JP2020531794A - 固体光検出及び測距（ｌｉｄａｒ）システム、固体光検出及び測距（ｌｉｄａｒ）分解能を改善するためのシステム及び方法 - Google Patents

固体光検出及び測距（ｌｉｄａｒ）システム、固体光検出及び測距（ｌｉｄａｒ）分解能を改善するためのシステム及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】光検出及び測距を行う。【解決手段】センサシステムは光ビームを発射するように構成された光源を含み得る。さらに、センサシステムは、センサシステムの視界（ＦＯＶ）方向に向けられた発射光ビームを均質化するように構成された１つ又は複数の光学素子を含む。加えて、センサシステムは、複数の光検出装置を有する検出器を含み、複数の光検出装置の各光検出装置は、センサシステムのＦＯＶ内の１つ又は複数の物体から後方反射される光ビームの光子エネルギーの少なくとも一部を受信し、受信された光子エネルギーに基づき少なくとも１つの電気信号を生成するように構成される。【選択図】図２

Description

開示される実施形態は、一般的には感知に関し、具体的には、限定しないが光感知に関する。
例えば可動又は静止物体により様々なタイプの操作を行うためのセンサは重要である。特に、ロボット、有人車両及び無人車両などの可動物体は周囲環境を感知するための様々なセンサを利用し得る。例えば、可動物体は、未知環境内の経路計画、障害物検出及び回避を行うために周囲状況に気付く必要がある。これは、本発明の実施形態が対処しようとする通常の領域である。
本明細書で説明されるのは、光検出及び測距を行うための技術的解決策を提供するシステム及び方法である。センサシステムは、光ビームを発射するように構成された光源を含み得る。さらに、センサシステムは、センサシステムの視界（ＦＯＶ：ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ）方向に導かれる発射光ビームを均質化するように構成された１つ又は複数の光学素子を含む。加えて、センサシステムは、複数の光検出装置を有する検出器を含み、複数の光検出装置の各光検出装置は、センサシステムのＦＯＶ内の１つ又は複数の物体から後方反射される光ビームの光子エネルギーの少なくとも一部を受信し、受信された光子エネルギーに基づき少なくとも１つの電気信号を生成するように構成される。
又、本明細書で説明されるのは、光検出及び測距を行うための技術的解決策を提供するシステム及び方法である。センサシステムは、複数のユニットを有する検出器を含み得、検出器は、第１の構成では、１つ又は複数の物体上の第１の複数の点から後方反射される光ビームの受信光子エネルギーに基づき第１組の電気信号を生成するように構成される。加えて、検出器は、第２の構成では、１つ又は複数の物体上の第２の複数の点から後方反射される光ビームの受信される光子エネルギーに基づき第２組の電気信号を生成するように構成され、第１の構成と第２の構成は所定の相関を有する。さらに、検出器は、１つ又は複数の物体上の第１の複数の点及び第２の複数の点の各点までの距離を第１組の電気信号及び第２組の電気信号に基づき判断し得る。
本発明の様々な実施形態による例示的光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）感知システムの概要図を示す。 本発明の様々な実施形態による例示的固体ＬＩＤＡＲセンサシステムの概要図を示す。 本発明の様々な実施形態による視界（ＦＯＶ）照明の例示的図解を示す。 本発明の様々な実施形態による例示的ＦＯＶ照明方式の図解を示す。 本発明の様々な実施形態による代替の例示的ＦＯＶ照明方式の図解を示す。 本発明の様々な実施形態によるＦＯＶ照明のためのホログラフィックフィルタを使用する図解を示す。 本発明の様々な実施形態による例示的ＦＯＶ照明システムを示す。 本発明の様々な実施形態によるホログラフィックフィルタを有する例示的ＦＯＶ照明方式を示す。 本発明の様々な実施形態によるＬＩＤＡＲセンサシステムにおける光検出の例示的図解を示す。 本発明の様々な実施形態による光検出装置のアレイを有する検出器の例示的図解を示す。 本発明の様々な実施形態によるＬＩＤＡＲセンサシステムを使用して周囲環境を感知するフローチャートを示す。 本発明の様々な実施形態による画素シフト方式の例示的図解を示す。 本発明の様々な実施形態による画素シフト方式を適用することからの例示的結果データフレームを示す。 本発明の様々な実施形態による代替の画素シフト方式の例示的図解を示す。 本発明の様々な実施形態による画素シフト方式において平坦プレートレンズを使用する例示的図解を示す。 本発明の様々な実施形態による平坦プレートレンズを回転することにより引き起こされる画素シフト効果の例示的図解を示す。 本発明の様々な実施形態によるＬＩＤＡＲセンサシステムにおいて画素シフトを支援するフローチャートを示す。
本発明は、同様な参照符号が同様な要素を示す添付図面の図内に、限定するのではなく一例として示される。本開示における「１つの」実施形態又は「一」実施形態又は「いくつかの」実施形態への参照は必ずしも同じ実施形態ではなく、このような参照は少なくとも１つの実施形態を意味するということに注意すべきである。
以下の本発明の説明は光感知システムの一例として光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）センサシステムを使用する。他のタイプの光感知システムが限定されることなく使用され得るということが当業者には明らかになる。
様々な実施形態によると、光検出及び測距を行うための技術的解決策が提供され得る。センサシステムは光ビームを発射するように構成された光源を含み得る。さらに、センサシステムは、センサシステムの視界（ＦＯＶ）方向に導かれる発射光ビームを均質化するように構成される１つ又は複数の光学素子を含む。加えて、センサシステムは、複数の光検出装置を有する検出器を含み、複数の光検出装置の各光検出装置は、センサシステムのＦＯＶ内の１つ又は複数の物体から後方反射される光ビームの光子エネルギーの少なくとも一部を受信し、受信された光子エネルギーに基づき少なくとも１つの電気信号を生成するように構成される。
様々な実施形態によると、光検出及び測距を行うための技術的解決策が提供され得る。センサシステムは、複数のユニットを有する検出器を含み得、検出器は、第１の構成では、１つ又は複数の物体上の第１の複数の点から後方反射される光ビームの受信光子エネルギーに基づき第１組の電気信号を生成するように構成される。加えて、検出器は、第２の構成では、１つ又は複数の物体上の第２の複数の点から後方反射される光ビームの受信光子エネルギーに基づき第２組の電気信号を生成するように構成され、第１の構成と第２の構成は所定の相関を有する。さらに、検出器は、１つ又は複数の物体上の第１の複数の点及び第２の複数の点の各点までの距離を第１組の電気信号及び第２組の電気信号に基づき判断し得る。
図１は本発明の様々な実施形態による例示的ＬＩＤＡＲ感知システムの概要図１００を示す。図１に示すように、センサシステム１１０は、周囲環境を走査し、センサシステム１１０の視界（ＦＯＶ）内のセンサシステム１１０と１つ又は複数の物体（例えば物体１０３）との間の距離を検出するために使用され得る。
センサシステム１１０は、レーザビームなどの光ビームを生成し得る光源（例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）などのレーザ発射器１０１）を含み得る。例えば、レーザビームは単一レーザパルス又は一連のレーザパルスであり得る。様々な実施形態によると、光ビームはセンサシステム１１０のＦＯＶ内の周囲環境を走査するために使用され得る。例えば、光ビームは、物体１０３に達し得、物体１０３の表面上の点（又は部分）１０４からセンサシステム１１０に向かって後方反射され得る。さらに、センサシステム１１０（例えばＬＩＤＡＲセンサシステム）は、物体１０３の距離情報を検出するために光がセンサシステム１１０と点１０４との間を伝搬する時間（すなわち飛行時間）（ＴＯＦ：ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ）を測定し得る。
加えて、多くのタイプの従来のＬＩＤＡＲが存在する。前述の飛行時間（ＴＯＦ）ＬＩＤＡＲに加えて、周波数変調型連続波（ＦＭＣＷ）ＬＩＤＡＲが存在する。ＴＯＦ ＬＩＤＡＲは、送信及び受信されたレーザパルスの時間を測定し、したがって通常は、長距離実施形態において見出される。ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステムは、優れた撮像が必要とされる短距離アプリケーションにおいて優勢であり得る。ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステムでは、レーザ発射器から出て来るレーザビームの周波数が時間とともに変化する。発射されたレーザビームにおける周波数と時間との関係に基づき、往復伝搬時間が、発射されたレーザビームと受信されたままの反射レーザビームとの間の周波数の差から計算され得、結局、標的物体までの距離が計算され得る。
本発明の様々な実施形態によると、検出器１０２は、反射光の少なくとも一部を受信し得、受信された光エネルギーを電気信号へ変換し得る。例えば、検出器１０５は、高感度半導体電子装置である１つ又は複数のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）装置などの１つ又は複数の光装置を巧みに利用し得る。ＡＰＤ装置は受信された光エネルギーを、光電流効果を活用することにより電気に変換し得る。
本発明の様々な実施形態によると、物体１０３までの距離を検出するために、ＴＯＦを測定するための飛行時間（ＴＯＦ）ユニット１０５などの測定回路系が使用され得る。例えば、ＴＯＦユニット１０５は、式ｔ＝２Ｄ／ｃに基づき距離を計算し得、ここで、Ｄはセンサシステム１１０と物体１０３との間の距離であり、ｃは光速であり、ｔは、光がセンサシステム１１０から物体１０３へそしてセンサシステム１１０まで戻る往復にかかる時間である。したがって、センサシステム１１０は、光源１０１による光パルス１１１の発射と検出器１０５による戻り光１１２の受信との間の経過時間（又は時間差）に基づき物体１０３までの距離を測定し得る。
様々な実施形態では、レーザ発射器１０１は光をナノ秒（ｎｓ）レベルで発射し得る。例えば、発光体１０１は１０ｎｓに近い期間を有するレーザパルスを生成し得、検出器１０５は同様な期間の間戻り信号を検出し得る。さらに、受信処理は、例えば、測定された電気パルスの立ち上りエッジを検出することによりパルス受信時間を判断し得る。又、検出は多段増幅処理を巧みに利用し得る。したがって、センサシステム１１０は距離情報を判断するために飛行時間（ＴＯＦ）情報を計算するためのパルス発射時間情報及びパルス受信時間情報を使用し得る。
図２は、本発明の様々な実施形態による例示的固体ＬＩＤＡＲセンサシステムの概要図２００を示す。図２に示すように、ＬＩＤＡＲセンサシステム２１０は、レーザビームなどの光ビームを発射し得る光源２０１（例えばレーザ発射器）を含み得る。例えば、レーザ発射器は単一レーザパルス又は一連のレーザパルスのいずれかを生成し得る。
様々な実施形態によると、光源２０１は１つ又は複数のレーザダイオードを巧みに利用し得る。例えば、光源２０１は、高出力ＬＥＤなどの単一レーザダイオードを含み得る。代替的に、光源２０１は、光の一様性を改善するためにレーザダイオード（例えばチップ内）のマルチダイ（ｍｕｌｔｉ−ｄｉｅ）パッケージを含み得る。
様々な実施形態によると、光源２０１は面発光装置を巧みに利用し得る。例えば、光源２０１は垂直空洞面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）装置を含み得る。ＶＣＳＥＬレーザは、ウェーハレベルでレーザアレイを形成するのが従来の端発光レーザより容易である面発光レーザであるので、光の一様性を改善する際に有益であり得る。又、ＶＣＳＥＬレーザは性能がより安定している可能性がある。例えば、ＶＣＳＥＬレーザは温度変化にあまり敏感でない（例えば、ＶＣＳＥＬレーザの波長温度係数は一般的レーザ波長温度係数の１／５以下であり得る）。
さらに、発光体により発射される光ビームは、測距及び感知アプリケーションに最適化された波長を有し得る。例えば、光ビームの波長は、雑音を低減するために強い太陽光の波長を避けるように構成され得る。一例では、光ビームの波長は約９０５ｎｍとなるように構成され得る。別の例では、光ビームの波長は約１５５０ｎｍとなるように構成され得る。
様々な実施形態によると、ＬＩＤＡＲセンサシステム２１０は、ＬＩＤＡＲセンサシステム２１０の大きな視界（ＦＯＶ）２１１を実現するために、光源２０１から発射される光ビームを拡大する１つ又は複数の光学素子２０２を採用し得る。図２に示すように、拡大された光は、１つ又は複数の物体が存在し得るセンサシステム２１０のＦＯＶ２１１へ導かれ得る。その後、光は、ＦＯＶ２１１内の１つ又は複数の物体からセンサシステム２１０方向へ後方反射され得る。加えて、ＬＩＤＡＲセンサシステム２１０は、光エネルギーを捕捉し、導き、光エネルギーの受信を改善するために１つ又は複数の光学素子（例えばレンズ２０３）を採用し得る。
様々な実施形態によると、反射光は検出器２０４などの受信装置により受信され得る。図２に示すように、検出器２０４は、高感度半導体電子装置であるアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）装置のアレイなどの複数の光起電装置（又はユニット）を含み得る。様々な実施形態では、ＡＰＤ装置のアレイは一次元又は多次元的に（例えば２次元行列形式で）位置合わせされ得る。又、アレイ内の各個々のＡＰＤ装置は、受信された光エネルギーを、光電流効果を活用することにより電気へ別々に変換し得る。
したがって、センサシステム２１０（例えばＬＩＤＡＲセンサシステム）は、センサシステム２１０のＦＯＶ２１１内の１つ又は複数の物体上の様々な面点の距離情報を、飛行時間（ＴＯＦ）すなわち光がセンサシステム１１０と各表面点との間を伝搬する時間を測定することに基づき、検出し得る。
様々な実施形態によると、固体レーザレーダにおいて使用され得るセンサシステムは高出力及びより良い効率を有するレーザを巧みに利用し得る。例えば、レーザビームを拡大することは、拡大された光ビームの強度が拡大に起因して元の発射強度から著しく低減され得るので、安全性を改善する際（特に、高出力レーザが使用される場合）に有益である。従来の機械式走査レーザとは異なり、センサシステム内の（例えば固体レーザレーダ内の）レーザ強度は、レーザが大きなＦＯＶを実現するために拡大された後に低減され得る。したがって、センサシステム内のレーザ源の出力（例えば固体レーザレーダにおいて使用するための）は従来の機械式走査レーザレーダにおいて使用されるレーザ源の出力よりはるかに高い可能性がある。比較目的のために、従来の機械式走査レーザシステムは、しばしばより小さな発射角を有する（すなわちより小さなＦＯＶを有する）ように構成されるので、レーザエネルギーをより集中されたものにする傾向がある。したがって、機械式走査レーザのレーザ発射出力は、レーザ強度が安全規制内に入ることを保証するために様々な安全基準に準拠するために制限される必要がある。
図３は、本発明の様々な実施形態による視界（ＦＯＶ）照明の例示的図解３００を示す。図３に示すように、センサシステム２１０内のタイマ３０５が、レーザビームを発射するために光源２０１をトリガし得、レーザビームは周囲環境内のＦＯＶ２１１方向に導かれる。例えば、タイマ３０５は、センサシステム２１０のコントローラ（図示せず）の一部であってもよいしそれに付随してもよい。
様々な実施形態によると、センサシステム２１０は、大きなＦＯＶ２１１を有する一様（又は一様分散）光場を取得するためにレーザビーム拡大処理（例えばレーザ拡大器２０２による）などの光学的処理を巧みに利用し得る。例えば、レーザビーム拡大は発射光ビームの反射及び／又は透過に基づき得る。さらに、ビーム拡大システムは単一段階又は複数段階で実施され得る。代替的に、センサシステム２１０は、発射されたレーザビームを大きなＦＯＶを実現するために周囲環境中に反射するために１つ又は複数の２次元マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）マイクロミラー（角度調整可能である）などの１つ又は複数のミラーを使用し得る。例えば、ＭＥＭＳマイクロミラーとレーザビームとの間の角度を調整することにより、反射されたレーザ光の角度は、時間とともに変化し得、大きな２次元角度へ発散し得る。加えて、ホログラフィックフィルタが、多くの小さなレーザビームからなる大角度レーザビームを生成するために使用され得る。加えて、レーザダイオードアレイが、レーザビーム拡大処理を使用する必要無く、複数の光ビームを生成するために直接使用され得る。
様々な実施形態によると、光は、入射光の偏向を誘起し得るビーム操舵装置（図示せず）方向に導かれ得る。ビーム操舵装置は、センサシステム１１０を取り囲む環境を走査するためにレーザ光を操舵し得る。例えば、ビーム操舵（ステアリング）装置は、プリズム、ミラー、格子、光学フェイズドアレイ（例えば、液晶制御された格子）又はそれらの任意の組み合せなどの様々な光学素子を含み得る。又、これらの様々な光学素子のそれぞれは、光を様々な方向に操舵するために、ほぼ共通である軸（以降、過度の制限無く共通軸と呼ばれる）を中心として回転し得る。すなわち、様々な光学素子の回転軸間の角度は同じであってもよいし若干異なってもよい。例えば、様々な光学素子の回転軸間の角度は０．０１度、０．１度、１度、２度、５度、又はそれ以上の範囲内であり得る。
図４は、本発明の様々な実施形態による例示的ＦＯＶ照明方式の図解を示す。図４に示すように、センサシステム４００において、光源４０１は光ビームを光拡散器などのホモジナイザ４０２方向に発射し得る。光ビームはコリメートされてもよいしコリメートされなくてもよい。例えば、ホモジナイザ４０２は、コリメート光ビームを拡散又は均質化し得る回折光学素子であり得る。回折光学素子は単一又はマルチモードレーザビームを所望形状及び強度プロファイルを有する十分に規定された出力ビームへ変換し得る。
本発明の様々な実施形態によると、センサシステム４００のＦＯＶを構成するために凸レンズ４０４が光軸に沿って配置され（すなわち、同軸で配置され）得る。例えば、凸レンズは、ホモジナイザ４０２が凸レンズ４０４の前焦点面に位置するように光軸に沿った位置に配置され得る。さらに、センサシステムは、十分に均質化された出射光の一部分を取得するために開口４０３を使用し得る。したがって、センサシステムの視界（ＦＯＶ）と相関がある出力ビームサイズは、ホモジナイザ４０２の絞りサイズ、拡散角、及び凸レンズ４０４の焦点長に基づき判断され得る。代替的に、凹レンズが、センサシステム４００の視界を構成するために使用され得る。
図５は、本発明の様々な実施形態による代替の例示的ＦＯＶ照明方式の図解を示す。図５に示すように、センサシステム５００において、光源５０１は光ビームを光拡散器などのホモジナイザ５０２方向に発射し得る。光ビーム（例えばレーザビーム）はコリメートされてもよいしコリメートされなくてもよい。例えば、ホモジナイザ５０２は光ビームを拡散又は均質化し得る回折光学素子であり得る。例えば、回折光学素子は単一又はマルチモードレーザビームを所望の形状及び強度プロファイルを有する十分に規定された出力ビームへ変換し得る。
本発明の様々な実施形態によると、ミラー５０４（球状ミラー、楕円ミラー、又は放物面ミラーのいずれか）がセンサシステム５００のＦＯＶを構成するために使用され得る。例えば、光源５０１及びホモジナイザ５０２は、光ビームを拡大するミラー面反射を実現するためにミラーの前に配置され得、光ビームは次に他の光学的処理を使用することによりさらに拡大又は操作され得る。
さらに、センサシステム５００は、十分に均質化された出射光を取得するために絞り（ａｐｅｒｔｕｒｅ：図示せず）を使用し得る。加えて、ホモジナイザ５０２は、光源の背後に配置され得、ミラー５０４からの反射光を回折又は均質化するために使用され得る。
図６は、本発明の様々な実施形態によるＦＯＶ照明のためのホログラフィックフィルタを使用する図解を示す。図６に示すように、センサシステム６００における光源６０１は光ビームを発射し得、光ビームは光拡散器／ホモジナイザ（例えばホログラフィックフィルタ６０２）へ達する前にレンズ６０３によりコリメートされ得る。
本発明の様々な実施形態によると、その透過面上の各点において、ホログラフィックフィルタ６０２は、光ビームを、視界（ＦＯＶ）方向の複数の光円錐（又はドット）に変換し得る。これらの光円錐のそれぞれは通常の光ビーム内よりも高い一様性でもって生成され得る。さらに、ホログラフィックフィルタ６０２は、様々なアプリケーションを支援するためにＦＯＶと光円錐又はドットの分布との両方を構成するための様々なホログラフィック処方箋（ｐｒｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｓ）（サイズ、光濃度、波長範囲、及び材料又は基板など）が適用され得る。
図７は、本発明の様々な実施形態による例示的ＦＯＶ照明システムを示す。図７に示すように、ＦＯＶ照明システム７００は、発射段階７０１、コリメーション段階７０２、ビーム拡大段階７０３、均質化（ｈｏｍｏｇｅｎｉｚａｔｉｏｎ）段階７０４及びＦＯＶ増大段階７０５などの複数の段階を含み得る。
図７に示すように、レーザ発射器７１１などの光源は発射段階７０１においてレーザビームを生成し得る。例えば、レーザ発射器２０１は単一レーザパルス又は一連のレーザパルスのいずれかを生成し得る。次に、発射されたレーザビームはコリメーション段階７０２において例えばレンズ７１２を介しコリメートされ得る。
様々な実施形態によると、点光源により生成される光をコリメートするためのコリメータが使用され得る。当業者により知られているように、コリメート光は、光が伝搬するにつれて実質的に拡散し得ない平行光線を有する光を指す。例えば、光源により生成される光をコリメートするためのレンズが使用され得る。代替的に、点光源により生成される光をコリメートするための球面ミラー及び／又は放物面ミラーなどのミラーが使用され得る。例えば、レンズを使用する代わりに、光線を発射方向にほぼ平行なやり方で反射するためのミラーが光源の背後に置かれ得る。
さらに、図７に示すように、ビーム拡大段階７０３は、大きなＦＯＶを実現するためにレーザビームを拡大するために使用され得る。様々な実施形態によると、様々なビーム拡大機構が採用され得る。例えば、単純なガリレオビーム拡大器は、光ビームを拡大するために使用される凹レンズ７１３とビーム拡大を停止するために使用される凸レンズ７１４とを含む。他方で、光軸上に共通焦点を有する２つの凸レンズを含むケプラービーム拡大器が同様な効果を実現するために使用され得る。
又、図７に示すように、ビームホモジナイザ７１０が、ビーム均質化段階７０４において均一レーザビームプロファイルを生成するために使用され得る。例えば、ビームホモジナイザ７１０は、ガウスエネルギー分布を有するレーザを、フラットトップ強度を有する均質化レーザへ変換し得る。様々な実施形態によると、様々なタイプの均質化機構が光ビームを均質化するために採用され得る。例えば、ビームホモジナイザ７１０は、暗濁色ガラス、回折ビームホモジナイザ、又はマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）であり得る。又、ビームホモジナイザ７１０はホログラフィックフィルタを含み得る。
加えて、図７に示すように、凸レンズ７１５がＦＯＶ増大段階７０５においてセンサシステムのＦＯＶをさらに拡大するために使用され得る。例えば、凸レンズ７１５の構成を調整することにより、センサシステムは、より短い検出範囲を有するより大きなＦＯＶ又はより長い検出範囲におけるより狭いＦＯＶを実現し得る。
様々な実施形態によると、様々な段階は再配置、修正、又はバイパスされ得る。又、追加段階が、限定しないが適用及び組み合わせられ得る。図７に示すように、ビーム拡大段階７０３は、コリメーション段階７０２に続いてであるが均質化段階７０４の前に構成され得る。代替的に、ビーム拡大段階７０３は均質化段階７０４に続いて構成され得る。又、ＦＯＶ増大段階７０５は修正又は削除され得る。
図８は、本発明の様々な実施形態によるホログラフィックフィルタを有する例示的ＦＯＶ照明方式を示す。図８に示すように、ＦＯＶ照明システム８００は、発射段階８０１、コリメーション段階８０２、ビーム拡大段階８０３、及び均質化段階８０４などの複数の段階を含み得る。様々な実施形態によると、様々な段階は再配置、修正、又はバイパスされ得る。又、追加段階が、限定しないが適用及び組み合わせられ得る。
図８に示すように、レーザ発射器８１１などの光源が放射段階８０１においてレーザビームを生成し得る。次に、発射されたレーザビームはコリメーション段階８０２において例えばレンズ８１２を介しコリメートされ得る。さらに、ビーム拡大段階８０３がレーザビームを拡大するために構成され得る。例えば、凹レンズ８１３が光ビームを拡大するために使用され得、凸レンズ８１４はビーム拡大を停止し光ビームを再コリメートするために使用され得る。
様々な実施形態によると、ホログラフィックフィルタ（又はプレート）８１０が、ビーム拡大８０３の有無にかかわらず光ビームを拡散又は均質化するために使用され得る。透過面の各点において、ホログラフィックフィルタ８１０は光ビームを視野（ＦＯＶ）内の複数の光円錐（又はドット）に変換し得る。これらの光円錐のそれぞれは通常の光ビーム内よりも高い一様性でもって生成され得る。
図８に示すように、ホログラフィックフィルタ８１０に続くレンズ８１５は、ホログラフィックフィルタ８１０から送信された平行光線の各グループをレンズ８１５の焦点面（すなわち照明面）上の特定点へ導き得る。したがって、ホログラフィックフィルタ８１０の透過面上の様々な点における様々な円錐（又はドット）は照明面において互いの上へ効果的に重畳し得る（照明面はレンズ８１５から焦点長だけ離れているので）。加えて、レンズ８１５と同じ焦点長を有し得る別のレンズ８１６が照明プラン上に置かれ得る。したがって、レンズ８１６は、照明面から出るテレセントリック円錐角の発散を補正し得るとともに、様々な光測距又は距離検出アプリケーションに有益であるテレセントリック光場８０５（すなわち、主光線が光軸と平行である）を生成し得る。
図２に戻って参照すると、光源２０１から発射される光の一部は、センサシステムの周囲環境内の視界（ＦＯＶ）２１１内の１つ又は複数の物体（図示せず）から後方反射され得る。
図９は、本発明の様々な実施形態によるＬＩＤＡＲセンサシステムにおける光検出の例示的図解９００を示す。図９に示すように、反射光はセンサシステム内の検出器２０４（例えば受信装置）方向に導かれ得る。例えば、どこで反射が発生するかと、どの方向へ光が反射されるかと、に依存して、反射光を捕捉して検出器２０４方向に導くための１つ又は複数の光学素子（例えばレンズ２０３）が使用され得る。
本発明の様々な実施形態によると、検出器２０４は、受信された光信号を電気信号へ変換するために複数の光検出装置（又はユニット）（例えばＡＰＤ装置）を含み得る。又、図９に示すように、反射光はＦＯＶ２１１の様々なセクション内に入り得、各セクション内の反射光は対応光検出装置により受信され得る。各光検出装置は、ＦＯＶ２１１の対応セクション内の１つ又は複数の物点（又は部分）の距離情報を示す１つ又は複数の電気信号を生成し得る。さらに、センサシステムは、ＦＯＶ２１内の１つ又は複数の物体の表面上の様々な点（又は部分）までの距離を検出し得る。したがって、センサシステムは、それぞれがＦＯＶ２１１の対応セクション内の１つ又は複数の物点（又は部分）の距離情報を含む複数の画素を有するデータフレームを構築するための情報を構築又は提供し得る。
例えば、ＦＯＶ２１１のセクション９１１内の反射光は、検出器２０４内の対応光検出装置９１２により受信され得る。次に、センサシステムは、反射が発生する物体の表面上の点（部分）までの距離を、光検出装置９１２により生成される１つ又は複数の電気信号に基づき検出し得る。
本発明の様々な実施形態によると、検出器９１２の各別個の光検出装置（又はユニット）が電気信号を独立に生成し得る。さらに、センサシステムは、タイマ９０５からの生成電気信号（光ビームの発射をトリガするために使用され得る）に関係するタイミング情報を取得し得る。したがって、センサシステムは、センサシステムのＦＯＶ内の複数の点を同時に（又はほぼ同時に）走査することにより高い効率を実現し得る。本発明の様々な実施形態によると、データプロセッサ９０６は距離情報をポイントクラウドデータ９０７に変換し得る。したがって、センサシステムは周囲環境内の様々な物体の距離及び形状を感知し得る。
例えば、データプロセッサ９０６は、様々な反射点の距離情報を、電気信号が様々なセルにおいて生成される時点と光が発射される時点との間の時間差（すなわち各反射点のＴＯＦ情報）に基づき取得し得る。このような距離情報は、センサシステムの周囲環境を表すポイントクラウドデータ９０７に変換され得るデータフレームを生成するために使用され得る。
上に説明したような固体ＬＩＤＡＲシステムを使用することにより、センサシステムは視界２１１内のすべてのセクションを同時に又はほぼ同時に走査し得る。比較のために、機械式走査型ＬＩＤＡＲシステムは、視界の走査を完了するのに著しく長い時間がかかる点毎走査方式に限定される。したがって、固体ＬＩＤＡＲシステムの走査周波数は機械式走査型ＬＩＤＡＲシステムの走査周波数より著しく高い可能性がある。すなわち、固体ＬＩＤＡＲシステムが周囲環境の単一走査を行う時間は、機械式走査型ＬＩＤＡＲシステムが周囲環境の単一走査を行う時間より著しく短い可能性がある。
加えて、センサシステムは、信号対雑音比を増加するために同じ領域を複数回走査することにより高い走査効率を巧みに利用し得る。エコー信号強度が低い及び／又は信号対雑音比が低いケースでは、感知結果の品質は複数のサンプリング結果を平均化することにより大幅に改良され得る。例えば、単一回サンプリングの信号対雑音比が１であると仮定すると、Ｎ回サンプリングの信号対雑音比はＳＮＲＮ Ｓａｍｐｌｅ＝Ｎ１／２であり、これは、Ｎ回サンプリングが信号対雑音比を元の信号雑音比のＮ１／２へ増加し得るということを示す。したがって、固体ＬＩＤＡＲを使用することにより、センサシステムは、走査結果における信号対雑音比を改善するために高いサンプリング周波数を巧みに利用し得る。高いサンプリング周波数は、センサシステムが通常アプリケーションへの最小影響を保証する一方で複数サンプリング方法を使用できるようにする。
図１０は、本発明の様々な実施形態による光検出装置のアレイを有する検出器の例示的図解１０００を示す。
図１０（ａ）は、光検出装置のアレイ１００２を含み得る検出器１００１の断面図である。各光検出装置１００２は検出ユニット（例えばＡＰＤセル）を含み得る。任意選択的に、各光検出装置１００２は又、ＡＰＤセルに対応する読み出し集積回路（ＲＯＩＣ）を含み得る。ＲＯＩＣユニットは、対応ＡＰＤセルにより生成された電気信号に基づき光検出事象を読み出すために使用され得る。様々な実施形態によると、ＡＰＤセル及びＲＯＩＣは同じチップ内に組み込まれ得る。代替的に、ＲＯＩＣは、様々なパッケージ技術を使用することによりまとめてボンディングされ得る別個のチップ内に実装され得る。
本発明の様々な実施形態によると、マイクロレンズ１００３は、光が近隣セルへのより少ない反射によりＡＰＤセル方向に焦点を合わせられ得るように、検出器１００１の各検出ユニットの上に配置され得る。したがって、センサシステムは、様々な検出セル間に発生し得る光学的クロストークなどの干渉を低減し得る。任意選択的に、様々なタイプの光学フィルタ及び反射防止膜１００４がミラーとＡＰＤセルとの間に配置され得る。例えば、反射防止膜は光信号の受信を強化するためにレーザ波長の１／４の厚さを有し得る。
さらに、図１０（ｂ）は、光検出装置のアレイ１００２を含み得る検出器１００１の平面図である。図１０（ｂ）に示すように、光検出装置１００２はアレイ（例えば２Ｄアレイ又はマトリックス形式）で配置され得る。又、検出器１００１は列選択論理ユニット１００５及び／又は行選択論理ユニット１００６を含み得る。例えば、列選択論理ユニット１００５及び／又は行選択論理ユニット１００６は、列又は行内の様々なセルを起源とする検出事象を、ＴＯＦ情報をそれぞれ評価するための論理ユニットへ導き得る。したがって、列又は行内の複数のセルは、効率を改善すると共に費用を低減するための同じＴＯＦ論理ユニットを共有し得る。
本発明の様々な実施形態によると、検出器１００１内の光検出装置１００２同士の位置合わせは異なるやり方で構成され得る。例えば、光検出ユニットは、光信号をより良く検出するために円又はリング又は任意の特別な幾何学形状で配置され得る。
図１１は、本発明の様々な実施形態によるＬＩＤＡＲセンサシステムを使用して周囲環境を感知するフローチャートを示す。図１１に示すように、工程１１０１において、ＬＩＤＡＲセンサシステムは光ビームを均質化するために１つ又は複数の光学素子を使用（又は構成）し得、ここでは、光ビームは光源から発射され、均質化された光ビームはセンサシステムのＦＯＶ方向に導かれる。工程１１０２において、ＬＩＤＡＲセンサシステムは複数の光検出装置を有する検出器を使用（又は構成）し得る。複数の光検出装置の各光検出装置は、センサシステムのＦＯＶ内の１つ又は複数の物体から後方反射される光ビームの光子エネルギーの少なくとも一部を受信し、受信された光子エネルギーに基づき少なくとも１つの電気信号を生成するように構成される。
本発明の様々な実施形態によると、センサシステムは、反射が発生する表面点（又は部分）の（すなわち、ＦＯＶの特定セクション内の）距離情報をそれぞれが含む複数の画素を有するデータフレームを構築（又は構築するための情報を提供）し得る。図９に戻って参照すると、センサシステムは、複数の光検出装置（又はユニット）（例えばＡＰＤアレイ）を有する検出器２０４を含み得る。検出装置のそれぞれは、視界（ＦＯＶ）の特定セクション内の１つ又は複数の物体から後方反射された光エネルギーの一部分を受信し得る。又、各検出装置はＦＯＶの特定セクションから受信される光エネルギーを１つ又は複数の電気信号に変換し得る。したがって、検出器２０４は、対応光検出ユニットにより生成される電気信号に基づきＦＯＶの特定セクションの距離情報を検出し得る（例えばＦＯＶの特定セクションのＴＯＦ情報を計算することにより）。
図９に示すように、光検出装置９１２はＦＯＶ２１１のセクション９１１から反射される光エネルギーを受信し得る。さらに、光検出装置９１２はそれに応じて１つ又は複数の電気信号を生成し得る。次に、センサシステムは、データフレーム内の画素として表され得るＦＯＶのセクション９１１の距離情報を取得し得る。
本発明の様々な実施形態によると、センサシステムの検出分解能はセンサシステムのＦＯＶと画素数（すなわち検出器２０４内の光検出装置の数）とに基づき判断され得る。様々な実施形態では、センサシステムのＦＯＶは水平方向の画角及び垂直方向の画角を使用することにより規定され得る。例えば、水平方向のセンサシステムの画角はαであり、垂直方向の画角はβである。光検出装置のアレイが２次元（２Ｄ）マトリックス形式（例えばＭ×Ｎのサイズを有し、ここで、Ｍは水平方向の画素数であり、Ｎはデータフレームの垂直方向の画素数である）であれば、センサシステムの角度分解能は水平方向ではα／Ｍであり、垂直方向ではβ／Ｎである。
本発明の様々な実施形態によると、センサシステムは画素シフト方式を巧みに利用することにより検出分解能を改善し得る。例えば、１つ又は複数の画素シフト操作が、ＦＯＶ２１１内の反射光と検出器２０４との間の相対的空間関係を調整するために行われ得る。ＦＯＶ２１１内の受信された光と検出器２０４との間の相対的空間関係に対するこのような調整は、ＦＯＶ２１１のセクションと検出器２０４内の光検出装置のアレイとの間の対応関係（図９に示すような）に影響を与え得る。例えば、１つ又は複数の画素シフト操作が行われた後、光検出装置９１２はＦＯＶの元のセクション９１１から１つ又は複数のオフセットでもってシフトされるＦＯＶのセクションから反射される光エネルギー（図示せず）を受信し得る。
本発明の様々な実施形態によると、画素シフト方式は高分解能でもって周囲環境を走査するために使用され得る。画素シフト方式を適用することにより、検出器２０４（例えばアレイ検出装置を有する）は様々な組の電気信号を生成し得る。各電気信号はＦＯＶ内の特定点（又は部分）の距離情報を示し得、各組の電気信号はセンサシステムのＦＯＶ内の異なる組の点（又は部分）に対応し得る。したがって、センサシステムは、より高い分解能を有する結果データフレームを取得し得る。
図１２は本発明の様々な実施形態による画素シフト方式１２００の例示的図解を示す。図１２に示すように、画素サイズ１２１１が画素間距離（すなわち画素ピッチサイズ１２１２と画素サイズ１２１１との間の差）より大きい場合、センサシステムは２つの異なる時点において２つの異なるデータフレームを生成することに関与する画素シフト方式１２００を採用し得る。
図１２（ａ）に示すように、検出装置は、センサシステムに第１の構成が適用される場合はデータフレーム１２０１内の第１組の画素の距離情報を検出し得る。さらに、画素シフト方式（スキーム）１２００は画素シフト操作１２１０を指示（ｐｒｅｓｃｒｉｂｅ）し得、これによりセンサシステムに第２の構成を効果的に適用させる。検出装置は、第２組の画素を有する異なるデータフレーム１２０２を構築するための距離情報を含む異なる組の電気信号を生成し得る。上に論述したように、データフレーム１２０１とデータフレーム１２０２のそれぞれはＦＯＶのセクションと光検出装置のアレイとの間の対応関係に応じて構築され得る。
本発明の様々な実施形態によると、画素シフト操作１２１０はセンサシステムを第１の構成と第２の構成との間で変更し得る。第１の構成と第２の構成は、データフレーム１２０１内の第１組の画素とデータフレーム１２０２内の第２組の画素との間の望ましい画素シフト効果を生じ得るように、所定通りに相関付けられ得る。例えば、画素シフト効果は、どのように画素シフト操作１２１０が指示及び／又は実行されるかに依存して併進的又は回転的であり得る。
図１２に示すように、データフレーム１２０１内の第１組の画素とデータフレーム１２０２内の第２組の画素との間の画素シフト（又はオフセット）は列方向と行方向のそれぞれの方向上の約１／２画素であり得る。代替的に、画素シフトは画素サイズの任意の小数となるように構成され得る。例えば、画素シフトは画素サイズの１／３又は画素サイズの２／３となるように構成され得る。
さらに、検出分解能を改善する目的のために、データフレーム１２０２内の画素をデータフレーム１２０１内の画素の上に完全に効果的に重畳させ得る画素サイズ（又は画素ピッチサイズ）の倍数であるオフセットだけデータフレーム１２０２内の画素をシフトする（例えば、この場合、データフレーム１２０２内の画素１２２２がデータフレーム１２０１内の近隣画素の上に位置し得る）こと（これは追加情報を提供しない）を回避することが有益である。
図１３は、本発明の様々な実施形態による画素シフト方式を適用することからの例示的結果のデータフレームを示す。図１２に示すような画素シフト方式を適用することにより、データプロセッサは、データフレーム１２０１内の第１組の画素及びデータフレーム１２０２内の第２組の画素に基づき、高い検出分解能（例えば２×分解能）を有し得る結果データフレーム１３００を生成し得る。
本発明の様々な実施形態によると、様々なデータ融合技術が、データフレーム１２０１内の第１組の画素及びデータフレーム１２０２内の第２組の画素に基づき結果データフレームを取得するために使用され得る。例えば、結果データフレームの各画素は、データフレーム１２０１及びデータフレーム１２０２内の重畳された画素内の距離情報に基づき（例えば平均化により）計算され得る。
図１２に示すように、データフレーム１２０１内の画素とデータフレーム１２０２内の画素との間のオフセットは列方向と行方向の両方向上で１／２画素である。例えば、データフレーム１２０２内の画素（例えば画素１２２２）はデータフレーム１２０１内の最大４つの近隣画素と重畳し得る。したがって、画素１２２２の値とデータフレーム１２０１内の４つの近隣画素の値が、結果データフレーム１３００内の対応画素１３０２の値を計算するために使用され得る。同様に、結果データフレーム１３００内の画素１３０１の値は画素１２１１の値とデータフレーム１２０２内の近隣画素の値に基づき計算され得る。したがって、結果データフレーム１３００は、各データフレーム１２０１又は１２０２の分解能を２倍にする分解能を有し得る。
本発明の様々な実施形態によると、複数のデータフレーム又は複数組の画素が結果データフレーム１３００を取得するために使用され得る。例えば、センサシステムは、３つのデータフレーム（例えば画素サイズの１／３のオフセットを有する１つのデータフレームと画素サイズの２／３のオフセットを有する別のデータフレーム）内の３組の画素に対応し得る３組の電気信号を生成し得る。したがって、結果データフレームは各データフレームの分解能を３倍にする分解能を有し得る（例えば様々なデータ融合技術を使用することにより）。
本発明の様々な実施形態によると、センサシステムは、様々な構成をセンサシステムへ適用することにより（例えば光路に沿った光源、中間光学素子、又は検出器のうちの少なくとも１つの空間的位置を変更することにより）画素シフト効果を実現し得る。さらに、様々な機構が、ＬＩＤＡＲセンサシステム内で画素シフト操作を行うために使用され得る。
図２に戻って参照すると、センサシステム２１０は、発射光ビームが光源２０１から検出器２０４へ伝搬するための光路を変更するために画素シフト操作を行い得る。画素シフト操作を行うことにより、センサシステム２１０は、画素シフト方式を適用するために様々な構成をセンサシステム２１０に対し適用し得る。さらに、センサシステム２１０は、発射光ビームが所定周波数で光源２０１から検出器２０４へ伝搬するための光路を変更し続けるために振動機構を採用し得る。図２に示すように、光源２０１又は検出器２０４などのセンサシステム内の光学部品の任意の部品は、第１の構成では第１の相対的空間的位置又は配向そして第２の構成では第２の相対的空間的位置又は配向で構成され得、ここで、第１の相対的空間的位置又は配向と第２の相対的空間的位置又は配向は異なる。すなわち、センサシステム２１０は、光源２０１又は検出器２０４を受信光に対し併進的又は回転的のいずれかで移動させ得る。代替的に、センサシステム２１０は、光を検出器２０４に対し異なる経路に沿って伝搬させるためにセンサシステム２１０内の１つ又は複数の中間光学素子を併進的又は回転的のいずれかで移動させ得る。
本発明の様々な実施形態によると、センサシステム２１０は、互いに隣接して位置合わせされる複数の光源を巧みに利用することにより画素シフト操作を行い得る。例えば、各光源から光の発射が別のやり方で指示されると、発射光ビームが光源から検出器へ伝搬するための光路がそれに応じて変更され得る。したがって、センサシステム２１０は様々な構成をセンサシステムに対し適用することにより画素シフト効果を実現し得る。さらに、センサシステム２１０の性能は、いかなる可動部品もセンサシステム２１０内に必要とされないのでより安定且つ一貫したものとなり得る。
図１４は、本発明の様々な実施形態による代替の画素シフト方式１４００の例示的図解を示す。図１４に示すように、画素サイズ１４１１は画素間距離（すなわち画素ピッチサイズ１４１２と画素サイズ１４１１との間の差）より小さい。
センサシステムに第１の構成が適用されると、検出器（又は１つ又は複数の検出装置）は図１４（ａ）に示すように第１組の画素１４０１を構築するための第１組の電気信号を生成し得る。次に、センサシステムは画素シフト操作１４１０を行い得、これによりセンサシステムに第２の構成を効果的に適用させる。したがって、検出装置は、図１４（ｂ）に示すように異なる組の画素１４０２を構築するための情報を含む異なる組の電気信号を生成し得る。
本発明の様々な実施形態によると、センサシステムを所定の相関を有する第１の構成と第２の構成との間で変更する画素シフト操作１４１０は、第１組の画素１４０１と第２組の画素１４０２との間の画素シフト（又はオフセット）を引き起こし得る。例えば、第１組の画素１４０１と第２組の画素１４０２との間の画素シフトは、行及び／又は列方向のいずれかの方向上で約１／２画素又は１／３画素であり得る。
さらに、データプロセッサは、第１組の画素１４０１及び第２組の画素１４０２に基づき結果データフレーム１４２０を生成し得る。例えば、画素シフトは画素サイズ（又は画素ピッチサイズ）の任意の小数（ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｆｒａｃｔｉｏｎ）となるように構成され得る。検出分解能を改善する目的のために、結果データフレーム１４２０内の画素を近隣画素の上に完全に重畳するようにシフトすることを回避することが有益である。
図１４に示すように、第１組の画素１４０１（例えば画素１４１１）と第２組の画素１４０２（例えば画素１４１２１）との間のオフセットは列方向と行方向との両方向上で１／２画素間距離１４１２である。この結果、第１組の画素１４０１は第２組の画素１４０２と重畳しない。本発明の様々な実施形態によると、高い検出分解能を有する結果データフレームをデータフレーム１４０１及びデータフレーム１４０２に基づき取得するための様々なデータ融合技術が使用され得る。例えば、簡単な手法は、２つの別々のデータフレームを最初に構築すること無く、第１組の画素１４０１と第２組の画素１４０２とを組み合わせて（例えばマージして）、結果データフレーム１４２０内に入れることである。したがって、結果データフレーム１４２０は、各組の画素１２０１又は１２０２の元の分解能を２倍にする分解能を有し得る。
本発明の様々な実施形態によると、複数組の画素が結果データフレーム１４２０を取得するために使用され得る。例えば、センサシステムは、３つのデータフレーム（例えば画素サイズの１／３のオフセットを有する１つのデータフレームと画素サイズの２／３のオフセットを有する別のデータフレーム）内の３組の画素に対応し得る３組の電気信号を生成し得る。したがって、結果データフレームは、例えば様々なデータ融合技術を使用することにより、各データフレームの分解能を３倍にする分解能を有し得る。
したがって、画素シフト方式１４００を使用することにより、センサシステムは、複数の異なるデータフレームを様々な時点で別々に生成する必要性無く、結果データフレーム１４２０を直接構築し得る又は構築するための情報を取得し得る。
本発明の様々な実施形態によると、センサシステムは、画素シフト効果を実現するための光路に沿って平坦プレートレンズなどの１つ又は複数の特別な光学素子を増強し得る。
図１５は、本発明の様々な実施形態による画素シフト方式１５００において平坦プレートレンズを使用する例示的例示を示す。図１５（ａ）に示すように、平坦プレートレンズ１５０１は検出装置１５０２の前に位置し得る。図１５（ｂ）に示すように、センサシステムは、受信端部において光をシフトし得る平坦プレートレンズ１５０１を所定角度だけ回転することができる。平坦プレートレンズ１５０１の両面は互いに平行であるので、平坦プレートレンズが一定角度だけ回転された後、出射ビームは入射ビームと平行であり得るがオフセットを有する。
本発明の様々な実施形態によると、センサシステムは様々な組の電気信号に基づき結果データフレーム（図示せず）を生成し得る。結果データフレームは、センサシステムの様々な構成に対応する複数組の画素を含み得る。
図１５に示すように、平坦プレートレンズ１５０１は第１の構成では入力光に対し第１の角度で構成され得、第２の構成では入力光に対し第２の角度で構成され得る。第１の角度及び第２の角度は、所望画素シフト効果を引き起こすために構成され得る。例えば、平坦プレートレンズ１５０１は第１の構成では入射光に対し垂直に配置され得る。次に、平坦プレートレンズは、第２の構成では、光を異なる経路（入力光と平行であるがオフセットを有する）で伝搬させるために入力光に垂直である軸を中心として回転され得る。代替的に、平坦プレートレンズ１５０１は、第１の構成では入射光に対し非垂直角度で配置され得る。次に、画素シフト操作が行われた後、平坦プレートレンズは、第２の構成では光を入射光からの異なるオフセットを有する異なる経路において伝搬させるために、光に対し垂直である軸を中心として回転され得る。さらに、本システムは、（結果データフレームの）複数の方向又は次元における画素シフトの技術的効果を実現するために平坦プレートレンズを様々な方向に同時又は順次に回転し得る（すなわち様々な軸を中心として）。
別の例では、平坦プレートレンズ１５０１は、第１の構成では入力光に対し第１の角度で、第２の構成では入力光に対し第２の角度で、そして第３の構成では入力光に対し第３の角度で構成され得る。したがって、センサシステムは、３つの構成のために生成される３組の電気信号に基づき、結果データフレーム（元の分解能を３倍にし得る）を取得し得る。
さらに、平坦プレートレンズ１５０１と接続する機械的発振器などの振動機構が、発射光ビームが所定周波数で光源２０１から検出器２０４へ伝搬するための光路を変更し続けるために平坦プレートレンズ１５０１の角度を繰り返し回転又は交換するために使用され得る。例えば、このような手法を採用することにより、センサシステムは、上に説明したような画素シフト方式と複数サンプリング方法との両方を巧みに利用し得る。
本発明の様々な実施形態によると、平坦プレートレンズ１５０１などの追加光学素子を使用することが有益である。例えば、追加光学素子を使用する１つの恩恵は、実装するのが容易であるということと、センサシステムの全体安定性を保証し得るということである（これは、センサシステムが、光路に沿った光源、光学素子、又は検出器などのセンサシステム内の様々な光学部品の構成を変更すること（難しく且つ間違いを起こし易い可能性がある）を回避することができるためである）。追加光学素子を使用するための別の恩恵は、追加光学素子が柔軟であるということである。例えば、センサシステムは、異なる画素シフト操作を指示及び実行することにより（例えば平坦プレートレンズ１５０１を図１５に示すように構成し様々な角度で回転することにより）画素シフト方式を調整又は再構成し得る。
図１６は、本発明の様々な実施形態による平坦プレートレンズを回転することにより引き起こされる画素シフト効果の例示的図解を示す。図１６に示すように、平坦プレートレンズ１６０１は検出装置１６０２の前に配置され得る。平坦プレートレンズ１６０１の両面は互いに平行であるので、出射ビームは平坦プレートレンズ１６０１が所定角度だけ回転された後入射ビームに対し平行である（例えばオフセットδを有し）。
図１６に示す例では、平坦プレートレンズ１６０１は角度θだけ回転する。次に、オフセットδは次式のように定義され得る。
Figure 2020531794
ここで、
Figure 2020531794
 ｎは屈折率であり、ｄはプレート１４０１の厚さである。
したがって、オフセットδは次式を使用して計算され得る。
Figure 2020531794
さらに、θが小さな角度であると仮定すると、オフセットδは次の近似を使用して推定され得る。
Figure 2020531794
別の例では、プレート１４０１がθ１からθ２へ回転すると、オフセットは次式を使用して計算され得る。
Figure 2020531794
上記式において、回転された角度（Δθ＝θ１−θ２）が小さいということを仮定すると、オフセットは次のように近似され得る。
Figure 2020531794
したがって、センサシステムは、所望量の画素シフトを実現するために所定角度だけプレート１６０１を回転し得る。例えば、画素シフトが各方向上で画素の１／２であることが望ましければ（すなわち、
Figure 2020531794
 及び
Figure 2020531794
 ）、回転角Δθｘ及びΔθｙは次のように判断され得る、
Figure 2020531794
 ここで、Ｉｘ及びＩｘはそれぞれｘ次元及びｙ次元上の各検出ユニットの画素寸法である。又、他の所望量の画素シフトを実現するためのプレート１６０１を回転する角度は同様なやり方で判断され得る。
図１７は、本発明の様々な実施形態によるＬＩＤＡＲセンサシステムにおいて画素シフトをサポートするフローチャートを示す。図１７に示すように、工程１７０１では、ＬＩＤＡＲセンサシステムは第１組の電気信号を取得するために第１の構成をセンサシステムへ適用し得、第１組の電気信号は、センサシステムの視界内の１つ又は複数の物体から後方反射される第１の光ビームの受信光子エネルギーに基づき、検出器により生成される。工程１７０２では、ＬＩＤＡＲセンサシステムは第２組の電気信号を取得するために第２の構成をセンサシステムへ適用し得、第２組の電気信号は、１つ又は複数の物体から後方反射される第２の光ビームの受信光子エネルギーに基づき、検出器により生成され、第１の構成と第２の構成は異なる。工程１７０３では、ＬＩＤＡＲセンサシステムは１つ又は複数の物体の距離情報を第１組の電気信号及び第２組の電気信号に基づき判断するためにデータプロセッサを使用し得る。
本発明の多くの特徴は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はそれらの組み合わせで、又はこれらを使用して、又はこれらの支援により行われ得る。したがって、本発明の特徴は、（例えば、１つ又は複数のプロセッサを含む）処理システムを使用することにより実施され得る。例示的プロセッサは、限定しないが、１つ又は複数の汎用マイクロプロセッサ（例えばシングルコアプロセッサ又はマルチコアプロセッサ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、特定用途向け命令セットプロセッサ（ＡＳＩＰ）、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）、物理的処理ユニット（ＰＰＵ）、ディジタル信号処理（ＤＳＰ）ユニット、コプロセッサ、ネットワーク処理ユニット（ＮＰＵ）、音声処理ユニット（ＡＰＵ）、暗号化処理ユニットなどを含み得る。
本発明の特徴は、命令が格納された記憶媒体（媒体群）又はコンピュータ可読媒体（媒体群）であるコンピュータプログラム製品内に、又は同製品を使用することにより、又は同製品による支援により実施され得、本明細書に提示される特徴のうちの任意のものを行うように処理システムをプログラムするために使用され得る。記憶媒体は、限定しないが、フロッピーディスク、光ディスク、ＤＶＤ、ＣＤ−ＲＯＭ、マイクロドライブ、磁気光学ディスク、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＤＲＡＭ、ＶＲＡＭ、フラッシュメモリ装置、磁気又は光カード、ナノシステム（分子メモリＩＣを含む）、又は命令及び／又はデータを格納するのに好適な任意のタイプの媒体又は装置を含む任意のタイプのディスクを含み得る。
機械可読媒体（媒体群）の任意の１つに格納されるのは、本発明の特徴は処理システムのハードウェアを制御するためのそして本発明の結果を利用する他の機構と処理システムとが相互作用することを可能にするためのソフトウェア及び／又はファームウェアに取り込まれ得る。このようなソフトウェア又はファームウェアは、限定しないが、アプリケーションコード、デバイスドライバ、オペレーティングシステム、及び実行環境／容器を含み得る。
本発明の特徴は又、例えば特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）装置などのハードウェア部品を使用することによりハードウェアで実施され得る。本明細書で説明された機能を実行するようにハードウェアステートマシンを実施することは当業者にとって明らかである。
加えて、本発明は、１つ又は複数の従来の汎用又は特化デジタルコンピュータ、コンピュータ装置、マシン、又はマイクロプロセッサ（１つ又は複数のプロセッサ、メモリ、及び／又は本開示の教示に従ってプログラムされるコンピュータ可読記憶媒体を含む）を使用することにより好都合に実施され得る。ソフトウェア技術における当業者にとって明らかとなるように、適切なソフトウェアコーディングが本開示の教示に基づき熟練したプログラマにより容易に用意され得る。
本発明の様々な実施形態について上に説明したが、これらはほんの一例として提示したのであって制限するためではないということを理解すべきである。したがって、形式及び詳細の様々な変更が本発明の精神と範囲から逸脱することなくなされ得るということは当業者にとって明らかである。
本発明は、規定された機能の性能及びその関係を示す機能ビルディングブロックの助けを借りて上に説明された。これらの機能ビルディングブロックの境界はしばしば、説明の都合上本明細書では任意に規定された。規定された機能及びその関係が適切に行われる限り代替の境界が規定され得る。したがっていかなるこのような代替の境界も本発明の範囲及び精神に入る。
本発明の前術の説明は例示及び説明のために提示された。網羅的であることを目的としてない、又は開示された正確な形式に本発明を限定することを目的としていない。本発明の広さ及び範囲は上述の例示的実施形態のいかなるものによっても、制限されるべきではない。多くの修正及び変形形態が当業者にとって明らかになる。修正形態と変形形態は、開示された特徴の任意の関連組み合わせを含む。実施形態は、本発明の原理及びその実用化について最も良く説明するために、そしてこれにより当業者が、様々な実施形態の本発明と、企図される特定使用に適するような様々な修正を有する本発明とを理解できるようにするために、選択され説明された。本発明の範囲は以下の特許請求範囲とその等価物によって規定されるように意図されている。

Claims (20)

  1. 波長約９０５ｎｍ又は１５５０ｎｍを有する光ビームを発射するように構成された光源と、前記発射された光ビームをコリメートし、拡大し、均質化するように構成された１つ又は複数の光学素子とを含むセンサシステムであって、前記発射された光ビームは前記センサシステムの視野内の１つ又は複数の物体に向けられるセンサシステムにおいて、さらに、
    複数のユニットを有する検出器であって、各前記ユニットは、前記１つ又は複数の物体上の複数の点内の少なくとも１つの点から後方反射される光ビームの光子エネルギーの少なくとも一部分を受信するように、そして前記少なくとも１つの点に対応する少なくとも１つの電気信号を生成するために前記受信された光子エネルギーを変換するように、構成された、検出器と、
    前記生成された電気信号に基づき前記１つ又は複数の物体上の前記複数の点のそれぞれの点までの距離を判断するように構成されたデータ処理装置と、を含むセンサシステム。
  2. 光ビームを発射するように構成された光源と、
    前記発射された光ビームを均質化するように構成された１つ又は複数の光学素子を含むセンサシステムであって、前記発射された光ビームは前記センサシステムの視界（ＦＯＶ）の方向に向けられる、センサシステムにおいて、さらに、
    複数の光検出装置を有する検出器であって、前記複数の光検出装置の各光検出装置は、前記センサシステムのＦＯＶ内の１つ又は複数の物体から後方反射される光ビームの光子エネルギーの少なくとも一部分を受信するように、そして前記受信された光子エネルギーに基づき少なくとも１つの電気信号を生成するように、構成された検出器を含むセンサシステム。
  3. 前記光源は１つ又は複数のレーザダイオード又は面発光レーザを含む、請求項２に記載のセンサシステム。
  4. 前記検出器内の前記複数の光検出装置の少なくとも１つはアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）装置を含む、請求項２に記載のセンサシステム。
  5. 前記ＡＰＤ装置は、前記少なくとも１つの生成された電気信号に基づき１つ又は複数の光検出事象を読み出すように動作する読み出し集積回路（ＲＯＩＣ）へ結合される、請求項２に記載のセンサシステム。
  6. 前記光ビームの波長は約９０５ｎｍ又は１５５０ｎｍである、請求項２に記載のセンサシステム。
  7. 前記１つ又は複数の光学的素子はビーム拡大器を含む、請求項２に記載のセンサシステム。
  8. 前記ビーム拡大器は前記光ビームが均質化される前に前記光ビームを拡大するように構成される、請求項７に記載のセンサシステム。
  9. 前記１つ又は複数の光学素子はホログラフィックフィルタを含む、請求項２に記載のセンサシステム。
  10. 前記１つ又は複数の光学素子は前記ホログラフィックフィルタに続く一対のレンズを含み、前記一対のレンズはテレセントリック光場を生成するように構成される、請求項９に記載のセンサシステム。
  11. 前記１つ又は複数の光学素子は、前記光ビームを前記センサシステムの前記ＦＯＶ内の様々な角度へ向けるように前記光ビームの入射角を調整するように構成された調整可能ミラーを含む、請求項２に記載のセンサシステム。
  12. 前記複数の光検出装置は所定の構成で配置される、請求項２に記載のセンサシステム。
  13. 前記１つ又は複数の光学素子は前記センサシステムの周囲環境を走査するように前記光ビームを操舵するように構成された１つ又は複数のビーム操舵装置を含む、請求項２に記載のセンサシステム。
  14. 前記検出器は前記センサシステムのＦＯＶ内の前記１つ又は複数の物体の距離情報を検出するように動作し、データフレームが、前記センサシステムの前記ＦＯＶ内の前記距離情報を表すために使用される、請求項２に記載のセンサシステム。
  15. 前記データフレームは複数の画素を含み、前記複数の画素の各画素は前記ＦＯＶの特定セクション内の反射点の距離情報を含む、請求項１４に記載のセンサシステム。
  16. 前記複数の光検出装置の１つの光検出装置により生成される前記少なくとも１つの電気信号は前記センサシステムの前記ＦＯＶを表すデータフレーム内の特定画素に対応する、請求項１２に記載のセンサシステム。
  17. センサシステムの視野（ＦＯＶ）内の１つ又は複数の物体を感知する方法であって、
    光ビームを均質化するように１つ又は複数の光学素子を構成する工程であって、前記光ビームは光源から発射され、前記均質化された光ビームは前記センサシステムの前記ＦＯＶ方向に向けられる、工程と、
    複数の光検出装置により検出器を構成する工程であって、前記複数の光検出装置の各光検出装置は、前記センサシステムの前記ＦＯＶ内の１つ又は複数の物体から後方反射される光ビームの光子エネルギーの少なくとも一部を受信し、前記受信された光子エネルギーに基づき少なくとも１つの電気信号を生成するように構成される、工程を含む方法。
  18. 前記１つ又は複数の光学素子は、前記光ビームが均質化される前に前記光ビームを拡大するように構成されたビーム拡大器を含む、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記１つ又は複数の光学素子はホログラフィックフィルタを含む、請求項１７に記載のセンサシステム。
  20. 前記１つ又は複数の光学素子は前記ホログラフィックフィルタに続く一対のレンズを含み、前記一対のレンズはテレセントリック光場を生成するように構成される、請求項１９に記載のセンサシステム。
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