(57)【要約】  離散的照明パワー階層に基づく、ＬＩＤＡＲベースの３次元画像化システムの照明パワーを制御するための方法及びシステムをここに記載する。１つの態様では、ＬＩＤＡＲシステムから放射される照明光のパルス化されたビームの照明強度は、所望のパルスと測定された戻りパルスとの差に基づく照明パワー階層のセットに応じて変化する。さらなる態様では、照明パワー階層は、強度の差が一連の所定の階層化された閾値のうちの１つを越えるかどうかに基づき選択される。このようにして、測定された戻りパルスの強度は、ＬＩＤＡＲシステムから広い範囲の距離にわたって検出されたオブジェクトのアナログ・デジタル変換器の線形範囲内に、及びＬＩＤＡＲシステムと検出されたオブジェクトとの間の光路内の広い環境条件の範囲内に維持される。【選択図】図１
2021510417.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の量の電力に応答して、ＬＩＤＡＲ装置から３次元環境に照明光のパルスを放出するパルス照明源と、
少なくとも３つの異なる選択可能な量の電力の１つを特定の時間に前記パルス照明源に提供するように構成された照明ドライバであって、前記第１の量の電力は、前記少なくとも３つの異なる選択可能な量の電力のうちの第１の量であることを特徴とする、照明ドライバと、
照明光の前記パルスによって照明された前記３次元環境から反射された光の量を検出し、検出された光の量を示す戻り測定信号を生成する感光性検出器と、
コンピューティングシステムであって、
前記検出された光の量を示す戻り測定信号を受信し、
前記戻り測定信号の強度の表示を決定し、
出力信号の強度と前記出力信号の所望の強度との差を測定し、
前記戻り測定信号の強度と前記所望の強度との間の差に基づいて、少なくとも３つの異なる選択可能な量の電力のいずれかを、前記照明ドライバに選択させる制御コマンドを前記照明ドライバに伝達することを特徴とするコンピューティングシステムと、
を具備する光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置。
【請求項２】
前記少なくとも３つの異なる選択可能な量の電力のうちの第２の量が前記第１の量の電力を越え、前記少なくとも３つの異なる選択可能な量の電力のうちの第３の量が前記第２の量の電力を越え、前記制御コマンドは、前記出力信号の強度と前記所望の強度との差が第１の所定の閾値を越えたとき前記照明ドライバに前記第２の量の電力を選択させ、前記制御コマンドは、前記出力信号の強度と前記所望の強度との差が第２の所定の閾値を越えたとき前記照明ドライバに前記第３の量の電力を選択させることを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項３】
第１の閾値と第２の閾値とは、前記第１の量の電力に依存することを特徴とする請求項２に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項４】
第１の閾値と第２の閾値とは、固定の倍率によって変化することを特徴とする請求項２に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項５】
第１の閾値と第２の閾値とは、前記出力信号の強度と前記所望の強度との差が正の値又は負の値であるかどうかに依存することを特徴とする請求項２に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項６】
第１の閾値と第２の閾値とは、非線形関数によって特徴付けられることを特徴とする請求項２に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項７】
前記戻り測定信号が１つ以上の戻り測定パルスを含み、前記戻り測定信号の強度の表示が前記１つ以上の戻り測定パルスのピーク値であることを特徴とする請求項２に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項８】
前記戻り測定信号が１つ以上の戻り測定パルスを含み、前記戻り測定信号の強度の前記表示は前記１つ以上の戻り測定パルスの平均値であることを特徴とする請求項２に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項９】
第１の量の電力に応答して、ＬＩＤＡＲ装置から３次元環境に照明光のパルスを放出するパルス照明源と、
少なくとも３つの異なる選択可能な量の電力の１つを特定の時間に前記パルス照明源に提供するように構成された照明ドライバであって、前記第１の量の電力は、前記少なくとも３つの異なる選択可能な量の電力のうちの第１の量であることを特徴とする、照明ドライバと、
照明光の前記パルスによって照明された前記３次元環境から反射された光の量を検出し、検出された光の量を示す戻り測定信号を生成する感光性検出器と、
非一時的なコンピュータ読み取り可能媒体に格納されたコンピュータ読み取り可能命令であって、前記コンピュータ読み取り可能命令は、
コンピューティングシステムに、前記検出された光の量を示す前記戻り測定信号を受信させるためのコードと、
前記コンピューティングシステムに、前記戻り測定信号の強度の表示を決定させるさせるためのコードと、
前記コンピューティングシステムに、出力信号の強度と前記出力信号の所望の強度との差を測定させるコードと、
前記コンピューティングシステムに、前記戻り測定信号の強度と前記所望の強度との差に基づいて、前記少なくとも３つの異なる選択可能な量の電力のいずれかを前記照明ドライバに選択させる制御コマンドを前記照明ドライバへと伝達させるコードと、
を具備することを特徴とする非一時的なコンピュータ読み取り可能媒体に格納されたコンピュータ読み取り可能命令と、
を具備するＬＩＤＡＲ測定システム。
【請求項１０】
前記少なくとも３つの異なる選択可能な量の電力のうちの第２の量が前記第１の量の電力を越え、前記少なくとも３つの異なる選択可能な量の電力のうちの第３の量が前記第２の量の電力を越え、前記制御コマンドは、前記出力信号の強度と前記所望の強度との差が所定の第１の閾値を越えたとき前記照明ドライバに前記第２の量の電力を選択させ、前記制御コマンドは、前記出力信号の強度と前記所望の強度との差が所定の第２の閾値を越えたとき前記照明ドライバに前記第３の量の電力を選択させることを特徴とする請求項９に記載のＬＩＤＡＲ測定システム。
【請求項１１】
前記第１の閾値と前記第２の閾値とは、前記第１の量の電力に依存することを特徴とする請求項１０に記載のＬＩＤＡＲ測定システム。
【請求項１２】
前記第１の閾値と前記第２の閾値とは、固定の倍率によって変化することを特徴とする請求項１０に記載のＬＩＤＡＲ測定システム。
【請求項１３】
前記第１の閾値と前記第２の閾値とは、前記出力信号の強度と前記所望の強度との差が正の値又は負の値であるかどうかに依存することを特徴とする請求項１０に記載のＬＩＤＡＲ測定システム。
【請求項１４】
前記第１の閾値と前記第２の閾値とは、非線形関数によって特徴付けられることを特徴とする請求項１０に記載のＬＩＤＡＲ測定システム。
【請求項１５】
前記戻り測定信号が１つ以上の戻り測定パルスを含み、前記戻り測定信号の強度の前記表示が前記１つ以上の戻り測定パルスのピーク値であることを特徴とする請求項１０に記載のＬＩＤＡＲ測定システム。
【請求項１６】
前記戻り測定信号が１つ以上の戻り測定パルスを含み、前記戻り測定信号の強度の前記表示は前記１つ以上の戻り測定パルスの平均値であることを特徴とする請求項１０に記載のＬＩＤＡＲ測定システム。
【請求項１７】
第１の量の電力に応答してＬＩＤＡＲ測定装置のパルス照明源から照明光のパルスを３次元環境に放射するステップと、
少なくとも３つの異なる選択可能な量の電力の１つを特定の時間に前記パルス照明源に提供するステップであって、前記第１の量の電力は、前記少なくとも３つの異なる選択可能な量の電力のうちの第１の量であることを特徴とする、ステップと、
照明光の前記パルスによって照明された前記３次元環境から反射された光の量を検出するステップと、
検出された前記光の量を表示する戻り測定信号を生成するステップと、
検出された前記光の量を表示する前記戻り測定信号を受信するステップと、
前記戻り測定信号の強度の表示を決定するステップと、
出力信号の強度と前記出力信号の所望の強度との差を測定するステップと、
前記戻り測定信号の強度と前記所望の強度との間の差に基づいて、少なくとも３つの異なる選択可能な量の電力のいずれかを、照明ドライバに選択させる制御コマンドを前記照明ドライバに伝達するステップと、
を具備する方法。
【請求項１８】
前記少なくとも３つの異なる選択可能な量の電力のうちの第２の量が前記第１の量の電力を越え、前記少なくとも３つの異なる選択可能な量の電力のうちの第３の量が前記第２の量の電力を越え、前記制御コマンドは、前記出力信号の強度と前記所望の強度との差が第１の所定の閾値を越えたとき前記照明ドライバに前記第２の量の電力を選択させ、前記制御コマンドは、前記出力信号の強度と前記所望の強度との差が第２の所定の閾値を越えたとき前記照明ドライバに前記第３の量の電力を選択させることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
第１の閾値と第２の閾値とは、前記出力信号の強度と前記所望の強度との差が正の値又は負の値であるかどうかに依存することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記戻り測定信号が１つ以上の戻り測定パルスを含み、前記戻り測定信号の強度の前記表示が前記１つ以上の戻り測定パルスのピーク値及び平均値であることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本特許出願は、米国特許法第１１９条の下で２０１８年１月１０日に出願された「階層化されたパワー制御によるＬＩＤＡＲベースの距離測定」というタイトルの米国特許仮出願第６２／６１５，８７７号に基づき優先権を主張している、２０１９年１月１０日に出願された「階層化されたパワー制御によるＬＩＤＡＲベースの距離測定」というタイトルの米国特許出願第１６／２４４，９８０に基づく優先権を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれるものとする。
【０００２】
開示した実施形態は、ＬＩＤＡＲベースの３Ｄポイントクラウド測定システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
ＬＩＤＡＲシステムは、光のパルスを使用して、各光パルスの飛行時間（ＴＯＦ）に基づいて物体までの距離を測定する。ＬＩＤＡＲシステムの光源から発せられる光パルスは、遠方の物体と互いに影響し合う。光の一部は物体から反射し、ＬＩＤＡＲシステムの検出器に戻る。光パルスの放射と戻り光パルスの検出との間の経過時間に基づいて、距離を推定する。いくつかの例では、レーザーエミッターによって光のパルスが生成される。光パルスは、レンズ又はレンズアセンブリを介して集光される。レーザー光のパルスがエミッターの近くに取り付けられた検出器に戻るのにかかる時間を測定する。距離は、時間測定により高精度で導出される。
【０００４】
一部のＬＩＤＡＲシステムは単一のレーザーエミッター／検出器の組み合わせを使用し、回転ミラーを組み合わせて、平面を効果的にスキャンする。このようなシステムによって実行される距離測定は、事実上２次元（つまり平面）であり、捕捉した距離ポイントは２次元（つまり単一平面）のポイントクラウドとされる。いくつかの例では、回転ミラーは非常に高速度で回転する（例えば：毎分数千回転）。
【０００５】
多くの動作シナリオでは、３Ｄポイントクラウドが必要である。周囲の環境を３次元で調査するために、多くのスキームが採用されている。いくつかの例では、２Ｄ機器は上下に、及び／又は前後に、多くの場合ジンバル上で動作する。これは、センサーの「ウィンク」又は「うなずき」として当業者に一般的に知られている。したがって、単一のビームＬＩＤＡＲユニットを使用して、一度に１点ではあるが、距離点の３Ｄアレイ全体をキャプチャできる。関連する例では、プリズムを使用してレーザーパルスを、それぞれがわずかに異なる垂直角を持つ複数の層に「分割」する。これは、上記のうなずき効果をシミュレートするが、センサー自体は作動しない。
【０００６】
上記のすべての例で、単一のレーザーのエミッター／検出器の組み合わせの光路は、単一のセンサーよりも広い視野を得るために何らかの形で変更されている。このような装置が単位時間あたりに生成できるピクセル数は、本質的に、単一のレーザーのパルス繰り返し率の制限により制限される。ミラー、プリズム、又は、カバレッジエリアを拡大する装置の作動により、ビーム経路を変更することで、ポイントクラウド密度が低下することとなる。
【０００７】
上記のように、３Ｄポイントクラウドシステムにはいくつかの構成がある。しかしながら、多くのアプリケーションでは、広い視野で見る必要がある。例えば、自律走行車の用途では、車両の前の地面を見るために、垂直方向の視野をできるだけ下方に拡大する必要がある。さらに、車が道路の窪みに入った場合に備えて、垂直方向の視野は地平線の上方に拡大する必要がある。さらに、現実の世界で生じる動きとその動きの画像化との間の遅延を最小限にする必要がある。いくつかの例では、完結した画像更新を毎秒少なくとも５回行うことが望ましい。これらの要件に対処するために、複数のレーザーエミッターと検出器のアレイを含む３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステムが開発された。このシステムは、２０１１年６月２８日に発行された米国特許番号７，９６９，５５８に記載されており、その内容は、参照により全体が本明細書に組み込まれるものとする。
【０００８】
多くの用途において、一連のパルスが放射される。各パルスの方向は、連続的に急速に変化する。これらの例では、個々のパルスに関連付けられた距離測定ではピクセルを考慮し、高速で連続的に放射及び捕捉されたピクセルの集合（つまり「ポイントクラウド」）を画像として得たり、他の理由（障害物の検出など）のために分析したりできる。いくつかの例では、結果的に得られたポイントクラウドをユーザーに３次元で表示される画像として得るために表示ソフトウェアを使用する。実写カメラで撮影されたかのように見える３Ｄ画像として測定距離を表現するためにさまざまなスキームを使用することができる。
【０００９】
既存のＬＩＤＡＲシステムは光線を使用していつでも特定の範囲の周囲環境を調査する。戻り信号の検出では、測定範囲が拡大するにつれて悪化する顕著な測定ノイズ原が含まれる。多くのアプリケーションでは、測定信号の信号対雑音比はレーザーパルスの強度を上げることで改善させる。しかしながら、レーザーパルス強度が増加すると、特に短距離測定の場合、検出器、信号調整電子機器、アナログ・デジタル変換器、またはそれらの任意の組み合わせにおいて飽和が生じる可能性がある。
【００１０】
高レベルの画像解像度と画像範囲を維持しつつ、ＬＩＤＡＲシステムのパワー制御の改善が望まれる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
離散的な照明パワー階層に基づく、ＬＩＤＡＲベースの３次元画像化システムの照明パワーを制御するための方法及びシステムについてここで説明する。
【００１２】
１つの態様では、ＬＩＤＡＲシステムから放射される照明光のパルス化されたビームの照明強度は、測定された戻りパルスの強度に基づいて変化する。このようにして、測定された戻りパルスの強度は、ＬＩＤＡＲシステムから広い範囲の距離にわたって検出されたオブジェクトのＡＤＣの線形範囲内に、及びＬＩＤＡＲシステムと検出されたオブジェクトとの間の光路内の広い環境条件の範囲内に維持される。測定されたリターンパルスの強度をＡＤＣの線形範囲内に維持することにより、信号対雑音比の低下と信号の飽和の両方が回避される。
【００１３】
いくつかの実施形態では、照明パワー制御モジュールは、所望の強度レベルと測定された強度レベルとの間の差に基づいて制御信号を生成する。制御信号は、照明ドライバＩＣに伝達され、これにより、照明ドライバＩＣは、照明源によって生成された照明の強度を、１つの個別の照明パワーレベルから別のレベルに変化させる。これらの実施形態では、制御信号は、所望の照明パワーレベルを示すデジタル信号である。
【００１４】
別の態様では、照明パワー制御モジュールは、強度差が一連の所定の階層化された閾値の１つを超えるかどうかに基づいて、所望の照明パワーレベルを決定する。
【００１５】
強度差閾値は、事前に決定された値である（つまり、値は、望ましい戻りパルス強度と測定された戻りパルス強度の差の決定の前に既知となっている）。いくつかの実施形態では、各強度差閾値は、ルックアップテーブルに格納される。いくつかの実施形態では、各強度差閾値は非線形関数によって特徴付けられる。いくつかの実施形態では、各強度差閾値は、現在のパワーレベルにより定まる。いくつかの実施形態では、各強度差閾値は、固定の倍率によって変化する。一部の実施形態では、各強度差閾値は、所望戻り強度信号と測定された戻り強度信号との差が正であるか負であるかにより定まる。
【００１６】
上述の記載は要約であり、必然的に、簡素化、一般化及び詳細の省略が含まれ、したがって、当業者であればこの要約は単なる例示であり、決して限定のためのものではないことを理解するであろう。他の態様、創作的特徴、及びここに記載した装置及び／又はプロセスの利点は、ここに記載した非限定的な詳細な説明において明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】１つの実施形態において、階層化された照明パワー制御を実行するように構成されたＬＩＤＡＲベースの３次元画像化システム１２０を含む動作シナリオを示す図である。
【００１８】
【図２】統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０からの測定パルスの放射及び戻り測定パルスの捕捉に関連するタイミングを示す図である。
【００１９】
【図３】４つの異なる照明パワーレベルについて、ＬＩＤＡＲシステムと測定中のターゲットとの間の距離の関数としての戻り信号強度を示す簡略図である。
【００２０】
【図４】１つの実施形態における所定の閾値に基づく照明パワー制御スキームを図示する。
【００２１】
【図５】周期ＴＰの、制御装置１４０によって生成されるパルス発射信号の３つのセグメントを例示する簡略図を示す。
【００２２】
【図６】１６個の統合ＬＩＤＡＲ測定装置の各々からの光放射のタイミングを示す簡略図である。
【００２３】
【図７】階層化された照明パワー制御を実行するように構成された３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１００の実施形態を示す図である。
【００２４】
【図８】階層化された照明パワー制御を実行するように構成された３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１００の別の実施形態を示す図である。
【００２５】
【図９】例示的な１つの実施形態における３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１００の分解図を示す図である。
【００２６】
【図１０】光学素子１１６の詳細を示す図である。
【００２７】
【図１１】集光した光１１８の各ビームの整形を示す光学系１１６の断面図である。
【００２８】
【図１２】少なくとも１つの新しい態様における、階層化された照明パワー制御を実行する統合ＬＩＤＡＲ測定装置により、ＬＩＤＡＲ測定を実行する方法２００を示するフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
次に、本発明の背景例及びいくつかの実施形態を詳細に参照するが、それらの例は添付図面に示されている。
【００３０】
図１は、１つの実施形態におけるＬＩＤＡＲ測定システム１２０を示す。ＬＩＤＡＲ測定システム１２０には、主制御装置１９０と１つ以上の統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０とが含まれる。統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０には、戻り信号受信機集積回路（ＩＣ）１５０、照明ドライバ集積回路（ＩＣ）１４０、照明源１３２、光検出器１３８、及びトランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）１４１が含まれる。図１に示された実施形態において、これらのエレメントの各々は、エレメント間の機械的支持及び電気的接続性を提供する共通基板１４４（例えば、プリント回路基板）に取り付けられている。
【００３１】
加えて、いくつかの実施形態では、統合ＬＩＤＡＲ測定装置には、基板１４４に取り付けられた電子素子に電圧を供給し、照明装置１３２に電力を供給する１つ以上の電圧源が含まれる。電圧源は、適切な電圧を供給するように構成することができる。いくつかの実施形態では、１つ以上の電圧源が基板１４４に取り付けられている。しかしながら、一般に、ここに記載の電圧源のいずれかは、別々の基板に取り付けられ、適切な方法で基板１４４に取り付けられた様々な素子に電気的に接続することができる。
【００３２】
主制御装置１９０は、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０の受信機ＩＣ１５０に伝達されるパルスコマンド信号１９１を生成するように構成される。一般に、ＬＩＤＡＲ測定システムには、いくつかの異なる統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０が含まれる。これらの実施形態では、主制御装置１９０は、パルスコマンド信号１９１を、異なる統合ＬＩＤＡＲ測定装置の各々に伝達する。このようにして、主制御装置１９０は、任意の数の統合ＬＩＤＡＲ測定装置によって実行されるＬＩＤＡＲ測定のタイミングを調整する。
【００３３】
パルスコマンド信号１９１は、主制御装置１９０によって生成されたデジタル信号である。かくして、パルスコマンド信号１９１のタイミングは、主制御装置１９０に関連するクロックによって決定される。いくつかの実施形態では、パルスコマンド信号１９１は、照明ドライバＩＣ１４０によるパルス生成及び受信機ＩＣ１５０によるデータ取得を開始させるために直接使用される。しかしながら、照明ドライバＩＣ１４０及び受信機ＩＣ１５０は、主制御装置１９０と同じクロックを共有しない。このため、パルスコマンド信号１９１を直接使用してパルス生成とデータ収集を開始させる場合、飛行時間の正確な推定は、はるかに計算が面倒になる。
【００３４】
１つの態様では、受信機ＩＣ１５０は、パルスコマンド信号１９１を受信し、パルスコマンド信号１９１に応答して、パルストリガー信号ＶＴＲＧ１４３を生成する。パルストリガー信号１４３は、照明ドライバＩＣ１４０に伝達され、照明源１６０を電源１３３に電気的に接続し、照明源１３２に照明光１３４のパルスを生成させる電気パルス１３１を照明源１３２に供給するために照明ドライバＩＣ１４０を直接的に動作させる。加えて、パルストリガー信号１４３は、戻り信号１４２及び関連する飛行時間計算のデータ取得を直接的に開始させる。このようにして、受信機ＩＣ１５０の内部クロックに基づいて生成されたパルストリガー信号１４３を、パルス生成と戻りパルスデータ取得の両方を開始させるために使用する。これにより、正確な飛行時間の計算を可能にする、パルス生成と戻りパルス取得との同期を確実なものとする。
【００３５】
照明源１３２は、電流１３１のパルスに応答して照明光１３４の測定パルスを放射する。照明光１３４は、ＬＩＤＡＲシステムの１つ以上の光学素子により、周囲環境の特定の場所に焦点を合わせて投射される。
【００３６】
いくつかの実施形態では、照明源１３２はレーザーベースのもの（例えば、レーザーダイオード）である。いくつかの実施形態では、照明源は、１つ以上の発光ダイオードをベースにしている。一般に、任意の適切なパルス照明源を考えることができる。
【００３７】
図１に示されるように、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０から放射された照明光１３４と、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０に向かって反射する対応する戻り測定光１３５は、光路を共有する。統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０には、アクティブセンサー領域１３７を有する光検出器１３８が含まれる。図１に示すように、照明源１３２は、光検出器のアクティブ領域１３７の視野の外側に位置する。図１に示すように、オーバーモールドレンズ１３６は、光検出器１３８に取り付けられている。オーバーモールドレンズ１３６には、戻り光１３５の光線受け入れ円錐に対応する円錐形空洞が含まれる。照明源１３２からの照明光１３４は、ファイバ導波路によって検出器受信円錐に入射される。光カプラーは、照明源１３２をファイバ導波路と光学的に接続する。ファイバ導波路の端部で、ミラー要素１３３は、照明光１３４を戻り光１３５の円錐に入射させるために、導波路に対してある角度（例えば、４５度）に傾けられている。１つの実施形態では、ファイバ導波路の端面は４５度の角度で切断され、端面は高反射誘電体コーティングでコーティングされて鏡面を提供する。いくつかの実施形態では、導波管には、長方形のガラスコアと、より低い屈折率のポリマークラッディングとが含まれる。いくつかの実施形態では、光学アセンブリ全体が、ポリマークラッディングの屈折率に厳密に一致する屈折率を有する材料でカプセル化されている。このようにして、導波路は、照明光１３４を最小のオクルージョンで戻り光１３５の受け入れ円錐に入射させる。
【００３８】
検出器１３８のアクティブ検知領域１３７に投射される戻り光１３５の受け入れ円錐内の導波路の配置は、照明スポットと検出器の視野とが遠視野で確実に最大の重なりを有するように選定する。
【００３９】
図１に示すように、周囲環境から反射された戻り光１３５は、光検出器１３８によって検出される。いくつかの実施形態では、光検出器１３８はアバランシェフォトダイオードである。光検出器１３８は、ＴＩＡ１４１によって受信され増幅される出力信号１３９を生成する。増幅された信号１４２は、戻り信号分析モジュール１６０に伝達される。一般に、出力信号１３９の増幅には、複数の増幅器段を含むことができる。この意味で、本特許文書の範囲内で他の多くのアナログ信号増幅方式を考えることができるため、アナログトランスインピーダンス増幅器を非限定的な例として提示する。図１に示すように、ＴＩＡ１４１は戻り信号受信機ＩＣ１５０と統合されるが、一般に、ＴＩＡ１４１は、受信機ＩＣ１５０とは別の個別的な装置として実装することができる。いくつかの実施形態では、ＴＩＡ１４１を受信機ＩＣ１５０と統合して、スペースを節約し、信号の混入を削減することが好ましい。
【００４０】
戻り信号受信機ＩＣ１５０はアナログ信号／デジタル信号混合処理ＩＣである。図１に示した実施形態では、戻り信号受信機ＩＣ１５０は、ＴＩＡ１４１、戻り信号分析モジュール１６０、飛行時間計算モジュール１５９、照明パワー制御モジュール１７０、及びアナログ・デジタル変換モジュール１５８を含む。
【００４１】
戻り信号受信機ＩＣ１５０はいくつかの機能を実行する。図１に示した実施形態では、受信機ＩＣ１５０は、照明光１３４のパルスに応答して周囲環境の１つ以上のオブジェクトから反射された１つ以上の光の戻りパルスを識別し、これらの各戻りパルスに関連付けられた飛行時間を決定する。一般に、出力信号１３９は、ＬＩＤＡＲ測定装置１３０から装置１３０の最大範囲に等しい距離まで行き装置１３０に戻るまでの光の飛行時間に対応する期間、戻り信号受信機ＩＣ１５０によって処理される。この期間中、照明パルス１３４は、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０から異なる距離にあるいくつかのオブジェクトに遭遇することがある。したがって、出力信号１３９は、装置１３０から異なる距離に位置する異なる反射面から反射される照明ビーム１３４の一部にそれぞれ対応するいくつかのパルスを含むことができる。別の態様では、受信機ＩＣ１５０は、各戻りパルスの様々な特性を決定する。図１に示すように、戻り信号分析モジュール１６０は、各戻りパルスの幅ＶＷＩＤＴＨ１５７の表示を決定し、各戻りパルスのピーク振幅ＶＰＥＡＫ１５６を決定し、各戻りパルス波形のピーク振幅を含むサンプリング窓全体にわたって各戻りパルス波形ＶＷＩＮＤ１５５を個別にサンプリングする。これらの信号特性とタイミング情報は、ＡＤＣ１５８によりデジタル信号に変換され、照明パワー制御モジュール１７０及び主制御装置１９０に伝達される。主制御装置１９０は、このデータをさらに処理するか、又は、このデータをさらなる画像処理のために（例えば、ＬＩＤＡＲ測定システム１２０のユーザーにより）外部のコンピュータ装置に直接伝達することができる。
【００４２】
図２は、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０からの測定パルスの放射及び戻り測定パルスの捕捉に関連するタイミングを図示する。図２に示すように、受信機ＩＣ１５０によって生成されるパルストリガー信号１４３の立ち上がりエッジによって測定を開始する。図１及び図２に示すように。増幅された戻り信号１４２は、ＴＩＡ１４１により生成される。前述のように、測定窓（つまり、収集された戻り信号データが特定の測定パルスと関連付けられている期間）は、パルストリガー信号１４３の立ち上がりエッジでデータ取得を有効にすることによって開始される。受信機ＩＣ１５０は、測定パルスシーケンスの放射に応答して、戻り信号が予想される時間の窓に対応するように、測定窓の持続時間Ｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔを制御する。いくつかの例では、パルストリガー信号１４３の立ち上がりエッジで測定窓が有効になり、ＬＩＤＡＲシステムの範囲の約２倍の距離にわたる光の飛行時間に対応する時刻で無効になる。このように、測定窓は、ＬＩＤＡＲシステムに隣接するオブジェクト（つまり、無視できる飛行時間）からＬＩＤＡＲシステムの最大範囲までにあるオブジェクトの戻り光を収集するために開いている。このようにして、有用なリターン信号に貢献できない可能性のある他のすべての光が排除される。
【００４３】
図２に示すように、戻り信号１４２には、放射された測定パルスに対応する３つの戻り測定パルスが含まれる。一般に、信号検出は、検出されたすべての測定パルスに対して実行される。１つの例では、最も近い有効信号１４２Ｂ（すなわち、戻り測定パルスの最初の有効な事象）、最も強い信号、及び最も遠い有効信号１４２Ｃ（すなわち、測定窓における戻り測定パルスの最後の有効な事象）を識別するために信号分析を実行することができる。これらの事象はいずれも、潜在的に有効な距離測定としてＬＩＤＡＲシステムから報告することができる。
【００４４】
ＬＩＤＡＲシステムからの光の放射に関連する内部システム遅延（例えば、スイッチング要素、エネルギー貯蔵要素、及びパルス発光装置に関連する信号通信遅延及び待ち時間）、及び光の収集と収集された光を示す信号の生成（例えば、増幅器の待ち時間、アナログ・デジタル変換遅延など）に関連する遅延は、光の測定パルスの飛行時間の推定における誤差の原因となる。したがって、パルストリガー信号１４３の立ち上がりエッジと各有効戻りパルス（すなわち、１４２Ｂ及び１４２Ｃ）との間の経過時間に基づく飛行時間の測定には、望ましくない測定誤差が入り込んでいる。いくつかの実施形態では、修正した実際の光の飛行時間の推定値を得るため、電子的な遅延を補正するために、較正済みの所定の遅延時間が採用されている。ただし、動的に変化する電子遅延に対して静的な補正を行うことには、精度に限界が生じる。頻繁に再キャリブレーションを行うこともできるが、これには計算の複雑さが伴い、システムの動作可能時間に悪影響を及ぼす。
【００４５】
図示した態様では、受信機ＩＣ１５０は、照明源１３２と光検出器１３８との間の内部クロストークによる検出パルス１４２Ａの検出と、有効な戻りパルス（例えば、１４２Ｂ及び１４２Ｃ）との間の経過時間に基づいて飛行時間を測定する。このようにして、システムに起因する遅延は飛行時間の推定から排除される。パルス１４２Ａは、光の伝播距離が事実上存在しない内部クロストークによって生成される。したがって、パルストリガー信号の立ち上がりエッジからパルス１４２Ａの検出の事象までの時間遅れは、照明及び信号検出に関連するシステムに起因する遅延のすべてを捕捉する。有効な戻りパルス（例えば、戻りパルス１４２Ｂ及び１４２Ｃ）の飛行時間を、検出されたパルス１４２Ａを基準にして測定することにより、内部クロストークによる照明及び信号検出に関連するすべての、システムに起因する遅延が除去される。図２に示すように、受信機ＩＣ１５０は、戻りパルス１４２Ｂに関連する飛行時間ＴＯＦ１と、戻りパルス１４２Ａを基準とした戻りパルス１４２Ｃに関連する飛行時間ＴＯＦ２とを推定する。
【００４６】
いくつかの実施形態では、信号分析は、受信機ＩＣ１５０によって完全に実行される。これらの実施形態では、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０から伝達される飛行時間の信号１９２には、受信機ＩＣ１５０によって決定された各戻りパルスの飛行時間の表示が含まれる。いくつかの実施形態では、信号１５５〜１５７には、受信機ＩＣ１５０によって生成された戻りパルスに関連付けられた波形情報が含まれる。この波形情報は、３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステムに搭載された、又は３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステムの外部にある１つ以上のプロセッサによってさらに処理され、距離の別の推定値、検出されたオブジェクトの１つ以上の物理的特性の推定値、又はそれらの組み合わせを取得する。
【００４７】
１つの態様では、ＬＩＤＡＲシステムから放射される照明光のパルスビームの照明強度は、測定された戻りパルスの強度に基づいて変化する。このようにして、測定された戻りパルスの強度は、ＬＩＤＡＲシステムから広範囲の距離にわたって検出されたオブジェクトのＡＤＣの線形範囲内と、ＬＩＤＡＲシステムと検出されたシステム間の光路内の広範囲の環境条件内に維持される。測定されたリターンパルスの強度をＡＤＣの線形範囲内に維持することにより、信号対雑音比が低下することと飽和が生じることの両方が回避される。
【００４８】
図３は、４つの異なる照明パワーレベル１７５Ａ〜ＤについてのＬＩＤＡＲシステムと測定中のターゲットとの間の距離の関数としての戻り信号強度の例示的なプロットを示す。図３に示すように、戻り信号強度は、測定された戻り信号１３９の強度を示す８ビットのデジタル値である。しかしながら、一般に、戻り信号強度は、任意の適切なデジタルまたはアナログ信号によって特徴付けることができる。
【００４９】
図３に示すように、測定システムの線形範囲内にある測定距離の範囲は、照明パワーレベルに応じて変化する。例えば、図３に示すように、プロットライン１７５Ａは、比較的高いパワーレベルでのＬＩＤＡＲ測定システムの応答と特性を示す。このパワーレベルでは、２００メートルから１６０メートルの測定距離で高い信号対雑音比（たとえば、５０を超える信号強度）が期待される。ただし、１６０メートル未満の距離では、ＬＩＤＡＲ測定システムは飽和する。パワーレベルが１７５Ｂ、１７５Ｃ、１７５Ｄに低下すると、ＬＩＤＡＲシステムは徐々に短い距離で飽和することとなるが、その場合、所定の距離では信号対雑音比が低下することとなる（信号強度が低下する）。
【００５０】
戻り信号の強度は、多くの異なる方法で測定することができる。図１に示す実施形態では、図１に戻って、戻り信号分析モジュール１６０は、各戻りパルスの幅ＶＷＩＤＴＨ１５７、各戻りパルスのピーク振幅、ＶＰＥＡＫ１５６、及び各戻りパルス波形のピーク振幅ＶＷＩＮＤ１５５を含むサンプリング窓を測定する。これらの信号特性及びタイミング情報は、ＡＤＣ１５８によってデジタル信号に変換され、照明パワー制御モジュール１７０に伝達される。１つの実施形態では、照明パワー制御モジュール１７０各戻りパルスＶＰＥＡＫ１５６のピーク振幅として戻り信号の強度を測定する。別の実施形態では、照明パワー制御モジュール１７０は、戻り信号の強度を、サンプリング窓内の各戻りパルスのピーク振幅の平均値、ＶＷＩＮＤ１５５として測定する。別の実施形態では、照明パワー制御モジュール１７０は、戻り信号の強度を、サンプリング窓内の各戻りパルスのピーク振幅の平均値、ＶＷＩＮＤ１５５として決定する。別の実施形態では、照明パワー制御モジュール１７０は、戻り信号の強度を、各戻りパルスに関連するピーク値、ＶＰＥＡＫ１５６、及びパルス幅ＶＷＩＤＴＨ１５７の組み合わせとして決定する。一般に、戻り信号１３９の強度の任意の適切な表示は、この特許文書の範囲内と考えることができる。
【００５１】
他のいくつかの実施形態では、戻り信号分析モジュール１６０は、ＶＷＩＤＴＨ１５７、ＶＰＥＡＫ１５６、及びＶＷＩＮＤ１５５のいずれかの値を（ＡＤＣ１５８による変換なしに）アナログ信号として伝達する。これらの実施形態では、照明パワー制御モジュール１７０は、アナログ信号に基づいて所望の照明パワーレベルを測定する。
【００５２】
例示的な戻り信号の強度ＩＭＥＡＳの測定１７６が図４に示されている。図３に示すように、測定された強度ＩＭＥＡＳは、所望の強度レベルＩＤＥＳよりも著しく低い。図３に例示されているように、所望の強度レベルは、ＡＤＣ１５８の範囲の中央付近（すなわち、デジタル信号値１００）である。
【００５３】
１つの態様では、照明パワー制御モジュール１７０は、所望の強度レベルＩＤＥＳと測定された強度レベルＩＭＥＡＳとの差ＩＤＩＦＦに基づいて、制御信号ＶＣＴＬ１７１を生成する。ＶＣＴＬ１７１は、照明ドライバＩＣ１４０に伝達され、そして、照明ドライバＩＣ１４０に、照明源１３２によって生成される照明ビーム１３４の強度を、プロットライン１７５Ｄに示す照明パワーレベルからプロットライン１７５Ｂで示される高い照明パワーレベルまで増加させる。図３に示されるように、高い電力レベルで予測される測定強度１７７は、所望の強度レベルに非常に近い。
【００５４】
１つの実施形態では、ＶＣＴＬ１７１は、所望の照明パワーレベルを示すデジタル信号である。この実施形態では、照明ドライバＩＣ１４０は、ＶＣＴＬ１７１の値に応答して、照明パワーレベルを所望のパワーレベルに調整する。１つの実施形態では、ＶＣＴＬ１７１は、ＶＣＴＬ１７１の値に応じて１６の異なるパワーレベルのいずれかを示す４ビットのデジタル数である。しかしながら、一般に、この特許文書の範囲内で、任意の数の個別の離散的照明パワーレベルを考えることができる。
【００５５】
別の態様では、照明パワー制御モジュール１７０は、強度差ＩＤＩＦＦが所定の階層化された一連の閾値のうちの１つを超えるかどうかに基づいて、所望の照明パワーレベルを決定する。
【００５６】
図４Ａ〜４Ｄは、１つの実施形態における所定の閾値に基づく照明パワー制御スキームを示す。図４Ａ〜４Ｄの例では、ＬＩＤＡＲ測定システムには、照明パワーを増加させる順序で、４つの照明パワーレベル、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、及びＬ４が含まれる。１つの例では、ＬＩ（最低パワーレベル）は、図３に示すシステム応答曲線１７５Ｄに対応し、Ｌ２はシステム応答曲線１７５Ｃに対応し、Ｌ３はシステム応答曲線１７５Ｂに対応し、Ｌ４はシステム応答曲線１７５Ａに対応する。
【００５７】
図４Ａに示されるように、戻り信号の所望の強度と戻り信号の測定された強度との差が強度差閾値ＩＤＴＬＩ−Ｌ２を超える場合、照明パワー制御モジュール１７０は、制御信号ＶＣＴＬ１７１の値を伝達し、照明ドライバ１４０に照明パワーをＬ１からＬ２に増加させる。同様に、戻り信号の所望の強度と戻り信号の測定された強度との差が強度差閾値ＩＤＴＬＩ−Ｌ３を超える場合、照明パワー制御モジュール１７０は、制御信号ＶＣＴＬ１７１の値を伝達し、これにより照明ドライバ１４０に照明パワーをＬ１からＬ３に増加させる。同様に、戻り信号の所望の強度と戻り信号の測定された強度との差が強度差閾値ＩＤＴＬ1−Ｌ４を超える場合、照明パワー制御モジュール１７０は、制御信号ＶＣＴＬ１７１の値を伝達し、これにより、照明ドライバ１４０に照明パワーをＬ１からＬ４に増加させる。
【００５８】
図４Ｂに示されるように、戻り信号の所望の強度と戻り信号の測定された強度との差が強度差閾値ＩＤＴＬ２−Ｌ３を超える場合、照明パワー制御モジュール１７０は、制御信号ＶＣＴＬ１７１の値を伝達し、これにより、照明ドライバ１４０が照明パワーをＬ２からＬ３に増加させる。同様に、戻り信号の所望の強度と戻り信号の測定された強度との差が強度差閾値ＩＤＴＬ２−Ｌ４を超える場合、照明パワー制御モジュール１７０は、制御信号ＶＣＴＬ１７１の値を伝達し、これにより、照明ドライバ１４０が照明パワーをＬ２からＬ４に増加させる。同様に、戻り信号の所望の強度と戻り信号の測定された強度との差が強度差閾値ＩＤＴＬ２−Ｌ１を超える場合、照明パワー制御モジュール１７０は、制御信号ＶＣＴＬ１７１の値を伝達し、これにより、照明ドライバ１４０が照明パワーをＬ２からＬＩに減少させる。
【００５９】
図４Ｃに示されるように、戻り信号の所望の強度と戻り信号の測定された強度との差が強度差閾値ＩＤＴＬ３−Ｌ４を超える場合、照明パワー制御モジュール１７０は、制御信号ＶＣＴＬ１７１の値を伝達し、これにより、照明ドライバ１４０が照明パワーをＬ３からＬ４に増加させる。同様に、戻り信号の所望の強度と戻り信号の測定された強度との差が強度差閾値ＩＤＴＬ３−Ｌ２を超える場合、照明パワー制御モジュール１７０は、制御信号ＶＣＴＬ１７１の値を伝達し、これにより、照明ドライバ１４０が照明パワーをＬ３からＬ２に減少させる。同様に、戻り信号の所望の強度と戻り信号の測定された強度との差が強度差閾値ＩＤＴＬ３−Ｌ１を超える場合、照明パワー制御モジュール１７０は、制御信号ＶＣＴＬ１７１の値を伝達し、これにより照明ドライバ１４０が照明パワーをＬ３からＬＩに減少させる。
【００６０】
図４Ｄに示されるように、戻り信号の望ましい強度と戻り信号の測定された強度との差が強度差閾値ＩＤＴＬ４−Ｌ３を超える場合、照明パワー制御モジュール１７０は、制御信号ＶＣＴＬ１７１の値を伝達し、これにより照明ドライバ１４０が照明パワーをＬ４からＬ３に減少させる。同様に、戻り信号の所望の強度と戻り信号の測定された強度との差が強度差閾値ＩＤＴＬ４−Ｌ２を超える場合、照明パワー制御モジュール１７０は、制御信号ＶＣＴＬ１７１の値を伝達し、これにより照明ドライバ１４０が照明パワーをＬ４からＬ２に増加させる。同様に、戻り信号の所望の強度と戻り信号の測定された強度との差が強度差閾値ＩＤＴＬ４−ＬＩを超える場合、照明パワー制御モジュール１７０は、制御信号ＶＣＴＬ１７１の値を伝達し、これにより照明ドライバ１４０が照明パワーをＬ４からＬ１に増加させる。
【００６１】
強度差閾値は、あらかじめ定めた値である（つまり、値は、所望の戻りパルス強度と測定された戻りパルス強度の差の測定前に既知となっている）。いくつかの実施形態では、各強度差閾値は、ルックアップテーブルに格納される。いくつかの実施形態では、各強度差閾値は、非線形関数によって特徴付けられる。いくつかの実施形態では、各強度差閾値は、現在のパワーレベルにより定まる。いくつかの実施形態では、各強度差閾値は、固定倍率によって変化する。一部の実施形態では、各強度差閾値は、所望の強度信号と測定された戻り強度信号との差が正であるか負であるかにより定まる。
【００６２】
図１に示す実施形態では、照明パワー制御モジュール１７０は、デジタル信号ＶＣＴＬ１７１を生成して、所望の照明パワーレベルを照明ドライバＩＣ１４０に伝達する。しかし、いくつかの他の実施形態では、照明パワー制御モジュール１７０は、照明ドライバＩＣ１４０に伝達される１つ以上のアナログ信号を生成し、これにより、照明ドライバＩＣ１４０は所望の照明パワーレベルの照明パルス１３４を生成する。１つの例では、照明パワー制御モジュール１７０は、アナログ振幅制御信号ＶＡＭＰを照明ドライバＩＣ１４０に伝達する。それに応答して、照明ドライバＩＣ１４０は、受信したＶＡＭＰの値に基づいてパルス振幅を変更する。別の例では、照明パワー制御モジュール１７０は、アナログ振幅制御信号ＶＰＷＣを照明ドライバＩＣ１４０に伝達する。それに応答して、照明ドライバＩＣ１４０は、受信したＶＰＷＣの値に基づいて照明パルス持続時間を変更する。
【００６３】
図５は、周期ＴＰで周期的である、制御装置１４０によって生成されるパルス発射信号の３つのセグメントを示す。セグメント１６７Ａでは、６つの連続したパルスのパルス強度が中程度の値で安定している。セグメント１６７Ｂでは、パルス強度は、６つの連続したパルスの間、高輝度設定と低輝度設定を交互に繰り返す。セグメント１６７Ｃでは、パルス強度は、１つのパルスは高く保持され、その後、１０個の連続するパルスの間、２つの後続のパルスは低く保持される。一般に、ＬＩＤＡＲシステムは、パルスごとに又はパルスのグループで任意の所望の方法でパルス強度を変化させて、戻り信号の強度をＬＩＤＡＲ測定システムの線形範囲内に維持するように構成することができる。
【００６４】
さらなる実施形態では、図８に示されたＬＩＤＡＲシステム１０のようなＬＩＤＡＲシステムは、共通の制御装置（例えば、制御装置１９０）と連携して動作するいくつかの統合ＬＩＤＡＲ測定装置を含む。図６は、１６個の統合されたＬＩＤＡＲ測定装置のそれぞれからの光放射のタイミングを示す例示的な図表１９５を示す。別のさらなる態様では、各パルス照明システムから放射される照明光のパルスの反復パターンは、独立して制御可能である。このように、各パルス照明システムに関連する反復のパターンは、独立して制御することができる。
【００６５】
図６に示すように、測定パルスシーケンスは、第１の統合ＬＩＤＡＲ測定装置から放射される。遅延時間ＴＤＥＬＡＹの経過後、第２の統合ＬＩＤＡＲ測定装置から測定パルスシーケンスが放射される。このようにして、測定期間ＴＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴの間、１６本の測定パルスのシーケンスがＬＩＤＡＲ装置から異なる方向に放射される。この測定期間の後、充電期間ＴＣＨＡＲＧＥに１６本のパルス照明システムの各々についてのエネルギー貯蔵要素が充電される。充電期間の後、続く計測期間中に各パルス照明システムから別の測定パルスシーケンスが放射される。
【００６６】
いくつかの実施形態では、遅延時間は、ＬＩＤＡＲ装置の最大範囲に位置する、オブジェクトへの及びオブジェクトからの、測定パルスシーケンスの飛行時間よりも長くなるように設定される。このようにすることで、１６のパルス照明システム同士のいずれにもクロストークはなくなる。
【００６７】
いくつかの他の実施形態では、別のパルス照明システムから放射された測定パルスがＬＩＤＡＲ装置に戻るまでの時間に、１つのパルス照明システムから測定パルスを放射させることができる。これらのいくつかの実施形態では、クロストークを避けるために、各ビームによって検知される周囲環境の領域間に十分な空間的分離があることを確かめるために注意が払われる。
【００６８】
別の態様では、主制御装置は、各々が別々の統合ＬＩＤＡＲ測定装置に伝達される複数のパルスコマンド信号を生成するように構成される。各戻りパルス受信機ＩＣは、受信したパルスコマンド信号に基づいて、対応するパルス制御信号を生成する。
【００６９】
図７〜９は、複数の統合ＬＩＤＡＲ測定装置を有する３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステムを示す。いくつかの実施形態では、各統合ＬＩＤＡＲ測定装置の起動同士の間に遅延時間が設定される。いくつかの例では、遅延時間は、ＬＩＤＡＲ装置の最大範囲にあるオブジェクトとの間の測定パルスシーケンスの飛行時間よりも長くなる。このようにして、統合ＬＩＤＡＲ測定装置のいずれにもクロストークをなくす。いくつかの他の例では、別の統合ＬＩＤＡＲ測定装置から放射された測定パルスがＬＩＤＡＲ装置に戻る前に、１つの統合ＬＩＤＡＲ測定装置から測定パルスが放射される。これらの実施形態では、クロストークを回避するために、各ビームによって調査される周囲環境の領域同士の十分な空間的分離を確保するように注意が払われる。
【００７０】
図７は、１つの例示的な動作シナリオにおける３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１００の実施形態を示す図である。３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１００には、下部ハウジング１０１と、赤外線（例えば、７００から１，７００ナノメートルのスペクトル範囲内の波長を有する光）に対して透明な材料から構築されたドーム型シェル要素１０３を有する上部ハウジング１０２とが含まれる。１つの例では、ドーム型シェル要素１０３は、９０５ナノメートルを中心とする波長を有する光に対して透明である。
【００７１】
図７に示すように、複数の光ビーム１０５は、中心軸１０４から測定した角度範囲αにわたって、３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１００からドーム型シェル要素１０３を通って放射される。図７に示す実施形態では、各光ビームは、互いに離間した複数の異なる位置でｘ軸及びｙ軸によって規定される平面に投射される。例えば、ビーム１０６は位置１０７でｘｙ平面に投射される。
【００７２】
図７に示す実施形態では、３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１００は、中心軸１０４の周りに複数の光ビーム１０５のそれぞれをスキャンするように構成される。ｘｙ平面に投射される各光ビームは、中心軸１０４とｘｙ平面の交点を中心とする円形パターンをたどる。例えば、時間の経過とともに、ｘｙ平面に投射されたビーム１０６は、中心軸１０４を中心とする円形軌道１０８をたどる。
【００７３】
図８は、１つの例示的な動作シナリオにおける３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１０の別の実施形態を示す図である。３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１０には、下部ハウジング１１と、赤外線（例えば、７００から１，７００ナノメートルのスペクトル範囲内の波長を持つ光）を透過する材料で構成されている円筒シェル要素１３を有する上部ハウジング１２とが含まれる。１つの例では、円筒シェル要素１３は、９０５ナノメートルを中心とする波長を有する光に対して透明である。
【００７４】
図８に示すように、３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１０から複数の光ビーム１５が、角度範囲βにわたって円筒シェル要素１３を通って放射される。図８に示す実施形態では各光ビームの主光線が示されている。各光ビームは、複数の異なる方向で周囲の環境へと外向きに投射される。例えば、ビーム１６は、周囲環境の位置１７へと投射される。いくつかの実施形態では、システム１０から放射された光の各ビームはわずかに発散する。１つの例では、システム１０から放射された光ビームは、システム１０から１００メートルの距離で直径２０センチメートルのスポットサイズを照射する。このように、照明光の各ビームは、システム１０から放射される円錐状の照明光となる。
【００７５】
図８に示す実施形態では、３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１０は、中心軸１４の周りの複数の光ビーム１５のそれぞれでスキャンするように構成されている。例示の目的で、光ビーム１５は、３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１０の非回転座標フレームに対してある角度方向で示され、光線１５’は、この非回転座標フレームに対して別の角度方向で示されている。光ビーム１５が中心軸１４を中心に回転すると、周囲の環境に投射される各光ビーム（例えば、各ビームに関連付けられた各円錐状の照明光）は照明ビームが中心軸１４の周りをスイープするときに、対応する環境を照射する。
【００７６】
図９は、例示的な１つの実施形態における３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１００の分解図を示している。３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１００には、中心軸１０４を中心として回転する光放射／収集エンジン１１２がさらに含まれる。図９に示す実施形態では、光放射／収集エンジン１１２の中心光軸１１７は、中心軸１０４に対して角度θで傾斜している。図９に示すように、３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１００には、下部ハウジング１０１に固定された位置に取り付けられた静止電子基板１１０が含まれる。回転電子基板１１１は静止電子基板１１０の上に配置され、静止電子基板１１０に対して所定の回転速度（例えば、毎分２００回転以上）で回転するように構成される。電力信号と電子信号は、１つ以上の変圧器、コンデンサ素子、又は光学素子を通って電子基板１１０と回転電子基板１１１との間で伝達され、これらの信号の非接触伝送が行われることになる。光放射／収集エンジン１１２は、回転する電子基板１１１に固定して設置され、したがって、所定の角速度ωで中心軸１０４の周りを回転する。
【００７７】
図９に示すように、光放射／収集エンジン１１２には、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１１３のアレイが含まれる。１つの態様では、各統合ＬＩＤＡＲ測定装置には、光放射素子、光検出素子、及び共通基板（例えば、プリント回路基板又は他の電気回路基板）上に統合された関連する制御用及び信号調整用電子機器が含まれる。
【００７８】
各統合ＬＩＤＡＲ測定装置から放射された光は一連の光学素子１１６を通過し、放射された光をコリメートして３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステムから環境に投射する照明光のビームを生成する。このようにして、別々のＬＩＤＡＲ測定装置から放射される光ビーム１０５のアレイは、図９に示すように３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１００から放射される。一般に、３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１００から任意の数の光線を同時に放射するために、任意の数のＬＩＤＡＲ測定装置を配置できる。特定のＬＩＤＡＲ測定装置による照明により環境内のオブジェクトから反射された光は、光学素子１１６によって収集される。収集された光は光学素子１１６を通過し、そこで同じ特定のＬＩＤＡＲ測定装置の検出素子に焦点が合わせられる。このようにして、異なるＬＩＤＡＲ測定装置によって生成された照明による、環境の異なる部分の照明に関連する収集光は、対応する各ＬＩＤＡＲ測定装置の検出器に別々に焦点が合わせられる。
【００７９】
図１０は、光学素子１１６の詳細を示す。図１０に示すように、光学素子１１６には、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１１３のアレイの各検出器上に収集光１１８を集束させるように配置された４つのレンズ素子１１６Ａ〜Ｄが含まれる。図１０に示す実施形態では、光学系１１６を通過する光は、ミラー１２４で反射され、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１１３のアレイの各検出器に向けられる。いくつかの実施形態では、１つ以上の光学要素１１６は、所定の波長範囲外の光を吸収する１つ以上の材料で構成される。所定の波長範囲には、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１１３のアレイによって放射される光の波長が含まれる。１つの例では、レンズ要素の１つ以上は、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１１３のアレイの各々によって生成される赤外線よりも短い波長を有する光を吸収する着色剤添加物を含むプラスチック材料で構成される。１つの例では、着色剤はＡａｋｏ  ＢＶ（オランダ）から入手可能なＥｐｏｌｉｇｈｔ７２７６Ａである。一般に、任意の数の異なる着色剤を光学系１１６のプラスチックレンズ要素のいずれかに加えて、望ましくないスペクトルを除去することができる。
【００８０】
図１１は、収集された光１１８の各ビームの整形を表現する光学系１１６の断面図を示している。
【００８１】
このように、図８に示された３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１０などのＬＩＤＡＲシステム及び図７に示されたシステム１００には、それぞれがＬＩＤＡＲ装置から周囲環境に照明光のパルスビームを放射し、周囲環境内のオブジェクトから反射された戻り光を測定する複数の統合ＬＩＤＡＲ測定装置が含まれる。
【００８２】
図７及び図８を参照しながら説明する実施形態のような、いくつかの実施形態では、統合ＬＩＤＡＲ測定装置のアレイは、ＬＩＤＡＲ装置の回転フレームに取り付けられている。この回転フレームは、ＬＩＤＡＲ装置のベースフレームに対して回転する。しかし、一般に、統合ＬＩＤＡＲ測定装置のアレイは、任意の適切な方法（例えば、ジンバル、パン／チルトなど）で移動可能にすることも又はＬＩＤＡＲ装置のベースフレームに固定することもできる。
【００８３】
他のいくつかの実施形態では、各統合ＬＩＤＡＲ測定装置には、統合ＬＩＤＡＲ測定装置によって生成された照明ビームをスキャンするビーム指向要素（例えば、スキャニングミラー、ＭＥＭＳミラーなど）が含まれる。
【００８４】
いくつかの他の実施形態では、２つ以上の統合ＬＩＤＡＲ測定装置の各々は、照明光のビームを周囲の環境のさまざまな方向に反射するスキャニングミラー装置（例えば、ＭＥＭＳミラー）に向かって、照明光のビームを放射する。
【００８５】
さらなる態様において、１つ以上の統合ＬＩＤＡＲ測定装置は、これらの１つ以上の統合ＬＩＤＡＲ測定装置によって生成された照明ビームを異なる方向に向ける光位相変調装置と光学的に通信を行う。光位相変調装置は、光位相変調装置の状態を変化させ、それにより光位相変調装置から回折される光の方向を変化させるための制御信号を受信する能動装置である。このようにして、１つ以上の統合ＬＩＤＡＲ装置によって生成された照明ビームは、さまざまな向きでスキャンされ、測定中の周囲の３Ｄ環境を効果的に調べる。周囲環境に投射された回折ビームはその環境と相互に影響しあう。それぞれの統合ＬＩＤＡＲ測定装置は、オブジェクトから収集された戻り光に基づいて、ＬＩＤＡＲ測定システムと検出されたオブジェクトとの間の距離を測定する。光位相変調装置は、統合ＬＩＤＡＲ測定装置と周囲環境の測定対象オブジェクトとの間の光路に配置される。したがって、照明光と対応する戻り光は、両方とも光位相変調装置を通過する。
【００８６】
図１２は、ここに記載の統合ＬＩＤＡＲ測定システムによる実施に適した、方法２００のフローチャートを示す。いくつかの実施形態では、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１０、１００、及び１２０は、図１２に示した方法２００に従って動作可能である。しかしながら、一般に、方法２００の実行は、それぞれ図８、７、及び１を参照して説明した統合ＬＩＤＡＲ測定装置１０、１００、及び１２０の実施形態に対するものに限定されない。これらの例示及びこれらに対応する説明は、多くの他の実施形態及び動作例を考えることができるため、例として示すものである。
【００８７】
ブロック２０１では、第１の量の電力に応答して、照明光のパルスを、ＬＩＤＡＲ測定装置のパルス照明源から３次元環境に放射する。
【００８８】
ブロック２０２では、少なくとも３つの異なる選択可能な量の電力のうちの１つを、特定の時間にパルス化された照明源に提供する。第１の量の電力は、少なくとも３つの異なる選択可能な量の電力のうちの第１のものである。
【００８９】
ブロック２０３では、照明光のパルスによって照射された３次元環境から反射された光の量を検出する。
【００９０】
ブロック２０４では、検出された光の量を示す戻り測定信号を生成する。
【００９１】
ブロック２０５では、検出された光の量を示す戻り測定信号を受信する。
【００９２】
ブロック２０６では、戻り測定信号の強度の表示を決定する。
【００９３】
ブロック２０７では、出力信号の強度と出力信号の所望の強度との間の差を測定する。
【００９４】
ブロック２０８では、制御コマンドを照明ドライバに伝達し、照明ドライバに、リターン測定信号の強度と所望の強度との差に基づいて少なくとも３つの異なる選択可能な量の電力のいずれかを選択させる。
【００９５】
一般に、「集積回路」、「主制御装置」、及び「コンピューティングシステム」という用語は、メモリ媒体からの命令を実行する１以上のプロセッサを有する任意の装置を包含するように広く定義することができる。
【００９６】
主制御装置１９０又は任意の外部コンピューティングシステムには、パーソナルコンピュータシステム、メインフレームコンピュータシステム、ワークステーション、画像コンピュータ、パラレルプロセッサ、又はこの技術分野で知られている任意の他の装置を含めることができるが、これらに限定されない。
【００９７】
本開示全体にわたって説明した様々なステップは、戻り信号受信機ＩＣ１５０、照明ドライバＩＣ１４０、主制御装置１９０、又は別のコンピュータシステムによって実行することができることを認識すべきである。さらに、ＬＩＤＡＲ測定システム１２０の種々のサブシステムには、本明細書で説明されるステップの少なくとも一部を実行するのに適したコンピュータシステムを含むことができる。したがって、前述の説明は、本発明を限定するものとして解釈されるべきではなく、単なる例示として解釈されるべきである。
【００９８】
一例では、本明細書に記載されているような方法を実行するプログラム命令２９２は、ワイヤ、ケーブル、又は無線伝送リンクなどの伝送媒体を介して伝送することができる。例えば、図１に示すように、メモリ２９１に保存されたプログラム命令２９２は、バス２９４を介してプロセッサ２９５に伝送される。プログラム命令２９２は、コンピュータ読み取り可能媒体（例えば、メモリ２９１）に保存される。例示的なコンピュータ読み取り可能媒体には、読み取り専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、磁気ディスク又は光ディスク、又は磁気テープが含まれる。
【００９９】
図１に示すように、プログラム命令２９２、メモリ２９１、プロセッサ２９５、及びバス２９４は、主制御装置１９０の一部として実装される。しかし、他の例では、本明細書で説明されているような方法を実行するプログラム命令、メモリ、１つ以上のプロセッサ、及びバスが戻り信号受信機ＩＣ１５０の一部として実装される。いくつかの例では、本明細書に記載されているような方法を実行するプログラム命令、メモリ、１つ以上のプロセッサ、及びバスが、照明ドライバＩＣ１４０の一部としても実装される。
【０１００】
一般に、戻り信号受信機ＩＣ１５０、照明ドライバＩＣ１４０、及び主制御装置１９０は、この技術分野で知られている任意の方法で他の装置に通信可能に結合することができる。例えば、主制御装置１９０は、統合型ＬＩＤＡＲ測定装置１３０に関連する戻り信号受信機ＩＣ１５０に結合することができる。
【０１０１】
主制御装置１９０は、有線部分及び／又は無線部分を含むことができる伝送媒体によって、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０からデータ又は情報を受信及び／又は取得するように構成することができる。このように、伝送媒体は、主制御装置１９０と、ＬＩＤＡＲ測定システム１２０の他のサブシステムとの間のデータリンクとして機能することができる。
【０１０２】
主制御装置１９０は、有線部分及び/又は無線部分を含むことのできる伝送媒体によって、他のシステムからデータ又は情報（例えば、ＬＩＤＡＲ測定結果、圧縮されたデータセット、セグメント化されたデータセット、特徴集合、等）を受信及び／又は取得するように構成することができる。このようにして、伝送媒体は、主制御装置１９０と他のシステム（例えば、メモリ搭載ＬＩＤＡＲ測定システム１２０、外部メモリ、又は外部システム）との間のデータリンクとして機能することができる。例えば、主制御装置１９０は、測定データ２９３（例えば、ＬＩＤＡＲ画像情報）を記憶媒体（すなわち、メモリ２９１）からデータリンクを介して外部コンピューティングシステムに伝達するように構成することができる。さらに、主制御装置は、伝送媒体を介して他のシステムからデータを受信することができる。例えば、主制御装置１９０によって測定された特徴マップ及び位置情報は、永久的又は半永久的なメモリ装置（例えば、メモリ２９１）に保存することができる。その際、測定結果を別のシステムにエクスポートできる。
【０１０３】
１つ以上の例示的な実施形態では、説明した機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はそれらの任意の組み合わせで実施することができる。ソフトウェアで実施される場合、機能は、コンピュータ読み取り可能媒体上の１つ以上の命令又はコードとして格納又は送信することができる。コンピュータ読み取り可能媒体には、コンピュータの記憶媒体と、ある場所から他の場所へのコンピュータプログラムの転送を容易にする任意の媒体を含む通信媒体の両方が含まれる。記憶媒体は、汎用コンピュータ又は専用コンピュータがアクセスできる利用可能な任意の媒体とすることができる。限定するためではなく例示として、そのようなコンピュータ読み取り可能媒体には、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ-ＲＯＭ又は他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置又は他の磁気記憶装置、又は、所望のプログラムコードを命令又はデータ構造の形式で持ち運び又は格納のために使用することができ、汎用コンピュータ又は専用コンピュータ、又は汎用プロセッサ又は専用プロセッサからアクセスすることができる他の媒体を含むことができる。また、すべての接続は、コンピュータ読み取り可能媒体と適切に称される。例えば、ソフトウェアが、同軸ケーブル、光ファイバーケーブル、ツイストペア、デジタル加入者線（ＤＳＬ）、又は赤外線、ラジオ波、マイクロ波のような無線技術を使用して、Ｗｅｂサイト、サーバ、又はその他のリモートソースから送信される場合、同軸ケーブル、光ファイバーケーブル、ツイストペア、ＤＳＬ、又は赤外線、ラジオ波、マイクロ波のような無線技術が媒体の定義に含まれる。ここで使用されるディスク及び磁気ディスクには、コンパクトディスク（ＣＤ）、レーザーディスク（登録商標）、光ディスク、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、フロッピーデイスク、及びブルーレイディスクが含まれ、ここで、通常、磁気ディスクは磁気的にデータを再生するものであり、ディスクはレーザーで光学的にデータを再生するものである。これらの組み合わせもコンピュータ読み取り可能媒体の範囲内に含まれる。
【０１０４】
特定の実施形態を説明目的のために上述の通り説明したが、この特許文書の教示は一般的な利用可能性を示し、上記の特定の実施形態に限定することを意味しない。したがって、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、説明した実施形態の様々な特徴の様々な修正、改変、及び組み合わせを実施することができる。
【図１】
2021510417.tif 000003
【図２】
2021510417.tif 000004
【図３】
2021510417.tif 000005
【図４】
2021510417.tif 000006
【図５】
2021510417.tif 000007
【図６】
2021510417.tif 000008
【図７】
2021510417.tif 000009
【図８】
2021510417.tif 000010
【図９】
2021510417.tif 000011
【図１０】
2021510417.tif 000012
【図１１】
2021510417.tif 000013
【図１２】
2021510417.tif 000014
【国際調査報告】
2021510417.tif 000015