(57)【要約】LIDAR走査システム。本LIDARシステムは、レーザー光を送出するよう構成されたレーザーを有する。入力ポートを介してレーザー光を受領するよう、光スイッチが該レーザーに光学的に結合される。光スイッチは、受領されたレーザー光を走査されるべき環境に送信するための複数の出力ポートを含む。前記複数の出力ポートのそれぞれは、異なる方向に配向されている。反射レーザー光を受信するために検出器サブシステムが位置されている。検出器サブシステムにプロセッサが結合されている。プロセッサは、検出器サブシステムからデータ信号を受領するよう構成される。プロセッサは、LIDAR走査システムからLIDAR走査システムの環境における一つまたは複数のオブジェクトまでの距離を、レーザー光のビームの送信とレーザー光の前記ビームの反射の受信との間の時間に基づいて決定するようにも構成される。
2020503504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
LIDAR走査システムであって：
レーザーと；
レーザー光を受領するよう前記レーザーに光学的に結合された入力ポートおよび受領されたレーザー光を走査されるべき環境に選択的に送信するための複数の出力ポートを含む光スイッチであって、前記複数の出力ポートのそれぞれは異なる方向に配向されている、光スイッチと；
反射レーザー光を受信するよう位置された検出器サブシステムと；
受信されたレーザー光に対応する前記検出器サブシステムからのデータ信号を受領し、当該LIDAR走査システムから当該LIDAR走査システムの環境における一つまたは複数のオブジェクトまでの距離を、レーザー光のビームの送信とレーザー光の前記ビームの反射の受信との間の時間に基づいて決定するよう構成されたプロセッサとを有する、
システム。
【請求項２】
前記複数の出力ポートのそれぞれは、異なる視野（FOV）をもつよう、当該LIDAR走査システムの筐体のまわりの異なる位置に位置されている、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記複数のポートは、隣接する出力ポートのFOVが、走査されるべき環境のエリアにおけるあるカバレッジ野を提供するよう構成される、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記複数の出力ポートは、360度の水平視野（HFOV）をもつよう構成される、請求項１ないし３のうちいずれか一項記載のシステム。
【請求項５】
前記複数の出力ポートは、30度の角度視野（AFOV）をもつよう構成される、請求項１ないし３のうちいずれか一項記載のシステム。
【請求項６】
前記前記AFOVは水平基準平面から＋15度から該水平基準平面から−15度までの間の範囲である、請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記プロセッサは、前記複数の出力ポートにおける、前記レーザー光が送信されるアクティブな出力ポートを選択するよう、前記光スイッチにおける光スイッチング・ブロックを制御することによって、前記レーザー光が送信される方向を制御する、請求項１ないし６のうちいずれか一項記載のシステム。
【請求項８】
前記プロセッサは当該システムに、前記光スイッチの各出力ポートを通じて前記レーザー光を巡回させることによって、走査サイクルを実行させる、請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記出力ポートは、複数の層において配置される、請求項１ないし８のうちいずれか一項記載のシステム。
【請求項１０】
各層の出力ポートが環状に配置されてリングをなす、請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
前記出力ポートが複数の同心リングに配置される、請求項９記載のシステム。
【請求項１２】
各層は3600個の出力ポートをもち、各層の出力ポートは互いから0.1度放射状にオフセットされて、0.1度の水平角度分解能（HAR）および360度のHFOVを提供する、請求項９記載のシステム。
【請求項１３】
前記出力ポートは16層に配置され、各層の出力ポートは隣接層における出力ポートから2度、角度的にオフセットされて、2度の垂直角度分解能（VAR）および30度のAFOVを提供する、請求項９記載のシステム。
【請求項１４】
複数のマイクロレンズをさらに有し、前記出力ポートの前記複数における各出力ポートは、送信中にレーザー光をフォーカスするためにマイクロレンズと光学的に結合される、
請求項１ないし１３のうちいずれか一項記載のシステム。
【請求項１５】
前記出力ポートの前記複数における各出力ポートは、送信中にレーザー光をフォーカスするためにマイクロレンズ・アレイと光学的に結合される、請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
前記プロセッサは、環境における一つまたは複数のオブジェクトまでの決定された距離に基づいて、環境の三次元（3D）マップを生成するよう構成される、請求項１ないし１５のうちいずれか一項記載のシステム。
【請求項１７】
前記検出器サブシステムは、当該LIDAR走査システムのまわりの異なる位置にそれぞれ位置された、反射されたレーザー光を受信するための複数の検出器要素を有する、請求項１ないし１６のうちいずれか一項記載のシステム。
【請求項１８】
前記複数の検出器要素のそれぞれは、その検出器要素が対にされる光スイッチの出力ポートに近接して位置される、請求項１ないし１７のうちいずれか一項記載のシステム。
【請求項１９】
車両のための車両制御システムであって：
レーザーと；
送信中に前記レーザーからの光を受領するよう前記レーザーに光学的に結合された入力ポートおよび受領されたレーザー光を走査されるべき環境に送信するための複数の出力ポートを含む光スイッチであって、前記複数の出力ポートのそれぞれは異なる方向に配向されている、光スイッチと；
反射レーザー光を受信するよう位置された検出器サブシステムと；
前記検出器サブシステムに結合されたプロセッサであって、前記プロセッサは、受信されたレーザー光に対応する前記検出器サブシステムからのデータ信号を受領するよう構成されている、プロセッサと；
前記プロセッサに結合されたメモリとを有しており、前記メモリは、前記プロセッサによって実行されたときに前記プロセッサに：
前記車両から前記車両の環境における一つまたは複数のオブジェクトまでの距離を、レーザー光のビームの送信とレーザー光の前記ビームの反射の受信との間の時間に基づいて決定させる命令を記憶している、
車両制御システム。
【請求項２０】
LIDAR走査システムを制御する方法であって、前記LIDAR走査システムは、光を送信するよう構成されたレーザーと、送信中に該レーザーから光を受領するよう該レーザーに光学的に結合された入力ポートおよび受領されたレーザー光を走査されるべき環境に送信するための複数の出力ポートを含む光スイッチとを有しており、前記複数の出力ポートのそれぞれは、異なる方向に配向されており、当該方法は：
レーザー光を放出するよう前記レーザーを制御し；
前記複数の出力ポートにおける、前記レーザー光が送信されるアクティブな出力ポートを選択することによって、前記レーザー光が送信される方向を制御することを含む、
方法。
【請求項２１】
前記レーザー光は、前記光スイッチの前記出力ポートのそれぞれを通じて、走査サイクルにおいて巡回する、請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記出力ポートはいくつかの層において配置され、前記レーザー光が送信される方向は、前記アクティブな出力ポートが層ごとおよびポートごとに順次選択される走査シーケンスによって定義される、請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記出力ポートはいくつかの同心リングにおいて配置され、前記レーザー光が送信される方向は、前記アクティブな出力ポートが列ごとおよびポートごとに選択される走査シーケンスによって定義される、請求項２１記載の方法。
【請求項２４】
走査レートを設定するために、各出力ポートが前記アクティブな出力ポートである時間が制御される、請求項２０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
本願は2017年7月24日に出願された「ＬＩＤＡＲ走査システム」と題する米国特許出願第15/657,405号の優先権を主張するものである。同出願の内容はここに参照によってあたかもその全体において再現されているかのように、組み込まれる。
【０００２】
技術分野
本開示はLIDAR（Light  Detection  And  Ranging［光検出および測距］）に、詳細にはLIDAR走査システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
レーザー走査および三次元（three-dimensional、3D）走査としても知られるLIDARシステムは、他の用途の中でもマップ作成、測量およびオブジェクト検出において使われる。LIDARはロボティクス、自律およびビークル（たとえば自動車、ロボット）および他の感知用途においてを含め、多くの用途をもつ。LIDARシステムはレーザー光を放出し、放出されたレーザー光における反射を検出する。レーザー光の放出と反射されたレーザー光の検出との間の飛行時間（time-of-flight、TOF）を測定することによって、LIDARユニットとレーザー光を反射したオブジェクトとの間の距離が計算されうる。
【０００４】
表示、ナビゲーション、自律運転または他の同様の用途のために使用されうる周囲の環境の3Dマップを生成するために、送信された／受信された信号に対して、LIDARシステムによってデジタル信号処理が実行されてもよい。
【発明の概要】
【０００５】
本開示のある側面では、LIDAR走査システムが提供される。本システムは、レーザー光を送出するよう構成されたレーザーを有する。入力ポートを介してレーザー光を受領するよう、光スイッチが該レーザーに光学的に結合される。光スイッチは、受領されたレーザー光を走査されるべき環境に送信するための複数の出力ポートを含む。前記複数の出力ポートのそれぞれは、異なる方向に配向されている。反射レーザー光を受信するために検出器サブシステムが位置されている。検出器サブシステムにプロセッサが結合されている。プロセッサは、受信されたレーザー光に対応する検出器サブシステムからのデータ信号を受領するよう構成される。プロセッサは、LIDAR走査システムからLIDAR走査システムの環境における一つまたは複数のオブジェクトまでの距離を、レーザー光のビームの送信とレーザー光の前記ビームの反射の受信との間の時間に基づいて決定するようにも構成される。
【０００６】
いくつかの例では、前記複数の出力ポートのそれぞれは、異なる視野（field  of  view、FOV）をもつよう、LIDAR走査システムの筐体のまわりの異なる位置に位置されている。いくつかの例では、前記複数のポートは、隣接する諸出力ポートのFOVが、走査されるべき環境のエリアにおけるあるカバレッジ野を提供するよう構成される。
【０００７】
いくつかの例では、前記複数の出力ポートは、360度の水平視野（horizontal  field  of  view、HFOV）をもつよう構成される。
【０００８】
いくつかの例では、前記複数の出力ポートは、2度の垂直角度分解能（vertical  angular  resolution、VAR）をもつよう構成される。
【０００９】
いくつかの例では、前記複数の出力ポートは、0.1度の水平角度分解能（horizontal  angular  resolution、HAR）をもつよう構成される。
【００１０】
いくつかの例では、前記プロセッサはデジタル信号プロセッサである。他の例では、前記プロセッサは車両制御システムのコントローラである。
【００１１】
いくつかの例では、レーザーは、パルス光を送信するよう構成され、光スイッチは前記レーザーからのパルス光を受領するよう前記レーザーに光学的に結合される。いくつかの例では、プロセッサは、LIDAR走査システムから環境におけるオブジェクトまでの距離を、送信された光パルスと受信された光パルスの間の時間に基づいて決定するよう構成される。
【００１２】
いくつかの例では、レーザーは赤外光を送信するよう構成された赤外線レーザーであり、検出器サブシステムは、反射された赤外光を受信するよう構成された赤外線検出器サブシステムである。
【００１３】
いくつかの例では、システムは複数のレーザーを有し、各レーザーは異なる型の光を送信するよう構成され、検出器サブシステムは前記複数のレーザーによって放出された異なる型の光のそれぞれの型を受信するよう構成される。いくつかの例では、前記複数のレーザーにおける各レーザーは、赤外光または一つもしくは複数の型の可視光のうちのそれぞれのものを送信するよう構成される。いくつかの例では、前記複数のレーザーは、赤外光を送信するよう構成された赤外線レーザー、青色光を送信するよう構成された青色レーザー、赤色光を送信するよう構成された赤色レーザーおよび緑色光を送信するよう構成された緑色レーザーを含み、検出器サブシステムは、環境中のオブジェクトから反射された赤外光を受信するよう構成された一つまたは複数の赤外線受信器、環境中のオブジェクトから反射された青色光を受信するよう構成された一つまたは複数の青色受信器、環境中のオブジェクトから反射された赤色光を受信するよう構成された一つまたは複数の赤色受信器および環境中のオブジェクトから反射された緑色光を受信するよう構成された一つまたは複数の緑色受信器を含む。
【００１４】
いくつかの例では、前記複数の出力ポートは、30度の角度視野（angular  field  of  view、AFOV）をもつよう構成される。いくつかの例では、AFOVは水平基準平面から＋15度から水平基準平面から−15度までの間の範囲である。
【００１５】
いくつかの例では、プロセッサは、レーザー光が送信される方向（たとえば走査方向）を制御する。これは、前記複数の出力ポートにおける、レーザー光が送信される出力ポートを選択するよう、光スイッチにおける光スイッチング・ブロックを制御することによる。いくつかの例では、プロセッサはシステムに、光スイッチの各出力ポートを通じてレーザー光を巡回させることによって、走査サイクルを実行させる。
【００１６】
いくつかの例では、出力ポートは、複数の層において配置される。いくつかの例では、各層の出力ポートは環状に配列されてリングをなす。いくつかの例では、出力ポートは複数の同心リングに配列される。いくつかの例では、各層は3600個の出力ポートをもち、各層の出力ポートは互いから0.1度放射状にオフセットされて、0.1度の水平角度分解能（horizontal  angular  resolution、HAR）および360度のHFOVを提供する。
【００１７】
いくつかの例では、出力ポートは16層に配置され、各層の出力ポートは隣接層における出力ポートから2度、角度的にオフセットされて、2度の垂直角度分解能（vertical  angular  resolution、VAR）および30度のAFOVを提供する。
【００１８】
いくつかの例では、システムはさらに複数のマイクロレンズを有し、前記出力ポートの前記複数における各出力ポートは、送信中にレーザー光をフォーカスするためにマイクロレンズと光学的に結合される。いくつかの例では、前記出力ポートの前記複数における各出力ポートは、送信中にレーザー光をフォーカスするためにマイクロレンズ・アレイと光学的に結合される。
【００１９】
いくつかの例では、プロセッサは、環境における一つまたは複数のオブジェクトまでの決定された距離に基づいて、環境の三次元（three  dimensional、3D）マップを生成するよう構成される。
【００２０】
いくつかの例では、検出器サブシステムは、LIDAR走査システムのまわりの異なる位置にそれぞれ位置された、反射されたレーザー光を受信するための複数の検出器要素を有する。
【００２１】
いくつかの例では、前記複数の検出器要素のそれぞれは、その検出器要素が対にされる光スイッチの出力ポートに近接して位置される。
【００２２】
いくつかの例では、LIDAR走査システムは二次元（two  dimensional、2D）走査システムである。他の例では、LIDAR走査システムは2.5次元（two  and  a  half  dimensional、2.5D）走査システムである。さらに他の例では、LIDAR走査システムは三次元（three  dimensional、3D）走査システムである。
【００２３】
本開示のもう一つの側面では、車両のための車両制御システムが提供される。車両制御システムは、レーザー光を送信するよう構成されたレーザーを有する。入力ポートを介してレーザー光を受領するよう、光スイッチが該レーザーに光学的に結合される。光スイッチは、受領されたレーザー光を走査されるべき環境に送信するための複数の出力ポートを含む。前記複数の出力ポートのそれぞれは、異なる方向に配向されている。反射レーザー光を受信するために検出器サブシステムが位置されている。検出器サブシステムにプロセッサが結合されている。プロセッサは、受信されたレーザー光に対応する検出器サブシステムからのデータ信号を受領するよう構成される。プロセッサは、実行可能命令を記憶しているメモリに結合されており、該命令は、プロセッサによって実行されるときに、車両制御システムをして、車両から車両の環境における一つまたは複数のオブジェクトまでの距離を、レーザー光のビームの送信とレーザー光の前記ビームの反射の受信との間の時間に基づいて決定させる。
【００２４】
本開示のさらなる側面では、車両が提供される。車両は、該車両を動かすための機械的システムと、該機械的システムを制御するために該機械的システムに結合されている駆動制御システムとを有する。車両は、駆動制御システムに結合された車両制御システムをも有する。車両制御システムは、レーザー光を送信するよう構成されたレーザーを有する。入力ポートを介してレーザー光を受領するよう、光スイッチが該レーザーに光学的に結合される。光スイッチは、受領されたレーザー光を走査されるべき環境に送信するための複数の出力ポートを含む。前記複数の出力ポートのそれぞれは、異なる方向に配向されている。反射レーザー光を受信するために検出器サブシステムが位置されている。検出器サブシステムにプロセッサが結合されている。プロセッサは、受信されたレーザー光に対応する検出器サブシステムからのデータ信号を受領するよう構成される。プロセッサは、実行可能命令を記憶しているメモリに結合されており、該命令は、プロセッサによって実行されるときに、車両制御システムをして、車両から車両の環境における一つまたは複数のオブジェクトまでの距離を、レーザー光のビームの送信とレーザー光の前記ビームの反射の受信との間の時間に基づいて決定させる。
【００２５】
本開示のさらなる側面では、少なくとも一つのLIDAR走査システムを有するセンサー・ネットワークが提供される。該システムは、レーザー光を送信するよう構成されたレーザーを有する。入力ポートを介してレーザー光を受領するよう、光スイッチが該レーザーに光学的に結合される。光スイッチは、受領されたレーザー光を走査されるべき環境に送信するための複数の出力ポートを含む。前記複数の出力ポートのそれぞれは、異なる方向に配向されている。反射レーザー光を受信するために検出器サブシステムが位置されている。検出器サブシステムにプロセッサが結合されている。プロセッサは、受信されたレーザー光に対応する検出器サブシステムからのデータ信号を受領するよう構成される。プロセッサは、LIDAR走査システムからLIDAR走査システムの環境における一つまたは複数のオブジェクトまでの距離を、レーザー光のビームの送信とレーザー光の前記ビームの反射の受信との間の時間に基づいて決定するようにも構成される。
【００２６】
本開示のさらなる側面では、LIDAR走査システムを制御する方法が提供される。LIDAR走査システムは、光を送信するよう構成されたレーザーと、送信中に該レーザーから光を受領するよう該レーザーに光学的に結合された入力ポートを含む光スイッチとを有する。受領されたレーザー光を走査されるべき環境に送信するための複数の出力ポート。前記複数の出力ポートのそれぞれは、異なる方向に配向されている。本方法は、レーザー光を放出するよう前記レーザーを制御し、前記複数の出力ポートにおける、レーザー光が送信されるアクティブな出力ポートを選択することによってレーザー光が送信される方向を制御することを含む。各出力ポートがアクティブな出力ポートである時間は、走査レートを設定するために制御されうる。
【００２７】
いくつかの例では、レーザー光は、光スイッチの出力ポートのそれぞれを通じて、走査サイクルにおいて巡回する。いくつかの例では、出力ポートはいくつかの層において配置され、レーザー光が送信される方向は、アクティブな出力ポートが層ごとおよびポートごとに順次選択される走査シーケンスによって定義される。いくつかの例では、出力ポートはいくつかの同心リングにおいて配置され、レーザー光が送信される方向は、アクティブな出力ポートが列ごとおよびポートごとに選択される走査シーケンスによって定義される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本開示のある例示的実施形態に基づくLIDAR走査システムのブロック図である。
【００２９】
【図２Ａ】いくつかの同心リングに配置された出力ポートおよびマイクロレンズを示すことにおける、LIDAR走査システムの概略的な側面図である。
【００３０】
【図２Ｂ】LIDAR走査システムの水平視野を示す図２ＡのLIDAR走査システムの概略的な側面図である。
【００３１】
【図２Ｃ】角度視野を示すことにおける、図２ＡのLIDAR走査システムの概略的な側面である。
【００３２】
【図２Ｄ】水平視野および水平角度分解能を示す図２ＡのLIDAR走査システムの概略的な上面図である。
【００３３】
【図３Ａ】各出力ポートが360度のカバレッジ・エリアにわたって空間において異なる方向に向けられている、16ポートの光スイッチの概略図である。
【００３４】
【図３Ｂ】各出力ポートが180度のカバレッジ・エリアにわたって空間において異なる方向に向けられている、9ポートの光スイッチの概略図である。
【００３５】
【図４】本開示のある例示的実施形態に基づく、いくつかの1×2光スイッチング・ブロックを使って構築された、光信号を四つの異なる方向に差し向けるための1×4光スイッチのブロック図である。
【００３６】
【図５】本開示のある例示的実施形態に基づく、車両定位システムの概略図である。
【００３７】
【図６】本開示のある例示的実施形態に基づく、光信号を四つの異なる方向に差し向けるための1×4光スイッチのブロック図である。
【００３８】
【図７】図１の車両定位システムを具現する車両制御システムのブロック図である。
【００３９】
【図８】車両の前、後、左側および右側に位置される出力ポートをもつLIDAR走査システムを組み込んでいる車両の概略図である。
【００４０】
【図９】本開示のある例示的実施形態に基づく、LIDAR走査システムを制御するための例示的方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
本開示は、実施形態が示されている付属の図面を参照してなされる。しかしながら、多くの異なる実施形態が使用されてもよく、よって、記述は、ここに記載される実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が十全かつ完備であるよう提供されている。同様の数字は全体を通じて同様の要素を指し、プライム記法は代替的実施形態における同様の要素、動作または段階を示すために使われる。図示されるシステムおよびデバイスの機能要素の別個の四角または図示される分離は、必ずしもそのような機能の物理的な分離を要求するものではない。そのような物理的分離なしでも、そのような要素の間の通信は、メッセージング、関数コール、共有メモリ空間などによって起こりうるのである。よって、機能は、本稿での説明の簡単のために別個に図示されるが、物理的または論理的に分離されたプラットフォームにおいて実装される必要はない。異なるデバイスは異なるデザインを有していてもよく、いくつかのデバイスは固定機能ハードウェアにおいていくつかの機能を実装するが、他のデバイスは、そのような機能を、機械可読媒体から得られたコードを用いてプログラム可能なプロセッサにおいて実装してもよい。
【００４２】
まず図１が参照される。図１は、本開示のある例示的実施形態に基づく、LIDAR走査システム１００の簡略化されたブロック図を示している。LIDAR走査システム１００は、一つまたは複数のプロセッサ（たとえばマイクロプロセッサ）を含むコントローラ１１０、レーザー源１２０、レーザー源１２０に光学的に結合された光スイッチ１３０および一つまたは複数の検出器、たとえば一つまたは複数のアバランシェフォトダイオード（avalanche  photodiode、APD）、電荷結合素子（charge-coupled  device、CCD）センサー、相補的金属‐酸化物‐半導体（complementary  metal-oxide-semiconductor、CMOS）センサーまたは微小電気機械システム（micro-electro-mechanical  system、MEMS）センサーを含む検出器サブシステム１４０を有する。
【００４３】
LIDAR走査システム１００のコントローラ１１０はホスト・システムに結合されてもよい。ホスト・システムは固定したまたはモバイル・アプリケーションでありうる。ホスト・システムは、三次元オブジェクト・スキャナー、自動化された駐車支援のための車両制御システム、自動化されたドライバー支援（たとえば死角および衝突回避）、半自律的または全自律的運転、ロボット・ナビゲーション・システム、セキュリティー・カメラ、モニタリングもしくは監視システム、環境のあるエリアのモニタリングもしくは監視のためのセンサー・ネットワークを含みうるが、これに限られない。
【００４４】
一つまたは複数のレーザーを含むレーザー源１２０は、レーザー・ビームのようなレーザー光を生成し、送信するよう構成される。レーザー源１２０はガウシアン・ビームを生成してもよい。レーザー源１２０は、パルス・レーザー光（たとえばパルス化されたビーム）を送信してもよい。レーザー源１２０は典型的には、近赤外（near  infrared、NIR）光のような赤外線（infrared、IR）を放出するが、赤外光に加えてまたは赤外光の代わりに一つまたは複数の型の可視光および／またはまたは可能性としては紫外（ultraviolet、UV）光を放出してもよい。レーザー源１２０は、各レーザーが異なる型の光を送信するよう構成されている、複数のレーザーを含んでいてもよい。一例では、前記複数のレーザーにおける各レーザーは、赤外光または一つまたは複数の型の可視光のうちのそれぞれのものを送信するよう構成される。一例では、前記複数のレーザーは、赤外光を送信するよう構成された赤外線レーザー、青色光を送信するよう構成された青色レーザー、赤色光を送信するよう構成された赤色レーザーおよび緑色光を送信するよう構成された緑色レーザーを含む。これらのレーザー光は、同時にまたは非並行的にレーザー・ビームを送るよう制御されうる。
【００４５】
当業者は、他の光源、たとえばLEDがレーザー源の代用とされるよう適応されてもよいことを理解するであろう。しかしながら、そのような代用は、システム要件を考慮に入れる必要があり、要件を満たすために追加的な修正、たとえばコリメーションを伴うことがありうる。
【００４６】
検出器サブシステム１４０は、一つまたは複数の検出器を使って反射されたレーザー光を検出し、受信されたレーザー光に対応するデータ信号を生成および出力し、該データ信号がコントローラ１１０に送られる。コントローラ１１０は、検出器サブシステム１４０からの出力を使って、LIDAR走査システム１００からLIDAR走査システム１００の環境中の一つまたは複数のオブジェクトまでの距離を、レーザー光のビームの送信とレーザー光の前記ビームの反射の受信との間の時間に基づいて、生成、決定するデジタル信号プロセッサ（digital  signal  processor、DSP）を有していてもよい。アナログ‐デジタル変換器（analog-to-digital  converter、ADC）が検出器サブシステム１４０からのデータ信号を、DSPによるさらなる処理のためにデジタル形式に変換してもよい。コントローラ１１０は、環境における一つまたは複数のオブジェクトへの決定される距離に基づいて、環境の3Dマップを生成してもよい。記載される実施形態ではDSPが使われているが、他の実施形態ではフィールドプログラマブルゲートアレイ（Field  Programmable  Gate  Array、FPGA）または他のプロセッサが使われてもよい。あるいはまた、検出器サブシステム１４０によって生成されたデータ信号は、ホスト・システムのコントローラに送られてもよく、上記DSPの機能はホスト・システムのプロセッサによって実行されてもよい。
【００４７】
コントローラ１１０は、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェアまたはそれらの組み合わせの一つまたは組み合わせを使ってLIDAR走査システム１００を制御してもよい。ソフトウェアはコントローラ１１０によって実行されてもよい。本稿に記載される機能を実行するためのソフトウェアのコーディングは本開示が与えられれば当業者の範囲内である。記載される機能を実行するためにコントローラ１１０によって実行可能な機械可読コードがLIDAR走査システム（図示せず）の非一時的な機械可読媒体に記憶されてもよい。あるいはまた、コントローラ１１０の機能は、ホスト・システムのプロセッサによって実行されてもよい。
【００４８】
検出器サブシステム１４０は、レーザー源１２０によって放出される光の型（単数または複数）に対応する光を受信するよう構成される。レーザー源が二つ以上の型の光を送信するときは、検出器サブシステム１４０は、レーザー源１２０によって（たとえば前記複数のレーザーによって）放出される光の異なる型のそれぞれを受信するよう構成される。たとえば、LIDAR走査システム１００が赤外光を送信するよう構成された赤外線レーザー、青色光を送信するよう構成された青色レーザー、赤色光を送信するよう構成された赤色レーザーおよび緑色光を送信するよう構成された緑色レーザーを有するとき、検出器サブシステム１４０は、環境中のオブジェクトから反射された赤外光を受信するよう構成された一つまたは複数の赤外線受信器、環境中のオブジェクトから反射された青色光を受信するよう構成された一つまたは複数の青色受信器、環境中のオブジェクトから反射された赤色光を受信するよう構成された一つまたは複数の赤色受信器および環境中のオブジェクトから反射された緑色光を受信するよう構成された一つまたは複数の緑色受信器を含む。検出器サブシステム１４０の一つまたは複数の検出器の前に、受信光学系アセンブリー（図示せず）が設けられてもよい。検出器サブシステム１４０の一つまたは複数の検出器は、光ファイバーケーブル（図示せず）を介してコントローラに接続されてもよい。複数のレーザー光の検出のために使われる機構は、所望される詳細な実装および要件に依存し、コヒーレント（ヘテロダインおよびホモダイン）方式またはインコヒーレント（強度ベース）方式の両方に基づきうる。
【００４９】
光スイッチ１３０は、レーザー源１２０からのレーザー光を受領するよう構成された一つの入力ポート１３２と、参照符号１３４ａ、１３４ｂ、…、１３４ｎによって個々に表わされるn個の出力ポート１３４とをもつ1×n光スイッチである。1×n光スイッチ１３０は、コントローラ１１０の制御のもとで、光ビームをn個の方向に差し向けるために使用されうるプログラム可能なビームを提供する。レーザー源１２０は、光スイッチ１３０の入力ポート１３２に直接、光学的に結合されてもよい。あるいはまた、レーザー源１２０は、光スイッチ１３０の入力ポート１３２に、光ファイバーケーブルなど（図示せず）を介して光学的に結合されてもよい。
【００５０】
光スイッチ１３０は、MEMS、液晶オン・シリコン（liquid  crystal  on  silicon、LCoS）、シリコン・フォトニクス（silicon  photonics、SiPh）または他の好適な構成を使って構築されてもよい。スイッチ・アーキテクチャーは、LIDAR走査システム１００の最良のパフォーマンスのためにカスタマイズされてもよい。光スイッチ１３０を製造するために用いられる技術に依存して、サブヘルツからメガヘルツ（megahertz、MHz）まで多様な掃引スピード（すなわち走査レート）が達成されうる。SiPhは、他のアーキテクチャーおよび比較と比べて改善されたパフォーマンスを提供しうる。出力ポート１３４の数、出力ポート１３４の間の間隔および出力ポート１３４の間の角度は、（技術的なまたは顧客の）設計要件に基づいて変えられてもよい。典型的には、収集されたデータの処理を簡略化するとともにLIDAR走査システム１００の対応する視野の一様なカバレッジを提供するために、出力ポート１３４の間の間隔および角度は同じである。
【００５１】
光スイッチ１３０の出力ポート１３４は、典型的にはギャップのない、スキャンされるエリアにおけるカバレッジ野（field  of  coverage、FOC）を提供するよう構成される。出力ポート１３４はそれぞれ、光スイッチ１３０からのレーザー光を、空間におけるいくつかの異なる方向のうちの一つに出力するよう配向される。出力ポート１３４はそれぞれ、LIDAR走査システム１００のまわりの異なる位置に取り付けられているまたは他の仕方で位置する。それにより、各出力ポート１３４は、異なる視野（field  of  view、FOV）をもち、空間において異なるエリアをカバーする／ポイントするよう向き付けされる。たとえば、LIDAR走査システム１００は筐体（または剛体ケース）を有していて、出力ポート１３４は、各出力ポート１３４が異なるFOVをもつよう筐体のまわりに離間されていてもよい。あるいはまた、出力ポート１３４および対にされる検出器は、ホスト・システムの筐体に取り付けられているまたは他の仕方で位置するのでもよい。いくつかの例では、隣り合う出力ポート１３４のFOVは部分的に重なり合っていてもよい。
【００５２】
マイクロレンズ１３６または複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズ・アレイが、レーザー・ビームをフォーカスするのを支援するために、各出力ポート１３４に位置していてもよい。マイクロレンズ１３６は、各出力ポート１３４に位置する送信光学系アセンブリー（図示せず）の一部であってもよい。これらの光学マイクロレンズは、LIDARデバイスの所望される角度分解能のためにビームを整形する助けにもなりうる。これは、光スイッチ１００からビームを送信する前にビームを準備するための設計およびカスタマイズに関わる。これらの要件は典型的には、要求される角度分解能などといったLIDAR仕様によって駆動される。よって、用途の要件に依存して、ビーム・コリメーター、ビーム・サイズ拡大器などといった他の光学コンポーネントが光スイッチ１３０の後で、マイクロレンズ１３６と組み合わせて使われてもよい。光スイッチと環境との間の結合についての仕様は、用途の要件に依存して変わりうる。好適なマイクロレンズの例は、Precision  Optics  Corporation（米国マサチューセッツ州Gardner）によって作られるものである。
【００５３】
図２Ａないし２Ｄは、LIDAR走査システム１００が概して円筒形の筐体１３５をもつLIDAR走査システム１００の例示的実施形態を示している。図２Ａに示されるように、出力ポート１３４は一つまたは複数の層に配置され、各層の出力ポート１３４は隣接層における出力ポート１３４から角度的にオフセットされている。出力ポート１３４の構成、出力ポート１３４の数および光スイッチ１３０の出力ポート１３４の間の間隔は、図２Ｂに示されるような特定の垂直角度分解能（vertical  angular  resolution、VAR）、図２Ｃに示されるような角度FOV（angular  FOV、AFOV）、図２Ｄに示されるような水平FOV（horizontal  FOV、HFOV）および／または図２Ｄに示されるような水平角度分解能（horizontal  angular  resolution、HAR）のうちの一つまたは任意の組み合わせを提供するよう光スイッチ１３０を構成するために選択されうる。AFOVは、水平基準平面に対する測度である。水平基準面は、出力ポート１３４が取り付けられているまたは他の仕方で位置している水平な平面、たとえばLIDAR走査システム１００の筐体１３５の水平な平面などである。
【００５４】
図２Ｂに示されるように、等しい量による角度オフセットのときは、角度オフセットはLIDAR走査システム１００の垂直角度分解能（vertical  angular  resolution、VAR）を定義する。出力ポート１３４は、いくつかの同心リングに配置されてもよい。各層内では、出力ポート１３４およびマイクロレンズ１３６は、互いから放射状にオフセットされて（離間されて）同心リングにおいて配置される。等しい量による放射状オフセットのときは（すなわち筐体１３５の集のまわりに均等に離間されているときは（たとえば筐体１３５の外側表面に取り付けられて、さらされている）、放射状のオフセットはLIDAR走査システム１００の水平角度分解能を定義する。出力ポート１３４のための対にされるまたは他の仕方で対応する検出器は、筐体１３５において出力ポート１３４に近接して位置されてもよい。たとえば、対検出器は、筐体の周のまわりに均等に離間されて（たとえば、筐体１３５の外側表面に取り付けられて、さらされている）、同心リングにおいて同様に配置されてもよい。
【００５５】
図２Ｃに示されるように、隣り合う出力ポート１３４の角度FOV（angular  FOV、AFOV）においてギャップがないように、出力ポート１３４が構成されてもよい。図２Ｃでは、出力ポート１３４は集団的に下限と上限との間にΘ度のAFOVを提供するよう構成される。隣り合う出力ポート１３４のAFOVが部分的に重なり合っていてもよい。
【００５６】
図２Ｄに示されるように、隣り合う出力ポート１３４の水平FOV（horizontal  FOV、HFOV）においてギャップがないように、出力ポート１３４が構成されてもよい。図２Ｄでは、出力ポート１３４は、LIDAR走査システム１００が組み込まれているホスト・システムの周囲の環境全体を捕捉するよう、集団的に360度のHFOVを提供するよう構成される。隣接する諸出力ポート１３４のHFOVが部分的に重なり合っていてもよい。
【００５７】
ある例示的構成では、光スイッチ１３０の出力ポート１３４は、360度HFOV、30度AFOV（たとえば水平基準に対する＋15度から−15度までの範囲）、2度のVARおよび0.1度のHARのうちの一つまたは任意の組み合わせを提供するよう光スイッチ１３０を構成するよう選択される。光スイッチ１３０は、各層において3600個の出力ポート１３４を有していて、各層の出力ポート１３４は概して円筒状の筐体１３５の同心配置において均等に離間されていてもよい。各層の出力ポート１３４は、互いから0.1度、放射状にオフセットされて、0.1度のHARおよび360度のHFOVを提供する。典型的な2cmかける2cmのシリコン・チップは4096個までの出力ポートを提供しうる。光スイッチ１３０の出力ポート１３４は16層に配置されて、各層の出力ポート１３４は隣接する層の出力ポート１３４から2度角度的にオフセットされて、2度のVARおよび30度のAFOV（たとえば水平基準に対する＋15度から−15度までの範囲）を提供してもよい。この結果、16層の積層となる（すなわち、16×2cm×2cm）。各層はかなり小さな厚さをもち、厚さは典型的には1ないし2mmだが、技術に依存する。他のパラメータも厚さに影響しうる。この結果、1.6cmから3.2cmまでの間の積層および2cm×2cmのフットプリントとなる。
【００５８】
上記の例では、個別の光スイッチ１３０の3600個の出力ポート１３４は360度のAFOVにマッピングされて、各出力ポート１３４が0.1度に関係したエリアをカバーすると想定されている。上記で説明したように、異なるアーキテクチャーを使って同じHFOVおよび分解能を達成するために、ビーム・コリメーターと組み合わせたマイクロレンズ・アレイが使われてもよい。所望されるAFOVを達成するよう、より小さなサイズをもつ複数の水平スイッチを配置するために、種々のアーキテクチャーが考えられてもよい。たとえば、より多いポート数のスイッチを使うのに比べて、所望される分解能を達成するために512個の出力ポートをもつ光スイッチが互いに隣接して置かれてもよい。
【００５９】
図３Ａは、各出力ポート１３４が空間において異なる方向に向けられて360度のHFOVを提供する16ポート光スイッチの例示的な図を示している。あるいはまた、360度のHFOVを得るために、可能性としてはそれぞれ独自のレーザー源１２０をもつ、複数の光スイッチが使われてもよい。たとえば、図３Ｂは、各出力ポート１３４が180度のHFOVにわたって空間において異なる方向に向けられる9ポートの光スイッチの例を示している。図３Ｂの9ポート光スイッチが二つ、異なる方向において走査するために位置されてもよく、結果として得られるデータが組み合わされて、二つの9ポート光スイッチによって得られた二つの別個の180度HFOVから、360度HFOVを得てもよい。しかしながら、HFOVは、任意の数になるよう選択されてもよく、180度または360度に限定されない。
【００６０】
二つ以上のレーザー源１２０が提供されるとき、光スイッチ１３０は、上記のような一つだけの入力ポート１３２ではなく、m個の入力ポート１３２を有していてもよい。ここで、mはレーザー源１２０の数である。各レーザー源１２０は、それぞれの入力ポート１３２を介して光スイッチ１３０に光学的に結合される。あるいはまた、各レーザー源１２０は、独自の専用の光スイッチ１３０を有していてもよい。そのような諸方式を最適化するために、多様なアーキテクチャーが考えられうる。
【００６１】
本稿に記載されるLIDAR走査システム１００は、用途の要件または技術的課題に依存して最適化またはカスタマイズされうる、ポートから方向へのマッピングのための柔軟性を提供する。光スイッチ１３０の出力ポート１３４を、異なるポートが異なる方向に対応するように配置することによって、環境のあるエリアが、光スイッチ１３０を制御することによって走査されうる。それは特に、典型的にはあるシーケンスで、光スイッチ１３０の各出力ポート１３４を通じてレーザー源１２０を巡回させることによる。たとえば、出力ポート１３４がいくつかの層において配置されるときは、走査シーケンスはたとえば、ポートごとおよび層ごとであってもよい。出力ポートが同心リングにおいて配置されるときは、走査シーケンスはポートごと、列ごとであってもよい。コントローラ１１０は、前記出力ポート１３４における、レーザー光が送信される出力ポート１３４を選択するために、光スイッチ１３０における光スイッチング・ブロックを制御することによって、走査の方向および時間を制御する。任意の所与の時刻における光スイッチ１３０のアクティブな出力ポート１３４を制御することによって、コントローラ１１０は、走査方向および走査レートの両方を制御する。
【００６２】
光スイッチ１３０における二つの設計上の考慮事項は、光スイッチ１３０から空気への結合損と、スケーラビリティー問題である。結合損は、ビームが光スイッチ１３０を出るときに生じる。すなわち、ビームの光パワーのレベルが、光スイッチ１３０を出る際に減少する。損失は技術に依存するが、典型的には5〜7dBの最大をもち、より新しい技術を使えば可能性としては2〜3dBくらいの低さである。結合損は、レーザー源１２０および光スイッチ１３０の段の数（ポートの数と等価）を選択するときの考慮事情である。光スイッチ１３０を出るビームの光パワーについての要件は、LIDAR走査システムの用途の要件、たとえばカバレッジ距離（信頼でき、有効な計測が達成され、報告されうる）および分解能（要求される距離にある二つのオブジェクトを区別する能力）および反射された光ビームを検出して区別する検出器システム１４０の感度に依存する。レーザー源１２０のパワーは、光スイッチ１３０を出るビームの光パワーが、所望されるカバレッジが得られるために十分であるよう選択されてもよい。レーザー源１２０のパワーを増すことは、より高いコストおよび／または複雑さをもたらすことがありうる。
【００６３】
光スイッチ１３０は、いくつかの1×2スイッチとして構築、あるいは少なくともモデル化されてもよい。図４を参照するに、説明の目的のために、本開示のある例示的実施形態に基づく、いくつかの1×2光スイッチング・ブロックを使って構築された、光信号を四つの異なる方向に差し向けるための1×4光スイッチ４００のブロック図が示されている。光スイッチ４００は、それぞれ４０２ａ、４０２ｂおよび４０２ｃと記される三つの1×2光スイッチング・ブロックを有する。光スイッチング・ブロック４０２は、レーザー源１２０に結合された、４０４と記される入力ポートを有する。光スイッチング・ブロック４０２ｂおよび４０２ｃもそれぞれ、それぞれ４０６ｂ−１、４０６ｂ−２および４０６ｃ−１、４０６ｃ−２と記される二つの出力ポートを有する４０６ａ−１、４０６ａ−２。中間接続ポート４０８ａ−１および４０８ｂが光スイッチング・ブロック４０２ａを光スイッチング・ブロック４０２ｂに接続し、中間接続ポート４０８ａ−２および４０８ｃが光スイッチング・ブロック４０２ａを光スイッチング・ブロック４０２ｃに接続する。図示した例では、光スイッチ４００は、レーザー光が入力ポート４０４から中間接続ポート４０８ａ−１および４０８ｂを通じて出力ポート４０６ｂ−１に渡るよう設定されており、スイッチングされるこれらのポートが、参照記号Lによって記されるレーザー源１２０からの送信された光のための経路を開き、画定する。中間接続ポート４０８はレーザー光を下流の光スイッチング・ブロック４０２ｂおよび４０２ｃに伝送し、該下流の光スイッチング・ブロック４０２ｂおよび４０２ｃが、レーザー光を走査のために環境に送信するための末端光スイッチング・ブロックを提供する。
【００６４】
出力ポート・スイッチのために1×2のスイッチを用いることで、log2(n)段が必要とされる。1×2スイッチ・セル当たりの損失はLswitchと記される。異なるスイッチング技術は1×2スイッチ当たり異なる損失を課す。安全性の考慮から、ビームの出力パワーはクラスIレーザー安全性に従う、すなわち10dBm未満であることが望ましいことがありうる。しかしながら、光スイッチ１３０に光学的に結合されるレーザー源のパワー（Plaser）に対する要件はない（あるいは最小限の要件がある）。すなわち、Plaserは1ワットもの高さであってもよい。実装に依存して、レーザー・ビームから光スイッチ１３０へのおよび光スイッチ１３０から自由空間（たとえば空気）への結合損がありえ、Lcouplingと記される。結合損は技術および媒体依存である。式は、レーザー光のスイッチへのおよびスイッチから環境への結合が同じであり、Lcoupling(dB)に等しいと想定することによって、単純化されうる。その結果、レーザーのパワーについての式は、下記の式(1)によって定義されうる：
【数１】
2020503504.tif 000003
【００６５】
最悪ケースの例として、シリコン・フォトニック・ベースの光スイッチが使われる場合、n＝1024個の出力ポートについての上述した因子の最悪ケースの推定は、熱スイッチについてLswitch＝0.5dB、Lcoupling＝4dBであり、その結果Pbeamは約10dBmとなり、これは無視できるコストで比較的容易に入手できる約1ワットのPlaserで達成されうる。1024ポートではなく3600ポートでも、いまだ約1ワットのPlaserという結果になる。
【００６６】
増大した分解能または走査レートのために実質的により多くのポートが要求される場合、増幅器またはより高いパワーのレーザー源が使用されてもよい。小さなスイッチおよびまたは複数のレーザー源のカスタマイズされた配置を使う種々のアーキテクチャーが用いられてもよい。スケーラビリティーは、光スイッチ１３０を出るときの光信号のビーム（空間的）サイズに関係する。ビームは、所望される空間分解能を満足させる最小サイズをもつ。つまり、光スイッチ１３０の各出力ポート１３４におけるビームのサイズは少なくとも該最小ビーム・サイズのサイズであり、最小ビーム・サイズはLIDAR走査システム１００の分解能に依存する。
【００６７】
出力ポート１３４の出力ビームの発散角（またはビーム半径）は（2倍未満の因子以内まで）角度分解能に等しい。ガウシアン・ビームについては、発散角（divergence  angle）は、下記の式(2)によって、レーザー源１２０によって生成されるビームの最大強度（maximum  intensity）と等式で結ばれる。
【数２】
2020503504.tif 000004
【００６８】
0.1度の水平角度分解能について、出力ビーム発散は0.1度または約0.002ラジアンである。ガウシアン・ビームについては、発散およびビームウエスト半径（beam  waist  radius）は下記の式(3)によって計算されうる。
【数３】
2020503504.tif 000005
【００６９】
式(3)において、λはLIDARアプリケーションのために使われるレーザー源の波長であり（スイッチなどの他のすべての光学素子はこの波長で動作するよう設計される必要がある）、この波長は技術およびレーザー１２０の要件に依存する。レーザー・ビームのビームウエスト（またはビームフォーカス）は、伝搬方向に沿って、ビーム半径が最小をもつ位置である。平均ウエスト半径はこの位置におけるビーム半径である。例として、光スイッチ１３０の構築においてシリコン・フォトニクスが使われるとき、λの値は赤外線の範囲内である。1550nmの波長および約0.002ラジアンのビーム発散をもつ例示的構成では、ビームウエスト半径は約0.6mmであり、その結果、ビームウエスト直径は約1.2mmである。これは、光スイッチ１３０の出力ポート１３４についての約1mmのサイズ（直径）に相当する。上記のように、Precision  Optics  Corporationによって製造されるもののようなマイクロレンズまたはマイクロレンズ・アレイが、ビームをフォーカスするのを支援するために各出力ポート１３４のところに位置されていてもよい。
【００７０】
他の変更がパワー結合損失およびスケーラビリティーに対処してもよく、光スイッチのアーキテクチャーおよび／または結合技術を変更して、たとえば走査レートまたは分解能が増したときにこれらの問題を最小化することを含む。より高い分解能、より多数の方向は、2D、2.5Dまたは3Dインターポーザー、ハイブリッド方式などを使って、光スイッチの複数カスケードおよびまたはスイッチの複数層でサポートされうる。
【００７１】
光スイッチ１３０の各出力ポート１３４を通じてレーザー源１２０を巡回させることによって光スイッチ１３０を制御することによって、エリアが走査されうる。光スイッチ１３０の出力ポート１３４の数に対して、技術的な制限はない。個々のスイッチ・モジュールは、スイッチング技術に依存して、ミリ秒ないしマイクロ秒のスピードで制御されうる。走査レート（スピード）は、用途の要件（たとえば顧客の要求）によって設定されてもよい。ビームを空間的に掃引する目的のためのコントローラ１１０による光スイッチ１３０の制御により、本開示のLIDAR走査システムは信頼できるものになる。
【００７２】
3Dマップを生成するためのLIDAR走査システムに対する要件は概して同様だが、アプリケーション間で個別事項においては変化がありうる。一般に、LIDARシステムはレーザー・パルスをいくつかの異なる方向（たとえば異なる仰角および方位角）に比較的高いレートで送る必要がある。これは、特に機械的回転が関わるときに、技術的課題を呈する。LIDARシステムに対する制約条件は、コスト、パフォーマンス（たとえば正確なレンジ測定、分解能（レンジ、仰角および方位角）、電力消費、3Dビューを生成するための走査のスピード）、サイズ／フットプリント（小さなサイズはきわめて望ましい）および信頼性（デザイン、製造、制御、較正、安全性などを含む）を含みうる。
【００７３】
LIDAR走査システムは、通常、機械的走査およびフェーズドアレイ・ソリッドステート走査という二つの型のうちの一方を含む。機械的走査システムでは、一つまたは複数のレーザー送信器および受信器対が回転させられるまたは他の仕方で物理的に種々の方向に動かされる。これはたとえば、LIDARユニットを上下左右に走査し動かすこと、LIDARユニットを円形に回すこと、両方による。機械的走査システムは、LIDARユニットが常時または頻繁に動いているため、比較的サイズが大きく、比較的高価で、いくつかの用途（たとえば消費者の使用）のためには信頼性がない。
【００７４】
フェーズドアレイ・ソリッドステート走査システムでは、光学的なフェーズドアレイが、レーザー・パルスがアレイを通じて投射される際のレーザー・パルスのフェーズをシフトさせることによってレーザー光のパルスを方向制御する送信器として使われる。フェーズドアレイ・ソリッドステート走査システムは、比較的高価であり、電子光学系の複雑な制御を要求し、ビーム発散問題を経験し、ビーム方向制御において形成されるサイドローブを扱うために大規模な信号処理を必要とし、比較的サイズが大きく、複数のレーザー源を必要とし、しばしば製造問題を呈することがある。
【００７５】
本開示は、機械的走査およびフェーズドアレイ・ソリッドステート走査ではなく、環境の3D走査を実行するためにレーザー・ビームの方向を変化させるために複数ポート光スイッチを有するLIDAR走査システムを開示する。複数ポート光スイッチは、環境全体が走査されるまである出力ポートから別の出力ポートにレーザー・ビームを切り換えていくことによって、走査エリア全体をカバーする種々の方向にレーザーを効率的に向けるために使用されうる。
【００７６】
機械的走査およびフェーズドアレイ・ソリッドステート走査システムに対する本開示のLIDAR走査システムの予想される利点は、可動部分がなく、種々の用途要件をサポートするための比較的単純なアーキテクチャーに基づく比較的単純な制御方式をもち、比較的安価であり、実装が比較的容易であり、比較的小さなフットプリント（サイズ）をもち、比較的低い電力消費（たとえば無視できる電力消費）をもち、MEMS、LCoS、SiPhなどといった電気通信業界によって開発された、電気通信業界において比較的成熟しており、よく研究され、よく実施されている光スイッチング技術に基づくため、比較的高い信頼性をもち、比較的簡単にホスト・システムに組み込まれることができ、より高い分解能のためにスケーラブルである、ということである。
【００７７】
電気通信業界において光スイッチングは流布されているが、電気通信業界の用途要件はLIDAR走査システムのものとは有意に異なる。たとえば、電気通信業界は典型的には高い信号品質を要求する一方、LIDAR用途ではしばしば、より低い信号品質が受け容れ可能である。よって、光スイッチングは電気通信において既知であるが、LIDARのための光スイッチの使用は以前には考えられたことがなく、LIDARのための光スイッチの設計は、他の因子の中でも用途要件の違いのため、電気通信業界における光スイッチに基づくストレートなプロセスではない。
【００７８】
図５は、本開示のある例示的実施形態に基づくLIDAR走査システム１００を組み込む車両定位システム４００の選択されたコンポーネントを示す概略図である。図５では、LIDAR走査システム１００は、自動車のような車両４０５の形のホスト・システムに組み込まれる。LIDAR走査システム１００は、筐体１３５内で車両４０５の上部（たとえば屋根）に取り付けられるまたは他の仕方で位置される。複数の出力ポート１３４および対にされるマイクロレンズ１３６が、車両４０５の前、後、左側および右側において環境を走査するためにそれぞれ筐体１３５の（よって車両４０５の）前、後、左側および右側に位置する四つのセンサー・エリアにグループ化されている。
【００７９】
図５の車両定位システムでは、出力ポート１３４およびマイクロレンズ１３６は、車両４０５の前、後、左側および右側における環境を走査するために四つの異なる方向に配向されている。図６は、車両４０６の前、後、左側および右側の方向などの四つの異なる方向にレーザー光を向けるために図６の車両定位システムにおいて使用されうる1×4光スイッチ６００のブロック図である。光スイッチ６００は、一つの入力ポート６０４と、車両４０６の前、後、左側および右側の方向に配向された、個々に参照符号６０６ａ、６０６ｂ、６０６ｃ、６０６ｄによって表わされる四つの出力ポート６０６とを含む。図示した例では、光スイッチ６００は、出力ポート６０６が位置される筐体６２０を含む。出力ポート６０６は、光ファイバーケーブルなど（図示せず）を介してマイクロレンズ１３６のような伝送光学系（図示せず）に接続されてもよい。
【００８０】
車両定位システム４００は、車両４０５に埋め込まれている車両制御システム４１５の一部である。車両制御システム４１５は、後述するような車両４０５の駆動制御システム４５０および機械的システム４９０に結合される。他の実施形態では、車両定位システム４００は専用システムであってもよい。車両制御システム４１５は、車両４０５が全自律的、半自律的または全ユーザー制御のモードで動作可能であることを許容する。
【００８１】
車両定位システム４００は、それぞれ車両制御システム４１５のコントローラに結合されている、車両４０５のあたりに位置されている複数のセンサー４１０と、一つまたは複数の無線トランシーバー４３０とを有する。複数のセンサー４１０は一つまたは複数のデジタルカメラ４１２、少なくとも一つのLIDAR走査ユニットを有する少なくとも一つのLIDAR走査システム３００、一つまたは複数の合成開口レーダー（synthetic  aperture  radar、SAR）ユニット４１６、慣性測定ユニット（inertial  measurement  unit、IMU）４１８および電子コンパス４１９を含む。センサー４１０は、アクティブであるとき、繰り返して（たとえば規則的な間隔で）情報を感知（またはスキャン）し、感知された情報を、リアルタイムまたはほぼリアルタイムで、車両定位システム４００を含む車両制御システム４１５に提供する。
【００８２】
センサー４１０を使って、車両定位システム４００は、車両４０５の局所的な環境、任意のすぐ近くの周囲の障害物についての情報（たとえばカメラ４１２を使う）およびより広い近傍からの情報（たとえばLIDAR走査システム３００およびSARユニット４１６を使うことで車両４０５のまわりの半径100mまでまたはそれ以上のエリアからの情報を収集しうる）を収集しうる。車両定位システム４００は、IMU  ４１８を使って車両４０５の位置および配向についての情報を収集してもよい。IMU  ４１８および他のセンサーを使って、車両制御システム４１５は、他の因子の中でも、車両４０５の線形速度（たとえば走行距離計）、角速度、加速度および／またはタイヤ・グリップを決定しうる。
【００８３】
一つまたは複数のカメラ４１２および／または一つまたは複数のSARユニット４１６が、LIDAR走査システム３００の光スイッチ３３０の出力ポート３３４および光レンズ３３６と共位置であってもよい。あるいはまた、他の実施形態では、カメラ４１２および／またはSARユニット４１６は、他のところに位置されてもよく、あるいはさらに省略されてもよい。
【００８４】
無線トランシーバー４３０は、車両制御システム４１５が、無線広域ネットワーク（wide  area  network、WAN）２１０を用いてデータおよび任意的には音声通信を交換することを可能にする。車両定位システム４００は、インターネットのような一つまたは複数の通信ネットワーク２２０を介して運転支援サーバーのようなサーバー２４０にアクセスするために無線WAN  ２１０を使ってもよい。サーバー２４０は、一つまたは複数のサーバー・モジュールとして実装されてもよく、典型的には、ファイアウォール２３０の背後に位置される。サーバー２４０は、車両制御システム４１５による使用のためのデータを含む一つまたは複数のデータベースに接続されてもよい。
【００８５】
車両定位システム４００は、衛星受信器４３２をも含む。車両定位システム４００は、衛星受信器４３２によって衛星ネットワーク２６０の複数の衛星から受信された信号を使ってその位置を決定してもよい。衛星ネットワーク２６０は典型的には、全地球的なカバレッジをもって自律的な地理空間的な測位を提供する少なくとも一つのグローバルナビゲーション衛星システム（Global  Navigation  Satellite  System、GNSS）の一部である複数の衛星を含む。たとえば、衛星ネットワーク２６０は、GNSS衛星のコンステレーションであってもよい。例示的なGNSSは、米国のNAVSTARグローバルポジショニングシステム（Global  Positioning  System、GPS）またはロシアのグローバルナビゲーション衛星システム（GLObal  NAvigation  Satellite  System、GLONASS）を含む。展開済みのまたは開発中の他の衛星ナビゲーション・システムは、欧州連合のガリレオ測位システム、中国の北斗ナビゲーション衛星システム（BeiDou  Navigation  Satellite  System、BDS）、インドの地域衛星ナビゲーション・システムおよび日本の衛星ナビゲーション・システムを含む。
【００８６】
次に、本開示のある例示的実施形態に基づく、車両制御システム４１５の選択されたコンポーネントを示す図７を参照する。プロセッサ４２０が複数のコンポーネントに、それらのコンポーネントとプロセッサ４２０との間の通信経路を提供する通信バス（図示せず）を介して結合されている。プロセッサ４２０は、駆動制御システム４５０、ランダムアクセスメモリ（Random  Access  Memory、RAM）４２２、読み出し専用メモリ（Read  Only  Memory、ROM）４２４、持続的（不揮発性）メモリ４２６、たとえばフラッシュ式の消去可能プログラム可能型読み出し専用メモリ（erasable  programmable  read  only  memory、EPROM）（フラッシュメモリ）、無線ネットワーク２１０と無線周波数信号を交換するための一つまたは複数の無線トランシーバー４３０、全地球的または地域的な衛星ナビゲーション・システムの一部である複数の衛星を含む衛星ネットワーク２６０から衛星信号を受信するための衛星受信器４３２、リアルタイムクロック（real-time  clock、RTC）４３４およびタッチスクリーン４３６に結合される。
【００８７】
無線トランシーバー４３０は、種々の無線データ通信プロトコルおよび規格を使う複数の異なる無線アクセス・ネットワーク（たとえばセルラー・ネットワーク）を用いて通信するために一つまたは複数のセルラー（RF）トランシーバーを含んでいてもよい。車両定位システム４００は、その地理的カバレッジ・エリア内の、無線WAN２１０（たとえばセルラー・ネットワーク）の複数の固定トランシーバー基地局のいずれかと通信しうる。車両定位システム４００および／または車両制御システム４１５は、無線WAN  ２１０を通じて信号を送受信しうる。無線トランシーバー４３０は、複数の無線周波数帯域をサポートする複数帯域セルラー・トランシーバーを含んでいてもよい。
【００８８】
無線トランシーバー４３０は、無線アクセスポイント（access  point、AP）を介してWLAN（図示せず）と通信するための無線ローカルエリアネットワーク（wireless  local  area  network、WLAN）トランシーバーをも含んでいてもよい。WLANは、IEEE802.11x規格（時にWi-Fi（登録商標）と称される）または他の通信プロトコルに準拠するWi-Fi無線ネットワークを含みうる。
【００８９】
無線トランシーバー４３０は、スマートフォンまたはタブレットのようなモバイル・コンピューティング装置と通信するための、ブルートゥース（登録商標）トランシーバーのような短距離無線トランシーバーをも含んでいてもよい。無線トランシーバー４３０は近接場通信（Near  field  communication、NFC）、IEEE  802.15.3a（ウルトラワイドバンド（UltraWideband、UWB）とも称される）、Z-Wave、ZigBee、ANT/ANT+または赤外線（たとえば赤外線データ協会（Infrared  Data  Association、IrDA）通信）を含むがそれに限られない他の短距離無線トランシーバーをも含んでいてもよい。
【００９０】
タッチスクリーン４３６は、カラー液晶ディスプレイ（liquid  crystal  display、LCD）、発光ダイオード（light-emitting  diode、ED）ディスプレイまたはアクティブマトリクス有機発光ダイオード（active-matrix  organic  light-emitting  diode、AMOLED）ディスプレイといったディスプレイを、電子コントローラに接続されたタッチ感応性の入力表面またはオーバーレイとともに含む。ボタン、スイッチおよびダイヤルを含む、プロセッサ４２０に結合されるさらなる入力装置（図示せず）も設けられてもよい。
【００９１】
車両制御システム４１５は、一つまたは複数のスピーカー４３８、一つまたは複数のマイクロフォン４４０およびシリアル・データ・ポート（たとえばユニバーサルシリアルバス（Universal  Serial  Bus、USB）データ・ポート）などの一つまたは複数のデータ・ポート４４２をも含む。システムは、タイヤ圧センサー（tire  pressure  sensor、TPS）、ドア接触スイッチ、光センサー、近接センサーなどといった他のセンサーをも含んでいてもよい。
【００９２】
車両制御システム４１５は、車両４０５の動きを制御するはたらきをする駆動制御システム４５０をも含む。駆動制御システム４５０は、ステアリング・ユニット４５２、ブレーキ・ユニット４５４およびスロットル・ユニット４５６を有し、そのそれぞれは駆動制御システム４５０内のソフトウェア・モジュールまたは制御ブロックとして実装されてもよい。ステアリング・ユニット４５２、ブレーキ・ユニット４５４およびスロットル・ユニット４５６は、全自律または半自律運転モードのときは、経路計画システム（図示せず）から受領された経路情報を受領し、計画された経路を運転するよう、車両４０５のそれぞれステアリング、ブレーキおよびスロットルを制御するための制御信号を生成する。駆動制御システム４５０は、たとえば方向指示灯およびブレーキ灯の制御を含め車両４０５の他の側面を制御するための追加的なコンポーネントを含んでいてもよい。
【００９３】
機械的システム４９０は、車両４０５の機械的コンポーネントを動作させるための駆動制御システム４１５からの制御信号を受領する。機械的システム４８０は、車両４０５の物理的な動作を実現する。機械的システム４９０は、エンジン４９２、トランスミッション４９４および車輪４９６を有する。エンジン４９２はたとえばガソリン動力エンジン、バッテリー動力エンジンまたはハイブリッド・エンジンでありうる。たとえば方向指示灯、ブレーキ灯、ファンおよび窓を含む他のコンポーネントが、機械的システム４９０に含まれていてもよい。
【００９４】
車両制御システム４１５のグラフィカルユーザインタフェース（graphical  user  interface、GUI）は、プロセッサ４２０によってタッチスクリーン４３６上にレンダリングされ表示される。ユーザーは、タッチスクリーンおよび任意的には他の入力装置（たとえばボタン、ダイヤル）を使ってGUIと対話して、関連する情報、たとえばナビゲーション情報、運転情報、駐車情報、メディアプレーヤー情報、空調情報などを表示してもよい。GUIは一連のたどることのできるコンテンツ固有のメニューを含んでいてもよい。
【００９５】
メモリ４２６は、GUIに加えて、プロセッサ４２０によって実行されるオペレーティングシステムソフトウェア４６０ならびにいくつかのアプリケーション４６２を記憶している。アプリケーション４６０は、車両定位４６４、運転支援４６６、駐車支援４６８および全自律または半自律運転のための自律運転４７０を含む。マッピング、ナビゲーション、空調、メディアプレーヤー、電話およびメッセージング・アプリケーションなどの他のアプリケーションもメモリに格納される。車両定位４６４は、プロセッサ４２０によって実行されるとき、車両制御システム４１５に、レーザー光のビームの送信とレーザー光のビームの反射の受信との間の時間に基づいて車両から車両４０５の環境内の一つまたは複数のオブジェクトまでの距離を決定することおよび環境内の一つまたは複数のオブジェクトまでの決定された距離に基づいて環境の三次元（three  dimensional、3D）マップを生成することなどの車両定位動作を実行させる。
【００９６】
メモリ４２６はまた、多様なデータ４８０をも記憶する。データ４８０は、センサー４１０によって感知されたセンサー・データ４８２、ユーザー選好、設定、および任意的には個人的なメディア・ファイル（たとえば音楽、ビデオ、方向など）を含むユーザー・データ４８４および無線トランシーバー４３０を介してダウンロードされたデータを含むダウンロード・キャッシュ４８６を含んでいてもよい。ダウンロード・キャッシュ４８６は定期的に、たとえば所定の時間後に削除されてもよい。システム・ソフトウェア、ソフトウェア・モジュール、特定のデバイス・アプリケーションまたはその一部は、ランタイム・データ変数および他の型のデータもしくは情報を記憶するために使用されるRAM  ４２２などの揮発性記憶に一時的にロードされてもよい。車両制御システム４１５によって受信されたデータもRAM  ４２２に記憶されてもよい。特定の機能がさまざまな型のメモリについて記述されているが、これは単に一例であり、機能の、メモリの型への異なる割り当てが使用されてもよい。
【００９７】
図８は、本開示の別の例示的実施形態に基づく、車両４８０の前方、後方、左側面および右側面に配置された出力ポートを有するLIDAR走査システムを組み込んだ車両４８０の概略図である。上記した図４のように、LIDAR走査システム１００の筐体１３５内に取り付けられるのではなく、出力ポート１３４およびマイクロレンズ１３６ならびに対にされる検出器は、車両４８０のまわりの種々の位置において、車両４８０の種々のボディー・パーツに取り付けられるか、またはそれらに組み込まれる。図示した例では、出力ポート１３４およびマイクロレンズ１３６は、車両４８０の前方、後方、左側面および右側面における環境をそれぞれ走査するために、車両４８０の前方、後方、左側面および右側面にそれぞれ配置された４つのセンサー領域にグループ化されている。
【００９８】
便宜上、本開示は、自動車、トラック、バス、ボート、航空機、倉庫設備、建設設備、トラクターまたは他の農業設備などの動力ビークルを参照して例示的実施形態を記述している。本開示の教示は、いかなる特定の種類のビークルにも限定されず、乗客を運搬しないビークルにも乗客を運搬するビークルにも適用されうる。本開示の教示はまた、自律型真空掃除機、ローバーおよび芝刈り機を含むがそれに限定されない非ビークル移動ロボットにおいて実装されてもよい。
【００９９】
ここで図８を参照する。図８は、本開示のある実施形態に基づく、LIDAR走査システムを制御する方法９００のフローチャートを示している。方法９００は、たとえば車両制御システム４１５のプロセッサ４２０によって実行されるソフトウェアによって実行されてもよい。そのような方法９００を実行するためのソフトウェアのコーディングは、本開示を与えられれば当業者の範囲内である。方法９００は、図示および／または説明されたものよりも追加のまたはより少数のプロセスを含んでいてもよく、異なる順序で実行されてもよい。方法９００を実行するためにプロセッサ４２０によって実行可能な機械可読コードは、車両制御システム４１５のメモリ４２６などの非一時的な機械可読媒体に記憶されてもよい。
【０１００】
９０２では、コントローラ１１０は、レーザー光を放射するようにレーザー１２０を制御する。
【０１０１】
９０４では、コントローラ１１０は、光スイッチ１３０を制御して、複数の出力ポート１３４のうちレーザー光が送信されるアクティブな出力ポート１３４を選択することによって、レーザー光が送信される方向を制御する。
【０１０２】
９０６では、コントローラ１１０は、光スイッチ１３０を制御して、各出力ポートがアクティブな出力ポートになる時間を制御して、走査レートを設定する。動作９０４および９０６が図９に別々に示されているとしても、動作９０４および９０６は同時に生起してもよい。
【０１０３】
レーザー光は、走査サイクルにおいて光スイッチ１３０の各出力ポート１３４を通じて巡回する。いくつかの例では、出力ポート１３４はいくつかの層に配置され、レーザー光が送信される方向は、アクティブな出力ポート１３４が層ごとにおよびポートごとに順次選択される走査シーケンスによって定義される。いくつかの例では、出力ポート１３４は、いくつかの同心円状に配置され、レーザー光が送信される方向は、アクティブな出力ポート１３４が列ごとおよびポートごとに選択される走査シーケンスによって定義される。
【０１０４】
異なるポートが異なる方向に対応するように光スイッチ１３０の出力ポート１３４を配置することによって、環境のあるエリアが、光スイッチ１３０を制御することによって、特に、レーザー源１２０を光スイッチ１３０の各出力ポート１３４を通じて巡回させることによって、走査されうる。任意の所与の時間における光スイッチ１３０のアクティブ出力ポート１３４を制御することによって、コントローラ１１０は走査方向と走査レートの両方を制御する。
【０１０５】
本明細書に記載されているフローチャートおよび図面中のステップおよび／または動作は、例示のみを目的としている。本開示の教示から逸脱することなく、これらのステップおよび／または動作に対して多くの変形形態がありうる。たとえば、ステップは異なる順序で実行されてもよく、またはステップは追加、削除、または修正されてもよい。
【０１０６】
開示された範囲内のすべての値および部分範囲も開示されている。また、本願で開示され、示されたシステム、デバイスおよびプロセスは特定の数の要素／コンポーネントを含むことがあるが、システム、デバイスおよびアセンブリーは追加のまたはより少数のそのような要素／コンポーネントを含むように修正されてもよい。たとえば、開示された要素／コンポーネントのいずれも単数形であるとして言及されることがあるが、本明細書に開示される実施形態は、そのような要素／コンポーネントを複数含むように修正されてもよい。本明細書に記載される主題は、技術におけるすべての好適な変化をカバーし、包含することを意図している。
【０１０７】
本開示は少なくとも部分的には方法に関して記述されているが、当業者は、本開示が、記載される方法の側面および特徴の少なくともいくつかを実行するためのさまざまなコンポーネントにも向けられていることを理解するであろう。かかるコンポーネントは、ハードウェア（DSP、ASICまたはFPGA）でも、ソフトウェアでも、あるいはそれらの組み合わせでもよい。よって、本開示の技術的解決策は、処理装置（たとえば車両制御システム）が本明細書に開示される方法の例を実行できるようにする実行可能命令を有形に格納した不揮発性または非一時的な機械可読媒体（たとえば、光ディスク、フラッシュメモリなど）において具現化されうる。
【０１０８】
本開示は、請求項の主題から逸脱することなく他の特定の形で具現されてもよい。記載される例示的実施形態は、あらゆる点で例示的なものにすぎず、制約するものではないと考えられるべきである。本開示は、技術におけるすべての好適な変化をカバーし、包含することを意図している。したがって、本開示の範囲は、上記の説明ではなく添付の請求項によって記述される。特許請求の範囲は、例において記載されている実施形態によって限定されるべきではなく、全体としての記述と整合する最も広い解釈が与えられるべきである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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