JP2023120335A - 周波数変調連続波光を検出および距離測定のためのスイッチング可能なコヒーレントピクセルアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】既存のＬｉＤＡＲシステムの用例では、かさばり、コストがかかり、信頼性が低い。【解決手段】ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲトランシーバは、入力ポート、光アンテナ、光スイッチ、スプリッターおよびミキサーを含む。光スイッチは、入力ポートを光アンテナにスイッチング可能に結合し、入力ポートと光アンテナとの間に光経路を形成する。１つの光アンテナを向けたそれぞれの光経路についてスプリッターが光経路に沿って結合される。スプリッターは、レーザー信号の受信された部分を局部発振器信号と送信された信号に分割し、反射した信号の一部であるリターン信号を出力する。送信された信号は、光アンテナを介して放出され、送信された信号の反射は、光アンテナを介して反射した信号として受信される。各スプリッターについてミキサーは、リターン信号と局部発振器信号を受信し、リターン信号と局部発振器信号を混合して出力信号を生成する。【選択図】図１

Description

関連出願についての相互参照
本出願は、その文献の内容全体が参照として含まれている２０１９年３月２９日付出願の米国臨時特許出願第６２／８２６、５２８号、２０１９年３月２９日付出願の米国臨時特許出願第６２／８２６、５３６号、２０１９年５月８日付出願の米国臨時特許出願第６２／８４５、１４７号、２０１９年５月８日付出願の米国臨時特許出願第６２／８４５、１４９号、２０１９年５月１７日付出願の米国臨時特許出願第６２／８４９、８０７号、２０１９年１１月２６日付出願の米国臨時特許出願第６２／９４０、７９０号の３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）による優先権を主張する。

本開示内容は、概括的に周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）光検出および距離測定（ライダ、ＬｉＤＡＲ）に関するものであって、より具体的には、ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲ用スイッチング可能なコヒーレントピクセルアレイに関するものである。

既存のＬｉＤＡＲシステムは、レーザービームを誘導するために機械的移動部品を使用する。また、多数の用例（例、自動車）では、かさばり、コストがかかり、信頼性が低い。

ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲトランシーバは、光集積回路（ＰＩＣ、Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）に実装される。ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲトランシーバは、スイッチング可能なコヒーレントピクセルアレイを介して、少なくとも１次元で光学ビームステアリングを実行する。一部の実施形態において、ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲトランシーバは、アレイ（例えば、線形アレイ、２次元アレイなど）で配列された複数のＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲトランシーバを含むＬｉＤＡＲチップの一部である。ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲトランシーバおよび／またはＬｉＤＡＲチップは、ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムの一部であり得る。ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、トランシーバの視野についての深さ情報（例えば、トランシーバの視野内のオブジェクトまでの距離、オブジェクトの速度など）を決定する。

一部の実施形態において、ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲトランシーバは、１つ以上のサブアレイを含む。サブアレイは、入力ポート、光スイッチ、複数のスプリッター、複数のミキサー、および複数のアンテナを含み得る。入力ポートは、周波数変調されたレーザー信号を受信するように構成される。光スイッチは、入力ポートを光アンテナにスイッチング可能に結合し、入力ポートと光アンテナとの間に光経路を形成するように構成される。入力ポートから光アンテナのうち、１つの光アンテナを向けたそれぞれの光経路について、複数のスプリッターのうち、いずれか１つのスプリッターが光経路に沿って結合される。それぞれのスプリッターは、レーザー信号の受信された部分を局部発振器信号と送信された信号に分割するように構成される。送信された信号は、光アンテナを介して放出され、送信された信号の反射は、光アンテナを介して反射した信号として受信される。スプリッターは、反射した信号の一部であるリターン信号も出力する。それぞれのスプリッターについて、複数のミキサーのうち、いずれか１つのミキサーがスプリッターからリターン信号および局部発振器信号を受信するように結合される。ミキサーは、トランシーバの視野についての深さ情報を決定するのに使用される１つ以上の出力信号を生成するように、リターン信号と局部発振器信号を混合するように構成される。

一部の実施形態において、ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、ＬｉＤＡＲチップを含む。ＬｉＤＡＲチップは、光集積回路に実装されたＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲトランシーバを含む。光集積回路は、１つ以上のサブアレイを含む。サブアレイは、入力ポート、光スイッチ、複数のスプリッター、複数のミキサー、複数のアンテナを含み得る。入力ポートは、周波数変調されたレーザー信号を受信するように構成される。光スイッチは、入力ポートを光アンテナにスイッチング可能に結合し、入力ポートと光アンテナとの間に光経路を形成するように構成される。入力ポートから光アンテナのうち、１つに向けたそれぞれの光経路について、複数のスプリッターのうち、いずれか１つのスプリッターが光経路に沿って結合される。それぞれのスプリッターは、レーザー信号の受信された部分を局部発振器信号と送信された信号に分割するように構成される。送信された信号は、光アンテナを介して放出され、送信された信号の反射は、光アンテナを介して反射した信号として受信される。スプリッターは、反射した信号の一部であるリターン信号も出力する。それぞれのスプリッターについて、複数のミキサーのうち、いずれか１つのミキサーが結合されてスプリッターからリターン信号および局部発振器信号を受信する。ミキサーは、リターン信号と局部発振器信号を混合し、ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムの視野についての深さ情報を決定するのに使用される１つ以上の出力信号を生成するように構成される。ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、また複数のアンテナを介して放出された送信された信号をコリメートするように配置されたレンズを含む。レンズは、また反射した信号を受信し、反射した信号を放出する光アンテナに結合するように配置される。

本開示内容の実施形態は、添付図面の例に関連して取られるときに、以下の詳細な説明および添付された特許請求の範囲からより確実に明らかになる他の利点および特徴を有し、図面において、

１つ以上の実施形態によるスイッチング可能なコヒーレントピクセルアレイＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲチップの概略図を例示する。 １つ以上の実施形態による４つのバージョンのコヒーレントピクセルを例示する。 １つ以上の実施形態による４つのバージョンのコヒーレントピクセルを例示する。 １つ以上の実施形態による４つのバージョンのコヒーレントピクセルを例示する。 １つ以上の実施形態による４つのバージョンのコヒーレントピクセルを例示する。 多重コヒーレントピクセルの間に光コヒーレント検出ブロックが共有される１つ以上の実施形態によるスイッチング可能なコヒーレントピクセルアレイを例示する。 多重コヒーレントピクセルの間に光コヒーレント検出ブロックが共有される１つ以上の実施形態によるスイッチング可能なコヒーレントピクセルアレイを例示する。 多重コヒーレントピクセルの間に光コヒーレント検出ブロックが共有される１つ以上の実施形態によるスイッチング可能なコヒーレントピクセルアレイを例示する。 図１および図３ａの能動光スイッチの例を示す。 図１および図３ａの能動光スイッチの例を示す。 図１および図３ａの能動光スイッチの例を示す。 １つ以上の実施形態によってスイッチング可能なコヒーレントピクセルアレイがＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲ動作のために光ビームを誘導する方法を例示する。 １つ以上の実施形態によってスイッチング可能なコヒーレントピクセルアレイがＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲ動作のために光ビームを誘導する方法を例示する。 １つ以上の実施形態によってスイッチング可能なコヒーレントピクセルアレイがＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲ動作のために光ビームを誘導する方法を例示する。 １つ以上の実施形態によって線形に配列された複数の並列ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲトランシーバを有するＬｉＤＡＲチップを例示する。 １つ以上の実施形態によるスイッチング可能なコヒーレントピクセルアレイベースのＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムにおける機械的に支援（Ａｓｓｉｓｔ）されるレーザービームスキャニングの例を示す。 １つ以上の実施形態によるスイッチング可能なコヒーレントピクセルアレイベースのＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムにおける機械的に支援（Ａｓｓｉｓｔ）されるレーザービームスキャニングの例を示す。 １つ以上の実施形態によるスイッチング可能なコヒーレントピクセルアレイベースのＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムにおける機械的に支援（Ａｓｓｉｓｔ）されるレーザービームスキャニングの例を示す。 １つ以上の実施形態によってＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムの性能を改善するために光の２つの偏光を用いる第１実施形態のコヒーレントピクセルのダイヤグラムを示す。 １つ以上の実施形態によってＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムの性能を改善するために光の２つの偏光を用いる第２実施形態のコヒーレントピクセルのダイヤグラムを示す。 １つ以上の実施形態によってＦＭＣＷ適用のための焦点面アレイにおけるコヒーレントピクセルを使用する方法を示す。 １つ以上の実施形態によるスイッチング可能なコヒーレントピクセルアレイについての電気配線方式を例示する。 １つ以上の実施形態によるスイッチング可能なコヒーレントピクセルアレイについての電気配線方式を例示する。 １つ以上の実施形態によるスイッチング可能なコヒーレントピクセルアレイについての電気配線方式を例示する。 １つ以上の実施形態によるスイッチング可能なコヒーレントピクセルアレイについての電気配線方式を例示する。 １つ以上の実施形態によるスイッチング可能なコヒーレントピクセルアレイベースのＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムのシステムダイヤグラムを例示する。

ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、システムの視野についての深さ情報（例えば、１つ以上のオブジェクトについての距離、速度、加速度）を決定する。ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、ＬｉＤＡＲチップ（例えば、光集積回路）上のスイッチング可能なコヒーレントピクセルアレイ（ＳＣＰＡ）を使用する。ＬｉＤＡＲチップは、ＬｉＤＡＲチップに１つ以上のＦＭＣＷトランシーバを含み得る（例えば、各ＦＭＣＷトランシーバは、ＬｉＤＡＲシステムの視野内で異なる角度視野を担当し得る）。ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、ＦＭＣＷビームを信号部分と混合部分に分割する。信号部分は、レンズアセンブリを介して調節され、ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムの視野内に出力される。信号部分は、視野にある１つ以上のオブジェクトから反射して反射した信号を形成し、該当信号部分の反射は、ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムによって検出される。反射した信号の一部は、ビームの混合部分と混合されてＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムの視野内の１つ以上のオブジェクトの距離と速度を直接測定する。

ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムトランシーバは、光集積回路上に実装される。光集積回路は、１つ以上の基本的な機能のサブアレイを含む。各サブアレイは、入力ポート、光スイッチ、複数のスプリッター、複数のミキサー、および複数のアンテナを含む。入力ポートは、周波数変調されたレーザー信号を受信するように構成される。周波数変調されたレーザー信号は、トランシーバの外部にあるか、あるいは場合によって、光集積回路と同じチップ上にあり得る。光スイッチは、入力ポートを光アンテナにスイッチング可能に結合し、入力ポートと光アンテナとの間に光経路を形成するように構成される。一部の実施形態において、光スイッチは、周波数変調されたレーザー信号をＦＭＣＷトランシーバのスキャニング期間中に一度に１つずつ光アンテナのそれぞれに光学的に結合する。

入力ポートから光アンテナのうち、１つの光アンテナを向けたそれぞれの光経路について、複数のスプリッターのうち、いずれか１つのスプリッターが光経路に沿って結合される。それぞれのスプリッターは、レーザー信号の受信された部分を局部発振器信号と送信された信号に分割するように構成される。送信された信号は、光アンテナを介して放出され、送信された信号の反射は、光アンテナを介して反射した信号として受信される。スプリッターは、反射した信号の一部であるリターン信号も出力する。それぞれのスプリッターについて、複数のミキサーのうち、いずれか１つのミキサーがスプリッターからリターン信号および局部発振器信号を受信するように結合される。ミキサーは、リターン信号と局部発振器信号を混合して１つ以上の出力信号を生成するように構成される。混合によるビートトーン（Ｂｅａｔ Ｔｏｎｅ）の周波数は、ＬｉＤＡＲシステムから光反射表面までの距離に比例する。１つ以上の出力信号は、ＬｉＤＡＲシステムの視野についての深さ情報を決定するのに使用される。深さ情報は、ＬｉＤＡＲシステムの視野内の様々な表面までの距離を記述し、ＬｉＤＡＲシステムの視野内のオブジェクトの速度を記述する情報も含み得る。

ＬｉＤＡＲチップは、ＬｉＤＡＲシステムから放出された光を少なくとも１次元で誘導できるという点に留意するべきである。また、一部の実施形態において、光アンテナは、ＬｉＤＡＲチップが光ビームを２次元で誘導できるように２次元で配列される。可動部品がなく、ビームを誘導できれば、多数の既存の機械駆動式ＬｉＤＡＲシステムで発見されるフォームファクタ（Ｆｏｒｍ Ｆａｃｔｏｒ）、コスト、および信頼性の問題が緩和され得る。

図１は、１つ以上の実施形態によるスイッチング可能なコヒーレントピクセルアレイ（ＳＣＰＡ）ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲチップ１１の概略図を示す。ＬｉＤＡＲチップは、光集積回路である。チップは、複数の基本的な機能のサブアレイ１００を含み得る。各サブアレイ１００は、光入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポート１０２および選択的な１－Ｋ光スプリッター１０３（Ｋは整数）および１つ以上のＳＣＰＡ１０１を含む。１－Ｋ光スプリッター１０３は、受動型または能動型であり得る。それぞれの光Ｉ／Ｏは、オフ－チップ（Ｏｆｆ－Ｃｈｉｐ）またはオン－チップ（Ｏｎ－Ｃｈｉｐ）レーザーによって提供される周波数変調光源によって供給される。光Ｉ／Ｏの数を減らすために選択的な１－Ｋ光スプリッターを介して光パワーがオン－チップに分配され得る。例示された実施形態において、１－Ｋ光スプリッター１０３のそれぞれの出力は、対応するＳＣＰＡ１０１に供給される。例示された実施形態において、それぞれのＳＣＰＡ１０１は、Ｍ個のコヒーレントピクセル１０５（Ｍは整数）および光スイッチネットワーク１０４を含む。一部の場合に１つ以上の光スイッチネットワーク１０４、選択的な１－Ｋ光スプリッター１０３、またはこれらの一部の組み合わせは、単に光スイッチといえるものであることに留意するべきである。光スイッチは、入力ポート１０２をコヒーレントピクセル内の光アンテナにスイッチング可能に結合し、入力ポートと光アンテナとの間に光経路を形成するように構成される。光スイッチは、複数の能動光スプリッターを含み得る。一部の実施形態において、光スイッチは、周波数変調されたレーザー信号をＦＭＣＷトランシーバのスキャニング期間中に一度に１つずつ光アンテナのそれぞれに光学的に結合する。

光スイッチネットワーク１０４は、距離測定および検出のために周波数変調された（ＦＭ）光を送受信するように、Ｍ個のコヒーレントピクセルのうち、１つ以上を選択する。コヒーレントピクセルは、チップに物理的に１次元アレイ（例えば、線形アレイ）または２次元アレイ（例えば、長方形、標準形（例えば、グリッドのような非－ランダム配列））で配列され得る。一部の実施形態において、選択されたコヒーレントピクセルは、光を自由空間内に送信し、復帰する光信号を受信し、コヒーレント検出を実行し、光信号を電気信号に直接変換してデジタル信号処理を行い得る。受信された光信号は、検出できるようにスイッチネットワークを介して再び伝播する代わりに、（例示された実施形態に示されていないが）出力が個別にルーティングされることによって、損失を低減し、それに応じて、信号の品質を向上させることに留意するべきである。

図２ａないし図２ｄは、１つ以上の実施形態による４つのバージョンのコヒーレントピクセルを例示する。４つのバージョンのコヒーレントピクセルは、例えば、図１における前述したコヒーレントピクセルの実施形態であり得る。図２ａおよび図２ｂにおいて、光スイッチネットワーク（例えば、光スイッチネットワーク１０４）からの光がコヒーレントピクセルの光入力ポート２０３に提供される。双方向の光２×２スプリッター２０２は、光を２つの出力ポートに分割し、ＴＸ信号２０５および局部発振器２０６（ＬＯ）と呼ばれる。ＴＸ信号２０５は、光アンテナ２００を使用してチップから送信される。光アンテナは、格子カプラー、エッジカプラー、統合反射器、または任意のスポットサイズ変換器のように、オン－チップ導波管から自由空間に光を放出するか、または自由空間からオン－チップ導波管に光を結合する装置である。光アンテナは、通常、１つの特定偏光（例えば、ＴＥ）を有する光について、はるかに高い放出／結合効率を有する偏光感度を有し得る。アンテナは、相互型であるため、被測定オブジェクトから反射したビームを収集し、これを双方向の２×２スプリッター２０２に戻し、当該スプリッターは、これを再びポート２０３、２０４の間に分割する。双方向の光２×２スプリッター２０２は、送信機と受信機が一緒に配置されたこのようなモノスタティック（Ｍｏｎｏｓｔａｔｉｃ）構成において、「擬似サーキュレーター（Ｐｓｅｕｄｏ Ｃｉｒｃｕｌａｔｏｒ）」として機能する。ポート２０４およびＬＯ２０６で受信された信号は、図２ａのような平衡（Ｂａｌａｎｃｅｄ）２×２光結合器２０１または図２ｂのような光ハイブリッド２０９であり得る光ミキサーによるコヒーレント検出のために混合される。最後に、図２ａの一対のフォトダイオード２０７（ＰＤ）と図２ｂの４つのＰＤは、ビートトーン検出のために光信号を電気信号に変換する。図２ａのバージョンは、平衡フォトダイオード（ＢＰＤ）のバージョンと呼ばれ、図２ｂのバージョンは、ハイブリッドバージョンと呼ばれる。ハイブリッドバージョンは、ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムにおいて、速度－距離の曖昧さを解決したり、高級なＤＳＰアルゴリズムを可能にするために使用できる同位相および直交位相（Ｉｎ－Ｐｈａｓｅ ａｎｄ Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）出力（Ｉ／Ｑ）を提供する。双方向の光２×２スプリッターを「擬似サーキュレーター」として使用すると、数百個のピクセルがある大規模アレイに非実用的なすべての単一ピクセルごとの個別サーキュレーターを提供する必要はない。したがって、（一部の誘導された光パワーがコヒーレント検出に使用できないため）コヒーレントピクセルは、最大６ｄＢの信号対雑音比（ＳＮＲ）ペナルティコストおよびフォームファクタを大幅に減らすことができる。例えば、受信された光信号は、ポート２０３とポート２０４との間で分割されることができるが、前記後者のポート２０４は、コヒーレント検出に使用される。図２ｃおよび図２ｄに例示されたコヒーレントピクセル設計は、新しい構造に偏光分割アンテナ２１０を導入することによって、これらの制限を解決する。光スイッチネットワークからの光は、コヒーレントピクセルの光入力ポート２０３に提供される。光スプリッター２１２は、光をＴＸ信号２１５および局部発振器２１４（ＬＯ）という２つの出力ポートに分割する。ＴＸ信号２１５は、１つの偏光（例えば、ＴＭ）を有する偏光分割光アンテナ２１０を使用してチップから直接送信される。アンテナは、測定オブジェクトから反射したビームを収集し、直交偏光（例えば、ＴＥ）を導波管２１３に結合し、これを光ミキサーに直接送信する。この場合、アンテナによって受信した光信号は、追加のスプリッターまたは「擬似サーキュレーター」によってこれ以上分割されない。ポート２１３とＬＯ２１４から受信された信号は、図２ｃのような平衡２×２光結合器２０１または図２ｄのような光ハイブリッド２０９であり得る光ミキサーによるコヒーレント検出のために混合される。最後に、図２ｃの一対のフォトダイオード２０７（ＰＤ）と図２ｄの４つのＰＤがビートトーン検出のために光信号を電気信号に変換する。この設計は、すべての単一コヒーレントピクセルについて、高効率の統合サーキュレーターを実装し、超高感度のオン－チップモノスタティックＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲを可能にする。その詳細は、図８ないし図１０でさらに論ずる。一部の実施形態において、図１の側面における図２ａないし図２ｄのコヒーレントピクセルは、複数の光アンテナのそれぞれが別のスプリッターを有し、それぞれのスプリッターは、光スイッチと対応するアンテナの間のそれぞれの光経路に沿って結合するように構成される。

図３ａないし図３ｃは、多重コヒーレントピクセルの間で光コヒーレント検出ブロックが共有される１つ以上の実施形態によるＳＣＰＡを例示する。図３ａに示すように、チップ１１は、複数の基本的な機能のサブアレイ１００を含み得る。各サブアレイ１００は、光Ｉ／Ｏポート１０２、選択的な１－Ｋ光スプリッター１０３、および１つ以上のＳＣＰＡ１０１を含む。各光学Ｉ／Ｏは、オフ－チップまたはオン－チップレーザーによって提供される周波数変調光源によって供給される。光パワーは、光Ｉ／Ｏの数を減らすために選択的な１－Ｋ光スプリッター１０３を介してオン－チップに分配され得る。１－Ｋ光スプリッターのそれぞれは、Ｎ列（Ｎは整数）のうち、１つを選択する選択的な１－Ｎ光スイッチネットワーク１０７に供給される。各列は、コヒーレント受信機ブロック３０６を含む。光スイッチネットワーク１０４は、距離測定および検出のために周波数変調された（ＦＭ）光を送受信するためにＭ個（Ｍは整数）のアンテナ１０５のうち、１つをさらに選択する。アンテナは、チップに１次元アレイ（例えば、線形アレイ）または２次元アレイ（例えば、長方形アレイ、標準形アレイなど）で物理的に配列され得る。この設計において、選択されたアンテナは、光を自由空間に送信し、返された光信号を受動的に受信する。光混合および光－電気変換を含むコヒーレント検出機能は、コヒーレント受信機ブロック３０６で実行される。

一部の場合において、１つ以上の光スイッチネットワーク１０４、１－Ｎ光スイッチネットワーク１０７、またはこれらの一部の組み合わせを単に光スイッチといえることに留意するべきである。光スイッチは、入力ポート１０２を光アンテナにスイッチング可能に結合し、入力ポートと光アンテナとの間に光経路を形成するように構成される。

図３ｂおよび図３ｃは、「擬似サーキュレーター」を使用し、図２ａおよび図２ｃのコヒーレントピクセルブロックと同様に動作するコヒーレント受信機ブロック（例えば、コヒーレント受信機ブロック３０６）の例である。図１の方式とは異なり、受信された光信号は、コヒーレント受信機ブロック３０６から検出されるように、再び１－Ｍスイッチネットワークを介して伝播する。図１のＳＣＰＡと比較して、この設計は、フォトダイオードの数を大幅に減少させて電気出力の数を減らし、電気ルーティングおよび／またはパッケージングを簡素化する。また、ピクセルサイズが大幅に減少されてピクセル間のピッチがより小さくなり、ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲの解像度がより高くなり得る。

一部の実施形態において、図３の様態における図３ｂおよび図３ｃのコヒーレント受信機ブロックには、それぞれの光スイッチネットワーク１０４について入力ポートと対応する光スイッチネットワーク１０４の間に結合された１つのスプリッター２０２のみが存在する。

図４ａないし図４ｃは、図１および図３ａの能動光スイッチ１０４の例を示す。バイナリツリースイッチネットワーク（Ｂｉｎａｒｙ Ｔｒｅｅ Ｓｗｉｔｃｈ Ｎｅｔｗｏｒｋ）とその個別スイッチセル４０１が図４ａに例示されている。５０／５０光スプリッター４００は、制御信号４０３および４０４を用いて、各アーム（Ａｒｍ）の位相を調整する２つの光位相シフタ４０２に供給を行う。光スイッチの電気的制御は、２つの制御装置を使用したプッシュプル（Ｐｕｓｈ－Ｐｕｌｌ）方式であるか、または１つの制御装置のみを使用した断片方式（Ｓｉｎｇｌｅ－Ｓｉｄｅｄ）であり得る。２つのアームの光信号は、光２×２結合器４０５を使用して結合される。制御信号に応じて、補強（相殺）干渉が発生し、光が２つの出力の間でスイッチングされる。光位相シフタ４０２は、熱－光位相シフタまたは電気－光位相シフタであり得るが、これに限定されるものではない。図４ｂに示すように、スイッチネットワークは、マイクロリング共振器４１０（ＭＲＲ）のアレイで実装することもできる。ＭＲＲは、デバイスの共振周波数がレーザー波長と整列する場合にのみ、メインバス導波管から光信号をピックアップする。電気制御信号は、アレイでＭＲＲの共振を設定するため、ＦＭ信号が送受信される出力ポートを選択する。同様に、スイッチネットワークは、図４ｃに示すように、マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチのアレイで実装されることもできる。ＭＥＭＳスイッチは、メインバス導波管の光を誘導するように構成されるため、ＦＭ信号が送受信される出力ポートを選択する。

図５ａないし図５ｃは、１つ以上の実施形態によってＳＣＰＡがＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲ動作のために光ビームを誘導する方法を例示する。この例において、単一ＳＣＰＡベースのＬｉＤＡＲトランシーバ５０１が例示に使用される。ＬｉＤＡＲトランシーバ５０１は、ＦＭＣＷ光源入力５０２、光スイッチネットワーク５０３、コヒーレントピクセルセル５０４、および１つ以上の光アンテナ５０５を含む。ＬｉＤＡＲトランシーバ５０１は、例えば、図１および図３ａを参照として前述したＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲチップ１１であり得る。また、コヒーレントピクセルセル５０４は、例えば、図１に関連して前述したコヒーレントピクセル１０５であり得る。また、一部の実施形態において、コヒーレントピクセルセル５０４は、図３ａの要素で構成され得る（例えば、コヒーレント受信機３０４は、１つ以上の光アンテナおよびこれらの間の対応する光経路を含む）。

例示された実施形態において、ＬｉＤＡＲトランシーバ５０１の光アンテナは、レンズシステム５０７の焦点距離に配置される。レンズシステム５０７は、それぞれのコヒーレントピクセルの物理的な位置を固有の方向にマッピングする１つ以上の光学要素（例えば、ポジティブレンズ、フリーダムレンズ、フレネルレンズなど）を含む。一部の実施形態において、レンズシステム５０７は、複数のアンテナを介して放出された送信された信号をコリメートするように位置する。レンズシステム５０７は、複数のアンテナのうち、いずれか１つのアンテナから放出された送信された信号をスキャナモジュールの視野の対応する部分に投影し、送信された信号の反射信号をアンテナに提供するように構成される。それぞれの光アンテナは、異なる角度で光を送受信する。したがって、他のアンテナにスイッチングすることによって、図５ｂおよび図５ｃに示すように、個別光ビームスキャニングが達成される。ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲの場合、レーザービーム５０８が視野内のターゲット５０９を横切ってスキャンし、ＬｉＤＡＲトランシーバ５０１のコヒーレントピクセルが電気信号を生成し、これらの信号は、その後にデジタル処理されてＬｉＤＡＲポイントクラウドを生成する。一部の実施形態において、レンズシステム５０７は、（例えば、図５ｂおよび図５ｃに示されたように）１つの角度次元に沿ってトランシーバ視野をスキャンするコリメートされた送信された信号を生成する。

図５ａないし図５ｃに示すように、コヒーレントピクセルセル５０４は、線形アレイで配列される。しかし、他の実施形態において、コヒーレントピクセルセル５０４は、一部の他の配列（例えば、２次元、長方形など）を有し得る。一部の実施形態において、２次元の配列を使用して複数のアンテナから複数の送信された信号を放出することができるため（図１２に関連して後述するように）、複数の送信された信号は、スキャナモジュールの視野の一部を２つの次元でスキャンすることに留意するべきである。例えば、スキャニングは、第１次元および第２次元で行われ、スキャナモジュールの視野は、第１次元に沿って５度以上であり、第２次元に沿って５度以上である。

図６は、１つ以上の実施形態によって線形に配列された複数の並列ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲトランシーバ５０１を有するＬｉＤＡＲチップ６０６を例示する。例示されたように、ＬｉＤＡＲチップ６０６は、線形アレイで配列された８つのＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲトランシーバ５０１を含む。しかし、他の実施形態において、ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲトランシーバ５０１は、一部の他の配列（例えば、２次元、長方形など）を有し得る。それぞれのＳＣＰＡは（図面で、各点線の端の小さな両面矢印で表示される）、対応する視野角または角度ＦｏＶ（Ｆｉｅｌｄ－ｏｆ－Ｖｉｅｗ）にわたってレンズシステム６０７の支援と同時にそして独立して光６０８を放出および受信する。各ＳＣＰＡは、特定の角度ＦｏＶをカバーしてＬｉＤＡＲチップ６０６を含むＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムについて特定のピクセル速度を提供する。Ｚ個の並列ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲトランシーバ５０１は、Ｚ倍のより大きい角度ＦｏＶをカバーすることができ、Ｚ倍のより速いピクセル速度を提供することができるが、ここで、Ｚは、整数である。高性能のＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムでは、広いＦｏＶと高速ピクセル速度が重要であり得る。

図７ａないし図７ｃは、１つ以上の実施形態によるＳＣＰＡベースのＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムにおける機械的に支援されているレーザービームスキャニングの例を示す。図７ａにおいて、光子チップ６０６およびレンズシステム６０７の両方が回転プラットフォーム７０１上に装着される。光子チップ６０６は、ＬｉＤＡＲチップ６０６、ＬｉＤＡＲトランシーバ５０１、またはこれらの一部の組み合わせの実施形態であり得る。例示された実施形態において、光子チップ６０６は、第１次元で（例えば、垂直）で固体状態のスキャニングを達成することができ、回転プラットフォーム７０１は、直交する第２次元（例えば、水平）で３６０度を達成することができる。図７ｂにおいて、光子チップ６０６およびレンズシステム６０７は、固定されており、レーザービームは、可動ミラー７０２（例えば、ガルボミラー（Ｇａｌｖｏ Ｍｉｒｒｏｒ））によって誘導される。図７ｃにおいて、光子チップ６０６およびレンズシステム６０７は、固定されており、レーザービームは、回転するポリゴン（Ｐｏｌｙｇｏｎ）ミラー７０３によって誘導される。可動ミラー７０２および／またはポリゴンミラー７０３は、一般的にスキャニングミラーといえる。また、スキャニングミラーは（図１２に関連して後述するように）、スキャナモジュールの視野内で第２次元でビーム（送信された信号）をスキャンするように構成され、第２次元は、１つの角度次元に直交する。

光子チップ６０６は、全固体（Ａｌｌ－Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ）ビームステアリングを達成することができ、一部の場合には、２次元であり得るが（例えば、２次元アレイで配列された光アンテナ）、ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲの全視野およびアドレス指定可能な位置は、前記の例で説明したように、機械装置の支援で大幅に向上することができる。

図８は、１つ以上の実施形態によってＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムの性能を改善するために光の２つの偏光を用いる第１実施形態のコヒーレントピクセル８１３のダイヤグラムを示す。レーザーから発生する入力光８０１は、コヒーレントピクセルに入射され、スプリッター８０２とも呼ばれるＸ／（１－Ｘ）スプリッター８０２によって分割される。光のＸ％は、スプリッターの上部ポートから出射してＴＸ信号を構成し、光の（１－Ｘ）％は、スプリッターの下部ポートから出射して局部発振器（ＬＯ）信号を構成する。システムパラメータによって、最適な分割比率が選択され得る。ＴＸ信号は、偏光アセンブリ８２０に受信される。例示された実施形態において、偏光アセンブリ８２０は、偏光スプリッター８０３および偏光に鈍感な（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ－Ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ）自由空間カプラー８０４を含む。しかし、他の実施形態において、例えば、図９に関連して後論するように、偏光スプリッター８０３および偏光に鈍感な自由空間カプラー８０４は、単一偏光－分割垂直チップ－自由空間カプラーに置き換えられる。偏光スプリッター８０３は、横方向電気（ＴＥ）および横方向磁気（ＴＭ）偏光を分離する偏光板（Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）とも呼ばれる。例として、図１の入力光は、ＴＥ－偏光され得る。この概念を変更せずにＴＭ－偏光された光を使用できる。ＴＸ信号光は、ＴＥ偏光された光であるため、光は、偏光スプリッター８０３右側の上部ポートに結合される。ＴＭ－偏光された光は、偏光スプリッター８０３右側の下部ポートを介して出射される。偏光スプリッター８０３から出射されるＴＸ信号は、先行光学回路８１３のＴＥフィールドと一致する線偏光を有する自由空間光ビーム８０５を生成する偏光に鈍感な自由空間カプラー８０４に入射される。偏光に鈍感な自由空間カプラー８０４は、光アンテナの一例である。例えば、偏光に鈍感な自由空間カプラーは、垂直格子、エッジカプラー（例えば、逆テーパー型導波管）、または傾斜型反射器であり得る。自由空間ビーム８０５は、線偏光を円偏光８０７に変換する１／４波長板８０６を介して伝播する。円偏光８０７は、所定の距離にわたって伝播し、これは、ＬＯ信号に比べて光を遅延させる。このビームは、ターゲット表面８０８から反射し、反射した光ビーム８０９を生成する。表面特性に応じて、これらの反射したビームは、円偏光を維持したり、偏光をランダム化し得る。反射した光ビーム８０９は、自由空間を介して逆に伝播し、１／４波長板８０６を介して２次に伝播する。反射したビーム８０９が円偏光を維持した場合、送信されたビーム８１０は（発信元の送信および受信光回路８１３について）、ＴＭ偏光を有することになる。反射したビーム８０９がランダム化した偏光を有する場合、送信されたビーム８１０は、ランダムな偏光を有するものであろう。送信されたビーム８１０は、再びコヒーレントピクセル８１３に結合され、偏光スプリッター８０３の上部右側のポートに再度伝播する。受信された光ビームがＴＭ偏光された場合、すべての光は、偏光スプリッター８０３の下部左側のポートに結合される。受信されたビームがランダムに偏光される場合、名目上の光パワーの半分が下部左側のポートに結合される。８０３の下部左側のポートに結合された光は、遅延した受信信号とＬＯ信号を混合する２－入力パワー光ミキサー８１１に入射される。光ミキサーは、ＦＭＣＷシステムによって解釈される１つ以上の電気信号８１２を生成する。１／４波長板の除去は、偏光を維持するターゲット表面についてのシステム性能にのみ影響を及ぼし、この概念の基本原理には影響を及ぼさない。

偏光アセンブリ８２０は、例えば、第１導波管（例えば、８０２）からの光信号を結合して送信された信号を形成し、送信された信号を第１偏光を有するように偏光させ、リターン信号を形成するように第１偏光に直交する第２偏光に基づいて（８０４を介してインカップリングされる）反射信号を偏光させ、光検出のために（例えば、８１１に向かう）リターン信号を第２導波管に結合するように構成され得る。

コヒーレントピクセル８１３は、例えば、コヒーレントピクセル１０５であり得る。コヒーレントピクセル８１３は、また図２ａを参照として前述したコヒーレントピクセルの実施形態であり得る。同様に、コヒーレントピクセル８１３は、また図２ｂを参照として前述したコヒーレントピクセルの実施形態であり得る。例えば、双方向の光２×２スプリッター２０２は、Ｘ／（１－Ｘ）スプリッター８０２および偏光スプリッター８０３に置き換えられ、光アンテナ２００は、偏光に鈍感な自由空間カプラー８０４に置き換えられる。また、例えば、ＬｉＤＡＲトランシーバに関連して、各Ｘ／（１－Ｘ）スプリッターについて、偏光スプリッターは、スプリッターと光アンテナとの間の光経路に沿って結合される。また、偏光スプリッターは、送信された信号を第１偏光（例えば、ＴＥ）を有するように偏光させ、反射した信号を偏光させて第１偏光に直交する第２偏光（例えば、ＴＭ）を有するリターン信号を形成するように構成される。

図９は、１つ以上の実施形態によってＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムの性能を改善するために、２つの偏光を用いる第２実施形態のコヒーレントピクセル９１２のダイヤグラムを示す。第２実施形態は、図８の偏光アセンブリ８２０内の偏光スプリッター８０３および自由空間カプラー８０４が図９に示されたような単一の偏光－分割垂直チップ－自由空間カプラー９０３に置き換えられる点を除いて、第１実施形態と実質的に類似している。この自由空間カプラーは、左入力からＴＥ光を受けてＴＥ偏光を有する自由空間ビーム９０４を生成する。一方、カプラーに入射されるＴＭ光は、光ミキサー９１０に接続された光デバイスの下部ポートに結合される。９０１、９０２、９０４、９０５、９０６、９０７、９０８、９０９、９１０、および９１１に指定された本第２実施形態によるシステムの残りの部分の機能および／または構造は、８０１、８０２、８０５、８０６、８０７、 ８０８、８０９、８１０、８１１、および８１２と実質的に同じである。

図９において、偏光アセンブリ８２０および偏光－分割垂直チップ－自由空間カプラー９０３の機能が同じであることに留意するべきである。偏光アセンブリ８２０は、例えば、第１導波管（例えば、９０２）からの光信号を結合して送信された信号を形成し、送信された信号を第１偏光を有するように偏光させ、第１偏光に直交する第２偏光に基づいて（９０３を介してインカップリングされる）反射信号を偏光させてリターン信号を形成し、光検出のために（例えば、９１０に向かう）リターン信号を第２導波管に結合するように構成される。

コヒーレントピクセル９１２は、例えば、コヒーレントピクセル１０５であり得る。コヒーレントピクセル９１２は、また図２ｃを参照として前述したコヒーレントピクセルの実施形態であり得る。同様に、コヒーレントピクセル９１２は、また図２ｄを参照として前述したコヒーレントピクセルの実施形態であり得る。例えば、光スプリッター２１２は、Ｘ／（１－Ｘ）スプリッター９０２に置き換えられ、偏光分割アンテナ２１０は、単一偏光－分割垂直チップ－自由空間カプラー９０３に置き換えられる。

図１０は、１つ以上の実施形態によってＦＭＣＷ適用のための焦点面アレイ（ＦＰＡ）でコヒーレントピクセルを使用する方法を示す。図１０のコヒーレントピクセルは、例えば、コヒーレントピクセル８１３および／またはコヒーレントピクセル９１２であり得る。ＦＰＡは、コヒーレントピクセルを使用してビームステアリング装置を形成する。図１０において、Ｍ個の入力導波管１００１に入射される光は、Ｍ×Ｎスプリッター１００２によってＮ個の出力導波管１００３の間で分割され、ここで、ＭとＮは整数である。Ｎ個の出力導波管は、コヒーレントピクセル１００４のアレイに接続される。このアレイは、１次元ビームステアリングまたは２次元ビームステアリングが必要であるかどうかに応じて、１次元または２次元であり得る。それぞれのコヒーレントピクセル１００５は、光を円偏光１００８に変換する１／４波長板１００７を介して伝播するＴＥ－偏光された光１００６を放出する。円偏光は、１つ以上のレンズ要素で構成されるレンズ１００９を通過する。このレンズは、光の空間分布された円偏光ビームを傾斜した円偏光の光ビーム１０１０に変換する。レンズの出力角度は（例えば、ビームを放出したコヒーレントピクセル１００５の位置に部分的に決定される）、入力ビームの位置およびレンズ１００９に依存してビームステアリング動作を可能にする。傾斜したビームは、ターゲット１０１１から反射する。拡散反射光は、同じ角度１０１２でレンズ側に復帰する。この反射光は、ターゲットの特性に応じて、その円偏光を維持したり、ランダムに偏光され得る。反射した光ビームは、ビームの角度をＦＰＡの特定位置にマッピングするレンズ１００９を逆に通過する。送信されたビーム１０１３は、１／４波長板１００７を逆に通過する。反射光がその円偏光を維持すると、送信された光１０１４は、ＴＭ－偏光される。反射した光がランダムに偏光されると、送信された光１０１４は、ランダム偏光を有するようになる。送信された光１０１４の通過は、前述したように、光を電気信号に変換するコヒーレントピクセル１００４のアレイに再び結合される。

図１１ａないし図１１ｄは、１つ以上の実施形態によるＳＣＰＡについての電気配線方式を例示する。電気配線方式は、ＬｉＤＡＲトランシーバの光子チップについての電気Ｉ／Ｏの数を大幅に減らすことができる。方式１は、図１１ａおよび図１１ｂに例示される。方式２は、図１１ｃおよび図１１ｄに例示される。この例において、各スイッチに１つの電気制御信号とコヒーレントピクセルアレイがあり、それぞれのコヒーレントピクセルに２つの電気出力（例えば、Ｉ／Ｑ信号）がある１－８の３－ステージバイナリツリースイッチネットワークが例示される。方式１において、同じステージにあるスイッチが電気的に一緒に接続される。３つのスイッチ制御信号だけで、ＬｉＤＡＲシステムは、８つのコヒーレントピクセルのうちの任意のピクセルの間でスイッチングできる。コヒーレントピクセルから出力されたすべてのＩ出力信号は、１つの共有出力（ＲＸ＿Ｉ）として一緒に接続され、すべてのＱ出力信号は、他の共有出力（ＲＸ＿Ｑ）として一緒に接続される。１つのコヒーレントピクセルだけがスイッチネットワークによって活性化されれば、残りのコヒーレントピクセルは、光をその送信機信号またはそのＬＯ信号としてほとんど受光しない。したがって、共有出力は、隣接するピクセルからの混線（Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ）がほとんどない活性化されたピクセルからの正確な信号を示す。この例において、方式１は、トータル７つのスイッチ入力と１６個のコヒーレントピクセル出力について、Ｉ／Ｏ信号の数を最小５つに減少させる。電気的Ｉ／Ｏの減少は、ＳＣＰＡのスケールが増加し、および／または並列ＳＣＰＡの数が増加するにつれて、さらに重要になる。方式２において、２つ以上のコヒーレントピクセルが光の同時送受信のために選択され得る。図１１ｃにおいて、スイッチ制御信号とコヒーレントピクセル出力信号は、１－８のバイナリスイッチネットワークの上部および下部の半分の間で分割され、５つのスイッチ制御と４つの受信機出力を生成する。動作中に、第１スイッチは、２つの出力で５０／５０分割比を有するように制御され、１－８スイッチツリーの上部および下部の半分に均一な光パワーを伝達する。ツリーの上部および下部の半分についての独立した制御および読み取り能力を通じて、上部の半分から１ピクセルおよび下部の半分から１ピクセルが同時に活性化できる。方式２は、通常のバイナリモードで第１スイッチステージを作動して方式１に適用でき、第１スイッチステージの分割割合を任意に制御することもできるため、一部のハードウェアのコストでより柔軟かつ潜在的にソフトウェア定義されるビームスキャニングオプションを提供する。

図１２は、１つ以上の実施形態によるＳＣＰＡベースのＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムのシステムダイヤグラムを例示する。スキャナモジュール１２０１は、単一または複数のＦＭＣＷトランシーバチャネルを有するＳＣＰＡ ＬｉＤＡＲチップ１２０５と１つ以上の光学要素を含んでいるレンズシステム１２０３を含む。一部の実施形態において、レンズシステム１２０３は、レンズシステム５０７の一実施形態である。

ＳＣＰＡ ＬｉＤＡＲチップ１２０５は、１つ以上の光集積回路として実装される１つ以上の周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）ＬｉＤＡＲトランシーバを含む。トランシーバ用光集積回路は、入力ポート、複数の光アンテナ、光スイッチ、複数のスプリッターおよび複数のミキサーを含み得る。
入力ポートは、周波数変調されたレーザー信号を受信するように構成される。光スイッチは、入力ポートを光アンテナにスイッチング可能に結合し、入力ポートと光アンテナとの間に光経路を形成するように構成される。入力ポートから光アンテナのうちの１つの光アンテナを向けたそれぞれの光経路については、スプリッターが光経路に沿って結合される。スプリッターは、レーザー信号の受信された部分を局部発振器信号および送信された信号に分割し－ここで、送信された信号は、光アンテナを介して放出され、送信された信号の反射は、反射した信号として光アンテナを介して受信される－、反射した信号の一部であるリターン信号を出力するように構成される。それぞれのスプリッターについては、スプリッターからリターン信号および局部発振器信号を受信するようにミキサーが結合され、当該ミキサーは、ＬｉＤＡＲシステムの視野（スキャナモジュール１２０１の視野とも呼ばれる）についての深さ情報を決定するのに使用される１つ以上の出力信号を生成するためにリターン信号および局部発振器信号を混合するように構成される。

一部の実施形態において、レンズシステム１２０３は、１つ以上の角度次元（例えば、方位角または高度）に沿ってスキャナモジュール１２０１の視野をスキャンするコリメートされた送信された信号を生成する。スキャナモジュール１２０１は、１つの角度次元に沿って５度以上の視野を有する。また、光アンテナ（例えば、長方形の格子）の２次元配列を有する実施形態において、複数の光学アンテナからの信号は、スキャナモジュール１２０１の視野内で２つの次元でスキャンされることができる。例えば、第１次元および第２次元でスキャニングが行われるが、スキャナモジュール１２０１の視野は、第１次元に沿って５度以上であり、第２次元に沿って５度以上である。前記の例における２次元スキャニングは、互いに異なるコヒーレントピクセルを選択的に使用するだけで行われる。

スキャナモジュール１２０１は、また、レーザービームスキャニングを支援するためのスキャナ１２０２および／または偏光依存感度を改善するための１／４波長板（ＱＷＰ）１２０４を含み得る。スキャニングミラー１２０２は、例えば、図７ｂおよび図７ｃに関連して前述したようなスキャニングミラーである。スキャニングミラー１２０２を使用している実施形態において、スキャナモジュール１２０１の視野は、（コヒーレントピクセルの選択的使用によってスキャンされる）第１次元に沿って５度以上であり、（少なくとも部分的にスキャニングミラー１２０２の移動によってスキャンされる）第２次元に沿って１０度以上である。ＬｉＤＡＲチップ１２０５用の光源は、同じチップに直接統合されるか、または光ファイバー部品を介して結合され得る。図示されたように、光源は、ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲ動作のために周波数変調された光信号を生成するＦＭＣＷレーザーソース１２０７である。レーザーソース１２０７は、ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲの範囲を増加させるために光増幅器１２０６によってさらに光増され得る。光増幅器は、半導体光増幅器（ＳＯＡ）チップまたはエルビウム－ドープされた光ファイバー増幅器（ＥＤＦＡ）であり得る。ＦＭＣＷレーザーソース１２０７は、一般的に制御可能な低雑音電流ソースであるレーザードライバ回路１２０８によって制御される。コヒーレントピクセルの出力は、トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）回路１２１１のアレイに移動される。オン－チップスイッチは、スイッチドライバアレイ１２１０によって制御される。ＦＭＣＷ処理エンジンは、ＳＣＰＡ制御および補正ロジック１２１５、ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲフレーム管理およびポイントクラウド処理１２１４、マルチチャネルアナログ－デジタル変換器１２１６、ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲ ＤＳＰ１２１２、およびＦＭＣＷレーザーチャープ（Ｃｈｉｒｐ）制御および補正ロジック１２１３の機能を含む１つまたは複数のＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、またはＤＳＰチップで実装できる。ＳＣＰＡ ＬｉＤＡＲチップ１２０５をＣＭＯＳシリコン光子プラットフォームとして実装する場合、電気回路機能の一部または全体を単一チップの光子回路とモノリシックで実装できる。ＦＭＣＷ処理エンジンのデータ出力１２２０は、深さ情報である。深さ情報は、例えば、一般的なＬｉＤＡＲポイントクラウドの３次元位置データおよびＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲが測定できる速度、反射率などの他の情報を含み得る。

前述したように、高性能のＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、広いＦｏＶおよび高速のピクセル速度が重要であり得る。スキャナモジュール１２０１は、スキャニングモジュール１２０１のＦｏＶにわたって毎秒少なくとも１００Ｋポイントを目指すことができるという点に留意するべきである。

図１２は、例示的なＬｉＤＡＲシステムを例示する。代替的な構成において、異なる部品および／または追加の部品がＬｉＤＡＲシステムに含まれ得る。さらに、図１２に示された１つ以上の部品に関連して説明された機能は、図１２に関連して説明されたものとは別の方法で部品の間に分布し得る。例えば、一部の実施形態において、ＳＣＰＡ ＬｉＤＡＲチップ１２０５は、スキャナモジュール１２０１と分離できる。
追加の構成情報

図面および以前の説明は、単に例示として好ましい実施形態に関するものである。先に論じたことから、ここに開示された構造体および方法の代替実施形態は、請求されたことの原則から逸脱することなく採用できる実行可能な代案として容易に認識されることに留意するべきである。

具体的な説明は、多数の細部事項を含むが、これらは本発明の範囲を制限するものと解釈されるべきではなく、単に異なる例を例示するものと解釈されるべきである。本開示内容の範囲は、前記の詳細で議論されていない他の実施形態を含むことを理解するべきである。当業者に明らかになる様々な他の変形、変化、および変更が添付された特許請求の範囲に定義された思想および範囲を逸脱することなく、ここに開示された方法および装置の配列、動作、および細部事項で行われ得る。したがって、本発明の範囲は、添付された特許請求の範囲およびその法的均等物によって決定されるべきである。

代替的な実施形態は、コンピュータハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、および／またはこれらの組み合わせで実装される。実装例は、プログラム可能なプロセッサによる実行のために機械読み取り可能な記憶装置に実在的に実装されたコンピュータプログラム製品として実装でき、方法のステップは、入力データに対して動作し、出力を生成することによって機能を実行するために命令プログラムを実行するプログラマブルプロセッサによって行われ得る。実施形態は、データ記憶システム、少なくとも１つの入力デバイスおよび少なくとも１つの出力デバイスについてデータおよび命令を受信および送信するように結合された少なくとも１つのプログラマブルプロセッサを含むプログラマブルシステムにおいて、実行可能な１つ以上のコンピュータプログラムで有利に実装できる。各コンピュータプログラムは、高級な手続き的またはオブジェクト指向的プログラミング言語または必要に応じてアセンブリまたは機械語で実装でき、ある場合でも、言語は、コンパイルまたは解析された言語であり得る。適切なプロセッサは、例として、汎用および特殊目的のマイクロプロセッサを含む。一般的に、プロセッサは、読み取り専用メモリおよび／またはランダムアクセスメモリから命令とデータを受信する。一般的に、コンピュータは、データファイルを格納するための１つ以上の大容量の記憶装置を含み、これらのデバイスは、内部ハードディスクおよび移動式ディスクのような磁気ディスクと、光磁気ディスクと、光ディスクと、を含む。コンピュータプログラム命令およびデータを実在として実装するのに適切な記憶装置は、例として、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、およびフラッシュメモリデバイスのような半導体メモリデバイスと、内部ハードディスクおよび移動式ディスクのような磁気ディスクと、光磁気ディスクと、ＣＤ－ＲＯＭディスクと、を含むあらゆる形態の不揮発性メモリを含む。前述したすべてのものは、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）および他の形態のハードウェアによって補完されたり、それに統合され得る。

Claims (20)

1. 光集積回路（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）上に実装された周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）ＬｉＤＡＲトランシーバであって、前記光集積回路は、
   周波数変調されたレーザー信号を受信するように構成された入力ポートと、
   複数の光アンテナと、
   前記入力ポートを前記光アンテナにスイッチング可能に結合し、前記入力ポートと前記光アンテナとの間に光経路を形成するように構成された光スイッチと、
   前記入力ポートから前記光アンテナのうち、１つの光アンテナを向けた各光経路について前記光経路に沿って結合されたスプリッター－前記スプリッターは、
   前記レーザー信号の受信された部分を局部発振器信号と送信された信号に分割するが、前記送信された信号は、前記光アンテナを介して放出され、前記送信された信号の反射は、前記光アンテナを介して反射した信号として受信されるようにし、
   前記反射した信号の一部であるリターン信号を出力するように構成される－と、
   それぞれのスプリッターについて前記スプリッターから前記リターン信号および前記局部発振器信号を受信するように結合されたミキサー－前記ミキサーは、前記トランシーバの視野についての深さ情報を決定するのに使用される１つ以上の出力信号を生成するために、前記リターン信号および前記局部発振器信号を混合するように構成される－と、を含むＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲトランシーバ。
2. それぞれのスプリッターについて、前記スプリッターと前記光アンテナとの間の前記光経路に沿って結合された偏光アセンブリをさらに含み、前記偏光アセンブリは、
   前記送信された信号を形成するように第１導波管からの光信号を結合し、
   第１偏光を有するように前記送信された信号を偏光させ、
   リターン信号を形成するように前記第１偏光に直交する第２偏光に基づいて前記反射した信号を偏光させ、
   光検出のために前記リターン信号を第２導波管に結合するように構成される請求項１に記載のＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲトランシーバ。
3. 前記ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲトランシーバは、前記複数のアンテナのそれぞれについての個別スプリッターを含み、それぞれのスプリッターは、前記光スイッチと対応するアンテナとの間の前記光経路に沿って結合される請求項１に記載のＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲトランシーバ。
4. 前記ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲトランシーバは、前記入力ポートと前記光スイッチとの間に結合された１つのスプリッターのみを含む請求項１に記載のＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲトランシーバ。
5. 前記複数のアンテナの配列は、標準アレイ、線形アレイ、および長方形のアレイを含むグループから選択される請求項１に記載のＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲトランシーバ。
6. 前記１つ以上の出力信号は、それぞれのリターン信号について直交位相出力信号（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｏｕｔｐｕｔ Ｓｉｇｎａｌ）および同位相の出力信号（Ｉｎ－ｐｈａｓｅ Ｏｕｔｐｕｔ Ｓｉｇｎａｌ）を含む請求項１に記載のＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲトランシーバ。
7. 前記光スイッチは、
   前記周波数変調されたレーザー信号を少なくとも２つの光経路の間で分割する受動光スプリッターを含む請求項１に記載のＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲトランシーバ。
8. 前記光スイッチは、
   前記周波数変調されたレーザー信号を少なくとも２つの光経路のうち、いずれか１つにのみスイッチング可能に結合する能動光スプリッターを含む請求項１に記載のＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲトランシーバ。
9. 前記光スイッチは、複数の能動光スプリッターを含む請求項８に記載のＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲトランシーバ。
10. 前記光スイッチは、前記ＦＭＣＷ トランシーバのスキャニング期間中に一度に１つずつ前記周波数変調されたレーザー信号をそれぞれの光アンテナに光学的に結合する請求項１に記載のＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲトランシーバ。
11. 周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）ＬｉＤＡＲシステムであって、
    光集積回路（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）上に実装されたＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲトランシーバを含むＬｉＤＡＲチップと、
    レンズと、を含み、
    前記光集積回路は、
    周波数変調されたレーザー信号を受信するように構成された入力ポートと、
    複数の光アンテナと、
    前記入力ポートを前記光アンテナにスイッチング可能に結合し、前記入力ポートと前記光アンテナとの間に光経路を形成するように構成された光スイッチと、
    前記入力ポートから前記光アンテナのうち、１つの光アンテナを向けた各光経路について前記光経路に沿って結合されたスプリッター－前記スプリッターは、
    前記レーザー信号の受信された部分を局部発振器信号と送信された信号に分割するが、前記送信された信号は、前記光アンテナを介して放出され、前記送信された信号の反射は、前記光アンテナを介して反射した信号として受信されるようにし、
    前記反射した信号の一部であるリターン信号を出力するように構成される－と、
    それぞれのスプリッターについては、前記スプリッターから前記リターン信号および前記局部発振器信号を受信するように結合されたミキサー－前記ミキサーは、ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲの視野についての深さ情報を決定するのに使用される１つ以上の出力信号を生成するために前記リターン信号および前記局部発振器信号を混合するように構成される－と、を含み、
    前記レンズは、前記複数のアンテナを介して放出された前記送信された信号をコリメートするように位置し、
    前記レンズは、また、前記反射した信号を受信し、前記反射した信号を前記放出する光アンテナに結合するように位置するＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステム。
12. それぞれのスプリッターについては、前記スプリッターと前記光アンテナとの間の前記光経路に沿って結合された偏光アセンブリをさらに含み、前記偏光アセンブリは、
    前記送信された信号を形成するように第１導波管からの光信号を結合し、
    第１偏光を有するように、前記送信された信号を偏光させ、
    リターン信号を形成するように前記第１偏光に直交する第２偏光に基づいて前記反射した信号を偏光させ、
    光検出のために前記リターン信号を第２導波管に結合するように構成される請求項１１に記載のＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステム。
13. 前記送信された信号を第１線偏光から円偏光に変換するように、前記放出された送信された信号の光経路に沿って位置し、前記反射した信号を円偏光から前記第１線偏光に直交する第２線偏光に変換するように構成される１／４波長板をさらに含む請求項１２に記載のＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステム。
14. 前記レンズは、
    前記複数のアンテナのうち、第１アンテナから放出された送信された信号を前記ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムの視野の対応する部分に投影し、
    前記送信された信号の反射を前記第１アンテナに提供するように構成される請求項１１に記載のＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステム。
15. 前記複数の光アンテナは、線形アレイで配列され、前記レンズは、１つの角度次元（Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）に沿って、前記トランシーバの視野をスキャンするコリメートされた送信された信号を生成する請求項１１に記載のＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステム。
16. 前記ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、前記１つの角度次元に沿って５度以上の視野を有する請求項１５に記載のＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステム。
17. 前記送信された信号を前記ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムの視野内で第２次元（Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）でスキャンするように構成されたスキャニングミラーをさらに含み、前記第２次元は、前記１つの角度次元に直交する請求項１５に記載のＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステム。
18. 前記ＦＭＣＷは、複数の送信された信号が前記ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムの視野の一部を２つの次元でスキャンするように、前記複数のアンテナから前記複数の送信された信号を放出するように構成される請求項１１に記載のＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステム。
19. 前記２つの次元は、第１次元および第２次元であり、前記スキャンモジュールの視野は、前記第１次元に沿って５度以上であり、前記第２次元に沿って５度以上である請求項１８に記載のＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステム。
20. 前記ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、前記ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムの視野にわたって毎秒少なくとも１００Ｋポイントを目指しするように構成される請求項１１に記載のＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステム。