JP2020073901A - 光検出測距センサ - Google Patents
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Abstract
Description
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。
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)。
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。
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。
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=ti-1、t=ti、及びt=ti+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。
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。
Claims (20)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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