(57)【要約】ライダー装置は、レーザーパルスを放射するためのレーザー源を有する。検出された反射光子用のＳｉＰＭ検出器が設けられている。光学素子および開口絞りが設けられている。開口絞りは、ＳｉＰＭ検出器と光学素子との間に設けられてＳｉＰＭ検出器の画角を制限する。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライダー装置であって、
レーザーパルスを放射するためのレーザー源、
検出された反射光子用のＳｉＰＭ検出器、
光学素子、および、
開口絞りを有し、前記開口絞りは、前記ＳｉＰＭ検出器と前記光学素子との間に設けられ、前記ＳｉＰＭ検出器の画角を制限することを特徴とする、ライダー装置。
【請求項２】
前記光学素子は受光レンズを有する、請求項１に記載のライダー装置。
【請求項３】
前記光学素子が送信レンズを有する、請求項１または２に記載のライダー装置。 
【請求項４】
前記光学素子は、単一のレンズが送信および受信のために利用されるようにビームスプリッタを有する、請求項１から３のいずれか一項に記載のライダー装置。
【請求項５】
前記ビームスプリッタが、前記単一のレンズと前記ＳｉＰＭ検出器との中間に配置された偏光ミラーを有する、請求項４に記載のライダー装置。
【請求項６】
前記ＳｉＰＭ検出器が単一光子センサである、請求項１から５のいずれか一項に記載のライダー装置。
【請求項７】
前記ＳｉＰＭ検出器が、単一光子アバランシェフォトダイオード（ＳＰＡＤ）センサの集合アレイから形成される、請求項１から６のいずれか一項に記載のライダー装置。
【請求項８】
前記開口絞りは、前記光学素子の焦点に配置されている、請求項１から７のいずれか一項に記載のライダー装置。 
【請求項９】
前記開口絞りは、前記ＳｉＰＭ検出器のアクティブエリアのサイズに基づく所望の画角に一致する寸法を有する、請求項８に記載のライダー装置。
【請求項１０】
前記画角は１度未満である、請求項１から９のいずれか一項に記載のライダー装置。
【請求項１１】
前記光学素子と前記ＳｉＰＭ検出器との間の全長が１０ｃｍ未満である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のライダー装置。
【請求項１２】
ライダーシステムの前記光学素子と前記ＳｉＰＭ検出器との間の全長は、１ｃｍから６ｃｍの範囲内である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のライダー装置。
【請求項１３】
前記光学素子と前記ＳｉＰＭ検出器との間の全長が５ｃｍ未満である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のライダー装置。
【請求項１４】
前記開口絞りのサイズは、センサ領域のサイズと前記光学素子の焦点距離とに基づいて決定される、請求項１から１３のいずれか一項に記載のライダー装置。
【請求項１５】
前記開口絞りは、前記ＳｉＰＭ検出器の全アクティブエリアにわたって前記光学素子によって集められた光を拡散させる、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のライダー装置。
【請求項１６】
所与の焦点距離ｆに対して、前記焦点に配置されて長さＬを有する前記ＳｉＰＭ検出器の前記画角θは、
θx,y＝２×atan((Lx,y/2)/f)
によって与えられ、ｆは受光レンズの焦点距離、Lx、Lyはそれぞれセンサの水平方向と垂直方向の長さ、θx,yはセンサ画角である、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のライダー装置。
【請求項１７】
前記開口絞りは、以下の式：
Ｐx,y＝２×ｆ×tan（θx,y/2）
に従って要求される角度に一致する寸法を有し、ｆは受光レンズの焦点距離、θx,yはセンサ画角、Px,yは開口絞りのサイズである、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のライダー装置。
【請求項１８】
前記レーザー源は、目に安全なレーザー源である、請求項１〜１７のいずれか一項に記載のライダー装置。
【請求項１９】
前記レーザー源は、低出力レーザーである、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のライダー装置。 
【請求項２０】
前記ＳｉＰＭ検出器が、マイクロセルのマトリックスを含む、請求項１〜１９のいずれか一項に記載のライダー装置。 
【請求項２１】
請求項１に記載のライダー装置を有する自動車システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ライダー（LiDAR）装置に関する。特に、本開示は、これらに限定されるわけではないが、ライダー装置がコンパクトな環境での動作に適したものとなるように焦点距離要件を最小にする開口絞りを備えたオプティクス（optics：光学素子あるいは光学系、以下単に光学素子と記載）を有するライダー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン光電子増倍管（Silicon Photomultiplier：SiPM）は、単一光子センシティブで高性能の固体センサである。ＳｉＰＭは、クエンチ抵抗器と一体化されて密集パックされた単一光子アバランシェフォトダイオード（ Single Photon Avalanche Photodiode：ＳＰＡＤ）センサの集合アレイ(summed array)から形成され、その結果、高利得（〜１×１０６）、高検出効率（＞ ５０％）であり、かつ、〜30Vのバイアス電圧で高速タイミング（サブナノセカンド（ns）の立ち上がり時間）がすべて達成される小型センサが得られる。
【０００３】
オートモーティブADAS（Advanced Driver Assistance Systems）、3D深度マップ、モバイル、コンシューマ、および工業用レンジなど、目に安全な近赤外（NIR）波長を使用するライダー（Light Detection And ranging：ＬｉＤＡＲ）アプリケーションは、コンパクトな環境で利用される。ライダーシステムは、典型的には大きな焦点距離を有する光学素子を必要とし、これによりコンパクト環境での操作には適さないものとなる。
【０００４】
したがって、ＳｉＰＭ技術を利用して従来技術の欠点の少なくともいくつかを解決するライダーシステムを提供することが求められている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
シリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）は、周囲光が強いという条件において飽和し、その原因は検出器のデッドタイムである。本開示は、望ましくないノイズ、すなわち、コヒーレントでない周囲光を集めることを避けるために、ＳｉＰＭの画角（Angle of View：ＡｏＶ）を制限することによってこの課題を解決する。大きなセンサのための短い画角は、単レンズ光学システムにおいては長い焦点距離を必要とする。そのような焦点距離は、コンパクトなシステムには適さない。
【０００６】
本解決策では、ＳｉＰＭと、開口絞り要素（Aperture Stop Element：ASE）を備えた受光レンズとをペアにする。開口絞り要素は、大きな画角から来る光を止め、集光された光をＳｉＰＭの全領域にわたって広げ、効果的に長焦点距離レンズの動作を達成する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従って、ライダー装置が提供され、このライダー装置は、レーザーパルスを放射するためのレーザー源、検出された反射光子用のＳｉＰＭ検出器、光学素子、および、ＳｉＰＭ検出器と光学素子との間に設けられてＳｉＰＭ検出器の画角を制限する開口絞りを有する。
【０００８】
一形態では、光学素子は受光レンズを備える。
別の形態では、光学素子は送信レンズを含む。 
さらなる形態では、光学素子は、単一レンズが送信および受信に利用されるようにビームスプリッタを有する。
一形態では、ビームスプリッタは、単一レンズとＳｉＰＭ検出器との中間に配置された偏光ミラーを備える。
【０００９】
例示的な形態では、ＳｉＰＭ検出器は、単一光子センサである。
更なる形態では、ＳｉＰＭ検出器は、単一光子アバランシェフォトダイオード（Single Photon Avalanche Photodiode：ＳＰＡＤ）センサの集合アレイから作られる。
一形態では、開口絞りは光学の焦点に配置される。
他の形態では、開口絞りは、ＳｉＰＭ検出器のアクティブエリアのサイズに基づく所要の画角に一致する寸法を有する。
更に他の形態では、画角は１度未満である。
例示的な形態では、受光光学素子とＳｉＰＭ検出器の間の全長は１０ｃｍ以下である。
更に他の形態では、受光光学素子とＳｉＰＭ検出器の間の全長が１ｃｍから６ｃｍの範囲にある。
他の形態では、受光光学素子とＳｉＰＭ検出器の間の全長は５ｃｍ未満である。
【００１０】
一例において、開口絞りのサイズは、センサ領域のサイズと光学素子の焦点距離とに基づいて決定される。
１形態において、開口絞りは、光学素子によって集められた光を、ＳｉＰＭ検出器の全アクティブ領域にわたって、拡散する。
更なる形態において、所与の焦点距離ｆに対して、焦点に配置されて寸法Ｌｘ,ｙを有するＳｉＰＭ検出器の画角θｘ,ｙは、以下の式によって与えられる。
θx,y＝２×atan((Lx,y/2)/f)
ここで、ｆは受光レンズの焦点距離、LxおよびLyは、それぞれセンサの水平方向と垂直方向の長さ、θx,yは水平画角および垂直画角である。
【００１１】
一形態では、前記開口絞りは、以下の式に従って要求される角度に一致する寸法を有する。
Ｐx,y＝２×ｆ×tan（θx,y/2）
ここで、ｆは受光レンズの焦点距離、θx,yはセンサ画角、Px,yは開口絞りのサイズである。
【００１２】
更なる形態では、レーザー源は目に安全なレーザー源である。
他の形態では、レーザー源は、低出力レーザーである。
一形態では、ＳｉＰＭ検出器は、マイクロセルのマトリックスを含む。
【００１３】
半発明の教示は、ライダー装置を有する自動車システムにも関係し、このライダー層は、レーザーパルスを放射するためのレーザー源、検出された反射光子用のＳｉＰＭ検出器、光学素子、および、ＳｉＰＭ検出器と光学素子との間に設けられてＳｉＰＭ検出器の画角を制限する開口絞りを有する。
【００１４】
これらおよび他の特徴は、本教示の理解を助けるために提供されるフォリオウィングの図面を参照することで、より一層理解されるであろう。
以下、本教示を添付の図面を参照して記述する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】シリコン光電子増倍管の例示的な構造の説明図。
【図２】例示的なシリコン光電子増倍管の回路図。
【図３】ダイレクトＴｏＦ測距用の例示的な技術の説明図。
【図４】例示的なＴｏＦ測距システムの説明図。
【図５】図４のＴｏＦ測距システムを用いて生成されたヒストグラム。
【図６】ＳｉＰＭを検出器として組み込む例示的なライダー装置。
【図６Ａ】図６のライダー装置の詳細の説明図。
【図７】本教示によるライダー装置の詳細の説明図。
【図８】本教示によるライダー装置の詳細の説明図。
【図９】本教示による他のライダー装置の詳細の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本開示は、ＳｉＰＭセンサを利用する例示的なライダー装置を参照して以下に記述される。本教示の理解を助けるために例示的なライダー装置が提供されるが、これはいかなる意味でも発明を制限するものではないことが理解されるであろう。さらに、いずれか１つの図を参照して説明された回路要素または構成要素は、本教示の精神から逸脱することなく、他の図のものまたは他の同等の回路要素と交換され得る。説明を簡単かつ明瞭にするために、適切であると考えられる場合には、対応する要素または類似の要素を示すために参照番号を図面間で繰り返すことがあることを理解されたい。
【００１７】
最初に図１を参照すると、ガイガーモードフォトダイオードアレイを含むシリコン光電子増倍管１００が示される。図示のように、アバランシェ電流を制限するために使用することができるクエンチ抵抗が各フォトダイオードに隣接して設けられている。アルミニウムまたは同様の導電性トラッキングによって、共通のバイアス電極および接地電極にフォトダイオードが電気的に接続されている。従来のシリコン光電子増倍管２００の概略回路図を図２に示す。ここで、フォトダイオードアレイのアノードは、共通接地電極に接続され、アレイのカソードは、限流抵抗を介して接続されて、ダイオードの両端にバイアス電圧を印加するための共通バイアス電極に接続されている。
【００１８】
シリコン光電子増倍管１００は、電気的および光学的に絶縁された小型のガイガーモードフォトダイオード２１５の高密度アレイを集積する。各フォトダイオード２１５は、クエンチ抵抗器２２０に直列に結合されている。各フォトダイオード２１５はマイクロセルと呼ばれる。マイクロセルの数は、典型的には１ｍｍ２当たり１００〜３０００である。次いで、すべてのマイクロセルの信号が合計されて、ＳｉＰＭ２００の出力が形成される。図２の概念を説明するために、簡略化された電気回路が提供されている。各マイクロセルは、光子を同一にそして独立して検出する。これら個々のバイナリ検出器のそれぞれからの放電電流の合計は、準アナログ出力を形成するために組み合わされ、したがって、入射光子束の大きさに関する情報を与えることができる。 
【００１９】
各マイクロセルは、マイクロセルがガイガー降伏を受けるたびに、非常に均一で量子化された量の電荷を生成する。マイクロセル（したがって検出器）の利得は、電子の電荷に対する出力電荷の比として定義される。出力電荷は、過電圧とマイクロセル容量から計算できる。
Ｇ＝（Ｃ・ΔＶ）／ｑ
Ｇはマイクロセルの利得、Ｃはマイクロセルのキャパシタンス、ΔＶは過電圧、ｑは電子の電荷である。
【００２０】
ライダー（LiDAR）は、モバイル測距、自動車用ＡＤＡＳ（Advanced Driver Assistance Systems）、ジェスチャ認識および３Ｄマッピングなどのアプリケーションで採用されている測距技術である。フォトセンサとしてＳｉＰＭを採用することで、特にモバイル製品や大量生産品のためにおいて、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、ＰＩＮダイオードおよび光電子増倍管（ＰＭＴ）などの代替センサ技術に対して多くの利点を有する。ダイレクトＴｏＦ測距システムで典型的に使用される基本コンポーネントが図３に示される。ダイレクトＴｏＦ技術では、周期的レーザーパルス３０５がターゲット３０７に向けられる。
【００２１】
ターゲット３０７はレーザー光子を拡散し反射し、かつ、光子のうちのいくつかは、検出器３１５の方へと後方に反射される。検出器３１５は、検出されたレーザー光子（およびノイズによるいくつかの検出された光子）を電気信号に変換し、その後、検知されたレーザー光子には、タイミング電子機器３２５によってタイムスタンプが付けられる。この飛行時間（ｔ）は、ターゲットまでの距離Ｄを以下の式からの算出するために用いられる。
Ｄ＝ｃΔｔ／２      式１
ここで、ｃ＝光速、かつ、Δｔ＝飛行時間である。
【００２２】
検出器３１５は、戻ってきたレーザー光子をノイズ（周囲光）と区別しなければならない。レーザーパルスごとに、少なくとも1つのタイムスタンプがキャプチャされる。これはシングルショット測定として知られている。多くのシングルショット測定からのデータを組み合わせて測距測定値が生成されると信号対雑音比を劇的に改善することができ、それにより、検出されたレーザーパルスのタイミングを高精度かつ正確に抽出することができる。
【００２３】
ここで図４を参照すると、検知領域４０５を画定する単一光子アバランシェフォトダイオード（ＳＰＡＤ）のアレイを含む例示的なＳｉＰＭセンサ４００が示される。補正光学素子（corrective optics:ＣＯ）を提供するためにレンズ４１０が設けられている。レンズシステムの所与の焦点距離ｆに対して、焦点に配置されて寸法Lx,yを有するセンサの画角θx,yは、以下の式によって与えられる。
θx,y＝２×atan((Lx,y/2)/f)      式２
ここで、ｆはレシーバレンズの焦点距離、Lx、Lyはセンサの水平方向と垂直方向長さ、θx,yはセンサの画角である。
【００２４】
これは、短い焦点距離が用いられた場合、大きなセンサが大きな画角を有していることを意味する。レンズの口径を広げると、戻ってくるレーザー光子の数は一定のままで、より多くの周囲光子が検出される。ＳｉＰＭ４００は、図５におけるヒストグラムウィンドウの開始時における大きなオーバーシュートから明らかなように、飽和する傾向がある。センサ４００が飽和状態になると、レーザー光子はＳｉＰＭ４００によってもはや検出され得ず、より低い信号検出率およびより低い全体的なＳＮＲＨをもたらす。
【００２５】
図６は、例示的なライダーシステム６００を示す。これは、送信レンズ６０４を通して周期的なレーザーパルス６０７を送信するためのレーザー源６０５を含む。ターゲット６０８は、受信レンズ６１０を介してレーザー光子６１２を拡散および反射し、光子のいくつかはＳｉＰＭセンサ６１５に向かって反射して戻る。ＳｉＰＭセンサ６１５は、ノイズに起因して検出されたいくつかの光子および検出されたレーザー光子を電気信号に変換し、この電気信号は、その後にタイミング電子機器によってタイムスタンプされる。 
【００２６】
ＳｉＰＭセンサ６１０が飽和点に達するのを回避するために、焦点距離は比較的長く保たれる必要がある。 レンズシステムの所与の焦点距離ｆについて、焦点に配置され長さＬを有するＳｉＰＭセンサ６１５の画角θは、式２によって与えられる。従って、図６Ａに示されるように、短い焦点距離が使用される場合、大きなセンサは大きな画角を必要とする。
【００２７】
最先端のライダーセンサでは、最大90°+までの、数十度のオーダーの大きな画角（AoV）が用いられ、レーザーがシーンを角度分解能でスキャンしている間に、検出器がシーンの検知を行う。これらのセンサは、通常、強い周囲光除去を有するＰＩＮおよびアバランシェダイオードに基づいている。 しかしながら、雑音レベルはライダーシステムの精度を制限する受信機Ａ ｏＶによって設定されるので、信号対雑音比ＳＮＲは、大きな画角によって大きな影響を受ける。
【００２８】
更に、戻り光子数が単一光子検出効率を必要とする長距離ライダーには、これらのデバイスは適していない。ＳＰＡＤまたはＳｉＰＭセンサのような短い画角を使用するＳｉＰＭ検出器は、単一光子検出効率要件を満たす。
短い、すなわち１度未満（＜１°）であるＡｏＶシステムは、より大きな全ＡｏＶをカバーするためにスキャンシステム内の単一ポイントセンサ（Single Point Sensor:SPS）として使用されるか、または、スキャンまたは同時照明を通じてそれぞれ所望のより大きな全画角をカバーするようにアレイに配置される。しかしながら、ＳＰＡＤ ／ ＳｉＰＭセンサは、センサの必要な回復／再充電プロセスのためにダイナミックレンジが制限されるおそれがある。ＳｉＰＭのマイクロセルにおける光検出のたびに、アバランシェプロセスでは、例えば、光電流を放電してダイオードをブレークダウン領域から外に出す抵抗器を介してクエンチングがなされる必要がある。
【００２９】
その後、受動的または能動的な再充電プロセスがダイオードバイアス電圧を回復し始め、次の光検出の準備が整った初期状態を回復する。急冷および再充電プロセスが行われる間の時間の長さは、一般に、デッドタイムまたは回復時間と呼ばれる。ダイオードのバイアス条件はガイガーモードの外側にあるため、この時間枠内でそれ以上の検出は生じない。ＳｉＰＭでは、マイクロセルがデッドタイムウィンドウに入っても、他のマイクロセルは依然として光子を検出できる。従って、マイクロセルの数はセンサの光子ダイナミックレンジを定義し、単位時間当たりのより多数の光子を検出することを可能にする。不感時間に起因して、検出に利用可能なマイクロセルがない場合、SiPMは飽和領域にあると言われる。
【００３０】
検出器が関与するユニットを妨げる回復プロセスを補償するために、ＳｉＰＭ（マイクロセル）内には多数のダイオードが必要である。ＳｉＰＭが大きいと、高いダイナミックレンジが提供される。ＳｉＰＭのサイズは、受信された焦点距離と共に、式２に従って、図６Ａに示されるように、画角を設定する。ＳｉＰＭ検出器は、検出器のデッドタイムに起因して、高い周囲光条件で飽和するおそれがある。
【００３１】
本開示は、望ましくない雑音、すなわち、コヒーレントでない周囲光を集めてしまうことを回避するために、ＳｉＰＭ検出器の画角（ＡｏＶ）を制限することによってこの問題に対処する。大きなセンサのための短い画角によって、単レンズ光学システムにおいては長い焦点距離が必要とされる。そのような焦点距離は、検出器が受光光学素子から１０ｃｍ以下にあるコンパクトな環境で動作することが必要とされるライダーシステムには適していない。
【００３２】
本解決策は、ＳｉＰＭ検出器と受光レンズとをＡｏＶを制限し焦点距離要件を低減する開口絞り要素と組み合わせることによって、ＳｉＰＭ検出器をコンパクトな環境で動作するライダーシステムに組み込むことを可能にする。開口絞り要素は、大きな画角から来る光を止め、集光された光をＳｉＰＭの全領域にわたって広げ、効果的に長焦点距離レンズ配置の検出効率を達成する。コンパクトな環境という用語は、検出器が受光光学素子から１０ｃｍ以内にある環境を含むことを意図している。また、受光光学素子とＳｉＰＭ検出器の間の全長が１ｃｍから６ｃｍの範囲にある環境も含まれることも意図している。
【００３３】
一例では、コンパクト環境という用語は、受光光学とＳｉＰＭ検出器との間の全長が５ｃｍ未満である環境を指す。ここで、図７を参照すると、本教示によるライダー装置に組み込み可能な例示的なＳｉＰＭセンサ７００が示されている。ＳｉＰＭセンサ７００は、検知領域７０５を画定する単一光子アバランシェフォトダイオード（ＳＰＡＤ）のアレイを備える。修正光学素子を提供するためにレンズ７１０が設けられる。
【００３４】
レンズ７１０と検知領域７０５との間には開口絞り７１５が設けられており、これは、より大きな角度から来る光を遮断し、かつ、収集された光をセンサ領域７０５上に拡散させ、これにより長い焦点距離が必要であるという点を解消する。開口は、そこを通る光の透過を容易にする開口部または穴である。光学装置の焦点距離および開口は、像平面内の焦点に到達する複数の光線の円錐角を決定する。開口部は光線をコリメートあるいは平行化し、かつ、画質にとって非常に重要である。開口が狭い場合、高度にコリメートされた光線の通過が許容され、その結果、像面に鋭い焦点がもたらされる。
【００３５】
しかしながら、開口が広い場合、コリメートされていない光線がアパーチャを通過可能となり、このことは、特定の距離から来る特定の光線に対する鋭い焦点を制限する。従って、広い口径は、ある距離にある対象物に対して鮮明な画像をもたらす。入射光線の量も開口のサイズによって決まる。光学装置は、光線束を制限する要素を有し得る。光学的には、これらの要素は光学装置によって許容される光を制限するために使用される。これらの要素は一般に絞りあるいはストップと呼ばれる。
【００３６】
開口絞りは、像点での光線円錐角と明るさを設定する絞りである。開口絞り７１５の結果として、ＳｉＰＭ７００の光学素子の焦点距離は、ＳｉＰＭ４００の光学素子の焦点距離よりも実質的に短くてもよい。所与の精度および測距精度に必要とされるダイナミックレンジを維持しながら画角を縮小するために、図６Ａに示されるように、通常、大きなセンサは焦点距離の長いレンズ開口とペアにされる。しかし、検出器と受光光学素子の間の最大長が通常約10cm以下（〜１０ｃｍ）であるコンパクトなシステムでは、１０ｃmを超えるに至る長い焦点距離（〜１０＋ｃｍ）は魅力的ではない。
【００３７】
コンパクトなライダーシステムを必要とするアプリケーションには、自律型自動車（Autonomous Automobiles）、先進運転支援システム（Advanced Driver Assistance Systems：ADAS）、および3Dイメージングが含まれる。本解決策は、ＳＰＡＤ／ ＳｉＰＭ技術の利点を利用し、図８に示される開口絞り要素８２０を組み込むことによってコンパクトな環境への適応に相応しい、あるいは適したライダー装置８００を提供する。開口絞り要素８２０は、センサ８１５と短焦点距離レンズ８１０との間に配置されている。
【００３８】
開口絞り８２０は、２つの主要機能を有する。第一に、開口絞りは、元の大きな角度から来る光を遮断するために使用される。開口絞りのサイズは、センサ領域のサイズと焦点距離に基づくものである。第二に、開口絞りは、センサの全アクティブエリアに集光した光を拡散させ、大きなセンサを用いることで利用可能となるダイナミックレンジを活用する。開口絞りの寸法および位置は、センサ領域のサイズおよび所望の画角および受光レンズの焦点距離の両方に関係する。寸法Ｐx,yは以下の式に従って、必要な画角と一致しなければならない。
Ｐx,y＝２×ｆ×tan（θx,y/2）      式３
また、センサは、アクティブエリア全体の光を確実に拡散させるために、一定の距離を置いて配置する必要がある。
ｘ，ｙ＝ｆ×（Ｌx,y）／（Ｄlems）      式４
ここで、ｆは受光レンズの焦点距離、θx,yはセンサ画角、Ｐx,yは開口絞り寸法、および、Ｄlensはレシーバレンズの直径である。
【００３９】
光は、センサのアクティブエリア全体に均一に広がらなければならないが、ただし、このシステムはシングルポイントセンサであることから、イメージング機能は必要ではない。与えられた式は、単なる例として与えられた理論的最大値を表すことに留意されたい。
許容誤差を考慮して距離を調整する必要がある。
【００４０】
ここで、図９は、これもまた本教示によるライダー装置９００の一例を示す。ライダー装置９００は、ライダー装置８００と実質的に同様であり、類似の要素は類似の参照番号で示されている。主な違いは、ライダー装置９００は、送信機（トランスミッタ）９０５と受信機（レシーバ）９１０とのための共有光学素子を含むことである。レンズ８１０と開口絞り８２０との間には、偏光ミラー９２０によって提供されるビームスプリッタが設けられている。 
【００４１】
偏光ミラーは、レーザービームをシーンに反射し、反射光をＳｉＰＭセンサ９１０へと向ける。当業者であれば、開口絞りを利用することによって、１ｍｍ２以上のオーダーの大きなセンサ領域を利用しながら、ライダーシステム８００および９００が短い焦点距離を有することが可能となることを理解するであろう。
【００４２】
本教示のライダー装置は、短い焦点距離を有する光学システムを利用するので、ライダーシステムを、検出器光学素子と受光光学素子との間の長さが１０ｃｍ以下のコンパクトな環境に組み込むことを可能にする。以下の表は、本教示によるライダー装置の構成要素のいくつかの例示的な寸法を提供する。例示的な寸法は例としてのみ提供されており、提供される例示的な寸法に本教示を限定することを意図するものではない。
【００４３】
【表１】
2020503506.tif 000003
【００４４】
ライダー装置９００は、レーザーパルスが既知の時間に送信機９０５から出るような、飛行時間（Time of Flight:ＴｏＦ）ライダーシステムとして動作可能である。レーザーパルスがターゲット９２５に衝突した後、反射光は受信機９１０に戻される。ターゲット９２５が鏡のような表面を有する場合、鏡面反射では光子が入射角に等しい角度で反射される。これにより、ターゲットによって反射された最大数の光子が受信機９１０で検出されるという結果になり得る。
入射角に関係なく、入射経路に沿って光を反射する逆反射体からの光を検出するために、標準アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）センサを使用することができる。しかしながら、実世界のほとんどの表面は非鏡面反射ターゲットであり、入射光を直接反射するわけではない。これらの非鏡面は典型的にはランベルト面として表すことができる。ランベルト面が有限の画角（ＡｏＶ）で受信機によって見られるとき、受け取られる光子の量は見られる角度に対して不変であり、光子は２πステラジアン面にわたって広がる。 
ランベルト反射体の正味の影響は、戻り光子の数が（距離分の１）の二乗に比例するということである。さらに、送信される光子の数は、目の安全性の制約によって制限されます。戻される光子の数が（距離分の１）の二乗で減少し、単に光源出力を増加させるということはできないことから、検出されるすべての光子がライダーシステム９００の全体的な精度に寄与することが望ましい。
【００４５】
当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、上述の実施形態に対して様々な修正を加えることができることが理解されるであろう。このように、本明細書における教示は、添付の特許請求の範囲に照らして必要と思われる範囲内でのみ限定されるべきであることが理解される。半導体光電子増倍管という用語は、シリコン光電子増倍管（Silicon Photomultiplier：ＳｉＰＭ）、マイクロピクセルフォトンカウンタ（MicroPixel Photon Counters：ＭＰＰＣ）、マイクロピクセルアバランシェフォトダイオード（MicroPixel Avalanche Photodiodes：ＭＡＰＤ）などの任意の固体光電子増倍管装置を含むことを意図しているが、これらに限られるものではない。
【００４６】
同様に、本明細書での使用において、「含む／含んでいる」という用語は、ここに述べられた特徴、整数、ステップ、または構成要素の存在を特定するために使用されるが、１つまたは複数の追加の特徴、整数、ステップ、構成要素、またはそれらのグループの存在または追加を排除するものではない。
【図１】
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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６Ａ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年10月28日(2019.10.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライダー装置であって、
レーザーパルスを放射するためのレーザー源、
検出された反射光子用のＳｉＰＭ検出器、
光学素子、および、
開口絞りを有し、前記開口絞りは、前記ＳｉＰＭ検出器と前記光学素子との間に設けられ、前記ＳｉＰＭ検出器の画角を制限し、
前記開口絞りは、前記ＳｉＰＭ検出器の全アクティブエリアにわたって前記光学素子によって集められた光を拡散させることを特徴とする、ライダー装置。
【請求項２】
前記光学素子は受光レンズを有する、請求項１に記載のライダー装置。
【請求項３】
前記光学素子が送信レンズを有する、請求項１または２に記載のライダー装置。
【請求項４】
前記光学素子は、単一のレンズが送信および受信のために利用されるようにビームスプリッタを有する、請求項１から３のいずれか一項に記載のライダー装置。
【請求項５】
前記ビームスプリッタが、前記単一のレンズと前記ＳｉＰＭ検出器との中間に配置された偏光ミラーを有する、請求項４に記載のライダー装置。
【請求項６】
前記ＳｉＰＭ検出器が単一光子センサである、請求項１から５のいずれか一項に記載のライダー装置。
【請求項７】
前記ＳｉＰＭ検出器が、単一光子アバランシェフォトダイオード（ＳＰＡＤ）センサの集合アレイから形成される、請求項１から６のいずれか一項に記載のライダー装置。
【請求項８】
前記開口絞りは、前記光学素子の焦点に配置されている、請求項１から７のいずれか一項に記載のライダー装置。
【請求項９】
前記開口絞りは、前記ＳｉＰＭ検出器の全アクティブエリアのサイズに基づく所望の画角に一致する寸法を有する、請求項８に記載のライダー装置。
【請求項１０】
前記画角は１度未満である、請求項１から９のいずれか一項に記載のライダー装置。
【請求項１１】
前記光学素子と前記ＳｉＰＭ検出器との間の全長が１０ｃｍ未満である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のライダー装置。
【請求項１２】
前記ライダー装置の前記光学素子と前記ＳｉＰＭ検出器との間の全長は、１ｃｍから６ｃｍの範囲内である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のライダー装置。
【請求項１３】
前記光学素子と前記ＳｉＰＭ検出器との間の全長が５ｃｍ未満である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のライダー装置。
【請求項１４】
前記開口絞りのサイズは、前記ＳｉＰＭ検出器の領域のサイズと前記光学素子の焦点距離とに基づいて決定される、請求項１から１３のいずれか一項に記載のライダー装置。
【請求項１５】
所与の焦点距離ｆに対して、前記焦点に配置されて長さＬを有する前記ＳｉＰＭ検出器の前記画角θは、
θx,y＝２×atan((Lx,y/2)/f)
によって与えられ、ｆは受光レンズの焦点距離、Lx、Lyはそれぞれセンサの水平方向と垂直方向の長さ、θx,yはセンサ画角である、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のライダー装置。
【請求項１６】
前記開口絞りは、以下の式：
Ｐx,y＝２×ｆ×tan（θx,y/2）
に従って要求される角度に一致する寸法を有し、ｆは受光レンズの焦点距離、θx,yはセンサ画角、Px,yは開口絞りのサイズである、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のライダー装置。
【請求項１７】
前記レーザー源は、目に安全なレーザー源である、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のライダー装置。
【請求項１８】
前記レーザー源は、低出力レーザーである、請求項１〜１７のいずれか一項に記載のライダー装置。
【請求項１９】
前記ＳｉＰＭ検出器が、マイクロセルのマトリックスを含む、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のライダー装置。
【請求項２０】
請求項１に記載のライダー装置を有する自動車システム。
【国際調査報告】
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