JP2022547389A - 高分解能ソリッドステートｌｉｄａｒ透過機 - Google Patents

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Abstract

ソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機は、それぞれが第１および第２のサブ開口ビームを発生させる、第１および第２のレーザピクセルを備える、レーザアレイを含む。第１のマイクロレンズは、第１のレーザピクセルによって発生される、第１および第２のサブ開口ビームを集束させ、第２のレーザピクセルによって発生される、第１および第２のサブ開口ビームを集束させる。第２のマイクロレンズは、第１のピクセルによって発生される、第１および第２のサブ開口ビームを、それらが平面において重複するように指向する。レンズは、第１のレーザピクセルによって発生される、第１のサブ開口ビーム、および第２のレーザピクセルによって発生される、第１のサブ開口ビームを、ＬＩＤＡＲシステムの所望の空間分解能を達成するために、遠視野内に異なる角度を伴って投影する。

Description

本明細書において使用される節の見出しは、編成目的のためにすぎず、本願に説明される主題をいかようにも限定するものとして解釈されるべきではない。
（関連出願の相互参照）
本願は、２０１９年７月３１日に出願され、「Ｈｉｇｈ－Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ ＬＩＤＡＲ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ」と題された、米国仮特許出願第６２／８８１，３５４号の非仮出願である。米国仮特許出願第６２／８８１，３５４号の全内容は、参照することによって本明細書に組み込まれる。
（導入）
自律型、自動運転型、および半自律型自動車は、周囲の物体の検出ならびに位置特定のためのレーダ、画像認識カメラ、およびソナー等、異なるセンサならびに技術の組み合わせを使用する。これらのセンサは、衝突警報、自動緊急制動、車線逸脱警報、車線維持支援、アダブティブクルーズコントロール、およびパイロット運転を含む、運転者の安全性における多数の改良を可能にする。これらのセンサ技術の中で、光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）システムは、重要となる役割を担い、周囲の環境のリアルタイムの高分解能３Ｄマッピングを可能にする。
今日、自律車両のために使用される商業的に利用可能なＬＩＤＡＲシステムの大部分は、環境を機械的に走査するある方法と組み合わせられる、少数のレーザを利用する。将来の自律自動車が、高速走査率および高信頼性ならびに広い環境動作範囲との統合のし易さを支援する、ソリッドステート半導体ベースのＬＩＤＡＲシステムを利用することが、多いに所望される。
本教示は、物体までの隔たり（距離）を測定するためにレーザ光を使用する遠隔感知方法である、光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）に関する。ＬＩＤＡＲシステムは、光を反射する、および／または散乱させる、種々の物体または標的までの隔たりを測定する。自律車両は、ＬＩＤＡＲシステムを使用し、高分解能を伴う、周囲環境の非常に正確な３次元（３Ｄ）マップを発生させる。本明細書に説明されるシステムおよび方法は、高レベルの信頼性を伴いながら、また、長い測定距離を維持し、比較的に低コストも提供する、ソリッドステートパルス飛行時間（ＴＯＦ）ＬＩＤＡＲシステムを提供することを対象とする。特に、本教示によるＬＩＤＡＲシステムは、短持続時間レーザパルスを送出し、受信された帰還信号トレースの形態にある帰還パルスの直接的な検出を使用し、物体までのＴＯＦを測定する。
加えて、本教示のＬＩＤＡＲシステムは、複数のレーザパルスを使用し、種々の性能メトリックを伴う物体を検出することが可能である。例えば、複数のレーザパルスが、ＳＮＲを改良するために使用されることができる。複数のレーザパルスはまた、特定の物体の検出においてより高い信頼度を提供するために使用されることもできる。例えば、特定の数のレーザパルスが、物体の検出と関連付けられる、特定のレベルのＳＮＲおよび／または特定の信頼度値を与えるために選択されることができる。レーザパルスの数の本選択は、ＦＯＶ内の照明の特定のパターンと関連付けられる、レーザデバイスの個々のものまたは群の選択と組み合わせられることができる。
好ましい例示的実施形態によると、本教示は、そのさらなる利点とともに、付随の図面と併せて、以下の詳細な説明においてより具体的に説明される。当業者は、下記に説明される図面が、例証の目的のためにすぎないことを理解するであろう。図面は、必ずしも縮尺通りではなく、代わりに、概して、本教示の原理を図示することに重点が置かれている。図面は、本出願人の教示の範囲をいかようにも限定することを意図していない。
図１は、車両内に実装される本教示の高分解能ＬＩＤＡＲシステムのある実施形態の動作を図示する、概略図である。
図２Ａは、本教示の高分解能ＬＩＤＡＲシステ内で使用され得る、２次元垂直空洞面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）アレイを図示する。
図２Ｂは、図２Ａの２次元ＶＣＳＥＬアレイのサブ開口のアレイを図示する。
図３Ａは、２つの従来のバルクレンズを使用する、レーザアレイから光学ビームを投影するための透過光学システムを図示する。
図３Ｂは、図３Ａに示される透過光学システムの一部の拡大図を図示する。
図３Ｃは、図３Ａのレーザアレイから光学ビームを投影するための透過光学システムによって発生される、遠視野パターンを図示する。
図４Ａは、１つのマイクロレンズアレイおよび１つのバルクレンズを使用する、レーザアレイから光学ビームを投影するための透過光学システムを図示する。
図４Ｂは、図４Ａに示される透過光学システムの一部の拡大図を図示する。
図４Ｃは、図４Ａのレーザアレイから光学ビームを投影するための透過光学システムによって発生される、遠視野パターンを図示する。
図５Ａは、本教示の２つのマイクロレンズアレイおよびバルクレンズを使用する、レーザアレイから光学ビームを投影するための、透過光学システムのある実施形態を図示する。
図５Ｂは、図５Ａに示される透過光学システムの一部の拡大図を図示する。
図５Ｃは、図５Ａに示されるレーザアレイから光学ビームを投影するための透過光学システムによって発生される、遠視野パターンのある実施形態を図示する。
図６は、本教示のＶＣＳＥＬアレイに整合される、両面マイクロレンズアレイのある実施形態の断面図を図示する。
図７Ａは、本教示の両面マイクロレンズアレイのある実施形の一側を示す、斜視図を図示する。
図７Ｂは、図７Ａの両面マイクロレンズアレイの実施形態の他側を示す、斜視図を図示する。
図８は、本教示の複数の透過光学システムを備える、高分解能ＬＩＤＡＲ透過システムのある実施形態を図示する。
図９Ａは、２つの従来のバルクレンズを使用する、レーザアレイから光学ビームを投影するためのシステムを使用する、単一のＬＩＤＡＲ透過機のための遠視野パターンを図示する。
図９Ｂは、１つのマイクロレンズアレイおよび１つの従来のバルクレンズを使用する、レーザアレイから光学ビームを投影するためのシステムを使用する、複数の交互配置されたＬＩＤＡＲ透過機のための遠視野パターンを図示する。
図９Ｃは、本教示の２つのマイクロレンズアレイおよび１つの従来のバルクレンズを使用する、レーザアレイから光学ビームを投影する、透過光学システムのある実施形態を使用する、複数の交互配置されたＬＩＤＡＲ透過機のための遠視野パターンを図示する。
（種々の実施形態の説明）
本教示は、ここで、付随の図面に示されるようなその例示的実施形態を参照してより詳細に説明されるであろう。本教示は、種々の実施形態および実施例と併せて説明されるが、本教示が、そのような実施形態に限定されることは意図していない。むしろ、本教示は、当業者によって理解されるであろうように、種々の代替、修正、および均等物を包含する。本明細書の教示へのアクセスを有する当業者は、本明細書に説明されるような本開示の範囲内にある、付加的な実装、修正、および実施形態、ならびに他の使用分野を認識するであろう。
本明細書における、「一実施形態」または「ある実施形態」の言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、もしくは特性が、本教示の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書内の種々の場所における語句「一実施形態では」の表出は、必ずしも全てが同一の実施形態を指しているわけではない。
本教示の方法の個々のステップが、本教示が動作可能なままである限り、任意の順序において、および／または同時に実施され得ることを理解されたい。さらに、本教示の装置および方法が、本教示が動作可能なままである限り、説明される実施形態のうちの任意の数のものまたは全てを含み得ることを理解されたい。
本教示のＬＩＤＡＲシステムの１つの特徴は、エミッタが、異なる波長における光を放出し得ることである。したがって、アレイ内の種々のエミッタが、他のエミッタと異なる波長を伴う光を生産することができる。例えば、列または行内のエミッタが、１つの波長を放出してもよく、交互に入れ替わる列または行内のエミッタが、異なる波長を放出してもよい。異なる波長を伴う種々の波長パターンの放出されたレーザ光が、例えば、所望の分解能を提供する、動作の眼の安全性限界内で長距離において動作する、および／または本システムのデータ率を向上させるために使用されることができる。例えば、「Ｍｕｌｔｉ－Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ＬＩＤＡＲ Ｓｙｓｔｅｍ」と題された、米国特許公開第２０１７０３０７７３６ Ａ１号、および「Ｅｙｅ－Ｓａｆｅ Ｓｃａｎｎｉｎｇ ＬＩＤＡＲ Ｓｙｓｔｅｍ」と題された、米国特許公開第２０１８０２５９６２３ Ａ１号（両方とも、本譲受人に譲渡されている）を参照されたい。米国特許公開第２０１７０３０７７３６ Ａ１号および第２０１８０２５９６２３ Ａ１号は、参照することによって本明細書に組み込まれる。
図１は、車両内に実装される、本教示のＬＩＤＡＲシステム１００の動作を図示する、概略図である。ＬＩＤＡＲシステム１００は、透過光学システム内のレーザアレイによって発生される光ビーム１０２を、標的場面に向かって投影する、本明細書により詳細に説明される、透過光学システムを含む。ＬＩＤＡＲシステムはまた、その標的場面内で、人物１０６として示される、物体から反射される光１０４を受光する、受光器１０３も含む。ＬＩＤＡＲシステムは、典型的には、また、反射された光から物体、すなわち、人物１０６についての隔たり情報を算出する、コントローラも含む。
いくつかの実施形態では、所望の距離および視野（ＦＯＶ）を横断する静的パターンまたは動的パターンであり得る、特定のパターンの光を走査または提供し得る、要素もまた、存在する。物体、すなわち、人物１０６から反射された光の一部が、受光器１０３によって受光される。いくつかの実施形態では、受光器は、受光光学系と、検出器のアレイであり得る、検出器要素とを備える。受光器およびコントローラは、受信された信号光を、ＬＩＤＡＲシステムの距離およびＦＯＶ内にある周囲環境の点毎の３Ｄマップを表す、測定値に転換するために使用される。
本教示によるＬＩＤＡＲシステムのいくつかの実施形態は、レーザアレイを含む、レーザ透過機を使用する。いくつかの実施形態では、レーザアレイは、上面発光型ＶＣＳＥＬ、底面発光型ＶＣＳＥＬ、および／または種々のタイプの高出力ＶＣＳＥＬを含み得る、ＶＣＳＥＬレーザエミッタを備える。ＶＣＳＥＬアレイは、モノリシックであってもよい。レーザエミッタは、全て、半導体基板またはセラミック基板を含む、共通基板を共有してもよい。単一の制御されるレーザエミッタは、それぞれが、レーザエミッタが通電されると、光学ビームを放出する、複数のサブ開口を含むことができる。
いくつかの実施形態では、１つ以上の透過機アレイを使用する実施形態では、個々のレーザおよび／またはレーザの群の通電が、個々に制御されることができる。透過機アレイ内の各個々のエミッタが、各レーザエミッタによって放出される光学ビームが、全システム視野の一部のみに対する、３次元投影角に対応する状態で、独立して発射されることができる。そのようなＬＩＤＡＲシステムの一実施例が、米国特許公開第２０１７／０３０７７３６ Ａ１号（本譲受人に譲渡されている）内で説明されている。加えて、個々のレーザまたはレーザの群によって発射されるパルスの数は、ＬＩＤＡＲシステムの所望の性能目的に基づいて制御されることができる。本シーケンスの持続時間およびタイミングもまた、制御されることができる。例えば、「Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｍｏｄｕｌａｒ Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ ＬＩＤＡＲ Ｓｙｓｔｅｍ」と題された、米国仮特許出願第６２／７１４，４６３号（本譲受人に譲渡され、参照することによって本明細書に組み込まれる）を参照されたい。また、「Ｅｙｅ－Ｓａｆｅ Ｌｏｎｇ－Ｒａｎｇｅ Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ ＬＩＤＡＲ Ｓｙｓｔｅｍ」と題された、米国仮特許出願第６２／８５９，３４９号、および「Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｐｕｌｓｅ ＬＩＤＡＲ Ｓｙｓｔｅｍ」と題された、米国仮特許出願第６２／８６６，１１９号（両方とも、本譲受人に譲渡され、参照することによって本明細書に組み込まれる）も参照されたい。
本教示のＬＩＤＡＲシステムの別の特徴は、これが、高分解能ＬＩＤＡＲシステムのための小型の、信頼性がある透過光学アセンブリを提供し得ることである。本教示の透過光学アセンブリは、いくつかの実施形態では、同一の基板上に加工される、ソリッドステートレーザアレイを利用する。基板は、半導体基板であることができる。電気駆動回路もまた、アレイ内の各レーザが個々に制御されることを可能にする、これらのアレイ基板上に加工される。これらのアレイは、規則的な行および列構成を使用する、２次元アレイであることができる。電気制御駆動スキームは、個々のレーザが、その個々のレーザを含有する、特定の列および特定の行への電気制御信号の適切な印加によってアドレス指定される、いわゆる、マトリクス構成に構成されることができる。例えば、「Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ ＬＩＤＡＲ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｌａｓｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ」と題された、米国特許出願第１６／８４１，９３０号（本譲受人に譲渡され、参照することによって本明細書に組み込まれる）を参照されたい。
図２Ａは、本教示の高分解能ＬＩＤＡＲシステム内で使用され得る、２次元垂直空洞面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）アレイ２００を図示する。レーザアレイ２００は、各ピクセル２０２が、サブ開口２０４の３×３アレイを組み込む、個々のレーザピクセル２０２の１６×１６アレイを含む。いくつかの実施形態では、各ピクセル２０２は、アレイ内のそのピクセル２０２に対応する行および列に正しい電気制御信号を印加することによって、個々にアドレス指定可能である。したがって、個々のピクセル２０２は、独立して通電され、１つのピクセル２０２内の全てのサブ開口２０４が、ピクセル２０２の通電とともに通電される。したがって、９つの光学ビームが、通電されるピクセル毎に提供される。
アレイ２００は、ｘ方向におけるピクセルピッチ２０６と、ｙ方向におけるピクセルピッチ２０８とを有する。いくつかの実施形態では、ｘ方向のピクセルピッチ２０６は、ｙ方向のピクセルピッチ２０８に等しい。例えば、１つの特定の実施形態では、ｘ方向のピクセルピッチは、２５０μｍであり、ｙ方向のピクセルピッチも、２５０μｍである。アレイ２００内の要素の数は、種々の実施形態において、変動する。アレイピクセルピッチは、種々の実施形態において、種々の値を呈し得る。本明細書に提供される多くの実施例が、特定のサイズのアレイを説明しているが、本教示が、いかなる特定のアレイサイズにも限定されないことを理解されたい。本教示の１つの本教示は、ソリッドステートの微細加工された構成要素が、単に大きいサイズまでスケーリングし、効果的に費用がかかり、高信頼性を有し得ることである。
図２Ｂは、図２Ａの２次元ＶＣＳＥＬアレイ２００のサブ開口のアレイ２５０を図示する。単一のピクセル２０２が、示されている。各ピクセル２０２は、３×３アレイに構成される、９つのサブ開口２０４を有する。各ピクセル２０２は、ｘ方向のサブ開口ピッチ２５２と、ｙ方向のサブ開口ピッチ２５４とを有する。個々のピクセル２０２と関連付けられるサブ開口２０４は、全て、適切な電気制御信号に応答して、同時に通電される。したがって、個々のピクセル２０２内の全てのサブ開口２０４が、同時に照明する。したがって、ピクセル２０２への電気制御信号の印加に応じて、ピクセル内の各開口から１つずつ、複数の光学ビームが、発生される。いくつかの実施形態では、ｘ方向のサブ開口ピッチ２５２は、ｙ方向のサブ開口ピッチ２５４に等しい。例えば、１つの具体的な実施形態では、ｘ方向のサブ開口ピッチは、７６μｍであり、ｙ方向のサブ開口ピッチは、７６μｍである。個々のピクセルのサブアレイ内の開口の数は、種々の実施形態において、変動する。アレイサブ開口ピッチは、種々の実施形態において、種々の値を呈し得る。
図３Ａは、２つの従来のバルクレンズ３０４、３０６を使用する、レーザアレイ３０２から光学ビームを投影するための透過光学システム３００を図示する。レーザアレイ３０２は、例えば、図２Ａ－Ｂに関連して説明される、レーザアレイ２００と同一である、またはそれに類似してもよい。
図３Ｂは、図３Ａに示される透過光学システム３００の一部の拡大図である。レーザアレイ３０２は、１次元で示され、個々のピクセル３０８、３１０を含む。２つのみのピクセル、すなわち、ピクセル１である、３０８およびピクセル２である、３１０が、示される。ピクセル３０８、３１０は、それぞれ、サブ開口アレイを有する。また、１次元で示されるものは、ピクセル１である、３０８のサブ開口Ａである、３１２、Ｂである、３１４、およびＣである、３１６、ならびにピクセル２である、３１０のサブ開口Ａである、３１８、Ｂである、３２０、およびＣである、３２２である。各サブ開口３１２、３１４、３１６、３１８、３２０、３２２からの光学ビーム３２６は、拡大図３２４に示されるように、放出され、発散する。ビーム毎の発散角は、個別のサブ開口のサイズに関連する。
図３Ａおよび３Ｂの両方を参照すると、個々の発散光学ビーム３２６は、アレイ３０２からある隔たりにおいて位置付けられる、焦点距離Ｆ１を伴って、バルクレンズ３０４を通して通過し、第１のバルクレンズ３０４からある隔たりにおいて位置付けられる、焦点距離Ｆ２を伴って、第２のバルクレンズ３０６を通して通過する。レンズ３０４、３０６およびそれらの焦点距離Ｆ１、Ｆ２の位置は、透過光学システム３００の投影される遠視野パターンを判定する。本光学システムに関して、２つのバルクレンズ３０４、３０６は、公称上、遠視野においてレーザアレイ３０２の画像を発生させるように構成される。したがって、レーザアレイパターンは、遠視野において再生成され、レンズ構成に基づいて所望のサイズに拡大され、個々のピクセルからのサブ開口は、空間内で分離される。各ピクセルの視野（ＦＯＶ）角は、ピクセル間の角度間隔とほぼ同一である。
図３Ｃは、図３Ａのレーザアレイから光学ビームを投影するための透過光学システム３００によって発生される、遠視野パターン３５０を図示する。遠視野スポットが、２つの垂直に隣接するピクセルにわたって示され、各ピクセルは、５０メートルの距離における、サブ開口の３×３アレイを備える。本例示的遠視野パターン３５０は、光学システム３００から５０メートルの隔たりにおいて生産される。パターン３５０は、ピクセル領域３５４、３５６毎に９つの個々のスポット３５２を含む。個々のピクセル領域３５４、３５６は、５０メートルの距離において、０．９メートルの隔たりだけ離間される。ピクセルスポットサイズ対ピクセルピッチ比は、約０．９である。
図３Ａ－Ｃは、例えば、それぞれが９つのサブ開口を有する、レーザの１６×１６アレイの一部のみを図示する。完全な１６×１６アレイに関して、パターンは、（１６×３）×（１６×３）スポットまたは４８×４８スポットのように見えるであろう。
レーザエミッタの近傍に設置される小型レンズを使用し、公称上、光学ビームのそれぞれをコリメートする、および／または集束させることによって、遠視野におけるエミッタからのスポットサイズを低減させることが、可能性である。図４Ａは、１つのマイクロレンズアレイ４０４および１つのバルクレンズ４０６を使用する、レーザアレイ４０２から光学ビームを投影するための、透過光学システム４００を図示する。
図４Ｂは、図４Ａに示される透過光学システム４００の一部の拡大図である。図４Ａおよび４Ｂの両方を参照すると、本透過光学システム４００では、マイクロレンズアレイ４０４は、ピクセル、すなわち、アレイ４０２内のピクセル１である、４０８、ならびにピクセル２である、４１０のピッチに等しい、ピッチを有する。マイクロレンズアレイ４０４は、各サブ開口、すなわち、ピクセル１である、４０８のサブ開口Ａである、４１２、Ｂである、４１４、およびＣである、４１６、ならびにピクセル２である、４１０のサブ開口Ａである、４１８、Ｂである、４２０、およびＣである、４２２をコリメートする。マイクロレンズアレイ４０４は、レーザアレイ４０２のピクセルピッチと同一である、ピッチにおいて離間される、複数のレンズレット４２４、４２６を備える。
各レンズレット４２４、４２６は、個別のピクセル４０８、４１０から放出される、ビームをコリメートする。各サブ開口４１２、４１４、４１６、４１８、４２０、４２２からのコリメートビームが、マイクロレンズアレイ４０４内のレンズレット４２４、４２６から１焦点距離だけ離れて位置する、平面Ｚ１である、４２８において重複する。バルクレンズ４０６は、焦点距離Ｆ２を有し、平面Ｚ１である、４２８からＦ２の隔たりを空けて位置付けられる。バルクレンズ４０６は、各ピクセルからの光学ビームを、遠視野への公称上平行な経路に沿って投影する。
図４Ｃは、図４Ａのレーザアレイ４０２から光学ビームを投影するための透過光学システム４００によって発生される、遠視野パターン４５０を図示する。遠視野スポットが、２つの垂直に隣接するピクセルにわたって示され、各ピクセルは、５０メートルの距離における、サブ開口の３×３アレイを備える。遠視野パターン４５０は、５０メートルの距離において０．９メートルの隔たり４５６だけ分離される、２つの大きいスポット４５２、４５４をもたらす。大きいスポット４５４では、単一のピクセル４０８からの９つのサブ開口の全てからの光学ビームが、重複する。ピクセルスポットサイズ対ピクセルピッチ比は、約０．５である。
図４Ａは、側面図であるため、ピクセル１である、４０８に関する３つのサブ開口４１２、４１４、４１６のみを図示するが、遠視野パターン４５０が、２次元で図示され、そのため、ピクセル１である、４０８の９つのサブ開口の全てによって提供される、スポットを示すことに留意されたい。同様に、これは、ピクセル２である、４１０、および関連付けられるスポット４５２に関しても該当する。本透過光学システムのピクセルスポットサイズ対ピクセルピッチ比は、約０．５である。
図４Ａ－Ｃに図示される透過光学システム４００を使用する、ＬＩＤＡＲシステムは、これが、コリメーションのためにマイクロレンズを使用しないシステムと比較して、スポットサイズを縮小しているため、分解能を改良している。しかしながら、本教示の特徴は、２つのパターン化された背中合わせのマイクロレンズアレイの使用が、ＬＩＤＡＲシステム分解能にさらなる改良を提供し得る、実現である。
図５Ａは、本教示の２つのマイクロレンズアレイ５０４、５０６およびバルクレンズ５０８を使用する、レーザアレイ５０２から光学ビームを投影するための、透過光学システム５００のある実施形態を図示する。
図５Ｂは、図５Ａに示される透過光学システム５００の一部の拡大図である。図５Ａおよび５Ｂの両方を参照すると、１つのマイクロレンズアレイ５０４は、レーザアレイ５０２内のピクセル、すなわち、ピクセル１である、５１６、ならびにピクセル２である、５１８、およびピクセル３である、５２０のピッチに等しい、ピッチにおいて離間される、レンズレット５１０、５１２、５１４を有する。別のマイクロレンズアレイ５０６は、レーザアレイ５０２のサブ開口５４０、５４２、５４４、５４６、５４８、５５０、５５２、５５４、５５６のピッチに等しい、ピッチにおいて離間される、レンズレット５２２、５２４、５２６、５２８、５３０、５３２、５３４、５３６、５３８を有する。したがって、マイクロレンズ５０６は、サブ開口あたり１つのレンズレットを備え、マイクロレンズ５０４は、ピクセルあたり１つのレンズレットを備える。マイクロレンズアレイ５０６は、各サブ開口ビームが、それらの光学ビームの伝搬軸を変化させることなく、集束されるように、各サブ開口５４０、５４２、５４４、５４６、５４８、５５０、５５２、５５４、５５６内に発生される、光学ビームのそれぞれに作用する。マイクロレンズ５０４は、各サブ開口５４０、５４２、５４４、５４６、５４８、５５０、５５２、５５４、５５６からの光学ビームを、それらが、レンズレット５１０、５１２、５１４の背面焦点面Ｚ１である、５５８において重複するように、再指向する。したがって、各サブ開口５４０、５４２、５４４、５４６、５４８、５５０、５５２、５５４、５５６からの光学ビームは、マイクロレンズアレイ５０６とマイクロレンズアレイ５０４との組み合わせられた作用によって、背面焦点面Ｚ１である、５５８における重複平面において、集束される。バルクレンズ５０８は、平面Ｚ１である、５５８から、レンズ５０８の焦点距離Ｆ２に等しい、隔たりを空けて位置付けられる。マイクロレンズアレイ５０４、５０６の組み合わせは、平面Ｚ１である、５５８におけるレーザアレイ５０２と同一のピッチを伴う、スポットのアレイの中間実画像を生成する。バルクレンズ５０８は、スポットのそれぞれを、Ｚ１である、５５８から遠視野内の異なる角度に投影する。バルクレンズ５０８からの特定の投影された角度は、本システムの主光軸からの対応するアレイスポットの直角の隔たりの関数である。
本教示の１つの特徴は、各サブ開口からの光学ビームを集束させる役割を果たし、それらのビームを第２のレンズ５０４の背面焦点面において重複するように指向する、２つの背中合わせのマイクロレンズアレイ５０４、５０６の使用である。拡大図５６２内のスケール５６０から明確であるように、これらの２つのマイクロレンズアレイ５０４、５０６設計は、非常に小型であり、公称上集束された重複されたビームが、レーザアレイ５０２から２ｍｍ未満の隔たりにおいて生じる。いくつかの実施形態では、マイクロレンズアレイ５０４、５０６は、同一の基板の正面および裏面上に加工される。これは、有利には、組み立て易い、非常に小型のシステムを提供する。いくつかの実施形態では、マイクロレンズアレイ５０４、５０６は、別個の基板上に加工される。いくつかの実施形態では、マイクロレンズアレイ５０４、５０６の一方または両方が、屈折光学要素であってもよい。いくつかの実施形態では、マイクロレンズアレイ５０４、５０６の一方または両方が、回折光学素子であってもよい。いくつかの実施形態では、マイクロレンズアレイ５０４、５０６の一方または両方が、ホログラフィック光学要素であってもよい。
図５Ｃは、図５Ａのレーザアレイ５０２から光学ビームを投影するための透過光学システム５００によって発生される、遠視野パターン５８０のある実施形態を図示する。遠視野スポットが、２つの垂直に隣接するピクセルにわたって示され、各ピクセルは、５０メートルの距離における、サブ開口の３×３アレイを備える。図５Ａのシステム図が、２次元アレイの側面図を示すが、図５Ｃが、主軸に対して直角である、平面における２次元パターンを図示することに留意されたい。本システムの一部のみが、明確化のために図示されている。遠視野パターン５８０は、５０メートルの距離において、０．９メートルの隔たり５８６だけ分離される、２つの小スポット５８２、５８４をもたらす。スポット５８２、５８４のみが、２つのピクセル５１６、５１８に関して示される。ピクセル間に、１．０６度が、存在し、５０メートルの距離において０．９メートルの分離の隔たり５８６をもたらす。ピクセルスポットサイズ対ピクセルピッチ比は、約０．１である。最終的な分解能が、隣接するピクセルからのスポット間のスポット分離に対する、１つのピクセルからのスポットサイズによって判定される。したがって、本教示の透過光学システムは、有利には、遠視野においてはるかに低いピクセルスポットサイズ対ピクセルピッチ比を提供する。これは、システム分解能を改良し、また、高いデータ収集率の支援、および照明パターンと、タイミングシーケンスにおける柔軟性とを含む、データ収集のための多くの利益を提供する、複数の透過光学システムの効果的かつ拡張可能な交互配置も可能にする。
図６は、本教示のＶＣＳＥＬアレイ６０４に整合される、両面マイクロレンズアレイ６０２のある実施形態の断面図６００を図示する。ＶＣＳＥＬは、５つのピクセル６０６、６０８、６１０、６１２、６１４を含む。各ピクセル６０６、６０８、６１０、６１２、６１４は、９つのサブ開口を備える。例えば、３つのサブ開口６１６、６１８、６２０が、ピクセルに関する断面図６００において可視である。ピクセルは、ピッチ６２２を伴うアレイに配列される。５つのピクセルレンズレット６２４、６２６、６２８、６３０、６３２が、基板６３６の第１の表面６３４上に形成される。ピクセルレンズレット６２４、６２６、６２８、６３０、６３２は、ピッチ６３８を伴うアレイに配列され、ＶＣＳＥＬアレイ６０４内のピクセル６０６、６０８、６１０、６１２、６１４のアレイに合致する。基板６３６の第２の表面６３８上に形成されるものは、ＶＣＳＥＬアレイ６０４のサブ開口のピッチに合致する、ピッチ６４２上に設定される、サブ開口レンズレット６４０である。本マイクロレンズアレイ６０２構成は、両面マイクロレンズと称されることができる。１つの特定の実施形態では、ピクセルピッチは、２５０μｍであり、サブ開口ピッチは、７６μｍである。いくつかの実施形態では、レーザおよびマイクロレンズアレイ６０２、６０４は、１次元である。また、いくつかの実施形態では、マイクロレンズアレイ６０２、６０４は、２次元である。種々の実施形態では、マイクロレンズアレイ６０２、６０４は、異なる数のピクセル、サブ開口、ピクセルレンズレット、および／またはサブ開口レンズレットを含有する。いくつかの実施形態では、ピクセルピッチ６２２は、サブ開口ピッチ６４２の整数倍ではない。いくつかの実施形態では、サブ開口ピッチ６４２は、ピクセルの境界を横断して延在しない。
いくつかの実施形態では、マイクロレンズアレイ６０２のサブ開口レンズレット６４０の側面が、ＶＣＳＥＬアレイ６０４に最も近接して位置付けられる。ピクセルレンズレット表面６３４は、各レンズレット６２４、６２６、６２８、６３０、６３２が、ピクセルの真上に心合された状態で、ＶＣＳＥＬアレイ６０２から最も遠くに位置付けられる。本位置付けは、具体的には、図６において、例えば、ピクセル６１０にわたるピクセルレンズレット６２８に関して図示される。サブ開口レンズレットは、サブ開口の真上に心合される。これは、図６において、例えば、サブ開口６４４にわたるサブ開口レンズレット６４０に関して図示される。
図７Ａは、本教示の両面マイクロレンズアレイ７０２のある実施形の一側を示す、斜視図７００を図示する。ピクセルレンズレット７０４が、基板７０８の１つの表面７０６上に形成される。レンズレット７０４は、本教示の透過光学システムのある実施形態では、ピクセルあたり１つのレンズが存在するように、例えば、ＶＣＳＥＬアレイのピッチに合致する、ピッチを有する。レンズレット７０４の５×５アレイが、斜視図７００に図示される。サブ開口レンズレット７１２が、基板７０８の他の表面７１０上において可視である。
図７Ｂは、図７Ａの両面マイクロレンズアレイの他側を示す、斜視図７５０を図示する。円７５２が、基板の他の表面７１０上に形成される、サブ開口レンズレット７５４の９×９アレイを強調する。サブ開口レンズレット７５４のピッチが、合致するレーザのアレイのピッチ、例えば、ＶＣＳＥＬアレイのサブ開口に合致される。ピクセルあたり、９つのサブ開口レンズレットが、存在する。
図８は、本教示の複数の透過光学システム８０２、８０４を備える、高分解能ＬＩＤＡＲ透過システム８００のある実施形態を図示する。本教示の１つの特徴は、本明細書に説明される２つのマイクロレンズアレイ構成が、１つの透過光学システム８０２によって発生される全ＦＯＶが、第２の透過光学システム８０４によって発生される全ＦＯＶからの１ピクセル未満のＦＯＶによってオフセットされるように整合される、別個の透過光学システムを使用することを可能にすることである。本タイプの構成は、交互配置構成と称されることができる。２つの透過光学システム８０２、８０４からの光を交互配置することによって、交互配置される透過システム８００を備える、ＬＩＤＡＲシステムの空間分解は、１つのみの透過光学システムを使用するＬＩＤＡＲシステムと比較して、大幅に改良される。
交互配置は、１つのみの標的隔たりにおいて、２つの異なる透過光学システムのそれぞれによって発生されるスポット間に、均一な間隔を有するであろう（時として、完全交互配置と呼ばれる）。しかしながら、透過光学システム８０２、８０４間の分離は、わずかであり得るため、いくつかの実施形態では、分離は、約数十ミリメートルであり、いくつかの実施形態では、標的隔たりは、約数十メートルであり、不完全な交互配置でさえ、許容可能であり、分解能を改良する。したがって、透過光学システム８０２、８０４を交互配置することによる分解能の改良が、本教示の透過光学システムを使用した、標的隔たりの距離にわたって可能である。図８は、透過光学システム８０２からのスポット８０８の第１のアレイと透過光学システム８０４からのスポット８１０の第２のアレイとの交互配置を図示する、１つの標的隔たりにおける、交互配置されたスポット８０６のアレイを示す。
図９Ａは、図３Ａに図示されるように、２つの従来のバルクレンズを使用する、レーザアレイから光学ビームを投影するためのシステムを使用する、単一のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機のための遠視野パターン９００を図示する。ピクセルスポットサイズ９０２およびピクセルピッチ９０４は、公称上、同一である。ピクセルスポットサイズ９０２は、フルピクセルである。サブ開口スポットの全てが、そのピクセルおよび関連付けられるサブ開口を通電させるために印加される、制御された信号によって照明される。したがって、２つのみのバルクレンズを使用し、マイクロレンズを使用しない、２つの異なる透過光学システムからのピクセルスポット９０６を交互配置することは、不可能である。遠視野におけるピクセルスポットサイズ対ピクセルピッチ比は、本システムに関して、１に近接する。結果として、２つの光学透過システムを使用することによってスポットを交互配置し、改良された分解能を提供する余地は、存在しない。
図９Ｂは、例えば、図４Ａに図示されるように、１つのマイクロレンズアレイおよび１つの従来のバルクレンズを使用する、レーザアレイから光学ビームを投影するためのシステムを使用する、複数の交互配置されたソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機のための遠視野パターン９３０を図示する。本構成では、単一の通電されたピクセルからのスポットサイズが、ピクセルＦＯＶピッチ９３４より小さい、陰影が付けられたスポット９３２として示される。遠視野におけるピクセルスポットサイズ対ピクセルピッチ比の比率は、本システムに関して、０．５に近接する。したがって、本場合では、例えば、４つの透過光学システムを交互配置することが、可能である。これは、４つの異なる透過光学システムと関連付けられる、４つの異なるピクセルスポット９３２、９３６、９３８、９４０を生産する。４つの異なる透過光学システムからのスポットの交互配置は、空間分解能を各寸法において２倍増加させる。
図９Ｃは、本教示の２つのマイクロレンズアレイおよび１つの従来のバルクレンズを使用する、レーザアレイから光学ビームを投影する、透過光学システムのある実施形態を使用する、複数の交互配置されたソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機のための遠視野パターン９５０を図示する。透過光学システムの本実施形態は、例えば、図５Ａに示される実施形態であり得る。本構成では、単一のピクセルスポット９５４のピクセルスポットサイズ９５２は、ピクセルＦＯＶピッチ９５６と比較して非常に小さい。いくつかの実施形態では、遠視野におけるピクセルスポットサイズ対ピクセルピッチ比の比率は、０．１未満である。少なくとも９つの透過光学システムからのスポット９５４を交互配置し、空間分解能を増加させることが、可能である。異なる陰影が、異なる透過光学システムからのピクセルスポットを図示するために使用される。
図９Ａ－Ｃに関連して説明される実施例は、各ピクセルがサブ開口の３×３グリッドを含む、ピクセルの３×３グリッドを伴うＶＣＳＥＬアレイによって発生される、遠視野パターン９００、９３０、９５０を図示する。ピクセルおよび／またはサブ開口のサイズおよび／または形状の両方に関する、異なるアレイサイズおよび／または形状へのスケーリングは、簡単な拡張である。
したがって、ＶＣＳＥＬピクセルサブ開口エミッタからの光学ビームを集束させるためのサブ開口マイクロレンズと、サブ開口光学ビームを重複点におけるそれらの焦点に再指向するためのピクセルマイクロレンズと、各ピクセル内のサブ開口ビームを遠視野内の異なる角度に投影するためのバルクレンズとの組み合わせを利用する、透過光学システムの１つの特徴は、これが、透過光学システムの交互配置を可能にするように十分に空間分解能を改良することである。本改良は、部分的に、より低い遠視野ピクセルスポットサイズ対ピクセルピッチ比が達成されるためである。遠視野内の異なる投影された角度は、バルクレンズの中心または主軸に対する特定のピクセル光学ビームの位置に基づく。したがって、異なる焦点距離および位置を伴うバルクレンズを使用することによって、種々の遠視野投影角が、達成されることができる。
（均等物）
本出願人の教示は、種々の実施形態と併せて説明されるが、本出願人の教示がそのような実施形態に限定されることは意図していない。むしろ、本出願人の教示は、当業者によって理解されるであろうように、本教示の精神および範囲から逸脱することなく、その中に成され得る、種々の代替、修正、ならびに均等物を包含する。

Claims (29)

  1. ソリッドステート光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）透過機であって、
    ａ）レーザアレイであって、
    ｉ）第１のサブ開口間隔を伴って位置付けられる、第１および第２のサブ開口を備える、第１のレーザピクセルであって、前記第１および第２のサブ開口のそれぞれは、通電されると、サブ開口ビームを発生させる、第１のレーザピクセルと、
    ｉｉ）第２のサブ開口間隔を伴って位置付けられる、第１および第２のサブ開口を備える、第２のレーザピクセルであって、前記第１および第２のサブ開口のそれぞれは、通電されると、サブ開口ビームを発生させ、前記第１および第２のレーザピクセルは、ピクセル間隔を伴って、相互に対して位置付けられる、第２のレーザピクセルと
    を備える、レーザアレイと、
    ｂ）前記第１のサブ開口間隔を伴って位置付けられる、第１のサブ開口レンズレットおよび第２のサブ開口レンズレットを備え、前記第２のサブ開口間隔を伴って位置付けられる、第３のサブ開口レンズレットおよび第４のサブ開口レンズレットを備える、第１のマイクロレンズであって、前記第１のマイクロレンズは、前記第１のサブ開口レンズレットが、前記第１のレーザピクセルの第１のサブ開口によって発生される、前記第１のサブ開口ビームの光学経路内にあるように位置付けられ、前記第３のサブ開口レンズレットが、前記第２のレーザピクセルの第１のサブ開口によって発生される、前記第１のサブ開口ビームの光学経路内にあるように位置付けられ、前記第１のマイクロレンズは、前記第１のレーザピクセルの第１および第２のサブ開口によって発生される、前記第１および第２のサブ開口ビームを集束させ、前記第２のレーザピクセルの第１および第２のサブ開口によって発生される、前記第１および第２のサブ開口ビームを集束させるように構成される、第１のマイクロレンズと、
    ｃ）前記ピクセル間隔を伴って相互に対して位置付けられる、第１のピクセルレンズレットおよび第２のピクセルレンズレットを備える、第２のマイクロレンズであって、前記第１のピクセルレンズレットは、前記第１のレーザピクセルの第１および第２のサブ開口によって発生される、前記第１および第２のサブ開口ビームの両方の光学経路内に位置付けられ、前記第２のマイクロレンズは、前記第１のレーザピクセルの第１および第２のサブ開口によって発生される、前記第１および第２のサブ開口ビームを、それらが平面において重複するように指向するように構成される、第２のマイクロレンズと、
    ｄ）前記第１のレーザピクセルの第１および第２のサブ開口によって発生される、前記第１および第２のサブ開口ビームの経路内に位置付けられる、レンズであって、前記レンズは、前記第１のレーザピクセルの第１のサブ開口によって発生される、前記第１のサブ開口ビーム、および前記第２のレーザピクセルの第１のサブ開口によって発生される、前記第１のサブ開口ビームを、前記ＬＩＤＡＲシステムの所望の空間分解能を達成するために、遠視野内に異なる角度を伴って投影するように構成される、レンズと
    を備える、ソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  2. 前記レーザアレイは、１次元レーザアレイを備える、請求項１に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  3. 前記レーザアレイは、２次元レーザアレイを備える、請求項１に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  4. 前記レーザアレイは、垂直空洞面発光レーザアレイ（ＶＣＳＥＬ）を備える、請求項１に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  5. 前記第１および前記第２のマイクロレンズのうちの少なくとも一方は、基板の同一の側面上に形成される、請求項１に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  6. 前記第１および第２のマイクロレンズは、遠視野ピクセルスポットサイズ対ピクセルピッチ比の比率が、１未満であるように構成される、請求項１に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  7. 前記第１および第２のマイクロレンズは、遠視野ピクセルスポットサイズ対ピクセルピッチ比の比率が、０．５未満であるように構成される、請求項１に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  8. 前記第１および第２のマイクロレンズは、遠視野ピクセルスポットサイズ対ピクセルピッチ比の比率が、０．２未満であるように構成される、請求項１に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  9. 前記第２のマイクロレンズアレイは、前記平面が、前記第１のピクセルレンズレットの焦点距離に等しい、前記第２のマイクロレンズからの隔たりにおいて位置するように構成される、請求項１に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  10. 前記第２のマイクロレンズアレイは、前記平面が、前記レーザアレイから２ｍｍ未満である隔たりにおいて位置するように構成される、請求項１に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  11. 前記レンズは、前記レンズの焦点距離に等しい、前記平面からの隔たりにおいて位置付けられる、請求項１に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  12. 前記第１のマイクロレンズ、第２のマイクロレンズ、および前記レンズのうちの少なくとも１つは、前記第１のピクセルの第１および第２のサブ開口ビームを、それらが、前記ＬＩＤＡＲシステムが０．２度未満の分解能を達成するように、前記遠視野内で重複するように投影するように構成される、請求項１に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  13. 前記第１および第２のマイクロレンズアレイのうちの少なくとも一方は、屈折光学要素を備える、請求項１に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  14. 前記第１および第２のマイクロレンズアレイのうちの少なくとも一方は、回折光学素子を備える、請求項１に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  15. 前記第１および第２のマイクロレンズアレイのうちの少なくとも一方は、ホログラフィック光学要素を備える、請求項１に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  16. 前記第１のマイクロレンズは、前記平面において、前記第１のピクセルの第１および第２のサブ開口ビームを集束させ、前記第２のピクセルの第１および第２のサブ開口ビームを集束させるように構成される、請求項１に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  17. ソリッドステート光検出および測距（ＬＩＤＡＲ）透過機であって、
    ａ）レーザアレイと、マイクロレンズアレイとを備え、前記レーザアレイによって発生される、複数の光学ビームを投影し、遠視野における第１のスポットサイズと、第１のピクセルピッチとを備える、複数の第１のピクセルスポットを形成するように構成される、第１の透過光学システムと、
    ｂ）レーザアレイと、マイクロレンズアレイとを備え、前記レーザアレイによって発生させる、複数の光学ビームを投影し、前記遠視野における第２のスポットサイズと、第２のピクセルピッチとを備える、複数の第２のピクセルスポットを形成するように構成される、第２の透過光学システムであって、前記第１の透過光学システムおよび前記第２の透過光学システムは、前記複数の第１のピクセルスポットが、前記遠視野において前記複数の第２のピクセルスポットと交互配置されるように位置付けられ、前記複数の第１のピクセルスポットの遠視野ピクセルスポットサイズ対ピクセルピッチ比が、１未満である、第２の透過光学システムと
    を備える、ソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  18. 前記第１の透過光学システムのレーザアレイおよび前記第２の透過光学システムのレーザアレイは、同一の波長における光を放出する、請求項１７に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  19. 前記第１の透過光学システムのレーザアレイおよび前記第２の透過光学システムのレーザアレイは、異なる波長における光を放出する、請求項１７に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  20. 前記第１のピクセルスポットおよび前記第２のピクセルスポットは、同一のサイズである、請求項１７に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  21. 前記第１のピクセルスポットおよび前記第２のピクセルスポットは、異なるサイズである、請求項１７に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  22. 前記マイクロレンズアレイのピッチが、前記レーザアレイのピッチと同一である、請求項１７に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  23. 前記マイクロレンズアレイのピッチは、前記レーザアレイのピッチと異なる、請求項１７に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  24. 前記第１の透過光学システムはさらに、前記レーザアレイによって発生される前記複数の光学ビームの光学経路内に、前記レーザアレイと前記マイクロレンズアレイとの間に位置付けられる第２のマイクロレンズを備える、請求項１７に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  25. 前記第２のマイクロレンズのピッチは、前記レーザアレイ内のサブ開口アレイのピッチに等しい、請求項２４に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  26. 前記第２のマイクロレンズは、前記第１のマイクロレンズと同一の基板上にある、請求項２４に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  27. 前記第２の透過光学システムはさらに、前記レーザアレイによって発生される前記複数の光学ビームの光学経路内に、前記レーザアレイと前記マイクロレンズアレイとの間に位置付けられる第２のマイクロレンズを備える、請求項１７に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  28. 前記第２のマイクロレンズのピッチは、前記レーザアレイ内のサブ開口アレイのピッチに等しい、請求項２７に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
  29. 前記第２のマイクロレンズは、前記第１のマイクロレンズと前記同一の基板上にある、請求項２７に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲ透過機。
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