(57)【要約】  本発明は、概して環境センシングの分野に関し、より詳細には、リアルタイム三次元マッピングおよび物体検出、追跡、識別、および／または分類のための飛行時間型（ＴｏＦ）ライダーセンサの使用に関する。複数の一次元平面ビーム成形およびステアリング光学フェーズドアレイチップは、二次元スキャンニング固体ライダーを形成し、三次元マッピング飛行時間型ライダーの製造を、一次元光学フェーズドアレイチップの単純性からもたらされる高い歩留りおよび低いコストで可能にする。
2017525963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元マッピング二次元スキャニング飛行時間型ライダー測距装置であって、該装置は、複数の一次元光学フェーズドアレイに基づくレーザビーム成形およびステアリングフォトニック集積回路チップを含む、装置。
【請求項２】
前記複数のフォトニック集積回路チップは、素子のセットのうちの少なくともサブセットを前記一次元光学フェーズドアレイのステアリング平面に垂直な方向におけるビームサイズ制御の手段として利用することにより、レーザビームを成形し、ステアリングし、該素子のセットは、
少なくとも一つのオフチップレンズと、
少なくとも一つのオンチップ回折格子と
を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記少なくとも一つのオフチップレンズは、素子のセットのうちのサブセットを含み、該素子のセットは、
少なくとも一つの屈折レンズと、
少なくとも一つの分布屈折率型レンズと、
少なくとも一つの回折光学素子と、
少なくとも一つのホログラフ光学素子と
を含むがそれらに限定はされない、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記複数のフォトニック集積回路チップに結合された光信号は、単一のレーザから生成される、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記複数のフォトニック集積回路チップに結合された光信号は、複数のレーザから生成される、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
二次元スキャニング飛行時間型ライダー測距装置を利用する三次元マッピングの方法であって、該装置は、複数の一次元光学フェーズドアレイに基づくレーザビーム成形およびステアリングフォトニック集積回路チップを含む、方法。
【請求項７】
前記複数のフォトニック集積回路チップは、素子のセットのうちの少なくともサブセットを前記一次元光学フェーズドアレイのステアリング面に鉛直な方向におけるビームサイズ制御の手段として利用することによりレーザビームを成形し、ステアリングし、該素子のセットは、
少なくとも一つのオフチップレンズと、
少なくとも一つのオンチップ回折格子と
を含む、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記少なくとも一つのオフチップレンズは、素子のセットのうちの一つのサブセットを含み、該素子のセットは、
少なくとも一つの屈折レンズと、
少なくとも一つの分布屈折率型レンズと、
少なくとも一つの回折光学素子と、
少なくとも一つのホログラフ光学素子と
を含むがそれらに限定はされない、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記複数のフォトニック集積回路チップに結合された前記光信号は、単一のレーザから生成される、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記複数のフォトニック集積回路チップに結合された光信号は、複数のレーザから生成される、請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願への相互参照）
この出願は、２０１４年８月１５日に出願された、米国特許出願第１４／４６０，３６９号の優先権を主張し、その内容が参照により本明細書に援用される。
（技術分野）
本発明は、概して環境センシングの分野に関し、より詳細には、リアルタイム三次元マッピングおよび物体検出、追跡、識別、および／または分類のための飛行時間型（ＴｏＦ）ライダーセンサの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
(発明の背景）
ライダーセンサは、光検出および測距センサである。これは、目標またはシーンを光で照射することと、レーザからのパルス（または、代替えとして、変調された信号）を使用することと、光子がその目標または風景に進んで、反射後にライダーモジュールの受信器に戻るためにかかる時間を測定することとによって、あるシーンにおける目標または対象までの距離を測定できる光遠隔センシングモジュールである。反射されたパルス（または変調された信号）が、パルス（または変調された信号）の飛行時間および強度が感知された物体の距離および反射率の測度であるとして、それぞれ検出される。
【０００３】
従来のライダーセンサは、レーザビームをスキャンするために、機械的に動く部品を利用する。先進運転支援システム（ＡＤＡＳ）および自律運転システムのような自動車用途に使用されるあるシステムを含むいくつかのシステムにおいて、より高いセンサの信頼性、より長いセンサ寿命、より小さいセンササイズ、より軽いセンサ重量、およびより低いセンサコストを含むがそれらに限定はされない様々な可能性のある長所のために、固体センサを使用することが好ましい。
【０００４】
レーダフェーズドアレイの生成のために使用される無線周波数（ＲＦ）遅延ラインが、数十年前からレーダ信号の固体ステアリングのために使用されてきた。フォトニック集積回路（ＰＩＣ）に基づいた、検出器およびＲＦアンテナアレイと結合された遅延ラインは２０年前から使用されており、レーダ信号の固体ステアリングにおける遅延の精確さを改良してきた。マイクロスケールおよびナノスケールデバイスを有するＰＩＣは、レーザビームの固体ステアリングのための同調可能な光学遅延ラインと光学アンテナとを含む光学フェーズドアレイ（ＯＰＡ）を製造するために使用され得る。
【０００５】
これまでに製造された光ドメインにおけるフェーズドアレイは、複雑で、コストが高く、および／または、ビーム成形およびビームステアリングとは異なる目的を有していた；一部は、空間フィルタ、光増幅器およびリングレーザを結合し（特許文献１）、一部は、複数の光入力ビームを含み（特許文献２）、一部は体積型回折格子および複数の入力方向を含み（特許文献３）、一部は、複数の波長のビームを結合し（特許文献４）、一部は、光学位相基準源とゲイン要素を有し（特許文献５）、一部は、視野内に所定の領域、および複数のビーム成形要素を有し（特許文献６）、そして、一部は、複数の周波数および複数の光学位相基準源を有する（特許文献７）。
【０００６】
現在までに製造された、光学ドメインにおける二次元ビーム成形およびステアリングフェーズドアレイは、二次元であり、複雑な二次元ピクセルアレイをステアリングするので、低い歩留りを有し、コストが高かった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第７，３３９，７２７号明細書
【特許文献２】米国特許第７，４０６，２２０号明細書
【特許文献３】米国特許第７，４２８，１００号明細書
【特許文献４】米国特許第７，４３６，５８８号明細書
【特許文献５】米国特許第７，４８９，８７０号明細書
【特許文献６】米国特許第７，５３２，３１１号明細書
【特許文献７】米国特許第７，５５５，２１７号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（発明の概要）
光学フェーズドアレイ（ＯＰＡ）チップを成形およびステアリングする複数の一次元（１Ｄ）平面ビームが、二次元ス（２Ｄ）キャニング固体ライダーを形成し、三次元（３Ｄ）マッピング飛行時間型ライダーの製造を、１Ｄ  ＯＰＡチップの単純性からもたらされる高い歩留りおよび低いコストで可能にする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
（図面の説明）
下記の図面は、本発明の実施形態の例示であり、出願の一部を形成する請求項によって包含されるような発明に図面を限定されることは、意図されていない。
【図１】図１の模式図は、複数の１Ｄ平面ビーム成形およびステアリング光学フェーズドアレイチップ１０を図示する。両矢印２０が、視野内のステアリング平面に横たわる。屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズ３０が各チップと共に使用され、ステアリング方向に垂直な方向におけるスポットサイズを縮小する。代替えとして、幾何学的な屈折レンズ、回折光学素子（ＤＯＥ）、またはホログラム光学素子（ＨＯＥ）が使用され得て、そのスポットサイズ縮小を達成する。
【図２】図２の模式図は、複数の１Ｄ平面ビーム成形およびステアリング光学フェーズドアレイチップ１０を図示する。両矢印２０が、視野内のステアリング平面に横たわる。オンチップ回折格子４０と共に、ステアリング方向に垂直な方向におけるスポットサイズが縮小される。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（発明の詳細な説明）
ライダーに基づく装置および方法が、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）を使用するレーザビームの固体ステアリングのために使用される。集積された光学設計およびマイクロテクノロジーとナノテクノロジーの製造は、本質的に均一なレーザからの光信号をピクセルのアレイに分配するチップスケールの光分配器の製造のために使用され、そのピクセルは、同調可能な光遅延ラインと光アンテナとを含む。このアンテナは、光の面外結合を達成する。
【００１１】
このアレイにおけるアンテナを含むピクセルの遅延ラインが同調されるので、各アンテナは特定の位相の光を放出し、これらの放射の干渉を通して所望の遠視野放射パターンを形成する。上記アレイは、固体光学フェーズドアレイ（ＯＰＡ）の機能を果たす。
【００１２】
多数のアンテナを組み込むことによって、高解像度の遠視野放射パターンが、固体ライダーに必要とされる放射パターンビーム成形とステアリング、および、三次元ホログラフィ、光メモリ、光学空間分割多重伝送のためのモード整合、自由空間通信、および生物医科学に必要とされるような任意の放射パターンの生成を支援するＯＰＡによって達成され得る。アレイからの画像化が、従来、ピクセルの強度を通して伝送されてきた一方で、ＯＰＡは、単一の光源からのコヒーレントな光波を受け取るピクセルの光位相の制御を通して画像化を可能にする。
【００１３】
複数の一次元（１Ｄ）平面ビーム成形およびステアリング光学フェーズドアレイチップは、固体ライダーにおける送信器の単純なビルディングブロックであり、高歩留りかつ低コストでのライダーの製造を可能にする。
【００１４】
各チップのスポットサイズの垂直方向の大きさ（つまり、ステアリング方向に垂直な大きさ）は、少なくとも一つのオフチップレンズ、または少なくとも一つのオンチップ回折格子と共に縮小される。
【００１５】
そのオフチップレンズは、下記のものを含むが、それらに限定されるわけではない：
−屈折レンズ
−分布屈折率型（ＧＲＩＮ）レンズ
−回折光学素子（ＤＯＥ）
−ホログラフ光学素子（ＨＯＥ）
ＯＰＡ  ＰＩＣを含む各チップは、相補型金属−酸化膜−半導体（ＣＭＯＳ）プロセスと適合性のあることが好ましい。
【００１６】
複数のチップに結合された光電力は、単一レーザ、または複数のレーザが起源である。
【図１】
2017525963.tif 000003
【図２】
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【国際調査報告】
2017525963.tif 000005