(57)【要約】【課題】車両用ライダーシステム（レーザ光による距離測定システム）における可動部品のサイズやコストを削減すること。【解決手段】複数のレーザを使用して、より小型でよりコスト効率に優れたライダー機能を有する車両用ライダーシステム、及び方法を開示する。レーザアレイ内の各レーザを順番に駆動し、レーザアレイに対して取り付けられた対応する光学素子により、対応する探索ビームを種々の方向に生成する。これらのビームからの光は、車両周囲にある物体により反射される。反射光を検出することにより、その物体に関する情報が、車両運転者、及び／又は通行人に提供される。【選択図】図２
2007214564.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両用ライダーシステムのための装置であって、
複数の半導体レーザ(110,120,310)と、
前記複数の半導体レーザに対して取り付けられた光学素子(130)であって、前記複数の半導体レーザのうちの少なくとも２つが、前記光学素子から実質的に種々の方向に放射されるビームを生成するように構成される、光学素子(130)と、
前記複数の半導体レーザに接続され、前記複数の半導体レーザのうちの少なくとも２を個別に駆動するように構成された制御回路(330)と
を含む装置。
【請求項２】
前記複数の半導体レーザは、
単一の半導体基板上に形成された複数の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）(110)と、
複数の面発光レーザであって、該複数の面発光レーザのうちの少なくとも２つが、異なる半導体基板上に形成される、複数の面発光レーザと、
複数の端面発光レーザと
のうちの少なくとも１つを更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記光学素子は、レンズ(120)、プリズム(420,470)、及びレンズアレイ(420,470)のうちの少なくとも１つを更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
(1)前記複数の半導体レーザと(2)前記光学素子のうちのいずれか一方に接続され、前記複数の半導体レーザ及び前記光学素子のうちの１つを、他の前記複数の半導体レーザ及び前記光学素子に対して平行移動させるように構成された平行移動装置(520,620)を更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記複数の半導体レーザのうちの少なくとも１つによって生成され、前記ライダーシステムによってスキャンされる物体から反射された光を検出するように構成された光検出器(320,702,739,759)を更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記光検出器に対して取り付けられ、前記複数の半導体レーザのうちの少なくとも１つによって生成され、前記ライダーシステムによってスキャンされる物体によって反射された光の少なくとも一部を集束させるように構成され、反射性光学素子、屈折性光学素子、ホログラフィック光学素子、及び回折性光学素子のうちの少なくとも１つを含む、光収集光学素子(705,737,757,770)を更に含む、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記車両と、前記複数の半導体レーザのうちの少なくとも２つによって生成されたビームのうちの少なくとも１つを反射する物体との間の概算距離を判定するための信号処理回路(340)を更に含む、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
車両の周囲にある物体を判定する方法であって、
第１の半導体レーザを駆動し、第１のビームを生成するステップと、
第１の光学素子を使用して、前記第１のビームを第１の方向に屈折させるステップと、
第２の半導体レーザを駆動し、第２のビームを生成するステップと、
前記第１の光学素子を使用して、前記第２のビームを第２の方向に屈折させるステップと、
前記車両の周囲にある物体によって反射された前記第１のビームと前記第２のビームのうちの少なくとも一方からの光を検出するステップと、
前記検出に応答して、前記物体の位置を判定するステップと
からなる方法。
【請求項９】
前記第１の半導体レーザと前記第２の半導体レーザを併せたものが、
単一の半導体基板上に形成された複数の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）と、
複数の面発光レーザであって、該複数の面発光レーザのうちの少なくとも２つが、異なる半導体基板上に形成される、複数の面発光レーザと、
複数の端面発光レーザと、
一次元線形レーザアレイの一部と、
二次元線形レーザアレイの一部と
のうちのいずれか１つである、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記車両の周囲にある物体により反射された前記第１のビームと前記第２のビームのうちの少なくとも一方からの光を、反射性光学素子、屈折性光学素子、及び回折性光学素子のうちの少なくとも１つを使用して収集するステップと、
収集された前記光の少なくとも一部を光検出器上に集束させるステップと
を更に含む、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を利用したライダーシステムに関し、特に、車両用のライダーシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の運転者や通行人、及び車両の周囲にいる人達に対する車両運転の安全性を向上させるために、多数の装置や技術が使用されている。また、車両運転中に車両や車両周囲の物体に損傷を与える可能性を低減、又は排除するための装置や技術も使用されている。こうした装置や技術の多くは、車両の運転者に、起こり得る危険に関する情報を与え、回避措置を取るだけの十分な時間を与えることに主眼を置いている。例えば、多くの自動車製造業者は、車両に１又は複数のビームレーダー予備警報装置を取り付けている。こうした装置は、運転者が車両を後退させるときに、動物、人、車両、物体などの検出を補助する働きをする。また、レーダーは、多くの実験的な前方障害物検出システムや衝突防止システムにも使用されている。障害物検出／回避の研究開発の他の分野としては、超音波システム、ビデオシステム、及びライダー（レーザ光による物体検出・距離測定）システムがある。
【０００３】
いずれのシステムの場合も、システムは、物体を検出追跡するための検出技術を採用することが望ましく、検出技術は、比較的高い分解能、精確な追跡能力、そして種々の運転条件における信頼性を有することが望ましい。ライダーを利用したシステムは、距離測定の精度が高く、角度分解能が高く、遅延時間が短く、システムの複雑さが比較的小さいといった幾つかの利点を有する。
【０００４】
車両用物体追跡・回避システムとして現在開発されているライダーシステムは一般に、パルスレーザビーム（すなわち、適切にシャッター制御された連続波）を備え、単一ファセット又は多数ファセット（例えば、多面）を有する回転式ミラーのような可動ミラーを使用して、調べたい方向をレーザビームでスキャンする。障害物から反射されたレーザビームは、光検出器によって検出される。レーザパルスの飛行時間、すなわち送信パルスと受信パルスの間の遅延時間から、対象物までの距離が判定される。また、送信パルスの時刻におけるミラーの角度位置から、対象物の方角も判定される。
【０００５】
こうしたライダーシステムは、その設計がある程度単純ではあるが、その実施形態には幾つかの欠点がある。最大の欠点は、一分当たり数十回、又は数百回の速度で回転する可動ミラーの存在である。こうした回転ミラー、及び対応するモータは、装置のサイズや重量を増加させる。また、モータは、大電力を必要とすることもある。そして、可動部品の存在は、機械的磨耗による装置故障の可能性を増大させる。これらは全て一般に欠点であり、車両用機器の場合は特に欠点となる。車両は、例えば荒れた道路や急激な加速・減速といったように、高速回転ミラーのような装置にとって過酷な環境、及び状況で動作させることを想定している。また、多くの車両、特に自動車にとって、ライダー装置は出来る限り狭い空間しか必要としないものが望ましく、また、邪魔にならない周辺部に配置することが望ましいため、例えばエンジン・グリルの裏に配置されたり、ヘッドライトアセンブリやテールライトアセンブリに組み込まれたり、バンパーの一部に組み込まれたりする場合がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、複数のレーザを使用して、比較的小型でコスト効率に優れたライダー機能を有する車両用ライダーシステム、及び方法を開示する。レーザアレイ内の各レーザは順番に駆動され、それによって、レーザアレイに取り付けられた対応する光学素子は、実質的に様々な方向に探索ビームを生成する。それらの光ビームは、車両の周囲にある物体により反射される。その光ビームを検出することにより、その物体に関する情報が、車両の運転者、及び／又は通行人に提供される。
【０００７】
上記の説明は概要であり、当然ながら詳細は簡略化され、一般化され、省略されている。したがって、当業者には明らかなように、上記の概要は例示的なものに過ぎず、何らかの制限を与えることを意図したものではない。同じく当業者には明らかなように、本明細書に開示する動作は種々の方法で実施することができ、そうした変更や変更も、本発明、及びその種々の態様から外れることなく実施することができる。特許請求の範囲によってのみ規定されるような本発明の他の態様、発明の特徴、及び利点は、制限的でない下記の詳細な説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下は、本発明を実施するための、考えられる最良の実施形態に関する詳細な説明である。この説明は、発明の例示を目的としたものであり、制限の意味で解釈してはならない。
【０００９】
本明細書では、ライダーシステムの種々の車両用実施形態を例として参照する。一般に、それらのライダーシステムは、どのようなタイプの車両でも使用可能であるが、本発明の例では、衝突回避装置、歩行者検出装置、適応型巡航制御装置、見えない場所の監視装置、車線変更アシスト装置、自動緊急ブレーキング装置、車線／道路逸脱警報装置といった種々の安全装置として、自動車の用途に重点を置いている。さらに、本明細書に開示するレーザースキャン装置、及び光検出装置、並びにそれらの技術は、車両の用途に重点を置いているが、それらは種々の他の分野で使用することも可能であるため、それらを車両用ライダーシステムの用途に限定する必要はない。
【００１０】
図１は、ライダーシステム、特に、車両用ライダーシステムに使用される、本発明によるレーザ、及び光学系１００を示している。システム１００は、半導体レーザアレイ１１０（複数の個別にアドレス指定（駆動）可能な半導体レーザ１２０を含む）と、適当なレンズその他の光学系１３０とを含む。システム１００は、機械的に回転、又は平行移動される反射光学部品を有するライダーシステムの代わりとして使用することができる。具体的には、各半導体レーザ１２０は、比較的小さな発散角（例えば、ＮＡ＜０．１）を有するように設計される。レーザアレイ１１０はレンズ１３０に対して、半導体レーザ素子１２０がレンズ１３０から約１焦点距離だけ離れた位置になる場所に配置される。したがって、いずれか１つの半導体レーザ１２０を駆動すると、その半導体レーザ１２０は、実質的にコリメートされた光ビームを生成し、生成される光ビームは、アレイ内の駆動されたレーザの位置によって決まる方位角を有する。比較的大きなＮＡ（例えば、０．５）のレンズを使用することで、分解可能な複数のスポットを生成することができる。一般に、光の角度的広がりは、初期レーザビームの発散度、レンズのｆ＃若しくはＮＡ、及びレンズに関する何らかの他の特殊な性質といった多数の要因によって決まる。
【００１１】
各半導体レーザを１つづつ順番に駆動することにより、システム１００は、レンズ１３０の視野全体をレーザビームでスキャンすることができる。１以上の光検出器（詳細は後で説明する）をレーザアレイ１１０の近くに配置することにより、駆動されたレーザから放射され、レーザビームで照明された物体から反射された光を収集することができる。アレイ内のどの半導体レーザが駆動されたかを調べることによって、角度情報、例えば、検出された物体の方位を判定することができる。また、レンズを光検出器に一体化させ、又は関連付けることにより、検出効率を向上させ、検出信号レベルを増加させることができる。同様に、光検出器とともに使用されるレンズは、戻ってきた信号から得られる角度情報を改善するように設計される。
【００１２】
本発明による多数の実施形態では、任意の或る時点において、アレイ内のただ１つの半導体レーザだけを駆動する。半導体レーザからの光を反射する物体は、あまり滑らかでない場合があり、そのような物体表面の違い、大気による吸収及び散乱などが原因で、例えば、光は多数の方向に散乱される場合があり、物体による光吸収は、物体の表面にわたってばらつくことがあるため、一度に１つのレーザだけを使用することにより、光検出器はレーザアレイ内のただ１つのレーザからの光を確実に収集することができ、したがって、光検出器は装置の視野内の単一方向、又は単一領域だけを調べることができる。本発明による更に別の実施形態では、一度に複数のレーザを使用し、別の方法を使用して、受信した反射光間を区別する場合がある。こうした技術には、例えば、異なる波長の半導体レーザの使用、異なる方法（例えば、パルスエンコードや位相エンコード等）によるレーザパルスのエンコード、及び探査角によって分離された反射光の慎重な収集などがある。
【００１３】
物体検出は、レーザパルスの飛行時間分析に基づいて行われるため、順番に駆動されるレーザにおけるレーザパルス間の最小時間は、分析対象物の最大範囲によって決まる。例えば、ライダー装置から１メートル離れたところにある物体は、約６．７ｎｓ以内に反射信号を返すが、８０メートル離れた所にある物体は、約５３３ｎｓ以内に反射信号を返す場合がある。システム１００のようなシステムを仮定した場合、約２．７μｓ以内に５つの半導体レーザを循環使用することができ、同時に、最大で８０メートルまでの距離を調べることができる。なお、これらの数は、複数の異なるレーザを使用して、ライダーシステムの視野のうちの異なる角度範囲を調べることができ、且つ、それでも必要な作業を適切なタイミングで実施することが可能な相対速度を単に例示したものである。比較として、６０ｍｐｈ（マイル／秒）で移動する自動車は、３μｍ以内に１ミリメートル移動する。下記の説明から分かるように、光検出器の速度、レーザの駆動に要する時間、パルスの持続時間、信号処理のような種々の要因や、場合によっては、いずれか１つのレーザパルスの結果として遭遇する障害物の数（例えば、種々の範囲からの反射）は、連続したレーザパルス間の許容時間に影響を与えることがある。
【００１４】
飛行時間の分析は通常、所望の最大調査距離に対応する反射ウィンドウを利用して行われる。ウィンドウ内の異なる時点に到着した検出信号は、異なる距離にある物体に対応する。信号処理ソフトウェア、及び／又は回路を使用して、光検出器信号を分析することにより、種々の物体、及び特定の走査経路上の距離が区別される。本発明による更に別の実施形態では、比較的狭い時間ウィンドウを使用することで、特定の距離範囲を検査することができる。例えば、レーザパルスの送信時点から６００ｎｓ後の時点までの間にある光検出器信号を全て検査するのではなく、特定時間範囲（例えば、５５０〜６００ｎｓ）からの光検出器信号だけを検査する場合がある。このようにすれば、ライダー装置を使用して、特定の距離範囲だけを調べることができる。レーザアレイの各レーザを循環使用することによる複数の異なる方位角の循環の他に、各パルスについて異なる反射ウィンドウを検査することにより、複数の異なる深さを順番に検査することも可能である。したがって、種々の異なる角度を単純に全てスキャンするのではなく、複数の異なる角度、及び異なる深さを通して、ラスタ状スキャンを実施することができる。種々の異なる探索ウィンドウを定義することは、同一システム上で短い範囲のスキャンと長い範囲のスキャンの両方を実施するときにも有用である。
【００１５】
図１のシステム１００には、５つの半導体レーザしか描かれていないが、一般的なシステムは、所望の視野をカバーし、かつ所望の角度分解能を得ることができる程度に十分な数のレーザを有する。装置の種々の機能は、種々の用途に合わせて調節することができる。ライダーシステムの要件には、半導体ビームの形状特性、レンズ特性、使用されるレーザの数などがある。本発明の一実施形態において、ライダーシステムの最小角度分解能は０．５度である。この数値は、３０ｍの距離（車両運転者に十分な反応時間を与える距離）にいる歩行者（最小寸法のとき（すなわち、ライダーシステムを備えた車両の進行方向に対して垂直な方向に歩行しているとき）に、約２６０ｍｍの幅）を区別したいという要求に基づいた数値である。したがって、３０度の視野を持つレーザアレイは、所望の角度分解能を得るために、少なくとも６０個のレーザが必要とする。当然ながら、他にも多数の実施形態を構成することが可能である。実施形態によっては、もっと精密な角度分解能を有するもの、もっと粗い角度分解能を有するもの、角度分解能が変化するもの、もっと広い視野、若しくはもっと狭い視野を有するものなどがある。
【００１６】
一般にレーザ１２０、及びレーザアレイ１１０の実施には、どのような半導体レーザを使用してもよいが、開示したライダーシステムに使用する場合、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が特に望ましい。なぜなら、面発光レーザは、発散角が小さく、面発光レーザが形成されるウェーハの表面から垂直に光を放射するからである。端面発光半導体レーザの場合、基板上に多数の材料の層を堆積させた後、基板を分断して、或る程度の透過性を持つ複数のミラーを形成する。堆積された層のうちの幾つかは、光学キャビティを形成し、キャビティの端部はミラーによって接合される。ミラー間にあるキャビティの中でレーザ発振が起きると、レーザ構造の一端、又は両端において、レーザビームが、それらの層の平面に対して垂直な方向に放出される。ＶＣＳＥＬは、レーザビームが、活性層（複数の場合もあり）の平面に対して垂直に放射される点が、端面発光レーザと異なる。ミラーは、キャビティの両端に形成されるのではなく、キャビティの上下に形成される。また、ＶＣＳＥＬは設計上、ミラーを一体的に内蔵しているので、ＶＣＳＥＬによれば、デバイス間隔が非常に狭い、（例えば、２５０μｍ以下の）一体型の一次元レーザアレイ、又は二次元レーザアレイを製造することが可能となる。これに対し、端面発光レーザは通常、そのようなアレイを形成するために、機械的な接合を必要とする。また、端面発光レーザが、偏心の大きい楕円ビームを放射するのに対し、面発光レーザは通常、回転対称形のガウスビームを放射する。さらに、個々のＶＣＳＥＬは、比較的狭い活性領域に形成することができるため、それらを迅速に、例えば、数ピコ秒程度で駆動することができる。また、ＶＣＳＥＬは、種々の波長の光を放射するように形成することもできる。例えば、約１〜１．５μｍの範囲の波長の光を放射するＶＣＳＥＬは有用である。なぜなら、その範囲内の種々の波長の光は、例えば、大気通過の際に吸収率が低いといった利点を有するからである。
【００１７】
ＶＣＳＥＬの生来的な集積される性質によれば、レンズ１３０のような光学部品を単一のデバイス／パッケージの中に組み込んだり、複数の光学部品をレーザアレイと並べて取り付ける機能を向上させたりする機会が更に得られる。したがって、ライダー装置の製造を単純化し、装置全体にわたる複雑さやコストを低減することが可能となる。また、例えば、種々の異なる一次元アレイ構成、及び二次元アレイ構成を有する特殊なＶＳＣＥＬ（例えば、半導体レーザが、曲線に沿って配置され、又は不均一な間隔を空けて配置されるもの等）は、複数の個別の端面発光レーザデバイスからなる同様のデバイスに比べて、製造が簡単である。さらに、レーザアレイは、冗長な半導体レーザを有するように設計することもでき、その場合、単一デバイスの故障によって、アレイ全体を使用不可能なものとみなす必要はなくなる。なお、当業者には明らかなように、システム１００は、本発明による多数のレーザアレイライダースキャナのうちの一例に過ぎず、多数の異なるアレイ構成、レンズ設計、レンズ構成、及び他の光学素子（フィルタ、対反射コーティング、開口部など）をシステム１００の一部として使用することが可能である。
【００１８】
図２は、本発明による、１以上のレーザアレイを利用したライダーシステムの車両搭載型実施形態を示している。本発明によるこの例において、車両２００は、車両の正面に配置された（例えば、車両のバンパーに組み込まれた）少なくとも１つのライダーシステム２１０を有する。図面には、車両２００から発せられる２つのスキャンパターンが描かれている。すなわち、物体２２０によって反射され、反射ビーム２２２を生成するスキャンパターン２１２と、スキャンパターン２１４である。スキャンパターン２１２及び２１４は、２つの異なる平面におけるレーザスキャンに相当する。したがって、スキャンパターン２１２及び２１４はそれぞれ、図１に示したような１枚のスキャン平面全体を示している。すなわち、図２は、スキャンパターンを断面で示している。スキャンパターン２１２及び２１４は、単一の二次元レーザアレイ、単一の一次元レーザアレイ、又は複数の一次元レーザアレイによって生成することができる。例えば、単一の一次元レーザアレイは、一次元レーザアレイ内のレーザからの光の一部、又は全てを屈折させ、すなわちステアリングし、図２の平面内の方向に、すなわちスキャン方向に対して概ね垂直な方向に導くために、さらに別の格子、ミラー、空間変調器、又は位相変調器を有する場合がある。このように、複数のスキャンパターン／平面を実施することができる。したがって、単一のライダーシステムを複数のスキャン平面に適合するように設計してもよいし、複数の個別のライダーシステムによって複数の異なるスキャンパターンを生成してもよい。
【００１９】
図２には明記していないが、スキャンパターン２１２及び２１４（並びにそれらに関連するレーザアレイ及びライダーシステム）は、異なる視野を調べるように構成することもできる。すなわち、それらは、少なくとも一部が図の平面に対して出入りするベクトルを含む視野を調べるように構成することができる。例えば、車両の移動方向を規定するベクトルの左１５度に視野の中心を有する一方のライダーシステムを車両２００の右正面に配置し、同様に、車両の移動方向を規定するベクトルの右１５度に視野の中心を有するもう１つのライダーシステムを車両の左正面に配置する場合がある。２つの独立したライダーシステムは、少なくとも各スキャンパターンの角度範囲に応じて、異なる（大抵は重なり合う）視野をスキャンすることになる。このようにすれば、より広い範囲をスキャンしたり、特殊なスキャン（例えば、車両の一方の側では短距離スキャンを行い、車両の他方の側では長距離スキャンを行う等）を実施することも可能となる。今説明したライダーシステムにおける位置や構成の種々の変更は、当業者には既知のものである。また、１以上のライダー装置を使用して、複数（図示した２つよりも多く）の異なるスキャン平面を調べることも可能である。さらに、車両の周囲のいずれかの方向における異なる領域をスキャンすることも可能である。さらに、ライダーシステムは、車両の任意の所望の位置（例えば、高さ、水平位置など）に配置することが可能である。
【００２０】
図３は、本発明による車両用ライダーシステムの一部の構成要素を示すブロック図である。車両用ライダーシステム３００は、レーザアレイ／関連光学部品３１０、及び光検出器／関連光学部品３２０のようなライダーセンサ構成要素を含む。制御回路３３０は、レーザアレイにおける個々のレーザの駆動、レーザの変調やエンコード、タイミング機能、光検出器信号の増幅等のような、センサ構成要素に必要とされる制御を行う。また、センサ構成要素が、例えば、図５Ａ〜図６Ｂを参照して後で説明するトランスデューサや、上で説明したビーム偏向装置のような制御を必要とする他のデバイスを含む場合、制御回路３３０は、所望の支援機能を提供する場合がある。センサ構成要素からデータが得られると、そのデータはデータ分析モジュール３４０に渡される（図示のような制御回路３３０を介して、若しくは直接に）。データ分析モジュール３４０は、種々のタイプの光検出器信号のデコード、及び信号処理を実施し、ライダーシステムの視野内で検出された１以上の物体に関する有用な情報を導出する。この情報は、車両制御／安全装置３５０に渡される。車両制御／安全装置３５０は、その情報を自動安全装置、又は準自動安全装置（例えば、自動緊急ブレーキング、ヘッドライト制御、ホーン制御、ＡＣＣなど）に使用し、及び／又は、１以上のヒューマンインタフェース（３５１〜３５９）を介してその情報を車両運転者に提供する。さらに、車両制御／安全装置３５０は、車両運転者やプログラマのようなユーザに、１以上のライダーシステムパラメタを使用した制御を提供する場合がある。そのようなパラメタには例えば、スキャンタイプ、スキャン分解能、スキャン範囲、スキャン深さ、及び警報インジケータタイプなどがある。
【００２１】
５つの異なるヒューマンインタフェース、すなわち、ビデオインタフェエース３５１、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）３５３、触覚インタフェース３５５、音声インタフェース３５７、及びインジケータランプ３５９を例示する。ただし、本発明によるライダーシステムとともに、種々の異なるタイプの警報装置、インジケータ、及びユーザインタフェース要素を使用することが可能である。
【００２２】
ビデオディスプレイ３５１、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）３５３、及びインジケータランプ３５９は全て、ライダーシステムによって認識された物体に関する警報を車両運転者に与えるために使用可能な種々のタイプの視覚的インジケータの例である。例えば、ビデオディスプレイ３５１は通常、物体の存在に関するグラフィカルインジケータ（例えば、警報メッセージ）、車両の位置に対する物体の位置に関する概略表示、又は物体の詳細を強調して表示した車両周囲の詳細な生映像を表示することが可能である。これらの表示は通常、インダッシュで表示されるか、又は別個に取り付けられたコンピュータディスプレイによって表示される。同様に、ＨＵＤ３５３は、同じタイプの視覚情報を提供することも、もっと単純な警報インジケータを表示することもでき、この情報だけは、車両運転者の視線上にくるように、車両のフロントガラス上に投影される。また、ＨＵＤシステムは、情報をインジケータの形で、フロントガラスの一部に設けられた暗い領域に投影することができ、運転者はそこを通して識別された物体を見ることになる。インジケータランプ３５９は恐らく、最も単純なタイプの視覚インジケータであり、例えば、ライダーによって物体が検出されたときにフラッシュ（閃光）を発する１以上の光源（ＬＥＤ、ランプなど）である。本発明による他の例では、一連の光源を順次点灯させたり、検出された物体までの距離やその物体に関する危険が増大するのに応じて、光の色を変化させたりする場合がある。
【００２３】
触覚インタフェース３５５は、車両運転者に何らかの形でフィードバックを提供する。光学部品が視覚を担うのと同様に、触覚とは、接触の感覚を言う。触覚は、３つの概念に分けることができる。すなわち、フォース・フィードバック、触覚フィードバック、及び固有受容感覚である。フォース・フィードバックを使用した場合、ユーザは、触覚インタフェースによって与えられる力を感じ取ることができる。大抵のフォース・フィードバックデバイスは機械式であり、モータによってユーザに力を与える。触覚フィードバックとは、皮膚の機械受容器を通じて皮膚表面における触感を検知し、その触覚を種々の皮膚感覚を有するユーザに与えること、及び／又は、場合によっては、触覚フィードバックをシミュレートする微妙で高速な振動をフォース・フィードバックとしてユーザに与えることを言う。固有受容感覚とは、自分の体が空間内のどこにあるのかを、内部的な筋骨格の力により検知する体の機能を言う。車両用ライダーシステムの例の場合、典型的な触覚インタフェースとしては、検出された物体の直接的なインジケータを車両の運転者に与えるための、座席を利用した振動装置やステアリングホイールデバイスがある。
【００２４】
音声インタフェース３５７は、種々の形態で実施することができる。最も単純な例としては、特徴的な警報音を車両の運転者に与えるものであろう。こうしたシステムは、車両搭載型オーディオ機器（例えば、ステレオシステムや携帯電話システム）と一体化することによって、警報音がより鮮明に聞こえるように、他の音声の中に割り込ませることができる。もっと複雑な警報音としては、例えば、状況の深刻さに応じて徐々に変化するトーン音（例えば、ボリューム、間隔などが変化する音）や、状況のタイプ、及び／又は深刻さを運転者に明確に知らせるデジタル音声インジケータなどがある。
【００２５】
図４Ａ〜図４Ｂは、ライダーシステムに使用され、特に、車両用ライダーシステムに使用される、本発明によるレーザ／光学部品システムの更に別の例を示している。具体的には、図４Ａ〜図４Ｂは、レーザアレイとともに使用され、種々の方向にレーザスキャンを行うことが可能な種々のタイプの光学部品を示している。
【００２６】
レーザ／光学部品システム４００は、レーザアレイ４１０と、光学素子４２０とを含む。一般に、光学素子４２０は、プリズム、プリズムアレイ、ビームステアリング素子、レンズアレイ、ビームコリメーティング素子などのような１以上の素子を含む。この例に描かれているように、光学素子４２０は特殊なプリズムである。光学素子４２０は、適当な光学的材料（例えば、光学的品質のプラスチック、ガラス、ＩＩＩ−Ｖ族の金属、又はレーザアレイ４１０によって放射された光に対して十分な透過性を持つ他の材料）から形成され、一体型のコリメートレンズアレイ４３０を含む。コリメートレンズアレイ４３０のレンズは、レーザアレイ４１０の各レーザと連携して動作するように設計され、そのような位置に配置される。各レーザからの光は、対応するレンズアレイ素子によってコリメートされ、残りの光学素子を使用してステアリングされる。この例の場合、光学素子４２０は、概ね凹面を形成しているが、この凹面は不規則な表面を有する種々のファセットを有する。コリメートレンズアレイの特定のレンズ素子からの光が、光学素子の対応するファセットから放出されるとき、その光は、スネルの法則にしたがって決まる方向に屈折される。各レーザからの光は、光学素子によって異なる角度にステアリング（方向転換）され、その結果、光源の数に等しい数のビームが生成され、各ビームは異なる角度を有することになる。レーザアレイから異なるレーザを選択することにより、システムから探索ビームを放射するときの角度を効率的に選択することが可能となる。
【００２７】
レーザ／光学部品システム４５０は屈折素子の別の例である。このレーザ／光学部品システム４５０は、レーザアレイ４６０、及び光学素子４７０を含む。光学素子４７０は適当な光学材料から形成され、一体型コリメートレンズアレイ４８０を含む。コリメートレンズアレイ４８０の各レンズは、レーザアレイ４６０の各レーザと連携して動作するように設計され、そのような位置に配置される。各レーザからの光は、コリメートレンズアレイの対応するレンズによってコリメートされ、残りの光学素子を使用してステアリングされる。この例では、光学素子４７０は、概ね凸面を形成しているが、この凸面は不規則な表面を有する種々のファセットを有する。コリメートレンズアレイの特定のレンズからの光が、対応する光学素子のファセットから放出されるとき、その光は、スネルの法則にしたがって決まる方向に屈折される。
【００２８】
なお、図４Ａ及び図４Ｂのシステムにおいて、コリメートレンズアレイは、残りの対応する光学素子と連携して動作する独立した光学素子であってもよい。当業者には明らかなように、種々の他の反射性素子を使用して、所望のビームステアリングを実施することも可能である。また、本発明による一部の実施形態では、光学部品をレンズアレイ４１０又は４６０に一体化させる場合がある。反射性素子は、機械的研磨、射出成形、スタンピング、及び半導体製造技術といった種々の技術を使用して製造することが可能である。特別に形成されたホログラフィック光学素子、変調器、及び液晶デバイスのような他の回折デバイスも同様に、ビームステアリングに使用することが可能である。
【００２９】
図５Ａ〜図６Ｂは、ライダーシステムに使用され、特に、車両用ライダーシステムに使用される、本発明によるレーザ／光学部品システムの種々の例を示している。具体的には、各図面は、より少数の半導体レーザを使用して、多数の半導体レーザと同じスキャン角度範囲を実現するために使用されるレーザ／光学部品システムを示している。
【００３０】
例えば、図５Ａでは、レーザアレイ５１０は、たった３つの半導体レーザしか有していないのに対し、前の例では５つのレーザを有していた。レーザアレイ５１０では、減少したレーザの数を補うために、レーザアレイ５１０をレンズ５３０に対して平行移動させることができる。図５Ａに示すように、レーザアレイ５１０は、レンズ５３０の中心線に対して最大変位まで平行移動されている。レーザアレイの平行移動を可能にするために、レーザアレイ５１０は平行移動装置に結合されている。平行移動装置５２０は、音声コイル、圧電平行移動装置、ステッパモータ、形状記憶平行移動装置、振動器モータ、及び種々の他のモータ及び装置といった多数の種々の装置を使用して実施することができる。一般に、特定のレーザアレイに必要とされる個々のレーザの数を大幅に減らすためには、少量の平行移動（例えば、数ミリメートル以下程度）しか必要としない。本発明による一部の実施形態では、平行移動をかなり高速に実行できることが望ましい場合があり、そのような実施形態の詳細は、特定タイプの平行移動装置の使用を推奨する場合がある。図５Ｂに示すように、平行移動装置５２０は、レンズ５３０の中心線に対して、装置の移動範囲の他方の限界に位置している。この単純な例では、個々のレーザの数を４０％だけ削減しているが、同じ視野角を維持している。
【００３１】
図６Ａ及び図６Ｂも、似たようなシステムを示している。ここで、レーザアレイ６１０は固定であるが、それでも、たった３つの半導体レーザしか有していない。これに対し、前述の例では５つのレーザを有していた。レーザアレイ６１０では、削減されたレーザの数を補うために、レーザアレイ６１０は、レーザアレイ６１０の中心線に対して一方の限界変位まで平行移動されている。レンズの平行移動を可能にするために、レーザレンズ６３０は平行移動装置６２０に結合されている。平行移動装置６２０は、平行移動装置５２０を参照して上で説明したような多数の種々の装置を使用して実施することができる。この場合も、特定のレーザアレイに必要とされる個々のレーザの数を大幅に削減するために通常、少量の平行移動しか必要としない。図６Ｂは、レンズ６３０が、レーザアレイ６１０の中心線に対して他方の限界まで移動された状態を示している。
【００３２】
原理的には、単一のレーザを有するアレイを使用することもでき、レーザアレイはレンズに対して適切に平行移動され、又は、レンズはレーザアレイに対して適切に平行移動される。また、上で例示したような平行移動手段を使用すれば、個々のレーザ間に冗長性を与えることもできる。例えば、複数のレーザからなるアレイを形成してもよいが、ただ１つのレーザだけ、又は少数のレーザだけが、最初にスキャンに使用される。これらのデバイスのうちの幾つかが故障した場合、別の１つのレーザ、又は別の１組のレーザを使用することができ、その場合、レーザは、故障した装置を避けるようにして選択される。
【００３３】
図７Ａ〜図７Ｄは、種々のライダーシステム、特に、車両用ライダーシステムとともに使用される光検出システムの例を示している。検出システムは、物体から反射された光を収集する能力を制限する種々の要素、例えば、ビームの広がり、大気による損失（吸収や散乱）、物体の反射率の欠如、光収集光学部品に関連する損失、検出器の効率、システムの光学部品上に溜まる光を通さない物質といった要素を許容するものでなければならない。また、車両用のライダーシステムはしばしば、特定サイズ、又は特定重量に制限される場合があり、そうした制限によって、使用される光検出器のサイズやタイプも制限されることがある。当業者には明らかなように、本発明によるライダーシステムには、種々のタイプの光検出器を使用することができる。中でも主な光検出器は、ＰＩＮフォトダイオード、ＰＮフォトダイオード、及びアバランシェ・フォトダイオードのような種々のフォトダイオードである。さらに、フォトダイオードは、例えばＳｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＨｇＣｄＴｅといった素子の材料によっても異なる場合がある。ＣＣＤデバイス、ＣＭＯＳ検出器、及び光電子増倍管のような更に別のタイプの光検出器を使用することも可能である。また、光検出器の感度によっては、種々のフィルタ、マスク、及び対反射コーティングを光検出器とともに使用する場合もある。
【００３４】
図７Ａのシステムにおいて、１以上の光検出器デバイス７０２は、レーザアレイ７００の半導体レーザ７０１に一体化されている。このように、光検出器７０２は、レーザ７０１に沿って、例えば、同じ半導体ダイの一部に沿って沿って形成してもよいし、あるいは、種々のレーザと一体化し、単一の複合デバイスを形成してもよい。図中、光検出器７０２は、レーザアレイ上で、レーザ７０１の間に散在するように描かれているが、これは必須ではない。例えば、レーザアレイに近くに、１以上の光検出器を何らかの適当な幾何学構成を成すように配置してもよい。図７Ａに示すように、レーザアレイ７００はレンズ７０５を通してビーム７０７を送出し、ビーム７０７は次に、物体７１０によって反射（７１５）される。レンズ７０５は、ビーム７０７の適切な伝送と、反射ビーム７１５からの光の十分な収集が可能となるように選択される。
【００３５】
図７Ｂは、本発明による他の反射光検出手段を示している。この例では、レーザアレイ７２０はレンズ７２５を通してビーム７２７を送出し、ビーム７２７は次に、物体７３０によって反射（７３５）される。反射光７３５はミラー７３７によって収集され、反射され、光検出器７３９へと戻される。この例では、ミラー７３７は、放物線反射器であり、その焦点は、光検出器７３９の活性領域の位置に調節されている。他のタイプの凹面反射器、例えば、楕円形や球面状などの反射器を使用することも可能である。ミラー７３７は、広がった反射ビームからの反射光を収集するときや、検出を助けるためにその光を集束させるときに、特に有効である。
【００３６】
図７Ｃは、本発明による更に別の反射光検出手段を示している。この例では、レーザアレイ７４０はレンズ７４５を通してビーム７４７を送出し、ビーム７４７は、物体７５０によって反射（７５５）される。反射光７５５はレンズ７５７によって収集され、光検出器７５９上に集束される。この例では、光検出器７５９は、レーザアレイ７４０に対して軸外に配置されているが、信号収集率を高めるために、比較的広い検出器領域を有している。光検出器７５９は通常、レーザアレイ７４０の近くに配置されるが、これは必須ではない。一般に、光検出器７５９は、十分な量の反射光７５５を収集することが可能な場所であれば、どのような場所に配置してもよい。したがって、実施形態によっては、光検出器７５９のサイズや位置に応じて、レンズ７５７の代わりに、単純な光学平面若しくはウィンドウ（大抵は、適当な対反射コーティングを有する）を使用する場合がある。更に別の実施形態として、もっと複雑な収集光学部品を使用する場合もある。
【００３７】
図７Ｄは、記載した多数の光検出器システムとともに使用可能なタイプの収集光学部品の例を示している。この収集器の主な構成要素は、最大限の許容角度を維持しつつ短い焦点距離を使用する、全反射（ＴＩＲ）レンズ７７０である。光は、上面から上面に対して概ね垂直に入射し、内部反射され、拡大図７７５に示すように伝送される。このように、レンズ７７０の外側部分は、フレネルレンズに似ている。レンズ７７０の中心部は通常、非球面である。中心部に非球面レンズを使用し、周辺部にＴＩＲ溝を使用することによって、一般にコンパクトな設計が可能となる。オプションの二次レンズ７８０を使用して、光検出器７６０に対する光の集束率を更に向上させる場合もある。
【００３８】
本発明の種々の例示的実施形態を以下に列挙する。
１．車両用ライダーシステムのための装置であって、
複数の半導体レーザと、
前記複数の半導体レーザに対して取り付けられた光学素子であって、前記複数の半導体レーザのうちの少なくとも２つが、前記光学素子から実質的に種々の方向に放射されるビームを生成するように構成される、光学素子と、
前記複数の半導体レーザに接続され、前記複数の半導体レーザのうちの少なくとも２を個別に駆動するように構成された制御回路と
を含む装置。
２．前記複数の半導体レーザは、
単一の半導体基板上に形成された複数の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）(110)と、
複数の面発光レーザであって、該複数の面発光レーザのうちの少なくとも２つが、異なる半導体基板上に形成される、複数の面発光レーザと、
複数の端面発光レーザと
のうちの少なくとも１つを更に含む、１に記載の装置。
３．前記複数の半導体レーザは、一次元線形アレイと二次元線形アレイのうちの少なくとも一方を成すように構成される、１に記載の装置。
４．前記複数の半導体レーザのうちの第１の半導体レーザは、第１の波長を有する光を生成し、前記複数の半導体レーザのうちの第２の半導体レーザは、第２の波長を有する光を生成する、１に記載の装置。
５．前記光学素子は、レンズ、プリズム、及びレンズアレイのうちの少なくとも１つを更に含む、１に記載の装置。
６．(1)前記複数の半導体レーザと(2)前記光学素子のうちのいずれか一方に接続され、前記複数の半導体レーザ及び前記光学素子のうちの１つを、他の前記複数の半導体レーザ及び前記光学素子に対して平行移動させるように構成された平行移動装置を更に含む、１に記載の装置。
７．前記平行移動装置は、音声コイル、圧電平行移動装置、ステッパモータ、形状記憶平行移動装置、及び振動器モータのうちの少なくとも１つを更に含む、６に記載の装置。
８．前記複数の半導体レーザのうちの少なくとも１つによって生成され、前記ライダーシステムによってスキャンされる物体から反射された光を検出するように構成された光検出器を更に含む、１に記載の装置。
９．前記光検出器に対して取り付けられ、前記複数の半導体レーザのうちの少なくとも１つによって生成され、前記ライダーシステムによってスキャンされる物体によって反射された光の少なくとも一部を集束させるように構成され、反射性光学素子、屈折性光学素子、ホログラフィック光学素子、及び回折性光学素子のうちの少なくとも１つを含む、光収集光学素子を更に含む、８に記載の装置。
１０．前記光検出器は、前記複数の半導体レーザと同じ半導体基板上に形成される、８に記載の装置。
１１．前記光検出器は、ＰＩＮフォトダイオード、ＰＮフォトダイオード、アバランシェ・フォトダイオード、ＣＣＤデバイス、ＣＭＯＳ検出器、及び光電子増倍管のうちの少なくとも１つを更に含む、８に記載の装置。
１２．前記車両と、前記複数の半導体レーザのうちの少なくとも２つによって生成されたビームのうちの少なくとも１つを反射する物体との間の概算距離を判定するための信号処理回路を更に含む、８に記載の装置。
１３．前記信号処理回路に接続された車両安全装置を更に含み、該車両安全装置は、前記複数のレーザのうちの少なくとも２つによって生成されたビームのうちの少なくとも１つを反射する物体に関する情報を、車両ユーザに提供するように構成されたインジケータを更に含み、前記インジケータは、ビデオディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）、触覚インタフェース、音声インタフェース、及びインジケータランプのうちの少なくとも１つを更に含む、１２に記載の装置。
１４．車両の周囲にある物体を判定する方法であって、
第１の半導体レーザを駆動し、第１のビームを生成するステップと、
第１の光学素子を使用して、前記第１のビームを第１の方向に屈折させるステップと、
第２の半導体レーザを駆動し、第２のビームを生成するステップと、
前記第１の光学素子を使用して、前記第２のビームを第２の方向に屈折させるステップと、
前記車両の周囲にある物体によって反射された前記第１のビームと前記第２のビームのうちの少なくとも一方からの光を検出するステップと、
前記検出に応答して、前記物体の位置を判定するステップと
からなる方法。
１５．前記第１の半導体レーザと前記第２の半導体レーザを併せたものが、
単一の半導体基板上に形成された複数の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）と、
複数の面発光レーザであって、該複数の面発光レーザのうちの少なくとも２つが、異なる半導体基板上に形成される、複数の面発光レーザと、
複数の端面発光レーザと、
一次元線形レーザアレイの一部と、
二次元線形レーザアレイの一部と
のうちのいずれか１つである、１４に記載の方法。
１６．前記第１のビームを屈折させるステップと、前記第２のビームを屈折させるステップのうちの少なくとも一方は、
前記第１のビームと前記第２のビームのうちのいずれか一方を屈折性光学素子を通して伝送するステップと、
前記第１のビームと前記第２のビームのうちのいずれか一方を回折性光学素子を通して伝送するステップと
のうちの少なくとも一方を更に含む、１４に記載の方法。
１７．前記第１の半導体レーザと前記第２の半導体レーザのうちの少なくとも一方を前記第１の光学素子に対して平行移動させるステップと、
前記第１の光学素子を前記第１の半導体レーザと前記第２の半導体レーザのうちの少なくとも一方に対して平行移動させるステップと
のうちの少なくとも一方を更に含む、１４に記載の方法。
１８．前記車両の周囲にある物体により反射された前記第１のビームと前記第２のビームのうちの少なくとも一方からの光を、反射性光学素子、屈折性光学素子、及び回折性光学素子のうちの少なくとも１つを使用して収集するステップと、
収集された前記光の少なくとも一部を光検出器上に集束させるステップと
を更に含む、１４に記載の方法。
１９．物体検出インジケータを車両ユーザに提供するステップを更に含む、１４に記載の方法。
２０．車両の周囲にある物体を検出する装置であって、
第１のレーザビームを生成する手段と、
第２のレーザビームを生成する手段と、
前記第１のレーザビームを生成する手段と前記第２のレーザビームを生成する手段とを順番に駆動する手段と、
前記第１のレーザビームを第１の方向に屈折させ、前記第２のレーザビームを第２の方向に屈折させる手段と
前記車両の周囲にある物体によって反射された前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームとのうちの少なくとも一方からの光を検出する手段と、
前記光を検出する手段からの情報を使用して前記物体の位置を判定する手段と
を含む装置。
【００３９】
当業者には明らかなように、上で述べた部品や材料に代えて、種々の異なるタイプの光学部品、及び材料を使用することも可能である。例えば、種々の円筒形、球面状、非球面状、反射性、及び屈折性の光学部品を使用することが可能である。また、電気−光変調器、音響−光変調器、空間光変調器、位相変調などのような種々のタイプの光変調器を使用して、ビームステアリング機能を与えることも可能である。さらに、本明細書における本発明の説明は例示のためのものであり、特許請求の範囲に記載した発明の範囲を制限することを意図したものではない。本明細書の記載に基づいて、特許請求の範囲に記載したような発明の範囲及び思想から外れることなく、本明細書に開示した実施形態の変形や変更を行うことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】ライダーシステムに使用され、特に車両用ライダーシステムに使用される、本発明によるレーザ及び光学系を示す図である。
【図２】本発明による、１以上のレーザアレイを利用したライダーシステムの車両搭載型実施形態を示す図である。
【図３】本発明による車両用ライダーシステムの一部の構成要素を示すブロック図である。
【図４Ａ】ライダーシステムに使用され、特に車両用ライダーシステムに使用される、本発明によるレーザ及び光学系の更に別の例を示す図である。
【図４Ｂ】ライダーシステムに使用され、特に車両用ライダーシステムに使用される、本発明によるレーザ及び光学系の更に別の例を示す図である。
【図５Ａ】ライダーシステムに使用され、特に車両用ライダーシステムに使用される、本発明によるレーザ及び光学系の更に別の例を示す図である。
【図５Ｂ】ライダーシステムに使用され、特に車両用ライダーシステムに使用される、本発明によるレーザ及び光学系の更に別の例を示す図である。
【図６Ａ】ライダーシステムに使用され、特に車両用ライダーシステムに使用される、本発明によるレーザ及び光学系の更に別の例を示す図である。
【図６Ｂ】ライダーシステムに使用され、特に車両用ライダーシステムに使用される、本発明によるレーザ及び光学系の更に別の例を示す図である。
【図７Ａ】種々のライダーシステムとともに使用され、特に車両用ライダーシステムとともに使用される、本発明による光検出システムの例を示す図である。
【図７Ｂ】種々のライダーシステムとともに使用され、特に車両用ライダーシステムとともに使用される、本発明による光検出システムの例を示す図である。
【図７Ｃ】種々のライダーシステムとともに使用され、特に車両用ライダーシステムとともに使用される、本発明による光検出システムの例を示す図である。
【図７Ｄ】種々のライダーシステムとともに使用され、特に車両用ライダーシステムとともに使用される、本発明による光検出システムの例を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１１０、１２０、３１０  半導体レーザ
１３０  光学素子
３２０、７０２、７３９、７５９  光検出器
３３０  制御回路
３４０  信号処理回路
４２０、４７０  プリズム（レンズアレイ）
５２０、６２０  平行移動装置
７０５、７３７、７５７、７７０  光収集光学素子
【図１】
2007214564.tif 000003
【図２】
2007214564.tif 000004
【図３】
2007214564.tif 000005
【図４Ａ】
2007214564.tif 000006
【図４Ｂ】
2007214564.tif 000007
【図５Ａ】
2007214564.tif 000008
【図５Ｂ】
2007214564.tif 000009
【図６Ａ】
2007214564.tif 000010
【図６Ｂ】
2007214564.tif 000011
【図７Ａ】
2007214564.tif 000012
【図７Ｂ】
2007214564.tif 000013
【図７Ｃ】
2007214564.tif 000014
【図７Ｄ】
2007214564.tif 000015