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JP2023545373A - Ｆｍｃｗ－ｌｉｄａｒシステムの共役焦点面における同軸ローカルオシレータの生成 - Google Patents

Ｆｍｃｗ－ｌｉｄａｒシステムの共役焦点面における同軸ローカルオシレータの生成 Download PDF

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Abstract

Figure 2023545373000001
本発明の一態様によるＬＩＤＡＲシステムは、光ビームを放射する光源と、前記光源に連携して前記光ビームを第1焦点面に集束させる自由空間光学系とを備える。ローカルオシレータ（LO）信号は、前記第１焦点面に近接する位置に配置される部分反射面から前記光ビームの部分反射によって生成され、前記光ビームの透過部分は、スキャンターゲット環境に向けられてターゲットリターン信号を発生させる。前記自由空間光学系は、前記LO信号および前記ターゲットリターン信号を第1焦点面の共役焦点面である第2焦点面に集束させる。前記ＬＩＤＡＲシステムはまた、前記共役焦点面である第2焦点面に近接する位置に配置される受光面を有し、この受光面で前記LO信号を前記ターゲットリターン信号に混合してターゲット情報を生成する光検出器を備える。

Description

本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき２０２０年９月２４日に出願された米国特許出願第１７／０３１，５１５号の優先権を主張するものであり、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）システム全般に関し、詳しくは、自由空間光学系（フリースペースオプティクス）の共役焦点面における同軸ローカルオシレータ（ＬＯ）信号の生成に関する。
周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）ＬＩＤＡＲシステムは、ターゲットに向けて周波数変調された光を照射するために波長可変レーザを使用し、またターゲットからの後方散乱光または反射光を検出するために送信信号（ＬＯ信号）のローカルコピーを有するコヒーレント受信器を使用する。そして、同受信器において、同ＬＯ信号と、ターゲットまでの往復時間だけ遅延し戻るリターン信号とを混合し、それにより、システムの視野内における各ターゲットまでの距離に比例したビート周波数を生成する。
このようなＬＩＤＡＲシステムでは、高速ミラーを備えた光スキャナを使用して視野（ＦＯＶ）をスキャンし、ＦＯＶからのターゲットリターン信号を逆スキャンする。ミラーの速度が増加すると、ターゲットとの信号往復時間中のミラーの動きによりＬＯ信号とターゲットのリターン信号の間に空間的なズレが生じ、その結果、信号を混合するために使用される光検出器の空間混合効率が低下する。
以下、本発明の態様、すなわち、同軸ＬＯ信号およびターゲットリターン信号の空間混合効率の低下を改善するためのＬＩＤＡＲシステムおよびその方法に係る各発明の態様について説明する。
本発明の一態様によるＬＩＤＡＲシステムは、光ビームを放射する光源と、前記光源に連携して前記光ビームを第１焦点面に集束させる自由空間光学系とを備える。
ローカルオシレータ（ＬＯ）信号は、前記第１焦点面に近接する位置に配置される部分反射面から前記光ビームの部分反射によって生成され、前記光ビームの透過部分は、スキャンターゲット環境に向けられてターゲットリターン信号を発生させる。前記自由空間光学系は、前記ＬＯ信号および前記ターゲットリターン信号を第１焦点面の共役焦点面である第２焦点面に集束させる。
前記ＬＩＤＡＲシステムはまた、前記共役焦点面である第２焦点面に近接する位置に配置される受光面（検出面）を有し、この受光面で前記ＬＯ信号を前記ターゲットリターン信号に混合してターゲット情報を生成する光検出器を備える。
本発明の一態様において、前記自由空間光学系は、前記光ビームを第１レンズ系に伝送するとともに、この第１レンズ系を通して前記光ビームを前記第１焦点面に集束させる偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を備える。
前記自由空間光学系はまた、前記光ビームから前記ＬＯ信号を発生させる前記部分反射面を有し、かつ前記ＬＯ信号を、前記第１レンズ系を通して前記偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）に向けて反射する光学ウィンドウを備える。
本発明の一態様において、前記自由空間光学系は、前記ＰＢＳから向けられる前記ＬＯ信号を導く第２レンズ系であって、前記ＬＯ信号および前記ターゲットリターン信号を前記第２焦点面に集束させる第２レンズ系を備える。
本発明の一態様において、前記自由空間光学系は、前記光ビームの透過部分をコリメートする第３レンズ系と、前記第３レンズ系と連携して、前記光ビームの透過部分でターゲット環境をスキャンするとともに、このターゲットリターン信号を逆スキャンする光スキャナとを備える。
前記第３レンズ系は、前記ターゲットリターン信号を第１焦点面に集束させ、前記第１レンズ系は、前記ＬＯ信号および前記ターゲットリターン信号をコリメートし、前記ＰＢＳは、前記ＬＯ信号および前記ターゲットリターン信号を第２レンズ系に導く。
本発明の一態様において、前記部分反射面は、前記第１焦点面から離れた位置に配置される。
本発明の一態様において、前記光検出器の受光面は、前記第２焦点面から離れた位置に配置される。
本発明の一態様によるＬＩＤＡＲシステムにおける方法は、
第１焦点面に光ビームを集束させるステップ；
前記第１焦点面に近接する位置に配置される部分反射面から前記光ビームの一部を反射させることにより、ローカルオシレータ（ＬＯ）信号を生成し、前記光ビームの透過部分をスキャンターゲット環境へ向けるステップ；
前記ＬＯ信号および前記光ビームの透過部分によるターゲットリターン信号を、前記第１焦点面に共役な第２焦点面に集束させるステップ；および
前記第２焦点面に近接する位置に配置される光検出器により前記ＬＯ信号を前記ターゲットリターン信号に混合し、ターゲット情報を生成するステップ、を備える。
本発明の一態様において、前記ＬＩＤＡＲシステムにおける方法は、
コヒーレント光源で前記光ビームを生成するステップ；
偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を通して前記光ビームを前記第１レンズ系に伝送し、同第１レンズ系を通して前記光ビームを第１焦点面に集束させ、かつ、前記部分反射面を有する光学ウィンドウに前記光ビームを通す一方、前記部分反射面で前記光ビームの一部である前記ＬＯ信号を前記第１レンズ系を通して反射させるステップ、を備える。
本発明の一態様において、前記ＬＩＤＡＲシステムにおける方法は、
前記偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）で前記ＬＯ信号および前記ターゲットリターン信号を反射させて第２レンズ系に導き、この第２レンズ系の第２焦点面に前記ＬＯ信号および前記ターゲットリターン信号を集束させる。
本発明の一態様において、前記ＬＩＤＡＲシステムにおける方法は、
第３レンズ系を用いて前記光ビームの透過部分をコリメートするステップ；
前記光ビームの透過部分でターゲット環境をスキャンするステップ；
前記スキャンによるターゲットリターン信号を逆スキャンするステップ；および、
前記第３レンズ系を用いて前記ターゲットリターン信号を前記第１焦点面に集束させるステップ、を備える。
本発明の一態様において、前記ＬＩＤＡＲシステムにおける方法は、
前記第１レンズ系を用いて前記ＬＯ信号および前記ターゲットリターン信号をコリメートするステップ；および
コリメートされた前記ＬＯ信号および前記ターゲットリターン信号を、前記ＰＢＳを用いて前記第２レンズ系に導き、これらのＬＯ信号およびターゲットリターン信号を前記第２レンズ系を通して前記第２焦点面に集束させるステップ、を備える。
本発明の一態様において、前記ＬＩＤＡＲシステムにおける方法は、前記部分反射面が前記第１焦点面から離れた位置に配置される。
本発明の一態様において、前記ＬＩＤＡＲシステムにおける方法は、前記光検出器の受光面が前記第２焦点面から離れた位置に配置される。
本発明の一態様によるＬＩＤＡＲシステムは、
プロセッサと、
このプロセッサによって実行されると、前記ＬＩＤＡＲシステムに以下の動作をさせる命令を格納する非一時的なコンピュータ可読媒体と、を備える。
第１焦点面に光ビームを集束させる。；
前記第１焦点面に近接する位置に配置される部分反射面から前記光ビームの一部を反射させることにより、ローカルオシレータ（ＬＯ）信号を生成し、前記光ビームの透過部分をスキャンターゲット環境へ向ける。；
前記ＬＯ信号および前記光ビームの透過部分によるターゲットリターン信号を、前記第１焦点面に共役な第２焦点面に集束させる。；および
前記第２焦点面に近接する位置に配置される光検出器により前記ＬＯ信号を前記ターゲットリターン信号に混合し、ターゲット情報を生成する。
本発明の一態様において、前記ＬＩＤＡＲシステムに命令される動作はまた、以下を含む。
コヒーレント光源で前記光ビームを生成し、；
偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を通して前記光ビームを前記第１レンズ系に伝送し、同第１レンズ系を通して前記光ビームを第１焦点面に集束させ、かつ、前記部分反射面を有する光学ウィンドウに前記光ビームを通す一方、前記部分反射面で前記光ビームの一部である前記ＬＯ信号を、前記第１レンズ系を通して反射させる。
本発明の一態様において、前記ＬＩＤＡＲシステムに命令される動作はまた、前記偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）で前記ＬＯ信号および前記ターゲットリターン信号を反射させて第２レンズ系に導き、この第２レンズ系の第２焦点面に前記ＬＯ信号および前記ターゲットリターン信号を集束させることを含む。
本発明の一態様において、前記ＬＩＤＡＲシステムに命令される動作はまた、以下を含む。
第３レンズ系を用いて前記光ビームの透過部分をコリメートする；
前記光ビームの透過部分でターゲット環境をスキャンする；
前記スキャンによるターゲットリターン信号を逆スキャンする；および、
前記第３レンズ系を用いて前記ターゲットリターン信号を前記第１焦点面に集束させる。
本発明の一態様において、前記ＬＩＤＡＲシステムに命令される動作はまた、以下を含む。
前記第１レンズ系を用いて前記ＬＯ信号および前記ターゲットリターン信号をコリメートする；および
コリメートされた前記ＬＯ信号および前記ターゲットリターン信号を、前記ＰＢＳを用いて前記第２レンズ系に導き、これらのＬＯ信号およびターゲットリターン信号を、前記第２レンズ系を通して前記第２焦点面に集束させる。
本発明の一態様において、前記光学ウィンドウの部分反射面は、前記第１焦点面から離れた位置に配置される。
本発明の一態様において、前記光検出器の受光面は、前記第２焦点面から離れた位置に配置される。
本発明の種々の態様を明確にするために、後述の詳細な説明（実施形態）で参照される図面を示す。なお図中の同一の符号は同一の構成要素である。
本発明の実施形態によるＦＭＣＷ－ＬＩＤＡＲシステムを示すブロック図である。
本発明の実施形態によるＦＭＣＷ－ＬＩＤＡＲ波形の一例を示す時間－周波数図である。
本発明の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムの光学系の一例を示すブロック図である。
本発明の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムの光学系の一例を示すブロック図である。
本発明の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムの光学系の一例を示すブロック図である。
本発明の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムの光学系の一例を示すブロック図である。
本発明の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムの光学系の一例を示すブロック図である。
本発明の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムの光学系の一例を示すブロック図である。
本発明の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムの光学系の一例を示すブロック図である。
本発明の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムの光学系の一例を示すブロック図である。
本開示の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムのレンズ系の一例を示すブロック図である。
本発明の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムの光学系の一例を示すブロック図である。
本発明の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムの方法を示すもので、共役焦点面における同軸ローカルオシレータの設定方法の一例を示すフローチャートである。
本発明の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムの処理系を示すもので、共役焦点面における同軸ローカルオシレータの構成例を示すブロック図である。
本発明の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムのマルチビーム光学系の一例を示すブロック図である。
本発明の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムのマルチビーム光学系の一例を示すブロック図である。
本発明の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムのマルチビーム光学系の一例を示すブロック図である。
以下、本発明の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムおよびその方法、すなわち、同軸ＬＯ信号およびターゲットリターン信号の空間混合効率の低下を改善するためのＬＩＤＡＲシステムおよびその方法について説明する。
本発明の実施形態におけるＬＩＤＡＲシステムは、輸送、製造、計測、医療、セキュリティシステムなど、任意のセンシング市場において実施することができるが、これらに限定されるものではない。その他、実施形態で説明されるＬＩＤＡＲシステムは、自動運転支援システムや自動運転車の空間認識を支援する周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）デバイスのフロントエンドの一部として実装される。
図１は、一実施態様によるＬＩＤＡＲシステム１００を示している。
ＬＩＤＡＲシステム１００は、多数の構成要素のいずれか１つまたは複数を含むが、図１に示すよりも少ない構成要素または追加の構成要素を含んでもよい。
図１に示すように、ＬＩＤＡＲシステム１００は、フォトニクスチップ上に実装された光学回路１０１を有する。光学回路１０１には、能動光学構成要素と受動光学構成要素との組み合わせが含まれている。能動光学構成要素は、光信号などを生成、増幅、および／または検出する。いくつかの例では、能動光学構成要素は、異なる波長の光ビームを有し、１つ以上の光増幅器、１つ以上の光検出器などを含んでいる。
自由空間光学系１１５には、光信号を伝送し、能動光回路の適切な入力／出力ポートに光信号をルーティングして操作するための１つ以上の光導波路が含まれている。自由空間光学系１１５には、タップ、波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）、スプリッタ／コンバイナ、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、コリメータ、カプラなどの１以上の光学構成要素が含まれている。一態様では、自由空間光学系１１５には、偏光状態を変換し、受信した偏光を、例えば、ＰＢＳを使用して光検出器に導くための構成要素が含まれている。また、自由空間光学系１１５には、異なる周波数を有する光ビームを軸（例えば、高速軸）に沿って異なる角度で偏向させる回折素子がさらに含まれる場合がある。
本実施形態のＬＩＤＡＲシステム１００は、１つ以上のスキャニングミラーを有する光スキャナ１０２を備えている。これらのスキャニングミラーは、スキャニングパターンに従って環境をスキャンする光信号を誘導するために、回折素子の高速軸に直交または実質的に直交する軸（例．低速軸）に沿って回転可能になっている。例えば、スキャニングミラーは、１つ以上のガルバノメータによって回転可能である。
例えば、リターン光ビームは、偏光ビームスプリッタによって光検出器に向けられる。なお、光スキャナ１０２には、ミラーやガルバノメータに加えて、１／４波長板、レンズ、反射防止コーティングされた光学ウィンドウなどが含まれる場合がある。
ＬＩＤＡＲシステム１００には、光学回路１０１および光スキャナ１０２を制御およびサポートするために、ＬＩＤＡＲ制御装置１１０が設けられている。ＬＩＤＡＲ制御装置１１０には、ＬＩＤＡＲシステム１００に必要な処理装置が含まれている。
一態様では、処理装置は、マイクロプロセッサ、中央処理装置などの１つ以上の汎用処理装置であり、具体的には、複合命令セットコンピューティング（ＣＩＳＣ）マイクロプロセッサ、縮小命令セットコンピューティング（ＲＩＳＣ）マイクロプロセッサ、超長命令語（ＶＬＩＷ）マイクロプロセッサ、または他の命令セットを実装するプロセッサ、または命令セットの組み合わせを実装するプロセッサである。
また、上記処理装置は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ：現場プログラム可能ゲートアレイ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、ネットワークプロセッサ等の特殊用途処理装置の１つ以上であってもよい。
一態様では、ＬＩＤＡＲ制御装置１１０には、ＤＳＰなどの信号処理ユニット１１２が設けられる。これにより、ＬＩＤＡＲ制御装置１１０は、光学ドライバ１０３を制御するためのデジタル制御信号を出力する。そのデジタル制御信号は、信号変換ユニット１０６を介してアナログ信号に変換される。例えば、信号変換ユニット１０６には、デジタル／アナログ変換器が含まれる。
光学ドライバ１０３は、光学回路１０１の能動光学構成要素に駆動信号を供給し、レーザや増幅器などの光源を駆動する。一態様では、複数の光源を駆動するために、複数の光学ドライバ１０３および信号変換ユニット１０６を設けてもよい。
ＬＩＤＡＲ制御装置１１０はまた、光スキャナ１０２に対してデジタル制御信号を出力するように構成されている。モーション制御装置１０５は、ＬＩＤＡＲ制御装置１１０から受信した制御信号に基づいて、光スキャナ１０２のガルバノメータを制御することができる。具体的には、デジタル／アナログ変換器を使用して、ＬＩＤＡＲ制御装置１１０からの座標ルーティング情報を、光スキャナ１０２のガルバノメータによって処理可能な信号に変換することができる。
一態様では、モーション制御装置１０５は、光スキャナ１０２の構成要素の位置または動作に関する情報をＬＩＤＡＲ制御装置１１０に送り返すこともできる。具体的には、アナログ／デジタル変換器を使用して、ガルバノメータの位置に関する情報をＬＩＤＡＲ制御装置１１０が処理可能な信号に順次変換することができる。
ＬＩＤＡＲ制御装置１１０は、さらに、入力されたデジタル信号を解析するように構成されている。これに関連して、ＬＩＤＡＲシステム１００には、光学回路１０１によって受信された１つ以上のビームを測定するための光受信器１０４が設けられている。具体的には、光受信器１０４としての基準ビーム受信器は、能動光学構成要素からの基準ビームの振幅を測定し、アナログ／デジタル変換器により同基準ビーム受信器からの信号を、ＬＩＤＡＲ制御装置１１０によって処理可能な信号に変換する。
また、光受信器１０４としてのターゲット受信器は、ビート周波数変調光信号の形でターゲットの距離と速度に関する情報を搬送する光信号を計測する。この場合、光信号の反射ビームは、ローカルオシレータ（LO）信号と混合されてもよい。光受信器１０４には、ターゲット受信器からの信号をＬＩＤＡＲ制御装置１１０によって処理可能な信号に変換する高速アナログ／デジタル変換器を設けることができる。
一態様では、光受信器１０４からの信号は、ＬＩＤＡＲ制御装置１１０に受信される前に、信号調整ユニット１０７による信号調整の対象となり得る。例えば、光受信器１０４からの信号は、リターン信号の増幅のために信号調整ユニット１０７のオペアンプに供給され、そのオペアンプによって増幅された信号がＬＩＤＡＲ制御装置１１０に供給されるようにしてもよい。
一部のアプリケーションでは、ＬＩＤＡＲシステム１００には、環境の画像をキャプチャするように構成された１つ以上の撮像装置１０８、同システムの地理的位置を提供するように構成された全地球測位システム（ＧＰＳ）１０９、または他のセンサ入力を追加的に設けることもできる。
また、ＬＩＤＡＲシステム１００には画像処理装置１１４を設けることができる。この場合、同画像処理装置１１４は、撮像装置１０８および全地球測位システム（ＧＰＳ）１０９から画像および地理的位置を受信し、画像および位置またはそれに関連する情報を、ＬＩＤＡＲ制御装置１１０またはそれに接続された他のシステムに送信するように構成することができる。
いくつかの実施形態による動作では、ＬＩＤＡＲシステム１００は、非縮退光学光源を用いて２次元で距離および速度を同時に測定するように構成される。この機能により、周囲環境の距離、速度、方位角および高さ（標高）について遠距離測定がリアルタイムで可能になる。
いくつかの例では、スキャンプロセスは、光学ドライバ１０３およびＬＩＤＡＲ制御装置１１０から開始される。ＬＩＤＡＲ制御装置１１０は、光学ドライバ１０３に１つ以上の光ビームをそれぞれ変調するように指示し、これらの変調信号は光学回路１０１の受動光学回路を通って自由空間光学系１１５のコリメータに伝送される。同コリメータは、上記変調信号を光スキャナ１０２に誘導し、光スキャナ１０２はモーション制御装置１０５で事前にプログラムされたパターンで環境をスキャンする。
光学回路１０１には、光が光学回路１０１を出る際に光の偏光状態を変換する偏光波長板（ＰＷＰ）を設けてもよい。この場合、偏光波板は１／４波板または１／２波板、あるいは、ファラデー回転子などの非可逆的偏光回転子を採用することができる。
偏光された光ビームの一部は、光学回路１０１に戻るように反射される場合もある。例えば、ＬＩＤＡＲシステム１００で使用されるレンズ系またはコリメート系は、自然な反射特性または反射コーティングを有する場合があり、これにより光ビームの一部が光学回路１０１に反射される。
環境から反射された光信号は、光学回路１０１を通して受信器（光受信器１０４）に送られる。このとき、光の偏光状態は変換されているため、光学回路１０１に反射して戻ってきた偏光光の一部とともに偏光ビームスプリッタで反射される。その結果、反射された光信号は、光源と同じ光ファイバまたは導波路には戻らず、それぞれ別の光受信器に反射される。これらの信号は互いに干渉し、混合（合成）された信号を生成する。
ターゲットから戻ってくる各ビーム信号は、時間シフトされた波形を生成し、これら２つの波形間の時間的位相差によって光受信器（光検出器）で計測されるビート周波数が生成される。
そして、その混合（合成）された信号は光受信器１０４に反射させることができる。
光受信器１０４で受信したアナログ信号は、ＡＤＣ（アナログ／デジタル変換器）によりデジタル信号に変換される。次いで、同デジタル信号は、ＬＩＤＡＲ制御装置１１０に送信される。
同装置の信号処理ユニット１１２は、同デジタル信号を受信しそれらを処理する。
一態様では、信号処理ユニット１１２は、モーション制御装置１０５およびガルバノメータ（図示されない）から位置データを受信し、画像処理装置１１４から画像データを受信する。これにより、信号処理ユニット１１２は、光スキャナ１０２が追加ポイントをスキャンする際に、環境内のポイントの距離と速度に関する情報を有する３Ｄポイントクラウドを生成することができる。
信号処理ユニット１１２はまた、３Ｄポイントクラウドを画像データと重ね合わせて、周囲の物体の速度および距離を決定する場合もある。
このＬＩＤＡＲ制御装置１１０はさらに衛星ベースのナビゲーション位置データを処理して正確な全地球的位置情報を提供する場合もある。
図２は、一実施形態において、ＬＩＤＡＲシステム１００のようなＬＩＤＡＲシステムがターゲット環境をスキャンするために使用可能なＦＭＣＷスキャニング信号２０１の時間－周波数図２００である。この例において、ｆＦＭ（ｔ）と表示されたスキャニング信号２０１は、チャープ帯域幅ΔｆＣおよびチャープ周期ＴＣを持つ鋸歯状波形（鋸歯「チャープ」）である。
鋸歯の傾きは、ｋ＝（ΔｆＣ／ＴＣ）である。
図２にはまた、一実施形態におけるターゲットリターン信号２０２が示される。ｆＦＭ（ｔ－Δｔ）で示されるターゲットリターン信号２０２は、スキャニング信号２０１の時間遅延バージョンであり、Δｔは、スキャニング信号２０１によって照射されたターゲットとの間の往復時間である。この往復時間は Δｔ＝２Ｒ／ｖ で与えられる。ここで、Ｒ はターゲットの距離、ｖ は光ビームの速度である光速ｃである。
したがって、同ターゲットの距離Ｒ は、Ｒ＝ｃ（Δｔ／２） として計算できる。
ターゲットリターン信号２０２がスキャニング信号と光学的に混合されると、距離依存の差周波数（「ビート周波数」）ΔｆＲ（ｔ）が生成される。ビート周波数ΔｆＲ（ｔ）は、鋸歯の傾きｋによって時間遅延Δｔと線形の関係にある。
つまり、ΔｆＲ（ｔ）＝ｋΔｔとなる。ターゲット距離ＲはΔｔに比例するため、ターゲット距離ＲはＲ＝（ｃ／２）（ΔｆＲ（ｔ）／ｋ）として計算できる。すなわち、距離Ｒはビート周波数ΔｆＲ（ｔ）と線形の関係にある。
ビート周波数ΔｆＲ（ｔ）は、例えば、ＬＩＤＡＲシステム１００の光受信器１０４でアナログ信号として生成される。このビート周波数は、例えば、ＬＩＤＡＲシステム１００の信号調整ユニット１０７内のアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）によってデジタル化される。このようにしてデジタル化されたビート周波数信号は、ＬＩＤＡＲシステム１００内の信号処理ユニット（例えば、信号処理ユニット１１２）でデジタル処理される。
ただし、ターゲットがＬＩＤＡＲシステム１００に対して相対速度を有する場合、ターゲットリターン信号２０２には一般に周波数オフセット（ドップラーシフト）が含まれることに注意する必要がある。ドップラーシフトは別途検出されてリターン信号の周波数を補正するために使用されるため、図２では簡略化と説明の容易化のためドップラーシフトは表示されていない。
また、ＡＤＣのサンプリング周波数は、エイリアシングを発生させずにシステムで処理可能な最高のビート周波数に決定されることに注意する必要がある。一般的に処理可能な最高周波数はサンプリング周波数の半分（すなわち「ナイキスト限界」）である。例えば、限定はしないが、ＡＤＣのサンプリング周波数が１ギガヘルツである場合、エイリアシングなしで処理できる最高ビート周波数（ΔｆＲｍａｘ）は５００メガヘルツである。この限界は、システムの最大ターゲット距離Ｒｍａｘ＝（ｃ／２）（ΔｆＲｍａｘ／ｋ）で決まり、これは鋸歯の傾きｋを変更することによって調整することができる。
一例では、ＡＤＣからのデータサンプルは連続的であってもよいが、後述する後続のデジタル処理は、ＬＩＤＡＲシステム１００の所定の周期性に関連付けることができる「時間セグメント」に分割することができる。例えば、限定はしないが、時間セグメントは、チャープ周期ＴＣの数、または前述の光スキャナによる方位角方向の回転数に対応する。
図３は、一実施形態による光学要素系３００を二次元的に示す図である。同システム３００は、図１に示したＬＩＤＡＲシステム１００の光学回路１０１、自由空間光学系１１５および光スキャナ１０２の１つまたは複数のコンポーネントを含む場合がある。
光学要素系３００は、選択された偏光（例えば、ｓ偏光またはｐ偏光）を有するコヒーレント光ビーム３０２を生成する光源３０１を備える。断面Ａ－Ａ（３０３）によって例示されるように、光ビーム３０２は、ほぼ円形または楕円形の断面を有する。光源３０１は、光ビーム３０２を偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３０４に導き、光ビーム３０２の選択された偏光を第１レンズ系３０５に伝送する。
一実施形態においては、光学ウィンドウ３０７からの反射偏光を調整するために偏光波板またはファラデー回転子を使用することができる。
また、一実施形態において、光学ウィンドウ３０７は、前面と背面の反射の空間干渉を除去するように構成されたウェッジガラス（楔形ガラス）を含む。この場合、光学ウィンドウ３０７は、スキャン速度および／または関心領域に基づいて設定することができる。
このように、ウェッジの方向を変えることで、１つまたは複数の光検出器上のＬＯ信号のシフトを誘導し、スピンポリゴンなどの高速単方向スキャナにおける逆スキャンの遅延によるリターン信号とＬＯ信号の重なり不一致を補償することができる。
一実施形態においては、ＰＢＳ３０４の代わりにビームスプリッタ（ＢＳ）を使用することができる。第１レンズ系３０５は、光ビーム３０２を第１焦点面３０６で集束させるように構成される。なお、レンズ系は、球面および非球面レンズの組み合わせを含む任意の多素子レンズ設計であってもよく、シングル非球面レンズであってもよい。
光学ウィンドウ３０７は、第１焦点面３０６に位置する部分反射面３０８を有している。部分反射面３０８は、光ビーム３０２の一部を偏光の変化したローカルオシレータ（ＬＯ）信号３０９として第１レンズ系３０５に向かって反射する。光学ウィンドウ３０７は、第１レンズ系３０５の主光軸３１０に対して実質的に垂直であるため、ＬＯ信号３０９の戻り経路は、光ビーム３０２の前進経路と実質的に同じである。
図示されないが、光学ウィンドウ３０７の後面（背面）にも部分反射面を有する場合がある。このため、光ビーム３０２からの追加のＬＯ信号が光学ウィンドウ３０７の背面の部分反射面から反射されることがある。一実施形態では、前面からのＬＯ信号３０９または後面（背面）からの追加のＬＯ信号のどちらかをＬＯ信号として使用することができる。しかしながら、２つのＬＯ信号のうち、１つは焦点内にあり、もう１つは焦点外にある場合があり、その結果、ＬＯ信号が競合してショットノイズが増加する可能性がある。そのため、一実施形態では、光学ウィンドウ３０７の後面（背面）から反射されたＬＯ信号が前面反射（例えばＬＯ信号３０９）と干渉しないように（またはその逆の場合に）、光学ウィンドウ３０７がウェッジガラスである場合がある。
ＬＯ信号３０９は、第１レンズ系３０５によってコリメートされ、ＰＢＳ３０４に向けて反射される。ここで、ＰＢＳ３０４によって変化した偏光のＬＯ信号３０９は、第２レンズ系３１１に向けて導かれる。断面Ｂ－Ｂ ３１２に示すように、ＬＯ信号３０９は、断面Ａ－Ａ ３０３と同じまたは類似した、ほぼ円形または楕円形の断面を有する。第２レンズ系３１１は、ＬＯ信号３０９を第１焦点面３０６の共役焦点面である第２焦点面３１３に集束させる。
光検出器３１４は、第２焦点面３１３に配置される受光面を有し、ＬＯ信号３０９のエネルギーを受信する。理想的には、ＬＯ信号３０９は第２焦点面３１３上の１点に焦点を合わせるのが望ましいが、光学部品のアライメント（位置合わせ）に関する実用的な制限により、ＬＯ信号３０９が焦点を外れ、その結果、非ゼロの直径をもって光検出器３１４の表面（受光面３１５）に投影３１６されることになる。
第３レンズ系３１７および光スキャナ３１８を含む光学要素系３００の他の光学要素については以下に説明する。
図４は、一実施形態よる、ターゲット環境３２０に向けた光ビーム３０２の全経路を独立した形で示したものである。光ビーム３０２は、第１焦点面３０６で収束した後、光学ウィンドウ３０７で反射されなかった部分が第３レンズ系３１７に向けて発散する。本実施形態では、第３レンズ系３１７の焦点距離が第１レンズ系３０５と同一であり、光ビーム３０２は第３レンズ系３１７によってコリメートされる。図４の断面Ｃ－Ｃ（３１９）に示すように、コリメートされた光ビーム３０２はほぼ円形の断面を有する。
コリメートされた光ビーム３０２は、方位角および仰角方向にターゲット環境３２０を走査する光スキャナ３１８によって受信される。ターゲット環境３２０の物体は、図５に示すように、光ビーム３０２の一部をリターン信号３２１として反射する。
図５では、光ビーム３０２とは異なる偏光をもつリターン信号３２１が光スキャナ３１８によって逆スキャンされる。光スキャナ３１８における逆スキャンエラーの影響を無視すると（以下で詳細に説明する。）、逆スキャンされるリターン信号３２１は、図５の断面Ｄ－Ｄ（３２２）によって示すように、第３レンズ系３１７および第１レンズ系３０５の主光軸３１０にほぼ平行な円形断面のコリメートされたビームとなる。
その結果、リターン信号３２１は第１焦点面３０６で集束し、第１レンズ系３０５に向かって発散し、そこで再コリメートされる。再コリメートされたリターン信号３２１は、その変化した偏光によりＰＢＳ３０４によって反射され、第２レンズ系３１１に向けられる。
第２レンズ系３１１は、ＬＯ信号３０９に関して説明したように、ＰＢＳ３０４で反射されたリターン信号３２１を第２焦点面３１３に集束させる。たとえば一実施形態ではリターン信号３２１を第２焦点面３１３上の一点に集束させることができる。
図６は、光学収差を最小限に抑えるように光学要素が配置される場合の光学要素系３００の動作を示す。
一例として、光ビーム、ＬＯ信号、およびリターン信号（例えば、図３および図４の光ビーム３０２、ＬＯ信号３０９、およびリターン信号３２１）はすべて対称に配置される。この配置は、複合ビーム表記を使用して図６に示される。
例えば、第１焦点面３０６とターゲット環境３２０の間のビーム３２２には出射された光ビーム３０２と入射されるリターン信号３２１（例えば、図５に示されるリターン信号３２１）の両方が含まれる。第１焦点面３０６とＰＢＳ３０４の間のビーム３２３には、出射された光ビーム３０２、入射されるリターン信号（例えば、図５に示されるリターン信号３２１）およびＬＯ信号（例えば、図３のＬＯ信号３０９）が含まれる。ＰＢＳ３０４と光検出器３１４の間のビーム３２４には、ＬＯ信号（例えば、図３のＬＯ信号３０９）とリターン信号（例えば、図５のリターン信号３２１）の両方が含まれる。光学要素系３００によるこの例では、ＬＯ信号とリターン信号（例えば、図３および図５のＬＯ信号３０９とリターン信号３２１）は第２焦点面３１３上の１点に集束することになる。
図７は、光学ウィンドウ３０７が角度Φだけズレた位置にある光学要素系を示している。このような配置のズレが原因で、ＬＯ信号３０９の焦点がリターン信号３２１の焦点から第２焦点面３１３上でズレることがある。
光学要素系３００の空間混合効率（γ）は、ＬＯ信号３０９のスポットサイズとリターン信号３２１のスポットサイズとの重なり積分の関数であり、次式で与えられる：

Figure 2023545373000002

ここで、ＥｓとＥＬｏは光検出器上のリターン信号とＬＯ信号の電場プロファイルであり、ｘ０とｙ０はリターン信号のスポット位置とＬＯ信号のスポット位置の変位（ズレ）を表す。また、ｄｅｔは、円形検出器の半径である。
図７に示すように、ＬＯ信号スポットとリターン信号スポットが重ならない場合、空間混合効率はゼロに減少することになる。
光学ウィンドウ３０７の配置にズレが生じた場合でも、図８に示すように、光検出器３１４の受光面３１５を第２焦点面３１３の前方に配置する（または第２焦点面３１３の後方に配置して類似の非焦点化効果を得る）ことにより、混合効率を最大化することができる。
図８では、複合ビーム３２４の受光面３１５への投影（同軸のＬＯ信号３０９とリターン信号３２１を含む）が、図６に示す配置の複合ビーム３２４のスポット焦点よりも大きな直径を有している。
図９は、ＬＯ信号３０９とリターン信号３２１がズレている場合に、光検出器３１４を第２焦点面３１３（共役焦点面）の前方に再配置（第２焦点面から離れた位置）した効果を示している。ＬＯ信号３０９とリターン信号３２１は、２つの重なり合わない焦点の代わりに、光検出器３１４の受光面３１５上に重なり合う領域をもつことになる。これにより、この領域で空間混合が生じてベースバンド信号（ビート周波数）ΔｆＲ（ｔ）を生成することができる。
光検出器３１４（受光面３１５）を第２焦点面３１３の前方に配置することで、ＬＯ信号３０９とリターン信号３２１との誤差スキャンラグによる位置合わせの不一致に対処するための空間混合率を増加させることができる。
約２０，０００度／秒以上の角速度では、遠距離にあるターゲットからのリターン信号の時間遅延が長くなり、光スキャナ３１８内でリターン信号３２１の逆スキャンラグに起因してスキャニングミラーが非常に小さな角度で回転する。これに伴いリターン信号３２１の角度にズレ（スキュー）が生じた状態で、光スキャナ３１８によって第３レンズ系３１７に反射されることがある。
このようなズレ（スキュー）の影響を図１０に示した。この例では、リターン信号３２１が断面Ｇ－Ｇに示すように光ビーム３０２からズレている。
図１１に示すように、このようなズレ（スキュー）角は、第３レンズ系３１７と第１レンズ系３０５の組み合わせを通して伝播される。なお図１１では、レンズ系を等価な薄い二重凸レンズで表している。
リターン信号３２１が主光軸３１０に対して角度θで平面波として第３レンズ系３１７に入ると、リターン信号３２１は第３レンズ系３１７の焦点距離と角度θによって決まる点で第１焦点面３０６に集束する。さらに、前述したように、第１レンズ系３０５と第３レンズ系３１７の距離はそれぞれの焦点距離の和に等しいため、リターン信号３２１は第１レンズ系３０５により主光軸３１０に対して角度θで再コリメートされる。
前述の図１０に示すように、ズレ（スキュー）を生じたリターン信号３２１とＬＯ信号３０９は、ＰＢＳ３０４に反射され、断面Ｈ－Ｈに示すような重なり合った信号として第２レンズ系３１１に向けられる。両方の信号は第２焦点面３１３（共役焦点面）で集束されるが、異なる点で集束される。
ズレ（スキュー）のないＬＯ信号３０９は、第２レンズ系３１１の主光軸に集束される一方、ズレ（スキュー）を生じたリターン信号３２１は、第３レンズ系３１７が第１焦点面３０６でリターン信号３２１をズレて集束させたのと同様に、主光軸からズレた点に集束される。ただし、本実施形態では、光検出器３１４（受光面３１５）が第２焦点面３１３の前方に配置されているため、光検出器３１４の受光面３１５上ではＬＯ信号３０９とリターン信号３２１が大きく重なり合うことになる。
図１２は、ＬＯ信号３０９およびリターン信号３２１が光検出器３１４の受光面３１５上で完全に重なり合うように設定された光学要素系３００の変形例を示す。
この変形例は、光学ウィンドウ３０７の部分反射面３０８を第１焦点面３０６から第３レンズ系３１７に向かって距離δ移動（第１焦点面から離れた位置に移動）することによって実現される。なお、同様の効果は、光学ウィンドウ３０７を第１焦点面３０６から第１レンズ系３０５に向かって移動させることでも実現することができる。
このような移動によって光ビーム３０２は、焦点から発散した後に部分反射面３０８から反射される。その結果、部分反射面３０８から反射されたＬＯ信号３０９は、断面Ｊ－Ｊに示すように、第１焦点面３０６で反射された場合よりも大幅に直径が大きくなる。
図１２に示すように、第２レンズ系３１１は、ＬＯ信号３０９およびリターン信号３２１を第２焦点面３１３（共役焦点面）に向けて集束させる。光検出器３１４の配置とＬＯ信号３０９の直径の増大とが相俟ってＬＯ信号３０９とリターン信号３２１が完全に重なり合い、空間混合効率を最大限に高めることができる。
図１３は、実施形態による方法を示すもので、共役焦点面で同軸ローカルオシレータ信号を生成するためのＬＩＤＡＲシステムにおける方法４００を例示するフローチャートである。
方法４００は、ステップ（操作）４０２で開始され、第１焦点面（例えば焦点面３０６）で光ビーム（例えば、光ビーム３０２）を集束する。次いで、ステップ（操作）４０４で第１焦点面に近接する部分反射面（例えば光学ウィンドウ３０７上の受光面３０８）で光ビームの一部を反射することによってローカルオシレータ（ＬＯ）信号（例えばＬＯ信号３０９）を生成し、光ビームの透過した部分を（例えば光スキャナ３１８によって）スキャンするターゲット環境に向ける。
次いで、ステップ（操作）４０６で第１焦点面に共役な第２焦点面（例えば第２の焦点面３１３）にＬＯ信号およびターゲットリターン信号（例えば、リターン信号３２１）を集束する。
次いで、ステップ（操作）４０８で第２焦点面に近接する光検出器（例えば光検出器３１４の受光面３１５）においてＬＯ信号とターゲットリターン信号とを混合し、ターゲット情報を生成することで方法４００を完了する。
図１４は、実施形態によるＬＩＤＡＲシステムの処理装置を示すもので、共役焦点面における同軸ローカルオシレータ信号を生成するための処理装置５００の例を示すブロック図である。
処理装置５００はプロセッサ５０１を備えており、このプロセッサ５０１は、例えばＬＩＤＡＲシステム１００におけるＬＩＤＡＲ制御装置１１０の信号処理ユニット１１２に組み込まれる。他の例としてプロセッサ５０１は、マイクロプロセッサ、中央処理装置などの１つまたは複数の汎用処理装置とすることができる。
より具体的には、プロセッサ５０１は、複合命令セットコンピューティング（ＣＩＳＣ）マイクロプロセッサ、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）マイクロプロセッサ、超長命令語（ＶＬＩＷ）マイクロプロセッサ、または他の命令セットを実装するプロセッサ、または命令セットの組み合わせを実装するプロセッサである場合がある。
プロセッサ５０１はまた、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、ネットワークプロセッサなどの１つまたは複数の特殊目的処理デバイスである場合がある。
処理装置５００はまた、プロセッサ５０１に連携するコンピュータ読み取り可能なメモリ５０２（コンピュータ可読媒体）を備える。メモリ５０２としては、例えば、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、プログラマブル読み取り専用メモリ（ＰＲＯＭ）、消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）などの磁気ディスクメモリ、コンパクトディスク読み取り専用（ＣＤ－ＲＯＭ）やコンパクトディスク読み取り書き込みメモリ（ＣＤ－ＲＷ）などの光学ディスクメモリ、または任意の他のタイプの非一時的メモリが採用される。
一例として、メモリ５０２には、プロセッサ５０１によって実行されると、ＬＩＤＡＲシステム（例えば、ＬＩＤＡＲシステム１００）が本開示の実施形態に従って、共役焦点面（例えば第２焦点面３１３）で同軸ローカルオシレータ信号（例えばＬＯ信号３０９）を生成する命令が含まれる。
図１４において、メモリ５０２には、光ビーム（例えば光ビーム３０２）を第１焦点面（例えば、焦点面３０６）に集束させるための命令５０４、第１焦点面に近接する部分反射面（例えば、光学ウィンドウ３０７の受光面３０８）で光ビームの一部を反射してローカルオシレータ（ＬＯ）信号（例えばＬＯ信号３０９）を生成し、光ビームの透過部分を光スキャナ３１８によってスキャンターゲット環境に向けるための命令５０６、第１焦点面と共役な第２焦点面（例えば、第２焦点面３１３）にＬＯ信号とターゲットリターン信号（例えばリターン信号３２１）を集束させるための命令５０８、および第２焦点面に近接する光検出器（例えば光検出器３１４の受光面３１５）でＬＯ信号とターゲットリターン信号を混合してターゲット情報を生成するための命令５１０が含まれる。
図１５は、本開示の実施形態に基づいて、共役面で同軸ローカルオシレータ信号を生成するためのマルチビームＬＩＤＡＲシステム６００のブロック図である。
ＬＩＤＡＲシステム６００は、前述の光学要素系３００と機能的に類似するものであり、各ＦＭＣＷ光源６０１－１～６０１－ｎ（それぞれが異なる周波数および／または帯域幅で動作し、対応する光ビーム６０２－１～６０２－ｎ（総称して光ビーム６０２）を放射する）を備える。
各光ビーム６０２は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）６０４を通過し、対応する第１レンズ系６０５－１から６０５－ｎ（総称して第１レンズ系６０５）に対応する焦点に集束する。光ビーム６０２の各々は、光学ウィンドウ６０７上の部分反射面６０８によって部分的に反射され、各光ビーム６０２の反射部分は、対応するローカルオシレータ（ＬＯ）信号６０９－１～６０９－ｎ（総称してＬＯ信号６０９）となる。
ＬＯ信号６０９は、それぞれの第１レンズ系６０５によってコリメートされ、ＰＢＳ６０４によって対応する第２レンズ系６１１－１～６１１－ｎ（総称して第２レンズ系６１１）に向けて反射される。各第２レンズ系６１１は、対応する各ＬＯ信号６０９を第１焦点面６０６に共役な第２焦点面６１３に集束させる。各ＬＯ信号６０９は、その直径がゼロでない状態で、対応する光検出器６１１－１～６１１－ｎ（総称して光検出器６１１）で受信される。
各光ビーム６０２の光学ウィンドウ６０７（部分反射面６０８）から反射されなかった透過部分は、第３レンズシステム６１７によってコリメートされ、光スキャナ６１８に伝送される。光スキャナ６１８は、光ビーム６０２でターゲット環境６２０をスキャンし、それに対応するターゲットのリターン信号６２１－１～６２１－ｎ（総称してリターン信号 ６２１）を逆スキャンする。
リターン信号６２１は、第３レンズ系６１７によって第１焦点面６０６に集束し、その後発散し、対応する第１レンズ系６０５に入射する。各第１レンズ系６０５は、対応するリターン信号６２１をコリメートし、ＰＢＳ６０４で反射させて対応する第２レンズ系６１１に向ける。
各第２レンズ系６１１は、その対応するリターン信号６２１を第２焦点面６１３に集束させる。各リターン信号６２１は、対応するＬＯ信号６０９と重なり合った状態で対応する光検出器６１４で受光される。ここで、リターン信号とＬＯ信号が空間的に混合してターゲット情報が生成される。
図１６は、本開示の実施形態に基づいて、共役面で同軸ローカルオシレータ信号を生成するためのマルチビームＬＩＤＡＲシステム７００のブロック図である。
ＬＩＤＡＲシステム７００は、前述のＬＩＤＡＲシステム６００と全ての点で類似した構成を有するが、同システム７００では独立した光学ウィンドウ６０７－１～６０７－ｎが設けられており、各ウィンドウを第１焦点面６０６からのオフセットに対して独立に調整可能になっている。
図１７は、本開示の実施形態に基づいて、共役面で同軸ローカルオシレータ信号を生成するためのマルチビームＬＩＤＡＲシステム８００のブロック図である。
ＬＩＤＡＲシステム８００は、前述のＬＩＤＡＲシステム７００と全ての点で類似した構成を有するが、同システム８００では独立した第３レンズ系６１７－１～６１７－ｎが設けられる。
前述した説明では、本発明の実施形態を理解しやすくするために、特定のシステム、構成要素、方法などの具体例を複数示しているが、当業者であればこれらの具体例の説明がなくても本発明を実施しうる。また、公知の構成要素や方法はその詳細が省略されていたり、単純なブロック図の形式で示されることがあるが、これは本発明の理解を容易にするためである。したがって、開示された内容は単に例示であり、一事例は他の例示と異なる場合があっても、本発明の範囲内に含まれると考えられる。
本明細書において「一実施形態」または「実施形態」という表現が使用される場合、それらの実施形態に関連して説明された特定の特徴、構造、または特性が少なくとも一つの実施形態に含まれていることを意味する。したがって、本明細書のいくつかの箇所で「一実施形態において」または「実施形態において」という表現が現れている場合、必ずしも同じ実施形態を示すものではない。
ここで説明されている方法の操作は特定の順序で示されているが、各方法の操作の順序は変更されることがあり、特定の操作を逆順で行ってもよいし、少なくとも一部の操作を他の操作と同時に行ってもよい。異なる操作の指示または補助的な操作は、断続的または交互に行うことができる。
上記に記載されている発明の実施例についての説明（要約に記載されている内容を含む）は、詳細で網羅的であることを意図しているものではなく、開示された具体的形態に限定するものでもない。本発明の具体的な実施態様および実施例は、例示の目的で本明細書に記載されているが、当業者が認識する範囲で種々の同等な変更を行うことができる。
ここで使用される「例」または「例示的」の語は、例、実例または説明として役立つことを意味するために使用されている。本明細書において「例」または「例示」と説明された態様または設計は、必ずしも他の態様または設計よりも好ましいまたは有利であると解釈されるべきではない。むしろ、「例」または「例示」という用語の使用は、概念を具体的な形で示すことを意図している。
本明細書において使用される「または」の用語は、排他的な「または」ではなく、包括的な「または」として解釈されることを意図している。
つまり、特に指定されていない限り、あるいは文脈から明らかでない限り、「ＸはＡまたはＢを含む」という表現は、自然な包括的順列のいずれかを意味する。つまり、ＸがＡを含む場合、ＸがＢを含む場合、あるいはＸがＡおよびＢの両方を含む場合、前述のいずれの場合にも、「Ｘ はＡまたはＢを含む」という条件を満たすことになる。
さらに、本明細書および添付された特許請求の範囲で使用される冠詞「ａ」および「ａｎ」は、特に指定されていない限り、文脈から単数形であることが明らかでない場合には「１つまたは複数」を意味するものと解釈される。
さらに、本明細書において「第１」、「第２」、「第３」、「第４」のような用語が使用される場合、これらの用語は異なる要素を区別するための識別子として使用されるもので、数字の指定に従って必ずしも順序を示すものではない。

Claims (20)

  1. 光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）システムであって、
    光ビームを放射する光源と、
    前記光源に連携して前記光ビームを第１焦点面に集束させるとともに、前記第１焦点面に近接する位置に配置される部分反射面から前記光ビームの部分反射によってローカルオシレータ（ＬＯ）信号を発生させ、かつ、前記光ビームの透過部分をスキャンターゲット環境に向けてターゲットリターン信号を発生させ、前記ＬＯ信号および前記ターゲットリターン信号を第１焦点面の共役焦点面である第２焦点面に集束させる、自由空間光学系と、
    前記共役焦点面である第２焦点面に近接する位置に配置される受光面を有し、この受光面で前記ＬＯ信号を前記ターゲットリターン信号に混合してターゲット情報を生成する光検出器と、を備える、ＬＩＤＡＲシステム。
  2. 請求項１に記載のシステムであって、
    前記自由空間光学系は、
    前記光ビームを第１レンズ系に伝送するとともに、この第１レンズ系を通して前記光ビームを前記第１焦点面に集束させる偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）と、
    前記光ビームから前記ＬＯ信号を発生させる前記部分反射面を有し、前記ＬＯ信号を、前記第１レンズ系を通して前記偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）に向けて反射する光学ウィンドウと、を備える、ＬＩＤＡＲシステム。
  3. 請求項２に記載のシステムであって、
    前記自由空間光学系は、
    前記ＰＢＳから向けられる前記ＬＯ信号を導く第２レンズ系であって、前記ＬＯ信号および前記ターゲットリターン信号を前記第２焦点面に集束させる第２レンズ系を備える、ＬＩＤＡＲシステム。
  4. 請求項３に記載のシステムであって、
    前記自由空間光学系は、
    前記光ビームの透過部分をコリメートする第３レンズ系と、
    前記第３レンズ系と連携して、前記光ビームの透過部分でターゲット環境をスキャンするとともに、このターゲットリターン信号を逆スキャンして前記第３レンズ系を通して第１焦点面に集束させ、かつ、前記第１レンズ系により前記ＬＯ信号および前記ターゲットリターン信号をコリメートし、前記ＰＢＳにより前記ＬＯ信号および前記ターゲットリターン信号を第２レンズ系に導く光スキャナと、を備える、ＬＩＤＡＲシステム。
  5. 請求項２に記載のシステムであって、
    前記部分反射面は、前記第１焦点面から離れた位置に配置される、ＬＩＤＡＲシステム。
  6. 請求項２に記載のシステムであって、
    前記光検出器は、前記第２焦点面から離れた位置に配置される、ＬＩＤＡＲシステム。
  7. 光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）システムにおける方法であって、
    第１焦点面に光ビームを集束させるステップ；
    前記第１焦点面に近接する位置に配置される部分反射面から前記光ビームの一部を反射させることにより、ローカルオシレータ（ＬＯ）信号を生成し、前記光ビームの透過部分をスキャンターゲット環境へ向けるステップ；
    前記ＬＯ信号および前記光ビームの透過部分によるターゲットリターン信号を、前記第１焦点面に共役な第２焦点面に集束させるステップ；および
    前記第２焦点面に近接する位置に配置される光検出器により前記ＬＯ信号を前記ターゲットリターン信号に混合し、ターゲット情報を生成するステップ、を備える、ＬＩＤＡＲシステムにおける方法。
  8. 請求項７に記載の方法であって、
    コヒーレント光源で前記光ビームを生成するステップ；
    偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を通して前記光ビームを前記第１レンズ系に伝送し、同第１レンズ系を通して前記光ビームを第１焦点面に集束させ、かつ、前記部分反射面を有する光学ウィンドウに前記光ビームを通す一方、前記部分反射面で前記光ビームの一部である前記ＬＯ信号を前記第１レンズ系を通して反射させるステップ、を備える、ＬＩＤＡＲシステムにおける方法。
  9. 請求項８に記載の方法であって、
    前記偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）で前記ＬＯ信号および前記ターゲットリターン信号を反射させて第２レンズ系に導き、この第２レンズ系の第２焦点面に前記ＬＯ信号および前記ターゲットリターン信号を集束させる、ＬＩＤＡＲシステムにおける方法。
  10. 請求項９に記載の方法であって、
    第３レンズ系を用いて前記光ビームの透過部分をコリメートするステップ；
    前記光ビームの透過部分でターゲット環境をスキャンするステップ；
    前記スキャンによるターゲットリターン信号を逆スキャンするステップ；および、
    前記第３レンズ系を用いて前記ターゲットリターン信号を前記第１焦点面に集束させるステップ、を備える、ＬＩＤＡＲシステムにおける方法。
  11. 請求項１０に記載の方法であって、
    前記第１レンズ系を用いて前記ＬＯ信号および前記ターゲットリターン信号をコリメートするステップ；および
    コリメートされた前記ＬＯ信号および前記ターゲットリターン信号を前記ＰＢＳを用いて前記第２レンズ系に導き、これらのＬＯ信号およびターゲットリターン信号を前記第２レンズ系を通して前記第２焦点面に集束させるステップ、を備える、ＬＩＤＡＲシステムにおける方法。
  12. 請求項７に記載の方法であって、
    前記部分反射面は、前記第１焦点面から離れた位置に配置される、ＬＩＤＡＲシステムにおける方法。
  13. 請求項７に記載の方法であって、
    前記光検出器は、前記第２焦点面から離れた位置に配置される、ＬＩＤＡＲシステムにおける方法。
  14. 光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）システムであって、
    プロセッサと、
    このプロセッサによって実行されると、前記ＬＩＤＡＲシステムに以下の動作をさせる命令を格納する非一時的なコンピュータ可読媒体と、を備える、ＬＩＤＡＲシステム。
    第１焦点面に光ビームを集束させる。；
    前記第１焦点面に近接する位置に配置される部分反射面から前記光ビームの一部を反射させることにより、ローカルオシレータ（ＬＯ）信号を生成し、前記光ビームの透過部分をスキャンターゲット環境へ向ける。；
    前記ＬＯ信号および前記光ビームの透過部分によるターゲットリターン信号を、前記第１焦点面に共役な第２焦点面に集束させる。；および
    前記第２焦点面に近接する位置に配置される光検出器により前記ＬＯ信号を前記ターゲットリターン信号に混合し、ターゲット情報を生成する。
  15. 請求項１４に記載のシステムであって、
    コヒーレント光源で前記光ビームを生成し、；
    偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を通して前記光ビームを前記第１レンズ系に伝送し、 同第１レンズ系を通して前記光ビームを第１焦点面に集束させ、かつ、前記部分反射面を有する光学ウィンドウに前記光ビームを通す一方、前記部分反射面で前記光ビームの一部である前記ＬＯ信号を前記第１レンズ系を通して反射させる、ＬＩＤＡＲシステム。
  16. 請求項１５に記載のシステムであって、
    前記偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）で前記ＬＯ信号および前記ターゲットリターン信号を反射させて第２レンズ系に導き、この第２レンズ系の第２焦点面に前記ＬＯ信号および前記ターゲットリターン信号を集束させる、ＬＩＤＡＲシステム。
  17. 請求項１６に記載のシステムであって、
    前記プロセッサは、前記非一時的なコンピュータ可読媒体の命令により前記ＬＩＤＡＲシステムにさらに以下の動作をさせる、ＬＩＤＡＲシステム。
    第３レンズ系を用いて前記光ビームの透過部分をコリメートする；
    前記光ビームの透過部分でターゲット環境をスキャンする；
    前記スキャンによるターゲットリターン信号を逆スキャンする；および、
    前記第３レンズ系を用いて前記ターゲットリターン信号を前記第１焦点面に集束させる。
  18. 請求項１７に記載のシステムであって、
    前記プロセッサは、前記非一時的なコンピュータ可読媒体の命令により前記ＬＩＤＡＲシステムに以下の動作をさせる、ＬＩＤＡＲシステム。
    前記第１レンズ系を用いて前記ＬＯ信号および前記ターゲットリターン信号をコリメートする；および
    コリメートされた前記ＬＯ信号および前記ターゲットリターン信号を前記ＰＢＳを用いて前記第２レンズ系に導き、これらのＬＯ信号およびターゲットリターン信号を前記第２レンズ系を通して前記第２焦点面に集束させる。
  19. 請求項１４に記載のシステムであって、
    前記部分反射面は、前記第１焦点面から離れた位置に配置される、ＬＩＤＡＲシステム。
  20. 請求項１４に記載のシステムであって、
    前記光検出器は、前記第２焦点面から離れた位置に配置される、ＬＩＤＡＲシステム。
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