JP2020526775A - フォトニック集積距離測定ピクセルおよび距離測定方法 - Google Patents

Abstract

距離測定ピクセル装置が、共通の基板上に配置されるフォトニック集積回路を備え、さらに、その上に配置される２つの３ｄＢ双方向性結合器を有するフォトニック集積回路基板、ＧＲＩＮレンズ、およびＧＲＩＮレンズの第２の側面に光学機械的に接続された第１の側面を有する部分反射ファラデーミラー；およびソースレーザ、第１の光検出器、および第２の光検出器を含む。関連する距離測定法は、距離測定ピクセル装置を用いる工程、局部発振（ＬＯ）ビームを生じる工程、エコーを生じる工程、ＬＯビームおよびエコービームを混合する工程、混合されたＬＯビームおよびエコービームを分ける工程、および遠隔オブジェクトの距離をコード化する周波数において光検出器アセンブリ光電流の変調を生じる工程、を含む。

Description

関連出願

本出願は、ここに参照することによってその内容が全て援用される、２０１７年７月７日出願の「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｐｉｘｅｌ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ」と題された米国仮特許出願第１５／６４３，７４４号に優先権を主張する。

本発明の態様および実施形態は、最も広くは距離測定センサに関する；より詳細には、チップスケールの、距離測定フォトニック集積回路に関する；および、最も詳細には、距離測定ピクセルから遠隔オブジェクトまでの測定距離を特定するための距離測定ピクセルおよび関連するコヒーレント検出方法に関する。

高精度３Ｄレンジ測定が可能な小型画像センサシステムが、工業検査、建設および建築、バーチャルリアリティ、および自動運転車のような用途におけるセンサとして非常に関心を持たれている。今日ほとんどのシステムは、光の飛行時間（ＴｏＦ）、時変光信号の位相シフト、または光学的三角測量の測定に基づく：これらは、表面上の照射レーザパターンの歪みを測定することによってその３Ｄ形状を特定するか、または２つのカメラを用いてステレオ視をシミュレートすることによるものである。

ＴｏＦシステムは、光の照射パルスと遠隔オブジェクト点からの反射との間の遅延を測定し、その距離を推測する。光の速度は既知の定数であるので、距離の計算は、放出されたパルスと受け取られたパルスとの間の時間に基づく些細なものである。しかしながら、そのようなシステムの欠点は、非常に高速の精密測定回路が必要とされ、大きいレーザ照射パワーが要求されることである。

位相シフト法では、伝送された光強度が正弦波状に変調され、往復時間からの反射された光信号の位相シフトを用いて距離が測定される。位相シフト法の欠点として、変調周波数における距離依存性、クロストークおよびノイズの受けやすさ、および測定値間の誤差を平均し正確な距離を修復するために多くのサンプルを集める必要性、が挙げられる。

ＴｏＦおよび位相シフトシステムはいずれも、３Ｄ形状を適切に評価するために、表面に亘って１つまたは複数のレーザからスポットを走査する必要がある。精密光学機械アセンブリ、および、レーザ測定システムを正確に回転させ表面または周囲を３Ｄマッピングできる高分解能モータを必要とするため、現在のレーザ走査距離測定システムは高価である。しかしながら、これらのシステムは、室内および屋外で、高分解能の距離測定および長距離範囲に亘る３Ｄマッピング能力を提供する。

光パターンを用いるセンサは、通常はより小さく安価である。これらのセンサは、表面の形状をマッピングするために照射光パターンにおける歪みの分析を基にするため、概してパワーがより低く、高速の精密測定回路を用いることを必要とせず、所定の表面上を機械的に走査する必要がない。これらのセンサの主な制限は、範囲や分解能が不十分であり、屋外および明るい周囲環境で作動できないことである。

より最近の発明は、ラジオ周波数変調（ＲＦＣＷ）連続波ＬＩＤＡＲのバリエーションである、光混合装置（Photonic Mixing Device）（ＰＭＤ）（特許文献１）である。このセンサにおいては、ＲＦＣＷ ＬＩＤＡＲにおいて一般に用いられる複合電気的混合回路が、感光性半導体装置のピクセル内で生じるすべての光混合で交換される。変調された光源を用いて表面を照射する。感光性半導体表面が、照射源と同じ周波数で電気的に変調され、２つの信号の電気光学混合によって３Ｄ距離が測定される。

小型で安価であるが、ＰＭＤ装置の欠点は、十分な反射光を得るために大きいピクセルサイズを必要とし、結果として奥行き画像の方位分解能が低いことである。このシステムにおける感光性半導体ピクセルを光混合中に変調できる限定周波数もまた、装置の奥行測定分解能を制限する。さらに、このシステムは、周辺光からの浸潤を受けやすく、これによって距離測定に誤差が生じる。

光ホモダイン検出を用いる、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）測距のようなレーザ測距のためのコヒーレント法は、記載される他の光測距法のすべてに対して、距離、距離測定精度、および周辺光条件での動作に改良を提供しうる。そのようなシステムにおいて、発光の周波数は直線的に変調され、ビームは２つに分けられ、１つのビームは測定標的に向かい、他方は局部発振（ＬＯ）を形成する。標的から戻ってくる光は、光検出器の表面上でＬＯビームと混合されて光学干渉パターンを提供し、これは、標的について詳細な距離情報を提供するように処理されうる。ｐ−ｉ−ｎフォトダイオードのような二乗検波器（square-law point detector）において、これらの干渉縞は、特異的なうなり周波数として明らかであり、ここにおいて検波器の光電流が変調される、すなわち、光の変調周波数並びに標的までの距離に比例する。そのようなシステムは、特許文献２および３に記載される。

ＦＭＣＷシステムは、低いレーザパワーレベルを用いて正確な距離測定を提供することができる。これらのシステムは、回転ミラーに接続され、表面上に光を走査し、周囲の距離マップを生成しうる。しかしながら、そのようなシステムは通常、光学的構成の複雑さおよび自由空間光通信を用いる実施形態において必要とされる正確な光学的公差のために比較的高価である。そのようなシステムの実施形態はまた、光ファイバ部品を用いて実践しうるが、これらはかさばる傾向にあり、自由空間設計よりも製造がわずかに複雑でないだけである。

米国特許第７，３６１，８８３号明細書 米国特許第７，１３９，４４６号明細書 米国特許第８，６８７，１７３号明細書

したがって、測定分解能および費用で妥協せず、環境アーチファクト（environmental artifacts）を受けづらく、コンパクトサイズを保持し、安価に製造できる、距離測定センサが必要とされる。以下の開示は、これらの必要条件を満たすＦＭＣＷ距離測定センサを説明する。

本開示は、フォトニック集積距離測定ピクセルおよび距離測定方法に関する。

ある態様に従って、距離測定ピクセル装置は、以下を備える：（ａ）（ｉ）その上に配置されるフォトニック集積回路基板、（ｉｉ）第１および第２の出力ポートおよび第１および第２の入力ポートを有する第１の３ｄＢ方向性結合器、（ｉｉｉ）第１および第２の出力ポートおよび第１および第２の入力ポートを有する第２の３ｄＢ方向性結合器、を含む、共通の基板上に配置されたフォトニック集積回路であって、第１の３ｄＢ方向性結合器の第２の入力ポートが、第２の３ｄＢ方向性結合器の第１の入力ポートに直接光学的に接続される、フォトニック集積回路；（ｂ）第１の３ｄＢ方向性結合器の第１の出力ポートに光学機械的に接続される第１の側面を有するＧＲＩＮレンズ；（ｃ）ＧＲＩＮレンズの第２の側面に光学機械的に接続される第１の側面を有する部分反射ファラデーミラー；（ｄ）第１の３ｄＢ方向性結合器の第１の入力ポートに光学的に接続される出力を有するソースレーザ；（ｅ）第２の３ｄＢ方向性結合器の第１の出力ポートに光学機械的に接続される第１の光検出器；および（ｆ）第２の３ｄＢ方向性結合器の第２の出力ポートに光学機械的に接続される第２の光検出器。

ある実施形態によれば、ピクセル装置中の第１の方向性結合器の第２の出力ポートおよび第２の方向性結合器の第２の入力ポートは、光学的に終端である。

別の実施形態によれば、ソースレーザはレーザダイオードである。

別の実施形態によれば、ソースレーザ出力は直線偏光である。

別の実施形態によれば、ソースレーザ出力は、近赤外、中赤外、または長波長赤外スペクトル領域である。

別の実施形態によれば、ソースレーザ出力は、線形チャープである。

別の実施形態によれば、ソースレーザは、≦１ＭＨｚの線幅を有する分布帰還型（ＤＦＢ）または分布ブラッグ反射（distributed Bragg Reflector）（ＤＢＲ）レーザである。

別の実施形態によれば、ソースレーザ出力は、周波数変調連続波フォーマットにある。

別の実施形態によれば、ＧＲＩＮレンズは、ロッドの形態である。

別の実施形態によれば、第１および第２の光検出器は、自動平衡差動信号検出を行うように電気的に構成される。

別の実施形態によれば、部分反射ファラデーミラーは、第１の３ｄＢ方向性結合器の第１の出力ポートからの発光の０．１％〜５０％を反射する。

別の実施形態によれば、ピクセル装置はさらに、ソースレーザとフォトニック集積回路との間に配置された光アイソレータを含む。

別の実施形態によれば、ソースレーザおよびフォトニック集積回路は、共通の基板上に配置される。

別の実施形態によれば、光検出器は、フォトニック集積回路内に一体的に作製される。

別の実施形態によれば、ピクセル装置はさらに、部分反射ファラデーミラーの光学的下流に配置された集光部品を含む。

別の実施形態によれば、距離測定ピクセルと遠隔オブジェクトとの間の距離を測定する方法は、以下の工程を含む：（ａ）請求項１に記載されるような距離測定ピクセル装置を提供する工程；
ソースレーザからの周波数変調光ビームを生成する工程；（ｂ）ソースレーザからの周波数変調光ビームを、双方向性結合器の第１の入力ポート中に接続し、第１の３ｄＢ双方向性結合器の第２の出力ポートにおいて光の半分が消え、残りは第１の３ｄＢ双方向性結合器の第１出力ポートにおいて出力される、工程；（ｃ）部分反射ファラデーミラーから反射された光の所定の部分をＧＲＩＮレンズおよび第１の方向性結合器の第１の出力ポート中に集め、局部発振（ＬＯ）光ビームを形成する工程；（ｄ）残った周波数変調光ビームを、部分反射ファラデーミラーを介してかつ徐々に集光する集光光学部品に向けて伝送する工程；（ｅ）集光光学部品を用いて、部分反射ファラデーミラーを介して、ＧＲＩＮレンズにおよび続いて第１の双方向性結合器の第１の出力ポートに、徐々に集光された光を交差させる遠隔オブジェクトから反射された光を集め、エコー光ビームを形成する工程；（ｆ）第２の方向性結合器の２つの出力ポートにおいて等分される、第２の３ｄＢ双方向性結合器の第１の入力ポートに向かって、複合ＬＯおよびエコー光ビームを方向付ける工程；および（ｇ）第２の方向性結合器の各出力ポートにおける複合ＬＯおよびエコービームを光検出器の表面上に供給する工程であって、ＬＯおよびエコー信号の光混合によって、エコーの距離をコード化する周波数において各光検出器の光電流の変調が生じる、工程。

本発明のこれらのおよび他の態様が、以下に説明される実施形態から明らかであろう。

本発明の実施形態に従った、距離測定ピクセルを概略的に示す図 本発明の実施形態に従った、距離測定ピクセルを形成するフォトニック集積回路を概略的に示す図 本発明の例示的な実施形態に従った、レーザとフォトニック集積回路との間の光学機械的接続のためのアプローチを概略的に示す図 本発明の例示的な実施形態に従った、レーザとフォトニック集積回路との間の光学機械的接続のためのアプローチを概略的に示す図 本発明の例示的な実施形態に従った、レーザとフォトニック集積回路との間の光学機械的接続のためのアプローチを概略的に示す図 本発明の例示的な実施形態に従った、光検出器とフォトニック集積回路との間の光学機械的接続のための異なるアプローチを概略的に示す図 本発明の例示的な実施形態に従った、光検出器とフォトニック集積回路との間の光学機械的接続のための異なるアプローチを概略的に示す図 本発明の例示的な実施形態に従った、距離を示す周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）法および検出された距離と距離分解能との間の関係を概略的に示す図 本発明の実施形態に従った、距離測定ピクセルから遠隔オブジェクトおよび背面までの光経路を概略的に示し、ノイズ低減特徴を強調する図 本発明の例示的な実施形態に従った、２つの互いに直交する軸に沿って光を走査することができる複合走査ＭＥＭＳミラーに光学機械的に接続される距離測定ピクセルを含む３Ｄスキャニングおよびマッピングシステムを概略的に示す図 本発明の例示的な実施形態に従った、第２の直交軸に沿って筐体を回転できるモータに機械的に接続された筐体内に配置された、１つの軸に沿って光を走査できる複合走査ＭＥＭＳミラーを有する同様のシステムを概略的に示す図 本発明の例示的な実施形態に従った、１つの軸に沿って回転できるモータに機械的に接続され、かつ、第２の互いに直交する軸に沿って回転できる第２のモータに機械的に接続された筐体内に配置される、ミラーに光学機械的に接続される距離測定ピクセルからなる３Ｄスキャニングおよびマッピングシステムを概略的に示す図

以下の説明において、本明細書に開示される様々の特定の実施形態を明確に説明するために多くの特定の詳細が述べられる当業者は、現在請求される発明が、以下に議論される特定の詳細のすべてがなくても実施しうることを理解するであろう。

図１および図２は、距離測定ピクセル１０を示す。図１に示されるフォトニック回路と必ずしも同じ基板上でなくてもよいレーザは、単一周波数レーザダイオード１２であり、これは、近赤外、中赤外、または長波長赤外スペクトル領域において直線偏光を照射し、チャープとなりうる；すなわち、レーザの注入電流、温度、利得媒質のバイアス電流、キャビティ長、あるいは４つ全ての組合せを変調することによって、中央周波数の周りに集められた周波数の範囲において放射線を発するように調節されてもよい。変調波形は、レーザの発光周波数が所定の時間に亘って直線的に変調されるように制御される。レーザ１２は、照射されたレーザ光線を伝搬できる導波路を有するフォトニック集積回路１４（図２においてより詳細に示される）に光学機械的に接続され、第１の入力ポート１８、第２の入力ポート２０、第１の出力ポート２２、第２の出力ポート２４を有する第１の３ｄＢ方向性結合器１６；第１の入力ポート２８、第２の入力ポート３０、第１の出力ポート３２、第２の出力ポート３４を有する第２の３ｄＢ方向性結合器２６を形成するように構成される。レーザ１２からの光は、第１の方向性結合器１６の第１の入力ポート１８中に送られ、等分の光が第２の出力ポート２４に向かって送られ、第２の入力ポート２４の適切な末端によって消されるのに対し、光の他の半分は第１の出力ポート２２中に送られて照射される。

導波路と自由空間との間で光を効果的に接続するための屈折率勾配（ＧＲＩＮ）ロッドレンズ３６が、第１の方向性結合器の１６の第１の出力ポート２２に光学機械的に接続され、これによって、照射されたレーザ光が、屈折率勾配ロッドレンズ３６に光学機械的に接続される部分反射ファラデーミラー３８に向かって送られる。部分反射ファラデーミラーは、屈折率勾配ロッドレンズの外方を向く表面上の光磁気材料を、屈折率勾配ロッドレンズに戻るレーザ光線の所定の部分を反射する物質４０でコーティングすることにより形成され、レーザ光線の残りは、光を遠隔オブジェクトに向かって送る集光光学系４２に向かって伝送される。反射された光の部分は、ポート２２で照射されたレーザ光線の０．１％〜最大５０％でありうる。部分反射ファラデーミラー３８からの反射光は、局部発振（ＬＯ）信号となる。

遠隔オブジェクトから反射した光が集められ、部分反射ファラデーミラー３８および屈折率勾配ロッドレンズ３６を介して集光光学系４２に戻り、エコー信号として第１の方向性結合器１６の第１の出力ポート２２に送られる。第１の方向性結合器１６の第１の出力ポート２２は、ＬＯおよびエコー光ビームを同時に含む。複合ＬＯおよびエコー信号の半分が第１の入力ポート１８に向かって戻され、レーザ１２と第１の方向性結合器の入力ポート１８との間に配置される光アイソレータによって消されてもよい。複合ＬＯおよびエコー信号の他の半分は、第２の方向性結合器２６の第１の入力ポート２８と一致する第１の方向性結合器の第２の入力ポート２０に送られる。第２の方向性結合器２６の複合ＬＯおよびエコー光信号の等しい部分が、第１の出力ポート３２および第２の出力ポート３４に送られる。２つの出力ポート３２および３４における光信号間のエバネッセント波結合によって、互いに関して９０°だけ光学的に位相シフトされた元の複合ＬＯおよびエコー信号の四分の一をそれぞれ伝送する。レーザ１２の発光波長においてスペクトル反応を有する光検出器４４および４６は、出力ポート３２および３４に接続され、光検出器表面上における複合ＬＯおよびエコー光信号の光学的混合によって、距離測定ピクセルに関してエコー光信号の発生源の距離をコード化する周波数において各光検出器４４および４６の光電流の変調を生じる。距離測定のこの方法は、図５および６に詳述される。

図２は、より詳細にフォトニック集積回路を示す。ＧＲＩＮロッドレンズ３６および部分反射ファラデーミラー３８は、シリコン光ベンチ技術を用いてフォトニック回路内に統合されてもよい。半導体製造法を用いて、フォトニック集積回路基板２上に非常に正確な溝およびアライメントホールが形成されてもよく、その内部には、屈折率勾配ロッドレンズ３６、部分反射ファラデーミラー３８のような自由空間光学部品が配置されてもよい。フォトニック回路基板はまた、光アイソレータ５４を組み込んでもよい。３ｄＢ結合器のための導波路が、レーザ光線に透明な適切な材料層を用いてシリコンまたはガラスのような基板上に形成されてもよい。例えば、近赤外から長波長赤外スペクトルにおけるコアおよびクラッド材料としてＳｉ_３Ｎ_４およびＳｉＯ_２を用いてもよく、近赤外から中赤外スペクトルにおけるコアおよびクラッド層についてＳｉおよびＳｉＯ_２を用いてもよい。

図３Ａ−３Ｃは、レーザ１２をフォトニック集積回路１４に光学機械的に接続するために使用しうるさまざまの方法を示す。レーザ１２は有利には、フォトニック回路１４と別個のパッケージで≦１ＭＨｚの線幅を有する分布帰還型（ＤＦＢ）または分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）レーザであってもよく、図３Ａに示されるように入力ポート１８に先端で接続された（butt-coupled）研磨ファイバ面を有する偏光保持ファイバピッグテールを用いて方向性結合器１６の第１の入力ポート１８に接続される。レーザ１２は、統合された光アイソレータを含んでもよく、レーザパッケージ並びにフォトニック回路はどちらも、平らな硬い基板５６上に配置されてもよい。

あるいは、レーザダイ１００は、それ自体のそれぞれの基板材料で予め作製されて図３Ｂに示されるようにフォトニック回路基板に結合されてもよく、当該技術においてよく開発された先端接続またはエバネッセント結合を用いて入力導波路ポート１８に光学的に接続されてもよい。レーザ１０２はまた、ＩＩＩ−Ｖ半導体材料１０４のようなレーザ利得媒質をフォトニック回路基板２に結合することによってフォトニック回路中に直接形成されてもよく、図３Ｃに示されるように、フォトニック回路基板２中にはレーザキャビティが米国特許第８，６２０，１６４号明細書に見られるように形成される。

同様に、図４Ａおよび図４Ｂは、光検出器４４および４６とフォトニック回路１４との間のさまざまの光学機械的接続法を示す。光検出器は、硬いプリント回路基板５２上で信号増幅回路と共にアセンブリ中でパッケージ化されてもよい。フォトニック回路１４は、出力ポート３２および３４が位置合わせされ光検出器の表面に先端接続されるように位置合わせされてもよく、プリント回路基板５２に結合されてもよい。ファイバピッグテールはまた、出力ポート３２および３４の間の光学的接続として用いられてもよい。

あるいは、光検出器は、基板材料を不純物物質で適切にドープすることにより、または、レーザ光線へのスペクトル反応を用いた感光性材料のエピタキシャル膜の堆積を介して、フォトニック回路の一部として直接形成されてもよい。これらの材料は、Ｓｉ、ＩｎＧａＡｓ、およびＧｅを含みうる。光検出器４４および４６は、それらの光電流がキャンセルするようにバランス型構成で電気的に接続されてもよい。この場合、各フォトダイオードに当たるＤＣ光出力を均等にする必要がある。これが行われる場合、平衡対フォトダイオードの有効出力は、ビームの１つの強度に差異が生じるまではゼロである。これが起こると、当該対が「不平衡」となり、ネット信号が出力に生じる。２つのビームの強度を平衡化するしばしば退屈な手動の課題を避けるために、自動平衡回路を用いてもよい。

図５は、距離測定ピクセル内で用いられる距離測定法についてのさらなる詳細を提供する。レーザ１２は、周波数変調連続波フォーマット（ＦＭＣＷ）中に搭載され、光学的放射の瞬間周波寸は、ｄＦによって周期的にシフトされる。周期的および線形周波数チャープは、注入電流、接合部温度、利得領域のバイアス電流への鋸歯変調の適用、またはこれらの方法の任意の組合せによって実践されうる。レーザ出力は光アイソレータ５４を通過し、レーザキャビティに戻る反射からの低下を防止する。遠隔オブジェクトからの反射チャープエコー光および部分反射ファラデーミラー３８から反射されたチャープＬＯ光を光検出器４４および４６の表面上に組み合わせるまたは光学的に混合することにより、ファラデーミラーから反射された周波数チャープパルスの差である「うなり（beat）」周波数において各検出器の光電流の変調が生じる；すなわち、ＬＯ信号およびオブジェクトから反射されたエコー信号である。光検出器における光混合プロセスから生じるうなりトーンの周波数は、以下のＦＭＣＷ系のレンジ分解能（ｄＲ）方程式により説明されるように、標的距離、周波数チャープ、およびチャープ時間に比例する：
ｄＲ＝ｃ／２ｄＦ、
ここで、ｃは空中の光の速度であり、ｄＦはレーザパルス内の周波数チャープである。生じるうなり周波数トーンは、レーザの直線的周波数変調チャープｄＦ、チャープパルス持続時間Ｔｐ、およびレンジＤの関数である：
Ｆｂ＝（ｄＦ／Ｔｐ）＊（２Ｄ／ｃ）、
ここで、Ｆｂはうなり周波数であり、ｃは空中の光の速度である。

光検出器４４および４６におけるＬＯおよびエコー光信号の光学的混合に続いて、電子回路によって検出後プロセシングを行ってもよく、これには、うなり周波数内でコード化される距離をデコードするための、時間平均、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）、ＦＭＣＷ復調、増幅、アナログ・デジタル変換、および高速フーリエ変換（ＦＦＴ）プロセシングが含まれてもよい。これらの成分のセットの一部またはすべては、フォトニック回路中に、または、プリント回路基板のようなフォトニック回路と共に別個の硬い基板上にフォトニック回路と同じ場所に配置されるサブシステムとして組み込まれてもよい。

本発明が、周囲からの偽信号、およびフォトニック回路内の光学的インターフェースからの後方反射を低減する方法が、図６に強調される。第１の３ｄＢ結合器１６の第１の出力ポート２２における直線偏光９０出力は、屈折率勾配ロッドレンズ３６を通過し、部分反射ファラデーミラー３８に向かって送られる。光磁気材料を通過すると、直線偏光は、４５°の時計回りの偏光回転を受け、所定の部分が反射されてＬＯ信号を形成する前に、右円偏光となる。反射光９２は、光磁気材料の第２の通過を行い、別の４５°時計回りの偏光を受けて、元の直線偏光に直角の偏光を有する部分反射ファラデーミラーから出てきて、屈折率勾配ロッドレンズ３６を介して第１の３ｄＢ連結器の第１の入力ポート２２に戻される。同様の態様において、部分反射ファラデーミラー３８を通って伝送される光９４の部分は、右円偏光を有してオブジェクトに向かって距離測定ピクセルから出てくる。オブジェクトが複屈折でない場合には、オブジェクトからの反射に基づいて、反射されたエコー光９４は、右円偏光を保持し、集められて部分反射ファラデーミラー３８に戻される。部分反射ファラデーミラーを通って伝送されるエコー光の部分もまた、光磁気材料の第２の通過を行い、別の４５°の時計回りの偏光回転を得て、ＬＯ信号の偏光状態に適合する。同じ偏光状態を有するＬＯおよびエコー信号はいずれも、上述したようにフォトニック回路に戻され、２つの光検出器４４および４６のそれぞれの表面上で混合され、エコー信号の距離をコード化するうなり周波数を生じる。同じ偏光を有する光信号の混合は、直交する偏光状態を有する信号よりも効果的に行われることが当該技術においてよく知られる。例えば、第１の方向性結合器１６の第１の出力ポート２２と屈折率勾配ロッドレンズとの間で生じうるフレネル反射のようなフォトニック回路内の光学的インターフェースからの後方反射によって、部分反射ファラデーミラーの二重通過は起こらず、したがって、それらは回転される偏光状態は有しない。その結果、直角偏光ＬＯ光信号による混合効果が著しく低減され、したがって、生じる任意の偽うなり周波数が最小化される。実施される本発明によって、ＬＯおよびエコー光信号が同じ偏光状態を有することが確保され、さらに、光検出器において測定された所望のうなり周波数が最大振幅を有することが確保される。

距離測定ピクセル１０は、超小型の距離測定システムを形成し、これは、距離を正確に測定するが、既存の高精度ＦＭＣＷおよび他のレーザ測距システムについてと同様に、高価な光学、電子回路、および作製における光学位置合わせ工程を必要としない。有利には、単一の距離測定ピクセルを複合ＭＥＭＳ走査ミラー７０と接続し、図７Ａおよび７Ｂに示されるように、非常に安価で広角の（＞１２０°）３Ｄレーザスキャニングおよびマッピングシステムを作成してもよい。ＭＥＭＳミラーは、２つの独立した軸１２０および１２２に沿って振動または回転してもよく、図７Ａに示されるように、ミラー７０の少なくとも１つの回転軸が、距離測定ピクセルの光学軸に対して４５°の角度であるように配置されてもよい。本明細書に記載される配置は、単純な例示的配置を示すだけであることが意図される。当業者にとって、ＭＥＭＳ７０と距離測定ピクセル１０との間で光を接続するために他の光学的配置を用いてもよいことが明らかであろう。ＭＥＭＳミラー７０は、標的オブジェクト上に距離測定ピクセルから出るチャープレーザ光９４を走査し、反射したエコー光９６をピクセルに戻るように向け直す。２つの互いに直交する軸に沿ってレーザビームをラスター走査することによって、オブジェクトの３Ｄマップが作成されうる。

あるいは、本発明の距離測定ピクセル１０を用いて、同様に安価で、高性能の３Ｄスキャニングおよびマッピングシステムを作成してもよい。これは、図７Ｂに示されるように、第１の軸１２８に沿って振動できるＭＥＭＳミラー７２に接続されてもよい。距離測定ピクセル１０およびＭＥＭＳミラー７２は、共通の硬い基板５６上に共に配置されてもよく、ＭＥＭＳミラーの回転の軸に直交する第２の軸１３０に沿って距離測定ピクセルおよびＭＥＭＳアセンブリを正確に回転できる小型モータ７６に機械的に接続される、筐体７４内に配置されてもよい。そのようなシステムは、少なくとも１つの次元において、３６０°視野のスキャニングが可能かもしれない。

図８は、距離測定ピクセル１０を用いた３Ｄスキャニングおよびマッピングシステムの別の実施形態を示す。この配置において、距離測定ピクセル１０から放射されたチャープレーザ光は、小型モータ８２に機械的に接続されたミラー８０を用いて第１の軸１３２に沿って走査される。ミラー８０は、楕円形状面を有してもよく、楕円形の面がモータ８２の回転の軸に対して４５°となるようにモータ８２に機械的に接続される。ミラーおよびモータアセンブリは、距離測定ピクセルに関して配置され、距離測定ピクセルおよび集光光学部品の光学軸が、モータ８２の回転の軸と同一線上である。距離測定ピクセル１０、ミラー８０およびモータ８２は、筐体８４内に配置されてもよく、筐体８４は、モータ８２の回転軸に直角でありうる第２の軸１３４に沿って回転できる第２のモータ８６に機械的に接続され、少なくとも１つの次元において、３６０°視野を有する３Ｄスキャニングおよびマッピングシステムを作成しうる。

図７Ａ−７Ｂ及び図８に説明されるシステムは、＜６００ｃｍ^３の全容積を有し、これは、実質的に既存のレーザ走査システムのもの未満である。ミラー開口のサイズは、システムが距離測定を行うよう設計される所望の範囲に依存しうる。より長い距離範囲に亘る測定は、より大きい集光性能、したがって、より大きいミラー開口を必要とする。≦１センチメートルの距離分解能において、１０メートル〜１５０メートルの最大範囲について、１−１０ミリメートルの直径が適切なミラーサイズでありうる。≦１００ｍＷのＣＷ出力パワーにおいて、レーザ波長は有利には≧１３００ｎｍでありうる。

現在の最新式３Ｄレーザスキャニングおよびマッピングシステムと比較して、本開示の距離測定ピクセル１０および距離測定ピクセルに基づく３Ｄスキャニングおよびマッピングシステムの配置の利点は、以下のようである：（１）容積が１０^３倍低減する、（２）価格が１０倍安くなる、（３）きわどい光学的位置合わせが必要とされない、（４）振動耐性、（５）後方反射および周囲からの迷光により影響されない。さらに、距離測定ピクセル／ＭＥＭＳミラー３Ｄスキャニングおよびマッピングシステムの別の顕著な特徴は、ＭＥＭＳを最適化２Ｄパターンで走査するようにプログラムし、まず全体の標的領域をざっと走査し、次いで、改良された分解能および／またはより高い信号対雑音比のために標的の特定の領域に選択的に集中できるということである。

特許法の要件に従って本発明を説明したが、当業者であれば、特定の要件または条件を満たすために本発明にどのように変化および変更を行うかを理解するであろう。そのような変化および変更は、本明細書に開示される本発明の範囲および原理から逸脱せずに行いうる。

上述の例示的な実施形態の詳細な説明は、法律の要件に従って説明および開示のために提示される。網羅的であるかまたは記載されるまさにその形態に限定されることを意図するものではなく、当業者が、本発明をどのようにして特定の使用または実践に適応させうるかを理解できるようにするために過ぎない。変更およびバリエーションの可能性は、当業者にとって明らかであろう。例示的な実施形態の説明によって制限することは意図されず、これらは、許容範囲、特徴寸法、特定の動作条件、工業規格、などを含んでもよく、実践の間で変化するまたは最新技術への変化を有してもよく、制限の意味は含まれない。本出願人は、現在の最新技術に関して本開示を行ったが、進歩およびこれらの進歩を考慮に入れた、すなわち、その時の最新技術に従った、将来の適応をも考慮する。本発明の範囲は、記載される請求項および適用できる均等物によって定められることが意図される。単数での請求要素への参照は、そのように明示される場合を除いて、「１つおよびただ１つ」を意味することを意図しない。さらに、本開示において、要素、成分、方法または処理工程は、当該要素、成分、または工程が請求項に明示されているか否かに関わらず、公に解放されることを意図しない。本出願における請求要素は、当該要素が「〜のための手段（means for）」という用語を用いて明白に述べられる場合を除いて、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．１１２、第６パラグラフの下で解釈されず、本出願における方法および処理工程は、当該工程が「〜の工程を含む」という用語を用いて明白に述べられる場合を除いて、上記の規定の下で解釈されない。

１０ 距離測定ピクセル
１２ レーザ
１４ フォトニック集積回路
３６ 屈折率勾配ロッドレンズ
３８ 部分反射ファラデーミラー
４４ 光検出器
４６ 光検出器
５６ 基板

Claims (19)

1. その上に配置されるフォトニック集積回路基板、
   第１および第２の出力ポート並びに第１および第２の入力ポートを有する第１の３ｄＢ方向性結合器、
   第１および第２の出力ポート並びに第１および第２の入力ポートを有する第２の３ｄＢ方向性結合器、
   を含む、共通の基板上に配置されるフォトニック集積回路；
   前記第１の３ｄＢ方向性結合器の前記第１の出力ポートに光学機械的に接続される第１の側面を有するＧＲＩＮレンズ；
   前記ＧＲＩＮレンズの第２の側面に光学機械的に接続される第１の側面を有する部分反射ファラデーミラー；
   前記第１の３ｄＢ方向性結合器の前記第１の入力ポートに光学的に接続される出力を有するソースレーザ；
   前記第２の３ｄＢ方向性結合器の前記第１の出力ポートに光学機械的に接続される第１の光検出器；および
   前記第２の３ｄＢ方向性結合器の前記第２の出力ポートに光学機械的に接続される第２の光検出器、
   を含む、距離測定ピクセル装置であって、
   前記第１の３ｄＢ方向性結合器の前記第２の入力ポートが、前記第２の３ｄＢ方向性結合器の前記第１の入力ポートに直接光学的に接続される、
   ことを特徴とする、ピクセル装置。
2. 前記第１の方向性結合器の前記第２の出力ポートおよび前記第２の方向性結合器の前記第２の入力ポートが、光学的に終端であることを特徴とする、請求項１に記載のピクセル装置。
3. 前記ソースレーザが、レーザダイオードであること特徴とする、請求項１に記載のピクセル装置。
4. 前記ソースレーザ出力が、直線偏光であることを特徴とする、請求項１に記載のピクセル装置。
5. 前記ソースレーザ出力が、近赤外、中赤外、または長波長赤外スペクトル領域であることを特徴とする、請求項１に記載のピクセル装置。
6. 前記ソースレーザ出力が、線形チャープであることを特徴とする、請求項１に記載のピクセル装置。
7. 前記ソースレーザが、≦１ＭＨｚの線幅を有する分布帰還型（ＤＦＢ）または分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）レーザであることを特徴とする、請求項１に記載のピクセル装置。
8. 前記ソースレーザ出力が、周波数変調連続波フォーマットにあることを特徴とする、請求項１に記載のピクセル装置。
9. 前記ＧＲＩＮレンズが、ロッドの形態であることを特徴とする、請求項１に記載のピクセル装置。
10. 前記第１および第２の光検出器が、自動平衡差動信号検出を行うように電気的に構成されることを特徴とする、請求項１に記載のピクセル装置。
11. 前記部分反射ファラデーミラーが、前記第１の３ｄＢ方向性結合器の前記第１の出力ポートからの発光の０．１％〜５０％を反射することを特徴とする、請求項１に記載のピクセル装置。
12. 前記ソースレーザと前記フォトニック集積回路との間に配置された光アイソレータをさらに含むことを特徴とする、請求億１に記載のピクセル装置。
13. 前記ソースレーザおよび前記フォトニック集積回路が、共通の基板上に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のピクセル装置。
14. 前記光検出器が、前記フォトニック集積回路内に一体的に作製されることを特徴とする、請求項１に記載のピクセル装置。
15. 前記部分反射ファラデーミラーの光学的下流に配置された集光部品をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のピクセル装置。
16. ミラー；
    前記ミラーに機械的に接続され、第１の軸の周りの回転を提供するよう構成される、第１のモータ；
    前記第１のミラーが内部に配置される筐体；および
    前記筐体に機械的に接続され、前記第１の軸とは異なる第２の軸の周りの回転を提供するよう構成される、第２のモータ、
    をさらに含むことを特徴とする、請求項１５に記載のピクセル装置。
17. 前記共通の基板上に配置される、１つまたは複数の軸に沿って振動できる複合走査ＭＥＭＳミラーをさらに含むことを特徴とする、請求項１５に記載のピクセル装置。
18. 前記共通の基板がその上に配置される筐体；および
    前記筐体に機械的に接続された、軸の周りに回転を提供するように構成されたモータ、
    をさらに含む、請求項１７に記載のピクセル装置。
19. 以下の工程を含む、距離測定ピクセルと遠隔オブジェクトとの間の距離を測定する方法であって、
    請求項１に記載される距離測定ピクセル装置を提供する工程；
    前記ソースレーザから周波数変調光ビームを生成する工程；
    前記ソースレーザからの前記周波数変調光ビームを、前記第１の３ｄＢ双方向性結合器の前記第１の入力ポート中に接続する工程であって、前記光の半分が、前記第１の３ｄＢ双方向性結合器の前記第２の出力ポートにおいて消え、一方で残りは前記第１の３ｄＢ双方向性結合器の前記第１の出力ポートにおいて出力される、工程；
    前記部分反射ファラデーミラーから反射された光の所定の部分を、前記ＧＲＩＮレンズおよび前記第１の方向性結合器の前記第１の出力ポートに集め、局部発振（ＬＯ）光ビームを形成する工程；
    残った周波数変調光ビームを、前記部分反射ファラデーミラーを介してかつ徐々に集光する集光光学部品に向けて伝送する工程；
    前記集光光学部品を用いて、前記部分反射ファラデーミラーを介して、前記ＧＲＩＮレンズにおよび続いて前記第１の双方向性結合器の前記第１の出力ポートに、徐々に集光された光を交差させる前記遠隔オブジェクトから反射された光を集め、エコー光ビームを形成する工程；
    前記第２の方向性結合器の前記２つの出力ポートにおいて等分される、前記第２の３ｄＢ双方向性結合器の前記第１の入力ポートに向かって、複合ＬＯおよびエコー光ビームを方向付ける工程；
    前記第２の方向性結合器の各出力ポートにおける前記複合ＬＯおよびエコービームを光検出器の表面上に供給する工程であって、前記ＬＯおよびエコー信号の光混合によって、前記エコーの距離をコード化する周波数において各光検出器の光電流の変調が生じる、工程、
    を含む、方法。

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