(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-25
(45)【発行日】2022-12-05
(54)【発明の名称】可変照射強度を有するＬＩＤＡＲに基づく三次元撮像
(51)【国際特許分類】
G01S 7/484 20060101AFI20221128BHJP
G01C 3/06 20060101ALI20221128BHJP
G01S 17/42 20060101ALI20221128BHJP
G01S 17/89 20200101ALI20221128BHJP
【ＦＩ】
G01S7/484
G01C3/06 120Q
G01S17/42
G01S17/89
【請求項の数】
20
(21)【出願番号】P 2018549917
(86)(22)【出願日】2017-03-20
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2019-05-16
(86)【国際出願番号】 US2017023262
(87)【国際公開番号】W WO2017165319
(87)【国際公開日】2017-09-28
【審査請求日】2020-03-13
(31)【優先権主張番号】62/311,296
(32)【優先日】2016-03-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】15/464,234
(32)【優先日】2017-03-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】518183103
【氏名又は名称】ベロダイン ライダー ユーエスエー，インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100067736
【弁理士】
【氏名又は名称】小池 晃
(74)【代理人】
【識別番号】100192212
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 貴明
(74)【代理人】
【識別番号】100204032
【弁理士】
【氏名又は名称】村上 浩之
(74)【代理人】
【識別番号】100200001
【弁理士】
【氏名又は名称】北原 明彦
(72)【発明者】
【氏名】ホール，デイビッド エス．
(72)【発明者】
【氏名】ケルステンス，ピーター ジェイ．
(72)【発明者】
【氏名】キュイ，ユペン
(72)【発明者】
【氏名】レコー，マシュー ノエル
(72)【発明者】
【氏名】ネスティンガー，スティーブン エス．
【審査官】安井 英己
(56)【参考文献】
【文献】特開平１１－０９４９４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－３２２８４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－３０８４８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－０２１７２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－３３３４７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０６２８８３８３（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】米国特許第０６１３７５６６（ＵＳ，Ａ）
【文献】特開２０１２－１５９３３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－０２０３７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－０９３１９５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｓ ７／４８－ ７／５１，
Ｇ０１Ｓ １７／００－１７／９５，
Ｇ０１Ｃ ３／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置であって、前記ＬＩＤＡＲ装置は、前記ＬＩＤＡＲ装置から三次元環境内にパルス強度の第１の繰返しパターンを有する照射光の一連のパルスを出射動作可能なパルス照射源であって、前記第１の繰返しパターンの照射光の１つ以上のパルスが前記第１の繰返しパターンの照射光の他のパルスとは異なる照射強度を有する前記パルス照射源と、
前記照射光の一連のパルスのそれぞれにより照射された前記三次元環境から反射された光の量を検出動作可能で、そして、前記照射光の一連のパルスのそれぞれに関連する光の検出量を示す出力信号を発生するように構成された感光検出器と、
計算システムと、
を有し、
前記計算システムは、前記光の検出量を示す前記出力信号を受信し、前記ＬＩＤＡＲ装置からパルスが出射された時間、及び、照射光の前記パルスにより照射された前記三次元環境内の物体から反射された光の量を感光検出器が検出した時間の間の差に基づいて、前記ＬＩＤＡＲ装置及び前記三次元環境内の前記物体の間の距離を測定し、そして、少なくとも前記三次元環境内で検出された前記物体の有無に基づいて、前記パルス照射源が前記照射光の一連のパルスを前記第１の繰返しパターンとはパルス強度の異なるパターンを有する第２の繰返しパターンに変更することを引き起こす指令信号を発生するように構成される、ことを特徴とするＬＩＤＡＲ装置。
【請求項2】
前記照射光の一連のパルスのパルス強度の異なるパターンへの変更は疑似ランダムであることを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項3】
前記第２の繰返しパターンの前記照射光の一連のパルスの１つ以上がゼロ値を有することを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項4】
前記パルス照射源及び前記感光検出器は、前記ＬＩＤＡＲ装置の基部フレームに対して回転する前記ＬＩＤＡＲ装置の回転フレームに取り付けられ、前記ＬＩＤＡＲ装置がさらに、
前記基部フレームに対する前記回転フレームの配向を検出するように構成された配向センサを有し、
前記配向に基づいて、前記照射光の一連のパルスをパルス強度の異なるパターンへ変更することを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項5】
前記ＬＩＤＡＲ装置及び前記三次元環境内の物体の間の距離に基づいて、前記照射光の一連のパルスをパルス強度の異なるパターンへ変更することを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項6】
光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置であって、前記ＬＩＤＡＲ装置は、前記ＬＩＤＡＲ装置から三次元環境内にパルス強度の第１の繰返しパターンを有する照射光の一連のパルスを出射するパルス照射源であって、前記第１の繰返しパターンの照射光の１つ以上のパルスが前記第１の繰返しパターンの照射光の他のパルスとは異なる照射強度を有する前記パルス照射源と、
前記照射光の一連のパルスのそれぞれにより照射された前記三次元環境から反射された光の量を検出し、そして、前記照射光の一連のパルスのそれぞれに関連する光の検出量を示す出力信号を発生する感光検出器と、
計算システムと、
を有し、
前記計算システムは、前記光の検出量を示す前記出力信号を受信し、前記ＬＩＤＡＲ装置からパルスが出射された時間、及び、照射光の前記パルスにより照射された前記三次元環境内の物体から反射された光の量を感光検出器が検出した時間の間の差に基づいて、前記ＬＩＤＡＲ装置及び前記三次元環境内の前記物体の間の距離を測定し、そして、前記パルス照射源が前記照射光の一連のパルスを前記第１の繰返しパターンとはパルス強度の異なるパターンを有する第２の繰返しパターンに変更することを引き起こす指令信号を発生するように構成され、
前記ＬＩＤＡＲ装置及び前記三次元環境内の物体の間の距離に基づいて、前記照射光の一連のパルスをパルス強度の異なるパターンへ変更し、
前記照射光の一連のパルスのパルス強度の異なるパターンへの変更は、前記ＬＩＤＡＲ装置及び前記三次元環境内の物体の間の距離が所定の閾値よりも短い場合、一定期間の間、パルスの平均強度を減少することを伴うことを特徴とするＬＩＤＡＲ装置。
【請求項7】
光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置であって、前記ＬＩＤＡＲ装置は、前記ＬＩＤＡＲ装置から三次元環境内にパルス強度の第１の繰返しパターンを有する照射光の一連のパルスを出射するパルス照射源であって、前記第１の繰返しパターンの照射光の１つ以上のパルスが前記第１の繰返しパターンの照射光の他のパルスとは異なる照射強度を有する前記パルス照射源と、
前記照射光の一連のパルスのそれぞれにより照射された前記三次元環境から反射された光の量を検出し、そして、前記照射光の一連のパルスのそれぞれに関連する光の検出量を示す出力信号を発生する感光検出器と、
計算システムと、
を有し、
前記計算システムは、前記光の検出量を示す前記出力信号を受信し、前記ＬＩＤＡＲ装置からパルスが出射された時間、及び、照射光の前記パルスにより照射された前記三次元環境内の物体から反射された光の量を感光検出器が検出した時間の間の差に基づいて、前記ＬＩＤＡＲ装置及び前記三次元環境内の前記物体の間の距離を測定し、そして、前記パルス照射源が前記照射光の一連のパルスを前記第１の繰返しパターンとはパルス強度の異なるパターンを有する第２の繰返しパターンに変更することを引き起こす指令信号を発生するように構成され、
前記ＬＩＤＡＲ装置及び前記三次元環境内の物体の間の距離に基づいて、前記照射光の一連のパルスをパルス強度の異なるパターンへ変更し、
前記照射光の一連のパルスのパルス強度の異なるパターンへの変更は、第１の期間において前記出力信号がわずかな値であった場合、一定期間の間、パルスの平均強度を減少することを伴うことを特徴とするＬＩＤＡＲ装置。
【請求項8】
前記照射光の一連のパルスのパルス強度の異なるパターンへの変更は、前記第１の期間直後の第２の期間において前記出力信号が無視できない値であった場合、一定期間の間、パルスの平均強度を増加することを伴うことを特徴とする請求項７に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項9】
光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置であって、前記ＬＩＤＡＲ装置は、前記ＬＩＤＡＲ装置から三次元環境内にパルス強度の第１の繰返しパターンを有する照射光の一連のパルスを出射するパルス照射源であって、前記第１の繰返しパターンの照射光の１つ以上のパルスが前記第１の繰返しパターンの照射光の他のパルスとは異なる照射強度を有する前記パルス照射源と、
前記照射光の一連のパルスのそれぞれにより照射された前記三次元環境から反射された光の量を検出し、そして、前記照射光の一連のパルスのそれぞれに関連する光の検出量を示す出力信号を発生する感光検出器と、
計算システムと、
を有し、
前記計算システムは、前記光の検出量を示す前記出力信号を受信し、前記ＬＩＤＡＲ装置からパルスが出射された時間、及び、照射光の前記パルスにより照射された前記三次元環境内の物体から反射された光の量を感光検出器が検出した時間の間の差に基づいて、前記ＬＩＤＡＲ装置及び前記三次元環境内の前記物体の間の距離を測定し、そして、前記パルス照射源が前記照射光の一連のパルスを前記第１の繰返しパターンとはパルス強度の異なるパターンを有する第２の繰返しパターンに変更することを引き起こす指令信号を発生するように構成され、
前記ＬＩＤＡＲ装置がさらに、前記パルス照射源の視野の少なくとも一部の画像を生成するように構成された撮像装置を有し、
前記照射光の一連のパルスのパルス強度の異なるパターンへの変更は、前記パルス照射源の視野内に前記物体が検出されない場合、一定期間の間、パルスの平均強度を減少することを伴い、そして、前記照射光の一連のパルスのパルス強度の異なるパターンへの変更は、前記パルス照射源の視野内に前記物体が検出された場合、一定期間の間、パルスの平均強度を増加することを伴うことを特徴とするＬＩＤＡＲ装置。
【請求項10】
前記撮像装置は、前記ＬＩＤＡＲ装置と通信可能に結合しているカメラであることを特徴とする請求項９に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項11】
前記撮像装置は、前記ＬＩＤＡＲ装置と通信可能に結合しており、前記撮像装置が、前記ＬＩＤＡＲ装置により生成された複数の距離測定値に基づいて周囲の前記三次元環境の一部の前記画像を生成することを特徴とする請求項９に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項12】
光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置であって、前記ＬＩＤＡＲ装置は、前記ＬＩＤＡＲ装置から三次元環境内にパルス強度の第１の繰返しパターンを有する照射光の一連のパルスを出射動作可能なパルス照射源であって、前記第１の繰返しパターンの照射光の１つ以上のパルスが前記第１の繰返しパターンの照射光の他のパルスとは異なる照射強度を有する前記パルス照射源と、
前記照射光の一連のパルスのそれぞれにより照射された前記三次元環境から反射された光の量を検出動作可能で、そして、前記照射光の一連のパルスのそれぞれに関連する光の検出量を示す出力信号を発生するように構成された感光検出器と、
コンピュータ可読指令を有する非一時的コンピュータ可読媒体と、
を有し、
前記コンピュータ可読指令が計算システムにより読み込まれると、前記計算システムが、前記光の検出量を示す前記出力信号を受信し、前記ＬＩＤＡＲ装置からパルスが出射された時間、及び、照射光の前記パルスにより照射された前記三次元環境の物体から反射された光の量を感光検出器が検出した時間の間の差に基づいて、前記ＬＩＤＡＲ装置及び前記三次元環境内の前記物体の間の距離を測定し、そして、少なくとも前記三次元環境内で検出された前記物体の有無に基づいて、前記パルス照射源が前記照射光の一連のパルスを前記第１の繰返しパターンとはパルス強度の異なるパターンを有する第２の繰返しパターンに変更することを引き起こす指令信号を発生する、ことを引き起こすことを特徴とするＬＩＤＡＲ装置。
【請求項13】
前記第２の繰返しパターンの前記照射光の一連のパルスの１つ以上がゼロ値を有することを特徴とする請求項１２に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項14】
前記パルス照射源及び前記感光検出器は、前記ＬＩＤＡＲ装置の基部フレームに対して回転する前記ＬＩＤＡＲ装置の回転フレームに取り付けられ、前記ＬＩＤＡＲ装置がさらに、
前記基部フレームに対する前記回転フレームの配向を検出するように構成された配向センサを有し、
前記配向に基づいて、前記照射光の一連のパルスをパルス強度の異なるパターンへ変更することを特徴とする請求項１２に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項15】
前記ＬＩＤＡＲ装置及び前記三次元環境内の物体の間の距離に基づいて、前記照射光の一連のパルスをパルス強度の異なるパターンへ変更することを特徴とする請求項１２に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項16】
光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置であって、前記ＬＩＤＡＲ装置は、前記ＬＩＤＡＲ装置から三次元環境内にパルス強度の第１の繰返しパターンを有する照射光の一連のパルスを出射するパルス照射源であって、前記第１の繰返しパターンの照射光の１つ以上のパルスが前記第１の繰返しパターンの照射光の他のパルスとは異なる照射強度を有する前記パルス照射源と、
前記照射光の一連のパルスのそれぞれにより照射された前記三次元環境から反射された光の量を検出し、そして、前記照射光の一連のパルスのそれぞれに関連する光の検出量を示す出力信号を発生する感光検出器と、
コンピュータ可読指令を有する非一時的コンピュータ可読媒体と、
を有し、
前記コンピュータ可読指令が計算システムにより読み込まれると、前記計算システムが、前記光の検出量を示す前記出力信号を受信し、前記ＬＩＤＡＲ装置からパルスが出射された時間、及び、照射光の前記パルスにより照射された前記三次元環境の物体から反射された光の量を感光検出器が検出した時間の間の差に基づいて、前記ＬＩＤＡＲ装置及び前記三次元環境内の前記物体の間の距離を測定し、そして、前記パルス照射源が前記照射光の一連のパルスを前記第１の繰返しパターンとはパルス強度の異なるパターンを有する第２の繰返しパターンに変更することを引き起こす指令信号を発生する、ことを引き起こし、
前記ＬＩＤＡＲ装置及び前記三次元環境内の物体の間の距離に基づいて、前記照射光の一連のパルスをパルス強度の異なるパターンへ変更し、
前記照射光の一連のパルスのパルス強度の異なるパターンへの変更は、前記ＬＩＤＡＲ装置及び前記三次元環境内の物体の間の距離が所定の閾値よりも短い場合、一定期間の間、パルスの平均強度を減少することを伴うことを特徴とするＬＩＤＡＲ装置。
【請求項17】
光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置であって、前記ＬＩＤＡＲ装置は、前記ＬＩＤＡＲ装置から三次元環境内にパルス強度の第１の繰返しパターンを有する照射光の一連のパルスを出射するパルス照射源であって、前記第１の繰返しパターンの照射光の１つ以上のパルスが前記第１の繰返しパターンの照射光の他のパルスとは異なる照射強度を有する前記パルス照射源と、
前記照射光の一連のパルスのそれぞれにより照射された前記三次元環境から反射された光の量を検出し、そして、前記照射光の一連のパルスのそれぞれに関連する光の検出量を示す出力信号を発生する感光検出器と、
コンピュータ可読指令を有する非一時的コンピュータ可読媒体と、
を有し、
前記コンピュータ可読指令が計算システムにより読み込まれると、前記計算システムが、前記光の検出量を示す前記出力信号を受信し、前記ＬＩＤＡＲ装置からパルスが出射された時間、及び、照射光の前記パルスにより照射された前記三次元環境の物体から反射された光の量を感光検出器が検出した時間の間の差に基づいて、前記ＬＩＤＡＲ装置及び前記三次元環境内の前記物体の間の距離を測定し、そして、前記パルス照射源が前記照射光の一連のパルスを前記第１の繰返しパターンとはパルス強度の異なるパターンを有する第２の繰返しパターンに変更することを引き起こす指令信号を発生する、ことを引き起こし、
前記ＬＩＤＡＲ装置がさらに、前記パルス照射源の視野の少なくとも一部の画像を生成するように構成された撮像装置を有し、
前記照射光の一連のパルスのパルス強度の異なるパターンへの変更は、前記パルス照射源の視野の前記画像内に物体が検出されない場合、一定期間の間、パルスの平均強度を減少することを伴い、そして、前記照射光の一連のパルスのパルス強度の異なるパターンへの変更は、前記パルス照射源の視野の前記画像内に物体が検出された場合、一定期間の間、パルスの平均強度を増加することを伴うことを特徴とするＬＩＤＡＲ装置。
【請求項18】
ＬＩＤＡＲ装置に取り付けられたパルス照射源から三次元環境内にパルス強度の第１の繰返しパターンを有する照射光の一連のパルスを出射し、前記第１の繰返しパターンの照射光の１つ以上のパルスが前記第１の繰返しパターンの照射光の他のパルスとは異なる照射強度を有し、前記照射光の一連のパルスのそれぞれにより照射された前記三次元環境から反射された光の量を検出し、
前記照射光の一連のパルスのそれぞれに関連する光の検出量を示す出力信号を発生し、
前記光の検出量を示す前記出力信号を受信し、
前記ＬＩＤＡＲ装置からパルスが出射された時間、及び、照射光の前記パルスにより照射された前記三次元環境の物体から反射された光の量を感光検出器が検出した時間の間の差に基づいて、前記ＬＩＤＡＲ装置及び前記三次元環境内の前記物体の間の距離を測定し、
少なくとも前記三次元環境内で検出された前記物体の有無に基づいて、前記パルス照射源が前記照射光の一連のパルスを前記第１の繰返しパターンとはパルス強度の異なるパターンを有する第２の繰返しパターンに変更することを引き起こす指令信号を発生する、
ことを特徴とする方法。
【請求項19】
前記ＬＩＤＡＲ装置及び前記三次元環境内の物体の間の距離に基づいて、前記照射光の一連のパルスをパルス強度の異なるパターンへ変更することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項20】
ＬＩＤＡＲ装置に取り付けられたパルス照射源から三次元環境内にパルス強度の第１の繰返しパターンを有する照射光の一連のパルスを出射し、前記第１の繰返しパターンの照射光の１つ以上のパルスが前記第１の繰返しパターンの照射光の他のパルスとは異なる照射強度を有し、前記照射光の一連のパルスのそれぞれにより照射された前記三次元環境から反射された光の量を検出し、
前記照射光の一連のパルスのそれぞれに関連する光の検出量を示す出力信号を発生し、
前記光の検出量を示す前記出力信号を受信し、
前記ＬＩＤＡＲ装置からパルスが出射された時間、及び、照射光の前記パルスにより照射された前記三次元環境の物体から反射された光の量を感光検出器が検出した時間の間の差に基づいて、前記ＬＩＤＡＲ装置及び前記三次元環境内の前記物体の間の距離を測定し、
前記パルス照射源が前記照射光の一連のパルスを前記第１の繰返しパターンとはパルス強度の異なるパターンを有する第２の繰返しパターンに変更することを引き起こす指令信号を発生し、
撮像装置により、前記パルス照射源の視野の少なくとも一部の画像を生成することを含み、
前記照射光の一連のパルスのパルス強度の異なるパターンへの変更は、前記パルス照射源の視野内に前記物体が検出されない場合、一定期間の間、パルスの平均強度を減少することを伴い、そして、前記照射光の一連のパルスのパルス強度の異なるパターンへの変更は、前記パルス照射源の視野内に前記物体が検出された場合、一定期間の間、パルスの平均強度を増加することを伴うことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【0001】
本出願は、２０１７年３月２０日に出願された、「可変照射強度を有するＬＩＤＡＲに基づく三次元撮像」という名称の米国特許出願１５/４６４，２３４の優先権を主張するものであり、同様に、２０１６年３月２１日に出願された、「可変照射強度を有するＬＩＤＡＲに基づく三次元撮像」という名称の米国仮出願６２/３１１，２９６の優先権を主張するものであり、これらの出願は参照されることにより、本出願に援用される。
【技術分野】
【0002】
本発明は、光検出及び測距（light detection and ranging：ＬＩＤＡＲ）に基づく三次元ポイントクラウド測定システムに関する。
【背景技術】
【0003】
ＬＩＤＡＲシステムは光パルスを使用し、各光パルスの飛行時間（ＴＯＦ）に基づいて物体への距離を測定するものである。ＬＩＤＡＲシステムの光源から出射された光パルスは遠位の物体と相互作用する。光の一部が物体から反射され、ＬＩＤＡＲシステムの検出器に戻る。光パルスの出射から戻り光パルスの検出までに経過した時間に基づいて、距離が推定される。いくつかの例においては、光パルスはレーザー発光器により発生される。光パルスはレンズ又はレンズアセンブリを通して集束される。レーザー光パルスがレーザー発光器の近くに設置された検出器に戻るまでの時間が測定される。高精度の時間測定から距離が得られる。
【0004】
いくつかのＬＩＤＡＲシステムは、単一のレーザー発光器／検出器並びに回転ミラーの組み合わせを使用して、平面を横切って効果的に走査する。そのようなＬＩＤＡＲシステムにより実施された距離測定は実際上二次元（即ち、平面状）であり、捕捉された距離点は二次元（即ち、単一面）のポイントクラウドとしてレンダリングされる。いくつかの例において、回転ミラーは非常に速い速度（例えば、数千ｒｐｍ）で回転する。
【0005】
多くの動作シナリオにおいて、三次元のポイントクラウドを求められることが多い。三次元で周囲環境に問合せするいくつかの方式が採用されている。いくつかの例においては、二次元装置が、多くの場合ジンバル上で、上下及び／又は前後に作動される。このことは、センサのノッディング又はウィンキングとして当業者には知られている。したがって、単一ビームＬＩＤＡＲユニットを使用して、一度に一点であるにもかかわらず、三次元の距離点列全体を捕捉することができる。関連する例においては、レーザーパルスを多層に分割するためにプリズムが使用され、各層はわずかに異なる鉛直角を有する。これは、センサ自体が作動することはないが、上述のノッディング効果をシミュレートする。
【0006】
全ての上記の例において、単一レーザー発光器／検出器の組み合わせの光路が、単一のセンサよりも広い視野を達成するためにどうにかして変更されている。単一レーザーのパルス繰返し数が限定されていることにより、そのような装置が単位時間毎に発生することができるピクセル数は本質的に限定されている。ミラー、プリズム、又は装置の作動のいずれによるものであっても、より広いカバー領域を達成するためのビーム経路の変更は、ポイントクラウド密度の減少を伴うものである。
【0007】
上述のように、いくつかの構成において三次元ポイントクラウドシステムが存在する。しかしながら、多くの用途において、広い視野を有する必要がある。例えば、自立走行車両用途において、縦視野は車両の前方の地面が見えるまで下に伸びているべきである。また、道路内のくぼみに車両が進入した場合、縦視野は水平線より上に伸びているべきである。また、現実世界で起きている行動とこれらの行動の画像化の間の遅れは最小限である必要がある。いくつかの例においては、毎秒少なくとも５回の完全な画像の更新を提供することが望ましい。これらの要求に応えるために、多重レーザー発光器アレイ及び検出器アレイを備える三次元ＬＩＤＡＲシステムが開発された。このシステムは２０１１年６月２８日付で発行された米国特許７９６９５５８号に記載されており、この特許は参照されることにより、本出願に援用される。
【0008】
多くの用途において、一連のパルスが出射される。各パルスの方向は、連発で順次変更される。これらの例において、個々のパルスのそれぞれに関連する距離測定値をピクセルとみなすことができ、連発して出射されて捕捉されたピクセルの集合（即ち、ポイントクラウド）は、画像としてレンダリングすることができ、又は、他の理由（例えば、障害物の検出）により分析される。いくつかの例において、結果的に得られたポイントクラウドを使用者に三次元の画像としてレンダリングする為に閲覧ソフトウェアが使用されている。実写カメラで撮影されたような三次元画像として距離測定値を画像化する為に異なる方式を使用することができる。
【0009】
既存のＬＩＤＡＲシステムは、所定の時間で周囲環境の特定体積を問合せする光ビームを使用している。戻り信号の検出は、測定範囲が拡張されると悪化する測定ノイズの大きな原因を含んでいる。多くの用途において、測定信号の信号／ノイズ比は、レーザーパルス強度を増加することにより改善される。
【0010】
また、画像解像度は、ＬＩＤＡＲシステムにより生成される三次元ポイントクラウドの密度に依存する。多くの場合、画像解像度を改善する為に、パルス出射及び対応する戻り信号の捕捉の速度を増加することにより、三次元ポイントクラウドの密度が増加される。
【0011】
パルス繰返し数、パルス強度、又はその両方の増加には、発光の増加を必要とし、そして結果として、パワーエレクトロニクス及び光源に関するエネルギー損失による発熱及びエネルギー消費の増加を必要とする。特に、三次元ＬＩＤＡＲシステムの寸法が縮小し続けているので、追加の発熱は特に望ましくない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
高水準の画像解像度及び撮影範囲を維持したまま、ＬＩＤＡＲシステムの電力管理の改善が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【0013】
異なる照射強度を有する三次元ＬＩＤＡＲ測定を実施する為の方法及びシステムがここに記載されている。測定パルスの繰返しシークエンスのそれぞれが、ＬＩＤＡＲシステムから出射される異なる照射強度パターンを有する。各繰返しシークエンスの１つ以上のパルスが、シークエンス内の他のパルスとは異なる照射強度を有する。照射強度パターンは、ＬＩＤＡＲシステムによる発熱及び総エネルギー消費を減少する為に変更される。
【0014】
いくつかのＬＩＤＡＲシステムは、共通の制御装置と一体となって作動する多数のパルス照射システムを有する。更なる側面において、各パルス照射システムから出射される照射光パルスの照射強度パターンは、独立して制御される。
【0015】
いくつかの実施形態において、パルス照射源及び感光検出器は、ＬＩＤＡＲ装置の回転フレームに取り付けられている。この回転フレームは、ＬＩＤＡＲ装置の基部フレームに対して回転する。更なる側面において、ＬＩＤＡＲ装置は、基部フレームに対する回転フレームの配向を測定する配向センサを含んでいる。これらの実施形態において、ＬＩＤＡＲシステムの計算システムは、基部フレームに対する回転フレームの配向の表示を定期的に受信し、前記配向に基づいて照射強度パターンを変化させる。
【0016】
いくつかの実施形態において、ＬＩＤＡＲシステムは車道で作動している車両に取り付けられる。ＬＩＤＡＲシステムは、画像処理システムにポイントクラウドデータを提供し、車道上で車両が作動している間、画像処理システムがポイントクラウドデータに基づいて車両の周囲の環境の画像を生成する。いくつかの動作シナリオにおいて、車両の前方及び車両の側方又は両側方に位置する物体の高解像度画像を得ることが望ましい。しかしながら、車両の後方の物体の高解像度画像を得ることは必要があるわけではない。これらの実施例において、ＬＩＤＡＲシステムは、照射ビームが車両の前方及び側方又は両側方に向けられている時は、最大照射強度パターンを使用するように構成される。しかしながら、照射ビームが車両の後方に向けられている時は、平均照射強度を減少する為に、照射強度パターンが変更される。
【0017】
いくつかの実施形態において、ＬＩＤＡＲ装置と三次元環境内で検出された物体の間の距離に基づいて、照射強度パターンが変更される。1つの実施例において、ＬＩＤＡＲ装置と三次元環境内で検出された物体の間の距離が所定の閾値よりも短い場合、照射強度パターンは一定期間の間平均照射強度を減少するように調整される。この方法により、ＬＩＤＡＲ装置に比較的近い物体（例えば、２５ｍ以下、１０ｍ以下等）は、ＬＩＤＡＲシステムにより低周波数でサンプリングされる。回転走査ＬＩＤＡＲ装置の視野は放射状に伸びるので、ＬＩＤＡＲ装置に比較的近い物体は、ＬＩＤＡＲ装置から比較的遠い物体よりも少ない光損失でサンプリングされる。したがって、ＬＩＤＡＲ装置に比較的近い物体については、近い物体の十分に正確な画像をレンダリングする為に、高解像度のサンプリングが必要なわけではない。これらの実施例において、比較的近い物体についてのサンプリングの平均照射強度を減少するように、照射強度パターンは調整される。
【0018】
いくつかの実施形態において、照射強度パターンは、三次元環境内で検出された物体の有無に基づいて変化する。1つの実施例において、パルス照射ビームの照射強度パターンは、所定の期間よりも長くパルス照射ビームの視野内に物体が検出されない場合、一定期間の間パルスの平均照射強度を減少するように調整される。例えば、所定の期間にわたってパルス照射ビームに関連する検出器により検出された信号がわずかな値（例えば、閾値より下）であった場合、制御装置がパルス照射源から出射される光の照射強度パターンを減少する。この方法により、照射ビームが物体のない大きな空間（例えば、水平線に向けて、空に向けて等）に向けられている時に、エネルギー消費と発熱が減少される。しかしながら、その後、パルス照射ビームに関連する検出器により検出された信号が閾値より上に増加した場合、制御装置がパルス照射源から出射される光の照射強度パターンの平均照射強度を増加する。いくつかの実施例において、制御装置が平均照射強度を増加する前に、第1の所定の期間後の第２の所定の期間にわたって物体が検出されなければならない。これらの閾値が、スプリアス信号が照射強度に急激な変動をもたらすことを防止する。
【0019】
いくつかの実施形態において、ＬＩＤＡＲシステムは、パルス照射源の視野の少なくとも一部の画像を生成するように構成された撮像装置を含むか、又は撮像装置と通信可能にリンクされている。いくつかの実施形態において、撮像装置は、ＬＩＤＡＲ装置により生成されたポイントクラウドの多数の点から画像を生成するように構成された計算システムである。これらの実施形態のいくつかにおいて、計算システムはＬＩＤＡＲ装置から分離しており、ＬＩＤＡＲ装置と通信可能にリンクしている。他の実施形態においては、ＬＩＤＡＲシステムの計算システムが、ポイントクラウドデータから画像を生成するように構成されている。いくつかの他の実施形態において、撮像装置が分離した撮像センサ（例えば、カメラ）を含み、撮像センサがパルス照射源の視野の少なくとも一部の画像を捕捉する。これらの実施形態のいくつかにおいて、撮像センサはＬＩＤＡＲ装置と一体となっている。いくつかの他の実施形態において、撮像センサはＬＩＤＡＲ装置から分離しており、ＬＩＤＡＲ装置と通信可能にリンクしている。
【0020】
これらの実施形態において、パルス照射源の照射強度パターンは、パルス照射源の視野の少なくとも一部の画像内に物体が検出されるか否かに基づいて変化する。いくつかの実施例において、パルス照射源の視野の画像内に物体が検出されない場合、照射強度パターンの平均照射強度は減少する。いくつかの他の実施例において、パルス照射源の視野の画像内に物体が検出された場合、照射強度パターンの平均照射強度は増加する。
【0021】
いくつかの実施形態において、パルス照射源の照射強度パターンは、三次元ＬＩＤＡＲ装置の動作温度の表示に基づいて変化する。
【0022】
上記は概要であり、したがって、必要に応じて簡略化、一般化、及び詳細の省略を含み、結果として、概要は単に説明的なものであり、限定的なものではないことは当業者には理解できるであろう。ここに記載の装置及び／又は方法の他の側面、発明の特徴、及び利点は、以下に記載の非限定的な詳細な説明により明確になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】少なくとも１つの新規な側面における三次元ＬＩＤＡＲシステム１００の１つの実施形態を示す簡略図である。
【図2】少なくとも１つの新規な側面における三次元ＬＩＤＡＲシステム１０の他の実施形態を示す簡略図である。
【図3】１つの例示的実施形態における三次元ＬＩＤＡＲシステム１００の分解図である。
【図4】三次元ＬＩＤＡＲシステム１００の発光・集光エンジン１１２を示す図である。
【図5】三次元ＬＩＤＡＲシステム１００の集光光学系１１６の詳細図である。
【図6】集光された光１１８の各ビームの整形を示す三次元ＬＩＤＡＲシステム１００の集光光学系１１６の断面図である。
【図7】パルス照射システム１３０、光検出システム１５０、及び制御装置１４０を含む三次元ＬＩＤＡＲシステムの構成要素を示す図である。
【図8】パルス測定ビームの出射及び戻り測定パルスの捕捉のタイミングを示す図である。
【図9】異なるパルス照射強度を有する異なる繰返しパターンを含むパルス発射信号を示す図である。
【図11】少なくとも１つの新規な側面における異なるパルス照射強度パターンを有するＬＩＤＡＲ測定を実施する方法２００を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0024】
本発明のいくつかの実施形態と添付の図面に図示されている背景的実施例の詳細について説明する。
【0025】
図１は、１つの例示的動作シナリオにおける三次元ＬＩＤＡＲシステム１００の実施形態を示す図である。三次元ＬＩＤＡＲシステム１００は、下部ハウジング１０１及び赤外光（例えば、７００～１７００ｎｍのスペクトル領域内の波長を有する光）を透過させる材料から成るドーム状シェル要素１０３を含む上部ハウジング１０２を有する。１つの実施例において、ドーム状シェル要素１０３は、９０５ｎｍを中心とする波長を有する光を透過させる。
【0026】
図１に図示されているように、三次元ＬＩＤＡＲシステム１００から複数の光ビーム１０５が、ドーム状シェル要素１０３を通って、中心軸１０４から測定して角度範囲αにわたって、出射される。図１に図示されている実施形態において、各光ビームは、Ｘ軸及びＹ軸により規定された平面上に互いに間隔を置いて複数の異なる位置に投射される。例えば、ビーム１０６はＸＹ平面上の位置１０７に投射される。
【0027】
図１に図示されている実施形態において、三次元ＬＩＤＡＲシステム１００は、中心軸１０４の周りの複数の光ビーム１０５のそれぞれを走査するように構成される。ＸＹ平面上に投射された各光ビームは、中心軸１０４とＸＹ平面の交点を中心とする円形パターンを描く。例えば、ＸＹ平面上に投射されるビーム１０６は、時間とともに、中心軸１０４を中心とする円形軌跡１０８を描く。
【0028】
図２は、１つの例示的動作シナリオにおける三次元ＬＩＤＡＲシステム１０の他の実施形態を示す図である。三次元ＬＩＤＡＲシステム１０は、下部ハウジング１１及び赤外光（例えば、７００～１７００ｎｍのスペクトル領域内の波長を有する光）を透過させる材料から成る円筒形シェル要素１３を含む上部ハウジング１２を有する。１つの実施例において、円筒形シェル要素１３は、９０５ｎｍを中心とする波長を有する光を透過させる。
【0029】
図２に図示されているように、三次元ＬＩＤＡＲシステム１０から複数の光ビーム１５が、円筒形シェル要素１３を通って、角度範囲βにわたって、出射される。図２に図示されている実施形態においては、各光ビームの主光線が図示されている。各光ビームは周囲環境内の異なる方向に外向きに投射される。例えば、ビーム１６は周囲環境内の位置１７上に投射される。いくつかの実施形態において、三次元ＬＩＤＡＲシステム１０から出射された各光ビームは少しずつ広がる。１つの実施例において、三次元ＬＩＤＡＲシステム１０から出射された光ビームは、三次元ＬＩＤＡＲシステム１０から１００ｍの距離において直径２０ｃｍのスポットサイズを照射する。この方法において、各照射光ビームは、三次元ＬＩＤＡＲシステム１０から出射された照射光錐である。
【0030】
図２に図示されている実施形態において、三次元ＬＩＤＡＲシステム１０は、中心軸１４の周りを、複数の光ビーム１５のそれぞれを走査するように構成されている。説明の目的で、複数の光ビーム１５が、三次元ＬＩＤＡＲシステム１０の非回転座標枠に関連する１つの角度配向に図示されており、そして、複数の光ビーム１５’が、上記非回転座標枠に関連する他の角度配向に図示されている。複数の光ビーム１５は中心軸１４の周りを回転するので、周囲環境内に投射された各光ビーム（例えば、各ビームに関連した各照射光錐）は、中心軸１４の周りを通過するので、円錐形照射ビームに対応する体積の環境を照射する。
【0031】
図３は、１つの例示的実施形態における三次元ＬＩＤＡＲシステム１００の分解図である。三次元ＬＩＤＡＲシステム１００はさらに、中心軸１０４の周りを回転する発光・集光エンジン１１２を有する。少なくとも１つの新規な側面において、発光・集光エンジン１１２の中心光軸１１７は、中心軸１０４に対して角度θで傾斜している。図３に図示されているように、三次元ＬＩＤＡＲシステム１００は、下部ハウジング１０１に対して固定位置に取り付けられた固定電子基板１１０を有する。固定電子基板１１０の上方に回転電子基板１１１が配置され、回転電子基板１１１は、固定電子基板１１０に対して所定の回転速度（例えば、２００ｒｐｍより速い速度）で回転するように構成されている。電力信号及び電子信号が、固定電子基板１１０と回転電子基板１１１の間で、１つ以上のトランス素子、容量素子又は光学素子を通して通信され、これらの信号の非接触送信をもたらす。発光・集光エンジン１１２は回転電子基板１１１に対して固定的に配置され、したがって、中心軸１０４の周りを所定の角速度ωで回転する。
【0032】
図３に図示されているように、発光・集光エンジン１１２は、発光素子アレイ１１４及び光検出素子アレイ１１３を有する。各発光素子から出射された光は、（図示しない）ミラーに向かっていく。ミラーから反射した光は、一連の照明光学系１１５を通過し、一連の照明光学系１１５が、出射光を図１に図示されている三次元ＬＩＤＡＲシステム１００から出射される光ビームアレイ１０５にコリメートする。一般的に、三次元ＬＩＤＡＲシステム１００から任意の数の光ビームを同時に出射するために任意の数の発光素子を配置することができる。環境内の物体から反射された光は、集光光学系１１６により集光される。集光された光は集光光学系１１６を通過し、光検出素子アレイ１１３の各光検出素子上に集束される。集光光学系１１６を通過後、集光された光は（図示しない）ミラーから各光検出素子上に反射される。
【0033】
図４は、発光・集光エンジン１１２を示すもう１つの図である。もう１つの発明的側面において、発光・集光エンジン１１２は、発光・集光エンジン１１２の様々な構成要素と回転電子基板１１１の間の電気的接続性及び機械的支持を提供する中間電子基板１２１、１２２及び１２３を有する。例えば、光検出素子アレイ１１３の各光検出素子は中間電子基板１２１に取り付けられる。次に、中間電子基板１２１は回転電子基板１１１に機械的及び電気的に結合される。同様に、発光素子アレイ１１４の各発光素子は中間電子基板１２３に取り付けられる。次に、中間電子基板１２３は回転電子基板１１１に機械的及び電気的に結合される。もう１つの実施例において、照明光学系１１５及び集光光学系１１６は、中間電子基板１２２に機械的に取り付けられる。この実施例において、中間電子基板１２２は、照明光学系１１５を集光光学系１１６から空間的及び光学的に分離し、集光された光への照射光の混入を防止する。次に、中間電子基板１２２は、回転電子基板１１１に機械的及び電気的に結合される。この方法により、中間電子基板は、機械的及び電気的接続性を提供し、三次元ＬＩＤＡＲシステム１００の動作に必要な電気部品を取り付け可能な追加基板領域を提供する。
【0034】
図５は、集光光学系１１６の詳細図である。図５に図示されているように、集光光学系１１６は、光検出素子アレイ１１３の各光検出素子上に集光された光１１８を集束するように配置された４つのレンズ素子１１６Ａ～１１６Ｄを有する。集光光学系１１６を通過した光は、ミラー１２４により反射され、光検出素子アレイ１１３の各光検出素子上に配向される。いくつかの実施形態において、集光光学系１１６の１つ以上の光学素子は、発光素子アレイ１１４の各発光素子により出射された光の波長を含む所定の波長範囲外の光を吸収する１つ以上の材料から構成される。１つの実施例において、１つ以上のレンズ素子は、発光素子アレイ１１４の各発光素子により発生された赤外光より低い波長を有する光を吸収する着色剤添加剤を含むプラスチック材料から構成される。１つの実施例において、着色剤は、Ａａｋｏ ＢＶ（オランダ）から入手可能なＥｐｏｌｉｇｈｔ ７２７６Ａである。一般的に、望まないスペクトルの光を除去するために、集光光学系１１６の任意のプラスチックレンズ素子に任意の数の異なる着色剤を添加することができる。
【0035】
図６は、集光された光１１８の各ビームの整形を示す集光光学系１１６の断面図である。
【0036】
上述のように、集光光学系１１６の１つ以上の光学素子は、発光素子アレイ１１４の各発光素子により出射された光の波長を含む所定の波長範囲外の光を吸収する１つ以上の材料から構成される。しかしながら、一般的に、照明光学系１１５の１つ以上の光学素子も、発光素子アレイ１１４の各発光素子により出射された光の波長を含む所定の波長範囲外の光を吸収する１つ以上の材料から構成されることができる。
【0037】
図１に図示されている三次元ＬＩＤＡＲシステム１００、及び図２に図示されている三次元ＬＩＤＡＲシステム１０のようなＬＩＤＡＲシステムは、ＬＩＤＡＲ装置から周囲環境内に照射光のパルスビームを出射するパルス照射源を有している。いくつかの実施形態において、パルス照射源はレーザーベースである。いくつかの実施例において、パルス照射源は１つ以上の発光ダイオードベースである。一般的に、どんな適切なパルス照射源を検討してもよい。
【0038】
１つの側面において、ＬＩＤＡＲシステムから出射される照射パルスの繰返しシークエンスの照射強度パターンは、ＬＩＤＡＲシステムによる発熱及び総エネルギー消費を減少する為に変更される。
【0039】
図７は、１つの実施形態におけるパルス照射システム１３０、光検出システム１５０、及び制御装置１４０を含む三次元ＬＩＤＡＲシステムの構成要素を示す図である。
【0040】
パルス照射システム１３０は、パルス発光装置１３７を有する。パルス発光装置１３７は、パルス発光装置１３７に提供されるパルス電流信号１３６に応答してパルス発光を発生する。パルス発光装置１３７により発生された光は、三次元ＬＩＤＡＲシステムの１つ以上の光学素子により、集束されて周辺環境内の特定位置１３８上に投射される。１つの実施例において、パルス発光装置１３７により出射された光は、出射光を図２に図示される三次元ＬＩＤＡＲシステム１０から出射されるパルス光ビーム１６にコリメートする照明光学系１１５により、集束されて特定位置上に投射される。
【0041】
パルス照射システム１３０は、パルス発光装置１３７に選択的に結合された電気エネルギー蓄積素子（ＥＳＥ）１３２を有する。いくつかの実施例において、電気エネルギー蓄積素子１３２はコンデンサである。電圧源１３１は、電気エネルギー蓄積素子１３２に電気的に結合される。電圧源１３１は、電気エネルギー蓄積素子１３２に電気エネルギーを供給する。電気エネルギー蓄積素子１３２は、スイッチ素子（例えば、スイッチ素子１３９）によりパルス発光装置１３７に選択的に結合している。スイッチ素子１３９は、制御信号（例えば、デジタル制御信号ＭＰＣ）の状態に応じて、２つの状態の間を切り替えるように構成されている。第１の状態において、スイッチ素子１３９は実質的に非導電性である。第１の状態において、電気エネルギー蓄積素子１３２はパルス発光装置１３７から効果的に切断されている。第１の状態において、電圧源１３１から電気エネルギー蓄積素子１３２へ電気エネルギーが流れ、電気エネルギー蓄積素子１３２を効果的に充電する。第２の状態において、スイッチ素子１３９は実質的に導電性である。第２の状態において、電気エネルギー蓄積素子１３２はパルス発光装置１３７に電気的に結合する。第２の状態において、電気エネルギー蓄積素子１３２からパルス発光装置１３７へ電気エネルギーが流れる。
【0042】
図７に図示されているように、電気エネルギー蓄積素子１３２はパルス発光装置１３７に選択的に結合している。この方法により、パルス発光装置１３７に提供される電流信号１３６の整形及びタイミングは、制御装置１４０により発生された制御信号ＭＰＣにより効果的に制御される。したがって、ＬＩＤＡＲ装置から出射される光パルスのタイミングは制御装置１４０により制御される。
【0043】
一般的に、パルス照射システム１３０は、パルス発光装置と並列に選択的に結合された任意の数の電気エネルギー蓄積素子を含むことができる。さらに、１つ以上の電気エネルギー蓄積素子は、１つ以上の他の電気エネルギー蓄積素子とは異なるエネルギー蓄積容量を有することができる。この方法により、パルス発光装置１３７に提供される電流信号１３６のタイミング及び振幅が、制御信号ＭＰＣにより制御される。これらの実施形態において、電流信号１３６のタイミング及び振幅は、パルス発光装置１３７に結合される電気エネルギー蓄積素子の数及びタイミングを制御することにより達成される。いくつかの実施形態において、パルス発光装置１３７に複数の電気エネルギー蓄積素子を連続的に結合することにより、多重パルスが各ＬＩＤＡＲ測定の為に出射される。いくつかの他の実施形態において、パルス発光装置１３７に同時に結合される電気エネルギー蓄積素子の数を選択することにより、電流信号１３６の振幅が制御される。一般的に、制御信号ＭＰＣを通して制御装置１４０により指令される各パルスは、大きさ及び存続期間を変更することができる。
【0044】
いくつかの実施形態において、照射パルスの繰返しシークエンスがＬＩＤＡＲ装置から出射される。繰返しシークエンスは、繰返しシークエンスの各パルスの照射強度に関連する特定の照射強度パターンによって経時的に繰り返される測定パルスのシークエンスである。1つの側面において、繰返しシークエンスの１つ以上のパルスは、繰返しシークエンス内の他のパルスとは異なる照射強度を有する。即ち、照射強度パターンは、他のパルスとは異なる強度振幅を有する少なくとも１つのパルスを有する。
【0045】
例えば、図９は、制御装置１４０により発生されたパルス発射信号１６７（例えば、図７に図示されている制御信号ＭＰＣ）を示しており、前記パルス発射信号は、期間ＴＰにより周期的である。パルス発射信号１６７は、照射パルス１６７Ａ～１６７Ｃの３つの異なる繰返しシークエンスを有する。照射パルスのセグメント１６７Ａにおいて、繰返しシークエンスは繰返し期間ＴＲＥＰａを有し、パルス強度は、中央値で６連続パルスにおいて一定である。照射パルスのセグメント１６７Ｂにおいて、繰返しシークエンスは繰返し期間ＴＲＥＰｂを有し、パルス強度は、高強度設定及び低強度設定を交互に繰り返す。このシークエンスは２回繰り返す。照射パルスのセグメント１６７Ｃにおいて、繰返しシークエンスは繰返し期間ＴＲＥＰｃを有し、各繰返しシークエンス内で、パルス強度は１つのパルスにおいて高強度であり、その後の２連続パルスにおいて低強度である。このシークエンスは３回繰り返す。一般的に、ＬＩＤＡＲシステムは、エネルギーを節約する為にパルス毎に基づいて所望の方法でパルス強度パターンを変更するように構成されることができる。いくつかの実施形態において、パルス強度のパターンは疑似ランダムである。一般的に、制御装置１４０により指令される各パルスは、大きさ及び存続期間を変更することができる。
【0046】
更なる実施形態において、図２に図示されているＬＩＤＡＲシステム１０のようなＬＩＤＡＲシステムは、共通の制御装置（例えば、制御装置１４０）と一体となって作動する多数のパルス照射システムを有する。図１０は、１６個のパルス照射システムの各々の発光のタイミングを示す図１８０である。もう１つの更なる側面において、各パルス照射システムから出射された照射光パルスの繰返しパターンは、独立して制御可能である。したがって、各パルス照射システムに関連する強度パターンは、独立して制御される。
【0047】
図１０に図示されているように、測定パルスは第１のパルス照射システムから出射される。遅延時間Ｔ遅延経過後に、ＬＩＤＡＲ装置の第２のパルス照射システムから測定パルスが出射される。この方法により、測定期間Ｔ測定の間に、ＬＩＤＡＲ装置から異なる方向に一連の１６個の測定パルスが出射される。１６個のパルス照射システムのそれぞれに関連する電気エネルギー蓄積素子は、測定期間後に充電期間Ｔ充電の間充電される。充電期間後に、その次の測定期間にわたって、もう１つの測定パルスが、各パルス照射システムから出射される。その次の充電期間後に、もう１つの測定期間にわたって、もう１つの測定パルスが、各パルス照射システムから出射され、同様に続く。１４番目のパルス照射システムは、図９に図示されているパルス発射信号１６７のセグメント１６７Ｂに従って発射される。したがって、１４番目のパルス照射システムは、パルス発射信号１６７に関連する名目周期性ＴＰとは異なる繰返し期間ＴＲＥＰｂを有する強度パターンを示す。図９に図示されているように、セグメント１６７Ｂの間、出力強度は高強度値及び低強度値を交互に繰り返す。パルスＡ、Ｂ及びＣが、図９及び１０の両方に特に参照されている。パルスＡ及びＣが高強度値であり、パルスＢが比較的低い強度値である。
【0048】
一般的に、各パルス照射システムに関連するパルス強度パターンは、ＬＩＤＡＲシステムの他のパルス照射システムから独立して変化することができる。
【0049】
いくつかの実施形態において、遅延時間Ｔ遅延は、ＬＩＤＡＲ装置の最大範囲に位置する物体へ向かい、該物体から戻ってくるまでの測定パルスの飛行時間よりも長く設定されている。この方法により、１６個のパルス照射システムのいずれの間にもクロストークが生じない。
【0050】
いくつかの他の実施形態において、１つのパルス照射システムから出射された測定パルスがＬＩＤＡＲ装置に戻るまでの時間が経過する前に、もう１つのパルス照射システムから測定パルスを出射することができる。いくつかのこれらの実施形態において、クロストークを避けるために、各ビームにより問合せされた周囲環境の領域の間が十分に空間的に分離されることを確実にするように注意が払われている。
【0051】
図７に図示されているように、特定位置１３８から反射された光は、光検出器１５５により検出される。光検出器１５５は、アナログ相互インピーダンス増幅器１５２により増幅される出力信号１５１を発生する。一般的に、出力信号１５１の増幅は、複数の増幅段を有することができる。この場合、アナログ相互インピーダンス増幅器１５２は非限定的な実施例として提供されており、多くの他のアナログ信号増幅構成が本出願書類の範囲内に含まれると考えることができる。
【0052】
増幅信号１５３は、制御装置１４０に伝達される。制御装置１４０のアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）１４４が、アナログ信号１５３を更なる処理において使用されるデジタル信号に変換するために使用される。制御装置１４０は、制御信号ＭＰＣと共同してＡＤＣ１４４によるデータ取得のタイミングを制御するために使用されるイネーブル／ディスエーブル信号１４５を発生する。
【0053】
図８は、測定パルスの出射及び戻り測定パルスの捕捉に関わるタイミングを示す図である。図８に図示されているように、測定は、制御装置１４０により発生されたパルス発射信号１６１（例えば、ＭＰＣ[１]）とともに始まる。内部システムの遅延により、パルス発射信号１６１から時間遅延ＴＤによりずれているパルスインデックス信号１６２が測定される。時間遅延は、ＬＩＤＡＲシステムからの発光に関連する既知の遅延（例えば、信号通信遅延及びスイッチ素子、電気エネルギー蓄積素子及びパルス発光装置に関連する待機時間）と、集光と集光された光を示している信号発生に関連する既知の遅延（例えば、増幅器の待機時間、アナログ／デジタル変換遅延等）と、を含んでいる。
【0054】
図８に図示されているように、戻り信号１６３は、特定位置の照射に対応してＬＩＤＡＲシステムにより検出される。測定窓（例えば、収集された戻り信号データが特定測定パルスに関連付けられている期間）は、光検出素子１５０からのイネーブルデータ取得により開始される。制御装置１４０は、測定パルスの出射に対応する戻り信号が予期される時間の窓に対応するように測定窓のタイミングを制御する。いくつかの実施例において、測定窓は、測定パルスが出射された時点で作動され、ＬＩＤＡＲシステムの範囲の２倍の距離にわたる光の飛行時間に対応する時点において停止される。この方法により、測定窓は、ＬＩＤＡＲシステムに近接する物体からの戻り光（わずかな飛行時間）からＬＩＤＡＲシステムの最大範囲に位置する物体からの戻り光までを集光するために開かれている。この方法により、有効な戻り信号として貢献することができない他の全ての光は除外される。
【0055】
図８に図示されているように、戻り信号１６３は、出射された測定パルスに対応する２つの戻り測定パルスを有する。一般的に、信号検出は、全ての検出された測定パルスに実施される。さらに、信号分析が、最も近い信号（例えば、戻り測定パルスの最初のインスタンス）、最も強い信号及び最も遠い信号（例えば、測定窓における戻り測定パルスの最後のインスタンス）を特定するために実施される。これらのインスタンスはどれも、ＬＩＤＡＲシステムによる潜在的に有効な距離測定値として報告することができる。例えば、図８に図示されているように、飛行時間ＴＯＦ１は、出射された測定パルスに対応する最も近い（例えば、最も早い）戻り測定パルスから計算することができる。
【0056】
図１及び図２を参照して記載されている実施形態のような、いくつかの実施形態において、パルス照射源及び感光検出器は、ＬＩＤＡＲ装置の回転フレームに取り付けられる。この回転フレームは、ＬＩＤＡＲ装置の基部フレームに対して回転する。更なる側面において、ＬＩＤＡＲ装置は、基部フレームに対する回転フレームの配向を測定する配向センサを含んでいる。これらの実施形態において、ＬＩＤＡＲシステムの計算システム（例えば、図７に図示されている制御装置１４０）は、基部フレームに対する回転フレームの配向の更新された表示を定期的に受信する。これらの実施形態のいくつかにおいて、パルス照射源の照射強度パターンの変化は、前記配向に基づいている。
【0057】
いくつかの実施形態において、ＬＩＤＡＲシステムは車道で作動している車両に取り付けられる。ＬＩＤＡＲシステムは、画像処理システムにポイントクラウドデータを提供し、車道上で車両が作動している間、画像処理システムがポイントクラウドデータに基づいて車両の周囲の環境の画像を生成する。いくつかの動作シナリオにおいて、車両の前方及び車両の側方又は両側方に位置する物体の高解像度画像を得ることが望ましい。しかしながら、車両の後方の物体の高解像度画像を得ることは必要があるわけではない。これらの実施例において、ＬＩＤＡＲシステムは、照射ビームが車両の前方及び側方又は両側方に向けられている時は、高い平均照射強度（即ち、ほとんどのパルスが比較的高い照射強度レベルである）を使用するように構成される。しかしながら、照射ビームが車両の後方に向けられている時は、平均照射強度が低下される（即ち、より多くのパルスが比較的低い、又はゼロ値照射強度レベルである）。
【0058】
いくつかの実施形態において、照射強度パターンの変化は、ＬＩＤＡＲ装置と三次元環境内で検出された物体の間の距離に基づいている。1つの実施例において、ＬＩＤＡＲ装置と三次元環境内で検出された物体の間の距離が所定の閾値よりも短い場合、照射強度パターンは、一定期間の間平均パルス強度を減少するように調整される。この方法により、ＬＩＤＡＲ装置に比較的近い物体（例えば、２５ｍ以下、１０ｍ以下等）は、ＬＩＤＡＲシステムにより低照射強度でサンプリングされる。ＬＩＤＡＲ装置の視野は放射状に伸びるので、ＬＩＤＡＲ装置に比較的近い物体は、ＬＩＤＡＲ装置から比較的遠い物体よりも高い信号／ノイズ比で検出される。したがって、ＬＩＤＡＲ装置に比較的近い物体については、近い物体の十分に正確な画像をレンダリングする為に、高照射強度が必要なわけではない。これらの実施例において、比較的近い物体についての平均照射強度を減少するように、パルス照射強度が調整される。
【0059】
いくつかの実施形態において、照射パルスの繰返しシークエンスの照射強度パターンの変化は、三次元環境内で物体が検出されたか否かに基づいている。1つの実施例において、所定の期間よりも長くパルス照射ビームの視野内に物体が検出されない場合、パルス照射ビームの照射強度パターンは、一定期間の間平均照射強度を減少するように調整される。例えば、所定の期間にわたってパルス照射ビームに関連する検出器により検出された信号がわずかな値（例えば、閾値より下）であった場合、制御装置がパルス照射源から出射された光の照射強度パターンの平均照射強度を減少する。この方法により、照射ビームが物体のない大きな空間（例えば、水平線に向けて、空に向けて等）に向けられている時に、エネルギー消費と発熱が減少される。しかしながら、その後、近くのパルス照射ビームに関連する検出器により検出された信号が閾値より上に増加した場合、制御装置が、パルス照射源から出射される照射強度パターンの平均照射強度を増加させる。いくつかの実施例において、制御装置が平均照射強度を増加する前に、第1の所定の期間後の第２の所定の期間にわたって物体が検出されなければならない。これらの閾値が、スプリアス信号が平均照射強度に急激な変動をもたらすことを防止する。
【0060】
いくつかの実施形態において、ＬＩＤＡＲシステムは、パルス照射源の視野の少なくとも一部の画像を生成するように構成された撮像装置を含むか、又は撮像装置と通信可能にリンクされている。いくつかの実施形態において、撮像装置は、ＬＩＤＡＲ装置により生成されたポイントクラウドの多数の点から画像を生成するように構成された計算システムである。これらの実施形態のいくつかにおいて、計算システムはＬＩＤＡＲ装置から分離しており、ＬＩＤＡＲ装置と通信可能にリンクしている。他の実施形態においては、ＬＩＤＡＲシステムの計算システムが、ポイントクラウドデータから画像を生成するように構成されている。いくつかの他の実施形態において、撮像装置が分離した撮像センサ（例えば、カメラ）を含み、撮像センサがパルス照射源の視野の少なくとも一部の画像を捕捉する。これらの実施形態のいくつかにおいて、撮像センサはＬＩＤＡＲ装置と一体となっている。いくつかの他の実施形態において、撮像センサはＬＩＤＡＲ装置から分離しており、ＬＩＤＡＲ装置と通信可能にリンクしている。
【0061】
これらの実施形態において、パルス照射源から出射された照射パルスの繰返しシークエンスの照射強度パターンは、パルス照射源の視野の少なくとも一部の画像内に物体が検出されるか否かに基づいて変化する。いくつかの実施例において、パルス照射源の視野の画像内に物体が検出されない場合、平均照射強度は減少する（即ち、所定の期間にわたって、照射パルスの繰返しパターンの平均照射強度が減少する）。いくつかの他の実施例において、パルス照射源の視野の画像内に物体が検出された場合、平均照射強度は増加する。
【0062】
いくつかの実施形態において、パルス照射源から出射された照射パルスの繰返しシークエンスの照射強度パターンは、三次元ＬＩＤＡＲ装置の動作温度の表示に基づいて変化する。いくつかの実施形態において、動作温度の表示は、周囲環境の測定温度である。いくつかの実施形態において、動作温度の表示は、三次元ＬＩＤＡＲ装置上の１つ以上の測定温度に基づいている。例えば、照射源（例えば、レーザーダイオード）、照射源駆動装置、相互インピーダンス増幅器等のような敏感な電子部品の近くの温度は、動作温度の表示に到達する為に、分離して、又は共同して測定することができる。いくつかの実施形態において、照射源（例えば、レーザーダイオード）からの照射出力のスペクトルシフトは、動作温度の表示として測定される。一般的に、三次元ＬＩＤＡＲ装置内及びその周囲のいずれかの温度測定、又は、温度測定の組み合わせを、三次元ＬＩＤＡＲ装置の動作温度の表示として採用することができ、したがって、三次元ＬＩＤＡＲ装置に搭載されたパルス照射源のいずれかの照射強度パターンを変更する基準となる。
【0063】
制御装置１４０は、プロセッサ１４１及びメモリ１４２を有する。プロセッサ１４１及びメモリ１４２は、バス１４７を通じて通信することができる。メモリ１４２は、プログラムコードを記憶する一定量のメモリ１４３を含み、前記プログラムコードがプロセッサ１４１により実行されると、プロセッサ１４１にここに記載のパルス繰返しパターンを実施させる。非限定的な実施例として、制御装置１４０は、通信リンクを通して（図示しない）外部計算システムと通信するように動作可能である。１つの実施例において、制御装置１４０は、外部計算システムへ測定距離１４６の表示を通信する。
【0064】
図１１は、本発明のＬＩＤＡＲシステム１０及び１００による実施に適している方法２００を示す図である。１つの側面において、方法２００のデータ処理ブロックは、計算システム１４０の１つ以上のプロセッサにより実行される事前にプログラムされたアルゴリズムによって実行することができる。ＬＩＤＡＲ装置１０及び１００に関して下記の記載が示されているが、ここで、ＬＩＤＡＲシステム１０及び１００の特定構成は限定を示しているものではなく、単なる実例として解釈されるべきである。
【0065】
ブロック２０１において、第1の繰返しパターンを有する照射光の一連のパルスが、ＬＩＤＡＲ装置から三次元環境内に出射される。
【0066】
ブロック２０２において、照射光の一連のパルスのそれぞれにより照射された三次元環境から反射された光の量が検出される。
【0067】
ブロック２０３において、照射光の一連のパルスのそれぞれに関連した光の検出量を示す出力信号が発生される。
【0068】
ブロック２０４において、光の検出量を示す出力信号は、例えば制御装置１４０により受信される。
【0069】
ブロック２０５において、ＬＩＤＡＲ装置からパルスが出射された時間、及び、照射光のパルスにより照射された三次元環境内の物体から反射された光の量を感光検出器が検出した時間の間の差に基づいて、ＬＩＤＡＲ装置及び三次元環境内の物体の間の距離が測定される。
【0070】
ブロック２０６において、パルス照射源が照射光の一連のパルスを第１の繰返しパターンとは異なる第２の繰返しパターンに変更することを引き起こす指令信号が発生される。
【0071】
１つ以上の例示的な実施形態において、記載されている機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はそれらの組み合わせにおいて実施することができる。ソフトウェアにおいて実施される場合、機能は、コンピュータ可読媒体上の１つ以上の指令又はコードとして伝達又は記憶されることができる。コンピュータ可読媒体は、コンピュータ記憶媒体及び通信媒体を含み、１つの場所から他の場所へのコンピュータプログラムの転送を容易にするどの媒体も含むことができる。記憶媒体は、汎用コンピュータ又は専用コンピュータによりアクセスすることができる任意の利用可能な媒体を使用することができる。限定としてではなく、例として、コンピュータ可読媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ又は他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置又は他の磁気記憶装置、又は、汎用コンピュータ又は専用コンピュータにより、又は汎用プロセッサ又は専用プロセッサによりアクセスすることができ、データ構造又は指令の形の所望のプログラムコードを記憶又は保持するために使用することができる他の任意の媒体を含むことができる。また、任意の接続もコンピュータ可読媒体と呼ぶのにふさわしい。例えば、同軸ケーブル、光ファイバーケーブル、ツイストペアケーブル、デジタル加入者回線（ＤＳＬ）、又は赤外線通信、無線通信、及びマイクロ波通信等の無線技術を使用して、ウェブサイト、サーバー、又は他の遠隔供給源からソフトウェアが伝送された場合、同軸ケーブル、光ファイバーケーブル、ツイストペアケーブル、デジタル加入者回線（ＤＳＬ）、又は赤外線通信、無線通信、及びマイクロ波通信等の無線技術は、媒体の定義内に含まれる。ここで使用されるディスクは、コンパクトディスク（ＣＤ）、レーザーディスク、光ディスク、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、フロッピーディスク及びブルーレイディスクを含み、ディスクは通常データを磁気的に再生し、また、ディスクはデータをレーザーにより光学的に再生する。上記の組み合わせもコンピュータ可読媒体の範囲内に含まれるものである。
【0072】
説明の目的で特定実施形態が上述されているが、この特許出願書類の教示は汎用性を有し、上記の特定実施形態に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲に記載の本発明の範囲から逸脱することなく、様々な改良、適応、及び上記実施形態の様々な構成の組み合わせを実行することができる。
【符号の説明】
【0073】
１０ 三次元ＬＩＤＡＲシステム
１１ 下部ハウジング
１２ 上部ハウジング
１３ 円筒形シェル要素
１４ 中心軸
１５、１５’ 複数の光ビーム
１６ ビーム
１７ 位置
１００ 三次元ＬＩＤＡＲシステム
１０１ 下部ハウジング
１０２ 上部ハウジング
１０３ ドーム状シェル要素
１０４ 中心軸
１０５ 複数の光ビーム
１０６ ビーム
１０７ ＸＹ平面上の位置
１０８ 円形軌跡
１１０ 固定電子基板
１１１ 回転電子基板
１１２ 発光・集光エンジン
１１３ 光検出素子アレイ
１１４ 発光素子アレイ
１１５ 照明光学系
１１６ 集光光学系
１１６Ａ レンズ素子
１１６Ｂ レンズ素子
１１６Ｃ レンズ素子
１１６Ｄ レンズ素子
１１７ １１２の中心光軸
１１８ 集光された光
１２１ 中間電子基板
１２２ 中間電子基板
１２３ 中間電子基板
１２４ ミラー
１３０ パルス照射システム
１３１ 電圧源
１３２ 電気エネルギー蓄積素子
１３６ 電流信号
１３７ パルス発光装置
１３８ 特定位置
１３９ スイッチ素子
１４０ 制御装置
１４１ プロセッサ
１４２ メモリ
１４３ メモリ
１４４ アナログ／デジタル変換器
１４５ イネーブル／ディスエーブル信号
１４６ 測定距離
１４７ バス
１５０ 光検出システム
１５１ 出力信号
１５２ アナログ相互インピーダンス増幅器
１５３ 増幅信号、アナログ信号
１５５ 光検出器
１６１ パルス発射信号
１６２ パルスインデックス信号
１６３ 戻り信号
１６７ パルス発射信号
１６７Ａ 照射パルスのセグメント
１６７Ｂ 照射パルスのセグメント
１６７Ｃ 照射パルスのセグメント
１１ 下部ハウジング
１２ 上部ハウジング
１３ 円筒形シェル要素
１４ 中心軸
１５、１５’ 複数の光ビーム
１６ ビーム
１７ 位置
１００ 三次元ＬＩＤＡＲシステム
１０１ 下部ハウジング
１０２ 上部ハウジング
１０３ ドーム状シェル要素
１０４ 中心軸
１０５ 複数の光ビーム
１０６ ビーム
１０７ ＸＹ平面上の位置
１０８ 円形軌跡
１１０ 固定電子基板
１１１ 回転電子基板
１１２ 発光・集光エンジン
１１３ 光検出素子アレイ
１１４ 発光素子アレイ
１１５ 照明光学系
１１６ 集光光学系
１１６Ａ レンズ素子
１１６Ｂ レンズ素子
１１６Ｃ レンズ素子
１１６Ｄ レンズ素子
１１７ １１２の中心光軸
１１８ 集光された光
１２１ 中間電子基板
１２２ 中間電子基板
１２３ 中間電子基板
１２４ ミラー
１３０ パルス照射システム
１３１ 電圧源
１３２ 電気エネルギー蓄積素子
１３６ 電流信号
１３７ パルス発光装置
１３８ 特定位置
１３９ スイッチ素子
１４０ 制御装置
１４１ プロセッサ
１４２ メモリ
１４３ メモリ
１４４ アナログ／デジタル変換器
１４５ イネーブル／ディスエーブル信号
１４６ 測定距離
１４７ バス
１５０ 光検出システム
１５１ 出力信号
１５２ アナログ相互インピーダンス増幅器
１５３ 増幅信号、アナログ信号
１５５ 光検出器
１６１ パルス発射信号
１６２ パルスインデックス信号
１６３ 戻り信号
１６７ パルス発射信号
１６７Ａ 照射パルスのセグメント
１６７Ｂ 照射パルスのセグメント
１６７Ｃ 照射パルスのセグメント
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】