(57)【要約】  実施形態は、送信要素内のエミッタアレイの発射シーケンスが、受信要素内の光センサアレイの捕捉シーケンスに対応するように動作が同期される走査焦点面送信要素及び走査焦点面受信要素を含む固体電子走査ＬＩＤＡＲシステムを説明する。動作中、エミッタアレイは、１つ以上の光エミッタをシーンに連続的に発射し、反射光は、光センサの前に位置付けられた開口層を通して対応する１つ以上の光センサのセットで受信することができる。各光エミッタは、開口層の開口部に対応することができ、各開口部は、各光エミッタが受信要素内の特定の光センサに対応するように、受信要素内の光センサに対応することができる。
2020526754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体光学システムであって、
個々の光エミッタのアレイを含む送信器層を含む光送信モジュールと、
光センサのアレイを含むセンサ層を含む光感知モジュールであって、前記光エミッタのアレイ内の各光エミッタが、当該光感知モジュール内の対応する光センサと対になっている、光感知モジュールと、
前記光エミッタのアレイに結合され、一度に光エミッタのサブセットのみを起動するように構成された、エミッタアレイ発射回路と、
センサアレイ読み出し回路であって、前記光センサのアレイに結合され、対応する光エミッタの発射と同時に前記アレイ内の個々の光センサの読み出しを同期するように構成されており、そのため、前記個々の光エミッタのアレイ内の各光エミッタが起動され得て、前記光センサのアレイ内の各光センサが１回の放出サイクルで読み取られ得る、センサアレイ読み出し回路と、
を備えたことを特徴とする固体光学システム。
【請求項２】
各光エミッタの視野が、その対応する光センサの視野と一致する
ことを特徴とする請求項１に記載の固体光学システム。
【請求項３】
前記光送信モジュールが、バルク送信器光学系を更に含み、
前記光感知モジュールが、バルク受信器光学系を更に含む
ことを特徴とする請求項２に記載の固体光学システム。
【請求項４】
前記個々の光エミッタのアレイが、第１の寸法を有する二次元アレイに配置され、且つ、前記バルク送信器光学系を通して当該光学システムの外部のフィールドに個別の光ビームを投射するように構成され、
前記光センサのアレイが、第２の寸法を有する二次元アレイに配置され、且つ、光子が前記バルク受信器光学系を通過した後、前記フィールドの表面から反射された当該光子を検出するように構成され、
前記第１の寸法と前記第２の寸法と前記バルク送信器光学系と前記バルク受信器光学系との組み合わせは、バルク送信器光学系を通過する各エミッタ列の視野が、当該バルク受信器光学系を通過する対応するピクセル列の視野と顕著に同じである、というように設計されている
ことを特徴とする請求項３に記載の固体光学システム。
【請求項５】
前記光感知モジュールが、複数の開口部を有する開口層を更に含み、
前記開口層及び前記光センサのアレイが、複数の受信器チャネルを形成するように配置され、
前記複数の受信器チャネル内の各受信器チャネルが、前記複数の開口部からの１つの開口部と、前記光センサのアレイからの１つの光センサと、を含み、
前記開口部が、前記受信器チャネル内の前記光センサの前記視野を画定する
ことを特徴とする請求項１に記載の固体光学システム。
【請求項６】
前記光センサのアレイ内の各光センサが、ＳＰＡＤＳのアレイを含み、
各光エミッタが、垂直キャビティ面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）である
ことを特徴とする請求項５に記載の固体光学システム。
【請求項７】
前記光エミッタのアレイ及び前記光センサのアレイが、列によって、または行によって、起動される
ことを特徴とする請求項６に記載の固体光学システム。
【請求項８】
前記光送信モジュールが、第１の光送信モジュールであり、前記送信器層が、第１の送信器層であり、前記個々の光エミッタのアレイが、個々の光エミッタの第１のアレイであり、
当該システムが、個々の光エミッタの第２のアレイを含む第２の送信器層を含む第２の光送信モジュールを更に備え、
前記個々の光エミッタの第１及び第２のアレイが、それぞれ第１の照明パターン及び第２の照明パターンに従って、個別の光ビームを当該光学システムの外部のフィールドに投射するように位置合わせされ、
前記第１及び第２の照明パターンは、前記第１の照明パターンからの１つの個別のビーム及び前記第２の照明パターンからの１つの個別のビームが、前記複数の受信器チャネル内の各受信器チャネルの前記視野内に入る、というように位置合わせされる
ことを特徴とする請求項５に記載の固体光学システム。
【請求項９】
距離測定を実行するための固体光学システムであって、
バルク送信器光学系と、照明パターンに従って配置され、前記バルク送信器光学系を通して当該光学システムの前方のフィールドに個別の光ビームを投射するように位置合わせされた、光エミッタの二次元アレイを有する照明源と、を備える、光放出システムと、
バルク受信器光学系と、複数の開口部を含む開口層と、前記照明源から放出され、前記バルク受信器光学系を通過した後、前記フィールド内の表面から反射された光子を検出するように構成された光センサの二次元アレイを含む光センサ層と、を備える、光検出システムと、
前記光エミッタの二次元アレイに結合され、一度に光エミッタのサブセットのみを起動させるように構成された、エミッタアレイ発射回路と、
センサアレイ読み出し回路であって、前記光センサの二次元アレイに結合され、対応する光エミッタの発射と同時に前記アレイ内の個々の光センサの読み出しを同期するように構成されており、そのため、前記個々の光エミッタのアレイ内の各光エミッタが起動され得て、前記光センサのアレイ内の各光センサが１回の放出サイクルで読み取られ得る、センサアレイ読み出し回路と、
を備え、
前記開口層及び前記光センサ層が、前記照明パターンに対応する感知パターンに配置された複数の感知チャネルを形成するように配置され、
前記複数の感知チャネル内の各感知チャネルが、前記エミッタのアレイ内の１つのエミッタに対応し、前記開口層からの１つの開口部及び前記光センサ層からの１つの光センサを含む
ことを特徴とする固体光学システム。
【請求項１０】
各光エミッタの視野が、前記フィールド内の非重複視野を表し、その対応する光センサの視野と一致する
ことを特徴とする請求項９に記載の固体光学システム。
【請求項１１】
前記エミッタアレイ発射回路が、一度に１列または１行ずつ、光エミッタのサブセットを起動し、
前記センサアレイ読み出し回路が、一度に１列または１行ずつ、対応する光センサの読み出しを同期させる
ことを特徴とする請求項９に記載の固体光学システム。
【請求項１２】
前記光センサのアレイ内の各光センサが、ＳＰＡＤＳのアレイを含み、
各光エミッタが、垂直キャビティ面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）である
ことを特徴とする請求項１１に記載の固体光学システム。
【請求項１３】
前記エミッタアレイ発射回路が、各放出サイクルを通して単一方向に光エミッタの列または行を連続的に起動させる
ことを特徴とする請求項１１に記載の固体光学システム。
【請求項１４】
前記複数の感知チャネル内の各感知チャネルについて、当該感知チャネル内の前記光センサの感知面積が、そのそれぞれの開口部の面積よりも大きい
ことを特徴とする請求項９に記載の固体光学システム。
【請求項１５】
前記エミッタの二次元アレイが、第１のピッチによって互いに分離された複数の列を含み、
前記光センサの二次元アレイが、前記第１のピッチに等しい第２のピッチによって互いに分離された複数の行を含む
ことを特徴とする請求項９に記載の固体光学システム。
【請求項１６】
前記照明源と前記バルク送信器光学系との間に配設されたマイクロ光学チャネルアレイを更に備え、
前記マイクロ光学チャネルアレイが、複数のマイクロ光学送信器チャネルを画定し、
各マイクロ光学送信器チャネルが、前記光エミッタの二次元アレイからの１つの光エミッタから離間されたマイクロ光学レンズを含み、
前記マイクロ光学レンズが、そのそれぞれの送信器チャネルにおいて前記光エミッタから光円錐を受信するように、かつ、前記光エミッタと前記バルク送信器光学系との間の場所で前記光エミッタから変位した焦点に前記光エミッタの縮小サイズのスポット画像を生成するように構成されている
ことを特徴とする請求項９に記載の固体光学システム。
【請求項１７】
前記バルク受信器光学系と前記光センサのアレイとの間に配設された光学フィルタを更に備え、
前記光学フィルタが、前記バルク受信器光学系を通過した光を受信し、前記複数のエミッタの動作波長を含む放射の狭帯域を前記複数の光センサに通過させつつ、前記帯域外の放射を遮断するように構成されている
ことを特徴とする請求項９に記載の固体光学システム。
【請求項１８】
距離測定を実行するための固体光学システムであって、
バルク送信器光学系と、照明パターンに従って、前記バルク送信器光学系を通して当該光学システムの外部のフィールドに個別の光ビームを投射するように位置合わせされた光エミッタの二次元アレイを含む照明源と、を備え、前記照明パターン内の各個別のビームが前記フィールド内の非重複視野を表す光放出システムと、
前記照明源から放出され前記フィールド内の表面から反射された光子を検出するように構成された光検出システムであって、バルク受信器光学系と、複数の開口部を含む開口層と、光センサの二次元アレイを含む光センサ層と、を備え、前記開口層及び前記光センサ層が、当該システムからの距離の範囲にわたってサイズ及び幾何学的形状において前記光エミッタのアレイの前記照明パターンと実質的に一致する前記フィールド内の感知パターンを有する複数の感知チャネルを形成するように配置され、前記複数の感知チャネル内の各感知チャネルが、前記エミッタのアレイ内の１つのエミッタに対応し、前記開口層からの１つの開口部及び前記光センサ層からの１つの光センサを含む、光検出システムと、
エミッタアレイ発射回路であって、前記光エミッタのアレイに結合され、複数の画像捕捉期間を実行するように構成され、各画像捕捉期間で、前記エミッタアレイ発射回路が、前記照明パターンが生成されるまで、発射シーケンスに従って前記光エミッタのアレイ内のエミッタの複数のサブセットを連続的に発射する、エミッタアレイ発射回路と、
前記光センサのアレイに結合され、前記アレイ内の個々の光センサの読み出しを、前記光エミッタのアレイ内の対応するエミッタの発射と同時に同期するように構成されたセンサアレイ読み出し回路と、
を備えたことを特徴とする固体光学システム。
【請求項１９】
前記光センサの二次元アレイ内の各光センサが、ＳＰＡＤＳのアレイを含み、
前記光エミッタの二次元アレイ内の各光エミッタが、垂直キャビティ面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）である
ことを特徴とする請求項１８に記載の固体光学システム。
【請求項２０】
前記バルク受信器光学系と前記光センサのアレイとの間に配設された光学フィルタを更に備え、
前記光学フィルタが、前記バルク受信器光学系を通過した光を受信し、前記複数のエミッタの動作波長を含む放射の狭帯域を前記複数の光センサに通過させつつ、前記帯域外の放射を遮断するように構成されている
ことを特徴とする請求項１８に記載の固体光学システム。
【請求項２１】
距離測定を実行するための固体光学システムであって、
第１の照明パターンに従って、当該光学システムの外部のフィールドに個別の光ビームを投射するように位置合わせされた第１の光エミッタの二次元アレイを含む、第１の照明源と、
前記第１の照明パターンと同じサイズ及び幾何学的形状を有する第２の照明パターンに従って、個別の光ビームを前記フィールドに投射するように位置合わせされた第２の光エミッタの二次元アレイを含む、第２の照明源と、
前記第１及び第２の照明源から放出され前記フィールド内の表面から反射された光子を検出するように構成された光センサのアレイを含む光検出モジュールであって、前記光センサのアレイ内の各光センサが、前記第１の光エミッタのアレイからの１つのエミッタ及び前記第２の光エミッタのアレイからの１つのエミッタの視野と重複する視野を有する、光検出モジュールと、を備え、
前記第１及び第２の光エミッタのアレイならびに前記光センサのアレイは、１または複数の光エミッタが起動されるとき、前記光センサのうちの対応する１または複数のものが読み取られるように同期して動作する
ことを特徴とする固体光学システム。
【請求項２２】
エミッタアレイ発射回路であって、前記光エミッタの第１及び第２のアレイに結合され、複数の画像捕捉期間を実行するように構成され、各画像捕捉期間で、前記エミッタアレイ走査回路が、前記第１及び第２の照明パターンが生成されるまで、前記第１のエミッタアレイからのエミッタのサブセットを発射し、その後に前記第２のエミッタアレイからのエミッタのサブセットが続く、エミッタアレイ発射回路
を更に備えたことを特徴とする請求項２１に記載の光学システム。
【請求項２３】
各画像捕捉期間で、前記エミッタアレイ発射回路によって発射される前記第１のエミッタアレイからのエミッタの各サブセットが、前記第１の照明パターンの区別できる部分を表し、
前記第１のエミッタアレイからのエミッタの前記サブセットに続いて発射される前記第２のエミッタアレイからのエミッタの各サブセットが、前記第１の照明パターンの前記区別できる部分に対応する前記第２の照明パターンの区別できる部分を表す
ことを特徴とする請求項２２に記載の光学システム。
【請求項２４】
前記光センサのアレイに結合され、前記アレイ内の個々の光センサの読み出しを、前記第１及び第２の光エミッタアレイからの対応する光エミッタの発射と同時に同期するように構成されたセンサアレイ読み出し回路
を更に備えたことを特徴とする請求項２３に記載の光学システム。
【請求項２５】
前記光センサのアレイが、前記光エミッタの前記第１のアレイと前記第２のアレイとの間に配設される
ことを特徴とする請求項２１に記載の光学システム。
【請求項２６】
前記第１の照明パターンの各個別スポット及び前記第２の照明パターンのその対応する個別スポットが、前記対応する感知チャネルの前記視野の非重複部分を表す
ことを特徴とする請求項２１に記載の光学システム。
【請求項２７】
前記光検出モジュールが、複数の開口部を含む開口層を更に含み、
前記開口層及び前記光センサのアレイが、複数の感知チャネルを形成するように配置され、
前記複数の感知チャネル内の各感知チャネルが、前記光センサのアレイからの１つの光センサ、前記チャネル内の前記光センサの第１の視野を画定する前記開口層の第１の開口部、及び、前記チャネル内の前記光センサの第２の視野を画定する前記開口層の第２の開口部を含み、
前記第１の視野が、前記第１の照明源のエミッタの視野と位置合わせされ、
前記第２の視野が、前記第２の照明源のエミッタの視野と位置合わせされる
ことを特徴とする請求項２６に記載の光学システム。
【請求項２８】
各感知チャネルが、前記第１の開口部と位置合わせされた第１のマイクロレンズと、前記第２の開口部と位置合わせされた第２のマイクロレンズと、を含む
ことを特徴とする請求項２７に記載の光学システム。
【請求項２９】
前記第１の照明パターン内の各個別スポットが、前記第２の照明パターン内のその対応するスポットと重複し、実質的に同じサイズである
ことを特徴とする請求項２１に記載の光学システム。
【請求項３０】
前記第１の照明パターンと同じサイズ及び幾何学的形状を有する第３の照明パターンに従って、個別の光ビームを当該光学システムの外部のフィールドに投射するように位置合わせされた第３の光エミッタの二次元アレイを含む第３の照明源を更に備え、
前記光センサのアレイが、前記第３の照明源から放出された光子を検出するように更に構成され、
前記第３の光エミッタアレイは、１または複数の光エミッタが起動されるとき、前記光センサのうちの対応する１または複数のものが読み取られるように、前記第１及び第２の光エミッタアレイならびに前記光センサのアレイと同期して動作する
ことを特徴とする請求項２１に記載の光学システム。
【請求項３１】
距離測定を実行するための固体光学システムであって、
第１のバルク送信器光学系と、第１の照明パターンに従って前記第１のバルク送信器光学系を通して当該光学システムの外部のフィールドに個別の光ビームを投射するように位置合わせされた第１の光エミッタの二次元アレイを含む第１の照明源と、を含む、第１の光放出モジュールと、
第２のバルク送信器光学系と、前記第１の照明パターンと同じサイズ及び幾何学的形状を有する第２の照明パターンに従って前記第２のバルク送信器光学系を通して個別の光ビームを前記フィールドに投射するように位置合わせされた第２の光エミッタの二次元アレイを含む第２の照明源と、を含む、第２の光放出モジュールと、
バルク受信器光学系と、複数の開口部を含む開口層と、前記第１及び第２の照明源から放出され前記バルク受信器光学系を通して前記フィールド内の表面から反射された光子を検出するように構成された光センサのアレイを含む光センサ層と、を備える光検出モジュールと、
を備え、
前記開口層及び前記光センサ層が、感知チャネルの二次元アレイを形成するように配置され、
各感知チャネルが、前記開口層からの１つの開口部及び前記光センサ層からの１つの光センサを含み、
前記第１のエミッタアレイからの１つのエミッタ及び前記第２のエミッタアレイからの１つのエミッタの視野と重複する視野を有しており、
前記第１及び第２の光エミッタのアレイならびに前記光センサのアレイは、１または複数の光エミッタが起動されるとき、前記光センサのうちの対応する１または複数が読み取られるように同期して動作する
ことを特徴とする固体光学システム。
【請求項３２】
エミッタアレイ発射回路であって、前記光エミッタの第１及び第２のアレイに結合され、複数の画像捕捉期間を実行するように構成され、各画像捕捉期間で、前記エミッタアレイ走査回路が、前記第１及び第２の照明パターンが生成されるまで、前記第１のエミッタアレイからのエミッタのサブセットを発射し、その後に前記第２のエミッタアレイからのエミッタのサブセットが続く、エミッタアレイ発射回路と、
前記光センサのアレイに結合され、前記アレイ内の個々の光センサの読み出しを、前記第１及び第２の光エミッタアレイからの対応する光エミッタの発射と同時に同期するように構成された、センサアレイ読み出し回路と、
を更に備えたことを特徴とする請求項３１に記載の光学システム。
【請求項３３】
各画像捕捉期間で、前記エミッタアレイ発射回路によって発射される前記第１のエミッタアレイからのエミッタの各サブセットが、前記第１の照明パターンの区別できる部分を表し、
前記第１のエミッタアレイからのエミッタの前記サブセットに続いて発射される前記第２のエミッタアレイからのエミッタの各サブセットが、前記第１の照明パターンの前記区別できる部分に対応する前記第２の照明パターンの区別できる部分を表す
ことを特徴とする請求項３２に記載の光学システム。
【請求項３４】
前記第１の照明パターンの各個別スポット及び前記第２の照明パターンのその対応する個別スポットが、前記対応する感知チャネルの前記視野の非重複部分を表す
ことを特徴とする請求項３１に記載の光学システム。
【請求項３５】
前記第１の照明パターン内の各個別スポットが、前記第２の照明パターン内のその対応するスポットと重複し、実質的に同じサイズである
ことを特徴とする請求項３１に記載の光学システム。
【請求項３６】
距離測定を実行するための固体光学システムであって、
バルク受信器光学系と、複数の開口部を含む開口層と、光センサの二次元アレイを含む光センサ層と、を備える光検出システムであって、前記開口層及び前記光センサ層が、感知パターンを有する複数の感知チャネルを形成するように配置され、前記複数の感知チャネル内の各感知チャネルが、当該光検出システムの前方のフィールド内の閾値距離を超える個別の非重複視野を画定し、前記開口層からの１つの開口部及び前記光センサ層からの１つの光センサを含む、光検出システムと、
第１のバルク送信器光学系と、第１の照明パターンに従って前記第１のバルク送信器光学系を通して個別の光ビームを前記フィールドに投射するように位置合わせされた第１の光エミッタの二次元アレイと、第２のバルク送信器光学系と、前記第１の照明パターンと同じサイズ及び幾何学的形状を有する第２の照明パターンに従って前記第２のバルク送信器光学系を通して個別の光ビームを前記フィールドに投射するように位置合わせされた第２の光エミッタの二次元アレイと、を備える光放出システムであって、前記第１及び第２の照明パターンは、前記第１の照明パターンからの１つの個別のビーム及び前記第２の照明パターンからの１つの個別のビームが、前記複数の感知チャネル内の各感知チャネルの前記視野内に入るように位置合わせされる、光放出システムと、
エミッタアレイ走査回路であって、前記光エミッタの第１及び第２のアレイに結合され、複数の画像捕捉期間を実行するように構成され、各画像捕捉期間で、前記エミッタアレイ走査回路が、前記第１及び第２の照明パターンが生成されるまで、前記第１のエミッタアレイからのエミッタのサブセットを連続的に発射し、その後に前記第２のエミッタアレイからのエミッタのサブセットが続く、エミッタアレイ走査回路と、
前記光センサのアレイに結合され、前記アレイ内の個々の光センサの読み出しを、前記第１及び第２の光エミッタのアレイ内の対応するエミッタの発射と同時に同期するように構成された、センサアレイ走査回路と、
を備えたことを特徴とする固体光学システム。
【請求項３７】
前記第１の照明パターンの各個別スポット及び前記第２の照明パターンのその対応する個別スポットが、前記対応する感知チャネルの前記視野の非重複部分を表す
ことを特徴とする請求項３６に記載の光学システム。
【請求項３８】
各感知チャネルが、前記第１の照明パターンの個別のビームの視野に位置合わせされた第１のマイクロレンズと、前記第２の照明パターンの個別のビームの視野に位置合わせされた第２のマイクロレンズと、を含む、
ことを特徴とする請求項３７に記載の光学システム。
【請求項３９】
前記第１の照明パターン内の各個別スポットが、前記第２の照明パターン内のその対応するスポットと重複し、実質的に同じサイズである
ことを特徴とする請求項３６に記載の光学システム。
【請求項４０】
前記光センサの二次元アレイの各光センサが、ＳＰＡＤＳのアレイを含み、
前記第１及び第２の光エミッタのアレイの各光エミッタが、垂直キャビティ面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）である
ことを特徴とする請求項３６に記載の光学システム。
【請求項４１】
距離測定を実行するための光学システムであって、
個別の光ビームを当該光学システムの外部のフィールドに投射するように位置合わせされた光エミッタの列を含む、照明源と、
前記光エミッタの列に対して垂直に向けられた走査軸に沿って傾斜し、前記列からの放射を前記フィールドに反射して、前記光エミッタの列からの前記個別のビームが複数回繰り返され当該パターン内に複数の非重複列を形成する二次元照明パターンを生成するように構成された、ＭＥＭＳデバイスと、
前記照明源から放射され前記フィールド内の表面から反射された光子を検出するように構成された光検出システムであって、前記光検出システムが、前記システムからの距離の範囲にわたってサイズ及び幾何学的形状が前記ＭＥＭＳデバイスによって作成された前記二次元照明パターンと実質的に一致する前記フィールド内の感知パターンを有する光センサの二次元アレイを含む光センサ層を含む、光検出システムと、
回路であって、前記ＭＥＭＳデバイス及び前記光エミッタの列に結合され、複数の画像捕捉期間を実行するように構成され、各画像捕捉期間で、前記光エミッタの列が、前記照明パターンが生成されるまで、前記ＭＥＭＳデバイスがその軸に沿って傾けられている間、連続的に発射される、回路と、
前記光センサのアレイに結合され、前記アレイ内の個々の光センサの読み出しを、前記光エミッタの列内の対応するエミッタの発射と同時に同期するように構成された、センサアレイ走査回路と、
を備えたことを特徴とする光学システム。
【請求項４２】
前記光センサの二次元アレイが、ｍ×ｎの光センサのアレイを形成する、行ごとにｍ個の光センサと列ごとにｎ個の光センサとを含む
ことを特徴とする請求項４１に記載の光学システム。
【請求項４３】
前記照明源が、ｎ個の光エミッタを含む光エミッタの一次元アレイである
ことを特徴とする請求項４２に記載の光学システム。
【請求項４４】
前記回路が、各画像捕捉期間中に同時に前記ｎ個の光エミッタを発光するように前記照明光源を動作させるように構成される
ことを特徴とする請求項４３に記載の光学システム。
【請求項４５】
前記回路は、前記ＭＥＭＳミラーが前記二次元照明パターンを作成するために前記走査軸に沿って連続的に傾斜している間に、ｍ個の画像捕捉期間にわたって前記照明源を動作させるように更に構成され、
前記二次元照明パターンが、当該光学システムの外部の前記フィールドにｍ×ｎの個別の光ビームのアレイを形成する、当該光学システムの外部の前記フィールドへの行ごとのｍ個の個別の光ビーム及び当該光学システムの外部の前記フィールドへの列ごとのｎ個の個別の光ビームを含む
ことを特徴とする請求項４４に記載の光学システム。
【請求項４６】
前記ＭＥＭＳデバイスが、前記走査軸に沿って一次元で傾斜するＭＥＭＳ傾斜ミラーである
ことを特徴とする請求項４１に記載の光学システム。
【請求項４７】
前記光検出システムが、複数の開口部を含む開口層を更に含み、
前記開口層及び前記光センサ層が、複数の感知チャネルを形成するように配置される
ことを特徴とする請求項４１に記載の光学システム。
【請求項４８】
前記複数の感知チャネル内の各感知チャネルが、前記エミッタのアレイ内の１つのエミッタに対応し、前記開口層からの１つの開口部及び前記光センサ層からの１つの光センサを含む
ことを特徴とする請求項４７に記載の光学システム。
【請求項４９】
距離測定を実行するための光学システムであって、
バルク送信器光学系と、当該バルク送信器光学系を通して当該光学システムの外部のフィールドに個別の光ビームを投射するように位置合わせされた光エミッタの列を含む照明源と、を備える、光放出システムと、
前記バルク送信器光学系と前記照明源との間に配設されたＭＥＭＳデバイスであって、前記光エミッタの列に対して垂直に向けられた走査軸に沿って傾斜し、前記列からの放射を当該光学システムの外部のフィールドに反射して、前記光エミッタの列からの前記個別のビームが複数回繰り返され当該パターン内に複数の非重複列を形成する二次元照明パターンを生成するように構成された、ＭＥＭＳデバイスと、
前記照明源から放出され前記フィールド内の表面から反射された光子を検出するように構成された光検出システムであって、バルク受信器光学系と、複数の開口部を含む開口層と、光センサの二次元アレイを含む光センサ層と、を備え、前記開口層及び前記光センサ層が、当該システムからの距離の範囲にわたってサイズ及び幾何学的形状において前記ＭＥＭＳデバイスによって作成された前記二次元照明パターンと実質的に一致する前記フィールド内の感知パターンを有する複数の感知チャネルを形成するように配置され、前記複数の感知チャネル内の各感知チャネルが、前記エミッタのアレイ内の１つのエミッタに対応し、前記開口層からの１つの開口部及び前記光センサ層からの１つの光センサを含む、光検出システムと、
回路であって、前記ＭＥＭＳデバイス及び前記光エミッタの列に結合され、複数の画像捕捉期間を実行するように構成され、各画像捕捉期間で、前記光エミッタの列が、前記照明パターンが生成されるまで、前記ＭＥＭＳデバイスがその軸に沿って傾けられている間、連続的に発射される、回路と、
前記光センサのアレイに結合され、前記アレイ内の個々の光センサの読み出しを、前記光エミッタの列内の対応するエミッタの発射と同時に同期するように構成された、センサアレイ走査回路と、
を備えたことを特徴とする光学システム。
【請求項５０】
前記光センサの二次元アレイが、ｍ×ｎの光センサのアレイを形成する、行ごとにｍ個の光センサと列ごとにｎ個の光センサとを含む
ことを特徴とする請求項４９に記載の光学システム。
【請求項５１】
前記照明源が、ｎ個の光エミッタを含む光エミッタの一次元アレイである
ことを特徴とする請求項５０に記載の光学システム。
【請求項５２】
前記回路が、各画像捕捉期間中に同時に前記ｎ個の光エミッタを発光するように前記照明光源を動作させるように構成される
ことを特徴とする請求項５１に記載の光学システム。
【請求項５３】
前記回路は、前記ＭＥＭＳミラーが前記二次元照明パターンを作成するために前記走査軸に沿って連続的に傾斜している間に、ｍ個の画像捕捉期間にわたって前記照明源を動作させるように更に構成され、
前記二次元照明パターンが、当該光学システムの外部の前記フィールドにｍ×ｎの個別の光ビームのアレイを形成する、当該光学システムの外部の前記フィールドへの行ごとのｍ個の個別の光ビーム及び当該光学システムの外部の前記フィールドへの列ごとのｎ個の個別の光ビームを含む
ことを特徴とする請求項５２に記載の光学システム。
【請求項５４】
距離測定を実行するための光学システムであって、
バルク送信器光学系と、前記バルク送信器光学系を通して前記光学システムの外部のフィールドに個別の光ビームを投射するように位置合わせされた単一の光エミッタを備える照明源と、を備える、光放出システムと、
前記バルク送信器光学系と前記照明源との間に配設され、前記単一の光エミッタからのスポットパターンを生成するように構成された、光学要素と、
前記光学要素と前記照明源との間に配設されたＭＥＭＳデバイスであって、前記ＭＥＭＳデバイスが、走査軸に沿って傾斜し、前記単一の光エミッタからの放射を当該光学システムの外部のフィールドに反射して、前記光のスポットパターンが複数回繰り返され当該パターン内に複数の非重複列を形成する二次元照明パターンを生成するように構成された、ＭＥＭＳデバイスと、
前記照明源から放出され前記フィールド内の表面から反射された光子を検出するように構成された光検出システムであって、前記光検出システムが、バルク受信器光学系と、複数の開口部を含む開口層と、光センサの二次元アレイを含む光センサ層と、を備え、前記開口層及び前記光センサ層が、当該システムからの距離の範囲にわたってサイズ及び幾何学的形状において前記ＭＥＭＳデバイスによって作成された前記二次元照明パターンと実質的に一致する前記フィールド内の感知パターンを有する複数の感知チャネルを形成するように配置され、前記複数の感知チャネル内の各感知チャネルが、前記二次元照明パターン内のスポットに対応し、前記開口層からの１つの開口部及び前記光センサ層からの１つの光センサを含む、光検出システムと、
回路であって、ＭＥＭＳデバイス及び前記単一の光エミッタに結合され、複数の画像捕捉期間を実行するように構成され、各画像捕捉期間で、前記単一の光エミッタが、前記照明パターンが生成されるまで、前記ＭＥＭＳデバイスがその軸に沿って傾けられている間、連続的に発射される、回路と、
前記光センサのアレイに結合され、前記アレイ内の個々の光センサの読み出しを、前記単一の光エミッタの発射と同時に同期するように構成された、センサアレイ走査回路と、を備えたことを特徴とする光学システム。
【請求項５５】
前記光学要素が、前記単一の光エミッタから放出される前記個別の光ビームを個別の光ビームの一次元アレイに回折するように構成された回折光学要素であり、
前記個別の光ビームの一次元アレイが、ｎ個の個別の光ビームを含む
ことを特徴とする請求項５４に記載の光学システム。
【請求項５６】
前記ＭＥＭＳデバイスの前記走査軸が、前記個別の光ビームの一次元アレイに対して垂直に向けられている
ことを特徴とする請求項５５に記載の光学システム。
【請求項５７】
前記回路は、前記ＭＥＭＳミラーが前記二次元照明パターンを作成するために前記走査軸に沿って連続的に傾斜している間に、ｍ個の画像捕捉期間にわたって前記照明源を動作させるように更に構成される
ことを特徴とする請求項５６に記載の光学システム。
【請求項５８】
前記二次元照明パターンが、当該光学システムの外部の前記フィールドにｍ×ｎの個別の光ビームのアレイを形成する、当該光学システムの外部の前記フィールドへの行ごとのｍ個の個別の光ビーム及び当該光学システムの外部の前記フィールドへの列ごとのｎ個の個別の光ビームを含む
ことを特徴とする請求項５７に記載の光学システム。
【請求項５９】
前記光センサの二次元アレイが、ｍ×ｎの光センサのアレイを形成する、行ごとにｍ個の光センサと列ごとにｎ個の光センサとを含む
ことを特徴とする請求項５９に記載の光学システム。
【請求項６０】
前記ＭＥＭＳデバイスが、前記走査軸に沿って一次元で傾斜するＭＥＭＳ傾斜ミラーである
ことを特徴とする請求項５４に記載の光学システム。
【請求項６１】
距離測定を実行するための光学システムであって、
照明パターン内の各個別のビームがフィールド内の非重複視野を表すような照明パターンに従って、当該光学システムの外部のフィールドに個別の光ビームを投射するように位置合わせされた、光エミッタの二次元アレイと、
光センサの二次元アレイで形成された光センサ層を含む光検出システムであって、前記光センサの二次元アレイは、第１の光エミッタの視野が前記光センサの第１のサブセット内の各光センサの各視野の少なくとも一部分と重複するように、前記光エミッタのアレイの第１の光エミッタに対応するように位置付けられた光センサの第１のサブセットを含み、
前記光センサの第１のサブセット内の各光センサが、前記第１の光エミッタから放出された光の少なくとも一部分を受信するように構成される、光検出システムと、
を備えたことを特徴とする光学システム。
【請求項６２】
前記光センサのアレイは、第２の光エミッタの視野が前記光センサの第２のサブセット内の各光センサの各視野の少なくとも一部分と重複するように、前記光エミッタのアレイの第２の光エミッタに対応するように位置付けられた光センサの第２のサブセットを更に含み、
前記光センサの第２のサブセット内の各光センサが、前記第２の光エミッタから放出された光の少なくとも一部分を受信するように構成される
ことを特徴とする請求項６１に記載の光学システム。
【請求項６３】
前記光センサの第１のサブセット及び前記光センサの第２のセットのうちの少なくとも１つの光センサが、前記第１の光エミッタ及び前記第２の光エミッタの両方からの光の少なくとも一部分を受信するように構成される
ことを特徴とする請求項６２に記載の光学システム。
【請求項６４】
前記光センサのアレイを互いに光学的に分離された複数の行に分割する複数の行分割器
を更に備えたことを特徴とする請求項６１に記載の光学システム。
【請求項６５】
前記複数の行の各行が、互いに直接隣接して位置付けられた光センサの少なくとも２行を含む
ことを特徴とする請求項６４に記載の光学システム。
【請求項６６】
前記光エミッタのアレイ上に位置付けられた開口部のアレイを含む開口層を更に備え、
各開口部が、前記光エミッタのアレイのそれぞれの光エミッタの前記フィールド内の前記視野を画定する
ことを特徴とする請求項６１に記載の光学システム。
【請求項６７】
距離測定を実行するための光学システムであって、
個別の光ビームをフィールドに放出するように構成された光放出システムであって、バルク送信器光学系と、照明パターン内の各個別のビームがフィールド内の非重複視野を表すような照明パターンに従って前記バルク送信器光学系を通して当該光学システムの外部のフィールドに前記個別の光ビームを投射するように位置合わせされた、光エミッタの二次元アレイと、を含む、光放出システムと、
前記照明源から放出され前記フィールド内の表面から反射された光子を検出するように構成された光検出システムであって、バルク受信器光学系と、第１の光エミッタの視野が前記光センサの第１のサブセット内の各光センサの各視野の少なくとも一部分と重複するように、前記光エミッタのアレイの第１の光エミッタに対応するように位置付けられた光センサの第１のサブセットを含む光センサの二次元アレイで形成された光センサ層であって、前記光センサの第１のサブセット内の各光センサが、前記第１の光エミッタから放出された光の少なくとも一部分を受信するように構成される、光センサ層と、を含む、光検出システムと、
前記光エミッタのアレイに結合され、複数の捕捉期間を実行するように構成されたエミッタアレイ発射回路であって、各捕捉期間で、当該エミッタアレイ発射回路が、前記照明パターンが生成されるまで、発射シーケンスに従って前記光エミッタのアレイ内のエミッタの複数のサブセットを連続的に発射する、エミッタアレイ発射回路と、
前記光センサのアレイに結合され、前記アレイ内の個々の光センサの読み出しを、前記光エミッタのアレイ内の対応するエミッタの発射と同時に同期するように構成された、センサアレイ読み出し回路と、
を備えたことを特徴とする光学システム。
【請求項６８】
発射されるエミッタの各サブセットが、発射されない少なくとも１つのエミッタによって離間された少なくとも２つのエミッタを含む
ことを特徴とする請求項６７に記載の光学システム。
【請求項６９】
前記発射される少なくとも２つのエミッタ及び前記発射されない少なくとも１つのエミッタが、前記光エミッタの二次元アレイ内の同じ行に位置付けられる
ことを特徴とする請求項６８に記載の光学システム。
【請求項７０】
発射されるエミッタの各サブセットが、発射されないエミッタの少なくとも１つの列によってそれぞれ離間された少なくとも２つのエミッタの列を含む
ことを特徴とする請求項６７に記載の光学システム。
【請求項７１】
前記光センサのアレイは、第２の光エミッタの視野が前記光センサの第２のサブセット内の各光センサの各視野の少なくとも一部分と重複するように、前記光エミッタのアレイの第２の光エミッタに対応するように位置付けられた光センサの第２のサブセットを更に含み、
前記光センサの第２のサブセット内の各光センサが、前記第２の光エミッタから放出された光の少なくとも一部分を受信するように構成される
ことを特徴とする請求項６７に記載の光学システム。
【請求項７２】
前記光センサの第１のサブセット及び前記光センサの第２のセットのうちの少なくとも１つの光センサが、前記第１の光エミッタ及び前記第２の光エミッタの両方からの光の少なくとも一部分を受信するように構成される
ことを特徴とする請求項７１に記載の光学システム。
【請求項７３】
前記光センサのアレイを互いに光学的に分離された複数の行に分割する複数の行分割器
を更に備えたことを特徴とする請求項６７に記載の光学システム。
【請求項７４】
前記複数の行の各行が、互いに直接隣接して位置付けられた光センサの少なくとも２行を含む
ことを特徴とする請求項７３に記載の光学システム。
【請求項７５】
距離測定を実行するための光学システムであって、
個別の光ビームをフィールドに放出するように構成された光放出システムであって、バルク送信器光学系と、照明パターン内の各個別のビームがフィールド内の非重複視野を表すような照明パターンに従って前記バルク送信器光学系を通して当該光学システムの外部のフィールドに前記個別の光ビームを投射するように位置合わせされた、光エミッタの二次元アレイと、を含む、光放出システムと、
前記照明源から放出され前記フィールド内の表面から反射された光子を検出するように構成された光検出システムであって、バルク受信器光学系と、第１の光エミッタの視野が前記光センサの第１のサブセット内の各光センサの各視野の少なくとも一部分と重複するように、前記光エミッタのアレイの第１の光エミッタに対応するように位置付けられた光センサの第１のサブセットを含む光センサの二次元アレイで形成された光センサ層であって、前記光センサの第１のサブセット内の各光センサが、前記第１の光エミッタから放出された光の少なくとも一部分を受信するように構成される、光センサ層と、を含む、光検出システムと、
前記光エミッタのアレイに結合され、複数の捕捉期間を実行するように構成されたエミッタアレイ発射回路であって、各捕捉期間で、当該エミッタアレイ発射回路が、前記照明パターンが生成されるまで、発射シーケンスに従って前記光エミッタのアレイ内のエミッタの複数のサブセットを連続的に発射する、エミッタアレイ発射回路と、
前記光センサのアレイに結合され、前記アレイ内の個々の光センサの読み出しを、前記光エミッタのアレイ内の対応するエミッタの発射と同時に同期するように構成された、センサアレイ読み出し回路と、
を備えたことを特徴とする光学システム。
【請求項７６】
前記光センサのアレイは、第２の光エミッタの視野が前記光センサの第２のサブセット内の各光センサの各視野の少なくとも一部分と重複するように、前記光エミッタのアレイの第２の光エミッタに対応するように位置付けられた光センサの第２のサブセットを更に含み、
前記光センサの第２のサブセット内の各光センサが、前記第２の光エミッタから放出された光の少なくとも一部分を受信するように構成される
ことを特徴とする請求項７５に記載の光学システム。
【請求項７７】
前記光センサの第１のサブセット及び前記光センサの第２のセットのうちの少なくとも１つの光センサが、前記第１の光エミッタ及び前記第２の光エミッタの両方からの光の少なくとも一部分を受信するように構成される
ことを特徴とする請求項７６に記載の光学システム。
【請求項７８】
前記光センサのアレイを互いに光学的に分離された複数の行に分割する複数の行分割器
を更に備えたことを特徴とする請求項７５に記載の光学システム。
【請求項７９】
前記複数の行の各行が、互いに直接隣接して位置付けられた光センサの少なくとも２行を含む
ことを特徴とする請求項７８に記載の光学システム。
【請求項８０】
発射されるエミッタの各サブセットが、発射されないエミッタの少なくとも１つの列によってそれぞれ離間された少なくとも２つのエミッタの列を含む
ことを特徴とする請求項７５に記載の光学システム。
【請求項８１】
光測距デバイスであって、
照明パターン内の各個別のビームがフィールド内の非重複視野を表すような照明パターンに従って、当該光学システムの外部のフィールドに個別の光ビームを投射するように位置合わせされた光エミッタの二次元アレイを含む半導体エミッタアレイであって、前記光エミッタの二次元アレイが、並列に位置合わせされた複数のエミッタバンクを含み、各エミッタバンクが、前記光エミッタの二次元アレイ内のエミッタのサブセットを含み、エミッタの当該サブセットから光を放出するように独立して動作可能である、半導体エミッタアレイと、
前記複数のエミッタバンクに結合されたエミッタアレイ駆動回路であって、当該エミッタアレイ駆動回路が、起動されるバンク内のエミッタのサブセットが発射される発射シーケンスに従って、前記複数のエミッタバンク内の１つのエミッタバンクを一度に起動するように構成される、エミッタアレイ駆動回路と、
を備えたことを特徴とする光測距デバイス。
【請求項８２】
前記半導体エミッタアレイが、複数の半導体ダイから形成され、
前記エミッタアレイ駆動回路が、複数のドライバを含み、
前記複数のドライバの各々が、前記半導体ダイの表面に直接取り付けられる
ことを特徴とする請求項８１に記載の光測距デバイス。
【請求項８３】
前記半導体エミッタアレイが、単一の半導体ダイから形成され、
前記エミッタアレイ駆動回路が、前記半導体ダイに直接取り付けられる
ことを特徴とする請求項８１に記載の光測距デバイス。
【請求項８４】
前記半導体エミッタアレイが、単一の半導体ダイから形成され、
前記エミッタアレイ駆動回路が、前記光エミッタの二次元アレイが位置付けられる表面とは反対側の前記半導体ダイの底面に取り付けられた別個のＡＳＩＣ上に形成される
ことを特徴とする請求項８１に記載の光測距デバイス。
【請求項８５】
前記半導体エミッタアレイが、隣接するエミッタバンク間の複数の分離領域を含む単一の半導体ダイで形成され、
各分離領域は、前記半導体ダイが単一構造のままである間、前記隣接するエミッタバンクが互いに電気的に分離されるように、前記半導体ダイの厚さを部分的に通って延在する
ことを特徴とする請求項８１に記載の光測距デバイス。
【請求項８６】
前記個別の光ビームを受信し、当該受信した個別の光ビームを非重複構成で前記フィールドに投射するように位置付けられたバルク送信器光学系
を更に備えたことを特徴とする請求項８１に記載の光測距デバイス。
【請求項８７】
前記バルク送信器光学系と前記半導体エミッタアレイとの間に位置付けられたマイクロ光学チャネルアレイ
を更に備え、
各マイクロ光学チャネルが、それぞれのエミッタに対応するように位置付けられている
ことを特徴とする請求項８６に記載の光測距デバイス。
【請求項８８】
前記マイクロ光学チャネルアレイが、基板と、前記基板上に位置付けられた光学面と、を含み、
前記光学面が、開口層を通して前記個別の光ビームを集束させて前記個別の光ビームの輝度を高めるように構成される
ことを特徴とする請求項８７に記載の光測距デバイス。
【請求項８９】
光センサのアレイを含むセンサ層を含む光感知モジュールであって、前記光エミッタの二次元アレイ内の各光エミッタが、当該光感知モジュール内の対応する１つの光センサと対になっている、光感知モジュールと、
センサアレイ読み出し回路であって、前記光センサのアレイに結合され、対応するエミッタバンクの発射と同時に前記アレイ内の個々の光センサの読み出しを同期するように構成されており、そのため、個々の光エミッタのアレイ内の各光エミッタが起動され得て、前記光センサのアレイ内の各光センサが１回の放出サイクルで読み取られ得る、センサアレイ読み出し回路と、
を更に備えたことを特徴とする請求項８１に記載の光測距デバイス。
【請求項９０】
前記複数のバンク内の各バンクが、ｘ列を含み、前記エミッタアレイ駆動回路が、単一の放出サイクル中に、前記複数のバンク内の各バンクをｘ回起動させるように構成され、
前記単一の放出サイクルで特定のバンクが起動されるたびに、前記センサアレイ読み出し回路が、前記エミッタアレイ駆動回路と同期されて、起動されるバンクに対応する前記センサアレイ内の異なる列を読み出す
ことを特徴とする請求項８９に記載の光測距デバイス。
【請求項９１】
光測距デバイスであって、
相互接続構造と、
前記相互接続構造に結合された半導体エミッタアレイであって、バルク送信器光学系と、照明パターン内の各個別のビームがフィールド内の非重複視野を表すような照明パターンに従って、前記バルク送信器光学系を通して当該光学システムの外部のフィールドに個別の光ビームを投射するように位置合わせされた光エミッタの二次元アレイと、を含み、前記光エミッタの二次元アレイが、並列に位置合わせされた複数のエミッタバンクを含み、各エミッタバンクが、光を放出するように独立して動作可能である、半導体エミッタアレイと、
前記半導体エミッタアレイの表面に直接取り付けられ、前記光エミッタのアレイに電気的に結合された複数のドライバであって、各ドライバが、発射シーケンスに従ってそれぞれのエミッタバンクの起動を制御するように構成される、複数のドライバと、
その上に前記半導体エミッタアレイが結合される表面とは反対の前記相互接続構造の表面に結合されたヒートシンクであって、複数のフィンを含み、前記半導体エミッタアレイによって生成される熱を放散するように構成される、ヒートシンクと、
前記相互接続構造と前記ヒートシンクとの間に位置付けられた熱電冷却器であって、前記相互接続構造から前記ヒートシンクに熱を伝達するように構成される、熱電冷却器と、を備えたことを特徴とする光測距デバイス。
【請求項９２】
前記相互接続構造が、熱伝導性材料で形成され、熱を前記半導体エミッタアレイから前記熱電冷却器に伝達するように構成された、複数のビアを含む
ことを特徴とする請求項９１に記載の光測距デバイス。
【請求項９３】
前記複数のドライバが、前記光エミッタの二次元アレイが位置付けられるエリアの横の領域において、前記半導体エミッタアレイの上面に直接取り付けられる
ことを特徴とする請求項９１に記載の光測距デバイス。
【請求項９４】
前記複数のドライバは、当該複数のドライバが前記相互接続構造と前記半導体エミッタアレイとの間に位置付けられるように、前記半導体エミッタアレイの底面に直接取り付けられる
ことを特徴とする請求項９１に記載の光測距デバイス。
【請求項９５】
前記半導体エミッタアレイが、隣接するエミッタバンク間の複数の分離領域を含む単一の半導体ダイで形成され、
各分離領域は、前記半導体ダイが単一構造のままである間、前記隣接するエミッタバンクが互いに電気的に分離されるように、前記半導体ダイの厚さを部分的に通って延在する
ことを特徴とする請求項９１に記載の光測距デバイス。
【請求項９６】
光測距デバイスであって、
相互接続構造と、
前記相互接続構造に結合されたエミッタアレイであって、バルク送信器光学系と、照明パターン内の各個別のビームがフィールド内の非重複視野を表すような照明パターンに従って、前記バルク送信器光学系を通して当該光学システムの外部のフィールドに個別の光ビームを投射するように位置合わせされた光エミッタの二次元アレイと、を含み、前記光エミッタの二次元アレイが、並列に位置合わせされた複数のエミッタバンクを含み、各エミッタバンクが、その上に前記光エミッタのアレイのそれぞれの光エミッタのサブセットが構築される半導体ダイである、エミッタアレイと、
コンデンサバンクであって、前記相互接続構造に取り付けられ、前記コンデンサバンクと前記光エミッタのアレイとの間に位置付けられた第１のコンタクトアレイを介して前記光エミッタのアレイに電気的に結合され、蓄積エネルギーを充電及び放電して前記光エミッタのアレイを起動して個別の光ビームを投射するように構成された複数のコンデンサを含み、各コンデンサが、そのそれぞれのエミッタバンクに結合され、前記それぞれの光エミッタのサブセットを起動するように構成される、コンデンサバンクと、
前記相互接続構造に取り付けられ、前記光エミッタのアレイとの間に位置付けられた第２のコンタクトアレイを介して前記光エミッタのアレイに電気的に結合された複数のドライバであって、各ドライバが、前記それぞれの光エミッタのサブセットの起動を制御するように構成される、複数のドライバと、
前記相互接続構造に取り付けられ、前記複数のドライバに電気的に結合された電気コネクタであって、外部デバイスと結合され、当該外部デバイスが前記光放出システムの前記動作を制御することを許容するように構成される、電気コネクタと、
を備えたことを特徴とする光測距デバイス。
【請求項９７】
光エミッタのサブセットが、前記複数のエミッタバンクのそれぞれのエミッタバンク上に形成され、前記複数のコンデンサのそれぞれのコンデンサ及び前記複数のドライバのそれぞれの１または複数のドライバと電気的に結合され、その結果、前記光エミッタのサブセット、前記それぞれのコンデンサ、及び前記それぞれの１または複数のドライバが、光エミッタの他のサブセット及びそれらのそれぞれのコンデンサならびに１または複数のドライバから分離された回路を形成する
ことを特徴とする請求項９６に記載の光測距デバイス。
【請求項９８】
各エミッタバンクが、エアギャップで形成された分離領域によって隣接するエミッタバンクから分離された別個の半導体ダイで形成される
ことを特徴とする請求項９６に記載の光測距デバイス。
【請求項９９】
前記複数のドライバが、前記光エミッタの二次元アレイが位置付けられるエリアの横の領域において、前記半導体エミッタアレイの上面に直接取り付けられる
ことを特徴とする請求項９６に記載の光測距デバイス。
【請求項１００】
前記エミッタアレイが、前記光エミッタのアレイに結合された複数のコンタクトアレイを更に含み、
各コンタクトアレイが、前記それぞれの光エミッタのサブセットに結合され、その上に前記それぞれの光エミッタのサブセットが構築される前記半導体ダイの一部として形成される
ことを特徴とする請求項９６に記載の光測距デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
この出願は、２０１７年７月５日に出願された米国仮特許出願第６２／５２８，８７９号の優先権を主張し、その開示は参照によりその全体があらゆる目的のために本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
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、考古学、地理学、地質学、森林学、マッピング、建設、医療用画像処理、軍事用途など、３Ｄ深度画像が役立つ様々な用途に使用できる。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を使用できる。
【０００３】
一部のＬＩＤＡＲシステムには、フィールド内のシーンの画像を捕捉するために３６０°以下の回転角度で送受信要素を物理的に走査する機械的な可動部品が含まれている。車両の障害物の検出及び回避に使用可能なこのようなシステムの一例は、多くの場合、回転またはスピニングＬＩＤＡＲシステムと称される。回転ＬＩＤＡＲシステムでは、ＬＩＤＡＲセンサが、通常はハウジング内で、３６０度回転またはスピンする列に取り付けられている。ＬＩＤＡＲセンサは、ＬＩＤＡＲセンサがシーン内で連続的に回転するときに車両の周囲のシーンを照明するためのコヒーレント光エミッタ（例えば、赤外または近赤外スペクトルのパルスレーザ）を含む。コヒーレント光エミッタが回転すると、ＬＩＤＡＲシステムから放射パルスがシーン内の様々な方向に送信される。シーン内の周囲の物体に入射する放射の一部は、車両の周囲のこれらの物体から反射され、その後、これらの反射は異なる時間間隔撮像システムでＬＩＤＡＲセンサの撮像システム部分によって検出される。撮像システムは、検出された光を電気信号に変換する。
【０００４】
このようにして、距離及び形状など、ＬＩＤＡＲシステムの周囲の物体に関する情報が収集され、処理される。ＬＩＤＡＲシステムのデジタル信号処理ユニットは、電気信号を処理し、物体の情報を深度画像または３Ｄポイントクラウドで再現でき、これらの情報は、障害物の検出及び回避、ならびに車両ナビゲーションなどの目的で使用できる。更に、画像処理及び画像ステッチングモジュールは、情報を取得し、車両周辺の物体のディスプレイを組み立てることができる。
【０００５】
別の種類の機械的ＬＩＤＡＲシステムは、例えばミラー検流計を使用して、所定の走査パターンに沿ってレーザビームを走査する。そのようなシステムの中には、レーザビームの走査パターンと一致するように電子的に走査される光センサの二次元アレイを含むものがある。しかしながら、ビームをステアリングするために機械システムが用いられているとき、センサアレイをレーザビームで較正及び同期することは困難である場合がある。
【０００６】
可動機械部品を含まない固体ＬＩＤＡＲシステムも存在する。一部の固体ＬＩＤＡＲシステムは、シーンを回転する代わりに、光で捕捉し、反射光を感知する予定のシーン全体部分をフラッシュする。そのようなシステムでは、送信器は、すべての光を一度に放出してシーンを照明するエミッタのアレイを含むため、「フラッシュ」ＬＩＤＡＲシステムと呼ばれることもある。フラッシュＬＩＤＡＲシステムは、可動部品がないため、作成がそれほど複雑ではない。ただし、すべてのエミッタが一度に起動するため、動作には大量の電力が必要になり、すべてのピクセル検出器からの信号を一度に処理するには大量の処理能力が必要になる。光エミッタの数を減らすと、結果の画像の品質と解像度を犠牲にして電力を節約できる。放出される大量の光は、受信端でノイズを生成し得る望ましくない量の迷光も引き起こす可能性があり、それにより、検出信号の信号対ノイズ比が低下し、結果として画像がぼやける。
【発明の概要】
【０００７】
本開示のいくつかの実施形態は、スピニング列またはミラー検流計が存在しない静止した固体ＬＩＤＡＲシステムに関する。実施形態は、現在利用可能なスピニングＬＩＤＡＲシステムと比較して、改善された精度、信頼性、サイズ、統合及び外観で、高解像度及び低電力消費でシーンの画像を捕捉できる。
【０００８】
いくつかの実施形態によれば、固体電子走査ＬＩＤＡＲシステムは、走査焦点面送信要素及び走査焦点面受信要素を含むことができ、その動作は、送信要素のエミッタアレイの発射シーケンスが受信要素内の光センサアレイの捕捉シーケンスに対応するように同期される。送信要素と受信要素はそれぞれ、物体空間で送信器と受信器の視野をそれぞれコリメートする画像空間テレセントリックバルク光学系と結合できる。
【０００９】
動作中、エミッタアレイは、１つ以上の光エミッタをシーンに連続的に発射し、反射光は、光センサの前に位置付けられた開口層を通して対応する１つ以上の光センサのセットで受信することができる。各光エミッタは、開口層の開口部に対応することができ、各開口部は、各光エミッタが受信要素内の特定の光センサに対応するように、受信要素内の光センサに対応することができる。開口部は、隣接する光センサへの迷光の露出を緩和し、光センサの視野をフィールド内の単一ポイントに狭めることができる。発射シーケンスと捕捉シーケンスとを同期させることにより、固体走査ＬＩＤＡＲシステムは、特定の時点で、その対応する光センサのセットによって効率的に検出できるエミッタのセットから一定量の光のみを照射することで、効率的に画像を捕捉することができ、これにより、シーンの過度の照明を最小限に抑え、システムに利用可能な電力を最大限に活用する方法でエネルギーを集中させる。更に、本明細書の実施形態における電子走査ＬＩＤＡＲシステムは、マイクロ光学系を利用して、シーンの画像が捕捉される効率を更に改善することもできる。マイクロ光学系は、送信要素から放出される光の輝度と強度を改善し、電気的走査ＬＩＤＡＲシステムの受信要素のセンサピクセル間のクロストークを最小限に抑えることができる。
【００１０】
本開示のいくつかの実施形態による固体走査ＬＩＤＡＲシステムは、受信要素用の走査焦点面アレイと、送信要素に結合された微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）一次元走査ミラーとを含むことができる。いくつかの実施形態では、送信器要素は、ＭＥＭＳミラーの走査軸に対して垂直に向けられたエミッタの一次元アレイであり得、他のいくつかの実施形態では、送信器要素は、別の光学要素の回折要素を有する単一エミッタであり得、電子走査を可能にするために、ＭＥＭＳミラーまたは複数の回折光学要素の背後にある複数のエミッタに結合されたレーザラインを作成する。
【００１１】
いくつかの実施形態では、固体光学システムは、個々の光エミッタのアレイを有する送信器層を含む光送信モジュールと、光センサのアレイを有するセンサ層を含む光感知モジュールと、光エミッタのアレイに結合され、かつ一度に光エミッタのサブセットのみを起動するように構成されたエミッタアレイ発射回路と、センサアレイ読み出し回路であって、光センサのアレイに結合され、かつ対応する光エミッタの発射と同時にアレイ内の個々の光センサの読み出しを同期するように構成されており、そのため、個々の光エミッタのアレイ内の各光エミッタが起動され得、かつ、光センサのアレイ内の各光センサが１回の放出サイクルで読み取られ得る、センサアレイ読み出し回路と、を含む。光エミッタアレイ内の各光エミッタは、光感知モジュール内の対応する光センサと対にすることができる。
【００１２】
いくつかの追加の実施形態では、距離測定を実行するための固体光学システムは、バルク送信器光学系と、照明パターンに従って配置され、かつバルク送信器光学系を通して光学システムの前方のフィールドに個別の光ビームを投射するように位置合わせされた光エミッタの二次元アレイを含む照明源と、を含む光放出システムを含む。固体光学システムはまた、バルク受信器光学系と、複数の開口部を含む開口層と、照明源から放出され、バルク受信器光学系を通過した後、フィールド内の表面から反射された光子を検出するように構成された光センサの二次元アレイを含む光センサ層と、を含む光検出システムを含む。開口層及び光センサ層は、照明パターンに対応する感知パターンに配置された複数の感知チャネルを形成するように配置され得、複数の感知チャネル内の各感知チャネルは、エミッタのアレイ内のエミッタに対応し、開口層からの開口部及び光センサ層からの光センサを含む。固体光学システムはまた、光エミッタの二次元アレイに結合され、かつ一度に光エミッタのサブセットのみを起動させるように構成されたエミッタアレイ発射回路と、センサアレイ読み出し回路であって、光センサの二次元アレイに結合され、かつ対応する光エミッタの発射と同時にアレイ内の個々の光センサの読み出しを同期するように構成されており、そのため、個々の光エミッタのアレイ内の各光エミッタが起動され得、かつ、光センサのアレイ内の各光センサが１回の放出サイクルで読み取られ得る、センサアレイ読み出し回路と、を含む。
【００１３】
特定の実施形態では、距離測定を実行するための固体光学システムは、バルク送信器光学系と、照明パターン内の各個別のビームがフィールド内の非重複視野を表す照明パターンに従って、バルク送信器光学系を通して光学システムの外部のフィールドに個別の光ビームを投射するように位置合わせされた光エミッタの二次元アレイを含む照明源と、を含む光放出システムを含む。固体光学システムはまた、照明源から放出され、フィールド内の表面から反射された光子を検出するように構成された光検出システムであって、光検出システムが、バルク受信器光学系と、複数の開口部を含む開口層と、光センサの二次元アレイを含む光センサ層と、を含み、開口層及び光センサ層が、システムからの距離の範囲にわたってサイズ及び幾何学的形状が光エミッタのアレイの照明パターンと実質的に一致するフィールド内の感知パターンを有する複数の感知チャネルを形成するように配置され、複数の感知チャネル内の各感知チャネルが、エミッタのアレイ内のエミッタに対応し、開口層からの開口部及び光センサ層からの光センサを含む、光検出システムを含む。固体光学システムはまた、エミッタアレイ発射回路であって、光エミッタのアレイに結合され、複数の画像捕捉期間を実行するように構成され、各画像捕捉期間で、エミッタアレイ発射回路が、照明パターンが生成されるまで、発射シーケンスに従って光エミッタのアレイ内のエミッタのサブセットを連続的に発射する、エミッタアレイ発射回路と、光センサのアレイに結合され、アレイ内の個々の光センサの読み出しを、光エミッタのアレイ内の対応するエミッタの発射と同時に同期するように構成されたセンサアレイ読み出し回路と、を含む。
【００１４】
いくつかの実施形態では、距離測定を実行するための固体光学システムは、第１の照明パターンに従って、光学システムの外部のフィールドに個別の光ビームを投射するように位置合わせされた第１の光エミッタの二次元アレイを含む第１の照明源と、第１の照明パターンと同じサイズ及び幾何学的形状を有する第２の照明パターンに従って、個別の光ビームをフィールドに投射するように位置合わせされた第２の光エミッタの二次元アレイを含む第２の照明源と、第１及び第２の照明源から放出され、フィールド内の表面から反射された光子を検出するように構成された光センサのアレイを含む光検出モジュールであって、光センサのアレイ内の各光センサが、第１の光エミッタのアレイからの１つのエミッタ及び第２の光エミッタのアレイからの１つのエミッタの視野と重複する視野を有する、光検出モジュールと、を含む。第１及び第２の光エミッタのアレイならびに光センサのアレイは、１つ以上の光エミッタが起動されるとき、光センサのうちの対応する１つ以上のものが読み取られるように同期して動作することができる。
【００１５】
いくつかの追加の実施形態では、距離測定を実行するための固体光学システムは、第１のバルク送信器光学系及び第１の照明パターンに従って第１のバルク送信器光学系を通して光学システムの外部のフィールドに個別の光ビームを投射するように位置合わせされた第１の光エミッタの二次元アレイを含む第１の照明源を含む第１の光放出モジュールと、第２のバルク送信器光学系及び第１の照明パターンと同じサイズ及び幾何学的形状を有する第２の照明パターンに従って第２のバルク送信器光学系を通して個別の光ビームをフィールドに投射するように位置合わせされた第２の光エミッタの二次元アレイを含む第２の照明源を含む第２の光放出モジュールと、バルク受信器光学系と、複数の開口部を含む開口層と、第１及び第２の照明源から放出され、バルク受信器光学系を通してフィールド内の表面から反射された光子を検出するように構成された光センサのアレイを含む光センサ層と、を含む光検出モジュールであって、開口層及び光センサ層が、感知チャネルの二次元アレイを形成するように配置され、各感知チャネルが、開口層からの開口部及び光センサ層からの光センサを含み、第１のエミッタアレイからの１つのエミッタ及び第２のエミッタアレイからの１つのエミッタの視野と重複する視野を有する、光検出モジュールと、を含む。第１及び第２の光エミッタのアレイならびに光センサのアレイは、１つ以上の光エミッタが起動されるとき、光センサのうちの対応するものが読み取られるように同期して動作することができる。
【００１６】
特定の実施形態では、距離測定を実行するための固体光学システムは、バルク受信器光学系と、複数の開口部を含む開口層と、光センサの二次元アレイを含む光センサ層と、を含む光検出システムであって、開口層及び光センサ層が、感知パターンを有する複数の感知チャネルを形成するように配置され、複数の感知チャネル内の各感知チャネルが、光検出システムの前方のフィールド内の閾値距離を超える個別の非重複視野を画定し、開口層からの開口部及び光センサ層からの光センサを含む、光検出システムを含む。固体光学システムは、第１のバルク送信器光学系と、第１の照明パターンに従って第１のバルク送信器光学系を通して個別の光ビームをフィールドに投射するように位置合わせされた第１の光エミッタの二次元アレイと、第２のバルク送信器光学系と、第１の照明パターンと同じサイズ及び幾何学的形状を有する第２の照明パターンに従って第２のバルク送信器光学系を通して個別の光ビームをフィールドに投射するように位置合わせされた第２の光エミッタの二次元アレイと、を含む光放出システムであって、第１及び第２の照明パターンは、第１の照明パターンからの１つの個別のビーム及び第２の照明パターンからの１つの個別のビームが、複数の感知チャネル内の各感知チャネルの視野内に入るように位置合わせされる光放出システムを含む。固体光学システムはまた、エミッタアレイ走査回路であって、光エミッタの第１及び第２のアレイに結合され、複数の画像捕捉期間を実行するように構成され、各画像捕捉期間で、エミッタアレイ走査回路が、第１及び第２の照明パターンが生成されるまで、第１のエミッタアレイからエミッタのサブセットを連続的に発射し、その後に第２のエミッタアレイからのエミッタのサブセットが続くエミッタアレイ走査回路と、光センサのアレイに結合され、アレイ内の個々の光センサの読み出しを、第１及び第２の光エミッタのアレイ内の対応するエミッタの発射と同時に同期するように構成されたセンサアレイ走査回路と、を含む。
【００１７】
いくつかの実施形態では、距離測定を実行するための光学システムは、個別の光ビームを光学システムの外部のフィールドに投射するように位置合わせされた光エミッタの列を含む照明源と、光エミッタの列に対して垂直に向けられた走査軸に沿って傾斜し、列からの放射をフィールドに反射して、光エミッタの列からの個別のビームが複数回繰り返され、パターン内に複数の非重複列が形成される二次元照明パターンを生成するように構成されたＭＥＭＳデバイスと、照明源から放出され、フィールド内の表面から反射された光子を検出するように構成された光検出システムであって、光検出システムが、システムからの距離の範囲にわたってサイズ及び幾何学的形状がＭＥＭＳデバイスによって作成された二次元照明パターンと実質的に一致するフィールド内の感知パターンを有する光センサの二次元アレイを含む光センサ層を含む、光検出システムと、を含む。光学システムはまた、回路であって、ＭＥＭＳデバイス及び光エミッタの列に結合され、複数の画像捕捉期間を実行するように構成され、各画像捕捉期間で、光エミッタの列が、照明パターンが生成されるまで、ＭＥＭＳデバイスがその軸に沿って傾けられている間、連続的に発射される、回路と、光センサのアレイに結合され、アレイ内の個々の光センサの読み出しを、光エミッタの列内の対応するエミッタの発射と同時に同期するように構成されたセンサアレイ走査回路と、を含む。
【００１８】
いくつかの追加の実施形態では、距離測定を実行するための光学システムは、バルク送信器光学系と、バルク送信器光学系を通して光学システムの外部のフィールドに個別の光ビームを投射するように位置合わせされた光エミッタの列を含む照明源と、を含む、光放出システムと、バルク送信器光学系と照明源との間に配設されたＭＥＭＳデバイスであって、ＭＥＭＳデバイスが、光エミッタの列に対して垂直に向けられた走査軸に沿って傾斜し、列からの放射を光学システムの外部のフィールドに反射して、光エミッタの列からの個別のビームが複数回繰り返され、パターン内に複数の非重複列が形成される二次元照明パターンを生成するように構成された、ＭＥＭＳデバイスと、照明源から放出され、フィールド内の表面から反射された光子を検出するように構成された光検出システムであって、光検出システムが、バルク受信器光学系と、複数の開口部を含む開口層と、光センサの二次元アレイを含む光センサ層と、含み、開口層及び光センサ層が、システムからの距離の範囲にわたってサイズ及び幾何学的形状がＭＥＭＳデバイスによって作成された二次元照明パターンと実質的に一致するフィールド内の感知パターンを有する複数の感知チャネルを形成するように配置され、複数の感知チャネル内の各感知チャネルが、エミッタのアレイ内のエミッタに対応し、開口層からの開口部及び光センサ層からの光センサを含む、光検出システムと、を含む。光学システムはまた、回路であって、ＭＥＭＳデバイス及び光エミッタの列に結合され、複数の画像捕捉期間を実行するように構成され、各画像捕捉期間で、光エミッタの列が、照明パターンが生成されるまで、ＭＥＭＳデバイスがその軸に沿って傾けられている間、連続的に発射される、回路と、光センサのアレイに結合され、アレイ内の個々の光センサの読み出しを、光エミッタのアレイ内の対応するエミッタの発射と同時に同期するように構成されたセンサアレイ走査回路と、を含む。
【００１９】
特定の実施形態では、距離測定を実行するための光学システムは、バルク送信器光学系と、バルク送信器光学系を通して光学システムの外部のフィールドに個別の光ビームを投射するように位置合わせされた単一の光エミッタを含む照明源と、を含む、光放出システムと、バルク送信器光学系と照明源との間に配設され、単一の光エミッタからのスポットパターンを生成するように構成された光学要素と、光学要素と照明源との間に配設されたＭＥＭＳデバイスであって、ＭＥＭＳデバイスが、走査軸に沿って傾斜し、単一の光エミッタからの放射を光学システムの外部のフィールドに反射して、光のスポットパターンが複数回繰り返され、パターン内に複数の非重複列が形成される二次元照明パターンを生成するように構成された、ＭＥＭＳデバイスと、照明源から放出され、フィールド内の表面から反射された光子を検出するように構成された光検出システムであって、光検出システムが、バルク受信器光学系と、複数の開口部を含む開口層と、光センサの二次元アレイを含む光センサ層と、を含み、開口層及び光センサ層が、システムからの距離の範囲にわたってサイズ及び幾何学的形状がＭＥＭＳデバイスによって作成された二次元照明パターンと実質的に一致するフィールド内の感知パターンを有する複数の感知チャネルを形成するように配置され、複数の感知チャネル内の各感知チャネルが、二次元照明パターン内のスポットに対応し、開口層からの開口部及び光センサ層からの光センサを含む、光検出システムと、を含む。光学システムはまた、回路であって、ＭＥＭＳデバイス及び単一の光エミッタに結合され、複数の画像捕捉期間を実行するように構成され、各画像捕捉期間で、単一の光エミッタが、照明パターンが生成されるまで、ＭＥＭＳデバイスがその軸に沿って傾けられている間、連続的に発射される、回路と、光センサのアレイに結合され、アレイ内の個々の光センサの読み出しを、単一の光エミッタの発射と同時に同期するように構成されたセンサアレイ走査回路と、を含む。
【００２０】
いくつかの実施形態では、距離測定を実行するための光学システムは、照明パターン内の各個別のビームがフィールド内の非重複視野を表す照明パターンに従って、光学システムの外部のフィールドに個別の光ビームを投射するように位置合わせされた光エミッタの二次元アレイと、光センサの二次元アレイで形成された光センサ層を含む光検出システムであって、光センサの二次元アレイは、第１の光エミッタの視野が光センサの第１のサブセット内の各光センサの各視野の少なくとも一部分と重複するように、光エミッタのアレイの第１の光エミッタに対応するように位置付けられた光センサの第１のサブセットを含み、光センサの第１のサブセット内の各光センサが、第１の光エミッタから放出された光の少なくとも一部分を受信するように構成される、光検出システムと、を含む。
【００２１】
いくつかの追加の実施形態では、距離測定を実行するための光学システムは、個別の光ビームをフィールドに放出するように構成された光放出システムであって、光放出システムが、バルク送信器光学系と、照明パターン内の各個別のビームがフィールド内の非重複視野を表す照明パターンに従って、バルク送信器光学系を通して光学システムの外部のフィールドに個別の光ビームを投射するように位置合わせされた光エミッタの二次元アレイを含む照明源と、を含む、光放出システムと、光センサの二次元アレイで形成された光センサ層を含む光検出システムであって、光検出システムが、バルク受信器光学系と、第１の光エミッタの視野が光センサの第１のサブセット内の各光センサの各視野の少なくとも一部分と重複するように、光エミッタのアレイの第１の光エミッタに対応するように位置付けられた光センサの第１のサブセットを含む光センサの二次元アレイで形成された光センサ層と、を含み、光センサの第１のサブセット内の各光センサが、第１の光エミッタから放出された光の少なくとも一部分を受信するように構成される、光検出システムと、を含む。光学システムはまた、光エミッタのアレイに結合され、複数の捕捉期間を実行するように構成され、各捕捉期間で、エミッタアレイ発射回路が、照明パターンが生成されるまで、発射シーケンスに従って光エミッタのアレイ内のエミッタのサブセットを連続的に発射する、エミッタアレイ発射回路と、光センサのアレイに結合され、アレイ内の個々の光センサの読み出しを、光エミッタのアレイ内の対応するエミッタの発射と同時に同期するように構成されたセンサアレイ読み出し回路と、を含む。
【００２２】
特定の実施形態では、距離測定を実行するための光学システムは、個別の光ビームをフィールドに放出するように構成された光放出システムであって、光放出システムが、バルク送信器光学系と、照明パターン内の各個別のビームがフィールド内の非重複視野を表す照明パターンに従って、バルク送信器光学系を通して光学システムの外部のフィールドに個別の光ビームを投射するように位置合わせされた光エミッタの二次元アレイを含む照明源と、を含む、光放出システムと、光センサの二次元アレイで形成された光センサ層を含む光検出システムであって、光検出システムが、バルク受信器光学系と、第１の光エミッタの視野が光センサの第１のサブセット内の各光センサの各視野の少なくとも一部分と重複するように、光エミッタのアレイの第１の光エミッタに対応するように位置付けられた光センサの第１のサブセットを含む光センサの二次元アレイで形成された光センサ層と、を含み、光センサの第１のサブセット内の各光センサが、第１の光エミッタから放出された光の少なくとも一部分を受信するように構成される、光検出システムと、を含む。光学システムはまた、光エミッタのアレイに結合され、複数の捕捉期間を実行するように構成され、各捕捉期間で、エミッタアレイ発射回路が、照明パターンが生成されるまで、発射シーケンスに従って光エミッタのアレイ内のエミッタのサブセットを連続的に発射する、エミッタアレイ発射回路と、光センサのアレイに結合され、アレイ内の個々の光センサの読み出しを、光エミッタのアレイ内の対応するエミッタの発射と同時に同期するように構成されたセンサアレイ読み出し回路と、を含む。
【００２３】
いくつかの実施形態では、光測距デバイスは、照明パターン内の各個別のビームがフィールド内の非重複視野を表す照明パターンに従って、光学システムの外部のフィールドに個別の光ビームを投射するように位置合わせされた光エミッタの二次元アレイを含む半導体エミッタアレイであって、光エミッタの二次元アレイが、並列に位置合わせされた複数のエミッタバンクを含み、各エミッタバンクが、光エミッタの二次元アレイ内のエミッタのサブセットを含み、そのエミッタのサブセットから光を放出するように独立して動作可能である、半導体エミッタアレイと、複数のエミッタバンクに結合されたエミッタアレイ駆動回路であって、エミッタアレイ駆動回路が、起動されたバンク内のエミッタのサブセットが発射される発射シーケンスに従って、複数のエミッタバンク内の１つのエミッタバンクを一度に起動するように構成される、エミッタアレイ駆動回路と、を含む。
【００２４】
いくつかの追加の実施形態では、光測距デバイスは、相互接続構造と、相互接続構造に結合された半導体エミッタアレイであって、半導体エミッタアレイが、バルク送信器光学系と、照明パターン内の各個別のビームがフィールド内の非重複視野を表す照明パターンに従って、バルク送信器光学系を通して光学システムの外部のフィールドに個別の光ビームを投射するように位置合わせされた光エミッタの二次元アレイと、を含み、光エミッタの二次元アレイが、並列に位置合わせされた複数のエミッタバンクを含み、各エミッタバンクが、光を放出するように独立して動作可能である、半導体エミッタアレイと、半導体エミッタアレイの表面に直接取り付けられ、光エミッタのアレイに電気的に結合された複数のドライバであって、各ドライバが、発射シーケンスに従ってそれぞれのエミッタバンクの起動を制御するように構成される、複数のドライバと、半導体エミッタアレイが結合される表面とは反対の相互接続構造の表面に結合されたヒートシンクであって、ヒートシンクが、複数のフィンを含み、半導体エミッタアレイによって生成された熱を放散するように構成される、ヒートシンクと、相互接続構造とヒートシンクとの間に位置付けられた熱電冷却器であって、熱電冷却器が、相互接続構造からヒートシンクに熱を伝達するように構成される、熱電冷却器と、を含む。
【００２５】
特定の実施形態では、光測距デバイスは、相互接続構造と、相互接続構造に結合されたエミッタアレイであって、エミッタアレイが、バルク送信器光学系と、照明パターン内の各個別のビームがフィールド内の非重複視野を表す照明パターンに従って、バルク送信器光学系を通して光学システムの外部のフィールドに個別の光ビームを投射するように位置合わせされた光エミッタの二次元アレイと、を含み、光エミッタの二次元アレイが、並列に位置合わせされた複数のエミッタバンクを含み、各エミッタバンクが、その上に光エミッタのアレイのそれぞれの光エミッタのサブセットが構築される半導体ダイである、エミッタアレイと、相互接続構造に取り付けられたコンデンサバンクであって、コンデンサバンクと光エミッタのアレイとの間に位置付けられた第１のコンタクトアレイを介して光エミッタのアレイに電気的に結合され、コンデンサバンクが、蓄積されたエネルギーを充電及び放電して光エミッタのアレイを起動して個別の光ビームを投射するように構成された複数のコンデンサを含み、各コンデンサが、そのそれぞれのエミッタバンクに結合され、それぞれの光エミッタのサブセットを起動するように構成される、コンデンサバンクと、相互接続構造に取り付けられ、複数のドライバと光エミッタのアレイとの間に位置付けられた第２のコンタクトアレイを介して光エミッタのアレイに電気的に結合される複数のドライバであって、各ドライバが、それぞれの光エミッタのサブセットの起動を制御するように構成される、複数のドライバと、相互接続構造に取り付けられ、複数のドライバに電気的に結合された電気コネクタであって、電気コネクタが、外部デバイスと結合され、外部デバイスが光放出システムの動作を制御できるように構成される、電気コネクタと、を含む。
【００２６】
本開示の実施形態の性質及び利点のより良い理解は、以下の詳細な説明及び添付の図面を参照して得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本開示のいくつかの実施形態による、例示的な固体電子走査ＬＩＤＡＲシステムのブロック図である。
【図２Ａ】本開示のいくつかの実施形態による、例示的な固体電子走査ＬＩＤＡＲシステム用のエミッタアレイ及びセンサアレイの簡略図である。
【図２Ｂ−２Ｄ】本開示のいくつかの実施形態による、エミッタアレイの例示的な発射シーケンス及びセンサアレイのセンサ読み出しシーケンスを示す簡略図である。
【図３】本開示のいくつかの実施形態による、シナリオにおける電子走査ＬＩＤＡＲシステムの光送信及び検出動作の例示的な例である。
【図４】本開示のいくつかの実施形態による、エミッタアレイ及びセンサアレイの重複視野の簡略図である。
【図５】本開示のいくつかの実施形態による、例示的な固体電子走査ＬＩＤＡＲシステムの詳細な側面図を示す簡略図である。
【図６】本開示のいくつかの実施形態による、固体電子走査ＬＩＤＡＲシステムにおけるエミッタアレイ用の例示的なエミッタ駆動システムの平面システム図である。
【図７Ａ】本開示のいくつかの実施形態による、ドライバと対にされ、個々に制御可能なバンクに配置された例示的なエミッタアレイの簡略図である。
【図７Ｂ】本開示のいくつかの実施形態による、ドライバと対にされ、個々に制御可能な列に配置された例示的なエミッタアレイの簡略図である。
【図８Ａ】本開示のいくつかの実施形態による、センサアレイで捕捉できる光を放出するための、それぞれ独自のドライバセットを備えた、非重複視野を有する複数の独立して動作可能なエミッタアレイを含む例示的なＬＩＤＡＲシステムの簡略図である。
【図８Ｂ】本開示のいくつかの実施形態による、図８Ａの光センサに重ねられたマイクロレンズアレイの簡略図である。
【図８Ｃ】本開示のいくつかの実施形態による、フィールドからの光を感知するときの図８Ａの光センサの前に位置付けられた図８Ｂのマイクロレンズアレイの簡略断面図である。
【図８Ｄ】本開示の実施形態による、各々が独自のドライバのセットを持ち、センサアレイで捕捉できる光を放出するための、重複視野を有する複数の独立して動作可能なエミッタアレイを含む例示的なＬＩＤＡＲシステムの簡略図である。
【図８Ｅ】図８Ｄに関して説明した実施形態によるエミッタアレイ及びセンサアレイの重複視野の簡略図である。
【図９Ａ】本開示のいくつかの実施形態による、一次元エミッタアレイ及びＭＥＭＳデバイスを含む例示的な光放出システムの簡略図である。
【図９Ｂ】本開示のいくつかの実施形態による、単一エミッタ及びＭＥＭＳデバイスを含む例示的な光放出システムの簡略図である。
【図１０】本開示のいくつかの実施形態による、様々な例示的な増強された光放出システムの簡略断面図である。
【図１１】本開示のいくつかの実施形態による、列ごとにｍ×ｎセンサアレイを動作させるためのセンサ制御システムの簡略図である。
【図１２】本開示のいくつかの実施形態による、行ごとにｍ×ｎセンサアレイを動作させるためのセンサ制御システムの簡略図である。
【図１３Ａ】本開示のいくつかの実施形態による、列及び行制御回路を備えた光センサごとにｍ×ｎセンサアレイを動作させるための制御システムの簡略図である。
【図１３Ｂ】本開示のいくつかの実施形態による、各光センサに固有の制御回路を備えた光センサごとにｍ×ｎセンサアレイを動作させるための制御システムの簡略図である。
【図１４】本開示のいくつかの実施形態による、エミッタアレイとセンサアレイとが１対１に対応する構成の簡略図である。
【図１５】本開示のいくつかの実施形態による、エミッタアレイとセンサアレイとが１対１対応を有するが、一次元で修正された解像度である構成の簡略図である。
【図１６】本開示のいくつかの実施形態による、センサアレイが多重化された光センサを有する構成の簡略図である。
【図１７】本開示のいくつかの実施形態による、例示的な光送信モジュールの構造の断面図である。
【図１８】本開示のいくつかの実施形態による、道路車両の外側領域に実装された固体電子走査ＬＩＤＡＲシステムの簡略図である。
【図１９】本開示のいくつかの実施形態による、道路車両の上部に実装された固体電子走査ＬＩＤＡＲシステムの簡略図である。
【図２０】本開示のいく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複数組の放出及び検出システムを含む例示的な固体電子走査ＬＩＤＡＲシステムの簡略化された平面図である。
【図２１Ａ】チャネル間にクロストークがない光検出システムの一部の簡略断面図である。
【図２１Ｂ】チャネル間にクロストークがある光検出システムの一部の簡略断面図である。
【図２２】本開示のいくつかの実施形態による、例示的なマイクロ光学受信器チャネル構造の簡略断面図である。
【図２３】本開示のいくつかの実施形態による、例示的な簡略化された受信器チャネルの簡略断面図である。
【図２４】本開示のいくつかの実施形態による、センサアレイの拡大部分の簡略図である。
【図２５】本開示のいくつかの実施形態による、基板の裏側に取り付けられた１つ以上の部品を備えたセンサアレイの拡大部分の簡略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本開示のいくつかの実施形態は、スピニング列またはミラー検流計が存在しない静止した固体ＬＩＤＡＲシステムに関する。実施形態は、ＬＩＤＡＲシステムの外部のフィールドに光を放出し、フィールド内の物体で反射した後に放出光を捕捉することができる。次に、本開示の実施形態は、捕捉された放出光を使用して、フィールドの三次元画像を作成することができる。本開示の実施形態は、現在利用可能なスピニングＬＩＤＡＲシステムと比較して、改善された精度、信頼性、サイズ、統合及び外観を有することができる。加えて、本開示の実施形態は、固体フラッシュ型ＬＩＤＡＲシステムよりも少ない電力を使用して、所与の解像度で画像を捕捉することができる。
【００２９】
本開示のいくつかの実施形態による固体アレイ電子走査ＬＩＤＡＲシステムは、光送信モジュール及び光感知モジュールを含むことができる。光送信モジュールは、個々のエミッタのアレイを含む送信器層を含むことができ、光感知モジュールは、光センサのアレイを含むセンサ層を含むことができる。エミッタアレイの各エミッタは、光センサアレイの対応するセンサ（すなわち、光センサ）と対にすることができる。いくつかの実施形態では、エミッタのセット全体でシーンをフラッシュする代わりに、エミッタのサブセットのみが一度に起動され、光センサの対応するサブセットのみがエミッタの発射と同時に読み出される。その後、異なる時間にエミッタの異なるサブセットが起動され、その対応する光センサのサブセットが同時に読み出されるため、エミッタアレイ内の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光センサが１つの放出サイクルを通して読み取られ得る。
【００３０】
例として、光送信モジュールのエミッタアレイは、各放出サイクルで一度に１列ずつ、左から右へ順番に起動することにより、光を放出できる。同様に、センサアレイは、その対応するシーケンスで放出光を感知する（すなわち、読み出す）ように構成することができる。例えば、センサアレイは、左から右に順番に１列ずつ光を測定するように構成できるため、エミッタとセンサアレイは同期して動作する。そのようにして、起動されたエミッタに対応する光センサのみが読み出され、光を感知する。
【００３１】
いくつかの実施形態では、固体ＬＩＤＡＲシステムは、センサアレイ上に形成されたマイクロ光学受信器層を含む。マイクロ光学受信器層は、センサアレイと組み合わされてマイクロ光学受信器チャネルの二次元アレイを形成する光学要素を含むことができる。各マイクロ光学受信器チャネルは、センサアレイからの光センサと、その対応するエミッタの視野に一致するように、それぞれの光センサの視野を制限するように構成されたマイクロ光学層からの開口部と、エミッタアレイの動作波長を含む波長及び通過帯域で入射光子を通過させるように構成されたマイクロ光学層からの光学フィルタと、を含むことができる。いくつかの実施形態では、マイクロ光学受信器層は、１つ以上のレンズ層、追加の開口層、及び／または他の光学構造を更に含むことができる。
【００３２】
場合によっては、マイクロ光学受信器チャネル構造は、吸収性及び／または反射性の側壁及び／または集束漏斗を有するエンクロージャを備えた円柱状の構成を有する。マイクロ光学受信器チャネルは、以下で詳しく説明するように、開口部からの入射光線の収集を最大化し、光をコリメートして光学フィルタに垂直にし、隣接する開口部からの入力の混合による隣接するマイクロ光学受信器チャネルとのクロストークを最小限に抑える。様々な例において、本開示によるバルク撮像光学系は、エミッタまたは光センサのアレイ全体の光または他の放射を修正する。マイクロ光学構造は、アレイの一部として含めることができ、アレイ内の異なるエミッタ及び／または光センサに対して光を異なる方法で修正できる。いくつかの実施形態では、個々のアレイ要素（光センサ及び／またはエミッタ）ごとに１つ以上のマイクロ光学要素が存在する。
【００３３】
いくつかの実施形態では、光送信モジュールは、エミッタのアレイから出力される光を増強するためのマイクロ光学送信器チャネルアレイを含むことができる。動作中、エミッタのアレイによって出力される光（例えば、レーザパルス）は、マイクロ光学送信器チャネルアレイを通過し、マイクロ光学送信器チャネルアレイからの光をよりよく捕捉するために大きな開口数を有するバルク送信器光学系に入る。次に、光はバルク送信器光学系を出て、遠距離フィールドの複数のスポットを照明する。本明細書で更に詳細に説明するように、マイクロ光学送信器チャネルアレイは、バルク送信器光学系から発せられるビームの輝度を増強させ、スポット照明を増強すると同時に、測定画像の空間分解能を増強させることができる。
【００３４】
本明細書で定義されるバルク撮像光学系は、複数のレンズ要素を含み得る、１つ以上の光学面とすることができ、１ミリメートルを超える明確な開口部を有し、投射された光を受信するように位置付けられ、または、受信光をマイクロ光学送信器／受信器層に焦点を合わせる。マイクロ光学送信器層などの光学エミッタから受信した光を投射するバルク撮像光学系は、本明細書ではバルク送信器光学系または出力バルク撮像光学系と呼ばれることがある。マイクロ光学受信器層など、フィールドから受信した光を光学検出器に集束させるバルク光学層は、本明細書ではバルク受信器光学系または入力バルク撮像光学系と呼ばれることがある。入力画像空間テレセントリックバルク撮像光学系により、システムは広視野（ＦＯＶ）にわたって狭帯域光を均一に測定できる。
【００３５】
本開示のいくつかの実施形態によれば、光感知モジュールは、広い視野からの限られた波長範囲内の光を収集する。例えば、感知モジュールは、画像を捕捉し、少なくとも１０度のＦＯＶ全体の光を検出できる。特定の実施形態では、感知モジュールは、画像を捕捉し、少なくとも２０度のＦＯＶ、少なくとも３０度のＦＯＶ、及びいくつかの実施形態では少なくとも４５度または少なくとも９０度のＦＯＶにわたって光を検出することができる。更に、感知モジュールは、約１０ｎｍ以下の狭い波長の光を検出できる。これは、可視スペクトル全体、または各々が１００ｎｍ以上の３つの異なるＲＧＢカラーバンドに光を検出する従来のカメラとは対照的である。いくつかの特定の実施形態では、光感知モジュールは、約５ｎｍ以下の波長の光を検出することができる。いくつかの実施形態では、感知モジュールは、約３２度のＦＯＶにわたって５ｎｍ未満の波長の検出光を検出することができる。ＦＯＶは、垂直方向または水平方向、及び／またはその間の他の角度にすることができる。
【００３６】
本開示の実施形態による電子走査ＬＩＤＡＲシステムは、本明細書で更に詳細に説明するように、様々な方法で構成及び操作できることを理解されたい。
【００３７】
Ｉ．電子走査ＬＩＤＡＲシステム
本開示のいくつかの実施形態による固体電子走査ＬＩＤＡＲシステムのより良い理解は、図１を参照して確認することができる。
【００３８】
図１は、本開示のいくつかの実施形態による、例示的な固体電子走査ＬＩＤＡＲシステム１００のブロック図を示す。固体電子走査ＬＩＤＡＲシステム１００は、光測距デバイス１０２及びユーザインターフェース１５０を含むことができる。光測距デバイス１０２は、測距システムコントローラ１０４、光送信（Ｔｘ）モジュール１０６、及び光感知（Ｒｘ）モジュール１０８を含む。１つ以上の光パルス１１０を光送信モジュール１０６から光測距デバイス１０２を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デバイス１０２によって生成され得る。次いで、透過光の反射部分１１２が、いくらかの遅延時間の後、光感知モジュール１０８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。
【００３９】
光送信モジュール１０６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１１４と、エミッタアレイ１１４と一緒になって光放出システム１３８を形成できるＴｘ光学システム１１６とを含む。Ｔｘ光学システム１１６は、画像空間テレセントリックであるバルク送信器光学系１４４を含むことができる。いくつかの実施形態では、Ｔｘ光学システム１１６は、エミッタアレイ１１４と組み合わせてマイクロ光学送信器チャネルのアレイを形成することができる、開口層、コリメートレンズ層、及び光学フィルタなどの１つ以上のＴｘ光学部品１４６を更に含むことができ、本明細書で更に説明するように、各マイクロ光学送信器チャネルは、バルク送信器光学系から発せられるビームの輝度を増加させ、及び／またはビーム成形、ビームステアリングなどのために増加させることができる。エミッタアレイ１１４または個々のエミッタは、垂直キャビティ面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）、レーザダイオードなどのレーザ源であり得る。Ｔｘモジュール１０６は、オプションのプロセッサ１１８及びメモリ１２０を更に含むことができるが、いく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システムコントローラ１０４に組み込むことができる。いく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１２０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。
【００４０】
光感知モジュール１０８は、例えば、光センサの二次元アレイであり得るセンサアレイ１２６を含むことができる。各光センサ（本明細書では単に「センサ」または「ピクセル」とも呼ばれる）は、例えばＳＰＡＤなどの光検出器の集合体を含み得るか、またはセンサが単一の光子検出器（例えば、ＡＰＤ）であってもよい。光感知モジュール１０８は、受信器光感知システム１２８を含み、センサアレイ１２６と一緒にされると、光検出システム１３６を形成することができる。いくつかの実施形態では、受信器光感知システム１２８は、受信器バルク受信器光学系１４０と、開口層、レンズ層、光学フィルタなどの受信器光学部品１４２を含むことができ、センサアレイ１２６と組み合わせてマイクロ光学受信器チャネルのアレイを形成することができ、各マイクロ光学受信器チャネルは、光測距デバイス１０２が位置付けられている周囲の視野の異なる視野内の画像ピクセルに対応する光を測定する。本開示による光測距デバイス１０２に組み込むことができるマイクロ光学受信器チャネルの様々な例のさらなる詳細は、以下の図２２及び図２３に関連して以下で議論される。
【００４１】
センサアレイ１２６の各光センサ（例えば、ＳＰＡＤの集合体）は、例えば、光感知モジュール１０８及びＴｘモジュール１０６の幾何学的構成の結果として、エミッタアレイ１１４の特定のエミッタに対応し得る。本明細書で述べたように、光測距デバイス１０２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光センサの対応するサブセットのみを読み出すことにより、シーンの画像を捕捉できる電子走査ＬＩＤＡＲデバイスであり得る。異なる時間にエミッタの異なるサブセットが起動され、その対応する光センサのサブセットが同時に読み出されるため、最終的にすべてのエミッタが起動し、センサアレイ内のすべての光センサを１つの放出サイクルで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光センサを読み出すように構成できる。したがって、本開示の実施形態は、光の放出と感知を同期させるための１つ以上の部品を含むことができる。
【００４２】
いくつかの実施形態では、光検出システム１３６は、センサアレイ１２６に結合され、センサアレイ１２６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１２５を含むことができる。センサコントローラ１２５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適切なプロセッサなど、１つ以上の光センサを選択して光を感知できる任意の適切な部品または部品グループであり得る。同様に、光放出システム１３８は、エミッタアレイ１１４に結合され、センサアレイ１２６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１１５を含むことができる。エミッタコントローラ１１５はまた、センサコントローラ１２５について上述した任意の適切なプロセッサであり得、エミッタアレイ１１４を動作させるための１つ以上の駆動部品を含み得る。
【００４３】
いくつかの実施形態では、センサコントローラ１２５及びエミッタコントローラ１１５は、エミッタアレイ１１４の光放出のシーケンスがセンサアレイ１２６の光センサの読み出し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１２５及びエミッタコントローラ１１５の両方をクロック１１７に結合して、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できるようにすることができる。クロック１１７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１２５及びエミッタコントローラ１１５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１２５及びエミッタコントローラ１１５は、センサコントローラ１２５がそのクロックをエミッタコントローラ１１５と同期させることができるように、通信線１１９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１２５及びエミッタコントローラ１１５は、センサアレイ１２６及びエミッタアレイ１１４をそれぞれ同期して動作させて、画像捕捉を達成することができる。
【００４４】
いくつかのさらなる実施形態では、センサコントローラ１２５及びエミッタコントローラ１１５の代わりに、またはそれに加えて、測距システムコントローラ１０４は、光感知モジュール１０８及び光送信モジュール１０６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１１４による光放出のシーケンスは、センサアレイ１２６による感知光のシーケンスと同期する。例えば、測距システムコントローラ１０４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１０６のエミッタアレイ１１４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１０８のセンサアレイ１２６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、測距システムコントローラ１０４は、光感知モジュール１０８及び光送信モジュール１０６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。本明細書で更に議論されるように、光検出のためのシーケンスの他の形態が本明細書で想定され、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。
【００４５】
いくつかの実施形態では、光感知モジュール１０８のセンサアレイ１２６は、アレイ内の個々の光センサ（または光センサのグループ）からの測定光を処理するための光センサのアレイ、プロセッサ１２２、及び信号用メモリ１２４の両方を含む単一基板上のモノリシックデバイスの一部として（例えば、ＣＭＯＳ技術を使用して）製造される。センサアレイ１２６、プロセッサ１２２、及びメモリ１２４を含むモノリシック構造は、専用のＡＳＩＣとして製造することができる。別の実施形態では、センサアレイ１２６は、電気信号が通過する単一の光感知モジュール１０８に接合された２つ以上のモノリシック電子デバイス（「半導体ダイ」）のスタックとして製造することができる。この実施形態では、光センサの上部アレイは、光検出効率を最大化する、またはノイズを最小化するプロセスで製造でき、一方で、他のダイは、低電力、高速デジタル処理用に最適化されている。
【００４６】
いくつかの実施形態では、光学部品１４２は、センサアレイ１２６、プロセッサ１２２、及びメモリ１２４が一部であるモノリシック構造の一部とすることもできる。例えば、開口層、レンズ層、及び光学部品１４２の光学フィルタ層は、ダイシングの前後にウェハレベルでその上に製造された複数のＡＳＩＣを有する半導体基板上に積み重ねられ、エポキシで接合され得る。例えば、光学フィルタ層は、光センサ層に対して置かれ、次いで光センサ層に接合されて光学フィルタ層を光センサ層と接合し、光学層がモノリシック構造の一部を形成する薄いウェハであり得る。コリメートレンズ層は、光学フィルタ層に射出成形できる。また、開口層は、透明基板の上に不透明基板を積層することにより、または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り形成することができる。代替的に、光センサ層を製造してダイシングし、光学フィルタ層、コリメートレンズ層、及び開口層を製造してダイシングすることができる。次に、各ダイシングされた光センサ層と光学層を接合して、各モノリシック構造が光センサ層、光学フィルタ層、コリメートレンズ層、及び開口層を含むモノリシック構造を形成する。層をＡＳＩＣに接合することにより、ＡＳＩＣと接合層はモノリシック構造を形成できる。次いで、ウェハをデバイスにダイシングすることができ、各デバイスは、それぞれのバルク受信器光学系１４０と対にされて、光感知モジュール１０８を形成することができる。更に他の実施形態では、光感知モジュール１０８の１つ以上の部品が、モノリシック構造の外側にあってもよい。例えば、開口層は、ピンホールを有する別個の金属シートとして実装されてもよい。
【００４７】
上述のように、プロセッサ１２２（例えば、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、マイクロコントローラ、フィールドプログラマブルアレイ（ＦＰＧＡ）など）及びメモリ１２４（例えば、ＳＲＡＭ）は、アレイ内の個々の光子検出器（または検出器のグループ）からの生のヒストグラムの信号処理を実行できる。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、メモリ１２４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。プロセッサ１２２は、整合フィルタとピーク検出処理とを実装して、適時に戻り信号を識別することができる。更に、プロセッサ１２２は、ＳＰＡＤの飽和及び消光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、マルチプロファイル整合フィルタリングなどの特定の信号処理技術を完遂することができる。いくつかの実施形態では、そのようなフィルタリングのすべてまたは一部は、プロセッサ１２２によって実行され得る。
【００４８】
いくつかの実施形態では、プロセッサ１２２からの光子時系列は、さらなる処理のために測距システムコントローラ１０４に送られ、例えば、データは測距システムコントローラ１０４の１つ以上のエンコーダにより符号化され、その後データパケットとしてユーザインターフェース１５０に送られる。測距システムコントローラ１０４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による、メモリ１３２を有するプロセッサ１３０を使用することによる、及び上記の何らかの組み合わせを含む複数の方法で実現され得る。測距システムコントローラ１０４は、光検出の開始及び停止を含み、光検出器パラメータを調整するコマンドを送信することにより、光感知モジュール１０８を制御することができる。同様に、測距システムコントローラ１０４は、光放出開始及び停止制御、ならびに他の光エミッタパラメータ（例えば、パルスコード）を調整し得る制御を含むコマンドを送信するか、またはベースコントローラ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１０６を制御することができる。いくつかの実施形態では、測距システムコントローラ１０４は、光感知モジュール１０８及び光送信モジュール１０６とデータを交換するための１つ以上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、測距システムコントローラ１０４は、光学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１０８及び光送信モジュール１０６と通信する。
【００４９】
固体電子走査ＬＩＤＡＲシステム１００は、ユーザがコンピュータシステム、例えばディスプレイ、タッチスクリーン、キーボード、マウス、及び／またはラップトップ、タブレット、及び／またはＣＰＵ及びメモリを含むハンドヘルドデバイスコンピューターシステムとインターフェースするためのトラックパッドと対話することを可能にするための任意の適切なユーザインターフェースであり得るユーザインターフェース１５０と対話することができる。ユーザインターフェース１５０は、固体電子走査ＬＩＤＡＲシステム１００が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、固体電子走査ＬＩＤＡＲシステム１００への、または固体電子走査ＬＩＤＡＲシステム１００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（登録商標）、Ｚｉｇｂｅｅなど）、ローカルエリアネットワーク（ＷｉＦｉ、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介してルーティングすることができる。
【００５０】
ハードウェア及びソフトウェアのユーザインターフェース１５０は、デバイスからの撮像データをユーザに提示できるが、ユーザが１つ以上のコマンドで固体電子走査ＬＩＤＡＲシステム１００を制御することも可能にし得る。コマンドの例には、撮像システムを起動させるか、または不起動にするコマンド、光検出器の露出レベル、バイアス、サンプリング期間、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）を指定するコマンド、輝度などの光エミッタパラメータを指定するコマンドが含まれる。更に、結果を表示する方法をユーザが選択することを、コマンドで可能にすることができる。ユーザインターフェースは撮像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。
【００５１】
いくつかの実施形態では、例えば、ＬＩＤＡＲシステム１００が車両ナビゲーションに使用されるとき、ユーザインターフェース１５０は、出力を受信するか、車両制御ユニットの一部であり得、そうでなければ、上記の有線または無線ネットワークのいずれか１つなどのネットワークを介して光測距デバイス１０２及び／またはユーザインターフェース１５０と通信する、車両の制御に関連する１つ以上のパラメータは、受信したＬＩＤＡＲデータに基づいて車両制御ユニットによって修正できる。例えば、完全自律走行車両では、ＬＩＤＡＲシステム１００は、ＧＰＳ及び他のデータと連携して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画像を提供できる。他の場合には、ＬＩＤＡＲシステム１００は、先進運転支援システム（ＡＤＡＳ）の一部として、または、例えば、アダプティブ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の任意の数の異なるシステムに３Ｄ撮像データを提供できる安全システムの一部として使用され得る。ユーザインターフェース１５０が車両制御ユニットの一部として実装されるとき、運転者に警告を提供することができるか、または物体のトラッキングを追跡することができる。
【００５２】
上述のように、本開示のいくつかの実施形態は、電子的に走査する送信要素と電子的に走査する受信要素とを含む固体ＬＩＤＡＲシステムに関する。図２Ａは、本開示のいくつかの実施形態による、例示的な固体電子走査ＬＩＤＡＲシステム２００のエミッタアレイ２１０及びセンサアレイ２２０の簡略図である。エミッタアレイ２１０は、ｍ個の列及びｎ個の行を有するエミッタ２１２の二次元ｍ×ｎアレイとして構成され得る。いくつかの実施形態では、センサアレイ２２０は、各光センサ２２２がエミッタアレイ２１０内のそれぞれのエミッタ２１２にマッピングされるように、エミッタアレイ２１０に対応するように構成することができる。したがって、センサアレイ２２０は、光センサ２２２の対応する二次元ｍ×ｎアレイとして構成することができる。いくつかの実施形態では、エミッタアレイ２１０及びセンサアレイ２２０は、一般に、回転ＬＩＤＡＲシステムで通常使用されるエミッタまたはセンサアレイよりも多くの要素（すなわち、より多くのエミッタ及びより多くの光センサ）を含む大きなアレイである。センサアレイ２２０（及びセンサアレイ２２０に対応する視野を照明するための対応するエミッタアレイ２１０）のサイズ、すなわち全体的な物理的寸法、及びセンサアレイ２２０内の光センサのピッチは、センサアレイ２２０で捕捉することができる画像の視野と解像度を決定することができる。サイズの大きいアレイは、一般に視野が広くなり、ピッチのサイズが小さいと一般に高解像度の画像が捕捉される。いくつかの実施形態では、エミッタアレイ２１０及びセンサアレイ２２０はそれぞれ単一の半導体ダイから形成され、他の実施形態では、エミッタアレイ２１０及びセンサアレイ２２０の一方または両方は、図６に関して本明細書で説明するように、共通基板に取り付けられた複数のチップで形成することができる。
【００５３】
図２Ｂ〜２Ｄは、本開示のいくつかの実施形態による、エミッタアレイ２１０の発射シーケンス及びセンサアレイ２２０のセンサ読み出しシーケンスを示す簡略図である。図２Ｂに示すように、画像捕捉シーケンスの第１の段階は、エミッタアレイ２１０のエミッタ列２１４（１）を発射し、同時にセンサアレイ２２０のセンサ列２２４（１）を読み出すことにより開始できる。この第１の段階では、列２１４（１）の個々のエミッタから放出される光のパルスがフィールドに放出される。次に、放出光は、フィールド内の１つ以上の物体で反射され、センサアレイ２２０のセンサ列２２４（１）内の光センサのそれぞれのサブセットによって捕捉される。次に、シーケンスの第２の段階で、エミッタアレイの第２の列２１４（２）からのエミッタを起動して、図２Ｃに示すように、センサアレイの列２２４（２）のセンサで読み取ることができるパルス光を放出することができる。エミッタの列の連続発射及び対応する光センサの列の光センサの同時読み出しは、図２Ｄに示すように、光センサの最後の列２２４（ｍ）が読み取られると同時にエミッタ２１４（ｍ）の最後の列が起動するまで継続する。１つの完全なサイクルが完了すると（画像捕捉シーケンスのｍ段階）、エミッタアレイ２１０のすべての列が起動し、センサアレイ２２０のすべての列が読み出され、エミッタアレイ２１０の対応する列から放出される光子を検出する。次いで、ＬＩＤＡＲシステム２００が動作している間、サイクルを連続的に繰り返すことができる。
【００５４】
図２Ｂ〜図２Ｄは、発射されたエミッタが段階ごとに１列進む画像捕捉シーケンスを示しているが、本開示の実施形態は、特定のシーケンスに限定されない。例えば、いくつかの実施形態では、次のシーケンスを使用することができる。段階１では、エミッタアレイ２１０の第１の列が発射される。段階２では、列（ｍ／２＋１）が発射される。段階３では、列２が発射され、段階４では、列（Ｍ／２＋２）は、列ｍが発射されるｍ番目の段階まで発射される。そのような実施形態は、隣接するセンサ列が連続した段階で読み出されないため、センサアレイ内のクロストークを最小化するのに有益であり得る。別の例として、エミッタの２つ以上の隣接する列が同時に発射され、その対応するセンサの２つ以上の隣接する列が読み出される。画像捕捉シーケンスの第１の段階で４つの列が同時に発射され、読み取られる例として、例えば、エミッタアレイ２１０の列１〜４が発射され、第２の段階で列５〜８が発射され得る。これらの例は、可能な多くの異なる発射及び読み出しシーケンスのほんの一部であり、他の実施形態では他の発射及び読み出しシーケンスが可能である。
【００５５】
一例として、エミッタの列が発射される列で動作する一方で、その対応する光センサの列を同時に読み取る代わりに、実施形態は、エミッタの行が発射される行で動作する一方で、同時に光センサの行を読み取ることができる。いくつかのさらなる実施形態では、ＬＩＤＡＲシステムは、個々のエミッタグループまたは複数のエミッタグループを同時に発射しながら、その対応する光センサまたは複数の光センサグループを同時に読み取り得るエミッタによって動作し得る。そのような実施形態では、各エミッタは、適切なエミッタ固有の駆動回路で個々にアドレス指定できるため、実施形態は、図１３Ａ及び図１３Ｂに示されたグループに一致するエミッタの任意のグループを発射させることができる。本開示のいくつかの実施形態によれば、エミッタの任意の特定の発射構成は、光センサの対応する読み取り構成を有することができることを理解されたい。
【００５６】
図３は、本開示のいくつかの実施形態による、シナリオ３００における電子走査ＬＩＤＡＲシステムの光送信及び検出動作の例示的な例である。具体的には、図３は、システムを囲む容積またはシーンの三次元距離データを収集する固体電子走査ＬＩＤＡＲシステム２００を示している。図３は、エミッタとセンサとの間の関係を強調する理想化された図であり、したがって、他の部品は示されていない。
【００５７】
図２Ａで説明したように、電子走査ＬＩＤＡＲシステム２００は、エミッタアレイ２１０及びセンサアレイ２２０を含む。エミッタアレイ２１０は、エミッタ３０２及び３０４の列を含む光エミッタのアレイ、例えば、垂直キャビティ面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）のアレイなどとすることができる。センサアレイ２２０は、センサ３０６及び３０８の列を含む光センサのアレイであってもよい。光センサは、各光センサに対して、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）などの個別の光検出器のセットを使用するピクセル化照明センサであってもよい。しかし、様々な実施形態は、任意の種類の光子センサを配置することができる。
【００５８】
各エミッタは、隣接するエミッタからピッチ距離によって離間され得、かつ隣接するエミッタから異なる視野内に光パルスを送信するように構成され得るため、そのエミッタのみに関連付けられたそれぞれの視野を照明することができる。例えば、エミッタ３０２の列は、照明ビーム３１０（各々が１つ以上の光パルスから形成される）を視野の領域３１２に放出し、したがって、フィールド内の木３１３で反射する。同様に、エミッタの列３０４は、照明ビーム３１４を視野の領域３１６に放出する。図３に示す実施形態では、エミッタアレイ２１０は、その列を左から右へ順番に走査することを理解されたい。したがって、図３は、エミッタの列３０２が起動される第１の時間のインスタンスと、最後の列、すなわちエミッタの列３０４が起動される最後の時間のインスタンスを示す。他の列は、列３０２と列３０４との間で左から右に連続的に移動できる。図３は、エミッタ及びセンサアレイ２１０及び２２０が列ごとに及び順番に動作する実施形態を示しているが、実施形態はそのような構成に限定されない。他の実施形態では、上記で及び本明細書で更に詳細に説明するように、エミッタ及びセンサアレイ２１０及び２２０は、クロストークを最小化するために順番ではない列で、またはクロストークを最小化するために順番であるか、もしくは順番ではない列で、または放出及び他の任意の適切な順序で動作することができる光を受信する。また、エミッタ３０２及び３０４の列ならびにセンサ３０６及び３０８の列は、説明を容易にするために、それぞれエミッタアレイ２１０及びセンサアレイ２２０のはるかに大きい列の一部のみを表すことができることも理解されたい。したがって、図３は、説明を簡単にするために、２１個の別個のポイントのエミッタ及びセンサのみを示しているが、他の実施態様では顕著に多くのことができることが理解できる。すなわち、より高密度のエミッタアレイと、その対応するより高密度の光センサアレイを使用することで、より高密度のポイントのサンプリングを実現することができる。
【００５９】
エミッタによって照明される各視野は、測距データから生成される対応する３Ｄ画像内のピクセルまたはスポットと考えられ得る。したがって、各エミッタは他のエミッタとは異なり、他のエミッタと非重複とすることができ、エミッタのセットと非重複視野のセットとの間に１対１のマッピングがある。いくつかの実施形態では、エミッタアレイ２１０及びセンサアレイ２２０は、それぞれ非常に小さく、互いに非常に近くなり得る固体デバイスである。例えば、本実施形態によるエミッタまたはセンサアレイのサイズは、数ミリメートルから数センチメートルの範囲であり得る。そのため、２つのアレイの寸法とそれらの分離距離（約１ｃｍ）は、シーン内の物体までの距離と比較して無視できる。エミッタ及びセンサアレイのこの構成が、エミッタアレイから放出された光をコリメートし、反射光をセンサアレイに集束できるそれぞれのバルク光学系と対になっているとき、センサアレイとエミッタアレイは、閾値距離を超えて顕著に類似した視野を有することができるため、各エミッタと対応するセンサは、フィールド内の本質的に同じスポットを見ることができる。この概念は、図４を参照してよりよく理解できる。
【００６０】
図４は、本開示のいくつかの実施形態による、エミッタアレイ２１０及びセンサアレイ２２０の重複視野の簡略図である。エミッタアレイ２１０の各エミッタは、図４に円錐４０２として示される光のパルスを放出することができ、これはバルク送信器光学系４０４を通してコリメートされ、放出光４０６としてフィールドに出力される。次に、放出光４０６は、フィールド内の１つ以上の物体で反射し、バルク受信器光学系４１０を最初に伝搬する反射光４１２としてセンサアレイ２２０に向かって伝搬することができ、これは、反射光４１２を集束させてパルス光４０８の円錐として焦点に戻し、次いでセンサアレイ２２０内の対応する光センサに集束させる。図４を参照して理解できるように、１〜３ｃｍの範囲であり得るバルク送信器及び受信器光学系４０４及び４１０間の距離は、シーンまでの距離と比較して比較的小さい。したがって、シーンが遠くなるにつれて、エミッタアレイの視野はセンサアレイの視野と次第に重複する。例えば、図４に示すように、エミッタアレイ２１０及びセンサアレイ２２０の視野の重複領域４１４、４１６、及び４１８は、シーンまでの距離が増加するにつれて大きくなる。したがって、シーンの終わり近くの距離、例えばフィールド内の物体では、エミッタアレイ２１０の視野は、センサアレイ２２０の視野と実質的に重複する可能性がある。したがって、バルク受信器及び送信器の光学系が１センチメートル以上分離されていても、その対応する各エミッタ及びセンサは、シーン内の本質的に同じポイントを観察することができる。すなわち、バルク送信器光学系４０４からシステムの前方のフィールドに投射される各照明ビームは、システムからの距離において、その対応する光センサ（または対応する光センサのマイクロ光学受信器チャネル）の視野と実質的に同じサイズ及び幾何学的形状にすることができる。いくつかの実施形態では、エミッタアレイ２１０は、システム２００からの距離の範囲にわたってサイズ及び幾何学的形状が入力チャネルの視野に実質的に一致する照明パターンに従って、システム２００の前方のフィールドに照明ビームを選択的に投射できる。エミッタアレイとセンサアレイとの間に実質的に重複する視野を有することにより、固体電子走査ＬＩＤＡＲシステム２００は、高い信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を達成できる。
【００６１】
いくつかの実施形態では、送信器アレイ及びセンサアレイは、一致する幾何学的形状を有し、エミッタアレイのバルク光学系は、センサアレイのバルク光学系と実質的に同一である。他の実施形態では、センサアレイ２２０の寸法及びバルク光学系は、エミッタアレイ２１０のものと同一ではない場合があるが、エミッタアレイ２１０及びセンサアレイ２２０の対応する列が顕著に同じ視野を有するように選択することができる。例えば、センサアレイ２２０のサイズは、エミッタアレイ２１０のサイズより大きくなり得る。これは、センサアレイ２２０のバルク受信器光学系４１０がエミッタアレイ２１０のバルク送信器光学系４０４と異なる必要があることを意味し、２つのバルク光学系は、２つのアレイの対応する列の視野が顕著に同じになるように慎重に選択する必要がある。例えば、エミッタアレイ２１０のレンズ要素の２倍の大きさのレンズ要素を備えた同様のバルク光学系を使用することができる。結果として得られるバルク受信器光学系の焦点距離は、バルク送信器光学系の焦点距離の２倍になる。この場合、センサアレイ２２０はエミッタアレイ２１０の２倍の高さと２倍の幅で、受光口径が放出口径の２倍である必要がある。これにより、すべての光センサとエミッタの視野角が一致する。
【００６２】
エミッタアレイ２１０及びセンサアレイ２２０の対応する列が同じ視野を確実に見るために、ＬＩＤＡＲシステム２００の綿密な位置合わせプロセスは、例えば製造業者によるフィールド使用の前に実行することができる。本開示のいくつかの実施形態の設計機能（例えば、エミッタアレイ用の単一の半導体ダイまたはマルチチップモジュール及びセンサアレイ用のマルチチップモジュールの単一の半導体ダイを有する）により、製造業者はこの位置合わせ一度だけ実行することができ、それによりＬＩＤＡＲシステム２００が製造され、製造後に維持される方法が容易になる。光学系の位置合わせ中に、すべてのピクセル及びすべてのエミッタの視野を測定して、それらが顕著に同一であることを確認する。位置合わせには、収差、歪み、焦点距離などのレンズ特性の考慮、及び外部部品に対するレンズ要素の位置と方向の調整が含まれる。
【００６３】
エミッタの視野はそれぞれのセンサの視野と重複しているため、各光センサは理想的には、その対応するエミッタを起源とし、理想的にはクロストークのない反射照明ビームを検出できる、すなわち、他の照明ビームからの反射光は検出されない。例えば、図３に戻ると、エミッタの列３０２は、視野の領域３１２に照明ビーム３１０を放出し、照明ビームの一部は、物体３１３、すなわち木から反射する。理想的には、反射光列３１８は、光センサの列３０６のみによって検出される。したがって、エミッタの列３０２と光センサの列３０６は同じ視野を共有する。同様に、エミッタの列３０４と光センサの列３０８も同じ視野を共有することができる。例えば、放出サイクルの最後の反復中に、エミッタの列３０４は視野の領域３１６に照明ビーム３１４を放出し、照明ビームの一部は物体３１５、すなわち物体３１３の隣に駐車されている車から反射する。１サイクルでは、図３の固体電子走査ＬＩＤＡＲシステム２００は、木３１３及び車３１５の部分を含むシーンを表す画像を捕捉及び生成することができる。図１８Ａ〜図１８Ｂに関して本明細書で更に説明するように、特にシステム２００が車に取り付けられているときなど、システム２００が動いている場合、追加のサイクルはシーンの他の領域を更に捕捉することができる。図３では対応するエミッタ及びセンサは、それぞれのアレイ内の同じ相対的場所にあるものとして示されているが、システムで使用される光学系の設計に応じて、任意のエミッタを任意のセンサと対にすることができる。
【００６４】
測距測定中、ＬＩＤＡＲシステムを取り巻く容積の周りに分布する様々な視野からの反射光が様々なセンサによって収集されて処理され、それぞれの視野内の任意の物体の範囲情報をもたらす。上記のように、正確にタイミングを合わせたパルスを光エミッタが放出し、ある経過時間の後にパルスの反射がそれぞれのセンサによって検出される、飛行時間技術を使用することができる。次に、放出と検出との間の経過時間と、既知の光速度とを使用して、反射面までの距離を計算する。いくつかの実施形態では、範囲に加えて、反射面の他の特性を決定するために、センサにより追加情報を取得することができる。例えば、パルスのドップラーシフトをセンサで測定し、センサと反射面との間の相対速度を計算するために使用することができる。パルス強度を使用して標的の反射率を推定することができ、パルス形状を使用して、標的が硬質または拡散材料であるかどうかを判断することができる。
【００６５】
いくつかの実施形態によれば、ＬＩＤＡＲシステム２００は、複数の光学パルスを送信することができる。いくつかの実施形態では、各コード化パルスは、光強度によって形成される埋め込まれた正の値のパルスコードを有する。システムは、異なる時間ビンにおいて検出された反射光の強度ヒストグラムを作成することによって、背景光の存在下で、光パルスの時間的位置及び／または振幅を決定することができる。各時間ビンに対して、システムは、検出された光の強度に依存する強度ヒストグラムに加重値を加える。加重値は、正または負で、様々な大きさを有することができる。
【００６６】
正値のパルス符号の異なる組み合わせを選択し、異なる重みを適用することによって、システムは、標準デジタル信号処理アルゴリズムに好適な正値及び負値コードを検出することができる。この方法は、反射光パルスの測定された時間的位置における低い不確定度を維持しながら、高い信号対ノイズ比を与える。
【００６７】
ＩＩ．固体電子走査ＬＩＤＡＲシステムの構築及び構成
図５は、本開示のいくつかの実施形態による、例示的な固体電子走査ＬＩＤＡＲシステム５００の詳細な側面図を示す簡略図である。固体電子走査ＬＩＤＡＲシステム５００は、光検出システム５０１及び光放出システム５０３を含むことができる。光放出システム５０３は、システム５００が狭帯域光線５０５で位置付けられたフィールドの少なくとも一部分のアクティブ照明を提供する。光検出システム５０１は、光放出システム５０３から放出された狭帯域光を、フィールド内の物体によって反射光線５０６として反射した後に検出する。
【００６８】
Ａ．光検出システム
光検出システム５０１は、図１に関して上述した光検出システム１３６を表すことができる。光検出システム５０１は、光感知システム及びセンサアレイを含むことができる。光感知システムは、バルク受信器光学系、開口層、コリメートレンズ層、及び光学フィルタ層を含むことができ、センサアレイは光センサのアレイを含むことができ、各光センサは光を測定するための１つ以上の光検出器を含むことができる。いくつかの実施形態によれば、これらの部品は一緒に動作して、フィールドから光を受信する。例えば、光検出システム５０１は、バルク受信器光学系５０２及びマイクロ光学受信器（Ｒｘ）層５０４を含むことができる。動作中、光線５０６は複数の方向からバルク受信器光学系５０２に入り、バルク受信器光学系５０２によって集束されて光円錐５０８を形成する。マイクロ光学受信器層５０４は、開口部５１０がバルク受信器光学系５０２の焦点面と一致するように位置付けられる。いくつかの実施形態では、マイクロ光学受信器層５０４は、マイクロ光学受信器チャネル５１２の一次元または二次元アレイであり得、各マイクロ光学受信器チャネル５１２は、光送信の方向に同じ軸に沿って、例えば図５に示すように左から右に水平に位置付けられたそれぞれの開口部５１０、コリメートレンズ５１４、及び光センサ５１６から形成される。更に、各マイクロ光学受信器チャネル５１２は、本明細書で更に議論されるように、光センサ間の迷光からの干渉を軽減するための様々な方法で構成され得る。動作中、各マイクロ光学受信器チャネル５１２は、異なるピクセル（すなわち、フィールド内の位置）の光情報を測定する。
【００６９】
光線５０６は、バルク受信器光学系５０２の焦点で集束し、開口層５１１の開口部５１０を通過し、それぞれのコリメートレンズ５１４に入る。各コリメートレンズ５１４は、光線がすべてほぼ同じ角度で、例えば互いに平行に光学フィルタに入るように、受信光をコリメートする。バルク受信器光学系５０２の開口部と焦点距離は、開口部５１０で焦点を結ぶそれぞれの光線の円錐角を決定する。コリメートレンズ５１４の開口部サイズと焦点距離は、入射光線がどれだけ両行にコリメートできるかを決定し、これにより、光学フィルタ５１８でどの程度狭い帯域通過を実装できるかが決定される。開口層は、光検出システム５００の動作中に様々な機能を果たすことができる。例えば、（１）開口部５１０は、ピクセルの視野を制限できるため、光センサ面のピッチが大きいにもかかわらず、空間選択性が厳しくなる。（２）開口部５１０は、エミッタ光の効率的な使用のために、視野をエミッタ視野に類似または等しいサイズに制限することができる。（３）開口部は、コリメートレンズの焦点面に小さな点状の光源を提供し、フィルタを通過する前に光ビームの厳密なコリメーションを実現し、コリメーションが改善されると、フィルタを通過できる帯域が狭くなる。（４）各開口部を囲む開口層の停止領域は、迷光を排除することができる。いくつかの実施形態では、コリメートレンズ５１４は含まれず、帯域通過フィルタの通過帯域はそれほど狭くない。
【００７０】
光学フィルタ５１８は、不要な波長の光を遮断する。干渉ベースのフィルタは、性能に強い角度依存性を示す傾向がある。例えば、０度の入射角で９００ｎｍの中心波長（ＣＷＬ）を有する１ｎｍ幅の帯域通過フィルタは、１５度の入射角で８９８ｎｍのＣＷＬを有する場合がある。撮像システムは通常、この影響に対応するために幅数十ナノメートルのフィルタを使用するため、ＣＷＬのシフトは帯域通過幅よりもはるかに小さくなる。しかし、マイクロ光学層５０４の使用は、すべての光線がほぼ同じ入射角で光学フィルタ５１８に入ることを可能にし、したがって、ＣＷＬのシフトを最小限にし、非常にタイトなフィルタ（例えば１０ｎｍ未満の幅）の使用を可能にする。光センサ５１６は、入射光子に応答して電流または電圧を生成する。いくつかの実施形態では、光学フィルタ５１８は、マイクロ光学受信器チャネル５１２のアレイ全体にわたって均一であるため、アレイ内の各個々のマイクロ光学受信器チャネル５１２は、同じ波長範囲の光を受信する。
【００７１】
いくつかの実施形態では、光センサ５１６は、光線５０６がコリメートレンズ５１４及び光学フィルタ５１８を最初に通過してから光センサ５１６に露出するように、コリメートレンズ５１４の反対側に位置付けられる。各光センサ５１６は、複数の単一光子アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）のミニアレイなどの複数の光検出器であってもよい。ＳＰＡＤのミニアレイのアレイは、単一のモノリシックチップ上に製造でき、それにより、製造が簡素化される。いくつかの代替的な実施形態では、各光センサ５１６は、単一の光検出器、例えば標準フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、共振空洞フォトダイオード、または別の種類の光検出器であってもよい。
【００７２】
Ｂ．光放出システム
光放出システム５０３は、バルク送信器光学系５２０と、光エミッタ５２４の一次元または二次元アレイで形成された光放出層５２２とを含むことができる。各光エミッタ５２４は、狭帯域光の個別のビームを生成するように構成することができる。いくつかの実施形態では、光放出層５２２は、光放出システム５０３からの距離の範囲にわたってサイズ及び幾何学的形状がマイクロ光学受信器層５０４の受信器チャネルの視野に一致する照明パターンに従って、バルク送信器光学系５２０を通して個別の光ビームを選択的に投射するように構成される。光エミッタ５２４は、１つ以上のモノリシックチップ上に統合された垂直キャビティ面放出レーザ（ＶＣＳＥＬＳ）または任意の他の種類のレーザダイオードなどの任意の適切な光放出デバイスであり得る。光エミッタ５２４は、バルク送信器光学系５２０に向けられた狭帯域光５２６の円錐を生成することができ、それは光の円錐５２６をコリメートし、放出光線５０５としてフィールド内の遠方の標的にコリメートされた光を出力することができる。いくつかの実施形態では、バルク送信器光学系５２０は画像空間テレセントリックである。
【００７３】
図５の平行光線５０５及び５０６の図から明らかなように、各マイクロ光学受信器チャネル５１２は、閾値距離を超えて非重複視野を有する。図５に示すように、各マイクロ光学受信器チャネル５１２は、複数の開口部からの開口部、複数のレンズからのレンズ、及び複数の光検出器からの光検出器を含み、各チャネルの開口部は、他のマイクロ光学受信器チャネルの視野内で閾値距離を超えて非重複のチャネル内のピクセルの個別の視野を画定する。そのようにして、各マイクロ光学受信器チャネルは、マイクロ光学受信器層５０４内の他のマイクロ光学受信器チャネルによって測定されないフィールド内の個別の位置に対応する反射光を受信する。
【００７４】
追加及び代替的な実施形態では、光円錐５２６からの光線５０５は、バルク送信器光学系５２０によって遠くの標的に方向付けられる前に、マイクロ光学送信器層（図示せず）によって空間の中間面に焦点を合わせられ、光放出システム５０３から放出される光の輝度と強度を増強させる。そのような実施形態では、光放出システム５０３及び光検出システム５０１は、各マイクロ光学送信器チャネル（図示せず）が対応するマイクロ光学受信器層５０４と対になるように構成され、それらの視野の中心は、センサから一定の距離で重複するように位置合わせされているか、主光線が平行になっている。さらなる追加及び代替的な実施形態では、光放出システム５０３によって放出される遠視の光ビームは、各マイクロ光学受信器層５０４の遠視の視野と同様のサイズ及び発散角を有する。出力される光の輝度及び強度を高めるためのマイクロ光学送信器層を有する光放出システム５０３の詳細は、以下で詳細に議論される。
【００７５】
１．電子走査ＬＩＤＡＲシステムの駆動システム
いくつかの実施形態では、エミッタアレイは、エミッタアレイを動作させるための様々なコンデンサ及び制御チップを含む駆動システムによって動作させることができる。図６は、本開示のいくつかの実施形態による、固体電子走査ＬＩＤＡＲシステム内のエミッタアレイ６０１用の例示的なエミッタ駆動システム６００の平面システム図である。エミッタアレイ６０１は、照明パターンを生成するｍ×ｎアレイに配置された複数の光エミッタ６０２を含むことができる。エミッタアレイ６０１は、例えば、図２Ａ〜図２Ｄに関して上述したエミッタアレイ２１０を表すことができ、ＬＩＤＡＲシステムで、センサアレイ２２０を表すことができ、照明パターンの幾何学的形状と一致する幾何学的形状を有する感知パターンを含む本明細書に記載の光センサアレイの１つなどの光センサアレイと対にすることができる。エミッタアレイ６０１は、ｍ×ｎアレイを形成するように正確に位置合わせされた複数の別個に駆動されるエミッタバンク６０４ａ〜ｆに分割することができる。
【００７６】
いくつかの実施形態では、エミッタバンク６０４ａ〜６０４ｆの各々を含むエミッタアレイ６０１は、単一の半導体ダイ（例えば、大きな単一チップＶＣＳＥＬアレイ）上に形成することができる。各バンクは、ｋ個のバンクを有するエミッタアレイ用のｋ個のドライバ回路があるように、別個のドライバ回路６１２、６１４によって駆動され得る。各ドライバ回路６１２、６１４は、それぞれのバンクに結合され、そのバンク内のすべての個々のエミッタ６０２を同時に発射することができる。ドライバ６１２、６１４は、ドライバ６１２、６１４は、各バンクが画像捕捉期間中に１回以上発射されるように、本明細書で説明する制御回路によって所定のシーケンスに従って起動され、一方、発射される所与のバンク内のエミッタに対応する１つ以上の列（または個々の光センサの他の構成）は、光センサアレイ全体が読み出されるまで（例えば、図２Ｂ〜２Ｄに関して上記で議論されたものと同様の１つ以上の走査シーケンスに従って）読み出される。この実施形態は、すべてのエミッタを一度に起動するフラッシュＬＩＤＡＲシステムと比較して電力を節約する。
【００７７】
例えば、図６に示すように、バンク６０４ａは、それぞれのドライバ６１２及び６１４によって駆動されて、光を放出することができる。放出サイクル中に駆動されると、バンク６０４ａの４列すべてが同時に光を放出し、エミッタの４列の１つに対応する光センサの１列のみが読み出される。一例として、読み出される光センサの列は、左端の列、例えば（各バンク６０４ａ〜ｆの４つの列を左から右の順に列１から４に解釈するとき）バンク６０４ａの列１に対応することができる。したがって、全放出サイクル中、バンク６０４ａの列１〜４は、バンク６０４ａの列１に対応する光センサが第１の画像捕捉期間で読み出されている間に駆動され、バンク６０４ｂの列１〜４は、バンク６０４ｂの列１に対応する光センサが第２の画像捕捉期間に読み出されている間に駆動され得、バンク６０４ａが再び起動されて列１〜４を放出するまでバンク６０４ｃ〜ｆについて以下同様であり、その時点で、バンク６０４ａの列２に対応する光センサは、第７の画像捕捉期間で読み出され得る。このシーケンスは、すべての光センサが読み出されるまで続行してもよい。この例では、１回の全放出サイクルに対して、各エミッタバンクを４回、各画像捕捉期間の光センサの各列で１回起動できる。
【００７８】
いくつかの代替的な実施形態では、放出サイクルは、各バンク内の４列すべてを駆動し、同時に受信器アレイ内の光センサの４つの対応列すべてのデータを同時に捕捉してもよい。例えば、バンク６０４ａは光を放出し、その対応する光センサのバンクの対応する列１〜４はすべて有効化され、シーケンスを繰り返すために次のバンクに移動する前に第１の画像捕捉期間に読み出される。このアプローチには、その対応する光センサが反射光を検出することができないレーザを発射することにより、レーザエネルギーを無駄にしないという利点がある。
【００７９】
いくつかの実施形態では、各バンク６０４ａ〜６０４ｆは、分離領域６０６によって分割された別個の半導体ダイとして構築され得る。分離領域６０６は、エアギャップなどのエミッタの隣接バンクを互いに電気的に分離するための任意の適切な電気分割器とすることができる。エミッタアレイ６０１を分離領域６０６で異なるバンクに分離することにより、各バンクは互いに電気的に分離でき、電子走査ＬＩＤＡＲシステムの動作中に光放出するために個々にアドレス指定可能な個別回路を形成できる。いくつかの実施形態では、エミッタバンク６０４ａ〜ｆは、エミッタバンク６０４ａ〜ｆに構造的支持を提供するように構成された任意の適切な部品であり得る支持構造６０５に取り付けることができる。一例として、支持構造６０５は、エミッタバンク６０４ａ〜ｆも実質的に平坦であり、同じ平面上に位置付けられることを保証するために、実質的に平坦な部品であり得る。更に、支持構造６０５は、熱伝導性の高い材料とすることができ、そのため、エミッタ６０２の起動により発生した熱を迅速に放散して、過熱及び損傷を回避することができる。いくつかの実施形態では、支持構造６０５はセラミック基板である。
【００８０】
光を生成するために、電流は、エミッタアレイ６０１のエミッタ６０２を通して駆動される。したがって、エミッタバンク６０４ａ〜ｆは、エミッタアレイ６０１を通して電流を放電するように構成された複数のコンデンサを含むコンデンサバンク６０８に結合することができる。各バンク６０４ａ〜ｆは、コンデンサバンク６０８と結合するためのそれぞれのコンタクトアレイまたはビアアレイ６１０ａ〜ｆを含むことができる。コンタクトアレイ６１０ａ〜ｆは、それぞれのエミッタバンク６０４ａ〜ｆが構築される半導体ダイの一部とすることができる。いくつかの実施形態では、コンタクトアレイ６１０ａ〜ｆは、コンデンサバンク６０８とそれぞれのエミッタバンク６０４ａ〜ｆ内の光エミッタ６０２との間に位置付けられる。エミッタアレイ６０１の１つ以上のエミッタの起動前に、コンデンサバンク６０８の１つ以上のコンデンサを充電して、エミッタアレイ６０１の１つ以上のエミッタの起動中に、１つ以上の充電済みコンデンサを放電して電流を駆動することができる１つ以上のエミッタを通して、狭帯域光を放出することができる。いくつかの実施形態では、コンデンサバンク６０８内のコンデンサは、コンデンサを充電するための電源（図示せず）に結合することができる。電源は、電気接続６１８のアレイを介してコンデンサバンク６０８に結合することができ、各電気接続は、電源にルーティングされたトレース（図示せず）に結合されたビアである。電気接続及びトレースは、コンデンサバンク６０８及びエミッタアレイ６０１が取り付けられる相互接続構造６２２、例えば、プリント回路基板（ＰＣＢ）の一部であるか、その上に形成され得る。電気接続の各対は、コンデンサバンク６０８の各コンデンサの正及び負の端子に関連付けることができる。トレース、コンデンサ、エミッタ、及びドライバは、回路の駆動電流の立ち上がり時間を最小限に抑えるために、回路の放電経路のループインダクタンスを最小限に抑えるように位置付けられ得る。
【００８１】
いくつかの実施形態では、駆動システム６００は、システムへの電気入力及び出力（例えば、ドライバ６１２及び６１４へのタイミング信号）が電気コネクタ６１６（例えば、ボード間コネクタ）によって駆動システム６００との間で送信され得るマルチチップモジュールとして実装され得る。そのような場合、電気コネクタ６１６をドライバ６１２及び６１４に結合して、それらの間の通信信号の転送を可能にすることができる。ドライバ６１２及び／または６１４は、エミッタアレイ６０１を通る電流の流れを管理する半導体デバイス、例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣなどとすることができる。したがって、ドライバ６１２及び６１４は、エミッタアレイ６０１が光を放出する順序を制御するか、処理システム（図示せず）がコネクタ６１６を通してそうすることを可能にし得る。例えば、ドライバ６１２及び６１４は、エミッタバンクによって、左から右へ、またはその逆の順番でエミッタアレイ６０１を起動することができる。したがって、１回の放出サイクルにおいて、ドライバ６１２及び６１４は、第１の時間のインスタンス中にエミッタバンク６０４ａ内のエミッタ６０２を起動し、第２の時間のインスタンス中にエミッタバンク６０４ｂ内のエミッタ６０２を起動するなどにより、エミッタアレイ６０１を動作させることができ、以下同様に、最後のエミッタバンク６０４ｆが最後の時間のインスタンス中に起動されるまで続き、第１から最後のインスタンスまでの光の放出が一緒になって単一の放出サイクルを形成する。いくつかの実施形態では、ドライバ６１２及び６１４は、相互接続構造６２２上にめっきされたトレースであり得る電気接続６２４を介して一緒に結合される。そのようにして、ドライバ６１２及び６１４は、エミッタアレイ６０１の動作を制御するために互いに通信することができる。
【００８２】
図６に示すように、各バンク６０４ａ〜ｆは、ドライバ６１２と結合するためのそれぞれのコンタクトアレイ６１１ａ〜ｆを含むことができる。コンタクトアレイ６１０ａ〜ｆと同様に、コンタクトアレイ６１１ａ〜ｆは、それぞれのエミッタバンク６０４ａ〜ｆが構築される半導体ダイの一部とすることができる。いくつかの実施形態では、コンタクトアレイ６１１ａ〜ｆは、それぞれのエミッタバンク６０４ａ〜ｆ内のドライバ６１２と光エミッタ６０２との間に位置付けられる。図６には、参照番号が重ねられた図が乱雑になるのを避けるために、コンタクトアレイ６１１ｂ〜６１１ｅの参照番号は示されていないことを理解されたい。更に、ドライバ６１２はそれぞれ、電気接続６１８のように、ドライバ６１２及び６１４が取り付けられる相互接続構造６２２の一部であるか、その上に形成される電気接続６２０のそれぞれのセットに結合することができる。電気接続６２０は、ドライバ６１２を電源または相互接続構造６２２上の他の任意の電気部品（図示せず）に結合することができる。
【００８３】
２．光放出システム用のエミッタアレイの構成
図６は、６つの異なるバンク６０４ａ〜ｆに分割されたエミッタアレイ６０１を示しているが、実施形態はそのような構成に限定されず、他の実施形態は６つより多いまたは少ないバンクと、バンクあたりより多いまたは少ないエミッタと、を有することができる。すなわち、エミッタアレイ６０１は、単一の大きなエミッタバンクから形成することができ、または、エミッタアレイ６０１は、１６個、３２個、６４個、１２８個、または他の任意の数のバンクに分割することができ、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、各々が任意の数のエミッタ列を備えている。
【００８４】
例えば、図７Ａは、本開示のいくつかの実施形態による、ドライバ７０２と対にされ、個々に制御可能なバンクに配置された例示的なエミッタアレイ７００の簡略図である。エミッタアレイ７００は、ｋ個の個々に制御可能なエミッタバンクに分割されるｍ×ｎアレイの光エミッタであり得、ここで、ｋはｎ未満である。例えば、各バンクを４列の光エミッタを有するように構成して、バンクの数が列の数ｎの１／４になるようにすることができる。各ドライバ７０２は、バンクごとに、左から右へ、右から左へ、他のすべてのバンクなどのような任意の順序でエミッタアレイ７００を起動することができる。そのような実施形態の利点は、駆動回路が簡素化され、それにより設計及び製造性が簡素化されることである。更に、別個の駆動回路でエミッタアレイを複数のバンクに分離すると、単一の駆動回路を使用してエミッタアレイ全体に電力を供給するフラッシュＬＩＤＡＲシステムと比較して、各駆動回路で駆動されるエミッタの数が少ないため、システム内の各チャネルが大幅に低い電流で動作できる。これにより、各チャネルのエミッタがより強力に駆動されること、またはアレイ全体の発射に必要なピーク電流を一度に供給できなかった可能性のある様々な種類の駆動回路が用いられることを可能にし得る。更に、駆動回路を光エミッタから分離でき、それにより、市販の部品を使用したモジュール製造が可能である。
【００８５】
別の例では、図７Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による、ドライバ７０４と対にされ、個々に制御可能な列に配置された例示的なエミッタアレイ７０１の簡略図である。エミッタアレイ７０１は、各バンクにエミッタの単一の列があるように、ｎ個の個々に制御可能なエミッタバンク（例えば、図７Ｂに示す２４個のバンク）に分割されるｍ×ｎアレイの光エミッタであり得る。この実施形態では、各ドライバ７０４は、１つのエミッタバンクに対応し、ドライバ７０４のセットは、マルチプレクサ７０６と連携して動作し、エミッタアレイ内の個々のバンクを左から右、右から左、他のバンクなどの任意の順序で起動することができる。すなわち、マルチプレクサ７０６は、ドライバ７０４によって起動する列を選択することができる。そのような実施形態の利点は、エミッタアレイ７０１を個々の列に分割することにより、隣接するセンサアレイに放出される迷光からのクロストークを最小限にし、及び／または走査速度を改善するために、インターレース方式で列を変調できることである。例えば、ドライバ７０４は、第１のインスタンスですべての偶数バンク（すなわち列）を起動し、次に第２のインスタンスですべての奇数バンクを起動し、それにより、２回の反復で１サイクルを完了することができる。他のすべての列が一度に放出されるため、放出光を測定するために起動された列に対応する光センサの列のみを操作する必要があり、それによって光センサの列間のクロストークの可能性を最小限に抑える。列の変調のインターレースの概念は、３列ごとのエミッタ列または４列ごとのエミッタ列の放出など、他のインターレース方式に拡張でき、光センサの次の２つまたは３つの隣接する列間のクロストークを最小限にできる。
【００８６】
図７Ｂに示されるように、ドライバ７０４（及び図７Ａに示されるドライバ７０２）は、例えば、ドライバ７０４を、光エミッタを含むチップ基板に直接取り付けることにより、エミッタアレイと緊密に統合することができる。この構成により、空間を節約し、設計全体のサイズを最小限に抑えることができる。しかし、他のいくつかの実施形態では、ドライバ７０４は、光エミッタを含むチップ基板から離れて位置付けられ、追加のエミッタのためにより多くの空間を提供し、それにより画像解像度を高めることができる。いくつかの実施形態では、ドライバ７０４（及びドライバ７０２）は、別個のドライバチップＡＳＩＣの一部として実装され得るが、他の実施形態では、ドライバ７０４は、セラミックまたは他のダイに取り付けられる個別の部品であり得る。
【００８７】
本明細書の実施形態によって理解され得るように、単一のドライバによって発射されるピクセルの数は、ドライバによって提供される必要がある電流の量を決定する。例えば、図７Ａのエミッタアレイ７００の各バンクは、図７Ｂのエミッタアレイ７０１の各バンクの４倍の数の光エミッタを含む。したがって、図７Ａの各ドライバ７０２は、図７Ｂのドライバ７０４の電流の少なくとも４倍の電流量を提供する必要がある。ドライバが大量の電流を出力することを要求することに伴う困難は、多くのエミッタを起動するための単一のドライバを有することにしばしば関連する製造及び設計の簡素化の利点を相殺することがある。しかし、いくつかの実施形態は、図８Ａ及び図８Ｂに関して本明細書で説明するように、複数の駆動システムで複数のエミッタアレイを使用することにより、図７Ａ及び図７Ｂの両方のエミッタアレイ構成によって提供される利点を活用することができる。更に、各光センサのＳＰＡＤのアレイを含む光センサアレイは、ダイナミックレンジを拡大するために通常ピクセルごとに使用されるＳＰＡＤの数、及びＳＰＡＤの小型化に課題をもたらすＨＶＣＭＯＳプロセスにガードリング及び他の機能を含めるため、本質的に解像度が制限されている。結果として、本開示のいくつかの実施形態は、センサ解像度を高めるために他の方法を使用する。すなわち、受信器アレイの代わりに送信器アレイの視野選択性を使用する方法である。例えば、本開示のいくつかの実施形態は、ＶＣＳＥＬアレイを送信器アレイとして使用する。ＶＣＳＥＬアレイは、ＳＰＡＤベースのセンサアレイと同程度のサイズ制限に制約されず、例えば、図８Ａ〜図８Ｃに関して説明したように、いくつかの実施形態では、検出器の生のピクセル解像度よりも高い空間解像度を達成するために使用できる。
【００８８】
図８Ａは、本開示のいくつかの実施形態による、センサアレイ８０６で捕捉できる光を放出するための、それぞれ独自のドライバセット８０４ａ〜ｄを備えた、非重複視野を有する複数の独立して動作可能なエミッタアレイ８０２ａ〜８０２ｄを含む例示的なＬＩＤＡＲシステム８００の簡略図である。各エミッタアレイ８０２ａ〜８０２ｄは、上記の様々な実施形態で説明したように、遠視野の異なるそれぞれの視野に向けられたアレイのエミッタのｍ×ｎアレイを含むことができる。例えば、図８Ａに示されるように、エミッタアレイ８０２ａの列１、行１はエミッタ８１２であり、エミッタアレイ８０２ｂの列１、行１はエミッタ８１４であり、エミッタアレイ８０２ｃの列１、行１はエミッタ８１６であり、そして、エミッタアレイ８０２ｄの列１、行１はエミッタ８１８である。エミッタ８１２、８１４、８１６、及び８１８の各々は、閾値距離を超えて異なる個別の視野に投射するように位置合わせすることができる。
【００８９】
センサアレイ８０６は、エミッタアレイの各々と同じｍ×ｎ構成に配置され、エミッタアレイ８０２ａ〜ｄから放出される光を捕捉するように構成された光センサ８０８のアレイを含むことができる。センサアレイ８０６の受信器チャネルアレイの開口層は、各光センサ８０８の４つの異なる非重複視野を画定することができ、各異なる視野は各エミッタアレイ８０２ａ〜ｄからの１つのエミッタの対応する視野と位置合わせされる。例えば、光センサ８１０は、開口層によって定義される４つの異なる視野を有することができ、各開口部（円として示される）は、エミッタアレイ８０２ａのエミッタ８１２、エミッタアレイ８０２ｂのエミッタ８１４、エミッタアレイ８０２ｃのエミッタ８１６、及びエミッタアレイ８０２ｄのエミッタ８１８のうちの１つと同じ視野を有するように位置合わせされる。したがって、エミッタ８１２、８１４、８１６、及び８１８が同期されて、それぞれの時間に光を放出してフィールド内のそれぞれの場所（例えば、ピクセル）を照明すると、光センサ８１０は、フィールド内の物体で反射された後、それぞれの開口部から放出光を捕捉する。この概念は、光センサ８１０の視野の領域に重ねられたそれぞれのエミッタ８１２、８１４、８１６、及び８１８の視野（円として示される）を有する光センサ８１０の拡大透視図８０１を参照して理解することができる（正方形として示される）。図示のように、各エミッタ８１２、８１４、８１６、及び８１８の視野は光センサ８１０の視野の一部分と重複し、光センサ８１０は、フィールド内の物体で反射された後、放出光を捕捉できるようになる。いくつかの実施形態では、エミッタアレイ８０２ａ〜８０２ｄは、個々にかつ順番で光を放出する。例えば、エミッタアレイ８０２ａは最初に１つの放出サイクルを実行でき（例えば、バンクごとに左から右に）、次にエミッタアレイ８０２ｂは１つの放出サイクルを実行でき、以下同様に、エミッタアレイ８０２ｄが１つの放出サイクルを実行するまで続く。すべてのエミッタアレイが１つの放出サイクルを完了すると、フィールドの別の画像を捕捉するために、順番が再び繰り返され得る。
【００９０】
図８Ａで理解できるように、複数のエミッタアレイ８０２ａ〜ｄを使用することにより、センサアレイ８０６によって高解像度画像を捕捉するためのエミッタの総数をエミッタアレイの数で割ることができ、この場合は４であるため、エミッタアレイの間隔がより狭くなり、エミッタの数が少なくなる。その結果、センサアレイ８０６で高解像度画像を捕捉するためにフィールドを照明するために必要な電力負荷は、エミッタアレイ８０２ａ〜ｄの間で分割（例えば、４分割）することができる。したがって、各エミッタアレイのドライバ８０４ａ〜ｄは、シーンの高解像度画像を捕捉することができる一方で、エミッタアレイを１つしか有しないシステムと比較したとき、電力（すなわち電流）の４分の１を提供するだけでよい。代替的に、ドライバあたりの光エミッタの数が減るので、各ドライバは光エミッタにより多くの電流を供給でき、それによりエミッタがより多くの光を出力し、ＬＩＤＡＲシステム８００の画像捕捉能力を改善する。動作中、各エミッタアレイ８０２ａ〜ｄは、図６〜図７Ｂに関して本明細書で説明するように、すべてのエミッタアレイが実行されるとシーンの１回のフル走査が実行されるように、順番で１回の放出サイクルを実行することができる。
【００９１】
いくつかの実施形態では、各エミッタアレイ８０２ａ〜ｄ及びセンサアレイ８０６は、それぞれのバルク撮像光学系の背後に位置付けられる。バルク撮像光学系とともに配置されるとき、各エミッタアレイ８０２ａ〜ｄは光放出システムを形成することができ、センサアレイ８０６は光感知システムを形成することができる。特定の実施形態では、光放出システムは、光感知システムの周りに対称的に配置することができ、視差を最小限に抑えるために光感知システムのできるだけ近くに位置付けることができる。例えば、図８Ａに示されるように、光エミッタシステム（エミッタアレイ８０２ａ〜ｄによって表される）は、光感知システム（センサアレイ８０６によって表される）の上下、左右に対称的に配置することができる。
【００９２】
図８Ａは、対称構成で編成された４つの光放出システムのみを示しているが、実施形態はそのような構成に限定されず、他の実施形態は多少の光放出システム及び非対称構成を有することができる。例えば、一部の固体電子走査ＬＩＤＡＲシステムでは、光検出システムの上下または両側に位置付けられた３つの光放出システム、または、光検知システムの上下または左右に位置付けられた２つの光放出システムを有してもよい。光放出システムが２つしかない実施形態では、単一のセンサアレイを構成して、２つのエミッタアレイからの光を捕捉することができる。したがって、各エミッタアレイは、光放出システムが１つしかないＬＩＤＡＲシステムのエミッタアレイの半分のエミッタアレイ密度を有することができる。そのような実施形態では、センサアレイ内の各光センサは、各エミッタアレイからの２つの光エミッタのみに対応することができる。
【００９３】
いくつかの実施形態では、開口層及びマイクロレンズアレイを光センサの前に実装して、光センサと複数の光エミッタとの間の視野の重複を可能にし得る。各開口部は、それぞれのマイクロレンズと位置合わせすることができ、開口部と位置合わせされたマイクロレンズの両方は、複数の光エミッタのそれぞれの光エミッタに対応することができる。一例として、図８Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による、個々の光センサ８１０に重ねられたマイクロレンズアレイ８２０の簡略図である。個々の光センサ８１０は４つの異なる視野間において時分割で共有されるため、このアプローチでは、光センサ間のピッチがエミッタと検出器の視野のピッチの４倍であるため、ピクセルごとの処理ロジックを各光センサに適合させることができる。この実施形態では、各光センサを個々に読み出すことができるように、各光センサ８１０にＴＤＣ、ＳＲＡＭ、及びＤＳＰを直接埋め込むことが実用的であり得る。マイクロレンズアレイ８２０内の各マイクロレンズの視野は、開口層の対応する開口部によって画定され得る。この例では、マイクロレンズアレイ８２０は、関連する開口部と位置合わせされた４つのマイクロレンズ８２２、８２４、８２６、及び８２８を含み、各々は、各エミッタアレイ８０２ａ〜８０２ｄからのそれぞれの光エミッタに対応し、同じ視野を有するように位置合わせすることができる。例えば、マイクロレンズ８２２は、エミッタ８１２と対応し、同じ視野を有するように位置合わせすることができ、マイクロレンズ８２４とエミッタ８１２、マイクロレンズ８２６とエミッタ８１６、ならびにマイクロレンズ８２８とエミッタ８１８についても同じことが言える。マイクロレンズアレイ８２０のピッチは、マイクロレンズアレイ８２０が単一の光センサに適合するように、センサアレイ８０８のピッチよりも細かくすることができる。例えば、図８Ｂに示されるように、マイクロレンズアレイ８２０のピッチは、光センサアレイ８０８のピッチの半分であり得る。したがって、マイクロレンズアレイにより、センサアレイは、そのようなマイクロレンズアレイのないセンサアレイよりも多くの視野を捕捉することができる（すなわち、より高い解像度で画像を捕捉することができる）。
【００９４】
図８Ｃは、本開示のいくつかの実施形態による、フィールドからの光を感知するときの光センサ８１０の前に位置付けられたマイクロレンズアレイ８２０の簡略断面図である。いくつかの実施形態では、マイクロレンズアレイ８２０は、バルク撮像光学系８３０と光センサ８１０との間に位置付けられ、光センサ８１０に露光する前にフィールドから受信した光が最初にマイクロレンズアレイ８２０を通過するようにすることができる。図８Ｃに示すように、光８３６は、エミッタ８１６から放出された反射光であり得、光８３８は、別の時点でエミッタ８１８から放出された反射光であり得る。図５に関して上述したように、光８３６は、バルク光学系８３０を通過し、光センサ８１０の個別の視野を画定し、迷走を低減するために、バルク撮像光学系８３０の焦点面に沿って位置付けられた開口層８３４の点に焦点を合わせた後、マイクロレンズ８２６で露光することができる。光８３６が開口層８３４及びマイクロレンズ８２６の開口部を通過すると、光８３６は、光８３６を光センサ８１０に迂回させて再集束させるように構成することができる二次光学系８３２をコリメートし、通過することができる。いくつかの実施形態では、マイクロレンズアレイ８２０及び二次光学系８３２は、マイクロレンズ８２２、８２４、８２６、及び８２８がすべて光路間のトンネルを形成して光センサ間のクロストークを軽減する側壁８４０内にすべて位置付けられるように、光センサ８１０の受信器チャネル内に実装される。二次光学系８３２は、各マイクロレンズ８２２、８２４、８２６、及び８２８を通過する光を光センサ８１０に集束させることができる。いくつかの実施形態では、光センサ８１０は複数のＳＰＡＤＳで形成され、複数のＳＰＡＤＳのサブセットは、その対応するマイクロレンズ８２２、８２４、８２６、及び８２８からの光を受信するように位置付けられる。代替的な実施形態では、複数のＳＰＡＤＳ全体は、各マイクロレンズ８２２、８２４、８２６、及び８２８からの光を受信するように位置付けられ、その結果、複数のＳＰＡＤＳ全体が４回読み出され、それらのそれぞれの回で、１度は、各マイクロレンズ８２２、８２４、８２６、及び８２８を通る光を検出するためである。
【００９５】
クロストークを更に軽減するために、ＭＥＭＳデバイスを開口層上及び各マイクロレンズの光伝搬経路に沿って実装して、マイクロレンズ間のクロストークを防ぐことができる。例えば、ＭＥＭＳシャッタのアレイ（図示せず）は、開口部８３４とバルク撮像光学系８３０との間に実装することができ、各シャッタはそれぞれの開口部の上に位置付けられる。ＭＥＭＳシャッタのアレイは、その対応するエミッタが光を放出しているときに光がＭＥＭＳシャッタを通過することができるように操作でき、その対応するエミッタが光を放出していないときに光が通過することを防止する。そのようなＭＥＭＳシャッタアレイを実装することにより、光センサ８１０の信号対ノイズ比を改善することができる。
【００９６】
図８Ａ〜８Ｃに関して上述したように、各エミッタアレイの視野が重複しないようにし、検出器アレイの解像度を高める代わりに、本開示のいくつかの実施形態では、エミッタアレイの視野は互いに重複することができ、それによって視野内の各位置の輝度と冗長性が向上する。そのように、１つのエミッタアレイからの１つのエミッタが故障した場合、またはエミッタアレイ全体が故障した場合（例えば、飛散する破片からの損傷に起因して）でも、固体電子走査ＬＩＤＡＲシステムは、損傷したエミッタに関連付けられ、追加の１つの以上のエミッタがその視野に位置合わせされている光センサの視野に放出光を投射できる。したがって、結果として得られるシステムは、より堅牢で信頼性が高くなる。この実施形態の一例を図８Ｄに示す。
【００９７】
図８Ｄは、本開示のいくつかの実施形態による、センサアレイ８５６で捕捉できる光を放出するための、それぞれ独自のドライバセット８５４ａ〜ｂを備えた、重複視野を有する複数の独立して動作可能なエミッタアレイ８５２ａ〜ｂを含む例示的なＬＩＤＡＲシステム８５０の簡略図である。エミッタアレイ８５２ａ、８５２ｂ及びそれらのそれぞれのドライバ８５４ａ、８５４ｂは、図６及び図７Ａに関して上述したようにバンクに従って配置することができ、または、図７Ｂに関して説明したように、独立してアドレス指定可能な列に配置することができ、またはアレイ全体の駆動回路の任意のサブセットに配置することができる。各エミッタアレイ８５２ａ、８５２ｂは、上記の様々な実施形態で説明したように、ｍ×ｎ（同じサイズの）エミッタアレイを含むことができ、アレイは遠視野の同じ視野に向けられている。例えば、図８Ｄに示すように、エミッタアレイ８５２ａの列１、行１はエミッタ８６２であり、エミッタアレイ８５２ｂの列１、行１はエミッタ８６４である。各エミッタ８６２及び８６４は、閾値距離を超えて同じ異なる個別の視野に投射するように位置合わせすることができる。
【００９８】
センサアレイ８５６は、各エミッタアレイ８５２ａ、８５２ｂと同じｍ×ｎ構成に配置された光センサ８５８のアレイを含むことができ、エミッタアレイ８５２ａ、８５２ｂから放出される光を捕捉するように構成することができる。具体的には、各光センサは、各エミッタアレイ８５２ａ、８５２ｂのそれぞれのエミッタと１対１で対応することができる。例えば、光センサ８６０は、エミッタアレイ８５２ａのエミッタ８６２及びエミッタアレイ８５２ｂのエミッタ８６４に関連付けられ、同じ視野を有するように位置合わせすることができる。したがって、エミッタ８６２及び８６４が発射されてフィールド内の同じ場所（例えば、個別スポット）を照明する光を放出するとき、光センサ８６０は、光がフィールド内の物体から反射された後、エミッタ８６２及び８６４の各々からの放出光を捕捉する。この概念は、図８Ｅ及び図８Ｄに示される光センサ８６０の拡大透視図８５１を参照して理解することができる。最初に図８Ｄを参照すると、それぞれのエミッタ８６２及び８６４の重複視野は、光センサ８６０の視野（正方形として示される）の上に重ねられた単一の円として示される。図示のように、エミッタ８６２及び８６４の視野は、光センサ８６０の視野の同じ部分と重複し、光センサ８６０は、光がフィールド内の１つ以上の物体から反射された後、エミッタ８６２、８６４の各々から光を捕捉できる。
【００９９】
図８Ｅは、この概念を更に示している。図８Ｅは、センサアレイ８５６内の個々の受信器チャネルの視野及びエミッタアレイ８５２ａ、８５２ｂ内の対応するエミッタの重複視野の簡略図である。エミッタアレイ８５２ａ、８５２ｂの各エミッタは、図８Ｅに示すように、別個のバルク送信器光学系８７２ａ、８７２ｂを通してコリメートされる円錐８７０ａ及び８７０ｂとして光のパルスを放出することができる。次に、各エミッタアレイからのコリメート光は、個別のビームのパルス８７４ａ、８７４ｂとしてフィールドに出力される。
【０１００】
図８Ｅに示されるように、エミッタアレイ８５２ａ、８５２ｂは、個別のビーム８７４ａ、８７４ｂの各々が閾値距離を超えて同一の視野８８０を有するように位置合わせされる。このようにして、視野８８０によって表される個別スポットに集束される光の量は、単一ビームと比較して増加させることができ、複数の光ビームは各光センサ視野で冗長照明を提供する。放出された各光ビーム８７４ａ、８７４ｂは、フィールド内の１つ以上の物体で反射し、反射光８８２としてセンサアレイ８５６に向かって戻ることができる。次に、反射光８８２は、バルク受信器光学系８８４を伝播し、反射光をパルス光８８６の円錐として焦点に集束し、次いでセンサアレイ８５６内の対応する光センサ（例えば光センサ８６０）に集束する。エミッタ８６２及び８６４は同じ視野に光を投射するので、エミッタ８６２または８６４の１つが動作しない場合、光センサ８６０は、有利なレベルの冗長性を提供する、他のエミッタから放出されるフィールド内の特定の場所（例えば、個別スポット）で光を捕捉することができる。更に、両方のエミッタが単一の光センサに対して光を放出するように動作しているとき、光センサの感知性能が向上する。
【０１０１】
図８Ｅを参照して理解できるように、隣接するバルク送信器光学系８７２ａ、８７２ｂとバルク受信器光学系８８４との間の距離は、一例として０．５から５ｃｍの範囲であり、シーンまでの距離と比較して比較的小さい。したがって、シーンが遠くなるにつれて、各エミッタアレイ８５２ａ、８５２ｂの視野は、相互に、及びセンサアレイ８５６の視野と次第に重複する。例えば、図８Ｅに示されるように、エミッタアレイ及びセンサアレイの視野の重複領域８９０、８９２、及び８９４は、シーンまでの距離が増加するにつれて大きくなる。したがって、シーンの終わり近くの距離、例えばフィールド内の物体では、エミッタアレイ８５２ａの視野はセンサアレイ８５６の視野と実質的に重複し得、エミッタアレイ８５２ｂの視野もセンサアレイ８５６の視野と実質的に重複し得る。したがって、バルク受信器及び送信器の光学系が１センチメートル以上分離されていても、その対応する各エミッタ対及びセンサは、シーン内の本質的に同じポイントを観察することができる。すなわち、バルク送信器光学系８７２ａ、８７２ｂからシステム外部のフィールドに投射される各照明ビームは、システムからの距離において、その対応する光センサ（または対応する光センサのマイクロ光学受信器チャネル）の視野と実質的に同じサイズ及び幾何学的形状にすることができる。
【０１０２】
図８Ｄ及び図８Ｅは、２つのエミッタアレイ８５２ａ、８５２ｂがＬＩＤＡＲシステム８５０の輝度と冗長性の両方を高める実施形態を示しているが、本開示の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、より高い信頼性のために３つ以上のエミッタアレイを有することができる。例えば、いくつかの実施形態は、重複視野を有する３つ、４つ、またはそれ以上のエミッタアレイを有することができる。そのようにして、１つ、２つ、またはそれ以上のエミッタアレイが故障し、１つのエミッタアレイが依然として動作可能である場合、ＬＩＤＡＲシステムは、フィールドの画像を捕捉するために依然として動作することができる。加えて、他の実施形態は、より多くのエミッタアレイのみを有する代わりに、重複視野を有する複数のセンサアレイを有することができる。これらの複数のセンサアレイを一時的に同期し、それらのデータを下流コントローラで組み合わせて、センサの性能または冗長性を向上させることができる。そのような実施形態では、複数のエミッタからの同じ概念を、複数のセンサアレイ（したがって複数の受信器）がある場合に適用することができる。
【０１０３】
３．光放出システム用ＭＥＭＳデバイス
上記の実施形態は、フィールド内に二次元の光パターンを投射するための二次元エミッタアレイについて説明している。しかし、本開示のいくつかの実施形態は、代わりに、光エミッタの一次元アレイまたは単一の光エミッタのみで形成された送信要素を含むことができる。そのような実施形態では、図９Ａ及び９Ｂに関して本明細書で説明するように、１つ以上の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを変調して、光エミッタの一次元アレイの光をフィールド内の二次元光パターンに反射することができる。
【０１０４】
図９Ａは、本開示のいくつかの実施形態による、一次元エミッタアレイ９０２及びＭＥＭＳデバイス９０４を含む例示的な光放出システム９００の簡略図である。図９Ａは縮尺通りに描かれていないため、実際の実施態様では、エミッタアレイ９０２は必ずしもＭＥＭＳデバイス９０４よりも大きくない場合があることを理解されたい。ＭＥＭＳデバイス９０４は、任意の所定のパターンで受信光を反射することができる任意の適切なＭＥＭＳデバイスとすることができる。例えば、ＭＥＭＳデバイス９０４は、１つ以上の次元で傾斜／走査できる傾斜ミラーであり得る。図９Ａに示すように、ＭＥＭＳデバイス９０４は、単一の水平方向（すなわち、走査軸９１８）に傾斜／走査して、フィールド内に光パターン９１６を生成することができる。そのような実施形態では、エミッタアレイ９０２は、走査軸９１８に対して垂直に向けられている。結果として生じる光パターン９１６は、シーンに投射され、反射光の二次元パターンを検出するように構成されたセンサアレイに反射する二次元パターンであり得る。したがって、エミッタアレイ９１２とセンサアレイとの間に１対１の相関関係はないが、図４に関して本明細書で説明するように、エミッタアレイ９０２の視野は、その対応するセンサアレイの視野と一致することができる。
【０１０５】
いくつかの実施形態では、エミッタアレイ９０２及びＭＥＭＳデバイス９０４は、コントローラ回路、例えば、エミッタアレイ９０２及びＭＥＭＳデバイス９０４が結合される、図１における測距システムコントローラ１０４の制御下で光パターン９１６を生成することができる。コントローラ回路は、複数の画像捕捉期間（すなわち、１放出サイクル）を実行するように構成することができ、各画像捕捉期間で、エミッタアレイ９０２が、二次元照明パターン、すなわち光パターン９１６が生成されるまで、ＭＥＭＳデバイス９０４がその走査軸に沿って傾けられている間、連続的に発射される。いくつかの例では、エミッタアレイ９０２は、ＭＥＭＳデバイス９０４が走査軸に沿って連続的に傾斜している間に、ｍ個の画像捕捉期間に繰り返し放出されるｎ個の光エミッタから形成される。したがって、結果の照明パターンは、個別の光ビームのｍ×ｎアレイである。
【０１０６】
図９Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による、単一エミッタ９１２及びＭＥＭＳデバイス９１４を含む例示的な光放出システム９０１の簡略図である。エミッタのアレイの代わりに、光放出システム９０１は、光をフィールドに放出する１つの光エミッタ９１２のみを含むことができる。一次元傾斜ミラーとして構成されるとき、ＭＥＭＳデバイス９０４は、放出光を一次元にのみ投射でき、二次元ではなくセンサアレイに一致する。したがって、ＭＥＭＳデバイス９０４は、受信光を第２の次元に回折させることができる光学要素と組み合わせることができる。一例として、ＭＥＭＳデバイス９０４は、ＭＥＭＳデバイス９０４で反射した後に光を受信するように位置付けられた回折光学要素９２６と対にすることができる。回折光学要素９２６は、ＭＥＭＳデバイス９０４が傾斜しない次元で受信光を回折するように構成することができる。一例として、ＭＥＭＳデバイス９０４がｘ方向に沿って傾斜する場合、回折光学要素９２６は、受信した光をｙ方向に回折させることができる。したがって、ＭＥＭＳデバイス９０４と対にされたとき、結果として生じる光パターンは、光放出（すなわち、個別の光ビーム）の二次元パターンであり得る。
【０１０７】
動作中、エミッタ９１２及びＭＥＭＳデバイス９０４は、コントローラ回路、例えば、エミッタアレイ９０２及びＭＥＭＳデバイス９０４が結合される図１の測距システムコントローラ１０４の制御下で光パターン９１６を生成することができる。コントローラ回路は、複数の画像捕捉期間を実行するように構成することができ、各画像捕捉期間で、エミッタ９１２が、ＭＥＭＳデバイス９０４がその軸に沿って傾けられている間、連続的に発射される。回折光学要素９２６は、ＭＥＭＳデバイス９０４によって反射された光が回折光学要素９２６を通過し、ｎ個の個別の光ビームに回折されるように、ＭＥＭＳデバイス９０４の下流に位置付けることができる。ＭＥＭＳデバイス９０４が二次元照明パターン、すなわち光パターン９１６が生成されるまで傾けられている間に、ｎ個の個別の光ビームを繰り返し生成することができる。いくつかの例では、エミッタ９１２は、結果として生じる照明パターンが個別の光ビームのｍ×ｎアレイであるように、ｍ個の画像捕捉期間で繰り返し放出される。
【０１０８】
いくつかの実施形態では、ＭＥＭＳデバイス９０４は、二次元である結果として放出される光パターンを達成するために二次元で傾斜／走査することができる傾斜ミラーであり得る。すなわち、ＭＥＭＳデバイス９０４は、フィールド内に光パターン９２４を生成するために水平及び垂直方向（すなわち、走査軸９２０及び９２２）の両方で傾斜／走査することができ、それにより、別個の回折要素、例えば回折光学要素９２６の必要性を排除する。パターン９１６と同様に、光パターン９２４は、シーンに投射され、反射光の二次元パターンを検出するように構成されたセンサアレイに反射する二次元パターンであり得る。したがって、エミッタアレイ９１２とセンサアレイとの間に１対１の相関関係はないが、図４に関して本明細書で説明するように、エミッタアレイ９１２の視野は、その対応するセンサアレイの視野と一致することができる。
【０１０９】
図示されていないが、図９Ａ〜図９Ｂで説明された光エミッタは、光をコリメートし、実質的にＭＥＭＳデバイスに向ける１つ以上の対応するマイクロレンズと対にすることができることを理解されたい。更に、他の回折要素または光学要素を使用して、放出光をＭＥＭＳデバイス９０４に向けることができる。
【０１１０】
４．増強された光放出システム
本開示の実施形態は、他の用途の中でもとりわけ、自律車両における障害物検出及び回避に使用することができるＬＩＤＡＲセンサに関する。いくつかの特定の実施形態は、センサを十分に安価で十分な信頼性をもって製造し、大量市場の自動車、トラック、及び他の車両での使用に十分に小さいフットプリントを可能にする設計機能を含むＬＩＤＡＲセンサに関する。例えば、いくつかの実施形態は、放射線をフィールドに放出する照明源として垂直キャビティ面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）のセットを含み、光センサ（検出器）のセットとして単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）検出器のアレイを含むフィールド内の表面から反射された放射線を検出する。ＶＣＳＥＬをエミッタとして使用し、ＳＰＡＤを検出器として使用すると、複数の測定を同時に行うことができ（すなわち、ＶＣＳＥＬエミッタを同時に発射できる）、かつ、エミッタのセットと光センサのセットをそれぞれ単一チップ上の標準ＣＭＯＳプロセスを使用して製造できるため、製造及び組み立てプロセスが大幅に簡素化される。
【０１１１】
しかし、特定の実施形態でＶＣＳＥＬ及びＳＰＡＤを使用することは、本開示の様々な実施形態が克服する課題を提示する。例えば、ＶＣＳＥＬは、既存のＬＩＤＡＲアーキテクチャで使用される一般的なレーザに比べそれほど強力ではなく、ＳＰＡＤは、既存のＬＩＤＡＲアーキテクチャで使用される一般的な検出器よりもはるかに効率が劣る。これらの課題、及び複数のエミッタを同時に発射させることによって提示される課題に対処するために、本開示の特定の実施形態は、様々な光学部品（例えば、レンズ、フィルタ、及び開口層）を含み、これは、本明細書で説明するように、各アレイが異なるピクセル（例えば、フィールド内の位置）に対応するＳＰＡＤの複数のアレイと連携して機能することができる。例えば、図１に関して本明細書で説明するように、光感知モジュール１０８の光学システム１２８は、光センサのアレイを含み得るセンサアレイ１２６によって検出される光を増強するためのマイクロ光学受信器層（図１には図示せず）を含むことができ、各々がＳＰＡＤのアレイとすることができる。
【０１１２】
ＶＣＳＥＬは、既存のＬＩＤＡＲアーキテクチャの典型的なレーザよりも強力ではないため、いくつかの実施形態では、光放出システムは、固体電子走査ＬＩＤＡＲシステムの光測距機能を実行する能力を改善するように構成できる。すなわち、光放出システムによって放出される光の品質を増強させて、光測距の精度及び効率を改善することができる。光測距と撮像のための透過光の品質は、輝度と強度の観点から定義できる。本明細書で更に説明するように、バルク送信器光学系から放出される光線の輝度及び強度は、１つ以上の光学送信器層を修正及び／または実装することによって増強させることができる。
【０１１３】
送信光の輝度は、立体角ごとの光パワー（ワット）で定義できる。したがって、厳密なコリメーションで光を出力する光源、つまり発散が少ない光源は、輝度の高い光を生成する。逆に、発散の大きい光を出力する光源は、輝度の低い光を生成する。光の強度は、エリアごとの光パワーで定義でき、すなわち、特定のパワーで放出された光は、狭いエリアで密に圧縮された場合、より高い強度を有する。したがって、両方の光源が発散性の低い光を出力する場合でも、密に密集した光線で光を出力する光源は、密集していない光線で光を出力する光源よりも強度が高くなる。本明細書で理解されるように、本開示の実施形態におけるＬＩＤＡＲシステムの送信器部品は、マイクロ光学部品のない類似の送信器と比較して、送信器が輝度と強度を増強させた光を出力できるようにするマイクロ光学部品で構成され得る。
【０１１４】
図１０は、本開示のいくつかの実施形態による、例示的な増強された光放出システム１０００の簡略断面図である。光放出システム１０００は、例えば、光１０１３を放出するためのＬＥＤ、レーザダイオード、ＶＣＳＥＬなどのいずれかを制限なく含む光エミッタ１００４を有する光エミッタアレイ１００２を含むことができる。ＶＣＳＥＬは、上面から垂直にレーザビームを放出する半導体レーザダイオードの一種である。図１０に示される線形アレイは、円形、長方形、線形、または他の幾何学的形状を含むがこれらに限定されないエミッタアレイの任意の幾何学的形態であり得ることに留意されたい。
【０１１５】
増強された光放出システム１０００は、開放空間１０１８によって光エミッタアレイ１００２から分離されたマイクロ光学送信器チャネルアレイ１００６を含むことができる。各マイクロ光学送信器チャネル１００８は、その対応する受信器チャネル（例えば、図５の受信器チャネル５１２）と対にされ得、それらの視野の中心は、光学撮像装置システムから特定の距離で重複するように位置合わせされる。マイクロ光学送信器チャネルアレイ１００６は、光エミッタアレイ１００２に面する側に位置付けられた第１の光学面１０２０と、光エミッタアレイ１００２から離間された反対側に位置付けられた第２の光学面１０２１との間に挟まれた基板１０１９から形成され得る。第１及び第２の光学面１０２０及び１０２１の両方は、第１の光学面１０２０の各凸レンズが第２の光学面１０２０の各凸レンズと光学的に位置合わせされるように構成される、凸状のマイクロ光学レンズのアレイとしてそれぞれ構成され得、第１の光学面１０２０を透過する光は、その後、第２の光学面１０２１を透過することができる。第１及び第２の光学面１０２０及び１０２１からの対応する凸レンズは、図１０に示されるように互いに反対側を向くことができる。特定の実施形態では、第１の光学面１０２０の凸レンズは、第１の屈折力を有し、第２の光学面１０２１の凸レンズは、第１の屈折力とは異なる第２の屈折力を有する。例えば、第２の屈折力の焦点距離が第１の屈折力の焦点距離よりも短くなるように、第２の屈折力は第１の屈折力より大きくてもよい。基板１０１９は、シリコン、二酸化ケイ素、ホウケイ酸ガラス、ポリマーなどの光エミッタ１００４の波長範囲で透過性の任意の適切な材料で形成することができる。第１及び第２の光学面１０２０及び１０２１は、基板１０１９のそれぞれの対向する表面に刻印された透明なポリマーで形成することができる。
【０１１６】
いくつかの実施形態では、マイクロ光学送信器チャネルアレイ１００６は、マイクロ光学送信器チャネル１００８のモノリシックアレイで形成することができる。各マイクロ光学送信器チャネル１００８は、第１の光学面１０２０からの第１の凸レンズ、第２の光学面１０２１からの対応する第２の凸レンズ、及び２つの凸レンズ間に位置付けられた基板１０１９の対応する部分を含むことができる。各マイクロ光学送信器チャネル１００８は、それぞれの光エミッタ１００４に対応することができ、光エミッタ１００４から出力された光は、最初に第１の凸レンズ、基板１０１９の対応する領域、次に動作中に第２の凸レンズを通過する。
【０１１７】
光が第２の光学面１０２１の第２の凸レンズから放出されると、光は、その対応する光エミッタ１００４の実像であるが対応する光エミッタ１００４の縮小サイズである小型スポット画像１０１０を形成する。いくつかの実施形態では、小型スポット画像１０１０は、マイクロ光学送信器チャネルアレイ１００６とバルク送信器光学系１０１４との間に位置付けられる。例えば、小型スポット画像１０１０は、開口層１００９のそれぞれの開口部内に形成され得る。各開口部は、放出光が焦点を合わせて小型スポット画像１０１０を形成する反射層または不透明層のピンホールとすることができる。開口層１００９は任意であり、開口層１００９がなくてもマイクロ光学送信器チャネルアレイ１００６の光増強能力を達成できることを理解されたい。そのような実施形態では、小型スポット画像１０１０は、第２の光学表面１０２１の第２の凸レンズの焦点面に形成することができる。そこから、光エミッタとマイクロ光学チャネルの両方から離れていくと、光は、光円錐１０１２を形成し、バルク送信器光学系１０１４に向かって伸びる。
【０１１８】
本開示のいくつかの実施形態によれば、放出光１０１３の発散の程度は、光円錐１０１２の発散の程度よりも小さくてもよい。発散におけるこの不一致は、マイクロ光学送信器チャネル１００８、特に第２の光学面１０２１の光出力によって作成され得る。マイクロ光学送信器チャネル１００８からの光の発散は、光エミッタ１００４からの放出光１０１３の発散よりも大きいため、小型スポット画像１０１０は、光エミッタ１００４の実際の画像であり得るが、光エミッタ１００４のサイズよりも小さく、放出光１０１３と同じ数の光子を有する多数のものであり得る。実スポット画像が形成された後に形成される結果として生じる光円錐１０１２は、バルク送信器光学系１０１４を通過した後、各光エミッタ１００４に対する個別の光ビームとしてフィールドに投射される。結果として生じる光放出システム１０００から発せられる光線は、小さな断面積を有する高度にコリメートされた光ビームであり、それにより、増強された輝度と強度を有する光を出力できる光放出システム１０００をもたらす。対照的に、バルク送信器光学系１０１４の焦点面に代わりに光エミッタアレイ１００２を有するマイクロ光学チャネルアレイのないシステムは、コリメートが顕著に少ないビームを生成し、したがってこれらのビームは、遠視野でより大きな断面積を有する。
【０１１９】
バルク送信器光学系１０１４は、単一のレンズまたは２つ以上のレンズが一緒に機能してバルク送信器光学系１０１４を形成するレンズのクラスタのいずれかを含むことができることに留意されたい。バルク送信器光学系１０１４内で複数のレンズを使用すると、開口数を増やし、ＲＭＳスポットサイズを小さくし、画像面を平坦化し、テレセントリック性を改善するか、バルク送信器光学系１０１４の性能を改善できる。また、いくつかの実施形態では、光円錐１０１２が重複して円錐重複領域１０１６を形成することに留意されたい。
【０１２０】
マイクロ光学送信器チャネルアレイ１００６の動作及び有効性をよりよく理解するために、光放出システム１０００の動作のより詳細な説明が議論される。ＶＣＳＥＬエミッタで形成された光エミッタアレイを利用する増強された光放出システム１０００の場合、エミッタの例示的な初期半径は、１０°半角円錐で入射する光で１２．５μｍであり得る。そのようなエミッタは、通常、アクティブエリアの平方ミクロンあたり５０μＷを出力する。各エミッタ１００４からの発散光円錐は、マイクロ光学送信器チャネル１００８に受け入れられ、次いで、同じマイクロ光学チャネルによって収束光円錐が出力され、例えば、２０°の半角を有する収束光円錐が生成される。したがって、いくつかの実施形態では、エミッタ１００４によって生成される円錐角は、その対応するマイクロ光学送信器チャネル１００８によって生成される円錐角よりも小さい。次いで、マイクロ光学送信器チャネル１００８により発せられる収束光円錐は、エミッタの小型スポット画像１０１０を生成する。図１０による実施形態では、小型スポット画像１０１０は実像であり、その対応する光エミッタ１００４のサイズよりも小さいサイズを有する。特定のエミッタからのすべての光線が任意の小さなスポットにすべて集束するわけではないことに留意されたい。小型スポット画像のサイズは、通常「光学不変量」によって制御される。
Θ＿ｓ＊ｒ＿ｓ＞＝Θ＿ｅ＊ｒ＿ｅ
ここで、Θ＿ｓは集束スポットの周辺光線半角、ｒ＿ｓは集束スポットの半径、Θ＿ｅは元のエミッタの周辺光線半角、ｒ＿ｅは元のエミッタの半径である。したがって、この例では、（エミッタからのすべての光線を捕捉しながら）形成できる最小の小型スポット画像半径は次のとおりである。
１０／２０＊１２．５μｍ＝６．２５μｍ
【０１２１】
この小さなスポットは、元のエミッタの４分の１の面積を有するため、スポット面積１平方ミクロンあたり２００μＷの電力密度を有することに留意されたい。各マイクロ光学送信器チャネル１００８は、典型的には、例えば５０μｍの焦点距離、及び８０μｍのレンズ直径を含み得るがこれらに限定されない特性を有する１つ以上の光学面を有する。いくつかの実施形態では、光エミッタ１００４と対応するマイクロ光学送信器チャネル１００８との間の距離は、例えば、限定されないが、１５０μｍであってもよい。図１０に示されるエミッタアレイ１００２とマイクロ光学送信器チャネルアレイ１００６との間の開放空間１０１８は、例えば、限定されないが、ＭＥＭＳデバイスを製造するために通常使用される方法によって生成されるようなエアギャップであり得る。エミッタアレイ１００２とマイクロ光学送信器チャネルアレイ１００６との間の距離は、例えば１５０μｍであり得る。
【０１２２】
バルク送信器光学要素１０１４は、バルク撮像光学要素の焦点面が小型スポット画像１０１０と一致するように、マイクロ光学層及び光放出層の前に位置付けられる。バルク送信器光学系１０１４は、発散光円錐１０１２を受け入れ、コリメートビームを出力する。その開口数は、発散光ビーム円錐の角度の全範囲を捕捉するのに少なくとも十分に大きい可能性があるため、例えば、この例では開口数（ＮＡ）＝０．３４に制限されない。また、バルク送信器光学系１０１４は、マイクロ光学層を出る光円錐１０１２が（バルク光学系の中心を中心軸とするのではなく）すべて平行であり得る、画像空間テレセントリックとすることができる。一実施形態では、光は、ほぼコリメートされたバルク送信器光学系１０１４を出ることができる。ビームコリメーションの品質は、焦点面での「放出物体」（小型スポット画像１０１０）のサイズに関連することに留意されたい。この「放出物体」のサイズは、マイクロ光学スタックを使用することで縮小されているため、エミッタ物体を単純に直接撮像する場合よりも優れた視準角が得られる。
【０１２３】
図１０は、第１の光学面と第２の光学面との間に挟まれた基板で形成され、光放出システムから出力される光の輝度と強度を改善するために開放空間によって光エミッタアレイから距離を置いて位置付けられたマイクロ光学チャネルアレイを有する増強された光放出システムを示しているが、実施形態は、そのような構成に限定されない。むしろ、２０１８年５月１４日に提出され、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる「Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ  Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ」と題する関連する米国特許出願第１５／９７９，２３５号で更に詳細に議論されているように、他の実施形態は必ずしも開放空間または２つの光学面を実装しない場合がある。
【０１２４】
ＩＩＩ．センサアレイの構成及び操作
光が電子走査ＬＩＤＡＲシステムに反射されると、光検出システムは、最初に光をバルク受信光学系に通過させることで光を受信し、開口層を通して光を集束し、センサアレイ内の複数の光センサに光を照射する。場合によっては、光は、開口層を通過する前に光学フィルタを伝播できる。光がセンサアレイに照射されるとき、各光センサは、センサアレイ内のすべての光センサと組み合わせて分析すると、フィールド内のシーンの画像を生成するために使用できる個別の量の光を検出する。すなわち、各光センサを外部回路で読み取って、シーンの画像を作成できる。いくつかの実施形態によれば、図１１〜図１３に関して本明細書で説明するように、センサアレイは様々な方法で動作させることができる。
【０１２５】
図１１は、本開示のいくつかの実施形態による、列ごとにｍ×ｎセンサアレイ１１０２を動作させるためのセンサアレイ制御システム１１００の簡略図である。センサアレイ制御システム１１００は、列選択回路１１０４、１つ以上の時間デジタル化アレイ１１０６、及びデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）アレイ１１０８上の１つ以上のスタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）デバイスを含むことができる。列選択回路１１０４は、どの列をどの特定の順序で読み取るかを選択するように構成された任意の適切な回路であり得る。いくつかの実施形態では、列選択回路１１０４は、本明細書で図２及び３に関して説明したように、センサアレイ１１０２内の選択された列がエミッタアレイ内の起動された列に対応することができるように、光放出システムのドライバと同期して動作するように構成することができる。ＴＤＣアレイ１１０６は、光センサで検出された光子によって生成された信号をイベントのデジタル時系列に変換するように構成することができる。時系列は、光センサに戻る反射光子束と時間を表す一連の光子カウントであり、シーンの周りの物体の形状及び距離を決定するために使用できる。ＳＲＡＭ及びＤＳＰアレイ１１０８は、センサアレイ１１０２内の光センサからの受信信号を処理するように構成された任意の適切なマイクロコントローラまたはプロセッサであり得る。
【０１２６】
センサアレイが単一のＡＳＩＣ上に形成されるいくつかの実施形態では、時間デジタル化アレイ１１０６及びＤＳＰ１１０８は、ＡＳＩＣの端に押し込まれ、センサアレイ１１０２の周りに位置付けられ得る。このような設計では、受信器ＡＳＩＣのアクティブ領域に感光性ピクセル（例えば、ＳＰＡＤのアレイ）のために多くの空間が残されるため、より多くの光の収集と性能の向上が可能になる。
【０１２７】
動作中、列選択回路１１０４は、読み取る１つ以上の列を選択することができ、その選択された列は、ＴＤＣアレイ１１０６及びＳＲＡＭ／ＤＳＰアレイ１１０８の動作によって読み取ることができる。例えば、列選択回路１１０４は、ＴＤＣアレイ１１０６及びＳＲＡＭ／ＤＳＰアレイ１１０８を動作させることにより読み取ることができる列１１１０を選択することができる。図１１に示されるように、各列の光センサは、センサアレイ１１０２のすべての行を読み取ることにより読み取ることができる。いくつかの実施形態では、一度に１つの行のみを読み取る代わりに、一度に複数の行を読み取ることができる。例えば、センサ制御システム１１００は、センサアレイ１１０２の各側に１つずつ、２つのＴＤＣアレイ１１０６及び２つのＳＲＡＭ／ＤＳＰアレイ１１０８を含むことができる。したがって、動作中に、列選択回路１１０４は２つの列、例えば１１１０及び１１１２を選択して読み取ることができ、その場合、それぞれのＴＤＣアレイ１１０６及びＳＲＡＭ／ＤＳＰアレイ１１０８は、列を読み取ることができ、例えば、列１１１０は左側のアレイ１１０６及び１１０８によって読み取ることができ、列１１１２は右側のアレイ１１０６及び１１０８によって読み取ることができる。このような設計により、同時に読み出される光センサの２列に対応するエミッタの２列の同時発射が可能になる。各光センサによって検出されるパルス列の時系列は、ＳＲＡＭ／ＤＳＰアレイ１１０８のＳＲＡＭメモリバンクに記憶され得るため、ＳＲＡＭメモリは、この情報をＤＳＰまたは他のプロセッサ（例えば、図１のプロセッサ１２２または１３０）に提供できる。いくつかの実施形態では、ＳＲＡＭ容量は、センサアレイ１１０２を読み取るための１つのバンクではなく２つの同一のバンクが存在するように２倍にすることができる。したがって、１つのバンクが１つのピクセル列からデータを読み込むと、他のバンクはデータをデジタル信号処理システムにプッシュできる。このアーキテクチャにより、単一のＳＲＡＭバンクを備えたシステムの２倍のデータパイプライン処理と２倍のピクセル捕捉レートが可能になる。
【０１２８】
図１２に関して本明細書で説明するように、いくつかの実施形態は、列ごとに読み出されることに加えて、センサアレイが行ごとに読み出されるように構成することができる。図１２は、本開示のいくつかの実施形態による、行ごとにｍ×ｎセンサアレイ１２０２を動作させるためのセンサ制御システム１２００の簡略図である。センサ制御システム１２００は、行選択回路１２０４及びＴＤＣアレイ及びＳＲＡＭ／ＤＳＰアレイを含むことができ、これは、ＴＤＣ及びＳＲＡＭ／ＤＳＰアレイ１２０６とラベル付けされた単一の複合モジュールとして示されている。行選択回路１２０４は、図１１の列選択回路１１０４と実質的に同じ構成及び動作を有することができるが、列ではなく行ごとに光センサを選択するように動作する。ＴＤＣ及びＳＲＡＭ／ＤＳＰアレイ１２０６は、図１１のＴＤＣアレイ１１０６及びＳＲＡＭ／ＤＳＰアレイ１１０８の両方と実質的に同じ構成及び動作を有することができるが、列ではなく行ごとに光センサを読み取るように動作する。したがって、行選択回路１２０４は、読み取る行を選択することができ、ＴＤＣ及びＳＲＡＭ／ＤＳＰアレイ１２０６は、読み取り動作を実行することができる。
【０１２９】
図１１及び図１２は、行または列全体が一度に読み取られる実施形態を示しているが、実施形態はそのように限定されない。代わりに、他の実施形態は、センサアレイ内の１つ以上の光センサを個々に選択するように構成することができる。図１３Ａは、本開示のいくつかの実施形態による、列及び行制御回路を備えた光センサごとにｍ×ｎセンサアレイ１３０２を動作させるための制御システム１３００の簡略図である。列または行選択回路を１つだけ、その対応するＴＤＣ及びＳＲＡＭ／ＤＳＰアレイを１つだけ有する代わりに、センサ制御システム１３００は、列選択回路１３０４及び行選択回路１３０６の両方、ならびに行及び列ごとに読み出すためのＴＤＣ及びＳＲＡＭ／ＤＳＰアレイ１３０８及び１３１０の両方を含むことができる。そのようにして、センサ制御システム１３００は、所望の光センサが位置する特定の行及び列を選択することにより、光センサの特定の一次元グループを選択することができる。一例として、センサ制御システム１３００は、光センサ１３１２、及び／または一次元光センサ１３１４及び１３１６のグループのみを選択することができる。それらの光センサが選択されると、それぞれの列及び／または行のＴＤＣ及びＳＲＡＭ／ＤＳＰアレイ１３０８及び１３１０でそれらを読み出すことができる。
【０１３０】
いくつかの追加の実施形態では、光センサを列または行端のＴＤＣ及びメモリ（ＳＲＡＭ）に読み出す代わりに、光センサをピクセルごとのＴＤＣ及びメモリに読み出すことができるため、一次元または二次元の光センサの構成を一度に有効にする。一例として、図１３Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による、各光センサに固有の制御回路を備えた光センサごとにｍ×ｎセンサアレイ１３０２を動作させる制御システム１３０１の簡略図である。ここでは、列及び行にＴＤＣ及びＳＲＡＭ／ＤＳＰアレイを組み込む代わりに、別個のＴＤＣ及びＳＲＡＭデバイスを光センサに隣接して、または各光センサの基礎となる半導体ダイに実装して、アレイ全体で任意の数及び構成の光センサを同時に読み出すことができる。ＤＳＰアレイ１３２８及び１３３０は、センサアレイ１３０２の側面に実装することができ、各光センサの下のＴＤＣ及びＳＲＡＭデバイスの共有リソースであるか、ＤＳＰを各ピクセルに組み込むこともできる。そのような実施形態では、センサアレイ１３０２は、電気信号がそれらの間を通過する単一構造に一緒に接合された２つ以上のモノリシック電子デバイス（「半導体ダイ」）のスタックとして製造できる。上部半導体ダイは、光検出効率を最大化するか、ノイズを最小化するプロセスによって製造されたセンサアレイ１３０２を含むことができるが、ＴＤＣ及びＳＲＡＭデバイスの他のダイは、低電力、高速デジタル処理用に最適化される。この構成では、センサアレイ１３０２を操作して、目的の光センサが存在する特定の行及び列を選択し、それぞれのＴＤＣ及びＳＲＡＭデバイスが選択した光センサの読み出しを個々に実行することにより、任意の構成の光センサの任意の一次元または二次元グループを選択できる。一例として、センサ制御システム１３０１は、様々な構成の光センサ１３３４及び１３３６の二次元グループを選択することができる。それらの光センサが選択されると、それぞれのＴＤＣ及びＳＲＡＭデバイスによって個々に読み出すことができる。光センサのこれらの二次元グループの選択は１マイクロ秒未満で完了し、グループは常に循環するため、センサ制御システムには、その対応するエミッタアレイの駆動回路グループに対応する多数の光センサグループを事前定義する構成レジスタが含まれる場合がある。例えば、いくつかの実施形態では、レーザエミッタアレイ用の１６個の独立したレーザ駆動バンクと、光センサグループを定義する１６個の別個の構成レジスタがあり、これらの構成は測距システムコントローラ、または図１に関して本明細書で説明する他のコントローラによって選択され得、エミッタアレイの発射をその対応する光センサグループの選択と同期させる。これらのグループ化レジスタは、センサアレイがオンになったときに構成でき、測距システムコントローラからの制御入力または標的環境からの情報に基づいてグループの順序を変更するように再プログラムできる。
【０１３１】
本明細書で説明するように、エミッタアレイ及びセンサアレイ、したがってそれらのために光を操作するそれぞれのマイクロ光学送信器チャネル及び受信器チャネルは、エミッタアレイから放出された光をセンサアレイで検出できるように互いに対応させることができる。エミッタと光センサとの間の対応を説明するのに役立てるため、図１４〜図１６に示すように、マイクロ光学送信器チャネルの開口部のアレイをマイクロ光学受信器チャネルのピクセルのアレイに重ねることができる。
【０１３２】
図１４〜図１６は、光エミッタが円（いくつかの実施形態では、マイクロ光学送信器チャネルの開口部を表し得る）によって表されるエミッタアレイに関するセンサアレイの例示的な構成を示しており、マイクロ光学受信器チャネルの光センサは、明確にするため、及び理解を容易にするために、固有の幾何学的形状プロファイル（すなわち、正方形／長方形）によって表される。図１４〜１６に示されるエミッタ及びセンサアレイは、実際のエミッタ及びセンサアレイの一部分を表すのみであり、図に示されるよりも多くのエミッタ及び光センサを含むことができることを理解されたい。更に、図１４〜図１６に示される各光センサは、単一の光検出器、または複数のＳＰＡＤＳであり得る。
【０１３３】
図１４は、本開示のいくつかの実施形態による、エミッタアレイとセンサアレイとが１対１の対応を有する構成１４００の簡略図である。示されるように、各光エミッタ１４０２はそれぞれの光センサ１４０４に対応することができ、したがって、放出光がフィールド内の物体で反射した後、エミッタ１４０２によって放出される光は、その対応する光センサ１４０４によって検出することができる。水平及び垂直側壁１４０６及び１４０８は、隣接する光センサ間のクロストークを軽減することができる。そのような実施形態では、水平及び垂直ピクセルピッチ寸法は同じであってもよい。例えば、構成１４００のセンサアレイの水平及び垂直ピクセルピッチは、１００μｍ×１００μｍであり得る。
【０１３４】
いくつかの実施形態では、光センサの次元を変更して、センサアレイの解像度を１つ以上の方向に変更することができる。例えば、図１５は、本開示のいくつかの実施形態による、エミッタアレイとセンサアレイとが１対１対応を有するが、一次元で修正された解像度である構成１５００の簡略図である。示されるように、各光センサ１５０４は、図１４の構成１４００のセンサアレイの解像度と比較すると、垂直解像度が減少するように、より長い長さを有することができる。そのような実施形態では、各光センサ１５０４は、長方形の形状であり得る。１つ以上の次元で解像度を下げると、電気部品を取り付けることができる空間が増える。そのような実施形態では、水平及び垂直ピクセルピッチ寸法は異なっていてもよい。例えば、構成１５００のセンサアレイの水平及び垂直ピクセルピッチは、１００μｍ×２００μｍであり得る。
【０１３５】
図１６は、本開示のいくつかの実施形態による、センサアレイが多重化された光センサを有する構成１６００の簡略図である。多重化された光センサ構成では、複数の光センサがエミッタアレイの単一エミッタに対応でき、一部の光センサは複数のエミッタに対応できる。例えば、構成１６００のエミッタアレイは、エミッタの開口部によって画定されるエミッタの視野を表す円によって特徴付けられるエミッタ１６０２ａ〜ｈを含むことができる。各エミッタ１６０２ａ〜ｈは、センサアレイ内の複数の光センサ１６０４ａ〜ｆに対応することができる。一例として、エミッタ１６０２ａは、４つの光センサ、光センサ１６０４ａ〜ｄに対応することができ、各々は、フィールド内の物体から反射した後にエミッタ１６０２ａから放出される光を捕捉できる少なくとも一部分を有する。図１６は４つの光センサに対応するエミッタのみを示しているが、他の実施形態は、６、８、または１６など他の適切な数の光センサに対応するエミッタを有することができる。単一エミッタの光を検出するためのより多くの光センサを有することで、フィールドで測定される各ピクセルのダイナミックレンジが広がり、より密集したセンサアレイを実装でき、解像度が向上する。
【０１３６】
いくつかの実施形態では、１つ以上の光センサは、複数のエミッタからの光を感知するように構成され得る。一例として、エミッタ１６０２ｃの視野は、光センサ１６０２ｃ〜ｆと重複する可能性がある。したがって、エミッタ１６０２ａの視野は光センサ１６０２ａ〜ｄと重複するため、光センサ１６０２ｃ〜ｄは、エミッタ１６０２ａ及び１６０２ｃの両方に対応することができる。この感知重複を有効にすると、光センサリソースを共有できるため、より効率的なセンサアレイが提供される。図１６で理解できるように、多重化された光センサの動作を可能にするために、隣接する列の光センサ間の側壁は存在せず、代わりに、行間の側壁１６０６のみが存在し得る。異なるエミッタの光センサの重複に加えて、柱壁の欠如は、クロストークの影響を受ける場合がある。したがって、隣接する光センサ間のクロストークを軽減しながら、光センサのリソースを共有できるように、エミッタアレイを変調することが有益であり得る。例えば、図１６のエミッタアレイが図２に関して本明細書で議論されるような列変調エミッタアレイであり、エミッタ１６０２ａ〜ｂ（同様に、エミッタ１６０２ｃ〜ｄ、１６０２ｅ〜ｆ、及び１６０２ｇ〜ｈ）が一度に起動される場合、その後、エミッタアレイは、第１のインスタンスでエミッタ１６０２ａ〜ｂ及び１６０２ｅ〜ｆを起動させ、次に第２のインスタンスでエミッタ１６０２ｃ〜ｄ及び１６０２ｇ〜ｈを起動させるように構成され得る。エミッタ１６０２ａ〜ｂ及び１６０２ｅ〜ｆは、図８Ａ及び図８Ｄに関して本明細書で説明される、同じエミッタアレイまたは異なるエミッタアレイからのエミッタであり得る。
【０１３７】
図１６は個々の光センサとして各点線の正方形を参照しているが、実施形態はそのような実施態様に限定されず、各点線の正方形は他の感知要素を表すことができることを理解されたい。例えば、いくつかの実施形態では、各点線の正方形は、ＳＰＡＤＳのアレイまたは個々のＳＰＡＤを表すことができる。この例では、構成１６００の全体としての点線の正方形のアレイは、どのエミッタ１６０２ａ〜ｈが光放出しているかに応じて、１つ以上のＳＰＡＤＳまたは個々のＳＰＡＤのアレイの読み出しを動的に選択するアモルファス感知アレイとして動作できる。例えば、ＳＰＡＤＳ  １６０４ａ〜ｄのアレイは、エミッタ１６０２ａが第１の捕捉期間中に起動されるときに読み出すことができ、ＳＰＡＤＳ  １６０４ｃ〜ｆのアレイは、エミッタ１６０２ａが第２の捕捉期間中に起動されるときに読み出すことができる。ＳＰＡＤＳ１６０４ａ〜ｄの各アレイは、図８Ｃに関して本明細書で同様に説明されるように、光センサのサブ領域に対応することができ、またはＳＰＡＤＳ１６０４ａ〜ｄの各アレイは、個々の光センサに対応することができる。
【０１３８】
ＩＶ．電子走査ＬＩＤＡＲシステムの固体構築
図１７は、本開示のいくつかの実施形態による、例示的な光送信モジュール１７００の構造の断面図である。光送信モジュール１７００は、基板１７０４上に形成されたエミッタアレイ１７０２を含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、エミッタアレイ１７０２は、半導体チップ上に直接形成されたＶＣＳＥＬアレイとすることができる。エミッタアレイ１７０２は、図６及び図７Ａ〜図７Ｂに関して本明細書で説明するように、ドライバ回路（図示せず）とともに構造１７０６、例えばセラミックプレートに取り付けることができ、構造１７０６は、相互接続構造１７０８、例えば、プリント回路基板（ＰＣＢ）上に取り付けることができる。いくつかの実施形態では、構造１７０６は、エミッタアレイ１７０２を動作させることができるドライバＡＳＩＣなどのドライバ回路であり得る。ドライバ回路として構成されているとき、構造１７０６は、基板１７０４の下側にフリップチップボンディングすることができる。エミッタアレイ１７０２を動作させるために、相互接続構造１７０８に様々な他の電気部品（図示せず）を取り付けることもできる。したがって、相互接続構造１７０８は、ワイヤボンド（図示せず）などの任意の適切な方法を介して基板１７０４と電気的に結合することができる。
【０１３９】
いくつかの実施形態では、光送信モジュール１７００は、エミッタアレイ１７０２が結合される側とは反対側で相互接続構造１７０８に結合されるヒートシンク１７１６を含むことができる。そのようにして、ヒートシンク１７１０は、動作中にエミッタアレイ１７０２から熱を奪い、過熱を防ぐことができる。この機能を提供するために、様々な部品に熱ルーティング構造を含めて、エミッタアレイ１７０２からヒートシンク１７１０への熱伝達を可能にすることができる。例えば、光送信モジュール１７００は、ヒートシンク１７１０と相互接続構造１７０８との間に熱電冷却器（ＴＥＣ）１７１２を含み、エミッタアレイ１７０２によって生成された熱をヒートシンク１７１０に送るか、エミッタアレイ１７０２の温度を調節できる。ＴＥＣ１７１２は、図１７に示されるように、複数の熱伝導性ビアを挟む２つのプレートを含むことができる。ヒートシンク１７１０は、フィンを備えた金属構造など、周囲環境に熱を放散することができる任意の適切なヒートシンクであり得る。いくつかの実施形態では、相互接続構造１７０８は、相互接続構造１７０８の上面と底面との間に延在して支持構造１７０６、基板１７０４、及びエミッタアレイ１７０２をヒートシンク１７１０に熱的に結合するサーマルビア１７１４のアレイを含むことができる。サーマルビア１７１４は、タングステン、銅、アルミニウム、または他の金属材料など、適切な熱伝導性材料で形成することができる。
【０１４０】
Ｖ．走査ＬＩＤＡＲシステムのための例示的な実施態様
本開示のいくつかの実施形態によれば、電子走査ＬＩＤＡＲシステムは、固定アーキテクチャを有する固体システムとして構成され得る。そのようなＬＩＤＡＲシステムは回転せず、したがって、センサ及び送信器モジュールを回転させるための別個のモータを必要としない。固体ＬＩＤＡＲシステムの例を図１８及び図１９に示す。
【０１４１】
図１８及び図１９は、固体電子走査ＬＩＤＡＲシステムの例示的な実施態様の簡単な図である。具体的には、図１８は、本開示のいくつかの実施形態による、自動車などの道路車両１８０５の外側領域に固体電子走査ＬＩＤＡＲシステム１８０２ａ〜ｄが実装される実施態様１８００を示す。図１９は、本開示のいくつかの実施形態による、固体電子走査ＬＩＤＡＲシステム１９０２ａ〜ｂが道路車両１９０５の上部に実装される実施態様１９００を示す。各実施態様では、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できる。ＬＩＤＡＲシステムの自動車実施態様は、本明細書では単に説明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、列車などの他の種類の車両で、ならびに医用撮像、携帯電話、拡張現実、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、林業、大気物理学、レーザ誘導、空中レーザスワスマッピング（ＡＬＳＭ）、レーザ高度計などの、３Ｄ深度画像が有用な様々な他の用途で、利用され得る。
【０１４２】
図１８００を参照すると、固体電子走査ＬＩＤＡＲシステム１８０２ａ〜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。ＬＩＤＡＲシステム１８０２ａ〜ｄはそれぞれ、車両１８０５の最も外側のコーナーの近くに位置付けられるように、車両１８０５のそれぞれのコーナーに位置付けることができる。そのようにして、ＬＩＤＡＲシステム１８０２ａ〜ｄは、エリア１８０６ａ〜ｄのフィールド内の物体からの車両１８０５の距離をより良好に測定することができる。各固体ＬＩＤＡＲユニットは、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複する及び／または非重複の視野を有して）向くことができる。シーン内の物体は、ＬＩＤＡＲ  Ｔｘモジュール１８０８から放出される光パルス１８１０の部分を反射することができる。次いで、光パルス１８１０の１つ以上の反射部分１８１２は、ＬＩＤＡＲシステム１８０２ａに戻り、Ｒｘモジュール１８０９により受信され得る。Ｒｘモジュール１８０９は、Ｔｘモジュール１８０８と同じハウジングに配設することができる。本明細書で説明するように、電子走査ＬＩＤＡＲシステム１８０２ａ〜ｄは、シーンを電子的に走査して、シーンの画像を捕捉することができる。したがって、ＬＩＤＡＲシステム１８０２ａは、ポイント１８２０と１８２２との間を走査して、エリア１８０６ａのフィールド内の物体を捕捉することができ、システム１８０２ｂ〜ｄ及びエリア１８０６ｂ〜ｄについても同様である。
【０１４３】
図１８は、車両の四隅に取り付けられた４つの固体電子走査ＬＩＤＡＲシステムを示しているが、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固体電子走査ＬＩＤＡＲシステムを有することができる。例えば、図１９に示すように、電子走査ＬＩＤＡＲ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、電子走査ＬＩＤＡＲシステム１９０２ａ〜ｂは、車両１９０５の周囲のエリア１９０７ａ〜ｂをより良好に観察するためにより高い視点を有することができる。いくつかの実施形態では、図９Ａ〜図９Ｂに関して本明細書で更に説明するように、走査は、チップベースのビームステアリング技術などの他の手段、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つ以上のＭＥＭＳベースの反射器を使用するマイクロチップの使用によって、実装できる。
【０１４４】
本明細書で言及されるように、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できる。したがって、各ＬＩＤＡＲシステム１８０２ａ〜ｄは、約９０度の視野を有するように設計することができ、４つのシステム１８２０ａ〜ｄすべてが実装されると、車両１８０５の周りの３６０度の視野の実質的な大部分を観察できる。各ＬＩＤＡＲシステム１８０２ａ〜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、図２０に関して本明細書で更に説明するように、視野を拡張して単一のＬＩＤＡＲ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つ以上の追加のＬＩＤＡＲシステムを実装することができる。
【０１４５】
図２０は、本開示のいく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複数組の放出及び検出システムを含む例示的な固体電子走査ＬＩＤＡＲシステム２０００の簡略化された平面図である。図２０に示すように、固体電子走査ＬＩＤＡＲシステム２０００は、中央支持構造２００４に取り付けられた放出及び検出システム２００２ａ〜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５の光放出システム５０３、及び光検出システム、例えば図５の光検出システム５０１を含む。各セットは、支持構造２００４の中心から半径方向外側に配置され得、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２００６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、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できるようになる。更に、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合わせて、日付がより広い視野、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できるようにする。
【０１４６】
Ｖ．受信器チャネルクロストークの軽減
本明細書の開示によって理解され得るように、受容要素内の隣接するチャネルは、互いに非常に近接して（例えば、互いに１００ミクロン以内に）位置付けられ得る。本開示のいくつかの実施形態は、受信要素の狭いピッチに起因して隣接チャネル間で発生する可能性のあるクロストークを最小化する１つ以上の構造を含む。理想的には、図２１Ａに示すように、迷光はどのチャネルでも受信されない。
【０１４７】
図２１Ａは、チャネル間にクロストークがない光検出システム２１００の一部の簡略断面図である。動作中、垂直光線２１０２及び主光線２１０４はバルク撮像光学系２１０６に入り、光円錐２１０８を生成する。光線２１０２及び２１０４は、開口層２１１０の開口部に入り、コリメートレンズ２１１１に入る。コリメートレンズ２１１１は、限られた範囲の入射光角度を受け入れる。例えば、コリメートレンズ２１１１は、垂線に対して＋２５〜−２５度の入射角の光線を受け入れることができる。図２１Ａは、入射角が＋２５〜−２５度の光円錐２１０８を示す。主光線２１０４は、開口部の中心を通過する光線である。この例では、主光線２１０４はコリメートレンズ２１１１への入射角が０度である。
【０１４８】
図２１Ｂは、チャネル間にクロストークがある光検出システム２１０１の一部の簡略断面図である。この場合、動作中に、斜め光線２１１２及び主光線２１１４はバルク受信器光学系２１１６に入り、後にコリメートレンズ２１２１に入る。この例では、コリメートレンズ２１２１は、画像の中心から更に離れた光センサに対応するマイクロ光学チャネルに属する。この例では、主光線２１１４の入射角は−１２度で、集束光の円錐の入射角は＋１２度から−３５度である。コリメートレンズ２１２１は、＋２５〜−２５度の入射角の光のみを受け入れるため、光線の一部を排除する。更に、コリメートレンズの受け入れ円錐の外側にある光線は、他の光学面に進み、迷光になる可能性がある。したがって、非テレセントリックバルク撮像光学系は、誤った光線２１２２で他のチャネルを汚染する可能性がある一方で、光検出器に送信する信号光子が顕著に少なくなる。一方、テレセントリックバルク撮像光学系は、入射角が約＋２５〜−２５度の光円錐と、コリメートレンズへの入射角が約０度の主光線を、斜め光線２１１２及び主光線２１１４の角度に関係なく生成する。レーザがテレセントリックである（主光線がすべて平行である）とき、ＶＣＳＥＬＳまたはサイドエミッタダイオードレーザバーの場合と同様に、テレセントリックバルク撮像光学系には送信器と同様の利点がある。
【０１４９】
いくつかの実施形態では、光感知モジュールの光検出システムは、入力画像空間テレセントリックバルク撮像光学系を使用する。他のいくつかの実施形態では、例えばコストよりも視野の拡大が性能よりも重要である場合、光検出システムは両凸レンズなどのより標準的な入力バルク撮像光学系を使用してもよい。画像空間テレセントリックレンズへの任意の入力フィールドに対して、結果の主光線は光軸に平行であり、画像側光線円錐はすべてほぼ同じ角度セットに広がる。これにより、光検出システムの光軸から遠く離れたマイクロ光学チャネルで、軸上のマイクロ光学チャネルと同様の性能を達成できる。光検出システムは、これが機能するために完全な画像空間テレセントリック性を必要としないが、完全なテレセントリック性に近いほど優れている。＋／−２５度の光のみを受け入れることができるマイクロ光学受信器の光学層レンズの場合、入力バルク撮像光学系は、焦点面のすべてのポイントに対して角度が２５度以下の画像側光線を生成することが好ましい。
【０１５０】
特定の実施形態では、広視野及び狭帯域撮像を有する特定の光検出システムは、０．３４に等しい開口数（ＮＡ）及び２０ｍｍの焦点距離を有する入力画像空間テレセントリックバルク撮像光学系を有し得る。同様に、他のいくつかの実施形態は、１ｎｍ幅の帯域通過フィルタを有することができ、それにより、非常に特定の波長の光を検出することが可能になる。光検出システムは、３０度を超えるＦＯＶをサポートできる。
【０１５１】
本開示のいくつかの実施形態によれば、マイクロ光学受信器チャネルアレイの各チャネルの設計は、それぞれの光検出器への迷光の侵入を最小限に抑える特徴を有するように具体的に構成され、これにより、迷光の発生によって引き起こされる悪影響を低減または排除する。図２２は、本明細書の議論においてマイクロ光学受信器チャネルとも呼ばれる例示的なマイクロ光学受信器チャネル構造２２００の簡略断面図である。受信器チャネル２２００は、図５のマイクロ光学受信器チャネル５１２を表すことができ、広範囲の波長を含む光の入力円錐を受け入れ、動作波長を中心とするこれらの波長の狭い帯域を除くすべてを除外する役割を果たし、光センサ２２０２が、前述の波長の狭帯域内の光子のみまたは実質的に光子のみを検出することを可能にする。本開示のいくつかの実施形態によれば、受信器チャネル２２００などのマイクロ光学受信器チャネル構造は、以下の層を含むことができる。
●図５に示されるバルク受信器光学系５０２（図２２には示されない）などの撮像光学系の焦点面に置かれたときに狭い視野を画定するように構成された光学的に透明な開口部２２０６及び光学的に不透明な停止領域２２０８を含む入力開口層２２０４。開口層２２０４は、入力周辺光線ライン２２１０を受信するように構成される。本明細書における「光学的に透明」という用語は、ほとんどまたはすべての光を通過させることを指す。本明細書における光は、近紫外、可視、及び近赤外範囲（例えば３００ｎｍ〜５０００ｎｍ）の電磁放射のスペクトルを指す。本明細書における光学的に不透明とは、光をほとんどまたは全く通過させず、むしろ光を吸収または反射することを指す。開口層２２０４は、光学的に不透明な停止領域によって互いに分離された均一な面積の光学的に透明な開口部のアレイを含むことができる（例えば、各開口部は同じ直径を有するピンポイントホールであり得る）。開口部と停止領域は、光学的に透明な基板などの単一のモノリシック部品上に構築できる。開口層２２０４は、開口部２２０６の一次元または二次元アレイを任意選択で含むことができる。
●焦点距離により特徴付けられるコリメートレンズ２２１４を含み、焦点距離により開口部２２０６及び停止領域２２０８からオフセットされ、開口部２２０６と軸方向に位置合わせされ、開口部を通過した光子をコリメートして、それらが受信器チャネル２２００の光軸と位置合わせされたコリメートレンズ２２１４の軸にほぼ平行に移動するように構成される、光学レンズ層２２１２。光学レンズ層２２１２は、クロストークを低減するために、開口部、光学的に不透明な領域、及びチューブ構造を任意選択で含むことができる。
●コリメートレンズ２２１４に隣接し、開口部２２０６の反対側にある、典型的にはブラッグ反射型フィルタである光学フィルタ２２１８を含む、光学フィルタ層２２１６。光学フィルタ層２２１６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２２１６は、任意の数の光学フィルタ２２１８を含むことができる。光学フィルタ層２２１６は、クロストークを低減するために、開口部、光学的に不透明な領域、及びチューブ構造を任意選択で含むことができる。
●光学フィルタ層２２１６に隣接し、光センサ２２０２に入射する光子を検出するように構成された光センサ２２０２を含む、光センサ層２２２０。本明細書の光センサ２２０２は、光子を検出できる単一の光検出器、例えば、アバランシェフォトダイオード、ＳＰＡＤ（単一光子アバランシェ検出器）、ＲＣＰ（共振空洞フォトダイオード）など、または、単一の大きなフォトン検出エリアと比較して、より高いダイナミックレンジ、低いダークカウントレート、または他の有益な特性を備えた単一の光センサとして機能するために一緒に協働するＳＰＡＤのアレイなどのいくつかの光検出器を指す。各光検出器は、光子、すなわち光を感知することができるアクティブエリアにすることができる。いくつかの実施形態では、光センサ層は、光検出器のアレイを含み、各光検出器は、開口層２２０４の対応する開口部の面積よりも大きい実質的に均一な検出面積を有する。各光センサがＳＰＡＤまたは他の光検出器のアレイである実施形態では、所与の光センサのＳＰＡＤまたは他の光検出器は、感知エリア全体に分布している。光センサ層２２２０は、光検出器で作られた層を指し、検出効率を改善し、隣接する受信器構造とのクロストークを低減するオプションの構造を含む。光センサ層２２２０は、必要に応じて、拡散器、収束レンズ、開口部、光学的に不透明なチューブスペーサ構造、光学的に不透明な円錐スペーサ構造などを含み得る。
【０１５２】
迷光は、光学面の粗さ、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、受信器チャネル２２００内または受信器チャネル２２００の外部の多くの特徴で生成される可能性がある。迷光の方向は、コリメートレンズ２２１４の光軸に非平行な経路に沿ってフィルタ領域２２１８を通り、開口部２２０６とコリメートレンズ２２１４との間で反射し、一般的には、多くの反射と屈折を含む可能性のある他の経路または軌跡を取る。複数の受信器チャネルが互いに隣接してアレイ化されている場合、ある受信器チャネルのこの迷光は、別のチャネルの光センサに吸収され、それにより、光子に固有のタイミング、位相、または他の情報が汚染される可能性がある。したがって、受信器チャネル２２００は、受信器チャネル間のクロストークを低減するためのいくつかの構造を特徴とする場合がある。
【０１５３】
いくつかの実施形態によれば、マイクロ光学チャネル層構造の各層は、迷光の有害な影響を軽減する特定の方法で設計することができる。各層の様々な異なる設計は、２０１８年５月１４日に出願された米国特許出願第１５  ／  ９７９，２９５号「Ｍｉｃｒｏ−ｏｐｔｉｃｓ  ｆｏｒ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｍｏｄｕｌｅ  ｗｉｔｈ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｃｏｎｖｅｒｇｉｎｇ  Ｌｅｎｓｅｓ  ｐｅｒ  Ｃｈａｎｎｅｌ」で説明されている。
【０１５４】
このような各層は、クロストークを軽減するために様々な方法で構成できる。すなわち、図２２に関して本明細書で説明するように、迷光を隣接する受信器チャネルにさらす。しかし、本開示の実施形態はその特定の構成に限定されず、他の実施形態は、上述の米国特許出願第１５  ／  ９７９，２９５号に開示されたそれぞれの層の異なる実施形態を使用して異なる方法で構成することができる。
【０１５５】
図２２で理解できるように、受信器チャネルは、特定の機能を実行する複数の層を含むことができる。ただし、各層には関連する製造コストがある。したがって、層の数が多いと、製造コストが高くなる場合がある。場合によっては、１つ以上の層を削除するか、受信器チャネルの構成を簡素化して、受信器チャネルの検出能力に顕著に影響を与えずにコストを節約することが望ましい場合がある。そのような簡素化された受信器チャネルの例は、図２３に関して本明細書で説明される。
【０１５６】
図２３は、例示的な簡略化された受信器チャネル２３００の簡略化された断面図であり、本開示のいくつかの実施形態によれば、光センサ（例えば、ＳＰＡＤのアレイ）が非常に密に詰め込まれ、狭い間隔のために、受信器チャネルの開口部がより小さくなる実施形態によく適している。例えば、光センサアレイがＳＰＡＤのアレイを含む回転ＬＩＤＡＲ用途では、アレイは２００ミクロンまたは４００ミクロンのピクセルピッチを有するように設計することができる。一部の固体ＬＩＤＡＲ設計で競争力のある解像度を実現するために、ピクセルは、例えば１００ミクロン以下など、更に狭いピッチでまとめられている。より大きな２００〜４００ミクロンのチャネルでは、各センサチャネルの開口部（例えば、開口部２３０４）は、いくつかの例では、直径が約２５〜３０ミクロンであり得る。センサチャネルがより小さなピッチ（１００ミクロンなど）に縮小されると、開口部の直径も縮小される。狭ピッチと小口径の組み合わせにより、口径を通過する光線をコリメートするためのレンズ層を含む利点は、レンズを製造する追加の処理ステップに値しない場合がある。
【０１５７】
図２３に示すように、受信器チャネル２３００は、不透明層２３０６に形成された開口部２３０４を含む開口層２３０２を含むことができる。いくつかの実施形態では、開口部２３０４は、層２３０６内の開口部によって画定される空隙で形成することができ、他のいくつかの実施形態では、開口部２３０４は、光学的に透明な材料で形成することができる。
【０１５８】
受信器チャネル２３００は、図２３に示すように、開口層２３０２の真上に位置付けられた、または開口部２３０２と光センサ２３２６との間に位置付けられた光学フィルタ層２３１４を更に含むことができる。光学フィルタ層２３１４は、光学フィルタ２３１６を構造的に支持する光学的に透明な基板２３１８上に直接位置付けられた光学フィルタ２３１６を含むことができる。図１４及び図１５と比較することによって理解できるように、受信器チャネル２３００は、開口部２３０４に入る光をコリメートするための光学レンズ層を含まない。光学レンズ層を除去することにより、受信器チャネル２３００は、より少ない層でよりシンプルな設計を有することができる。光学レンズ層を含まないことによる光学性能の犠牲は、受信器チャネルの製造におけるコスト削減と簡素化を上回らない場合がある。更に、受信器チャネル２３００の１つ以上の他の層を修正して、光学レンズ層の欠如を補償することができる。例えば、光学フィルタ２３１６は、図２２の光学フィルタ２２１８よりも広い帯域通過フィルタになるように修正することができる。光学レンズ層を有しないことにより、入射光の角度が大きくなり、より広いスペクトルの波長が含まれる。したがって、光学フィルタ２３１６を通過する光のより広いスペクトルを可能にするためにより広い通過帯域を有するより広い帯域通過フィルタであることによる。いくつかの実施形態では、光学フィルタ２３１６は、いくつかの特定の実施形態では９ｘ〜１１ｘ、特に１０ｘなど、光学フィルタ１４１６及び１５１６よりも通過帯域幅が一桁大きい。したがって、一例として、光学フィルタ２３１６は、光学フィルタ１４１６及び１５１６に対して１ｎｍの通過帯域ではなく、１０ｎｍの広い通過帯域を有することができる。
【０１５９】
開口層２３０２のすぐ下に、光センサ層２３２０があってもよい。いくつかの実施形態では、受信器チャネル２３００の光センサ層２３２０は、光学的に不透明なスペーサ構造２３２２、収束レンズセット２３２４、及び光センサ２３２６を含むことができる。収束レンズセット２３２４は、光センサ２３２６の上面に直接位置付けることができ、光センサ２３２６内の個別の光検出器２３２８ごとに１つの収束レンズを含むことができ、収束レンズセット２３２４の各レンズは、光学フィルタ層２３１４及び開口部２３０４を通過した入射光子を、非アクティブエリア２３３０ではなく、その対応する個別の光検出器２３２８に集束させるように構成される。更に、光学的に不透明なスペーサ構造２３２２は、光学的に不透明な材料（例えば、黒色クロム）で形成することができる。光学的に不透明なスペーサ構造２３２２は、光センサ２３２６と開口層２３０２との間の領域において、光が受信器チャネル２３００の外側に移動するのを防ぐ管を形成する。
【０１６０】
本開示のいくつかの実施形態によれば、開口部２３０４は、それぞれの光センサの前に開口部２３０４を位置付けることにより、光センサ２３２６によって検出される視野を制限し、それにより、開口部２３０４が光センサ２３２６にフィールド内の単一ポイントのみを観察させるため、光センサ２３２６の空間的視力が改善される。開口部２３０４は、特定の角度で伝搬する光のみが受信器チャネルに入り、光センサ２３２６に露出する、または光センサ２３２６がＳＰＡＤＳのアレイとして配置されている場合は、すべてのＳＰＡＤＳに露出するフィルタリング機能も提供する。いくつかの実施形態では、開口部２３０４のサイズは、光センサ２３２６のサイズよりも小さい。
【０１６１】
図２３に関して本明細書で説明した実施形態のいずれかに従って受信器チャネルを実装することにより、誤った光が隣接する受信器チャネルに露出することを防止することができ、それにより、撮像のために光子を捕捉する各光センサの能力の精度が増強する。
【０１６２】
ＶＩＩ．電子走査ＬＩＤＡＲシステムの仕様
本開示の実施形態によって理解され得るように、特定のＬＩＤＡＲシステムの視野及び解像度は、例えば、センサアレイのサイズ、センサアレイ内の光センサのピッチ、エミッタアレイのピッチ、エミッタアレイのサイズ、単一の光センサ内のＳＰＡＤのピッチなど、これらに限定されないいくつかの相互に関係する要因に依存し得るセンサアレイが大きくなると、センサピッチのサイズが一定である視野が大きくなる可能性がある。また、光センサのピッチを小さくすると、センサアレイのサイズが一定である場合に画像の解像度が高くなるが、視野が狭くなる。
【０１６３】
一部の商用ＬＩＤＡＲ仕様の要件を満たすために、電気走査ＬＩＤＡＲシステムは様々な方法で設計できる。例えば、一部の商用ＬＩＤＡＲ仕様では、水平方向に約４５度、垂直方向に２２．５度の最小視野と、約２５６ピクセル×１２８ピクセルの最小解像度が必要である。したがって、一部の走査ＬＩＤＡＲシステムは、２５６×１２８のセンサアレイを有するセンサアレイで構成することにより、これらの要件を満たすように設計できる。アレイのサイズをコンパクトに保つために、光センサのピッチは、垂直方向と水平方向の両方の次元で、５０〜７０μｍ、特定の実施形態では特に６０μｍの範囲にすることができる。また、各光センサがＳＰＡＤＳのアレイで形成される実施形態では、ＳＰＡＤピッチは５〜１５μｍの範囲、特定の実施形態では特に１０μｍとすることができる。そのような実施形態では、各光センサは１６個のＳＰＡＤＳを有することができる。結果として得られるセンサアレイのサイズは、約１５ｍｍ×７．６ｍｍになる。
【０１６４】
センサアレイが十分な光を受信するようにするために、センサアレイの仕様を補完するようにエミッタアレイを設計できる。例えば、エミッタアレイは、２つのエミッタアレイで構成でき（これにより、２つの光放出システムを備えたＬＩＤＡＲシステムが得られる）、エミッタアレイは、図８Ａに関して本明細書で説明するように、各々が単独でよりも高い解像度を達成するために組み合わせることができる疎なエミッタアレイである。組み合わせとして、エミッタアレイは、センサアレイの光センサ構成に一致する照明パターンを生成できる。したがって、各エミッタのサイズは約７．６ｍｍ×３．８ｍｍである。
【０１６５】
ＶＩＩＩ．センサアレイの読み出し線の位置付け
図１１〜図１３に見られるように、読み出し線（それぞれのセンサアレイ１１０２、１２０２、及び１３０２の矢印で示される）は、光センサと重複して示されている。しかし、他の実施形態では、これらの読み出し線を再配置して、光センサの面積を最大化することができる。一例として、図２４は、本開示のいくつかの実施形態による、センサアレイ２４０２の拡大部分２４００の簡略図である。複数の列イネーブル線２４０４及び読み出し線２４０６が存在して、光センサ２４０８の動作を可能にすることができる。列有効線２４０４及び読み出し線２４０６をセンサアレイ２４０２を通して光センサ２４０８間にルーティングする代わりに、列有効線２４０４及び読み出し線２４０６をセンサアレイ２４０２の周囲、すなわち、センサアレイ２４０２の外周の近くまたは外側にルーティングすることができる。更に、光センサ２４０８がＳＰＡＤであるとき、各ＳＰＡＤは、アナログフロントエンド部品２４１０を必要とする。これは、動作中に光センサ２４０８のバイアス、消光、及び再充電を行うように構成された固体デバイスである場合があり、読み出し線２４０６もフロントエンド部品２４１０の外側にルーティングすることができる。列有効線２４０４及び読み出し線２４０６をセンサアレイ２４０２の周囲にルーティングすることにより、光センサ２４０８は、それらの局所的なエリアのフィルファクタを最大化するように位置付けられ得る。これをマイクロレンズアレイと組み合わせて使用すると、光センサレベルで高い光学フィルファクタが可能になる。
【０１６６】
光センサ２４０８に更に多くの空間を提供するために、１つ以上の部品を、センサアレイが配設されるシリコン基板の裏側に、または全く異なる基板に取り付けることができる。一例として、図２５は、本開示のいくつかの実施形態による、基板の裏側に取り付けられた１つ以上の部品を備えたセンサアレイ２５０２の拡大部分２５００の簡略図である。複数の列有効線２５０４及び読み出し線２５０６が存在して、光センサ２５０８の動作を可能にし、センサアレイ２５０２の周囲に位置付けられ得る。センサアレイ２５０２とともに基板の前面にフロントエンド部品を位置付ける代わりに、フロントエンド部品を背面に取り付けることができ、これにより、光センサ２５０８用の空間をより多く確保できる。したがって、図２４に見られるフロントエンド部品２４１０は図２５には存在せず、センサアレイ２５０２が位置付けられるエリアが増加する。したがって、センサアレイの解像度を高めることができ、チップのサイズを小さくすることができ、それによりコストを節約することができる。
【０１６７】
本開示を特定の実施形態に関して説明してきたが、本開示は、添付の特許請求の範囲内のすべての修正及び同等物を網羅することを意図していることが理解されよう。
【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３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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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２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【国際調査報告】
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