(57)【要約】  ここでは、統合ＬＩＤＡＲ測定装置を用いて３次元ＬＩＤＡＲ測定を実行するための方法及びシステムについて記載する。１つの態様では、戻り信号受信機は、照明光のパルスの生成及び戻り信号のデータ取得を開始させるパルストリガー信号を生成し、また時間・デジタル変換による飛行時間計算を開始させる。加えて、戻り信号受信機は、各戻りパルスの幅とピーク振幅も推定し、各戻りパルス波形のピーク振幅を含むサンプリング窓全体にわたって各戻りパルス波形を個別にサンプリングする。さらなる態様において、各戻りパルスに関連する飛行時間は、粗いタイミング推定値及び精密なタイミング推定値に基づいて推定される。別の態様において、飛行時間は、内部光学クロストークと有効な戻りパルスによる測定パルスから測定される。【選択図】図１
2020519881.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリント回路基板に取り付けられた照明源と、
前記プリント回路基板に取り付けられた照明ドライバ集積回路（ＩＣ）であって、前記照明ドライバＩＣは、パルストリガー信号に応答して前記照明源を選択的に電源に接続し、前記照明源に照明光の測定パルスを放射させることを特徴とする照明ドライバ集積回路（ＩＣ）と、
前記プリント回路基板に取り付けられた光検出器であって、前記光検出器は、前記照明光の測定パルスに応答して光検出器が受け取る戻り光を検出し、前記検出された戻り光を示す出力信号を生成するように構成されていることを特徴とする光検出器と、
前記プリント回路基板に取り付けられた戻り信号受信機ＩＣであって、前記戻り信号受信機ＩＣは、
測定窓の持続時間中に前記出力信号を受信し、
前記検出された戻り光の１つ以上の戻りパルスを識別し、
識別された前記戻りパルスの各々と関連付けられた飛行時間を決定し、
識別された前記戻りパルスの各々のセグメントの１つ以上の特性を決定するよう構成されていることを特徴とする戻り信号受信機ＩＣと、
を具備する統合ＬＩＤＡＲ測定装置。
【請求項２】
前記戻り信号受信機ＩＣは、前記戻り信号受信機ＩＣが受信したパルスコマンド信号に応答して前記パルストリガー信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の統合ＬＩＤＡＲ測定装置。
【請求項３】
前記戻り信号受信機ＩＣには戻り信号分析モジュールが含まれ、前記戻り信号分析モジュールは、
第１の入力ノード、第２の入力ノード、及び出力ノードを有するコンスタントフラクション弁別器モジュールであって、前記出力信号は、前記第１の入力ノードで受信され、前記出力信号が前記第２の入力ノードでの閾値電圧値を超えると、前記出力ノードでのヒット信号は異なる値に切り替わることを特徴とする、コンスタントフラクション弁別器モジュール
を具備することを特徴とする請求項１に記載の統合ＬＩＤＡＲ測定装置。
【請求項４】
前記戻り信号分析モジュールは、
前記コンスタントフラクション弁別器の前記出力ノード、第２の入力ノード、及び出力ノードに接続された第１の入力ノードを有する粗いタイミングモジュールであって、前記パルストリガー信号は、前記第２の入力ノードに生じ、前記粗いタイミングモジュールは、前記パルストリガー信号のトランジッションと前記ヒット信号のトランジッションとの間で費やされた時間を示すデジタル値を前記出力ノードに生成することを特徴とする粗いタイミングモジュールをさらに具備することを特徴とする請求項３に記載の統合ＬＩＤＡＲ測定装置。
【請求項５】
前記デジタル値は、前記パルストリガー信号の前記トランジッションと前記ヒット信号の前記トランジッションとの間に生じるデジタルクロック信号のトランジッションの数の総計であることを特徴とする請求項４に記載の統合ＬＩＤＡＲ測定装置。
【請求項６】
前記戻り信号分析モジュールは、
第１の入力ノード、第１の出力ノード、及び第２の出力ノードを有する精密なタイミングモジュールであって、前記ヒット信号は前記第１の入力ノードに生じ、前記精密なタイミングモジュールは、前記ヒット信号の前記トランジッションとそれに続く前記デジタルクロック信号のトランジッションとの間の時間差を示す第１の電気信号を前記第１の出力ノードに生成し、前記ヒット信号の前記トランジッションとそれに続く反転させた前記デジタルクロック信号のトランジッションとの間の時間差を示す第２の電気信号を前記第２の出力ノードに生成することを特徴とする精密なタイミングモジュールをさらに具備することを特徴とする請求項５に記載の統合ＬＩＤＡＲ測定装置。
【請求項７】
前記粗いタイミングモジュールは準安定信号を生成し、前記準安定信号は、前記デジタルクロック信号の周期の半分だけ時間移動させたデジタルクロック信号であることを特徴とする請求項５に記載の統合ＬＩＤＡＲ測定装置。
【請求項８】
前記パルストリガー信号の前記トランジッションと前記ヒット信号の前記トランジッションとの間で費やされた時間、前記ヒット信号の前記トランジッションとそれに続く前記デジタルクロック信号のトランジッションとの間の時間差、前記ヒット信号の前記トランジッションとそれに続く前記反転させた前記デジタルクロック信号のトランジッションとの間の時間差、及び前記準安定信号を示すデジタル値に少なくとも部分的に基づいて前記照明光の測定パルスの飛行時間の値を推定するよう構成された飛行時間モジュールをさらに具備することを特徴とする請求項７に記載の統合ＬＩＤＡＲ測定装置。
【請求項９】
前記戻り信号分析モジュールは、
前記ヒット信号が生じる第１の入力ノードと、
イネーブル信号が生じる第２の入力ノードと、
出力ノードと、
を有するパルス幅検出モジュールをさらに具備し、
前記パルス幅検出モジュールは、前記イネーブル信号のトランジッションと前記ヒット信号の振幅が閾値を下回った時との間の時間差を示す電気信号を前記出力ノードに生じさせることを特徴とする請求項３に記載の統合ＬＩＤＡＲ測定装置。
【請求項１０】
前記戻り信号分析モジュールは、
前記ヒット信号のトランジッションの後に前記出力信号のピーク振幅を示す出力信号を生成するよう構成された戻りパルスサンプリング・ホールドモジュールをさらに具備することを特徴とする請求項３に記載の統合ＬＩＤＡＲ測定装置。
【請求項１１】
前記戻りパルスサンプリング・ホールドモジュールはさらに、各々が前記ピーク振幅の前後の出力信号の振幅を示す複数の出力信号値を生成するよう構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の統合ＬＩＤＡＲ測定装置。
【請求項１２】
前記ピーク振幅の前後の出力信号サンプルの数はプログラム可能であることを特徴とする請求項１１に記載の統合ＬＩＤＡＲ測定装置。
【請求項１３】
前記検出された戻り光の前記１つ以上の戻りパルスうちの最初の戻りパルスは、前記照明源と前記光検出器との間の光学クロストークに起因するものであり、前記１つ以上の戻りパルスのうちのそれに続く各戻りパルスに関連する飛行時間は、前記最初の戻りパルスに準拠して決定されることを特徴とする請求項１に記載の統合ＬＩＤＡＲ測定装置。
【請求項１４】
前記測定窓の持続時間は、概ね前記統合ＬＩＤＡＲ測定装置から前記ＬＩＤＡＲ測定装置の最大範囲まで行きそして前記ＬＩＤＡＲ測定装置に戻るまでの光の飛行時間となることを特徴とする請求項１に記載の統合ＬＩＤＡＲ測定装置。
【請求項１５】
プリント回路基板に取り付けられた戻り信号受信機ＩＣが受信したパルスコマンド信号に応答してパルストリガー信号を生成するステップと、
前記パルストリガー信号に応答して、照明源を選択的に電源に接続し、前記照明源に照明光の測定パルスを放出させるステップと、
前記照明光の測定パルスに応答して光検出器が受信した戻り光を検出するステップであって、前記照明源及び前記光検出器は、前記プリント回路基板に取り付けられていることを特徴とするステップと、
検出した前記戻り光を示す出力信号を生成するステップと、
測定窓の持続時間中に前記戻り信号受信機ＩＣで前記出力信号を受信するステップと、
検出した前記戻り光の１つ以上の戻りパルスを識別するステップと、
検出した前記戻り光の各々に関連付けられた飛行時間を決定するステップと、
識別した前記戻りパルスの各々のセグメントの１つ以上の特性を決定するステップと、
を具備する方法。
【請求項１６】
前記出力信号が電圧閾値を越えたとき、別の値に切り替えるヒット信号を生成するステップと、
前記パルストリガー信号のトランジッションと前記ヒット信号のトランジッションとの間に費やされた時間を示すデジタル値を生成するステップであって、前記デジタル値は、前記パルストリガー信号の前記トランジッションと前記ヒット信号の前記トランジッションとの間に生じたデジタルクロック信号のトランジッションの総数であることを特徴とするステップと、
をさらに具備することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記ヒット信号の前記トランジッションとそれに続く前記デジタルクロック信号のトランジッションとの時間差を示す第１の電気信号及び前記ヒット信号とそれに続く反転させた前記デジタルクロック信号のトランジッションとの時間差を示す第２の電気信号を生成するステップと、
準安定信号を生成するステップであって、前記準安定信号は前記デジタルクロック信号の周期の半分だけ時間移動させたデジタルクロック信号であることを特徴とするステップと、
をさらに具備することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記パルストリガー信号の前記トランジッションと前記ヒット信号の前記トランジッションとの間に費やされた時間を示す前記デジタル値、前記ヒット信号の前記トランジッションとそれに続く前記デジタルクロック信号のトランジッションとの間の前記時間差、前記ヒット信号の前記トランジッションとそれに続く前記反転させた前記デジタルクロック信号のトランジッションとの間の前記時間差、及び前記準安定信号の、少なくとも一部に基づいて照明光の前記測定パルスの飛行時間の値を推定するステップをさらに具備することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
イネーブル信号のトランジッションと前記ヒット信号が閾値を下回る瞬間との間の時間差を示す電気信号を生成するステップをさらに具備することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記ヒット信号の前記トランジッションの後の前記出力信号のピーク振幅を示す出力信号を生成するステップをさらに具備することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記ピーク振幅の前後の前記出力信号の前記振幅をそれぞれ示す複数の出力信号を生成するステップをさらに具備し、前記ピーク振幅の前後の出力信号サンプルの数はプログラム可能であることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
プリント回路基板に取り付けられた照明源と、
前記プリント回路基板に取り付けられた照明ドライバ集積回路（ＩＣ）であって、前記照明ドライバＩＣは、パルストリガー信号に応答して前記照明源を選択的に電源に接続し、前記照明源に照明光の測定パルスを放射させることを特徴とする照明ドライバ集積回路（ＩＣ）と、
前記プリント回路基板に取り付けられた光検出器であって、前記光検出器は、前記照明源と前記光検出器との間のクロストークに起因する第１の照明光の測定パルス及び、第２の測定パルスにより照射された周囲環境の位置から反射された光の有効な戻りパルスを検出するよう構成されていることを特徴とする光検出器と、
前記プリント回路基板に取り付けられた戻りパルス受信機ＩＣであって、前記戻りパルス受信機ＩＣは、クロストークに起因して前記第１の照明光の測定パルスを検出した時と、前記光の有効な戻りパルスを検出した時との間の時間を推定するよう構成されていることを特徴とする戻りパルス受信機ＩＣと、
を具備する統合ＬＩＤＡＲ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本特許出願は、２０１７年５月８日に出願された「ＬＩＤＡＲデータ収集及び制御」というタイトルの米国特許仮出願第６２／５０３，２３７号に基づき優先権を主張して２０１８年５月８日に出願された「ＬＩＤＡＲデータ収集及び制御」というタイトルの米国特許出願第１５／９７４，５２７に基づく優先権を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれるものとする。
【０００２】
開示した実施形態は、ＬＩＤＡＲベースの３Ｄポイントクラウド測定システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
ＬＩＤＡＲシステムは、光のパルスを使用して、各光パルスの飛行時間（ＴＯＦ）に基づいて物体までの距離を測定する。ＬＩＤＡＲシステムの光源から発せられる光パルスは、遠方の物体と互いに影響し合う。光の一部は物体から反射し、ＬＩＤＡＲシステムの検出器に戻る。光パルスの放射と戻り光パルスの検出との間の経過時間に基づいて、距離を推定する。いくつかの例では、レーザーエミッターによって光のパルスが生成される。光パルスは、レンズ又はレンズアセンブリを介して集光される。レーザー光のパルスがエミッターの近くに取り付けられた検出器に戻るのにかかる時間を測定する。距離は、時間測定により高精度で導出される。
【０００４】
一部のＬＩＤＡＲシステムは単一のレーザーエミッター／検出器の組み合わせを使用し、回転ミラーを組み合わせて、平面を効果的にスキャンする。このようなシステムによって実行される距離測定は、事実上２次元（つまり平面）であり、捕捉した距離ポイントは２次元（つまり単一平面）のポイントクラウドとされる。いくつかの例では、回転ミラーは非常に高速度で回転する（例えば：毎分数千回転）。
【０００５】
多くの操作シナリオでは、３Ｄポイントクラウドが必要である。周囲の環境を３次元で調査するために、多くのスキームが採用されている。いくつかの例では、２Ｄ機器は上下に、及び／又は前後に、多くの場合ジンバル上で動作する。これは、センサーの「ウィンク」又は「うなずき」として当業者に一般的に知られている。したがって、単一のビームＬＩＤＡＲユニットを使用して、一度に１点ではあるが、距離点の３Ｄアレイ全体をキャプチャできる。関連する例では、プリズムを使用してレーザーパルスを、それぞれがわずかに異なる垂直角を持つ複数の層に「分割」する。これは、上記のうなずき効果をシミュレートするが、センサー自体は作動しない。
【０００６】
上記のすべての例で、単一のレーザーのエミッター／検出器の組み合わせの光路は、単一のセンサーよりも広い視野を得るために何らかの形で変更されている。このような装置が単位時間あたりに生成できるピクセル数は、本質的に、単一のレーザーのパルス繰り返し速度の制限により制限される。ミラー、プリズム、又は、カバレッジエリアを拡大する装置の作動により、ビーム経路を変更することで、ポイントクラウド密度が低下することとなる。
【０００７】
上記のように、３Ｄポイントクラウドシステムにはいくつかの構成がある。しかしながら、多くのアプリケーションでは、広い視野で見る必要がある。例えば、自律走行車の用途では、車両の前の地面を見るために、垂直方向の視野をできるだけ下方に拡大する必要がある。さらに、車が道路の窪みに入った場合に備えて、垂直方向の視野は地平線の上方に拡大する必要がある。さらに、現実の世界で生じる動きとその動きの画像化との間の遅延を最小限にする必要がある。いくつかの例では、完結した画像更新を毎秒少なくとも５回行うことが望ましい。これらの要件に対処するために、複数のレーザーエミッターと検出器のアレイを含む３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステムが開発された。このシステムは、２０１１年６月２８日に発行された米国特許番号７，９６９，５５８に記載されており、その内容は、参照により全体が本明細書に組み込まれるものとする。
【０００８】
多くの用途において、一連のパルスが放出される。各パルスの方向は、連続的に急速に変化する。これらの例では、個々のパルスに関連付けられた距離測定ではピクセルを考慮し、高速で連続的に放出及び捕捉されたピクセルの集合（つまり「ポイントクラウド」）を画像として得たり、他の理由（障害物の検出など）のために分析したりできる。いくつかの例では、結果的に得られたポイントクラウドをユーザーに３次元で表示される画像として得るために表示ソフトウェアを使用する。実写カメラで撮影されたかのように見える３Ｄ画像として測定距離を表現するためにさまざまなスキームを使用することができる。
【０００９】
いくつかの既存のＬＩＤＡＲシステムは、共通の基板（例えば、電気実装ボード）上で統合されていない照明源と検出器を採用している。さらに、照明ビーム経路と収集ビーム経路は、ＬＩＤＡＲ装置内で分離されている。これにより、オプトメカニクスの設計が複雑になり、調整が困難になる。
【００１０】
加えて、異なる方向に照明ビームをスキャンさせるために使用される機械装置は、機械的振動、慣性力、及び一般的な環境条件に敏感である。設計が適切でない場合、これらの機械装置は劣化して、性能の低下や故障につながる可能性がある。
【００１１】
高解像度及び高スループットで３Ｄ環境を測定するには、測定パルスは非常に短くなければならない。現在のシステムは、持続時間が短いパルスを生成し、持続時間が短い戻りパルスを解像する能力が限られているため、解像度が低いという問題がある。
【００１２】
現実的な動作環境ではターゲットの反射率と接近度が大きく変化するため、検出器の飽和により測定能力が制限される。加えて、電力消費によりＬＩＤＡＲシステムが過熱する場合がある。
【００１３】
照明具、ターゲット、回路、及び温度は、実際のシステムによって異なる。これらすべての要素の変動は、各ＬＩＤＡＲ装置で検出した信号を適切に較正しなければシステムのパフォーマンスを制限することとなる。
【００１４】
画像解像度及び画像範囲を改善するために、ＬＩＤＡＲシステムの照明ドライブ電子機器及び受信電子機器の改善が望まれる。
【発明の概要】
【００１５】
ここでは、統合ＬＩＤＡＲ測定装置を用いて３次元ＬＩＤＡＲ測定を実行するための方法及びシステムについて説明する。
【００１６】
１つの態様では、ＬＩＤＡＲ測定装置の戻り信号受信機は、照明ドライバに、電力を照明源へ供給させるパルストリガー信号を生成し、照明光源に照明光のパルスを生成させる。加えて、パルストリガー信号により、戻り信号のデータ収集と関連する飛行時間計算のデータ取得が開始される。このようにして、パルスの生成と戻りパルスデータの取得の両方を開始させるために、パルストリガー信号が使用される。これにより、パルスの生成と戻りパルスの取得の正確な同期が保証され、時間・デジタル変換による正確な飛行時間計算が可能になる。
【００１７】
別の態様では、戻り信号受信機は、照明光のパルスに応じて周囲環境の１つ以上の物体から反射される光の１つ以上の戻りパルスを識別し、戻りパルスの各々に関連する飛行時間を決定する。戻り信号受信機は、各戻りパルスの幅、各戻りパルスのピーク振幅も推定し、各戻りパルス波形のピーク振幅を含むサンプリング窓で個別に各戻りパルス波形をサンプリングする。これらの信号の特性とタイミングの情報は、統合ＬＩＤＡＲ測定装置から主制御装置に伝達される。
【００１８】
さらなる態様では、各戻りパルスに関連付けられた飛行時間は、粗いタイミングモジュール及び精密なタイミングモジュールに基づいて戻り信号受信機によって推定される。さらなる態様では、ヒット信号がクロックトランジションに到達したとき、準安定ビットを使用して、粗いタイミングモジュールの正しいカウントを決定する。準安定ビットの値は、ヒット信号がカウンタ信号の高から低へのトランジションに到達したのか又はカウンタ信号の低から高へのトランジションに到達したのか、つまり、正しいカウント値になったかの決定を行う。
【００１９】
別のさらなる態様では、戻りパルス受信機ＩＣは、照明源と統合ＬＩＤＡＲ測定装置の光検出器との間の内部的なクロストークに起因するパルスの検出と、有効な戻りパルスとの間で費やされた時間に基づき飛行時間を測定する。このようにして、システムに起因する遅延は飛行時間の推定から排除される。
【００２０】
別の態様では、主制御装置は、別々の統合ＬＩＤＡＲ測定装置にそれぞれ伝達される複数のパルスコマンド信号を生成するように構成される。各戻りパルス受信機ＩＣは、受信したパルスコマンド信号に基づいて、対応するパルストリガー信号を生成する。
【００２１】
上述の記載は要約であり、したがって、必然的に、簡素化、一般化及び詳細の省略が含まれ、したがって、当業者であればこの要約は単なる例示であり、決して限定のためのものではないことを理解するであろう。他の態様、創作的特徴、及びここに記載した装置及び／又はプロセスの利点は、ここに記載した非限定的な詳細な説明において明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】少なくとも１つの新規な態様における少なくとも１つの統合ＬＩＤＡＲ測定装置を含むＬＩＤＡＲ測定システムの１つの実施形態を示す簡略図である。
【００２３】
【図２】統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０からの測定パルスの放射、及び戻り測定パルスの捕捉に関連するタイミングを図示する。
【００２４】
【図３】１つの実施形態における戻り信号分析モジュール１６０を含む戻り信号受信機ＩＣの一部を示す１つの実施形態を示す簡略図を示す。
【００２５】
【図４】１つの実施形態におけるコンスタントフラクション弁別器モジュール１７０を含む戻り信号受信機ＩＣの一部の１つの実施形態を示す簡略図を示す。
【００２６】
【図５】１つの実施形態における粗いタイミングモジュールを含む戻り信号受信機ＩＣの一部の１つの実施形態を示す簡略図を示す。
【００２７】
【図６】１つの実施形態における精密なタイミングモジュールを含む戻り信号受信機ＩＣの一部の１つの実施形態を示す簡略図を示す。
【００２８】
【図７】１つの実施形態におけるパルス幅検出モジュールを含む戻り信号受信機ＩＣの一部の１つの実施形態を示す簡略図を示す。
【００２９】
【図８】１つの例示的な操作シナリオにおける３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１００の実施形態を示す図である。
【００３０】
【図９】１つの例示的な操作シナリオにおける３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１０の別の実施形態を示す図である。
【００３１】
【図１０】１つの例示的な実施形態における３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１００の分解図を示す。
【００３２】
【図１１】光学素子１１６の詳細を示す図である。
【００３３】
【図１２】集光した光１１８の各ビームの整形を示す光学系１１６の断面図である。
【００３４】
【図１３】少なくとも１つの新しい態様における、統合ＬＩＤＡＲ測定装置により、ＬＩＤＡＲ測定を実行する方法３００を例示するフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
次に、本発明の背景例及びいくつかの実施形態を詳細に参照するが、それらの例は添付図面に示されている。
【００３６】
図１は、１つの実施形態におけるＬＩＤＡＲ測定システム１２０を示す。ＬＩＤＡＲ測定システム１２０には、主制御装置１９０と１つ以上の統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０とが含まれる。統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０には、戻り信号受信機集積回路（ＩＣ）１５０、窒化ガリウムベースの照明ドライバ集積回路（ＩＣ）１４０、照明源１３２、光検出器１３８、及びトランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）１４１が含まれる。これらの素子の各々は、素子間の機械的支持及び電気的接続性を提供する共通基板１４４（例えば、プリント回路基板）に取り付けられている。
【００３７】
加えて、いくつかの実施形態では、統合ＬＩＤＡＲ測定装置には、基板１４４に取り付けられた電子素子に電力を供給し、照明装置１３２に電力を供給する１つ以上の電源が含まれる。電源は、適切な電圧又は電流を供給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、１つ以上の電源が基板１４４に取り付けられている。しかしながら、一般に、ここに記載の電源のいずれかは、別々の基板に取り付けられ、適切な方法で基板１４４に取り付けられた様々な素子に電気的に接続することができる。
【００３８】
主制御装置１９０は、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０の受信機ＩＣ１５０に伝達されるパルスコマンド信号１９１を生成するように構成される。一般に、ＬＩＤＡＲ測定システムには、いくつかの異なる統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０が含まれる。これらの実施形態では、主制御装置１９０は、パルスコマンド信号１９１を、異なる統合ＬＩＤＡＲ測定装置の各々に伝達する。このようにして、主制御装置１９０は、任意の数の統合ＬＩＤＡＲ測定装置によって実行されるＬＩＤＡＲ測定のタイミングを調整する。
【００３９】
パルスコマンド信号１９１は、主制御装置１９０によって生成されたデジタル信号である。かくて、パルスコマンド信号１９１のタイミングは、主制御装置１９０に関連するクロックによって決定される。いくつかの実施形態では、パルスコマンド信号１９１は、照明ドライバＩＣ１４０によるパルス生成及び受信機ＩＣ１５０によるデータ取得を開始させるために直接使用される。しかしながら、照明ドライバＩＣ１４０及び受信機ＩＣ１５０は、主制御装置１９０と同じクロックを共有しない。このため、パルスコマンド信号１９１を直接使用してパルス生成とデータ収集を開始させる場合、飛行時間の正確な推定は、はるかに計算が面倒になる。
【００４０】
１つの態様では、受信機ＩＣ１５０は、パルスコマンド信号１９１を受信し、パルスコマンド信号１９１に応答して、パルストリガー信号ＶＴＲＧ１４３を生成する。パルストリガー信号１４３は、照明ドライバＩＣ１４０に伝達され、照明源１３２に照明光１３４のパルスを生成させる電気パルス１３１を、照明源１３２に供給するために照明ドライバＩＣ１４０を直接的に動作させる。加えて、パルストリガー信号１４３は、戻り信号１４２及び関連する飛行時間計算のデータ取得を直接的に開始させる。このようにして、受信機ＩＣ１５０の内部クロックに基づいて生成されたパルストリガー信号１４３を、パルス生成と戻りパルスデータ取得の両方を開始させるために使用する。これにより、時間からデジタルへの変換により正確な飛行時間の計算を可能にする、パルス生成と戻りパルス取得との同期を確実なものとする。
【００４１】
照明源１３２は、電気エネルギー１３１のパルスに応答して照明光１３４の測定パルスを放射する。照明光１３４は、ＬＩＤＡＲシステムの１つ以上の光学素子により、周囲環境の特定の場所に焦点を合わせて投射される。
【００４２】
いくつかの実施形態では、照明源１３２はレーザーベースのもの（例えば、レーザーダイオード）である。いくつかの実施形態では、照明源は、１つ以上の発光ダイオードをベースにしている。一般に、任意の適切なパルス照明源を考えることができる。
【００４３】
図１に示されるように、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０から放射された照明光１３４と、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０に向かって反射する対応する戻り測定光１３５は、光路を共有する。統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０には、アクティブセンサー領域１３７を有する光検出器１３８が含まれる。図１に示すように、照明源１３２は、光検出器の活性領域１３７の視野の外側に位置する。図１に示すように、オーバーモールドレンズ１３６は、光検出器１３８に取り付けられている。オーバーモールドレンズ１３６には、戻り光１３５の光線受け入れ円錐に対応する円錐形空洞が含まれる。照明源１３２からの照明光１３４は、ファイバ導波路によって検出器受信円錐に入射される。光カプラーは、照明源１３２をファイバ導波路と光学的に接続する。ファイバ導波路の端部で、ミラー要素１３３は、照明光１３４を戻り光１３５の円錐に入射させるために、導波路に対してある角度（例えば、４５度）に傾けられている。１つの実施形態では、ファイバ導波路の端面は４５度の角度で切断され、端面は高反射誘電体コーティングでコーティングされて鏡面を提供する。いくつかの実施形態では、導波管には、長方形のガラスコアと、より低い屈折率のポリマークラッドとが含まれる。いくつかの実施形態では、光学アセンブリ全体が、ポリマークラッディングの屈折率に厳密に一致する屈折率を有する材料でカプセル化されている。このようにして、導波路は、照明光１３４を最小のオクルージョンで戻り光１３５の受け入れ円錐に入射させる。
【００４４】
検出器１３８のアクティブ検知領域１３７に投射される戻り光１３５の受け入れ円錐内の導波路の配置は、照明スポットと検出器の視野とが遠視野で確実に最大の重なりを有するように選定する。
【００４５】
図１に示すように、周囲環境から反射された戻り光１３５は、光検出器１３８によって検出される。いくつかの実施形態では、光検出器１３８はアバランシェフォトダイオードである。光検出器１３８は出力信号１３９を生成し、これは戻り信号受信機ＩＣ１５０に伝達される。
【００４６】
出力信号１３９は、ＴＩＡ１４１によって受信され増幅される。増幅された信号１４２は、戻り信号分析モジュール１６０に伝達される。一般に、出力信号１３９の増幅には、複数の増幅器段を含むことができる。この意味で、本特許文書の範囲内で他の多くのアナログ信号増幅方式を考えることができるため、アナログトランスインピーダンス増幅器を非限定的な例として提示する。図１に示すように、ＴＩＡ１４１は戻り信号受信機ＩＣ１５０と統合されるが、一般に、ＴＩＡ１４１は、受信機ＩＣ１５０とは別の個別的なデバイスとして実装することができる。いくつかの実施形態では、ＴＩＡ１４１を受信機ＩＣ１５０と統合して、スペースを節約し、信号の混入を削減することが好ましい。
【００４７】
戻り信号受信機ＩＣ１５０はいくつかの機能を実行する。１つの態様では、受信機ＩＣ１５０は、照明光１３４のパルスに応答して周囲環境の１つ以上のオブジェクトから反射された１つ以上の光の戻りパルスを識別し、これらの各戻りパルスに関連付けられた飛行時間を決定する。一般に、出力信号１３９は、ＬＩＤＡＲ測定装置１３０から装置１３０の最大範囲に等しい距離まで行き装置１３０に戻るまでの光の飛行時間に対応する期間、戻り信号受信機ＩＣ１５０によって処理される。この期間中、照明パルス１３４は、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０から異なる距離にあるいくつかのオブジェクトに遭遇することがある。したがって、出力信号１３９は、デバイス１３０から異なる距離に位置する異なる反射面から反射される照明ビーム１３４の一部にそれぞれ対応するいくつかのパルスを含むことができる。別の態様では、受信機ＩＣ１５０は、各戻りパルスの様々な特性を決定する。図１に示すように、受信機ＩＣ１５０は、各戻りパルスの幅の表示を決定し、各戻りパルスのピーク振幅を決定し、各戻りパルス波形のピーク振幅を含むサンプリング窓全体にわたって各戻りパルス波形を個別にサンプリングする。これらの信号特性とタイミング情報は、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０から主制御装置１９０に伝達される。主制御装置１９０は、このデータをさらに処理するか、又は、このデータをさらなる画像処理のために（例えば、ＬＩＤＡＲ測定システム１２０のユーザーにより）外部のコンピュータ装置に直接伝達することができる。
【００４８】
図２は、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０からの測定パルスの放射及び戻り測定パルスの捕捉に関連するタイミングを図示する。図２に示すように、受信機ＩＣ１５０によって生成されるパルストリガー信号１４３の立ち上がりエッジによって測定を開始する。図１及び図２に示すように、増幅された戻り信号１４２は、ＴＩＡ１４１により生成される。前述のように、測定窓（つまり、収集された戻り信号データが特定の測定パルスと関連付けられている期間）は、パルストリガー信号１４３の立ち上がりエッジでデータ取得を有効にすることによって開始される。受信機ＩＣ１５０は、測定パルスシーケンスの放射に応答して、戻り信号が予想される時間の窓に対応するように、測定窓の持続時間Ｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔを制御する。いくつかの例では、パルストリガー信号１４３の立ち上がりエッジで測定窓が有効になり、ＬＩＤＡＲシステムの範囲の約２倍の距離にわたる光の飛行時間に対応する時刻で無効になる。このように、測定窓は、ＬＩＤＡＲシステムに隣接するオブジェクト（つまり、無視できる飛行時間）からＬＩＤＡＲシステムの最大範囲までにあるオブジェクトの戻り光を収集するために開いている。このようにして、有用なリターン信号に貢献できない可能性のある他のすべての光が排除される。
【００４９】
図２に示すように、戻り信号１４２には、放出された測定パルスに対応する３つの戻り測定パルスが含まれる。一般に、信号検出は、検出されたすべての測定パルスに対して実行される。さらに、最も近い有効信号１４２Ｂ（すなわち、戻り測定パルスの最初の有効な事象）、最も強い信号、及び最も遠い有効信号１４２Ｃ（すなわち、測定窓における戻り測定パルスの最後の有効な事象）を識別するために信号分析を実行することができる。これらの事象はいずれも、潜在的に有効な距離測定としてＬＩＤＡＲシステムから報告することができる。
【００５０】
ＬＩＤＡＲシステムからの光の放出に関連する内部システム遅延（例えば、スイッチング要素、エネルギー貯蔵要素、及びパルス発光装置に関連する信号通信遅延及び待ち時間）、及び光の収集と収集された光を示す信号の生成（例えば、増幅器の待ち時間、アナログデジタル変換遅延など）に関連する遅延は、光の測定パルスの飛行時間の推定における誤差の原因となる。したがって、パルストリガー信号１４３の立ち上がりエッジと各有効戻りパルス（すなわち、１４２Ｂ及び１４２Ｃ）との間の経過時間に基づく飛行時間の測定には、望ましくない測定誤差が入り込んでいる。いくつかの実施形態では、修正した実際の光の飛行時間の推定値を得るため、電子的な遅延を補正するために、較正済みの所定の遅延時間が採用されている。ただし、動的に変化する電子遅延に対して静的な補正を行うことには、精度に限界が生じる。頻繁に再キャリブレーションを行うこともできるが、これには計算の複雑さが伴い、システムの動作可能時間に悪影響を及ぼす。
【００５１】
別の態様では、受信機ＩＣ１５０は、照明源１３２と光検出器１３８との間の内部クロストークによる検出パルス１４２Ａの検出と、有効な戻りパルス（例えば、１４２Ｂ及び１４２Ｃ）との間の経過時間に基づいて飛行時間を測定する。このようにして、システムに起因する遅延は飛行時間の推定から排除される。パルス１４２Ａは、光の伝播距離が事実上存在しない内部クロストークによって生成される。したがって、パルストリガー信号の立ち上がりエッジからパルス１４２Ａの検出の事象までの時間遅れは、照明及び信号検出に関連するシステムに起因する遅延のすべてを捕捉する。有効な戻りパルス（例えば、戻りパルス１４２Ｂ及び１４２Ｃ）の飛行時間を、検出されたパルス１４２Ａを基準にして測定することにより、内部クロストークによる照明及び信号検出に関連するすべての、システムに起因する遅延が除去される。図２に示すように、受信機ＩＣ１５０は、戻りパルス１４２Ｂに関連する飛行時間ＴＯＦ１と、戻りパルス１４２Ａを基準とした戻りパルス１４２Ｃに関連する飛行時間ＴＯＦ２とを推定する。
【００５２】
いくつかの実施形態では、信号分析は、受信機ＩＣ１５０によって完全に実行される。これらの実施形態では、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０から伝達される飛行時間の信号１９２には、受信機ＩＣ１５０によって決定された各戻りパルスの飛行時間の表示が含まれる。いくつかの実施形態では、信号１５５〜１５７には、受信機ＩＣ１５０によって生成された戻りパルスに関連付けられた波形情報が含まれる。この波形情報は、３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステムに搭載された、又は３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステムの外部にある１つ以上のプロセッサによってさらに処理され、距離の別の推定値、検出されたオブジェクトの１つ以上の物理的特性の推定値、又はそれらの組み合わせを取得する。
【００５３】
戻り信号受信機ＩＣ１５０は、アナログ／デジタル混合信号処理ＩＣである。図１に示す実施形態では、戻り信号受信機ＩＣ１５０には、ＴＩＡ１４１、戻り信号分析モジュール１６０、飛行時間計算モジュール１５９、及びアナログデジタル変換モジュール１５８が含まれる。
【００５４】
図３は、１つの実施形態における戻り信号分析モジュール１６０を示す。図３に示す実施形態において、戻り信号分析モジュール１６０には、コンスタントフラクション弁別器（ＣＦＤ）回路１７０、粗いタイミングモジュール１８０、精密なタイミングモジュール１９０、パルス幅検出モジュール２００、及び戻りパルスサンプリング・ホールドモジュール２１０が含まれる。
【００５５】
増幅された戻り信号、ＶＴＩＡ１４２、及び閾値信号、ＶＴＨＬＤ１４５は、ＣＦＤ１７０によって受信される。戻り信号１４２が閾値（すなわち、閾値信号１４５の値）を超えると、ＣＦＤ１７０は有効な戻りパルスを識別する。加えて、ＣＦＤ１７０は、有効な戻りパルスがいつ検出されたかを繰り返し判断し、検出時に急激に変化するヒット信号ＶＨＩＴ１７８を生成する。ヒット信号１７８は、有効な戻りパルスの検出を示し、戻り信号分析モジュール１６０のタイミング及び波形取得及び分析機能のそれぞれを開始させる。
【００５６】
例えば、粗いタイミングモジュール１８０は、照明パルス１３４を開始させるパルストリガー信号１４３のトランジション及び特定の有効な戻りパルスに関連付けられたヒット信号１７８のトランジションから経過したデジタルクロックサイクルの数を示すデジタル信号（すなわち、ＲＡＮＧＥ１５１）を決定する。粗いタイミングモジュール１８０は、デジタルクロック信号の周期の半分だけ時間移動させたデジタルクロック信号であるデジタル信号（すなわち、ＭＳ１５２）を生成する。
【００５７】
加えて、精密なタイミングモジュール１９０は、特定の有効な戻りパルスに関連するヒット信号１７８のトランジションとデジタルクロック信号ＣＬＫの次のトランジションとの間の経過時間を示す電圧値を有するアナログ信号（すなわち、ＶＣＬＫ１５３）を決定する。同様に、精密なタイミングモジュール１９０は、特定の有効な戻りパルスに関連するヒット信号１７８のトランジションと反転させたデジタルクロック信号ＣＬＫＢの次のトランジションとの間の経過時間を示す電圧値を有するアナログ信号（すなわちＶＣＬＫＢ１５４）を決定する。飛行時間モジュール１５９は、ＲＡＮＧＥ１５１、ＭＳ１５２、ＶＣＬＫ１５３、及びＶＣＬＫＢ１５４を使用して、検出された各戻りパルスに関連する飛行時間を決定する。
【００５８】
戻りパルスサンプリング・ホールドモジュール２１０は、各有効戻りパルスのピーク振幅を示す信号値（例えば、電圧）を有するアナログ信号（すなわち、ＶＰＥＡＫ１５６）を生成する。加えて、戻りパルスサンプリング・ホールドモジュール２１０は、それぞれが各有効な戻りパルス波形のサンプリングポイントに関連付けられた振幅を示す信号値（例えば、電圧）を有するアナログ信号のセット（すなわち、ＶＷＩＮＤ１５５）を生成する。いくつかの実施形態では、波形のピーク振幅の前後のサンプリングポイントの数はプログラム可能である。
【００５９】
パルス幅検出モジュール２００は、各有効戻りパルス波形の幅を示す信号値（例えば、電圧）を有するアナログ信号（すなわち、ＶＷＩＤＴＨ１５７）を生成する。図示の実施形態では、ＶＷＩＤＴＨ１５７の値は、戻りパルス信号１４２がＶＴＨＬＤ１４５の値を超える時点と特定の有効な戻りパルスに関連するヒット信号１７８のトランジション時点との間の経過時間を示す。ＶＷＩＮＤ１５５、ＶＰＥＡＫ１５６、及びＶＷＩＤＴＨ１５７はそれぞれ、戻り信号受信機ＩＣから主制御装置１９０への伝達する前に、戻り信号受信機ＩＣ１５０のアナログ・デジタルコンバータ（ＡＤＣ）１５８によってデジタル信号に変換される。
【００６０】
図４は、１つの実施形態におけるコンスタントフラクション弁別器１７０を示す。図４に示すように、コンスタントフラクション弁別器１７０には、信号遅延モジュール１７１、信号分割モジュール１７２、イネーブルモジュール１７３、及びコンパレータモジュール１７４が含まれる。ＴＩＡ１４１によって生成されるアナログ出力信号１４２は、信号遅延モジュール１７１、信号分割モジュール１７２、及びイネーブルモジュール１７３に伝達される。信号遅延モジュール１７１は、信号１４２に固定遅延を導入し、ＶＤＥＬＡＹ１７５を生成する。同時に、信号分割モジュール１７２には、ＶＴＩＡ１４２を一定の割合（例えば、２で割る）で分割してＶＦＲＡＣＴ１７６を生成する電圧分割回路を含む。ＶＤＥＬＡＹ１７５とＶＦＲＡＣＴ１７６の値は、コンパレータ１７４によって比較される。１つの例では、ヒット信号ＶＨＩＴ１７８は、ＶＤＥＬＡＹ１７５がＶＦＲＡＣＴ１７６よりも大きいとき高状態になり、ＶＤＥＬＡＹ１７５がＶＦＲＡＣＴ１７６よりも小さいとき、ＶＨＩＴ１７８は低状態になる。このようにして、ＶＨＩＴ１７８は、戻りパルスがいつ到着し、いつ整合が取れた状態で通過したかを示す。戻りパルスの到着を判断するために任意の閾値が採用された場合、異なる戻りパルスが同様に整形されないため、到着のタイミングは一貫しない。ただし、コンスタントフラクション弁別器を使用することにより、戻りパルスの到着と通過のタイミングが複数の戻りパルス間で一貫して識別される。イネーブルモジュール１７３は、電圧閾値ＶＴＨＬＤ１４５を受け取り、戻り信号ＶＴＩＡ１４２の値がＶＴＨＬＤ１４５を超えると、イネーブル信号ＶＥＮＡＢＬＥ１７７を生成する。このようにして、コンパレータモジュール１７４は、戻り信号１４２が閾値を超えたときにのみ有効となる。これにより、戻り信号１４２のスプリアススパイクが無視され、有効な戻りパルスがコンパレータモジュール１７４によって処理される。一般に、ＣＦＤ１７０は、測定窓の期間に到着する各有効な戻りパルスに関連するヒット信号１７８を生成するように構成される。したがって、ＶＨＩＴ１７８には、それぞれが別々の戻りパルスに関連付けられた複数のヒット信号が含まれる。
【００６１】
図５は、粗いタイミングモジュール１８０の１つの実施形態を示す。図５に示すように、粗いタイミングモジュール１８０には、バイナリカウンタモジュール１８１、バイナリコードからグレイコードへのコンバータ１８２、準安定ビットジェネレータ１８３、及び１つ以上のラッチモジュール１８４Ａ〜Ｎが含まれる。図５に示すように、デジタルクロック信号ＣＬＫ、及び反転させたデジタルクロック信号ＣＬＫＢは、粗いタイミングモジュール１８０のモジュールによって受信される。１つの実施形態では、デジタルクロック信号は、ボード戻り信号受信機ＩＣ１５０に取り付けられた位相ロックループ（ＰＬＬ）によって生成される。１つの実施形態では、デジタルクロック信号は、１ギガヘルツの周波数を有する。したがって、この特定の実施形態では、粗いタイミングモジュール１８０は、最も近い１ナノ秒までの特定の戻りパルスに関連する飛行時間を決定することができる。
【００６２】
バイナリカウンタモジュール１８１は、パルストリガー信号１４３を受信し、パルストリガーに応答してカウントを開始する。ランニングカウントを示すデジタル信号ＢＩＮ［０：１０］１８６は、バイナリからグレイコードへのコンバータ１８２に伝達される。バイナリからグレイコードへのコンバータ１８２は、バイナリカウント信号ＢＩＮ［０：１０］１８６をグレイコードに相当するデジタル信号ＣＯＵＮＴ［０：１０］に変換する。ＣＯＵＮＴ［０：１０］は、ラッチモジュール１８４Ａ〜Ｎの各々に伝達される。加えて、実行中のバイナリカウントＢＩＮ［０］の最初のビットは、準安定ビットジェネレータ１８３に伝達される。準安定ビットジェネレータ１８３は、半周期シフトをＢＩＮ［０］に導入することにより準安定ビットＭＳ１８８を生成する。ＭＳ１８８は、ラッチモジュール１８４Ａ〜Ｎの各々にも通信される。
【００６３】
加えて、別々の戻りパルスに関連する各ヒット信号１７８は、別々のラッチモジュール（すなわち、ラッチモジュール１８４Ａ〜Ｎの内の１つ）に伝達される。ラッチモジュール１８４Ａ〜Ｎの各々は、戻りパルスの識別を示す対応するヒット信号のトランジションにおいて、ＣＯＵＮＴ［０：１０］及びＭＳの最後の既知の値をラッチする。結果として得られたラッチされた値、ＲＡＮＧＥ［０：１０］１５１及びＭＳ１５２は、それぞれ、図１に示された飛行時間モジュール１５９に伝達される。
【００６４】
図６は、１つの実施形態における精密なタイミングモジュール１９０を示す。精密なタイミングモジュール１９０には、２つのパルス幅発生器１９１及び１９３と、２つの時間・電圧変換器１９２及び１９４とが含まれる。パルス幅発生器１９１は、各ヒット信号１７８及びクロック信号ＣＬＫを受信する。同様に、パルス幅発生器１９３は、各ヒット信号１７８及びクロック信号ＣＬＫＢを受信する。パルス幅発生器１９１は、ヒット信号１７８の立ち上がりエッジとクロック信号ＣＬＫの次の立ち上がりエッジとの間の時間に一致する持続時間を有するパルスを生成する。このパルス信号ＶＰＵＬＳＥ１９５は、時間・電圧変換器１９２に伝達される。ＶＰＵＬＳＥ１９５に応答して、時間・電圧変換器１９２は、パルスの持続時間にわたってコンデンサを通じて電流ランプを生成する。コンデンサ両端の電圧は、パルスの持続時間を示す。この電圧信号ＶＣＬＫ１５３は、デジタル信号への変換のためにＡＤＣ１５８に伝達されて、飛行時間モジュール１５９に伝達される。同様に、パルス幅発生器１９３は、ヒット信号１７８の立ち上がりエッジとクロック信号ＣＬＫＢの次の立ち上がりエッジとの間の時間に一致する持続時間を有するパルスを生成する。このパルス信号ＶＰＵＬＳＥ−Ｂ１９６は、時間・電圧変換器１９４に伝達される。ＶＰＵＬＳＥ−Ｂ１９６に応答して、時間・電圧変換器１９４は、パルスの持続時間にわたってコンデンサを通じて電流ランプを生成する。コンデンサ両端の電圧は、パルスの持続時間を示す。この電圧信号ＶＣＬＫＢ１５４は、デジタル信号への変換のためにＡＤＣ１パルス幅発生器１９１及び１９３と時間・電圧変換器１９２及び１９４はアナログモジュールであるため、ヒット信号の立ち上がりエッジから次のクロック信号までの経過時間の推定に関連する不確かさは１０ピコ秒未満です。したがって、精密なタイミングモジュールにより、特定の戻りパルスに関連する飛行時間の高精度の推定を可能となる。
【００６５】
別の態様では、各戻りパルスに関連する飛行時間の決定は、粗いタイミングモジュールと精密なタイミングモジュールの両方の出力に基づいて行われる。図１に示す実施形態では、飛行時間モジュール１５９はデジタル的に実装される。飛行時間モジュール１５９は、特定の戻りパルスに関連付けられた飛行時間を、戻りパルスに関連付けられた粗い時間推定値ＲＡＮＧＥ［０：１０］及び精密時間推定値に基づいて決定する。飛行時間モジュール１５９は、ヒット信号がＣＬＫ信号又はＣＬＫＢ信号のトランジションの近くに来たかどうかに基づいて、ＶＣＬＫ又はＶＣＬＫＢを細かい時間推定として使用するかどうかを決定する。例えば、ヒット信号がＣＬＫ信号の遷移の近くに来た場合、ＣＬＫＢ信号はその時点で安定していたため、ＶＣＬＫＢが精密な時間推定のベースとして使用される。同様に、ヒット信号がＣＬＫＢ信号のトランジションの近くに来た場合、ＣＬＫ信号はその時点で安定していたため、ＶＣＬＫが精密な時間推定のベースとして使用される。１つの例では、推定飛行時間は、粗い時間推定値と選択した精密時間推定値の合計となる。
【００６６】
さらなる態様では、ヒット信号がクロックトランジションの近くに来たとき、つまり、カウンタモジュール１８１のトランジションの近くに来たとき、準安定ビットＭＳ［０］をＲＡＮＧＥ［０：１０］の正しいカウントを決定するために採用する。例えば、ヒット信号１７８がカウンタ１８１のトランジションの近くで遷移する場合、どのカウントがそのヒット信号に関連するかは不明である。１ギガヘルツ時計の場合、誤差は１カウント、又は１ナノ秒となる。このような状況では、準安定ビットの値を使用して、どのカウントを特定のヒットに関連付けるのかを決定する。準安定性ビットの値により、ヒット信号がカウンタ信号の高から低へのトランジションの近くに来たのか、又はカウンタ信号の低から高へのトランジションに近くに来たのかの決定、すなわち、正しいカウント値の決定がなされる。
【００６７】
図７は、１つの実施形態におけるパルス幅検出モジュール２００を示す。パルス幅検出モジュール２００には、パルス幅発生器２０１及び時間・電圧変換器２０２が含まれる。パルス幅発生器２０１は、図４に示されるイネーブル信号ＶＥＮＡＢＬＥ１７７とヒット信号１７８の立ち下がりエッジとの間の時間と立ち上がりエッジに一致する持続時間を有するパルスを生成する。このパルス信号ＶＰＵＬＳＥ２０３は、時間・電圧変換器２０２に伝達される。ＶＰＵＬＳＥ２０３に応答して、時間・電圧変換器２０２は、パルスの持続時間にわたってコンデンサを通じて電流ランプを生成する。コンデンサ両端の電圧は、パルスの持続時間を示す。この電圧信号ＶＷＩＤＴＨ１５５はデジタル信号へ変換させるためにＡＤＣ１５８に伝達される。
【００６８】
パルス幅検出モジュール２００は、非限定的な例として示されている。一般に、パルス幅検出モジュール２００は、異なる入力信号で動作してＶＰＵＬＳＥ２０３及びＶＷＩＤＴＨ１５５を生成するように構成することができる。１つの例では、パルス幅発生器２０１は、ヒット信号１７８の立ち上がりエッジとＶＴＩＡ１４２がＶＴＨＬＤ１４５を下回る瞬間との間の時間に一致する持続時間を有するパルスを生成する。ＶＴＩＡ１４２がＴＨＬＤ１４５を下回る瞬間は、別のコンパレータによって決定するか、又はＶＨＩＴのように出力をラッチせずにコンパレータモジュール１７４の出力によって決定することができる。別の例では、パルス幅発生器２０１は、ＶＴＩＡ１４２がＶＴＨＬＤ１４５を上回ってからＶＴＩＡ１４２がＶＴＨＬＤ１４５を下回るまでの時間に一致する持続時間を有するパルスを生成する。１つの例では、パルス幅発生器２０１の代わりにＶＥＮＡＢＬＥ１７７が使用され、ＶＥＮＡＢＬＥ１７７が時間・電圧変換器２０２への入力として供給される。時間・電圧変換器２０２は、パルスの持続時間にわたってコンデンサを通じて電流ランプを生成する。コンデンサ両端の電圧は、ＶＥＮＡＢＬＥパルスの持続時間を示している。
【００６９】
別の態様では、主制御装置は、各々が別々の統合ＬＩＤＡＲ測定装置に伝達される複数のパルスコマンド信号を生成するように構成される。各戻りパルス受信機ＩＣは、受信したパルスコマンド信号に基づいて、対応するパルス制御信号を生成する。
【００７０】
図８〜図１０は、複数の統合ＬＩＤＡＲ測定装置を有する３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステムを示す。いくつかの実施形態では、各統合ＬＩＤＡＲ測定装置の起動同士の間に遅延時間が設定される。いくつかの例では、遅延時間は、ＬＩＤＡＲ装置の最大範囲にあるオブジェクトとの間の測定パルスシーケンスの飛行時間よりも長くなる。このようにして、統合ＬＩＤＡＲ測定装置のいずれにもクロストークをなくす。いくつかの他の例では、別の統合ＬＩＤＡＲ測定装置から放射された測定パルスがＬＩＤＡＲ装置に戻る前に、１つの統合ＬＩＤＡＲ測定装置から測定パルスが放射される。これらの実施形態では、クロストークを回避するために、各ビームによって調査される周囲環境の領域同士の十分な空間的分離を確保するように注意が払われる。
【００７１】
図８は、１つの例示的な操作シナリオにおける３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１００の実施形態を示す図である。３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１００には、下部ハウジング１０１と、赤外線（例えば、７００から１，７００ナノメートルのスペクトル範囲内の波長を有する光）に対して透明な材料から構築されたドーム型シェル要素１０３を有する上部ハウジング１０２とが含まれる。１つの例では、ドーム型シェル要素１０３は、９０５ナノメートルを中心とする波長を有する光に対して透明である。
【００７２】
図８に示すように、複数の光ビーム１０５は、中心軸１０４から測定した角度範囲αにわたって、３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１００からドーム型シェル要素１０３を通って放射される。図８に示す実施形態では、各光ビームは、互いに離間した複数の異なる位置でｘ軸及びｙ軸によって規定される平面に投射される。例えば、ビーム１０６は位置１０７でｘｙ平面に投射される。
【００７３】
図８に示す実施形態では、３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１００は、中心軸１０４の周りに複数の光ビーム１０５のそれぞれをスキャンするように構成される。ｘｙ平面に投射される各光ビームは、中心軸１０４とｘｙ平面の交点を中心とする円形パターンをたどる。例えば、時間の経過とともに、ｘｙ平面に投射されたビーム１０６は、中心軸１０４を中心とする円形軌道１０８をたどる。
【００７４】
図９は、１つの例示的な操作シナリオにおける３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１０の別の実施形態を示す図である。３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１０には、下部ハウジング１１と、赤外線（例えば、７００から１，７００ナノメートルのスペクトル範囲内の波長を持つ光）を透過する材料で構成されている円筒シェル要素１３を有する上部ハウジング１２とが含まれる。１つの例では、円筒シェル要素１３は、９０５ナノメートルを中心とする波長を有する光に対して透明である。
【００７５】
図９に示すように、３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１０から複数の光ビーム１５が、角度範囲βにわたって円筒シェル要素１３を通って放射される。図９に示す実施形態では各光ビームの主光線が示されている。各光ビームは、複数の異なる方向で周囲の環境へと外向きに投射される。例えば、ビーム１６は、周囲環境の位置１７へと投射される。いくつかの実施形態では、システム１０から放射された光の各ビームはわずかに発散する。１つの例では、システム１０から放射された光ビームは、システム１０から１００メートルの距離で直径２０センチメートルのスポットサイズを照射する。このように、照明光の各ビームは、システム１０から放射される円錐状の照明光となる。
【００７６】
図９に示す実施形態では、３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１０は、中心軸１４の周りの複数の光ビーム１５のそれぞれでスキャンするように構成されている。例示の目的で、光ビーム１５は、３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１０の非回転座標フレームに対してある角度方向で示され、光線１５’は、この非回転座標フレームに対して別の角度方向で示されている。光ビーム１５が中心軸１４を中心に回転すると、周囲の環境に投影される各光ビーム（例えば、各ビームに関連付けられた各円錐状の照明光）は照明ビームが中心軸１４の周りをスイープするときに、対応する環境を照射する。
【００７７】
図１０は、例示的な１つの実施形態における３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１００の分解図を示している。３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１００には、中心軸１０４を中心として回転する光放射／収集エンジン１１２がさらに含まれる。図１０に示す実施形態では、光放射／収集エンジン１１２の中心光軸１１７は、中心軸１０４に対して角度θで傾斜している。図１０に示すように、３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１００には、下部ハウジング１０１に固定された位置に取り付けられた静止電子基板１１０が含まれる。回転電子基板１１１は静止電子基板１１０の上に配置され、静止電子基板１１０に対して所定の回転速度（例えば、毎分２００回転以上）で回転するように構成される。電力信号と電子信号は、１つ以上の変圧器、コンデンサ素子、又は光学素子を通って電子基板１１０と回転電子基板１１１との間で伝達され、これらの信号の非接触伝送が行われることになる。光放射／収集エンジン１１２は、回転する電子基板１１１に固定して設置され、したがって、所定の角速度ωで中心軸１０４の周りを回転する。
【００７８】
図１０に示すように、光放射／収集エンジン１１２には、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１１３のアレイが含まれる。１つの態様では、各統合ＬＩＤＡＲ測定装置には、光放射素子、光検出素子、及び共通基板（例えば、プリント回路基板又は他の電気回路基板）上に統合された関連する制御用及び信号調整用電子機器が含まれる。
【００７９】
各統合ＬＩＤＡＲ測定装置から放射された光は一連の光学素子１１６を通過し、放射された光をコリメートして３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステムから環境に投射する照明光のビームを生成する。このようにして、別々のＬＩＤＡＲ測定装置から放出される光ビーム１０５のアレイは、図１１に示すように３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１００から放射される。一般に、３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１００から任意の数の光線を同時に放射するために、任意の数のＬＩＤＡＲ測定装置を配置できる。特定のＬＩＤＡＲ測定装置による照明により環境内のオブジェクトから反射された光は、光学素子１１６によって収集される。収集された光は光学素子１１６を通過し、そこで同じ特定のＬＩＤＡＲ測定装置の検出素子に焦点が合わせられる。このようにして、異なるＬＩＤＡＲ測定装置によって生成された照明による、環境の異なる部分の照明に関連する収集光は、対応する各ＬＩＤＡＲ測定装置の検出器に別々に焦点を合わせられる。
【００８０】
図１１は、光学素子１１６の詳細を示す。図１１に示すように、光学素子１１６には、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１１３のアレイの各検出器上に収集光１１８を集束させるように配置された４つのレンズ素子１１６Ａ〜Ｄが含まれる。図１１に示す実施形態では、光学系１１６を通過する光は、ミラー１２４で反射され、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１１３のアレイの各検出器に向けられる。いくつかの実施形態では、１つ以上の光学要素１１６は、所定の波長範囲外の光を吸収する１つ以上の材料で構成される。所定の波長範囲には、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１１３のアレイによって放射される光の波長が含まれる。１つの例では、レンズ要素の１つ以上は、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１１３のアレイの各々によって生成される赤外線よりも短い波長を有する光を吸収する着色剤添加物を含むプラスチック材料で構成される。１つの例では、着色剤はＡａｋｏ  ＢＶ（オランダ）から入手可能なＥｐｏｌｉｇｈｔ７２７６Ａである。一般に、任意の数の異なる着色剤を光学系１１６のプラスチックレンズ要素のいずれかに加えて、望ましくないスペクトルを除去することができる。
【００８１】
図１２は、収集された光１１８の各ビームの整形を表現する光学系１１６の断面図を示している。
【００８２】
このように、図９に示された３Ｄ−ＬＩＤＡＲシステム１０などのＬＩＤＡＲシステム及び図８に示されたシステム１００には、それぞれがＬＩＤＡＲ装置から周囲環境に照明光のパルスビームを放射し、周囲環境内のオブジェクトから反射された戻り光を測定する複数の統合ＬＩＤＡＲ測定装置が含まれる。
【００８３】
図８及び図９を参照しながら説明する実施形態のような、いくつかの実施形態では、統合ＬＩＤＡＲ測定装置のアレイは、ＬＩＤＡＲ装置の回転フレームに取り付けられている。この回転フレームは、ＬＩＤＡＲ装置のベースフレームに対して回転する。しかし、一般に、統合ＬＩＤＡＲ測定装置のアレイは、任意の適切な方法（例えば、ジンバル、パン／チルトなど）で移動可能にすることも又はＬＩＤＡＲ装置のベースフレームに固定することもできる。
【００８４】
他のいくつかの実施形態では、各統合ＬＩＤＡＲ測定装置には、統合ＬＩＤＡＲ測定装置によって生成された照明ビームをスキャンするビーム指向要素（例えば、スキャニングミラー、ＭＥＭＳミラーなど）が含まれる。
【００８５】
いくつかの他の実施形態では、２つ以上の統合ＬＩＤＡＲ測定装置の各々は、照明光のビームを周囲の環境のさまざまな方向に反射するスキャニングミラー装置（例えば、ＭＥＭＳミラー）に向かって、照明光のビームを放射する。
【００８６】
さらなる態様において、１つ以上の統合ＬＩＤＡＲ測定装置は、これらの１つ以上の統合ＬＩＤＡＲ測定装置によって生成された照明ビームを異なる方向に向ける光位相変調装置と光学的に通信を行う。光位相変調装置は、光位相変調装置の状態を変化させ、それにより光位相変調装置から回折される光の方向を変化させるための制御信号を受信する能動装置である。このようにして、１つ以上の統合ＬＩＤＡＲ装置によって生成された照明ビームは、さまざまな向きでスキャンされ、測定中の周囲の３Ｄ環境を効果的に調べる。周囲環境に投射された回折ビームはその環境と相互に影響しあう。それぞれの統合ＬＩＤＡＲ測定装置は、オブジェクトから収集された戻り光に基づいて、ＬＩＤＡＲ測定システムと検出されたオブジェクトとの間の距離を測定する。光位相変調装置は、統合ＬＩＤＡＲ測定装置と周囲環境の測定対象オブジェクトとの間の光路に配置される。したがって、照明光と対応する戻り光は、両方とも光位相変調デバイスを通過する。
【００８７】
図１３は、ここに記載の統合ＬＩＤＡＲ測定装置による実施に適した、方法３００のフローチャートを示す。いくつかの実施形態では、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０は、図１３に示した方法３００に従って動作可能である。しかしながら、一般に、方法３００の実行は、図１を参照して説明した統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０の実施形態に対するものに限定されない。これらの例示及びこれらに対応する説明は、多くの他の実施形態及び動作例を考えることができるため、例として示すものである。
【００８８】
ブロック３０１において、プリント回路基板に取り付けられた戻り信号受信機ＩＣで受け取られたパルスコマンド信号に応答してパルストリガー信号が生成される。
【００８９】
ブロック３０２において、照明源は、パルストリガー信号に応答して選択的に電源に電気的に接続され、照明源から照明光の測定パルスを放出させる。
【００９０】
ブロック３０３において、照明光の測定パルスに応答して、光検出器によって受け取られた戻り光が検出される。照明源と光検出器はプリント回路基板に取り付けられている。
【００９１】
ブロック３０４において、検出された戻り光を示す出力信号が生成される。
【００９２】
ブロック３０５において、出力信号は、測定窓の持続時間中に戻り信号受信機ＩＣで受け取られる。
【００９３】
ブロック３０６において、検出された戻り光の１つ以上の戻りパルスが識別される。
【００９４】
ブロック３０７において、識別された戻りパルスの各々に関連付けられた飛行時間を決定する。
【００９５】
ブロック３０８において、識別された戻りパルスの各々のセグメントの１つ以上の特性を決定する。
【００９６】
ここで説明したコンピューティングシステムには、パーソナルコンピュータシステム、メインフレーム、コンピューターシステム、ワークステーション、画像コンピュータ、パラレルプロセッサ、又は、当該技術分野で知られている他のデバイスを含めることができるが、これらに限定されない。一般に、「コンピューティングシステム」という用語は、記憶媒体からの命令を実行する１つ以上のプロセッサを有する装置を包含するように広く定義することができる。
【００９７】
ここで説明したような方法を実行するプログラム命令は、有線、ケーブル、又は無線伝送リンクなどの伝送媒体を介して伝送することができる。プログラム命令は、コンピュータ読み取り可能媒体に保存される。例示的なコンピュータ読み取り可能媒体として、読み取り専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、磁気ディスク又は光ディスク、又は磁気テープが含まれる。
【００９８】
一般に、ここで説明した電源は、電圧又は電流として定めた電力を供給するように構成することができる。したがって、ここで電圧源又は電流源として記載した電源は、それぞれ等価な電流源又は電圧源と考えることもできる。同様に、ここで説明した電気信号は、電圧信号又は電流信号と規定することもできる。したがって、電圧信号又は電流信号として本明細書で説明される電気信号は、それぞれ等価な電流信号又は電圧信号と考えることもできる。
【００９９】
１つ以上の例示的な実施形態では、説明した機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はそれらの任意の組み合わせで実施することができる。ソフトウェアで実施される場合、機能は、コンピュータ読み取り可能媒体上の１つ以上の命令又はコードとして格納又は送信することができる。コンピュータで読み取り可能媒体には、コンピュータの記憶媒体と、ある場所から他の場所へのコンピュータプログラムの転送を容易にする任意の媒体を含む通信媒体の両方が含まれる。記憶媒体は、汎用コンピュータ又は専用コンピュータがアクセスできる利用可能な任意の媒体とすることができる。限定するためではなく例示として、そのようなコンピュータ読み取り可能媒体には、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ-ＲＯＭ又は他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置又は他の磁気記憶装置、又は、所望のプログラムコードを命令又はデータ構造の形式で持ち運び又は格納のために使用することができ、汎用コンピュータ又は専用コンピュータ、又は汎用プロセッサ又は専用プロセッサからアクセスすることができる他の媒体を含むことができる。また、すべての接続は、コンピュータ読み取り可能媒体と適切に称される。例えば、ソフトウェアが、同軸ケーブル、光ファイバーケーブル、ツイストペア、デジタル加入者線（ＤＳＬ）、又は赤外線、ラジオ波、マイクロ波のような無線技術を使用して、Ｗｅｂサイト、サーバ、又はその他のリモートソースから送信される場合、同軸ケーブル、光ファイバーケーブル、ツイストペア、ＤＳＬ、又は赤外線、ラジオ波、マイクロ波のような無線技術が媒体の定義に含まれる。ここで使用されるディスク及び磁気ディスクには、コンパクトディスク（ＣＤ）、レーザーディスク（登録商標）、光ディスク、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、フロッピーデイスク、及びブルーレイディスクが含まれ、ここで、通常、磁気ディスクは磁気的にデータを再生するものであり、ディスクはレーザーで光学的にデータを再生するものである。これらの組み合わせもコンピュータ読み取り可能媒体の範囲内に含まれる。
【０１００】
特定の実施形態を説明目的のために上述の通り説明したが、この特許文書の教示は一般的な利用可能性を示し、上記の特定の実施形態に限定することを意味しない。したがって、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、説明した実施形態の様々な特徴の様々な修正、改変、及び組み合わせを実施することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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