(57)【要約】  光測距システムであって、シャフトと、第１の回路基板アセンブリの表面上のシャフト周りに配置された複数のステータ要素を備えるステータアセンブリを含む第１の回路基板アセンブリと、シャフトに回転可能に結合された第２の回路基板アセンブリであって、第２の回路基板アセンブリが、第２の回路基板アセンブリの表面上のシャフト周りに配置された複数のロータ要素を備えるロータアセンブリを含み、これにより複数のロータ要素が複数のステータ要素と位置整合して離間する、第２の回路基板アセンブリと、第２の回路基板アセンブリまたは第１の回路基板アセンブリのいずれかの上に配設され、かつ複数のステータ要素に駆動信号を提供するように構成されており、それにより複数のロータ要素に電磁力を与えてシャフトの周りの第２の回路基板アセンブリの回転を駆動する、ステータドライバ回路と、光測距デバイスであって、光測距デバイスが第２の回路基板アセンブリと共に回転するように、第２の回路基板アセンブリに機械的に結合された、光測距デバイスと、を含む。
2021505889.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光測距システムであって、
シャフトと、
第１の回路基板アセンブリであって、前記第１の回路基板アセンブリの表面上の前記シャフト周りに配置された複数のステータ要素を有するステータアセンブリを含む、第１の回路基板アセンブリと、
前記シャフトに回転可能に結合された第２の回路基板アセンブリであって、当該第２の回路基板アセンブリの表面上の前記シャフト周りに配置された複数のロータ要素を有するロータアセンブリを含み、前記複数のロータ要素は前記複数のステータ要素と位置整合されて離間する、第２の回路基板アセンブリと、
前記第２の回路基板アセンブリと共に回転するように結合された光測距デバイスであって、周囲環境内の物体に光パルスを送信するように構成された光源と、前記周囲環境内の前記物体から反射された前記光パルスの反射部分を検出して前記光パルスの前記反射部分に基づいて測距データを計算するように構成された検出器回路と、を含む、光測距デバイスと、
前記第２の回路基板アセンブリまたは前記第１の回路基板アセンブリのいずれかの上に配設され、前記複数のステータ要素に駆動信号を提供するように構成されており、それにより前記複数のロータ要素に電磁力を与えて前記シャフト周りの前記第２の回路基板アセンブリの回転を駆動する、ステータドライバ回路と、
を備えたことを特徴とする光測距システム。
【請求項２】
前記複数のロータ要素及び前記複数のステータ要素は、前記シャフト周りに対称に配置されている
ことを特徴とする請求項１に記載の光測距システム。
【請求項３】
前記第２の回路基板アセンブリは、前記第２の回路基板アセンブリの回路基板上に配設され、かつ、前記シャフト周りに対称に配置された、複数の光アップリンクレシーバを更に含む
ことを特徴とする請求項１に記載の光測距システム。
【請求項４】
前記複数のロータ要素は、前記複数の光アップリンクレシーバよりも前記シャフトから遠い
ことを特徴とする請求項３に記載の光測距システム。
【請求項５】
前記第１の回路基板アセンブリは、前記第１の回路基板アセンブリの回路基板上に配設され、かつ、前記シャフト周りに対称に配置された、複数の光アップリンクトランスミッタを更に含む
ことを特徴とする請求項１に記載の光測距システム。
【請求項６】
前記シャフトと前記複数のステータ要素の各々との間の距離が、前記シャフトと前記複数の光アップリンクトランスミッタの各々との間の距離よりも大きい
ことを特徴とする請求項５に記載の光測距システム。
【請求項７】
前記複数のステータ要素が、複数のソレノイドコイルを含み、
前記複数のソレノイドコイルの各々が、前記シャフトを中心としたリング内に配置されている
ことを特徴とする請求項１に記載の光測距システム。
【請求項８】
前記複数のステータ要素の各々が、前記第１の回路基板アセンブリに対して垂直な長手方向軸を有し、磁性材料のコア周りに巻かれたソレノイドコイルを有し、
前記複数のロータ要素における各ロータ要素が、磁石を有し、当該磁石の磁極が、当該ロータ要素に隣接する磁石の磁極と反対に配置されている
ことを特徴とする請求項７に記載の光測距システム。
【請求項９】
前記複数のステータ要素におけるステータ要素の数が、３の倍数であり、
前記光測距システムは、前記複数のステータ要素に結合され、かつ、前記複数のステータ要素に三相交流信号を提供するように構成された、モータドライバ回路を更に有する
ことを特徴とする請求項８に記載の光測距システム。
【請求項１０】
前記複数のロータ要素は、複数の永久磁石を含む
ことを特徴とする請求項８に記載の光測距システム。
【請求項１１】
前記複数のステータ要素は、前記シャフトを中心としたリング内に配置された複数の永久磁石を含み、
前記複数のロータ要素は、前記複数の永久磁石に正対する、前記シャフトを中心としたリング内に配置された複数のソレノイドコイルを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の光測距システム。
【請求項１２】
前記複数のステータ要素は、少なくとも１２個のステータ要素を含む
ことを特徴とする請求項１１に記載の光測距システム。
【請求項１３】
前記第２の回路基板アセンブリは、前記光測距デバイスから前記シャフト内の中心穴を通して測距データを送信するように構成された光ダウンリンクトランスミッタを更に含み、
前記第１の回路基板アセンブリは、前記シャフト内の前記中心穴を介して前記光ダウンリンクトランスミッタから測距データを受信するように構成された光ダウンリンクレシーバを更に含む
ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の光測距システム。
【請求項１４】
前記第１の回路基板アセンブリは、前記第２の回路基板アセンブリに電気的に接続された前記光測距デバイスに電力を送信するように構成された無線電力送信サブシステムを有し、
前記無線電力送信サブシステムは、前記第１の回路基板アセンブリ上に配設されかつ前記シャフト周りに配設されたトランスミッタコイルを有し、
前記第２の回路基板アセンブリは、前記無線電力送信サブシステムから電力を受信するように構成された無線電力レシーバサブシステムを有し、
前記無線電力レシーバサブシステムは、前記第２の回路基板アセンブリ上に配設されかつ前記シャフト周りに配設されたレシーバコイルを有する
ことを特徴とする請求項１に記載の光測距システム。
【請求項１５】
光測距システムであって、
光学的に透明な窓及びベースを有する固定筐体と、
前記筐体内に配設された中空シャフトと、
前記中空シャフトに結合されたベアリングシステムと、
前記筐体内に配設され、前記中空シャフトに対して垂直な第１の平面に対して平行な、第１の回路基板アセンブリであって、当該第１の回路基板アセンブリの表面上の前記シャフト周りに環状に配置された複数の等間隔をなすステータ要素を有するステータアセンブリを含む、第１の回路基板アセンブリと、
前記筐体内に前記第１の平面に対して平行に配設され、かつ、前記ベアリングシステムによって前記シャフトに回転可能に結合された、第２の回路基板アセンブリであって、当該第２の回路基板アセンブリの表面上の前記シャフト周りに環状に配置された複数の等間隔をなすロータ要素を有するロータアセンブリを含み、前記複数のロータ要素は前記複数のステータ要素と位置整合されて離間する、第２の回路基板アセンブリと、
前記固定筐体内の前記第２の回路基板アセンブリと共に回転するように結合された光測距デバイスであって、前記窓を通して周囲環境内の物体に光パルスを送信するように構成された光源と、前記周囲環境内の前記物体から反射されて前記窓を通して受信された前記光パルスの反射部分を検出して、前記光パルスの前記反射部分に基づいて測距データを計算するように構成された検出器回路と、を含む、光測距デバイスと、
前記第２の回路基板アセンブリまたは前記第１の回路基板アセンブリのいずれかの上に配設され、前記複数のステータ要素に駆動信号を提供するように構成されており、それにより前記複数のロータ要素に電磁力を与えて前記シャフト周りの前記第２の回路基板アセンブリ及び前記光測距デバイスの回転を駆動する、ステータドライバ回路と、
を備えたことを特徴とする光測距システム。
【請求項１６】
前記第１の回路基板アセンブリと前記第２の回路基板アセンブリとの間で前記中空シャフトを通してデータを光学的に送信するように構成された第１の光通信チャネルであって、前記第１の回路基板アセンブリ上に配設された回路に結合された第１の光学コンポーネントと、前記第２の回路基板アセンブリ内に配設された回路に結合された第２の光学コンポーネントと、を含む、第１の光通信チャネルと、
前記中空シャフトを取り囲み、前記第１の回路基板アセンブリと前記第２の回路基板アセンブリとの間でデータを光学的に送信するように構成された、第２の環状の光通信チャネルであって、前記第１の回路基板上に配設された回路に結合された第１の環状の光学コンポーネントと、前記第２の回路基板アセンブリ内に配設された回路に結合された第２の環状の光学コンポーネントと、を含む、第２の環状の光通信チャネルと、
を更に備えたことを特徴とする請求項１５に記載の光測距システム。
【請求項１７】
前記第１の光通信チャネルは、前記光測距デバイスから第１の回路基板サブアセンブリに結合されたプロセッサに測距データを送信するように構成されたダウンリンクチャネルであり、
前記第２の光通信チャネルは、前記プロセッサから前記光測距デバイスに制御信号を送信するように構成されたアップリンクチャネルである
ことを特徴とする請求項１６に記載の光測距システム。
【請求項１８】
前記第１の回路基板アセンブリに結合された熱拡散要素を更に含み、
前記光測距システムの構成要素が、前記ベアリングシステム及び前記熱拡散要素を通して、前記第２の回路基板アセンブリから前記ベースに熱を伝導するように構成されている
ことを特徴とする請求項１５に記載の光測距システム。
【請求項１９】
前記複数の等間隔をなすステータ要素の各々が、前記第１の回路基板アセンブリに対して垂直な長手方向軸を有し、磁性材料のコア周りに巻き付けられたソレノイドコイルを有し、
前記複数の等間隔をなすロータ要素における各ロータ要素が、磁石を有し、当該磁石の磁極が、当該ロータ要素に隣接する磁石の磁極と反対に配置されている
ことを特徴とする請求項１５〜１８のいずれかに記載の光測距システム。
【請求項２０】
光測距システムであって、
長手方向軸を有するシャフトと、
第１の回路基板アセンブリであって、前記第１の回路基板アセンブリの表面上の前記シャフト周りに配置された複数のステータ要素を有するステータアセンブリを含む、第１の回路基板アセンブリと、
前記シャフトに回転可能に結合され、前記第１の回路基板アセンブリと離間して対向する関係にある、第２の回路基板アセンブリであって、当該第２の回路基板アセンブリの表面上の前記シャフト周りに配置された複数のロータ要素を有するロータアセンブリを含み、前記複数のロータ要素は前記複数のステータ要素と位置整合されて離間する、第２の回路基板アセンブリと、
前記第２の回路基板アセンブリまたは前記第１の回路基板アセンブリのいずれかの上に配設され、前記複数のステータ要素に駆動信号を提供するように構成されており、それにより前記複数のロータ要素に電磁力を与えて前記シャフトの前記長手方向軸周りの前記第２の回路基板アセンブリの回転を駆動する、ステータドライバ回路と、
光測距デバイスであって、前記第２の回路基板アセンブリと共に回転するように、前記第２の回路基板アセンブリに機械的に結合された、光測距デバイスと、
を備えたことを特徴とする光測距システム。
【請求項２１】
光測距システムであって、
ハウジングと、
回転軸を画定するシャフトと、
第１の回路基板アセンブリであって、前記回転軸に対して垂直な第１の平面に沿って位置整合するように定置関係をなして前記ハウジング内に配設されかつ前記ハウジングに結合され、第１の回路基板上に配設された複数の第１の回路要素を含む、第１の回路基板アセンブリと、
第２の回路基板アセンブリであって、前記回転軸周りに回転するように、前記第１の平面に対して平行な第２の平面において前記ハウジング内で前記第１の回路基板アセンブリから離間しかつ前記シャフトに回転可能に結合されており、第２の回路基板上に配設されかつ前記複数の第１の回路要素のうちの少なくとも１つと位置整合されて無線協調して機能するように構成された複数の第２の回路要素を含む、第２の回路基板アセンブリと、
前記第２の回路基板アセンブリと電気的に接続されて共に回転するように結合された光測距デバイスであって、周囲環境内の物体に光パルスを送信し、前記周囲環境内の前記物体から反射された前記光パルスの反射部分を検出し、前記光パルスの前記反射部分に基づいて測距データを計算するように構成されている、光測距デバイスと、
を備えたことを特徴とする光測距システム。
【請求項２２】
前記無線協調は、光通信、無線電気通信、または、無線電力伝送、のうちの１つである
ことを特徴とする請求項２１に記載の光測距システム。
【請求項２３】
前記無線動作は、無線電力伝送を含み、
当該システムは、
前記第１の回路基板に取り付けられた環状の無線電力トランスミッタと、当該環状の無線電力トランスミッタと対向する箇所で前記第２の回路基板に取り付けられた環状の無線電力レシーバと、を含む無線電力システム
を更に備える
ことを特徴とする請求項２１に記載の光測距システム。
【請求項２４】
前記無線動作は、光通信を含み、
当該システムは、
前記第１の回路基板に取り付けられた第１の環状の光通信コンポーネントと、当該第１の環状の光通信コンポーネントと対向する箇所で前記第２の回路基板に取り付けられた第２の環状の光通信コンポーネントと、を含む環状の光通信チャネル
を更に備える
ことを特徴とする請求項２１に記載の光測距システム。
【請求項２５】
前記無線動作は、無線電気通信を含み、
当該システムは、
前記第１の回路基板に取り付けられた第１の環状の無線電気通信コンポーネントと、前記第１の環状の無線電気通信コンポーネントと対向する箇所で前記第２の回路基板に取り付けられた第２の環状の無線電気通信コンポーネントと、を含む環状の無線電気通信チャネル
を更に備える
ことを特徴とする請求項２１に記載の光測距システム。
【請求項２６】
前記複数の第１の回路要素は、無線電力トランスミッタコイルを有し、
前記複数の第２の回路要素は、前記無線電力トランスミッタコイルから無線で電力を受信するように動作可能に結合された無線電力レシーバコイルを含む
ことを特徴とする請求項２１に記載の光測距システム。
【請求項２７】
前記複数の第１の回路要素は、複数のアップリンクトランスミッタを有し、
前記複数の第２の回路要素は、複数の光アップリンクレシーバを有し、
前記複数のアップリンクトランスミッタ及び前記複数の光アップリンクレシーバは、協調して、光アップリンク通信チャネルを作成する
ことを特徴とする請求項２１に記載の光測距システム。
【請求項２８】
前記複数のアップリンクトランスミッタは、前記複数の光アップリンクレシーバと同心に配置されている
ことを特徴とする請求項２７に記載の光測距システム。
【請求項２９】
前記複数の第１の回路要素は、光ダウンリンクレシーバを有し、
前記複数の第２の回路要素は、前記測距データを送信するための光ダウンリンクトランスミッタを有し、
前記光ダウンリンクレシーバ及び前記光ダウンリンクトランスミッタは、協調して、光ダウンリンク通信チャネルを作成する
ことを特徴とする請求項２１に記載の光測距システム。
【請求項３０】
前記光ダウンリンクトランスミッタは、前記シャフト内の中心穴の上方に位置決めされており、
前記光ダウンリンクレシーバは、前記シャフト内の前記中心穴の下方に位置決めされており、
前記光ダウンリンクレシーバは、前記光ダウンリンクトランスミッタから前記シャフト内の前記中心穴を介して光信号を受信することができる
ことを特徴とする請求項２９に記載の光測距システム。
【請求項３１】
前記第１の回路基板または前記第２の回路基板の一方に取り付けられた環状のエンコーダストリップと、前記環状のエンコーダストリップと対向する箇所で前記第１の回路基板または前記第２の回路基板の他方に取り付けられたエンコーダリーダと、を含む環状のエンコーダ
を更に備えたことを特徴とする請求項２１〜３０のいずれかに記載の光測距システム。
【請求項３２】
光測距システムであって、
光学的に透明な窓を有する筐体と、
前記筐体を通る回転軸を画定するシャフトと、
前記筐体内に配設されて前記筐体に定置結合されており、前記回転軸に対して垂直に位置整合した、第１の回路基板アセンブリと、
前記筐体内に配設されて前記第１の回路アセンブリと離間して対向する関係にある第２の回路基板アセンブリであって、前記シャフトに回転可能に結合されている、第２の回路基板アセンブリと、
前記第２の回路基板アセンブリに定置関係をなして結合された光測距デバイスであって、前記シャフト周りに前記第２の回路基板アセンブリと共に回転するようになっている、光測距デバイスと、
前記第１の回路基板または前記第２の回路基板の一方に取り付けられた環状のエンコーダストリップと、当該環状のエンコーダストリップと面して対向する箇所で前記第１の回路基板または前記第２の回路基板の他方に取り付けられたエンコーダリーダと、を有する、環状のエンコーダと、
前記第１の回路基板に取り付けられた第１の環状の無線通信コンポーネントと、当該第１の環状の無線通信コンポーネントと面して対向する箇所で前記第２の回路基板に取り付けられた第２の環状の無線通信コンポーネントと、を有する、無線通信システムと、
前記第１の回路基板に取り付けられた環状の無線電力トランスミッタと、当該環状の無線電力トランスミッタと面して対向する箇所で前記第２の回路基板に取り付けられた環状の無線電力レシーバと、を有する、環状の無線電力伝送システムと、
を備えたことを特徴とする光測距システム。
【請求項３３】
前記環状のエンコーダ及び前記無線通信システムは、各々、当該環状の無線電力伝送システムの半径内の箇所に配設されている
ことを特徴とする請求項３２に記載の光測距システム。
【請求項３４】
前記無線通信システムは、光通信システムを有する
ことを特徴とする請求項３３に記載の光測距システム。
【請求項３５】
前記無線通信システムは、無線電気通信システムを有する
ことを特徴とする請求項３３に記載の光測距システム。
【請求項３６】
前記シャフトは、中空であり、
前記無線通信システムは、
前記光測距デバイスと前記第１の回路基板アセンブリとの間で前記中空シャフトを通してデータを光学的に送信するように構成された第１の光通信チャネルであって、前記光測距デバイスと共に回転するように結合された回路に結合された第１の光学コンポーネントと、前記第１の回路基板アセンブリ上に配設された回路に結合された第２の光学コンポーネントと、を含む、第１の光通信チャネルと、
前記中空シャフトを取り囲み、前記光測距デバイスと前記ベースサブシステムとの間でデータを送信するように構成された、第２の環状の通信チャネルであって、前記第１の環状の無線通信コンポーネントと、前記第２の環状の無線通信コンポーネントと、を含む、第２の環状の通信チャネルと、
を有する
ことを特徴とする請求項３２または３３に記載の光測距システム。
【請求項３７】
前記第２の環状の通信チャネルは、光通信チャネルであり、
前記第１の環状の無線通信コンポーネントは、第１の複数の光学コンポーネントを有し、
前記第２の環状の無線通信コンポーネントは、第２の複数の光学コンポーネントを有する
ことを特徴とする請求項３６に記載の光測距システム。
【請求項３８】
前記第１の光学コンポーネントは、環状配置で等間隔をなし複合光トランスミッタとして構成された複数の光トランスミッタを有し、
前記第２の光学コンポーネントは、環状配置で等間隔をなし前記複合光トランスミッタと位置整合されて離間した複合光レシーバとして構成された複数の光レシーバを有する
ことを特徴とする請求項３６に記載の光測距システム。
【請求項３９】
光測距システムであって、
光学的に透明な窓を有する筐体と、
前記筐体を通る回転軸を画定するシャフトと、
前記筐体内に配設されて前記筐体に定置結合されており、前記回転軸に対して垂直に位置整合した、第１の回路基板アセンブリと、
前記筐体内に配設されて前記第１の回路アセンブリと離間して対向する関係にある第２の回路基板アセンブリであって、前記シャフトに回転可能に結合されている、第２の回路基板アセンブリと、
前記シャフト周りに前記第２の回路基板アセンブリと共に回転するように前記第２の回路基板アセンブリに取り付けられた光測距デバイスであって、周囲環境内の物体に光パルスを送信し、前記周囲環境内の前記物体から反射された前記光パルスの反射部分を検出し、前記光パルスの前記反射部分に基づいて測距データを計算するように構成されている、光測距デバイスと、
前記第１の回路基板または前記第２の回路基板の一方に取り付けられた環状のエンコーダストリップと、当該環状のエンコーダストリップと面して対向する箇所で前記第１の回路基板または前記第２の回路基板の他方に取り付けられたエンコーダリーダと、を有する、環状のエンコーダと、
前記第１の回路基板に取り付けられた第１の環状の無線通信コンポーネントと、当該第１の環状の無線通信コンポーネントと面して対向する箇所で前記第２の回路基板に取り付けられた第２の環状の無線通信コンポーネントと、を有する、無線通信システムと、
前記第１の回路基板アセンブリの表面上の前記シャフト周りに配置された複数のステータ要素を有するステータアセンブリと、前記第２の回路基板アセンブリの表面上の前記シャフト周りに配置された複数のロータ要素を有するロータアセンブリと、を含み、前記複数のロータ要素は前記複数のステータ要素と面して対向する箇所に配設されるようになっている、ロータアセンブリと、を含む、電気モータと、
前記第２の回路基板アセンブリまたは前記第１の回路基板アセンブリのいずれかの上に配設され、前記複数のステータ要素に駆動信号を提供するように構成されており、それにより前記複数のロータ要素に電磁力を与えて前記シャフト周りの前記第２の回路基板アセンブリの回転を駆動するステータドライバ回路と、
前記第１の回路基板に取り付けられた環状の無線電力トランスミッタと、当該環状の無線電力トランスミッタと面して対向する箇所で前記第２の回路基板に取り付けられた環状の無線電力レシーバと、を有する、環状の無線電力伝送システムと、
を備えたことを特徴とする光測距システム。
【請求項４０】
前記環状のエンコーダ、前記電気モータ、及び前記無線通信システムは、各々、前記環状の無線電力伝送システムの半径内の箇所に配設されている
ことを特徴とする請求項３９に記載の光測距システム。
【請求項４１】
光測距システムであって、
長手方向軸を有するシャフトと、
前記シャフトの前記長手方向軸周りに回転するように構成された光測距デバイスであって、周囲環境内の物体に光パルスを送信するように構成された光源と、前記周囲環境内の前記物体から反射された前記光パルスの反射部分を検出し前記光パルスの前記反射部分に基づいて測距データを計算するように構成された検出器回路と、を含む、光測距デバイスと、
前記シャフト周りに回転しないベースサブシステムと、
前記ベースサブシステムと前記光測距デバイスとの間に光通信チャネルを提供するように構成された光通信サブシステムであって、前記検出器回路に接続された１または複数のタレット光通信コンポーネントと、前記ベースサブシステムに接続された１または複数のベース光通信コンポーネントと、を含む、光通信サブシステムと、
を備えたことを特徴とする光測距システム。
【請求項４２】
前記光通信サブシステムは、ダウンリンクチャネル及びアップリンクチャネルを有し、
前記ダウンリンクチャネルは、前記光測距デバイスから前記ベースサブシステムに測距データを光学的に送信するように構成されており、
前記アップリンクチャネルは、前記ベースサブシステムから前記光測距デバイスに制御信号を光学的に送信するように構成されている
ことを特徴とする請求項４１に記載の光測距システム。
【請求項４３】
前記シャフトは、中空であり、
前記ダウンリンクチャネルは、前記光測距デバイスに結合され前記中空シャフトを通して前記ベースサブシステムに結合された光レシーバに測距データを光学的に送信するように構成された光トランスミッタを有する
ことを特徴とする請求項４２に記載の光測距システム。
【請求項４４】
前記アップリンクチャネルは、前記ベースサブシステムに結合されかつ前記シャフトの外側に環状配置で配設された複数の光トランスミッタと、前記光測距デバイスに結合されかつ前記シャフトの外側に環状配置で配設された複数の光レシーバと、を有する
ことを特徴とする請求項４３に記載の光測距システム。
【請求項４５】
前記光通信サブシステムは、前記１または複数のタレット光通信コンポーネントの少なくとも１つの光ダウンリンクトランスミッタから、前記１または複数のベース光通信コンポーネントの少なくとも１つの光ダウンリンクレシーバに、測距データを光学的に送信するように構成されている
ことを特徴とする請求項４１に記載の光測距システム。
【請求項４６】
前記１または複数のタレット光通信コンポーネントは、前記シャフト周りに回転する前記光測距デバイスのタレット回路基板アセンブリ上に配設された光ダウンリンクトランスミッタを有し、
前記１または複数のベース光通信コンポーネントは、前記ベースサブシステムのベース回路基板アセンブリ上に配設された光ダウンリンクレシーバを有し、
前記シャフトは、中心開口部を有する中空シャフトであり、
前記光ダウンリンクトランスミッタ及び前記光ダウンリンクレシーバは、前記シャフトの前記中心開口部を通して光信号をそれぞれ送信及び受信するように位置決めされている、ことを特徴とする請求項４１に記載の光測距システム。
【請求項４７】
前記１または複数のベース光通信コンポーネントは、前記ベースサブシステムのベース回路基板アセンブリ上に配設された少なくとも１つの光アップリンクトランスミッタを有し、
前記少なくとも１つの光アップリンクトランスミッタは、前記光測距システムにアップリンク信号を通信するように構成されており、
前記１または複数のタレット光通信コンポーネントは、前記光測距デバイスのタレット回路基板アセンブリ上に配設された少なくとも１つの光アップリンクレシーバを有し、
前記少なくとも１つの光アップリンクレシーバは、前記アップリンク信号を受信するように構成されている
ことを特徴とする請求項４１に記載の光測距システム。
【請求項４８】
前記少なくとも１つの光アップリンクトランスミッタは、第１のリング内に配置された複数のトランスミッタを含み、
前記少なくとも１つの光アップリンクレシーバは、前記第１のリングと同心の第２のリング内に配置された複数のレシーバを含む
ことを特徴とする請求項４７に記載の光測距システム。
【請求項４９】
前記第２のリングは、前記タレット回路基板アセンブリによって画定されかつ前記シャフトに対して垂直な第１の平面内に配向されており、
前記第２のリングは、前記シャフト上に中心を有し、
前記タレット回路基板アセンブリ及び前記ベース回路基板アセンブリは、前記シャフトの長さに沿って互いから空間的に分離されている、
ことを特徴とする請求項４８に記載の光測距システム。
【請求項５０】
前記第１のリングは、前記ベースサブシステムの前記ベース回路基板アセンブリによって画定されかつ前記シャフトに対して垂直な第２の平面内に配向されており、
前記第１のリングは、前記シャフト上に中心を有する、
ことを特徴とする請求項４９に記載の光測距システム。
【請求項５１】
前記タレット回路基板アセンブリは、光ダウンリンクトランスミッタ及び前記複数のレシーバを含む単一の回路基板を有する
ことを特徴とする請求項４８に記載の光測距システム。
【請求項５２】
前記ベースサブシステムの前記ベース回路基板アセンブリは、光ダウンリンクレシーバ及び前記複数のトランスミッタを含む単一の回路基板を有する
ことを特徴とする請求項４８に記載の光測距システム。
【請求項５３】
光測距システムであって、
光学的に透明な窓を有するハウジングと、
前記ハウジング内に配設された、長手方向軸を有する中空シャフトと、
前記ハウジング内に配設され、前記シャフトの長手方向軸周りに回転するように構成された、光測距デバイスであって、前記光学的に透明な窓を通して周囲環境内の物体に光パルスを送信するように構成された光源と、前記周囲環境内の前記物体から反射されて前記光学的に透明な窓を通った前記光パルスの反射部分を検出して前記光パルスの前記反射部分に基づいて測距データを計算するように構成された検出器回路と、を含む、光測距デバイスと、
前記シャフト周りに回転しない、前記ハウジング内に配設されたベースサブシステムと、
前記ハウジング内に配設され、前記ベースサブシステムと前記光測距デバイスとの間に光通信チャネルを提供するように構成された、光通信サブシステムであって、前記中空シャフト内に配設された第１の光チャネルと、前記中空シャフトの外側に環状に配置された第２の光チャネルと、を含む、光通信サブシステムと、
を備えたことを特徴とする光測距システム。
【請求項５４】
前記第１の光チャネルは、前記光測距デバイスに結合された光トランスミッタと、前記光トランスミッタから離間されかつ前記ベースサブシステムに結合された光レシーバと、を有する
ことを特徴とする請求項５３に記載の光測距システム。
【請求項５５】
前記第２の光チャネルは、前記ベースサブシステムに結合された複合光トランスミッタとして構成された、環状配置で等間隔をなす複数の光トランスミッタと、前記複合光トランスミッタと位置整合されて離間され前記光測距デバイスと結合された複合光レシーバとして構成された、環状配置で等間隔をなす複数の光レシーバと、を有する
ことを特徴とする請求項５３または５４に記載の光測距システム。
【請求項５６】
前記光測距デバイスは、第１の回路基板を更に含み、
前記ベースサブシステムは、前記第１の回路基板と平行で離間した第２の回路基板を更に含み、
前記複数の光トランスミッタは、前記第１の回路基板上に配設されており、
前記複数の光レシーバは、前記第２の回路基板上に配設されている
ことを特徴とする請求項５５に記載の光測距システム。
【請求項５７】
前記複数の光トランスミッタ内の前記光トランスミッタの各々が、ＬＥＤを有し、
前記複数の光レシーバ内の前記光レシーバの各々が、フォトダイオードを有する
ことを特徴とする請求項５６に記載の光測距システム。
【請求項５８】
前記第１の光チャネルは、前記光測距デバイスから前記ベースサブシステムに測距データを送信するように構成されており、
前記第２の光チャネルは、前記ベースサブシステムから前記光測距デバイスに制御信号を送信するように構成されている、
ことを特徴とする請求項５３〜５７のいずれかに記載の光測距システム。
【請求項５９】
光測距システムであって、
光学的に透明な窓を有するハウジングと、
前記ハウジング内に配設された、長手方向軸を有する中空シャフトと、
前記ハウジング内に配設され、前記シャフトの長手方向軸周りに回転するように構成された、光測距デバイスであって、前記光学的に透明な窓を通して周囲環境内の物体に光パルスを送信するように構成された光源と、前記周囲環境内の前記物体から反射されて前記光学的に透明な窓を通った前記光パルスの反射部分を検出して前記光パルスの前記反射部分に基づいて測距データを計算するように構成された検出器回路と、を含む、光測距デバイスと、
前記シャフト周りに回転しない、前記ハウジング内に配設されたベースサブシステムと、
前記光測距デバイスと前記ベースサブシステムとの間で前記中空シャフトを通してデータを光学的に送信するように構成された第１の光通信チャネルであって、前記光測距デバイスと共に回転するように結合された回路に結合された第１の光学コンポーネントと、前記ベースサブシステム上に配設された回路に結合された第２の光学コンポーネントと、を含む、第１の光通信チャネルと、
前記中空シャフトを取り囲み、前記光測距デバイスと前記ベースサブシステムとの間でデータを光学的に送信するように構成された第２の環状の光通信チャネルであって、前記光測距デバイスと共に回転するように結合された回路に結合された第１の環状の光学コンポーネントと、前記ベースサブシステム上に配設された回路に結合された第２の環状の光学コンポーネントと、を含む、第２の環状の光通信チャネルと、
を備えたことを特徴とする光測距システム。
【請求項６０】
前記第１の光通信チャネルは、前記光測距デバイスから前記ベースサブシステムに結合されたプロセッサに測距データを送信するように構成されたダウンリンクチャネルであり、
前記第２の光通信チャネルは、前記プロセッサから前記光測距デバイスに制御信号を送信するように構成されたアップリンクチャネルである、
ことを特徴とする請求項５９に記載の光測距システム。
【請求項６１】
光測距デバイスであって、
周囲環境内の物体に光パルスを送信するように構成された光源を含む、発光モジュールと、
光感知モジュールと、
を備え、
前記光感知モジュールは、
レンズハウジングと、
前記レンズハウジングに結合されており、前記周囲環境から光を受信し、当該受信した光を焦点面に集束するように構成された、バルクレンズ系であって、前記レンズハウジング内に取り付けられた第１のレンズ、第２のレンズ及び第３のレンズを有し、前記第１のレンズ、前記第２のレンズ、または、前記第１のレンズ及び前記第２のレンズが、プラスチックであり、前記第３のレンズが、ガラスである、バルクレンズ系と、
前記バルクレンズ系から光を受信し、前記周囲環境内の前記物体から反射された前記光パルスの反射部分を検出するように構成された、光センサのアレイと、
前記レンズハウジングを前記光センサのアレイと機械的に結合するマウントと、
を有しており、
前記レンズハウジング、前記バルクレンズ系、及び前記マウントは、特定の温度範囲にわたって前記バルクレンズ系からの光を前記光センサのアレイ上に受動的に集束するように構成されている
ことを特徴とする光測距デバイス。
【請求項６２】
前記光パルスの前記反射部分に基づいて測距データを計算するように構成された回路
を更に備えたことを特徴とする請求項６１に記載の光測距デバイス。
【請求項６３】
前記温度範囲にわたって前記光センサのアレイ上に光が受動的に集束するように、前記レンズハウジング、前記バルクレンズ系、及び前記マウントが、温度の関数として、前記レンズ系の焦点距離を、前記レンズハウジングの膨張係数及び前記マウントの膨張係数と適合させるように構成されている、
ことを特徴とする請求項６１に記載の光測距システム。
【請求項６４】
前記温度範囲は、−５℃〜７０℃である、
ことを特徴とする請求項６１〜６３のいずれかに記載の光測距システム。
【請求項６５】
光測距システムであって、
光学的に透明な窓を有する筐体と、
前記筐体内に配設された光測距デバイスと、
を備え、
前記光測距デバイスは、
バルクトランスミッタレンズ系及び複数のトランスミッタチャネルを有する光トランスミッタであって、各チャネルが、バルクトランスミッタ光学素子を通して及び前記光学的に透明な窓を通して、前記光測距システムの外部のフィールド内へと、狭帯域光のパルスを生成及び送信するように構成された光エミッタを含む、光トランスミッタと、
バルクレシーバレンズ系、レンズハウジング及び複数のマイクロ光学素子レシーバチャネルを有する光レシーバであって、各マイクロ光学素子チャネルが、バルクレシーバ光学素子の焦点面と一致した開口と、当該開口の背後のコリメートレンズと、当該コリメートレンズの背後の光学フィルタと、前記コリメートレンズ内へと前記開口を通過して前記フィルタを通過した入射光子に応答する光センサと、を含む、光レシーバと、
前記光センサで受信した光子に基づいて測距データを計算するように構成された回路と、
を有し、
前記バルクレシーバレンズ系は、前記レンズハウジングに取り付けられた第１のレンズ、第２のレンズ及び第３のレンズを有し、
前記第１のレンズ、前記第２のレンズ、または、前記第１のレンズ及び前記第２のレンズが、プラスチックであり、前記第３のレンズが、ガラスであり、
前記レンズハウジングの熱膨張係数（ＣＴＥ）が、特定の温度範囲にわたって、前記バルクレシーバレンズ系と適合されており、前記焦点面は、前記温度範囲にわたって、前記複数のマイクロ光学素子レシーバチャネル内の各光センサに対して安定している
ことを特徴とする光測距システム。
【請求項６６】
前記温度範囲は、−５℃〜７０℃である、
ことを特徴とする請求項６５に記載の光測距システム。
【請求項６７】
前記バルクトランスミッタレンズ系は、画像空間テレセントリックレンズ系であり、
前記バルクレシーバレンズ系は、画像空間テレセントリックレンズ系である、
ことを特徴とする請求項６５または６６に記載の光測距システム。
【請求項６８】
画像感知デバイスであって、
レンズハウジングと、
前記レンズハウジングに機械的に結合され、焦点面に光を集束するように構成された、バルクレンズ系であって、前記レンズハウジング内に取り付けられた第１のレンズ、第２のレンズ及び第３のレンズを有し、前記第１のレンズ、前記第２のレンズ、または、前記第１のレンズ及び前記第２のレンズが、プラスチックであり、前記第３のレンズが、ガラスである、バルクレンズ系と、
前記バルクレンズ系から光を受信するように構成された、光センサのアレイと、
前記レンズハウジングを前記光センサのアレイと機械的に結合するマウントと、
を備え、
前記レンズハウジングの熱膨張係数（ＣＴＥ）が、特定の温度範囲にわたって、前記バルクレンズ系と適合されており、前記焦点面が前記温度範囲にわたって前記光センサのアレイに対して安定である
ことを特徴とする画像感知デバイス。
【請求項６９】
前記温度範囲は、２０℃〜７０℃である
ことを特徴とする請求項６８に記載の画像感知デバイス。
【請求項７０】
前記温度範囲は、−５℃〜７０℃である
ことを特徴とする請求項６９に記載の画像感知デバイス。
【請求項７１】
前記バルクレンズ系は、画像空間テレセントリックレンズ系である
ことを特徴とする請求項６９に記載の画像感知デバイス。
【請求項７２】
前記レンズハウジングを前記光センサのアレイと機械的に結合するマウント
を更に備え、
前記マウントのＣＴＥが、前記レンズハウジングの前記ＣＴＥと適合されている
ことを特徴とする請求項６９に記載の画像感知デバイス。
【請求項７３】
温度センサと、
前記温度センサに応答して前記バルクレンズ系を加熱するように動作可能に結合された加熱要素と、
を更に備えたことを特徴とする請求項６８〜７２のいずれかに記載の画像感知デバイス。
【請求項７４】
前記光センサのアレイは、平坦であり、
当該画像感知デバイスは、前記光センサのアレイ内の各光センサのためのマイクロ光学チャネルを更に備え、
前記マイクロ光学チャネルは、前記焦点面、マイクロレンズ層、及びフィルタ層に位置決めされた開口層を含む
ことを特徴とする請求項６８〜７２のいずれかに記載の画像感知デバイス。
【請求項７５】
前記第３のレンズは、球面状であり、１８ｍｍ以下であって５ｍｍ以上である幅を有する
ことを特徴とする請求項６８〜７２のいずれかに記載の画像感知デバイス。
【請求項７６】
前記レンズ系は、２．４以下であって０．７以上であるＦ値を有する
ことを特徴とする請求項６８〜７２のいずれかに記載の画像感知デバイス。
【請求項７７】
前記レンズ系は、第４のレンズを更に有する
ことを特徴とする請求項６８〜７２のいずれかに記載の画像感知デバイス。
【請求項７８】
前記第２のレンズ及び前記第４のレンズは、非球面の曲率を有する、前記レンズ系における唯一のレンズである、
ことを特徴とする請求項７７に記載の画像感知デバイス。
【請求項７９】
前記レンズハウジングは、第１のレンズハウジングと、当該第１のレンズハウジングと同一の形状を有する第２のレンズハウジングと、を有し、
前記バルクレンズ系は、前記第１のレンズハウジングに取り付けられた第１のバルクレンズ系であり、
前記光測距システムは、
前記第２のレンズハウジング内に配設されたレーザアレイと、
前記第２のレンズハウジングに取り付けられ、前記第１のバルクレンズ系と同様のレンズを有する、第２のバルクレンズ系であって、光が周囲環境に投射される前に前記レーザアレイからの光を散逸するように構成されている、第２のバルクレンズ系と、
を更に有する
ことを特徴とする請求項６８〜７２のいずれかに記載の画像感知デバイス。
【請求項８０】
前記ハウジングは、１０ｍｍ〜６０ｍｍの長さを有し、
前記第１のレンズハウジング及び前記第２のレンズハウジングは、２．５ｃｍ以下だけ分離されている
ことを特徴とする請求項７９に記載の画像感知デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１８年１２月４日に出願された「Ｒｏｔａｔｉｎｇ  Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｌｉｇｈｔ  Ｒａｎｇｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ」と題する米国特許出願第１６／２０９，８６７号（‘８６７出願）、２０１８年１２月４日に出願された米国特許出願第１６／２０９，８６９号「Ｌｉｇｈｔ  Ｒａｎｇｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｗｉｔｈ  Ｏｐｐｏｓｉｎｇ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｂｏａｒｄｓ」（‘８６９出願）、２０１８年１２月４日に出願された「Ｒｏｔａｔｉｎｇ  Ｌｉｇｈｔ  Ｒａｎｇｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｗｉｔｈ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｕｐｌｉｎｋ  ａｎｄ  Ｄｏｗｎｌｉｎｋ  Ｃｈａｎｎｅｌｓ」と題する米国特許出願第１６／２０９，８７５号（‘８７５出願）、および、２０１８年１２月４日に出願された「Ｌｉｇｈｔ  Ｒａｎｇｉｎｇ  Ｄｅｖｉｃｅ  ｗｉｔｈ  ａ  Ｍｕｌｔｉ−ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｂｕｌｋ  Ｌｅｎｓ  Ｓｙｓｔｅｍ」と題する米国特許出願第１６／２０９，８７９号（‘８７９出願）の優先権を主張する。‘８６７、‘８６９、‘８７５、および‘８７９出願の各々は、すべての目的でそれらの全体が参照により本明細書に組み込まれ、各々は、２０１７年１２月７日に出願された「Ｃｏｍｐａｃｔ  ＬＩＤＡＲ  Ｓｙｓｔｅｍ」と題する米国仮特許出願第６２／５９６，０１８号の利益を主張し、この出願は、すべての目的でその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
光撮像、検出および測距（ＬＩＤＡＲ）システムは、標的にパルスレーザ光を照射し、センサで反射パルスを測定することにより、標的までの距離を測定する。その後、飛行時間測定を使用して、標的のデジタル３Ｄ表現を作成することができる。ＬＩＤＡＲシステムは、考古学、地理学、地質学、森林学、マッピング、建設、医療用画像処理、軍事用途など、３Ｄ深度画像が役立つ様々な用途に使用できる。自律車両は、障害物の検出と回避、および車両のナビゲーションにもＬＩＤＡＲを使用できる。
【０００３】
自律車両における障害物の検出および回避に十分なカバレッジおよび分解能を提供する多くの現在利用可能なＬＩＤＡＲセンサは、技術的に複雑であると共に、製造コストが高い。それゆえ、このようなセンサは、費用がかかりすぎて、大衆市場の自動車、トラック、および他の車両に広く展開できない場合がある。特定のタイプのＬＩＤＡＲセンサの全体的な構成要素のコストと製造の複雑さとは、通常、ＬＩＤＡＲセンサ自体のアーキテクチャの根本的な複雑さによって助長される。これは、いくつかの最新のＬＩＤＡＲセンサでさらに悪化する可能性があり、これらのＬＩＤＡＲセンサは、種々の内部サブシステムの集まりであり、その各々がそれ自体でかなり複雑になる可能性があり、例えば、光電子システム、電気機械システム、コンピュータ制御システム、高速通信システム、データ処理システムなどである。
【０００４】
いくつかの最新のセンシングアプリケーションにとって重要であり得る高い位置精度、長距離範囲、および低消費電力を実現するために、これらのサブシステムの各々のサブシステムに対する厳しい技術要件は、構築するのが複雑で難しく、多くの場合、個々のＬＩＤＡＲユニットを顧客が使用する前に費用がかかる較正および調整の手順が必要になる、アーキテクチャおよび設計をもたらした。例えば、いくつかのＬＩＤＡＲシステムは、１つ以上の大型のマザーボードと、バランスが取れた構造部材上に取り付けられた、かさばる重い光学系と、を使用し、すべてが１，０００ＲＰＭのオーダーの速度で回転するタレット内にある内部アーキテクチャを有する。これらのシステムのうちのいくつかでは、別個のレーザエミッタ／検出器のペアが、個々の別個の回路基板に取り付けられている。それゆえ、各エミッタ基板およびレシーバ基板は、マザーボードに別個に取り付け、各エミッタ／検出器のペアを、特定の方向に沿って正確に位置整合させて、各検出器の視野が検出器のそれぞれのエミッタの視野と確実に重なるようにすることが必要となり得る。上記のアーキテクチャの結果として、各エミッタ基板および各レシーバ基板を別個に位置整合させるために、組み立て中に高精度の位置整合技術が通常必要となる。
【０００５】
上述のアーキテクチャは、デバイスの分解能をスケーリングしたい場合、ますます問題になる。分解能を増大させるには、やはり各々が独自の回路基板上に取り付けられたレーザエミッタ／検出器のペアをさらに追加する必要がある。その結果、このタイプのアーキテクチャで分解能を線形にスケーリングすると、製造コストが指数関数的に増大し、また、これに伴う非常に多くの個々の部品および基板に起因して、信頼性が指数関数的に低下する可能性がある。組み立ておよび位置整合が完了すると、正確に位置整合したマルチ基板の配置が、システムの設計寿命にわたって、出荷時または他の何らかの時点で位置整合から乱されるか、または外れないように、十分に注意しなければならない。
【０００６】
光学系の位置整合および組み立ての複雑さに加えて、現在利用可能なほとんどのＬＩＤＡＲユニットは、比較的低いシステム統合の総合度を有する。例えば、現在利用可能な多くのＬＩＤＡＲユニットの制御回路と駆動回路とは、カスタム基板に取り付けられた別個のモジュールである。当該これらのカスタム基板は、ＬＩＤＡＲユニット内のマザーボードに取り付ける必要があり得るか、または１つ以上の取り付けブラケットによりＬＩＤＡＲユニットの構造要素上のいずれか他の場所に取り付けられ得る。いくつかの場合では、各基板は、最終的にマザーボードに接続するために、筐体内の１つ以上の内部容積または通路を経由する必要がある、１つ以上の電気的相互接続を有し得る。
【０００７】
回転ＬＩＤＡＲシステムの場合、電気モータのロータおよび／またはステータにさらに追加の専用マウントおよび相互接続が必要になり得る。電源接続に加えて、データのアップリンクおよびダウンリンクのラインが必要であり、通常、１つ以上の誘導性、容量性、および／または金属スリップリングロータリカプラによって達せられ、これは、低レートのデータ伝送を実施および／またはもたらすことが困難であり得る。いくつかのシステムは、回転カプラ内に金属ブラシを使用しているため、回転機構内でブラシを機械的に接触させる必要があることに起因して、信頼性を有しない可能性がある。他のスリップリングタイプのコネクタは、水銀などの危険物質を使用する可能性があり、これらのタイプのカプラは、有害物質制限指令２００２／９５／ＥＣ（ＲＯＨＳ）に準拠していないため、いくつかの管轄区域では回避または禁止されている。
【０００８】
オプトエレクトロニクスシステムに関して、この業界は、近赤外波長での量子効率が低く、かつダイナミックレンジが低いことに起因して、ＣＭＯＳベースの単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）などのコスト効率がよい単一光子光検出器を組み込む際に課題に遭遇した。量子効率を向上させるために、いくつかのＳＰＡＤベースの検出器はＩｎＧａＡｓ技術を使用しているが、このようなシステムは、ＣＭＯＳデバイスよりもコスト効率がよい方法で統合することがより大きな課題である。したがって、ＩｎＧａＡｓ技術を使用して製造されたＳＰＡＤ検出器と関連付けられた外部／サポート回路（例えば、アバランシェ電流のリーディングエッジを感知し、アバランシェビルドアップと同期する標準出力パルスを生成し、バイアスを降伏電圧まで降下させることによりアバランシェをクエンチし、次いでフォトダイオードを動作レベルに復元する、クエンチ回路）は、通常、ＳＰＡＤアレイとは別個に、例えば、ＳＰＡＤアレイの外部にあるパッケージ内に製造される。加えて、ＩｎＧａＡｓ基板は比較的高価であり、関連付けられた製造プロセスは、通常、シリコン基板の製造プロセスよりも歩留まりが低く、コストの増加をさらに悪化させる。さらに厄介なことに、ＩｎＧａＡｓ基板は、通常、暗電流を好適なレベルに低減するために、積極的に冷却する必要があり、これにより、ランタイム中に消費されるエネルギー量が増加し、コストおよび複雑さがさらに増大する。
【０００９】
多くの市販のＬＩＤＡＲソリューションは、ＳＰＡＤベースの検出器を使用しないで、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を使用する。ＡＰＤは、バイナリ検出デバイスではなく、検出器に入射する光強度に比例して結果として高いダイナミックレンジを有するアナログ信号（例えば、電流）を出力する。しかしながら、ＡＰＤは、例えば、トランスインピーダンスアンプおよび／または差動アンプなどのアナログ回路、高速Ａ／Ｄ変換器、１つ以上のデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）など、いくつかの追加のアナログ回路によって支持されなければならない。従来のＡＰＤはまた、標準のＣＭＯＳプロセスでは不可能な高い逆バイアス電圧を必要とする。成熟したＣＭＯＳがないと、このすべてのアナログ回路をコンパクトなフォームファクタで単一のチップに統合することは困難であり、通常、これらの既存のユニットの高コストに寄与するプリント回路基板上に位置する複数の外部回路モジュールが使用される。
【００１０】
したがって、３Ｄ感知システムの成長市場をサポートするために、よりコスト効率がよいが、なお高性能であるＬＩＤＡＲシステムの必要性が依然として存在する。さらに、大規模に効率的に使用できる合理化された組み立てプロセスを可能にする、改善されたよりエレガントなシステムアーキテクチャの必要性が依然として存在する。
【発明の概要】
【００１１】
本開示の実施形態は、使用の中でもとりわけ、自律車両における障害物検出および回避に使用できるＬＩＤＡＲセンサに係る。本開示の様々な実施形態は、現在利用可能ないくつかのＬＩＤＡＲシステムに関連付けられた上述の問題のうちの１つ以上に対処することができる。いくつかの特定の実施形態は、システムを十分に安価で十分な信頼性をもって製造すること、および大量市場の自動車、トラック、および他の車両での使用に採用される十分に小さいフットプリントを有することを可能にする設計特徴を含むＬＩＤＡＲセンサに係る。
【００１２】
いくつかの実施形態では、本開示による転回光測距システムは、シャフトによって画定された軸の周りを回転する上部回路基板アセンブリに接続された（例えば、光パルスを放出し、反射されたパルスを検出する）光測距デバイスを含むことができる。上部回路基板アセンブリは、下部回路基板アセンブリと協調して、例えば、それぞれの回路要素を介して、電力、データ、および／または符号化された位置を提供することができる。回転する上部基板アセンブリおよび下部基板アセンブリに（例えば、外部の物理的接続とは対照的に）協調する無線回路要素を含めることで、よりコンパクトな設計を提供することができる。さらに、特定の回路要素（例えば、光学または電力）は、効率的な通信を可能にするように、および／または磁束を増加させるように位置決めされ得る。例えば、無線電力レシーバは、上部回路基板アセンブリの外縁のリングに設けられ、誘導性リングによって捕捉される磁束の量を最大化することができるか、または容量性システムで利用可能な領域を最大化することができる。
【００１３】
いくつかの実施形態によれば、光通信サブシステムは、回転光測距デバイスと、シャフトを中心に回転しないベースサブシステムと、の間に光通信チャネルを提供することができる。光通信チャネルは、高速通信を提供することができるが、コンパクトで安価な設計を提供することもできる。例えば、タレット光通信コンポーネントを回転アセンブリ上に位置決めして、データ（例えば、光測距デバイスからの測距データ）をベース光通信コンポーネントと通信することができる。このような位置決めにより、よりかさばる通信メカニズムの必要性を軽減することができる。例えば、ダウンリンクトランスミッタは、回転に使用される中空シャフトを通して光測距データを送信するように位置決めされ得る。別の例として、ベースサブシステムの１つ以上のアップリンクトランスミッタは、回転アセンブリ上で回転する１つ以上のアップリンクレシーバにアップリンク信号を送信することができ、ここでこれらのアップリンク要素は位置整合するリング内に位置決めされる。
【００１４】
いくつかの実施形態によれば、上部回路基板アセンブリの回転は、上部および下部回路基板上に統合されたステータ要素およびロータ要素によって駆動され、それにより、光測距システムがコンパクトになり得る。例えば、上部回路基板アセンブリは、回転シャフトを中心に対称に配置された複数のロータ要素を含むことができ、下部回路基板アセンブリは、シャフトを中心に対称に配置された複数のステータ要素を含むことができる。ドライバ回路は、ステータ要素を駆動することができる。このようなロータ要素およびステータ要素を回路基板自体の上に組み込むと、よりかさばるモータ（例えば、ステッピングモータ、ブラシ付きモータ、または統合されていないブラシレスモータ）を使用する製品と比較して様々な利点が提供される。
【００１５】
いくつかの実施形態によれば、光測距システムは、長手方向軸を有するシャフトと、第１の回路基板アセンブリであって、第１の回路基板アセンブリの表面上のシャフトを中心に配置された複数のステータ要素を備えるステータアセンブリを含む、第１の回路基板アセンブリと、シャフトに回転可能に結合されており、かつ第１の回路基板アセンブリと離間して対向する関係にある、第２の回路基板アセンブリであって、第２の回路基板アセンブリは、複数のロータ要素であって、複数のロータ要素が、複数のステータ要素と位置整合して離間するように、第２の回路基板アセンブリの表面上のシャフトを中心に配置された複数のロータ要素を備えるロータアセンブリを含む、第２の回路基板アセンブリと、第２の回路基板アセンブリまたは第１の回路基板アセンブリのいずれかの上に配置されており、複数のステータ要素に駆動信号を提供するように構成されており、それにより複数のロータ要素に電磁力を与えてシャフトの長手軸の周りの第２の回路基板アセンブリの回転を駆動する、ステータドライバ回路と、光測距デバイスであって、光測距デバイスが第２の回路基板アセンブリと共に回転するように、第２の回路基板アセンブリに機械的に結合された、光測距デバイスと、を含む。
【００１６】
いくつかの実施形態では、光測距システムは、シャフトと、第１の回路基板アセンブリであって、第１の回路基板アセンブリの表面上のシャフトを中心に配置された複数のステータ要素を備えるステータアセンブリを含む、第１の回路基板アセンブリと、シャフトに回転可能に結合された第２の回路基板アセンブリであって、第２の回路基板アセンブリは、複数のロータ要素であって、複数のロータ要素が、複数のステータ要素と位置整合して離間するように、第２の回路基板アセンブリの表面上のシャフトを中心に配置された複数のロータ要素を備えるロータアセンブリを含む、第２の回路基板アセンブリと、第２の回路基板アセンブリと共に回転するように結合された光測距デバイスであって、光測距デバイスが、周囲環境内の物体に光パルスを送信するように構成された光源と、周囲環境内の物体から反射された光パルスの反射部分を検出して光パルスの反射部分に基づいて測距データを計算するように構成された検出回路と、を含む、光測距デバイスと、第２の回路基板アセンブリまたは第１の回路基板アセンブリのいずれかの上に配設されており、複数のステータ要素に駆動信号を提供するように構成されており、それにより複数のロータ要素に電磁力を与えてシャフトの周りの第２の回路基板アセンブリの回転を駆動するステータドライバ回路と、を含む。
【００１７】
いくつかの実施形態では、光測距システムは、光学的に透明な窓およびベースを有する固定筐体と、筐体内に配設された中空シャフトと、中空シャフトに連結されたベアリングシステムと、筐体内に配設されており、かつ中空シャフトに対して垂直な第１の平面に対して平行な、第１の回路基板アセンブリであって、第１の回路基板アセンブリが、第１の回路基板アセンブリの表面上のシャフトを中心に環状に配置された複数の等間隔をなすステータ要素を備えるステータアセンブリを含む、第１の回路基板アセンブリと、筐体内に第１の平面に対して平行に配設されており、かつベアリングシステムによってシャフトに回転可能に結合された、第２の回路基板アセンブリであって、第２の回路基板アセンブリは、第２の回路基板アセンブリの表面上のシャフトを中心に環状に配置された複数の等間隔をなすロータ要素を備えるロータアセンブリを含むことにより、複数のロータ要素が複数のステータ要素と位置整合して離間する、第２の回路基板アセンブリと、固定筐体内の第２の回路基板アセンブリと共に回転するように結合された光測距デバイスであって、光測距デバイスが、窓を通して周囲環境内の物体に光パルスを送信するように構成された光源と、周囲環境内の物体から反射された、窓を通して受信された光パルスの反射部分を検出するように、かつ光パルスの反射部分に基づいて測距データを計算するように構成された検出器回路と、を含む、光測距デバイスと、第２の回路基板アセンブリまたは第１の回路基板アセンブリのいずれかの上に配設されており、かつ複数のステータ要素に駆動信号を提供するように構成されており、それにより複数のロータ要素に電磁力を与えて、シャフトを中心とした第２の回路基板および光測距デバイスの回転を駆動するステータドライバ回路と、を含む。
【００１８】
いくつかの実施形態によれば、光測距システムは、ハウジングと、回転軸を画定するシャフトと、第１の回路基板アセンブリであって、第１の回路基板アセンブリが、回転軸に対して垂直な第１の平面に沿って位置整合するように、定置関係をなしてハウジング内に配設されており、かつハウジングに結合されており、第１の回路基板アセンブリが、第１の回路基板上に配設された複数の第１の回路要素を含む、第１の回路基板アセンブリと、第２の回路基板アセンブリであって、第２の回路基板アセンブリが、回転軸を中心に回転するように、第１の平面に対して平行な第２の平面においてハウジング内で第１の回路基板アセンブリから離間し、かつシャフトに回転可能に結合されており、第２の回路基板アセンブリが、第２の回路基板上に配設されており、かつ第１の複数の回路要素のうちの少なくとも１つと位置整合して無線協調して機能するように構成された、複数の第２の回路要素を含む、第２の回路基板アセンブリと、第２の回路基板アセンブリに電気的に接続されて共に回転するように結合された光測距デバイスであって、光測距デバイスが、周囲環境内の物体に光パルスを送信し、周囲環境内の物体から反射された光パルスの反射部分を検出し、光パルスの反射部分に基づいて測距データを計算するように構成されている、光測距デバイスと、を含む。
【００１９】
いくつかの実施形態では、光測距システムは、光学的に透明な窓を有する筐体と、筐体を通る回転軸を画定するシャフトと、筐体内に配設されており、かつ筐体に定置結合されており、かつ回転軸に対して垂直に位置整合した、第１の回路基板アセンブリと、筐体内に配設されており、かつ第１の回路アセンブリと離間して対向する関係にある、第２の回路基板アセンブリであって、第２の回路基板アセンブリが、シャフトに回転可能に結合されている、第２の回路基板アセンブリと、第２の回路基板アセンブリに定置関係をなして結合された光測距デバイスであって、光測距デバイスが、シャフトを中心に第２の回路基板アセンブリと共に回転するようになっている、光測距デバイスと、第１の回路基板または第２の回路基板の一方に取り付けられた環状のエンコーダストリップと、環状のエンコーダストリップと面して対向する箇所で第１の回路基板または第２の回路基板の他方に取り付けられたエンコーダリーダと、を備える、環状のエンコーダと、第１の回路基板に取り付けられた第１の環状の無線通信コンポーネントと、第１の環状の無線通信コンポーネントと面して対向する箇所で第２の回路基板に取り付けられた第２の環状の無線通信コンポーネントと、を備える、無線通信システムと、第１の回路基板に取り付けられた環状の無線電力トランスミッタと、環状の無線電力トランスミッタと面して対向する箇所で第２の回路基板に取り付けられた環状の無線電力レシーバと、を備える、環状の無線電力伝送システムと、を含む。
【００２０】
いくつかの実施形態では、光測距システムは、光学的に透明な窓を有する筐体と、筐体を通る回転軸を画定するシャフトと、筐体内に配置されており、かつ筐体に定置結合されており、かつ回転軸に対して垂直に位置整合した、第１の回路基板アセンブリと、筐体内に配設されており、かつ第１の回路アセンブリと離間して対向する関係にある、第２の回路基板アセンブリであって、第２の回路基板アセンブリが、シャフトに回転可能に結合されている、第２の回路基板アセンブリと、光測距デバイスがシャフトを中心に第２の回路基板アセンブリと共に回転するように第２の回路基板アセンブリに取り付けられた光測距デバイスであって、光測距デバイスが、周囲環境内の物体に光パルスを送信し、周囲環境内の物体から反射された光パルスの反射部分を検出し、光パルスの反射部分に基づいて測距データを計算するように構成されている、光測距デバイスと、第１の回路基板または第２の回路基板の一方に取り付けられた環状のエンコーダストリップと、環状のエンコーダストリップと面して対向する箇所で第１の回路基板または第２の回路基板の他方に取り付けられたエンコーダリーダと、を備える、環状のエンコーダと、第１の回路基板に取り付けられた第１の環状の無線通信コンポーネントと、第１の環状の無線通信コンポーネントと面して対向する箇所で第２の回路基板に取り付けられた第２の環状の無線通信コンポーネントと、を備える、無線通信システムと、第１の回路基板アセンブリの表面上のシャフトを中心に配置された複数のステータ要素を備えるステータアセンブリと、第２の回路基板アセンブリの表面上のシャフトを中心に配置された複数のロータ要素を備え、複数のロータ要素が複数のステータ要素と面して対向する箇所に配設されるようになっている、ロータアセンブリと、を含む、電気モータと、第２の回路基板アセンブリまたは第１の回路基板アセンブリのいずれかの上に配設されており、複数のステータ要素に駆動信号を提供するように構成されており、それにより複数のロータ要素に電磁力を与えてシャフトを中心とした第２の回路基板アセンブリの回転を駆動する、ステータドライバ回路と、第１の回路基板に取り付けられた環状の無線電力トランスミッタと、環状の無線電力トランスミッタと面して対向する箇所で第２の回路基板に取り付けられた環状の無線電力レシーバと、を備える、環状の無線電力伝送システムと、を含む。
【００２１】
いくつかの実施形態によれば、光測距システムは、長手方向軸を有するシャフトと、シャフトの長手方向軸を中心に回転するように構成された光測距デバイスであって、光測距デバイスが、周囲環境内の物体に光パルスを送信するように構成された光源と、周囲環境内の物体から反射された光パルスの反射部分を検出し、かつ光パルスの反射部分に基づいて測距データを計算するように構成された検出回路と、を含む、光測距デバイスと、シャフトを中心に回転しないベースサブシステムと、ベースサブシステムと光測距デバイスとの間に光通信チャネルを提供するように構成された光通信サブシステムであって、光通信サブシステムが、検出器回路に接続された１つ以上のタレット光通信コンポーネントと、ベースサブシステムに接続された１つ以上のベース光通信コンポーネントと、を含む、光通信サブシステムと、を含む。
【００２２】
いくつかの実施形態では、光測距システムは、光学的に透明な窓を有するハウジングと、ハウジング内に配設された長手方向軸を有する中空シャフトと、ハウジング内に配設されており、かつシャフトの長手方向軸を中心に回転するように構成された、光測距デバイスであって、光測距デバイスが、光学的に透明な窓を通して周囲環境内の物体に光パルスを送信するように構成された光源と、周囲環境内の物体から反射された、光学的に透明な窓を通した光パルスの反射部分を検出するように、かつ光パルスの反射部分に基づいて測距データを計算するように構成された検出器回路と、を含む、光測距デバイスと、シャフトを中心に回転しない、ハウジング内に配設されたベースサブシステムと、ハウジング内に配設されており、かつベースサブシステムと光測距デバイスとの間に光通信チャネルを提供するように構成された、光通信サブシステムであって、光通信サブシステムが、中空シャフト内に配設された第１の光チャネルと、中空シャフトの外側に環状に配置された第２の光チャネルと、を含む、光通信サブシステムと、を含む。
【００２３】
いくつかの実施形態では、光測距システムは、光学的に透明な窓を有するハウジングと、ハウジング内に配設された長手方向軸を有する中空シャフトと、ハウジング内に配設されており、シャフトの長手方向軸を中心に回転するように構成された光測距デバイスであって、光測距デバイスが、光学的に透明な窓を通して周囲環境内の物体に光パルスを送信するように構成された光源と、周囲環境内の物体から反射された、光学的に透明な窓を通した光パルスの反射部分を検出するように、かつ光パルスの反射部分に基づいて測距データを計算するように構成された検出器回路と、を含む、光測距デバイスと、シャフトを中心に回転しない、ハウジング内に配設されたベースサブシステムと、光測距デバイスとベースサブシステムとの間で中空シャフトを通してデータを光学的に送信するように構成された第１の光通信チャネルであって、第１の光通信チャネルが、光測距デバイスと共に回転するように結合された回路に結合された第１の光学コンポーネントと、ベースサブシステム上に配設された回路に結合された第２の光学コンポーネントと、を含む、第１の光通信チャネルと、中空シャフトを取り囲み、かつ光測距デバイスとベースサブシステムとの間でデータを光学的に送信するように構成された、第２の環状の光通信チャネルであって、環状の光通信チャネルが、光測距デバイスと共に回転するように結合された回路に結合された第１の環状の光学コンポーネントと、ベースサブシステム上に配設された回路に結合された第２の環状の光学コンポーネントと、を含む、第２の環状の光通信チャネルと、を含む。
【００２４】
いくつかの実施形態によれば、光測距デバイスは、発光モジュールおよび光感知モジュールを含むことができる。発光モジュールは、周囲環境内の物体に光パルスを送信するように構成された光源を含むことができる。光感知モジュールは、レンズハウジングと、レンズハウジングに結合されており、周囲環境から光を受信して受信した光を焦点面に集束するように構成された、バルクレンズ系であって、バルクレンズ系が、レンズハウジングに取り付けられた第１のレンズ、第２のレンズ、および第３のレンズを備え、第１のレンズ、第２のレンズ、または第１のレンズと第２のレンズとが、プラスチックであり、第３のレンズがガラスである、バルクレンズ系と、バルクレンズ系から光を受信して周囲環境内の物体から反射された光パルスの反射部分を検出するように構成された、光センサのアレイと、レンズハウジングを光センサのアレイと機械的に結合するマウントであって、レンズハウジング、バルクレンズ系、およびマウントが、特定の温度範囲にわたってバルクレンズ系からの光を光センサのアレイ上に受動的に集束するように構成されている、マウントと、を含むことができる。いくつかの挙例では、−５℃〜７０℃などの温度範囲にわたって光が光センサのアレイ上に受動的に集束するように、レンズハウジング、バルクレンズ系、およびマウントが、温度の関数として、レンズ系の焦点距離を、レンズハウジングの膨張係数およびマウントの膨張係数と一致させるように構成されている。
【００２５】
いくつかの実施形態では、光測距システムは、光学的に透明な窓を有する筐体と、筐体内に配設された光測距デバイスと、測距データを計算するように構成された回路と、を含む。光測距デバイスは、バルクトランスミッタレンズ系および複数のトランスミッタチャネルを備える光トランスミッタであって、各チャネルが、バルクトランスミッタの光学素子を通して、および光学的に透明な窓を通して、光測距システム内へと、狭帯域光のパルスを生成および送信するように構成された光エミッタを含む、光トランスミッタと、バルクレシーバレンズ系、レンズハウジング、および複数のマイクロ光学素子レシーバチャネルを備える光レシーバであって、各マイクロ光学素子チャネルが、バルクレシーバ光学素子の焦点面と一致した開口と、開口の背後のコリメートレンズと、コリメートレンズの背後の光学フィルタと、コリメートレンズ内へと開口を通過し、そしてフィルタを通過した入射光子に応答する光センサと、を含む、光レシーバと、を含むことができる。バルクレシーバレンズ系が、レンズハウジングに取り付けられた第１のレンズ、第２のレンズ、および第３のレンズであって、第１のレンズ、第２のレンズ、または第１のレンズと第２のレンズとがプラスチックであり、第３のレンズがガラスであり、レンズハウジングの熱膨張係数（ＣＴＥ）が、特定の温度範囲にわたって、バルクレシーバレンズ系と一致することにより、焦点面が、この温度範囲にわたって、複数のマイクロ光学素子レシーバチャネル内の各光センサに対して安定している、第１のレンズ、第２のレンズ、および第３のレンズを含むことができる。いくつかの挙例では、温度範囲は２０℃〜７０℃であり、いくつかの挙例では、温度範囲は−５℃〜７０℃である。
【００２６】
いくつかの実施形態では、画像感知デバイスが提供される。画像感知デバイスは、レンズハウジングと、レンズハウジングに機械的に結合されており、周囲環境から光を受信して受信した光を焦点面に集束するように構成された、バルクレンズ系と、を含むことができる。バルクレンズ系は、レンズハウジングに取り付けられた第１のレンズ、第２のレンズ、および第３のレンズを備え、第１のレンズ、第２のレンズ、または第１のレンズと第２のレンズとが、プラスチックであり、第３のレンズがガラスである。画像感知デバイスは、バルクレンズ系から光を受信するように構成された光センサのアレイと、レンズハウジングを光センサのアレイと機械的に結合するマウントと、をさらに含むことができる。レンズハウジングの熱膨張係数（ＣＴＥ）が、特定の温度範囲にわたってバルクレンズ系と一致することが可能であり、これにより焦点面がこの温度範囲にわたって光センサのアレイに対して安定である。いくつかの挙例では、温度範囲は２０℃〜７０℃であり、いくつかの挙例では、温度範囲は−５℃〜７０℃である。そして、いくつかの実施形態では、マウントのＣＴＥは、レンズハウジングのＣＴＥと一致している。
＊
【００２７】
本発明のこれらおよび他の実施形態を以下に詳細に説明する。また、本開示の様々な実施形態の他の態様および利点は、例として、説明される実施形態の原理を例示する添付の図面と併せて以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１Ａ】いくつかの実施形態による、自動車用途で使用できる回転光測距システムおよび非回転ソリッドステート光測距システムをそれぞれ示す。
【図１Ｂ】いくつかの実施形態による、自動車用途で使用できる回転光測距システムおよび非回転ソリッドステート光測距システムをそれぞれ示す。
【００２９】
【図２Ａ】いくつかの実施形態による、それぞれ、回転ＬＩＤＡＲシステムおよびソリッドステートＬＩＤＡＲシステムの高レベルのブロック図を示す。
【図２Ｂ】いくつかの実施形態による、それぞれ、回転ＬＩＤＡＲシステムおよびソリッドステートＬＩＤＡＲシステムの高レベルのブロック図を示す。
【００３０】
【図３】図２Ａを参照して上述したものと同様のいくつかの実施形態による、回転ＬＩＤＡＲシステム３００のより詳細なブロック図を例示する。
【００３１】
【図４】図２を参照して上記に導入したようにエミッタセンサチャネルの配置を形成するエミッタアレイおよびセンサアレイ上に焦点を有する、いくつかの実施形態による光測距システムの光送信および検出プロセスの例示的な例を示す。
【００３２】
【図５Ａ】１つ以上の実施形態に従う、回転ＬＩＤＡＲシステム５００を示す。
【図５Ｂ】１つ以上の実施形態に従う、回転ＬＩＤＡＲシステム５００を示す。
【００３３】
【図６Ａ】１つ以上の実施形態に従う、ＬＩＤＡＲシステムの断面図を示す。
【図６Ｂ】１つ以上の実施形態に従う、ＬＩＤＡＲシステムの断面図を示す。
【図６Ｃ】１つ以上の実施形態に従う、ＬＩＤＡＲシステムの断面図を示す。
【００３４】
【図６Ｄ】１つ以上の実施形態に従う、ステータ基板の上面図を示す。
【００３５】
【図６Ｅ】１つ以上の実施形態に従う、ロータ基板の底面図を示す。
【００３６】
【図６Ｆ】いくつかの実施形態による、環状フェライトチャネル内に位置付けられたマルチコイル無線電力レシーバの一部の簡略化された断面図である。
【００３７】
【図７】特定の実施形態による、コンパクトＬＩＤＡＲシステムの組み立てプロセスを例示するための下部回路基板アセンブリの分解図を示す。
【００３８】
【図８Ａ】いくつかの実施形態による、ＬＩＤＡＲシステムの分解図を示す。
【図８Ｂ】いくつかの実施形態による、ＬＩＤＡＲシステムの分解図を示す。
【００３９】
【図９Ａ】特定の実施形態による、光測距デバイス９００の斜視図、正面図、および拡大正面図をそれぞれ示す。
【図９Ｂ】特定の実施形態による、光測距デバイス９００の斜視図、正面図、および拡大正面図をそれぞれ示す。
【図９Ｃ】特定の実施形態による、光測距デバイス９００の斜視図、正面図、および拡大正面図をそれぞれ示す。
【００４０】
【図１０】特定の実施形態による、Ｒｘモジュール１００１およびＴｘモジュール１００３の両方の光学系を示す、光測距デバイス１０００の光学ブロック図を示す。
【００４１】
【図１１Ａ】特定の実施形態による、マイクロ光学素子パッケージの上面図を示す。
【００４２】
【図１１Ｂ】いくつかの実施形態による、単一のマイクロ光学素子レシーバチャネルの断面図を示す。
【００４３】
【図１２Ａ】いくつかの実施形態による、ＳＰＡＤベースの検出器の上面図を示す。
【図１２Ｂ】いくつかの実施形態による、ＳＰＡＤベースの検出器の上面図を示す。
【００４４】
【図１３Ａ】いくつかの実施形態による、ＶＣＳＥＬチップトランスミッタの簡略化された上面図および側面図を示す。
【図１３Ｂ】いくつかの実施形態による、ＶＣＳＥＬチップトランスミッタの簡略化された上面図および側面図を示す。
【００４５】
【図１４】ＬＩＤＡＲバルク光学系の実施形態の簡略図を表す。
【００４６】
【図１５Ａ】バルク光学素子レンズアセンブリの実施形態を表す。
【図１５Ｂ】バルク光学素子レンズアセンブリの実施形態を表す。
【図１５Ｃ】バルク光学素子レンズアセンブリの実施形態を表す。
【００４７】
【図１６Ａ】レンズアセンブリの実施形態の様々な図を表す。
【図１６Ｂ】レンズアセンブリの実施形態の様々な図を表す。
【図１６Ｃ】レンズアセンブリの実施形態の様々な図を表す。
【図１６Ｄ】レンズアセンブリの実施形態の様々な図を表す。
【図１６Ｅ】レンズアセンブリの実施形態の様々な図を表す。
【００４８】
【図１７Ａ】レンズアセンブリのレンズの実施形態の断面図を表す。
【図１７Ｂ】レンズアセンブリのレンズの実施形態の断面図を表す。
【図１７Ｃ】レンズアセンブリのレンズの実施形態の断面図を表す。
【図１７Ｄ】レンズアセンブリのレンズの実施形態の断面図を表す。
【００４９】
【図１８】３つのレンズを有するレンズアセンブリの実施形態を表す。
【００５０】
［用語］
他に定義されない限り、本明細書で使用される技術用語および科学用語は、当業者によって一般に理解されているのと同じ意味を有する。しかしながら、以下の定義は、頻繁に使用される特定の用語の理解を容易にするために提供されており、本開示の範囲を限定することを意味するものではない。本明細書で使用される略語は、関連技術内でのそれらの従来の意味を有する。
【００５１】
測距データという用語は、レーザ測距デバイス、例えば回転ＬＩＤＡＲシステムのタレットコンポーネントから送信できる任意のデータを指し得る。測距データの例としては、距離情報、例えば特定の角度（方位角および／または天頂）での所与の目標点までの距離、距離レートまたは速度情報、例えば時間に関する測距データの導関数、さらにはリターンまたは信号強度の信号対雑音比（ＳＮＲ）、ターゲット反射率、各ピクセルの視野から到来する周囲ＮＩＲレベル、温度、電圧レベルなどを含む診断情報が挙げられる。いくつかの実施形態では、測距データは、タレットに位置するＲＧＢカメラ、例えば、ラインスキャンカメラまたはサーマルイメージャーなどの高速読み出しカメラからのＲＧＢ情報を含むことができる。
【００５２】
タレットという用語は、回転ＬＩＤＡＲシステムの回転部または回転部分を指す可能性がある。タレットコンポーネントは、ＬＩＤＡＲシステムのタレット部分にある回転コンポーネントまたは回路基板を含み、光測距デバイスに位置する１つ以上の構成要素、および／または回転アクチュエータの回転回路基板上に位置する１つ以上の構成要素を含むことができる。
【００５３】
回転ＬＩＤＡＲシステム（本明細書では「転回ＬＩＤＡＲシステム」と呼ばれることもある）の文脈では、ベースという用語は、回転ＬＩＤＡＲシステムの非回転部または非回転部分を指す可能性がある。ベースコンポーネントは、ＬＩＤＡＲシステムのベース部分にある非回転コンポーネントまたは回路基板を含み、ベースアセンブリに位置する１つ以上の構成要素および／または回転アクチュエータの非回転回路基板に位置する１つ以上の構成要素を含むことができる。
【００５４】
上部および下部という用語は、ＬＩＤＡＲシステムの回転軸に沿った構成要素の位置または相対位置を指す。いくつかの実施形態では、タレットコンポーネントとも呼ばれる上部構成要素は、ＬＩＤＡＲシステムのタレット上に位置するのに対し、ベースコンポーネントとも呼ばれる下部構成要素は、ＬＩＤＡＲシステムのベース上に位置する。
【００５５】
リングという用語は、円形形状だけでなく、わずかに非円形、例えば楕円形である形状、および円周における擾乱または振動（例えば、波状）を含めて、中心軸を中心に円周方向に配置された形状も含む。
【００５６】
対称と呼ばれる１つ以上の形状は、完全に対称な形状、ならびに一般に完全には対称でない形状を含むことができる。本明細書で説明する電子コンポーネントの配置は、対称構成で最も効率的に動作し得るが、対称という用語は、それらの構成が結果として最適な動作構成にならない場合でも、わずかに非対称である構成、または対称からわずかに逸脱している構成を除外しない。
【００５７】
平行という用語は、完全な平行に限定されず、製造ばらつきの結果として実質的に平行である幾何学的配置および構成も含み、例えば、本明細書で平行であると呼ばれる２つの要素は、使用される製造公差に応じて、２つの要素間に、−５〜５度、または−１〜１度の角度を有し得る。
【００５８】
垂直という用語は、完全な垂直に限定されず、製造ばらつきの結果として実質的に垂直である幾何学的配置および構成も含み、例えば、本明細書で垂直と呼ばれる２つの要素は、２つの要素間に、８５〜９５度の角度を有し得る。
【００５９】
光センサ（または単にセンサ）という用語は、光を電気信号（例えば、アナログ電気信号またはバイナリ電気信号）に変換することができるセンサを指す。アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）は、光センサの一例である。単一の光センサは、複数のより小さい「光検出器」を含むことができる。それゆえ、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）は、複数のＳＰＡＤ内の個々のＳＰＡＤ（例えば、ＳＰＡＤのアレイ内の各ＳＰＡＤ）を光検出器と呼ぶことができる、光センサの別の例であり得る。センサアレイという用語は、時として複数のセンサのアレイを含むセンサチップを指すことができる。また、ピクセルという用語は、時として光センサまたはセンサと交換可能に使用される。
【００６０】
トランスミッタという用語は、１つ以上の光送信要素、例えば、ＬＥＤ、レーザ、ＶＣＳＥＬなどを含む構造を指すことができる。トランスミッタという用語は、時としてエミッタアレイと呼ばれるトランスミッタのアレイを含むトランスミッタチップを含むこともできる。
【００６１】
バルク光学素子（複数可）という用語は、例えば、市販のカメラレンズおよび顕微鏡レンズに使用されるものなどの、センチメートル以上のオーダーの直径を有する、１つ以上の巨視的なサイズの光学素子を含む単一レンズおよび／またはレンズアセンブリを指す。本開示では、バルク光学素子という用語は、サイズが数マイクロメートル〜数ミリメートル以下のオーダーである個々の要素の直径を有する光学要素または光学要素のアレイを指すマイクロ光学素子という用語と対比される。一般に、マイクロ光学素子は、エミッタのアレイまたは検出器のアレイの、異なるエミッタおよび／または異なる検出器の光を異なる方法で変更することができる一方、バルク光学素子はアレイ全体の光を変更する。
【００６２】
本明細書で使用される、画像空間テレセントリック光学モジュールという用語は、レンズの開口内からの主光線のすべて（または実質的にすべて）が画像平面上に、指定された許容誤差内（例：＋／−２度）で、「まっすぐに」またはゼロの入射角で入射する光学系（バルクまたはその他）を指す。
【発明を実施するための形態】
【００６３】
特定の実施形態によれば、本明細書で開示される方法およびシステムは、コンパクトな光測距および検出（ＬＩＤＡＲ）システムおよびコンパクトなＬＩＤＡＲシステムの組み立て方法に関する。ＬＩＤＡＲシステムは、モジュール式の測距装置と、オプションの非常にコンパクトで統合された回転アクチュエータと、を含めることができる。モジュラー光測距デバイスは、スタンドアロンの非回転ソリッドステートＬＩＤＡＲとして動作するか、統合回転アクチュエータに接続されている場合は、回転ＬＩＤＡＲのタレットの一部として動作することができる。光測距デバイスは、光測距モジュールの周囲に位置するフィールド内の物体を照明するための光伝送モジュール（時として「発光モジュール」と呼ばれる）を含むことができ、また３Ｄ深度画像の計算に使用する照明光パルスの反射部分または散乱部分を感知するための光感知モジュールを含む。光測距モジュールはまた、光センサのアレイを含む検出器チップ（例えば、ＣＭＯＳチップ）を含むことができ、その各々は、例えば、ＳＰＡＤのアレイであり得る。
【００６４】
いくつかの実施形態では、回転アクチュエータは、上部回路基板アセンブリ（本明細書ではタレットまたは回転回路基板アセンブリとも呼ばれる）、およびベース回路基板アセンブリ（本明細書では固定回路基板アセンブリとも呼ばれる）を含む。回転アクチュエータの様々な回路基板は、ＬＩＤＡＲシステムの機能コンポーネントおよび／またはサポート用電子コンポーネントおよび光学コンポーネントの多くを、回転アクチュエータの１つ以上の基板に直接取り付けられ得るという意味で、高度に統合できる。例えば、光送信モジュールの様々な放出パラメータを制御することができるＬＩＤＡＲシステムのベースコントローラを、回転アクチュエータのベース回路基板アセンブリの基板上に取り付けることができる。さらに、回転アクチュエータの基板上にも統合されている無線電力送信システムによって、光測距モジュールに電力を提供することができる。光アップリンク／ダウンリンクチャネルをサポートする電気コンポーネントおよび光学コンポーネントも回転アクチュエータの１つ以上の回路基板に統合されている光アップリンクチャネルと光ダウンリンクチャネルによって、ベースコントローラから光測距モジュールへの、およびその逆の通信を可能にすることができる。
【００６５】
いくつかの実施形態では、これらの同じ基板は、回転アクチュエータの上部回路基板アセンブリおよび下部回路基板アセンブリの１つ以上の表面上に統合された電気モータ構成要素を含む。例えば、電気モータステータは、他の電気コンポーネント、例えば、一群の光アップリンクトランスミッタ、光ダウンリンクレシーバ、および無線電力トランスミッタと共に、回転アクチュエータの下部回路基板アセンブリの表面に直接接合できる。同様に、電気モータのロータは、他の電気コンポーネント、例えば一群の光アップリンクレシーバ、光ダウンリンクトランスミッタ、光または磁気ロータリエンコーダリーダ、および無線電力レシーバと共に、回転アクチュエータの上部回路基板アセンブリの表面に直接接合できる。
【００６６】
いくつかの実施形態では、上部回路基板アセンブリは、光測距モジュールを上部回路基板アセンブリに接続するために、上部回路基板アセンブリの表面にも接合された１つ以上のコネクタを含むことができる。また、回転アクチュエータはまた、取得したデータに対してデータ処理を実行するために光測距モジュールによって使用され得る、追加の計算リソース、１つ以上のＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、マイクロプロセッサなどを含むことができる。
【００６７】
本明細書に開示されたコンパクトＬＩＤＡＲにおける高レベルのシステム統合を考慮して、完全に機能するシステムは、光測距モジュールを回転アクチュエータに単に取り付けることによって組み立てられ得る。別個の電気モータモジュール、別個の通信モジュール、別個のパワーモジュールなどは必要ない。
【００６８】
いくつかの実施形態では、回転アクチュエータのアーキテクチャは、洗練された組み立て方法に役立つ。例えば、システムは、通信コンポーネント、電気モータコンポーネント、および無線電力コンポーネントを含む電気コンポーネントが、システムの中心軸の周囲に同心円状に、またはさらにシステムの軸と同軸に配置されるように、構築できる。中心軸はまた、上部回路基板アセンブリまたはタレットの回転軸と同一線上にあることができる。回転アクチュエータの１つ以上の基板は、定置筐体の下部またはベースに（直接または間接的に）取り付けられ得るシャフトを受け入れるように構成された中央穴を含むことができる。いくつかの実施形態では、シャフトは、システムの回転軸を画定し、それに取り付けられた１つ以上のベアリングは、下部回路基板アセンブリに対する上部回路基板アセンブリの回転運動を提供する。
【００６９】
上記のアーキテクチャを考慮して、いくつかの実施形態における回転アクチュエータの組み立ては、連続する基板をシャフト上の所定の位置に降下させるところまで縮減できる。電気コンポーネントのサブセット（通信コンポーネント、電気モータコンポーネント、無線電力コンポーネントなど）は、システムの中心軸を中心に円周方向に配置されるため、アセンブリが完了すると、これらのシステムは複雑な位置整合手順を必要とせずに効果的に動作することができる。
【００７０】
いくつかの実施形態では、システムは、光送信モジュールまたは光感知モジュール、またはその両方内で使用される熱的に安定な画像空間テレセントリック光学モジュールを使用する。熱的に安定した画像空間テレセントリック光学素子モジュールは、光送信モジュールまたは光感知モジュールのトランスミッタおよび／またはセンサのアレイをそれぞれ含むトランスミッタまたはセンサチップに対して空間的に安定した画像平面を有するように、設計できる。温度に対する屈折率の変化と共に、レンズハウジングおよびレンズハウジング内の光学要素の熱膨張係数は、熱的に安定した画像平面を提供するように選択できる。様々な実施形態では、光学系の個々の光学素子は、経済的であるが熱的に安定した設計を提供するために、ガラスおよび／またはプラスチックであってよい。
【００７１】
本開示のいくつかの実施形態によるモジュール式の光測距デバイスは、放射線のパルスをフィールドに放出する照明源としての垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）のセットを含み、フィールド内の表面から反射または散乱された放射線を検出するピクセルのセット（検出器）のセットとしての単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）検出器のアレイを含む。上記に述べたように、ＳＰＡＤは、現在利用可能ないくつかのＬＩＤＡＲセンサで使用されるＡＰＤと比較して、比較的低いダイナミックレンジを有する。ＳＰＡＤに固有の低いダイナミックレンジは、一部にはＳＰＡＤがどのように光子を検出するかの物理的性質に起因し、それらは、各光子検出イベントに対してアバランシェ電流パルスの形態でバイナリ電気信号（光子検出または非検出）を生成する、いわゆるガイガーモードデバイスである。ＶＣＳＥＬをエミッタとして使用し、ＳＰＡＤを検出器として使用すると、複数の測定を同時に行うことができ（すなわち、ＶＣＳＥＬエミッタを同時に発射できる）、かつ、エミッタのセットと光センサのセットをそれぞれ単一チップ上の標準ＣＭＯＳプロセスを使用して製造できるため、製造および組み立てプロセスが大幅に簡素化される。しかし、特定の実施形態でＶＣＳＥＬおよびＳＰＡＤを使用することは、本開示の様々な実施形態が克服する課題を提示する。例えば、ＶＣＳＥＬは、現在利用可能ないくつかのＬＩＤＡＲセンサで使用されるレーザよりもパワーがはるかに小さく、ＳＰＡＤは、いくつかのＬＩＤＡＲセンサで使用される検出器よりも効率がはるかに低い。これらの課題、ならびに複数のエミッタを同時に発射させることによって提示される課題に対処するために、本開示の特定の実施形態は、光学コンポーネントを含み、ＶＣＳＥＬエミッタ並びに様々な光学コンポーネント（例えば、レンズ、フィルタ、および開口層）の輝度を向上することができ、これは、本明細書で説明するように、各アレイが異なる光センサに対応するＳＰＡＤの複数のアレイと連携して機能し得る。
【００７２】
Ｉ．例示的な自動車用ＬＩＤＡＲシステム
図１Ａおよび１Ｂは、いくつかの実施形態による、本明細書でＬＩＤＡＲシステムとも称される自動車用光測距デバイスを示す。ＬＩＤＡＲシステムの自動車用途は、ここでは単に例示のために選択したものであり、本明細書で説明されるセンサは、例えば、ボート、航空機、列車などの他の種類の車両で、ならびに医用イメージング、測地学、ジオマティクス、考古学、地理学、地質学、地形学、地震学、林業、大気物理学、レーザ誘導、空中レーザスワスマッピング（ＡＬＳＭ）、およびレーザ高度計などの、３Ｄ深度画像が有用である多様な他の用途で、使用され得る。いくつかの実施形態では、図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、例えば、スキャニングＬＩＤＡＲシステム１００および／またはソリッドステートＬＩＤＡＲシステム１２０などのＬＩＤＡＲシステムを車両１０５の屋根に取り付けることができる。他の実施形態では、１つ以上のＬＩＤＡＲセンサを、車両の前部または後部、車両の側部および／または車両のコーナを含むがこれらに限定されない車両の他の箇所に取り付けることができる。
【００７３】
図１Ａに示されるスキャニングＬＩＤＡＲシステム１００は、ＬＩＤＡＲ光送信モジュール１０２（例えば、レーザパルスを放出する光源）および／または光感知モジュール１０４（例えば、物体までの距離を決定するために反射されたパルスを検出するための検出器回路）の向きが、車両１０５の外側にある外部のフィールドまたはシーン内の１つ以上の視野１１０の周りをスキャンされ得るスキャンアーキテクチャを使用することができる。スキャンアーキテクチャの場合、放射光１１２は、示されているように周囲環境にわたってスキャンされ得る。例えば、ＬＩＤＡＲシステム１００内に位置する１つ以上の光源（図示しない、赤外線または近赤外線パルスＩＲレーザなど）の出力ビーム（複数可）は、車両の周囲のシーンを照明するためにスキャン、例えば回転できる。いくつかの実施形態では、回転矢印１１５によって表されるスキャンは、機械的手段、例えば、発光体を回転柱または回転プラットフォームに取り付けることによって実施することができる。いくつかの実施形態では、スキャンは、検流計の使用などの他の機械的手段を通じて実施することができる。例えば、例えばデジタルマイクロミラー（ＤＭＤ）デバイス、デジタル光処理（ＤＬＰ）デバイスなどの１つ以上のＭＥＭＳベースの反射器を使用するマイクロチップを使用することによって、チップベースの操縦技術を使用することもできる。いくつかの実施形態では、スキャンは、非機械的手段を介して、例えば、電子信号を使用して１つ以上の光フェーズドアレイを操縦することにより達成することができる。
【００７４】
図１Ｂに示されるソリッドステートＬＩＤＡＲシステム１２０と同様の固定アーキテクチャの場合、１つ以上のソリッドステートＬＩＤＡＲサブシステム（例えば、光送信モジュール１２２および光感知モジュール１２４）を車両１０５に取り付けることができる。各ソリッドステートＬＩＤＡＲユニットは、各ユニットがそれ自体でキャプチャできるよりも大きい複合視野をキャプチャできるように、異なる方向を（おそらくユニット間で部分的に重複するおよび／または非重複の視野を有して）向くことができる。
【００７５】
回転アーキテクチャまたは固定アーキテクチャのいずれかで、シーン内の物体は、ＬＩＤＡＲ光源から放出される光パルスの一部分を反射することができる。その後、１つ以上の反射部分がＬＩＤＡＲシステムに戻り、検出器回路により検出され得る。例えば、反射部分１１４は、検出器回路１０４によって検出され得る。光送信モジュールは、光感知モジュールと同じハウジングに配設され得る。スキャンシステムおよび固定システムの態様は相互に排他的ではないため、組み合わせて使用され得る。例えば、図１Ｂの個々のＬＩＤＡＲサブシステム１２２および１２４は、ＭＥＭＳ振動ミラーなどの操縦可能なエミッタを使用することができ、または複合ユニット全体が機械的手段によって回転し、それにより、例えば視野１３０から視野１３２まで、ＬＩＤＡＲシステムの前方のシーン全体をスキャンすることができる。
【００７６】
図２Ａ〜２Ｂは、いくつかの実施形態による、それぞれ、回転ＬＩＤＡＲシステム２００および固定ソリッドステートＬＩＤＡＲシステム２３０の高レベルのブロック図を示す。両方のシステムは、光送信モジュール２１２および光感知モジュール２１４を含む光測距デバイス２１０を使用する。光送信モジュール２１２および感知モジュール２１４は、各々、例えば、感知モジュールおよび送信モジュールの入力／出力にそれぞれ位置付けられたバルク光学素子２１５、例えば多素子レンズアセンブリを含むことができる。光送信モジュール２１２は、マイクロ光学素子アレイと、バルク光学素子２１５と発光回路２１６との間に位置する任意のノッチフィルタ素子（図示せず）と、をさらに含むことができる。いくつかの実施形態では、発光回路２１６は、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧＡ）基板上の垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）のアレイなどの光源のチップスケールアレイを含む。光感知モジュール２１４はまた、マイクロ光学素子アレイ、およびバルク光学素子２１５と光検出器回路２１８との間に位置するノッチフィルタ素子（図示せず）を含むことができる。いくつかの実施形態では、光検出器回路２１８は、ＣＭＯＳ技術で製造された単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤＳ）のアレイなどの、光検出器のチップスケールアレイを含むことができる。他の検出器技術、例えば、アバランシェフォトダイオード、ＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳフォトダイオードイメージセンサ、空洞強化光検出器、表面強化光検出器なども採用することができる。
【００７７】
図２Ａを参照すると、回転ＬＩＤＡＲシステム２００において、光測距デバイス２１０は、タレット回路基板アセンブリ２２２（本明細書では、上部回路基板アセンブリまたは測距回路基板アセンブリとも呼ばれる）に電気的に接続され得る。回路基板アセンブリ２２２は、回路基板アセンブリ２２２が光測距デバイス２１０に接続される範囲まで測距すると考えられ得る。以下の図３でより詳細に説明するように、タレット回路基板アセンブリ２２２は、１つ以上のプロセッサおよびメモリを含むいくつかの回路要素を含むことができる。例えば、タレット回路基板アセンブリ２２２は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、およびまたは特定のＬＩＤＡＲ機能を提供するように調整された１つ以上の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を含むことができる。いくつかの実施形態では、光測距デバイス２１０は、マルチピン電気コネクタを介してタレット回路基板アセンブリ２２２にハードワイヤードされ得るか、または、例えば、光またはＲＦ接続を使用する通信チャネルを通して、タレット回路基板アセンブリ２２２に無線で接続されてもよい。
【００７８】
タレット回路基板アセンブリ２２２は、ベース回路基板アセンブリ２２６の真上に配設され得る。いくつかの実施形態では、ベース回路基板アセンブリ２２６は、タレット回路基板アセンブリ２２２に電力を無線送信して、例えば、光測距デバイス２１０および他の任意の関連付けられた回路（例えば、ＡＳＩＣＳ、ＦＰＧＡ、通信回路など）に給電することができる。加えて、光学、誘導、および／または容量通信チャネルは、ベース回路基板アセンブリ２２６をタレット回路基板アセンブリ２２２に接続することができ、それにより、ベース回路基板アセンブリから非接触データ伝送を介して光測距デバイス２１０を制御することができる。
【００７９】
図２Ａに示される実施形態では、タレット回路基板アセンブリ２２２は、回転カプラ２２４を通してベース回路基板アセンブリ２２６に回転可能に結合されている。回転カプラ２２４は、光測距デバイス２１０およびタレット回路基板アセンブリ２２２が、ＬＩＤＡＲシステム２００のハウジング２２０内で完全に３６０度回転することを可能にする。光測距デバイス２１０の回転により、システムは、デバイスの周りの容積の完全な３６０視野３Ｄマップを構築するために使用できるデータを取得することができる。いくつかの実施形態において、ベース回路基板アセンブリ２２６は、ベース回路基板アセンブリ２２６が固定状態で、かつハウジング２２０に対して回転しないように、例えば、機械的ブラケットおよびねじ（図示せず）によってハウジング２２０に連結され得る。ハウジング２２０は、ＬＩＤＡＲシステム２００が内部で動作する環境の湿気および様々な要素からＬＩＤＡＲシステム２００の光測距デバイス２１０および他の内部構成要素を保護する防水ハウジングであり得る。
【００８０】
回転カップリング２２４は、様々な実施形態において、いくつかの異なる方法で実装できる。例えば、いくつかの実施形態は、シャフトおよびベアリング構造（図示せず）を使用することができる。いくつかの実施形態では、回転カップリング２２４はまた、回転運動を可能にするだけでなく、タレット回路基板アセンブリ２２２の回転運動を駆動することも行う回転アクチュエータ用の１つ以上の構成要素を含む。例えば、ロータ要素（例えば、永久磁石）の配置を含む電気モータロータアセンブリは、タレット回路基板アセンブリ２２２、およびソレノイドコイルなどのステータ要素の配置を含む電気モータステータアセンブリに直接統合されることが可能であり、ベース回路基板アセンブリ２２６に直接統合されることが可能である。このような実施形態では、１つ以上の回転作動構成要素がベース回路基板アセンブリ２２６および／またはタレット回路基板アセンブリ２２２に統合される場合、回転作動のための別個のモジュールはもはや必要ではない。結果として、本明細書に開示されるＬＩＤＡＲシステムの実施形態は、別個の電気モータモジュールを使用するスピニングＬＩＤＡＲシステムよりも、よりコンパクトなフォームファクタおよびはるかに単純化された組み立てプロセスを有することができる。
【００８１】
図２Ｂは、いくつかの実施形態による固定ソリッドステートＬＩＤＡＲシステム２３０の簡略化されたブロック図である。図２Ａに示される回転ＬＩＤＡＲシステム２００と同様に、固定ソリッドステートＬＩＤＡＲシステム２３０は、防水ハウジング２４０内に収容された光測距デバイス２１０を含む。光測距デバイス２１０は、ハウジング２４０内のベース回路基板アセンブリ２３２に直接接続され得る。システム２３０は、光測距デバイス２１０を回転させないため、別個の回転タレット回路基板アセンブリまたは回転カプラの必要がない。したがって、タレット回路基板アセンブリ２２２とベース回路基板アセンブリ２２６との間に事前に分配された回路は、単一のベース回路基板アセンブリ２３２に完全に統合されており、および／または光感知モジュール２１４および／または送信モジュール２１２に関連付けられた回路との間で共有され得る。
【００８２】
いくつかの実施形態では、図２Ａ〜図２Ｂに示される実施形態のいずれかについて、１つ以上のＬＩＤＡＲ固有の操作を実行するためのハードウェアおよびソフトウェア／ファームウェア（例えば、光子時系列累積に続くピーク検出および測距データ計算および出力）光測距デバイス２１０の回路および／または回路基板アセンブリ（例えば、ＬＩＤＡＲシステム２００のタレット回路基板アセンブリ２２２および／またはベース回路基板アセンブリ２２６、またはＬＩＤＡＲシステム２３０のベース回路基板アセンブリ２３２）のうちの１つ以上に組み込まれ得る。例えば、いくつかの実施形態では、光検出器回路２１８はまた、ＳＰＡＤのアレイと同じ基板上に統合されたＡＳＩＣを含むことができる。このような状況では、ソフトウェア／ファームウェアの再プログラミング／再構成により、光測距デバイス２１０が（図２Ａに示されるＬＩＤＡＲシステム２００と同様の）回転ＬＩＤＡＲシステムの一部として、または（図２Ｂに示されるＬＩＤＡＲシステム２３０と同様の）独立型ソリッドステートＬＩＤＡＲシステムとして動作できるという意味で、光測距デバイス２１０はモジュール式である。すでに上述したように、機械的回転アクチュエータを必要とせずにビームステアリングを可能にすることもできる回路（例えば、ＭＥＭＳ、ＤＭＤ、光学フェーズドアレイなど）を使用することができる。したがって、本明細書で開示されるシステムのモジュール設計は、ハードウェアおよび機械的アーキテクチャ全体の高価かつ時間のかかる再設計なしに、ユーザのニーズに適合することができる高度に適応可能なシステムをもたらす。
【００８３】
ＩＩ．詳細ブロック図
図３は、図２Ａを参照して上述したものと同様のいくつかの実施形態による、回転ＬＩＤＡＲシステム３００のより詳細なブロック図を示す。より具体的には、回転ＬＩＤＡＲシステム３００は、任意で、無線データおよび電力の送信能力および受信能力を有する回転アクチュエータを使用することができる。いくつかの実施形態では、回転アクチュエータは、回転回路基板の表面上に統合されたロータと、固定回路基板の表面上に統合されたステータと、を含み、両方の基板アセンブリは、無線電力およびデータ転送の能力を具備している。
【００８４】
図３に示される回転ＬＩＤＡＲシステム３００は、２つの主要モジュール、すなわち、以下に詳細に説明される光測距デバイス３２０および回転アクチュエータ３１５を含む。また、回転ＬＩＤＡＲシステム３００は、ユーザインターフェースハードウェアおよびソフトウェア３０５の１つ以上のインスタンス化と相互作用することができる。ユーザインターフェースハードウェアおよびソフトウェア３０５の異なるインスタンス化は、変化することができ、例えば、モニタ、キーボード、マウス、ＣＰＵ、およびメモリを有するコンピュータシステム、自動車のタッチスクリーン、タッチスクリーンを有するハンドヘルドデバイス、または他の任意の適切なユーザインターフェースを含み得る。ユーザインターフェースハードウェアおよびソフトウェア３０５は、回転ＬＩＤＡＲシステム３００が上に取り付けられる物体に対してローカルであってもよいが、遠隔操作システムであることもできる。例えば、ＬＩＤＡＲシステム３００への／からのコマンドおよびデータは、セルラーネットワーク（ＬＴＥなど）、パーソナルエリアネットワーク（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、Ｚｉｇｂｅｅなど）、ローカルエリアネットワーク（ＷｉＦｉ、ＩＲなど）、またはインターネットなどの広域ネットワークを通してルーティングされ得る。
【００８５】
ユーザインターフェースハードウェアおよびソフトウェア３０５は、デバイスからのＬＩＤＡＲデータをユーザに提示できるが、ユーザが１つ以上のコマンドで回転ＬＩＤＡＲシステム３００を制御することを可能にすることもできる。コマンドの例として、ＬＩＤＡＲシステムを作動させるまたは不作動にするコマンド、光検出器の露出レベル、バイアス、サンプリング期間、および他の動作パラメータ（例えば、放出パルスパターンおよび信号処理）を指定し、輝度などの光エミッタパラメータを指定するコマンドを挙げることができる。さらに、結果を表示する方法をユーザが選択することを、コマンドで可能にすることができる。ユーザインターフェースは、ＬＩＤＡＲシステムの結果を表示することができ、この結果は、例えば、単一フレームのスナップショット画像、絶えず更新されるビデオ画像、および／または、周囲のノイズ強度、戻り信号強度、較正されたターゲットの反射率、ターゲットの分類（ハードターゲット、拡散ターゲット、再帰反射ターゲット）、範囲、信号対雑音比、ターゲットの半径方向速度、戻り信号の一時的なパルス幅、信号の偏波、ノイズの偏波など。などのいくつかまたはすべてのピクセルの他の光測定の表示を含むことができる。いくつかの実施形態では、ユーザインターフェースハードウェアおよびソフトウェア３０５は、車両からの物体の距離（近接性）を追跡し、場合によっては運転者に警告を提供するか、または運転者の行動の分析のためにこのような追跡情報を提供する。
【００８６】
いくつかの実施形態では、ＬＩＤＡＲシステムは車両制御ユニット３１０と通信することができ、車両の制御に関連する１つ以上のパラメータは、受信されたＬＩＤＡＲデータに基づいて修正することができる。例えば、完全自律走行車両では、ＬＩＤＡＲシステムは、ナビゲーションを支援するために、車を取り巻く環境のリアルタイム３Ｄ画像を提供できる。他の場合では、ＬＩＤＡＲシステムは、先進運転支援システム（ＡＤＡＳ）の一部として、または、任意の数の異なるシステム（例えば、適応型クルーズコントロール、自動駐車、運転者の眠気監視、死角監視、衝突回避システムなど）に３Ｄ画像データを提供することができる安全システムの一部として、使用され得る。車両制御ユニット３１０が光測距デバイス３２０に通信可能に結合されているとき、警報を運転者に提供することができるか、または物体の近接を追跡および／または表示することができる。
【００８７】
光測距デバイス３２０は、光感知モジュール３３０、光送信モジュール３４０、および光測距システムコントローラ３５０を含む。回転アクチュエータ３１５は、少なくとも２つの回路基板アセンブリ、下部回路基板アセンブリ３６０（本明細書ではベースサブシステムとも呼ばれる）、および上部回路基板アセンブリ３８０（本明細書ではタレットサブシステムとも呼ばれる）を含む。下側回路基板アセンブリ３６０は、筐体またはハウジング（図示せず）の定置部分に機械的に取り付けられることが可能である一方、上側回路基板アセンブリ３８０は、通常は、筐体にも（直接または間接的に）取り付けられたシャフト（図３に表されていない）によって画定される回転軸を中心に自由に回転する。光測距デバイス３２０は、回転可能な上部回路基板アセンブリ３８０に機械的に取り付けられることが可能であり、したがって、ハウジング内で自由に回転する。
【００８８】
図３は、光測距デバイス３２０および回転アクチュエータ３１５内の構成要素の１つの特定の配置を示すが、いくつかの実施形態では、特定の構成要素は、示されるものとは異なり、一方または他方のモジュールに統合され得る。一例として、例えば、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、または組み込みシステムまたはシステムオンチップ（ＳＯＣ）と同様のより一般的なコンピューティングデバイスであり得る測距システムコントローラ３５０は、上部回路基板アセンブリ３８０の一部であるプリント回路基板に、直接取り付けられ（例えば、はんだ付けされ）得る。言い換えれば、いくつかの実施形態では、回転アクチュエータの部品は、光測距デバイス３２０内に統合されることが可能であり、逆もまた同様である。
【００８９】
回転アクチュエータ３１５は、下部回路基板アセンブリ３６０および上部回路基板アセンブリ３８０の１つ以上のプリント回路基板上に統合されたいくつかの異なるシステムを含む。例えば、回転アクチュエータ３１５は、ブラシレス電気モータアセンブリ、光通信サブシステム、無線電力送信サブシステム、およびベースコントローラを含むことができる。これらのシステムは、上部回路基板アセンブリ３８０上の１つ以上の回路要素と協調して動作する（例えば、相補的である機能を有する）下部回路基板アセンブリ３６０上の１つ以上の回路要素を含む各ペアとの協調回路要素のペアによって形成されている。以下でより詳細に説明するように、相補的機能は、例えば、電力および／またはデータ通信信号の送信（Ｔｘ）および受信（Ｒｘ）を含む。
【００９０】
ブラシレス電気モータアセンブリは、下部回路基板アセンブリ３６０のプリント回路基板上に統合されたステータアセンブリ３６２と、上部回路基板アセンブリ３８０のプリント回路基板上に統合されたロータアセンブリ３８２と、を含む。ロータアセンブリ３８２の回転は、モータドライバ回路３６４から生じる駆動信号、例えば、三相駆動電流を基に駆動される。いくつかの実施形態では、１つ以上のモータ制御線が、モータドライバ回路をステータアセンブリ３６２のコイルに接続して、駆動信号をモータステータに提供できるようにする。さらに、モータドライバ回路３６４は、ベースコントローラ３６６がロータアセンブリの回転速度、それゆえ、光測距デバイス３２０の回転速度（すなわち、フレームレート）を制御することができるように、ベースコントローラ３６６に電気的に接続され得る。
【００９１】
いくつかの実施形態では、ロータアセンブリ３８２は、１０〜３０Ｈｚの速度で回転することができる。いくつかの実施形態では、ロータアセンブリ３８２は、上部回路基板アセンブリの回路基板に取り付けられた一連の永久磁石を含む受動デバイスであり得る。これらの永久磁石は、下側回路基板アセンブリ３６０に対する上側回路基板アセンブリ３８０の回転を駆動するために、ステータアセンブリのコイルによって生成される電磁力、例えば磁力に誘引されるか、または反発されるかのいずれかである。上部回路基板アセンブリ３８０の回転方向は、ロータリエンコーダ３７４上の１つ以上の特徴の通過を検出することによって上部回路基板アセンブリの角度位置を追跡することができるロータリエンコーダレシーバ３９４によって追跡され得る。多様なロータリエンコーダ技術を使用することができる。いくつかの実施形態では、ロータリエンコーダ３７４は、下部回路基板アセンブリ３６０の回路基板の表面に直接統合されている。
【００９２】
回転アクチュエータ３１０はまた、本明細書で回転変圧器と呼ばれる構成をなす無線電力トランスミッタ３７２および無線電力レシーバ３９２を含む無線電力システムを含むことができる。トランスミッタ３７２から無線電力レシーバ３９２に送信された電力は、光測距デバイス３２０、および／または、タレット／上部回路基板アセンブリ上の電力を必要とする任意の回路によって消費され得る。いくつかの実施形態では、光測距デバイス３２０が必要とするすべての電力は、無線電力レシーバ３９２を通して提供され、それゆえ、スリップリングまたは水銀ベースのデバイスと同様の回転電気カプラの必要がなく、それによってシステム全体の信頼性を高め、コストを減少させる。
【００９３】
回転アクチュエータ３１０はまた、いくつかの光トランスミッタ（例えば、光トランスミッタ３７８および３９６）と、回転アクチュエータ３１５と光測距デバイス３２０との間の（または回転アクチュエータ３１５の上部回路基板アセンブリ３８０に機械的に接続された他の任意のデバイスまたはシステムへの／からの）双方向非接触データ送信に使用されるいくつかの光レシーバ（例えば、光レシーバ３７６および３９８）と、を含む光通信サブシステムを含むことができる。より具体的には、光通信サブシステムは、ＬＩＤＡＲシステム３００の固定ベースの一部である下部回路基板アセンブリ３６０に取り付けられた（例えば、はんだ付けされた）ベース光通信コンポーネントのセットを含み、ＬＩＤＡＲシステム３００の回転タレットの一部である回転上部回路基板アセンブリ３８０に取り付けられた（例えば、はんだ付けされた）タレット光通信コンポーネントのセットを含むことができる。これらの光通信コンポーネントは、制御信号を含む光信号を光測距デバイス３２０に提供するためのアップリンクデータチャネルを提供し、測距および運用データを含む光信号を、光測距デバイス３２０からベースコントローラ３６６、ユーザインターフェースハードウェアおよびソフトウェア３０５、および／または車両制御ユニット３１０に提供するためのダウンリンクデータチャネルも提供する。
【００９４】
上部回路基板アセンブリ３６０から下部回路基板アセンブリ３８０へのダウンリンク光通信チャネルは、光ダウンリンクトランスミッタ３９６と光ダウンリンクレシーバ３７６との間に作成され得る。光測距デバイス３２０は、上部回路基板アセンブリ３８０に直接接続されることが可能であり、したがって、ダウンリンク光通信チャネルにアクセスして、さらなる使用のために測距データおよび動作データを下部回路基板アセンブリ３６０に渡すことができる。いくつかの実施形態では、光ダウンリンクを介して光信号で受け渡されるデータは、フィールド内の個々のポイント（ピクセル）の範囲データ（または、場合によっては、例えば霧／雨の間にガラス窓を通してみるときの単一のピクセルおよび角度についての複数の範囲）、方位角および天頂角のデータ、戻り値または信号強度の信号対雑音比（ＳＮＲ）、目標反射率、各ピクセルの視野から到来する周囲近赤外線（ＮＩＲ）レベル、温度などの光測距デバイスからの診断動作情報、電圧レベルなどを含むことができる。加えて、回転アクチュエータの上部回路基板３８０に接続された他の任意のシステムからのデータは、光ダウンリンクを介して受け渡され得る。例えば、高速ＲＧＢまたはサーマルカメラ、ラインスキャンカメラなどからのデータ。
【００９５】
下部回路基板アセンブリ３６０からのアップリンク光通信チャネルは、光アップリンクトランスミッタ３７８と光アップリンクレシーバ３９８との間に作成され得る。いくつかの実施形態では、ベースコントローラ３６６からの制御信号は、光アップリンク通信チャネルを介して光測距デバイス３２０に渡され得る。例えば、いくつかの実施形態では、ベースコントローラ３６６は、（ダウンリンクチャネルから受信した）デバイスにおける様々な温度を監視でき、過熱状態の場合、緊急シャットダウン信号をアップリンクチャネルを介して光測距デバイス３２０に送出することができる。いくつかの実施形態では、ベースコントローラは、モバイルコンピュータ、例えば、関連付けられたメモリおよびＩ／Ｏ能力（例えば、イーサネットなど）を有するＡＲＭ＋ＦＰＧＡアーキテクチャを使用するプログラム可能なシステムオンチップであり得る。
【００９６】
１つ以上の光パルスを光送信モジュール３４０から光測距デバイスを取り囲む視野内の物体に送信することにより、光測距デバイス３２０によって測距データが生成され得る。次いで、送信された光の反射部分が、いくらかの遅延時間の後、光感知モジュール３３０によって検出される。一般に「飛行時間」と呼ばれる遅延時間に基づいて、反射表面までの距離が決定され得る。例えば、連続波、ドップラーなどの他の測距法も使用することができる。
【００９７】
光送信モジュール３４０は、エミッタアレイ３４２および送信（Ｔｘ）光学系３４４を含むことができる。エミッタアレイ３４２は、トランスミッタの一次元または二次元のアレイであることができ、送信光学系３４４と組み合わされると、バルク撮像光学素子の背後にトランスミッタチャネルのアレイを形成する。これらのトランスミッタチャネルは、ビーム成形、ビームステアリング、輝度向上などのためのマイクロ光学素子構造を任意で含むことができる。光送信モジュール３４０は、任意のプロセッサ３４６およびメモリ３４８をさらに含むことができるが、いくつかの実施形態では、これらのコンピューティングリソースは測距システムコントローラ３５０に組み込まれ得る。いくつかの実施形態では、例えばバーカーコードなどのパルスコーディング技術を使用することができる。そのような場合、メモリ３４８は、光をいつ送信すべきかを示すパルスコードを格納することができる。一実施形態では、パルスコードは、メモリに格納された整数のシーケンスとして格納される。
【００９８】
光感知モジュール３３０は、センサアレイ３３２およびレシーバ（Ｒｘ）光学系３３４を含むことができる。センサアレイ３３２は、光センサの一次元または二次元のアレイであり得る。いくつかの実施形態では、各光センサは、バイナリ光子検出器（例えば、ＳＰＡＤなど）のコレクションを含むことができる一方、他の実施形態では、各光センサは、線形光検出器（例えば、ＡＰＤ）であり得る。レシーバ光学系３３４およびセンサアレイ３３２は、以下でより詳細に説明するように、バルク光学素子の背後にマイクロ光学素子レシーバチャネルのアレイを形成することができる。各マイクロ光学受信機チャネルは、周囲容積の明確な視野内の画像ピクセルに対応する光を測定する。センサアレイ３３２の各光センサ（例えば、ＳＰＡＤの集合体）は、例えば、光感知モジュール３３０および光送信モジュール３４０の幾何学的構成の結果として、エミッタアレイ３４２の特定のエミッタに対応し得る。代替実施形態では、センサアレイ３３２の各センサは、エミッタアレイ３４２の複数のエミッタ（例えば、ＶＣＳＥＬのクラスタ）に対応し得る。さらに別の実施形態では、エミッタアレイ３４２内の単一の大きなエミッタ（例えば、レーザダイオードバー）は、センサアレイ３３６内の複数のセンサに対応し得る。
【００９９】
いくつかの実施形態では、光感知モジュール３３０のセンサアレイ３３２は、アレイ内の個々の光センサ（または光センサのグループ）からの原信号を信号処理するための光センサのアレイ、プロセッサ３３６、およびメモリ３３８の両方を含む単一基板上のモノリシックデバイスの一部として、例えば、ＣＭＯＳ技術を使用して、製造され得る。センサアレイ３３２、プロセッサ３３６、およびメモリ３３８を含むモノリシック構造は、専用のＡＳＩＣとして製造することができる。いくつかの実施形態では、レシーバ光学系３３４の一部であるマイクロ光学素子コンポーネントはまた、センサアレイ３３２、プロセッサ３３４、およびメモリ３３８が一部であるモノリシック構造の一部であり得る。このような挙例では、マイクロ光学素子コンポーネントは、マイクロ光学素子コンポーネントがレシーバチャネルの各層に対して別個の基板層を有するモノリシック構造の一部になるように、ＡＳＩＣ上に形成され得る。例えば、開口層、コリメートレンズ層、光学フィルタ層、および光検出器層を積み重ねて、ダイシング前にウェーハレベルで複数のＡＳＩＣに接合することができる。開口層は、透明基板の上に非透明基板を置くか、透明基板に不透明フィルムをコーティングすることによって形成され得る。このような実施形態では、ダイシングステップにより複数のＡＳＩＣが形成され、各々が、各々に直接接合された独自のマイクロ光学素子構造を有する。別の例として、マイクロ光学素子コンポーネントは、ＡＳＩＣがダイシングプロセスによってより大きなウェーハから分離された後、ＡＳＩＣに直接接合され得る別個のモノリシック構造として形成され得る。このようにして、ＡＳＩＣとマイクロ光学素子構造とを互いに接合して、単一のモノリシック構造を形成することができる。さらに他の実施形態では、Ｒｘモジュール３３０の１つ以上の構成要素が、モノリシック構造の外側にあってもよい。例えば、開口層は、ピンホールを有する別個の金属シートとして実装されてもよい。
【０１００】
上述のように、プロセッサ３３６およびメモリ３３８（例えば、ＳＲＡＭ）は、信号処理を実行することができる。信号処理の例として、各光子検出器、または各光子検出器のグループについて、光感知モジュール３３０のメモリ３３８は、連続する時間ビンにわたって検出された光子のカウントを累積することができ、これらの時間ビンを組み合わせて使用して、反射された光パルスの時系列（すなわち、光子のカウント対時間）を再作成することができる。集計された光子カウントのこの時系列は、本明細書では強度ヒストグラム（または単にヒストグラム）と称される。加えて、プロセッサ３３６は、ＳＰＡＤの飽和およびクエンチングに起因して起こり得るパルス形状歪みの影響を受けにくい光子時系列を回復するのに役立つ、整合フィルタリングなどの特定の信号処理技術が達せられ得る。いくつかの実施形態では、測距システムコントローラ３５０の１つ以上の構成要素を、センサアレイ３３２、プロセッサ３３６、およびメモリ３３８と同じＡＳＩＣに統合することもでき、それにより、測距コントローラモジュールを分離する必要がなくなる。
【０１０１】
いくつかの実施形態では、プロセッサ３３６からの出力は、さらなる処理のために測距システムコントローラ３５０に送出される。例えば、データは、測距システムコントローラ３５０の１つ以上のエンコーダによって符号化され、次いで、光ダウンリンクを介してデータパケットとして下部回路基板アセンブリ３６０に送出され得る。測距システムコントローラ３５０は、例えば、ＡＳＩＣまたはＡＳＩＣの一部としてのＦＰＧＡなどのプログラマブルロジックデバイスを使用すること、プロセッサ３５２をメモリ３５４と共に使用すること、および上記の何らかの組み合わせ、によることを含む複数の方法で実現され得る。測距システムコントローラ３５０は、ベースコントローラ３６６と協調するか、またはベースコントローラとは独立して（事前にプログラムされた命令を介して）動作して、光検出の開始および停止を含み、光検出器パラメータを調整するコマンドを送出することにより、光感知モジュール３３０を制御することができる。同様に、測距システムコントローラ３５０は、発光の開始および停止の制御と、（波長調節のための）エミッタ温度制御、エミッタ駆動電力および／または電圧などの他の光エミッタパラメータを調整し得る制御と、を含むコマンドを送出するか、またはベースコントローラ３６６からのコマンドを中継することにより、光送信モジュール３４０を制御することができる。
【０１０２】
エミッタアレイ３４２が複数の独立した駆動回路を有する場合には、測距システムコントローラ３５０によって適切に順序付けられ得る複数のオン／オフ信号があり得る。同様に、エミッタアレイがアレイ内の異なるエミッタを異なるように調節するために複数の温度制御回路を含む場合、トランスミッタパラメータは複数の温度制御信号を含むことができる。いくつかの実施形態では、測距システムコントローラ３５０は、光感知モジュール３３０および光送信モジュール３４０とデータを交換するための１つ以上の有線インターフェースまたはコネクタを有する。他の実施形態では、測距システムコントローラ３２０は、光通信リンクなどの無線相互接続を介して、光感知モジュール３３０および光送信モジュール３４０と通信する。
【０１０３】
ＩＩＩ．光の送信および検出
図４Ａおよび図４Ｂは、いくつかの実施形態による光測距システムの光の送信および検出プロセスの例示的な例を表しており、図２を参照して上記で導入したように、エミッタ−センサチャネルの配置を形成するエミッタアレイおよびセンサアレイ上に焦点を有する。図４Ａは、光測距システム４００の外部のボリュームまたはシーン４５０の三次元距離データを収集する光測距システム４００（例えば、ソリッドステートまたはおよび／または走査）を表す。図４Ｂは、図４Ａからの光測距システム４００の拡大図である。光測距システム４００は、上記で論じた光測距システム２００、２２０、または３００、ならびに以下で論じる様々な光測距デバイスのうちの任意のものを表すことができる。図４Ａおよび図４Ｂは、エミッタとセンサとの間の関係を強調する大幅に簡略化された図であり、それゆえ、他の構成要素は示されていない。
【０１０４】
図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、光測距システム４００は、光エミッタアレイ４１０および光センサアレイ４２０を含む。光エミッタアレイ４１０は、エミッタ４１０（１）およびエミッタ４１０（９）などの個々のエミッタを含む光エミッタのアレイ（例えば、ＶＣＥＬのアレイなど）を含む。光センサアレイ４２０は、センサ４２０（１）および４２０（９）などの個々の光センサを含む光センサのアレイを含む。光センサは、ピクセルごとに、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）などの離散した光検出器のセットを使用する、ピクセル化された光センサであり得る。ただい、様々な実施形態は、任意の種類の光子センサを展開することができる。いくつかの実施形態では、光測距システム４００は、本明細書ではバルク光学素子と呼ばれるバルク光学素子の１つ以上のセット（図示せず）を含み、示されている方向にビームを方向転換するために、光エミッタアレイ４１０および／または光センサアレイ４２０の前に配置される。
【０１０５】
各エミッタは、隣接するエミッタからわずかにオフセットされ得、かつ隣接するエミッタから異なる視野内に光パルスを送信するように構成され得るため、そのエミッタのみに関連付けられたそれぞれの視野を照明することができる。例えば、エミッタ４１０（１）は、（１つ以上の光パルスから形成された）照明ビーム４１５（１）を円形視野４５２（そのサイズは明確にするために誇張されている）内に放出する。同様に、エミッタ４１０（９）は、照明ビーム４１５（９）（エミッタチャネルとも呼ばれる）を円形視野４５４内に放出する。煩雑さを避けるために図４Ａおよび図４Ｂには示さないが、各エミッタは、対応する照明ビームをその対応する視野内に放出し、結果として２Ｄアレイの視野（この例では、光エミッタアレイ４１０の、３×７アレイに配置された２１個のエミッタに対応する２１個の個別の視野）が照明される。
【０１０６】
エミッタによって照明される各視野は、測距データから生成される対応する３Ｄ画像内のピクセルまたはスポットと考えられ得る。各エミッタチャネルは、各エミッタに個別であり得、他のエミッタチャネルと非重複であり得る、すなわち、エミッタのセットと非重複の視野のセットとの間に１対１のマッピングがある。それゆえ、図４Ａおよび図４Ｂの例では、システムは、３Ｄ空間内の２１個の個別のポイントをサンプリングすることができる。より高密度のエミッタアレイを有することにより、または１つのエミッタが空間内の複数のポイントをサンプリングすることができるように、エミッタビームの角度位置を経時的にスキャンすることにより、ポイントの高密度サンプリングを達成することができる。
【０１０７】
各センサは、上述のエミッタのように、隣接するセンサからわずかにオフセットすることができ、各センサはセンサの前のシーンの異なる視野を見ることができる。さらに、各センサの視野は、例えば、それぞれのエミッタチャネルの視野と実質的に一致し、例えば重なり合い、同じサイズである。上述のエミッタと同様に、センサの視野は、アセンブリの回転によってスキャンされ得る。スキャンは、検流計、ＭＥＭＳミラーを使用して、または何らかの他の方法でも達せられ得る。
【０１０８】
図４Ａおよび図４Ｂでは、対応するエミッタ−センサチャネル間の距離は、視野内の物体までの距離に対して誇張されている。実際には、視野内の物体までの距離は、対応するエミッタ−センサチャネル間の距離よりもはるかに大きく、それゆえエミッタから物体までの光路は、物体からセンサまで戻る反射光路にほぼ平行である（すなわち、光はほとんど「後方反射」される）。したがって、システム４００の前には、個々のセンサの視野と個々のエミッタの視野とが重なり合う距離の範囲があり、システムが深度情報を最も正確に決定することができるのは、この距離範囲を越えるところである。
【０１０９】
エミッタの視野はそれぞれのセンサの視野と重なっているため、各センサチャネルは理想的には、それぞれのエミッタチャネルを起源とし、理想的にはクロストークのない反射照明ビームを検出できる、つまり、他の照明ビームからの反射光は検出されない。例えば、エミッタ４１０（１）は、照明ビーム４１５（１）を円形視野４５２内に放出し、照明ビームの一部は、反射ビーム４２５（１）として物体４６０から反射する。理想的には、反射ビーム４２５（１）は、センサ４２０（１）のみによって検出される。それゆえ、エミッタ４１０（１）およびセンサ４２０（１）は、同じ視野（例えば、視野４５２）を共有し、エミッタ−センサペアを形成する。同様に、エミッタ４１０（９）およびセンサ４２０（９）は、エミッタ−センサペアを形成し、視野４５４を共有する。いくつかの実施形態では、エミッタアレイ４１０およびセンサアレイ４２０は、各エミッタ−センサペアの視野が（閾値距離を越えて）他のエミッタ−センサペアの視野と重なり合わないように（バルク光学系と併せて）設計および構成される。
【０１１０】
エミッタ−センサ対は、図４Ａおよび図４Ｂでは、それぞれのアレイ内の同じ相対箇所にあるものとして示されているが、システムで使用される光学素子の設計に応じて、任意のエミッタを任意のセンサとペアにすることができる。いくつかの実施形態では、同一に配置されたエミッタ／センサペアの前に同一のバルク撮像光学素子を有することは、設計の単純さ／コストの観点から有利であり得る。
【０１１１】
測距測定中、ＬＩＤＡＲシステムを取り巻く容積の周りに分布する様々な視野からの反射光が様々なセンサによって収集されて処理され、それぞれの視野内の任意の物体の範囲情報をもたらす。上記のように、正確にタイミングを合わせたパルスを光エミッタが放出し、ある経過時間の後にパルスの反射がそれぞれのセンサによって検出される、飛行時間技術を使用することができる。次に、放出と検出との間の経過時間と、既知の光速度とを使用して、反射面までの距離を計算する。いくつかの実施形態では、範囲に加えて、反射面の他の特性を決定するために、センサにより追加情報を取得することができる。例えば、パルスのドップラーシフトをセンサで測定し、センサと反射面との間の相対速度を計算するために使用することができる。
【０１１２】
いくつかの実施形態では、ＬＩＤＡＲシステムは、エミッタチャネルおよびセンサチャネルの比較的大きな２Ｄアレイで構成され、ソリッドステートＬＩＤＡＲとして動作することができる、つまり、ＬＩＤＡＲシステムは、エミッタおよび／またはセンサの方向をスキャンする必要なしに、範囲データのフレームを取得することができる。他の実施形態では、エミッタおよびセンサのセットの視野が、周囲容積の完全な３６０度領域（または３６０度領域の何らかの有用な部分）をサンプリングすることを確実にするために、エミッタおよびセンサをスキャンさせる、例えば軸を中心に回転させることができる。例えば、ある所定の時間にわたってスキャンシステムから収集された範囲データを、次に後処理して１つ以上のフレームのデータにし、これをさらに処理して、１つ以上の深度画像または３Ｄ点群にすることがでる。深度画像および／または３Ｄ点群をさらに処理して、３Ｄマッピングおよびナビゲーションアプリケーションで使用するためのマップファイルにすることができる。
【０１１３】
ＩＶ．統合アーキテクチャを有するＬＩＤＡＲユニット
図５Ａ〜図５Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による、３６０スキャンアーキテクチャを使用する回転ＬＩＤＡＲシステム５００を示す。いくつかの実施形態では、ＬＩＤＡＲシステム５００は、時計回りまたは反時計回りの方向に転回して車両の周りの周囲フィールドを観察する。システム５００は、固定ベースハウジング５０２、光学的に透明な窓５０４、およびＬＩＤＡＲシステム５００の内部構成要素の保護を提供する固定蓋５０６を含むことができる。窓５０４は、近赤外光の双方向送信を可能にするために、透明な材料から作製され得る。固定ベースハウジング５０２、窓５０４、および蓋５０６は、ＬＩＤＡＲシステム５００の内部構成要素を完全に閉囲し、要素から構成要素を保護する耐水性または防水システムハウジングまたは筐体５０８を構成する。ハウジング／筐体５０８は、例えば、図２Ａに関して上述したハウジング２２０を表すことができる。いくつかの実施形態では、筐体は、図５Ａに示されるように、概して円筒形状を有することができる。
【０１１４】
いくつかの実施形態では、窓５０４は、筐体５０８の周縁の全周に延在し、定置関係をなしてベースハウジング５０２および蓋５０６に取り付けられ得る。このような実施形態では、（図５Ｂに示される）光測距デバイス５１０は、窓５０４の背後の筐体５０８内で回転することができる。他の実施形態では、窓５０４は、光測距デバイス５１０と共に回転することができる。図５Ａに示されるベースハウジング５０２、窓５０４、および固定蓋５０６の構成は、本開示の実施形態による筐体５０８の一例にすぎない。当業者は、ＬＩＤＡＲシステム５００に適した筐体の他の構成が可能であることを認識するであろう。異なる構成の一例として、蓋５０６は、窓５０４の一部であり得る。別の例として、窓５０４が光測距デバイス５１０と共に回転する実施形態では、窓５０４は、非透明な領域によって分離された２つ以上の別個の窓を含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、ＬＩＤＡＲシステム５００は、光トランスミッタと位置整合した第１の窓と、光レシーバと位置整合した第１の窓から離間した第２の窓と、を含むことができる。本明細書で使用される場合、「位置整合」は、光トランスミッタまたは光レシーバが窓を通して光を送信または受信することを意味する。
【０１１５】
システム５００の内部構成要素（図５Ａには図示せず）は、図３に関して説明したアクチュエータ３１０および光測距デバイス３２０などの回転アクチュエータおよび光測距デバイスを含むことができる。光測距デバイスは、窓５０４と位置整合することができ、回転アクチュエータによって転回されて、窓５０４を通してＬＩＤＡＲシステム５００を取り囲むフィールドにパルスビームを投射し、同時に光測距デバイスは、時計回りまたは反時計回りの方向に連続的に３６０度転回している。次いで、フィールドから窓５０４を通して戻る反射光は、本明細書で説明するように、光測距デバイスによって検出され、フィールド内の物体までの距離を決定することができる。
【０１１６】
以下でより詳細に説明するように、回転ＬＩＤＡＲシステム５００は、高度に統合されたアーキテクチャを使用することができ、内部の機械要素および回路のための高度にコンパクトな構成を可能にする。したがって、本開示のいくつかの実施形態によるＬＩＤＡＲシステムの全体的なフォームファクタは、多くの既存のシステムよりも小さいことが可能であり、例えば、図５Ａに見られるように、コーヒーマグ５５０の容積と同様かそれよりも小さい全体的な容積を有する。
【０１１７】
図５Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による、統合された積層基板設計を強調するために、外側筐体／システムハウジング５０８（窓５０４および蓋５０６を含む）が取り外されたＬＩＤＡＲシステム５００の実施形態を示す。図５Ｂに示されるように、回転ＬＩＤＡＲシステム５００は、光トランスミッタ５１２および光レシーバ５１４を含む光測距デバイス５１０を含み、光測距デバイス５１０は、光トランスミッタの第１のハウジング部分５１６と光レシーバの第２のハウジング部分５１８とを含むハウジング５１５内に取り付けられている。光測距デバイス５１０は、積層基板回転アクチュエータ５２０の回転端を形成するプリント回路基板５２２に、定置関係をなして機械的に接続されている。プリント回路基板５２４を含む、積層基板回転アクチュエータ５２０の定置側は、筐体のベース部分５０２に取り付けられている。
【０１１８】
以下でより詳細に説明するように、ＬＩＤＡＲシステムの実施形態は、それらを非常にコンパクトな回転ＬＩＤＡＲシステムに特に適したものにする、高度に統合された設計を具備する。ＬＩＤＡＲシステムの様々な機能要素（機械式と電子式との両方）は、図５Ｂに示されるように、並列配置で積層された１つ以上の回路基板、例えば回路基板５２２、５２４、５２６、および５２８を含む積層回路基板アセンブリに統合されている。いくつかの実施形態では、電源システム、電気モータ、通信システム、およびＬＩＤＡＲ制御システムはすべて、積層板回転アクチュエータ５２０の１つ以上の積層平面回路基板に統合される。光測距デバイス５１０は、１つ以上のマルチピンコネクタなど（図示せず）によって上部基板５２２に都合よく取り付けられ得る。以下に詳述するように、基板は、中央シャフトが通過する中央開口を含むことができる。上部基板は、１つ以上のベアリングを介してシャフトの上部に取り付けられ得る。基板の各々は、基板の平坦な表面がシャフト、したがって回転軸に対して垂直をなして配置され得る。この構成の結果として、ＬＩＤＡＲシステム内で向きが異なる複数の基板を使用する他のシステムに対して、組み立ておよびメンテナンスがはるかに簡単である。
【０１１９】
図６Ａ〜図６Ｃは、本開示の様々な実施形態に従う、ＬＩＤＡＲシステム６００、６５０、および６６０の断面図を示す。より具体的には、図６Ａ〜図６Ｃに示される個々の構成要素は、図３を参照して既に上述したものに概して対応し、図６Ａ〜図６Ｃに示される図は、いくつかの実施形態による、様々な回路素子の幾何学的配置の例を提供する。図６Ａおよび図６Ｂは各々、上部回路基板アセンブリと下部回路基板アセンブリとの間に光通信を使用する実施形態を示すのに対して、図６Ｃは、上部回路基板アセンブリと下部回路基板アセンブリとの間に誘導通信を使用する実施形態を示す。図６Ｄ〜図６Ｅは、いくつかの実施形態による個々の回路基板の表面の図を提供し、いくつかの個々の回路素子の周方向の同心配置をさらに例示している。
【０１２０】
ここで図６Ａを参照すると、ＬＩＤＡＲシステム５００を表すことができるＬＩＤＡＲシステム６００は、上部回路基板アセンブリ６１０および下部回路基板アセンブリ６２０のそれぞれとともに光測距デバイス６０２を含むことができ、その上部基板アセンブリ６１０は、基板アセンブリに対して垂直である軸６０５を中心に、下部回路基板アセンブリ６２０に対して回転する。回路基板アセンブリ６１０および６２０は、ＬＩＤＡＲシステムの構成要素のすべてまたは本質的にすべてを保持するＬＩＤＡＲシステム６００の各構造コンポーネントである。ツーピース設計により、システム６００は、現在入手可能な多くのＬＩＤＡＲシステムと比較して、サイズが小さくなり、信頼性が向上し、システム６００をより低いコストで製造することが可能になる。
【０１２１】
光測距デバイス６０２は、上部基板アセンブリ６１０の回路基板の１つに取り付けられて、光測距デバイスを上部基板アセンブリ６１０とともに回転させることができる一方、下部基板アセンブリ６２０は、各々がＬＩＤＡＲシステム６００の固定ベースの一部であるベース６０４およびまたは側壁６０６に取り付けられ得る。上部回路基板アセンブリ６１０および光測距デバイス６０２の回転は、長手方向軸または回転６０５に沿って中心に置かれた中空シャフト６０６上に位置するベアリングシステム６０７によって可能とされる。
【０１２２】
アセンブリ６１０、６２０の各々は、互いに対して平行な関係で配置された２つ以上の積層された平面回路基板を含むことができる。示される特定の実施形態では、上部アセンブリ６１０は、ロータ通信基板６１２およびロータ制御基板６１４を含む一方、下部アセンブリ６２０は、ステータ通信基板６２２およびステータ制御基板６２４を含む。以下でより詳細に説明するように、電気モータは、エンコーダ、無線電力システム、および光通信システムとともに、基板アセンブリ上に直接統合できる。これらの同じ要素の多くまたはすべては、図６Ｂおよび図６Ｃにそれぞれ示されるＬＩＤＡＲシステム６５０および６６０の基板アセンブリ上にも統合されている。それゆえ、図６Ａ〜図６Ｃの説明を簡略化し、繰り返しを避けるために、同様の参照番号は同様の要素を示すために使用され、このような同様の要素の説明は通常繰り返されない。
【０１２３】
ＬＩＤＡＲシステム６００のこの高度に統合された積層基板設計は、ＬＩＤＡＲシステムの異なる機能要素の各々に多数のスタンドアロンモジュールを使用するシステムと比較して、アセンブリプロセスが大幅に簡略化されたシステムを提供する。代替実施形態では、本開示のＬＩＤＡＲシステムは、各々が単一の回路基板である上部基板アセンブリおよび下部基板アセンブリを含むことができ、積層基板設計をさらにいっそう単純化する。例えば、図６Ｂに示されるＬＩＤＡＲシステム６５０は、単一の下部回路基板６５２および単一の上部回路基板６５４を含む。
【０１２４】
図６Ａ〜図６Ｃには明確に示されていないが、１つ以上のサポート電源回路、駆動／制御回路、および通信回路は、以下で説明するシステムの各々とペアを形成することができ、これらのサポートシステムを回転アクチュエータの１つ以上の回路基板上に統合することもできる。例えば、ステータのソレノイドに三相駆動電流を提供するためのモータドライバは、下部回路基板アセンブリ６２０の回路基板の表面に取り付けられ得る。電力駆動および調整回路は、無線電力送信コンポーネントとペアを形成し、上部基板アセンブリおよび／または下部基板アセンブリに取り付けられ得る。バッファ、ＬＥＤ／レーザ電流ドライバ、エンコーダ／デコーダ、クロック回復回路、光検出器駆動および調整回路などのデジタル通信システムのサポート回路も、回路基板アセンブリの１つ以上の基板に取り付けられ得る。これらの要素のいくつかは以下でさらに詳細に論じられるが、当業者は、本開示の範囲から逸脱することなく、標準の回路構成要素の任意の数の配置および構成を使用できることを理解するであろう。いくつかの実施形態では、回転対称光アップリンク、無線電力回転変圧器、ブラシレスｄｃモータ、およびロータリエンコーダの性質のため、シャフトの周囲のこれらのサブシステムの同心配置を使用することができる。
【０１２５】
Ｖ．光リンク
１．統合された中心光ダウンリンク
いくつかの実施形態では、中空シャフト６０６は、基板アセンブリの各々を支持する中心構造部材として作用することができるだけでなく、データ、例えば、測距および／または動作データを、タレットアセンブリから、下部回路基板アセンブリ６２０（ベースシステムとも呼ばれる）に位置する制御および処理回路に提供するためのダウンリンク光通信チャネル（「ダウンリンクチャネル」）のハウジングとしても作用する。光ダウンリンクチャネルは、光ダウンリンクトランスミッタ６２６および光ダウンリンクレシーバ６２８を含むことができ、その各々を回転軸６０５に沿って中心に置くことができる。光ダウンリンクトランスミッタ６２６は、上部回路基板アセンブリ６１０の回路基板の表面に直接取り付けられる（例えば、はんだ付けされる）ことが可能であり、光ダウンリンクトランスミッタ６２６が中空シャフト６０６の中心穴または開口部を通して光を送信することができるように位置付けられ得る。同様に、光ダウンリンクレシーバ６２８は、下部回路基板アセンブリ６２０の回路基板の表面に直接取り付けられる（例えば、はんだ付けされる）ことが可能である。光ダウンリンクレシーバ６２８は、光ダウンリンクレシーバ６２８が光ダウンリンクトランスミッタ６２６から送信される光信号を受信することができるように、シャフトの下端に位置付けられ、光ダウンリンクトランスミッタ６２６と位置整合し得る。
【０１２６】
回転アクチュエータの光アップリンクに使用される光トランスミッタおよびレシーバは、任意の好適な光エミッタまたは検出器であり得る。例えば、ＩＲ  ＬＥＤ、レーザダイオード、ＶＣＳＥＬなどを光エミッタに使用することができる。同様に、任意の好適な光検出技術を、フォトダイオードなどのレシーバに使用することができる。
【０１２７】
２．統合された光アップリンク
光アップリンクチャネルは、複数の光アップリンクトランスミッタ６４２の周方向配置と、複数の光アップリンクレシーバ６３２の相補的な周方向配置と、の間に形成され得る。光ダウンリンクトランスミッタ／レシーバペアと同様に、個々の光アップリンクトランスミッタおよび光アップリンクレシーバは、それぞれ下部回路基板アセンブリおよび上部回路基板アセンブリのそれぞれの回路基板に直接取り付けられる（例えば、はんだ付けされる）。下部回路基板アセンブリ上に配設された光通信コンポーネントは、本明細書では「ベース光通信コンポーネント」とも呼ばれる。上部回路基板アセンブリまたはタレット上に配設された光通信コンポーネントは、本明細書では「タレット光通信コンポーネント」とも呼ばれる。有利には、中空シャフト６０６の壁は、アップリンクチャネルとダウンリンクチャネルとの間の光学的分離を提供し、したがってクロストークを最小限に抑える。
【０１２８】
周方向配置の個々のエミッタおよびレシーバは、単一の複合レシーバおよび単一の複合トランスミッタとしてともに機能するように互いに結合される。例えば、システムが回転するため、光アップリンクレシーバの全配置によって検出されるアップリンク信号の全体の光強度は、個々のエミッタ／検出器が互いに通過する際に、わずかしか変化しない。さらに、複合トランスミッタの個々のトランスミッタの数は、複合レシーバの個々のレシーバの数と同じであるか、または異なることができる。
【０１２９】
回転アクチュエータの光アップリンクに使用される光トランスミッタおよびレシーバは、任意のタイプの光エミッタまたは検出器であり得る。例えば、複合光トランスミッタとして、ＩＲ  ＬＥＤ、レーザダイオード、ＶＣＳＥＬなどのリングを使用することができる。同様に、任意の好適なタイプの光検出技術をレシーバに使用することができ、例えば、フォトダイオードのリングなどを複合光レシーバとして使用することができる。加えて、光アップリンクに使用される光トランスミッタおよびレシーバは、ダウンリンクに使用されるものと同じまたは異なるタイプ（例えば、電源および波長）であり得る。
【０１３０】
光アップリンクトランスミッタ６４２の周方向配置の例が図６Ｄに示されており、それは、固定回路基板（例えば、図６Ａの回路基板６２２）の上面図を例示している。この例では、中心穴６７２の周囲に周方向に配置された６つの光アップリンクトランスミッタ６４２がある。６つのトランスミッタは、中心が、シャフトの中心（それゆえ穴６７２の中心）に位置し、かつ回転軸と重なり合う円６７４の周囲で等間隔をなす。
【０１３１】
回転基板（例えば、図６Ａの回路基板６１２、または図６Ｂの回路基板６５４）の対向する表面は、図６Ｅに示されるように、光アップリンクレシーバ６３２の対応する周方向配置を含み、それは、いくつかの実施形態による、回転回路基板の底面図を例示している。この例では、中心穴６７２の周囲に周方向に配置された７つの光アップリンクレシーバがある。７つのレシーバは、中心がシャフト（図示せず）の中心に位置し、したがって回転軸と重なり合う円６８４の周囲で等間隔をなす。したがって、基板が回転すると、光アップリンクレシーバ６３２の配列は、回転軸を中心に回転する。円６８４の半径は円６７４の半径と同じであるため、トランスミッタはレシーバと位置合わせされており、回転は時間の経過とともに平均信号のわずかな上昇および下降をもたらすだけであり、周波数はタレットシステムの回転周波数の倍数である。信頼性を有するアップリンクチャネルに必要であるトランスミッタの数は、トランスミッタの公称電力、ならびに各トランスミッタから放出される光コーンの発散の両方に依存する。理想的には、回転基板の前面でのトランスミッタ光のスポットサイズは、回転基板が回転する際に個々のスポットが重なり合い、レシーバの集合から見た平均強度の全体的な変化が指定値を下回る。
【０１３２】
図６Ｄおよび図６Ｅは、中空シャフト６０６内に光ダウンリンクチャネルが形成され、複数の光アップリンクトランスミッタの周方向配置と、シャフトの外側に配設された複数の光アップリンクレシーバの相補的な周方向配置と、の間に光アップリンクチャネルが形成される実施形態を表すが、他の実施形態では、光チャネルの他の配置が可能である。例えば、いくつかの実施形態では、アップリンクチャネルを中空シャフト６０６内に形成することができ、ダウンリンクチャネルをシャフトの外側に形成することができる。さらに他の構成では、ダウンリンクチャネルとアップリンクチャネルとの両方を、シャフト６０６の内側に（例えば、別個の光ガイドを使用して）形成することができるか、またはダウンリンクチャネルとアップリンクのチャネルとの両方を、光学コンポーネントの別個の周方向配置でシャフトの外側に形成することができる。
【０１３３】
ＶＩ．誘導通信リンク
図６Ｃを再度参照すると、図６Ｃは、上部回路基板アセンブリと下部回路基板アセンブリとの間の誘導通信システム６６６、６６８を使用する実施形態を示す。この例では、データのアップリンクおよびダウンリンクは、示されるように、下部回路基板アセンブリおよび上部回路基板アセンブリにそれぞれ取り付けられたコイルのペア６６６ａ〜ｅおよび６６８ａ〜ｅによって提供される。コイルは、データラインおよびクロックラインの両方を含むことができる。各コイルは、それぞれの回路基板の表面に取り付けられたそれら自体である上部コイルハウジング６６６および下部コイルハウジング６６８などのハウジングの別のチャネル、例えば円形チャネル内に埋め込むことができる。いくつかの実施形態では、複数の誘導データ線に使用されるいくつかのコイル、例えば、ダウンリンクチャネル１トランスミッタコイル６６６ｂおよびダウンリンクチャネル１レシーバコイル６６８ｂ、ダウンリンクチャネル２トランスミッタコイル６６６ｃ、ならびにダウンリンクチャネル２レシーバコイル６６８ｃがあり得る。いくつかの実施形態において、ダウンリンククロック信号は、別のコイルペア、例えば、ダウンリンククロック送信コイル６６６ａおよびダウンリンククロックレシーバコイル６６８ａを介して送信され得る。同様に、データアップリンクチャネルは、１つ以上のペアのコイルから、例えばアップリンクトランスミッタコイル６６８ｄおよびアップリンクレシーバコイル６６６ｄにより、形成することができる。ダウンリンクと同様に、データアップリンククロック信号は、一ペアのコイル、例えば、アップリンククロックトランスミッタコイル６６８ｅおよびアップリンククロックレシーバコイル６６６ｅから形成される、専用チャネルを有することもできる。
【０１３４】
いくつかの実施形態では、誘導通信リンクの使用は、光学構成に勝るいくつかの利点を提供することができ、（１）中空シャフト６０６の、構築するのがより単純かつ容易である中実シャフト６６５との交換、（２）いくつかの状況にでは、誘導コイルの配置により、機械的な位置整合に必要な厳格な許容誤差が少なくなり、それゆえ製造コストが低いことが可能である、（３）基板間で複数の情報チャネルをやり取りするためのより簡易な構成、（４）データと共にクロックを渡すことができるため、クロックおよびデータリカバリ（ＣＤＲ）チップの必要性が除去される、（５）マルチチャネル（パラレル）データ送信ライン配置を提供することにより、帯域幅のスケーリングを可能にすることができる、（６）基板間で別個のクロック信号を分配することにより、下部基板アセンブリ（ステータ）と上部基板アセンブリ／光測距ユニット（ロータ）との間で確定的なタイミング動作を達成することができる、を含む。
【０１３５】
図６Ｃは、５つのコイルペアを有する実施形態を示しているが、本開示の範囲から逸脱することなく、任意の数のコイルペアを実装することができる。例えば、１つのデータアップリンクチャネルおよび１つのダウンリンクチャネルのみを有する２コイルペア構成を実装することができる。この場合、クロック信号は、アップリンクチャネルを介して提供され得、ダウンリンククロックは、このアップリンククロック信号から導出され得る。他の実施形態では、３つのコイルペアを使用することができ、１つはアップリンクデータ用、１つはダウンリンクデータ用、もう１つはアップリンククロック信号用であり、ダウンリンククロック信号はアップリンククロック信号から導出される。アップリンククロック信号チャネルとダウンリンククロック信号チャネルとの両方を提供する４つのコイルペア構成も可能である。上記のすべてに加えて、本開示の範囲から逸脱することなく、任意の数のデータチャネルを使用することができる。
【０１３６】
ＶＩＩ．統合された電気モータ
特定の実施形態によれば、電気回転モータを回路基板上に直接統合することができる。モータは、対向するステータ基板上の平面ステータアセンブリに対向するロータ基板上の平面ロータアセンブリを有する「パンケーキ」または「軸方向」設計を有することができる。電気モータのステータアセンブリおよびロータアセンブリは、回転アクチュエータ６０８の基板上に統合され得、すなわち、電気モータの要素は、プリント回路基板の表面上の多くの構成要素の１つであり、それゆえ、ＬＩＤＡＲシステム６００に別個のモータモジュールは必要とされない。例えば、図６Ｄを再度参照すると、ステータアセンブリ６４４は、ステータ要素６４４（ｉ）、例えば、（接着剤を使用して）下部回路基板アセンブリ６２０の基板（例えば、基板６２２）に、または軟磁性コアに固設され、次いで、下部回路基板アセンブリ６２０に固設される、垂直に配向されたソレノイド（基板の表面に対して垂直な、ソレノイドの長手方向軸を有する）の環状配置を含むことができる。ステータ要素の例は、図６Ｄの上面図に示されている。各ステータ要素６４４（ｉ）は、磁性材料、例えばフェライトなどのコア６４４ｂを中心に巻かれたソレノイドコイル６４４ａを含むことができる。コイルは、ソレノイドを出る磁場が回路基板の平面に実質的に垂直である方向に実質的に配向されるように配向される。図６Ｄに示される実施形態では、ステータアセンブリ６４４は、互いに等間隔に離間した１８個の個々のステータ要素６４４（ｉ）を含むが、本開示の実施形態は、任意の特定の数のステータ要素を有するステータアセンブリに限定されず、他の実施形態は、より少ないまたはより多い個々のステータ要素６４４（ｉ）を含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、ステータアセンブリ６４４は、環状配置で少なくとも１２個の個々のステータ要素６４４（ｉ）を含む。また、いくつかの実施形態では、ステータアセンブリ６４４内の個々のステータ要素６４４（ｉ）の数は３の倍数であり、モータドライバ回路およびコントローラ（図６Ｄに示さず）は、基板６２２の回転速度、それゆえ、光測距デバイス６０２の回転速度を制御するために、三相交流信号をステータアセンブリ６４４に提供する。
【０１３７】
モータステータアセンブリ６４４に正対して配置されており、上部回路基板アセンブリ６１０の基板に取り付けられているのは、モータロータアセンブリ６３４である。いくつかの実施形態では、図６Ｅに示される基板図により詳細に示されるように、モータロータアセンブリ６３４は、永久磁石６３４（ｉ）の環状配置を含む受動素子であり得、それらの極は、ステータアセンブリの様々なソレノイドコイルの開口部に順番に対向して開口部を誘引するために交互のパターンで配置されている。それゆえ、図６Ｅに示されるように、各個々の磁石６３４ａは、その隣接する磁石６３４ｂと対向して配置されたその極を有することができ、各個々の磁石６３４ｂは、その隣接する磁石６３４ａと対向して配置されたその極を有することができる。また、図６Ｅに示されるステータアセンブリ６４４の実施形態は、互いに等間隔をなして離間した２４個の個々の磁石６３４（ｉ）を含むが、本開示の実施形態は、特定の数の要素を有するロータアセンブリに限定されず、他の実施形態は、より少ないまたはより多い個々の磁石６３４（ｉ）を含むことができる。さらに、図６Ｄおよび図６Ｅに見られるように、モータステータアセンブリ６４４およびモータロータアセンブリ６３４は、ステータの円およびロータの円の両方が同じ半径および中心位置を有する全体的に円形リング形状を有することができる（例えば、両方のリングは、シャフトを中心とすることができる）。
【０１３８】
図６Ｄおよび図６Ｅに示される実施形態は、永久磁石であるロータ要素およびソレノイドコイルであるステータ要素を使用するが、本開示の範囲から逸脱することなく、対向する構成を使用することもできる。例えば、ロータ要素としてソレノイドを使用することができ、ステータ要素として永久磁石を使用することができ、その場合、ステータ要素への電力は、以下で説明する無線電力送信システムによって提供することができる。加えて、特定の実施形態では、ロータ／ステータ要素として永久磁石を使用するのではなく、電磁石を使用することができる。本開示の利益を有する当業者は、ＰＣＢ搭載ブラシレスＤＣモータの任意の実装を使用することができ、例えば、ソレノイドコイルおよび永久磁石要素の任意の非接触構成を使用することができ、基礎となるハードウェアの回転運動を実装する任意の駆動スキームを、本開示の範囲から逸脱することなく使用することができることを理解するであろう。
【０１３９】
ＶＩＩＩ．統合された無線電力送信システム
回転する上部回路基板アセンブリ６１０に接続された回路要素に電力を提供するために、回転アクチュエータ６０８は、本明細書では回転変圧器とも呼ばれる無線電力システムを含む。無線電力システムは、無線電力トランスミッタ６４８を含む無線電力送信サブシステムと、無線電力レシーバ６３８を含む無線電力受信サブシステムと、を含む。無線電力トランスミッタ６４８は、例えば、図６Ｄに示されるように、下部回路基板アセンブリ６２０の回路基板（例えば、基板６２２）の表面に取り付けられた、円形ループアンテナの形態をなすトランスミッタコイル（例えば、シングルターンまたはマルチターンのコイル）であり得る。同様に、無線電力レシーバ６３８は、図６Ｅに示されるように、上部回路基板アセンブリ６１０の回路基板（例えば、基板６１２）の表面に取り付けられた、円形ループアンテナの形態をなすレシーバコイル（例えば、シングルターンまたはマルチターンのコイル）であり得る。無線電力トランスミッタ６４８および無線電力レシーバ６３８の両方の中心は、中空シャフト６０６の中心に位置付けられ、したがって、光学エンコーダリング、電気モータアセンブリ、および光学アップリンクレシーバ／トランスミッタと同心である。有利には、無線電力トランスミッタおよびレシーバは、基板６２２および６１２の最も外側の領域に配置されて、電力伝送効率を最大化し、かつＬＩＤＡＲシステム環境または内部からの光を光エンコーダ、アップリンクまたはダウンリンクに到達しないように有利に遮断する円形ループの面積（したがってインダクタンス）を最大化することができる。
【０１４０】
いくつかの実施形態では、無線電力トランスミッタ６４８および無線電力レシーバ６３８は、それぞれの基板の環状領域内に配置されており、環状領域の壁および底は、磁性材料、例えばフェライトなどから形成されている。例えば、図６Ｅは、フェライト壁６８６および６８８（図６Ａ〜図６Ｃには図示せず）および閉塞されたフェライト底部から形成される環状領域内に配設された無線電力レシーバ６３８を示す。フェライト材料のこのような配置は、図６Ｆに表されており、これは、フェライト壁６８６、６８８および下部フェライト壁６９０によって画定される環状チャネル内に配置されたマルチコイル無線電力レシーバ６３８の一部の簡略化された断面図である。図６Ｆに示される配置は、トランスミッタとレシーバとの間に磁場を通して、電力伝送効率を改善し、システムから漏れる電磁放射を低減することに役立つ。
【０１４１】
ＩＸ．統合された光学エンコーダ
回転アクチュエータ６０８は、下部回路基板アセンブリ６２０に対する上部回路基板アセンブリ６１０の角度位置の読み出しを可能にする、統合された光学エンコーダアセンブリをさらに含む。光学エンコーダアセンブリは、パターン化された環状光学エンコーダ６４６と、例えば、システムが回転する際にロータリエンコーダ検出器６３６を通過するパターンの数を検出およびカウントすることによりアセンブリの角度位置を読み取るためのロータリエンコーダ検出器６３６を含む。特定の実施形態では、ロータリエンコーダ検出器６３６は、ＬＥＤなどの照明デバイスと、環状光学エンコーダのパターン化された表面を照射および検出するためのフォトダイオードまたは撮像検出器などの検出器と、を含むことができる。いくつかの実施形態では、環状光学エンコーダは、円環上の一意の位置で発生する開始コードを含むことができ、または絶対エンコーディングパターンを提供し、それにより絶対角度配向測定を可能にする。いくつかの実施形態では、エンコーダシステムは、本質的に光学的ではなく磁気的であり、同様に位置付けられた磁気エンコーダストリップおよび磁気エンコーダリーダに依存する。
【０１４２】
いくつかの実施形態では、環状光学エンコーダ６４６は、下部回路基板アセンブリ６２０の回路基板（例えば、基板６２２）の表面に取り付けられることが可能であり、ロータリエンコーダ検出器６３６は、ここに図示するように、上部回路基板アセンブリ６１０の表面（例えば、基板６１２）に取り付けられることが可能であり、またはその逆も可能である。環状光学エンコーダ６４６は、どちらの基板上に配置されるかに関わらず、その中心が中空シャフト６０６の中心にあるように配置されることが可能であり、したがって、例えば図６Ｄに示されるように、電気モータアセンブリおよび光アップリンクレシーバ／トランスミッタの両方と同心である。いくつかの実施形態では、ロータリエンコーダ検出器６３６は、例えば図６Ｅに示すように、環状光学エンコーダ６４６の上方のどこか回転回路基板上に位置付けられる。
【０１４３】
有利には、エンコーダアセンブリは、無線電力送信システムと電気モータアセンブリとの間に配置されて、エンコーダ検出器と光学アップリンクシステムのトランスミッタとの間の光学的分離を最大化することができる。図６Ａの例に示すように、いくつかの実施形態では、環状光学エンコーダ６４６は、回転アクチュエータ６０６のステータ側にあり、ロータリエンコーダ検出器６３６はロータ側にあり得る。これは、回転アクチュエータの非標準的な構成であるが、ＬＩＤＡＲ用途にはこの構成が有利である。例えば、このようにロータリエンコーダ検出器６３６と光測距システム６０２との間の回転接続を除去することにより、２つのシステム間の低遅延接続の実装を実施することができる。ＬＩＤＡＲ用途では、ロータリエンコーダ検出器６３６の角度位置測定値を迅速に取り込むため、および現在の測距情報をロータの現在の角度位置と相関させて空間精度を高めるために、低遅延接続が重要になり得る。
【０１４４】
Ｘ．組み立て方法
図７〜図８は、特定の実施形態による組み立てプロセスを例示するためのＬＩＤＡＲシステムの分解図を示す。図７は、下部回路基板アセンブリ（本明細書ではベースアセンブリとも呼ばれる）の機械的アセンブリを例示している。図８は、上部回路基板アセンブリの機械的アセンブリと、下部回路基板アセンブリおよび光測距デバイスの両方へのその取り付けとを例示しており、それにより、完全なＬＩＤＡＲシステムを形成する。
【０１４５】
１．下部回路基板アセンブリの組み立て
図７は、特定の実施形態によるコンパクトＬＩＤＡＲシステムの組み立てプロセスを例示するための、下部回路基板アセンブリ７００の分解図を示す。図７に示される実施形態では、下部回路基板アセンブリ７００は、図６Ａを参照して上述したものと同様の２基板構成である。具体的には、下部回路基板アセンブリ７００は、本明細書ではベース制御基板７２０およびステータ基板７３０と呼ばれる、第１のサブ基板および第２のサブ基板を含む。いくつかの実施形態では、図６Ａに示されるように、ベース制御基板７２０およびステータ基板７３０は、それぞれ基板６４３および基板６４１に対応する。
【０１４６】
下部回路基板アセンブリ７００の組み立ては、ベース制御基板７２０がねじ７２８によってベースハウジングユニット７１０に機械的に取り付けられることで開始され得る。図３および図６Ａを参照して既に上述したように、ベース制御基板は、ベースコントローラ３６６と同様のベースコントローラを含む、いくつかの回路要素を含むことができる。サポート回路、例えば、光通信システム、無線電力送信システム、およびロータリエンコーダシステムの要素のドライバも、ベース制御基板上に含められ得る。光ダウンリンク通信チャネルを可能にするために、光ダウンリンクレシーバ７２２は、図６Ａを参照して上述したように、基板の中央領域のベース制御基板７２０の上面に取り付けられ（例えば、はんだ付けされ）得る。
【０１４７】
いくつかの実施形態では（例えば、図６Ｂを参照して上述したように）、光ダウンリンクレシーバ７２２および他のサポート回路要素は、ステータ基板７３０上に直接統合され、それによって別個のベース制御基板７２０の必要性を排除する。このような場合、下部回路基板アセンブリ７００の組み立ては、熱拡散要素７２５をベース７１０に直接取り付けることによって開始することができ、またはベースまたは熱拡散要素７２５を使用しない場合、組み立ては、ステータ基板７３０を設置することによって開始することができる。
【０１４８】
ベース制御基板７２０がベース７１０に取り付けられた後、シャフト７１５は、ねじ７０６を使用して、ベース制御基板７２０に取り付けられ得る。いくつかの実施形態では、シャフト７１５をベース７１０に直接取り付けて、ベアリングシステムを介して上部回路基板アセンブリからベース７１０への熱の熱伝導を改善することができる（以下の図８Ａおよび図８Ｂにより詳細に示す）。図６Ａ〜図６Ｂを参照して上述したように、シャフト７１５は、その長さにわたって、光ダウンリンクチャネルに開いた光路を提供する中央穴７１６を含むことができる。したがって、シャフト７１５は、ベース７１０の概して中心近くに位置する光ダウンリンクレシーバ７２２の上に直接配置され得る。いくつかの実施形態では、ベース制御基板７１２またはベース７１０の外周の形状に関わらず、シャフト７１５は、システムの回転軸７０５を画定する。それゆえ、シャフト７１５の位置は、ベース制御基板７２０の中心またはベース７１０の中心に直接ある必要はない。
【０１４９】
シャフト７１５がベース制御基板７１０に取り付けられた後、熱拡散要素７２５は、１つ以上のねじ７１６によってベース制御基板７２０に取り付けられ得る。いくつかの実施形態では、熱拡散要素７２５は、高い熱伝導率を有する材料（例えば、アルミニウムなど）から作製され得る。加えて、熱拡散要素７２５と基板との間に、伝導熱経路を提供しながら電気的短絡を防止するための１つ以上の介在する熱発泡パッドが存在してもよい。いくつかの実施形態では、熱拡散要素７２５は、ステータ基板７３０の下面の１つ以上の部分とベース制御基板７２０の上面の１つ以上の部分とに熱接触し、それによってこれらの基板の回路要素からの集中した熱が基板間により均等に分布するための熱経路を提供する。その周辺で、熱拡散要素７２５はまた、ベース７１０の側面と熱的に接触し、それゆえ、熱が基板からベース７１０に、そして最終的にはシステムの外に伝導されるための改善された熱経路を提供してもよい。
【０１５０】
熱拡散要素７２５を固定した後、ステータ基板７３０は、ねじ７３６によって取り付けられ得る。いくつかの実施形態では、ステータ基板７３０は、１つ以上のマルチピン電気コネクタ（例えば、下部コネクタ７２４および７２６）によってベース制御基板７２０に電気的に接続され得る。いくつかの実施形態では、基板間の物理的接続は、ステータ基板７３０とベース制御基板７２０との間に機械的接続圧力を加えることにより（例えば、ステータ基板をベース７１０に取り付けられた後にベース制御基板に押し付けることにより）行われる。接続圧力は、ステータ基板７３０をベース制御基板７２０に固定するために使用されるねじ７３６によって、システムの寿命にわたって維持され得る。
【０１５１】
組み立てられてベース７１０に固定されると、１つ以上の任意のカラーカメラ７３２をステータ基板７３０の周囲に配置して、１つ以上の撮像開口７１２を通るベース７１０からの明確な視覚経路を有することができ、いくつかの実施形態では、撮像を支援するために、開口をクリアすることができるか、または１つ以上の光学要素を包含することができる。他の実施形態では、カラーカメラ７３２は、ステータ基板７３０に取り付けられるのではなく、ベース７１０に直接取り付けられ得る。カラーカメラ７３２は、ＬＩＤＡＲシステムによって蓄積されたＬＩＤＡＲデータを、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる、「Ａｕｇｍｅｎｔｉｎｇ  Ｐａｎｏｒａｍｉｃ  ＬＩＤＡＲ  Ｒｅｓｕｌｔｓ  ｗｉｔｈ  Ｃｏｌｏｒ」と題する米国特許出願第１５／９８０，５０９号に説明されている静止フレームおよび／またはビデオなどのカラー撮像データで補うことを可能にする。
【０１５２】
２．上部回路基板アセンブリの組み立ておよび下部回路基板アセンブリへの取り付け
図８Ａは、本開示のいくつかの実施形態によるＬＩＤＡＲシステムの組み立てプロセスを例示するためのコンパクトＬＩＤＡＲシステム８００の分解図である。ＬＩＤＡＲシステム８００は、例えば、図５Ａに示されるＬＩＤＡＲシステム５００であり得る。ＬＩＤＡＲシステム８００は、図７に関して上述した下部回路基板アセンブリ７００、上部回路基板アセンブリ８１０、光測距デバイス８２０、および筐体８３０を含む。図８Ａに示されるように、ＬＩＤＡＲシステム８００は、上部回路基板アセンブリ８を含む。
【０１５３】
図８Ａに示されるように、上部回路基板アセンブリ８１０は、図６Ａを参照して上述したものと同様の２基板構成であり、測距デバイス制御基板８４０およびロータ基板８５０を含む。いくつかの実施形態では、測距デバイス制御基板８５０およびロータ基板７３０は、それぞれ、図６Ａを参照して上述したステータ制御基板６２４およびロータ制御基板６１４に対応する。
【０１５４】
ロータ基板８５０は、ロータ基板８５０の分解図である図８Ｂに示されるベアリングアセンブリ８６０を含む。ベアリングアセンブリ８６０は、Ｔ字型ベアリングハウジング８６５の両端に挿入されたベアリング８６２および８６４を含む。次いで、Ｔ字型のベアリングハウジング８６５は、ねじ８６６でロータ基板８５０に取り付けられ得る。
【０１５５】
ロータ基板８５０は、シャフト７１５の上にＴ字型ベアリングハウジング８６５の中央部分をはめ込むことにより、組み立てられた下部回路基板アセンブリ７００の上に配置され得る。次いで、Ｔ字型ベアリングハウジング８６の上面の円形中央凹部８５４に円形ナット８５２をはめ込み、シャフト７１５の最上部にねじ込んで、ロータ基板８５０を下部回路基板アセンブリ７００に定置させて取り付けることができる。上記で論じたように、シャフト７１５とベアリング８６２および８６４との間で行われる回転可能な結合に起因して、ロータ基板８５０は、下部回路基板アセンブリ７００に対して回転することができる。
【０１５６】
次いで、測距デバイス制御基板８４０に下向きの圧力を加えることにより、測距デバイス制御基板８４０を回転基板８５０に連結することができる。測距デバイス制御基板８４０とロータ基板８５０との間の電気的接続を提供するために、測距デバイス制御基板８４０の下面（図８Ａでは見えない）とロータ基板８５０の上面（例えば、コネクタ８５６）とに１つ以上の電気コネクタを取り付けることができる。次いで、測距デバイス制御基板８４０を、ねじ８４６を使用してロータ基板８５０に固定することができる。
【０１５７】
３．レーザ測距デバイスの回転アクチュエータへの取り付け
上部回路基板アセンブリが組み立てられて下部回路基板アセンブリに固定されると、光測距デバイス８２０を、測距デバイス制御基板８４０の上面に電気的に接続することができ、それにより光測距デバイスがＴ字型ベアリングハウジング８６５に機械的に接続される。光測距デバイス８２０は、Ｔｘモジュール８２２およびＲｘモジュール８２４を含み、これらの各々は、光測距デバイス制御基板８４０の上面上に配設された対応するコネクタ８４４および８４６と嵌合する専用の電気コネクタを有することができる。システム内の他の基板と同様に、構成要素に押圧力を加えることによって、光測距デバイス８２０を組み立てられたシステムの残部に接続することが達成され得る。接続が行われると、示されるように、光測距デバイス８２０のいずれの側にも取り付けられたねじ８２６によって押圧力を維持することができる。加えて、アセンブリにさらなる構造を提供するために、Ｕ字形ブラケット８２８を追加のねじ８２６で光測距デバイス８２０に固定することができる。
【０１５８】
すべての内部構成要素が組み立てられると、筐体８３０をアセンブリ全体の上に降下させ、例えば、１つ以上のねじ、ならびにより堅牢なシールを達成することが必要とされる場合は接着剤を使用して、ベース７００に固設する。筐体８３０は、Ｔｘモジュール８２２からのレーザパルスをＬＩＤＡＲシステムから周囲環境内に投射することを可能にし、パルスからの反射光および散乱光をＲｘモジュール８２４を介したＬＩＤＡＲシステムによって受信することを可能にする、図５に関して上述したような光学的に透明な窓を含むことができる。
【０１５９】
上述の組み立て工程では、単に例のために、ねじおよびブラケットの様々な配置が開示されている。コンパクトＬＩＤＡＲシステムの実施形態は、図７〜図８に示されるものと同一であるねじ配置と、接着剤、変形可能なピンまたはラッチ、リベット、または溶接を含む、任意の数、配置、およびタイプのファスナと、を使用することは必要とされず、本開示の範囲から逸脱することなく使用され得る。
【０１６０】
ＸＩ．光学素子およびオプトエレクトロニクス
図９Ａ〜図９Ｃは、特定の実施形態による光測距デバイス９００の斜視図、正面図、および拡大正面図をそれぞれ示す。光測距デバイス９００は、図１〜図６を参照して上述した実施形態、例えば、図３を参照して上述した光測距デバイス３２０、または図５に関して説明した光測距デバイス５１０に対応することができる。光測距デバイス９００は、２つの主要モジュール、すなわち、２つのレンズ管、例えばトランスミッタレンズ管９１２および検出器レンズ管９２２を含む共通のハウジングまたはマウント９０５内で互いに離間した光送信（Ｔｘ）モジュール９１０および光感知（Ｒｘ）モジュール９２０、を含む。光Ｔｘモジュールおよび光Ｒｘモジュールは各々、例えば、バルク光学モジュールを適切なレンズ管内にスライドさせることによってそれらのそれぞれのセンサ／エミッタの前に配置されるバルク光学素子モジュール（図示せず）を含む。バルク光学素子モジュールについては、以下でより詳細に説明する。送信側には、Ｔｘ側のバルク光学素子モジュールの背後に、任意でＴｘ側のマイクロ光学素子アセンブリが位置する。マイクロ光学素子アセンブリの詳細は、図１０〜図１１を参照して以下に述べる。任意の送信側マイクロ光学素子アセンブリの背後には、エミッタアレイ９１４、例えば、ＩｎＧａＡｓ上に製造されたモノリシックシングルチップＮＩＲ  ＶＳＣＥＬアレイなどがある。検出器側には、Ｒｘ側のバルク光学素子モジュールの背後に、Ｒｘ側のマイクロ光学素子アセンブリがあり、これも図１０〜図１１を参照して以下でより詳細に説明する。Ｒｘ側マイクロ光学素子アセンブリの背後には、シングルチップ検出器アレイとＡＳＩＣとの組み合わせ９２４、例えば、ＣＭＯＳプロセスで製造されたモノリシックシングルチップＮＩＲ  ＳＰＡＤアレイなどがある。
【０１６１】
Ｒｘモジュール９２０とＴｘモジュール９１０との両方は、それぞれ、例えば、電圧レギュレータ、ＶＣＳＥＬ電流ドライバなどの光測距デバイスのための追加のサポート回路を含む回路基板９２６および９１６によって支持されている。例えば、回路基板９２６は、ＳＰＡＤからの信号をカウントして時間ビンのヒストグラムに含めるための回路を含むことができ、これは時間デジタル変換器によって指定されてもよい。回路基板９２６は、ヒストグラムを分析して受信時間を決定するための整合フィルタリングを含むこともできる。いくつかの実施形態では、（例えば、補間などの高度なフィルタリングを実行するための）ＦＰＧＡなどのプログラム可能な計算要素が、Ｒｘモジュール９２０に動作可能に接続されてもよい。
【０１６２】
図９Ａ〜図９Ｂには示されていないが、ＦＰＧＡは、例えば、ブラシレスモータのロータハーフ、回転変圧器パワーリンクの受信側、回転光アップリンクの受信側、および回転光ダウンリンクの送信側を含む、上述した回転アクチュエータの上部基板アセンブリの１つ以上の基板上に位置し得る。これらの要素をまとめて、本明細書ではＬＩＤＡＲシステムのタレットアセンブリと呼ぶ。特定の実施形態では、タレットアセンブリは、１Ｈｚ〜３０Ｈｚの周波数で転回し、一定の角度間隔で距離測定を行うことができる。一実施形態では、所与の全回転（「フレーム」）について、６４×２０４８の解像度の深度画像を生成することができるが、ユーザは、デバイスの動作パラメータを変更することによって他の解像度を選択してもよい。いくつかの実施形態では、ＬＩＤＡＲシステムは、毎秒２，６２１，４４０ポイント（距離測定）を取得することができる。
【０１６３】
１．ＴｘモジュールおよびＲｘモジュールの光学系
図１０は、本開示のいくつかの実施形態による光測距デバイス１０００の光学ブロック図を示す。図１０に示されるように、光測距デバイス１０００は、光送信（Ｔｘ）モジュール１０１０および光感知（Ｒｘ）モジュール１０４０を含む。光送信モジュール１０１０は、Ｔｘモジュール９１０を表すことができる一方、光感知モジュール１０４０は、Ｒｘモジュール９２０を表すことができる。本開示の実施形態は、図１０に示される特定の光学構成に限定されない。他の実施形態では、光送信モジュール１０１０および光感知モジュール１０４０は、より少ない、より多い、または異なる光学コンポーネントを含むことができる。光送信モジュール１０１０および光感知モジュール１０４０の他の構成の非限定的な例は、２０１８年５月１４日に出願された「Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ  Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ」と題する米国特許出願第１５／９７９，２３５号、および２０１８年５月１４日に出願された「Ｓｐｉｎｎｉｎｇ  ＬＩＤＡＲ  Ｕｎｉｔ  ｗｉｔｈ  Ｍｉｃｒｏ−ｏｐｔｉｃｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  ｂｅｈｉｎｄ  Ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ  Ｗｉｎｄｏｗ」と題する米国出願第１５／９７９，２６６号に述べられており、これらの各々の開示は、あらゆる目的で全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０１６４】
光測距デバイス１０００の実施形態は、例えば図５Ａ〜図５Ｂを参照して上述されたように、本明細書に開示されているコンパクトなＬＩＤＡＲシステム内で使用され得る。Ｔｘモジュール１０１０は、例えば、上記の図１Ａ〜図１Ｂおよび図４に示されるように、例えば２ｎｍ、１ｎｍ、０．５ｎｍ、０．２５ｎｍ、またはそれより小さいスペクトル幅を有するＮＩＲ光の狭帯域光のパルスを１つ以上の視野内に送信することにより、ＬＩＤＡＲシステムの周囲の領域内の物体のアクティブな照明を提供する。Ｒｘモジュール１０４０は、シーン内の物体によって反射される、送信された狭帯域光の反射部分を検出する。
【０１６５】
図１０に示されるように、Ｔｘモジュール１０１０は、ＴＸ側マイクロ光学素子パッケージ１０２０およびバルク光学素子１０３０を含むことができる。ＴＸ側マイクロ光学素子パッケージ１０２０は、複数の光エミッタ１０２２を含み、任意で、マイクロレンズ層１０２４および開口層１０２６を含む。エミッタ１０２２は、トランスミッタチャネルの一次元アレイまたは二次元アレイ、例えば、ボックス領域に示されたチャネル１０２５に配置され得る。トランスミッタチャネルの各トランスミッタチャネルは、狭帯域光を放出することができる１つ以上の光エミッタ１０２２、例えばＮＩＲ  ＶＣＳＥＬなどと、任意でのレンズ層１０２４からのマイクロレンズおよび開口層１０２６からの開口と、を有する。
【０１６６】
トランスミッタの各トランスミッタから放出された光は、Ｔｘ側マイクロ光学素子レンズ層１０２４のマイクロ光学素子のうちの１つに近づくにつれて発散する。マイクロレンズ層１０２４からのマイクロレンズは発散光をキャプチャし、マイクロ光学素子のアレイおよびエミッタのアレイの位置に対応する開口のアレイを含む開口層１０２６の開口と一致する焦点面に発散光を再集束する。開口アレイ１０２６は、システムにおけるクロストークを低減することができる。マイクロレンズを出た後、集束した光は再び円錐の形態に発散し、次いでＴｘ側のバルク撮像光学モジュール１０３０に衝突する。Ｔｘ側バルク撮像光学モジュール１０３０の詳細は、以下でより詳細に論じられる。
【０１６７】
いくつかの実施形態では、マイクロレンズ層１０２４とＴｘ側バルク撮像光学素子モジュール１０３０との間の分離は、それらの焦点距離の合計に等しく、これにより開口アレイ１０２６で集束された光は、Ｔｘ側バルク撮像光学素子モジュール１０３０の出力にコリメートされた光として現れ、コリメートされた各光線束は異なる角度でＴｘ側バルク撮像光学素子モジュール１０３０を出る。したがって、各エミッタからの光は、デバイスの前方の異なる視野に向けられる。いくつかの実施形態では、Ｔｘ側バルク撮像光学素子１０３０は、レンズのＶＣＳＥＬ側でテレセントリックである、すなわち、システムの光線図では、バルク撮像光学素子１０３０の開口内のどこかに入るすべての主光線がレンズを出て互いに対して平行に進行し、ＶＣＳＥＬ（画像）平面に対して実質的に垂直である入射角でＶＣＳＥＬ（画像）平面と交差する。この構成では、ＶＣＳＥＬアレイは有利にもテレセントリック光源として動作し、すなわち、光学素子は、エミッタアレイによって生成される実質的にすべての光、アレイの外縁部上のエミッタから放出される光をも、キャプチャする。テレセントリック設計がなければ、外側のエミッタによってキャプチャされた光は、大きく斜めの入射角のため、望ましくない方法で減少、散乱、または屈折する可能性がある。
【０１６８】
Ｒｘモジュール１０４０は、Ｒｘ側バルク撮像光学素子モジュール１０６０およびＲＸ側マイクロ光学素子パッケージ１０５０を含む。ＲＸ側マイクロ光学素子パッケージ１０５０は、ＴＸ側マイクロ光学素子パッケージ１０２０と一致する一次元アレイ配置または二次元アレイ配置のいずれかを有し、対応する各マイクロ光学素子トランスミッタチャネル１０２５に対するマイクロ光学素子レシーバチャネル１０５５を有する。ＲＸ側マイクロ光学素子パッケージ１０５０は、Ｒｘ側開口アレイ層１０５６、Ｒｘ側マイクロ光学レンズ層１０５４、狭帯域光学フィルタ層１０２８、およびセンサアレイ層１０５２を含む。光線１００５として示される、フィールド内の物体で反射する放出された光の部分は、複数の方向からＲｘ側バルク撮像光学素子モジュール１０６０に入る。Ｒｘ側バルク撮像光学素子モジュール１０６０は、Ｒｘ側開口アレイ層１０５６と一致する平面に光線を集束する。次いで、集束された光は、Ｒｘ側マイクロ光学素子レンズ層１０５４のマイクロレンズによってキャプチャされ、コリメートされて（すなわち、１０度未満の発散半角を有する）センサアレイ層１０５２に向けられる。
【０１６９】
いくつかの実施形態では、センサアレイ層１０５２は、光センサの１Ｄアレイまたは２Ｄアレイ、または例えばＳＰＡＤＳなどの光センサのグループの一次元アレイまたは二次元アレイを含む。いくつかの実施形態では、アレイ内の各センサまたはセンサのグループは、エミッタモジュール内のエミッタに、それゆえ、測距データ内の「ピクセル」に対応する。
【０１７０】
いくつかの実施形態では、スプリアス背景光を除去するために、狭帯域光学フィルタ層１０２８を、例えば、マイクロ光学素子アレイとセンサアレイ層１０５２との間の層状構造内に配設することができる。狭帯域光学フィルタ層１０２８の通過帯域は、エミッタの中心波長に対応するように選択されることが可能であり、通過帯域の幅は、エミッタアレイ全体の出力波長の変動に対応するのに十分に広いことが可能である。非常に狭い通過帯域が望ましいいくつかの実施形態では、制御システムは、エミッタの波長を個々にまたは全体として安定させることができる。非常に狭い通過帯域が望ましいいくつかの実施形態では、フィルタ層１０２８を通過する光のコリメーション角度は、（薄膜干渉フィルタで一般的であるように）入射角シフトが発生しないように厳密に制御されなければならず、コリメーション角度は、主にＲＸ側の開口アレイ層１０５６の開口のサイズ、ＲＸ側マイクロ光学素子レンズ層１０５４のレンズの焦点距離、ＲＸ側開口アレイ層１０５６とＲＸ側マイクロ光学レンズ層１０５４との間の相対的な位置、およびＲＸ側マイクロ光学素子レンズ層１０５４の表面品質および形状精度によって制御される。いくつかの実施形態では、狭帯域光学フィルタ層１０２８は、センサのアレイ全体にわたる連続的な平坦面層である。他の実施形態では、狭帯域光学フィルタ層１０２８は、センサアレイ層１０５２のピクセル形状に対応するマイクロ光学素子のアレイとして製造され得る。
【０１７１】
Ｔｘ側と同様に、Ｒｘモジュール１０４０の個々の要素は、マイクロ光学素子レシーバチャネル、例えば、レシーバチャネル１０５５を形成する。特定の実施形態によれば、マイクロ光学素子およびレシーバのアレイは、層状モノリシック構造を有することができる。各マイクロ光学素子レシーバチャネル１０５５は、センサアレイ層１０５２内の異なるピクセルの光を測定し、すなわち、Ｒｘモジュール１０４０の光学素子は、異なる角度からセンサアレイ層１０５２上の対応する異なる空間位置に入る平行光線束をマップするように機能する。いくつかの実施形態では、バルク撮像光学素子モジュール１０６０は、システムの検出器側でテレセントリックであり、上述のように、ＴＸ側と同様の方法で画像平面の非理想性を回避する。
【０１７２】
いくつかの実施形態では、マイクロ光学素子レンズ層１０５４、狭帯域光学フィルタ層１０２８、およびＲｘ側開口アレイ層１０５６の間の協調によって形成されるマイクロ光学素子レシーバチャネルは、センサアレイ層上の異なるピクセル間の分離の向上を提供する。これは、エミッタ光が、停止標識などのフィールド内の強い反射器から反射される場合などのいくつかの状況では、各チャネルのＲｘ側の光子束がかなり大きくなり、システムがクロストークおよびブルーミングしやすくなる（すなわち、１つのチャネルからの到来光が非常に明るく、隣接するチャネルで検出可能であり得る）。ブーミング問題に対する１つの解決策は、複雑な時間多重化スキームを使用して、任意の所与の時間に１つのみのエミッタ検出器ペア（または慎重に選択されたエミッタ検出器ペアのグループ）がトリガされるようにし、これによりクロストークのリスクを排除する。このような構成は、追加のタイミング電子装置と多重化ソフトウェアおよびハードウェアとを必要とし、これはシステムに追加のコストおよび複雑さを付加する。加えて、時間多重化は、各レシーバエミッタペアを順次連続してアクティブ化されなければならず、これにより全体としてアレイの全体の取得時間が増加するため、非効率的なデータ収集方法である。有利にも、Ｒｘ側マイクロ光学素子アセンブリの設計は、時間多重化および順次アクティブ化が必要ではない程度までクロストークを低減し、すなわち、フラッシュＬＩＤＡＲシステムと同様の方法で、すべてのチャネルを同時に使用してデータポイントを並列に収集することができる。
【０１７３】
Ｒｘモジュール１０４０およびＴｘモジュール１０１０のマイクロ光学系の設計は、図３を参照して上述した概念的なＬＩＤＡＲ配置を有利に可能にし、各トランスミッタ要素は、トランスミッタが照明する視野からセンサ要素が光のみを見るようにセンサ要素とペアを形成する。この視野の１：１ペアリングは、隣接するまたは近隣のピクセルからの検出器のクロストークを排除するのに役立つ。追加のマイクロ光学開口層も、クロストークを排除するのに役立つ。狭帯域フィルタ層は、最終的に測距誤差につながるスプリアス信号の検出に寄与し得る背景光を除去するのに役立つ。
【０１７４】
２．マイクロ光学素子
図１１Ａは、特定の実施形態によるマイクロ光学素子パッケージ１１００の簡略化された上面図を示す。マイクロ光学素子パッケージ１１００は、光測距デバイスのトランスミッタ側または検出器側のいずれかまたは両方に適用することができ、複数のチャネル１１０２を含む。例えば、レシーバ側で実施される場合、各チャネル１１０２は、チャネル１０５５などの単一のマイクロ光学レシーバチャネルに対応する。同様に、トランスミッタ側で実施される場合、各チャネル１１０２は、チャネル１０２５などの単一のトランスミッタチャネルに対応する。図１１Ａに示される例では、マイクロ光学素子チャネルは、ｍ×ｎの千鳥配置のアレイとしてレイアウトされており、例えば、１６×４のアレイでレイアウトされている。一例として、図１１Ａが０．５００ｍｍ（直径）のレシーバチャネルサイズのレシーバチャネルを表す場合、例示されたレイアウトは、８．０００ｍｍ×２．０００ｍｍのサイズのチップで実施され得る。
【０１７５】
本開示の範囲から逸脱することなく、他のアレイパターンが可能である。例えば、千鳥配置のアレイではなく、次の形状のアレイ、すなわち、正方形アレイ、１Ｄ直線アレイ（ｍ×１）、歪んだ線形（ｍ×１）アレイ、歪んだ長方形ｍ×ｎ配列、または任意のパターンを有するアレイのいずれかを使用することができる。本明細書で使用される場合、「歪んだ」という用語は、レシーバチャネル間の間隔が不均一である実施形態を指す。例えば、中央付近のレシーバチャネルは互いにより近い間隔をなし、外部チャネルはより遠くに離間している。この歪んだレイアウトは、レンズの歪み曲線を補正できるという利点を有する（すなわち、レシーバチャネルの視野間の角度は、物体空間で等間隔をなす）。
【０１７６】
図１１Ｂは、例えば図１０に示されるレシーバチャネル１０５５を表すことができる、いくつかの実施形態による単一のマイクロ光学素子レシーバチャネル１１２０の断面を示す。レシーバチャネル１１２０は、広範囲の波長を含む光の入力円錐を受け入れ、動作波長を中心とする狭帯域のこれらの波長を除くすべてを除外するように機能し、ピクセル（光センサ）１１７１が、前述の狭帯域の波長内の光子のみまたは実質的に光子のみを検出することを可能にする。本開示の実施形態は、レシーバチャネルの特定の構成に限定されず、チャネル１１２０は、レシーバチャネル１０５５として実施され得るレシーバチャネルの一例にすぎない。
【０１７７】
いくつかの実施形態では、レシーバチャネル１１３２は、光学的に透明な開口１１４４および光学的に非透明な絞り領域１１４６を含む入力開口層１１４０を含む。開口１１４４は、バルク受信光学素子１０６０などの撮像光学素子の焦点面に配置されたときに狭い視野を画定するように構成されている。本明細書で使用される場合、「光学的に透明」という用語は、ほとんどまたはすべての入射光を通過させる材料を指す。本明細書で使用される場合、「光学的に非透明」という用語は、光をほとんどまたはまったく通過させない材料、例えば、反射または吸収表面を指す。開口層１１４０は、入力周辺光線ライン１１３３を受信するように構成されている。開口層１１４０は、光学的に透明な基板などの単一のモノリシックピース上に構築された光学的に透明な開口および光学的に非透明な絞り領域のアレイを含んでもよい。いくつかの実施形態では、開口層１１４０は、絞り領域１１４６を形成する光学的に非透明な材料から形成することができ、開口１１４４は、層１１４０の穴または開口部であり得る。
【０１７８】
いくつかの実施形態では、レシーバチャネル１１２０は、焦点距離によって特徴付けられるコリメートレンズ１１５１を含む光学レンズ層１１５０を含む。コリメートレンズは、焦点距離によって開口１１４４および絞り領域１１４６の平面からオフセットされ、かつ開口１１４４と軸方向に位置整合され得る（すなわち、コリメートレンズの光軸は、開口の中心と位置整合する）。このようにして、コリメートレンズは、光線がコリメートレンズ１１５１の光軸とほぼ平行に進行するように、開口を通過した光線をコリメートするように構成され得る。光学レンズ層１１５０は、クロストークを低減するために、開口、光学的に非透明な領域、および管構造を任意で含んでもよい。
【０１７９】
いくつかの実施形態では、レシーバチャネル１１３２は、例えばブラッグ反射器タイプのフィルタなどの光学フィルタ１１６１を含む光学フィルタ層１１６０を含む。いくつかの実施形態では、光学フィルタ層は、（開口側と対向する）光学レンズ層１１５０の検出器側に配設される。光学フィルタ層は、特定の動作波長および通過帯域で通常入射する光子を法線方向に通過させるように構成される。光学フィルタ層１１６０は、任意の数の光学フィルタ１１６１を包含してもよい。光学フィルタ層１１６０は、クロストークを低減するために、開口、光学的に非透明な領域、および管構造を任意で含んでもよい。
【０１８０】
いくつかの実施形態では、レシーバチャネル１１３２は、フィルタ層の背後に配設されたピクセル１１７１を含む光センサ層１１７０を含む。ピクセルは、例えば、標準的なフォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、ＳＰＡＤのアレイ、ＲＣＰ（共振空洞フォトダイオード）、または他の好適な光検出器からなる検出器アクティブ領域で光子を検出できる光センサであり得る。光センサ１１７１は、単一の大きなフォトン検出領域と比較して、しばしばより高いダイナミックレンジ、より速い応答時間、または他の有益な特性を有し、単一のピクセルとして機能するように協調し合ういくつかの光子検出器領域（例えば、各々異なるＳＰＡＤ）で構成され得る。光センサ層１１７０は、ピクセルで作製された層を指し、検出効率を改善し、隣接するレシーバ構造とのクロストークを低減する任意の構造を含むことができる。光センサ層１１７０は、任意で、拡散器、収束レンズ、開口、光学的に非透明な管スペーサ構造、光学的に非透明な円錐スペーサ構造などを含んでもよい。
【０１８１】
迷光は、光学表面の粗さ、透明媒体の欠陥、後方反射などによって引き起こされる可能性があり、レシーバチャネル１１３２内またはレシーバチャネル１１３２の外部の多くの特徴で生成される可能性がある。迷光は、コリメートレンズ１１５１の光軸に非平行な経路に沿ってフィルタ領域１１６１を通るように向けられ、開口１１４４とコリメートレンズ１１５１との間で反射し、概して、多くの反射および屈折を包含する可能性のある他の経路または軌跡を取ることができる。複数のレシーバチャネルが互いに隣接して配列されている場合、あるレシーバチャネル内のこの迷光は、別のチャネル内のピクセルによって吸収され、それにより、光子に固有のタイミング、位相、または他の情報が汚染される可能性がある。したがって、レシーバチャネル１１２０はまた、クロストークを低減し、レシーバチャネル間の信号を増大させるためのいくつかの構造を特徴としてもよい。このような構造および他の好適なレシーバチャネルの例は、２０１８年５月１４日に出願された「Ｍｉｃｒｏ−ｏｐｔｉｃｓ  ｆｏｒ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｍｏｄｕｌｅ  ｗｉｔｈ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｃｏｎｖｅｒｇｉｎｇ  Ｌｅｎｓｅｓ  ｐｅｒ  Ｃｈａｎｎｅｌ」と題する米国特許出願第１５／９７９，２９５号に説明されており、その開示は、あらゆる目的でその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０１８２】
３．検出器アレイ（例えば、ＳＰＡＤ）
図１２Ａおよび図１２Ｂは、特定の実施形態による、ＳＰＡＤベースの光センサアレイ層１２００の上面図を示す。図１２Ａに示される光センサアレイ層１２００は、個々の各センサチャネルが、例えば、レシーバチャネル１０５５に対応することができる、センサチャネル１２１０の二次元アレイである。それゆえ、各センサチャネル１２１０は、上述のようにＳＰＡＤのグループを含むことができる。図１２Ａに示される例では、光センサアレイ１２００は、合計７２個の個々のセンサチャネル１２１０を含む１８×４のアレイである。光センサアレイ１２００はまた、アレイの最上部に８つの較正ピクセル１２２０を含む。較正ピクセル１２２０は、例えば、それらがいかなる光にも曝されないように非透明な表面によって覆われることが可能であり、したがって、暗カウントを測定するために使用されることが可能である。
【０１８３】
図１２Ｂは、センサチャネル１２１０のサブセットの拡大図を示し、各センサチャネル１２１０は、単一のピクセルとして機能するように協調し合う個々のＳＰＡＤ１２１２のグループ（アレイ）から形成され得ることを示す。ＳＰＡＤが光検出器として使用されるとき、このような配置は有利であり、それは、光子検出イベントの後に、ＳＰＡＤは、外部回路がＳＰＡＤをクエンチするように動作し、それにより、再び検出する準備ができるようなデッドタイムを被るからである。それゆえ、単一のＳＰＡＤは、ＳＰＡＤが検出することができる光強度（光子／秒で測定される）の上限を有する。つまり、単一のＳＰＡＤは、クエンチ時間あたり１光子を超える光強度を検出することができない。図１２Ｂに示されるように、複数のＳＰＡＤをまとめて収集すると、すべてのＳＰＡＤが同時に飽和するわけではないため、検出できる全体的な強度が増加する。それゆえ、Ｎ個のＳＰＡＤの集合は、単一のＳＰＡＤのダイナミックレンジのＮ倍で検出することができる可能性がある。
【０１８４】
４．エミッタアレイ（例えば、ＶＣＳＥＬ）
図１３Ａおよび図１３Ｂは、特定の実施形態によるエミッタアレイ１３００の簡略化された上面図および側面図をそれぞれ表す。エミッタアレイ１３００は、単一のモノリシックチップ１３０５上に製造され、かつそのパターンが対応するセンサチップ上の光センサピクセルと一致する、ＶＣＳＥＬエミッタ１３１０の二次元アレイを含むことができる。この例では、エミッタアレイ１３００  ＶＣＳＥＬアレイは、１６  ｘ  ４であり、合計６４個のエミッタチャネル１３１０が上記の図１２Ａに示される中央の６４個の検出器チャネルと一致する。エミッタアレイ１３００はまた、アレイ１３００内の様々なエミッタを駆動するための信号がエミッタに送信され得る複数のリード１３２０を含むことができる。
【０１８５】
図１２Ａを参照して説明したように、光エミッタのモノリシックＶＣＳＥＬアレイは、ＴＸ側マイクロ光学素子パッケージの背後およびＴＸ側バルク光学素子モジュールの背後に配置され得る。各ＶＣＳＥＬエミッタは、ＶＣＳＥＬから放出される光のすべてまたは実質的にすべてがフィールド内の物体に送信されることを確保するために、開口層またはマイクロ光学素子層のマイクロレンズの開口数のいずれかで定義される対応する開口の直径と実質的に同一（またはわずかに大きい）初期直径の照明ビームを出力することができる。
【０１８６】
５．バルク光学素子
いくつかの実施形態では、本開示は、高速レンズ系（例えば、Ｆナンバー＝１．０、１．２、または１．４）および／または自動車、トラックまたは他の車両の自律操縦における障害物検出および回避のために光測距デバイスが使用されるときに行き当たる可能性が高い指定された温度範囲にわたって受動断熱レンズ系を有するテレセントリック光測距デバイスを提供する。加えて、バルク光学系が低焦点面歪を具備し、光学素子の１つ以上にＡＲコーティングを施して、光学スループットを最大化し、異なるセンサチャネル間の迷反射、ゴースト、およびクロストークを低減してもよい。有利にも、光学系は、画像空間テレセントリックであり、それゆえ、センサアレイの検出器チャネル（各主光線は焦点面に対して垂直に到達する）の、アレイの外縁部上のものでまでの各々の「まっすぐな」ビュー（物体側から見た場合）を提供する。
【０１８７】
本明細書で使用される場合、受動断熱は光学素子系を説明するものであり、レンズ系によってアレイ上に集束された角度サイズがゼロ以外の拡張光源からの光のスポット品質が、温度が変化するにつれてあまり変化しない。レンズ系の後部焦点距離が変化し、かつアレイが後部レンズ要素に対して同じ場所に留まる場合には、アレイ上の光のスポット品質が変化する。本明細書で使用される場合、スポット品質は、像面上に集束され、かつ直径２５μｍの円に含まれる、０．１３度の角度サイズを有する拡張光源からの光の割合によって定義され得る。スポット品質が特定の温度範囲内のすべての温度で５０％を上回ったままである場合、オプトメカニカル系は、この温度範囲にわたって受動断熱であると見なされる。挙げられた直径および角度のサイズは例示的であり、マイクロ光学素子アレイの開口のサイズ、システムの焦点距離などに依存する。
【０１８８】
図１４は、いくつかの実施形態による、広範囲の温度にわたって熱的に安定な画像平面を提供する光学モジュール１４００の一部の簡略図を示す。光学モジュール１４００は、アレイ１４１０、バルクレンズ系１４２０、レンズハウジング１４３０、およびハウジングをアレイと機械的に結合するためのマウント１４４０を含む。光学モジュール１４００は、光感知モジュール３３０の実施形態（この場合、アレイ１４１０は光センサのアレイであり得る）、または発光モジュール３４０の実施形態（この場合、アレイ１４１０は、エミッタのアレイであり得る）を表すことができ、いくつかの実施形態では、マウント１４４０は、図９に示されるマウント９０５の一部分を表すことができる。本開示のいくつかの実施形態による光測距デバイスは、光感知モジュールとしての第１の光学モジュール１４００と、発光モジュールとしての第２のモジュール１４００と、を含むことができる。
【０１８９】
アレイ１４１０は、製造（例えば、半導体基板上にバルクでアレイを形成し、１つのアレイ内に複数のエミッタまたは検出器がある）を容易にするために（例えば、直径１０ｍｍのディスクにわたって１ｍｍ未満の、山から谷までの完全な平面からの不規則性を有する）平坦面であり得る。いくつかの実施形態では、アレイ１４１０は、光学モジュール１４００に応じて図１０に関して上記で論じたトランスミッタマイクロ光学素子パッケージ１０２０またはレシーバマイクロ光学素子パッケージ１０５０が光感知モジュールまたは発光モジュールとして実施されるように、マイクロ光学素子構造を含むことができる。
【０１９０】
図１４に示されるように、レンズ系１４２０は、第１のレンズ１４２２、第２のレンズ１４２４、第３のレンズ１４２６、および第４のレンズ１４２８を含むことができる。いくつかの実施形態では、第１のレンズ、第２のレンズ、第３のレンズ、および第４のレンズは、レンズハウジング１４３０に取り付けられる。イメージャセンサの一部として実施されるとき（すなわち、アレイ１４１０は光センサのアレイである）、レンズハウジング１４３０、レンズ系１４２０、マウント１４４０は、特定の温度範囲（例えば、摂氏−４０度〜摂氏８５度、摂氏−５０度〜摂氏９５度、摂氏−３５度〜摂氏６０度、摂氏−４０度〜摂氏１０５度、摂氏−４５度〜摂氏１１０度、または摂氏−３５度〜摂氏１００度）にわたってレンズ系から光センサアレイに光を受動的に集束するように構成される。アレイにマイクロ光学素子構造を含む実施形態では、レンズ系１４２０は、レンズ系からマイクロ光学素子構造の開口層に光を受動的に集束するように構成され、次いで、マイクロ光学素子構造内の様々なマイクロ光学素子コンポーネントは、個々の各マイクロ光学素子チャネルで受信した光を、そのチャネルに対応する光センサに集束することができる。
【０１９１】
アレイは、温度の変化に対してレンズ系の像面に保持され得る。材料は、コストを低減し、重量を低減し、および／またはアレイで像面を維持するように選択され得る。コストを低減するために、第１のレンズ１４２２、第２のレンズ１４２４、第４のレンズ１４２８は、プラスチック（例えば、ＯＫＰ−１）で作製され得る一方、第３のレンズ１４２６は、ガラスで作製され得る（例えば、レンズ系の温度変動を低減するため）。第４のレンズの頂点と像面との間の公称距離は８ｍｍであある。示されているレンズアセンブリでは、温度が上昇するにつれて、像面は第４のレンズに向かって移動する。温度が上昇するにつれてプラスチックの屈折率は減少し、このことは、低屈折率のレンズが高屈折率の同様の形状のプラスチック凸レンズよりも光を鋭角に屈折しない（すなわち、より長い焦点距離）ことから、通常、像面をプラスチックレンズから押しやる（例えば、空気の屈折率が１に等しいとして焦点距離がレンズの屈折率と空気の屈折率の差に反比例するレンズメーカの方程式によるものであり、スネルの法則も参照）ことを考えると、これはおそらく直観に反する。ガラスレンズを２つ以上のプラスチックレンズと組み合わせることにより、レンズ系内の１つ以上のプラスチックレンズが温度とともに増加する焦点距離を有する場合でも、レンズ系の有効焦点距離を温度の増加とともに減少することを可能にしてもよい。
【０１９２】
レンズハウジング１４３０（例えば、ポリカーボネート製）は、温度が上昇するにつれて伸長し得る。いくつかの実施形態では、マウント１４４０は、第３のレンズ１４２６の近くでレンズハウジング１４３０に取り付けられ、その結果、ハウジングの温度が上昇するにつれて第４のレンズ１４２８が右に移動する。レンズハウジング１４３０をアレイ１４１０から分離するマウント１４４０の材料は、温度の上昇と共に膨張し、レンズハウジング１４３０をアレイ１４１０から（例えば、左に）移動させて遠ざける。同時に、レンズハウジング１４３０は、温度の上昇と共に拡張し、第４のレンズ１４２８をアレイ１４１０に向けて（例えば、右に）移動させる。また、同時に、前述のように、バックフォーカスシフトによって像面が左側に移動する。ハウジング材料のＣＴＥ、マウント材料のＣＴＥ、およびハウジング−マウント間インターフェースの箇所を適切に選択することにより、像面が温度範囲にわたってアレイとほぼ一致したままとなるように、前述のハウジング膨張およびマウント膨張によってバックフォーカスシフトを補償することができる。
【０１９３】
いくつかの実施形態では、マウント１４４０は、ガラスレンズ（すなわち、いくつかの実施形態では第３のレンズ１４２６）の近くでレンズハウジング１４３０と結合され得る。いくつかの実施形態では、マウント１４４０は、レンズ系１４２０の焦点距離がアレイ１４１０に対して（例えば、アレイから遠ざかるように）移動するにつれて、アレイ１４１０に最も近いレンズ系１４１０のレンズ（例えば、第４のレンズ１４２８）がアレイ１４１０に対して（例えば、アレイに向かって）移動することができるように、ガラスレンズの近くのレンズハウジング１４３０に結合され得る。いくつかの実施形態では、ガラスレンズに最も近い、レンズハウジング１４３０の外側の点または線の近くであり、および／またはこの点または線から＋／−５ｍｍまたは＋／−１０ｍｍ以内であり得る。
【０１９４】
図１４のレンズ系のスポット品質は、Ｚｅｍａｘ光学設計プログラムを使用して、−５℃〜７０℃の温度範囲について実験的に検証された。いくつかの実施形態では、環境が特定の温度を下回っているときに、ＬＩＤＡＲユニットの内部を意図的に加熱することができる。例えば、環境が−４０℃であるとき、ＬＩＤＡＲユニットの内部構成要素を加熱して、レンズ系を−５℃以上の温度に保持することができる。いくつかの実施形態では、光測距デバイスは、温度センサと、温度が温度センサによって検出される所定のレベルを下回っているときにレンズ系を加熱することができる加熱要素（例えば、抵抗加熱器）と、を含むことができる。したがって、システム１４００は、少なくとも−４０℃〜７０℃の範囲の温度（１００℃の温度範囲）から良好に機能することが想定され得る。様々な実施形態では、システム１４００は、０℃〜３２℃、０℃〜５５℃、−１０℃〜３２℃、−１０℃〜５５℃、−２０℃〜６０℃、−４０℃〜８５℃、およびそれらの組み合わせの範囲の温度にわたって安定した像面を提供することができる。いくつかの実施形態では、温度範囲は、−４０℃〜１０５℃（１４５度の温度範囲）であり得る。
【０１９５】
レンズへの応力を回避するために、多くの場合、レンズと同等の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する材料でレンズハウジング１４３０を作成することが望ましい可能性がある。ハウジングの材料を変更すると、温度が上昇するにつれてレンズ要素がどのように離散するかが変わる可能性もある。いくつかの実施形態では、レンズハウジング１４３０の材料のＣＴＥは、光学性能の低下を防止するために実質的に変更／調節されない。それゆえ、レンズハウジングの材料はレンズのＣＴＥに近いＣＴＥを有し、いくつかのハウジング材料は、レンズの光学性能の劣化をもたらし得るレンズの応力が発生するような、レンズのＣＴＥとは十分に異なるＣＴＥを有するため、ハウジングに考えられるすべての材料が考慮されるわけではない。
【０１９６】
レンズハウジング１４３０のＣＴＥを、特定の温度範囲にわたってレンズ系１４２０と一致させることができ、これによりレンズ系１４２０の焦点面は温度範囲にわたってレンズハウジング１４３０に対して安定である。いくつかの実施形態では、マウント１４４０の熱係数は、レンズ系１４２０および／またはレンズハウジング１４３０の熱膨張と一致し、これにより焦点面は、温度範囲にわたって検出器（例えば、検出器アレイ）の位置に対して安定である。本明細書で使用される場合、焦点面が所与の温度範囲にわたってシステムの検出器で所定の分解能を維持する場合、焦点面は温度の範囲にわたって「安定」であると言われる。一例として、いくつかの実施形態では、所定の分解能は、検出器の点に集束された光が２５ミクロンの円内の光の５０％を有することを必要とし、他の実施形態では、所定の解像度は、検出器の点に集束された光が２０ミクロンの円内の光の８０％を有することを必要とする。マウント１４４０の材料のＣＴＥは、マウント１４４０の材料が強く、および／または機械的に剛性である（低ＣＴＥ材料はより強い傾向がある）ことに注意して選択され得る。この例では、バックフォーカスシフトが正（右側）ではなく負（左側）であるという事実により、非常に剛性の高いガラス充填ポリマー、またはさらにはマグネシウムまたはアルミニウムなどの金属をマウント１４４０の分離材料に使用することが可能になる。
【０１９７】
図１５Ａ、図１５Ｂ、および図１５Ｃは、本開示のいくつかの実施形態による光学モジュール１５００を表す。光学モジュール１５００は、４つのレンズ（そのうちのレンズ１５２２および１５２８の２つだけが図１５Ａ〜図１５Ｃで見える）を有するレンズ系１５２０およびハウジング１５３０を含む。レンズ系１５２０は、例えば、レンズ系１４２０であり得る一方、ハウジング１５３０は、例えば、レンズハウジング１４３０であり得る。画像センサは一般に円形ではないため、アセンブリシステム１５００のレンズは一般に円形である必要はない。例えば、レンズアセンブリ１５００に関連付けられた光センサアレイは、幅狭で高くすることができるため、レンズを長方形にクリップすることができる。長方形の成形ポリマー光学素子を作成する方が通常は簡単かつ安価であるが、ガラスレンズを長方形の形状に研削することはより高価であり得る。第３のレンズ（図１５Ａ〜図１５Ｃには示さず）の直径は、レンズ系の最小幅を画定し、これにより長方形の形状の一部を画定することができる。円形のガラス要素および長方形の成形されたポリマー光学素子を使用することにより、レンズアセンブリ１５００は、製造することが比較的簡単かつ安価であり得る。
【０１９８】
いくつかの実施形態では、２つのハウジングは、可能な限り互いに近接して（例えば、接触して）配置され、これは、ガラスレンズ（例えば、レンズ３）を小さく保つ別の理由である。例えば、光測距デバイスは、第１のハウジングに取り付けられた第１のレンズ系、第２のハウジングに取り付けられた第２のレンズ系、センサアレイ、およびエミッタアレイを含むことができる。第１のレンズ系、第１のハウジング、およびセンサアレイは、第１のユニットを形成することができる。第２のレンズ系、第２のハウジング、およびエミッタアレイは、第２のユニットを形成することができる。第１のユニットおよび第２のユニットを、できるだけ近くに並べて配置することができ（例えば、いくつかの実施形態では２．５ｃｍ以下、他の実施形態では５．０ｃｍ以下離間する）、これにより第の２ユニットから放出されて反射／散乱された光は、第の２レンズ系がエミッタアレイからの光を投影するのと同様の視野で、第１のユニットによって収取される。
【０１９９】
レンズ系１５２０は、高速レンズ系であるように設計され得る。いくつかの実施形態では、レンズ系１５２０のＦ値は、１．０〜２．４（例えば、１．２）である。センサアレイ上のスポットサイズは、２０μｍの円の中に光の８０％を含むことができる。さらに、レンズ系１５２０は、１００ｍｍ以下、５０ｍｍ以下、３５ｍｍ以下、および／または２０ｍｍ以下、および／または５、１０、１５、２０、および／または２５ｍｍ以上のトラック長を有することができる。
【０２００】
様々な挙例において、本開示によるバルクレンズ系は、２つ以上のプラスチックレンズおよび少なくとも１つのガラスレンズ、２つ以上のプラスチックレンズ、および／または１つ以上のガラスレンズを含むことができる。いくつかの実施形態では、上述のように、マイクロ光学素子構造をアレイの一部として含むことができる。マイクロ光学素子は、アレイ上のエミッタおよび／または検出器ごとに異なる方法で光を変更することができるのに対して、バルクレンズ系は、アレイ全体の光を変更する。いくつかの実施形態では、個々の各アレイ要素に１つ以上のマイクロ光学素子要素がある。
【０２０１】
図１６Ａは、例えば、光学モジュール１５００であり得る光学モジュール１６００の実施形態の上面図を表す。図１６Ａに断面Ａ−Ａが特定されている。図１６Ｂは、断面Ａ−Ａの実施形態を表す。図１６Ｂに示されるように、光学モジュール１６００は、要素１６２２（例えば、レンズ１）、要素１６２４（例えば、レンズ２）、要素１６２６（例えば、レンズ３）、および要素１６２８（例えば、レンズ４）、ならびにハウジング１６３０を含む。図１６Ｃは、断面Ａ−Ａの拡大部分を示す。拡大部分は、レンズ１６２４およびレンズ１６２６をハウジング１６３０に取り付ける方法の一例を示す。レンズ系１６００の開口絞り１６２５は、レンズ１６２４とレンズ１６２６との間にある。開口絞り１６２５は、レンズ１６２４をハウジング内に固定するために使用され得る。
【０２０２】
図１６Ｄは、レンズアセンブリ１６００の実施形態の側面図を表す。図１６Ｄに断面Ｂ−Ｂが特定されている。図１６Ｅは、断面Ｂ−Ｂの実施形態を表す。レンズ１、レンズ２、レンズ３、レンズ４、およびハウジングが示されている。
【０２０３】
図１７Ａは、第１のレンズ（レンズ１５２２）の実施形態の断面を表す。第１のレンズは、第１の表面Ｓ１および第２の表面Ｓ２を有する。レンズ１５２２の第１の表面Ｓ１とレンズ１の第２の表面Ｓ２とは、球面である。第１のレンズの第１の表面Ｓ１は、凸面であり得る。第１のレンズの第２の表面Ｓ２は、凹面であり得る。左から右へ進行する光は、第１のレンズで集束され得る。第１のレンズの第１の表面は、レンズ系の光を集める（例えば、レンズ系のＦ値を低減する）ために、第１のレンズの第２の表面よりも大きいことが可能である。
【０２０４】
図１７Ｂは、第２のレンズ（レンズ１５２４）の実施形態の断面を表す。第２のレンズは、第１の表面Ｓ１および第２の表面Ｓ２を有する。レンズ１５２４の第１の表面Ｓ１とレンズ２の第２の表面Ｓ２とは、非球面である。第２のレンズの第１の表面Ｓ１は、凸面であり得る。第２のレンズの第２の表面Ｓ２は、平坦面で、わずかに凸面、またはわずかに凹面であり得る。左から右に進行する光は、第２のレンズによって非集束化され得る。
【０２０５】
図１７Ｃは、第３のレンズ（レンズ１５２６）の実施形態の断面を表す。第３のレンズは、第１の表面Ｓ１および第２の表面Ｓ２を有する。レンズ１５２６の第１の表面Ｓ１とレンズ３の第２の表面Ｓ２とは、球面である。例として、第３のレンズは、１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下（例えば、１１、１１．５、１２、１２．５、１３、１３．５、１４、および／または１４．５ｍｍ）の幅（例えば、直径）を有することができる。いくつかの実施形態では、第３のレンズは高屈折率ガラスである。いくつかの実施形態では、ガラスの屈折率は、１００度の温度範囲では変化しない（例えば、０．０５％以下の変化）。第３のレンズの第１の表面Ｓ１は、平坦面で、わずかに凸面、またはわずかに凹面であり得る。第３のレンズの第２の表面Ｓ２は、凸面であり得る。左から右へ進行する光は、第３のレンズによってコリメートされるか、またはわずかに集束され得る。
【０２０６】
図１７Ｄは、第４のレンズ（レンズ１５２８）の実施形態の断面図を表す。第４のレンズは、第１の表面Ｓ１および第２の表面Ｓ２を有する。レンズ４の第１の表面Ｓ１とレンズ４の第２の表面Ｓ２とは、非球面である。第４のレンズの第１の表面Ｓ１は、凸面であり得る。第３のレンズの第２の表面Ｓ２は、凸面であり得る。左から右に進行する光は、アレイに集束され得る。
【０２０７】
プラスチックレンズとガラスレンズとを混合すると共に、非球面レンズと球面レンズとを混合することにより、自律車両用に経済的で軽量、コンパクト、および／または非熱的測距デバイスを作製することができる。
【０２０８】
いくつかの実施形態では、レンズ系は、一定の焦点距離を有する（例えば、一定温度での一定の焦点距離であり、ズームレンズを有しない）。いくつかの実施形態では、レンズ系は、レンズ系のサイズ、重量、部品数、および／または複雑さを低減するために一定の焦点距離を有する。
【０２０９】
図１８は、３つのレンズ、すなわち第１のレンズ１８２２、第２のレンズ１８２４、および第３のレンズ１８２６を有する光学モジュール１８００の実施形態を表す。第１のレンズ、第２のレンズ、および第３のレンズは、ハウジング１８３０に取り付けられている。コネクタ１８０５は、ハウジングをセンサ１８１０（例えば、アレイ内のセンサ）と結合する。第１のレンズ、第２のレンズ、および第３のレンズは、プラスチック（例えば、ＯＫＰ−１）で作製され得る。第１のレンズ、第２のレンズ、および第３のレンズは、レンズ系１８１０の一部である。レンズ系１８１０は、５０℃の温度範囲（例えば、０〜５０℃）にわたって約１０５μｍのフォーカスシフトを有すると推定される。ハウジング１８３０は、高ＣＴＥ材料で作製されることが可能であり、および／またはマウント１８４０は、レンズ１８２２の近くに取り付けられて、レンズ系１８１０の焦点面をアレイに保持する。図１８の実施形態では、ポリカーボネート（ＣＴＥ＝７０ｐｐｍ／Ｃ）が使用され、マウント１８４０は、アレイから２５〜３５ｍｍ離れたハウジング１８３０に取り付けられている。アレイ１８１０から３０ｍｍ離れたハウジングに取り付けられたマウント１８４０、ハウジング１８３０の熱膨張に起因するレンズ系１８１０のレンズの動き、マウント１８４０の熱膨張に起因するハウジング１８３０の動き、および／または温度変化に起因するレンズ系１８１０のフォーカスシフトの組み合わせは、レンズ系の焦点面をアレイと位置整合するように適合されている。
【０２１０】
本発明の例示的な実施形態の上記の説明は、例示および説明の目的で提示されている。包括的であること、または本発明を説明された正確な形態に限定することは意図されず、多くの修正および変更が、先の教示に鑑みて可能である。実施形態は、本発明の原理およびその実際の用途を説明するために選択および説明され、それにより、当業者は、本発明を様々な実施形態で、企図される特定の用途に適した様々な修正を加えて利用することができる。
【０２１１】
例として、上記で開示された様々な実施形態は、自動車および他の路上車両の使用事例に関する３Ｄ感知の文脈の範囲内で、光測距の用途に重点を置いているが、本明細書で開示されるシステムは、本開示の範囲から逸脱することなく、任意の用途において使用され得る。本開示によるＬＩＤＡＲシステムの小さい、またはさらには小型のフォームファクタは、例えば、ソリッドステート光測距システムのための、いくつかの追加の使用事例を可能にする。例えば、システムは、携帯電話、タブレットＰＣ、ラップトップ、デスクトップＰＣなどのデバイス内の、または他の周辺機器および／もしくはユーザインターフェースデバイス内の３Ｄカメラおよび／または深度センサにおいて使用され得る。他の例として、１つ以上の実施形態は、顔認識および顔追跡能力、視線追跡能力のサポート、および／または物体の３Ｄスキャンのために、モバイルデバイス内で使用され得る。他の使用事例としては、モバイルデバイスにおける拡張現実および仮想現実用途のための前面深度カメラが挙げられる。
【０２１２】
他の用途としては、飛行機、ヘリコプタ、無人機などの空中車両への１つ以上のシステムの配備が挙げられる。このような例は、３Ｄ感知および深度イメージングを提供して、ナビゲーション（自律的または他の方法）を支援すること、および／または後で分析するための３Ｄマップを生成すること、例えば、地球物理学的、建築学的、および／または考古学的な分析をサポートすることができる。システムはまた、建物、壁、ポール、橋、足場などの静止物体および構造物に取り付けることもできる。このような場合、本システムを使用して、製造設備、組み立てライン、産業設備、建設現場、掘削現場、車道、鉄道、橋などの屋外領域を監視することができる。さらに、システムは、屋内に取り付けて使用して、倉庫内の在庫品の移動、または事務所建物、空港、駅などの中の人々、荷物、もしくは商品の動きなどの、建物内の人々およびまたは物体の移動を監視することができる。本開示の利点を用いて当業者によって認識されるように、光測距システムの数多くの異なる用途が可能であり、したがって、本明細書で提供される実施例は例示のみの目的で提供されるものであり、このようなシステムの使用を明示的に開示される実施例のみに限定するものと解釈してはならない。
【０２１３】
別の例として、上記の様々な例は、本開示のいくつかの実施形態によるＬＩＤＡＲシステムのエミッタとしてＩＲまたは近ＩＲ波長のレーザを含んでいたが、本開示の実施形態は、特定の波長の光またはエミッタの他のタイプの放射に限定されない。例えば、いくつかの実施形態では、エミッタは、水中用途に特によく適した緑色（５３２ｎｍ）波長、または大気ＬＩＤＡＲシステムに特に有用であり得るＵＶ波長を含む任意の適切な既知の動作波長を有するパルスを生成するレーザであり得る。本開示の恩恵を受けて当業者によって理解されるように、光測距システムの多くの異なる用途が可能であり、したがって、本明細書で提供される例は、例示目的のみで提供され、このようなシステムの使用を明示的に開示された例のみに限定するものと解釈されるべきではない。
【０２１４】
特定の実施形態の具体的な詳細は、本発明の実施形態の趣旨および範囲から逸脱することなく、任意の好適な様態で組み合わせられてもよい。しかしながら、本発明の他の実施形態は、各個々の態様、またはこれらの個々の態様の具体的な組み合わせに関する具体的な実施形態を対象とし得る。例えば、アレイ上のスポットサイズを低減するために、より多くの非球面を使用して、および／または複数のタイプのプラスチックを使用して、４つよりも多いレンズを使用し得る。別の例として、いくつかの実施形態では、湾曲した検出器および／またはエミッタを使用することができる。また、いくつかの実施形態では、４つに代えて３つのレンズが使用される（例えば、２つのレンズはプラスチック、１つのレンズはガラス）。これらの例および他の例は、本開示の範囲内に含まれる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ−９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ−１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図１６Ｅ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１７Ｄ】
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【図１８】
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【国際調査報告】
2021505889.tif 000043
2021505889.tif 000044
2021505889.tif 000045
2021505889.tif 000046