JP2022533119A - 電子走査lidarシステム用同期画像捕捉 - Google Patents
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Abstract
Description
本開示のいくつかの実施形態による固体電子走査LIDARシステムのより良い理解は、図1を参照して確認することができ、図1は、本開示のいくつかの実施形態による例示的な固体電子走査LIDARシステム100のブロック図を示す。固体電子走査LIDARシステム100は、測距システムコントローラ104、光送信(Tx)モジュール106、光感知(Rx)モジュール108、および画像捕捉(IRx)モジュール150を含むことができる。
本明細書で述べたように、電子走査LIDARシステムのエミッタアレイおよび画像センサアレイは、重複する視野を有することができるので、画像センサアレイは、エミッタアレイの視野に対応するシーンの画像を捕捉することができる。
図5Aは、本開示のいくつかの実施形態による、エミッタアレイの視野500と画像センサアレイの視野502との重複する視野を示す簡略図である。エミッタアレイの視野500全体は、画像センサアレイの視野502の少なくとも一部分と重複することができるので、画像センサは、エミッタアレイの視野全体に対応するシーンの画像を捕捉することができる。すなわち、いくつかの実施形態では、エミッタアレイの視野500は、画像センサアレイの視野502と等しいか、またはそのサブセットであり得る。画像センサの視野502は、画像センサアレイ内の個々の画像光センサの個々の視野を表す複数の長方形のブロックで示されている。
本明細書で説明されるように、画像センサアレイ内の画像光センサの起動は、エミッタアレイ内のエミッタの発射およびTOFセンサアレイ内のTOF光センサの起動と同期させることができる。さらに、いくつかの実施形態では、最適な露光時間を実現するために、同期した画像光センサの露光を起動期間の間に修正することができる。図6は、本開示のいくつかの実施形態による、画像センサアレイとTOFセンサアレイとの同期を示すタイミング図である。TOF露光シーケンス600は、TOFセンサアレイ内のTOF光センサバンクの時間的起動(ならびにエミッタアレイ内の対応するエミッタバンクの発射)を表し、画像感知シーケンス602は、画像センサアレイ内の画像光センサの対応するグループの時間的な起動を表す。図6に示すように、4つのTOF光センサバンクは、4つのそれぞれの時間、例えば、各時間t(0)-t(3)で起動することができ、その起動の持続時間はそれぞれ、各々の時間t(0)-t(3)を中心とされ得る。いくつかの実施形態では、画像センサアレイの同期化された起動は、その対応する起動も時間t(0)-t(3)を中心にされるように構成することができる。したがって、画像センサアレイの起動速度は、TOFセンサアレイの起動速度と等しくすることができる。しかしながら、図7A~図7Cに関して本明細書でさらに説明するように、画像センサアレイが速いシャッタ速度を有する実施形態では特に、画像センサアレイの起動速度は、TOFセンサアレイの起動速度よりも実質的に速くすることができることを理解されたい。
本開示のいくつかの実施形態は、他の用途の中でもとりわけ、自律車両における障害物検出および回避に使用することができるLIDARセンサに関する。いくつかの特定の実施形態は、センサを十分に安価で十分な信頼性を備えて製造し、大量市場の自動車、トラック、および他の車両での使用に十分に小さいフットプリントを可能にする設計機能を含むLIDARセンサに関する。例えば、いくつかの実施形態は、放射線をフィールドに放出する照明源として垂直キャビティ面放出レーザ(VCSEL)のセットを含み、TOF光センサ(検出器)のセットとして単一光子アバランシェダイオード(SPAD)検出器のアレイを含むフィールド内の表面から反射された放射線を検出する。VCSELをエミッタとして使用し、SPADを検出器として使用すると、複数の測定を同時に行うことができ(すなわち、VCSELエミッタを同時に発射できる)、かつ、エミッタのセットとTOF光センサのセットをそれぞれ単一チップ上の標準CMOSプロセスを使用して製造できるため、製造および組み立てプロセスが大幅に簡素化される。
Claims (20)
- 電子走査光学システムであって、
前記光学システムの外部のフィールド内に光を放出するように構成された複数の光エミッタを含む、エミッタアレイと、
前記フィールドから反射された放出光を検出するように構成された複数の飛行時間(TOF)光センサを含むTOFセンサアレイと、
前記フィールド内の周囲光を検出するように構成された複数の画像光センサを含む画像センサアレイであって、前記エミッタアレイの視野が、前記TOFセンサアレイの視野と、前記画像センサアレイの視野の少なくともサブセットとに対応する、画像センサアレイと、
前記エミッタアレイに結合され、かつ前記複数の光エミッタのサブセットを一度に起動することにより、各放出サイクルにおいて前記複数の光エミッタを起動するように構成されたエミッタコントローラと、
前記TOFセンサアレイに結合され、かつ前記TOFセンサアレイ内の個々のTOF光センサの読み出しを、前記エミッタアレイ内の対応する光エミッタの発射と同時に同期させるように構成され、このため、前記エミッタアレイ内の各光エミッタが起動され得、前記TOFセンサアレイ内の各TOF光センサが、前記放出サイクルを通じて読み出され得る、TOFセンサコントローラと、
前記画像光センサのアレイに結合され、かつ視野が前記エミッタアレイの視野と重複する前記画像光センサのアレイの少なくとも一部分を読み出して、前記放出サイクル中の前記フィールドを提示する画像を捕捉するように構成されている画像センサコントローラと、を含む、電子走査光学システム。 - 前記エミッタコントローラが前記複数の光エミッタのサブセットを起動する各事例において、前記画像センサコントローラが、前記起動した光エミッタのサブセットの前記視野を共有する画像光センサのサブセットを起動し、かつ読み出す、請求項1に記載の電子走査光学システム。
- 前記エミッタコントローラが前記複数の光エミッタのサブセットを起動する各事例において、前記画像センサコントローラが、画像センサアレイ全体を起動するが、前記起動された光エミッタのサブセットの前記視野を共有する画像光センサのサブセットを読み出す、請求項1に記載の電子走査光学システム。
- 前記画像光センサの起動が、前記対応する光エミッタのそれぞれの発射に対して一時的に中心とされる、請求項1に記載の電子走査光学システム。
- 前記画像光センサのアレイ内の各個々の画像光センサが、個々に起動されるように構成されており、前記画像センサコントローラが、画像光センサのグループの起動を、順番に、対応する光エミッタバンクの発射と同時に同期させるように構成されている、請求項1に記載の電子走査光学システム。
- 画像光センサの第1のグループの第1の起動の期間が、画像光センサの第2のグループの第2の起動の期間とは異なる、請求項5に記載の電子走査光学システム。
- 画像光センサのアレイ全体が、一度に起動されるように構成されており、前記画像センサコントローラが、画像光センサのアレイ全体の前記起動と、画像光センサのそれぞれのグループの前記読み出しと、を順番に、対応する光エミッタバンクの前記発射と同時に同期させるように構成されている、請求項1に記載の電子走査光学システム。
- 前記画像光センサアレイの起動速度が、前記光エミッタのアレイの起動速度よりも速い、請求項7に記載の電子走査光学システム。
- 前記画像センサコントローラが、画像光センサのアレイ全体の2つ以上の起動から画像データを読み出し、かつ前記読み出した画像データを、対応する光エミッタバンクの起動と関連付けるように構成されている、請求項8に記載の電子走査光学システム。
- 前記画像光センサのアレイの視野が、前記エミッタアレイの前記視野よりも広い、請求項1に記載の電子走査光学システム。
- 前記画像光センサのアレイの全体的な寸法が、前記個々の光エミッタのアレイの全体的な寸法よりも広い、請求項1に記載の電子走査光学システム。
- 複数のアパーチャを有するアパーチャ層をさらに含み、前記アパーチャ層およびTOF光センサのアレイが、複数の受信器チャネルを形成するように配置され、前記複数の受信器チャネル内の各受信器チャネルが、前記複数のアパーチャからのアパーチャと、前記TOF光センサのアレイからのTOF光センサと、を含み、前記アパーチャが、前記受信器チャネル内の前記TOF光センサの前記視野を画定する、請求項1に記載の電子走査光学システム。
- 固体光学システムであって、
前記エミッタアレイから放出され、かつ前記固体光学システムの外部のフィールドから反射された、放出光を検出するように動作可能な飛行時間(TOF)光センサを含むTOFセンサアレイであって、前記複数のTOF光センサ内の各TOF光センサが、前記フィールドにおいて、前記光学システムからの閾値距離を超えて、前記複数のTOF光センサの他のTOF光センサの前記視野と重複しない個別の視野を有する、飛行時間(TOF)センサアレイと、
前記フィールド内の周囲光を検出するように構成された複数の画像光センサを含む画像センサアレイであって、前記複数のTOF光センサ内の各TOF光センサの前記個別の視野が、前記TOFセンサアレイの視野を画定し、前記画像センサアレイの前記視野が前記TOFセンサアレイの視野を包含する、画像センサアレイと、
前記システムからのある範囲の距離にわたってサイズおよび幾何学的形状において前記TOFセンサアレイの前記視野に実質的に一致する照明パターンに従って前記光学システムの外部のフィールド内に動作波長で光の個別のビームを放出するように構成された複数の光エミッタを含む、エミッタアレイと、
前記エミッタアレイに結合され、かつ前記複数の光エミッタのサブセットを一度に起動することにより、各放出サイクルにおいて前記複数の光エミッタを起動するように構成されたエミッタコントローラと、
前記TOFセンサアレイに結合され、かつ前記TOFセンサアレイ内の個々のTOF光センサの読み出しを前記エミッタアレイ内の対応する光エミッタの発射と同時に同期させ、このため、前記エミッタアレイ内の各光エミッタが起動することができ、前記TOFセンサアレイ内の各TOF光センサが、前記放出サイクルを通じて読み出され得るように構成された、TOFセンサコントローラと、
前記画像光センサのアレイに結合され、かつ視野が前記エミッタアレイの視野と重複する前記画像光センサのアレイの少なくとも一部分を読み出して、前記放出サイクル中の前記フィールドを提示する画像を捕捉するように構成された画像センサコントローラと、を含む、固体光学システム。 - 前記エミッタコントローラが前記複数の光エミッタのサブセットを起動する各事例において、前記画像センサコントローラが、前記起動された光エミッタのサブセットの前記視野を共有する画像光センサのサブセットを起動し、かつ読み出す、請求項13に記載の電子走査光学システム。
- 前記エミッタコントローラが前記複数の光エミッタのサブセットを起動する各事例において、前記画像センサコントローラが、画像センサアレイ全体を起動するが、前記起動された光エミッタのサブセットの前記視野を共有する画像光センサのサブセットから読み出す、請求項13に記載の固体光学システム。
- 前記画像光センサの起動が、前記対応する光エミッタのそれぞれの発射に対して一時的に中心とされる、請求項13に記載の固体光学システム。
- 前記画像光センサのアレイ内の画像光センサのグループが、個別に起動され得、前記画像センサコントローラが、所定の順番で、対応する光エミッタバンクの前記発射と同時に画像光センサのグループを起動させ、かつ同期させるように動作可能である、請求項13に記載の固体光学システム。
- 前記複数の画像光センサ内のすべての画像光センサが同時に起動され、前記画像センサコントローラが、画像光センサのアレイ全体の前記起動と、画像光センサのそれぞれのグループの前記読み出しと、を順番に、対応する光エミッタバンクの前記発射と同時に同期させるように構成され、前記画像光センサのアレイの起動速度が、前記光エミッタのアレイの起動速度よりも高い、請求項13に記載の固体光学システム。
- 複数のアパーチャを有するアパーチャ層をさらに含み、前記アパーチャ層およびTOF光センサのアレイが、複数の受信器チャネルを形成するように配置され、前記複数の受信器チャネル内の各受信器チャネルが、前記複数のアパーチャからのアパーチャと、前記TOF光センサのアレイからのTOF光センサと、を含み、前記アパーチャが、前記受信器チャネル内の前記TOF光センサの前記視野を画定する、請求項13に記載の固体光学システム。
- 固体光学システムであって、
焦点距離を有する第1のバルク光学系と、前記第1のバルク光学系から前記焦点距離だけ離間した複数のアパーチャを含むアパーチャ層と、複数の飛行時間(TOF)光センサを含むTOFセンサアレイと、前記アパーチャ層と前記TOFセンサアレイとの後方に配設された複数のレンズを含むレンズ層と、第1の波長を中心とした狭帯域の光を通過させるように動作可能であり、かつ前記第1のバルク光学系と前記TOFセンサアレイとの間に配設された光学フィルタと、を含む、光検出システムであって、前記アパーチャ層と、レンズ層と、TOFセンサアレイとが、複数のTOFチャネルを形成するように配置され、前記複数のTOFチャネル内の各TOFチャネルが、前記複数のアパーチャからのアパーチャと、前記複数のレンズからのレンズと、前記複数のTOF光センサからのTOF光センサと、を含み、前記複数のTOFチャネル内の各TOF光センサが、複数の単一光子アバランシェダイオード(SPAD)を含み、前記複数のTOFチャネル内の各TOFチャネルが、前記光学システムからの閾値距離を超えて重複しない前記光学システムの前方のフィールドに個別の視野を画定し、各TOFチャネルが、前記第1のバルク光学系に入射した光を前記TOFチャネルの前記複数のSPADに通信する、光検出システムと、
第2のバルク光学系と、前記第2のバルク光学系を通して受信された前記フィールド内の周囲光を検出するように動作可能な複数の画像光センサを含む画像センサアレイと、を含む、画像捕捉システムであって、前記複数のTOF光センサ内の各TOF光センサの前記個別の視野が、前記TOFセンサアレイの視野を画定し、前記画像センサアレイの視野が、前記TOFセンサアレイの前記視野を包含する、画像捕捉システムと、
光放出システムであって、第3のバルク光学系と、複数の垂直キャビティ表面放出レーザ(VCSEL)を含むエミッタアレイであって、垂直キャビティ表面放出レーザ(VCSEL)の各々が、前記第3のバルク光学系を通じて前記光学システムの外部のフィールド内に前記第1の波長の個別の光ビームを放出するように構成されている、エミッタアレイと、を含み、このため、前記エミッタアレイが、前記システムからのある範囲の距離にわたって、サイズおよび幾何学的形状において、前記TOFセンサアレイの前記視野に実質的に一致する照明パターンに従って、複数の光の個別のビームを出力する、光放出システムと、
前記エミッタアレイに結合され、かつ前記複数の光エミッタのサブセットを一度に起動することにより、各放出サイクルにおいて前記複数のVCSELを起動するように構成されたエミッタコントローラと、
前記TOFセンサアレイに結合され、かつ前記TOFセンサアレイ内の個々のTOF光センサの読み出しを、前記エミッタアレイ内の対応する光エミッタの発射と同時に同期させ、このため、前記エミッタアレイ内の各光エミッタが起動され得、前記TOFセンサアレイ内の各TOF光センサが、前記放出サイクルを通じて読み出され得るように構成された、TOFセンサコントローラと、
前記画像光センサのアレイに結合され、かつ視野が前記エミッタアレイの視野と重複する前記画像光センサのアレイの少なくとも一部分を読み出して、前記放出サイクル中の前記フィールドを提示する画像を捕捉するように構成された画像センサコントローラと、を含む、固体光学システム。
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