(57)【要約】  ここに、三次元環境上を走査する多重照射ビームを有する三次元ＬＩＤＡＲ測定を実施するシステム及び方法を記載する。１つの側面において、各ＬＩＤＡＲ測定チャネルからの照射光は、ビーム走査装置により周囲環境へ異なる方向に出射される。ビーム走査装置はまた、ある量の各戻り測定光を対応する感光検出器へ向けさせる。いくつかの実施形態において、ビーム走査装置は、主制御装置により発生された指令信号に応じてアクチュエータにより回転軸の周りを揺動可能に回転する走査ミラーを含んでいる。いくつかの実施形態において、各ＬＩＤＡＲ測定チャネルに関連する光源及び感光検出器は、光源から出射された光をコリメートする為に使用されるビーム整形光学素子に対して二次元移動する。相対運動が、測定される三次元環境の範囲にわたって照射ビームが走査することを引き起こす。【選択図】  図１
2019520563.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置であって、前記ＬＩＤＡＲ装置は、
前記ＬＩＤＡＲ装置から三次元環境内に照射光パルスを異なる方向にそれぞれ出射する複数のパルス照射源と、
前記照射光パルスのそれぞれにより照射された前記三次元環境から反射された戻り光の量をそれぞれ検出し、そして、前記照射光パルスのそれぞれに関連する前記戻り光の検出量を示す出力信号を発生する複数の感光検出器と、
前記複数のパルス照射源及び測定される前記三次元環境の間、並びに、前記複数の感光検出器及び測定される前記三次元環境の間の光路内に配置されたビーム走査装置であって、指令信号に応じて前記照射光パルスのそれぞれを方向転換するように構成されているビーム走査装置と、
計算システムと、
を有し、
前記計算システムは、前記戻り光の検出量を示す前記出力信号のそれぞれを受信し、前記ＬＩＤＡＲ装置から前記照射光パルスのそれぞれが出射された時間、及び、前記照射光パルスにより照射された前記三次元環境内の物体から反射された光の量を前記複数の感光検出器のそれぞれが検出した時間の間の差に基づいて、前記ＬＩＤＡＲ装置及び前記三次元環境内の前記物体の間の距離を測定する、ことを特徴とするＬＩＤＡＲ装置。
【請求項２】
さらに、前記ビーム走査装置及び前記複数のパルス照射源の間、並びに、前記ビーム走査装置及び前記複数の感光検出器の間の光路内に配置された１つ以上のビーム整形光学素子を有することを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項３】
前記ビーム走査装置が１つ以上のビーム整形光学素子を含んでいることを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項４】
前記複数のパルス照射源の第１のパルス照射源により出射された照射光の一連のパルスにより測定され、前記ビーム走査装置により走査された前記三次元環境の第１の領域は、前記複数のパルス照射源の第２のパルス照射源により出射された照射光の一連のパルスにより測定され、前記ビーム走査装置により走査された前記三次元環境の第２の領域と空間的に重複することを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項５】
前記ビーム走査装置が、アクチュエータにより回転軸の周りを回転するミラー素子を含んでいることを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項６】
前記ミラー素子が、揺動角速度で前記回転軸の周りを回転することを特徴とする請求項５に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項７】
前記揺動角速度が正弦曲線をたどることを特徴とする請求項６に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項８】
前記複数のパルス照射源が、前記回転軸に対して平行な面内に配置されることを特徴とする請求項５に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項９】
前記複数のパルス照射源が、前記回転軸に対して垂直な面内に配置されることを特徴とする請求項５に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項１０】
前記１つ以上のビーム整形光学素子が、前記１つ以上のビーム整形光学素子の光軸面に対して平行な第１の方向に移動することを特徴とする請求項３に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項１１】
前記複数のパルス照射源が、前記１つ以上のビーム整形光学素子の光軸面に対して平行な第２の方向に移動し、前記第１の方向及び前記第２の方向が異なる方向であることを特徴とする請求項１０に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項１２】
前記指令信号が前記計算システムにより発生されることを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項１３】
光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置であって、前記ＬＩＤＡＲ装置は、
前記ＬＩＤＡＲ装置から三次元環境内に照射光パルスを異なる方向にそれぞれ出射する複数のパルス照射源と、
前記照射光パルスのそれぞれにより照射された前記三次元環境から反射された戻り光の量をそれぞれ検出し、そして、前記照射光パルスのそれぞれに関連する前記戻り光の検出量を示す出力信号を発生する複数の感光検出器と、
前記複数のパルス照射源及び測定される前記三次元環境の間、並びに、前記複数の感光検出器及び測定される前記三次元環境の間の光路内に配置されたビーム走査装置であって、指令信号に応じて前記照射光パルスのそれぞれを方向転換するように構成されているビーム走査装置と、
コンピュータ可読指令を有する非一時的コンピュータ可読媒体と、
を有し、
前記コンピュータ可読指令が計算システムにより読み込まれると、前記計算システムが、前記戻り光の検出量を示す前記出力信号のそれぞれを受信し、前記ＬＩＤＡＲ装置から前記照射光パルスのそれぞれが出射された時間、及び、前記照射光パルスにより照射された前記三次元環境内の物体から反射された光の量を前記複数の感光検出器のそれぞれが検出した時間の間の差に基づいて、前記ＬＩＤＡＲ装置及び前記三次元環境内の前記物体の間の距離を測定する、ことを引き起こすことを特徴とするＬＩＤＡＲ装置。
【請求項１４】
さらに、前記ビーム走査装置及び前記複数のパルス照射源の間、並びに、前記ビーム走査装置及び前記複数の感光検出器の間の光路内に配置された１つ以上のビーム整形光学素子を有することを特徴とする請求項１３に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項１５】
前記ビーム走査装置が１つ以上のビーム整形光学素子を含んでいることを特徴とする請求項１３に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項１６】
前記複数のパルス照射源の第１のパルス照射源により出射された照射光の一連のパルスにより測定され、前記ビーム走査装置により走査された前記三次元環境の第１の領域は、前記複数のパルス照射源の第２のパルス照射源により出射された照射光の一連のパルスにより測定され、前記ビーム走査装置により走査された前記三次元環境の第２の領域と空間的に重複することを特徴とする請求項１３に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項１７】
前記ビーム走査装置が、アクチュエータにより回転軸の周りを回転するミラー素子を含んでいることを特徴とする請求項１３に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項１８】
前記１つ以上のビーム整形光学素子が、前記１つ以上のビーム整形光学素子の光軸面に対して平行な第１の方向に移動し、前記複数のパルス照射源が、前記１つ以上のビーム整形光学素子の光軸面に対して平行な第２の方向に移動し、前記第１の方向及び前記第２の方向が異なる方向であることを特徴とする請求項１５に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項１９】
複数のパルス照射源から三次元環境内に複数の照射光パルスを出射し、前記複数の照射光パルスのそれぞれがビーム走査装置上に入射し、
前記複数の照射光パルスのそれぞれを、前記複数の照射光パルスのそれぞれとビーム走査装置の間の光学的相互作用に基づいて、異なる方向に方向転換し、
前記複数の照射光パルスのそれぞれにより照射された前記三次元環境から反射されたある量の戻り光を、ある量の前記戻り光のそれぞれとビーム走査装置の間の光学的相互作用に基づいて方向転換し、
前記複数の照射光パルスのそれぞれにより照射された前記三次元環境から反射された前記戻り光のそれぞれの量を検出し、
前記複数の照射光パルスのそれぞれに関連する前記戻り光の検出量を示す出力信号を発生し、
前記ＬＩＤＡＲ装置から前記複数の照射光パルスのそれぞれが出射された時間、及び、前記複数の照射光パルスにより照射された前記三次元環境内の物体から反射された光の量を前記複数の感光検出器のそれぞれが検出した時間の間の差に基づいて、前記複数のパルス照射源及び前記三次元環境内の前記物体の間の距離を測定する、
ことを特徴とする方法。
【請求項２０】
前記複数の照射光パルスのそれぞれの方向転換及び前記三次元環境から反射されたある量の前記戻り光のそれぞれの方向転換が、アクチュエータにより回転軸の周りを回転するミラー素子と関連付けられていることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２０１７年６月１日に出願された、「多重ピクセル走査ＬＩＤＡＲ」という名称の米国特許出願１５/６１０，９７５の優先権を主張するものであり、同様に、２０１６年６月１日に出願された、「多重ピクセル走査ＬＩＤＡＲ」という名称の米国仮出願６２/３４４，２５９の優先権を主張するものであり、これらの出願は参照されることにより、本出願に援用される。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、光検出及び測距（light detection and ranging：ＬＩＤＡＲ）に基づく三次元ポイントクラウド測定システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
ＬＩＤＡＲシステムは光パルスを使用し、各光パルスの飛行時間（ＴＯＦ）に基づいて物体への距離を測定するものである。ＬＩＤＡＲシステムの光源から出射された光パルスは遠位の物体と相互作用する。光の一部が物体から反射され、ＬＩＤＡＲシステムの検出器に戻る。光パルスの出射から戻り光パルスの検出までに経過した時間に基づいて、距離が推定される。いくつかの例においては、光パルスはレーザー発光器により発生される。光パルスはレンズ又はレンズアセンブリを通して集束される。レーザー光パルスがレーザー発光器の近くに設置された検出器に戻るまでの時間が測定される。高精度の時間測定から距離が得られる。
【０００４】
いくつかのＬＩＤＡＲシステムは、単一のレーザー発光器／検出器並びに回転ミラーの組み合わせを使用して、平面にわたって効果的に走査する。そのようなＬＩＤＡＲシステムにより実施された距離測定は実際上二次元（即ち、平面状）であり、捕捉された距離点は二次元（即ち、単一面）のポイントクラウドとしてレンダリングされる。いくつかの例において、回転ミラーは非常に速い速度（例えば、数千ｒｐｍ）で回転する。
【０００５】
多くの動作シナリオにおいて、三次元のポイントクラウドを求められることが多い。三次元で周囲環境に問合せするいくつかの方式が採用されている。いくつかの例においては、二次元装置が、多くの場合ジンバル上で、上下及び／又は前後に作動される。このことは、センサのノッディング又はウィンキングとして当業者には知られている。したがって、単一ビームＬＩＤＡＲユニットを使用して、一度に一点であるにもかかわらず、三次元の距離点列全体を捕捉することができる。関連する例においては、レーザーパルスを多層に分割するためにプリズムが使用され、各層はわずかに異なる鉛直角を有する。これは、センサ自体が作動することはないが、上述のノッディング効果をシミュレートする。
【０００６】
全ての上記の例において、単一レーザー発光器／検出器の組み合わせの光路が、単一のセンサよりも広い視野を達成するためにどうにかして変更されている。単一レーザーのパルス繰返し数が限定されていることにより、そのような装置が単位時間毎に発生することができるピクセル数は本質的に限定されている。ミラー、プリズム、又は装置の作動のいずれによるものであっても、より広いカバー領域を達成するためのビーム経路の変更は、ポイントクラウド密度の減少を伴うものである。
【０００７】
上述のように、いくつかの構成において三次元ポイントクラウドシステムが存在する。しかしながら、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、自立走行車両用途において、縦視野は車両の前方の地面が見えるまで下に伸びているべきである。また、道路内のくぼみに車両が進入した場合、縦視野は水平線より上に伸びているべきである。また、現実世界で起きている行動とこれらの行動の画像化の間の遅れは最小限である必要がある。いくつかの例においては、毎秒少なくとも５回の完全な画像の更新を提供することが望ましい。これらの要求に応えるために、多重レーザー発光器アレイ及び検出器アレイを備える三次元ＬＩＤＡＲシステムが開発された。このシステムは２０１１年６月２８日付で発行された米国特許７９６９５５８号に記載されており、この特許は参照されることにより、本出願に援用される。
【０００８】
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、連発で順次変更される。これらの例において、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みなすことができ、連発して出射されて捕捉されたピクセルの集合（即ち、ポイントクラウド）は、画像としてレンダリングすることができ、又は、他の理由（例えば、障害物の検出）により分析される。いくつかの例において、結果的に得られたポイントクラウドを使用者に三次元の画像としてレンダリングする為に閲覧ソフトウェアが使用されている。実写カメラで撮影されたような三次元画像として距離測定値を画像化する為に異なる方式を使用することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
高水準の画像解像度及び撮影範囲を維持したまま、ＬＩＤＡＲシステムの光学機械的設計(opto-mechanical design)の改善が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
三次元環境上を走査する多重照射ビームを有する三次元ＬＩＤＡＲ測定を実施するシステム及び方法がここに記載されている。
【００１１】
1つの側面において、１つ以上のビーム整形光学素子及びビーム走査装置により、照射光は周囲環境内の特定位置に向けられる。更なる側面において、１つ以上のビーム整形光学素子及びビーム走査装置により、戻り測定光は感光検出器上に向かって集束される。ビーム走査装置は、ビーム整形光学素子及び測定される環境の間の光路内で使用される。ビーム走査装置は、効果的に視野を拡大し、三次元ＬＩＤＡＲシステムの視野内のサンプリング密度を増加する。
【００１２】
いくつかの実施形態において、三次元ＬＩＤＡＲシステムは、平面上に整列された光源アレイを有する。各光源は異なるＬＩＤＡＲ測定チャネルに関連付けられる。三次元ＬＩＤＡＲシステムはビーム走査装置も有し、ビーム走査装置は、主制御装置により発生された指令信号に応じてアクチュエータにより回転軸の周りを揺動可能に回転する走査ミラーを有する。各ビームは走査ミラーの表面から異なる方向に反射される。この方法により、環境内の物体は異なる場所で異なる照射光ビームにより問合せされる。走査ミラーは、測定される三次元環境の範囲にわたって走査する照射ビームを引き起こす。
【００１３】
いくつかの実施形態において、光源アレイは二次元であり、二次元視野の測定ビームが測定される三次元環境の範囲にわたって走査する。
【００１４】
もう１つの側面において、各ＬＩＤＡＲ測定チャネルの光源及び検出器は、光源から出射された光をコリメートする為に使用されるビーム整形光学素子に対して二次元移動する。二次元移動はビーム整形光学素子の光軸面に整列され、効果的に視野を拡大し、三次元ＬＩＤＡＲシステムの視野内のサンプリング密度を増加する。
【００１５】
上記は概要であり、したがって、必要に応じて簡略化、一般化、及び詳細の省略を含み、結果として、概要は単に説明的なものであり、限定的なものではないことは当業者には理解できるであろう。ここに記載の装置及び／又は方法の他の側面、発明の特徴、及び利点は、以下に記載の非限定的な詳細な説明により明確になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】少なくとも１つの新規な側面における三次元ＬＩＤＡＲシステム１００の１つの実施形態を示す簡略図である。
【図２】パルス測定ビームの出射及び戻り測定パルスの捕捉のタイミングを示す図である。
【図３】三次元ＬＩＤＡＲシステム１００の発光・集光エンジン１１２を示す図である。
【図４】三次元ＬＩＤＡＲシステム１００の集光光学系１１６の詳細図である。
【図５】ビーム走査装置を使用する三次元ＬＩＤＡＲシステムの実施形態２００を示す図である。
【図６】ビーム走査装置を使用する三次元ＬＩＤＡＲシステムの実施形態３００を示す図である。
【図７】ビーム走査装置を使用する三次元ＬＩＤＡＲシステムの実施形態４００を示す図である。
【図８】光源の二次元アレイ２１１を使用する三次元ＬＩＤＡＲシステムの実施形態２１０を示す図である。
【図９】１つの実施形態における統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１２０を示す図である。
【図１０】統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１３０を示す概略図である。
【図１１】少なくとも１つの新規な側面における走査測定ビームに基づく多重ＬＩＤＡＲ測定を実施する方法５００を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明のいくつかの実施形態と添付の図面に図示されている背景的実施例の詳細について説明する。
【００１８】
図１は、ＬＩＤＡＲ測定システム１００の１つの実施形態を示す図である。ＬＩＤＡＲ測定システム１００は、主制御装置１９０及び１つ以上の統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１３０を有する。統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１３０は、戻り信号受信機集積回路（ＩＣ）１５０、照射ドライバ集積回路（ＩＣ）１５２、照射源１６０、感光検出器１７０、及び相互インピーダンス増幅器（ＴＩＡ）１８０を有する。これらの素子のそれぞれは、これらの素子の間の電気的接続性及び機械的支持を提供する共通基板１３５（プリント回路基板）上に取り付けられる。
【００１９】
照射源１６０は、電流１５３のパルスに応じて照射光１６２の測定パルスを出射する。いくつかの実施形態において、照射源１６０は、レーザーベース（即ち、レーザーダイオード）である。いくつかの実施形態において、照射源は１つ以上の発光ダイオードベースである。一般的に、任意の適切なパルス照射源を検討することができる。照射光１６２は、ＬＩＤＡＲ測定装置１００を出て、測定される周囲三次元環境内の物体から反射される。反射光の一部は、測定パルス１６２に関連する戻り測定光１７１として集光される。図１に図示されているように、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１３０から出射された照射光１６２及び統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１３０に向けられた対応する戻り測定光１７１は、共通の光路を共有する。
【００２０】
１つの側面において、照射光１６２は、ＬＩＤＡＲ測定システム１００の１つ以上のビーム整形光学素子１６３及びビーム走査装置１６４により、周囲環境内の特定位置に向かって集束されて投射される。更なる側面において、戻り測定光１７１は、ＬＩＤＡＲ測定システム１００の１つ以上のビーム整形光学素子１６３及びビーム走査装置１６４により、感光検出器１７０上に向かって集束される。ビーム走査装置は、ビーム整形光学素子及び測定される環境の間の光路内に使用される。ビーム走査装置は、効果的に視野を拡大し、三次元ＬＩＤＡＲシステムの視野内のサンプリング密度を増加する。
【００２１】
図１に図示されている実施形態において、ビーム走査装置１６４は、回転アクチュエータ１６５により回転軸１６７の周りを回転する可動ミラー素子である。主制御装置１９０により発生された指令信号１６６が、主制御装置１９０から回転アクチュエータ１６５に通信される。それに応じて、回転アクチュエータ１６５が、所望の運動輪郭(motion profile)に応じて可動ミラー素子を走査する。
【００２２】
統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１３０は、アクティブ感知領域１７４を備えた感光検出器１７０を有する。図１に図示されているように、照射源１６０は感光検出器１７０のアクティブ領域１７４の視野外に配置されている。図１に図示されているように、オーバーモールドレンズ１７２が感光検出器１７０上に取り付けられている。オーバーモールドレンズ１７２は、戻り光１７１の受光円錐に対応する円錐状の空洞を有する。照射源１６０からの照射光１６２は、ファイバ導波路により検出器受光円錐内に射出される。光カプラは、照射源１６０をファイバ導波路に光学的に接続する。ファイバ導波路の端部において、ミラー素子１６１が、ファイバ導波路に対して４５度の角度に配向されており、これにより、戻り光１７１の円錐内に照射光１６２を射出する。１つの実施形態では、ファイバ導波路の端面を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。いくつかの実施形態では、ファイバ導波路は、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（polymer cladding）とを含む。いくつかの実施形態では、光学アセンブリ全体が、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、ファイバ導波路は、照射光１６２を最小限の遮蔽で戻り光１７１の受光円錐内に射出する。
【００２３】
検出器１７０のアクティブ感知領域１７４上に投射された戻り光１７１の受光円錐内におけるファイバ導波路の配置は、遠方視野において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。
【００２４】
図１に図示されているように、周囲環境から反射された戻り光１７１は感光検出器１７０により検出される。いくつかの実施形態において、光検出器１７０は、アバランシェフォトダイオードである。光検出器１７０は、出力信号１７３を生成し、これは、アナログ相互インピーダンス増幅器（ＴＩＡ）１８０によって増幅される。しかしながら、一般的に、出力信号１７３の増幅は、複数の増幅段を有することができる。即ち、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。図１においては、アナログ相互インピーダンス増幅器１８０は受信機ＩＣ１５０とは分離したディスクリート素子として図示されているが、一般的に、アナログ相互インピーダンス増幅器１８０は受信機ＩＣ１５０と一体化することができる。いくつかの実施形態において、空間の節約及び信号汚染の減少の為に、アナログ相互インピーダンス増幅器１８０及び受信機ＩＣ１５０を一体化することが好ましい。
【００２５】
増幅信号１８１が戻り信号受信機ＩＣ１５０に通信される。受信機ＩＣ１５０はタイミング回路及び時間／デジタル変換器を有し、時間／デジタル変換器が、照射源１６０から三次元環境内の反射物体へ向かい、感光検出器１７０に戻るまでの測定パルスの飛行時間を推定する。推定飛行時間を示す信号１５５が、更なる処理及びＬＩＤＡＲ測定システム１００の使用者への通信の為に、主制御装置１９０へ通信される。また、戻り信号受信機ＩＣ１５０は、ピーク値（即ち、戻りパルス）を含む戻り信号１８１のセグメントをデジタル化し、デジタル化されたセグメントを示す信号１５６を主制御装置１９０へ通信するように構成されている。いくつかの実施形態において、主制御装置１９０は、検出物体の特性を特定する為にこれらの信号セグメントを処理する。いくつかの実施形態において、主制御装置１９０は、更なる処理の為にＬＩＤＡＲ測定システム１００の使用者へ信号１５６を通信する。
【００２６】
主制御装置１９０は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１３０の受信機ＩＣ１５０へ通信されるパルス指令信号１９１を発生するように構成されている。パルス指令信号１９１は、主制御装置１９０により発生されたデジタル信号である。したがって、パルス指令信号１９１のタイミングは、主制御装置１９０に関連する時計により決定される。いくつかの実施形態において、パルス指令信号１９１は、照射ドライバＩＣ１５２によるパルス発生及び受信機ＩＣ１５０によるデータ取得を引き起こす為に直接使用される。しかしながら、照射ドライバＩＣ１５２及び受信機ＩＣ１５０は、主制御装置１９０と同じ時計を共有していない。この理由により、パルス指令信号１９１がパルス発生及びデータ取得を引き起こす為に直接使用されると、飛行時間の正確な推定が計算的により面倒になる。
【００２７】
一般的に、ＬＩＤＡＲ測定システムは多数の異なる統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１３０を有し、各統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１３０は、ＬＩＤＡＲ装置から周囲環境内に照射光のパルスビームを出射し、周囲環境内の物体から反射された戻り光を測定する。
【００２８】
これらの実施形態において、主制御装置１９０は、異なる統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１３０のそれぞれにパルス指令信号１９１を通信する。この方法により、主制御装置１９０は、任意の数の統合型ＬＩＤＡＲ測定装置により実施されたＬＩＤＡＲ測定のタイミングを調整する。更なる側面において、ビーム整形光学素子１６３及びビーム走査装置１６４は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置のそれぞれに関連する照射パルス及び戻り測定パルスの光路内に配置される。この方法により、ビーム走査装置１６４は、ＬＩＤＡＲ測定システム１００の照射パルス及び戻り測定パルスのそれぞれを配向する。
【００２９】
図示されている実施形態において、受信機ＩＣ１５０はパルス指令信号１９１を受信し、パルス指令信号１９１に応じてパルストリガ信号ＶＴＲＧ１５１を発生する。パルストリガ信号１５１は、照射ドライバＩＣ１５２に通信され、照射ドライバＩＣ１５２が照射源１６０を電源に電気的に接続することを直接引き起こし、照射光１６２のパルスを発生する。また、パルストリガ信号１５１は戻り信号のデータ取得及び関連する飛行時間の計算を直接引き起こす。この方法により、パルス発生及び戻りパルスのデータ取得の両方を引き起こす為に、受信機ＩＣ１５０の内部時計に基づいて発生されたパルストリガ信号１５１が使用される。このことは、パルス発生及び戻りパルスのデータ取得の正確な同期を確実にし、時間／デジタル変換による正確な飛行時間の計算を可能にする。
【００３０】
図２は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１３０からのパルス測定ビームの出射及び戻り測定パルスの捕捉のタイミングを示す図である。図２に図示されているように、測定は、受信機ＩＣ１５０により発生されたパルストリガ信号１６２の立ち上がりエッジにより開始される。図１及び２に図示されているように、増幅された戻り信号１８１が受信機ＩＣ１５０により受信される。上述のように、測定窓（即ち、収集された戻り信号データが特定測定パルスに関連付けられている期間）は、パルストリガ信号１６２の立ち上がりエッジにおけるイネーブルデータ取得により開始される。受信機ＩＣ１５０は、測定パルスシークエンスの出射に対応する戻り信号が予期される時間窓に対応するように、測定窓Ｔ測定の期間を制御する。いくつかの実施例において、測定窓は、パルストリガ信号１６２の立ち上がりエッジにおいて作動され、ＬＩＤＡＲシステムの範囲の約２倍の距離にわたる光の飛行時間に対応する時点において停止される。この方法により、測定窓は、ＬＩＤＡＲシステムに近接する物体からの戻り光（即ち、わずかな飛行時間）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ために開かれている。この方法により、有効な戻り信号として貢献することができない他の全ての光は除外される。
【００３１】
図２に図示されているように、戻り信号１８１は、出射された測定パルスに対応する３つの戻り測定パルスを有する。一般的に、信号検出は、全ての検出された測定パルスに実施される。さらに、信号分析が、最も近い有効信号１８１Ｂ（例えば、戻り測定パルスの最初の有効インスタンス）、最も強い信号及び最も遠い有効信号（例えば、測定窓における戻り測定パルスの最後の有効インスタンス）を特定するために実施される。これらのインスタンスはどれも、ＬＩＤＡＲシステムによる潜在的に有効な距離測定値として報告することができる。
【００３２】
ＬＩＤＡＲシステムからの発光に関連する内部システム遅延（例えば、信号通信遅延及びスイッチ素子、電気エネルギー蓄積素子及びパルス発光装置に関連する待機時間）と、集光と集光された光を示す信号の発生に関連する遅延（例えば、増幅器の待機時間、アナログ／デジタル変換遅延等）は、測定光パルスの飛行時間の推定におけるエラーに貢献する。したがって、パルストリガ信号１６２の立ち上がりエッジ及び各有効戻りパルス（即ち、１８１Ｂ及び１８１Ｃ）の間の経過時間に基づく飛行時間の測定は、望ましくない測定エラーをもたらす。いくつかの実施形態において、電子遅延を補償する為に較正された所定の遅延時間が使用され、実際の光の飛行時間の訂正された推定に到達する。しかしながら、動的に変化する電子遅延に対する静補正の正確性は限定されている。頻繁な再較正を使用することもできるが、このことは計算を複雑化し、システム稼働時間に支障をきたす可能性がある。
【００３３】
もう１つの側面において、受信機ＩＣ１５０は、照射源１６０及び感光検出器１７０の間の内部クロストークによる検出パルス１８１Ａの検出及び有効戻りパルス（例えば、１８１Ｂ及び１８１Ｃ）の検出の間の経過時間に基づいて、飛行時間を測定する。この方法により、システマチックな遅延は飛行時間の推定から削除される。パルス１８１Ａは、有効な光伝搬距離がない時に内部クロストークにより発生される。したがって、パルストリガ信号の立ち上がりエッジからパルス１８１Ａ検出のインスタンスの間の時間遅延が、照射及び信号検出に関連するシステマチックな遅延の全てを取り込んでいる。検出パルス１８１Ａに関連して有効戻りパルス（例えば、戻りパルス１８１Ｂ及び１８１Ｃ）の飛行時間を測定することにより、内部クロストークによる照射及び信号検出に関連するシステマチックな遅延の全てが削除される。図２に図示されているように、受信機ＩＣ１５０は、戻りパルス１８１Ａに関連して、戻りパルス１８１Ｂに関連する飛行時間ＴＯＦ１及び戻りパルス１８１Ｃに関連する飛行時間ＴＯＦ２を推定する。
【００３４】
いくつかの実施例において、信号分析は、全て受信機ＩＣ１５０により実施される。これらの実施形態において、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１３０から通信された信号１５５は、受信機ＩＣ１５０により決定された飛行時間の表示を含んでいる。いくつかの実施形態において、信号１５６は、受信機ＩＣ１５０により発生された戻り信号１８１のデジタル化されたセグメントを含んでいる。これらの生の測定信号セグメントは、三次元ＬＩＤＡＲシステム上に配置、又は三次元ＬＩＤＡＲシステムの外部に配置された１つ以上のプロセッサによりさらに処理され、もう１つの距離の推定、検出された物体の１つ以上の物理的性質の推定、又はその組み合わせに到達する。
【００３５】
図３は、１つの実施形態における発光・集光エンジン１１２を示す図である。発光・集光エンジン１１２は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置のアレイ１１３を有する。各統合型ＬＩＤＡＲ測定装置は、共通基板（例えば、電気基板）上に統合されている発光素子、光検出素子、及び関連する制御装置、並びに信号調整電子回路を有する。
【００３６】
各統合型ＬＩＤＡＲ測定装置から出射された光は、ビーム整形光学素子１１６を通過し、ビーム整形光学素子が出射された光をコリメートして三次元ＬＩＤＡＲシステムから環境内に投射される照射光ビームを発生する。この方法により、異なるＬＩＤＡＲ測定装置からそれぞれ出射された光ビームのアレイ１０５が、図３に図示されているように、三次元ＬＩＤＡＲシステム１００から出射される。一般的に、任意の数のＬＩＤＡＲ測定装置を配置して任意の数の光ビームを三次元ＬＩＤＡＲシステム１００から同時に出射することができる。特定のＬＩＤＡＲ測定装置による照射により環境内の物体から反射した光は、ビーム整形光学素子１１６により集光される。集光された光は、ビーム整形光学素子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。この方法により、異なるＬＩＤＡＲ測定装置により発生された照射による環境の異なる部分の照射に関連する集光された光は、対応する各ＬＩＤＡＲ測定装置の検出器上に別々に集束される。
【００３７】
図４は、ビーム整形光学素子１１６の詳細図である。図４に図示されているように、ビーム整形光学素子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を集束するように配置された４つのレンズ素子１１６Ａ〜１１６Ｄを有する。図４に図示されている実施形態において、集光光学系１１６を通過した光は、ミラー１２４により反射され、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置のアレイ１１３の各検出器上に配向される。いくつかの実施形態において、ビーム整形光学素子１１６の１つ以上の光学素子が、所定の波長範囲外の光を吸収する１つ以上の材料から構成される。所定の波長範囲は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置のアレイ１１３により出射された光の波長を含んでいる。１つの実施例において、１つ以上のレンズ素子は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置のアレイ１１３の各発光素子により発生された赤外光より低い波長を有する光を吸収する着色剤添加剤を含むプラスチック材料から構成される。１つの実施例において、着色剤は、Ａａｋｏ  ＢＶ（オランダ）から入手可能なＥｐｏｌｉｇｈｔ  ７２７６Ａである。一般的に、望まないスペクトルの光を除去するために、集光光学系１１６の任意のプラスチックレンズ素子に任意の数の異なる着色剤を添加することができる。
【００３８】
図５は、ビーム走査装置を使用する三次元ＬＩＤＡＲシステムの実施形態２００を示す図である。実施形態２００は、光源２０１Ａ〜２０１Ｃの一次元アレイ（即ち、図５に図示されているＸＹ平面のような単一面内に整列された光源のアレイ）を有する。各光源は異なるＬＩＤＡＲ測定チャネルに関連付けられている。各光源２０１Ａ〜２０１Ｃから出射された光は発散する。これらの発散光は、ビーム整形光学素子２０２（例えば、コリメート光学素子）を通過し、出射された光はほぼコリメートされる。「ほぼ」コリメートされるとの単語が使用されているのは、実際には光ビームの完全なコリメーションはほとんど達成されないからである。したがって、典型的に、結果として得られるビームは、ビーム整形光学素子２０２を通過した後もわずかに発散又は集束したままである。ビーム整形光学素子２０２を通過した後、各ビームは走査ミラー２０３の表面から反射する。走査ミラー２０３は、制御装置（例えば、主制御装置１９０）から受信した指令信号２０７に応じて、アクチュエータ２０６により軸２０５の周りを揺動可能に回転する。図５に図示されているように、反射されたビーム２０４Ａ〜２０４Ｃは、それぞれ光源２０１Ａ〜２０１Ｃに関連付けられている。反射ビーム２０４Ａ〜２０４Ｃが、コリメート光学素子２０２、光源２０１Ａ〜２０１Ｃ、又は三次元ＬＩＤＡＲシステムの照射及び検出システムの他の素子と交差しないように、走査ミラー２０３は配向されている。さらに、反射ビーム２０４Ａ〜２０４Ｃは、Ｘ軸方向において、その別々の軌跡を維持する。この方法により、環境内の物体は、Ｘ軸方向における異なる位置で、照射光の異なるビームにより問合せされる。いくつかの実施形態において、反射ビームは、ＸＹ平面において測定された４０度より小さい角度範囲にわたって広がる。
【００３９】
走査ミラー２０３は、反射ビーム２０４Ａ〜２０４ＣがＺ軸方向（図５に図示されている図の内外へ）に広がることを引き起こす。いくつかの実施形態において、反射ビームはＹＺ平面において測定された１２０度より小さい角度範囲にわたって走査する。
【００４０】
図６は、ビーム走査装置を使用する三次元ＬＩＤＡＲシステムの他の実施形態３００を示す図である。実施形態３００は、光源３０１Ａ〜３０１Ｃの一次元アレイを有し、各光源は異なるＬＩＤＡＲ測定チャネルに関連付けられている。光源３０１Ａ〜３０１Ｃは一次元アレイ内に配置されている（即ち、図６に図示されている図の内外へ、Ｚ軸方向と平行する平面上に配置される）。各光源３０１Ａ〜３０１Ｃから出射された光は発散する。これらの発散光は、ビーム整形光学素子３０２を通過し、ほぼコリメートされる。ビーム整形光学素子３０２を通過した後、各ビームは走査ミラー３０３の表面から反射する。反射されたビーム３０４Ａ〜３０４Ｃは、ＹＺ平面において（即ち、図６に図示されている図の内外へ）広がる。走査ミラー３０３は、図６に図示されているＺ軸方向に方向付けられ、走査ミラー３０３の表面と整列された軸３０５の周りを揺動可能に（例えば、+α及び-αの間の角度範囲内で）回転する。走査ミラー３０３は、制御装置（例えば、主制御装置１９０）から受信した指令信号３０７に応じて、アクチュエータ３０６により軸３０５の周りを揺動可能に回転する。図６に図示されているように、反射ビーム３０４Ａ〜３０４Ｃは、光源３０１Ａ〜３０１Ｃに関連付けられている。反射ビーム３０４Ａ〜３０４Ｃが、コリメート光学素子３０２、光源３０１Ａ〜３０１Ｃ、又は三次元ＬＩＤＡＲシステムの照射及び検出システムの他の素子と交差しないように、走査ミラー３０３は配向されている。さらに、反射ビーム３０４Ａ〜３０４Ｃは、Ｚ軸方向において、その別々の軌跡を維持する。この方法により、環境内の物体は、Ｚ軸方向における異なる位置で、照射光の異なるビームにより問合せされる。いくつかの実施形態において、反射ビームは、ＹＺ平面において測定された４０度より小さい角度範囲にわたって広がる。
【００４１】
走査ミラー３０３は、反射ビーム３０４Ａ〜３０４ＣがＸ軸方向に広がることを引き起こす。いくつかの実施形態において、反射ビームはＸＹ平面において測定された１２０度より小さい角度範囲にわたって走査する。
【００４２】
図５に図示されている実施形態において、光源２０１Ａ〜２０１Ｃのアレイの各光源は平面内に配置されている。同様に、図６に図示されている実施形態において、光源３０１Ａ〜３０１Ｃのアレイの各光源は平面内に配置されている。このことは、光源の一次元アレイと呼ばれている。図５に図示されている実施形態において、走査ミラー２０３の軸２０５は、光源２０１Ａ〜２０１Ｃを含む平面（例えば、ＸＹ平面）内に位置している。同様に、図６に図示されている実施形態において、走査ミラー３０３の軸３０５は、光源３０１Ａ〜３０１Ｃを含む平面内に位置している。しかしながら、一般的に、光源のアレイは二次元であってもよい。
【００４３】
図７は、三次元ＬＩＤＡＲシステムの他の実施形態４００を示す図である。実施形態４００は、光源４０１Ａ〜４０１Ｄの二次元アレイを有し、各光源は異なるＬＩＤＡＲ測定チャネルに関連付けられている。光源４０１Ａ〜４０１ＢはＺ軸方向と平行する平面内に配置され、光源４０１Ｃ〜４０１ＤはＺ軸方向と平行する他の平面内に配置される。また、光源４０１Ａ及び４０１ＣはＸＹ平面と平行する平面内に配置され、光源４０１Ｂ及び４０１ＤはＸＹ平面と平行する他の平面内に配置される。各光源４０１Ａ〜４０１Ｄから出射された光は発散する。これらの発散光は、ビーム整形光学素子４０２を通過し、ほぼコリメートされる。ビーム整形光学素子４０２を通過した後、各ビームは走査ミラー４０３の表面から反射する。反射されたビーム４０４Ａ〜４０４Ｂ及び反射されたビーム４０４Ｃ〜４０４Ｄは、ＹＺ平面において（即ち、図７に図示されている図の内外へ）広がる。走査ミラー４０３は、図７に図示されているＺ軸方向に方向付けられ、走査ミラー４０３の表面と整列された軸４０５の周りを揺動可能に（例えば、+α及び-αの間の角度範囲内で）回転する。走査ミラー４０３は、制御装置（例えば、主制御装置１９０）から受信した指令信号４０７に応じて、アクチュエータ４０６により軸４０５の周りを揺動可能に回転する。図７に図示されているように、反射されたビーム４０４Ａ〜４０４Ｄは、光源４０１Ａ〜４０１Ｄに関連付けられている。反射ビーム４０４Ａ〜４０４Ｄが、コリメート光学素子４０２、光源４０１Ａ〜４０１Ｄ、又は三次元ＬＩＤＡＲシステムの照射及び検出システムの他の素子と交差しないように、走査ミラー４０３は配向されている。さらに、反射ビーム４０４Ａ〜４０４Ｄは、Ｚ軸方向及びＸ軸方向において、その別々の軌跡を維持する。この方法により、環境内の物体は、Ｚ軸方向における異なる位置で、照射光の異なるビームにより問合せされる。いくつかの実施形態において、反射ビームは、ＹＺ平面において測定された４０度より小さい角度範囲にわたって広がる。
【００４４】
走査ミラー４０３は、反射ビーム４０４Ａ〜４０４ＤがＸ軸方向に広がることを引き起こす。いくつかの実施形態において、反射ビームはＸＹ平面において測定された１２０度より小さい角度範囲にわたって走査する。更なる側面において、走査角度範囲は、反射ビーム４０４Ａ及び４０４Ｂにより問合せされた環境の部分がそれぞれ反射ビーム４０４Ｃ及び４０４Ｄによっても問合せされるように構成されている。このことは、図７に図示されている角度的「重複」範囲により図示されている。この方法により、環境のこの部分における空間サンプリング解像度が効果的に増加する。なぜなら、環境のこの部分は、異なる時間において２つの異なるビームによりサンプリングされるからである。
【００４５】
他の更なる側面において、走査角度はほぼ正弦関数をたどる。そのように、走査の半ば頃の静止時間は走査の終わり頃の静止時間よりもかなり短い。この方法により、三次元ＬＩＤＡＲシステムの空間サンプリング解像度は走査の終わりにおいてより高くなる。
【００４６】
図７に図示されている実施形態４００において、４つの光源が２ｘ２アレイ内に配置されている。しかしながら、一般的に、任意の数の光源を任意の適切な方法で配置することができる。１つの実施例において、２ｘ２アレイは、重複領域において測定ビームがインターレースするように、走査ミラーに対して傾いている。
【００４７】
他の側面において、各ＬＩＤＡＲ測定チャネルの光源及び検出器は、光源から出射された光をコリメートする為に使用されるビーム整形光学素子に対して二次元移動する。二次元移動はビーム整形光学素子の光軸面に整列され、効果的に視野を拡大し、三次元ＬＩＤＡＲシステムの視野内のサンプリング密度を増加する。
【００４８】
図８は、光源２１２Ａ〜２１２Ｃを含む光源の二次元アレイ２１１を使用する三次元ＬＩＤＡＲシステムの実施形態２１０を示す図である。光源２１２Ａ〜２１２Ｃはそれぞれ異なるＬＩＤＡＲ測定チャネルに関連付けられている。各光源２１２Ａ〜２１２Ｃから出射された光は発散する。これらの発散光は、ビーム整形光学素子２１３を通過し、ほぼコリメートされる。コリメートされたビーム２１４Ａ〜２１４Ｃはそれぞれ光源２１２Ａ〜２１２Ｃに関連付けられている。コリメートされたビーム２１４Ａ〜２１４Ｃは測定される三次元環境上を通過する。「ほぼ」コリメートされるとの単語が使用されているのは、実際には光ビームの完全なコリメーションはほとんど達成されないからである。したがって、典型的に、結果として得られるビームは、ビーム整形光学素子２１３を通過した後もわずかに発散又は集束したままである。
【００４９】
図示されている実施形態において、光源の二次元アレイ２１１は、アクチュエータ２１により一方向（例えば、ＸＳ方向）に移動され、ビーム整形光学素子２１３は、アクチュエータ２１５により直交方向（例えば、ＹC方向）に移動される。光源の二次元アレイ２１１及びビーム整形光学素子２１３の間の直交方向の相対運動が、測定する三次元環境にわたってコリメートされたビーム２１４Ａ〜２１４Ｃを効果的に走査する。このことは、視野を効果的に拡大し、三次元ＬＩＤＡＲシステムの視野内のサンプリング密度を増加する。光源の二次元アレイ２１１は、アクチュエータ２１６によりＸＳ方向と平行な方向に揺動可能に移動し、ビーム整形光学素子２１３は、制御装置（例えば、主制御装置１９０）から受信した指令信号２１７に応じて、ＹC方向と平行な方向に揺動可能に移動する。
【００５０】
図８に図示されている実施形態において、ＸＣＹＣ平面はＸＳＹＳ平面に対して平行である。図８に図示されているように、各ＬＩＤＡＲ測定チャネルの光源及び検出器は、光源から出射された光をコリメートする為に使用されるビーム整形光学素子に対して二次元移動する。光源の二次元アレイ２１１及びビーム整形光学素子２１３の両方の運動は、コリメート光学素子の光軸面（即ち、ＸＣＹＣ平面）に整列する。一般的に、ビーム整形光学素子２１３を静止させたまま、光源の二次元アレイ２１１をＸＳ方向及びＹＳ方向の両方に移動することにより同じ効果を達成することができる。同様に、光源の二次元アレイ２１１を静止させたまま、ビーム整形光学素子２１３をＸＣ方向及びＹＣ方向の両方に移動することにより同じ効果を達成することができる。
【００５１】
一般的に、走査ミラー２０３、３０３、４０３の回転、並びに、光源の二次元アレイ２１１及びビーム整形光学素子２１３の変位は、任意の適切な駆動システムにより実現することができる。１つの実施例において、共振挙動を引き出すために静電アクチュエータにより調和的に駆動される屈曲機構を使用することができる。他の実施例において、回転アクチュエータにより発生された回転運動を二次元平面運動に変換する為に偏心回転機構を使用することができる。一般的に、運動は任意の適切なアクチュエータシステム（例えば、静電アクチュエータ、圧電アクチュエータ等）により発生することができる。一般的に、運動は正弦、疑似ランダム、又は他の適切な関数をたどる。
【００５２】
図９は、他の実施形態における統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１２０を示す図である。統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１２０は、共通基板１２１（例えば、電気基板）上に統合されているパルス発光装置１２２、光検出素子１２３、関連する制御装置、及び信号調整電子回路、並びにコネクタ１２６を有する。パルス発光装置１２２は照射光パルス１２４を発生し、検出器１２３が集光された光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から出射されて統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１２０により検出された光の飛行時間に基づく三次元ＬＩＤＡＲシステム及び周囲環境内の物体の間の距離を示すデジタル信号を発生する。統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１２０は、コネクタ１２６により三次元ＬＩＤＡＲシステムに電気的に接続する。統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１２０は、コネクタ１２６を通して、三次元ＬＩＤＡＲシステムから制御信号を受信し、測定結果を三次元ＬＩＤＡＲシステムへ通信する。
【００５３】
図１０は、他の実施形態における統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１３０を示す概略図である。統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１３０は、共通基板１４４上に統合されているパルス発光装置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、標準ビームスプリッタ等）、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、制御装置１３２、及びデジタル入力／出力（Ｉ／Ｏ）電子回路１３１を有する。
【００５４】
図１０に図示されているように、測定は、制御装置１３２により発生されたパルス発射信号１４６とともに始まる。いくつかの実施例において、パルス発射信号から時間遅延ＴＤによりずれているパルスインデックス信号が制御装置により測定される。時間遅延は、ＬＩＤＡＲシステムからの発光に関連する既知の遅延（例えば、信号通信遅延及びスイッチ素子、電気エネルギー蓄積素子及びパルス発光装置に関連する待機時間）と、集光と集光された光を示す信号の発生に関連する既知の遅延（例えば、増幅器の待機時間、アナログ／デジタル変換遅延等）と、を含んでいる。
【００５５】
照射ドライバ１３３が、パルス発射信号１４６に応じてパルス電流信号１４５を発生する。パルス発光装置１３４は、パルス電流信号１４５に応じてパルス発光１３６を発生する。照射光１３６は、ＬＩＤＡＲシステムの（図示しない）１つ以上の光学素子により集束されて周囲環境内の特定位置に投射される。
【００５６】
いくつかの実施形態において、パルス発光装置はレーザーベース（例えば、レーザーダイオード）である。いくつかの実施形態において、パルス照射源は１つ以上の発光ダイオードベースである。一般的に、任意の適切なパルス照射源を検討することができる。
【００５７】
図１０に図示されているように、周囲環境から反射された戻り光１３７は、光検出器１３８により検出される。いくつかの実施形態において、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、信号調整電子回路１３９により増幅される出力信号１４７を発生する。いくつかの実施形態において、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有する。しかしながら、一般的に、出力信号１４７の増幅は、複数の増幅段を有することができる。即ち、アナログ相互インピーダンス増幅器は非限定的な例であり、本明細書の範囲内で他の多くのアナログ信号増幅方式を検討することができる。
【００５８】
増幅信号はアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）１４０へ通信される。デジタル信号は制御装置１３２へ通信される。制御装置１３２は、パルス発射信号１４６と共同してアナログ／デジタル変換器１４０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発生する。
【００５９】
図１０に図示されているように、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１３０から出射された照射光１３６及び統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１３０に向けられた戻り光１３７は、共通の光路を共有する。図１０に図示されている実施形態においては、戻り光１３７は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１３５により照射光１３６と分離される。偏光ビームスプリッタ１３５は、非偏光ビームスプリッタであってもよいが、このことは一般的に光の更なる損失をもたらす。この実施形態において、パルス発光装置１３４から出射された光は、照射光が偏光ビームスプリッタ１３５を通過するように偏光される。しかしながら、戻り光１３７は一般的に偏光の混合を含んでいる。したがって、偏光ビームスプリッタ１３５は戻り光の一部を検出器１３８へ向けさせ、戻り光の一部をパルス発光装置１３４へ向けさせる。いくつかの実施形態においては、偏光ビームスプリッタ１３５の後に１／４波長板を配置することが望ましい。このことは、戻り光の偏光が環境との相互作用によってあまり変更されない状況において有利である。１／４波長板がない場合、戻り光の大部分が偏光ビームスプリッタ１３５を通過してパルス発光装置１３４へ向けられ、望ましくない。しかしながら、１／４波長板がある場合、戻り光の大部分が偏光ビームスプリッタ１３５を通過して検出器１３８へ向けられる。
【００６０】
一般的に、多重ピクセル三次元ＬＩＤＡＲシステムは、複数のＬＩＤＡＲ測定チャネルを有する。いくつかの実施形態において、多重ピクセル三次元ＬＩＤＡＲシステムは、複数の統合型ＬＩＤＡＲ測定装置を有し、各統合型ＬＩＤＡＲ測定装置が、ＬＩＤＡＲ装置から周囲環境内に照射光のパルスビームを出射し、周囲環境内の物体から反射された戻り光を測定する。
【００６１】
いくつかの実施形態において、デジタル入力／出力電子回路１３１、タイミング論理電子回路（timing logic）１３２、アナログ/デジタル（Ａ／Ｄ）変換電子回路１４０、及び信号調整電子回路１３９が、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。他の実際形態において、これらの同じ素子が、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内に統合される。いくつかの実施形態において、Ａ／Ｄ変換電子回路及び制御装置１３２は、時間／デジタル変換器として組み合わされる。
【００６２】
いくつかの実施形態において、飛行時間の信号分析は、完全に制御装置１３２により実施される。これらの実施形態において、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１３０から通信された信号１４３は、制御装置１３２により測定された距離の表示を含んでいる。いくつかの実施形態において、信号１４３は、Ａ／Ｄ変換器１４０により発生されたデジタル信号１４８を含んでいる。これらの生の測定信号は、三次元ＬＩＤＡＲシステム上に搭載された、又は三次元ＬＩＤＡＲシステムの外部の１つ以上のプロセッサによりさらに処理され、距離の測定に到達する。いくつかの実施形態において、制御装置１３２はデジタル信号１４８に予備信号処理ステップを実施し、信号１４３は処理データを含み、処理データが、三次元ＬＩＤＡＲシステム上に搭載された、又は三次元ＬＩＤＡＲシステムの外部の１つ以上のプロセッサによりさらに処理され、距離の測定に到達する。
【００６３】
いくつかの実施形態において、三次元ＬＩＤＡＲシステムは、複数の統合型ＬＩＤＡＲ測定装置を有する。いくつかの実施形態において、各統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の出射の間には遅延時間が設定されている。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んでいる。いくつかの実施形態において、遅延時間は、ＬＩＤＡＲ装置の最大範囲に位置する物体へ向かい、該物体から戻ってくる測定パルスシークエンスの飛行時間よりも長い。この方法により、どの統合型ＬＩＤＡＲ測定装置の間にもクロストークが発生しない。いくつかの他の実施形態において、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装置へ戻るまでの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。これらの実施形態において、クロストークを避ける為に、各ビームにより問合せされる周囲環境の領域の間が十分に空間的に分離されるように注意が払われている。
【００６４】
図１１は、ここに記載のＬＩＤＡＲシステムにより実施するのに適している方法５００のフローチャートを示す図である。いくつかの実施形態において、ＬＩＤＡＲシステム１００は、図１１に図示されている方法５００に従って動作可能である。しかしながら、一般的に、方法５００の実行は、図１を参照して記載されているＬＩＤＡＲシステム１００の実施形態に限定されるものではない。これらの図示及び対応する説明は例として提供されているものであり、他の多くの実施形態及び動作例を検討することができる。
【００６５】
ブロック５０１において、複数の照射光パルスが、複数のパルス照射源から三次元環境内に出射される。複数の照射光パルスのそれぞれは、ビーム走査装置上に入射する。
【００６６】
ブロック５０２において、複数の照射光パルスのそれぞれが、各照射光パルス及びビーム走査装置の間の光学的相互作用に基づいて異なる方向に方向転換される。
【００６７】
ブロック５０３において、各照射光パルスにより照射された三次元環境から反射されたある量の戻り光が、ある量の各戻り光及びビーム走査装置の間の光学的相互作用に基づいて方向転換される。
【００６８】
ブロック５０４において、各照射光パルスにより照射された三次元環境から反射された各戻り光の量が（例えば、感光検出器により）検出される。
【００６９】
ブロック５０５において、各照射光パルスに関連する戻り光の検出量を示す出力信号が発生される。
【００７０】
ブロック５０６において、複数のパルス照射源及び三次元環境内の物体の間の距離が、各照射光パルスがＬＩＤＡＲ装置から出射された時間及び各感光検出器が照射光パルスにより照射された三次元環境内の物体から反射された光の量を検出した時間の間の差に基づいて測定される。
【００７１】
主制御装置１９０又は任意の外部計算システムは、パーソナルコンピュータシステム、メインフレームコンピュータシステム、ワークステーション、画像処理コンピュータ、パラレルプロセッサ、又は当業者には既知の他の任意の装置を含むことができるが、限定されるものではない。一般的に、用語「計算システム」は、メモリ媒体からの指示を実行する１つ以上のプロセッサを有する任意の装置を含んでいると広く定義することができる。
【００７２】
ここに記載されているような方法を実施するプログラム指示１９２は、ワイヤー、ケーブル、又は無線通信リンク等の通信媒体を介して通信することができる。例えば、図１に図示されているように、メモリ１９１内に記憶されたプログラム指示１９２は、バス１９４を介してプロセッサ１９５に通信される。プログラム指示１９２は、コンピュータ可読媒体（例えば、メモリ１９１）内に記憶される。例示的なコンピュータ可読媒体は、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、磁気ディスク又は光ディスク、又は磁気テープを含んでいる。
【００７３】
１つ以上の例示的な実施形態において、記載されている機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はそれらの組み合わせにおいて実施することができる。ソフトウェアにおいて実施される場合、機能は、コンピュータ可読媒体上の１つ以上の指令又はコードとして伝達又は記憶されることができる。コンピュータ可読媒体は、コンピュータ記憶媒体及び通信媒体を含み、１つの場所から他の場所へのコンピュータプログラムの転送を容易にする任意の媒体を含むことができる。記憶媒体は、汎用コンピュータ又は専用コンピュータによりアクセスすることができる任意の利用可能な媒体を使用することができる。限定としてではなく、例として、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記憶装置、磁気ディスク記憶装置又は他の磁気記憶装置、又は、汎用コンピュータ又は専用コンピュータにより、又は汎用プロセッサ又は専用プロセッサによりアクセスすることができ、データ構造又は指令の形の所望のプログラムコードを記憶又は保持するために使用することができる他の任意の媒体を含むことができる。また、任意の接続もコンピュータ可読媒体と呼ぶのにふさわしい。例えば、同軸ケーブル、光ファイバーケーブル、ツイストペアケーブル、デジタル加入者回線（ＤＳＬ）、又は赤外線通信、無線通信、及びマイクロ波通信等の無線技術を使用して、ウェブサイト、サーバー、又は他の遠隔供給源からソフトウェアが伝送された場合、同軸ケーブル、光ファイバーケーブル、ツイストペアケーブル、デジタル加入者回線（ＤＳＬ）、又は赤外線通信、無線通信、及びマイクロ波通信等の無線技術は、媒体の定義内に含まれる。ここで使用されるディスクは、コンパクトディスク（ＣＤ）、レーザーディスク、光ディスク、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、フロッピーディスク及びブルーレイディスクを含み、ディスクは通常データを磁気的に再生し、また、ディスクはデータをレーザーにより光学的に再生する。上記の組み合わせもコンピュータ可読媒体の範囲内に含まれるものである。
【００７４】
説明の目的で特定実施形態が上述されているが、この特許出願書類の教示は汎用性を有し、上記の特定実施形態に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲に記載の本発明の範囲から逸脱することなく、様々な改良、適応、及び上記実施形態の様々な構成の組み合わせを実行することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１００  ＬＩＤＡＲ測定システム
１０５  光ビームのアレイ
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、ビーム整形光学素子
１１６Ａ  レンズ素子
１１６Ｂ  レンズ素子
１１６Ｃ  レンズ素子
１１６Ｄ  レンズ素子
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  デジタル入力／出力（Ｉ／Ｏ）電子回路
１３２  制御装置、タイミング論理電子回路
１３３  照射ドライバ
１３４  パルス発光装置
１３５  共通基板、偏光ビームスプリッタ
１３６  照射光
１３７  戻り光
１３８  光検出器
１３９  信号調整電子回路
１４０  アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）
１４２  信号
１４３  信号
１４４  共通基板
１４５  パルス電流信号
１４６  パルス発射信号
１４７  出力信号
１４８  デジタル信号
１５０  戻り信号受信機集積回路（ＩＣ）
１５１  パルストリガ信号
１５２  照射ドライバ集積回路（ＩＣ）
１５３  電流
１５５  信号
１５６  信号
１６０  照射源
１６１  ミラー素子
１６２  照射光、パルストリガ信号
１６３  ビーム整形光学素子
１６４  ビーム走査装置
１６５  回転アクチュエータ
１６６  指令信号
１６７  回転軸
１７０  感光検出器
１７１  戻り光
１７２  オーバーモールドレンズ
１７３  出力信号
１７４  アクティブ感知領域
１８０  相互インピーダンス増幅器
１８１  増幅信号、戻り信号
１８１Ａ  検出パルス、戻りパルス
１８１Ｂ  有効戻りパルス
１８１Ｃ  有効戻りパルス
１９０  主制御装置
１９１  パルス指令信号、メモリ
１９２  プログラム指示
１９４  バス
１９５  プロセッサ
２００  三次元ＬＩＤＡＲシステムの実施形態
２０１Ａ  光源
２０１Ｂ  光源
２０１Ｃ  光源
２０２  ビーム整形光学素子、コリメート光学素子
２０３  走査ミラー
２０４Ａ  反射ビーム
２０４Ｂ  反射ビーム
２０４Ｃ  反射ビーム
２０５  ２０３の軸
２０６  アクチュエータ
２０７  指令信号
２１０  三次元ＬＩＤＡＲシステムの実施形態
２１１  光源の二次元アレイ
２１２Ａ  光源
２１２Ｂ  光源
２１２Ｃ  光源
２１３  ビーム整形光学素子
２１４Ａ  コリメートされたビーム
２１４Ｂ  コリメートされたビーム
２１４Ｃ  コリメートされたビーム
２１５  アクチュエータ
２１６  アクチュエータ
２１７  指令信号
３００  三次元ＬＩＤＡＲシステムの実施形態
３０１Ａ  光源
３０１Ｂ  光源
３０１Ｃ  光源
３０２  ビーム整形光学素子、コリメート光学素子
３０３  走査ミラー
３０４Ａ  反射ビーム
３０４Ｂ  反射ビーム
３０４Ｃ  反射ビーム
３０５  ３０３の軸
３０６  アクチュエータ
３０７  指令信号
４００  三次元ＬＩＤＡＲシステムの実施形態
４０１Ａ  光源
４０１Ｂ  光源
４０１Ｃ  光源
４０１Ｄ  光源
４０２  ビーム整形光学素子、コリメート光学素子
４０３  走査ミラー
４０４Ａ  反射ビーム
４０４Ｂ  反射ビーム
４０４Ｃ  反射ビーム
４０４Ｄ  反射ビーム
４０５  ４０３の軸
４０６  アクチュエータ
４０７  指令信号
【図１】
2019520563.tif 000003
【図２】
2019520563.tif 000004
【図３】
2019520563.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
2019520563.tif 000014