JP2021518560A - マルチスペクトルＬｉＤＡＲトランシーバ - Google Patents

Abstract

本発明は、レーザ検出測距（ＬｉＤＡＲ）のための走査デバイスを提供する。上記走査デバイスは、光学的自由空間内に配置されている。上記走査デバイスは、（ｉ）直線偏光を有するパルス状の広帯域のレーザビームを受光する光入力部と、（ｉｉ）上記偏光を円偏光へと変化させつつ、走査光路（Ｘ１）に沿って上記レーザビームを送出する分離ユニット（１０３）と、（ｉｉｉ）波長選択ユニット（１０４）と、（ｉｖ）走査ユニット（１０５）と、（ｖ）広帯域検出器（１８）と、を備える。分離ユニット（１０３）は、直交する円偏光をレーザビームの直線偏光に対して直交する直線偏光へと変化させつつ、反射光（４）を広帯域検出器（１８）に向けて偏向させる。広帯域検出器（１８）は、偏向させられた反射光を受光し、当該反射光の飛行時間および光パワーを検出する。

Description

発明の詳細な説明

［技術分野］
本発明は、マルチスペクトルのレーザ検出測距（laser detection and ranging，ＬｉＤＡＲ）のための方法およびシステムに関する。

［背景技術］
典型的なＬｉＤＡＲシステムにおいて、送出される信号は、スペクトル的に固定された狭帯域（ナローバンド）の光源である。例えば、太陽からのバックグラウンド光の影響を低減するために、受信器（レシーバ）の経路内に狭帯域フィルタが配置されうる。マルチスペクトルＬｉＤＡＲの場合、バックグラウンド光からの干渉を軽減することは特に困難である。その理由は、送信器（トランスミッタ）は、広いスペクトル幅を有しているか、または、異なる波長に迅速に同調しているためである。第１のケースでは、かなりの量の電力がチューナブル受信器（波長可変受信器）によってブロック（遮断）されるため、当該かなりの量の電力がＬｉＤＡＲ機能に寄与しない。このことは、特定のアプリケーション（用途）において眼の安全性の懸念（問題）を引き起こしうる。第２のケースでは、チューナブル受信器を、送信器の光源に正確に同期させる必要がある。実際には、これを実現することは容易ではない。

［本発明の開示］
本発明の目的は、簡略化されたマルチスペクトルＬｉＤＡＲトランシーバを提供することである。当該マルチスペクトルＬｉＤＡＲトランシーバは、例えば、自律ビークル（自律的な移動体）の周囲を色についてリアルタイムに走査する場合に、バックグラウンド除去を大幅に改善し、クロストークを低減し、かつ、従来技術に比べて眼の安全性を向上させる。

レーザ検出測距（ＬｉＤＡＲ）のための走査デバイスが提案されている。上記走査デバイスは、光学的自由空間内に配置されている。上記走査デバイスは、
・光入力部（optical input）と、
・分離ユニットと、
・波長選択ユニットと、
・走査ユニットと、
・広帯域検出器（ブロードバンド検出器）と、
を備えており、
上記光入力部は、パルス状の広帯域のレーザビーム（pulsed broadband laser beam）を受光し、
上記レーザビームは、直線偏光を有しており、
上記分離ユニットは、上記偏光を円偏光へと変化させつつ、走査光路に沿って上記レーザビームを送出し、
上記波長選択ユニットは、
上記分離ユニットから到来した上記レーザビームを受光し、
複数の選択可能な波長の内から選択可能な現時点の波長（現在の波長，現波長）（current wavelength）を有するフィルタリング後レーザビームを得るために、上記レーザビームをフィルタリングし、
上記走査光路に沿ったフィルタリング後レーザビームを、上記走査ユニットに向けて偏向（deflect）させ、
上記走査ユニットは、
偏向させられた上記フィルタリング後レーザビームを、所定の立体角の内部において、複数の現時点のローカル方向（現在のローカル方向，現ローカル方向）（current local directions）に沿ってステアリングし、
上記フィルタリング後レーザビームの反射光（reflections）を受光し、
上記反射光は、上記レーザビームの上記円偏光に対して直交する円偏光を有しており、
上記走査ユニットは、
受光した上記反射光を、検出光路に沿って上記波長選択ユニットを通過させて上記分離ユニットに戻すように送出し、
上記検出光路と上記走査光路とは、上記波長選択ユニットと上記走査ユニットとを通る同一の光路を有しているが、互いに反対の光伝播方向を有しており、
上記分離ユニットは、上記直交する円偏光を、上記レーザビームの上記直線偏光に対して直交する直線偏光へと変化させつつ、上記反射光を上記広帯域検出器に向けて偏向（deviating）させ、
上記広帯域検出器は、
偏向させられた上記反射光を受光し、
上記反射光の飛行時間および光パワーを検出する。

フィルタリング後レーザビームの反射は、後方散乱または鏡面反射、あるいはそれらの組み合わせのいずれかを指すことが、当業者であれば理解できるであろう。

実施形態によれば、上述の走査デバイスは、以下の複数の構成のうちの１つ以上を含みうる。これらの構成は、互いに別々に、あるいは他の別の構成と組み合わせて、随意に実装（実施）されてよい。

実施形態において、上記広帯域検出器は、固有の検出器（unique detector）である。

この構成によれば、フィルタリング後レーザビームの反射光の全ての受光されたパワーの量は、チューナブル受信器によってブロックされることなく、ＬｉＤＡＲ機能に寄与しうる。さらに、スペクトルに対する要求なしに、広帯域検出器を広帯域光源に同期させることができる。これにより、従来技術と比較して上記走査デバイスの使用が容易となる。

実施形態において、上記分離ユニットは、
上記走査光路に沿って上記レーザビームを送出し、かつ、上記検出光路において上記反射光を偏向させる偏光ビームスプリッタと、
上記同一の光路上において、上記偏光ビームスプリッタと上記波長選択ユニットとの間に配置された光学コンポーネントと、を備えており、
上記光学コンポーネントは、
上記走査光路において、直線偏光を円偏光へと変換し、
上記検出光路において、直交する円偏光を直交する直線偏光へと変換する。

上記光学コンポーネントは、クオータ波長板（１／４波長板）である。上記偏光ビームスプリッタは、誘電体偏光ビームスプリッタキューブ（dielectric polarizing beamsplitter cube）である。

実施形態において、上記反射光は、送出された上記レーザビームに対して所定の角度で偏向させられる。好ましい実施形態では、上記所定の角度は、９０°である。

上記波長選択部を実装するために使用可能な種々のモノクロメータ（単色光分光器）が存在している。例えば、上記波長選択部は、プリズムを含みうる。好ましい実施形態では、上記波長選択ユニットは、
上記広帯域のレーザビームを回折するための格子と、
ミラーと、を備えており、
上記格子および上記ミラーの一方は、配向可能であり、
上記一方の配向は、回折ビームの選択された波長の１次の次数（1st order of a selected wavelength diffracted beam）を選択するために調整可能である。

実施形態において、選択された波長の回折ビームは、
（ｉ）３０ｎｍまでのＦＷＨＭを有しており、
（ｉｉ）好ましくは、２０ｎｍまでのＦＷＨＭを有しており、
（ｉｉｉ）好ましくは、範囲［１０ｎｍ〜２０ｎｍ］内に含まれるＦＷＨＭを有している。

実施形態において、上記複数の選択可能な波長は、
（ｉ）少なくとも１０ｎｍだけ互いに離間されており、
（ｉｉ）好ましくは、少なくとも１５ｎｍだけ互いに離間されており、
（ｉｉｉ）さらに好ましくは、少なくとも２０ｎｍだけ互いに離間されている。

実施形態において、上記複数の選択可能な波長は、９００ｎｍから１７００ｎｍまでの範囲内にある。

実施形態において、上記複数の選択可能な波長は、
（ｉ）少なくとも３つの波長を含んでおり、
（ｉｉ）好ましくは、少なくとも５つの波長を含んでおり、
（ｉｉｉ）さらに好ましくは、少なくとも１０個の波長を含んでいる。

これらの構成によれば、それぞれ、（ｉ）興味深いスペクトル応答を得ることが可能となり、（ｉｉ）より正確なスペクトル応答を得ることが可能となり、（ｉｉｉ）好ましくは、より完全なスペクトル応答を得ることが可能となる。

実施形態では、上記走査デバイスは、上記パルス状の広帯域のレーザビームを、上記光入力部を介して上記分離ユニットへと送出する広帯域レーザ光源（広帯域レーザ源）（broadband laser source）をさらに備えている。

実施形態において、上記所定の立体角は、
（ｉ）範囲［４５°〜３６０°］内の水平角度寸法と、範囲［１０°〜１８０°］内の垂直角度寸法と、を有しており、
（ｉｉ）好ましくは、範囲［９０°〜１８０°］内の水平角度寸法と、範囲［２０°〜９０°］内の垂直角度寸法と、を有しており、
（ｉｉｉ）より好ましくは、約１２０°の水平角度寸法と、約３０°の垂直角度寸法と、を有している。

実施形態では、上記走査デバイスは、
・メモリと、
・上記走査デバイスのための処理手段と、
・制御手段と、
をさらに備えており、
上記メモリは、上記複数の選択可能な波長に対応する波長値のセットを格納（記憶）し、
上記処理手段は、上記波長値のセットに含まれる現時点の波長値（wavelength current value）を、好ましくは３Ｈｚよりも高い波長レートにおいて逐次的に（successively）選択し、
上記制御手段は、上記波長選択ユニットを上記現時点の波長値に同調させるように、当該波長選択ユニットを制御する。

上記走査デバイスは、例えば、各繰り返し走査の全体において波長を変化させることによって、上記所定の立体角の全体を繰り返し走査してもよい。

この構成によれば、走査デバイスは、１秒当たり１つの着色画像を超えるレートにおいて、少なくとも３つの色について周囲の画像を検出することができる。好ましい実施形態では、走査デバイスは、１秒当たり少なくとも３つの画像を検出する。さらに好ましくは、走査デバイスは、１秒当たり少なくとも４つの画像を検出する。

「画像」という文言によって、立体角円錐と交差する周囲の画像が、当業者によって理解されるであろう。

実施形態では、上記走査デバイスは、
・駆動手段と、
・メモリと、
をさらに備えており、
上記駆動手段は、偏向させられた上記フィルタリング後レーザビームを、上記所定の立体角の内部において上記複数の現時点のローカル方向に沿ってステアリングするために上記走査ユニットを制御し、
上記走査デバイスは、上記現時点の波長値および上記現時点のローカル方向の座標に関連付けて、光パワーおよび飛行時間を上記メモリに記録する。

実施形態では、上記走査ユニットは、
上記立体角の上記垂直角度寸法の全体を垂直走査し、
上記立体角の上記水平角度寸法の全体を水平走査し、
上記垂直走査は、ある垂直走査周波数において繰り返し実行され、
上記水平走査は、ある水平走査周波数において繰り返し実行される。

一例として、最初に垂直走査周波数が設定されてよい。例えば、垂直走査周波数は、３０Ｈｚに等しい。このことは、０．０３３ｓ（秒）で１回の垂直走査が実行されることを意味する。

その後、基本垂直線（基本垂直ライン）（elementary vertical lines）の所定の数が設定されてよい。換言すれば、立体角の垂直角度寸法を基準垂直角度ステップ（基準垂直角度の刻み幅）へと分割する分割数が設定されてよい。一例として、上記所定の数は、１００に等しい。

この場合、各基本線は、上記垂直走査周波数の逆数を上記所定の数によって除算した値に等しい持続時間（duration）を要する（take）べきである。上述の例（３０Ｈｚ，１００）では、持続時間は、０．３３ｍｓに等しい。

従って、立体角の水平角度寸法の全体（すなわち基本線）に対する水平走査は、同じ持続時間（上記の例では０．３３ｍｓ）によって実行されるべきである。

それゆえ、水平走査周波数は、上記持続時間の逆数と等しくなるよう設定されるべきである。上記の例では、水平走査周波数は、３ｋｈｚに等しい値として設定されるべきである。

さらに、各基本垂直線に沿った測定点の所定の数が設定されてもよい。この場合、レーザ周波数は、水平走査周波数に測定点の数を乗算した値と等しくなるよう設定されるべきである。

例えば、１００に等しい測定点の数が設定されてよい。この場合、レーザ周波数は、約３００ｋｈｚに等しい値として設定されるべきである。

上記の数値例では、説明のために例示的な値が記載されている。より一般的には、基本垂直線の所定の数は３０よりも大きい値として設定され、測定点の所定の数は１００よりも大きい値として設定され、レーザ周波数は３００ｋＨｚよりも高く設定される。好ましい実施形態では、レーザ周波数は、１ＭＨｚよりも高く設定される。

上記の例では、垂直走査は連続的ではなく離散的であり、各基本垂直線は垂直角度ステップによって分離されているのに対して、水平走査は連続的であると説明されている。別の例では、上記の例とは反対の構成を得るために、走査デバイスが設定されてもよい。すなわち、連続的な垂直走査および離散的な水平走査（ディスクリート水平走査）を得るために、走査デバイスが設定されてもよい。

上記と同じ計算例は、垂直走査周波数を最初に設定するのではなく、レーザ周波数および測定点の数を最初に設定することによって実行されてもよい。

実施形態において、上記波長レートは、上記水平走査周波数および上記垂直走査周波数よりも低い。例えば、水平走査周波数は、波長レートに比べて、少なくとも１０倍高いことが好ましい。好ましくは、水平走査周波数は、波長レートの１００倍よりも高い。

このように、走査デバイスは、例えば、繰り返し全体走査ごとに波長を変化させることによって、所定の立体角の内部全体を繰り返し走査（反復走査）するように構成されてもよい。

これらの構成によれば、従来技術と比較して、繰り返し走査のための高いレートを実現できる。このような高いレートは、ビークルの周囲の良好なリアルタイムモニタリングを可能にする。

これらの構成によれば、例えば、自律ビークルの用途に応じて、周囲のカラー画像化（カラー撮像）がリアルタイムで実現される。「リアルタイム」という文言によって、１秒当たり少なくとも３つの画像（すなわち、全体走査）が、当業者によって理解されるである。

代替的な実施形態では、上記波長レートは、上記水平走査周波数および上記垂直走査周波数よりも高く設定されてもよい。例えば、波長レートは、高い周波数を有していてもよい。その一方で、水平走査周波数および垂直走査周波数は、より低いレートを有していてもよい。例えば、走査デバイスは、次の現時点のローカル方向に移動する前に、各測定点において波長を少なくとも３回変更するように構成されていてもよい。

上述の走査デバイスは、多くの用途に特に有用である。好ましい用途では、走査デバイスは、ビークル（例：自律ビークル）上に配置されるか、または当該ビークル内に埋め込まれる。

本発明は、上述の走査デバイスを備えたビークルをも提供する。

本発明は、上述のいずれかに記載のレーザ検出測距（ＬｉＤＡＲ）のための走査デバイスを動作させるための方法をも提供する。当該方法は、
・上記波長値のセットに含まれる現時点の波長値を、ある波長レートにおいて逐次的に選択する工程と、
・上記立体角の上記垂直角度寸法の全体を垂直走査する工程と、
・上記立体角の上記水平角度寸法の全体を水平走査する工程と、
を含んでおり、
上記垂直走査は、ある垂直走査周波数において繰り返し実行され、
上記水平走査は、ある水平走査周波数において繰り返し実行され、
上記波長レートは、上記水平走査周波数および上記垂直走査周波数よりも低い。

［図面の簡単な説明］
他の構成、詳細、および利点は、以下の詳細な説明および図面において示されている。

［図１］
図１は、本発明の一実施形態に係るマルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスの光学機能の模式図である。

［図２］
図２は、図１のマルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスを動作させる場合に選択可能な波長のマルチスペクトルコムの例示的なスペクトルである。

［図３］
図３は、図１のマルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスの模式図であり、図１の通り機能的に動作する構造的な光学素子の例が示されている。

［図４］
図４は、図３のコムの第１波長を選択するように機能的に動作する、図１のマルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスの詳細の模式図である。

［図５］
図５は、図３のコムの第２波長を選択するために機能的に動作する、図４に描写された詳細の模式図である。

［図６］
図６は、図１のマルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスによって生成された単色パルスの列と、当該マルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスによって受信された単色パルスの反射列との模式図である。

［実施形態の説明］
図面および以下の詳細な説明は、本質的に一部の正確な要素を含んでいる。これらの要素は、本発明の理解を高めるために、また必要に応じて本発明を規定（定義）するためにも使用されてよい。

図１に示される通り、マルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスが提供されている。当該マルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスは、（ｉ）ビークル内に埋め込まれるか、または、（ｉｉ）少なくともビークル内に搭載（on-board）されるように意図されている。マルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスは、様々な波長に対してビークルの周囲の反射画像を得ることにより、当該ビークルの周囲を検出することができる。

マルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスは、自由空間内において動作する。このことは、マルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスに含まれている様々な光学コンポーネントが、互いに光ファイバによって接続されていないことを意味している。

マルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスは、広帯域レーザ光源１２を備えている。広帯域レーザ光源１２は、パルス状の広帯域レーザビームを出射（送出）するように構成されている。例えば、広帯域レーザ光源１２は、（ｉ）単色レーザ光源（単色レーザ源）と、（ｉｉ）非線形光学作用によって当該単色レーザ光源のスペクトルを拡げるように構成された光学非線形ユニットと、を備えていてもよい。

入射する広帯域レーザビームは、当該レーザビームのスペクトル包絡線（スペクトルエンベロープ）１によって表されている。スペクトル包絡線１は、波長λ１の第１波長チャネルを含んでいる。簡潔化のために、レーザビームを示す参照番号（例：広帯域レーザビーム１）は、レーザビームまたは当該レーザビームのスペクトル包絡線のいずれかを示すために無差別に使用されている。

マルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスは、制御ユニット６をさらに備える。制御ユニット６は、（ｉ）処理手段８（例：プロセッサ）と、（ｉｉ）データリポジトリ７（例：メモリ）と、（ｉｉｉ）検出された画像にアクセスし、かつ、随意に指令を受信するための制御インターフェース９と、を備える。制御ユニット６は、単一の様式（一元化された様式）によって実装されていてもよいし、あるいは、分散された様式によって実装されていてもよい。制御部６の一部は、オンボードで実装されていなくてもよい。

制御ユニット６は、例えばＯＮ／ＯＦＦモードにおいて広帯域レーザ光源１２の出射を制御するように構成されている。

マルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスは、分離ユニット１０３をさらに備える。広帯域レーザ光源１２は、分離ユニット１０３に光学的に接続されている。これにより、分離ユニット１０３は、当該分離ユニット１０３の光入力部２によって広帯域レーザビーム１を受光（取得）できる。

分離ユニット１０３は、広帯域レーザビーム１を光伝播方向Ｘ１に送出するように構成されている。

マルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスは、波長選択ユニット１０４をさらに備える。波長選択ユニット１０４は、分離ユニット１０３に光学的に接続されている。これにより、波長選択部１０４は、広帯域レーザビーム１を受光できる。

波長選択ユニット１０４は、調整可能なフィルタリングスペクトル窓（フィルタリングスペクトルウィンドウ）に従って、受光した広帯域レーザビーム１をフィルタリングするように構成されている。これにより、波長選択ユニット１０４は、複数の選択可能な波長チャネルの中から、調整可能な波長チャネルを選択することができる。複数の選択可能な波長チャネルは、少なくとも２つまたは３つの波長チャネルを含んでいてもよい。

図６は、波長選択ユニット１０４から出力される光パルス２３、２８の単色列（monochromatic train）を表す。縦軸（垂直軸）２１は、時間２２に亘る光パワー（光電力）を表す。光パルスは、周期２６（すなわちＴｃｙｃ＝１μｓ）に従って、周期的に出射される。レーザ周波数は、１ＭＨｚである。例えば、バースト（突発波）の期間（タイムラプス）Ｔ１は、１ｎｓである。

図示されている通り、波長は、第１波長λ１から第２波長λ２へと変更されうる。図示されている３つの一連のパルス（逐次的なパルス）２３は、波長λ１のパルスである。一方、２つの一連の最後のパルスは、波長λ２のパルスである。異なる波長のパルスの２つの列の間における変化期間（変化周期）２７は、周期２６（Ｔｃｙｃ）の持続時間を超過しうるように図示されている。波長変化のレートは、３Ｈｚより高い。

図２は、広帯域レーザビーム１のスペクトル包絡線における６つの選択可能な波長チャネルのコムの波長に亘るパワーのグラフを示す。スペクトル包絡線は、半値全幅（full width at half maximum，ＦＷＨＭ）が約３００ｎｍであるスペクトルを有していることが好ましい。そして、当該スペクトルの中心は、約１５５０ｎｍの中心波長に位置していることが好ましい。

この構成によれば、眼の安全性は、従来技術と比較して改善される。

各波長チャネルは、約２０ｎｍのＦＷＨＭを有していてもよい。２つの隣接する波長チャネル間の自由スペクトル領域（重ならないスペクトル領域）（free spectral range，ＦＳＲ）は、例えば、約２０ｎｍであってもよい。但し、波長チャネルの重なり合いについても、同様に想定される。隣接する波長チャネルは、不均一なＦＳＲによって分離されていてもよい。隣接する波長チャネルは、不均一なＦＷＨＭを有していてもよい。

波長選択ユニット１０４の調整可能なフィルタリングスペクトル窓は、制御部６によって選択される。図１の例では、選択された波長チャネルは、波長λ１の第１波長チャネルである。

波長選択ユニット１０４は、広帯域レーザビーム光１から、フィルタリング後レーザ光（フィルタリングされたレーザ光）５を出力する。フィルタリング後レーザ光５のスペクトル包絡線５は、波長λ１の第１波長チャネルに対応している。

マルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスは、走査ユニット１０５をさらに備える。走査ユニット１０５は、波長選択ユニット１０４に光学的に接続されている。走査ユニット１０５は、フィルタリング後レーザ光５を受光するように構成されている。走査ユニット１０５は、調整可能なローカル方向を中心とするπステラジアン（ｓｒ）の立体角内に包含される任意の方向に、フィルタリング後レーザビーム５をステアリングするように、さらに構成されている。

波長選択部１０４の調整可能なローカル方向は、制御ユニット６によって選択される。図１の例では、選択されたローカル方向は、周囲の基本表面（部材表面）（elementary surface）Ｍに向かう方向である。

周囲の基本表面Ｍは、選択された波長λ１に対する拡散反射面である。これにより、フィルタリング後レーザビーム５の一部が後方散乱される。反射は、部分的には鏡面反射であってもよい。フィルタリング後レーザビーム５の、光伝播方向Ｘ１とは反対の方向Ｘ２に後方散乱または反射された部分は、反射フィルタリング後レーザビーム（反射されたフィルタリング後レーザビーム）４と称される。

走査ユニット１０５は、基本表面Ｍから反射されたフィルタリング後レーザ光４を受光するように、さらに構成されている。

「方向（direction）」という文言は、マルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイス内を通って、基本表面Ｍに至るまでの光の光路を表していると、当業者であれば理解できるであろう。また、「反対方向（opposite direction）」という文言は、反射後に戻るように伝搬する光の逆共線光路（reverse collinear optical path）を表していると、当業者であれば理解できるであろう。

走査ユニット１０５は、反対方向Ｘ２において、受光した反射フィルタリング後レーザ光４を波長選択ユニット１０４に向けて送出するように、さらに構成されている。

波長選択ユニット１０４は、同じ第１波長チャネルを選択するように、さらに構成されている。従って、反射フィルタリング後レーザ光４は、変調されることなく波長選択ユニット１０４を通過し、分離ユニット１０３に到達する。分離ユニット１０３は、反対方向Ｘ２から入射した反射フィルタリング後レーザビーム４を、広帯域検出器（広帯域ディテクタ）１８の方向へと偏向させるように構成されている。

マルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスは、広帯域検出器１８をさらに備える。広帯域検出器１８は、（ｉ）反射フィルタリング後レーザビーム４を受光し、かつ、（ｉｉ）当該反射フィルタリング後レーザビーム４の飛行時間（time-of-flight）および光パワーを検出するように、さらに構成されている。

図６には、広帯域検出器に入射する反射光パルス２４、２９の列が示されている。飛行時間を取得するために、送出された光パルス２３と当該光パルス２３の反射された対応パルス（its reflected counterpart）２４との間の検出期間２５が使用される。

反射光パルス列２４、２９は、ナノワット単位またはフォトン単位においても測定可能な非常に低い光パワーを有している。このため、眼の安全性は、従来技術と比較して改善される。

広帯域検出器１８は例えば、約９００〜１７００ｎｍの検出範囲を有するＩｎＧａＡｓアレイフォトダイオード（Array Photo Diode，ＡＰＤ）であってよい。例えば、利便性に優れたＩｎＧａＡｓ ＡＰＤは、製造業者ＨＡＭＡＭＡＴＳＵ（登録商標）によって、Ｇ８９３１−２０とも称される場合もある。このようなＩｎＧａＡｓ ＡＰＤは、約０．２ｍｍの感光領域寸法を有しうる。

制御ユニット６は、波長選択ユニット１０４との同期によって、広帯域検出器１８における検出を制御するように構成されている。

本発明に係るマルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスは、特に有利である。当該マルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスでは、（ｉ）広帯域レーザ光源１２と広帯域検出器１８との同期が必要とされない、または、（ｉｉ）マルチスペクトル検出の品質に影響を与えることがなければ、当該同期が従来技術の場合ほど正確でなくともよいためである。

本発明に係るマルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスの有利な使用は、
・複数の選択可能な波長の内から第１波長を選択する工程；
・立体角円錐内に包含されたローカル方向において、第１波長を有するフィルタリング後レーザビーム５を連続的に水平走査する工程；
・各水平線（水平ライン）を走査した後、基本垂直角度ステップ分だけ垂直方向を変更し、新たな水平線に対する連続的な水平走査を繰り返す工程；
・全ての水平線を垂直走査した後、複数の選択可能な波長の内から第２波長を選択する工程；
・水平走査および垂直走査を同じ立体角円錐内において繰り返す工程；
を、含んでいてもよい。

有利であることには、マルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスの制御ユニット６は、上述の有利な使用を実行するように構成されている。

そのような場合、好ましくは、データリポジトリ７は、少なくとも第１波長値および第２波長値を含む波長値のセットを格納するように構成されている。当該データリポジトリは、基本垂直角度ステップの値をさらに含んでいてもよい。

選択された第２波長への変更に先立って、選択された同じ第１波長によって立体角円錐の全体を走査することは、むしろ有利である。走査デバイスを異なる波長に同調させるために必要な時間が、レーザを異なるローカル方向にステアリングするために必要な時間よりも短くなるためである。例えば、走査の周波数は、立体角円錐の全体に対する１秒あたり３０回の走査であってもよい。

図１を参照して説明されるマルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスの機能を実現するための構造的な光学素子（光学部材）の有利な例を、以下に説明する。当該有利な例は、他の利点をもたらす。

例えば、図３を参照すると、分離ユニット１０３の一例が示されている。

この例では、分離ユニット１０３は、（ｉ）偏光ビームスプリッタ１３と、（ｉｉ）光学方向Ｘ１上において、偏光ビームスプリッタ１３の後方に配置されたクオータ波長板１４と、を備える。この例では、図３において右向きの破線矢印によって示される通り、広帯域レーザ光源１２は、直線的にｐ偏光された偏光を有する広帯域レーザビーム１を出射するように、さらに構成されている。

偏光ビームスプリッタ１３は、誘電体偏光ビームスプリッタキューブである。当該偏光ビームスプリッタキューブは、（ｉ）直線的にｐ偏光された受光を透過させ、かつ、（ｉｉ）直線的にｓ偏光された受光を垂直方向に偏向させるように、構成されている。

従って、広帯域レーザビーム１は、偏光ビームスプリッタ１３を通過し、クオータ波長板１４に到達する。

クオータ波長板１４の速軸（ファスト軸）および遅軸（スロー軸）が広帯域レーザ光１のｓ偏光に対して４５°の角度で配置されるように、当該クオータ波長板１４は、偏光ビームスプリッタ１３の光軸上に配置されている。リターダ（遅延器，位相差板）の遅軸は、当該リターダを通過する光がより遅く進む軸である。一方、リターダの速軸は、当該リターダを通過する光がより速く進む軸である。クオータ波長板の場合、リタデーション（遅延量）は、速軸に沿って投影された偏光成分と遅軸に沿って投影された成分との間の位相シフト（波長の１／４）を表す。

広帯域レーザビーム１は、クオータ波長板１４を通過する。その結果、図３において円形の破線矢印によって示される通り、直線ｓ偏光から円偏光への偏光の変化が生じる。

反射フィルタリング後レーザビーム４は、後方に戻る場合、広帯域レーザビーム１と同様に直交する円偏光を有する。当該円偏光は、直交する円形の通常線（plane-lined）矢印によって示されている。このことは、基本表面Ｍにおける反射に起因する。

反射フィルタリング後レーザビーム４は、反対方向Ｘ２においてクオータ波長板１４を通過する。これにより、図３において円形のドットによって示される通り、直交する円偏光から直線ｓ偏光への偏光の変化が生じる。

偏光ビームスプリッタキューブは、直線的にｓ偏光された反射後フィルタリングレーザビーム４を垂直方向に偏向させるように、さらに構成されている。これにより、反射フィルタリング後レーザビーム４は、広帯域検出器１８に到達する。

分離ユニット１０３のこのような実装は、非常に有利である。当該実装によれば、２つの反対方向に進行するレーザビームの直交する偏光が、クロストークを低下させ、その結果として検出を改善するためである。

再び図４および図５を参照すると、波長選択ユニット１０４の一例が示されている。波長選択ユニット１０４は、モノクロメータとして動作する。

波長選択部１０４は、広帯域レーザビーム１の光路上に配置された非可動の回折格子１５を備えていてもよい。これにより、選択可能な各波長チャネルについて、＋１または−１の回折次数のいずれかにおいて、高い回折効率が実現される。

図４は、回折格子１５に入射する広帯域レーザビーム１を示す。異なる波長チャネルは、異なるタイプの通常線、破線、または点線によって表されている。通常線は、第１波長チャネルを表している。

波長選択部１０４は、配向可能スキャナミラー（方向付け可能なスキャナミラー）（orientable scanner mirror）１６をさらに備えている。各波長チャネルの１次回折次数（第１回折次数）のビームは、配向可能スキャナミラー１６において反射される。固有の調整不可能な選択方向（すなわち、スキャナミラー１６の位置から走査ユニット１０５の入力部へ向かう方向）が、予め規定されている。

固有の調整不可能な選択において、選択された波長チャネルの１次回折次数を反射させるように、配向可能スキャナミラー１６が配向されていてもよい。

望ましくない反射を避けるために、固有の調整不可能な選択における経路上に、光学スリット２０が配置されている。

図４の例では、選択された波長チャネルは、第１波長チャネルである。これに対し、図５の例では、選択された波長チャネルは、第２波長チャネルである。

配向可能スキャナミラー１６は、（ｉ）マイクロ電気機械システム（micro-electrical-mechanical system，ＭＥＭＳ）であってもよいし、あるいは、（ｉｉ）制御ユニット６によって制御される任意の走査機構であってもよい。例えば、配向可能スキャナミラー１６は、１次元ＭＥＭＳミラーである。一例として、配向可能スキャナミラー１６は、約４ｍｍの直径を有する。

本発明に係る走査ユニット１０５は、固定ミラー１７を備えていてもよい。固定ミラー１７は、波長選択ユニット１０４から受光した光を、走査デバイス１９に向けて偏向させる。走査デバイス１９は、制御ユニット６の制御の下で、受光した光を、選択されたローカル方向においてステアリングすることができる。

例えば、高速走査を実現するために、走査ユニット１０５は、ガルバノメータスキャナ（検流計スキャナ）を含んでいる。あるいは、走査ユニット１０５は、ポリゴンスキャナまたはラスタポリゴンスキャナを含んでいてもよい。さらに、好ましい代替例として、走査ユニット１０５は、（ｉ）２次元ＭＥＭＳまたは１次元ＭＥＭＳと、（ｉｉ）複数のプリズムと、を含んでいてもよい。ＭＥＭＳは、例えば約４ｍｍの直径を有しうる。

例えば、一部の利便性に優れたＭＥＭＳミラーは、製造業者ＨＡＭＡＭＡＴＳＵ（登録商標）によって、Ｓ１２２３７−０３Ｐとも称される場合もある。

上述の議論は、本発明の単なる例示的な実施形態を開示し、説明したにすぎない。当業者であれば、このような議論と添付の図面と特許請求の範囲とから、以下の特許請求の範囲において規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更、修正、および変形を行うことができることを容易に理解できるであろう。

本発明の一実施形態に係るマルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスの光学機能の模式図である。 図１のマルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスを動作させる場合に選択可能な波長のマルチスペクトルコムの例示的なスペクトルである。 図１のマルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスの模式図であり、図１の通り機能的に動作する構造的光学素子の例が示されている。 図３のコムの第１波長を選択するように機能的に動作する、図１のマルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスの詳細の模式図である。 図３のコムの第２波長を選択するために機能的に動作する、図４に描写された詳細の模式図である。 図１のマルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスによって生成された単色パルスの列と、当該マルチスペクトルＬｉＤＡＲデバイスによって受信された単色パルスの反射列との模式図である。

Claims (19)

1. レーザ検出測距（ＬｉＤＡＲ）のための走査デバイスであって、
   上記走査デバイスは、光学的自由空間内に配置されており、
   上記走査デバイスは、
   光入力部と、
   分離ユニット（１０３）と、
   波長選択ユニット（１０４）と、
   走査ユニット（１０５）と、
   広帯域検出器（１８）と、を備えており、
   上記光入力部は、パルス状の広帯域のレーザビームを受光し、
   上記レーザビームは、直線偏光を有しており、
   上記分離ユニット（１０３）は、上記偏光を円偏光へと変化させつつ、走査光路（Ｘ１）に沿って上記レーザビームを送出し、
   上記波長選択ユニット（１０４）は、
   上記分離ユニット（１０３）から到来した上記レーザビームを受光し、
   複数の選択可能な波長の内から選択可能な現時点の波長を有するフィルタリング後レーザビーム（５）を得るために、上記レーザビームをフィルタリングし、
   上記走査光路（Ｘ１）に沿ったフィルタリング後レーザビーム（５）を、上記走査ユニット（１０５）に向けて偏向させ、
   上記走査ユニット（１０５）は、
   偏向させられた上記フィルタリング後レーザビーム（５）を、所定の立体角の内部において、複数の現時点のローカル方向に沿ってステアリングし、
   上記フィルタリング後レーザビームの反射光（４）を受光し、
   上記反射光は、上記レーザビームの上記円偏光に対して直交する円偏光を有しており、
   上記走査ユニット（１０５）は、
   受光した上記反射光（４）を、検出光路（Ｘ２）に沿って上記波長選択ユニット（１０４）を通過させて上記分離ユニット（１０３）に戻すように送出し、
   上記検出光路と上記走査光路とは、上記波長選択ユニット（１０４）と上記走査ユニット（１０５）とを通る同一の光路を有しているが、互いに反対の光伝播方向を有しており、
   上記分離ユニット（１０３）は、上記直交する円偏光を、上記レーザビームの上記直線偏光に対して直交する直線偏光へと変化させつつ、上記反射光（４）を上記広帯域検出器（１８）に向けて偏向させ、
   上記広帯域検出器（１８）は、
   偏向させられた上記反射光を受光し、
   上記反射光の飛行時間および光パワーを検出する、走査デバイス。
2. 上記広帯域検出器は、固有の検出器である、請求項１に記載の走査デバイス。
3. 上記分離ユニット（１０３）は、
   上記走査光路（Ｘ１）に沿って上記レーザビームを送出し、かつ、上記検出光路（Ｘ２）において上記反射光を偏向させる偏光ビームスプリッタ（１３）と、
   上記同一の光路上において、上記偏光ビームスプリッタ（１３）と上記波長選択ユニット（１０４）との間に配置された光学コンポーネント（１４）と、を備えており、
   上記光学コンポーネント（１４）は、
   上記走査光路（Ｘ１）において、直線偏光を円偏光へと変換し、
   上記検出光路（Ｘ２）において、直交する円偏光を直交する直線偏光へと変換する、請求項１または２に記載の走査デバイス。
4. 上記反射光（５）は、送出された上記レーザビームに対して所定の角度で偏向させられる、請求項１から３のいずれか１項に記載の走査デバイス。
5. 上記波長選択ユニット（１０４）は、
   上記広帯域のレーザビームを回折するための格子（１５）と、
   ミラー（１６）と、を備えており、
   上記格子および上記ミラーの一方は、配向可能であり、
   上記一方の配向は、回折ビームの選択された波長の１次の次数を選択するために調整可能である、請求項１から４のいずれか１項に記載の走査デバイス。
6. 回折ビームの選択された波長は、
   ３０ｎｍまでのＦＷＨＭを有しており、
   好ましくは、２０ｎｍまでのＦＷＨＭを有しており、
   好ましくは、範囲［１０ｎｍ〜２０ｎｍ］内に含まれるＦＷＨＭを有している、請求項５に記載の走査デバイス。
7. 上記複数の選択可能な波長は、
   少なくとも１０ｎｍだけ互いに離間されており、
   好ましくは、少なくとも１５ｎｍだけ互いに離間されており、
   さらに好ましくは、少なくとも２０ｎｍだけ互いに離間されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の走査デバイス。
8. 上記複数の選択可能な波長は、９００ｎｍから１７００ｎｍまでの範囲内にある、請求項１から７のいずれか１項に記載の走査デバイス。
9. 上記複数の選択可能な波長は、
   少なくとも３つの波長を含んでおり、
   好ましくは、少なくとも５つの波長を含んでおり、
   さらに好ましくは、少なくとも１０個の波長を含んでいる、請求項１から８のいずれか１項に記載の走査デバイス。
10. 上記パルス状の広帯域のレーザビームを、上記光入力部を介して上記分離ユニット（１０３）へと送出する広帯域レーザ光源（１２）をさらに備えている、請求項１から９のいずれか１項に記載の走査デバイス。
11. 上記パルス状の広帯域のレーザビームは、３００ｋＨｚよりも高い周波数を有している、請求項１から１０のいずれか１項に記載の走査デバイス。
12. 上記所定の立体角は、
    範囲［４５°〜３６０°］内の水平角度寸法と、範囲［１０°〜１８０°］内の垂直角度寸法と、を有しており、
    好ましくは、範囲［９０°〜１８０°］内の水平角度寸法と、範囲［２０°〜９０°］内の垂直角度寸法と、を有しており、
    より好ましくは、約１２０°の水平角度寸法と、約３０°の垂直角度寸法と、を有している、請求項１から１１のいずれか１項に記載の走査デバイス。
13. 上記走査デバイスは、
    メモリ（７）と、
    上記走査デバイスのための処理手段（８）と、
    制御手段（６）と、をさらに備えており、
    上記メモリ（７）は、上記複数の選択可能な波長に対応する波長値のセットを格納し、
    上記処理手段（８）は、上記波長値のセットに含まれる現時点の波長値を、好ましくは３Ｈｚよりも高い波長レートにおいて逐次的に選択し、
    上記制御手段（６）は、上記波長選択ユニット（１０４）を上記現時点の波長値に同調させるように、当該波長選択ユニットを制御する、請求項１から１２のいずれか１項に記載の走査デバイス。
14. 上記走査デバイスは、
    駆動手段（６）と、
    メモリ（７）と、をさらに備えており、
    上記駆動手段（６）は、偏向させられた上記フィルタリング後レーザビーム（５）を、上記所定の立体角の内部において上記複数の現時点のローカル方向に沿ってステアリングするために上記走査ユニット（１０５）を制御し、
    上記走査デバイスは、上記現時点の波長値および上記現時点のローカル方向の座標に関連付けて、光パワーおよび飛行時間を上記メモリ（７）に記録する、請求項１３に記載の走査デバイス。
15. 上記走査ユニット（１０５）は、
    上記立体角の上記垂直角度寸法の全体を垂直走査し、
    上記立体角の上記水平角度寸法の全体を水平走査し、
    上記垂直走査は、ある垂直走査周波数において繰り返し実行され、
    上記水平走査は、ある水平走査周波数において繰り返し実行される、請求項１２に従属する請求項１４に記載の走査デバイス。
16. 上記波長レートは、上記水平走査周波数および上記垂直走査周波数よりも低く、
    好ましくは、上記水平走査周波数は、上記波長レートに比べて、少なくとも１０倍高い、請求項１５に記載の走査デバイス。
17. 上記波長レートは、上記水平走査周波数および上記垂直走査周波数よりも高い、請求項１５に記載の走査デバイス。
18. 請求項１から１７のいずれか１項に記載の走査デバイスを備えた、ビークル。
19. 請求項１から１７のいずれか１項に記載のレーザ検出測距（ＬｉＤＡＲ）のための走査デバイスを動作させるための方法であって、
    上記波長値のセットに含まれる現時点の波長値を、ある波長レートにおいて逐次的に選択する工程と、
    上記立体角の上記垂直角度寸法の全体を垂直走査する工程と、
    上記立体角の上記水平角度寸法の全体を水平走査する工程と、を含んでおり、
    上記垂直走査は、ある垂直走査周波数において繰り返し実行され、
    上記水平走査は、ある水平走査周波数において繰り返し実行され、
    上記波長レートは、上記水平走査周波数および上記垂直走査周波数よりも低い、方法。

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