(57)【要約】      （修正有）【課題】周波数変調レーザー検出及びレンジング用のディテクタ・アレイは、アレイ・サイズが制限され、事実上、リアルタイム動作が排除されている。【解決手段】周波数変調(コヒーレント)レーザー検出レンジング・システム１２０は、ディテクタ・エレメントの２次元アレイ１２６により形成される読み出し集積回路であって、各エレメントは、ターゲット１２３からのリターン光とローカル発振器１２１ｅからの光とを受信する感光領域と、各サンプル期間の間に感光領域の出力を４回サンプリングして直交成分を取得するローカル処理回路とを有する。各エレメントの１つ以上の出力に結合されるデータ・バスは、各サンプル期間に直交成分をシリアル化する。データ・バスに結合されるプロセッサは、シリアル化された直交成分を利用して、リターン光と発振ローカル光との間の干渉に対応する少なくとも１つの干渉周波数の振幅及び位相を判定する。【選択図】図１Ｃ
2019215363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー検出レンジング（ＬＡＤＡＲ）システムであって：
ディテクタ・エレメントの２次元的なアレイであって、前記アレイ内の各ディテクタ・エレメントは、
ターゲットから反射されたリターン光とローカル光源からの発振ローカル光とを受信するように構成される感光領域と、
個々の感光領域の出力に結合されるローカル処理回路であって、前記出力におけるアナログ信号を受信し、各々のサンプル周期クロック・サイクルの間に前記アナログ信号を複数回サンプリングし、各々のサンプル周期クロック・サイクルの間に１サンプルにつき複数の成分を取得するように構成される、ローカル処理回路とを有する、２次元的なアレイ；
前記各ディテクタ・エレメントの１つ以上の出力に結合され、各々のサンプル周期クロック・サイクルに対して前記各ディテクタ・エレメントから前記複数のサンプル成分を受信するように構成されるデータ・バス；及び
前記データ・バスに結合されるプロセッサであって、各々のサンプル周期クロック・サイクルについて、前記各ディテクタ・エレメントからの前記複数のサンプル成分を、前記データ・バスから受信し、前記複数のサンプル成分を利用して、前記リターン光と発振ローカル光との間の干渉に対応する干渉周波数に関する振幅及び位相を決定するように構成されるプロセッサ；
を有するＬＡＤＡＲシステム。
【請求項２】
前記ディテクタ・エレメントの２次元的なアレイは、ラージ・フォーマット・アレイを含む、請求項１に記載のＬＡＤＡＲシステム。
【請求項３】
前記複数のサンプル成分は直交成分であり、前記直交成分は、前記リターン光と前記発振ローカル光との間の干渉に対応する複数の干渉周波数各々に関する振幅及び位相を決定するために使用される、請求項１に記載のＬＡＤＡＲシステム。
【請求項４】
前記アレイ内の各ディテクタ・エレメントは、前記データ・バスに対するサンプル成分信号ライン接続を含む、請求項１に記載のＬＡＤＡＲシステム。
【請求項５】
前記アレイ内の各ディテクタ・エレメントは、前記データ・バスからクロック信号を受信するように構成される、請求項１に記載のＬＡＤＡＲシステム。
【請求項６】
前記データ・バスは、前記プロセッサに送信するために、各サンプル周期クロック・サイクルに対する前記各ディテクタ・エレメントからの前記複数のサンプル成分をシリアル化するように構成される、請求項１に記載のＬＡＤＡＲシステム。
【請求項７】
前記ディテクタ・エレメントの２次元的なアレイ及び前記データ・バスは、読み出し集積回路（ＲＯＩＣ）内に含まれる、請求項１に記載のＬＡＤＡＲシステム。
【請求項８】
前記ターゲットを照明する光と前記発振ローカル光との双方を放出するように構成されるレーザー源；及び
前記ターゲットと前記ディテクタ・エレメントの２次元的なアレイとの間に配置され、前記ターゲットから反射される前記リターン光を、前記ディテクタ・エレメントの２次元的なアレイにフォーカスさせるように構成されるイメージング・テレスコープ；
を更に有する、請求項１に記載のＬＡＤＡＲシステム。
【請求項９】
レーザー検出レンジング（ＬＡＤＡＲ）システムであって：
ディテクタ・エレメントの２次元的なアレイであって、前記アレイ内の各ディテクタ・エレメントは、
ターゲットから反射されたリターン光とローカル光源からの発振ローカル光とを受信するように構成される感光領域と、
個々の感光領域の出力に結合されるローカル処理回路であって、前記出力におけるアナログ信号を受信し、各々のサンプル周期クロック・サイクルの間に前記アナログ信号を複数回サンプリングし、各々のサンプル周期クロック・サイクルの間に１サンプルにつき複数の成分を取得するように構成される、ローカル処理回路とを有する、２次元的なアレイ；
前記各ディテクタ・エレメントの１つ以上の出力に結合され、各々のサンプル周期クロック・サイクルに対して前記各ディテクタ・エレメントから前記複数のサンプル成分を受信するように構成されるデータ・バス；
前記データ・バスに結合されるプロセッサであって、各々のサンプル周期クロック・サイクルについて、前記各ディテクタ・エレメントからの前記複数のサンプル成分を、前記データ・バスから受信し、前記複数のサンプル成分を利用して、前記リターン光と発振ローカル光との間の干渉に対応する干渉周波数に関する振幅及び位相を決定するように構成されるプロセッサ；及び
前記ターゲットを照明する光と前記発振ローカル光との双方を放出するように構成されるレーザー源；
を有し、前記レーザー源は：
マスター発振器；
前記マスター発振器に結合され、前記ターゲットを照明する放出光に対応する信号を生成するために使用される前記マスター発振器により出力される信号の周波数を変調するように構成される第１周波数変調器；
前記マスター発振器に結合され、放出される前記発振ローカル光に対応する信号を生成するために使用される前記マスター発振器により出力される信号の周波数を変調するように構成される第２周波数変調器；及び
前記ターゲットと前記ディテクタ・エレメントの２次元的なアレイとの間に配置され、前記ターゲットから反射される前記リターン光を、前記ディテクタ・エレメントの２次元的なアレイにフォーカスさせるように構成されるイメージング・テレスコープ；
を有する、ＬＡＤＡＲシステム。
【請求項１０】
前記レーザー源が：
前記第１周波数変調器と前記ターゲットを照明する光を放出する光源との間に結合される増幅器；及び
前記第２周波数変調器と前記発振ローカル光を放出する前記光源との間に結合され、前記第２周波数変調器により出力される信号に応答するように構成されるローカル発振器；
を更に有する、請求項９に記載のＬＡＤＡＲシステム。
【請求項１１】
レーザー検出レンジング（ＬＡＤＡＲ）方法であって：
ディテクタ・エレメントの２次元的なアレイにおいて、ターゲットから反射された光を受信するステップであって、前記アレイ内の各ディテクタ・エレメントは、
ターゲットから反射された前記リターン光とローカル光源からの発振ローカル光とを受信するように構成される感光領域と、
個々の感光領域の出力に結合されるローカル処理回路であって、前記出力におけるアナログ信号を受信し、各々のサンプル周期クロック・サイクルの間に前記アナログ信号を複数回サンプリングし、各々のサンプル周期クロック・サイクルの間に１サンプルにつき複数の成分を取得するように構成されるローカル処理回路とを有する、ステップ；
前記各ディテクタ・エレメントの１つ以上の出力に結合されるデータ・バスにおいて、各々のサンプル周期クロック・サイクルの間に前記各ディテクタ・エレメントから前記複数のサンプル成分を受信するステップ；
各々のサンプル周期クロック・サイクルについて、前記各々のディテクタ・エレメントからの前記複数のサンプル成分を、前記データ・バスに結合されるプロセッサへ送信するステップ；及び
前記複数のサンプル成分を利用して、前記リターン光と前記発振ローカル光との間の干渉に対応する干渉周波数に関する振幅及び位相を、前記プロセッサにより決定するステップ；
を有するＬＡＤＡＲ方法。
【請求項１２】
前記ディテクタ・エレメントの２次元的なアレイは、ラージ・フォーマット・アレイを含む、請求項１１に記載のＬＡＤＡＲ方法。
【請求項１３】
前記複数のサンプル成分は直交成分であり、当該方法は、前記リターン光と前記発振ローカル光との間の干渉に対応する複数の干渉周波数各々に関する振幅及び位相を決定するために、前記直交成分を使用するステップを含む、請求項１１に記載のＬＡＤＡＲ方法。
【請求項１４】
前記アレイ内の各ディテクタ・エレメントは、前記データ・バスに対するサンプル成分信号ライン接続を含む、請求項１１に記載のＬＡＤＡＲ方法。
【請求項１５】
前記アレイ内の各ディテクタ・エレメントは、前記データ・バスからクロック信号を受信するように構成される、請求項１１に記載のＬＡＤＡＲ方法。
【請求項１６】
前記データ・バスにおいて、前記プロセッサに送信するために、各サンプル周期クロック・サイクルについて、各々のディテクタ・エレメントからの前記複数のサンプル成分をシリアル化するステップを有する、請求項１１に記載のＬＡＤＡＲ方法。
【請求項１７】
前記ディテクタ・エレメントの２次元的なアレイ及び前記データ・バスは、読み出し集積回路（ＲＯＩＣ）内に含まれる、請求項１１に記載のＬＡＤＡＲ方法。
【請求項１８】
前記ターゲットを照明する光と前記発振ローカル光との双方をレーザー源から放出するステップ；及び
前記ターゲットと前記ディテクタ・エレメントの２次元的なアレイとの間にイメージング・テレスコープを配置し、前記ターゲットから反射される前記リターン光を、前記ディテクタ・エレメントの２次元的なアレイにフォーカスさせるステップ；
を有する、請求項１１に記載のＬＡＤＡＲ方法。
【請求項１９】
マスター発振器に結合される第１周波数変調器を利用して、前記ターゲットを照明する放出光に対応する信号を生成するために使用される前記マスター発振器により出力される信号の周波数を変調するステップ；及び
前記マスター発振器に結合される第２周波数変調器を利用して、放出される前記発振ローカル光に対応する信号を生成するために使用される前記マスター発振器により出力される信号の周波数を変調するステップ；
を有する、請求項１８に記載のＬＡＤＡＲ方法。
【請求項２０】
前記ターゲットを照明する光を放出する光源を駆動するために、第１周波数変調器の出力を増幅するステップ；及び
前記発振ローカル光を放出する前記光源を駆動するローカル発振器において、前記第２周波数変調器の出力を受信するステップであって、前記ローカル発振器は前記第２周波数変調器により出力される信号に応答するように構成されている、ステップ；
を有する、請求項１９に記載のＬＡＤＡＲ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般にレーザー検出及びレンジングに関連し、特に周波数変調レーザー検出及びレンジングに関連する。
【背景技術】
【０００２】
周波数変調レーザー検出及びレンジング用に最大フォーマットのディテクタ・アレイを得るための現在のアプローチは、高帯域幅ディテクタによるアレイのピクセルに関連する増幅器、アナログ・ディジタル変換器及びメモリの個数、サイズ及び/又は複雑さを増加させることを含む。高いディジタル処理速度及びその結果の大量のデータ(リターン信号の振幅及び位相を算出するためにプロセッサに送られなければならないデータ)は、アレイ・サイズを制限し、事実上、リアルタイム動作を排除している。
【０００３】
従って、コヒーレント・レーザー検出及びレンジングに使用されるデータについての改善された捕捉及び処理を求めるニーズが当該技術分野に存在する。
【発明の概要】
【０００４】
周波数変調(コヒーレント)レーザー検出レンジング・システムは、ディテクタ・エレメントの2次元的なアレイにより形成される読み出し集積回路であって、各エレメントは、ターゲットから反射されたリターン光とローカル発振器からの光との双方を受信する感光領域と、各々のサンプル期間のクロック・サイクルの間に感光領域の出力を4回サンプリングして直交成分を取得するローカル処理回路とを有する。  各ディテクタ・エレメントの1つ以上の出力に結合されるデータ・バスは、各々のサンプル期間の間に各々のディテクタ・エレメントから直交成分を受信し、受信した直交成分をシリアル化する。データ・バスに結合されるプロセッサは、シリアル化された直交成分を受信し、直交成分を利用して、リターン光とローカル発振器光との間の干渉に対応する少なくとも1つの干渉周波数についての振幅及び位相を判定する。
【０００５】
具体的な利点が上記に列挙されているが、様々な実施形態は、列挙された利点の全部又は一部を含んでもよいし、全く含まなくても良い。更に、他の技術的な利点は、以下の記述及び図面を検討した当業者にとって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
本開示及びその利点を更に十分に理解するために、添付図面に関連する以下の記述が参照され、図中、同様な参照番号は同様なパーツを示す。
【０００７】
【図１Ａ】長距離3Dイメージングのために一般的に使用されるパルス「LADAR」システムを図式的に示す図。
【図１Ｂ】短距離アプリケーションに一般的に使用される「AM  LADAR」システムを図式的に示す図。
【図１Ｃ】コヒーレント・レーザー源の周波数変調に基づく「FM  LADAR」レーダー・システムを図式的に示す図。
【０００８】
【図２】ディテクタ・アレイにおいてGmAPD受信機を使用する「FM  LADAR」システムを利用することに関連するデータ処理を示す図。
【図２Ａ】ディテクタ・アレイにおいてGmAPD受信機を使用するFMレーダー・システムを利用することに関連するデータ処理を示す図。
【０００９】
【図３】本開示の実施形態による「FM  LADAR」システムの同期コヒーレント光検出を示すブロック図。
【００１０】
【図４】本開示の実施形態によりリアルタイム干渉法に「FM  LADAR」の同期コヒーレント光検出を利用する例を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に例示的な実施形態が図面及び記述により示されているが、本開示の原理は、現在知られているか否かによらず任意の様々な技術を利用して実現されてよい、ということが先ず理解されるべきである。本開示は以下の記述及び図面に示される例示的な実現手段や技術に決して限定されるべきではない。更に、具体的に言及されない限り、図面に示されるものは必ずしも寸法を描いているわけではない。
【００１２】
レーザー検出レンジング(Laser  detection  and  ranging：LADAR)システムは、レーダー・システム(radar  systems)の光学的な類似物であり、ターゲットがレーザー源(又はソース)からの光で照射され、反射光が光検出器で検出される。光検出器から生じる結果的な信号は、レンジ(或いは範囲)又は速度のようなターゲットに関する情報を判定するように処理される。
【００１３】
LADARアプリケーションはコンポーネント技術によって或る程度は駆動される。レーザー源は、一般にコンパクトで高効率で低コストであるが低出力であるダイオード・レーザーと、約1.5ミクロン(μm)より長い波長で動作してロング・レンジの自由空間LADARを可能にするアイ・セーフ・レーザー(eye-safe  lasers)との双方を含む。ディテクタは、ビーム・スキャニングに対する条件を減らすためにしばしばアレイ・ディテクタになっている。LADARデータの処理は重い演算負担になり得るので、プロセッサは一般的には高速で動作しなければならず、LADARイメージングではしばしばリアルタイムで動作しなければならない。
【００１４】
コヒーレント・ディテクタの二次元アレイは、多くの高性能コヒーレント・レーザー検出レンジング(LADAR)システムに必要とされる。従来のアプローチは、増幅器、アナログ・ディジタル(A/D)コンバータ及びメモリをそれぞれが有する個々の高帯域幅ディテクタのアレイを利用する。結果の大量のデータは、リターン信号の振幅及び位相を算出するためにプロセッサに送られる。高いディジタル演算速度及び大量に生じるデータは、アレイのサイズを、(数十個のピクセルのようなオーダーで)少数のピクセルに限定してしまう。また、一般的には、データを処理するために長い時間インターバルが存在し、そのため、リアルタイム動作を達成することはできない。
【００１５】
LADARシステムは一般に3つのメイン・カテゴリにグループ分けされる：(i)  パルスLADAR：照明レーザーがパルス化され、ディテクタはタイムオブフライト(ToF)を記録する；(ii)振幅変調(AM)LADAR：照明ビームの振幅が正弦波状に変調され、ディテクタはリターン振幅変調(信号)の位相を記録する；及び(iii)周波数変調(FM)LADAR：レーザー照明の周波数及び/又は位相が変調され、ディテクタはリターン信号の相対的な光位相を記録する。(更に、ある種のLADARシステムは、本開示では考察されない視差の影響(the  parallax  effect)を利用する)。3つ全てのカテゴリのLADARシステムは、様々なアプリケーション依存環境で使用され、典型的には、ロング・レンジ・マッピングにはパルスLADAR、ショート・レンジ三次元(3D)イメージングにはAM変調LADAR、そして、干渉法、周波数ドメイン光コヒーレント・トモグラフィ及び同期アパーチャ・イメージングにはFM変調LADARを使用する。
【００１６】
図1Aは、典型的にはロング・レンジ3Dイメージングに使用されるパルスLADARシステム100の動作を概略的に示す。レーザー源101は遠方のターゲット103を照明するパルス光102を放出する。レーザー101は、理想的には、1ナノ秒(ns)のオーダーの持続時間でパルスを放出する眼に安全な強いパルス反復周波数(PRF)であり、高パルス・エネルギー・デバイスは、システム100によりロング・レンジで大きな視野の動作を可能にする。ターゲット103で反射し、イメージング・テレスコープ105に至る光102のリターン部分104は、イメージング・テレスコープ105により、M×N個のピクセルを含む2次元(2D)ディテクタ・アレイ106にフォーカスされる。ディテクタ・アレイ106は、ピクセル毎にリターン時間(タイムオブフライト)を、ディテクタ・アレイ106の出力とともに記録し、その出力は、様々なピクセルにおけるリターン信号の相対的なタイミングを決定して3D画像を生成するように高いデータ・レート及びスループット・レートを処理することが可能なプロセッサ(図1Aでは別々には示されていない)により処理される。十分なタイミング分解能でディテクタ・アレイを実現することは、この種のシステムにとって容易でない設計課題である。ディテクタ・アレイ106は、好ましくは、高速検出及びローカル処理(の機能)を組み込むディテクタ・ピクセルを有し、繊細なタイミング分解能検出を達成し、ディテクタ・アレイからプロセッサへ送信されるデータ量を減らすべきである。ある種のイメージング・ディテクタ・アレイは、アナログ・ディジタル(A/D)コンバータにより光強度をシリアルな(ラスター・スキャンされた)アナログ・信号に変換し、(例えば、フレーム・グラバ(a  frame-grabber)のような)メモリが、データをプロセッサに転送する前にデータを取得するために使用される。2Dディテクタは、一般に、各々のピクセル及び関連するディテクタ読み出し回路にディジタル処理を組み込み、そのような組み込みは、最近の繊細な集積回路製造プロセスにより可能にされ、ディジタル読み出し集積回路(a  digital  readout  integrated  circuit：ROIC)を形成する。ディジタルROIC技術の応用は、データ品質を改善する或いはデータ量を削減することに特に有用である。高性能赤外線(IR)ディテクタは、ダイナミック・レンジを向上させるために、ピクセルにA/D変換を組み込んだディジタルROICを利用する。LADARシステムは、リターン信号の繊細な分解能のタイミングのためにディジタルROICsを利用して、時間信号の全体をディジタル化するのではなくピーク・リターンの時間的な位置を判定する。
【００１７】
パルスLADARシステムの別の形態は、ロング・レンジの動作のために、アバランシェ・フォト・ダイオード(avalanche  photo  diodes：APDs)のような高感度ディテクタ・エレメントが必要とされる。そのシステムでは、光の光子の性質が考慮されなければならず、それにより、APDsは、高利得ガイガーモード(high-gain,  Geiger-mode：GmAPDs)で動作するように調整される。GmAPDからのアナログ信号は：リターン信号によるフォト・イベント(photo-events)(ショット・ノイズ)；ダーク・ノイズによる自然フォト・イベント(ダーク・カウント)；背景光によるフォト・イベント(バックグランド・カウント)；及び他のイベントにより引き起こされるフォト・イベント(ゴースト)のうちの1つ以上に起因する一連の時間パルスである。GmAPDsのアレイ内のピクセル内クロス・トークも存在し得る。それにもかかわらず、ディジタルROICを有するGmAPDsのアレイは、その性質上パルスLADARに非常に相応しく、なぜなら、GmAPDアレイは、時間強度信号のディジタル化ではなく、まばらなフォト・イベントに対応する時間サンプルのみを記録し、高PRFレーザーが、ノイズの影響を減らすように複数パルスにわたる平均化を許容するからである。フォトン限定形態では、典型的には感光ディテクタが、フォト・イベントの到来時間を記録するROICを有するGmAPDアレイである。
【００１８】
図1Bは、一般的にはショート・レンジ用途に使用される「AM  LADAR」システムの動作を図式的に示している。この実現手段におけるレーザー源111は、AM変調された光112を提供する。イメージング・テレスコープ115によりフォーカスされるリターン信号114のディテクタ・アレイ116における相対位相は、ターゲット113の相対的な3Dレンジを提供する。光112の典型的な変調周波数は、10メガヘルツ(MHz)のオーダーにおけるものである(例えば30MHzであり、その場合、5メートルの不確定間隔を招く)。「AM  LADAR」システムは、しばしばスキャニング・システムとして構成されるが、より最近の実装はディテクタ・アレイを利用する。ディテクタ・アレイの場合、全てのピクセルは、そのピクセルで受信される光に基づいてオブジェクト(対象又は客体)までの距離を独立に決定することが可能であるべきであり、事実上、単独の集積回路における大量の並列レーザー照射検出レンジング(a  massively  parallel  laser  illuminated  detection  and  ranging：LIDAR)として動作する。各々のピクセルは、ディテクタ・アレイの表面欠陥に事実上影響を受けないように、収集される光子の到着時間の正確な測定を許容すべきであり、そうでなければタイムオブフライト・レンジングを妨げるように影響を及ぼしかねない。ディテクタ・アレイ内のシングル・フォトン・アバランシェ・ダイオード(SPAD)に基づくGmAPDピクセルは、そのような測定を行うことができる。SPADデバイスは、4状態の中で循環される高速クロックを利用して、到来する正弦波状の変調光強度を一連のフォト・イベントとして検出する(直交検出(quadrature  detection))。これらの個々のクロック状態の間に生じるフォト・イベントは、検出プロセスで使用するために蓄積され、検出プロセスは、4つのクロック状態に対応する蓄積されたフォト・イベントに基づいて、リターン信号の位相を判定するために同期クロックを利用する。ゲーム及びマシン・ビジョン業界は、特に、洗練された「AM  LADAR」ディテクタの開発を推進しており、そのディテクタは、フォトン・カウントに基づく同期検出を行い、ピクセル・レベルで実行される変調直交値の測定を行い、及び、低コストの相補型金属酸化物半導体(CMOS)プロセスに基づく製造によるものである。
【００１９】
図1Cは、コヒーレント・レーザー源の振幅変調に基づく「FM  LADAR」システム120の動作を図式的に示す。この実現手段におけるレーザー源は、マスター発振器(MO)121aと、周波数変調器(FM)121bと、ターゲット123を照射する出力122を生成する増幅器(AMP)121cと、マスター発振器121aから信号を受信する第2周波数変調器121dとをローカル発振器(LO)121eとともに含み、ローカル発振器(LO)121eはディテクタ・アレイ126を照明する出力127を生成する。ターゲット123はコヒーレント光122により照射され、コヒーレント光は、マスター発振器121aから発せられ、周波数変調器121b及び増幅器121cを通って進行する。イメージング・テレスコープ125によりディテクタ・アレイ126上にフォーカスされるリターン光124は、ローカル発振器121eからの光127、マスター発振器121aから導出される周波数変調ビームと干渉する。リターン信号124の振幅及び位相はターゲット123に関する情報を提供する。ディテクタ・ピクセルは、正弦波状に変調された信号を検出し、すなわち、ピクセルに入射する信号は、リターン・ビーム124及びローカル発振器ビーム127のコヒーレント干渉から生じる。リターン・ビーム及び発振器ビーム間の周波数オフセットの簡易な一例では、ピクセルにより検出される結果的な信号強度は次のようになる：
【数１】
2019215363.tif 000003
ここで、I(t)はディテクタ・アレイ中のピクセルにより受信される信号の強度であり、Isはリターン信号124の強度であり、ILOはローカル発振器光127の強度であり、fは干渉周波数であり、φは干渉周波数fにおけるリターン光及びローカル発振器光127の間の位相シフトである。FM検波の特徴は、変調された信号の強度が√Is√ILOに比例することであり、それにより、信号はローカル発振器パワーによりブーストされる。ロング・レンジ検出に有用であることに加えて、FMシステムは干渉計にも使用される。
【００２０】
図2及び図2Aは、ディテクタ・アレイのGmAPD受信機を利用する「FM  LADAR」システムを利用することに関連するデータ処理200を示す。干渉するリターン及びローカル発振器光信号202から導出される強度信号201は、フォト・イベント203に対応する。フォト・イベント・シーケンス204の処理はターゲット情報をもたらし、ターゲット情報は図示されているような値205を含む。GmAPDディテクタの飽和を回避するために、ローカル発振器レベルが削減される。検出される信号強度は、つぎのようになる：
【数２】
2019215363.tif 000004
ここで、Nsは信号フォト・イベントの数であり、NLOはローカル発振器フォト・イベントの数であり、NDCRはダーク・カウントの数であり、ηHETはヘテロダイン検出効率である。GmAPDディテクタ・アレイにより「FM  LADAR」を実現する典型的なアプローチは、図2に示されるフォト・イベントの時間シーケンスを記録し、そして、f及びφを決定するために、図2Aに示されるようなイベントの周波数スペクトル・マッピングをもたらすフーリエ変換を演算するように、記録されたイベントを処理する。
【００２１】
図3は本開示の実施形態による「FM  LADAR」のための同期コヒーレント光検出を示すブロック図である。光ディテクタ300は図1Cに示されるシステムのディテクタ・アレイ126として使用される。光ディテクタ300は、M×N型のピクセルの2次元アレイにより形成される。光ディテクタ300は、それぞれの方向に10個のオーダーより多いピクセルを有するラージ・フォーマット・アレイ(a  large  format  array)であり、好ましくは、それぞれの方向に100個のオーダー以上のピクセルを有する(例えば、512×512又はそれより大きなアレイである)。光ディテクタ300の中の各ピクセルは、図1C及び2に関連して上述したようなコヒーレントに干渉するローカル発振器光及びリターン光を含む正弦波状のリターンを受信する感光材料301を有する。各ピクセルの感光材料301は、個々のピクセルのローカル処理回路304により受信されるアナログ出力303を生成する。各々のローカル処理回路304は、ローカル・クロック信号305を受信し、1つのサンプル期間中の(複数の)インターバルでアナログ出力303のサンプリングを表す4つの直交値信号(four  quadrature  value  signals)306を出力する。ローカル・クロック信号305はデータ・バス307から受信され、直交値信号306はデータ・バス307へ提供され、データ・バス307は、1つ以上のタイミング/制御信号308の制御の下で動作し、かつ、プロセッサ又はコンピュータ310への信号ライン309に、直交値信号のシリアル化されたディジタル表現を出力する。プロセッサ/コンピュータ310(又はそれらの少なくとも一部分)は、同じ集積回路チップに形成されてもよいし、及び/又は、光ディテクタ300の残りの部分と同じ集積回路パッケージ内にパッケージングされてもよい。プロセッサ/コンピュータ310内では、図2及び2Aに関連して上述されるような仕方で、直交値信号の各々は個別的に処理される。ディテクタ300は、その後に、ROIC技術をコヒーレント検出に適用し、1つの干渉周波数(IF)成分についての又は選択的に少数のIF成分についての直交成分Q0,Q1,Q2,Q3を算出する。直交成分、及びすなわちIFの振幅及び位相は、センサーのフレーム・レートで算出され、大きなフォーマットの2Dディテクタで検出が実行されることを許容する。
【００２２】
上記の例示的な実施形態では直交成分が説明されているが、クロック・サンプル期間中に取得されるサンプル数は、4つより少なくても良いし(例えば、3つ)或いは多くても良いことに(例えば、5つ以上)、留意すべきである。各々のピクセル及びデータ・バス307に対するローカル処理回路304からの並列的な信号ライン306の数は、1サンプル期間中のインターバルで取得されるサンプル数に合致するのが自然であろう。
【００２３】
「FM  LADAR」の同期コヒーレント光検出の応用例は、リアルタイム干渉計、速度測定、振動センシング、2波長3Dイメージング、大気圧補償のための波面センシング等を含む。「FM  LADAR」のための同期コヒーレント光検出は、3Dイメージングを、AMシステムよりかなり広いレンジで実行できるようにし、ゲーム産業及び仮想現実システムに適用することが可能である。
【００２４】
図4は本開示の実施形態によりリアルタイム干渉法のために「FM  LADAR」の同期コヒーレント光検出を利用する例を示す。リアルタイム干渉の場合、コヒーレント同期検出からの位相データは、インターフェログラム(an  interferogram)と等価であり、直交検出は、位相シフト干渉法と等価である。リアルタイム干渉システム400において、FMレーザー源401は、ビーム・スプリッタ403により分割される照明光402を放出し、それにより、一部分が周波数変調器404により受信され、周波数変調器404は放出された光402に基づいて周波数変調された照明光405を生成する。放出された光402のうちの残りはレンズ406を通過して半透鏡407に至り、半透鏡407は光の一部をテスト表面408に反射する。テスト表面408で反射した光の部分は、ミラー407及びレンズ409を通過して、図3に示されるように構成される光ディテクタ410に当たる。参照光405は、レンズ411を通過し、半透鏡407で反射し、レンズ409を通って光ディテクタ410に当たる。この実施形態では、テスト表面408で反射してミラー407を通過して光ディテクタ410に到達する光は、図1Cのターゲット123で反射されるリターン光124に対応する一方、ミラー407で反射して光ディテクタ410に到達する参照光405はローカル発振器光127に対応する。この応用例において、光ディテクタ410の高フレーム・レート能力は、コンポーネントの分析を動的な条件で許容する。異なる時間におけるインターフェログラム同士の間の位相差は、変位の判定を許容し、すなわち速度測定を許容し(単位時間当たりの変位は速度だからである)、速度周期性(velocity  periodicity)の測定は振動の判定を許容する。2波長による位相測定の間の差分(連続的に記録されてもよいし、或いは、高性能な同期ディテクタの場合には2つの干渉周波数で記録されてもよい)は、3Dイメージングを提供する。
【００２５】
乱流補償(turbulence  compensation)の場合、コヒーレント同期検出は、服す祖数値画像のリアルタイム記録を許容し、シャープネス・アルゴリズムを利用して、大気圧位相誤差を判定し、乱流補正された画像を生成する、或いは、高エネルギ・レーザーを事前に補償することに適用される補正の仕方を決定してもよい。乱流補正についての更なる詳細については、非特許文献1に記載されている。
【００２６】
ディジタル・ホログラフィの場合、従来のディテクタ・アレイは、ゼロ干渉周波数によるロング・パルス照明を利用している。記録される静的な縞模様(fringe)パターンは、空間キャリア周波数で記録されるコヒーレント情報を表現する。同期コヒーレント検出は、Q=2ではなくQ=1で動作することが可能である。
【００２７】
開示の範囲から逸脱することなく、本願で説明されたシステム、装置及び方法に対して、修正、追加又は省略が為されてよい。例えば、システム及び装置のコンポーネントは、一体化されても良いし或いは個別化されてもよい。更に、本願で開示されるシステム及び装置の動作は、より多数の、より少数の又は他のコンポーネントにより実行されてもよく、説明された方法はより多数の、より少数の又は他のステップを含んでよい。更に、それらのステップは適切な任意の順序で実行されてよい。本願で使用されるように、「各々」は集合のメンバそれぞれ又は集合の部分集合に属する個々のメンバそれぞれを指す。
【００２８】
本願に関連して発行される何らかの特許の何らかの読者(添付の特許請求の範囲を解釈しようとする者)及び特許庁を支援するため、出願人は、「〜のための手段」又は「〜のためのステップ」のような言葉が特定の請求項で明示的に使用されない限り、添付の特許請求の範囲又は請求項の要素の何れについても、35U.S.C.§112(f)に関連するようには意図していない。
【００２９】
（付記１）
レーザー検出レンジング(LADAR)システムであって：
ディテクタ・エレメントの2次元的なアレイであって、
前記アレイ内の各ディテクタ・エレメントは、
ターゲットから反射された光とローカル発振器からの光とを受信するように構成される感光領域と、
個々の感光領域の出力に結合され、前記出力におけるアナログ信号を受信し、各々のサンプル期間のクロック・サイクルの間に前記アナログ信号を複数回サンプリングし、各々のサンプル期間のクロック・サイクルの間にサンプル成分を取得するように構成される、ローカル処理回路とを有する、2次元的なアレイ；
各々のディテクタ・エレメントのうちの1つ以上の出力に結合され、各々のサンプル期間の間に各々のディテクタ・エレメントから前記サンプル成分を受信するように構成されるデータ・バス；及び
前記データ・バスに結合され、各々のサンプル期間のクロック・サイクルについて、前記各々のディテクタ・エレメントからの前記サンプル成分を、前記データ・バスから受信し、前記サンプル成分を利用して、リターン光とローカル発振器光との間の干渉に対応する干渉周波数についての振幅及び位相を判定するように構成されるプロセッサ；
を有するLADARシステム。
（付記２）
前記ディテクタ・エレメントの2次元的なアレイは、ラージ・フォーマット・アレイを含む、付記1に記載のLADARシステム。
（付記３）
前記サンプル成分は直交成分であり、前記直交成分は、前記リターン光と前記ローカル発振器光との間の干渉に対応する複数の干渉周波数各々の振幅及び位相を判定するために使用される、付記1に記載のLADARシステム。
（付記４）
前記アレイ内の各ディテクタ・エレメントは、前記データ・バスに対するサンプル成分信号ライン接続を含む、付記1に記載のLADARシステム。
（付記５）
前記アレイ内の各ディテクタ・エレメントは、前記データ・バスからクロック信号を受信するように構成される、付記1に記載のLADARシステム。
（付記６）
前記データ・バスは、前記プロセッサに送信するために、各サンプル期間について、各々のディテクタ・エレメントからの前記サンプル成分をシリアル化するように構成される、付記1に記載のLADARシステム。
（付記７）
前記ディテクタ・エレメントの2次元的なアレイ及び前記データ・バスは、読み出し集積回路(ROIC)内に含まれる、付記1に記載のLADARシステム。
（付記８）
前記ターゲットを照明する光と前記ローカル発振器光との双方を放出するように構成されるレーザー源；及び
前記ターゲットと前記ディテクタ・エレメントの2次元的なアレイとの間に配置され、前記ターゲットから反射されるリターン光を、前記ディテクタ・エレメントの2次元的なアレイにフォーカスするように構成されるイメージング・テレスコープ；
を有する、付記1に記載のLADARシステム。
（付記９）
前記レーザー源が：
マスター発振器；
前記マスター発振器に結合され、前記ターゲットを照明する放出光に対応する信号を生成するために使用される前記マスター発振器により出力される信号の周波数を変調するように構成される第1周波数変調器；及び
前記マスター発振器に結合され、放出される前記ローカル発振器光に対応する信号を生成するために使用される前記マスター発振器により出力される信号の周波数を変調するように構成される第2周波数変調器；
を有する、付記8に記載のLADARシステム。
（付記１０）
前記レーザー源が：
前記第1周波数変調器と前記ターゲットを照明する光を放出する光源との間に結合される増幅器；及び
前記第2周波数変調器と前記ローカル発振器光を放出する光源との間に結合され、前記第2周波数変調器により出力される信号に応答するように構成されるローカル発振器；
を有する、付記9に記載のLADARシステム。
（付記１１）
レーザー検出レンジング(LADAR)方法であって：
ディテクタ・エレメントの2次元的なアレイにおいて、ターゲットから反射された光を受信するステップであって、
前記アレイ内の各ディテクタ・エレメントは、
ターゲットから反射されたリターン光とローカル発振器からの光とを受信するように構成される感光領域と、
個々の感光領域の出力に結合され、前記出力におけるアナログ信号を受信し、各々のサンプル期間のクロック・サイクルの間に前記アナログ信号を複数回サンプリングし、各々のサンプル期間のクロック・サイクルの間にサンプル成分を取得するように構成されるローカル処理回路とを有する、ステップ；
各々のディテクタ・エレメントのうちの1つ以上の出力に結合されるデータ・バスにおいて、各々のサンプル期間の間に各々のディテクタ・エレメントから前記サンプル成分を受信するステップ；
前記データ・バスに結合されるプロセッサへ、各々のサンプル期間のクロック・サイクルについて、前記各々のディテクタ・エレメントからの前記サンプル成分を送信するステップ；及び
前記サンプル成分を利用して、リターン光とローカル発振器光との間の干渉に対応する干渉周波数についての振幅及び位相を、前記プロセッサにより判定するステップ；
を有するLADAR方法。
（付記１２）
前記ディテクタ・エレメントの2次元的なアレイは、ラージ・フォーマット・アレイを含む、付記11に記載のLADAR方法。
（付記１３）
前記サンプル成分は直交成分であり、当該方法は、前記リターン光と前記ローカル発振器光との間の干渉に対応する複数の干渉周波数各々の振幅及び位相を判定するために、前記直交成分を使用するステップを含む、付記11に記載のLADAR方法。
（付記１４）
前記アレイ内の各ディテクタ・エレメントは、前記データ・バスに対するサンプル成分信号ライン接続を含む、付記11に記載のLADAR方法。
（付記１５）
前記アレイ内の各ディテクタ・エレメントは、前記データ・バスからクロック信号を受信するように構成される、付記11に記載のLADAR方法。
（付記１６）
前記データ・バスにおいて、前記プロセッサに送信するために、各サンプル期間について、各々のディテクタ・エレメントからの前記サンプル成分をシリアル化するステップを有する、付記11に記載のLADAR方法。
（付記１７）
前記ディテクタ・エレメントの2次元的なアレイ及び前記データ・バスは、読み出し集積回路(ROIC)内に含まれる、付記11に記載のLADAR方法。
（付記１８）
前記ターゲットを照明する光と前記ローカル発振器光との双方をレーザー源から放出するステップ；及び
前記ターゲットと前記ディテクタ・エレメントの2次元的なアレイとの間にイメージング・テレスコープを配置し、前記ターゲットから反射されるリターン光を、前記ディテクタ・エレメントの2次元的なアレイにフォーカスするステップ；
を有する、付記11に記載のLADAR方法。
（付記１９）
マスター発振器に結合される第1周波数変調器を利用して、前記ターゲットを照明する放出光に対応する信号を生成するために使用される前記マスター発振器により出力される信号の周波数を変調するステップ；及び
前記マスター発振器に結合される第2周波数変調器を利用して、放出される前記ローカル発振器光に対応する信号を生成するために使用される前記マスター発振器により出力される信号の周波数を変調するステップ；
を有する、付記18に記載のLADAR方法。
（付記２０）
前記ターゲットを照明する光を放出する光源を駆動するために、第1周波数変調器の出力を増幅するステップ；及び
前記ローカル発振器光を放出する光源を駆動するローカル発振器において、前記第2周波数変調器の出力を受信するステップであって、前記ローカル発振器は前記第2周波数変調器により出力される信号に応答するように構成されている、ステップ；
を有する、付記19に記載のLADAR方法。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００３０】
【非特許文献１】J.C.  Marron,  et  at.,  “Atmospheric  turbulence  correction  using  digital  holographic  detection:  experimental  results,”  Optics  Express,  17,  11638-11651  (2009)
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図３】
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【図４】
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