(57)【要約】  空間プロファイリングのためのシステム、方法、およびプロセッサ可読媒体を本明細書において説明する。一配置において、説明されるシステムは、複数の波長チャネルのうちの選択された１つにおける少なくとも１つの時間変動属性を有する出射光を提供するように構成された光源であって、少なくとも１つの時間変動属性が、（ａ）時間変動強度プロファイルおよび（ｂ）時間変動周波数偏移のいずれかまたは両方を含む、光源と、空間プロファイルを有する環境の中へ、出射光を２次元の複数の方向のうちの１つへ空間的に指向するように構成されたビームディレクタであって、複数の方向のうちの１つが、複数の波長チャネルのうちの選択された１つに対応する、ビームディレクタと、環境によって反射された出射光の少なくとも一部を受信するように構成された受光器と、複数の方向のうちの対応する１つに関連付けられた環境の空間プロファイルを推定するために、複数の波長のうちの選択された１つにおける反射光の少なくとも１つの時間変動属性に関連付けられた少なくとも１つの特性を判定するように構成された処理ユニットとを含む。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の波長チャネルのうちの選択された１つにおける少なくとも１つの時間変動属性を有する出射光を提供するように構成された光源であって、前記少なくとも１つの時間変動属性が（ａ）時間変動強度プロファイル、および（ｂ）時間変動周波数偏移のいずれかまたは両方を含む、光源と、
空間プロファイルを有する環境の中へ、前記出射光を２次元の複数の方向のうちの１つへ空間的に指向するように構成されたビームディレクタであって、前記複数の方向のうちの前記１つが、前記複数の波長チャネルのうちの前記選択された１つに対応する、ビームディレクタと、
前記環境によって反射された前記出射光の少なくとも一部を受信するように構成された受光器と、
前記複数の方向のうちの前記対応する１つに関連付けられた前記環境の前記空間プロファイルを推定するために、前記反射光の前記少なくとも１つの時間変動属性に関連付けられた少なくとも１つの特性を判定するように構成された処理ユニットと、を含み、
前記受光器が、前記出射光と非反射光との間の波長または変調の差に基づいて、前記非反射光の検出を阻害するように構成されている、空間プロファイリングシステム。
【請求項２】
前記非反射光の検出を阻害することが、波長チャネルの所定のまたはランダム化されたシーケンスに基づいて、前記複数の波長のうちの前記選択された１つを選択することを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記非反射光の検出を阻害することが、前記出射光から前記受信光を無相関化し、前記無相関光を前記出射光のサンプルとインコヒーレントに混合すること、を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記非反射光の検出を阻害することが、前記出射光のサンプルとの前記受信光の光自己ヘテロダインを、時間窓であって、その範囲内で前記光源が複数の波長チャネルのうちの前記選択された１つの前記サンプリングされた光を提供するように構成されている、時間窓の間に遂行することを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記非反射光の検出を阻害することが、符号化シーケンスに従って前記出射光の前記時間変動強度プロファイルに符号変調を課すことを含み、前記少なくとも１つの特性が、前記符号化シーケンスとの前記反射光の自己相関を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記符号化シーケンスが、バーカー符号を含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記符号化シーケンスが、別の空間マッピングシステムとの干渉を回避するために調整可能である、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記符号変調が、緩変動バーカー符号および急変動バーカー符号をさらに含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項９】
前記時間変動強度プロファイルが、所定の周波数での周期的な変調を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記周期的な変調が、正弦変調を含み、前記少なくとも１つの特性が、前記正弦変調された反射光の位相シフトを含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記周期的な変調が、複数の周波数成分を含み、前記少なくとも１つの特性が、（ａ）より粗く、より長いレンジの距離推定を容易にするための、前記複数の周波数成分から生じるビートトーンのエンベロープ遅延、および（ｂ）より細かく、より短いレンジの距離判定を容易にするための、前記周期的に反射された光の位相シフトのうちの少なくとも１つを含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記時間変動強度プロファイルが、チャープされた正弦変調を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記光源が、前記複数の波長チャネルの追加的に選択された１つ以上において同じまたは異なる時間変動属性（複数可）を有する追加の出射光を逐次的な様式で提供するように構成され、前記ビームディレクタが、前記追加の出射光を前記複数の方向の前記対応する１つ以上に逐次的な様式で指向されるように構成され、前記処理ユニットが、前記複数の方向の前記対応する１つ以上に関連付けられた前記環境の前記空間プロファイルを推定するために、前記複数の波長チャネルの前記追加的に選択された１つ以上における前記反射光の前記同じまたは異なる時間変動属性に関連付けられた前記少なくとも１つの特性を判定するように構成されている、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１４】
前記逐次的な様式が、前記所定のシーケンスを含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記逐次的な様式が、前記ランダム化されたシーケンスを含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
前記ビームディレクタが、（ａ）出射コリニアビームを前記光源から前記複数の方向に空間的に指向するため、および（ｂ）複数の逆方向の前記反射光を入射コリニアビームに空間的に指向するための可逆光学系を含む、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記可逆光学系が、空間的に交差分散したモジュール（ｓｐａｔｉａｌｌｙ  ｃｒｏｓｓ−ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  ｍｏｄｕｌｅ）を含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記空間的に交差分散したモジュールが、直交配置で２つの空間分散素子を含み、各々が前記出射光を２次元のそれぞれの方に向けるように配置されている、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記２つの空間分散素子の一方または両方が、フォトニック結晶構造を含む、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記システムが、前記光源からの前記出射光を前記ビームディレクタまでルーティングするため、および前記反射光（ｒｅｆｌｅｃｔ  ｌｉｇｈｔ）を前記ビームディレクタから前記受光器までルーティングするための非可逆光学系をさらに含む、請求項１〜１９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２１】
前記非可逆光学系が、光サーキュレータを含む、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記システムが、前記光源に続く光カプラまたはビームスプリッタを含む、請求項１〜２１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２３】
前記ビームディレクタが、ビーンディレクタによって収集された反射光を、前記出射光によってとられた経路で共有されない経路に沿って前記受光器までルーティングするための平行光学系を含む、請求項１〜２２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２４】
前記ビームディレクタが、複数のビームディレクタのうちの１つであり、それらの各々が、（ａ）前記光源および前記受光器に光学的に結合され、（ｂ）前記複数の波長チャネルのそれぞれのサブセットに応答して、前記出射光をそれぞれの空間プロファイルを有するそれぞれの環境に指向するように構成されている、請求項１〜２３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２５】
前記ビームディレクタが各々、前記光源および前記受光器に光ファイバ結合されている、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記受光器が、複数の受光器のうちの１つであり、前記ビームディレクタが各々、前記光源および前記複数の受光器のうちの前記それぞれの１つに光学的に結合されている、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記光源が、温度関連情報を前記処理ユニットに提供するためのエタロンモジュールを含み、前記処理ユニットが、前記温度関連情報に基づいて前記光源を制御するように構成されている、請求項１〜２６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２８】
前記ビームディレクタが、キャビティであって、前記キャビティから反射され、前記受光器によって受信された光の強度に基づいて環境関連情報を取得するための、キャビティを含む、請求項１〜２７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２９】
前記時間変動周波数偏移が、光周波数の線形変化を含む、請求項１〜２８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３０】
前記時間変動周波数偏移が、鋸歯状波形または三角波形を含む、請求項２９に記載のシステム。
【請求項３１】
前記処理ユニットが、前記環境内の対象の速度を推定するために、前記反射光の少なくとも別の特性を判定するようにさらに構成されている、請求項１〜３０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３２】
光源によって、複数の波長チャネルのうちの選択された１つにおける少なくとも１つの時間変動属性を有する出射光を提供するステップであって、前記少なくとも１つの時間変動属性が（ａ）時間変動強度プロファイル、および（ｂ）時間変動周波数偏移のいずれかまたは両方を含む、提供するステップと、
ビームディレクタによって、空間プロファイルを有する環境の中へ、前記出射光を２次元の複数の方向のうちの１つへ空間的に指向するステップであって、前記複数の方向のうちの前記１つが、前記複数の波長チャネルのうちの前記選択された１つに対応する、指向するステップと、
受光器によって、前記環境によって反射された前記出射光の少なくとも一部を受信するステップと、
前記処理ユニットによって、前記複数の方向のうちの前記対応する１つに関連付けられた前記環境の前記空間プロファイルを推定するために、前記反射光の前記少なくとも１つの時間変動属性に関連付けられた少なくとも１つの特性を判定するステップと、を含み、
前記受光器が、前記出射光と非反射光との間の波長または変調の差に基づいて、前記非反射光の検出を阻害するように構成されている、空間プロファイリング方法。
【請求項３３】
命令を含むプロセッサ可読媒体であって、前記命令が、空間プロファイリングシステムの処理ユニットによって実行されると、前記システムに、
光源によって、複数の波長チャネルのうちの選択された１つにおける少なくとも１つの時間変動属性を有する出射光を提供させることと、ここでは、前記出射光が、ビームディレクタによって、空間プロファイルを有する環境の中へ、２次元の複数の方向のうちの１つへ空間的に指向され、前記少なくとも１つの時間変動属性が、（ａ）時間変動強度プロファイルおよび（ｂ）時間変動周波数偏移のいずれかまたは両方を含み、前記複数の方向のうちの前記１つが、前記複数の波長チャネルのうちの前記選択された１つに対応するものであり、
前記処理ユニットによって、前記複数の方向のうちの前記対応する１つに関連付けられた前記環境の前記空間プロファイルを推定するために、前記環境によって反射され、受光器によって受信された前記出射光の少なくとも一部の前記少なくとも１つの時間変動属性に関連付けられた少なくとも１つの特性を判定させることと、を含み、
前記受光器が、前記出射光と非反射光との間の波長または変調の差に基づいて、前記非反射光の検出を阻害するように構成されている、プロセッサ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、環境の空間プロファイルを推定するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
空間プロファイリングは、所望の視野から見たときの環境の３次元マッピングを指す。視野内の各ポイントまたはピクセルは、環境の３次元表現を形成するように距離に関連付けられる。空間プロファイルは、環境内の物体および／または障害物を識別するのに有用であり、それによってタスクの自動化を容易にすることができる。
【０００３】
空間プロファイリングの一技法は、光を環境の中へ特定の方向で送信することと、その方向から反射し返され任意の光を、例えば、環境内の反射面によって検出することとを含む。反射光は、反射面までの距離を判定するための関連情報を保持する。特定の方向および距離の組み合わせは、環境の３次元表現におけるポイントまたはピクセルを形成する。上記のステップを、３次元表現の他のポイントまたはピクセルを形成するように複数の異なる方向に対して繰り返し、それによって所望の視野内の環境の空間プロファイルを推定することができる。
【０００４】
本明細書におけるいかなる先行技術への言及も、この先行技術が任意の管轄区域における共通の一般知識の一部を形成するか、またはこの先行技術が当業者によって理解されるか、先行技術の他の部分に関連するとみなされるか、および／もしくは該他の部分と組み合わされることが当然予測され得るとの承認または任意の形式の提案ではなく、かつそのようにとられるべきではない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様によれば、
複数の波長チャネルのうちの選択された１つにおける少なくとも１つの時間変動属性を有する出射光を提供するように構成された光源であって、少なくとも１つの時間変動属性が、（ａ）時間変動強度プロファイルおよび（ｂ）時間変動周波数偏移のいずれかまたは両方を含む、光源と、
空間プロファイルを有する環境の中へ、出射光を２次元の複数の方向のうちの１つへ空間的に指向するように構成されたビームディレクタであって、複数の方向のうちの１つが、複数の波長チャネルのうちの選択された１つに対応する、ビームディレクタと、
環境によって反射された出射光の少なくとも一部を受信するように構成された受光器と、
複数の方向のうちの対応する１つに関連付けられた環境の空間プロファイルを推定するために、反射光の少なくとも１つの時間変動属性に関連付けられた少なくとも１つの特性を判定するように構成された処理ユニットと、を含み、
受光器が、出射光と非反射光との間の波長または変調の差に基づいて、非反射光の検出を阻害するように構成されている、空間プロファイリングシステムが提供される。
【０００６】
非反射光の検出を阻害することは、波長チャネルの所定のまたはランダム化されたシーケンスに基づいて、複数の波長のうちの選択された１つを選択することを含んでもよい。
【０００７】
非反射光の検出を阻害することは、出射光から受信光を無相関化し、無相関光を出射光のサンプルとインコヒーレントに混合することを含んでもよい。
【０００８】
非反射光の検出を阻害することは、出射光のサンプルとの受信光の光自己ヘテロダインを、時間窓であって、その範囲内で光源が複数の波長チャネルのうちの選択された１つにおけるサンプリングされた光を提供するように構成されている、時間窓の間に遂行することを含んでもよい。
【０００９】
非反射光の検出を阻害することは、符号化シーケンスに従って出射光の時間変動強度プロファイルに符号変調を課すことを含んでもよく、少なくとも１つの特性は、符号化シーケンスとの反射光の自己相関を含む。符号化シーケンスは、バーカー符号を含んでもよい。代替的に、符号変調は、緩変動バーカー符号および急変動バーカー符号を含んでもよい。
【００１０】
符号化シーケンスは、別の空間マッピングシステムとの干渉を回避するために調整可能であってもよい。
【００１１】
時間変動強度プロファイルは、所定の周波数での周期的な変調を含んでもよい。周期的な変調は、正弦変調を含んでもよく、少なくとも１つの特性は、正弦変調された反射光の位相シフトを含んでもよい。代替的に、周期的な変調は、複数の周波数成分を含み、少なくとも１つの特性は、（ａ）より粗く、より長いレンジの距離推定を容易にするための、複数の周波数成分から生じるビートトーンのエンベロープ遅延、および（ｂ）より細かく、より短いレンジの距離判定を容易にするための、周期的に変調された反射光の位相シフトのうちの少なくとも１つを含む。代替的にまたは追加的に、時間変動強度は、チャープされた正弦変調を含んでもよい。
【００１２】
一構成では、光源は、複数の波長チャネルの追加的に選択された１つ以上における同じまたは異なる時間変動属性（複数可）を有する追加の出射光を逐次的な様式で提供するように構成され、ビームディレクタは、追加の出射光を複数の方向の対応する１つ以上に逐次的な様式で指向するように構成され、処理ユニットは、複数の方向の対応する１つ以上に関連付けられた環境の空間プロファイルを推定するために、複数の波長チャネルの追加的に選択された１つ以上における反射光の同じまたは異なる時間変動属性に関連付けられた少なくとも１つの特性を判定するように構成されている。
【００１３】
この構成では、逐次的な様式は、所定のシーケンスを含む。代替的に、逐次的な様式は、ランダム化されたシーケンスを含む。
【００１４】
ビームディレクタは、出射コリニアビームを光源から複数の方向に空間的に指向するため、および（ｂ）複数の逆方向の反射光を入射コリニアビームに空間的に指向するための可逆光学系を含んでもよい。可逆光学系は、空間的に交差分散したモジュール（ｓｐａｔｉａｌｌｙ  ｃｒｏｓｓ−ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  ｍｏｄｕｌｅ）を含んでもよい。空間的に交差分散したモジュールは、直交配置で２つの空間分散素子を含んでもよく、各々が出射光を２次元のそれぞれの方に向けるように配置されている。２つの空間分散素子は、フォトニック結晶構造を含んでもよい。
【００１５】
本システムは、光源からの出射光をビームディレクタまでルーティングするため、および反射光（ｒｅｆｌｅｃｔ  ｌｉｇｈｔ）をビームディレクタから受光器までルーティングするための非可逆光学系をさらに含んでもよい。非可逆光学系は、光サーキュレータを含んでもよい。
【００１６】
本システムは、光源に続く光カプラまたはビームスプリッタをさらに含んでもよい。
【００１７】
ビームディレクタは、ビーンディレクタによって収集された反射光を、出射光によってとられた経路で共有されない経路に沿って受光器までルーティングするための平行光学系を含んでもよい。
【００１８】
一構成では、ビームディレクタは、複数のビームディレクタのうちの１つであり、それらの各々は、（ａ）光源および受光器に光学的に結合され、（ｂ）複数の波長チャネルのそれぞれのサブセットに応答して、出射光をそれぞれの空間プロファイルを有するそれぞれの環境に指向するように構成されている。この構成では、ビームディレクタは各々、光源および受光器に光ファイバ結合されている。代替的に、受光器は、複数の受光器のうちの１つであり、ビームディレクタは各々、光源および複数の受光器のうちのそれぞれの１つに光学的に結合されている。
【００１９】
光源は、温度関連情報を処理ユニットに提供するためのエタロンモジュールを含んでもよく、処理ユニットは、温度関連情報に基づいて光源を制御するように構成されてもよい。
【００２０】
ビームディレクタは、キャビティであって、キャビティから反射され、受光器によって受信された光の強度に基づいて環境関連情報を取得するための、キャビティを含んでもよい。
【００２１】
一構成では、時間変動周波数偏移は、光周波数の線形変化を含んでもよい。時間変動周波数偏移は、鋸歯状波形または三角波形を含んでもよい。処理ユニットは、環境内の対象の速度を推定するために、反射光の少なくとも別の特性を判定するようにさらに構成されてもよい。
【００２２】
本発明の第２の態様によれば、
光源によって、複数の波長チャネルのうちの選択された１つにおける少なくとも１つの時間変動属性を有する出射光を提供するステップであって、少なくとも１つの時間変動属性が、（ａ）時間変動強度プロファイルおよび（ｂ）時間変動周波数偏移のいずれかまたは両方を含む、提供するステップと、
ビームディレクタによって、空間プロファイルを有する環境の中へ、出射光を２次元の複数の方向のうちの１つへ空間的に指向するステップであって、複数の方向のうちの１つが、複数の波長チャネルのうちの選択された１つに対応する、指向するステップと、
受光器によって、環境によって反射された出射光の少なくとも一部を受信するステップと、
処理ユニットによって、複数の方向のうちの対応する１つに関連付けられた環境の空間プロファイルを推定するために、反射光の少なくとも１つの時間変動属性に関連付けられた少なくとも１つの特性を判定するステップと、を含み、
受光器が、出射光と非反射光との間の波長または変調の差に基づいて、非反射光の検出を阻害するように構成されている、空間プロファイリング方法が提供される。
【００２３】
本発明の第３の態様によれば、命令を含むプロセッサ可読媒体であって、命令が、空間プロファイリングシステムの処理ユニットによって実行されると、システムに、
光源によって、複数の波長チャネルのうちの選択された１つにおける少なくとも１つの時間変動属性を有する出射光を提供させることであって、出射光が、ビームディレクタによって、空間プロファイルを有する環境の中へ、２次元の複数の方向のうちの１つへ空間的に指向され、少なくとも１つの時間変動属性が、（ａ）時間変動強度プロファイルおよび（ｂ）時間変動周波数偏移のいずれかまたは両方を含み、複数の方向のうちの１つが、複数の波長チャネルのうちの選択された１つに対応する、提供させることと、
処理ユニットによって、複数の方向のうちの対応する１つに関連付けられた環境の空間プロファイルを推定するために、環境によって反射され、受光器によって受信された出射光の少なくとも一部の少なくとも１つの時間変動属性に関連付けられた少なくとも１つの特性を判定させることと、を含み、
受光器が、出射光と非反射光との間の波長または変調の差に基づいて、非反射光の検出を阻害するように構成されている、プロセッサ可読媒体が提供される。
【００２４】
本発明のさらなる態様および前の段落で説明された態様のさらなる実施形態は、例として与えられ、添付の図面を参照する以下の説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１Ａ】空間プロファイリングシステムの一配置を説明する。
【図１Ｂ】空間プロファイリングシステムの一配置を説明する。
【図１Ｃ】空間プロファイリングシステムの一配置を説明する。
【図２Ａ】時間変動強度プロファイルを有する出射光を提供する光源の一構成を説明する。
【図２Ｂ】時間変動強度プロファイルを有する出射光を提供する光源の一構成を説明する。
【図２Ｃ】時間変動周波数偏移を有する出射光を提供する光源の一配置を説明する。
【図２Ｄ】時間変動周波数偏移を有する出射光を提供する光源の一配置を説明する。
【図３Ａ】空間プロファイリングシステムのビームディレクタの一配置を説明する。
【図３Ｂ】視野のピクセルと光源の放射光の波長チャネルとの間の関連付けを概略的に説明する。
【図４Ａ】光透過窓および受光窓のタイミング制御の一配置を説明する。
【図４Ｂ】光透過窓および受光窓上での経時的な出射光強度の一例を説明する。
【図４Ｃ】周期的な変調の一例を説明する。
【図４Ｄ】周期的な変調の一例を説明する。
【図４Ｅ】符号変調の一例を説明する。
【図４Ｆ】符号変調の一例を説明する。
【図５】図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれ時間変動周波数偏移の制御を伴わない配置と伴う配置との比較を説明する。
【図６Ａ】対象が静止している場合の局所光の光周波数、受信光の光周波数、およびそれらの周波数の差を説明する。
【図６Ｂ】対象が移動している場合の局所光の光周波数、受信光の光周波数、およびそれらの周波数の差を説明する。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本明細書において、「強度」は光強度を意味し、別様に明記されない限り、「光パワー」と交換可能である。
【００２７】
本明細書において空間プロファイリングシステムを説明する。説明されるシステムは、１つ以上の特定の視点から見たときの環境の空間プロファイルの推定を、物体または障害物の反射面などの任意の反射面の距離を各視点の立体角または視野内で判定することによって提供する。説明されるシステムは、環境内の相対的な動きまたは変化を監視する際に有用であり得る。
【００２８】
例えば、自律輸送手段（陸、空、水、または宇宙）の分野において、説明されるシステムは、輸送手段の視点から、前方の障害物または対象などの任意の物体の距離を含む交通状況の空間プロファイルを推定することができる。輸送手段が移動するにつれて、別の場所で輸送手段から見たときの空間プロファイルが変化してもよく、再推定されてもよい。別の例として、ドッキングの分野では、説明されるシステムは、コンテナ船の視点から、ドックの特定の部分へのコンテナ船の接近など、ドックの空間プロファイルを推定して、ドックの任意の部分との衝突を伴わない首尾よいドッキングを容易にすることができる。さらに別の例として、自由空間光通信またはマイクロ波通信などの見通し内通信の分野では、説明されるシステムが整合目的で使用されてもよい。トランシーバが移動したかまたは移動している場合、光ビームまたはマイクロ波ビームを整合させるように、トランシーバを連続的に追跡することができる。
【００２９】
さらなる例として、適用可能な分野としては、工業計測および自動化、現場測量、軍事、安全監視および査察、ロボットおよびマシンビジョン、印刷、プロジェクタ、照明、他のレーザの攻撃および／もしくは氾濫および／もしくは妨害、ならびにＩＲビジョンシステムが挙げられるが、これらに限定されない。
【００３０】
図１Ａは、本開示による空間プロファイリングシステム１００Ａの一配置を説明する。システム１００Ａは、光源１０２、ビームディレクタ１０３、受光器１０４、および処理ユニット１０５を含む。図１の配置では、光源１０２からの出射光は、ビームディレクタ１０３によって、空間プロファイルを有する環境１１０の中へ、２次元の方向に指向される。出射光が物体または反射面に当たる場合、出射光の少なくとも一部は、物体または反射面によって、ビームディレクタ１０３に反射し返され（実線の矢印で示す）、例えば、散乱され、受光器１０４で受信されてもよい。処理ユニット１０５は、その動作を制御するために光源１０２に動作可能に結合されている。処理ユニット１０５はまた、反射光が移動した往復距離を判定することによって反射面までの距離を判定するために受光器１０４に動作可能に結合されている。
【００３１】
光源１０２、ビームディレクタ１０３、受光器１０４は、自由空間光学系、および／または２Ｄもしくは３Ｄ導波路の形態の光ファイバもしくは光回路などの光導波路を介して互いに光学的に結合されてもよい。以下でさらに説明されるように、光源１０２からの出射光は、環境の中へ指向するためのビームディレクタ１０３に提供される。ビームディレクタ１０３によって収集された任意の反射光は、受光器１０４に指向されてもよい。一配置では、光源１０２からの光はまた、光処理の目的のために、光源１０２から受光器１０４への直接光路（図示せず）を介して受光器１０４に提供される。例えば、光源１０２からの光は、最初に、サンプラ（例えば、９０／１０の光ファイバカプラ）であって、光の大部分（例えば、９０％）がビームディレクタ１０３に提供され、光の残りのサンプル部分（例えば、１０％）が直接経路を介して受光器１０４に提供される、サンプラに入ることができる。別の例では、光源１０２からの光は、最初に、光スイッチの入力ポートに入り、２つの出力ポートであって、一方の出力ポートが光をビームディレクタ１０３に指向し、他方の出力ポートが、処理ユニット１０５によって判定された時間に光を受光器１０４に再指向する、２つの出力ポートのうちの１つから出ることができる。受光器１０４は、出射光と非反射光との間の波長または変調の差に基づいて、非反射光の検出を阻害するように構成されている。非反射光は、出射光の反射から生じない光を含み、したがって反射面の距離を判定する際に処理ユニット１０５を補助すべきではない。この阻害は、誤った検出およびセキュリティなどの問題に対処することを意図するものである。残りの説明から明らかなように、非反射光の検出を阻害するには、例えば、以下の１つ以上を含むいくつかの方法がある。
・  波長チャネルの所定のまたはランダム化されたシーケンスに基づいて、波長チャネルを選択すること。
・  出射光から受信光を無相関化し、無相関光を出射光のサンプルとインコヒーレントに混合すること。
・  出射光のサンプルとの受信光の光自己ヘテロダインを特定の時間窓で遂行すること。
・  特定の周波数を有する時間変動強度変調プロファイルを出射光に課すこと。
・  特定の周波数チャープ特性（例えば、特定のチャープレート）を有する時間変動周波数偏移または強度プロファイルを出射光に課すこと。
・  特定の符号化シーケンスを有する符号変調を出射光に課すこと。
【００３２】
一例では、光源１０２、ビームディレクタ１０３、受光器１０４、および処理ユニット１０５は、実質的に並置されている。例えば、自律輸送手段の用途では、並置により、これらの構成要素を輸送手段の範囲内または単一のハウジングの中にコンパクトにパッケージすることが可能になる。別の例では、図１Ｂで説明される空間プロファイリングシステム１００Ｂにおいて、光源１０２、受光器１０４、および処理ユニット１０５は、「中央」ユニット１０１内に実質的に並置されているが、ビームディレクタ１０３は、中央ユニット１０１から離れている。この例では、中央ユニット１０１は、１つ以上の光ファイバ１０６を介して遠隔ビームディレクタ１０３に光学的に結合されている。この例は、（受動型の交差分散光学系などの）受動構成要素のみを含み得る遠隔ビームディレクタ１０３が熱、湿気、腐食、または物理的損傷などの外部障害の影響を受けにくいため、遠隔ビームディレクタ１０３をより厳しい環境に置くことを可能にする。さらに別の例では、図１Ｃで説明されるように、空間プロファイリングシステム１００Ｃは、単一の中央ユニット１０１および複数のビームディレクタ（１３０Ａ、１３０Ｂ、および１３０Ｃなど）を含んでもよい。複数のビームディレクタの各々は、それぞれの光ファイバ（１０６Ａ、１０６Ｂ、および１０６Ｃなど）を介して中央ユニット１０１に光学的に結合されてもよい。図１Ｃの例では、複数のビームディレクタは、異なる位置に配置されてもよいし、および／または異なる視野に配向されてもよい。
【００３３】
光源
光波は、次のように数学的に記述され得る振動磁場Ｅを含む。
【００３４】
【数１】
2018529955.tif 000003
【００３５】
式中、Ｉ（ｔ）は光の強度を表し、φ（ｔ）＝（２πｃ／λｋ）ｔ＋２πｆｄ（ｔ）ｔは磁場の位相を表し、λｋは第ｋの波長チャネルの中心波長を表し、ｆｄ（ｔ）は第ｋの波長チャネルの中心波長からの光周波数偏移（本明細書では以降、簡潔に「周波数偏移」）を表し、ｃ＝２．９９８×１０８ｍ／ｓは光の速度である。光源１０２は、時間変動強度プロファイルＩ（ｔ）および／または時間変動周波数偏移ｆｄ（ｔ）などの少なくとも１つの時間変動属性を有する出射光を提供するように構成されている。
【００３６】
少なくとも１つの時間変動属性を有する光は、環境の中へ指向され、反射面によって反射し返され、システム１００Ａによって収集されてもよい。以下でさらに説明されるように、処理ユニット１０５は、反射し返された光の往復時間、およびしたがって往復距離を、反射し返された光の少なくとも１つの時間変動属性に関連付けられた少なくとも１つの特性を判定することによって判定するように構成されてもよい。
【００３７】
（ａ）時間変動強度プロファイルＩ（ｔ）
一配置において、光源１０２は、（各々がそのそれぞれの中心波長λ１、λ２、・・・λＮ、で表される）複数の波長チャネルのうちの選択された１つにおける時間変動強度プロファイルＩ（ｔ）を有する出射光を提供するように構成されている。図２Ａは、光源１０２の１つのかかる配置の一例を説明する。この例では、光源１０２は、波長可変レーザダイオードなどの実質的に連続波（ＣＷ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ）の光強度の波長可変レーザ２０２を含み、レーザダイオードに印加される１つ以上の電流（例えば、レーザキャビティ内のより多くの波長同調素子のうちの１つへの注入電流）に基づいて、同調可能波長の光を提供してもよい。別の例では、光源１０２は、広帯域光源および同調可能スペクトルフィルタを含み、選択された波長で実質的に連続波（ＣＷ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ）の光強度を提供してもよい。
【００３８】
図２Ａの例では、光源１０２は、出射光の時間変動強度プロファイルを伝えるための変調器２０４を含んでもよい。一例では、変調器２０４は、レーザダイオード上に集積化された半導体光増幅器（ＳＯＡ：ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）である。ＳＯＡに印加される電流は、時間と共に変化し、時間と共にレーザによって生成されたＣＷ光の増幅を変化させることができ、次に時間変動強度プロファイルを有する出射光を提供する。別の例では、変調器２０４は、レーザダイオードに対する外部変調器（マッハツェンダ変調器または外部ＳＯＡ変調器など）である。別の配置では、図２Ｂで説明されるように、波長可変レーザ２０２を有する代わりに、光源２０６は、波長可変フィルタ２１０が後に続く広帯域レーザ２０８を含む。
【００３９】
（ｂ）時間変動周波数偏移ｆｄ（ｔ）
別の配置では、光源１０２は、複数の波長チャネル（λ１、λ２、・・・λＮ）のうちの選択された１つにおける時間変動周波数偏移ｆｄ（ｔ）を有する出射光を提供するように構成されている。図２Ｃは、光源１０２の１つのかかる配置の一例を説明する。
【００４０】
光磁場の瞬間的な光周波数ｆおよび瞬間的な波長λは、波の等価物理的属性（光磁場の振動速度）を表し、波動方程式ｃ＝ｆλによって関連付けられる。光ｃの速度は一定であるため、ｆまたはλのいずれかを変化させると、必然的に他の量もそれに応じて変化する。同様に、λｋまたはｆｄのいずれかを変化させることは、それに応じて他の量を変化させることとして説明することができる。具体的には、ｆｄ（ｔ）およびλｋは次のように関連付けられる。
λ＝ｃ／（ｃ／λｋ＋ｆｄ）および
ｆ＝ｃ／λｋ＋ｆｄ
【００４１】
実際には、光源１０２のｆｄ（ｔ）およびλｋの変化は、単一の制御、例えば、光源１０２の波長を、例えば、レーザダイオードへの注入電流によって同調させることによって引き起こされてもよい。しかしながら、明確にするために、本明細書における以下の説明では、周波数偏移ｆｄ（ｔ）を、単一の波長チャネル内の光周波数におけるその中心光周波数からの偏移に関連付けるが、λｋの変化は、光源１０２を１つの波長チャネルから別の波長チャネルにジャンプさせることに関連付けられる。例えば、光源１０２のより小さい実質的に連続した波長変化は、時間変動周波数偏移ｆｄ（ｔ）をもたらすように説明されているが、光源１０２のより大きい段階的な波長変化は、光源１０２を波長チャネルλｋからλｋ＋１までジャンプさせるように説明されている。
【００４２】
図２Ｃの例では、光源１０２は、波長可変レーザダイオードなどの実質的に連続波（ＣＷ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ）の光強度の波長可変レーザ２０２を含み、レーザダイオードに印加される１つ以上の電流（例えば、レーザキャビティ内の１つ以上の波長同調素子への注入電流）に基づいて、同調可能波長の光を提供してもよい。別の例では、光源１０２は、広帯域光源および同調可能スペクトルフィルタを含み、選択された波長で実質的に連続波（ＣＷ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ）の光強度を提供してもよい。
【００４３】
（ｃ）時間変動強度プロファイルＩ（ｔ）および時間変動周波数偏移ｆｄ（ｔ）
別の配置では、光源１０２は、時間変動強度プロファイルＩ（ｔ）および時間変動周波数偏移ｆｄ（ｔ）の両方を有する出射光を提供するように構成されてもよい。図２Ａおよび２Ｂに示される例は共に、光源１０２のかかる配置での使用に適している。（ａ）時間変動強度プロファイルＩ（ｔ）および（ｂ）時間変動周波数偏移ｆｄ（ｔ）に関する上記の説明は、光源１０２のかかる配置に適用される。
【００４４】
光源１０２の動作、例えば、波長可変レーザ２０２（例えば、その波長）および変調器２０４（例えば、変調波形）の両方は、以下でさらに説明される処理ユニット１０５によって制御されてもよい。
【００４５】
ビームディレクタ
ビームディレクタ１０３は、出射光を、環境１１０の中へ、２次元の複数の方向（３０１−１、３０１−２、・・・３０１−Ｎ）のうちの１つへ空間的に指向するように構成されている。出射光が指向される方向は、（λ１、λ２、・・・λＮを中心とする）複数の波長チャネルのうちの選択された１つに対応するか、またはそれに基づく。出射光が、選択された波長チャネル内で時間変動周波数偏移ｆｄ（ｔ）を有する配置については、選択された波長チャネルは、その波長チャネル内の時間変動周波数偏移ｆｄ（ｔ）から生じた密集した波長のセットを包含してもよい。簡単に説明するために、かかる配置では、正確な波長は時間と共にわずかに変化するが、以下の説明では、表記λｋ（すなわち、λ１、λ２、・・・λＮ）を使用して、別様に明記されない限り、波長チャネル、および集合的に密集した波長のセットを表す。
【００４６】
図３Ａは、受動（すなわち、非移動）型の空間的交差分散光学系などの空間的交差分散光学系を含むビームディレクタ１０３の一配置を説明する。この配置では、受動型の空間的交差分散光学系は、光学的に結合されたか、または直交する様式で配置された２つの空間分散素子の組み合わせを含む。例えば、第１の空間分散素子３０２は、エシェル格子、仮想画像化フェイズドアレイ（ＶＩＰＡ：ｖｉｒｔｕａｌｌｙ  ｉｍａｇｅｄ  ｐｈａｓｅｄ  ａｒｒａｙ）であってもよく、第２の空間分散素子３０３は、格子、またはプリズムもしくはグリズムであってもよい。第１の空間分散素子３０２は、光源１０２からの光が第１の空間分散素子３０２によって第１の空間次元を横切って（例えば、水平方向、つまりＸ軸に沿って）、ならびに第２の空間分散素子３０３によって第２の直交空間次元を横切って（例えば、垂直方向、つまりＹ軸に沿って）向けられるように、第２の空間分散素子３０３に配向される。この配置は、１次元ビームステアリングを異なる回折次数に折り畳むことによって２次元ビームステアリングをもたらし、第２の空間次元を網羅する。受動型の交差分散光学系を使用する利点は、それらにより、移動部分を備えず、およびしたがってより低い障害傾向を有する全固体状態のシステムを可能にし、高い信頼性、高い耐久性、低消費電力を潜在的に達成するシステムを小型化する可能性をもたらし、それを大規模製造に好適なものにすることである。別の配置では、第１の空間分散素子３０３および／または第２の空間分散素子３０３は、３Ｄ光導波路などの光導波路または３Ｄフォトニック結晶などのフォトニック結晶構造と置き換えられてもよい。さらに別の配置では、空間分散素子３０２および空間分散素子３０３の両方がフォトニック結晶構造と置き換えられてもよい。
【００４７】
示されていないが、光源とビームディレクタとの組み合わせの代替的な配置は、対応する空間分散素子に各々が関連付けられた波長可変光エミッタのアレイである。光エミッタのアレイは、１次元に沿って（例えば、Ｘ軸に水平方向に沿って）光を放射および放散するように構成されているが、各空間分散素子は、対応する光エミッタからの光を実質的に直角の次元に沿って（例えば、Ｙ軸に垂直方向に沿って）分散させるように構成され、その結果、光が環境の中へ２次元で指向される。一構成では、波長可変光エミッタは、個々に波長可変レーザのアレイである。別の構成では、波長可変光エミッタは、ＳＯＡのアレイに結合された単一のレーザである。複数のＳＯＡが使用される場合、複数のＳＯＡはアレイ内の特定のＳＯＡから放射された光を識別するために別々に符号化されてもよい（以下のさらなる符号変調に関する説明を参照）。空間分散素子は、例えば、格子であってもよい。
【００４８】
上記に記載されるように、いくつかの配置では、出射光は、瞬間的な光周波数が第ｋの波長チャネルの中心光周波数から偏移する時間変動周波数偏移ｆｄ（ｔ）を有する。これらの配置では、各選択された波長チャネルにおける瞬間的な波長もわずかに変化する。図３Ｂに関連して以下にさらに説明されるように、かかる時間変動周波数偏移は、出射光の方向の小さな動きとして現れる。
【００４９】
上記の配置では、ビームディレクタ１０３は、光源１０２からの出射コリニアビームを複数の方向に空間的に指向するための可逆光学系を含む。さらに、可逆光学系は、逆方向の任意の反射光を入射コリニアビームへ空間的に指向する。第１の空間分散素子３０２および第２の空間分散素子３０３は、かかる可逆光学系として作用してもよい。入射コリニアビームは、反射光がビームディレクタ１０３内の出射光によってとられた光路の少なくとも一部を共有するため、受光器１０４に必要な光学系が簡素化されることを意味する。さらに、可逆光学系は、出射光の方向と整合しない方向からの任意のスプーフィングされた光信号を抑制することによってシステムのセキュリティを高める。またさらに、可逆光学系は、出射光の非反転方向に収集された任意の反射光が別様に不正確な距離測定をもたらすことになる複数の経路または軌道を介して反射される光の収集を抑制する。
【００５０】
代替的な配置では、ビームディレクタ１０３は、反射光を収集するための平行光学系（図示せず）を含む。平行光学系は、平行光学系によって収集された任意の光がビームディレクタ１０３内の出射光によってとられた経路によって共有されない経路に沿って受光器１０４までルーティングされ得るように、可逆光学系および非可逆光学系から分離されてもよい。一例では、平行光学系は、大口径レンズ、広視野用の角度拡大鏡、もしくは魚眼レンズ、または代替的に複合放物面型集光器などの非結像光学系を含む。
【００５１】
図３Ａの配置では、ビームディレクタ１０３は非可逆光学系も含む。一例では、非可逆光学系は光サーキュレータ３０４を含む。サーキュレータ３０４は、ビームディレクタ１０３を介して、光源１０２から送られる出射光を環境１１０までルーティングし、送られるビームディレクタ１０３に収集された環境１１０から反射し返された任意の光を受光器１０４までルーティングする。代替的な例（図示せず）では、非可逆光学系は、光サーキュレータの代わりにビームスプリッタを含む。さらに別の代替的な例（図示せず）では、非可逆光学系は、光源１０２によって提供された光を出射光として一方のポートから順方向に結合させるための、およびビームディレクタ１０３によって収集された反射光を別のポートに逆方向に結合させるための２×１または２×２の光ファイバカプラなどの光カプラを含む。
【００５２】
本明細書における説明は環境の中へ２次元で光を指向することに焦点を当てているが、光が環境の中へ１次元のみに指向されるシナリオが存在してもよい。１次元のビーム方向は、２次元の場合と比較して、視野要件と同様に、電力要件を緩和する。ビームディレクタに関する本明細書における説明が軽微な変更を伴うかかるシナリオにも適用可能であることを当業者は理解するであろう。例えば、ビームディレクタ１０３の変形例として、第１の空間分散素子３０２が光源１０４の波長に基づいてのみ光を１次元に指向するままで、第２の空間分散素子３０３を省略することができる。この例では、空間分散素子３０２は、複合プリズム、または格子もしくはグリズムであってもよい。反射光は、可逆光学系または平行光学系を介して収集されてもよい。平行光学系が使用される場合、平行光学系は、受光器１０４に提供するために、空間的に分散された光を平行光学系にコリメートするための複合プリズムを含んでもよい。
【００５３】
受光器
受光器１０４は、環境によって反射された出射光の少なくとも一部を受信するように構成されている。受光器１０４は、光信号を電気信号に変換するための光−電気変換ユニットを含む。一配置では、光−電気変換ユニットは、光電流であって、その大きさが受信した光信号の強度の時間変化に基づいて時間と共に変化する、光電流を生成する光検出器を含む。別の配置では、光−電気変換ユニットは、局部発振信号を有する任意の受信光（すなわち、光源１０２からの局所光）を非線形に混合して、局所光と受信光との間の光周波数（または、等価的には波長）の差に応答する電気信号を生成する、光自己ヘテロダイン検出器などの光信号処理ユニットを含む。得られた電気信号は、局所波長におけるまたはその近くにおける受信波長に対する改善された信号ノイズ比を有しつつ、検出器の本質的に限定された電子帯域幅による局所波長から遠い波長によってもたらされる電気信号を抑制する。反射光はコヒーレントである必要はないため、スペックルが低減される。一例では、光自己ヘテロダイン検出器は、局部発振器信号と受信光との必要な非線形混合を提供する光検出器であるフォトダイオードであってもよい。
【００５４】
光自己ヘテロダイン検出を実装する例では、光自己ヘテロダイン検出が任意のスペックルを制御可能に低減するのに十分にインコヒーレントであるように、受信光および局部発振信号は、光自己ヘテロダイン検出器への異なる光路長によって無相関化されてもよい。実質的にスペックルがない動作に必要な異なる光路長は、光源１０２のコヒーレンス長に依存する。光源１０２が比較的短いコヒーレンス長を有する半導体レーザである場合、約３０メートルの光ファイバが必要とされることが予測される。比較すると、光源１０２が比較的長いコヒーレンス長を有する狭線幅レーザである場合、約１キロメートルの光ファイバが必要とされることが予測される。
【００５５】
いずれの配置においても、得られた電気信号は、反射光が移動した往復距離を判定するために処理ユニット１０５によって処理することができる。以下でさらに説明されるように、時間と共に変化する出射光の属性（複数可）に依存して、時間変動属性（複数可）に関連付けられた異なる特性（複数可）を検出して、少なくとも往復距離を判定する。
【００５６】
光検出器の必要な応答時間は、出射光に対して伝えられた強度変化の時間スケールに依存する。本技法は１００ＭＨｚ以下の変調帯域幅を必要とし、それゆえ約６０〜８０ＭＨｚの帯域幅（または１５〜２０ｎｓ程度の応答時間）を有する光検出器を必要とすることが想定される。
【００５７】
処理ユニット
上記に記載されるように、処理ユニット１０５は、その動作を制御するために光源１０２に動作可能に結合されており、また、反射光が移動した往復距離、およびしたがって物体の距離を判定するために受光器１０４に動作可能に結合されている。図２Ａまたは２Ｃの配置では、処理ユニット１０５は、例えば、レーザダイオードに印加された１つ以上の電流（例えば、利得媒質への注入電流、またはヒートシンクへの温度制御電流）を制御することによって、光源１０２の同調可能波長を制御する。この波長制御は、波長に基づいてビームディレクタ１０３によって出射光を指向するための波長チャネルλｋおよび波長チャネル内の任意の時間変動周波数偏移ｆｄ（ｔ）の両方についての制御を可能にする。
【００５８】
さらに、処理ユニット１０５は、例えば、（記載されるように、ＳＯＡまたはマッハツェンダの外部変調器であり得る）変調器２０４に印加された電流を制御することによって、時間変動強度プロファイルを制御する。時間変動強度プロファイルは、物体の距離を判定するための対応する検出方法を各々が必要とする、いくつかの形態の１つ以上をとることができる。処理ユニット１０５は、説明される機能のための命令を含むプロセッサ可読媒体を含んでもよい。処理ユニット１０５は、マイクロプロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ：ｆｉｅｌｄ−ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｇａｔｅ  ａｒｒａｙ）、および特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ−ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）の任意の１つ以上として実装されてもよい。
【００５９】
波長制御
光源１０２からの光の波長チャネルλｋを制御することは、ビームディレクタ１０３が光を環境１１０に指向する（２次元の）方向を効果的に制御する。各波長チャネルは、図３Ｂに概略的に示されるように、デカルト式座標系で表される１００個のピクセルまたはポイントを説明する視野内のピクセルまたはポイントを表し、Ｘ方向およびＹ方向の各々にわたって１０個のピクセルを有する。ビームディレクタ１０３が２つの空間分散素子を含む配置では、第１の空間分散素子および第２の空間分散素子は、波長チャネルに基づいて、Ｘ方向およびＹ方向にそれぞれ光を空間的に分散させるように構成されてもよい。空間プロファイルを生成するために、各波長（およびしたがって、各方向、ピクセル、またはポイント）は、その方向、ピクセル、またはポイントにおける反射面からの距離に関連付けられてもよい。加えて、波長チャネル内の光の波長を制御することは、出射光に時間変動周波数偏移ｆｄ（ｔ）を提供する。記載されるように、波長チャネルλｋの変化は、より大きい段階的な波長（または光周波数）の変化に関連付けられるが、時間変動周波数偏移ｆｄ（ｔ）は、より小さい実質的に連続した波長（または光周波数）の変化に関連付けられる。
【００６０】
光源１０２は、電気通信グレードのレーザである場合、最大４０ｎｍ、例えば、約１５２７ｎｍ〜約１５６７ｎｍまでの波長同調範囲、および（１５５０ｎｍで約０．０００１ｎｍの波長同調分解能に対応する）約１０ＭＨｚの光周波数同調分解能を有してもよい。例示的な一例として、中心波長λｋおよびλｋ＋１がそれぞれ１５５０．００ｎｍおよび１５５０．１０ｎｍであり、１９３．４１９３５５ＴＨｚおよび１９３．４０６８７７ＴＨｚの中心光周波数にそれぞれ対応する２つの隣接する波長チャネルを考慮に入れる。２つの波長チャネルは、図３Ｂの２つの隣接するピクセルに関連付けられてもよい。この例では、２つの波長チャネルは、１２．４７８ＧＨｚの光周波数差を有する。対照的に、光源１０２の周波数偏移は、約＋／−０．５ＧＨｚの範囲内の同じ波長チャネル内で時間と共に変化させることができる。換言すると、この例では、１０ＧＨｚ超の光周波数の変化が出射光ビームを１つのピクセルから次のピクセル（すなわち、１つのピクセルの幅）へ指向するために必要とされるが、約＋／−０．５ＧＨｚの最大周波数偏移が出射光ビームをピクセル幅の＋／−５％未満移動させる。時間変動周波数偏移ｆｄ（ｔ）による光ビームのこのわずかな動きは、空間プロファイル測定時のノイズ平均化またはノイズ平滑化の効果として現れることがある。
【００６１】
図１Ｃの例では、システム１００Ｃが複数のビームディレクタを含む場合、各ビームディレクタは、異なる範囲の波長チャネルに応答するように構成されてもよい。例えば、ビームディレクタ１０３Ａにルーティングされたλ１，λ２、・・・λＮを中心とする波長チャネルの光は、その関連環境に指向され、受光器１０４に到達するように反射し返されてもよいが、ビームディレクタ１０３Ｂおよび１０３Ｃにルーティングされる同じ波長チャネルの光は、それらのそれぞれの環境ではない方へ（例えば、代わりに光吸収体に）指向されて、受光器１０４に到達する任意の反射光を抑制してもよい。
【００６２】
タイミング制御
処理ユニット１０５は、光透過窓（４０１および４０３など）ならびに受光窓（４０２および４０４など）のそれぞれのタイミングを制御する。図４Ａは、全体としてシステムの観点からのタイミング制御の１つのかかる配置を説明する（光源１０２、ビームディレクタ１０３、および受光器１０４の観点については以下を参照されたい）。この配置では、異なる波長チャネルの光が逐次的な様式で提供される。処理ユニット１０５は、概ね、異なる波長チャネルλ１、λ２、・・・λＮの光透過窓と、それぞれの波長チャネルλ１、λ２、・・・λＮの受光窓とを交互にする。別の配置では、隣接する光透過窓と受光窓との間にオーバラップが存在してもよい。例えば、特定の波長チャネルについての光透過窓および受光窓は、同時に開始および終了してもよい。別の例として、特定の波長チャネルについての光透過窓および受光窓は同時に開始してもよいが、光透過窓は受光窓が終了するよりも早く終了する。さらに別の配置では、隣接する光透過窓と受光窓との間にオーバラップが存在しなくてもよい。
【００６３】
光透過窓４０１の間に、処理ユニット１０５は、光源１０２に第１の波長チャネルλ１）で光を生成させる。例えば、処理ユニット１０５は、レーザダイオードに印加される、波長λ１に対応する特定の電流をもたらすことがある。
【００６４】
受光窓４０２の間に、光源１０２からの光が生成されなくなることがある。代替的に、光源１０２は、光スイッチのための直接経路を介して受光器１０４に再指向された光を生成し続ける。さらに代替的に、光源１０２に続くサンプラを有する例では、出射光の一部が受光器１０４に提供される場合、光源１０２は光を生成し続けるが、再指向が必要である。処理ユニット１０５は、受光器１０４によって受信された任意の光に対応する任意の電気信号を検出する。光透過窓４０１からの局部発振信号による光自己ヘテロダイン検出が使用される場合、本質的に限定された検出器帯域幅により、第１の波長チャネルλ１以外の波長における受信光は恐らく抑制される。かかる抑制は、例えば、光フラッディングによるスプーフィングの影響を最小限に抑えることによって、システムのセキュリティを高める。光自己ヘテロダインの使用はまた、光源１０２が半導体レーザである場合、半導体レーザの任意の望ましくないサイドモードもまた除去されるという利点を有する。受光窓４０２の間に、光源１０２からの第１の波長チャネルλ１における光は、提供されなくなるか、または光自己ヘテロダイン検出時に混合するために、例えば、光ファイバを介して受光器１０４に再指向されるかのいずれかであってもよい。光透過窓４０１および受光窓４０２の説明は、波長チャネルλ１から波長チャネルλ２への変化を伴って、それぞれ光透過窓４０３および受光窓４０４についても同様に提供される。窓（４０１、４０２、４０３、および４０４など）は、同じ持続時間または異なる持続時間であってもよい。
【００６５】
処理ユニット１０５によるタイミング制御の一配置を容易にするために、光源１０２、ビームディレクタ１０３、および受光器１０４は、例示的な例において以下のように機能してもよい。この例では、光源１０２からの光のサンプリングされた部分が光自己ヘテロダイン検出のために受光器に供給され、光源１０２は受光窓の間に光を生成することを停止しない。
・  処理ユニット１０５は、異なる波長チャネル（例えば、λ１、λ２・・・λＮ）に各々が関連付けられた一連の光透過窓を生成するように光源１０２を制御する。光源１０２は、それがスイッチオフされずに別の波長チャネルに同調されるように、光を連続的にまたは実質的に連続的に生成する。
・  ビームディレクタ１０３は、波長チャネルλ１の光を与えられ、それを方向１に指向する。波長チャネルλ１の光が依然として方向１に指向されている間に、波長チャネルλ１の反射光をビームディレクタ１０３によって収集することができる。処理ユニット１０５が光源１０２を波長チャネルλ２に変化させるように制御するとき、ビームディレクタ１０３はλ２の光を与えられ、それを方向２に指向する。波長チャネルλ２の光が依然として方向２に指向されている間に、波長チャネルλ２の反射光は、後続の波長チャネルについてビームディレクタ１０３などによって収集されてもよい。
・  受光器１０４は光源１０２からの出射光のサンプル部分を受信し、光源１０２は光を放射する。例えば、受光器１０４が波長チャネルλ１のサンプリングされた出射光を与えられている間に、受光器はまた、光自己ヘテロダイン検出のために波長チャネルλ１のサンプリングされた出射光と混合される、波長チャネルλ１の反射光を受信してもよい。処理ユニット１０５が光源１０２を波長チャネルλ２に変化させるように制御するとき、受光器１０４は、λ２のサンプリングされた出射光を備えつつ、波長チャネルλ１の光を依然として潜在的に受信する。受光器１０４が波長チャネルλ２のサンプリングされた出射光を備える間に、受光器はまた、後続の波長について光自己ヘテロダイン検出などのために、波長チャネルλ２のサンプリングされた出射光と混合される波長チャネルλ２の反射光を受信してもよい。
・  受光器１０４が、ミスマッチな波長チャネルのサンプリングされた出射光と反射光とに供されるとき、得られた電気信号は、電子信号処理またはデジタル信号処理によって除外され得る十分に高いビート周波数を有することが予測される。さらに、ビート周波数が光処理ユニット（例えば、フォトダイオード）の帯域幅よりも高い場合のミスマッチについては、光処理ユニットの周波数応答が限定されているため、専用のフィルタリングは不要である。
【００６６】
タイミング制御の他の配置も可能であることがある。例えば、光源１０２からの光は、サンプリングされたもの以外の直接経路を介して受光器１０４に再指向されてもよい。
【００６７】
処理ユニット１０５は、視野の２Ｄラスタスキャンを効果的に遂行する、波長増加順または波長減少順などの所定のシーケンスで逐次的な様式を制御するように構成されてもよい。セキュリティを高めるために、所定のシーケンスは、システムにのみ知られている様式（例えば、λ１、λ１００、λ３５、λ１５０、・・・）で異なる波長チャネルにわたってホップしてもよい。
【００６８】
所定のシーケンスはまた、例えば、視野の選択された部分を見ることが望ましい場合、処理ユニット１０５によって調整されてもよい。図３Ｂを参照すると、システムは、所定のシーケンスが特定の視野を網羅するλ１、λ２、・・・λ１００であるように処理ユニット１０５が構成されている通常の「スキャン」モードであってもよい。処理ユニット１０５が、λ１２、λ１３、λ２２、λ２３における４つの隣接するピクセルが約５０メートルの距離に関連付けられていることを除いて、１００個のピクセルの大部分が約３００メートルの距離に関連付けられていると判定した（例えば、３００メートル離れた壁を示す）場合、処理ユニット１０５は、４つの隣接するピクセルの方向に約５０メートル離れた物体があると判定することができる。
【００６９】
４つの隣接するピクセルの方向に約５０メートル離れた物体があると判定した後、一配置では、システムは、処理ユニット１０５が所定のシーケンスをλ１２、λ１３、λ２２、およびλ２３（すなわち、２×２のピクセル）のみに調整し、時間と共にその物体の任意の距離の変化を判定するように４つの隣接するピクセルの方向のみを網羅するように構成され得る「凝視」モードに入ることができる。距離の何らかの変化は、システムに対する近づく動きまたは離れる動きを示すことになる。別の配置では、システムは、処理ユニット１０５が４つの隣接するピクセルおよび周辺ピクセルに関連付けられた距離を判定して、凝視された視野の外側の物体の任意の動きを予想するように構成され得る「追跡」モードに入ることができる。例えば、処理ユニット１０５は、所定のシーケンスをλ１、λ２、λ３、λ４、λ１１、λ１２、λ１３、λ１４、λ２１、λ２２、λ２３、λ２４、λ３１、λ３２、λ３３、およびλ３４（すなわち、４×４のピクセル）に調整するように構成されてもよい。
【００７０】
処理ユニット１０５はまた、光源１０２がどれだけ迅速に１つの波長チャネルから次の波長チャネルに同調されるかを制御することによってフレームレートを、および例えば、光源１０２のすべての同調可能波長チャネルのあらゆる第２の波長チャネル（すなわち、λ１、λ３、λ５、λ７・・・）に同調させることによって空間分解能を調整するように構成されてもよい。フルスキャンを完了するため（すなわち、すべての所望の波長に関連付けられた距離を判定するため）のリフレッシュレートは、視野内の所望の数の方向、ピクセル、またはポイント、ならびに光透過窓および受光窓の持続時間に依存する。リフレッシュレートは、異なる用途によって異なってもよい。例えば、ドッキングの分野では、５Ｈｚのリフレッシュレートが適切であることがある。自律輸送手段などのタイムクリティカルな分野では、５Ｈｚより高いリフレッシュレートが適切であることがある。
【００７１】
処理ユニット１０５はまた、所定のシーケンスを調整して、光収差の影響を説明するように構成されてもよい。例えば、ビームディレクタ１０３が角度拡大鏡または魚眼レンズなどの平行光学系を含む配置では、視野が樽型の歪みを呈し、視野をその外側部分で歪ませることがある。処理ユニット１０５は、かかる歪みを阻止するために、いくつかの外側ピクセルに対応する波長で光源１０２を意図的に放射させないように構成されてもよい。
【００７２】
代替的に、逐次的な様式は、ランダム化されたシーケンスを含む。処理ユニット１０５は、ランダム化されたシーケンスを判定してもよい。
【００７３】
光自己ヘテロダイン検出と共に、（所定のシーケンスであろうとランダム化されたシーケンスであろうと）特定のシーケンスの使用は、特定の受光窓における特定の波長チャネルの反射光のみが適切に検出され、他の波長チャネルの光を抑制し、それによってシステムのセキュリティを高めることを意味する。
【００７４】
上記に記載されるように、本開示は、少なくとも１つの時間変動属性が時間変動強度プロファイルおよび時間変動周波数偏移のいずれかまたは両方である配置を提供する。往復時間、およびしたがって往復距離を判定するためのこれらの時間変動属性および対応する検出技法の各々を以下でさらに説明する。
【００７５】
時間変動強度の制御
時間変動強度プロファイルを含む配置では、処理ユニット１０５は、出射光の時間変動強度プロファイルを伝えてもよい。例えば、処理ユニット１０５は、次に波長可変レーザ２０２からの出射光の時間変動強度プロファイルを伝える変調器２０４に印加される変調電流または時間変動電流をもたらすことがある。図４Ｂは、光透過窓ならびに受光窓４０１、４０２、４０３、および４０４上での経時的な強度を説明する。図４Ｂの時間変動強度プロファイルは単なる例示である。以下で説明されるように、出射光に対して伝えられたいくつかの異なる時間変動強度プロファイルが存在してもよい。
【００７６】
（ｉ）周期的な強度変調
一例では、図４Ｃで説明されるように、光透過窓４０１内で、処理ユニット１０５がＤＣ成分および周期的な変調を有する電流をもたらす。周期的な変調は、単一の周波数成分を有する正弦変調であってもよい。例えば、図４Ｃで説明されるように、強度プロファイル４０５は、５５．６ｎｓの周期に変換され、１６．６６ｍの空間範囲を表す、単一サイクルの１８ＭＨｚのトーンを含む。物体（すなわち、反射体）によって反射され、受光器１０４によって受信された任意の光は、強度プロファイルの局部コピーと比較して位相シフトされた（散乱および吸収などの非理想的な影響は無視する）同じまたは実質的に同じトーンを含むことが予測される。位相シフトは、光が物体との間で往復するために必要な時間に比例する。この例では、位相シフトをπ／２または９０ｏ追加するごとに、１６．６６ｍ／８＝２．０８ｍの反射体距離を表す。受信光が、例えば、光検出器によって電気信号として検出されると、位相シフトは、処理ユニット１０５によって適用される周期的な変調の局部コピーが利用可能なため、電気自己ヘテロダイン方法によって処理ユニット１０５により判定されてもよい。
【００７７】
この例では、強度プロファイル４０５が特定の周波数を含む場合、処理ユニット１０５は、非反射光（例えば、スプーフィングされた光）の検出を阻害するように受信光に対して信号処理を遂行してもよい。一配置では、任意の受信光が検出され、次いで、同じ特定の周波数を有する局所的に生成された電気信号によって整合フィルタリングされるデジタル信号に変換される。整合フィルタリングは、実時間畳み込み演算と数学的に等価である。受信光が特定の周波数にない場合、畳み込み出力はゼロであることが予測される。ゼロまたは低出力はそれ自体が任意の非反射光の検出の阻害である。代替的に、処理ユニット１０５は、ゼロまたは低出力に基づいて受光器１０４による光検出を禁止して、任意の非反射光の検出を阻害してもよい。別の配置では、移動反射面からの反射光による任意のドップラーシフトを可能にするために、デジタル信号に変換された後の任意の受信光を最初に高速フーリエ変換して、受信光に存在する周波数成分を判定する。処理ユニット１０５は、予測されるドップラーシフトによって設定された周波数許容偏差を採用することによって、許容偏差内の任意の周波数成分の存在に基づいて受光器１０４による光検出を可能にする。
【００７８】
別の例では、周期的な変調は、複数の周波数成分を含む。図４Ｄで説明されるように、光透過窓４０１内で、強度プロファイル４０６は、１μｓのエンベロープ周期に変換され、３００ｍの空間範囲を表す、１ＭＨｚでエンベロープ４０７またはビートトーンをもたらす１８ＭＨｚおよび１９ＭＨｚのデュアルトーンを含む。物体（すなわち、反射体）によって反射され、受光器１０４によって受信された任意の光は、強度プロファイルの局部コピーと比較して位相シフトされたかまたは遅延している（散乱および吸収などの非理想的な影響は無視する）同じまたは実質的に同じビートトーンを含むことが予測される。エンベロープ４０７の位相シフトまたは遅延は、光が物体との間で往復するために必要な時間に比例する。この例では、エンベロープの位相シフトをπ／２または９０ｏ追加するごとに、３００ｍ／８＝３７．５の反射体距離を表す。受信光が、例えば、光検出器によって電気信号として検出されると、位相シフトは、処理ユニット１０５からの周期的な変調の局部コピーが利用可能なため、電気自己ヘテロダイン方法またはデジタル自己ヘテロダイン方法によって処理ユニット１０５により判定されてもよい。より長いレンジの距離の測定を提供するエンベロープの位相シフトを判定することに加えて、１８ＭＨｚのトーンおよび／または１９ＭＨｚのトーンの位相シフトは、処理ユニット１０５によって判定されて、より短いレンジの距離の測定を提供してもよい。換言すると、ビートトーンは距離の粗測定に使用されるが、個々のトーン（複数可）は距離の精密測定に使用される。
【００７９】
（ｉｉ）符号変調
一例では、処理ユニット１０５は、ＤＣ成分およびパターンまたは符号変調を有する電流をもたらす。符号変調は、１つ以上の符号化シーケンスに従って強度プロファイルを変調することを含むことがある。図４Ｅは、光透過窓４０１内の出射光の強度プロファイル４０８の１つのかかる事例を説明する。この事例では、強度は、１１１０００１００１０のバーカー符号化シーケンスに従って、時間と共に変化し、論理１はＤＣ成分を上回る強度の増加（＋ｍ）によって表され、論理０はＤＣ成分未満の強度の減少（−ｍ）によって表される。物体（すなわち、反射体）によって反射され、受光器１０４によって受信された任意の光は、強度プロファイルの局部コピーと比較して遅延している（散乱および吸収などの非理想的な影響は無視する）同じまたは実質的に同じ符号化シーケンスを含むことが予測される。遅延は、光が物体との間で往復するために必要な時間に比例する。この事例では、受信光が、例えば、光検出器によって電気信号として検出されると、処理ユニット１０５は、処理ユニット１０５に局所的に知られている符号化シーケンスで生成された信号で検出信号の自己相関を遂行するように構成されてもよい。ピークの自己相関信号が発生する自己相関遅延は、物体の距離に対応する。例えば、最大の自己相関信号を得るために必要とされる自己相関遅延を１０ｎｓ追加するごとに、１．５ｍの物体距離を表す。自己相関による符号変調を使用する利点は、遅延の関数としての自己相関信号が、通常、最大ピークの両側から等しい遅延（すなわち、−τ３、−τ２、−τ１、０、＋τ１、＋τ２、＋τ３の遅延）で複数のピーク（すなわち、局所的な最大値）を含むことである。複数のピークは、最大ピークが発生する遅延のものより正確な判定を可能にする。さらに、符号変調の使用は、システムのセキュリティを高める。局所的に既知のシーケンスと同じではないシーケンスで遂行される自己相関は、ノイズの多い自己相関信号をもたらす。バーカー符号シーケンスの使用は自己相関の精度を高めることが示唆されている。しかしながら、既知のバーカー符号シーケンスの数は限定されており、それらのビット長は限定されている。この限定に対処するために、別の例は、急変動バーカー符号と緩変動バーカー符号との組み合わせに頼る。具体的には、図４Ｆで説明されるように、処理ユニット１０５は、出射光の強度プロファイル４０９に対して、（強度＋ｍおよび０がそれぞれ論理１および０を表す）急変動バーカー符号を、（追加の強度＋ｍおよび−ｍがそれぞれ論理１および０を表す）緩変動バーカー符号の上に適用してもよい。
【００８０】
符号化シーケンスは、別の空間マッピングシステムとの干渉を回避するために調整可能である。いくつかの構成では、符号化シーケンスはランダム化されてもよい。符号は、例えば、システムの初期起動時または工場リセット時に一度ランダム化されてもよいし、またはある特定の時間が経過した後、例えば、定期的に再ランダム化されてもよい。
【００８１】
光透過窓および受光窓の持続時間を使用して、空間プロファイリングシステムの範囲を管理することもできる。波長λ１の反射光が受光窓４０２の外側で受信された場合、それは、システムが、受光器１０４によって検出された任意の光を無視するように処理ユニット１０５が構成され得る光透過窓か、または異なる波長の受光窓内かのいずれかであるため、検出することができないことがあり、光自己ヘテロダインが使用される場合、波長λ１の抑制された検出をもたらす。
【００８２】
（ｉｉｉ）非周期的な強度変調
一例では、出射光の時間変動強度プロファイルは、非周期的な強度変調を含んでもよい。この例では、処理ユニット１０５は、光源１０２に印加される、ＤＣ成分および非周期的な変調を有する電流をもたらすことがある。非周期的な変調は、チャープされた正弦変調であってもよい。チャープレートは、予め定められていてもよく、例えば、周波数が増加または減少してもよい。一事例では、チャープは、１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲であってもよい。例えば、時間変動強度プロファイルは、光透過窓４０１の開始時に１０ＭＨｚで変調され、光透過窓４０１の終了時に１００ＭＨｚで変調され得、強度変調は、光透過窓４０１の間に、徐々に、１０から１００ＭＨｚまで増加（または１００ＭＨｚから１０ＭＨｚまで減少）する。チャープレートは、線形であっても、非線形であってもよい。
【００８３】
代替的にまたは追加的に、チャープは変更されてもよい。例えば、チャープは、１０ＭＨｚで開始し、第１の時間周期の間に１００ＭＨｚ近くに増加し、次いで、２０ＭＨｚで開始する変調に変化し、第１の時間周期の後の第２の時間周期の間に２００ＭＨｚ近くに増加した強度変調を含んでもよい。さらに、チャープの変化を予め定めるか、またはランダム化して、セキュリティを増すために、意図しない反射光（例えば、スプーフィングされた光）の検出を阻害してもよい。
【００８４】
物体（すなわち、反射体）によってそのように非周期的に変調されて反射され、受光器１０４によって受信された任意の光は、強度プロファイルの局部コピーと比較して遅延している（散乱および吸収などの非理想的な影響は無視する）同じまたは実質的に同じ非周期的な変調を含むことが予測される。遅延は、光が物体との間で往復するために必要な時間に比例する。この事例では、受信光が、例えば、光検出器によって電気信号として検出されると、処理ユニット１０５は、処理ユニット１０５からの非周期的な変調の局部コピーが利用可能なため、電気ヘテロダイン検出またはデジタルヘテロダイン検出を遂行するように構成されてもよい。電気ヘテロダイン検出またはデジタルヘテロダイン検出の出力は、チャープによる局所光と反射光との間の変調周波数差である。所定のまたは別様に既知のチャープレートｒを用いて、処理ユニット１０５は、電気ヘテロダイン検出またはデジタルヘテロダイン検出の出力に基づいて遅延を判定するように構成されてもよい。
【００８５】
例えば、局所光と反射光との間の遅延が１μｓ間継続する光透過窓４０１の半分に対応する場合、およびチャープレートが１０〜１００ＭＨｚ（すなわち、１μｓ当たり９０ＭＨｚ）の線形である場合、電気ヘテロダイン検出またはデジタルヘテロダイン検出は、局所光と反射光との間の４５ＭＨｚの変調周波数差を含む出力を生成する（光透過窓４０１の開始および中間で１０ＭＨｚおよび５５ＭＨｚに基づく）。処理ユニット１０５は、電気ヘテロダイン検出またはデジタルヘテロダイン検出の出力からの４５ＭＨｚの変調周波数差に基づいて、遅延は４５ＭＨｚ／９０ＭＨｚ×１μｓ＝０．５０μｓに等しく、（ｃ×０．５μｓ）／２＝７４．９５ｍに等しい対象までの距離に対応すると判定してもよい。所与のチャープレートについては、より大きな変調周波数差は、より大きな遅延および対象までの距離を表す。
【００８６】
時間変動周波数偏移の制御
時間変動周波数偏移を含む配置では、処理ユニット１０５は、それぞれの時間変動周波数偏移ｆｄ（ｔ）を各々が有する１つ以上の波長チャネルの出射光を伝えてもよい。これらの配置では、受光器１０４は、受信光と局所光との間の光周波数（または波長）の差に応答する電気信号を生成する光自己ヘテロダイン検出器を含む。この電気信号は、以下の混合信号と称される。
【００８７】
図５Ａおよび５Ｂは、かかる時間変動周波数偏移を伴う配置と伴わない配置との比較を説明する。図５Ａは、光源１０２が、λ１、λ２、λ３、およびλ４（光周波数ｃ／λ１、ｃ／λ２、ｃ／λ３、およびｃ／λ４に対応し、式中、λｋは第ｋの波長チャネルの中心波長である）を、いずれの時間変動周波数偏移も伴わずに、時間と共にスロット５０１、５０２、５０３、および５０４に変化させるシーケンスでその波長チャネルを変化させる一例を説明する。各時間スロットは、それぞれの波長チャネルの光の透過および検出に関する。対照的に、図５Ｂは、光源１０２がその波長チャネルを時間スロットにわたって同じシーケンスで変化させるが、各々が時間変動周波数偏移５０５を有する一例を示す。図５Ｂで表される例では、すべての波長チャネルに同じ時間変動周波数偏移５０５が伝えられている。他の例では、波長チャネルは、異なる時間変動周波数偏移で伝えられてもよい。さらに他の例では、いくつかの波長チャネルは、時間変動周波数偏移なしで伝えられてもよい。図５Ｂで表される例では、波長チャネルは連続的なシーケンスである。他の例では、波長チャネルは、非連続的なシーケンスなどの別の所定のシーケンスであっても、ランダム化されたシーケンスであってもよい。各時間スロット内で、光周波数は、そのそれぞれの波長チャネル内で時間と共に偏移する。周波数偏移は、処理ユニット１０５によって判定されるか、または別様に既知のレートＲで線形に変化（増加および／または減少）されてもよい。時間変動周波数偏移は、三角波形（例えば、図５Ｂに示されるような１つ以上の増加および減少する線形ランプ）の形態であっても、鋸歯状波形（例えば、示されていないが、１つ以上の増加する線形ランプのあとに周波数偏移の急激な減少が続く）の形態であってもよい。
【００８８】
処理ユニット１０５は、同じまたは実質的に同じ時間変動周波数偏移を有する反射光に基づいて、対象の距離を判定するように構成されてもよい。図６Ａは、経時的な、局所光６０１および受信光６０２の光周波数（上）ならびに周波数差Δｆ６０３（下）を説明する。周波数偏移は常に変化しているため、図６Ａで説明されるように、任意の反射光６０２は、往復時間Δｔだけ局所光６０１から周波数偏移の点で後れをとる。鋸歯状波形に従って周波数偏移が変化する事例では、周波数差６０３は、時間と共に変化する瞬時低下からゼロの周波数差の間の最大値Δｆｍａｘを得る。さらに、反射光が移動しなければならない往復距離が遠くなればなるほど、往復時間Δｔが長くなり、受信光と局所光との間の周波数差Δｆが大きくなる。上記に記載されるように、受光器１０４の光自己ヘテロダイン検出器は、受信光と局所光とを混合し、周波数差Δｆで発振する電気信号を生成する。周波数差Δｆは、恐らく無線周波数（ＲＦ：ｒａｄｉｏ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）領域内にある。前に記載された例では、周波数差Δｆが＋／−０．５ＧＨｚの間で変化する場合、Δｆはせいぜい１．０ＧＨｚである。周波数偏移が既知のレートＲで線形に変化するため、混合信号は往復距離に比例した周波数で発振するであろう。したがって、処理ユニット１０５は、混合信号の周波数測定６０３に基づいて距離を判定するように構成されてもよい。具体的には、往復時間Δｔは次の式によって求められる。
Δｔ＝Δｆｍａｘ／Ｒ      （１）
往復距離ｄｒｏｕｎｄ−ｔｒｉｐは次の式によって求められる。
ｄｒｏｕｎｄ−ｔｒｉｐ＝ｃ×Δｔ      （２）
対象の距離ｄｔａｒｇｅｔは次の式によって往復距離の半分で求められる。
ｄｔａｒｇｅｔ＝（ｃ×Δｔ）／２      （３）
【００８９】
対象が移動している場合、戻り光の光周波数でドップラーシフトが発生し、ドップラーシフトは対象の速度ｖに基づいている。この事例では、処理ユニット１０５は、同じまたは実質的に同じ時間変動周波数偏移を有する反射光に基づいて、対象の速度および距離を判定するように構成されてもよい。図６Ｂは、経時的な、局所光６０１および受信光６０４の光周波数（上）ならびに周波数差Δｆ６０５（下）を説明する。鋸歯状波形に従って周波数偏移が変化する事例では、周波数差６０３は、時間と共に、瞬時低下からゼロの周波数差の間で上限値Δｆｕｐｐｅｒと下限値Δｆｌｏｗｅｒとの間で交互に起こる。処理ユニット１０５は、対象は移動していないが、ΔｆｍａｘをΔｆｕｐｐｅｒとΔｆｌｏｗｅｒとの平均値に置き換える事例と同様に、対象の距離を判定するように構成されてもよい。加えて、処理ユニット１０５は、次の式によって対象の速度ｖを判定するように構成されてもよい。
ｖ＝（ｆｕｐｐｅｒ−ｆｌｏｗｅｒ）λ／２ｃｏｓθ      （４）
式中、λは瞬間的な波長であり、θは対象の速度ベクトルと出射光のビーム方向との間の角度である。
【００９０】
方程式（１）〜（４）は、非周期的な強度変調の形態の時間変動強度プロファイルを出射光が含む対象の遅延（したがって対象距離）および速度の判定にも適用可能であり、非周期的な強度変調は図６Ａの上の図に類似した鋸歯状パターンで変化する線形チャープを含むことに留意されたい。この例では、電気ヘテロダイン検出またはデジタルヘテロダイン検出の関連付けられた出力は、図６Ａの下のグラフに似ており、ここでは「光周波数」は強度変調（例えば、１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの間で変化する）周波数を示し、ここではΔｆは局所光と反射光との間の強度変調周波数差を示し、ここではＲはチャープレートを示す。
【００９１】
この例では、周波数偏移が特定の周波数チャープ特性（例えば、既知のレートＲ）を含む場合、処理ユニット１０５は、非反射光（例えば、スプーフィングされた光）の検出を阻害するように受信光に対して信号処理を遂行してもよい。一配置では、処理ユニット１０５は、周波数差６０３がΔｆｍａｘにおいて比較的一定のままである（またはある一定のドップラーシフトが許容されている場合に、ΔｆｕｐｐｅｒおよびΔｆｌｏｗｅｒにおいて比較的一定のままである）か否かを、図６Ａに表されるΔｆｍａｘにおけるプラトーのおおよその持続時間（または図６Ｂに表されるΔｆｕｐｐｅｒおよびΔｆｌｏｗｅｒにおける上限プラトーおよび下限プラトー）について判定するように構成されている。判定が否定的である場合、処理ユニット１０５は、否定的な判定に基づいて受光器１０４による光検出を禁止して、任意の非反射光の検出を阻害してもよい。別の配置では、移動反射面からの反射光による任意のドップラーシフトを許容するために、処理ユニット１０５は、周波数差６０３がΔｆｕｐｐｅｒおよびΔｆｌｏｗｅｒに留まるか否かを、図６Ｂに表されるΔｆｕｐｐｅｒおよびΔｆｌｏｗｅｒにおける上限プラトーおよび下限プラトーのおおよその持続時間について判定するように構成されている。判定が否定的である場合、処理ユニット１０５は、否定的な判定に基づいて受光器１０４による光検出を禁止して、任意の非反射光の検出を阻害してもよい。
【００９２】
温度監視
レーザダイオードの波長安定度は温度に依存する。いくつかの配置では、レーザダイオード（またはそのパッケージングもしくはマウンティング）は、周囲温度の変化による波長の変化を追跡することを容易にするエタロンモジュールを含む。エタロンモジュールは、光強度検出器に光学的に結合された２つの部分的に反射性のおよび実質的に平行なインターフェースからなるエタロンを含んでもよい。光強度検出器は、エタロンによって透過または反射された光の強度に基づいて電気信号を生成する。エタロンの反射率および透過率は、温度変化に対して非常に敏感であることが知られている（例えば、Ａｐｐｌ  Ｏｐｔ．１９７１  Ｓｅｐ  １；１０（９）：２０６５−９を参照されたい）。したがって、光強度検出器によって検出される光の強度は、エタロン内またはエタロン付近の温度変化の指標を提供する。処理ユニット１０５は、エタロンモジュールから温度関連情報を受信するように構成されてもよい。温度関連情報に基づいて、処理ユニット１０５は、任意の温度ドリフトによる波長補償に対して、フィードバック信号を光源１０２に提供してもよい。このフィードバック機構は、例えば、能動的な温度制御の必要性を排除することによって、光源１０２の要件を緩和する。
【００９３】
環境的影響の監視
ビームディレクタ１０３が（図１Ｃのものなどの）中央ユニットから離れている配置では、遠隔ビームディレクタが供される環境関連の影響を特徴付けるように、遠隔ビームディレクタから環境関連情報を取得することも有益であることがある。ビームディレクタ１０３が光を２つの実質的に直交する方向に空間的に分散させるための２つの空間分散素子を含むこれらの配置については、ビームディレクタ１０３は、２つの空間分散素子のうちの１つに、環境関連情報を取得するためのキャビティをさらに含んでもよい。エタロン同様、キャビティの反射率および透過率は、温度または応力などの他の物理的影響に対して非常に敏感である可能性がある。
【００９４】
例えば、図３Ｂを参照すると、キャビティは、光源１０２からの波長λ１１〜λ２０（すなわち、第２のピクセルの列）で放射された光が指向されるであろう第２の空間分散素子３０３の領域内に部分的に反射されたコーティングによって形成されてもよい。この例では、波長λ１１〜λ２０は、環境関連の影響を監視するために指定されている。温度情報または応力情報などの環境関連情報が特定の時間において所望される場合、処理ユニット１０５は、光源１０２に波長λ１１〜λ２０のいずれか１つを放射させるように構成されてもよい。かかる放射光は、ビームディレクタ１０３によって指向されたときに（環境の代わりに）キャビティに到達する。（環境の代わりに）キャビティによって反射され、続いて受光器１０４によって受信される光の強度は、キャビティまたはその付近の環境関連情報を提供する。
【００９５】
例えば、自動車用途では、本システムは、拡張された温度範囲（例えば、摂氏−４０〜＋６０度）で動作することが求められ、ビームディレクタの受動構成要素も温度によって特性を変化させることがある。異なる光材料または接着剤の熱膨張係数のわずかなミスマッチは、受動型光学系の応力および変化を伝え、光整合などの望ましくない影響をもたらすことがある。これらの温度関連の影響は異なる部品によって異なるため、動作中にこれらの影響を校正するように製造時にそれらを特徴付ける必要があるかもしれない。この校正が温度について遂行される場合、動作時に温度情報を取得することにより、システムを校正に基づいて温度補償することが可能になる。
【００９６】
本開示の配置がここで説明され、説明される配置は以下の利点を有することは当業者には明らかなはずである。
・  波長依存のビームディレクタの使用は、波長に基づく方向に出射光を指向し、移動部分を必要とせず、ビーム再指向の速度を改善するための慣性がないかまたは少ない。
・  強度プロファイルが時間と共に変化する配置では、改善された時間分解能のための短い光パルスの使用による（１ｎｓ程度の）高速応答時間の光検出器の使用を必要とすることがある、光パルスの時間遅延を測定する技術と比較して、（位相シフトまたは自己相関検出方法と一緒の）周期的な変調または符号変調の使用は、受光器に対する応答時間要件を低減し、同様の時間分解能を達成する。
・  周波数偏移が時間と共に変化する配置では、周波数偏移およびビーム方向に対して同じ波長制御を使用することができる。
・  「スプーフィング」に対抗するためのセキュリティまたは能力は、以下のいずれか１つ以上によって促進される。
・  光自己ヘテロダイン検出では、特定の時間（例えば、受光窓）で受信した特定の波長の光のみを適切に検出することができる。特定の順序の波長のシーケンスを使用して、セキュリティを高めることもできる。
・  周期的な変調または符号変調などの変調では、（特定の周波数で、または特定の符号化シーケンスでの変調など）特定の様式で強度が変化する光のみを適切に検出することができる。
・  空間的分散光学系を有するビームディレクタ（複数可）については、ビームディレクタ（複数可）によって特定の方向から受信した光のみを受光器に適切にルーティングし、それに伴って適切に検出することができる。
・  説明されるシステムが見通し内通信（例えば、自由空間光またはマイクロ波）の整合目的で使用される場合、環境の空間マップを、通信ビーム（例えば、光ビームまたはマイクロ波ビーム）をトランシーバに向けて整合させるために使用することができる。例えば、トランシーバを認識可能な３Ｄ形状（例えば、ドーナツ形状）でマークすることができる。認識可能な３Ｄ形状が環境の空間プロファイルにおいて（例えば、３Ｄ形状認識ソフトウェアによって）認識されると、見通し内通信システムを見通し内通信のために認識されたトランシーバの方向を指すように構成することができる。自由空間光通信の事例では、整合が達成されると、ビームディレクタ１０３によって出射光として指向された光源１０２からのまさにその光を、自由空間光通信のための光源のために使用することができる。同様に、整合が達成されると、ビームディレクタ１０３によって入射光として指向された、受光器１０４によって受信されたまさにその光を、自由空間光通信のために受信された光のために使用することができる。
【００９７】
本明細書において開示され、定義される本発明は、本文または図面に記載されるか、またはそれらから明らかである２つ以上の個々の特徴のすべての代替的な組み合わせに及ぶことが理解されるであろう。例えば、ＳＯＡまたはマッハツェンダ変調器以外の変調器手段が適することもあり得る。これらの異なる組み合わせのすべてが本発明の種々の代替的な態様を構成する。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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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４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【国際調査報告】
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