(57)【要約】【課題】明るい周囲背景光下で用いるべくパルス飛行時間動作方式で動作する多視野スキャナー無し光学式距離計を提供する。【解決手段】当該距離計は、ＬＥＤ光源及びドライバー電子機器を有し、広い照射野（ＦＯＩ）を有する光パルスの列を発する発光器と、全視野（ＦＯＶ）が各チャネルの瞬間ＦＯＶをカバーし、ＦＯＩが全ＦＯＶをカバーする状況で、光帰還信号を検知すべくアナログフロントエンド電子機器を有するマルチチャネル受光器（ＭＣＯＲ）と、波形を受信してデジタル形式に変換するアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）と、パルストリガ信号を生成し、光帰還信号の検知を開始して、デジタル形式の波形を処理すべく同期トリガ信号をＭＣＯＲへ送信する制御及び処理装置（ＣＰＵ）と、データインターフェースとを含んでいて、波形の何れかに存在するピークが、瞬間ＦＯＶ内で検知された物体のシグネチャである。【選択図】図１
2018119986.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
５０Ｗ／ｍ2を超える太陽放射照度を伴う明るい周囲背景光下で用いるべくパルス飛行時間動作方式で動作する多視野スキャナー無し光学式距離計であって、
最小全範囲が１５°×２．５°である広い照射野（ＦＯＩ）を有すると共に各々の持続時間が５０ｎｓ未満である極めて短い光パルスの列を発する、ＬＥＤ光源及びドライバー電子機器を備えた発光器と、
前記列の第１のパルスの前記発光が始まった瞬間から、前記第１のパルスの前記発光が終了した後、前記列の前記極めて短い光パルスの次のパルスの発光の前に終了するまでの時間にわたり検知される光帰還信号を検知するマルチチャネル受光器（ＭＣＯＲ）であって、光検知器のアレイを有するマルチチャネル受光器（ＭＣＯＲ）において、前記アレイの各光検知器が前記マルチチャネル受光器の検知チャネルを形成し、各光検知器が、面積が少なくとも０．５ｍｍ2且つ最大逆電流が１ｍＡ超の感光面を有し、前記各検知チャネルの瞬間視野が、前記各感光面の寸法により画定される水平及び垂直範囲を有すると共にチャネル帰還信号波形を出力すべく適合されていて、前記マルチチャネル受光器の全視野（ＦＯＶ）が前記各瞬間視野をカバーし、前記照射野が前記全視野をカバーし、前記マルチチャネル受光器が、個々の完全な時間波形トレースを取得及び保存すべく各検知チャネルの時間間隔を空けた複数のサンプリング点を保存すると共に、前記チャネル帰還信号波形を調整するためのアナログフロントエンド電子機器を有し、前記ＭＣＯＲが、調整されたチャネル帰還信号波形を出力するマルチチャネル受光器と、
前記ＭＣＯＲから前記調整されたチャネル帰還信号波形を受信してデジタル形式に変換するアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）と、
前記発光器、前記ＭＣＯＲ及び前記ＡＤＣに動作可能に接続されていて、
前記発光器を起動して前記パルス列を発光させるべくパルストリガ信号を生成し、
前記光帰還信号の前記検知を開始すべく同期トリガ信号を前記ＭＣＯＲに送信し、
デジタル形式の前記調整されたチャネル帰還信号波形を処理する、
制御及び処理装置（ＣＰＵ）と、
処理されたチャネル帰還信号波形を前記ＣＰＵから受信して出力データを用意するデータインターフェースを含み、
何れかの前記光帰還信号波形に存在するピークが、前記瞬間視野内で検知された物体のシグネチャである距離計。
【請求項２】
前記ＬＥＤ光源が複数のＬＥＤを含んでいる、請求項１に記載の距離計。
【請求項３】
前記光パルスが、電磁スペクトルの近赤外領域及び可視領域の一方にある、請求項１〜２の何れか１項に記載の距離計。
【請求項４】
前記発光器が更に、前記ＬＥＤ光源が発する前記光パルスを調整すべく、視準レンズアセンブリ、レンチキュラレンズシート、ＬＥＤ反射器、及び光拡散器のうち少なくとも１個を含んでいる、請求項１〜３の何れか１項に記載の距離計。
【請求項５】
前記ＭＣＯＲがＰＩＮフォトダイオードのアレイを含んでいる、請求項１〜４の何れか１項に記載の距離計。
【請求項６】
前記ＭＣＯＲが更に、少なくとも１個のレンズ素子、少なくとも１個の鏡、少なくとも１個の修正プレートの少なくとも１つを含む対物レンズを含んでいて、前記対物レンズが前記光帰還信号を前記光検知器の前記感光面に集中させる、請求項１〜５の何れか１項に記載の距離計。
【請求項７】
前記アナログフロントエンド電子機器が、並列マルチチャネル及び時間多重化マルチチャネルのうち少なくとも一方である、請求項１〜６の何れか１項に記載の距離計。
【請求項８】
アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）が、互いに協働して前記調整されたチャネル帰還信号波形を受信してデジタル形式に変換すべく適合された１つ以上のコンバータ装置を含んでいる、請求項１〜７の何れか１項に記載の距離計。
【請求項９】
前記ＭＣＯＲが、第１の方向に延在するＮ個の検知チャネルの線形配列、及び前記第１の方向及び直交方向の両方に延在するＭ×Ｎ個の検知チャネルの２次元配列の一方を含んでいて、前記直交方向が前記第１の方向に直交する、請求項１〜８の何れか１項に記載の距離計。
【請求項１０】
前記検知チャネルがＡＣ結合されている、請求項１〜９の何れか１項に記載の距離計。
【請求項１１】
前記ＬＥＤエミッター、前記マルチチャネル受光器、前記アナログ／デジタル変換器、並びに前記制御及び処理装置が、前記ＬＥＤエミッター及び前記マルチチャネル受光器用の光透過窓を備えたエンクロージャ内に設けられていて、前記距離計が更に、前記発光器の波長帯域外に波長スペクトルを有する寄生背景光の少なくとも一部を遮断すべく前記窓上に設けられた光学フィルターを含んでいる、請求項１〜１０の何れか１項に記載の距離計。
【請求項１２】
前記光学フィルターが、光学フィルムでコーティングされた１個の面を有する光保護窓及び波長選択的な光学透過を許す材料で作られた保護窓の一方である、請求項１１に記載の距離計。
【請求項１３】
前記ＭＣＯＲが集積回路に設けられている、請求項１〜１２の何れか１項に記載の距離計。
【請求項１４】
前記全視野が、２５°×４°の全範囲を有している、請求項１〜１３の何れか１項に記載の距離計。
【請求項１５】
前記制御及び処理装置が、前記距離計と前記検知された物体との距離を計算する距離計算機を更に含み、前記距離計算機が、前記光パルスの時間及び空間特徴の少なくとも一方を取得し、前記特徴及びデジタル形式の前記調整されたチャネル帰還信号波形を用いて前記距離を計算し、前記出力データが前記距離を含んでいる、請求項１〜１４の何れか１項に記載の距離計。
【請求項１６】
前記制御及び処理装置が更に、前記マルチチャネル受光器の前記検知チャネルにおける前記距離及び前記マルチチャネル受光器のデジタル形式の前記調整されたチャネル帰還信号波形を用いて前記瞬間視野内の前記物体の位置を計算する位置ロケータを含み、前記出力データが前記位置を含んでいる、請求項１５に記載の距離計。
【請求項１７】
前記物体が車両、人、動物、気体、液体、粒子、舗道、壁、柱、歩道、地表面及び木の何れか１つである、請求項１〜１６の何れか１項に記載の距離計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種の検知システムで用いる光学式距離計システム及び方法に関し、特に、全く遮られていない日光を含む多くの照明条件下で動作可能な広い視野において近くの物体及び障害物の角度分解された検知及び距離測定を行うスキャナー無し測定器に関する。
【０００２】
（関連出願の相互参照）
本出願は、合衆国法典第３５巻１１９条（ｅ）に基づき、２０１１年５月１１日出願の米国特許出願第１３／１０５，４９７号明細書を優先権主張するものであり、その明細書本文を本明細書において引用する。
【背景技術】
【０００３】
光学式距離計は、可視または不可視光の何れかを用いて遠隔物体の距離を測定する。従来、これらの測定器は、多くのアプリケーションに用いられており、特に、自動車及び輸送アプリケーションでは、例えば運転者を支援して路上での安全性の向上を図る各種の能動システムに組み込まれている。数メートル以上離れて配置された物体の距離測定を行う大多数の光学式距離計は、有限な光の伝播速度に依存する飛行時間（ＴＯＦ）原理に従い動作する。ＴＯＦ原理は、パルスＴＯＦ、振幅変調ＴＯＦ、及び周波数変調ＴＯＦ技術を含む各種の形式で用いられる。パルスＴＯＦ技術では、距離計に収納された光源が、極めて短い持続時間の光パルスの列を発する。各パルスにより担持される光エネルギーの一部が、照準を合わせた物体により反射されて、距離計の受光器の集光開口部へ戻る。空気中における光の速度が分かれば、照準を合わせた物体と距離計との間の距離は、光パルスが照準を合わせた物体まで伝播し、次いで距離計に戻るのに要する時間から推定できる。この時間遅延は通常、ピーク検知及び閾値比較器回路と組み合せた電子カウンターにより測定される。光学式距離計の開発は、低コストで利用でき、最大数１００メートル離れた物体の距離測定を意図した一般消費者向けの小型製品に対する強い需要に後押しされた進行中の努力に負うものである。その結果、これらの距離計の基本設計は昨今、近赤外波長での持続時間が５〜５０ｎｓ（ナノ秒）のレーザーパルスを発するレーザーダイオードトランスミッタ、フォトダイオード（典型的にはアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ））、増幅器、自動利得制御（ＡＧＣ）及びタイミング識別器の何れかを含む受光器を典型的に含む小型のアセンブリを中心に展開されている。レーザー距離測定原理に関する更なる詳細は、Ｍ−Ｃ．Ａｍｍａｎ他による「Ｌａｓｅｒ  ｒａｎｇｉｎｇ：ａ  ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  ｕｓｕａｌ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ  ｆｏｒ  ｄｉｓｔａｎｃｅ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ」（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．１，ｐｐ．１０−１９，２００１年）に見ることができる。
【０００４】
典型的なレーザー距離計から発せられた光パルスは、典型的に単一視野（ＦＯＶ）で極めて小さい横断ビームの大きさを維持しながら、長距離を伝播することができる。レーザービームのこの高指向性は、距離計の照準方向の角度走査と組み合わせた場合に、物体の角度分解された検知及び距離測定に大いに有用である。ビーム大きさが小さいのは、レーザー光の固有な性質、特に、単一の縦及び単一の横モードレーザービームを照射可能なレーザー光源の利用可能性と共に、その高い空間及び時間的コヒーレンス性の結果である。これらの要素を組み合わせることで、簡単な市販の光学機器を用いて設計された視準器により、拡散（角拡散）が極めて小さいビームの形式でレーザー光パルスの光視準が可能になる。光学式距離計からの高指向性レーザービームの発光は、照準を合わせた物体により反射されたレーザー光を、狭いＦＯＶで検知する受光器で検知する場合に最適なアプリケーションがある。受光器のＦＯＶは、当該受光器に組み込まれた光検知器の感光面の大きさと対物レンズの焦点距離の比により与えられ、感光面は、レンズの焦点面の近傍に、または正確に当該位置に置かれている。事実、最適な性能が得られるのは一般に、受光器のＦＯＶと、発せられた光パルスの拡散角が一致した場合である。実際には、典型的な距離計のＦＯＶは、数ｍｒａｄ（ミリラジアン）を超えないが、これは主に、数センチメートルを超えない焦点距離を有する対物レンズの使用を指示する小型化設計のニーズと共に、共通に利用できるＡＰＤの表面積が極めて小さい（典型的には直径が５０〜２００μｍ）ためである。
【０００５】
レーザー距離計を受光器に組み込む方法としてＡＰＤが益々普及しているため、今ではＰＩＮフォトダイオードに基づく距離計が滅多に見かけないようになっている。ＰＩＮ及びＡＰＤフォトダイオードは共に、持続時間がナノ秒レベルの光パルスの帰還を検知するのに充分な帯域幅を有しており、１μｍ未満の近赤外波長における量子効率を最大化するシリコンで作成できる。これらに対応するＰＩＮ相対物と比較すると、ＡＰＤは、光の単一光子の吸収から複数の電子−ホール対を生成可能にするアバランシェ増倍プロセスに起因して、より高い感度及び応答性（最大２００Ｘ）を与える。ＡＰＤは、動作がアナログ（線形）であるため、自身の破壊電圧を僅かに下回る電圧で逆向きのバイアスを受けて、自身の感光面にかかる光力及び印加された利得に比例する出力光電流を生じる。ＡＰＤは次いで、利得機構を自身の構造内に組み込み、利得係数は典型的には５０〜２００の範囲である。しかし、ＡＰＤの信号対ノイズ比（ＳＮＲ）は最初、ピーク値（最適利得）に達するまで利得に伴いに増大する点に注意されたい。ＳＮＲは次いで、アバランシェ増倍プロセスに固有の過剰ノイズ係数に起因して、利得の増大するにつれて減少する。極めて低い光量条件下における光検知ではＡＰＤの高い検知感度が完全に利用されるが、白昼条件、例えば明るい日光が存在する場合に、屋外での使用を意図した距離計でＡＰＤの利点を完全に利用することは一般に困難である。これらの条件下において、受光器は、照準を合わせた物体から反射された有用な光信号と競合する強い太陽背景信号を捕捉する。米国特許第７，５０８，４９７号明細書に報告されているように、背景光は典型的には、レーザー距離計の白昼動作中のノイズの最大発生源である。
【０００６】
強度の背景光が存在してもレーザー距離計の耐性を高める有効なアプローチが例えば米国特許第５，２４１，３１５号明細書及び第７，７４１，６１８号明細書に記述されている。このアプローチは二つの基本的ステップを含んでいる。第１のステップは受光器のＦＯＶをなるべく狭く保つことであるが、これは受光器により集光される背景光の量が例えばＲ．Ｗ．Ｂｙｒｅｎ「Ｌａｓｅｒ  Ｒａｎｇｅｆｉｎｄｅｒｓ」（Ｃｈａｐｔｅｒ  ２  ｏｆ  Ｔｈｅ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  ａｎｄ  ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ｈａｎｄｂｏｏｋ  Ｖｏｌ．６，Ａｃｔｉｖｅ  ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍｓ（ＳＰＩＥ  Ｐｒｅｓｓ，Ｂｅｌｌｉｎｇｈａｍ，ＷＡ，１９９３年））の式（２．１０）に示すように、当該ＦＯＶに比例するためである。次いで、第２のステップは、受光器の対物レンズの前方に狭帯域光学フィルターを挿入することにある。屋外での使用を意図したレーザー測定器では現在１０ｎｍ未満の帯域通過を有する干渉光学フィルターが用いられており、これらのフィルター自身もまた受光器のＦＯＶを厳密に制限することを必要とする。この制限は、入射光が受光器の光軸からかけ離れた入射角で捕捉されるため、中心波長またはフィルター帯域通過が大幅にドリフトするという事実による。また、有用な帰還光信号の中心波長がフィルター帯域通過の中心波長と一致する間、発せられたレーザーパルスの波長スペクトルが干渉フィルターの帯域通過より狭く保たれることを保証することにより、当該帰還光信号の過度の遮断が防止される。
【０００７】
光学式距離計の基本構成は、車両の安全確保及び輸送に関するアプリケーションに種々適合されてきた。今日、能動光検知及び距離計は、いくつか列挙すれば、適応型巡航制御（ＡＣＣ）、衝突回避、衝突前減速、盲点検知、及び駐車支援を意図した安全確保及び運転者支援システムに利用できる。これらのアプリケーションには各々制約及び要件があるが、これらは全て何らかの共通な要件を共有している。例えば、これらのアプリケーションは、反射率が変動し、数メートルから最大約１００ｍまでの距離に位置する遠隔物体のリアルタイム且つ信頼性が高い検知及び距離測定を必要とする。更に、例えば米国特許第６，３７７，１６７号明細書に記述しているように、これらのアプリケーションは、車両に搭載された際に、真っ暗な夜間から明るい白昼にわたる広範囲な周囲照明条件下で動作可能な測定器を必要とする。現行の自動車の安全確保アプリケーションはまた、水平方向に数十度に達し得る広いＦＯＶにわたり光学的に検知可能な測定器を必要とする。後者の要件が、先の段落で述べた狭ＦＯＶ光学式距離計を、大幅な変更無しに直接組み込むことでは満たされないことは明らかである。
【０００８】
上述の各種自動車安全確保アプリケーションでの使用に光学式距離計を適応させるべく多くの方策が検討されてきた。例えば、他の点では標準の光学式距離計（狭いＦＯＶを有する）を機械式単一軸スキャナー機器に搭載することにより、水平方向に広いＦＯＶを周期的に走査できる。この普及している、但し単純なアプローチにより、測定器が発するレーザー光を効率的に利用しながら、大きな角度カバレッジが得られる。走査機器に依存し、且つ各種の車両安全確保アプリケーションを意図した装置及び方法が、例えば米国特許第５，２４９，１５７号明細書、第５，２９３，１６２号明細書、第５，６０４，５８０号明細書、第５，６２５，４４７号明細書、第５，７５４，０９９号明細書、第５，７５７，５０１号明細書、第６，３１７，２０２号明細書、第６，９３７，３７５号明細書及び第７，１８７，４４５号明細書に開示されている。残念ながら、当該アプローチには、いくつかの主だった短所がある。実際、これらは、自動車の通常使用時に遭遇する衝撃及び振動レベルに耐え得る堅牢且つ長寿命な角度スキャナーアセンブリを必要とするため、高価且つ大多数の車両で広範に利用するには往々にして大き過ぎる機械式ハードウェアに基づいている。また、典型的スキャナーの狭い垂直ＦＯＶは、例えば物体の表面の一部の区画が鏡面反射性を有する場合、性能が低い。
【０００９】
米国特許第７，５３２，３１１号明細書に報告されているように、機械式スキャナー機器の使用に関する問題は、非機械式走査（ＮＭＳ）技術の開発により軽減できる。これらの技術には、微細電気機械システム（ＭＥＭＳ）機器、液晶、及び音響光学機器が含まれる。残念なことに、自動車への組み込みに充分利用可能なＮＭＳを用いた機器の開発は依然として未熟な段階にあり、発せられたレーザー光及び受光器の光軸の両方を完全に同期的させて一緒に走査する必要があるという事実に関する重大な困難に直面している。
【００１０】
機械式走査機器に基づく技術に加え、一切の走査を必要とせずに、他のいくつかのアプローチでは広角カバレッジによる光検知を可能にしている。第１のアプローチは、広いＦＯＶを有する受光器で広い角度（照射野（ＦＯＩ）とも称する）にわたり照射を行うべく設計された発光体を組み合わせるものである。発光体及び受光器は共に、意図されたアプリケーションの性質により決定される特定の適切に選択された共通方向（照準線）を指す。照明域の中心位置は例えば、ＦＯＶ内の任意の位置にある物体が、発せられた光の一部により照射可能なように、受光器のＦＯＶの中心位置と一致させられる。ほとんどの場合、照明域及びＦＯＶの外縁は、水平方向に最も長く、垂直方向に比較的狭いままである。レーザー光源は、照明の広い領域にわたり光で満たすように確実に使用できるものの、広い角度にわたりレーザー光を広げるには高光エネルギーまたは、同じことだが、高ピーク出力を担持する光パルスの発光が可能なレーザー光源を必要とするため、この選択は高価であることがわかる。多数のレーザーバーを共通基板に積層することにより製造される積層レーザーダイオードアレイは、例えば広い照射野にわたり高いピークレーザー出力を与えるのに良く適しているが、これらは依然として自動車における広範囲な利用には高価過ぎる。
【００１１】
受光器のＦＯＶは、有効焦点距離が短い対物レンズの焦点面に、感光面がより大きい光検知器を配置することにより広げることができる。所与の方向に延在するＦＯＶにわたる検知には、直角方向に極めて狭いままであって細長い矩形の感光面が好適である。単一の光検知器を用いることは光検知測定器のコストに好ましい影響を与えるが、ＦＯＶ内で角度分解が行われないため、大多数のアプリケーションでは実際に考え難い。実際、ＦＯＶ内に存在する物体の距離測定に加え、大多数のアプリケーションは、少なくとも近似的に、基準方向と対して物体の角度位置の決定を必要とする。同様に、距離測定された物体の近似的な射影された大きさ及び形状を評価する能力は、検知された物体の分類を可能にする、即ち、それらが自動車、スポーツ用多目的車、大型トラック、オートバイ、自転車、歩行者、アンテナ塔、環境粒子、舗道、壁等であるか否かを判定することにより多くのアプリケーションに更に重要な利点をもたらす。
【００１２】
相当な大きさに広がる全ＦＯＶ内の物体の角度分解された光学式距離測定を可能にする簡単な方法は、完全はＦＯＶを、対物レンズの焦点面に横並びに配置された複数の光検知器の使用を通じて、連続する小さいＦＯＶの組に分割するものである。個々の光検知器の各々は自身のＦＯＶを有し、この場合一般に瞬間ＦＯＶ（ＩＦＯＶと略記）と称され、任意の所与のＩＦＯＶの中心角度位置が対応する感光面の中心位置と対物レンズの光軸との横方向間隔で決定される。光検知器は単に、単一方向に広がる全ＦＯＶにわたる光学検知を可能にすべく一線に沿って配置されていればよい。光検知器の線形アレイは従って、これらのスキャナー無しマルチＦＯＶ光学検知構成における検知機器として好適である。
【００１３】
一例として、米国特許第４，６３４，２７２号明細書に、車両の前方の物体の距離測定を行うそのような光検知測定器の例示的実施形態が示されている。３個の光検知器のアレイが開示されているが、検知対象物体の大きさ及び形状を判定するために光学素子の数を増やしてもよいことが付記されている。実際に、上で引用した特許で開示された発明に基づく測定器は、第１のパルス帰還が検知されたならば直ちに電子カウンターが停止される標準のアナログ的方法を用いてＦＯＶ内の物体の距離が測定されるため、極めて高感度の光学素子を必要とする。上述のように、ＡＰＤ等の極めて高感度の光学素子は、例えば広いＦＯＶにわたり検知するような場合に、白昼に捕捉される強い寄生背景光に起因して屋外設定での動作が困難である。更に、このアナログ的方法では、これらの物体が異なる距離にある場合、任意の所与の光学素子のＩＦＯＶ内に存在し得る２個以上の物体の識別（別々の検知）が不可能である。
【００１４】
Ｃｈｅｎｇ他による米国特許第６，４０４，５０６号明細書における別の例は、平坦な面を横断する物体を検知するＡＰＤの２５素子の線形アレイを含む非侵入型レーザー距離測定器が開示されている。当該測定器は、道路の一部の上方に配置されていて、当該測定器のＦＯＶを通過する車両の移動時間を測定することにより、交通監視アプリケーションを意図している。
【００１５】
走査機器に依存する光検知測定器と比較して、本明細書に簡潔に記述するスキャナー無しマルチＦＯＶ測定器は、極めて小型且つ堅牢な光検知器の線形アレイを用いることで、自動車アプリケーション用の高度に集積された光検知ソリューションに有用である。光検知器線形アレイの出力を適切なマルチチャネル増幅電子機器及び信号／データ処理手段に結合することにより、ＩＦＯＶの完全な組を並列且つ同時に検知可能である。スキャナー無しマルチＦＯＶ光検知測定器は、測定器の全ＦＯＶに入っている物体のタイムリーな検知及び距離測定を行うことができると共に、小さい感光面を有する多数の光学素子を含む線形光検知器アレイを用いることにより検知された物体の分類が可能になる。様々な数の高感度ＡＰＤを含む線形アレイが現在市販されているが、光学素子の数が増加するにつれてこれらの素子を自動車に組み込むことは極めて高価になる。各々がより広い感光面を有する、より少ない数の光学素子を含む線形アレイを用いる方が経済的であるが、より大きい表面を有するＡＰＤは依然として高価である。より重要な点は、捕捉される背景光が強いほど、直径がより大きいＡＰＤの動作が阻害されることであり、これは往々にして多様に変動する周囲照明条件での使用を意図されたシステムへの組み込みを不可能にする。狭帯域通過干渉フィルターの支援を受けて外部背景光の大部分を光学的に抑制することは、広いＦＯＶにわたり検知を行う必要があるシステムでは満足に動作しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
当業界において、低コスト組み込みに適合され、広範囲にわたる周囲照明条件の下で、且つ例えば明るい日光の下で、動作可能なスキャナー無し多視野光学式距離計に対するニーズがある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の一つの広義の態様によれば、明るい周囲背景光下で用いるべくパルス飛行時間動作方式で動作する多視野スキャナー無し光学式距離計を提供する。当該距離計は、ＬＥＤ光源及びドライバー電子機器を有し、広い照射野（ＦＯＩ）を有する光パルスの列を発する発光器と、全視野（ＦＯＶ）が各チャネルの瞬間ＦＯＶをカバーし、ＦＯＩが全ＦＯＶをカバーする状況で、光帰還信号を検知すべくアナログフロントエンド電子機器を有するマルチチャネル受光器（ＭＣＯＲ）と、波形を受信してデジタル形式に変換するアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）と、パルストリガ信号を生成し、光帰還信号の検知を開始して、デジタル形式の波形を処理すべく同期トリガ信号をＭＣＯＲへ送信する制御及び処理装置（ＣＰＵ）と、データインターフェースとを含んでいて、波形の何れかに存在するピークが、瞬間ＦＯＶ内で検知された物体のシグネチャである。
【００１８】
本発明の別の広義の態様によれば、明るい周囲背景光下で用いるべくパルス飛行時間動作方式で動作する多視野スキャナー無し光学式距離計を提供する。当該距離計は、広い照射野（ＦＯＩ）を有する極めて短い光パルスの列を発する、ＬＥＤ光源及びドライバー電子機器を備えた発光器と、光帰還信号を検知するマルチチャネル受光器（ＭＣＯＲ）であって、当該マルチチャネル受光器の各検知チャネルが感光面を備えた光検知器を有し、各検知チャネルの瞬間視野が、各感光面の寸法により画定される水平及び垂直範囲を有すると共にチャネル帰還信号波形を出力すべく適合されていて、マルチチャネル受光器の全視野（ＦＯＶ）が各瞬間視野をカバーし、照射野が全視野をカバーすべく構成されていて、当該マルチチャネル受光器が、チャネル帰還信号波形を調整するためのアナログフロントエンド電子機器を有し、調整されたチャネル帰還信号波形を出力するマルチチャネル受光器（ＭＣＯＲ）と、当該ＭＣＯＲから調整されたチャネル帰還信号波形を受信してデジタル形式に変換するアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）と、発光器を起動してパルス列を発光させるべくパルストリガ信号を生成し、光帰還信号の検知を開始すべく同期トリガ信号をＭＣＯＲへ送信し、デジタル形式の調整されたチャネル帰還信号波形を処理すべく、発光器、ＭＣＯＲ及びＡＤＣに動作可能に接続された制御及び処理装置（ＣＰＵ）と、処理されたチャネル帰還信号波形をＣＰＵから受信して出力データを用意するデータインターフェースとを含み、何れかの光帰還信号波形に存在するピークが瞬間視野内で検知された物体のシグネチャである。
【００１９】
一実施形態において、パルスの持続時間は５０ｎｓ未満であり、ＭＣＯＲの検知帯域幅は１０ＭＨｚを超える。
【００２０】
一実施形態において、ＬＥＤ光源は複数のＬＥＤ光源を含んでいる。
【００２１】
一実施形態において、光パルスは、電磁スペクトルの近赤外領域及び可視領域の一方にある。
【００２２】
一実施形態において、発光器は更に、ＬＥＤ光源が発する光パルスを調整すべく、視準レンズアセンブリ、レンチキュラレンズシート、ＬＥＤ反射器、及び光拡散器のうち少なくとも１個を含んでいる。
【００２３】
一実施形態において、ＭＣＯＲはＰＩＮフォトダイオードのアレイを含んでいる。
【００２４】
一実施形態において、前記マルチチャネル受光器の前記各検知チャネルの前記光検知器の感光面の面積は少なくとも０．５のｍｍ2である。
【００２５】
一実施形態において、前記マルチチャネル受光器の前記各検知チャネルの前記光検知器の感光面の最大逆電流は１ｍＡより大きい。
【００２６】
一実施形態において、ＭＣＯＲは更に、少なくとも１個のレンズ素子、少なくとも１個の鏡、及び少なくとも１個の修正プレートのうち少なくとも１個を含む対物レンズを含んでいて、当該対物レンズは光帰還信号を光検知器の感光面に集光させる。
【００２７】
一実施形態において、アナログフロントエンド電子機器は、並列マルチチャネル及び時間多重化マルチチャネルのうち少なくとも一方である。
【００２８】
一実施形態において、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）は、互いに協働して調整されたチャネル帰還信号波形を受信してデジタル形式に変換すべく適合された２つ以上のコンバータ装置を含んでいる。
【００２９】
一実施形態において、ＭＣＯＲは、第１の方向に延在するＮ個の検知チャネルの線形配列、及び第１の方向及び直交方向の両方に延在するＭ×Ｎ個の検知チャネルの２次元配列の一方を含んでいて、当該直交方向は第１の方向に直交する。
【００３０】
一実施形態において、検知チャネルはＡＣ結合されている。
【００３１】
一実施形態において、距離測定器は更に、発光器の波長帯域外の波長スペクトルを有する寄生背景光の少なくとも一部を遮断する光学フィルターを含んでいる。
【００３２】
一実施形態において、ＬＥＤエミッター、マルチチャネル受光器、アナログ／デジタル変換器、並びに制御及び処理装置は、ＬＥＤエミッター及びマルチチャネル受光器用の光透過窓を備えたエンクロージャ内に設けられている。
【００３３】
一実施形態において、距離計は更に、発光器の波長帯域外に波長スペクトルを有する寄生背景光の少なくとも一部を遮断すべく当該窓に設けられた光学フィルターを含んでいる。
【００３４】
一実施形態において、光学フィルターは、光学フィルムでコーティングされた１個の面を有する光保護窓及び波長選択的な光透過を許す材料で作られた保護窓の一方である。
【００３５】
一実施形態において、ＭＣＯＲは集積回路に設けられている。
【００３６】
一実施形態において、明るい周囲背景光の太陽放射照度は５０Ｗ／ｍ2を超える。
【００３７】
一実施形態において、物体は、車両、人、動物、気体、液体、粒子、舗道、壁、柱、歩道、地表面、及び木の何れかである。
【００３８】
本発明の別の広義の態様によれば、５０Ｗ／ｍ2を超える太陽放射照度を伴う明るい周囲背景光下で用いるべくパルス飛行時間動作方式で動作する多視野スキャナー無し光学式距離計を提供する。当該距離計は、最小全範囲が１５°×２．５°である広い照射野（ＦＯＩ）を有すると共に各々の持続時間が５０ｎｓ未満である極めて短い光パルスの列を発する、ＬＥＤ光源及びドライバー電子機器を備えた発光器と、当該列の第１のパルスの発光が始まった瞬間から、第１のパルスの発光が終了した後、当該列の極めて短い光パルスの次のパルスの照射の前に終了するまでの時間にわたり検知される光帰還信号を検知するマルチチャネル受光器（ＭＣＯＲ）であって、光検知器のアレイを有するマルチチャネル受光器（ＭＣＯＲ）において、当該アレイの各光検知器が当該マルチチャネル受光器の検知チャネルを形成し、各光検知器が、面積が少なくとも０．５ｍｍ2且つ最大逆電流が１ｍＡ超の感光面を有し、各検知チャネルの瞬間視野が、各感光面の寸法により画定される水平及び垂直範囲を有すると共にチャネル帰還信号波形を出力すべく適合されていて、マルチチャネル受光器の全視野（ＦＯＶ）が各瞬間視野をカバーし、照射野が全視野をカバーすべく構成されていて、当該マルチチャネル受光器が、個々の完全な時間波形トレースを取得及び保存すべく各検知チャネルの時間間隔を空けた複数のサンプリング点を保存すると共に、チャネル帰還信号波形を調整するためのアナログフロントエンド電子機器を有し、調整されたチャネル帰還信号波形を出力するマルチチャネル受光器と、当該ＭＣＯＲから調整されたチャネル帰還信号波形を受信してデジタル形式に変換するアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）と、発光器を起動してパルス列を発光させるべくパルストリガ信号を生成し、光帰還信号の検知を開始すべく同期トリガ信号をＭＣＯＲへ送信し、デジタル形式の調整されたチャネル帰還信号波形を処理すべく、発光器、ＭＣＯＲ及びＡＤＣに動作可能に接続された制御及び処理装置（ＣＰＵ）と、処理されたチャネル帰還信号波形をＣＰＵから受信して出力データを用意するデータインターフェースとを含み、何れかの光帰還信号波形に存在するピークが瞬間視野内で検知された物体のシグネチャである。
【００３９】
本明細書全般にわたり、用語「不可視」は用語「視認不可」及び「見えない」と同義であって、用語「可視」の反意語であることを意図している。「可視光」は、人間の目に見える波長で発せられた光を指すものと理解されたい。同様に、「不可視光」は人間の目に見えない波長で発せられる光を指す。
【００４０】
本明細書全般にわたり、用語「車両」は、貨物、人間及び動物を輸送する任意の可動手段を含むことを意図しており、必ずしも地上輸送に限定される訳ではなく、例えば、トラック、バス、ボート、地下鉄車両、列車ワゴン、ロープウェイ、スキーリフト、飛行機、自動車、オートバイ、三輪車、自転車、セグウェイ（商標）、馬車、手押し車、乳母車等、車輪付き及び車輪無し車両が含まれる。
【００４１】
本明細書全般にわたり、用語「環境粒子」が空中または地上で検知可能な任意の粒子を含むことを意図しており、典型的には環境的、化学的または自然現象により発生する。これには霧、雨、雪、煙、ガス、スモッグ、路面結氷、雹等が含まれる。
【００４２】
本明細書全般にわたり、用語「物体」は、移動物体及び静止物体を含むことを意図している。例えば、車両、環境粒子、人、乗客、動物、気体、液体、塵等の粒子、舗道、壁、柱、歩道、地表面、木などであってよい。
【００４３】
本明細書全般にわたり、用語「広い」は「狭い」の反意語であることを意図している。用語「狭い」及び「広い」は照射野、視野、帯域、チャネル及び環境の大きさを指す。これらは、任意の３Ｄ方向、即ち、ＬＥＤ光源及び光検知器の向きに応じた幅、高さまたは長さでの測定を記述することを意図している。
【００４４】
添付の図面は、本発明の主な態様に対する理解を深めるべく含まれ、本明細書一部を構成すべく組み込まれていて、本発明の実施形態を図示し、本発明の記述と合わせて本発明の原理の説明を補助する。添付の図面は、一定比率での表現を意図していない。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の例示的実施形態による、光学式距離計の全般的レイアウト及び一部を形成する主要構成要素の模式図である。
【図２】例示的マルチチャネル受光器の１６個の連続的な瞬間視野（ＩＦＯＶ）の例示的な配列を模式的に示す。
【図３】フィルターに当たる光の入射角が０°（法線入射）から３０°まで変化する際の例示的な光学干渉フィルターの透過帯域通過の中心波長のドリフトを示すグラフである。
【図４】マルチチャネルアナログフロントエンド及びデジタル取得の４個の異なる構成を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
以下に、本発明の例示的実施形態の詳細について言及する。本発明は、しかし、多くの異なる形式で実施可能であって、以下の説明に開示する実施形態に限定されると解釈してはならない。
【００４７】
光学的距離計の構成の概要
本発明の例示的実施形態によるマルチＦＯＶスキャナー無し光学式距離計１０の全般的レイアウト及び主要構成要素／サブシステムは、図１の模式図を参照することにより理解が深まる。光学式距離計１０は、パルスＴＯＦ原理により動作し、所定の時間及び空間特徴を有する光パルスの列を発する発光器２０を含んでいる。これはまた、光帰還信号を検知し、次いで電気波形に変換するマルチチャネル受光器（略してＭＣＯＲ）４０を含んでいる。ＭＣＯＲ４０の各検知チャネルは、ノイズとは顕著に異なる少なくとも１個のピークを含み得る帰還信号波形を出力する。帰還信号波形は、発光器２０による各光パルスの照射後に得られるが、所与の瞬間に波形が有用な情報を担持していない場合も起こり得る。一方、帰還信号波形に存在する各ピークは、対応する検知チャネルに関連付けられた瞬間視野（ＩＦＯＶ）内に現在位置する物体のシグネチャである。いくつかの連続的なチャネルは、例えば、巨大な物体（例：壁）の距離が測定されたかまたは物体が測定器の近くまで入り込んだ場合に、ちょうど同じシグネチャ（パルスエコーとも称する）を含む波形を生成することができる。パルスＴＯＦ原理によれば、帰還信号波形内のシグネチャの正確な位置（タイミング）は物体への距離を表し、一方、相対振幅は発光器２０の発光波長での物体の距離及び光反射率の両方に依存する。図１はまた、ＭＣＯＲ４０の出力が、帰還信号波形の更なる処理（アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）８０によりデジタル形式に変換された後で）及び出力データのデータインターフェース７０への送信を実行する制御及び処理装置（ＣＰＵ）６０に接続されていることを示す。ＣＰＵ６０は、光パルスによる視野の照射中及び照射後におけるエコーバック信号の完全な波形トレースを保存する。トレースの取得が行われる時間は、５０ｎｓ未満のパルス幅及び低いデューティサイクルで検知器から数メートル離れた物体での反射の完全な波形トレースの捕捉を可能にすべく当該パルス幅より長い。従って、上記の取得により、パルスの発光が始まった瞬間から、当該パルスの発光が終了した後、次の短い光パルスの発光の前に終了するまでの時間にわたり個々の完全な時間波形トレースを捕捉及び保存することが可能になる。更に、トレースと発せられた波形との比較を可能にすべく複数のサンプリング点を取得しなければならない。ＣＰＵ６０は、各光パルスを発すべく発光器２０へ転送されるパルストリガ信号の生成等、他のいくつかの機能を実行する。同期トリガ信号（同相または位相がずれた）もまた、帰還信号波形の取得を開始すべくＭＣＯＲ４０へ送信される。ＣＰＵは、波形の取得を開始及び停止することにより取得を制御する。取得時間は、光学式距離計１０がカバーする最大範囲により決定される。
【００４８】
光学式距離計１０はまた、図１に示す各種サブシステムに電力を供給する手段を含んでいる。明確さのため、これらの電力供給源は図１に示していない。発光器２０及びＭＣＯＲ４０の両者について、以下の２段落で更に詳細に記述する。
【００４９】
発光器
発光器２０は、各々の持続時間が例えば数ｎｓの極めて短い光パルスを発し、この持続時間はＭＣＯＲ４０の出力側で生成される帰還信号波形に存在し得るシグネチャの幅（持続時間）の下限を設定する。信号波形内で間隔が狭い一対のシグネチャ同士を高い信頼性で識別する場合、光学式距離測定は、持続時間がなるべく短い光パルスを用いて実行しなければならない。このようなシグネチャの対が生成されるのは、例えば、２個の異なる物体が同時点で所与のＩＦＯＶ内に存在し、当該物体が距離計から僅かに異なる距離にある場合である。換言すれば、より短い光パルスを用いれば、パルスＴＯＦ原理に基づいて光学式距離測定器の距離分解能が向上する。実際、光パルスで実現可能な最も短い持続時間は、発光器２０内に組み込まれたドライバー電子機器及び光源の両方のインパルス応答により制限される。帰還信号波形のシグネチャは、ＭＣＯＲ４０の全体的な検知帯域幅が充分に高く、一般に数十〜数百ＭＨｚの範囲にあれば、発せられた光パルスの忠実なレプリカである。
【００５０】
スペクトルに関して言えば、発せられた光パルスのスペクトルは、例えば電磁スペクトルの近赤外領域にある。いくつかの要因、即ち、手頃な価格の小型光源及び高感度光検知器が入手可能である、近赤外光に対して人間の裸眼の反応が弱いため発せられた光パルスにより気が散らない、及び可視波長領域における対応レベルと比較して当該スペクトル領域における太陽放射照度背景レベルが弱いことにより、近赤外光の使用が望ましい。可視光もまた、例えば環境の照射が必要な場合（光を用いる大域的照射またはシグナリング情報）に用いることができる。可視光は、白色光であってよく、または、例えば赤色光を生成する波長で発せられてもよい。
【００５１】
より低い太陽放射照度レベルに一致する光波長で光学式距離計を動作させることで、帰還信号波形に存在するシグネチャの信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を高める。本発明の例示的実施形態において、少なくとも１個の高出力発光ダイオード（ＬＥＤ）装置を用いて発光器２０のＬＥＤ光源２２を形成する。ＬＥＤ光源は、持続時間が数ｎｓの電流パルスを用いて高い繰り返し率で駆動可能な極めて小型で堅牢なソリッドステート素子であるため、同一スペクトル領域で発光する半導体レーザーダイオードのいくつかの望ましい特徴を共有する。上述のように、後者の特徴は、パルスＴＯＦ原理に基づく任意の光学式距離測定器に対する適切な距離分解に有用である。高出力ＬＥＤは現在、近赤外スペクトル領域における各種の中心波長での照射に利用できる。９４０ｎｍ等のより長い近赤外波長は、当該領域での太陽放射照度スペクトルが示す安定的に減少するため有用であろう。対応するレーザーダイオードと比較して、ＬＥＤは極めてより広い波長帯域、典型的には選択されたＬＥＤ材料及びその駆動レベルに応じて１０〜５０ｎｍに達する帯域にわたり発光する。
【００５２】
ＬＥＤが発する光は、レーザーダイオード光源が発する光よりも極めて低い時間及び空間コヒーレンス性を有する。これは特に、人間の裸眼に影響を与え、目の網膜まで伝達されるＬＥＤ光は、網膜上ではるかに大きい領域にわたり広がることを意味する。その結果、不注意で眼に光が当たった場合であっても、ＬＥＤから発せられた光は、同様の光出力レベルのレーザー照射及び波長よりもはるかに安全である。実際、ＬＥＤが発した光に晒された目への潜在的な危険性は、ランプ機器で想定された安全基準で与えられる規則及びガイドラインに基づく危険性分析を実行することにより最適に評価される。従って、ＬＥＤ光を取扱う際に現在推奨される安全基準は、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎが発行する国際標準であるＩＥＣ６２４７１「Ｐｈｏｔｏｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  ｓａｆｅｔｙ  ｏｆ  ｌａｍｐｓ  ａｎｄ  ｌａｍｐ  ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｆｉｒｓｔ  Ｅｄｉｔｉｏｎ（２００６−０７）」である。近赤外でのレーザー発光と比較して、ＬＥＤ光を用いる場合の眼の安全規制が低いことで、より高い光エネルギーのパルスを用いた照射が可能になり、従って、受光器に対する一切の変更を必要とせずに距離計の検知性能が向上する。特に、より高い光エネルギーの光パルスから、ＭＣＯＲ４０により捕捉されるあらゆる寄生背景光量よりも優れた光帰還信号が得られる。
【００５３】
ＬＥＤ光源２２が発する光は、図１に示すように、例えば視準レンズアセンブリ２４に続いて光拡散器２６を用いて、所望の照射野（ＦＯＩ）にわたり広がるように光学的に調整可能である。視準レンズアセンブリ２４は、ＬＥＤ光源２２から発せられた拡散性が高い未加工出力光ビーム２８をより良好に捕捉できるようにする高い入力開口数を有していてよい。レンズ装置２４は、捕捉された光の向きを変えて、自身の出口アパーチャ平面で、光拡散器２６の寸法に適した横断面を有する光照射分布３０を形成する。同様に、レンズ装置２４は、拡散器２６の指定された光学拡散特性を満たすことを保証すべく、発せられた光ビーム２８の拡散角を数度まで減らす。光ビームは、光拡散器２６内を透過したならば、発光器２０のＦＯＩを画定する開口部（拡散）角を有する非対称な光円錐３２に変換される。光拡散器２６を用いることで、ＦＯＩに滑らかで均一な光照射分布を与えることに加え、ＬＥＤ光源２２の搭載が容易になる。拡散器２６から出射する光ビーム３２の空間特徴は、ＬＥＤ光源２２に組み込まれた個々のＬＥＤ装置の正確な配置及び並びには殆ど影響されない。その結果、単に異なる光拡散特徴を有する光拡散器２６を用いるだけで同一ＬＥＤ光源２２から各種のＦＯＩが得られる。ホログラフィック光拡散器のピーク光透過率は、所望の波長で９０％以上に達し得る。更に、入射光が所定の（非対称）ＦＯＩにわたり広がるようにホログラフィック光整形拡散器を設計することができ、各種のアプリケーション用に意図された光学式距離計で最適に用いられるように水平及び垂直方向の両方でかなり異なる拡散角を有していてよい。この種の光拡散器はまた、ほぼガウシアン形状をなす滑らかな出力光照射分布を有しているため好ましい。
【００５４】
ＬＥＤ光源２２から発せられた光ビーム２８を光学的に調整する他の方法も、本発明の範囲を逸脱することなく想到可能である。例えば、意図されたアプリケーションで、直交する横方向の両方に対称な極めて広いＦＯＩ（例えば１２０°以上）にわたり光３２をあふれさせることが必要な場合、ＬＥＤ光源２２は、視準レンズアセンブリ２４または光拡散器２６を一切伴わずに発光器２０に組み込むことができる。この経済的な方法が可能なのは、ＬＥＤから発せられる未加工出力光の高拡散性及び平滑性による。更に、このアプローチにより、ＬＥＤ光源２２の一部を形成する各ＬＥＤ装置の中心発光軸の向きを個別に調整することにより結果的に得られたＦＯＩの若干の調整を可能にする。代替的に、レンチキュラレンズシートで光拡散器２６を代替可能である。レンチキュラレンズシートは一般に、互いに平行で拡大鏡のアレイとして機能する一組の線形なひだ（レンズ核と呼ばれる）により一方の表面がエンボス加工された、押出加工プラスチックシートからなる。レンチキュラレンズは、単一横方向（レンズ核の向きに垂直な）に沿って光を広げるために用いられ、意図されたアプリケーションで必要とする特定のＦＯＩを生成することができる。ＬＥＤ反射器はまた、極めて低コストで光を整形する別の可能性を有している。
【００５５】
最後に、発光器２０はまた、パルスＴＯＦ原理の効果的な実装に適したピーク振幅及び持続時間を有する電流パルスでＬＥＤ光源２２を駆動する電子機器３４を含んでいる。上述のように、ＣＰＵ６０により生成されたパルス電圧トリガ信号が、ＬＥＤドライバー電子機器３４による各電流パルスの生成を命令する。例えば、光パルスは、典型的には５０ｎｓ未満の持続時間で発することができる。パルスが発せられる繰り返し率に応じて、発光のデューティサイクル（相対ＯＮ時間）は０．１％まで低くできる。低いデューティサイクルでＬＥＤ光源２２を駆動することで、寿命を短縮することなくＬＥＤ光源２２の名目電流レーティングを大幅に上回る値でピーク電流駆動レベルを向上させることができる。照射された光パルスの所望のピーク光出力を得るために、ＬＥＤのピーク駆動レベルの低下があれば、追加的なＬＥＤ光源２２を発光器２０に搭載してそれらの駆動電子機器３４を適切に多重化することで補償することができる。
【００５６】
パルス幅が、０．１％未満のデューティサイクルで５０ｎｓより狭い場合、名目値の数倍の振幅を得ることができる。例示的実施形態では、０．２％のデューティサイクルでパルス幅が２０ｎｓである。デューティサイクル＝パルス幅×フレームレートであるため、本例のフレームレートは１００ｋＨｚである。別の例示的実施形態において、本システムは、０．５％のデューティサイクル及び５０ｎｓのパルス幅で、１００ｋＨｚのフレームレートに達する、即ち毎秒１００，０００パルスが発せられる。従って、各パルス間の時間は１０μｓである。距離＝取得時間×光速／２であるため、必要な距離が９０ｍであるならば、完全な波形の取得は６００ｎｓ持続するが、これはパルス幅よりはるかに長く、パルスが発せられたときに開始され、次のパルスが発光するまで続く。別の例示的実施形態において、本システムは、０．１％のデューティサイクル及び２０ｎｓのパルス幅で５０ｋＨｚのフレームレートに達する。これらの高いフレームレートは、適切なパルス／変調ドライバーを有するＬＥＤの使用により可能になる。
【００５７】
発光器２０は更に、照射光が集められた重なりが結果的にＦＯＩのより良好な充填（均一性）を生じるように各ＬＥＤ光源２２を特定の方向に沿って個別に整列配置（光学的照準合わせ）することにより複数のＬＥＤ光源２２を用いることの利点が得られる。このアプローチにより、光拡散器２６を用いることなく所望の全体寸法を有する均一なＦＯＩが得られる。
【００５８】
マルチチャネル受光器（ＭＣＯＲ）
マルチチャネル受光器（ＭＣＯＲ）は検知器のアレイを有している。当該アレイは１次元でも２次元でもよい。
【００５９】
一実施形態において、水平方向に延在するＮ個の小型ＩＦＯＶの１×Ｎ個の線形配列からなる全ＦＯＶ内で位置する物体の光検知及び距離測定は、図１の模式図に示すように、受光器構成４０により可能になる。図１において、水平面はページの平面と平行に設定されている。同じく図１に示す基準Ｘ軸は、基準Ｚ軸に垂直な方向に、水平に設定され、後者は発光器２０及びＭＣＯＲ４０の両方の光軸が指す方向に平行（即ち、測定器１０の照準線と平行）である。Ｘ及びＺ軸の両方に直交するＹ軸は次いで、垂直方向を指す。一時的に図２を参照するに、１６個の別々のＩＦＯＶの例示的な線形配列の正面図を模式的に示す。ＩＦＯＶの組は、水平Ｘ方向に配置されている。全視野は、光学式距離計の発光器が生成する照射野（ＦＯＩ）で囲まれている。一般に、個々のＩＦＯＶは、これらの範囲が各光検知器の感光面の寸法により画定されるため、Ｘ及びＹ軸に沿って異なる範囲を有する。図２に、偏心がかなり大きい、即ちＦＯＩX＞＞ＦＯＩYである楕円形の外部輪郭（図２の破線）を有するＦＯＩを示すが、ＦＯＩとして各種形状が想到可能である。ＦＯＩは例えば、ＭＣＯＲ４０のＦＯＶをＸ及びＹ両方向に充分囲めるよう広く設定されている。
【００６０】
図２に、水平方向に広い範囲（ＦＯＶX）を有するＦＯＶにわたり検知を可能にする例示的実施形態を示し、検知は一切の機械的走査手段を必要とせずに実現できる。必要な水平範囲ＦＯＶXは、意図されたアプリケーションに応じて変動する。例えば、自動車アプリケーションにおいて、衝突前緩和のシステムでは約１５°、盲点検知では４０°、及び駐車支援用のシステムでは８５°に達し得る。停止バー検知等の輸送アプリケーションにおいて、複数のレーン同士の交差が短い場合は広いＦＯＶが好適であり、交差が長い場合は狭いＦＯＶが好適である。いずれの場合も、測定器１０の発光波長で表面反射率が低い物体を比較的短い距離で確実に検知して距離測定を行わなければならない。
【００６１】
一例示的実施形態において、全視野は、１５°×２．５°の最小全範囲を有している。別の例示的実施形態において、全視野は、８５°×１３°の全範囲を有している。
【００６２】
水平方向に延在する小型ＩＦＯＶの線形１×Ｎ配列は、図２に示すように、いくつかの特定のアプリケーションでは２次元（２Ｄ）角度分解された光検知を行うべく水平及び垂直方向の両方に配置された小型ＩＦＯＶの組を必要とする場合があるため、本発明の範囲を限定するものと解釈してはならない。実際、「３次元（３Ｄ）光検知」という表現の方が、先の段落で定義されたＺ軸に平行な第３の方向で検知された何らかの物体の位置に関する情報を提供する測定器の距離測定能力があるため、当該状況では適切であろう。ＩＦＯＶの配列は、ＭＣＯＲ４０の焦点面内の光検知器の組の配置を反映している。
【００６３】
再び図１を参照するに、ＭＣＯＲ４０の集光開口部に入射する光帰還信号は最初に、発光器２０の発光スペクトルにより決定される限られた波長帯域から外れた波長スペクトルを有する寄生背景光の部分を遮断する光学フィルター４２（任意選択の）を通過する。光学干渉フィルターは、自身のスペクトル帯域通過が鋭いエッジ及び高光透過率を有するために有用である。狭いＦＯＶで動作するレーザー距離計を設計する際の一般的な実施方式では対照的に、光学フィルター４２の帯域通過を比較的広く選択しなければならず、ある状況では、光学フィルター４２を一切用いずにＭＣＯＲ４０を動作させることが望ましい場合がある。このような実施方式の妥当性は２通りある。上述のように、フィルター帯域通過は、集光開口部に入射する有用な光帰還信号が拒絶される場合を減らすべく発光器２０の発光スペクトルよりも若干広くなければならない。第２の理由は、入射光の入射角の増大に伴う狭帯域干渉光学フィルターの中心波長の公知のドリフトに関係している。この現象は、極端な状況において、通常の入射方向の一方で最大８０°までカバー可能な広いＦＯＶにわたり検知を行う光学器械で特に問題となる。
【００６４】
この現象をより分かりやすく説明すべく、図３は、約８０ｎｍＦＷＨＭという比較的広い帯域幅を有する例示的な光学干渉フィルター４２の透過帯域通過の、より短い波長へのシフトを示すグラフである。破線で表す曲線１２０が示すように、帯域通過の中心波長が、入射角０°（太実線で表す曲線１１０）で約９６０ｎｍから、入射角３０°で９３０ｎｍまでドリフトことが明らかである。入射角が最大３０°まで開くにつれた観察されるドリフトは即ち、光帰還信号のスペクトルが増大している部分が、当該信号がＦＯＶの中心位置から離れた位置にある物体から近づくにつれて光学フィルター４２により遮断されることを意味する。当該グラフはまた、細実線で表す９４０ｎｍＬＥＤ光源の典型的な発光スペクトル１３０を示す。本例では、フィルターは、法線方向の入射における帯域通過がＬＥＤ発光スペクトルに良く合致するように選択されている。図３はまた、海面レベルでの太陽放射照度スペクトルの曲線１４０もプロットしている。太陽放射照度とＬＥＤ発光スペクトルの両者を比較すると、当該波長領域が、太陽放射照度スペクトルが相当低下した状態で一致するため、９４０ｎｍに近い発光波長で動作する利点を示す。従って、広いＦＯＶにわたり検知された光帰還信号の望ましくない遮断が発生して、結果的により寄生的な背景光を捕捉してしまう不具合を減らすべく光学フィルター４２の帯域通過を広げる必要がある。この状況は、ＭＣＯＲ４０に組み込むための適切な光検知器の選択に影響を与え得る。
【００６５】
入射光の入射角に伴う中心波長のシフトに加え、光学干渉フィルターの中心波長もまた、周囲温度に何らかの感度を示す。
【００６６】
より便利にすべく、光学フィルターリング動作はまた、光波長スペクトルのある部分を遮断すべく面の１個が適切な光学フィルムでコーティングされた市販の光保護窓の使用により実現可能である。代替的に、波長選択的光透過を可能にすべく所定の材料で作られた極めて高い耐性を有する保護窓が、Ｂａｙｅｒ  ＡＧ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ  Ｂｕｓｉｎｅｓｓ  Ｇｒｏｕｐ（Ｌｅｖｅｒｋｕｓｅｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ）等の製造業者から入手できる。例えば、調色番号４５０６０１の軽量なＭａｋｒｏｌｏｎ（登録商標）ポリカーボネート材モデル２４０５は、７００ｎｍ未満の波長の光を効果的に遮断する（ほぼ０％の透過率）しながら、高い衝撃強度を発揮する。
【００６７】
再び図１を参照するに、光学フィルター４２を透過する光帰還信号の部分は次いで、対物レンズ４４の焦点面内（またはその近傍で）水平方向横並びに配置された一連の光検知器４６の感光面に集光させる対物レンズ４４を介して伝送される。対物レンズ４４は、図１に模式的に示すように、単一のレンズ素子を含んでいてよく、または、複数のレンズ素子を含む光学アセンブリとして実装されていてもよい。代替的に、対物レンズ４４は、鏡または鏡と修正レンズ／プレートの組み合わせにより構築することができる。反射屈折型対物レンズアセンブリに見られる。必要なｆ数、開口部直径（ＭＣＯＲ４０の集光開口部を画定する）、支配的な光学収差に必要な修正レベル、小型であること、堅牢性、及び製造コスト等、いくつかの要因が対物レンズ４４の設計に影響を与える場合がある。
【００６８】
光検知器４６のアレイは、例えば同一の特徴を有する複数の個別光検知器を含んでいる。上述のように、各光検知器の感光表面積は、対応するＩＦＯＶを決定する。例えば、浜松ホトニクス（浜松市、日本）から市販されているシリコン（Ｓｉ）ＰＩＮフォトダイオード型番Ｓ８５５８の１６素子線形アレイは、アレイが水平方向に設置された（素子ピッチ０．８ｍｍで）場合に０．７ｍｍ（水平方向）×２．０ｍｍ（垂直方向）の感光表面積を特徴とする。個々の光検知器に関連付けられたＩＦＯＶは、線形アレイが焦点距離５０ｍｍの対物レンズに結合されている場合０．８°（Ｈ）×２．３°（Ｖ）の寸法を有する。従って、１６素子線形アレイ（間隙を含む）は、１４．５°（Ｈ）×２．３°（Ｖ）の全ＦＯＶを与え、その大部分は水平方向に延在している。他の製造業者もアレイを提供する。例えば、Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｐｈｏｔｏｎｉｘ（Ｃａｍａｒｉｌｌｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）は、各素子の寸法が１．２２ｍｍ（Ｈ）×１．８４ｍｍ（Ｖ）である１６素子線形アレイであるＰＤＢ−Ｃ２１６、及び各素子の寸法が０．８９ｍｍ（Ｈ）×１．６５ｍｍの（Ｖ）である３２素子線形アレイであるＰＤＢ−Ｃ２３２を販売している。
【００６９】
例えば垂直方向で若干の角度分解が必要な場合、２次元光検知器アレイを用いてもよいであろう。例えば、浜松ホトニクスの１素子当たり能動領域が１．３ｍｍ×１．３ｍｍ（素子ピッチ１．５ｍｍ）の５×５素子ＳＩＰＩＮフォトダイオードアレイ番号Ｓ７５８５を用いることができる。当該アプリケーションがＦＯＶを殆ど必要としない場合、浜松ホトニクスの部品Ｓ４２０４は２素子フォトダイオードであって、各素子が１ｍｍ×２ｍｍの能動領域を有している。Ｏｐｔｅｋ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙの部品ＯＰＲ２１０１は６素子フォトダイオードアレイであって、各素子が０．７２ｍｍ×１．２３ｍｍの能動領域を有している。その構成は中央部で２×２素子であって、２×２マトリクスの各辺に１個の追加的な素子を有している。
【００７０】
例示的実施形態は、より広く用いられているＡＰＤに代えてＰＩＮフォトダイオードのアレイを用いる。この選択にはいくつかの理由がある。広いＦＯＶにわたる検知の必要性とＬＥＤ主体の発光器２０の利用とが相まって、寄生背景光を光学的に抑制すべくＭＣＯＲ４０の狭帯域光学干渉フィルターを用いることができない。測定器を白昼、例えば明るい日なたで動作させる場合、重要な太陽背景信号が光検知器４６に達して、有用な光帰還信号と競合する。実際、明るい日なたでの太陽放射照度は１０００Ｗ／ｍ2に達し得る。曇り空の場合、約１００Ｗ／ｍ2まで低下し得る。屋外では、明るい周囲背景光の太陽放射照度は典型的に５０Ｗ／ｍ2を超える。これらの屋外条件は、照射が典型的に５〜３０Ｗ／ｍ2である人工照明で照らされた屋内空間とは大幅に異なる。
【００７１】
太陽背景信号についてより良い洞察を得るための例を挙げることができる。広いＦＯＶにわたる検知のために提案されているように、開口部が２０ｍｍの対物レンズを含み、９４０ｎｍ波長に中心がある８０ｎｍ帯域通過を有する光学フィルターの後側に配置された、焦点距離が１９．７ｍｍを有する受光器構成について考察する。対物レンズの焦点面に配置されたフォトダイオードの感光面（ここでは０．７×２．０ｍｍ2）で受光された光学フィルター帯域幅内の太陽背景信号の光力は、晴天白昼条件下で受光器の照準線と太陽の間の角度が７５°から１５°まで減少するにつれて、約８０ｎＷ〜８００ｎＷの範囲にあると推定される。極端な場合、推定された太陽背景信号は、直射日光が捕捉された場合、即ち、測定器の照準線がちょうど太陽に向けられているか、または直射日光が極めて反射度が高い平坦面により測定器の方へ逸らされている場合、最大約５ｍＷ上昇する。
【００７２】
上で述べた推定は、Ｔｈｅ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  ａｎｄ  ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ｈａｎｄｂｏｏｋ  Ｖｏｌ．１，Ｓｏｕｒｃｅｓ  ｏｆ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ，（ＳＰＩＥ  Ｐｒｅｓｓ，Ｂｅｌｉｎｇｈａｍ、ＷＡ，１９９３年）のＤ．Ｋｒｙｓｋｏｗｓｋｉ  ａｎｄ  Ｇ．Ｈ．Ｓｕｉｔｓ，Ｎａｔｕｒａｌ  Ｓｏｕｒｃｅｓ，Ｃｈａｐｔ．３に示されているグラフ及び表から得られた太陽放射照度及び９４０ｎｍ波長の晴天背景発光データに基づいている。太陽背景の光力を評価する別の方法が、Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ：Ｓｅｎｓｉｎｇ  ａｎｄ  Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ｌａｓｅｒｓ（Ｐｒｅｎｔｉｃｅ  Ｈａｌｌ，２００４年）のｃｈａｐｔ．３でＳ．Ｄｏｎａｔｉにより説明されている。写真撮影の原理を用いて、シーン拡散の最悪ケースを取り上げれば、結果ははるかに高く、同一センサ構成（帯域通過が８０ｎｍ、表面積が０．７×２．０ｍｍ2）で約１５ｕＷに達する。７００ｎｍを超える波長選択的光透過を可能にすべく調合された材料から作られた光学フィルターまたは窓を用いた（８０ｎｍの帯域パスフィルターを用いる代わりに）場合、背景のレベルを１０倍（最大８μＷ〜１５０μＷまで）向上させることができる。光学フィルターが存在しない場合、背景のレベルを１６倍（最大１３μｗ〜２４０μＷまで）向上させることができる。これらの強い太陽／日光背景の寄与は、ＡＰＤのアレイに設定された内部利得値の大幅な減少をもたらす一方で、これらはＰＩＮフォトダイオードにより扱うことができる。
【００７３】
典型的には、能動領域が比較的大きいＰＩＮフォトダイオードは、当該背景照射からの飽和を回避するのに充分高い最大逆電流（Ｉｒｍａｘ）を有している。ＰＩＮフォトダイオードの大きい能動領域は、０．５のｍｍ2以上、例えば１ｍｍ2に達し得る。ＰＩＮフォトダイオードのＩｒｍａｘパラメータは、連続動作においてＡＰＤのＩｒｍａｘパラメータよりも１０〜４０倍大きくなり得る。例えば、ＰＩＮフォトダイオードは１０ｍＡのＩｒｍａｘパラメータを有することができるのに対し、ＡＰＤのＩｒｍａｘパラメータは２５０μＡを有することができる。ＰＩＮフォトダイオードにおけるこの巨大な最大逆電流Ｉｒｍａｘは、線形範囲を増大させ、極めて明るい周囲光下で極めて弱いパルス信号の検知を可能にする。能動領域が大きいほど、Ｉｒｍａｘ値が高く且つ線形性が良好になることが容易に理解されよう。
【００７４】
感光面の約１ｍＡを超える最大逆電流Ｉｒｍａｘは、典型的な明るい周囲光下で期待される結果をもたらすであろう。上で詳述した直射日光の極端なケースでは、最大逆電流Ｉｒｍａｘは約４ｍＡを上回る。
【００７５】
テストにより、殆どの状況において、屋外で使用する測定器に組み込まれたＡＰＤの内部利得が、フォトダイオードの過負荷または検知電子機器の飽和を回避すべく、ＬＥＤ光源を備えた光学フィルター用いる場合であっても、白昼は約２０より高く設定できないことが分かっている。これらの状況において、低い内部利得設定でＡＰＤを動作させることは、ＡＰＤ固有の性能特性を完全に発揮させるにはほど遠いことを意味する。ＡＰＤは典型的に、利得が２０で数マイクロワットの最大連続動作を行う。
【００７６】
ＰＩＮフォトダイオードとは対照的に、ＡＰＤは高バイアス電圧（典型的には１００Ｖ〜５００Ｖの間で変動する）下で動作し、屋外の悪条件下でシームレスに安定動作するには、接合部温度を安定させる手段を必要とするが、これはこの種の光検知器を組み込む測定器のコストに好ましくない影響を与える。また、バイアス電圧を生成する回路の温度は、線形構成で動作するＡＰＤが自身の破壊電圧の極めて近くまでバイアスされる事実により安定させる必要があるため、更にＡＰＤアセンブリのコストが増大する。ＡＰＤ及び関連回路の温度依存性は、例えば米国特許第６，８９４，２６６号明細書で議論されている。アレイ形式に構成されている場合、ＡＰＤのバイアス電圧が高いことはまた、アレイ内の連続するフォトダイオード間に間隔（間隙）を設けるべきであることを意味する。例えば、Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｓｅｎｓｏｒ  ＧｍｂＨ（Ｂｅｒｌｉｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ）から市販されている１６素子線形ＡＰＤアレイモデルＡＡ１６−９ＤＩＬ１８の各フォトダイオードは、感光表面積が約０．２１ｍｍの（Ｈ）×０．６５ｍｍ（Ｖ）であって、連続的な光検知器を分離する０．１１ｍｍ（Ｈ）の非感光性間隙を有することを特徴とする。そのようなＡＰＤアレイを５０ｍｍ対物レンズの焦点面で動作させた場合、結果的に、隣接するＩＦＯＶの各対の間に０．１３°（水平方向に）カバーする不感区域が生じる。一見すると不感区域のこの水平範囲はやや低いように見えるが、この特定の設計による各ＩＦＯＶが０．２４°の水平範囲をカバーする点に注意されたい。換言すれば、本例では、全ＦＯＶの水平範囲の約３５％が、物体が検知されないままの不感区域からなる。
【００７７】
ＡＰＤのアレイで遭遇される別の問題は、当該アレイ内で光学素子毎に光検知性能パラメータにバラツキがある点である。例えば、個々の光検知器の光学応答性がアレイ内で往々にして変動し、単一の電圧源が全ての光検知器に集合的にバイアスをかけるべく機能するため、これらの変動を補償することは一般に不可能である。最後に、ＡＰＤ及び関連電子機器の動作は、様々な性質の外乱に影響され易いため、これらの機器はより積極な保護及び遮蔽を必要とする。
【００７８】
対応するＡＰＤに比較すると、ＰＩＮのアレイは依然としてはるかに低価格であるため、特に中または低価格自動車のいくつかのアプリケーションでの広範な用途を意図された低コスト光学測定器への組み込みに適している。また、ＰＩＮフォトダイオードは、米国特許第７，８３０，４４２号明細書に報告されているように他の技術と組み合わせることができる。これは、ＰＩＮフォトダイオードのアレイが、各種の技術を用いて製造された単一のダイに他の半導体装置と共に搭載でき、従って、高度に集積された、極めて小型、低ノイズ且つ経済的なマルチチャネル光検知サブアセンブリが得られることを意味する。シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ＣＭＯＳプロセスが用いてＰＩＮフォトダイオードを製造することができる。ハイブリッド技術を用いてＰＩＮフォトダイオードと読出し集積回路（ＲＯＩＣ）を一体化することもできる。典型的には、その場合、Ｓｉ−ＰＩＮアレイは標準のＩＣパッケージングにおいてＲＯＩＣダイと一体化される。ＲＯＩＣは、ＰＩＮアレイからの光電流をデジタル化及び処理すべく電圧に変換する。ＲＯＩＣは、複数のアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）を並列取得のために一体化できる。
【００７９】
同等コストのＡＰＤのアレイで得られるよりもはるかに大きい感光表面積を有するＰＩＮフォトダイオードのアレイが利用できる。広いＦＯＶにわたる光学式距離測定を行うには、より長い焦点距離の対物レンズ４４を光検知器の前方に配置することにより所与のＦＯＶがカバーできるため、より大きい型式の光検知器を用いることが極めて望ましい。光学収差を管理可能に保つ必要性により対物レンズのｆ数に下限が設定されるため、より長い焦点距離の対物レンズ４４を選択する可能性は従って当該構成要素の開口部直径を大きくせざるを得ないことを示唆する。その結果、より大きな型式（例えば、０．５ｍｍ2以上の能動領域を有する）ＰＩＮフォトダイオードを選択することで、ＦＯＶ及び対物レンズのｆ数の固定値に対してＭＣＯＲ４０の集光開口部に入射する光帰還エネルギーをより多く捕捉することができる。ＰＩＮフォトダイオードは従って、ＭＣＯＲ４０に対するより高い集光効率をもたらし、ＡＰＤフォトダイオードと比較して感度が低いことを、少なくとも部分的に、埋め合わせることができる。換言すれば、ＰＩＮフォトダイオードにおける内部利得機構の欠如は、より広い集光開口部を使用する結果得られる光学的利得により埋め合わせることができる。
【００８０】
また、ＰＩＮアレイの写真感度の安定性は、エミッターのエンクロージャの窓での反射を基準信号として用いる場合に有用である。この信号は、背景レベルとは独立により安定し、窓の位置（基準距離）及び窓上の塵／汚れのレベル（当該反射の振幅）を示すために有用であり得る。
【００８１】
再び図１を参照するに、光学式距離測定器１０の例示的実施形態のＭＣＯＲ４０はまた、ＰＩＮフォトダイオードのアレイ４６の出力側で未加工の電流波形を調整するマルチチャネルアナログフロントエンド電子機器４８を含んでいる。当業者には明らかなように、例示的アナログフロントエンド電子機器４８は、低ノイズトランスインピーダンス増幅器、広帯域増幅段、及びＰＩＮフォトダイオードのアレイ４６にバイアスをかける低電圧回路を含んでいてよい。典型的には、ＰＩＮフォトダイオードにバイアスをかける逆電圧は５０Ｖ未満である。比較的大きい能動領域要素素子を備えたフォトダイオードアレイを用いるには一般に、逆電圧（Ｖｒ）を最大定格値近くに設定することが必要である。実際、能動領域が大きいフォトダイオードを用いることで、接合静電容量（Ｃｊ）が増大して、帯域幅に関して影響を及ぼす（フォトダイオード応答時間が遅くなる）。高いＶｒを用いることでカットオフ周波数が向上する。これらの要素は、並列構成において繰り返されて、個々のチャネルがアレイ４６の対応ＰＩＮフォトダイオードに接続されたマルチチャネル検知電子機器４８を提供する。上述のように、ＰＩＮアレイ４６とマルチチャネルアナログフロントエンド電子機器４８は同一プリント回路基板を共有でき、且つ例えば特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）の形式で一体化できる。
【００８２】
図１に示すように、フロントエンド電子機器４８のアナログ出力が、アナログ電圧波形をデジタル化するマルチチャネルアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）ボード８０へ転送される。各検知チャネル毎に毎秒数十〜数百個のメガサンプルの速度でデジタル化することより、帰還信号波形に存在し得るシグネチャの取りこぼしを減らすのに充分な距離分解能が得られる。測定器１０がＦＯＶ内に存在する物体を検知するため、シグネチャの持続時間がほぼ同じままである点に注意されたい。これは、ＡＤＣボード８０のサンプリング周波数を、好都合なサンプリング点の数で各シグネチャのサンプリングをするのに充分高く選択できることを意味する。トレースの取得が生じる時間長は、検知器から数メートル離れた物体上での反射の完全な波形トレースを５０ｎｓ未満のパルス幅及び低いデューティサイクルで取得できるようにすべく、パルス幅よりも長い。更に、トレースを発せられた波形と比較できるように、複数のサンプリング点を取得する必要がある。取得プロセスはまた、シフト技術を用いてＡＤＣ８０のサンプリング周波数を下げることができる。これらのシフト技術のいくつかが米国特許出願公開第２，０１０／２７７，７１３号明細書に記述されている。
【００８３】
ピーク振幅が極めて低いシグネチャが、先の段落で述べたようにＰＩＮを主体とする光検知構成により検知可能である。例えば、適切なアナログ検知電子機器に接続されたＰＩＮフォトダイオードのノイズフロアを、持続時間が約２０ｎｓのＦＷＨＭのシグネチャを含み、且つ相応に５０ＭＨｚの帯域幅を有するアナログ電子機器で増幅された帰還信号波形を最初に仮定することにより、評価することができる。ＰＩＮフォトダイオードは、約０．７Ａ／Ｗの典型的ピーク感度で利用可能であり、それらのノイズ寄与はフロントエンドアナログ電子機器のノイズ寄与に比べて無視できる。例えば、光学式距離測定アプリケーション用に開発され、Ｍａｘｉｍ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ（Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ，ＣＡ）が製造しているＭＡＸ３８０６高利得線形プリアンプは、１．５ｐＡ／Ｈｚ1/2の典型的ノイズフロア密度を特徴とする。光力単位で表す場合、当該アナログ電子機器のノイズフロアは５０ＭＨｚの検知帯域幅にわたり約１５ｎＷである。帰還信号波形に対する当該ノイズフロアの寄与は、１０２４個の連続的な帰還信号波形の組を平均化することにより、約０．５ｎＷまで下げることができる。本例は次いで、適切なＳＮＲでわずか数ｎＷのピーク光力を担持する有用なシグネチャを検知できることを示す。有用なシグネチャにおけるこれらのピーク光力が、白昼に捕捉された典型的な背景光寄与よりもはるかに低い（先に示したように数十〜数百ｕＷ）ことがわかるが、この背景ＤＣ寄与は、フロントエンドアナログ電子機器をＡＣカップリングモードで動作させることにより帰還信号波形から除去することができる。
【００８４】
マルチチャネルアナログフロントエンド電子機器４８及びＡＤＣボード８０を用いることにより性能及びデータ伝送効率が向上するが、ＰＩＮアレイ４６からの帰還信号波形の調整及びＣＰＵ６０への送信もまた、本発明の範囲から逸脱することなく単一チャンネル電子機器及びデジタル変換により実現することができる。この代替的な実施形態において、ＰＩＮアレイ４６のＮ個の出力は、逐次問い合わされて（時間多重化）、次いで帰還信号波形の組をデジタル形式に変換すべく単一チャンネルＡＤＣ８０に連続的に送信する前に、単一チャンネルアナログ増幅器の列により増幅される。アナログフロントエンド電子機器４８及びＡＤＣ８０の当該単一チャンネル実施形態は、対応するマルチチャネル方式よりも経済的であるが、ＰＩＮアレイ４６の各々の完全な問い合わせ周期毎に発光器２０からのＮ個の連続的な光パルスの発光を生じる。発光器２０は、数十〜数百ｋＨｚの繰り返し率で光パルスを発するべく設計可能である。問い合わせ周期の持続時間は従って、リアルタイムの光学検知を可能にするのに充分短く保つことができる。
【００８５】
図４に、マルチチャネルアナログフロントエンド及びデジタル取得の４個の異なる実施形態を示す。図４Ａに、逆バイアス電圧Ｖｒ１００を有するフォトダイオードアレイ（Ｎ素子）を示す。典型的には、フォトダイオードアレイ４６は、Ｖｒ１００により供給される共通ＰＩＮ（陽極または陰極）を有している。フォトダイオードアレイ４６の各素子（チャネル）は、アナログフロントエンド４８により調整され、ＡＤＣ８０により並列にデジタル化される。フォトダイオードアレイ４６の各素子からの信号は、ＡＣ結合（背景照射からの全てのＤＣレベルは拒絶される）またはＤＣ結合することができる。図４Ｂでは、ＡＤＣチャネルの数（少なくとも１個のチャネル）を最小化すべく制御及び処理装置（図示せず）により制御されるマルチプレクサＭｕｘ１０２が挿入されている。図４Ｃに、フォトダイオードアレイ４６とアナログフロントエンド４８の間でＭＵＸ１０２を用いる構成を示す。アナログフロントエンドチャネルの数を１個に減らすことができ、従ってアナログフロントエンドの構成要素の数が減る。Ｍｕｘ１０２は、極めて高感度な領域に配置されていて、「ＯＮ」抵抗及びチャネル入出力静電容量は低くなければならない。寄生静電容量は帯域幅を制限することができる。図４Ｄに、逆バイアス電圧Ｖｒ１００とフォトダイオードアレイ４６の間に配置されたＭｕｘ１０２を有する構成を示す。この構成は、マルチプレクサの静電容量に対する感度は低いが、逆バイアス電圧のレベルで動作できる筈である。
【００８６】
制御及び処理装置（ＣＰＵ）
ＡＤＣボード８０の出力側における時間系列数値データストリームの組、即ちデジタル化された帰還信号波形の組は、更なる処理のためＣＰＵ６０へ転送される。ＣＰＵ６０の中核は、例えば組み込みアプリケーションに適していて、必要なチャネルの数で並列処理を実行可能なマイクロプロセッサーアセンブリである。ＣＰＵ６０はまた、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）、ＤＳＰ（デジタル信号プロセッサー）その他のプログラム可能な論理回路等、他の種類の処理手段を中心に展開することができる。数値処理の性質及び範囲は、意図されたアプリケーションに依存する。ＣＰＵ６０は次いで、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）、ＵＳＢまたはＣＡＮｂｕｓ等の例示的なデータ通信インターフェースの下で動作するデータインターフェース７０を介して光学式距離計１０を組み込み可能な、より高レベルのシステムに出力データを伝送することができる。
【００８７】
記録された信号波形の数値処理
光学式距離計１０は、物体の検知及び距離測定を行う最大距離により定められた適切な時間間隔にわたり取得されたデジタル化帰還信号波形の組を出力できるため、完全な波形ＬＩＤＡＲ（光検知及び距離測定）測定器であると考えることができる。検知されたピークが所定の閾値を超えたら直ちに電子カウンターを停止することにより物体の距離測定を行う古典的アナログ光学式距離計と比較すると、完全波形測定器は、記録されたデジタル波形に対して多くの数値処理タスクを実行可能にすることにより、より大きい柔軟性を提供する。
【００８８】
例えば、任意の所与の検知チャネルに関連付けられた帰還信号波形に存在するシグネチャの信号対ノイズ比（ＳＮＲ）は、チャネルにより取得された多数の連続的な波形の平均をとることにより、向上させることができる。標準的な信号平均化（累積）がもたらすＳＮＲの向上は、連続的な波形に存在するノイズ寄与が互いに独立で完全に無相関であるならば可能である。固定的なパターンノイズ寄与を適切に除去した後で多く見られるように、この条件が満たされたならば、波形のＳＮＲは（ｎW）1/2倍増加する。ここに、ｎWは平均化された波形の数である。平均化された波形の数を制限する他の条件として、シグネチャを生成する処理の定常性が必要である。換言すれば、波形に存在するシグネチャの特性（ピーク振幅、形状、時間／距離位置）が、平均化される波形の完全な組を記録するのに必要な時間にわたり不変のままでなければならない。この条件は、光学式距離計１０に対して急速に移動する物体の検知を試みる場合、遵守が困難であり得る。移動物体に関連付けられたシグネチャは波形毎に多少感知可能な程度にドリフトする。この状況は本明細書に記述する光学式距離計１０が意図されたアプリケーションで頻繁に生じるが、発光器２０の充分に高い、例えばｋＨｚ範囲のパルス繰り返し率を選択することにより、その有害な影響を軽減することができる。高繰り返し率で動作することで、充分に短い時間内に多数の帰還信号波形の捕捉が可能になり、所与の可動物体に関連付けられたシグネチャの顕著なドリフトが防止される。可動物体を扱う別の方法は、移動物体からのシグネチャのＳＮＲの向上を特に意図した帰還信号波形の洗練された数値処理を実行することである。そのような数値処理の方法が例えば米国特許第７，６４０，１２２号明細書に教示されている。
【００８９】
波形平均化は、移動平均化の形式で行うことができ、最初に取得された波形を減算しながら新規に取得された波形を加算することにより現在の平均波形が連続的に更新される。移動平均を用いることで、ＣＰＵによる出力検知データの生成速度は影響を受けない。更に、新規に取得された波形が、現在の平均波形とは顕著に異なる少なくとも１個の特徴を表す場合、光学式距離測定器１０のＦＯＶに突然出現する物体があれば、移動平均をリセットすることによりこれをタイムリーに検知することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明の各種態様をなす例示的実施形態について上で述べてきたが、そのような記述は、本発明の意図する範囲の記述ではなく本発明の実施形態の説明として解釈されたい。従って、本発明の範囲が車両搭載された運転者支援／安全性システムに限定されるものと解釈してはならない。本発明の光学式距離計は従って、例えば各種の物体（車両、自転車、歩行者、舗道）を各種気象条件下、且つ自然及び人工光源の両方から生じる様々な照明条件下で広い視野にわたり確実に検知する必要がある道路交差点における交通監視専用の固定的システムに組み込み可能である。本発明の光学式距離計はまた、自動車産業分野における運転者支援アプリケーション等の移動アプリケーションに組み込み可能である。
【図１】
2018119986.tif 000003
【図２】
2018119986.tif 000004
【図３】
2018119986.tif 000005
【図４】
2018119986.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成30年5月9日(2018.5.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射野に亘って分散された光呼びかけ信号を発信する発光器と、
前記照射野に包含された視野に亘って光帰還信号を検知するマルチチャネル受光器（ＭＣＯＲ）と、
前記ＭＣＯＲから帰還信号波形を受信してデジタル形式に変換するアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）と、
前記発光器及び前記ＭＣＯＲに動作可能に接続されていて、前記光呼びかけ信号の発信を制御し、前記ＡＤＣからのデジタル波形出力を処理して前記視野内の物体を検知する制御・処理装置（ＣＰＵ）と、を備え、
前記ＭＣＯＲは、感光素子のアレイを含み、各感光素子の寸法及び飽和レベルは、９４０ｎｍ波長に中心がある８０ｎｍ通過帯域において、８０ｎＷ以上の前記光帰還信号に対する太陽背景寄与の存在下で１５ｎＷ以下のピーク電力を有する前記光帰還信号に対する寄与を前記物体が発生したときに、前記視野内の物体の前記ＣＰＵによる検知が可能になるように選択される、スキャナー無し光学式距離計。
【請求項２】
前記光帰還信号は、前記アレイの２つ以上の前記感光素子によって受け取られる、請求項１に記載のスキャナー無し光学式距離計。
【請求項３】
前記発光器は、レーザー光を出力する、請求項１に記載のスキャナー無し光学式距離計。
【請求項４】
前記発光器は、複数の光源を含む、請求項１に記載のスキャナー無し光学式距離計。
【請求項５】
前記発光器は、パルス光を生成する、請求項１に記載のスキャナー無し光学式距離計。
【請求項６】
前記パルス光は、５０ｎｓ未満の持続時間のパルスを有する、請求項５に記載のスキャナー無し光学式距離計。
【請求項７】
前記ＭＣＯＲは、１０ＭＨｚより高い検知帯域幅を有する、請求項１に記載のスキャナー無し光学式距離計。
【請求項８】
前記発光器は、電磁スペクトルの近赤外領域にある光を発する、請求項７に記載のスキャナー無し光学式距離計。
【請求項９】
前記発光器が出力する光を調整する装置をさらに備える、請求項１に記載のスキャナー無し光学式距離計。
【請求項１０】
前記発光器が出力する光を調整する前記装置は、視準レンズ、レンチキュラレンズシート、発行ダイオード（ＬＥＤ）反射器及び光拡散器のうち少なくとも１つを含む、請求項９に記載のスキャナー無し光学式距離計。
【請求項１１】
前記光帰還信号を、各感光素子の感光面上に焦点合わせする装置を備える、請求項１に記載のスキャナー無し光学式距離計。
【請求項１２】
前記アレイは、Ｎ個の感光素子の線形配置を含む、請求項１に記載のスキャナー無し光学式距離計。
【請求項１３】
前記アレイは、Ｎ×Ｍ個の感光素子の二次元配置を含む、請求項１に記載のスキャナー無し光学式距離計。
【請求項１４】
前記発光器の波長帯域外の寄生背景光を遮断するフィルターを含む、請求項１に記載のスキャナー無し光学式距離計。
【請求項１５】
前記光帰還信号、又は前記スキャナー無し光学式距離計からの信号を入力として使用することによって、前記スキャナー無し光学式距離計と物体との間の距離を計算する計算器を含む、請求項１に記載のスキャナー無し光学式距離計。
【請求項１６】
前記ＣＰＵは、デジタル波形のＳＮＲを高めるように構成される、請求項１に記載のスキャナー無し光学式距離計。
【請求項１７】
前記ＭＣＯＲは、ＡＣカップリングモードで動作するように構成されたアナログフロントエンドをさらに備える、請求項１に記載のスキャナー無し光学式距離計。
【請求項１８】
前記物体を検知するために、前記ＣＰＵは、前記デジタル波形を時間に亘って平均をとるように構成されている、請求項１に記載のスキャナー無し光学式距離計。
【請求項１９】
前記光帰還信号の波形は、適切な時間間隔の間に取得された全波形である、請求項１に記載のスキャナー無し光学式距離計。
【請求項２０】
前記適切な時間間隔は、物体が検知されて測定されるべき最大レンジに依存する、請求項１９に記載のスキャナー無し光学式距離計。
【請求項２１】
前記ＣＰＵは、複数の逐次的な帰還信号波形の前記ＡＤＣから出力されたデジタル波形の平均をとるように構成される、請求項１９に記載のスキャナー無し光学式距離計。
【請求項２２】
各感光素子の寸法及び飽和レベルは、９４０ｎｍ波長に中心がある８０ｎｍ通過帯域において、８０ｎＷ〜８００ｎＷの前記光帰還信号に対する太陽背景寄与の存在下で１５ｎＷ以下のピーク電力を有する前記光帰還信号に対する寄与を前記物体が発生したときに、前記視野内の物体の前記ＣＰＵによる検知が可能になるように選択される、請求項１に記載のスキャナー無し光学式距離計。
【請求項２３】
各感光素子の寸法及び飽和レベルは、９４０ｎｍ波長に中心がある８０ｎｍ通過帯域において、８０ｎＷ〜５０ｍＷの前記光帰還信号に対する太陽背景寄与の存在下で１５ｎＷ以下のピーク電力を有する前記光帰還信号に対する寄与を前記物体が発生したときに、前記視野内の物体の前記ＣＰＵによる検知が可能になるように選択される、請求項１に記載のスキャナー無し光学式距離計。
【請求項２４】
各感光素子の寸法及び飽和レベルは、９４０ｎｍ波長に中心がある８０ｎｍ通過帯域において、８０ｎＷ〜８００ｎＷの前記光帰還信号に対する太陽背景寄与の存在下で０．５ｎＷ以下のピーク電力を有する前記光帰還信号に対する寄与を前記物体が発生したときに、前記視野内の物体の前記ＣＰＵによる検知が可能になるように選択される、請求項１に記載のスキャナー無し光学式距離計。
【外国語明細書】
2018119986000001.pdf