JP2021507212A - ガリウムおよび窒素を含有するレーザー光源を含むｉｄａｒシステム - Google Patents

Abstract

少なくともガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードと波長変換部材とを担持する統合型パッケージを有するレーザーダイオードベースの照光システムを含む、可動機械である。ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードは、第１のピーク波長を有する第１のレーザービームを放射するように構成される。波長変換部材は、第１のピーク波長を有する第１のレーザービームを少なくとも部分的に受信して、第１のピーク波長よりも長い第２のピーク波長を有する放射を励起し、第２のピーク波長と第１のピーク波長とを混合した白色光を生成するように構成される。可動機械は、第２のレーザービームを生成し、第２のレーザービームを操作して遠隔距離にある標的対象の空間マップを感知するように構成される、光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）システムをさらに有する。

Description

関連出願の相互参照
この出願は、その全体の内容が全ての目的のために参照により本明細書に組み込まれる２０１７年１２月１３日出願の米国仮特許出願第１５／８４１，０５３号の利益を主張するものである。

１８００年代後期、トーマス・エジソンは、電球を発明した。２０１４年１０月７日、物理分野のノーベル賞は、「高輝度の省エネルギー型の白色光源を実現する効率のよい青色発光ダイオードの発明」またはやや砕けていえばＬＥＤランプについて、赤崎勇、天野浩、および中村修二に授与された。ＬＥＤは成功しているが、他のＬＥＤの応用が望まれている。

一実施形態では、本発明は、ＬＩＤＡＲを含む装置を提供する。一実施形態では、この装置は、少なくともガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードと波長変換部材とを担持する統合型パッケージを含む、レーザーダイオードベースの照光システムを有する。一実施形態では、ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードは、第１のピーク波長を有する第１のレーザービームを放射するように構成される。波長変換部材は、第１のピーク波長を有する第１のレーザービームを少なくとも部分的に受信して、第１のピーク波長よりも長い第２のピーク波長を有する放射を励起し、第２のピーク波長と第１のピーク波長とを混合した白色光を生成するように構成される。装置は、第２のレーザービームを生成し、第２のレーザービームを操作して遠隔距離にある標的対象の空間マップを感知するように構成される、光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）システムを有する。本願装置および関連手法のさらに別の詳細は、本願明細書を通して、およびさらに具体的には下記に、見出される。

本発明の一実施形態による表面実装型パッケージにおける反射モードで動作するレーザーベースの白色光源の模式図である。 本発明の別の実施形態による表面実装型パッケージにおける反射モードで動作するレーザーベースの白色光源の模式図である。 本発明の別の実施形態による表面実装型パッケージにおける側面ポンピング型の蛍リン光体により動作するレーザーベースの白色光源の模式図である。 関連分野のＬＩＤＡＲの簡略化されたブロック図である。 本発明の一部の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムおよびレーザーベースの可視光源の両方の装置の模式図である。 本発明の一部の実施形態による自動車の装置を使用のする際の例示的な図である。 本発明の一部の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムに統合されたレーザー光照明システムの簡略化された模式図である。 本発明の一部の代替の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムに統合されたレーザー光照明システムの簡略化された模式図である。 光の波長の関数としての純水吸収の吸収スペクトルのプロットである。 本発明の一部の実施形態によるレーザー照明照光システムおよびＬＩＤＡＲシステムを備え付けた可動機械の模式図である。 本発明の一部の代替の実施形態によるレーザー照明照光システムおよびＬＩＤＡＲシステムを備え付けた可動機械の模式図である。 本発明の一部の代替の実施形態によるレーザー照明照光システムおよびＬＩＤＡＲシステムを備え付けた可動機械の模式図である。 本発明の一部の実施形態による追加のＬＩＤＡＲマッピングレーザーを含むＬＩＤＡＲシステムに統合されたレーザー光照明システムの簡略化されたブロック図である。 本発明の一部の代替の実施形態による追加のＬＩＤＡＲマッピングレーザーを含むＬＩＤＡＲシステムに統合されたレーザー光照明システムの簡略化されたブロック図である。 本発明の一部の代替の実施形態による追加のＬＩＤＡＲマッピングレーザーを含むＬＩＤＡＲシステムに統合されたレーザー光照明システムの簡略化されたブロック図である。 本発明の一実施形態による可視光通信を可能にするレーザーベースの白色光源機能のブロック図である。 本発明の別の実施形態による可視光通信を可能にするレーザーベースの白色光源機能のブロック図である。 本発明の一部の実施形態による動的光源の機能ブロック図である。 本発明の一例によるビーム操向部品を有する封入された動的光源の模式図である。 本発明の一実施形態による反射アーキテクチャを有するスキャンされた蛍リン光体の表示の模式図である。 本発明の一実施形態による伝送アーキテクチャを有するスキャンされた蛍リン光体の表示の模式図である。 本発明の代替の一実施形態による反射アーキテクチャを有するスキャンされた蛍リン光体の表示の模式図である。 本発明の一部の実施形態による可視光通信のための投射光として青色レーザーに基づく白色レーザー光源を使用する際の模式図である。 本発明の一実施形態による光スポットの強度およびスペクトルの動的な空間的制御を可能にする複合波長変換部品の模式図であり図１７Ｂは、本発明の一実施形態による複合波長変換部品の断面の模式図であり、図１７Ｃは、本発明の一実施形態による複合波長変換部品の断面の模式図である。 本発明の一部の実施形態によるレーザーベースのスマート照光システムの機能ブロック図である。 本発明の一部の実施形態による動的なレーザーベースのスマート照光システムの機能ブロック図である。

本発明は、移送型のガリウムおよび窒素を含有する材料レーザーのプロセスに基づく、ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードに統合された様々なセンサーベースのフィードバックループを有して構成されるシステム、装置、ならびにその製造および使用の方法を提供する。例に過ぎないが、本発明は、遠隔の統合型スマートレーザー照光のデバイスおよび方法、投射ディスプレイおよび空間的に動的な照光のデバイスおよび方法、ＬＩＤＡＲ、ＬｉＦｉ、ならびに可視光通信のデバイスおよび方法、ならびに一般の照光、商業用の照光およびディスプレイ、自動車の照光および通信、防衛および保安、工業用加工、およびインターネット通信などのアプリケーションにおける上記の様々な組合せを提供する。

様々な実施形態では、レーザーデバイスおよび蛍リン光体デバイスは、中間サブマウントの存在下または非存在下で、併せてパッケージされるかまたは共通支持部材の上に実装され、蛍リン光体材は、透過モード、反射モード、または側面ポンピング型モードで動作されて、結果として白色発光レーザーベース光源を生じる。追加の様々な実施形態では、レーザーデバイスからの電磁気照射は、自由空間カップリングまたは光ファイバケーブルや他の固体導波材などの導波管とのカップリングなどの手段を介して、遠隔で蛍リン光体デバイスに結合され、その場合、蛍リン光体材は、透過モード、反射モード、または側面ポンピング型モードで動作されて、結果として白色発光レーザーベース光源を生じる。例に過ぎないが、本発明は、白色の照光、白色のスポット照光、フラッシュ光、自動車のヘッドライト、全地形対応の乗物の照光、フラッシュ光源、例えばカメラのフラッシュなど、娯楽スポーツ、例えばバイク、サーフィン、ランニング、レース、ボートなどに使用される光源、ドローン、飛行機、ロボット、他の可動性またはロボットのアプリケーションに使用される光源、安全性、防御アプリケーションでの対抗手段、多色照光、平面パネルのための照光、医療、度量衡、ビーム投射器および他のディスプレイ、高強度ランプ、分光、娯楽、映画館、音楽およびコンサート、分析の瑕疵の検出および／または認証、ツール、水の処理、レーザー輝光、ターゲッティング、通信、ＬｉＦｉ、可視光通信（ＶＬＣ）、感知、検出、距離の検出、光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）、転換、自律的な乗物、輸送、平準化、硬化および他の化学的処置、加熱、切削および／または融除、他の光学デバイスのポンピング、他の光電子工学デバイス、および関連アプリケーション、ならびに光源の照光などのアプリケーションに適用することができる。

サブマウント部材上でレーザーダイオードを製作した後、本発明の実施形態では、統合された白色光源の構築から、レーザーダイオードおよび共通支持部材への蛍リン光体の統合に進むものとなる。蛍リン光体の選択は、レーザーベースの統合された白色光源において重要な考慮すべき事項である。蛍リン光体は、レーザー励起スポットによって誘発される極端な光学強度と関連する加熱に対し、苛烈な分解を起こすことなく耐えられるものでなければならない。蛍リン光体の選択のために考慮すべき重要な特徴としては、以下が挙げられる。
−白色光ルーメンへの高い変換効率の光励起電力。黄色の蛍リン光体を励起する青色レーザーダイオードの一例では、光ワット当たり１５０ルーメン超、光ワット当たり２００ルーメン超、または光ワット当たり３００ルーメン超の変換効率が望ましい。
−直径１ｍｍ、５００ μｍ、２００ μｍ、１００ μｍ、または５０ μｍでさえあるスポットにおける１〜２０Ｗのレーザー出力に耐えることのできる高い光損傷閾値。
−温度１５０℃超、２００℃超または３００℃超に耐えることのできる高い熱損傷閾値。
−蛍リン光体が温度１５０℃超、２００℃超、または２５０℃超に達した際に効率の良いままであるような低い熱消光特性。
−熱を放散し温度を調節する高い熱伝導率。３Ｗ／ｍ−Ｋ超、５Ｗ／ｍ−Ｋ超、１０Ｗ／ｍ−Ｋ超、および１５Ｗ／ｍ−Ｋ超でさえある熱伝導率が望ましい。
−アプリケーションのための適正な蛍リン光体の発光色。
−許容できない熱伝導率または光学効率の低減のない所望の干渉励起の散乱を生じる、適切な多孔性特性。
−アプリケーションのための適正な形状因子。そのような形状因子としては、以下に限定されないが、ブロック、平板、円盤、球、円筒、ロッド、または類似の幾何学的部品である。適正な選定は、蛍リン光体が透過と反射のどちらのモードで動作されるか、ならびに蛍リン光体における励起光の吸収長に依存するものとなる。
−アプリケーションのために最適化される表面の状態。一実施形態では、蛍リン光体の表面は、光の抽出を高めるために意図的に粗いものとすることができる。

一部の実施形態では、或る特定のタイプの蛍リン光体は、レーザー励起源を有するこの求められているアプリケーションに最も適するものとなる。一例として、Ｃｅ^３＋イオンによりドープされるセラミック性イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）、またはＹＡＧベースの蛍リン光体を、理想的な候補とすることができる。それらは、Ｃｅなどの種によりドープされて適正な発光色を達成し、多くの場合、レーザー励起において励起源の光を散乱しかつ干渉性を精密に崩壊させる多孔性特性を含む。その立方結晶構造の結果として、ＹＡＧ：Ｃｅは、透明性の高い単結晶として、ならびに多結晶のバルク材料として、調製することができる。透明度および発光度は、化学量論的な組成、ドーパントの含量、および全体の加工および焼結の経路に依存している。透明性および散乱中心の角度は、青色と黄色の光の均質な混合物のために最適化することができる。ＹＡＧ：ＣＥは、緑色の発光を放射するように構成することができる。一部の実施形態では、ＹＡＧは、Ｅｕによってドープされて赤色の発光を放射することができる。

本発明による好適な実施形態では、白色光源は、光学励起ワット当たり１００ルーメン超、光学励起ワット当たり２００ルーメン超、または光学励起ワット当たり３００ルーメン超でさえある光学変換効率を有するセラミック性多結晶ＹＡＧ：Ｃｅ蛍リン光体により構成される。さらに、セラミック性ＹＡＧ：Ｃｅ蛍リン光体は、熱を効果的に放熱部材に放散して蛍リン光体を動作可能温度に保つ、１５０℃超、２００℃超、または２５０℃超の温度消光特性および５〜１０Ｗ／ｍ−Ｋの高い熱伝導率によって特徴付けられる。

図１Ａは、本発明の一実施形態による、反射モードで動作しかつ表面実装型パッケージに格納される例示的なレーザーベースの白色光源の模式図である。図１Ａを参照すると、反射モードの白色光源は、表面実装型デバイス（ＳＭＤ）タイプパッケージ中に構成される。ＳＭＤパッケージは、共通支持基板部材１６０１を有する。反射モードの蛍リン光体部材１６０２は、基板部材１６０１に取り付けられる。任意選択的に、中間サブマウント部材が、蛍リン光体部材１６０２と基板部材１６０１との間に含まれていてもよい。レーザーダイオード１６０３は、角度を持つ支持部材１６０４上に据え付けられ、その場合、角度を持つ支持部材１６０４は、基板部材１６０１に取り付けられている。基板部材１６０１は、白色光源から放熱板へと熱を逃して伝えるように構成される。基板部材１６０１は、熱伝導性材、例えば銅、銅タングステン、アルミニウム、ＳｉＣ、鋼鉄、ダイヤモンド、複合ダイヤモンド、ＡｌＮ、サファイア、もしくは他の金属、セラミック、または半導体などからなる。

基板部材１６０１への据え付けは、ＡｕＳｎはんだ、ＳＡＣ３０５などのＳＡＣはんだ、鉛含有はんだ、またはインジウムを用いるなど、はんだ付けまたは接着の手法を使用して達成することができるが、他のものとすることができる。あるいは、焼結Ａｇペーストまたはフィルムを、界面での貼着プロセスに用いることができる。焼結Ａｇ貼着材は、標準的な加工道具またはサイクル温度を用いて、さらに高い熱伝導率および向上した導電率という追加的な恩恵の下、分注するかまたは堆積させることができる。例えば、ＡｕＳｎが、熱伝導率約５０Ｗ／ｍ−Ｋおよび導電率約１６μΩｃｍを有するのに対し、常圧焼結Ａｇは、熱伝導率約１２５Ｗ／ｍ−Ｋおよび導電率約４μΩｃｍを有することがあるか、または常圧焼結Ａｇは、熱伝導率約２５０Ｗ／ｍ−Ｋおよび導電率約２．５μΩｃｍを有することがある。ペーストから焼結体への２６０℃〜９００℃という融点温度の極端な変化に起因して、プロセスは、下流プロセスへの熱負荷の制約を回避することができ、完結したデバイスが非常に良好かつ一貫した結合を至るところで有することを可能にする。また、据付ジョイントも、熱伝導性接着剤、銀エポキシなどの熱エポキシ、および他の材料から形成することができよう。

ワイヤボンド１６０５を電極部材１６０６に使用して、レーザーダイオードの電極からの電気的接続が作製される。ワイヤボンド１６０７および１６０８が、内部フィードスルー１６０９および１６１０に対して形成される。これらのフィードスルーは、外部リードに電気的に結合される。外部リードは、電源に電気的に結合されて、白色光源に通電し白色光放射を生成することができる。

基板部材１６０１の上面は、反射層により構成、被覆、または充填されて、下方から向けられた光または反射光に関連する任意の損失を防止または軽減してもよい。さらに、レーザーダイオードおよびサブマウント部材を含むパッケージ内の全ての面は、反射率の増加のために増強されて、有用な白色光の出力を高める一助となる。

この構成では、白色光源は、開放環境で曝露されるよう、キャップまたはシールされない。この統合された白色光源装置の本実施形態の一部の例では、静電放電（ＥＳＤ）保護部品、例えば過渡電圧抑制（ＴＶＳ）部品などが含まれる。無論、図１Ａは、一例に過ぎず、表面実装型パッケージの白色光源の可能な単純な構成の１つを説明することが意図されている。具体的には、表面実装タイプパッケージは、ＬＥＤおよび他のデバイスについては幅広く普及しており、在庫があって入手可能であることから、コストの低いかつ適合性の高い解決策のための１つの選択肢とすることができよう。

図１Ｂは、本発明による２つのレーザーダイオードチップを含むパッケージされた白色光源の代替の一例である。この例では、反射モードの白色光源は、ＳＭＤタイプパッケージでも構成される。このＳＭＤパッケージは、反射モード蛍リン光体部材１６０２が支持部材上または基板部材上に据え付けられた基板部材１６０１を有する。第１のレーザーダイオードデバイス１６１３は、第１の支持部材１６１４または基板部材１６０１の上に据え付けられることがある。第２のレーザーダイオードデバイス１６１５は、第２の支持部材１６１６または基板部材１６０１の上に据え付けられることがある。これらの支持部材および基板部材は、蛍リン光体部材１６０２ならびにレーザーダイオードデバイス１６１３および１６１５から熱を逃して伝えるように構成される。

外部のリードは、電源に電気的に結合され、レーザーダイオード源に通電して、第１のレーザービーム１６１８を第１のレーザーダイオードデバイス１６１３から、第２のレーザービーム１６１９を第２のレーザーダイオードデバイス１６１５から、放射することができる。これらのレーザービームは、蛍リン光体部材１６０２上に入射して、励起スポットと白色光放射とを作り出す。これらのレーザービームは、好ましくは、蛍リン光体部材１６０２上で重なり合い、最適化された幾何学的形状および／またはサイズの励起スポットを作り出す。例えば、第１および第２のレーザーダイオードからのレーザービームは、第１のレーザービーム１６１８の遅軸が第２のレーザービーム１６１９の速軸と一線上に整列するように、互いに９０度に回転される。

基板部材１６０１の上面は、反射層により構成、被覆、または充填されて、下方から向けられた光または反射光に関連する任意の損失を防止または軽減してもよい。さらに、レーザーダイオード部材およびサブマウント部材を含むパッケージ内の全ての面は、反射率の増加のために増強されて、有用な白色光の出力を高める一助となる。この構成では、白色光源は、開放環境で曝露されるよう、キャップまたはシールされない。この統合された白色光源装置の本実施形態の一部の例では、ＥＳＤ保護部品、例えばＴＶＳ部品などが含まれる。無論、図１Ｂは、一例に過ぎず、表面実装型パッケージの白色光源の可能な単純な構成の１つを説明することが意図されている。具体的には、表面実装タイプパッケージは、ＬＥＤおよび他のデバイスについては幅広く普及しており、在庫があって入手可能であることから、コストの低いかつ適合性の高い解決策のための１つの選択肢とすることができよう。

図１Ｃは、本発明によるパッケージされた白色光源の代替の一例である。この例では、反射モードの白色光源は、ＳＭＤタイプパッケージでも構成される。このＳＭＤパッケージは、サブマウントまたは支持部材１６２３の上に据え付けられた側面ポンピング型蛍リン光体部材１６２２、およびサブマウントまたは支持部材１６２５の上に据え付けたレーザーダイオードデバイス１６２４のための共通支持部材としての役割を果たす、基板部材１６０１を有する。一部の実施形態では、レーザーダイオード１６２４およびまたは蛍リン光体部材１６２２は、パッケージの基板部材１６０１に直接的に据え付けられてもよい。支持部材および基板部材１６０１は、蛍リン光体部材１６２２およびレーザーダイオードデバイス１６２４から熱を逃がして伝えるように構成される。基板部材１６０１は、ＳＭＤタイプパッケージにおいて図１Ａおよび図１Ｂと実質的に同じタイプである。

ｐ−電極およびｎ−電極からの電気的接続は、サブマウント部材１６２５上の電極１６２６および１６２７に電気的に結合することができ、それらは次いで、パッケージ中の内部フィードスルーに接続されるものとなる。これらのフィードスルーは、外部リードに電気的に結合される。外部リードは、電力供給源に電気的に結合され、レーザーダイオードに通電して、蛍リン光体部材１６２２の側面に入射するレーザービームを生成する。蛍リン光体部材１６２２は、好ましくは、蛍リン光体部材１６２２の上面からの最初の白色光の放射のために構成されることがある。基板部材１６０１の上面は、反射層により構成、被覆、または充填されて、下方から向けられた光または反射光に関連する任意の損失を防止または軽減してもよい。さらに、レーザーダイオード部材およびサブマウント部材を含むパッケージ内の全ての面は、反射率の増加のために増強されて、有用な白色光の出力を高める一助となる。この構成では、白色光源は、開放環境で曝露されるよう、キャップまたはシールされない。この統合された白色光源装置の本実施形態の一部の例では、ＥＳＤ保護部品、例えばＴＶＳ部品などが含まれる。無論、図１Ｂは、一例に過ぎず、表面実装型パッケージの白色光源の可能な単純な構成の１つを説明することが意図されている。具体的には、表面実装タイプパッケージは、ＬＥＤおよび他のデバイスについては幅広く普及しており、在庫があって入手可能であることから、コストの低いかつ適合性の高い解決策のための１つの選択肢とすることができよう。

図１Ａ、図１Ｂ、および図１Ｃに示される白色光源は、複数の方法で封入し、光エンジンを形成することができる。任意選択的に、光エンジンは、成型されたエポキシまたはプラスチックのカバー（図示せず）の中に被包される。この成型されたカバーは、平坦な上部を有することがあるか、または光抽出を促すために湾曲面もしくは球面を有するように成型することができる。このカバーは、適所に予め成型されて接着されるか、または適所に液体もしくはゲルの前駆体から成型することが可能である。ポリマーカバーまたは成型された被包材がレーザー光を吸収するか、または波長変換部品からの変換光を低下させる場合があることから、被包材が加熱および光吸収のために老化するという大きなリスクがある。そのような材料が老化すると、さらに光学的に吸収性が増してゆき、必然的にデバイスの故障に至る暴走プロセスに繋がり易い。レーザーデバイスが非常に高い輝度と光線束とを有する光を放射する場合のレーザーベースのデバイスでは、この老化の作用は、極めて苛烈であるものと予想される。次いで、ポリマーカバーは、レーザーの放射面に近い領域で、ならびにレーザーデバイスと波長変換部品との間のレーザービーム路で、不在であることが好適である。任意選択的に、成型されたカバーは、レーザーデバイスにも波長変換部品にも接触せず、波長変換部品を横断する前のレーザー光ビームを横断もしない。任意選択的に、成型されたカバーは、レーザーデバイスおよび波長変換部品の一部または殆どの部分と重なり合い接触するが、レーザーの放射面も波長変換部品の表面も覆わず、レーザーデバイスと波長変換部品との間のレーザー光ビーム路を横断することもない。任意選択的に、被包材は、レーザーデバイスのワイヤボンディング後に、デバイスを覆って成型され、空隙および空所は含まれない。

別の実施形態では、光エンジンは、剛性の部材、例えばセラミックまたは金属の筐体を用いて被包される。例えば、圧断された金属壁を、共通基板の外縁に近い寸法をもたせて設けることができよう。この壁は、共通基板に取り付けることができ、気密シールは、他の結合手法の中でも、エポキシまたは別の接着剤、金属はんだ、ガラスフリットシーリング、および摩擦溶接を用いて形成することができよう。壁の上縁は、例えば、透明なカバーを取り付けることによってシールすることができよう。この透明なカバーは、シリカ含有ガラス、サファイア、スピネル、プラスチック、ダイヤモンド、および他の様々な鉱物を含めて、任意の透明な材料から構成されてもよい。このカバーは、カバー材に適切な他の結合手法の中でも、エポキシ、接着剤、金属はんだ、ガラスフリットシーリング、および摩擦溶接を用いて、壁に取り付けられてもよい。

一部の実施形態では、この封入は、ＭＥＭＳデバイスの加工に使用されるものに類似した標準的なリソグラフィ手法を用いて、共通基板上に直接的に造られてもよい。レーザーダイオードなどの数多くの光エミッタは、同じ共通基板上に造ることができ、ひとたび製作が完了すれば、鋸引き、レーザースクライビング、または類似のプロセスを用いて別々のデバイスに個片化される。

デバイス、乗物、および他の対象の自律型および半自律型の動作のための現時点の推進力の中で決定的に重要なセンサ技術として認められていることから、ＬＩＤＡＲ（光イメージング検出および測距）技術は、物理的な周囲環境およびトポロジーを高い解像度および速いリフレッシュレートで検査するかまたは積極的にモニタリングしなければならないアプリケーションにおいて、使用を急速に増している。この技術は、標的または対象との距離を測定するためのいくらか単純な方法に基づいており、レーザー光、例えばレーザー光のパルスなどを標的に向けて、次いで、光が反射されてシステムに戻る時間を検出により測定することによるものである。ＬＩＤＡＲは、地理情報学、考古学、地理学、地質学、林学、大気物理学、レーザー誘導、航空機レーザー広範囲マッピング（ＡＬＳＭ）、およびレーザー高度測量などのアプリケーションのための、高解像度マップを作製するために一般に使用されている。

さらに最近、ＬＩＤＡＲは、自動車やドローンなどの自律型の乗物のための決定的に重要なセンサ技術となりつつある。自動運転車に求められる咄嗟の判断を行うことを可能にするため、ＬＩＤＡＲシステムは、周囲環境に関する正確な３Ｄ情報を提供する。このデータを用いて、プロセッサは、対象の特定、運動ベクトルの決定、衝突の予測、および回避のストラテジーを実行する。ＬＩＤＡＲユニットは、イメージングによく適しており、回転システム、スキャニングミラーシステム、および複数のセンサアセンブリを用いることによって、３６０°の眺めを提供することができる。高速および高出力のレーザーパルスは、対象との距離を反射光から計算するための検出器の応答に合わされる。検出器のアレイまたは時限式カメラを使用して、３Ｄ情報の解像度を高めることができる。パルスは、深度分解能を増大させるために非常に短く、結果として得られる光反射は、データを体積の特定およびベクトル情報に変換するために解析される３Ｄの点様の「雲」を作り出すのに用いられる。変換された結果は、次いで、これらの外部対象に対する乗物の位置、スピード、および方向を計算して、衝突の可能性を決定し、必要に応じて適切な行動を教示するのに用いられる。

本発明によれば、ＬＩＤＡＲシステムは、レーザーベースの照明源を含むデバイス、機械、または可動機械において構成され、その照明源は、本発明に記載されるレーザーベースのスマート光とすることができる。本発明によるＬＩＤＡＲシステムは、ナビゲーションおよびガイダンスのための最初のサブシステムとしての役割を果たすＧＰＳ（全地球測位システム）受信器を含めた、他のセンサ、アクチュエータ、およびシステムにより補われるおよび／またはそれらに接続することができる。ＧＰＳシステムは、典型的には、６０個を超える低軌道衛星の少なくとも４つの群から受信された信号の複素解析に基づき、現在の位置を演算する。ＧＰＳガイダンスシステムは、外部信号を必要としない内部ガイダンスによって補うことができるが、むしろ乗物または可動機械に固定されたプラットフォームからなる内部測定ユニット（ＩＭＵ）を利用する。このプラットフォームは、典型的には３つのジャイロスコープと３つの加速度計とを有し、一対が直交するＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸のそれぞれに由来する。これらのセンサは、プラットフォームの回転運動および直線運動に関するデータを提供し、このデータは、次いで、スピードまたはどんな種類の信号妨害に関わらず、運動および位置を計算するのに用いられる。ＬＩＤＡＲシステムは、多くの場合、近接近対象または妨害物の感知のためにレーダーによって補われる。レーダー（無線検出および測距）は、運動計測の主器であり、ラジオ波を使用して、対象のベロシティ、範囲、および角度を決定する。レーダーは、演算的にはＬＩＤＡＲシステムよりも軽く、角度的にはＬＩＤＡＲよりも正確ではないものの、あらゆる状況で作動することができ、反射を用いて妨害物の後ろを見ることさえできる。レーダーは、ＬＩＤＡＲに対する冗長性のために用いることができる。さらに、カメラシステムが、ＬＩＤＡＲシステムと共に含まれる。カメラは、分類および質感の解明に最も適している。それらは断然、最も安価かつ最も入手し易いセンサであるが、莫大な量のデータを使用し、演算的に過酷かつアルゴリズム的に複雑なジョブの処理を生じる。ＬＩＤＡＲおよびレーダーの両方とは異なり、カメラは色を見、それらを場面の解釈に最も良い状態とする。無論、本発明により、そのようなサブシステムのいかなる構成も含めることができる。そのようなサブシステムを、個別に、または統合された構成の洗練されたアルゴリズムで動作させるために、ソフトウェアを実行する強力なプロセッサが好ましくは含まれる。

本発明は、空間的かつ動的な機能、動的な色もしくは輝度、および／またはＬｉＦｉなどの可視光通信［ＶＬＣ］を含むスマートレーザー光源となりうるレーザーベースの照明源を含むことによって、以前のＬＩＤＡＲ技術を超える強力な恩恵をもたらす。レーザーベースの照明システムをＬＩＤＡＲに組み合わせることによって、ＬＩＤＡＲシステムは、機能性の増加、感度の増加、より小さくよりコンパクトなサイズ、自動車内などに含まれる装置のスタイリングの改善、自動車内などに含まれる装置における統合の改善、およびより低いコストをもたらすことができる。

多くの３Ｄ感知ＬＩＤＡＲアプリケーションについては、スキャニングレーザービームまたは拡大レーザービームおよびタイムオブフライト測定は、各ピクセルに対し深度座標を与えるために用いることができる。別のアプローチは、光のパルスを用いて全域を照明すること、ならびにタイムオブフライト測定を用いて、並行して深度座標を一度に１フレーム集めることである。検出器アレイ、例えばフォトダイオードアレイ、ＣＣＤ、アンテナアレイ、ＣＭＯＳアレイ、または他の並行検出装置などを使用することによって、このアプローチは、周囲環境の速やかなイメージングを可能にする。多くの場合、これは赤外で、例えば９０５ｎｍ、１０００ｎｍ、１０６４ｎｍ、または１５５０ｎｍで行われる。これらの波長は、眼の安全性のため、より短い波長に伴って増加する散乱を最小にして、イメージングされている対象への可視光スキャニングを回避するために、ならびにコスト効率が良く、信頼性があり、効率性のある可能性がある、成熟したレーザーダイオード技術を利用するために、選定されている。

赤外線源は、ＬＩＤＡＲシステムに採用された従来の波長ではあるものの、ＬＩＤＡＲは、広範な供給源および検出波長域に適合し、それらでは、紫外から可視まで、および近赤外および遠赤外まで、異なる波長域内にユニークな恩恵とトレードオフとが見出される。マッピングされている対象または地形に併せてレーザー光が通過する必要がある周囲環境または媒体材に応じて、ある特定の波長または波長群が理想的である場合がある。例えば、ＬＩＤＡＲ感知波長は、２５０ｎｍ域の紫外（ＵＶ）またはそれよりも短い域にさえ至る約１０ｕｍの波長を有して動作するレーザー源から選択されてもよい。実際に、近年、青および青紫の領域で動作する、コスト効率の良い信頼性および効率性のあるガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオード（すなわちＧａＮレーザーダイオード）が台頭しており、本発明を通じて記載される高輝度ＧａＮレーザーダイオードポンピング型の蛍リン光体白色光源もそれに伴っている。これらの可視光源の利用は、水中の吸収の低減などのいくつかのメリットを有する。

典型的には伝送された供給源光は、後方散乱プロセスを介して反射され、次いでＬＩＤＡＲシステムによって検出される。ＬＩＤＡＲシステムに用いられる最も一般的な後方散乱プロセスとしては、レイリー散乱、ミー散乱、ラマン散乱、および蛍光が挙げられ、それらは全て、本発明に用いることができる。異なる種類の後方散乱に基づき、それに応じてＬＩＤＡＲを、レイリーＬＩＤＡＲ、ミーＬＩＤＡＲ、ラマンＬＩＤＡＲなどとよぶことができる。適した波長の組合せは、戻された信号の強度の波長依存的な変化を特定することによって、周囲環境の内容の遠隔マッピングを与えることができる。

レイリー散乱は、照射の波長よりはるかに小さな粒子による光の弾性散乱または他の電磁気照射であり、材料の状態を変えない。これらの粒子は、別個の原子または分子であり得るものであり、光が透明な固体または液体を通過する際に発生することがあるが、気体中に最も顕著に見られる。レイリー散乱は、主として、直径が入射光の波長の約１０分の１未満である原子または分子の粒子からの光の弾性散乱を指すのに対し、ミー散乱は、主として、直径が入射光の約波長よりも大きな原子または分子の粒子からの光の弾性散乱を指す。ミー散乱では、白色光の全波長がほぼ等しく散乱し、ゆえに、大気中の大きな粒子が、白色光の全波長を等しく散乱することから、雲は白色に見える。ラマン散乱は、対象からの光の弾性散乱であり、それによって、散乱された光子は、入射光子よりも低い（ラマンストークス散乱）かまたは高い（ラマン反ストークス散乱）エネルギーを有する。本発明のある特定の実施形態では、ＬＩＤＡＲシステムは、戻された信号の強度の波長依存的な変化を特定することによって周囲環境の遠隔マッピングを可能にするために、適した組合せの感知波長を含むことができる。

ＬＩＤＡＲは、広範囲の材料を空間的にマッピングすることができ、そのような材料としては、建造物、構造物、ヒト、および動物、乗物、物体、岩、雨、化学化合物、エアロゾル、雲、および単一の分子さえ挙げられる。実際に、航空機ベースのＬＩＤＡＲシステムは、ｃｍの解像度までマップ出力することが示されている。航空機および衛星に適合するＬＩＤＡＲ計器は、検査およびマッピングを行う―最近の例は、米国地質調査所実験的高機能空挺調査ライダーである。ＮＡＳＡは、将来のロボット操作型および乗員操作型の月面着陸の乗物の自律型の精密かつ安全な上陸を可能にする鍵となる技術として、ＬＩＤＡＲを認識している。ＬＩＤＡＲは、自律型の乗物などの自律型デバイスに用いる決定的に重要なセンサ技術として、広範に受け入れられつつある。

ＬＩＤＡＲとガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードとを組み合わせた本発明によれば、２種類のＬＩＤＡＲ検出スキームを配備することができる。すなわち、「非干渉性」のまたは直接的なエネルギータイムオブフライト検出（主に振幅測定）と、干渉性の検出（ドップラーまたは位相感応型測定）である。干渉性のシステムは、一般に光学ヘテロダイン式検出を用いるが、この検出は、直接的な検出よりも感度が良く、はるかに低い出力で、しかしより複雑な受信器の要件を代償にして、システムが動作することを可能にする。

干渉性のおよび非干渉性の両方のＬＩＤＡＲでは、マイクロパルスＬＩＤＡＲパルスシステムまたは高エネルギーパルスシステムを、空間マッピングのために配備することができる。マイクロパルスシステムは、レーザー技術の進歩と組み合わされた膨大なコンピュータ能力の可用性に基づき開発されてきた。それらは、レーザーに著しく少ないエネルギーを、典型的には１マイクロジュールのオーダーで用い、多くの場合に「眼に安全」であり、このことは安全性の予防措置なくそれらを使用できることを意味する。高出力システムは、周囲環境の探知に一般的であり、その場合、このシステムは、数多くの周囲環境のパラメータを測定するために広く用いられる。

図２は、既存のＬＩＤＡＲシステムの簡略化されたバージョンを提示している。電源２７０１は、システム内の様々なコンポーネントに電力を供給するように構成される。制御ユニットおよび／またはプロセッサ２７０２は、変調および検出のスキームを指示するレーザードライバ２７０３に対し、変調信号またはパルス信号を指示することを担う、システムの中央演算または頭脳である。レーザードライバ２７０３は、電流（および電圧）をレーザー源２７０４または任意選択的にレーザーおよび外部光学変調器に供給して、レーザー出力２７０４を作動し、レーザー出力からの出力照射に関する信号をコード化する。データをコード化するための変調スキームは、様々な長さのパルスおよびデューティサイクルから、および本明細書を通して記載される他のスキームによって、構成することができる。パルス化または変調されたレーザービームは、次いで、任意選択的に、１つまたは複数の光学系（ビーム成形器２７０５）を介して供されて、ビーム視準をもたらすなどビームを調整する。レーザービームは、次いで、大きな範囲の中に分配されるかまたは向けられて、連続的な空間座標を別個のピクセルとしてスキャンもしくは照明するか、またはイメージを部分的にもしくは全体的に含む複数のピクセルを同時に表す大きな範囲を照明する。前者の「一度に１ピクセル」の構成では、レーザーを、大規模な機械式システム２７０６、例えば回転スキャナや測角器などを用いてスキャンすることができるか、またはスキャンは、ＭＥＭＳスキャニングミラーなどのマイクロスキャナ、もしくはＤＬＰチップやＬＣＯＳチップなどのマイクロディスプレイなどを介して行うことができよう。後者の構成では、レーザービームを、ビーム拡張光学系を介して、より大きな範囲に分配することができるか、または、ＭＥＭＳスキャニングミラーなどのマイクロスキャナ、もしくはＤＬＰチップやＬＣＯＳチップなどのマイクロディスプレイなどを介して、スキャニング機能により拡張することができよう。スキャナまたはマイクロディスプレイにより空間的に分配された後、レーザービームを、１つまたは複数の光学系（ビーム成形器２７０７）を介して任意選択的に供して、出口路で出力伝送器２７０８を介して外界に進入する前にさらに進んだビーム調整を行うことができる。外界で、スキャンされたレーザービームが標的範囲を照明すると、反射または跳ね返った光は入力受信器２７１９に受信される。この受信器では、いくつかのセンサと突き当たる前に、光を、任意選択的に光学系（ビーム成形器２７１７）を介して結合することができ、上記センサは、フォトダイオードまたはフォトダイオードのアレイ２７１５とすることができる。フォトダイオードまたは検出器アレイ２７１５によって生成された電気信号は、次いで、任意選択的に、インピーダンス変換増幅器などの電気的増幅器２７１３にて増幅される。この電気的データは、次いで、制御および処理ユニット２７０２に移送され、そこでは、検出された信号が処理されて、環境のマップを生成する。この処理は、タイムオブフライトの計算または干渉性のヘテロダイン式検出から構成することができる。受信されたデータに基づき、処理ユニット２７０２は、レーザードライバ２７０３にへの信号特性を改変して、ＬＩＤＡＲの性能を最適化するかまたは動作モードを切り替えてもよい。図２は、言うまでも無く、簡略化された模式図であり、他のコンポーネントおよびスキームをＬＩＤＡＲシステムに含めることができよう。例えば、ＧＰＳまたはＩＭＵを含めてもよい。

ＬＩＤＡＲとガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードとを組み合わせた本発明の様々な実施形態によれば、ＬＩＤＡＲシステム内のレーザー波長の最適な選択は、感度、効率、サイズ、および安全性の要件を考慮したアプリケーションに依存する。６００から１０００ｎｍの、例えば９０５ｎｍの波長を有するＬＩＤＡＲシステムは、科学以外のアプリケーションで最も一般的である。それらは高価ではないが、眼に合焦され容易に吸収されうることから、最大出力は、眼に安全となるようなニーズにより制限され、これは殆どのアプリケーションの要件である。一般的な波長代替物である１５５０ｎｍレーザーは、この波長が眼によって合焦されないことから、はるかに高い出力レベルで眼に安全であるが、検出器の技術はあまり進歩しておらず、それゆえ、これらの波長は、概して、より長い領域かつより低い精度で使用される。それらはまた、軍事アプリケーションにも使用されているが、より短い１０００ｎｍの赤外レーザーとは異なり、１５５０ｎｍが暗視ゴーグルでは可視ではないためである。

航空機地勢マッピングアプリケーションに用いることを含めた本発明の一部の実施形態では、本ＬＩＤＡＲシステムは、一般に用いられる従来の１０６４ｎｍダイオードポンピング型ＹＡＧレーザーとは対照的に、１０６４ｎｍのダイオードレーザーダイオードを含むことがある。水中ＬＩＤＡＲアプリケーションを含めて可視波長などのさらに短い波長が好適である場合の他の実施形態では、レーザー波長は、約４２０ｎｍから約５３２ｎｍまでの範囲のダイオードレーザーにより構成されてもよく、その場合、より短いこの波長は、１０６４ｎｍで行うよりもはるかに少ない減衰で水を貫通する。本発明による直接的なダイオードガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードの使用は、５３２ｎｍ周波数２倍発生ダイオードポンピング型ＹＡＧレーザーを用いた従来のシステムに比べて、コスト、サイズ、および重量の低減をもたらすとともに、より高い効率を実現可能とする。

ＬＩＤＡＲシステムの性能を決定する鍵となるレーザー動作パラメータとしては、レーザー反復速度またはパルスが挙げられ、これは、データ収集スピードと感度とを制御する。パルス長は、一般に、レーザーの空洞、構造、および寄生発振、利得材を通る必要な通路の数の属性である。より良い標的解像度は、ＬＩＤＡＲ受信検出器および電子機器が十分な帯域幅を有していれば、より短いパルスにより達成される。ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードは、３ＧＨｚ以上の非常に高い変調帯域幅をもたらすように設計できることから、先行技術に比べて向上した解像度を与える超短パルスが、本発明により可能である。本発明に含まれる実施形態は、周波数２倍発生緑色レーザーとＹＡＧレーザーとに依存した先行技術を超える利点をもたらすが、それらのレーザーは、本発明によるダイオードレーザーの効率性、低コスト、コンパクト性、および／または短パルス長の実現性を持たない。

本発明の一部の実施形態では、従来のＬＩＤＡＲ技術およびレーザー源は、ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードと、スマート照光源を含めたレーザーベース光源とに組み合わされる。すなわち、本ＬＩＤＡＲシステムは、さらに多くの従来の波長とレーザー源とを利用することができ、例えば９０５ｎｍ、１０００ｎｍ、１０６４ｎｍ、または１５５０ｎｍのレーザーと、レーザーベース照光システムに含まれる青紫色または青色のレーザーダイオードとが、レーザーベース可視照明源のみに使用されるものとなり、この照明源を、本発明による、センサ、フィードバックループ、およびまたは動的な色もしくは空間的なパターニングを含むスマートレーザー光源とすることができる。これらの実施形態では、レーザーベース光源とＬＩＤＡＲ技術との新規の組合せによって、新しい向上されたシステム性能が、例えば増強された能力、より小さなおよび／またはよりコンパクトな照光およびＬＩＤＡＲシステム、よりコストの低いシステム、ならびにより堅牢または強靱なシステムが可能になる。一例では、ＬＩＤＡＲとレーザーベース照光システムとの組合せは、同等だが別々のＬＩＤＡＲおよびレーザーベース照光システムが与えるよりも、小さなサイズ、低いコスト、および／もしくはユーザにとって簡単なシステム、または信頼性のある組合せシステムを可能にするものとなる。別の例では、ＬＩＤＡＲシステムとレーザーベース照光システムとの組合せの機能性または感度は、別々のシステムとしてのＬＩＤＡＲシステムとレーザーベース照光システムに比べて、性能を向上させるために構成されるものとなる。これらの実施形態は、自律型の物体または乗物でのアプリケーション、モノのインターネットのアプリケーション、または他の消費、防御、自動、もしくは専門のアプリケーションを見出すことができる。

本発明の好適な実施形態では、レーザーベースの照光システム内のガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードは、ＬＩＤＡＲ感知波長を形成する。すなわち、照光機能を生成するための同じ青紫色または青色を放射するレーザーダイオードの励起波長変換材もまた、空間的にスキャンされ、標的を照明してＬＩＤＡＲ検査機能を生成する。一部の好適な実施形態では、ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオード放射波長のみが、ＬＩＤＡＲスキャニングに使用される。その場合、一例では、直接的な干渉性レーザービームを標的上でスキャンすることができ、別の例では、反射または散乱されたレーザービームを再視準して、ＬＩＤＡＲスキャニングに使用することがある。さらに別の実施形態では、波長変換材からの黄色や緑色、赤色の放射などの光学放射も、ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードからの放射、例えば青紫色や青色の放射などとは別々に、またはそれに追加して、ＬＩＤＡＲスキャニングに使用される。複数の波長をスキャニングシステムに含めることによって、増強検出を可能にすることができる。

レーザースキャニングおよび光学設計は、ＬＩＤＡＲシステムの感度、解像度、およびリフレッシュレートにおいて決定的に重要な役割を果たす。ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードを含むＬＩＤＡＲシステムのために本発明に含まれているのは、方位角および高度をスキャンするためのいくつかの選択肢であり、そのようなものとしては、二重発振平面ミラー、多角形ミラーとの組合せ、２軸スキャナ、ＭＥＭＳミラー、ＤＬＰチップ、ファイバスキャナ、ＬＣＯＳなどが挙げられる。本発明を通じて記載されるビーム操向部品のうちいずれかまたは全てが、ＬＩＤＡＲにおけるスキャニングシステムのための選択肢の候補である。光学系の選定は、検出可能な角度分解能および領域に影響を及ぼす。伝送および収集の信号の光路に使用される光学コンポーネントは、開口、孔、ミラー、ビーム分割器、反射器、速軸視準レンズ、遅軸視準レンズ。再イメージング光学系、拡大光学系、二色ミラー、散光器などを含んでいてもよい。

一部の実施形態では、レーザー照明源、ＭＥＭＳマイクロスキャニングミラーやビーム拡張光学系などのレーザービームスキャニングまたは拡張装置、および伝送および収集に用いられる光学アーキテクチャに加えて、適切な光検出システムを要する。このシステムの複雑性およびアーキテクチャは、ＬＩＤＡＲシステムのタイプ［干渉性ｖｓ非干渉性］、システムの波長域によって、検出の感度およびスピードの要件と併せて、影響を受けるものとなる。本発明によれば、ＬＩＤＡＲに利用される主要なフォトダイオード技術としては、固相光検出器、例えばシリコン・アバランシェ・フォトダイオード、シリコン・フォトダイオード、ＧａＡｓフォトダイオード、ＧａＮフォトダイオード、光電子増倍管などが挙げられる。この検出システムは、一度に１ピクセルに戻されたもしくは反射された信号を、例えば単一の検出器の構成により検出するように構成することができるか、または、一度に部分的もしくは全体のフレームを捕捉するために同時に大量のピクセルからの戻されたもしくは反射された信号を検出するように構成することができる。

受信器での微光検出のために、設計者は、３つの基本的な検出器の選択肢がある：すなわちシリコンＰＩＮ検出器、シリコンアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、および光電子増倍管（ＰＭＴ）である。ＡＰＤは、器械工学および航空宇宙のアプリケーションに広く用いられ、他の検出器にはない高スピードと高感度との組合せをもたらす。受信器のＡＰＤは、受信された光パルスを電気信号に変換する。それは、入射光に比例した電流を出力する。次いで、インピーダンス変換増幅器を用いて、電流を電圧信号に変換する。優れたインピーダンス変換増幅器は、高い振幅利得、高い入力インピーダンス、電圧および電流の超低ノイズ、ならびに低い入力キャパシタンスを有するべきである。それは、通常は、これらの要件を満たすＦＥＴまたはＭＯＳの入力段を有する。入力ノイズ電圧＜１．０ｎｖ√Ｈｚおよび電流ノイズ＜１５ｆＡ√Ｈｚは、高性能デバイスにより達成可能である。トランスインピーダンスの出力は、概ね差動信号に変換され、ＡＤＣによるデジタル化の前に増幅される。伝送パルスは、概ね大きく減衰され（大気条件など）、伝送パルスと受信パルスとの強度の大きな差に繋がる。伝送器に近接する対象もまた、高出力の信号を反射して受信器に戻すことができる。このことにより、受信システムについてのダイナミックレンジの要件が求められる。受信システムは、全出力かつ極めて低く反射されたパルスを扱うのに十分な感度を有するべきである。１００ｄＢのオーダーのダイナミックレンジの要件は、通常には見られない。このダイナミックレンジは、一般に、ＡＤＣの前に前面で可変利得増幅器（ＶＧＡ）またはデジタルＶＧＡ（ＤＶＧＡ）を用いることによって達成される（自動車／工業／軍事アプリケーションのためのＬＩＤＡＲシステム設計、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）。

複数のアプリケーションでは、ＬＩＤＡＲセンサは、可動プラットフォーム、例えば航空機または衛星などに実装されて、センサの絶対的な位置および方位を決定するための器械工学系を必要とする。そのようなデバイスは、概して、全地球測位システム（ＧＰＳ）の受信器および慣性測定ユニット（ＩＭＵ）、例えば加速度計などを含む。

ＬＩＤＡＲイメージングは、スキャニングシステムと非スキャニングシステムとの両方を用いて達成することができる。例えば、「３Ｄゲート型観視（ｇａｔｅｄ ｖｉｅｗｉｎｇ）レーザー・レーダー」は、パルス化されたレーザーと高速ゲート型カメラとを適用する非スキャニング・レーザー測距システムである。さらに、レーザービームは、広範囲を捕捉するために拡張することができ、この範囲にわたってビームを積極的にスキャンする必要はない。非機械的なビーム操向またはレーザー信号のスキャニングのためのいくつかのアプローチがある。一例では、複数の単一周波数レーザーが、干渉性ビーム操向に使用される。一般原理は、伝送器のアレイを配備することであり、それらの伝送器については、レーザーにより生じる波のそれぞれの位相を制御することができる。次いで、伝送器アレイから得られる波面の組合せを、個々の位相の動的な制御を介して、ある特定の方向に移動するように操作する。別の実施形態では、単一の高干渉性エミッタからの出力は、複数の行路に分割され、その場合、各行路の放射光の位相は、ビームを組み換える際に組み合わされた波面を制御するように、個別に操作することができる。あるいは、波長可調整レーザー出力は、格子を介して方向付けることができ、その場合、格子からの出力の放射の方向は、波長依存的である。レーザーの波長を動的に整調することによって、出力ビームの方向を制御することができる。ＤＬＰ技術による仮想ビーム操向のための研究が始まっている。これらのビーム操向およびスキャンニングの技術は全て、ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードを含む本発明に適用可能である。

本発明の一部の好適な実施形態では、イメージングＬＩＤＡＲシステムは、光のパルスを用いて全域を照明し、タイムオブフライト測定などの測定法を使用して、１０から１００万の空間点の深度座標を、並行して、一度に１フレーム集める。これらの受信器システムは、数多くの空間点から戻った信号を並行して検出するために、アレイを利用しなければならない。一実施形態では、高速検出器および変調高感度検出器のアレイが、ＬＩＤＡＲシステムに含まれる。これらのアレイは、低コストで信頼性のある高性能の並行検出を行うために、ＣＭＯＳおよびハイブリッドＣＭＯＳ／ＣＣＤを用いて、単一のチップに構築することができる。この構成では、各ピクセルは、復調や高速でのゲーティングなど、一部の局所的な処理を実施することができ、アレイがカメラのように読み取るように、信号を動画速度にダウンコンバートする。この手法を用いて、数多くの密なピクセルアレイまたはチャネルを、同時に取得することができる。本発明の一部の実施形態では、電子ＣＣＤまたはＣＭＯＳシャッターを用いたホモダイン検出が、高解像度の３Ｄ ＬＩＤＡＲのために採用される。

並行検出ＬＩＤＡＲシステムの別の実施形態では、ＤＬＰチップやＬＣＯＳチップなどの光学アレイ（例えばマイクロディスプレイ）を使用して、様々な空間点からの同時の戻り信号を収集することができる。光学アレイは、次いで、様々な空間点からの反射光を検出器に方向付けるものとなり、その場合、検出器は、検出器アレイまたは単一の検出器とすることができる。適正なデータ処理、アルゴリズム設計、および同期を介して、様々な空間点からの深度座標が演算されるものとなる。

一部の実施形態では、ＭＥＭＳスキャナミラーが、受信ユニットにおける検出スキームに含まれる。例えば、ＭＥＭＳスキャナは、光学アレイと組み合わされて、各ピクセルからの信号を個々にピックオフし、単一のフォトダイオードに方向付けるものとなる。別のさらに望ましい例では、ＭＥＭＳスキャニングミラーは、ＬＩＤＡＲ照明範囲中をラスターして様々な空間座標から戻った信号を捕捉するように構成されるものとなり、その場合、ＭＥＭＳミラーの様々な回転位置は、イメージまたはフレームにおける様々なピクセルと相関するものとなる。ＭＥＭＳミラーは、次いで、光検出器、ＣＭＯＳ検出器、または検出器アレイなど、検出器から戻った信号を反射するものとなる。さらに別の好適な簡略化された実施形態では、単一または複数のＭＥＭＳまたはマイクロディスプレイは、ＬＩＤＡＲシステムの伝送器側の両方に用いられて、標的範囲にわたって照明パルスをラスターまたは分配し、ＬＩＤＡＲシステムの受信器側で反射信号を収集する。

特定の一実施形態では、マイクロディスプレイを使用して、ＭＥＭＳスキャニングミラーなどのビーム操向部材を用いてパルスなどのレーザーイメージング信号をラスターするか、またはＤＬＰチップやＬＣＯＳチップなどの２Ｄアレイマイクロディスプレイを用いて標的範囲を照明する。ある構成では、検出システムは、ＣＭＯＳ検出器アレイと共に構成される。別の構成では、検出システムは、フォトダイオードに戻って結合するマイクロディスプレイを使用する。

別の先進型スキームでは、干渉性イメージングＬＩＤＡＲが含まれる。干渉性イメージングＬＩＤＡＲは、まさに単一部品の受信器をイメージングアレイであるかのように機能させることを可能にする、合成アレイヘテロダイン検出を含む。

本発明の一部の実施形態では、レーザーベース光源は、デバイスまたは可動機械、例えば乗物、自動車、航空機、船舶、潜水艇、ドローン、衛星、ヘリコプター、気象観測気球、または他の装置上にＬＩＤＡＲシステムと共に含まれる。これらの実施形態では、ＬＩＤＡＲ源を従来のＬＩＤＡＲシステムとすることができ、この従来のＬＩＤＡＲシステムは、必ずしもレーザーベース光源と同じパッケージに収容または含有されていないが、レーザーベース照光およびＬＩＤＡＲイメージングの機能性の組合せをもたらすように同じ装置内にまたはオンボードで含有される必要がある。例えば、ＬＩＤＡＲイメージングシステムは、環境の３次元マッピングを与えるものとなり、レーザーベース照光システムは、特化された照光機能、例えば、可視性もしくは安全性を高めるための長距離光機能、スポット照光機能、またはスマート照光機能を提供するものとなる。当該スマート照光機能は、空間的に動的な照光、ＬｉＦｉなどの可視光通信［ＶＬＣ］、動的な色制御などの、閉フィードバックループのためのセンサを組み合わせることができる本発明に記載される任意のスマート照光機能を含む。レーザーベース照明システムのユニークな特性、例えば、リアルタイムＬＩＤＡＲイメージングと組み合わされた高指向性または高解像度の動的な表示およびパターン能力は、自律型アプリケーションを含む数多くのアプリケーションに使用されるスマートシステムの安全性および機能性を高めることができる。

図３Ａは、本発明の一部の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムとレーザーベース可視光源との両方を含む、装置または可動機械の模式図を示す。可動機械などの装置２８００は、レーザー光照明システム２８１０とＬＩＤＡＲシステム２８２０との両方のためのエネルギー源として役割を果たす少なくとも１つの電源２８０１から構成される。レーザー光照明システム２８１０は、第１の電磁気照射出力により青色波長領域（４２０から４８５ｎｍ）または青紫色波長領域（３９０から４２０ｎｍ）で動作する、ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオード２８１１から構成される。第１の出力電磁気照射は、蛍リン光体材などの波長変換部材への入射ビームであり、そこでは、第１の青色または青紫色のピーク波長の少なくともごく一部が、第２のピーク波長に変換されて、第１のピーク波長と第２のピーク波長とを混合された出力ビームとして白色光を生成する。一部の好適な実施形態では、波長変換部材または蛍リン光体材は、反射モードで動作されて、入射ビームに対する出力ビームを産生する。他の好適な実施形態では、波長変換部材または蛍リン光体材は、伝送モードで動作されて、入射ビームに対する出力ビームを産生する。白色光が生成されると、それは視準光学系などの光学部材を介して結合され、出力ビームを成形する。

ＬＩＤＡＲシステム２８２０は、レーザーを含む少なくとも伝送器モジュール２８２２を有するレーザーサブシステムから構成され、その場合、伝送器２８２２は、周囲環境に対する１つまたは複数の感知光信号として、レーザー光パルスを直接的に生成するように構成される。ＬＩＤＡＲシステム２８２０はまた、少なくとも受信モジュール２８２３を含む検出サブシステムを含み、この受信モジュールは、周囲環境に反射した後の１つまたは複数の感知光信号が戻ると、光信号を検出するように機能する。さらに、ＬＩＤＡＲシステム２８２０は、プロセッサ２８２１を含み、このプロセッサは、伝送器２８２２と受信器２８２３とを同期し、伝送されたレーザー光パルスと反射光信号との両方を処理し、タイムオブフライトの計算を実施して、全ての周囲環境対象との距離を決定しその３次元マップを生成する。

レーザー光照明システム２８１０は、任意選択的に、信号プロセッサおよび／またはジェネレータ２８０２を介してＬＩＤＡＲシステム２８２０に結合することができ、この信号プロセッサおよび／またはジェネレータは、ＬＩＤＡＲシステム２８２０から提供されるフィードバックまたは情報に基づきレーザー光照明システムを制御するように構成される。一例では、ＬＩＤＡＲシステム２８２０は、接近する可動対象を検出する。接近する対象のグレアを防ぐために、処理ユニット２８０２は、電流をレーザー光照明システム２８１０に適合させて、レーザー光照明システム２８１０の輝度を減弱または低減させ、グレアの危険を防ぐ。代替の一例では、ＬＩＤＡＲシステム２８２０は、動く対象を検出するが、この対象では、可動機械の操作者は、衝突の危険などの安全性での危険に気付いていないことがあり、それを防ぐことができよう。この場合、処理ユニット２８０２は、レーザー光照明システム２８１０に対し信号を生成して、動く対象へのスポット光機能を作動させて操作者の注意に供するなど、光の特性を改変する。さらに、レーザー光照明システム２８１０は、動く対象をスポット光と共に動的に追跡できるように、光出力のビーム角度および／または空間的なパターン／場所を動的に変える能力を有する、動的供給源とすることができる。

本願実施形態の一例では、レーザーベース照光システム２８１０およびＬＩＤＡＲシステム２８２０のコンポーネントは、統合されシステム２８００として、または別々のシステムとして、一般的なパッケージ内に収納することができる。例えば、ＬＩＤＡＲシステム２８２０およびレーザーベース照光システム２８１０は、自律型乗物などの自動車のヘッドランプ内に収納することができる。別の例では、レーザーベース照光システムおよびＬＩＤＡＲシステムは、ドローン上の照光筐体に収納することができる。

一例では、レーザーベース照光システムおよびＬＩＤＡＲシステムは、自律型乗物やドローンなどの可動機械上に設けられ、その場合、ＬＩＤＡＲシステムは、スキャニングおよびナビゲーションに使用され、レーザーベース照光システムは、対象または地形をスポット照光して通信または警告をもたらすのに使用される。好適な一実施形態では、ＬＩＤＡＲ機能および照明機能は、ループを介して接続され、その場合、ＬＩＤＡＲイメージは、動的なレーザーベース照明パターンにフィードバックするためのセンサ信号として働いている。例えば、ＬＩＤＡＲマッピングが道路脇に動物を検出した場合、それを選好的にスポット照光するように、レーザー照明源を構成することができる。別の例では、接近する車がＬＩＤＡＲマッピングによって検出された場合、接近する交通へのビームを隠すかまたは暗くするように、レーザーベース照明パターンを構成することができる。もちろん、自動車、娯楽、商業、宇宙、および防衛などを含む数多くのアプリケーションで、機能性および安全性を追加するために、動的な照明パターンおよび動的なＬＩＤＡＲスキャニングパターンをどのように併せて使うことができるかに関しては、数多くの例がある。

図３Ｂは、本発明の一部の実施形態による図３ＡのＬＩＤＡＲシステムとレーザーベース可視光源との両方を統合する装置を使用する一例を示す。図３Ｂを参照すると、自動車は、ＬＩＤＡＲシステムとレーザーベース光源との両方を含む。本実施形態では、ＬＩＤＡＲシステムは、環境を空間的にマッピングするのに使用され、レーザーベース光システムは、可視白色光を用いて特定の対象と全般的な周囲環境とを照明するのに使用される。

一実施形態では、レーザーベース照光システムを、ＶＬＣまたはＬｉＦｉを介した通信に使用して、周囲環境の機械、デバイス、またはヒトによって検出されるデータ信号を伝送することができよう。例えば、伝送された信号を使用して、ＬＩＤＡＲシステムを収容する本主題の装置のスピード、ベロシティ、軌道、または意図に関するデータを伝送することができよう。別の実施形態では、動的な空間的照明を使用して、可視表面上に形状および表示を投影することによって周囲環境の対象、デバイス、またはヒトと通信する。さらに別の実施形態では、動的な色の整調を伴う照光システムを使用して、周囲環境の対象、デバイス、またはヒトと通信するが、その場合、レーザーベース光の色または輝度は、メッセージを通信するように変えられるものとなる。そのようなＬＩＤＡＲおよびレーザーベース照光システムの新規の組合せは、ナビゲーションのために環境をイメージングするとともにその環境内の対象、デバイス、およびヒト／動物を同時に照明しそれらと通信するために決定的な能力を用いて、自律型または半自律型の乗物、デバイス、ドローン、ボート、乗物、および他の機械のために能力を有効にすることができる。

一例では、ＬＩＤＡＲシステムは、赤外波長により、例えば８００ｎｍと１１００ｎｍとの間（例えば、典型的には９０５ｎｍまたは１０６４ｎｍで）、１１００ｎｍから１４５０ｎｍの間、または１４５０ｎｍから１８００ｎｍの間の波長などで動作し、レーザーベース光システムは、４００と４８０ｎｍとの間のーザー励起源波長と蛍リン光体などの波長変換部材とにより動作する。レーザー光源は、反射モードまたは伝送モードで励起レーザー光を蛍リン光体部材に結合させるために構成されるものとなる。レーザーベース光源は、ＬＩＤＡＲシステム．によって検出されるある特定のまたは所定の環境条件に対して反応するように構成されるものとなる。レーザーベース光システムおよびＬＩＤＡＲシステムのコンポーネントは、一般的なパッケージ部材または基板部材を共有することができるが、乗物または装置の異なる場所に完全に別々にして実装することもできる。

本発明の一部の実施形態では、レーザーベース光源は、完全にまたは部分的にＬＩＤＡＲシステムに統合され、乗物、自動車、ドローン、航空機、船舶、潜水艇、または他の装置のような可動機械など、装置デバイス上に構成される。これらの実施形態では、ＬＩＤＡＲシステムは、少なくとも部分的には、レーザーベース光源、例えばレーザーベース光源中の励起レーザーダイオードなどを共有する、１つまたは複数のコンポーネントから構成される。ＬＩＤＡＲ機能の少なくとも一部がレーザーベース光システム内に統合されているそのようなシステムは、システムのサイズ、コスト、および重量の全体的な低減という潜在的なメリットを、機能性、感度の増加、または能力の増強の機会と併せてもたらすものとなる。一例では、本実施形態によれば、レーザーベース光システムと少なくともＬＩＤＡＲの一部は、同じパッケージに収容または含有される。

本実施形態の一例では、蛍リン光体部材などの波長変換部材を励起してレーザーベースの白色光を生成するのに用いられる、３９０ｎｍから４８０ｎｍまでの波長を有する青紫色または青色のレーザーダイオード源からの放射はまた、ＬＩＤＡＲシステムにおけるレーザースキャニング機能のためにもなる。青色または青紫色のレーザーダイオードの放射は、２つのビームに分割されることがあり、その場合、第１のビームは、主として、蛍リン光体を励起して白色光などの光を生成するのに用いられ、第２のビームは、周囲環境を空間的にマッピングするために視準される。一実施形態では、ＬＩＤＡＲ感知のために視準されたレーザー光は、スキャニング部材を使用して、スキャニングミラーのラスタリングパターンに基づき、所定の対象範囲にわたってレーザービームを空間的にスキャンする。スキャニング部材は、二軸または単軸のスキャニングＭＥＭＳデバイスとすることができ、このデバイスは、環境にわたって青紫色または青色の波長の視準されたレーザービームを空間的に掃引し、戻された（散乱／反射された）レーザービームを感知してタイムオブフライト法により距離を計算し、それにより３次元マップを生成する。代替の一実施形態では、光学ビーム成形部品を用いて、青色または青紫色のレーザービームを所定の発散に拡張して、総対象範囲を同時に照明する。一般的な構成では、レーザー源および／またはスキャニング部材は、周期的な短い光のパルスまたは変調された強度のスキームを生成して、伝送されて検出された信号の同期を可能とするように構成されるものとなり、その場合、タイムオブフライトの計算または干渉性検出の計算を用いて、距離を演算し対象範囲をマッピングすることができる。本発明のこの実施形態では、レーザー源は、照光機能とＬＩＤＡＲ機能との両方のために使用されている。ＬＩＤＡＲ感知のための可視波長を用いる場合の課題の１つは、眼の安全性の懸念である。しかし、これは、短い光のパルスを用いて眼の曝露を制限することによって、眼に安全なレベルに出力を制限することによって、ならびに／またはスキャニングの方法論および安全性アルゴリズムを用いて損傷もしくは眼の曝露の延長を防ぐことによって、克服することができる。

図４は、本発明の一部の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムに統合されたレーザー光照明システムの簡略化された模式図である。図に示されるように、統合されたシステム２９００は、ＬＩＤＡＲシステムとレーザー光照明システムとの両方に電力を供給するための電源２９０１を有して構成される。任意選択的に、別々のまたは複数の電力供給源２９０１を、コントローラ２９０２と併せて用いることができるが、このコントローラは、プロセッサといくつかの駆動電子機器とを含み、駆動電子機器は、電力供給源２９０１から電力を受信し、かつＬＩＤＡＲシステムの受信コンポーネント２９３１からデータまたは信号を受信するように構成されている。指定された機能性と電力供給源２９０１から供給される電力とを与えるためのユーザ入力や所定の入力などの外部入力２９９０に基づいて、コントローラ２９０２は、１つまたは複数のガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオード２９０３に送られる適切な駆動信号を決定する。駆動信号は、レーザーダイオード2903の電流および電圧の特性を駆動し、レーザーダイオードから適切な強度パターンを生成して、青色または青紫色のピーク波長などの第１のピーク波長により特徴付けられる第１の電磁気照射を与えるように構成される。一実施形態では、駆動信号は、所望の輝度と光束とを有するレーザー照明源に必要な適切なパターンのレーザー光と、ＬＩＤＡＲシステムのための所望の感知光信号またはレーザーパルスを有するＬＩＤＡＲスキャニング機能のためのレーザー放射とを併せた両方を生成し、感知光信号に基づいて反射光信号を感知し、かつ感知光信号と反射光信号との両方に基づいてタイムオブフライトの計算を実施するように構成される。代替の一実施形態では、ＬＩＤＡＲシステムについて、またはレーザー光照明源について、光に関して信号を別々にコード化するために、光学モジュレータを含めることができよう。

図４に示されるように、レーザーダイオード２９０３からの第１のピーク波長の第１の電磁気照射は、次いで、２つの別々の光路に分割される。第１の光路は、波長変換部材２９１１（例えば蛍リン光体）に入射し、そこでは、第１のピーク波長を有する第１の電磁気照射の少なくともごく一部は、第２のピーク波長．を有する第２の電磁気照射（励起された蛍リン光体からの放射）に変換される。任意選択的に、第２のピーク波長は黄色域にある。好適な実施形態では、第２の電磁気照射は、第１の電磁気照射の一部分と混合されて、レーザーベース照明システムの出力電磁気照射を白色光として産生する。結果として得られる出力電磁気照射は、次いで、１つまたは複数のビーム成形部品２９１２により、所定の視準、発散、およびパターンをもたらすように調整される。任意選択的に、ビーム操向部品を、空間的に動的な照明を作り出すためにレーザーベース照明システムに追加することができる。一部の実施形態では、視準光学系などの追加のビーム成形部品が、波長変換部材２９１１への入射の前にレーザー光を視準するために使用される。さらに、光ファイバ、例えばガラスもしくはポリマーのファイバまたは他の導波部品などを、レーザーダイオード２９０３から波長変換部材２９１１にレーザー光を移送して遠隔のポンピング変換を作り出すために使用することができる。

図４によれば、第２の光路は、第１のピーク波長を有する電磁気照射をＬＩＤＡＲ伝送器モジュール２９２１に方向付けるが、その場合、この伝送器モジュールを、他の伝送器コンポーネントと組み合わせることができる。一部の実施形態では、レンズなどの視準光学系が、ＬＩＤＡＲシステムの伝送器モジュール２９２１への進入の前にレーザー光を視準するために使用される。さらに、光ファイバ、例えばガラスもしくはポリマーのファイバまたは他の導波部品などを、レーザーダイオード２９０３からＬＩＤＡＲ伝送器モジュール２９２１までレーザー光を移送するために使用することができる。先に記載されたように、光学モジュレータをこの第２の光路に含めて、所望のＬＩＤＡＲ機能に必要な感知光信号として光学パルスまたは他の光学信号を生成することができよう。外部の環境に出る前に、ＬＩＤＡＲシステムの感知光信号は、周囲環境の所望の標的範囲にわたる感知光信号をスキャンするための適切な発散および方向をＬＩＤＡＲシステムが有するように、伝送光学系２９２２によって適正に調整することができる。所望の標的範囲のマップは、様々な方法でＬＩＤＡＲシステムによって捕捉することができ、そのような方法としては、ＭＥＭＳスキャニングミラーなどの動的スキャナを用いて感知光信号をスキャンすること、ＤＬＰまたはＬＣＯＳなどのマイクロディスプレイを用いてイメージを記録すること、および／またはレンズ、ミラー、および拡散部品などの基礎光学系２９３２を用いてビームを単純に拡張もしくは成形することが挙げられる。全ての信号処理およびビーム調整が伝送光学系２９２２によって完了すると、ＬＩＤＡＲ感知光ビームは、外部に向けて標的範囲に対し投射され、その場合、ビームは、周囲環境の様々な遠隔の標的対象で反射および散乱し、ごく一部がＬＩＤＡＲシステムの受信モジュール２９３１に戻る。受信モジュール２９３１は、いくつかの受信光学コンポーネントおよび信号プロセッサ（アナログ−デジタル変換器）、検出部材２９３２から構成され、検出部材２９３２は、例えばフォトダイオード、フォトダイオードアレイ、ＣＣＤアレイ、アンテナアレイ、フォトダイオードに結合されるスキャニングミラーもしくはマイクロディスプレイ、または反射もしくは散乱された光信号を遠隔の標的対象から検出して電気信号に変換するように構成されるその他のものなどである。検出部材２９３２によって検出される電気信号は、受信モジュール２９３１によって受信され、次いで、感知光ビームなど、伝送されて検出されたＬＩＤＡＲ信号についてタイムオブフライトを計算するのに用いられる。任意選択的に、遠隔の標的対象の空間マップを、受信モジュール２９３１に付随する信号プロセッサによって生成することができる。タイムオブフライトおよび空間マップを決定するための計算または処理は、受信器２９３１で直接的に行うことができる。あるいは、空間マップ生成は、別のプロセッサユニット２９０２で行われる。

もちろん、実現可能な本実施形態の数多くの新規の構成がある。例えば、レーザーベース照明システムの光源は、複数のガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードから構成されることがあるが、その場合、複数のレーザーダイオードのうち１つまたは複数が、ＬＩＤＡＲスキャニング機能に使用される。一実施形態では、３９０ｎｍから５５０ｎｍの範囲で動作する複数のガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードが、多波長（マルチスペクトル）またはハイパースペクトルのＬＩＤＡＲ照明スキャニングのためにＬＩＤＡＲシステムで使用される。対応する信号の調整および検出に結び付けられたそのような波長の多様性は、感度の増加を可能とする、および／または環境風景に関するさらに多くの情報をＬＩＤＡＲユーザに提供することができる。代替の実施形態では、他の波長域、例えば紫外、シアン、緑、黄、橙、または赤などを、ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードから生成することができよう。さらに、任意の数のスキャニング、ラスタリング、またはイメージ生成の技術、例えばＤＬＰ、ＬＣＯＳ、およびスキャニングファイバなどを含めることができる。

代替の一実施形態では、ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオード波長をＬＩＤＡＲ照明のために使用するレーザーベース照光システムは、標準的なＬＩＤＡＲ波長、例えば９０５ｎｍ、１０００ｎｍ、１０６４ｎｍ、１５５０ｎｍなどを使用する従来のＬＩＤＡＲシステム内に構成される。ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードからの３９０ｎｍから４８０ｎｍまでの範囲の青色波長などの波長を、従来のＬＩＤＡＲシステムからの赤外波長と組み合わせることによって、感度または機能性を増加させることができる。この感度および機能性の増加は、ベースとする環境の各種特徴を感知するために別々の波長を用いることによって、または戻った信号もしくは反響、例えば振幅、タイムオブフライト、もしくは位相などの各種解析に基づいて、達成される。一部の実施形態では、長い波長で放射するガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードは、ＧａＡｓまたはＩｎＰベースのレーザーダイオードを含むシステムに使用されない。

別の実施形態では、レーザー光照明システムにおける波長変換部材からの反射および／または散乱しているレーザー光励起ビームを、ＬＩＤＡＲ感知機能を実現するために用いることができる。実施形態では、ビームスプリッタまたは類似のコンポーネントは、波長変換部材の励起の前に、ＬＩＤＡＲ感知のために、直接的なレーザービームの一部を「ピックオフ」するために排除される。例えば、ＧａＮベースのレーザーダイオードからの３９０ｎｍから４８０ｎｍの範囲の第１の波長を有する青紫色から青色のレーザーは、蛍リン光体などの波長変換部材を励起して、さらに長い第２の波長の放射を生成する。一例では、第２の波長は黄色の放射であり、それは、ＧａＮベースのレーザーダイオードからの残りの青紫色または青色の放射と混和して白色光の放射を作製する。この白色光の放射は、ランバートパターンを有しうるが、次いで視準され、１次元または２次元スキャナ、例えばスキャニングＭＥＭＳミラーなどに結合される。スキャナのスキャニング部材は、次いで、環境および周囲環境のうち視準された光のビームを掃引し、ＬＩＤＡＲスキャニング照明部材としての役割を果たすものとなる。視準された白色光ビーム内の青紫色または青色の第１の波長は、戻された（散乱／反射された）レーザービームを感知するために環境にわたって掃引し、タイムオブフライト方法を用いて散乱対象からの距離を計算し、それによって３次元マップを生成する。ＬＩＤＡＲ感知のために設けられた青紫色または青色のレーザーは、１ｍＷから１０ｍＷ、１０ｍＷから１００ｍＷ、１００ｍＷから１Ｗ、および１Ｗから１０Ｗから選択される１つの領域にある高出力レベルによって特徴付けられ、この出力は、以下の各範囲：２５％超、５０％超、７５％超、および１００％超の相対湿度レベルを有する湿潤条件下で、遠隔の標的対象を感知およびマッピングすることができる。

本実施形態の一般構成では、レーザー源および／またはスキャニング部材は、周期的な短い光のパルスまたは変調された強度スキームを生成して、伝送されて検出された信号の同期を可能とするように動作されるものとなる。検出器は、ノッチ・パス・フィルタを有して構成することができ、このフィルタは、励起源中の青紫色または青色の波長など、レーザー放射波長の周囲に中心がある狭い帯域（すなわち２〜２０ｎｍまたは２０〜１００ｎｍ）内の波長のみを受け入れるように設計される。そのような構成は、本発明を通して記載される空間的に動的なレーザーベース光の実施形態にそれ自体を最適なものとするが、この実施形態は、ＭＥＭＳスキャニングミラーなどのマイクロディスプレイをレーザーベース照光／照明技術と組み合わせるものである。さらに、スマートレーザーベース照光システムは、ＬＩＤＡＲ感知およびスマートレーザー照光の機能を環境条件に変化に対して活性化し応答させることのできる閉フィードバックループに、センサフィードバックをもたらすものとなる。

図５は、本発明の一部の代替の実施形態によるＬＩＤＡＲシステムに統合されたレーザー光照明システムの簡略化された模式図である。図に示されるように、統合されたシステム３０００は、ＬＩＤＡＲシステムと照明システム（一部の実施形態では、別々または複数の電源を使用できることに留意）との両方に電力を供給するための電源３００１を有し、プロセッサと、電力供給源３００１からの電力およびＬＩＤＡＲシステムの受信部３０３１からのデータまたは信号を受信するように構成される制御ユニット３００２とを伴って構成される。指定の機能性と電力供給源３００１から供給される電力とを与えるユーザ入力または所定の入力などの外部入力３０９０に基づき、プロセッサおよび制御ユニット３００２は、１つまたは複数のガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオード３００３を駆動するための、外部入力３０９０に基づく適切な駆動信号を決定する。駆動信号は、レーザーダイオード３００３の電流および電圧の特性を決定し、適切な強度パターンを生成して、青色または青紫色のピーク波長などの第１のピーク波長を有する電磁気照射を与えるように構成される。一実施形態では、駆動信号は、所望の輝度と光束とを有するレーザー照明源に必要な適切なパターンのレーザー光と、ＬＩＤＡＲ感知およびタイムオブフライトの計算のための所望の信号またはレーザーパルスを有するＬＩＤＡＲスキャニング機能のためのレーザー放射とを併せた両方を生成するように構成される。代替の一実施形態では、ＬＩＤＡＲシステムについて、またはレーザー光照明源について、光に関して信号を別々にコード化するために、光学モジュレータを含めることができよう。

図５に示されるように、レーザーダイオード３００３からの第１のピーク波長の一次電磁気照射は、入射光として波長変換部材３００４内に方向付けられる。波長変換部材３００４は、ある特定の波長の入射光によって励起されてより長い波長光を再放射する、蛍リン光体材である。そのため、第１のピーク波長を有する一次電磁気照射の少なくともごく一部は、黄色ピーク波長などの第２のピーク波長を有する二次電磁気放射に変換される。好適な実施形態では、第２のピーク波長を有する二次電磁気放射は、１つまたは複数のビーム成形部品３００５によって、第１のピーク波長を有する電磁気照射の少なくともごく一部と組み合わされるかまたは混合されて、白色光を産生する。任意選択的に、放射の組合せとしての白色光は、青紫色域または青色域にある少なくとも第１のピーク波長と、黄色域にある第２のピーク波長とを含む。さらに、１つまたは複数のビーム成形部品３００５は、照明とＬＩＤＡＲ感知との両方に用いる放射の組合せをガイドするための、所定の視準、発散、およびパターンをもたらすように構成される。

図５に見られるように、組み合わされた放射の少なくとも一部は、出力され、ＬＩＤＡＲスキャニング放射として成形される。一実施形態では、１つまたは複数のビーム成形部品３００５によって生成されたＬＩＤＡＲスキャニング放射は、第１のピーク波長を有する第１の感知光信号と、受信されたレーザーベース白色光に基づく第２のピーク波長を有する第２の感知光信号とを含む。一方、第１の感知光信号と第２の感知光信号とのビームが、標的対象およびその周囲環境を含む遠隔の範囲にわたるスキャニングのために、ＬＩＤＡＲ信号伝送モジュール３０２２を介して環境内に投射される前に、ＬＩＤＡＲスキャニング放射は、信号の成形、フィルタリング、波長依存的伝送、ビーム操向（ＭＥＭＳなどを用いた能動的なビーム操向とすることができる）などのために、ＬＩＤＡＲ伝送コンポーネント３０２１を介して供給されることがある。一方、組み合わされた放射の残りの部分は、照明のためのビームとして提供される。ビームは、追加のビーム成形光学コンポーネント３０１１によってさらに処理されて、指向性が増強されかつ減衰が低減された標的対象のためのより良い照明源として、１５度以下に視準することができる。任意選択的に、ビーム操向部品３０１２を追加的に含めて、照明源のビームを操作し、標的対象の少なくとも一部の空間的に動的な照明を作り出す。

一部の実施形態では、コリメータなどの追加のビーム成形部品を用いて、波長変換部材３００４への入射の前にレーザー光を視準する。さらに、光ファイバ、例えばガラスもしくはポリマーのファイバまたは他の導波部品などを用いて、レーザーダイオード３００３から波長変換部材３００４にレーザー光を移送して、遠隔のポンピング変換を作り出すことができる。

代替の一実施形態では、レーザーダイオードからの一次放射と波長変換部材３００４からの二次放射との組み合わされた放射として１つまたは複数のビーム成形部品３００５から出力された白色光は、２つの光の経路に分割され、照明システムには第１のビームを、ＬＩＤＡＲシステムには第２のビームをそれぞれ用いて、別々の調整および操向を実現する。他の実施形態では、ＬＩＤＡＲシステムおよびレーザー照明システムは、照明範囲およびＬＩＤＡＲシステムからの３Ｄスキャンされた範囲がほぼ同じになるように、同じ光の経路を辿ることがある。

別の代替の実施形態では、１つまたは複数のビーム成形部品３００５から出力された白色光は、単一の光の経路を通じてビーム投射器に供給され、このビーム投射器は、ＬＩＤＡＲ伝送コンポーネント３０２１、ＬＩＤＡＲ信号伝送モジュール３０２２、ビーム成形光学コンポーネント３０１１、およびビーム操向部品３０１２を含む。信号の処理、フィルタリング、ビーム成形、視準、および投射という複数のタスクを達成して、第１のピーク波長を有する第１の感知光信号、第２のピーク波長を有する第２の感知光信号、および照明のための白色光のビームを生成する。あるいは、ビーム投射器は、組み合わされた放射を扱うためのハイブリッド・コリメータを含有する。このハイブリッド・コリメータは、白色光の一部をＬＩＤＡＲ感知ビームとして視準するように構成される中央コリメータと、残りの部分の白色光を照明ビームとして視準するように構成される外部コリメータとを含む。具体的には、ＬＩＤＡＲ感知ビームとして視準された白色光の一部は、一次レーザーダイオード３００３からの第１のピーク波長を有する第１の感知光信号と、波長変換部材３００４の二次放射からの第２のピーク波長を有する第２の感知光信号とを含む。中央コリメータは、第１の感知光信号のビームおよび第２の感知光信号を１度未満または２度未満に視準するように構成され、この角度は、１つまたは複数の標的対象および周囲環境にわたって高度に指向性のビームを有する、ＬＩＤＡＲ感知光スキャニングおよび戻り光の検出に好適である。外部コリメータは、１つまたは複数の標的対象を簡素に照明するために、白色光のビームを１５度未満に視準するように構成される。

先に記載されたように、ＬＩＤＡＲシステムに統合されたレーザー光照明システムは、所望のＬＩＤＡＲ感知機能に必要なパルス信号を生成するように構成される光学モジュレータを含む。 標的ＬＩＤＡＲマッピング範囲は、ＭＥＭＳスキャニングミラーなどの動的なスキャナ、ＤＬＰなどのマイクロディスプレイなどを含む、ＬＩＤＡＲ信号伝送のための光学系を介して、ＬＩＤＡＲ感知光信号をスキャンすることによって、またはレンズ、ミラー、および拡散部品などの基礎光学系を用いて、高度に視準されたビームを単純に拡張もしくは成形することによって、様々な方法で捕捉することができる。光学モジュレータは、第１の速度を有する変調信号を提供して、ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードを駆動し、第２の速度により遮断される第１のピーク波長を有する第１の光を放射するように構成され、その場合、第２の速度は、波長変換部材から再放射された黄色の第２の光の遅延した変調速度に実質的に同期される。波長変換部材からの黄色パルスに付随するこの遅延した変調速度は、レーザーダイオードからの青色の励起パルスの速度と相関する。遅い変調速度の下では、パルスは、多かれ少なかれ同期されることがあり、このことは問題とはなり得ない。しかし、速い変調速度、例えばＧＨＺの下では、１つの黄色パルスに隠れて何百から何千もの青色パルスがあるものとなる。二次的な黄色の放射は、本質的に止むことがない際には、バックグラウンドノイズのように見えるものとなる。これは、パルス遮断を励起信号に含めることによって克服することができよう。これらの遮断は、黄色信号についてビット長を設定するものとなる。

信号伝送およびビーム調整が完了すると、ＬＩＤＡＲシステムのための第１の感知光信号と第２の感知光信号との両方を含む視準されたＬＩＤＡＲ感知ビームは、外部に向けて、様々な標的対象と周囲環境とを含む設計された投射範囲に対して投射される。任意選択的に、ＬＩＤＡＲ感知ビームは、各スキャニングサイクルで、少なくとも第１のピーク波長と第２のピーク波長とを有する一連の光パルスとして提供される。第１の感知光信号および第２の感知光信号は、投射範囲内の様々な標的対象でそれぞれ反射および散乱される。反射／散乱された光信号の少なくともごく一部は、ＬＩＤＡＲシステムの受信モジュール３０３１によって受信される。受信モジュール３０３１は、いくつかの光学受信コンポーネント３０３２に結合され、そのような受信コンポーネントとしては、１つまたは複数の光学検出器、例えばフォトダイオード、フォトダイオードアレイ、ＣＣＤアレイ、アンテナアレイ、またはフォトダイオードに結合されるスキャニングミラーもしくはマイクロディスプレイ、または反射／散乱された光信号を検出して電気信号に変換するその他のものが挙げられる。受信モジュール３０３１は、さらに、少なくとも信号プロセッサを含み、このプロセッサは、電気信号をデジタル形式に加工し、さらに、デジタル形式の伝送された第２の感知光信号と検出された信号との両方に基づいてタイムオブフライトを計算するためのものである。タイムオブフライトの情報を用いて、標的対象およびその周囲環境の空間マップまたはイメージを生成することができる。

任意選択的に、受信モジュール３０３１は、第１の感知光信号の反射信号を検出して１つまたは複数の標的対象の第１のイメージを生成するように構成される第１の信号受信器と、第２の感知光信号の反射信号を検出して１つまたは複数の標的対象第２のイメージを生成するように構成される第２の信号受信器とを含む。任意選択的に、第１の信号受信器によって生成される第１のイメージは、第２の信号受信器によって生成された第２のイメージに同期されて、１つまたは複数の標的対象の色差イメージをもたらす。青色光と黄色光との間の減衰の差は、環境に関する情報をもたらすことがあり、そのようなものとしては、空気、または光信号が通り抜けて移動している他の空間、または光信号が反射している材料が挙げられる。同様に、青色および黄色の信号の光についての戻る時間の差は、分散により、光が通り抜けて移動している材料に関する情報をもたらすことがある。任意選択的に、タイムオブフライトおよび標的対象／範囲の空間マップまたはイメージを決定するための計算または処理は、受信モジュール３０３１で、または代替的にはプロセッサおよび制御ユニット３００２で直接的に行うことができる。

ＬＩＤＡＲアプリケーションで使用される波長変換部材（３００４、蛍リン光体など）から出力されるレーザーベース光源について、極端に高い輝度が達成されることが認識されよう。レーザーそれ自体は、指向性が高く、減衰が低く、および輝度が極端であるという特徴に大きく起因して、典型的にはＬＩＤＡＲシステムに用いられる。この放射特性は、レーザー光を高度に視準し、ビームの制御を維持して、大きな距離（すなわち１０ｍから１０，０００ｍ）にわたる環境を正確かつ密に検査することを可能にする。ＬＥＤなどの他の照明源は、この視準および指向性を可能にするためのそのような輝度の要件を全く以て満たすことができない。しかし、蛍リン光体上のごく小さなスポットを照明し、かつ５０μｍから１０００μｍのスポットサイズ（光学アパーチャ）から３００から３，０００ルーメンの光を生成する高出力レーザーを用いた先進型レーザーベース照光システムは、たとえ蛍リン光体（すなわち，波長変換部材）からの放射がランバートであるとしても、極限の視準を可能にすることができる。そのため、そのようなレーザーベース照光システムでは、光学ビームを１度未満、２度未満、または５度未満に視準して、ＬＩＤＡＲアプリケーションに必要な指向性および強度を可能にすることができる。本明細書に記載される全ての実施形態のうちの一部の例では、ある特定のまたは別々の光学系を、照光または照明システムとは対照的に、ＬＩＤＡＲシステムに用いてもよい。例えば、ハイブリッド光学ビームコリメータを用いて、外部ビーム視準とは別の、中央ビーム視準を可能にすることができよう。中央ビーム視準は、１度未満または２度未満などの高い視準として、主要なＬＩＤＡＲ伝送ビームコリメータとしての役割を果たすようにしてもよい。外部ビーム視準は、１５度未満、１０度未満、または５度未満などの低い視準にして、主要な照明ビームコリメータとしての役割を果たすようにしてもよい。もちろん、これは、照光システムの照光特性からの光のＬＩＤＡＲ伝送ビームを別々に最適化するようにいかに光学システムを設計できるかに関する一例に過ぎない。

本願の例のベネフィットは、何倍にもなる。上記に述べられたように、ＬＩＤＡＲシステムを、マイクロディスプレイを用いたレーザーベースのスマート照光システムと統合することは、レーザー源およびスキャニングシステムを既に要するスマートな光構成の優れた追加的なベネフィットである。この構成では、動的なレーザーベース光源は、照光機能とＬＩＤＡＲ機能との両方に用いられている。ＬＩＤＡＲとスマート照光などのレーザー照光機能とを共通のデバイス内で組み合わせることによって、機能性の増加、コストの低減、サイズの低減、および信頼性の向上を達成することができる。これらのベネフィットは、自律型の乗物、航空機、および船舶などのいくつかの先進型技術アプリケーションにおいて、軍事、防衛、自動車、商業、および専門のアプリケーションと併せて、決定的に重要であり、それらのアプリケーションでは、サイズ、重量、および様式が主要な設計パラメータであり、コストが常に重要である。

１つまたは複数の可視のガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードを採用するこれらの実施形態に記載されたＬＩＤＡＲシステムに対する主要な差別化およびベネフィットとは、ＬＩＤＡＲに用いられるさらに一般的な赤外波長に比べて水における吸収が低減されることである。その結果、ある特定の条件下では、これらの可視波長は、霧、雨、または水の塊などの湿気を、赤外波長よりも自由に通過するものとなり、水を含有する環境を動作する際にＬＩＤＡＲの感度を増加させることが可能になる。そのため、一部の散乱現象が、４番目の波長の出力の逆として生じたとしても、水の吸収はＩＲよりも可視で劇的に低く、その結果、霧や雨などの水で存在する条件で、さらに高い性能をもたらす。例えば、９０５ｎｍと比べて４５０ｎｍで光を用いると、散乱は１６×に増加し、その結果、６％の光が伝送される。しかし、９０５ｎｍの水の吸収は、４５０ｎｍの青色の１００×を超え、その結果、５倍を超える高い信号を生じる。一例では、レーザー励起源からの青色波長は、湿ったまたは濡れた条件で動作する自律型の乗物に可視性および安全性の改善をもたらす。湿潤条件での可視性の改善により、乗物および乗物内の搭乗者のための安全性を高めることができよう。

図６は、（媒体外で測定された際の）光の波長の関数として吸収係数をプロットした純水の吸収スペクトルを示す。陰影の範囲は、波長約３８０ｎｍの青紫色から波長約７６０ｎｍの赤色までに及ぶ可視光の領域に対応する。可視領域の左は紫外領域であり、可視領域の右は赤外領域である。このプロットから明らかなのは、純水中では、可視波長が、従来のＬＩＤＡＲレーザー源の動作する赤外領域よりも低い吸収係数を有するということである。実際に、この吸収は、約４５０ｎｍの青色領域の波長である可視スペクトルの曲線の最小値よりも、赤色端では約１００倍強い。この吸収の低減により、ガリウムおよび窒素を含有する可視のレーザーダイオード、例えば青色レーザーダイオードに基づくＬＩＤＡＲシステムは、雨もしくは霧の日または水面下などの湿った環境において、高精度で環境を空間的にマッピングおよびイメージングすることが可能になる。図６の吸収スペクトルは純水のものであることに留意すべきである。実際の環境では、水中にいくらかの不純物があり、それゆえに吸収を最小にするための最適な波長は変わることがある。

統合されたＬＩＤＡＲ機能のために動的ベースレーザー光源を照明源として用いた本実施形態は、膨大な数の性能または動作原理を実現し、その場合、レーザーベース光源からの照明パターンは、ＬＩＤＡＲイメージングのためにスキャンされるパターンと別々または同じとすることができる。ある概念では、スキャナ部材の掃引パターンは、マイクロディスプレイのスキャニングプロファイルによって決定されたレーザーベース光源から静的な光学照明パターンをもたらし、このパターンは、ある特定の期間にわたって一定の幾何学パターンで光を配置するとともに、ＬＩＤＡＲ信号を同時的にスキャニングおよび検出して光の照明パターン内にある環境の３Ｄマップを生成する。ここでは、照明パターンとＬＩＤＡＲイメージングパターンとは、一致しているかまたはほぼ一致しうる。この動作モードのベネフィットとして、ユーザは、レーザーベース光源を用いて光学的に照明している範囲についてほぼ正確に、３Ｄ ＬＩＤＡＲイメージを可視的に見ることが可能になる。第１の概念では、ある意味で動的ではあるが典型的には静的な照明モードで動作されるように、ユーザまたはセンサからの入力に基づき、静的な照明パターンが変化または改変されることがあることに留意しなければならない。このシステムを、ＬＩＤＡＲとレーザー光照明との両方のパターンが周期的に改変されるように設計することができよう。

図７は、本発明の一実施形態によるレーザー照明照光システムとＬＩＤＡＲシステムとを備え付けた可動機械を示す。図に見られるように、本実施形態では、ＬＩＤＡＲスキャン範囲とレーザー光照明範囲とはほぼ一致し、それゆえに、乗物の乗員に見える照明された範囲は、ＬＩＤＡＲ ３Ｄマッピングされた範囲にほぼ相当するものとなる。

第２の概念では、レーザーベース光源からの照明パターンは、センサ検出またはユーザ入力に基づき変化させることができる所与の照明パターンで典型的には動作するように、再び瞬時に静的なものとなる。しかし、この概念では、ＬＩＤＡＲによる掃引は、照明パターンとは異なるパターンにわたって起こっている。一例では、ＬＩＤＡＲパターンは、はるかに広い範囲にわたって検査しており、レーザーベースの光照明パターンがより小さな選択された範囲のみにわたって生成されるのと同時に、周囲環境の３Ｄマップを生成する。この差次的なスキャン範囲を達成するための１つの方法は、所望の照明パターンの外部の領域を形成するＬＩＤＡＲによってスキャンされている範囲のみについて強度の低い光信号を用いることであり、その場合、これらの領域の光の量は、ＬＩＤＡＲ検出に十分な高さであるに過ぎず、実質的な可視照明を生じるほど高くはない。さらに、ＬＩＤＡＲ信号は、数多くのアプリケーションで、周期的にパルスまたは変調される信号となり、この信号は、照明が無視されうるものとなるように平均強度を低減することができる。この概念の一例は、方向付けられた光としてレーザーベース照明源、例えば乗物、航空機、または船舶に用いるスポット光またはヘッドライトなどを使用して非常に明瞭な可視野をもたらすことであり、その一方で、ＬＩＤＡＲシステムが、ナビゲーションおよびデータ収集を目的として、より大きな視野を同時に検査している。もちろん、ＬＩＤＡＲスキャニングパターンよりも大きな範囲をカバーする照明パターンなど、この概念の数多くの構成がある。

図８は、本発明の別の実施形態によるレーザー照明照光システムおよびＬＩＤＡＲシステムを備え付けた可動機械を示す。図に見られるように、本実施形態では、ＬＩＤＡＲスキャン範囲とレーザー光照明範囲とは一致せず、本実施形態では、ＬＩＤＡＲスキャン範囲は、照明された範囲よりもはるかに大きく、それゆえに、ＬＩＤＡＲ ３Ｄマッピングされた範囲は、乗物の乗員に見える照明された範囲をはるかに超えて広がるものとなる。

第３の概念では、レーザーベース照明パターンおよび／またはＬＩＤＡＲ検査パターンは、敏活に動的なものとすることができ、その場合、それらのパターンは、ユーザ入力もしくはセンサフィードバック入力に基づき環境に対し継続的に変化または採用することができるか、またはある特定の期間または条件にわたって静的とすることができる。一実施形態では、レーザーベースの光照明パターンは、自動車の動的調整型ヘッドライトであり、それは、ドライバまたは観察者に安全性または性能の上で最適なパターンをもたらすとともに、路上の他の交通物または歩行者がレーザーベース光によって目が眩むか妨げられることが確実に起こらないようにする（すなわち眩しさのない）ように構成される。レーザーベース照明システムが動的に調整される際に、ＬＩＤＡＲスキャニングシステムは、静的な掃引パターンモードまたは動的に変化する掃引パターンモードのどちらかで動作している。前者では、ＬＩＤＡＲシステムは、一部の視野、例えば１２０度を超えて、自動車の前方にあるあらゆるものを検査して、車をナビゲートする一助となり、接近中の危険を検出することができる。好適な一実施形態では、ＬＩＤＡＲ機能および照明機能はループを介して接続され、その場合、ＬＩＤＡＲイメージは、動的なレーザーベース照明パターンにフィードバックするためのセンサ信号としての役割を果たす。例えば、ＬＩＤＡＲマッピングが道路脇に動物を検出した場合、それを選好的にスポット照光するように、レーザー照明源を構成することができよう。別の例では、接近中の車がＬＩＤＡＲマッピングによって検出された場合、その接近中の交通物へのビームを無効化するかまたは暗くするように、レーザーベース照明パターンを構成することができる。もちろん、自動車、娯楽、商業、宇宙、および防衛などを含む数多くのアプリケーションにおいて、どのように動的な照明パターンと動的なＬＩＤＡＲスキャニングパターンとを併せて機能性および安全性を追加するために用いることができるかについて、数多くの例がある。

ＬＩＤＡＲ感知に可視波長を用いることの課題の１つは、眼の安全性の懸念である。しかし、これは、極端に重くはない様々な方法で克服することができる。まず、本発明に記載される実施形態の多くは、認可されている照光システムに適合する平均強度とスペクトル組成とを含むＬＩＤＡＲスキャニング信号を利用することから、ＬＩＤＡＲ機能は、照明源のみ以外の余分な安全性リスクに達するはずはない。大部分のアプリケーションでは、レーザー光は、散乱されるかまたは非干渉性となり、自動車の照光などの数多くのスポット光および指向照光アプリケーションで既に一般医使用されているＬＥＤ光に等しいものとなる。端的に言えば、数多くの実施形態では、ＬＩＤＡＲ機能は、今日の照光製品に一般に使用されている標準的な平均照明強度および波長により達成される。さらに、ＬＩＤＡＲスキャニング信号は、多くの場合、サンプリング速度に応じて様々な時間間隔を空けた短い光のパルスから構成されるものとなる。時間を揃えて空けられた短いパルスは、眼の曝露を安全な用量レベルに制限する。スキャニング技術において、安全性の懸念の１つは、スキャナが一箇所に嵌まってしまい、次いで単一のピクセルに継続的に照明するという事象である。このことは、そのピクセルの経路にいる任意の対象または人間に危険な曝露レベルをもたらす可能性がある。これが発生するのを避けるため、インターロックが採用され、その際には、スキャニングまたはビーム操向部材が動けなくなるかまたはフリーズした場合に、レーザーが遮断されるかまたはシャッターが閉じる。そして再度、このアプローチは、ＬＩＤＡＲおよび照明のためのレーザーベース光源からの高度に視準された出力光に影響を及ぼすことから、照明は、規制された照光基準を満たす所定の流束パターンを形成するように構成されるものとなる。このことの一例は、動的なレーザーベース光源を用いて自動車のヘッドライト内にＬＩＤＡＲを含むことであり、そのため、ヘッドライトは、ドライバのために道路を照明しつつ３次元マップを生成する。この動的なレーザーベース光源からの照光およびＬＩＤＡＲマッピングの概念は、自律型または半自律型の乗物、航空機、または船舶、ならびに完全にヒトにより制御される自動車、航空機、および船舶さえ含めて、多数のアプリケーションに広げることができる。

本発明の代替の一実施形態では、ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオード波長をＬＩＤＡＲ照明に使用するレーザーベース照光システムは、９０５ｎｍ、１０６４ｎｍ、１５５０ｎｍなどの標準的なＬＩＤＡＲ波長を用いた従来のＬＩＤＡＲシステム内に構成されるか、またはそれと統合される。３９０ｎｍから４８０ｎｍまでの波長などのガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードからの波長を従来の赤外波長と組合せることによって、ＬＩＤＡＲシステム全体が、感度または機能性を増加させることができる。この感度および機能性の増加は、戻った信号または反響における異なる解析に基づく環境の異なる特徴、例えば振幅、タイムオブフライト、または位相などを感知するために、別々の波長を用いることによって達成される。一部の実施形態では、長波長を放射するガリウムおよび窒素を含有しないレーザーダイオードが、ＧａＡｓまたはＩｎＰベースのレーザーダイオードを含むシステムに使用される。

もちろん、これらの基本的な実施形態の数多くの他の例が存在する。例えば、代替の励起波長を、紫外領域で、緑色領域で、または青色領域などで使用することができる。波長変換された光は、レーザー励起により白色光を形成するように構成されることがある。すなわち、蛍リン光体などの波長変換部材からの波長変換された光は、青と黄との組合せや他の白色の組合せではないことがあるが、緑色、赤色、赤外色、またはそれらの組合せとすることができる。蛍リン光体部材は、透過、反射、または組合せのモードで動作させることができる。代替のスキャニングデバイス、例えばＤＬＰチップまたはＬＣＯＳチップなどを使用して、動的な照光およびＬＩＤＡＲ掃引機能を作り出してもよい。

代替の好適な一連の実施形態では、波長変換部材から反射、伝送、および／または散乱されているレーザー光源からのレーザー光励起ビームと、波長変換された光とが、ＬＩＤＡＲ感知機能のために使用される。レーザーベース照光技術に基づくこの多重スペクトルまたは多波長のＬＩＤＡＲシステムは、感度を増加し、機能性を増加し、および／またはＬＩＤＡＲシステムの複雑性を低減することを可能にするものとなる。この例では、３９０ｎｍから４８０ｎｍの範囲の青紫色から青色のレーザーの第１の波長は、蛍リン光体などの波長変換部材を励起して、さらに長い第２の波長の放射を生成する。一例では、このさらに長い第２の波長は、黄色の放射であり、レーザーからの残りの青色の放射に混合されて白色光の放射を作り出す。この白色光の放射は、ランバートパターンを形成することができ、次いで、視準されて、スキャニングＭＥＭＳミラーなどの１次元または２次元スキャナに結合される。スキャニング部材は、次いで、環境および周囲環境のうち視準された白色光のビームを掃引し、ＬＩＤＡＲスキャニング照明部材として役割を果たすものとなる。レーザーダイオードからの第１の青紫色または青色の波長は、変換された第２の波長、例えば黄波長などと共に、視準された白色光ビーム内に含まれ、このビームは環境にわたって掃引し、戻された（散乱または反射された）第１の波長および第２の波長を感知して計算する。環境にわたって青紫色または青色の波長の視準されたレーザービームを空間的に掃引し、戻された（散乱／反射された）レーザービームを感知してタイムオブフライト法を用いて散乱対象からの距離を計算し、それにより３次元マップを生成する。一般的な構成では、レーザー源およびまたはスキャニング部材は、周期的な短い光のパルスまたは変調された強度のスキームを生成して、伝送されて検出された信号の同期を可能とするように動作されるものとなる。検出器システムは、ノッチ・パス・フィルタを有して構成することができ、このフィルタは、レーザーダイオードからの第１の放射波長、波長変換部材の第２の波長、または第１および第２の両方の波長の周囲に中心がある帯域内（すなわち２から２０ｎｍまたは２０から１００ｎｍまたはそれを超える）の波長のみを受け入れるように設計される。そのような構成は、本発明を通して記載される空間的に動的なレーザーベース照光の実施形態にそれ自体を最適なものとするが、この実施形態は、ＭＥＭＳデバイスなどのマイクロディスプレイをレーザーベース照光／照明技術と組み合わせるものである。さらに、スマートレーザーベース照光システムは、ＬＩＤＡＲおよびスマートレーザー照光の機能を環境条件の変化に対して活性化し応答させることのできる閉フィードバックループに、センサフィードバックをもたらすものとなる。

多波長のＬＩＤＡＲ照明源は、主に第１のレーザー放射のみをＬＩＤＡＲシステム伝送および受信機能に用いる従来のレーザー源を超える追加のベネフィットをもたらす。本願の実施形態では、第１の波長（すなわち約４００ｎｍから約４８０ｎｍ）と波長変換された第２の波長（すなわち約５２０ｎｍから約６６０ｎｍ）とを併せて有するレーザー放射された照射を、ＬＩＤＡＲシステム伝送および受信機能に含めることができ、この機能は、多色の伝送および検出を伴う機能性および感度を増強する可能性を実現する。少なくとも２つの波長が、信号の伝送および検出に使用され、環境に関するさらに多くの情報を捕捉するための異なる感知を可能にすることができる。さらに、蛍リン光体波長変換部材などの波長変換部材から結果として得られる第２の波長が、広いスペクトル強度特性（すなわち５ｎｍ、１０ｎｍ、または５０ｎｍを超える大きなスペクトル幅）を有することがあることから、ハイパースペクトルＬＩＤＡＲイメージングを可能にすることができる。

一例として、レーザーベース光源によって可能となる多波長またはハイパースペクトルのＬＩＤＡＲシステムは、第１の波長と第２の波長との間の相対強度または振幅の変化を検出して、放射が伝送される媒体または物質の吸収に関する情報を決定するように構成することができる。すなわち、第１の波長の戻り信号と伝送された信号との減速比は、第２の波長の戻り信号と伝送された信号との減速比とは異なることがある。減速比間の差は、有意であることがあり、スキャンされた環境の特徴を抽出するために用いることができる。第１の具体例としては、青色波長が水中で黄色波長よりも低い公知の吸収を有するものとなることから、ルックアップ・テーブルから引き出すことのできる対応する比によって青色波長の減衰が黄色波長の減衰よりも小さい場合に、ＬＩＤＡＲシステムは、環境中に湿気があるという情報をユーザに提供することができ、さらに環境中の湿気または水分の一部の相対量を、環境中の湿気の空間マップと併せて決定することが可能であることがある。第２の具体例では、伝送された信号内の第１および第２の波長の散乱特性の差異は、伝送された信号が通過する媒体、ならびに／または伝送された信号が反射されて戻り信号を生成する対象および媒体に関する情報をさらに決定するために使用される。

上記の例では、レーザーベース光源ＬＩＤＡＲシステム照明ビーム内の複数の波長の検出されたｖｓ伝送された信号の強度または振幅の差異は、さらに別の情報またはシステムの解像度を捕捉するために使用された。さらに、多波長間のタイムオブフライトまたは戻されたパルス形状の差異は、環境の特性を決定するために用いることができる。具体例として、２波長の例で第１および第２の波長が純粋な空気以外の任意の媒体を伝播する際に、その媒体は、分散に起因して２つの波長について僅かに異なる屈折率を有するものとなる。光信号のスピードは、反射率によって決定されることから、第１および第２の波長の戻り信号は、伝送時の一時的な位置に比べて遅延またはオフセットを有することがある。この遅延またはオフセットを処理して、ＬＩＤＡＲシステムにおける２つの波長について反射率の差を決定することができ、次いで、ＬＩＤＡＲシステムにおける２つの波長についてそのような反射率の差を有する媒体のライブラリまたはルックアップ・テーブルに関連付けることができる。もちろん、これは一例に過ぎず、限定すること、または多波長のＬＩＤＡＲシステムからのベネフィットが予想される任意の他の例を排除することを意図されていない。

上記の例では、レーザーベース光源ＬＩＤＡＲシステム内の複数の波長の検出されたｖｓ伝送された信号の強度または振幅の差異は、分散性および吸収性によって規定された。さらに、多波長間のタイムオブフライトまたは戻されたパルス形状の差異は、ＬＩＤＡＲ感知光の反射される対象の特性を決定するために使用することができる。具体例として、２波長の例で第１および第２の波長が純粋な空気以外の任意の媒体を伝播する際に、その媒体は、異なる波長に起因して２つの波長について僅かに異なるミー散乱性を有するものとなる。この散乱の差は、戻り振幅の差に繋がり、次いで、この振幅差を用いて、散乱を起こしている粒子の差を計算し決定することができる。一例では、散乱はミー散乱である。

上に記載された差次的な感知に加えて、ＬＩＤＡＲシステムにおける多波長またはハイパースペクトルの照明感知信号がレーザーベース光源によって可能になる、数多くのアプリケーションおよびシステム構成がある。単純な一例では、複数の波長が、冗長性および精度の増加のために使用される。すなわち、２つ以上の波長を別々の検出と共に使用することによって、２つ以上の別個の３Ｄイメージを、スキャンされた環境に関して作成することができる。これらの複数のイメージを処理して、検出された様々な特徴を比較および対照することによって、さらに精度の高い単一の統合された３Ｄイメージを生成することができる。

図９は、本発明の一実施形態による多波長のＬＩＤＡＲシステムを用いた例示的な可動機械を図説する。この例では、第１のピーク波長を有するガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードを含むレーザー照明源は、複数のＬＩＤＡＲ感知波長のうち少なくとも１つに対し使用される。図９に示された具体例では、レーザーダイオードからの第１のピーク波長の一次放射は、青色の放射である。さらに、この例では、第２のピーク波長を有する波長変換された二次放射は、複数のＬＩＤＡＲ感知波長のうち少なくとも１つに対し使用される。図９に示された具体例では、レーザーダイオードからのこの第２のピーク波長放射は、黄色の放射である。上に記載されたように、ＬＩＤＡＲ感知およびマッピングのために１つを超える波長を配備することによって、ＬＩＤＡＲシステムは、機能性の増加、感度の増加、解像度の増加などを含む複数の方法で利を得ることができる。

そのようなＬＩＤＡＲアプリケーションに用いられるのは、蛍リン光体などの波長変換部材を用いた極端に高輝度のレーザーベース光源であることが認識されるものとなる。すなわち、レーザーそれ自体は、指向性が高く、減衰が低く、および輝度が極端であることに大きく起因して、典型的にはＬＩＤＡＲシステムに用いられる。この放射特性は、レーザー光を高度に視準し、ビームの制御を維持して、大きな距離（すなわち１０ｍから１０，０００ｍ）にわたる環境を正確かつ密に検査することを可能にする。ＬＥＤなどの他の照明源は、この視準および指向性を可能にするためのそのような輝度の要件の能力が全くない。しかし、蛍リン光体上のごく小さなスポットを照明し、かつ５０μｍから１０００μｍのスポットサイズ（光学アパーチャ）から３００から３，０００ルーメンの光を生成する高出力レーザーを用いた先進型レーザーベース照光システムは、たとえ蛍リン光体または波長変換部材からの放射がランバートであるとしても、極限の視準を可能にすることができる。そのため、そのようなレーザーベース照光システムでは、光学ビームを１度未満、２度未満、または５度未満に視準して、ＬＩＤＡＲアプリケーションに必要な指向性および強度を可能にすることができる。本明細書に記載される全ての実施形態のうちの一部の例では、ある特定のまたは別々の光学系を、照光または照明システムとは対照的に、ＬＩＤＡＲシステムに用いてもよい。例えば、ハイブリッド光学系を用いて、外部ビーム視準とは別の、中央ビーム視準を可能にすることができよう。中央ビーム視準は、１度未満または２度未満などの高い視準として、主要なＬＩＤＡＲ伝送ビームコリメータとしての役割を果たすようにしてもよい。外部ビーム視準は、１５度未満、１０度未満、または５度未満などの低い視準にして、主要な照明ビームコリメータとしての役割を果たすようにしてもよい。もちろん、これは、照光システムの照光特性からの光のＬＩＤＡＲ伝送ビームを別々に最適化するようにいかに光学システムを設計できるかに関する一例に過ぎない。

本発明による一部の実施形態では、可動機械に搭載された統合されたレーザーベース照明およびＬＩＤＡＲシステムは、赤外領域で動作するスキャニングレーザーを含むことがある従来のＬＩＤＡＲシステムなど、追加のＬＩＤＡＲシステムを補うことができる。追加のＬＩＤＡＲシステムは、レーザー照明システムとは別に、しかし同じ可動機械内に構成することができよう。本実施形態では、追加のＬＩＤＡＲシステムは、統合されたレーザーベース照明およびＬＩＤＡＲシステムと併せて配備され、その結果、機能性、感度、範囲、スキャン範囲、冗長性、または安全性の向上を、可動機械により達成することができる。例えば、さらに多くの従来のピーク波長、例えば約９０５ｎｍ、９ＸＸｎｍ、１０００ｎｍ、１０６４ｎｍ、１３００ｎｍ、または約１５５０ｎｍなどを有すＬＩＤＡＲシステムを、追加のＬＩＤＡＲシステムに配備して、レーザーベース照明システムにおけるガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードからの第１のピーク波長、例えば青色または青紫色の波長などを補完することができる。追加のＬＩＤＡＲシステムは、周囲環境の広角度マップを生成するように機能する主要な３Ｄマッピング装置として使用することができ、レーザーベース照明システムＬＩＤＡＲは、ヘッドライトにより照明される可動機械の前方などの指定の場所にマッピング情報を追加するために使用することができる。もちろん、異なる検出スキームを配備することができ、その場合、異なる波長を感知およびマッピングに使用する２つのＬＩＤＡＲシステム間のマッピング特性の差は、周囲範囲および環境を表現するさらに広範な情報およびデータを計算するために使用することができる。

さらに別の実施形態では、赤外レーザーダイオードなどの追加のレーザーを、ＬＩＤＡＲマッピングのためのレーザーベース照明システムに含めることができる。本実施形態では、追加されたレーザーダイオードは、高性能ＬＩＤＡＲスキャニング源を提供するように機能するものとなり、直接的にレーザーベース照明システム内に統合されるものとなる。一例では、追加されたレーザーダイオードは、波長約９ＸＸｎｍ、または約１，０００ｎｍ、または約１３００ｎｍ、または約１５５０ｎｍで動作可能なＩｎＰまたはＧａＡｓレーザーダイオードとなる。好適な一実施形態では、この波長は、眼の安全性の目的には約１５５０ｎｍである。この例では、追加されたレーザーは、赤外波長のレジームにあることから、追加されたレーザーにより産生される放射は、可視となることはなく、それゆえにレーザーベース照明システムの照明特性に干渉することはない。追加のＬＩＤＡＲスキャニングレーザーは、複数の構成でレーザー照明システム内に統合することができる。本発明で既に記載されたように、レーザーベース照明源は、複数のレーザーダイオードとさらに他の光放射デバイス、例えばＬＥＤなどから構成されることがある。複数の光源およびレーザーを種々の理由から照明源に含めることができ、そのような理由としては、光束を増加させること、動的な空間的パターニングを行うこと、より良好な色質の光レーザー照明源を達成すること、動的な色制御を行うこと、または伝送された信号を可視光通信に提供することが挙げられる。同様に、本実施形態によれば、追加のレーザー源は、ＬＩＤＡＲマッピング波長を提供するために含まれるものとなり、この波長は、システム唯一のＬＩＤＡＲマッピング波長とすることができるか、または１つもしくは複数の既存のＬＩＤＡＲマッピング波長、例えば照明システムのガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードからの可視波長などに対する、補助的もしくは補完的なＬＩＤＡＲマッピング波長とすることができる。

好適な一実施形態では、照明および可能性としてＬＩＤＡＲスキャニングに使用される、ガリウムおよび窒素を含有する青色または青紫色のレーザーダイオードは、ＬＩＤＡＲスキャニングのための第２のレーザー源、例えば赤外レーザー源などと共にパッケージングされる。複数のレーザー源のための様々な共パッケージング構成を、設計し実装することができる。一部の設計では、ガリウムおよび窒素を含有するレーザー源は、第１の一次開始パッケージ、例えばＴＯ−Ｃａｎ、フラットパッケージ、表面実装型パッケージ、または他のタイプのパッケージなどにパッケージングされるものとなる。同様に、ＬＩＤＡＲレーザー源を、第２の一次開始パッケージ、例えばＴＯ−Ｃａｎ、フラットパッケージ、表面実装型パッケージ、または他のパッケージにパッケージングすることができる。続いて、レーザー源を含む第１の一次パッケージおよび第２の一次パッケージは、次いで、第１および第２の一次パッケージを受けるためのインターフェースを含有する大きな二次パッケージにパッケージングされるものとなる。次いで、供給源は、周囲環境内に入る前の蛍リン光体変換部材および／またはＬＩＤＡＲ伝送器コンポーネントに光学的に結合されるものとなる。別の好適な実施形態では、第１のガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードチップ、またはサブマウント上およびＧａＡｓもしくはＩｎＰベースのレーザーダイオードなどのＬＩＤＡＲレーザー源上のチップ、またはサブマウント上のチップは、共通支持部材上に共にパッケージされる。

図１Ｂに戻ると、レーザーを共にパッケージされた実施形態の一例が提示されており、この場合、照明および任意選択的にＬＩＤＡＲマッピングを目的としたガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオード１６０３、例えば青色レーザーダイオードは、中間サブマウント部材１６０４上に構成される。中間サブマウント部材１６０４は、表面実装型基板部材１６０１に取り付けられる。また含まれるのは、第２のレーザーダイオード１６０５であるが、これは、マッピングを目的としており、中間サブマウント１６０６に取り付けられた赤外放射レーザーダイオードとすることができ、次いで、表面実装型パッケージ基板部材１６０１に取り付けられる。この構成では、ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードからの放射１６０８と赤外レーザーダイオードからの放射１６０９との両方が、波長変換部材１６０２に入射するが、この波長変換部材は蛍リン光体部材とすることができる。代替の構成では、ＬＩＤＡＲ感知レーザー放射１６０９は、波長変換部材１６０２に接触しない異なる光路を辿ることがある。

第１の実施形態では、追加された赤外レーザーダイオードは、レーザーベース照明システムに含まれ、ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードの放射とは別の光路を辿り、波長変換部材には入射しない。図１０は、本発明による追加のＬＩＤＡＲマッピングレーザーを含むＬＩＤＡＲシステムに統合されたレーザー光照明システムの簡略化された模式図である。図に示されるように、統合されたシステム３１００は、電力供給源３１０１からの電力とＬＩＤＡＲシステムの受信部３１３１からのデータまたは信号とを受信するように構成されたプロセッサおよび制御ユニット３１０２と併せて、ＬＩＤＡＲシステムと照明システム（一部の実施形態では、別々または複数の電源を使用できることに留意されたい）との両方に電力を供給するための電源３１０１を有して構成される。指定された機能性と電力供給源から供給される電力とを与えるユーザ入力、センサ入力、または所定の入力などの外部入力３１９０に基づいて、プロセッサおよび制御ユニット３１０２は、１つまたは複数のガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードｓ３１１１に送るための適切な第１の信号を決定する。結果として得られる信号は、ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオード３１１１に特徴的な電流および電圧を駆動して、レーザーダイオードから適切な強度パターンを生成し、青色または青紫色のピーク波長などの第１のピーク波長を有する電磁気照射をもたらすように構成される。プロセッサおよび制御ユニット３１０２からの第２の信号は、第３の波長と共にＬＩＤＡＲマッピングレーザー３１２１に送られて、ＬＩＤＡＲスキャニング機能のための所望の強度または周波数パターン、例えばタイムオブフライトの計算に用いる短い光のパルスなどを生成する。一実施形態では、照明レーザーダイオード３１１１およびＬＩＤＡＲマッピングレーザー３１２１に用いる両方の信号が、図に示されるように、プロセッサおよび制御ユニット３１０２から発生する。別の一実施形態では、複数のプロセッサおよび電力供給源が含まれることがある。

図１０に示されるように、ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオード３１１１からの第１のピーク波長の出力電磁気照射と、追加のＬＩＤＡＲマッピングレーザー３１２１からの第３のピーク波長の出力とは、２つの別々の光路を辿り、その場合、第１のピーク波長の出力は波長変換部材３１１２に入射し、そこで、第１のピーク波長を有する電磁気照射の少なくともごく一部は、黄色ピーク波長などの第２のピーク波長を有する電磁気に変換される。好適な実施形態では、レーザーベース照明システムで結果として得られる光は、白色光である。結果として得られるレーザーベース照明光は、次いで、１つまたは複数のビーム成形部品３１１３により、所定の視準、発散、およびパターンをもたらすように調整される。任意選択的に、ビーム操向部品を、空間的に動的な照明を作り出すためにレーザーベース照明システムに追加することができる。一部の実施形態では、視準光学系などのビーム成形部品（図示せず）が、波長変換部材３１１２への入射の前にレーザー光を視準するために使用される。さらに、光ファイバ、例えばガラスもしくはポリマーのファイバまたは他の導波部品などを、レーザーダイオードから波長変換部材３１１２にレーザー光を移送して遠隔のポンピング変換を作り出すために使用することができる。

図１０によれば、第２の光路は、第２のピーク波長を有するＬＩＤＡＲマッピングレーザー３１２１からの電磁気照射を、ＬＩＤＡＲ感知レーザーのビーム成形および／または操向のための光学系を介して、ＬＩＤＡＲに方向付ける。一部の実施形態では、レンズなどの視準光学系が、ＬＩＤＡＲシステムの伝送器モジュールへの進入の前にレーザー光を視準するために使用される。さらに、光ファイバ、例えばガラスもしくはポリマーのファイバまたは他の導波部品などを、レーザーダイオードからＬＩＤＡＲ伝送器モジュールまでレーザー光を移送するために使用することができる。外部の環境に出る前に、ＬＩＤＡＲシステムのレーザー光は、周囲環境の所望の対象範囲をスキャンするための適切な発散および方向を伴って適正に調整することができる。標的ＬＩＤＡＲマッピング範囲は、ＭＥＭＳスキャニングミラーなどの動的スキャナ、ＤＬＰなどのマイクロディスプレイを含む光学系３１２２を用いた様々な方法で、またはレンズ、ミラー、および拡散部品などの基礎光学系２９３２を用いてビームを単純に拡張もしくは成形することによって、捕捉することができる。全ての信号およびビームの調整が完了すると、ＬＩＤＡＲビームは、外部に向けて投射され、その場合、ビームは、周囲環境の様々な対象で反射および散乱し、ごく一部がＬＩＤＡＲシステムの受信モジュール３１３１に戻る。受信モジュール３１３１は、いくつかの受信光学コンポーネント３１３２、検出部材から構成され、検出部材は、例えばフォトダイオード、フォトダイオードアレイ、ＣＣＤアレイ、アンテナアレイ、フォトダイオードに結合されるスキャニングミラーまたはマイクロディスプレイなどである。受信モジュール３１３１の検出された信号は、次いで、パルスなど、伝送されて検出されたＬＩＤＡＲ信号についてタイムオブフライトを計算するのに用いられる。タイムオブフライトおよび空間マップを決定するための計算または処理は、受信器で直接的に行うことができるか、または、それは、別のプロセッサユニット３１０２で行われる。

追加された赤外レーザーダイオードなど、ＬＩＤＡＲマッピングを指定された追加のレーザーを含む第２の実施形態では、ＬＩＤＡＲマッピングに用いる追加のレーザーは、ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオード放射に対して共通の光路を辿り、波長変換部材３１１２に入射しない。下記図１１に示されるように、別の実施形態では、ＧａおよびＮベースのレーザーダイオード３２１１からの第１のピーク波長での出力電磁気照射と、ＬＩＤＡＲマッピングレーザー３２２１からの第３のピーク波長での出力電磁気照射とが、波長変換部材３２３１に入射する。青色波長などの第１のピーク波長を有する少なくともごく一部の電磁気照射が、黄色ピーク波長などの第２のピーク波長を有する電磁気に変換される。好適な実施形態では、レーザーベース照明システムで生成された結果として得られる可視色光は、白色光である。赤外ピーク波長などの第３のピーク波長を有する電磁気放射強度は、波長変換部材に入射した際に大部分が保たれるものとなる。すなわち、吸収などのプロセスを介した光の損失は僅かになるかまたは最小となり、その結果、次いでその光をスキャニングのために環境に視準し方向付けることのできる波長変換部材の材料または表面で、殆どの入射光が単に反射または散乱されるものとなる。いくらかの赤外光の損失が予想され許容されるものとなるが、蛍リン光体との相互作用からの結果として生じる損失が赤外光に対して極めて少ないシステムを実現できたものと考えられる。実質的には、結果として得られる放射スペクトルは、第１のピーク波長、第２のピーク波長、および第３のピーク波長の光から構成されるものとなり、その場合、第１および第２のピーク波長の光は、照明に用いる可視の白色光を作出するものとなり、第３のピーク波長の光は、ヒトの眼に不可視であり、ＬＩＤＡＲマッピングに役立てることができる。結果として得られるレーザーベース照明光およびＬＩＤＡＲスキャニング光は、次いで、１つまたは複数のビーム成形部品を用いて調整され、所定の視準、発散、およびパターンをもたらす。

図１１に示される実施形態によれば、赤外レーザー３２２１は、振幅または周波数の変調により電気的に駆動されて、眼に不可視の光のパルスなどのＬＩＤＡＲ感知信号を生成するものとなる。ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオード３２１１は、連続波、準連続波、パルス化幅の変調、周波数の変調、または振幅の変調などを含めた種々の方法で駆動することができる。ＬＩＤＡＲ感知またはマッピングレーザー３２２１からの赤外光とダイオード３２１１からの可視光との両方は、環境に進入する前に共通のまたは少なくとも部分的に共通の光路を介して供給されるものとなる。任意選択的に、ＭＥＭＳミラーまたはＤＬＰマイクロディスプレイなどのビーム操向デバイス３２３３を含めることができる。全ての信号およびビームの調整が完了すると、ＬＩＤＡＲビームは、外部に向けて投射され、その場合、ビームが周囲環境の様々な対象で反射および散乱し、ごく一部がＬＩＤＡＲシステムの受信モジュールに戻る。受信器モジュールは、いくつかの受信光学コンポーネント３２４１、検出部材３２４２から構成され、検出部材は、例えばフォトダイオード、フォトダイオードアレイ、ＣＣＤアレイ、アンテナアレイ、フォトダイオードに結合されるスキャニングミラーまたはマイクロディスプレイなどである。受信器モジュールの検出された信号は、次いで、パルスなど、伝送されて検出されたＬＩＤＡＲ信号についてタイムオブフライトを計算するのに用いられる。タイムオブフライトおよび空間マップを決定するための計算または処理は、受信器で直接的に行うことができるか、または、それは、別のプロセッサユニット３２０２で行われる。本実施形態では、赤外光と可視光との両方をＬＩＤＡＲマッピングに使用することが可能である。

赤外レーザー波長および可視レーザー波長を含む代替の実施形態では、照明源ならびにＬＩＤＡＲ感知およびマッピング源のための光路は別々とすることができる。図１２に見られるように、レーザー光照明放射およびＬＩＤＡＲスキャニング放射に用いる光路は、任意選択的に別々とすることができ、その場合、ＬＩＤＡＲスキャニング放射が、さらにＬＩＤＡＲ伝送コンポーネント３３５１を介して信号成形、ビーム成形、ビーム操向のために供給されることがあり、それらは、放射がスキャニングのために最終的な光学系から環境内に出る前のＭＥＭＳなどを用いた能動的なビーム操向、フィルタリングなどであることがある。レーザー照明の光路は、さらにビーム成形のための光学系３３４１と、任意選択的には空間的に動的な照明を作り出すためのビーム操向部品３３４２とを含むことができよう。一部の実施形態では、視準光学系などの追加のビーム成形部品が、波長変換部材３３３１への入射前のレーザー光を視準するために使用される。

図１２によれば、レーザーダイオード３３１１からの一次放射と波長変換部材３３３１から第２の放射との組合せは、ビーム成形光学系３３３２によって２つの経路に分割され、ＬＩＤＡＲシステムおよび照明システムについて別々の調整および操向の可能性を与えるものとすることができよう。先に記載されたように、光学モジュレータを、所望のＬＩＤＡＲ機能に必要なパルスまたは他の光学信号を生成するためにＬＩＤＡＲ伝送器３３５１内に含めることができよう。標的ＬＩＤＡＲマッピング範囲は、ＭＥＭＳスキャニングミラーなどの動的スキャナ、ＤＬＰなどのマイクロディスプレイを含む様々な方法で、またはレンズ、ミラー、および拡散部品などの基礎光学系２９３２を用いてビームを単純に拡張もしくは成形することによって、捕捉することができる。全ての信号およびビームの調整が完了すると、ＬＩＤＡＲビームが外部に向けて投射され、その場合、ビームは、周囲環境の様々な対象で反射および散乱し、ごく一部がＬＩＤＡＲシステムの受信モジュールに戻る。受信モジュールは、いくつかの受信光学コンポーネント３３６１、検出部材３３６２から構成され、検出部材は、例えばフォトダイオード、フォトダイオードアレイ、ＣＣＤアレイ、アンテナアレイ、フォトダイオードに結合されるスキャニングミラーまたはマイクロディスプレイなどである。受信モジュールの検出された信号は、次いで、パルスなど、伝送されて検出されたＬＩＤＡＲ信号についてタイムオブフライトを計算するのに用いられる。タイムオブフライトおよび空間マップを決定するための計算または処理は、受信器で直接的に行うことができるか、または、それは、別のプロセッサユニット３３０２で行われる。

本発明の特定の実施形態は、従来の製作技術を超えるベネフィットを実現する、レーザーダイオードを製作するための転位ガリウムおよび窒素を含有する材料のプロセス、または他のガリウムおよび窒素を含有するデバイスを利用する。このユニークな半導体デバイス製造技術は、複数の半導体材料の単一チップでの統合を実現し、それは、可視のレーザーダイオードおよび赤外レーザーダイオードなど、同じチップ上での様々な波長レーザーダイオードの統合を可能にすることができる。本発明による一実施形態では、レーザー照明およびＬＩＤＡＲシステムにおけるレーザー源は、このリフトオフおよび転位のプロセスに従って製造される。一例では、異なる可視波長、例えば異なる青色波長、青紫色波長、および他の可視波長などを有するレーザー材は、同じ担体部材上で転位されてレーザーに成形され、複数の可視波長のレーザー源を作り出し、それゆえに追加のベネフィットをシステムにもたらすことができる。そのような追加のベネフィットとしては、照明白色光におけるさらに良好な色質、差次的な検出を用いたさらに良好なＬＩＤＡＲ検出、またはさらに低いコストおよびさらに小さなサイズが挙げられる。別の例では、可視波長、例えば青色波長、青紫色波長、および他の可視波長などを有するレーザー材は、同じ担体部材上で、８ＸＸｎｍ、９ＸＸｎｍ、約１，０００ｎｍ、１３００ｎｍ、または約１５５０ｎｍなどの赤外波長を有するレーザー材として転位されてレーザーに成形され、可視波長と赤外波長との両方を含有する統合されたレーザー源を作り出し、それゆえに追加のベネフィットをシステムにもたらすことができる。そのような追加のベネフィットとしては、さらに低いコストのシステム、さらに小さなシステム、および差次的な検出を用いたさらに良好なＬＩＤＡＲ検出が挙げられる。

レーザーベース照明およびＬＩＤＡＲシステムのさらに別の例では、エピタキシャル材の転位を含む製作技術を用いて、電子機器または他のデバイスを統合してレーザー源チップにすることができる。例えば、光源を有する統合されたドライバ電子機器を作り出すために、ＧａＮまたはＧａＡｓベースの電子機器を含めることができる。統合されたスキャニングミラーを含めることができる。他の例では、シリコン電子機器を含めることができる。

本発明の一部の実施形態によれば、レーザー光源は、様々な方法により通信することができる。好適な方法の１つでは、スマート光が、ＬｉＦｉシステムなどの可視光通信（ＶＬＣ）システムとして構成され、その場合、光源内の電磁気照射の少なくとも１つのスペクトルコンポーネントは、データを符号化するように変調されて、その結果、その光は伝送データとなる。いくつかの例では、可視スペクトルの一部が変調され、他の例では、赤外源または紫外源などの非可視源が通信のために含まれる。変調のパターンまたは形式は、デジタル形式にもアナログ形式にもすることができ、対象またはデバイスによって受信されるように構成されるものとなる。一部の実施形態では、レーザーベースのスマート光システムからの光放射の空間的なパターニングを用いて、通信を実行することができる。一実施形態では、マイクロディスプレイが、光をピクセル化またはパターン化するために用いられるが、絶え間なく流れている情報を通信するようにピクセル化またはパターン化を迅速かつ動的な方式で行うことができるか、または更新されることのある静止メッセージを通信するようにパターンを周期的に静止パターンに変える。通信の例は、個別にまたは集団に、近日中の催事、店舗内にある物、特別な宣伝について通知すること、指示、教育、販売、および安全性を与えることである。代替の一実施形態では、放射ビームの形状または発散角度は、マイクロディスプレイまたは液晶レンズなどの調整可能なレンズを用いて、拡散光からスポット光に変換されるかまたはその逆とされる。通信の例は、個別にまたは集団に向けること、危険を警告すること、教育すること、または宣伝することである。レーザー光ベースの通信のさらに別の実施形態では、スマート照光システムの色を、寒白色から温白色に、または赤、緑、青、もしくは黄などの単色にさえ変えることができる。

Claims (23)

1. 少なくともガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードと波長変換部材とを担持する統合型パッケージを含むレーザーダイオードベースの照光システムであって、前記ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードは、第１のピーク波長を有する第１のレーザービームを放射するように構成され、
   前記波長変換部材は、前記第１のピーク波長を有する第１のレーザービームを少なくとも部分的に受信して、第１のピーク波長よりも長い第２のピーク波長を有する放射を励起し、前記第２のピーク波長と前記第１のピーク波長とを混合された白色光を生成するように構成される、レーザーダイオードベースの照光システム；ならびに
   第２のレーザービームを生成し、前記第２のレーザービームを操作して遠隔距離にある標的対象の空間マップを感知するように構成される、光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）システム
   を含む可動機械。
2. 前記白色光は、前記標的対象と、前記可動機械に応じて動的に動かされるその周囲環境とを照明するための照明源として構成される、請求項１に記載の可動機械。
3. 前記ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードは、青色域に前記第１のピーク波長を有する前記第１のレーザービームを生じるように構成され、前記波長変換部材は、前記青色域に前記第１のレーザービームによって励起されて、黄色を含む広い色域に前記第２のピーク波長を生じるように構成される蛍リン光体材を含む、請求項２に記載の可動機械。
4. 前記ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードは、青紫色域に前記第１のピーク波長を有する前記第１のレーザービームを生じるように構成され、前記波長変換部材は、前記青紫色域に前記第１のレーザービームによって励起されて、緑色を含む広い色域に前記第２のピーク波長を生じるように構成される蛍リン光体材を含む、請求項２に記載の可動機械。
5. 前記蛍リン光体材は、Ｃｅによりドープされたセラミック性イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）、またはＣｅによりドープされた単結晶ＹＡＧ、または結合材を含む粉末ＹＡＧから構成され；前記蛍リン光体は、光ワット当たり５０ルーメン、光ワット当たり１００ルーメン、光ワット当たり２００ルーメン、または光ワット当たり３００ルーメンを超える光学変換効率を有する、請求項３に記載の可動機械。
6. 前記第１のピーク波長を有する前記第１のレーザービームを受信して前記第２のピーク波長を有する前記放射を励起することに関連して、前記蛍リン光体材が、反射モード、透過モード、および反射モードと透過モードとの組合せから選択されるモードで動作するように構成される、請求項３に記載の可動機械。
7. 前記統合型パッケージは、遠隔ポンピング型蛍リン光体として構成される前記波長変換部材と、前記ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードから前記遠隔ポンピング型蛍リン光体に前記レーザービームを導く空間を支持する自由空間光学系を含む、請求項２に記載の可動機械。
8. 前記統合型パッケージは、遠隔ポンピング型蛍リン光体として構成される前記波長変換部材と、前記ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードから前記遠隔ポンピング型蛍リン光体に前記レーザービームを導く光ファイバとを含む、請求項２に記載の可動機械。
9. 前記統合型パッケージは、少なくとも１つのガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードと前記波長変換部材とを支持するように構成される共通支持部材を含む表面実装型デバイス（ＳＭＤ）パッケージを含む、請求項２に記載の可動機械。
10. 前記少なくとも１つのガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードは、２つのレーザービーム、３つのレーザービーム、または４つのレーザービームをそれぞれ生成するように２つのレーザーダイオード、３つのレーザーダイオード、または４つのレーザーダイオードなどの複数のレーザーダイオードを含み；前記複数のレーザービームは、前記波長変換部材上に励起点を形成する、請求項２に記載の可動機械。
11. 前記複数のレーザーダイオードのそれぞれは、４２０ｎｍから４８５ｎｍの青色域にある複数の第１のピーク波長のうちの１つにより特徴付けられ；前記複数の第１のピーク波長は、結果として前記白色光の色質を改善する、請求項１０に記載の可動機械。
12. 前記波長変換部材は、第１のピーク波長を含む前記第１のレーザービームによって励起されて第２のピーク波長の第１の放射を生じるように構成される第１の蛍リン光体材と、前記レーザービームによって励起されて第３のピーク波長を有する第２の放射を生じるように構成される第２の蛍リン光体材とを含む、請求項２に記載の可動機械。
13. 前記ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオードは、青紫色域に前記第１のピーク波長を有する前記第１のレーザービームによって特徴付けられ、前記第１の蛍リン光体材は、青色域に前記第２のピーク波長を有する前記第１の放射によって特徴付けられ、前記第２の蛍リン光体材は、黄色域に前記第３の波長を有する前記第２の放射によって特徴付けられ、前記白色光は、少なくとも前記第１の放射および前記第２の放射から構成される、請求項１２に記載の可動機械。
14. 前記ＬＩＤＡＲシステムは、ドライバと、前記第２のレーザービームを生成するためのレーザーダイオードと、前記第２のレーザービームに基づき１つまたは複数の感知光信号を環境に伝送するための伝送器とを含む、レーザーサブシステム；前記１つまたは複数の感知光信号に基づき前記環境から反射光信号を検出するための受信器を少なくとも含む検出サブシステム；ならびに前記伝送器と前記受信器とを同期し、前記１つまたは複数の感知光信号および反射光信号についてそれぞれのタイムオブフライトを演算し、空間マップイメージを生成して目的の対象または範囲を特定するための信号プロセッサを含む、請求項１に記載の可動機械。
15. 前記１つまたは複数の感知光信号は、約９０５ｎｍ、約１０００ｎｍ、約１０６４ｎｍ、または約１５５０ｎｍ、または約５３２ｎｍから選択される波長での前記第２のレーザービームに基づく、請求項１４に記載の可動機械。
16. 前記ＬＩＤＡＲシステムは、検査パターンで前記環境に投射される前記１つまたは複数の感知光信号を運ぶ前記第２のレーザービームを操作するためのスキャンＭＥＭＳまたは他のビームスキャナを含む、請求項１４に記載の可動機械。
17. 前記ＬＩＤＡＲシステムは、イメージのフレームのピクセルの一部または全てを生成するための平面において複数の場所で前記反射光信号を同時検出するための検出器アレイを有して構成される、請求項１４に記載の可動機械。
18. 自律型の乗物、航空機、航宙機、ドローン、オートバイ、ボート、航海用の乗物、潜水艇、二輪車、三輪車、電気スクーターを含む乗物としてさらに構成される、請求項１に記載の可動機械。
19. 前記ＬＩＤＡＲシステムから提供されたフィードバック情報に基づきレーザーダイオードベースの照光システムを制御するように構成される信号プロセッサをさらに含み、前記レーザーダイオードベースの照光システムは、前記白色光を選好的に使用して、前記ＬＩＤＡＲシステムにより特定された前記標的対象および周囲の範囲のうち少なくとも１つを照明するように構成される、請求項１４に記載の可動機械。
20. 少なくとも１つの動く標的対象を検出する際に、前記ＬＩＤＡＲシステムからの少なくとも一部のフィードバック情報に基づいて、前記レーザーダイオードベースの照光システムは、前記白色光の照明強度、照明パターン、ビーム角度、ビーム形状、およびビーム場所のうち少なくとも１つを動的に変化させるように制御される、請求項１９に記載の可動機械。
21. 前記フィードバック情報は、前記ＬＩＤＡＲシステムによって得られた前記少なくとも１つの接近する動く対象のマッピングイメージを含み、前記白色光は、可視光通信ネットワークを通じた送出メッセージのために用いられる、請求項２０に記載の可動機械。
22. 電源；
    前記電源に結合され、電力を供給し駆動電流を生成するように構成されたプロセッサ；
    前記駆動電流によって駆動されて第１のピーク波長を有する第１の光を放射するように構成されたガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオード；
    前記第１の光を少なくとも部分的に受信して、前記第１のピーク波長よりも長い第２のピーク波長を有する第２の光を再放射するように、および前記第１の光の一部と前記第２の光とを組み合わせて白色光生じるように構成される、波長変換部材；
    前記白色光を受信して照明源を生成するように前記波長変換部材に結合されたビーム成形器；
    を含むＬＩＤＡＲシステムであって、
    前記第１のピーク波長に基づく第１の感知光信号；
    前記ビーム成形器に結合されており、前記白色光を少なくとも部分的に向けて、１つまたは複数の標的対象または範囲を照明し、かつ前記１つまたは複数の標的対象または範囲とその周囲とを含む遠隔の範囲をマッピングするための前記第１の感知光信号をそれぞれ伝送するように構成される少なくとも第１のビーム投射器；および
    前記第１の感知光信号の反射信号を検出して、前記１つまたは複数の標的対象または範囲の第１のイメージを生成するように構成される検出器
    をさらに含むＬＩＤＡＲシステム。
23. 電源；
    前記電源に結合され、電力を供給し駆動電流を生成するように構成されたプロセッサ；
    前記プロセッサからの駆動電流によって駆動されて第１のピーク波長を有する第１の光を放射するように構成される、ガリウムおよび窒素を含有するレーザーダイオード；
    前記第１の光を少なくとも部分的に受信して、前記第１のピーク波長よりも長い第２のピーク波長を有する第２の光を再放射するように、および前記第１の光の一部と前記第２の光とを組み合わせて白色光生じるように構成される、波長変換部材；
    前記白色光を受信して、前記第１のピーク波長および前記第２のピーク波長のうちの１つに基づく感知光信号を含む照明源を生成するように、前記波長変換部材に結合されるビーム成形器；
    前記ビーム成形器に結合されており、前記白色光を少なくとも部分的に向けて、１つまたは複数の標的対象または範囲を照明し、かつ前記１つまたは複数の標的対象または範囲とその周囲とを含む遠隔の範囲をマッピングするための前記感知光信号を伝送するように構成される、ビーム投射器；ならびに
    前記感知光信号の反射信号を検出して、前記１つまたは複数の標的対象またはその周囲の第１のイメージを生成するように構成される検出器
    を含むＬＩＤＡＲシステム。