JP2019504331A - 光学距離センサを較正するためのシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
この出願は、2016年1月29日出願の米国仮特許出願第62/289,004号の利益を主張するものである。
図1に示すように、一実施形態では、較正システム100(例えば、光学距離センサを較正するための)は、バルク伝送光学系(bulk transmitting optic)101とバルク受容光学系(bulk receiving optic)102を含む。システム100はまた、バルク伝送光学系の背後でオフセットされ、かつ光の波長を温度の関数として出力するように構成された光源103と、バルク受容光学系の背後に配置され、かつ感知開口120及び較正開口125を定める開口層104と、バルク伝送光学系の背後の光源から較正開口まで延びる光学バイパス105と、感知開口に実質的に軸線方向に整合された(aligned with)感知レンズ107を含み、かつ較正開口に実質的に軸線方向に整合された較正レンズ108を含み、バルク受容光学系と反対側で開口層に隣接するレンズ層106と、開口層と反対側でレンズ層に隣接する光学フィルタ109と、感知レンズに実質的に軸線方向に整合された感知ピクセル111を含み、かつ較正レンズに実質的に軸線方向に整合された較正ピクセル112を含み、レンズ層と反対側で光学フィルタに隣接するピクセル層110と、光源に結合され、かつ較正ピクセルによって検出された光パワーに基づいて光源の温度を修正するように構成された温度調整器113とを含むことができる。図1の実施形態では、システム100はまた、光を光検出器の上に案内するように構成された拡散器170を含むことができる。一実施形態では、拡散器は、光を光検出器の上に収束させるように配置された光学収束レンズ層に含めることができる。収束レンズ層は、光学フィルタと光検出器の間に配置することができる。収束レンズ層はまた、マイクロレンズ、複数のマイクロレンズ、拡散器、又は光を光検出器の上に案内することができるいずれかの他の要素を含むことができる。これに加えて、図1の実施形態では、システム100は、ハウジング135に収容することができる。上述の実施形態では、様々な層が別の層に隣接するように説明したが、より少ない又は追加の層を含めることができることは認められるであろう。例えば、追加の開口層をいずれか2つの層の間に含めることができることは理解されるであろう。
一実施形態では、システム100は、感知開口の列と平行な軸線の周りに回転された時にシステム100によって占有される容積の3次元距離データを収集する画像センサとして機能する。同様に、システム100は、システム100の視野内の空間又は容積の2次元又は3次元の距離データを収集する静的画像センサとして機能することができる。一般的に、システム100は、3次元距離データを収集するために容積を走査することができ、データは、次に、光源からの照明ビームの伝送と感知ピクセル上に入射する光源から発した可能性が高い光子の検出との間で記録された時間に基づき、位相ベースの測定技術に基づき、又は別の距離測定技術等に基づくなどで容積の仮想3次元表現に再構成することができる。
図1及び図4に示すように、一部の実施形態では、システム100(及びシステム400)の感知回路は、バルク受容光学系(例えば、102及び402)と、バルク受容光学系の背後に配置されて感知開口及び較正開口を定める開口層と、バルク受容光学系と反対側で開口層に隣接し、感知開口に実質的に軸線方向に整合された感知レンズを定めるレンズ層(例えば、107及び407)と、開口層と反対側でレンズ層に隣接する光学フィルタ(例えば、109及び409)と、レンズ層と反対側で光学フィルタに隣接し、感知レンズに実質的に軸線方向に整合されたピクセル層(例えば、111及び411)とを含むことができる。一般的に、バルク受容光学系と、感知開口と、感知レンズと、光学フィルタと、感知ピクセルとは、光(例えば、周囲光及び光源によって出力された光)を収集し、光を平行化し、光源の中心出力波長を含む狭い波長帯域の外側にある全ての光を阻止し、かつ感知ピクセルに到達する光を検出するように協働する。こうしてシステム100(例えば、システム100内のプロセッサ)は、入射光子計数値、入射光子間の時間、照明ビーム出力時間に対する光子入射時間などを感知回路の視野内の面の位置に変換することができる。図4に示すように、システム100と同じくシステム400も、バルク伝送光学系401と、光源403及び450と、光学バイパス405と、調整器413と、較正回路430とを含むことができる。これらの構成要素は、図1のシステム100に関して説明したものと同じく構造化することができる。図4に更に示すように、システム400は、開口ピッチ距離440を含むことができる。
図1に示すように、システム100は、バルク伝送光学系と光源とを含む出力回路を含む。一実施では、バルク伝送光学系は、材料、幾何学形状(例えば、焦点距離)、断熱等においてバルク受容光学系に実質的に等しく、バルク受容光学系に隣接し、そこから横方向及び/又は垂直方向にオフセットされる。この実施では、光源は、バルク伝送光学系の背後に配置された発光器のモノリシックVCSELアレイを含む。一例では、光源は、感知開口ピッチ距離に実質的に等しい発光器ピッチ距離によって特徴付けられる発光器の列を定めるバーダイオードレーザを含むことができ、バーダイオードレーザは、同じチップ上に製造された発光器を含むので、これらの発光器は、温度の関数として実質的に類似の出力波長特性を示すことができる。この例では、各発光器は、開口層内の対応する感知開口の直径に実質的に等しい(又はそれよりも若干大きい)初期直径の照明ビームを出力することができ、光源は、図4に示すように、バルク伝送光学系から領域内に投影される各照明ビームが、システム400(例えば、システム100の変形)からのいずれかの距離で交差し、対応する感知回路の視野と実質的に同じサイズ及び幾何学形状のものであるように、バルク伝送光学系の焦点面に沿って配置することができる。従って、光源とバルク伝送光学系とは、感知回路の視野の外側の空間内の面を照明して浪費されるパワーを比較的殆ど伴わずに実質的に全ての出力パワーを感知回路の視野内に投影するように協働することができる。
図1に示すように、システム100は、光学バイパス105と、開口層104内に定められた較正開口125と、レンズ層106内に組み込まれた較正レンズ108と、感知回路(例えば、感知開口120、感知レンズ107、感知ピクセル111)と共有される光学フィルタ109と、ピクセル層110内に組み込まれた較正ピクセル112とを含む較正回路を更に含む。一般的に光学バイパス105は、光源103によって出力された一部の光線を較正開口125に送り込み、感知回路内の感知開口120、感知レンズ107、及び光学フィルタ109と同様に、較正回路内の較正開口125、較正レンズ108、及び光学フィルタ109が、光学バイパスから受容した実質的に狭い波長帯域の光を較正ピクセルに通過させる。サンプリング期間中に較正ピクセルによって検出された入射光子の個数、入射光子の周波数、又は入射光パワー等に基づいて、システム100は、光源103の中心(又は主)出力波長が較正回路130の有効中心(又は主)作動波長に適合しているか否か、及び/又はどの程度適合しているかを決定することができ、従って、温度調整器の出力を光源の出力波長が較正回路130の有効作動波長にシフトされるように修正することができる。
図2Aの実施形態では、システム200は、光源に結合されて較正ピクセルによって検出された光パワーに基づいて光源の温度を修正するように構成された温度調整器213を更に含む。一般的に、始動時及び/又は作動中に、システム200は、サンプリング期間中に較正ピクセルによって検出された入射光子の個数、入射光子の周波数、又は入射光パワーなどを読み取ることができ、較正ピクセルの出力に基づいて温度調整器の出力及び従って光源の温度及び中心(又は主)出力波長を修正する閉ループフィードバック技術を実施することができる。
システムの一変形を図3A及び図3Bにシステム300として例示している。この実施形態では、システム300は、照明光学系毎に330−0、330−1、330−2、330−3のような(例えば、4つの)較正回路のセットを含む。この変形では、上述した方法及び技術等に従って較正回路セット内の較正開口(例えば、325−0、325−1のような)を感知開口と実質的に同時に実質的に同じ位置精度で開口層内に形成することができ、較正回路セット内の較正レンズを感知レンズと実質的に同時に実質的に同じ位置精度でレンズ層内に形成することができ、更に較正回路セット内の較正ピクセルを感知ピクセルと実質的に同時に実質的に同じ位置精度でピクセル層内に組み込むことができる。光学フィルタも、較正回路セットと感知回路とにわたる単一又は単体の構造体を定めることができ、較正回路と感知回路の両方を含む開口層と、レンズ層と、光学フィルタと、ピクセル層とを上述のように組み立てることができる。更に、この変形では、図3A及び図3Bに示すように、光学バイパスは、光源から較正回路セット内の各較正開口内に光を送り込むことができる。
光学フィルタにおいて異なる光出力角度をもたらす4つの較正回路を含むシステムの別の例において、製造欠陥又は製造限界に起因して、図2Dに示すように、第1の較正レンズが第1の開口から第1の距離だけオフセットされており、従って、光学フィルタに対する法線から−1°の角度で光が光学フィルタに向けて出力され、第2の較正レンズが第2の開口と実質的に軸線方向に整合されており、従って、光学フィルタに対する法線から0°の角度で光が光学フィルタに向けて出力され、第3の較正レンズが第3の開口から第1の距離だけ横方向にオフセットされており、従って、光学フィルタに対する法線から1°の角度で光が光学フィルタに向けて出力され、第4の較正レンズが第4の開口から第1の距離よりも大きい第2の距離だけ横方向にオフセットされており、従って、光学フィルタに対する法線から2°の角度で光が光学フィルタに向けて出力されるようにレンズ層が開口層と不整合状態にある場合がある。この例では、システムは、単位時間毎に第1の較正ピクセルによって記録される入射光子計数値(又は入射光子周波数のような)を実質的に最大にするために光源の熱出力を調節する上述した方法及び技術を実施することができる。上記で記載して図2Dに示すように、第1の較正回路と第3の較正回路が、第2及び第4の較正回路によって記録された入射光子計数値よりも大きいものでもある実質的に類似の入射光子計数値を記録した場合に、システムは、光源の中心出力波長が第1の較正回路の有効作動波長に適合するか又はそれよりも長いかを決定することができる。更に、システムは、第1の較正ピクセルによって記録された入射光子計数値(又は入射光子周波数のような)が現在の閾値よりも小さい場合、又は第1の較正ピクセルによって読み取られた入射光子計数値と第2の較正ピクセルによって読み取られた入射光子計数値の間の差(又は比)が現在の閾値よりも小さい場合などに、光源の出力波長が過度に短いと決定し、それに則して温度調整器の熱出力を下げることができ、それによって光源の出力波長を短くする。しかし、この実施では、図2Dに示すように、第2の較正回路が、システム内の他の較正回路によって記録された入射光子計数値よりも大きい入射光子計数値を記録した場合に、システムは、光源の中心出力波長が第1の較正回路の有効作動波長よりも短いと決定することができ、それに則して温度調整器の熱出力を上げ、それによって光源の出力波長を長くする。これに代えて、上述のように、システムは、サンプリング期間中に較正ピクセルセットによって記録された入射光子計数値を光子計数値テンプレートに適合させ、それに則して温度調整器の熱出力を修正することができる。
別の実施において、システムは、複数の軸線に沿って配置された較正回路を含む。例えば、システムは、原点位置に配置され、公称システムアセンブリ内で光を0°の角度で光学フィルタに向けて通過させるように構成された第1の較正回路と、第1の較正回路から横方向にオフセットされ(例えば、X軸に沿ってオフセットされ)、公称システムアセンブリ内で光を1°の角度で光学フィルタに向けて通過させるように構成された第2の較正回路と、第2の較正回路から横方向にオフセットされ、公称システムアセンブリ内で光を2°の角度で光学フィルタに向けて通過させるように構成された第3の較正回路と、第1の較正回路から長手方向にオフセットされ(例えば、Y軸に沿ってオフセットされ)、公称システムアセンブリ内で光を1°の角度で学フィルタに向けて通過させるように構成された第4の較正回路と、第3の較正回路から長手方向にオフセットされ、公称システムアセンブリ内で光を2°の角度で光学フィルタに向けて通過させるように構成された第5の較正回路とを含むことができる。従って、この2次元較正回路アレイは、開口層に対するレンズ層の横方向オフセットと長手方向オフセットの両方を表す入射光子データを収集することができ、システムは、光源の中心出力波長を感知回路の有効作動波長に整合させるために、上述した方法及び技術等に従ってこれら5つの較正ピクセルにわたって記録された入射光子計数値の間の絶対差又は相対差に基づいて温度調整器の熱出力を修正することができ、それによって開口層に対するレンズ層の横方向オフセットと長手方向オフセットの両方を補償する。
一変形では、システムは、複数の離散光源を更に含む。この変形では、各光源は、1つの離散バルク伝送光学系と対にされ、開口層、レンズ層、光学フィルタ、及びピクセル層内に組み込まれた較正回路(又は較正回路セット)と対にされ、かつ光源と対応する較正回路の較正開口の間に挿入された光学バイパスと対にされる。例えば、システムは、バルク受容光学系の反対長辺上にある第1のバルク伝送光学系及び第2のバルク伝送光学系と、第1のバルク伝送光学系の背後にある第1の照明光学系と、第2のバルク伝送光学系の背後にある第2の照明光学系とを含むことができる。この例では、各光源及びそれに対応するバルク伝送光学系は、照明ビームセットをシステム内の対応する感知回路の視野内に投影することができ、それによって単一類似の光源のみを有するシステムと比較して感知回路の視野毎に2倍の照明パワーが得られる。
Claims (26)
- 較正システムであって、
第1の較正開口を定める開口層と、
前記第1の較正開口に実質的に軸線方向に整合された第1の較正レンズを含むレンズ層と、
前記開口層と反対側で前記レンズ層に隣接する光学フィルタと、
前記レンズ層と反対側で前記光学フィルタに隣接し、かつ前記第1の較正レンズに実質的に軸線方向に整合された第1の較正ピクセルを含むピクセル層であって、該第1の較正ピクセルは、光の波長の帯域をパラメータの関数として出力するように構成された光源の光パワーを検出するように構成される、ピクセル層と、
前記第1の較正ピクセルによって検出された光パワーに基づいて前記光源の前記パラメータを修正するように構成された第1の調整器と、
を含む較正システム。 - 前記開口層に定められた感知開口と、
前記感知開口に実質的に軸線方向に整合された感知レンズと、
前記感知レンズに実質的に整合された感知ピクセルと、
を含む感知回路を更に含む、請求項1に記載の較正システム。 - 前記感知回路は、前記開口層と反対側で前記レンズ層に隣接する前記光学フィルタを共有する、請求項2に記載の較正システム。
- バルク伝送光学系と、
バルク受容光学系と、
を更に含み、
前記光源は、前記バルク伝送光学系の背後でオフセットされる、請求項1に記載の較正システム。 - 前記光源から前記第1の較正開口まで延びる光学バイパスを更に含む、請求項1に記載の較正システム。
- 前記第1の調整器は、前記第1の較正ピクセルによって検出された前記光パワーに基づいて前記光源の温度を修正するように構成された温度調整器を含む、請求項1に記載の較正システム。
- 前記第1の調整器は、前記光源の負荷サイクルを修正する、請求項1に記載の較正システム。
- 前記第1の調整器は、圧電効果に基づいて前記光源の前記パラメータを修正する、請求項1に記載の較正システム。
- 前記レンズ層と反対側で前記光学フィルタに隣接する拡散器を更に含む、請求項1に記載の較正システム。
- 前記開口層は、第2の較正開口を更に定め、前記レンズ層は、該第2の較正開口から軸線方向にオフセットされた第2の較正レンズを含み、前記ピクセル層は、該第2の開口及び該第2の較正レンズを通って延びる光線に整合された第2の較正ピクセルを含み、前記第1の調整器は、前記第1の較正ピクセル及び該第2の較正ピクセルによって検出された光パワーに基づいて前記光源の前記パラメータを修正するように構成される、請求項1に記載の較正システム。
- 前記光源から前記第1の較正開口及び前記第2の較正開口まで延びる光学バイパスを更に含む、請求項10に記載の較正システム。
- 前記開口層は、少なくとも第2の較正開口、第3の較正開口、及び第4の較正開口を含む1又は2以上の追加の較正開口を更に定め、
前記レンズ層は、少なくとも第2の較正レンズ、第3の較正レンズ、及び第4の較正レンズを含む1又は2以上の追加の較正レンズを含み、
較正開口と較正レンズとの各対が、各較正レンズが他の対に対して一意の公称角度で光を前記光学フィルタに向けて出力するように、他の対に対して一意の距離だけオフセットされ、
前記ピクセル層は、少なくとも、前記第2の開口及び前記第2の較正レンズを通って延びる光線に整合された第2の較正ピクセル、前記第3の開口及び前記第3の較正レンズを通って延びる光線に整合された第3の較正ピクセル、並びに前記第4の開口を通って延びる光線に整合された第4の較正ピクセルを含む1又は2以上の追加の較正ピクセルを更に含み、
前記第1の調整器は、前記第1の較正ピクセル及び前記追加の較正ピクセルによって検出された光パワーに基づいて前記光源の前記パラメータを修正するように構成される、請求項1に記載の較正システム。 - 前記光源から前記較正開口のうちの少なくとも1つの較正開口まで延びる光学バイパスを更に含む、請求項12に記載の較正システム。
- 前記較正システムが、1又は2以上の光学バイパスと1又は2以上の追加の光源とを更に含み、
前記1又は2以上の光学バイパスの各々が、前記光源のうちの少なくとも1つから前記較正開口のうちの少なくとも1つまで延びる、請求項12に記載の較正システム。 - 別の光源を更に含み、各光源が、光の波長の異なる帯域を前記パラメータの関数として出力するように構成され、
第2の較正開口と、第2の較正レンズと、第2の較正ピクセルと、前記第1の調整器とは独立して制御される第2の調整器とが、他方の光源に対して設けられる、請求項1に記載の較正システム。 - 第1の較正開口に軸線方向に整合された第1の較正レンズに軸線方向に整合された第1の較正ピクセルによって検出された第1の光パワーを取得する段階と、
一意のオフセット距離だけ対応する較正開口から軸線方向にオフセットされた対応する較正レンズから各々が軸線方向にオフセットされた1又は2以上の追加の較正ピクセルによってそれぞれ検出された1又は2以上の追加の光パワーを取得する段階と、
前記第1の光パワー及び前記追加の光パワーに基づいて、光の波長の帯域をパラメータの関数として出力するように構成された光源を該光源に結合された調整器を起動することによって調整するか又は光学フィルタを調整する段階と、
を含む較正方法。 - 前記光源は、前記光の波長の帯域を、中心波長を中心とする分布パターンで出力するように構成され、
前記中心波長は、前記第1の光パワー及び前記追加の光パワーに基づいて前記光源の温度を変更することによって変えられる、請求項16に記載の較正方法。 - 前記第1の光パワー及び前記追加の光パワーに基づいてアクティブ期間中の前記光源の中心波長がサンプリング期間中の該光源の中心波長よりも長いか否かを決定する段階を更に含み、
前記調整器は、前記決定に基づいて前記光源の前記温度を維持する、低下させる、又は上昇させる、請求項17に記載の較正方法。 - 前記調整器は、前記光源を調整するために該光源の負荷サイクルを修正する、請求項16に記載の較正方法。
- 前記調整器は、圧電効果に基づいて前記光源の前記パラメータを修正する、請求項16に記載の較正方法。
- 前記調整器は、前記第1の光パワー及び前記追加の光パワーに基づいて単位時間毎のピーク入射光子計数値を維持するように起動される、請求項16に記載の較正方法。
- 前記第1の光パワーが前記追加の光パワーのうちの1つよりも大きい場合に、前記アクティブ期間中の前記光源の前記中心波長が前記サンプリング期間中の該光源の該中心波長に適合するか又はそれよりも長いかが決定される、請求項18に記載の較正方法。
- 前記第1の光パワーが第1の閾値よりも小さい場合、又は該第1の光パワーと前記追加の光パワーのうちの1つとの間の差が第2の閾値よりも小さい場合に、前記光源の前記中心波長が短いと決定され、前記調整器は、該光源の該中心波長を増大する、請求項18に記載の較正方法。
- 前記追加の光パワーのうちの1つが前記第1の光パワーよりも大きい場合に、前記アクティブ期間中の前記光源の前記中心波長が前記サンプリング期間中の該光源の該中心波長よりも短いと決定され、前記調整器は、該光源の該中心波長を低減する、請求項18に記載の較正方法。
- 前記第1の光パワーを取得する段階は、光子の第1の光子計数値を計算する段階を含み、前記1又は2以上の追加の光パワーを取得する段階は、光子の1又は2以上の光子計数値をそれぞれ計算する段階を含む、請求項16に記載の較正方法。
- 角度調整によって前記光学フィルタの中心波長を調整する段階を更に含む、請求項16に記載の較正方法。
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