(57)【要約】  マルチスペクトルセンサアレイは、測距センサチャネル（例えば、ＬＩＤＡＲセンサチャネル）と、チャネル別特性（例えば、色）を有する周囲光を検出するように調節された周囲光センサチャネルとの組み合わせを含み得る。センサチャネルは、異なるセンサからのマルチスペクトル画像が、本質的に互いに位置整合されて、マルチスペクトル画像ピクセルのアレイを画定する、視野のマルチスペクトル画像を提供するように配置及び間隔を置くことができる。撮像動作を容易にするために、様々な光学素子が提供され得る。マルチスペクトルセンサアレイを組み込む光測距／撮像システムは、回転モード及び／または静的モードで動作され得る。
2021534378.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセンサ行を有するセンサアレイであって、
各センサ行は、
ＬＩＤＡＲセンサチャネルと、
１または複数の周囲光センサチャネルのセットと、
を有し、
各周囲光センサチャネルは、
チャネル入力開口と、
光センサと、
チャネル別特性を有する光を、前記光センサに選択的に通過させるチャネル別光学フィルタと、
を含む、センサアレイ。
【請求項２】
前記１または複数の周囲光センサチャネルのセットは、各々が異なるチャネル別光学フィルタを有する少なくとも２つの周囲光センサチャネルを含む、請求項１に記載のセンサアレイ。
【請求項３】
前記周囲光センサチャネルのセットは、前記チャネル別光学フィルタが少なくとも可視光スペクトルを包含する通過帯域を有する白色チャネル、を含む、請求項１に記載のセンサアレイ。
【請求項４】
前記周囲光センサチャネルのセットは、前記チャネル別光学フィルタが赤色光を選択的に通過させる赤色チャネル、前記チャネル別光学フィルタが緑色光を選択的に通過させる緑色チャネル、及び、前記チャネル別光学フィルタが青色光を選択的に通過させる青色チャネル、を含む、請求項１に記載のセンサアレイ。
【請求項５】
前記周囲光センサチャネルのセットは、少なくとも５つの異なる色チャネルを含み、
前記少なくとも５つの異なる色チャネルの各々の前記チャネル別光学フィルタは、異なる波長範囲を有する光を選択的に通過させる、請求項１に記載のセンサアレイ。
【請求項６】
前記周囲光センサチャネルのセットは、
第１波長範囲を有する光を選択的に通過させる第１チャネル別光学フィルタを有する第１色チャネルと、
第２波長範囲を有する光を選択的に通過させる第２チャネル別光学フィルタを有する第２色チャネルと、
を含み、
前記第１範囲及び前記第２範囲は、重なる範囲を有している、請求項１に記載のセンサアレイ。
【請求項７】
前記第２範囲は、特定の物質の吸収帯に対応し、
前記第１範囲は、前記第２範囲を包含する、請求項６に記載のセンサアレイ。
【請求項８】
前記周囲光センサチャネルのセットは、前記チャネル別光学フィルタが特定の偏光特性を有する光を選択的に通過させる１または複数の偏光チャネルを含む、請求項１に記載のセンサアレイ。
【請求項９】
前記周囲光センサチャネルのセットは、
１または複数の色チャネルであって、当該１または複数の色チャネルの各々の前記チャネル別光学フィルタが異なる波長範囲を有する光を選択的に通過させる、１または複数の色チャネルと、
前記チャネル別光学フィルタが特定の偏光特性を有する光を選択的に通過させる、１または複数の偏光チャネルと、を含む、請求項１に記載のセンサアレイ。
【請求項１０】
前記１または複数の周囲光センサチャネルのセットは、各々が異なるチャネル別光学フィルタを有する少なくとも２つの周囲光センサチャネルを含み、
所与のセンサ行内の前記周囲光センサチャネルは、均一なピッチだけ互いに離間されている、請求項１に記載のセンサアレイ。
【請求項１１】
所与のセンサ行内の前記ＬＩＤＡＲセンサチャネルは、前記均一なピッチだけ、または、前記均一なピッチの整数倍数である距離だけ、前記所与のセンサ行内の前記周囲光センサチャネルのうちの最も近いものから離間されている、請求項１０に記載のセンサアレイ。
【請求項１２】
隣接するセンサ行は、前記均一なピッチだけ、互いに離間して配置されている、請求項１１に記載のセンサアレイ。
【請求項１３】
各周囲光センサチャネルの前記光センサは、フォトンカウンティングモードで動作される１または複数のシングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を含み、
各ＬＩＤＡＲセンサチャネルもまた、フォトンカウンティングモードで動作される１または複数のＳＰＡＤを含む、請求項１に記載のセンサアレイ。
【請求項１４】
前記センサアレイは、単一のＡＳＩＣとして製造される、請求項１に記載のセンサアレイ。
【請求項１５】
前記ＡＳＩＣ内に配設され、前記ＬＩＤＡＲセンサチャネルのうちの２つ以上及び前記周囲光センサチャネルのうちの２つ以上からのデータを格納するように構成されたデータバッファと、
前記ＡＳＩＣ内に配設され、前記データバッファに格納された前記データに対して画像処理動作を実行するように構成された処理回路と、
を更に備える、請求項１４に記載のセンサアレイ。
【請求項１６】
前記周囲光センサチャネルのうちの少なくとも１つは、マルチスペクトルセンサチャネルであって、
当該マルチスペクトルセンサチャネルは、
複数の光センサと、
パターン化された光学フィルタと、
を有しており、
前記パターン化された光学フィルタの異なる部分が、異なる特性を有する光を、前記マルチスペクトルセンサチャネル内の前記複数の光センサの異なるサブセットに、選択的に通過させる、請求項１に記載のセンサアレイ。
【請求項１７】
前記パターン化された光学フィルタの前記異なる部分は、第１波長帯域内の光を通過させる第１部分と、第２波長帯域内の光を通過させる第２部分と、を含む、請求項１６に記載のセンサアレイ。
【請求項１８】
固定ベースと、
前記固定ベースに回転可能に結合されたセンサアレイと、
を備え、
前記センサアレイは、複数のセンサ行を有し、
各センサ行は、
ＬＩＤＡＲセンサチャネルと、
１または複数の周囲光センサチャネルのセットと、
を有し、
各周囲光センサチャネルは、
チャネル入力開口と、
光センサと、
チャネル別特性を有する光を、前記光センサに選択的に通過させるチャネル別光学フィルタと、を含み、
前記センサアレイの前方に配設され、入射光を前記ＬＩＤＡＲセンサチャネル及び前記周囲光センサチャネルに共通の開口面上に集束させるように構成されたバルク光学モジュールと、
前記センサアレイの回転と前記光センサの動作とを同期させて、前記固定ベースに対する空間内の所与の場所が、前記センサ行のうちの１つ内の前記ＬＩＤＡＲセンサチャネル及び前記周囲光センサチャネルの各々によって連続的に撮像されるようにする、ためのコントローラと、
を更に備えた、測距／撮像システム。
【請求項１９】
前記コントローラは、前記センサアレイの前記周囲光センサチャネルを使用して決定されたピクセルごとの光強度データ、及び、前記センサアレイの前記ＬＩＤＡＲセンサチャネルを使用して決定されたピクセルごとの深度データ、を含むマルチスペクトル画像ピクセルデータを生成する、ように更に構成されている、請求項１８に記載の測距／撮像システム。
【請求項２０】
所与のセンサ行内の前記周囲光センサチャネルは、均一なピッチだけ互いに離間されており、
前記コントローラは、連続する撮像動作が前記均一なピッチに対応するピッチ角だけ離された角度位置で発生するように、当該測距／撮像システムを回転させるように更に構成されている、請求項１８に記載の測距／撮像システム。
【請求項２１】
所与のセンサ行内の前記ＬＩＤＡＲセンサチャネルは、前記均一なピッチだけ、または、前記均一なピッチの整数倍数である距離だけ、前記所与のセンサ行内の前記周囲光センサチャネルのうちの最も近いものから離間されている、請求項２０に記載の測距／撮像システム。
【請求項２２】
隣接するセンサ行は、前記均一なピッチだけ、互いに離間されている、請求項２１に記載の測距／撮像システム。
【請求項２３】
前記１または複数の周囲光センサチャネルのセットは、各々が異なるチャネル別光学フィルタを有する少なくとも２つの周囲光センサチャネルを含む、請求項１８に記載の測距／撮像システム。
【請求項２４】
前記周囲光センサチャネルのセットは、前記チャネル別光学フィルタが特定の偏光特性を有する光を選択的に通過させる１または複数の偏光チャネルを含む、請求項１８に記載の測距／撮像システム。
【請求項２５】
前記周囲光センサチャネルのセットは、
１または複数の色チャネルであって、当該１または複数の色チャネルの各々の前記チャネル別光学フィルタが異なる波長範囲を有する光を選択的に通過させる、１または複数の色チャネルと、
前記チャネル別光学フィルタが特定の偏光特性を有する光を選択的に通過させる、１または複数の偏光チャネルと、を含む、請求項１８に記載の測距／撮像システム。
【請求項２６】
前記周囲光センサチャネルのうちの少なくとも１つは、マルチスペクトルセンサチャネルであって、
当該マルチスペクトルセンサチャネルは、
複数の光センサと、
パターン化された光学フィルタと、
を有しており、
前記パターン化された光学フィルタの異なる部分が、異なる特性を有する光を、前記マルチスペクトルセンサチャネル内の前記複数の光センサの異なるサブセットに、選択的に通過させる、請求項１８に記載の測距／撮像システム。
【請求項２７】
ハイブリッドセンサピクセルの二次元アレイと、
前記二次元アレイ内の各ハイブリッドセンサピクセルに結合された読み出し電子機器と、
を備え、
各ハイブリッドセンサピクセルは、
ＬＩＤＡＲセンサチャネルと、
１または複数の周囲光センサチャネルのセットと、
を有し、
各周囲光センサチャネルは、センサ別特性を有する光の強度を選択的に測定するように調節されており、
各ハイブリッドセンサピクセルの前記読み出し電子機器は、
前記ＬＩＤＡＲセンサチャネルに結合され、前記ＬＩＤＡＲセンサチャネルでの光子の到着時間を計るように且つ光子の到着時間を表すデータをメモリ内に格納するように構成されたタイミング回路と、
前記周囲光センサチャネルに結合され、前記周囲光センサチャネルで検出された光子の数をカウントするように且つ光子のカウント数を前記メモリ内に格納するように構成されたカウンタ回路と、を含む、センサアレイ。
【請求項２８】
ハイブリッドセンサピクセルの前記二次元アレイは、単一のＡＳＩＣとして形成される、請求項２７に記載のセンサアレイ。
【請求項２９】
各ハイブリッドセンサピクセルは、
光センサの平面アレイと、
パターン化された光学フィルタと、
を含み、
前記パターン化された光学フィルタの異なる部分が、異なる特性を有する光を、前記平面アレイ内の前記光センサの異なるサブセットに選択的に通過させ、
前記パターン化された光学フィルタは、前記光センサの第１サブセットが、ＬＩＤＡＲエミッタの波長に一致する狭い通過帯域内で赤外光を受信し、それによって、前記ＬＩＤＡＲセンサチャネルを提供し、前記光センサの第２サブセットが、可視光スペクトルの少なくとも一部分から可視光を受信し、それによって、前記周囲光センサチャネルのうちの１つを提供する、ように配置されている、請求項２８に記載のセンサアレイ。
【請求項３０】
前記ハイブリッドセンサピクセルの各々において、前記光センサの前記第１サブセットは、当該ハイブリッドセンサピクセルのピクセル領域内の中央領域に位置しており、前記光センサの前記第２サブセットは、前記ピクセル領域内の前記中央領域の周りの周辺領域に位置している、請求項２９に記載のセンサアレイ。
【請求項３１】
前記光センサの前記第２サブセットは、２つ以上の光センサを含み、
前記パターン化された光学フィルタは、前記第２サブセット内の前記２つ以上の光センサの各々が異なる特性を有する光を受信するように、更に配置されている、請求項２９に記載のセンサアレイ。
【請求項３２】
前記第２サブセット内の異なる光センサは、異なる波長範囲を有する光を受信する、請求項３１に記載のセンサアレイ。
【請求項３３】
前記パターン化された光学フィルタは、前記第２サブセット内の前記光センサのうちの少なくとも１つが特定の偏光特性を有する光を受信するように、更に配置されている、請求項３１に記載のセンサアレイ。
【請求項３４】
前記パターン化された光学フィルタは、前記第２サブセット内の前記光センサのうちの少なくとも１つが特定の物質の吸収帯に対応する波長範囲の光を受信するように、更に配置されている、請求項３１に記載のセンサアレイ。
【請求項３５】
ハイブリッドセンサチャネルの前記二次元アレイの前記ＬＩＤＡＲセンサチャネルは、第１ＡＳＩＣとして形成され、
前記周囲光センサチャネルは、前記第１ＡＳＩＣ上に重ねられ且つ前記第１ＡＳＩＣと位置整合される第２ＡＳＩＣとして形成され、
前記第２ＡＳＩＣは、その中に形成された複数の開口を有し、光が前記ＬＩＤＡＲセンサチャネル内へと通過することを許容している、請求項２７に記載のセンサアレイ。
【請求項３６】
ハイブリッドセンサピクセルの二次元アレイを含むセンサアレイであって、各ハイブリッドセンサピクセルは、ＬＩＤＡＲセンサチャネルと、１または複数の周囲光センサチャネルのセットと、を有し、各周囲光センサチャネルは、チャネル別特性を有する光の強度を選択的に測定するように調節されている、センサアレイと、
視野内の所与の場所が、前記ハイブリッドセンサピクセルのうちの１つの前記ＬＩＤＡＲセンサチャネル及び前記周囲光センサチャネルによって撮像されるように、前記ＬＩＤＡＲセンサチャネル及び前記周囲光センサチャネルを動作させるように構成されたコントローラと、
を含む、測距／撮像システム。
【請求項３７】
前記ＬＩＤＡＲセンサチャネルによって検出可能な光を放出するためのエミッタ
を更に含み、
前記コントローラは、前記エミッタの動作を前記ＬＩＤＡＲセンサチャネルの動作と調整して、各ハイブリッドセンサピクセルの深度測定値を決定するように、更に構成されている、請求項３６に記載の測距／撮像システム。
【請求項３８】
前記コントローラは、前記エミッタ及び前記ＬＩＤＡＲセンサチャネルを動作させて、視野の電子スキャンを実行し、前記視野の異なる部分が、前記ＬＩＤＡＲセンサチャネルのうちの異なるものによって、異なる時間に撮像されるように、更に構成されている、請求項３７に記載の測距／撮像システム。
【請求項３９】
前記ハイブリッドセンサチャネルは、単一のＡＳＩＣとして形成される、請求項３６に記載の測距／撮像システム。
【請求項４０】
前記ＬＩＤＡＲセンサチャネルは、第１ＡＳＩＣとして形成され、
前記周囲光センサチャネルは、前記第１ＡＳＩＣ上に重ねられ且つ前記第１ＡＳＩＣと位置整合される第２ＡＳＩＣとして形成され、
前記第２ＡＳＩＣは、その中に形成された複数の開口を有し、光が前記ＬＩＤＡＲセンサチャネル内へと通過することを許容している、請求項３６に記載の測距／撮像システム。
【請求項４１】
固定ベースと、
前記固定ベースに回転可能に結合されたセンサアレイと、
を備え、
前記センサアレイは、複数のセンサ行を有し、
各センサ行は、２つ以上の周囲光センサチャネルのセットを含み、
各周囲光センサチャネルは、
チャネル入力開口と、
光センサと、
チャネル別特性を有する光を、前記光センサに選択的に通過させるチャネル別光学フィルタと、
を含み、
前記チャネル別特性は、前記センサ行のうちの所与のもの内の異なる周囲光センサチャネルに対して異なり、
前記センサアレイの前方に配設され、入射光を前記周囲光センサチャネルに共通の開口面上に集束させるように構成されたバルク光学モジュールと、
前記センサアレイの回転と前記光センサの動作とを同期させて、前記周囲光センサチャネルを使用して決定された光強度データを含む画像ピクセルデータを生成するためのコントローラと、を更に含む、撮像システム。
【請求項４２】
各周囲光センサチャネルの前記光センサは、フォトンカウンティングモードで動作される１または複数のシングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を含む、請求項４１に記載の撮像システム。
【請求項４３】
各周囲光センサチャネルの前記光センサは、フォトダイオードを含む、請求項４１に記載の撮像システム。
【請求項４４】
前記周囲光センサチャネルのセットは、前記チャネル別光学フィルタが赤色光を選択的に通過させる赤色チャネル、前記チャネル別光学フィルタが緑色光を選択的に通過させる緑色チャネル、及び、前記チャネル別光学フィルタが青色光を選択的に通過させる青色チャネル、を含む、請求項４１に記載の撮像システム。
【請求項４５】
前記周囲光センサチャネルのセットは、少なくとも５つの異なる色チャネルを含み、
前記少なくとも５つの異なる色チャネルの各々の前記チャネル別光学フィルタは、異なる波長範囲を有する光を選択的に通過させる、請求項４１に記載の撮像システム。
【請求項４６】
前記周囲光センサチャネルのセットは、
第１波長範囲を有する光を選択的に通過させる第１チャネル別光学フィルタを有する第１色チャネルと、
第２波長範囲を有する光を選択的に通過させる第２チャネル別光学フィルタを有する第２色チャネルと、
を含み、
前記第１範囲及び前記第２範囲は、重なる範囲を有している、請求項４１に記載の撮像システム。
【請求項４７】
前記第２範囲は、特定の物質の吸収帯に対応する、請求項４６に記載の撮像システム。
【請求項４８】
前記周囲光センサチャネルのセットは、前記チャネル別光学フィルタが特定の偏光特性を有する光を選択的に通過させる１または複数の偏光チャネルを含む、請求項４１に記載の撮像システム。
【請求項４９】
前記周囲光センサチャネルのセットは、
１または複数の色チャネルであって、当該１または複数の色チャネルの各々の前記チャネル別光学フィルタが異なる波長範囲を有する光を選択的に通過させる、１または複数の色チャネルと、
前記チャネル別光学フィルタが特定の偏光特性を有する光を選択的に通過させる、１または複数の偏光チャネルと、を含む、請求項４１に記載の撮像システム。
【請求項５０】
所与のセンサ行内の前記周囲光センサチャネルは、均一なピッチだけ、互いに離間されている、請求項４１に記載の撮像システム。
【請求項５１】
隣接するセンサ行は、前記均一なピッチだけ、互いに離間して配置されている、請求項５０に記載の撮像システム。
【請求項５２】
前記センサアレイは、単一のＡＳＩＣとして製造される、請求項４１に記載の撮像システム。
【請求項５３】
前記ＡＳＩＣ内に配設され、前記周囲光センサチャネルのうちの２つ以上からのデータを格納するように構成されたデータバッファと、
前記ＡＳＩＣ内に配設され、前記データバッファに格納されたデータに対して画像処理動作を実行するように構成された処理回路と、
を更に備えた、請求項５２に記載の撮像システム。
【請求項５４】
開口面内の対応する複数の開口を通して光を受信するように配置された複数のセンサチャネルを有するセンサアレイと、
前記センサアレイの前方に配設され、入射光を、前記開口面上に集束させて、視野の画像を形成するように構成されたバルク光学モジュールと、
前記センサアレイを動作させて、前記視野の画像データを生成するためのコントローラと、
複数のチャネル別マイクロ光学素子であって、各チャネル別マイクロ光学素子は、前記開口のうちの異なるものの前方に配設されており、異なるセンサチャネルに対して異なる光学処方を有する、複数のチャネル別マイクロ光学素子と、
を含む、撮像システム。
【請求項５５】
前記チャネル別マイクロ光学素子のうちの特定のものの前記光学処方は、前記バルク光学モジュールの光学特性に少なくとも部分的に基づいている、請求項５４に記載の撮像システム。
【請求項５６】
前記センサチャネルは、複数のセンサ行内に配置されており、
各センサ行は、
ＬＩＤＡＲセンサチャネルと、
１または複数の周囲光センサチャネルのセットと、
を有し、
各周囲光センサチャネルは、
チャネル入力開口と、
光センサと、
チャネル別特性を有する光を、前記光センサに選択的に通過させるチャネル別光学フィルタと、を含み、
前記周囲光センサチャネルのうちの少なくとも幾つかが、対応するチャネル別マイクロ光学素子を有する、請求項５４に記載の撮像システム。
【請求項５７】
各周囲光センサチャネルの前記チャネル別マイクロ光学素子は、前記チャネル別光学フィルタに少なくとも部分的に基づいている処方を有する、請求項５６に記載の撮像システム。
【請求項５８】
前記バルク光学モジュールは、色収差を示し、
前記周囲光センサチャネルのうちの少なくとも幾つかの前記光学処方は、部分的に前記チャネル別光学フィルタに、及び、部分的に前記バルク光学モジュールの前記色収差に、基づいている、請求項５７に記載の撮像システム。
【請求項５９】
前記複数のセンサチャネルは、複数のＬＩＤＡＲセンサチャネルを含み、
前記ＬＩＤＡＲセンサチャネルのうちの少なくとも幾つかは、部分的にＬＩＤＡＲ動作波長に、及び、部分的に前記バルク光学モジュールの光学特性に基づくそれぞれの光学処方を有する対応するチャネル別マイクロ光学素子を有する、請求項５４に記載の撮像システム。
【請求項６０】
前記バルク光学モジュールは、湾曲した焦点面を有し、
前記チャネル別マイクロ光学素子の各々の前記光学処方は、前記開口の場所と前記湾曲した焦点面上の対応する場所との間のオフセットを補償する、請求項５４に記載の撮像システム。
【請求項６１】
各チャネル別マイクロ光学素子の前記光学処方は、前記バルク光学モジュールの光軸から前記対応する開口までの前記開口面における半径方向距離の関数である、請求項６０に記載の撮像システム。
【請求項６２】
異なる開口の前方に配設された前記チャネル別マイクロ光学素子は、異なる集束力を有する光学処方を有する、請求項６０に記載の撮像システム。
【請求項６３】
異なるチャネルの前方に配設された前記チャネル別マイクロ光学素子は、前記開口面からの異なるスタンドオフ距離を有する、請求項６０に記載の撮像システム。
【請求項６４】
前記バルク光学モジュールは、色収差を示し、
前記センサチャネルのうちの異なるものは、異なる波長の光を感知するように構成されており、
前記チャネル別マイクロ光学素子はまた、前記バルク光学モジュールの前記色収差を補償する、請求項６０に記載の撮像システム。
【請求項６５】
前記センサチャネルは、飛行時間測定を提供するＬＩＤＡＲセンサチャネルを含む、請求項６０に記載の撮像システム。
【請求項６６】
前記センサチャネルは、光強度測定を提供する周囲光センサチャネルを含む、請求項６０に記載の撮像システム。
【請求項６７】
前記センサチャネルは、飛行時間測定を提供するＬＩＤＡＲセンサチャネルと、強度測定を提供する周囲光センサチャネルと、の組合せを含む、請求項６０に記載の撮像システム。
【請求項６８】
開口面内の対応する複数の開口を通して光を放出するように配置された複数のエミッタチャネルを有するエミッタアレイと、
前記エミッタアレイの前方に配設され、前記開口面からの光を視野内に向けるように構成されたバルク光学モジュールと、
複数のチャネル別マイクロ光学素子であって、各チャネル別マイクロ光学素子は、前記開口のうちの異なるものの前方に配設されており、異なるチャネル別マイクロ光学素子に対して異なる光学処方を有する、複数のチャネル別マイクロ光学素子と、
を含む、ＬＩＤＡＲトランスミッタデバイス。
【請求項６９】
前記チャネル別マイクロ光学素子のうちの特定のものの前記光学処方は、前記バルク光学モジュールの光学特性に少なくとも部分的に基づいている、請求項６８に記載のＬＩＤＡＲトランスミッタデバイス。
【請求項７０】
前記バルク光学モジュールは、湾曲した焦点面を有し、
前記チャネル別マイクロ光学素子の各々の前記光学処方は、前記開口の場所と前記湾曲した焦点面上の対応する場所との間のオフセットを補償する、請求項６８に記載のＬＩＤＡＲトランスミッタデバイス。
【請求項７１】
各チャネル別マイクロ光学素子の前記光学処方は、前記バルク光学モジュールの光軸から前記対応する開口までの前記開口面における半径方向距離の関数である、請求項６８に記載のＬＩＤＡＲトランスミッタデバイス。
【請求項７２】
異なる開口の前方に配設された前記チャネル別マイクロ光学素子は、異なる集束力を有する光学処方を有する、請求項６８に記載のＬＩＤＡＲトランスミッタデバイス。
【請求項７３】
異なるチャネルの前方に配設された前記チャネル別マイクロ光学素子は、前記開口面からの異なるスタンドオフ距離を有する、請求項６８に記載のＬＩＤＡＲトランスミッタデバイス。
【請求項７４】
スキャン方向に固定解像度を有する画像を提供するためのスキャン撮像システムであって、
二次元に配置されたセンサチャネルのセットを含むセンサアレイであって、前記センサチャネルの各々は光を検出するように構成されている、センサアレイと、
角度測定位置のシーケンスを通じて前記センサアレイをスキャン方向に回転させて、データのフレームを取得するように構成された回転制御システムであって、前記データのフレームは、視野の画像を表し、前記データのフレームは、均一な角度ピッチに従って前記スキャン方向に離間された画像ピクセルのグリッドを含む、回転制御システムと、
前記光を前記センサアレイに向けて集束させるように構成されたバルク光学モジュールであって、焦点距離及び焦点距離歪みプロファイルを有し、それらは両方とも、前記センサアレイを前記均一な角度ピッチを通じて前記スキャン方向に沿って回転させることにより光線が前記センサアレイに入射する場所が１つのセンサチャネルから隣接するセンサチャネルにシフトする、というように、前記センサチャネルのセットの配置に対して調節されている、バルク光学モジュールと、
を含む、スキャン撮像システム。
【請求項７５】
前記センサチャネルのセットは、前記スキャン方向に直角な方向に延びる列を画定するＬＩＤＡＲセンサチャネルの千鳥グリッドを含む、請求項７４に記載のスキャン撮像システム。
【請求項７６】
前記センサチャネルのセットは、前記ＬＩＤＡＲセンサチャネルの各々に対して前記スキャン方向に沿って配設された少なくとも１つの周囲光センサチャネルを更に含む、請求項７５に記載のスキャン撮像システム。
【請求項７７】
前記センサチャネルのセットは、前記ＬＩＤＡＲセンサチャネルの各々に対して前記スキャン方向に沿って配設された複数の周囲光センサチャネルを更に含む、請求項７５に記載のスキャン撮像システム。
【請求項７８】
前記センサアレイは、前記スキャン方向に沿って隣接するセンサチャネル間に固定ピッチを有し、
前記バルク光学モジュールは、Ｆθ焦点距離歪みプロファイルを有する、請求項７４に記載のスキャン撮像システム。
【請求項７９】
前記センサアレイは、前記スキャン方向に沿って隣接するセンサチャネル間に固定ピッチを有し、
前記バルク光学モジュールは、Ｆｔａｎθ焦点距離歪みプロファイルを有する、請求項７４に記載のスキャン撮像システム。
【請求項８０】
前記バルク光学モジュールの前記焦点距離歪みプロファイルは、バレル歪みを示し、
前記センサアレイ内の隣接するセンサチャネル間の距離は、前記センサアレイの端から中心に向かって増加する、請求項７４に記載のスキャン撮像システム。
【請求項８１】
前記バルク光学モジュールの前記焦点距離歪みプロファイルは、ピンクッション歪みを示し、
前記センサアレイ内の隣接するセンサチャネル間の距離は、前記センサアレイの端から中心に向かって減少する、請求項７４に記載のスキャン撮像システム。
【請求項８２】
スキャン方向に固定解像度を有する画像を提供するためのスキャン撮像システムであって、
一次元または二次元に配置されたセンサチャネルのセットを含むセンサアレイであって、前記センサチャネルの各々は光を検出するように構成されている、センサアレイと、
視野の異なる部分からの光を異なる時間に前記センサアレイ上に向けて、前記センサアレイが前記視野の画像を表すデータのフレームを取得するように構成されたミラーサブシステムであって、前記データのフレームは、均一な角度ピッチに従ってスキャン方向に離間された画像ピクセルのグリッドを含む、ミラーサブシステムと、
前記光を前記センサアレイに向けて集束させるように構成されたバルク光学モジュールであって、焦点距離及び焦点距離歪みプロファイルを有し、それらは両方とも、前記センサアレイを前記均一な角度ピッチを通じて前記スキャン方向に沿って回転させることにより光線が前記センサアレイに入射する場所が１つのセンサチャネルから隣接するセンサチャネルにシフトするというように、前記センサチャネルのセットの配置に対して調節されている、バルク光学モジュールと、
を含む、スキャン撮像システム。
【請求項８３】
前記センサチャネルのセットは、前記スキャン方向に直角な方向に延びる列を画定するＬＩＤＡＲセンサチャネルの千鳥グリッドを含む、請求項８２に記載のスキャン撮像システム。
【請求項８４】
前記センサチャネルのセットは、前記ＬＩＤＡＲセンサチャネルの各々に対して前記スキャン方向に沿って配設された少なくとも１つの周囲光センサチャネルを更に含む、請求項８３に記載のスキャン撮像システム。
【請求項８５】
前記センサチャネルのセットは、前記ＬＩＤＡＲセンサチャネルの各々に対して前記スキャン方向に沿って配設された複数の周囲光センサチャネルを更に含む、請求項８３に記載のスキャン撮像システム。
【請求項８６】
前記センサアレイは、前記スキャン方向に沿って隣接するセンサチャネル間に固定ピッチを有し、
前記バルク光学モジュールは、Ｆθ焦点距離歪みプロファイルを有する、請求項８２に記載のスキャン撮像システム。
【請求項８７】
前記センサアレイは、前記スキャン方向に沿って隣接するセンサチャネル間に固定ピッチを有し、
前記バルク光学モジュールは、Ｆｔａｎθ焦点距離歪みプロファイルを有する、請求項８２に記載のスキャン撮像システム。
【請求項８８】
前記バルク光学モジュールの前記焦点距離歪みプロファイルは、バレル歪みを示し、
前記センサアレイ内の隣接するセンサチャネル間の距離は、前記センサアレイの端から中心に向かって増加する、請求項８２に記載のスキャン撮像システム。
【請求項８９】
前記バルク光学モジュールの前記焦点距離歪みプロファイルは、ピンクッション歪みを示し、
前記センサアレイ内の隣接するセンサチャネル間の距離は、前記センサアレイの端から中心に向かって減少する、請求項８２に記載のスキャン撮像システム。
【請求項９０】
二次元でスキャンすることによって、固定解像度を有する画像を提供するためのラスタースキャン撮像システムであって、
一次元または二次元に配置されたセンサチャネルのセットを含むセンサアレイであって、前記センサチャネルの各々は光を検出するように構成されている、センサアレイと、
視野の異なる部分からの光を異なる時間に前記センサアレイ上に向けて、前記センサアレイが前記視野の画像を表すデータのフレームを取得するように、一次元または二次元でラスタースキャンを実行するように構成されたラスタースキャン機構であって、前記データのフレームは、均一なピッチに従って前記二次元の各々に離間された画像ピクセルの二次元グリッドを含み、画像ピクセルの前記グリッドの両方の次元が前記センサアレイの前記次元よりも大きい、ラスタースキャン機構と、
前記光を前記センサアレイに向けて集束させるように構成されたバルク光学モジュールであって、焦点距離及び焦点距離歪みプロファイルを有し、それらは両方とも、前記センサアレイが前記視野を均一にサンプリングするというように、前記センサチャネルのセットの配置に対して調節されている、バルク光学モジュールと、
を含む、ラスタースキャン撮像システム。
【請求項９１】
前記ラスタースキャン機構は、前記センサアレイを二次元で移動させる、請求項９０に記載のラスタースキャン撮像システム。
【請求項９２】
前記ラスタースキャン機構は、視野の異なる部分からの光を異なる時間に前記センサアレイ上に向けるための、二次元で移動可能なチップチルトミラーを含む、請求項９０に記載のラスタースキャン撮像システム。
【請求項９３】
前記センサチャネルは、ＬＩＤＡＲセンサチャネルを含む、請求項９０に記載のラスタースキャン撮像システム。
【請求項９４】
前記センサチャネルは、１または複数のハイブリッドセンサチャネルを含み、
各ハイブリッドセンサチャネルは、
複数の光センサと、
パターン化された光学フィルタと、
を有し、
前記パターン化された光学フィルタの異なる部分が、異なる特性を有する光を選択的に通過させ、
前記パターン化された光学フィルタは、前記複数の光センサのうちの異なるものが異なる特性を有する光を受信するように配置されており、
前記パターン化された光学フィルタは、前記複数の光センサの第１サブセットが、ＬＩＤＡＲエミッタの波長に一致する狭い通過帯域内で赤外光を受信し、前記複数の光センサの第２サブセットが、可視光スペクトルの少なくとも一部分からの可視光を受信するように、更に配置されている、請求項９０に記載のラスタースキャン撮像システム。
【請求項９５】
前記センサチャネルは、１または複数のハイブリッドセンサチャネルを含み、
各ハイブリッドセンサチャネルは、
第１センサチャネル層上に配設されたＬＩＤＡＲセンサチャネルと、
開口層であって、前記第１センサチャネル層に重なり、その中に開口を有して光が前記ＬＩＤＡＲセンサチャネルに入ることを許容している、開口層と、
前記開口の周りの前記開口層の少なくとも一部分に配設された複数の周囲光センサチャネルであって、各周囲光センサチャネルは、光センサと、特定の特性を有する光を選択的に通過させる光学フィルタと、を含み、前記周囲光センサチャネルのうちの異なるものの前記光学フィルタは、異なる特性を有する光を選択的に通過させる、複数の周囲光センサチャネルと、
を含む、請求項９０に記載のラスタースキャン撮像システム。
【請求項９６】
前記センサアレイは、センサチャネル間に固定ピッチを有し、
前記バルク光学モジュールは、Ｆｔａｎθ焦点距離歪みプロファイルを有する、請求項９０に記載のラスタースキャン撮像システム。
【請求項９７】
前記センサアレイは、センサチャネル間に固定ピッチを有し、
前記バルク光学モジュールは、Ｆθ焦点距離歪みプロファイルを有する、請求項９０に記載のラスタースキャン撮像システム。
【請求項９８】
複数のセンサ行を有するセンサアレイであって、各センサ行は、
ある範囲の波長に敏感な２つ以上の高解像度周囲光センサチャネルのグループであって、前記グループ内の各高解像度周囲光センサチャネルが、チャネル別入力開口と、光センサと、を含み、前記グループ内の異なる高解像度周囲光センサチャネルの前記チャネル別入力開口がチャネル領域の異なる部分を露出する、２つ以上の高解像度周囲光センサチャネルのグループと、
前記高解像度周囲光センサチャネルのグループ内の前記光センサからの強度データに基づいて、複数のサブピクセル光強度値を決定するための論理回路と、
前記センサアレイを、視野内の異なる領域に異なる時間に露出するスキャン操作を露出実行するスキャン動作を実行し、特定の行内の前記２つ以上の高解像度周囲光センサチャネルのグループ内の各周囲光センサチャネルが異なる時間で前記視野内の同じピクセル領域に露出される、というように構成されたコントローラと、
を含む、センサアレイ。
【請求項９９】
前記グループ内の各高解像度周囲光センサチャネルは、特定の特性を有する光を選択的に通過させる光学フィルタを更に含み、
前記特定の特性は、前記グループ内のあらゆる高解像度周囲光センサチャネルに対して同じである、請求項９８に記載のセンサアレイ。
【請求項１００】
前記グループ内の異なる高解像度周囲光センサチャネルの前記開口によって露出される前記チャネル領域の前記異なる部分は、前記チャネル領域の重ならない部分である、請求項９８に記載のセンサアレイ。
【請求項１０１】
前記高解像度周囲光センサチャネルのグループは、４つの高解像度周囲光センサチャネルを含み、
前記重ならない部分は、前記チャネル領域の異なる象限に対応する、請求項１００に記載のセンサアレイ。
【請求項１０２】
前記グループ内の異なる高解像度周囲光センサチャネルの前記開口によって露出される前記チャネル領域の前記異なる部分は、前記チャネル領域の重なる部分である、請求項９８に記載のセンサアレイ。
【請求項１０３】
前記２つ以上の高解像度周囲光センサチャネルのグループからのセンサデータに基づいて、前記チャネル領域の重ならない部分のセットの強度値をデコードするための算術論理回路を更に含む、請求項１０２に記載のセンサアレイ。
【請求項１０４】
前記２つ以上の高解像度周囲光センサチャネルのグループは、前記チャネル領域全体を露出する開口を有する第１高解像度周囲光センサチャネルを更に含む、請求項１０２に記載のセンサアレイ。
【請求項１０５】
前記２つ以上の高解像度周囲光センサチャネルのグループからのセンサデータに基づいて、前記チャネル領域の重ならない部分のセットの強度値をデコードするための算術論理回路を更に含む、請求項１０４に記載のセンサアレイ。
【請求項１０６】
各センサ行は、前記高解像度周囲光センサチャネルのグループに空間的に登録されたＬＩＤＡＲセンサチャネルを更に含む、請求項９８に記載のセンサアレイ。
【請求項１０７】
前記ＬＩＤＡＲセンサチャネルは、第１解像度を有する深度画像の深度データを提供し、
前記高解像度周囲光センサチャネルは、少なくとも一次元において、前記第１解像度よりも高い第２解像度を有する強度画像を提供する、請求項１０６に記載のセンサアレイ。
【請求項１０８】
前記第２解像度は、行単位の次元及び前記行単位の次元に直角な次元の両方において、前記第１解像度よりも高い、請求項１０７に記載のセンサアレイ。
【請求項１０９】
センサアレイであって、
ある範囲の波長に敏感な２つ以上の高解像度周囲光センサチャネルのグループであって、前記グループ内の各高解像度周囲光センサチャネルが、チャネル別入力開口と、光センサと、複数の時間ビンに細分化される時間間隔中の前記光センサからの光子カウントを累積するための複数のレジスタと、を含み、前記グループ内の異なる高解像度周囲光センサチャネルの前記チャネル別入力開口がチャネル領域の異なる部分を露出し、前記複数のレジスタの各々が前記複数の時間ビンのうちの異なるものの間の光子カウントを累積する、２つ以上の高解像度周囲光センサチャネルのグループ
を含む、センサアレイと、
前記グループ内の前記高解像度周囲光センサチャネルの全ての前記複数のレジスタに累積された前記光子カウントに基づいて、複数のサブピクセル光強度値を計算するための算術論理回路と、
前記センサアレイを、視野内の異なる領域に異なる時間に露出するスキャン操作を実行し、前記２つ以上の高解像度周囲光センサチャネルのグループ内の各周囲光センサチャネルが異なる時間に前記視野内の同じピクセル領域に露出される、というように構成されたコントローラと、
を含む、スキャン撮像システム。
【請求項１１０】
前記グループ内の各高解像度周囲光センサチャネルは、特定の特性を有する光を選択的に通過させる光学フィルタを更に含み、
前記特定の特性は、前記グループ内のあらゆる高解像度周囲光センサチャネルに対して同じである、請求項１０９に記載のスキャン撮像システム。
【請求項１１１】
前記高解像度周囲光センサチャネルのグループに空間的に登録されたＬＩＤＡＲセンサチャネル
を更に備えた、請求項１０９に記載のスキャン撮像システム。
【請求項１１２】
前記ＬＩＤＡＲセンサチャネルは、第１解像度を有する深度画像の深度データを提供し、
前記高解像度周囲光センサチャネルは、行単位の次元及び前記行単位の次元に直角な次元の両方において、前記第１解像度よりも高い第２解像度を有する強度画像を提供する、請求項１１１に記載のスキャン撮像システム。
【請求項１１３】
前記グループ内の異なる高解像度周囲光センサチャネルの前記開口によって露出される前記チャネル領域の前記異なる部分は、前記チャネル領域の重ならない部分である、請求項１０９に記載のスキャン撮像システム。
【請求項１１４】
前記グループ内の前記高解像度周囲光センサチャネルのうちの少なくとも２つの前記開口によって露出される前記チャネル領域の前記異なる部分は、前記チャネル領域の重なる部分である、請求項１０９に記載のスキャン撮像システム。
【請求項１１５】
前記２つ以上の高解像度周囲光センサチャネルのグループは、４つの周囲光センサチャネルを含み、
前記複数のレジスタは、４つのレジスタを含み、
前記算術論理回路は、１６個のサブピクセル光強度値を計算する、請求項１０９に記載のスキャン撮像システム。
【請求項１１６】
前記高解像度周囲光センサチャネルのうちの第１のものの前記チャネル別入力開口は、前記チャネル領域の４分の１を露出し、
前記高解像度周囲光センサチャネルのうちの第２、第３及び第４のもののそれぞれの前記チャネル別入力開口は、各々、前記チャネル領域の前記４分の１の異なる部分を露出する、請求項１１５に記載のスキャン撮像システム。
【請求項１１７】
複数のセンサ行を有するセンサアレイであって、
各センサ行は、
少なくとも２つの周囲光センサチャネルのセットであって、前記セット内の各周囲光センサチャネルが、
チャネル入力開口と、
光センサと、
チャネル別特性を有する光を、前記光センサに選択的に通過させるチャネル別光学フィルタと、を含み、
各センサ行内の前記少なくとも２つの周囲光センサチャネルのセットは、前記光の前記チャネル別特性が重なるそれぞれのチャネル別光学フィルタを有する少なくとも２つの重なる周囲光センサチャネルを含む、少なくとも２つの周囲光センサチャネルのセットと、
前記少なくとも２つの周囲光センサチャネルからの信号を、複数の重ならない特性を有する光のそれぞれの光強度レベルにデコードするための算術論理回路と、
を含む、センサアレイ。
【請求項１１８】
前記チャネル別特性は、光の波長を含む、請求項１１７に記載のセンサアレイ。
【請求項１１９】
前記少なくとも２つの重なる周囲光センサチャネルのセットは、
第１波長範囲を有する光を選択的に通過させる第１チャネル別光学フィルタを有する第１色チャネルと、
第２波長範囲を有する光を選択的に通過させる第２チャネル別光学フィルタを有する第２色チャネルと、
第３波長範囲を有する光を選択的に通過させる第３チャネル別光学フィルタを有する第３色チャネルと、を含み、
前記第１波長範囲及び前記第２波長範囲は、部分的に重複しており、前記第３波長範囲は、前記第１波長範囲及び前記第２波長範囲の両方を包含する、請求項１１８に記載のセンサアレイ。
【請求項１２０】
前記第３波長帯域は、可視光スペクトルに対応する、請求項１１９に記載のセンサアレイ。
【請求項１２１】
前記チャネル別特性は、光の偏光特性を含む、請求項１１７に記載のセンサアレイ。
【請求項１２２】
各センサ行は、ＬＩＤＡＲセンサチャネルを更に含む、請求項１１７に記載のセンサアレイ。
【請求項１２３】
複数のセンサ行を有するセンサアレイであって、各センサ行は、少なくとも２つの周囲光センサチャネルのセットを含み、各周囲光センサチャネルが、
チャネル入力開口と、
光センサと、
チャネル別特性を有する光を、前記光センサに選択的に通過させるチャネル別光学フィルタと、を含み、
各センサ行内の前記少なくとも２つの周囲光センサチャネルのセットは、前記光の前記チャネル別特性が重なるそれぞれのチャネル別光学フィルタを有する少なくとも２つの重なる周囲光センサチャネルを含む、センサアレイと、
前記３つ以上の周囲光センサチャネルの各々が視野の同じ部分からの光に露出されるように、前記センサアレイを動作させるためのコントローラと、
前記少なくとも２つの重なる周囲光センサチャネルからの信号を、複数の重ならない特性を有する光のそれぞれの光強度レベルにデコードするための算術論理回路と、
を含む、撮像システム。
【請求項１２４】
前記チャネル別特性は、波長範囲を含む、請求項１２３に記載の撮像システム。
【請求項１２５】
前記少なくとも２つの重なる周囲光センサチャネルは、
第１波長範囲を有する光を選択的に通過させる第１チャネル別光学フィルタを有する第１色チャネルと、
第２波長範囲を有する光を選択的に通過させる第２チャネル別光学フィルタを有する第２色チャネルと、
第３波長範囲を有する光を選択的に通過させる第３チャネル別光学フィルタを有する第３色チャネルと、
を含み、
前記第１波長範囲及び前記第２波長範囲は、部分的に重複しており、前記第３波長範囲は、前記第１波長範囲及び前記第２波長範囲の両方を包含する、請求項１２４に記載の撮像システム。
【請求項１２６】
前記第３波長範囲は、可視光スペクトルに対応する、請求項１２５に記載の撮像システム。
【請求項１２７】
前記チャネル別特性は、光の偏光特性を含む、請求項１２３に記載の撮像システム。
【請求項１２８】
各センサ行は、ＬＩＤＡＲセンサチャネルを更に含む、請求項１２３に記載の撮像システム。
【請求項１２９】
複数のマルチスペクトルセンサチャネルを含む複数のセンサチャネルであって、各マルチスペクトルセンサチャネルは、チャネル入力開口と、少なくとも３つの光センサと、少なくとも３つの異なる部分を有するパターン化された光学フィルタと、を有し、前記パターン化された光学フィルタの前記異なる部分が、異なる特性を有する光を、前記少なくとも３つの光センサの異なるサブセットに選択的に通過させ、前記パターン化された光学フィルタの前記異なる部分は、前記少なくとも３つの光センサの第１サブセットに光を通過させる第１部分と、前記少なくとも３つの光センサの第２サブセットに光を通過させる第２部分と、を少なくとも含み、前記第１部分及び前記第２部分によって通過する光のそれぞれの特性は重なる、という複数のセンサチャネルと、
前記光センサの前記第１サブセット及び前記第２サブセットからの信号を、複数の重ならない特性を有する光のそれぞれの光強度レベルにデコードするための算術論理回路と、
を含む、センサアレイ。
【請求項１３０】
前記それぞれの特性は、波長範囲を含む、請求項１２９に記載のセンサアレイ。
【請求項１３１】
前記パターン化された光学フィルタの前記異なる部分は、
第１波長範囲を有する光を、前記光センサの第１サブセットに選択的に通過させる第１部分と、
第２波長範囲を有する光を、前記光センサの第２サブセットに選択的に通過させる第２部分と、
第３波長範囲を有する光を、前記光センサの第３サブセットに選択的に通過させる第３部分と、を含み、
前記第１波長範囲及び前記第２波長範囲は、部分的に重複しており、前記第３波長範囲は、前記第１波長範囲及び前記第２波長範囲の両方を包含する、請求項１３０に記載のセンサアレイ。
【請求項１３２】
前記第３波長帯域は、前記可視光スペクトルに対応する、請求項１３１に記載のセンサアレイ。
【請求項１３３】
前記パターン化された光学フィルタの前記第１部分及び前記第２部分によって選択される前記特性は、光の偏光特性を含む、請求項１２９に記載のセンサアレイ。
【請求項１３４】
前記複数のセンサチャネルは、各ＬＩＤＡＲセンサチャネルが前記マルチスペクトルセンサチャネルのうちの異なるものとセンサ行を形成するように配設された、複数のＬＩＤＡＲセンサチャネルを更に含む、請求項１２９に記載のセンサアレイ。
【請求項１３５】
前記マルチスペクトルセンサチャネルは、ＬＩＤＡＲ光センサを含み、
前記パターン化された光学フィルタは、ＬＩＤＡＲエミッタに対応する波長を有する光を、前記ＬＩＤＡＲ光センサに選択的に通過させる第４部分を含む、請求項１２９に記載のセンサアレイ。
【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、以下の４つの仮出願、２０１８年８月９日に出願された米国特許出願第６２／７１６，９００号、  ２０１８年９月４日に出願された米国特許出願第６２／７２６，８１０号、２０１８年１０月１１日に出願された米国特許出願第６２／７４４，５４０号、及び２０１９年７月２３日に出願された米国特許出願第６２／８７７，７７８号の利益を主張する。これら４つの仮出願すべての開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
本開示は、全般的に、光学撮像システム、特に、異なる光特徴または光特性に調節され、測距のために使用可能なセンサチャネルを含む複数のセンサチャネルを備えるセンサシステムに関する。
【０００３】
光撮像、検出及び測距（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、とりわけ、考古学、地理学、地質学、林学、地図作製、建設、医療用画像処理、及び軍事用途を含む３Ｄ深度画像が役立つ様々な用途に使用され得る。自律車両は、障害物の検出と回避、及び車両のナビゲーションにもＬＩＤＡＲを使用することができる。
【０００４】
車両ナビゲーションなどの用途では、深度情報（例えば、環境内の物体までの距離）は、非常に有用であるが、危険を回避して安全にナビゲートするには十分ではない。また、特定の物体、例えば、交通信号、車線区分線、車両の走行経路と交差する可能性のある移動物体などを特定する必要もある。したがって、自律型車両などのシステムは、ＬＩＤＡＲシステム、ならびに環境内の物体からの反射光及び環境内に存在し得る任意の光源からの直接光を含む周囲光を撮像することができる可視光カメラなどの別の撮像システムの両方を含み得る。各撮像システム（ＬＩＤＡＲ及び可視光）は、深度データまたはスペクトルデータのいずれかを含む画像を独立して提供する。幾つかの用途では、例えば、画像登録を実行して、異なる画像内の同じ物体の位置を特定することにより、異なる画像を互いに位置整合することが有益である。画像登録は、複雑かつ計算量の多いタスクであり得る。例えば、異なる撮像システムは、異なる解像度及び／またはフレーム境界を有し得、独立して構築された及び／または独立して制御された撮像システム間の位置整合は、不正確であり得る。
【発明の概要】
【０００５】
本明細書に記載の本発明の特定の実施形態は、同じセンサアレイ（例えば、モノリシックＡＳＩＣセンサアレイであり得る）内の、深度チャネル（例えば、ＬＩＤＡＲセンサチャネル）及び１または複数の異なる周囲光センサチャネルを含む、複数のセンサチャネルタイプを組み込むマルチスペクトルセンサアレイに関する。異なるタイプのチャネルは、同じセンサアレイ内にあるため、チャネルは、互いに高精度に本質的に位置整合され得る。特定の波長範囲（必要に応じて広帯域または狭帯域であり得る）、特定の偏光特性（例えば、特定の方向に直線偏光した、円偏光したなど）などの特定の特性を有する光に敏感になるように、（例えば、光学フィルタを使用して）異なるチャネルを調節することができる。センサアレイを撮像光学素子と組み合わせて使用して、各チャネルタイプに対応するピクセルデータを含む画像を生成することができる。同じセンサアレイ内の異なるセンサタイプから生成された画像は、センサアレイ内のチャネル位置整合により、互いに「本質的に」登録される。つまり、異なるタイプのピクセル（またはチャネル）間の空間的関係は、センサアレイの設計で確立され、異なるセンサタイプからのピクセルデータを視野内の同じピクセル場所にマッピングするために使用することができる。
【０００６】
幾つかの実施形態では、チャネルの一部またはすべては、アレイ内のチャネルの場所及び／またはチャネルが調節される特定の波長範囲に依存するチャネル別（またはチャネルタイプ別）の補償マイクロ光学素子を有することができる。このようなマイクロ光学素子は、例えば、バルク撮像光学素子の色収差、焦点面曲率、または他の光学特性を補償するために使用することができる。
【０００７】
幾つかの実施形態では、異なる周囲光センサチャネルを、異なる重なる波長帯域に調節することができ（例えば、重なる通過帯域を備える光学フィルタを使用して）、算術論理回路を使用して、重なる波長帯域内の測定値に基づいて、様々な波長帯域内の光強度を決定することができる。
【０００８】
幾つかの実施形態では、測距／撮像システムは、例えば、列に直角な軸の周りにセンサアレイを回転させることによって、マルチスペクトルセンサアレイを使用して視野をスキャンすることができる。この動作の間、空間内の所与の場所は、チャネルタイプの各々によって連続的に撮像され得、それにより、撮像モダリティ（またはチャネル）間の固有の登録を備えるマルチスペクトル画像セットを提供する。アレイ内のチャネルの空間的関係、撮像光学素子の光学特性（例えば、バルク撮像光学素子の焦点距離歪みプロファイル）、及びセンサアレイの動作（例えば、回転）に対する撮像速度は、異なるチャネルからのデータが、視野を表すピクセルの均一なグリッドに簡単にマッピングされるように、選択することができる。
【０００９】
マルチスペクトルセンサアレイがスキャンされる幾つかの実施形態では、ある行内の２つ以上の周囲光センサチャネルのグループは、グループ内の異なる周囲光センサチャネルに対して異って位置付けられる同じタイプの光学フィルタ及びサブピクセルサイズの開口を有することができる。グループ内の周囲光センサチャネルからの光強度測定値（例えば、光子カウント）に基づいて、スキャン方向及び／または非スキャン方向の解像度が増加した周囲光画像を取得することができる。
【００１０】
幾つかの実施形態では、「２Ｄ」（二次元）マルチスペクトルセンサアレイを提供することができ、アレイは、マルチスペクトルピクセルの二次元配置を含む。各マルチスペクトルピクセルは、１または複数の周囲光センサチャネルと共に深度チャネルを含むことができる。このようなアレイは、移動する（例えば、回転する）測距／撮像システム、ならびにセンサアレイを移動せずに視野の撮像が達成される「静的」システムで使用することができる。
【００１１】
幾つかの実施形態は、幾つかのセンサ行に配置されたセンサチャネルを備えるセンサアレイに関する。各センサ行は、測距センサチャネル（例えば、ＬＩＤＡＲセンサチャネル）及び１または複数の周囲光センサチャネルのセットを含むことができる。各周囲光センサチャネルは、開口（例えば、チャネルの視野を確定するための）、光センサ（例えば、１または複数のシングルフォトンアバランシェダイオード）、チャネル別特性（例えば、望ましい色、偏光状態など）を有する光を選択的に通過させるチャネル別光学フィルタを含むことができる。幾つかの実施形態では、センサチャネルの一部またはすべては、チャネル別特性を有する光を開口を通して光センサに向けるための、例えば、アレイの前に配置することができるバルク撮像光学素子における色収差を補償するチャネル別マイクロ光学素子を含むことができる。幾つかの実施形態では、周囲光センサチャネルは、異なる特性を有する光を検出するように調節された（例えば、パターン化された光学フィルタを使用して）複数の光センサを含むマルチスペクトルチャネルである。幾つかの実施形態では、センサアレイは、深度動作（例えば、ＬＩＤＡＲ感知）のために構成された光センサの１つのグループ、及び様々な特徴を有する周囲光の感知のために構成された光センサの１または複数の他のグループを含む「ハイブリッド」センサチャネルの２Ｄアレイを含むことができる。本明細書に記載の種類のセンサアレイは、光測距／撮像システム及び／または他の光学系に組み込むことができる。
【００１２】
幾つかの実施形態は、センサチャネルの配置及び開口面内の開口の対応する配置を有する光センサアレイに関する。バルク光学モジュールを使用して、撮像されている領域からの光をセンサアレイ上に向けて、集束させることができる。バルク光学モジュールが、湾曲した焦点面を有する場合、様々な処方及び／または開口面からの様々なオフセット距離のチャネル別マイクロ光学素子を、開口の前に配置して、開口の場所と湾曲した焦点面上の対応する場所との間のオフセットを補正することができる。同様に、光エミッタアレイは、エミッタチャネル（例えば、ＬＩＤＡＲ用途に使用可能な波長で光を生成する狭帯域エミッタ）の配置及び開口面内の対応する開口の配置を有することができる。バルク光学モジュールを使用して、開口部を通過する放出光を、撮像される領域に向けることができる。バルク光学モジュールが、湾曲した焦点面を有する場合、様々な処方及び／または開口面からの様々なオフセット距離のチャネル別マイクロ光学素子を、開口の前に配置して、開口の場所と湾曲した焦点面上の対応する場所との間のオフセットを補正することができる。そのような実施形態では、処方（例えば、集束力）、及び／または開口面からのチャネル別マイクロ光学素子のスタンドオフ距離は、例えば、開口面内の光軸からの半径方向距離の関数として変化させることができる。これにより、光放出及び／または光収集の効率を向上させることができる。バルク光学モジュールの焦点面曲率を補正するためのチャネル別マイクロ光学は、光エミッタまたは光センサの特定の特徴に関係なく、光受信モジュール及び／または光送信モジュールで使用することができる。異なるチャネルが、異なる波長の光を放出または受信するように調節される幾つかの実施形態では、チャネル別マイクロ光学素子は、バルク光学モジュールに存在し得る焦点面曲率及び色収差の両方を補正することができる。
【００１３】
幾つかの実施形態は、センサ行を有するセンサアレイに関する。各センサ行には、ＬＩＤＡＲセンサチャネル、及び１または複数の周囲光センサチャネルのセット（例えば、１つ、３つ、５つ、６つ以上）が含まれる。各周囲光センサチャネルは、チャネル入力開口、光センサ、及びチャネル別特性を有する光を光センサに選択的に通過させるチャネル別光学フィルタを含む。各周囲光センサチャネルの光センサは、例えば、フォトンカウンティングモードで動作する１または複数のシングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）などの１または複数のフォトダイオードであり得る。幾つかの実施形態では、各ＬＩＤＡＲセンサチャネルはまた、フォトンカウンティングモードで動作する１または複数のＳＰＡＤを含むことができ、同じタイプの光センサを、ＬＩＤＡＲセンサチャネル及び周囲光センサチャネルの両方に使用することができる。
【００１４】
幾つかの実施形態では、周囲光センサチャネルのセットは、各々が異なるチャネル別光学フィルタを有する少なくとも２つの周囲光センサチャネルを含むことができる。例えば、周囲光センサチャネルのセットは、チャネル別光学フィルタが、赤色光を選択的に通過させる赤色チャネル、チャネル別光学フィルタが、緑色光を選択的に通過させる緑色チャネル、及びチャネル別光学フィルタが、青色光を選択的に通過させる青色チャネルを含むことができる。別の例として、周囲光センサチャネルのセットは、少なくとも５つの異なる色チャネルを含み、少なくとも５つの異なる色チャネルの各々のチャネル別光学フィルタは、異なる波長範囲を有する光を選択的に通過させる。異なるチャネル別光学フィルタは、必要に応じて、重なる通過帯域または重ならない通過帯域を有することができ、特定の光学フィルタは、広い通過帯域（例えば、可視光スペクトル全体）または狭い通過帯域（例えば、典型的な発光ダイオード（ＬＥＤ）の放出スペクトルに対応する通過帯域など２５ｎｍ以下）を有することができる。例えば、第１色チャネルは、第１波長範囲を有する光を選択的に通過させる光学第１チャネル別光学フィルタを有し得、第２色チャネルは、第２波長範囲を有する光を選択的に通過させる第２チャネル別光学フィルタを有する。第２範囲は、特定の物質の吸収帯に対応することができ、２つの色チャネルからのデータを、物質を特定することに使用することができる。
【００１５】
幾つかの実施形態では、周囲光センサチャネルはまた、波長以外の光の特性に選択的に敏感であり得る。例えば、周囲光センサチャネルのセットは、チャネル別光学フィルタが、特定の偏光特性を有する光を選択的に通過させる１または複数の偏光チャネルを含むことができる。色チャネル及び偏光チャネルを組み合わせて提供して、周囲光のスペクトル特性及び偏光特性の両方に関する情報を提供することができる。
【００１６】
幾つかの実施形態では、ある列の周囲光センサチャネルは、複数の光センサ及びパターン化された光学フィルタを含み得る、「マルチスペクトル」センサチャネルを含み得、パターン化された光学フィルタの異なる部分が、異なる特性を有する光を、マルチスペクトルセンサチャネル内の光センサの異なるサブセットに選択的に通過させる。パターン化された光学フィルタの異なる部分は、例えば、第１波長帯域内の光を通過させる第１部分、第２波長帯域（部分的に重なる波長帯域であり得る）内の光を通過させる第２部分、特定の偏光特性を有する光を通過させる部分などを含み得る。
【００１７】
アレイ内のセンサチャネルは、必要に応じて配置することができる。例えば、１または複数の周囲光センサチャネルのセットは、各々が異なるチャネル別光学フィルタを有する少なくとも２つの周囲光センサチャネルを含む実施形態では、所与のセンサ行内の周囲光センサチャネルは、均一なピッチだけ互いに離間することができる。所与のセンサ行内のＬＩＤＡＲセンサチャネルは、均一なピッチだけ、または均一なピッチの整数倍数である距離だけ、所与のセンサ行内の周囲光センサチャネルのうちの最も近いものから離間することができる。隣接するセンサ行は、均一なピッチだけ互いに離間することもできる。これにより、センサアレイをスキャン動作で使用するときに、物体空間の均一なサンプリングが可能になる。
【００１８】
幾つかの実施形態では、センサアレイは、単一のＡＳＩＣとして製造される。ＡＳＩＣはまた、ＡＳＩＣ内に配設され、ＬＩＤＡＲセンサチャネルのうちの２つ以上及び周囲光センサチャネルのうちの２つ以上からデータを格納するように構成されたデータバッファ、ならびに／またはＡＳＩＣ内に配設され、データバッファに格納されるデータに対して、画像処理操作を実行するように構成された処理回路などの他のコンポーネントを含み得る。
【００１９】
幾つかの実施形態は、固定ベース、固定ベースに回転結合されたセンサアレイ、バルク光学モジュール、及びコントローラを有する測距／撮像システムに関する。センサアレイは、センサ行を含むセンサアレイであり得、各センサ行は、ＬＩＤＡＲセンサチャネル、及びチャネル別光学フィルタリングを備える１または複数の周囲光センサチャネルのセットを有する。バルク光学モジュールは、センサアレイの前に配設され、入射光を、ＬＩＤＡＲセンサチャネル及び周囲光センサチャネルに共通の開口面に集束するように構成され得る。コントローラは、センサアレイの回転と光センサの動作を同期させて、固定ベースに対する空間内の所与の場所が、センサ行のうちの１つ内のＬＩＤＡＲセンサチャネル及び周囲光センサチャネルの各々によって、連続的に撮像されるようにし得る。コントローラはまた、センサアレイの周囲光センサチャネルを使用して決定されたピクセルごとの光強度データ、及びセンサアレイのＬＩＤＡＲセンサチャネルを使用して決定されたピクセルごとの深度データを含むマルチスペクトル画像ピクセルデータを生成するように構成され得る。幾つかの実施形態では、所与のセンサ行内の周囲光センサチャネルは、均一なピッチだけ互いに離間し、コントローラは、連続する撮像動作が、均一なピッチに対応するピッチ角だけ離された角度位置で発生するように、測距／撮像システムを回転させるように更に構成される。所与のセンサ行内のＬＩＤＡＲセンサチャネルは、均一なピッチだけ、または均一なピッチの整数倍数である距離だけ、所与のセンサ行内の周囲光センサチャネルのうちの最も近いものから離間することができる。幾つかの実施形態では、隣接するセンサ行もまた、均一なピッチだけ互いに離間する。
【００２０】
幾つかの実施形態は、ハイブリッドセンサピクセルの二次元アレイを有するセンサアレイに関する。各ハイブリッドセンサピクセルは、ＬＩＤＡＲセンサチャネル及び１または複数の周囲光センサチャネルのセットを含むことができ、各周囲光センサチャネルは、センサ別特性を有する光の強度を選択的に測定するように調節される。センサアレイはまた、二次元アレイ内の各ハイブリッドセンサピクセルに結合された読み出し電子機器を含むことができ、各ハイブリッドセンサピクセルの読み出し電子機器は、ＬＩＤＡＲセンサチャネルに結合され、ＬＩＤＡＲセンサチャネルにおける光子の到着の時間を計るように、かつ光子到着時間を表すデータをメモリに格納するように構成されたタイミング回路と、周囲光センサチャネルに結合され、周囲光センサチャネルで検出された光子の数をカウントするように、かつ光子カウントをメモリに格納するように構成されたカウンタ回路と、を含む。
【００２１】
幾つかの実施形態では、ハイブリッドセンサピクセルの二次元アレイは、単一のＡＳＩＣとして形成される。各ハイブリッドセンサピクセルは、光センサの平面アレイ及びパターン化された光学フィルタを含み得、パターン化された光学フィルタの異なる部分は、異なる特性を有する光を、平面アレイ内の光センサの異なるサブセットに選択的に通過させる。パターン化された光学フィルタは、光センサの第１サブセットが、ＬＩＤＡＲエミッタの波長に一致する狭い通過帯域内で赤外光を受信し、それによって、ＬＩＤＡＲセンサチャネルを提供し、光センサの第２サブセットが、可視光スペクトルの少なくとも一部分から可視光を受信し、それによって、周囲光センサチャネルのうちの１つを提供するように配置することができる。幾つかの実施形態では、光センサの第１サブセットは、ハイブリッドセンサピクセルのピクセル領域内の中央領域に位置しており、光センサの第２サブセットは、ピクセル領域内の中央領域の周りの周辺領域に位置する。幾つかの実施形態では、光センサの第２サブセットは、２つ以上の光センサを含み、パターン化された光学フィルタは、第２サブセット内の２つ以上の光センサの各々が、異なる波長範囲または異なる分極特性などの異なる特性を有する光を受信するように更に配置される。
【００２２】
幾つかの実施形態では、ハイブリッドセンサチャネルの二次元アレイのＬＩＤＡＲセンサチャネルは、第１ＡＳＩＣとして形成され、周囲光センサチャネルは、第１ＡＳＩＣ上に重ねられ、第１ＡＳＩＣと位置整合されている第２ＡＳＩＣとして形成される。第２ＡＳＩＣは、その中に形成された複数の開口を有し、光がＬＩＤＡＲセンサチャネルに通過することを可能にする。
【００２３】
幾つかの実施形態は、ハイブリッドセンサピクセルの二次元アレイを有するセンサアレイ及びコントローラを含む測距／撮像システムに関する。各ハイブリッドセンサピクセルは、光センサの平面アレイ及びパターン化された光学フィルタを含み得、パターン化された光学フィルタの異なる部分は、異なる特性を有する光を、平面アレイ内の光センサの異なるサブセットに選択的に通過させる。パターン化された光学フィルタは、光センサの第１サブセットが、ＬＩＤＡＲエミッタの波長に一致する狭い通過帯域内で赤外光を受信し、それによって、ＬＩＤＡＲセンサチャネルを提供し、光センサの第２サブセットが、可視光スペクトルの少なくとも一部分から可視光を受信し、それによって、周囲光センサチャネルのうちの１つを提供するように配置することができる。コントローラは、視野内の所与の場所が、ハイブリッドセンサピクセルのうちの１つのＬＩＤＡＲセンサチャネル及び周囲光センサチャネルによって撮像されるように、ＬＩＤＡＲセンサチャネル及び周囲光センサチャネルを動作させるように構成することができる。幾つかの実施形態では、測距／撮像システムはまた、ＬＩＤＡＲセンサチャネルによって検出可能な光を放出するためのエミッタを含み、コントローラは、エミッタの動作を、ＬＩＤＡＲセンサチャネルの動作と調整して、各ハイブリッドセンサピクセルの深度測定値を決定するように更に構成することができる。コントローラはまた、エミッタ及びＬＩＤＡＲセンサチャネルを動作させて、視野の電子スキャンを実行し、視野の異なる部分が、ＬＩＤＡＲセンサチャネルのうちの異なるものによって、異なる時間に撮像されるように更に構成することができる。
【００２４】
幾つかの実施形態は、固定ベース、固定ベースに回転結合されたセンサアレイ、バルク光学モジュール、及びコントローラを有する撮像システムに関する。センサアレイは、複数のセンサ行を有することができ、各センサ行は、１または複数の周囲光センサチャネルのセットを含み、その各々は、チャネル入力開口、光センサ、及びチャネル別特性を有する光を、光センサに選択的に通過させるチャネル別光学フィルタ、を含むことができる。バルク光学モジュールは、センサアレイの前に配設し、入射光を、周囲光センサチャネルに共通の開口面に集束させるように構成することができる。コントローラは、センサアレイの回転と光センサの動作を同期させて、周囲光センサチャネルを使用して決定された光強度データを含む画像ピクセルデータを生成するように構成することができる。幾つかの実施形態では、１または複数の周囲光センサチャネルのセットは、少なくとも２つの周囲光センサチャネルを含み、異なる周囲光センサチャネルは、異なるチャネル別光学フィルタを有する。所与のセンサ行内の周囲光センサチャネルは、均一なピッチだけ互いに離間する。幾つかの実施形態では、隣接するセンサ行もまた、同じ均一なピッチだけ互いに離間する。これにより、視野の均一なサンプリングが容易になり得る。幾つかの実施形態では、撮像システムはまた、ＡＳＩＣ内に配設され、２つ以上の周囲光センサチャネルからのデータを格納するように構成されたデータバッファと、ＡＳＩＣ内に配設され、データバッファに格納されたデータに対して、画像処理動作を実行するように構成された処理回路と、を含むことができる。
【００２５】
幾つかの実施形態は、センサアレイ、バルク光学モジュール、コントローラ、及び複数のチャネル別マイクロ光学素子を含む撮像システムに関する。センサアレイは、開口面内の対応する開口を通して光を受信するように配置されたセンサチャネルを有することができる。バルク光学モジュールは、センサアレイの前に配設し、入射光を、開口面に集束させて、視野の画像を形成するように構成することができる。コントローラは、センサアレイを動作させて、視野の画像データを生成することができる。チャネル別マイクロ光学素子の各々は、開口のうちの異なるものの前に配設することができ、異なるセンサチャネルに対して異なる光学処方を有することができる。チャネル別マイクロ光学素子のうちの特定のものの光学処方は、色収差（色選択性であるセンサチャネルの場合）及び／または焦点面曲率（光学処方が、バルク光学モジュールの光軸からの半径方向の距離の関数であり得る場合）など、バルク光学モジュールの光学特性に少なくとも部分的に基づくことができる。光学処方には、焦点距離（または集束力）及び／またはスタンドオフ距離を含めることができる。
【００２６】
幾つかの実施形態では、センサチャネルは、センサ行に配置され、各センサ行は、ＬＩＤＡＲセンサチャネル、及び１または複数の周囲光センサチャネルのセットを含み、各周囲光センサチャネルは、チャネル入力開口、光センサ、及びチャネル別特性を有する光を、光センサに選択的に通過させるチャネル別光学フィルタを含む。チャネル別マイクロ光学素子は、周囲光センサチャネルの少なくとも幾つかに対して提供することができる。例えば、各周囲光センサチャネルのチャネル別マイクロ光学素子は、例えば、バルク光学モジュールの色収差を補償するための、チャネル別光学フィルタに少なくとも部分的に基づく処方を有することができる。
【００２７】
幾つかの実施形態では、センサチャネルは、ＬＩＤＡＲセンサチャネルを含み、ＬＩＤＡＲセンサチャネルの少なくとも幾つかは、部分的にＬＩＤＡＲ動作波長、及び部分的にバルク光学モジュールの光学特性に基づくそれぞれの光学処方を備える対応するチャネル別光学素子を有することができる。
【００２８】
幾つかの実施形態は、エミッタアレイ、バルク光学モジュール、及びチャネル別マイクロ光学素子を含むＬＩＤＡＲトランスミッタデバイスに関する。エミッタアレイは、開口面内の対応する複数の開口を通して光を放出するように配置された複数のエミッタチャネルを有することができる。バルク光学モジュールは、エミッタアレイの前に配設し、開口面からの光を視野に向けるように構成され得る。チャネル別マイクロ光学素子は、各々、開口のうちの異なるものの前に配設され得、各々、異なるセンサチャネルに対して異なる光学処方を有することができる。チャネル別マイクロ光学素子の光学処方は、バルク光学モジュールの光学的特性に少なくとも部分的に基づくことができる。例えば、バルク光学モジュールが湾曲した焦点面を有する場合、チャネル別マイクロ光学素子の各々の光学処方は、バルク光学モジュールの光軸から対応する開口までの開口面内の半径方向距離の関数である、各チャネル別マイクロ光学素子の光学処方を使用することによって、開口の場所と湾曲した焦点面上の対応する場所との間のオフセットを補償することができる。光学処方には、焦点距離（または集束力）及び／またはスタンドオフ距離を含めることができ、したがって、異なる開口の前に配設されたチャネル別マイクロ光学素子は、異なる集束力及び／または開口面からの異なるスタンドオフ距離を備える光学処方を有することができる。
【００２９】
幾つかの実施形態は、スキャン方向に固定解像度を有する画像を提供するためのスキャン撮像システムに関する。スキャン撮像システムは、センサアレイ、回転制御システム、及びバルク光学モジュールを含むことができる。センサアレイは、二次元に配置されたセンサチャネルのセットを含むことができ、各センサチャネルは、（同じ特徴または異なる特性を備える）光を検出するように構成される。回転制御システムは、角度測定位置のシーケンスを通じて、センサアレイをスキャン方向に回転させて、均一な角度ピッチに従ってスキャン方向に離間する画像ピクセルのグリッドなどの、視野の画像を表すデータのフレームを取得するように構成することができる。バルク光学モジュールは、光をセンサアレイに向けて集束するように構成され得、焦点距離及び焦点距離歪みプロファイルを有することができ、両方とも、センサチャネルのセットの配置に調節されており、センサアレイを、均一な角度ピッチを通じて、スキャン方向に沿って回転させることにより、光線がセンサアレイに入射する場所が、１つのセンサチャネルから隣接するセンサチャネルにシフトする。
【００３０】
センサチャネルのセットには、チャネルタイプの様々な組み合わせを含めることができる。例えば、センサチャネルのセットには、スキャン方向を横切る方向に延びる列を画定するＬＩＤＡＲセンサチャネルの千鳥グリッドを含めることができる。加えて（または代わりに）、センサチャネルのセットは、ＬＩＤＡＲセンサチャネルの各々に対してスキャン方向に沿って配設された１または複数の周囲光センサチャネルを含むことができる。
【００３１】
幾つかの実施形態では、センサアレイは、スキャン方向に沿って隣接するセンサチャネル間に固定ピッチを有し、バルク光学モジュールは、Ｆθ焦点距離歪みプロファイルまたはＦｔａｎθ焦点距離歪みプロファイルのいずれかを有する。
【００３２】
他の実施形態では、センサアレイは、隣接するセンサチャネル間の可変距離を有し得る。例えば、バルク光学モジュールの焦点距離歪みプロファイルがバレル歪みを示す場合、センサアレイ内の隣接するセンサチャネル間の距離は、センサアレイの端から中心に向かって増加する可能性がある。同様に、バルク光学モジュールの焦点距離歪みプロファイルがピンクッション歪みを示す場合、センサアレイ内の隣接するセンサチャネル間の距離は、センサアレイの端から中心に向かって減少する可能性がある。そのような配置は、物体空間の均一なサンプリングを提供することができる。
【００３３】
幾つかの実施形態は、スキャン方向に固定解像度を有する画像を提供するためのスキャン撮像システムに関する。スキャン撮像システムは、センサアレイ、ミラーサブシステム、及びバルク光学モジュールを含むことができる。センサアレイは、一次元または二次元に配置されたセンサチャネルのセットを含むことができ、各センサチャネルは、（同じ特徴または異なる特性を備える）光を検出するように構成される。ミラーサブシステムは、視野の異なる部分からの光を、異なる時間にセンサアレイ上に向け、センサアレイが、視野の画像を表すデータのフレームを取得するように構成され得、例えば、データのフレームは、均一な角度ピッチに従ってスキャン方向に離間された画像ピクセルのグリッドであり得る。バルク光学モジュールは、光をセンサアレイに向けて集束するように構成することができ、焦点距離及び焦点距離歪みプロファイルを有することができ、両方とも、センサチャネルのセットの配置に調節されており、センサアレイを、均一な角度ピッチを通じて、スキャン方向に沿って回転させることにより、光線がセンサアレイに入射する場所が、１つのセンサチャネルから隣接するセンサチャネルにシフトする。
【００３４】
センサチャネルのセットには、チャネルタイプの様々な組み合わせを含めることができる。例えば、センサチャネルのセットには、スキャン方向を横切る方向に延びる列を画定するＬＩＤＡＲセンサチャネルの千鳥グリッドを含めることができる。加えて（または代わりに）、センサチャネルのセットは、ＬＩＤＡＲセンサチャネルの各々に対してスキャン方向に沿って配設された１または複数の周囲光センサチャネルを含むことができる。
【００３５】
幾つかの実施形態では、センサアレイは、スキャン方向に沿って隣接するセンサチャネル間に固定ピッチを有し、バルク光学モジュールは、Ｆθ焦点距離歪みプロファイルまたはＦｔａｎθ焦点距離歪みプロファイルのいずれかを有する。
【００３６】
他の実施形態では、センサアレイは、隣接するセンサチャネル間の可変距離を有し得る。例えば、バルク光学モジュールの焦点距離歪みプロファイルが、バレル歪みを示す場合、センサアレイ内の隣接するセンサチャネル間の距離は、センサアレイの端から中心に向かって増加し得る。同様に、バルク光学モジュールの焦点距離歪みプロファイルが、ピンクッション歪みを示す場合、センサアレイ内の隣接するセンサチャネル間の距離は、センサアレイの端から中心に向かって減少し得る。そのような配置は、物体空間の均一なサンプリングを提供することができる。
【００３７】
幾つかの実施形態は、二次元でスキャンすることによって、固定解像度を有する画像を提供するためのラスタースキャン撮像システムに関する。ラスタースキャン撮像システムは、センサアレイ、ラスタースキャン機構、及びバルク光学モジュールを含むことができる。センサアレイは、一次元または二次元に配置されたセンサチャネルのセットを含むことができ、センサチャネルの各々は、光を検出するように構成される。ラスタースキャン機構は、視野の異なる部分からの光を、異なる時間にセンサアレイ上に向けて、センサアレイが、視野の画像を表すデータのフレームを取得する、一次元または二次元でラスタースキャンを実行するように構成することができ、データのフレームは、例えば、均一なピッチに従って二次元の各々に離間された画像ピクセルの二次元グリッドであり得、画像ピクセルのグリッドの両方の次元は、センサアレイの次元よりも大きい。バルク光学モジュールは、光をセンサアレイに向けて集束するように構成することができ、焦点距離及び焦点距離歪みプロファイルを有することができ、両方とも、センサアレイが視野を均一にサンプリングするように、センサチャネルのセットの配置に調節される。
【００３８】
幾つかの実施形態では、ラスタースキャンは、センサアレイを二次元で移動させて、センサチャネルを視野の異なる部分に向けることによって動作することができる。他の実施形態では、ラスタースキャン機構は、視野の異なる部分からの光を、異なる時間にセンサアレイ上に向けるための、二次元で移動可能なチップチルトミラーを含むことができる。
【００３９】
センサチャネルのセットには、チャネルタイプの様々な組み合わせを含めることができる。幾つかの実施形態では、センサチャネルは、ＬＩＤＡＲセンサチャネルを含み、また、様々なタイプの周囲光センサチャネルを含むことができる。他の実施形態では、センサチャネルは、１または複数の「ハイブリッド」センサチャネルを含むことができ、各ハイブリッドセンサチャネルは、複数の光センサ、及びパターン化された光学フィルタ有し、パターン化された光学フィルタの異なる部分は、異なる特性を有する光を選択的に通過させ、パターン化された光学フィルタは、異なる光センサが異なる特性を有する光を受信するように配置される。パターン化された光学フィルタは、複数の光センサの第１サブセットが、ＬＩＤＡＲエミッタの波長に一致する狭い通過帯域内で赤外光を受信し、複数の光センサの第２サブセットが、可視光スペクトルの少なくとも一部分からの可視光を受信するように更に配置することができる。別の例として、ハイブリッドセンサチャネルは、第１センサチャネル層上に配設されたＬＩＤＡＲセンサチャネルと、開口層であって、第１センサチャネル層に重なり、その中に、光がＬＩＤＡＲセンサチャネルに入ることを可能にするための開口を有する開口層と、開口の周りの開口層の少なくとも一部分に配設された周囲光センサチャネルであって、各周囲光センサチャネルは、光センサ、及び特定の特性を有する光を選択的に通過させる光学フィルタを含み、周囲光センサチャネルの異なるものの光学フィルタは、異なる特性を有する光を選択的に通過させる、周囲光センサチャネルと、を含むことができる。
【００４０】
幾つかの実施形態では、ラスタースキャン撮像システムのセンサアレイは、センサチャネル間に固定ピッチを有し、バルク光学モジュールは、Ｆｔａｎθ焦点距離歪みプロファイルまたはＦθ焦点距離歪みプロファイルのいずれかを有する。
【００４１】
幾つかの実施形態は、複数のセンサ行、論理回路、及びコントローラを有するセンサアレイに関する。各センサ行は、ある範囲の波長に敏感な２つ以上の高解像度周囲光センサチャネルのグループを含むことができ、グループ内の各高解像度周囲光センサチャネルは、チャネル別入力開口であって、グループ内の異なる高解像度周囲光センサチャネルのチャネル別入力開口は、チャネル領域の異なる部分を露出する、チャネル別入力開口と、光センサと、を含むことができる。論理回路は、高解像度周囲光センサチャネルのグループ内の光センサからの強度データに基づいて、複数のサブピクセル光強度値を決定することができる。コントローラは、センサアレイを、視野内の異なる領域に異なる時間に露出するスキャン操作を実行して、２つ以上の高解像度周囲光センサチャネルのグループ内の各周囲光センサチャネルが、異なる時間に視野内の同じピクセル領域に露出されるように構成することができる。
【００４２】
幾つかの実施形態では、グループ内の各高解像度周囲光センサチャネルは、特定の特性を有する光を選択的に通過させる光学フィルタを含むことができ、特定の特性は、グループ内のあらゆる高解像度周囲光センサチャネルに対して同じである。
【００４３】
幾つかの実施形態では、グループ内の異なる高解像度周囲光センサチャネルの開口によって露出されたチャネル領域の異なる部分は、チャネル領域の重ならない部分である。例えば、高解像度周囲光センサチャネルのグループは、４つの高解像度周囲光センサチャネルを含むことができ、重ならない部分は、チャネル領域の異なる象限に対応することができる。
【００４４】
他の実施形態では、グループ内の異なる高解像度周囲光センサチャネルの開口によって露出されたチャネル領域の異なる部分は、チャネル領域の重なる部分を含むことができる。算術論理回路を提供して、２つ以上の高解像度周囲光センサチャネルのグループからのセンサデータに基づいて、チャネル領域の重ならない部分のセットの強度値をデコードすることができる。デコーディングを容易にするために、グループ内の高解像度周囲光センサチャネルのうちの１つ（または複数）は、チャネル領域全体を露出する開口を有することができる。
【００４５】
幾つかの実施形態では、各センサ行は、高解像度周囲光センサチャネルのグループに空間的に登録されたＬＩＤＡＲセンサチャネルを更に含む。ＬＩＤＡＲセンサチャネルは、第１解像度を有する深度画像を提供することができ、一方、高解像度周囲光センサチャネルは、行単位の方向及び／またはセンサ行に直角な方向において、第１解像度よりも高い第２解像度を有する強度画像を提供する。
【００４６】
幾つかの実施形態は、センサアレイ、算術論理回路、及びコントローラを含むスキャン撮像システムに関する。センサアレイは、ある範囲の波長に敏感な２つ以上の高解像度周囲光センサチャネルのグループを含むことができ、その各々は、チャネル別入力開口であって、グループ内の異なる高解像度周囲光センサチャネルのチャネル別入力開口は、チャネル領域の異なる部分を露出する、チャネル別入力開口と、光センサと、２つ以上の時間ビンに細分化された時間間隔中に光センサからの光子カウントを累積するための２つ以上のレジスタであって、レジスタの各々は、時間ビンのうちの異なる１つの間に光子カウントを累積する、２つ以上のレジスタと、を含むことができる。算術論理回路は、グループ内の高解像度周囲光センサチャネルのすべての複数のレジスタに累積された光子カウントに基づいて、複数のサブピクセル光強度値を計算することができる。コントローラは、センサアレイを、視野内の異なる領域に異なる時間に露出するスキャン操作を実行して、２つ以上の高解像度周囲光センサチャネルのグループ内の各周囲光センサチャネルが、異なる時間に視野内の同じピクセル領域に露出されるように構成することができる。
【００４７】
幾つかの実施形態では、グループ内の各高解像度周囲光センサチャネルは、特定の特性を有する光を選択的に通過させる光学フィルタを含むことができ、特定の特性は、グループ内のあらゆる高解像度周囲光センサチャネルに対して同じである。
【００４８】
幾つかの実施形態では、スキャン撮像システムはまた、高解像度周囲光センサチャネルのグループに空間的に登録されたＬＩＤＡＲセンサチャネルを含むことができる。ＬＩＤＡＲセンサチャネルは、第１解像度を有する深度画像を提供することができ、一方、高解像度周囲光センサチャネルは、一次元または二次元において、第１解像度よりも高い第２解像度を有する強度画像を提供する。
【００４９】
グループ内の異なる高解像度周囲光センサチャネルの開口によって露出されたチャネル領域の異なる部分は、チャネル領域の重なる部分及び／または重ならない部分を含むことができる。例えば、２つ以上の高解像度周囲光センサチャネルのグループは、４つの周囲光センサチャネルを含むことができ、２つ以上のレジスタは、４つのレジスタを含むことができ、算術論理回路は、１６個のサブピクセル光強度値を計算することができる。例えば、高解像度周囲光センサチャネルのうちの第１のもののチャネル別入力開口は、チャネル領域の４分の１を露出し、高解像度周囲光センサチャネルのうちの第２、第３、及び第４のもののそれぞれのチャネル別入力開口は、各々、チャネル領域の４分の１の異なる部分を露出し、１６個のサブピクセル光強度値は、チャネル領域に対応する４×４のグリッドの異なる部分を露出する。
【００５０】
幾つかの実施形態は、複数のセンサ行を有するセンサアレイに関する。各センサ行は、少なくとも２つの周囲光センサチャネルのセットを含むことができ、セット内の各周囲光センサチャネルは、チャネル入力開口、光センサ、及びチャネル別特性を有する光を光センサに選択的に通過させるチャネル別光学フィルタを含むことができる。各センサ行内の少なくとも２つの周囲光センサチャネルのセットは、光のチャネル別特性が重なる、それぞれのチャネル別光学フィルタを有する少なくとも２つの重なる周囲光センサチャネルを含むことができる。センサアレイはまた、３つ以上の周囲光センサチャネルからの信号を、複数の重ならない特性を有する光のそれぞれの光強度レベルにデコードし得る算術論理回路を含むことができる。
【００５１】
幾つかの実施形態では、チャネル別特性は、光の波長範囲を含む。少なくとも２つの重なる周囲光センサチャネルのセットは、第１波長範囲を有する光を選択的に通過させる第１チャネル別光学フィルタを有する第１色チャネルと、第２波長範囲を有する光を選択的に通過させる第２チャネル別光学フィルタを有する第２色チャネルと、第３波長範囲を有する光を選択的に通過させる第３チャネル別光学フィルタを有する第３色チャネルと、を含み、第１波長範囲及び第２波長範囲は、部分的に重複しており、第３波長範囲は、第１波長範囲及び第２波長範囲の両方を包含する。例えば、第３波長帯域は、可視光スペクトルに対応することができる。
【００５２】
幾つかの実施形態では、チャネル別特性は、光の偏光特性などの異なる特性であり得る。
【００５３】
幾つかの実施形態では、各センサ行は、ＬＩＤＡＲセンサチャネルを更に含み、ＬＩＤＡＲセンサチャネルから決定された深度データは、周囲光センサチャネルから決定された強度データに本質的に登録され得る。
【００５４】
幾つかの実施形態は、センサアレイ、コントローラ、及び算術論理回路を含む撮像システムに関する。センサアレイは、複数のセンサ行を有することができる。各センサ行は、少なくとも２つの周囲光センサチャネルのセットを含むことができ、各周囲光センサチャネルは、チャネル入力開口、光センサ、及びチャネル別特性を有する光を光センサに選択的に通過させるチャネル別光学フィルタを含む。各センサ行内の少なくとも２つの周囲光センサチャネルのセットは、光のチャネル別特性が重なる、それぞれのチャネル別光学フィルタを有する少なくとも２つの重なる周囲光センサチャネルを含むことができる。コントローラは、３つ以上の周囲光センサチャネルの各々が、視野の同じ部分からの光に露出されるように、センサアレイを動作させることができる。算術論理回路は、少なくとも２つの重なる周囲光センサチャネルからの信号を、複数の重ならない特性を有する光のそれぞれの光強度レベルにデコードすることができる。
【００５５】
幾つかの実施形態は、マルチスペクトルセンサチャネルを含む複数のセンサチャネルを含むセンサアレイに関する。各マルチスペクトルセンサチャネルは、チャネル入力開口、少なくとも３つの光センサ、及び少なくとも３つの異なる部分を有するパターン化された光学フィルタであって、パターン化された光学フィルタの異なる部分は、異なる特性を有する光を、少なくとも３つの光センサの異なるサブセットに選択的に通過させる、パターン化された光学フィルタを有することができる。パターン化された光学フィルタの異なる部分は、少なくとも３つの光センサの第１サブセットに光を通過させる少なくとも第１部分と、少なくとも３つの光センサの第２サブセットに光を通過させる第２部分と、を含むことができ、第１部分及び第２部分によって通過する光のそれぞれの特性は、重なる。算術論理回路は、光センサの第１サブセット及び第２サブセットからの信号を、複数の重ならない特性を有する光のそれぞれの光強度レベルにデコードすることができる。他の実施形態と同様に、特性は、波長範囲及び／または偏光特性を含むことができる。
【００５６】
幾つかの実施形態では、センサチャネルは、各ＬＩＤＡＲセンサチャネルが、マルチスペクトルセンサチャネルのうちの異なるものとセンサ行を形成するように配設された複数のＬＩＤＡＲセンサチャネルを含むことができ、ＬＩＤＡＲセンサチャネルから決定された深度データは、周囲光センサチャネルから決定された強度データに本質的に登録され得る。
【００５７】
幾つかの実施形態では、各マルチスペクトルセンサチャネルは、ＬＩＤＡＲ光センサを含むことができ、パターン化された光学フィルタは、ＬＩＤＡＲエミッタに対応する波長を有する光を、ＬＩＤＡＲ光センサに選択的に通過させる第４部分を含むことができる。
【００５８】
以下の詳細な説明は、特許請求された発明の性質及び利点のより良い理解を提供するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１Ａ】本明細書に記載の１または複数の実施形態による、センサアレイに含めることができる単一のマイクロ光学センサチャネルの簡略断面図を示す。
【図１Ｂ】本明細書に記載の１または複数の実施形態による、センサアレイに含めることができる単一のマイクロ光学センサチャネルの簡略断面図を示す。
【００６０】
【図２】本明細書に記載の１または複数の実施形態による、センサアレイの簡略正面図を示す。
【００６１】
【図３】図２のセンサアレイのセンサ行の簡略側断面図を示す。
【００６２】
【図４】１または複数の実施形態による、別のセンサアレイの簡略上面図を示す。
【００６３】
【図５】１または複数の実施形態による、別のセンサアレイの簡略上面図を示す。
【００６４】
【図６】１または複数の実施形態による、別のセンサアレイの簡略上面図を示す。
【００６５】
【図７】図６のセンサアレイに含めることができるマルチスペクトルセンサチャネルの簡略上面図を示す。
【００６６】
【図８】図６のセンサアレイの一部分の概略側面図を示す。
【００６７】
【図９】本発明の実施形態による、センサアレイの一部分の簡略側断面図を示す。
【００６８】
【図１０】図９のセンサアレイの簡略上面図を示す。
【００６９】
【図１１】幾つかの実施形態において、周囲光強度測定値を提供するために使用することができる３つのフィルタの重ならない通過帯域の例を示す。
【００７０】
【図１２】幾つかの実施形態において、エンコードされたスペクトル情報を用いて周囲光強度測定値を提供するために使用することができる３つのフィルタの重なる通過帯域の例を示す。
【００７１】
【図１３】幾つかの実施形態による、センサアレイの簡略正面図を示す。
【００７２】
【図１４Ａ】幾つかの実施形態による、パターン化された光学フィルタを有するマルチスペクトルセンサチャネルの例を示す。
【図１４Ｂ】幾つかの実施形態による、パターン化された光学フィルタを有するマルチスペクトルセンサチャネルの例を示す。
【００７３】
【図１５】図２のセンサアレイを組み込むことができる光測距／撮像デバイスの簡略側面図を示す。
【００７４】
【図１６】１または複数の実施形態による、チャネル別補償マイクロ光学素子を備えるセンサアレイの一部分の簡略断面図である。
【００７５】
【図１７】１または複数の実施形態による、チャネル別補償マイクロ光学素子を備えるセンサアレイの一部分の簡略断面図である。
【００７６】
【図１８】１または複数の実施形態による、チャネル別補償マイクロ光学素子を備えるセンサアレイの一部分の簡略断面図である。
【００７７】
【図１９】１または複数の実施形態による、アクロマティックバルク光学モジュールを備えるセンサアレイの一部分の簡略断面図である。
【００７８】
【図２０】１または複数の実施形態による、アクロマティックバルク光学モジュールを備える別のセンサアレイの一部分の簡略断面図である。
【００７９】
【図２１】１または複数の実施形態による、バルク光学モジュールの焦点距離を補正するためのチャネルごとのマイクロ光学素子を備えるセンサモジュールの例を示す。
【００８０】
【図２２】１または複数の実施形態による、チャネル別マイクロ光学素子を備える受信モジュールの別の例を示す。
【００８１】
【図２３】１または複数の実施形態による、チャネル別マイクロ光学素子を備える送信モジュールの例を示す。
【００８２】
【図２４Ａ】センサアレイを使用したスキャンシステムにおけるポインティングエラーの可能性を示す簡略概念図である。
【図２４Ｂ】センサアレイを使用したスキャンシステムにおけるポインティングエラーの可能性を示す簡略概念図である。
【００８３】
【図２５】１または複数の実施形態による、バルク光学モジュールの焦点距離歪み特性を示す簡略光学図である。
【００８４】
【図２６】スキャンシステムの幾つかの実施形態において定量化及び制約することができるピクセル内ポインティングエラーの例を示す。
【００８５】
【図２７】１または複数の実施形態による、バルク光学モジュール内のバレル歪み及びピンクッション歪みを補償するためのセンサチャネル位置付けの例を示す。
【図２８】１または複数の実施形態による、バルク光学モジュール内のバレル歪み及びピンクッション歪みを補償するためのセンサチャネル位置付けの例を示す。
【００８６】
【図２９】本発明の一実施形態による、センサアレイを使用したラスタースキャンの一例を示す。
【００８７】
【図３０】ピンクッション歪みを示すバルク光学素子を備えるアレイを使用するラスタースキャンの結果として生じ得る不均一なサンプリングパターンを示す。
【００８８】
【図３１Ａ】１または複数の実施形態による、回転撮像／ＬＩＤＡＲシステムの例を示し、図３１Ａは、簡略上面図であり、図３１Ｂは、簡略側面図である。
【図３１Ｂ】１または複数の実施形態による、回転撮像／ＬＩＤＡＲシステムの例を示し、図３１Ａは、簡略上面図であり、図３１Ｂは、簡略側面図である。
【００８９】
【図３２】１または複数の実施形態による、回転撮像／ＬＩＤＡＲシステムのブロック図を例解する。
【００９０】
【図３３Ａ】１または複数の実施形態による、センサアレイを使用するハイパースペクトル撮像動作の例を例解する。
【図３３Ｂ】１または複数の実施形態による、センサアレイを使用するハイパースペクトル撮像動作の例を例解する。
【００９１】
【図３４】幾つかの実施形態による、センサアレイの簡略正面図を示す。
【００９２】
【図３５】幾つかの実施形態による、空間的にエンコードされたサブピクセル開口を備える４つの周囲光センサチャネルのセットを示す。
【００９３】
【図３６】幾つかの実施形態による、複数の積算レジスタを備える読み出しデータパスの簡略概略図を示す。
【００９４】
【図３７】幾つかの実施形態による、複数の積算レジスタを使用する周囲光測定を例解する。
【００９５】
【図３８Ａ】幾つかの実施形態による、空間的にエンコードされたサブピクセル開口を提供する周囲光センサチャネルのセットを示す。
【００９６】
【図３８Ｂ】図３８Ａの周囲光センサチャネルを使用する時間的細分化の効果を示す。
【００９７】
【図３９】１または複数の実施形態による、静的撮像／ＬＩＤＡＲシステムの例を示す。
【００９８】
【図４０】１または複数の実施形態による、静的撮像／ＬＩＤＡＲシステムの例示的な自動車用途を示す。
【００９９】
【図４１】１または複数の実施形態による、静的撮像／ＬＩＤＡＲシステムの別の例示的な自動車用途を示す。
【０１００】
【図４２】１または複数の実施形態による、拡大された視野を備える静止撮像／ＬＩＤＡＲシステムの例を示す。
【０１０１】
【図４３】１または複数の実施形態による、静的撮像／ＬＩＤＡＲシステムのブロック図を例解する。
【０１０２】
【図４４】１または複数の実施形態による、マルチスペクトル測距／撮像センサアレイを使用して取得することができるハイパースペクトル画像の例を示す。
【０１０３】
【図４５】そこに含まれる材料を特定するために注釈が付けられた画像の例を示す。
【発明を実施するための形態】
【０１０４】
１．マルチスペクトルセンサアレイ
本明細書で使用される場合、マルチスペクトルセンサアレイは、センサのアレイを指し、その各々は、異なる波長で視野の一部分（ピクセル）を撮像するように構成される。同じピクセルを撮像する異なるセンサからのデータを組み合わせて、画像にマルチスペクトルピクセルを提供することができる。次に、マルチスペクトルセンサアレイの例について説明する。これらの例は、マルチスペクトルセンサアレイの構築に関連する様々な原理及び概念を例解し、具体化する。マルチスペクトルセンサアレイの他の多くの実装が可能であり、提供される例は、限定することを意図しないことが明らかになるであろう。
【０１０５】
１．１．センサチャネルの例
本明細書に記載のマルチスペクトルセンサアレイの例には、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などのモノリシック半導体デバイス上に形成または配置されたセンサチャネルから構築されたアレイが含まれる。図１Ａは、マルチスペクトルセンサアレイの幾つかの実施形態で使用することができる単一のマイクロ光学センサチャネル１００の断面を示す。センサチャネル１００は、広範囲の波長を潜在的に含む光の入力円錐を受け入れ、波長の選択されたサブセット（特定のチャネルに応じて選択されたサブセットを含む）を除くすべてをフィルタで除去し、光センサ１５２（時には、「ピクセル」と呼ばれる）は、波長の選択されたサブセット内の光子のみまたは実質的にそれのみを検出することを可能にする。本発明の実施形態は、センサチャネルの特定の構成に限定されず、センサチャネル１００は、センサアレイ２００に実装することができるセンサチャネルの一例にすぎない。
【０１０６】
幾つかの実施形態では、センサチャネル１００は、光学的に透明な開口１１２及び光学的に非透明な絞り領域１１４を含む入力開口層１１０を含む。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１１２は、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成形及びサイズ設定されており、その例を以下に説明する。開口層１１０は、入力周辺光線１２０によって示されるように、入力光円錐を受信するように構成される。マルチスペクトルセンサアレイにおいて、その例が以下に説明されるが、開口層１１０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及び光学的に非透明な絞り領域のアレイを含んでもよい。幾つかの実施形態では、開口層１１０は、絞り領域１１４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１１２は、層１１０の穴または開口部であり得る。
【０１０７】
幾つかの実施形態では、センサチャネル１００は、焦点距離によって特徴付けられるコリメートレンズ１３２を含む光学レンズ層１３０を含む。コリメートレンズ１３２は、焦点距離によって開口１１２及び絞り領域１１４の平面からオフセットされ、かつ開口１１２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１３２は、光線がコリメートレンズ１３２の光軸とほぼ平行に進行するように、開口１１２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１３０は、任意で、センサアレイ内の近くのセンサチャネル１００間のクロストークを低減するために、開口、光学的に不透明な領域、及び管構造を含み得る。
【０１０８】
幾つかの実施形態では、センサチャネル１００は、光学フィルタ１４２を含む光学フィルタ層１４０を含む。幾つかの実施形態では、光学フィルタ層１４０は、光学レンズ層１３０の検出器側（開口側の反対側）に配置される。光学フィルタ層１４０は、特定の動作波長及び通過帯域で通常入射する光子を通過させるように構成することができる。光学フィルタ層１４０は、任意の数の光学フィルタ１４２を含むことができる。センサチャネル１００の特定のインスタンスにおける光学フィルタ（複数可）は、例えば、以下に説明するように、センサチャネル１００のその特定のインスタンスの使用目的に基づいて選択することができる。光学フィルタ層１４０は、クロストークを低減するために、開口、光学的に不透明な領域、及び管構造を任意で含むことができる。
【０１０９】
幾つかの実施形態では、センサチャネル１００は、光学フィルタ層１４０の後ろに配設された１または複数の個別の光センサ１５２を含む光センサ層１５０を含む。各光センサ１５２は、例えば、１または複数の標準フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、シングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）、ＲＣＰ（共振空洞フォトダイオード）、光学ナノアンテナ、マイクロボロメータ、またはその他の好適な光検出器からなる検出器活性領域を備える光子を検出することができる光センサであり得る。光センサ１５２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、単一のセンサとして機能するように協調し合う幾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。任意の数のセンサチャネルのための光センサ１５２に加えて、光センサ層１５０は、検出効率を改善し、隣接するセンサチャネルとのクロストークを低減するための任意の構造を含むことができる。光センサ層１５０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。
【０１１０】
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、センサチャネル１００内またはセンサチャネル１００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１３２の光軸に非平行な経路に沿って光学フィルタ層１４０を通るように向けられ、開口層１１０とコリメートレンズ１３２との間で反射し、一般的には、多くの反射及び屈折を含む可能性のある他の経路または軌跡を取る。複数のレシーバチャネルが互いに隣接して配列される場合、あるレシーバチャネル内の迷光は、別のチャネル内の光センサに吸収され、それにより、受信された光子に関するタイミング、位相、強度、または他の情報が汚染される可能性がある。したがって、センサチャネル１００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構造を特徴としてもよい。このような構造及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。
【０１１１】
センサチャネル１００のコンポーネント及び配置は、必要に応じて変更することができる。例示として、図１Ｂは、マルチスペクトルセンサアレイの幾つかの実施形態で使用することができる単一のマイクロ光学センサチャネル１００’の断面を示す。マイクロ光学センサチャネル１００’は、一般に、図１Ａのマイクロ光学センサチャネル１００と同様であり、部品には、対応する番号が付けられている。この例では、レンズ素子１３２’は、図１Ａに示されるレンズ１３２とは異なる構成を有し、平面が開口に配向され、凸面が光学フィルタ層１４０に配向される。レンズ素子１３２と同様に、レンズ素子１３２’は、周辺光線１２０によって示されるように、入射光をコリメートし、コリメートされた光を光学フィルタ層１４０に向ける。他の変更も可能であることを理解されたい。例えば、光学レンズ層１３０は、レンズ素子に加えて、またはレンズ素子の代わりに光ガイドを含み得、光学フィルタは、光学レンズ層１３０の開口側に配置され得る、など。別の例として、センサチャネルは、任意のマイクロ光学素子を含む必要があり、光学フィルタが配設された光センサ（または光センサのグループ）と同じくらい単純であり得る。場合によっては、光学フィルタは、光センサの金属層内に製造され得る（例えば、以下に説明される偏光チャネルの場合）。代替センサチャネル構成の追加の例を以下に示す。同じセンサアレイ内の異なるセンサチャネルが、異なる構成を有することができることも理解されたい。
【０１１２】
１．２．例示的なマルチスペクトルセンサアレイ
幾つかの実施形態では、マルチスペクトルセンサアレイは、共通の基板上に製造された位置整合されたセンサチャネルのグループを組み込む。異なる波長または波長範囲に調節されたセンサチャネル（本明細書では「センサタイプ」とも呼ばれる）は、基板上の異なる場所に配置することができ、場所は、視野の所与の部分が、同時にまたは異なる時間に、異なるセンサチャネルによって見ることができるように選択される。多くの特定の配置が可能であり、次に例を説明する。
【０１１３】
１．２．１．列ベースのマルチスペクトルセンサアレイ
図２は、本発明の実施形態による、センサアレイ２００の簡略正面図を示す。センサアレイ２００は、幾つかのＬＩＤＡＲセンサチャネル２０２を含むことができ、この例は、１６個のＬＩＤＡＲセンサチャネル２０２を示しているが、任意の数のＬＩＤＡＲセンサチャネル２０２を含めることができる。この例では、ＬＩＤＡＲセンサチャネル２０２は、千鳥状に配置されているが、しかしながら、これは必須ではなく、幾つかの実施形態では、ＬＩＤＡＲセンサチャネル２０２は、単一の列に配置することができる（この例では、列は、図２の左側に示されるｚ軸に平行に走る）。
【０１１４】
この例では、各ＬＩＤＡＲセンサ２０２は、センサアレイ２００の「行」２０４に関連付けられる。（ここでの「行」という用語は、素子の線形またはほぼ線形の配置を示すために使用され、図２の行は、破線で示される。）ＬＩＤＡＲセンサ２０２に加えて、センサアレイ２００の各行は、１または複数の周囲光センサチャネル２０６を含む。この例では、周囲光センサチャネル２０６Ｒは、赤色光を検出し、周囲光センサチャネル２０６Ｇは、緑色光を検出し、周囲光センサチャネル２０６Ｂは、青色光を検出するが、しかしながら、周囲光センサチャネルの任意の数及び組み合わせを使用することができる。追加の例を以下に説明する。各行は、マルチスペクトルピクセルを生成するためのセンサの完全なセットを含むことができ、センサアレイ２００などのセンサアレイは、本明細書では「行ベース」または「１Ｄ」センサアレイと呼ばれる。
【０１１５】
図３は、図２のセンサアレイ２００の行２０４の簡略側断面図を示す。センサアレイ２００の各センサチャネル２０６Ｒ／Ｇ／Ｂ、２０２は、上記のセンサチャネル１００の別個のインスタンスとして実装することができる。幾つかの実施形態では、異なるセンサチャネル２０６Ｒ／Ｇ／Ｂ、２０２は、異なる光学フィルタを有する点で異なる。例えば、ＬＩＤＡＲセンサチャネル２０２の光学フィルタ３４２Ｌは、例えば、狭い通過帯域を備えるＬＩＤＡＲ信号波長で光を通過させるためのブラッグ反射器タイプのフィルタなどを含むことができる。所与の周囲光センサチャネルの光学フィルタは、スペクトルの所与の領域内の光を通過させ、バンドパス領域外の光を遮断するバンドパスフィルタを含むことができる。例えば、赤色光センサチャネル２０６Ｒの場合、光学フィルタ３４２Ｒは、スペクトルの赤色領域の波長（例えば、約６２０ｎｍ〜約７５０ｎｍの波長）を有する光を通過させることができ、緑色光センサチャネル２０６Ｇの場合、光学フィルタ３４２Ｇは、緑色領域の波長（例えば、約４９５ｎｍ〜約５７０ｎｍの波長）を有する光を通過させることができ、青色光センサチャネル２０６Ｂの場合、光学フィルタ３４２Ｂは、青色領域の波長（例えば、約４５０ｎｍ〜約４９５ｎｍの波長）を有する光を通過させることができる。当業者は、所与の色の特定のバンドパスフィルタを必要に応じて選択することができ、異なる実施形態は、（適切な光学フィルタの適用によって）紫外線、近赤外線（ＮＩＲ）、短波赤外線（ＳＷＩＲ）、中波赤外線（ＭＷＩＲ）、または長波赤外線（ＬＷＩＲ、つまり熱画像）などの非可視光波長を含む、任意の所望の範囲の光波長に「調節された」センサチャネルを含むことができ、所与のセンサアレイ内の異なるタイプのセンサチャネルに関連付けられた異なる波長範囲は、重なる場合と重複しない場合があることを理解するであろう。本明細書に記載の種類の光学系は、光学素子が、動作波長で機能するように選択され、光センサが、それらの同じ波長で電磁エネルギーを感知することができるという条件で、３００ｎｍ〜２０μｍに及ぶ波長範囲で動作することができる。この範囲のすべての波長に好適な材料及びセンサは、当技術分野で知られており、同じ光学原理（光線光学素子、屈折など）が適用される。他の周囲光センサチャネルは、光の他の特性を検出するように調節することができ、例を以下に説明する。
【０１１６】
入力開口層３１０は、図１Ａ（または図１Ｂ）の入力開口層１１０に対応することができ、単一の入力開口層３１０は、センサアレイ２００の各センサチャネル２０６Ｒ／Ｇ／Ｂ、２０２に対して、開口３１２Ｒ／Ｇ／Ｂ、３１２Ｌが同じ平面内にあるように、これらの開口を提供することができる。幾つかの実施形態では、開口層３１０は、厚さｄを有することができ、開口３１２Ｒ／Ｇ／Ｂ／Ｌは、開口層３１０の出口表面３６０において、出口開口幅が開口よりも広くなり得るように、例えば、それぞれのセンサチャネルと同じ幅（３６２Ｒ／Ｇ／Ｂ／Ｌで示されている）であるように、テーパー開口部で形成され得る。代替的に、テーパーの方向を逆にして、開口部が、入力側で最も広く、センサチャネルに向かって狭くなるようにすることもできる。開口は、各チャネルの周辺光線によって画定される光線円錐に従うことができ、それによって、チャネル光学素子３３２の開口数に一致するチャネルの開口数、及び光をセンサアレイ上に向けるバルク光学素子を画定する（その例は以下に説明される）。開口層３１０の特定の厚さ及び構造は、必要に応じて変化させることができる。
【０１１７】
幾つかの実施形態では、チャネル別補償マイクロ光学素子３７０Ｒ、３７０Ｇ、及び３７０Ｂは、入力開口３１２Ｒ／Ｇ／Ｂの真正面に配置することができる。以下に説明するように、そのようなチャネル別マイクロ光学素子は、例えば、システムのバルク光学素子の色収差を補償することによって、改善された集光効率を提供することができる。
【０１１８】
幾つかの実施形態では、センサアレイ２００は、例えば、ＣＭＯＳ技術を使用して、単一の基板上にモノリシックデバイスの一部として製造することができる。モノリシックデバイスは、センサアレイ２００内の個々の光センサ１５２（または光センサ１５２のグループ）からの生信号を処理するためのプロセッサ及びメモリ（図２〜３には示されていない）と共に光センサ１５２のアレイを含むことができる。センサアレイ２００、プロセッサ、及びメモリを含むモノリシックデバイスは、専用のＡＳＩＣとして製造され得る。幾つかの実施形態では、センサアレイ２００は、３Ｄスタッキング技術を使用して製造され得、２つ以上のモノリシックデバイスを含むことができ、各々は、単一の基板上に製造され、それらの間を走る電気接続で積み重ねられる。上部のモノリシックデバイスは、光センサ１５２のアレイを含み、最適な光感知のために調節され得、一方、下にある基板は、プロセッサ及びメモリを含み、デジタル論理のために最適化され得る。幾つかの実施形態では、センサアレイ２００は、複数のモノリシックデバイスに分割することができ、各々は、光の異なる波長（または複数の異なる波長）を感知するために最適化されるか、または深度感知対周囲光撮像のために最適化され、モノリシックデバイスは、並べて配置され、図３に示されるセンサアレイの異なるチャネルに関連付けられ得る。幾つかの実施形態では、センサアレイ２００はまた、モノリシック構造の一部として、マイクロ光学コンポーネント（例えば、マイクロ光学素子３３２Ｒ／Ｇ／Ｂ／Ｌ及び／またはチャネル別補償マイクロ光学素子３７０Ｒ／Ｇ／Ｂ）を含むことができる。このような場合、マイクロ光学コンポーネントは、センサアレイ２００を備える同じＡＳＩＣ上に形成されるか、または別個のウェーハ基板上に製造され、ウェーハレベルでセンサアレイＡＳＩＣに結合して、それらが、センサチャネルの各層の別個の基板層を備えるモノリシック構造の一部となるようにすることができる。例えば、補償マイクロ光学層、開口層、コリメートレンズ層、光学フィルタ層、及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、各々は、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。更に他の実施形態では、センサアレイ２００の１または複数のコンポーネントが、モノリシック構造の外側にあってもよい。例えば、開口層３１０は、ピンホールを備える別個の金属シートとして実装されてもよい。
【０１１９】
上記の例では、３つの周囲光チャネル（それぞれ赤、緑、青の光に調節された）が提供される。これは説明を容易にするためのものであり、本発明の実施形態は、特定の数または周囲光チャネルの組み合わせに限定されない。幾つかの実施形態では、センサ行は、３つ未満の周囲光チャネルを有することができ、例えば、センサ行は、「白色光」を通過させる光学フィルタを備える（例えば、可視光スペクトル全体を含む）または光学フィルタを備えない（この場合、スペクトル選択性は、光センサの感度によって決定される）１つの周囲光チャネルを有することができる。他の実施形態では、センサ行は、３つを超える周囲光チャネルを有することができる。例解として、図４は、追加のマルチスペクトル撮像機能を提供するために各行に幾つかの周囲光チャネルを有する本発明の実施形態によるセンサアレイ４００の簡略上面図を示す。繰り返すが、センサチャネルの数及び組み合わせは、例解のためのものである。
【０１２０】
センサアレイ４００は、６４個のＬＩＤＡＲセンサチャネル４０２を含む。この例では、ＬＩＤＡＲセンサチャネル４０２は、千鳥グリッドに配置されるが、この配置は、必須ではない。６４個のＬＩＤＡＲセンサチャネルのうちの３２個は、周囲光センサ４０６の関連付けられた行４０４を有するが、他の実施形態では、あらゆるＬＩＤＡＲセンサチャネル４０４は、周囲光センサ４０６の関連付けられた行を有することができる。この例では、各行の周囲光センサ４０６は、各々が異なるバンドパスフィルタによって画定された８つのスペクトル色チャネル４１０、２つのＩＲ帯域色チャネル４１２、４つの偏光チャネル４１４、及び２つの超狭吸収帯チャネルを含む。各チャネルは、図１Ａまたは１Ｂを参照して上記で説明したような内部構造を有することができ、センサアレイ４００は、上記の技術または他の技術を使用して製造することができる。
【０１２１】
スペクトル色チャネル４１０は、光学フィルタ１４２として適切なバンドパスフィルタを使用することによって作成することができる。赤色、緑色、及び青色のチャネルに加えて、この例のスペクトル色チャネル４１０は、オレンジ、イエロー、シアン、インディゴ、及びバイオレットに対応する波長範囲に調節されたチャネルを含む。スペクトルチャネルの他の例には、赤外線、紫外線、及び／または白色（例えば、広域スペクトル）チャネル、ならびに可視光線、赤外線、または紫外線スペクトルの任意の部分に調節されたチャネルが含まれ得る。幾つかの実施形態では、各スペクトル色チャネル４１０は、補償チャネル別マイクロ光学素子（図３のマイクロ光学素子３７０Ｒ／Ｇ／Ｂと同様）を有し得、その光学特性は、少なくとも部分的に、チャネルが調節されている波長範囲に基づいており、チャネル別マイクロ光学素子の例を以下に説明する。
【０１２２】
ＩＲ帯域色チャネル４１２は、スペクトルの赤外線部分に調節されたバンドパスフィルタを備える追加のスペクトル色チャネルであり得る。幾つかの実施形態では、迷ＬＩＤＡＲ放射が周囲ＩＲと混同されないように、ＬＩＤＡＲ動作周波数を回避することが望ましい場合がある。幾つかの実施形態では、各ＩＲ帯域色チャネル４１２は、チャネル別補償マイクロ光学素子を有し得、その光学特性は、チャネルが調節される波長範囲に少なくとも部分的に基づく。
【０１２３】
偏光チャネル４１４は、光学バンドパスフィルタ１４２の代わりに、またはそれに加えて、回折格子などの光学偏光フィルタを使用することによって作成することができる。グループの各チャネル４１４内の偏光フィルタは、異なるチャネルの偏光フィルタを異なる角度に配向することにより、直線偏光に対して異なる角度に調節することができる。一実施形態では、４つの偏光チャネル４１４は、０度、９０度、４５度、及び１３５度のそれぞれの配向を有する。偏光フィルタはまた、円形及び／またはスパイラル偏光などの他の形態の偏光に調節することもできる。偏光フィルタは、バンドパスフィルタと同様の方法で、マイクロ光学センサチャネル２００の異なる表面に適用することができ、またはそれらは、光センサ（複数可）１５２の金属層内に直接、金属格子として製造することができる。幾つかの実施形態では、各偏光チャネル４１４は、チャネル別補償マイクロ光学素子を有し得る。幾つかの場合、例えば、偏光チャネル４１４が特定の波長帯域に制限されない場合では、補償マイクロ光学素子は、省略されてもよく、または帯域内の中心波長に調節されてもよい。
【０１２４】
吸収帯チャネル４１６は各々、対象となる特定の物質の特徴である吸収帯に対応する狭帯域光学フィルタによって画定することができる。この場合、吸収帯チャネルに信号がないことは、その帯域の光を吸収する物質の存在を示すものとして解釈することができる（例えば、他のスペクトル色チャネルからの情報と組み合わせて）。例えば、幾つかの用途では、葉（例えば、樹木、草、他の植物）を他のカテゴリの物体（例えば、車、建物）から区別することが有用な場合がある。一般に、葉に関連付けられているクロロフィルは、ＩＲスペクトルに複数の狭い吸収帯を有しており、吸収帯チャネルは、これらの帯域の一部またはすべてに調節することができる。別の例として、多くのガスは、短波、中波、及び長波のＩＲ領域に吸収帯を有しており、吸収帯チャネルをこれらの帯域に調節して、ガス状の大気汚染物質を特定することができる。システムはまた、物体までの距離も提供するため、ガス吸収検出の場合、この距離情報を使用して、吸収測定が行われた大気中の距離を計算することができ、これは、検出の信頼レベル及び／または汚染物質の濃度を決定することに役立つ。他のチャネルと同様に、幾つかの実施形態では、各吸収帯チャネル４１６は、チャネル別補償マイクロ光学素子を有し得、その光学特性は、チャネルが調節される帯域に少なくとも部分的に基づく。
【０１２５】
周囲光センサチャネルのこれらの例は、例解であり、変更することができる。センサまたはセンサチャネルに適用される修飾子である周囲光は、一般に、チャネルが調節される特徴（複数可）（例えば、波長範囲及び／または偏光）を有する入射光の量（強度）を測定するように動作するセンサを指すと理解されるべきである。周囲光センサチャネルは、視野の意図的な照明に依存しないが（意図的に放出された光を検出するように設計されるＬＩＤＡＲセンサチャネルとは対照的に）、しかしながら、意図的な照明（自動車のヘッドライトまたはカメラフラッシュの使用など）は排除されない。
【０１２６】
センサアレイの行には、ＬＩＤＡＲセンサチャネル（またはそれぞれが異なる波長で動作する複数のＬＩＤＡＲセンサチャネル）に加えて、任意の所望の色または色の範囲に調節された１または複数の可視光センサチャネル、１または複数の偏光センサチャネル、１または複数の赤外線センサチャネル、１または複数の紫外線センサチャネル、１または複数の吸収帯センサチャネルなどを含む任意の数及び組み合わせの周囲光センサチャネルを含めることができる。別の例として、所与の行内の周囲光センサチャネルは、同じ波長範囲に調節されるが異なる減衰フィルタを備える２つ以上のセンサチャネルを含み得、画像においてより高いダイナミックレンジを可能にする。
【０１２７】
更に、センサアレイ内のあらゆるＬＩＤＡＲセンサチャネルが、関連付けられた周囲光センサチャネルの行を有すること、または周囲光センサチャネルのあらゆる行が、関連付けられたＬＩＤＡＲセンサチャネルを有することは、必要ではない。以下に説明するように、ＬＩＤＡＲセンサチャネル及び周囲光センサチャネルのセットを単一の行に配置すると、スキャン動作中に様々な波長で撮像された画像と深度データとの間の登録が容易になるが、異なるセンサチャネル間のオフセットが固定されており、既知である限り、補間を使用して、マルチスペクトル画像ピクセルを生成することができる。
【０１２８】
１．２．２．マルチスペクトルセンサチャネルを備えるセンサアレイ
上記の実施形態では、マルチスペクトルピクセルの各センサタイプは、別個のセンサチャネルとして提供される。単一のセンサチャネルで複数のセンサタイプを組み合わせることも可能である。例えば、ＬＩＤＡＲセンサチャネルは、複数のＳＰＡＤを光センサとして使用し得、深度測定値は、所与の時間間隔でトリガーされるＳＰＡＤの数に基づく。周囲光チャネルは、半導体デバイスのより小さな領域を占める単一のＳＰＡＤまたは標準フォトダイオードを使用し得る。したがって、幾つかの実施形態は、センサのある行に１または複数の「マルチスペクトル」センサチャネルを含み得る。
【０１２９】
図５は、本発明の実施形態による、マルチスペクトルセンサチャネルを組み込んだセンサアレイ５００の簡略上面図を示す。センサアレイ５００は、６４個のＬＩＤＡＲセンサチャネル５０２を含む。この例では、ＬＩＤＡＲセンサチャネル５０２は、千鳥グリッドに配置されるが、この配置は、必須ではない。６４個のＬＩＤＡＲセンサチャネルのうちの３２個は、関連付けられたマルチスペクトルセンサチャネル５０６を有するが、他の実施形態では、あらゆるＬＩＤＡＲセンサチャネル５０４は、関連付けられたマルチスペクトルセンサチャネル５０６を有することができる。この例では、挿入図５１０に見られるように、マルチスペクトルセンサチャネル５０６は、赤色センサ５１２、緑色センサ５１４、青色センサ５１６、偏光センサ５１８、５２０、５２２、及びＩＲ帯域色チャネル５２４を組み込むことができる。
【０１３０】
幾つかの実施形態では、各マルチスペクトルセンサチャネル５０６は、図１Ａまたは１Ｂを参照して上記で説明したように、センサチャネルの単一のインスタンスとして実装することができる。光センサ層１５０は、検出される光の各タイプに対して異なる光センサ１５２を含むことができる。この文脈において、各光センサ１５２は、例えば、増幅器を備える標準的なフォトダイオードであり得、容量電荷バケットに結合され、アナログ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ）を使用して読み取られることができる。代替的に、各光センサ１５２は、アナログフロントエンド及び光子をカウントするための積算レジスタを備える１または複数のＳＰＡＤであり得る。１または複数のパターン化された光学フィルタを光学フィルタ層１４０で使用して、所望の特性を有する光を特定の光センサ１５２に向けることができる。各光センサ１５２は、（適切な電子機器を使用して）別々に読み出すことができ、それによって複数の出力を提供する。本明細書で使用される「マルチスペクトルセンサチャネル」という用語は、単一の光学チャネルが、そこに配設された異なる光センサに対して別個のデータ出力を提供し、その各々を（例えば、光学フィルタを介して）調節して、異なる特徴を有する光を検出することができる構成を指す。図に示すように、マルチスペクトルセンサチャネルを使用すると、所与のセンサタイプのセットによって消費される領域を減らすことができる。
【０１３１】
マルチスペクトルセンサチャネルに含まれるセンサタイプの特定の数及び組み合わせは、示されているものとは異なる可能性があることを理解されたい。例えば、マルチスペクトルセンサチャネルは、可視、紫外線、赤外線、偏光、広帯域、及び／または狭帯域センサを含む、上記の周囲光センサタイプのいずれかまたはすべてを含むことができる。幾つかの実施形態では、センサアレイ５００などのセンサアレイ内の行は、１または複数のＬＩＤＡＲセンサチャネル（異なる波長で動作する）に加えて、各々がセンサタイプの異なる組み合わせを組み込んだ任意の数のマルチスペクトルセンサチャネルを含むことができる。センサアレイ５００などのセンサアレイ内の行はまた、１または複数のマルチスペクトルセンサチャネルと組み合わせて、１または複数の「シングルタイプ」周囲光センサチャネル（図４に示されるセンサチャネルのいずれかなど）を含むことができる。
【０１３２】
１．２．３．ハイブリッドセンサチャネルを備えるセンサアレイ
図５のセンサアレイ５００では、ＬＩＤＡＲ（測距）センサチャネルは、（周囲光を測定する）マルチスペクトルセンサチャネルから離れている。他の実施形態では、センサアレイは、測距（例えば、ＬＩＤＡＲ）センサと１または複数の周囲光センサの両方を組み込むチャネルを含むことができる。このようなチャネルは、本明細書では「ハイブリッドセンサチャネル」または「ハイブリッドセンサピクセル」と呼ばれる。
【０１３３】
図６は、本発明の実施形態による、ハイブリッドセンサチャネルを組み込むセンサアレイ６００の簡略上面図を示す。センサアレイ６００は、直線グリッドに配置された１２８個のハイブリッドセンサチャネル６０２を含む。センサチャネルの数及び配置は、変化させることができることを理解されたい。
【０１３４】
挿入図６１０に示されるように、各ハイブリッドセンサチャネル６０２は、ＬＩＤＡＲ光センサ素子６５０のセット、及び特定の特性を有する光を検出するように調節された（例えば、光学フィルタを使用して）幾つかの周囲光光センサを含むことができる。この例では、周囲光光センサは、赤色センサ６１２、オレンジ色センサ６１４、イエロー色センサ６１６、緑色センサ６１８、紫外線色センサ６２０、シアン色センサ６２２、バイオレット色センサ６２４、青色センサ６２６、偏光センサ６２８、６３０、６３２、及びＩＲ帯域色センサ６３４を含む。示される例では、ＬＩＤＡＲ光センサ素子６５０は、ハイブリッドセンサチャネル６０２のチャネル領域内の中央領域を占め、一方、周囲光光センサは、中央領域を取り囲むチャネル領域の周辺領域に配置される。他の構成も可能である。
【０１３５】
幾つかの実施形態では、マルチスペクトルセンサチャネル５０６と同様に、各ハイブリッドセンサチャネル６０２は、図１Ａまたは１Ｂを参照して上記で説明したように、センサチャネルの単一のインスタンスとして実装することができる。光センサ層１５０は、検出される光の各タイプに対して異なる光センサ１５２（または光センサ１５２のグループ）を含むことができる。１または複数のパターン化された光学フィルタを光学フィルタ層１４０で使用して、所望の特性を有する光を特定の光センサ１５２（または光センサ１５２のグループ）上に向けることができる。各光センサ１５２（または光センサ１５２のグループ）は、適切な電子機器を使用して、別々に読み取ることができ、それによって複数の出力を提供する。
【０１３６】
「ハイブリッドセンサチャネル」は、放出光／反射光の飛行時間を決定するために構成された光センサ及び関連付けられた読み出し回路、ならびに光強度を測定するために構成された他の光センサ及び関連付けられた読み出し回路を含むマルチスペクトルセンサチャネルの特殊なケースとして理解することができる。図７は、ハイブリッドセンサチャネル６０２の簡略概略図を示し、関連付けられた読み出し回路を示す。この例では、各周囲光光センサ６１２〜６３４は、容量電荷バケット７１２〜７３４に結合された増幅器を備える標準的なフォトダイオードを使用して実装される。容量電荷バケット７１２〜７３４は、各々、マルチチャネルカウンタ回路７５０に接続されており、これは、各周囲光光センサ６１２〜６３４によって（例えば、シャッター間隔中に）検出された光子の数を決定することができる。
【０１３７】
この例のＬＩＤＡＲ光センサ素子６５０は、タイミング回路７６０に接続されたＳＰＡＤを使用して実装することができ、これは、光子の到着の時間を計り、時間の経過共もに光子のメモリバンクに到着時間を格納することができ、それによって深度測定を可能にする。
【０１３８】
上述のように、各ハイブリッドセンサチャネル６０２は、図１Ａのセンサチャネル１００（または図１Ｂのセンサチャネル１００’）の単一のインスタンスとして実装することができる。図８は、チャネル構造を示すセンサアレイ６００の一部分の簡略概略側面図である。各ハイブリッドセンサチャネル６０２は、開口８１２（開口層８１０内）、光学層８３０、フィルタ層８４０、及び光センサ層８５０（例示を明確にするために斜視図で示されている）を有する。フィルタ層８４０は、パターン化されたフィルタ８４２（例示を明確にするために斜視図で示される）を含むことができ、これは、フィルタウェーハ上に位置するか、または適切な光センサ素子の上に光センサＡＳＩＣ上に直接堆積させることができる。
【０１３９】
動作中、光８６０は、開口８１２に向けられ、矢印８６２によって示されるように、チャネル６０２を通って伝播する。パターン化されたフィルタ８４２は、光センサ層８５０内の個々の光センサ８５２上に所望の特性を有する光を向ける。上で説明したように、適切な読み出し電子機器を使用して、ＬＩＤＡＲ光センサから到着時間情報、ならびに色、偏光、及び／または他の周囲光光センサの累積光子カウントを抽出することができる。
【０１４０】
ハイブリッドセンサチャネルに含まれるセンサタイプの特定の数及び組み合わせは、示されているものとは異なる可能性があることを理解されたい。例えば、ハイブリッドセンサチャネルには、ＬＩＤＡＲセンサに加えて、可視、紫外、赤外線、偏光、広帯域、及び／または狭帯域センサを含む、上記の周囲光センサタイプのいずれかまたはすべてを含めることができる。更に、センサアレイ６００は、同一のセンサチャネル６０２の２Ｄアレイとして示されるが、これは必須ではない。ハイブリッドセンサチャネルは、１Ｄアレイに、または図４のセンサアレイ４００または図５のセンサアレイ５００と同様に他のセンサタイプとある行に含まれ得る。センサチャネルの配置及び構成は、必要に応じて変化させることができる。
【０１４１】
１．２．４．二重平面マルチスペクトルセンサアレイ
上記の実施形態では、様々なチャネルタイプの光センサが１つの平面に配置されると想定される。他の実施形態では、異なる光センサは、異なる平面にあり得る。
【０１４２】
例として、図９は、センサアレイ９００の別の実施形態の一部分の簡略側断面図を示す。センサアレイ９００は、１または複数のＬＩＤＡＲチャネル９０２を含み、その各々は、図１Ａのセンサチャネル１００（または図１Ｂのセンサチャネル１００’）の別個のインスタンスであり得る。ＬＩＤＡＲチャネル９０２は、ＡＳＩＣ９０４上に製造され、これは、各ＬＩＤＡＲチャネル９０２の１または複数の光センサ９０６を含む。開口層９１０は、ＬＩＤＡＲチャネル９０２の上にあり、その中に、光を各ＬＩＤＡＲチャネル９０２に向けるために形成された開口９１２を有する。これらの点では、センサアレイ９００は、上記の他の実施形態と同様であり得る。
【０１４３】
この例では、開口層９１０は、開口９１２を遮らない場所で、その上面の中またはその上面上に製造またはそうでなければ配設された光センサ９１６Ｒ、９１６Ｇ、９１６Ｂを有する第２ＡＳＩＣである。光センサ９１６Ｒ／Ｇ／Ｂは、開口９１２と同じ平面に位置し、これは、センサアレイのバルク撮像光学素子の焦点面であり得る。色フィルタ９１８Ｒ、９１８Ｇ、９１８Ｂは、その各々が、異なる波長帯域（この例では赤、緑、及び青）内の光を受け入れるバンドパスフィルタであり得、光センサ９１６Ｒ、９１６Ｂ、９１６Ｇの上に配置される。この配置は、周囲光センサチャネル９２０Ｒ、９２０Ｇ、９２０Ｂを提供する。開口層９１０は、ワイヤボンド９２２によって概略的に示されるように、ＡＳＩＣ９０４に位置する読み出し及び／または制御回路（例えば、プロセッサ及びメモリ）に電気的に接続され得る。（ワイヤボンディングは必須ではなく、ＡＳＩＣ間の電気的接続を確立するための他の技術に置き換えることができるか、または２つのＡＳＩＣを各々、別のデバイスに位置する読み出し及び制御回路に接続することができる。）
【０１４４】
図１０は、センサアレイ９００の簡略上面図を示す。センサアレイ９００は、マルチスペクトルピクセル１０２０の２Ｄアレイを提供する。センサアレイ９００のサイズ及び次元は、必要に応じて変化させることができる。挿入図１０１０に示されるように、各マルチスペクトルピクセル１０２０は、ＬＩＤＡＲセンサチャネル９０２及び１または複数の周囲光センサチャネル９２０を含むことができる。周囲光センサチャネル９２０は、（図９に示されるように）ＬＩＤＡＲセンサチャネル９０２のための開口を覆い、提供するＡＳＩＣで製造され得る。上記の特定のチャネルタイプのいずれかを含む（例えば、赤外線、可視光、及び／または紫外線チャネルを含む色チャネル、偏光チャネル、狭帯域吸収チャネルなど）、周囲光センサチャネル９２０の任意の数及び組み合わせを提供することができる。
【０１４５】
幾つかの実施形態では、開口層ＡＳＩＣ９１０は、ＬＩＤＡＲセンサチャネル９０２をサポートする「ベース」ＡＳＩＣ９０４よりも著しく高い密度の光センサ（またはチャネル）９２０を有することができる。例えば、ＬＩＤＡＲセンサチャネルは、１００〜４００μｍの間隔及び直径３０μｍの開口を有する。開口層ＡＳＩＣ９１０内のセンサチャネル（光センサまたはピクセル）は、著しく小さくすることができ（例えば、１〜１０μｍのサイズ範囲で）、これは、各ハイブリッドピクセル１０２０が、多数の周囲光ピクセルを含むことができることを意味する。これにより、ＬＩＤＡＲチャネルよりも高い周囲光撮像チャネルの解像度を有するマルチスペクトルピクセル及び／または複数のマルチスペクトルピクセルごとに、センサタイプの数を増やすことを可能にし得る。
【０１４６】
開口層ＡＳＩＣ９１０を使用して得られたマルチスペクトル画像は、開口９１２またはＬＩＤＡＲチャネル９０２の場所に対応するギャップを含み得る。幾つかの実施形態では、補間を使用して、ギャップを埋めることができる。
【０１４７】
１．２．５．エンコードされたスペクトル選択的な通過帯域を備えるマルチスペクトルピクセル
上記の例では、異なる周囲光センサチャネルは、異なる通過帯域を備える光学フィルタを含み得る。幾つかの実施形態では、異なる周囲光センサチャネルの通過帯域は、一般に重なっていないことがあり、したがって、異なる周囲光センサチャネルは、光スペクトルの異なる部分（赤外線、可視光、及び／または紫外線を含む）をサンプリングする。図１１は、幾つかの実施形態、例えば、図２のマルチスペクトルセンサアレイにおいて、周囲光強度測定値を提供するために使用することができる３つのフィルタの重ならない通過帯域の例を示す。この例では、「青」（Ｂ）フィルタ１１０２は、約４２５ｎｍ〜約５１５ｎｍの通過帯域を有し、「緑」フィルタ（Ｇ）１１０４は、約５１５ｎｍ〜約６１０ｎｍの通過帯域を有し、「赤」（Ｒ）フィルタ１１０６は、約６１０ｎｍ〜約７００ｎｍの通過帯域を有する。これらの範囲及び境界は、例示的なものであり、変化させることができることを理解されたい。幾つかの実施形態では、異なるフィルタの通過帯域は、いくらかの重複を有し得る。例えば、Ｂフィルタ１１０２は、約４１０ｎｍ〜約５１０ｎｍの通過帯域を有し得、一方、Ｇフィルタ１１０４は、約４９０ｎｍ〜約６２０ｎｍの通過帯域を有し、Ｒフィルタ１１０６は、約６００ｎｍ〜約７００ｎｍの通過帯域を有する。別の例として、Ｂフィルタ１１０２は、約４１０ｎｍ〜約４４０ｎｍの通過帯域を有し得、一方、Ｇフィルタ１１０４は、約４９０ｎｍ〜約６２０ｎｍの通過帯域を有し、Ｒフィルタ１１０６は、約６００ｎｍ〜約７００ｎｍの通過帯域を有する。他の変化も可能である。図１１に示されるフィルタセットは、マルチスペクトルピクセルの「Ｒ」、「Ｇ」、及び「Ｂ」スペクトル強度測定値を提供することができる。（ここでは、Ｒ、Ｇ、及びＢという名前は、赤、緑、及び青を示唆するものとして使用されるが、これらの名前を有するフィルタの通過帯域は、任意の特定の色に関連付けられた通過帯域に対応する必要はない。）
【０１４８】
幾つかの実施形態では、異なる周囲光センサチャネルは、スペクトル情報をエンコードするために選択される重なる通過帯域を有し得る。図１２は、幾つかの実施形態において、エンコードされたスペクトル情報を用いて周囲光強度測定値を提供するために使用することができる３つのフィルタの重なる通過帯域の例を示す。この例では、第１フィルタ１２０２は、ほぼ全可視光スペクトル（約４２５ｎｍ〜約７００ｎｍの波長）を包含する「Ｗ」通過帯域を有する。第２フィルタ１２０４は、約４２５ｎｍ〜約６１０ｎｍの「Ｃｂ」通過帯域を有し、第３フィルタ１２０４は、約５１５ｎｍ〜約７００ｎｍの「Ｃｒ」通過帯域を有する。図１２に示される通過帯域を有する周囲光センサチャネルからの強度測定値を使用して、図１１のフィルタセットからのスペクトル測定値に対応するＲ、Ｇ、及びＢスペクトル情報を抽出することができる。例えば、フィルタ１２０２、１２０４、及び１２０６からの強度測定値がそれぞれＷ、Ｃｂ、及びＣｒとして示される場合、図１１で特定されるＲ、Ｇ、及びＢ帯域における強度は、以下のように計算することができる。
Ｒ＝Ｗ−Ｃｂ                                      （１ａ）
Ｂ＝Ｗ−Ｃｒ                                      （１ｂ）
Ｇ＝Ｗ−（Ｒ＋Ｂ）＝Ｃｂ＋Ｃｒ−Ｗ                （１ｃ）
これらの計算は、例えば、センサアレイと同じＡＳＩＣ上で製造することができる従来の設計の算術論理回路を使用して実施することができる。
【０１４９】
このようにして、図１１の重ならないフィルタセットまたは図１２のスペクトルエンコードフィルタセットのいずれかが、同等のスペクトル情報を提供することができる。図１２のエンコードスキームは、各チャネルがより多くの光を受け入れることを可能にし、それは、測定精度を向上し得る。
【０１５０】
図１２のフィルタセットは、様々なマルチスペクトルセンサアレイに組み込むことができる。図１３は、幾つかの実施形態による、センサアレイ１３００の簡略正面図を示す。センサアレイ１３００は、図２のセンサアレイ２００と同様であり得、ＬＩＤＡＲセンサチャネル２０２（上記のように）を含み得、これらのチャネルの各々は、周囲光センサチャネル１３０６ａ（Ｗ通過帯域）、１３０６ｂ（Ｃｂ通過帯域）、及び１３０６ｃ（Ｃｒ通過帯域）を含む行１３０４に関連付けられ得、Ｗ、Ｃｂ、及びＣｒ通過帯域は、図１２に示すように画定される。所与の行１３０４の周囲光センサチャネル１３０６ａ、１３０６ｂ、１３０６ｃからのセンサデータは、式（１ａ）〜（１ｃ）を実装してＲ、Ｇ、及びＢ出力信号を生成するオンチップ算術論理回路１３１０に提供することができる。センサ行１３０４はまた、例えば、図４を参照して上記で説明したように、他のタイプの周囲光センサチャネルを含むことができることを理解されたい。
【０１５１】
スペクトルエンコードされた通過帯域は、マルチスペクトルセンサチャネルまたはハイブリッドセンサチャネルを有するセンサアレイに実装することもできる。図１４Ａは、幾つかの実施形態による、マルチスペクトルセンサチャネル１４００の簡略正面図を示す。マルチスペクトルセンサチャネル１４００は、Ｗ通過帯域（図１２に示される）を有する領域１４０２、Ｃｂ通過帯域を有する領域１４０４、及びＣｒ通過帯域を有する領域１４０６を含むパターン化された光学フィルタを有する。この例では、領域は正方形であるが、特定のフィルタジオメトリは、必須ではない。図５を参照して上記で説明したように、別個の光センサ（例えば、１または複数のＳＰＡＤ）を各領域の後ろに配置することができる。図１４Ａは、各通過帯域に対して３つの領域を示すが、所与の通過帯域に対して任意の数の領域を提供することができることを理解されたい（各領域に対して別個の光センサが提供される限り）。
【０１５２】
同じ通過帯域に関連付けられたすべての光センサは、同じ積算レジスタに周囲光強度測定値（例えば、光子カウントを表す電子信号の形式で）を提供することができる。したがって、例えば、レジスタ１４１２は、領域１４０２における光センサからの光子カウントを累積（または統合）することができ、レジスタ１４１４は、領域１４０４における光センサからの光子カウントを累積することができ、レジスタ１４１６は、領域１４０６における光センサからの光子カウントを累積することができる。レジスタ１４１２、１４１４、及び１４１６は、式（１ａ）〜（１ｃ）を実装して、Ｒ、Ｇ、及びＢ出力信号を生成するオンチップ算術論理回路１４２０への入力として累積光子カウントを提供することができる。マルチスペクトルセンサチャネル１４００はまた、例えば、図５を参照して上記で説明したように、異なるタイプの光学フィルタを有する他の領域を含むことができることを理解されたい。更に、図１４Ａは、チャネル領域内の隣接領域を占める同じ通過帯域を有する光学フィルタを示すが、これは必須ではない。例えば、図１４Ｂは、同じ通過帯域を有する領域１４０２、１４０４、１４０６がチャネル領域全体に分散され、測定精度を更に向上し得る代替のパターン化された光学フィルタ１４００’を示す。図１４Ａのように、同じタイプの光学フィルタに関連付けられた異なる光センサからの強度測定値（例えば、光子カウント）は、同じ積算レジスタに累積（または統合）することができる。
【０１５３】
スペクトルエンコードされた通過帯域及びそのようなフィルタを組み込む周囲光センサチャネルを備える光学フィルタの前述の例は、例示的であり、限定的ではない。スペクトルにエンコードされた通過帯域は、１Ｄアレイ、２Ｄアレイ、マルチスペクトルピクセルを備えるアレイ、ハイブリッドピクセルを備えるアレイを含む、上記のマルチスペクトルセンサアレイのいずれかに組み込むことができる。本明細書の例は、３つの通過帯域を使用して、３つの色チャネルをエンコードするが、重なる通過帯域を有する任意の数の異なる光学フィルタを使用して、所望の任意の粒度でスペクトル情報をエンコードすることができることが理解されよう。このエンコード技術は、光のスペクトル特徴に限定されない。例えば、同様の配置は、偏光フィルタを使用して（例えば、非偏光フィルタと組み合わせて）実装されて、所望の任意の粒度で偏光情報をエンコードすることができる。
【０１５４】
上記のマルチスペクトルセンサアレイは、例示的なものであり、多くの変更及び修正が可能であることを理解されたい。所与のマルチスペクトルセンサアレイは、深度チャネル（例えば、ＬＩＤＡＲセンサチャネルまたはハイブリッドセンサチャネル）、周囲光センサチャネル、マルチスペクトルセンサチャネル、及び／またはハイブリッドセンサチャネルの任意の組み合わせを含むことができ、これらは、上記の任意の技術または他の技術を使用して構築することができる。一例または実施形態を参照して説明されたコンポーネントは、他の実施形態で使用され得る。
【０１５５】
２．マルチスペクトルセンサアレイのための光学素子
上記の様々なセンサアレイは、各チャネルに関連付けられた開口を通過する光に応答して動作する。幾つかの実施形態では、光を開口面上に向けて集束させるために、光学系が提供される。次に、マルチスペクトルセンサアレイ（例えば、センサアレイ２００、４００、５００、６００、及び／または９００）に関連して使用することができる光学系及び光学素子の例を説明する。
【０１５６】
本明細書で使用される場合、バルク光学素子（複数可）という用語は、焦点面を有し、アレイ内のすべてのマイクロ光学チャネルからまたはアレイ内のすべてのマイクロ光学チャネルに同時に光を送信する単一レンズ及び／またはレンズアセンブリを指す。幾つかの実施形態では、バルク光学素子は、市販のカメラレンズ及び顕微鏡レンズで使用されるものなど、ミリメートルまたはセンチメートルもしくはそれを超えるほどのサイズ（例えば、直径）を有し得る。本開示では、バルク光学素子という用語は、特定のセンサチャネルに対して提供される光学素子または光学素子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。幾つかの実施形態では、マイクロ光学素子は、単一のセンサチャネルのサイズに対応する個々の素子直径を有し得る（例えば、サイズが数マイクロメートル〜数ミリメートルほどの、またはそれ未満）。一般に、マイクロ光学素子は、エミッタのアレイまたはセンサチャネルのアレイの、異なるエミッタ及び／または異なる検出器に対して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。
【０１５７】
２．１．バルク光学モジュール
マルチスペクトルセンサアレイ（上記のセンサアレイのいずれかなど）は、図１５に示されるように、光測距／撮像デバイス１５００に組み込むことができる。光測距／撮像デバイス１５００は、光送信（Ｔｘ）モジュール１５１０及び光感知（Ｒｘ）モジュール１５４０を含み、それは、センサアレイ２００（または上記の他の任意のセンサアレイ）の実装を含むことができる。光送信モジュール１５１０及び光感知モジュール１５４０の構成の追加的な例は、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、及び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、あらゆる目的のためにそれらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０１５８】
図１５に示されるように、Ｔｘモジュール１５１０は、Ｔｘ側マイクロ光学素子パッケージ１５２０及びバルク光学素子１５３０を含むことができる。Ｔｘ側マイクロ光学素子パッケージ１５２０は、幾つかの光エミッタ１５２２を含み、任意で、マイクロレンズ層１５２４及び開口層１５２６を含む。エミッタ１５２２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１５２５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または複数の光エミッタ１５２２、例えば近赤外線（ＮＩＲ）垂直キャビティ半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）などと、任意でのレンズ層１５２４からのマイクロレンズ及び開口層１５２６からの開口と、を有する。
【０１５９】
動作中、Ｔｘモジュール１５１０は、例えば、狭帯域光、例えば、１０ｎｍ、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光のパルスを、１または複数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１５４０は、特に、そのＬＩＤＡＲセンサチャネル２０２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。同時に、Ｒｘモジュール１５４０の各周囲光感知チャネル２０６Ｒ／Ｇ／Ｂは、その特定の波長帯域の周囲光を検出することができる。
【０１６０】
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１５２４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１５２４からのマイクロレンズは発散光を捕捉し、マイクロ光学素子のアレイ及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１５２６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１５２６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１５３０に衝突する。幾つかの実施形態では、マイクロレンズ層１５２４とＴｘ側バルク撮像光学素子モジュール１５３０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１５２６で集束された光は、Ｔｘ側バルク撮像光学素子モジュール１５３０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主光線角度でＴｘ側バルク撮像光学素子モジュール１５３０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。幾つかの実施形態では、Ｔｘ側バルク撮像光学素子１５３０は、レンズの撮像側（エミッタ側である）でテレセントリックであり、すなわち、バルク撮像光学素子１５３０の画像側の主光線は、互いに実質的に平行であり、画像平面（エミッタ平面）上のあらゆる位置について、画像平面に垂直である。この構成では、エミッタアレイは、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、捕捉する。テレセントリック設計がないと、レンズの斜めの光線円錐と一致する放出された光線円錐の一部のみがレンズによって捕捉されるため、外部エミッタによって捕捉される光が減少する可能性がある。Ｒｘモジュール１５４０のＬＩＤＡＲ感知チャネル２０２は、Ｔｘ側マイクロ光学素子パッケージ１５２０と一致するように配置することができ、ＬＩＤＡＲセンサチャネル２０２は、各マイクロ光学素子トランスミッタチャネル１５２５に対応する。
【０１６１】
Ｒｘモジュール１５４０は、Ｒｘ側バルク撮像光学素子モジュール１５６０及びセンサアレイ２００を含む。光線１５０５として示される、フィールド内の物体で反射する放出光の部分は、複数の方向からＲｘ側バルク撮像光学素子モジュール１５６０に入る。Ｒｘ側バルク撮像光学素子モジュール１５６０は、光線１５０５をＲｘ側入力開口層３１０と一致する平面に集束させ、光がＬＩＤＡＲセンサチャネル２０２に入ることを可能にする単一レンズまたはマルチレンズグループを含むことができる。幾つかの実施形態では、Ｒｘモジュール１５４０は、それぞれのエミッタ１５２２の視野と一致する各個々のＬＩＤＡＲセンサチャネル２０２の視野を備える、各エミッタ１５２２のＬＩＤＡＲセンサチャネルを含む。
【０１６２】
Ｒｘ側バルク撮像光学素子モジュール１５６０はまた、周囲光を収集することができる。本明細書で使用される場合、「周囲」光は、環境内で伝搬する可能性があり、Ｔｘモジュール１５１０から発生しなかった任意の光線を指す。周囲光には、環境内にたまたま存在する任意の光源（例えば、太陽、人工照明器具、信号機など）からの直接光、及び環境内の物体によって反射または散乱された光（例えば、道路標識、車両、路面、樹木などで反射された光）が含まれる。周囲光は、任意の方向に伝搬することができ、光線１５０５と同様の方向にたまたま伝搬している周囲光は、Ｒｘ側バルク撮像光学素子モジュール１５６０に入り、かつ通過することができる。
【０１６３】
２．２．チャネルごとの補償マイクロ光学素子
幾つかの実施形態では、Ｒｘ側バルク撮像光学素子モジュール１５６０は、特定の狭い波長帯域、例えば、ＬＩＤＡＲ動作波長をターゲット平面、例えば、入力開口面３１０上に集束するように最適化される単色レンズとして設計され得る。Ｒｘ側バルク撮像光学素子モジュール１５６０は、色収差（すなわち、波長に依存する焦点距離）を示し得る。これは、周囲光センサチャネルの収集効率を低下させる可能性があり、色収差を有するＲｘ側バルク撮像光学素子モジュール１５６０の実装が、ＬＩＤＡＲ動作波長の光を入力開口面３１０に集束させる場合、ＬＩＤＡＲ動作波長以外の波長の光は、入力開口層３１０に集束せず、その光の幾つかは、周囲光センサチャネル２０６Ｒ／Ｇ／Ｂに入るのではなく、開口絞りによって遮断されるであろう。更に、この効果によって失われる光の量は、波長に依存するため、撮像データの分析が複雑になる可能性がある。更に、これらのチャネルの空間解像度は、開口部３１０がそれらの波長帯域の焦点面にないため、または単色レンズが帯域外光のための小さな集束スポットを提供することができないため、低減する（視野は、より大きく、明確に輪郭を示さない、つまり、「ぼやけた」状態になる）。
【０１６４】
したがって、センサアレイ２００（または本明細書に記載の他のマルチスペクトルセンサアレイ）の幾つかの実施形態は、より効率的な光捕捉を可能にするために入力開口面の前に配置することができるチャネル別補償マイクロ光学素子を含む。図１６は、センサアレイ２００の一部分の簡略断面図であり、入射光の挙動を例解するための注釈が付いている。（この例では、開口の先細りは、図３に対して逆であり、開口３１２Ｒ／Ｇ／Ｂ／Ｌは、開口層３１０の底面３６０に示される。ただし、開口面の正確な場所に関係なく、同じ原理が適用される。）
【０１６５】
図１６の例では、破線は、色収差の影響を例解する。チャネル２０６Ｒ、２０６Ｇ、及び２０６Ｂ上の収束する破線は、色収差を有するバルク光学素子（例えば、図１５のＲｘ側バルク撮像光学素子モジュール１５６０）によって集束された赤、緑、及び青の光線に対するそれぞれの周辺光線を示す。図に示すように、ＬＩＤＡＲ光線１６２０Ｌは、開口面３６０に収束するが、しなしながら、より短い波長の光（この例では可視光）は、波長に応じた距離で、開口面３６０の前に収束する。したがって、この例では、赤色光の焦点１６１２Ｒは、入力開口３１２Ｒのわずかに前にあり、緑色光の焦点１６１２Ｇは、入力開口３１２Ｇの更に前にあり、青色光の焦点１６１２Ｂは、入力開口３１２Ｂの更にもっと前にある。補正光学素子がない場合、集束された赤、緑、及び青の光線（破線）は、開口面３６０に到達する前に発散し、開口３１２Ｒ、３１２Ｇ、及び３１２Ｂで様々な程度の光損失をもたらす。
【０１６６】
幾つかの実施形態では、チャネル別補償マイクロ光学素子を使用して、そのような効果を補正することができる。例えば、図１６に示されるように、第１補償マイクロ光学素子、この例では第１平凹レンズ１６５０Ｒが、開口層３１０の前に配置され、赤チャネル２０６Ｒの開口部３６２Ｒと位置整合される。平凹レンズ１６５０Ｒは、入射光の発散を低減し、赤色光の焦点を、補正されていない焦点１６１２Ｒから開口３１２Ｒにシフトする光学処方（例えば、表面曲率または焦点距離）を有する。第２補償マイクロ光学素子、この例では第２平凹レンズ１６５０Ｇは、開口部３６２Ｇと位置整合される。平凹レンズ１６５０Ｇは、平面凹レンズ１６５０Ｒよりも入射光の発散をより強く低減し、緑色光の焦点を、補正されていない焦点１６１２Ｇから開口３１２Ｇにシフトする処方を有する。第３補償マイクロ光学素子、この例では第３平凹レンズ１６５０Ｂは、開口部３６２Ｂと位置整合される。平凹レンズ１６５０Ｂは、平面凹レンズ１６５０Ｇよりも入射光の発散をより強く低減し、青色光の焦点を、補正されていない焦点１６１２Ｂから開口３１２Ｂにシフトする処方を有する。この例の平凹レンズ１６５０Ｒ、１６５０Ｇ、１６５０Ｂの各々は、対応するセンサチャネル２０６Ｒ、２０６Ｇ、２０６Ｂが検出するように調節される波長（または波長範囲）に対して最適化される異なる処方を有することを理解されたい。この例では、Ｒｘ側バルク撮像モジュール１５６０がすでにＬＩＤＡＲ動作波長の光を開口３１２Ｌに集束させるので、補償マイクロ光学素子は、ＬＩＤＡＲチャネル２０２に提供されない。
【０１６７】
他の実施形態では、Ｒｘ側バルク撮像モジュールが光を入力開口面上に集束させる特定の波長は、異なってもよい。例示として、図１７は、色収差を有するＲｘ側バルク撮像モジュール１５６０が青色光を開口面３６０上に集束させる実施形態のためのチャネル別補償マイクロ光学素子の例を示す。この例では、青色チャネル２０２Ｂは、補償マイクロ光学素子を使用しないが、（色収差のために）補償マイクロ光学素子がないと、他のチャネルのための所望の光波長の焦点は、開口面３６０を越えて位置し、再び、波長に依存する光損失量及び空間選択性をもたらす。これを補償するために、チャネル別補償マイクロ光学素子、この例では平凸レンズ１７５０Ｒ、１７５０Ｇ、及び１７５０Ｌを、赤チャネル２０６Ｒ、緑チャネル２０６Ｇ、及びＬＩＤＡＲチャネル２０２のチャネル開口部の前に配置することができる。この例では、平凸レンズは、入射光の発散を増加させる処方を有し、焦点を開口面３６０に向かう方向にシフトして、所与のセンサチャネルについて、センサチャネルが調節される色の光の焦点は、開口面３６０と一致する。前の例のように、各チャネルのチャネル別補償マイクロ光学素子は、特定のチャネルの焦点を開口面３６０上にもたらす異なる処方を有する。
【０１６８】
図１６及び１７の例では、光は、開口面に集束され、次いで、センサチャネル内の光学素子によってコリメートされる（例えば、図１Ａまたは１Ｂに示されるように）。別のオプションは、チャネル別波長で光をコリメートする、周囲光チャネルのチャネル別補償マイクロ光学素子を提供することである。図１８は、幾つかの実施形態で使用することができるコリメートチャネル別補償マイクロ光学素子を備えるセンサアレイ１８００の例を示す。この例では、基板アレイ１８００は、一般に、基板アレイ２００と同様であるが、各周囲光チャネルの開口１８１２Ｒ、１８１２Ｇ、１８１２Ｂは、チャネルと実質的に同じ幅である。（ＬＩＤＡＲチャネル１８０２の開口１８１２Ｌは、例えば、示されるように、より狭くすることができる。）この構成では、少なくとも周囲光チャネル１８０６Ｒ、１８０６Ｇ、１８０６Ｂについては、光学素子１３２（図１Ａまたは１Ｂに示される）は省略され得、それ以外は、上記の周囲光チャネル２０６Ｒ、２０６Ｇ、２０６Ｂと同様である。この配置では、周囲光チャネル１８０６Ｒ、１８０６Ｇ、１８０６Ｂを、ＬＩＤＡＲチャネル１８０２よりも小さくし、より密に詰めることができることに留意されたい。周囲光チャネルでは、狭いチャネル幅は、チャネル幅よりも狭い開口を必要とせずに空間選択性を提供することができるが、しかしながら、コリメーション角度が大きくなるため、バンドパスフィルタの幅の下限が大きくなる。
【０１６９】
図１６の例と同様に、Ｒｘ側バルク撮像モジュール１５６０は、ＬＩＤＡＲ動作波長（光線１８２２Ｌ）の光を開口１８１２Ｌに集束させる。より短い波長の光は、破線で示されるように、後面１８１４からの異なる距離に集束される。平凸レンズ１８５０Ｒ、１８５０Ｇ、１８５０Ｂは、それぞれ赤、緑、青の光の発散を減らし、色付きの線で示されるように、チャネルに入るときに所望の波長の光をコリメートする。前の例のように、異なる色チャネルのチャネル別補正マイクロ光学素子は、入射光の波長依存の焦点距離を補償する異なる処方を有する。
【０１７０】
これらの例は、例示的なものであり、限定的ではない。色収差を有するＲｘ側のバルク撮像モジュールは、任意の所望の波長の光を開口面上に集束させるように適合させることができ、他の波長に敏感であるチャネルは、開口の前に配置された波長別（またはチャネル別）の正（集束する）または負（デフォーカシング）の処方を備える補償マイクロ光学素子を有することができる。組み立てを容易にするために、センサアレイ内のすべてのチャネル（またはそのような素子を含むすべてのチャネル）の補償マイクロ光学素子を、同じ平面上（例えば、開口層の上）に配置することができる。補償マイクロ光学素子の特定の形状は、変化させることができ、例えば、所与のチャネルの補償マイクロ光学素子は、平凸レンズ、平凹レンズ、両凸レンズ、両凹レンズ、凸凹レンズ、自由形状レンズ、または複数のレンズの組み合わせを含むことができる。必要に応じて、様々なチャネルタイプに様々な形状を使用することができる。上記の例が示すように、所与のセンサアレイ内のすべてのセンサチャネルに、補正マイクロ光学素子を提供する必要はなく、幾つかの実施形態では、Ｒｘ側バルク撮像モジュールは、センサチャネルタイプのうちの１つの所望の波長を有する光が、チャネルの開口に集束されるように設計することができる。しかしながら、Ｒｘ側バルク撮像モジュールの特定の設計は必要ではなく、幾つかの実施形態では、例えば、システムが、補正が必要な光パワーを備える窓またはハウジングを含む場合、システム内のいずれの収差も補償するためのチャネル別補償マイクロ光学素子を有することができる。センサアレイは、例えば上記に説明したように、所与の波長に関連付けられた複数のセンサチャネルを含むことができる。幾つかの実施形態では、同じチャネルタイプ（例えば、波長範囲）の異なるセンサチャネルを、同一に設計することができるので、補償マイクロ光学素子処方は、チャネルタイプごとに一度だけ決定される必要がある。
代替的に、異なるチャネルが、Ｒｘ側バルク撮像モジュールに対して異なる場所にあり、光学モジュール内の収差効果（色収差を含む）が、モジュールの光軸からの距離に依存し得るため、各チャネルの補償マイクロ光学素子を個別に設計することが望ましい場合がある。いずれの場合も、特定のチャネル設計及びＲｘ側バルク撮像モジュールの特定の設計に従来の光学モデリング技術を適用することにより、所与のチャネル別補償マイクロ光学素子に対する適切な処方を決定することができる。
【０１７１】
チャネル別補償マイクロ光学素子は、関連する波長で光学的に透明な任意の材料から製造することができる。成形または他のプロセスを使用して、マイクロ光学素子を成形することができる。幾つかの実施形態では、センサアレイのすべてのチャネルのマイクロ光学素子は、チャネルごとのマイクロ光学素子を画定する表面特徴（例えば、局所的に凸状または凹状の曲率の領域）を有する単一の構造として製造され、モノリシックセンサアレイの他の層と組み立てられ得る。更に、チャネル別マイクロ光学素子の処方は、色収差に限らず、バルク光学素子の任意の光学特性に基づいて選択することができる。チャネル別マイクロ光学素子を使用して、バルク光学素子の焦点面曲率を補償する例を以下に説明する。
【０１７２】
２．３．アクロマティックバルク光学素子
幾つかの実施形態では、チャネルごとの補償マイクロ光学素子は、省略され得る。例えば、バルク光学モジュールの色収差は、ごくわずかである（またはまったくない）ため、関連するすべての波長の光は、同じ開口面に集束される。アクロマティックバルク光学モジュールは、マルチスペクトルセンサチャネル（例えば、センサアレイ５００）及び／またはハイブリッドセンサチャネル（例えば、センサアレイ６００）を含むセンサアレイ、ならびに光センサの幾つかが開口面（例えば、センサアレイ９００）に配置されるセンサアレイに特に有用であり得る。
【０１７３】
図１９は、開口面３１０内のすべての色を集束させるアクロマティックバルク光学モジュールを備えるシステムにおけるセンサアレイ２００の例を示す。この例では、チャネルごとの補正マイクロ光学素子は使用されない。広い通過帯域を備えるチャネル（例えば、チャネル２０６Ｒ／Ｇ／Ｂ）の場合、光フィルタは、チャネル内のどこにでも位置することができる。偏光チャネル（図示せず）の場合、１または複数の偏光回折格子を、スタック（例えば、光学フィルタ層）または下にあるＡＳＩＣ光センサ（複数可）の金属層に含めることができる。
【０１７４】
図２０は、開口面２０１０内のすべての色を集束させるアクロマティックバルク光学モジュールを備えるシステムにおけるセンサアレイ２０００の別の例を示す。この例では、ＬＩＤＡＲセンサチャネル２００２及び周囲光センサチャネル２００４Ｒ、２００４Ｇ、２００４Ｂは、並べて配置された別個のモノリシックデバイスとして製造される。各センサチャネル２００２、２００４Ｒ／Ｇ／Ｂは、同じ開口面２０１０に位置する開口２０１２Ｌ、２０１２Ｒ／Ｇ／Ｂを有する。ＬＩＤＡＲセンサチャネル２００２には、コリメート光学素子２０２０が含まれる。この例における周囲光センサチャネル２００４Ｒ／Ｇ／Ｂには、コリメート光学素子は含まれていない。代わりに、非屈折光学素子（例えば、光ガイド）を使用して、チャネルを通して、光を光センサ２０３０Ｒ、２０３０Ｇ、２０３０Ｂに向けることができる。広い通過帯域の場合、色フィルタは、チャネルのどこにでも配置することができる。単一のセンサタイプを有するセンサチャネルについて示されるが、非屈折光学素子を備えるチャネル構成は、マルチスペクトルセンサチャネル（例えば、図５のマルチスペクトルセンサチャネル５０６）またはハイブリッドセンサチャネル（例えば、図６のハイブリッドセンサチャネル６０２）にも有用であり得る。
【０１７５】
２．４．焦点面曲率を補償するマイクロ光学素子
上記の例は、光がバルク光学モジュールを通過する場所に関係なく、バルク光学モジュールが（所与の波長の）光を（平坦な）画像平面に集束させることを想定する。上に示した例（例えば、図１９及び２０）では、画像平面は、開口面と一致する。
【０１７６】
幾つかの実施形態では、バルク光学モジュールは、所与の波長の光を、平面ではなく曲面（「湾曲した焦点面」と呼ばれる）に集束させることができる。これが当てはまる場合、上記の例と同様のチャネルごとのマイクロ光学素子を使用して、各開口の場所での湾曲した焦点面と（平坦な）開口面との間のオフセットを補償することができる。図２１は、幾つかの実施形態で使用することができるバルク光学モジュールの焦点距離を補正するためのチャネルごとのマイクロ光学素子の例を示す。センサアレイ２１００は、平面に配置されたセンサチャネル２１０２の行を有する。（例示を簡単にするために一次元センサアレイが示されており、同じ原理が二次元センサアレイにも当てはまることを理解されたい。）平面開口層２１０４は、開口２１０６を有し、各開口２１０６が対応するセンサチャネル２１０２に光を通過させるように配置される。この例では、バルク光学モジュール２１０８は、点線２１１０によって表される湾曲した焦点面を有する。各開口２１０６の前には、焦点面２１１０の曲率を補償するチャネル別マイクロ光学素子２１１２がある。例えば、各チャネル別マイクロ光学素子２１１２は、光が、対応する開口２１０６に（開口２１０６の前または後ろよりも）集束されるように、対応する開口２１０６の場所と湾曲した焦点面２１１０上の対応する場所との間のオフセットを補正する処方を有することができる。この例では、開口２１０６のほとんどについて、湾曲した焦点面２１１０上の対応する場所は、平面開口層２１０４の前にあり、対応するチャネル別マイクロ光学素子２１１２は、正の集束力を有する。この例では、異なるチャネル別マイクロ光学素子２１１２の集束力の大きさは、バルク光学モジュール２１０８の光軸２１１４からの半径方向距離ｒと共に増加する。他の例（図示せず）では、湾曲した焦点面２１１０は、開口場所２１０６の一部またはすべてにおいて平面開口層２１０４の後ろにあり得、任意の特定のチャネル別マイクロ光学素子２１１２は、必要に応じて正または負の集束力を有することができる。幾つかの実施形態では、バルク光学モジュール２１０８の湾曲した焦点面２１１０は、１または複数のセンサチャネルの開口面と一致し得、そのようなセンサチャネルのチャネル別マイクロ光学素子２１１２は、省略され得るか、またはゼロの集束力を備えるマイクロ光学素子が提供され得る。
【０１７７】
図２２は、チャネル別マイクロ光学素子を備える受信（Ｒｘ）モジュール２２００の別の例を示す。Ｒｘモジュール２２００は、上記の図１５のＲｘモジュール１５４０と同様であり得、センサチャネルタイプの任意の組み合わせを含むことができる。例えば、すべてのチャネル２２０２は、ＬＩＤＡＲセンサチャネルであり得、すべてのチャネルは、周囲光センサチャネルであり得、すべてのチャネル２２０２は、ハイブリッドセンサチャネルであり得るか、または異なるセンサチャネルタイプの組み合わせが存在し得る。この例では、チャネル別マイクロ光学素子２２０４が、バルク光学モジュール２２０８の焦点面の曲率を補償するために、開口面２２０６の前に提供される。図２１の例のように、チャネル別マイクロ光学素子２２０４の処方は、バルク光学モジュール２２０８の焦点面の曲率に対応する、光軸からの半径方向距離の関数であり得る。この例では、チャネル別マイクロ光学素子２２０４は、光軸からの半径方向の距離と共に増加する正の集束力を有するが、しかしながら、上記のように、チャネル別マイクロ光学素子２２０４の一部またはすべては、負またはゼロの集束力を有することができる。
【０１７８】
幾つかの実施形態では、焦点距離を補正するチャネル別マイクロ光学素子を、ＬＩＤＡＲトランスミッタアレイ及びセンサアレイで使用することができる。図２３は、チャネル別マイクロ光学素子を備える送信（Ｔｘ）モジュール２３００の例を示す。Ｔｘモジュール２３００は、上記の図１５のＴｘモジュール１５１０と同様であり得、エミッタチャネル２３０２の１Ｄまたは２Ｄアレイを含むことができる。この例では、チャネル別マイクロ光学素子２３０４が、バルク光学モジュール２３０８の焦点面の曲率を補償するために提供される。図２１及び２２の例のように、チャネル別マイクロ光学素子２３０４の処方は、バルク光学モジュール２３０８の焦点面の曲率に対応する、光軸からの半径方向距離の関数であり得る。
【０１７９】
これらの例は、例示的なものであり、限定的ではない。例えば、上記の例では、チャネル別マイクロ光学素子の処方（集束力）は、バルク光学素子の焦点面の曲率を補償するように変化する。他の実施形態では、同様のチャネルごとの補償は、同じ処方、及びチャネル別マイクロ光学素子と開口面との間の可変スタンドオフ距離を備えるチャネル別マイクロ光学素子を使用することによって達成することができ、スタンドオフ距離は、光軸からの半径方向の距離に基づくことができる。処方及びスタンドオフ距離を変化させることの組み合わせも使用することができる。
【０１８０】
バルク光学モジュールの焦点面の曲率を補償するチャネル別マイクロ光学素子は、マルチスペクトルセンサアレイ以外の状況で有用であり得ることを理解されたい。例えば、周囲光センサチャネルを含まないＬＩＤＡＲシステムも、バルク光学モジュールの焦点面曲率の補正に関連付けられたより鮮明な撮像の恩恵を受ける可能性がある。チャネル別マイクロ光学素子は、各モジュールに提供されるバルク光学素子の特性に応じて、トランスミッタモジュール、レシーバモジュール、またはその両方に組み込むことができる。周囲光センサチャネルのみを備える撮像システムも恩恵を受けることができ、送信モジュールの存在は、必須ではない。焦点面曲率を備えないバルクレンズシステムが、焦点面曲率を備えるバルクレンズシステムよりも、一般により大きく、より複雑であるため、バルク光学モジュールの焦点面曲率を補償するためのチャネル別マイクロ光学素子の使用は、バルク光学モジュールのコスト及び／またはサイズの削減を可能にし得る。
【０１８１】
マルチスペクトルセンサアレイ（例えば、上記の例のいずれか）またはバルク光学モジュールが色収差及び焦点面曲率を示す他のシステムの幾つかの実施形態では、任意の所与のチャネルのチャネル別マイクロ光学素子を、両方の効果を補償して、所与のチャネルの所望の波長の光が開口面に集束されるように設計することができる。より一般的には、チャネル別マイクロ光学素子は、アレイ内の異なる位置にあるチャネルに対して異なる効果を有するバルク光学モジュールの任意の光学特性（または光学特徴）を補償するように設計された処方を有することができる。
【０１８２】
２．５．物体空間の均一なサンプリング
本明細書に記載の種類のセンサアレイは、各々が異なるタイプのセンサから得られたデータを含むマルチスペクトル画像ピクセルから構成される画像を生成する様々な測距／撮像システムに組み込むことができる。そのような画像は、センサシステムの視野（「物体空間」とも呼ばれる）の均一なサンプリングを表すことが望ましい場合がよくある。具体的には、行及び列に配置することができる物体空間（本明細書では「物体空間ピクセル」と呼ぶ）のサンプリング領域の規則的な「グリッド」を画定し、センサシステム及びその動作を画像ピクセルのグリッドを生成するように設計することが望ましく、各ピクセルは、センサアレイ内の各センサタイプによって撮像された単一の物体空間ピクセルに対応する。測距／撮像システムの幾つかの実施形態では、バルク光学素子は、物体空間のこの均一なサンプリングをサポートするように設計される。
【０１８３】
２．５．１．静的システムの光学素子
幾つかの実施形態では、上記の種類のマルチスペクトルセンサアレイは、「静的」測距／撮像システムで使用され得る。そのようなシステムは、２Ｄセンサアレイ（例えば、上記のセンサアレイ６００またはセンサアレイ９００）を組み込み、以下に説明するように、アレイを動かさずにセンサアレイの表面上の画像を取得する。そのようなシステムの画像ピクセルは、ハイブリッドセンサチャネル（例えば、ハイブリッドセンサチャネル６０２）またはマルチスペクトルピクセル（例えば、マルチスペクトルピクセル１０２０）に対応することができる。このようなアレイは、バルク撮像光学素子に局所的な歪みがない場合、物体空間を均一にサンプリングすることができる。幾つかの実施形態では、フラットフィールド焦点距離歪みプロファイルの使用が望ましい場合があり、その結果、光は、アレイ全体にわたって開口面に集束される。
【０１８４】
２．５．２．スキャンシステムの光学素子
幾つかの実施形態では、上記の種類のマルチスペクトルセンサアレイを、角度スキャンまたは回転モードで使用して、センサアレイの行内の異なるセンサチャネルが、視野内の特定の領域を連続して撮像する（すなわち、視野内の特定の領域からの光子を感知する）。スキャン操作の例を以下に説明する。この説明の目的のために、スキャン操作中に、センサシステムは、行に直角である軸の周りを回転し、センサシステムが異なる角度で回転するときに、センサチャネルは、動作すると想定される。（例えば、ＭＥＭＳミラーを使用して、物体空間の異なる領域からの光を、異なる時間にアレイ上に反射させることにより、センサアレイを移動せずに、スキャン挙動を実現することができることも理解されたい。）センサアレイ及びバルク光学モジュールは、センサシステム内で互いに固定された関係に保持されるため、所与のセンサチャネルは、空間内のシステムの配向に関係なく、バルク撮像光学素子の光軸に対して固定された空間的関係を有し、バルク光学モジュールの同じ部分を通して「見る」ことも想定される。
【０１８５】
画像分析を単純化するために、スキャンセンサシステムが物体空間を均一にサンプリングすることが一般に望ましい。この状況では、物体空間ピクセルのグリッドは、スキャン方向に沿った行及びスキャン方向に直角な方向の列で配置されると考えらる。スキャン方向では、同じ行内の異なるセンサチャネル（例えば、図２のセンサアレイ２０２の同じ行２０４内のすべてのセンサチャネル）が、センサアレイが回転するときに、同じ物体空間ピクセルを（幾分異なる時間に）サンプリングすることが望ましい。これは、以下に説明するように、サンプリング間隔をセンサアレイの回転と調整することによって部分的に達成することができる。ただし、バルク光学モジュールの光軸に対する異なるセンサチャネルの場所の相違によるポインティングエラーを回避することも重要である。したがって、幾つかの実施形態では、スキャンセンサシステム内のセンサアレイと共に使用されるバルク光学モジュールは、スキャン方向及び非スキャン方向の両方で均一なサンプリングを提供するように設計される。
【０１８６】
図２４Ａ及び２４Ｂは、センサアレイを使用するスキャンシステムにおけるポインティングエラーの可能性を示す簡略概念図である。図２４Ａは、均一に離間されたセンサチャネル２４０２ａ〜２４０２ｄを有するセンサアレイ２４００の行を示し、これは、例えば、図２のセンサアレイ２００の行２０４内のセンサチャネルに対応し得る。各センサチャネルは、破線で示されるように、バルク光学素子２４１０を通るチャネル視野を有する。
楕円形の２４０４ａ〜２４０４ｄで示される均一に離間された物体空間ピクセルは、センサチャネル２４０２ａ〜２４０２ｄのチャネル視野と位置整合される。図２４Ｂは、センサチャネル２４０２ａが、ほぼ物体空間ピクセル２４０４ｂを指すような角度で回転した後のセンサアレイ２４００を示す。センサチャネル２４０２ｂは、物体空間ピクセル２４０４ｃの左側を指し、センサチャネル２４０２ｃは、ほぼ物体空間ピクセル２４０４ｄを指す。
【０１８７】
図２４Ｂに見られるように、ポインティングエラーが存在する。例えば、センサチャネル２４０２ｂの視野は、物体空間ピクセル２４０４ｃを指しておらず、センサチャネル２４０２ｃの視野は、物体空間ピクセル２４０４ｄと正確に位置整合されていない。「ピクセル内ポインティングエラー」という用語は、本明細書では、同じ物体空間ピクセルに名目上向けられるセンサチャネル間の視野の相違を指すために使用される。（これらの相違は、物体空間ピクセルに関して「ピクセル内」である。）幾つかの実施形態では、マルチスペクトルピクセルデータを収集する場合、ピクセル内ポインティングエラーを制御することが望ましい。
【０１８８】
ピクセル内ポインティングエラーに加えて、センサシステムは、「ピクセル間ポインティングエラー」を有し得、これは、行（スキャン）方向または列（非スキャン）方向の物体空間ピクセル間の不均一な間隔を指す。スキャンセンサシステムでは、スキャン方向のピクセル間隔の均一性は、センサシステムの回転角に対してシャッター間隔を制御することによって（例えば、以下に説明するように）、及びピクセル内ポインティングエラーを制限することによって達成することができる。非スキャン方向では、列に沿った物体空間ピクセルが均等に離間され、物体空間の列が画像空間の列にマッピングされることが望ましい。これに関連して、幾つかのセンサアレイ（例えば、センサアレイ２００）は、千鳥センサチャネル（例えば、ＬＩＤＡＲチャネル２０２）のセットを含み得ることにも留意されたい。この場合、アレイをスキャンし、シャッター間隔を制御して、列配置を作成することにより、物体空間ピクセルの単一の列を撮像することができる。例えば、センサアレイ２００の場合、１６個のセンサチャネル２０２がセンサアレイ２００上の列に位置整合されていなくても、画像の列は、１６個のピクセルを有することができる。
【０１８９】
所望の撮像挙動は、幾つかの実施形態において、光線の変位が光線の入射角（θ）の接線の変化に対して線形である焦点距離歪みプロファイルを有するバルク光学モジュールを提供することによって達成される。このタイプの焦点距離歪みプロファイルを備えるレンズ（またはレンズシステム）は、一般に「Ｆｔａｎθ」レンズ（画像平面での変位距離がｔａｎθの線形関数であることを意味する）または「フラットフィールド」レンズと呼ばれる。小さい角度θの場合、Ｆｔａｎθレンズは、画像平面（つまりセンサアレイ）上の光線の変位が、光線の入射角（θ）の変化に対してほぼ線形であるという特性を有する。スキャン方向では、これにより、ピクセル内ポインティングエラーを低減するという所望の挙動が提供される。非スキャン方向では、これにより、均一なピッチで離間されたセンサ行の物体空間での均一なサンプリングが提供され、また、センサが千鳥状に配置されている場合でも、物体空間ピクセルの列を画像空間ピクセルの列にマッピングすることを可能にする。
【０１９０】
図２５は、Ｆｔａｎθバルク光学モジュールを使用する撮像システムの例を例解する。画像平面２５０２は、均一な距離ｐ（本明細書では「線形ピッチ」とも呼ばれる）だけ離されたセンサ２５０４ａ〜ｇの行を含む。センサ２５０４ａ〜ｇは、例えば、上記のマルチスペクトルセンサアレイのいずれかにおけるセンサチャネルの行（または行の一部分）、または所与の方向からの光子を検出する他のセンサであり得る。バルク光学モジュール２５０６は、画像平面２５０２の上に距離ｆだけ置いて位置付けられ、ｆは、バルク光学モジュール２５０６の焦点距離である。この例では、バルク光学モジュール２５０６は、単一の両凸レンズとして表されているが、しかしながら、他のレンズまたはマルチレンズシステムが使用され得ることを理解されたい。
【０１９１】
バルク光学モジュール２５０６は、視野（または物体空間）からの光を画像平面２５０２に集束するように設計することができる。例えば、光線２５２０ａ〜２５２０ｇは、センサ２５０４ａ〜２５０４ｇの主光線を示す。（バルク光学モジュール２５０６を通る光の実際の経路は示されていないことを理解されたい。）
【０１９２】
バルク光学モジュール２５０６は、Ｆｔａｎθ焦点距離歪みプロファイルを有する。（当業者は、このプロファイルを有するバルク光学モジュールを作成する方法を理解し、詳細な説明は省略される。）その結果、少なくとも小さな角度の場合、光線の入射角の均一な変化は、元の入射角に関係なく、屈折した光線が画像平面と交差する点を均一の距離だけシフトさせる。例えば、光線２５２０ａ、２５２０ｂの場合、入射角の差はαであり、光線２５２０ａ、２５２０ｂは、画像平面で線形ピッチｐだけ離されている。光線２５２０ｂ、２５２０ｃもまた、αの入射角の差を有し、対応する屈折光線２５２０ｂ、２５２０ｃもまた、画像平面で線形ピッチｐだけ離されている。したがって、画像平面２５０２及びバルク光学モジュール２５０６が一緒に角度αだけ回転される場合、点２５３０ａから発生する光線２５２０ａは、（ほぼ）センサ２５０４ｂの主光線になり、一方、点２５３０ｂから発生する光線２５２０ｂは、（ほぼ）センサ２５０４ｃの主光線になる、など。画像平面での直線ピッチｐに対応する回転角αは、本明細書ではスキャンシステムの「角度ピッチ」と呼ばれ、αの値は、センサピッチｐ及びバルク光学モジュールの特性に基づいて決定される。角度αを通ってシステムをスキャンすると、入射光線が１つの線形ピッチ単位ｐだけシフトするような角度ピッチαを、バルク光学モジュールが提供するスキャン測距／撮像システムでは、ある行内の異なるセンサチャネルは、タイムステップのシーケンスで画像を取得することによって、視野の同じ部分を撮像することができ、センサアレイは、各タイムステップで角度ピッチαだけ（またはαがスキャンピッチの整数倍であるようなより小さい角度で）回転する。このタイプのスキャン動作の例については、以下で詳しく説明する。
【０１９３】
Ｆｔａｎθレンズを使用すると、ピクセル内ポインティングエラーを、ごくわずかなレベルに低減することができ、センサチャネルの視野のサイズに基づいて「ごくわずかな」を定量化することができる。図２６は、スキャンシステムの幾つかの実施形態において、定量化及び制約され得るピクセル内ポインティングエラーの例を示す。円２６０２は、物体空間ピクセルの名目上の場所を表し、点２６０４は、円２６０２の中心である。円２６１２（破線）は、名目上、円２６０２の方向に向けられたときに特定のセンサチャネルによってサンプリングされた視野を表す。図のように、円２６１２の中心点２６１４は、オフセット量εだけ、物体空間ピクセル２６０２の中心２６０４からオフセットされている。このオフセット量は、ピクセル内ポインティングエラーを定量化するために使用することができる。幾つかの実施形態では、センサ行内の任意の所与のセンサチャネルのオフセット量εが、チャネル視野の直径の５０％未満である場合、ピクセル内ポインティングエラーは、ごくわずかであると考えられる。他の実施形態では、例えば、ピクセル内ポインティングエラーが、チャネル視野の直径の１０％未満であるというより厳密な定義が使用される。所与のセンサシステムがこの制約を満たすかどうかは、例えば、テストパターンを撮像することによって決定することができる。他の定義も使用することができる。
【０１９４】
スキャンセンサシステムのバルク光学素子はまた、非スキャン方向にＦｔａｎθ焦点距離歪みプロファイルを有することもできる。したがって、図２５に示される例では、センサ２５０４ａ〜ｇはまた、上記のマルチスペクトルセンサアレイのいずれかにおけるセンサチャネルの列（または列の一部分）に対応するものとして理解することもできる。センサチャネルの列の一部またはすべてが千鳥に配置されている場合（例えば、図２のＬＩＤＡＲセンサチャネル２０２）、両方向にＦｔａｎθ焦点距離歪みプロファイルを有するバルク光学素子により、千鳥センサチャネル列が、スキャン操作を介して物体空間ピクセルの均一に離間された列をサンプリングすることを可能にし、同じ行内の異なるセンサチャネルがごくわずかなピクセル内ポインティングエラーを有することを可能にすることができる。
【０１９５】
Ｆｔａｎθバルク光学モジュールは、マルチスペクトルセンサアレイ以外の状況で有用であることに留意されたい。例えば、スキャンＬＩＤＡＲセンサアレイは、列に配置された千鳥ＬＩＤＡＲチャネルのアレイを含み得、これは、視野を撮像するためにスキャン／回転モードで動作され得る。そのようなシステムの例は、例えば、２０１７年８月２４日に出願された米国特許出願第１５／６８５，３８４号（米国特許出願公開第２０１８／００５９２２２号として公開）に記載されており、その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。Ｆｔａｎθバルク光学モジュールを使用して、千鳥アレイの異なる列に位置するセンサチャネルによって撮像された物体空間ピクセルを互いに垂直に（つまり、画像空間の列方向に）位置整合させることを提供し、及び／または列に沿ったサンプリングされた場所の均一な間隔を提供することができる。
【０１９６】
センサアレイ（マルチスペクトルまたはＬＩＤＡＲのみ）のバルク光学モジュールは、Ｆｔａｎθ焦点距離歪みプロファイルまたは他の特定の焦点距離歪みプロファイルを有する必要がないことを理解されたい。例えば、幾つかのレーザスキャンシステムで使用されるレンズは、変位が（ｔａｎ（θ）ではなく）θの線形関数であるような焦点距離歪みプロファイルを有し、そのようなレンズは、「Ｆθ」レンズと呼ばれることもある。小さな入射角θの場合、ｔａｎ（θ）は、θにほぼ等しく、Ｆθレンズは、ほぼ望ましい挙動を提供することができる。したがって、幾つかの実施形態では、バルク光学素子は、Ｆθ焦点距離歪みプロファイルを有することができる。更に、スキャン方向及び非スキャン方向の焦点距離歪みプロファイルは、同じである必要はない。
【０１９７】
幾つかの実施形態では、センサアレイの異なるセンサによってサンプリングされた領域のサイズまたは場所の不均一性は、画像処理技術を使用して説明することができる。例えば、画像処理アルゴリズムは、バルク光学素子の歪みプロファイルが局所的な偏差（例えば、高周波雑音）の影響を受けない限り、魚眼歪みなどを伴う画像を解釈することができる。
【０１９８】
代替的に、センサチャネルは、物体空間の均一なサンプリング及び一貫したポインティング挙動が達成されるように、バルク光学素子の歪みプロファイルを補償するパターンで、直線アレイではなく不均一アレイに配置することができる。例えば、図２７は、バレル歪みを補償する不均一なアレイパターン２７５０を示す。センサチャネルは、例えば、頂点２７５２に配置することができる。（幾つかの頂点２７５２は、赤いドットとして強調表示されているが、センサチャネルは、任意の頂点２７５２に配置することができることを理解されたい。）この例では、隣接するセンサチャネル間の間隔は、アレイの中心に向かって増加する。図２８は、ピンクッション歪みを補償する不均一なアレイパターン２８６０を示す。センサチャネルは、例えば、頂点２８６２に配置することができる。この例では、隣接するセンサチャネル間の間隔は、アレイの中心に向かって減少する。
【０１９９】
より一般的には、特定のバルク光学素子の設計に基づいて、画像平面の歪みプロファイルをマッピングすることができ、サンプリング密度が物体空間で均一になるように、センサチャネルを不均一に配置することができる。（この技術は、センサアレイの設計及び製造を複雑にする可能性があり、センサアレイを特定のバルク光学素子に適合させる必要がある場合があることに留意されたい。）
【０２００】
更に、幾つかの実施形態では、シャッター間隔は、異なるセンサチャネルに対して個別に制御することができ、その結果、異なるセンサチャネルは、異なる時間に所与のピクセルのデータ収集を開始及び終了することができる。個々のシャッター制御を使用して、スキャン方向に沿った特定のチャネルのピクセル内ポインティングエラーを補償することができる。（これにより、センサ電子機器の設計が複雑になる可能性があることに留意されたい。）
【０２０１】
２．５．３．ラスタースキャンシステムの光学素子
幾つかの実施形態では、上記の種類のマルチスペクトルセンサアレイは、ラスタースキャンモードで使用され得る。ラスタースキャンモードでは、比較的少ない数のセンサチャネルを有するセンサアレイは、視野を２方向にスキャンして、センサチャネルの数よりも多いピクセル数を有する画像を生成することができる。便宜上、スキャン方向は、本明細書では「水平」及び「垂直」と呼ばれるが、しかしながら、当業者は、ラスタースキャンの空間的配向が任意であることを理解するであろう。ラスタースキャンは、ハイブリッドセンサチャネルの２Ｄアレイ（例えば、センサアレイ６００）もしくはマルチスペクトルピクセル（例えば、センサアレイ９００）を含むセンサアレイ、または列単位の方向にスキャンもする、行ベースのスキャンセンサアレイ（例えば、センサアレイ２００）を使用して実行することができる。
【０２０２】
図２９は、本発明の実施形態による、センサアレイを使用したラスタースキャンの例を示す。センサアレイ２９００は、通常のセンサグリッドに配置された幾つかのセンサチャネル２９０２を含む。この例では、センサグリッドは、３×３であるが、しかしながら、寸法は、必要に応じて変化させることができる。センサチャネル２９０２は、上記のセンサチャネルタイプのいずれかを含むことができる。矢印２９０４は、センサアレイ２９００の動作経路を示す。示されるように、センサアレイ２９００は、位置２９１２及び２９１４を含む視野２９２０内の一連の撮像位置を通って、水平線に沿って右に移動することができる。各撮像位置で、センサチャネル２９０２を動作させて、画像を捕捉することができる。水平線の終わり（位置２９１４）で、センサアレイ２９００は、例えば、センサアレイ２９００内の行数に基づくピッチ距離だけ、位置２９１６にシフトダウンして、次の画像を捕捉することができる。次に、センサアレイ２９００を左に移動して、次の水平線の画像を捕捉することができる。捕捉された画像は、視野２９２０全体をカバーするより大きな画像に累積することができる。
【０２０３】
センサアレイ２９００は、例えば、上記のマルチスペクトルセンサアレイのいずれかであり得る。センサアレイ２９００が２Ｄアレイ（例えば、センサアレイ６００またはセンサアレイ９００）である場合、センサアレイ２９００が水平スキャン線に沿って、連続する画像間を移動する距離は、図２９に示されるような均一、かつ重ならないサンプルを提供するために、アレイの水平サイズに基づくことができる。センサアレイ２９００が行ベースのアレイであり、行が水平スキャン線に沿って配向されている場合、水平スキャン線に沿った連続する画像間の距離は、チャネルピッチに等しくなり得、センサアレイの同じ行内の異なるセンサが、同じ物体空間ピクセルを撮像することを可能にする。スキャン線間の垂直方向のシフトは、アレイ内の行数に基づいて決定することができる。
【０２０４】
ラスタースキャンの動作パターンは、図２９に示すものとは異なる場合がある。例えば、「水平帰線」パターンを使用することができ、水平スキャン線の終わりに、センサアレイ２９００が左端に戻り、次の水平スキャン線にシフトダウンし、その結果、各水平スキャン線の画像が、同じ進行方向を使用して捕捉される。別の例として、行ベースのセンサアレイの場合、行を垂直方向に配向することができ、水平スキャン線間の垂直距離を、行内のチャネルピッチに等しくすることができる。（上述のように、「垂直」及び「水平」は、任意である。）ラスタースキャンは、アレイを二次元で物理的に移動させるか、またはラスターパターンで光を操縦することができるチップチルトミラーを備える光学系を提供することによって、実施することができる。
【０２０５】
ラスタースキャンシステムの幾つかの実施形態は、センサアレイ２９００と、視野２９２０の均一なサンプリングをサポートするバルク光学モジュールとを含むことができる。バルク光学モジュールが全体的な歪み（例えば、バレル歪みまたはピンクッション歪み）を導入する場合、結果として得られる視野２９２０の画像は、均一にサンプリングされない。例示として、図３０は、ピンクッション歪みを示すバルク光学素子を備えるセンサアレイを使用するラスタースキャンから生じ得る不均一なサンプリングパターンを示す。各グリッド３００１〜３００６は、ラスターパターンで異なる場所でセンサによって撮像された場所を表す。図に示すように、歪みは、局所的な偏差の影響を受ける。このタイプの局所的な歪みパターンは、その後の画像処理及び分析に大きな困難をもたらし得る（全体的なピンクッション歪みよりもはるかに困難である）。
【０２０６】
上記のように、Ｆｔａｎθ焦点距離歪みプロファイルを備えるバルク光学モジュールを使用すると、センサアレイ全体で均一なサンプリングを提供することができる。したがって、Ｆｔａｎθバルク光学モジュールは、ラスタースキャンシステムで使用することができる。代替的に、ラスタースキャンシステムのセンサアレイのセンサチャネルは、例えば、図２７及び２８を参照して上記で説明したように、バルク光学モジュールの歪みプロファイルを補償するように配置することができる。
【０２０７】
光学素子及び光学モジュールの前述の例は、例示的なものであり、変更及び修正が可能であることを理解されたい。更に、１つのタイプのセンサアレイに関連して示される光学素子はまた、他のタイプのセンサアレイでも使用することができる。例えば、アクロマティックバルク光学モジュールは、行ベース（または１Ｄ）及び２Ｄの両方のマルチスペクトルセンサアレイで使用することができる。アクロマティックバルク光学モジュールは、必要に応じて、Ｆｔａｎθ焦点距離歪みプロファイル、Ｆθ焦点距離歪みプロファイル、または異なるプロファイルを有することができる。同様に、色収差を備えるバルク光学モジュールは、必要に応じて、Ｆｔａｎθ焦点距離歪みプロファイル、Ｆθ焦点距離歪みプロファイル、または異なるプロファイルを有することができる。上記のように、アクロマティックバルク光学素子は、マルチスペクトルセンサチャネル及び／またはハイブリッドセンサチャネルを含むセンサアレイに望ましい場合があるが、しかしながら、これは、必須ではない。
【０２０８】
３．マルチスペクトルセンサアレイを備える測距／撮像システム
上記の種類のマルチスペクトルセンサアレイは、本質的に相互に登録され、深度情報（例えば、マルチスペクトルセンサアレイ内のＬＩＤＡＲセンサチャネルから抽出される）に登録される視野のマルチスペクトル画像（例えば、色画像、吸収画像、偏光画像、及び／または周囲光センサチャネルから抽出された他の画像）を提供する測距／撮像システムに組み込むことができる。マルチスペクトル測距／撮像システムの特定の実装は、特定のマルチスペクトルセンサアレイに部分的に依存する。例示のために、２つのタイプの測距／撮像システムについて説明する。本明細書で「角度スキャン」（「回転」または「スピニング」とも呼ばれる）測距／撮像システムと呼ばれる第１タイプは、異なる時間に、視野の異なる部分を指すようにセンサアレイ（及びそれに関連付けられた光学素子）を回転させるか、または制御可能な光学素子（例えば、ＭＥＭＳガルバノメータ）を使用して、異なる時間に、視野の異なる部分からの光をアレイ上に向ける。いずれの場合も、角度スキャンシステムは、同じアレイ上の異なるセンサチャネル（例えば、図２のセンサアレイ２００の列内の異なるセンサ）が、異なる時間に、視野内の所与の領域を撮像（そこからの光子を検出）することを可能にする。本明細書で「静的」（または「固体」）測距／撮像システムと呼ばれる第２タイプは、センサアレイの移動を伴わずに、複数のチャネルで視野を撮像することができる２Ｄマルチスペクトルセンサアレイを使用する。
【０２０９】
３．１．角度スキャン測距／撮像システム
図３１Ａは、本明細書に記載のセンサアレイを組み込む角度スキャン（例えば、回転またはスピニング）撮像／ＬＩＤＡＲシステム３１００の自動車用途の例を示す。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、列車などの他のタイプの車両で、ならびに医用撮像、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、林学、大気物理学、レーザ誘導、空中レーザスワスマッピング（ＡＬＳＭ）、及びレーザ高度計などの、スペクトル画像に空間的及び一時的に登録されている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。幾つかの実施形態によれば、スキャン撮像／ＬＩＤＡＲシステム３１００は、示されるように、車両３１０５の屋根上に取り付けることができる。他の実施形態では、１または複数のＬＩＤＡＲセンサ及び／または撮像センサを、車両の前部または後部、車両の側部及び／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場所に取り付けることができる。
【０２１０】
図３１Ａに示されるスキャン撮像／ＬＩＤＡＲシステム３１００は、図１５の送信モジュール１５１０などのレーザパルスを放出するための光源モジュール３１０２、及び／または図１５の受信モジュール１５４０などの光感知モジュール３１０４を組み込むことができ、これは、ＬＩＤＡＲセンサチャネル及び周囲光センサチャネルの両方を含むセンサアレイ（例えば、上記のマルチスペクトルセンサアレイのいずれか）を組み込むことができる。幾つかの実施形態では、光送信モジュール３１０２は、光感知モジュール３１０４と同じハウジング内に配設することができる。
【０２１１】
スキャン撮像／ＬＩＤＡＲシステム３１００は、スキャンアーキテクチャを採用することができ、ＬＩＤＡＲ光送信モジュール３１０２及び光感知モジュール３１０４の配向は、車両３１０５の外部にある外部フィールドまたはシーン内の１または複数の視野３１１０（例えば、幾つかの実施形態では３６０度の視野）の周りをスキャンすることができる。スキャンアーキテクチャの場合、放出光３１１２は、示されるように周囲環境にわたってスキャンされ得る。例えば、スキャン撮像／ＬＩＤＡＲシステム３１００内に位置する１または複数の光源（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、例えば回転することができる。幾つかの実施形態では、回転矢印３１１５によって表されるスキャンは、機械的手段、例えば、光エミッタ及びセンサ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。幾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または複数のＭＥＭＳベースの反射器を用い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。エミッタの場合、そのようなミラーサブシステムは、異なる時間に視野の異なる部分上に光を向けるように制御することができ、センサの場合、そのようなミラーサブシステムは、異なる時間に、視野からの光をセンサアレイの異なる部分上に向けるように制御することができる。幾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または複数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。
【０２１２】
シーン内の物体（例えば、物体３１１０）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または複数の反射部分が撮像／ＬＩＤＡＲシステムに戻り、検出器回路によって検出され得る。例えば、反射部分３１１４は、光センサモジュール３１０４によって検出することができる。更に、周囲光３１１６は、検出器回路３１０４に入ることができる。
【０２１３】
図３１Ｂは、幾つかの実施形態による、スキャン撮像／ＬＩＤＡＲシステム３１００の構造の簡略化された例を示す側面図である。スキャン撮像／ＬＩＤＡＲシステム３１００は、例えば、車両３１０５の屋根に取り付けることができる固定ベース３１２０を含むことができる。エミッタモジュール（Ｔｘ）３１０２及び光センサモジュール（Ｒｘ）３１０４を保持する回転ハウジング３１２２は、固定ベース３１２０に回転結合することができる。
【０２１４】
図３２は、幾つかの実施形態による、回転画像／ＬＩＤＡＲシステム３２００（例えば、図３１のスキャン撮像／ＬＩＤＡＲシステム３１００を実装する）のブロック図を例解する。回転撮像／ＬＩＤＡＲシステム３２００は、任意で、無線データ及び電力の送信能力及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。幾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、無線電力及びデータ転送の能力を具備している。
【０２１５】
図３２に示される回転撮像／ＬＩＤＡＲシステム３２００は、２つの主要モジュール、すなわち、光測距／撮像（Ｒ／Ｉ）デバイス３２２０及び回転アクチュエータ３２１５を含む。また、回転撮像／ＬＩＤＡＲシステム３２００は、ユーザインターフェースハードウェア及びソフトウェア３２０５の１または複数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及びソフトウェア３２０５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、及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及びソフトウェア３２０５は、回転撮像／ＬＩＤＡＲシステム３２００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ってもよい。例えば、回転撮像／ＬＩＤＡＲシステム３２００への／からのコマンド及びデータは、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（Ｗｉ−Ｆｉ、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。
【０２１６】
ユーザインターフェースハードウェア及びソフトウェア３２０５は、デバイスからのＬＩＤＡＲデータをユーザに提示し、及び／またはユーザまたは上位のプログラムが、１または複数のコマンドで回転撮像／ＬＩＤＡＲシステム３２００を制御することを可能にすることができる。コマンドの例として、撮像／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、及び他の動作パラメータ（例えば、放出パルスパターン及び信号処理）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。加えて、コマンドは、ユーザまたは上位のプログラムが、結果を表示または解釈するための方法を選択することを可能にする。ユーザインターフェースは、撮像／ＬＩＤＡＲシステムの結果を表示することができ、これには、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、及び／または一部またはすべてのピクセルについての他の光測定値の表示が含まれる。ＬＩＤＡＲピクセルの他の光測定の例には、周囲雑音強度、リターン信号強度、キャリブレーションされたターゲット反射率、ターゲット分類（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、ターゲット視線速度、リターン信号の時間パルス幅などが含まれる。幾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及びソフトウェア３２０５は、車両からの物体の距離（近接）を追跡し、及び／または周囲光センサチャネルから決定された視覚的特徴を分析することができる。視覚的特徴及び距離情報に基づいて、ユーザインターフェースハードウェア及びソフトウェアは、例えば、視野内の物体を特定及び追跡し、潜在的に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そのような追跡情報を提供することができる。
【０２１７】
幾つかの実施形態では、撮像／ＬＩＤＡＲシステムは、車両制御ユニット３２１０と通信することができ、車両の制御に関連付けられた１または複数のパラメータは、受信されたＬＩＤＡＲデータ及び／または周囲光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、撮像／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ハイパースペクトル画像を提供することができる。他の場合では、撮像／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ハイパースペクトル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３２１０が光測距／撮像デバイス３２２０に通信可能に結合されるとき、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及び／または表示することができる。
【０２１８】
光測距／撮像デバイス３２２０は、光感知モジュール３２３０、光送信モジュール３２４０、及び光測距／撮像システムコントローラ３２５０を含む。光センサモジュール３２３０は、上記の光感知モジュール１５４０と同様であり得、図２のセンサアレイ２００または図４のセンサアレイ４００などのセンサアレイを含むことができる。光送信モジュール３２４０は、上記の光送信モジュール１５１０と同様であり得る。回転アクチュエータ３２１５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３２６０（本明細書ではベースサブシステムとも呼ばれる）、及び上部回路基板アセンブリ３２８０（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。下部回路基板アセンブリ３２６０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できる一方、上部回路基板アセンブリ３２８０は、通常は、筐体にも（直接的または間接的に）取り付けられたシャフト（図３２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／撮像デバイス３２２０は、回転可能な上部回路基板アセンブリ３２８０に機械的に取り付けられることができ、したがって、ハウジング内で自由に回転する。
【０２１９】
図３２は、光測距／撮像デバイス３２２０及び回転アクチュエータ３２１５内のコンポーネントの１つの特定の配置を示すが、幾つかの実施形態では、特定のコンポーネントは、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／撮像システムコントローラ３２５０は、上部回路基板アセンブリ３２８０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、幾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／撮像デバイス３２２０内に統合されることができ、逆もまた同様である。
【０２２０】
回転アクチュエータ３２１５は、下部回路基板アセンブリ３２６０及び上部回路基板アセンブリ３２８０の１または複数のプリント回路基板上に統合された幾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３２１５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、及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３２８０上の１または複数の回路素子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３２６０上の１または複数の回路素子を含む各ペアとの協調回路素子のペアによって形成される。以下でより詳細に説明するように、相補的機能は、例えば、電力及び／またはデータ通信信号の送信（Ｔｘ）及び受信（Ｒｘ）を含む。
【０２２１】
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３２６０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３２６２と、上部回路基板アセンブリ３２８０のプリント回路基板上に統合されたロータアセンブリ３２８２と、を含む。ロータアセンブリ３２８２の回転は、モータドライバ回路３２６４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。幾つかの実施形態では、１または複数のモータ制御線が、モータドライバ回路をステータアセンブリ３２６２のコイルに接続して、駆動信号をモータステータに提供することを可能にする。更に、モータドライバ回路３２６４は、ベースコントローラ３２６６がロータアセンブリの回転速度、それゆえ、光測距／撮像デバイス３２２０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３２６６に電気的に接続され得る。
【０２２２】
幾つかの実施形態では、ロータアセンブリ３２８２は、１０〜３０Ｈｚの速度で回転することができる。幾つかの実施形態では、ロータアセンブリ３２８２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、下部回路基板アセンブリ３２６０に対する上部回路基板アセンブリ３２８０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３２８０の回転方向は、ロータリエンコーダ３２７４上の１または複数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３２９４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。幾つかの実施形態では、ロータリエンコーダ３２７４は、下部回路基板アセンブリ３２６０の回路基板の表面に直接統合される。
【０２２３】
回転アクチュエータ３２１５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３２７２及び無線電力レシーバ３２９２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３２７２から無線電力レシーバ３２９２に送信された電力は、光測距／撮像デバイス３２２０、及び／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。幾つかの実施形態では、光測距／撮像デバイス３２２０が必要とするすべての電力は、無線電力レシーバ３２９２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。
【０２２４】
回転アクチュエータ３２１０はまた、幾つかの光トランスミッタ（例えば、光トランスミッタ３２７８及び３２９６）と、回転アクチュエータ３２１５と光測距／撮像デバイス３２２０との間の（または回転アクチュエータ３２１５の上部回路基板アセンブリ３２８０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幾つかの光レシーバ（例えば、光レシーバ３２７６及び３２９８）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、撮像／ＬＩＤＡＲシステム３２００の固定ベースの一部である下部回路基板アセンブリ３２６０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３２００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３２８０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／撮像デバイス３２２０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、測距及び運用データを含む光信号を、光測距／撮像デバイス３２２０からベースコントローラ３２６６、ユーザインターフェースハードウェア及びソフトウェア３２０５、及び／または車両制御ユニット３２１０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。
【０２２５】
上部回路基板アセンブリ３２６０から下部回路基板アセンブリ３２８０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３２９６と光ダウンリンクレシーバ３２７６との間に作成され得る。光測距／撮像デバイス３２２０は、上部回路基板アセンブリ３２８０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及び動作データを下部回路基板アセンブリ３２６０に渡すことができる。幾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及び角度についての複数の範囲）、方位角及び天頂角のデータ、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／撮像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３２８０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。
【０２２６】
下部回路基板アセンブリ３２６０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３２７８と光アップリンクレシーバ３２９８との間に作成され得る。幾つかの実施形態では、ベースコントローラ３２６６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／撮像デバイス３２２０に渡され得る。例えば、幾つかの実施形態では、ベースコントローラ３２６６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することができ、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／撮像デバイス３２２０に送出することができる。幾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及び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。
【０２２７】
１または複数の光パルスを光送信モジュール３２４０から光測距／撮像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／撮像デバイス３２２０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３２３０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。
【０２２８】
測距データに加えて、光測距／撮像デバイス３２２０は、周囲光に基づいて光強度データを生成することができる。例えば、光感知モジュール３２３０は、（例えば、上記のように）様々な波長帯域に調節された１または複数の周囲光センサチャネルを含むことができ、周囲光センサチャネルは、特定の時間間隔（本明細書では「シャッター間隔」と呼ばれる）中に検出されたチャネル波長帯域の光子をカウントするように動作することができる。特定のチャネルの光子カウントは、その波長帯域の光の強度を示す。他の周囲光センサチャネルを使用して、偏光（例えば、異なる配向の偏光チャネルによって検出された光子カウントの差を決定することによって）及び／または特定の波長での吸収（例えば吸収帯を含むより広い帯域に調節されたチャネルの光子の数に対する、吸収帯に調節された別のチャネルの光子の数と、吸収を示す吸収帯の欠如とを比較することによって）などの周囲光の他の特徴を測定することができる。
【０２２９】
光送信モジュール３２４０は、エミッタアレイ３２４２（例えば、上記のエミッタアレイ１５２０）及び送信（Ｔｘ）光学系３２４４（例えば、上記のＴｘ光学モジュールを含む）を含むことができる。光送信モジュール３２４０は、プロセッサ３２４６及びメモリ３２４８を更に含むことができるが、幾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／撮像システムコントローラ３２５０に組み込むことができる。幾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３２４８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。
【０２３０】
光感知モジュール３２３０は、センサアレイ３２３２及びレシーバ（Ｒｘ）光学系３２３４を含むことができる。センサアレイ３２３２は、例えば、センサアレイ２００またはセンサアレイ４００（または同様のセンサアレイ）の実装であり得、上記のように、ＬＩＤＡＲセンサチャネル（または他の測距センサチャネル）及び周囲光センサチャネルの両方を組み込んだセンサチャネルの行を含むことができる。
【０２３１】
上述のように、プロセッサ３２３６及びメモリ３２３８（例えば、ＳＲＡＭ）は、信号処理を実行することができる。測距センサチャネルに対す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３２３０のメモリ３２３８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３２３６は、ＳＰＡＤの飽和及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を適用し得る。周囲光センサチャネルの信号処理の例として、各光センサ、または光センサのグループについて、光感知モジュール３２３０のメモリ３２３８は、単一の時間間隔（本明細書では「シャッター間隔」と呼ばれる）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る。シャッター間隔は、例えば、測距センサチャネルの強度ヒストグラムを構築するために使用される時間ビンの総計の長さと同じくらいであり得るか、またはより長いまたはより短い時間間隔であり得る。シャッター間隔中に特定の周囲光センサチャネルによって累積された光子カウントは、その周囲光センサチャネルによって受信された光の強度を示すことができる。幾つかの実施形態では、プロセッサ３２３６は、信号処理技術、例えば、雑音を低減するため、及び／または強度測定値におけるチャネル間の変化量を補償するための較正ベースの補正を適用することができる。幾つかの実施形態では、測距／撮像システムコントローラ３２５０の１または複数のコンポーネントを、センサアレイ３２３２、プロセッサ３２３６、及びメモリ３２３８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。
【０２３２】
幾つかの実施形態では、プロセッサ３２３６からの出力は、さらなる処理のために測距／撮像システムコントローラ３２５０に送出される。例えば、データは、測距／撮像システムコントローラ３２５０の１または複数のエンコーダによってエンコードされ、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３２６０に送出され得る。測距／撮像システムコントローラ３２５０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３２５２をメモリ３２５４と共に使用すること、及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式で実現され得る。測距／撮像システムコントローラ３２５０は、ベースコントローラ３２６６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、光検出の開始及び停止を含み、光検出器パラメータを調節するコマンドを送出することにより、光感知モジュール３２３０を制御することができる。同様に、測距／撮像システムコントローラ３２５０は、発光の開始及び停止の制御と、（波長調節のための）エミッタ温度制御、エミッタ駆動電力及び／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３２６６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３２４０を制御することができる。
【０２３３】
エミッタアレイ３２４２が複数の独立した駆動回路を有する場合には、測距／撮像システムコントローラ３２５０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。幾つかの実施形態では、測距／撮像システムコントローラ３２５０は、光感知モジュール３２３０及び光送信モジュール３２４０とデータを交換するための１または複数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／撮像システムコントローラ３２２０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３２３０及び光送信モジュール１８４０と通信する。
【０２３４】
スキャン測距／撮像システムの特定の例が詳細に説明されているが、本開示にアクセスすることができる当業者は、二次元でラスタースキャンを実行するスキャン測距／撮像システムを含む他の実装が可能であることを認識するであろう。ラスタースキャン機構は、例えば、センサアレイを二次元で移動させるための電気モータ（例えば、直交軸に沿ったまたはその周りの線形または回転運動と組み合わされた１つの軸の周りの回転運動）、２つ以上の直交軸の周りで回転可能であるチップチルトミラーシステム、またはセンサアレイ及びミラーシステムの動作の組み合わせ（例えば、ラスタースキャン機構は、センサアレイを一方向に移動させ、ミラーを移動させて直交方向のスキャンを提供し得る）を含み得る。
【０２３５】
３．２．スキャン測距／撮像システムの動作
撮像動作の例では、光測距／撮像デバイス３２２０の回転（または他のスキャン）は、視野内の所与の場所が、センサアレイの行の各センサチャネルによって連続的に撮像されるように、シャッター間隔（ＬＩＤＡＲアクティブ感知間隔に対応し得る）と調整され得る。つまり、シャッター間隔間の時間は、隣接する画像ピクセル間の角距離を撮像／ＬＩＤＡＲセンサアレイの回転速度で割った値に基づくことができる。センサチャネルは空間内の同じ点を（わずかに異なる時間に）撮像するため、異なるチャネルから取得された画像間の登録は固有であり、物体の特定またはポイントマッピングアルゴリズムは必要ない。更に、撮像動作の速度が十分に速い場合、連続するチャネルでの撮像の間でほとんど変化が生じていないと想定することができ、画像は同じシーンに対応する。したがって、幾つかの実施形態では、センサアレイ２００またはセンサアレイ４００などの行ベースのセンサアレイは、広い視野（例えば、最大３６０度）にわたるマルチスペクトル撮像を可能にすることができる。
【０２３６】
図３３Ａ及び３３Ｂは、上記のセンサアレイ２００またはセンサアレイ４００と同様の撮像／ＬＩＤＡＲセンサアレイを使用する、撮像チャネル間の固有の登録を伴うマルチスペクトル撮像の例を例解する。図３３Ａは、スキャンされる視野３３００（例えば、３６０度の視野）を示す。例示のために、撮像プロセスの説明は、視野３３００内の特定の画像領域３３０２を参照するが、しかしながら、同じ原理は、視野３３００のすべての部分に適用することができる。
【０２３７】
図３３Ｂは、行ベースの撮像／ＬＩＤＡＲセンサアレイ（例えば、センサアレイ２００、４００、または５００のいずれか）を使用して、領域３３０２の本質的に登録された画像のセットを作成するスキャン動作における連続する段階でのデータ収集の進行を示す。この例では、センサアレイ（明示的には示されない）は、各センサ行内に、異なる色（または波長領域）に調節された５つの周囲光チャネル、及び１つのＬＩＤＡＲチャネルを有すると想定される。また、センサアレイの列内の周囲光センサチャネルは、均一な線形ピッチｐだけ離間され、撮像／ＬＩＤＡＲセンサアレイに提供されたバルク光学モジュールは、ピッチ角αを通った撮像／ＬＩＤＡＲシステムの回転が、視野をほぼ線形ピッチｐだけシフトするような（例えば、上記のように）Ｆｔａｎθ焦点距離歪みプロファイルを有すると想定される。
【０２３８】
第１時間（ｔ＝１）で、センサアレイは、第１シャッター間隔で動作する。各チャネルは、代表的な色付きのドット３３０５によって示されるように、領域３３０２内の異なる位置（または物体空間ピクセル）に対応するデータを収集する。例えば、ボックス３３０９によって示される物体空間ピクセルは、緑色のセンサチャネル３３０６Ｇによってサンプリング（または撮像）される。センサチャネルの実際の数は、図３３Ｂに示される色付きのドット３３０５の数よりも著しく大きくなり得、例えば、センサの行が５つを超えている場合があり、行の密度が表示されるものよりも著しく高い場合があることを理解されたい。
【０２３９】
時間ｔ＝２で、センサアレイは、ピッチ角αを通って移動し、これは、領域３３０２に対して、ライナーピッチｐに等しい距離だけ各チャネルを右にシフトし、色付きのドット３３０５は、１ピッチ右にシフトしている。このとき、センサアレイは、第２シャッター間隔で動作し、そこでは物体空間ピクセル３３０９が黄色のセンサチャネル３３０６Ｙによってサンプリングされる。（時間ｔ＝２以降の場合、白いドット３３０７は、前のシャッター間隔で、付きのドット３３０５に対応する少なくとも１つのセンサチャネルによってサンプリングされたが、現在、色付きのドット３３０５のいずれかに対応するチャネルによってサンプリングされていない場所を示す。）
【０２４０】
時間ｔ＝３で、センサアレイは、再び同じピッチ角αを通って移動し、各チャネルをもう１つのピッチだけ右にシフトし、時間ｔ＝３で、物体空間ピクセル３３０９がオレンジ色のセンサチャネル３３０６Ｏによってサンプリングされるようにする。同様に、時間ｔ＝４で、物体空間ピクセル３３０９は、赤色のセンサチャネル３３０６Ｒによってサンプリングされる。このように進めると、物体空間ピクセル３３０９（及び領域３３０２内の他の場所）は、ＬＩＤＡＲセンサチャネル３３１２を含む、センサアレイの特定の行内に存在するあらゆるセンサチャネルによって最終的にサンプリングされ得る。チャネルピッチは、小さくてもよく、３６０度回転あたりのサンプリング間隔の数は、大きくてもよく（例えば、１回転あたり１０２４、２０４８、または４０９６のサンプリング間隔）、図３３Ｂで示唆されるよりも高い画像解像度を提供することを理解されたい。物体空間ピクセルのサイズ及び形状は、センサアレイの行の間隔（及び視野のサイズ）によって非スキャン方向に決定され、連続するサンプリング動作間の角度によってスキャン方向に決定される。特定のシステム設計に応じて、物体空間ピクセルは、単純なアスペクト比（例えば、１：１または２：１など）を有することができ、画像処理及び画像分析を容易にすることができる。
【０２４１】
この例では、行内の隣接する周囲光センサチャネルは、異なるセンサを使用して捕捉された画像の固有の登録を容易にする均一なピッチｐを有する。示されるように、ＬＩＤＡＲセンサチャネル３３０２は、周囲光センサチャネルの均一なピッチよりも大きな間隔を有する。幾つかの実施形態では、ある行内のＬＩＤＡＲセンサチャネル３３１２と隣接する周囲光センサとの間の間隔は、周囲光センサチャネルの均一ピッチｐの整数倍であり得（例では、センサの最上行は、最も近い周囲光センサチャネルから２ｐだけ離間されたＬＩＤＡＲセンサチャネル３３１２を有する）、これにより、更に、ＬＩＤＡＲセンサチャネルと周囲光センサチャネルとの間の固有の登録が可能になる。（これは図３３Ｂに示される。）より一般的には、ある行内の異なるセンサチャネルからのデータは、センサチャネルの角度ピッチが、連続するシャッター間隔間の角度変位（または測定角度）の整数倍であるという条件で、視野内の同じ場所に本質的に登録され得、これは、撮像／ＬＩＤＡＲセンサアレイに提供されたバルク光学モジュールがＦｔａｎθ焦点長歪みプロファイルを有する場合である。この条件が満たされない実施形態では、撮像動作を実行することができ、異なるセンサチャネルからのデータを使用して、確実に登録された画像を生成することができる（異なるセンサチャネル間の空間的関係が固定されているため）が、しかしながら、画像処理は、より複雑になる可能性がある。
【０２４２】
幾つかの実施形態では、回転測距／撮像システムは、連続的に（例えば、１０〜３０Ｈｚの速度で）回転することができ、現在の回転角に基づいて、データ収集をいつ開始及び停止するかを決定することができる。例えば、図３２を参照して上で説明したように、回転アクチュエータ３２１５は、回転エンコーダ３２７４を含むことができ、回転エンコーダレシーバ３２９４は、上部回路基板アセンブリ３２８０（センサアレイ３２３２にしっかりと接続されている）の角度位置を追跡することができる。均一に離間された角度位置に対応するＭ「測定角度」のセットφi（ｉ＝１，２．．．Ｍの場合）は、整数Ｎの場合にφi−φi-1＝α／Ｎ（式中、αは、センサアレイのピッチ角である）となるように画定することができる。幾つかの実施形態では、Ｎ＝１である。測定角度の数字Ｍは、Ｍ＝３６０°／（α／Ｎ）（またはより一般的にはΘ／（α／Ｎ）として選択することができ、式中、Θは、スキャン中にセンサアレイが移動する角度である。一例では、回転エンコーダ３２７４は、２０４８ステップを有し、センサアレイ及びバルク光学モジュールは、α＝３６０°／２０４８となるように設計される。
【０２４３】
センサアレイ３２３２は、（光測距／撮像デバイス３２２０の残りの部分と共に）均一な角速度で連続的に回転することができ、ＬＩＤＡＲセンサチャネルは、信号を連続的に生成することができる。メモリ３２３８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、これを使用して、上記のように強度ヒストグラムを作成することができる。コントローラ（例えば、図３２のＲ／Ｉシステムコントローラ３２５０）は、エンコーダ位置が測定角のうちの１つφiに対応するときを示す信号を受信することができる。この信号は、「マーカー」信号とも呼ばれ、ＬＩＤＡＲセンサチャネルの連続する測定期間の間の境界を示す。この信号に応答して、メモリ３２３８に収集されたヒストグラムデータは、分析のためにデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）（例えば、プロセッサ３２３６）に送信することができ、これには、例えば、ヒストグラムデータにフィルタを適用して、反射されたＬＩＤＡＲパルスの受信の正確な時間を決定することが含まれ得る。同じ信号に応答して、メモリ３２３８は、次のヒストグラムのためにデータの累積を開始することができる。幾つかの実施形態では、メモリ３２３８は、光子カウントを格納するための専用の２つ（またはそれ以上）のバンクを含むことができ、代替の測定期間からの光子カウントデータを、代替のバンクに格納することができる。
【０２４４】
幾つかの実施形態では、マーカー信号はまた、周囲光センサチャネルのシャッター間隔を開始するためのトリガーとして使用することができる。シャッター間隔中、（シャッター間隔全体で累積された）単一の光子カウントは、各周囲光センサチャネルで受信された信号から決定することができる。各周囲光センサチャネルからの光子カウントは、ＬＩＤＡＲセンサチャネルからのヒストグラムデータと共にＤＳＰに送信することができる。シャッター間隔は、必要に応じて、測定期間と同じ期間、または異なる（例えば、より短い）期間を有することができる。幾つかの実施形態では、シャッター間隔は、例えば、１または複数の周囲光センサチャネルの現在の光レベルに基づいて、動的に可変であり得、光センサを飽和させることを回避するためにより短いシャッター間隔が選択され、低光量の条件下では、より長いシャッター間隔が選択される。
【０２４５】
測定中の連続回転は、上記のようにマルチスペクトルセンサアレイで使用することができる。測定中の連続回転はまた、ＬＩＤＡＲチャネルの複数の列を含むＬＩＤＡＲのみのセンサアレイ（例えば、図１に示すように千鳥状であり得る、及び／または異なる放出周波数に調節され得る）などの他のタイプのセンサアレイでも使用することができる。連続回転は、必須ではないことも理解されたい。幾つかの実施形態では、回転測距／撮像システムは、段階的にデータを回転及び収集することができ、例えば、第１測定角度に回転し、測定期間のデータを収集し、次いで次の測定角度に回転し、データ収集を繰り返す。
【０２４６】
３．３．周囲光チャネルでの解像度を増加させたスキャン
図３３Ａ〜３３Ｂの例では、マルチスペクトルセンサアレイを使用するスキャン測距／撮像システムは、すべてのチャネルタイプに対して同じ空間解像度を有する画像を生成する。幾つかの用途では、ＬＩＤＡＲチャネルの数に比べて周囲光センサチャネルの空間解像度を増加させることが望ましい場合がある。次に、スキャン方向及び非スキャン方向の両方で周囲光センサチャネルの空間解像度を向上させる（増加させる）ことができるマルチスペクトルセンサアレイの例について説明する。
【０２４７】
図３４は、幾つかの実施形態による、センサアレイ３４００の簡略正面図を示す。センサアレイ３４００は、ＬＩＤＡＲセンサチャネル２０２を備える、上記の図２のセンサアレイ２００と同様の１Ｄセンサアレイであり得、ＬＩＤＡＲセンサチャネルの各々は、周囲光センサチャネル３４０６ａ〜ｄを含む行３４０４に関連付けられる。この例では、周囲光センサチャネル３４０６ａ〜ｄは各々、同じタイプの光学フィルタを有し、これは、例えば、広域スペクトル可視光フィルタ（例えば、約４２５ｎｍ〜約７００ｎｍの通過帯域を有する）であり得る。様々なタイプの光学フィルタ（例えば、偏光フィルタ、色フィルタなど）を使用することができ、幾つかの実施形態では、周囲光センサチャネル３４０６ａ〜ｄは、光学フィルタを有しない場合があり、その場合、周囲光センサチャネル３４０６ａ〜ｄによって検出可能な波長範囲は、周囲光センサチャネル３４０６ａ〜ｄ内の光センサの波長範囲によって決定される。周囲光センサチャネル３４０６ａ〜ｄは、異なる「サブピクセル」開口を有する（暗い四角３４１０によって示される）。暗い正方形３４１０は、開口面内の開口部を示し、開口面は、チャネル３４０６ａ〜ｄに関連付けられた領域の他の部分上で不透明であることを理解されたい。この例では、各サブピクセル開口は、チャネル領域の異なる象限を露出する。
【０２４８】
動作中、センサアレイ３４００は、図３３Ａ及び３３Ｂを参照して、上記のようにスキャンを実行することができる。周囲光センサチャネル３４０６ａ〜ｄが、物体空間ピクセルを横切ってスキャンされると、各チャネル３４０６ａ〜ｄは、同じタイプの光学フィルタを使用して、異なる「サブピクセル」（すなわち、物体空間ピクセルの総面積のサブセット）をサンプリングする。このようにして、ＬＩＤＡＲチャネル２０２の解像度の４倍の解像度を有する周囲光画像を生成することができる。したがって、チャネル３４０６ａ〜ｄなどの周囲光センサチャネルは、「高解像度」周囲光センサチャネルとも呼ばれる。
【０２４９】
図３４の例では、各周囲光センサチャネル３４０６ａは、入射光の４分の１を受信する。他の実施形態では、空間エンコードスキームを使用して、より多くの光を受け入れながら、更に、サブピクセル解像度を有するデータを提供することができる。例えば、図３５は、幾つかの実施形態による、空間的にエンコードされたサブピクセル開口を備える４つの周囲光センサチャネル３５０６ａ〜ｄのセットを示す。この例では、チャネル３５０６ａの開口（暗い領域）は、チャネル領域全体を露出し、チャネル３５０６ｂ、３５０６ｃ、及び３５０６ｄの開口は、各々、チャネル領域の異なる象限（白い領域）を閉塞する。チャネル３５０６ａ〜ｄからの強度測定値（例えば、光子カウント）Ｃ０〜Ｃ３は、算術論理回路３５２０に提供することができ、算術論理回路３５２０は、以下の方程式を実装して、ピクセル３５２４のサブピクセル（Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）のサブピクセル値を計算することができる。
Ｓ１＝Ｃ０−Ｃ３                      （２ａ）
Ｓ２＝Ｃ０−Ｃ２                      （２ｂ）
Ｓ３＝Ｃ０−Ｃ１                      （２ｃ）
Ｓ０＝Ｃ０−（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３）＝Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３−２Ｃ０          （２ｄ）
【０２５０】
図３４及び３５の例は、各方向の画像解像度を２倍にするチャネル領域の象限としてのサブピクセルを示す。他の実施形態は、解像度の異なる増加を提供することができる。例えば、より小さな（チャネル領域と比較して）サブピクセル開口を有するより多くの周囲光チャネル３４０６または３５０６を提供することによって、より高い解像度を達成することができ、解像度の上限は、許容可能な精度で強度を測定するために必要な開口サイズに基づき得る。幾つかの実施形態では、サブピクセル開口は、サブピクセルが正方形グリッドを形成するように配置される（例えば、図３４及び３５に示されるように）が、これは必須ではなく、他のサンプリングパターン（正方形パターンではなく長方形パターンを含む）を使用することができる。更に、図３４及び３５に示される開口は、正方形または６面領域（一隅に正方形のくぼみがある）のいずれかであるが、これも必須ではなく、円形開口または他の形状を有する開口を使用することもできる。サブピクセルサンプリングに使用される周囲光センサチャネルのグループ内のすべての周囲光センサチャネルは、同じタイプの光学フィルタを有するため、各情報で同じスペクトル情報がサンプリングされ、その効果は、サンプリングの空間解像度を増加させることであると想定される。広域スペクトルフィルタ、狭帯域フィルタ、またはその他のタイプの光学フィルタを含む、特定のフィルタタイプを必要に応じて選択することができる。
【０２５１】
図３４及び３５の例では、空間解像度は、サブピクセル開口を使用することによって、スキャン方向及び非スキャン方向の両方で増加する。このアプローチ（空間エンコーディングを伴うまたは伴わない）は、サブピクセルごとに１つの周囲光センサチャネルを使用して、例えば、４つの周囲光センサチャネルを使用して空間解像度を４倍に増大させるか、１６個の周囲光センサチャネルを使用して１６倍に増大させることを含む。他の実施形態では、スキャン方向のサンプリング解像度は、時間的細分化を使用することによって増加させることができ、非スキャン方向のサンプリング解像度は、サブピクセル開口を使用することによって増加させることができる。これにより、例えば、４つの周囲光センサチャネルが、空間解像度を１６倍に増大させることを可能にすることができる。
【０２５２】
幾つかの実施形態では、時間的細分化は、複数の積算レジスタを使用して、各周囲光センサチャネルの強度データ（例えば、光子カウント）を累積することによって提供することができ、異なる積算レジスタは、シャッター間隔の異なる部分の間、アクティブである（シャッター間隔は、図３３Ｂを参照して上記に説明される）。センサアレイが、シャッター間隔中に連続的に回転していると仮定すると、これは、物体空間ピクセルが占める領域のスキャン方向（便宜上「列領域」と呼ばれる）に沿った異なる部分の強度を個別に測定する効果を有する。
【０２５３】
図３６は、幾つかの実施形態による、複数の積算レジスタ３６０２を備える読み出しデータパスの簡略概略図を示す。この例では、特定の周囲光センサチャネルの光センサ３６０４が、各時間ビン（図３２を参照して上で説明したように）のデータ（例えば、光子カウント）を提供すると想定され、時間ビンは、シャッター間隔より短い。各時間ビンの光子カウントは、積算レジスタ３６１０のバンク内の選択された積算レジスタ３６０２に配信され、選択された積算レジスタ３６０２は、光センサ３６０４から受信した光子カウントをその現在の格納された値に追加する。選択信号は、バンク選択論理３６０６によって提供され、積算レジスタ３６０２のうちの１つを選択する。
【０２５４】
示される例では、積算レジスタは、次のように動作し、各クロックサイクルで、マルチプレクサ３６２０は、選択論理３６０６によって制御されて、現在選択されている積算レジスタ３６０２のうちの１つから格納された値を読み出す。このように選択された現在値３６２２は、算術論理演算装置（ＡＬＵ）３６２４に送られ、算術論理演算装置（ＡＬＵ）３６２４はまた、光センサ３６０４から新しい光子カウントを受信する。ＡＬＵ３６２４は、新しい光子カウントを現在値３６２２に追加し、その結果を積算レジスタバンク３６１０に配信する。選択論理３６０６は、積算レジスタ３６０２のうちの現在のものを選択して、新しい値を受信する。他の実装も使用することができる。
【０２５５】
（Ｎ）個の積算レジスタを備えるスキャン測距／撮像システム（例えば、上記のシステム３２００）の幾つかの実施形態では、選択論理３６０６は、シャッター間隔を、Ｎ個のサブ間隔に分割し（各サブ間隔は、１または複数のクロックサイクルを含む）、各サブ間隔に対して積算レジスタ３６０２のうちの異なるものを選択し、その結果、各積算レジスタ３６０２は、サブ間隔の異なる時間部分（１／Ｎ）のピクセルカウントを累積する。例えば、選択論理３６０６は、（図３２に示されるように）回転エンコーダ３２７４を使用して、サブ間隔を画定することができ、またはサブ間隔は、既知のスキャン速度に基づく位置のプロキシとして使用されるタイマーに基づいて画定することができる。シャッター間隔の終わりに、各積算レジスタ３６０２を読み出して、ピクセルあたりＮ個の強度測定値を提供することができる。
【０２５６】
このように各シャッター間隔を一時的に細分化すると、スキャン方向のサンプリング解像度を増加させることができる。図３７は、幾つかの実施形態による、車両３７０３のための複数の積算レジスタを使用する周囲光測定を例解する。この例では、スキャン測距／撮像システム３７０１（例えば、上記のシステム３２００の実装であり得る）は、車両３７０３の上部に取り付けられ得る。スキャン測距／撮像システム３７０１は、その中心軸の周りを毎秒何回も（例えば、３０Ｈｚで）回転して、周囲領域をスキャンし、図３３Ｂを参照して上で説明したように、マルチスペクトル画像を生成するように構成され得る。
【０２５７】
スキャン測距／撮像システムが周囲光センサチャネルの時間的細分化を提供する実施形態では、スキャン方向における周囲光画像の空間解像度は、積算レジスタの数に基づいて増加させることができる。図３７の例では、積算レジスタバンク３７１０（上記の積算レジスタバンク３６１０と同様に動作することができる）は、４つの積算レジスタ３７１２ａ〜ｄを含む。シャッター間隔に対応する角回転３７０２の増分は、４つの角度増分に細分化することができ、その各々の間に、受信した光子カウントは、積算レジスタ３７１２ａ〜ｄのうちの対応するもの（矢印３７１６ａ、３７１６ｂによって示される）に累積される。これにより、周囲光画像の空間解像度がスキャン方向で４倍に増加する。
【０２５８】
非スキャン方向の周囲光画像の空間解像度を増加させることも望ましい場合がある。幾つかの実施形態では、空間的にエンコードされたサブピクセル開口を有する複数の周囲光センサチャネルを、この目的のために使用することができる。図３８Ａは、幾つかの実施形態による、空間的にエンコードされたサブピクセル開口を提供する４つの周囲光センサチャネル３８０６ａ〜ｄのセットを示す。周囲光センサチャネル３８０６ａ〜ｄを使用して、スキャン方向及び非スキャン方向の両方で解像度を４倍に増加させることができる。この例では、周囲光センサチャネル３８０６ａの開口（斜線領域）は、総チャネル面積の４分の１を露出し、一方、周囲光センサチャネル３８０６ｂ〜ｄの開口は、各々、総チャネル面積の３／１６を露出する。チャネル３８０６ａ〜３８０６ｄからの強度測定値（例えば、光子カウント）Ｃ０〜Ｃ３は、算術論理回路３８２０に提供することができ、これは、以下の方程式を実装して、ピクセル３８２４の４つのサブピクセル（Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）のサブピクセル値を計算することができる。
Ｓ１＝Ｃ０−Ｃ２                      （３ａ）
Ｓ２＝Ｃ０−Ｃ３                      （３ｂ）
Ｓ３＝Ｃ０−Ｃ１                      （３ｃ）
Ｓ１＝Ｃ０−（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３）＝Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ１−２Ｃ０    （３ｄ）
ピクセル３８２４について示されるように、４つのサブピクセルＳ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、ピクセル３８２４の全領域の幅（スキャン方向）の４分の１である列領域内の異なる行を占める４つのピクセルに対応する。
【０２５９】
ピクセルのすべての列領域内にサブピクセルを完全に配置するために、図３７に例解するような時間的細分化を使用して、単一の周囲光センサチャネルが、シャッター間隔中に異なる列領域を順次サンプリングすることを可能にすることができる。図３８Ｂは、幾つかの実施形態による、図３８Ａの周囲光センサチャネル３８０６ａの時間的細分化の効果を示す。この例では、シャッター間隔は、図３７を参照して上で説明したように４つのサブ間隔に分割される。シャッター間隔は、ｔ＝０〜ｔ＝１まで続くと想定される。第１サブ間隔（ｔ＝０で始まる）の間に、周囲光チャネル３８０６ａの開口は、物体空間ピクセル３８２４の列領域３８３２ａに露出され、列領域３８３２ａの強度Ｃ００が測定される。第２サブ間隔（ｔ＝０．２５で始まる）の間に、周囲光チャネル３８０６ａの開口は、物体空間ピクセル３８２４の列領域３８３２ｂに露出され、列領域３８３２ｂの強度Ｃ０１が測定される。第３サブ間隔（ｔ＝０．５で始まる）の間に、周囲光チャネル３８０６ａの開口は、物体空間ピクセル３８２４の列領域３８３２ｃに露出され、列領域３８３２ｃの強度Ｃ０２が測定される。第４サブ間隔（ｔ＝０．７５で始まる）の間に、周囲光センサチャネル３８０６ａの開口は、物体空間ピクセル３８２４の列領域３８３２ｄに露出され、列領域３８３２ｄの強度Ｃ０３が測定される。したがって、シャッター間隔の時間的細分化を使用して、周囲光センサチャネル３８６０ａは、物体空間ピクセル３８２４の各列領域を連続的にサンプリングして、４つの強度値を提供することができる。図３３Ｂを参照して上記で説明したように、周囲光センサチャネル３８０６ｂは、１つのシャッター間隔（またはシャッター間隔の幾つかの他の整数）のオフセットを用いて、図３８Ｂに示されるのと同じ方法で物体空間ピクセル３８２４を横断し、４つの強度値を生成することができ、周囲光センサチャネル３８０６ｃ及び３８０６ｄの場合も同様である。図３８Ａ及び式（３ａ）〜（３ｄ）の計算論理を、各列の４つの強度値に別々に適用すると、４つの周囲光センサチャネルを使用して合計１６個のサブピクセルサンプルが提供される。したがって、物体空間ピクセルの空間的及び時間的細分化の組み合わせは、スキャン方向及び非スキャン方向の両方で解像度が増大した周囲光画像を提供することができる。ここに示される例は、各方向で４倍の解像度を増加させるが、他の実施形態は、必要に応じて、より大きいまたはより少ない増大を提供し得る。
【０２６０】
本明細書で説明される空間的及び時間的細分化の例は例示的であることが理解されよう。特定の周囲光センサチャネルに割り当てられた開口の特定の数、形状、及びサイズを変化させることができ、任意の増大係数を実現することができる（光センササイズ及び製造し得る開口の最小サイズなどの物理的制約の影響を受ける）。したがって、スキャン方向及び／または非スキャン方向の空間解像度は、所望の程度まで増大することができ、スキャン方向及び非スキャン方向の増大は、等しい必要はない。本明細書で説明される空間解像度の増大は、使用される光学フィルタに関係なく、任意のタイプの周囲光センサチャネルに適用することができる。
【０２６１】
３．４．静的測距／撮像システム
上記で説明したような回転測距／撮像システムは、センサアレイ２００、センサアレイ４００、またはセンサアレイ５００などのマルチスペクトルセンサアレイを使用して実装することができ、異なるタイプのセンサチャネルが、視野にわたってスキャンされる行に沿って配置される。上記の他のセンサアレイの例（例えば、センサアレイ６００、センサアレイ９００）は、同一のマルチスペクトル及び／またはハイブリッドセンサチャネル（またはピクセル）の２Ｄアレイを提供する。このようなアレイは、回転システムで使用され得るが、マルチスペクトルまたはハイブリッドピクセルの２Ｄアレイには、二次元の視野を撮像するために、回転またはその他のスキャン動作は必須ではない。したがって、幾つかの実施形態は、撮像操作を実行するために、センサアレイが移動しない静的（または「固体」）測距／撮像システムを提供する。静的測距／撮像システムは可動性であり得ることを理解されたい。例えば、１または複数の静的測距／撮像システムを車両に取り付けることができる。
【０２６２】
図３９は、幾つかの実施形態による、静的撮像／ＬＩＤＡＲシステム３９００の構造の簡略化された例を示す側面図である。静的測距／撮像システムの一例である撮像／ＬＩＤＡＲシステム３９００は、ハウジング３９２２を含むことができ、ハウジングは、エミッタモジュール（Ｔｘ）３９０２及び光センサモジュール（Ｒｘ）３９０４を保持する。ハウジング３９２２は、車両または測距／撮像センサが望ましい任意の他の場所に取り付けることができる。
【０２６３】
図４０及び４１は、様々な実施形態による車載静的電子測距／撮像システムの例示的な実装の簡単な図解である。具体的には、図４０は、静的測距／撮像システム４００２ａ〜ｄが自動車などの道路車両４００５の外側領域に実装される実装４０００を例解し、図４１は、静的測距／撮像システム４１０２ａ〜ｂが道路車両４１０５の上部に実装される実装４１００を例解する。各実装では、ＬＩＤＡＲシステムの数、ＬＩＤＡＲシステムの配置、及び各ＬＩＤＡＲシステムの視野は、全体ではないにしても、車両を囲む環境の３６０度の視野の大部分を取得するために、選択され得る。ＬＩＤＡＲシステムの自動車実装は、本明細書では単に説明のために選択され、本明細書で説明されるセンサは、例えば、ボート、航空機、列車などの他のタイプの車両で、及び図３２を参照して上記に述べた用途のいずれかなどの、３Ｄ深度画像が有用な様々な他の用途で、利用され得る。静的及び回転測距／撮像システムを一緒に使用することができ、幾つかの測距／撮像システムは、静的モードまたは回転モードで選択可能な動作のために構成され得ることも理解されたい。
【０２６４】
図４０を参照すると、静的測距／撮像システム４００２ａ〜ｄは、車両の外側領域、フロント及びバックフェンダーの近くに取り付けることができる。静的測距／撮像システム４００２ａ〜ｄは各々、車両４００５の最も外側のコーナの近くに位置付けられるように、車両４００５のそれぞれのコーナに位置付けることができる。このようにして、静的測距／撮像システム４００２ａ〜ｄは、領域４００６ａ〜ｄのフィールド内の物体からの車両４００５の距離をより良好に測定することができる。各静的測距／撮像システムは、各ユニットがそれ自体で捕捉することができるよりも大きい複合視野を捕捉することができるように、異なる方向を（おそらくユニット間で部分的に重なる及び／または重ならない視野を有して）向くことができる。シーン内の物体は、ＬＩＤＡＲ  Ｔｘモジュール４００８から放出される光パルス４０１０の部分を反射することができる。次いで、光パルス４０１０の１または複数の反射部分４０１２は、静的測距／撮像システム４００２ａに戻り、Ｔｘモジュール４００８と同じハウジング内に配設することができるＲｘモジュール４００９によって受信することができる。Ｒｘモジュール４００９は、周囲光ならびにＬＩＤＡＲ  Ｔｘモジュール４００８からの反射光を受信するマルチスペクトルセンサアレイ（例えば、上記で説明したように）を含むことができる。
【０２６５】
幾つかの実施形態では、静的測距／撮像システム４００２ａ〜ｄの各々は、その視野全体（それぞれ、領域４００６ａ〜ｄとして示される）を一度に撮像することができる。他の実施形態では、静的測距／撮像システム４００２ａ〜ｄは、シーンを電子的にスキャンして、シーンの画像を捕捉することができる。本明細書で使用される場合、「電子スキャン」は、センサアレイの物理的移動（例えば、再配向）を伴わずに、異なる時間にシーンの異なる部分のデータを収集することを指し、したがって、電子スキャンは、上記の回転／スピニング動作とは区別される。電子スキャンは、例えば、ＬＩＤＡＲエミッタアレイの異なる部分及びＬＩＤＡＲセンサチャネルの対応するサブセットを異なる時間に作動させることによって、またはチップベースのビーム操縦技術などの他の手段によって、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または複数のＭＥＭＳベースの反射器を採用するマイクロチップを使用することによって、Ｔｘモジュール４００８からの光を操縦して、異なる時間にセンサアレイの異なる部分上に反射することによって、実施することができる。したがって、静的測距／撮像システム４００２ａは、ポイント４０２０と４０２２の間を電子的にスキャンして、領域４００６ａのフィールド内の物体を捕捉することができ、システム４００２ｂ〜ｄ及び領域４００６ｂ〜ｄについても同様である。
【０２６６】
図４０は、車両の四隅に取り付けられた４つの静的電子スキャンＬＩＤＡＲシステムを例解するが、実施形態は、そのような構成に限定されない。他の実施形態は、車両の他の領域に取り付けられたより少ないまたはより多い静的測距／撮像システムを有することができる。例えば、図４１に示すように、静的測距／撮像システムシステムは、車両の屋根に取り付けることができる。そのような実施形態では、静的測距／撮像システム４１０２ａ〜ｂは、車両４１０５の周りの領域４１０７ａ〜ｂをより良好によく観察するために、より高い視点を有することができる。
【０２６７】
言及されたように、静的測距／撮像システムの数、静的測距／撮像システムの配置、及び各静的測距／撮像システムの視野は、全体ではないにしても、車両を囲む環境の３６０度の視野の大部分を取得するように選択され得る。したがって、各静的測距／撮像システム４００２ａ〜ｄは、４つのシステム４０２０ａ〜ｄすべてが実装されたとき、車両４００５の周りの３６０度の視野の実質的な大部分を観察することができるように、約９０度の視野を有するように設計され得る。各静的測距／撮像システム４００２ａ〜ｄが、９０度未満の視野、例えば４５度の視野を有する実施形態では、視野を拡大して単一の静的測距／撮像システムの視野より大きい複合視野を達成するように、１または複数の追加の静的測距／撮像システムを実装することができる。
【０２６８】
図４２は、本開示の幾つかの実施形態による、拡大された視野を達成するための、放出及び検出システムの複数のセットを含む例示的な静的測距／撮像システム４２００の簡略平面図である。図４２に示すように、静的測距／撮像システム４２００は、中央支持構造４２０４に取り付けられた放出及び検出システム４２０２ａ〜ｉのセットを含むことができ、放出及び検出システムの各セットは、それぞれの光放出システム、例えば、図１５の光送信システム１５１０、及び光検出システム、例えば、図１５の光検出システム１５４０を含む。各セットは、支持構造４２０４の中心から半径方向外側に配置され得、セットは、それらの視野が互いに隣接して、単一の放出及び検出システムの単一セットの視野よりも何倍も大きい複合視野４２０６を形成するように、並んで位置付けられ得る。複数の放出検出システムはすべて、共通のＬＩＤＡＲコントローラによって同期及び制御され得、エンドユーザが単一のシステムのように見えるものと対話するようになる。加えて、個々の放出検出システムを、すべて固定ピクセルグリッドに位置整合させて、データがより広い視野、固定視野グリッドで動作する高解像度システムをシミュレートするようにする。
【０２６９】
図４３は、本開示の幾つかの実施形態による、例示的な静的測距／撮像システム４３００のブロック図を例解する。静的測距／撮像システム４３００は、光測距／撮像デバイス４３０２及びユーザインターフェース４３５０を含むことができる。光測距／撮像デバイス４３０２は、測距／撮像システムコントローラ４３０４、光送信（Ｔｘ）モジュール４３０６、及び光感知（Ｒｘ）モジュール４３０８を含むことができる。１または複数の光パルス４３１０を光送信モジュール４３０６から光測距／撮像デバイス４３０２を取り囲む視野内の物体に送信することにより、測距データが光測距／撮像デバイス４３０２によって生成され得る。次いで、透過光の反射部分４３１２が、いくらかの遅延時間の後、光感知モジュール４３０８によって検出される。遅延時間に基づいて、反射面までの距離が決定され得る。例えば連続波、光復調、ドップラーなどの他の測距法も使用することができる。スペクトル画像データは、光子カウンティングモードでセンサアレイ４３０８に含まれる周囲光センサチャネルを動作させることによって、光測距／撮像デバイス４３０２によって生成され得る。
【０２７０】
光送信モジュール４３０６は、エミッタの一次元または二次元アレイであり得るエミッタアレイ４３１４と、エミッタアレイ４３１４と一緒になって、図１５の光送信システム１５１０と同様の光放出システム４３３８を形成することができるＴｘ光学系４３１６とを含む。Ｔｘモジュール４３０６は、任意のプロセッサ４３１８及びメモリ４３２０を更に含むことができるが、幾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／撮像システムコントローラ４３０４に組み込むことができる。幾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４３２０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。幾つかの実施形態では、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。
【０２７１】
光感知モジュール４３０８は、センサアレイ４３２６を含むことができ、これは、例えば、センサアレイ６００またはセンサアレイ９００などの、上記の２Ｄマルチスペクトルセンサアレイのいずれかであり得る。
【０２７２】
幾つかの実施形態では、光測距／撮像デバイス４３０２は、電子スキャンモードで動作することができ、シーンの少なくともＬＩＤＡＲ画像は、一度にエミッタのサブセットのみを起動し、エミッタの発射と同時にＬＩＤＡＲセンサチャネルの対応するサブセットのみを読み出すことによって捕捉される。異なる時間にエミッタの異なるサブセットが起動され、ＬＩＤＡＲチャネルの対応するサブセットが同時に読み出され得るため、最終的にすべてのエミッタが起動され得、センサアレイ内のすべてのＬＩＤＡＲチャネルを１つの放出サイクルを通して読み出すことができる。例として、エミッタアレイは、各放出サイクルで左から右に順番に１列ずつ起動することで光を放出することができるが、センサアレイは、対応するシーケンスで対応するＬＩＤＡＲチャネルを読み出すように構成することができる。周囲光チャネルは、同じマルチスペクトルピクセルに対応するＬＩＤＡＲチャネルと同期して、または幾つかの他の方法で読み出すことができる（例えば、すべての周囲光チャネルを同時に読み出すことができる）。
【０２７３】
電子スキャンを容易にするために、静的測距／撮像システムの幾つかの実施形態は、光の放出及び感知を同期させるための１または複数のコンポーネントを含むことができる。幾つかの実施形態では、光検出システム４３３６は、センサアレイ４３２６に結合され、センサアレイ４３２６の動作を制御するように構成されたセンサコントローラ４３２５を含むことができる。センサコントローラ４３２５は、ＡＳＩＣ、マイクロコントローラ、ＦＰＧＡ、またはマルチプレクサなどの選択回路に結合された他の任意の好適なプロセッサなど、１または複数の光センサを選択して光を感知することができる任意の好適なコンポーネントまたはコンポーネントグループであり得る。同様に、光放出システム４３３８は、エミッタアレイ４３１４に結合され、センサアレイ４３２６の動作を制御するように構成されたエミッタコントローラ４３１５を含むことができる。エミッタコントローラ４３１５はまた、センサコントローラ４３２５について上述した任意の好適なプロセッサであり得、エミッタアレイ４３１４を動作させるための１または複数の駆動部品を含み得る。
【０２７４】
幾つかの実施形態では、センサコントローラ４３２５及びエミッタコントローラ４３１５は、エミッタアレイ４３１４内の光放出のシーケンスが、センサアレイ４３２６内の光センサ（すべてのセンサタイプまたはＬＩＤＡＲチャネルのみの）を読み出すシーケンスと同期するように同期される。一例として、センサコントローラ４３２５及びエミッタコントローラ４３１５の両方を、両方のコントローラが同じタイミングスキームに基づいて動作され得るように、クロック４３１７に結合することができる。クロック４３１７は、デジタル回路の動作を調整するために、特定の速度で高状態と低状態との間で振動する特定の信号を生成する電気部品であり得る。任意選択で、センサコントローラ４３２５及びエミッタコントローラ４３１５は、独自の動作を調整するための独自のクロック回路を含むことができる。そのような実施形態では、センサコントローラ４３２５及びエミッタコントローラ４３１５は、センサコントローラ４３２５がそのクロックをエミッタコントローラ４３１５と同期させることができるように、通信線４３１９を介して互いに通信可能に結合することができる。そのようにして、センサコントローラ４３２５及びエミッタコントローラ４３１５は、画像捕捉を達成するために、それぞれ同期して、センサアレイ４３２６及びエミッタアレイ４３１４を操作することができる。
【０２７５】
幾つかのさらなる実施形態では、センサコントローラ４３２５及びエミッタコントローラ４３１５の代わりに、またはそれに加えて、測距／撮像システムコントローラ４３０４は、光感知モジュール４３０８及び光送信モジュール４３０６の動作を同期させるように構成することができ、そのため、エミッタアレイ４３１４による光放出のシーケンスは、センサアレイ４３２６による感知光のシーケンスと同期する。例えば、測距／撮像システムコントローラ４３０４は、各放出サイクルに対して一度に１列ずつ左から右に順番に起動することにより、光送信モジュール４３０６のエミッタアレイ４３１４に光を放出するよう指示し、それに応じて光感知モジュール４３０８のセンサアレイ４３２６に、一度に１列ずつ同じ順番で光を感知するように指示することができる。そのような実施形態では、測距／撮像システムコントローラ４３０４は、光感知モジュール４３０８及び光送信モジュール４３０６へのそのシーケンス命令の基礎となる独自のクロック信号を有することができる。光検出のためのシーケンスの他の形態が想定され、そのようなシーケンスは限定的ではないことを理解されたい。更に、所与のマルチスペクトルピクセルの周囲光センサチャネルの（強度）データの収集は、そのマルチスペクトルピクセルのＬＩＤＡＲセンサチャネルの動作と一致するようにタイミングを合わせることができるが、タイミングを合わせる必要はない。
【０２７６】
光測距／撮像システム４３００はまた、図３２の対応するコンポーネントと同様であり得る他のコンポーネントを含むことができる。プロセッサ４３２２及びメモリ４３２４による信号処理は、図３２を参照して上記で説明した処理操作と同様であり得る。ユーザインターフェース４３５０及びその動作は、図３２を参照して上記で説明したユーザインターフェースと同様であり得る。更に、本明細書に記載の測距／撮像システムのいずれも、ユーザと直接的（または間接的に）ではなく、他のシステム（例えば、車両制御ユニット）と相互作用することができ、そのようなシステムは、適切な制御命令、データ、または他の信号を測距／撮像システムコントローラ４３０４と交換することによって、測距／撮像システムの動作を制御することができる。
【０２７７】
３．５．静的測距／撮像システムの動作
上記のように、静的測距／撮像システム４３００を用いる撮像動作は、様々なモードで実行することができる。「フルフレーム」モードと呼ばれる１つのモードでは、アレイ内のすべてのセンサチャネル（または所与のタイプのすべてのセンサチャネル）が同時に動作され得る。「電子スキャン」モードと呼ばれる別のモードでは、チャネルの異なるサブセットが異なる時間に動作され得る。例えば、上記のように、Ｔｘモジュール４３０６は、例えば、Ｔｘモジュール４３０６内の異なるエミッタを起動させて、または同じエミッタを、ＭＥＭＳベースのビーム操縦コンポーネント（例えば、「ガルボ」と呼ばれることもあるＭＥＭＳミラー検流計）と組み合わせて使用して、放出光の方向を制御することによって、異なる時間にＲｘモジュール４３０８内のセンサアレイの異なる部分上に反射される光を放出するように動作され得る。ＬＩＤＡＲセンサチャネルの異なるサブセットは、光がそれらのチャネルに向けられているときに（例えば、選択的な放出及び／または操縦によって）選択的に起動することができる。
【０２７８】
特定の周囲光センサチャネル（またはマルチスペクトルまたはハイブリッドセンサチャネルの特定の周囲光光センサ）は、フルフレームまたは電子スキャンモードのいずれかで動作することもできる。フルフレームモードでは、すべての周囲光センサチャネルを同時に起動することができるか、または異なるタイプのセンサチャネルを異なる時間に起動することができる。電子スキャンモードでは、センサアレイ内の異なる領域に対応する周囲光センサチャネルの異なるサブセットを異なる時間に起動することができる。例えば、マルチスペクトルピクセルの特定のグループに対応する周囲光センサチャネルは、ＬＩＤＡＲセンサチャネルの対応するサブセットが起動されるときに起動され得るか、またはマルチスペクトルピクセルの特定のグループに対応する周囲光センサチャネルは、ＬＩＤＡＲセンサチャネルの対応するサブセットがアクティブでないときに起動され得る。
【０２７９】
幾つかの実施形態では、ＬＩＤＡＲ及び／または周囲光センサチャネルの動作モードを選択可能であり得る。更に、ＬＩＤＡＲ及び周囲光センサチャネルは、異なるモードで動作することができる。例えば、ＬＩＤＡＲチャネルは、電子スキャンモードで動作し、周囲光センサチャネルは、フルフレームモードで動作して、各スキャン期間に１つのスペクトル画像を捕捉する。
【０２８０】
これら及びその他の動作モードのいずれにおいても、センサアレイ内の各マルチスペクトルピクセルの各センサタイプにデータを収集することができる。バッファリングは、同じマルチスペクトルピクセルに対応する異なるチャネルまたはセンサタイプからデータを収集するために使用することができる。したがって、上記の回転測距／撮像システムと同様に、視野全体にわたるマルチスペクトル画像ピクセルのセットを含む画像を取得することができる。
【０２８１】
４．マルチスペクトル画像の処理
上記のように、回転及び静的測距／撮像システムの両方で、視野のマルチスペクトル画像を生成することができる。マルチスペクトル画像は、マルチスペクトル画像ピクセルのアレイ（直線アレイであり得る）を含むことができ、各画像ピクセルについて、１または複数のＬＩＤＡＲセンサチャネルから抽出された深度情報、ならびに光スペクトル（可視光、赤外線、紫外線を含む）内の様々な帯域の強度値、偏光フィルタ処理された光の強度、及び／または上記の他の測定値のような周囲光センサから抽出された情報を含むことができる。マルチスペクトル撮像は、撮像される領域内の特定の場所に豊富なデータセットを提供する。例えば、図４のセンサアレイ４００の場合、所与の画像ピクセルのデータセットは、撮像された物体（すなわち、画像ピクセルに関連付けられた特定の方向にたまたま見える任意の物体）までの距離、可視及び近赤外スペクトルにわたって撮像された物体の色特徴（例えば、異なる波長帯域内で収集された光の強度または量）、偏光特徴、及び吸収特徴を含むことができる。センサアレイに含まれるセンサチャネルタイプの特定の組み合わせに応じて、ピクセルごとの画像データの他の組み合わせも可能である。
【０２８２】
例として、図４４は、上記の回転または静的マルチスペクトル測距／撮像システム（または他の同様のシステム）のいずれかを使用して、領域４４０２について取得することができるマルチスペクトル画像データの例を示す。画像グループ４４０２は、異なる波長帯域で取得されたスペクトル画像を含む。画像グループ４４０４は、偏光画像（特定の偏光方向を有する光の強度）を含む。画像グループ４４０６は、ＬＩＤＡＲセンサチャネルによって提供されるデータに基づく深度画像を表す。
【０２８３】
画像グループ４４０２、４４０４、４４０６の画像は、異なるセンサタイプの固定された空間配置により、本質的に相互に登録することができる。回転測距／撮像システムのセンサアレイの場合、アレイは、所与の行内のすべてのセンサが同じ領域を順番に（例えば、上記のように）撮像し、明白な（または固有の）登録を提供するように配置及び動作することができる。静的測距／撮像システムの２Ｄマルチスペクトルセンサアレイの場合、画像ピクセルは、異なるタイプのセンサの各グループが占める領域に基づいて画定することができる。例えば、図６のセンサアレイ６００において、各ハイブリッドセンサチャネル６０２は、画像ピクセルに対応することができ、センサアレイ９００において、各マルチスペクトルピクセル１０２０（図１０に示される）は、画像ピクセルに対応することができる。これらの例では、センサ間の（小さな）空間オフセットにより、異なるセンサタイプがマルチスペクトル画像ピクセル内の異なる場所をサンプリングする場合がある。幾つかの実施形態では、このオフセットは無視することができ、データは、すべてのセンサが画像ピクセルの中心に位置するかのように扱うことができる。代替的に、オフセット補償は、必要に応じて、例えば、近くのセンサ場所から各画像ピクセルの幾何学的中心に補間することによって適用することができる。
【０２８４】
幾つかの実施形態では、センサアレイＡＳＩＣは、ピクセルデータを、取得されるときに別のシステムコンポーネント（または別のデバイス）にストリーミングすることができ、すべての画像処理は、他のシステムコンポーネントによって実行することができる。他の実施形態では、センサアレイＡＳＩＣは、異なる画像ピクセル（ピクセルごとに単一のチャネルまたはピクセルごとに複数のチャネルを含む）のデータを累積することができる「オンボード」データバッファを含むことができる。実装に応じて、オンボードデータバッファは、１つまたは２つのピクセルからフル画像サイズまで、任意の数のマルチスペクトル画像ピクセルのデータを保持することができる。バッファリングされたピクセルデータを使用して、シーンの「ローカル画像」（１Ｄまたは２Ｄ画像であり得、フル画像サイズよりも小さい場合がある）を再構築でき、及びセンサアレイＡＳＩＣ内またはセンサアレイ外部のプロセッサは、ピクセルごとの分析及びローカルまたはフルシーンの推論の両方を含む、ローカル画像に対する様々な画像処理動作を実行することができる。オンボードデータバッファのサイズは、累積されるデータの量及び必要な機能に応じて、必要に応じて変化させることができる。したがって、画像処理及び画像分析動作は、必要に応じてオンチップまたはオフチップで実行することができる。
【０２８５】
幾つかの実施形態では、マルチスペクトル画像分析は、機械学習アルゴリズムを使用する自動分類器、及び既知の（及びラベル付けされた）物体を含む画像のトレーニングセットをトレーニングすることを含むことができる。機械学習アルゴリズムには、人工ニューラルネットワークまたは他の分類器（例えば、古典的な統計技術に基づく分類器）を含めることができる。トレーニングが完了すると、１または複数の自動分類器をセンサアレイＡＳＩＣ内（例えば、機械学習コプロセッサ）、またはセンサアレイＡＳＩＣからデータを受信するクライアントシステムに展開することができる。
【０２８６】
マルチスペクトル画像に対して、様々な画像処理及び画像分析動作を実行することができる。次に例を説明する。
【０２８７】
４．１．マルチスペクトル画像ピクセルのピクセルごとの分析
幾つかの実施形態では、画像ピクセルごとの豊富なデータセットは、画像内の材料を特定するなどの高度な分析を可能にすることができる。例示として、図４５は、そこに含まれる材料を特定するために注釈が付けられた画像の例を示す。場合によっては、異なる材料は、人間の目に同様の色を有し得る（例えば、緑の車及び緑の茂み）が、材料は、微妙に異なるスペクトルシグネチャ、異なる偏光特徴、及び／またはそれらを画像ピクセルごとの分析に基づいて区別可能にする吸収シグネチャを有し得る。複数の周囲光チャネル（任意の吸収帯チャネルを含む）からのスペクトル応答情報を深度チャネルデータと組み合わせることで、岩、植物、アスファルト、金属、ガラス、水、皮膚、毛皮、衣類、などの硬い、柔らかい、拡散した物体、及びメタン、二酸化炭素、ブラックカーボンなどの様々なガス及び粒子の分類が可能になり得る。マルチスペクトルピクセル情報を使用して、異なる狭域スペクトル光源及び広域スペクトル光源を分類して、ピクセルのスペクトルパターンに基づいて存在する照明のタイプなど、他の環境要因を提供することもできる。このような分類は、ピクセルごとにリアルタイムで実行することができる。幾つかの実施形態では、人工ニューラルネットワークまたは他の機械学習システム（必要に応じてオンセンサまたはオフセンサで実装することができる）をトレーニングして、深度特徴、色特徴、及び偏光特徴、及び／または吸収特徴の組み合わせに基づいて、マルチスペクトル画像データから材料を分類することができ、手作業で注釈を付けた画像をトレーニング入力として使用することができる。トレーニングが完了すると、機械学習システムは、環境内に存在する物体のタイプ及び場所をリアルタイムで特定することができる。
【０２８８】
別の例として、リアルタイム偏光撮像は、センサプロセッサで発生することができ、複数の偏光チャネルからのデータを組み合わせて、偏光角及び／または偏光度を計算することができる。偏光測定を使用して、例えば、車両のフロントガラスまたは水面上のグレア除去をリアルタイムで提供し、影の領域のコントラストを強化し、ヘイズまたはその他の大気の障害物が存在する場合の撮像を強化し、及び／または環境中、またはより具体的には路面上の水、氷、及びその他の分極物質のリアルタイムの特定及び分類を提供することができる。
【０２８９】
４．２．マルチスペクトル画像からのシーン推論用システム
幾つかの実施形態では、シーンレベルの推論は、画像ピクセルのセットにわたるマルチスペクトル画像データを分析することによって抽出することができ、これは、２ピクセルから画像視野全体までの任意の場所を含むことができる。シーンレベルの推論は、センサＡＳＩＣのオンボードデータバッファを使用してオンチップで実行すること、及び／または例えば、別のシステムコンポーネントまたは別のデバイスでオフチップで実行することができる。多くのタイプのシーンレベルの推論を実装することができる。
【０２９０】
例えば、視野内の別個の物体の特定は、色、偏光、及び／または距離の変化を特定することに基づくことができる。幾つかの実施形態では、可能性のある材料組成のピクセルごとの分析の結果を使用して、可能性のある材料組成に部分的に基づいて物体を特定することができる。物体を更に評価して、距離、構成などを決定することができる。これは、マルチスペクトルピクセルからの深度情報と組み合わせると、画像内の内容（例えば、車、壁、茂み、道路）及び場所を確実に特定することができる。機械学習システムは、本明細書に記載の種類の測距／撮像システムを使用して取得されたマルチスペクトル画像データ（深度データを含む）に基づいて、環境内に存在する物体のタイプ及び場所を高い信頼性で決定することができると考えられる。そのような情報には、運転支援及び／または自動運転技術を含むがこれらに限定されない、様々な利用法及び用途がある。
【０２９１】
他の推論も行うことができる。例えば、場合によっては、太陽または月が視野内の物体として特定可能である場合がある。マルチスペクトル画像データを使用して、太陽及び月を特定し、互いに区別することができ、これにより、時刻及び／または一般的な照明条件に関する手がかりを提供し得る。太陽または月が視野内にない場合でも、異なる光源の異なるスペクトル特性により、周囲の照明が、人工照明に対して（トンネルまたは駐車場などの夜間状況または屋内状況を示す）自然光（日中または屋外状況を示す）によって有意に立つかどうかについての手がかりが得られる場合がある。別の例として、現代の車のキセノンベースまたはＬＥＤヘッドライトは、ナトリウム蒸気街路灯と区別することができる。更に別の例として、ＬＥＤベースの交通信号は、赤、黄、または緑の比較的狭い（約５０ｎｍ）スペクトルを放出し、これらのスペクトルは、一時停止の標識、緑の草、黄色の車線などの物体のより広いスペクトルと区別することができる。
【０２９２】
５．追加の実施形態
本発明は、特定の実施形態を参照して説明されてきたが、本開示にアクセスできる当業者は、多数の変形及び修正が可能であることを理解するであろう。例えば、本明細書に記載の種類のマルチスペクトルセンサアレイは、任意の数の行、及び列ごとの任意の数のセンサチャネルを含むように製造され得る。（「行」及び「列」という用語は、特にスキャンモードで使用されるアレイの状況で、センサアレイの２つの次元を区別するために使用され、アレイの任意の特定の空間的配向を意味するものではない。）チャネル別マイクロ光学素子を含む特定のセンサチャネルの構造を変化させることができる。各行で使用される周囲光感知チャネルの組み合わせは、必要に応じて変更することができ、幾つかの実施形態では、異なる行は、周囲光感知チャネルの異なる組み合わせを有し得る。更に、周囲光感知チャネルは、上記の所与の特定の例に限定されず、他のタイプの光学フィルタを使用して、画像データを収集するために使用することができる様々な周囲光感知チャネルを作成することができる。
【０２９３】
「周囲光感知チャネル」という用語は、本明細書では、センサチャネルが（タイミングまたは他の測距データとは対照的に）光強度を測定することを示すために使用される。そのようなチャネルは、センサシステムから放出される意図的な照明がない場合に有用なデータを提供し得る。ただし、これは、視野の意図的な照明を排除するものではない。例えば、白色光を視野に向けることができる（例えば、車のヘッドライトまたはカメラのフラッシュから）。別の例として、吸収チャネルを使用する用途では、吸収帯を包含する波長を有する光を視野に向けることができ、吸収チャネルに光がないことは、フィールド内の物質が光を吸収していることを示し得る。
【０２９４】
周囲光感知チャネル（複数可）に加えて、上記のセンサアレイは、タイミングデータ（例えば、上記のヒストグラム）または視野内の物体までの距離を導出するために使用可能である他のデータを提供する１または複数のＬＩＤＡＲセンサチャネル（及び／または他の深度感知チャネル）を含み得る。ＬＩＤＡＲセンサチャネルは、近赤外線、短波赤外線（例えば、１６００ｎｍ）、中波赤外線、及び／または長波赤外線（例えば、最大１５μｍ）を含む様々な波長で動作することができる。更に、幾つかの実施形態では、追加のセンサチャネル（例えば、ＬＩＤＡＲセンサチャネル）をセンサ行の間の場所に含めることができ、またはＬＩＤＡＲセンサチャネル（または他の深度感知チャネル）を含まない幾つかのセンサ行があり得、異なるセンサチャネル（またはセンサタイプ）からの画像は、同じ解像度を有することができるが、同じである必要はない。マルチスペクトルアレイは、視野を撮像するためにスキャンモードで動作可能な行ベース（または「１Ｄ」）アレイであり得、またはマルチスペクトルセンサチャネルまたはマルチスペクトルピクセルを備える２Ｄアレイであり得る。
【０２９５】
本明細書に記載の種類のセンサアレイは、上記のような複合撮像／ＬＩＤＡＲシステムを含むがこれらに限定されない様々な感知システムに組み込むことができる。複合撮像／ＬＩＤＡＲシステムは、上記のように回転及び／または静的プラットフォームを使用して実装することができ、周囲光及び測距データを同時に収集することが望ましい任意の用途で使用することができる。
【０２９６】
本明細書に記載のシステムは、光スペクトルの様々な部分（必要に応じて広い及び／または狭い通過帯域を有する可視、赤外線、及び紫外線、様々な偏光状態を有する光、上記の他の例を含む）の光強度データ、及び視野全体の深度情報（これは、必要に応じて広くすることができ、幾つかの実施形態では最大３６０度にすることができる）の両方を含むことができるマルチスペクトル画像データを生成することができる。様々なセンサタイプ（ＬＩＤＡＲなどの測距センサを含む）によって捕捉された画像は、センサアレイ上の異なるセンサタイプの位置整合の結果として、本質的に相互に登録することができる。幾つかの実施形態では、この固有の登録は、画像のマルチスペクトルピクセルデータの生成を容易にすることができる。
【０２９７】
マルチスペクトル画像データは、データの任意の部分で動作する様々なコンピュータ実装アルゴリズムを使用して分析することができる。幾つかの実施形態では、マルチスペクトル画像データを使用して、ユーザに表示するための画像を生成することができ、これは、画像データを直接レンダリングすること、及び／またはデータからのアルゴリズム推論に基づいてシーン（またはその一部分）の画像をレンダリングすることを含むことができる。上記の例は、車両ナビゲーション及び／または運転者支援に関するものであるが、本発明は、任意の特定のデータ分析またはマルチスペクトル画像データの任意の特定の用途に限定されない。
【０２９８】
本発明の例示的な実施形態の上記の説明は、例示及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、多くの修正及び変更が、先の教示に鑑みて可能である。実施形態は、本発明の原理及びその実際の用途を説明するために選択及び説明され、それにより、当業者が、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使用することを可能にする。したがって、本発明は、特定の実施形態を参照して説明されてきたが、本発明は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定されると理解されるべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３２】
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【図３３Ａ】
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【図３３Ｂ】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８Ａ】
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【図３８Ｂ】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【国際調査報告】
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