JP2017534868A - １次元光学エミッタの２次元走査に基づいた３次元ライダセンサ - Google Patents

Abstract

装置および方法は、１つの次元において感知する単一エミッタと、少なくとも１つの光検知器と、該発光体および少なくとも１つの光検知器を２つの次元において走査する機械的手段とを有する飛行時間ライダセンサを用いる３次元感知のために使用される。ライダの外部ケースは、好ましくは、静的であり、内部構成要素のみが機械的運動を伴う。赤外線で動作されるときの該ライダの好ましい実施形態では、該外部静的ケースは、外見的に不透明であり、かつ赤外線放射に本質的に透明な窓を有する。

Description

（関連出願への相互参照）
本出願は、２０１４年１０月２０日に出願された米国特許出願第１４／５１７，９４８号に対して優先権を主張する。上記文献の内容は、参照することによって本明細書において援用される。

（発明の分野）
本発明は、概して、環境感知の分野に関し、より具体的には、３次元マッピングと物体の検出、追跡、および／または分類のためのコスト効率の良い飛行時間（ＴｏＦ）ライダセンサ装置に関する。

（発明の背景）
ライダセンサは、光検出および測距センサである。これは、レーザからのパルスを用いた光によって標的または地形を照射し、該標的または地形へ光子が進行し、反射後ライダモジュール内の受信機に戻るためにかかる時間を測定することにより、地形内の標的または物体までの距離の測定が可能な光学遠隔感知モジュールである。機械的運動に基づいたライダセンサは、広範囲にわたる視野を達成する。多様で個々の個別にパケージ化されたレーザを含有する機械的運動のライダセンサのコストおよび解像度は、最適ではなく、これは、複数の個別にパッケージ化されたレーザを有することが、コストがかかり、個々にコリメートされたレーザによって定義される平面環境の走査が、いくつかの用途において許容できる解像度を達成せず、特に、ライダを搭載したプラットフォームが静的である場合（例えば、道路／交差点／交通の監視に用いる柱上において）、またはライダを搭載したプラットフォームが概して動的であるが、静的な場面想定を有するとき（例えば、交差点を渡る歩行者を感知する必要がある交通信号で停止した車両、車両が移動／揺動／振動しているとき得られるレーザビームの掃引から恩恵を得られない状況）があるためである。

米国特許第５，４５５，６６９号は、レーザ領域捜索装置であって、測定領域中へ偏光のために発光されたパルスレーザからの光の垂直軸に平行な垂直軸に沿って回転するように搭載され、回転面と垂直軸に対して角度的に傾き、コリメートされたレーザからのパルス光を平面測定場所上に転換させ、測定領域から反射された光を平面測定領域から受信させ、光受信器の配列に垂直方向に沿って転換させるように促す鏡を備える、装置を開示している。

米国特許第７，７４６，４４９号は、コリメートされたレーザビームと、走査軸の周囲で回転する鏡ユニットであって、受信部および受信部の表面平坦部に対する走査軸を中心とする角度によって相殺される伝送部を含む、鏡ユニットと、走査軸上に共通する点に位置付けられた受信および伝送部の個々の中心とを備える、光検知および測距システムを開示している。

米国特許第７，９６９，５５８号は、支持構造体と、支持構造体によって支持されている複数のレーザエミッタと、支持構造体によって支持されている複数のアバランシェ光ダイオード検知器と、複数のレーザエミッタおよび複数のアバランシェ光ダイオード検知器を少なくとも２００ＲＰＭ（１分間の回転）の速度で回転させるように設計された回転構成要素とを備える、ライダベースの３Ｄポイントクラウドシステムを開示している。

米国特許出願第２０１１／０２１６３０４号は、ベースと、ヘッドアセンブリと、ベースに対してヘッドアセンブリを回転させるよう設計された回転構成要素であって、ヘッドアセンブリの回転は、回転軸を画定する、回転構成要素と、ヘッドアセンブリ内に担持される電気マザーボードであって、平面を画定し、回転軸に実質的に平行に位置付けられる、電気マザーボードと、複数のエミッタ回路基板に搭載された複数の光子伝送機であって、複数のエミッタ回路基板は、マザーボードに直接搭載される、複数の光子伝送機と、複数の検知器回路基板に搭載された複数の検知器であって、複数の検知器回路基板は、マザーボードに直接搭載される、複数の検知器とを備える、ライダベースのセンサシステムを開示している。

米国特許第５，４５５，６６９号明細書 米国特許第７，７４６，４４９号明細書 米国特許第７，９６９，５５８号明細書 米国特許出願公開第２０１１／０２１６３０４号明細書

（発明の要約）
装置および方法は、単一エミッタと、少なくとも１つの光検知器とを有する飛行時間ライダセンサを用いる３次元感知のために使用される。該単一エミッタは、単一レーザ、単一レーザバー、またはマルチレーザ（好ましくは、集積されたマルチレーザチップ、または共パッケージ化されたレーザチップ、もしくは単一パッケージ内のマルチチップモジュールの形態）を備えることができ、３つ全ての場合において、エミッタの出力は、その包絡線が１次元感知を提供するように伸長されている放射パターンを形成するように結像される。該単一エミッタはまた、その包絡線が１次元感知を提供するように伸長されている放射パターンを結像するか、または１次元感知を提供するために１次元ビームを掃引するかのいずれかである、光学位相アレイ（ＯＰＡ）に結合される単一レーザを備えることができる。該単一エミッタはまた、回折光学素子（ＤＯＥ）またはホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）に結合された単一レーザを備えることができ、いずれかの光学素子が、その包絡線が１次元感知を提供するように伸長されている放射パターンを結像する。全ての単一エミッタ構成に関して、機械的運動（例えば、スピンまたは鏡／プリズム／レンズ／ＤＯＥ／ＨＯＥ／回折格子走査）が、エミッタによって網羅されない２つの次元を網羅するために使用され、３次元感知をもたらす。

複数の光検知器が使用されるとき、それらは、好ましくは、集積されたマルチ光検知器チップ、共パッケージ化光検知器チップ、または光検知マルチチップモジュールを備える。

光検知器のタイプは、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）アレイ、アバランシェ光ダイオード（ＡＰＤ）、およびＰＩＮダイオード（ＰＩＮダイオードは、ｐ型または正型半導体領域とｎ型または負型半導体領域との間に低濃度ドープされた真性半導体領域を備えるため、正−真性−負のダイオードである）を含む。

米国特許第５，４５５，６６９号および米国特許第７，７４６，４４９号とは対照的に、本発明は、機械的運動により網羅された平面に垂直の次元において静的コリメートされたレーザを有しないが、代わりに、その包絡線が伸長されている放射パターンを結像することを通して、または該垂直の次元において掃引することを通して、該垂直の次元を網羅するエミッタを有する。

複数のエミッタを備える装置が説明されている米国特許第７，９６９，５５８号および米国特許出願第２０１１／０２１６３０４号とは対照的に、本発明は、単一エミッタを備える。また、ＡＰＤとは対照的に、本発明は、ＰＩＮダイオード、または好ましくは、ＳＰＡＤアレイを使用することができる。さらに、ヘッドアセンブリは、回転とは対照的に静的であり、機械的運動がスピンから成るとき、内部タレットのみがスピンする、または機械的運動が走査から成るとき、光学素子（例えば、鏡、プリズム、レンズ、ＤＯＥ、ＨＯＥ、回折格子）がスピンする。本発明におけるライダの外部体全体は、静的である。

以下の図は、本発明の実施形態の例証であり、本願の一部を形成する請求の範囲に含まれる発明を限定することが意図されるものではない。

図１の概略図は、本発明のライダの１つの実施形態のライダ１０の外観を提供し、その静的外部ケース２０を描写する。 図２は、エミッタ側を示すような角度に向けられた本発明のライダの１つの実施形態の内観を提供し、内部ベース３０、スピンタレット４０、光学結像アセンブリ５０、および単一エミッタ６０を描写する。 図３は、受信側を示すような角度に向けられた本発明のライダの１つの実施形態の内観を提供し、内部ベース３０、スピンタレット４０、光学結像アセンブリ５０、および光検知器７０を描写する。

（発明の詳細な説明）
装置および方法は、単一エミッタと、少なくとも１つの光検知器とを有する飛行時間ライダセンサを用いる３次元感知のために使用される。
該単一エミッタは
（ａ）単一レーザと、
（ｂ）単一レーザバーと、
（ｃ）マルチレーザ（好ましくは、集積されたマルチチップ、または共パッケージされたレーザチップ、または単一パッケージ内のマルチチップの形態）と、
（（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）の場合、エミッタ出力は、その包絡線が１次元感知を提供するように伸長されている放射パターンを形成するように結像される）
（ｄ）その包絡線が１次元感知を提供するように伸長されている放射パターンを結像する、光学位相アレイ（ＯＰＡ）に結合される単一レーザと、
（ｅ）１次元感知を提供するために１次元光線を掃引する、光学位相アレイ（ＯＰＡ）に結合される単一レーザと、
（ｆ）回折光学素子（ＤＯＥ）に結合される単一レーザと、
（ｇ）ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）に結合される単一レーザと、
（ｈ）レンズに結合される単一レーザと
（（ｆ）、（ｇ）、および（ｈ）の場合、光学素子は、その包絡線が１次元感知を提供するように伸長されている放射パターンを結像する）
を備えることができる。

全ての単一エミッタ構成に関して、機械的運動は、エミッタによって網羅されない２つの次元を網羅するために使用され、３次元感知をもたらす。機械的運動機構オプションは、限定ではないが、
（ａ）スピンと、
（ｂ）鏡走査と、
（ｃ）プリズム走査と、
（ｄ）レンズ走査と、
（ｅ）ＤＯＥ走査と、
（ｆ）ＨＯＥ走査と、
（ｇ）回折格子走査と
を含む。

複数の光検知器が使用されるとき、これらは、好ましくは、限定ではないが、
（ａ）集積されたマルチ光検知器チップと、
（ｂ）共パッケージ化された光検知器チップと、
（ｃ）光検知マルチチップモジュールと
の選択肢を備える。
光検知器のタイプは、限定ではないが、
（ａ）ＳＰＡＤアレイと、
（ｂ）ＡＰＤと、
（ｃ）ＰＩＮダイオードと
を含む。

本発明におけるライダの外部ケースは、好ましくは、静的であり、内部構成要素のみが機械的運動を伴う。赤外線（ＩＲ）で動作されるときの本発明の好ましい実施形態では、該ケースの窓は、外見的に不透明であり、ＩＲに透明である。

Claims (14)

1. 飛行時間ライダ装置であって、
   ａ）１つの次元において感知する単一光学エミッタと、
   ｂ）少なくとも１つの光検知器と、
   ｃ）前記エミッタおよび少なくとも１つの光検知器を２つの次元において走査する機械的手段と
   を備える、装置。
2. 前記単一エミッタは、限定ではないが、
   ａ）その包絡線が１次元感知を提供するために伸長されている放射パターンを形成するように結像される単一レーザと、
   ｂ）その包絡線が１次元感知を提供するために伸長されている放射パターンを形成するように結像される単一レーザバーと、
   ｃ）１つの基板上に集積され、その包絡線が１次元感知を提供するために伸長されている連続放射パターンを形成するように結像される、複数のレーザと、
   ｄ）共パッケージ化され、その包絡線が１次元感知を提供するために伸長されている連続放射パターンを形成するように結像される、複数のレーザと、
   ｅ）その包絡線が１次元感知を提供するために伸長されているビームフォームされた放射パターンを結像する、光学位相アレイに結合された単一レーザと、
   ｆ）１次元感知を提供するために１つの次元においてビームフォームされた放射パターンを掃引する、光学位相アレイに結合された単一レーザと、
   ｇ）その包絡線が１次元感知を提供するために伸長されている放射パターンを形成するように回折光学素子に結合された単一レーザと、
   ｈ）その包絡線が１次元感知を提供するために伸長されている放射パターンを形成するようにホログラフィック光学素子に結合された単一レーザと、
   ｉ）その包絡線が１次元感知を提供するために伸長されている放射パターンを形成するようにレンズに結合された単一レーザと
   を含む一式の素子のうちの１つを備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記少なくとも１つの光検知器は、限定ではないが、
   ａ）単一光子アバランシェダイオードアレイと、
   ｂ）アバランシェ光ダイオードと、
   ｃ）正の固有負ダイオードと
   を含む一式の素子のうちの１つを備える、請求項１に記載の装置。
4. 限定ではないが、
   ａ）集積されたマルチ光検知器チップと、
   ｂ）共パッケージ化された光検知器チップと、
   ｃ）光検出マルチチップモジュールと
   を含むセットから選択される形態の複数の光検知器を備える、請求項１に記載の装置。
5. 前記エミッタおよび前記少なくとも１つの光検知器を２つの次元において走査する前記機械的手段は、限定ではないが、
   ａ）スピンと、
   ｂ）鏡走査と、
   ｃ）プリズム走査と、
   ｄ）レンズ走査と、
   ｅ）ＤＯＥ走査と、
   ｆ）ＨＯＥ走査と、
   ｇ）回折格子走査と
   を含むセットから選択される、請求項１に記載の装置。
6. 静的である外部ケースを含む、請求項１に記載の装置。
7. 前記外部静的ケースは、外見的に不透明であり、かつ赤外線放射に本質的に透明な窓を有する、請求項６に記載の装置。
8. 飛行時間ライダ装置に利用する３次元感知のための方法であって、
   ａ）１つの次元において感知する単一光学エミッタと、
   ｂ）少なくとも１つの光検知器と、
   ｃ）前記エミッタおよび少なくとも１つの前記光検知器を２つの次元において走査する機械的手段と
   を備える、方法。
9. 前記装置の前記単一エミッタは、限定ではないが、
   ａ）その包絡線が１次元感知を提供するために伸長されている放射パターンを形成するように結像される単一レーザと、
   ｂ）その包絡線が１次元感知を提供するために伸長されている放射パターンを形成するように結像される単一レーザバーと、
   ｃ）１つの基板上に集積され、その包絡線が１次元感知を提供するために伸長されている連続放射パターンを形成するように結像される、複数のレーザと、
   ｄ）共パッケージ化され、その包絡線が１次元感知を提供するために伸長されている連続放射パターンを形成するように結像される、複数のレーザと、
   ｅ）その包絡線が１次元感知を提供するために伸長されているビームフォームされた放射パターンを結像する、光学位相アレイに結合される単一レーザと、
   ｆ）１次元感知を提供するために１つの次元においてビームフォームされた放射パターンを掃引する、光学位相アレイに結合された単一レーザと、
   ｇ）その包絡線が１次元感知を提供するために伸長されている放射パターンを形成するように回折光学素子に結合された単一レーザと、
   ｈ）その包絡線が１次元感知を提供するために伸長されている放射パターンを形成するようにホログラフィック光学素子に結合された単一レーザと、
   ｉ）その包絡線が１次元感知を提供するために伸長されている放射パターンを形成するようにレンズに結合された単一レーザと
   を含む一式の素子のうちの１つを備える、請求項８に記載の方法。
10. 前記装置の前記少なくとも１つの光検知器は、限定ではないが、
    ａ）単一光子アバランシェダイオードアレイと、
    ｂ）アバランシェ光ダイオードと、
    ｃ）正の固有負ダイオードと
    を含む一式の素子のうちの１つを備える、請求項８に記載の方法。
11. 前記装置は、限定ではないが、
    ａ）集積されたマルチ光検知器チップと、
    ｂ）共パッケージ化された光検知器チップと、
    ｃ）光検出マルチチップモジュールと
    を備えるセットから選択される形態の複数の光検知器を備える、請求項８に記載の方法。
12. 前記エミッタおよび前記少なくとも１つの光検知器の２つの次元において走査する、前記装置の前記機械的手段は、限定ではないが、
    ａ）スピンと、
    ｂ）鏡走査と、
    ｃ）プリズム走査と、
    ｄ）レンズ走査と、
    ｅ）ＤＯＥ走査と、
    ｆ）ＨＯＥ走査と、
    ｇ）回折格子走査と
    を含むセットから選択される、請求項８に記載の装置。
13. 前記装置は、静的である外部ケースを含む、請求項８に記載の方法。
14. 前記装置の前記外部静的ケースは、外見的に不透明であり、かつ赤外線の放射に本質的に透明な窓を有する、請求項１３に記載の方法。

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