特開 2022-160621 高周波パルス発射を用いる高分解能ライダ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022160621

(43)【公開日】2022-10-19

(54)【発明の名称】高周波パルス発射を用いる高分解能ライダ

(51)【国際特許分類】

   G01S 17/42 20060101AFI20221012BHJP

   G01C 3/06 20060101ALI20221012BHJP

【ＦＩ】

G01S17/42

G01C3/06 120Q

G01C3/06 140

【審査請求】有

【請求項の数】27

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2022126767

(22)【出願日】2022-08-09

(62)【分割の表示】P 2019536925の分割

【原出願日】2018-01-05

(31)【優先権主張番号】62/442,912

(32)【優先日】2017-01-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】15/857,563

(32)【優先日】2017-12-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】522138308

【氏名又は名称】イノビュージョン インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100127926

【弁理士】

【氏名又は名称】結田 純次

(74)【代理人】

【識別番号】100140132

【弁理士】

【氏名又は名称】竹林 則幸

(72)【発明者】

【氏名】イミン・リー

(72)【発明者】

【氏名】ジュンウェイ・パオ

(57)【要約】      （修正有）

【課題】光検出測距（ライダ）システム、より詳細には、高周波パルスの発生および検出を用いて視野内で高分解能を達成するためのシステムおよび方法に関する。
【解決手段】光検出測距（ライダ）走査システムは光源を含む。光源は、光パルスを送信するように構成される。ライダ走査システムはまた、光路に沿って垂直方向および水平方向の少なくとも一方に光パルスを操向するように構成されたビームステアリング装置を含む。ビームステアリング装置は、光パルスが光路内の物体を照明することに基づいて発生した散乱光を同時に集めるようにさらに構成される。散乱光は、光路と同軸または略同軸である。ライダ走査システムは、集めた散乱光を焦点に向けるように構成された集光装置をさらに含む。ライダ走査システムは、略焦点に位置する光検出器をさらに含む。光検出器は、検出器または検出素子のアレイを含むことができる。
【選択図】図２Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光検出測距（ライダ）走査システムであって：
光パルスを送信するように構成された光源と；
光路に沿って垂直方向および水平方向の少なくとも一方に光パルスを操向するように構成されたビームステアリング装置と；
ビームステアリング装置に結合され、複数の検出素子を含み、散乱光を検出するように構成された光検出器であって、散乱光は、光パルスが光路内の物体を照明することに基づいて発生する光検出器と；
光源および光検出器に電気的に結合された電気的処理計算デバイスであって、
散乱光の位置プロファイルを取得し；
取得した位置プロファイルに基づいて、ビームステアリング装置の動きに関するデータを取得し；
取得したデータに基づいて、送信された光パルスと検出された散乱光との相関を判定するように構成された電気的処理計算デバイスとを含む、前記光検出測距（ライダ）走査システム。

【請求項2】

電気的処理計算デバイスは、物体までの距離を判定するようにさらに構成される、請求項１に記載のライダ走査システム。

【請求項3】

位置プロファイルは、複数の検出素子のうちの１つの検出素子が散乱光および関連する信号強度を検出したかどうかを示す、請求項１に記載のライダ走査システム。

【請求項4】

電気的処理計算デバイスは、位置プロファイルに基づいて散乱光の到達領域の中心を判定するようにさらに構成される、請求項１に記載のライダ走査システム。

【請求項5】

電気的処理計算デバイスは、到達領域の中心に基づいてシフト距離を判定するようにさらに構成される、請求項４に記載のライダ走査システム。

【請求項6】

電気的処理計算デバイスは、シフト距離に基づいてシフト角度を判定するようにさらに構成される、請求項５に記載のライダ走査システム。

【請求項7】

電気的処理計算デバイスは、シフト角度に基づいて、送信されたパルスの移動時間を判定するようにさらに構成される、請求項６に記載のライダ走査システム。

【請求項8】

電気的処理計算デバイスは：
光パルスを送信した時間と散乱光を検出した時間とに基づいて候補移動時間を判定し；
候補移動時間をシフト角度に基づいて判定した移動時間と比較し；
比較に基づいて、送信された光パルスと検出された散乱光との相関を判定し；
候補時間に基づいて物体までの距離を計算するようにさらに構成される、請求項６に記載のライダ走査システム。

【請求項9】

電気的処理計算デバイスは：
散乱光に関する情報に基づいて候補移動時間を判定し；
候補移動時間をシフト角度に基づいて判定した移動時間と比較し；
比較に基づいて、送信された光パルスと検出された散乱光との相関を判定し；
候補時間に基づいて物体までの距離を計算するようにさらに構成される、請求項６に記載のライダ走査システム。

【請求項10】

情報は、幾何形状、角度、電気位相、電気周波数、またはこれらのいずれかの組合せを
含む、請求項８に記載のライダ走査システム。

【請求項11】

光源は、システムの設計仕様による最も遠くの物体に光パルスが到達するための飛行往復時間に要する時間よりも短い時間間隔で、光パルスを連続して送信するように構成される、請求項１に記載のライダ走査システム。

【請求項12】

集めた散乱光を焦点に向けるように構成された集光装置をさらに含む、請求項１に記載のライダ走査システム。

【請求項13】

光検出器は焦点にまたは焦点に近接して配設される、請求項１に記載のライダ走査システム。

【請求項14】

送信されたパルスは符号化情報を含む、請求項１に記載のライダ走査システム。

【請求項15】

光源と、ビームステアリング装置と、複数の検出素子を有する光検出器とを含む光検出測距（ライダ）システムを操作するためのコンピュータにより実行される方法であって：
光源を用いて光パルスを送信する工程と；
ビームステアリング装置を用いて、光路に沿って垂直方向および水平方向の少なくとも一方に光パルスを操向する工程と；
光検出器を用いて、光パルスが光路内の物体を照明することに基づいて発生した散乱光を検出する工程と；
散乱光の位置プロファイルを取得する工程と；
取得した位置プロファイルに基づいて、光検出器の動きに関するデータを取得する工程と；
取得したデータに基づいて、送信された光パルスと検出された散乱光との相関を判定する工程とを含む前記方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、参照によって本明細書に完全に組み入れる、２０１７年１月５日に出願された「ＨＩＧＨ ＲＥＳＯＬＵＴＩＯＮ ＬｉＤＡＲ ＵＳＩＮＧ ＨＩＧＨ ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ ＰＵＬＳＥ ＦＩＲＩＮＧ」と題する米国仮特許出願第６２／４４２，９１２号、および２０１７年１２月２８日に出願された「ＨＩＧＨ ＲＥＳＯＬＵＴＩＯＮ ＬｉＤＡＲ ＵＳＩＮＧ ＨＩＧＨ ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ ＰＵＬＳＥ ＦＩＲＩＮＧ」と題する米国非仮特許出願第１５／８５７，５６３号の優先権を主張する。

【0002】

本開示は、一般に、光検出測距（ライダ）システム、より詳細には、高周波パルスの発生および検出を用いて視野内で高分解能を達成するためのシステムおよび方法に関する。

【背景技術】

【0003】

ライダシステムは、物体とシステムとの距離を測定するために使用することができる。すなわち、このシステムは、（例えば、光源を用いて）信号を送信し、（例えば、光検出器を用いて）戻り信号を記録し、戻り信号と送信信号との間の遅れを計算することによって距離を判定する。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

以下は、本開示の基本的な理解をもたらすために１つまたはそれ以上の例の簡単な概要を示す。この概要は、考えられるすべての例の広範囲にわたる概略ではなく、すべての例のうちの主要なもしくは重要な要素を特定すること、または一部もしくはすべての例の範囲を定めることを意図したものではない。この概要の目的は、後述するより詳細な説明の前置きとして、１つまたはそれ以上の例のいくつかの概念を簡単な形で示すことである。

【0005】

一部の実施形態によれば、光検出測距（ライダ）走査システムは、光源を含むことができる。光源は、１つまたはそれ以上の光パルスを送信するように構成される。ライダ走査システムはまた、光路に沿って垂直方向および水平方向の少なくとも一方に光パルスを操向するように構成されたビームステアリング装置を含むことができる。ビームステアリング装置は、光パルスが光路内の物体を照明することに基づいて発生した散乱光を同時に集めるようにさらに構成される。散乱光は、光路と同軸または略同軸であってよい。ライダ走査システムは、集めた散乱光を焦点または焦点面に向けるように構成された集光装置をさらに含むことができる。ライダ走査システムは、光検出器をさらに含むことができ、この光検出器は、焦点もしくは焦点面に、またはこれに近接して配設することができる。一部の実施形態において、光検出器は、検出器または検出素子のアレイを含むことができる。ライダ走査システムは、光源および光検出器に電気的に結合された電気的処理計算デバイスをさらに含むことができる。電気的処理計算デバイスを、ライダから物体までの距離を判定するように構成することができる。物体までの距離を、光パルスの送信と対応する散乱光の検出との時間差に基づいて判定することができる。一部の実施形態において、連続する光パルスの時間間隔は、ライダシステム仕様による所定距離において最も遠くの物体に光パルスが到達する往復時間よりも短くてよい。したがって、戻り光パルス（例えば、散乱光）は、対応する光パルスがライダシステムにより送信される順序とは異なる順序で、光検出器に到達することができる。一部の実施形態において、これらのパルスの各々を、検出素子のアレイを用いて、かつ／または符号化信号を用いて区別することができる。

【0006】

一部の実施形態によれば、光検出測距（ライダ）走査システムが提供される。システムは、光パルスを送信するように構成された光源と；光路に沿って垂直方向および水平方向の少なくとも一方に光パルスを操向するように構成されたビームステアリング装置と；ビームステアリング装置に結合された光検出器と；光源および光検出器に電気的に結合された電気的処理計算デバイスとを含む。光検出器は、複数の検出素子を含み、光パルスが光路内の物体を照明することに基づいて発生した散乱光を検出するように構成される。電気的処理計算デバイスは：散乱光の位置プロファイルを取得し；取得した位置プロファイルに基づいて、ビームステアリング装置の動きに関するデータを取得し；取得したデータに基づいて、送信された光パルスと検出された散乱光との相関を判定するように構成される。

【0007】

一部の実施形態によれば、光源と、ビームステアリング装置と、複数の検出素子を有する光検出器とを含む光検出測距（ライダ）システムを操作するためのコンピュータにより実行される方法は：光源を用いて光パルスを送信する工程と；ビームステアリング装置を用いて、光路に沿って垂直方向および水平方向の少なくとも一方に光パルスを操向する工程と；光検出器を用いて、光パルスが光路内の物体を照明することに基づいて発生した散乱光を検出する工程と；散乱光の位置プロファイルを取得する工程と；取得した位置プロファイルに基づいて、ビームステアリング装置の動きに関するデータを取得する工程と；取得したデータに基づいて、送信された光パルスと検出された散乱光との相関を判定する工程とを含む。

【0008】

記載される様々な態様をよりよく理解するために、以下の図面と組み合わせて後述の説明を参照すべきである。図面全体を通して、同一の参照符号は対応する部分を示す。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】従来のライダ走査システムを示す図である。

【図2A】本開示の例による例示的なライダ走査システムを示す図である。

【図2B】本開示の例による例示的なビームステアリング装置を示す図である。

【図3】本開示の例による、検出器または検出素子のアレイを含む例示的な光検出器を示す図である。

【図4】本開示の例による別の例示的なライダ走査システムを示す図である。

【図5】本開示の例による、検出器または検出素子のアレイを含む別の例示的な光検出器を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

１つのタイプのライダシステムは、短い光パルスを発生させて、狭ビームにコリメートし、視野内の方向に送る。光パルスが物体に到達すると、検出器により散乱光が集められ、パルスをライダから送信した時間および散乱光パルスがライダの検出器に到達した時間から、散乱点の距離を計算することができる。ビームステアリング機構により、光ビームの方向を視野内でラスタする（ｒａｓｔｅｒ）ことができる。例示的なビームステアリング機構または装置は、参照によって本明細書に完全に組み入れる、２０１６年１２月３１日に出願された「Ｃｏａｘｉａｌ Ｉｎｔｅｒｌａｃｅｄ Ｒａｓｔｅｒ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ＬｉＤＡＲ」と題する米国仮特許出願第６２／４４１，２８０号（代理人整理番号第７７８０２－３０００１．００号）、および２０１７年９月２９日に出願された「２Ｄ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＬｉＤＡＲ Ｕｓｉｎｇ Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｏｔａｔｉｎｇ Ｃｏｎｃａｖｅ Ｍｉｒｒｏｒ ａｎｄ Ｂｅａｍ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ」と題する米国非仮特許出願第１５／７２１，１２７号に詳細に記載されている。

【0011】

より高い角度分解能を達成するために、高周波（すなわち、より短い時間間隔）で光パ
ルスを送り、かつ戻り光パルス（例えば、散乱光）を検出することが望ましい。しかしながら、連続する光パルスから発生した戻り信号を区別するために、連続する光パルス間の最短時間間隔は、ライダの設計による最も遠い距離まで光パルスが往復移動するのに要する最大時間によって制限される。図１に示すように、ビーム位置Ｍに対する光パルスが送信された後に、ビーム位置Ｍ＋１に対する光パルスが送信される。しかしながら、ビーム位置Ｍ＋１に対して後から送信された光パルスを散乱させる物体Ｂは、ビーム位置Ｍに対して先に送信された光パルスを散乱させる物体Ａよりもライダシステムに近接している。したがって、散乱光Ｎが戻る前にビーム位置Ｍ＋１に対する光パルスが送信された場合、ビーム位置Ｍに対する光パルスが（散乱光Ｎとして）戻る前にビーム位置Ｍ＋１に対する光パルスが（散乱光Ｎ＋１として）戻ることがある。その結果、どの戻り信号がどの散乱光（例えば、物体Ａからの散乱光または物体Ｂからの散乱光）に対応するかに関して、戻り信号を区別することが困難になる。

【0012】

添付図面に関して以下に記述する詳細な説明は、様々な構成を説明するものであり、本明細書に記載の概念を実行し得る唯一の構成を表すものではない。詳細な説明は、様々な概念の完全な理解をもたらす目的で、具体的な詳細を含んでいる。しかしながら、これらの概念をこれらの具体的な詳細なしに実行してもよいことが当業者には明らかであろう。一部の事例において、周知の構造および構成要素は、そのような概念を不明瞭にすることを避けるために、ブロック図の形で示されている。

【0013】

以下で、装置および方法の様々な要素に関してライダ走査システムの例を提示する。これらの装置および方法について、以下の詳細な説明において記述し、（「要素」と総称される）様々なブロック、構成要素、回路、工程、プロセス、アルゴリズムなどによって添付図面に示す。これらの要素は、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、またはそれらの任意の組合せを使用して実装することができる。そのような要素がハードウェアとして実装されるか、またはソフトウェアとして実装されるかは、特定の適用例およびシステム全体に課された設計制約によって決まる。

【0014】

本開示は、垂直方向および水平方向の少なくとも一方に光ビームを走査し、かつ光パルスを高周波（すなわち、短い時間間隔）で送信して視野内で高分解能を達成することのできるライダ走査システムについて記載している。

【0015】

以下の例の説明において添付図面を参照する。添付図面は、本明細書の一部を形成し、実行可能な具体的な例を例示として示している。他の例を使用してもよく、開示された例の範囲から逸脱することなく、構造変更を行ってもよいことを理解されたい。

【0016】

以下の説明では、様々な要素を説明するために「第１の」、「第２の」などの用語を使用するが、これらの要素はこのような用語によって限定されるべきではない。これらの用語は、１つの要素を別の要素から区別するために使用されているに過ぎない。例えば、記載される様々な実施形態の範囲から逸脱することなく、第１のパルス信号を第２のパルス信号と呼ぶことができ、同様に、第２のパルス信号を第１のパルス信号と呼ぶことができる。第１のパルス信号および第２のパルス信号はいずれもパルス信号であるが、同じパルス信号ではないことがある。

【0017】

本明細書に記載された様々な実施形態の記述で使用される用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的としており、限定することは意図されていない。記載された様々な実施形態および添付の特許請求の範囲の記述において使用されるとき、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、別段の明確な記載がない限り、複数形も含むことが意図されている。また、本明細書において使用される「および／または」という用語は、関連する列挙された項目のうちの１つまたはそれ以上のありとあらゆる可能な組合せを指し、そ
れらを包含することが理解される。さらに、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ、ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ、ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ、および／またはｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、本明細書において使用されるとき、述べられた構成、整数、工程、動作、要素、および／または構成要素が存在することを明示しているが、１つまたはそれ以上の他の構成、整数、工程、動作、要素、構成要素、および／もしくはそれらのグループの存在または追加を排除するものではない。

【0018】

「場合」という用語は、場合により、文脈に応じて「とき」または「したとき」または「判定に応答して」または「検出に応答して」を意味するものと解釈される。同様に、「判定される場合」または「（述べられた状態または事象）が検出される場合」という表現は、場合により、文脈に応じて「判定したとき」または「判定に応答して」または「（述べられた状態または事象）が検出されたとき」または「（述べられた状態または事象）の検出に応答して」を意味するものと解釈される。

【0019】

より高周波（すなわち、より短い時間間隔）で光パルスを送信および検出することにより、画像フレームのより高い分解能が得られる。ライダ検出の所定の最大距離が約１５０メートルであり、したがって、光パルスの往復飛行の最大時間が約１マイクロ秒である例を考える。従来のライダ走査システム（例えば、図１に示すような単一検出素子ライダ走査システム）では、連続する光パルスの最短時間間隔が約１マイクロ秒であり、したがって、検出器が１秒ごとに集めることのできる最大点数は、約１００万点（すなわち、１秒／１マイクロ秒＝１００万点）である。これにより、２０フレーム／秒（ｆｐｓ）の設定の場合、１００万の凝集点を集めて２０フレームを形成し、各単一フレームの点が５０ミリ秒ウィンドウ（すなわち、５０ミリ秒／フレーム×２０ｆｐｓ＝１秒）内で集められる。したがって、１フレームの最大点数は約５０，０００（すなわち、１００万点／２０フレーム）である。各フレームの点数は分解能を示し、各フレームの点数を増加させて分解能を高めることが望ましい。したがって、より短い時間間隔で光パルスを送信および検出して、各フレームでより高い分解能を得ることが望ましい。

【0020】

図２Ａは、本開示の例による例示的なライダ走査システムを示す。一部の実施形態において、ライダ走査システムは、光源と、ビームステアリング装置２０２と、集光装置２０４と、光検出器２０６と、電気的処理計算デバイス（例えば、マイクロプロセッサ）とを含むことができる。光源は、１つまたはそれ以上の光パルス（例えば、ビームＭ、ビームＭ＋１）を送信するように構成することができる。例えば、光源は、レーザパルスを発射または送信するレーザ源であってよい。ビームステアリング装置２０２は、光路に沿って垂直方向および水平方向の少なくとも一方に１つまたはそれ以上の光パルスを操向し、１つまたはそれ以上の光パルスが光路内の物体を照明することに基づいて発生した散乱光を同時に集めるように構成することができる。散乱光は、光路と同軸または略同軸であってよい。図示した例では、ビームステアリング装置は、ビーム走査方向２０１によって示す垂直方向に光パルスを操向する。

【0021】

図２Ｂは、本開示の一部の実施形態によるライダ走査システムの例示的なビームステアリング装置を示す。図示したように、ビームステアリング装置は多面体反射鏡を備え、これは中心軸の周りに位置合わせされた凹面反射鏡内に位置する。凹面反射鏡は、中心軸の周りを回転するように構成される。多面体は、中心軸に垂直な方向でピボット軸の周りを回転するように構成される。凹面反射鏡および多面体のそれぞれの瞬時位置により、視野内の物体を照明するように光パルスを操向し、物体で散乱した光パルスからの散乱光を集める。送信された各光パルスは、対応する光パルスから集めた散乱光と同軸または略同軸である。例示的なビームステアリング機構または装置は、参照によって本明細書に完全に組み入れる、２０１６年１２月３１日に出願された「Ｃｏａｘｉａｌ Ｉｎｔｅｒｌａｃｅｄ Ｒａｓｔｅｒ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ＬｉＤＡＲ」と題する
米国仮特許出願第６２／４４１，２８０号（代理人整理番号第７７８０２－３０００１．００号）、および２０１７年９月２９日に出願された「２Ｄ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＬｉＤＡＲ Ｕｓｉｎｇ Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｏｔａｔｉｎｇ Ｃｏｎｃａｖｅ Ｍｉｒｒｏｒ ａｎｄ Ｂｅａｍ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ
Ｄｅｖｉｃｅｓ」と題する米国非仮特許出願第１５／７２１，１２７号に詳細に記載されている。上記のビームステアリング装置は例示的なものであり、本明細書に記載の散乱光を区別する技法を他のタイプのビームステアリング装置と組み合わせて使用してもよいことを当業者は理解すべきである。

【0022】

図２Ａに戻り、ライダシステムは、集めた散乱光を焦点または焦点面に向けるように構成された集光装置２０４をさらに含む。図２Ａに示す例では、集光装置は、光に作用する（例えば、集束させる、分散させる、修正する、分割する等）１つまたはそれ以上の光学レンズデバイスを含む。集光装置２０４を使用して、集めた散乱光を焦点または焦点面に向け、焦点にまたは焦点に近接して位置する光検出器２０６により光検出および／または画像生成を行うことができる。

【0023】

光検出器２０６は検出器アレイを含み、この検出器アレイを使用して、対応する光パルスが送信された順序とは異なる順序で集めた散乱光パルスを区別することができる。図２Ａに示すように、先に送信されたパルスＭは物体Ａによって散乱し、送信された光パルスＭと同軸または略同軸の散乱光Ｎが（複数の散乱光の中で特に）生じる。散乱光Ｎは集光装置２０４により方向付けられ、光検出器２０６に到達する（ｌａｎｄ）。散乱光Ｎが検出器アレイにどのように到達するかに基づいて、ライダシステムは位置プロファイルＡを取得する。

【0024】

位置プロファイルＡをライダシステム（例えば、ライダシステムの電気的処理計算デバイス）により使用して、送信されたどの光パルスに散乱光Ｎが対応するかを判定することができる。前述したように、ビームステアリング装置２０２は、光パルスＭの往復中にビーム走査方向２０１に移動（例えば、回転）する。このようにして、散乱光Ｎが光検出器２０６に到達したときには、ビームステアリング装置２０２の位置が（光検出器２０６と共に）、光パルスＭの送信時の位置からシフトしている。したがって、散乱光Ｎは、光検出器２０６と送信されたパルスＭとの間の元の角度とは異なる角度で光検出器２０６に到達する。散乱光Ｎが光検出器に到達する角度は、位置プロファイルＡに影響する。例えば、ビームステアリング装置２０２が静止した状態で散乱光Ｎの到達領域の中心が検出器アレイの中心にある場合、光パルスの往復移動中にビームステアリング装置２０２が動いて、戻りビームを異なる角度に向けるため、到達領域の中心は検出器アレイの中心から離れることになる。一部の事例において、光パルスのより長い往復移動はビームステアリング装置２０２のより長い動きに対応し、これにより、検出器アレイの中心からさらに離れる。

【0025】

したがって、動作中、ライダシステム（例えば、ライダシステムの電気的処理計算デバイス）は、集めた散乱光の位置プロファイルを分析して、集めた光が送信されたどの光パルスに対応するかを判定することができる。一部の実施形態において、ライダシステムは、最初に、検出器アレイ上に結像（ｉｍａｇｅ）された到達領域の位置および検出素子により検出された信号強度に基づいて、（検出器アレイ上の）到達領域の重み付け中心を判定する。次に、ライダシステムは、到達領域の中心と、光検出器が静止した状態で散乱光が到達したであろう位置との距離（シフト距離）を判定する。ライダシステムは、シフト距離に基づいて、ビームステアリング装置２０２の動きに関する情報、例えば、光パルスの移動時間中にシフトした光検出器２０６に戻りビームが到達する角度（シフト角度＝シフト距離／焦点距離）を取得することができる。取得した動きの情報（例えば、シフト角度）およびビームステアリング装置２０２の動きに関する公知のデータ（例えば、ビーム
ステアリング装置が動く速度）に基づいて、ライダシステムは、光パルスのおおよその往復移動時間を判定し、さらに、パルスが物体Ａにおける散乱光からのものであるか物体Ｂにおける散乱光からのものであるかを区別することができる。

【0026】

一部の例において、検出器アレイを、集光装置２０４（例えば、集束レンズ）の焦点面にまたは焦点面近くに、最速角度スワイプ方向と同じ方向で配置することができる。例えば、検出器アレイを集光装置２０４に平行に配設することができる。ビームステアリングまたは走査なしで、視野内の散乱光点を検出器アレイの少数のピクセルに結像することができる。一例において、焦点距離が約５．３センチメートルで、出射する走査レーザビームの発散角度が約０．１°（すなわち、出射する光ビームが完全な平行ビームではない）場合、大きい光学収差がないものと仮定して、検出器アレイに結像される光点は約１００マイクロメートルである。

【0027】

図３は、検出器または検出素子のアレイを含む例示的な光検出器を示す。検出器アレイは、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）素子のアレイであってよい。一部の実施形態において、一部またはすべてのＡＰＤ素子を、半導体ウェーハの同一のダイに実装し、分離材料を充填したエッチングされたトレンチにより分離することができる。一部の実施形態において、複数の既にダイスカットされた別々のＡＰＤを互いに近接して配置し包装することによって、検出器アレイを実装することができる。検出器アレイのピッチは、例えば２０マイクロメートルであってよく、隣接するＡＰＤ素子間が１～２マイクロメートル分離している。したがって、１００マイクロメートルの光点が検出器アレイに到達する場合、光点の垂直位置の中心を、検出器アレイ信号の信号強度の曲線あてはめ（ｃｕｒｖｉｎｇ－ｆｉｔｔｉｎｇ）に基づいて計算することができる。

【0028】

図５は、別の例示的な光検出器を示す。オプションの集光光学系５１０が、その受光領域で照明する光を集めて、光ファイバ５２０の先端に向ける。この光信号は光ファイバ５２０を通って送信され、光ファイバ５２０の他端で発射され、ＡＰＤ受光光学系５３０により集められてＡＰＤ素子５４０に向けられる。集光光学系５１０の複数のモジュールを共に位置合わせして、１次元または２次元アレイを形成することができる。このアレイでは、これらのモジュールの受光領域は、間にできるだけ小さい隙間を有して互いに隣接して位置合わせされる。

【0029】

検出器アレイを使用して、レーザビームの連続する光パルス（例えば、ビームＭおよびビームＭ＋１）間の時間間隔を、ライダシステム仕様による所定距離において最も遠くの物体に光パルスが到達する往復時間よりも短くなるように構成することができる。例えば、連続する光パルス間の時間間隔は０．１マイクロ秒であってよく、２０ｆｐｓの設定における１フレームの最大点数が５００，０００となるようにすることができる。これにより、各フレームの分解能を大幅に高めることができる。

【0030】

ライダ走査システムにおいて検出器アレイを使用する例として、ビームステアリング装置は、レーザビームを０．３６°／マイクロ秒と非常に高速で操向することができる。１５０メートル離れて位置する物体に到達する第１の光パルスの場合、往復移動時間は約１マイクロ秒である。したがって、ビームステアリングまたは走査により、この第１の光パルスの散乱光は、検出器に到達する時点で、光軸から約０．３６°離れているかのようであるため、検出器アレイの中心から約３６０マイクロメートル離れて検出器アレイに到達する。図２Ａに示すように、時間０と仮定して、ビーム位置Ｍにおける第１の光パルスがライダから送信される。この第１の光パルスは、１５０メートル離れて物体Ａに到達する。したがって、１マイクロ秒の時間では、第１の光パルスに基づいて発生した散乱光が、検出器アレイの中心から約３６０マイクロメートル離れて検出器アレイに到達する。０．１マイクロ秒の時間では、ビーム位置Ｍ＋１における第２の光パルスがライダから送信さ
れる。この第２のパルスは、３０メートル離れて物体Ｂに到達する。したがって、０．２マイクロ秒の時間では、この第２のパルスの散乱光が、第１のパルスからの散乱光よりも早く検出器アレイに到達する。しかしながら、この第２の光パルスに基づいて発生した散乱光の画像は、検出器アレイの中心位置から約７２マイクロメートル離れて到達するため、第１のパルスに基づいて発生した散乱光の画像から容易に区別することができる。

【0031】

一部の実施形態において、ライダシステムは、パルス信号の送信後に複数の散乱光を受光したときに、送信時間と散乱光を検出した時間との時間差を計算することにより、複数の散乱光に対応する複数の候補移動時間（すなわち、飛行時間）を判定することができる。複数の候補移動時間から、１つの候補移動時間を選択して距離を計算することができる。すなわち、検出された散乱光の各々について、検出器アレイ上の散乱光の到達領域に基づいて、シフト距離、シフト角度、および移動時間を上述の方法で判定することができる。その後、システムは、各散乱光について、候補移動時間（直接的な時間測定により計算）と散乱光の到達領域に基づいて計算された移動時間とを比較することができる。送信されたパルス信号に実際に対応する散乱光の場合、候補移動時間と到達領域に基づいて計算された移動時間とは同様または同一とすべきである。したがって、比較後、システムは、比較により差が最小であった候補移動時間を選択し、選択された候補移動を使用して距離を計算することができる。

【0032】

一部の実施形態において、ライダシステムは、パルス信号の送信後に複数の散乱光を受光したときに、散乱光の幾何形状、角度、電気位相、および／または電気周波数を用いて、複数の散乱光に対応する複数の候補移動時間（すなわち、飛行時間）を判定することができる。複数の候補移動時間から、１つの候補移動時間を選択することができる。すなわち、検出された散乱光の各々について、散乱光の到達領域に基づいて、シフト距離、シフト角度、および移動時間を上述の方法で判定することができる。その後、システムは、各散乱光について、候補移動時間と散乱光の到達領域に基づいて計算された移動時間とを比較することができる。送信されたパルス信号に実際に対応する散乱光の場合、候補移動時間と到達領域に基づいて計算された移動時間とは同様または同一とすべきである。したがって、比較後、システムは、比較により差が最小であった候補移動時間を選択し、選択された候補移動を使用して距離を計算することができる。

【0033】

図４は、本開示の例による別の例示的なライダ走査システムを示す図である。図４に示すライダ走査システムは、図２および図３に関して前述したものと同様の構成要素を含むことができる。加えてまたはあるいは、図４に示すように、ライダ走査システムから送信された光パルスの各々は、（例えば、ＰＲＢＳコードを用いて）符号化することができ、したがって１つの光パルスを別の光パルスから区別する符号化情報を含む。符号化された光パルスは物体に到達し、散乱光を発生させる。これにより、散乱光も符号化される。光検出器は、受光した散乱光のそのような符号化情報を復号し、したがってその符号化情報をマッピングするか、または同じ符号化情報を有する、送信された特定の光パルスに相関させることができる。その結果、対応する光パルスがライダ走査システムから送信された順序とは異なる順序で散乱光パルスが検出器（例えば、検出器アレイ）に到達し得るにもかかわらず、光検出器は、複数の散乱光パルス中の各散乱光パルスを一意的に特定することができる。光パルス符号化および復号の詳細は、参照によって本明細書に完全に組み入れる、２０１７年１月５日に出願された、「ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＥＮＣＯＤＩＮＧ ＡＮＤ ＤＥＣＯＤＩＮＧ ＬＩＤＡＲ」と題する同時係属の米国仮特許出願第６２／４４２，７５８号（代理人整理番号第７７８０２－３０００３．００号）に詳細に記載されている。

【0034】

例示的な方法、非一過性のコンピュータ可読記憶媒体、システム、および電子デバイスが、以下の項目で提示される：
１．光パルスを送信するように構成された光源と；
光路に沿って垂直方向および水平方向の少なくとも一方に光パルスを操向するように構成されたビームステアリング装置と；
ビームステアリング装置に結合され、複数の検出素子を含み、散乱光を検出するように構成された光検出器であって、散乱光は、光パルスが光路内の物体を照明することに基づいて発生する光検出器と；
光源および光検出器に電気的に結合された電気的処理計算デバイスであって、
散乱光の位置プロファイルを取得し；
取得した位置プロファイルに基づいて、ビームステアリング装置の動きに関するデータを取得し；
取得したデータに基づいて、送信された光パルスと検出された散乱光との相関を判定するように構成された電気的処理計算デバイスとを含む、光検出測距（ライダ）走査システム。
２．電気的処理計算デバイスは、物体までの距離を判定するようにさらに構成される、項目１に記載のライダ走査システム。
３．位置プロファイルは、複数の検出素子のうちの１つの検出素子が散乱光および関連する信号強度を検出したかどうかを示す、項目１または２に記載のライダ走査システム。
４．電気的処理計算デバイスは、位置プロファイルに基づいて散乱光の到達領域の中心を判定するようにさらに構成される、項目１～３のいずれか１つに記載のライダ走査システム。
５．電気的処理計算デバイスは、到達領域の中心に基づいてシフト距離を判定するようにさらに構成される、項目４に記載のライダ走査システム。
６．電気的処理計算デバイスは、シフト距離に基づいてシフト角度を判定するようにさらに構成される、項目５に記載のライダ走査システム。
７．電気的処理計算デバイスは、シフト角度に基づいて、送信されたパルスの移動時間を判定するようにさらに構成される、項目６に記載のライダ走査システム。
８．電気的処理計算デバイスは：
光パルスを送信した時間と散乱光を検出した時間とに基づいて候補移動時間を判定し；
候補移動時間をシフト角度に基づいて判定した移動時間と比較し；
比較に基づいて、送信された光パルスと検出された散乱光との相関を判定し；
候補時間に基づいて物体までの距離を計算するようにさらに構成される、項目６に記載のライダ走査システム。
９．電気的処理計算デバイスは：
散乱光に関する情報に基づいて候補移動時間を判定し；
候補移動時間をシフト角度に基づいて判定した移動時間と比較し；
比較に基づいて、送信された光パルスと検出された散乱光との相関を判定し；
候補時間に基づいて物体までの距離を計算するようにさらに構成される、項目６に記載のライダ走査システム。
１０．情報は、幾何形状、角度、電気位相、電気周波数、またはこれらのいずれかの組合せを含む、項目８に記載のライダ走査システム。
１１．光源は、システムの設計仕様による最も遠くの物体に光パルスが到達するための飛行往復時間に要する時間よりも短い時間間隔で、光パルスを連続して送信するように構成される、項目１～１０のいずれか１つに記載のライダ走査システム。
１２．集めた散乱光を焦点に向けるように構成された集光装置をさらに含む、項目１～１１のいずれか１つに記載のライダ走査システム。
１３．光検出器は焦点にまたは焦点に近接して配設される、項目１～１２のいずれか１つに記載のライダ走査システム。
１４．送信されたパルスは符号化情報を含む、項目１～１３のいずれか１つに記載のライダ走査システム。
１５．光源と、ビームステアリング装置と、複数の検出素子を有する光検出器とを含む
光検出測距（ライダ）システムを操作するためのコンピュータにより実行される方法であって：
光源を用いて光パルスを送信する工程と；
ビームステアリング装置を用いて、光路に沿って垂直方向および水平方向の少なくとも一方に光パルスを操向する工程と；
光検出器を用いて、光パルスが光路内の物体を照明することに基づいて発生した散乱光を検出する工程と；
散乱光の位置プロファイルを取得する工程と；
取得した位置プロファイルに基づいて、光検出器の動きに関するデータを取得する工程と；
取得したデータに基づいて、送信された光パルスと検出された散乱光との相関を判定する工程とを含む方法。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【手続補正書】

【提出日】2022-09-05

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光パルスを送信して、複数の散乱パルスを集めることにより、物理的物体を検出するように構成された光検出測距（ライダ）走査システムであって：
送信された光パルスについての複数の散乱光パルスに関する複数の候補移動時間を判定し；
光検出器で検出された複数の散乱光パルスに対応する複数の位置プロファイルを取得し；
送信された光パルスについての複数の散乱光パルスの各々について、複数の位置プロファイルに基づいて、移動時間を判定し；
複数の候補移動時間と送信された光パルスについての複数の散乱光パルスの各々について判定した移動時間との間の関係に基づいて、候補移動時間を選択し；
選択した候補移動時間に基づいて、ライダ走査システムから物理的物体までの距離を計算する；
ように構成される電気的処理デバイスを含む、上記システム。

【請求項2】

複数の候補移動時間の判定が、光パルスが送信された時間と複数の散乱光パルスの少なくとも1つが検出された時間との時間差に基づいて、複数の候補移動時間の少なくとも1つが判定されることを含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

複数の候補移動時間の判定が、複数の散乱光パルスの1つ以上の幾何形状、角度、位相、周波数の少なくとも1つに基づいて、複数の候補移動時間の少なくとも1つが判定されることを含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項4】

複数の位置プロファイルの各々が、複数の散乱光パルスの対応する散乱光パルに関する光強度の分布を表す、請求項１に記載のシステム。

【請求項5】

光検出器が、複数の散乱光パルスに関する到達領域のデータを提供するように構成される光検出素子のアレイを含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項6】

複数の散乱光パルスの各々について、複数の位置プロファイルに基づいて、移動時間を
判定することが；
複数の位置プロファイルの対応する位置プロファイルに基づいて、複数の散乱光パルスの対応する散乱光パルスに関するシフト距離を判定し；
シフト距離に基づいて移動時間を判定する；
ことを含む、請求項１～５のいずれか1項に記載のシステム。

【請求項7】

複数の散乱光パルスの対応する散乱光パルに関するシフト距離を判定することが：
複数の位置プロファイルの対応する位置プロファイルに基づいて、複数の散乱光パルスの対応する散乱光パルに関する到達領域の重み付け中心を判定し；
到達領域の重み付け中心に基づいて、シフト距離を判定する；
ことを含む、請求項６に記載のシステム。

【請求項8】

到達領域の重み付け中心を判定することが、到達領域の位置およびシグナル強度に基づく、請求項７に記載のシステム。

【請求項9】

シフト距離が、到達領域の重み付け中心と到達領域の中心と、光検出器が静止した状態であれば光検出器上に複数の散乱光パルスの対応する散乱光パルスが到達したであろう位置との距離である、請求項７に記載のシステム。

【請求項10】

シフト距離に基づいて移動時間を判定することが:
シフト距離に基づいて、ライダ走査システムのビームステアリング装置の動きに関するデータを取得し；
ライダ走査システムのビームステアリング装置の動きに関するデータおよびビームステアリング装置の動きの公知のデータ基づいて、移動時間を判定する；
ことを含む、請求項６に記載のシステム。

【請求項11】

ライダ走査システムのビームステアリング装置の動きに関するデータがシフト角度を含む、請求項１０に記載のシステム。

【請求項12】

ビームステアリング装置の動きの公知のデータが、ビームステアリング装置が動く速さを含む、請求項１０に記載のシステム。

【請求項13】

複数の候補移動時間と送信された光パルスについての複数の散乱光パルスの各々について判定した移動時間の間の関係に基づいて、候補移動時間を選択することが：
複数の散乱光パルスの各々について、複数の候補移動時間の対応する候補移動時間と複数の位置プロファイルの対応する位置プロファイルに基づいて判定された体操する移動時間とを比較し；
複数の散乱光パルスの各々についての比較結果に基づいて、候補移動時間を選択する；ことを含む、請求項１～５のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項14】

複数の散乱光パルスの各々についての比較結果に基づいて、一つの候補移動時間を選択することが：
複数の候補移動時間と複数の位置プロファイルに基づいて複数の散乱光パルスの各々について判定された移動時間との差が最小を示す結果となる候補移動時間を選択する：
ことを含む、請求項１３に記載のシステム。

【請求項15】

送信された光パルスと光検出測距（ライダ）走査システムによって集められた複数の散乱光に基づいて物理的物体の距離を判定するための、コンピュータにより実行される方法であって、電気的処理計算デバイスにより実行され：
送信された光パルスについての複数の散乱光パルスに関する複数の候補移動時間を判定
すること；
光検出器で検出された複数の散乱光パルスに対応する複数の位置プロファイルを取得すること；
送信された光パルスについての複数の散乱光パルスの各々について、複数の位置プロファイルに基づいて、移動時間を判定すること；
複数の候補移動時間と送信された光パルスについての複数の散乱光パルスの各々について判定した移動時間との間の関係に基づいて、候補移動時間を選択すること；
選択した候補移動時間に基づいて、ライダ走査システムから物理的物体までの距離を計算すること；
を含む、方法。

【請求項16】

１つ以上のプログラムを記憶した非一過性のコンピュータ可読記憶媒体であって、1つ以上のプログラムは、電気的処理計算デバイスによって実行されたときに、電気的処理計算デバイスに対して：
送信された光パルスについての複数の散乱光パルスに関する複数の候補移動時間を判定すること；
光検出器で検出された複数の散乱光パルスに対応する複数の位置プロファイルを取得すること；
送信された光パルスについての複数の散乱光パルスの各々について、複数の位置プロファイルに基づいて、移動時間を判定すること；
複数の候補移動時間と送信された光パルスについての複数の散乱光パルスの各々について判定した移動時間の間の関係に基づいて、候補移動時間を選択すること；
選択した候補移動時間に基づいて、ライダ走査システムから物理的物体までの距離を計算すること；
のインストラクションを含む、非一過性のコンピュータ可読記憶媒体。

【請求項17】

光検出測距（ライダ）走査システムであって：
光パルスを送信するように構成された光源と；
光パルスを操向し、光パルスが光路内の物体を照明することに基づいて発生する散乱光を収集するように構成されたビームステアリング装置と；
ビームステアリング装置に結合され、散乱光を検出するように構成された光検出器と；
光源および光検出器に電気的に結合された電気的処理計算デバイスであって、
光検出器上の散乱光の位置プロファイルを取得し；
取得した位置プロファイルに基づいて、送信された光パルスと検出された散乱光との相関を判定するように構成された電気的処理計算デバイス；
とを含む、前記光検出測距（ライダ）走査システム。

【請求項18】

電気的処理計算デバイスは、物体までの距離を判定するようにさらに構成される、請求項１７に記載の光検出測距（ライダ）走査システム。

【請求項19】

位置プロファイルは、光検出器の複数の検出素子上の散乱光に関する信号強度分布を表す、請求項１７に記載の光検出測距（ライダ）走査システム。

【請求項20】

位置プロファイルに基づいて送信された光パルスと検出された散乱光の相関を判定することが、電気的処理計算デバイスが、位置プロファイルに基づいて散乱光の到達領域の中心を判定するように構成されることを含む、請求項１７～１９のいずれか１項に記載の光検出測距（ライダ）走査システム。

【請求項21】

電気的処理計算デバイスは：
到達領域の中心に基づいて、シフト距離を判定し；
シフト距離に基づいて、シフト角度を判定するようにさらに構成される、請求項２０に記載の光検出測距（ライダ）走査システム。

【請求項22】

電気的処理計算デバイスは、シフト角度に基づいて、送信されたパルスの移動時間を判定するようにさらに構成される、請求項２１に記載の光検出測距（ライダ）走査システム。

【請求項23】

電気的処理計算デバイスは：
光パルスを送信した時間と散乱光を検出した時間に基づいて候補移動時間を判定し；
候補移動時間をシフト角度に基づいて判定した移動時間と比較し；
比較結果に基づいて、送信された光パルスと検出された散乱光との相関を判定するようにさらに構成される、請求項２２に記載の光検出測距（ライダ）走査システム。

【請求項24】

電気的処理計算デバイスは：
散乱光に関する情報に基づいて候補移動時間を判定し；
候補移動時間をシフト角度に基づいて判定した移動時間と比較し；
比較に基づいて、送信された光パルスと検出された散乱光との相関を判定するようにさらに構成される、請求項２２に記載の光検出測距（ライダ）走査システム。

【請求項25】

電気的処理計算デバイスは、送信された光パルスと検出された散乱光との相関に基づいて物体までの距離を計算するようにさらに構成される、請求項１７～１９のいずれか１項に記載の光検出測距（ライダ）走査システム。

【請求項26】

光源は、ライダシステムとライダシステムが到達できる最も遠くの物体の間を光パルスが移動するための往復時間よりも短い時間間隔で、光パルスを連続して送信するように構成される、請求項１７～１９のいずれか１項に記載の光検出測距（ライダ）走査システム。

【請求項27】

物理的物体の距離を判定する方法であって、方法はビームステアリング装置、光検出器および電気的処理計算デバイスを有する光検出測距（ライダ）走査システムで実施され：
ビームステアリング装置を用いて、光路内の物体を照明する光パルスを操向する工程と；
ビームステアリング装置を用いて、光パルスが光路内の物体を照明することに基づいて発生する散乱光を収集する工程と；
光検出器を用いて、散乱光を検出する工程と；
光検出器上に散乱光の位置プロファイルを取得する工程と；
取得した位置プロファイルに基づいて、送信された光パルスと検出された散乱光の相関を判定する工程；
を含む方法。

【外国語明細書】