(57)【要約】  高速ステアリングミラーの傾斜角を較正するための較正システムが、電磁放射のビームを生成するように構成された位置検出装置；及び前記位置検出装置と前記高速ステアリングミラーとの間に位置された回折光学素子であり、入力ビームを前記高速ステアリングミラーへ向けられる複数の出力ビームに分割するように構成された回折光学素子；を含む。位置検出装置は、前記高速ステアリングミラーの傾斜角を決定するように構成されている。さらに、高速ステアリングミラーの傾斜角を較正する方法が開示されている。
2020523590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速ステアリングミラーの傾斜角を較正するための較正システムであって：
電磁放射のビームを生成するように構成された位置検出装置；及び
前記位置検出装置と前記高速ステアリングミラーとの間に位置された回折光学素子であり、入力ビームを前記高速ステアリングミラーへ向けられる複数の出力ビームに分割するように構成された回折光学素子；
を含み、
前記位置検出装置は、前記高速ステアリングミラーの傾斜角を決定するように構成されている、
較正システム。
【請求項２】
前記位置検出装置は、固定された表面に取り付けられた干渉計を含む、請求項1に記載の較正システム。
【請求項３】
前記干渉計は、光を生成するように構成されることを特徴とする請求項2に記載の較正システム。
【請求項４】
各出力ビームは、サイズ、偏光及び位相を含む前記入力ビームと同じ光学特性を保持する、請求項1に記載の較正システム。
【請求項５】
前記回折光学素子は、1次元ビームアレイ及び2次元ビームマトリックスのうちの1つを生成するように構成されることを特徴とする請求項1に記載の較正システム。
【請求項６】
前記回折光学素子は、前記位置検出装置によって発生された単色光とともに使用されるように構成され、特定の波長及び出力ビーム間の分離角度のために設計される、請求項５に記載の較正システム。
【請求項７】
前記回折光学素子は、コンピュータ生成ホログラムを含む、請求項1に記載の較正システム。
【請求項８】
前記高速ステアリングミラーは、反射表面を含み、前記反射表面を操作して、前記反射表面から離れる電磁放射の反射の方向を制御するように構成される、請求項1に記載の較正システム。
【請求項９】
前記高速ステアリングミラーは、固定されたベースと、前記反射表面を前記ベースに結合するピボット湾曲部又はベアリングと、各々が前記反射表面を前記ベースに対して移動させるように構成された複数のアクチュエータとをさらに含む、請求項8に記載の較正システム。
【請求項１０】
高速ステアリングミラーの傾斜角を較正する方法であって：
位置検出装置から電磁放射の入力ビームを生成するステップ；
前記入力ビームを前記高速ステアリングミラーに向けられる複数の出力ビームに分割するステップ；及び
前記高速ステアリングミラーによる出力ビームの反射に基づいて、前記高速ステアリングミラーの傾斜角を決定するステップ；
を含む方法。
【請求項１１】
前記入力ビームは、位置検出装置によって生成され、前記複数の出力ビームは、前記位置検出装置と前記高速ステアリングミラーとの間の回折光学素子によって生成されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記位置検出装置は、固定表面に取り付けられた干渉計を含み、前記干渉計は光を生成するように構成される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
各出力ビームは、サイズ、偏光及び位相を含む前記入力ビームと同じ光学特性を保持する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記回折光学素子は、1次元ビームアレイ及び2次元ビームマトリックスのうちの1つを生成するように構成される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記回折光学素子は、前記位置検出装置によって発生された単色光とともに使用されるように構成され、特定の波長及び出力ビーム間の分離角度のために設計される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記回折光学素子は、コンピュータ生成ホログラムを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記高速ステアリングミラーは、反射表面を含み、前記反射表面を操作して、前記反射表面から離れる電磁放射の反射の方向を制御するように構成される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
前記高速ステアリングミラーは、固定されたベースと、前記反射表面を前記ベースに結合するピボット湾曲部又はベアリングと、各々が前記反射表面を前記ベースに対して移動させるように構成された複数のアクチュエータとをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の実施形態は、高速ステアリングミラーに関し、より詳細には、高速ステアリングミラーを較正する方法及びシステムに関する。このような高速ステアリングミラーは、例えば、車両、船舶又は航空機に関連するセンサ又はビデオシステムに配備することができる。
【０００２】
高速ステアリングミラーシステムが知られており、いくつかの従来のセンサ及び／又はビデオシステムのバックボーンを提供する。用途によっては、高速ステアリングミラーを較正する必要がある。高次誤差の較正は、多数の測定を必要とし、これは、従来の測定システムを使用する場合、時間を消費するタスクである。伝統的な測定システムは、環境条件の変化によって引き起こされるシステム的な誤差を生じやすい。多くの較正システムは、角度移動を較正するためにジンバル（gimbal）に取り付けられたオートコリメータであるセオドライト（theodolite）を使用する。セオドライトに関連する一つの制限は、ジンバルに関連するエンコーダと同程度にのみ正確であることである。さらに、セオドライト測定は、実行するのに時間がかかり、このアプローチを高次補正に使用するのが困難である。また、自動化が可能である高速ステアリングミラーを較正するのにレーザトラッカー（laser  trackers）も使用されており、高次補正に適している。測定解像度と測定範囲は互いに競合し、それらは、高速ステアリングミラーを較正するのに必要な範囲と解像度を制限してしまう。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本開示の一特徴は、高速ステアリングミラーの傾斜角を較正するための較正システムに関する。一実施形態では、較正システムは、電磁放射のビームを生成するように構成された位置検出装置；及び前記位置検出装置と前記高速ステアリングミラーとの間に位置された回折光学素子であり、入力ビームを前記高速ステアリングミラーへ向けられる複数の出力ビームに分割するように構成された回折光学素子；を含み、前記位置検出装置は、前記高速ステアリングミラーの傾斜角を決定するように構成されている。
【０００４】
較正システムの実施形態は、前記位置検出装置を、固定された表面に取り付けられた干渉計とともに実現しても良い。前記干渉計は、光を生成するように構成してもよい。各出力ビームは、サイズ、偏光及び位相を含む前記入力ビームと同じ光学特性を保持してもよい。前記回折光学素子は、1次元ビームアレイ及び2次元ビームマトリックスのうちの1つを生成するように構成されてもよい。前記回折光学素子は、前記位置検出装置によって発生された単色光とともに使用されるように構成され、特定の波長及び出力ビーム間の分離角度のために設計されてもよい。前記回折光学素子は、コンピュータ生成ホログラムを含んでよい。前記高速ステアリングミラーは、反射表面を含み、前記反射表面を操作して、前記反射表面から離れる電磁放射の反射の方向を制御するように構成されてもよい。前記高速ステアリングミラーは、固定されたベースと、前記反射表面を前記ベースに結合するピボット湾曲部又はベアリングと、各々が前記反射表面を前記ベースに対して移動させるように構成された複数のアクチュエータとをさらに含んでよい。
【０００５】
本開示の別の態様は、高速ステアリングミラーの傾斜角を較正する方法に関する。一実施形態では、本方法は、位置検出装置から電磁放射の入力ビームを生成するステップ；前記入力ビームを前記高速ステアリングミラーに向けられる複数の出力ビームに分割するステップ；及び前記高速ステアリングミラーによる出力ビームの反射に基づいて、前記高速ステアリングミラーの傾斜角を決定するステップ；を含む。
【０００６】
本方法の実施形態は、さらに、位置検出装置によって入力ビームを生成することを含んでもよい。前記複数の出力ビームは、前記位置検出装置と前記高速ステアリングミラーとの間の回折光学素子によって生成されてもよい。前記位置検出装置は、固定表面に取り付けられた干渉計を含み、前記干渉計は光を生成するように構成されてもよい。各出力ビームは、サイズ、偏光及び位相を含む前記入力ビームと同じ光学特性を保持してもよい。前記回折光学素子は、1次元ビームアレイ及び2次元ビームマトリックスのうちの1つを生成するように構成されてもよい。前記回折光学素子は、前記位置検出装置によって発生された単色光とともに使用されるように構成され、特定の波長及び出力ビーム間の分離角度のために設計されてもよい。前記回折光学素子は、コンピュータ生成ホログラムを含んでもよい。前記高速ステアリングミラーは、反射表面を含み、前記反射表面を操作して、前記反射表面から離れる電磁放射の反射の方向を制御するように構成されてもよい。前記高速ステアリングミラーは、固定されたベースと、前記反射表面を前記ベースに結合するピボット湾曲部又はベアリングと、各々が前記反射表面を前記ベースに対して移動させるように構成された複数のアクチュエータとをさらに含んでよい。
【０００７】
少なくとも1つの実施形態の種々の態様は、添付図面を参照して後述されるが、これらは、縮尺通りに描かれることを意図されていない。図面、詳細な説明又はクレームの技術的特徴の後に引用符号が付されている場合、引用符号は、図面、詳細な説明及びクレームの理解を容易にすることのみを目的として含まれている。したがって、引用符号も引用符号の不存在も、クレーム要素の範囲に限定的な効果を及ぼすことを意図したものではない。図において、種々の図に示されている同一又はほぼ同一の各構成要素は、同様の数字で表されている。明瞭にするために、全ての構成要素が全ての図においてラベル付けされているわけではない。図面は、説明及び説明のために提供されるものであり、本発明の限界の定義として意図されたものではない。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】高速ステアリングミラーの概略図である;
【図１Ｂ】高速ステアリングミラーの概略図である;
【図２Ａ】本開示の実施形態の高速ステアリングミラーを較正するためのシステムの概略図である。
【図２Ｂ】本開示の実施形態の高速ステアリングミラーを較正するためのシステムの概略図である。
【図３Ａ】本開示の別の実施形態の高速ステアリングミラーを較正するためのシステムの概略図である。
【図３Ｂ】本開示の別の実施形態の高速ステアリングミラーを較正するためのシステムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本開示の実施形態は、干渉計（interferometer）及び回折光学素子（diffractive  optical  element,  DOE）を使用する較正方法及びシステムに関する。本システムは、いくつかの実施態様において、高速ステアリングミラー（fast  steering  mirror,  FSM）を含むミラーの傾斜角（tilt  angle）を較正するためのコンピュータ生成ホログラム（computer  generated  hologram,  CGH）を含む。CGHの使用は、プロセスを自動化し、異なる環境に耐性があり、高精度にすることができる。
【００１０】
また、本明細書中で使用される表現及び用語は制限的に理解されるべきではない。本明細書中で単数形で言及されるシステム及び方法の実施形態又は要素又は行為への言及はまた、複数のこれらの要素を含む実施形態を包含してもよく、また、本明細書中で任意の実施形態又は要素又は行為への複数の言及は、単一の要素のみを含む実施形態を包含してもよい。単数形又は複数形での言及は、現在開示されている複数システム又は複数方法、それらの構成要素、作用又は要素を限定することを意図していない。本明細書における「含む」、「構成される」、「有する」、「含有する」、「拘わる」及びそれらの変形の使用は、その後に列挙される項目及びそれらの同等物ならびに追加の項目を包含することを意味する。「又は」への言及は、「又は」を使用して記載される用語が単一の、複数の、及び記載される用語のすべてを示すことができるように、「又は」への言及は包括的であると解釈され得る。前後、左右、上下、垂直及び水平への言及は、説明の便宜のために意図されたものであり、本システム及び方法又はそれらの構成要素を、いずれか1つの位置又は空間方向に限定するものではない。
【００１１】
図１Ａ及び図１Ｂは、参照符号10で概示された高速ステアリングミラーの機能要素を示している。高速ステアリングミラー10は反射表面12を操作するように構成されており、反射表面12を離れる光を含む電磁放射の反射方向を制御する。高速ステアリングミラー10はさらに、反射表面12をユニットとして操縦するように構成され、センサ又はビデオシステム内に配置可能であり、かつ／或いは、そのようなセンサ又はビデオシステムを搭載した車両、船舶、又は航空機(例えば、無人車両、無人船舶、又は無人航空機)の一部を形成可能である。
【００１２】
図示の実施形態では、高速ステアリングミラー10は、固定ベース14、反射表面12をベース14に結合するピボット湾曲部又はベアリング16、及びベース14に対して反射表面12を移動させる複数のアクチュエータ(各々18で示されている)を含む。ベース14は、高速ステアリングミラー10の他の構成要素の少なくとも一部を取り付けることができる基板を提供するように構成されている。使用時には、ベース14は、高速ステアリングミラー10が動作するより大きなシステム内(例えば、より大きなセンサシステム内)に取り付けられる。ベース14は、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ベリリウム、又は低膨張ニッケル合金、及び／又は他の適切な材料のうちの1つ以上から形成することができる。ベース14は、単一の構成要素として、又は固定構成内で互いに連結された複数の別々の構成要素として形成することができる。
【００１３】
本開示の目的のために、部品のある点又は部分がベース14に対して位置的に固定されている場合、その部品はベース14に接続されているとみなし得る。これは、ベース14が設置される環境（例えば、全体的なセンサ・ハウジング又はシート）内で固定されることによってベース14に対して固定される構成要素、ベース14に対して不動（又は実質的に不動）である他の構成要素に点又は部分で固定される構成要素、及び／又はベース14に対して位置的に固定される点又は部分を有する他の構成要素を含み得る。
【００１４】
図１Ａは、反射表面12がFSM  10を離れる垂直方向に光を向けるように構成された「垂直」位置のFSM  10を示している。図１Ｂは、反射表面12がFSM  10の垂直方向に対してある角度で光を向けるように構成された「傾斜」位置のFSM  10を示している。アクチュエータ18は、反射表面12を所望の傾斜角に位置づけるように構成される。
【００１５】
図２Ａ及び図２Ｂは、FSM  10の傾斜角を較正するための、参照符号20で概示される較正システムの一実施形態を示す。較正システム20は、固定表面に取り付けられた、22で概示された位置検出装置（position  sensing  device）22を含む。一実施形態では、位置検出装置22は、干渉計を含む。干渉法は、重ね合わせの原理を利用して、波の組み合わせの結果が波の元の状態の診断である何らかの意味のある特性を有するように波を組み合わせる。干渉計22の動作は、同じ周波数を有する２つの波が組み合うときに達成される。得られる強度パターンは、２つの波の位相差によって決定される。２つの波が同位相のときに建設的干渉を受け、位相が外れている波は破壊的干渉を受ける。位相が完全には一致せず、完全にはずれていない波は、中間強度パターンを有し、それは、それらの相対的位相差を決定するために使用され得る。言い換えると、干渉計を用いて、単一光源からの光は、異なる光路に沿って進む2つのビームに分割される。これら２つのビームは、再び結合され、干渉を生じる。結果として生じるビームの干渉は、経路長の差に関する情報を提供する。干渉計は、光学部品の長さや形状をナノメートル精度で測定するために使用される。ほとんどの干渉計は、光又は他の形態の電磁放射線を使用する。
【００１６】
較正システム20はさらに、回折ビームスプリッタ（diffractive  beam  splitter）と呼ばれる、24で概示される回折光学素子（diffractive  optical  element,  DOE）を含む。回折光学素子24は、干渉計22から所定の距離だけ離間され、干渉計22とFSM  10との間に配置される。干渉計22、DOE  24、及びFSM  10間の間隔は、DOEの出力に大きく依存する。例えば、干渉計22のコヒーレンス長にDOE後の光路差24のラウンドトリップを加えたものが干渉計レーザのコヒーレンス長に近づかないか、或いはそれを越えない限り、上記間隔はほとんど無関係である。このパラメータは、装置内で使用されるレーザ(プロデューサ、レーザ)の関数として変化する。一般に、これらの部品間の間隔が長ければ長いほど、リトレース誤差（retrace  error）が増大するリスクが高くなる。距離を実際に弁別するもの（discriminator）は、DOE  24とFSM  10の反射表面12との間であるべきである。反射表面12の角度範囲及び物理的寸法は、間隔をどの程度近づけることができるかを制限する。ミラー移動のいくつかの角度範囲(＋／−10度)の状況では、干渉計22によるDOE  24への干渉入力がコリメートされるので、干渉計22とDOE  24との間の間隔は、より便利な問題となり得る。入力がDOE  24に収束／発散するように要求される場合、間隔はDOEアパーチャによって決定される。
【００１７】
DOE  24は、入力ビームを複数（N）の出力ビームに分割するように構成される。各出力ビームは、サイズ、偏光及び位相など、入力ビームと同じ光学特性を保持する。DOE  24は、素子の回折パターンに応じて、1次元ビームアレイ(1  x  N)又は2次元ビーム行列（M  x  N）のいずれかを生成することができる。DOE  24（回折ビームスプリッタ）は、干渉計22によって発生される単色光とともに使用され、出力ビーム間の特定の波長及び分離角度のために設計される。
【００１８】
図示の実施形態では、DOE  24は、ホログラム画像を生成するように構成されたコンピュータ生成ホログラム（computer  generated  hologram,  CGH）である。いくつかの実施形態では、CGH  24は、ホログラフィー干渉パターンをデジタル的に生成するように構成される。コンピュータ生成ホログラムは、実際の物体を必要としないので、光学ホログラムよりも有利である。CGH  24は、干渉パターン符号化に特に適している。CGH  24は、異なる角度で測定を提供する複数の「ペイン」（panes）を含む。図２Ａ及び図２Ｂに示すように、干渉計22は、エネルギー源(例えば、光)をCGH  24の方へ向け、次に、CGH  24がエネルギーをFSM  10の方へ向ける。FSM  10は、図１Ａ及び図１Ｂに示すFSMとして、構成することができる。
【００１９】
詳細には、図２Ａ及び２Ｂに示すCGH  24については、１μ  radの傾斜分解能について、CGHのサブアパーチャは直径が少なくとも31ミリメートル（mm）である。アパーチャの5×5アレイについては、CGH  24は6.25インチ×6.25インチである。CGH  24は、極めて高い精度を有する。１μm格子特徴について、位置精度は〜2.2ナノメートル(nm)である。これは、2度回折ビーム上の1.6μ     rad誤差を与える。いくつかの実施態様において、CGH  24は、「記録／堆積プロセス」の一部として予め書き込まれた位置合わせ基準（fiducials）を有する。設定中に、基準（fiducials）を用いてCGH  24を干渉計22に整合させる。典型的には、ゼロ次ビームをCGHの中心に書き込むこともできる。この構成により、FSM  10を干渉キャビティ内に入れて、ゼロ度のチップ／傾斜の点で位置合わせすることができる。いったんシステムが「ヌル」(軸上の角度で識別可能なフリンジがない)にされると、FSM  10の「設定／パラメータ」を記録して角度位置を達成しながら、特定の角度で逆反射が達成されるまで、FSM  10を移動することによって角度較正エクササイズが実行される。DOE／CGHの各ヌルポイントでのマッピングが達成されるまで、この方法を繰り返す。
【００２０】
動作中、干渉計22は、CGHに向けられる入力ビームを生成する。CGH  24は、入力ビームを複数の出力ビームに分割し、これらの出力ビームはFSM  10に向けられる。光は、FSM  10によって反射され、CGH  24を通って干渉計22に向かって戻される。干渉計22はFSM  10の傾斜角を検出するように構成されており、傾斜角は上述の方法でアクチュエータ18を操作することによって較正することができる。
【００２１】
図３Ａ及び図３Ｂは、FSM  10の傾斜角を較正するための、参照符号30で概示される較正システムの別の実施形態を示す。較正システム30は、固定された表面に取り付けることができる、32で概示された小開口（small  aperture）干渉計を含む。較正システム30はさらに、干渉計32から所定の距離だけ離れた、34で概示される小開口DOEを含む。上述のように、DOE  34は、入力ビームを複数（N）の出力ビームに分割するように構成され、各出力ビームは入力ビームと同じ光学特性を保持する。図３Ａ及び３Ｂに示すように、干渉計32は、エネルギー源(例えば、光)をDOE  34に向け、次に、DOE  34はエネルギーをFSM  10に向ける。FSM  10は、図２Ａ及び２Ｂに示すシステム20の実施形態と同様に、図１Ａ及び１Ｂに示すFSMとして構成することができる。
【００２２】
詳細には、図３Ａ及び図３Ｂに示されるDOE  34については、１μ  radの傾斜分解能について、ビーム及び回折光学素子は、少なくとも31.65mmの開口を有する。最初の回折オーダー（１次の回折）のみを測定するために、FSM  10は直径が少なくとも63.3mmである。5×5アレイの角度を測定するために、FSM  10の反射表面12は直径63.29mm又は2.5インチである。より高次での低い回折効率が、測定可能な角度の数を制限する可能性がある。
【００２３】
システム30の動作は、システム20の動作と同様である。詳細には、干渉計32は、DOE  34に向けられる入力ビームを生成する。DOE  34は入力ビームを複数の出力ビームに分割し、これらの出力ビームはFSM  10に向けられる。光は、FSM  10によって反射され、DOE  34を通って干渉計32に向かって戻される。干渉計32はFSM  10の傾斜角を検出するように構成されており、傾斜角はアクチュエータ18を操作することによって較正することができる。
【００２４】
システムの実施形態を使用して、高速ステアリングミラーの傾斜角を較正する方法を実行することができる。一実施形態では、本方法は、位置検出装置から電磁放射の入力ビームを生成するステップを含む。例えば、一実施形態では、入力ビームは、干渉計22によって生成され得る。別の実施形態では、入力ビームは、干渉計32によって生成することができる。次に、本方法は、入力ビームを、FSM  10に向けられる複数の出力ビームに分割するステップを含む。例えば、一実施形態では、入力ビームをCGH  24によって分割することができる。別の実施形態では、入力ビームをDOE  34によって分割することができる。次に、FSM  10の傾斜角は、結果として生じる電磁放射がFSMによって反射されて干渉計22に戻り検出されることによって決定される。反射された放射が検出されると、FSM  10のアクチュエータ18を操作することによって、傾斜角を所望の傾斜角に調整するように、FSM  10が操作される。
【００２５】
FSM  10を較正する方法は、システム20又はシステム30によって実行可能であることを理解されたい。
【００２６】
本明細書に記載のシステムは、DOE、例えばCGH、又は同様の回折光学素子の使用を含む、高速ステアリングミラーを較正する方法を実行するように特に適合されていることに留意されたい。この方法は、戻された回折ビームオーダー（干渉計又は位置検出装置）の角度を決定するのに特に適している。干渉計は、回折ビーム角度に対するミラー傾斜の測定を提供する。干渉計は、ビームの1／20波長まで、ビーム傾斜を分解することができる。FSM可動域にわたって迅速にサンプリングするために、自動化シーケンスが提供される。正確に既知の角度を有する複数の平面波を生成するために、CGHを使用することができる。この方法は、干渉計の分解能と、回折光学素子又はCGHの回折オーダーによって提供される大きな測定範囲とを組み合わせる。
【００２７】
少なくとも1つの実施形態のいくつかの態様を説明してきたが、当業者には、種々の変更、修正、及び改良が容易に生じることが理解されるであろう。このような変更、修正、及び改良は、本開示の一部であることが意図されており、本発明の範囲内であることが意図されている。したがって、前述の説明及び図面は、単なる例示であり、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物の適切な構成から決定されるべきである。
【図１Ａ】
2020523590.tif 000003
【図１Ｂ】
2020523590.tif 000004
【図２Ａ】
2020523590.tif 000005
【図２Ｂ】
2020523590.tif 000006
【図３Ａ】
2020523590.tif 000007
【図３Ｂ】
2020523590.tif 000008
【国際調査報告】
2020523590.tif 000009
2020523590.tif 000010
2020523590.tif 000011