JP2022525894A - 飛行時間型３次元センシングシステム - Google Patents

Abstract

光整形光学素子は、基板を含み得る。光整形光学素子は、基板上に配置される構造を備えることができ、構造は、均一強度場を有し及び全強度が閾値未満である１つ以上の入力光線を受信するように構成され、構造は、１つ以上の入力光線を整形して、不均一強度場を有し及び全強度が閾値未満である１つ以上の出力光線を形成するように構成される。【選択図】図１Ａ

Description

関連出願の相互参照

本願は、２０１９年３月２２日に出願された「TIME OF FLIGHT-BASED THREE-DIMENSIONAL SENSING SYSTEM」という名称の米国仮特許出願第６２／８２２，６０３号、２０１９年４月４日に出願された「ILLUMINATION MODULE FOR PROJECTING LIGHT INTO PATTERNS WITH AREAS OF HIGH INTENSITY AREAS OF INTERMEDIATE INTENSITY」という名称の米国仮特許出願第６２／８２９，２４９号、及び２０２０年３月１６日に出願された「TIME OF FLIGHT-BASED THREE-DIMENSIONAL SENSING SYSTEM」という名称の仮特許出願でない米国特許出願第１６／８２０，２５２号の優先権を主張するものであり、これらの全てが参照により本明細書に組み込まれる。

測定システムは、奥行きセンシング測定に使用することができる。例えば、ライダシステムは、レーザ光のパルスを送信することができ、及び反射パルスを測定してライダシステムからの対象の距離を決定することができる。この場合、ライダシステムは、レーザパルスの飛行時間測定を実行することができ、対象の３次元表現を生成することができる。フラッシュライダシステムは、単一パルス中にシーン（フラッシュライダシステムの視野）を照らす照明デバイス及び光整形光学素子を使用する。この場合、フラッシュライダシステムは、ビームの単一パルスの反射に飛行時間測定を使用して、シーンの３次元表現を生成することができる。スキャン（又は掃引）ライダシステムは、照明ユニット、光整形光学素子、及び１つ以上の移動ミラーを使用して、シーンを横切るレーザビームの複数のパルスを移動させることができる。例えば、光整形光学素子は、レーザビームの各パルスをライン状に広げ、移動ミラーは、レーザビームの複数のパルスにわたってシーンを横切るラインを掃引することができる。この場合、スキャンライダシステムは、レーザビームの複数のパルスからの反射についての複数の測定値を利用し、シーンの３次元表現を生成することができる。

いくつかの可能な実施形態によれば、光整形光学素子が構造を含み得る。構造は、均一強度場を有し及び全強度が閾値未満である１つ以上の入力光線を受信するように構成される。構造は、１つ以上の入力光線を整形して、不均一強度場を有し及び全強度が閾値未満である１つ以上の出力光線を形成するように構成される。

いくつかの可能な実施形態によれば、システムが、対象に向けられるビームを提供する光送信器を含み得て、ビームは、視野にわたって一定の強度を有する。システムは、ビームを１つ以上の集中領域に集中させる光整形光学素子を含み得て、視野の１つ以上の集中領域では、視野の１つ以上の他の領域よりも光が高度に集中する。システムは、対象から反射されるビームを受信し、ビームに対して複数回の飛行時間測定を実行する光受信器を含み得る。

いくつかの可能な実施形態によれば、光学デバイスが基板を含み得る。光学デバイスは、基板上に配置される１つ以上の光送信器を含み得る。光学デバイスは、１つ以上の光送信器における光路内に配置される光整形光学素子を含み、対象に向かって不均一パターン化強度ビームを提供し、対象の３次元測定を可能にし得る。

図１Ａ及び図１Ｂは、本明細書で説明される実施例の図である。 図２Ａ～２Ｇは、不均一強度場の図である。 図３Ａ～３Ｃは、不均一強度場の図である。

発明の詳細な説明

以下の実施形態の例の詳細な説明は、添付図面を参照して行う。異なる図面における同一の参照符号は、同一又は類似の要素を識別する場合がある。以下の説明では一例としてライダシステムを使用するが、本明細書に記載される較正原理、工程、及び方法を、他の光センサを含むがこれに限定されない任意のセンサに利用してもよい。

ライダシステムなどの３次元撮像システムは、均一強度場を提供して、視野内の対象を撮像することができる。例えば、フラッシュライダシステムは、視野（すなわち、フラッシュライダシステムの視野）の均一強度場を送信することができ、均一強度場の反射の測定を実行して対象の３次元表現を生成することができる。同様に、スキャンライダシステムは、一組の一様強度場スキャンラインを提供し視野にわたって掃引することができ、一組の一様強度場スキャンラインの反射の測定を実行して対象の３次元表現を生成することができる。

しかしながら、３次元撮像システムによって提供される光の強度は、閾値強度未満に制限される場合がある。例えば、眼の安全性評価要件を遵守すると、３次元撮像システムが光の閾値強度を超える強度を提供することを妨げる場合がある。眼の安全性のための閾値は、電力、発散角、パルス持続時間、露光方向、波長、及び／又はその他のものに基づき得る。同様に、携帯電話などの装置は、小型化されるほど電力容量が制限され、３次元撮像システムが提供し得る光の強度が制限される場合がある。その結果、対象までの閾値距離を超える距離では、測定のために反射されて３次元撮像システムに戻る光の光量が、正確な測定を可能とするには不十分となる場合がある。例えば、ライダシステムが視野内の対象のグループまでの距離を決定しようとするときに、いくつかの対象は閾値距離内にあり、ライダシステムによって正確に奥行きを感知される場合があり、いくつかの他の対象は閾値距離を超え、ライダシステムが正確な奥行きセンシングを行うために受信する反射光が不十分である場合がある。

本明細書で説明するいくつかの実施形態は、３次元撮像を実行するために、不均一強度場を使用し得る。例えば、光学システムが、均一強度場を提供する光送信器と、均一強度場を不均一強度場に整形する光整形光学素子又は光整形光学システムを含み得る。この場合、不均一強度場を使用することによって、光学システムは、閾値強度よりも大きい光を視野のある部分に向け、閾値光量よりも少ない光を視野の他の部分に向けることができる。例えば、光学システムは、光の集中領域に閾値強度よりも大きい光を含ませることができ、それにより正確な奥行きセンシングの範囲を広げることができる。このようにして、光学システムは、視野全体にわたって閾値光強度を超えることなく、均一強度場を使用する場合よりも長距離で、３次元測定をすることができる。さらに、本明細書に記載されるように、不均一強度場を複数の集中領域で整形することによって、光学システムは、例えば単一の集中レーザパルスを送信して測距を行うレーザ測距システムと比較して、奥行きセンシングの範囲を広げることができ、及びレーザ集光に関連する分解能の損失を減少させることができる。

図１Ａ及び図１Ｂは、本明細書で説明する実施例１００の図である。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、実施例１００は、対象の３次元測定を行うセンサシステム１０５を含み得る。

図１Ａに示すように、センサシステム１０５は、光送信器１１５及び光整形光学素子１２０を含み得る送信器システム１１０、並びに、光受信器１３０、及び光学フィルタ１３５、レンズ１４０等の１つ以上の他の光学素子を含み得る受信器システム１２５を備え得る。いくつかの実施形態では、センサシステム１０５が、光受信器１３０によって実行される１つ以上の測定を処理するプロセッサを含み得る。本明細書でより詳細に説明するように、いくつかの実施形態では、センサシステム１０５が、異なるタイプの光場などの異なる特性を有する複数の光線を提供し及び測定するように、１つ以上の他の光送信器１１５及び／又は１つ以上の他の光受信器１３０を含み得る。いくつかの実施形態では、センサシステム１０５が、携帯デバイス、携帯電話、セキュリティデバイス、ロボットデバイス、ライダデバイス、自律車両システム、ジェスチャ認識システム、近接センサシステム、計数システム、及び／又はその他のもので実施され得る。

いくつかの実施形態では、センサシステム１０５が距離センシングシステムであり得る。例えば、センサシステム１０５は、ライダシステム（例えば、フラッシュライダシステム、スキャンライダシステム、及び／又はその他のもの）、奥行きセンサ、及び／又はその他のものであり得る。いくつかの実施形態では、センサシステム１０５が３次元撮像システムであり得る。例えば、センサシステム１０５は、対象の２次元画像と、対象及び／又は対象の１つ以上の部分に関する１つ以上の距離を決定して、対象の３次元表現を生成するように構成され得る。この場合、センサシステム１０５は、対象の２次元画像を対象の距離及び／又は対象の１つ以上の部分と組み合わせて３次元表現を生成するように構成され得る。

いくつかの実施形態では、光送信器１１５が、レーザ、発光ダイオード(LED)、及び/又はその他のものであり得る。例えば、光送信器１１５は、飛行時間距離の決定を行うために均一強度場のビームを提供するように構成されるレーザであり得る。さらに又は代替的に、光送信器１１５は垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)を含み得る。いくつかの実施形態では、光送信器１１５が複数の光線を提供し得る。例えば、光送信器１１５及び光整形光学素子１２０が一体化され得る。この場合、単一の基板が、１つ以上の光送信器１１５及び１つ以上の光整形光学素子１２０の両方を含み得る。

いくつかの実施形態では、光送信器１１５が、分光識別システム、対象識別システム、撮像システム、モーショントラッキングシステム、バイオメトリックシステム、セキュリティシステム、及び／又はその他の送信器であり得る。いくつかの実施形態では、光送信器１１５が、特定のスペクトル範囲を有するビームを送信し得る。例えば、光送信器１１５は、可視領域範囲、近赤外範囲、中赤外範囲、ライダ範囲、及び／又はその他のもので光を送信し得る。いくつかの実施形態を特定の組のスペクトル範囲に関して説明するが、他のスペクトル範囲も可能である。

いくつかの実施形態では、光受信器１３０が、反射される光線又はその一部の測定を複数回実行する複数のセンサ素子を含むセンサアレイであり得る。例えば、光受信器１３０は、基板上に配置される複数のセンサ素子を含み、複数の光線又は単一の光線の複数の部分を受信し得る。

本明細書でより詳細に説明するように、いくつかの実施形態では、光整形光学素子１２０が、均一強度場を特定のパターンの不均一強度場に広げ、又は整形するように構成され得る。このように、光線の光子をシーンの特定の領域に集中させることによって、均一強度場を使用するよりもより長距離で及び／又は周囲の光がより強い条件の下で、シーンの特定の領域において光受信器１３０に戻る光子の量が増加し、それによって、より高精度で飛行時間測定をすることができる。いくつかの実施形態では、光整形光学素子１２０が、不均一強度場を生成するために不均一密度でドットパターンを分布させる。

いくつかの実施形態では、光整形光学素子１２０が、特定の構造を有する特定のタイプの光学素子であり得る。例えば、光整形光学素子１２０は、光ディフューザ、光フィルタ、コリメータ、レンズ、ミラー、ディフューザ（例えば、設計ディフューザ（engineered diffuser）、ホログラフィックディフューザなど)、別の光学素子、及び/又はその他のものであり得て、及び/又はそれらを含み得る。いくつかの実施形態では、光整形光学素子１２０が、光送信器１１５によって提供される光を回折して不均一強度場を形成する回折光学素子(DOE)であり得る。いくつかの実施形態では、光整形光学素子120が、光送信器115によって提供される光を屈折させて不均一強度場を形成する屈折光学素子(ROE)であり得る。いくつかの実施形態では、光整形光学素子１２０が、光送信器１１５によって提供される光を整形して不均一強度場を形成する一組のマイクロレンズであり得る。いくつかの実施形態では、光整形光学素子１２０が、ビームの発散を変化させて、不均一強度場を形成し得る。

いくつかの実施形態では、光整形光学素子１２０が設計ディフューザであり得る。これは、DOEを用いて達成され得るものよりも、約１００倍から１０００倍大きいフィーチャサイズ（例えば、約２０マイクロメートル（μｍ）で深さが８０μｍ未満）を提供し、製造誤差を減少させ、及び/又はその他のことをし得る。さらに又は代替的に、設計ディフューザを使用することにより、発散角が約０．２５度から１５０度の間である柔軟な発散角を提供し得る。いくつかの実施形態では、光整形光学素子１２０を、矩形分布の設計ディフューザ、円形分布の設計ディフューザ、及び／又は任意の他の形状の分布型の設計ディフューザとし得る。この場合、光整形光学素子１２０は、例えば、約０．３ミリメートル（ｍｍ）、０．１ｍｍから０．０１ｍｍ、及び／又はその他の厚さのガラス基板上にパターン付け及び／又は形成され得る。さらに又は代替的に、光整形光学素子１２０を、基板にインプリント、取り付け等し得る。さらに又は代替的に、光整形光学素子１２０は、基板から独立していてもよく、光学アセンブリの１つ以上の構成要素から形成されていてもよい。いくつかの実施形態では、光整形光学素子１２０が非平面形状を有し得る。

いくつかの実施形態では、光整形光学素子１２０を複数の光送信器１１５に光学的に結合して、不均一強度場を作り出し得る。さらに又は代替的に、複数の光整形光学素子１２０は、複数のビーム又は単一のビームの複数の部分を共通の領域に向けて、不均一強度場を作り出し得る。いくつかの実施形態では、光整形光学素子１２０が、不均一強度場の光の単一のパターン、不均一強度場の光の複数の異なるパターン、均一強度場（例えば、不均一強度場光と組み合わせて使用する）の光、及び／又はその他の光を形成する複数の光整形光学素子（例えば、複数の異なる光整形光学素子）を含み得る。いくつかの実施形態では、複数の光整形光学素子１２０を複数の光送信器１１５に光学的に結合して、単一のパターン、複数のパターン、及び／又はその他を形成し得る。さらに又は代替的に、単一の光整形光学素子１２０を単一の光送信器１１５に光学的に結合し得て、単一の光整形光学素子１２０を複数の光送信器１１５に光学的に結合し得て、複数の光整形光学素子１２０を単一の光送信器１１５に光学的に結合し得て、及び／又は同様に結合し得る。

いくつかの実施形態では、光整形光学素子１２０が、１つ以上の他の機能を実現する１つ以上の層に関連付けられ、及び／又はその層を含み得る。例えば、光整形光学素子１２０は、バンドパスフィルタリング層、ロングパスフィルタリング層、ショートパスフィルタリング層、反射防止コーティング層、集束層、光透過伝導層、及び／若しくはその他の層を含み、並びに／又はそのような層と結合し得る。

図１Ａに及び参照番号１４５によってさらに示すように、光送信器１１５は、入力ビームを光整形光学素子１２０に送信し得る。例えば、光送信器１１５は、均一強度場で入力ビームを送信し得る。この場合、入力ビームは、眼の安全性評価閾値未満の強度（例えば、眼の安全性評価に関連する閾値電力未満の電力であって、例として所与の発散角、パルス持続時間、露光方向、波長、及び／又はその他における閾値電力未満の電力）、電力容量関連閾値未満の強度などの閾値強度未満の強度を有し得る。場合によって、閾値電力は、カテゴリ１レーザ、カテゴリ２レーザ、カテゴリ３レーザ等の電力閾値といった、光送信器の特定のカテゴリに関係し得る。いくつかの実施形態では、閾値強度が、均一強度場の全強度に関係し得る。さらに又は代替的に、閾値強度は、均一強度場のネット強度、平均強度、最大強度、及び／又はその他の強度に関係し得る。いくつかの実施形態では、入力ビームが、（例えば、眼の安全性の）閾値強度よりも大きい強度を有し得る。この場合、光整形光学素子１２０及び／又は１つ以上の他の光学素子は、本明細書に記載されるように、出力ビームの強度を減少させて、出力ビームの照明視野全体にわたって閾値強度未満の強度にし得る。いくつかの実施形態では、入力ビームの強度を一定にし得る。いくつかの実施形態では、入力ビームの強度が、均一強度場の閾値部分内で一定であり得る（例えば、均一強度場の中心９５％以内の強度が一定であり、端部の強度が徐々に小さくなる）。

図１Ａにさらに示すように、光整形光学素子１２０は、入力ビームを整形して、対象１５０に向けられ特定のパターンを有する出力ビームを形成し得る。例えば、光整形光学素子１２０は、入力ビームを集中させ、入力ビームを広げ、入力ビームに干渉パターンを生じさせ、及び／又はその他のことをさせ得る。このようにして、光整形光学素子１２０は、不均一強度場を有する出力ビームを向け得る。例えば、光整形光学素子１２０は、一組の離散した照明ドットを対象１５０に向けることができ、各照明ドットは、別個の出力ビーム（出力ビームのビーム部分）であり得る。さらに又は代替的に、本明細書でより詳細に説明するように、光整形光学素子１２０は、出力ビームの視野内で出力ビームが相対的に高い強度の光を有する領域に、一組の集中領域を有する出力ビームを形成し、出力ビームの視野内で出力ビームが相対的に低い強度の光を有する領域に、別の組の領域を有する出力ビームを形成し得る。この場合、出力ビームの形態は、強度が変化する単一の出力ビーム、強度が変化する複数の出力ビーム、異なる強度の複数の出力ビーム、及び／又はその他の形態であり得る。さらに又は代替的に、本明細書でより詳細に説明するように、光整形光学素子１２０は、グリッド配置、干渉パターン配置、及び／又はその他の配置等の、他のタイプ及び配置の集中領域を形成し得る。

図１Ｂに及び参照番号１５５によって示すように、対象１５０に向けられる出力ビームに基づいて、出力ビームが反射されて受信システム１２５に向けられる。例えば、反射される出力ビームは、レンズ１４０及び光学フィルタ１３５によって、集められ、フィルタリングされ、整形され、及び／又はその他のことをされ、光受信器１３０によって受信され得る。この場合、光受信器１３０は、センサ素子アレイを使用して、対象１５０から反射される出力ビームの一組の部分を受信し得る。この場合、出力ビームの各部分は、光の集中領域に対応することができ、光受信器１３０は、センサ素子を使用して、各集中領域に関する飛行時間測定を実行することができる。さらに又は代替的に、光受信器１３０は、複数の反射ビームを受信し得る。例えば、光整形光学素子１２０が複数の離散出力ビームを対象１５０に向ける場合、光受信器１３０は、反射される複数の離散出力ビームを受信し得る。いくつかの実施形態では、光受信器１３０をレンズ１４０の後方に配置してもよく、複数の出力ビームの複数の反射は、光センサによって受信される前に、レンズ１４０及び光学フィルタ１３５を通過してもよい。さらに又は代替的に、レンズ１４０及び光学フィルタ１３５を、対象１５０と光受信器１３０の間の光路内に配置していなくてもよい。本明細書で説明されるいくつかの実施形態は自由空間光学構成に関して説明されるが、例えば送信器システム１１０、受信器システム１２５、及び／又はその他を単一の共通基板に統合する、他の実施形態も可能である。

図１Ｂに及び参照番号１６０によってさらに示すように、センサシステム１０５は、対象１５０の１つ以上の３次元測定値を決定し得る。例えば、光受信器１３０及び／又はそれに関連するプロセッサは、反射される出力光線の飛行時間測定を１回以上実行し得て、センサシステム１０５からの対象１５０及び／又はその１つ以上の部分の距離を決定し得る。この場合、光受信器１３０及び／又はそれに関連するプロセッサは、１つ以上の飛行時間測定値に基づいて、センサシステム１０５からの対象１５０及び／又はその一部の距離を決定することができ、センサシステム１０５からの対象１５０及び／又はその一部の距離に基づいて、対象１５０の３次元測定値を生成することができる。いくつかの実施形態では、センサシステム１０５が、直接飛行時間測定（例えば、時間を測定する）、ゲート制御飛行時間測定（例えば、ゲートを開閉する電気シャッタなどのシャッタ構造を使用する）、間接飛行時間測定（例えば、位相を測定する）、及び／又はその他の飛行時間測定を実行し得る。

いくつかの実施形態では、センサシステム１０５が、対象１５０の奥行きのポイントクラウドを生成し得る。例えば、本明細書でより詳細に説明するように、ドットパターン内に複数の強度ドットを有する不均一強度場をセンサシステム１０５が提供する場合、センサシステム１０５は、ドットパターン内の複数の強度ドットによって照明される対象１５０の複数の部分について、複数の測定距離を表す奥行きポイントクラウドを生成し得る。この場合、視野内に強度ドットの閾値密度を提供することによって、センサシステム１０５は、分解能の閾値レベルが対象１５０の３次元表現を生成することを可能にする。

いくつかの実施形態では、センサシステム１０５が、複数の組の測定値を組み合わせて、対象１５０の３次元測定値又は３次元表現を生成し得る。例えば、センサシステム１０５は、対象１５０に向けられる均一強度の別のビームを提供して対象１５０の２次元撮像を実行し得て、対象１５０の１つ以上の飛行時間測定距離と２次元撮像を組み合わせて対象１５０の３次元表現を生成し得る。このようにして、センサシステム１０５は、別個のビームを使用して３次元撮像をすることができる。さらに又は代替的に、センサシステム１０５は、飛行時間測定に使用するビームと同じビームを使用して、２次元撮像を行い得る。例えば、センサシステム１０５は、出力ビームの反射に関する飛行時間測定値と撮像測定値の両方を決定し、対象１５０の３次元撮像をし得る。このようにして、センサシステム１０５は、別個のビームを対象１５０に向けることなく３次元撮像を実行することができ、これによりセンサシステム１０５に関するサイズ及び／又はコストを減少させることができる。

上述したように、図１Ａ及び１Ｂは、単に１つ以上の例として提供される。他の実施例は、図１Ａ及び図１Ｂに関して記載されたものとは異なる場合がある。

図２Ａ～図２Ｇは、光整形光学素子１２０によって整形され得る、不均一な光の強度場の実施例２００～２５０の図である。

図２Ａに示すように、実施例２００は不均一強度場の例を示す。チャート２０２によって示すように、不均一強度場は、光の強度がより高い離散領域２０４と、光の強度がより低い（例えば、光の強度がゼロである）離散領域２０６を、階段状のパターンで含み得る。言い換えると、視野の一部の領域は出力ビームによって照明され、視野の他の領域は出力ビームによって照明されない。この場合、離散領域２０４は、視野の照明される集中領域であってもよく、離散領域２０６は、視野の照明されない領域であってもよい。場合によっては、図２Ａに示す各ドットが、特定の領域に集中する複数のドットを実際に表してもよい。例えば、光整形光学素子は、光のドットを視野にわたって均一に分布させるのではなく、視野の各領域に複数のドットを集中させて、視野の各領域に光を集中させ得る。

このようにして、不均一強度場は、ドットパターン（すなわち、各ドットが光線又はその一部を表す）を形成して、ビームを集中させ及びビームで対象を不均一に照明し得る。それによって、ディフューザを通過する光により生成される均一強度場と比較して、センサシステム１０５が奥行きセンシング測定を実行することができる距離は増大する。いくつかの実施形態では、光の強度がより高い離散領域２０４は閾値を超える強度を有し、光の強度がより低い離散領域２０６は閾値を超えない強度を有し、不均一強度場を形成するビームの全強度が閾値未満となり得る。このようにして、センサシステム１０５は、光の全強度が閾値を超えることなく、奥行きセンシングの範囲を増大させることができる。別の実施例では、センサシステム１０５が、ドットパターンではなく、不均一強度場用のグリッドパターン、ストライプパターン、及び／又はその他のパターンを形成し得る。

図２Ｂに示すように、実施例２１０は、不均一強度場の別の例を示す。チャート２１２によって示すように、不均一強度場は、光の強度がより高い離散領域２１４と、光の強度がより低い（例えば、光の強度がゼロである）離散領域２１６を、階段状のパターンで含み得る。別の実施例では、不均一強度場が、階段状パターンではなく鋸歯状パターンであってもよい。この場合、チャート２１２によって示すように、各離散領域２１４は、複数の異なる光強度を有し得る。このようにして、不均一強度場は、ドットパターンのドットのサイズを増大させ、それによって、例えばより小さなサイズのドットと比較して、対象の３次元測定の分解能を増大させる。いくつかの実施形態では、光整形光学素子は、放射測定の余弦法則に従って、中心の投影強度が等しくないドット、ライン、又はパターンを生成し得る。いくつかの実施形態では、放射測定の余弦法則に従う反射光についてドットの中心の強度を均一にするために、視野の端部の光が、視野の中心のパターンよりも強度が高くなり得る。例えば、視野の端部のドットは、視野の中心のドットよりも中心の強度が高く、視野の端部のドットの反射が視野の中心のドットの反射と釣り合うことを可能にする。あるいは、任意に選択される別の位置（例えば、端部、中心部、端部と中心部の間の点など）の強度が、任意に選択される別の位置の強度よりも、パターンの中心においてより高い強度を有し得る。

図２Ｃに示すように、実施例２２０は、不均一強度場の別の例を示す。チャート２２２によって示すように、不均一強度場は、光の強度がより高い離散領域２２４と、光の強度がより低い（例えば、光の強度がゼロでない）離散領域２２６を、階段状のパターンで含み得る。言い換えれば、視野の全領域が少なくとも部分的に照明されるが、いくつかの領域は他の領域よりも照明されない。この場合、離散領域２２４は照明される集中領域であり、離散領域２２６も照明されるが、離散領域２２４よりも少ない光によって照明される領域であり得る。例えば、離散領域２２６は、離散領域２２４に対して１０％未満の照明強度を有し、それにより離散領域２２６が、均一強度場を使用する場合よりも大量の光子を、閾値距離でセンサシステム１０５に戻すことを可能にする。さらに又は代替的に、離散領域２２６は、離散領域２０４に対して９０％未満の照明強度、８０％未満の照明強度、８０％から１０％の照明強度、及び／又はその他の照明強度を有してもよい。いくつかの実施形態では、センサシステム１０５が離散領域２２６でセンシングを実行し得る。例えば、離散領域２２６の強度がゼロでなく対象が閾値内にある場合、センサシステム１０５は、視野にわたる対象及び／又はその部分の範囲を決定し得る。このようにして、センサシステム１０５は、離散領域２２４で実行される飛行時間測定を利用する奥行きセンシングと、離散領域２２６上で実行される測定を利用する撮像の両方を可能にする。さらに、視野の全てにわたって少なくともいくらかの光を提供することにより、センサシステム１０５は、例えば視野の一部が測定を実行するための光を含まない不均一強度場と比較して、対象の３次元測定の分解能を改善することを可能にする。

図２Ｄに示すように、実施例２３０は、スキャン型のセンサシステム１０５（例えば、スキャンライダシステム）の不均一強度場の別の例を示す。チャート２３２によって示すように、不均一強度場は、光の強度がより高い離散ライン２３４と、光の強度がより低い（例えば、光の強度がゼロである）ギャップ２３６を、階段状のパターンで含み得る。例えば、光送信器１１５は均一スキャンラインを提供し得て、光整形光学素子１２０は、均一スキャンラインを整形して、離散ライン２３４（すなわち、ラインを形成するライン区分又は強度ドット）及びギャップ２３６を含む不均一スキャンラインにし得る。別の実施例では、ギャップ２３６が、光の強度がゼロの光ではなく、離散ライン２３４よりも低い強度で部分的に照明され得る。この場合、センサシステム１０５は、離散ライン２３４を提供して視野をスキャンすることによって、視野にわたって水平方向に掃引することができる。さらに又は代替的に、センサシステム１０５は、水平方向の離散ライン２３４及びギャップ２３６を提供し得て、並びに垂直方向に視野をスキャンして奥行きセンシング測定を実行し得る。このようにして、センサシステム１０５は、より強度の低い連続ラインを使用して視野をスキャンする場合と比較して、スキャン型奥行きセンシング測定の範囲を増大させる。

図２Ｅに示すように、実施例２４０は、不均一強度場の別の例を示す。チャート２４２によって示すように、不均一強度場は、（例えば、光の干渉パターンを形成する）光のリングパターンによって形成される光強度の連続パターン（例えば、正弦ベースのパターン）を含み得る。この場合、連続パターンは、光の強度がより高い集中領域２４４と、集中せず及び強度がより低い領域２４６を含み得る。

図２Ｆに示すように、実施例２５０は、不均一強度場及び均一強度場の例を示す。チャート２５１によって示すように、不均一強度場は、光の強度がより高い離散領域と、光の強度がより低い（例えば、光の強度がゼロである）離散領域を、階段状のパターンで含み得て、両離散領域の全強度が閾値未満であり得る（ただし、光の強度がより高い離散領域が閾値を超えている場合を含み得る）。対照的に、チャート２５５によって示すように、均一強度場は、閾値未満の強度を有し得る一定強度場（例えば、強度がゼロでない）であり得る。この場合、センサシステム１０５は、不均一強度場を使用し第１ビームを送信して奥行きセンシングを行い、均一強度場を使用し第２ビームを送信して画像センシングを行い得る。さらに又は代替的に、センサシステム１０５は、単一ビームを送信し得て、単一ビームを分割して、不均一強度場に形成する第１ビームと、均一強度場に拡散する第２ビームにする光整形光学素子（例えば、光整形光学素子１２０の）を含み得る。いくつかの実施形態では、センサシステム１０５が、複数のビームを提供するために複数のＶＣＳＥＬアレイを含み得て、複数のＶＣＳＥＬアレイは、光受信器１３０の単一の画像センサを使用して奥行きポイントクラウドと２次元イメージの両方を獲得するために、同時に、逐次的に、及び／又はその他の方法でパルスを発し得る。このようにして、センサシステム１０５は、不均一強度場に対して実行される飛行時間測定を利用する奥行きセンシングと、均一強度場に対して実行される測定を利用する撮像の両方を可能にする。特定のパターンの組に関していくつかの実施形態を本明細書で説明するが、他のパターンも可能であり、本明細書で説明するものとは異なっていてもよい。例えば、他のパターンは、集中領域の他の繰り返しパターン、集中領域の他の非繰り返しパターン、集中領域の規則的なパターン、集中領域の不規則なパターン、及び／又はその他のパターンを含み得る。いくつかの実施形態では、センサシステム１０５が複数の異なるパターンを投影し得る（例えば、別個に撮像するため、組み合わせて単一の画像を生成するためなどに）。

図２Ｇに示すように、実施例２６０は不均一強度場の例を示す。チャート２６２によって示すように、不均一強度場は、光整形光学素子によって離散領域２６４に向けられ領域２６６と比較してより高密度である強度ドットに基づき、光の強度がより高い離散領域２６４を含み得る。

上述したように、図２Ａ～図２Ｇは、単に１つ以上の例として提供される。他の実施例は、図２Ａ～図２Ｇに関して記載したものとは異なる場合がある。

図３Ａ～図３Ｃは、光整形光学素子１２０によって整形し得る光の不均一強度場の実施例３００～３２０の図である。

図３Ａに及び実施例３００によって示すように、いくつかのパターンでは、光強度が集中している第１の組の領域から、強度が正弦関数などの関数として変化するより低い光強度の（例えば、閾値光強度よりも大きい）第２の組の領域に、強度が変化し得る。この場合、閾値光強度は、集中が最高である点における強度の１０％から９０％であり得る。対照的に、図３Ｂによって、及び実施例３１０によって示すように、ドット間で均一強度場を有する均一強度ドットを使用し得る。対照的に、図３Ｃに示すように、不均一強度場を３次元で設け得る。別の実施例では、ラインパターン、繰り返しパターン、非繰り返しパターン、複数の異なるパターン、それらの組合せ及び／又はその他のパターンなどを、強度を変化させて生成し得る。

上述したように、図３Ａ～図３Ｃは、単に１つ以上の例として提供される。他の実施例は、図３Ａ～３Ｃに関して記載されたものとは異なる場合がある。

このようにして、不均一強度場を生成することにより、センサシステム１０５は、全強度を増加させることなく、測定中に閾値量の光子を受け取ることを保証することができ、それによって、均一強度場を使用する場合と比較して、正確な奥行きセンシングが可能な範囲を増大させることができる。

上述の開示は例示及び説明を提供するが、これらは網羅的であること又は実施形態を開示した形態に厳密に限定することを意図しない。変更及び変形は、上記の開示に照らしてなされてもよく、又は実施形態の実施から獲得されてもよい。

本明細書で使用されるように、閾値を満たすことは、文脈に応じて、値が、閾値よりも大きい、閾値よりも多い、閾値よりも高い、閾値以上、閾値未満、閾値よりも少ない、閾値よりも低い、閾値以下、閾値に等しい等を指し得る。

構成の特定の組合せを特許請求の範囲に記載し、及び／又は本明細書に開示したが、これらの組合せは、様々な実施形態の開示を限定することを意図するものではない。実際、これらの構成の多くは、特許請求の範囲に具体的に記載されていない方法及び／又は本明細書に開示されていない方法で組み合わせることができる。以下に列挙する各従属請求項は、１つの請求項のみに直接従属させることができるが、様々な実施形態の開示は、各従属請求項と特許請求の範囲における他の全ての請求項との組み合わせを含む。

本明細書で使用される要素、行為、又は命令は、明示的な説明がない限り、重要なもの又は必須なものであると解釈してはならない。また、本明細書中で使用する「ａ」及び「ａｎ」の冠詞は１つ以上の項目を含むものとし、「１つ以上の」と交換可能に使用することができる。さらに、本明細書中で使用する「組」という用語は、１つ以上の項目（例えば、関連する項目、無関係の項目、関連する項目と無関係の項目の組み合わせなど）を含むものとし、「１つ以上」と交換可能に使用することができる。１つの項目のみを意図する場合、「１つのみ」という用語又は類似の言語を使用する。また、本明細書中で使用する「有する（“has”, “have”, “having”）」などの用語は、オープンエンドな用語を意図している。さらに、「に基づく」という言い回しは、特に断りのない限り、「少なくとも部分的に基づく」ことを意味するものとする。

Claims (20)

1. 構造を備える整形光学素子であって、
   前記構造は、均一強度場を有し及び全強度が閾値未満である１つ以上の入力光線を受信するように構成され、
   前記構造は、前記１つ以上の入力光線を整形して、不均一強度場を有し及び全強度が閾値未満である１つ以上の出力光線を形成するように構成される、
   光整形光学素子。
2. 前記不均一強度場は、光の強度がより高い領域の組と、光の強度がより低い領域の組と、を含む、請求項１に記載の光整形光学素子。
3. 前記不均一強度場は、少なくとも部分的に照明される、請求項１に記載の光整形光学素子。
4. 前記不均一強度場の少なくとも一部が照明されない、請求項１に記載の光整形光学素子。
5. 前記不均一強度場はパターンを形成し、
   前記パターンは、ドットパターン、格子パターン、リングパターン、干渉パターン、階段状パターン、鋸歯状パターン、連続パターン、正弦ベースのパターンのうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の光整形光学素子。
6. 前記１つ以上の入力光線は、ライダシステムのための均一スキャンラインであり、前記１つ以上の出力光線は、前記ライダシステムのための不均一スキャンラインを形成する、請求項１に記載の光整形光学素子。
7. 対象に向けられるビームを提供する光送信器と、
   １つ以上の集中領域に前記ビームを集中させる光整形光学素子と、
   前記対象から反射される前記ビームを受信し、前記ビームに対して複数の飛行時間測定を実行する光受信器と、
   を備えるシステムであって、
   前記ビームは、視野にわたって一定の強度を有し、
   前記視野の前記１つ以上の集中領域では、前記視野の１つ以上の他の領域よりも光が高度に集中する、
   システム。
8. 前記光整形光学素子は設計ディフューザである、請求項７に記載のシステム。
9. 前記システムは、前記ビームを使用して前記対象を照明し、前記１つ以上の集中領域によって前記対象を不均一に照明するように構成される、請求項７に記載のシステム。
10. 前記光受信器は、前記視野の前記１つ以上の前記集中領域における前記視野の各集中領域について飛行時間測定を実行するように構成される、請求項７に記載のシステム。
11. 前記複数の飛行時間測定を利用して前記対象の奥行きポイントクラウドを生成するように構成されるプロセッサをさらに備える、請求項７に記載のシステム。
12. 前記視野の前記１つ以上の集中領域は複数の強度ドットを形成し、
    前記複数の強度ドットは閾値密度を有する、請求項７に記載のシステム。
13. 前記システムは、前記システムの前記対象に対する閾値距離を超えるところで、複数の飛行時間測定値を決定するように構成される、請求項７に記載のシステム。
14. 前記ビームの強度が眼の安全性評価閾値を満たす、請求項７に記載のシステム。
15. 前記複数の飛行時間測定と、前記光送信器によって提供される他のビームの撮像測定と、に基づいて前記対象の３次元表現を生成するプロセッサをさらに備え、
    前記他のビームは、一定の強度を有し、１つ以上の集中領域に整形されることなく前記対象に向けられる、請求項７に記載のシステム。
16. 前記光受信器は、複数のセンサ素子を含むセンサアレイであり、
    前記複数のセンサ素子の各センサ素子は、複数の飛行時間測定値のうち１つの飛行時間測定値を生成するように構成される、請求項７に記載のシステム。
17. 基板と、
    不均一パターンの強度ビームを提供する光整形光学素子と、
    を備える光学素子であって、
    前記不均一パターンの強度ビームは、第１強度を有する第１領域の組、及び第２強度を有する第２領域の組を含み、
    前記第２強度が前記第１強度の１０％から９０％の間である、光学素子。
18. 前記光学素子はライダシステムの構成要素である、請求項１７に記載の光学素子。
19. 前記基板上に配置されるセンサ素子アレイをさらに備える、請求項１７に記載の光学素子。
20. 前記センサ素子アレイは、前記不均一パターンの強度ビームの複数の飛行時間測定値を決定し、前記対象に関する複数の距離を決定するように構成される、請求項１９に記載の光学素子。

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