JP2018537680A - 光検出測距センサ - Google Patents

Abstract

電気光学装置（１８）は、光パルスの少なくとも１つのビームを放射するレーザ光源（２０）と、対象シーン（２２）にわたって少なくとも１つのビームを送信及び走査するビームステアリング装置（２４）と、感知素子（４４）のアレイ（２８）を含む。各感知素子は、単一光子の感知素子への入射時間を示す信号を出力する。集光光学系（２７）は、送信されたビームによって走査された対象シーンをアレイ上に結像する。回路（５０）は、アレイの選択された領域（７０）内でのみ感知素子を作動させ、少なくとも１つのビームの走査に同期してアレイの上の選択された領域を掃引するように結合される。
【選択図】図４

Description

本発明は全般的に、光電子装置に関し、特に光検出及び測距（ライダ）センサに関する。

既存の消費者アプリケーション及び出現する消費者アプリケーションにおいては、実時間の３次元画像化に対する必要性がますます生じている。光検出及び測距（ライダ）センサとしても通常知られる、これらの撮像装置により、対象シーンを光ビームで照明し、反射された光信号を分析することによって、対象シーン上の各点の距離（多くの場合、強度）（いわゆる対象シーン深さ）を遠隔測定することができる。対象シーン上の各点までの距離を決定する一般的に使用される技法は、対象シーンに向けて光ビームを送り、ソースから対象シーンに移動し、ソースに隣接する検出器に戻る際に光ビームが要する往復時間、すなわち飛行時間（ＴｏＦ）を測定することを含む。

ＴｏＦベースのライダに適した検出器はＳＰＡＤ（ｓｉｎｇｌｅ−ｐｈｏｔｏｎ ａｖａｌａｎｃｈｅ ｄｉｏｄｅ：単一光子アバランシェダイオード）アレイによって提供される。ＳＰＡＤは、ＧＡＰＤ（Ｇｅｉｇｅｒ−ｍｏｄｅ ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）としても知られており、数十ピコ秒オーダーの非常に高い到達時間解像度で個々の光子を捕捉することができる検出器である。これらは、専用半導体プロセス又は標準的なＣＭＯＳ技術で作製することができる。単一のチップ上に作製されたＳＰＡＤセンサのアレイは、３Ｄ撮像カメラにおいて実験的に使用されている。Ｃｈａｒｂｏｎ ｅｔ ａｌ．は、本明細書に参照により組み込まれる、ＴＯＦ Ｒａｎｇｅ−Ｉｍａｇｉｎｇ Ｃａｍｅｒａｓ（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ，２０１３）に公開された「ＳＰＡＤ式センサ」のＳＰＡＤ技術についての有用な論評を提供している。

ＳＰＡＤでは、ｐｎ接合は、その接合の降伏電圧を十分に超えたレベルで逆バイアスされている。このバイアスでは、空乏層内に注入された単一電荷キャリアが、入射光子によって自己維持アバランシェ（self-sustaining avalanche）をトリガできるほどかなり電界が高くなる。アバランシェ電流パルスの立ち上がりエッジは、検出された光子の到達時間を示す。バイアス電圧を降伏電圧以下に低下させることにより、アバランシェが消失するまで電流が継続する。この後者の機能は、クエンチ回路によって実行され、クエンチ回路はＳＰＡＤと直列に高抵抗バラスト負荷を単に備えてもよいし、あるいは能動回路素子を備えてもよい。

以下に説明する本発明の実施形態は、改良されたライダセンサ及びそれらの使用方法を記載する。

したがって、本発明の実施形態によれば、光パルスの少なくとも１つのビームを放射するように構成されたレーザ光源と、対象シーンにわたって少なくとも１つのビームを送信及び走査するように構成されたビームステアリング装置と、感知素子のアレイとを含む電気光学装置が提供される。各感知素子は、単一光子の感知素子への入射時間を示す信号を出力するように構成されている。集光光学系は、送信されたビームによって走査された対象シーンをアレイ上に結像するように構成されている。回路は、アレイの選択された領域内でのみ感知素子を作動させ、少なくとも１つのビームの走査に同期して、アレイの上の選択された領域を掃引するように結合される。

一部の実施形態では、回路は、走査中の任意の瞬間に、選択された領域が、集光光学系が少なくとも１つのビームによって照明される対象シーンの区域を結像するアレイの一部分を含むよう領域を選択するように構成されている。選択された領域は、１つの感知素子を含んでもよいし、複数の感知素子を含んでもよい。

開示される実施形態では、回路は、対象シーン内の点までのそれぞれの距離を決定するために、感知素子によって出力された信号を処理するように構成されている。典型的には、感知素子は、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）などの単一光子検出器を含む。

一部の実施形態では、レーザ光源は、異なる各ビーム軸に沿って少なくとも２つのビームを放射することで、走査中の任意の瞬間に、集光光学系が少なくとも２つのビームによって照明される対象シーンのそれぞれの区域を、感知素子の異なる各区域に結像するように構成されている。これらの実施形態のうち１つでは、ビームステアリング装置は、２次元走査で対象シーンにわたって少なくとも２つのビームを走査するように構成されており、回路は、２次元走査に対応する２次元パターンでアレイの上の選択された領域にわたり掃引するように構成されている。例えば、２次元走査は、ラスタパターンを形成してもよく、少なくとも２つのビームの各ビーム軸は、ラスタパターンの走査線方向に対して互いに横方向にオフセットされている。

あるいは、ビームステアリング装置は、対象シーンにわたって第１の方向に直線走査で少なくとも２つのビームを走査するように構成されており、少なくとも２つのビームは、第１の方向に垂直な第２の方向に列軸に沿って配列された複数のビームを含む。一実施形態では、複数のビームは、少なくとも２つの列に配列され、走査の第１の方向に直交し、互いにオフセットされている各列軸を有している。

本発明の実施形態によれば、光パルスの少なくとも１つのビームを放射することと、対象シーンにわたって、この少なくとも１つのビームを送信及び走査することを含む感知方法も提供される。感知素子のアレイが提供され、各感知素子は、感知素子への単一光子の入射時間を示す信号を出力するように構成されている。送信されたビームによって走査された対象シーンは、アレイ上に結像される。感知素子は、アレイの選択された領域内でのみ作動され、選択された領域は、少なくとも１つのビームの走査に同期してアレイにわたって掃引される。

本発明は、下記の図面と併せて解釈される、以下の本発明の実施形態の詳細な説明からより完全に理解されよう。

本発明の一実施形態に係るライダシステムの概略図である。 本発明の一実施形態に係るＳＰＡＤ式感知装置を模式的に図示するブロック図である。 本発明の一実施形態に係る、ＳＰＡＤアレイ内の感知素子の構成要素を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る、走査される感度領域を有するＳＰＡＤアレイを模式的に図示するブロック図である。 本発明の一実施形態に係る、走査される円形照明スポットを有する検出器アレイの概略図である。 本発明の別の実施形態に係る、走査される円形照明スポットを有する検出器アレイの概略図である。 本発明の更に別の実施形態に係る、走査される楕円形照明スポットを有する検出器アレイの概略図である。 本発明の更に別の実施形態に係る、走査される楕円形照明スポットを有する検出器アレイの概略図である。 本発明の更に別の実施形態に係る、走査される楕円形照明スポットを有する検出器アレイの概略図である。 本発明の実施形態に係る、２次元ラスタ走査で走査される２つの円形照明スポットを有する検出器アレイの概略図である。 本発明の実施形態に係る、１次元走査で走査される照明スポットの千鳥状アレイを有する検出器アレイの概略図である。 本発明の一実施形態に係る１次元走査を実施するライダ装置の概略図である。 本発明の別の実施形態に係る、１次元走査を実施するライダ装置の概略図である。 本発明の実施形態に係る、発光パワーが調整可能なレーザ光源を用いたライダ装置の概略図である。 本発明の実施形態に係る、発光パワーの異なる２つのレーザ光源を用いたライダ装置の概略図である。

概要
ライダを用いた対象シーン（対象シーン深さ）内の各点までの距離測定は、いくつかの環境、基本、及び製造の障害により、実用的な実施において品質が損なわれていることが多い。環境障害の一例は、典型的には１０００Ｗ／ｍ²の放射照度に達する、屋内外の用途の、周囲の太陽光などの相関のない背景光が存在することである。根本的な障害は、特に、対象シーンの反射率の低さ及び集光アパーチャの制限により、対象シーン表面からの反射の際の光信号によって引き起こされる損失、ならびに電子及び光子発射ノイズに関連する。これらの制限により、融通のきかないトレードオフ関係が生じることが多く、一般に、大きな光学アパーチャ、高い光パワー、狭い視野（ＦｏＶ）、嵩高な機械的構成、低いフレームレート、及び制御された環境で動作するセンサの制限を伴う解決法に頼ることを設計者に押しつける。

本明細書で説明される本発明の実施形態は、上述の制限を解決することで、コンパクトで低コストのライダにより、制御されていない環境で動作可能な正確で高解像度の深さ撮像を実現することを可能にする。開示される実施形態は、ビームを放射する１つ以上のパルスレーザ源を使用して、放射されたビーム軸と対象シーンとの交点で、放射照度の高い照明スポットを生成する。ビーム、ひいては照明スポットは、対象シーンをわたって走査される。対象シーンから反射された照明は、高信号対ノイズ比のための飛行時間単一光子検出器アレイ上に集光光学系によって結像され、飛行時間単一光子検出器アレイによって検出され、対象シーンの各点までの距離がこの飛行時間データから導出される。

検出器アレイ上に対象シーンを結像することにより、当分野で既知の幾何学的光学によって画定された、対象シーン内の位置と検出器アレイ上の位置との間で１対１の対応が生成される。こうして、対象シーンの区域が検出器上の対応する画像区域上に結像され、画像中の直線状の長さは、対象シーンの区域内の対応する長さに、光学倍率Ｍ（ライダシステムについては典型的にはＭ＜＜１）を乗じることによって得られる。同様に、検出器アレイの感知素子は、拡大率１／Ｍで対象シーン上に結像されたものと考えることができるので、感知素子より「見える」対象シーンの位置及び区域が与えられる。

開示される実施形態では、検出器アレイは、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）などの単一光子時間依存性（time-sensitive）感知素子の２次元アレイを含む。専用の制御回路を介して個別に各ＳＰＡＤに対処することで、各ＳＰＡＤのオン／オフ状態を含む感度が、その特定の逆ｐｎ接合高電圧によって制御される。一部の実施形態では、ＳＰＡＤは個々の感知素子として作用するが、他の実施形態では、いくつかのＳＰＡＤがスーパーピクセルにグループ化される。走査中の任意の瞬間に、走査されるビームから反射される照明を受け取るように構成されたアレイの区域（単数又は複数）内の感知素子のみが作動される。このように感知素子は、それらの信号が有用な情報を提供する場合にのみ作動される。この手法は、信号対バックグラウンド比を低下させる背景信号を低減するとともに、検出器アレイの電力ニーズを低下させる。

ライダは、有限平均化区域を各点に関連付けた離散点のセットについて対象シーンまでの距離を測定する。開示される実施形態では、測定パラメータ、ならびに感知素子の作動は、ライダの以下のシステムパラメータの影響を受ける。
１）照明スポットサイズ、
２）ビームステアリング装置の解像度（ステップの大きさ又は連続する距離測定間のビームステアリング装置の偏位）、
３）検出器アレイのスーパーピクセルのサイズ、すなわち、ＴｏＦ測定において一緒にビニングされた感知素子の数（スーパーピクセルとして１つの感知素子が使用される場合を含む）。

ライダシステムパラメータの効果は、２つの場合に分類することができる。
ａ）照明スポットがスーパーピクセルのサイズよりも小さい、小スポットの場合。
ｂ）照明スポットがスーパーピクセルのサイズより大きい、大スポットの場合。

サイズ比較は、（対象シーン内又は検出器アレイ上のいずれかの）同じ光学平面内の照明スポットとスーパーピクセルの両方をながめることによって行われる。これら２つの場合を、以下のテーブルにまとめることができ、この場合は、図のコンテキストでさらに詳述されている。

本発明の一部の実施形態では、対象シーンは、１つのレーザビーム又は複数のビームのいずれかによって照明され走査される。複数のビームを利用する一部の実施形態では、これらのビームは、回折光学素子、プリズム、ビームスプリッタ、又は当分野で既知の他の光学素子を用いてレーザビームを分割することによって生成される。他の実施形態では、いくつかの別個のレーザ光源を用いて複数のビームが生成される。これらの実施形態のうちの一部では、複数のビームは、ＶＣＳＥＬ又はＶＥＣＳＥＬのアレイなどのモノリシックレーザアレイを用いて生成される。

一部の実施形態では、走査ミラーなどのビームステアリング装置は、２次元ラスタ走査で単一の光ビームにより対象シーンを走査するように動作する。（ラスタ走査は一般的に、走査点をある走査線から次の走査線に移行させる短い移動とともに、長い略直線状の前後走査、いわゆる走査線を含む）。本明細書では一例としてラスタパターンを説明し、同様の原理を実施する代替走査パターンは本発明の範囲内であると考えられる。単一の光ビームを用いる場合には、ラスタ走査の走査線に垂直な方向の走査解像度は、順次の走査線間の離隔距離により与えられる。順次の走査線間の離隔距離を減らすことで走査解像度を上げることができるが、この種類の解像度の増加は、シーンをカバーするのにより多くの数の走査線を必要とするので、フレームレートを減少させるという犠牲を伴うことになる。あるいは、１フレーム当たりの走査線数を変えない場合には、視野の縮小を犠牲にして解像度を上げることができる。機械的制約によって、これらの効果を相殺するようにミラーの走査速度を増加させることができる範囲が制限される。

一実施形態では、走査線方向に対して横方向に、ならびに走査線方向に広がった複数の光ビームを用いて走査線に垂直な方向の走査解像度を増加させる。走査線に沿った光ビームの離隔距離は、各光ビームを個々に特定すべく、各光ビームが検出器アレイ上の別個のスーパーピクセルを照明するように構成されている。ここでは、走査線密度ではなく、光ビームの横方向離隔距離により走査解像度が決定される。開示される実施形態は、感知素子のサイズを縮小せずに、横方向解像度を増加させることによって検出器アレイの小型化要件を緩和することができる。

別の実施形態では、複数の照明スポットが、直線走査で対象シーンにわたって走査される。（このコンテキストにおける直線走査は、走査線が、光学的又は機械的な欠陥により直線から歪んでいる単一の方向に沿った走査を含む。）１次元直線走査を使用すると、２次元走査よりも単純で安価なビームステアリング装置の使用が可能になるが、十分に高い解像度で対象シーンをカバーする光ビーム数は一般的に、２次元走査に必要な光ビーム数よりも多くなる。単一列走査は、走査線に垂直な列で構成されており、一列の照明スポットを生成する複数の光ビームで実施することができる。列軸方向の最も高い走査解像度は、各照明スポットが検出器アレイ内の別個の感知素子上に結像されるときに、達成される。

直線走査を利用した別の実施形態では、走査線に垂直で、列軸方向に互いにオフセットされた複数列の照明スポットを生成することにより、走査線に垂直な走査解像度を増大させる。また、複数の列は、各照明スポットに別個の感知素子を照明させるように、少なくとも１つの感知素子分、走査線方向に互いにオフセットされるので、各照明スポットを別々に特定することができる。本実施形態は、感知素子のサイズを縮小せずに、横方向解像度を増大させることで、検出器アレイの小型化要件を緩和することができる。

本発明の一部の実施形態は、広角視野（ＦｏＶ）を有し、広い深さ範囲をカバーするライダシステムを提供する。高効率で広いＦｏＶ光学系を実装すると、構成要素が嵩高で高価になるので、これらの実施形態では、簡単な光学設計及び構成を維持しながら広い範囲のＦｏＶ及び距離にわたってシーン深さを測定するためにレーザ光源、検出器アレイ、電子機器及びアルゴリズムついての専用設計ならびに使用態様を適用する。

レーザ光源に対して配慮すべきことは、発光パワーに関するものである。対象シーン走査のために低発光パワーのレーザ光源のみを使用する場合、対象シーンの遠点から検出器アレイによって受信される信号は、ロバストで正確な測定には弱すぎる。一方、遠方の対象シーン点を計測可能な高発光パワーのレーザ光源のみを使用する場合には、近傍の対象シーン点に対して、不必要に高い発光パワーをライダで使用することになり、ライダの消費電力を増加させる。したがって、本発明の一部の実施形態では、レーザ光源の発光パワーは測定された距離に応じて調整される。

システムの説明
図１は、本発明の実施形態に係るライダシステム１８を模式的に示す。１つ以上のパルスレーザを含むレーザ光源２０からのビーム（単数又は複数）は、デュアル軸ビームステアリング装置２４によって対象シーン２２に向けられ、対象シーンにわたって照明スポット２６が形成し走査する。（本明細書では、用語「光」は、可視、赤外及び紫外の範囲の放射を含む任意の種類の光放射を参照するのに使用される。）ビームステアリング装置は、例えば、走査ミラー、又は当分野で既知の任意の他の適切なタイプの光偏向器もしくはスキャナを備えることができる。照明スポット２６は、集光光学系２７によって、ＳＰＡＤなどの単一光子、時間依存性感知素子を含む２次元検出器アレイ２８上に結像される。

また、対象シーン２２は、照明スポット２６の他に、太陽などの周囲光源３６によって照明される。高い信号対バックグラウンド比を達成するために、照明スポットの放射照度は、例えば、太陽からの放射照度により１０００Ｗ／ｍ²まで到達し得る周囲照明よりもはるかに高くなるように選択される。検出器アレイ２８への周囲照明を更に低減するために、帯域通過フィルタ３７が用いられる。

制御回路３８は、レーザ光源２０に接続されることで、パルス放射をタイミング制御し、それらの発光パワーを制御し、また、デュアル軸ビームステアリング装置２４に接続されることで、照明スポット２６の走査を制御する。また、制御回路３８は、検出器アレイ２８の各ＳＰＡＤの逆ｐｎ接合高電圧を動的に調整することにより、各ＳＰＡＤの作動及び感度を制御する。レーザ光源２０からのパルスの既知のタイミングと、対象シーン２２上の照明スポット２６の位置を決定するデュアル軸ビームステアリング装置２４の既知の状態とを利用して、制御回路３８は、任意の瞬間に照明スポットが集光光学系２７によって結像されるこれらのＳＰＡＤのみを作動させる。さらにレーザ光源２０及びビームステアリング装置２４の上記知識、ならびに検出器アレイ２８から読み出された信号を利用して、制御回路３８は、レーザ光源から検出器アレイまでの測定された飛行時間を用いて、対象シーン２２内の各走査点までの距離を決定する。

図２〜図４は、本発明の実施形態に係る検出器アレイ２８のアーキテクチャ及び機能を模式的に図示している。これらの図面は、グローバル及びローカルのバイアス制御を組み合わせて用いて、アレイ内のＳＰＡＤ式感知素子を選択して作動させるのに使用され得る１つの可能な方式を示している。あるいは、他の種類のバイアス及び作動方式、ならびに他の種類の単一光子感知素子が、これらの目的で使用されてもよい。

図２は、本発明の一実施形態に係る検出器アレイ２８を模式的に図示するブロック図である。検出器アレイ２８は、感知素子４４を含み、それぞれは、更に後述するように、ＳＰＡＤと、関連するバイアス回路及び処理回路と、を含んでいる。グローバル高圧バイアス発生器４６は、アレイ２８内のすべての感知素子４４にグローバルバイアス電圧を印加する。また、各感知素子４４内のローカルバイアス回路４８は、感知素子のグローバルバイアスと加算する過剰バイアスを印加する。感知素子バイアス制御回路５０は、ローカルバイアス回路４８が印加する過剰バイアス電圧を、異なる感知素子でそれぞれの値に設定する。グローバル高圧バイアス発生器４６と感知素子バイアス制御回路５０の両方は制御回路３８に接続されている（図１）。

図３は、本発明の一実施形態に係る、アレイ２８内の感知素子４４のうち１つの構成要素を示すブロック図である。開示される実施形態では、アレイ２８は、第１の半導体チップ５２上に形成された２次元マトリクスの感知素子を備え、第２の２次元マトリクスのバイアス制御回路及び処理回路が第２の半導体チップ５４上に形成されている。（２つのマトリックスのうちそれぞれの単一素子のみを示す）チップ５２、５４は、２つのマトリックスが１対１対応で相互に結合されることによって、チップ５２上の各感知素子は、チップ５４上の対応するバイアス制御素子及び処理素子と接している。

チップ５２、５４はともに、本明細書に記載の付随するバイアス制御回路及び処理回路とともに、当分野で既知のＳＰＡＤセンサ設計に基づいて、周知のＣＭＯＳ作製プロセスを用いて、シリコンウェーハから製造することができる。あるいは、本明細書で説明される検出の設計及び原理は、他の材料及びプロセスを用いて、必要な変形を加えて実装してもよい。例えば、図３に示す構成要素の全てを単一チップ上に形成してもよいし、チップ間の構成要素の分布は異なってもよい。このような代替的な実施形態はすべて本発明の範囲内であると考えられる。

感知素子４４はＳＰＡＤ５６を含み、それは当分野で既知のように、感光性ｐｎ接合を含んでいる。クエンチ回路５８及びローカルバイアス回路４８を含む周辺回路は典型的には、チップ５４上に配置される。上述のように、ＳＰＡＤ５６に印加される実バイアスは、バイアス発生器４６（図２）が付与するグローバルバイアス電圧Ｖ_biasとバイアス回路４８が印加する過剰バイアスとの和である。感知素子バイアス制御回路５０（図２）は、チップ５４上のバイアスメモリ６０内で対応するデジタル値を設定することにより、各感知素子に印加される過剰バイアスを設定する。

捕捉されたそれぞれの光子に反応して、ＳＰＡＤ５６はアバランシェパルスを出力し、それは、デジタル論理６２と出力バッファ６４として構成されたメモリとを含むチップ５４上の処理回路によって受信される。これらの処理要素は、例えば、時間−デジタル変換器（ＴＤＣ）として機能するように構成することができ、それは、基準時間に対するＳＰＡＤ５６による各パルス出力の遅延を測定し、その遅延に対応するデジタルデータ値を出力するものである。その代わりに、又はそれに加えて、論理６２及びバッファ６４は、（限定されないが）パルス遅延時間のヒストグラム、二値波形又は多値デジタル波形を含む、他の種類の値を測定し出力してもよい。チップ５４からの出力は、制御回路３８（図１）に接続される。

図４は、本発明の一実施形態に係る、感度の走査領域７０を有するＳＰＡＤアレイ２８を模式的に図示するブロック図である。この場合、バイアス制御回路５０は、領域７０内の感知素子７２のバイアス電圧を、残りの感知素子７６よりも高い値に設定し、そのバイアス電圧は感知素子７６がオフとなるように設定されている。しかし、バイアス制御回路５０は、図中の矢印が図示するように、アレイにわたって領域７０を掃引するように感知素子４８のバイアス電圧を動的に調節する。回路５０は、例えば、（以下の図面で示すように）アレイ２８に結像される対象シーンにわたるレーザビームの走査に同期して、ラスタ走査で領域７０を掃引することができる。

上記のように、本実施形態は、アレイ２８の感応領域を照明光ビームの形状又は撮像される対象シーン内の関心区域の形状に適応させる際に有用であり、これによって、信号に寄与しないよう感知素子からのバックグラウンドノイズを低減しながら、電力消費に対するアレイ２８の感度を最大化することができる。

（例えば、図９に図示する）本発明の代替的な実施形態では、バイアス制御回路５０は、領域７０が直線形状を有し、その直線形状はアレイ２８の１つ以上の列に沿って延在し、当該直線形状の照明ビーム又はビームのアレイに適合するようにローカルバイアス電圧を設定する。その後、回路５０は、照明ビームに同期して、アレイ２８にわたってこの直線領域７０を掃引してもよい。あるいは、規則的な走査パターンと適応的な走査パターンの両方を含む他の走査パターンが実行されてもよい。

例示の走査パターンとスーパーピクセル
図５は、本発明の実施形態に係る、走査される円形照明スポット２６（図１）の画像をアレイ上に重ね合わせた検出器アレイ２８を示す概略図である。集光光学系２７により検出器アレイ２８上に作られた照明スポット２６の動画像は、観測される連続する３つの時点ｔ＝ｔ_i-1、ｔ＝ｔ_i、及びｔ＝ｔ_i+1で観察される。この連続した３つの時点の走査された照明スポット２６の画像はそれぞれ、円８４、８６及び８８で表され、それらの直径は、本例では、感知素子４４のピッチの２倍である。矢印９０は、走査された照明スポット２６の画像の走査方向を示し、走査された照明スポットの画像の予定位置は、ビームステアリング装置２４の状態についての知識から決定される。

各時点では、その時点における照明スポット２６の画像の位置に最も適合するアレイ２８の領域内の感知素子４４が作動される。これらの作動された感知素子は「スーパーピクセル」としてみなすことができる。図５に示す実施形態では、各スーパーピクセルは２ｘ２の感知素子のアレイを含むが、一部の実施形態では、スーパーピクセルのサイズは静的に、あるいは動的に他の値をとる。

時刻ｔ＝ｔ_i-1では、スーパーピクセル９２が作動され（円８４を取り囲む）、時刻ｔ＝ｔｉでは、スーパーピクセル９４が作動され（円８６）、そして、時刻ｔ＝ｔ_i+1では、スーパーピクセル９６が起動される（円８８）。このように、図示された実施形態では、各感知素子４４は、隣接する２つのスーパーピクセルに関連付けられている。アクティブなスーパーピクセル内のこれらの感知素子のみが所与の瞬間に作動され、残りの感知素子はバイアス電圧をアバランシェ増倍が持続できないレベルまで低下させることでオフにされる。この動作は、照明スポットに相関しない対象シーンの背景照明への露光を低減しながら、走査された照明スポット２６の画像から光信号を最大限に収集することによって、アレイ２８の信号対バックグラウンド比を増加させる。本発明の一部の実施形態では、走査スポット２６の画像によって照明されていない感知素子の出力は、標準的な論理ゲートを用いてマスクされる。

走査方向における対象シーン２２の横方向解像度は、（走査速度及びレーザパルス繰返し率によって決定される）走査の離散的なステップサイズによって決定され、本実施形態では、感知素子４４の１つのピッチである。対象シーンの距離が平均化される区域は、（おおよそ）スーパーピクセルの区域である。

図６は、本発明の別の実施形態に係る、走査される円形照明スポット２６（図１）の画像をアレイに重ね合わせた検出器アレイ２８を示す概略図である。照明スポットの動画像が連続する３つの時点ｔ＝ｔ_1-i、ｔ＝ｔ_i、ｔ＝ｔ_i+1で観察される。走査される照明スポットの画像の直径と、連続する２つの時点の間の走査ステップの両方はともに、感知素子４４のピッチの半分である。連続する３つの時点の走査される照明スポット２６の画像はそれぞれ円１００、１０２、１０４で表される。矢印１０５は走査方向を示し、ビームステアリング装置２４の状態についての知識から判定された画像の予定位置が決定される。本実施形態では、単一の感知素子４４のスーパーピクセルを使用し、スーパーピクセル１０６は、ｔ＝ｔ_i-1で作動され、またスーパーピクセル１０８は、ｔ＝ｔ_i及びｔ＝ｔ_1+iの両方で作動される。走査方向における対象シーン２２の画像の横方向解像度は感知素子４４のピッチの半分であり、距離が平均化される対象シーンの区域は照明スポット２６の区域である。

図７Ａ〜Ｃは、本発明の更に別の実施形態に係る、走査される楕円状の照明スポット２６（図１）の画像をアレイ上に重ね合わせた検出器アレイ２８を示す概略図である。楕円状の照明スポットは、例えば、発光接合断面が高アスペクト比の矩形である端面発光レーザダイオードから得られる。本実施形態では、アスペクト比が３対１の楕円照明スポット２６が図示されるが、他の実施形態では他のアスペクト比を使用することができる。検出器アレイ２８上の照明スポット２６の楕円状の画像のいわゆる速軸（長寸法）の程度は、感知素子４４のピッチのほぼ６倍であり、遅軸（短寸法）の程度は、ピッチの２倍である。図７Ａ〜Ｃは、図５〜図６と同様に、連続する３つの時点ｔ＝ｔ_i-1、ｔ＝ｔ_i、ｔ＝ｔ_i+1での照明スポット２６の動画像を模式的に示す。検出器アレイ２８上の各走査ステップは、感知素子４４の１つのピッチである。本実施形態では、２ｘ２の感知素子のスーパーピクセルが使用される。

図７Ａは、時刻ｔ＝ｔ_i-1における走査された照明スポット２６の画像である、照明スポット１１０を模式的に示している。この時刻で作動されるスーパーピクセルは、照明スポット１１０の予定位置に基づいて、ピクセル１１２、１１４、１１６となる（照明スポットの最遠上下端は信号にほとんど寄与しないので、無視される）。矢印１１８は走査方向を示しており、照明スポット１１０の予定位置はビームステアリング装置２４の状態についての知識から決定される。

図７Ｂは、時刻ｔ＝ｔ_iにおける走査された照明スポット２６の画像である、照明スポット１２０を模式的に示している。この時刻で作動されるスーパーピクセルは、照明スポット１２０の予定位置に基づいて、１１２、１１４、１１６、１２２となる。ここでは、４つのスーパーピクセルが作動されるのは、照明スポット１２０の有意部分（楕円の上端）は依然としてピクセル１１２内にあり、別の有意部分（楕円の下端）はピクセル１２２に入っているからである。スーパーピクセル１１２、１１４、１１６は、信号対ノイズ比を改善するために、継続して信号を収集する。図７Ａのように、矢印１１８は走査方向を示し、ｔ＝ｔ_iにおける照明スポット１２０の予定位置はビームステアリング装置２４の状態についての知識から決定される。

図７Ｃは、時刻ｔ＝ｔ_i+1における走査された照明スポット２６の画像である照明スポット１２４を模式的に示している。この時刻での作動されるスーパーピクセルは、照明スポット１２４の予定位置に基づいて、ここでは１１４、１１６、１２２となる。ここでは、３つのスーパーピクセルしか作動されず、ピクセル１１２（図７Ｂ）は照明スポット１２４のあらゆる有意部分によってもはや照明されなくなる。図７Ａ〜Ｂのように、矢印１１８は走査方向を示し、ｔ＝ｔ_i+1における照明スポット１２４の予定位置はビームステアリング装置２４の状態についての知識から決定される。図示された実施形態では、各スーパーピクセルは７つの走査ステップの間、照明スポット２６の画像に露光され、それによって信号対ノイズ比が改善される。

楕円状の照明スポットの長さがスーパーピクセルよりはるかに長いことにより、走査方向の解像度はスーパーピクセルのサイズによって決定される。スーパーピクセルのサイズは楕円照明スポットの速（長）軸に沿った長さの１／３であるので、走査線方向に得られる解像度は、楕円照明スポットのみで得られる解像度の３倍（数値では１／３）である。距離測定のための平均化区域が、スーパーピクセルの区域である。

図５〜図７では、理想的な形状（円形又は楕円）が、検出器アレイ２８上の照明スポット２６の画像の形状として用いられている。本発明の一実施形態では、制御回路３８は、検出器アレイ上の照明スポット画像の実際の形状を計算（又は参照）し、この計算結果は、走査内の各点で始動するセンサ素子を選択する際に使用される。この計算は、ビームステアリング装置２４の設計、その走査移動特性、ビームステアリング装置の正確な状態、及びレーザ光源２０からのビームとビームステアリング装置との間の角度を考慮しているのは、それらが照明スポット２６の画像の形状、移動方向、及び向きに影響を及ぼすからである。さらに、ライダ装置と対象シーン２２との間の距離に対する画像の依存性を考慮する。この効果は、特に、ビームステアリング装置２４と集光光学系２７との間の離間距離に比べて短い対象シーン範囲に対して重要である。上記の計算は、所望の縦横角度分解能を達成しながら、作動した感知素子２６と検出器アレイ４４上の照明スポット２８の画像とを最適に重ね合わせるために実行され、それによって信号対バックグラウンド指数及び信号対ノイズ指数を最適化することができる。

図８は、本発明の実施形態に係るラスタ走査ライダの解像度を向上させる技法を示す概略図である。ビームステアリング装置２４は、検出器アレイ２８上の照明スポット２６（図１）の画像を、検出器アレイの一列では下に及び次列では上にラスタ走査パターン１３０で走査する。１つの照明スポットしか使用されなかった場合、ラスタ走査の走査線に垂直な横方向解像度は、感知素子４４のピッチとなるであろう。しかし、本実施形態では、横方向解像度は、走査される２つの照明スポット２６を用いることで倍になり、検出器アレイ２８上のその画像は、走査線に沿って感知素子４４のピッチに等しい距離だけ、また走査線に対して横方向にこのピッチの半分だけ離れている。ビームステアリング装置２４及びレーザ光源２０の繰返し率は、連続する照明スポットがラスタ走査の走査線方向に感知素子４４のピッチの半分のステップだけ離れるように構成されている。各スーパーピクセルは、１つの感知素子４４を含んでいる。

図８は連続する２つの時点ｔ＝ｔ_i及びｔ＝ｔ_i+1での２つの照明スポット２６の画像を模式的に示す。時刻ｔ＝ｔ_iでは、照明スポットの画像は、スポット１３２とスポット１３４であり、スポット１３２はスーパーピクセル１３６内にあり、スポット１３４はスーパーピクセル１３８内にある。他のスーパーピクセルは全てオフにされている。時刻ｔ＝ｔ_i+1では、両スポットは、矢印１４０で示すように、スーパーピクセルの半分だけ下に、新たな位置１４２、１４４まで移動する。これらのスポットは依然としてｔ＝ｔ_iのときと同じスーパーピクセル１３６及び１３８内にあるが、照明スポット１４２及び１４４の位置は、ｔ＝ｔ_i+1でのビームステアリング装置２４の状態により決定される。２つのスポットが常に別個のスーパーピクセルに割り当てられていることにより、スポットは個別に識別可能であり、走査線に対して横方向のライダの解像度は、感知素子４４のピッチではなく、その方向における２つの照明スポット２６の画像の離間距離によって決定され、それによって、検出器アレイ２８に対する小型化要求が緩和される。各照明スポット２６によって測定される距離の平均化区域が、その照明スポットの区域である。

別の実施形態（図示せず）では、走査された照明スポット２６の数が（図８と比較して）２個より多い数まで増加し、それらの照明スポットは、各照明スポットの画像が異なる感知素子４４内に配置されるようにラスタ走査パターン１３０に沿って離れている。Ｎ個の照明スポット２６の画像が全て検出器アレイ２８の１つの列内にある実施形態では、ラスタ走査１３０に対して横方向の解像度は、感知素子４４のピッチをＮ分割することにより与えられる。

直線走査パターン
図９〜図１１は、本発明の実施形態に係る、直線走査に基づいたライダを示す概略図である。直線（１次元）走査は、２次元走査に必要とされるよりも潜在的に小さく、より安価でより信頼性の高いビームステアリング装置の設計を用いるので有利である。直線走査方向の解像度は、ビームステアリング装置の解像度によって決定される。直線走査方向に対して横方向に走査が行われないので、直線走査方向の解像度は、対象シーン２２にわたって配列された複数の照明スポット２６を用いて達成される。

図９は、本発明の一実施形態に係る、検出器アレイ２８上に結像された１次元走査を示す概略図である。円１５３がセンサアレイ２８上の個々の照明スポットの画像の予定位置を表している、２つの千鳥列１５１、１５２を含む照明スポット２６の画像のパターン１５０を用いることで、直線走査に垂直な方向のライダの解像度は感知素子４４のピッチを超えて改善される。矢印１５４は走査方向を示す。

パターン１５０の各列１５１及び１５２では、円１５３が示すように、各列軸に沿った照明スポット２６の画像の間隔は、感知素子４４のピッチに等しい。２つの列１５１及び１５２は、列軸線方向に感知素子４４のピッチの半分だけ互いにオフセットされている。列１５１及び１５２は、２つの列を別個の感知素子に割り当てるように走査方向に１ピッチだけ離間している。一部の実施形態（図示せず）では、直線走査に対して横方向の解像度は、列軸線方向における互いのオフセットを小さくした２列より多い照明スポット２６を用いることにより、更に改善される。これにより、例えば、感知素子４４の１／４のピッチだけ互いにオフセットした４列を用いることにより、４分の１のピッチの解像度を実現することができる。

図１０は、本発明の一実施形態に係る１次元走査に基づいたライダ１５９を示す概略図である。単一のパルスレーザ光源１６０からのビームを回折光学素子（ＤＯＥ）１６２で分割し、２つの千鳥列複数のビームにする。これらのビームは、単一軸ビームステアリング装置１６６によって対象シーン２２に向けられ、それにわたって走査され、対象シーン２２上に２つの千鳥列の照明スポット１６８を形成する。この照明スポットは、集光光学系２７によって検出器アレイ２８上に結像され、図９に示すようにパターン１５０で２つの千鳥状列１５１、１５２を形成する。

パターン１５０の照明スポット２６の画像を含む感知素子４４のみを走査中に任意の瞬間に作動させ、残りの感知素子をオフにすることで、背景光の不要な統合化を防止し、高い信号対バックグラウンド比を実現することができる。図１と同様に、制御回路３８は、レーザ光源１６０、ビームステアリング装置１６６、及び検出器アレイ２８に接続され、それらの機能を制御し、飛行時間データを用いて対象シーン２２までの距離を決定するために、データを収集する。

図１１は、本発明の別の実施形態に係る、１次元走査及び同軸光学アーキテクチャに基づいたライダ１７０を示す概略図である。単一のパルスレーザ光源１６０からのビームは、ＤＯＥ１６２によって分割され、２つの千鳥状列の複数のビームになる。これらのビームは偏光ビームスプリッタ１７６を通過し、単軸ビームステアリング装置１６６によって対象シーン２２に向けられ、それにわたって走査されることで、２つの千鳥列の照明スポット１６８を形成する。対象シーン２２から反射された照明スポットは、ビームステアリング装置１６６、偏光ビームスプリッタ１７６、及び集光光学系２７を通って検出器アレイ２８上に結像され、図９に示すパターン１５０の２つの千鳥列１５１、１５２を形成する。

光伝送と収集の同軸アーキテクチャにより、検出器アレイ２８上のパターン１５０は、走査に対して（ほぼ）静止している。したがって、走査方向に垂直な軸に沿った検出器アレイ上のセンサ素子４４の列の数は、走査方向に沿ったセンサ素子の行の数よりもかなり小さくてもよい。図１と同様に、制御回路３８は、レーザ光源１６０、ビームステアリング装置１６６、及び検出器アレイ２８に接続され、それらの機能を制御し、飛行時間データを用いて対象シーン２２までの距離を決定するためにデータを収集する。

図１０及び図１１に示すいずれの実施形態でも、走査方向に垂直な横方向解像度は、感知素子４４のピッチの半分であり、走査に沿った解像度は、ビームステアリング装置１６６の走査速度とレーザ光源１６０のパルス繰返し率により決定される。照明スポット１６８の各々は、そのスポットの区域にわたって距離測定を平均化する。

本明細書では、パターン１５０内の列１５１及び１５２の垂直向きを一例として示し、同様の原理を実施する代替的な向きも本発明の範囲内であると考慮される。

マルチレンジ感知
図１２〜図１３は、本発明の実施形態に係る、対象シーンの遠距離及び近距離に適応するライダを示す概略図である。

図１２は、本発明の実施形態に係る遠近両方の対象シーン点までの距離を測定するのに適合するライダ１９９を示す概略図である。パルスレーザ光源２００のビームは、デュアル軸ビームステアリング装置２４によって対象シーン２２に向けられ、対象シーン上に照明スポット２０６を形成し、対象シーンにわたってスポットを走査する。照明スポット２０６が集光光学系２７によって検出器アレイ２８上に結像される。制御回路３８は、レーザ光源２００、ビームステアリング装置２４及び検出器アレイ２８に接続されている。

レーザ光源２００は、制御回路３８からの信号制御下で、低発光パワー及び高発光パワーの２つのパワーレベルで発光する能力を有する。付随して、検出器アレイ２８の感知素子４４（図２参照）は、２つの別個のモード、すなわち近距離モードと遠距離モードで動作する能力を有する。特定の感知素子の所与の動作モードに対して、制御回路３８はそのタイミング及び感度、ならびに、そのモードでの最適な性能のための信号処理アルゴリズムを調整する。典型的には、短距離モードでは、感知素子４４は比較的低い感度（結果としてノイズも低くなる）にバイアスされ、短い飛行時間を感知するようにゲートされる。長距離モードでは、感知素子４４が比較的高い感度にバイアスされ、より長い飛行時間を感知するようにゲートされるので、近距離反射のスプリアス検出の可能性が低減される。

対象シーン２２の各区域に必要な動作モードを決定するために、まず、近距離検出に適した低発光パワーレベルでレーザ光源２００を用いて、その区域を走査する。レーザ光源２００からの光を受光する検出器アレイ２８内の感知素子４４は、そのタイミング、感度、及び近距離測定のために設定された関連する信号処理アルゴリズムで作動される。

この短距離走査に続いて、制御回路３８は、所定の基準に基づいて、この短距離、低電力走査により、十分にロバストな距離測定が得られなかった区域でのみ、ライダ１９９を制御して長距離走査を実行する。遠距離走査では、これらの区域からの反射光を受光するように作動される感知素子４４のタイミング、感度、アルゴリズムを適宜変更して、高発光パワーレベルの光源２００を用いて、これらの領域の測定を繰り返す。

図１３は、本発明の別の実施形態に係る、遠近両方の対象シーン点までの距離を測定するのに適合したライダ２１０を示す概略図である。２つのパルスレーザ光源２１８及び２２０のビームは、デュアル軸ビームステアリング装置２４によって対象シーン２２に向けられ、対象シーン２２上に照明スポット２２６を形成し、対象シーン２２にわたって照明スポットを走査する。（図１３では、２つの別個の光源を示すために、レーザ光源２１８とレーザ光源２２０との間の離間距離は誇張されている）。以下に詳述するように、レーザ光源のうちの１つだけが所与のある時刻に発光している。照明スポット２２６は集光光学系２７によって検出器アレイ２８上に結像される。制御回路３８は、レーザ光源２１８、２２０、ビームステアリング装置２４、及び検出器アレイ２８に接続されている。

各レーザ光源２１８、２２０は、起動されると、低発光パワーレベルで発光するレーザ光源２１８と、高発光パワーレベルで発光するレーザ光源２２０を用いて、特定の発光パワーレベルで発光する。制御回路３８は、図１２に参照して上記に説明した種類の基準に基づいた走査において各点でいずれのレーザ光源を作動すべきかを選択する。同様に、検出器アレイ２８の感知素子４４（図２参照）は、２つの別個のモード、すなわち、近距離モードと遠距離モードで動作する能力を有する。特定の感知素子４４の所与の動作モードに対して、制御回路３８は、そのタイミング及び感度、ならびにそのモードでの最適な性能のための信号処理アルゴリズムを調整する。

対象シーン２２の所与の区域において必要な動作モードを決定するために、まず低発光パワーのレーザ光源２１８を用いて、その区域を走査する。レーザ光源４４からの光を受光する検出器アレイ２８内のこれらの感知素子２１８は、近距離測定のために設定されたタイミング、感度、及び関連する信号処理アルゴリズムで作動される。先行する実施形態のように、制御回路３８は、レーザ光源２１８を用いて所与の区域に対して、十分にロバストな距離測定を行うことができないと判定した場合には、レーザ光源２２０からの光を受光するように作動する感知素子４４のタイミング、感度、アルゴリズムを適宜変更して、レーザ光源２２０を用いて、より高い発光パワーのレーザで、その区域に対する測定を繰り返す。

上述の実施形態は例として挙げられており、本発明は、以上に具体的に図示され説明されたものに限定されないことが理解されるであろう。むしろ、本発明の範囲は、以上に説明した様々な特徴の組み合わせ及び部分的組み合わせの両方、ならびに当業者であれば前述の説明を読むことによって想到するであろう従来技術に開示されていないそれらの変型及び修正を含む。

Claims (20)

1. 光パルスの少なくとも１つのビームを放射するように構成されたレーザ光源と、
   対象シーンをわたって前記少なくとも１つのビームを送信及び走査するように構成されたビームステアリング装置と、
   各感知素子が前記感知素子への単一光子の入射時間を示す信号を出力するように構成された感知素子のアレイと、
   前記送信されたビームによって走査された前記対象シーンを前記アレイ上に結像するように構成された集光光学系と、
   前記アレイの選択された領域内のみの前記感知素子を作動させ、前記少なくとも１つのビームの走査に同期して、前記アレイの上の前記選択された領域を掃引するように結合された回路と、を備える電気光学装置。
2. 前記回路は、前記走査中の任意の瞬間に、前記選択された領域が、前記集光光学系が前記少なくとも１つのビームによって照明された前記対象シーンの区域を結像する前記アレイの一部を含むよう前記領域を選択するように構成されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記選択された領域は、１つの感知素子を含む、請求項２に記載の装置。
4. 前記選択された領域は、複数の感知素子を含む、請求項２に記載の装置。
5. 前記回路は、前記対象シーン内の各点までのそれぞれの距離を決定するために前記感知素子によって出力された信号を処理するように構成されている、請求項１に記載の装置。
6. 前記感知素子は単一光子検出器を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記単一光子検出器は、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）である、請求項６に記載の装置。
8. 前記レーザ光源は、異なる各ビーム軸に沿って少なくとも２つのビームを放射することで、前記走査中の任意の瞬間に、前記集光光学系が前記少なくとも２つのビームによって照明された前記対象シーンのそれぞれの区域を、前記感知素子のうち異なるそれぞれに結像するように構成されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記ビームステアリング装置は、２次元走査で前記対象シーンにわたって前記少なくとも２つのビームを走査するように構成されており、前記回路は、前記２次元走査に対応する２次元パターンで前記アレイの上の前記選択された領域を掃引するように構成されている、請求項８に記載の装置。
10. 前記２次元走査はラスタパターンを形成し、前記少なくとも２つのビームの前記各ビーム軸が前記ラスタパターンの走査線方向に対して互いに横方向にオフセットされている、請求項９に記載の装置。
11. 前記ビームステアリング装置は第１の方向に直線走査で前記対象シーンにわたって前記少なくとも２つのビームを走査するように構成されており、前記少なくとも２つのビームは前記第１の方向に垂直な第２の方向に列軸に沿って配列される複数のビームを含む、請求項８に記載の装置。
12. 前記複数のビームは、少なくとも２つの列に配列され、各列軸は前記第１の方向の前記走査に直交し、互いにオフセットしている、請求項１１に記載の装置。
13. 光パルスの少なくとも１つのビームを放射することと、
    対象シーンをわたって前記少なくとも１つのビームを送信及び走査することと、
    各感知素子が前記感知素子への単一光子の入射時間を示す信号を出力するように構成された前記感知素子のアレイを提供することと、
    前記送信されたビームによって走査された前記対象シーンを前記アレイに結像することと、
    前記アレイの選択された領域内でのみ前記感知素子を作動させ、前記少なくとも１つのビームの走査に同期して、前記アレイの上の前記選択された領域を掃引することと、を含む感知方法。
14. 前記感知素子を作動させることは、前記走査中の任意の瞬間に、前記選択された領域が、前記集光光学系が前記少なくとも１つのビームによって照明される前記対象シーンの区域を結像する前記アレイの一部を含むよう前記領域を選択することを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記対象シーン内の各点までのそれぞれの距離を決定するために、前記感知素子によって出力された信号を処理することを含む、請求項１３に記載の方法。
16. 前記感知素子が単一光子検出器を含む、請求項１３に記載の方法。
17. 少なくとも１つのビームを放射することは、異なる各ビーム軸に沿って少なくとも２つのビームを放射することで、前記走査中の任意の瞬間に、前記集光光学系が、前記少なくとも２つのビームによって照明された前記対象シーンのそれぞれの区域を、前記感知素子の異なるそれぞれに結像する、請求項１３から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記少なくとも１つのビームを走査することは、２次元走査で前記対象シーンにわたって前記少なくとも２つのビームを走査することを含み、前記感知素子を作動させることは、前記２次元走査に対応する２次元パターンで前記アレイの上の前記選択された領域を掃引することを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記２次元走査がラスタパターンを形成し、前記少なくとも２つのビームの前記各ビーム軸が前記ラスタパターンの走査線方向に対して横方向に互いにオフセットされている、請求項１８に記載の方法。
20. 前記少なくとも１つのビームを走査することは、第１の方向に直線走査で前記対象シーンにわたって前記少なくとも２つのビームを走査することを含み、前記少なくとも２つのビームは、前記第１の方向に垂直な第２の方向に列軸に沿って配列された複数のビームを含む、請求項１７に記載の方法。

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