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JP7515545B2 - Ｌｉｄａｒに基づく３次元撮像のための統合された照射及び検出 - Google Patents

Ｌｉｄａｒに基づく３次元撮像のための統合された照射及び検出 Download PDF

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Description

関連出願
本出願は、米国特許法第１１９条に基づき、２０１６年３月１９日に出願された米国仮特許出願第６２／３１０，６７０号、発明の名称「Integrated Illumination and Detection for LIDAR Based 3-D Imaging」の優先権を主張して、２０１７年１月３１日に出願された米国特許出願第１５／４２０，３８４号、発明の名称「Integrated Illumination and Detection for LIDAR Based 3-D Imaging」の優先権を主張し、これら文献は、全体が参照により本明細書に援用される。
ここに説明する実施形態は、光検出及び測距（light detection and ranging：ＬＩＤＡＲ）に基づく３次元ポイントクラウド測定システム（3-D point cloud measuring systems）に関する。
ＬＩＤＡＲシステムは、光パルスを使用して、光の各パルスの飛行時間（time of flight：ＴＯＦ）に基づいて物体までの距離を測定する。ＬＩＤＡＲシステムの光源から出射された光パルスは、遠方の物体と相互作用する。光の一部は物体から反射し、ＬＩＤＡＲシステムの検出器に戻る。光パルスの出射と戻り光パルスの検出との間に経過した時間に基づいて、距離が推定される。幾つかの例では、光パルスは、レーザエミッタによって生成される。光パルスは、レンズ又はレンズアセンブリを介して集束される。レーザ光パルスが、レーザエミッタの近傍に取り付けられた検出器に戻るまでにかかる時間が測定される。この距離は、高精度の時間測定から導出される。
幾つかのＬＩＤＡＲシステムは、回転ミラーと組み合わせた単一のレーザエミッタ／検出器の組み合わせを使用して、面を効果的に走査する。このようなシステムによって実行される距離測定は、実質的に２次元（すなわち、平面）であり、捕捉される距離点は、２次元（すなわち単一平面）ポイントクラウドとしてレンダリングされる。幾つかの例では、回転ミラーは、非常に高速な速度（例えば、毎分数千回転）で回転される。
多くの動作シナリオでは、３次元ポイントクラウドが必要である。周囲の環境を３次元的に調べるために幾つかの方式が採用されている。幾つかの例では、２次元機器が、多くの場合、ジンバル上で上下及び／又は前後に駆動される。これは、当分野において、センサの「ウィンキング（winking）」又は「ノッディング（nodding）」と呼ばれている。したがって、一度に１つの点を捕捉する方式であっても、単一のビームＬＩＤＡＲユニットを用いて、距離点の３次元アレイ全体を捕捉できる。関連する例では、プリズムを用いて、レーザパルスを、それぞれが僅かに異なる垂直角を有する複数の層に「分割」する。これは、センサ自体を駆動せずに上記のノッディング効果をシミュレートするものである。
以上の全ての例は、単一のレーザエミッタ／検出器の組み合わせの光路を何らかの形式で変更し、単一のセンサよりも広い視野を達成するものである。このような装置が単位時間当たりに生成できるピクセルの数は、単一のレーザのパルス繰返し数の制限のために、本質的に制限されている。ミラー、プリズム、又は装置の駆動によって、より広いカバー領域を実現するためにビーム経路を変更すると、何れの場合も、ポイントクラウド密度が低下してしまう。
上述のように、幾つかの構成の３次元ポイントクラウドシステムが存在する。このシステムは、多くの用途において、広い視野を有する必要がある。例えば、車両自動運転の用途では、車両の前の地面を見るために、垂直視野は、可能な限り下方に延びている必要がある。更に、坂になって窪んでいる道路に車両が入る場合、垂直視野は水平線より上に延びている必要がある。更に、現実世界で起こるアクションと、これらのアクションの画像化との間の遅延は、最小限である必要がある。幾つかの例では、少なくとも毎秒５回の完全な画像更新を提供することが望ましい。これらの要望に応えるために、複数のレーザエミッタ及び検出器のアレイを含む３次元ＬＩＤＡＲシステムが開発されている。このシステムは、２０１１年６月２８日に発行された米国特許第７，９６９，５５８号に記載されており、その主題は、その全体が参照により本明細書に援用される。
多くの用途において、一連のパルスが出射される。各パルスの方向は連続して急速に変更される。これらの例では、個々のパルスのそれぞれに関連する距離測定値をピクセルと見なすことができ、高速に連続的に出射され捕捉されたピクセルの集まり（すなわち、ポイントクラウド）は、画像としてレンダリングでき、又は他の目的（例えば、障害物の検出）のために解析できる。幾つかの例では、視覚化ソフトウェアを用いて、結果として得られるポイントクラウドを画像としてレンダリングし、ユーザに３次元で表示する。また、異なるスキームを用いて、ライブアクションカメラで撮影されたかのような３次元画像として距離測定値を画像化することもできる。
幾つかの既存のＬＩＤＡＲシステムが採用する照射源及び検出器は、共通の基板（例えば、電気的実装基板）に一体化されていない。更に、照射ビーム経路（illumination beam path）及び集光ビーム経路（collection beam path）は、ＬＩＤＡＲ装置内で分離されている。このため、光学－機械的な設計が複雑であり、位置合わせが困難である。
高レベルの撮像解像度及び範囲を維持しながら、ＬＩＤＡＲシステムの光学機械設計を改善することが望まれている。
高度に統合されたＬＩＤＡＲ測定装置を用いて３次元ＬＩＤＡＲ測定を実施するための方法及びシステムを開示する。一側面では、照射源、検出器、及び照射ドライブは、単一のプリント回路基板上に統合される。更に、幾つかの実施形態では、関連する制御及び信号調整電子回路も共通のプリント回路基板上に統合される。更に、幾つかの実施形態では、照射ドライブ及び照射源は、個別にパッケージングされ、プリント回路基板に取り付けられる共通の窒化ガリウム基板上に統合される。
幾つかの実施形態では、３次元ＬＩＤＡＲシステムは、複数の統合型ＬＩＤＡＲ測定装置を含む。幾つかの実施形態では、各統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の出射の間に遅延時間が設定される。幾つかの例では、遅延時間は、ＬＩＤＡＲ装置の最大範囲に位置する物体への及び物体からの測定パルスシーケンスの飛行時間よりも長い。これにより、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置内のクロストークを防止できる。他の幾つかの例では、ある統合型ＬＩＤＡＲ測定装置から出射された測定パルスがそのＬＩＤＡＲ装置に戻る時間が経過する前に、他の統合型ＬＩＤＡＲ測定装置から測定パルスが出射される。これらの実施形態では、クロストークを回避するために、各ビームによって検査される周囲環境の領域の間の空間を十分に分離する必要がある。
他の側面では、照射源から出射された照射光と検出器に向けられた戻り光は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置内の共通光路を共有する。幾つかの実施形態では、戻り光は、ビームスプリッタによって照射光から分離される。包括的に言えば、戻り光の偏光が完全に混合され、単一の偏光ビームスプリッタが使用される場合、戻り光の半分が検出器に向けられ、残りの半分が照射源に向けられる。他の幾つかの実施形態では、１つ以上の偏光制御素子を用いて、照射源の出射及び測定時間窓のタイミングを調整しながら、偏光制御素子を通過する光の偏光状態を変更して戻り光の損失を最小にすることによって、これらの損失を回避する。
他の幾つかの実施形態では、戻り光は、光学設計によって照射光から分離され、これにより、ビームスプリッタに関連する損失を回避できる。
幾つかの実施形態では、検出器は、アクティブ感知領域を含む検出器を通過するスロットを有する。照射源は、検出器の背面側に固定され、検出器のスロットを介して照射光を出射するように構成されている。これにより、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置から出射され、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置に戻される光のビーム経路内に検出器及び照射源の両方が配置される。ある量の戻り光は、スロットに向けられ、検出されないが、スロットの領域は、検出器のアクティブ領域に比べて小さいため、戻り光の大部分が検出される。
幾つかの実施形態では、照射源は、検出器の視野外に配置される。幾つかの実施形態では、戻り光を通過させ、照射光を屈折させ、照射光と戻り光の両方で共用される共通光路に向けるように能動光学素子の屈折率が制御される。照射光は、初期的には、光学系の光軸に整列されていない。しかしながら、照射源から光が出射される間、能動光学素子がその状態を変化させ、照射光を光学系の光軸に整列させる。
幾つかの実施形態では、同心集束光学系が戻り光を検出器に集束させ、同心集束光学系の中央に配置された受動光学素子が、照射光を、照射光と戻り光の両方で共用される共通光路に向けて屈折させる。
幾つかの実施形態では、戻り光は、ミラー素子から反射し、検出器に向かって伝搬する。一側面では、ミラーは、照射光が通過するスロットを含む。これにより、照射光は、照射光と戻り光の両方で共用される共通光路に射出される。
幾つかの実施形態では、照射源は、検出器の前の戻り光の光路内に配置される。
他の幾つかの実施形態では、照射源は、検出器の前の戻り光の光路内に配置されている光学素子に埋め込まれている。
他の側面では、照射光は、導波路によって検出器受光円錐内に射出される。照射源は、光カプラによって導波路に光学的に接続される。導波路の端部において、戻り光の円錐内に照射光を入射させるために、ミラー素子は、導波路に対して４５度の角度に配向されている。幾つかの実施形態では、導波路は、長方形のガラスコアと、屈折率がより低いポリマクラッドとを含む。幾つかの実施形態では、アセンブリ全体が、ポリマクラッドの屈折率と密接に一致する屈折率を有する材料でカプセル化されている。これにより、導波路は、照射光を最小限の遮蔽で戻り光の受光円錐内に射出する。
幾つかの実施形態では、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置のアレイは、ＬＩＤＡＲ装置の回転フレームに取り付けられる。この回転フレームは、ＬＩＤＡＲ装置の基部フレームに対して回転する。しかしながら、包括的に言えば、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置のアレイは、任意の適切な手法（例えば、ジンバル、パン／チルト等）で可動としてもよく、ＬＩＤＡＲ装置の基部フレームに対して固定してもよい。
他の幾つかの実施形態では、各統合型ＬＩＤＡＲ測定装置は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置によって生成された照射ビームを走査するためのビーム指向要素（例えば、走査ミラー、ＭＥＭＳミラー等）を含む。
他の幾つかの実施形態では、２つ以上の統合型ＬＩＤＡＲ測定装置は、それぞれ、ビームを周囲環境の異なる方向に反射する走査ミラー装置（例えば、ＭＥＭＳミラー）に向けて照射ビームを出射する。
以上は、要約であり、すなわち、必要に応じて、詳細の単純化、一般化及び省略を含む。したがって、この要約は単に例示的なものであり、限定的なものではないことは、当業者にとって明らかである。本明細書に記載する装置及び／又は方法の他の側面、発明の特徴及び利点は、本明細書に記載する非限定的な詳細な説明によって明らかになる。
少なくとも１つの新規な側面における３次元ＬＩＤＡＲシステム１００の一実施形態を示す簡略図である。 少なくとも１つの新規な側面における３次元ＬＩＤＡＲシステム１０の別の実施形態を示す簡略図である。 １つの例示的な実施形態における３次元ＬＩＤＡＲシステム１００の分解図である。 ３次元ＬＩＤＡＲシステム１００の集光光学系１１６をより詳細に示す図である。 集光された光１１８の各ビームの整形を示す３次元ＬＩＤＡＲシステム１００の集光光学系１１６の断面図である。 一実施形態における統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の簡略図である。 別の実施形態における統合型ＬＩＤＡＲ測定装置を示す簡略図である。 統合型ＬＩＤＡＲ測定装置からの測定パルスの出射及び戻り測定パルスの捕捉に関連するタイミングを示す図である。 照射源からの照射光が通過して投射されるスロットを有する検出器を含む統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の一実施形態の正面図である。 図９に示す実施形態の側面図である。 照射光を共通光路に向けて屈折させる１つの状態の能動光学素子を含む統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の一実施形態の側面図である。 戻り光を検出器に向ける他の状態の能動光学素子を含む図１１に示す実施形態の側面図である。 戻り光を検出器に集束させる同軸集束光学系及び照射光を共通光路に向けて屈折させる他の光学素子を含む統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の一実施形態の側面図である。 照射光が通過するスロットを有する戻り経路内のミラーを含む統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の一実施形態の上面図である。 偏光制御素子を用いる統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の一実施形態による光路を示す図である。 偏光制御素子を用いる統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の一実施形態による他の光路を示す図である。 偏光制御素子を用いる統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の一実施形態による他の光路を示す図である。 検出器に到達する戻り光の量を効果的に制御する追加の偏光制御素子を含む統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の実施形態を示す図である。 個別に、又は任意の組み合わせで、図１５Ａ～Ｃに示す実施形態に追加される追加の任意の要素を含む統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の実施形態を示す図である。 検出器の前の共通光路内に照射源を含む統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の一実施形態の側面図である。 図１８に示す実施形態の正面図である。 検出器の前の共通光路内の光学素子に埋め込まれた照射源を含む統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の一実施形態の側面図である。 照射光と戻り光とで共有される共通光路に照射光を射出する導波路を含む統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の一実施形態の側面図である。 少なくとも１つの新規な側面においてＬＩＤＡＲ測定を実行する方法３００を示すフローチャートである。
以下、背景技術の例及び添付の図面に示す本発明の幾つかの実施形態を参照して、本発明を詳細に説明する。
図１は、１つの例示的な動作シナリオにおける３次元ＬＩＤＡＲシステム１００の実施形態を示す図である。３次元ＬＩＤＡＲシステム１００は、下部ハウジング１０１と、赤外光（例えば、７００～１７００ナノメートルのスペクトル範囲内の波長を有する光）を透過させる材料から構成されたドーム状シェル要素１０３を含む上部ハウジング１０２とを含む。一例では、ドーム状シェル要素１０３は、９０５ナノメートルを中心とする波長の光を透過させる。
図１に示すように、３次元ＬＩＤＡＲシステム１００からドーム状シェル要素１０３を介して、中心軸１０４から測定される角度範囲αに亘って、複数の光ビーム１０５が出射される。図１の実施形態において、各光ビームは、ｘ軸及びｙ軸によって画定される平面上で、互いに離間した複数の異なる位置に投射される。例えば、ビーム１０６は位置１０７においてｘ－ｙ平面に投射される。
図１に示す実施形態おいて、３次元ＬＩＤＡＲシステム１００は、中心軸１０４を中心に複数の光ビーム１０５のそれぞれを走査するように構成されている。ｘ－ｙ平面上に投射される各光ビームは、中心軸１０４とｘ－ｙ平面との交点を中心とする円形パターンを描く。例えば、ｘ－ｙ平面に投射されたビーム１０６は、時間の経過と共に、中心軸１０４を中心とする円形軌跡１０８を描く。
図２は、１つの例示的な動作シナリオにおける３次元ＬＩＤＡＲシステム１０の別の実施形態を示す図である。３次元ＬＩＤＡＲシステム１０は、下部ハウジング１１と、赤外光（例えば、７００～１７００ナノメートルのスペクトル範囲内の波長を有する光）を透過させる材料から構成された円筒形シェル要素１３を含む上部ハウジング１２とを含む。一例では、円筒形シェル要素１３は、９０５ナノメートルを中心とする波長を有する光を透過させる。
図２に示すように、３次元ＬＩＤＡＲシステム１０から円筒形シェル要素１３を介して、複数の光ビーム１５が角度範囲βに亘って出射される。図２には、各光ビームの主光線を示している。各光ビームは、複数の異なる方向において、周囲の環境に外向きに投射される。例えば、ビーム１６は、周囲環境の位置１７に投射される。幾つかの実施形態では、システム１０から出射される各光ビームは僅かに発散する。一例では、システム１０から出射された光線は、システム１０から１００メートルの距離において直径２０ｃｍのスポットサイズを照射する。このように、照射光の各ビームは、システム１０から出射される照射光錐である。
図２に示す実施形態おいて、３次元ＬＩＤＡＲシステム１０は、中心軸１４を中心に、複数の光ビーム１５のそれぞれを走査するように構成されている。例示のために、３次元ＬＩＤＡＲシステム１０の非回転座標フレームに対して１つの角度方向に光ビーム１５を示し、非回転座標フレームに対して別の角度方向に光ビーム１５’を示している。光ビーム１５が中心軸１４の周りを回転すると、周囲の環境に投射された各光ビーム（例えば、各ビームに関連する各照射光錐）は、中心軸１４の周りを掃引されて形成される円錐形状の照射ビームに対応する体積の環境を照射する。
図３は、１つの例示的な実施形態における３次元ＬＩＤＡＲシステム１００の分解図を示している。３次元ＬＩＤＡＲシステム１００は、中心軸１０４の周りを回転する発光・集光エンジン（emission/collection engine）１１２を更に備える。図３に示す実施形態では、発光・集光エンジン１１２の中心光軸１１７は、中心軸線１０４に対して、角度θで傾斜している。図３に示すように、３次元ＬＩＤＡＲシステム１００は、下部ハウジング１０１に対して固定位置に取り付けられた固定電子基板１１０を含む。固定電子基板１１０上には、固定電子基板１１０に対して、所定の回転速度（例えば、毎分２００回転以上）で回転するように構成された回転電子基板１１１が配置されている。固定電子基板１１０と回転電子基板１１１との間では、１つ以上の変圧器、容量素子又は光学素子を介して、電力信号及び電子信号が通信され、これにより、信号の非接触送信が実現されている。発光・集光エンジン１１２は、回転電子基板１１１に対して固定して配置され、これにより、所定の角速度ωで、中心軸１０４を中心に回転する。
図３に示すように、発光・集光エンジン１１２は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置のアレイ１１３を含む。一側面では、各統合型ＬＩＤＡＲ測定装置は、共通の基板（例えば、プリント回路基板又は他の電気回路基板）上に統合された発光素子、光検出素子、及び関連する制御及び信号調整電子回路を備える。
各統合型ＬＩＤＡＲ測定装置から出射された光は、一連の光学素子１１６を通過し、一連の光学素子１１６は、出射された光をコリメートして、３次元ＬＩＤＡＲシステムから環境内に投射される照射光ビームを生成する。このようにして、図１に示すように、異なるＬＩＤＡＲ測定装置からそれぞれ出射された光ビームアレイ１０５が、３次元ＬＩＤＡＲシステム１００から出射される。包括的に言えば、任意の数のＬＩＤＡＲ測定装置を配置して、３次元ＬＩＤＡＲシステム１００から任意の数の光ビームを同時に出射できる。特定のＬＩＤＡＲ測定装置によって照射された環境内の物体から反射された光は、光学素子１１６によって集光される。集光された光は、光学素子１１６を通過し、同じ特定のＬＩＤＡＲ測定装置の検出素子上に集束される。このように、異なるＬＩＤＡＲ測定装置によって生成された照射によって環境の異なる部分の照射に関連する集光された光は、それぞれの対応するＬＩＤＡＲ測定装置の検出器に別々に集束される。
図４は、光学素子１１６をより詳細に示す図である。図４に示すように、光学素子１１６は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置のアレイ１１３の各検出器上に、集光された光１１８を集束させるように配置された４つのレンズ素子１１６Ａ～Ｄを含む。図４に示す実施形態では、光学素子１１６を通過する光は、ミラー１２４から反射され、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置のアレイ１１３の各検出器に導かれる。幾つかの実施形態では、１つ以上の光学素子１１６は、所定の波長範囲外の光を吸収する１つ以上の材料から形成される。この所定の波長範囲は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置のアレイ１１３によって出射される光の波長を含む。一例では、１つ以上のレンズ素子は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置のアレイ１１３のそれぞれによって生成される赤外光より短い波長の光を吸収する着色剤添加物を含むプラスチック材料から形成される。一例では、着色剤は、Ａａｋｏ ＢＶ社（オランダ）から入手可能なＥｐｏｌｉｇｈｔ７２７６Ａである。包括的に言えば、光学系１１６のプラスチックレンズ素子のいずれかに任意の数の異なる着色剤を加えることにより、不要なスペクトルの光を除去できる。
図５は、集光された光１１８の各ビームの成形を示す光学系１１６の断面図である。
ＬＩＤＡＲシステム、例えば、図２に示す３次元ＬＩＤＡＲシステム１０及び図１に示す３次元ＬＩＤＡＲシステム１００は、それぞれがＬＩＤＡＲ装置から周辺環境への照射光パルスビームを出射し、周辺環境内の物体から反射された戻り光を測定する複数の統合型ＬＩＤＡＲ測定装置を含む。
図６は、一実施形態における統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１２０を示している。統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１２０は、共通基板１２１（例えば、電気基板）上に統合されたパルス発光装置１２２と、光検出素子１２３と、関連する制御及び信号調整電子回路と、コネクタ１２６とを含む。パルス発光装置１２２は、照射光パルス１２４を生成し、検出器１２３は、集光された光１２５を検出する。統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１２０は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１２０から出射され、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１２０によって検出された光の飛行時間に基づいて、３次元ＬＩＤＡＲシステムと周囲環境内の物体との間の距離を示すデジタル信号を生成する。統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１２０は、コネクタ１２６を介して３次元ＬＩＤＡＲシステムに電気的に接続されている。統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１２０は、コネクタ１２６を介して、３次元ＬＩＤＡＲシステムから制御信号を受信し、３次元ＬＩＤＡＲシステムに測定結果を伝達する。
図７は、別の実施形態における統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１３０の概略図を示している。統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１３０は、共通基板１４４上に統合されたパルス発光装置１３４、光検出素子１３８、ビームスプリッタ１３５（例えば、偏光ビームスプリッタ、非偏光ビームスプリッタ、誘電体膜等）、照射ドライバ１３３、信号調整電子回路１３９、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換電子回路１４０、コントローラ１３２、及びデジタル入出力（Ｉ／Ｏ）電子回路１３１を含む。幾つかの実施形態では、これらの要素は、共通の基板（例えば、プリント回路基板）に個別に取り付けられる。幾つかの実施形態では、これらの要素のグループは、共にパッケージされ、統合されたパッケージが共通の基板に取り付けられる。包括的に言えば、各素子は、これらが個別に取り付けられ又は統合されたパッケージの一部として取り付けられることによって、共通の基板に取り付けられて統合型装置を形成する。
図８は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１３０からの測定パルスの出射及び戻り測定パルスの捕捉に関連するタイミングを示す図である。図７及び図８に示すように、測定は、コントローラ１３２によって生成されるパルス出射信号１４６によって開始される。内部システム遅延のため、コントローラ１３２は、パルス出射信号１４６から時間遅延ＴＤだけシフトしたパルスインデックス信号１４９を測定する。この時間遅延には、ＬＩＤＡＲシステムから光を出射することに関連する既知の遅延（例えば、スイッチ素子、エネルギ蓄積素子、及びパルス発光装置に関連する信号通信遅延及び待ち時間）、並びに光を集光し、集光された光を示す信号を生成することに関連する既知の遅延（例えば、増幅器遅延、アナログ／デジタル変換遅延等）が含まれる。
図７及び図８に示すように、ＬＩＤＡＲシステムは、特定位置の照射に応答する戻り信号１４７を検出する。測定窓（すなわち、集光された戻り信号データが特定の測定パルスに関連付けられる期間）は、検出器１３８からのイネーブルデータ取得によって開始される。コントローラ１３２は、測定窓のタイミングを、測定パルスシーケンスの出射に応答する戻り信号が予想される時間窓に対応するように制御する。幾つかの例では、測定窓は、測定パルスシーケンスが出射された時点で有効にされ、ＬＩＤＡＲシステムの範囲の実質的に２倍の距離に亘る光の飛行時間に対応する時間が経過した時点で無効にされる。このように、測定窓は、ＬＩＤＡＲシステムに隣接する物体からの戻り光（すなわち、無視できる飛行時間）から、ＬＩＤＡＲシステムの最大範囲に位置する物体からの戻り光までを集光するように開かれる。これにより、有用な戻り信号に寄与しない他の光は、全て除外される。
図８に示すように、戻り信号１４７は、出射された測定パルスに対応する２つの戻り測定パルスを含む。包括的に言えば、信号検出は、検出された全ての測定パルスに対して実行される。更に信号分析を行って、最も近い信号（すなわち、戻り測定パルスの最初のインスタンス）、最も強い信号、及び最も遠い信号（すなわち、測定窓内の戻り測定パルスの最後のインスタンス）を識別してもよい。ＬＩＤＡＲシステムは、これらのインスタンスのいずれかを潜在的に有効な距離測定値として報告してもよい。例えば、飛行時間ＴＯＦ１は、図８に示す出射された測定パルスに対応する最も近い（すなわち最も早い）戻り測定パルスから算出してもよい。
幾つかの実施形態では、信号分析は、コントローラ１３２によって完全に実行される。これらの実施形態では、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１３０から通信される信号１４３は、コントローラ１３２によって測定された距離の指示を含む。幾つかの実施形態では、信号１４３は、Ａ／Ｄ変換器１４０によって生成されるデジタル信号１４８を含む。これらの生の測定信号は、３次元ＬＩＤＡＲシステムの内部に設けられ又は３次元ＬＩＤＡＲシステムの外部に設けられた１つ以上のプロセッサによって更に処理され、距離が測定される。幾つかの実施形態では、コントローラ１３２は、信号１４８に対する予備信号処理ステップを実行し、信号１４３は、処理済みのデータを含み、３次元ＬＩＤＡＲシステムの内部に設けられ又は３次元ＬＩＤＡＲシステムの外部に設けられた１つ以上のプロセッサは、この処理済みのデータを更に処理して距離を測定する。
幾つかの実施形態では、３次元ＬＩＤＡＲシステムは、図１～図３に示すＬＩＤＡＲシステム等の複数の統合型ＬＩＤＡＲ測定装置を含む。幾つかの実施形態では、各統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の出射の間に遅延時間が設定される。信号１４２は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１３０の出射に関連する遅延時間の表示を含む。幾つかの例では、遅延時間は、測定パルスシーケンスがＬＩＤＡＲ装置の最大範囲に位置する物体に至りここから戻るまでの飛行時間よりも長い。これにより、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の間でクロストークが発生しない。他の幾つかの例では、１つの統合型ＬＩＤＡＲ測定装置から出射された測定パルスがＬＩＤＡＲ装置に戻る時間の前に、他の統合型ＬＩＤＡＲ測定装置から測定パルスが出射される。これらの実施形態では、クロストークを回避するために、各ビームによって検査される周囲環境の領域間に十分な空間的分離が存在することを保証するよう注意する必要がある。
照射ドライバ１３３は、パルス出射信号１４６に応答してパルス電流信号１４５を生成する。パルス発光装置１３４は、パルス電流信号１４５に応答してパルス照射光１３６を生成する。照射光１３６は、ＬＩＤＡＲシステムの１つ以上の光学素子（図示せず）によって、周囲環境内の特定位置に集束されて投射される。
幾つかの実施形態では、パルス発光装置は、レーザベースの装置（例えば、レーザダイオード）である。幾つかの実施形態では、パルス照射源は、１つ以上の発光ダイオードベースの照射源である。包括的に言えば、適切ないかなるパルス照射源を用いてもよい。
幾つかの実施形態では、デジタルＩ／Ｏ１３１、タイミングロジック１３２、Ａ／Ｄ変換電子回路１４０、及び信号調整電子回路１３９は、単一のシリコンベースのマイクロ電子チップ上に統合される。別の実施形態では、これらの同じ要素は、照射ドライバも含む単一の窒化ガリウム又はシリコンベースの回路に統合される。幾つかの実施形態では、Ａ／Ｄ変換電子回路及びコントローラ１３２は、時間－デジタル変換器として組み合わされる。
図７に示すように、周囲環境から反射された戻り光１３７は、光検出器１３８によって検出される。幾つかの実施形態では、光検出器１３８は、アバランシェフォトダイオードである。光検出器１３８は、出力信号１４７を生成し、これは、信号調整電子回路１３９によって増幅される。幾つかの実施形態では、信号調整電子回路１３９は、アナログ相互インピーダンス増幅器を含む。なお、包括的に言えば、出力信号１４７の増幅は、複数の増幅段を含むことができる。すなわち、本明細書の範囲内で他の多くのアナログ信号増幅方式が想定されるため、アナログ相互インピーダンス増幅器は、非限定的な例にすぎない。
増幅された信号は、Ａ／Ｄ変換器１４０に伝達される。デジタル信号は、コントローラ１３２に伝達される。コントローラ１３２は、パルス出射信号１４６と協働してＡＤＣ１４０によるデータ取得のタイミングを制御するために使用されるイネーブル／ディスエーブル信号を生成する。
図７に示すように、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１３０から出射される照射光１３６と統合型ＬＩＤＡＲ測定装置に向かう戻り光１３７は、共通の経路を共有する。図７に示す実施形態において、戻り光１３７は、偏光ビームスプリッタ（polarizing beam splitter：ＰＢＳ）１３５によって照射光１３６から分離される。ＰＢＳ１３５は、非偏光ビームスプリッタであってもよいが、この場合、通常、更なる光の損失が生じる。この実施形態では、パルス発光装置１３４から出射される光は、照射光がＰＢＳ１３５を通過するように偏光される。なお、戻り光１３７は、通常、偏光の混合を含む。したがって、ＰＢＳ１３５は、戻り光の一部を検出器１３８に向け、戻り光の一部をパルス発光装置１３４に向ける。幾つかの実施形態では、ＰＢＳ１３５の後に１／４波長板を設けることが望ましい。これは、環境との相互作用によって戻り光の偏光が大きく変化しない状況において有利である。１／４波長板がなければ、戻り光の大部分は、ＰＢＳ１３５を通過してパルス発光装置１３４に向けられ、これは望ましくない。一方、１／４波長板を設ければ、戻り光の大部分は、ＰＢＳ１３５を通過して検出器１３８に向けられる。
なお、包括的に言えば、戻り光の偏光が完全に混合され、図７に示すように、単一のＰＢＳが使用される場合、１／４波長板が使用されているか否かにかかわらず、戻り光の半分が検出器１３８に向けられ、残りの半分がパルス発光装置１３４に向けられる。
図９～図１７は、これらの損失を回避するための様々な実施形態を示している。
図９は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の実施形態１５０の正面図を示しており、これは、直径Ｄを有する円形のアクティブ領域１５２を有する検出器１５１（例えば、アバランシェフォトダイオード）を含む。一例では、アクティブ領域１５２の直径は、約３００マイクロメートルである。一側面において、検出器１５１は、検出器を貫通するスロット１５３を含む。一例では、スロットは、約７０マイクロメートルの高さＨＳと、約２００マイクロメートルの幅Ｗとを有する。
図１０は、図９に示す実施形態１５０の側面図である。図１０に示すように、実施形態１５０は、更に、アバランシェフォトダイオード検出器１５１の背面に固定され、検出器１５１のスロットを介して照射光１５４を出射するように構成されたパルス発光装置１５３を含む。一例では、パルス発光装置１５３は、３個のレーザダイオードを含み、これらは、１０マイクロメートルの高さＨＥを有する発光領域を形成するように共にパッケージ化され、約１５度の発散角を有する。この例では、検出器１５１の厚さＳは、約１２０マイクロメートルである。
このようにして、検出器１５１及びパルス発光装置１５３は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置から出射され、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置に戻る光ビーム経路内に配置されている。ある量の戻り光は、スロット１５３に向けられ、検出されないが、スロット１５３の領域は、検出器１５１のアクティブ領域１５２に比べて小さいため、戻り光の大部分が確実に検出される。
図１１は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の実施形態１６０の側面図であり、これは、アクティブ領域１６３を有する検出器１６２と、アクティブ領域１６３の外側に位置するパルス発光装置１６１と、集束光学系１６４と、能動光学素子１６５とを含む。能動光学素子１６５は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置のコントローラに接続されている。コントローラは、能動光学素子の状態を変化させる制御信号１６７を能動光学素子１６５に伝達する。
図１１に示す第１の状態では、能動光学素子は、その有効屈折率を変化させ、パルス発光装置１６１から出射される光１６６を光軸ＯＡ側に屈折させる。
図１２に示す第２の状態では、能動光学素子は、その有効屈折率を変化させ、戻り光１６８が能動光学素子１６５及び集束光学系１６４を通過して、検出器１６２のアクティブ領域１６３に向くようにする。この状態では、コントローラは、パルス発光装置１６１が光を出射しないように制御する。
この実施形態では、パルス発光装置１６１によって出射される光は、初期的には、光学系の光軸に整列されていない。パルス発光装置１６１から光が出射されている間、能動光学素子がその状態を変化させ、照射光を光学系の光軸に整列させる。幾つかの実施形態では、能動光学素子は、位相アレイである。幾つかの実施形態では、能動光学素子は、音響光学変調器である。幾つかの実施形態では、能動光学素子は、弾性表面波変調器である。包括的に言えば、有効屈折率を変更できる多くの能動装置が想到される。
図１３は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の実施形態１７０の側面図であり、これは、アクティブ領域１７２を有する検出器１７３と、アクティブ領域１７２の外側に位置するパルス発光装置１７１と、同心集束光学系１７４と、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の光軸に沿って中心合わせされた集束光学系１７５とを含む。図１３に示すように、戻り光１７７は、同心集束光学系１７４によって検出器１７３のアクティブ領域１７２に集束される。また、パルス発光装置１７１から出射される光１７６は、集束光学系１７５によって光軸ＯＡ側に屈折し、コリメートされる。図１３に示すように、集束光学系１７５は、光軸を中心とする比較的小さな領域を占める。同心集束光学系も光軸を中心にしているが、光軸から離れて配置されている。
図１４は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の実施形態１８０の上面図であり、これは、アクティブ領域１８３を有する検出器１８７と、アクティブ領域１８３の外側に位置するパルス発光装置１８１と、同心集束光学系１８４と、ミラー１８２とを含む。図１４に示すように、戻り光１８５は集束光学系１８４によって集束され、ミラー１８２から検出器１８７のアクティブ領域１８３に向けて反射される。一側面では、ミラー１８２は、パルス発光装置１８１から出射された光が通過するスロットを含む。照射光１８６は、パルス発光装置１８１から出射され、ミラー１８２のスロットを通過し、集束光学系１８４によってコリメートされ、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置を出る。
図１５Ａ～Ｃは、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の実施形態１９０を通る３つの異なる光路を示している。この実施形態は、パルス発光装置１９１、ＰＢＳ１９３、偏光制御素子１９４（例えば、ポッケルスセル（Pockels cell））、ＰＢＳ１９５、１／４波長板１９６、ミラー素子１９７（例えば、ＰＢＳ、内部全反射を伴うハーフキューブ等）、遅延素子１９８、偏光ビーム結合器１９９、半波長板２００、及び検出器１９２を含む。偏光制御素子１９４は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置のコントローラに接続されている。コントローラは、制御信号２０４を偏光制御素子１９４に供給し、偏光制御素子は、制御信号２０４に基づいて、偏光制御素子を通過する光の偏光状態を変化させる。
図１５Ａに示す第１の状態では、パルス発光装置１９１から照射光２０１が出射されると、偏光制御素子１９４は、通過する光の偏光を変化させないように構成される。図１５Ａは、実施形態１９０による照射光２０１の経路を示している。照射光２０１は、ＰＢＳ１９３、偏光制御素子１９４、ＰＢＳ１９５、及び１／４波長板１９６を通過する。図１５～Ｃに示す例では、パルス発光装置１９１は、ｐ偏光を出射し、ＰＢＳ素子１９３、１９４は、ｐ偏光を直接透過するように構成されている。但し、包括的に言えば、異なる偏光を利用して同じ結果を得ることもできる。
第２の状態では、図１５Ｂ及び図１５Ｃに示すように、戻り光２０２が検出器１９２によって検出されると、偏光制御素子１９４は、通過する光の偏光を変化させるように構成され、パルス発光装置１９１からは光が出射されない。
図１５Ｂは、１／４波長板１９６を通過した後にｐ偏光された戻り光２０２の部分の経路２０２Ａを示している。ｐ偏光された戻り光は、ＰＢＳ１９５及び偏光制御素子１９４を通過する。この状態では、偏光制御素子１９４は、戻り光の偏光をｐ偏光からｓ偏光に切り替える。ｓ偏光された戻り光は、ＰＢＳ１９３から半波長板２００に向けて反射される。半波長板２００は、再び偏光をｓ偏光からｐ偏光に切り替える。偏光ビーム結合器１９９は、ｐ偏光を検出器１９２に向けて反射する。
図１５Ｃは、１／４波長板１９６を通過した後にｓ偏光された戻り光２０２の部分の経路２０２Ｂを示している。ｓ偏光された戻り光は、ビームスプリッタ１９５からミラー素子１９７に反射され、ミラー素子から反射されたｓ偏光は、ビーム遅延素子１９８を通過し、偏光ビーム結合器１９９を通過し、検出器１９２に直接透過する。
ビーム遅延素子１９８は、ｓ偏光及びｐ偏光の戻り光の光路長のバランスを取るために設けられている。ビーム遅延素子は、単に適切な長さの光学ガラス片であってもよい。
また、実施形態１９０は、パルス発光装置１９１と偏光ビームスプリッタ１９３との間の照射ビーム経路内に配置されたビーム経路延長素子２０６を含む。幾つかの実施形態では、ビーム経路延長素子２０６は、単に適切な長さの光学ガラス片であってもよい。ビーム経路延長素子２０６は、照射経路長と、戻り経路２０２Ａ及び戻り経路２０２Ｂの長さが等しくなるように構成される。なお、戻り経路２０２Ａ及び戻り経路２０２Ｂの長さは、ビーム遅延素子１９８によって等しくされている。戻り経路２０２Ａ、２０２Ｂは、追加要素を通過するため、これらの有効光路はより長い。照射経路の長さを戻り経路の長さと等しくすることにより、戻りビームはスポットサイズに集束され、照射出力アパーチャのサイズに近づく。これにより、太陽雑音及び最大帯域幅に対する雑音と影響が最も小さい最小サイズの検出器の使用が可能になる。
また、実施形態１９０は、戻り経路２０２Ａ内の半波長板２００の影響と整合させるために、戻り経路２０２Ｂ内にビーム遅延素子２０５を含む。
偏光制御素子の状態を切り替えるために必要な時間には限界があるため、比較的短い距離のＬＩＤＡＲに基づく測定は、図１５Ｃに示す戻り経路２０２Ｂによって集光された光に基づいて行われる。偏光制御素子が状態を変化させている間、図１５Ｂに示す経路２０２Ａに沿って伝播する戻り光は、必ずしも偏光状態が変更されるとは限らない。したがって、この光は、ＰＢＳ１９３を通ってパルス発光装置１９１に伝播する確率が高く、このため、検出されない。比較的短距離の測定の場合には、通常、信号強度は、重要な問題にならないため、この状況は、許容可能である。
一方、比較的長距離の測定の場合、偏光状態スイッチ素子の状態が確実に変化するために十分な時間の後に、図１５Ｂ及び図１５Ｃで説明した両方の経路を伝搬する戻り光が検出及び距離推定に利用可能になる。
上述したように、１／４波長板１９６を設けることが望ましい。比較的短距離の測定を行う場合、図１５Ｃで説明した戻り経路２０２Ｂを通過する光のみが利用可能である。戻り光の偏光が完全に混合されると、光の半分は、図１５Ｃに記載された経路を通過する。一方、戻り光が鏡面ターゲットから反射された場合、偏光は変化しない。１／４波長板１９６を設けないと、鏡面ターゲットから反射された光は、図１５Ｂに示す経路を通って伝播し、短距離測定では、偏光制御素子が状態を変化させている間、検出されず又は大幅に弱められる。
図１６は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の実施形態２２０を示しており、これは戻り経路２０２Ｂに追加の偏光制御素子２２１を含む。実施形態２２０は、実施形態１９０を参照して説明した要素と同様の符号が付された要素を含む。偏光制御素子１９４、２２１は、検出器１９２に到達する戻り光の量を効果的に制御する。図１５Ｂを参照して説明したように、偏光制御素子１９４が戻り光２０２Ａの偏光状態を変化させない場合、光は、検出器１９２ではなく、パルス発光装置１９１に向けられる。一方、偏光制御素子１９４が戻り光２０２Ａの偏光状態を変化させると、光は、検出器１９２に向けられる。同様に、偏光制御素子２２１が戻り光２０２Ｂの偏光状態をｓ偏光からｐ偏光に変化させると、光は、検出器１９２から逸れる方向に向けられ、最終的に破棄される（すなわち、他の場所に吸収される）。逆に、偏光制御素子２２１が戻り光２０２Ｂの偏光状態を変化させないと、光は、検出器１９２に向けられる。偏光制御素子１９４、２２１（例えば、ポッケルスセル）による偏光変化の程度は、可変的に制御されるので、検出器１９２に到達する戻り光の量は、制御信号２０４、２２２を介して、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置のコントローラ（例えば、コントローラ１３２）によって制御される。
例えば、上述したように、比較的短距離の測定を行う場合、偏光制御素子１９４が図１５Ａに示す状態から遷移する間は、図１５Ｃ及び図１６を用いて説明したように、戻り経路２０２Ｂを通過する光のみが検出に利用可能である。この期間においては、検出器１９２が飽和するリスクがある。この状況下では、戻り光２０２の一部の偏光がｓ偏光からｐ偏光に部分的に変化し、ｐ偏光成分が検出器１９２に到達する前に破棄されるように、偏光制御素子２２１を制御することが望ましい。
包括的に言えば、制御信号２０４、２２２のタイミング及びプロファイルは、異なる環境条件に対する検出器１９２のダイナミックレンジを最大化するように調整できる。例えば、以前に検出された信号、他の統合型ＬＩＤＡＲ測定装置からの信号、周囲環境の画像、又はこれらの任意の組合せを用いて、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の動作中に制御信号２０４、２２２のタイミング及びプロファイルを変更することによって、検出器１９２のダイナミックレンジを調整することができる。一例では、制御信号２０４、２２２のタイミング及びプロファイルは、パルス移動距離の関数としてプログラムされる。これにより、物体がセンサの近くにあることに起因する検出器の飽和を回避できる。より長い距離測定では、感度が最大化され、偏光制御素子２２１は、偏光を変化させることなく、戻り光２０２Ｂを通過させるようにプログラムされる。これにより、最大量の戻り光が検出器１９２に到達する。照射パルス出力、前回の戻り時に集光されたデータから感知された環境において検出された特徴等に応じて複数のプロファイルを使用してもよい。
図１７は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の実施形態２３０を示しており、これは、個別に又は任意の組み合わせで、図１５Ａ～Ｃを参照して説明した実施形態１９０に追加できる任意の追加要素を含む。実施形態２３０は、実施形態１９０を参照して説明した要素と同様の符号が付された要素を含む。図１７に示すように、パルス発光装置１９１とビームスプリッタ１９３との間の光路内には、コリメート光学系２３１が配置されている。レーザダイオード技術又は発光ダイオード技術に基づくパルス発光装置は、通常、発散光ビームを生成する。パルス発光装置から出射された照射光をコリメートすることにより、小さなビームサイズが照射経路全体に亘って維持される。これにより、照射経路内の光学素子を小さくできる。
また、実施形態２３０は、１／４波長板１９６の後段の集束レンズ２３２を含む。統合型ＬＩＤＡＲ測定装置を通って伝播されるコリメート光を再集束することにより、照射装置１９１の出力アパーチャは、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置のすぐ外側に再結像され、これにより、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の横断面と、統合型測定装置の有効な出口及び入口開口との両方を小さく保つことができる。これにより、可能なピクセルの実装密度とピクセル解像度が向上する。集束レンズ２３２は、照射光と戻り光とで共有される光路上に配置され、照射経路と戻り経路が平衡されているので、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の出力に結像点２３５が生成される。この結像点２３５は、検出器１９２とパルス発光装置１９１の両方に戻って結像される。結像点２３５にアパーチャ、フィールドストップ、ピンホールフィルタ等の様々な光学素子を配置して、検出器１９２に投射される画像を整形及びフィルタリングしてもよい。更に、実施形態２３０は、戻り光を検出器１９２に集束させるために、検出器１９２とビーム結合器１９９との間の光路内に配置された集束光学系２３３を含む。
また、実施形態２３０は、集束光学系２３３とビーム結合器１９９との間の戻りビーム経路内に配置されたスペクトルフィルタ２３４を含む。幾つかの実施形態では、スペクトルフィルタ２３４は、照射ビームのスペクトル帯域内の光を通過させ、このスペクトル帯域外の光を吸収する帯域通過フィルタである。多くの実施形態において、スペクトルフィルタは、入射光がスペクトルフィルタの表面に対して垂直であるときに最も効果的に動作する。したがって、スペクトルフィルタ２３４は、戻り光路内の光がコリメートされる又は略コリメートされる任意の位置に配置することが理想的である。
図１８は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の実施形態２１０の側面図を示しており、これは、検出器２１２と、この検出器２１２の前方のレンズ素子２１１内に配置されたパルス発光装置２１３とを含む。図１９は、実施形態２１０の正面図を示している。図１８～図１９に示すように、戻り光２１７は、レンズ素子２１１（例えば、複合放物線集光器）によって、集光され検出器２１２上に集束される。図１８では、レンズ素子２１１の入力ポート２１８を平面として示しているが、包括的に言えば、入力ポート２１８は、戻り光２１７を検出器２１２に集束させるものであれば、適切な如何なる形状に形成してもよい。パルス発光装置２１３は、レンズ素子２１１のエンベロープ内に配置される（例えば、レンズ素子２１１内に成形される）。パルス発光装置２１３は一定量の戻り光を遮断するが、そのサイズは、レンズ素子２１１の集光領域に対して小さいため、悪影響は小さい。導電性要素２１４は、導電性リード線２１５を介して、パルス発光装置２１３と統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の他の要素（例えば、照射ドライバ１３３）とを電気的に接続する。幾つかの実施形態では、導電性要素２１４は、更に、パルス発光装置２１３をレンズ素子２１１のエンベロープ内に配置するための構造的支持を提供する。
図２０は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の実施形態２４０の側面図を示しており、これは、検出器２４２と、この検出器２４２の前方に位置するパルス発光装置２４１とを含む。図２０に示すように、戻り光２４６は、集束光学系２４４によって集光され検出器２４２上に集束される。パルス発光装置２４１は、集束光学系２４４内に配置されている（例えば、集束光学系２４４と共に成形されている）。パルス発光装置２４１は一定量の戻り光を遮断するが、そのサイズは、集束光学系２４４の集光領域に対して小さいため、悪影響は小さい。導電性要素（図示せず）は、パルス発光装置２４１と統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の他の要素（例えば、照射ドライバ１３３）とを電気的に接続する。幾つかの実施形態では、導電性要素は、更に、パルス発光装置２４１を集束光学系２４４内に配置するための構造的支持を提供する。
図２１は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の実施形態２５０の側面図を示しており、これは、アクティブ領域２５２を有する検出器２５３と、この検出器のアクティブ領域２５２の視野外に配置されたパルス発光装置２５１とを含む。図２１に示すように、検出器の上にオーバーモールド２５４が取り付けられている。オーバーモールド２５４は、戻り光２５５の受光円錐に対応する円錐状の空洞を含む。一側面では、照射源２５１からの照射光２５９は、ファイバ導波路２５７によって検出器受光円錐内に射出される。光カプラ２５６は、照射源２５１（例えば、レーザダイオードアレイ）をファイバ導波路２５７に光学的に接続する。ファイバ導波路２５７の端部において、ミラー素子２５８は、導波路に対して４５度の角度に配向されており、これにより、戻り光２５５の円錐内に照射光２５９を射出する。一実施形態では、ファイバ導波路２５７の端面を４５度の角度にカットし、端面を高反射性誘電体コーティングで被覆することによって鏡面を提供する。幾つかの実施形態では、導波路２５７は、長方形のガラスコアと、屈折率がより低いポリマクラッド（polymer cladding）とを含む。幾つかの実施形態では、アセンブリ２５０全体が、ポリマクラッドの屈折率と厳密に一致する屈折率を有する材料でカプセル化される。これにより、導波路は、照射光２５９を最小限の遮蔽で戻り光２５５の受光円錐内に射出する。
検出器２５３のアクティブ感知領域２５２に投射された戻り光の受光円錐内における導波路２５７の配置は、遠方視野における照射スポット及び検出器の視野の重なりが最大になるように選択される。
図１及び図２を参照して説明した実施形態のような幾つかの実施形態では、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置のアレイをＬＩＤＡＲ装置の回転フレームに取り付ける。この回転フレームは、ＬＩＤＡＲ装置の基部フレームに対して回転する。但し、包括的に言えば、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置のアレイは、任意の適切な手法（例えば、ジンバル、パン／チルト等）で可動としてもよく、ＬＩＤＡＲ装置の基部フレームに対して固定してもよい。
他の幾つかの実施形態では、各統合型ＬＩＤＡＲ測定装置は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置によって生成された照射ビームを走査するためのビーム指向要素（例えば、走査ミラー、ＭＥＭＳミラー等）を含む。
他の幾つかの実施形態では、２つ以上の統合型ＬＩＤＡＲ測定装置は、それぞれ、ビームを周囲環境の異なる方向に反射する走査ミラー装置（例えば、ＭＥＭＳミラー）に向けて照射ビームを出射する。
図２２は、少なくとも１つの新規な側面においてＬＩＤＡＲ測定を行う方法３００を示す。方法３００は、図１に示すＬＩＤＡＲシステム１００及び図２に示すＬＩＤＡＲシステム１０等の本発明に基づくＬＩＤＡＲシステムによる実行に適している。一側面において、方法３００のデータ処理ブロックは、コントローラ１３２の１つ以上のプロセッサ又は他の任意の汎用計算システムによって実行される予めプログラムされたアルゴリズムを介して実現できることは明らかである。また、ＬＩＤＡＲシステム１００の特定の構造的側面は、限定を表すものではなく、例示的なものとして解釈すべきことも明らかである。
ブロック３０１において、プリント回路基板に取り付けられた照射源によって照射光の測定パルスを生成する。
ブロック３０２において、プリント回路基板に取り付けられた検出器によって戻り光パルスを検出する。戻り光パルスは、対応する測定パルスによって照射された３次元環境内の位置から反射されたある量の測定パルスである。照射光の測定パルス及び戻り光パルスは、統合型ＬＩＤＡＲ装置内のある距離に亘って共通光路を共有する。
ブロック３０３において、検出された戻り光パルスを示す出力信号を生成する。
ブロック３０４において、プリント回路基板に取り付けられた照射ドライバによって、ある量の電力を照射源に供給する。供給された電力により、照射源は、照射光の測定パルスを出射する。
ブロック３０５において、プリント回路基板に取り付けられたある量のアナログ信号調整電子回路によって出力信号を増幅する。
ブロック３０６において、プリント回路基板に取り付けられたアナログ／デジタル変換器によって、増幅された出力信号をデジタル信号に変換する。
ブロック３０７において、デジタル信号に基づいて、ＬＩＤＡＲ装置から３次元環境内の測定位置に至り、ＬＩＤＡＲ装置に戻る測定パルスの飛行時間を測定する。
１つ以上の例示的な実施形態において説明した機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの任意の組み合わせによって実現してもよい。ソフトウェアで実現する場合、機能は、コンピュータ可読媒体上に１つ以上の命令又はコードとして保存し、又は伝送してもよい。コンピュータ可読媒体は、コンピュータプログラムをある場所から別の場所に転送するためのあらゆる媒体を含むコンピュータ記憶媒体と通信媒体の両方を含む。記憶媒体は、汎用又は専用コンピュータによってアクセスできる任意の使用可能な媒体であってもよい。限定ではなく例として、このコンピュータ可読媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ、又は他の光ディスクストレージ、磁気ディスクストレージ又は他の磁気ストレージ装置、又は所望のプログラムコード手段を命令又はデータ構造の形式で搬送又は保存するために使用でき、汎用又は専用のコンピュータ、又は汎用又は専用のプロセッサによってアクセスできる他の任意の媒体を含むことができる。また、任意の接続をコンピュータ可読媒体と呼ぶこともできる。例えば、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、ツイストペア、デジタル加入者回線（digital subscriber line：ＤＳＬ）、並びに赤外線、無線及びマイクロ波等の無線技術を用いて、ソフトウェアがウェブサイト、サーバ、又は他のリモートソースから送信される場合、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、ツイストペア、ＤＳＬ、並びに赤外線、無線及びマイクロ波等の無線技術は、媒体の定義に含まれる。本明細書で使用するｄｉｓｋ及びｄｉｓｃは、コンパクトディスク（compact disc：ＣＤ）、レーザーディスク（laser disc）、光ディスク（optical disc）、デジタル汎用ディスク（digital versatile disc）、フロッピーディスク（floppy disk）及びブルーレイディスク（blu-ray disc）を含み、通常、ｄｉｓｋは、磁気的にデータを再生するものを指し、ｄｉｓｃは、レーザを用いて光学的にデータを再生するものを指す。また、上記の組み合わせもコンピュータ可読媒体の範囲に含まれる。
以上では、説明のために特定の実施形態を記述したが、この特許文献の教示は、一般的な適用性を有し、上述した特定の実施形態に限定されない。したがって、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、ここに記述した実施形態の様々な特徴の様々な修正、適応化、及び組み合わせを実施できる。
１０ ３次元ＬＩＤＡＲシステム
１１ 下部ハウジング
１２ 上部ハウジング
１３ 円筒形シェル要素
１４ 中心軸
１５、１５’ 複数の光ビーム
１６ ビーム
１７ 位置
１００ ３次元ＬＩＤＡＲシステム
１０１ 下部ハウジング
１０２ 上部ハウジング
１０３ ドーム状シェル要素
１０４ 中心軸
１０５ 複数の光ビーム
１０６ ビーム
１０７ 位置
１０８ 円形軌跡
１１０ 固定電子基板
１１１ 回転電子基板
１１２ 発光・集光エンジン
１１３ 統合型ＬＩＤＡＲ測定装置のアレイ
１１６ 集光光学系、光学素子
１１６Ａ レンズ素子
１１６Ｂ レンズ素子
１１６Ｃ レンズ素子
１１６Ｄ レンズ素子
１１７ １１２の中心光軸
１１８ 集光された光
１２０ 統合型ＬＩＤＡＲ測定装置
１２１ 共通基板
１２２ パルス発光装置
１２３ 光検出素子
１２４ ミラー、照射光パルス
１２５ 集光された光
１２６ コネクタ
１３０ 統合型ＬＩＤＡＲ測定装置
１３１ デジタル入出力（Ｉ／Ｏ）電子回路
１３２ コントローラ
１３３ 照射ドライバ
１３４ パルス発光装置
１３５ ビームスプリッタ
１３６ 照射光
１３７ 戻り光
１３８ 光検出素子、光検出器
１３９ 信号調整電子回路
１４０ アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換電子回路、アナログ／デジタル変換器
１４２ 信号
１４３ 信号
１４４ 共通基板
１４５ パルス電流信号
１４６ パルス出射信号
１４７ 戻り信号、出力信号
１４８ デジタル信号
１４９ パルスインデックス信号
１５０ 統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の実施形態
１５１ 検出器
１５２ １５１のアクティブ領域
１５３ スロット、パルス発光装置
１５４ 照射光
１６０ 統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の実施形態
１６１ パルス発光装置
１６２ 検出器
１６３ １６２のアクティブ領域
１６４ 集束光学系
１６５ 能動光学素子
１６６ １６１から出射される光
１６７ 制御信号
１６８ 戻り光
１７０ 統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の実施形態
１７１ パルス発光装置
１７２ １７３のアクティブ領域
１７３ 検出器
１７４ 同心集束光学系
１７５ 集束光学系
１７６ １７１から出射される光
１７７ 戻り光
１８０ 統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の実施形態
１８１ パルス発光装置
１８２ ミラー
１８３ １８７のアクティブ領域
１８４ 集束光学系
１８５ 戻り光
１８６ 照射光
１８７ 検出器
１９０ 統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の実施形態
１９１ パルス発光装置
１９２ 検出器
１９３ 偏光ビームスプリッタ、ＰＢＳ
１９４ 偏光制御素子
１９５ ビームスプリッタ、ＰＢＳ
１９６ １／４波長板
１９７ ミラー素子
１９８ ビーム遅延素子
１９９ 偏光ビーム結合器
２００ 半波長板
２０１ 照射光
２０２ 戻り光
２０２Ａ ２０２の部分の経路
２０２Ｂ ２０２の部分の経路
２０４ 制御信号
２０５ ビーム遅延素子
２０６ ビーム経路延長素子
２１０ 統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の実施形態
２１１ レンズ素子
２１２ 検出器
２１３ パルス発光装置
２１４ 導電性要素
２１５ 導電性リード線
２１７ 戻り光
２１８ ２１１の入力ポート
２２０ 統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の実施形態
２２１ 偏光制御素子
２２２ 制御信号
２３０ 統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の実施形態
２３１ コリメート光学系
２３２ 集束レンズ
２３３ 集束光学系
２３４ スペクトルフィルタ
２３５ 結像点
２４０ 統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の実施形態
２４１ パルス発光装置
２４２ 検出器
２４４ 集束光学系
２４６ 戻り光
２５０ 統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の実施形態
２５１ パルス発光装置、照射源
２５２ ２５３のアクティブ領域
２５３ 検出器
２５４ オーバーモールド
２５５ 戻り光
２５６ 光カプラ
２５７ ファイバ導波路
２５８ ミラー素子
２５９ 照射光

Claims (24)

  1. 光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置であって、
    基板に取り付けられ、光の測定ビームを生成するように構成された照射源と、
    前記基板に取り付けられ、光の戻りビームを検出し、検出された前記戻りビームを示す出力信号を生成するように構成された検出器であって、前記戻りビームは、対応する前記測定ビームによって照射された環境内の位置から反射されるある量の前記測定ビームであり、前記測定ビームと前記戻りビームは、前記ＬＩＤＡＲ装置の一部内のある距離に亘って共通光路を共有する前記検出器と、
    前記基板に取り付けられ、前記照射源に電気的に接続され、前記照射源が前記測定ビームを出射するように、前記照射源にある量の電力を供給するように構成された照射ドライバと、
    前記基板に取り付けられ、前記測定ビーム及び前記戻りビームを前記共通光路から分離するように構成されたビームスプリッタと、
    を有することを特徴とするＬＩＤＡＲ装置。
  2. 前記照射源が、レーザダイオード又は発光ダイオードを含むことを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
  3. 前記基板が第１の基板であり、前記照射源及び前記照射ドライバが、前記第１の基板に取り付けられた第２の基板上に統合されることを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
  4. 前記ビームスプリッタが、開口を有するミラーを含み、前記測定ビームが、前記ミラー内の前記開口を通過することを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
  5. さらに集束光学系を含み、前記集束光学系が、前記測定ビームが前記ミラー内の前記開口を通過した後に、前記測定ビームをコリメートすることを特徴とする請求項４に記載のＬＩＤＡＲ装置。
  6. 前記集束光学系が、前記戻りビームを前記ミラー上に集束するように構成され、前記ミラーが、前記戻りビームを前記検出器のアクティブ感知表面領域に向けて反射するように構成されることを特徴とする請求項５に記載のＬＩＤＡＲ装置。
  7. 前記ビームスプリッタが、前記共通光路内に配置され、選択可能な屈折率を有する能動光学素子を有し、
    第１の状態では、前記能動光学素子が、前記戻りビームを前記検出器に導くように構成され、
    第２の状態では、前記能動光学素子が、前記測定ビームを前記共通光路に導くように構成されることを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
  8. 前記ビームスプリッタが、
    前記共通光路内に配置され、前記戻りビームを前記検出器に集束するように構成された第１の光学素子と、
    前記共通光路内に配置され、前記測定ビームを前記共通光路に導くように構成された第２の光学素子と、
    を有し、
    前記照射源は、前記検出器の視野外に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
  9. 前記ビームスプリッタが、
    前記共通光路内に配置されたミラーを有し、
    前記ミラーは、前記検出器の視野内にある開口を含み、前記照射源は、前記測定ビームを前記開口を介して前記共通光路に出射するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
  10. 前記照射源は、前記検出器の視野外に配置され、前記ビームスプリッタが、前記検出器の視野内の前記共通光路内に配置されたミラーと、前記照射源及び前記ミラーの間を光学的に接続する光ファイバと、を含むことを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
  11. 前記ビームスプリッタが、
    前記測定ビームのビーム経路内に配置された第１の偏光制御素子を有し、
    第１の状態では、前記第１の偏光制御素子が、前記測定ビームに前記第１の偏光制御素子を通過させるように構成され、
    第２の状態では、前記第１の偏光制御素子が、前記戻りビームを前記検出器に向かって反射させるように構成されることを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
  12. 前記戻りビームのビーム経路内に配置された第２の偏光制御素子を更に有し、
    前記第２の偏光制御素子は、前記検出器に向けられる前記戻りビームの量を制御することを特徴とする請求項１１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
  13. 少なくとも部分的に前記出力信号に基づいて、前記ＬＩＤＡＲ装置から前記環境内の前記位置に至り、前記ＬＩＤＡＲ装置に戻る前記測定ビームの飛行時間を測定するように構成された計算システムを更に有することを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
  14. 光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置の動作方法であって、前記方法が、
    基板に取り付けられた照射源によって光の測定ビームを生成し、
    前記基板に取り付けられた検出器によって光の戻りビームを検出し、前記戻りビームは、対応する測定ビームによって照射された環境内の位置から反射されたある量の測定ビームであり、前記測定ビームと前記戻りビームは、ＬＩＤＡＲ装置の一部内のある距離に亘って共通光路を共有し、
    検出された前記戻りビームを示す出力信号を生成し、
    前記基板に取り付けられた照射ドライバによって、前記照射源が前記測定ビームを出射するように、ある量の電力を前記照射源に供給し、
    前記基板に取り付けられたビームスプリッタにより、前記測定ビーム及び前記戻りビームを前記共通光路から分離する、
    ことを含むことを特徴とする方法。
  15. 前記照射源が、レーザダイオード又は発光ダイオードを含み、
    前記基板が第１の基板であり、
    前記照射源及び前記照射ドライバが、前記第１の基板に取り付けられた第２の基板上に統合されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
  16. 前記ビームスプリッタが、開口を有するミラーを含み、前記測定ビームが、前記ミラー内の前記開口を通過することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
  17. 集束光学系により、前記測定ビームが前記ミラー内の前記開口を通過した後に、前記測定ビームをコリメートすることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
  18. 前記集束光学系により、前記戻りビームを前記ミラー上に集束し、
    前記ミラーにより、前記戻りビームを前記検出器のアクティブ感知表面領域に向けて反射することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
  19. 前記ビームスプリッタに含まれ、前記共通光路内に配置された能動光学素子の屈折率を選択し、
    前記屈折率を使用して前記能動光学素子により、第１の状態では前記戻りビームを前記検出器に導き、
    前記屈折率を使用して前記能動光学素子により、第２の状態では前記測定ビームを前記共通光路に導く、
    ことを更に含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
  20. 前記共通光路内に配置された第１の光学素子によって、前記戻りビームを前記検出器に集束し、
    前記共通光路内に配置された第２の光学素子によって、前記測定ビームを前記共通光路に導く、
    ことを更に含み、
    前記照射源は、前記検出器の視野外に配置されていることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
  21. 前記照射源により、前記検出器の視野内の開口を介して前記測定ビームを出射することを更に含み、
    前記開口が前記共通光路内に配置されたミラー内に含まれ、前記測定ビームが前記開口を介して前記共通光路内に出射されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
  22. 前記検出器の視野外に位置する照射源と、前記ビームスプリッタに含まれ、前記検出器の視野内の前記共通光路内に配置されたミラーと、を光ファイバにより光学的に接続することを更に含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
  23. 前記ビームスプリッタが第１の偏光制御素子を有し、
    前記方法が、
    前記測定ビームのビーム経路内に位置する前記第１の偏光制御素子の第１の偏光状態を選択し、前記測定ビームが前記第１の偏光制御素子を通過するようにし、
    前記第１の偏光制御素子の第２の偏光状態を選択し、前記戻りビームを前記第１の偏光制御素子から前記検出器に向かって反射させる、
    ことを更に含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
  24. 前記戻りビームのビーム経路内に配置された第２の偏光制御素子の偏光状態を選択し、前記検出器に向けられる前記戻りビームの量を制御することを更に含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
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