JP2017116525A - 光検出と測距（ｌｉｄａｒ）走査システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】関心領域を走査する走査システム及び方法。
【解決手段】本走査システムは、光信号を偏向させる第一スキャナーを含み得る。第一スキャナーによって偏向された光信号は、初期偏向光信号として出力される。第二スキャナーが初期偏向光信号を受信して、その初期偏向光信号を偏向させる。第二スキャナーによって偏向された初期偏向光信号は、後続偏向光信号として出力される。
【選択図】図１

Description

本開示の実施形態は、一般的に、光信号で関心領域を走査するシステム及び方法に係り、特に、光検出と測距（ＬＩＤＡＲ（ライダー），ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｎｇｉｎｇ）走査システム及び方法に関する。

ＬＩＤＡＲは、地表上の様々な領域等の対象の表面特徴を検出するのに使用可能な感知方法である。典型的なＬＩＤＡＲシステムは、レーザー、スキャナー、及び検出器を含む。レーザーは、特定の対象の多様な領域に対する距離を測定するのに用いられる光パルスを放出する。スキャナーは、対象の表面にわたって光パルスを動かす。光パルスはターゲットで反射して、検出器によって受信される。検出器で受信された反射光パルスを用いて、対象の表面形状及び領域についての三次元情報を発生させる。

典型的なＬＩＤＡＲシステムは、対象を含む関心領域にわたって放出光パルスを動かす単一のスキャナーを含む。各反射光パルスの飛行時間を求めて、また、光パルスを走査した角度も求める。飛行時間と走査角度の組み合わせを用いて、関心領域の三次元画像を発生させる。

一般的に、スキャナーは、単一のビームステアリング素子と、複数の光学素子とを含む。ＬＩＤＡＲシステムは、後続のレーザー光パルスを放出する前に、反射レーザー光パルスを検出器で受信する。更に、スキャナーは、典型的には、光パルスを走査及び反射させるのに用いられる大型ミラーを含む。しかしながら、大型ミラーを有するスキャナーで高速走査速度を達成することは難しいことが多い。逆に、小型ミラーを用いる場合には、特定の角度で対象から反射された特定の光パルスを受信するには、その小型ミラーが小さ過ぎるものとなり得るので、走査速度が上昇するが、検出器で収集される戻り光が少なくなる。

より効率的なＬＩＤＡＲ走査システム及び方法が必要とされている。関心領域内の対象の画像を正確に発生させる高速ＬＩＤＡＲ走査システム及び方法が必要とされている。

こうした必要性を念頭に置いて、本開示の特定の実施形態は、関心領域を走査するように構成された走査システムを提供する。本走査システムは、光信号を検出するように構成された第一スキャナーを含み得る。第一スキャナーによって偏向された光信号は、初期偏向光信号として出力される。第二スキャナーは、初期偏向光信号を受信して、その初期偏向光信号を偏向させるように構成される。第二スキャナーによって偏向された初期偏向光信号は、後続偏向光信号として出力される。

第一スキャナー及び第二スキャナーは、組み合わせ走査経路にわたって後続偏向光信号を動かすように協働する。第一スキャナーは第一速度で光信号を偏向させるように構成され得て、第二スキャナーは第一速度とは異なる第二速度で初期偏向光信号を偏向させるように構成され得る。第一速度は第二速度よりも速いものであり得る。第一スキャナーは第一走査角度で光信号を偏向させるように構成され得て、第二スキャナーは第一走査角度とは異なる第二走査角度で初期偏向光信号を偏向させるように構成され得る。第二走査角度は第一走査角度よりも大きいものであり得る。

第一スキャナーは一次元スキャナーであり得る。第二スキャナーは二次元スキャナーであり得る。第一スキャナーは、音響光学スキャナー、電気光学スキャナー、圧電スキャナー、又は高速機械スキャナーであり得る。第二スキャナーは、二つの異なる軸に対して作動するように構成されたミラーを含み得る。

本走査システムは、第一スキャナー内に向けて光信号を放出するように構成された光源も含み得る。検出器が、関心領域内の対象からの反射光信号を受信するように構成され得る。少なくとも一つのレンズが、検出器内に反射光信号を集束させるように構成され得る。偏向ミラーが第一スキャナーと第二スキャナーとの間に配置され得る。偏向ミラーは、初期偏向光信号が通過する開口を含み得る。

本開示の特定の実施形態は、関心領域を走査するように構成された走査方法を提供する。本走査方法は、第一スキャナーで光信号を受信するステップと、第一スキャナーで光信号を初期偏向させるステップと、第一スキャナーによって偏向された光信号を初期偏向光信号として出力するステップと、第二スキャナーで初期偏向光信号を受信するステップと、第二スキャナーで初期偏向光信号を偏向させるステップと、第二スキャナーによって偏向された初期偏向光信号を後続偏向光信号として出力するステップと、を含み得る。本方法は、組み合わせ走査経路にわたって後続偏向光信号を動かすステップを含み得る。

本開示の特定の実施形態は、関心領域を走査するように構成されたＬＩＤＡＲ走査システムを提供する。本ＬＩＤＡＲ走査システムは、光信号を放出するように構成された光源を含み得る。第一スキャナーが、光源から光信号を受信して、第一速度で第一走査角度にわたって光信号を偏向させるように構成される。第一スキャナーによって偏向された光信号は、初期偏向光信号として出力される。第二スキャナーが、初期偏向光信号を受信して、第一速度よりも遅い第二速度で第一走査角度よりも大きな第二走査角度にわたって初期偏向光信号を偏向させるように構成される。第二スキャナーによって偏向された初期偏向光信号は、後続偏向光信号として出力される。第二スキャナーは、二つの異なる軸に対して作動するように構成されたミラーを含み得る。第一スキャナー及び第二スキャナーは、組み合わせ走査経路にわたって後続偏向光信号を動かすように協働する。偏向ミラーが第一スキャナーと第二スキャナーとの間に配置され得る。偏向ミラーは、初期偏向光信号が通過する開口を含み得る。少なくとも一つのレンズが、偏向ミラーによってそのレンズ内に偏向された関心領域内の対象からの反射光信号を集束させるように構成され得る。検出器が、レンズによって集束された反射光信号を受信するように構成され得る。制御ユニットが、検出器が受信した反射光信号に基づいて、一つ以上の画像を形成するように構成され得る。

本開示の一実施形態に係る走査システムの概略図を示す。 本開示の一実施形態に係る関心領域内の第一走査経路及び第二走査経路の斜視図を示す。 本開示の一実施形態に係る第一スキャナーの概略図を示す。 本開示の一実施形態に係る第一スキャナーの概略図を示す。 本開示の一実施形態に係る関心領域を走査する方法のフローチャートを示す。

上記概要及び以下の特定の実施形態の詳細な説明は、添付図面と共に読むことでより良く理解されるものである。本願において、単数形で記載されている要素やステップは、複数の要素やステップを必ずしも排除するものではないことを理解されたい。更に、「一実施形態」への言及は、そこに記載されている特徴を同じく含む追加実施形態の存在を排除するものとして解釈されるものではない。また、特に断らない限り、特定の条件を有する一又は複数の要素を「備える」又は「有する」実施形態は、その条件を有さない追加要素を含み得る。

本開示の特定の実施形態は、二つの別個独立のスキャナーを含み得るＬＩＤＡＲ走査システム及び方法を提供する。一方のスキャナーは、第一走査速度で相対的大きな走査角度を提供し得る。他方のスキャナーは、第一走査速度よりも速い第二走査速度でより小さな走査角度を提供し得る。光源（レーザー光源等）からの光パルスは、両方のスキャナーを通過して、特定の速度及び角度で逸らされる。光パルスが、関心領域内の対象から反射されると、反射光パルスが第一スキャナーに当たって、検出器に反射され得る。

本開示の特定の実施形態は、高い戻り信号収集効率を維持しながら、走査パターンを向上させるために二つにスキャナーを組み合わせる二重ステージ走査システムを提供する。少なくとも一実施形態において、二重ステージ走査システムは、レーザー源と、高速スキャナーと、低速スキャナーと、高速スキャナーを介して光信号（例えば、レーザービーム又はパルス）を通過させることができる開口を含み得るピックオフミラーと、検出器と、対象からの複数のビームを検出器に向けるのに使用可能な集束レンズとを含み得る。

図１は、本開示の一実施形態に係る走査システム１００の概略図を示す。走査システム１００は、関心領域１０４内の対象１０２の三次元画像を発生させるの使用されるＬＩＤＡＲ走査システムであり得る。対象１０２は、自然又は人工の構造であり得る。例えば、対象１０２は、平野、丘、山、水域、自然ランドマークや自然形成物等の地形の特徴であり得る。他の例として、対象１０２は、建物、乗り物、道、鉄道の一部、モニュメント等の人工物であり得る。

走査システム１００は、光源１０６と、第一スキャナー１０８と、偏向ミラー１１０と、第二スキャナー１１２と、レンズ１１４と、検出器１１６とを含み得る。制御ユニット１１７が、光源１０６と、第一スキャナー１０８と、第二スキャナー１１２と、検出器１１６とに有線又は無線接続で動作可能に結合され得る。制御ユニット１１７は、走査システム１００の動作を制御するように構成され得る。任意で、走査システム１００は、別個独立の制御ユニット１１７を含まないものとなり得る。

一般的に、第一スキャナー１０８は、光源１０６で放出又は出力された光信号１２６を受信し、その光信号１２６を偏向させて、初期偏向光信号１３０を形成するように構成される。第二スキャナー１１２は、初期偏向光信号１３０を受信して、その初期偏向光信号１３０を偏向させること（例えば、ステアリングすること）によって、関心領域にわたって走査され得る後続偏向光信号１３１を出力する。

光源１０６は、一つ以上のレーザー光パルス、ビーム等の光信号１２６を放出又は出力するように構成されているレーザー源であり得る。第一スキャナー１０８は、一次元又は一自由度で走査角度又は角度範囲にわたって光信号１２６を偏向させるように構成されている高速スキャナーであり得る。例えば、第一スキャナー１０８は、第一速度で一直線方向１１８における第一走査角度又は角度範囲αにわたって光信号１２６を偏向させるように構成され得る。第一スキャナー１０８は、１〜１０ＭＨｚ等の高速又は周波数で走査を行い得る。代わりに、第一スキャナー１０８は、１ＭＨｚよりも低い速度又は周波数や、１０ＭＨｚよりも高い速度又は周波数で走査を行い得る。

例えば、第一スキャナー１０８は、音響光学スキャナー、電気光学スキャナー、圧電スキャナー、高速機械スキャナー等の高速スキャナーであり得る。例えば、音響光学スキャナーは、ブラッグ散乱を利用して、音響波に比例する角度でビームを偏向させ得る。第一スキャナー１０８は、高速で正確で低移動範囲の走査を行うように構成され得る。一般的に、走査速度が上昇すると、走査角度が減少し得て、また、その逆も同様である。

他の例として、第一スキャナー１０８は、電気光学スキャナー等の高速スキャナーであり得る。特定の光学品質結晶は、印加される電場の大きさに応じて変化する屈折率を有する。このような結晶で形成された楔を有する光学素子を、特定の電圧が印加される際の高速偏向器として使用し得る。

偏向ミラー１１０は、第一スキャナー１０８と第二スキャナー１１２との間に配置され得る。偏向ミラー１１０は、それを貫通する開口１２２を有する反射本体１２０を含み得る。開口１２２は、初期偏向光信号１３０がそこを通過して、第二スキャナー１１２に当たるようなサイズ及び形状にされる。開口１２２は、走査角度αに適合するサイズ及び形状にされる。

第二スキャナー１１２は、低速スキャナー（第一スキャナー１０８と比較して）であり得て、一つ以上のアクチュエーター１３０に動作可能に結合されたミラー１２８（２軸ミラー、つまり、二つの異なる軸に対して作動可能なミラー等）を含み得る。第二スキャナー１１２は、第一スキャナーよりも低速で走査を行い得る。例えば、第二スキャナー１１２は１〜１０ｋＨｚの速度又は周波数で走査を行い得る。代わりに、第二スキャナー１１２は、１ｋＨｚ未満、又は１０ｋＨｚよりも高い速度又は周波数で走査を行い得る。第二スキャナー１１２は、第一スキャナー１０８の速度よりも一桁以上低い速度で走査を行い得る。例えば、第一スキャナー１０８は、第二スキャナー１１２が走査を行う速度の１００倍の速度で走査を行い得る。

第二スキャナー１１２は、対象走査領域全体を考慮するように構成されている大きな視野（第一スキャナー１０８と比較して）を提供し得る。アクチュエーター１２９は、第一スキャナー１０８によって偏向された光信号（初期偏向光信号１３０）を二次元又は二自由度でステアリングするように構成される。第一スキャナー１０８が走査角度βにわたって初期偏向光信号１３０を偏向させることによって、後続偏向光信号１３１を出力する。

例えば、アクチュエーター１２９は、距離（広がり）１３２での走査角度又は角度範囲β、及び、距離（広がり）１３４での走査角度又は角度範囲γにわたってミラー１２８を動かす。角度範囲γは角度範囲αよりも大きくなり得る。角度範囲βは、関心領域１０４の横方向距離１３６をカバーするのに十分大きなものとなり得る。少なくとも一実施形態において、角度範囲γは、角度範囲αの少なくとも二倍であり得る。従って、第二スキャナー１１２が、左から右への第一横方向スイープで、後続偏向光信号１３１の半分が中心１３８の上に来て、残りの半分が中心１３８の下に来るように、後続偏向光信号１３１をステアリングすると、第二スキャナー１１２が左右に後続偏向光信号１３１をスイープ（掃引）することによって、より厚い又は幅広の走査領域を提供する。第二スキャナー１１２が距離１３２の右端（横方向距離１３６の右端に対応）に達した後、第二スキャナー１１２は、距離１３４で下方へと後続偏向光信号１３１をステアリング又は偏向させる。その後、第二スキャナー１１２は、距離１３２にわたって右から左へと後続偏向光信号１３１をステアリング又は偏向させる。このような移動中において、後続偏向光信号１３１の頂部は、その前の左から右へのスイープにおいて後続偏向光信号１３１が走査した下方レベルに達する。このようにして、第一スキャナー１０８が、距離１１８にわたって相対的に高速で光信号１２６を連続的に偏向させる一方で、第二スキャナー１１２は、距離１１８に直交し得る距離１３２にわたってより低速で偏向光信号１３１をステアリングする。少なくとも一実施形態において、第一スキャナー１０８は、第二スキャナー１１２が距離１３２にわたって後続偏向光信号１３１をステアリング又は偏向させる速度の５０倍、１００倍又はそれ以上の速度で、距離１１８にわたって光信号１２６を偏向させ得る。第二スキャナー１１２が末端距離１４０又は１４２（それぞれ関心領域１０４の両端１４４、１４６に対応）に達した後、第二スキャナー１１２は、関心領域１０４の異なるレベル又は高さをカバーするように直交方向１３４に後続偏向光信号１３１を調整する。

動作時には、光源１０６は、第一スキャナー１０８に向けて光信号１２６を放出する。例えば、制御ユニット１１７が、第一スキャナー１０８に向けて光信号１２６を放出するように光源１０６を作動させ得る。

光信号１２６は第一スキャナー１０８を通過し、その第一スキャナー１０８が、角度範囲αにわたる距離１１８で光信号１２６を偏向させて、初期偏向光信号１３０を出力する。このようにして、第一スキャナー１０８は、光信号１２６よりも幅広の初期偏向光信号１３０を出力する。

初期偏向光信号１３０は、偏向ミラー１１０の開口１２２を通過して、第二スキャナー１１２のミラー１２８に当たる。代わりに、走査システム１００は偏向ミラー１１０を含まないものとなり得て、偏向ミラー１１０を用いずに、対象１０２から反射された光信号がミラー１２８に当たり、検出器１１６で受信されるように、検出器１１６を整列させ得る。

上述のように、第二スキャナー１１２は、距離１３２にわたって偏向光信号１３０をステアリング又は偏向させて、後続偏向光信号１３１を形成する。第二スキャナー１１２は、図１に示されるように、上下左右交互の第一走査経路１５０にわたって後続偏向光信号１３１をステアリングする。後続偏向光信号１３１が第一走査経路にわたってステアリングされるにつれて、第一スキャナー１０８は光信号１２６を連続的に偏向させ（これによって、初期偏向光信号１３０を形成する）、第一走査経路１５０に重なる第二走査経路１５２を形成する。第二走査経路１５２は、距離１３２の方向に直交する方向に偏向光信号１３０を連続的に偏向させることによって形成される。例えば、第二スキャナー１１２が横方向（例えば右から左、その逆も同様）に後続偏向光信号１３１をステアリングするにつれて、第一スキャナー１０８は、垂直方向（例えば下から上、その逆も同様）に光信号１２６を連続的に偏向させる。このように、第一光経路１５０及び第二光経路１５２は、各横方向スイープで関心領域内においてカバーされる領域が大きい（単一のスキャナーを用いる場合と比較して）組み合わせ光経路を提供する。このようにして、第一スキャナー１０８及び第二スキャナー１１２は、単一のスキャナーよりもはるかに高速で関心領域１０４を効率的にカバーすることができる。同時に、第二スキャナー１１２の大型ミラー１２８が対象１０２からの反射信号を受信するので、第一及び第二ミラー１０８及び１１２が反射光信号を逃すこと（小型ミラーを有する高速スキャナーのように）が起きにくくなる。

第一スキャナー１０８及び第二スキャナー１１２は、関心領域１０４にわたって偏向光信号１３０の走査を行うように協働する。対象１０２は反射光信号１６０を反射して、その反射光信号１６０はミラー１２８に戻るように反射される。反射光信号はミラー１２８で反射して、偏向ミラー１１０に当たり、その偏向ミラー１１０が反射光信号１６０を検出器１１６内に偏向させる。レンズ１１４が、反射光信号１６０を集束光信号１６２に集束させ得て、その集束光信号１６２が検出器１１６によって受信される。代わりに、走査システム１００はレンズ１１４を含まないものとなり得て、反射光信号１６０が、レンズによって集束されずに、検出器１１６に直接当たり得る。

制御ユニット１１７は、検出器１１６で受信した光信号、並びに、光源１０６から放出された光信号の飛行時間及び走査角度に基づいて、対象１０２の特徴を決定し得る。更に、制御ユニット１１７は、第一スキャナー１０８及び第二スキャナー１１２の動作を制御し得る。例えば、制御ユニット１１７は、第一スキャナー１０８及び第二スキャナー１１２が光信号を偏向及び／又はステアリングする速度及び距離を制御し得る。少なくとも一実施形態において、制御ユニット１１７は、第一スキャナー１０８及び第二スキャナー１１２の動作を制御しないものともなり得る。そのような実施形態では、第一スキャナー１０８及び第二スキャナー１１２は、内部制御ユニットに予め設定された設定に基づいて自動的に光信号を偏向及び／又はステアリングするように動作し得る。

上述のように、制御ユニット１１７は、走査システム１００の動作を制御するのに用いられ得る。本願において、「制御ユニット」、「ユニット」、「中央処理ユニット」、「ＣＰＵ」、「コンピューター」等の用語は、あらゆるプロセッサー型又はマイクロプロセッサー型のシステムを含み得て、マイクロコントローラー、縮小命令セットコンピューター（ＲＩＳＣ，ｒｅｄｕｃｅｄ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｅｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）、論理回路、また、本願に記載されている機能を実行可能なハードウェア、ソフトウェア、それらの組み合わせを含む他の回路やプロセッサを含むシステムが挙げられる。これらは例示的なものに過ぎず、これらの用語の定義及び／又は意味を限定するものではない。例えば、制御ユニット１１７は、走査システム１００の動作を制御するように構成されている一つ以上のプロセッサであるか、又はそれを含むものであり得る。

制御ユニット１１７は、データを処理するために一つ以上の記憶素子（一つ以上のメモリー等）に記憶されている一組の命令を実行するように構成される。例えば、制御ユニット１１７は、一つ以上のメモリーを含むか、又はそれに結合され得る。また、記憶素子は、必要に応じて、他のデータや情報も記憶し得る。記憶素子は、処理装置内の情報源又は物理的メモリー素子となり得る。

一組の命令は、制御ユニット１１７が処理装置として本願に記載されている主題の多様な実施形態の方法及びプロセス等の特定の動作を行うように命令する多様なコマンドを含み得る。一組の命令はソフトウェアプログラム形式のものであり得る。ソフトウェアは、システムソフトウェアやアプリケーションソフトウェア等の多様な形式のものであり得る。更に、ソフトウェアは、個々のプログラムの集合体、大きなプログラム内のプログラムサブセット、又はプログラムの一部であり得る。ソフトウェアは、オブジェクト指向プログラミング形式のモジュールプログラミングも含み得る。処理装置による入力データの処理は、ユーザーコマンドへの応答であるか、以前の処理結果への応答であるか、又は、他の処理装置によって為された要求への応答であり得る。

本願の実施形態の図は、制御ユニット１１７等の一つ以上の制御ユニット又は処理ユニットを例示するものとなり得る。処理ユニット又は制御ユニットは、本願に記載されている動作を行う関連命令（例えば、コンピュータハードドライブ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶されたソフトウェア）と共にハードウェアとして実現可能な回路やその一部を表すものとなり得ることを理解されたい。ハードウェアは、本願に記載されている機能を実行するように有線接続された状態機械回路を含み得る。任意で、ハードウェアは、マイクロプロセッサー、プロセッサー、コントローラー等の一つ以上の論理型デバイスを含む及び／又はこれに接続された電子回路を含み得る。任意で、制御ユニット１１７は、一つ以上のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ，ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、マイクロプロセッサー等の処理回路を表すものとなり得る。多様な実施形態における回路は、本願に記載されている機能を行うため一つ以上のアルゴリズムを実行するように構成され得る。一つ以上のアルゴリズムは、フローチャートや方法に明記されているもの又は明記されていないものである本願開示の実施形態の態様を含み得る。

本願において、「ソフトウェア」及び「ファームウェア」との用語は相互可換であり、コンピュータにより実行されるようにメモリー（ＲＡＭメモリー、ＲＯＭメモリー、ＥＰＲＯＭメモリー、ＥＥＰＲＯＭメモリー、不揮発性（ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ）ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ）等）内に記憶されたあらゆるコンピュータープログラムを含む。上記メモリーの種類は例示的なものに過ぎず、コンピュータープログラムの記憶に使用可能なメモリーの種類を限定するものではない。

図２は、本開示の一実施形態に係る関心領域１０４内の第一走査経路１５０及び第二走査経路１５２の斜視図を示す。第一走査経路１５０及び第二走査経路１５２は組み合わさって、関心領域１０４を高速で効率的にカバーする組み合わせ走査経路１５６を形成する。図１及び図２を参照すると、第二スキャナー１１２は、図２に示されるように上下左右交互の第一走査経路１５０にわたって後続偏向光信号１３１をステアリングする。例えば、第一走査経路１５０は、左端１４４の始点１７０で始まり、右端１４６に向けて左から右に移動し得る。その後、第一走査経路１５０は、距離１３４で下方へと移動し、その後、左端１４４に向けて右から左に移動する。第一走査経路１５０は、終点１７２に達するまで、右移動と左移動との間で交互になっているこのような移動を続ける。終点１７２は、関心領域１０４の所望のサイズ及び形状に応じて決定され得る。関心領域１０４は、図示されているものよりも大きくも小さくもなり得る。第一走査経路１５０は、図示されているものよりも長くも短くもなり得る。例えば、第一走査経路１５０は、六回よりも多い又は少ない横方向スイープを含み得る。

第二スキャナー１１２が第一走査経路１５０にわたって後続偏向光信号１３１をステアリングするにつれて、第一スキャナー１０８は、距離１１８にわたって光信号１２６を連続的で交互に偏向させて、後続偏向光信号に垂直変調を与える。第一スキャナー１０８は、第二スキャナー１１２によるスイープの横方向に直交する方向に光信号１２６を偏向させ得る。つまり、第一スキャナー１０８は、第二スキャナー１１２の横方向ステアリングの方向と直交する方向に光信号１２６を偏向させ得る。従って、第二スキャナー１１２が第一走査経路１５０にわたって後続偏向光信号１３１をステアリングするにつれて、第一スキャナー１０８は、光信号１２６を小刻みに動かし、旋回させ、又は変調させて、偏向光信号１３０を形成し、第二スキャナー１１２が第一走査経路１５０にわたって後続偏向光信号１３１を移動させるにつれて、偏向光信号１３０は第二走査経路１５２を示す。このようにして、低速スキャナーであり得る第二スキャナー１１２が、第一走査経路１５０にわたって後続偏向光信号１３１をスイープし、第二走査経路１５２が、各横方向スイープに対して幅広のカバー率を提供する（第二スキャナー１１２のみを用いた場合よりも実質的に幅広）。

第一走査経路１５０及び第二走査経路１５２は別個独立の光経路ではないことを理解されたい。そうではなくて、第一走査経路１５０及び第二走査経路１５２は、第一スキャナー１０８及び第二スキャナー１１２の両方によって光信号１２６に与えられる移動を表すものである。つまり、第一スキャナー１０８及び第二スキャナー１１２は、異なる速度及び方向で光信号１２６を偏向させて、効率的に関心領域１０４をカバーするように協働する。

第二走査経路１５２は、距離１３２の方向に直交する方向に初期偏向光信号１３０を連続的に偏向させることによって形成される。例えば、第二スキャナー１１２が横方向（例えば、右から左、また、その逆）に偏向光信号１３０をステアリングするにつれて、第一スキャナー１０８が垂直方向（例えば、下から上、また、その逆）に光信号１２６を連続的に偏向させる。このようにして、第一スキャナー１０８及び第二スキャナー１１２は、大型ミラーを有する単一のスキャナーよりもはるかに高速で関心領域１０４を効率的にカバーすることができる。これと同時に、第二スキャナー１１２の大型ミラー１２８が対象１０２からの反射信号を受信するので、第一スキャナー１０８及び第二スキャナー１１２が反射光信号を逃すこと（小型ミラーを有する高速スキャナーのように）が起きにくくなる。

初期偏向光信号１３０は、第一スキャナー１０８から出力されると、第二スキャナー１１２のミラー１２８で偏向されることによって、後続偏向光信号１３１を出力し、その後続偏向光信号１３１は、第二スキャナー１１２のみを用いる場合よりもはるかに広い出射走査範囲を提供する。第一スキャナー１０８の偏向範囲及び速度が、ミラー１２８の比較的大きなサイズ及び慣性に起因して第二スキャナー１１２（低速スキャナーであり得る）が発生させ得る走査不正確性を修正し得る。

図３は、本開示の一実施形態に係る第一スキャナー１０８の概略図を示す。上述のように、第一スキャナー１０８は、音響光学スキャナー等の高速スキャナーであり得る。第一スキャナー１０８は、圧電結晶３０２を含む筐体３００を含み得る。圧電結晶が音響波３０４を発生させる。光信号１２６が圧電結晶３０２を通過すると、光信号１２６が音響波３０４に対して散乱される。散乱光信号１２６が偏向光信号１３０を形成し、その偏向光信号１３０は、低音響周波数に対して散乱する部分３１０と、高音響周波数に対して散乱する部分３１２とを含む。偏向光信号１３０は、音響波３０４の周波数に比例する角度で音響波３０４から散乱する。

図４は、本開示の一実施形態に係る第一スキャナー１０８の概略図を示す。本実施形態では、第一スキャナー１０８は、楔形の圧電結晶４００を含む電気光学スキャナーであり得る。電圧パッド４０２が結晶の４００の頂部及び底部に適用され得る。電圧が電圧パッドに印加されると、結晶４００の屈折率が変化して、これが、異なる方向に光を屈折させる。偏向光信号１３０は、低印加電圧によって屈折する部分４０４と、高印加電圧によって屈折する部分４０６とを含み得る。偏向光信号１３０は、印加電圧及び結晶４００の形状に比例する角度で屈折する。

図３及び図４は高速スキャナーの例を示す。多様な他の種類の高速スキャナーが使用可能である。例えば、第一スキャナー１０８は、圧電スキャナーや、高速機械スキャナー等であるか、又はそれを含み得る。

図５は、本開示の一実施形態に係る関心領域の走査方法のフローチャートを示す。制御ユニット１１７が、図５に関して示され説明される方法に従って走査システム１００を作動させ得る。

本方法は、光信号を第一スキャナーに向けて放出する５００で始まる。例えば、レーザー源が、高速スキャナーであり得る第一スキャナーに向けてこれを通過するようにパルスレーザーを放出し得る。

５０２では、第一スキャナーを用いて、第一速度で光信号を偏向させることによって、初期偏向光信号を出力する。第一スキャナーは、第一直線寸法（例えば、Ｘ軸又はＹ軸に平行）に対して光信号を偏向させ得る。

５０４では、低速スキャナー等の第二スキャナーを用いて、第一速度とは異なる第二速度で初期偏向光信号（第一スキャナーによってまず偏向されている）を偏向させる。第二スキャナーは、二次元（例えば、Ｙ軸又はＺ軸に平行な第一方向、及び、Ｘ軸に平行な第二方向）に対して初期偏向光信号を偏向させ得る。後続偏向光信号が第二スキャナーによって出力される。

５０６では、第一スキャナー及び第二スキャナーの両方によって偏向された後続偏向光信号で関心領域を走査する。第一スキャナー及び第二スキャナーは、第一走査経路（第一スキャナーによって与えられる光信号の動きによって定義される）及び第二経路（第二スキャナーによって与えられる光信号の動きによって定義される）の組み合わせである経路を介して関心領域にわたって後続偏向光信号を動かすように協働する。「第一」及び「第二」との用語は、単に異なる経路を使用するために用いられていることを理解されたい。第一経路は必ずしも第一スキャナーと相関しておらず、また、第二経路は必ずしも第二スキャナーと相関していない。むしろ、第一スキャナーが第二走査経路に対して光信号を動かし得る一方、第二スキャナーが第一走査経路に対して光信号を動かし得て、また、その逆も同様である。

５０８では、関心領域内の対象から反射された光信号が検出器によって受信される。光信号は、一つ以上のレンズを介して検出器内に集束され得る。５１０では、受信光信号に基づいて画像が形成される。

以上のように、本開示の実施形態は、ＬＩＤＡＲで使用可能な効率的な走査システム及び方法を提供する。本開示の実施形態は、関心領域内の対象の画像を正確に発生させる高速走査システム及び方法を提供する。

頂部、底部、下、中間、横、水平、垂直、前方等の多様な空間及び方向に関する用語が本開示の実施形態を説明するのに使用され得るが、このような用語は、単に図面に示されている向きに関して使用されていることを理解されたい。これらの向きは、上部が下部になり、下部が上部になり、水平が垂直になる等のように反転、回転、又は変更され得る。

本願において、或る役割や動作を行うように「構成されている」構造、限定、又は要素は、その役割や動作に応じて具体的に構造的に形成され、構築され、又は適合される。その役割や動作を行うように単に修正可能であるという対象については、明確性のため、また疑念を生じさせないため、本願において、その役割や動作を行うように「構成されている」ものとはしない。

上記説明は例示的なものであり、限定的なものではないことを理解されたい。例えば、上記実施形態（及び／又はその態様）は互いに組み合わせて使用可能である。また、本開示の多様な実施形態の教示に対して、その範囲から逸脱することなく、具体的な状況や物質に適合するように、多様な修正を行い得る。本願に記載されている物質の寸法及び種類は、本開示の多様な実施形態のパラメータを定めるものである一方、それら実施形態は限定的なものではなく、例示的な実施形態である。上記説明を読むことによって、他の多様な実施形態が当業者には明らかとなるものである。従って、本開示の多様な実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲を、その特許請求の範囲に含まれる等価物の完全な範囲と共に参照することで決定されるものである。添付の特許請求の範囲において、「含む」や「であって」との用語は、それぞれ「備える」、「において」との用語の分かり易い等価物である。更に、「第一」、「第二」、「第三」等の用語は、目印であり、それらの対象に数字に関する制限を課すものではない。更に、添付の特許請求の範囲の限定は、そのような特許請求の範囲の限定が、更なる構造について具体性に欠ける記載が続く「するための手段」との記載で明確に用いられていない限り、ミーンズプラスファンクション形式で記載されているものではなく、米国特許法第１１２条（ｆ）に基づいて解釈されるものではない。

ここに記載されている説明は、最良の形態を含む本開示の多様な実施形態を開示して、当業者が本開示の多様な実施形態を実施すること（あらゆるデバイスやシステムを作製及び使用すること、あらゆる方法を行うことを含む）を可能にするために例を用いている。本開示の多様な実施形態の特許範囲は、特許請求の範囲によって定められるものであり、当業者が想起する他の例を含み得る。そのような他の例は、その例が請求項の文字通りの記載から異ならない構造要素を有する場合や、その例が請求項の文字通りの記載から僅かに異なる等価な構造要素を含む場合において、特許請求の範囲内にあるものである。

１００ 走査システム
１０２ 対象
１０４ 関心領域
１０６ 光源
１０８ 第一スキャナー
１１０ 偏向ミラー
１１２ 第二スキャナー
１１４ レンズ
１１６ 検出器
１１７ 制御ユニット

Claims (16)

1. 関心領域を走査するように構成された走査システムであって、
   光信号を偏向させて、初期偏向光信号として出力するように構成された第一スキャナーと、
   前記初期偏向光信号を受信し、前記初期偏向光信号を偏向させて、後続偏向光信号として出力するように構成された第二スキャナーと、を備える走査システム。
2. 前記第一スキャナー及び前記第二スキャナーが、組み合わせ走査経路にわたって前記後続偏向光信号を動かすように協働する、請求項１に記載の走査システム。
3. 前記第一スキャナーが第一速度で前記光信号を偏向させるように構成されていて、前記第二スキャナーが前記第一速度とは異なる第二速度で前記初期偏向光信号を偏向させるように構成されている、請求項１に記載の走査システム。
4. 前記第一スキャナーが第一走査角度で前記光信号を偏向させるように構成されていて、前記第二スキャナーが前記第一走査角度とは異なる第二走査角度で前記初期偏向光信号を偏向させるように構成されている、請求項１に記載の走査システム。
5. 前記第二スキャナーが、二つの異なる軸に対して作動するように構成されたミラーを備える、請求項１に記載の走査システム。
6. 前記第一スキャナー内に向けて前記光信号を放出するように構成された光源を更に備える請求項１に記載の走査システム。
7. 前記関心領域内の対象からの反射光信号を受信するように構成された検出器を更に備える請求項１に記載の走査システム。
8. 前記反射光信号を前記検出器内に集束させるように構成された一つ以上のレンズを更に備える請求項７に記載の走査システム。
9. 前記第一スキャナーと前記第二スキャナーとの間に配置された偏向ミラーを更に備え、前記偏向ミラーが、前記初期偏向光信号が通過する開口を備える、請求項１に記載の走査システム。
10. 関心領域を走査するように構成された走査方法であって、
    第一スキャナーで光信号を受信するステップと、
    前記第一スキャナーで前記光信号を初期偏向させるステップと、
    前記第一スキャナーによって偏向された前記光信号を初期偏向光信号として出力するステップと、
    第二スキャナーで前記初期偏向光信号を受信するステップと、
    前記第二スキャナーで前記初期偏向光信号を偏向させるステップと、
    前記第二スキャナーによって偏向された前記初期偏向光信号を後続偏向光信号として出力するステップと、を備える走査方法。
11. 組み合わせ走査経路にわたって前記後続偏向光信号を動かすステップを更に備える請求項１０に記載の走査方法。
12. 前記光信号を初期偏向させるステップが第一速度で前記光信号を初期偏向させることを備え、前記初期偏向光信号を偏向させるステップが前記第一速度とは異なる第二速度で前記初期偏向光信号を偏向させることを備える、請求項１０に記載の走査方法。
13. 前記第一速度が前記第二速度よりも速い、請求項１２に記載の走査方法。
14. 前記光信号を初期偏向させるステップが第一走査角度で前記光信号を初期偏向させることを備え、前記初期偏向光信号を偏向させるステップが前記第一走査角度とは異なる第二走査角度で前記初期偏向光信号を偏向させることを備える、請求項１０に記載の走査方法。
15. 前記第二走査角度が前記第一走査角度よりも大きい、請求項１４に記載の走査方法。
16. 関心領域を走査するように構成された光検出と測距（ＬＩＤＡＲ）走査システムであって、
    光信号を放出するように構成された光源と、
    前記光源から前記光信号を受信して、第一速度で第一走査角度にわたって前記光信号を偏向させて、初期偏向光信号として出力するように構成された第一スキャナーと、
    前記初期偏向光信号を受信して、前記第一速度よりも遅い第二速度で前記第一走査角度よりも大きい第二走査角度にわたって前記初期偏向光信号を偏向させて、後続偏向光信号として出力するように構成された第二スキャナーであって、該第二スキャナーが、二つの異なる軸に対して作動するように構成されたミラーを備え、前記第一スキャナー及び該第二スキャナーが組み合わせ走査経路にわたって前記後続偏向光信号を動かすように協働する、第二スキャナーと、
    前記第一スキャナーと前記第二スキャナーとの間に配置された偏向ミラーであって、前記初期偏向光信号が通過する開口を備える偏向ミラーと、
    少なくとも一つのレンズであって、前記偏向ミラーによって該少なくとも一つのレンズ内に偏向させた前記関心領域内の対象からの反射光信号を集束させるように構成された少なくとも一つのレンズと、
    前記少なくとも一つのレンズによって集束させた前記反射光信号を受信するように構成された検出器と、
    前記検出器が受信した前記反射光信号に基づいて、一つ以上の画像を形成するように構成された制御ユニットと、を備えるＬＩＤＡＲ走査システム。

Images