JP2024518461A - ピクセルマッピング固体ｌｉｄａｒ送光器システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

ＬｉＤＡＲシステムは、第１および第２の光学ビームを発生させ、光学ビームを送光光学軸に沿って投影する第１および第２のレーザエミッタを有する送光器を含む。受光器が、ピクセルのアレイを含み、ピクセルのアレイは、ある物体から反射された第１の光学ビームからの光が、ピクセルのアレイ上に第１の画像エリアを形成し、物体によって反射された第２の光学ビームからの光が、第２の画像エリアを形成し、したがって、第１の画像エリアと第２の画像エリアとの間の重複領域が、測定範囲および送光光学軸と受光光学軸の相対的位置に基づいて形成されるように、受光光学軸に対して位置付けられている。プロセッサが、重複領域内の少なくとも１つのピクセルによって発生させられた電気信号から、重複領域内のピクセルを決定し、それに応答して、帰還パルスを発生させる。

Description

本明細書で使用される節の見出しは、編成目的のみのためのものであり、いかようにも本願に説明される主題の限定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、「Ｐｉｘｅｌ Ｍａｐｐｉｎｇ Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ ＬＩＤＡＲ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ」と題され、２０２１年５月１１日に出願された米国仮特許出願第６３／１８７，３７５号の非仮出願である。米国仮特許出願第６３／１８７，３７５号の内容全体は、本明細書で参照することによって組み込まれる。

自律型、自動運転型、および半自律型の自動車は、周囲の物体の検出および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、異なるセンサおよび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、適応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、重要な役割を担い、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た少数のレーザを利用する。将来の自律自動車が、高信頼性および広い環境動作範囲を伴う固体半導体ベースのＬＩＤＡＲシステムを利用することが、多いに所望される。

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。図面が、必ずしも、正確な縮尺ではなく、強調が、代わりに、概して、本教示の原理を図示することに応じて置かれている。図面は、いかようにも本出願人の教示の範囲を限定することを意図するものではない。

図１は、公知の結像受光器システムを図示する。

図２Ａは、本教示の別個の送光器および受光器を使用するピクセルマッピング光検出および測距（ＬｉＤＡＲ）システムの実施形態を図示する。

図２Ｂは、本教示のホストプロセッサに接続された別個の送光器および受光器システムを含むピクセルマッピングＬｉＤＡＲシステムの実施形態のブロック図を図示する。

図３は、本教示のピクセルマッピングＬｉＤＡＲシステム内で使用される１次元検出器アレイの実施形態を図示する。

図４は、本教示のピクセルマッピングＬｉＤＡＲシステム内で使用される２次元検出器アレイの実施形態を図示する。

図５は、公知のＬｉＤＡＲシステム内で使用される公知の２次元検出器アレイを図示する。

図６は、本教示のピクセルマッピングＬｉＤＡＲシステム内で使用される２次元検出器アレイのある実施形態における単一のレーザの視差の影響を図示する。

図７は、図６の２次元検出器アレイの実施形態における２つの隣接するレーザに関する視差の影響を図示する。

図８は、本教示のＬｉＤＡＲのためのピクセルマッピングの方法のある実施形態におけるステップのフロー図を図示する。

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、さらに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を意図するものではない。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である付加的実装、修正、および実施形態、および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、または特性が、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。本明細書の種々の場所における語句「一実施形態において」の表出は、必ずしも、全てが同じ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は、本教示が動作可能のままである限り、任意の順序で、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の全てを含み得ることを理解されたい。

本教示は、概して、物体までの距離（範囲）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、概して、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距離を測定する。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、長い測定範囲および低コストも維持する固体パルス飛行時間（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ＬＩＤＡＲシステムに関する。また、本教示は、ある方式において、互いに物理的に別個である送光器および受光器光学系を有するシステムに関する。

図１は、公知の結像受光器システム１００を図示する。システム１００は、レンズシステム１０８の焦点面１０６に位置付けられた検出器アレイ１０４を含む受光器１０２を含む。検出器アレイ１０４は、２次元アレイであり得る。検出器アレイ１０４は、画像センサと称され得る。レンズシステム１０８は、１つ以上のレンズおよび／または他の光学要素を含むことができる。レンズシステム１０８およびアレイ１０４は、筐体１１０内に固定される。受光器１０２は、視野１１２を有し、その視野１１２内の標的１１６の実画像１１４を生成する。実画像１１４は、レンズシステム１０８によって、焦点面１０６において作成される。アレイ１０４によって生成された実画像１１４は、近軸光線投影を用いて、焦点面１０６上に投影されて示され、実際の標的と比較して、反転されている。

図２Ａは、本教示の別個の送光器および受光器を使用するピクセルマッピング光検出および測距（ＬｉＤＡＲ）システム２００の実施形態を図示する。別個の送光器２０２および受光器２０４が、使用される。送光器２０２および受光器２０４は、互いから距離２０６、Ｐに位置付けられた中心を有する。送光器２０２は、送光器２０２からの光を投影する、光学レンズシステム２０８を有する。受光器２０４は、光を収集する光学レンズシステム２１０を有する。送光器は、光学軸２１２を有し、受光器２０４は、光学軸２１４を有する。別個の送光光学軸２１２および受光器光学軸２１４は、同軸方向ではなく、代わりに、放射状にオフセットされる。送光器および受光器レンズシステム２０８、２１０の光学軸２１２、２１４間の半径方向オフセットは、本明細書では、視差と称される。

送光器２０２は、略図内の光線Ａ２１６と光線Ｃ２１８との間の角度に対応する視野（ＦＯＶ）内に光を投影する。送光器は、レーザアレイを含み、レーザアレイの一部が、測定のために活性化されることができる。送光器は、単一の測定中、完全ＦＯＶを横断して、光を均一に放出せず、代わりに、視野の一部のみ内に光を放出する。より具体的に、光線Ａ２１６、Ｂ２２０、およびＣ２１８は、個々のレーザビームのための中心軸を形成し、それらは、ある程度の発散または錐体角度をその軸の周りに有する。すなわち、光線Ｂ２２０は、送光器２０２の光学軸２１２と同じである。いくつかの実施形態において、各光線２１６、２１８、２２０は、名目的に、送光器２０２におけるレーザアレイ（図示せず）内の単一のレーザエミッタからの光に関連付けられることができる。レーザエミッタは、単一の物理的放出開口、または群として動作させられる複数の物理的放出開口のいずれかを伴うレーザ源を指し得ることを理解されたい。いくつかの実施形態において、各光線２１６、２１８、２２０は、名目的に、送光器２０２におけるレーザアレイ（図示せず）内の連続した個々のレーザエミッタ要素の群からの光に関連付けられることができる。類似光線分析では、受光器は、略図内の光線１ ２２２と光線５ ２２４との間の角度に対応するＦＯＶ内の光を受け取る。光は、（例証目的のために）光線２ ２２６、光線３ ２２８、および光線４ ２３０に沿った光を含むＦＯＶを横断したある分布を伴って収集される。より具体的に、光線３ ２２８は、収集される光のための中心軸２１４を形成し、それは、ある程度の発散または錐体角度をその軸の周りに有する。いくつかの実施形態において、各光線２２６、２２８、２３０は、名目的に、受光器２０４における検出器アレイ（図示せず）内の単一の検出器要素から受け取られる光に関連付けられることができる。いくつかの実施形態において、各光線２２６、２２８、２３０は、名目的に、送光器２０２における検出器アレイ（図示せず）内の連続した個々の検出器要素の群から受け取られる光に関連付けられることができる。単一の検出器要素または検出器要素の連続した群は、ピクセルと称され得る。

レーザ源（図示せず）と、レンズシステム２０８とを含む送光器２０２の設計は、中心軸２１２を有するＦＯＶを伴う照明を生成するように構成される。検出器アレイ（図示せず）と、レンズシステム２０８位置とを含む受光器２０４の設計は、中心軸２１４を有するＦＯＶを伴う照明を収集するように構成される。送光器２０２のＦＯＶの中心軸２１２は、Ｓ_{ＭＡＴＣＨ}によって示される表面２３２において、受光器２０４のＦＯＶの中心軸２１４と交差するように調節される。この表面２３２は、滑らかである。いくつかの実施形態において、表面は、名目的に球状である。他の実施形態において、表面は、それがそれらの相対的歪みを含む送光器２０２および受光器２０４内の光学システムの設計に依存するので、球状ではない。送光器２０２からの照明と受光器２０４から収集される光との間の表面２３２に沿ったいくつかの交点２３４、２３６、２３８が、示されている。第１の文字は、送光器２０２光線に対応し、第２の文字は、受光器２０４アレイに対応する。すなわち、点２３４、Ｃ１は、送光器２０２光線Ｃ２１８と受光器２０４光線１ ２２２の交点である。点２３６、Ｂ３は、送光器２０２光線Ｂ２２０と受光器２０４光線３ ２２８の交点である。点２３８、Ａ５は、送光器２０２光線Ａ２１６と受光器２０４光線５ ２２４の交点である。表面２３２に沿って、点２３４、２３６、２３８と同じ命名慣例を有する他の交点２４０、２４２、２４４、２４６、２４８、２５０も、示される。当業者に明白であるように、これらの交点の完全３次元組は、それらの相対的中心位置２０６、光学軸２１２、２１４方向、およびＦＯＶに基づいて、任意の特定の対の送光器２０２および受光器２０４に適用されることができる。

図２Ｂは、本教示のホストプロセッサ２７４に接続された送光器および受光器システム２６１を含むピクセルマッピングＬｉＤＡＲシステム２６０の実施形態のブロック図を図示する。ＬｉＤＡＲシステム２６１は、６つの主要なコンポーネント、すなわち、（１）コントローラおよびインターフェース電子機器２６２と、（２）レーザドライバを含む送光電子機器２６４と、（３）レーザアレイ２６６と、（４）受光および飛行時間および強度計算電子機器２６８と、（５）検出器アレイ２７０と、（６）いくつかの実施形態において、光学モニタ２７２とを有する。ＬｉＤＡＲシステムコントローラおよびインターフェース電子機器２６２は、ＬｉＤＡＲシステム２６１の全体的機能を制御し、デジタル通信をホストシステムプロセッサ２７４に提供する。送光電子機器２６４は、レーザアレイ２６６の動作を制御し、いくつかの実施形態において、アレイ２６６内の個々の要素のレーザ発射のパターンおよび／または電力を設定する。

受光および飛行時間計算電子機器２６８は、電気検出信号を検出器アレイ２７０から受光し、次いで、これらの電気検出信号を処理し、飛行時間計算を通して、範囲距離を計算する。受光および飛行時間計算電子機器２６８は、特定の測定のために使用されるピクセルの一部を選択するために、検出器アレイ２７０のピクセルを制御することができる。帰還信号の強度も、電子機器２６８内で計算される。いくつかの実施形態において、受光および飛行時間計算電子機器２６８は、レーザアレイ２０６内の２つの異なるエミッタからの帰還信号が、単一のピクセル（または測定に関連付けられるピクセルの群）からの信号内に存在するかどうかを決定する。いくつかの実施形態において、送光コントローラ２６４は、パルス振幅、パルス幅、および／またはパルス遅延等のパルスパラメータを制御する。

図２ＢのＬｉＤＡＲシステム２６０のブロック図は、コンポーネント間の接続を図示し、いかようにも、物理的構造を制限することを意図するものではない。システム２６０の種々の要素は、実施形態に応じて、種々の位置に物理的に位置することができる。加えて、要素は、実施形態に応じて、種々の物理的構成内に分散されることができる。図２Ａおよび図２Ｂの両方を参照すると、いくつかの実施形態において、送光器２０２のためのモジュールは、レーザアレイ２６６コンポーネントである送光電子機器と、レーザドライバ２６４処理要素との両方を格納することができる。いくつかの実施形態において、受光器２０４のためのモジュールは、検出器アレイ２７０コンポーネントである受光電子機器と、ＴＯＦ計算２６８処理要素との両方を格納することができる。

図３は、本教示のピクセルマッピングＬｉＤＡＲシステム内で使用される１次元検出器アレイ３００の実施形態を図示する。この図は、便宜上、単純な１Ｄ検出器アレイ３００を表すが、本教示は、そのように限定されない。検出器アレイ３００は、１次元内に、３２個のピクセル３０２を有する。図３の例証内のアレイ３００は、例証目的のために簡単化されている。本教示の範囲内である１次元検出器アレイ３００の多くの構成が存在する。いくつかの構成では、ピクセル３０２は、例えば、図２Ａに示される、システム２００における受光器２０４内の画像センサの１つの要素を表す。いくつかの構成では、検出器アレイ３００は、２次元である。いくつかの構成では、検出器アレイ３００は、３２個より多くのピクセル３０２を含む。いくつかの構成では、ピクセル３０２は、検出器（例えば、単一の光子アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）、シリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ））のアレイの単一の要素である。いくつかの構成では、ピクセル３０２は、個々の検出器（例えば、単一の光子雪崩検出器（ＳＰＡＤ）、シリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ））の連続した群である。

図２Ａおよび図３の両方を参照すると、各交点２３４、２３６、２３８、２４０、２４２、２４４、２４６、２４８、２５０の場所は、各交点２３４、２３６、２３８、２４０、２４２、２４４、２４６、２４８、２５０に設置された標的に対応する反射されたパルスが受け取られるであろう像面における位置３０４、３０６、３０８、３１０、３１２と関連して示される。Ａ１ ２４０、Ｂ１ ２４８、およびＣ１ ２３４の全ては、同じピクセル３１４に結像されることが分かる。Ａ光線２１６が、標的距離および受光器ＦＯＶ内の場所に応じて、アレイ内のピクセル毎に受け取られる反射された信号をもたらすであろうことが分かる。例えば、点Ａ２ ２４２、ピクセル３１６、Ａ３ ２４４、ピクセル３１８、Ａ４ ２４６、ピクセル３１０およびＡ５ ２３４、ピクセル３２２の全ては、アレイ３００上に当たる。他方では、点Ｃ１ ２３４、ピクセル３１４であるＣ光線２１８のためにマークされた交点のうちの１つのみが、アレイ３００上に当たる。Ｂ光線２２０のためのマークされる交点のうちのいくつか、例えば、点Ｂ１ ２４８、ピクセル３１４、Ｂ２ ２４８、ピクセル３１６、およびＢ３ ２５０、ピクセル３１８が、アレイ３００上に当たる。

したがって、送光器と受光器との間の視差は、反射されたパルスを受け取る特定のピクセルが発射されているレーザの位置（すなわち、どのレーザ光線）とＦＯＶ内の位置（すなわち、どの受光器光線）との両方の関数である幾何学形状を作成する。したがって、レーザ光線と受光器光線（すなわち、レーザ要素と受光器要素）との間に、１対１の対応が存在しない。むしろ、対応は、反射する標的の距離に依存する。

図４は、本教示のピクセルマッピングＬｉＤＡＲシステム内で使用される２次元検出器アレイ４００の実施形態を図示する。いくつかの実施形態において、検出器アレイ４００は、様々な公知の２次元結像ピクセルアレイのいずれかである。アレイ４００は、行４０６および列４０８内に配列される、ピクセル４０２を含む。例えば、多くのカメラは、ロールシャッタを使用する公知の２Ｄ検出器アレイを採用する。ロールシャッタでは、データは、ライン毎に入手される。

図４は、ハイライトされている、単一の列４０８または単一の行４１０のいずれかによるこの動作を図示する。ロールシャッタを利用する主な理由は、データが読み取られ得る速度に関する限界である。任意の時点において読み取られ得るデータの量にも限界があり得る。いくつかのカメラは、グローバルシャッタを使用する。グローバルシャッタでは、完全検出器アレイに関するデータは、同時に捕捉される。グローバルシャッタの欠点は、大量のデータが全てのセンサから同時に生じることであって、これは、フレームレートを限定し得る。すなわち、グローバルシャッタを使用して処理されるべきフレームあたりのかなりの量のデータが存在するので、フレーム間でより時間がかかる。したがって、ロールシャッタ動作は、行毎または列毎ベースでデータフレームを収集する。アレイ４００全体からデータを捕捉するために、各々が１６個のピクセルを伴う２４列のフレームが存在するであろう。代替として、アレイ４００全体からデータを捕捉するために、各々が２４個のピクセルを伴う１６行のフレームが存在するであろう。グローバルシャッタ動作は、２次元アレイ内の全てのピクセルからデータフレームを収集する。アレイ４００全体を読み取るために、３８４個のピクセルからのデータの１つのフレームが存在するであろう。

図５は、公知のＬｉＤＡＲシステム内で使用される公知の２次元検出器アレイ５００を図示する。２Ｄ検出器ピクセルアレイ５００は、２４個の送光器エミッタＦＯＶ５０４（黒色輪郭正方形）と重ねられた３８４個のピクセル５０２（小灰色正方形）を含む。視差を伴うシステムでは、１６個の受光器ピクセル５０２との任意の特定の送光器の正確な重複は、示されるように、１つの特定の距離においてのみ生じるであろう。すなわち、ＦＯＶ５０４は、１つの測定距離に関してのみ、この形状を有する。図５に示される構成は、完全システムＦＯＶを全て一度に照明する、公知のフラッシュ送光器を採用しない。代わりに、送光器は、各々が送光器エミッタＦＯＶ５０４を発生させる複数の２４個のレーザエミッタを含み、各個々のレーザは、独立して発射されることができる。各レーザエミッタによって放出される光学ビームは、総システムＦＯＶの一部のみに対する３Ｄ投影角度に対応する。すなわち、エミッタＦＯＶは、１つのみの正方形に対する一方、送光器ＦＯＶは、２４個の正方形の全部の組である。そのような送光器の一例は、米国特許公開第２０１７／０３０７７３６Ａ１号（本譲受人の譲渡されている）に詳細に説明される。米国特許公開第２０１７／０３０７７３６Ａ１号の内容全体は、参照することによって本明細書に組み込まれる。

示されるように、複数のレーザエミッタを使用するＬＩＤＡＲシステムは、依然として、眼安全性限界を維持しながら、より高い屈折力密度を含む多くの利点を有する。最速データ入手レート（およびフレームレート）を有するために、単一のレーザに対応するピクセル５０２（すなわち、特定のエミッタＦＯＶ５０４内の１６個のピクセル５０２）のみが、特定の測定シーケンス中、利用されることが好ましい。個々のレーザエミッタは、特定の範囲における特定のエリアに対してのみ反射するので、全体的システム速度は、特定のエミッタに対応するそれらのピクセルのみを活性化するための検出器領域の適切な選択によって、最適化されることができる。

公知のＬｉＤＡＲシステムに関する課題は、検出器アレイ収集エリアＦＯＶへの送光器エミッタ照明ＦＯＶの投影が、厳密に、上で説明されるように、１つの測定距離においてのみ保持されることである。異なる測定距離では、標的から検出器アレイの上に反射される送光器照明領域の形状は、異なる。１つの距離において保持されるＦＯＶ投影と、他の距離において保持されるより一般的重複条件との間の区別を明確にするために、我々は、画像エリアを参照する。本明細書で使用されるような画像エリアは、さまざまな測定距離から検出器上に当たる照明の形状である。特定のシステムのための画像エリアのサイズおよび形状は、システム測定範囲（システムが測定を行う距離の範囲）、送光器および受光器の光学軸の相対的位置および角度、送光器内のエミッタおよび受光器内の検出器のサイズ、形状、および位置、および他のシステム設計パラメータに基づいて決定されることができる。

本教示の特徴の１つは、本教示による方法およびシステムが、送光器および受光器の光学軸と相対的位置との間の既知の関係を利用し、送光器内の各エミッタに関する画像エリアを事前に決定することである。この情報は、次いで、２つの異なるエミッタの画像エリア間の重複の領域内で収集されたデータを含む収集された測定データを処理するために使用されることができる。処理は、例えば、冗長データ点を排除すること、重複領域内の最良データ点を選択することによって雑音および周囲光の影響をへらすこと、および／または特定の方向に沿って異なる距離から複数の帰還を生成することができる。処理は、焦点ぼけの低減を含む画質を改良するためにも使用され得る。

図６は、本教示のピクセルマッピングＬｉＤＡＲシステム内で使用される２次元検出器アレイ６００のある実施形態における単一のレーザの視差の影響を図示する。アレイ６００は、３８４個のピクセル６０２を含む。本教示の検出器アレイを使用するＬｉＤＡＲシステムのいくつかの実施形態は、複数のエミッタを伴う送光器によって照明され、各エミッタは、概して、受光器アレイの全部の視野を照明しない。したがって、システム５００に示され、図５に関連して説明されるように、複数の送光器エミッタＦＯＶ（組み合わせられ、全部の送光器ＦＯＶを作成する）は、受光器アレイＦＯＶ上に投影されたとき、存在する。ＦＯＶ投影は、少なくとも部分的に送光光学軸および受光器光学軸の相対的位置に基づく。視差は、単一の標的または複数の標的のいずれかがある有限範囲にわたって延びていると仮定すると、単一のレーザエミッタによって形成される画像に影響を及ぼす。この画像では、垂直および水平方向の両方に視差の成分が存在する。したがって、図５も参照すると、レーザエミッタ番号９に関する単一の標的距離に対応する矩形ＦＯＶ５０６が、９で標識された多角形形状画像エリア６０４の中に対角線上に延びている。この画像エリア６０４は、標的距離の範囲にわたって生じる反射を含む。破線６０６は、矩形を形成し、矩形は、レーザ画像である画像エリア６０４を完全に囲むピクセル６０２の組の輪郭を描き、ある標的からの反射が存在する標的距離の範囲にわたるデータの損失がないことを確実にするために、この特定のレーザエミッタのために選択される必要があるであろう受光器ピクセル領域を示す。

図７は、図６の２次元検出器アレイ６００の実施形態における２つの隣接するレーザに関する視差の影響を図示する。また、図５を参照すると、標的距離の範囲に対応するエミッタ９の矩形ＦＯＶ５０６およびエミッタ１０のＦＯＶ５０８の両方が、エミッタ９に関する多角形形状画像エリア７０２の中に、かつエミッタ１０に関する多角形形状画像エリア７０４の中に対角線上に延びている。視差は、単一の標的が、送光器からある距離の範囲にわたって延びているか、または複数の標的が、ある有限範囲にわたって延びているかのいずれかであると仮定すると、２つの隣接するレーザ（この例に関しては、エミッタ９およびエミッタ１０）によって形成される画像に影響を及ぼす。２つのレーザエミッタ９および１０の画像エリア７０２、７０４は、ここでは、部分的に重複していることが分かる。単一の測定距離に対応する図５では、投影されたレーザ画像であるＦＯＶ５０６、５０８間に重複はない。

図７では、２つのレーザエミッタ９および１０に対応するピクセルを囲むピクセルの２つの組のための領域７０６、７０８も、部分的に重複する。そのような場合、２つの（またはそれを上回る）レーザから生じる照明のための測定に対応する重複領域に対応するピクセル７１０の組が存在するであろう。重複領域は、いくつかの実施形態において、アレイ６００内のピクセルの一行の全部または一列の全部のいずれでもない。視差効果は、特に、個々のエミッタまたはエミッタ群のＦＯＶが小さいＬｉＤＡＲシステムに関して著しい。例えば、視差効果は、特に、個々のピクセルの行および／または列の一部のみが、励起されたエミッタ、または同時に励起された単一の測定を表すエミッタの群によって照明されるシステムに関して、強い。いくつかの実施形態において、単一の測定は、励起されるエミッタまたはエミッタの群からのレーザ光の単一のパルスに関連付けられている。

いくつかの実施形態において、１つのレーザエミッタと共に使用されるピクセルの少なくとも１つの一部が、異なるレーザエミッタと共に使用されるピクセルの少なくとも１つの一部と重複する。システムは、この重複領域から取得されるデータを分析し、組み合わせ、この処理されたデータに基づいて組み合わせられた単一の点群を作成することによって、重複領域内のピクセルから取得されるデータを処理するプロセッサ（図示せず）を含む。いくつかの実施形態において、プロセッサは、照明されたピクセルによって発生させられたデータ内に含まれる帰還パルスに基づいて、特定のレーザエミッタに関連付けられた照明されるピクセル（すなわち、２つ以上の励起されたレーザエミッタの画像エリア内のピクセル）を動的に選択する。種々の帰還パルス特性は、特定のレーザを動的に選択するために使用されることができ、帰還パルス特性は、例えば、帰還パルス強度、雑音レベル、パルス幅、および／または他の特性を含む。図２Ｂを参照すると、例として、いくつかの実施形態において、アレイ２１０のピクセルから取得されるデータを処理するプロセッサは、ホストシステムプロセッサ２７４、コントローラおよびインターフェース電子機器２６２、受光および飛行時間および強度計算電子機器２６８、および／または、任意またの全てのこれらの処理要素２７４、２６２、２６８の組み合わせの一部であることができる。

本教示のいくつかの実施形態において、ピクセルのアレイの一部のみが、特定の測定のために活性化される（例えば、一行の全部および／または一列の全部ではない）。これらの実施形態において、２次元行列アドレス可能検出器アレイが、使用されることができる。いくつかの実施形態において、２次元行列アドレス可能検出器アレイは、ＳＰＡＤアレイである。本教示のいくつかの実施形態において、レーザエミッタのアレイの一部のみが、特定の測定のために励起される。例えば、一行の全部未満および／または一列の全部未満が、励起されることができる。これらの実施形態において、２次元行列アドレス可能レーザアレイが、使用されることができる。いくつかの実施形態において、２次元行列アドレス可能レーザアレイは、ＶＣＳＥＬアレイである。いくつかの実施形態において、送光器コンポーネントの全ては、固体であり、可動部分を伴わない。

図８は、本教示のＬｉＤＡＲのためのピクセルマッピングの方法のある実施形態におけるステップのフロー図８００を図示する。方法は、本教示のＬＩＤＡＲシステム内に統合された４次元（４Ｄ）点群を提供する。４Ｄとは、３つの空間次元＋強度を意味する。第１のステップ８０２では、測定が、開始される。第２のステップ８０４では、選択されたレーザが、発射される。すなわち、個々のレーザが、光パルスを発生させることによって単一の測定を開始するように制御される。本教示による種々の方法では、レーザの選択された個々のものおよび／または群が、所望のパターンのレーザＦＯＶが、所与の単一の発射測定サイクル上で照明されるように、発射され、光の単一のパルスを発生させることを理解されたい。いくつかの実施形態において、送光器レーザ電力は、標的までの範囲の関数として変動する。いくつかの実施形態において、送光器パルス長は、標的までの範囲の関数として変動する。

第３のステップ８０６では、反射された帰還信号が、ＬＩＤＡＲシステムによって受信される。第４のステップ８０８では、受信された反射帰還信号が、処理される。いくつかの方法では、帰還信号の処理は、帰還ピークの数を決定する。いくつかの方法では、処理は、飛行時間（ＴＯＦ）に基づいて物体までの距離を計算する。いくつかの方法では、処理は、帰還ピークの強度または疑似強度を決定する。これらの処理結果の種々の組み合わせが、提供されることができる。強度は、ｐ型／真性／ｎ型構造検出器（ＰＩＮ）またはアバランシェ光検出器（ＡＰＤ）を用いて直接検出されることができる。さらに、または代替として、強度は、同時にトリガされるピクセルの数に基づいて疑似強度を提供する、シリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）または単一の光子アバランシェダイオード検出器（ＳＰＡＤ）アレイを用いて検出されることもできる。方法のいくつかの実施形態は、帰還信号トレースの雑音レベルをさらに決定する。方法の種々の実施形態において、追加の情報、例えば、周囲光レベルおよび／または種々の他の環境条件および／または要因も、考慮される。

第５のステップ８１０では、レーザからの光の別のパルスを発生させるためにレーザを発射することについての決定が、行われる。決定が、「はい」である場合、方法は、第２のステップ８０８に戻る。方法の種々の実施形態において、決定は、例えば、決定マトリクス、ＬＩＤＡＲコントローラの中にプログラムされるアルゴリズム、またはルックアップテーブルに基づくことができる。特定の数のレーザパルスが、次いで、所望の数のレーザパルスが、発生させられるまで、第２のステップ８０４と、第３のステップ８０６と、第４のステップ８０８とを含むループを通して循環することによって、発生させられ、決定ステップ８１０は、停止に戻り、第６のステップ８１２に進む。

システムは、第６のステップ８１２において、複数の測定信号処理ステップを実施する。方法８００の種々の実施形態において、複数の測定信号処理ステップは、例えば、フィルタリング、平均化、および／またはヒストグラム化を含むことができる。複数の測定信号処理は、複数のパルス測定値の処理されたデータから、最終的な結果として生じる測定値をもたらす。これらの結果として生じる測定値は、未加工の信号トレース情報と、処理された情報との両方を含むことができる。未加工の信号情報は、データの確率または信頼レベルを示すフラグまたは標識、および第６のステップの処理に関連するメタデータを用いて、増強されることができる。

第７のステップ８１４では、システムは、ある発射シーケンスにおける次のレーザを制御する、決定ループに移動し、発射シーケンス内の全てのレーザに関する測定の１つの組の全部が取得され得るまで、発射シーケンス内のレーザのリスト全部を通して、ループを継続する。方法が、第７のステップ８１４から第２のステップ８０４に進むと、新しい異なるレーザが、発射される。発射シーケンスは、特定のループ上で発射される特定のレーザを決定する。このシーケンスは、例えば、１フレームの全部または部分的フレームに対応することができる。

別の可能な実施形態において、ループ８１０および８１４は、レーザのサブ群が形成されるように、組み合わせられ、レーザの発射は、インターリーブされることによって、連続パルスを伴うその単一のレーザの発射と比較して、任意の個々のレーザ上のデューティサイクルを減らすが、依然として、特定のレーザに関して、パルス間の比較的に短時間を維持する。本代替実施形態において、システムは、いくつかのサブ群を通して進み、１フレームの全部または部分的フレームのいずれかを完了するであろう。

第８のステップ８１６では、システムは、発射シーケンスからのデータ組全部を分析し、種々のアクションを任意の重複ピクセル領域内のデータに講じる。これは、例えば、図７に関連して説明される重複領域７１０であることができる。動作は、２つの別個のＴＯＦ距離を有する重複ピクセル領域内のデータを組み合わせ、特定の角度方向における複数の帰還を作成することを含み得る。いくつかの実施形態において、重複ピクセルからの測定データの組み合わせは、特定の角度方向に関する複数の帰還をもたらす。これらの実施形態において、重複ピクセルからの測定データの組み合わせは、ＴＯＦ帰還のうちの少なくともいくつかが破棄され、１つのみの帰還を組み合わせられた測定データ内に残す結果をもたらす。いくつかの実施形態において、システムは、例えば、距離が、ほとんど一致しており、１つの測定がある基準に基づいて好ましい場合、１組のＴＯＦデータを破棄するように選定し得る。基準は、例えば、雑音レベル、または帰還の強度レベル、またはある他のメトリックであり得る。いくつかの実施形態において、システムは、重複データを使用して、画像分析を実施し、焦点ぼけ等の画像欠陥を補正し得る。

第９のステップ８１８では、多測定帰還信号処理の分析によって決定される組み合わせられた４Ｄ情報が、次いで、報告される。報告されるデータは、例えば、３Ｄ測定点データ（すなわち、３つの空間次元）、および／または帰還ピークの数、飛行時間、帰還パルス振幅、誤差、および／または様々な較正結果を含む種々の他のメトリックを含むことができる。第１０のステップ８２０では、方法は、終了される。

レーザおよび／または検出器の個々のものおよび／または群を選択する多くの方法が、存在する。例えば、「Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ ＬＩＤＡＲ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｌａｓｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ」と題された米国仮特許出願第６２／８３１，６６８号を参照されたい。「Ｅｙｅ－Ｓａｆｅ Ｌｏｎｇ－Ｒａｎｇｅ Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ ＬＩＤＡＲ Ｓｙｓｔｅｍ」と題された米国仮出願第６２／８５９，３４９号、および「Ｎｏｉｓｅ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ ＬＩＤＡＲ Ｓｙｓｔｅｍ」と題された米国特許出願第１６／３６６，７２９号も参照されたい。これらの特許出願の全ては、本譲受人に譲渡されており、全て、参照することによって本明細書に組み込まれる。

本教示のいくつかの側面の重要な特徴は、単一の標的範囲に提供されるＦＯＶと比較して、標的がＬｉＤＡＲからある範囲の距離にわたって延びている場合、視差が特定のレーザエミッタ（またはエミッタの群）の画像エリアが歪むことを引き起こすという認識である。この歪みは、標的距離の範囲からの測定のための隣接するエミッタからＦＯＶ間にある重複を引き起こす。例えば、本視差は、エミッタの位置、送光器からの照明の光学軸の角度、および／またはピクセルの位置およびピクセルによって収集された照明の光学軸の角度に基づいて、特性評価されることができる。送光器の光学軸は、受光器の光学軸と一致していない。本既知の視差を使用して、受け取られたデータの分析および処理を実施することによって、重複の領域を分析し、データを処理し、これらの領域内に含まれる情報を考慮し、その利益を享受するために使用することが可能である。結果は、ＬｉＤＡＲによって探査される３次元空間内の物体を識別することにおいて有用である単一の有益な組み合わせられたデータ組である。
（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、および均等物を包含する。

Claims (30)

1. 光検出および測距（ＬｉＤＡＲ）システムであって、前記ＬｉＤＡＲシステムは、
   ａ）送光器であって、前記送光器は、励起されると、第１の視野（ＦＯＶ）を備えている第１の光学ビームを発生させる第１のレーザエミッタと、励起されると、第２のＦＯＶを備えている第２の光学ビームを発生させる第２のレーザエミッタとを備え、前記送光器は、励起されると、前記第１および第２の光学ビームを送光光学軸に沿って投影する、送光器と、
   ｂ）受光光学軸に沿ってある物体から反射された光を収集するように構成された受光器と
   を備え、
   前記受光器は、
   ｉ）ピクセルのアレイであって、前記ピクセルのアレイは、ある物体から反射された前記第１の光学ビームからの光がピクセルのアレイ上に第１の画像エリアを形成し、前記物体によって反射された前記第２の光学ビームからの光が前記ピクセルのアレイ上に第２の画像エリアを形成し、それによって、前記第１の画像エリアと前記第２の画像エリアとの間の重複領域が、測定範囲と、前記送光光学軸と前記受光光学軸との相対的位置とに基づいて形成されるように、前記受光光学軸に対して位置付けられている、ピクセルのアレイと、
   ｉｉ）プロセッサと
   を備え、
   前記プロセッサは、前記重複領域内の少なくとも１つのピクセルによって発生させられた電気信号から前記重複領域内のピクセルを決定し、前記決定に応答して、帰還パルスを発生させる、ＬｉＤＡＲシステム。
2. 前記重複領域は、前記領域のサイズによって特徴付けられる、請求項１に記載のＬｉＤＡＲシステム。
3. 前記重複領域は、前記領域の形状によって特徴付けられる、請求項１に記載のＬｉＤＡＲシステム。
4. 前記重複領域は、前記ピクセルのアレイの位置によって特徴付けられる、請求項１に記載のＬｉＤＡＲシステム。
5. 前記第１のレーザエミッタおよび前記第２のレーザエミッタのうちの少なくとも１つは、ＶＣＳＥＬエミッタを備えている、請求項１に記載のＬｉＤＡＲシステム。
6. 前記第１のレーザエミッタおよび前記第２のレーザエミッタは、アレイにおいて形成されている、請求項１に記載のＬｉＤＡＲシステム。
7. 前記アレイは、ＶＣＳＥＬアレイを備えている、請求項６に記載のＬｉＤＡＲシステム。
8. 前記レーザアレイは、２次元アレイを備えている、請求項１に記載のＬｉＤＡＲシステム。
9. 前記ＶＣＳＥＬアレイは、前記送光器が幅および高さにおいて、それぞれ、一行の全部でも一列の全部でもないＦＯＶを照明し得るような２Ｄ行列アドレス可能アレイである、請求項８に記載のＬｉＤＡＲシステム。
10. 前記送光器は、第３のレーザエミッタをさらに備えている、請求項１に記載のＬｉＤＡＲシステム。
11. 前記送光器は、送光光学系をさらに備えている、請求項１に記載のＬｉＤＡＲシステム。
12. 前記送光器は、前記第１のレーザエミッタがパルス状光学ビームを備えている前記第１の光学ビームを発生させるように構成されている、請求項１に記載のＬｉＤＡＲシステム。
13. 前記レーザパルスのうちの少なくとも１つの強度が、前記物体までの範囲に基づいて変動する、請求項１２に記載のＬｉＤＡＲシステム。
14. 前記レーザパルスのうちの少なくとも１つのパルス幅が、前記物体までの範囲に基づいて変動する、請求項１２に記載のＬｉＤＡＲシステム。
15. 前記受光器は、受光光学系をさらに備えている、請求項１に記載のＬｉＤＡＲシステム。
16. 前記ピクセルのアレイは、２次元アレイを備えている、請求項１に記載のＬｉＤＡＲシステム。
17. 前記ピクセルのアレイは、検出器アレイを備えている、請求項１に記載のＬｉＤＡＲシステム。
18. 前記ピクセルのアレイは、ＳＰＡＤアレイを備えている、請求項１に記載のＬｉＤＡＲシステム。
19. 前記ピクセルのアレイは、ピクセルの一部のみが特定の測定のために活性化されるように構成されている、請求項１に記載のＬｉＤＡＲシステム。
20. 前記重複領域内の少なくとも１つのピクセルは、特定の角度方向から複数の帰還を受け取るように構成されている、請求項１に記載のＬｉＤＡＲシステム。
21. 前記プロセッサは、前記重複領域内の少なくとも１つのピクセルからの少なくとも１つの飛行時間帰還を破棄するように構成されている、請求項１に記載のＬｉＤＡＲシステム。
22. 前記プロセッサは、前記重複領域に対する画像分析を実施するように構成されている、請求項１に記載のＬｉＤＡＲシステム。
23. 光検出および測距（ＬｉＤＡＲ）の方法であって、前記方法は、
    ａ）第１の視野（ＦＯＶ）を備えている第１の光学ビームを発生させることと、
    ｂ）第２のＦＯＶを備えている第２の光学ビームを発生させることと、
    ｃ）前記第１および第２の光学ビームを送光光学軸に沿って投影することと、
    ｄ）受光光学軸に沿ってある物体から反射された光を収集することであって、前記ピクセルのアレイは、ある物体から反射された前記第１の光学ビームからの光がピクセルのアレイ上に第１の画像エリアを形成し、前記物体によって反射された前記第２の光学ビームからの光が前記ピクセルのアレイ上に第２の画像エリアを形成し、それによって、前記第１の画像エリアと前記第２の画像エリアとの間の重複領域が、測定範囲と、前記送光光学軸と前記受光光学軸との相対的位置とに基づいて形成されるように、前記受光光学軸に対して位置付けられている、ことと、
    ｅ）前記重複領域内の少なくとも１つのピクセルによって発生させられた電気信号から、前記重複領域内のピクセルを決定することと、
    ｆ）前記決定に応答して、帰還パルスを発生させることと
    を含む、方法。
24. 統合された４次元（４Ｄ）点群を提供するための光検出および測距（ＬｉＤＡＲ）のためのピクセルマッピングの方法であって、前記方法は、
    ａ）所望のパターンのレーザＦＯＶが照明されるように、光の単一のパルスを発生させるためのレーザを選択することと、
    ｂ）反射された帰還信号を標的から受け取ることと、
    ｃ）前記反射された帰還信号を処理することと、
    ｄ）前記処理および所定の決定基準に基づいて所望のパターンのレーザＦＯＶが照明されるように他の光の単一のパルスを発生させるために、選択されたレーザを発射させることと、
    ｅ）前記選択されたレーザの発射からのデータを分析し、４次元（４Ｄ）点群情報を決定することと
    を含む、方法。
25. 前記反射された帰還信号を処理することは、帰還ピークの数を決定することを含む、請求項２４に記載の方法。
26. 前記反射された帰還信号を処理することは、飛行時間に基づいて、前記物体までの距離を計算することを含む、請求項２４に記載の方法。
27. 前記反射された帰還信号を処理することは、前記帰還信号トレースの雑音レベルを決定することを含む、請求項２４に記載の方法。
28. 前記反射された帰還信号を処理することは、前記帰還ピークの強度または擬似強度を決定することを含む、請求項２４に記載の方法。
29. 前記標的の範囲の関数として、前記光の単一のパルスを発生させる前記選択されたレーザの電力を変動させることをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
30. 前記標的の範囲の関数として、前記光の単一のパルスを発生させる前記選択されたレーザのパルス長を変動させることをさらに含む、請求項２４に記載の方法。

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