０．２ｍｍ〜約５ｍｍの範囲（例えば、約１ｍｍ）の距離ｄに配置されてもよい。円柱レンズの特定の望ましくない光学的影響（例えば、非点収差と呼ばれ得る、水平方向と垂直方向でわずかに異なる最良焦点面）を最小化するために、円柱レンズ６４０をレーザダイ６２０の照射面に近接して配置すると有利であり得る。円柱レンズ６４０とレーザダイ６２０の照射面との間の距離ｄは、円柱レンズ６４０の焦点距離と類似しているが同一ではなく、円柱レンズ６４０の厚さおよび円柱レンズ６４０の形状（例えば、円柱レンズ６４０が平凹か両凹か）に依存し得る。
【００３６】
[0053]図６Ｂは、いくつかの実施形態による、レーザ源６５０および円柱レンズ６７０の別の例示的な構成を概略的に示す。ここで、円柱レンズ６７０は、レーザダイ６６０を封入するカバーに直接成形される。いくつかの実施形態では、円柱レンズ６７０の焦点距離は、−約０．１ｍｍ〜−約２ｍｍの範囲であり得る。凹面の頂点とレーザダイ６６０の照射面との間の距離ｄ’は、約０．１ｍｍ〜約２ｍｍの範囲であり得る。距離ｄ’は、円柱レンズ６７０の焦点距離と類似しているが同一ではない場合がある。
【００３７】
[0054]図７Ａは、いくつかの実施形態による、ライダーシステムにおいてレーザビームを投影するための光学システムの断面図を示す。円柱レンズ７２０は、レーザ源７１０（例えば、レーザダイオード）の前方に配置される。球面照射レンズ７３０は、円柱レンズ７２０の前方に配置される。照射レンズ７３０は、いくつかのレンズ構成要素を含む複合レンズであり得る。いくつかの実施形態では、照射レンズ７３０は、約５ｍｍ〜約５０ｍｍの範囲（例えば、約１６ｍｍ）の焦点距離を有し得る。照射レンズ７３０の直径（例えば、開口）は、約５ｍｍ〜約１００ｍｍの範囲（例えば、４０ｍｍ）であり得る。
【００３８】
[0055]いくつかの実施形態では、ライダーシステムは、単一の球面照射レンズによって投影されるアレイに構成された複数のレーザ源を備え得る。そのような場合、各レーザ源は、それ自身の円柱レンズとペアにされ得る。図７Ｂは、ライダーシステムが２つのレーザ源７１０ａおよび７１０ｂを備える例示的な実施形態を示す。第１の円柱レンズ７２０ａは第１のレーザ源７１０ａとペアにされ、第２の円柱レンズ７２０ｂは第２のレーザ源７１０ｂとペアにされる。２つのレーザ源７１０ａおよび７１０ｂは、同じ球面照射レンズ７３０を共有する。
【００３９】
[0056]図８は、本発明のいくつかの実施形態によるライダーシステムを使用した三次元イメージングの方法８００を説明する簡略化した流れ図を示す。
【００４０】
[0057]方法８００は、８０２において、レーザ源および円柱レンズを一緒に並進移動させるステップを含み得る。レーザ源は、照射面内の複数の照射位置のそれぞれに並進移動される。レーザ源は、第１の高さを有し、かつ第１の高さより大きい第１の幅を有する照射領域を有する。円柱レンズは、負の屈折率を有し、レーザ源の前方に配置される。円柱レンズは、円柱レンズのパワー軸が実質的に幅の方向になるように向けられる。円柱レンズは、レーザ源の照射領域を仮想幅および仮想高さを有する仮想照射領域に変換するように構成され得、仮想幅が、照射領域の第１の幅より小さい。円柱レンズは、平凹円柱レンズであってもよいし、両凹円柱レンズであってもよい。いくつかの実施形態では、円柱レンズは、レーザ源と単一のパッケージに一体化されてもよい。
【００４１】
[0058]方法８００は、８０４において、レーザ源を使用して、複数のレーザパルスを照射するステップをさらに含み得る。複数のレーザパルスのそれぞれは、複数の照射位置のそれぞれ１つで照射される。本方法８００は、８０６において、照射レンズを使用して、複数のレーザパルスをコリメートして、１つまたは複数の対象物に向けて差し向けるステップをさらに含み得る。１つまたは複数の対象物は、複数のレーザパルスのそれぞれを反射して、複数の戻りレーザパルスを生成することができる。
【００４２】
[0059]方法８００は、８０８において、受光レンズを使用して、複数の戻りレーザパルスのそれぞれを受光し、検出面内の複数の対応する検出位置に集束させるステップをさらに含み得る。各対応する検出位置が、それぞれの照射位置と共役である。いくつかの実施形態では、受光レンズと伝送レンズとは同じレンズであってもよい、つまり、複数のレーザパルスをコリメートして１つまたは複数の対象物に向けて差し向けるように構成され、かつ複数の戻りレーザパルスを集束させるように構成された同じレンズであってもよい。
【００４３】
[0060]方法８００は、８１０において、検出面内の複数の対応する検出位置のそれぞれに検出器を並進移動させるステップと、８１２において、検出器を使用して、複数の検出位置の各それぞれの検出位置における複数の戻りレーザパルスの各それぞれの戻りレーザパルスを検出するステップと、をさらに含み得る。
【００４４】
[0061]方法８００は、８１４において、プロセッサを使用して、複数の戻りレーザパルスのそれぞれの飛行時間を判定するステップと、８１６において、プロセッサを使用して、複数の戻りレーザパルスのそれぞれの飛行時間に基づいて、１つまたは複数の対象物の三次元画像を構築するステップと、をさらに含み得る。
【００４５】
[0062]いくつかの実施形態では、レーザ源および検出器のそれぞれが、一次元または二次元で並進移動される。いくつかの実施形態では、レーザ源および検出器は、リサージュパターンで２つの方向に走査され得る。いくつかの実施形態では、照射レンズおよび受光レンズは固定され、レーザ源および検出器が並進移動される。
【００４６】
[0063]いくつかの他の実施形態では、方法８００は、照射レンズの光軸に実質的に垂直な平面内でレーザ源に対して照射レンズを並進移動させるステップと、照射レンズの並進移動と同期して、平面内で検出器に対して受光レンズを並進移動させるステップと、をさらに含み得る。いくつかの実施形態では、照射レンズおよび受光レンズのそれぞれが、一次元または二次元において並進移動される。いくつかの実施形態では、照射レンズおよび受光レンズは、リサージュパターンで２つの方向に走査され得る。
【００４７】
[0064]図８に示す特定のステップは、本発明のいくつかの実施形態によるライダーシステムを使用した三次元イメージングを実行する特定の方法を提供することを理解されたい。別の実施形態による、他の一連のステップを実行することもできる。例えば、本発明の代替的な実施形態は、上に概説したステップを異なる順序で実行することができる。さらに、図８に示す個々のステップは、個々のステップに応じて様々な順番で実行され得る複数のサブステップを含み得る。さらに、特定の用途に応じて、追加のステップを追加し、いくつかのステップを削除することができる。当業者であれば、多くの変形形態、改変形態、および代替形態を認識するであろう。
【００４８】
ＩＩ．分解能を向上させるための検出器設計
[0065]
いくつかの実施形態によれば、ライダーシステムの分解能を改善するための別の手法が検出器側で実施され得る。図５Ａおよび図５Ｃに示すように、円柱レンズを使用しなければ、遠視野ビームスポット５１０は、水平方向に細長くなり得る。結果として、検出器（例えば、図１に示される検出器１６０ａまたは１６０ｂ）上の受光レンズ（例えば、図１に示される受光レンズ１４０）によって形成される遠視野ビームスポット５１０の像もまた、水平方向に細長くなり得る。
【００４９】
[0066]図９は、いくつかの実施形態によるライダーシステム９００を概略的に示す。図１に示すライダーシステム１００と同様に、ライダーシステム９００は、レーザ源９１０と、レーザ源９１０によって照射されたレーザビームをコリメートするための照射レンズ９３０とを備え得る。コリメートされたレーザビームは、１つまたは複数の対象物９５０ａおよび９５０ｂから反射され得る。ライダーシステム９００は、戻りレーザビームを集束させるための受光レンズ９４０と、集束された戻りレーザビームを検出するために受光レンズ９４０の焦点面に配置された検出器９２０とをさらに備え得る。上述のように、照射されたレーザビームの非対称のプロファイルのために、検出器９２０での戻りレーザビームの集束スポットは細長くなり得る。図１０は、受光レンズ９４０の焦点面に結像される、水平方向に細長い戻りビームスポット１０１０を概略的に示す。
【００５０】
[0067]いくつかの実施形態によれば、検出器９２０は、光センサのアレイを備え得る。例えば、検出器９２０は、水平方向に一次元アレイとして互いに隣接して配置された２つの光センサ９２２ａおよび９２２ｂを備え得る。図９および図１０に示すように、各光センサ９２２ａまたは９２２ｂは、戻りビームスポット１０１０の一部をカバーする感知領域を有する。よって、第１の光センサ９２２ａは、戻りレーザビームの左半分を検出することができ、第２の光センサ９２２ｂは、戻りレーザビームの右半分を検出することができる。
【００５１】
[0068]例示的な例として、図９は、レーザビームが、遠視野のレーザビームのＦＯＶ９６０内に位置する２つの対象物９５０ａおよび９５０ｂ（例えば、２人の人々）に投影され得ることを示す。遠視野におけるレーザスポットサイズは、レーザ源の照射領域の寸法にレーザ源から対象物までの距離を乗じて、照射レンズ９３０の焦点距離で割ったものにほぼ等しくなり得る。（実線で示される光線によって表される）第１の対象物９５０ａから反射される戻りレーザビームの第１の部分は、戻りビームスポット１０１０の左半分に結像されてもよく、（点線で示される光線によって表される）第２の対象物９５０ｂから反射される戻りレーザビームの第２の部分は、戻りビームスポット１０１０の右半分に結像されてもよい。図９および図１０Ａに示すように、第１の光センサ９２２ａは、第１の対象物９５０ａから反射された戻りレーザビームの第１の部分を検出し、第２の光センサ９２２ｂは、第２の対象物９５０ｂから反射された戻りレーザビームの第２の部分を検出し得る。したがって、ライダーシステム９００は、２つの対象物９５０ａおよび９５０ｂを分解し得る。当業者には明らかであるように、「垂直」および「水平」の向きは、図面および説明の文脈において切り替えられる場合がある、または向きは任意に回転される場合があることを理解されたい。
【００５２】
[0069]比較のために、図１０Ｂは、戻りビームスポット１０１０全体を取り囲む感知領域を備えた単一の光センサ１０３０を備える検出器１０２０を示す。この構成では、単一の戻りレーザパルスが検出器１０２０によって検出され得るため、ライダーシステム９００は、２つの対象物９５０ａおよび９５０ｂを分離できない場合がある。よって、図９および図１０Ａに示すように、水平方向にアレイとして構成された２つの光センサ９２２ａおよび９２２ｂを有することにより、ライダーシステム９００の水平方向の分解能は、単一の光センサ１０３０を有する検出器１０２０と比較して約２倍になる。
【００５３】
[0070]いくつかの実施形態によれば、検出器９２０は、個々の光センサにおいて別個の出力を有し得、その結果、各光センサによって検出される戻りレーザパルスの各部分の飛行時間は、独立して判定され得る。図１１Ａ〜図１１Ｃは、図９および図１０に示される例におけるレーザパルスのタイミング図を概略的に示す。図１１Ａに示されるように、レーザパルス１１１０は、時間ｔ１の第１の瞬間にレーザ源９１０によって照射され得る。レーザパルス１１１０は、第１の対象物９５０ａおよび第２の対象物９５０ｂから反射され得る。図１１Ｂに示されるように、第１の対象物９５０ａから反射された戻りレーザパルスの第１の部分は、時間ｔ２の第２の瞬間に第１の光センサ９２２ａによって検出され得る。ｔ１とｔ２との間の経過時間は、Δｔ１として判定され得る。ライダーシステム９００と第１の対象物９５０ａとの間の距離Ｌ１は、Δｔ１に基づいて判定され得る。同様に、図１１Ｃに示されているように、第２の対象物９５０ｂから反射された戻りレーザパルスの第２の部分は、時間ｔ３の第３の瞬間に第２の光センサ９２２ｂによって検出され得る。ｔ１とｔ３との間の経過時間は、Δｔ２として判定され得る。ライダーシステム９００と第２の対象物９５０ｂとの間の距離Ｌ２は、Δｔ２に基づいて判定され得る。したがって、別個の出力を有する２つの光センサ９２２ａおよび９２２ｂを検出器９２０内に有することによって、ライダーシステム９００は、２つの対象物９５０ａおよび９５０ｂの異なる距離Ｌ１およびＬ２を分解可能であり得る。
【００５４】
[0071]図１２Ａは、いくつかの実施形態による検出器１２１０の概略平面図を示す。検出器１２１０は、光センサ１２１２ａおよび１２１２ｂを備える、１×２アレイなどの光センサの一次元アレイを備え得る。１×２アレイの光センサが図１２Ａに示されているが、検出器１２１０は、１×３アレイの光センサ、１×４アレイの光センサなどを備えることができる。例えば、１×３アレイを使用することにより、アレイの方向における分解能の約３倍の改善が実現され得る。
【００５５】
[0072]図１２Ｂは、いくつかの実施形態による検出器１２２０の概略平面図を示す。検出器１２２０は、光センサ１２２２ａ〜１２２２ｆを備える、２×３アレイなどの二次元アレイを備え得る。よって、一方向での分解能の約２倍の改善、および直交方向での分解能の約３倍の改善を実現することができる。２×３アレイの光センサが図１２Ｂに示されているが、検出器１２２０は、様々な実施形態に従って、２×４アレイの光センサ、２×５アレイの光センサ、または他の構成を備え得る。
【００５６】
[0073]いくつかの実施形態では、光センサのアレイは、アレイの総表面積が、受光レンズ９４０によって形成される戻りレーザビームの結像スポットの面積とほぼ一致するように構成され得る。例えば、結像スポットのアスペクト比が１×２の場合、検出器は、（各光センサの表面積が正方形であると仮定して）１×２アレイの光センサまたは２×４アレイの光センサを備えることができる。光センサ間のデッドスペースは、好適には、検出効率の損失を回避するために低減または最小化され得る。
【００５７】
[0074]様々な実施形態によれば、光センサは、フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトレジスタ、光電子増倍管、マイクロチャネルプレート検出器、電荷結合素子（ＣＣＤ）などを含み得る。
【００５８】
[0075]いくつかの他の実施形態によれば、バイセルまたはクワッドセル検出器が使用され得る。そのような場合、検出器は、光が検出器に入射する位置に対応する複数の出力を有するように設計された単一の検出器を含む。
【００５９】
[0076]上述のアレイ検出器の概念は、複数のレーザ源および複数の検出器を備えるライダーシステムに拡張できる。そのような場合、各レーザ源はそれ自身のアレイ検出器とペアにされ得る。例えば、図１を参照すると、第１のレーザ源１１０ａは第１の検出器１６０ａとペアにされ得、第２のレーザ源１１０ｂは第２の検出器１６０ｂとペアにされ得、第１の検出器１６０ａおよび第２の検出器１６０ｂのそれぞれが光センサアレイを備える。
【００６０】
[0077]いくつかの実施形態によれば、アレイ検出器は、分解能のさらなる向上のために、（例えば、図４Ａおよび図４Ｂ、図６Ａおよび図６Ｂ、ならびに図７に関連して上述したように）円柱レンズを備えるコリメート光学システムと組み合わせてライダーシステムで使用され得る。
【００６１】
[0078]図１３は、本発明のいくつかの実施形態による、ライダーシステム１３００を概略的に示す。ライダーシステム１３００は、レーザ源１３１０と検出器１３２０とを備える。図１および図９に示すように別個の照射レンズおよび受光レンズを使用する代わりに、ライダーシステム１３００は、レーザ源１３１０によって照射されたレーザビームをコリメートするため、および１つまたは複数の対象物から反射した戻りレーザビームを集束させるために単一のレンズ１３３０を備える。ライダーシステム１３００は、レーザ源１３１０とレンズ１３１０との間に配置されたビームスプリッタ１３５０を備え得る。ビームスプリッタ１３５０は、レーザ源１３１０によって照射されたレーザビームを部分的に透過し、戻りレーザビームを検出器１３２０に向かって部分的に反射するように構成され得る。
【００６２】
[0079]いくつかの実施形態では、ライダーシステム１３００は、レーザ源１３１０の前方に配置された任意の円柱レンズ１３４０をさらに備え得る。円柱レンズ１３４０は、図４Ａおよび４Ｂに示される円柱レンズ４１０と同様に、負の屈折率を有する。図４Ａおよび図４Ｂに関連して上述したように、円柱レンズ１３４０は、図５Ｄに示されるように、比較的対称的な遠視野ビームスポットをもたらし得る。
【００６３】
[0080]いくつかの実施形態では、検出器１３２０は、図９、図１０Ａ、ならびに図１２Ａおよび図１２Ｂに示される検出器９２０と同様に、アレイとして構成された複数の光センサ１３２２および１３２４を備え得る。図９に関連して上述したように、各光センサ１３２２または１３２４は、戻りレーザビームのそれぞれの部分を検出するように構成され得る。円柱レンズ１３４０およびアレイ検出器１３２０の両方を有することにより、ライダーシステム１３００は、円柱レンズのみを備えるライダーシステムまたはアレイ検出器のみを備えるライダーシステムよりもさらに優れた分解能を実現し得る。
【００６４】
[0081]図１４は、本発明のいくつかの実施形態によるライダーシステムを使用した三次元イメージングの方法１４００を説明する簡略化した流れ図を示す。
【００６５】
[0082]方法１４００は、１４０２において、レーザ源を使用してレーザパルスを照射するステップと、１４０４において、照射レンズを使用してレーザパルスをコリメートして、レーザパルスの視野内にある１つまたは複数の対象物に向けて差し向けるステップと、を含み得る。１つまたは複数の対象物は、レーザパルスを反射して、戻りレーザパルスを生成することができる。
【００６６】
[0083]方法１４００は、１４０６において、受光レンズを使用して戻りレーザパルスを受光して、受光レンズの焦点面において戻りビームスポットに集束させる、ステップと、１４０８において、受光レンズの焦点面においてアレイとして構成された複数の光センサを備える検出器を使用して、各それぞれの光センサにおいて受光された戻りレーザパルスのそれぞれの部分を検出するステップと、をさらに含み得る。戻りレーザパルスのそれぞれの部分は、レーザパルスの視野のそれぞれのセクションに対応する。
【００６７】
[0084]方法１４００は、１４１０において、レーザ源および検出器に接続されたプロセッサを使用して、戻りレーザパルスの各それぞれの部分の飛行時間を判定するステップと、１４１２において、プロセッサを使用して、戻りレーザパルスの各それぞれの部分の飛行時間に基づいて１つまたは複数の対象物の三次元画像を構築するステップと、をさらに含み得る。
【００６８】
[0085]いくつかの実施形態では、検出器の各それぞれの光センサは、戻りレーザパルスのそれぞれの部分を受光するためのそれぞれの感知領域を有する。複数の光センサが、複数の光センサの全感知領域が戻りビームスポットに実質的に一致するように配置される。
【００６９】
[0086]いくつかの実施形態では、方法１４００は、照射レンズの光軸に実質的に垂直な照射平面内の複数の照射位置を通してレーザ源を並進移動させるステップと、受光レンズ焦点面の複数の検出位置を通して検出器を並進移動させるステップと、をさらに含み得る。複数の検出位置の各それぞれの検出位置は、複数の照射位置のそれぞれの照射位置に対応する。いくつかの実施形態では、レーザ源および検出器のそれぞれが、一次元または二次元で並進移動される。いくつかの実施形態では、レーザ源および検出器は、リサージュパターンで２つの方向に走査され得る。いくつかの実施形態では、照射レンズおよび受光レンズは固定され、レーザ源および検出器が並進移動される。
【００７０】
[0087]いくつかの他の実施形態では、方法１４００は、照射レンズの光軸に実質的に垂直な平面内で、レーザ源に対して照射レンズを並進移動させるステップと、照射レンズの並進移動と同期して、平面内で検出器に対して受光レンズを並進移動させるステップと、をさらに含み得る。いくつかの実施形態では、照射レンズおよび受光レンズのそれぞれが、一次元または二次元において並進移動される。いくつかの実施形態では、照射レンズおよび受光レンズは、リサージュパターンで２つの方向に走査され得る。いくつかの実施形態では、レーザ源および検出器はまた、照射レンズおよび受光レンズが並進移動されている間、互いに同期して並進移動される。
【００７１】
[0088]いくつかのさらなる実施形態では、方法１４００は、レーザ源および検出器を、照射レンズの光軸に実質的に垂直な第１の方向に同期して並進移動させるステップと、照射レンズおよび受光レンズを、第１の方向に直行する、照射レンズの光軸に実質的に垂直な第２の方向に同期して並進移動させるステップと、をさらに含み得る。当業者であれば、多くの変形形態、代替形態、および改変形態を認識するであろう。
【００７２】
[0089]図１４に示す特定のステップは、本発明のいくつかの実施形態によるライダーシステムを使用した三次元イメージングを実行する特定の方法を提供することを理解されたい。別の実施形態による、他の一連のステップを実行することもできる。例えば、本発明の代替的な実施形態は、上に概説したステップを異なる順序で実行することができる。さらに、図１４に示す個々のステップは、個々のステップに応じて様々な順番で実行され得る複数のサブステップを含み得る。さらに、特定の用途に応じて、追加のステップを追加し、いくつかのステップを削除することができる。当業者であれば、多くの変形形態、改変形態、および代替形態を認識するであろう。
【００７３】
[0090]特定の実施形態の特定の詳細は、本発明の実施形態の趣旨および範囲から逸脱することなく、任意の適切な方法で組み合わせることができる。しかしながら、本発明の他の実施形態は、それぞれの個々の実施態様、またはこれらの個々の実施態様の特定の組み合わせに関する特定の実施形態に向けられ得る。
【００７４】
[0091]「ａ」、「ａｎ」、または「ｔｈｅ」の記載は、特に反対の指示がない限り、「１つまたは複数」を意味することが意図されている。
【００７５】
[0092]本明細書では、範囲は、「約」ある特定の値から、および／または「約」別の特定の値までとして表現され得る。本明細書では、「約」という用語は、およそ、ほぼ、大体、または前後を意味するために使用される。「約」という用語が数値範囲と共に使用される場合、それは、記載された数値の上および下の境界を拡張することによってその範囲を修飾する。一般に、「約」という用語は、本明細書では、記載された値の上下１０％の変動で数値を修飾するために使用される。そのような範囲が表される場合、別の実施形態は、ある特定の値から、および／または他の指定された値までを含む。同様に、先行詞「約」を使用することによって値が近似値として表される場合、指定された値が別の実施形態を形成することが理解されよう。さらに、各範囲の端点がその範囲に含まれることが理解されよう。
【００７６】
[0093]本発明の例示的な実施形態の上記説明は、例示および説明の目的で提示されたものである。本発明の例示的な実施形態の上記説明は、網羅的であることも本発明を記載された正確な形態に限定することも意図されておらず、上記の教示に照らして多くの修正および変形が可能である。実施形態は、本発明の原理およびその実際的な用途を説明し、それにより、当業者が、様々な実施形態において、また企図される特定の用途に適した様々な改変形態で本発明を利用できるように選択および記載した。
【図１】
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【図２】
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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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
2021504707.tif 000014
【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
2021504707.tif 000020
【図１０Ｂ】
2021504707.tif 000021
【図１１】
2021504707.tif 000022
【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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