(57)【要約】  本明細書において開示されるのは、光検知及び測距（ＬｉＤＡＲ）に基づく技術に基づいて環境の空間プロファイルの推定を容易にするためのシステム及び方法である。一配置において、本開示は、一次元にわたり、例えば、垂直方向に沿って光を差し向けることに基づいて空間プロファイル推定を容易にする。別の配置において、一次元的に差し向けられた光を別の次元、例えば、水平方向に沿って、さらに差し向けることにより、本開示は、二次元において光を差し向けることに基づいて、空間プロファイル推定を容易にする。【選択図】図３
2020502503.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環境の空間プロファイルの推定を容易にするためのシステムであって、
複数の波長チャネルの内の選択された１つ又はそれ以上において、少なくとも１つの時間変化特性を有する光を供給するように構成された光源と、
開口を含み、出射光を、前記開口を通して前記環境内に空間的に差し向け、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け取るように構成されたビームディレクタと、
を含み、
前記出射光は、
第１の次元に沿った、前記環境内への複数の方向の内の、第１の選択された波長チャネルにおける前記出射光に対応する、第１の方向における、前記開口の第１の部分と、
前記第１の次元に沿った、前記環境内への複数の方向の内の、第２の選択された波長チャネルにおける前記出射光に対応する、第２の方向における、前記開口の、前記第１の部分と空間的に重なる第２の部分と、
を通して差し向けられ、
前記システムは、
前記反射光を検知するように構成された光検知器と、
前記第１の方向及び前記第２の方向に関連付けられる、前記環境の前記空間プロファイルの推定のための、前記反射光の少なくとも１つの時間変化特性に関連付けられる少なくとも１つの特徴を決定するように構成された処理ユニットと、
をさらに含む、システム。
【請求項２】
前記第１の選択された波長チャネルにおける前記出射光は、前記第２の選択された波長チャネルにおける前記出射光と、実質的に同一のビーム形状を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ビームディレクタは、前記第１の選択された波長チャネルにおける前記反射光を、前記開口の第３の部分を通して受け取り、前記第２の選択された波長チャネルにおける前記反射光を、前記開口の第４の部分を通して受け取るように構成され、前記開口の前記第３の部分は、前記開口の前記第４の部分と空間的に重なる、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記開口の前記第１の部分、前記第２の部分、前記第３の部分及び前記第４の部分は、互いに空間的に重なる、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記開口の前記第１の部分及び前記第２の部分は、少なくとも４ｍｍのビームウェストサイズに対応する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記開口の前記第３の部分及び前記第４の部分は、少なくとも４ｍｍのビームウェストサイズに対応する、請求項４に記載のシステム。
【請求項７】
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輸送し、前記ビームディレクタからの前記反射光を前記光検知器まで輸送するように構成された光輸送アセンブリであって、
前記第１の選択された波長チャネル及び前記第２の選択された波長チャネルにおける前記出射光を伝えるための、前記光源と前記ビームディレクタとの間のアウトバウンド誘導光路と、
前記第１の選択された波長チャネル及び前記第２の選択された波長チャネルにおける前記反射光を伝えるための、前記ビームディレクタと前記光検知器との間のインバウンド誘導光路と、
を含む、光輸送アセンブリをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記インバウンド誘導光路及び前記アウトバウンド誘導光路は、各々、光ファイバ経路及び光回路経路の群から選択される、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記アウトバウンド誘導光路は、前記インバウンド誘導光路より小さい開口数に関連付けられる、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記アウトバウンド誘導光路は、前記インバウンド誘導光路から空間的に分離される、請求項７に記載のシステム。
【請求項１１】
前記光輸送アセンブリは、前記アウトバウンド誘導光路内に単一モードファイバ、及び、前記インバウンド誘導光路内に多重モードファイバを含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記アウトバウンド誘導光路は、前記インバウンド誘導光路と空間的に重なる、請求項７に記載のシステム。
【請求項１３】
前記光輸送アセンブリは、前記空間的に重なるアウトバウンド誘導光路及びインバウンド誘導光路内にダブルクラッドファイバを含み、前記ダブルクラッドファイバは、前記アウトバウンド誘導光路のための第１の開口数、及び、前記インバウンド誘導光路のための、前記第１の開口数より大きい第２の開口数に関連付けられる、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ビームディレクタは１つ又はそれ以上の回折格子を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記１つ又はそれ以上の回折格子は、前記光を時計回り又は反時計回りの光路内で回転させるように配置された３つの回折格子を備える、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記１つ又はそれ以上の回折格子の内のいずれか１つ又はそれ以上は、前記第１の次元に実質的に直交する第２の次元に沿って光を差し向けるように、調節可能に傾斜可能である、請求項１４又は１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記ビームディレクタは、１つ又はそれ以上のビームコンペンセータを含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記１つ又はそれ以上のビームコンペンセータの内の少なくとも１つは、前記の１つ又はそれ以上の回折格子の隣接する対の間に置かれる、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記ビームディレクタは、前記第１の次元に実質的に直交する第２の次元にわたって光を差し向けるように、回転可能であるか、或いは回転可能な屈折又は反射素子を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記光輸送アセンブリは、光を、回転可能な前記ビームディレクタと結合させるためのスリップリングアセンブリを含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記ビームディレクタは、複合ポートとＮ個のインターリーブポートの内の１つとの間で光を移すためのスペクトルコムフィルタを含み、前記複合ポートは、前記複数の波長チャネルの内のＮ番目毎の連続する波長チャネルのいずれか１つにおいて、光を受け取るか又は供給するように構成され、前記Ｎ個のインターリーブポートは、波長チャネルのＮ個の群の１つにおける対応する光を、それぞれ供給するか又はそれぞれ受け取るように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
前記Ｎ個のインターリーブポートは各々、第２の次元にわたる対応する角度分離をもたらすために、光軸からそれぞれの量だけずらされる、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
Ｎは、２〜１６の間の任意の整数である、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
環境の空間プロファイルの推定を容易にするためのシステムであって、
複数の波長チャネルの内の選択された１つ又はそれ以上において、少なくとも１つの時間変化特性を有する光を供給するように構成された光源と、
１つ又はそれ以上の回折格子を含み、出射光を、前記１つ又はそれ以上の回折格子を通して前記環境内に空間的に差し向け、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け取るように構成されたビームディレクタと、
を含み、
前記出射光は、
第１の次元に沿った、前記環境内への複数の方向の内の、第１の選択された波長チャネルにおける前記出射光に対応する、第１の方向の、前記１つ又はそれ以上の回折格子と、
前記第１の次元に沿った、前記環境内への複数の方向の内の、第２の選択された波長チャネルにおける前記出射光に対応する、第２の方向における１つ又はそれ以上の回折格子であって、前記１つ又はそれ以上の回折格子の内のいずれか１つ又はそれ以上は前記第１の次元と実質的に直交する第２の次元に沿って光を差し向けるように、調節可能に傾斜可能である、１つ又はそれ以上の回折格子と、
によって差し向けられ、
前記システムは、
前記反射光を検知するように構成された光検知器と、
前記第１の方向及び前記第２の方向に関連付けられる、前記環境の前記空間プロファイルの推定のための、前記反射光の少なくとも１つの時間変化特性に関連付けられる少なくとも１つの特徴を決定するように構成された処理ユニットと、
をさらに含む、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、環境の空間プロファイルの推定を容易にするためのシステム及び方法に関する。より具体的には、本発明は、少なくとも１つの次元にわたって光を差し向けることに基づいて環境の空間プロファイルの推定を容易にすることに関する。
【背景技術】
【０００２】
空間プロファイリングは、所望の視野から眺められる環境のマッピングを指す。視野内の各々の点又はピクセルは、環境の表示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及び／又は障害物を識別し、それにより仕事の自動操作を容易にするのに有用であり得る。
【０００３】
空間プロファイリングの１つの技術は、光を環境内に特定の方向に送るステップと、その方向から戻る、例えば、環境内の反射表面による、いずれかの反射光を検知するステップとを含む。反射光は、反射表面までの距離を決定するための関連情報を伝える。特定の方向及び距離の組み合わせは、環境の表示の中の点又はピクセルを形成する。上記のステップは、表示の他の点又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すことができ、それにより所望の視野内の環境の空間プロファイルの推定を容易にする。
【０００４】
本明細書においては、どのような従来技術に対する参照も、この従来技術がいかなる権限においても一般共通知識の部分を形成すること、又はこの従来技術が、当業者により、従来技術の他の部分に関連する及び／又は組み合わせられると理解され、見なされると合理的に予期される可能性があること、の承認又はいかなる形での示唆であると取られず、また、取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、環境の空間プロファイルの推定を容易にするための、
複数の波長チャネルの内の選択された１つ又はそれ以上において、少なくとも１つの時間変化特性を有する光を供給するように構成された光源と、
開口を含み、出射光を、開口を通して環境内に空間的に差し向け、及び環境によって反射される出射光の少なくとも一部を受け取るように構成された
ビームディレクタと、
を含むシステムであって、
出射光は、第１の次元に沿った環境内への複数の方向の内の、第１の選択された波長チャネルにおける出射光に対応する、第１の方向における開口の第１の部分と、第１の次元に沿った環境内への複数の方向の内の、第２の選択された波長チャネルにおける出射光に対応する、第２の方向における開口の、第１の部分と空間的に重なる第２の部分と、
を通して差し向けられ、
さらに、
反射光を検知するように構成された光検知器と、
第１の方向及び第２の方向に関連付けられる環境の空間プロファイルの推定のために、反射光の少なくとも１つの時間変化特性に関連付けられる少なくとも１つの特徴を決定するように構成された処理ユニットと、
を含む、システムが提供される。
【０００６】
第１の選択された波長チャネルにおける出射光は、第２の選択された波長チャネルにおける出射光と、実質的に同一のビーム形状を含むことができる。
【０００７】
ビームディレクタは、第１の選択された波長チャネルにおける反射光を、開口の第３の部分を通して受け取り、第２の選択された波長チャネルにおける反射光を、開口の第４の部分を通して受け取るように構成することができ、開口の第３の部分は、開口の第４の部分と空間的に重なる。開口の第１、第２、第３及び第４の部分は、互いに空間的に重なることができる。
【０００８】
一例において、開口の第１及び第２の部分は、少なくとも４ｍｍのビームウェストサイズに対応し得る。
【０００９】
一例において、開口の第３及び第４の部分は、少なくとも４ｍｍのビームウェストサイズに対応する。
【００１０】
本システムは、光源からの出射光をビームディレクタへ輸送し、ビームディレクタからの反射光を光検知器へ輸送するように構成された光輸送アセンブリをさらに備えることができ、その光輸送アセンブリは、
第１及び第２の選択された波長チャネルにおける出射光を伝えるための、光源とビームディレクタとの間のアウトバウンド誘導光路と、
第１及び第２の選択された波長チャネルにおける反射光を伝えるための、ビームディレクタと光検知器との間のインバウンド誘導光路と、
を含む。
【００１１】
インバウンド及びアウトバウンド誘導光路は、各々、光ファイバ経路及び光回路経路の群から選択することができる。アウトバウンド誘導光路は、インバウンド誘導光路のそれよりも小さい開口数と関連付けることができる。アウトバウンド誘導光路は、インバウンド誘導光路から空間的に分離することができる。
【００１２】
光輸送アセンブリは、アウトバウンド誘導光路内の単一モードファイバ、及びインバウンド誘導光路内の多重モードファイバを含むことができる。
【００１３】
アウトバウンド誘導光路は、インバウンド誘導光路と空間的に重なることができる。
【００１４】
光輸送アセンブリは、空間的に重なったアウトバウンド及びインバウンド誘導光路の中にダブルクラッドファイバを含むことができ、そのダブルクラッドファイバは、アウトバウンド誘導光路のための第１の開口数、及びインバウンド誘導光路のための、第１の開口数よりも大きい第２の開口数に関わる。
【００１５】
ビームディレクタは、１つ又はそれ以上の回折格子を含むことができる。その１つ又はそれ以上の回折格子は、光を時計回り又は反時計回りの光路において回転させるように配置された３つの回折格子を備えることができる。
【００１６】
ビームディレクタは、１つ又はそれ以上のビームコンペンセータを含む。その１つ又はそれ以上のビームコンペンセータの内の少なくとも１つは、１つ又はそれ以上の回折格子の隣接する対の間に置くことができる。
【００１７】
ビームディレクタは、第１の次元に実質的に直交する第２の次元にわたって光を差し向けるために、回転可能にすることができ、或いは、回転可能な屈折又は反射素子を含むことができる。光輸送アセンブリは、光を回転可能ビームディレクタと結合するためのスリップリングアセンブリを含むことができる。
【００１８】
ビームディレクタは、複合ポートとＮ個のインターリーブポートの内の１つとの間で光を移すためのスペクトルコムフィルタを含み、その複合ポートは、複数の波長チャネルのＮ番目毎の連続する波長チャネルのいずれか１つにおいて光を受け取るか又は供給するように構成され、Ｎ個のインターリーブポートは、波長チャネルのＮ個の群の内の１つにおいて、対応する光をそれぞれ供給するか又はそれぞれ受け取るように構成される。Ｎ個のインターリーブポートは、各々、第２の次元にわたる対応する角度分離をもたらすために光軸からそれぞれの量だけずらすことができる。Ｎは、２〜１６の間の任意の整数とすることができる。
【００１９】
本発明の第２の態様によれば、環境の空間プロファイの推定を容易にするための、
複数の波長チャネルの内の選択された１つ又はそれ以上において、少なくとも１つの時間変化特性を有する光を供給するように構成された光源と、
１つ又はそれ以上の回折格子を含み、１つ又はそれ以上の回折格子を通して出射光を環境内に空間的に差し向け、環境によって反射された出射光の少なくとも一部を受け取るように、構成されたビームディレクタと、
を含むシステムであって、
出射光は、第１の次元に沿った環境内への複数の方向の内の、第１の選択された波長チャネルにおける出射光に対応する、第１の方向における１つ又はそれ以上の回折格子と、
第１の次元に沿った環境内の複数の方向の内の、第２の選択された波長チャネルにおける出射光に対応する第２の方向における１つ又はそれ以上の回折格子であって、１つ又はそれ以上の回折格子の内のいずれか１つ又はそれ以上は、第１の次元に実質的に直交する第２の次元に沿って光を差し向けるように、調節可能に傾斜可能である、１つ又はそれ以上の回折格子と、によって差し向けられ、
さらに、
反射光を検知するように構成された光検知器と、
第１の方向及び第２の方向に関連付けられる、環境の空間プロファイルの推定のために、反射光の少なくとも１つの時間変化特性に関連付けられる少なくとも１つの特徴を決定するように構成された処理ユニットと、
を含む、システムが提供される。
【００２０】
本発明のさらに別の態様、及び、先行するパラグラフにおいて説明された態様のさらに別の実施形態が、例として与えられ、添付の図面に関連する、以下の説明から明白となるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】環境の空間プロファイルの推定を容易にするためのシステムの配置を示す。
【図１Ｂ】環境の空間プロファイルの推定を容易にするためのシステムの配置を示す。
【図１Ｃ】環境の空間プロファイルの推定を容易にするためのシステムの配置を示す。
【図２Ａ】時間変化強度プロファイルを有する出射光を供給する光源の配置を示す。
【図２Ｂ】時間変化強度プロファイルを有する出射光を供給する光源の配置を示す。
【図２Ｃ】時間変化周波数偏移を有する出射光を供給する光源の配置を示す。
【図２Ｄ】時間変化周波数偏移を有する出射光を供給する光源の配置を示す。
【図３】環境の空間プロファイルの推定を容易にするためのシステムの別の配置を示す。
【図４Ａ】図４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、４Ｆ及び４Ｇのいずれかにおける傾斜可能回折格子の傾斜可能角度を推定するための構成を示す。
【図４Ｂ】ゼロ次の光強度と傾斜可能角度との間の関係の一例を示す。
【図４Ｃ】異なる波長チャネルにおける光を受け取り及び差し向ける角度分散素子の別の例を示す。
【図４Ｄ】異なる波長チャネルにおける光を受け取り及び差し向ける角度分散素子の別の例を示す。
【図４Ｅ】異なる波長チャネルにおける光を受け取り及び差し向ける角度分散素子の別の例を示す。
【図４Ｆ】異なる波長チャネルにおける光を受け取り及び差し向ける角度分散素子の別の例を示す。
【図４Ｇ】異なる波長チャネルにおける光を受け取り及び差し向ける角度分散素子の別の例を示す。
【図４Ｈ】調節可能に傾斜可能な回折格子の斜視図を示す。
【図４Ｉ】格子傾斜角度と第２の次元にわたるビーム方向との関係を示す。
【図４Ｊ】格子傾斜角度と第１の次元にわたるビーム方向との関係を示す。
【図５】選択された波長チャネルにおける光を受け取り及び差し向ける、図３に示された角度分散素子の配置を示す。
【図６】環境の空間プロファイルの推定を容易にするためのシステムの別の配置を示す。
【図７】環境の空間プロファイルの推定を容易にするためのシステムの別の配置を示す。
【図８】スペクトルコムフィルタの一例を示す。
【図９】環境の空間プロファイルの推定を容易にするためのシステムの別の配置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本明細書で開示されるのは、光検知及び測距（ＬｉＤＡＲ：ｌｉｇｈｔ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｒａｎｇｉｎｇ）に基づく技術に基づいて、環境の空間プロファイルの推定を容易にするためのシステム及び方法である。「光」は、以下では、遠赤外線、赤外線、可視光線及び紫外線を含む、光周波数を有する電磁放射を含む。一般に、ＬｉＤＡＲは、環境内へ光を送ること、及び次に環境によって反射された光を検知することを含む。光が往復するのに要する時間、及びそれ故に、視野内の反射表面の距離を決定することによって、環境の空間プロファイルの推定を形成することができる。一配置において、本開示は、一次元にわたり、例えば、垂直方向に沿って、光を差し向けることに基づいて、空間プロファイル推定を容易にする。別の配置において、一次元に差し向けられた光を別の次元、例えば、水平方向に沿って、さらに差し向けることにより、本開示は、２次元において光を差し向けることに基づいて、空間プロファイル推定を容易にする。
【００２３】
本発明人等は、少なくとも１つの次元にわたり光を差し向けることにおいて、出射光の光ビームサイズを選択することに関連付けられる競合する要件が、反射光の検知を改善する役割を果たすことを認識している。一般に、より大きい初期ビームサイズは、距離にわたるより小さいビーム広がりをもたらす。従って、より大きい初期ビームサイズを選択することにより、固定された検知器面積に対して受け取られる、即ち、検知される電力を改善することができる。そのようにして、例えば、より長距離の検知及びより正確な空間推定のために信号対雑音比を大きくすること、及び／又は、電力消費及び節電機能を改善するための送信電力要件を減らすことにより、システムの性能を高める。しかし、いずれの光学システムも、例えば、その物理的設置面積によって制限される特定の開口を有し、これが最大ビームサイズに実際的制限を加える。開口の異なる小部分を通るように光を送る、傾斜させられた別々の光源による光を差し向ける解決策は、必然的に出射ビームサイズを小さくし、それ故に受け取られる電力を減らす。ミラーを機械的に調節することにより、光を特定の角度にステアリングすることを含む他の解決策は、付加的な機械的安定性を必要とすることが予期される。これ等の競合する要件を考えて、本発明人等は、光がそれに向けて差し向けられる角度又は方向の数に関わらず、開口サイズの使用を実質的に最大にすることができる、ＬｉＤＡＲに基づくシステムにおいて、出射光を差し向けるためのシステム及び方法を発明した。
【００２４】
空間回折は光ビーム広がりを支配する。例えば、ガウスビーム（Ｇａｕｓｓｉａｎ  ｂｅａｍ）（即ち、ビーム軸からの半径方向偏位に対してガウス強度分布を有するビーム）に関して、範囲ｚ（即ち、強度が軸値の１／ｅ２に低下する半径方向偏位）におけるビーム半径ｗは、次式で与えられる。
【００２５】
【数１】
2020502503.tif 000003
【００２６】
ここで、ｗ０はビームウェストであり、ｚＲ＝πｗ０２／λはレイリー（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）範囲である。他のビームプロファイルに対しては、空間回折光学系計算を用いて範囲ｚにおけるビームプロファイルを決定することができる。特に別に断らない限り、以下の開示は、光源がガウスビームプロファイルを有する光を供給するとの仮定のもとで与えられる。
【００２７】
レイリー範囲ｚＲは、コリメートされたビームの範囲を定量化するために有用なメトリックである。これは、所与のビームウェストを有するガウスビームが、そのビームサイズを√２倍に増加する距離である。ガウスビームに関する上記の式は、ｚ軸に沿った、負のｚ値を含む任意の開始点に対して当てはまる。正のｚ方向に伝播するビームに関して、ビームはｚ＜０に対して収束し、ｚ＞０に対しては広がる。波面は、ビームウェストであり、ビームが収束も広がりもしないｚ＝０において平面状である。波面の曲率半径は、Ｒ（ｚ）＝ｚ［１＋（ｚＲ／ｚ）２］で与えられ、ここで、負の曲率半径は、収束ビームを表し、正の曲率半径は、広がるビームを表す。
【００２８】
所与の範囲は、放射の適切なビームウェストサイズ及び曲率半径に基づいて決定することができる。一配置において、光源（例えば、図１Ａの光源１０２）は平面状の波面を放射する。出射ビームは、光源１０２がｚ＝０に置かれ、ｗ（ｚ＝０）のビームサイズを有することに基づいて、広がる。ｚ＝ｚＲにおいて、ビームサイズは、次式で与えられる。
【００２９】
【数２】
2020502503.tif 000004
【００３０】
物体における反射により、出射光の一部はさらに散乱又は拡散する可能性があり、その場合、反射光は、もはや初めのガウスビームプロファイルを取らない可能性があり、それ故に、もはやガウス光学によるビームサイズ及び曲率半径を有して伝播しない可能性がある。この配置において、ｚＲはシステムの範囲として設定することができる。例えば、λ＝１５５０ｎｍにおいて、ｚＲは、ｗ０＝１０ｍｍに対して凡そ２００メートルとなる。そのような一例に関する対応する範囲は、従って、２００メートル（即ち、ｚ＝０からｚ＝ｚＲ＝２００メートルまで）に設定することができる。
【００３１】
別の配置において、光源１０２は、例えば、ｚ＝−ｚＲにおける波面に対応する、収束する波面を放射する。放射の出射ビームは、光源１０２がｚ＝−ｚＲに置かれ、
【００３２】
【数３】
2020502503.tif 000005
【００３３】
のビームサイズを有することに基づいて、収束し及び広がる。伝播する出射光は、ｚ＝０におけるビームウェストｗ（ｚ＝０）及びｚ＝＋ｚＲにおけるビームサイズ
【００３４】
【数４】
2020502503.tif 000006
【００３５】
に向かって進展する。
【００３６】
この配置において、２ｚＲをシステムの範囲として設定することができる。第１の配置と比べて、この配置は最大範囲を２倍に改善し、並びに、半範囲における空間解像度を、ビームウェストに向けてのビーム進展により半分の範囲で改善する。例えば、前述のように、λ＝１５５０ｎｍにおいて、ｚＲは、ｗ０＝１０ｍｍに対して凡そ２００メートルとなる。そのような例に関する対応する範囲は、従って、４００メートル（即ち、ｚ＝−ｚＲ＝−２００メートルからｚ＝ｚＲ＝＋２００メートルまで）に設定することができる。
【００３７】
同様に、所望の範囲ｚ物体に適応するためのビームサイズを決定することは、レイリー範囲ｚＲに基づくことができる。例えば、光源１０２が平面状の波面（例えば、ｚ＝０における波面に対応する）を放射する場合、１００メートルの所望の範囲ｚ物体を、ｚ＝０メートルに置かれた光源１０２、ｚ＝＋ｚＲ＝１００メートルに置かれた所望の範囲における反射表面により、ｚＲに等しくなるように設定することができる。ｚＲのこの値は、半径が凡そ７．０ｍｍ又は直径が１４．０ｍｍのビームウェストｗ０に対応する。それ故に、１００メートルの所望の範囲ｚ物体におけるビーム直径は次のようになる。
【００３８】
【数５】
2020502503.tif 000007
【００３９】
別の例として、光源１０２が収束波面（例えば、ｚ＝−ｚＲにおける波面に対応する）を放射する場合、１００メートルの所望の範囲ｚ物体は、光源１０２がｚ＝−ｚＲ＝−５０メートルに置かれ、所望の範囲における反射表面がｚ＝＋ｚＲ＝＋５０メートルに置かれるとき、２ｚＲに等しくなるように設定することができる。ｚＲのこの値は、半径が凡そ５ｍｍ又は直径が１０ｍｍのビームウェストｗ０に対応し、ここで、このビームウェストはｚ＝０（又は光源１０２から５０ｍ）において生じる。１００ｍの所望の範囲ｚ物体におけるビーム直径はそれ故に次のようになる。
【００４０】
【数６】
2020502503.tif 000008
【００４１】
ビームサイズ決定のこれらの例は、所望の範囲にわたる広がりを最小限にすることを目的とする。
【００４２】
説明されるシステムは、環境内の相対的移動又は変化を監視することに有用であり得る。例えば、自律乗物（地上、空中、水中、又は宇宙）の分野において、説明されるシステムは、乗物の視野から、例えば、前方の障害物又は目標などのあらゆる物体の距離を含む、交通状況の空間プロファイルを推定することができる。乗物が動くにつれて、乗物から見える空間プロファイルは、別の場所では変化する可能性があり、再推定することができる。別の例として、ドッキングの分野において、説明されるシステムは、コンテナ船の視点からドックの空間プロファイル、例えば、ドックの特定の部分へのコンテナ船の近さなど、を推定し、ドックの如何なる部分との衝突なしに成功する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、例えば、自由空間光学又はマイクロ波通信などの見通し内通信の分野において、説明されるシステムは、調整目的のために使用することができる。送受信機が動いたか又は動いている場合、光又はマイクロ波ビームを調整するために、送受信機を連続的に追跡することができる。さらに別の例として、適用可能な分野は、それらに限定されないが、工業計測及び自動操作、現場測量、軍事、安全性監視及び見張り、ロボット及びマシンビジョン、印刷、プロジェクタ、照明、攻撃及び／又はフラッディング及び／又は他のレーザの妨害、並びにＩＲビジョンシステムを含む。
【００４３】
図１Ａは、本開示の一実施形態による空間プロファイリングシステム１００Ａの配置を示す。システム１００Ａは、光源１０２、ビームディレクタ１０３、光検知器１０４及び処理ユニット１０５を含む。図１Ａの配置において、光源１０２からの光は、ビームディレクタ１０３により、空間プロファイルを有する環境１１０内へ一次元又は二次元における方向に差し向けられる。出射光が物体又は反射表面に当たる場合、出射光の少なくとも一部が、物体又は反射表面によって反射され（中実矢印で表される）、例えば、散乱され、ビームディレクタ１０３に戻り、光検知器１０４で受け取られる。処理ユニット１０５は動作可能に光源１０２に、その動作を制御するために結合される。処理ユニット１０５はさらに、動作可能に光検知器１０４に結合され、ビームディレクタ１０３へ戻る反射光の往復時間を決定することによって反射表面までの距離を決定する。
【００４４】
一変形物において、光源１０２、ビームディレクタ１０３、光検知器１０４及び処理ユニット１０５は実質的に並置される。例えば、自律乗物用途において、この並置は、これらの構成要素を乗り物の範囲内又は単一の筐体内にコンパクトにパッケージすることを可能にする。別の変形物において、図１Ｂに示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、光検知器１０４及び処理ユニット１０５は、中央ユニット１０１の内部に実質的に並置され、他方、ビームディレクタ１０３は中央ユニット１０１から遠隔に存在する。この変形物において、中央ユニット１０１は、１つ又はそれ以上の光ファイバ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る。この例は、熱、湿気、腐食又は物理的損傷などの外部障害にあまり影響されないため、より過酷な環境に置かれるように、受動構成要素（例えば、受動交差分散光学系）のみを含むことができる遠隔ビームディレクタ１０３を可能にする。さらに別の変形物において、図１Ｃに示されるように、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及び複数のビームディレクタ（例えば、１３０Ａ、１３０Ｂ及び１３０Ｃ）を含むことができる。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（例えば、１０６Ａ、１０６Ｂ及び１０６Ｃ）を介して、中央ユニット１０１に光学的に結合することができる。図１Ｃの例において、複数のビームディレクタは、異なる場所に配置する、及び／又は、異なる視野を有するように配向させることができる。特に別に断らない限り、以後の説明は、並置変形物に言及するが。当業者であれば、些細な修正により、以後の説明はまた他の変形物に適用できることを認識するであろう。
【００４５】
光波は、以下のように数学的に表すことができる振動電場Ｅを含む。
【００４６】
【数７】
2020502503.tif 000009
【００４７】
ここで、Ｉ（ｔ）は光の強度を表し、φ（ｔ）＝（２πｃ／λｋ）ｔ＋２πｆｄ（ｔ）ｔは電場の位相を表し、λｋはｋ番目の波長チャネルの中心波長を表し、ｆｄ（ｔ）はｋ番目の波長チャネルの中心光周波数からの光周波数偏位を表し、ｃ＝２９９７９２４５８ｍ／ｓは光の速度である。光源１０２は、少なくとも１つの時間変化特性、例えば、時間変化強度プロファイルＩ（ｔ）及び／又は時間変化周波数偏位ｆｄ（ｔ）などを有する光を供給するように構成される。この少なくとも１つの時間変化特性は、出射光にタイムスタンプ情報を付与し、これが、戻り又は検知において、処理ユニット１０５が往復時間及びそれ故に距離を決定することを可能にする。
【００４８】
一配置において、光源１０２は、複数の波長チャネル（各々、それぞれの中心波長λ１、λ２、．．．λＮによって表される）の内の選択された１つにおいて、時間変化強度プロファイルＩ（ｔ）を有する出射光を供給するように構成される。図２Ａは、光源１０２の１つのそのような配置の一例を示す。この例において、光源１０２は、波長可変光源、例えば、波長可変レーザダイオードなどを含むことができ、レーザダイオードに印加される１つ又はそれ以上電流（例えば、レーザキャビティ内の１つ又はそれ以上の波長調節素子内への注入電流）に基づいて、可変波長の光を供給する。別の例において、光源１０２は選択された波長において、実質的に連続波（ＣＷ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ）の光強度を供給するために、広帯域光源及び可変スペクトルフィルタを含むことができる。
【００４９】
図２Ａの例において、光源１０２は、出射光に時間変化強度プロファイルを付与するための変調器２０４を含むことができる。一例において、変調器２０４は半導体光増幅器（ＳＯＡ：ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）又はレーザダイオード上に統合されたマッハツェンダー（Ｍａｃｈ  Ｚｅｈｎｄｅｒ）変調器である。ＳＯＡに印加される電流は、時間にわたってレーザにより生成されるＣＷ光の増幅を時間にわたって変化させることができ、このことが次に出射光に時間変化強度プロファイルを与える。別の例において、変調器２０４はレーザダイオードに対する外部変調器（例えば、マッハツェンダー又変調器は外部ＳＯＡ変調器など）である。さらに別の例において、光源１０２は、出射光に時間変化強度プロファイルを付与するために、統合型又は外部変調器を含む代わりに、励起電流が制御可能に注入される利得媒体を有するレーザを含む。
【００５０】
図２Ｂに示される別の配置において、光源２０６は、波長可変レーザ２０２を有する代わりに、広帯域レーザ２０８及びそれに続く波長可変フィルタ２１０を含む。さらに別の配置（図示せず）において、光源２０６は、各々がそれぞれの範囲にわたって波長可変であり、それらのそれぞれの出力が単一出力を形成するように結合される、複数のレーザダイオードを含む。それぞれの出力は、光学スプリッタ又はＡＷＧなどの、波長コンバイナを用いて結合することができる。
【００５１】
別の配置において、光源１０２は、複数の波長チャネル（λ１、λ２、．．．λＮ）の内の選択された１つにおいて、時間変化周波数偏位ｆｄ（ｔ）を有する出射光を供給するように構成される。図２Ｃは、光源１０２の一つのそのような配置の一例を示す。光照射野の瞬間的光周波数ｆ及び瞬間的波長λは、光照射野の波動振動率の等価な物理的特性を表し、波動方程式ｃ＝ｆλによって関連付けられる。光の速度ｃは一定であるので、それ故に、ｆ又はλのいずれかの変化が必然的に他方の量を変化させる。同様に、図２Ｄに示される一例におけるように、λｋ又はｆｄのいずれかの変化は、それにより、他方の量を変化させるように記述することができる。具体的には、ｆｄ（ｔ）及びλｋは次のように関連付けられる。
λ＝ｃ／（ｃ／λｋ＋ｆｄ）及び
ｆ＝ｃ／λｋ＋ｆｄ
【００５２】
実際には、光源１０２のｆｄ（ｔ）及びλｋの変化は、単一の制御、例えば、レーザダイオードへの注入電流により、例えば光源１０２の波長を調整することによってもたらすことができる。しかし、明瞭にするために、以後の説明は、周波数偏位ｆｄ（ｔ）を、単一波長チャネル内の光周波数のその中心光周波数からの偏位に関連させ、他方、λｋの変化は、１つの波長チャネルから別の波長チャネルへ、光源１０２を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な波長変化は時間変化周波数偏位ｆｄ（ｔ）をもたらすと説明され、他方、光源１０２のより大きい段階的波長変化は、光源１０２に、波長チャネルλｋからλｋ＋１へのジャンプをもたらすと説明される。
【００５３】
別の配置において、光源１０２は、時間変化強度プロファイルＩ（ｔ）及び時間変化周波数偏位ｆｄ（ｔ）の両方を有する出射光を供給するように構成することができる。図２Ａ及び図２Ｂに示される例は両方共に、光源１０２のそのような配置での使用に適している。（ａ）時間変化強度プロファイルＩ（ｔ）及び（ｂ）時間変化周波数偏位ｆｄ（ｔ）に関する上記の説明は、光源１０２のそのような配置に当てはまる。
【００５４】
光源１０２は、複数の波長チャネルの内の選択された１つ又はそれ以上における光を供給するように構成される。一配置において、光源１０２は、例えば、波長可変レーザのように、一度に単一の選択された波長チャネルを供給する。この配置において、説明されるシステム１００は、一度に１つの選択された波長チャネルに基づいて、光を特定の方向にステアリングすることができる。別の配置において、光源１０２は、例えば、その可変通過帯域が単一又は複数の選択された波長チャネルを含む可変フィルタを後ろに伴う広帯域光源のように、単一又は複数の選択された波長チャネルを供給する。１つの選択された波長チャネルが一度に使用される場合、光検知器１０４は、複数の波長チャネルの範囲内の任意の波長を検知するアバランシェ光ダイオード（ＡＰＤ：ａｖａｌａｎｃｈｅ  ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）を含むことができる。複数の選択された波長チャネルが一度に使用される場合、光検知器１０４は、例えば、各々が特定の波長チャネル専用の複数のＡＰＤを使用する、或いは、各々のチャネルがそれらの時間変化特性に基づいて（例えば、それぞれ、１５５０．０１、１５５０．０２及び１５５０．０３ｎｍ．．．チャネルに対応する２１ＭＨｚ、２２ＭＨｚ及び２３ＭＨｚ．．．の変調周波数などの異なる正弦変調に基づいて）区別して検知される、複数の波長チャネルのための単一のＡＰＤを使用する、波長敏感検知器システムを含むことができる。以後の説明は、一度に単一の選択された波長チャネルを供給することによる光差し向けに関するが、当業者であれば、些細な修正により、この説明は、一度に複数の選択された波長チャネルを供給することによる光差し向けにも当てはまることを認識するであろう。
【００５５】
光源１０２、例えば、波長可変レーザ２０２（例えば、その波長）及び変調器２０４（例えば、変調波形）の両方の動作は、処理ユニット１０５によって制御することができる。
【００５６】
図３は、図１Ａに開示されたシステムの一例３００を示す。この例において、システム３００は、光源１０２からの出射光３０１をビームディレクタ１０３へ輸送し、ビームディレクタ１０３からの反射光３０３を光検知器１０４に輸送するように構成された光輸送アセンブリ３０２を含む。
【００５７】
光輸送アセンブリ３０２は、光ファイバ、又は２Ｄ若しくは３Ｄ導波路の形態の光回路（例えば、フォトニック集積回路）のような光導波路を含む。以下でさらに説明するように、光源１０２からの出射光は、環境内に差し向けるためのビームディレクタ１０３に供給される。幾つかの実施形態において、ビームディレクタ１０３によって集められたいずれかの反射光は、付加的に光検知器１０４に差し向けることができる。一配置において、光混合検知のために、光源１０２からの光はまた、光処理のために、光源１０２から光検知器１０４への直接光路（図示せず）を介して、光検知器１０４に供給される。例えば、光源１０２からの光は、最初にサンプラ（例えば、９０／１０誘導光カップラ）に入り、そこで光の大部分（例えば、９０％）がビームディレクタ１０３に供給され、光の残りのサンプル部分（例えば、１０％）は直接光路を介して光検知器１０４に供給される。別の例において、光源１０２からの光は、最初に光学スイッチの入口ポートに入り、２つの出口ポートの内の１つから出ることができるが、ここで１つの出口ポートは光をビームディレクタ１０３に差し向け、他の出口ポートは、光を、処理ユニット１０５によって決められた時間に、光検知器１０４に差し向け直す。
【００５８】
光輸送アセンブリ３０２は、第１のポートから受け取った出射光を第２のポートに結合し、及び第２のポートから受け取った光を第３のポートに結合するための３ポート素子３０５を含む。この３ポート素子３０５は、光サーキュレータ又は２×２カップラ（ここで第４のポートは使用されない）を含むことができる。
【００５９】
一配置において、光輸送アセンブリ３０２は、第１及び第２の選択された波長チャネルにおける出射光３０１を伝えるための、光源１０２とビームディレクタ１０３との間のアウトバウンド誘導光路と、第１及び第２の選択された波長チャネルにおける反射光３０３を伝える（同時にまたは異なる時間に）ための、ビームディレクタ１０３と光検知器１０４との間のインバウンド誘導光路３０３とを含む。誘導光路は、各々、光ファイバ経路及び光回路経路の内の１つとすることができる。
【００６０】
この配置において、ビームディレクタ１０３は、波動誘導形状における出射光３０１を、ビームサイズを含むビーム形状を有する自由空間形状における拡大ビーム３０６に拡大するための、例えばピッグテール型コリメータなどの、ビーム拡大光学系３０４を含む。実線及び破線は、異なる選択された波長チャネル内の拡大ビームを表し、説明のためにわずかにずれるように描かれている。実際には、それらは、空間内で実質的に又は完全に重なっても重ならなくてもよい。その後の、実線及び波線を描く図面は同様に表される。ビームディレクタ１０３はさらに、光の波長に基づいて光の角度分散をもたらす角度分散素子３０８を含む。角度分散素子３０８は、拡大ビーム３０６を、波長に応じて、第１の次元に沿った少なくとも第１の方向３１０Ａ及び第２の方向３１０Ｂに差し向けるように構成される。角度分散素子３０８は、簡単のために、三角形素子の形状で概略的に示されているが、その実際の形は異なってもよく、複数の素子を含むことができる。角度分散素子３０８の例は、１つ又はそれ以上の回折格子を含み、その幾つかの例は、図４Ａ〜４Ｊに示され、それらの図に関連してさらに説明される。第１の方向３１０Ａは、第１の選択された波長チャネルλＡにおける出射光に対応する。第２の方向３１０Ｂは、第２の選択された波長チャネルλＢにおける出射光に対応する。
【００６１】
この配置において、ビームディレクタ１０３は、この配置においては角度分散素子３０８の出光面上に両方向矢印として示される、開口３０９を含む。開口３０９は、この配置においては角度分散素子３０８の出光面上にあるように示され説明されるが、ビームディレクタ１０３の開口は、光路に沿った任意の点、及び、それを通してビームディレクタ１０３が複数の方向のうちの１つ又はそれ以上に光を差し向ける任意の界面又は平面の上に、存在することができる。ビームディレクタ１０３は、出射光３０１を、開口３０９を通して環境内に空間的に差し向け、環境によって反射される出射光３０１の少なくとも一部である反射光３０１を受け取るように構成される。出射光３０１は、各々がそれぞれの波長チャネルに関連付けられ、開口３０９内で空間的に重なる、２つの方向３１０Ａ及び３１０Ｂに差し向けられる。具体的には、λＡにおける出射光３０１は、開口３０９の第１の部分（実線でマーク付けされる）を通して第１の方向３１０Ａに差し向けられ、他方、出射光３０１λＢは、開口３０９の第２の部分（破線でマーク付けされた）を通して第２の方向３１０Ｂに差し向けられる。それぞれ、方向３１０Ａ及び３１０Ｂに差し向けられるビームの間の空間的重なりは、拡大ビーム３０６が開口３０９のサイズの使用を実質的に最大にすることを可能にする。この使用可能性は、２つの別々の光源が、それらそれぞれの光ビームを異なる方向に差し向けるように傾けられ、そのため各々の差し向けられた光ビームが開口サイズの凡そ半分又はそれ以下を使用する場合の構成と対比させることができる。この対比は、より多くの別々の光源（例えば、１０個）が、それらそれぞれの光ビームを異なる方向に差し向けるように傾けられ、そのために各々の差し向けられた光ビームが開口サイズの一部分（例えば、１／１０）のみを使用する場合の構成においてはさらに大きくなる。比較すると、本開示により、光ビームを異なる方向に差し向けるためのビームディレクタの開口サイズの使用を実質的に最大にすることによって、ビーム広がりは望ましく最小にされる。
【００６２】
幾つかの配置において、同様の重なり又は同様の実質的な重なりが、これらの又は異なる方向から受け取られた反射光３０３に対して存在する。即ち、λＡにおける反射光３０３は、第１の方向３１０Ａに関連付けられる第３の方向から開口３０９の第３の部分を通して受け取られ、他方、λＢにおける反射光３０３は、第２の方向３１０Ｂに関連付けられる第４の方向から、第３の部分と空間的に重なる、開口３０９の第４の部分を通して受け取られる。一例において（図５に示されるような）、出射光と反射光は、開口３０９の空間内で重ならないか又は実質的に重ならない。代替的な例において（図６に示されるような）、出射光と反射光はまた、開口３０９の第１の部分、第２の部分、第３の部分及び第４の部分が、空間内で重なるか又は実質的に重なるように、開口３０９の空間内で重なるか又は実質的に重なる。
【００６３】
一配置において、それぞれ、方向３１０Ａ及び３１０Ｂに差し向けられるビームの間の空間的重なりは、面積で９０〜１００％の間のどこかにある。別の配置において、空間的重なりは、面積で８０〜９０％の間のどこかにある。さらに別の配置において、空間的重なりは、面積で７０〜８０％の間のどこかにある。さらに別の配置において、空間的重なりは、面積で６０〜７０％の間のどこかにある。さらに別の配置において、空間的重なりは、面積で５０〜６０％の間のどこかにある。当業者であれば、空間的重なりはまた０〜５０％の間とすることができることを認識するであろう。空間的重なりのレベルは、方向がより小さい角度差を有する隣接する波長チャネル又はビームに対してより高くなり、方向がより大きい角度差を有する遠く離れた波長チャネル又はビームに対してより低くなる傾向があり得る。
【００６４】
空間的重なりは、多数の計量の内の１つに基づいて定量化することができる。一配置において、定量化は、最大光強度のある特定の部分において重なるビームの幅計量に基づく。例えば、幅計量は、半値全幅（ＦＷＨＭ：ｆｕｌｌ−ｗｉｄｔｈ  ａｔ  ｈａｌｆ  ｍａｘｉｍｕｍ）強度又は最大強度の１／ｅ２における全幅とすることができる。代替的に、定量化は、重なるビームの出力計量に基づく。例えば、出力計量は、結合された光出力の、ビームの重なり領域内に含まれる、部分とすることができる。空間的重なりを定量化するための特定の計量の選択は、ビームプロファイルに依存する。例えば、単一の強度ピークを有するガウスビームの重なりは、ＦＷＨＭ計量を用いてより適切に定量化することができる。別の例において、複数の強度ピークを有する、より高次のビームの重なりは、部分的な光出力計量を用いて、より適切に定量化することができる。
【００６５】
一配置において、方向３１０Ａ及び３１０Ｂは、光源１０２の連続する波長チャネルに関連付けることができる（即ち、開示されるシステムの最小波長変化は、波長チャネルをステップスルーすることによって出射光３０１を差し向けるように構成される）。別の配置、例えば、以下で説明される光インターリーバの使用を含む配置において、方向３１０Ａ及び３１０Ｂは、光源１０２の連続しない波長チャネルに関連付けることができる
【００６６】
幾つかの配置において、出射光３０１は所定のビームプロファイルを有するように調節される。所定のビームプロファイルを有する伝播ビームの広がりは、空間回折光学系を用いて、計算することができ、従って、知ることができる。例えば、ガウスビーム（即ち、ビーム軸からの半径方向偏位に対してガウス強度分布を有するビーム）に関して、範囲ｚ（即ち、強度が軸値の１／ｅ２に低下する半径方向偏位）におけるビーム半径ｗは、次式によって与えられる。
【００６７】
【数８】
2020502503.tif 000010
【００６８】
ここで、ｗ０はビームウェストであり、ｚＲ＝πｗ０２／λはレイリー範囲である。別のビームプロファイルに対しては、範囲ｚにおけるビームプロファイルを決定するために空間回折光学系計算を用いることができる。同様に、逆伝播に関する計算を、光検知器１０４における、所与の所望のビームプロファイル或いは所望のビームプロファイルの所与の群又は範囲に対する出射ビームプロファイルを決定するために、用いることができる。幾つかの配置において、第１の選択された波長チャネルλＡにおける出射光３０１は、第２の選択された波長チャネルλＢにおける出射光３０１と実質的に同一のビーム形状を有するように、調節される。この調節は、複数の波長チャネルの範囲内の複数の波長を用いる使用のために最適化されたビーム整形器によって成し遂げることができる。例えば、種々の波長チャネルにおける出射ビームは、少なくとも４ｍｍのビームウェストサイズを有するように調節することができる。別の例において、種々の波長チャネルにおける出射ビームは、少なくとも１０ｍｍのビームウェストサイズを有するように調節することができる。
【００６９】
図４Ｃは、１つ又はそれ以上の多重回折格子４１２を含む角度分散素子３０８Ｃの一例を示す。この例は、３つの回折格子を用いる配置を示すが、当業者であれば、より多くの又はより少ない回折格子を用いることができることを認識するであろう。各々の付加的な回折格子は付加的な回折をもたらすことができ、それ故に、異なるように差し向けられるビームの角度分離をより大きくすることができる。別々の回折格子の使用はまた、角度分散素子３０８Ｃの設計における多数の自由度を可能にし得る（例えば、斜入射ではなく直角入射に向けて角度を選択することにより、反射防止コーティング要件を緩和することにより）。しかし、各々の付加的回折格子はまた、減衰を増加させる可能性がある（例えば、格子の有限の回折効率により）。各々の回折格子は、出射ビームを、波長に応じて僅かに異なる角度（例えば、４１０Ａ及び４１０Ｂ）に差し向けることによって形成される少なくとも１つの回折次数（例えば、Ｎ＝１次）を生成するように、構成される。各々がそれぞれの波長チャネルに関連つけられる２つの方向４１０Ａ及び４１０Ｂに差し向けられた出射光は、格子４１２Ｃを通過した後、開口４０９Ｃ内で空間的に重なる。図３に示された角度分散素子３０８と同様に、回折格子４１２は、拡大ビーム４０６を、波長に応じて、第１の次元に沿った少なくとも第１の方向４１０Ａ及び第２の方向４１０Ｂに差し向けるように構成される。第１の方向４１０Ａは、第１の選択された波長チャネルλＡにおける出射光に対応する。第２の方向４１０Ｂは、第２（ｆｉｒｓｔ）の選択された波長チャネルλＢにおける出射光に対応する。図４Ｃは、１つの回折次数を生成する各々の回折格子を示す。各々の格子は、１つ又はそれ以上の他の回折次数（例えば、Ｎ＝０次及び／又はＮ＝−１次）を生成するか又は抑制することができる。示されるように、各々の格子の開口において、異なるように差し向けられるビームの間に実質的な重なりが存在する。この配置において、格子４１２Ａは拡大ビーム４０６を受け取り、そのビームを格子４１２Ｂの方へ差し向け、次に格子４１２Ｂがそのビームを格子４１２Ｃの方へ差し向ける。各々の回折格子において、ビームは次第に角度分散される。複数の回折格子の使用は、例えば、単一回折格子による配置と比べて角度分離を大きくする。さらに、複数の回折格子は、一方向性ビーム経路内で光ビームを回転させる（例えば、図４Ｃに示されるように、格子４１２Ａ、４１２Ｂ、そして次に４１２Ｃを通る時計回りに、又は反時計回りに）。一方向性ビーム経路は、光路の折り畳みを容易にし、角度分散素子３０８のサイズ及びそれ故に全システムの設置面積を減らすことを容易にする。
【００７０】
図４Ｄ、４Ｅ、４Ｆ及び４Ｇは、角度分散素子の他の例（３０８Ｄ、３０８Ｅ、３０８Ｆ及び３０８Ｇ）を示す。これらの例における角度分散素子の各々は、１つ又はそれ以上の多重回折格子４１２及び１つ又はそれ以上のビームコンペンセータ４１４を含む。角度分散素子３０８Ｄは、３つの回折格子４１２Ａ、４１２Ｂ及び４１２Ｃ並びに１つのビームコンペンセータ４１４を含む。角度分散素子３０８Ｅもまた、３つの回折格子４１２Ａ、４１２Ｂ及び４１２Ｃ並びに１つのビームコンペンセータ４１４を含む。角度分散素子３０８Ｆは、３つの回折格子４１２Ａ、４１２Ｂ及び４１２Ｃ並びに２つのビームコンペンセータ４１４Ａ及び４１４Ｂを含む。角度分散素子３０８Ｇは、２つの回折格子４１２Ａ及び４１２Ｂ並びに２つのビームコンペンセータ４１４Ａ及び４１４Ｂを含む。
【００７１】
回折格子（単数又は複数）４１２は、ビームコンペンセータ（単数又は複数）４１４から物理的に分離される。この物理的分離は、例えば、回折格子（単数又は複数）４１２がビームコンペンセータ（単数又は複数）４１４と密着する場合にはより厳しくなり得る異なる材料又はコーティングの要件を緩和することによって、より容易な熱膨張管理を可能にする。幾つかの配置において、ビームコンペンセータ（単数又は複数）４１４は、各々プリズムの形態とすることができる。ビームコンペンセータ（単数又は複数）４１４は、ビームプロファイル及び／又はビームサイズなどのビーム特性の波長依存性を補正するように構成される。幾つかの配置において、ビームコンペンセータ（単数又は複数）４１４は、さらに付加的な分散をもたらす。各々がそれぞれの波長チャネルに関連付けられる２つの方向４１０Ａ及び４１０Ｂに差し向けられた出射光は、それぞれの開口４０９Ｄ（ビームコンペンセータ４１４の出射面における）、４０９Ｅ（格子４１２Ｃを通過した後）、４０９Ｆ（格子４１２Ｃを通過した後）又は４０９Ｇ（格子４１２Ｂを通過した後）の中で空間的に重なる。
【００７２】
図４Ｄにおいて、ビームコンペンセータ４１４は、隣接する格子の間には置かれない。対照的に、図４Ｅ、４Ｆ及び４Ｇにおいては、ビームコンペンセータ４１４又はビームコンペンセータ４１４Ａ及び４１４Ｂは、隣接する回折格子の１つ又はそれ以上の対の間に置かれる。例えば、単一プリズム配置に関して、プリズムは、格子４１２Ａと格子４１２Ｂとの間に存在することができる（図４Ｅに示されるように）。２プリズム配置（図４Ｆに示されるような）に関しては、１つのプリズムは格子４１２Ａと格子４１２Ｂとの間、及び別のプリズムは４１２Ｂと４１２Ｃとの間に存在することができる。図４Ｄの配置と比べると、図４Ｅ〜４Ｇの配置は空間節約を容易にする。複数の格子及び／又は複数のビームコンペンセータの使用は、構成要素の光学的要件を緩和する。例えば、２つの（１つではなく）回折格子又はビームコンペンセータを使用することにより、回折格子又はビームコンペンセータ毎の必要な角度分散を減らすことができる。より多くの回折格子及び／又はビームコンペンセータの使用はまた、角度分散素子４０８の設計においてより多くの自由度を可能にする（例えば、斜入射ではなく直角入射に向けて角度を選択することによる、反射防止コーティング要件を緩和することにより）。
【００７３】
角度分散素子（例えば、３０８及び４０８）は出射光３０１及び反射光３０３の両方を受け取り及び差し向けるように構成される。図３及び４は、角度分散素子が双方向性であるように示すが、出射及び反射光路は、必ずしも重ならない。換言すれば、幾つかの配置において、出射光及び反射光は、開口（３０９及び４０９）において実質的に重なり、他方、他の配置においては、出射光及び反射光は、開口（３０９及び４０９）において重ならない。図５は、環境の空間プロファイルの推定を容易にするための部分的システム５００の一例を示す。部分的システム５００は、図３に示された角度分散素子３０８を含む。前述のように、角度分散素子３０８は、簡単のために三角形素子の形で概略的に示されるが、その実際の形は異なってもよく、図４Ｃ〜４Ｇに示される角度分散素子のような複数の素子を含んでもよい。この例においては、光輸送アセンブリ３０２は、アウトバウンド光ファイバ経路（例えば、単一モードファイバ３０２Ａ）及びインバウンド光ファイバ経路（例えば、多重モードファイバ３０２Ｂ）を含む。光源（図示せず）からのアウトバウンド光ファイバ経路内で輸送される光は、拡大光学系３０４Ａ（例えば、ピッグテール型コリメータ）によって拡大され、角度分散素子３０８によって受け取られる。次に、角度分散素子４０８が、拡大された光を、その波長に基づく方向における出射光内へ差し向ける。簡単のために、角度分散素子３０８内の光路は示されていない。さらに、１つの選択された波長チャネル（例えば、λＡ）における光路のみが示されている。広がったように概略的に示される反射光３０３は、角度分散素子３０８によって受け取られ、コリメート光学系３０４Ｂ（例えば、ピッグテール型コリメータ）を介して、インバウンド光ファイバ経路に戻るように差し向けられ、光検知器（図示せず）まで輸送される。ビーム広がりを考慮に入れて、インバウンド光ファイバ経路の開口数は、光収集を改善するために、アウトバウンド光ファイバ経路の開口数よりも大きくすることができる。図５には示されていないが、角度分散素子４０９の開口（図示せず）には、第１の次元にわたる異なる方向に差し向けられた異なる波長チャネルにおける出射ビーム３０１の間の空間的重なりが存在する。さらに、同様の空間的重なりが、第１の次元にわたる異なる方向に差し向けられた異なる波長チャネルにおける反射ビーム３０３の間に存在する。
【００７４】
一配置において、図６に示されるように、アウトバウンド光ファイバ経路３０２Ａ及びインバウンド光ファイバ経路３０２Ｂの部分を並置することができる。例えば、並置された光ファイバ経路は、ダブルクラッドファイバ６０２とすることができ、これは、コア、内側クラッディング層及び外側クラッディング層を含む。コア及び内側クラッディング層は一緒に、より小さい開口数を有する単一モードファイバのように振る舞い、他方、内側クラッディング層及び外側クラッディング層は一緒に、より大きい開口数を有する多重モードファイバのように振る舞う。この並置配置６００において、ダブルクラッドファイバ６０２は、３ポート素子３０５と図３に示される拡大光学系３０４との間で光を輸送するように構成される。光源１０２と３ポート素子３０５との間の光ファイバ経路は、依然として、出射光３０１を輸送するための単一モードファイバ３０２Ａの形をとり、他方、光検知器１０４と３ポート素子３０５との間の光ファイバ経路は、それでもなお、反射光３０３を輸送するための多重モードファイバ３０２Ｂの形をとる。図６に関する説明は、光ファイバ変形物に関するが、当業者であれば、些細な修正なしに、本説明は、光回路変形物などの他の光導波路変形物にも当てはめ得ることを認識するであろう。
【００７５】
上記の本開示は、第１の次元（例えば、垂直方向）にわたって光を差し向けることによって空間プロファイルの推定を容易にすることに関する。本開示はまた、第１の次元に実質的に垂直な第２の次元（例えば、水平方向）にわたって光を差し向けるように拡張することを構想する。一配置において、光をその波長に基づいて第１の次元に差し向ける、図３の例に示される角度分散素子３０８は、第１の次元に垂直な第２の次元にわたって光を制御可能に反射するための角度調節可能反射素子を含むことができる。角度調節は、光学測位システムによって制御することができる。一例において、光学測位システムは微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ）である。このＭＥＭＳは、光を反射するための個別に作動可能なミラーのアレイを含む。別の例において、光学測位システムは、ガルバノメータ走査システムである。幾つかの他の例と比べて、ガルバノメータ走査システムは比較的小型である。さらに別の例において、光学測位システムは、多角形走査システムである。この多角形走査システムは、三角形又は四角形プリズムなどの回転可能屈折素子、或いは、ミラーなどの回転可能反射素子を含み、これらは、その軸の周りの回転により、その回転速度に基づく走査速度で第２の次元にわたって光を差し向けるように構成される。一形態において、空間プロファイルの推定を容易にするためのシステムは、１つの次元に関する波長チャネルを制御し、他方の次元に関する角度調節可能反射素子の角度を調節することによって、光を二次元内に差し向けるように構成することができる。処理ユニット１０５は、波長制御のために光源１０２と、角度制御のために角度調節可能反射素子との両方に、動作可能に結合することができる。
【００７６】
別の配置において、図４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、４Ｆ及び４Ｇのいずれかの中の、いずれか１つ又はそれ以上の回折格子４１２Ａ、４１２Ｂ及び４１２Ｃ（以後４１２ｘ）を、第１の次元に垂直な第２の次元に出射光を差し向けるように、傾斜軸の周りに制御可能に傾斜させることができる。傾斜軸は、光伝播の方向に実質的に平行にすることができる。複数の回折格子の内の１つのみが制御可能に傾斜される場合、制御可能に傾斜される回折格子は、光が環境１１０に差し向けられる前に最後に通過する回折格子とすることができる。例えば、図４Ｃにおいて、回折格子４１２Ｃを傾斜軸４１４の周りに傾斜させることができる。図４Ｄの別の例において、回折格子４１２Ｃを傾斜軸４１４の周りに傾斜させることができる。図４Ｅのさらに別の例において、回折格子４１２Ｃを傾斜軸４１４の周りに傾斜させることができる。図４Ｆのさらに別の例において、回折格子４１２Ｃを傾斜軸４１４の周りに傾斜させることができる。図４Ｇのさらに別の例において、回折格子４１２Ｂを傾斜軸４１４の周りに傾斜させることができる。当業者であれば、傾斜軸４１４は、必ずしも回折格子４１２ｘの中心を通る必要はないことを認識するであろう。例えば、傾斜軸４１４は、回折格子４１２ｘの中心からずらすことができる。さらに、傾斜軸４１４は、必ずしも回折格子４１２ｘを通過する必要はない。
【００７７】
図４Ｈに示されるように、回折格子４１２ｘは、傾斜軸４１４の周りに、入射ビームの方向に平行に、及び／又は回折格子４１２ｘの線によって定められる平面に垂直に、調節可能に傾斜可能である。回折格子４１２ｘの傾斜可能角度４１６の調節は、第２の次元に沿った出射ビームの方向４１８に対応する変化を引き起こす。感受性（例えば、回折格子４１２ｘの傾斜可能角度４１６と出力ビームの方向４１８の範囲との間の比較に基づく）は、格子傾斜の１度毎に、第２の次元にわたる出力ビーム方向の凡そ０．５〜２度の間の範囲とすることができる。一例において、８０度にわたるビーム方向を、単一の回折格子を４０度だけ傾斜させることによって達成することができる（即ち、２．０度の感受性）。別の例において、１２０度にわたるビーム方向を、単一の回折格子を１８０度だけ傾斜させることによって達成することができる（即ち、０．６７度の感受性）。
【００７８】
格子傾斜角の変化は主として第２の次元におけるビーム方向に生じるが、それはまた、第１の次元（即ち、波長依存の次元）にわたる、通常は比較的小さいビーム方向の変化に現れ得る。この出現は、一配置において、第１の次元に沿ったビーム方向の範囲を有利に拡張し得る。例えば、図４Ｉ及び４Ｊに示されるように、回折格子４１２ｘの傾斜可能角度の１４０度にわたる調節は、出力ビームを、第２の次元に沿って１２０度にわたって差し向けることをもたらす（図４Ｉ）が、第１の次元にわたる３０度の全ビーム方向の内の、第１の次元に沿った５度にわたって（図４Ｊ）差し向けることをもたらす。
【００７９】
一配置において、ビームディレクタ１０３は、傾斜可能回折格子４１２ｘを通る非回折光強度に基づいて、傾斜可能角度４１６を推定するように構成される。傾斜可能回折格子４１２ｘを傾斜軸４１４の周りの傾斜可能角度４１６に傾斜させることは、非ゼロ次の回折次数（単数又は複数）４３０の方向への光回折の効率に影響を及ぼす。この効率の変化は、回折格子４１２ｘのゼロ次４４０を通る光強度の変化に現れる。図４Ａに示されるように、光検知器４５０を、回折格子４１２ｘの方向へ及びそれを超えて差し向けられる光４２０の光路内に置くことができる。光検知器４５０は、傾斜可能回折格子４１２ｘを、そのゼロ次４４０に沿って通過する光の強度を計測し、それに基づいて傾斜可能角度４１６を推測することができる。図４Ｂは、傾斜可能回折格子４１２ｘの傾斜可能角度４１６に対するゼロ次光強度の計測の関係の一例を示す。ゼロ次光強度は、傾斜可能回折格子４１２ｘが軸４１４の周りに回転するにつれて、一般に、正弦曲線様に、周期的に変化する。例えば、連続する極小は、ゼロ次に沿って計測される最低の光強度を表す。これらの極小は、傾斜可能回折格子４１２ｘの１８０度の回転によって分離される。図４Ｂを較正として用いると、傾斜可能角度４１６をゼロ次光強度の計測値に基づいて推定することができる。
【００８０】
図７は、二次元にわたって光を差し向けることにより、空間プロファイルの推定を容易にするためのシステムの部分的に別の配置７００を示す。システム７００はビームディレクタ１０３を含み、これが、それぞれ図３及び４に示される角度分散素子３０８又は４０８を含み、この角度分散素子が、光を、その波長に基づく第１の次元（例えば、垂直方向）に差し向ける。システム７００において、角度分散素子３０８又は４０８は、回転可能支持台７０２の上に取り付けられるか又は別に支持される。回転可能支持台７０２は、第１の次元に実質的に垂直な第２の次元（例えば、水平方向）にわたり回転可能である。システム７００は、光輸送アセンブリ３０２と光検知器１０４との間を機械的に及び／又は光学的に結合するためのスリップリング７０４を含むことができる。一形態において、空間プロファイルの推定を容易にするためのシステムは、１つの次元に関する波長チャネルを制御し、他方の次元に関して回転可能支持台７０２の角度又は回転を調節することによって、光を２次元に差し向けるように構成することができる。処理ユニット１０５は、波長制御のために光源１０２、及び、角度又は回転制御のために回転可能支持台７０２、の両方に動作可能に結合することができる。代替的配置において（図示せず）、ビームディレクタ１０３は、回転可能支持台の回転軸の周りに回転するのではなく、内部軸の周りに回転することができる。例えば、ビームディレクタ１０３は、ピッグテール型コリメータなどのビーム拡大光学系３０４の周りに、図３の拡大ビーム３０６又は図４Ａ〜４Ｇの拡大ビーム４０６の方向に整列された回転軸に沿って回転することができる。
【００８１】
別の配置において、二次元にわたって光を差し向けることにより、空間プロファイルの推定を容易にするためのシステムは、第２の次元にわたる光方向をもたらすために、光軸（例えば、拡大光学系の）から空間的にずらされた出力ポート（インターリーブポート）を有する光インターリーバを含む。図８は、入力（複合）ポートとＮ個の出力ポート（インターリーブポート）の内の１つとの間で光を移すための光インターリーバ８００の形のスペクトルコムフィルタを示し、ここで、Ｎ＝２ｘであり、ｘは正の整数である。図８においては、Ｎは８である。他の配置においては、Ｎは２又は１６とすることができる。光インターリーバ８００は、各々が、光路差８０６を有する２つの干渉計経路によって分離されたセグメントのそれぞれの端部にスプリッタ８０４を含む、複数の干渉計セグメント（例えば、８０２）を含む。分枝内の各々のセグメント８０２は、次に分枝内で２つのセグメントに分けられる。光路差は、１つの分枝から次の分枝へ２倍になる（例えば、ΔＬ、２ΔＬ、４ΔＬ．．．など）。複合ポート８０６は、複数の波長チャネルの内のＮ番目毎の連続する波長チャネル（例えば、λ１、λＮ＋１、λ２Ｎ＋１．．．）のいずれか１つにおいて、光を受け取るか又は供給するように構成される。Ｎ個のインターリーブポート８０８は、波長チャネルのＮ個の群の内の１つにおける対応する光を、それぞれ供給するか又はそれぞれ受け取るように構成される。図９は、光インターリーバ８００、Ｎ個のビームディレクタ１０３、及び拡大光学系９０２を含むシステム９００を示す。ビームディレクタ１０３は、拡大光学系９０２の光軸から第２の方向にわたって空間的にずらされるそれぞれのインターリーブポートから光を受け取る。ビームディレクタ１０３は、各々、第１の次元（例えば、ページの内外）にわたって光を差し向け、他方、拡大光学系９０２は、ビームディレクタ１０３から差し向けられた光を、さらに第２の次元（例えば、ページの上下）にわたり差し向けるように傾斜させられる。当業者であれば、光インターリーバを使用することの代わりに又はそれに加えて、スペクトルコムフィルタの他の形、例えば、ファブリペロー（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｒｏｔ）共振器又はマッハツェンダー干渉計を使用することができることを認識するであろう。
【００８２】
別の配置において、光インターリーバ８００を使用する代わりに、微小電気機械システム即ちＭＥＭＳなどの反射素子の１つ又はアレイを用いて、第２の次元にわたる光方向をもたらすことができる。反射素子の１つ又はアレイは、コリメート及び拡大のための拡大光学系９０２に向けて光を差し向けるように構成することができる。この配置は、第２の次元において、光インターリーバ８００の場合におけるような不連続角度ではなく、連続角度にわたる調節を容易にする。
【００８３】
本開示のその配置が説明されたので、当業者には、説明された配置の内の少なくとも１つは、以下の利点を有することが明白となるはずである。
・  ビームディレクタの開口サイズの使用が、光が差し向けられる範囲又は角度の数に関わらず、最大化される。
・  一次元ビームディレクタには、第２の方向におけるビーム方向をもたらすために、様々な機械又は光学システムを加えることができる。
【００８４】
本明細書において開示され、定義された本発明は、本文又は図面から言及された又は明白な２つ又はそれ以上の個々の特徴の全ての代替的組み合わせに拡張されることを理解されたい。これらの異なる組み合わせの全ては、本発明の種々の代替的態様を構成する。
【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】
2020502503.tif 000017
【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
2020502503.tif 000021
【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図４Ｇ】
2020502503.tif 000025
【図４Ｈ】
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【図４Ｉ】
2020502503.tif 000027
【図４Ｊ】
2020502503.tif 000028
【図５】
2020502503.tif 000029
【図６】
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【図７】
2020502503.tif 000031
【図８】
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【図９】
2020502503.tif 000033
【国際調査報告】
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