JP2022551388A - ソリッドステートｌｉｄａｒシステム用のプロジェクタ - Google Patents

Abstract

ソリッドステートＬＩＤＡＲシステム用のプロジェクタ本開示は、シーンまでの距離を決定するためのソリッドステートＬＩＤＡＲシステム用のプロジェクタに関する。プロジェクタは、離散スポットパターンでシーンを照明するように構成される。プロジェクタは、第１のレーザビームを同時に放射するための複数の個別のソリッドステートレーザ光源を有するレーザアレイと、第１のレーザビームの各々を受光し、各々の第１のレーザビームの光線の少なくとも一部が隣接する第１のレーザビームの光線の少なくとも一部と重なり合うまで第１のレーザビームの各々を伝播させることができるように構成された混合チャンバと、第１のレーザビームの重なり合う光線を受光し、複数の第２のレーザビームを各々の第２のレーザビームが複数の第１のレーザビームから由来する光線を備えるように生成するように構成された整形光学系と、第２のレーザビームによって形成された離散スポットパターンをシーンに向けて投影するためのプロジェクタレンズシステムとを備える。さらに、本開示は、そのようなプロジェクタと、反射レーザ光を検出するための受光装置とを備えるソリッドステートＬＩＤＡＲシステムに関する。

Description

開示の分野
本開示は、レーザビームおよび飛行時間（ＴＯＦ）に基づく検知システムを使用してシーンまでの距離を決定するためのＬＩＤＡＲ（光検出および測距（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ））システムに関する。より詳細には、本開示は、離散スポットパターンでシーンを照明するためのＬＩＤＡＲプロジェクタに関する。

背景
ＬＩＤＡＲシステムは、レーザ光でシーンを照明し、一般的にはレーザ光を放出したレーザ源の近くに配置された検出器において反射レーザ光を検出することによって、シーンまでの距離を測定する。

一般に、ＬＩＤＡＲシステムは、２つの主要な構成要素、すなわちレーザ光でシーンを照明するように構成されたプロジェクタ、および反射レーザ光を検出するための検出システムを備える。いくつかのＬＩＤＡＲシステムは、グローバル照明とも呼ばれる均質かつ平坦なレーザ光パターンでシーンを照明するプロジェクタを利用し、検出システムは、グローバル照明に続く反射光に基づいて距離情報を決定するように相応に構成される。しかしながら、本開示は、プロジェクタがレーザ光の離散スポットパターンでシーンを照明し、検出システムがスポットパターン照明に続く反射レーザ光に基づいて距離情報を決定するように構成されるＬＩＤＡＲシステムに関する。

大多数の既知のＬＩＤＡＲシステムは、直接ＴＯＦ（ＤＴｏＦ）検出方法を利用する。これらのシステムは、ナノ秒パルスの体制で動作する強力なパルスレーザと、パルスレーザビームを走査する機械的な走査システムと、パルス検出器とを備える。この形式のシステムは、現時点において、カリフォルニア州Ｍｏｒｇａｎ ＨｉｌｌのＶｅｌｏｄｙｎｅ ＬＩＤＡＲなどのベンダーから入手可能である。技術水準のシステムの一例として、Ｖｅｌｏｄｙｎｅ ＨＤＬ－６４ Ｅが、毎秒５～１５回転で機械的に回転する構造において、６４個の高出力レーザおよび６４個のアバランシェダイオード検出器を使用している。

これらのＤＴｏＦシステムは、高い空間精度で距離を測定することが知られている。しかしながら、これらのシステムは、いくつかの欠点も有する。例えば、これらのシステムは、きわめて高い出力レベルを有するレーザを必要とし、そのような出力レベルは、現時点において利用可能な半導体レーザでは達成できず、現時点において利用可能な半導体レーザの出力レベルよりも数桁高い。さらに、走査の目的のために機械的に回転する要素を使用していることで、この形式のシステムの小型化、信頼性、およびコスト削減に関する期待はさらに制限される。

ＬＩＤＡＲシステムのコンパクトさが、ＬＩＤＡＲシステムが例えば自動車のフロントガラスまたはフロントバンパに組み合わせられる自動車分野の用途において重要な要素である。実際、ＬＩＤＡＲシステムは、自動運転または運転者支援システムの開発における重要な要素である。この文脈において、ＬＩＤＡＲシステムは、車両の環境内の他の車両または物体などの障害物を検出するために使用される。

国際公開第２０１７／０６８１９９号に、ソリッドステート技術に基づくプロジェクタおよび検出システムをコンパクトなハウジング内に配置することを可能にするソリッドステートＬＩＤＡＲシステムが提案されている。このシステムは、ＤＴｏＦ技術とは異なる距離ゲーティング検出技術に基づく。国際公開第２０１７／０６８１９９号に開示されたこのシステムは、各々のスポットがレーザ光のパルスの時間的シーケンスを含んでいる離散スポットパターンでシーンを照明するためのプロジェクタを備える。レーザ光は、ＶＣＳＥＬとしても知られる半導体ベースのレーザであるソリッドステートレーザのアレイとして、小型で低出力のレーザシステムを形成するソリッドステートレーザによってもたらされる。レーザビームの各々は、レーザ光のパルスの時間的シーケンスを含むパルスレーザビームである。ＣＭＯＳベースの距離ゲーティング検出器が、シーンによって反射させられた離散スポットパターンを表す反射レーザ光のスポットを検出するために使用される。さらに、検出器は、シーンの照明と同期して反射レーザ光を蓄積するための制御手段を備える。処理手段が、最終的に、蓄積された反射レーザ光に基づいてシーンまでの距離を計算することを可能にする。

国際公開第２０１７／０６８１９９号に記載のとおりの離散スポットパターン照明に基づくＬＩＤＡＲシステムのためのソリッドステートプロジェクタの開発は、困難である。実際、異なる個々のレーザ光源が使用されるとき、これらに限られるわけではないが強度、ビームの広がり、角度放射照度、波長、パルス形状、および熱挙動のばらつきなど、個々のレーザ光源の特性のばらつきが存在する。これにより、時間および空間の両方において均質でないスポットパターンがシーンに投影されることになる。これらの要素はすべて、例えば距離決定の精度および／または正確度ならびにカバーすることができる距離レンジなど、ＬＩＤＡＲシステムの全体的な性能に影響を及ぼす。

したがって、離散スポットパターンを生成するためのＬＩＤＡＲプロジェクタを改善する余地が存在する。

概要
本開示の目的は、離散スポットパターンでシーンを照明するための堅牢で信頼性があり、コンパクトで費用効果の高いプロジェクタを提供することであり、プロジェクタは、例えば自動車用途などの特定の用途に必要とされる許容可能な空間精度で距離を決定するためのソリッドステートＬＩＤＡＲシステムの一部としての使用が想定される。

本開示は、添付の独立請求項に定義される。従属請求項は、有利な実施形態を定義する。

本開示の一態様によれば、離散スポットパターンでシーンを照明するためのプロジェクタが提供される。

本開示によるそのようなプロジェクタは、一次元または二次元レーザアレイなどのレーザアレイと、混合チャンバと、整形光学系と、プロジェクタレンズシステムとを備える。

レーザアレイは、発散する第１のレーザビームを放射するように動作することができる複数の個別のソリッドステートレーザ光源を備える。

混合チャンバは、プロジェクタの主光軸Ｚに沿って延びており、第１のレーザビームの各々を受光し、各々の第１のレーザビームについて、光線の少なくとも一部が隣接する第１のレーザビームの光線と重なり合うまで発散することを可能にするように構成される。

混合チャンバを、中空体と理解すべきであり、混合チャンバの周囲の側面が三次元中空体を形成している。周囲の側面は、混合チャンバの壁である。

整形光学系は、混合チャンバを出る第１のレーザビームの重なり合う光線を受光し、好ましくは重なり合う光線を再び集光し、各々が複数の第１のレーザビームから由来する光線を備える複数の個別の第２のレーザビームを生成するように構成される。

プロジェクタレンズシステムは、第２のレーザビームを受光し、第２のレーザビームをシーンに向かって投影するように構成され、投影された第２のレーザビームは、離散スポットパターンを形成する。

本開示によるプロジェクタによれば、以下でさらに詳細に説明されるように、先行技術の装置における多数の既存の欠点が同時に解決され、性能が改善される。

好都合なことに、第１のレーザビームの混合は、整形光学系に入射する均質なパワーフィールドをもたらし、これは、第２のレーザビームによって形成されるより均一なスポットパターンをさらにもたらし、これは、例えば本プロジェクタを使用してシーンを照明するＬＩＤＡＲシステムの正確度を高める。

さらに、この混合は、時間領域および空間領域においてシーンに投影されるパルス形状およびその光学特性の再現性を改善する。

好都合なことに、第１のレーザビームのレーザ光を混合することによって、例えばＶＣＳＥＬレーザ源のアレイなどのソリッドステートレーザ光源に関する品質制約を低減することができる。実際、複数のレーザ源が混合されるため、第１のレーザビーム、すなわち単一のレーザエミッタが故障しても、第２のレーザビームの全体的な光強度および光分布への影響は小さい。これは、製造歩留まり、したがってＶＣＳＥＬアレイのコストを改善し、ＬＩＤＡＲシステムの堅牢性も改善する。

好都合なことに、小型のＶＣＳＥＬチップを、レーザアレイを形成するＶＣＳＥＬチップの一次元または二次元アレイとして配置することができる。各々のＶＣＳＥＬチップは、複数のレーザエミッタを備える。このようにして、より小型のＶＣＳＥＬチップを使用することによって、大きなチップを構築する生産性の問題が解決され、生産コストが削減される。

好都合なことに、複数の第１のレーザビームの光強度を束ねて第２のレーザビームを形成することにより、第２のレーザビームの数が初期の第１のレーザビームの数よりも少なくなるように第２のレーザビームを形成することによって、第２のレーザビームの強度および輝度を高めることができる。これにより、検出の信頼性およびシステムのレンジが向上する。レーザビームの強度および輝度は、それぞれ、例えばワットで表されるスポットの表面積当たりの光パワー、および立体角当たりの光パワー、すなわち放射照度によって定義される。

好都合なことに、整形光学系を、第２のレーザビームのスポットサイズを調節するために調整することができる。例えば、大きな直径のスポットサイズを、道路を照明するために前方方向に使用することができる一方で、より小さな直径のスポットを、周囲を照明するために使用することができる。

好都合なことに、本開示によるプロジェクタを、例えば自動車用途に必要とされる高い空間精度を維持しつつ、反射レーザ光を検出するための距離ゲーティング検出技術を使用するＬＩＤＡＲシステムの一部とすることができる。実際、混合チャンバおよび整形光学系を設けることにより、種々の第１のレーザビームのコヒーレント光が混合され、得られる第２のレーザビームは、実質的に非コヒーレントなレーザ光を備える。結果として、距離ゲーティングに基づく先行技術のＬＩＤＡＲシステムを使用した場合に本発明の発明者によって観察された空間精度の低下につながる支配的なスペックルの問題が、大幅に低減される。

実施形態において、混合チャンバの内壁の少なくとも一部分は、レーザ光を反射するための反射壁である。

実施形態において、個別のソリッドステートレーザ光源レーザによって生成されるレーザ光は、８００ｎｍ～１６００ｎｍの波長を有する。

実施形態において、混合チャンバの長さＨは、第１のレーザビームが混合チャンバを通って伝播した後に、各々の第１のレーザビームの光線の２０％以上、好ましくは４０％以上、より好ましくは６０％以上が、隣接する第１のレーザビームからの光線と重なり合うように決定される。

いくつかの実施形態においては、混合チャンバを通って伝播した後に、各々の第１のレーザビームの光線の１００％が、隣接する第１のレーザビームの光線と重なり合う。

実施形態において、各々のレーザ光源は、１５°以下の発散角度の第１のレーザビームを放射するように構成される。

実施形態において、ソリッドステートレーザ光源は、タイルにグループ化される。次いで、タイルは、例えばタイルの一次元または二次元アレイを形成する。各々のタイルは、いくつかのソリッドステートレーザ光源、すなわちエミッタを備える。タイルを、例えばソリッドステート光源の一次元または二次元サブアレイなど、ソリッドステート光源のサブアレイと理解することができる。したがって、実施形態において、主光軸に沿って測定される混合チャンバの長さは、第１のレーザビームが混合チャンバを通って伝播した後に、各々のタイルについて、その光線の少なくとも一部が隣接するタイルの光線と重なり合うようにさらに定められる。実施形態において、タイルは、複数のレーザエミッタを備えるＶＣＳＥＬチップであり、各々のレーザエミッタをソリッドステートレーザ光源と理解すべきである。

実施形態において、各々のタイルの光線の２０％以上、好ましくは４０％以上、より好ましくは６０％以上が、隣接するタイルの光線と重なり合う。いくつかの他の実施形態においては、各々のタイルのレーザ光の１００％が、隣接するタイルの光線と重なり合う。

好都合なことに、より安価な市販のＶＣＳＥＬタイルを、第１のレーザビームを生成するための一次レーザ光源として使用することができる。

好都合なことに、一次レーザ源としてＶＣＳＥＬタイルを使用する場合、タイルを直列に接続することができ、必要な駆動電流が少なくなり、したがって必要な放熱が少なくなる。これも、システムのコストを削減し、システムの堅牢性および熱管理を改善する。

実施形態において、混合チャンバの内壁の少なくとも一部分は、ミラーを備える。好都合なことに、レーザアレイの周辺の光源によって放射された光が、ミラーに衝突し、反射によって混合チャンバ内に戻ることができる。ミラーは、主光軸に垂直な平面において均質な光分布を得ることに寄与する。

実施形態において、整形光学系は、複数のマイクロレンズを備えるマイクロレンズアレイを備え、各々のマイクロレンズは、第２のレーザビームのうちの１つを生成するように構成される。

実施形態において、第１のマイクロレンズアレイは、各々のマイクロレンズが平面または曲面上に位置する焦点を備えるように構成され、平面または曲面は、第１のマイクロレンズアレイとプロジェクタレンズシステムとの間に位置する。

さらなる実施形態において、第１のマイクロレンズアレイの各々のマイクロレンズは、曲面上に位置する焦点を備え、この曲面は、プロジェクタレンズシステムの曲面焦点面に対応する。好都合なことに、プロジェクタレンズシステムは、プロジェクタレンズシステムの光学収差の補正、より正確にはペッツバールフィールド曲率の補正のための追加のレンズを必要としない。

実施形態において、第１のマイクロレンズアレイの各々のマイクロレンズは、曲面上に位置する後方焦点を備え、この曲面は、プロジェクタレンズシステムの曲面前方焦点面に対応する。

いくつかの実施形態において、第１のマイクロレンズアレイのマイクロレンズの各々は、プロジェクタの主光軸と平行な光軸を備える。

好ましい実施形態において、第１のマイクロレンズアレイのマイクロレンズの少なくとも一部は、プロジェクタの主光軸に平行ではない光軸を備える。好都合なことに、プロジェクタレンズシステムのサイズを縮小することができる。例えば、プロジェクタレンズシステムの直径を縮小することができる。

実施形態において、レーザアレイの各々のレーザ光源は、放射面Ｘ－Ｙ内に位置する発光面を有し、第１のレーザビームは、前記放射面Ｘ－Ｙに垂直な主光軸Ｚに平行な方向に伝播する。

実施形態において、本開示によるプロジェクタは、ソリッドステートレーザ光源によって放射された第１のレーザビームの発散角度を減少させるように構成された第２のマイクロレンズアレイをさらに備え、好ましくは、第２のマイクロレンズアレイは、レーザアレイと第１のマイクロレンズアレイとの間に配置される。

好ましい実施形態において、第１のマイクロレンズアレイ内のマイクロレンズの数は、レーザアレイのソリッドステートレーザ光源の数よりも少ない。一般に、第１のマイクロレンズアレイのマイクロレンズの数は、離散スポットパターンにもたらす必要があるスポットの数の関数として選択される。

レーザアレイが複数のＶＣＳＥＬチップによって形成され、プロジェクタが第２のマイクロレンズアレイを備えるいくつかの実施形態において、第２のマイクロレンズアレイ内のマイクロレンズの数は、レーザアレイのエミッタの総数以下である。レーザアレイのエミッタの総数は、レーザアレイの各々のＶＣＳＥＬチップ内のすべてのエミッタの合計である。

他の実施形態において、プロジェクタは、ディフューザ、サーキュレータ、ブラッグ体積格子、およびビームエキスパンダのうちのいずれか、またはこれらの任意の組合せをさらに備える。

好都合なことに、とくにはビームエキスパンダを備えるプロジェクタの実施形態において、タイル間に不可避的に存在する継ぎ目の有害な影響に悩むことなく、タイルベースのアレイを使用することが可能である。実際、ビームエキスパンダは、第１のマイクロレンズアレイに入射する配光の均質性を高めるために、タイル間領域の照明を増加させるように構成される。

本開示のさらなる態様によれば、シーンの１つ以上の物体までの距離を決定するためのソリッドステートＬＩＤＡＲシステムが提供される。

そのようなソリッドステートＬＩＤＡＲシステムは、上述のプロジェクタの他に、例えば距離ゲーティング式または直接飛行時間式の検出器などのシーンの１つ以上の物体によって反射された離散スポットパターンを表す反射レーザ光のスポットを検出するように構成されたマルチピクセル検出器を備える受光装置と、シーンの照明に同期して反射レーザ光を検出および蓄積するようにプロジェクタおよび受光装置を制御するためのコントローラと、蓄積された反射レーザ光に基づいてシーンの１つ以上の物体までの距離を計算するように構成された処理手段とを備える。

距離ゲーティング検出技術に基づくいくつかの実施形態において、ソリッドステートＬＩＤＡＲシステムは、少なくとも２つの連続する検出時間ウインドウにおいて反射レーザ光を検出するように構成され、処理手段は、２つの連続する検出時間ウインドウにおいて検出されたレーザ光に基づいて物体までの距離を計算するように構成される。

距離ゲーティング検出技術に基づく実施形態において、ソリッドステートＬＩＤＡＲシステムのコントローラは、複数の個別のソリッドステートレーザ光源の各々が第１のパルスをＦ_Ｐ≦１／（ＴＯＦ_ｍａｘ＋ＰＷ）であるようなパルス周波数で放射するように、レーザアレイを制御するように構成され、Ｆ_Ｐは、パルス周波数であり、ＰＷは、時間パルス幅であり、ＴＯＦ_ｍａｘは、決定すべき物体までの所定の最大距離Ｄ_ｍａｘにおける最大飛行時間である。この最大距離を、ＬＩＤＡＲシステムの最大動作レンジと解釈することができる。この最大動作レンジは、例えば５０～５００メートルの値であってよい。

いくつかの実施形態において、タイル間のタイル間間隔Δ_Tは、０．３ミリメートル以上であり、タイルの各々について、タイルのソリッドステートレーザ光源間の間隔（Δ_VCSEL）は、０．１ミリメートル以下である。

実施形態において、処理手段は、プロセッサまたはマイクロプロセッサを備える。
実施形態において、プロジェクタのプロジェクタレンズシステムは、対物レンズなどのプロジェクタレンズを備える。

実施形態において、１つ以上の光学レーザ光反射要素が、第１のレーザビームの移動経路を延長するために混合チャンバの内側に配置される。好都合なことに、第１のレーザビームの充分な混合を維持しながら、混合チャンバの長さを短くすることができる。

図面の簡単な説明
本開示のこれらの態様およびさらなる態様が、例として、添付の図面を参照して、さらに詳細に説明される。

本開示によるＬＩＤＡＲシステムを概略的に示している。 シーンに投影された離散スポットパターンを概略的に示している。 パルスレーザビームを形成するパルスの時間的シーケンスを概略的に示している。 いくつかのフレームの繰り返しを概略的に示している。 本開示の実施形態によるプロジェクタの断面図を概略的に示している。 ＶＣＳＥＬタイルの幾何学的形状を概略的に示している。 第１のレーザビームを混合して第２のレーザビームを形成するための本開示による概念を概略的に示している。 本開示の実施形態によるプロジェクタの断面図を概略的に示しており、プロジェクタは、ＶＣＳＥＬタイルレーザアレイを備えている。 焦点が曲面上に位置するマイクロレンズアレイを備える本開示の一実施形態によるプロジェクタの一部分の断面図を概略的に示している。 焦点が曲面上に位置するマイクロレンズアレイを備える本開示のさらなる実施形態によるプロジェクタの一部分の断面図を概略的に示している。 各々のマイクロレンズがプロジェクタの主光軸に平行な光軸を有するマイクロレンズアレイを備えるプロジェクタの断面図を概略的に示している。 前部放射型ＶＣＳＥＬレーザアレイを備えるプロジェクタの一部分を概略的に示している。 後部放射型ＶＣＳＥＬレーザアレイを概略的に示している。 本開示によるプロジェクタの種々の実施形態の断面を概略的に示している。 本開示によるプロジェクタの種々の実施形態の断面を概略的に示している。 本開示によるプロジェクタの種々の実施形態の断面を概略的に示している。 本開示によるプロジェクタの種々の実施形態の断面を概略的に示している。 本開示によるプロジェクタの種々の実施形態の断面を概略的に示している。 本開示によるプロジェクタの種々の実施形態の断面を概略的に示している。 本開示によるプロジェクタの種々の実施形態の断面を概略的に示している。 本開示によるプロジェクタの種々の実施形態の断面を概略的に示している。 図１４ｂに示した第２のマイクロレンズアレイの光学的効果を概略的に示している。 図１４ｂに示した第２のマイクロレンズアレイの光学的効果を概略的に示している。 図１４ｆに示したビームエキスパンダについて可能な実装形態を概略的に示している。 図１４ｆに示したビームエキスパンダについて可能な実装形態を概略的に示している。 混合チャンバの２つの実施形態を概略的に示している。 混合チャンバの２つの実施形態を概略的に示している。 サーキュレータの一実施形態を概略的に示している。 ディフューザの動作原理を概略的に示している。

図面の図は、一定の縮尺で描かれているわけではなく、比例にて描かれているわけでもない。一般に、図中で、同一の構成要素は同一の参照番号によって指し示されている。

実施形態の詳細な説明
本開示を、特定の実施形態に関して説明するが、それらは本開示の例示にすぎず、限定として解釈されるべきではない。本開示が、具体的に図示および／または説明される内容によって限定されず、本開示の全体的な教示に照らして、代案または変更された実施形態を開発できることを、当業者であれば理解できるであろう。説明される図面は、あくまでも概略的なものにすぎず、限定をもたらすものではない。

動詞「備える」ならびにそれぞれの活用形の使用は、そこで述べられた要素以外の要素の存在を排除しない。要素に先行する品詞「ａ」、「ａ」、または「前記」の使用は、そのような要素が複数存在することを排除しない。

さらに、本明細書および特許請求の範囲における第１、第２、などの用語は、同様の要素間の区別の目的で使用され、必ずしも時間的、空間的、ランキング的、または何らかの他のやり方での順序を表すために使用されているわけではない。そのように使用される用語が、適切な状況下で交換可能であり、本明細書に記載される開示の実施形態は、本明細書において説明または例示される順序以外の他の順序で動作できることを、理解すべきである。

本明細書の全体を通して、「一実施形態」または「実施形態」への言及は、それらの実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、本開示の１つ以上の実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書の全体のさまざまな箇所における「一実施形態において」または「実施形態において」という語句の出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態を指しているわけではないが、そうであってもよい。さらに、本開示から当業者にとって明らかであるとおり、特定の特徴、構造、または特性を、１つ以上の実施形態において、任意の適切なやり方で組み合わせることが可能である。

本開示の一態様によれば、離散スポットパターンでシーンを照明するためのプロジェクタが提供される。そのようなプロジェクタを、例えば、シーンまでの距離を決定するためのソリッドステートＬＩＤＡＲシステムで使用することができる。本開示によるプロジェクタの種々の実施形態の断面図が、図５、図８～図１１、および図１４ａ～図１４ｈに示されている。これらの種々の実施形態を、以下でさらに説明する。

ＬＩＤＡＲシステムで使用される場合、本発明のプロジェクタの実施形態は、ＬＩＤＡＲシステムの正確度および精度の改善という利点を提供する。本明細書においてＬＩＤＡＲシステムに関して使用される場合、「正確度」という用語は、距離測定値の平均と実際の距離との間の差を指し、より高い正確度は、より小さい差に対応し、「精度」という用語は、平均の周りの距離測定値の広がり（標準偏差または同等の尺度によって表される）を指し、より高い精度は、より小さい広がりに対応する。

一般性を失うことなく、本開示のプロジェクタは、ＬＩＤＡＲシステムへの適用に関連して以下で説明される。ＬＩＤＡＲシステムは、例えば、直接飛行時間（ＤＴｏＦ）の原理、または距離ゲーティング、または任意の他の距離決定方法に基づいて動作することができる。当業者であれば、本開示のプロジェクタシステムを、これらに限られるわけではないが変位に基づく測距システムなど、他の計測およびテレメトリシステムにおいても使用できることを、理解できるであろう。本開示のプロジェクタシステムは、非テレメトリ用途においても使用可能である。

ソリッドステートＬＩＤＡＲシステム、全般
ＬＩＤＡＲシステムは、シーンをレーザ光で照明し、反射レーザ光を検出器で測定することによって、シーンの１つ以上の物体までの距離を測定する任意のシステムと理解されなければならない。しかしながら、本開示は、ＬＩＤＡＲシステムの特定の分類、すなわち半導体技術を利用するいわゆる「ソリッドステート」ＬＩＤＡＲシステムに取り組む。ソリッドステートＬＩＤＡＲシステムは、レーザ光を生成するためのソリッドステート技術、および反射レーザ光を検出するための検出器の両方を使用するシステムと理解されなければならない。例えば、実施形態において、レーザ光はＶＣＳＥＬ型半導体レーザによって生成され、検出器はＣＭＯＳベースの半導体ピクセル検出器である。

シーンは、例えば自動車のフロントガラスまたはバンパーに取り付けられたＬＩＤＡＲ装置によって観察される領域などの領域として理解されるべきである。ＬＩＤＡＲ装置の視野に応じて、シーンは、広い領域またはより狭い領域をカバーすることができる。自動車用途における視野は、例えば、３０°×１０°、１２０°×２０°、または任意の他の視野である。シーンは、例えば、ＬＩＤＡＲ装置からさまざまな距離に位置する種々の物体、または少数の物体、またはただ１つの物体を含むことができる。ＬＩＤＡＲシステムは、シーンの距離マッピングを実行することによって、物体までのさまざまな距離またはシーンの各部分までの距離を特定することを目的とする。

ＬＩＤＡＲシステムの種類に応じて、ＬＩＤＡＲシステムによって使用されるレーザ光は、連続波、パルス波、または振幅変調波であってよい。

本開示によるソリッドステートＬＩＤＡＲシステム１の実施形態の例が、図１に概略的に示されている。シーン９９までの距離を決定するためのそのようなシステム１は、各スポットがレーザ光のパルスの時間的シーケンスを含んでいる離散スポットパターン１５０でシーン９９を照明するためのプロジェクタ１００と、例えば距離ゲーティングマルチピクセル検出器または直接飛行時間ベースのマルチピクセル検出器などのシーンの物体によって反射された離散スポットパターンを表す反射レーザ光のスポットを検出するように構成されたマルチピクセル検出器を備える受光装置３００とを備える。反射レーザ光は、反射離散スポットパターン３５０を形成し、図１に概略的に示されている。反射離散スポットパターン３５０は、シーンの物体によって反射された離散スポットパターン１５０に対応し、距離ゲーティングマルチピクセル検出器において複数の検出スポットとして観察される。

図１において、投影スポットパターンおよび反射スポットパターンが、途切れた線として概略的に表されているが、これらが説明の目的のためのものにすぎず、これらの途切れた線はパルスの実際のタイミングを表すものではないことに、留意されたい。実際には、実施において、以下で説明されるように、パルスシーケンスのパルスが放射される場合、シーケンスの次のパルスは、一般に、先のパルスがおそらくは物体の反射後に検出器において検出された後でのみ放射される。

シーン９９を照明している離散スポットパターン１５０の一例が、図２にさらに示されている。図２における円は、離散スポットパターン１５０のスポットを概略的に示している。離散スポットを、図２に示されるように、互いに分離されたスポットと解釈すべきである。スポットパターンは、規則的なパターンまたは不規則なパターンであってよい。スポットパターンのスポットの数は、実施形態ごとにさまざまであってよいが、例えば１００００個～１０００００個の間の範囲である。いくつかの実施形態において、スポットの数は、はるかに少なくてもよく、わずかに４個であってもよい。上述したように、各スポットは、典型的にはパルスレーザビームによってもたらされるレーザ光のパルスシーケンスを含む。

本開示によるＬＩＤＡＲシステムの離散スポットを形成するレーザビームによって生成されるレーザ光の波長は、典型的には８００ｎｍ～１６００ｎｍの間である。

距離ゲーティングマルチピクセル検出器が使用される実施形態において、そのような距離ゲーティングマルチピクセル検出器は、複数のピクセルを含む検出器と解釈されるべきであり、検出器は、少なくとも２つの連続する検出時間ウインドウにおいてレーザ光を検出および蓄積するように構成される。

距離ゲーティングマルチピクセル検出器の一例が、国際公開第２０１７／０６８１９９号に記載されている。そのような検出器は、直接ＴＯＦ技術とは異なる距離ゲーティング技術に基づく。距離ゲーティング技術において、反射レーザ光は、少なくとも２つの連続する時間ウインドウにおいて時間の関数として検出され、時間ウインドウは、離散スポットパターンを形成する放射レーザパルスのパルス幅に基本的に等しい。第１の時間ウインドウは、一般に、パルスの放射に対応する時間期間に実質的に重複する。少なくとも２つの時間ウインドウにおいて特定された強度に基づいて、シーンまでの距離を決定することができる。

ソリッドステートＬＩＤＡＲシステム１は、図１に概略的に示されるように、シーンの照明に同期して反射レーザ光を検出および蓄積するように受光装置３００およびプロジェクタ１００を制御するためのコントローラ２００をさらに備える。さらに、ＬＩＤＡＲシステム１は、蓄積された反射レーザ光に基づいてシーンの物体までの距離を計算するように構成された処理手段４００を備える。実施形態において、コントローラ２００は、従来からのクロック回路または発振器を含むことができる同期手段を備える。処理手段４００は、一般に、検出された反射レーザ光に基づいて物体までの距離を計算するための当技術分野で公知のアルゴリズムを備えるプロセッサまたはコンピュータを備える。

他の実施形態において、ソリッドステートＬＩＤＡＲシステムは、シーンまでの距離を決定するために飛行時間技術を使用していないが、代わりに、例えば国際公開第２０１５／００４２１３号に開示されているように変位技術が使用される。これらの種類の変位ベースのＬＩＤＡＲシステムは、マルチピクセル検出器と、所定のスポット位置を参照してマルチピクセル検出器で検出された検出スポットの変位を判定することによって、物体までの距離などの物体の特性を決定するように構成された処理手段とを備える。以下でさらに詳細に説明されるように、本開示によるプロジェクタは、飛行時間ベースのＬＩＤＡＲシステムまたは変位ベースのＬＩＤＡＲシステムの両方に使用することが可能である。

実施形態において、本開示によるソリッドステートＬＩＤＡＲシステムは、少なくともプロジェクタ１００および受光装置３００を囲むハウジングを備える。他の実施形態において、本開示によるソリッドステートＬＩＤＡＲシステムは、プロジェクタ１００、受光装置３００、およびコントローラ２００を囲み、好ましくは処理手段４００も備えるハウジングを備える。

実施形態において、受光装置３００は、レーザ光の反射パターンを距離ゲーティングマルチピクセル検出器に投影するための対物レンズを備える。好ましい実施形態において、受光装置３００は、例えば昼光を除去するための狭帯域フィルタをさらに備える。

上述したように、物体までの距離を決定するために、複数のフレームが、平均物体距離を決定するために考慮される。したがって、離散スポットパターンによるシーンの照明が、複数の距離、すなわち単一フレーム距離測定値が得られるように、複数回繰り返され、複数の単一フレーム測定値の平均値を得ることを可能にする。フレームを、一般的には投影されるレーザビームにおけるパルスのパルス周波数Ｆ_Ｐよりもはるかに低いフレームレートＦ_Ｆで繰り返すことができる。図４に、フレーム６０の繰り返しの一例が概略的に示されており、フレームレートＦ_Ｆが示されている。この例には、３つのフレームの繰り返しが示されており、実際には、平均距離値を決定するためのフレームの繰り返し回数は、一般には、はるかに多い。図４に概略的に示されるように、各々のパルス列５０に続いて、露出値を読み出して取得データを処理するために、処理時間６５が必要である。到達可能なフレームレートＦ_Ｆは、典型的にはＨｚの範囲内であり、実施形態において、フレームレートは、例えば５Ｈｚ～５０Ｈｚである。フレームレートは、一般に、ＣＭＯＳ検出器の速度によって制限され、さらには、一般に、眼の安全規制によって制限される。

離散スポットパターンを生成するためのプロジェクタ、全般
本開示によるソリッドステートＬＩＤＡＲシステム１のためのプロジェクタ１００の一実施形態が、図１４ａに概略的に示され、図５にさらに詳細に示されている。プロジェクタ１００は、例えば一次元または二次元レーザアレイ１１０などのレーザアレイ１１０と、混合チャンバ１４０と、整形光学系１２０と、プロジェクタレンズシステム１３０とを備える。

混合チャンバを、中空三次元体と理解すべきである。図５において、点線の輪郭が混合チャンバ１４０を示しており、混合チャンバの周壁が参照番号１４０ａで示されている。混合チャンバ１４０の実施形態の例が、図１７ａおよび図１７ｂに示され、以下でさらに説明される。追加の構成要素を含む本開示によるプロジェクタの他の実施形態が、図１４ｂ～図１４ｈに示され、以下でさらに説明される。

レーザアレイ１１０は、複数の個別のソリッドステートレーザ光源１１１を備える。実施形態において、ソリッドステートレーザ光源１１１は、例えばＶＣＳＥＬ半導体レーザなどの半導体レーザである。

図５に示される実施形態において、ソリッドステートレーザ源は、典型的には、アレイの放射面Ｘ－Ｙに位置する発光面１１１ａを有する。レーザアレイ１１０は、各々のレーザ光源がプロジェクタの主光軸Ｚに平行な方向に発散する第１のレーザビーム１０を同時に放出するように動作可能である。図５に示されるこの例示的な実施形態において、プロジェクタの主光軸Ｚは、放射面Ｘ－Ｙに対して垂直である。このようにして、主光軸に平行な方向に伝搬する複数の平行な第１のレーザビームが得られる。

他の実施形態において、各々のソリッドステートレーザ光源の発光面は、必ずしもプロジェクタの主光軸Ｚに対して垂直ではない。実施形態において、レーザアレイは、例えば、おおむね湾曲した基板表面に形成されてもよく、これにより、個々のレーザビームのそれぞれの方向は、互いに厳密に平行ではなく、平均光軸からさまざまな程度に逸脱する。

実施形態において、第１のレーザビームは、連続波レーザビームである。他の実施形態において、第１のレーザビームはパルス状であり、ソリッドステートレーザ源によって放射されたパルス状の第１のレーザビームの各々は、時間パルス幅ＰＷを有する第１のパルスの時間的シーケンスを含む。

混合チャンバ１４０は、主光軸Ｚに沿って延びており、各々の第１のレーザビームの光線の少なくとも一部分が隣接する第１のレーザビームの光線と重なるまで、主光軸Ｚに平行な方向に第１のレーザビーム１０の各々を受け入れて伝搬させることができるように構成されている。実際、ソリッドステートレーザ源によって放射された第１のレーザビームは、例えば５°～１５°の間の発散角度を有する発散ビームであるため、第１のビームは、混合チャンバ内で所与の距離にわたって伝播した後に、重なり始める。重なりを、空間的な重なりと理解すべきである。

実施形態において、第１のレーザビームの発散角度は、２５°以下である。
上述のように混合チャンバを使用し、レーザビームの光線が隣接するレーザビームからの光線と重なることを可能にすることにより、各々の個別のレーザ源のコヒーレントレーザ光が、複数の他のレーザ源からのコヒーレントレーザ光と混合される。このように、第１のレーザビームの混合は、整形光学系１２０に入射する光のコヒーレンスの低下をもたらし、プロジェクタレンズシステム１３０によって放射されるスポットパターンを形成する第２のレーザビームのコヒーレンスを低下させる。

混合チャンバは、主光軸Ｚに沿って測定される長さＨを有する。混合チャンバの長さが長いほど、各々のレーザビームの光線は、他のレーザビームからの光線とより多く混合される。

実施形態において、混合チャンバの長さＨは、第１のレーザビームが混合チャンバを通って伝播した後に、各々の第１のレーザビームのレーザ光の２０％以上、好ましくは４０％以上、より好ましくは６０％以上が、隣接する第１のレーザビームと重なるように決定される。他の実施形態においては、混合チャンバを通って伝播した後に、各々の第１のレーザビームのレーザ光の１００％が、隣接する第１のレーザビームと重なる。

当業者であれば、一様なスポットパターンを生成するための均質なパワーフィールドを生成するために必要な混合の量に従って、混合チャンバの長さＨを定めるであろう。同時に、空間精度へのスペックルの影響を最小限に抑えるために、レーザ光のコヒーレンスは充分に低減されている。長さＨを決定するとき、ＬＩＤＡＲシステムをコンパクトに保つ必要性も考慮される。当業者であれば、例えば反復プロセスに従い、充分な量の混合が達成されるように長さＨを変更することによって、必要とされるレーザ光の重なりの量を決定することができる。混合チャンバの最適な長さＨを決定する方法について、他の例が、以下でさらにより詳細に説明される。

整形光学系１２０は、混合チャンバ１４０とプロジェクタレンズシステム１３０との間に位置する。整形光学系は、混合チャンバ１４０を出る第１のレーザビーム１０の重なり合う光線を受け取り、重なり合う光線を再び集束させて複数の個別の第２のレーザビーム２０を形成するように構成される。これらの第２のレーザビーム２０は、離散スポットパターン１５０を形成する。離散レーザビームを、空間的に分離されたビームと理解すべきである。

第１のレーザビームがパルス状のレーザビームである実施形態においては、第２のレーザビームもパルス状のレーザビームであり、パルス状の第２のレーザビームの各々は、時間パルス幅ＰＷを有する第２のパルスの時間的シーケンスを含む。実際、第２のレーザビームは、混合チャンバも整形光学系もレーザビームの時間パルス幅を変更しないため、第１のパルスレーザビームと同じ時間パルス幅ＰＷを依然として有する。また、第２のパルス状のレーザビームの周波数は、第１のパルス状のレーザビームの周波数と同じである。

実際、混合チャンバは、混合チャンバの長さに対応する所与の距離に沿って第１のレーザビームを発散させることだけを可能にする。

しかしながら、実施形態において、整形光学系１２０は、整形光学系によって形成される第２のレーザビームの数が第１のレーザビームの数よりも少ない場合、第１のビームの強度と比較して第２のビームの強度を変化させる可能性がある。

いくつかの他の実施形態において、整形光学系は、第１のレーザビームよりも低い強度を有する第２のレーザビームを生成する。

図３が、パルス状の第１および第２のレーザビームを有する実施形態に関する。図３には、パルス状の第２のレーザビームを形成するパルス１１の時間的シーケンスの一例が、概略的に示されている。このようなパルスの時間的シーケンスは、パルス列５０とも呼ばれる。この説明のための例には、５つのパルスのみが示されているが、実際には、パルス列内のパルスの数は、一般的には、はるかに多い。例えば、いくつかの実施形態において、パルス列内のパルスの数は、５０～５００個の間の範囲である。これらのパルスは、典型的には、ブロックパルスである。パルス１１の時間パルス幅ＰＷ、およびパルス周波数Ｆ_Ｐの逆数であるパルス周期Ｐ_Ｐが、図３に示されている。シーケンス内のパルスの数は、例えば眼の安全上の理由で制限される可能性があるパルス当たりの振幅などのさまざまな要因に依存することができ、かつ／または、パルスの数を、反射レーザ光を検出するための充分な信号対雑音比が得られるように定めることができる。

実施形態において、ソリッドステートＬＩＤＡＲシステム１のコントローラ２００は、複数の個別のソリッドステートレーザ光源の各々がＦ_Ｐ≦１／（ＴＯＦ_ｍａｘ＋ＰＷ）であるようなパルス周波数Ｆ_Ｐで第１のパルスを放射するように、レーザアレイ１１０を制御するように構成され、ＰＷは、上記で定義した時間パルス幅であり、ＴＯＦ_ｍａｘは、決定される必要がある所定の最大距離Ｄ_ｍａｘの最大飛行時間である。この最大距離Ｄ_ｍａｘを、ソリッドステートＬＩＤＡＲシステムの最大動作レンジと理解することができ、これが、シーン内の物体の検出および距離の決定が依然として可能な最大距離を定める。この最大距離Ｄ_ｍａｘは、例えば５０～５００メートルの間の値であってよい。Ｆ_Ｐを上記で定義した最大パルス周波数以下となるように定めることで、所与のパルスが放射されるときに、時間的シーケンスの次のパルスが、最大距離Ｄ_ｍａｘに位置する物体によって反射された先行のパルスが距離ゲーティングマルチピクセル検出器において検出されたときにのみ放射されることが保証される。これにより、エイリアシングとして知られる問題が回避される。

実施形態において、パルス列５０のパルス周波数Ｆ_Ｐは、図３に示されるように、典型的にはｋＨｚの範囲であり、例えば１０ｋＨｚ～５００ｋＨｚの間である。

上述したように、プロジェクタ１００は、プロジェクタレンズシステム１３０をさらに備える。プロジェクタレンズシステム１３０は、離散スポットパターンを形成する第２のレーザビームを受光し、第２のレーザビームによって形成されたこの照明パターン１５０をシーン９９に向けて投影するように構成された１つ以上の光学レンズを備える光学系である。

国際公開第２０１７／０６８１９９号に記載されているＬＩＤＡＲシステムなどの先行技術のシステムにおいて、プロジェクタレンズシステムは、複雑でカスタマイズされた高価なレンズシステムである。実際、ペッツバールフィールド曲率として周知のとおり、単一のレンズは一般に平坦な焦点面を有さないため、単純なプロジェクタレンズを使用することはできない。結果として、プロジェクタレンズシステムがスポットパターンをシーンに投影しているとき、スポットパターンのすべてのスポットの焦点が無限遠にあるわけではない。したがって、この非平坦な焦点面を補正するために、補正を適用する必要がある。

本開示によるプロジェクタのプロジェクタレンズシステム１３０は、整形光学系１２０を、その焦点面が湾曲し、プロジェクタレンズシステム１３０の湾曲した焦点面と一致するように設計することができるため、国際公開第２０１７／０６８１９９号のプロジェクタシステムと比べて単純化される。このようにして、単純なプロジェクタレンズを使用して、光パターンを投影することができる。実際、整形光学系１２０が湾曲した焦点面を提供するため、さらなる補正レンズは必要とされない。結果として、主光軸Ｚに沿ったプロジェクタレンズシステム１３０の長さが短くなる。したがって、この減少は、混合チャンバの追加に起因するプロジェクタの長さの増加を補償または部分的に補償することができる。実施形態において、以下でさらに説明されるように、Ｘ－Ｙ平面に垂直な平面内のプロジェクタレンズのサイズも縮小される。本開示によるプロジェクタレンズシステム１３０が、先行技術のプロジェクタレンズシステムと比較した場合にどのように単純化されるかを、以下でさらに説明する。

実施形態において、混合チャンバの内壁の少なくとも一部分は、図５および図８に概略的に示されるとおり、混合チャンバの周囲を越えて延びるレーザ光が反射によって混合チャンバ内に戻されるように、レーザ光を反射するための反射壁１７０である。

実際、光源の発散角度および混合チャンバの長さＨに応じて、アレイの周辺部分の光源によって放射された光は、反射壁に衝突し、反射によって混合チャンバ内に戻ることができる。さらに、反射壁は、より詳細にさらに説明されるように、第１のレーザビームの混合後に、主光軸に垂直な平面内で均質な光分布を得るうえで役に立つ。

反射壁１７０を形成するために、当業者であれば、例えば、レーザ光を反射するように滑らかで光沢のある材料を選択することができる。実施形態において、混合チャンバ１４０の内壁の少なくとも一部分は、レーザ光を反射するためのミラーを備える。

いくつかの実施形態において、混合チャンバの反射壁は、拡散反射とは対照的に、鏡面反射のために構成される。

本開示によるさらなる実施形態においては、１つ以上の光学レーザ光反射要素が、第１のレーザビームの移動経路を延長するために混合チャンバの内側に配置される。このようにして、第１のレーザビームの充分な混合を維持しながら、混合チャンバの長さＨを短くすることができる。

マイクロレンズアレイ
実施形態において、整形光学系１２０は、複数のマイクロレンズＭＬ［ｉ］を備える第１のマイクロレンズアレイ１２１を備える。第１のマイクロレンズアレイ１２１は、図１４ａ～図１４ｈにおいても参照番号１２１で示されている。例えば、図７に、第１のマイクロレンズアレイ１２１の３つのマイクロレンズ、ＭＬ［１］、ＭＬ［２］、およびＭＬ［３］を示す断面図が示されている。各々のマイクロレンズは、固有の光軸を有する。これらの複数のマイクロレンズの各々は、それぞれの第２のレーザビームを形成するように構成される。したがって、マイクロレンズの数が、形成される第２のレーザビームの数、したがって離散スポットパターン内のスポットの数を定める。

マイクロレンズアレイは、ＭＬＡと略されるが、例えばレンズなどの小型化された個々の光学素子のアレイを包含すると理解され、したがって、個々の光学素子の寸法の大きさの程度は、一般に、マイクロメートルからミリメートルの範囲である。

上述したように、離散スポットパターン内のスポットの数は、一般に、１００００から１０００００の範囲である。実施形態において、離散スポットの数は、例えば約２００００であり、したがって、これらの実施形態において、第１のマイクロレンズアレイのマイクロレンズの数は、２００００である。

実施形態において、マイクロレンズの単一素子サイズは、約７９マイクロメートルであり、マイクロレンズによって形成される投影スポットは、約１５マイクロメートルである。

いくつかの実施形態において、第１のマイクロレンズアレイのマイクロレンズの数は、レーザ光源の数に等しいが、他の実施形態においては、第２のビームのパルス強度が第１のビームのパルス強度よりも大きくなるように、第１のマイクロレンズアレイのマイクロレンズの数が、レーザ光源の数よりも少ない。

レーザ光源の数が第１のＭＬＡのマイクロレンズの数よりも多い実施形態は、いくつかの利点を有する。実際、シーンへと投影されるビーム当たりの出力が増加するだけでなく、個々のレーザ光源の故障の悪影響も低減される。

実施形態において、ＭＬＡのマイクロレンズの各々は、六角形の形状を有する。この種のマイクロレンズの構成によれば、約９５％の効率に達することができ、すなわち第１のレーザビームから第２のレーザビームへの変換時にレーザ光の５％が失われるにすぎない。

マイクロレンズアレイを、当技術分野で知られているフォトリソグラフィプロセスを使用して基板上に形成することができる。そのようなプロセスは、マイクロレンズが例えば３０マイクロメートル～１００マイクロメートルの直径などのマイクロメートル程度の直径と、３０マイクロメートル～１００マイクロメートルの範囲内の焦点とを有するマイクロレンズアレイを製造することができる。

いくつかの実施形態においては、例えば図１１に示されるように、第１のマイクロレンズアレイ１２１の個々のマイクロレンズＭＬ［ｉ］の光軸Ｚ_ｉが、主光軸Ｚに平行である。例えば図９および図１０に示される他の実施形態において、マイクロレンズＭＬ［ｉ］の光軸は、以下でさらに説明されるように、必ずしも主光軸Ｚに平行ではない。

実施形態において、マイクロレンズアレイは、上述の光学的問題、すなわちペッツバールフィールド曲率として知られるとおり、光学レンズの焦点面が平坦ではなく、湾曲しているという事実を補正するようにさらに構成される。実際、プロジェクタレンズシステムが、平面ではなく、湾曲した焦点面を有する場合、結果として、投影されるスポットパターンのすべてのスポットが無限遠に焦点を有するのではなく、スポットの一部のみが焦点の合った状態となる。したがって、すべてのスポットが表面積当たりの最大強度を有するわけではない。一般に、中央のスポットは焦点が合った状態であり、外側のスポットは焦点が合っていない。先行技術のＬＩＤＡＲシステムにおいては、この問題を改善するために、プロジェクタレンズシステムは、対物レンズに加えて、これらの光学収差を補正するための１つ以上の追加の補正レンズを備える。これは、プロジェクタをより高価にし、より大きくし、より複雑にする。

実施形態において、図８に概略的に示されるように、第１のマイクロレンズアレイ１２１は、各々のマイクロレンズＭＬ［ｉ］が、平面ＦＰ上に位置する焦点ＲＦＰ［ｉ］、より正確には後方焦点を備えるように構成され、平面ＦＰは、マイクロレンズアレイ１２１とプロジェクタレンズシステム１３０との間に位置する。

本開示による他の実施形態において、マイクロレンズアレイは、各々のマイクロレンズが、例えば図８に示されるような平面ではなく、曲面ＣＦＰ上に位置する焦点、より正確には後方焦点ＲＦＰ［ｉ］を備えるように構成される。曲面ＣＦＰは、図９～図１１に示されている。この曲面ＣＦＰは、プロジェクタの虚像面に相当する。より詳細には、曲面は、プロジェクタレンズシステムの湾曲した焦点面、より正確には湾曲した前方焦点面に相当する。換言すると、マイクロレンズアレイは、プロジェクタレンズシステムの湾曲した前方焦点面に一致する湾曲した後方焦点面を有する。このようにして、湾曲した焦点面を有するマイクロレンズアレイを設けることにより、プロジェクタ１００のプロジェクタレンズシステム１３０を、プロジェクタレンズのペッツバール曲率を補正するために種々の追加の補正レンズを必要とする例えば国際公開第２０１７／０６８１９９号に開示されているプロジェクタレンズシステムと比較して、大幅に単純化することができる。

実施形態において、湾曲した焦点面ＣＦＰは、プロジェクタレンズシステム１３０の湾曲した焦点面に対応する。

図１１に示される実施形態においては、上述のように、個々のマイクロレンズＭＬ［ｉ］の光軸Ｚ_ｉが、主光軸Ｚに平行である。

他方で、図９および図１０に示される実施形態においては、マイクロレンズＭＬ［ｉ］の少なくとも一部が、主光軸Ｚに平行でない光軸Ｚ_ｉを有する。好都合なことに、これらの実施形態に関して、プロジェクタレンズシステム１３０のサイズ、すなわち主光軸Ｚに垂直な平面内のサイズを、各々のマイクロレンズの光軸Ｚ_ｉが主光軸に平行である実施形態と比べて、低減することができる。例えば、プロジェクタレンズシステム１３０が標準的なプロジェクタレンズによって形成される場合に、プロジェクタレンズの直径を縮小することができる。

半導体レーザ光源
実施形態において、レーザアレイ１１０は、各々のＶＣＳＥＬチップがレーザエミッタのアレイを備えている１つ以上のＶＣＳＥＬ（垂直共振器型面発光レーザ）チップによって形成される。これらのレーザエミッタの各々を、個々のソリッドステート光源と理解すべきである。ＶＣＳＥＬエミッタは、発光面１１１ａを形成するＶＣＳＥＬチップの上面から垂直にレーザビームを放射する半導体レーザダイオードの一種である。ＶＣＳＥＬエミッタの発光面は、一般に円形であり、例えば１０マイクロメートル～２５マイクロメートルの範囲の直径など、マイクロメートル範囲の直径を有する。ＶＣＳＥＬエミッタのアレイが形成されるとき、個々のＶＣＳＥＬエミッタは、典型的には１０マイクロメートル～６０マイクロメートルの距離であるＶＣＳＥＬ間間隔だけ離れて位置する。例えば数百～数千個など、複数のＶＣＳＥＬエミッタを組み合わせることにより、一次元または二次元のレーザアレイが形成される。

ＶＣＳＥＬレーザの発光面から放射されるレーザ光は、一般的には３°～１５°の範囲内である半開口角度として定義される発散角度θ_VCSELを有し、すなわちレーザビームの開口角度または全幅は、６°～３０°の範囲内である。実際、レーザ光源によって放射されるレーザ光は、シーンを照明する離散スポットを維持するために、可能な限り小さくなければならない。ＶＣＳＥＬエミッタの発散角度θ_VCSELは、図１２に概略的に示されており、レーザビームの半開口角度または半幅として示されている。レーザビームの発散角度または幅の値は、一般に１／ｅ^２値として表される。

適切な発散角度θ_VCSELを選択するために、妥協がなされるべきである。一方では、発散角度は、小さいビームスポットを得るために可能な限り小さくなければならず、他方では、発散角度は、混合チャンバの長さＨが長くなりすぎないように、小さすぎてはならない。実施形態において、ＶＳＣＥＬは、発散角度θ_VCSELが３°～１５°の範囲内にあるように選択される。実施形態において、発散角度θ_VCSELは１０°である。

本開示による特定の実施形態において、ソリッドステートレーザ光源は、例えばタイルの一次元または二次元アレイが形成されるように、タイルの形態にグループ化される。タイルを、ソリッドステートレーザ光源のサブアレイと理解することができる。タイルＴ_ｉを形成する各々のサブアレイは、レーザアレイのソリッドステートレーザ光源の総数ＳＴが以下のように表されるように、タイルＴ_ｉに関連付けられたＳＴ_ｉ個のソリッドステートレーザ光源を含み、

ここで、ＮＴはレーザアレイのタイルの総数である。
そのようなタイルの実装形態の一例は、複数のレーザエミッタを備えるＶＣＳＥＬチップであり、各々のレーザエミッタが、ソリッドステートレーザ光源に対応する。したがって、これらの実施形態において、タイルＴ_ｉは、一般に、ＶＣＳＥＬタイルと呼ばれる。各々のＶＣＳＥＬタイルは、例えば、５００～２０００個のＶＣＳＥＬ光源を備えることができる。

実施形態において、レーザアレイ１１０を形成するために、複数のＶＣＳＥＬタイルを行および列に並べて、タイルの二次元アレイを形成することができる。例えば、長方形の二次元レーザアレイ１１０を、Ｎ行Ｍ列のＶＣＳＥＬタイルで形成することができ、ＮおよびＭは２以上である。タイルのサイズは、一般に、ミリメートルの範囲内である。タイルは、例えば２ｍｍ×２ｍｍ、または１ｍｍ×１ｍｍの寸法を有することができる。これらの種類のＶＣＳＥＬタイルは、市販されている。二次元アレイ１１０のタイルが、必ずしも同じ形状を有する必要はなく、あるいは同じ量のＶＣＳＥＬソースを有する必要はないことに、留意されたい。

タイルによって形成されたＶＣＳＥＬアレイのタイルは、タイル間間隔によって互いに離されている。タイル間間隔は、ミリメートルの範囲内である。実施形態において、タイル間間隔は、０．３ミリメートル以上、好ましくは０．５ミリメートル以上である。

各々のタイルに関して、ＶＣＳＥＬ間間隔は、０．１ミリメートル以下、好ましくは０．０５ミリメートル以下である。

実施形態において、ＶＣＳＥＬ間間隔は、１０マイクロメートル～３０マイクロメートルの範囲内である。

タイルを備えるＶＣＳＥＬアレイのタイルは、平面上または曲面上に配置されてよい。
タイルが長方形の形状を有し、タイルが規則的なＶＣＳＥＬパターンを形成するように配置されている実施形態において、タイル間距離は、二次元レーザアレイ１１０の全体において同じである。

実施形態において、レーザアレイ１１０は、図１２に概略的に示されるようなフロントエンドＶＣＳＥＬアレイである。フロントエンドＶＣＳＥＬアレイは、ＶＣＳＥＬレーザ光源１１１によって放射されたレーザ光が基板７０を横切ることがないアレイである。

図１２には、マイクロレンズアレイ１２１がレーザアレイ１１０の下流に配置されているプロジェクタの実施形態の一部が示されている。このマイクロレンズアレイ１２１は、離散スポットパターンを形成するための第２のレーザビームを生成するように構成された上述の第１のマイクロレンズアレイ１２１に対応する。

他の実施形態において、レーザアレイ１１０は、図１３に概略的に示されるようなバックエンドＶＣＳＥＬアレイである。バックエンドＶＣＳＥＬアレイは、ＶＣＳＥＬレーザ光源１１１によって放射されたレーザ光が基板７０を横切るアレイである。好ましい実施形態において、バックエンドＶＣＳＥＬアレイは、ＶＣＳＥＬマイクロレンズアレイとも呼ばれる第２のマイクロレンズアレイ１２２を備え、第２のマイクロレンズアレイ１２２は、各々のＶＣＳＥＬの発散角度θ_VCSELを小さくするように構成されたマイクロレンズＭＬ_{ＶＣＳＥＬ}［ｉ］を備える。そのような第２のマイクロレンズアレイは、例えば、ＶＣＳＥＬアレイ１１０の基板７０内にエッチングされる。バックエンドＶＣＳＥＬアレイの使用を可能にするために、基板７０はレーザ光に対して透明である必要がある。現時点において利用可能なバックエンドＶＣＳＥＬアレイは、例えば、９４０ナノメートルのレーザ光に対して透明である。図１３に示されるように、マイクロレンズＭＬ_{ＶＣＳＥＬ}［ｉ］を備える第２のマイクロレンズアレイを、第２のマイクロレンズアレイ１２２の下流に位置する第１のマイクロレンズアレイ１２１に加えて、プロジェクタの第２のマイクロレンズアレイ１２２と理解することができる。

さらなる実施形態において、ＶＣＳＥＬアレイは、マルチスタック型である。
混合チャンバ
上述したように、混合チャンバ１４０は、レーザアレイ１１０と整形光学系１２０との間に延在し、主光軸に沿って測定される長さＨを有する。

図１７および図１７ｂに、混合チャンバ１４０の実施形態の２つの例が概略的に示されている。主光軸Ｚに沿って延びる混合チャンバ１４０を、三次元中空体と理解すべきである。混合チャンバ１４０は、混合前のレーザ光を受光するための入口面１６０ａと、混合後のレーザ光を出射するための反対側の出口面１６０ｂと、中空体を形成するための周囲の側面１４０ａとを備える。混合チャンバの周囲の側面１４０ａを、混合チャンバの壁と理解すべきである。

いくつかの実施形態においては、図１７ａに示されるように、混合チャンバ１４０が直方体の形状を有し、直方体の４つの側壁が、混合チャンバの周囲の側面１４０ａを形成している。図１７ｂには、錐台の形状を有する混合チャンバ１４０の一例が示されており、入口面１６０ａが、出口面１６０ｂの表面よりも小さい表面を有している。図１７ａおよび図１７ｂにおいて、混合チャンバを形成する周囲の側面１４０ａは、ハッチングされた表面として図示されている。

典型的には、レーザアレイ１１０は、混合チャンバの入口面に配置され、第１のマイクロレンズアレイ１２１などの整形光学系は、混合チャンバの出口面に配置される。

実施形態において、混合チャンバは、レーザアレイを混合チャンバの入口面に機械的に結合させ、かつ／または整形光学系を混合チャンバの出口面に機械的に結合させるように構成される。このようにして、混合チャンバは、レーザアレイおよび／または整形光学系のための支持構造も形成している。

実施形態において、混合チャンバは、他の要素を支持するように構成される。
換言すると、混合チャンバ１４０は、第１のレーザビームを生成するレーザアレイと整形光学系との間の領域を形成している。この領域を、第１のレーザビームが混合しているキャビティと理解することができる。

上述したように、本開示によるプロジェクタの実施形態において、混合チャンバ１４０の内壁の少なくとも一部分、すなわち混合チャンバ１４０の周囲の側面１４０ａの内側の一部分は、レーザ光を反射するための１つ以上の反射壁１７０を備える。

実施形態において、混合チャンバは、例えば、レーザ光を反射させるうえで好適なプラスチック材料で作られる。

他の実施形態においては、周囲の側面１４０ａの内側部分が第１の材料で作られ、周囲の側面の外側部分が、第１の材料とは異なる第２の材料で作られる。したがって、第１の材料は、周囲の側面１４０ａの内側がレーザ光を反射するための反射壁１７０を形成するように、レーザ光反射材料となるように選択される。

混合チャンバの反射性の壁は、均質なスポットパターンをもたらし、換言すると、スポットパターンの周辺のスポットも、スポットパターンの中央部分に位置するスポットと同じ強度を有する。

図１４ａに示されるとおりのいくつかの実施形態において、混合チャンバ１４０は空であってよく、すなわち発散する第１のビームと干渉するいかなる追加の装置も含まなくてよい。図１４ｂ～図１４ｆに示される他の実施形態において、混合チャンバ１４０は、例えば第２のマイクロレンズアレイ１２２、ディフューザ１４５、サーキュレータ１４６、ブラッグ体積格子１４７、および／またはビームエキスパンダ１４８などの追加の要素を備えることができる。これらの追加の要素は、典型的には、第１のビームの混合に影響を及ぼすことができる要素である。そのような追加の要素を備えるこれらのさまざまな実施形態が、以下でさらに説明される。これらの追加の要素のうちの１つ以上を備えるこれらの実施形態において、混合チャンバは、追加の要素を支持するように構成され、したがって、これらの追加の要素のための支持構造体も形成する。

ミラーキャビティ、すなわち内側反射壁を有する混合チャンバを形成する主な利点は、光が閉じ込められ、ＶＣＳＥＬタイルまたはタイルのアレイの側面に典型的に存在する不規則性が存在しないことである。混合チャンバの結果として、投影システムによって生成されるスポットパターンは、スポットパターンの周辺に位置するスポットがスポットパターンの中央領域のスポットと同じ強度を有するように均一である。

混合チャンバのさらなる利点は、ＶＣＳＥＬアレイを汚染から保護することである。実施形態において、混合チャンバは気密であり、したがって、プロジェクタ内の例えば熱的起源の乱流が回避される。

好都合には、実施形態において、混合チャンバ内に配置された構成要素の経年劣化または劣化を回避するために、混合チャンバを不活性ガスで満たすことができる。

いくつかの実施形態においては、例えば混合チャンバ１７０が図１７ｂに示されるような錐台の形状を有する場合など、反射壁１７０がＶＣＳＥＬアレイ１１０の平面に対して垂直でない。したがって、ミラーキャビティの反射壁１７０を、ビームの発散角度を小さくするように向けることができ、これは、例えば本プロジェクタをシーンを照明するために使用するＬＩＤＡＲシステムのレンジおよび／または精度を向上させる。ミラーキャビティは、プロジェクタの他の構成要素に加えてこの機能を果たすことができ、随意により、以下で説明される第２のＭＬＡ １２２の使用を置き換えることができる。

混合チャンバを、第１のレーザビームのレーザ光が充分に混合されるように、充分に長くする必要がある。一般に、放射面Ｘ－Ｙに平行な混合面Ｐ_Ｍが、第１のレーザビームの光線が、光が均質に分布する程度まで重なり合う面として定義される。均質な光分布を、混合面Ｐ_Ｍの全体にわたって光強度が本質的に平坦である分布と理解すべきである。混合チャンバの長さＨは、一般に、混合面Ｐ_Ｍが混合チャンバの端部または整形光学系１２０の入口に位置するように定められる。整形光学系がマイクロレンズアレイを備える場合、混合面は、マイクロレンズアレイの直前に位置することができる。

他方で、混合チャンバ１４０の長さＨは、コンパクトなＬＩＤＡＲ装置を維持するために可能な限り短くなければならない。図６において、混合面Ｐ_Ｍは、混合チャンバの端部に位置するように示されている。

タイルがレーザ源として使用される場合、主光軸Ｚに沿って測定される混合チャンバの長さＨは、第１のレーザビームが混合チャンバを通って伝播した後に、各々のタイルについて、その光線の少なくとも一部が隣接するタイルの光線と重なり合うように定められる。重なり合いを、空間的な重なり合いと理解すべきである。実施形態において、各々のタイルのレーザ光の少なくとも２０％以上、好ましくは４０％以上、より好ましくは６０％以上が、隣接するタイルの光線と重なり合う。他の実施形態においては、各々のタイルのレーザ光の１００％が、隣接するタイルの光線と重なり合う。タイルを使用する場合に混合チャンバの長さについて最適な距離を定めるための手法が、以下に示される。

図６に概略的に示されるように、混合チャンバ１４０の最小長さＨを、以下の式で決定することができる。

ここで、Δは、２つの隣接するタイルの中心間の距離であり、θは、ＶＣＳＥＬレーザ源のビーム発散角度であり、Ｌは、長方形のタイルの辺の長さである。例えば、Δ＝２．５ｍｍであり、Ｌ＝２ｍｍであり、θ＝１０°である場合、Ｈ＞＝８．５ｍｍである。図３に、光源がＶＣＳＥＬアレイのタイルである実施形態が示されている。

タイルは使用されないが、例えば規則的なマトリクスを形成する複数の個々のＶＣＳＥＬによって光源が形成される他の実施形態においては、上述の式を適用して、混合チャンバ１４０について必要な最小距離Ｈを決定することができる。タイルが使用されないこれらの実施形態に関して、距離Δは、この場合には、２つの隣接するＶＣＳＥＬレーザ源の中心間の距離であり、例えば５０マイクロメートルであり、Ｌは、個々のＶＣＳＥＬの円形の発光面の直径であり、例えば１５マイクロメートルである。タイルが使用されない場合、第１のレーザビーム間の充分な空間的重なりを有するためにＨについて必要な最小距離は、はるかに短い。

複数の第１のレーザビームからの光線を含む第２のレーザビーム２０の形成が、図７に概略的に示されている。この例示的な例において、マイクロレンズＭＬ［２］は、第１のレーザビーム１０ａ、１０ｂ、および１０ｃからの光線の一部を受光する。マイクロレンズＭＬ［２］は、焦点距離ｆを有し、マイクロレンズＭＬ［２］を透過した光線を焦点面ＦＰに集光することで、第１のレーザビーム１０ａ、１０ｂ、および１０ｃの光線部分からなる第２のレーザビーム２０を形成する。マイクロレンズＭＬ［２］の焦点面ＦＰにおいて、ビームスポット幅Ｗおよび発散θ_SPOTを有する合成された第２のレーザビーム２０に対応するスポットの像が観察される。図７に示されるように、焦点面２０における第２のレーザビーム２０の幅Ｗを、以下の式ｔａｎ（θ_VCSEL）＝Ｗ／（２ ｘ ｆ）で求めることができ、θ_VCSELは、第１のレーザビーム１０ａ、１０ｂ、１０ｃの発散角度である。第２のレーザビーム２０の発散角度θ_SPOTを、以下の式ｔａｎ（θ_SPOT）＝（（Ｗ＋Ｐ）／（２ ｘ ｆ））で求めることができ、Ｐは、２つの隣接するマイクロレンズの中心間の距離である。図７には、複数の第１のレーザビームに基づいて第２のレーザビームを形成する原理の概略図のみが示されており、実際には、第２のレーザビームを形成するための重なり合う第１のレーザビームの数は、通常はもっと多い。

図８に、本開示によるプロジェクタ１００の実施形態の断面図が示されており、プロジェクタは、複数のＶＣＳＥＬタイルＴ［ｉ］によって形成されたレーザアレイ１１０、例えば二次元レーザアレイを備えている。各々のＶＣＳＥＬタイルは、第１のレーザビーム１０を生成する複数のＶＣＳＥＬレーザを備える。この例において、異なるタイルＴ［ｉ］に由来する複数の第１のレーザビーム１０が、混合チャンバ１４０を伝搬するときに混合されている。マイクロレンズアレイ１２１が、重なり合う光線を受け取り、マイクロレンズアレイの各々のマイクロレンズに共通の焦点面である焦点面ＦＰに再び集束させることによって、第２のレーザビームを最終的に形成する。第２のレーザビームの焦点面ＦＰへの集束が、図８に概略的に示されている。

上述したように、充分に大きいＶＣＳＥＬアレイを得る好ましい方法は、いくつかのＶＣＳＥＬタイルを組み合わせて、より大きなアレイにすることである。より小さいＶＣＳＥＬタイルは、より大きいタイルよりも高い歩留まりを有し、結果として、製造プロセスがより効率的になり、関連のコストが低くなる。そのようなタイルを集めてＶＣＳＥＬアレイにすると、結果として生じるタイル間距離は、一般に、タイル内のＶＣＳＥＬ間距離よりも大きくなる。これらの「継ぎ目」は、プロジェクタの視野ＦＯＶ内に、あまり照明されないバンドを存在させることになる。ＶＣＳＥＬアレイと第１のＭＬＡとの間の距離ｈを、隣接するタイルのビームが混ざり合い、第１のＭＬＡ １１０に入射するより均質なパワーフィールドおよびシーンのより均一な照明をもたらすように、選択できることが明らかである。このようにして、投影パターンの均質性を犠牲にすることなく、プロジェクタのコストを低減することができ、かつ／またはそのサイズを大きくすることができる。

より小さいタイルおよびより大きいタイル間距離を使用する可能性のさらなる効果は、熱的制約に陥ることなく、タイル当たり、したがってＶＣＳＥＬ当たりの電力供給をより大きくできることである。ＶＣＳＥＬ当たりの電力のこの増加は、個々のＶＣＳＥＬによって生成されたビームと比べて、シーンへと投影されるビーム当たりの出力を増加させ、これが、例えば、ＬＩＤＡＲシステムの検出器へと反射されて戻るレーザ光の量（すなわち、光子の数）を増加させる。ＬＩＤＡＲシステムのレンジおよび／または精度は、測定におけるポアソンノイズに強く依存し、このポアソンノイズは、後方反射光子の量が増加するにつれて減少するため、前記格差および結果としてのビーム当たりの出力の増加は、例えばシーンの照明に本プロジェクタを使用するＬＩＤＡＲシステムのレンジおよび／または精度を向上させる。

２つのマイクロレンズアレイを有するプロジェクタ
図１４ｂに示されるとおりの本開示の実施形態において、プロジェクタは、ソリッドステートレーザ光源（１１１）によって放射される第１のレーザビームの発散角度を減少させるための第２のマイクロレンズアレイ１２２を備える。第２のマイクロレンズアレイは、一般に、レーザアレイ１１０と第１のマイクロレンズアレイ１２１との間に配置される。

実施形態において、第２のマイクロレンズアレイは、第１のレーザビームの発散角度を制限し、例えば５°の最大発散角度に制限するように構成される。他方で、混合チャンバの目的は、第１のレーザビームを重なり合わせることであるため、発散角度を所与の最大値に制限することと、すべての第２のレーザビームについて均質な放射照度を有する第２のレーザビームを生成するために、第２のマイクロレンズアレイ上で均質な光分布を得るために必要な混合の量との間で、トレードオフが行われなければならない。

２つのマイクロレンズアレイを有するプロジェクタの実施形態は、図１４ａに示した第１のマイクロレンズアレイ１２１のみを備える上述の実施形態のすべての特性を保持する。第２のマイクロレンズアレイ１２２は、ＶＣＳＥＬアレイ１１０の出射側と第１のマイクロレンズアレイ１２１との間に位置する。好ましくは、第２のＭＬＡ １２２は、ＶＣＳＥＬアレイ１１０内のＶＣＳＥＬの数、すなわちレーザエミッタの総数以下の数のマイクロレンズを含む。好ましくは、第２のＭＬＡ １２２は、ＶＣＳＥＬアレイ１１０内の個々のレーザによって放射されるビームの発散を減少させるように設計される。

いくつかの実施形態において、レーザアレイは複数のＶＣＳＥＬチップで構成され、各々のＶＣＳＥＬチップは複数のレーザエミッタを備える。ＶＣＳＥＬチップのレーザエミッタを、ソリッドステートレーザ光源と理解すべきであり、ＶＣＳＥＬチップは、上述したＶＣＳＥＬタイルの実装形態の一例である。

レーザアレイ１１０がいくつかのＶＣＳＥＬチップから構成され、各々のＶＣＳＥＬチップが複数のレーザエミッタを備える実施形態において、第２のマイクロレンズアレイ１２２内のマイクロレンズの数は、レーザアレイのエミッタの総数以下である。エミッタの総数は、レーザアレイの各々のＶＣＳＥＬチップ内のすべてのエミッタの合計である。

第２のＭＬＡのマイクロレンズがそれぞれのＶＣＳＥＬの光軸に整列し、これらの光軸は厳密に平面のＶＣＳＥＬアレイの場合には平行であってよいいくつかの実施形態において、第２のＭＬＡ １２２は、ビームを折ることなく、ＶＣＳＥＬアレイによって放射されるビームの発散を減少させる。これが図１５ａに概略的に示されている。結果として得られるレーザビームの発散の減少は、第１のＭＬＡ １２１に入射する第１のビームの放射照度を増加させ、したがってプロジェクタレンズ１３０が受光する第２のビームの放射照度も増加する。結果として、プロジェクタによってシーンへと投影されるビームの角度放射照度が低減され、これは、例えば本プロジェクタを使用してシーンを照明するＬＩＤＡＲシステムのレンジおよび／または精度を向上させる。

実施形態において、第２のＭＬＡ １２２と第１のＭＬＡ １２１との間の距離を変化させることができ、そのような距離の変化は、第１のＭＬＡ １２１に到達する前にレーザビーム間で発生する混合の量に影響を及ぼす。

第２のＭＬＡのマイクロレンズが個々のＶＣＳＥＬのそれぞれの光軸に完全には整列していない代替の実施形態において、第２のＭＬＡ １２２は、ＶＣＳＥＬアレイ１１０によって放射されるビームの発散を減少させつつ、ビームを折ることもできる。換言すると、ディフューザ効果が存在し、第１のビームの角度混合を増加させる。これが図１５ｂに概略的に示されている。このディフューザ効果は、ビームの混合を増加させ、したがって第１のＭＬＡ １２１に入射するフィールドの均質性を向上させる。これは、シーンへと投影されるスポットパターンをより均質にすることができ、かつ／またはスポットパターンの均質性に悪影響を及ぼすことなく、第１のＭＬＡ １２１とＶＣＳＥＬアレイ１１０との間の距離を短縮することを可能にする。不完全な整列の場合、第２のＭＬＡ １２２の存在は、例えば、本プロジェクタを使用するＬＩＤＡＲシステムの正確度および精度／レンジの両方を向上させることができる。

上述したように、レーザアレイ１１０が図１３に概略的に示されるとおりのバックエンドＶＣＳＥＬアレイである実施形態に関して、そのような第２のマイクロレンズアレイ１２２は、例えば、ＶＣＳＥＬアレイ１１０の基板７０内にエッチングされ、ＶＣＳＥＬの各々の発散角度θ_VCSELを低減するように構成される。

いくつかの実施形態においては、レーザビームの発散角度を低減するために第２のＭＬＡを使用する代わりに、レーザビームの発散角度を低減するために１つ以上のプリズムが使用される。

ディフューザを有するプロジェクタ
本開示によるソリッドステートプロジェクタのさらなる例が、図１４ｃに概略的に示されている。明確にするために、一般性を失うことなく、図示のこの実施形態は、図１４ｂに示した実施形態のすべての特性を保持し、第１のＭＬＡ １２１と第２のＭＬＡ １２２との間に別個のディフューザ１４５をさらに備える。これを、第２のＭＬＡ １２０を欠く実施形態を排除すると解釈すべきではない。

図１４ｃに示されるように、ディフューザ１４５は混合チャンバ１４０内に含まれ、好ましくは、これらの実施形態において、混合チャンバ１４０はディフューザ１４５を支持するように構成される。

第２のＭＬＡ １２２を備えるいくつかの実施形態において、ディフューザ１４５を第２のＭＬＡ １２２のより近くに配置することができるが、図１４ｃに概略的に示される他の実施形態においては、ディフューザ１４５を第２のＭＬＡ １２２からさらに離して配置することができる。

いくつかの実施形態において、ディフューザは第２のＭＬＡ １２２に取り付けられる。実施形態において、ディフューザまたはディフューザ機能は、第２のＭＬＡ １２２の一体の一部分とされる。

ディフューザは、ＶＣＳＥＬ源からもたらされる光を均一に分配するために対物レンズによる回折および屈折によって光を散乱させる光学部品である。これは、角度および／または位置とは無関係の放射輝度を有するように光を均質化し、したがって第１のＭＬＡに入射する光は、より均一な特性であり、第１のＭＬＡの後に均質なスポットパターンを生じる。

ディフューザは、典型的には、対象の波長において異なる光学屈折率を有する２つの材料の間のパターン化表面から作られる。好ましくは、屈折率の対比が大きく、容易に製造可能であり、例えば容易に成型可能な材料が使用される。例えば、これらに限られるわけではないが、以下の材料の組合せを使用することができる：ガラス／空気、プラスチック／空気、ＡｌＧａＡｓ／空気、エポキシ／空気、モールド内の硬化液晶、エポキシ／エポキシ、プラスチック／プラスチック。実施形態において、例えば、ガラス／液体の組合せなどのコロイド懸濁液が使用される。

その動作原理は、異なる光学材料の縁部における屈折および回折特性に基づく拡散光に基づく。この界面は、典型的には、固定パターンを回避するように非周期的であり、したがって拡散は半ランダムであり、好ましくは偏光に依存せず、充分である。

図１９に、第２のＭＬＡ １２２からもたらされるレーザ光がディフューザ１４５を横切っている実施形態が示されており、ディフューザを横切ることによって生じるレーザ光の混合が概略的に示されている。

ディフューザ１４５は、角度ビーム混合を増加させ、第１のＭＬＡ １２１に入射するフィールドをより均質にする。したがって、ディフューザは、プロジェクタによって投影されるスポットパターンの均質性に悪影響を及ぼすことなく、第１のＭＬＡ １２１と第２のＭＬＡ １２２との間の距離を縮小する可能性をもたらすことができる。しかしながら、角度ビーム混合の増加は、プロジェクタの角度放射照度の減少につながる。

個々のＶＣＳＥＬによって放射される波長には小さなばらつきが存在するため、ディフューザ１４５は、ビームの角度混合だけでなく、波長混合も提供する。波長混合は、投影されるスポットパターンの波長スペクトルを増加させ、したがってコヒーレンスを減少させる。コヒーレンスのこの減少は、投影におけるスペックルパターンの存在を減少させ、したがって、例えば本プロジェクタを使用してシーンを照明するＬＩＤＡＲシステムの正確度を高める。しかしながら、広い波長スペクトルは、ＬＩＤＡＲの検出器側に狭帯域フィルタが必要になるため、そのようなＬＩＤＡＲ機器のレンジおよび／または精度に有害な影響を及ぼす。

投影されるスポットパターンの角度放射照度、投影されるスポットパターンの均質性、投影されるスポットパターンの波長スペクトル、および光学スタックの厚さの間のバランスを達成するために、ディフューザを、第１のＭＬＡ １２１、第２のＭＬＡ １２２（存在する場合）、およびＶＣＳＥＬアレイ１１０のＶＣＳＥＬの特性に従って調整する必要があることを、当業者であれば理解できるであろう。

サーキュレータを有するプロジェクタ
本開示によるプロジェクタのさらなる実施形態が、図１４ｄに示されている。明確にするために、一般性を失うことなく、図示のこの実施形態は、図１４ｃの実施形態のすべての特性を保持し、光学サーキュレータ１４６をさらに備える。これを、第２のＭＬＡ １２２および／またはディフューザ１４５を欠く実施形態を排除すると解釈すべきではない。

いくつかの実施形態において、上述のようなディフューザ１４５での混合は充分ではなく、別の光学素子、すなわちサーキュレータ１４６が、好ましくは上述のディフューザと組み合わせて使用される。

図１４ｄに示されるように、サーキュレータ１４６は混合チャンバ１４０内に含まれ、好ましくは、サーキュレータを備える実施形態において、混合チャンバ１４０はサーキュレータ１４６を支持するように構成される。

サーキュレータ１４６は、空間ビーム混合を提供する目的を有する。好ましくは、サーキュレータは、ＶＣＳＥＬアレイ１１０とディフューザ１４５との間に配置され、あるいは第２のＭＬＡ １２２を備える実施形態に関して、第２のＭＬＡ １２２とディフューザ１４５との間に配置される。この位置において、ビーム角度は、通常は、ディフューザ１４５と第１のＭＬＡ １２１との間におけるビーム角度よりも小さい。これは、より大きな空間的混合をもたらすことができ、同じ効率をより薄いサーキュレータを使用して得ることを可能にする。もたらされる空間的混合は、第１のＭＬＡ １２１に入射するフィールドをより均質にし、したがってシーンへと投影されるスポットパターンをより均質にし、これは、例えば本プロジェクタを使用してシーンを照明するＬＩＤＡＲシステムの正確度を高める。ディフューザおよびサーキュレータを使用して混合を強化した結果として、得られるレーザ光は、スペックルノイズがさらに低減されるようにさらに非コヒーレントである。

サーキュレータは、例えば一種の半透明／半反射要素によって、好ましくは９０°だけ部分的に回折／屈曲させ、入射ｖｃｓｅｌ光線を部分的に通過させる原理によって、ＶＣＳＥＬ光線の空間的混合を増加させる。サーキュレータは、その動作原理により、ｖｃｓｅｌ光線を入射場所から次のより離れた場所へと部分的に伝搬させ、そこでそれはサーキュレータを部分的に出る。これは、ｖｃｓｅｌビームの空間的混合をさらに増加させ、したがってＭＬＡ１に入射する光の均質性を改善する。

サーキュレータは、典型的には、例えばプラスチックまたはガラスから作られ、光路に含まれるいくつかの半反射／半透明ミラー構成要素を有する。透過光と反射光との間の所定の分配が存在する。その動作原理は、入射光線を部分的に反射し、部分的に通過させることに基づく。反射の種類は、材料の選択に依存し、例えば、フラストレーション全内部反射、２つの光学媒体に起因する部分反射、金属反射、偏光ビームスプリッタに依存する。通過および反射の割合は、光線の光路に配置される反射構成要素の透明度によって決定される。

下部層および上部層を、使用の波長スペクトルに関する反射防止コーティングでコーティングすることが好ましく、有利でもある。

図１８に、サーキュレータ１４６の実施形態の例が示されている。図示のサーキュレータ１４６は、透明ミラー１４６ａ、すなわち一定量まで透明なミラーを備える。例えば５０％の透明など、例えば２０％～８０％の間の透明である。図１８においては、４つの透明ミラー１４６ａが概略的に示されており、点線の斜線で描かれている。入射レーザ光は、一部が透明ミラーを通過し、一部が入射レーザ光に対して垂直な方向に反射される。第１の透明ミラーによって反射されたレーザ光は、隣接する透明ミラーによって少なくとも一部が再び反射され、したがって再び元の入射レーザ光として向けられる。このようにして、レーザ光が空間的に混合される。図１８において、入射レーザ光、反射レーザ光、および透過レーザ光は、黒矢印で概略的に示されている。

ブラッグ体積格子を有するプロジェクタ
本開示によるプロジェクタのさらなる実施形態が、図１４ｅに示されている。明確にするために、一般性を失うことなく、図示のこの実施形態は、図１４ｄの実施形態のすべての特性を保持し、ブラッグ体積格子１４７をさらに備える。これを、第２のＭＬＡ １２２および／またはディフューザ１４５および／またはサーキュレータ１４５を欠く実施形態を排除すると解釈すべきではない。

ブラッグ体積格子は、第１のレーザビームの波長分散を低減するように構成されたデバイスである。

好ましくは、ブラッグ体積格子１４７は、ＶＣＳＥＬアレイ１１０とディフューザ１４５との間に配置される。ブラッグ体積格子１５０は、例えばガラス製である。

ブラッグ体積格子１４７は、自己結像とも呼ばれるが、ＶＣＳＥＬアレイ１１０に出射光の一部を回折によって戻すことで、光注入同期の現象によってＶＣＳＥＬ波長の固定を生じさせる。典型的には、ＶＣＳＥＬアレイ内の個々のＶＣＳＥＬによって放射される波長の分散は、２～３ｎｍである。ブラッグ体積格子１４７を追加することにより、この分散を、典型的には０．２～０．３ｎｍへと一桁減少させることができる。

好ましくは、ブラッグ体積格子は、光出力の損失をもたらさないように設計され、ＶＣＳＥＬの全出力が、より小さい波長スペクトルにて放射されるはずである。

波長の分散の低減は、例えば本プロジェクタを使用してシーンを照明するＬＩＤＡＲシステムの検出器において、より狭い帯域のフィルタの使用を可能にし、したがって検出器の信号対雑音比を向上させ、結果としてこのＬＩＤＡＲシステムのレンジおよび／または精度を向上させる。出射ビームのより狭い帯域幅について考えられる副作用は、プロジェクタによるスペックルの発生の増加である。

ブラッグ体積格子１４７は、個々のＶＣＳＥＬによって放射されるビームの波長を、ＶＣＳＥＬの温度およびＶＣＳＥＬを通過する電流にあまり依存しないようにする。結果として、ビームパルスの最中の動的な波長シフトが低減される。この低減は、例えば本プロジェクタを使用してシーンを照明するＬＩＤＡＲシステムの検出器において、より狭い帯域のフィルタの使用を可能にし、したがって、このＬＩＤＡＲシステムのレンジおよび／または精度を向上させる。

好ましくは、ブラッグ体積格子１４７は、ＬＩＤＡＲシステムの検出器側の狭帯域フィルタの波長ブルーシフトとマッチするようにＶＣＳＥＬアレイの波長を空間的に掃引することができるように設計される。あるいは、このマッチングを、ＶＣＳＥＬタイルを波長の関数としてソートし、狭帯域フィルタとのマッチングのためにＶＣＳＥＬアレイ内の正しい位置に配置することによって、実行することができる。

好ましくは、ブラッグ体積格子１４７は、出射ビームの発散を低減する。そのような発散の低減は、プロジェクタシステムの角度放射照度を増加させ、これは、例えば本プロジェクタを使用してシーンを照明するＬＩＤＡＲシステムのレンジおよび／または精度を向上させる。この発散の低減について生じ得る副作用は、第１のＭＬＡ １２１に入射するビーム間の角度混合の減少、およびプロジェクタによって投影されるスポットパターンの均質性の対応する減少である。

図１４ｅに示されるように、ブラッグ体積格子１４７は混合チャンバ１４０内に含まれ、好ましくは、これらの実施形態において、混合チャンバ１４０はブラッグ体積格子１４７を支持するように構成される。

ビームエキスパンダを有するプロジェクタ
ビームエキスパンダ１４８を備える本開示によるプロジェクタのさらなる実施形態が、図１４ｆに示されている。ビームエキスパンダ１４８は、第１のマイクロレンズアレイに入射する配光の均質性を高めるように構成されたデバイスである。ビームエキスパンダ１４８の使用は、上述したように、レーザアレイ１１０が複数のサブアレイを形成するタイルで構成される場合に、とくに有用である。さらなる実装の詳細を含むビームエキスパンダ１４８の詳細な実施形態が、図１６ａおよび図１６ｂに示されている。

明確にするために、一般性を失うことなく、図１４ｆに示されるとおりの実施形態は、図１４ｅの実施形態のすべての特性を保持し、ビームエキスパンダ１４８をさらに備える。しかしながら、これを、第２のＭＬＡ １２２および／またはディフューザ１４５および／またはサーキュレータ１４６および／またはブラッグ体積格子１４７を欠く実施形態を排除すると解釈すべきではない。

ビームエキスパンダを、とりわけ半透明な構成要素を光路内に配置することによって、レーザ光を空間的に異なる位置に向かって屈曲／回折させる光学素子と理解すべきである。そのような構成要素は、入射レーザ光を部分的に通過させ、９０°にわたって部分的に屈曲させて、光学構成要素からの出射のための別の位置へと伝搬させる。

ビームエキスパンダの目的は、第１のＭＬＡ １２１に入射するより均質な光フィールドを作り出すことであり、より具体的には、典型的には２つのタイル間の距離に起因してより低い放射輝度を示すＶＣＳＥＬタイルの相互接続部において平準化された放射輝度を作り出すことを目的とする。

ビームエキスパンダは、典型的には、例えばプラスチックおよび／またはガラスから製作され、光路内に配置された半透明半反射構成要素に作用し、あるいは正／負レンズのカスケードによって実現することができる。

好ましくは、ビームエキスパンダ１４８は、ＶＣＳＥＬアレイ１１０と第１のＭＬＡ １２１との間に配置され、あるいはブラッグ体積格子１４７が存在する場合には、ＶＣＳＥＬアレイ１１０とブラッグ体積格子１４７との間に配置される。上述したように、ビームエキスパンダ１４８は、タイル間領域の照明を増加させ、第１のＭＬＡ １２１に入射するパワーフィールドをより均質にし、結果としてシーンのより均一な照明をもたらすという目的を有し、これは、例えば本プロジェクタを使用してシーンを照明するＬＩＤＡＲシステムの正確度を高める。このようにして、投影されるパターンの均質性を犠牲にすることなく、ＶＣＳＥＬタイルのサイズ、したがってプロジェクタの価格を下げることができ、かつ／またはＶＣＳＥＬタイルの数、したがってプロジェクタのサイズを増やすことができる。

一般性を失うことなく、図１６ａおよび図１６ｂの各々は、２つのタイル１００ａ、１００ｂに関するビームエキスパンダの動作の原理を示しており、この原理によって、ビームエキスパンダ１４８は、本来であればタイル間の継ぎ目の存在に起因して現れる低強度のギャップを埋めるように動作する。これらの原理を、二次元アレイに配置されたタイルを含む任意の数のタイルに適用することができ、その場合、それらは、結果として生じる継ぎ目の格子によって形成される低強度ゾーンを埋めるように動作することを、当業者であれば理解できるであろう。

図１６ａに示される実施形態において、ビームエキスパンダ１４８は、タイル表面に対して４５°の角度で配置された複数の傾斜ミラー１４８ａ、１４８ｂ、１４８ｃを備える。タイル１００ａ、１００ｂから生じるレーザ光が参照符号１４８ａおよび１４８ｂで示されるミラーに到達すると、レーザ光は４５°の角度にわたって反射され、したがって参照符号１４８ｃで示されるさらなるミラーに到達するまでタイルに平行に移動する。次いで、このさらなるミラー１４８ｃが、４５°の角度にわたって光を再び反射させ、したがってレーザ光は再びタイル１００ａ、１００ｂに対して垂直になる。図１６ａにおける水平方向の矢印は、参照符号１４８ａおよび１４８ｂで示されるミラーにおける反射後のレーザ光を示す。参照符号１４８ｃで示されるミラーが、２つのタイルの間の領域に配置されているため、レーザ光は２つのタイルの間の領域にも到達し、したがってタイル間に低強度のギャップは発生しない。

他の実施形態において、ビームエキスパンダは、図１６ｂに示されるように、各々のタイルについて、タイル表面に平行に配置された１対の負レンズＬ－および正レンズＬ＋を備える。このようにして、レーザ光は最初に負レンズによって広がり、したがってタイル間領域に到達する。その後に、レーザ光は正レンズによって再び集光され、したがってレーザ光は再び主軸Ｚに沿って伝搬する。

図１４ｆに示されるように、ビームエキスパンダ１４８は混合チャンバ１４０内に含まれ、好ましくは、ビームエキスパンダ１４８を備えるこれらの実施形態において、混合チャンバ１４０はビームエキスパンダを支持するように構成される。

図１４ｇおよび図１４ｈに、混合チャンバが反射内壁１７０を備えるプロジェクタ１００のさらなる実施形態が示されている。このようにして、ミラーキャビティが形成される。図１４ｇおよび図１４ｈに示される例において、プロジェクタ１００は、図１４ｆに示されるプロジェクタの構成要素を備えているが、他の実施形態において、プロジェクタは、図１４ａ～図１４ｆに示されるプロジェクタのいずれかの構成要素またはそれらの任意の組合せを備えることができる。

検査孔を有する混合チャンバ
実施形態において、混合チャンバ１４０、より具体的には周囲の側面１４０ａは、プロジェクタの動作を検査するための検査開口部を備える。図１４ｈに、混合チャンバの周囲の側面が反射壁１７０で作られ、検査開口部１８０が反射壁１７０を貫通して設けられている実施形態の例が示されている。このようにして、使用中にプロジェクタの動作を監視することができる。好ましくは、これらの検査開口部１８０は、例えば特定の光学部品の位置または異なる光学部品の間など、さまざまな高さに配置される。一般性を失うことなく、図１４ｈは、そのような検査開口部１８０のための３つの可能な位置の例を示している。

検査開口部が設けられると、ミラーキャビティ内の一部の光が検査開口部１８０に向かって伝播し、結果として、プロジェクタシステムによって放射された光を、開口部１８０を介して光学スタックの異なるレベルにおいて分析することができる。この分析を、例えば、検査開口部に配置された光フォトダイオード１９０ａを使用し、あるいは光学キャビティの外側のＰＣＢに取り付けられたカメラ１９０ｂを使用して行なうことができる。

検査開口部１８０は、放出されたビームの品質を動作中に監視するという利点をもたらし、得られた情報を、光学スタック内の個々の構成要素の性能を評価し、誤動作を診断し、保守または部品交換を計画し、あるいは制御システムにフィードバックをもたらすために使用することができる。

距離ゲーティング検出技術、全般
上述したように、ＬＩＤＡＲシステムのいくつかの実施形態において、反射レーザ光を検出するためのマルチピクセル検出器は、シーンの物体までの距離を決定するために距離ゲーティング検出技術をパルスレーザビームとの組み合わせにおいて適用している。これは、直接飛行時間技術とは異なる技術である。距離ゲーティング技術を、反射レーザ光が時間の関数として検出および蓄積される検出技術と理解すべきである。検出および蓄積は、一般に、時間ウインドウにおいて実行され、距離ゲーティング技術は、少なくとも２つの連続する時間ウインドウを使用する。上述したように、処理手段が、距離ゲーティングマルチピクセル検出器で得られて蓄積された反射レーザ光に基づいて、シーンの１つ以上の物体までの距離を計算する。

ＤＴｏＦ技術をパルスレーザビームと組み合わせて適用する場合、数ナノ秒のパルス幅が使用され、すなわちパルス幅が、測定されるＴＯＦよりもはるかに短い。他方で、距離ゲーティング技術を適用する場合、使用されるパルス幅ははるかに長く、測定されるＴＯＦにおおむね等しく、あるいは測定されるＴＯＦ程度である。例えば、物体が１００メートルの距離にある場合、光が行き来するために約６６６ナノ秒が必要である。より広いパルスの使用は、検出器がより長い時間区間にわたって電荷を蓄積することを可能にする。ソリッドステートレーザビームは従来からのレーザビームよりも出力が低いが、充分なパルスの繰り返しを使用する場合、距離ゲーティング技術を使用して、ＣＭＯＳベースの検出器で充分な信号対雑音比を得ることができる。

距離ゲーティング技術の例が、国際公開第２０１７／０６８１９９号から知られている。距離ゲーティング技術のためのマルチピクセル検出器は、レーザビームのパルスの時間的シーケンスのすべてのパルスについて、第１の所定の時間ウインドウの間にシーンによって反射された第１の光量を表す第１の電荷量と、第２の所定の時間ウインドウの間にシーンによって反射された第２の光量を表す第２の電荷とを蓄積することによって、検出された反射レーザ光の各々のスポットについて露出値を生成するように構成された複数のピクセルを備える。第２の所定の時間ウインドウは、第１の所定の時間ウインドウの後に続いて発生している。シーンの物体までの距離は、第１および第２の電荷量に基づいて計算される。実施形態において、第１の所定の時間ウインドウおよび第２の所定の時間ウインドウは、実質的に等しい持続時間であり、照明パターンを形成するパルスのパルス幅Ｐ_Ｗに等しい。

しかしながら、本開示によるプロジェクタの使用は、特定の距離ゲーティング技術に限定されず、したがって国際公開第２０１７／０６８１９９号に開示されている特定の距離ゲーティング技術に限定されず、実際に、時間の関数として反射レーザ光を検出および蓄積する原理を使用する他の距離ゲーティング技術も適用可能である。

距離ゲーティング検出技術、距離の正確度

本開示は、少なくとも部分的には、周囲光からの背景ノイズ、ピクセルノイズ、または例えばＴＯＦ応答時間に起因するノイズなどのノイズ寄与を低減し、あるいはそのようなノイズ寄与から検出信号を補正するための強力な努力にもかかわらず、国際公開第２０１７／０６８１９９号に記載されているようなＬＩＤＡＲシステムで得られる空間精度が、理論的に期待される内容、すなわち例えば９９．９９％の信頼区間内で実際の距離に等しい平均決定距離の発見に至らないという本発明の発明者の観察に基づく。ポアソンノイズを低減するための充分な多数回の距離測定の実行後でも、測定された平均距離が、期待される空間精度よりもはるかに著しく実際の距離から依然として異なることが観察されている。国際公開第２０１７／０６８１９９号に記載のとおりのソリッドステートＬＩＤＡＲシステムで行われた複数の試験についての本発明の発明者の分析は、既知の系統的ノイズ要素の較正後に、コヒーレントレーザ光の空間的に分離されたパルスを生成するＬＩＤＡＲシステムを距離ゲーティング検出技術と組み合わせて使用する場合の残りの主要なノイズ寄与が、スペックル関連ノイズであるという本発明の発明者の洞察をもたらした。

スペックルノイズは、レーザ光を反射する物体との交点において干渉効果によって引き起こされる半ランダムノイズであり、反射レーザ光によって伝搬して、検出器にさらに蓄積され、距離ゲーティング検出器における積算電荷にノイズを付加する。スペックルは、レーザ光の反射を不均一にし、物体の材料構造に依存する。スペックルパターンは、時間の関数としても変化し、したがってスペックルは、パルスレーザビームのパルスをまたいで変化し、パルス幅内でも変化する。反射レーザ光が投影されたパルスの時間的シーケンスに対応する複数の検出時間ウインドウにおいて蓄積される距離ゲーティング技術を適用する場合、スペックルの影響が、或る検出時間ウインドウと他の検出時間ウインドウとで変化する可能性があり、検出時間ウインドウの間に電荷を積分する複数のピクセルまたは電荷ウェルにわたって異なることが観察される。例えば国際公開第２０１７／０６８１９９号に記載されているように、距離ゲーティング技術を適用する場合、パルスのシーケンスにわたる累積カウントは、一般に、第１の時間ウインドウおよび後続の第２の時間ウインドウで検出される。距離を決定するために、第１の時間ウインドウで検出された累積カウントと、第１の時間ウインドウで検出された累積カウントと第２の時間ウインドウで検出された累積カウントとの和との間で、比が決定される。したがって、そのようなカウントの比を求めるときに、スペックルが時間ウインドウごとに変化すると、実際の距離と測定された距離との間に較正不可能な偏差が生じる。したがって、空間精度が悪くなる。

支配的なスペックルノイズの寄与は、レーザ光の特性、ならびにレーザ光の離散スポットパターンでシーンを照明し、各々のスポットはコヒーレントレーザ光のパルスのシーケンスによって形成され、これがＴＯＦ程度の時間期間にわたって電荷を積分する距離ゲーティング検出器の使用と組み合わせられる組合せの結果であると考えられている。対照的に、ＤＴｏＦ ＬＩＤＡＲシステムでは、ナノ秒範囲のきわめて短いパルスが使用され、距離ゲーティング技術の場合のような電荷の積分は存在しない。したがって、スペックルノイズは、これらの種類のＤＴｏＦシステムにおいては主要な問題として観察されない。ソリッドステートＬＩＤＡＲシステムのコンパクトさに鑑み、レーザ光の離散スポットによるパターン照明に基づき、かつ距離ゲーティング技術に基づくそのようなシステムのランダムスペックル問題を解決することは、困難である。

他の検出技術
本開示によるプロジェクタは、距離ゲーティング技術に基づくＬＩＤＡＲシステムにおける使用に限定されない。本開示によるプロジェクタは、距離決定に適した任意の距離検出技術と共に使用することができる。距離ゲーティング以外の他の例は、直接飛行時間検出技術、または距離情報を推定するために基準位置に対するスポットの変位が決定される変位技術である。

検出技術とは無関係に、本開示によるプロジェクタを使用するＬＩＤＡＲシステムの技術的効果および利点は、基礎となる投影システムの特徴に直接関連する。上述したように、プロジェクタは、プロジェクタレンズシステムによって生成される結果として生じる光パターンが均一になり、すなわちスポットパターンの周辺に位置するスポットを含むスポットパターンのすべてのスポットが同じ光強度を有するように、レーザ光を混合する混合チャンバを有する。さらに、プロジェクタは堅牢であり、実際に、光源の混合ゆえに、例えばＶＣＳＥＬチップのエミッタなどの単一の光源が機能していない場合でも、個々のスポットの光強度への影響は無視できる。加えて、レーザアレイを、複数のＶＣＳＥＬチップ、すなわちＶＣＳＥＬタイルで好都合に構成することができ、これは、レーザアレイの製造プロセスおよびコストを容易にする。最後に、混合によってコヒーレントでないレーザ光がもたらされ、したがってスペックルノイズの影響が低減される。

本開示によるＬＩＤＡＲシステムは、車両への組み込みに適している。車両に組み込まれたＬＩＤＡＲシステムは、車両を取り囲む領域の少なくとも一部を動作可能にカバーするように配置される。領域の少なくとも一部は、距離決定を必要とするシーンに対応する。カバーされる領域は、ＬＩＤＡＲ装置の視野（ＦＯＶ）に依存し、実施形態において、ＦＯＶは、例えば３０°×１０°または１２０°×３０°または６３°×２１°またはＬＩＤＡＲシステムに適した任意の他のＦＯＶである。本開示によるＬＩＤＡＲシステムは、自動車用途のＬＩＤＡＲＳに限定されず、ＬＩＤＡＲＳが例えば航空機または衛星に搭載される他の分野にも適用可能である。

符号

Claims (41)

1. 離散スポットパターン（１５０）でシーン（９９）を照明するためのプロジェクタ（１００）であって、
   ・発散する第１のレーザビーム（１０）を放射するように動作することができる複数の個別のソリッドステートレーザ光源（１１１）を備えるレーザアレイ（１１０）と、
   ・主光軸（Ｚ）に沿って延びており、前記第１のレーザビーム（１０）の各々を受光し、各々の第１のレーザビームについて、光線の少なくとも一部分が隣接する第１のレーザビームの光線と重なり合うまで前記第１のレーザビーム（１０）の各々が発散することを可能にするように構成された混合チャンバ（１４０）と、
   ・ｉ）前記混合チャンバ（１４０）を出る前記第１のレーザビーム（１０）の前記重なり合う光線を受光し、
   ｉｉ）各々が複数の第１のレーザビームから由来する光線を備える複数の個別の第２のレーザビーム（２０）を生成するように構成された整形光学系（１２０）と、
   ・前記第２のレーザビーム（２０）を受光し、前記第２のレーザビームを前記シーン（９９）に向かって投影するように構成されたプロジェクタレンズシステム（１３０）と
   を備え、
   前記投影された第２のレーザビームは、前記離散スポットパターン（１５０）を形成している、プロジェクタ（１００）。
2. 前記混合チャンバ（１４０）の内壁の少なくとも一部分が、ミラー（１４１）を備える、請求項１に記載のプロジェクタ（１００）。
3. 前記混合チャンバ（１４０）の内壁の少なくとも一部分が、レーザ光を反射するための反射壁（１７０）である、請求項１に記載のプロジェクタ（１００）。
4. 前記反射壁（１７０）は、使用時の前記プロジェクタの動作を検査するように配置された検査開口部（１８０）を備える、請求項３に記載のプロジェクタ。
5. 前記混合チャンバ（１４０）は、使用時の前記プロジェクタの動作を検査するように構成された検査開口部（１８０）を備える、請求項１～３のいずれか１項に記載のプロジェクタ。
6. 前記整形光学系（１２０）は、前記整形光学系によって形成される第２のレーザビームの数が前記レーザアレイ（１１０）によって放射される第１のレーザビームの数よりも少なくなるように構成される、先行する請求項のいずれか１項に記載のプロジェクタ（１００）。
7. 前記複数の個別のソリッドステートレーザ光源は、複数のタイル（Ｔ_ｉ）へとグループ化され、前記タイルは、タイルの一次元または二次元アレイを形成するように配置され、各々のタイル（Ｔ_ｉ）に、前記複数の個別のソリッドステートレーザ光源のうちの或る数（ＳＴ_ｉ）のソリッドステートレーザ光源が関連付けられている、先行する請求項のいずれか１項に記載のプロジェクタ（１００）。
8. 前記タイル（Ｔ_ｉ）の各々は、ソリッドステートレーザ光源の一次元または二次元サブアレイを形成している、請求項７に記載のプロジェクタ。
9. 前記主光軸（Ｚ）に沿って測定される前記混合チャンバの長さ（Ｈ）が、前記第１のレーザビームが前記混合チャンバを通って伝播した後に、各々のタイルについて、その光線の少なくとも一部が隣接するタイルの光線と重なり合うように定められている、請求項７または８に記載のプロジェクタ。
10. 前記タイルは、長方形の形状を有し、前記タイルは、タイル間距離が前記レーザアレイ（１１０）の全体にわたって同じであるように、規則的なパターンを形成するように配置されている、請求項７～９のいずれか１項に記載のプロジェクタ（１００）。
11. 前記混合チャンバの前記長さは、
    

    

    であるように選択され、
    Ｈは、前記混合チャンバの前記長さであり、Δは、２つの隣接するタイルの中心間の距離であり、θは、前記ソリッドステートレーザ光源のビーム発散角度であり、Ｌは、前記長方形のタイルの辺の長さである、請求項１０に記載のプロジェクタ（１００）。
12. 前記第１のマイクロレンズアレイに入射する配光の均質性を高めるために、タイル間領域の照明を増加させるように構成されたビームエキスパンダ（１４８）をさらに備える、請求項７～１１のいずれか１項に記載のプロジェクタ。
13. 前記整形光学系は、複数のマイクロレンズ（ＭＬ［ｉ］）を備える第１のマイクロレンズアレイ（１２１）を備え、各々のマイクロレンズ（ＭＬ［ｉ］）は、前記複数の第２のレーザビームのうちの１つの前記第２のレーザビーム（２０）を生成するように構成されている、先行する請求項のいずれか１項に記載のプロジェクタ（１００）。
14. 前記第１のマイクロレンズアレイ（１２１）は、前記第１のマイクロレンズアレイの各々のマイクロレンズ（ＭＬ［ｉ］）が、平面（ＦＰ）または曲面（ＣＦＰ）上に位置する焦点（ＲＦＰ［ｉ］）を備えるように構成され、前記平面（ＦＰ）または前記曲面（ＣＦＰ）は、前記第１のマイクロレンズアレイ（ＭＬ［ｉ］）と前記プロジェクタレンズシステム（１３０）との間に位置する、請求項１３に記載のプロジェクタ（１００）。
15. 前記第１のマイクロレンズアレイ（１２１）は、各々のマイクロレンズ（ＭＬ［ｉ］）が曲面（ＣＦＰ）上に位置する焦点（ＲＦＰ［ｉ］）を備えるように構成され、前記曲面（ＣＦＰ）は、前記プロジェクタレンズシステム（１３０）の湾曲した焦点面に対応する、請求項１３に記載のプロジェクタ（１００）。
16. 前記マイクロレンズ（ＭＬ［ｉ］）の各々は、前記主光軸（Ｚ）に平行な光軸（Ｚ_ｉ）を備える、請求項１４または１５に記載のプロジェクタ（１００）。
17. 前記マイクロレンズ（ＭＬ［ｉ］）の少なくとも一部は、前記主光軸（Ｚ）に平行でない光軸（Ｚ_ｉ）を備える、請求項１４または１５に記載のプロジェクタ（１００）。
18. 前記第１のマイクロレンズアレイ（１２１）は、前記第１のマイクロレンズアレイ（１２１）の各々のマイクロレンズが、前記レーザアレイ（１１０）の複数のソリッドステートレーザ光源の光路内にあるように配置される、請求項１３～１７のいずれか１項に記載のプロジェクタ。
19. 前記第１のマイクロレンズアレイ（１２１）は、第１の数のマイクロレンズを備え、前記レーザアレイ（１１０）は、第２の数の個別のソリッドステートレーザ光源を備え、前記第１の数は、前記第２の数以下である、請求項１３～１８のいずれか１項に記載のプロジェクタ。
20. 前記ソリッドステートレーザ光源（１１１）によって放射された前記第１のレーザビームの発散角度を減少させるように構成された第２のマイクロレンズアレイ（１２２）をさらに備え、好ましくは、前記第２のマイクロレンズアレイ（１２２）は、前記レーザアレイ（１１０）と前記第１のマイクロレンズアレイ（１２１）との間に配置される、請求項１３～１９のいずれか１項に記載のプロジェクタ（１００）。
21. 前記混合チャンバ内の前記第１のレーザビームの重なり合いを増加させるように構成されたディフューザ（１４５）および／またはサーキュレータ（１４６）をさらに備える、先行する請求項のいずれか１項に記載のプロジェクタ。
22. 前記混合チャンバ内の前記第１のレーザビームの重なり合いを増加させるように構成されたディフューザ（１４５）をさらに備え、前記ディフューザ（１４５）は、前記第２のマイクロレンズアレイ（１２２）と前記第１のマイクロレンズアレイ（１２１）との間に配置される、請求項２０に記載のプロジェクタ。
23. ディフューザ（１４５）およびサーキュレータ（１４６）をさらに備え、前記サーキュレータ（１４６）は、前記第２のマイクロレンズアレイ（１２２）と前記ディフューザ（１４５）との間に配置される、請求項２０に記載のプロジェクタ。
24. 前記レーザアレイ（１１０）は、いくつかのＶＣＳＥＬチップで構成され、各々のＶＣＳＥＬチップは、複数のレーザエミッタを備え、各々のレーザエミッタは、前記個別のソリッドステートレーザ光源のうちの１つに相当し、好ましくは、前記第２のマイクロレンズアレイ（１２２）内のマイクロレンズの数が、前記レーザアレイのエミッタの総数以下である、請求項２０に記載のプロジェクタ。
25. 前記第１のレーザビームの波長の広がりを低減するように構成されたブラッグ体積格子（１４７）をさらに備える、先行する請求項のいずれか１項に記載のプロジェクタ。
26. 前記レーザアレイの各々のレーザ光源は、放射面（Ｘ－Ｙ）内に位置する発光面（１１１ａ）を有し、前記第１のレーザビーム（１０）は、前記放射面（Ｘ－Ｙ）に垂直な前記主光軸（Ｚ）に平行な方向に伝播する、先行する請求項のいずれか１項に記載のプロジェクタ（１００）。
27. 前記混合チャンバ（１４０）は、三次元中空体を形成する周囲の側面（１４０ａ）を備える、先行する請求項のいずれか１項に記載のプロジェクタ。
28. 前記レーザアレイ（１１０）は、一次元または二次元レーザアレイ（１１０）である、先行する請求項のいずれか１項に記載のプロジェクタ（１００）。
29. 前記レーザアレイ（１１０）の前記ソリッドステート光源の各々は、半導体レーザ、好ましくは垂直共振器型面発光レーザである、先行する請求項のいずれか１項に記載のプロジェクタ（１００）。
30. 前記レーザアレイ（１１０）は、フロントエンドＶＣＳＥＬアレイである、先行する請求項のいずれか１項に記載のプロジェクタ（１００）。
31. 前記レーザアレイ（１１０）は、バックエンドＶＣＳＥＬアレイであり、前記バックエンドＶＣＳＥＬアレイは、前記バックエンドＶＣＳＥＬアレイの基板（７０）を通ってレーザ光を放射するように構成された複数の垂直共振器型面発光レーザを備える、請求項１～２９のいずれか１項に記載のプロジェクタ（１００）。
32. 前記レーザアレイ（１１０）は、前記第２のマイクロレンズアレイ（１２２）を備えるバックエンドＶＣＳＥＬアレイであり、前記第２のマイクロレンズアレイは、前記ＶＣＳＥＬアレイの前記垂直共振器型面発光レーザの各々の発散角度（θ_VCSEL）を減少させるように構成されたマイクロレンズ（ＭＬ_{ＶＣＳＥＬ}［ｉ］）を備え、好ましくは、前記第２のマイクロレンズアレイ（１２２）は、前記バックエンドＶＣＳＥＬアレイ１１０の前記基板７０にエッチングされている、請求項２０に記載のプロジェクタ（１００）。
33. 前記整形光学系（１２０）は、前記重なり合う光線を再び集光するようにさらに構成されている、先行する請求項のいずれか１項に記載のプロジェクタ。
34. 前記複数の個別のソリッドステートレーザ光源（１１１）は、発散するパルス状の第１のレーザビーム（１０）を同時に放射するように動作可能であり、
    前記パルス状の第１のレーザビームの各々は、時間パルス幅（ＰＷ）を有する第１のパルスの時間的シーケンスを備え、
    前記整形光学系（１２０）は、ｉ）前記混合チャンバ（１４０）を出る前記パルス状の第１のレーザビーム（１０）の前記重なり合う光線を受光し、ｉｉ）複数の個別のパルス状の第２のレーザビーム（２０）を生成するように構成され、各々の第２のレーザビームは、複数の第１のレーザビームから由来する光線を備え、前記パルス状の第２のレーザビームの各々は、前記時間パルス幅（ＰＷ）を有する第２のパルスの時間的シーケンスを備え、
    前記プロジェクタレンズシステム（１３０）は、前記パルス状の第２のレーザビーム（２０）を受光し、前記パルス状の第２のレーザビームを前記シーン（９９）に向かって投影するように構成され、前記投影されたパルス状の第２のレーザビームは、前記離散スポットパターン（１５０）を形成する、先行する請求項のいずれか１項に記載のプロジェクタ（１００）。
35. シーン（９９）の１つ以上の物体までの距離を決定するためのソリッドステートＬＩＤＡＲシステム（１）であって、
    ・前記シーン（９９）を離散スポットパターンで照明するための先行する請求項のいずれか１項に記載のプロジェクタ（１００）と、
    ・前記シーンの前記１つ以上の物体によって反射された前記離散スポットパターンを表す反射レーザ光のスポットを検出するように構成されたマルチピクセル検出器を備える受光装置（３００）と、
    ・前記シーンの前記照明に同期して前記反射レーザ光を検出および蓄積するように前記プロジェクタ（１００）および前記受光装置（３００）を制御するためのコントローラ（２００）と、
    ・前記蓄積された反射レーザ光に基づいて前記シーンの１つ以上の物体までの距離を計算するように構成された処理手段（４００）と
    を備えるソリッドステートＬＩＤＡＲシステム。
36. シーン（９９）の１つ以上の物体までの距離を決定するためのソリッドステートＬＩＤＡＲシステムであって、
    ・前記シーン（９９）を離散スポットパターンで照明するための請求項３４に記載のプロジェクタ（１００）と、
    ・前記シーンの前記１つ以上の物体によって反射された前記離散スポットパターンを表す反射レーザ光のスポットを検出するように構成されたマルチピクセル検出器を備えており、前記マルチピクセル検出器は、連続する検出時間ウインドウにおいて反射レーザ光を検出するように構成された距離ゲーティングマルチピクセル検出器である、受光装置（３００）と、
    ・前記シーンの前記照明に同期して前記反射レーザ光を検出および蓄積するように前記プロジェクタ（１００）および前記受光装置（３００）を制御するためのコントローラ（２００）と、
    ・前記蓄積された反射レーザ光に基づいて前記シーンの１つ以上の物体までの距離を計算するように構成された処理手段（４００）と
    を備えるソリッドステートＬＩＤＡＲシステム。
37. 前記距離ゲーティングマルチピクセル検出器は、少なくとも２つの連続する検出時間ウインドウにおいて反射レーザ光を検出するように構成され、前記処理手段（４００）は、前記２つの連続する検出時間ウインドウにおいて検出されたレーザ光に基づいて前記物体までの前記距離を計算するように構成されている、請求項３６に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲシステム。
38. 前記コントローラ（２００）は、前記複数の個別のソリッドステートレーザ光源の各々が前記第１のパルスを
    Ｆ_Ｐ≦１／（ＴＯＦ_ｍａｘ＋ＰＷ）
    であるようなパルス周波数（Ｆ_Ｐ）で放射するように、前記レーザアレイ（１１０）を制御するように構成され、Ｆ_Ｐは、前記パルス周波数であり、ＰＷは、前記時間パルス幅であり、ＴＯＦ_ｍａｘは、決定すべき所定の最大距離（Ｄ_ｍａｘ）における最大飛行時間である、請求項３６または３７に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲシステム。
39. 前記マルチピクセル検出器は、直接飛行時間マルチピクセル検出器であり、前記処理手段は、直接飛行時間方式によって前記物体までの前記距離を計算するように構成されている、請求項３５に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲシステム。
40. 請求項３５～３９のいずれか１項に記載のソリッドステートＬＩＤＡＲシステムを備える車両であって、
    前記ソリッドステートＬＩＤＡＲシステムは、前記車両の周囲の領域の少なくとも一部をカバーする視野を有し、前記領域の前記少なくとも一部は、前記シーンに相当する、車両。
41. 請求項１～３４のいずれか１項に記載のプロジェクタ（１００）のテレメトリシステム用への使用。

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